CN109107786A - 高温带压高效旋风分离器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高温带压高效旋风分离器，其中排气口设置在内筒体的上端，第一封头设置在外筒体的上端，第二封头和第三封头分别设置在中筒体的上端和下端，中筒体的下部位于外筒体内，中筒体的下部的侧面设置有至少一个蜗壳出口，蜗壳出口的外侧面抵靠外筒体的内壁，中筒体的上部穿设第一封头并裸露在外，进气口设置在中筒体的上部的侧面并沿中筒体的径向设置，内筒体穿设第二封头和第三封头，内筒体的上端裸露在外，内筒体的下端位于外筒体中。本发明能够从高温带压气体中分离颗粒物，分离效率高，且可以在高温带压高腐蚀及强磨损等恶劣工况下长周期、高效率、安全稳定运行，设计巧妙，结构独特新颖，制造简便，成本低。
Description
技术领域
本发明涉及分离装置技术领域，特别涉及旋风分离器技术领域，具体是指一种高温带压高效旋风分离器。
背景技术
从高温带压气体中分离颗粒物是石油、化工及煤气化等生产过程中一个重要的化工单元操作，属于化学工程非均相分离领域，比如：HYGAS多级流化床气化炉合成的粗煤气压力高达8.5MPa，旋风分离器进口温度为1100℃，需要将高温带压的粗煤气净化处理，除去其中大量的煤粉颗粒以满足工艺要求；又如：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)工艺需要净化的气体温度为800℃～1000℃，操作压力1.0MPa～5.0MPa；再如：石油催化裂化工艺催化剂再生系统气体净化工艺中，气体温度为700℃～750℃，操作压力0.2MPa～0.3MPa。这些苛刻的操作条件唯有旋风分离器可以满足要求。
旋风分离器是利用气态非均一系，在作高速旋转时所产生的离心力，将粉尘从气流中分离出来的一种干式气固分离设备。由于颗粒所受的离心力远远大于重力和惯性力，所以旋风分离器能经济地分离的最小粒径可达到5μm～10μm。此外，旋风分离器结构比较简单，操作、维护方便，性能稳定，又不受含尘气体的浓度、温度、物性等限制，且造价较低，所以已广泛地应用于石油、化工、煤炭、电力、环保及冶金等工业生产中。
由于旋风分离器内的气流运动极为复杂，属于三维湍流的强旋流，因此旋风分离器的结构形式将直接影响分离性能。二次涡流在旋风分离器中普遍存在，它由轴向速度νz与径向速度νr构成，二次涡流对旋风分离器的性能，尤其是对分离效率影响较大。几个影响旋风效率的二次涡流主要集中在旋风的头部(即旋风筒体以上部分),如“上涡流(或称短路流)”,旋风分离器顶盖、排气管外面与筒体内壁之间，由于径向速度与轴向速度的存在，将形成局部涡流(上涡流)，夹带着相当数量的尘粒向中心流动，并沿排气管外表面下降，最后随中心上升气流逸出排气管，影响了分离效率。再如“纵向旋涡流”，是以旋风分离器内、外旋流分界面为中心的器内再循环而形成的纵向流动。由于排气管内的有效流通截面小于排气管管端以下内旋流的有效流通截面，因此在排气管管端处产生节流效应，从而使排气管管端附近的气体径向速度大大提高，致使气体对大颗粒的曳力超过了颗粒所受的离心力，而造成“短路”，影响了分离性能。还有如“底部夹带涡流”,外层旋流在锥体底部向上返转时会产生局部涡流，将粉尘重新卷起，使该二次涡流一直延伸到锥体底部，特别是细微粉尘易被涡流搅起并随上升气流带走，从而降低了分离效率。因此开发一种能尽量消除主要二次涡流的旋风结构是提高旋风效率的一个重要方向。目前工程上越来越多会遇到高温带压等恶劣工况条件,迫切需要研发出相适应的高效旋风分离器，这进一步增加了高效旋风分离器的开发难度。
国内外工业应用的旋风分离器在结构形式上有很多种类，比较著名的有：PV型、扩散式、Buell型及Ducon型等，这些基本上都为切向矩形入口及平顶板结构，但这种非规则容器结构的缺点是无法承受较高的压力，并不适用于目前各类高温带压的工况条件；同时大多数的旋风针对消除几个主要二次涡流的结构并不明确，因此对细颗粒的分离效果不佳。目前所使用的高温带压旋风分离器基本上是在原有旋风分离器的结构基础上进行修改，以满足分离器的容器壳体能承受高温和高压载荷，如将平板型改为拱顶型以求形成规则压力容器，但这样修改却无法保证原有结构的分离性能。或是简单地增加板材壁厚并采用加强筋，此举会大幅增加分离器制造难度，并增加了制造成本。
中国发明专利申请“一种高温高压旋风分离器”(申请公布号：CN103623943A)公开了一种高温高压旋风分离器，顶部采用拱顶型结构，进口采用长圆形、椭圆形或圆形结构，这些设计虽能够保证高温带压条件下设备机械强度，但因大幅改变原有旋风分离器的平顶板结构和方形口切向进气方式，分离器内部主要几个二次涡流影响的更加严重，降低了旋风分离器的分离效率，是典型的为了确保壳体承压能力而牺牲分离效率的设计方案。
中国发明专利申请“一种新型旋风分离器”(申请公布号：CN103817022A)公开了一种高温高压旋风分离器，为解决压力容器机械强度问题，该旋风分离器采用了径向圆形进口方式，内部设置了防冲蚀导向板和多层螺旋导流叶片，高温带压含尘气体沿多层螺旋导流叶片螺旋向下运动，粉尘颗粒受离心力作用被甩向器壁而被分离。这种螺旋导流叶片设计方式已经被实践证明分离效率是明显低于切向进口式和蜗壳进口旋风,主要原因是分离器内部存在的几个主要二次涡流的严重影响了分离效率,尤其是螺旋进气结构的“上涡流(或称短路流)”的影响有增无减,同样是为了确保壳体承压而牺牲分离效率的设计方案。
中国发明专利申请“一种高温高压夹套式旋风分离器”(申请公开号：CN101648169A)公开了一种高温高压旋风分离器，为解决压力容器机械强度问题同时又不改变原有旋风所具有的较高的分离效率，将常规的高效旋风分离器内置在一个规则压力容器中，两者之间用耐高温及高压介质填充。这种设计方案使常规旋风分离器效率得到了最大的保障，而承压和耐温问题也很好地得到了解决，但缺点也很明显：旋风分离器体积、总重量及制造成本都成倍增长。
因此，需要提供一种旋风分离器，其能够从高温带压气体中分离颗粒物，分离效率高，且可以在高温高压高腐蚀及强磨损等恶劣工况下长周期、高效率、安全稳定运行。
发明内容
为了克服上述现有技术中的缺点，本发明的一个目的在于提供一种高温带压高效旋风分离器，其能够从高温带压气体中分离颗粒物，分离效率高，且可以在高温带压高腐蚀及强磨损等恶劣工况下长周期、高效率、安全稳定运行，适于大规模推广应用。
本发明的另一目的在于提供一种高温带压高效旋风分离器，其设计巧妙，结构独特新颖，制造简便，成本低，适于大规模推广应用。
为达到以上目的，本发明提供一种高温带压高效旋风分离器，包括进气口、外筒体、第一封头、内筒体和排气口，所述排气口设置在所述内筒体的上端，所述第一封头设置在所述外筒体的上端，其特点是，所述的高温带压高效旋风分离器还包括中筒体、第二封头和第三封头，所述第二封头设置在所述中筒体的上端，所述第三封头设置在所述中筒体的下端，所述中筒体的下部位于所述外筒体内，所述的中筒体的下部的侧面设置有蜗壳出口，所述蜗壳出口的外侧面抵靠所述外筒体的内壁，所述蜗壳出口的数目为2个以上，2个以上所述蜗壳出口成轴对称布置，所述中筒体的上部穿设所述第一封头并裸露在外，所述进气口设置在所述的中筒体的上部的侧面并沿所述中筒体的径向设置，所述内筒体穿设所述第二封头和所述第三封头，所述的内筒体的上端裸露在外，所述内筒体的下端位于所述外筒体中。
较佳地，所述的中筒体的下部的侧面设置有开口，所述蜗壳出口包括蜗壳侧板、蜗壳顶板和蜗壳底板，所述蜗壳侧板从所述开口的一侧弧形延伸至所述的外筒体的内壁并靠近所述开口的另一侧，所述蜗壳侧板的外侧面抵靠所述的外筒体的内壁，所述蜗壳顶板位于所述蜗壳侧板的上端和所述开口的上端之间并分别连接所述蜗壳侧板的上端和所述的开口的上端，所述蜗壳底板位于所述蜗壳侧板的下端和所述开口的下端之间并分别连接所述的蜗壳侧板的下端和所述的开口的下端。
更佳地，所述蜗壳顶板和所述蜗壳底板均倾斜向下设置且相互平行设置。
更进一步地，所述蜗壳顶板和所述蜗壳底板与垂线的夹角均为夹角β，所述夹角β的角度为15°～60°。
更佳地，所述蜗壳出口的横截面的长度和宽度比为1.5～3.0，其中所述长度为所述蜗壳侧板的高度，所述宽度为所述中筒体和所述外筒体之间的间距。
较佳地，所述的高温带压高效旋风分离器还包括旋流器，所述旋流器包括旋流叶片，所述旋流叶片设置在所述中筒体和所述内筒体之间，所述旋流叶片的旋转方向与所述蜗壳出口的旋转方向相同。
较佳地，所述的内筒体的下端为收缩锥，所述收缩锥的上端的直径大于所述收缩锥的下端的直径，所述收缩锥的侧面设置有若干孔洞。
较佳地，所述外筒体、所述中筒体和所述内筒体同轴布置，所述内筒体在所述外筒体内的长度与所述外筒体的长度的比值为0.5～0.9；所述内筒体的直径与所述中筒体的直径的比值为0.5～0.7；所述的中筒体的直径与所述外筒体的直径的比值为0.7～0.9。
较佳地，所述的高温带压高效旋风分离器还包括锥体和排灰口，所述锥体的上端的直径大于所述锥体的下端的直径，所述外筒体的下端连接所述的锥体的上端，所述的锥体的下端连接所述排灰口。
更佳地，所述的高温带压高效旋风分离器还包括中间灰斗，所述的锥体的下端设置在所述中间灰斗的上端，所述排灰口设置在所述中间灰斗的下端。
本发明的有益效果主要在于：
1、本发明的高温带压高效旋风分离器的排气口设置在内筒体的上端，第一封头设置在外筒体的上端，第二封头设置在中筒体的上端，第三封头设置在中筒体的下端，中筒体的下部位于外筒体内，中筒体的下部的侧面设置有蜗壳出口，蜗壳出口的外侧面抵靠外筒体的内壁，蜗壳出口的数目为2个以上，2个以上蜗壳出口成轴对称布置，中筒体的上部穿设第一封头并裸露在外，进气口设置在中筒体的上部的侧面并沿中筒体的径向设置，内筒体穿设第二封头和第三封头，内筒体的上端裸露在外，内筒体的下端位于外筒体中，通过采用径向设置的进气口，压力容器的强度设计没有任何困难，中筒体和外筒体之间设置多个成轴对称布置的蜗壳出口，经实际流场分析测定及流场数值模拟，相对于普通单个蜗壳进口型高效旋风，其内部流场(速度矢量图)更加对称均匀，能够减轻或消除旋风分离器内部的二次涡流，因此，其适合于从高温带压气体中分离细微颗粒物，分离效率高，且可以在高温高压高腐蚀及强磨损等恶劣工况下长周期、高效率、安全稳定运行，适于大规模推广应用。
2、本发明的高温带压高效旋风分离器的排气口设置在内筒体的上端，第一封头设置在外筒体的上端，第二封头设置在中筒体的上端，第三封头设置在中筒体的下端，中筒体的下部位于外筒体内，中筒体的下部的侧面设置有蜗壳出口，蜗壳出口的外侧面抵靠外筒体的内壁，蜗壳出口的数目为2个以上，2个以上蜗壳出口成轴对称布置，中筒体的上部穿设第一封头并裸露在外，进气口设置在中筒体的上部的侧面并沿中筒体的径向设置，内筒体穿设第二封头和第三封头，内筒体的上端裸露在外，内筒体的下端位于外筒体中，通过采用径向设置的进气口，压力容器的强度设计没有任何困难，中筒体和外筒体之间设置多个成轴对称布置的蜗壳出口，经实际流场分析测定及流场数值模拟，相对于普通单个蜗壳进口型高效旋风，其内部流场(速度矢量图)更加对称均匀，能够减轻或消除旋风分离器内部的二次涡流，因此，其设计巧妙，结构独特新颖，制造简便，成本低，适于大规模推广应用。
本发明的这些和其它目的、特点和优势，通过下述的详细说明，附图和权利要求得以充分体现，并可通过所附权利要求中特地指出的手段、装置和它们的组合得以实现。
附图说明
图1是本发明的高温带压高效旋风分离器的一具体实施例的主视透视局部剖视示意图。
图2是图1中A-A位置的剖视示意图。
图3是本发明的高温带压高效旋风分离器的另一具体实施例的蜗壳出口的俯视剖视示意图。
图4是本发明的高温带压高效旋风分离器的又一具体实施例的蜗壳出口的俯视剖视示意图。
图5是图1所示的具体实施例的局部放大示意图。
图6是图1中B-B位置的剖视示意图。
图7是图1所示的具体实施例的收缩锥的放大示意图。
图8是实施例3的旋风分离器和B型旋风分离器在进口气速相同的条件下分离效率的比较。
图9是实施例3的旋风分离器和B型旋风分离器在进口气速相同的条件下阻力降的比较。
(符号说明)
1进气口；2外筒体；3第一封头；4内筒体；5排气口；6中筒体；7第二封头；8第三封头；9蜗壳出口；10开口；11蜗壳侧板；12蜗壳顶板；13蜗壳底板；14旋流器；15旋流叶片；16收缩锥；17孔洞；18锥体；19排灰口；20中间灰斗。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明。
请参见图1～图2和图5～图7所示，在本发明的一具体实施例中，本发明的高温带压高效旋风分离器包括进气口1、外筒体2、第一封头3、内筒体4、排气口5、中筒体6、第二封头7和第三封头8，所述排气口5设置在所述内筒体4的上端，所述第一封头3设置在所述外筒体2的上端，所述第二封头7设置在所述中筒体6的上端，所述第三封头8设置在所述中筒体6的下端，所述中筒体6的下部位于所述外筒体2内，所述的中筒体6的下部的侧面设置有蜗壳出口9，所述蜗壳出口9的外侧面抵靠所述外筒体2的内壁，所述蜗壳出口9的数目为2个，2个所述蜗壳出口9成轴对称布置，所述中筒体6的上部穿设所述第一封头3并裸露在外，所述进气口1设置在所述的中筒体6的上部的侧面并沿所述中筒体6的径向设置，所述内筒体4穿设所述第二封头7和所述第三封头8，所述的内筒体4的上端裸露在外，所述内筒体4的下端位于所述外筒体2中。
所述第三封头8可以是任何合适的封头，请参见图1～图2所示，在本发明的一具体实施例中，所述第三封头8是环形封闭板。
所述蜗壳出口9设置在所述的中筒体6的下部的侧面可以采用任何合适的结构，请参见图1～图2所示，在本发明的一具体实施例中，所述的中筒体6的下部的侧面设置有开口10，所述蜗壳出口9包括蜗壳侧板11、蜗壳顶板12和蜗壳底板13，所述蜗壳侧板11从所述开口10的一侧弧形延伸至所述的外筒体2的内壁并靠近所述开口10的另一侧，所述蜗壳侧板11的外侧面抵靠所述的外筒体2的内壁，所述蜗壳顶板12位于所述蜗壳侧板11的上端和所述开口10的上端之间并分别连接所述蜗壳侧板11的上端和所述的开口10的上端，所述蜗壳底板13位于所述蜗壳侧板11的下端和所述开口10的下端之间并分别连接所述的蜗壳侧板11的下端和所述的开口10的下端。
所述开口10设置在所述的中筒体6的下部的侧面可以设置在所述的中筒体6的下部的侧面的任何合适的位置，较佳地，所述的开口10的下端为所述第三封头8的外侧边缘。即所述开口10设置在所述的中筒体6的下部的侧面的最下面。请参见图1～图2所示，在本发明的一具体实施例中，在所述第三封头8是环形封闭板的情况下，所述的开口10的下端为所述环形封闭板的外侧边缘。
所述蜗壳顶板12和所述蜗壳底板13可以水平设置，也可以倾斜设置，请参见图1所示，在本发明的一具体实施例中，所述蜗壳顶板12和所述蜗壳底板13均倾斜向下设置且相互平行设置。
所述蜗壳顶板12的倾斜度和所述蜗壳底板13的倾斜度可以根据需要确定，更佳地，所述蜗壳顶板12和所述蜗壳底板13与垂线的夹角均为夹角β，所述夹角β的角度为15°～60°。
所述蜗壳出口9的横截面的长度和宽度比b/a可以根据需要确定，更佳地，所述蜗壳出口9的横截面的长度和宽度比b/a为1.5～3.0，其中所述长度b为所述蜗壳侧板11的高度，所述宽度a为所述中筒体6和所述外筒体2之间的间距。
所述蜗壳出口9的数目还可以更多，请参见图3所示，在本发明的另一具体实施例中，所述蜗壳出口9的数目为3个，3个所述蜗壳出口9成轴对称布置。请参见图4所示，在本发明的又一具体实施例中，所述蜗壳出口9的数目为4个，4个所述蜗壳出口9成轴对称布置。
为了预分离粉尘颗粒，请参见图1和图5～图6所示，在本发明的一具体实施例中，所述的高温带压高效旋风分离器还包括旋流器14，所述旋流器14包括旋流叶片15，所述旋流叶片15设置在所述中筒体6和所述内筒体4之间，所述旋流叶片15的旋转方向与所述蜗壳出口9的旋转方向相同。
所述旋流叶片15的数目可以根据需要确定，更佳地，所述旋流叶片15的数目为n，所述旋流叶片15所占所述中筒体6所在圆周的角度为角度α，所述角度α的范围为360°/2n～360°/n。
n的取值范围可以根据需要确定，更佳地，n的取值范围为4～8。
为了进一步提高分离效率，请参见图1和图7所示，在本发明的一具体实施例中，所述的内筒体4的下端为收缩锥16，所述收缩锥16的上端的直径D3大于所述收缩锥16的下端的直径D4，所述收缩锥16的侧面设置有若干孔洞17。
所述孔洞17的直径D5可以根据需要确定，更佳地，所述孔洞17的直径D5为6mm～20mm。
所述的收缩锥16的侧面开孔率可以根据需要确定，更佳地，所述的收缩锥16的侧面开孔率为15％～45％。
所述的收缩锥16的下端的直径D4与所述的收缩锥16的上端的直径D3的比值D4/D3可以根据需要确定，更佳地，所述的收缩锥16的下端的直径D4与所述的收缩锥16的上端的直径D3的比值D4/D3为0.4～1.0。
所述外筒体2、所述中筒体6和所述内筒体4的尺寸关系可以根据需要确定，较佳地，所述外筒体2、所述中筒体6和所述内筒体4同轴布置，所述内筒体4在所述外筒体2内的长度h3与所述外筒体2的长度h1的比值h3/h1为0.5～0.9；所述内筒体4的直径D3与所述中筒体6的直径D2的比值D3/D2为0.5～0.7；所述的中筒体6的直径D2与所述外筒体2的直径D1的比值D2/D1为0.7～0.9。
所述的高温带压高效旋风分离器还可以具有其它任何合适的构成，请参见图1所示，在本发明的一具体实施例中，所述的高温带压高效旋风分离器还包括锥体18和排灰口19，所述锥体18的上端的直径大于所述锥体18的下端的直径，所述外筒体2的下端连接所述的锥体18的上端，所述的锥体18的下端连接所述排灰口19。
所述锥体18的高度h2与所述外筒体2的高度h1的比值h2/h1可以根据需要确定，更佳地，所述锥体18的高度h2与所述外筒体2的高度h1的比值h2/h1为1.5～2.5。
为了进一步提高分离效率，请参见图1～图2和图5～图7所示，在本发明的一具体实施例中，所述的高温带压高效旋风分离器还包括中间灰斗20，所述的锥体18的下端设置在所述中间灰斗20的上端，所述排灰口19设置在所述中间灰斗20的下端。即所述的锥体18的下端通过所述中间灰斗20连接所述排灰口19。
本发明的有益效果主要在于：
(1)采用径向设置的进气口，由于该分离器结构上属规则压力容器,因此压力容器的强度设计没有任何困难,可以承受高温高压工况条件。
(2)中筒体6和外筒体2之间设置有2个以上的蜗壳出口9且成轴对称布置,经实际流场分析测定及流场数值模拟，相对于普通单个蜗壳进口型高效旋风，其内部流场(速度矢量图)更加对称均匀，这种结构使旋风内部气流分布规律符合准自由涡(Vθ/r＝Const)，即促使进口气流趋向稳定的圆周运动，这样可以避免产生靠近器壁的外层气流向内流动，防止了阻滞粉尘颗粒流向排气管即内筒体4，极大地消减了“纵向旋涡流”，有利于分离效率的提高。
(3)中筒体6和内筒体4之间设置有旋流器14，旋流器14包括旋流叶片15，其旋转方向与蜗壳出口9的旋转方向一致，具有预分离细微粉尘颗粒的作用，强化了旋风对细微颗粒的分离能力。
(4)内筒体4的下端为收缩锥16，收缩锥16上布置了一定数量的孔洞17。通过旋风分离器内流场及浓度场的研究表明，“上涡流(或称短路流)”主要集中在旋风排气管的下部区域，本发明收缩锥的下端口直径较其他旋风可设计的更小，原因是收缩锥上布置了一定数量的孔洞17，增大了排气管的有效横截面积，降低了旋风运行阻力，因此“上涡流(或称短路流)”对本结构型式的效率影响大为减小，起到降低旋风阻力并提高粉尘颗粒分离效率的作用。
(5)在锥体18下加装了中间灰斗20，中间灰斗20对“底部夹带涡流”所引起的二次涡流具有限制作用，进一步提高分离效率。
本发明是针对三个影响旋风效率主要的二次涡流均做到了尽可能地消除。在相同的工艺条件下，它比一般的高效旋风分离器的阻力可降低约10％～15％，效率可提高1.5％～2.5％，同时它操作弹性大、结构简单、适应性强、易于设置耐磨衬里且成本较低。尤其适用于高温带压条件下要求单台处理量大、阻力低且需要分离效率高的工况场合。
实施例1
河南某生产多晶硅的氢化装置，需要配置高温带压旋风分离器，其设计操作状态处理气量Q＝2967m3/h，工作温度T＝500℃～550℃，工作压力P＝2.5MPa～3.0MPa(表压)，原有装置采用国内某大型设计院设计的一台旋风分离器，但效果较差。采用本发明的高温带压高效旋风分离器后，后续洗涤塔每月浆渣量减少约55％,获得了非常满意的效果。
本实施例的高温带压高效旋风分离器包括外筒体2、第一封头3、内筒体4、排气口5、中筒体6、第二封头7、第三封头8、蜗壳出口9、旋流器14、进气口1、锥体18、中间灰斗20和排灰口19。
第一封头3设置在外筒体2的上端，第二封头7设置在中筒体6的上端，第三封头8设置在中筒体6的下端，中筒体6的下部位于外筒体2内，中筒体6的上部穿设第一封头3并裸露在外，内筒体4穿设第二封头7和第三封头8，内筒体4的上端裸露在外，内筒体4的下端位于外筒体2中。
中筒体6的下部的侧面设置有开口10，蜗壳出口9包括蜗壳侧板11、蜗壳顶板12和蜗壳底板13，蜗壳侧板11从所述开口10的一侧弧形延伸至外筒体2的内壁并靠近开口10的另一侧，蜗壳侧板11的外侧面抵靠外筒体2的内壁，蜗壳顶板12位于蜗壳侧板11的上端和开口10的上端之间并分别连接蜗壳侧板11的上端和开口10的上端，蜗壳底板13位于蜗壳侧板11的下端和开口10的下端之间并分别连接蜗壳侧板11的下端和开口10的下端。
开口10设置在中筒体6的下部的侧面的最下面，第三封头8是环形封闭板，开口10的下端为环形封闭板的外侧边缘。
蜗壳顶板12和蜗壳底板13均倾斜向下设置且相互平行设置，蜗壳顶板12和蜗壳底板13与垂线的夹角均为夹角β，夹角β的角度为15°。蜗壳出口9的横截面的长宽之比b/a＝1.5。
蜗壳出口9在外筒体2内部成轴对称布置,蜗壳出口9的数量为2个(见图2所示)。
旋流器14位于中筒体6和内筒体4之间，旋流器14包括6片旋流叶片15，每片旋流叶片15所占中筒体6所在圆周的角度为角度α，角度α为60°；旋流叶片15的旋转方向与蜗壳出口9的旋转方向保持一致。
内筒体4的下端为收缩锥16，收缩锥16的侧面均布有直径6mm的孔洞17，开孔率的范围为15％。收缩锥16的下端的直径D4与收缩锥16的上端的直径D3的比值D4/D3为0.4。
外筒体2、中筒体6和内筒体4同轴布置，内筒体4在外筒体2内的长度h3与外筒体2的长度h1的比值h3/h1为0.5；所述内筒体4的直径D3与所述中筒体6的直径D2的比值D3/D2为0.5；所述的中筒体6的直径D2与所述外筒体2的直径D1的比值D2/D1为0.7。
锥体18位于外筒体2下，锥体18的高度h2与外筒体2的高度h1的比值h2/h1为1.5。
进气口1设置在中筒体6的上部的侧面并沿中筒体6的径向设置，排气口5设置在内筒体4的上端。
中间灰斗20位于锥体18下,两者通过法兰连接,便于拆卸和检修。
本实施例的所有部件均采用耐高温N08810(即INCOLOY 800H)不锈钢容器钢板。
本实施例的高温带压高效旋风分离器的工作原理是：高温带压含尘气体自进气口1进入中筒体6和内筒体4之间的环形空间,在旋流器14的作用下，气体发生旋转，气体中的粉尘颗粒在离心力的作用下被甩向中筒体6的内壁，气体中的粉尘颗粒得到初步分离；随着旋转气流逐步向下，进入蜗壳出口9，在蜗壳出口9的导流作用下进入外筒体2内壁加速旋转,粉尘颗粒受强烈离心力作用被甩向外筒体2的内壁，并在重力的作用下落入锥体18，直至通过排灰口19排出；而净化后气体与常规旋风分离器原理一致，经内筒体4由排气口5排出。
实施例2
江苏镇江某生产有机硅单体装置，需要配置高温带压旋风分离器，其设计操作状态处理气量Q＝5928m3/h，工作温度T＝280℃～300℃，工作压力P＝0.3MPa～0.35MPa(表压)，原有装置采用国内某大学技术设计的一台旋风分离器，但效果较差。采用本发明的高温带压高效旋风分离器后，后续洗涤塔每月浆渣量减少约75％,获得了非常满意的效果。
本实施例的高温带压高效旋风分离器包括外筒体2、第一封头3、内筒体4、排气口5、中筒体6、第二封头7、第三封头8、蜗壳出口9、旋流器14、进气口1、锥体18、中间灰斗20和排灰口19。
第一封头3设置在外筒体2的上端，第二封头7设置在中筒体6的上端，第三封头8设置在中筒体6的下端，中筒体6的下部位于外筒体2内，中筒体6的上部穿设第一封头3并裸露在外，内筒体4穿设第二封头7和第三封头8，内筒体4的上端裸露在外，内筒体4的下端位于外筒体2中。
中筒体6的下部的侧面设置有开口10，蜗壳出口9包括蜗壳侧板11、蜗壳顶板12和蜗壳底板13，蜗壳侧板11从所述开口10的一侧弧形延伸至外筒体2的内壁并靠近开口10的另一侧，蜗壳侧板11的外侧面抵靠外筒体2的内壁，蜗壳顶板12位于蜗壳侧板11的上端和开口10的上端之间并分别连接蜗壳侧板11的上端和开口10的上端，蜗壳底板13位于蜗壳侧板11的下端和开口10的下端之间并分别连接蜗壳侧板11的下端和开口10的下端。
开口10设置在中筒体6的下部的侧面的最下面，第三封头8是环形封闭板，开口10的下端为环形封闭板的外侧边缘。
蜗壳顶板12和蜗壳底板13均倾斜向下设置且相互平行设置，蜗壳顶板12和蜗壳底板13与垂线的夹角均为夹角β，夹角β的角度为60°。蜗壳出口9的横截面的长宽之比b/a＝3.0。
蜗壳出口9在外筒体2内部成轴对称布置,蜗壳出口9的数量为4个(见图4所示)。
旋流器14位于中筒体6和内筒体4之间，旋流器14包括8片旋流叶片15，每片旋流叶片15所占中筒体6所在圆周的角度为角度α，角度α为30°；旋流叶片15的旋转方向与蜗壳出口9的旋转方向保持一致。
内筒体4的下端为收缩锥16，收缩锥16的侧面均布有直径20mm的孔洞17，开孔率的范围为45％。收缩锥16的下端的直径D4与收缩锥16的上端的直径D3的比值D4/D3为1.0。
外筒体2、中筒体6和内筒体4同轴布置，内筒体4在外筒体2内的长度h3与外筒体2的长度h1的比值h3/h1为0.9；所述内筒体4的直径D3与所述中筒体6的直径D2的比值D3/D2为0.7；所述的中筒体6的直径D2与所述外筒体2的直径D1的比值D2/D1为0.9。
锥体18位于外筒体2下，锥体18的高度h2与外筒体2的高度h1的比值h2/h1为2.5。
进气口1设置在中筒体6的上部的侧面并沿中筒体6的径向设置，排气口5设置在内筒体4的上端。
中间灰斗20位于锥体18下,两者通过法兰连接,便于拆卸和检修。
本实施例的所有部件均采用Q345R容器钢板。为确保分离器的耐磨性能，本实施例的内部全部采用20mm厚刚玉+龟甲网衬里。
本实施例的高温带压高效旋风分离器的工作原理是：高温带压含尘气体自进气口1进入中筒体6和内筒体4之间的环形空间,在旋流器14的作用下，气体发生旋转，气体中的粉尘颗粒在离心力的作用下被甩向中筒体6的内壁，气体中的粉尘颗粒得到初步分离；随着旋转气流逐步向下，进入蜗壳出口9，在蜗壳出口9的导流作用下进入外筒体2内壁加速旋转,粉尘颗粒受强烈离心力作用被甩向外筒体2的内壁，并在重力的作用下落入锥体18，直至通过排灰口19排出；而净化后气体与常规旋风分离器原理一致，经内筒体4由排气口5排出。
实施例3
美国Buell公司是一家著名的旋风分离器设计厂商，其代表产品为B型旋风分离器。参照国际净化空气会议提出的代表性试验粉尘——平均粒径为11.3μm的滑石粉，浓度为10g/Nm3，在旋风分离器的直径给定为Φ830mm的相同条件下，对本实施例的高温带压高效旋风分离器和B型旋风分离器作了冷态实验室主要性能对比测试，实验装置及方法完全对比参照《石油炼制与化工》2011年第42卷第10期中《油页岩旋风分离器分离性能的试验研究》中的相关描述。
本实施例的高温带压高效旋风分离器包括外筒体2、第一封头3、内筒体4、排气口5、中筒体6、第二封头7、第三封头8、蜗壳出口9、旋流器14、进气口1、锥体18、中间灰斗20和排灰口19。
第一封头3设置在外筒体2的上端，第二封头7设置在中筒体6的上端，第三封头8设置在中筒体6的下端，中筒体6的下部位于外筒体2内，中筒体6的上部穿设第一封头3并裸露在外，内筒体4穿设第二封头7和第三封头8，内筒体4的上端裸露在外，内筒体4的下端位于外筒体2中。
中筒体6的下部的侧面设置有开口10，蜗壳出口9包括蜗壳侧板11、蜗壳顶板12和蜗壳底板13，蜗壳侧板11从所述开口10的一侧弧形延伸至外筒体2的内壁并靠近开口10的另一侧，蜗壳侧板11的外侧面抵靠外筒体2的内壁，蜗壳顶板12位于蜗壳侧板11的上端和开口10的上端之间并分别连接蜗壳侧板11的上端和开口10的上端，蜗壳底板13位于蜗壳侧板11的下端和开口10的下端之间并分别连接蜗壳侧板11的下端和开口10的下端。
开口10设置在中筒体6的下部的侧面的最下面，第三封头8是环形封闭板，开口10的下端为环形封闭板的外侧边缘。
蜗壳顶板12和蜗壳底板13均倾斜向下设置且相互平行设置，蜗壳顶板12和蜗壳底板13与垂线的夹角均为夹角β，夹角β的角度为25°。蜗壳出口9的横截面的长宽之比b/a＝2.2。
蜗壳出口9在外筒体2内部成轴对称布置,蜗壳出口9的数量为3个(见图3所示)。
旋流器14位于中筒体6和内筒体4之间，旋流器14包括6片旋流叶片15，每片旋流叶片15所占中筒体6所在圆周的角度为角度α，角度α为45°；旋流叶片15的旋转方向与蜗壳出口9的旋转方向保持一致。
内筒体4的下端为收缩锥16，收缩锥16的侧面均布有直径8mm的孔洞17，开孔率的范围为35％。收缩锥16的下端的直径D4与收缩锥16的上端的直径D3的比值D4/D3为0.55。
外筒体2、中筒体6和内筒体4同轴布置，内筒体4在外筒体2内的长度h3与外筒体2的长度h1的比值h3/h1为0.72；所述内筒体4的直径D3与所述中筒体6的直径D2的比值D3/D2为0.56；所述的中筒体6的直径D2与所述外筒体2的直径D1的比值D2/D1为0.85。
锥体18位于外筒体2下，锥体18的高度h2与外筒体2的高度h1的比值h2/h1为2.0。
进气口1设置在中筒体6的上部的侧面并沿中筒体6的径向设置，排气口5设置在内筒体4的上端。
中间灰斗20位于锥体18下,两者通过法兰连接,便于拆卸和检修。
本实施例的高温带压高效旋风分离器的工作原理是：高温带压含尘气体自进气口1进入中筒体6和内筒体4之间的环形空间,在旋流器14的作用下，气体发生旋转，气体中的粉尘颗粒在离心力的作用下被甩向中筒体6的内壁，气体中的粉尘颗粒得到初步分离；随着旋转气流逐步向下，进入蜗壳出口9，在蜗壳出口9的导流作用下进入外筒体2内壁加速旋转,粉尘颗粒受强烈离心力作用被甩向外筒体2的内壁，并在重力的作用下落入锥体18，直至通过排灰口19排出；而净化后气体与常规旋风分离器原理一致，经内筒体4由排气口5排出。
作为对比，同为直径Φ830mm的B型旋风分离器参照2002年版化学工业出版社《除尘设备》中有关标准B型旋风分离器资料进行设计。通过试验两种旋风主要性能对比如下：
(1)在各个相同进口气速的条件下分离效率比较。测定结果参看图8，由图8可知，在相同进口气速的下，本实施例的高温带压高效旋风分离器比B型旋风分离器分离效率提高1.5％～2.5％。
(2)在各个相同进口气速的条件下阻力降比较。测定结果参看图9，由图9可知，在相同进口气速的条件下，本实施例的高温带压高效旋风分离器比B型旋风分离器阻力降要小10％～15％。
由于分离器壳体需要承压,比较难以像常压容器一样设计高效旋风分离器,目前常压条件下单台式常规高效旋风分离器一般多采用方形口或异方形口蜗壳切向进气方式,相对而言，该构造有利于减轻或消除旋风分离器内部几个主要二次涡流,故通常可以获得较高的分离效率。但旋风的这种方形口蜗壳切向进气方式，对容器来说相当于在一个非规则压力容器开一个非规则的大开孔，这对压力容器的强度来说极为不利，因此“分离效率”与“承压”成了相矛盾的统一体。
本发明通过创新的进气方式完美地解决了“分离效率”与“承压”这一对矛盾：I、为解决“承压”难题，设计上将含尘(或液滴)气体导入分离器内采用了径向进气方式,由于该分离器结构上属规则压力容器,因此压力容器的强度设计没有任何困难,可以承受高温高压工况条件；II、为确保较高的“分离效率”，不仅增添了旋流器的预分离作用，同时设计上采用了多个轴对称布置的蜗壳出口的导流作用，对提高分离效率作用明显。
本发明对旋风的进气结构进行了重大改进，在外筒体的内壁采用多个对称型蜗壳出口的导流进气方式，相对于普通单个蜗壳进口型高效旋风，其内部流场(速度矢量图)更加对称均匀，这种结构使旋风进口气流分布规律符合准自由涡(Vθ/r＝Const)，即促使进口气流趋向稳定的圆周运动，这样可以避免产生靠近器壁的外层气流向内流动，防止了阻滞粉尘颗粒流向排气管，极大地消减了“纵向旋涡流”，有利于分离效率的提高。
通过旋风分离器内流场及浓度场的研究表明：“上涡流(或称短路流)”主要集中在旋风排气管的下部区域。本发明的收缩锥的下端的直径较其他旋风可设计的更小，原因是收缩锥上布置了一定数量的孔洞，增大了排气管的有效横截面积，降低了旋风运行阻力，因此“上涡流(或称短路流)”对本结构形式的效率影响亦大为减小。
本发明为进一步提高分离效率，在分离器下部加装了中间灰斗，中间灰斗对“底部夹带涡流”所引起的二次涡流具有限制作用。
本发明是针对三个影响旋风效率主要的二次涡流均做到了尽可能地消除。在相同的工艺条件下，它比一般的高效旋风分离器的阻力可降低约10％～15％，效率可提高1.5％～2.5％，同时它操作弹性大、适应性强、结构简单、易于设置耐磨衬里且成本较低。尤其适用于高温带压条件下要求单台处理量大、阻力低且需要分离效率高的工况场合。
综上，本发明的高温带压高效旋风分离器能够从高温带压气体中分离颗粒物，分离效率高，且可以在高温带压高腐蚀及强磨损等恶劣工况下长周期、高效率、安全稳定运行，设计巧妙，结构独特新颖，制造简便，成本低，适于大规模推广应用。
由此可见，本发明的目的已经完整并有效的予以实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中予以展示和说明，在不背离所述原理下，实施方式可作任意修改。所以，本发明包括了基于权利要求精神及权利要求范围的所有变形实施方式。
Claims (10)
1.一种高温带压高效旋风分离器，包括进气口、外筒体、第一封头、内筒体和排气口，所述排气口设置在所述内筒体的上端，所述第一封头设置在所述外筒体的上端，其特征在于，所述的高温带压高效旋风分离器还包括中筒体、第二封头和第三封头，所述第二封头设置在所述中筒体的上端，所述第三封头设置在所述中筒体的下端，所述中筒体的下部位于所述外筒体内，所述的中筒体的下部的侧面设置有蜗壳出口，所述蜗壳出口的外侧面抵靠所述外筒体的内壁，所述蜗壳出口的数目为2个以上，2个以上所述蜗壳出口成轴对称布置，所述中筒体的上部穿设所述第一封头并裸露在外，所述进气口设置在所述的中筒体的上部的侧面并沿所述中筒体的径向设置，所述内筒体穿设所述第二封头和所述第三封头，所述的内筒体的上端裸露在外，所述内筒体的下端位于所述外筒体中。
2.如权利要求1所述的高温带压高效旋风分离器，其特征在于，所述的中筒体的下部的侧面设置有开口，所述蜗壳出口包括蜗壳侧板、蜗壳顶板和蜗壳底板，所述蜗壳侧板从所述开口的一侧弧形延伸至所述的外筒体的内壁并靠近所述开口的另一侧，所述蜗壳侧板的外侧面抵靠所述的外筒体的内壁，所述蜗壳顶板位于所述蜗壳侧板的上端和所述开口的上端之间并分别连接所述蜗壳侧板的上端和所述的开口的上端，所述蜗壳底板位于所述蜗壳侧板的下端和所述开口的下端之间并分别连接所述的蜗壳侧板的下端和所述的开口的下端。
3.如权利要求2所述的高温带压高效旋风分离器，其特征在于，所述蜗壳顶板和所述蜗壳底板均倾斜向下设置且相互平行设置。
4.如权利要求3所述的高温带压高效旋风分离器，其特征在于，所述蜗壳顶板和所述蜗壳底板与垂线的夹角均为夹角β，所述夹角β的角度为15°～60°。
5.如权利要求2所述的高温带压高效旋风分离器，其特征在于，所述蜗壳出口的横截面的长度和宽度比为1.5～3.0，其中所述长度为所述蜗壳侧板的高度，所述宽度为所述中筒体和所述外筒体之间的间距。
6.如权利要求1所述的高温带压高效旋风分离器，其特征在于，所述的高温带压高效旋风分离器还包括旋流器，所述旋流器包括旋流叶片，所述旋流叶片设置在所述中筒体和所述内筒体之间，所述旋流叶片的旋转方向与所述蜗壳出口的旋转方向相同。
7.如权利要求1所述的高温带压高效旋风分离器，其特征在于，所述的内筒体的下端为收缩锥，所述收缩锥的上端的直径大于所述收缩锥的下端的直径，所述收缩锥的侧面设置有若干孔洞。
8.如权利要求1所述的高温带压高效旋风分离器，其特征在于，所述外筒体、所述中筒体和所述内筒体同轴布置，所述内筒体在所述外筒体内的长度与所述外筒体的长度的比值为0.5～0.9；所述内筒体的直径与所述中筒体的直径的比值为0.5～0.7；所述的中筒体的直径与所述外筒体的直径的比值为0.7～0.9。
9.如权利要求1所述的高温带压高效旋风分离器，其特征在于，所述的高温带压高效旋风分离器还包括锥体和排灰口，所述锥体的上端的直径大于所述锥体的下端的直径，所述外筒体的下端连接所述的锥体的上端，所述的锥体的下端连接所述排灰口。
10.如权利要求9所述的高温带压高效旋风分离器，其特征在于，所述的高温带压高效旋风分离器还包括中间灰斗，所述的锥体的下端设置在所述中间灰斗的上端，所述排灰口设置在所述中间灰斗的下端。
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