CN110935268B - 一种文丘里管及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种文丘里管及其应用，该文丘里管包括收缩段、喉管、扩散段和平行于轴向设置的若干组液相喷嘴；每组包含两个喷嘴方向相对的液相喷嘴，分别设置于收缩段末端和扩散段起始端，其中收缩段起始端为气相入口，扩散段末端为气液出口，液相入口设置于收缩段和/或扩散段的管壁，液相入口通过管线连通液相喷嘴。本发明提供一种结构简单、气液混合效果好的文丘里管，该文丘里管在涉及气液传质过程中有着良好的应用前景，特别适用于气体除尘，如烟气脱硫及烟气除尘、降温等领域。
Description
技术领域
本发明属于废气处理领域，具体地涉及一种文丘里管及其应用。
背景技术
文丘里洗涤器又称文丘里管除尘器，由文丘里管和除雾器组成。除尘过程可分为雾化、凝聚和除雾三个阶段，前两个阶段在文丘里管内进行，后一个阶段在除雾器内完成。文丘里管包括收缩段、喉管和扩散段。含尘气体进入收缩段后，流速随管径减小而逐渐增大，进入喉管时达到最大值。洗涤液一般从收缩段或喉管加入，气液两相间相对流速很大，液滴在高速气流作用下雾化，气体湿度达到饱和，气体中的尘粒被洗涤液湿润。进入扩散段后，气液速度减小，以尘粒为凝结核的凝聚作用加快，尘粒互相粘合并凝聚成直径较大的容易去除的含尘液滴，进而在除雾器内被捕集。
文丘里管的构造有多种型式，按断面形状分为圆形和方形；按喉管直径的可调节性分为可调的和固定的；根据洗涤液的引入方式分为强迫式和自吸式；按供水方式分为径向喷水、轴向喷水和溢流供水。但总体来说都是文丘里管与雾化喷嘴的简单结合，比较常用的有两种型式：一种采用碗型喷嘴，喷嘴置于文丘里管入口，向下游喷出大扩散角的水雾，这种型式的洗涤器在处理固态杂质含量较高或含有粘稠、易结团杂质的气体时，洗涤后的气体容易形成再次夹带或在壁面形成附着；另一种采用径向喷水型式，喷嘴位于喉部，沿径向喷出水雾，这种型式的洗涤器更适合用于可溶于水的气体杂质的吸收，但对含固态杂质的气体效果不佳。
CN200964404Y公开了一种文丘里合成气洗涤器，借鉴水力喷射泵的结构特点对文丘里洗涤器加以改造，设计了带有特殊的中央喂管结构的文丘里洗涤器。由于设有特殊的中央喂管结构，形成了类似水力喷射泵的流动形态，提高了洗涤器对于固体杂质和气态杂质的洗涤效果，对防止洗后气体二次夹带及杂质粘液附着也具有明显效果。这种文丘里洗涤器优点突出，但该动力水喷嘴由前段出水，形成射流，体积较庞大，由于液体分子之间具有一定的黏性，导致射流不易在气体中分离成液滴雾化，导致气液混合不均，降低了气体洗涤效率。
CN104208969A公开了一种文丘里洗涤器，包括气液进口、气液喷孔、文丘里结构的洗涤段以及气液出口；气液进口上有气液喷孔位置，液体喷入方向与气流方向成156°的顺斜角；文丘里结构的洗涤段具有收缩管、颈管及扩散管。
可用于降温、除尘、雾化，结构简单且成本低廉。但这种文丘里洗涤器中高速水流对文丘里结构的变径管冲击较大，且收缩管处易结垢，导致液体喷孔堵塞，影响洗涤效果。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种结构简单、气液混合效果好的文丘里管，该文丘里管在涉及气液传质过程中有着良好的应用前景，特别适用于气体除尘，如烟气脱硫及烟气除尘、降温等领域。
本发明的文丘里管，包括收缩段、喉管、扩散段和平行于轴向设置的若干组液相喷嘴；每组包含两个喷嘴方向相对的液相喷嘴，分别设置于收缩段末端和扩散段起始端，其中收缩段起始端为气相入口，扩散段末端为气液出口，液相入口设置于收缩段和/或扩散段的管壁，液相入口通过管线连通液相喷嘴。
本发明中，所述的若干组液相喷嘴中，优选其中一组液相喷嘴沿文丘里管中心轴轴向设置；优选设置1~3组液相喷嘴。
本发明中，所述的每组液相喷嘴之间的垂直间距为喉管长度的0.5～3倍，优选1～2倍。
本发明中，所述的收缩段、喉管和扩散段在轴向上的长度比为1~6：1：1~6。
本发明的文丘里管优选在收缩段之前和/或扩散段之后设置直筒段，所述直筒段可通过法兰连接或焊接与文丘里洗涤器前后的管道连接，起到整流作用，使进出文丘里洗涤器的气体方向较集中且分布较均匀。
本发明所述的收缩段的锥角α为3°～85°，优选5°～60°；所述的扩散段的锥角β为3°～85°，优选5°～60°；进一步优选收缩段的锥角α等于扩散段的锥角β或比扩散段的锥角β大0°～5°。
本发明所述的喉管截面可以为圆形、正方形、长方形、椭圆形等形状，优选为圆形截面，圆形截面的直径为10～2000mm，优选为20～1000mm。喉管的长度为喉管当量直径的1～3倍，优选为1～2倍。
本发明中，所述液相喷嘴可以有一个或多个开孔，单孔孔径为2～50mm，每个液相喷嘴的总开孔面积与喉管截面积之比为0.1～0.4，优选喷嘴开孔均匀分布，喷嘴开孔的角度为30°～150°。
本发明的文丘里管在气液传质中的应用，具体过程如下：液体从文丘里管的液相入口进入，通过相对的液相喷嘴同时逆向喷出，在喉管段沿轴向发生剧烈撞击，在喉管内撞击形成了一个沿径向分布的撞击液面；同时气体由气相入口进入文丘里管收缩段，在收缩段内速度随管径的减小而逐渐增大，在喉管段速度达到最大值，喉管处的撞击液面与气体充分接触、雾化，气液充分混合，混合后的物流经扩散段排出。
上述的过程中，液体通过液相喷嘴逆向喷出后，在液体的撞击过程中产生挤压、剪切等作用使液滴破碎，液滴表面不断更新，大大增加了液滴与气体的接触面积，提高了气液传质效率或脱硫效率。喉管截面较小，且液体流速较高、撞击力较大，因此液体在喉管内撞击形成了一个沿径向分布的全截面扩散撞击面，该扩散撞击面在两股高速逆流液体的不断剧烈撞击下基本维持动态稳定。由于喉管处的扩散撞击面为全截面分布，且扩散面维持动态稳定不断更新，气体与液体在整个喉管截面内都能充分接触，同时由于液体与气体的相对速度较高，液滴在高速气流的冲击下迅速雾化，显著提高了气液传质效率。
本发明所述的流经液相喷嘴的液体压力0.1～0.6MPa，且液体流量与进口气体流量之比为0.2～5，单位为L/Nm3。
本发明的文丘里管在气体除尘中的应用，具体过程如下：液体从文丘里管的液相入口进入，通过相对的液相喷嘴同时逆向喷出，在喉管段沿轴向发生剧烈撞击，在喉管内撞击形成了一个沿径向分布的撞击液面；同时含尘气体由气相入口进入文丘里管收缩段，在收缩段内速度随管径的减小而逐渐增大，在喉管段速度达到最大值，喉管处的撞击液面与含尘气体充分接触、雾化，气体夹带的尘粒被液体充分浸润，进入扩散段后，尘粒相互粘合并凝聚成直径较大的颗粒，从扩散段排出后在后续除雾器内被捕集。
上述过程中，液体通过液相喷嘴逆向喷出后，在液体的撞击过程中产生挤压、剪切等作用使液滴破碎，液滴表面不断更新，大大增加了液滴与气体的接触面积，提高了气液传质效率或脱硫效率。喉管截面较小，且液体流速较高、撞击力较大，因此液体在喉管内撞击形成了一个沿径向分布的全截面扩散撞击面，该扩散撞击面在两股高速逆流液体的不断剧烈撞击下基本维持动态稳定。由于喉管处的扩散撞击面为全截面分布，且扩散面维持动态稳定不断更新，含尘气体与液体在整个喉管截面内都能充分接触，同时由于液体与气体的相对速度较高，实现了液滴对气体夹带颗粒的主动碰撞，液滴在高速气流的冲击下迅速雾化，气体夹带的尘粒被液体充分浸润。进入文丘里管的扩散段后，气体速度随管径的增大而减小，以尘粒为凝结核的凝聚作用加快，尘粒相互粘合并凝聚成直径较大的颗粒，更容易在后续除雾器内被捕集，避免了侧流、壁流或洗涤后气体二次夹带，实现了高效的烟气除尘。
与现有技术相比，本发明的文丘里管具有以下优点：
1、本发明通过在文丘里管内设置液相喷嘴，液体从喷嘴流出后，在喉管段沿轴向发生剧烈撞击，在喉管内撞击形成了一个径向分布的全截面扩散撞击面，该扩散撞击面在两股高速液体的不断剧烈撞击作用下基本维持动态稳定，液滴与气体的相对速度较高，液滴在高速气流的冲击下保持剧烈的湍流状态，显著增强了雾化效果，液体在撞击过程中产生挤压、剪切等作用使液滴破碎，使液滴表面不断更新，大大增加了与气体的接触面积。同时由于扩散撞击面为全截面分布，且扩散面不断更新，气体与液滴在整个喉管截面都能充分接触。
2、体积小，占用空间小，成本低廉；结构简单，制作方便，不易堵塞和结垢，对结构的冲击较小，可以长期稳定地运行；
3、液体流量与气体流量之比为0.2～5（单位为L/Nm3），尤其适用于液气比较小的条件，可以节约用水。
附图说明
图1为本发明的有直筒段文丘里管的结构示意图。
图2为本发明的无直筒段文丘里管的结构示意图。
图3为常规轴向喷水文丘里管的结构示意图。
图中，1-气相入口，2-气液出口，3-收缩段，4-喉管，5-扩散段，6-进口直筒段，7-出口直筒段，8-液相入口，9-液体管线，10-液相喷嘴。
具体实施方式
本发明的文丘里管，包括收缩段3、喉管4、扩散段5和平行于轴向设置的若干组液相喷嘴10；每组包含两个喷嘴方向相对的液相喷嘴10，分别设置于收缩段3末端和扩散段5起始端，其中收缩段3起始端为气相入口1，扩散段5末端为气液出口2，液相入口8设置于收缩段3和/或扩散段5的管壁，液相入口8通过液体管线9连通液相喷嘴10。
本发明中，所述的若干组液相喷嘴10中，优选其中一组液相喷嘴10沿文丘里管中心轴轴向设置；优选设置1~3组液相喷嘴10。
本发明中，所述的每组液相喷嘴10之间的垂直间距为喉管4长度的0.5～3倍，优选1～2倍。
本发明中，所述的收缩段3、喉管4和扩散段5在轴向上的长度比为1~6：1：1~6。
本发明的文丘里管优选在收缩段3之前和/或扩散段5之后设置直筒段6/7，所述直筒段6/7可通过法兰连接或焊接与文丘里洗涤器前后的管道连接，起到整流作用，使进出文丘里洗涤器的气体方向较集中且分布较均匀。
本发明所述的收缩段3的锥角α为3～85，优选5～60；所述的扩散段5的锥角β为3～85，优选5～60；进一步优选收缩段3的锥角α等于扩散段5的锥角β或比扩散段5的锥角β大0～5。
本发明所述的喉管4截面可以为圆形、正方形、长方形、椭圆形等形状，优选为圆形截面，圆形截面的直径为10～2000mm，优选为20～1000mm。喉管4的长度为喉管4当量直径的1～3倍，优选为1～2倍。
本发明中，所述液相喷嘴10可以有一个或多个开孔，单孔孔径为2～50mm，每个液相喷嘴10的总开孔面积与喉管4截面积之比为0.1～0.4，优选喷嘴开孔均匀分布，喷嘴开孔的角度为30°～150°。
本发明所述的流经液相喷嘴10的液体压力0.1～0.6MPa，且液体流量与进口气体流量之比为0.2～5，单位为L/Nm3。
实施例1
将本发明图1结构的文丘里管应用于烟气除尘，烟气气量为80Nm3/h，含尘量为300g/m3。文丘里管中喉管的直径为30mm，喉管的长度为60mm，收缩段与扩散段的锥角均为20°，收缩段与扩散段的长度均为60mm，进出口直筒段的长度均为20mm。文丘里管内沿轴向设置一组喷嘴，两个喷嘴的垂直间距为40mm，每个喷嘴上的开孔孔径为15mm，每个喷嘴的总开孔面积与喉管截面积之比为0.25，开孔角度为90°。液体流量与烟气流量之比为0.2~5（L/Nm3），经本发明文丘里管洗涤并经后续丝网除雾器处理后，烟气含尘量减少98%。
对比例1
烟气同实施例1，在常规轴向喷水文丘里管中，喉管的直径为30mm，喉管的长度为60mm，收缩段与扩散段的锥角均为20°，收缩段与扩散段的长度均为60mm，进出口直筒段的长度均为20mm。文丘里管收缩段内沿轴向设置单个喷嘴，喷嘴上的开孔孔径为15mm，喷嘴上的总开孔面积与喉管截面积之比为0.25，开孔角度为90°。同样在液体流量与烟气流量之比为0.2~5（L/Nm3）条件下，经图3所示的常规轴向喷水文丘里管洗涤并经后续丝网除雾器处理后，烟气含尘量减少80%。
实施例2
将本发明图2的文丘里管应用于烟气脱硫，烟气气量为80000Nm3/h，烟气中SO2的浓度为980mg/m3。文丘里管中喉管的直径为1000mm，喉管的长度为1500mm，收缩段与扩散段的锥角均为10°，收缩段与扩散段的长度均为2000mm。文丘里管内沿轴向设置一组喷嘴，两个喷嘴的垂直间距为2000mm，喷嘴上的孔径为30mm，每组喷嘴的总开孔面积与喉管截面积之比为0.3，开孔角度为80°～100°。液体流量与烟气流量之比为0.2~5（L/Nm3），经本发明文丘里管洗涤并经后续除雾器处理后，烟气中SO2的浓度为10mg/m3。
对比例2
烟气同实施例2，在常规轴向喷水文丘里管中，文丘里管中喉管的直径为1000mm，喉管的长度为1500mm，收缩段与扩散段的锥角均为10°，收缩段与扩散段的长度均为2000mm。文丘里管内沿轴向设置单个喷嘴，喷嘴上的开孔孔径为30mm，喷嘴上的总开孔面积与喉管截面积之比为0.3，开孔角度为80°～100°。同样在液体流量与烟气流量之比为0.2~5（L/Nm3）条件下，经图3所示的常规轴向喷水文丘里管洗涤并经后续除雾器处理后，烟气中SO2的浓度为50mg/m3。
实施例3
将本发明图1的文丘里管应用于烷基化汽油生产，其中气体为80Nm3/h的C4烷烃烯烃混合物，液体为98%的浓硫酸，浓硫酸作为催化剂，在反应温度为10℃条件下，将C4烷烃烯烃通过烷基化反应制取高辛烷值汽油组分。文丘里管中喉管的直径为30mm，喉管的长度为60mm，收缩段与扩散段的锥角均为20°，收缩段与扩散段的长度均为60mm，进出口直筒段的长度均为20mm。文丘里管内沿轴向设置一组喷嘴，两个喷嘴的垂直间距为30mm，每个喷嘴上的孔径为15mm，每个喷嘴上的总开孔面积与喉管截面积之比为0.25，开孔角度为90°。液体流量与烟气流量之比为1~1.5（L/Nm3），经本发明文丘里管混合后，烯烃转化率为80%以上。
对比例3
在图3所示的常规轴向喷水文丘里管中，文丘里管中喉管的直径为30mm，喉管的长度为60mm，收缩段与扩散段的锥角均为20°，收缩段与扩散段的长度均为60mm，进出口直筒段的长度均为20mm。文丘里管内沿轴向设置单个喷嘴，喷嘴上的开孔孔径为15mm，喷嘴上的总开孔面积与喉管截面积之比为0.25，开孔角度为90°。在烷基化汽油生产中，当气体为80Nm3/h的C4烷烃烯烃混合物，液体为98%的浓硫酸，浓硫酸作为催化剂，在反应温度为10℃条件下，液体流量与烟气流量之比为1~1.5（L/Nm3），经图3所示的常规轴向喷水文丘里管混合后，烯烃转化率约为65%。
Claims (13)
1.一种文丘里管，其特征在于：包括收缩段、喉管、扩散段和平行于轴向设置的若干组液相喷嘴；每组包含两个喷嘴方向相对的液相喷嘴，分别设置于收缩段末端和扩散段起始端，逆向运动的液体在喉管段沿轴向发生剧烈撞击，在喉管内撞击形成了一个沿径向分布的撞击液面；其中收缩段起始端为气相入口，扩散段末端为气液出口，液相入口设置于收缩段和/或扩散段的管壁，液相入口通过管线连通液相喷嘴。
2.根据权利要求1所述的文丘里管，其特征在于：所述的若干组液相喷嘴中，其中一组液相喷嘴沿文丘里管中心轴向设置。
3.根据权利要求1所述的文丘里管，其特征在于：设置1~3组液相喷嘴。
4.根据权利要求1所述的文丘里管，其特征在于：所述的每组液相喷嘴之间的垂直间距为喉管长度的0.5～3倍。
5.根据权利要求1所述的文丘里管，其特征在于：所述的收缩段、喉管和扩散段在轴向上的长度比为1~6：1：1~6。
6.根据权利要求1所述的文丘里管，其特征在于：在收缩段之前和/或扩散段之后设置直筒段。
7.根据权利要求1所述的文丘里管，其特征在于：所述的收缩段的锥角α为3°～85°；所述的扩散段的锥角β为3°～85°。
8.根据权利要求1或7所述的文丘里管，其特征在于收缩段的锥角α等于扩散段的锥角β或比扩散段的锥角β大0°～5°。
9.根据权利要求1所述的文丘里管，其特征在于：述的喉管为圆形、正方形、长方形或椭圆形；喉管的长度为喉管当量直径的1～3倍。
10.根据权利要求1所述的文丘里管，其特征在于：所述液相喷嘴有一个或多个开孔，单孔孔径为2～50mm，每个液相喷嘴的总开孔面积与喉管截面积之比为0.1～0.4，喷嘴开孔均匀分布，喷嘴开孔的角度为30°～150°。
11.一种权利要求1所述的文丘里管在气液传质中的应用，其特征在于：液体从文丘里管的液相入口进入，通过相对的液相喷嘴同时逆向喷出，在喉管段沿轴向发生剧烈撞击，在喉管内撞击形成了一个沿径向分布的撞击液面；同时气体由气相入口进入文丘里管收缩段，在收缩段内速度随管径的减小而逐渐增大，在喉管段速度达到最大值，喉管处的撞击液面与气体充分接触、雾化，气液充分混合，混合后的物流经扩散段排出。
12.一种权利要求1所述的文丘里管在气液传质中的应用，其特征在于：液体从文丘里管的液相入口进入，通过相对的液相喷嘴同时逆向喷出，在喉管段沿轴向发生剧烈撞击，在喉管内撞击形成了一个沿径向分布的撞击液面；同时含尘气体由气相入口进入文丘里管收缩段，在收缩段内速度随管径的减小而逐渐增大，在喉管段速度达到最大值，喉管处的撞击液面与含尘气体充分接触、雾化，气体夹带的尘粒被液体充分浸润，进入扩散段后，尘粒相互粘合并凝聚成直径较大的颗粒，从扩散段排出后在后续除雾器内被捕集。
13.根据权利要求11或12所述的应用，其特征在于：流经液相喷嘴的液体压力0.1～0.6MPa，液体流量与进口气体流量之比为0.2～5，单位为L/Nm3。
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