SE541832C2

SE541832C2 - Device for continuously separating particles from a liquid

Info

Publication number: SE541832C2
Application number: SE1700137A
Authority: SE
Inventors: INGVAR HäLLGREN
Original assignee: Alfa Laval Corp Ab
Priority date: 2017-06-30
Filing date: 2017-06-30
Publication date: 2019-12-27
Also published as: SE1700137A1; WO2019004926A1

Description

Anordning för att kontinuerligt avskilja partiklar från en vätska. Device for continuously separating particles from a liquid.

Teknikens område Uppfinningen avser en anordning för kontinuerlig avskiljning av partiklar från en vätska med lägre densitet än partiklarna. TECHNICAL FIELD The invention relates to a device for continuous separation of particles from a liquid with a lower density than the particles.

Teknikens ståndpunkt Idag finns traditionella hydrocykloner, dvs vätskecykloner, som använder centrifugalkraften i en roterande strömning för att separera ut partiklar från en vätska. Jämfört med en gascyklon är en vätskecyklon svårare att dimensionera och har också en kraftigt begränsad separeringsförmåga, dels krävs stor densitetskillnad mellan vätska och partiklar och dels beroende på att vätskan, genom hög viskositet, ger låg fallhastighet mot cyklonväggen för partiklarna. Vätskecykloner har dock funnit sin nisch som förtjockare av en partikelfylld vätska och då ofta i flera steg, samt även som förseparator för att skydda känslig processutrustning från skadliga tunga partiklar, tex grus. State of the art Today there are traditional hydrocyclones, ie liquid cyclones, which use the centrifugal force in a rotating flow to separate particles from a liquid. Compared to a gas cyclone, a liquid cyclone is more difficult to dimension and also has a very limited separation ability, partly due to a large density difference between liquid and particles and partly due to the liquid, due to high viscosity, giving low falling velocity against the cyclone wall for the particles. However, liquid cyclones have found their niche as a thickener of a particle-filled liquid and then often in several steps, as well as as a pre-separator to protect sensitive process equipment from harmful heavy particles, such as gravel.

Traditionella vätskecykloner har ett tangentiellt inlopp i en ende och är i princip av två typer, de som förtjockar ett flöde med stor slammängd utefter ett avsmalnande rör med centralt slamutlopp, medan den delvis renade vätskan avgår i motsatta änden där inloppet befinner sig samt de koniska eller raka cykloner, som ackumulerar utseparerat slam i en uppsamlingsbehållare undertill, dvs i motsatt ände i förhållande till inlopp och utlopp för oren respektive renad vätska Nackdelen med den första typen är att koncentrationsförmågan är låg och längden tenderar att bli opraktiskt lång och att vid hård strypning av slamutflödet, eller vid ökat flöde, minskar effektiviteten pga ett inlopp för oren vätska och utlopp för renad vätska kortsluts, dvs flödet går kortaste vägen till utloppet. Traditional liquid cyclones have a tangential inlet at one end and are basically of two types, those that thicken a flow with a large amount of sludge along a tapered tube with a central sludge outlet, while the partially purified liquid departs at the opposite end where the inlet is located and the conical or straight cyclones, which accumulate separated sludge in a collection container below, ie at the opposite end in relation to inlet and outlet for impure and purified liquid, respectively. the sludge outflow, or with increased flow, the efficiency decreases due to an inlet for impure liquid and the outlet for purified liquid is short-circuited, ie the flow goes the shortest way to the outlet.

I den senare typen lämnar den renade vätskan cyklonen uppåt genom ett centralt utloppsrör och deponerar fångade partiklar i ett uppsamlingskärl i den nedre motsatta änden, ledande till optimal effektivitet, men med nackdelen att stora slammängder är problematiska att hantera, dvs att intermittent tömma uppsamlingskärlet i en kontinuerlig process. In the latter type, the purified liquid leaves the cyclone upwards through a central outlet pipe and deposits trapped particles in a collection vessel at the lower opposite end, leading to optimal efficiency, but with the disadvantage that large amounts of sludge are problematic to handle, i.e. to intermittently empty the collection vessel into a continuous process.

Sammanfattningsvis saknas en vätskecyklon-typ som kan hantera ett kontinuerligt och varierande vätskeflöde och på ett robust sätt skilja av partiklar med en effektivitet som ligger närmare den senare av de ovan relaterade typerna än den förra. In summary, there is no type of liquid cyclone that can handle a continuous and varying liquid flow and in a robust manner separate particles with an efficiency that is closer to the latter of the above related types than the former.

Problemlösning Föreliggande uppfinning löser delvis ovan relaterade problem med de tidigare kända vätskecyklonerna genom att ha de i patentkrav 1, angivna särdragen. Problem Solving The present invention partially solves the above-related problems with the prior art liquid cyclones by having the features set forth in claim 1.

En utföringsform av uppfinningen visas i fig 1, som är en genomskärning och i fig 2 en vy ovanifrån och i fig 3 en 3D vy i ett något annorlunda utförande. An embodiment of the invention is shown in Fig. 1, which is a section and in Fig. 2 a top view and in Fig. 3 a 3D view in a slightly different embodiment.

Detaljbeskrivning av uppfinningen Föreliggande uppfinning är i grunden en vätskecyklon utan konisk nederdel, försedd med så kallad gränsskiktsavledning (eller snarare gränsskiktssugning) av de mot cyklonväggen i gränsskiktet utseparerade partiklarna inklusive ett mindre delflöde av vätska. Detailed description of the invention The present invention is basically a liquid cyclone without a conical lower part, provided with so-called boundary layer diversion (or rather boundary layer suction) of the particles separated from the cyclone wall in the boundary layer, including a smaller partial flow of liquid.

Huvudflödet med partiklar kommer in i cyklonen genom ett tangentiellt inlopp, i dess övre del, vars tvärsnittsarea och det flöde som den flödesdrivande pumpen presterar, definierar den nedåtgående virvelns tangentiella flödeshastighet, som i sin tur ger centrifugalkraften, som gör att partiklarna rör sig mot cyklonväggen och där fångas i gränsskiktet. The main flow of particles enters the cyclone through a tangential inlet, in its upper part, whose cross-sectional area and the flow that the flow driving pump performs, defines the tangential flow velocity of the downward vortex, which in turn provides the centrifugal force which causes the particle wall to move and there are trapped in the boundary layer.

Centrifugalkraften för en partikel är proportionell mot den tangentiella flödeshastigheten i kvadrat i den punkt den befinner sig på, dividerat med radien i denna punkt. Den nedåtgående virveln vänder till slut mot en virvelreflektor, eller mot en botten om en virvelreflektor saknas, och fortsätter ut ur cyklonen genom ett centralt uppåtriktat utloppsrör. De mot cyklonröret utseparerade partiklarna, tillsammans med ett delflöde, kan kontinuerligt lämna separeringsprocessen på olika sätt med hjälp av gränsskiktssugning. Det mest effektiva är att placera en virvelreflektor ovanför en uppsamlingskammare i botten av cyklonen. Mellan virvelreflektorn och cyklonrörets innervägg finns en eller flera springor, genom vilka de fångade partiklarna sugs ner till uppsamlingskammaren. Beroende på springans bredd, fås en mer eller mindre svag virvel även i uppsamlingskärlet, vilket hindrar partiklarna att fastna mot väggen, samtidigt som de hindras att lämna väggen på sin färd mot slamutloppet. The centrifugal force of a particle is proportional to the tangential flow velocity squared at the point at which it is located, divided by the radius at this point. The downward vortex eventually faces a vortex reflector, or a bottom if a vortex reflector is missing, and continues out of the cyclone through a central upward outlet pipe. The particles separated from the cyclone tube, together with a partial flow, can continuously leave the separation process in various ways by means of boundary layer suction. The most effective is to place a vortex reflector above a collection chamber at the bottom of the cyclone. Between the vortex reflector and the inner wall of the cyclone tube there is one or more gaps, through which the trapped particles are sucked down to the collecting chamber. Depending on the width of the gap, a more or less weak vortex is also obtained in the collecting vessel, which prevents the particles from sticking to the wall, at the same time as they are prevented from leaving the wall on their way to the sludge outlet.

Slamutloppet i sin enklaste form kan vara ett sugrör i uppsamlingskammarens vägg, eller i dess botten, helst tangentiellt inriktat. Uppsamlingskammaren kan tex göras trattformig mot sugröret, eller förses med lämpliga flödesledare för att leverera partiklarna till sugröret. Andra sätt, eller komplement, för gränsskiktssugning är att suga i en eller fler slitsar i cyklonröret ovanför virvelreflektorn, och/eller nere i uppsamlingskammarens vägg. I vissa lägen är det även möjligt att vara utan virvelreflektor och låta virveln vända mot botten, vilket är mer brutalt och ger också sämre resultat. The sludge outlet in its simplest form can be a suction pipe in the wall of the collecting chamber, or in its bottom, preferably tangentially oriented. The collection chamber can, for example, be made funnel-shaped towards the suction pipe, or provided with suitable flow conductors for delivering the particles to the suction pipe. Other ways, or complements, for boundary layer suction are to suck in one or more slots in the cyclone tube above the vortex reflector, and / or down in the wall of the collection chamber. In some situations it is also possible to be without a vortex reflector and let the vortex face the bottom, which is more brutal and also gives worse results.

Avgående slamflöde bör vara under 10% av huvudflödet och så högt att gränsskiktsavsugningen blir effektiv i förhållande till användningsområdet, förtjockning eller skydd av processutrustning nerströms. Outgoing sludge flow should be below 10% of the main flow and so high that the boundary layer suction becomes effective in relation to the area of use, thickening or protection of process equipment downstream.

Cyklonens effektivitet kan ökas genom att installera en virvelaccelerator under inloppet, där flödet leds mellan krökta ledskenor som reducerar flödesarean och ökar virvels tangentialhastighet, samtidigt som en laminär strömning säkerställs. Arrangemanget ger dock ett högre tryckfall. The efficiency of the cyclone can be increased by installing a vortex accelerator under the inlet, where the flow is conducted between curved guide rails which reduces the flow area and increases the tangential velocity of the vortex, while ensuring a laminar flow. However, the arrangement gives a higher pressure drop.

Vidare så dimensioneras cyklonens geometri så att falltiden, för den minsta partikel man vill fånga, från en sämsta position nära utloppsröret till cyklonrörets innervägg är kortare än vätskans uppehållstid i den nedåtgående virveln. Ett ungefärligt mått på uppehållstiden fås om den roterande vätskemängden (liter), divideras med flödet (liter/sek). Vätska under virvelreflektorn anses ej rotera härvidlag. Furthermore, the geometry of the cyclone is dimensioned so that the fall time, for the smallest particle to be captured, from a worst position near the outlet pipe to the inner wall of the cyclone pipe is shorter than the residence time of the liquid in the downward vortex. An approximate measure of the residence time is obtained if the rotating liquid quantity (liters) is divided by the flow (liters / sec). Liquid under the vortex reflector is not considered to rotate in this respect.

En utföringsform av uppfinningen utgörs av ett cyklonrör 1, som är sammankopplat vid 2 med en partikelkammare 3. Vid sammankopplingen 2 kan en virvelreflektor 4 installeras bestående av en skiva som är centrerad så det bildas en eller fler runtomgående springor 5 för i gränsskiktet fångade partiklars passage till partikelkammaren 3. I cyklonrörets 1 övre del kan en virvelaccelerator 6 monteras vars ytterradie är samma som cyklonrörets 1 innerradie. Ett utloppsrör 7 är i så fall genomgående virvelacceleratorn 6 och sträcker sig vidare upp förbi ett eller flera tangentiella inloppsrör 8 för att till slut ledas ut ur cyklonröret genom dess ovansida i punkten 11. An embodiment of the invention consists of a cyclone tube 1, which is connected at 2 to a particle chamber 3. At the connection 2, a vortex reflector 4 can be installed consisting of a disc which is centered so that one or more circumferential slots 5 are formed for the passage of particles trapped in the boundary layer. to the particle chamber 3. In the upper part of the cyclone tube 1 a vortex accelerator 6 can be mounted whose outer radius is the same as the inner radius of the cyclone tube 1. An outlet pipe 7 is in that case the continuous vortex accelerator 6 and extends further up past one or more tangential inlet pipes 8 to finally be led out of the cyclone pipe through its upper side at the point 11.

Inloppsröret(rören) 6 tvingar vätskan med partiklar att rotera med den tangentiella hastighet som ges av dess area och det flöde som den flödesdrivande pumpen levererar. Eftersom partiklarnas densitet är högre än vätskans, så ansamlas de på cyklonrörets 1 inneryta, pga centrifugalkraften, i sin bana ner mot virvelreflektorn 4. Vätskan fortsätter att virvla ner mot virvelreflektorn 4, där det bildas en stagnationspunkt 9, varvid den tvingas vända, dels av det faktiska stoppet, dels av att den enda vägen ut är genom utloppsröret 7. Det relativt stora avståndet mellan de utseparerade partiklarna i gränsskiktet längs cyklonrörets 1 insida och fenomenet vid stagnationspunkten 9, där vätska plötsligt accelererar i motsatt riktning, gör att partiklarna i gränsskiktet mycket effektivt kan sugas ner i partikelkammaren 3. The inlet pipe (pipes) 6 forces the liquid with particles to rotate at the tangential velocity given by its area and the flow supplied by the flow driving pump. Since the density of the particles is higher than that of the liquid, they accumulate on the inner surface of the cyclone tube 1, due to the centrifugal force, in their path down towards the vortex reflector 4. The liquid continues to swirl down towards the vortex reflector 4, where a stagnation point 9 is formed. the actual stop, partly because the only way out is through the outlet pipe 7. The relatively large distance between the separated particles in the boundary layer along the inside of the cyclone pipe 1 and the phenomenon at the stagnation point 9, where liquid suddenly accelerates in the opposite direction, causes the particles in the boundary layer to can be efficiently sucked into the particle chamber 3.

Virvelacceleratorn 6 består tex av 2 st ledskenor 10 som vrider sig minst 180 grader vardera, sett ovanifrån, eller 3 st ledskenor som vrider sig minst 120 grader vardera, eller 4 st ledskenor osv. Strömningsarean mellan alla ledskenor 10, samt flödet bestämmer momentanhastigheten som vätska och partiklarna får, när de precis lämnat virvelacceleratorn 6. The vortex accelerator 6 consists, for example, of 2 guide rails 10 which rotate at least 180 degrees each, seen from above, or 3 guide rails which rotate at least 120 degrees each, or 4 guide rails, etc. The flow area between all guide rails 10, as well as the flow, determines the instantaneous velocity that liquid and the particles receive, when they have just left the vortex accelerator 6.

I syfte att öka effektiviteten kan cyklonröret kylas, tex medelst ett kylmedium cirkulerande i en dubbelmantel 12, varvid partiklarna i processvätskan genom termofores påverkas av en extra drivkraft riktad mot det kylda cyklonrörets (1) innervägg, samtidigt som vätskan i gränsskiktet stabiliseras där pga den får en något ökad densitet samt även ökad viskositet. In order to increase efficiency, the cyclone tube can be cooled, for example by means of a cooling medium circulating in a double jacket 12, whereby the particles in the process liquid by thermophoresis are affected by an extra driving force directed towards the inner wall of the cooled cyclone tube (1). a slightly increased density as well as increased viscosity.

Om utloppsröret 7 förlängs mot virvelreflektorn 4, ökar cyklonens effektivitet, men bara till en viss punkt, för att vid ytterligare förlängning snabbt minska. Beroende på vätskans egenskaper, finns ett optimum för effektiviteten då avståndet mellan punkten 14 på utloppsröret 7 och virvelreflektorn 4 är 10-50% av cyklonens längd. If the outlet pipe 7 is extended towards the vortex reflector 4, the efficiency of the cyclone increases, but only to a certain point, in order to decrease rapidly with further extension. Depending on the properties of the liquid, there is an optimum for the efficiency when the distance between the point 14 on the outlet pipe 7 and the vortex reflector 4 is 10-50% of the length of the cyclone.

Enligt samtliga nedan beskrivna utföringsformer avser uppfinningen en anordning innefattande en vätskecyklon med cylindrisk eller nära cylindrisk geometri i form av ett cyklonrör, med ett eller flera tangentiella inlopp, vars area tillsammans med ett flödesdrivande hjälpmedel definierar den hastighet flödet får in i cyklonen, och ett centralt utloppsrör, som börjar vid en nedre ände och slutar i en övre punkt. Cyklonröret kan utformas med, eller utan, virvel accelerator som utgör en hastighetsökande förträngning, i vilken utloppsröret är genomgående, samt att nederdelen av anordningen utformas med eller utan en virvelreflektor, centralt placerad, som har en eller flera öppningar i periferin för att suga ner, i gränsskiktet ansamlade partiklar, till en uppsamlingskammare. Avståndet mellan utloppsrörets nedre ände och virvelreflektorn är 10-50% av avståndet från en punkt i nivå med inloppet och virvelreflektorns plan, eller uppsamlingskammarens botten om virvelreflektor saknas. Partiklar utseparerade mot cyklonröret lämnar separeringsprocessen i ett delflöde, genom en eller fler öppningar, fungerande som gränsskiktssugning, utefter cyklonrörets och/eller uppsamlingskammarens höjd, eller botten. According to all the embodiments described below, the invention relates to a device comprising a liquid cyclone with cylindrical or near-cylindrical geometry in the form of a cyclone tube, with one or more tangential inlets, the area of which together with a flow-driving aid defines the velocity flow into the cyclone, and a central outlet pipe, which begins at a lower end and ends at an upper point. The cyclone tube may be formed with, or without, a vortex accelerator which constitutes a velocity constriction, in which the outlet tube is continuous, and the lower part of the device is formed with or without a vortex reflector, centrally located, having one or more openings in the periphery for suction. particles accumulated in the boundary layer, to a collection chamber. The distance between the lower end of the outlet pipe and the vortex reflector is 10-50% of the distance from a point level with the inlet and the plane of the vortex reflector, or the bottom of the collection chamber if a vortex reflector is missing. Particles separated from the cyclone tube leave the separation process in a partial flow, through one or more openings, acting as boundary layer suction, along the height of the cyclone tube and / or the collection chamber, or the bottom.

Enligt en utföringsform har vätskan en sådan tangentialhastighet och avståndet mellan utloppsröret och cyklonrörets innervägg och cyklonröret har en innerdiameter och utsträckning i höjdled så att den roterande vätskevolymen ovanför virvelreflektorn, eller volymen över uppsamlingskammarens botten om virvelreflektor saknas, dividerat med flödet är större än falltiden för en rund partikel med diameter 0.2 ?m och densitet 2.5 g/cm3, från en sämsta position utefter utloppsrörets utsida till cyklonrörets innervägg. According to one embodiment, the liquid has such a tangential velocity and the distance between the outlet tube and the inner wall of the cyclone tube and the cyclone tube has an inner diameter and extent in height so that the rotating liquid volume above the vortex reflector, or the volume above the collection chamber bottom round particle with a diameter of 0.2? m and a density of 2.5 g / cm3, from a worst position along the outside of the outlet pipe to the inner wall of the cyclone pipe.

Enligt en ytterligare utföringsform ska den roterande vätskevolymen ovanför virvelreflektorn, eller volymen över uppsamlingskammarens botten om virvelreflektor saknas, dividerat med flödet vara minst 25% större än falltiden för en rund partikel med diameter 0.2 ?m och densitet 2.5 g/cm3, från en sämsta position utefter utloppsrörets utsida till cyklonrörets innervägg. According to a further embodiment, the rotating liquid volume above the vortex reflector, or the volume above the bottom of the collection chamber if a vortex reflector is missing, divided by the flow shall be at least 25% greater than the fall time of a round particle with a diameter of 0.2 μm and a density of 2.5 g / cm 3, from a worst position along the outside of the outlet pipe to the inner wall of the cyclone pipe.

Enligt en ytterligare utföringsform är avståndet mellan utloppsröret och cyklonrörets insida är 20-30% av cyklonrörets innerdiameter. According to a further embodiment, the distance between the outlet pipe and the inside of the cyclone pipe is 20-30% of the inner diameter of the cyclone pipe.

Enligt en ytterligare utföringsform är separeringsavståndet från sämsta position invid utloppsröret till cyklonrörets innervägg minskat med hjälp av en hylsa monterad på utloppsröret, utefter dess längd. According to a further embodiment, the separation distance from the worst position next to the outlet pipe to the inner wall of the cyclone pipe is reduced by means of a sleeve mounted on the outlet pipe, along its length.

Enligt en ytterligare utföringsform kyls en viss del av cyklonröret för att minska partiklars falltid, från en sämsta position utefter utloppsrörets utsida, genom termofores och därvid stabiliseras också gränsskiktet, t ex genom ett kylmedium som cirkulerar i en dubbelmantel. According to a further embodiment, a certain part of the cyclone pipe is cooled to reduce the fall time of particles, from a worst position along the outside of the outlet pipe, by thermophoresis and thereby also stabilizes the boundary layer, for example by a cooling medium circulating in a double jacket.

Claims

A device for separating particles from a liquid flow to a thickened partial flow, by means of a liquid cyclone with cylindrical or near-cylindrical geometry in the form of a cyclone tube (1), with one or more tangential inlets (8), the area of which together with a flow driving aid defines the speed at which the flow enters the cyclone and a central outlet pipe (7), which begins at a lower end (14) and ends at an upper point (11), the cyclone pipe (1) being able to be formed with, or without vortex accelerator (6) constituting a velocity-increasing constriction, in which the outlet pipe (7) is continuous, and that the lower part of the device is formed with or without a vortex reflector (4), centrally located, which has one or more openings (5) in the periphery for suction particles, accumulated in the boundary layer, to a collecting chamber (3), CHARACTERIZED in that the distance between the lower end (14) of the outlet pipe (7) and the vortex reflector (4) is 10-50% of the distance from a point (13) at the level of inl the plane (8) and the plane of the vortex reflector (4), or the bottom (15) of the collecting chamber (3) if vortex reflector (4) is missing, and that particles separated from the cyclone tube (1) leave the separation process in a partial flow, through one or more openings (16 ), acting as boundary layer suction, along the height of the cyclone tube (1) and / or the collection chamber (3), or the bottom (15).

Device according to claim 1, wherein the opening (s) (16) are arranged tangentially in relation to the local flow direction.

Device according to claim 1, wherein the liquid has such a tangential velocity and the distance between the outlet pipe (7) and the inner wall of the cyclone pipe (1) and the cyclone pipe (1) has an inner diameter and extent in height so that the rotating liquid volume above the vortex reflector, or the volume above collection bottom (15) if vortex reflector is missing, divided by the flow is greater than the fall time for a round particle with a diameter of 0.2? m and density 2.5 g / cm3, from a worst position along the outside of the outlet pipe (7) to the inner wall of the cyclone pipe (1).

Device according to claim 1 or 2, wherein the rotating liquid volume above the vortex reflector, or the volume above the bottom of the collection chamber (15) if a vortex reflector is missing, divided by the flow is at least 25% greater than the fall time of a round particle with a diameter of 0.2 μm and density 2.5 g / cm3, from a worst position along the outside of the outlet pipe (7) to the inner wall of the cyclone pipe (1).

Device according to any one of the preceding claims, wherein the distance between the outlet pipe (7) and the inside of the cyclone pipe (1) is 20-30% of the inner diameter of the cyclone pipe (1).

Device according to one of the preceding claims, wherein the separation distance from the worst position next to the outlet pipe (7) to the inner wall of the cyclone pipe (1) is reduced by means of a sleeve mounted on the outlet pipe (7), along its length.

Device according to one of the preceding claims, in which a certain part of the cyclone tube (1) is cooled in order to reduce the fall time of particles, from a worst position along the outside of the outlet tube (7), by thermophoresis and thereby also stabilize the boundary layer, for example by a cooling medium circulating in and double jacket (12).