CN105289116A - 一种加环旋流板分离器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种加环旋流板分离器。所述加环旋流板分离器包括顶端具有出口的筒状的外壁，竖向设置在外壁内的内部实体，固定连接在外壁与内部实体之间的旋流板，以及分离环；所述内部实体用来促使气流更靠近外壁壁面流动并加快流体速度，所述旋流板用于拦截颗粒并促使气流旋转，所述分离环用于缩短颗粒离心运动的距离；所述分离环环向固定在所述旋流板上。本发明降低了临界分离粒径，实现能在更低压降范围内设计旋流板分离器。

Description

一种加环旋流板分离器

技术领域

本发明涉及一种加环旋流板分离器，属于物质分离技术领域，尤其适用于烟气湿法净化工程中的气液分离，特别是涉及一种加环旋流板分离器结构的设计原理与定量设计时的理论计算过程以及在物质分离方面的特性。

背景技术

旋流板分离器是利用旋流叶片使气体做旋转运动，在离心力的作用下，达到气液与气固分离的目的。由于其简单的结构与良好的分离效率使其广泛的运用于化工、矿冶、食品、医药、电力与环保等行业，如用于丙烯腈与三聚氰胺等化工生产过程中气液分离，用于烟气湿法净化过程中的除雾，以及水泥生产过程中生料的预热。

在湿法脱硫塔中，由于除雾效率不高，而引起的后续管道与GGH装置中的结垢问题时常发生，这严重影响整个湿法脱硫工艺的运行。同时，烟囱中下雨的现象也是由于除雾效率不高而引起的。旋流板分离器对雾化喷嘴所产生的较大雾滴具有很好的脱除性能，但由于喷嘴、雾滴碰撞、烟气冷凝与雾滴蒸发而生成的小粒径雾滴具有很强的烟气跟随性，因此很难被除去。

目前对旋流板分离器的研究主要集中在对旋流叶片的布置上，或通过增加构件来减少二次夹带，这些都不能从根本上增加旋流板分离器对较小粒径颗粒的脱除性能。

中国专利CN202983913U通过并联组合多个小的旋流板除雾器，来减小气流旋转半径，从而实现增大离心力的效果，促进小粒径雾滴的脱出效率。也有研究者通过设计内外双程通道，来缩短两相分离距离，来促进小粒径雾滴的分离效率。这些设计促进了小粒径液滴的分离效率，同时也增加了装置结构的复杂性，越复杂的结构意味着其建设难度越大，也意味着越容易出现结垢现象。一般的旋风分离器灵活性都很差，面对不同的处理量或不同的分离效率，都需要大范围的重新设计，再安装，不能在原有的基础上进行优化与改造，来达到既满足分离效率又节省时间与成本的目的。因此，旋流板分离器的设计在促进小粒径颗粒分离效率的同时，也需要简化其结构设计与增加其运用的灵活性，以及降低其运行压降。

发明内容

本发明旨在提供一种加环旋流板分离器，该分离器结构简单，能从原理上彻底解决小粒径颗粒分离效率低的问题，又能降低运行压降，并且能根据需求进行灵活设计与升级改造，便于推广。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种加环旋流板分离器，其结构特点是，包括

—筒状的外壁，其顶端具有出口，

—内部实体，其竖向设置在外壁内，用来促使气流更靠近外壁壁面流动并加快流体速度；

—旋流板，其固定连接在外壁与内部实体之间，用于拦截颗粒并促使气流旋转，以及

—分离环，其用于缩短颗粒离心运动的距离；

所述分离环环向固定在所述旋流板上。

由此，内部实体用来促使气流更靠近壁面流动与加快流体速度，旋流叶片用来拦截颗粒与促使气流旋转，分离环用来缩短颗粒离心运动的距离。分离环维持了旋流板分离器内流体流动的流畅性，因此，能在现有结构上轻松的实现升级改造。分离环使分离区域内无差异达到设计的临界分离粒径要求，因此本发明降低了临界分离粒径，实现能在更低压降范围内设计旋流板分离器。

根据本发明的实施例，还可以对本发明作进一步的优化，以下为优化后形成的技术方案：

优选地，所述内部实体包括从上至下依次衔接的上部锥体、中间圆柱和倒置的下部锥体。优选上部锥体的底端外径、中间圆柱的外径和下部锥体的顶端外径相等。优选所述中间圆柱的半径r为外壁半径R的1/5-1/3。

优选地，所述上部锥体的母线与水平面之间的夹角α为45°-80°，所述下部锥体的母线与水平面之间的夹角β为45°-60°。

为了进一步提高分离效果，所述外壁的顶端设有收缩壁，该收缩壁的出口口径小于外壁的顶端口径。同时，分离环与收缩壁可以附着被离心出来的颗粒，分离环与收缩壁上各设环形罩，用于防止被附着的颗粒再次被气流带走。

为了防止大粒径液滴被二次夹带，所述收缩壁和分离环上均设有环形罩，该环形罩用于防止被附着的颗粒再次被气流带走。

优选地，所述环形罩相对分离环和收缩壁突出的长度为5cm-10cm，该环形罩与分离环之间的夹角为30°-60°，该环形罩与收缩壁的夹角为30°-60°。

所述收缩壁设置在分离环顶部的相同高度区域，该收缩壁的收缩坡面与竖直方向的夹角γ为40°-50°。

优选地，所述分离环的数量n、高度L与安装位置通过以下公式来确定；

$d_p=\sqrt{\frac{18\mathrm{\μ}}{({\mathrm{\ρ}}_p-{\mathrm{\ρ}}_g)u_t^2}\×\frac{u_a}{L}\×{\∫}_0^y(x+s)ds}$

其中：d_p为临界分离粒径；μ为动力粘度；ρ_d为颗粒密度；ρ_g为流体密度；u_t为流体切向速度；u_a为流体轴向速度；L为分离环高度；x为颗粒距中心的距离；_y为相邻分离环的间距；s为相邻两个分离环之间的距离，s₁+s₂+..s_i...+s_n+s_n+1＝R，R为外壁的半径。

优选地，所述旋流板主要由多个旋流板叶片组成，每个旋流板叶片相对水平面的倾斜角度为45°-60°。

相邻两块旋流板叶片之间具有重叠区域，且相邻两片重叠区域的内外宽度一致，且同一片重叠区域的左右边界之间的夹角θ为5°-15°。

优选所述环形罩一侧设有冲洗喷嘴。喷水覆盖面位于环形罩下方，且覆盖环形罩区域。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)由旋流板、分离环、收缩壁组成的颗粒分离附着体与导流结构，通过增加附着面与缩短颗粒离心运动的距离，解决了旋流板分离器分离效率不高、临界分离粒径大、运行压降高等问题。

(2)分离环的数量、高度与确切的安装位置能根据设计的临界分离粒径与流体在不同区域内各个方向上的速度大小，通过运用牛顿定律、斯托克斯定律，按照设计的计算过程来确定，从而实现分离区域内无差异达到设计的临界分离粒径要求。不同区域内各个方向上的速度大小可以利用CFD技术进行仿真计算获得。

(3)可以直接在原有旋流板分离器结构的基础上，根据分离效率要求，设计加装分离环，提高原旋流板分离器的分离效率，且不会对原有净化系统的运行产生大的影响，因为分离环的存在不会对原流体的流场产生影响。

(4)分离环与收缩壁上的环形罩通过阻挡与限制分离环与收缩壁的近壁面区域流体速度，防止被附着的液滴颗粒被气流二次夹带的发生。

(5)本发明结构简单，建造难度不大，能在原旋流板除雾器结构基础上轻松实现升级改造，实现提高分离效率的同时，还能降低运行的压降。

附图说明

图1是本发明一个实施例的结构原理图(正剖视图)；

图2为图1中径向截面A-A截面结构示意图；

图3为加环旋流板分离器的一种旋流叶片正视图。

在图中：1、出口；2、收缩壁；3、冲洗喷嘴；4、分离环；5、旋流板；6、外壁面；7、入口；8、上部锥体；9、中间圆柱体；10、下部锥体；11、环形罩；12、重叠区域；13、外壁面边界；14、上部边界；15下部边界；16、中间圆柱体边界。

公式(1-1)中：d_p为临界分离粒径；μ为动力粘度；ρ_d为颗粒密度；ρ_g为流体密度；u_t为流体切向速度；u_a为流体轴向速度；L为分离环高度；x为颗粒距中心的距离；y为相邻分离环的间距；s为相邻两个分离环间的距离，s₁+s₂+..s_i..+s_n+s_n+1＝R；n为分离环的数量。

具体实施方式

一种加环旋流板分离器，如图1所示，一种加环旋流板分离装置包括旋流板5，固定于旋流板5上的分离环4，收缩壁2，分离环4与收缩壁2上的环形罩11，冲洗喷嘴3，下部锥体10、中间圆柱9与上部锥体8。所述旋流板5由多个旋流板叶片组成，焊接固定在中间圆柱9与外壁6之间，旋流板叶片倾斜角度设计在45°-60°之间，叶片重叠区域12内外宽度一致，θ角约为5°-15°，其上部边界14可以是水平或倾斜的，但所有叶片上同半径的点都在同一高度上，便于焊接固定分离环4，旋流板5的下部边界15是倾斜的，便于引导被分离液滴颗粒与冲洗水沿壁面6往下流。分离环4的数量n、高度L与确切的安装位置可以根据设计的临界分离粒径与各区域流体在各个方向上的速度大小，通过理论公式与设计的计算过程来确定，即公式(1-1)，因此间距a、b、c是不同的。收缩壁2的起始高度与分离环4的顶部持平或稍高于它，γ角约为40°-50°。环形罩11通过焊接加装在分离环4与收缩壁2上，其突出长度5-10cm，与分离环4与收缩壁2的角度约为30°-60°，分离环4上的环形罩11安装在分离环4的顶端，收缩壁2上的环形罩11可以安装在收缩壁2上部的1/2与顶端之间。安装后的冲洗喷嘴3应正对着附着面喷水，喷水覆盖面在环形罩11的下面，且应包含环形罩11区域。下部锥体10、中间圆柱9与上部锥体8均为空心，中间圆柱9的上下面可以有盲板，半径r为外壁6半径R的1/5-1/3，α角约为45°-80°，维持上部锥体8的顶端与收缩壁2的顶端保持相同高度，β角约为30°-45°。

工作时，下部锥体10、中间圆柱9与上部锥体8促使流体在近壁面流动，缩短液滴流向附着体的距离，同时，缩小可流动截面的面积，增加了流体的速度，上部锥体8还能防止近壁面区域的气流反流向中间区域。旋流板5对大粒径颗粒进行拦截的同时，也促使气流把轴向速度转变为切向速度，使混流体在离心力的作用下进行气液分离。旋流板5下部边界15的倾斜性能引导被拦截的大粒径液滴与冲洗水沿壁面6往下流，有效防止被分离液滴的二次夹带。由分离环4，旋流板上部的壁面6以及收缩壁2构成在离心力作用下被分离出液相的附着体，其中分离环4的设计不仅缩短了液滴向附着体离心运动的距离，也缩短了小液滴受气流影响的时间，通过大大增加附着面积，使小粒径液滴的分离效率大大提高。并且分离环4的数量n、高度L与确切的安装位置可以根据设计的临界分离粒径与各区域内流体在各个方向上的速度大小，通过运用牛顿定律与斯托克斯定律，按照设计的计算过程来确定，从而实现分离区域内无差异达到设计的临界分离粒径要求，由于分离环4能提高分离效率，所以旋流板除雾器可以在更低压降范围内进行设计。并且分离环4的存在不改变原旋流板除雾器内的流场特性，因此非常适合于旧旋流板除雾器的升级改造。收缩壁2迫使气流流向中心区域，而没被分离环4与壁面6分离出的液滴则在惯性与离心力的作用下被收缩壁2除去，因为此时气流中的液滴颗粒粒径都很小，所以收缩壁2开始收缩的水平高度需与分离环的顶部持平，不能高出太多，防止小粒径液滴随气流带走。由于流体速度较大，环形罩11可以防止被附着液滴颗粒再次被气流带走。冲洗喷嘴3正对着附着面喷水，喷水覆盖面在环形罩11的下面，且应包含环形罩11区域，使其能冲洗掉附着面上残留的污垢。

本发明的工作原理如下：

混合流体从入口7进入加环旋流板分离装置，在下部锥体10的作用下，气流流向近壁面区域，通过旋流板5的导流作用，流体的速度得到提高，轴向速度转变为切向速度。同时，在惯性力作用下，大粒径液滴颗粒被旋流板5首先分离出，被分离的液滴在叶片的引导下沿壁面6向下流；旋转的流体在经过分离环4区域时，由于分离环4的存在大大增加了附着面积，并缩短了液滴离心运动距离与小颗粒受气流影响的时间，所以促进了小颗粒分离效率的提高，并使整个除雾器的临界分离粒径大大减小，旋流板除雾器的设计压降得以降低；上部锥体8阻止流体逆流向中间区域，即防止小颗粒在气流影响下被带走；收缩壁2迫使流体从边界以旋转状流向中心区域，没被分离环4与壁面6附着分离的小颗粒将继续在离心力与惯性力的双重作用下被收缩壁2所附着分离；环形罩11通过阻挡与限制流体的速度，防止被附着的液滴颗粒被气流二次夹带的发生；冲洗喷嘴3正对着附着面喷水，喷水覆盖面在环形罩11的下面，且应包含环形罩11区域，使其能冲洗掉附着面上残留的污垢，分离的液滴颗粒与冲洗水在旋流叶片的引导下，沿壁面6往下流；最终被分离的后的净气流从出口1流出。

上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (10)

1.一种加环旋流板分离器，其特征在于，包括

—筒状的外壁(6)，其顶端具有出口(1)，

—内部实体，其竖向设置在外壁(6)内，用来促使气流更靠近外壁(6)壁面流动并加快流体速度；

—旋流板(5)，其固定连接在外壁(6)与内部实体之间，用于拦截颗粒并促使气流旋转，以及

—分离环(4)，其用于缩短颗粒离心运动的距离；

所述分离环(4)环向固定在所述旋流板(5)上。

2.根据权利要求1所述的加环旋流板分离器，其特征在于，所述内部实体包括从上至下依次衔接的上部锥体(8)、中间圆柱(9)和倒置的下部锥体(10)。

3.根据权利要求2所述的加环旋流板分离器，其特征在于，所述上部锥体(8)的母线与水平面之间的夹角α为45°-80°，所述下部锥体(10)的母线与水平面之间的夹角β为45°-60°。

4.根据权利要求1所述的加环旋流板分离器，其特征在于，所述外壁(6)的顶端设有收缩壁(2)，该收缩壁(2)的出口口径小于外壁(6)的顶端口径。

5.根据权利要求4所述的加环旋流板分离器，其特征在于，所述收缩壁(2)和分离环(4)上均设有环形罩(11)，该环形罩(11)用于防止被附着的颗粒再次被气流带走。

6.根据权利要求5所述的加环旋流板分离器，其特征在于，所述环形罩(11)相对分离环(4)和收缩壁(2)突出的长度为5cm-10cm，该环形罩(11)与分离环(4)之间的夹角为30°-60°，该环形罩(11)与收缩壁(2)的夹角为30°-60°。

7.根据权利要求4所述的加环旋流板分离器，其特征在于，所述收缩壁(2)设置在分离环(4)顶部的相同高度区域，该收缩壁(2)的收缩坡面与竖直方向的夹角γ为40°-50°。

8.根据权利要求1或5所述的加环旋流板分离器，其特征在于，所述分离环(4)的数量n、高度L与安装位置通过以下公式来确定；

$d_p=\sqrt{\frac{18\mathrm{\μ}}{({\mathrm{\ρ}}_p-{\mathrm{\ρ}}_g)u_t^2}\×\frac{u_a}{L}\×{\∫}_0^y(x+s)ds}$

其中：d_p为临界分离粒径；μ为动力粘度；ρ_d为颗粒密度；ρ_g为流体密度；u_t为流体切向速度；u_a为流体轴向速度；L为分离环高度；x为颗粒距中心的距离；y为相邻分离环的间距；s为相邻两个分离环之间的距离，s₁+s₂+..s_i...+s_n+s_n+1＝R，R为外壁的半径。

9.根据权利要求1-7之一所述的加环旋流板分离器，其特征在于，所述旋流板(5)主要由多个旋流板叶片组成，每个旋流板叶片相对水平面的倾斜角度为45°-60°。

10.根据权利要求9所述的加环旋流板分离器，其特征在于，相邻两块旋流板叶片之间具有重叠区域(12)，且相邻两片重叠区域(12)的内外宽度一致，且同一片重叠区域(12)的左右边界之间的夹角θ为5°-15°。