两相旋流分离装置及分离方法 |
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| 申请号 | CN202311192564.5 | 申请日 | 2023-09-15 | 公开(公告)号 | CN117282555A | 公开(公告)日 | 2023-12-26 |
| 申请人 | 大连理工大学; | 发明人 | 彭冲; 孙培亮; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供一种两相旋流分离装置及分离方法，装置包括： 旋流分离器 底 流管 、旋流器锥体、旋流器圆筒、旋流器入口、旋流器溢流管和循环流导流管，所述循环流导流管设置在旋流器圆筒的内部，所述旋流器圆筒的底部与旋流器锥体相通，顶部侧面连接的旋流器入口作为 流体 进口，顶部与旋流器溢流管相连；所述旋流器锥体下方设置的旋流分离器底流管作为外旋流出口。本发明能够优化改进旋流分离器内部流场，尤其是循环流的流场，扩大循环流的区域，提高两相分离效率。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种两相旋流分离装置，其特征在于，包括：旋流分离器底流管(1)、旋流器锥体(2)、旋流器圆筒(3)、旋流器入口(4)、旋流器溢流管(5)和循环流导流管(6)，所述循环流导流管(6)设置在旋流器圆筒(3)的内部，所述旋流器圆筒(3)的底部与旋流器锥体(2)相通，顶部侧面连接的旋流器入口(4)作为流体进口，顶部与旋流器溢流管(5)相连；所述旋流器锥体(2)下方设置的旋流分离器底流管(1)作为外旋流出口。 |
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| 说明书全文 | 两相旋流分离装置及分离方法技术领域[0001] 本发明涉及旋流分离技术领域，具体而言，尤其涉及一种两相旋流分离装置及分离方法。 背景技术[0002] 旋流分离器是一种用于气固体系或者液固体系的分离装置，被广泛应用于化工、冶金、建材、环保等领域中。传统的旋流分离器内部流动有内旋流、外旋流、循环流和短路流。进入旋流器的流体首先按螺旋线向下运动，形成外旋流。流体进入下部的倒锥体后轴向横截面逐渐缩小，流体继续向下运动排出底流口的阻力增加。在到达底流口附近时，大量流体开始向流场内侧迁移，并改变运动方向，沿螺旋线在旋流器中心区域向上运动，形成内旋流。内旋流和外旋流具有相同的旋转方向(切向速度)，而轴向运动方向相反。最终，内旋流携带着细和轻颗粒从溢流管流出；粗和重颗粒则随着外旋流从底流口排出。 [0003] 除外旋流和内旋流，旋流器内还存在着短路流和循环流，这两种流动形式亦是旋流流场的重要特征，对旋流分离性能具有重要影响。由于溢流管无法将向上流动的内旋流全部排出，进而形成溢流管壁和旋流器壁之间循环流。循环流中包含了约30％～60％的中等和细颗粒，中等粒径颗粒进入循环流的概率最高，而粗颗粒进入循环流的可能性最低。一般情况下，循环流能够产生二次分离作用，具有改善旋流分离性能的效果，但是目前工业应用中还缺乏对循环流的改进利用。因此对旋流分离器的结构进行优化改进，从而增强分离器内部的循环流，能够实现气固或液固两相的分离效率提升。 发明内容[0004] 根据上述提出的技术问题，而提供一种两相旋流分离装置及分离方法。 [0005] 本发明采用的技术手段如下： [0006] 一种两相旋流分离装置，包括：旋流分离器底流管、旋流器锥体、旋流器圆筒、旋流器入口、旋流器溢流管和循环流导流管，所述循环流导流管设置在旋流器圆筒的内部，所述旋流器圆筒的底部与旋流器锥体相通，顶部侧面连接的旋流器入口作为流体进口，顶部与旋流器溢流管相连；所述旋流器锥体下方设置的旋流分离器底流管作为外旋流出口。 [0007] 进一步地，所述循环流导流管为渐缩渐扩管。 [0008] 进一步地，所述循环流导流管包括内部连通且同轴设置的导流渐扩管、导流管中段和导流渐缩管，所述导流管中段的两端与导流渐扩管和导流渐缩管相连，所述导流渐扩管为朝向旋流器溢流管渐扩的圆台结构，导流渐扩管上远离导流管中段的一端为出口；所述导流渐缩管为朝向导流管中段渐缩的圆台结构，导流渐缩管上远离导流管中段的一端为入口。 [0009] 进一步地，所述导流渐扩管的渐扩角为0～30°，导流渐扩管的出口截面积与旋流器圆筒的横截面积之比为0.1～0.6。 [0010] 进一步地，所述导流渐缩管的渐缩角为0～45°，导流渐缩管的入口截面积与旋流器圆筒的横截面积之比为0.1～0.75。 [0011] 进一步地，所述导流管中段的内径与旋流器圆筒的内径之比为0.1～0.4。 [0012] 本发明还提供了一种两相旋流分离装置的分离方法，包括如下步骤： [0013] 流体从旋流器入口进入旋流器圆筒，形成的外旋流向下经过旋流器锥体，携带粗重颗粒由旋流分离器底流管排出；形成的内旋流在旋流器锥体处向上运动，旋流器溢流管无法将向上流动的内旋流全部排出，进而形成溢流管壁和旋流器壁之间循环流，内旋流与循环流一起经过循环流导流管后，流体流场得到调节，旋流器圆筒内部的循环流得到增强，循环流的二次分离作用增强；经过二次分离作用后的内旋流携带细小颗粒经过旋流器溢流管排出。 [0015] 进一步地，循环流的流量与进入旋流器入口的流体流量之比为0.01～0.2，流体携带的颗粒平均粒径不大于5mm，颗粒体积分数不大于25％。 [0016] 进一步地，所述分离方法的分离对象为气固两相流或液固两相流。 [0017] 较现有技术相比，本发明具有以下优点： [0018] 1、本发明能够优化改进旋流分离器内部流场，尤其是循环流的流场，扩大循环流的区域，提高两相分离效率。 [0019] 2、本发明只需在传统旋流分离器上进行微小结构改动，改造与维护成本低，应用领域广泛，有很强的实用性。 [0020] 3、本发明设置有循环流导流管，内旋流与循环流一起经过循环流导流管后，流体流场得到调节，旋流器圆筒3内部的循环流得到增强，循环流的二次分离作用增强。经过二次分离作用后的内旋流携带细小颗粒经过旋流器溢流管排出。 [0022] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 [0023] 图1为本发明所述旋流分离器结构示意图。 [0024] 图2为本发明所述经过循环流导流管的扩大循环流示意图。 [0025] 图3为本发明所述循环流导流管示意图。 [0026] 图中：1、旋流分离器底流管；2、旋流器锥体；3、旋流器圆筒；4、旋流器入口；5、旋流器溢流管；6、循环流导流管；7、导流渐扩管；8、导流管中段；9、导流渐缩管；α、导流渐扩管的渐扩角；β、导流渐缩管的渐缩角。 具体实施方式[0027] 需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。 [0028] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 [0029] 需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。 [0030] 除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。 [0031] 在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。 [0032] 为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。 [0034] 如图1‑3所示，本发明提供了一种两相旋流分离装置及分离方法。本发明对旋流分离器的结构进行优化改进，增强了分离器内部的循环流，能够实现气固或液固两相的分离效率提升。 [0035] 为了改进现有旋流分离器，本发明目的之一是提供一种基于扩大循环流的两相旋流分离装置，在该装置内能够实现循环流流场增强，提升旋流分离器的两相分离效率。 [0036] 一种基于扩大循环流的两相旋流分离装置，包括旋流分离器底流管1、旋流器锥体2、旋流器圆筒3、旋流器入口4、旋流器溢流管5和循环流导流管6，所述旋流器圆筒3底部与旋流器锥体2相通，顶部侧面连接旋流器入口4作为流体进口，顶部与旋流器溢流管5相连，旋流器锥体2下方设置旋流分离器底流管1作为外旋流出口。 [0037] 所述旋流器圆筒3内部设有循环流导流管6，所述循环流导流管6为渐缩渐扩管，结构自上而下为导流渐扩管7、导流管中段8、导流渐缩管9。所述循环流导流管6的上部为导流渐扩管7，导流渐扩管7的渐扩角α为0～30°，导流渐扩管7出口截面积与旋流器圆筒3横截面积之比为0.1～0.6。所述循环流导流管6的下部为导流渐缩管9，导流渐缩管9的渐缩角β为0～45°，导流渐缩管9入口截面积与旋流器圆筒3横截面积之比为0.1～0.75。所述循环流导流管6的中部为导流管中段8，导流管中段8内径与旋流器圆筒3的内径之比为0.1～0.4。 [0038] 本发明目的之二是提供一种基于扩大循环流的两相分离方法，提供具有旋流分离器底流管1、旋流器锥体2、旋流器圆筒3、旋流器入口4、旋流器溢流管5和循环流导流管6的两相分离装置，所述两相分离装置内的循环流导流管6为渐缩渐扩管，由上而下的结构为导流渐扩管7、导流管中段8和导流渐缩管9。流体从旋流器入口4进入旋流器圆筒3，形成的外旋流向下经过旋流器锥体2，携带粗重颗粒由旋流分离器底流管1排出；形成的内旋流在旋流器锥体2处向上运动。所述旋流器溢流管5无法将向上流动的内旋流全部排出，进而形成溢流管壁和旋流器壁之间循环流。内旋流与循环流一起经过循环流导流管6后，流体流场得到调节，旋流器圆筒3内部的循环流得到增强，循环流的二次分离作用增强。经过二次分离作用后的内旋流携带细小颗粒经过旋流器溢流管5排出。 [0039] 所述两相分离方法的分离对象是气固两相流或液固两相流。内旋流与循环流从所述循环流导流管6内自下而上流过，循环流从所述循环流导流管6外自上而下流过，形成穿过所述循环流导流管6的扩大流动循环。循环流的流量与进入旋流器入口4的流体流量之比为0.01～0.2。流体携带的颗粒平均粒径不大于5mm，颗粒体积分数不大于25％。 [0040] 本发明的目的之三是提供一种上述系统或方法在化工、冶金、建材、环保等两相分离领域的应用。 [0041] 实施例1 [0042] 分离流程如下：流体从旋流器入口4进入旋流器圆筒3，形成的外旋流向下经过旋流器锥体2，携带粗重颗粒由旋流分离器底流管1排出；形成的内旋流在旋流器锥体2处向上运动。旋流器溢流管5无法将向上流动的内旋流全部排出，进而形成溢流管壁和旋流器圆筒壁之间循环流。内旋流与循环流一起经过循环流导流管6后，流体流场得到调节，旋流器圆筒3内部的循环流得到增强，循环流的二次分离作用增强。经过二次分离作用后的内旋流携带细小颗粒经过旋流器溢流管5排出，完成分离。 [0043] 实验选用粉煤，破碎筛分得到5mm以下的固体颗粒。对于循环流导流管6，其导流渐扩管7的渐扩角为20°，出口截面积与旋流器圆筒3横截面积之比为0.5；其导流渐缩管9的渐缩角为30°，入口截面积与旋流器圆筒3横截面积之比为0.5；其导流管中段8的内径与旋流器圆筒3的内径之比为0.3。旋流器入口4的流体流速为3.5m/s，携带的颗粒体积分率为7.8％。实验结果显示两相分离装置的底流颗粒体积分率为37.6％，溢流的颗粒体积分率为 0.75％。 [0044] 实施例2 [0045] 分离流程如下：流体从旋流器入口4进入旋流器圆筒3，形成的外旋流向下经过旋流器锥体2，携带粗重颗粒由旋流分离器底流管1排出；形成的内旋流在旋流器锥体2处向上运动。旋流器溢流管5无法将向上流动的内旋流全部排出，进而形成溢流管壁和旋流器圆筒壁之间循环流。内旋流与循环流一起经过循环流导流管6后，流体流场得到调节，旋流器圆筒3内部的循环流得到增强，循环流的二次分离作用增强。经过二次分离作用后的内旋流携带细小颗粒经过旋流器溢流管5排出，完成分离。 [0046] 实验选用粉煤，破碎筛分得到5mm以下的固体颗粒。对于循环流导流管6，其导流渐扩管7的渐扩角为20°，出口截面积与旋流器圆筒3横截面积之比为0.5；其导流渐缩管9的渐缩角为30°，入口截面积与旋流器圆筒3横截面积之比为0.4；其导流管中段8的内径与旋流器圆筒3的内径之比为0.3。旋流分离器入口4的流体流速为4.2m/s，携带的颗粒体积分率为11.2％。实验结果显示两相分离装置的底流颗粒体积分率为40.1％，溢流的颗粒体积分率为1.02％。 [0047] 实施例3 [0048] 分离流程如下：流体从旋流器入口4进入旋流器圆筒3，形成的外旋流向下经过旋流器锥体2，携带粗重颗粒由旋流分离器底流管1排出；形成的内旋流在旋流器锥体2处向上运动。旋流器溢流管5无法将向上流动的内旋流全部排出，进而形成溢流管壁和旋流器圆筒壁之间循环流。内旋流与循环流一起经过循环流导流管6后，流体流场得到调节，旋流器圆筒3内部的循环流得到增强，循环流的二次分离作用增强。经过二次分离作用后的内旋流携带细小颗粒经过旋流器溢流管5排出，完成分离。 [0049] 实验选用粉煤，破碎筛分得到5mm以下的固体颗粒。对于循环流导流管6，其导流渐扩管7的渐扩角为20°，出口截面积与旋流器圆筒3横截面积之比为0.4；其导流渐缩管9的渐缩角为30°，入口截面积与旋流器圆筒3横截面积之比为0.5；其导流管中段8的内径与旋流器圆筒3的内径之比为0.3。旋流分离器入口4的流体流速为5.7m/s，携带的颗粒体积分率为1.6％。实验结果显示两相分离装置的底流颗粒体积分率为20.3％，溢流的颗粒体积分率为 0.04％。 [0050] 实施例4 [0051] 分离流程如下：流体从旋流器入口4进入旋流器圆筒3，形成的外旋流向下经过旋流器锥体2，携带粗重颗粒由旋流分离器底流管1排出；形成的内旋流在旋流器锥体2处向上运动。旋流器溢流管5无法将向上流动的内旋流全部排出，进而形成溢流管壁和旋流器圆筒壁之间循环流。内旋流与循环流一起经过循环流导流管6后，流体流场得到调节，旋流器圆筒3内部的循环流得到增强，循环流的二次分离作用增强。经过二次分离作用后的内旋流携带细小颗粒经过旋流器溢流管5排出，完成分离。 [0052] 实验选用粉煤，破碎筛分得到5mm以下的固体颗粒。对于循环流导流管6，其导流渐扩管7的渐扩角为20°，出口截面积与旋流器圆筒3横截面积之比为0.5；其导流渐缩管9的渐缩角为30°，入口截面积与旋流器圆筒3横截面积之比为0.5；其导流管中段8的内径与旋流器圆筒3的内径之比为0.4。旋流分离器入口4的流体流速为3.8m/s，携带的颗粒体积分率为5.5％。实验结果显示两相分离装置的底流颗粒体积分率为22.3％，溢流的颗粒体积分率为 0.51％。 [0053] 实施例5 [0054] 分离流程如下：流体从旋流器入口4进入旋流器圆筒3，形成的外旋流向下经过旋流器锥体2，携带粗重颗粒由旋流分离器底流管1排出；形成的内旋流在旋流器锥体2处向上运动。旋流器溢流管5无法将向上流动的内旋流全部排出，进而形成溢流管壁和旋流器圆筒壁之间循环流。内旋流与循环流一起经过循环流导流管6后，流体流场得到调节，旋流器圆筒3内部的循环流得到增强，循环流的二次分离作用增强。经过二次分离作用后的内旋流携带细小颗粒经过旋流器溢流管5排出，完成分离。 [0055] 实验选用粉煤，破碎筛分得到5mm以下的固体颗粒。对于循环流导流管6，其导流渐扩管7的渐扩角为20°，出口截面积与旋流器圆筒3横截面积之比为0.5；其导流渐缩管9的渐缩角为30°，入口截面积与旋流器圆筒3横截面积之比为0.5；其导流管中段8的内径与旋流器圆筒3的内径之比为0.3。旋流分离器入口4的流体流速为2.6m/s，携带的颗粒体积分率为1.5％。实验结果显示两相分离装置的底流颗粒体积分率为16.2％，溢流的颗粒体积分率为 0.13％。 [0056] 实施例6 [0057] 分离流程如下：流体从旋流器入口4进入旋流器圆筒3，形成的外旋流向下经过旋流器锥体2，携带粗重颗粒由旋流分离器底流管1排出；形成的内旋流在旋流器锥体2处向上运动。旋流器溢流管5无法将向上流动的内旋流全部排出，进而形成溢流管壁和旋流器圆筒壁之间循环流。内旋流与循环流一起经过循环流导流管6后，流体流场得到调节，旋流器圆筒3内部的循环流得到增强，循环流的二次分离作用增强。经过二次分离作用后的内旋流携带细小颗粒经过旋流器溢流管5排出，完成分离。 [0058] 实验选用粉煤，破碎筛分得到5mm以下的固体颗粒。对于循环流导流管6，其导流渐扩管7的渐扩角为20°，出口截面积与旋流器圆筒3横截面积之比为0.5；其导流渐缩管9的渐缩角为30°，入口截面积与旋流器圆筒3横截面积之比为0.5；其导流管中段8的内径与旋流器圆筒3的内径之比为0.3。旋流分离器入口4的流体流速为1.7m/s，携带的颗粒体积分率为7.8％。实验结果显示两相分离装置的底流颗粒体积分率为21.6％，溢流的颗粒体积分率为 1.66％。 [0059] 对比例1 [0060] 分离流程如下：流体从旋流器入口4进入旋流器圆筒3，形成的外旋流向下经过旋流器锥体2，携带粗重颗粒由旋流分离器底流管1排出；形成的内旋流在旋流器锥体2处向上运动。旋流器溢流管5无法将向上流动的内旋流全部排出，进而形成溢流管壁和旋流器圆筒壁之间循环流。内旋流携带细小颗粒经过旋流器溢流管5排出，完成分离。 [0061] 实验选用粉煤，破碎筛分得到5mm以下的固体颗粒。旋流分离器入口4的流体流速为3.4m/s，携带的颗粒体积分率为7.8％。实验结果显示两相分离装置的底流颗粒体积分率为32.3％，溢流的颗粒体积分率为1.57％。结果详见表1。 [0062] 对比例2 [0063] 分离流程如下：流体从旋流器入口4进入旋流器圆筒3，形成的外旋流向下经过旋流器锥体2，携带粗重颗粒由旋流分离器底流管1排出；形成的内旋流在旋流器锥体2处向上运动。旋流器溢流管5无法将向上流动的内旋流全部排出，进而形成溢流管壁和旋流器圆筒壁之间循环流。内旋流携带细小颗粒经过旋流器溢流管5排出，完成分离。 [0064] 实验选用粉煤，破碎筛分得到5mm以下的固体颗粒。旋流分离器入口4的流体流速为4.4m/s，携带的颗粒体积分率为9.6％。实验结果显示两相分离装置的底流颗粒体积分率为27.9％，溢流的颗粒体积分率为2.54％。结果详见表1。 [0065] 对比例3 [0066] 分离流程如下：流体从旋流器入口4进入旋流器圆筒3，形成的外旋流向下经过旋流器锥体2，携带粗重颗粒由旋流分离器底流管1排出；形成的内旋流在旋流器锥体2处向上运动。旋流器溢流管5无法将向上流动的内旋流全部排出，进而形成溢流管壁和旋流器圆筒壁之间循环流。内旋流携带细小颗粒经过旋流器溢流管5排出，完成分离。 [0067] 实验选用粉煤，破碎筛分得到5mm以下的固体颗粒。旋流分离器入口4的流体流速为2.4m/s，携带的颗粒体积分率为1.6％。实验结果显示两相分离装置的底流颗粒体积分率为14.0％，溢流的颗粒体积分率为0.52％。结果详见表1。 [0068] 表1实验结果 [0069] [0070] R1：渐扩管出口截面积与旋流器圆筒横截面积之比；R2：渐缩管入口截面积与旋流器圆筒横截面积之比；R3：导流管中段的内径与旋流器圆筒的内径之比。 [0071] 最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。 |
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