CN114950748B - 多级高效气固旋风分离器 - Google Patents

Abstract

本发明公开的多级高效气固旋风分离器，包括上下依次相通且直立设置的第一筒体、第二筒体和第三筒体，第一筒体的轴线与第二筒体的轴线同轴，第三筒体的轴线与第二筒体的轴线不同轴，第一筒体的侧壁设有进气口、顶端同轴设有排气口，第三筒体的底端同轴设有颗粒物排出口，第一筒体的内径大于第二筒体的内径但小于第三筒体的内径，第一筒体、第二筒体和第三筒体的下部分别为上大下小的第一锥形腔、第二锥形腔和第三锥形腔。本发明旋风分离器流通截面的多次变化和异轴设计，能够使气流经多次缩径提速并经扩径减速，分离效率高、分离临界粒径小，可避免气流二次夹带，减弱颗粒物排出口底端的气流衍射现象，利于颗粒物的收集，结构简单、适用范围广。

Description

多级高效气固旋风分离器

技术领域

本发明涉及石油化工、煤化工等领域的用于分离气体中固体颗粒的设备，具体是一种多级高效气固旋风分离器。

背景技术

在石油化工、煤化工等工业领域中，经常需要对一些工业气体进行气固分离。旋风分离技术是一种成熟的分离技术，其设备结构简单、无转动部件，能较好地适应在高温下的运行。旋风分离器利用气流做旋转运动时产生的离心力实现分离，固体颗粒由于质量大，受到的离心力也大，迅速向筒壁移动，与壁面碰撞失去速度，在惯性力和重力的作用下向下移动，从而实现气固两相的分离。通过优化设计，目前单体旋风分离器的最佳分离效果可以除去10µm以上的颗粒，5~10µm颗粒除尘效率在85%左右。

在气体从进气口切向进入旋风分离器的腔体后，在旋风分离器的腔体内产生旋流运动，在旋流的外部（即外旋涡）的气体向下运动，在旋流的中心处（即内旋涡）的气体向上运动。与此同时，气体还存在一个由内旋涡到外旋涡的径向运动。分离到腔壁的固体颗粒被外部区域的气流带向颗粒排出口，最后固体颗粒通过颗粒排出口排出。

图1为传统旋风分离器的示意图。传统旋风分离器的本体采用同轴的锥壳设计，顶部为排气口，侧面为进气口，底部为颗粒排出口。这种传统旋风分离器存在以下问题：固体颗粒的运动和排出都是靠外旋涡的气流来夹带的，外旋涡的气流最终经过气流的径向运动，进入内旋涡，通过内旋涡从排气口排出。随着锥壳截面变小，固体颗粒浓度变高，外旋涡与内旋涡的径向距离变短，径向气流变剧烈，导致颗粒小、离心力小的灰尘产生二次夹带，影响分离效率。而且越靠近锥壳底端，固体颗粒浓度越高，颗粒在旋转的过程中越容易在分离器本体的内壁上反弹，且反弹颗粒的方向是沿排气口方向的，更容易产生气流二次夹带，影响分离效率。固体颗粒从颗粒排出口排出后，没有迅速远离旋风分离器的气场，在下端存在气流衍射现象，部分固体颗粒被带回，影响分离效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对传统同轴旋风分离器的分离效率低和二次夹带问题，本发明提出一种多级高效气固旋风分离器，能够使气流经多次缩径提速并经扩径减速，分离效率高、分离临界粒径小，可避免气流二次夹带，减弱颗粒物排出口底端的气流衍射现象，利于颗粒物的收集。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：多级高效气固旋风分离器，包括上下依次相通且直立设置的第一筒体、第二筒体和第三筒体，所述的第一筒体的轴线与所述的第二筒体的轴线同轴，所述的第三筒体的轴线与所述的第二筒体的轴线不同轴，所述的第一筒体的侧壁设有进气口，所述的第一筒体的顶端同轴设有排气口，所述的第三筒体的底端同轴设有颗粒物排出口，所述的第一筒体的内径大于所述的第二筒体的内径，所述的第一筒体的内径小于所述的第三筒体的内径，所述的第一筒体的下部为上大下小的第一锥形腔，所述的第二筒体的下部为上大下小的第二锥形腔，所述的第三筒体的下部为上大下小的第三锥形腔。

本发明多级高效气固旋风分离器结构简单、适用范围广，其第一筒体、第二筒体与排气口是同轴的，且第一筒体的内径和第二筒体的内径由大到小，利于内旋流形成的气芯柱向上旋转，洁净气从排气口排出；第三筒体的轴线与第二筒体的轴线是不同轴的，颗粒物排出口与第三筒体是同轴的，颗粒物排出口与排气口是不同轴的，且第二筒体的内径和第三筒体的内径由小到大，利于降低流体速度，避免气流二次夹带，减弱颗粒物排出口底端的气流衍射现象，不仅提高了分离效率而且有利于颗粒物的收集，有助于固体颗粒物在外旋流向下运动的推动下，从颗粒物排出口排出。

作为优选，所述的第一筒体包括上下依次焊接且同轴的第一上封头、第一筒节和第一锥壳，所述的排气口同轴焊接在所述的第一上封头的中部，所述的进气口焊接在所述的第一筒节的侧壁的上部，所述的第一锥壳的内腔即为所述的第一锥形腔，所述的第二筒体包括上下依次焊接且同轴的第二上封头、第二筒节和第二锥壳，所述的第二上封头与所述的第一锥壳同轴焊接并相通，所述的第二锥壳的内腔即为所述的第二锥形腔，所述的第三筒体包括上下依次焊接且同轴的第三上封头、第三筒节和第三锥壳，所述的第三锥壳的内腔即为所述的第三锥形腔，所述的颗粒物排出口同轴焊接在所述的第三锥壳的小端，所述的第二锥形腔与所述的第三筒节的内腔经联通管相通，所述的联通管的上端和下端分别与所述的第二锥壳和所述的第三上封头焊接。

作为优选，所述的联通管包括一体设置的直立的上段和弯制的下段，所述的上段穿过所述的第三上封头与所述的第二锥壳同轴焊接并相通，所述的下段斜向下伸入所述的第三筒节的内腔内。联通管的设计，便于第二筒体与第三筒体的连通，并使颗粒物经联通管内壁反弹后，反弹颗粒从下段的底端端口出来的方向是向下的，有效避免气流二次夹带。在实际应用中，优化下段的轴线与上段的轴线的夹角，可确保反弹颗粒的方向是向下的。此外，优化下段的轴线与上段的轴线的夹角可缩短第三筒节的长度。

作为优选，将所述的第一筒体、第二筒体和第三筒体的内径分别记为D1、D2和D3，所述的第一锥壳和第二锥壳的小端的内径分别记为D4和D5，D1、D2、D3、D4和D5满足：D1=(1.1~1.6)D2，D3≥D1＞D2＞D4＞D5。通过第一筒体、第二筒体和第三筒体的内径变化，改变旋风分离器内流通截面大小，进而改变流体速度。因D5＜D4＜D2＜D1，从进气口切向进入第一筒节的气流经过了多次缩径而提速，提高了分离效率，降低了分离颗粒的临界粒径。因D3≥D1＞D5，分离后的颗粒物流体因扩径而减速，减弱了颗粒物排出口下端的气流衍射现象，不仅提高分离效率，而且利于颗粒物的收集。

作为优选，将所述的第一锥壳的大端的折边半径记为R1，R1≥0.1D1，且R1≥第一锥壳的壁厚的3倍，所述的第一锥壳的小端无折边；所述的第二上封头为锥壳形式，将所述的第二上封头的大端的折边半径记为R21，R21≥0.1D2，且R21≥第二上封头的壁厚的3倍，所述的第二上封头的小端无折边；将所述的第二锥壳的大端的折边半径记为R22，R22≥0.1D2，且R22≥第二锥壳的壁厚的3倍；将所述的第三锥壳的大端的折边半径记为R3，R3≥0.1D3，且R3≥第三锥壳的壁厚的3倍，所述的第三锥壳的小端无折边。

作为优选，将所述的第一锥壳、第二上封头、第二锥壳和第三锥壳的顶角分别记为a、b、c和d，a、b、c和d的取值范围分别为30~120°。上述角度是基于分离器轴向空间和锥壳厚度综合考虑的结果。

作为优选，b≥90°，且b＞c＞a。b增大，分离器的轴向空间减小，第一锥壳厚度增加，第二上封头只有连接作用；a减小，第一锥壳截面变小，气体提速快，第一锥壳厚度减小。综合考虑确定b≥90°，且b＞c＞a，以增多固体颗粒，达到更好的提速分离效果。

作为优选，所述的第一锥壳的小端端面置于所述的第二筒节与所述的第二上封头之间。

作为优选，所述的第一锥壳的小端端面置于所述的第二上封头的大端的切线上，所述的第一锥壳的顶点置于所述的第二锥壳的大端的切线上。

作为优选，所述的下段的底端经过所述的第三筒节的轴线，所述的下段的底端端面与所述的第三筒节的轴线之间的夹角e为3~5°。采用上述设计，可进一步避免气流二次夹带，并避免联通管内向下流动的气固混合物与向上流动的内旋涡相互干扰。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：与传统同轴型旋风分离器相比，本发明多级高效气固旋风分离器流通截面的多次变化和异轴设计，能够使气流经多次缩径提速并经扩径减速，分离效率高、分离临界粒径小，可避免气流二次夹带，减弱颗粒物排出口底端的气流衍射现象，利于颗粒物的收集，结构简单、适用范围广。

附图说明

图1为传统旋风分离器的示意图；

图2为实施例中多级高效气固旋风分离器的示意图；

图3为实施例中多级高效气固旋风分离器的进气口与第二筒体的连接示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例的多级高效气固旋风分离器，如图2~图3所示，包括上下依次相通且直立设置的第一筒体1、第二筒体2和第三筒体3，第一筒体1的轴线14与第二筒体2的轴线24同轴，第三筒体3的轴线34与第二筒体2的轴线24不同轴，第一筒体1的侧壁设有进气口4，第一筒体1的顶端同轴设有排气口5，第三筒体3的底端同轴设有颗粒物排出口6，第一筒体1的内径大于第二筒体2的内径，第一筒体1的内径小于第三筒体3的内径，第一筒体1的下部为上大下小的第一锥形腔10，第二筒体2的下部为上大下小的第二锥形腔20，第三筒体3的下部为上大下小的第三锥形腔30。

本实施例中，第一筒体1包括上下依次焊接且同轴的第一上封头11、第一筒节12和第一锥壳13，排气口5同轴焊接在第一上封头11的中部，进气口4焊接在第一筒节12的侧壁的上部，第一锥壳13的内腔即为第一锥形腔10，第二筒体2包括上下依次焊接且同轴的第二上封头21、第二筒节22和第二锥壳23，第二上封头21与第一锥壳13同轴焊接并相通，第二锥壳23的内腔即为第二锥形腔20，第三筒体3包括上下依次焊接且同轴的第三上封头31、第三筒节32和第三锥壳33，第三锥壳33的内腔即为第三锥形腔30，颗粒物排出口6同轴焊接在第三锥壳33的小端，第二锥形腔20与第三筒节32的内腔经联通管7相通，联通管7的上端和下端分别与第二锥壳23和第三上封头31焊接；联通管7包括一体设置的直立的上段71和弯制的下段72，上段71穿过第三上封头31与第二锥壳23同轴焊接并相通，下段72斜向下伸入第三筒节32的内腔内。

本实施例中，将第一筒节12、第二筒节22和第三筒节32的内径分别记为D1、D2和D3，第一锥壳13和第二锥壳23的小端的内径分别记为D4和D5，D1、D2、D3、D4和D5满足：D1=(1.1~1.6)D2，D3≥D1＞D2＞D4＞D5；将第一锥壳13的大端的折边半径记为R1，R1≥0.1D1，且R1≥第一锥壳13的壁厚的3倍，第一锥壳13的小端无折边；第二上封头21为锥壳形式，将第二上封头21的大端的折边半径记为R21，R21≥0.1D2，且R21≥第二上封头21的壁厚的3倍，第二上封头21的小端无折边；将第二锥壳23的大端的折边半径记为R22，R22≥0.1D2，且R22≥第二锥壳23的壁厚的3倍；将第三锥壳33的大端的折边半径记为R3，R3≥0.1D3，且R3≥第三锥壳33的壁厚的3倍，第三锥壳33的小端无折边；将第一锥壳13、第二上封头21、第二锥壳23和第三锥壳33的顶角分别记为a、b、c和d，a、b、c和d的取值分别为30°、90°、60°和60°；下段72的底端经过第三筒节32的轴线，下段72的底端端面73与第三筒节32的轴线之间的夹角e为3~5°。优化下段的轴线与上段的轴线的夹角f，可确保反弹颗粒的方向是向下的。

本实施例中，第一锥壳13的小端端面置于第二筒节22与第二上封头21之间，具体地，第一锥壳13的小端端面置于第二上封头21的大端的切线上，第一锥壳13的顶点置于第二锥壳23的大端的切线上。

上述多级高效气固旋风分离器的工作原理：待分离气通过进气口4切向进入旋风分离器（从图3可见进气口4是切向进入第一筒节12的），并沿分离器筒壁旋转，在离心力的作用下，固体颗粒被甩到筒壁上，与壁面碰撞失去速度，在外旋涡和重力的作用下向下移动，洁净气通过内旋涡的气芯柱向上移动，从而实现气固两相的分离。气流通过第一筒体1和第二筒体2的缩径而提速，通过第三筒体3的扩径而降速，结合颗粒物排出口6与排气口5的异轴设计以及弯制的联通管7，利于降低流体速度，避免气流二次夹带，减弱颗粒物排出口6底端的气流衍射现象，不仅提高了分离效率而且有利于颗粒物的收集，有助于固体颗粒物在外旋流向下运动的推动下，从颗粒物排出口6排出。

Claims (9)

1.多级高效气固旋风分离器，其特征在于，包括上下依次相通且直立设置的第一筒体、第二筒体和第三筒体，所述的第一筒体的轴线与所述的第二筒体的轴线同轴，所述的第三筒体的轴线与所述的第二筒体的轴线不同轴，所述的第一筒体的侧壁设有进气口，所述的第一筒体的顶端同轴设有排气口，所述的第三筒体的底端同轴设有颗粒物排出口，所述的第一筒体的内径大于所述的第二筒体的内径，所述的第一筒体的内径小于所述的第三筒体的内径，所述的第一筒体的下部为上大下小的第一锥形腔，所述的第二筒体的下部为上大下小的第二锥形腔，所述的第三筒体的下部为上大下小的第三锥形腔；所述的第一筒体包括上下依次焊接且同轴的第一上封头、第一筒节和第一锥壳，所述的排气口同轴焊接在所述的第一上封头的中部，所述的进气口焊接在所述的第一筒节的侧壁的上部，所述的第一锥壳的内腔即为所述的第一锥形腔，所述的第二筒体包括上下依次焊接且同轴的第二上封头、第二筒节和第二锥壳，所述的第二上封头与所述的第一锥壳同轴焊接并相通，所述的第二锥壳的内腔即为所述的第二锥形腔，所述的第三筒体包括上下依次焊接且同轴的第三上封头、第三筒节和第三锥壳，所述的第三锥壳的内腔即为所述的第三锥形腔，所述的颗粒物排出口同轴焊接在所述的第三锥壳的小端，所述的第二锥形腔与所述的第三筒节的内腔经联通管相通，所述的联通管的上端和下端分别与所述的第二锥壳和所述的第三上封头焊接。

2.根据权利要求1所述的多级高效气固旋风分离器，其特征在于，所述的联通管包括一体设置的直立的上段和弯制的下段，所述的上段穿过所述的第三上封头与所述的第二锥壳同轴焊接并相通，所述的下段斜向下伸入所述的第三筒节的内腔内。

3.根据权利要求2所述的多级高效气固旋风分离器，其特征在于，将所述的第一筒节、第二筒节和第三筒节的内径分别记为D1、D2和D3，所述的第一锥壳和第二锥壳的小端的内径分别记为D4和D5，D1、D2、D3、D4和D5满足：D1=(1.1~1.6)D2，D3≥D1＞D2＞D4＞D5。

4.根据权利要求3所述的多级高效气固旋风分离器，其特征在于，将所述的第一锥壳的大端的折边半径记为R1，R1≥0.1D1，且R1≥第一锥壳的壁厚的3倍，所述的第一锥壳的小端无折边；所述的第二上封头为锥壳形式，将所述的第二上封头的大端的折边半径记为R21，R21≥0.1D2，且R21≥第二上封头的壁厚的3倍，所述的第二上封头的小端无折边；将所述的第二锥壳的大端的折边半径记为R22，R22≥0.1D2，且R22≥第二锥壳的壁厚的3倍；将所述的第三锥壳的大端的折边半径记为R3，R3≥0.1D3，且R3≥第三锥壳的壁厚的3倍，所述的第三锥壳的小端无折边。

5.根据权利要求3所述的多级高效气固旋风分离器，其特征在于，将所述的第一锥壳、第二上封头、第二锥壳和第三锥壳的顶角分别记为a、b、c和d，a、b、c和d的取值范围分别为30~120°。

6.根据权利要求5所述的多级高效气固旋风分离器，其特征在于，b≥90°，且b＞c＞a。

7.根据权利要求3所述的多级高效气固旋风分离器，其特征在于，所述的第一锥壳的小端端面置于所述的第二筒节与所述的第二上封头之间。

8.根据权利要求7所述的多级高效气固旋风分离器，其特征在于，所述的第一锥壳的小端端面置于所述的第二上封头的大端的切线上，所述的第一锥壳的顶点置于所述的第二锥壳的大端的切线上。

9.根据权利要求3所述的多级高效气固旋风分离器，其特征在于，所述的下段的底端经过所述的第三筒节的轴线，所述的下段的底端端面与所述的第三筒节的轴线之间的夹角e为3~5°。