Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ и направления развития сепарационнои техники центробежного типа 13
1.1. Теоретические основы разделения гетерогенных смесей под действием центробежных сил 15
1.2. Назначение и критерии оценки сепарационной аппаратуры 23
1.3. Конструкции центробежных сепараторов 27
1.3.1. Сепарационные центробежные элементы 28
1.3.2. Устройства ввода и распределения потока 43
1.4. Обоснование выбранного направления и задачи исследования 47
2. Исследование процесса сепарации в прямоточных аппаратах центробежного типа 51
2.1. Определение эффективности сепарации жидкости в центробежном сепарационном элементе 51
2.2. Алгоритм расчета эффективности первичного осаждения жидкости на стенки сепаратора 54
2.2.1. Распределение капель по размерам на входе в сепаратор 54
2.2.2. О допущениях, принятых при расчете центробежной сепарации 57
2.2.3. Уравнения движения одиночной капли в рабочей зоне центробежного сепарационного элемента и расчет эффективности первичного осаждения 57
2.3. Алгоритм расчета эффективности сепарации жидкости, сорванной с пленки 61
2.3.1. Фракционная интенсивность срыва 61
2.3.2. Уравнения движения сорванных капель. Начальные условия 64
2.3.3. Расчет эффективности сепарации сорванной с пленки жидкости 65
2.4. Алгоритм расчета эффективности сепарации жидкости,
разбрызганной осаждающимися на пленку каплями 67
2.4.1. Математическая модель процесса разбрызгивания 67
2.4.2. Определение эффективности сепарации разбрызганной жидкости 70
3. Разработка конструктивных элементов газосепараторов 76
3.1. Разработка конструкции центробежного элемента 76
3.1.1. Центробежный сепарационный элемент 76
3.1.1.1. Завихрители 76
3.1.1.2. Патрубок 79
3.1.1.3. Внутренние устройства 79
3.1.1.4. Каплеотбойник 81
3.1.1.5. Модель центробежного сепарационного элемента 81
3.2. Разработка конструкции газосепараторов с центробежными сепарационными элементами 84
4. Экспериментальные исследования 90
4.1. Лабораторное исследование процессов 90
4.1.1. Задача и постановка экспериментального исследования 90
4.1.2. Прямоточный центробежный элемент с многофункциональным цилиндрическим вытеснителем 91
4.1.3. Экспериментальный стенд. Проведение эксперимента 92
4.1.4. Анализ экспериментального исследования 97
5. Внедрение результатов исследования в производство 105
5.1. Реконструкция сепараторов с применением центробежных элементов 105
5.2. Эксплуатационные испытания и исследования реконструированных сепараторов 109
5.2.1. Определение эффективности сепаратора с помощью U-образной
трубки с комбинированным наполнителем 110
5.2.2. Обработка полученных результатов 111
5.2.3. Результаты и анализ проведенных эксплуатационных испытаний 114
5.3. Технико - экономический анализ 115
Выводы 118
Список использованных источников
- Конструкции центробежных сепараторов
- Уравнения движения одиночной капли в рабочей зоне центробежного сепарационного элемента и расчет эффективности первичного осаждения
- Модель центробежного сепарационного элемента
- Прямоточный центробежный элемент с многофункциональным цилиндрическим вытеснителем
Введение к работе
Разделение гетерогенных газожидкостных и трехфазных (газ-жидкость-жидкость и газ-жидкость-твердые примеси) смесей - наиболее распространенные процессы в нефте- газодобывающей и перерабатывающей промышленности, а также в различных теплоэнергетических системах. Разработка высокоэффективной техники разделения гетерогенных потоков - сепараторов, пылеуловителей, фильтров, отстойников обеспечивает защиту технологических установок от загрязнений, повышает эффективность ведения процессов и экологическую чистоту производств.
Повышение эффективности и надежности сепарационного оборудования является одной из ключевых задач по улучшению качества получаемых конечных продуктов, уменьшению энергопотребления, габаритов и массы технологического оборудования (ресурсосбережению в промышленности).
В настоящее время производительность добывающих и перерабатывающих нефтяных и газовых предприятий существенно изменяется во времени (колеблется). Это связанно с неустойчивой добычей и сбытом углеводородных продуктов в условиях рыночной экономики. Кроме того, при эксплуатации систем добычи, подготовки и переработки углеводородного сырья меняются режимные параметры оборудования, т.е. колебания по расходам, давлениям, компонентному составу углеводородного сырья, соотношения жидкой и газовой фаз и т.д. В современных теплоэнергетических установках, где применяются прямоточные котлы большой производительности, используемая сепарацион-ная техника не обеспечивает их работу из-за низкой допустимой паровой нагрузки. В рассматриваемых системах и аппаратах в процессе эксплуатации время от времени возникают нестационарные гидродинамические режимные явления (гидроудары, пробковые газожидкостные течения и залповые выбросы).
Разработанная сегодня сепарационная техника обеспечивает эффективное разделение гетерогенных смесей при незначительных отклонениях (порядка ± 10-И 5%) технологических параметров (давление, расход), заложенных при ее проектировании. При более значительных отклонениях параметров эффективность современных разработок сепарационнои техники заметно снижается.
В связи с этим, были предприняты попытки создать эффективную конструкцию малогабаритного центробежного сепаратора, пригодного для работы в широком диапазоне параметров и режимных факторов, характерных для прямоточных котлов.
На сегодняшний день известно большое количество различного типа конструкций сепарационнои техники, которая обеспечивает решение локаль ных задач по разделению гетерогенных смесей. В таблице 1.1 приведены при меры использования сепарационнои техники в зависимости от содержания жидкости или капельной влаги в газе, например: в сетчатых аппаратах, фильтрах и центробежных сепараторах — отделение газа от мелкодисперсной жидкости и твердых частиц [46,69,78,84]; в аппаратах полочного, жалюзийного и центробежного типов производят разделение жидкостных смесей с небольшой примесью газовой или паровой фаз [69,78]; в трубных и входных нефтеконден-сатоотделителях, с применением в каплеотбойной части центробежных элементов, улавливают большие объемы жидкости при их залповых выбросах из газопроводов [116].
Однако, их широкому применению в условиях современных систем сбора, подготовки и переработки углеводородного сырья препятствуют несовершенные методы расчетов процесса разделения гетерогенных смесей при колебаниях давления, производительности и т.д., а также отсутствие соответствующих конструкций аппаратов и устройств.
Актуальность работы. Проблемы повышения эффективности и надежности сепарационного оборудования являются одними из ключевых в решении задач по улучшению работы промышленных теплоэнергетических систем, установок по подготовке и переработке жидких и газообразных многокомпонентных углеводородных продуктов, уменьшения энергопотребления технологических установок, габаритов и массы оборудования, составляющих основные статьи ресурсосбережения в промышленности. На современных производствах, где технологические режимы подвержены колебаниям по производительности, рабочему давлению, соотношению фаз и т.д. должна обеспечиваться высокая эффективность сепарации.
Поставленные задачи могут быть решены при использовании в технологических схемах сепараторов центробежного типа, оснащенных прямоточными центробежными элементами, как в вновь строящихся нефте- и газоперерабатывающих и энергетических производствах, так и при их реконструкции. Сепараторы с центробежными элементами дают возможность проводить тонкую очистку газа от механических и жидких примесей, обеспечивая высокую эффективность разделения газожидкостных сред.
Исследования автора в диссертационной работе выполнены на кафедре «Промышленная теплоэнергетика» КубГТУ и в секторе разработки сепараци-онной и теплообменной аппаратуры лаборатории №1 научно-исследовательского и проектного института по переработке нефтяного газа ОАО «НИПИгазпереработка» в рамках комплексной научно-технической программы «Концепции развития газонефтехимического комплекса ОАО «Газпром» и АК «Сибур» на период до 2005 г.» и договоров №2000.64 «Реконструкция сепарационного оборудования на Коробковском ГПЗ», №2927 «Разработка комплексных решений по повышению производительности комбинированной установи У-1.731 при проведении капитального ремонта на Астраханском ГПЗ», № 2.42.06.08-2000 «Расчетные и экспериментальные исследования работы прямоточных центробежных элементов конструкции ОАО «НИПИгазпереработка», ответственным исполнителем которых являлся соискатель.
Цель работы. Создание высокоэффективного сепарационного оборудования с прямоточными центробежными элементами, обеспечивающими эффективную работу аппаратов в широком диапазоне колебаний нагрузок. Разработка инженерного метода расчета этих аппаратов, с учетом явлений вторичного уноса и разбрызгивания капель жидкости, позволяющего определять их основные конструктивные размеры, а также технологические характеристики и эффективность разделения газожидкостных потоков в центробежных элементах.
Научная новизна. Научная новизна настоящей работы заключается в следующем:
1. Выявлено влияние явлений вторичного уноса жидкости и разбрызгивания капель в центробежном сепарационном элементе на его эффективность сепарации фаз.
2. Разработана методика расчета основных характеристик центробежного сепарационного элемента с учетом явлений вторичного уноса и разбрызгивания капель жидкости внутри элемента.
3. Разработаны конструкции:
- прямоточного центробежного сепарационного элемента;
- узлов ввода и распределения потоков перед подачей в зону центробежного разделения; - двухступенчатого центробежного сепаратора, работающего в широком диапазоне производительности. На разработанные конструкции получены патенты и свидетельства РФ.
Практическая ценность и промышленная реализация работы. На основании проведенных расчетных и экспериментальных исследований разработаны алгоритм и программа расчетов на ЭВМ эффективности газожидкостной сепарации. Разработана конструкция нового прямоточного центробежного элемента имеющего определенные преимущества перед широко используемыми в России и за рубежом внутренними устройствами подобного типа. Создан и внедрен двухступенчатый центробежный сепаратор, эффективно работающий при значительных колебаниях производительности на Коробковском ГПЗ. Усовершенствованы конструкция узла ввода газожидкостного потока в сепаратор и устройства распределения потоков в аппарате. Внедрен топливный сепаратор тонкой очистки газа для микротурбин ФС-200, оснащенный новым разработанным узлом ввода потока и центробежным сепарационным элементом. Использование новых разработок в сепараторах на промышленных объектах позволит повысить эффективность очистки газа от примесей и расширить диапазон нагрузок по производительности газа, это подтвердили результаты испытаний сепараторов, внедренных на действующих установках Коробковского ГПЗ и Сладковской УПГ.
Апробация работы. Результаты работы докладывались: на XIX Всероссийском межотраслевом совещании по рациональному использованию нефтяного газа и других видов легкого углеводородного сырья, ОАО «НИПИгазпереработка», 1999 г., г. Краснодар; на XX Всероссийском межотраслевом совещании по проблемам получения и использования легкого углеводородного сырья, ОАО «НИПИгазпереработка», 2000 г., г. Краснодар; на XXI Всероссийском межотраслевом совещании по вопросам использования газа, ОАО «НИПИгазпереработка», 2001 г., г. Краснодар; на семинаре «Проблемы утилизации по путного нефтяного газа и энергетическое обеспечение предприятий нефтегазового комплекса», 2002г., Санкт-Петербург.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 9 статей, получено 3 патента на изобретение и 1 свидетельство на полезную модель. Также поданы две заявки на изобретение в ФИПС.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников, условных обозначений и приложений. Общий объем составляет 150 страниц и включает 52 рисунка и 6 таблицы. Список литературы содержит 151 наименование работ отечественных и зарубежных авторов.
Конструкции центробежных сепараторов
Основными требованиями, предъявляемыми к любым сепараторам, являются: высокая степень очистки и большая производительность при минимальном расходе энергии, простота конструкции, низкая стоимость изготовления, монтажа и эксплуатации.
Сравнительный анализ различных способов сепарации и аппаратурных решений показал, что наиболее эффективные конструкции - это конструкции, в которых разделение фаз осуществляется в закрученном потоке. Этот принцип был положен в разработку целой серии центробежных сепараторов, которые при соответствующей организации подвода жидкости в элементы могут быть использованы как скоростные контактные устройства для мокрой очистки газов от пыли или абсорбционной очистки газов [10,12,13,17,20-22].
Завихрители центробежных элементов, в зависимости от назначения, выполняют: - тангенциальными, с лопастями, расположенными параллельно оси цилиндрического канала элемента с подводом газа с периферии внутрь (рис. 1.2, а) или от оси к периферии (рис. 1.2, б); - осевыми, с лопастями, перпендикулярными к оси канала (рис 1.2, в); - с плоскими или профилированными лопастями, ленточными (рис. 1.2, г). Промежуточное положение между тангенциальными и осевыми занимают конические (аксиально-тангенциальные) завихрители, с подводом газа от оси (рис. 1.2, д) или с периферии (рис. 1.2, е).
Многочисленными экспериментами установлено, что максимальная эффективность сепарации достигается при углах установки лопаток 55-ь60 к оси завихрителя [57,68]. Повышение эффективности получают на лопатках с изменяемым углом закрутки от 20 вблизи центра до 75 у периферии. В этом случае осевая составляющая скорости у центра возрастает, газ перетекает из периферии в центр, а частицы дисперсной фазы сепарируются от центра на периферию. Установлено, что углы закрутки потока после завихрителей не зависят от скорости потока. Характер распределения безразмерного профиля тангенциальной скорости близок к параболическому и максимальное значение тангенциальной скорости более чем в 2 раза, а иногда и в 3 4 раза превышает среднюю осевую скорость [82].
Центробежное осаждение является одним из наиболее эффективных путей интенсификации процесса осаждения дисперсной фазы. ш Центробежные сепараторы вертикального исполнения разделяются на сепараторы с восходящим и нисходящим движением фаз в зоне сепарации. При восходящем движении газожидкостного потока среднерасходная скорость газа по аппарату не может быть ниже 10ч-12 м/с, так как при меньших скоростях газа возникают пульсации жидкости и наблюдается ее провал. При нисходящем прямотоке принципиально возможны любые значения скорости газа [36].
Исследованиями установлено, что удовлетворительная степень сепарации жидкости достигается при отношении входной площади завихрителя к площади сечения патрубка 0,8-ь1, отношение длины патрубка к диаметру 3-М-и отношение площади между стенкой патрубка и отбойным элементом к площади патрубка 0,2-г0,3 [52].
Прямоточно-центробежный элемент (рис. 1.3 а, б) состоит из цилинд Ф рических патрубков 1, жестко закрепленных в полотне тарелки 2. В верхней части патрубков установлены с зазором отбойные колпачки 3, а в нижней части завихрители 4. Завихритель может быть выполнен аксиальным (рис. 1.3 а) или тангенциальным (рис. 1.3 б).
При работе сепаратора газо- (паро-) жидкостной поток поступает снизу в сепарационные патрубки, проходит многолопастные завихрители или тангенциальные щели и приобретает наряду с осевым вращательное движение. Капли жидкости в поле центробежных сил отбрасываются к внутренней поверхности трубчатых элементов и сливаются в виде пленки, текущей по внутренним стенкам в направлении движения газа. На выходе жидкость в виде пленки с помощью отбойных колпачков отводится в межпатрубковое пространство и под действием силы тяжести падает на тарелку, а газ через центральное отверстие уходит вверх. Эффект разделения обратно пропорционален радиусу вращения, применение многоэлементной конструкции сепаратора обеспечивает высокую степень очистки. В сепарационных элементах движение фаз направлено в одну сторону, что устраняет изменение осевого движения газового потока в зоне разделения на 180, которое имеет место почти во всех циклонных устройствах. Наличие подобного поворота в циклонах способствует возникновению вторичных вихрей и уносу взвешенной фазы. Размер и число элементов, составляющих сепарирующее устройство, определяют в зависимости от расхода газа.
Уравнения движения одиночной капли в рабочей зоне центробежного сепарационного элемента и расчет эффективности первичного осаждения
Допущения, принятые при дальнейшем рассмотрении и расчете центробежной сепарации, касаются оценке сил в уравнениях движения капель, гидродинамики несущего их потока, содержания жидкости на входе в сепаратор, постановки начальных условий для капель. Отметим основные из них: 1. Движение капель в потоке считается независимым. Для соблюдения этого условия необходимо предположить отсутствие столкновения между каплями, дробления, межфазных переходов. Такой подход накладывает ограничения на массовое содержание жидкости на входе в аппарат до 5-Н5 %. 2. Сведения о гидродинамике несущего потока взяты из исследования [108]. 3. При описании поля скоростей вблизи стенки принято допущение о возможности оценки гидродинамического сопротивления закрученного потока как в случае прямых труб. 4. Распределение капель на входе в сепаратор принято равномерным по входному сечению в следе за лопатками завихрителя. В качестве начальных условий для капель при исследовании их движения в завихрителе и первичного осаждения в сепараторе приняты условия совпадения их со скоростью газа в месте ввода их в поток.
Поведение частиц в закрученном потоке описывалось на основе уравнений движения для индивидуальной частицы в сплошной газовой среде. Диффе ренциальное уравнение переноса количества движения частицы в сплошной среде в общем случае имеет вид - + div(pv) = - VP - div р + ]Г pFK, 2.6) К. где: VP - сила давления на единицу объема; р - тензор вязких напряжений; ypFK - суммарное действие всех внешних сил. к
Если предположить, что капли жидкости представляют собой твердые сферические частицы, не дробятся и не коагулируют (малые концентрации), то уравнение движения таких частиц в векторной форме можно описать уравнением: ,2 dv _ 7td Dfww dc 1 mn — = Cn 1- nif —+-mf p dt 4 2 t dt 2 t dc dv . dt dt . v J (2.7) + (mp - mf )g + - pf (c - v)x rote, где: в левой части - сила, необходимая для ускорения капли; в правой части первый член - сила сопротивления; второй - сила, связанная с наличием градиента давления в потоке; третий - сила присоединенной массы; четвертый - выталкивающая сила - как разность силы тяжести и архимедовой; пятый - сила Магнуса. Здесь: mp = rcd3pp /6 - масса сферической капли; CD - коэффициент сопротивления; рр р, - плотность капли жидкости и плотность газа; d - диаметр капли; mf =7id3pf /6 - масса газа в объеме капли; v,c - векторы скорости капли и газа; w = с - v - вектор относительной скорости газа; « g - ускорение силы тяжести; w - модуль относительной скорости. Уравнение (2) вместе с начальными и граничными условиями, а также с экспериментально полученным полем скоростей газового потока представляет собой полностью определенную систему дифференциальных уравнений и решается известным численным методом, например, методом Рунге-Кута.
Начальными условиями для капель являются условия совпадения их ско # ростей со скоростью газа в месте ввода в поток.
Для расчета коэффициента первичного уноса площадь входного сечения сепаратора разбиваем на S колец шириной Аг, а спект капель на I фракций и по уравнениям движения прослеживаются траектории всех капель, попадающих в зону сепарации из всех колец. Относительная доля капель каждой фракции размеров на входе в сепаратор известна из расчета движения жидкости в кана лах завихрителя [84]. Траектории капель прослеживаются до момента осажде » ния их на стенку аппарата или их выноса из рабочей зоны. Условием осаждения является совпадение радиальных координат капель и верхней границы слоя жидкости на стенке, условием выноса - превышение осевой координаты капли над длиной зоны сепарации.
Для расчета эффективности сепарации в предложенном автором алгоритме оцениваются доля жидкости г\, осевшей на стенке аппарата, как сумма относительных долей капель всех размеров, попавших а поток из всех колец asi - радиус капли і-того размера, попавшей в поток из S-того кольца. Оставшаяся часть жидкости уносится из сепаратора и коэффициент первичного уноса определяется из соотношения
Модель центробежного сепарационного элемента
Предлагаемый вариант позволяет производить рециркуляцию газа, избегая разрушения центробежно-движущегося газожидкостного потока, и перекрывать центральную зону, в которой при высоких скоростях возникают обратные токи.
При установке в верхней части патрубка предлагаемой конструкции ка-плеотбойного колпачка большое влияние окажет угол наклона лопастей завихрителя. В работах [38,39,60,62,68,100] опытным путем установлено, что при угле наклона лопастей тангенциального завихрителя от 27 до 35 относительно касательной линии и зазоре между колпачком и патрубком от 2 до 4 мм доля газа, попадающего под колпачок, составит не более 15%, что вполне приемлемо для узла каплеотбойника. В работе принята ранее разработанная конструкция каплеотбойника и оптимальные размеры на основании работ других авторов.
В результате детальной проработки узлов центробежного сепарационно-го элемента скомпонована его принципиальная конструкция, которая имеет следующий вид (см. рис. 3.5 и 3.6).
Разработанный центробежный элемент (рис. 3.6) включает обечайку 1 с ловушкой для отделения жидкости 3 и завихритель 2. Внутри обечайки соосно ей размещено тело 4 (многофункциональный цилиндрический вытеснитель) цилиндрической формы, один торец которого выполнен герметичным 5 и выступающим над ловушкой отделенной жидкости 3, а другой торец выполнен в виде сопла 6 и расположен над завихрителем 2. Кроме того, выступающая торцовая часть полого тела снабжена газоподводящими патрубками 7.
Диаметр полого тела (цилиндрического вытеснителя) 4 соответствует 0,3 -0,5 диаметра обечайки, при этом герметичный торец 5 расположен на расстоянии, равном 0,5-И,0 диаметра обечайки, считая от верхней кромки ловушки отделенной жидкости 3. Кроме того, сопло 6 расположено над завихрителем 2 на расстоянии, равным 0,2+0,5 диаметра обечайки, а диаметр отверстия сопла 6 равен 0,2-4-0,6 диаметра полого тела 4. Газоподводящие патрубки 7 направлены вдоль поверхности обечайки 1, а вход в патрубок расположен на расстоянии 0,2+0,7 высоты обечайки, считая от нижней кромки ловушки отделенной жидкости 3.
Размещение внутри обечайки соосно ей полого тела цилиндрической формы обеспечивает гашение кинетической энергии потока, поступающего на разделение, что устраняет вихреобразование и вторичный унос и позволяет за счет этого повысить эффективность отделения жидкости от газа. Выполнение полого тела (цилиндрического вытеснителя) диаметром 0,3+0,5 диаметра обечайки позволит снизить гидравлическое сопротивление сепарационного элемента, а также предотвращает возникновение циркуляционных (обратных) токов газа в центральной его части.
Расположение герметичного торца полого тела выше обечайки на расстоянии, равном 0,5+1,0 диаметра обечайки, считая от верхней кромки ловушки, и размещение газоподводящих патрубков у герметичного торца объясняется тем, что при таком расположении газоподводящие патрубки не нарушают структуру центробежного поля внутри элемента, особенно в момент отвода жидкой фазы с помощью ловушки отделенной жидкости.
Расположение сопла напротив завихрителя на расстоянии, равном 0,2+0,5 диаметра обечайки, объясняется тем, что на таком расстоянии окончательно формируется центробежный поток с зоной пониженного давления в центре, которое обеспечивает подачу газа извне через сопло в закрученный поток. Выполнение сопла с диаметром отверстия, равным 0,2+0,6 диаметра полого тела, обеспечивает достаточную рециркуляцию газа.
Как уже было отмечено в разделе «Анализ и направления развития сепа-рационной техники центробежного типа» существует множество разновидностей газосепараторов, в которых процессы разделения паро-газожидкостных смесей осуществляется с применением центробежных, гравитационных и инерционных сил. Но применение разного типа аппаратов в промышленных условиях по степени очистки газа от капельной жидкости и механических примесей можно выделить только три группы аппаратов: сетчатые сепараторы, фильтры и сепараторы с центробежными насадками. Все аппараты способны работать с эффективностью разделения фаз до 95,0%, но аппараты с прямоточными центробежными элементами в ходе длительной эксплуатации не требуют дополнительного обслуживания, промывки, замены и т.д., в отличие от других представленных вариантов.
Комбинированное применение центробежных и волокнистых насадок возможно лишь при использовании аппарата в стационарных технологических режимах с ограниченным содержанием примесей во входе потока, так как ресурс работы сетчатой или волокнистой насадки ограничен. В противном случае, необходимо производить регулярную промывку или замену сетчатой или волокнистой насадки.
Учитывая то, что сепараторы тонкой очистки газа могут быть установлены в узлах технологической цепочки, где в составе газа имеется сероводород и углекислый газ (агрессивные примеси), то применение сетчатой насадки не желательно из-за быстрого разрушения. В результате сравнения этих вариантов можно сделать вывод о целесообразности создания двухступенчатого аппарата с центробежными сепарационными элементами.
Прямоточный центробежный элемент с многофункциональным цилиндрическим вытеснителем
Для надежной и эффективной работы сепарационных элементов необходимо для каждой конкретной конструкции проведение экспериментальных исследований по распределению структуры газового потока. Несмотря на значительное количество исследований в этой области, движение газа в закрученном потоке, которое носит весьма сложный характер, и до настоящего времени изучено еще недостаточно полно.
Необходимы исследования, связанные с совершенствованием серийно выпускаемых сепарационных элементов. Поэтому с появлением новых конструктивных узлов и деталей (завихрителей, рециркуляторов и вытеснителей), которые в совокупности дополняют другие элементы и на их основе можно сделать практические выводы о характере потока и эффективности работы элемента в целом.
Для правильного и целостного представления физической сущности процесса прохождения газожидкостных смесей в закрученном потоке газа, движущемся в прямоточных центробежных элементах, необходимо изучение распределения скоростей и давлений по радиусу и сечениям этих элементов.
Стендовые исследования по определению поля скоростей внутреннего пространства центробежного сепарационного элемента проводились с целью выявления процессов, происходящих в элементе диаметром 100 мм нового образца, с многофункциональным вытеснителем-рециркулятором, по сравнению с элементом того же диаметра, но другого конструктивного исполнения.
Исследования структуры газового потока в центробежном сепарацион-ном элементе включали измерение поля скоростей и давления потока в пяти сечениях по высоте и в 12 точках по радиусу элемента.
Поля скоростей определялись с помощью измерительного комплекса с использованием зонда специальной конструкции.
Основной задачей проведения исследований является определение экспериментальным путем структуры газового потока в прямоточном центробежном элементе с многофункциональным вытеснителем и рециркулирую-щими патрубками при различных режимах его работы. Стендовые исследования позволяют определить поля скоростей внутреннего пространства разработанного сепарационного элемента с целью выявления процессов, происходящих в элементе нового образца по сравнению с элементами других конструкций, прошедших аналогичные испытания. Проведение экспериментального исследования в лабораторных условиях позволит произвести замеры угла закрутки газового потока и дальнейшую теоретическую обработку полученных данных.
Прямоточный центробежный элемент с многофункциональным цилиндрическим вытеснителем (авторское изобретение) относится к технике разделения газожидкостных потоков и может быть использовано в различных узлах разделения газожидкостных потоков.
Техническая задача, решаемая в ходе разработки центробежного элемента сводилась к повышению эффективности разделения жидкости и газа и снижению гидравлического сопротивления.
Центробежный элемент, изготовленный для проведения экспериментальных испытаний, выполнен в полном соответствии с изобретением автора [95] (см. рис. 4.1).
Диаметр обечайки сепарационного элемента равен 100 мм. Определяющие размеры деталей центробежного сепарационного элемента приведены в таблице 4.1. Для проведения сравнительного анализа размерных характеристик в этой же таблице представлены диапазоны размеров, в рамках которых обеспечивается наиболее эффективная работа элемента.
Эффективность работы прямоточного центробежного сепарационного элемента во многом зависит от структуры газового потока в нем. Поэтому программа исследований предусматривала проведение особо тщательного эксперимента, в котором определялись: угол закрутки, полный статический и динамический напор. Измерения проводились в пяти сечениях центробежного элемента (рис. 4.3) и отдельно в его патрубках. Сечения были выбраны на расстоянии: - 5 мм вниз от нижней образующей элемента; - 120, 80, 20 мм вниз от верхней образующей каплеуловителя; 15 мм вверх от нижней образующей каплеуловителя.
В каждой сечении проведены 12 замеров, передвигая зонд от центра к его периферии по указанным относительным координатам r/R.
Схема экспериментальной установки для определения поля скоростей, представленная на рис. 4.2, работает следующим образом. Поток газа, создаваемый высоконапорной воздуходувкой 1 и регулируемый с помощью шибера 2, направляется в выравнивающий элемент 3, представляющий собой набор трубок длинной 25 см и диаметром 1 см, с целью создания одномерного потока газа. Затем этот поток направлялся на вход центробежного элемента 4.
