ТУРБОЦИКЛОН Российский патент 2005 года по МПК B04C3/06 B01D45/14 

Изобретение относится к области разделения жидких гетерогенных систем, в частности к турбоциклонам для разделения суспензий, и может быть использовано в химической, пищевой, медицинской и других отраслях промышленности.

Известен турбоциклон (а.с. 1645019 СССР, МКП В 03 В 5/34, В 04 С 9/00. Опубл. 30.04.91, БИ № 16), содержащий импеллер, закрепленный на сливном патрубке корпуса, установленном с возможностью вращения, снабженном спиралью, закрепленной на внутренней поверхности сливного патрубка и имеющей направление витков, противоположное направлению вращения сливного патрубка.

Возврат наиболее крупных достигших стенки частиц спиралью из сливного патрубка в разделительную камеру ведет к нарастанию их концентрации и проходу части из них через сливной патрубок, следовательно, разделительная способность такого турбоциклона не может быть высокой.

Известен турбоциклон (а.с. 633610 СССР, МКП В 04 С 3/06. Опубл. 25.11.78, БИ № 43), включающий импеллер, снабженный установленными на его нагнетательной стороне лопастями, загнутыми по направлению вращения потока, площадь которых уменьшается к оси корпуса.

В турбоциклоне данной конструкции установка лопастей приводит к дополнительной турбулизации потока, что снижает разделительную способность.

Известен турбоциклон (а.с. 1655579 СССР, МКП В 04 С 5/02. Опубл. 15.06.91, БИ № 22), содержащий центробежное колесо, установленное с кольцевым зазором относительно корпуса, снабженный направляющим аппаратом, примыкающим тангенциально к стенкам корпуса и выполненным в виде нескольких спиральных отводов с каналами.

Выполнение направляющего аппарата в виде нескольких спиральных отводов с каналами приводит к неравномерному распределению суспензии в рабочем пространстве турбоциклона в окружном направлении, что снижает разделительную способность аппарата.

Известен турбоциклон (а.с. 971497 СССР, МКП В 04 С 5/30. Опубл. 07.11.82, БИ № 41), содержащий установленный внутри корпуса завихритель, снабженный кольцевой системой пустотелых лопаток, установленной на крышке корпуса соосно с завихрителем.

Недостаток данной конструкции состоит в том, что для обеспечения эффективной сепарации выходную кромку пустотелой лопатки необходимо располагать на расстоянии от стенки корпуса, равном максимально возможной толщине пленки суспензии в турбоциклоне. Ввиду того, что толщина пленки суспензии в турбоциклоне зависит от режима его работы, выполнить это требование для всех режимов работы турбоциклона является затруднительным, что приводит к снижению разделительной способности.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является турбоциклон (а.с. 1623768 СССР, МКП В 04 С 3/06. Опубл. 30.01.91, БИ № 4), содержащий импеллер, установленный в корпусе, снабженный жалюзийными регуляторами, позволяющими стабилизировать скорость ввода суспензии в импеллер при изменении производительности турбоциклона.

Однако данная конструкция не обеспечивает стабилизации скорости выхода суспензии из импеллера в рабочее пространство турбоциклона при изменении производительности ввиду постоянства зазора между элементами импеллера, что приводит к нарушению гидродинамического режима работы аппарата. Неподвижность верхнего элемента импеллера, а также неполное заполнение суспензией зазора при снижении производительности приводят к неравномерности и отсутствию сплошности потока после выхода из импеллера, которая усиливается ввиду установки на нижнем элементе импеллера направляющих ребер. В результате этого нарушается режим струйного истечения суспензии из импеллера. При ударе вышедшей из зазора импеллера суспензии о вертикальную стенку корпуса образуются турбулентные завихрения в пространстве корпуса выше импеллера, что препятствует процессу разделения. Таким образом, отсутствие оптимального гидродинамического режима работы аппарата приводит к снижению его разделительной способности.

Задачей изобретения является создание конструкции турбоциклона для разделения суспензий, обеспечивающего высокую разделительную способность.

Техническим результатом, который может быть получен при осуществлении изобретения, является создание радиального распределения осевой составляющей скорости в пленке суспензии, стекающей по стенке корпуса аппарата, обеспечивающего для данного фракционного состава твердой фазы суспензии оптимальное распределение времени пребывания частиц различной степени крупности в зоне разделения, что обеспечивает высокую разделительную способность турбоциклона.

Указанный технический результат достигается тем, что в турбоциклоне, содержащем корпус с входным, песковым и сливным патрубками и импеллер, импеллер выполнен в виде двух дисков, расположенных концентрично корпусу и перпендикулярно его оси, имеющих возможность вращения с разными угловыми скоростями в одном направлении, причем верхний диск жестко закреплен на входном патрубке, установленном с возможностью вращения, а нижний диск жестко закреплен на валу и имеет возможность перемещения вдоль оси корпуса, и турбоциклон снабжен направляющим элементом, жестко закрепленным на стенке корпуса, выполненным в виде кольца, боковая поверхность которого имеет криволинейный профиль с выпуклостью по направлению к вертикальной стенке корпуса и плавно сопряжена с ней, а диаметр горизонтального сечения кольца увеличивается по высоте аппарата в направлении движения суспензии.

Предложено выполнить в турбоциклоне импеллер в виде двух дисков, расположенных концентрично корпусу и перпендикулярно его оси, имеющих возможность вращения с разными угловыми скоростями в одном направлении, установить нижний диск импеллера с возможностью перемещения в направлении оси корпуса и расположить в корпусе турбоциклона направляющий элемент.

Выполнение направляющего элемента в виде кольца, боковая поверхность которого имеет криволинейный профиль с выпуклостью по направлению к вертикальной стенке корпуса и плавно сопряжена с ней, с диаметром горизонтального сечения кольца, увеличивающимся по высоте аппарата в направлении движения суспензии, позволяет существенно снизить турбулентные пульсации при натекании струи суспензии на направляющий элемент и создает однонаправленный закрученный поток суспензии на стенке в осевом направлении.

После выхода суспензии из зазора импеллера возникает плоская веерообразная струя, натекающая на направляющий элемент, жестко закрепленный на стенке корпуса. При натекании струи суспензии на направляющий элемент наиболее крупные частицы твердой фазы отбрасываются к стенке, в результате чего происходит предварительная инерционная сепарация, существенно повышающая разделительную способность турбоциклона.

При струйном натекании суспензии на направляющий элемент создается избыточное давление, которое повышает коэффициент наполненности (отношение среднего значения составляющей скорости к максимальному в данном сечении) радиального распределения осевой составляющей скорости в пленке суспензии, стекающей по стенке корпуса и, таким образом, увеличивает время пребывания в зоне разделения наиболее мелких частиц твердой фазы, расположенных в области максимальных значений окружной составляющей скорости у поверхности пленки, в результате чего повышается разделительная способность турбоциклона.

Возможность вращения дисков импеллера с разными угловыми скоростями в одном направлении позволяет влиять на распределение радиальной составляющей скорости в струе суспензии, выходящей из импеллера, так как интенсивность поля центробежных сил, действующего на суспензию в зазоре между дисками импеллера в радиальном направлении, зависит от окружной составляющей скорости суспензии, которая в основном определяется угловой скоростью близлежащего диска импеллера, увлекающего за собой суспензию в зазоре в окружном направлении вследствие поверхностного прилипания к диску и вязкого трения в потоке. При натекании струи суспензии, вышедшей из импеллера, на направляющий элемент осевое распределение радиальной составляющей скорости в струе суспензии определяет распределение избыточного давления в пленке суспензии и соответственно коэффициент наполненности радиального распределения осевой составляющей скорости в пленке суспензии, стекающей по стенке корпуса. Регулируя угловые скорости вращения верхнего и нижнего дисков импеллера в зависимости от фракционного состава твердой фазы суспензии, можно добиться повышения разделительной способности турбоциклона путем воздействия на радиальное распределение осевой составляющей скорости в пленке суспензии и соответственно на распределение времени пребывания в зоне разделения частиц твердой фазы различной степени крупности.

Возможность перемещения нижнего диска импеллера в направлении оси корпуса позволяет регулировать проходное сечение импеллера в зависимости от производительности турбоциклона и таким образом поддерживать режим струйного натекания суспензии, вышедшей из импеллера, на направляющий элемент при изменении производительности турбоциклона.

Возможность одновременного независимого регулирования угловой скорости дисков импеллера и зазора между ними позволяет обеспечить оптимальные параметры струи для данного фракционного состава твердой фазы разделяемой суспензии, создающие оптимальное распределение времени пребывания в зоне разделения частиц твердой фазы различной степени крупности и повысить разделительную способность турбоциклона.

На фиг.1 изображен турбоциклон предлагаемой конструкции, общий вид, разрез; на фиг.2 - направляющий элемент; на фиг.3 - разрез направляющего элемента.

Турбоциклон содержит корпус 1 с входным 2, песковым 3 и сливным 4 патрубками и импеллер, выполненный в виде двух дисков 5 и 6, расположенных концентрично корпусу и перпендикулярно его оси. Диски 5 и 6 имеют возможность вращения с разными угловыми скоростями в одном направлении. Верхний диск 5 импеллера имеет возможность вращения вокруг оси и жестко закреплен на входном патрубке 2, установленном с возможностью вращения концентрично корпусу 1 турбоциклона. Нижний диск 6 установлен с возможностью осевого перемещения и жестко закреплен на валу 7, установленном концентрично входному патрубку 2. Турбоциклон снабжен направляющим элементом 8, жестко закрепленным на стенке корпуса 1.

Турбоциклон работает следующим образом. Разделяемая суспензия подается по входному патрубку 2 в пространство между дисками 5 и 6 импеллера, где приобретает окружную составляющую скорости вследствие поверхностного прилипания к вращающимся дискам 5 и 6 и вязкого трения в потоке. Под действием центробежной силы на суспензию в зазоре между дисками 5 и 6 импеллера при выходе суспензии из зазора в рабочее пространство турбоциклона создается плоская веерообразная струя, натекающая на поверхность направляющего элемента 8.

Направляющий элемент 8 выполнен в виде кольца, боковая поверхность которого имеет криволинейный профиль с выпуклостью по направлению к вертикальной стенке корпуса и плавно сопряжена с ней, с диаметром горизонтального сечения, увеличивающимся по высоте аппарата в направлении движения суспензии, что позволяет существенно снизить турбулентные пульсации при натекании струи суспензии на направляющий элемент и создает однонаправленный закрученный поток суспензии на стенке в осевом направлении.

Возможность вращения дисков 5 и 6 импеллера с разными угловыми скоростями в одном направлении позволяет влиять на распределение радиальной составляющей скорости в струе суспензии, выходящей из импеллера, так как интенсивность поля центробежных сил, действующего на суспензию в зазоре между дисками 5 и 6 импеллера в радиальном направлении, зависит от окружной составляющей скорости суспензии, которая в основном определяется угловой скоростью близлежащего диска импеллера, увлекающего за собой суспензию в зазоре вследствие поверхностного прилипания к диску и вязкого трения в потоке.

При натекании струи суспензии, вышедшей из импеллера, на направляющий элемент 8 наиболее крупные частицы твердой фазы отбрасываются к стенке, в результате чего происходит предварительная инерционная сепарация, существенно повышающая разделительную способность турбоциклона. Осевое распределение радиальной составляющей скорости в струе суспензии, вышедшей из импеллера, определяет распределение избыточного давления и соответственно коэффициент наполненности радиального распределения осевой составляющей скорости в пленке суспензии, стекающей по стенке корпуса 1. В результате этого увеличивается время пребывания в зоне разделения наиболее мелких частиц твердой фазы, расположенных в области максимальных значений окружной составляющей скорости у поверхности пленки, и повышается разделительная способность турбоциклона.

Регулируя угловые скорости дисков 5 и 6 импеллера в зависимости от фракционного состава твердой фазы суспензии, можно добиться повышения разделительной способности турбоциклона путем воздействия на радиальное распределение осевой составляющей скорости в пленке суспензии и соответственно на распределение времени пребывания в зоне разделения частиц твердой фазы различной степени крупности. Возможность перемещения нижнего диска 6 импеллера в направлении оси корпуса позволяет регулировать зазор Н между дисками 5 и 6 импеллера и его проходное сечение в зависимости от производительности турбоциклона и таким образом поддерживать режим струйного натекания суспензии, вышедшей из импеллера, на направляющий элемент 8 при изменении производительности турбоциклона.

Возможность одновременного независимого регулирования угловой скорости дисков 5 и 6 импеллера и зазора Н между ними позволяет обеспечить оптимальные параметры струи для данного фракционного состава твердой фазы разделяемой суспензии, создающие оптимальное распределение времени пребывания в зоне разделения частиц твердой фазы различной степени крупности и повысить разделительную способность турбоциклона.

Изобретение относится к области разделения жидких гетерогенных систем, в частности к турбоциклонам для разделения суспензий, и может быть использовано в химической, пищевой, медицинской и других отраслях промышленности. Турбоциклон содержит корпус с входным, песковым и сливным патрубками и импеллер. Импеллер выполнен в виде двух дисков, расположенных концентрично корпусу и перпендикулярно его оси, имеющих возможность вращения с разными угловыми скоростями в одном направлении, причем верхний диск жестко закреплен на входном патрубке, установленном с возможностью вращения, а нижний диск жестко закреплен на валу и имеет возможность перемещения вдоль оси корпуса. Турбоциклон снабжен направляющим элементом, жестко закрепленным на стенке корпуса, выполненным в виде кольца, боковая поверхность которого имеет криволинейный профиль с выпуклостью по направлению к вертикальной стенке корпуса и плавно сопряжена с ней, а диаметр горизонтального сечения кольца увеличивается по высоте аппарата в направлении движения суспензии. Техническим результатом является обеспечение высокой разделительной способности турбоциклона. 3 ил.

Турбоциклон, содержащий корпус с входным, песковым и сливным патрубками и импеллер, отличающийся тем, что импеллер выполнен в виде двух дисков, расположенных концентрично корпусу и перпендикулярно его оси, имеющих возможность вращения с разными угловыми скоростями в одном направлении, причем верхний диск жестко закреплен на входном патрубке, установленном с возможностью вращения, а нижний диск жестко закреплен на валу и имеет возможность перемещения вдоль оси корпуса, и турбоциклон снабжен направляющим элементом, жестко закрепленным на стенке корпуса, выполненным в виде кольца, боковая поверхность которого имеет криволинейный профиль с выпуклостью по направлению к вертикальной стенке корпуса и плавно сопряжена с ней, а диаметр горизонтального сечения кольца увеличивается по высоте аппарата в направлении движения суспензии.