NO167633B

NO167633B - A cyclone.

Info

Publication number: NO167633B
Application number: NO892466A
Authority: NO
Inventors: Ole Bjoern Jensen
Original assignee: Norsk Hydro As
Priority date: 1989-06-14
Filing date: 1989-06-14
Publication date: 1991-08-19
Also published as: NO892466D0; NO167633C; NO892466L

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en syklonseparator for separering av en gass/væske blanding hvor forholdet gass: væske er lavere enn 200 på volumbasis. Syklonseparatoren omfatter et sylinderformet separasjonskammer, forsynt med minst ett tangentielt innløp for den innkommende gass/væske blandingen, et øvre utløp for den lette fraksjonen og et konisk parti som munner ut i et nedre utløp for den tyngre fase. The present invention relates to a cyclone separator for separating a gas/liquid mixture where the gas:liquid ratio is lower than 200 on a volume basis. The cyclone separator comprises a cylindrical separation chamber, provided with at least one tangential inlet for the incoming gas/liquid mixture, an upper outlet for the light fraction and a conical part which opens into a lower outlet for the heavier phase.

Syklonseparatorer har i lengre tid vært anvendt innen pro-sessindustri. En syklonseparator fungerer ved at føden som skal separeres, føres med relativ stor hastighet inn i det tangentielle innløpet hvorpå blandingen i separasjonskammeret tvinges i en hurtig rotasjonsbevegelse og det fremkommer en vertikal væskevirvel med form av en roterende kjegle som Cyclone separators have been used in the process industry for a long time. A cyclone separator works by feeding the food to be separated at a relatively high speed into the tangential inlet, whereupon the mixture in the separation chamber is forced into a rapid rotational movement and a vertical fluid vortex in the shape of a rotating cone appears which

pga. gravitasjonskreftene vil tvinges ned mot syklonens koniske del. Den tyngstre fraksjonen i føden vil grunnet sentrifugalkraften presses ut mot syklonveggen. I den mer stille kjernen av den roterende kjeglen vil den lettere fraksjonen av føden samles. Den lette fraksjonen vil pga. trykket som oppstår når den nedadstrømmende tunge fraksjonen konsen-treres i den koniske delen, danne en oppadrettet strømning mot syklonens øvre utløp. because of. the gravitational forces will be forced down towards the conical part of the cyclone. The heavier fraction in the feed will be pushed out against the cyclone wall due to the centrifugal force. In the quieter core of the rotating cone, the lighter fraction of the food will collect. The light fraction will due to the pressure that occurs when the downward-flowing heavy fraction is concentrated in the conical part, form an upward flow towards the upper outlet of the cyclone.

Bruk av en syklonseparator er fordelaktig idet den ikke har mekanisk bevegelige deler, den er forholdsvis enkel å konst-ruere, rense-effekten god og levetiden er lang. Using a cyclone separator is advantageous in that it has no mechanically moving parts, it is relatively simple to construct, the cleaning effect is good and the service life is long.

Konvensjonelle syklonseparatorer og deres, designkriteria er beskrevet i div. prosesstekniske lærebøker og oppslagsverk, eks. "Fluid Flow and Heat Transfer"; Aksel L. Lydersen, 3. utgave 85, og "Chemical Engineers' Handbook"; Robert H. Perry/Cecil H. Chilton, FIfth Edition, ch. 18. Conventional cyclone separators and their design criteria are described in div. process engineering textbooks and reference books, e.g. "Fluid Flow and Heat Transfer"; Aksel L. Lydersen, 3rd edition 85, and "Chemical Engineers' Handbook"; Robert H. Perry/Cecil H. Chilton, Fifth Edition, ch. 18.

Kjent teknikk viser at dagens konvensjonelle syklonseparator vil bli uforholdsmessig store når fødens volumetriske gass/- væske forhold er lavt, ie. hvor væsken er den kontinuerlige fasen. Væsken regnes som den kontinuerlige fasen når føden har et volumetrisk gass/væske forhold lavere enn 250, mens derimot en syklonseparator betegnes som en gassyklon når det volumetriske gass/væske forholdet er større enn 250. Ved lave gass/væske forhold benyttes ofte en sedimentasjonsseparator. En sedimentas jonsseparator kan enkelt beskrives som en be-holder hvor oppholdstiden til den innkommende føden er tilstrekkelig lang til at gassfasen vil skilles fra væskefasen. Known technology shows that today's conventional cyclone separator will become disproportionately large when the feed's volumetric gas/liquid ratio is low, ie. where the liquid is the continuous phase. The liquid is considered the continuous phase when the feed has a volumetric gas/liquid ratio lower than 250, whereas a cyclone separator is called a gas cyclone when the volumetric gas/liquid ratio is greater than 250. For low gas/liquid ratios, a sedimentation separator is often used. A sediment ion separator can be simply described as a container where the residence time of the incoming feed is sufficiently long for the gas phase to be separated from the liquid phase.

Når man ønsker en separering av forholdsvis små mengder gass fra store mengder flytende materiale, for eksempel med et volumetrisk gass/væske forhold på 10-50, ville man for denne type føde valgt en sedimentasjonsseparator. En sedimentasjonsseparator med ønsket kapasitet vil ha en diameter og høyde tre ganger syklonens og dessuten er en separator av denne typen utsatt for groing. Beregninger viste at en sedimentas jonsseparator ville bli meget plasskrevende. En konvensjonell syklonseparator som belastes med den aktuelle føden vil derimot få en dramatisk reduksjon av effekten, dette vil igjen resultere i oversprut, risting og lav produk-tivitet. When you want to separate relatively small amounts of gas from large amounts of liquid material, for example with a volumetric gas/liquid ratio of 10-50, you would choose a sedimentation separator for this type of food. A sedimentation separator with the desired capacity will have a diameter and height three times that of the cyclone and, moreover, a separator of this type is prone to growth. Calculations showed that a sediment ion separator would be very space-consuming. A conventional cyclone separator that is loaded with the feed in question will, on the other hand, have a dramatic reduction in the effect, which in turn will result in oversplash, shaking and low productivity.

Formålet med foreliggende oppfinnelse er å komme frem til en syklonseparator hvor: effekten er høy når gass/væske-forholdet er lavt, The purpose of the present invention is to arrive at a cyclone separator where: the effect is high when the gas/liquid ratio is low,

konstruksjonen er enkel og relativt kompakt the construction is simple and relatively compact

For å oppnå nevnte mål måtte oppfinnerne finne muligheter til å modifisere den konvensjonelle syklonseparatoren. In order to achieve the aforementioned goals, the inventors had to find opportunities to modify the conventional cyclone separator.

Innledende tester viste at installering av en ledeplate, som gikk fra innløpsrørets overkant, fulgte separeringskammerets innervegg og sluttet ved innløpsrørets nedrekant, økte kapasiteten noe og hindret risting. Ledeplaten presset føden nedover i syklonen. Dermed økte hastigheten på den nedadgående væskestrømmen, og væskehvirvelen ble hindret i å treffe føden i innløpet. Herved økte kapasiteten, men selv om man syntes å være på riktig vei så man også etter andre måter å øke effekten på. Initial tests showed that installing a guide plate, which ran from the upper edge of the inlet pipe, followed the inner wall of the separation chamber and ended at the lower edge of the inlet pipe, increased the capacity somewhat and prevented shaking. The guide plate pushed the feed down into the cyclone. This increased the speed of the downward liquid flow, and the liquid vortex was prevented from hitting the feed in the inlet. This increased the capacity, but even though it seemed to be on the right track, they also looked for other ways to increase the effect.

Oppfinnerne forsøkte videre å skråstille innløpet i stedet for det tradisjonelle horisontale innløpet. Dette gav den innkommende føden en hastighetskomponent nedover. Vinkelen på innløpet ble valgt slik at blandingen også her kunne gå en gang rundt syklonen uten å treffe seg selv i innløpet. Vinkelen på innløpet er avhengig både av høyden til innløpet og diameteren til syklonen. I tillegg til det skrå innløpet brukte man fremdeles ledeplaten. Ledeplaten hindret også at væsken ble presset oppover langs syklonveggen og mot det øvre utløpet for den lette fraksjonen. The inventors further tried to angle the inlet instead of the traditional horizontal inlet. This gave the incoming feed a downward velocity component. The angle of the inlet was chosen so that here too the mixture could go once around the cyclone without hitting itself in the inlet. The angle of the inlet depends on both the height of the inlet and the diameter of the cyclone. In addition to the inclined inlet, the guide plate was still used. The baffle also prevented the liquid from being forced upwards along the cyclone wall and towards the upper outlet for the light fraction.

Graden av oversprut og dermed effekten til en syklon som separerer en materialblanding hvor væskefasen er dominerende, vil i stor grad være avhengig av innløpshastigheten til materialblandingen og tykkelsen av væskefilmen langs syklonveggen. En tykk væskefilm vil gi en liten avstand mellom den nedadgående væskevirvelen og den oppadgående gasstrømmen, med påfølgende fare for medrivning av væske i gassfasen. The degree of overspray and thus the effect of a cyclone that separates a material mixture where the liquid phase is dominant will largely depend on the inlet velocity of the material mixture and the thickness of the liquid film along the cyclone wall. A thick liquid film will create a small distance between the downward liquid vortex and the upward gas flow, with the consequent danger of entrainment of liquid in the gas phase.

Hastigheten og tykkelsen på væskefilmen ble derfor redusert The speed and thickness of the liquid film was therefore reduced

ved å respektivt oke arealet på innløpsrøret men samtidig minske bredden. Dette ble oppnådd ved å doble høyden av inn-løpsrøret. Reduksjon av bredden på innløpet ga en tynnere væskefilm. Gassen fikk derved en kortere avstand å vandre og ble raskere skilt fra væskefasen. En tynnere væskefilm forår- by respectively increasing the area of the inlet pipe but at the same time reducing the width. This was achieved by doubling the height of the inlet pipe. Reducing the width of the inlet produced a thinner liquid film. The gas thereby had a shorter distance to travel and was separated from the liquid phase more quickly. A thinner liquid film causes

saket derfor at kravet til hastighet for få ønsket separa-sjonseffekt ble redusert, ettersom separasjonseffekten iso- therefore the requirement for speed to obtain the desired separation effect was reduced, as the separation effect is

lert sett er avhengig av sentrifugalkraften ie. hastigheten inne i syklonen. Dette fører imidlertid til at høyden på syk- generally depends on the centrifugal force ie. the speed inside the cyclone. However, this leads to the height of sick

lonen måtte heves for å oppnå tilstrekkelig oppholdstid for en tilfredsstillende separering av materialblandingen. the ion had to be raised to achieve sufficient residence time for a satisfactory separation of the material mixture.

I en konvensjonell syklon brukes et sentralrør for å bedre effekten. Dette vil for øvrig skape problemer når væskefilmen i syklonen er for tykk og avstanden mellom nedadgående væske- In a conventional cyclone, a central tube is used to improve the effect. This will also create problems when the liquid film in the cyclone is too thick and the distance between the downward liquid

strøm og oppadstigende gasstrøm blir liten hvorpå man vil få medrivning av væske i den oppadrettede gasstrømmen. Dette problemet ble løst ved at sentralrøret ble fjernet og sam- current and upward gas flow becomes small, whereupon liquid will be entrained in the upward gas flow. This problem was solved by removing the central pipe and con-

tidig høyden fra innløpet økt. Dermed ble den vertikale gasshastigheten. lav ettersom den vertikale gasshastigheten early the height from the inlet increased. Thus the vertical gas velocity became low as the vertical gas velocity

ikke er under innflytelse av gasshastigheten i det øvre ut-løpet. Ved økt avstand fra innløpet til det øvre utløpet vil vertikal gasshastighet bare være bestemt av diameteren til syklonen. Man får altså en vertikal gasshastighet som ikke er høy nok til å rive med seg væskedråper ut. is not under the influence of the gas velocity in the upper outlet. If the distance from the inlet to the upper outlet is increased, the vertical gas velocity will only be determined by the diameter of the cyclone. You thus get a vertical gas velocity that is not high enough to drag liquid droplets out with it.

Oppfinnelsen av syklonseparatoren vil bli beskrevet mer detaljert i de følgende eksempler og med referanse til figurene hvor: The invention of the cyclone separator will be described in more detail in the following examples and with reference to the figures where:

Fig. 1 illustrerer en konvensjonell syklonseparator Fig. 1 illustrates a conventional cyclone separator

hvor henholdsvis: where respectively:

a) viser et snitt av syklonen sett fra siden a) shows a section of the cyclone seen from the side

b) viser et snitt A-A av syklonen sett ovenfra b) shows a section A-A of the cyclone seen from above

Fig. 2 illustrerer en syklonseparator i henhold til oppfinnelsen hvor henholdsvis: Fig. 2 illustrates a cyclone separator according to the invention where respectively:

a) viser syklonen sett fra siden a) shows the cyclone seen from the side

b) viser et snitt B-B av syklonen sett ovenfra b) shows a section B-B of the cyclone seen from above

Figur 1 viser en tradisjonell syklonseparator designet etter Figure 1 shows a traditional cyclone separator designed according to

kjent teknikk hvor den omfatter et separeringskammer/ bestå-ende dels av et sirkulært sylindrisk parti 1 forsynt med et tangentielt innløp 3, et sentralt øvre utløp 4 anordnet ak-sielt i et sirkulært lokk 7, og dels av et konisk parti 2 som munner ut i et nedre utløp 6. Føden kommer med relativt stor fart gjennom innløp 3, hvorpå blandingen vil få en sirkulær bevegelse langs sykloninnerveggen p.g.a. syklonens sirkulære utforming. Føden vil separeres i de lette og tunge kom-ponentene, ettersom sentrifugalkraften vil virke sterkest på den tyngste fraksjonen vil den presses nærmest veggen. Gravitasjonskreftene vil føre denne roterende søylen av væske nedover mot konen 2 og utløpet 6. Konens 2 utforming vil føre til at den tunge fraksjonen vil bli presset sammen og den lette fraksjonen vil bli presset opp og ut gjennom sentral-røret 5 og utløpet 4. known technique where it comprises a separation chamber/consisting partly of a circular cylindrical part 1 provided with a tangential inlet 3, a central upper outlet 4 arranged axially in a circular lid 7, and partly of a conical part 2 which opens out in a lower outlet 6. The feed arrives at a relatively high speed through inlet 3, after which the mixture will have a circular movement along the cyclone inner wall due to the cyclone's circular design. The food will be separated into the light and heavy components, as the centrifugal force will act strongest on the heaviest fraction, it will be pressed closest to the wall. The gravitational forces will lead this rotating column of liquid downwards towards the cone 2 and the outlet 6. The design of the cone 2 will cause the heavy fraction to be pressed together and the light fraction to be pushed up and out through the central tube 5 and the outlet 4.

Effekten og kapasiteten til denne type syklon kan beregnes nøyaktig basert på diameter, innløpshastighet og høyde, men som tidligere nevnt, er slike sykloner lite anvendelige om væskefraksjonen i blandingen er høy. De er derimot svært mye brukt i prosesser hvor man hovedsakelig er interessert i rensing av faste partikler fra gassfasen. The effect and capacity of this type of cyclone can be accurately calculated based on diameter, inlet velocity and height, but as previously mentioned, such cyclones are of little use if the liquid fraction in the mixture is high. On the other hand, they are very widely used in processes where you are mainly interested in cleaning solid particles from the gas phase.

Figur 2 illustrerer en syklonseparator ifølge oppfinnelsen. Føden strømmer inn gjennom det tangentielt skråstilte inn-løpsrør 3. Dermed vil føden få en hastighetskomponent nedover, og utmatingen gjennom det nedre utløpet 6 vil foregå raskere. Vinkelen på innløpsrøret er valgt utfra ønske om å la den innkommende blandingen vandre en runde i syklonens separasjonskammer 1 uten å virke forstyrrende inn på den kontinuerlige føden. Vinkelen på innløpsrøret ved foreliggende oppfinnelse vil fortrinnsvis være i området 15-25° i forhold til horisontalplanet. Det understrekes imidlertid at vinkelen vil være avhengig av høyden på innløpsrøret 8, diameteren, om røret er sirkulært og diameteren på separasjonskammeret 1. Figure 2 illustrates a cyclone separator according to the invention. The feed flows in through the tangentially inclined inlet pipe 3. Thus, the feed will have a downward velocity component, and the discharge through the lower outlet 6 will take place faster. The angle of the inlet pipe is chosen based on the desire to allow the incoming mixture to travel round the cyclone's separation chamber 1 without disturbing the continuous feed. The angle of the inlet pipe in the present invention will preferably be in the range of 15-25° in relation to the horizontal plane. It is emphasized, however, that the angle will depend on the height of the inlet pipe 8, the diameter, whether the pipe is circular and the diameter of the separation chamber 1.

Innløpsrøret 3 har en relativ liten bredde i forhold til høyde. Forholdet mellom høyde/bredde på innløpsrøret ved foreliggende oppfinnelse er fortrinnsvis 16/3. Man kan vari-ere innen et vidt område alt etter som hvilket gass/væske forhold man opererer med og hvilken viskositet føden har. Bredden på innløpet er som tidligere forklart gjort liten for å redusere tykkelsen på væskefilmen. Samtidig er arealet på innløpet 3 økt i forhold til tidligere syklon. Dette medfører en redusert hastighet i innløpet og i syklonen. Oversprut er ofte et resultat av for store hastigheter inne i syklonen. Syklonen har i tillegg til det skråstilte innløpet 3, ledeplate 8 som fører materialblandingen i en nedadrettet spiral. Ledeplaten forhindrer væskefilmen i å krype opp langs separa-sjonsveggen og videre ut gjennom utløpet 4. Ledeplaten 8 strekker seg fra overkant av innløpsrørets 3 innerkant, rundt separasjonskammerets innervegg og avsluttes ved innløpets 8 nedre kant. Bredden til ledeplaten 8 er lik eller noe bredere enn innløpets bredde. The inlet pipe 3 has a relatively small width in relation to its height. The ratio between height/width of the inlet pipe in the present invention is preferably 16/3. You can vary within a wide range depending on the gas/liquid ratio you operate with and the viscosity of the food. As previously explained, the width of the inlet is made small to reduce the thickness of the liquid film. At the same time, the area at inlet 3 has been increased compared to the previous cyclone. This results in a reduced velocity in the inlet and in the cyclone. Overspray is often the result of excessive velocities inside the cyclone. In addition to the inclined inlet 3, the cyclone has a guide plate 8 which guides the material mixture in a downward spiral. The guide plate prevents the liquid film from creeping up along the separation wall and further out through the outlet 4. The guide plate 8 extends from the upper edge of the inner edge of the inlet pipe 3, around the inner wall of the separation chamber and ends at the lower edge of the inlet 8. The width of the guide plate 8 is equal to or somewhat wider than the width of the inlet.

Utløpet 6 for den tyngste fraksjonen av føden er asymmetrisk i forhold til syklonseparatorens langsgående sentrale akse 9. En kon hvor sideveggene har en vinkel >65° i forhold til The outlet 6 for the heaviest fraction of the feed is asymmetrical in relation to the cyclone separator's longitudinal central axis 9. A cone where the side walls have an angle >65° in relation to

horisontalplanet vil gi den raskeste og mest effektive tømm-ing av innkommende væskevirvel. Dette vil forøvrig føre til at konens lengde vil øke om det nedre utløps diameter holdes konstant. Tester viste forøvrig at en kon hvor kun den ene halvdelen av sideveggen har en vinkel >65 vil gi samme posi-tive effekt. Det asymmetriske utløpet fører til at den ene halvdelen av konens innervegg vil bli brattere enn den res-terrende, dvs. den får form av en skjev avkortet kjegle. the horizontal plane will provide the fastest and most efficient emptying of the incoming fluid vortex. This will also cause the length of the cone to increase if the diameter of the lower outlet is kept constant. Tests also showed that a cone where only one half of the side wall has an angle >65 will give the same positive effect. The asymmetric outlet means that one half of the inner wall of the cone will be steeper than the rest, i.e. it takes the shape of a crooked truncated cone.

Syklonseparatoren ifølge oppfinnelsen anvender ikke et sen-tralrør 5 som vist i Fig. 1. Derimot er avstanden mellom innløpsrøret 3 og utløpet 4 økt. En konvensjonell syklon har et separasj onskammer 1 som har en høyde lik 1-2 ganger diameteren. I foreliggende oppfinnelse er forholdet høyde/- diameter økt til 3. Både fjerning av sentralrøret og den økte høyden av separasj onskammeret har bidratt til økt effekt og redusert medrivningen av væske gjennom utløpet 4. The cyclone separator according to the invention does not use a central pipe 5 as shown in Fig. 1. In contrast, the distance between the inlet pipe 3 and the outlet 4 is increased. A conventional cyclone has a separation chamber 1 which has a height equal to 1-2 times the diameter. In the present invention, the height/diameter ratio has been increased to 3. Both the removal of the central pipe and the increased height of the separation chamber have contributed to an increased effect and reduced entrainment of liquid through the outlet 4.

Tabell l viser resultatene av separeringstester utført i en kjent syklonseparator (fig. 1) og i en syklonseparator ifølge oppfinnelsen (fig. 2) . Syklonseparatorene ble testet med hensyn på kapasitet og separasjonseffektivitet av en materialblanding. Testene ble utført ved 3.2 bar og 170°C. Resultatene er vist i tabell l. Table 1 shows the results of separation tests carried out in a known cyclone separator (fig. 1) and in a cyclone separator according to the invention (fig. 2). The cyclone separators were tested with regard to capacity and separation efficiency of a material mixture. The tests were carried out at 3.2 bar and 170°C. The results are shown in table l.

Testresultatene fra test 1 og 2 viser med stor tydelighet både den økte kapasiteten og den svært gode effekten til syklonseparatoren ifølge oppfinnelsen (fig. 2) sammenliknet med en kjent syklon (fig. 1) med tilsvarende diameter på separer-ingskammeret. The test results from tests 1 and 2 show with great clarity both the increased capacity and the very good effect of the cyclone separator according to the invention (fig. 2) compared to a known cyclone (fig. 1) with a corresponding diameter of the separation chamber.

Test 1 i den kjente syklonen måtte avbrytes på grunn av oversprut allerede ved en tilført materialmengde på 14 000 m<3>/n. I motsetning til dette, ble det i test 2 oppnådd fullstendig separasjon mellom gass og væske ved dobbelt så stor materialmengde . Test 1 in the known cyclone had to be interrupted due to overspray already at an added material quantity of 14,000 m<3>/n. In contrast, in test 2, complete separation between gas and liquid was achieved with twice the amount of material.

Normalt vil en syklon for denne anvendelsen være laget av stål. For øvrig kan syklonen lages av hvilket som helst hen-siktsmessig materiale. Materialvalget er kun et spørsmål om bruksområde, temperatur, trykk, miljø etc. Normally a cyclone for this application would be made of steel. Otherwise, the cyclone can be made of any appropriate material. The choice of material is only a matter of area of use, temperature, pressure, environment etc.

Oppfinnerne har med foreliggende oppfinnelse konstruert en syklon separator som er effektiv, har stor kapasitet og er kompakt. Den er godt egnet for separering av en materialblanding hvor gass/væske volumforholdet er under 200. Syklonen er rimelig og enkel i fremstillingen. With the present invention, the inventors have constructed a cyclone separator which is efficient, has a large capacity and is compact. It is well suited for separating a material mixture where the gas/liquid volume ratio is below 200. The cyclone is affordable and simple to manufacture.

Claims

1. Cyclone separator for separating a gas/liquid mixture where the gas:liquid ratio is less than 200 on a volume basis, and where the separator comprises a cylindrical separation chamber (1), provided with at least one tangential inlet (3) for the incoming gas/liquid - mixture, an upper outlet (4) for the light fraction and a conical part (2) which opens into a lower outlet (6) for the heavier phase, characterized by that the tangential inlet (3) is rectangular and inclined in relation to the horizontal plane, and that at least the outlet pipe (6) is asymmetrical in relation to the vertical axis of the cyclone separator.

2. Cyclone separator according to claim 1, characterized by that the tangential inlet (8) is inclined at an angle of 15-20° in relation to the horizontal plane.

3. Cyclone separator according to claim 1, characterized by that the ratio between height/diameter of separation chamber et (1) is equal to or greater than 2.5.

4. Cyclone separator according to claim 1, characterized by that it comprises an inclined guide plate (10) with a width greater than or equal to the width of the inlet pipe and that the guide plate (10) starts at the upper edge of the inlet pipe, follows the inner wall of the separation chamber and ends at the lower edge of the inlet pipe.

5. Cyclone separator according to ^ x ^ TtZTrinnerveg9 va ha - f°™ - i