CN111408488A - 一种主副腔耦合式自适应旋流离心脱气方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种主副腔耦合式自适应旋流离心脱气方法，包括以下步骤：(1)、气液混合物进入主旋流腔内旋流分离，在离心力的作用下，较大气泡从主旋流器顶部的溢流管流出，含有少量微细气泡的液体经耦合通道后从切向液体进口进入副旋流腔内；(2)、含有少量微细气泡的液体在副旋流腔内旋流分离，在离心力的作用下，微细气泡从副旋流器顶部的溢流管流出，脱气后的液体从副旋流器出料口流出；耦合通道和副旋流器的数量一一对应，且分别至少为2个，并沿主旋流器的外周均匀分布；副旋流器与主旋流器中液体的离心加速度之比为(5～100)：1。还提供主副腔耦合式自适应旋流离心脱气装置。本发明的脱气方法和装置，分离效率高，脱气效率高。

Description

一种主副腔耦合式自适应旋流离心脱气方法和装置

技术领域

本发明属于气液分离技术领域。具体涉及一种主副腔耦合式自适应旋流离心脱气方法和装置。

背景技术

自然界和工业生产中的液体夹带气体是一种常见现象，液体脱气的需求在环境保护、冶金与石油化工等领域广泛存在。液体中夹带的气体不仅导致流体发泡、泵阀振动、对生产设备造成损害，而且导致无组织气体排放污染、水环境富氧、影响检测仪器的精度，增大分析误差，因此需要通过气液分离装置将液体中的气体分离，即进行液体脱气。

目前，旋流脱气技术因分离精度高、设备紧凑、无热能损耗而得到了广泛的研究和应用。在离心速度场中，气泡受到离心力、曳力、升力、浮力等的作用，气泡从边壁向中心迁移运动速度远远大于重力场下的上浮速度。而旋流气液分离器是使用较多的气液分离装置。旋流气液分离器根据进料方式的不同分为切向进料式旋流气液分离器和轴流导叶式旋流气液分离器。其中：

轴流导叶式旋流气液分离器采用轴向进料，入口气液混合物经过旋流腔和排气芯管间的螺旋导叶进入分离室，螺旋导叶给气液混合物提供一个切向速度，离开导叶的混合物在离心力场和重力场的作用下，产生涡流运动。由于气液两相的密度差，在离心力和重力的作用下，液体向管壁流动，并从下部液体出口流出，气体则迁移至轴心位置并从顶部排气芯管离开气液分离器，实现气液的分离。轴流导叶式旋流气液分离器通过导向叶片产生旋转流，从而使旋转保持稳定，有助于维持流体的层流特性。

切向进料式旋流气液分离器的气液混合物沿切线方向进入旋流腔中，密度较大的液滴在离心力的作用下被甩到外壁，而气体则集中至旋流腔的轴心位置。被甩到外壁的液滴沿旋流腔的外壁向下运动，由底部的液体出口排出；气体则回转向上由气液分离器的顶部的溢流口排出，实现气液的分离。

然而，现有技术中，为了增大气液反应的气液接触面积，延长气液接触时间，提高传质效率，越来越多的气液反应要求更加微小的气泡尺度。通过微气泡反应来强化气液反应过程中的传质性能已成共识。微细气泡在强化传质的同时，也提高了反应产物中含气量的增高，且气泡尺寸越小，气液分离难度越大。同时，大气泡和小气泡并存，气泡以多尺度形态存在于液体中，进一步加大了气体分离难度。虽然研究者不断对其结构及性能进行了优化，例如：

杨蕊，蒋明虎，曹喜承等.气液分离器的结构设计与流场分析.化工机械.2019。

周帼彦，凌祥，涂善东.螺旋片导流式分离器分离性能的数值模拟与试验研究.化工学报.2004。

刘晓敏,蒋明虎,赵立新等.气液旋流分离装置的研制与可行性试验.流体机械.2004。

蒋明虎,韩龙,赵立新等.内锥式三相旋流分离器分离性能研究.化工机械.2011。

但均为单一旋流半径的气液分离器和分离方法。根据离心加速度公式，v_t ²/r_c，旋流半径r_c越小、切向速度v_t越高，可以产生更大的离心加速度，获得更大的分散相分离效率，但是液体中的气体不同于固体颗粒分散相，气体存在破碎聚并以及压缩膨胀，气体尺寸和形状不是恒定的，气体占据液体空间的体积分数也是变化的。当气泡以多尺度形态存在于液体中时，旋流腔内的气体体积占比剧增，减少了液体和微细气泡的停留时间，破坏了液体稳定流动，即较大气泡的存在加剧了微细气泡的旋流分离难度。如果单纯地靠降低旋流器直径、提高切向速度产生更强的液相湍动，则使得多尺度气泡群的行为更加难以预测，并且气泡破碎导致分离难度增大，能耗增大。采用传统具有单一旋流半径的气液分离器对上述含有多尺度气泡群的气液混合物进行脱气，其脱气效率通常不大于90％，且能耗增大。

因此，传统具有单一旋流半径的气液分离器和分离方法已不能满足对液体中多尺度气泡的分离要求。有必要研发新型的分离方法和装置，以解决现有技术中的上述技术缺陷。

发明内容

本发明的第一个目的是提供一种主副腔耦合式自适应旋流离心脱气方法，以满足对含有多尺度气泡群的气液混合物的脱气要求，提高脱气效率。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种主副腔耦合式自适应旋流离心脱气方法，包括以下步骤：

(1)、气液混合物从主旋流器下部的主旋流器进料口进入主旋流腔内进行旋流分离，在离心力的作用下，较大气泡迁移至所述主旋流器的轴心，轴心处气体从所述主旋流器顶部的溢流管流出，含有少量微细气泡的液体从主旋流器上部的切向液体出口流出，经耦合通道后从副旋流器上部的切向液体进口进入副旋流腔内；

(2)、含有少量微细气泡的液体在所述副旋流腔内旋流分离，在离心力的作用下，微细气泡迁移至所述副旋流器的轴心，轴心处气体从所述副旋流器顶部的溢流管流出，脱气后的液体从所述副旋流器下部的副旋流器出料口流出；

所述耦合通道和副旋流器的数量一一对应，且分别至少为2个，并沿所述主旋流器的外周均匀分布；所述副旋流器中液体的离心加速度与所述主旋流器中液体的离心加速度之比为(5～100)：1。

根据本发明，所述副旋流腔内的物料旋转方向与所述主旋流腔内的物料旋转方向相同；或所述副旋流腔内的物料旋转方向与所述主旋流腔内的物料旋转方向相反。

根据本发明的一个优选技术方案，所述主旋流器和副旋流器的溢流管均与一个集气室连通，所述集气室上连接出气管，分离出的气体进入所述集气室，并从所述出气管排出；所述副旋流器出料口均与一个集液室连通，所述集液室上连接出液管，脱气后的液体进入所述集液室，并从所述出液管排出。

优选地，所述气液混合物从轴流式的所述主旋流器进料口进入所述主旋流腔内，经导流结构形成旋流，在离心场和压力梯度场的作用下，液相迁移至所述主旋流腔的边壁，气相聚集于所述主旋流腔的轴心，并迅速向上运动，然后从所述溢流管排出，液相则携带少量微细气泡旋转迁移至所述主旋流腔的顶部，并从所述切向液体出口流出，经所述耦合通道后从所述切向液体进口进入所述副旋流腔，含少量微细气泡的液相在所述副旋流腔内再次发生旋转运动，气体进一步迁移至轴心位置，并向上从所述溢流管排出，液相则从所述副旋流器底部的副旋流器出料口流出。

本发明中，所述副旋流器的数量可根据气液混合物中最小气泡直径来确定。所述最小气泡直径，近似等于Kolmogorov长度。优选地，当最小气泡直径为0.005～0.1mm时，所述副旋流器的数量为4～6个；当最小气泡直径为0.1～50mm时，所述副旋流器的数量为2～3个。

所述的Kolmogorov长度即为湍流涡特征长度，

其中C_μ＝0.09，k是湍流动能，ε是湍流动能耗散。

优选地，所述副旋流器的旋流半径最小为5mm，所述主旋流器的旋流半径最大为500mm。

优选地，所述气液混合物中，液体的粘度为0.03cP～100cP，脱气前后的压力降小于0.2MPa。如此条件下，所述方法具有更高的所述脱气效率。

优选地，所述主旋流腔内的气液混合物的旋转速度为1.4～4m/s，所述副旋流腔内的气液混合物的旋转速度为5～10m/s。

优选地，控制气体在所述集气室的表观气速不大于50m/s。

本发明的第二个目的是提供一种主副腔耦合式自适应旋流离心脱气装置，包括主旋流器、至少2个副旋流器，及连接所述主旋流器和副旋流器的耦合通道；其中：

所述主旋流器的下部设置轴流式的主旋流器进料口，顶部设置溢流管，内部具有主旋流腔，所述主旋流腔内安装导流结构以在所述主旋流腔内形成旋流，所述主旋流器的上部的侧壁上设置至少2个对称的切向液体出口；

所述副旋流器的下部设置副旋流器出料口，顶部设置溢流管，内部具有副旋流腔；所述副旋流器的上部的侧壁上设置切向液体进口，所述耦合通道的两端分别与所述切向液体出口和所述切向液体进口连接；

所述耦合通道和副旋流器沿所述主旋流器的外周切向均匀分布；所述副旋流器中液体的离心加速度与所述主旋流器中液体的离心加速度之比为(5～100)：1。

根据本发明，所述副旋流腔内的物料旋转方向与所述主旋流腔内的物料旋转方向相同；或所述副旋流腔内的物料旋转方向与所述主旋流腔内的物料旋转方向相反。

优选地，所述导流结构包括中心圆柱，安装在所述中心圆柱外壁上的导流叶片，安装在所述中心圆柱上部的内锥体；所述导流叶片与所述主旋流腔的内壁固定连接。

需要说明的是，当所述导流叶片的旋转方向与所述副旋流器的切向液体进口的旋转方向相同时，可使所述副旋流腔内的物料旋转方向与所述主旋流腔内的物料旋转方向相同。

更优选地，所述导流叶片的叶片出口角α为20～30°，所述内锥体的锥顶角度θ为40～60°。

进一步优选地，所述导流结构还包括安装在所述中心圆柱下方的导流锥。

更优选地，所述导流锥的锥顶角β130～150°。

根据本发明的另一个优选技术方案，所述溢流管的内腔包括依次相连的溢流管上部圆柱腔、溢流管上部圆锥腔、溢流管下部圆柱腔和溢流管下部圆锥腔；所述溢流管上部圆锥腔的锥顶朝下，所述溢流管下部圆锥腔的锥顶朝上。

进一步优选地，所述溢流管上部圆锥腔和溢流管下部圆锥腔的锥顶角度相同，

更优选地，所述溢流管上部圆锥腔和溢流管下部圆锥腔的锥顶角度γ为20～40°，所述溢流管上部圆柱腔的内径是溢流管下部圆柱腔的内径的3～9倍。

进一步优选地，所述主旋流器的溢流管的插入深度为所述切向液体出口以下30～50mm。所述副旋流器的溢流管的插入深度为所述切向液体进口以下30～50mm。

优选地，所述主旋流器为圆柱形结构，所述副旋流器为柱锥形结构，其中：所述副旋流腔从上至下包括依次相连的副旋流器上部圆柱腔、副旋流器中部圆锥腔和副旋流器下部圆柱腔，所述副旋流器上部圆柱腔的内径大于所述副旋流器下部圆柱腔的内径；所述副旋流器上部圆柱腔的内径和主旋流腔的内径之比为0.2～0.8。

在上述条件下，能够更好地满足所述副旋流器中液体的离心加速度与所述主旋流器中液体的离心加速度之比为(5～100)：1的要求。

本领域技术人员很容易选择所述副旋流器上部圆柱腔、副旋流器中部圆锥腔和副旋流器下部圆柱腔的高度、锥度和内径。

进一步优选地，所述副旋流器上部圆柱腔、副旋流器中部圆锥腔和副旋流器下部圆柱腔的高度之比为(4～6)：(10～20)：1；所述副旋流器中部圆锥腔的锥度为10～15°；所述副旋流器上部圆柱腔的内径和主旋流腔的内径之比为0.2～0.8。

当然，所述主旋流器也可以为柱锥形结构。即所述主旋流腔可以为上部为柱型旋流腔，下部为锥形旋流腔。

更优选地，当液体粘度大于100cP时，所述副旋流器上部圆柱腔的内径不小于16mm。

根据本发明的第三个优选技术方案，所述主副腔耦合式自适应旋流离心脱气装置还包括集气室和/或集液室；所述主旋流器和副旋流器的溢流管均与所述集气室连通，所述集气室上连接出气管；所述副旋流器出料口与所述集液室连通，所述集液室上连接出液管。

进一步优选地，所述集液室为围绕所述主旋流器的下端的环形结构，所述环形结构的环形腔的高度为所述主旋流器的主旋流腔高度的0.1～0.5倍，所述主旋流器的外壁与环形结构的内壁之间的距离为所述主旋流腔内径的0.4～0.7倍。

进一步优选地，所述集气室内安装有除液丝网。

更优选地，所述除液丝网由疏水材料和亲水材料混合编织而成。当脱气对象为水时，所述除液丝网中的疏水材料的比例为25％～60％；当脱气对象为油时，所述除液丝网中的疏水材料的比例为50％～70％；所述疏水材料的接触角大于120度，亲水材料的接触角小于75度。

根据本发明，适用本发明的装置和方法进行脱气的气液混合物，分离前的含气率在0.1％～99.9％，脱气效率不小于90％。

与现有技术相比，本发明具有如下有益技术效果：

(1)、本发明的主副腔耦合式自适应旋流离心脱气方法，通过主旋流器和至少2个副旋流器的特定结构的耦合，并控制副旋流器中液体的离心加速度与所述主旋流器中液体的离心加速度之比为(5～100)：1，可使气液混合物中的较大气泡在主旋流器内得到有效分离，且剩下的微细气泡可在所述主旋流腔内实现预排序，微细气泡经副旋流器进一步分离，在更高的离心加速度作用下进一步被脱除，脱气效率大大提高，脱气效率不小于90％。

(2)、本发明的主副腔耦合式自适应旋流离心脱气装置，至少2个副旋流器通过耦合通道在主旋流器的外周均匀分布，形成耦合式结构；主旋流腔可有效分离出较大气泡，实现预处理，副旋流腔可有效分离出微细气泡，可自适应于分离含有不同尺度的气泡的气液混合物，实现对较大以及微细气泡的分离，脱气效率大大提高；且耦合式结构的设置，使得主旋流腔对微细气泡有预排序作用，即气泡因离心力作用从主旋流腔的轴心到外壁按尺度大小有序排列，排序后的微细气泡随液相进入副旋流腔后，使得气泡的分离时间提前，分离更迅速充分，脱气效率大大提高。

同时，本发明的主副腔耦合式自适应旋流离心脱气装置的结构简单，运行稳定，可满足气液比波动的工况，可根据最小气泡的直径等参数灵活调整副旋流器的数量，且可适用于不同领域液体的脱气过程。

(3)、溢流管的内腔包括依次相连的上部圆柱腔、上部圆锥腔、下部圆柱腔和下部圆锥腔；上部圆锥腔的锥顶朝下，下部圆锥腔的锥顶朝上。通过设置锥顶朝上的下部圆锥，可有效减少液体未发生分离就被气体带出腔体的情况发生，提高系统稳定性，脱气效率进一步提高。

(4)、采用主旋流器和副旋流器的溢流管流出的气体合并于集气室，统一排出，抑制气体里夹带液体，减少了短路流的发生，进一步提高了脱气效率。至少2个副旋流器的副旋流器出料口合并于集液室，统一排出，进一步减少了排液对副旋流器的分离影响，脱气效率进一步提高，脱气效率高于98％。

附图说明

图1为本发明实施例1的主副腔耦合式自适应旋流离心脱气装置的结构示意图。

图2为主旋流器的纵剖视图。

图3为副旋流器的纵剖视图。

图4为图1的俯视图。

图5为实施例1的溢流管的纵截面图。

图6为主旋流器内气泡预排序的结构示意图。

图7为实施例2的主旋流器和副旋流器的安装位置及旋流方向示意图。

图8为实施例3的溢流管的纵截面图。

图9为实施例4的主副腔耦合式自适应旋流离心脱气装置的结构示意图。

图10为实施例5的实验流程图。

图中：10-主旋流器、20-副旋流器、30-耦合通道、40-排气主管、50-排液主管、60-集气室、70-集液室；

11-主旋流器进料口、(12,22)-溢流管、13-主旋流腔、14-切向液体出口、15-中心圆柱、16-导流叶片、17-内锥体、18-导流锥；

21-副旋流器出料口、22-溢流管、23-副旋流腔、24-切向液体进口、61-出气管、62-除液丝网、71-出液管；

(121,221)-溢流管上部圆柱腔、(122,222)-溢流管圆锥腔，溢流管上部圆锥腔、(123,223)-溢流管下部圆柱腔、(123,223)-溢流管下部圆柱腔、(124,224)-溢流管下部圆锥腔；

231-副旋流器上部圆柱腔、232-副旋流器中部圆锥腔、233-副旋流器下部圆柱腔。

80-空气压缩机、90-储罐、100-离心泵、110-脱气装置、120-水罐、130-进料压力表、111-出液管路、112-出气管路。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明作进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限定本发明的范围。

实施例1

如图1至图6所示，本实施例的主副腔耦合式自适应旋流离心脱气装置，基本结构包括主旋流器10、5个副旋流器20、连接所述主旋流器10和副旋流器20的5个耦合通道30；其中：

所述主旋流器10为圆柱形结构，所述主旋流器10的底部设置轴流式的主旋流器进料口11，顶部设置溢流管12，内部具有主旋流腔13，所述主旋流腔13内安装导流结构，所述主旋流器10的上部的侧壁上切向均布设置5个切向液体出口14；

所述副旋流器20为柱锥形结构，所述副旋流器20的底部设置副旋流器出料口21，顶部设置溢流管22，内部具有副旋流腔23；所述副旋流器20的上部的侧壁上具有切向液体进口24，所述耦合通道30的两端分别与所述切向液体出口14和所述切向液体进口24连接，以连接所述副旋流器20和主旋流器10。

所述耦合通道30和副旋流器20沿所述主旋流器10的外周的切向均匀分布，所述副旋流器中液体的离心加速度与所述主旋流器中液体的离心加速度之比为(5～100)：1。

所述副旋流腔23从上至下包括依次相连的副旋流器上部圆柱腔231、副旋流器中部圆锥腔232和副旋流器下部圆柱腔233，所述副旋流器上部圆柱腔231的内径大于所述副旋流器下部圆柱腔233的内径。

所述导流结构包括中心圆柱15，安装在所述中心圆柱15外壁上的导流叶片16，安装在所述中心圆柱15上部的内锥体17；所述导流叶片16与所述主旋流腔13的内壁固定连接；所述导流叶片16的旋转方向与所述副旋流器10的切向液体进口的旋转方向相同，以使所述副旋流腔23内的物料旋转方向与所述主旋流腔13内的物料旋转方向相同。所述导流叶片16的叶片出口角α为20～30°。所述内锥体17的锥顶角度θ为40～60°。

所述溢流管(12,22)的内腔包括依次相连的溢流管上部圆柱腔(121,221)、溢流管圆锥腔(122,222)和溢流管下部圆柱腔(123,223)；所述溢流管上部圆锥腔(122,222)的锥顶朝下。所述溢流管圆锥腔(122,222)的锥顶角度γ为20～40°，所述溢流管上部圆柱腔(121,221)的内径是溢流管下部圆柱腔(123,223)的内径的3～9倍。

本实施例的主副腔耦合式自适应旋流离心脱气装置，脱气过程如下：

(1)、气液混合物通过泵增压从轴流式的所述主旋流器进料口11进入所述主旋流腔13内，然后在所述导流叶片16的作用下实现旋流，气液混合物在所述主旋流腔13内做旋流运动形成离心场，由于离心力的存在，液相及微细气泡被甩到边壁，较大气泡迁移至所述主旋流腔13的轴心位置，经过所述内锥体17后，气体快速迁移至所述主旋流腔13的轴心位置，再从所述主旋流器10顶部的溢流管12溢出，再进入排气主管40排出；含有少量微细气泡的液相沿边壁运动至所述主旋流器10的顶部，然后从所述切向液体出口14经所述耦合通道30和所述切向液体进口24进入所述副旋流器20的副旋流腔23内。

(2)、由于所述副旋流腔23的内径减小，且下部呈锥状结构，含少量气体的液相在其内部的切向速度得到提高，再次进行离心加速旋转运动，在更高的离心加速度条件下，微细气泡迁移至所述副旋流腔23的轴心处，轴心处气体从所述副旋流器的溢流管22溢出，再进入排气主管40排出；脱气后的液体沿所述副旋流腔23的内壁从所述副旋流器20底部的副旋流器出料口21流出，再进入排液主管50排出。

本发明的主副腔耦合式自适应旋流离心脱气装置，至少2个所述副旋流器20通过耦合通道30在所述主旋流器10的外周切向均匀分布，形成耦合式结构；所述主旋流腔13可有效分离出较大气泡，实现预处理，所述副旋流腔23可有效分离出微细气泡，可自适应于分离含有不同尺度的气泡的气液混合物，实现对较大以及微细气泡的同步分离，脱气效率大大提高，脱气效率不小于90％；且耦合式结构的设置，使得所述主旋流腔13对微细气泡有预排序作用，即气泡因离心力作用从所述主旋流腔13的轴心到外壁按尺度大小有序排列，排序后的微细气泡随液相进入所述副旋流腔23后，使得气泡的分离时间提前，分离更迅速充分，脱气效率大大提高。

同时，本发明的主副腔耦合式自适应旋流离心脱气装置的结构简单，运行稳定，可满足气液比波动的工况，可根据气液比的操作范围调整副旋流器的数量，且可适用于不同领域液体脱气过程。

同时，所述副旋流器上部圆柱腔231和副旋流器中部圆锥腔232形成的上部柱锥结构可有效保证其内的物料旋流的切向速度，所述副旋流器下部圆柱腔233可有效防止液体排出时夹带气体。

需要说明的是：所述副旋流器出料口21可直接通过出液支管道(例如软管)连接至排液主管50或液体储罐上。所述溢流管(12,22)直接通过出气支管道(例如软管)连接至排气主管40或气体储罐上。

需要说明的是，所述较大气泡和微细气泡为相对概念。与所述较大气泡相比，所述微细气泡即为较小的气泡。所述微细气泡的尺寸根据主旋流器内径，旋流速度等多因素的不同而有所不同。

优选地，所述导流结构还包括安装在所述中心圆柱15下方的导流锥18，所述导流锥18的锥顶角β130～150°；如此设置，可确保进入所述主旋流腔13内的气液混合物的均匀进料，从而一定程度上提高脱气效率。

优选地，所述主旋流器的溢流管12的插入深度为切向液体出口14以下30～50mm。所述副旋流器的溢流管22的插入深度为切向液体进口24以下30～50mm。如此设置，可防止所述切向液体出口14或所述切向液体进口24处液体随气体从溢流管(12,22)溢出，提高系统的稳定性。

进一步优选地，所述副旋流器上部圆柱腔231、副旋流器中部圆锥腔232和副旋流器下部圆柱腔233的高度之比为4～6：10～20：1；所述副旋流器中部圆锥腔232的锥度为10～15°；所述副旋流器上部圆柱腔231的内径和主旋流腔13的内径之比为0.2～0.8。如此设置，可进一步确保满足所述副旋流器中液体的离心加速度与所述主旋流器中液体的离心加速度之比为(5～100)：1的要求。

更优选地，当液体粘度大于100cP时，所述副旋流器上部圆柱腔231的内径不小于16mm。

实施例2

如图7所示。本实施例的主副腔耦合式自适应旋流离心脱气装置的基本结构与实施例1相同，区别在于，所述副旋流腔内的物料旋转方向与所述主旋流腔内的物料旋转方向相反，且所述副旋流器20和耦合通道30的数量为4。

实施例3

本实施例的主副腔耦合式自适应旋流离心脱气装置的基本结构与实施例1相同，区别在于，溢流管的结构不同。具体而言：

如图8所示，所述溢流管(12,22)的内腔包括依次相连的上部圆柱腔(121,221)、上部圆锥腔(122,222)、下部圆柱腔(123,223)和下部圆锥腔(124,224)；所述上部圆锥腔(122,2212)和下部圆锥腔(124,224)的锥顶角度相同，所述上部圆锥腔(122,222)的锥顶朝下，所述下部圆锥腔(124,224)的锥顶朝上。所述上部圆锥腔(122,222)和下部圆锥腔(124,224)的锥顶角度γ为20～40°。

如此设置，所述上部圆锥腔(122,2212)的锥顶朝下，向上逐渐扩径形成扩压段，使所述溢流管(12,22)的上部圆柱腔(121,221)和上部圆锥腔(122,222)相对于下部圆柱腔(123,223)和下部圆锥腔(124,224)形成微负压，有利于气体溢出。所述下部圆锥段的锥顶朝上，锥体向下扩径，可有效减少所述主旋流腔13和副旋流腔23上部的液体随气体从所述溢流管(12,22)向上溢出的几率，从而提高脱气效率。

实施例4

如图9所示，本实施例的主副腔耦合式自适应旋流离心脱气装置的基本结构与实施例3相同，区别在于，还包括集气室60和集液室70。具体而言：

所述主旋流器10和副旋流器20的溢流管(12,22)均与所述集气室60连通，所述集气室60上连接出气管61；所述副旋流器出料口21与所述集液室70连通，所述集液室70上连接出液管71。

所述集液室70为围绕所述主旋流器10的下端的环形结构，所述环形结构的环形腔的高度为所述主旋流器10的主旋流腔13高度的0.1～0.5倍，所述主旋流器10的外壁与环形结构的内壁之间的距离为所述主旋流腔13内径的0.4～0.7倍。

本实施例的主副腔耦合式自适应旋流离心脱气装置，脱气过程如下：

(1)、气液混合物通过泵增压从轴流式的所述主旋流器进料口11进入所述主旋流腔13内，然后在所述导流叶片16的作用下实现旋流，气液混合物在所述主旋流腔13内做旋流运动形成离心场，由于离心力的存在，液相及微细气泡被甩到边壁，较大气泡迁移至所述主旋流腔13的轴心位置，经过所述内锥体17后，快速迁移至所述主旋流腔13的轴心位置，轴心处气体再从所述主旋流器10顶部的溢流管12溢出，并汇集于所述集气室60，再从出气管61排出；含有少量微细气泡的液相沿边壁运动至所述主旋流器10的顶部，然后从所述切向液体出口14经所述耦合通道30和所述切向液体进口24进入所述副旋流器20的副旋流腔23内。

(2)、由于所述副旋流腔23的内径减小，且下部呈锥状结构，含少量气体的液相在其内部的切向速度得到提高，再次进行离心加速旋转运动，微细气泡迁移至所述副旋流腔23的轴心处，轴心处的气体从副旋流器20的溢流管22溢出，并汇集于所述集气室60，再从出气管61排出；脱气后的液体沿所述副旋流腔23的内壁从所述副旋流器20底部的副旋流器20出料口流出至所述集液室70，并从所述出料管71排出。

优选地，所述集气室61内安装有除液丝网62。如此设置，可有效分离进入集气室60的液体，有效防止无沫夹带，从而提高装置的运行稳定性，确保有效脱气。

进一步优选地，所述除液丝网62由疏水材料和亲水材料混合编织而成。当脱气的液体为水时，所述除液丝网62中的疏水材料的比例为25％～60％；当脱气的液体为油时，所述除液丝网62中的疏水材料的比例为50％～70％；所述疏水材料的接触角大于120度，亲水材料的接触角小于75度。

优选地，控制气体在所述集气室的表观气速不大于50m/s。

实施例5、实验室小试

(一)、采用空气和自来水分别作为气相和液相。空气经空气压缩机80增压至0.7MPa，经过调节阀、转子流量计和压力表后，进入混合三通；储罐90中的自来水经离心泵100增压至0.3MPa，通过旁路调节控制进入混合三通的流量，使用质量流量计进行流量测量。气液在混合三通处得到气液混合物，进入实施例1至实施例4中任一的脱气装置110。

所述脱气装置110的液体出口连接出液管路111，所述出液管路111的末端进入水罐120的底部，所述水罐120中有一个充满水的倒置量筒；所述脱气装置110的气体出口连接出气管路112，出气管路112连接一个量筒。实验流程图如图10所示。

所述脱气装置110的相关参数：所述导流叶片16的叶片出口角α为25°。所述内锥体17的锥顶角度θ为50°。

所述副旋流器上部圆柱腔231的内径为10mm，所述主旋流腔23的内径为20mm。所述副旋流器上部圆柱腔231的内径和主旋流腔23的内径之比为1：2。旋流半径即为内径的一半。

控制所述主旋流腔内的气液混合物的旋转速度(即切向速度v_t)为2.5m/s，所述副旋流腔内的气液混合物的旋转速度(即切向速度v_t)为6m/s。

所述副旋流器上部圆柱腔231、副旋流器中部圆锥腔232和副旋流器下部圆柱腔233的高度之比为5：15：1；所述副旋流器中部圆锥腔232的锥度为12.5°。

所述溢流管圆锥腔(122,222)的锥顶角度γ为30°，所述溢流管上部圆柱腔(121,221)的内径是溢流管下部圆柱腔(123,223)的内径的6倍。

调节气液比为0.4：1，检测得到的气液混合物的含气率为35％。分别采用本发明实施例1至实施例4的主副腔耦合式自适应旋流离心脱气装置进行脱气操作。

1、脱气效率测量

所述脱气装置110的出液管路111的末端进入所述水罐120的底部，所述水罐120中有一个充满水的倒置量筒，将出液管路111的末端插入倒置量筒内部，所夹带的气体会积聚在量筒，测量单位时间内所述液体出口流出的液体中所夹带气体的体积，并计算液体出口的气体体积流量Q_G,u。。

所述脱气装置110的气体出口连接出气管路112，出气管路112连接一个量筒，用于将气体出口夹带的液体进行收集，测量单位时间内所述气体出口流出的气体中所夹带液体的体积，并计算气体出口的液体体积流量Q_L,o。

液体出口的液体体积流量Q_L,u即为进料液体体积流量Q_L,in与气体出口的液体体积流量Q_L,o的差值：Q_L,u＝Q_L,in-Q_L,o。

所述出液管路111的外径为21mm，内径为15mm。倒置量筒的量程为500mL，最小单位刻度为5mL。采用手动计时测量采样时间，采样时间为10～1000秒(至少为10秒以减少测量误差)。在夹带气体流量达到最大，为110L/h时，由于取样时间短，测量误差达到最大，取样400mL，计时约为13秒。如手动计时偏差为1秒，气体体积读数偏差为5mL时，所测量得到的夹带气体流量偏差约为10L/h，小于测量值的10％；在夹带气体流量很小时，取样时间需要很长才能获得量筒最小读数50mL的气体体积，本实验中取样时间最长为1000秒，那么测量实验中的最小的夹带气体流量为0.18L/h，低于0.18L/h的夹带气体流量视为零。

脱气效率计算如下：

Q_G,u──液体出口的气体体积流量，m³/h

Q_L,u──液体出口的液体体积流量，m³/h

Q_G,in──进料气体体积流量，m³/h

Q_L,in──进料液体体积流量，m³/h。

2、脱气装置压力降测量

由于所述出液管路111的末端的压力近似等于大气压力0.1MPa，脱气旋流器压力降的值通过进料压力表130处的表压数值。

3、脱气实验结果如表1所示

表1主副腔耦合式自适应旋流离心脱气装置脱气实验结果

检测项目	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4
					分离前含气率	35％	35％	35％	35％
分离后含气率	1.5％	1.4％	9‰	1‰
					脱气效率	95.7％	96％	97.4％	99.7％
脱气装置压力降	0.1MPa	0.12MPa	0.1MPa	0.1MPa

由表1的数据可知，实施例1至实施例4的脱气装置的脱气效率达到95.7～99.7％。观察图10所示的流程装置，液体出口处的气体含量极低甚至没有气体，绝大部分的气体从气体出口排出。脱气装置的压力降小于0.2MPa。

(二)、改变气液混合物的粘度范围为0.03cP～100cP，改变气液比以使气液比为0.01～10范围，经检测本发明的脱气装置的脱气效率均大于90％。

实施例6、应用实例

某化工厂采用湿式氧化法处理含硫有机废水。有机废水中含有气体例如未反应完的氧气。发生氧化反应后，作为反应产物的气液混合物的分离前含气率在10％～15％。气液混合物粘度为0.8cP。

采用实施例4的脱气装置进行脱气操作，控制所述主旋流腔内的气液混合物的旋转速度为3m/s，所述副旋流腔内的气液混合物的旋转速度为7m/s。控制副旋流器中液体的离心加速度与所述主旋流器中液体的离心加速度之比为11：1。

经检测，分离前含气率为15％，分离后含气率为2‰，脱气效率达到98.7％，脱气装置的压力降为0.1MPa。

以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对该实用进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (12)

1.一种主副腔耦合式自适应旋流离心脱气方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、气液混合物从主旋流器下部的主旋流器进料口进入主旋流腔内进行旋流分离，在离心力的作用下，较大气泡迁移至所述主旋流器的轴心，轴心处气体从所述主旋流器顶部的溢流管流出，含有少量微细气泡的液体从主旋流器上部的切向液体出口流出，经耦合通道后从副旋流器上部的切向液体进口进入副旋流腔内；

(2)、含有少量微细气泡的液体在所述副旋流腔内旋流分离，在离心力的作用下，微细气泡迁移至所述副旋流器的轴心，轴心处气体从所述副旋流器顶部的溢流管流出，脱气后的液体从所述副旋流器下部的副旋流器出料口流出；

所述耦合通道和副旋流器的数量一一对应，且分别至少为2个，并沿所述主旋流器的外周均匀分布；所述副旋流器中液体的离心加速度与所述主旋流器中液体的离心加速度之比为(5～100)：1。

2.根据权利要求1所述的主副腔耦合式自适应旋流离心脱气方法，其特征在于，所述副旋流腔内的物料旋转方向与所述主旋流腔内的物料旋转方向相同；或所述副旋流腔内的物料旋转方向与所述主旋流腔内的物料旋转方向相反。

3.根据权利要求1所述的主副腔耦合式自适应旋流离心脱气方法，其特征在于，所述主旋流器和副旋流器的溢流管均与一个集气室连通，所述集气室上连接出气管，分离出的气体进入所述集气室，并从所述出气管排出；所述副旋流器出料口均与一个集液室连通，所述集液室上连接出液管，脱气后的液体进入所述集液室，并从所述出液管排出。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的主副腔耦合式自适应旋流离心脱气方法，其特征在于，当最小气泡直径为0.005～0.1mm时，所述副旋流器的数量为4～6个；当最小气泡直径为0.1～50mm时，所述副旋流器的数量为2～3个。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的主副腔耦合式自适应旋流离心脱气方法，其特征在于，所述气液混合物中，液体的粘度为0.03cP～100cP，脱气前后的压力降小于0.2MPa。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的主副腔耦合式自适应旋流离心脱气方法，其特征在于，所述主旋流腔内的气液混合物的旋转速度为1.4～4m/s，所述副旋流腔内的气液混合物的旋转速度为5～10m/s。

7.一种主副腔耦合式自适应旋流离心脱气装置，其特征在于，包括主旋流器、至少2个副旋流器，及连接所述主旋流器和副旋流器的耦合通道；其中：

所述主旋流器的下部设置轴流式的主旋流器进料口，顶部设置溢流管，内部具有主旋流腔，所述主旋流腔内安装导流结构以在所述主旋流腔内形成旋流，所述主旋流器的上部的侧壁上设置至少2个对称的切向液体出口；

所述副旋流器的下部设置副旋流器出料口，顶部设置溢流管，内部具有副旋流腔；所述副旋流器的上部的侧壁上设置切向液体进口，所述耦合通道的两端分别与所述切向液体出口和所述切向液体进口连接；

所述耦合通道和副旋流器沿所述主旋流器的外周均匀分布；所述副旋流器中液体的离心加速度与所述主旋流器中液体的离心加速度之比为(5～100)：1。

8.根据权利要求7所述的主副腔耦合式自适应旋流离心脱气装置，其特征在于，所述导流结构包括中心圆柱，安装在所述中心圆柱外壁上的导流叶片，安装在所述中心圆柱上部的内锥体；所述导流叶片与所述主旋流腔的内壁固定连接。

9.根据权利要求7所述的主副腔耦合式自适应旋流离心脱气装置，其特征在于，所述溢流管的内腔包括依次相连的溢流管上部圆柱腔、溢流管上部圆锥腔、溢流管下部圆柱腔和溢流管下部圆锥腔；所述溢流管上部圆锥腔的锥顶朝下，所述溢流管下部圆锥腔的锥顶朝上。

10.根据权利要求7所述的主副腔耦合式自适应旋流离心脱气装置，其特征在于，所述主旋流器为圆柱形结构，所述副旋流器为柱锥形结构，其中：

所述副旋流腔从上至下包括依次相连的副旋流器上部圆柱腔、副旋流器中部圆锥腔和副旋流器下部圆柱腔，所述副旋流器上部圆柱腔的内径大于所述副旋流器下部圆柱腔的内径；所述副旋流器上部圆柱腔的内径和主旋流腔的内径之比为0.2～0.8。

11.根据权利要求7-10中任一项所述的主副腔耦合式自适应旋流离心脱气装置，其特征在于，还包括集气室和/或集液室；所述主旋流器和副旋流器的溢流管均与所述集气室连通，所述集气室上连接出气管；所述副旋流器出料口与所述集液室连通，所述集液室上连接出液管。

12.根据权利要求11所述的主副腔耦合式自适应旋流离心脱气装置，其特征在于，所述集液室为围绕所述主旋流器的下端的环形结构，所述环形结构的环形腔的高度为所述主旋流腔高度的0.1～0.5倍，所述主旋流器的外壁与环形结构的内壁之间的距离为所述主旋流腔内径的0.4～0.7倍。

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