CN103623943A

CN103623943A - 一种高温高压旋风分离器

Info

Publication number: CN103623943A
Application number: CN201310424748.XA
Authority: CN
Inventors: 孙国刚; 孙帅; 董瑞倩
Original assignee: China University of Petroleum Beijing
Current assignee: China University of Petroleum Beijing
Priority date: 2013-09-18
Filing date: 2013-09-18
Publication date: 2014-03-12

Abstract

本发明公开了一种适合高温、高压工况下使用的旋风分离器，它由拱型顶的筒体、双锥体、过渡灰斗(或称破涡斗)和排料腿组成。所述的高温高压旋风分离器筒体的顶部为凸形封头结构；筒体内装有排气管，排气管的上端伸出筒体的拱顶外；进气管截面为长圆形并与筒体切向连通；双锥体由不同锥角的上锥体与下锥体两部分构成。本发明未增加旋风分离器的设计和制造难度，可显著降低现有技术旋风分离器在高温高压工况下设备局部几何突变区域、直角连接处的应力集中，保证了分离器的设备机械强度，还提高了旋风分离器的分离效率，适合在高温、高压状态下分离气体中的颗粒物。

Description

一种高温高压旋风分离器

技术领域

本发明涉及从气体中分离固体颗粒、液滴的技术领域，具体为一种从高温、高压气体中分离颗粒物的旋风分离器。

背景技术

从高温、高压(带压)气体中分离固体颗粒或液固混合物，即高温高压气体的净化除尘是石油、化工、清洁煤利用等过程工业生产中的一个重要的问题，例如，石油催化裂化工艺催化剂再生系统中需要除尘净化的气体工况是700℃～750℃、0.2～0.3MPa；煤的增压流化燃烧联合循环(PFBC-CC)和整体煤气化联合循环(IGCC)工艺中需要净化的气体温度和压力为800℃～1000℃、1～5MPa；煤直接液化工艺中热气体高压分离器的操作温度是440～470°，15～30MPa；天然气长输管道中天然气压力也可超过10MPa。这些苛刻的操作条件几乎排除了过滤、电除尘等其他高精度分离技术在这些过程中的大规模应用，旋风分离器因其结构简单紧凑、无可动部件、造价低、操作维护方便、分离效率较高等优点而成为上述领域高温、高压(带压)气体除尘净化的首选设备。

现有技术，普通的旋风分离器一般都是平顶板、切向矩形入口的筒体加锥体的结构。这种结构是实现高效旋风分离的基本条件，但存在多处直角连接焊缝，且矩形入口也是分离器筒体上较大尺寸的开孔，这就导致普通的旋风分离器不能够承受较高的气体介质压力与温度载荷，因而通常只能使用于0.2MPa以下的工况环境。因为应用于高压或高温带压工况时，普通旋风分离器局部几何突变区域、直角连接焊缝处的应力较大，应力集中会很严重。简单的提高设备材质和增加设备壁厚，不仅不能完全保证分离器的机械强度，还增加旋风分离器的设备投资，同时也增加设备制造难度。

为解决上述问题，将普通的旋风分离器应用于高温高压工况下的气固分离、气液固分离操作，通常的做法是对旋风分离器局部应力集中的地方进行设备壁厚加厚、补强或加筋板加强等处理，但由于旋风分离器结构复杂，这种机械加强、补强的效果难以精确计算，只能凭经验处理，因而并不能完全保证旋风分离器在高温、高压工况下使用的机械强度与安全性。中国专利申请ZL200810118430.8公布了一种高温高压夹套式旋风分离器，即希望不改变旋风分离器的结构与尺寸、不损害旋风分离器的分离性能，将旋风分离器置于密闭压力容器外壳内，利用压力容器外壳来承受高温高压载荷，旋风分离器只承受分离器自身的进出口压差。旋风分离器的入口、升气管、料腿分别从压力容器外壳的相应位置穿出，与外部管线联接。但这一方案的缺点：一是增加了压力容器外壳的投资；二是结构复杂，旋风分离器的入口、升气管和料腿与外壳间变形不协调，需要设置膨胀节等。ZL01276178.8则公布了一种直接用压力容器作为分离器壳体的高压旋流分离器，其分离器壳体为由圆筒壁、顶部半圆形封头和低端半圆球封头构成的耐高压壳体，在壳体设有进料管，溢流管和底流管，这一结构易于制造，易用于高压状态下，设备的机械强度容易保证，但是分离效率受到的损害较大。《华东理工大学学报》2003年29卷第四期，第416～419页，报道了一种与ZL01276178.8类似的旋风分离器，分离器壳体也是一压力容器，但旋风分离器的入口采用径向圆形入口，将入口圆柱伸入分离器壳内的管段沿其轴线方向剖去一半，且旋转一定的角度，并在端部设置一个圆柱弧形导流板，用于水煤浆气化炉合成气净化，使灰水与气化合成气经过混合器后撞向导流板，导流板起到引流的作用，冲击导流板后的气体携带液体及颗粒急速转向形成切向速度进入旋风分离器，在离心力的作用下沿筒壁旋转，液滴及其包裹的灰渣甩到筒壁被液膜捕集。这一设计除进气口会受到进料冲蚀外，同样也是以损失分离效率为代价来保障分离器的机械性能。由此可见，用于高温高压条件下，旋风分离器同时具有先进的分离性能和可靠的设备机械强度的问题目前还没有很好地解决。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的缺陷与不足，提供一种具有先进的分离性能并同时能够保证设备机械强度的适用于高温高压条件下使用的旋风分离器。

本发明的一种适用于高温高压环境的旋风分离器由具有拱型顶部的筒体、双锥体、破涡斗和料腿构成。进气管沿筒体内表面切线在拱顶之下与筒体相接；筒体内装有排气管，排气管的轴线与筒体轴线同轴，排气管的上端伸出筒体的拱顶，与外部管线连接，排气管的下端一般与进气口的下缘平齐；双锥体由上锥体和下锥体组成，上锥体上端与筒体下缘相接，下锥体下端接中间灰斗或直接接料腿。所述旋风分离器内部可衬设耐磨、隔热衬里，也可不衬。所述的筒体上部拱形顶的形状为椭圆形、碟型形、半球形凸型封头或锥形封头式结构。所述的进气管的形状为长圆形、椭圆形或圆形，并且优选为长圆形，长圆形的结构为两端为半圆，中间为矩形。所述上锥体锥角大于下锥体锥角，上锥体锥角为10°～150°，优选的为30°～120°，极限情况下也可为180°。下锥体锥角0°～90°，优选的为10°～45°。所述上锥体为一凸型封头，此凸型封头的形状可为椭圆形、碟型形、半球形、锥形等凸型封头。

与现有技术相比，本发明的有优点是：1)旋风分离器的顶部采用拱顶型封头式结构，较现有技术平顶板的旋风分离器能大幅度的提高旋风分离器的耐温承压能力；2)采用长圆形、椭圆及圆形进气管结构，可避免矩形管的直角连接的较大应力集中，改善设备强度；采用进气管与筒体切向连接，可保持进气管与筒体轴心间有较大的离心距离，使进气流具有较大的离心旋转半径，能为颗粒分离提供更大的离心力，有利于提高分离效果；同时由于凸封头式拱顶结构，分离器筒体部分的直径一般较大，这也使进气管与筒体轴心间的距离增大；3)采用双锥体的结构，可使旋风分离器的高度缩短，避免单锥体导致分离器高度过大、占用空间大的问题，采用双锥体的分离器高度较相同筒体直径的现有技术的单锥体旋风分离器明显降低；4)既保持了旋风分离器的先进分离性能，又保证旋风分离器在高温高压下的机械强度；5)基本上未增加旋风分离器的制造难度、设备高度，从而具有较好的经济性和广泛的适用性。

本发明通过对现有技术旋风分离器的进气管、顶部及筒体／锥体结构进行改进，降低了其应力集中、提高了其设备强度，保障了其分离性能，实现了设备机械强度与分离性能的协调提升，获得了一种适用于高温高压条件下的高强度高效率的旋风分离器。

附图说明

图1为现有技术旋风分离器的结构示意图；图中：1.升气管、3.筒体、4.进气管、5.锥体、6.破涡斗、7.料腿。

图2为本发明的一种带有破涡斗的旋风分离器结构示意图；图中：1.升气管、2.封头、3.筒体、4.进气管、5.双锥体、5.1.上锥体、5.2.下锥体、6.破涡斗、7.料腿。

图3为本发明的一种无破涡斗的旋风分离器结构示意图；图中：1.升气管、2.封头、3.筒体、4.进气管、5.双锥体、5.1.上锥体、5.2.下锥体、7.料腿。

图4为采用数值模拟方法获得的同比条件下本发明与现有技术旋风分离器的切向速度对比图。

图5为实验室对比试验条件下，本发明与现有技术旋风分离器的分离效率对比图。

具体实施方式

下面结合附图2对发明作进一步详细的说明。

参照图2，高温高压旋风分离器由筒体3、双锥体5、破涡斗6和料腿7构成。所述高温高压旋风分离器的顶部为拱顶封头2形式。所述双锥体5由上锥体5.1和下锥体5.2组成。所述筒体3上连接有进气管4，筒体3内装有排气管1。所述进气管4为长圆形，并沿切线方向与筒体3相连通。所述排气管1的上端伸出筒体3的拱顶封头2外。

工作原理：

含尘气体以一定的速度从长圆形进气管4切向进入筒体3时，由于受到筒壁约束，气体做向下的螺旋运动，进而在高温高压旋风分离器内部形成旋转流动，边壁的压力升高，中心部位则形成低压区。由于气固之间存在密度差，固体颗粒被甩向器壁，然后固体颗粒会随着螺旋向下流动的气流沿器壁下滑，进入破涡斗6，再经料腿7排出；大部分气体到达下锥体5.2底部附近时，因下锥体5.2锥形的收缩和中心部位低压区的负压吸引作用，而流向旋风分离器中心。这部分气体继续作向上的螺旋运动，最后净化气体经排气管1排出旋风分离器之外。气体中的颗粒只要在气体旋转向上排出前能够浮流到器壁，即可沿器壁流到排灰口，从而达到气固分离的目的。利用CFD软件对分离器流场进行数值模拟分析，结果图4表明本发明的旋风分离器横截面上气体切向速度值明显大于现有技术的旋风分离器，这主要是因为本发明的旋风分离器进气口距分离器筒体轴心的离心距离较大。在实验室内用800目滑石粉进行冷模对比试验测试两种分离器的分离效率和压降，结果如图5。本发明旋风分离器的分离效率高达97％，在同等条件下要比现有技术旋风分离器高约1％左右，在相同压降条件下，本发明的旋风分离器效率也比现有技术的旋风分离器高，且在高入口气速时分离效率更高。因此，本发明的旋风分离器不但承受载荷能力高、设备强度好，而且分离性能还优于现有技术的旋风分离器，具有较好的设备强度和分离效率的综合性能，适合于高温、高压工况下使用。

在此说明书中，本发明技术已参照其特定的实例做了描述。但是很显然仍然可以做出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims

1.一种用于从高温、高压气体中分离颗粒物的旋风分离器，由具有拱型顶部的筒体、双锥体、破涡斗和排料腿构成，进气管在拱顶之下与筒体切向相接；筒体内装有排气管，排气管的轴线与筒体轴线同轴，排气管的上端伸出筒体的拱顶，与外部管线连接，排气管的下端一般与进气口的下缘平齐；双锥体由上锥体和下锥体组成，上锥体上端与筒体下缘相接，下锥体下端接中间灰斗或直接接料腿。

2.如权利要求1所述的高温高压旋风分离器，其特征在于：所述的筒体上部拱形顶的形状为椭圆形、碟型形、半球形封头或锥形等凸型封头结构。

3.如权利要求1所述的高温高压旋风分离器，其特征在于：所述的进气管的截面形状为长圆形、椭圆形或圆形；但优选为长圆形，长圆形的结构构成为两端半圆，中间为矩形。

4.如权利要求1所述的高温高压旋风分离器，其特征在于：所上锥体锥角大于下锥体锥角，上锥体锥角为10°～150°(极限锥角为180°)，下锥体锥角0°～90°；上锥体锥角优选的为30°～120°；下锥体优选的为10°～45°。

5.如权利要求1所述的高温高压旋风分离器，其特征在于：所述上锥体为一凸型封头，凸型封头的形状可为椭圆形、碟型形、半球形、锥形封头。

6.如权利要求1所述的高温高压旋风分离器，其特征在于：所述旋风分离器内部可衬设耐磨、隔热衬里，也可以不衬衬里。