专利名称:可调旋风分离器及其使用方法
本发明涉及使流体流发生旋涡和分离作用的旋风分离器。特别是涉及实际上不降低旋风分离器分离效率而改变其两端压降值的方法和设备。借助于压降变化，旋风分离器也可作抗磨损涡流阀使用。
在普通旋风分离器中，带悬浮粒子的气体或液体从切向入口流入，并形成一个基本稳定的垂直涡流。这些悬浮的固体或液体粒子在径向向下和向外运动中越过涡流稳定器而被分离出来。为了给这些粒子提供足够的外旋和下降排出力，该涡流稳定器必须布置在涡流的固有转向点处或稍下方。
申请人:首次意识到，旋风分离器内涡流的垂直长度可在线调节，而无须预先终止正在处理的载粒子流体运动，也无须改变入口流体的流量和压力。申请人还发现，当涡流稳定器向上移动而使涡流长度缩短时，其后果主要是旋风分离器两端的压降增加。这一压降增加提高了入口流体的背压。利用此现象可对进入流体进行调节或使其换向，而仅仅造成悬浮粒子的分离效率有少许下降。
因此，本发明涉及对悬浮流体的组分进行分离，以及对该流体进行控制的方法和设备。这种液体中分散着与其密度不同的悬浮粒子。悬浮流体从通常为直园柱体室的上部进入，由于可移动的涡流稳定器安装在室内，因此在涡流稳定器上方形成涡流，而悬浮粒中最重的组分则相对于较轻的组分作径向向外和向下运动。较重组分贫化后的流体通过直园柱体室顶部或其附近的出口流出室外，富含较重组分的流体则通过直园柱体室底部或其附近的出口流出。如使垂直分离器移近或离开园柱室的上部排出口，从而使该室两端的压降增加或减少，则可以改变通过上下出口排出流体的流量比例。此调节过程的实现只须移动涡流稳定器，而无须改变园柱室进出口流体的流量。
本发明适用于处理在旋风分离器内实际上可以分离的任何悬浮物。悬浮粒子可以是固态、液态或气态，而悬浮粒子流体也可以是气态或液态，只要粒子分散于其中的流体包含不同物相，其密度也不同于粒子的密度。
图1是本发明试验设备中使用的试验回路示意图。
图2是本发明可调旋风分离器的一个具体装置垂直剖面示意图。
本发明提供的方法和设备中包括如下的新发现和(或)特点(1)通过垂直调节可移动涡流稳定器，能够使旋风分离器的分离性能最佳化。(2)对并联安装在一根总管上的一组旋风分离器两端的压降也可作相类似的调节，使各个通过分离器的流量相等，或者终止或减少通过某一分离器的流量，(3)即使没有出口阀门，同样可以关闭旋风分离器的排出流，以完全终止流体的流动，(4)调节可移动的涡流稳定器，以控制排出分离器的重组分被富集或贫化的流体量，(5)本发明旋风分离器特别有利于控制相对地富集或贫化固体粒子的气体或液体循环流，上述粒子是一种磨蚀性粒子且其比重大于或小于它们分散于其中的气体或液体。
旋风分离器利用一种受约束的高速涡流离心力，以分离不同密度的物相。涡流的强度和稳定性，在确定旋风分离器的分离效率和抗磨损性方面是头等重要的。因为改进旋风分离器的可靠性、分离性能和抗磨损性是非常重要的商业目标，已开始研究以获得可以降低磨损和提高效率的改进型旋风分离器。特别是研究包括涡流稳定装置的旋风分离器内部结构。所使用的“稳定化”术语，是指将涡流保持在旋流器的中心并减少湍流能耗。
在接近环境条件下，进行了大量的旋风分离器的流量、速度、噪声和压降实验。上述大多数实验是用直径为0.5米带切向入口的旋风分离器模型进行的，该模型是比例为31/100的二级流体裂化催化剂(FCC)商用旋风分离器有机玻璃(PLAXIGLAS
)模型。选择模型的比例，以便在25米/秒同样的输入速度下，模拟实际流体裂化催化剂(FCC)旋风分离器的雷诺(Reynolds)和史坦顿(Strouhal)数。该模型在安装或不安装涡流稳定器及稳定器结构各不相同条件下进行了试验。用紧贴于旋风分离器内壁上的10目、0.11厘米厚的金属丝网模拟器壁的粗糙度。这个模型是用于现代催化裂化装置的典型旋风分离器，不过它是效率特别高的装置。这种旋风分离器的特点是入口与出口面积比大、入口管直径小而筒体很长。
试验了基本旋风分离器的许多变量，以测定装料斗几何形状、稳定器几何形状和内壁粗糙度对旋风分离器内涡流运动的影响。全部实验都使用空气(模拟碳氧化合物气体)作工作流体。空气由总流量为1标准米3/秒的三个300瓩的鼓风机供给。大多数实验是在压力为117千巴、流量约0.6米3/秒的条件下进行的。与此流量相当的进入速度为17米/秒。在此流量下，按出口管径计算出(Re2＝ρgWili/μ)的雷诺数近似于2.8×105。在这样高的雷诺数下，速度分布曲线基本上与流量无关，因此允许实际流量稍有变化，而全部测量结果都是在110～130千巴、16～19℃和流量大于0.5米3/秒的条件下取得的。为了便于比较，速度分布曲线全部按17米/秒的流入速度进行校正。
旋风分离器的特征在于，平衡涡流离心力的大径向压力梯度。因此在涡流中心或涡芯存在着相对真空。这个低压芯估计可能“吸附”在附近的任何表面上，从而使涡流稳定附着于该表面上。
在旋风分离器模型内安装涡流稳定器装置，以防止涡流的不稳定运动。
在涡流稳定器上可以加装一个垂直柱销或涡流定向器，以限制涡流的水平旋进运动并使其对中。在试验旋风分离器中已经发现，直径为0.6厘米的稳定器销不足以限制涡流的旋进。当较大的销用于涡流对中时，涡流稳定器更加有效。经试验，直径为1.9厘米的销子效果较好。
试验了若干类型的涡流稳定器装置，取得了不同结果。通常发现平板或园盘形结构是满意的。涡流稳定器的直径，应该至少约为1倍涡流出口管直径。主要按照流体处理量选定商用模型稳定器的最大直径，并且该直径只被所提供的稳定器园周和容器壁之间的环形通道所限制，该通道大到允许催化剂向下流动而同时向上通过洗提气体。
当涡流稳定器设备布置得离涡流出口不远，即至少约为涡流出口管直径的2～3倍处时，涡流定向器对于旋风分离器的性能并不至关重要。然而，如果涡流定向器位于较大距离处(5-8倍涡流出口管直径)，则以涡流稳定器上设有一个涡流定向器为佳。这样的涡流定向器，最好约大于涡流长度的1/3。
根据空气动力学研究结果，涡流稳定作用看来更适于提高分离效率，而使压力损失和磨损减至最小。即使大大地增加最大旋涡速度，涡流稳定器也使模型旋风分离器两端压降减少10-15%。这种情况在旋风分离器中是极不平常的，因为增加旋涡速度几乎总是增加压力损失。随着压降减低，涡流稳定作用似乎降低旋风分离器内的湍流能耗。
图1示出了用有机玻璃(PLAXIGLAS
)建造的试验回路。用空气将催化剂输入到Φ8厘米×4.3米的提升器10底部，空气则通过Φ0.04米的同轴喷嘴11进入。提升器两端的压差(△P)12测量并不精确，大约为0.25千巴。在提升器10内使用的空气流量为1.8～2.9标准米3/秒。这相当于提升器内7.2～11.5米/秒的表面速度。用转子流量计测量空气流量。提升器内的催化剂流量从2-9千克/分不等。在催化剂贮槽15和提升器10之间，通过在直径为0.076米的立管14上，设置一个节流夹13控制固体流量。通过关闭洗提旋风分离器17和催化剂贮槽15之间的节流夹16并测出洗提旋风分离器体内料位增加速率，来测量催化剂流量。在此测量中，关闭通向洗提旋风分离器17的空气，并假设催化剂密度为0.8克/厘米3。
在提升器10的顶部有一个直角弯头18和一个异径管19，该异径管将直径为0.076米的园管与高为0.152米宽为0.04米的矩形旋风分离器切向入口31(面积为5.8×10-4米2)联通。旋风分离器入口处的气体流速从5.2～8.4米/秒不等。
洗提旋风分离器17内的气体通过直径为0.076米的管道20排出。第二级旋风分离器21捕集来自洗提旋风分离器顶部流出物中的催化剂。低质过滤器22将气体净化后排入大气，并捕集从第二级旋风分离器跑漏的催化剂。
洗提旋风分离器17内的催化剂通过立管23排出。节流夹16用于控制洗提旋风分离器17底部的催化剂料位。在洗提旋风分离器17下面的催化剂贮槽15，构成了一个通过直径为0.076米的立管14向提升器进料的蓄槽。
在图2中示出洗提旋风分离器17的详细垂直剖面示意图。旋涡区24用内径(ID)为0.142米的管道制成，内装一个涡流定向器25和涡流稳定器26，该涡流稳定器26的位置在距干净空气出口管20的底部某一特定距离处。洗提区27也用内径(ID)为0.142米的管道制成。干净空气出口20是壁厚为0.3厘米内径为0.076米的管道，并贯穿旋涡发生区30到旋涡区24顶部7英吋。催化剂或分离组分出口管23是内径为0.076米的管道。载粒子气体通过切向入口管31进入涡流区30。
涡流稳定器26直径为10.2厘米(对于大多数试验来说)、边缘厚为1.27厘米、中心厚为2.5厘米。涡流定向器25长6.4厘米、底部直径1.27厘米、顶部直径0.635厘米。
从图中示出的具体装置中可见，涡流稳定器26带一围绕导管36的套管35。安装密封环37以防止流体在管道35和36之间流动。通过齿轮和齿条传动装置38可使涡流稳定器26垂直移动。轴承39支承着齿轮传动轴，该轴用垫圈37密封，轴上并带有可以从旋风分离器外部操纵的手柄或传动机构40。
实例诸如在使用固体粒子气态悬浮物为介质的设备中进行的多次试验，已经表明，旋风分离器两端压降与涡流对上部贫化粒子流体出口的相对位置密切相关。在一涡流区直径为51厘米的旋风分离器内所做的试验中，涡流长度在91厘米和43厘米之间变化。粒子悬浮物的进口压力为117巴表压。在涡流长度为91厘米条件下，从入口孔到贫化粒子流体出口孔的压降为21巴。而从入口到富含粒子流体出口的压降为12巴。当涡流长度为43厘米时，尽管从入口到富含粒子流体出口的压降仍然在12巴以上，而从入口到贫化粒子流体出口的压降却增加到72巴。在那些试验中，尽管在旋风分离器之中并不包括有富含粒子流体的潜流，分流却变化约1倍。当富含粒子流体只在旋风分离器内流动时，则此分离器无流体排出。在此条件下将涡流稳定器向贫化粒子流体出口方向移动，即可提高分离器两端压降直至使流体流动完全停止。在这种情况下，旋风分离器就作为一个阀门在运行。在工作流体包含易于磨损阀座的悬浮粒子的地方，使用本设备特别有利。对上述系统的多次试验表明，即使涡流稳定器相当靠近贫化粒子流体出口，在旋风分离器中对涡流稳定器也几乎没有磨损。这是由于旋流作用迅速向外连续地抛出会引起磨损的粒子，因此基本上只沿着涡流稳定器表面或者靠远贫化粒子流体出口边缘流动的流体，实际上不含有这种会引起磨损的粒子。
在煤的气化过程中，最好用干净的再循环气流来稀释冷却所生产的包含未反应煤的悬浮粒子和(或)飞尘的气体。本旋风分离器特别适合作为抗磨损阀门，用于控制上述气化过程。一般在煤的气化要求的高温、高压下，多数阀门势必会被悬浮固体严重腐蚀。在使用本旋风分离器时，可以使载固体反应产物沿切线流动，因此杂质固体就象它们在普通旋风分离器中那样向外旋转。但是，在使用本系统时，通过简单垂直移动涡流稳定器，可以控制相对干净的再循环气体流过上部出口，使旋风分离器作为涡流阀使用，同时使杂质固体向下并随富含粒子气流排出。
在将要使悬浮于大量气体中的大量固体粒子分离的地方，例如通常在催化裂化和各种其它生产工艺中。在各个分离器接收一部分来自总管的载固体流和已分离固体排入公共装料斗的情况下，常常并联运行一组旋风分离器。例如，常常见到8个旋风分离器由一据总管相连，以接收来自再生器的载催化剂废气。在这种运行中，向每个旋风分离器等量进料是困难的，从某些旋风分离器捕集的固体，往往流过装料斗并通过其它旋风分离器流回废气中。然而，在使用本旋风分离器时，不中断运行也可以调节涡流稳定器，以便控制并联运行分离器之间的分流。
一般来说，对分散于气态或液态流体中的固态、液态或气态粒子进行分离时，本发明是有效的，上述流体的密度不同于粒子的密度。本发明可以用于控制贫化或富含粒子流体的潜流和溢流之间的分流。特别是在分离器涡流室以下的室中包括潜流的地方通过改变旋风分离器两端的压降，可将本发明作为阀门而用于控制含有磨蚀性粒子流体的流量，或以可避免任何实际磨损腐蚀的方式终止其流动。
权利要求
1.分散于与粒子密度不同的流体中的粒子悬浮物分离方法，其特征在于上述悬浮物流流入旋风分离器的通常为直园柱体的涡流室，该涡流室包括上、下部流体出口孔和可移动的涡流稳定器，因此进入流体在涡流稳定器上方处形成涡流；由离心力和重力的作用而使悬浮物中较重的组分沿径向向外并向下运动，从而使富含较重组分的流体从下部出口排出，同时较重组分贫化流体则从上部出口排出；通过使涡流稳定器朝向或离开上部流体排出口的运动，改变旋风分离器两端的压降或者同时改变上述压降和流体分别通过上、下部流量的比例。
2.旋风分离器，其特征在于，它包括容纳涡流的直园柱体室;可使包含不同物相和密度的不连续和分散组分的流体沿切线流入上述涡流室的装置，以形成一个使进入流体中较重的组分相对于较轻的组分沿径向向外抛和向下运动的涡流;设在上述涡流室顶部或其附近处的较重组分贫化流体出口装置;安装于上述涡流室之中的可移动涡流稳定器装置，其安装位置能够稳定上述涡流;可从上述涡流室外部进行操纵的装置，该装置用于使上述涡流稳定装置朝向或离开上述最上部流体出口装置运动。
3.一组并联运行的旋风分离器操作方法，此组旋风分离器中的每一台均接受一部分悬浮粒子流体，此流体的密度与所载的悬浮粒子密度不同，此操作方法的特征在于在上述并联运行的旋风分离器组中至少联接有一台如权利要求
2所定义那种旋风分离器，而在至少一台上述并联运行的旋风分离器中，使至少一个可移动的涡流稳定器运动至某一位置，从而使通过上述各个并联旋风分离器的至少一个排出口的流体流量，基本上等于至少另一个上述并联旋风分离器的出口流量。
4.为使权利要求
2所定义的典型旋风分离器性能最佳化的方法，其特征在于，移动上述涡流稳定装置至离最上部流体出口处某一位置，以使在进入流体的压力基本相同的条件下，进入流体中分离出的悬浮粒子多于涡流稳定装置在另一不同位置时从同一进入流体中分离出来的悬浮离子。
5.如同权利要求
1所要求的方法，其特征在于，在使流体移动通过旋风分离器所提供的压力没有明显增加时，通过使涡流稳定器移近流体出口，基本上终止通过上部排出口的流体。
6.如同权利要求
5所要求的方法，其特征在于，进入流体含有煤的气化过程中产生的悬浮粒子气体。
7.如同权利要求
1所要求的方法，其特征在于，进入流体是固体粒子气态悬浮物。
8.如同权利要求
1所要求的方法，其特征在于，进入流体是较悬浮粒子轻的液滴液态悬浮物。
9.如同权利要求
1所要求的方法，其特征在于，进入流体是较气体更重的液滴气态悬浮物。
10.如同权利要求
1所要求的方法，其特征在于，进入流体是较液体更重的固体粒子液态悬浮物。
专利摘要
本发明涉及用于改变正在运行的分离器两端的压降而不中断运行或不明显降低运行效率的方法和设备。载有较其自身重的悬浮粒子流体，沿切线流入通常为圆柱体涡流室的上部，因此粒子由于径向向外和朝向底部粒子出口的向下运动而被分离，而经净化的流体则流向顶部排出口。在不中断分离器内流体和粒子流动时，通过使涡流稳定器朝向或离开流体出口孔运动，增加或减少分离器两端的压降。
文档编号B04C5/28GK85105962SQ85105962
公开日1987年2月25日 申请日期1985年8月6日
发明者托马斯·肖恩·迪维茨 申请人:国际壳牌研究有限公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan