TW201402214A - 離心旋風式分離器 - Google Patents

Abstract

本發明的至少一實施例係關於一種離心/旋風式分離器，其不使用過濾元件來分離氣體中的粒狀物、液滴及/或冷凝霧狀物(水霧及/或有機氣)。本發明設計有藉於使用入口螺旋管、第一錐形翼及第二錐形翼，再加上位於圓柱體之階狀物及於該第二錐形翼下延伸之渦流導引器。於另一實施例之設計稍有不同，其不同處在於使用一個帶有螺紋或開放區域的插入物，該插入物會形成類似螺旋管所形成的流路，其他元件則與上述之實施例有相同或類似的元件。

Description

離心旋風式分離器

本發明的至少一實施例係為一種離心/旋風式分離器，其不使用過濾元件來分離氣體中的粒狀物、液滴及/或冷凝霧狀物(水霧及/或有機氣)。

一般而言，過濾器或有些具有凝聚式過濾元件的離心/旋風式分離器至少都有一個缺點。因為該凝聚式過濾元件的孔徑較小，所以過濾元件本身很容易阻塞，因而導致需要較多的維護。

凝聚式過濾器通常搭配薄膜式過濾器用來移除氣體中的粒狀物、液滴及細霧狀物(fine mists)。然而因為這些過濾器的孔徑較小，所以這些過濾器很容易阻塞，且須經常更換(數天到兩週間)，因此導致需要較多的維護人力及更換費用。我們的分離器因為不需使用任何類型的過慮元件，所以不需要任何的維護。

舉例來說，離心/旋風式分離器多為高流量應用而非低流量。當與凝聚式過濾器搭配使用，該過濾元件很快就會阻塞，所以需要較多維護。因此使用一種不需用凝聚式過濾元件的離心/旋風式分離器是有需求的。

本發明之至少一實施例係關於一種離心/旋風式分離 器，其不使用過濾元件來分離氣體中的粒狀物、液滴及/或冷凝霧狀物(水霧及/或有機氣)。在本發明之至少一實施例中，該離心/旋風式分離器不使用過濾元件來分離氣體中的粒狀物、液滴及/或冷凝霧狀物(水霧及/或有機氣)，且可在30L/h到150 NL/h(Normal L/h)之間的低氣體流量狀態下操作。該實施例藉由結合使用入口螺旋管、第一錐形翼及第二錐形翼可分離出高達5微米至10微米尺寸之細微粒和冷凝霧狀物。此外，亦可歸因於該圓柱體及在該第二錐形翼下延伸的渦流導引器。

該分離器特別設計在用於低壓力和低氣體流量的應用，其流量從30 L/h到150 NL/h，且可分離5微米至10微米尺寸之間的細微粒/霧狀物。該分離器亦設計來將液體由氣體中分離出來，在2000 NL/h操作氣體流量下，最大可分離之液體流量可達20L/h，以及在1000 NL/h操作氣體流量下，最大可分離之液體流量最大可達40L/h。該分離器亦可在低壓狀態下操作，其操作的壓力可接近1大氣壓或高達100 barg的壓力(barg=Bar加上一大氣壓(atm)的單位)。

本發明將離心/旋風式分離器運用在低氣體流量(30 NL/h至500 NL/h)的應用上是一個創新的突破。此分離器不須使用過濾元件並分離出5微米至10微米之粒狀物、液滴和冷凝霧狀物，若搭配冷凝器使用或在入口處注入液體，則可分離小於1微米之粒狀物、液滴和冷凝霧狀物。與凝聚式過濾器和薄膜式過濾器相比，凝聚式過濾器和薄膜式過濾器因為濾芯的孔徑小而在使用數天至兩週內就會 阻塞，而本過濾器則提供一個強壯且不需維護的解決方案。特別是在一些工廠之製程品質及安全控管上使用的製程氣體分析儀，經常因為傳統的凝聚式過濾器和薄膜式過濾器飽和或阻塞，造成儀器的無法使用，甚至造成儀器損害。

本發明之離心/旋風式分離器，為何可不使用過濾元件來分離氣體中的粒狀物及/或液滴及冷凝霧狀物(水霧及/或有機氣)，且可在30L/h到150 NL/h(Normal L/h)之間的低氣體流量下使用，並可分離出高達5微米到10微米尺寸之細微粒和冷凝霧狀物的一個原因為結合使用以下一個或多個元件。這些元件能包括一或多個入口螺旋管、至少一個錐形翼、圓柱體中之階狀物，以及於錐形翼下延伸的渦流導引器。

第1圖為分離器10的第一實施例，其包含一入口管1。離心/旋風式分離器廣泛的用在高氣體流量的應用，應用的氣體流量至少都在Nm³/h以上，在此氣體流量才可以形成足以將粒狀物、液滴及/或冷凝霧狀物由氣體中分離之離心/旋風力。骯髒/濕的氣體藉由該入口管1從該分離器上方進入該分離器。該入口管1藉由向下螺旋盤繞而形成可將粒狀物、液滴及/或冷凝霧狀物由氣體中分離之離心/旋風力。入口管之末端位於該第一錐形翼3的上方，而該第一錐形翼3則位於該第二錐形翼4的上方。

為了有效率地分離，該分離器10藉由該入口螺旋管1的小口徑產生較快的氣體流速，進而在上部圓柱外殼2內形成高離心/旋風力。該入口螺旋管1平順的導引氣體、液滴及/或冷凝霧狀物由分離器外部進入，並渦漩向下流。對於符合要求旋風式分離器之入口的幾何形狀來說，最為關鍵的特徵在於其提供一個有最小渦流和最小侵蝕的平順流體。旋風分離器之入口的幾何分離器設計，重要的是要減少氣體中的氣流，此氣流會產生新的冷凝霧狀物或造成粒狀物因氣流而帶入既有之乾淨且乾燥的氣體中。另一個實施例為分離器12，其具有一插入物1A，該插入物1A具有螺紋區域，其會形成功能類似螺旋管的流路。該插入物可包含圓柱塊的物質，其具有一螺旋路徑。

該第一錐形翼3和該第二錐形翼4的功能為將氣體粒狀物、液滴及/或冷凝霧狀物推近至該上部外殼2的圓柱內壁。一旦氣體離開了該第二錐形翼4，有一個階狀物9、脊或突出部分，在此階狀物9處，該粒狀物、液滴及/或冷凝霧狀物由上部圓柱外殼進入有較大內徑(詳見d2線)的圓柱體5。之後氣體、粒狀物、液滴及/或冷凝霧狀物以與圓柱體內壁相切並螺旋地向下流動。其渦流氣流的尾端停留在該渦流破壞器7上，在此乾淨及乾燥的氣體螺旋向上至該渦流導引器6中，並由分離器右上方的氣體出口管15離開分離器。該粒狀物、液滴及/或冷凝霧狀物則繼續旋轉並超過該渦流破壞器，然後渦漩運動藉由該漩渦停止板8來停止。該粒狀物、液滴霧狀物及/或部分氣體則由該分離器的 底部11離開該分離器。

該第一錐形翼3和該第二錐形翼4迫使氣體、液滴及冷凝霧狀物經由互相凝聚/互相碰撞而形成較大尺寸的液滴和較大尺寸的粒狀物而形成有效率的離心/旋風式分離。介於該第一錐形翼3與上部圓柱外殼2之內壁間的間隙及介於該第二錐形翼4與上部圓柱外殼2之內壁間的間隙可製作成相對小的間隙。舉例來說，其尺寸可為任何合適的尺寸，其尺寸可包括大約是介於0.5mm-1mm之間，但也可增加至2mm以增加壓縮及凝聚/碰撞效應。該第一錐形翼3的邊緣和該第二錐形翼4的邊緣是銳利或似銳利的，其銳利的程度須確保沒有氣體、液體和顆粒的混合物殘留在錐形翼內，並亦確保最小的氣流限制。

階狀物9、脊或突出部分被置於該上部圓柱外殼2和該圓柱體5之間的交接處。該階狀物9確保沒有液滴、粒狀物及/或冷凝霧狀物殘留在該第二錐形翼4內，並且使所有的液滴、粒狀物及/或冷凝霧狀物向下流動以避免這些物質與乾淨且乾燥的氣體互相混和。該渦流導引器6延伸至該第二錐形翼4下方，也是為了相同目的。

最後，兩個分離器可以串聯使用，一為粗分離器而另一為細分離器，以避免該第一分離器過載使用。在此設計下，該第一分離器，該介於該第一錐形翼3與該上部圓柱外殼2之內壁的間隙及該第二錐形翼4與該上部圓柱外殼2之內壁的間隙通常會比該第二分離器大。如第4圖所示，此組合為分離器10a和10b彼此串聯排列，所以該分離物 質可通過兩個不同的分離器。在此設計下，於串聯的第一分離器10a中所示之20為該第一錐形翼3及該第二錐形翼4與該內壁2a之間的間隙，在該第二分離器10b中所示之21為該第一錐形翼3及該第二錐形翼4與該內壁2b之間的間隙，該間隙20與該間隙21相比有較大的間隙。如第4圖所示，處理過的氣體由出口埠15離開進入該第二分離器10b的入口埠16。以此種方法，該等氣體被處理兩次，故能充分地從該等氣體分離粒狀物。

為了提升分離效率，兩個分離器可以串聯使用來確保分離性能，將第一分離器作為粗分離器，同時將第二分離器作為細分離器，可避免該第一分離器過載使用。若需從很乾燥氣體中分離出非常細小(小於5微米尺寸或更小微米尺寸)的冷凝霧狀物及/或粒狀物，可於該分離器中使用一冷凝器，該冷凝器會產生少量的冷凝液，以形成液滴或液體薄膜，而使得細小的粒狀物及冷凝霧狀物附著在上面。

為了分離1微米以下細小的霧狀物或粒狀物，該分離器可包括一冷凝器30，該冷凝器30由螺旋管組成，管內的離心力會使粒狀物及/或冷凝霧狀物附著在液體薄膜上。如第5圖所示，該冷凝器30包含一入口31和一出口32，該出口32可接到該第一分離器的入口螺旋管14或該第二分離器的入口螺旋管16。該冷凝器30用來產生冷凝液以形成液體薄膜，而使得細小的粒狀物/冷凝霧狀物附著在上面。於至少一實施例中，該冷凝器是從該分離器中分開使用，因為在該分離器中的流速太快且停留時間太短， 難以產生所預期的結果。

為何該離心/旋風式分離器可不使用過濾元件來分離氣體中的粒狀物、液滴及/或冷凝霧狀物(水霧及/或有機氣)，且可在30L/h到150 NL/h之間的低氣體流量狀態下操作，並分離高達5微米至10微米尺寸之細微粒和冷凝霧狀物，其原因歸功於結合上列敘述的組件。舉例來說，第一實施例中，有賴於使用該入口螺旋管1、該第一錐形翼3、該第二錐形翼4，再加上位於圓柱體之階狀物9及於該第二錐形翼4下延伸的渦流導引器6。第二實施例中之設計與第一實施例稍有不同，其不同在於使用一個帶有螺紋區域的插入物1A，該插入物1A會形成類似螺旋管的流路，而其他元件則與上述所列之實施例有相同或類似的組件。

這些關鍵元件的綜合效應是形成一個極佳的分離器幾何結構，以確保該分離器產生一個穩定不震盪且高流速的氣體以產生足以分離的離心/旋風力。對於低流量氣體，他同時確保了最小的氣體阻力。藉由該第一錐形翼3及該第二錐形翼4，細微粒之壓縮及凝聚/碰撞效應和冷凝霧狀物之壓縮及凝聚/碰撞效應使該細微粒與該冷凝霧狀物與液滴或較大微粒結合形成更大的液滴或微粒，會使分離更有效率。最後，有銳利邊緣的第一錐形翼3、有銳利邊緣的第二錐形翼4、被置於上部圓柱外殼和圓柱體5交接處的階狀物9以及於該第二錐形翼4下方延伸之渦流導引器6，皆是在避免所有的氣體、液滴、粒狀物及冷凝霧狀物向下 流動以避免這些物質與乾淨且乾燥的氣體互相混和。

為縮短停留在該分離器內的時間，在不影響分離器的效率下，可以縮短圓柱體5的長度。

第4圖所描述之實施例中，該粗分離器10a如果需分離直徑大於1mm的微粒，介於該第一錐形翼3與上部圓柱外殼2之內壁間的間隙及該第二錐形翼4與上部圓柱外殼2之內壁間的間隙則需增加至2mm。該分離器的總直徑和尺寸能夠等比例放大以維持階狀物以及上部圓柱形外殼之厚度和圓柱體之厚度。另外，為因應較大的壓力和較高的溫度，該上部圓柱外殼2和圓柱體可以變厚以增加所需之機械強度。然而，上述之主要特徵的內部尺寸不能減少。該入口螺旋管的長度在沒有影響到分離效率的狀況下，可微幅增加或減少。

該分離器的第一實施例，為了有效分離，該分離器藉由具有小口徑的一入口螺旋管1產生較快的氣體流速，進而在上部圓柱外殼2內形成較大的離心/旋風力。該分離器之設計也可從2000 NL/h的氣體流量分離最大可到20L/H的液體流量，或從1000 NL/h的氣體流量分離最大可到40L/H的液體流量。

至少一個實施例為使用被置於該上部圓柱外殼2(或稱第一主體部分)和該圓柱體5(或稱該外殼之第二主體部分)之交接處的階狀物9，以確保沒有液滴、粒狀物及/或冷凝霧狀物殘留在該第二錐形翼4內，並且所有的液滴、粒狀物及/或冷凝霧狀物向下流動以避免這些物質與乾淨且乾 燥的氣體互相混和。該渦流導引器6延伸5mm至該第二錐形翼(4)下方也是為了相同之目的。

最後，少量的水或有機液體噴霧也可加至入口骯髒但乾燥的氣體中，藉由產生液滴或形成液體薄膜，而使得細小粒狀物及冷凝霧狀物附著在上面。

上述所使用之材質，特別是該第一主體部分2及該外殼之第二主體部分5、該入口螺旋管1、該插入物1A、該第一錐形翼3、該第二錐形翼4、該渦流導引器6、該渦流渦流器7、該漩渦停止板8及該階狀物9可由任何可承受的機械強度、高工作壓力和耐化學性的材質製作，例如不銹鋼、耐腐蝕的金屬或合金、PTFE(聚四氟乙烯)、聚碳酸酯或其他硬塑料，但並不限於以上所述。

總括來說，此設計使用了上述所列之元件的幾何結構，以提供了一種無過濾器的分離器或一種沒有凝聚式過濾器的分離器。此創新性的設備不需像傳統過濾器一樣，需要較多的維護及需要更換大量的濾芯。因此，上述描述的組件中利用一螺旋導入機構或螺旋機構(如該入口螺旋管1或該插入物1A)以產生氣旋分離效果。密度越大的粒狀物被推向該外殼外邊緣，從而冷凝。該分離元件或該第一錐形翼3和該第二錐形翼4係設置來將該等成分推靠至該外殼之壁上，從而凝聚或冷凝。這些冷凝粒狀物則朝該出口11向下滴落，同時剩下未含冷凝物部分的氣體係對該渦流破壞器7驅動，且送至該渦流導引器6中，其中該剩下的氣體從該出口埠15通過並排出該分離器。以此方式， 液體或固體物質於氣體中分離出而不需使用任何需更換的過濾器。

因此，在本發明中至少有一實施例已被顯示並描述，可理解的是，在不背離本發明的精神和範圍中所定義之權利要求下，可進行變更及修改。

1‧‧‧入口管(入口螺旋管)

1A‧‧‧插入物

2‧‧‧外殼

2b‧‧‧內壁

3‧‧‧第一錐形翼

4‧‧‧第二錐形翼

5‧‧‧主體

6‧‧‧渦流導引器

7‧‧‧渦流破壞器

8‧‧‧漩渦停止板

9‧‧‧階狀物

10‧‧‧分離器

10a‧‧‧分離器

10b‧‧‧分離器

11‧‧‧分離器底部

12‧‧‧分離器

14‧‧‧入口螺旋管

15‧‧‧出口

16‧‧‧入口(螺旋管入口)

20‧‧‧間隙

21‧‧‧間隙

30‧‧‧冷凝器

31‧‧‧入口

32‧‧‧出口

d1‧‧‧內徑

d2‧‧‧內徑

第1圖為本發明第一實施例的側剖面圖。

第2圖為用於本發明第一及第二實施例之停止板的側視圖。

第3圖為本發明第二實施例的側剖面圖。

第4圖為兩個串聯之分離器之側視圖。

第5圖為可選擇地連接至第一分離器之入口及/或第二分離器之入口的冷凝器之側視圖。

1A‧‧‧插入物

2‧‧‧外殼

3‧‧‧第一錐形翼

4‧‧‧第二錐形翼

5‧‧‧主體

6‧‧‧渦流導引器

7‧‧‧渦流破壞器

8‧‧‧漩渦停止板

9‧‧‧階狀物

11‧‧‧分離器底部

12‧‧‧分離器

14‧‧‧入口螺旋管

15‧‧‧出口

d1‧‧‧內徑

Claims (21)

1. 一種使用在氣體或液體之分離器，係包含：至少一外殼，係包含至少一入口和至少一出口；至少一螺旋機構，係使在該外殼內的氣體或液體螺旋狀旋轉；以及至少一分離元件，係與至少一螺旋機構相鄰，且由氣體或液體中進一步分離出粒狀物。
2. 如申請專利範圍第1項所述之分離器，其中該外殼包含一圓柱體，其係具有似中空的內部區域。
3. 如申請專利範圍第1項所述之分離器，其中該螺旋機構包含至少一螺旋管。
4. 如申請專利範圍第1項所述之分離器，其中該螺旋機構包含至少一插入物，其係具有一螺紋區域且會形成流路。
5. 如申請專利範圍第1項所述之分離器，其中該螺旋機構中包含一插入物，其包含似圓柱塊的物質，其具有一螺旋路徑。
6. 如申請專利範圍第1項所述之分離器，其中該等分離元件中至少一者包含一似錐形翼。
7. 如申請專利範圍第1項所述之分離器，其中該等分離元件中至少一者包含一第一錐形翼和一第二錐形翼，且該第二錐形翼緊鄰著該第一錐形翼。
8. 如申請專利範圍第1項所述之分離器，其中該外殼包含一第一主體部分和一第二主體部分，該入口與該第一主體部分相連，該出口與該第二主體部分相連。
9. 如申請專利範圍第8項所述之分離器，其中該第一主體部分的內徑小於該第二主體部分的內徑。
10. 如申請專利範圍第9項所述之分離器，進一步包含一階狀物，其連接至該外殼，且該階狀物形成於該第一主體部分和該第二主體部分的交接處。
11. 如申請專利範圍第9項所述之分離器，其中該階狀物與該第一主體部分相鄰，且與該分離元件中至少一者相鄰。
12. 如申請專利範圍第8項所述之分離器，進一步包含一渦流導引器，其係從該第一主體部分延伸至該第二主體部分。
13. 如申請專利範圍第12項所述之分離器，在該第二主體部分中進一步包含一渦流破壞器，其係置於該渦流導引器下游處。
14. 如申請專利範圍第13項所述之分離器，進一步包含一個漩渦停止板用以中斷該外殼內之液體及/或氣體的渦漩流。
15. 如申請專利範圍第14項所述之分離器，其中該漩渦停止板與該第二主體部分的出口相鄰。
16. 如申請專利範圍第7項所述之分離器，其中該外殼具有一內壁，該第一錐形翼和該第二錐形翼係與與該外殼之內壁距離約0.5 mm至2 mm。
17. 如申請專利範圍第1項所述之分離器，其中該分離器之液氣分離速率，操作在氣體流量速率為2000 NL/h，液體流量以高達20L/H的速率來分離。
18. 如申請專利範圍第1項所述之分離器，其中該分離器分離在冷凝霧狀物中高達10微米尺寸之粒狀物。
19. 如申請專利範圍第1項所述之分離器，其中進一步包含一冷凝器，其係具有一出口，該出口與該分離器之入口連接在一起，且該冷凝器係配置來冷卻進入該分離器的液體和氣體。
20. 一種分離器組合包含：一第一分離器，係包含：至少一外殼，係包含至少一入口和至少一出口；至少一螺旋機構，係配置來使在該外殼內的氣體或液體螺旋狀旋轉；及至少一分離元件，係相鄰於該等螺旋機構中至少一者，該分離元件配置來進一步分離粒狀物；以及一第二分離器，係包含：至少一外殼，係包含至少一入口和至少一出口；至少一螺旋機構，係配置來使在該外殼內的氣體或液體螺旋狀旋轉；及至少一分離元件，係相鄰於該等螺旋機構中至少一者，該分離元件配置來進一步分離粒狀物；其中，相較於該第一分離器之分離元件與該第一分離器之外殼之間距離相比，該第二分離器之分離元件與該第二分離器之外殼之間的距離較小。
21. 一種分離物質的方法，物質包含氣體、至少一固體及/或液體，該方法包含以下步驟：a)導入需被分離的物質進入一分離器；b)需被分離的物質通過至少一螺旋機構來產生氣旋 分離效果；c)需被分離的物質通過一分離元件，該分離元件包含複數翼，該等翼會形成碰撞效應，而將需被分離之物質的粒狀物凝結，形成非氣態形式；d)當該物質通過該外殼內的一階狀物，非氣態形式之需被分離的物質會由該分離元件中分離；e)將至少部分非氣態形式之需被分離的物質從至少部分剩下的氣體中移除；f)至少部分需被分離的非態物質從該分離器之一第一出口排出；以及g)至少部分需被分離的氣態物質從一第二出口排出。