CN110270189A - 一种导叶式高压旋风分离器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有导流过滤功能的导叶式高压旋风分离器，分离单元壳体由上部柱形筒体与下部锥体组成，充当旋风子的导流叶片为具有一定厚度的弧面结构，固定在排气管与柱形筒体间，相邻叶片构成螺旋流道，叶片顶部与柱形筒体顶部预留间距，排气管穿过柱形筒体顶部轴心并向下延伸至筒体底部，增设带有特殊孔型的喇叭状过滤部件缩口与排气管末端焊接，其广口端固定连接导流锥。分离单元通过联接弯管联通二级分离单元，二级分离单元由二级排气管、排尘管与壳体组成。通过套设过滤部件与导流锥，消除内旋流携带的返混颗粒，抑制内旋流尾端“摇尾”现象，引导剩余含尘气流进入二级分离单元，改善锥体进口漩涡导致的气流停滞现象，提高分离纯度。

Description

一种导叶式高压旋风分离器

技术领域

本发明属于机械设计制造技术领域，尤其属于旋风分离器设计技术领域，主要用作气固两相分离设备，特别涉及一种有导流过滤功能的导叶式高压旋风分离器。

背景技术

旋风分离器作为一种重要的气固分离设备，在石油化工、燃煤发电和环境保护等许多行业得到了广泛的应用，与其他气固分离技术相比，具有结构简单、无运动部件、维护与运行成本低等特点。传统旋风分离器通常是带有矩形或蜗壳式的切向进口，其固有的进气方式使得压力损失相对偏大，不利于压力高且压力呈衰减趋势的工作境况，且目前留存有分离效率偏低、旋风管堵塞、结垢等问题。为此，新型导叶式旋风分离器逐渐出现在大众的视野中，其进气方式异于切入式旋风分离器，可承受较高压力，能改善压力差造成的过度损耗。

导叶式旋风分离器进气方式：含尘气流沿轴向均匀地进入分离器筒体，接触到充当旋风子的导流叶片后由其引导，被迫使改变流动方向产生了强烈旋转，形成螺旋形沿筒体向下进入分离空间；由于气固两相密度存在数量级的差异，相比气流，固体颗粒更易在离心力的驱使下向筒壁行进，到达筒壁后又由向下气流及重力带至除尘口；而分离出杂质的旋转气流会在锥体段沿径向流至几何中心，最后转换方向形成向上的二次涡流(内旋涡)经排气管排出。

经模拟测试，现存简单导叶式的结构不能较好处理向中心流动收缩的二次涡流携带的固体颗粒，难以引导锥体处停滞的含尘气流向下流动，限制了分离器的分离能力，且未经分离的气流直接从排气管逃逸及排尘管排出极少部分含尘气流也是降低分离效率的主因。事实上，导叶式旋风分离器的分离性能主要受叶片和排气管的结构参数影响。查阅研究叶片几何结构、参数取值及排气管结构尺寸等相关资料，发现极少提出针对于短路流、颗粒返混、悬浮停滞气流现象的论证，由于叶片主要作用是引流转换含尘气流方向，对改善上述问题效果可能不佳，故主要探究排气管的改进措施。目前，对于排气管的研究多数关注其本体结构，例如，插入深度较短时仅将进气端改为缩口或广口；又或者，对插入筒体的部分作开缝处理以改进分离性能；但未有延长插入深度并增设部件的做法，基于此，本文提出一种有导流过滤功能的导叶式高压旋风分离器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种有导流过滤功能的导叶式高压旋风分离器。本发明一方面减小筒体底部气流夹带颗粒返混的几率，抑制内涡流尾端“摇尾”现象，消除短路流，另一方面疏通悬浮在锥体段的含尘气流，使其顺利进行二次分离，提高气体利用率以改善分离性能。

本发明通过以下技术方案实现：

导叶式高压旋风分离器，包括上部柱形筒体、下部锥体、导流叶片和排气管构成的分离单元，上部柱形筒体与下部锥体构成分离单元壳体，导流叶片固定在上部柱形筒体与排气管的上部环形腔中，排气管穿过上部柱形筒体顶部轴心并向下延伸，其特征在于：在排气管末端设置有过滤部件和导流锥；

导流锥为实心圆锥体；

过滤部件外形为管状梯形台结构，梯形台上口与排气管末端联接，梯形台下口与导流锥锥底面封闭联接；过滤部件的梯形台管壁均匀间隔密布有贯通管壁的通孔，每个通孔表面均设置有开口向下并悬空将通孔覆盖的凸起。

所述过滤部件的梯形台上口安装起始位与下部锥体变径起始位在同一径向平面上，导流锥末端终点位与下部锥体变径终点位在同一径向平面上。

所述梯形台管壁的倾斜角与排气管轴心线的夹角为15°。

所述过滤部件轴向长度等于或大于导流锥锥体高度。

进一步本发明所述分离单元还通过联接弯管与二级分离单元联接构成两级旋风分离器，所述二级分离单元具有旋风分离结构；联接弯管竖直端与下部锥体排尘口联接，横向端沿切向进入与二级分离单元壳体联接。

所述凸起是三角锥体或半圆球体结构，

所述联接弯管弯头角度为90°～120°。

所述二级分离单元包括柱形壳体、锥形料斗、排尘管与二级排气管，所述柱形壳体下端与锥形料斗上端固定连接，所述锥形料斗下端和排尘管上端连接，所述排尘管末端为出料口，所述二级排气管与柱形壳体同轴布置并深入柱形壳体内部。

所述导流叶片出口角取20°，所有叶片的内缘为同一圆柱面上的切面，切面与排气管外壁焊接，外缘与上部柱形筒体内壁焊接，叶片顶部与上部柱形筒体轴向进口的间距等于叶片高度。

所述导流叶片布置六个，沿圆周等角度、等高度排列，形成的螺旋流道具有旋转对称结构。

本发明分离器针对初始压力高且压力随时间衰减的极端工况有显著分离效果，能满足分离效率高且压降适中的要求。本发明主要基于导叶式旋风分离器，有益效果为：

第一，伸入筒体底部的排气管可完全消除短路流，在其末端套设由凸部嵌入过滤本体构成的过滤部件，该部件的入口可通二次涡流，返混气流运动至存在倾斜角度差的拱形内壁(凸部内壁面与过滤本体外壁面围成的空间)和过滤本体通孔壁面时，可使密度较大、运动速度偏小的返混颗粒脱离二次涡流，脱离后的颗粒会沿过滤本体外壁面向锥体边壁运动，纯净的二次涡流(内涡流)易保持稳定的运动轨迹及速度，经过滤本体开设的通孔运动至排气管，从排气管出口排出得到利用。

第二，导流锥的主要作用包括引流，实现将锥体处停滞的含尘气流顺利引向单元末端或二级分离单元的元件，同时，圆锥上底面可类比平面涡流限制器，极大地限制过滤部件中涡流尾端出现的“摆尾”现象。本发明提供的一种有导流过滤功能的导叶式高压旋风分离器分离性能较为理想，能长时间连续工作无需短期更换，同时由于改进的结构降低负压吸力造成的能量损耗，使得压降保持相对恒定，适用于各类带高压且压力呈衰减趋势的工况，能满足气固分离领域大多数设备的运行需求。

第三，二级分离单元可对余留的含尘气流进行二次净化，消除锥体底部夹带涡流。实际上，轴向进入分离单元的含尘气流分离出颗粒后在筒体底部不可能全部转换为向上的内涡流，总会余一部分外旋流保持惯性，运动至锥体下部形成旋涡卷扬起颗粒。联通二级分离单元后，这部分气流便经弯管自然地向下流动，锥体底部涡流夹带颗粒折返或滞留的现象得以缓解，分离单元出口极不稳定的流动状态得到改善，且该含尘气流能彻底被净化，使整体气体利用率得到提升。

附图说明

图1是本发明分离器的一种应用结构剖视图；

图2是本发明一级分离单元的结构剖视图；

图3是本发明二级分离单元的结构剖视图

图4是本发明一级分离单元的导流叶片的结构示意图；

图5是图2中a-a截面剖视图；

图6A是本发明一级分离单元的过滤部件一种结构示意图；

图6B是本发明一级分离单元的过滤部件另一种结构示意图；

图7A是本发明过滤部件筒体一种示意图；

图7B是本发明过滤部件筒体另一种示意图；

图8是本发明过滤部件凸部三角锥结构示意图；

图9是本发明过滤部件凸部半球形结构示意图；

图10A是本发明导流锥平面二维示意图；

图10B是本发明导流锥截面二维示意图。

图中，A是分离单元，B是二级分离单元，C是联接弯管，1是上部柱形筒体，2是下部锥体，3是导流叶片，4是排气管，5是过滤部件，6是导流锥，7是柱形壳体，8是锥形料斗，9排尘管，10是二级排气管，12是过滤本体，13是凸部。

31是螺旋流道，32是叶片正面，33是叶片背面，34是叶片内缘，35是叶片外缘。

121是本体进口，122是本体出口，123是凸部进口。

101是轴向进口，102是出口，103是排尘口，104是切向进口，105是排气口，106是出料口。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进一步说明，具体实施方式是对本发明原理的进一步说明，不以任何方式限制本发明，与本发明相同或类似技术均没有超出本发明保护的范围。

结合附图。

本例具有导流过滤功能的导叶式高压旋风分离器，包括分离单元A、二级分离单元B及联接弯管C；分离单元A包括上部柱形筒体1、下部锥体2、导流叶片3、排气管4、过滤部件5以及导流锥6；二级分离单元B包括柱形壳体7、锥形料斗8、排尘管9与二级排气管10；本例联接弯管C角度取90°～120°。

本发明分离单元A的壳体由上部柱形筒体1与下部锥体2构成，排气管4穿过上部柱形筒体1顶部轴心并向下延伸至筒体的底部，导流叶片3固定于上部柱形筒体1与排气管4的环形空间内，类似喇叭状的过滤部件5缩口与排气管4末端固定连接，广口端则固定连接导流锥6。

二级分离单元B中的柱形壳体7下端与锥形料斗8上端固定连接，锥形料斗8下端和排尘管9上端连接，排尘管9下端为出料口106，二级排气管10与柱形壳体7同轴布置，且有一定部分深入柱形壳体7的内部。

本例分离单元A的上部柱形筒体1直径取其高度的0.4倍，而其高度为下部锥体2高度的2.2倍；二级分离单元B的柱形壳体7高度为其直径的2倍，其高度为锥形料斗8高度的2.2倍。

呈弧面结构的导流叶片3出口角为20°，其厚度为高度的0.1倍，本例导流叶片3数取六，沿圆周等角度、等高度均匀排列，形成具有旋转对称性的螺旋流道。六片叶片内缘34位于同一圆柱面上，该圆柱切面与排气管4外壁焊接，其叶片外缘35焊接在上部柱形筒体1内壁，所有焊接处需被打磨光滑防止滋生缝隙，避免含尘气流从缝隙溜走。叶片顶部与轴向进口101即上部柱形筒体1顶部的间距等同叶片高度，叶片顶部所处的平面为含颗粒气流改变流动方向获得离心力的入口截面，所述入口截面面积小于轴向进口101面积。

本发明过滤部件5由过滤本体12及凸部13组成，过滤本体12为广口朝下的锥体结构或称管状梯形台结构，其壁面倾斜角度、即与排气管4轴心线的夹角为15°，侧壁上排布多个通孔，通孔倾角25°～30°，贯通排气管4，供纯净内旋流流进排气管4。凸部13呈三维立体拱形或半球形，为起到消除返混颗粒的目的，三维立体其内壁倾斜角度取在20°～25°。凸部13嵌入过滤本体12中，两者构成的三角形或半球形或其它的孔型与流道取决于凸部13的三维立体结构，即凸部进口123为返混内旋流的入口，而特殊流道即凸部13内壁面与过滤本体12外壁面围成的空间对返混气流进行二次分离，这样不仅限制负压吸力造成的损耗，且使得颗粒重新落回锥体的壁面。

本例导流锥6是顶角为30°的实心倒圆锥，引导向下含尘气流进入二级分离单元或排出，抑制下部锥体2进口漩涡导致的气流停滞现象，且导流锥6圆锥底面类似平面涡流限制器，可改善过滤部件5中涡流尾端出现的“摆尾”现象。过滤部件5和导流锥6的总高度不大于下部锥体2高度。

二级分离单元B中的柱形壳体7顶部密封，所述二级排气管10内置深度小于柱形壳体7高度的三分之二，此设置是为避免剩余的含颗粒气流切向进入二级分离单元B后，未完全形成向下递进式螺旋气流就沿二级排气管10流出。柱形壳体7直径为二级排气管10直径的4.5倍。

本例联接弯管C竖直设置，其进口端与锥体出口103连接，出口端与柱形壳体7顶部腔壁一侧所设等径开口联通，弯管角度利于含尘气流切向进入二级分离单元。

如图1所示，本例导流过滤功能的导叶式高压旋风分离器，包括分离单元A、二级分离单元B和联接弯管C。

分离单元A如图2所示，上部柱形筒体1与下部锥体2构成分离单元A的整体环形空间，导流叶片3顶部与轴向进口101预留间距，使具有初始速度的含尘气流沿轴向进口101均匀地进入环形空间。结合图4可知，导流叶片内缘34处于同一圆柱面，并与排气管4外壁固定连接，叶片外缘35则同上部柱形筒体1内壁粘结，六片导流叶片3组成具有旋转对称性的螺旋流道，使得轴向进入旋风分离器的含尘气流产生强烈的旋转，进而沿筒体呈螺旋形向下进入旋风筒体，即含尘气流在作旋转运动的同时沿分离器的外侧空间向下运动。在向下运动过程中，由于气固两相密度存在数量级的差异，相比气流，固体颗粒在较大离心力的驱使下向筒壁运动，到达筒壁后又由向下气流(外旋流)带至下部锥体2，这样就初步实现将含尘气流中多数颗粒去除。在下部锥体2截面面积逐渐减小的情况下，由于惯性和气体本身粘性作用，分离出杂质的旋转气流会在锥体段沿径向流动，最后转换方向形成向上的二次涡流(内旋流)，而外旋流转换为内旋流的流动过程中不仅会造成较大的能量损失，转换过程也极不稳定易引发尾端摇摆，内旋流“摇尾”使得下部锥体2壁面的颗粒脱落，颗粒被重新卷起并随上升气流溜走，降低分离效率。

结合图6A、图6B、图7A、图7B、图8及图9可知，排气管4穿过上部柱形筒体1顶部轴心向下延伸，在排气管4末端套设由凸部13嵌入过滤本体12构成的过滤部件5，两者构成的三角形或半球形的孔型与二次流道取决于凸部13的立体结构。由流动轨迹可知，携带着返混颗粒的内旋流从凸部13进口流入过滤部件5的流道(凸部13内壁面与过滤本体12外壁面围成的空间)，由于设计的凸部13内壁倾斜角度与过滤本体12通孔侧壁角度不同，交接处存在转角，又因返混气流中两相密度差异，颗粒受到的重力、阻力、摩擦力均较大，即颗粒被凸部13的内壁面阻挡获得反向加速度，发展到颗粒随气流运动的惯性力小于阻力时，便从内涡流中脱落，脱离后的颗粒会沿过滤本体12外壁面向下部锥体2边壁运动，纯净的内涡流易保持稳定的运动轨迹及速度，经过滤本体12开设的通孔运动至排气管4内，后由出口102排出得到利用。上述结构不仅抑制了筒体底部中心负压吸力造成的损耗，也使得返混颗粒重新落回下部锥体2壁面，达到提高高效低阻的目的。

导流锥6为实心倒圆锥，连接在过滤部件5底端。上述过程完成后，通过一次分离与过滤部件5沉降的固体颗粒吸附在下部锥体2壁面，由于锥体段流动长时间处于三维复杂的强旋流中，产生的各种大小涡限制了颗粒与气流(未能转换为内涡流)向下行进，因此添设导流锥6引导悬浮停滞的含尘气流，向下流动顺利到达二级分离单元B。该设置不仅减小返混几率，也简化下部锥体2内腔复杂的旋涡流，使得原本较为复杂的湍流彻底分割为向上的二次涡流和向下的含尘气流，极大地提高分离性能。同时圆锥上底面可类比平面涡流限制器，限制过滤部件中涡流尾端出现的“摆尾”现象，双重保证从排气管4排出的气体更加纯净且循环过程中压力损失小。此结构相对简单，生产便利，极大地降低装配的难度和成本，便于普及利用。

二级分离单元B如图3所示，柱形壳体7与锥形料斗8固定连接构成分离筒体，锥形料斗8下端和排尘管9上端连接，排尘管9下端为出料口106，二级排气管10与柱形壳体7同轴布置，且有一定部分深入柱形壳体7的内部。

分离单元A分离的纯净气体从排气口102排出，被收集利用；但下部锥体2末端(排尘口103)存在的残余含颗粒气流由前述导流锥6引进到联接弯管C中，由弯管出口端即切向进口104进入二级分离器。二级分离单元B承接残余含颗粒气流，给锥体底部涡流夹带颗粒折返或滞留现象的消除提供有利的保障，促使分离单元出口的流动状态趋于稳定。类似的，该含尘气流在二级排气管10与柱形壳体7构成的圆环内腔中形成向下的螺旋气流，密度较大的颗粒受离心力被甩向器壁，在向下气流作用下沿锥形料斗8边壁落至排尘管9的出料口106，气体则向中心收缩并向上流进二级排气管10中，进行彻底分离净化的气体从排气口105排出。二级分离单元B的分离过程与一级分离单元A类似，不过多赘述，但由于进入二级分离单元B的气流已较少，而固体颗粒全部运动至二级分离单元B中，导致固体颗粒浓度较大，故二级分离单元B的分离效果较为理想，不需要添设多余部件。

本发明中分离单元A与二级分离单元B结构较为紧凑，连接的联接弯管C结构形式单一，从而在实现结构简单和节约成本的同时，使旋风分离器承受较高的压力，适用于各类带高压且压力随时间逐渐衰减的工况条件，满足压降适中及分离效率高的要求。

Claims (10)

1.一种导叶式高压旋风分离器，包括上部柱形筒体、下部锥体、导流叶片和排气管构成的分离单元，上部柱形筒体与下部锥体构成分离单元壳体，导流叶片固定在上部柱形筒体与排气管的上部环形腔中，排气管穿过上部柱形筒体顶部轴心并向下延伸，其特征在于：在排气管末端设置有过滤部件和导流锥；

导流锥为实心圆锥体；

过滤部件外形为管状梯形台结构，梯形台上口与排气管末端联接，梯形台下口与导流锥锥底面封闭联接；过滤部件的梯形台管壁均匀间隔密布有贯通管壁的通孔，每个通孔表面均设置有开口向下并悬空将通孔覆盖的凸起。

2.根据权利要求1所述的导叶式高压旋风分离器，其特征在于：所述过滤部件的梯形台上口安装起始位与下部锥体变径起始位在同一径向平面上，导流锥末端终点位与下部锥体变径终点位在同一径向平面上。

3.根据权利要求2所述的导叶式高压旋风分离器，其特征在于：所述梯形台管壁的倾斜角与排气管轴心线的夹角为15°。

4.根据权利要求3所述的导叶式高压旋风分离器，其特征在于：所述过滤部件轴向长度等于或大于导流锥锥体高度。

5.根据权利要求1至4任一项所述的导叶式高压旋风分离器，其特征在于：所述分离单元还通过联接弯管与二级分离单元联接构成两级旋风分离器，所述二级分离单元具有旋风分离结构；联接弯管竖直端与下部锥体排尘口联接，横向端沿切向进入与二级分离单元壳体联接。

6.根据权利要求5所述的导叶式高压旋风分离器，其特征在于：所述凸起是三角锥体或半圆球体结构。

7.根据权利要求5所述的导叶式高压旋风分离器，其特征在于：所述联接弯管弯头角度为90°～120°。

8.根据权利要求5所述的导叶式高压旋风分离器，其特征在于：所述二级分离单元包括柱形壳体、锥形料斗、排尘管与二级排气管，所述柱形壳体下端与锥形料斗上端固定连接，所述锥形料斗下端和排尘管上端连接，所述排尘管末端为出料口，所述二级排气管与柱形壳体同轴布置并深入柱形壳体内部。

9.根据权利要求5所述的导叶式高压旋风分离器，其特征在于：所述导流叶片出口角取20°，所有叶片的内缘为同一圆柱面上的切面，切面与排气管外壁焊接，外缘与上部柱形筒体内壁焊接，叶片顶部与上部柱形筒体轴向进口的间距等于叶片高度。

10.根据权利要求9所述的导叶式高压旋风分离器，其特征在于：所述导流叶片布置六个，沿圆周等角度、等高度排列，形成的螺旋流道具有旋转对称结构。