专利名称：带有涡流增强销的旋风分离器的制作方法
技术领域：
本发明涉及经改进的涡流管分离器。本发明还涉及对含有该经改进的涡流管分离器的三级分离器的改进设计。这种三级分离器可以在例如流化床催化裂化(FCC)过程中使用。
背景技术：
在气体通过具有气体变向墙的流体动力装置，如在增强器处的膨胀涡轮的几乎任何系统中，为了防止腐蚀该系统，需要将细碎粒状的固体颗粒从进入气体中去除。另外，从环境保护的角度来讲，如果进入气体完全被排放到大气中，将固体颗粒去除也是非常重要的。由于这些环境限制，有时需要将排放水平保持在50mg/Nm3以下。
用于从进入气体中去除细碎粒状固体颗粒的适合分离器是例如在1985年1月，51-54，烃加工(Hydrocarbon Processing)中所描述的所谓三级分离器。三级分离器达到可接受的水平，在离开仅位于增大器涡轮或烟道气燃烧器上游的流化床催化裂化交流热交换器的气流中仍然含有微粒。已经发现，三级分离器也可以应用于将细碎粒状固体颗粒从进入气体中分离出来的其它过程。这些过程的例子是，铁粉直接还原过程、煤的气化过程、燃煤发电站，以及如铝的煅烧之类的煅烧过程。
例如上面所描述的三级分离器，包括数个并行设置的涡流管分离器。涡流管分离器为带有固体-气体混合物轴向入口的圆柱形旋风分离器，并且在例如EP-B-360360、US-A-4863500、US-A-5681450、GB-A-1411136和US-A-3541766中所述。在EP-B-360360中描述了一涡流管分离器装置，它包括轴向设置在垂直管状外壳上部的气体输出管，其中在位于气体输出管和垂直设置的管状外壳之间的环形空间旁边，设置有轴向气体输入装置，并且在所述环形空间中设置有涡流发生装置。在EP-B-360360的附图2中示出的涡流管分离器具有涡旋稳定器，该涡旋稳定器包括设置在基座元件上的销。由于该涡流的下端将在该销处终止，所以认为涡流将会保持在管状外壳的中央处。
已经发现，当这种旋风分离器用于含有一定数量固体的进料时，如在三级分离器的情况下，可以发生非轴对称的涡旋展开。这种非优选的操作将导致旋风分离器分离固体的效果不会象需要的那样好。而且，该旋风分离器管状部分的内部会出现腐蚀。
US-A-4810264公开了一旋风分离器，它具有成切线设置的气体和固体入口。在气体输出管的下方，设置有处于平板形或盘形的可调涡流稳定器。在该稳定器上设置有涡流探测器。根据该公开，要经常调节涡流稳定器和气体输出开口之间的距离，以改变从气体输出开口排出的气体的颗粒含量。
US-A-1753502公开了一个气体灰尘收集器。该灰尘收集器包括具有成切线设置的气体-固体输入开口的旋风分离器。一根杆从该气体输出管延伸到设置在气体输出开口下方的盘上。
EP-A-052042公开了一个涡流管分离器，它具有安装在分离器外壳内壁上的抗腐蚀装置。
US-A-4795561公开了一个旋风分离器，它具有成切线设置的气体-固体入口，和带有封闭底部的圆柱状外壳，在该圆柱状外壳的底部上具有一阀。该阀固定到一个销上。该销的相对端位于气体输出管中，该气体输出管在圆柱状外壳的上端。这样，该销机械地设置阀的位置和阀在分离器中的运动。
US-A-4072481公开了一种用于将气体从液体、固体和气体的混合物中分离出来的装置。该混合物的入口为切向的。在用于气相的出口的下方一定距离处设置有所谓的支架，该支架在其上方端处设置有一个板。
本发明的目的是提供一个涡流管分离器，它具有改进的分离效果，并具有较小的趋势在非对称涡流条件下工作。
发明概述本发明关注下述涡流管分离器。用于将固体从含有气体-固体的进料中分离出来的涡流管分离器，包括一管状外壳，和在所述外壳的一个端处用于将气体-固体混合物导入的轴向进气口，其中所述用于将气体-固体混合物导入的轴向进气口设置有涡流发生装置，还包括在所述外壳的相对端处的固体输出开口，和设置在所述外壳端的同轴定位管状气体输出管，其中涡流增强销沿着管状外壳的轴线设置。
本发明还涉及含有数个上述涡流管分离器的多级分离器。本发明还涉及该涡流管分离器和/或多级分离器的使用。
优选实施例的详细描述申请人发现，与不具有上述销的涡流管分离器相比，上述涡流管分离器与更稳定操作相结合具有改良的分离效果。当多个涡流管分离器并行工作时，也可以观察到该稳定操作状态，其中每个涡流管分离器的固体输出开口都与该容器的共同固体收集空间液体连接，如US-A-5538696和上述引用文件中所示。
该涡流增强器沿着管状外壳轴线的实际位置并不是非常严格，只要销沿着轴的一定长度延伸即可。申请人已经发现，该销可以位于固体输出开口和/或气体输出开口处，或者从气体输出开口向固体输出开口延伸。这样，这两个分离销中的一个从顶部开始延伸，另一个从底部开始延伸，并且都沿着管状外壳的轴线，它们都将被看作本发明的一个可能的实施例。很明显当使用本发明所述的涡流管分离器时，旋风分离器会更加稳定地延伸和工作。
从结构的角度来看，将销设置在气体输出管的气体输入开口处更加有利，其中该销延伸进入管状外壳。这样，该销可以恰当地用固定装置固定在气体输出管内部。
已经发现，最好使用具有最小长度的销，从而可以充分导向该涡流。该销沿着轴的长度(1)可以尽可能的长。申请人发现，较长的销长度(1)对于获得较好的分离效果是有利的。然而，如果不沿着长度方向支撑它们的话，过长的销将出现机械故障。另一方面，由于它们会对分离效果产生负面影响，所以在管状外壳中的这些支架不是优选的。这样，该最大长度将由例如销的材料强度、振动趋势以及所选择的销支架的性质之类的因素来决定。出于这种原因，由于可以只在气体输出管内部进行固定，所以在气体输出管内延伸的销是优选的，从而在该管状外壳中沿着销对涡流的影响最小。固定在气体输出管中并沿着轴线的100％延伸的优选销也可以在其下端进行支撑。更为优选的是，这种长销延伸到管状外壳下方的位置处，以允许下方的支架与所述外壳略微间隔设置。这种销的长度可以达到轴长度的两倍。由于空心销更刚性，所以更适合使用。
该销最好固定在气体输出管内部。可选的是，该销也可以固定在管状外壳中。最好利用设置在气体输出管中的叶片体进行固定。在使用中，该叶片体将改变从气体输出管中的管状外壳(2)排放到该外壳的压力增加下游壁中的气体的涡流运动。这种涡流管也称之为反向流型涡流管。该轴向气体固体混合物入口将定位在该管状外壳的一个端处，该固体输出口最好定位在该外壳的相对侧上。最好是，该固体输出开口定位在该管状外壳上相对于气体输出管的相对侧上。可选的是，该管状外壳能够在该端处延伸成锥形部分，从而使得固体输出开口较小。然而，更为优选的是，使用开放端的管状外壳，从而使得积聚在该外壳壁处的固体能够在该固体输出开口处从外壳中自由排放出去。
如果该气体输出口定位在与气体-固体入口(反向流涡流管)相同的端处，那么该固体输出口可以简单地设置在相对端上与开放端管状外壳相邻的位置处。该直流(co-current)型分离器的固体输出口，像例如US-A-5690709中所描述的那样，可以合适地定位在中央定位的气体输出管和所述外壳壁之间的空间中。
本发明尤其关注涡流管设计的涡流管分离器，该涡流管分离器具有定位在该管状外壳的同一端处的轴向气体-固体入口和气体输出管。固体输出口最好设置在相对端上靠近开放端管状外壳的地方。本发明还关注气体-固体和固体输出口都定位在该管状外壳的同一端处的情况。在所述固体输出开口中最好不设置板或其他障碍物。
该涡流管的大多数尺寸，如气体/固体入口、气体输出口和管状外壳的尺寸，都采用常规尺寸。根据本发明，该涡流管分离器的优选尺寸如下。涡流管分离器的管状外壳的内径(d2)可以在0.15至1.5米之间的范围内。当该涡流管分离器用于从气流中分离直径范围在1*10-6米至40*10-6米之间的固体时，该直径(d2)最好在0.15至0.3米之间。至1.5米的较大直径范围可以应用于如US-A-5328592所述的FCC结构中使用的涡流管中。
已经发现，该管状外壳的下端和气体输出管的入口之间的距离，也就是轴的距离(d3)是获得均匀的最佳分离效果的重要设计参数。d3/d2的比例最好在1.5和5之间，更为优选的是在2和5之间，最优选的是在2.5至4之间。较大的距离d3能够导致涡流不稳定，而较小的距离能够使得分离效果较差。
气体输出管的入口直径(d4)最好在0.3*d2与0.6*d2之间。
本发明所述的涡流管分离器适合用于各种类型的气体-固体分离。特别是，当需要每个体积单位中的固体排放较低时，可以方便地使用该分离器。本发明所述的分离器可以方便地用于从气流中分离直径在1*10-6米至40*10-6米之间的固体。该气流中的固体含量通常在100至500mg/Nm3之间。离开该经改进的分离器的洁净气体可以具有50mg/Nm3以下的排放水平，甚至低于30mg/Nm3。
本发明还涉及经改进的三级分离器，它包括数个上述本发明所述的旋风分离器，其中旋风分离器管并行工作，并安装在压力容器中两个管板之间。可以通过加入如上所述的销的现有三级分离器的例子在US-A-3541766、US-A-5690709、US-A-5372707、US-A-5514271和US-A-6174339中进行了描述。该涡流管的轴向气体入口将与位于管板之间的气体-固体输入空间进行流体连接，该气体-固体输入空间将依次流体连接到该三级分离器的气体-固体入口上。该差动涡流管的外壳的开放底部端与在压力容器下部的固体收集空间流体连接，该固体收集空间也称为接收腔。该接收腔还设置有固体输出口。该气体输出管与洁净气体收集空间流体连接。该洁净气体收集空间依次流体连接到该三级分离器的洁净气体输出口上。
在该三级分离器中的涡流分离器装置的数量将取决于进料的流速。一个压力容器中的涡流管分离装置的数量一般在1和200之间。
该管状外壳可以垂直定位、以一定角度定位或者甚至水平定位。如果所述外壳垂直定位或以0°至90°之间的角度定位的话，那么该固体输出口最好定位在管状外壳的下端处。
附图的简要描述本发明将参照附
图1-6进行描述。
附图1是现有涡流管分离器的状态。
附图2是本发明所述的逆流涡流管分离器，它具有从气体输出管延伸的销。
附图3是本发明所述的逆流涡流管分离器，它具有从固体输出管延伸的销。
附图4是本发明所述的逆流涡流管分离器，其中销在整个轴线上延伸。
附图5是直流(co-current)涡流管分离器，其中销在整个轴线上延伸。
附图6显示了具有数个本发明所述涡流管分离器的容器。
具体实施例的详细描述附图1示出了现有轴向涡流管的状态，它包括管状外壳1、气体-固体进入开口9，涡流发生装置(swirl Imparting means)10位于管状外壳1和气体输出管4之间的环形空间中。该管状外壳1连接到截头圆锥体部件8上，该截头圆锥体部件终止于固体输出开口3。该气体输出管具有气体进入开口7。在轴线5上设置有涡流稳定板12和涡流稳定销11。
附图2示出了如附图1中所示的逆流涡流管分离器，其中沿着轴线5设置有涡流增强销(vortex extender pin)6，该轴线从气体进入开口7延伸至固体输出开口3。该销6利用旋转体(swirl body)13固定在气体输出管4内部。该旋转体13在使用中时，该气体流入所述管4中的涡流运动减小。优选的是，该旋转体从气体输出管4开始延伸一定距离至气体进入开口7(未示出)下方的某个位置处。更为优选的是，该旋转体13的不到75％的长度从管4开始延伸。其它附图标记与附图1中具有同样的含义。
附图3示出了如附图2中所示的逆流涡流管分离器，只是涡流增强销6位于固体输出开口3处。而且不具有截头圆锥体部件8。销6利用固定杆14固定。固定杆14最好设计成不影响可能在该位置发生的固体和气体的旋转流。其它附图标记与附图1中具有同样含义。
附图4示出了如附图3中所示的逆流涡流管分离器，其中销6沿着轴线的整个长度设置。该销固定在气体输出管4中。小的水平板15可以设置在销6的下端处。由于销6延伸相当长的距离，所以最好在气体进入开口7下方超过轴的80％的距离处发生长涡流。可以使用这样的板，以使这种伸长的涡流端处于预定位置处。为了不影响从管状外壳中排出的固体，最好该板15较小。其它附图标记与附图1中具有同样含义。
附图5是直流涡流管分离器，其中气体-固体入口9设置在管状外壳1的一个端处，并且固体3和气体输出管4设置在该管状外壳1的另一端处。在该气体-固体入口9处设置有涡流发生装置10。如图所示，该装置10可以包括一中心体，该中心体上设有叶片。固体输出开口3通过位于管状外壳1和气体输出管4之间的环状空间形成。销6经过在气体输出管4内部的涡流装置13固定到两个涡流装置10上。该双重固定对于限制销的振动是有利的。优选的是，该旋转体从气体输出管4开始延伸一定距离至气体输入开口7(未示出)上方的某个位置处。更为优选的是，该旋转体13的小于75％的长度从管4开始延伸。
非常清楚，在附图1-5的任意一个中所示的特征可以发现用于已说明的不具有该特征的涡流管中。例如，附图4的涡流管也可以具有附图2的旋转装置13。
附图6示出了具有数个本发明所述涡流管分离器17的容器16。该容器具有气体-固体输入管18，该管与空间19流体连接，该空间利用管板20、21与容器的其它部分相隔离。该空间与涡流管分离器17的各个气体-固体输入开口9流体连接。该气体输出管4与气体输出收集空间22流体连接，并且固体输出开口与固体收集空间23流体连接。该气体输出收集空间连接到气体出口24上，并且固体收集空间23与固体出口25相连接。
权利要求
1.用于将固体从含有气体-固体的进料中分离出来的涡流管分离器，包括一管状外壳，和在所述外壳的一个端处用于将气体-固体混合物导入的轴向入口，其中所述用于将气体-固体混合物导入的轴向入口设置有涡流发生装置，还包括在所述外壳的相对端处的固体输出开口，和设置在所述外壳端的同轴定位管状气体输出管，其特征在于，涡流增强销沿着管状外壳的轴线设置。
2.根据权利要求1所述的涡流管分离器，其特征在于，该销沿着管状外壳轴线的至少20％设置，所述轴线从气体输出管的入口开始向上延伸至和所述气体输出管相对的管状外壳的端。
3.根据权利要求2所述的涡流管分离器，其特征在于，该销沿着管状外壳轴线的30％至100％设置。
4.根据权利要求3所述的涡流管状分离器，其特征在于，该销沿着管状外壳轴线的100％设置。
5.根据权利要求1-4中的任意一项所述的涡流管分离器，其特征在于，该销从气体输出管的内部延伸到管状外壳中，其中该销利用支承装置固定在气体输出管内部，所述支承装置为涡流装置，该涡流装置定位使得经气体输出管排出的气体的涡流运动减小。
6.根据权利要求1-5中的任意一项所述的涡流管分离器，其特征在于，用于导入气体固体混合物的入口和气体输出管设置在管状外壳的一个端处，该固体输出开口定位在所述外壳的相对端处。
7.根据权利要求1-5中的任意一项所述的涡流管分离器，其特征在于，用于导入气体固体混合物的入口设置在管状外壳的一个端处，该固体输出开口和气体输出管定位在所述外壳的相对端处，从而该固体输出开口定位在气体输出管和所述外壳的壁之间。
8.多级分离器，具有数个并行工作的涡流管分离器，该涡流管分离器为权利要求1-7中任意一项所述的涡流管分离器。
9.在根据权利要求1-7中的任意一项所述的涡流管分离器中，或者在权利要求8所述的多级分离器中，将固体从充满固体的气态混合物中分离出来，以获得每Nm3含有少于50mg固体的气态流的方法，该气态混合物所具有的固体含量在100至500mg/Nm3之间。
全文摘要
用于将固体从含有气体－固体的进料中分离出来的涡流管分离器，包括一管状外壳，在所述外壳的一个端处用于将气体－固体混合物导入的入口，在所述外壳相对端处的固体输出开口，和设置在所述外壳一端处的同轴定位的管状气体输出管，其中涡流增强销沿着该管状外壳的轴线设置。
文档编号B04C5/13GK1668380SQ03817276
公开日2005年9月14日 申请日期2003年7月17日 优先权日2002年7月19日
发明者T·S·德威茨, H·W·A·德赖斯, A·埃克尔, J·卡特, R·A·桑伯恩, A·C·霍夫曼, 彭维明 申请人:国际壳牌研究有限公司