CN102641791A - 一种高浓度液固水力旋流器 - Google Patents

Abstract

一种高效分离高浓度液固混合物的水力旋流器，用于解决石油化工行业的油品与固体颗粒的高效分离问题。它利用液固两相的密度差及所受到的不同离心力，实现液固两相的高效分离。高浓度液固水力旋流器包括筒体(4)、安装在筒体(4)顶部的溢流管(6)、位于筒体(4)上部与筒体(4)沿切线方向水平联接的方形进料口(5)和筒体(4)下部的锥体(3)，对于较小的锥体体排料口(1)还需要设置稳流杆(2)。通过合理匹配各部分结构尺寸，本发明提出的液固水力旋流器实现了液体-高浓度颗粒的高效分离，常温常压下高浓度液固水力旋流器对体积浓度为15％的水和FCC催化剂混合物的分离效率为83％～93％，本发明提出的液固水力旋流器可广泛应用于石油化工行业中高浓度液固体系的分离。

Description

一种高浓度液固水力旋流器

技术领域

本发明涉及一种液固体系中分离高浓度固体颗粒的高效分离装置，尤其适用于高浓度体系下油品与催化剂的液固分离装置。

背景技术

水力旋流器是一种用于分离非均相液液、液固混合物的设备，一般是由进料口、筒体、圆锥段、溢流管和锥段排料口组成。水力旋流器可以产生高度湍动的强旋流场，利用两相受到的不同离心力，实现两相的分离。文献中已公布的和业已工业化的水力旋流器绝大多数只能实现低浓度的液固分离，不能应用于高浓度液固体系的分离。目前涉及到高浓度液固反应器和浆态床反应器的工业过程，只能依靠过滤器来实现液固的分离。但是过滤设备存在切换频繁、间歇操作、过滤器磨损大寿命短、设备体积庞大，投资大等问题，严重的制约了装置的长周期运转和经济效益。

ZL96226761.9是一种强化颗粒分级水利旋流器，其特征为壳体内中部设一中心柱，下部分为表面内凹的曲面，在壳体的锥体部分设置一支撑盘，以支撑中心柱，壳体的锥体部分下部的内表面设有齿状槽沟。但根据研究，水力旋流器中普遍存在的空气柱最开始是由底流口处产生，空气柱需要占用底流口上端锥体的体积，高浓度的颗粒溶液会主要集中在靠近边壁区域，会增大对凹的曲面的磨损，锥体下部的齿状槽沟极易磨损，因此该发明所提出的水力旋流器只适用于较低浓度的液固体系或液液体系。

200520087363.X是一种新型轴流式高效水力旋流器，其特征在于进料口设有导向器，导向器流道由螺旋槽或螺旋叶片组成，溢流管下端为一凹环面。但是旋流器内部的导向器易受到磨损，而且溢流管下端凹环面会使返混的一部分颗粒堵塞溢流口，不利于长周期连续操作，而且只适用于较低浓度的液固体系或液液体系。

02221274.4是一种高效水力旋流器，其主要特征是含有导流螺旋；利用溢流管外壁上导流螺旋的作用，彻底解决了现有水力旋流器存在的占被处理料液10％-20％的短路流问题，但是增加导流螺旋后，在生产过程中导流螺旋易受到摩擦损坏，因此，该发明提出的水力旋流器也只适用于低浓度液固体系。

98102206.5提出了一种改进型的气固液三相分级旋流器，它是由进浆短管旋流室，圆锥体管，排出口，上溢流管所组成，其特征是进浆短管是一根直径逐渐变小和变形的异形管，此管即能使料流增速并使紊流状态变为层流状态，但是逐渐变小和变形的异形管对高浓度的流体来说，易堵塞，从而影响正常生产。

201020575043提出了一种新型水力旋流器，其主要特征是包括沉沙嘴、溢流箱、鱼尾器、集气管、虹吸调节阀门。其中鱼尾器安装在沉沙嘴的底部，集气管安装在溢流箱的顶部，集气管上设有虹吸调节阀门。操作中必须要保证鱼尾器底部和溢流管最终排放处液面高度差大于1.8m，但是因存在操作的不稳定性，如果一旦不能达到压力差大于1.8m的情况，则不能正常的进行生产。

200920168723提出了一种新型底流可调水力旋流器，其主要特征是上部设置一个圆柱形筒体，中部设置为圆锥体，下部设置有一个上下对称喇叭口底流段，这三部分连接组成一个圆锥体喇叭口圆锥筒旋流器，圆柱体外侧设置有进料口，内顶部设置有外上锥体内柱体益流管，底流段的喇叭口中设置有中心底流口可调装置，益流管口易出现回流，所以外上锥体内柱体益流管会影响入口的料液向下流动，而且益流口的颗粒浓度较高，可调装置受到的磨损较大，而且影响锥段及底流口的正常流场，因此只适用于低浓度液固体系。

200420030912.5是一种实用新型水力旋流器。其特征在于位于溢流管的下部外壁设有上下面为曲面的陶瓷圆环；圆柱体、圆锥体内壁设有陶瓷，圆锥体内壁设的陶瓷层为一列水平凹环，其结构较为复杂。

ZL02805971.9提出一种水利旋流器，其给料入口直径为圆筒直径的0.2～0.34倍；溢流出口直径为圆筒直径的0.2～0.45倍；底流口出口直径为圆筒直径的0.30～0.75倍；旋流器的总长度为圆筒直径的3.0～8.0倍；但该专利并未规定锥段的角度和锥段的长度。

ZL99224409.9是一种水力旋流器，其特征为结构设计参数进行了优化，溢流管下端设置了阻挡环。溢流管直径是柱体内径的0.3～0.4倍；溢流口直径是沉矿口直径的2.2～3.2倍；阻挡环内径为柱体内径的0.65～0.75倍；锥角为20°。但是其分离效率不高为63％～73％，阻挡环的加入使溢流液的流出受到较大影响，对生产不利。

专利200510082680.7、200810115725.X提出了一种双锥型的水力旋流器，其下部的锥段为两个锥段串联。但专利200520087364.4认为多锥直接串联会导致锥段过长、能耗较大、加工难度大等问题，并在相邻两个锥间加入圆柱段。由于常规旋流器尾管较长，中心内旋流角动量不足，易出现摆尾现象，该专利还在尾管末端又设置了一个锥段，但这样也导致了旋流器总体长度大大增加。此外，双锥段旋流器主要是用于细微颗粒的分离，为保证分离效率圆筒直径都较小，一般为几十毫米(专利200820108875.3)或几百毫米(专利200720104909.7)，无法应用于工业规模大处理量高浓度液固体系的分离。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是现有技术公开和使用的液固水力旋流器的基础上，研究提出一种高效的高浓度的液固水力旋流器。用于分离高浓度的液固混合物，其分离效率高、结构简单且占用空间小，可连续操作，也无运动部件。

与同类专利相比，本发明的创新之处在于：(1)高浓度液固旋流器的特点是底流口的固体流量很大，若底流口较小，则会导致底流口附近因颗粒过多而失流化，但是过大的底流口又会导致分流比过大，分离出的清液变少，本发明经过多次实验发现底流口直径限定在0.2D～0.5D最好；(2)高浓度液固旋流器的另一个特点是难以实现高的分离效率，本发明中锥段的锥角相对较小，但锥段则特意加长，而且锥段与圆筒段必需保证一定的比例：1.5～3，以此来保证分离效率；(3)内旋流的摆尾现象会导致流场不稳定，使尚未分离的颗粒被卷入内旋流，从而降低分离效率，同类专利通常是采用较长的尾管来稳定内旋流，但这也会导致旋流器的总长度大大增加，例如专利01267969.0和200510082680.7的尾管甚至高达圆筒段直径的40～50倍。本发明舍弃了锥段下部的尾管，而是在锥段内设置了适宜长度和直径的稳流杆，在消除内旋流的摆尾现象的同时尽量缩短了旋流器的整体高度。(4)旋流器的分离效率与溢流管的直径和插入深度密切相关，溢流管直径越小、插入深度越大，分离效率越高，但是与此同时，分离器的压降也会大大增加，本发明提出溢流管的直径应该和插入深度形成一定的匹配关系，才能在保证较低压降的同时达到高分离效率。(5)分离器入口的高宽比对分离效率也有很大影响。由于分离体系含固体量较高，器壁处分离下来的固体颗粒层也相对较厚，显然入口宽度不能小于固体颗粒层的宽度，通过实验发现，对于不同的颗粒浓度，入口宽度必需要大于某一临界值，才能保证分离效率。入口高度必需和宽度成一定比例，若入口过高会使圆筒段长度增加，进而造成分离器总长度增加，若入口过低，则会限制处理量，本发明提出该比例为2～5。

本发明提出的高浓度水力旋流器由筒体(4)、锥体(3)、溢流管(6)、锥段排料口(1)和方形进料口(5)组成。溢流管(6)在筒体(4)的上端与顶盖连接，入口(5)在筒体(4)上端沿侧面切向进入圆柱腔内。

其中以设置圆筒内径尺寸为标准，圆筒段的长度是圆筒内径的1～3倍；溢流管直径为圆筒段内径的0.2～0.7倍；溢流管插入筒体的深度为圆筒内径的1～3倍；与圆筒段相连的锥段长度为圆筒长度的1.5～4倍；锥段的锥角为3°～15°；进料口的高度为圆筒内径的0.3～1倍，进料口的高度与宽度之比为2～5；在水力旋流器中心加入稳流杆，其特征为稳流杆直径为锥段排料口直径的0.1～0.6倍，稳流杆长度为锥段长度的0.2～1倍。为了消除内旋流不稳定造成的效率降低而引入的内构件：稳流杆。该稳流杆是在旋流器的底流口中心线处垂直加装的，对由于内旋流不稳定扫到边壁而造成的效率降低有显著效果，使得内旋流围绕着稳流杆旋转上升。

与前述其他专利相比，本发明更加注重于高浓度固液两相的分离。

本产品可以广泛应用于工业生产中，根据生产的需要灵活确定水力旋流器的尺寸。

附图说明

图1冷漠实验下入口速度和压降、分离效率的关系；

图1A为颗粒入口浓度20.56％，水力旋流器的总压降图，图1B为颗粒入口浓度20.56％，水力旋流器的分离效率图。可知，对于高浓度液固体系，本发明提出的水利旋流器仍然可在很低的压降下，实现很高的分离效率。图1C为颗粒入口浓度在8.96％左右有无稳流杆的分离效率对比图，图1D为颗粒入口浓度在12.27％左右有无稳流杆的分离效率对比图，由上述两图可知，加稳流杆旋流器分离效率均高于不加稳流杆的分离效率。

图2是纵剖面构造图，稳流杆于中心轴线处垂直安装；

其中：1.锥段排料口  2.稳流杆  3.锥体  4.筒体  5.方形进料口  6.溢流管

图3是组合水力旋流器；

图4是工艺流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明，旨在帮助阅读者理解本发明的特点和实质，但附图和具体实施方式内容并不限制本发明方案的可实施范围。

方案1和方案2的选择主要是根据液体的处理量来决定的。在图3所示实施方案1中，可将偶数个水力旋流器并联，对称布置。当液体的处理量增大时，以增加水力旋流器的方式进行扩容，从而达到工程需要。组合水力旋流器罐底采用锥形的作用是使锥角大于颗粒的休止角，从而使颗粒流化流动起来，不会沉淀在罐底底部，影响排出。只要将锥角设置合理，不需要增加内构件，就可以使高浓度的液体顺利排出。隔板的作用是提供一个清液排出区，使旋流器分离出来的清液从上端升液口排出。本发明已应用在操作温度240℃、操作压力2.8Mpa，分离清液的处理量为55t/h的工况中，直径为260mm的旋流器的液体流量8255kg/h、固体流量2889kg/h。图4所示的实施方案2中，锥体(3)与筒体(4)相连接，方形进料口(5)与筒体(4)相连接，溢流管(6)插入到筒体(4)中。稳流杆(2)于中心轴线处垂直安装。

最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或者等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的保护范围当中。

Claims (7)

1.一种高浓度液固水力旋流器，由方形进料口(5)、筒体(4)、锥体(3)、溢流管(6)、稳流杆(2)、锥段排料口(1)组成，溢流管(6)与筒体(4)同轴布置，在筒体(4)的上端与顶盖连接，方形进料口(5)位于筒体(4)上沿，沿切向方向与筒体(4)相连，进料口(5)中心线与筒体(4)中心线垂直，锥体(3)和圆筒段(4)同心连接，稳流杆(2)位于锥体(3)并与锥体(3)同心布置。

2.根据权利要求1所述的水力旋流器，其特征是：圆筒段(4)的长度是圆筒(4)内径的1～3倍。

3.根据权利要求1所述的水力旋流器，其特征是溢流管(6)直径为圆筒段(4)内径的0.2～0.7倍，溢流管(6)插入筒体(4)的深度为圆筒(4)内径的1～3倍。

4.根据权利要求1所述的水力旋流器，其特征是锥段排料口(1)直径为圆筒段(4)内径的0.2～0.5倍。

5.根据权利要求1所述的水力旋流器，其特征是，与圆筒段(4)相连的锥段(3)长度为圆筒(4)长度的1.5～4倍，锥段(3)的锥角为3°～15°。

6.根据权利要求1所述的水力旋流器，其特征是方形进料口(5)的高度为圆筒(4)内径的0.3～1倍，进料口(5)的高度与宽度之比为2～5。

7.根据权利要求1所述的水力旋流器，其特征是：在水力旋流器中心加入稳流杆(2)，其特征为稳流杆(2)直径为锥段底流口(1)直径的0.1～0.6倍，稳流杆(2)长度为锥段(3)长度的0.2～1倍。

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