CN104971830A - 耦合式惯性旋流流体颗粒非均相分离装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种耦合式惯性旋流流体颗粒非均相分离装置及方法，包括一个惯性弯道、与惯性弯道耦合相连的一体式蜗壳切向进口的旋流分离器，采用惯性弯道与旋流分离器进行一体式耦合，使流体相和颗粒相经由外部管线首先进入惯性弯道本体产生差异化的颗粒浓度梯度，再进入与其耦合一体式连接的旋流分离器进行分离，以克服传统分离过程颗粒浓度均一化或无浓度梯度条件下分离过程的弊端。本发明可使惯性弯道有机的集成为流体-颗粒径向浓缩空间，在离心场作用下产生外高内低的浓度梯度，可同时减少进入旋流分离器后由于短路流卷吸而导致的颗粒穿透量、以及缩短颗粒向捕集壁面运动距离或时间，从而在不明显增加分离器压降的条件下有效提高非均相的分离效率。

Description

耦合式惯性旋流流体颗粒非均相分离装置及方法

技术领域

本发明涉及一种流体颗粒非均匀两相（气固或气液）分离与净化技术，尤其涉及一种耦合式惯性旋流流体颗粒非均相分离方法及其装置。

背景技术

旋流非均相分离设备（即旋流分离器，包括旋风分离器和旋液分离器等）具有结构简单、造价低廉易于维护的优点，并且适用高温、高压、高腐蚀等严苛的操作环境，广泛应用于能源、化工、材料及环境等领域的气体颗粒分离与净化过程。当流体颗粒非均匀两相流（稀相或浓相）进入旋流分离器的内部空间，螺旋运动向下流入分离器下部，到达自然旋转长后反转向上，颗粒在此过程中在离心力作用下向边壁运动，从而使流体颗粒两相得以分离。被分离的颗粒沿筒体和锥体壁面落入颗粒出口，清洁气流由气体出口排出。对于现有旋流分离器，流体颗粒两相流直接进入旋风器，进口垂直方向截面上各位置颗粒浓度相同，由于短路流裹挟等原因造成穿透至流体出口管道的颗粒量增加从而导致分离效率下降。现有旋流分离器在颗粒经由进口进入到分离本体内部后，颗粒才在离心力作用下向边壁运动，固相颗粒向捕集壁面运动距离或时间长，增加了分离难度，同样有导致分离效率下降的弊端。一些研究采用改变进口截面形状或者尺寸的方法来消除上述影响，虽然在一定程度上提高了效率，但存同时导致压降增大或者设备复杂度增加的问题。或者采用在旋流分离器进口直段处增设隔板使进口分割为等宽等长的两个通道，但由于是直管段，依然不能有效的产生浓度富集效应。也有依靠采用旋流分离器外部连接弯管的方式实现浓度富集和预分离过程，但是由于弯管和分离器分别为两个独立单体结构，难以实现有机结合，增加了设备的体积和连接难度。此外，依靠研发新型结构的分离器的方法，例如采用双进口甚至多进口，或者采用复式的二重回流式结构，以及内置甚至转动部件的方式改善现有的旋流分离器的效率的方法，会导致现有分离器无法进行升级改进或者极大的增加了设计、制造和安装等环节的难度，并且会造成设备投资的巨大增加。因此，从进口结构的功能与原理出发，从改善入射颗粒浓度场角度进行旋流分离器分离原理和结构创新，充分利用进入气固两相的浓度梯度或富集效应来减少颗粒穿透量和增加缩短分离时间或距离，从而有效提高流体颗粒分离效率是十分必要的。

发明内容

本发明的目的在于：解决旋流分离器进口气流截面上各位置颗粒浓度相同导致固相颗粒穿透量大、分离距离和时间长大的问题，提出一种耦合式惯性旋流流体颗粒非均相分离装置及方法，即采用惯性弯道与蜗壳式旋流分离器有机耦合的方法，实现提高现有分离装置单体分离效率，以及提高串联时多级分离系统的总效率。

本发明是通过以下具体技术方案实现的：

一种耦合式惯性旋流流体颗粒非均相分离装置，包括一个惯性弯道、与惯性弯道耦合相连的一体式蜗壳切向进口的旋流分离器及其筒体、锥体、颗粒出口和流体出口，所述惯性弯道的进口与外部管线相连、出口与旋流分离器器的蜗壳进口端相连，所述惯性弯道由内侧弧形板、外侧弧形板、上顶板及下底板所夹封闭的同心扇面环形空间构成，其中内侧弧形板与旋流分离器的筒体壁重合。

所述惯性弯道的内侧弧形板和外侧弧形板间的弯道横截面呈扇环形，所述惯性弯道弯角和平面弯曲角度0-180°弯道空间仰角为0-60°。

所述惯性弯道和旋流分离器内均设置绝热耐磨衬里，使之具有耐高温耐磨性能。

多个所述惯性旋流耦合式非均相分离装置串联在一起，前一级分离装置单体的出口经连接管道与下一级分离装置单体的惯性弯道的进口外部管线相连接，或者采用Y型分流或者同心圆分流的方式并联连接。

一种应用耦合式惯性旋流流体颗粒非均相分离装置的分离方法，首先使得待分离的流体颗粒非均匀两相进入所述惯性弯道，颗粒在离心力作用下进行浓度梯度差异化及预分离，使流体-颗粒相进入惯性弯道并在离心力作用下产生径向外高内低的颗粒浓度梯度，再进入与其耦合一体式连接的旋流分离器进行分离；然后，具有浓度梯度颗粒相再进入旋流分离器的筒体和锥体进行再分离，使具有浓度梯度的颗粒相在进入旋流分离器后，从微细颗粒聚集为大颗粒，缩短其在离心力作用下移动到分离器的筒体和锥体边壁的距离和时间；同时，降低旋流分离器内短路流所夹带颗粒穿透性，提高整体分离效率。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）合理地设计了惯性旋流耦合式流体颗粒非均相分离装置的耦合一体式惯性弯道，使得原有蜗壳旋流分离器的筒体或筒锥体分离区域增加为弯道筒体或弯道筒锥体分离区域。惯性弯道使得进入旋流分离器的颗粒相产生外浓内淡的浓度梯度或富集效应，从而有效提高整个分离器的分离效率。

（2）增设的惯性弯道可以通过灵活调整其弯曲角度和截面仰角等连接形式来适应现有设备结构或布置形式。

（3）当进行多级串联使用时，惯性弯道的多级使用时相当于增加了多个颗粒浓度梯度改善或富集空间，有利于提高整个系统的分离效率；当进行并联时有利于提高系统的处理流量。

（4）在不改变原有旋流分离器先进性能、结构尺寸和匹配方案的基础上增强其分离效率，此外降低了设计和制造难度、节约了设备空间同时减少了研发时间和费用。

附图说明

图1为常规旋流分离原理及装置示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为本发明的耦合式惯性旋流流体颗粒非均相分离装置示意图；

图4为图3的俯视图；

图5为本发明与常规旋流分离器分级效率对比图；

图6为本发明惯性弯道不同弯曲角度和仰角实施方式示意图；

其中：（a）惯性弯道不同平面弯角，（b）惯性弯道不同空间仰角；

图7为本发明高温操作条件下实施方式示意图；

图8为本发明多级串联实施方式示意图；

图9为图8的俯视图。

具体实施方式

下面结合具体实施案例，进一步阐述本发明。

如图3，4所示，一种耦合式惯性旋流流体颗粒非均相分离装置，包括一个惯性弯道1及与之耦合相连的一体式蜗壳切向进口旋流分离器2及其连接构成部件的筒体21、锥体22、颗粒出口23和流体出口24。

惯性弯道1采用单向的连接方式，其进口10与外部管线0相连、出口15旋流分离器蜗壳进口端20相连。惯性弯道1由内侧弧形板11、外侧弧形板12、上顶板13及下底板15所夹封闭的同心扇面环形空间构成，其中内侧弧形板11为与旋流分离器的筒体21为空间投影重合结构。连接处可采用焊接。待分离流体颗粒非均相流经外部管线0进入惯性弯道1，再经由惯性弯道1进入旋流分离器2。本发明与常规旋流分离器（图1，2）相比可有效改善流体颗粒的截面浓度梯度，使之形成外浓内淡的浓度分布，从而有效改善颗粒分离效率。

如图5所示，本发明与常规旋流分离器分离能力比较。在气体-固体颗粒相分离体系中，对于直径为300mm的分离器、进口速度为20m/s和颗粒密度为2700kg/m³的条件下，对于小于5μm的颗粒，本发明的分级效率最大可提高20%。

如图6所示，根据现有的旋流分离器2的具体结构，本发明的所涉及的惯性弯道1的平面弯曲角度可设计为具有0-180°的结构并与之耦合相连，两者接触处可采用焊接连接；根据现有的外部管线0的布置样式，本发明的所涉及的惯性弯道1的空间仰角可设计为具有0-60°的结构并与之相连，两者接触处可采用焊接。

如图7所示，为了满足高温或高密度重介质操作条件下两相分离的需要，本发明的惯性弯道和分离器本体均可设置绝热耐磨衬里，使之具有耐高温耐磨性能。

如图8，9所示，为了适应大容量操作条件下两相分离的需要，惯性旋流耦合式非均相分离装置单体可被设计为多级串联形式，前一级分离装置单体的出口24经连接管道3与下一级分离装置单体的惯性弯道1的进口外部管线0相连接，两者接触处可采用焊接或法兰连接。从而有效提高系统的总效率。

本发明在现有常规旋流分离器蜗壳进口前增设耦合一体式连接的惯性弯道，使其成为一种惯性旋流耦合式流体颗粒分离器。其工作原理为使得待分离的流体颗粒非均匀两相首先进入惯性弯道，颗粒在离心力作用下进行浓度梯度差异化及预分离，结果使原本直接进入旋流分离器的液体颗粒两相在惯性弯道内由于离心力的作用下从原来均一的浓度改善改变产生外侧浓内侧淡的颗粒富集效应。之后，具有浓度梯度颗粒相再进入旋风分离本体筒体和锥体进行再分离，结果使具有浓度梯度的颗粒相在进入旋流分离器本体后，一方面外侧高浓度的颗粒相距离旋流分离器排气管距离较大而距分离壁面距离较小并且易于从微细颗粒聚集为较大颗粒，使其在离心力作用下移动到分离器筒体和锥体边壁的距离和时间较短而易于分离；同时另一方面由于颗粒相内侧浓度较低，降低了旋流分离器内短路流所夹带颗粒穿透的可能性，从而有效提高了整体分离效率。采用本发明，通过对常规已有旋流分离器加装耦合一体式惯性弯道，使得大多数类型的常规分离的在不改变原有旋流分离器结构尺寸和匹配方案的基础上分离效率得到增强，并同时具有节约设备空间等特点，可广泛适用于各种能源、化工、材料和环境领域的气固、气液等领域的分离与净化工艺。

Claims (5)

1.一种耦合式惯性旋流流体颗粒非均相分离装置，包括一个惯性弯道(1)、与惯性弯道(1)耦合相连的一体式蜗壳切向进口的旋流分离器(2) 及其筒体(21)、锥体(22)、颗粒出口(23)和流体出口(24)，所述惯性弯道(1)的进口(10)与外部管线0相连、出口(15)与旋流分离器器(2)的蜗壳进口端(20)相连；其特征在于：所述惯性弯道(1)由内侧弧形板(11)、外侧弧形板(12)、上顶板(13)及下底板(14)所夹封闭的同心扇面环形空间构成，其中内侧弧形板(11)与旋流分离器的筒体(21)壁重合。

2.根据权利要求1所述的耦合式惯性旋流流体颗粒非均相分离装置，其特征在于：所述惯性弯道(1)的内侧弧形板(11)和外侧弧形板(12)间的弯道横截面呈扇环形，所述惯性弯道弯角和平面弯曲角度0-180°弯道空间仰角为0-60°。

3.根据权利要求1所述的耦合式惯性旋流流体颗粒非均相分离装置，其特征在于：所述惯性弯道(1)和旋流分离器(2)内均设置绝热耐磨衬里，使之具有耐高温耐磨性能。

4.根据权利要求1-3任一所述的耦合式惯性旋流流体颗粒非均相分离装置，其特征在于：多个所述惯性旋流耦合式非均相分离装置串联在一起，前一级分离装置单体的出口(24)经连接管道(3)与下一级分离装置单体的惯性弯道(1)的进口外部管线(0)相连接，或者采用Y型分流或者同心圆分流的方式并联连接。

5.一种应用权利要求1-3任一所述的耦合式惯性旋流流体颗粒非均相分离装置的分离方法，其特征在于：首先使得待分离的流体颗粒非均匀两相进入所述惯性弯道(1)，颗粒在离心力作用下进行浓度梯度差异化及预分离，使流体-颗粒相进入惯性弯道(1)并在离心力作用下产生径向外高内低的颗粒浓度梯度，再进入与其耦合一体式连接的旋流分离器（2）进行分离；然后，具有浓度梯度颗粒相再进入旋流分离器(2)的筒体(21)和锥体(22)进行再分离，使具有浓度梯度的颗粒相在进入旋流分离器(2)后，从微细颗粒聚集为大颗粒，缩短其在离心力作用下移动到分离器的筒体(21)和锥体(22)边壁的距离和时间；同时，降低旋流分离器内由短路流所夹带造成的颗粒穿透，提高整体分离效率。