RU2323767C2

RU2323767C2 - Vortex dynamic separator

Info

Publication number: RU2323767C2
Application number: RU2006105069/15A
Authority: RU
Inventors: Сергей Витальевич Ардамаков (RU); Сергей Витальевич Ардамаков; Сергей Николаевич Кузнецов (RU); Сергей Николаевич Кузнецов
Original assignee: Открытое акционерное общество "КуйбышевАзот"
Priority date: 2006-02-17
Filing date: 2006-02-17
Publication date: 2008-05-10
Also published as: RU2006105069A

Abstract

FIELD: MECHANICS.

SUBSTANCE: invention is designed to separate dispersed particles from gases or steams by means of inertia forces. Vortex dynamic separator with countercurrent directions of inlet and cleaned flows includes vertical frame with a set of ring-like components, connector and cleaned flow outlet, inlet flow branch located over, and sleeve and solid particles outlet pipeline located underneath. The head portion of the cleaned flow outlet sleeve has a diameter larger than the inlet flow branch and is equipped with a cone casing with a branch and a secondary sediment outlet pipeline. The solid particles outlet sleeve is also coated. The secondary sediment outlet pipeline is connected to the solid particles outlet pipeline at an acute angle or through an ejection camera.

EFFECT: to upgrade cleaning.

2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам для разделения смесей, состоящих из твердых микрочастиц и газообразных сред, а более конкретно к конструкциям для отделения дисперсных частиц от газов или паров с участием инерционных сил, и может быть применено в любых областях, использующих разделение указанных веществ.The invention relates to devices for separating mixtures consisting of solid microparticles and gaseous media, and more particularly to structures for separating dispersed particles from gases or vapors with the participation of inertial forces, and can be applied in any field using the separation of these substances.

Известны конструкции аналогов - вихревых пылеуловителей циклонного типа, описанные, например, в обзоре Ткачевой В.А., Антиповой Е.Д., и Бордяковского А.В. «Оборудование для обеспыливания воздуха в системах вентиляции химических производств». Обзорная информация. М., НИИТЭХИМ, 1984, стр.11 (Рис.2), используемые для отделения твердых микрочастиц силы инерции.There are known constructions of analogues - cyclone-type vortex dust collectors, described, for example, in the review by V. A. Tkacheva, E. D. Antipova, and A. V. Bordyakovsky. "Equipment for dust removal in ventilation systems of chemical plants." Overview information. M., NIITEKHIM, 1984, p. 11 (Fig. 2), used to separate solid microparticles of inertia.

Конструкции циклонных аналогов состоят из вертикально расположенного трубного корпуса, в верхнюю часть которого тангециально введен штуцер подачи запыленного потока. Нижняя конусная часть корпуса соединена со штуцером отвода уловленной пыли. В верхнее днище (герметизирующее) трубного корпуса сверху вставлена центральная труба отвода очищенного потока, заглубленная внутрь корпуса (через днище) на определенную высоту.The constructions of cyclone analogues consist of a vertically arranged tube body, in the upper part of which a dusty flow inlet fitting is tangentially inserted. The lower conical part of the housing is connected to the nozzle for collecting dust. In the upper bottom (sealing) of the pipe casing, a central pipe of the outlet of the purified stream is inserted from above, deepened into the casing (through the bottom) to a certain height.

Работа циклонов-аналогов заключается в следующем. Запыленный поток через штуцер тангенциального ввода с большой скоростью подается в трубный (цилиндрический) корпус циклона. Попадая в корпус, поток опускается вниз, делая несколько оборотов по периметру цилиндра. Затем, описывая спираль меньшего диаметра в обратном направлении (вверх), выходит из аппарата по центральной трубе. Частицы пыли отделяются под действием центробежной силы вращения первого потока (большого диаметра), оседают на внутренней поверхности стенки и по конусу сползают в нижнюю суженную часть, откуда поступают в пылесборник.The work of cyclones-analogues is as follows. Dusty flow through the tangential inlet nozzle at high speed is fed into the tube (cylindrical) cyclone body. Once in the body, the flow drops down, making several revolutions around the perimeter of the cylinder. Then, describing the spiral of smaller diameter in the opposite direction (up), it leaves the apparatus through the central pipe. Dust particles are separated by the centrifugal force of rotation of the first stream (large diameter), settle on the inner surface of the wall and cone along the cone into the lower narrowed part, from where they enter the dust collector.

Недостатком конструкций-аналогов является невысокая степень очистки потока, особенно при частицах малого размера, обусловленная отсутствием четкой конструктивной границы между внешним запыленным и внутренним очищенным спиральными потоками. Недостаточно «массивные» частицы (малого размера) для данной скорости потока не отбрасываются к стенке, а движутся по внутренней - пограничной образующей запыленного потока. В результате контактного пограничного смешивания часть частиц попадает в выходной очищенный поток.The disadvantage of analog designs is the low degree of flow purification, especially with small particles, due to the lack of a clear structural boundary between the external dusty and internal purified spiral flows. Insufficiently "massive" particles (small size) for a given flow rate are not discarded to the wall, but move along the inner - boundary generatrix of the dusty stream. As a result of contact boundary mixing, part of the particles enters the cleaned effluent.

Наиболее близким по технической сущности решением, принятым за прототип, является конструкция вихрединамического сепаратора, описанная в статье Буренина В.В. «Очистка воздуха от производственной пыли, токсичных паров и газов с помощью фильтров-пылеуловителей». Журнал «Безопасность труда в промышленности» №1, 2005 г, с.69, Рис 3.The closest in technical essence the decision adopted as a prototype is the design of the vortex dynamic separator described in the article by V.V. Burenin "Purification of air from industrial dust, toxic fumes and gases using dust filters." The journal "Labor safety in industry" No. 1, 2005, p. 69, Fig. 3.

Вихрединамический сепаратор, принятый за прототип, состоит из вертикально расположенного цилиндрического трубного корпуса с набором кольцеобразных элементов в виде сужающегося к низу конуса. Входной штуцер - смешанного потока - размещен сверху корпуса.The vortex separator adopted for the prototype consists of a vertically arranged cylindrical tube body with a set of ring-shaped elements in the form of a cone tapering to the bottom. The inlet fitting - mixed flow - is placed on top of the housing.

Штуцеры и трубопроводы очищенного потока и потока твердых частиц расположены в нижней части (корпуса). Внутренняя поверхность каждого кольцеобразного элемента выполнена специальной формы - обратноповернутой параболы с острой обрывающейся кромкой на нижнем торце каждого элемента. Последний, самый нижний, кольцеобразный элемент или несколько элементов соединены со штуцером вывода потока твердых частиц.The fittings and pipelines of the cleaned stream and the stream of solid particles are located in the lower part (housing). The inner surface of each annular element is made of a special shape - a reversed parabola with a sharp breaking edge at the lower end of each element. The last, lowest, annular element or several elements are connected to the fitting for outputting the flow of solid particles.

Работа конструкции-прототипа заключается в следующем. Смешанный поток, попадая во входной штуцер, направляется во внутреннее конусное пространство набора кольцеобразных элементов. По мере движения потока на нижнем торце каждого кольцеобразного элемента возникает кольцевой вихрь, перекрывающий свой межэлементный зазор, отталкивающий твердые частицы внутрь - в центральную часть потока и затем, соответственно (по потоку) - вниз конусного «мешка». В то же время очищенная газовая (паровая) фаза, свободно проникая в межэлементное пространство, направляется вниз, в штуцер вывода очищенного потока. Таким образом, осуществляется разделение фаз. При этом набор кольцеобразных элементов представляет как бы конструктивную границу устройства разделения фаз.The design of the prototype is as follows. The mixed stream, falling into the inlet fitting, is sent to the inner conical space of the set of ring-shaped elements. As the flow moves, an annular vortex arises at the lower end of each annular element, overlapping its interelement gap, pushing solid particles inward to the central part of the flow, and then, respectively (downstream), down the conical “bag”. At the same time, the purified gas (vapor) phase, freely penetrating into the interelement space, is directed downward into the outlet fitting of the purified stream. Thus, phase separation is carried out. In this case, the set of ring-shaped elements represents, as it were, the structural boundary of the phase separation device.

Недостатком конструкции прототипа является низкая степень очистки - неполное разделение смешанного потока. Указанный недостаток характерен преимущественно для низкоскоростных режимов работы вихрединамического сепаратора - начальных пусковых и, наоборот, конечных предостановочных периодов, а также всех переменных, переходных, настроечных вариантов режимов.The disadvantage of the design of the prototype is the low degree of purification - incomplete separation of the mixed stream. The indicated drawback is characteristic mainly for low-speed operating modes of the vortex-dynamic separator - initial starting and, conversely, final pre-setting periods, as well as all variables, transitional, tuning variants of the modes.

Целью изобретения является повышение степени очистки - полноты разделения смешанного потока в низкоскоростных неустановившихся и других переменных режимах работы сепаратора.The aim of the invention is to increase the degree of purification - the completeness of the separation of the mixed stream in low-speed transient and other variable modes of operation of the separator.

Указанная цель достигается тем, что в известном вихрединамическом сепараторе, включающем вертикально расположенный корпус с набором кольцеобразных элементов, с размещенным сверху штуцером входного смешанного потока, снизу - штуцерами и трубопроводами вывода очищенного потока и потока твердых частиц, начальный участок штуцера вывода очищенного потока выполнен с диаметром, большим диаметра штуцера входного потока, причем направление очищенного выходного потока на начальном участке встречно направлению входного. Штуцер вывода очищенного потока выполнен в виде отвода большего диаметра, чем штуцер входа, причем корпус с набором кольцеобразных элементов помещен внутрь отвода и соединен со снаружи расположенным штуцером входного потока. Нижняя часть начального участка штуцера очищенного потока снабжена герметичной конусной оболочкой. Конусная оболочка снабжена штуцером и трубопроводом вывода вторичного осадка, соединенным с основным трубопроводом вывода твердых частиц под острым углом. Трубопровод вывода вторичного осадка соединен с основным трубопроводом вывода твердых частиц через эжекционную камеру. Набор кольцеобразных элементов выполнен в виде непрерывной спирали. Зазор между кольцеобразными элементами выставлен скрепляющими скобами. Скобы выполнены из листа толщиной, равной половине зазора.This goal is achieved by the fact that in the well-known vortex-dynamic separator, including a vertically arranged housing with a set of ring-shaped elements, with a fitting for the input mixed flow placed at the top, bottom with fittings and pipelines for the output of the cleaned stream and flow of solid particles, the initial portion of the outlet for the cleaned stream is made with a diameter , large diameter of the fitting of the input stream, and the direction of the cleaned output stream in the initial section is opposite to the direction of the input. The outlet outlet of the cleaned stream is made in the form of an outlet of a larger diameter than the inlet fitting, the housing with a set of ring-shaped elements placed inside the outlet and connected to the outside of the inlet fitting. The lower part of the initial section of the nozzle of the cleaned stream is provided with a sealed conical shell. The conical shell is equipped with a fitting and a secondary sediment outlet pipe connected to the main solid particle outlet pipe at an acute angle. The secondary sediment outlet pipe is connected to the main solid particle outlet pipe through an ejection chamber. A set of ring-shaped elements is made in the form of a continuous spiral. The gap between the ring-shaped elements is set by fastening brackets. The staples are made of sheet thickness equal to half the gap.

Изобретение иллюстрируется Фиг.1, 2.The invention is illustrated in figures 1, 2.

На Фиг.1 изображена конструкция предложенного сепаратора с начальным участком штуцера вывода очищенного потока большего диаметра, чем штуцер ввода. Начальный участок вывода штуцера соединен (внизу) с конической оболочкой, снабженной трубопроводом вывода вторичного осадка, и сверху герметизирован плоским днищем с патрубками; Δ - межэлементный зазор; α - острый угол соединения трубопроводов.Figure 1 shows the design of the proposed separator with the initial portion of the outlet fitting of the cleaned stream of larger diameter than the inlet fitting. The initial section of the fitting outlet is connected (below) with a conical shell provided with a secondary sediment outlet pipe, and is sealed on top with a flat bottom with nozzles; Δ is the interelement gap; α is the acute angle of the connection of pipelines.

На Фиг.2 представлен сепаратор со штуцером вывода очищенного потока в виде отвода. Трубопровод вторичного осадка подсоединен к трубопроводу твердых частиц через эжекционную камеру.Figure 2 presents the separator with a fitting outlet cleaned stream in the form of a tap. The secondary sludge pipe is connected to the solid particle pipe through an ejection chamber.

Конструкция предложенного сепаратора состоит из корпуса 1 с верхним штуцером 2 входа смешанного потока. В корпусе 1 размещены кольцеобразные элементы 3.The design of the proposed separator consists of a housing 1 with the upper fitting 2 of the inlet of the mixed flow. In the housing 1 there are ring-shaped elements 3.

В варианте на Фиг.1 корпус 1 герметизирующим верхним днищем 4 соединен с начальным участком 5 штуцера 6 вывода очищенного потока. В варианте на Фиг.2 штуцер вывода очищенного потока выполнен в виде отвода 6 большего диаметра, чем диаметр входного штуцера 2. В этом варианте начальным участком 5 служит развернутая вниз вертикальная часть отвода 6. Нижняя часть начального участка 5 снабжена герметичной конусной оболочкой 7. Через вершину (опрокинутого конуса) оболочки 7 пропущен штуцер 8, соединенный с трубопроводом 9 и арматурой 10 вывода потока твердых частиц. Также в вершинную часть оболочки 7 врезан штуцер 11, скрепленный с трубопроводом 12 и арматурой 13 вывода вторичного осадка (Фиг.1; 2). Трубопровод 12 соединен с трубопроводом 9 под острым углом α (для образования засасывающего - эжекционного эффекта в трубопроводе 12) Фиг.1.In the embodiment of FIG. 1, the housing 1 is sealed with a sealing bottom 4 connected to the initial portion 5 of the outlet 6 of the outlet of the cleaned stream. In the embodiment of FIG. 2, the outlet outlet of the cleaned stream is made in the form of an outlet 6 of a larger diameter than the diameter of the inlet nozzle 2. In this embodiment, the initial section 5 is the downward vertical part of the outlet 6. The lower part of the initial section 5 is provided with a sealed conical shell 7. Through the top (tilted cone) of the shell 7 missed fitting 8, connected to the pipe 9 and the fittings 10 output stream of solid particles. Also, a fitting 11 is embedded in the apex of the shell 7, fastened to the pipe 12 and the secondary sediment outlet fittings 13 (Figure 1; 2). The pipe 12 is connected to the pipe 9 at an acute angle α (for the formation of a suction - ejection effect in the pipe 12) Figure 1.

В варианте на Фиг.2 трубопроводы 9 и 12 соединены через эжекционную камеру 14.In the embodiment of FIG. 2, pipelines 9 and 12 are connected through an ejection chamber 14.

Работа конструкции предложенного вихрединамического сепаратора заключается в следующем. С пуском в работу сепаратора смешанный поток поступает во входной штуцер 2 на корпусе 1. Так как в начальном - неустановившемся режиме кольцевые защитные вихри в зазорах Δ между элементами 3 еще не образованы, часть частиц проникает через указанные зазоры Δ и попадает в пространство между корпусом 1 и набором кольцеобразных элементов 3.The design of the proposed vortex dynamic separator is as follows. When the separator is put into operation, the mixed flow enters the inlet nipple 2 on the housing 1. Since in the initial unsteady mode the annular protective vortices in the gaps Δ between the elements 3 are not yet formed, some of the particles penetrate through these gaps Δ and enter the space between the housing 1 and a set of ring-shaped elements 3.

Газовый поток увлекает частицы в начальный участок 5 штуцера вывода очищенного потока 6. Поскольку диаметр начального участка 5 больше диаметра входного штуцера 2 (а площади сечений отличаются еще больше - уже во второй степени - в «квадрат» раз), происходит резкое - многоразовое падение скорости потока.The gas stream carries particles into the initial section 5 of the outlet of the purified stream 6. Since the diameter of the initial section 5 is larger than the diameter of the inlet 2 (and the cross-sectional areas differ even more, to the second degree, by a “square" time), a sharp - multiple drop in speed occurs flow.

Частицы со скоростью витания, превышающей уменьшенную скорость потока (на начальном участке 5), выпадают во вторичный осадок, т.е. опускаются под действием силы тяжести на внутреннюю поверхность конусной оболочки 7, и затем через штуцер 11, трубопровод 12 с арматурой 13 выводятся из сепаратора.Particles with a soaring speed exceeding the reduced flow rate (in the initial section 5) fall into the secondary sediment, i.e. are lowered by gravity onto the inner surface of the conical shell 7, and then through the fitting 11, the pipe 12 with the fittings 13 are removed from the separator.

С началом установившегося режима работа вихрединамического сепаратора практически не отличается от работы конструкции прототипа, за исключением того, что частицы, случайно проникшие в корпус 1 при самоочищающих изменениях формы и размеров кольцевых вихрей (возле зазоров Δ между элементами 3), а также при других изменениях режима, по описанному выше механизму, также попадают в конусную часть 7. «Обычный» механизм работы вихрединамического сепаратора (см. также описание работы прототипа) состоит в следующем. Смешанный поток, поступающий в штуцер входа 2 и затем в конусный набор кольцеобразных элементов 3, образует по краям внутренней поверхности этого конуса - в местах зазоров Δ серию тороидальных вихрей. Эти местные вихри защищают зазоры между элементами 3 от проникновения в них твердых частиц. Твердые частицы отталкиваются вихрями внутрь, в центральную часть потока, осевым напором выносятся в нижнюю - суженную часть кольцеобразных элементов и затем в штуцер 8 и трубопровод 9, с арматурой 10, вывода потока твердых частиц. В отличие от частиц, чистая газовая (паровая) фаза проникает в зазоры Δ между кольцеобразными элементами, попадая в пространство между корпусом 1 и набором элементов 3. После прохождения нижнего среза корпуса 1, газ входит в начальный участок 5 штуцера 6 выхода очищенного потока. Мгновенно в несколько раз падает его скорость (в связи с расширением сечения), меняется его направление на противоположное (снизу - вверх) и в верхнюю часть конструкции через штуцер 6 вывода, поступает полностью очищенный поток, который направляется на дальнейшее использование. По мере накопления твердых частиц в штуцере 8 и трубопроводе 9 (т.е. по мере их заполнения первичным осадком) включается (открывается) ручным или автоматическим управлением продувочная арматура 10. Одновременно с арматурой 10 открывается арматура 13 вывода вторичного осадка, накопившегося на внутренней поверхности оболочки 7. Так как скоростной напор в трубопроводе 9 превышает напор потока в трубопроводе 12, то при движении - сбросе твердых частиц первичного (вихрединамического осаждения) в зоне присоединения трубопровода 12 (под углом α) дополнительно возникает вакуумный - засасывающий эффект, который создает дополнительное «стимулирование» для отвода частиц вторичного осаждения (с конусной поверхности 7 Фиг. 1; 2). Если вакуумный эффект недостаточен, в месте соединения трубопроводов устанавливается специальная эжекционная камера 14 (вариант Фиг.2), обеспечивающая усиление вакуумирования за счет специально вводимого конструктивного исполнения и расположения элементов трубопроводов 9 и 12 (конфузор; камера; диффузор).With the beginning of the established regime, the operation of the vortex-dynamic separator practically does not differ from the work of the prototype design, except that the particles accidentally penetrated into the housing 1 with self-cleaning changes in the shape and size of the annular vortices (near the gaps Δ between the elements 3), as well as other changes , according to the mechanism described above, also fall into the conical part 7. The "usual" mechanism of operation of the vortex-dynamic separator (see also the description of the prototype) is as follows. The mixed flow entering the inlet fitting 2 and then into the conical set of ring-shaped elements 3 forms a series of toroidal vortices along the edges of the inner surface of this cone - in the places of the gaps Δ. These local vortices protect the gaps between the elements 3 from the penetration of solid particles into them. Solid particles are repelled by vortices inward, into the central part of the flow, axially discharged to the lower, narrowed part of the ring-shaped elements, and then into the nozzle 8 and pipe 9, with fittings 10, to discharge the flow of solid particles. Unlike particles, the pure gas (vapor) phase penetrates the gaps Δ between the annular elements, falling into the space between the housing 1 and the set of elements 3. After passing the lower cut of the housing 1, the gas enters the initial section 5 of the outlet 6 of the purified stream outlet. Instantly, its speed drops several times (due to the expansion of the cross-section), its direction changes to the opposite (from the bottom to the top) and to the upper part of the structure through the outlet fitting 6, a completely purified stream enters, which is sent for further use. As solid particles accumulate in the nozzle 8 and pipe 9 (i.e., as they are filled with primary sludge), blow-off valves 10 are switched on (opened) manually or automatically. Simultaneously with valves 10, secondary valves of the outlet of secondary sludge accumulated on the inner surface are opened shell 7. Since the high-pressure head in the pipe 9 exceeds the flow head in the pipe 12, when moving - discharge of solid particles of primary (vortex-dynamic deposition) in the connection zone of the pipe 12 (at an angle α) tion occurs vacuum - sucking effect which creates an additional "incentives" for the retraction of the secondary particle of precipitation (with a conical surface 7 of Figure 1; 2.). If the vacuum effect is insufficient, a special ejection chamber 14 (option of Figure 2) is installed at the junction of the pipelines, which enhances the evacuation due to the specially introduced design and arrangement of the pipeline elements 9 and 12 (confuser; chamber; diffuser).

Благодаря предложенному решению повышена степень очистки - полнота разделения фаз. Исключены проскоки твердой фазы в поток выходного очищенного газа (пара). Точнее, безусловно возникающие в нестандартных режимах работы (вихрединамического сепаратора) проскоки твердых частиц через межэлементные зазоры уловлены предложенным конструктивным изменением - дополнением эффекта вихрединамического разделения, эффектом сопутствующего гравитационного выпадения частиц (вторичного осаждения) в той же конструкции сепаратора (без направления потока «пульсирующей-меняющейся чистоты» на вторую ступень очистки, например в пылеосадительную камеру и др.) Эффект вторичного гравитационного осаждения частиц достигнут простым техническим приемом - увеличением выходного сечения потока (начальный участок 5 штуцера 6) и разворотом направления выходящего первично-очищенного потока на 180°. При этом конструктивно обеспечен сбор (введена коническая оболочка 7) и оптимальный (одновременный с первичным) вывод при вакуумном отсосе вторичного осадка (введены штуцер 11; трубопровод 12; арматура 13; эжекционная камера 14).Thanks to the proposed solution, the degree of purification is increased - the completeness of phase separation. The breakthroughs of the solid phase into the stream of the outlet purified gas (vapor) are excluded. More precisely, the breakthroughs of solid particles that unconditionally occur in non-standard operating modes (vortex separator) through interelement gaps are captured by the proposed constructive change - the addition of the vortex dynamic separation effect, the effect of the accompanying gravitational precipitation of particles (secondary deposition) in the same separator design (without the direction of the “pulsating-changing” flow purity ”to the second stage of purification, for example, into a dust precipitation chamber, etc.) The effect of secondary gravitational deposition is frequent q achieved a technically simple technique - increasing flow exit section (first fitting portion 5 of 6) and reversing the direction of the outgoing primary raffinate stream at 180 °. At the same time, the collection was constructively ensured (a conical shell 7 was introduced) and the optimal (simultaneous with the primary) output at the suction of the secondary sediment (the nozzle 11; pipeline 12; valve 13; ejection chamber 14) were introduced.

Предложенная конструкция при незначительном удорожании - замена отвода вывода очищенного потока на отвод большего диаметра, ввод конической оболочки и линии вывода вторичного осадка позволяет расширить диапазон расходной нагрузки по газу с гарантированной полнотой разделения потоков (требуемой степенью очистки), обеспечить отделение твердых частиц в неустановившихся режимах эксплуатации.The proposed design with a slight increase in price - replacing the outlet of the outlet of the cleaned stream with an outlet of a larger diameter, introducing a conical shell and a line of outlet of the secondary sludge allows you to expand the range of gas flow load with guaranteed completeness of separation of flows (the required degree of purification), to ensure the separation of solid particles in unsteady operating conditions .

Claims

1. A vortex-dynamic separator with a countercurrent direction of the input and purified flows, including a vertical body with a set of ring-shaped elements, a nozzle and a outlet pipe for a cleaned stream, placed on top of the input nozzle, located at the bottom of the nozzle and solid particles outlet duct, characterized in that the initial section of the output nozzle the cleaned stream is made with a diameter larger than the diameter of the inlet fitting, and is provided with a conical shell with a fitting and a secondary sediment outlet pipe, with This solids outlet fitting is passed through the shell.

2. The eddy dynamic separator according to claim 1, characterized in that the secondary sediment outlet pipe is connected to the solid particle outlet pipe at an acute angle or through an ejection chamber.