Циклонный сепаратор для разделения текучей среды

007311 Область техники, к которой относится изобретение Настоящее изобретение относится к циклонному сепаратору для отделения одного или более чем одного конденсируемого, жидкостного и/или твердого компонента из многофазной смеси текучей среды. Уровень техники Такие циклонные сепараторы для текучей среды известны из заявки на выдачу европейского патента 0496128 и из опубликованной международной заявки WO99/01194. Циклонные сепараторы, известные из указанных аналогов, содержат расположенную выше по течению входную часть, где текучая среда ускоряется до сверхзвуковой скорости и охлаждается, среднюю часть генерации вихрей, в которой расположенные с наклоном элементы в виде лопаток генерируют вихри в ускоренном охлажденном потоке текучей среды, и часть разделения компонентов, находящуюся ниже по течению, на которой обогащенные и обедненные конденсаты фракций текучей среды разделяют и направляют в отдельные выпускные патрубки. В результате ускорения потока текучей среды во входной части до сверхзвуковой скорости текучая среда расширяется и быстро охлаждается до температуры значительно ниже 0 С так, что при этом один или более из сгущаемых компонентов конденсируется и/или твердеет, например водный компонент или С 5+ углеводородный компонент. Наличие вихря, образованного при обтекании наклонной лопатки или лопаток, в охлажденном потоке текучей среды приводит к тому, что в трубчатой средней, по ходу течения, части трубчатого корпуса сепаратора происходит закручивание смеси холодных газообразных компонентов текучей среды и тумана сконденсированной сжиженного и/или отвердевшего компонентов, за счет чего вблизи расположенного ниже по течению конца средней части корпуса сепаратора возникают центробежные силы, обуславливающие концентрацию обогащенной смеси конденсатов текучей среды вблизи внешнего периметра окружности во внутреннем объеме трубчатой средней части и концентрацию смеси обедненных конденсатов текучей среды вблизи центральной оси трубчатой средней части. Завихренная смесь компонентов текучей среды из средней части протекает в разделительную часть, по оси которой установлен трубчатый вихреуловитель таким образом, что обедненная смесь конденсатов текучей среды входит во внутренний объем трубчатого вихреуловителя, а обогащенная смесь конденсатов текучей среды втекает в кольцевой канал, образованный между внешней поверхностью трубчатого вихреуловителя и внутренней поверхностью разделительной части сепаратора. В описании изобретения к авторскому свидетельству СССР 1768242 раскрыта конструкция трубчатого циклонного сепаратора, где текучую среду подают в сопло с кольцевым каналом, в котором генерируется вихрь с помощью ряда лопаток, размещенных между установленным внутри сопла центральным телом и цилиндрическим корпусом сепаратора. Указанное центральное тело ниже по течению от места нахождения лопаток выполнено с большей величиной поперечного сечения, ограниченного внешним периметром окружности, так, что образуется сужение сопла, в котором текучая среда ускоряется до сверхзвуковой скорости и тем самым расширяется и охлаждается, при этом конденсируемые компоненты конденсируются и/или твердеют, и затем поток текучей среды, обогащенный конденсатами, отделяется от завихренной смеси текучей среды с помощью одного или более выпускных отверстий в корпусе трубчатого сепаратора. Известные циклонные сепараторы текучей среды способны отделять значительную часть конденсируемых компонентов из смеси текучих компонентов, в то время как настоящее изобретение обеспечивает еще большее повышение эффективности процесса разделения в циклонных сепараторах. Краткое описание изобретения Циклонный сепаратор для текучей среды в соответствии с настоящим изобретением содержит входную часть, расположенную выше по течению, в которой смесь текучих компонентов ускоряется до околозвуковой или сверхзвуковой скорости для расширения и охлаждения этой смеси, так что один или более чем один конденсируемый компонент сжижается и/или твердеет, часть разделения компонентов,расположенную ниже по течению, где фракции текучей среды, включающие обедненные конденсаты и обогащенные конденсаты, разделяют и подают в раздельные выходные каналы, и трубчатую среднюю часть генерации вихрей, содержащую большое количество расположенных с наклоном лопаток (см. фиг. 2), генерирующих вихри в ускоренном охлажденном потоке текучей среды, при этом концы лопаток находятся на расстоянии S, составляющем менее 0,2 W, от внутренней поверхности средней части генерации вихрей, которая в месте расположения концов лопаток имеет в поперечном сечении ширину (высоту) W. Текучая среда, поступающая в циклонный сепаратор, может, кроме того, содержать частицы жидкости или твердые частицы, которые необходимо отделить друг от друга на участке разделения ниже по потоку. Как было установлено, в непосредственной близости от концов каждой лопатки образуется вихрь и недалеко от концов различных лопаток, которые расположены на значительном расстоянии друг от друга, генерируются вихри. Образованные вихри, помимо того, вращаются по спиральным траекториям относительно друг друга. В результате вращения различных вихрей формируются спирально закрученные потоки, которые постепенно соединяются и сходятся в однонаправленный вихрь с центром вращения на или около центральной оси трубчатого корпуса сепаратора.-1 007311 Кроме того, было установлено, что образование расположенных на значительном расстоянии друг от друга вихрей на далеко отстоящих друг от друга концах лопаток циклонного сепаратора текучей среды, выполненного в соответствии с изобретением, значительно увеличивает эффективность процесса разделения. Входное отверстие трубчатого вихреуловителя может иметь овальную или волнистую форму сечения,которая приспособлена к конфигурации вихрей в месте расположения указанного входного отверстия. Лопатки могут иметь дельтовидный профиль и выступать из внутренней поверхности средней трубчатой части, в которой происходит генерация вихрей. Часть сепаратора, в которой генерируются вихри, может быть расположена ниже по течению от суженной части, где текучая среда ускоряется до сверхзвуковой скорости и за счет этого расширяется и охлаждается, и в то же время выше по течению от трубчатого вихреуловителя с волнистым профилем, отделяющего охлажденную газообразную фазу от охлажденной фазы, обогащенной конденсатами. Предпочтительно, чтобы лопатки с дельтовидным профилем перекрывали большую часть ширины трубчатой средней части генерации вихрей, так чтобы расстояние между основанием и вершиной каждой лопатки, в направлении поперек продольной оси, составляло более чем 0,8 W, а расстояние от вершины каждой лопатки до противоположной стороны внутренней поверхности средней трубчатой части - менее 0,2 W; более предпочтительно оно составляет менее 0,15 W. Следует понимать, что для цилиндрической внутренней поверхности средней трубчатой части генерации вихрей ширина W равна внутреннему диаметру указанной трубчатой части, а в случае выполнения указанной части сепаратора с овальным или волнистым профилем сечения ширина W равна средней величине внутреннего диаметра указанной части сепаратора. В качестве альтернативы лопатки установлены на центральном несущем теле, проходящем от трубчатой разделительной части сепаратора через суженный участок, в сопло, расположенное в трубчатой входной части сепаратора, при этом в зоне горловины сопла на несущем теле имеется профилированный участок, площадь поперечного сечения которого больше, чем на том участке несущего тела, где установлены лопатки. Таким образом, снабженное лопатками несущее тело образует внутри сопла центрально расположенный сердечник и тем самым уменьшает или исключает необходимость в участке сужения, где в месте нахождения сопла трубчатая входная часть сепаратора имеет уменьшенный внутренний диаметр. Ширину (площадь) проходного сечения сопла можно регулировать путем перемещения несущего тела вдоль корпуса сепаратора или путем замены одного несущего тела на другое несущее тело, которое в зоне расположения сопла имеет иной профиль сечения. В данном описании и в приложенных пунктах формулы термины "конденсируемые компоненты" и/или "конденсаты" используются для обозначения компонентов, которые конденсируются и/или твердеют во внутреннем объеме сепаратора при реализуемых локальных температурах. Некоторые из конденсируемых компонентов, такие как водяной пар, сначала могут конденсироваться с образованием тумана из капелек жидкости и затем застывать с превращением в твердую фазу, например лед, кристаллы,в то время как другие конденсируемые компоненты могут незамедлительно переходить из газообразной в твердую фазу. Краткое описание чертежей Настоящее изобретение далее будет описано более подробно с помощью примера и со ссылкой на сопровождающие чертежи. Фиг. 1 - схематичное продольное сечение циклонного сепаратора текучей среды согласно настоящему изобретению. Фиг. 2 - поперечное сечение по линии II-II циклонного сепаратора, представленного на фиг. 1, вид в направлении, показанном стрелками. Фиг. 3 - поперечное сечение по линии III-III концевого участка, расположенного ниже по течению,циклонного сепаратора согласно фиг. 1, вид в направлении, показанном стрелками. Фиг. 4 - схематическое изображение частичного поперечного сечения альтернативного примера воплощения настоящего изобретения, в котором на центральном несущем теле с лопатками установлены четыре дельтовидные лопатки, придающие потоку вихревое движение. Фиг. 5 - поперечное сечение по линии V-V циклонного сепаратора текучей среды, показанного на фиг. 4, вид в направлении стрелок. Раскрытие изобретения На фиг. 1 показан циклонный сепаратор для текучей среды, в котором многокомпонентная текучая смесь проходит от входной части 1, расположенной выше по течению, в суженную часть 2, где текучая смесь ускоряется до сверхзвуковой скорости и при этом в процессе адиабатического расширения охлаждается так, что один или более из конденсируемых компонентов текучей смеси конденсируется и/или твердеет до капель жидкости и/или твердых частиц. Охлажденная смесь затем со сверхзвуковой скоростью втекает в среднюю трубчатую часть 3 генерации вихрей, в которой установлена пара дельтовидных лопаток 4 А и 4 В под острым углом относительно центральной оси I сепаратора, при этом указанные лопатки 4 А и 4 В генерируют в текучих смесях вихри 6 А и 6 В, которые срываются с лопаток 4 А и 4 В, т.е. с концов лопаток или вблизи их концов 5 А и 5 В. В результате действия центробежных сил текучая среда-2 007311 вблизи центров вращения вихрей 6 А и 6 В представляет собой, по существу, обезвоженную газообразную фазу с низкой плотностью, которая поступает в первый внутренний выходной канал 7. Капли жидкости и/или частицы жидкости, плотность которых больше плотности газообразной фазы, центрифугируются к внешней периферии вихрей 6 А и 6 В и могут образовать кольцевую пленку жидкости или пульпы 8 на внутренней поверхности трубчатой разделительной части 3, ниже по течению от места расположения лопаток 4 А и 4 В. Эта пленка может поступать во второй кольцевой выходной канал 9, отделенный от первого внутреннего выходного канала 7 посредством трубчатого вихреуловителя 10. Второй выходной кольцевой канал 9 отводит смесь обогащенных конденсатов текучей среды во второй выпускной патрубок 12 отвода текучей среды. Как показано на фиг. 1 и 2, в трубчатой части 3 зона генерации вихрей характеризуется шириной W,определяемой от вершин лопаток 5 А и 5 В. В соответствии с настоящим изобретением каждая из вершин лопаток 5 А и 5 В расположена на относительно малом расстоянии S, составляющем менее 0,2 W, от внутренней поверхности трубчатой части 3 генерации вихрей при относительно большой величине общего расстояния D между вершинами,составляющем от 0,6 до 0,99 W, и предпочтительно составляющем от 0,8 до 0,98 W. За счет относительно большого промежутка D между вершинами лопаток центры вращения вихрей 6 А и 6 В расположены на значительном расстоянии друг от друга. Сердцевины вихрей 6 А и 6 В, имеющие, по существу, форму спиралей, расположенных вокруг центральной оси I сепаратора, постепенно объединяются, приобретая направление вдоль центральной оси I. Как было установлено, с точки зрения эффективности процесса разделения циклонного сепаратора выгодно, чтобы входное отверстие 11 трубчатого вихреуловителя 10,установленного в разделительной части 14, ниже по течению, было расположено так, чтобы вихри 6 А и 6 В перед ним еще не объединялись в единый вихрь, а указанное входное отверстие 11 имело волнистый профиль сечения, как показано на фиг. 3. Вихреуловитель 10 соединен с расположенным ниже по течению концом корпуса сепаратора с помощью подшипниковой конструкции 13, которая обеспечивает возможность поворота вихреуловителя 10 относительно корпуса сепаратора с вращением вокруг центральной оси I. Таким образом, вихреуловитель 10 может поворачиваться вокруг оси так, чтобы оси вращения вихрей 6 А и 6 В находились в непосредственной близости от центров внешних выпуклостей 11 А и 11 В волнообразного профиля входного отверстия 11 вихреуловителя 10. Угол поворота вихреуловителя 10 можно регулировать в зависимости от результатов измерения содержания жидких и/или твердых компонентов в текучей среде, отводимой посредством первого и второго выходных каналов 7 и 9 соответственно, причем таким образом, чтобы содержание жидких и/или твердых компонентов в первом выходном канале 7 было сведено к минимуму, в то время как содержание жидких и/или твердых компонентов во втором выходном канале было максимальным. На фиг. 5 представлен альтернативный пример воплощения циклонного сепаратора в соответствии с данным изобретением, в котором конструкция из четырех дельтовидных лопаток 50 размещена на центральном стержне 51, несущем эти лопатки. Стержень 51 установлен с возможностью вращения внутри трубчатой разделительной части 52 сепаратора и может проходить через суженную часть 53 и входное отверстие 54. Как показано на фиг. 5 и 6, концы 55 лопаток расположены на небольшом расстоянии S от внутренней поверхности трубчатой разделительной части 52 так, что расположенные на значительном расстоянии друг от друга указанные концы лопаток генерируют вихри. Эти вихри вращаются по спиральной траектории и постепенно объединяются с движением в направлении центральной оси V сепаратора. В разделительной части 58, расположенной в сепараторе ниже по течению, может быть установлен вихреуловитель, сечение которого имеет волнообразный профиль (не показан) с четырьмя выпуклостями, так,что каждый вихрь входит в одну из этих выпуклостей. Вихреуловитель может быть закреплен внутри разделительной части 58, расположенной в сепараторе ниже по течению, а центральный стержень 51,несущий лопатки, можно вращать относительно корпуса сепаратора с тем, чтобы фокусировать и направлять вихри 56 точно внутрь выпуклостей вихреуловителя с волнообразным профилем сечения. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Циклонный сепаратор для текучей среды, предназначенный для разделения конденсируемых,жидких и/или твердых компонентов текучей смеси, содержащий входную часть (1), расположенную выше по течению, в которой текучая смесь ускоряется до околозвуковой или сверхзвуковой скорости с расширением и охлаждением текучей смеси, так что один или более конденсируемых компонентов сжижается и/или твердеет, расположенную ниже по течению часть (3) для разделения компонентов, где фракции текучей среды, включающие обедненные конденсаты и обогащенные конденсаты, разделяют и подают в раздельные выходные каналы, и трубчатую среднюю часть генерации вихрей, содержащую большое количество наклонных лопаток (4 А, 4 В), концы которых расположены на расстоянии S, составляющем менее 0,2 W, от внутренней поверхности трубчатой средней части генерации вихрей, которая в области нахождения концов лопаток имеет в сечении внутренний размер W.-3 007311 2. Циклонный сепаратор по п.1, в котором входная часть (1), суженная часть (2) и трубчатая средняя часть (3) обеспечивают подачу потока текучей среды, включающей частицы жидкости и/или твердые частицы, ускорение и охлаждение потока текучей среды до околозвуковой или сверхзвуковой скорости, а разделительная часть (14), расположенная ниже по течению, обеспечивает отвод из потока текучей среды охлажденных частиц. 3. Циклонный сепаратор по п.1, в котором концы лопаток (4 А, 4 В) расположены с образованием осесимметричной конфигурации относительно оси трубчатой средней части (3), где происходит генерация вихрей. 4. Циклонный сепаратор по п.2, в котором пара наклонных дельтовидных лопаток (4 А, 4 В) выступает из внутренней поверхности трубчатой средней части (3) генерации вихрей, образуя осесимметричную конфигурацию относительно центральной оси трубчатой средней части генерации вихрей, при этом концы лопаток (4 А, 4 В) расположены, по существу, диаметрально противоположно относительно указанной центральной оси. 5. Циклонный сепаратор по п.3, в котором расстояние (D) между концами лопаток (4 А, 4 В) составляет от 0,6 до 0,99 W, более предпочтительно от 0,8 до 0,98 W. 6. Циклонный сепаратор по п.1, в котором три наклонные дельтовидные лопатки выступают из внутренней поверхности трубчатого среднего участка генерации вихрей, образуя осесимметричную конфигурацию относительно центральной оси трубчатой средней части генерации вихрей, при этом концы лопаток расположены с угловым интервалом 120 относительно центральной оси. 7. Циклонный сепаратор по п.1, в котором по меньшей мере две дельтовидные лопатки установлены с одинаковым угловым интервалом на протяженном теле-носителе лопаток, которое расположено, по существу, соосно с центральной осью трубчатой средней части генерации вихрей. 8. Циклонный сепаратор по п.2, в котором внутри разделительной части сепаратора установлен трубчатый вихреуловитель (10) с волнистым профилем, выпускной патрубок для отвода конденсатов обедненной текучей среды соединен с внутренним объемом вихреуловителя (10), а выпускной патрубок для отвода конденсатов обогащенной текучей среды соединен с кольцевым пространством (9), образованным между внешней поверхностью трубчатого вихреуловителя (10) и внутренней стенкой разделительной части (14) сепаратора. 9. Циклонный сепаратор по п.7, в котором ориентация трубчатого вихреуловителя с волнистым профилем совпадает с направлением центральной оси трубчатой средней части (3) сепаратора. 10. Циклонный сепаратор по п.1, в котором тело, несущее лопатки, проходит через суженный участок (2) трубчатой входной части (1) сепаратора и в зоне расположения суженного участка сопла содержит профилированный участок, площадь поперечного сечения которого больше, чем в той части тела, на которой установлены лопатки. 11. Циклонный сепаратор по п.10, в котором тело, несущее лопатки, установлено внутри трубчатой средней части с возможностью вращения.