CN1980722A - 将流动介质混合物分成几个级分的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种将流动介质混合物分成至少两级分的设备，包括旋转装置、用于物理增加待分离级分的质量密度差异的装置、介质进料器和用于排放分离的介质混合物级分中的一个级分的第一出口。本发明还涉及用于分离流动介质混合物的方法。

Description

将流动介质混合物分成几个级分的设备和方法
本发明涉及将流动介质混合物分成至少两个具有质量密度差异的级分的设备，包含用于旋转待分离流动混合物的旋转装置。本发明还涉及将流动介质混合物分成至少两个具有质量密度差异的级分的方法。
流动介质混合物的分离具有非常广泛的应用。介质混合物在本文中理解为可以与固体材料部分例如粉末或气溶胶混合的至少一种液体或气体的混合物。实例是气体/气体混合物、气体/液体混合物、液体/液体混合物、气体/固体混合物、液体/固体混合物、或提供有一种或多种附加级分的混合物。例如，从液体净化、(废)气体净化和粉末分离的各种应用中可了解流动介质混合物的分离。粒径差异大和/或质量密度差异大的级分的分离相对简单。为此，大规模使用的方法是例如过滤和筛分。在质量密度差异较小的级分的分离中，使用化学分离技术和/或诸如沉淀和离心的分离技术。当然，当处理大量的介质混合物时，化学分离技术是较不经济的并且通常还是较不环境友好的。利用沉淀分离级分需要时间，并且当处理大量的介质混合物时，需要利用大容积的容器，这尤其昂贵。另一种技术通过使混合物在离心机或旋风分离机中旋转来对混合物施加向心力，从而利用级分的质量密度差异来分离。对于在短时间内实现所需水平的分离而言，这种技术通常选择性不足。
本发明的目的是利用有限的投资来增加流动介质混合物的级分分离速度和质量。
为此，本发明提供一种在前序中所述类型的设备，还包含在介质流动方向的上游连接旋转装置的装置、待分离介质混合物进料器和第一出口，其中所述在介质流动方向的上游连接旋转装置的装置用于物理增加待分离级分的质量密度差异，所述待分离介质混合物进料器连接连接至影响质量密度的装置，所述第一出口连接旋转装置用于排放分离的介质混合物级分中的一个级分。该设备优选还提供有同样连接旋转装置的第二出口，用于排放分离的介质混合物的第二组分。根据本发明，通过在介质到达旋转装置之前影响至少一部分混合物的质量密度，使得待分离级分的质量密度的差异增加，由此提高旋转装置的分离效率。待分离级分的质量密度差异的增加例如可以通过改变混合物的温度(加热或冷却，根据环境而定)来实现。因此，利用旋转来使级分相互分离更简单(由于施加在级分上的向心力的差异增加)。在此应该注意，级分的分离理解为至少部分地分离两种级分，使得所述两种级分的平均质量密度产生明显的差异；实际中将难以实现完全(100％)分离。现在，由于具有更大质量密度差异的待分离级分的混合物的旋转，较轻的级分将至少基本迁移到旋转的内侧并且较重级分将至少基本迁移到旋转的外侧。这种分离增加了对利用与混合物相关的至少一种级分的选择。即使在分离之后，这种可利用的(“净化的”)级分还可以具有部分其它不需要的级分(“被另一级分污染”)，但是，这种其它级分明显少于初始混合物中所存在的这种不需要的级分。介质的后续处理得到意想不到的高分离效率，而不必为此需要大容量的容器(即该设备可以采取非常紧凑的形式)并且其中介质仅须短时间处理。如果介质混合物包含至少一种气体级分并且介质混合物在较高压力下被运送通过设备，则该设备甚至可以采取更小的形式(具有更小的体积)。
在优选的变化方案中，旋转装置由进料通道的旋转组件形成。这种旋转分离器的优点在于，介质到壁的平均距离(径向方向)有限，因此可以在相对较短的时间内实现所需程度的分离(其对应于旋转分离器在轴向上的相对有限的长度)。如果在通道中保持介质的层流，则这种进料通道的旋转组件的运行进一步受到积极的影响。相反，还可利用湍流将介质运送通过通道。施加的流速可以根据情况而变化或最优化。
但是，旋转装置还可以由至少一个旋风分离器(旋涡)形成，或者作为替代方案，可以由多个旋风分离器的组合件形成。在旋风分离器的情况下，旋转装置可以是固定形式并且仅仅使介质旋转。应用多个(较小)旋风分离器相对于单个旋风分离器具有优势，其与进料通道的旋转组件的优势相当。挡板可任选地放置在旋风分离器中，例如用于使确定的级分凝结在挡板上以及用于控制旋风分离器。
在优选实施方案中，影响质量密度的装置包含膨胀装置。通过膨胀(任选各向同性)，介质的温度可以在极短的时间内降低。例如这可以通过应用“joulc thomson”型的膨胀冷却器或涡轮机来实现。另一种选择是利用冷却介质来进行冷却，例如冷却介质在独立的循环系统中膨胀，由此产生所需的低温水平。与待分离介质的膨胀相比，利用单独的冷却介质来工作的优点是，可以使这种冷却介质对于所需的冷却作用来最优化。温度降低的优点在于由此影响级分密度。如果混合物由相同相的级分组成(例如气体/气体混合物或液体/液体混合物)，则因此可以获得特别有利的效果，混合物的至少一种级分由于温度变化而经历相变，使得待分离级分的相彼此不同(由此例如产生气体/液体混合物、气体/固体混合物或液体/固体混合物)。由于温度变化而引起物质相变的现象当然是公知的现象。但是本发明基于非常有利的相变组合(或在任何改变待分离级分质量密度差异的情况下)结合利用旋转随后分离两种级分。然后可以利用旋转装置容易地分离例如气体与气溶胶或粉末(固体)的混合物。但是，特别注意的是，对于利用旋转装置来分离而言，不必在待分离的组分之间产生相差异；该设备同样可用于相同相级分的混合物(例如，液体/液体混合物如分散液体和气体/气体混合物)。为了可以最佳运行，在此希望使待分离级分的质量密度差异尽可能大。
在又一个优选变化方案中，影响质量密度的装置可包含主动或被动冷却装置。这些冷却装置可以直接使用，以增加待分离级分的质量密度。在特别有利的应用中，将冷却装置设置在膨胀装置的介质流动方向的上游。因此首先冷却混合物，接着开始膨胀，然后由于膨胀而达到很低的温度水平，由此产生用来分离级分的额外选择。这可以是非常有利的积极解决方案，例如如果(预)冷却可以通过耗散至环境中来进行。下文中将基于其它的改进实施例进行进一步说明。本发明的可能应用的一些实例是空气/氮气混合物的分离、水的除气或脱气、空气的脱水、天然气的净化。
本发明还涉及将流动介质混合物分成至少两个具有质量密度差异的级分的方法，包括以下处理步骤：A)供应待分离的混合物，B)物理增加待分离混合物中待分离级分的质量密度差异，C)使待分离流动混合物旋转，和D)排出至少一个分离的级分。利用这种方法，如上所述基于根据本发明的设备可以实现优点。由于分离处理步骤可以在非常短的时间内进行(处理步骤B和C)，个别少于1秒、通常少于0.1秒或甚至少于10或少于5毫秒，因此可以利用相对小的通流设备来实施该方法。这使得采用具有可容纳大体积的尺寸的相关装置的冗长过程变得不必要。本发明的处理步骤B)和C)的组合提供了意想不到的优点，即级分分离比现有技术更加简单。增加待分离混合物的级分质量密度的差异的简单方法是基于使混合物膨胀。由此产生的温度下降提供所需的效果，即在非常短的时间内增加待分离级分的质量密度差异；这种效果可以在少于0.1或少于0.05秒内获得，同时利用极为简单的装置。增加待分离级分质量密度差异的效果甚至还可以采用积极的方式通过在处理步骤C)期间在分离混合物之前冷却混合物来实现。随后，膨胀可产生甚至更低温度的混合物。
在该方法的具体优选应用中，在处理步骤A)期间供应天然气，在处理步骤B)期间，由于膨胀使得天然气的温度降低到低于-50℃的温度，或低于-60℃的温度，由此天然气中存在的杂质级分例如CO2和H2S至少基本改变相态，这些杂质级分(例如CO2和H2S)在处理步骤C)期间从烃类级分中分离，使得至少部分除去杂质的烃类级分在处理步骤D)期间被排出。由于大部分技术上可回收的天然气受不需要的气体污染，因此可以经济的费效方式回收的天然气的储量有限。当然，当这些杂质气体以百分之几十的比例存在于天然气中时，迄今还不能以经济的费效方式将这些杂质气体从烃类中分离到足够的程度。
基于附图所示的非限制性典型实施方案进一步说明本发明。其中：
图1表示根据本发明的设备的示意图，
图2表示根据本发明的分离设备的替代实施方案变体的示意图，和
图3表示根据本发明的多级分离设备的第二替代实施方案变体的示意图。
图1表示用于净化受污染的气体例如天然气的设备。在100～300巴(通常为约250巴的典型压力)压力以及大于或约100℃的温度下，通过进料器2按照箭头P1所示供应受污染的气体。按照箭头1所示供应的气体随后在热交换器3中被冷却，例如通过向大气冷却。冷却的气体从热交换器3按照箭头P2流到节流阀4。利用节流阀4使按照箭头P2供应的气体膨胀到5～20巴的较低压力，优选以各向同性的方式进行。由于压力的瞬间下降，气体的温度将下降(例如降到低于-50℃的温度)，使得存在于气体中的部分级分改变相态。结果产生气体/蒸汽混合物5(气溶胶)。气体/蒸汽混合物5由于旋转R而被运送通过转动体7的通道6，由此蒸汽凝结在远离旋转轴8的转动体7的通道6的侧面。凝结的蒸汽作为液滴9从远离节流阀4的一侧离开转动体7。例如由液体CO2和 H2S组成的液滴9收集在池10中，池10可通过激活泵11而排空，这样液体CO2和H2S按照箭头P3被排出。离开转动体7的气体因此至少部分除去CO2和H2S，并作为净化气体按照箭头P4离开设备1。
图2表示分离设备20，通过进料器21将待分离的气体混合物按照箭头P10供应到该设备。在连接的涡轮机22中，混合物被压缩，以便能够在连接的热交换器23中更加有效地冷却气体混合物。由压缩机22增加的压力也可以使得整个设备20在较高压力下运行(例如10～50巴)，由此可以得到比省略该压缩步骤时更紧凑的形式。在热交换器23中冷却混合物之后，供应该混合物至涡轮机24中。由于来自涡轮机24的压力降低效果，混合物的温度将降低，使得混合物的级分变为液相。在连接到涡轮机24的旋风分离器25中，液体级分将凝结在旋风分离器25中的挡板26上。从挡板26落下的液滴收集在积液盘27中，再将液体级分按照箭头P11从该盘中排出。气体级分通过中心出口28按照箭头P12离开旋风分离器。混合物的典型流速为5～15米/秒，更具体地为10米/秒。
图3表示多级分离设备30，待分离混合物按照箭头P30供应到该设备。在冷却器31中冷却混合物之后，冷却的混合物按照箭头P31流至涡轮机32中。在经过涡轮机32之后，混合物具有质量密度差异更大的待分离级分，并流到示意性图示的旋转分离器33。第一级分例如气体级分通过出口34按照箭头P33离开旋转分离器33。第二级分(例如冷却的液体级分)通过第二出口35按照箭头P34离开旋转分离器33。随后第二级分被供应至另一个涡轮机36以及与其连接的旋转分离器37中，在此，为了分离残留在第二液体级分中的气体级分(其可以是与已经在旋转分离器33中分离的相同或不同的气体级分)，进行重新开始的分离过程，该气体级分然后与已经在第一旋转分离器33中分离的气体级分按照箭头P35汇合。旋转分离器37中分离的液体级分按照箭头P36通过回路38被运回到热交换器31，以增加热交换器31的效率。在热交换器31中，来自第二旋转分离器37的液体级分在按照箭头P37经出口离开设备30之前用作冷却剂。应该注意，离开旋转分离器33的第一级分(P33)还可以替代第二级分(P34)或者如第二级分(P34)一样，例如利用涡轮机(图中没有示出)以及与其连接的旋转分离器来进行重新开始的分离过程，其中涡轮机和旋转分离器连接至出口34。已分离级分的重新分离也可任选连续进行多于两次。

Claims (12)

1.一种将流动介质混合物分成至少两个具有质量密度差异的级分的设备，包括：
-旋转装置，用于旋转待分离的流动混合物，
-在介质流动方向的上游连接旋转装置的装置，用于物理增加待分离级分的质量密度差异，
-待分离介质混合物的进料器，其连接影响质量密度的装置，和
-连接旋转装置的第一出口，用于排放分离的介质混合物的级分中的一个级分。
2.权利要求1的设备，其特征在于，所述设备提供有同样连接旋转装置的第二出口，用于排放分离的介质混合物的第二组分。
3.权利要求1或2的设备，其特征在于，所述旋转装置由进料通道的旋转组件形成。
4.权利要求1或2的设备，其特征在于，所述旋转装置由至少一个旋风分离器形成。
5.前述权利要求中任一项的设备，其特征在于，所述影响质量密度的装置包括膨胀装置。
6.前述权利要求中任一项的设备，其特征在于，所述影响质量密度的装置包括冷却装置。
7.权利要求5和6的设备，其特征在于，冷却装置位于膨胀装置的介质流动方向的上游。
8.一种将流动介质混合物分成至少两个具有质量密度差异的级分的方法，包括以下处理步骤：
A)供应待分离的混合物，
B)物理增加待分离混合物中待分离级分的质量密度差异，
C)使待分离流动混合物旋转，和
D)排出至少一个分离的级分。
9.权利要求8的方法，其特征在于，在处理步骤B)期间，通过使混合物膨胀来增加待分离混合物的级分的质量密度。
10.权利要求9的方法，其特征在于，在处理步骤C)期间，在分离混合物之前冷却混合物。
11.权利要求8和9的方法，其特征在于，混合物在膨胀之前被冷却。
12.权利要求8～11中任一项的方法，其特征在于，在处理步骤A)期间供应天然气，在处理步骤B)期间，由于膨胀使得天然气的温度降低到低于-50℃的温度，或低于-60℃的温度，由此天然气中存在的杂质级分例如CO2和H2S至少基本改变相态，所述杂质级分在处理步骤C)期间从烃类级分中分离，使得至少部分除去杂质的烃类级分在处理步骤D)期间被排出。
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