Мультициклонный фильтр-сепаратор очистки природного газа: устройство и принцип работы

Автор: Усуев Заур Мухтарович
ООО НПФ «Новапром»

Аннотация. Двухступенчатый мультициклонный фильтр-сепаратор предназначен для очистки природного и технологического газа от механических примесей. В первой ступени поток распределяется по параллельным циклонным элементам, где загрязнения отделяются вследствие инерционного действия при вращательном движении газа. Во второй ступени газ проходит через фильтрующий элемент снаружи внутрь. Такая последовательность разгружает фильтрующую среду от части загрязнений и позволяет подбирать аппарат по условиям конкретного технологического процесса.

Ключевые слова: фильтр-сепаратор природного газа, мультициклонный сепаратор, очистка газа от механических примесей, центробежная сепарация, фильтрация газа, двухступенчатая очистка газа.

Зачем очищать природный газ от механических примесей

В газовом потоке могут присутствовать частицы, поступившие из технологического оборудования, трубопроводов и иных участков системы. Их свойства, концентрация и дисперсный состав зависят от конкретного объекта. Примеси способны повышать загрязняющую нагрузку на запорную и регулирующую арматуру, средства измерения, теплообменное и иное оборудование. Поэтому требуемую степень очистки определяют по составу газа, характеру загрязнений и требованиям защищаемого оборудования.

Для условий, где одной фильтрующей ступени недостаточно или требуется уменьшить её загрязняющую нагрузку, применяется последовательное сочетание центробежного разделения и фильтрации. Это не означает фиксированного результата для любого газа: состав, расход, давление, температура, гранулометрический состав и допустимое гидравлическое сопротивление задаются в техническом задании и учитываются расчётом.

Концепция двухступенчатой очистки

В аппарате объединены две разные физические операции. Первая ступень — мультициклонная центробежная сепарация; вторая — фильтрация через фильтрующий материал. В мультициклоне общий поток распределяется между несколькими параллельными циклонными элементами. После предварительного отделения части механических загрязнений газ направляется к фильтрующему элементу, который задерживает более мелкодисперсные частицы, прошедшие первую ступень.

Для газо-твёрдых циклонов инженерный компромисс между улавливанием и потерей давления является одним из ключевых параметров проектирования. Исследования мультициклонов также показывают, что на разделение влияют распределение потока между элементами, их геометрия, размер и плотность частиц, а также режим движения газа. Поэтому количественные показатели не переносят с испытательного аппарата на другое исполнение без расчёта и проверки.

Конструкция двухступенчатого фильтра-сепаратора

Рисунок 1 — Конструкция двухступенчатого мультициклонного фильтра-сепаратора ООО НПФ НОВАПРОМ.

Экспликация позиций

1. входной штуцер загрязнённого газа;
2. приёмно-распределительная камера первой ступени;
3. мультициклонный сепарационный блок;
4. фильтрующий элемент второй ступени;
5. выходной штуцер очищенного газа;
6. быстродействующий затвор хомутового типа производства ООО НПФ НОВАПРОМ;
7. ревизионные (смотровые) люки для обслуживания внутренних устройств;
8. нижняя накопительная ёмкость отделённых загрязнений;
9. дренажный штуцер.

Путь газового потока через аппарат

Загрязнённый природный или технологический газ поступает через входной штуцер поз. 1 в приёмно-распределительную камеру поз. 2. Входящий поток взаимодействует с трубчатыми элементами и конструкцией камеры: его прямолинейное движение нарушается, поток перераспределяется по сечению аппарата и направляется вниз к мультициклонному сепарационному блоку поз. 3. Камера выполняет функции приёма, изменения направления и подвода потока к мультициклонному блоку; она не рассматривается как самостоятельная сепарационная ступень.

Далее общий поток распределяется между параллельно расположенными циклонными элементами. После отделения части загрязнений очищенный на первой ступени газ проходит во внутренние газоотводящие каналы циклонных элементов и поднимается по трубам в верхнюю полость аппарата. Затем он поступает на наружную поверхность фильтрующего элемента поз. 4, проходит через фильтрующий материал снаружи внутрь, попадает во внутреннюю полость элемента и выводится через выходной штуцер поз. 5.

Первая ступень: мультициклонная центробежная сепарация

В каждом циклонном элементе формируется вращательное движение газа. Механические частицы имеют инерцию, отличную от газовой фазы. При наличии тангенциальной составляющей скорости их траектории отклоняются к периферии потока, после чего отделённые загрязнения направляются вниз в накопительную ёмкость поз. 8.

В упрощённом виде центробежное ускорение описывают зависимостью a = v²/r, где v — тангенциальная составляющая скорости, а r — радиус вращения. Эта зависимость не является расчётной методикой для конкретного аппарата, но показывает, почему режим течения и геометрия циклонного элемента существенны. На разделение одновременно влияют размер и плотность частиц, плотность и вязкость газа, радиус вращения, диаметр циклонного элемента, конструкция завихрителя и распределение расхода между элементами.

Научные публикации по мультициклонам для природного газа и по расчёту таких аппаратов подтверждают, что эффективность и гидравлическое сопротивление должны рассматриваться совместно. Увеличение скорости или изменение геометрии способны изменить оба показателя, поэтому оптимальный режим задаётся не общим рекламным значением, а проектным расчётом для параметров технологического процесса.

Вторая ступень: фильтрация газа

Фильтрующий элемент поз. 4 предназначен для удаления более мелкодисперсных механических примесей, прошедших мультициклонную ступень. Направление потока через него — от наружной поверхности к внутренней полости. Механизм задержания определяется конструкцией и материалом фильтрующей среды, свойствами частиц и режимом работы.

Тонкость фильтрации второй ступени определяется конструкцией и материалом фильтрующего элемента и выбирается при проектировании аппарата исходя из характеристик загрязнений, состава газа и требований конкретного технологического процесса. Необходимые параметры фильтрующей поверхности и сопротивления определяются расчётом при проектировании аппарата под параметры конкретного технологического процесса.

Почему ступени применяют последовательно

Мультициклонная ступень снижает загрязняющую нагрузку, поступающую на фильтрующий элемент. Фильтрующая ступень завершает очистку от частиц, которые не были отделены в циклонах. Последовательная схема не заменяет подбор оборудования: результат зависит от режима работы, природы загрязнений и требований к качеству газа. Однако с инженерной точки зрения она разделяет операции по их физическому принципу и может способствовать увеличению межсервисного периода второй ступени без заявления конкретного ресурса.

Контроль перепада давления

На входном штуцере поз. 1 и выходном штуцере поз. 5 предусмотрены бобышки или точки подключения импульсных линий и средств измерения перепада давления. В зависимости от проекта к ним могут подключаться импульсные трубки, дифференциальный манометр или датчик дифференциального давления.

Наблюдение за перепадом давления между входом и выходом позволяет контролировать изменение гидравлического сопротивления аппарата и косвенно оценивать состояние фильтрующей ступени. Конкретное допустимое значение перепада не приводится без исходных данных: оно устанавливается для конкретного исполнения и режима эксплуатации.

Накопление и удаление загрязнений

Отделённые в циклонных элементах загрязнения поступают в нижнюю накопительную ёмкость поз. 8. Для их удаления предусмотрен дренажный штуцер поз. 9. Схема дренирования, арматура, порядок операций и меры безопасности определяются проектом и эксплуатационной документацией объекта.

Доступ для обслуживания

Быстродействующий затвор

Быстродействующий затвор хомутового типа поз. 6 производства ООО НПФ НОВАПРОМ обеспечивает открытие верхней части аппарата для доступа к фильтрующему элементу, его извлечения, очистки, замены и других сервисных операций. По сравнению с длительным демонтажом многоболтового соединения такая конструкция может снизить трудоёмкость доступа, но конкретное время открытия зависит от исполнения и условий обслуживания.

Ревизионные люки

Ревизионные (смотровые) люки поз. 7 предназначены для осмотра и обслуживания внутренних устройств. В зависимости от исполнения они применяются для ревизии мультициклонного блока, проверки состояния внутренних элементов, контроля накопления загрязнений и выполнения работ, предусмотренных регламентом.

Варианты исполнения ООО НПФ НОВАПРОМ

Изображённая конструкция является одним из возможных исполнений. ООО НПФ НОВАПРОМ проектирует и изготавливает фильтры и фильтры-сепараторы под техническое задание заказчика. Диапазон номинальных диаметров присоединительных патрубков — DN 50–DN 800 включительно; DN означает номинальный диаметр, традиционно также обозначаемый как Ду. Этот диапазон относится к возможностям линейки и не характеризует конкретно изображённый аппарат.

Возможны исполнения с рабочим и расчётным давлением вплоть до 25 МПа включительно — в зависимости от параметров конкретного проекта, DN, температуры, рабочей среды, материалов, конструктивного исполнения и применимых нормативных требований. Это не означает, что один аппарат рассчитан на весь диапазон давлений.

По техническому заданию могут изменяться диаметр корпуса, DN штуцеров, рабочее и расчётное давление, расчётная температура, количество и геометрия циклонных элементов, площадь фильтрующей поверхности, конструкция фильтрующего элемента, тонкость фильтрации, объём накопительной части, расположение штуцеров и люков, точки подключения КИП, дренажная система и опорная конструкция. Каждый из этих параметров определяется расчётом при проектировании аппарата под параметры конкретного технологического процесса.

Применение

Фильтры-сепараторы такого типа могут применяться в системах подготовки и транспортирования природного и технологического газа, перед оборудованием, чувствительным к механическим примесям, а также в составе технологических установок, когда требуется сочетание предварительной центробежной сепарации и последующей фильтрации. Применимость подтверждают исходными данными, инженерным расчётом и требованиями конкретного объекта.

Связанные материалы НОВАПРОМ

• Промышленные фильтры НОВАПРОМ — подбор по среде, расходу, давлению, загрязнённости и допустимому перепаду давления.
• Промышленные сепараторы НОВАПРОМ — оборудование, проектируемое по параметрам рабочей среды и технологического процесса.
• Фильтр-коалесцер: многоступенчатая очистка газа.
• Фильтр-сепаратор для комплексной очистки газа.
• Байонетный и хомутовый затвор: различия и выбор.

Заключение

Двухступенчатый мультициклонный фильтр-сепаратор объединяет центробежную сепарацию и фильтрацию в одном аппарате. Газ последовательно проходит приёмно-распределительную камеру, мультициклонный блок, верхнюю полость и фильтрующий элемент снаружи внутрь. Такое разделение функций позволяет проектировать систему очистки под реальные свойства газа и загрязнений без подмены расчёта универсальными показателями.

Литература и источники

1. Xiong, Z.-Y., Ji, Z., Wu, X. Investigation on the Separation Performance of a Multicyclone Separator for Natural Gas Purification. Aerosol and Air Quality Research. 2014; 14: 1055–1065. DOI: 10.4209/aaqr.2013.09.0298.
2. Muschelknautz, U. Design criteria for multicyclones in a limited space. Powder Technology. 2019; 357: 2–20. DOI: 10.1016/j.powtec.2019.08.057.
3. Luciano, R. D., Silva, B. L., Rosa, L. M., Meier, H. F. Multi-objective optimization of cyclone separators in series based on computational fluid dynamics. Powder Technology. 2018; 325: 452–466. DOI: 10.1016/j.powtec.2017.11.043.
4. Chaudhuri, J., Baukelmann, A., Boettcher, K., Ehrhard, P. Pressure drop in fibrous filters. European Journal of Mechanics — B/Fluids. 2019; 76: 115–121. DOI: 10.1016/j.euromechflu.2019.01.013.

FAQ

Чем мультициклонный фильтр-сепаратор отличается от обычного газового фильтра?

В нём перед фильтрующей ступенью работает мультициклонный блок: он использует центробежный принцип для предварительного отделения части механических примесей.

Для чего нужна мультициклонная первая ступень?

Она распределяет поток между циклонными элементами и отделяет часть загрязнений до поступления газа на фильтрующий элемент.

Почему после мультициклона применяется фильтрующий элемент?

Вторая ступень предназначена для задержания более мелкодисперсных механических примесей, прошедших центробежное разделение.

Как определяется тонкость фильтрации?

Её выбирают при проектировании по характеристикам загрязнений, составу газа и требованиям конкретного технологического процесса.

Как контролируют загрязнение фильтрующей ступени?

По изменению перепада давления между входным и выходным штуцерами при использовании предусмотренных точек подключения средств измерения.

Для чего нужен быстродействующий затвор?

Он обеспечивает доступ к фильтрующему элементу для сервисных операций: извлечения, очистки или замены.

Как удаляются отделённые загрязнения?

Они накапливаются в нижней ёмкости и удаляются через дренажный штуцер по проектной схеме дренирования.

Можно ли изготовить аппарат под другой DN и давление?

Да. ООО НПФ НОВАПРОМ проектирует исполнения с DN 50–DN 800 и давлением до 25 МПа включительно; окончательные параметры определяются техническим заданием и расчётом.