способ улавливания газовой фазы турбулентного потока в трубопроводной системе и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ улавливания газовой фазы турбулентного потока в трубопроводной системе, включающий сбор пузырьков газа за счет перестраивания структуры течения на участке трубопровода, отличающийся тем, что на упомянутом участке трубопровода режим течения жидкости преобразуют в ламинарный, гасят поперечные пульсации скорости течения, формируют продольную скорость в ламинарном потоке так, чтобы время всплытия газового пузырька минимального диаметра было меньше времени прохождения потоком участка трубопровода, на котором производят сбор пузырьков газа, и после сбора газовой фазы преобразуют поток в первоначальный режим течения.

2. Устройство улавливания газовой фазы турбулентного потока в трубопроводной системе, содержащее узел изменения направления движения потока в виде установленной на участке трубопровода полой цилиндрической вставки, отличающееся тем, что последняя снабжена коническими конфузорно-диффузорными переходами и накопительной емкостью, причем внутри конфузора и диффузора размещены коаксиально установленные конусы, диаметр цилиндрической вставки равен большему диаметру конфузора, а длина определяется из соотношения

L_ц Д_л k V_л/V,

где L_ц длина цилиндрической вставки,

Д_л диаметр цилиндрической вставки,

k коэффициент запаса, больший единицы,

V_л скорость сформированного ламинарного потока,

V скорость всплытия пузырька минимального диаметра.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области химической, нефтехимической промышленности, теплотехнике, имеющих в своих производствах трубопроводные системы для транспортировки жидкостей, в частности в ряде установок нефтехимических комплексов.

Во вторых контурах охлаждения таких установок в качестве теплоносителя применяют воду, которая по трубопроводам собирается в открытые водосборники для дальнейшего применения. В качестве теплоносителей в первых контурах применяется газообразный водород или другие газообразные вещества, которые при возникновении аварийной ситуации прорыве трубопроводов первого контура попадают в теплоноситель (воду) второго контура и далее накапливаются в водосборниках, что приводит к опасности взрыва образующейся при смешивании водорода с воздухом взрывоопасной смеси и разрушению установки. При этом неизвестными параметрами являются место прорыва, время прорыва, характер прорыва, количество попавшего в воду взрывоопасного газообразного вещества. Единственной информацией о явлении прорыва является характер транспортировки его в воде в виде пузырьков газа (водорода) различного диаметра, образование и структура которых зависят от характера и места прорыва.

Изобретение направлено на выявление прорыва на ранней стадии посредством сбора и анализа газовой фазы в процессе работы установки без нарушения технологического процесса.

Диагностике газовой фазы в водяном потоке посвящены целые направления в научных исследованиях, базирующиеся на акустических, радиационных, электростатических и других методах. По этим проработкам получен ряд авторских свидетельств, например а. с. N 530243, G 01 N 29/00, N 693116, G 01 F 23/10, N 487304, G 01 F 1/00, N 1100459, кл. F 17 D 1/14, 1982. Известен патент США N 4320665.

Кроме того, известно применение деаэрации жидкости в гидродинамических и кавитационных трубах (Р. Кнэппа, Дж. Дэйли, Ф. Хэммита "Кавитация", М. 1974).

Все эти методы и средства позволяют с определенной степенью точности зафиксировать факт и количественное содержание газовой фазы, но не позволяют определить ее состав, что необходимо делать для обнаружения аварийного состояния или предаварийного (начальной стадии развития) состояния промышленной установки.

Наиболее близким техническим решением к заявленному является способ и устройство по а. с. N 1100459, кл. F 17 D 1/14, 1982. Возьмем его за прототип. В этом изобретении также, как и в заявленном осуществляется перестройка структуры течения газа в потоке двухфазной жидкости, причем также, как и в заявленном устройство для улавливания газовой фазы турбулентного потока содержит узел изменения направления движения газовой фазы в виде установленной на участке трубопровода полой цилиндрической вставки. Однако это изобретение не позволяет решить поставленной задачи. В нем операции с газовой средой направлены на прямо противоположные действия и достижения других целей по сравнению с заявленным. Сформировавшееся каким-либо образом газовое ядро потока жидкости в трубе переводят из верхней половины сечения трубы в пристенный слой ее нижней половины с образованием пленочного слоя газовой смазки, что дает в целом снижение гидравлического сопротивления тракта и тем самым энергозатрат на транспортировку жидкости (нефтепродуктов) по трубопроводной системе. Задача предлагаемого изобретения прямо противоположная на коротком участке трубопровода осуществить сбор максимально возможного количества газовой фазы жидкости для ее анализа и удаления (при необходимости).

Суть изобретения состоит в следующем.

Для сбора газовой фазы, используя силу Архимеда пузырьков любого диаметра, перестраивают структуру течения на отдельном участке трубопровода:

турбулентный режим течения (при Re 2000 преимущественно переходный, 2000 Re < 5000) переводят в ламинарный, гасят пульсации поперечных скоростей. Продольную скорость в ламинарном потоке формируют таким образом, чтобы время всплытия газового пузырька было меньше времени прохождения потоком участка трубопровода, на котором производят сбор пузырьков газа, что обеспечивает равномерный поток и гарантированное всплытие и сбор пузырьков, и после сбора газовой фазы преобразуют поток в первоначальный режим течения.

Существенные признаки изобретения:

перестройка структуры течения газа,

формирование продольной скорости в ламинарном потоке таким образом, чтобы время всплытия газового пузырька было меньше времени прохождения потоком участка трубопровода,

улавливание всплывающей газовой фазы.

Признак "перестройка структуры течения газа" совпадает с прототипом, остальные являются отличительными.

Реализацию предлагаемого способа при движении газожидкостной смеси по трубопроводу осуществляют с помощью предлагаемого устройства уловителя.

Для трубопроводных систем к конструкции предъявляются повышенные требования: он должен улавливать не менее 80.90% общего количества газовой фазы движущегося по трубопроводу потока.

На чертеже представлена конструкция уловителя, обеспечивающего выполнение процессов, заложенных в предлагаемом способе.

Уловитель состоит из полой цилиндрической вставки 1 и присоединенных к ней конических диффузора 2 и конфузора 3. Внутри диффузора и конфузора размещены коаксиально установленные конуса 4, 5, 6, закрепленные между собой и с диффузором и конфузором штырями 7 и служащие для обеспечения безотрывного разворота входящего в устройство и выходящего из него потока и гашения поперечных пульсаций скоростей. В верхней части цилиндрической вставки размещен произвольной формы накопитель газовой фазы 8.

Средняя по сечению цилиндрической вставки осевая скорость потока (V_л) в зависимости от площади (диаметра) цилиндра определяется зависимостью



где V_o скорость на входе и выходе уловителя,

S_o площадь поперечного сечения трубопровода,

S_ц площадь поперечного сечения цилиндрической вставки.

Поэтому увеличение поперечной площади цилиндрической вставки уловителя дает пропорциональное уменьшение скорости потока в уловителе и, следовательно, числа Рейнольдса, являющегося критерием режима течения, выбором площади вставки можно обеспечить ламинарный режим течения в уловителе. Введением пакетов конусов обеспечивается гашение поперечных пульсаций скоростей. Сформированный ламинарный режим течения в уловителе (за конусами на входе) обеспечивает равномерное течение жидкости вдоль оси уловителя (в горизонтальном направлении) и отсутствие поперечных составляющих вектора скорости по всему объему уловителя. Поскольку пузырьки газовой фазы имеют положительную плавучесть, то есть в жидкости они всплывают в вертикальном направлении (в поле тяжести), и скорости всплывания зависят от диаметра пузырька, и поэтому пузырек газа, попав в эту часть уловителя, участвует в двух движениях:

в горизонтальном направлении сносится по потоку,

всплывает в вертикальном направлении за счет собственной силы плавучести.

Поэтому, если его время всплытия (до накопителя) меньше времени прохождения до входа в отводящие конуса, что определяется предельными габаритами уловителя длиной цилиндрической вставки L_ц и ее диаметром D_л, то пузырек попадает в накопитель прежде, чем дойдет до выхода.

Основные габариты уловителя (длина и диаметр) выбираются по параметрам потока трубопроводной системы: диаметру магистрали, средней по сечению скорости потока, скорости всплытия пузырька наименьшего диаметра.

Диаметр цилиндрической вставки уловителя определяется из условия обеспечения равенства, с коэффициентом запаса R, времени всплытия пузырьков наименьших диаметров и времени их движения вместе с потоком по цилиндрической части от входа до выхода

t_л R t_в,

что определяет связь между основными габаритами уловителя: диаметром D_л цилиндрической вставки, его длиной L_ц и скоростью потока по оси цилиндрической вставки V_л и скоростью всплытия пузырька V

,

где R коэффициент запаса, 1,0.

Накопитель представляет собой коробчатую конструкцию произвольной формы, выступающую за пределы цилиндрической вставки и расположенную на ее верхней части и имеющую общий объем с внутренней частью уловителя, внутри которого при работе (течении жидкости) формируется застойная зона с еще более меньшими скоростями потока, чем в цилиндрической вставке. Пузырьки воздуха, попав в эту зону, задерживаются в ней, поскольку локальной скорости потока в этой части накопителя недостаточно, чтобы вынести пузырьки из него. Постепенное накопление пузырьков и их слияние приводит к образованию и росту значительной газовой полости в верхней части накопителя, с которой можно проводить необходимые действия (брать пробы для анализа, удалять и тому подобное).

Признаками изобретения являются

конфузорно-диффузорный переход с цилиндрической вставкой большего диаметра,

длина цилиндрической вставки равна ее диаметру, умноженному на коэффициент запаса и на отношение скорости сформированного в ней ламинарного потока к скорости всплытия газового пузырька наименьшего диаметра,

внутри конфузора и диффузора помещены коаксиально ориентированные конуса,

в верхней части цилиндрической вставки снаружи размещается накопитель газовой фазы.

Общим признаком является "наличие цилиндрической вставки". Остальные признаки отличительные.

Таким образом, предлагаемый способ и устройство обладают изобретательским уровнем, так как совокупность признаков данного способа и устройства обусловливает новое свойство, дающее требуемый технический эффект:

контроль состояния промышленной установки и трубопроводной системы, и по уловленной газовой фазе, ее составу выявляют факт предаварийного состояния на ранней стадии, тем самым повышается безопасность всего промышленного комплекса в целом.

Пример реализации.

Для трубопровода диаметром 0,300 м с расходом воды 700 м³/час средняя скорость течения по трубе равна 2,75 м/с. Выбор диаметра цилиндрической вставки D_л 0,900 м и задание скорости всплытия пузырька диаметром 1 мм V 0,25 м/с, обеспечивают следующие параметры потока в уловителе и габариты: V_л 0,31 м/с, L_ц 0,716 м, коэффициент запаса R 1,1, что гарантирует сбор 70% пузырьков диаметром 1 мм и до 100% всех пузырьков большего диаметра, как обладающих большей скоростью всплытия.

Опытный образец описанной конструкции прошел успешные испытания на одной из установок на Ново-Уфимском нефтеперерабаывающем заводе и запускается в производство для внедрения на других установках.