CN107635640A - 多级轴向流式旋流分离器 - Google Patents

多级轴向流式旋流分离器 Download PDF

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Abstract

一种多级轴向流式旋流分离器，包括主旋流产生部分(1)、旋流加速部分(2)和流体分离部分(3)。一流体输送管(25)轴向地安装在流体分离部分(3)的外部结构内的中间，用于分离轻相流体并且输送轻相流体通过开口端。根据需要，可以将附加的旋流加速部分和流体分离部分附加到根据本发明的多级轴向流式旋流分离器，以增加旋流的速度并且增加停留时间以提高分离效率。

Description

多级轴向流式旋流分离器
技术领域
本发明涉及一种多级轴向流式旋流分离器。
背景技术
本发明涉及一种高性能旋流分离器，其是用于分离连续相和非连续相的流体分散体的不均匀混合物的多级轴向流式旋流分离器，传统旋流分离器不能有效地进行连续相和非连续相的流体分散体的非均匀混合物的分离。
尽管与其它流体分离方法相比，广泛使用的旋流分离器可以以低成本生产，但是其局限是低分离效率，特别是当用于不能通过传统旋流分离器有效分离的连续相流体的非均匀混合物例如牛奶、乳胶以及类似物时。传统旋流分离器的缺点在于其作为单一过程操作，即只有一个动力源用于产生旋流，其将流体切向地注入到圆筒状室的内壁，并且由此产生的旋流是自由旋流，即朝向其中心旋转的旋流，当已经被施加离心力时，其在中心附近产生与流体的分布相反的较高的加速离心力。在该部分中不发生分离，但是在旋流到达锥体的端部的位置处，反向旋流作为强迫涡流发生。重相经由下方的流被分离，轻相经由上方的流被分离。该过程最终不可能通过进一步连接多个旋流分离器以增加旋转速度和停留时间来提高分离效率。当多个旋流分离器连接时，在通过经由传统旋流分离器的切向入口注入流体产生旋流时，先前的旋流将不会持续，而且整个过程必须重新开始，因为涉及从前一旋流分离器的上部出口到后续旋流分离器的切向入口，先前的旋流将被后续旋流分离器的圆筒状壁中的切向流动破坏。
美国专利第US4289611A号公开了用于过滤空气中的灰尘的多级旋流分离器的一种发明。滤尘器具有彼此纵向联接的2个圆筒状管的形状，螺旋叶片安装在两个圆筒状管中，同轴的第二圆筒状管插入在第一圆筒状管的出口端中，第二圆筒状管在一定程度上比第一管小以在这两个管之间提供一间隙，插入到第二圆筒状管的出口端的圆筒状管在一定程度上比第二圆筒状管小以在它们之间提供一间隙，经由第一圆筒状管的入口引入的空气经由螺旋叶片以产生旋流。旋流产生离心力，该离心力将大直径的灰尘抛向第一圆筒状管的内壁以被分离。具有较小直径灰尘的空气通过具有较小角度和较小横截面的加速旋流的螺旋叶片流入第二圆筒状管道。细小的灰尘被离心力抛到第二圆筒状管的壁上并且被分离。
根据所述专利的多级旋流分离器的缺点在于，在每一级中使用螺旋叶片的旋流的加速是产生新的旋流，但实际上不是先前旋流的加速。下一级中的螺旋叶片破坏了被施加来自先前旋流的离心力所造成根据密度分离的流体分布模式并且产生新的旋流。因此，根据该发明的多级旋流分离器的级数的增加不会通过来自添加的旋流分离器级的旋转速度的加速来促进层分布中的流体分离，而是仅产生从低速旋流到高速旋流的不连续间歇旋流。根据该发明的所述多级旋流分离器不能通过增加旋流分离器的级产生增加的旋转加速度和期望地增加系统的停留时间以如期望地提高分离效率。
发明内容
根据本发明的多级旋流分离器包括用于产生旋流的装置，该装置为具有内部腔和侧面可穿透孔的圆筒状传输基座，所述侧面可穿透孔用于将流体从外部引入到传输基座的内部腔中。可穿透孔包括朝向传输基座的内壁的圆周弯曲的凸曲线形式的边缘，其中凸边缘表面的开始处必须与可穿透孔的涌现轴线成最小角度，而且凸边缘表面与围绕可穿透孔的涌现轴线的其它表面相比必须是最接近的表面。所述侧面可穿透孔和边缘表面的组合符合康达轮廓原理。当具有压力的流体被挤压通过侧面可穿透的孔时，它将被转向以附着边缘的弯曲表面流动，即康达效应现象。利用康达效应，内部腔中的流体被吸引以沿着围绕腔(以下称为“旋流产生室”)的内壁安装的边缘的凸表面流动。旋流产生室具有一定程度的喉部，以在向下游输送旋流之前在旋流产生室中在一定程度上促进旋流的产生，以便在旋流产生室中引起流体作为层流旋流附着平面上的表面流动，而且旋流是强迫涡流，即切向速度在其圆周处最高而且离心加速度梯度轮廓在其圆周处即在边缘的凸表面上最高并且朝向旋流产生室的中心逐渐减小。这符合当被施加离心力时流体的分布，其中具有较高密度的流体被抛到外圆周而具有较低密度的流体在内圆周流动。用于产生旋流的该装置的细节与泰国专利第41173号一致。本发明的用于产生旋流的装置插入在旋流分离器的圆筒状管中，在旋流分离器的圆筒状管与用于产生旋流的装置的圆筒状基座之间设置有一定程度的间隙，从而成为用于将流体分配到用于产生旋流的装置的传输基座的可穿透孔中的空间，其中入口形成在旋流分离器的圆筒状管的侧面上或者入口轴向地安装在旋流分离器的圆筒状管的上游开口端。以上是主旋流产生部分。
在主旋流产生部分之后，将描述旋流加速部分，其包括同轴地联接到主旋流产生部分的圆筒状管。圆筒状管插入有用于加速旋流的装置，该用于加速旋流的装置形成为具有内部腔的锥形传输基座，其中在圆筒状管与用于加速旋流的装置的锥形传输基座之间设置有一定程度的间隙，从而成为用于将流体分配到用于加速旋流的装置的可穿透孔中的空间，并且流体入口形成在圆筒状管的侧面上。用于加速旋流的装置形成为具有内部腔的锥形传输基座，其中锥形传输基座的上游开口端的直径大于传输基座的下游开口端的直径，其中可穿透孔形成在传输基座的侧面上，可穿透孔包括朝向传输基座的内壁的圆周弯曲的凸表面边缘，其中凸边缘表面的开始处必须与可穿透孔的涌现轴线成最小角度，而且与围绕可穿透孔的涌现轴线的其它表面相比，凸边缘表面必须是最接近的表面。侧面可穿透孔和边缘的凸表面的布置符合康达轮廓的结构，从而引起康达效应，其使通过侧面可穿透孔的流体转向从而使得流体附着在凸表面上流动并且将流体吸入内部腔(以下称为“旋流加速室”)中以在旋流加速室中流动并且形成层流旋流，而且旋流是强迫涡流。由于用于加速旋流的装置的传输基座的上游开口端的直径大于传输基座的下游开口端的直径而且旋流加速室的内壁的圆周沿着斜面逐渐变短，旋流的加速度沿着旋流加速室的纵向方向增加。
当旋流加速部分的流体分配室中的压力被设定为高于主旋流产生部分的流体分配室中的压力时，旋流加速室的内壁上的旋流的速度将高于主旋流产生室中的上游部分中的旋转速度而且加速度可以沿旋流加速室的纵向方向连续不断地增加。作为上述康达效应的结果，旋流加速室中的从主旋流产生室的上游传输来的流体被吸入并且按照旋流加速室中的更高旋转速度加速以形成层流旋流且不搅动先前的旋流。先前的旋流和流体分配是持续的，而在不搅动的情况下流体旋转的增加的加速度将增加施加到流体的离心力。因此，具有不同密度的流体的分离效率提高，因此流体层的分布在密度层中更加明显，其中具有较高密度的流体在外圆周流动，而具有较低密度的流体在内圆周流动。
在旋流加速部分之后，将描述流体分离部分，其包括固定在一凸缘上并且充当沿纵向方向设置的流体输送管的圆筒状管，其小于旋流加速室的出口并且轴向地插入旋流加速室的出口的中心，其中在旋流加速部分的出口与流体输送管的外壁之间设置有一定程度的间隙。当流体以连续上升的速度在旋转流中流动时，重相流体被抛以在外圆周流动，而轻相流体在内圆周流动。当流体到达旋流加速部分与流体分离部分之间的连接部分时，重相流体将经由出口与用于流体输送的圆筒状管的外壁之间的间隙(以下称为“分离室”)被筛选出来，而且在内圆周流动的轻相流体将经由用于流体输送的圆筒状管分离。经由用于流体分离的间隙分离的流体的旋流将在具有适当受控压力的储存器中衰退，而且重相流体通过出口被排出。
根据本发明的用于产生旋流的装置和用于加速旋流的装置产生旋流并且在旋流产生室的内壁的圆周处和旋流加速室加速旋流。康达效应将引起所述室中的流体以增加的加速度旋转，而不搅动先前的旋流，使得随后连接到流体分离部分的附加旋流加速部分可以被添加到系统中以根据需要增加旋转速度和停留时间。
本发明的目的是通过添加旋流层级以连续地加速旋转速度而不引起湍流来提高旋流分离器的效率并且增加停留时间以及提供具有强迫涡流的离心加速度梯度轮廓的层流旋流，即离心力的加速度在其圆周处最高并且朝向中心减小，这是当被施加离心力时根据不同流体密度分离流体的优选离心力轮廓。
附图说明
图1示出了根据本发明的多级轴向流式旋流分离器。
图2示出了随后连接到根据本发明的多级轴向流式旋流分离器的流体分离部分的用于加速旋流的圆锥形延伸部件。
图3示出了随后连接到根据本发明的多级轴向流式旋流分离器的流体分离部分的用于加速旋流的圆筒状延伸部件。
图4示出了根据本发明的多级轴向流式旋流分离器的发散型流体分离部分。
具体实施方式
根据图1，根据本发明的多级轴向流式旋流分离器包括主旋流产生部分1，该主旋流产生部分1连接到旋流加速部分2并且连接到流体分离部分3，其中
主旋流产生部分1包括主旋流产生部分的外部结构4和用于流体分配的内部腔5，所述外部结构形成为具有开口端的外部结构，所述内部腔用于分配从主流体入口6接收的流体，其中
主流体入口6形成为主旋流产生部分的外部结构4的侧面上的至少一个孔或形成为从主旋流产生部分的外部结构4的侧面延伸的至少一个管，用于充当将流体从外部输送到流体分配室5的端口，以便输送到安装在主旋流产生部分的外部结构4内的用于产生旋流的装置8的旋流产生室7，其中
用于产生旋流的装置8形成为全部或部分地安置在主旋流产生部分的外部结构4内的轴向结构，其内部形成为用于产生主旋流的圆筒状空间7和用于将流体输送到用于产生主旋流的空间7的至少一个侧面可穿透孔9，其中
侧面可穿透孔9的孔侧边缘表面形成为凸表面c，其中所述表面的开始处与侧面可穿透孔9的涌现轴线a成最小的角度，而且与围绕侧面可穿透孔9的涌现轴线a的其它表面相比凸表面c是最近的表面。侧面可穿透孔9和侧面可穿透孔9的孔侧边缘表面的凸表面c的组合符合康达轮廓。被挤压通过可穿透孔的流体将被转向以如流线b所示地附着凸表面c流动，产生康达效应，引起主旋流产生室7中的流体沿着流线A以层流方式在曲面c的平面上流动，使得在主旋流产生室7中形成层流旋流，其中
旋流产生室7具有喉部20，用于在旋流被输送到旋流加速部分2之前以足够的量和速度在主旋流产生室7中促进旋流的形成，并且
主旋流产生部分的外部结构4的一个开口端形成为用于封闭的封闭板10，以便引导流体仅通过主流体入口6的入口，并且
主流体入口6可以可选地设计成引导流体从具有封闭板10的上游开口端轴向地流动，封闭板10仅封闭用于产生旋流的装置8的开口端，并且保持流体分配室5的开口端打开以使流体流入流体分配室5中并且通过侧面可穿透孔9流入主旋流产生室7中，
主旋流产生部分的外部结构4的另一个开口端形成为主旋流结构附接凸缘11，用于附接到旋流加速部分的外部结构14的主旋流结构接收凸缘12，并且
旋流加速部分2包括旋流加速部分的外部结构14和内部流体分配室15，所述旋流加速部分的外部结构14形成为具有开口端的外部结构，所述内部流体分配室15用于分配从流体入口16接收的流体，其中
流体入口16形成为旋流加速部分的外部结构14的侧面上的至少一个孔或者从旋流加速部分的外部结构14的侧面延伸的至少一个管，用于充当将流体从外部输送到流体分配室15的端口，以便输送到用于加速旋流的装置18的旋流加速室17，其中
用于加速旋流的装置18形成为全部或部分地布置在旋流加速部分的外部结构14内的轴向结构，其具有安装在旋流加速部分的外部结构14内的内部圆锥形旋流加速室17，用于从流体分配室15接收流体，并且
在用于加速旋流的装置18的侧面上设置有至少一个侧面可穿透孔19，用于充当从流体分配室15流入旋流加速室17中的流体的入口，其中
旋流加速部分的外部结构14的一个开口端形成为主旋流结构接收凸缘12，用于附接到主旋流产生部分1的主旋流结构附接凸缘11，并且
旋流加速部分的外部结构14的另一个开口端形成为流体分离部分结构接收凸缘13，用于附接到流体分离部分3的流体分离部分结构附接凸缘21，其中
安装在旋流加速部分的外部结构14内的用于加速旋流的装置18具有全部或部分地布置在旋流加速部分的外部结构14内的轴向锥管形状，旋流加速部分的外部结构14在旋流加速部分的外部结构14的侧面上具有流体入口16，用于将流体输送到流体分配室15中，具有压力的流体被挤压通过用于加速旋流的装置18的侧面可穿透孔19，进入内部旋流加速室17以便在旋流加速室17内进行旋流加速，其中
侧面可穿透孔19的孔侧边缘表面形成为凸表面c’，所述表面的凸曲线的开始处与侧面可穿透孔19的涌现轴线a’成最小的角度，而且与围绕可穿透孔19的涌现轴线a’的其它表面相比，凸表面c’是最接近的表面。所述侧面可穿透孔19和凸表面c’的组合符合康达轮廓。被挤压通过可穿透孔的流体将被转向以如流线b’所示地附着凸表面c’流动，产生康达效应，引起旋流加速室17中的从主旋流产生部分1输送来的流体沿着流线A’以层流方式在凸表面c’的平面上流动，使得在旋流加速室17中形成层流旋流。由于上游开口端的直径大于用于加速旋流的装置18的传输基座的下游开口端的直径，在流体被输送至流体分离部分3之前，随着圆周沿着用于加速旋流的装置18的圆锥形基座的斜面变短，流体的旋流的加速度增加。
流体分离部分3包括流体分离部分的外部结构22和内部空间23，所述外部结构22形成为具有开口端的外部结构，所述内部空间23用于收集重相流体以输送通过侧面出口24，其中
侧面出口24形成为流体分离部分的外部结构22的侧面上的至少一个孔或从流体分离部分的外部结构22的侧面延伸的至少一个管，用于充当输送重相流体的端口。一流体输送管25轴向地安装在流体分离部分的外部结构22内部的中心，其中
流体输送管25形成为圆筒状管，具有用于充当轻相流体的出口的内部圆筒状腔26，并且流体输送管25的直径小于旋流加速部分2的出口处的形成为位于中心的圆孔的开口端的直径，以提供用于流体分离的环形空间27以便分离重相流体并且将流体输送到空间23，并且
流体分离部分的外部结构22的一个开口端形成为流体分离部分结构附接凸缘21，用于附接到旋流加速部分2的流体分离部分结构接收凸缘13，并且
流体分离部分的外部结构22的另一个开口端形成为外部附接凸缘28，用于充当附接流体输送管25的边缘。
根据本发明的多级轴向流式旋流分离器的效率可以通过各种形式的延伸部件的连接来提高，所述各种形式的延伸部件包括根据图2的延伸部件或根据图3的延伸部件，根据图2的延伸部件是随后连接到流体分离部分的用于加速旋流的圆锥形延伸部件，根据图3的延伸部件是随后连接到流体分离部分的用于加速旋流的圆筒状延伸部件。即联接到根据本发明的多级轴向流式旋流分离器的流体分离部分3的上述至少一组延伸部件。
根据本发明的多级轴向流式旋流分离器可以配置为通过联接到根据图4的发散流体分离部分而不是根据图1的流体分离部分3来分离气态流体。
根据安装有用于产生旋流的装置8的主旋流产生部分1的主旋流产生部分的外部结构4，流体的旋流形成为强迫涡流并且由用于加速旋流的装置18加速，这也是强迫涡流旋流(force vortex swirl)的形成，从而产生强迫涡流的离心力分布的轮廓，即离心力或切向速度在旋流产生室的圆周处最高。施加到流体的离心力以如下轮廓产生流体分布：重相流体在外圆周流动，而轻相流体在内圆周流动。当到达用于流体分离的空间时，重相流体将流动通过用于流体分离的空间27进入收集室23并且经由出口24排出，但轻相流体将在内圆周流动并且经由流体输送管25的圆筒状腔26排出。
根据本发明的多级轴向流式旋流分离器被设计成从上游到下游依次增加各级流体分配室中的压力，并且在下游出口处提供低于上游出口的压力，以便连续地加速旋流。

Claims (5)

1.一种多级轴向流式旋流分离器，包括：
主旋流产生部分(1)，其包括所述主旋流产生部分的外部结构(4)和内部流体分配室(5)，所述外部结构(4)形成为具有开口端的外部结构，所述内部流体分配室(5)用于分配从主流体入口(6)接收的流体，所述主流体入口(6)形成为所述主旋流产生部分的外部结构(4)的侧面上的至少一个孔或者形成为从所述主旋流产生部分的外部结构(4)的侧面延伸的至少一个管，用于充当将流体从外部输送到流体分配室(5)的端口，以便输送到用于产生旋流的装置(8)的主旋流产生室(7)，所述用于产生旋流的装置(8)安装在所述主旋流产生部分的外部结构(4)内，其中
所述用于产生旋流的装置(8)形成为全部或部分地安置在所述主旋流产生部分的外部结构(4)内的轴向结构，其内部形成为圆筒状主旋流产生室(7)和用于将流体输送到所述主旋流产生室(7)的至少一个侧面可穿透孔(9)，靠近所述侧面可穿透孔(9)的边缘表面形成为凸表面c，其中所述表面的开始处与所述侧面可穿透孔(9)的涌现轴线a成最小的角度，并且与围绕所述侧面可穿透孔(9)的涌现轴线a的其它表面相比凸表面c是最近的表面，其中所述侧面可穿透孔(9)和靠近所述侧面可穿透孔(9)的边缘表面的凸表面c的组合符合康达轮廓，其中被挤压通过可穿透孔的流体将被转向以如流线b所示地附着凸表面c流动，产生康达效应，引起主旋流产生室(7)中的流体沿着流线A以层流方式在曲面c的平面上流动，使得在主旋流产生室(7)中形成层流旋流，其中
所述主旋流产生部分的外部结构(4)的一个开口端形成为用于封闭的封闭板(10)，以便引导流体仅通过主流体入口(6)的入口；
旋流加速部分(2)，其包括旋流加速部分的外部结构(14)和内部流体分配室(15)，所述旋流加速部分的外部结构(14)形成为具有开口端的外部结构，所述内部流体分配室(15)用于分配从流体入口(16)接收的流体，所述流体入口(16)形成为所述旋流加速部分的外部结构(14)的侧面上的至少一个孔或从所述旋流加速部分的外部结构(14)的侧面延伸的至少一个管，用于充当将流体从外部输送到流体分配室(15)的端口，以便输送到用于加速旋流的装置(18)的旋流加速室(17)，其中
用于加速旋流的装置(18)形成为全部或部分地布置在所述旋流加速部分的外部结构(14)内的轴向结构，其具有用于从流体分配室(15)接收流体的内部圆锥形旋流加速室(17)，而且在用于加速旋流的装置(18)的侧面上设置有至少一个侧面可穿透孔(19)，用于充当从流体分配室(15)流入旋流加速室(17)中的流体的入口，其中
所述侧面可穿透孔(19)的边缘表面形成为凸表面c’，其中所述表面的开始处与所述侧面可穿透孔(19)的涌现轴线a’成最小的角度，而且与围绕可穿透孔(19)的涌现轴线a’的其它表面相比所述凸表面c’是最近的表面，其中所述侧面可穿透孔(19)和所述凸表面c’的组合符合康达轮廓，其中被挤压通过可穿透孔的流体将被转向以如流线b’所示地附着凸表面c’流动，产生康达效应，引起旋流加速室(17)中的从主旋流产生部分(1)输送来的流体沿着流线A’以层流方式在凸表面c’的平面上流动，使得在旋流加速室(17)中形成层流旋流，其中上游开口端的直径大于用于加速旋流的装置(18)的传输基座的下游开口端的直径，在流体被输送至流体分离部分(3)之前，随着圆周沿着用于加速旋流的装置(18)的圆锥形基座的斜面变短，流体的加速度增加；以及
流体分离部分(3)，其包括流体分离部分的外部结构(22)和内部空间(23)，所述流体分离部分的外部结构(22)形成为具有开口端的外部结构，所述内部空间(23)用于收集重相流体以输送通过侧面出口(24)，所述侧面出口(24)形成为所述流体分离部分的外部结构(22)的侧面上的至少一个孔或从所述流体分离部分的外部结构(22)的侧面延伸的至少一个管，用于充当输送重相流体的端口，而且一流体输送管(25)轴向地安装在流体分离部分的外部结构(22)内部的中心，其中
所述流体输送管(25)形成为圆筒状管，具有用于充当轻相流体的出口的内部圆筒状腔(26)，并且流体输送管(25)的直径小于形成在旋流加速部分(2)的出口开口端的中心上的圆孔，所述环形空间充当用于分离重相流体并且将流体输送到流体收集空间(23)的用于流体分离的空间(27)，并且
所述流体分离部分的外部结构(22)的一个开口端形成为外部附接凸缘(28)，用于充当附接流体输送管(25)的边缘。
2.根据权利要求1所述的多级轴向流式旋流分离器，其中，所述主旋流产生室(7)具有喉部(20)，用于在旋流随后被输送之前以足够的量和速度在主旋流产生室(7)中促进旋流的形成。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的多级轴向流式旋流分离器，其中，从上游开口端轴向地抽吸流体的主流体入口(6)包括封闭板(10)，所述封闭板(10)用于仅在上游开口端封闭用于产生主旋流的装置(8)的开口端并且打开用于产生主旋流的装置周围的空间以允许流体流入所述流体分配室(5)中并且通过所述可穿透孔(9)流到所述主旋流产生室(7)。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的多级轴向流式旋流分离器，其中，至少一组随后连接到流体分离部分的用于加速旋流的圆锥形延伸部件和/或随后连接到流体分离部分的用于加速旋流的圆筒状延伸部件联接到所述流体分离部分(3)。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的多级轴向流式旋流分离器，其中，所述流体分离部分(3)由发散的流体分离部分取代。
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