CN101898175A - 壁面开槽的旋风分离器 - Google Patents

Abstract

一种用于非均相物系分离的壁面开槽的旋风分离器，主要由升气管(1)，物系入口(2)，筒体(3)，锥体(4)和尾管(5)从上往下按序构成，并按物系密度较大的介质流动方向在内壁(6)上设置槽道(7)，其槽道(7)与流体流动方向成α角，槽道(7)的剖面形状可以是半圆形，弧形，三角形或其他几何形状。本发明结构简单，施工方便，改造原有结构容易，操作弹性大，可显著降低切割粒径尺寸，非均相分离效率大大提高。

Description

壁面开槽的旋风分离器

技术领域

本发明是一种利用离心力分离密度不同介质的机械，具体是关于一种通过在分离设备壁面开有槽道，利用介质产生的离心力分离气体或液体中所含固体颗粒的旋风分离器。

背景技术

众所周知，分离非均相物系的一种重要方法是采用所谓的旋风分离器(适用于气-固或气-液系统)或者是旋流器(适用于液-固、液-液或气-液系统)。非均相物系以一定的速度进入分离设备，流体介质受到几何部件的约束而产生旋转运动，由于非均相物系中不同的相具有密度差，由此产生的大小不同的离心力促使各个物系在几何空间中产生分离，然后通过适当的方法将不同物系分别导出该设备，这就实现了非均相物系的分离。

由于结构简单、适用性强、工作可靠等优点，旋风分离器在生产和生活中被广泛采用。例如在石油开采工业中，广泛采用旋流器对采出液中的水-油-砂物系进行分离。在炼油和石化工业中，旋风分离器是流化床反应器系统中分离循环催化剂的关键设备。在煤的循环流化床燃烧过程中，旋风分离器是决定燃烧系统热效率最主要的设备之一。

针对旋风分离器分离与工作性能的改进持续进行了多年。例如中国专利02226256.3(一种旋风除尘器的除尘筒)公布了一种壁面加竖向筋板的方式，希望通过筋板间流体的涡流来强化颗粒的分离，但众所周知，具有强旋流动特征的旋风分离器在横掠具有较大尺寸台阶时将会引起严重的湍流脉动，因此，本已被分离到壁面的颗粒会由于气流的湍流脉动而重新进入主流区，从而降低了分离效率。中国专利03223047.8(螺旋导流式旋风分离器)与中国专利97205282.8(螺旋隔室双级分离式高效细粉分离器)公布了类似方案，在内外筒之间通过内筒壁的外壁面加装螺旋形挡板，形成螺旋通道。但由于壁面的大幅度增加，气流的压降急剧增大，并且，由于流动多次改变方向，将会导致更加严重的湍流脉动，从而造成已被甩向壁面的颗粒再次被卷吸到主流中。中国专利91228157.X(水力旋流分离器)公布了一种在旋流器(通常用于分离气-液混合物系)下部锥段开环形槽的形式。此方案着眼于颗粒在被甩向壁面时通过壁面形状的改变而改变其弹跳的方向。因此，此方案在下部颗粒出口开与轴线垂直的环形槽，且槽不连通。中国专利96226761.9(强化细粒分级水力旋流器)公布了一种类似的方案，只是开槽形式为齿状槽。根据对旋风分离器的研究可知，颗粒在圆柱段的分离是颗粒得以分离的主要场所。从集尘口上扬的颗粒仍然要依靠在中心段的二次分离才能最终保证旋风分离器的分离效率。在下部开槽，尤其是横向槽对旋风分离器的颗粒分离不具有直接分离作用。中国专利200480022734.4(旋风分离装置)和中国专利86100916(旋流分离器)也公布了类似的开槽方案，但开槽位置在中心升气管外壁。中国专利86104879(旋风分离器)与中国专利95205751.4(旋流离心式油烟分离器)公布了一种在入口端开槽，并且连通到出口的方案，但很明显，此方案与本发明所讨论的方案内容完全不同。

典型旋风分离器内的分离区有环形分离区、主分离区、二次分离区和流体加速区。通过发明人的多年研究表明，对于气-固体系，在中低颗粒浓度下，固体颗粒从进口呈螺旋条带形式向下运动，直到排尘口。这种条带存在剧烈摆动，尤其是在高流量情况，明显的颗粒条带将消失，而这种摆动将降低分离器的分离效率。发明人的研究表明，在上述四个分离区内，固体颗粒被甩向壁面后，由于弹跳而再次被抛向主流区，这就造成在环形分离区的径向流携带大量颗粒流向升气管。在流体加速区，由于涡核存在的进动现象，导致壁面的切向速度以一定的脉动频率摆动，把已分离到壁面附近的颗粒再次卷入核心区。

上述表明，如果采用某种结构使得被分离到壁面的固体颗粒能够及时得到屏蔽，那么，颗粒的分离效率将大大提高，更重要的是颗粒的切割粒径将显著减小。对于炼油工业中催化裂化的反应-再生系统而言，这就意味着进入烟气轮机前的第三级旋风分离器的负荷大大降低，甚至可以取消；对于循环流化床锅炉而言，这就意味着后部的电除尘器和布袋除尘器的负荷大大降低，甚至可以取消。本发明正是基于这种思想，通过在壁面开槽，将甩到壁面壁面的颗粒收集到槽道内，并沿着槽道向灰斗或料腿运动，实现分离效率的提高和切割粒径的降低。

尽管各种技术公开了在不同位置开槽或设置挡板，但是，由于没能认识到壁面对颗粒反弹造成的重要性、壁面郎肯涡所导致的旋流失稳、细粉在圆柱段的二次分离以及颗粒实际存在的团聚现象，因此，各种已查阅专利和公开文献没有提出过在筒体壁面开槽且沿着密度较大介质流动方向的方法。现有技术中的各种结构不能有效实现固体颗粒及时进入壁面附近的低速区，同时也难以消除已进入壁面低速区的固体颗粒再次反弹至主流区的问题。

发明内容

根据背景技术所述，本发明的目的在于避免上述缺陷，提供一种结构简单、成本低、效率高、能够在现有常规旋风分离器基础上大幅度提高分离效率、降低压降、降低切割粒径的旋风分离器。

为了实现上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种壁面开槽的旋风分离器，主要由升气管(1)，物系入口(2)，筒体(3)，锥体(4)和尾管(5)组成，其中：升气管(1)，物系入口(2)，筒体(3)，锥体(4)和尾管(5)从上往下按序构成旋风分离器的整体，按物系密度较大的介质流动方向在由外壁(61)，保温层(62)和衬里(63)构成的内壁(6)的壁面上设置槽道(7)，槽道(7)从物系入口(2)处开始，槽道(7)与流体流动方向成0～90℃夹角，槽道(7)面积与流体所掠过的壁面之比为0～0.9。

所述的槽道(7)为竖槽、横槽或螺旋槽。

所述的槽道(7)的剖面形状是半圆形，弧形，三角形或其他几何形状。

所述的槽道(7)沿圆周方向是连续或者断续的。

所述的槽道(7)当沿圆周方向是连续的，此时形成了螺旋槽。

所述的槽道(7)位置是在旋风分离器的外筒壁面处。

所述的槽道(7)位置可以是物系入口(2)与升气管(1)所形成的环形空间、筒体(3)处、尾管(5)处或料腿处。

所述的旋风分离器包括反流式、直流式和扩散式。

当把所述的槽道置于依赖于筒体自身旋转而分离非均相物系的离心分离机械的筒壁处时，所述的槽道也是非常有效的。所述的旋风分离器也包含此类具有槽道的离心分离机械。

这里所述的“槽道“是指在旋风分离器壁面沿周向形成，非均相物系中密度较大者可在其中运动的具有一定宽度的几何结构，此槽道既可由筒体的本体构成，也可以是外加板料或者是通过预制成型结构构成。

由于采用了上述技术方案，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1、本发明的旋风分离器与普通旋风分离器相比，在相同压降下，其分离效率大大提高。

2、本发明的旋风分离器的颗粒切割粒径可显著降低。

3、本发明的旋风分离器当在排尘口附件开有槽道时，排尘口附近的灰尘返混大大降低。

4、本发明的旋风分离器当在环形分离区开有槽道时，上灰环所导致的固体颗粒的短路流将大大降低。

5、本发明的旋风分离器当产生显著的涡核进动时，由于颗粒已被聚集在槽道内，进动涡核所诱导的速度对分离效率的影响将大大降低。

6、本发明的旋风分离器使颗粒对壁面的磨损将大大降低。

7、当在多级分离系统中的上游采用本发明的旋风分离器时，在不降低系统整体分离效率前提下，多级分离系统中的下游高效分离器可被部分或全部取消。

附图说明

图1是传统旋风分离器的结构示意图。

图2是本发明结构总体示意图。

图3是本发明中壁面槽道由挡板构成的示意图。

图4是本发明中添加壁面槽道的离心分离机械的示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。参考附图描述的实施例用于解释本发明，所述实施例是示例性的，而不能解释为对本发明的限制。

图1示出了传统旋风分离器的结构示意图，其中，气体与固体的混合物以很高的速度从物系入口2进入旋风分离器内，在筒体3形成的圆形空间内高速旋转，颗粒被甩向壁面，形成固体颗粒的主分离区，然后未完全净化的气体进入锥形段4，气体加速旋转向下运动，当气体旋转至料腿5处，气体折转流向向上运动，从升气管1离开旋风分离器，而固体颗粒则从料腿5进入灰斗。这样，气体和固体颗粒就实现了分离。

实施例1：用于流化催化裂化再生器内的旋风分离器

由图2示出，本发明的壁面开槽的旋风分离器，主要由升气管1，物系入口2，筒体3，锥体4和尾管5组成，其中：升气管1，物系入口2，筒体3，锥体4和尾管5从上往下按序构成旋风分离器的整体，按物系密度较大的介质流动方向在内壁6的壁面上设置槽道7，槽道7从物系入口2处开始，槽道7与流体流动方向成0～90℃夹角α，槽7)面积与流体所掠过的壁面之比为0～0.9。

在旋风分离器的壁面上顺着颗粒流动方向开槽，内壁6和槽道7是沿着螺旋方向在器壁上压制形成的槽道。此返流式旋风分离器直径为1米，剖面形状是半圆形，槽道深度为50毫米，槽道宽度是100毫米，开槽位置从入口一直延伸到料腿处。

此种旋风分离器是用于炼油工业中流化催化裂化操作单元的反应-再生段的再生器中，壁面的槽道是通过压制方法形成的。

下面描述根据本实施例的非均相分离过程。

当用于催化裂化操作单元的反应-再生段的再生器内以分离昂贵的催化剂时，混合物从物系入口2进入，旋转向下流动，催化剂被分甩向壁面并进入到槽道7内，沿着槽道螺旋向下流动，当流体接近尾管5时，催化剂进入尾管5，而烟气从中心的升气管离开旋风分离器。

另知，内壁6由金属外壁61，非金属材料保温层62和硅酸盐衬里63构成，衬里63通过焊接到金属外壁61的销钉64被固定成型；槽道7是通过在衬里63施工时直接进行预置而成。表1给出此种旋风分离器在实验中所获得的颗粒分离效率和粒级效率与传统旋风分离器的对比结果。从表中看出，本发明的旋风分离器提高了分离效率并且降低了分割粒径。

表1

实施例2：循环流化床燃烧后部的旋风分离器

在煤粉的循环流化床燃烧锅炉系统中，旋风分离器是其中最重要的单元设备。依赖于旋风分离器的高效运行才得以实现锅炉未燃损失的降低和锅炉效率的提高。当用于煤的循燃烧过程中时，进入旋分分离器的是高温状态下的烟气和未燃尽煤粉，旋分分离器的衬里63将阻止金属外壁61的壁面直接接触高温介质，使其强度受损。混合物从物系入口2进入，旋转向下流动，煤粉和灰分将被分甩向壁面并进入到衬里63形成的槽道7内，沿着槽道7螺旋向下流动，当流动接近尾管5时，煤粉和灰分进入尾管5，而净化后的烟气从中心的升气管1离开旋风分离器。

在旋风分离器的壁面上顺着颗粒流动方向开槽，内壁6和槽道7是沿着螺旋方向在器壁上通过衬里预制成型的槽道。此直流式旋风分离器直径为5米，剖面形状是弧形，槽道深度为100毫米，槽道宽度是200毫米，开槽位置从升气管下沿一直延伸到料腿处，在料腿处是竖向的槽道，开槽面积与流体掠过面积之比为0.05。当用于循环流化床燃烧锅炉时，旋风分离器的形状可能不是圆筒形；当采用内部衬里时，其内部形状可能也不是圆筒形，但根据可被理解的技术原因，当把本发明中的槽道置于非圆形的内壁时，分离非均相物系也是非常有效的，同时，这样的槽道结构的磨损非常小，不降低原有结构的操作稳定性和可靠性。

实施例3：旋风分离器

处理油田采出液的重要设备之一是旋流分离器，尤其是对于空间狭小的海上石油平台而言，高效紧凑的旋流分离器是提高海上石油平台工作效率的重要设备，此处所述的旋流分离器与旋风分离器结构和工作原理是类似的，对于分离气-固非均相物系的结构一般称之为旋风分离器；而对于分离液-固或者是气-液非均相物系的结构，一般称之为旋流分离器或者是旋流器。

在旋流器的壁面上顺着颗粒流动方向开断续槽道，内壁6和槽道7是沿着螺旋方向在器壁上通过铣削成型的槽道。此旋风分离器直径为100毫米，剖面形状是弧形，槽道深度为10毫米，槽道宽度是10毫米，开槽位置从变径段开始一直断续延伸到料腿处，开槽面积与流体掠过面积之比为0.01。当把本发明的具有槽道的旋流器用于海上石油平台时，其工作过程与实施例一是类似的，此时，由于与气相相比，液相粘度大很多，开有槽道的旋流器其分离效率的提高更加明显。

Claims (10)

1.一种壁面开槽的旋风分离器，主要由升气管(1)，物系入口(2)，筒体(3)，锥体(4)和尾管(5)组成，其特征在于：升气管(1)，物系入口(2)，筒体(3)，锥体(4)和尾管(5)从上往下按序构成旋风分离器的整体，按物系密度较大的介质流动方向在由外壁(61)，保温层(62)和衬里(63)构成的内壁(6)的壁面上设置槽道(7)，槽道(7)从物系入口(2)处开始，槽道(7)与流体流动方向成0～90℃夹角。

2.根据权利要求1所述的壁面开槽的旋风分离器，其特征在于：所述的槽道(7)为竖槽、横槽或螺旋槽。

3.根据权利要求1所述的壁面开槽的旋流分离器，其特征在于：所述的槽道(7)的剖面形状是半圆形、弧形、三角形或其他几何形状。

4.根据权利要求1所述的壁面开槽的旋风分离器，其特征在于：所述的槽道(7)是连续或者断续的。

5.根据权利要求1所述的壁面开槽的旋风分离器，其特征在于：所述的槽道(7)位置是物系入口(2)与升气管(1)所形成的环形空间。

6.根据权利要求1所述的壁面开槽的旋风分离器，其特征在于：所述的槽道(7)位置在筒体(3)处、尾管(5)处或料腿处。

7.根据权利要求1所述的壁面开槽的旋风分离器，其特征在于：所述的槽道(7)的深度与直径之比是0～0.3，优选的是0.02～0.1。

8.根据权利要求1所述的壁面开槽的旋风分离器，其特征在于：所述的槽道(7)在垂直流动方向上的宽度为0～0.5，优选的是0.01～0.1。

9.根据权利要求1所述的壁面开槽的旋风分离器，其特征在于：槽道(7)面积与流体所掠过的壁面之比为0～0.9，优选的是0.01～0.2。

10.根据权利要求1所述的壁面开槽的旋风分离器，其特征在于：所述的漩风分离器包括反流式、直流式和扩散式以及离心式分离机械。

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