专利名称：具有非平行分离通道的转动粒子分离器和一种分离设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种可以使其转动用于分离流体中微米级或亚微米级的固体或液体粒子的分离装置，该分离装置包括许多分离通道，该分离通道具有经过轴向长度主要部分的单独连接壁。本发明还涉及由上述分离装置构成的分离器，在上游和下游可以将叶轮固定在该分离器上，其中分离装置在一个外壳中，该外壳上形成流体入口和流体出口，可选择地形成用于排出已分离微粒物质的分离出口。
当使流体转动时，该流体中的液体或固体微粒将沿径向方向移动，微粒离转轴的距离增加。微粒在径向方向移动的速度依赖于由于转动作用在微粒上的离心力的大小和流体作用于相对于流体运动的微粒上的阻力的大小。基于这些力的作用可以计算出，在气体以300弧度/s角速度转动的情况下，对于平均直径1μm，平均密度约1000kg/m3和位于0.1m半径处的微粒将以约0.03m/S的速度径向移动。对于平均直径约5μm和约0.05μm的粒子在转动的实际的条件下将分别以约0.1m/s和约0.001m/s的速度径向移动。如果假定气体和微粒保持转动的时间约0.2s，则意味着，如果径向配置位于沿微粒开始移动的径向平面分别移动约20mm和约0.2mm的径向距离处，则上述微粒将达到该径向配置的壁。采用大量的彼此间径向距离很短的并且沿转轴方向轴向延伸的壁可以形成这样的结构，采用这种结构便可利用离心分离法分离出大量气体中的极小微粒。气体平行于径向配置壁和转动轴运动，同时微粒在离心力作用下径向移动并沉积在分离通道的外壁上，该分离通道由径向垂直壁形成。同样的原理也可以用于液体。
从欧洲专利说明0286160和美国专利说明4994097与5073177中可以了解上述微粒分离器。已知微粒分离器的缺点是，分离通道平行于转轴。本发明基于这样一种新见解，在确定的范围内，使分离通道不平行于转轴配置将进一步增强分离过程。
转动的并沿不平行于转轴方向流动的流体将受到复合向心力作用。结果，在垂直于转轴的平面内发生对流流动。这种对流流动可以增强基本上由离心力引起的微粒向分离通道壁的传输。在通道相对于转轴仅有很小的倾斜角时，例如该通道壁的切面与转轴形成仅百分之一度的角度时，对流微粒向分离壁的传输便对分离过程产生了显著的极积的贡献。
图1用例示的方法示出在包括转轴2的平面中分离通道壁1的截面。在各个位置示出壁与转轴所形成的角度3。
图2例示出圆形通道4的截面图，该通道4形成本发明一束通道的一部分。当该通道的壁如图1所示不平行于转轴时，由于复合向心力的作用形成环流5。该流图由图2所示的两个小室构成，该流图是复合向心力6作用的结果，该复合向心力6沿转轴的垂直方向和通过通道的流体轴向速度的垂直方向作用。由于环流的作用，微粒被载带到更靠近分离壁的距离。由此增强了利用离心力径向传送微粒子的作用。
但是须要限制分离通道的倾斜角度。如果倾斜角太大，由于复合向心力的作用，流体的对流流动将开始占优势。在这种情况下，由于复合向心力的作用，微粒将基本上沿一个封闭的环形流流动。在这种情况下，作用在微粒上并对将微粒移动到径向设置壁上起主要作用的离心力则变得很小。因而在很显著的程度上，微粒不再到达壁，而被流体带走。
重要的是要理解，这些环形流的强度必需要限制到一个对应于微粒在离心力作用下形成的径向迁移速度的值。这意味着，不平行通道与转轴形成的角度、转速、通道的径向宽度和长度以及通过通道流动的流体的运动粘滞性必需要进行折衷的选择，以使这些参数必须在一定值以内。
本发明因此涉及一种可以使其转动从而分离出流体中微米或亚微米级的固体微粒或液体微粒的分离装置，该分离装置由许多分离通道组成，该通道在轴向长度的主要部分上具有单独连接的壁，其特征在于，至少一个分离通道的壁不平行转轴；分离通道的切面和转轴之间角度的正切tana、分离通道的径向宽度d、分离通道的长度L以及分离装置的转动速度Ω应当相互依赖地选择，使得无量纲数(ΩLd tana)/v在分离通道的主要部分上位于高达192的范围，在式中的v是流体的运动粘滞系数。
在分离装置中，在径向的分离通道数目—一般大于10，例如15～1000，最好约为20～500。非平行分离通道的数目一般大于20％～30％，例如大于60％或90％。实际上，所有的分离通道最好以上述方式不平行。
为了最好地增强分离过程，我们推荐，使无量纲数在1～192的范围内，1～140比较好，最好为1～96。该数一般低于192，最好低于140，下限一般是0.1，例如1～5或2～10。
分离装置最好具有喷射和喷注装置，用于使喷射或喷注介质穿过通道从而除去分离通道中已分离的微粒，使得在操作或非操作期间，可以很快地和有效地除去每个分离通道中的已分离的微粒物质。
微粒分离器可选择地具有两个或多个具有不同直径的分离通道的分离单元。可以预分离粗粒子，由此可以避免粗粒子堵塞狭窄的分离通道。也可以用加长的转子外壁来代替外加的分离单元，在再生期间，反吹的粒子被收集在该外壁上。
在分离装置通过一个弹性固定在框架上的马达或传动轮转动的情况下，在由于分离装置被悬挂在一侧而产生不平衡的情况下，对称轴经过呈锥形面的路径，在这种情况下，分离通道可以平行于对称轴，但是由于不平衡，而相对于转动轴线倾斜角a。
另外，分离装置最好具有流体入口和/或流体出口装置，使得离心压力的增加等于或大于在分离装置两端的压力降低，如果这样，便可避免流体流动短路，并可以选择地省去密封装置。
本发明还涉及至少具有两个分离装置的分离单元。
本发明还涉及可以使其转动从而分离流体中微米或亚微米级的固体微粒或液体微粒的分离装置，上述分离装置由许多分离通道构成，该分离通道在轴向长度的主要部分上具有单独连接的壁，该分离装置的特征在于，它具有喷射或喷注装置，用于使喷射或喷注介质通过通道而除去分离通道中已分离的微粒。
本发明还涉及可以使其转动从而分离流体中微米或亚微米级的固体或液体微粒的分离装置，上述分离装置由许多分离通道构成，该分离通道在轴向长度的主要部分上具有单独连接的壁，该分离装置的特征在于，分离装置由一个弹性固定在框架上的马达或驱动轮驱动转动。
本发明还涉及一种使其转动从而分离流体中微米或亚微米级固体或液体微粒的分离装置，上述分离装置包括许多分离通道，该分离通道在轴向长度的主要部分上具有单独连接的壁，该分离装置的特征在于，该分离装置具有流体入口和/或流体出口装置，使得离心压力的增加等于或大于分离装置两端的压力降低。
在后面的一些实施例中，一个或多个通道不平行不是达到本发明效果的重要条件。这意味着无量纲数小于192，没有其下限的条件。
在本发明分离装置的一个实施例中，分离通道由包在轴或管子上的波纹材料构成，该材料可以是纸、纸板、箔、金属、塑料或陶瓷。
在本发明分离装置的另一个实施例中，分离通道由穿孔的导管，或轴向穿孔的物体构成。
在本发明分离装置的又一个实施例中，分离通道的过流直径和分离通道中的平均流过速度相互依赖地被选择，使得雷诺数小于2300，最好小于2000，由此保证在分离通道中的层流流动。
按照本发明可以利用分离装置的制造方法和/或组装方法来形成不平行于转动轴的通道。如果分离装置具有某种程度的不平衡也可以形成不平行的位置。特别是当分离装置被弹性支承在外壳上，例如以类似于旋转干燥炉结构的方式被支承时，分离装置由于不平衡将绕一根与分离装置的对称轴形成一角度的轴线转动。
事实上按照本发明，分离装置的分离通道的长度与径向宽度的比是大的，在任何情况下都大于5。现在考虑分离装置以75弧度/s的角速度转动，并且流过该分离器的空气的运动粘滞系数为1.5×10-5m2/s的情况。在通道长度为500mm，径向宽度为3mm的情况下，按照本发明的分离通道的倾斜角必需限制到1.5°角。而在通道长度为200mm，径向宽度为0.5mm的情况，本发明分离通道的倾斜角必需限制到21°角。
图3和4是具有本发明分离通道7的分离装置构成的微粒分离器的纵向截面图和横截面图。位于通道上游和下游的是流体导向装置，例如叶轮8和9，该叶轮具有可以是弯曲的或不弯曲的叶片10。流体导向装置和分离通道装在由马达12驱动的转轴11上。整个机构由具有螺旋形小室14的外壳13封闭。要清洁的气体15从下侧轴向进入外壳、然后由入口叶片8使其转动并导入到转动的分离通道7。由于向心力以及本发明的由于通道的有限倾斜(在图3和图5中这种倾斜没有明显地表示出来)引起的环流的作用，液体和固体微粒便从气体中分离出来并沉积在分离通道的外壁上。已除去微粒的气体通过出口叶轮9离开通道，从而通螺旋形小室离开外壳。收集在分离通道中的微粒物质可以被除去，方法是将分离装置从外壳中取出来，然后进行清洗，或更换一个新的。分离装置还可以在原处进行清洗，例如用振动法清洗，用声波清洗，或者最好向通道喷射或喷注加压的空气或其它的气体介质或液体介质进行清洗。安装密封件16可以防止在出口的已清洁的气体通过外壳13和分离装置7之间的空间漏到入口的未清洁气体中去的可能性，或防止通过相反方向的泄漏。在微粒分离器中适当选择压力分布同样也可以或进一步控制这种泄漏气流。由于向心力的作用，流过叶轮8和9的气体在径向方向将出现压力的增加。如果这种压力的增加等于由于气体流过通道时气体遇到的阻力产生的压力降，则在出口14的压力将与入口15的压力相同，因而不会发生泄漏气体经过中间空间。如果转动粒子分离器被设计成气体产生的离心压力稍大于通道上形成的压力降，则仅有少量的已清洁气体回流到未清洁的气体。此时不需要特别的或高级的密封装置16。这一实施例的特点是，分离装置和气体导向装置被制作成已清洁气体在排出处的半径大于待清洁气体进入处的半径。
具有本发明分离装置的转动粒子分离器的另一个可能实施例的例子示于图5和6。该实施例的特征是切向配置的入口17，该入口17位于转动分离装置18的上游，该转动分离装置18具有叶轮19并由马达20驱动。待清洁的气流21切向流入旋流形入口外壳17，由于气体在入口外壳中的转动运动产生的离心力的作用，气体中较粗的微粒将被向外抛，从而通过漏斗22离开入口外壳。较细的微粒随后在分离装置的分离通道中被分离。已除去微粒的气体通过叶轮19和螺旋出口外壳23离开转动粒子分离器。
收集在通道中的微粒物质可以定期地用喷射或喷注单元24除去，该单元24可以在通道的上面水平移动，并可以从上游方向喷射或喷注空气或其它的气体和液体介质通过通道。收集的微粒物质流入入口外壳17，通过漏斗22离开转动粒子分离器。这种处理可以在停机期间进行，也可以在转动操作期间进行。在后一种情况下，从旋转分离装置吹出的微粒物质将被抛入旋流形入口外壳17，并如同预分离较粗微粒那样，通过漏斗22离开入口外壳。由于以计量和定向的方式沿上游方向吹入介质，所以仅稍在很小程度上干扰转动粒子分离器的分离过程，因而可使转动粒子分离器不停止操作和不中断分离过程而进行该分离器的再生。
马达20利用弹簧和/或阻尼器25弹性地装在外壳上。这样便达到不平衡力是最小的，该不平衡力在转动期间作用在轴承和外壳上。弹性强度和/或阻尼力这样选择，使得在转动轴和分离通道壁之间的由不平衡的引起的角度α与本发明的分离装置的特征一致。
图5和图6所示的转动粒子分离器实施例的例子特别适用于过滤具有高浓度粒子物质的工业过程气体，例如煤厂和废物燃烧厂的过程废气，在这些废气中10至100g/m3的微粒物质浓度是常见的。在这样一些过程气体中，粒子物质的主要部分通常由直径约10μm或更大的较粗微粒构成。这些物质在旋流形入口空间中被分离，因而送入本发明转动分离装置的粒子物质的浓度便显著降低，例如到1g/m3。通道被堵塞的时间也显著地延长了，例如超过1小时以上。在此时间范围内，可以操作喷射或喷注单元例如空气喷射装置，使其迅速地清洁微粒物质的分离装置，从而可使分离过程可以连续不中断的进行。
在外部空气中的微粒物质浓度显著低于在工业处理气体中常见的浓度。在外部空气中粒子物质浓度一般低于1mg/m3。当使用本发明转动粒子分离器过滤空气时，分离装置仅在超过一年以上的长时间使用以后才达到饱和，因此很少需要现场清洁。图3和4所示的具有轴向入口的实施例适合于这种应用具有非平衡分离通道的转动粒子分离器适合于分离流体中的固体和液体两种微粒。抛入分离通路的液体微粒将在分离通道的径向壁上形成液膜。在垂直配置分离通道的壁时，液膜在重力的作用下向下移动。液体在下侧离开通道，在该处由于离心力的作用，液体以液滴的形式被甩出。然后用适当的设备排出这些液滴。例如在图5和图6所示实施例的情况下，液滴将掉入旋流形入口空间中，并经漏斗离开转动粒子分离器。在图3和4所示实施的情况下，液滴通过配置在入口叶轮径向壁上的小孔离开转动粒子分离器。
当液体微粒物质承受向下的力时，在液体微粒物质的情况下出现在分离通道壁上的液膜只有向下移动。在通道处于倾斜位置时，可能发生这种情况，即方向向下的重力由在位于倾斜位置的通道的长度方向上产生的离心力分量抵销。将通道的倾斜角限制在其正切小于重力与离心力之比的一个角度可以防止这种情况。
本发明的转动粒子分离器可以是一种化学或物理处理的部件。或者在流体进入旋流形入口外壳以前或者利用喷射单元24使极细的微粒物质分散到流体中，然后该极细的微粒物质由于吸收、解吸、吸附、化学反应或催化反应而引起流体或部分流体的化学或物理转化。该极细的微粒在转动部件中被分离。因而形成一种有效的转动反应器。在这里可以用细小的微粒执行操作这一事实相对于现有的反应器提供了令人关注的前景。在流体相和固相之间的相当大的接触面可以缩短反应时间和捕获时间。这导致反应器体积小，结构紧凑。
具有非平行通道的转动粒子分离器也可用于分离存在于流体中例如干燥空气中的可凝聚的流体组分。在流体进入本发明分离装置的分离通道以前使流体转动，使得流体由于例如膨胀而冷却，因而在流体中的蒸气成分凝结为雾滴。这种雾滴在分离通道中被分离，然后干燥的流体通过出口叶片离开转动粒子分离器，在该出口叶轮处使干燥的流体达到需要的压力和温度。由此，应用转动粒子分离器还可以引起一种热力学过程，其中，蒸气形式的流体可以分离成较干燥的流体和较低温度的凝聚物。这种过程尤其可以用来代替现有的能量转换系统，这些系统包括基于氟里昂的冷却系统、加热设备和热泵。
具有本发明非平行通道的转动粒子分离器也适合于用于流体处于高压的情况。在这种应用中，转动粒子分离器的外壳可以结构成耐高压的，或者转动粒子分离器可以作一个整体放在单独的压力容器中。转动粒子分离器转轴的端部进入口的可能存在的密封问题也可以采用将驱动装置放入压力容器中的方法来解决。采用这种方式可以允许高达400巴的甚高压。通过适当地选择材料和配置冷却设置还可以应用于高温流体。采用优级金属合金，可以允许流体温度达到800℃。如果本发明的转动粒子分离器的内部构件用陶瓷制作，则温度可以达到1600℃。
图3、4、5和6所示的粒子分离器仅是具有本发明粒子分离器的可能实施例的例子。根据本申请的类型，很多其它实施例也是可能的。本发明的特征在于，粒子分离器装有本发明的分离装置；叶轮可以装在或不装在分离装置的上游和下游；分离装置可以放在或不放在具有流体入口和流体出口的外壳中，而且可以选择地配置除去已分离微粒物质的单独出口。
在过滤大量流体时，还可能平行放置许多本发明的转动粒子分离器。待过滤的流体平行流过不同的转动粒子分离器，在过滤之后被收集在一个收集排出管中。因为每个转动粒子分离器可以设计为在流体出口处的压力至少等于在入口处的压力，所以每个转动粒子分离器只泵浦它自己的流体。如果在这种平行配置的多个转动粒子分离器中有一个转动粒子分离器需要停机或被迫停机，则通过已停机的转动粒子分离器的流体也将停止流动。因而不需要在转动粒子分离器的输送和/或排出管道上设置阀门来例如将已停机的转动粒子分离器与另一些正操作的转动分离器分开。因此可以以相当简单的方式平行配置许多本发明的转动粒子分离器，其中为了减少成本，可以随意选择地使用共同的外壳。这样即使单机停机也不会太影响过滤容量。
本发明的转动粒子分离器以特别的效率和经济的方式提供了从大量和少量的压力高的或低的热的或冷的气流中除去微米级和亚微米级固体和液体微粒的可能性。用各种原型机进行的实验表现出极好的和稳定的分离性能，而且能耗低。其中包括用这样的设备进行试验，这种设备的圆筒形分离装置的直径为0.3m，长度为0.5m，装有宽度为3mm的六角形分离通道。该装置以300弧度/s的角速度转动时，通过的流速是1000m3/h。直径在微米和亚微米范围的极细固体微粒被分散在入口空气中，浓度约为1g/m3，然后在分离装置的通道中被分离。用串联锤碎机已经确定，所有空气动力学直径为1μm或更大的微粒在分离装置中实际上可100％的分离。
对于空气动力学直径为0.1～1μm的微粒其分离效率在85％～100％之间。在输送1kg的微粒物质以后通道达到饱和。总能消耗，包括压力损失和驱动马达的电能消耗在内，以功率每单位空气流表示总计约为1000帕。
试验设备的分离装置类似于图5所示结构，弹性安装在外壳上。由于不平衡，在转动期间便在分离通道和转动轴之间产生约0.13°的角度。这与本发明分离装置的特征一致，在这种情况下按照本发明，最大倾斜角可以允许达到约0.37°角。还进行了这样的试验，在实验中小心增加不平衡性，使其倾斜角达到大于0.37°角。此时观测到微粒物质分离程度显著降低。
采用本发明转动粒子分离器的原型机进行的试验显示了极好的微粒分离性能。特别对于亚微米范围的微粒，由于电力的作用增加了分离效率。由于在转动装置和包括微粒的流体之间发生的摩擦等原因，在转动粒子分离器的转动装置中出现电场。这些电场促进了微粒更加朝向转动粒子分离器分离通道上的收集壁的迁移过程。采用产生电场的方法，例如在电极板上施加不同的电压或插入电离剂使流体中的微粒带电可以进一步增加电场的有利作用。
具有本发明非平行分离通道的转动粒子分离器以极为有效和经济的方式提供了从少量和大量的压力高的或低的冷的或热的流体中除去微米和亚微米级固体和液体微粒的可能性。它是现有过滤方法的令人感兴趣的替代方法，而且对于新的应用领域宅提供了很吸引人的前景，在这些领域中由于物理的或经济的原因而不能使用现有的方法。
权利要求
1.一种可以使其转动从而可以分离流体中微米或亚微米级固体或液体微粒的分离装置，上述分离装置由许多分离通道构成，该分离通道在轴向长度的主要部分上具有单独连接的壁，该装置的特征在于，至少一个分离通道的壁不平行于转动轴；相关的选择分离通道壁的切面和转动轴之间的角的正切tana、分离通道的径向宽度d、分离通道的长度L和分离装置的转动速度Ω，使得无量纲数(ΩLd tana)/v在分离通道的主要部分上位于最多到192的范围内，式中v是流体的运动粘滞系数。
2.如权利要求1所述的分离装置，其特征在于，无量纲数位于1～192的范围内，1～140的范围比较好，最好在1～96的范围。
3.如权利要求1或2所述分离装置，该装置具有使喷射或喷注介质穿过通道的喷射或喷注单元，用于除去分离通道中已分离的微粒。
4.如权利要求3所述的分离器，其特征在于，喷射或喷注单元可在每个分离通道上移动，并可定位在每个分离通道上。
5.如权利要求1～4所述的分离装置，其特征在于，分离装置可由马达驱动转动，该马达柔性地固定在框架上。
6.如权利要求1～5所述的分离装置，该装置配置流体入口和流体出口装置，使得离心压力的增加等于或大于在分离装置范围内的压力降。
7.如权利要求1～6所述的分离装置，其特征在于，分离通道由绕在一根轴和管子上的波纹材料构成。
8.如权利要求1～7所述的分离装置，其特征在于，分离通道由穿孔的或多孔的物体构成。
9.如权利要求1～8所述的分离装置，其特征在于，分离通道由同心圆筒构成，其中的环形空间与切向壁交叉。
10.如权利要求1～9所述的分离装置，其特征在于，相关地选择分离通道的过流直径和分离通道中的流体平均流过速度，使得雷诺数小于2300，最好小于2000，从而在分离通道中得到层流。
11.如权利要求1～10所述的分离装置，其特征在于，分离装置放置在外壳中，该外壳具有流体入口和流体出口，并可随意选择地配置微粒出口。
12.如权利要求1～11所述的分离装置，其特征在于，外壳包括旋流形部分。
13.如权利要求11或12所述的分离装置，该装置具有可以允许进行化学工艺过程、物理工艺过程和/或热力学工艺过程的机构。
14.如上述任何一项权利要求所述的分离装置，该装置包括使待分离微粒荷电的机构。
15.分离单元，至少配置两个如权利要求1～14所述的分离装置
全文摘要
一种可以使其转动从而可以分离流体中微米或亚微米级固体或液体微粒的分离装置，上述分离装置由许多分离通道构成，该分离通道在轴向长度的主要部分上具有单独连接的壁，至少一个分离通道的壁不平行转动轴；相关地选择分离通道壁的切面和转动轴之间的角的正切tanα、分离通道的径向宽度d、分离通道的长度L和分离装置的转动速度Ω，使得无量纲数(ΩLd tanα)/v在分离通道的主要部分上位于最多到192的范围内，式中v是流体的运动粘滞系数。
文档编号B01D45/12GK1124462SQ9419221
公开日1996年6月12日 申请日期1994年4月15日 优先权日1993年4月16日
发明者约瑟夫·约汉尼斯·赫伯图斯·布劳沃斯 申请人:罗密科霍尔德公司