RU2102113C1

RU2102113C1 - Inertial separator

Info

Publication number: RU2102113C1
Application number: RU96118847A
Authority: RU
Inventors: И.А. Клепиков; А.А. Черников
Original assignee: Клепиков Игорь Алексеевич; Черников Арнольд Александрович
Priority date: 1996-09-20
Filing date: 1996-09-20
Publication date: 1998-01-20

Abstract

FIELD: devices for separation of multicomponent fluid media, in particular, for cleaning gases from solid particles. SUBSTANCE: inertial separator has cylindrical body accommodating coaxially spaced from one another rings with successively reducing diameter and tube for withdrawal of medium from small ring beyond the boundaries of body. In this case ring has internal conical rear end face and their conjugating toroid surfaces. The separator is distinguished from the known ones in that radius of toroid surface of each ring is made within from 0.02-0.15 (₀-₁), where ₀ is inner diameter of determined ring; ₁ is inner diameter of next ring. EFFECT: higher efficiency. 2 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для разделения многокомпонентных текучих сред, в частности к устройствам, предназначенным для очистки газов от твердых частиц, таких как песок, пыль, зола и др. The invention relates to devices for separating multicomponent fluids, in particular to devices for cleaning gases from solid particles, such as sand, dust, ash, etc.

Проблема очистки газов от твердых частиц является острой для широкого ряда производств, использующих газы или выбрасывающих отработанные газы, например при добыче и транспортировке природного газа, при добыче угля, при производстве цемента, агломерата, кокса, стали и др. The problem of purification of gases from particulate matter is an acute one for a wide range of industries using gases or emitting exhaust gases, for example, in the extraction and transportation of natural gas, in the extraction of coal, in the production of cement, sinter, coke, steel, etc.

Для очистки газов от пыли применяют различные устройства: отстойники, фильтры, сухие циклоны, мокрые скрубберы, электрофильтры. Наиболее трудно очищаются газы от тонкодисперсных частиц. Various devices are used to clean gases from dust: sedimentation tanks, filters, dry cyclones, wet scrubbers, electrostatic precipitators. The most difficult to clean gases from fine particles.

Известны также инерционные разделители, в которых газ очищается от твердых частиц при протекании через конические решетки, составленные из особым образом установленных колец. Inertial separators are also known in which the gas is cleaned of solid particles when flowing through conical gratings composed of specially installed rings.

Известен инерционный пылеочиститель(см. книгу Батурина В.В. Основы промышленной вентиляции, М. 1949, с. 262). В нем в качестве колец использованы усеченные конические элементы. Однако из-за простой формы колец в пылеочистителе достигалась невысокая эффективность очистки, всего 90% для цементной пыли. Known inertial dust cleaner (see the book Baturin V.V. Fundamentals of industrial ventilation, M. 1949, S. 262). It uses truncated conical elements as rings. However, due to the simple shape of the rings in the dust cleaner, a low cleaning efficiency was achieved, only 90% for cement dust.

Известно устройство для разделения. (см. патент СССР N 1804340), в котором каждое кольцо выполнено с заостренной задней кромкой, а внутренняя сторона колец выполнена криволинейной. Указанное устройство обеспечивает очистку пыли более крупной, чем цементная пыль, с эффективностью 95-97%
Известно также устройство для очистки многокомпонентных сред (см. патент США N 5221305). В этом устройстве кольца имеют выпуклую внутреннюю поверхность, острый, до 90^o угол между внутренней и задней поверхностью и острую кромку на пересечении этих поверхностей.A device for separation. (see USSR patent N 1804340), in which each ring is made with a pointed trailing edge, and the inner side of the rings is made curved. The specified device provides dust cleaning larger than cement dust, with an efficiency of 95-97%
A device for cleaning multicomponent media is also known (see US Pat. No. 5,221,305). In this device, the rings have a convex inner surface, an acute angle of up to 90 ^° between the inner and rear surfaces, and a sharp edge at the intersection of these surfaces.

В описании устройства указывается, что эффективность очистки в нем газа от пыли составляет 95% однако пыл была намного крупнее цементной пыли. In the description of the device it is indicated that the dust cleaning efficiency in it is 95%; however, the dust was much larger than cement dust.

Наиболее близким к заявленному является воздухоочистительное устройство, (см. а.с. СССР N 1018692), в котором каждое разделительное кольцо имеет наружную цилиндрическую, внутреннюю коническую, заднюю торцевую и сопрягающую последние торовую поверхности. Указанный сепаратор при очистке воздуха от пыли размером 140-180 мкм обеспечивал эффективность около 98%
Указанный сепаратор принят за прототип предлагаемого.Closest to the claimed is an air-cleaning device, (see AS USSR N 1018692), in which each dividing ring has an outer cylindrical, inner conical, rear end and mating last torus surface. The specified separator when cleaning air from dust with a size of 140-180 microns provided an efficiency of about 98%
The specified separator is taken as a prototype of the proposed.

При анализе работы этого сепаратора авторы выделяют в нем участок входа, участок сепарации, расположенный за задней поверхностью каждого кольца до входа в межкольцевой зазор, и участок выхода очищенного воздуха. Они характеризуют участок сепарации углом поворота потока к оси сепаратора β 45^o 90^o.When analyzing the operation of this separator, the authors identify in it an inlet section, a separation section located behind the rear surface of each ring before entering the inter-ring gap, and a purified air outlet section. They characterize the separation section by the angle of rotation of the flow to the axis of the separator β 45 ^o 90 ^o .

Однако кроме этого параметра, характерного для всех разделителей, имеется еще ряд факторов, влияющих на работу устройства. Важнейшими из них являются условия поворота потока при отекании внутреннего угла кольца. However, in addition to this parameter, which is typical for all separators, there are a number of factors affecting the operation of the device. The most important of these are the conditions for the rotation of the flow during swelling of the inner corner of the ring.

При скруглении этого угла радиусом поток в силу инерции среды обтекает его по траектории с большим радиусом. When this angle is rounded with a radius, the flow flows around it along a trajectory with a large radius due to the inertia of the medium.

При этом зона отрыва, пространство между задней поверхностью кольца и линией тока, заполняется неорганизованными потоками и вихрями, гасящими энергию потока. Центробежное ускорение, действующее на твердые частицы, обратно пропорционально радиусу поворота потока, поэтому в известном сепараторе они недостаточно велики. Это является причиной низкой эффективности очистки. In this case, the separation zone, the space between the back surface of the ring and the streamline, is filled with unorganized flows and vortices that quench the flow energy. The centrifugal acceleration acting on solid particles is inversely proportional to the radius of rotation of the stream, so in the known separator they are not large enough. This is the reason for the low cleaning efficiency.

В предложенном устройстве указанный недостаток устраняется. Заявленный инерционный сепаратор содержит цилиндрический корпус, установленный в нем соосно ряд колец последовательно уменьшающегося диаметра и трубу отвода среды от меньшего кольца за пределы корпуса. Кольца расположены в ряду на расстоянии друг от друга и имеют внутреннюю коническую, заднюю торцевую и сопрягающую их торовую поверхности. In the proposed device, this drawback is eliminated. The claimed inertial separator comprises a cylindrical body, a coaxial row of rings gradually decreasing in diameter, and a pipe for discharging the medium from the smaller ring outside the body. The rings are located in a row at a distance from each other and have an internal conical, rear end and the torus surface mating them.

Заявленный инерционный сепаратор отличается от известного тем, что радиус торовой поверхности каждого кольца выполнен в пределах от 0,02 до 0,15 (d₀ d₁,
где
d₀ -внутренний диаметр определенного кольца, а
d₁ внутренний диаметр последующего кольца.The claimed inertial separator differs from the known one in that the radius of the torus surface of each ring is made in the range from 0.02 to 0.15 (d ₀ d ₁ ,
Where
d _{0 is the} inner diameter of a certain ring, and
d ₁ inner diameter of the subsequent ring.

При такой величине радиуса скругления за углом обтекания кольца образуется значительная зона отрыва потока. В этой зоне формируется замкнутый торовый вихрь, имеющий большую устойчивость благодаря цельности и полноте его формы, согласованности ее с потоком газа и слабости противотоков. With this value of the radius of rounding around the angle of flow around the ring, a significant flow separation zone is formed. In this zone, a closed torus vortex is formed, which has greater stability due to the integrity and completeness of its shape, its consistency with the gas flow and the weakness of countercurrents.

Торовый вихрь подпитывается энергией потока и является основным механизмом удаления частиц, включая тонкодисперсные. Благодаря малому радиусу вихрь развивает в сепараторе наибольшие центробежные ускорения. Кроме того, расположенный на границе очищаемого потока вихрь направляет частицы через поток, что обеспечивает пересечение потока более мелкими частицами. The torus vortex is fueled by the energy of the flow and is the main mechanism for the removal of particles, including fine particles. Due to the small radius, the vortex develops the greatest centrifugal accelerations in the separator. In addition, a vortex located at the boundary of the stream being cleaned directs particles through the stream, which ensures that the stream intersects with smaller particles.

При увеличении радиуса торовой поверхности кольца больше 0,15(d₀-d₁) зона отрыва принимает форму вытянутого по потоку "кармана", который заполняется дополнительными вихрями, вращающимися в сторону течения потока. Дополнительные вихри ослабляют торовый вихрь и он теряет энергию и устойчивость. В итоге эффективность очистки резко падает, а гидросопротивление сепаратора растет.With an increase in the radius of the torus surface of the ring more than 0.15 (d ₀ -d ₁ ), the separation zone takes the form of an elongated “pocket”, which is filled with additional vortices rotating in the direction of flow. Additional vortices weaken the torus vortex and it loses energy and stability. As a result, the cleaning efficiency drops sharply, and the hydroresistance of the separator increases.

При уменьшении радиуса торовой поверхности менее 0,02(d₀-d₁) зона отрыва и торовый вихрь достигают наибольших размеров. Однако за углом обтекания между потоком и вихрем образуется свободное пространство. Из-за резкого перепада скоростей на заостренной вершине угла обтекания за углом генерируются сильные дополнительные вихри. Они противодействуют основному вихрю и ослабляют его. В результате эффективность очистки снижается, а гидравлическое сопротивление сепаратора увеличивается.With a decrease in the radius of the torus surface less than 0.02 (d ₀ -d ₁ ), the separation zone and the torus vortex reach their largest sizes. However, around the flow angle between the flow and the vortex free space is formed. Due to the sharp difference in speeds, strong additional vortices are generated at the pointed apex of the flow around the corner. They counteract the main vortex and weaken it. As a result, the cleaning efficiency decreases, and the hydraulic resistance of the separator increases.

Пример 1 выполнения предложенного устройства приведен на чертежах, где на фиг. 1 показан общий вид инерционного сепаратора, а на фиг. 2 узел I на фиг. 1, укрупнено показаны в сечении разделительные элементы сепаратора. An example 1 of the proposed device is shown in the drawings, where in FIG. 1 shows a general view of an inertial separator, and FIG. 2 node I in FIG. 1, an enlarged sectional view of the separator elements of the separator is shown.

Инерционный сепаратор состоит из цилиндрического корпуса 1, конуса 2, колец 3, реек 4, бандажей 5, трубы отвода 6 и выхлопного сопла 7. The inertial separator consists of a cylindrical body 1, cone 2, rings 3, rails 4, bandages 5, exhaust pipe 6 and exhaust nozzle 7.

Кольца 3 имеют одинаковое сечение, установлены на одинаковом расстоянии друг от друга и уменьшаются по диаметру последовательно к выходу. Кольца 3 закреплены в заданном положении рейками 4, которые соединены между собой бандажами 5. С помощью реек кольца 3 соединены с конусом 2 и вместе образуют сборную решетку, которая закреплена в корпусе 1. В нижней части корпуса закреплена труба отвода 6, выходное сопло 7, которое установлено за последним кольцом 3 и служит для отбора и отвода концентрированной среды. The rings 3 have the same cross section, are installed at the same distance from each other and decrease in diameter in series to the exit. The rings 3 are fixed in a predetermined position by rails 4, which are interconnected by braces 5. Using the rails, the rings 3 are connected to the cone 2 and together form a prefabricated lattice, which is fixed in the housing 1. In the lower part of the housing, the exhaust pipe 6 is fixed, the outlet nozzle 7, which is installed behind the last ring 3 and serves for the selection and removal of concentrated medium.

Отдельные кольца, показанные в сечении на фиг. 2, имеют наружную цилиндрическую поверхность 8, оголовок 9, внутреннюю коническую 10, заднюю торцевую 11 и сопрягающую их торовую 12 поверхности. На фиг. 2 показаны также внутренние диаметры колец d₀ и d₁, по которым рассчитывается величина радиуса скругления R поверхности 12. В примере шаг измерения диаметра колец принят постоянным, поэтому радиусы скругления R у всех колец одинаковы.The individual rings shown in cross section in FIG. 2, have an outer cylindrical surface 8, a tip 9, an inner conical 10, a rear end 11 and a torus 12 surface mating them. In FIG. 2 also shows the inner diameters of the rings d ₀ and d ₁ , which are used to calculate the value of the rounding radius R of surface 12. In the example, the step of measuring the diameter of the rings is assumed to be constant, therefore, the rounding radii R of all rings are the same.

Инерционный сепаратор работает следующим образом. При подаче на вход корпуса 1 запыленной среды осевой поток проходит вдоль внутренней поверхности первого кольца 3. За скруглением 12 кольца происходит отрыв потока, в зоне которого устанавливается газодинамический торовый вихрь. Часть газа обтекает вихрь, при этом твердые частицы пыли отбрасываются центробежными силами в осевой поток. Очищенный газ поступает в зазор между кольцами 3 и направляется к выходу из корпуса 1. Осевой поток попадает на поверхность 10 второго кольца 3 и процесс разделения повторяется. За последним кольцом 3 в осевом потоке остается небольшая часть газа и большая часть пыли. Эта концентрированная среда поступает в узел отвода 6 и выводится из сепаратора для дополнительного разделения вне сепаратора. Inertial separator operates as follows. When a dusty medium is fed to the input of the housing 1, the axial flow passes along the inner surface of the first ring 3. Behind the fillet 12 of the ring, the flow breaks off, in the zone of which a gas-dynamic torus vortex is established. Part of the gas flows around the vortex, while solid particles of dust are discarded by centrifugal forces into the axial flow. The purified gas enters the gap between the rings 3 and is sent to the exit from the housing 1. The axial flow enters the surface 10 of the second ring 3 and the separation process is repeated. Behind the last ring 3 in the axial flow is a small part of the gas and most of the dust. This concentrated medium enters the outlet unit 6 and is discharged from the separator for additional separation outside the separator.

Пример 2. Используют сепаратор с внутренним диаметром входного кольца 200 мм, выходного кольца 14 мм, с кольцами идентичных размеров высотой 20 мм и шагом уменьшения диаметра 6 мм при ширине межкольцевого зазора 100 мм. Радиус скругления торовой поверхности составляет 0,12 мм. Скорость подачи пылегазового потока 30 м/сек, концентрация пыли до 10000 мг/м³.Example 2. A separator is used with an inner diameter of the inlet ring of 200 mm, an outlet ring of 14 mm, with rings of identical dimensions with a height of 20 mm and a pitch of decreasing the diameter of 6 mm with a width of the inter-ring gap of 100 mm. The radius of rounding of the torus surface is 0.12 mm. The feed rate of the dust and gas stream is 30 m / s, the dust concentration is up to 10,000 mg / m ³ .

Фракционный состав пыли,
от 0 до 5 мкм 5,
от 5 до 10 мкм 55,
от 10 до 100 мкм 40.Fractional composition of dust,
from 0 to 5 μm 5,
5 to 10 μm 55,
10 to 100 μm 40.

Средняя статистическая степень очистки составляет 94-95%
Пример 3. Используют сепаратор, отличающийся от описанного в примере 2 только большим радиусом скругления, равным 0,9 мм. Скорость подачи серы, концентрация пыли на входе и ее фракционный состав те же, что и в примере 2.The average statistical degree of purification is 94-95%
Example 3. A separator is used that differs from that described in example 2 only by a large fillet radius of 0.9 mm. The sulfur feed rate, the dust concentration at the inlet and its fractional composition are the same as in example 2.

Средняя статистическая степень очистки составляет 0,95%
Предложенное устройство может применяться как в одиночном, так и в групповом вариантах. При последовательном соединении сепараторов повышается общая эффективность очистки установки. При параллельном соединении сепараторов в пакеты увеличивается общая производительность установки.The average statistical degree of purification is 0.95%
The proposed device can be used both in single and in group versions. By connecting the separators in series, the overall cleaning efficiency of the plant is increased. With parallel connection of the separators in packages increases the overall performance of the installation.

Claims

An inertial separator for separating multicomponent fluids, comprising a cylindrical body, mounted therein coaxially with a series of rings of successively decreasing diameter spaced apart from each other, each of which has an internal conical, rear end and interface torus surface, and a pipe for removing the medium from the smaller ring outside the casing, characterized in that the radius of the torus surface of each ring is made within 0.02 0.15 (d ₀ d ₁ ), where d ₀ is the inner diameter of the ring being determined, d ₁ inner the diameter of the subsequent ring.