專利名稱:可調(diào)旋風(fēng)分離器及其使用方法
本發(fā)明涉及使流體流發(fā)生旋渦和分離作用的旋風(fēng)分離器。特別是涉及實(shí)際上不降低旋風(fēng)分離器分離效率而改變其兩端壓降值的方法和設(shè)備。借助于壓降變化，旋風(fēng)分離器也可作抗磨損渦流閥使用。
在普通旋風(fēng)分離器中，帶懸浮粒子的氣體或液體從切向入口流入，并形成一個(gè)基本穩(wěn)定的垂直渦流。這些懸浮的固體或液體粒子在徑向向下和向外運(yùn)動(dòng)中越過(guò)渦流穩(wěn)定器而被分離出來(lái)。為了給這些粒子提供足夠的外旋和下降排出力，該渦流穩(wěn)定器必須布置在渦流的固有轉(zhuǎn)向點(diǎn)處或稍下方。
申請(qǐng)人:首次意識(shí)到，旋風(fēng)分離器內(nèi)渦流的垂直長(zhǎng)度可在線調(diào)節(jié)，而無(wú)須預(yù)先終止正在處理的載粒子流體運(yùn)動(dòng)，也無(wú)須改變?nèi)肟诹黧w的流量和壓力。申請(qǐng)人還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)渦流穩(wěn)定器向上移動(dòng)而使渦流長(zhǎng)度縮短時(shí)，其后果主要是旋風(fēng)分離器兩端的壓降增加。這一壓降增加提高了入口流體的背壓。利用此現(xiàn)象可對(duì)進(jìn)入流體進(jìn)行調(diào)節(jié)或使其換向，而僅僅造成懸浮粒子的分離效率有少許下降。
因此，本發(fā)明涉及對(duì)懸浮流體的組分進(jìn)行分離，以及對(duì)該流體進(jìn)行控制的方法和設(shè)備。這種液體中分散著與其密度不同的懸浮粒子。懸浮流體從通常為直園柱體室的上部進(jìn)入，由于可移動(dòng)的渦流穩(wěn)定器安裝在室內(nèi)，因此在渦流穩(wěn)定器上方形成渦流，而懸浮粒中最重的組分則相對(duì)于較輕的組分作徑向向外和向下運(yùn)動(dòng)。較重組分貧化后的流體通過(guò)直園柱體室頂部或其附近的出口流出室外，富含較重組分的流體則通過(guò)直園柱體室底部或其附近的出口流出。如使垂直分離器移近或離開(kāi)園柱室的上部排出口，從而使該室兩端的壓降增加或減少，則可以改變通過(guò)上下出口排出流體的流量比例。此調(diào)節(jié)過(guò)程的實(shí)現(xiàn)只須移動(dòng)渦流穩(wěn)定器，而無(wú)須改變園柱室進(jìn)出口流體的流量。
本發(fā)明適用于處理在旋風(fēng)分離器內(nèi)實(shí)際上可以分離的任何懸浮物。懸浮粒子可以是固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)，而懸浮粒子流體也可以是氣態(tài)或液態(tài)，只要粒子分散于其中的流體包含不同物相，其密度也不同于粒子的密度。
圖1是本發(fā)明試驗(yàn)設(shè)備中使用的試驗(yàn)回路示意圖。
圖2是本發(fā)明可調(diào)旋風(fēng)分離器的一個(gè)具體裝置垂直剖面示意圖。
本發(fā)明提供的方法和設(shè)備中包括如下的新發(fā)現(xiàn)和(或)特點(diǎn)(1)通過(guò)垂直調(diào)節(jié)可移動(dòng)渦流穩(wěn)定器，能夠使旋風(fēng)分離器的分離性能最佳化。(2)對(duì)并聯(lián)安裝在一根總管上的一組旋風(fēng)分離器兩端的壓降也可作相類似的調(diào)節(jié)，使各個(gè)通過(guò)分離器的流量相等，或者終止或減少通過(guò)某一分離器的流量，(3)即使沒(méi)有出口閥門，同樣可以關(guān)閉旋風(fēng)分離器的排出流，以完全終止流體的流動(dòng)，(4)調(diào)節(jié)可移動(dòng)的渦流穩(wěn)定器，以控制排出分離器的重組分被富集或貧化的流體量，(5)本發(fā)明旋風(fēng)分離器特別有利于控制相對(duì)地富集或貧化固體粒子的氣體或液體循環(huán)流，上述粒子是一種磨蝕性粒子且其比重大于或小于它們分散于其中的氣體或液體。
旋風(fēng)分離器利用一種受約束的高速渦流離心力，以分離不同密度的物相。渦流的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，在確定旋風(fēng)分離器的分離效率和抗磨損性方面是頭等重要的。因?yàn)楦倪M(jìn)旋風(fēng)分離器的可靠性、分離性能和抗磨損性是非常重要的商業(yè)目標(biāo)，已開(kāi)始研究以獲得可以降低磨損和提高效率的改進(jìn)型旋風(fēng)分離器。特別是研究包括渦流穩(wěn)定裝置的旋風(fēng)分離器內(nèi)部結(jié)構(gòu)。所使用的“穩(wěn)定化”術(shù)語(yǔ)，是指將渦流保持在旋流器的中心并減少湍流能耗。
在接近環(huán)境條件下，進(jìn)行了大量的旋風(fēng)分離器的流量、速度、噪聲和壓降實(shí)驗(yàn)。上述大多數(shù)實(shí)驗(yàn)是用直徑為0.5米帶切向入口的旋風(fēng)分離器模型進(jìn)行的，該模型是比例為31/100的二級(jí)流體裂化催化劑(FCC)商用旋風(fēng)分離器有機(jī)玻璃(PLAXIGLAS
)模型。選擇模型的比例，以便在25米/秒同樣的輸入速度下，模擬實(shí)際流體裂化催化劑(FCC)旋風(fēng)分離器的雷諾(Reynolds)和史坦頓(Strouhal)數(shù)。該模型在安裝或不安裝渦流穩(wěn)定器及穩(wěn)定器結(jié)構(gòu)各不相同條件下進(jìn)行了試驗(yàn)。用緊貼于旋風(fēng)分離器內(nèi)壁上的10目、0.11厘米厚的金屬絲網(wǎng)模擬器壁的粗糙度。這個(gè)模型是用于現(xiàn)代催化裂化裝置的典型旋風(fēng)分離器，不過(guò)它是效率特別高的裝置。這種旋風(fēng)分離器的特點(diǎn)是入口與出口面積比大、入口管直徑小而筒體很長(zhǎng)。
試驗(yàn)了基本旋風(fēng)分離器的許多變量，以測(cè)定裝料斗幾何形狀、穩(wěn)定器幾何形狀和內(nèi)壁粗糙度對(duì)旋風(fēng)分離器內(nèi)渦流運(yùn)動(dòng)的影響。全部實(shí)驗(yàn)都使用空氣(模擬碳氧化合物氣體)作工作流體?？諝庥煽偭髁繛?標(biāo)準(zhǔn)米3/秒的三個(gè)300瓩的鼓風(fēng)機(jī)供給。大多數(shù)實(shí)驗(yàn)是在壓力為117千巴、流量約0.6米3/秒的條件下進(jìn)行的。與此流量相當(dāng)?shù)倪M(jìn)入速度為17米/秒。在此流量下，按出口管徑計(jì)算出(Re2＝ρgWili/μ)的雷諾數(shù)近似于2.8×105。在這樣高的雷諾數(shù)下，速度分布曲線基本上與流量無(wú)關(guān)，因此允許實(shí)際流量稍有變化，而全部測(cè)量結(jié)果都是在110～130千巴、16～19℃和流量大于0.5米3/秒的條件下取得的。為了便于比較，速度分布曲線全部按17米/秒的流入速度進(jìn)行校正。
旋風(fēng)分離器的特征在于，平衡渦流離心力的大徑向壓力梯度。因此在渦流中心或渦芯存在著相對(duì)真空。這個(gè)低壓芯估計(jì)可能“吸附”在附近的任何表面上，從而使渦流穩(wěn)定附著于該表面上。
在旋風(fēng)分離器模型內(nèi)安裝渦流穩(wěn)定器裝置，以防止渦流的不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)。
在渦流穩(wěn)定器上可以加裝一個(gè)垂直柱銷或渦流定向器，以限制渦流的水平旋進(jìn)運(yùn)動(dòng)并使其對(duì)中。在試驗(yàn)旋風(fēng)分離器中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，直徑為0.6厘米的穩(wěn)定器銷不足以限制渦流的旋進(jìn)。當(dāng)較大的銷用于渦流對(duì)中時(shí)，渦流穩(wěn)定器更加有效。經(jīng)試驗(yàn)，直徑為1.9厘米的銷子效果較好。
試驗(yàn)了若干類型的渦流穩(wěn)定器裝置，取得了不同結(jié)果。通常發(fā)現(xiàn)平板或園盤形結(jié)構(gòu)是滿意的。渦流穩(wěn)定器的直徑，應(yīng)該至少約為1倍渦流出口管直徑。主要按照流體處理量選定商用模型穩(wěn)定器的最大直徑，并且該直徑只被所提供的穩(wěn)定器園周和容器壁之間的環(huán)形通道所限制，該通道大到允許催化劑向下流動(dòng)而同時(shí)向上通過(guò)洗提氣體。
當(dāng)渦流穩(wěn)定器設(shè)備布置得離渦流出口不遠(yuǎn)，即至少約為渦流出口管直徑的2～3倍處時(shí)，渦流定向器對(duì)于旋風(fēng)分離器的性能并不至關(guān)重要。然而，如果渦流定向器位于較大距離處(5-8倍渦流出口管直徑)，則以渦流穩(wěn)定器上設(shè)有一個(gè)渦流定向器為佳。這樣的渦流定向器，最好約大于渦流長(zhǎng)度的1/3。
根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)研究結(jié)果，渦流穩(wěn)定作用看來(lái)更適于提高分離效率，而使壓力損失和磨損減至最小。即使大大地增加最大旋渦速度，渦流穩(wěn)定器也使模型旋風(fēng)分離器兩端壓降減少10-15%。這種情況在旋風(fēng)分離器中是極不平常的，因?yàn)樵黾有郎u速度幾乎總是增加壓力損失。隨著壓降減低，渦流穩(wěn)定作用似乎降低旋風(fēng)分離器內(nèi)的湍流能耗。
圖1示出了用有機(jī)玻璃(PLAXIGLAS
)建造的試驗(yàn)回路。用空氣將催化劑輸入到Φ8厘米×4.3米的提升器10底部，空氣則通過(guò)Φ0.04米的同軸噴嘴11進(jìn)入。提升器兩端的壓差(△P)12測(cè)量并不精確，大約為0.25千巴。在提升器10內(nèi)使用的空氣流量為1.8～2.9標(biāo)準(zhǔn)米3/秒。這相當(dāng)于提升器內(nèi)7.2～11.5米/秒的表面速度。用轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)量空氣流量。提升器內(nèi)的催化劑流量從2-9千克/分不等。在催化劑貯槽15和提升器10之間，通過(guò)在直徑為0.076米的立管14上，設(shè)置一個(gè)節(jié)流夾13控制固體流量。通過(guò)關(guān)閉洗提旋風(fēng)分離器17和催化劑貯槽15之間的節(jié)流夾16并測(cè)出洗提旋風(fēng)分離器體內(nèi)料位增加速率，來(lái)測(cè)量催化劑流量。在此測(cè)量中，關(guān)閉通向洗提旋風(fēng)分離器17的空氣，并假設(shè)催化劑密度為0.8克/厘米3。
在提升器10的頂部有一個(gè)直角彎頭18和一個(gè)異徑管19，該異徑管將直徑為0.076米的園管與高為0.152米寬為0.04米的矩形旋風(fēng)分離器切向入口31(面積為5.8×10-4米2)聯(lián)通。旋風(fēng)分離器入口處的氣體流速?gòu)?.2～8.4米/秒不等。
洗提旋風(fēng)分離器17內(nèi)的氣體通過(guò)直徑為0.076米的管道20排出。第二級(jí)旋風(fēng)分離器21捕集來(lái)自洗提旋風(fēng)分離器頂部流出物中的催化劑。低質(zhì)過(guò)濾器22將氣體凈化后排入大氣，并捕集從第二級(jí)旋風(fēng)分離器跑漏的催化劑。
洗提旋風(fēng)分離器17內(nèi)的催化劑通過(guò)立管23排出。節(jié)流夾16用于控制洗提旋風(fēng)分離器17底部的催化劑料位。在洗提旋風(fēng)分離器17下面的催化劑貯槽15，構(gòu)成了一個(gè)通過(guò)直徑為0.076米的立管14向提升器進(jìn)料的蓄槽。
在圖2中示出洗提旋風(fēng)分離器17的詳細(xì)垂直剖面示意圖。旋渦區(qū)24用內(nèi)徑(ID)為0.142米的管道制成，內(nèi)裝一個(gè)渦流定向器25和渦流穩(wěn)定器26，該渦流穩(wěn)定器26的位置在距干凈空氣出口管20的底部某一特定距離處。洗提區(qū)27也用內(nèi)徑(ID)為0.142米的管道制成。干凈空氣出口20是壁厚為0.3厘米內(nèi)徑為0.076米的管道，并貫穿旋渦發(fā)生區(qū)30到旋渦區(qū)24頂部7英吋。催化劑或分離組分出口管23是內(nèi)徑為0.076米的管道。載粒子氣體通過(guò)切向入口管31進(jìn)入渦流區(qū)30。
渦流穩(wěn)定器26直徑為10.2厘米(對(duì)于大多數(shù)試驗(yàn)來(lái)說(shuō))、邊緣厚為1.27厘米、中心厚為2.5厘米。渦流定向器25長(zhǎng)6.4厘米、底部直徑1.27厘米、頂部直徑0.635厘米。
從圖中示出的具體裝置中可見(jiàn)，渦流穩(wěn)定器26帶一圍繞導(dǎo)管36的套管35。安裝密封環(huán)37以防止流體在管道35和36之間流動(dòng)。通過(guò)齒輪和齒條傳動(dòng)裝置38可使渦流穩(wěn)定器26垂直移動(dòng)。軸承39支承著齒輪傳動(dòng)軸，該軸用墊圈37密封，軸上并帶有可以從旋風(fēng)分離器外部操縱的手柄或傳動(dòng)機(jī)構(gòu)40。
實(shí)例諸如在使用固體粒子氣態(tài)懸浮物為介質(zhì)的設(shè)備中進(jìn)行的多次試驗(yàn)，已經(jīng)表明，旋風(fēng)分離器兩端壓降與渦流對(duì)上部貧化粒子流體出口的相對(duì)位置密切相關(guān)。在一渦流區(qū)直徑為51厘米的旋風(fēng)分離器內(nèi)所做的試驗(yàn)中，渦流長(zhǎng)度在91厘米和43厘米之間變化。粒子懸浮物的進(jìn)口壓力為117巴表壓。在渦流長(zhǎng)度為91厘米條件下，從入口孔到貧化粒子流體出口孔的壓降為21巴。而從入口到富含粒子流體出口的壓降為12巴。當(dāng)渦流長(zhǎng)度為43厘米時(shí)，盡管從入口到富含粒子流體出口的壓降仍然在12巴以上，而從入口到貧化粒子流體出口的壓降卻增加到72巴。在那些試驗(yàn)中，盡管在旋風(fēng)分離器之中并不包括有富含粒子流體的潛流，分流卻變化約1倍。當(dāng)富含粒子流體只在旋風(fēng)分離器內(nèi)流動(dòng)時(shí)，則此分離器無(wú)流體排出。在此條件下將渦流穩(wěn)定器向貧化粒子流體出口方向移動(dòng)，即可提高分離器兩端壓降直至使流體流動(dòng)完全停止。在這種情況下，旋風(fēng)分離器就作為一個(gè)閥門在運(yùn)行。在工作流體包含易于磨損閥座的懸浮粒子的地方，使用本設(shè)備特別有利。對(duì)上述系統(tǒng)的多次試驗(yàn)表明，即使渦流穩(wěn)定器相當(dāng)靠近貧化粒子流體出口，在旋風(fēng)分離器中對(duì)渦流穩(wěn)定器也幾乎沒(méi)有磨損。這是由于旋流作用迅速向外連續(xù)地拋出會(huì)引起磨損的粒子，因此基本上只沿著渦流穩(wěn)定器表面或者靠遠(yuǎn)貧化粒子流體出口邊緣流動(dòng)的流體，實(shí)際上不含有這種會(huì)引起磨損的粒子。
在煤的氣化過(guò)程中，最好用干凈的再循環(huán)氣流來(lái)稀釋冷卻所生產(chǎn)的包含未反應(yīng)煤的懸浮粒子和(或)飛塵的氣體。本旋風(fēng)分離器特別適合作為抗磨損閥門，用于控制上述氣化過(guò)程。一般在煤的氣化要求的高溫、高壓下，多數(shù)閥門勢(shì)必會(huì)被懸浮固體嚴(yán)重腐蝕。在使用本旋風(fēng)分離器時(shí)，可以使載固體反應(yīng)產(chǎn)物沿切線流動(dòng)，因此雜質(zhì)固體就象它們?cè)谄胀ㄐL(fēng)分離器中那樣向外旋轉(zhuǎn)。但是，在使用本系統(tǒng)時(shí)，通過(guò)簡(jiǎn)單垂直移動(dòng)渦流穩(wěn)定器，可以控制相對(duì)干凈的再循環(huán)氣體流過(guò)上部出口，使旋風(fēng)分離器作為渦流閥使用，同時(shí)使雜質(zhì)固體向下并隨富含粒子氣流排出。
在將要使懸浮于大量氣體中的大量固體粒子分離的地方，例如通常在催化裂化和各種其它生產(chǎn)工藝中。在各個(gè)分離器接收一部分來(lái)自總管的載固體流和已分離固體排入公共裝料斗的情況下，常常并聯(lián)運(yùn)行一組旋風(fēng)分離器。例如，常常見(jiàn)到8個(gè)旋風(fēng)分離器由一據(jù)總管相連，以接收來(lái)自再生器的載催化劑廢氣。在這種運(yùn)行中，向每個(gè)旋風(fēng)分離器等量進(jìn)料是困難的，從某些旋風(fēng)分離器捕集的固體，往往流過(guò)裝料斗并通過(guò)其它旋風(fēng)分離器流回廢氣中。然而，在使用本旋風(fēng)分離器時(shí)，不中斷運(yùn)行也可以調(diào)節(jié)渦流穩(wěn)定器，以便控制并聯(lián)運(yùn)行分離器之間的分流。
一般來(lái)說(shuō)，對(duì)分散于氣態(tài)或液態(tài)流體中的固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)粒子進(jìn)行分離時(shí)，本發(fā)明是有效的，上述流體的密度不同于粒子的密度。本發(fā)明可以用于控制貧化或富含粒子流體的潛流和溢流之間的分流。特別是在分離器渦流室以下的室中包括潛流的地方通過(guò)改變旋風(fēng)分離器兩端的壓降，可將本發(fā)明作為閥門而用于控制含有磨蝕性粒子流體的流量，或以可避免任何實(shí)際磨損腐蝕的方式終止其流動(dòng)。
權(quán)利要求
1.分散于與粒子密度不同的流體中的粒子懸浮物分離方法，其特征在于上述懸浮物流流入旋風(fēng)分離器的通常為直園柱體的渦流室，該渦流室包括上、下部流體出口孔和可移動(dòng)的渦流穩(wěn)定器，因此進(jìn)入流體在渦流穩(wěn)定器上方處形成渦流；由離心力和重力的作用而使懸浮物中較重的組分沿徑向向外并向下運(yùn)動(dòng)，從而使富含較重組分的流體從下部出口排出，同時(shí)較重組分貧化流體則從上部出口排出；通過(guò)使渦流穩(wěn)定器朝向或離開(kāi)上部流體排出口的運(yùn)動(dòng)，改變旋風(fēng)分離器兩端的壓降或者同時(shí)改變上述壓降和流體分別通過(guò)上、下部流量的比例。
2.旋風(fēng)分離器，其特征在于，它包括容納渦流的直園柱體室;可使包含不同物相和密度的不連續(xù)和分散組分的流體沿切線流入上述渦流室的裝置，以形成一個(gè)使進(jìn)入流體中較重的組分相對(duì)于較輕的組分沿徑向向外拋和向下運(yùn)動(dòng)的渦流;設(shè)在上述渦流室頂部或其附近處的較重組分貧化流體出口裝置;安裝于上述渦流室之中的可移動(dòng)渦流穩(wěn)定器裝置，其安裝位置能夠穩(wěn)定上述渦流;可從上述渦流室外部進(jìn)行操縱的裝置，該裝置用于使上述渦流穩(wěn)定裝置朝向或離開(kāi)上述最上部流體出口裝置運(yùn)動(dòng)。
3.一組并聯(lián)運(yùn)行的旋風(fēng)分離器操作方法，此組旋風(fēng)分離器中的每一臺(tái)均接受一部分懸浮粒子流體，此流體的密度與所載的懸浮粒子密度不同，此操作方法的特征在于在上述并聯(lián)運(yùn)行的旋風(fēng)分離器組中至少聯(lián)接有一臺(tái)如權(quán)利要求
2所定義那種旋風(fēng)分離器，而在至少一臺(tái)上述并聯(lián)運(yùn)行的旋風(fēng)分離器中，使至少一個(gè)可移動(dòng)的渦流穩(wěn)定器運(yùn)動(dòng)至某一位置，從而使通過(guò)上述各個(gè)并聯(lián)旋風(fēng)分離器的至少一個(gè)排出口的流體流量，基本上等于至少另一個(gè)上述并聯(lián)旋風(fēng)分離器的出口流量。
4.為使權(quán)利要求
2所定義的典型旋風(fēng)分離器性能最佳化的方法，其特征在于，移動(dòng)上述渦流穩(wěn)定裝置至離最上部流體出口處某一位置，以使在進(jìn)入流體的壓力基本相同的條件下，進(jìn)入流體中分離出的懸浮粒子多于渦流穩(wěn)定裝置在另一不同位置時(shí)從同一進(jìn)入流體中分離出來(lái)的懸浮離子。
5.如同權(quán)利要求
1所要求的方法，其特征在于，在使流體移動(dòng)通過(guò)旋風(fēng)分離器所提供的壓力沒(méi)有明顯增加時(shí)，通過(guò)使渦流穩(wěn)定器移近流體出口，基本上終止通過(guò)上部排出口的流體。
6.如同權(quán)利要求
5所要求的方法，其特征在于，進(jìn)入流體含有煤的氣化過(guò)程中產(chǎn)生的懸浮粒子氣體。
7.如同權(quán)利要求
1所要求的方法，其特征在于，進(jìn)入流體是固體粒子氣態(tài)懸浮物。
8.如同權(quán)利要求
1所要求的方法，其特征在于，進(jìn)入流體是較懸浮粒子輕的液滴液態(tài)懸浮物。
9.如同權(quán)利要求
1所要求的方法，其特征在于，進(jìn)入流體是較氣體更重的液滴氣態(tài)懸浮物。
10.如同權(quán)利要求
1所要求的方法，其特征在于，進(jìn)入流體是較液體更重的固體粒子液態(tài)懸浮物。
專利摘要
本發(fā)明涉及用于改變正在運(yùn)行的分離器兩端的壓降而不中斷運(yùn)行或不明顯降低運(yùn)行效率的方法和設(shè)備。載有較其自身重的懸浮粒子流體，沿切線流入通常為圓柱體渦流室的上部，因此粒子由于徑向向外和朝向底部粒子出口的向下運(yùn)動(dòng)而被分離，而經(jīng)凈化的流體則流向頂部排出口。在不中斷分離器內(nèi)流體和粒子流動(dòng)時(shí)，通過(guò)使渦流穩(wěn)定器朝向或離開(kāi)流體出口孔運(yùn)動(dòng)，增加或減少分離器兩端的壓降。
文檔編號(hào)B04C5/28GK85105962SQ85105962
公開(kāi)日1987年2月25日 申請(qǐng)日期1985年8月6日
發(fā)明者托馬斯·肖恩·迪維茨 申請(qǐng)人:國(guó)際殼牌研究有限公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan