NL1019561C2 - Cycloonseparator alsmede een vloeistofverzamelkast voorzien van dergelijke cycloonseparatoren en een drukvat voorzien van dergelijke vloeistofverzamelkasten. - Google Patents

Description

Titel: Cycloonseparator alsmede een vloeistofverzamelkast voorzien van dergelijke cycloonseparatoren en een drukvat voorzien van dergelijke vloeistofverzamelkasten.

De uitvinding heeft betrekking op een cycloonsep arator voorzien van een buis met een axiale instroomopening en een axiale uitstroomopening, een in de buis opgesteld stationair wervellichaam dat is ingericht voor het opleggen van een spiraliserende beweging aan een, in 5 gebruik in de buis tredende axiaal gerichte gas/vloeistofstroom, waarbij in de mantelwand van de buis een spleetopening is aangebracht voor het uit de binnenruimte van de buis afvoeren van, onder invloed van in de spiraliserende stroom heersende centrifugaalkracht in radiale richting naar buiten geslingerde vloeistof in de gas/vloeistofstroom.

10 Een dergelijke cycloonsep arator is bijvoorbeeld bekend uit NL-C- 1016114. In die publicatie maar ook in andere publicaties is de cycloonseparator voorzien van meerdere in axiale richting verlopende spleetopeningen. Verder is de bekende cycloon voorzien van een stroomopwaarts van het wervellichaam gelegen in de buismantelwand 15 aangebrachte, secondaire gasinstroomopening die via een secondaire gasleiding is verbonden met een kamer in een kern van het wervellichaam, welke kamer is voorzien van een aantal secondaire gasuitstroomopeningen die zich bij voorkeur bevinden tussen, op de kern van het wervellichaam aangebrachte wervelbladen. Deze secondaire gasinstroomopening en 20 secondaire gasuitstroomopeningen resulteren in een secondaire gasstroom die via de spleetopeningen uit de buis treedt en via de secondaire gasinstroomopening, de secondaire gasleiding, de kamer en de secondaire gasuitstroomopeningen weer in de buis belandt. Het doel van de secondaire gasstroom is het bevorderen van het meesleuren van vloeistof door de 25 spleetopeningen.

In de praktijk blijkt dat niet door elke spleetopening evenveel \ r- ' K - 2 secondair gas stroomt. Als gevolg hiervan verschilt de vloeistofafscheiding per spleet. Bovendien varieert de hoeveelheid doorstromend secondair gas per spleetopening in de tijd, zodat zich een instabiel afscheidingsgedrag voordoet, hetgeen ongewenst is. De kwaliteit van de bekende 5 cycloonseparatoren wordt bepaald door de afscheidingsefficiency van de minst optimaal functionerende spleetopening van die cycloonseparator.

De uitvinding beoogt een cycloonseparator zonder de hierboven genoemde nadelen en verschaft hiertoe volgens de uitvinding een cycloonseparator van het in de aanhef beschreven type die wordt 10 gekenmerkt doordat slechts één spleetopening is voorzien, waarbij de spleetopening een spiraalvormig traject over de mantelwand van de buis doorloopt.

Zowel zogenaamde CFD-studies (computer fluid dynamics) als praktijktesten hebben aangetoond dat met één spiraalvormige 15 spleetopening een veel betere scheidingsefficiency wordt verkregen.

Bovendien treedt geen variatie van scheidingsefficiency in de tijd meer op. Doordat er sprake is van slechts één spiraliserende spleet, vormt het binnenoppervlak van de buis een prachtig coalescentievlak waarop de kleine vloeistofdruppeltjes die zich in de gasstroom bevinden neerslaan en 20 zich samenballen tot een vloeistoffilm. Deze vloeistoffilm wordt met de spiraliserende gasstroom meegesleurd naar de spiraalvormige spleetopening en treedt daar naar buiten. Doordat er slechts één spleet is, heerst in de spleet een aanzienlijke hogere gasuitstroomsnelheid dan met meerdere spleten, zodat de vloeistof door het door de spleet stromende gas van de 25 spleet beter wordt losgetrokken. Aldus wordt een zeer hoge scheidingsefficiency bewerkstelligd.

Een optimale scheidingsefficiency wordt verkregen wanneer, volgens een nadere uitwerking van de uitvinding, de spiraal van de spleetopening rechtsom rond de hartlijn van de buis roteert, terwijl, in 30 gebruik, de spiraliserende gasstroom in de buis linksom rond hartlijn van de Ί 3 buis roteert of vice versa.

Als gevolg van de tegengestelde spoedrichting van de spleetopening en van de spiraliserende stroom wordt de scheidingsefficiency nog verder vergroot. Uit diverse CFD-studies blijkt dat een optimale scheiding wordt 5 verkregen wanneer volgens een nadere uitwerking van de uitvinding de spiraalvormige spleetopening zich over in hoofdzaak 180 graden rond het buisoppervlak uitstrekt en waarbij de spoedhoek bij voorkeur ligt in het bereik van 30-60 graden, meer in het bijzonder ongeveer 45 graden bedraagt.

10 Wanneer er geen middelen aanwezig zijn voor het afvoeren van uit de spleetopening uitgetreden gas, zal het via de spleetopeningen uitgetreden gas uiteindelijk weer via de spleetopening in de buis treden. Immers, de buizen van de cycloonseparatoren zijn met hun uiteinden verbonden met de wanden van zogenaamde vloeistofverzamelkasten die, afgezien van een 15 afvoer voor vloeistof, overigens gesloten zijn. Er zal in een dergelijke vloeistofverzamelkast derhalve een zekere overdruk gaan heersen, als gevolg waarvan het via de spleetopening naar buiten getreden gas geneigd is om via die zelfde spleetopening weer in de buis te treden. Dit kan een zeker gevaar opleveren voor het naar binnen treden van vloeistof via de 20 spleetopening, hetgeen in hoge mate ongewenst is omdat de cycloonseparator nu juist bedoeld is voor het afscheiden van vloeistof van de door de buis stromende gas/vloeistof-stroom. Dit verschijnsel doet zich overigens ook voor bij de bekende cyclonen met meerdere axiale spleetopeningen.

25 Teneinde dit verschijnsel te verhinderen, is het volgens een nadere uitwerking van de uitvinding bijzonder gunstig wanneer stroomafwaarts van een stroomafwaarts uiteinde van de spiraalvormige spleetopening ten minste één bypass-opening in de mantelwand van de buis is voorzien, waarbij aan de binnenzijde van de buis middelen zijn voorzien om ter 30 plaatse van de ten minste ene bypass-opening in de buis een onderdruk te 4 creëren ten opzichte van de buiten de buis heersende druk ter plaatse van de ten minste ene bypass-opening.

Als gevolg van de bypass-openingen en de daar achter heersende lagere druk in de buis, zal via de spleetopening naar buiten getreden gas 5 geneigd zijn om de via de bypass-opening weer in de buis te treden. Aldus wordt verhinderd dat het via spleetopening naar buiten getreden gas weer door diezelfde spleet opening in de buis treedt. Door de positie van de bypass-opening gunstig te kiezen, bijvoorbeeld niet direct stroomafwaarts van het stroomafwaartse uiteinde van de spleetopening maar enigszins in 10 tangentiële richting versprongen, kan eenvoudig worden verhinderd dat vloeistof via de bypass-opening weer in de buis binnentreedt.

Volgens een nadere uitwerking van de uitvinding kunnen de middelen voor het creëren van een onderdruk een binnenring omvatten die stroomopwaarts van de bypass-openingen op het binnenoppervlak van de 15 mantelwand is aangebracht, waarbij een binnendiameter van de binnenring kleiner is dan de binnendiameter van de buis. Een dergelijke ring vormt een constrictie in de als stromingskanaal dienende buis. Direct stroomafwaarts van de ring heerst achter de ring een onderdrukgebied hetgeen tot gevolg heeft dat uit de spleetopening getreden gas liefst naar dat onderdruk gebied 20 stroomt om weer in de buis te treden.

Volgens een nadere uitwerking van de uitvinding bedraagt de binnendiameter van de binnenring in hoofdzaak 0,8 van de binnendiameter van de buis.

Zoals hiervoor reeds opgemerkt, is de afstand tussen het punt waar 25 het gas de spleetopening heeft verlaten en de positie van de bypass-opening zodanig groot dat de kans dat zich op het moment van binnentreden van het gas via de bypass-opening vloeistof in dat gas bevindt bijzonder klein is. Teneinde volledig uit te sluiten dat nog vloeistof via de bypass-openingen in de buis treedt kunnen volgens een nadere uitwerking van de uitvinding 30 anti-intredemiddelen zijn voorzien die zijn ingericht om intrede van ] 0 i j i 5 vloeistof vanaf de buitenzijde van de buis via de bypass-openingen naar de binnenzijde van de buis te verhinderen. Dergelijke anti- intredemiddelen kunnen volgens een nadere uitwerking van de uitvinding een ring of kraag omvatten die aan het buitenoppervlak van de mantelwand is aangebracht 5 en die zich uitstrekt in een denkbeeldig vlak, dat de hartlijn van de buis loodrecht snijdt en dat zich op een axiale positie bevindt die ligt tussen een stroomafwaarts uiteinde van de spiraalvormige spleetopening en stroomopwaarts van de bypass-openingen, waarbij de binnendiameter van de betreffende ring of kraag overeenstemt met de buitendiameter van de 10 buis. Op een dergelijke ring of kraag zal vloeistof dat zich in gas bevindt dat buiten de buis in de richting van de bypass-openingen stroom neerslaan voordat het bypass-openingen bereikt.

Volgens een alternatieve nadere uitwerking van de uitvinding kunnen de anti-intredemiddelen een radiaal naar buiten gerichte kraag 15 rond de of elke bypass-opening omvatten. Ook een dergelijke kraag maakt de kans dat vloeistof in de bypass-openingen treedt nihil.

In plaats van, of in aanvulling op de hierboven beschreven bypass-openingen kan in de mantelwand van de buis van de cycloonseparator volgens een nadere uitwerking van de uitvinding stroomopwaarts van het 20 wervellichaam een secondaire gasinstroomopening zijn aanbracht waarop aan de binnenzijde van de buis een secondaire gasleiding is aangesloten die uitmondt in een, in het wervellichaam aangebrachte kamer, waarbij de kamer is voorzien van ten minste één secondaire gasuitstroomopening.

Aldus wordt, anders dan bij het hiervoor beschreven uitvoeringsvoorbeeld, 25 een zogenaamde recirculatiecycloon verschaft. Ook bij een dergelijke recirculatiecycloon levert de enkele spiraalvormige spleetopening een veel betere scheidingsefficiency dan de conventionele recirculatiecycloon met drie of zes axiale spleetopeningen. Bij voorkeur is het wervellichaam voorzien van een aantal secondaire gasuitstroomopeningen die stroomopwaarts van 30 een axiaal stroomafwaarts uiteinde van het wervellichaam zijn 6 aangebracht, bij voorkeur tussen, op de wervellichaamkern aangebrachte wervelbladen. Het blijkt dat een optimale scheidingsefficiency wordt verkregen wanneer de secondaire gasinstroomopening ligt in hetzelfde axiale middellangsvlak door de buis als het midden van de spleetopening.

5 De uitvinding verschaft tevens een vloeistofverzamelkast voorzien van een aantal cyclonen volgens de uitvinding, waarbij de vloeistofverzamelkast is voorzien van een vloeistofafvoerleiding.

Verder verschaft de uitvinding een drukvat voorzien van een invoer voor een gas/vloeistof-stroom, een afvoer voor gas en een afvoer voor 10 vloeistof, waarbij tussen de invoer en de afvoer voor gas een aantal vloeistofverzamelkasten volgens de uitvinding is op gesteld, waarbij de vloeistofafvoerleidingen van de vloeistofverzamelkasten in verbinding staan met de afvoer voor vloeistof in het vat.

De uitvinding zal nader worden toegelicht aan de hand van een 15 uitvoeringsvoorbeeld onder verwijzing naar de tekening.

Figuur 1 toont een perspectivisch zijaanzicht van een cycloonseparator; figuur 2 toont een soortgelijk aanzicht dat gedeeltelijk is opengewerkt, zodat het wervellichaam zichtbaar is; 20 figuur 3 toont een perspectiefaanzicht van het wervellichaam; figuur 4 toont een doorsnede-aanzicht van het wervellichaam; figuur 5 toont een perspectiefaanzicht van een vloeistofverzamelkast die gedeeltelijk is opengewerkt zodat daarin één van de cycloonseparatoren zichtbaar is; 25 figuur 6 toont een grafiek waarin de scheidingsefficiency van een drietal recirculatiecyclonen is weergegeven; en figuur 7 toont grafiek waarin de scheidingsefficiency van een tweetal niet-recirculatie-cyclonen is weergegeven.

Figuren 1 en 2 tonen duidelijk dat de cycloonseparator 1 een buis 2 30 omvat met een axiale instroomopening 3 en een axiale uitstroomopening 4.

7

In figuur 2 is tevens duidelijk zichtbaar dat in de buis 2 nabij een stroomopwaarts uiteinde daarvan een wervellichaam 5 is opgesteld. Het wervellichaam 5 omvat een kern 6 en wervelbladen 7. Stroomafwaarts van het wervellichaam 5 is de buis 2 voorzien van een spiraalvormige 5 spleetopening 8. Stroomafwaarts van een stroomafwaarts uiteinde van de spleet opening 8 is in de buis 2 een aantal bypass-openingen 9 aangebracht. Direct stroomopwaarts van de bypass-openingen 9 is een binnenring 10 aan de buisbinnenzijde aangebracht die dient als constrictie ter vorming van een onderdrukgebied in de buis 2 nabij de bypass-openingen 9. De gas/vloeistof-10 stroom die via de axiale instroomopening 3 in de buis 2 treedt, passeert het wervellichaam 5 en wordt door de wervelbladen 7 in een spiraliserende beweging gebracht. Als gevolg van de spiraliserende beweging wordt er op de zich in de gas/vloeistof-stroom bevindende vloeistofdruppeltjes een centrifugaalkracht uitgeoefend die er voor zorgt dat de vloeistofdruppeltjes 15 naar buiten worden geslingerd en tegen de binnenwand van de buis 2 slaan. Op deze buisbinnenwand verzamelen zich zoveel vloeistofdruppeltjes dat zich daar een vloeistoffilm zal vormen die door de spiraliserende gas/vloeistof - stroom over de buisbinnenwand wordt meegesleurd totdat de film de spiraalvormige spleetopening 8 bereikt en aldaar naar buiten zal 20 worden gesleurd door het tevens naar buiten stromende gas. Aldus treedt een vloeistof^gas-scheiding op en treedt er gedroogd gas uit de axiale uitstroomopening 4.

Aangezien de cycloonseparatoren 1, zoals weergegeven in figuur 5, zijn opgesteld in een vloeistofverzamelkast 11 die afgezien van een 25 vloeistofafvoer 12 gesloten is, is het via de spleetopening 8 naar buiten, dat wil zeggen in de vloeistofverzamelkast 11 getreden gas op een gegeven moment gedwongen om weer in de buis 2 te treden. Immers, indien dit niet zou plaatsvinden, zou in de vloeistofverzamelkast 11 een enorme overdruk gaan heersen, welke overdruk zou verhinderen dat er nog gas uit de 30 spleetopening 8 naar buiten zou treden. Teneinde te verhinderen dat gas via -1 i.

8 de spleetopening 8 weer in de buis 2 treedt, zijn de eerdergenoemde bypass-openingen 9 met de stroomopwaarts daarvan gepositioneerde de binnenring 10 voorzien. Via de spleetopening 8 naar buiten getreden gas kan op gecontroleerde wijze via de bypass-openingen 9 weer in de buis 2 treden. In 5 het onderhavige uitvoeringsvoorbeeld is de buis 2 aan de buitenzijde voorzien van een buitenring 13 die zich bevindt in een vlak dat zich loodrecht uitstrekt op de hartlijn van de buis 2 en dat stroomopwaarts van de bypass-openingen 9 en stroomafwaarts van een stroomafwaarts uiteinde van de spleetopening 8 is gepositioneerd. Zoals in de beschrijvingsinleiding 10 reeds opgemerkt, kan in plaats van een dergelijke buitenring 13 ook elke bypass-opening 9 zijn voorzien van kraag die verhindert dat via de spleet opening naar buiten getreden vloeistof weer via de bypass-openingen 9 naar binnen treedt.

Figuur 6 toont een grafiek waarin horizontaal de 15 vloeistofdruppeldiameter en verticaal het percentage druppels dat wordt -verwijderd is uitgezet. Lijn 14 representeert de scheidingsefficiency van een axiale recirculatie-cycloon met drie axiaal gerichte spleetopeningen, zoals bijvoorbeeld beschreven in NL-C-1016114. Lijn 15 bij representeert de scheidingsefficiency van een soortgelijke recirculatie-cycloon, waarbij de 20 secondaire gasinstroomopening in tangentiële richting is versprongen ten opzichte van het uitvoeringsvoorbeeld op basis waarvan de lijn 14 is bepaald. Lijn 16 toont tenslotte de scheidingsefficiency van een recirculatie-cycloon voorzien van één spiraalvormige spleetopening volgens de uitvinding. Duidelijk zichtbaar is dat lijn 16 de beste scheidingsefficiency 25 toont, zodat van de drie vergeleken recirculatie-cyclonen de recirculatiecycloon met spiraalvormige spleetopening de beste scheidingsefficiency heeft.

Figuur 7 toont een grafiek waarin horizontaal te vloeistofdruppeldiameter en verticaal het percentage druppels dat wordt 30 verwijderd is uitgezet. Daarbij representeert lijn 17 de scheidingsefficiency 10' 9 van een cycloonseparator zonder secondaire gasinstroomopening, secondaire gasleiding, kamer en secondaire gasuitstroomopeningen en met slechts één axiale gerichte spleetopening. Een dergelijke cycloon is niet uit de stand van de techniek bekend maar is hier gebruikt als vergelijkingscycloon om het 5 effect van het spiraalvormig zijn van de spleetopening aan te tonen. Lijn 18 representeert de scheidingsefficiency van een soortgelijke cycloonseparator, waarbij in plaats van een axiale spleet een spiraalvormige spleetopening 8 is voorzien. In wezen toont lijn 18 de scheidingsefficiency van een cycloonseparator zoals weergeven in figuur 1. Duidelijk zichtbaar is dat van 10 deze laatste uitvoering de scheidingsefficiency aanzienlijk hoger is dan van de cycloon met de axiaal gerichte spleetopening.

Het moge duidelijk zijn dat de uitvinding niet is beperkt tot het getoonde uitvoeringsvoorbeeld maar dat diverse wijzigingen binnen het raam van de uitvinding zoals gedefinieerd door de conclusies mogelijk zijn. 15 Zo omvat de uitvinding tevens een recirculatiecycloon zoals beschreven in NL-C-1016114 waarvan de inhoud hier ingelast dient te worden beschouwd, waarbij dan vanzelfsprekend de axiale spleetopeningen dienen te worden vervangen door een enkele spiraalvormige spleetopening.

i5 i ; · t

Claims (15)

1. Cycloonseparator voorzien van een buis met een axiale instroomopening en een axiale uitstroomopening, een in de buis opgesteld stationair wervellichaam dat is ingericht voor het opleggen van een spiraliserende beweging aan een, in gebruik in de buis tredende axiaal 5 gerichte gas/vloeistof-stroom, waarbij in de mantelwand van de buis een spleetopening is aangebracht voor het uit de binnenruimte van de buis afvoeren van, onder invloed van in de spiraliserende stroom heersende centrifugaalkracht in radiale richting naar buiten geslingerde vloeistof in de gas/vloeistof-stroom, met het kenmerk, dat slechts één spleetopening is 10 voorzien, waarbij de spleetopening een spiraalvormig traject over de mantelwand van de buis doorloopt.

2. Cycloonsep arator volgens conclusie 1, waarbij de spiraal van de spleetopening rechtsom rond de hartlijn van de buis roteert, terwijl, in gebruik, de spiraliserende gas/vloeistof-stroom linksom rond hartlijn van de 15 buis roteert of vice versa.

3. Cycloonsep arator volgens één der voorgaande conclusies, waarbij de spiraalvormige spleetopening zich over in hoofdzaak 180 graden rond het buisoppervlak uitstrekt.

4. Cycloonsep arator volgens één der voorgaande conclusies, waarbij 20 de spoedhoek van de spiraalvormige spleetopening ligt in het bereik van 30- 60 graden, meer in het bijzonder circa 45 graden bedraagt.

5. Cycloonsep arator volgens één der voorgaande conclusies, waarbij de stroomafwaarts van een stroomafwaarts uiteinde van de spiraalvormige spleetopening ten minste één bypass-opening in de mantelwand van de buis 25 is voorzien, waarbij aan de binnenzijde van de buis middelen zijn voorzien om ter plaatse van de ten minste ene bypass-opening in de buis een onderdruk te creëren ten opzichte van de buiten de buis heersende druk ter plaatse van de ten minste ene bypass-opening.

6. Cycloonseparator volgens conclusie 5, waarbij de middelen voor het creëren van een onderdruk een binnenring omvatten die stroomopwaarts van de bypass-openingen op het binnenoppervlak van de mantelwand is 5 aangebracht, waarbij een binnendiameter van de binnenring kleiner is dan de binnendiameter van de buis.

7. Cycloonsep arator volgens conclusie 6, waarbij de binnendiameter van de binnenring 0,8 bedraagt van de binnendiameter van de buis.

8. Cycloonseparator volgens conclusie 5 of 6, waarbij anti- 10 intredemiddelen zijn voorzien die zijn ingericht om intrede van vloeistof vanaf de buitenzijde van de buis via de bypass-openingen naar de binnenzijde van de buis te verhinderen.

9. Cycloonseparator volgens conclusie 8, waarbij de anti-intredemiddelen een ring of kraag omvatten die aan het buitenoppervlak 15 van de mantelwand is aangebracht en die zich uitstrekt in een denkbeeldig vlak, dat de hartlijn van de buis loodrecht snijdt en zich op een axiale positie bevindt die ligt tussen een stroomafwaarts uiteinde van de spiraalvormige spleetopening en stroomopwaarts van de bypass-openingen, waarbij de binnendiameter van de betreffende ring of kraag overeenstemt met de 20 buitendiameter van de buis.

10. Cycloonseparator volgens conclusie 8, waarbij de anti-intredemiddelen een radiaal naar buiten gerichte kraag rond de of elke hypass-opening omvatten.

11. Cycloonseparator volgens één der conclusies 1-10, waarbij 25 stroomopwaarts van het wervellichaam een secondaire gasinstroomopening in de mantelwand van de buis is aanbracht waarop aan de binnenzijde van de buis een secondaire gasleiding is aangesloten die uitmondt in een, in een kern van het wervellichaam aangebrachte kamer, waarbij de kamer is voorzien van ten minste één secondaire gasuitstroomopening.

12. Cycloon volgens conclusie 11, waarbij het wervellichaam is voorzien van een aantal secondaire gasuitstroomopeningen die stroomopwaarts van een axiaal stroomafwaarts uiteinde van het wervellichaam zijn aangebracht, bij voorkeur tussen, op de kern van het wervellichaam aangebrachte wervelbladen.

13. Cycloonseparator volgens conclusie 11 of 12, waarbij de secondaire gasinstroomopening ligt in hetzelfde axiale middellangsvlak door de buis als het midden van de spleetopening.

14. Vloeistofverzamelkast voorzien van een aantal cyclonen volgens één der voorgaande conclusies, waarbij de vloeistofverzamelkast is voorzien 10 van een vloeistofafvoerleiding.

15. Drukvat voorzien van een invoer voor een gas/vloeistof-stroom en een afvoer voor gas en een afvoer voor vloeistof, waarbij tussen de invoer en de afvoer voor gas van een aantal vloeistofverzamelkasten volgens conclusie 14 zijn opgesteld, waarbij de vloeistofafvoerleidingen van de 15 vloeistofverzamelkasten in verbinding staan met de afvoer voor vloeistof in het vat.