СЕПАРАТОР ЦИКЛОННЫЙ Российский патент 2008 года по МПК B01D45/12 

Изобретение предназначено для удаления мелкодисперсных жидких и твердых частиц из газового или жидкого потока в поле центробежных сил и применяется в цементной, нефтяной, газовой, химической и других отраслях промышленности.

Жидкостный или газопылежидкостный поток, поступающий в вертикальный цилиндрический аппарат через боковой тангенциальный впускной насадок, прижимается под действием центробежной силы к стенке корпуса, движется, вращаясь, по спирали вниз аппарата, где отсепарированный шлам стекает по конусу и удаляется через шламовый насадок, а очищенный поток переходит в осевую трубу и удаляется сверху через сливную насадку /Е.А.Штокман. "Очистка воздуха от пыли на предприятиях пищевой промышленности". М.: "Пищевая промышленность", 1977, с.46/. Циклоны обеспечивают грубую и среднюю очистку, доля улавливания тонкодисперсных частиц невелика.

Из основной формулы, характеризующей работу циклона,

следует, что при прочих равных условиях в циклоне с малым диаметром степень очистки выше, чем в циклоне большого диаметра.

- P_ц - центробежная сила.

- m - масса частицы,

- V_ц - скорость частицы,

- R - радиус циклона.

Поэтому стремятся при значительных объемах очищаемого потока применять групповую установку циклонов малого диаметра, или так называемые мультициклоны. Однако на практике это улучшение характеристик не столь очевидно из-за увеличения проскока и забивки маленьких циклонов. В итоге мультициклон не намного лучше большого циклона, хотя изготовление мультициклона стоит намного дороже /В.Страус. "Промышленная очистка газов". М.: "Химия", 1981, стр.292/.

Следует также отметить, что в циклоне обычной конструкции не полностью используется энергия центробежного поля. В результате сепарирующая способность стандартных циклонов не достигает теоретических пределов. КПД этих циклонов не превышает 10%. Причина низкого КПД - несовершенство гидродинамического режима и высокая турбулентность /И.В.Скирдов, В.Г.Пономарев. «Очистка сточных вод в гидроциклонах». М.: «Стройиздат», 1975, стр.29/. Полезный объем аппарата можно увеличить, а КПД повысить до 25%, если в циклон установить внутренний цилиндр, который улучшает гидродинамику и снижает турбулентность /Авторское свидетельство СССР №184187 «Бюллетень изобретений», 1966, №15/. Эта конструкция взята за прототип.

Задачей настоящего изобретения является повышение КПД объема и эффективности удаления тонкодисперсных фракций, а также улавливание масляных компонентов для циклонов и сепараторов как малой, так и высокой производительности.

Задача достигается тем, что в сепараторе циклонном, включающем цилиндрический корпус с внутренним вертикальным цилиндром, верхнее и нижнее днища, впускную, шламовую и сливную насадки, внутренние цилиндры, размещенные концентрично корпусу, имеются тангенциальные прорези, направленные от периферии к центру по касательной к внутренним диаметрам вертикальных цилиндров, причем входы прорезей устремлены навстречу входному потоку.

Тангенциальные прорези могут быть выполнены в виде просечно-вытяжного профиля /перформ-профиль/. Тангенциальные прорези могут быть также образованы вертикальными пластинами, размещенными по окружности вертикальных цилиндров с формированием сопловых каналов, сужающихся от периферии к центру.

Нижнее днище выполнено по параболе с левой и правой нисходящими к центру ветвями с началом координат в нижних углах сечения внутреннего цилиндра, причем концентричные цилиндры простираются по высоте от верхнего до нижнего днища, а форма параболы определяется уравнением Y²=2РХ, где Y - высота канала, Х - расстояние от начала координат до сечения, а Р - расстояние между фокусом и директрисой. Верхнее и нижнее днища могут быть также выполнены по параболе с левыми и правыми ветвями, восходящими к центру для верхнего днища и нисходящими к центру для нижнего днища, с началами координат в верхних и нижних углах сечения внутреннего цилиндра минимального диаметра.

Верхнее и нижнее днища могут быть снабжены дополнительными сферическими охватывающими днищами. Внизу сливной насадки на стыке параболического и сферического днищ в зоне кольцевой щели между днищами установлен конический отбойник с открытым меньшим основанием внизу, перекрывающий щель, причем в полости, образованной днищами, установлен штуцер выхода легкой фракции. Впускная насадка снабжена двумя зеркально-противоположными треугольными вставками, образующими тангенциальный сопловой канал, сужающийся на входе в корпус.

На фиг.1 представлен сепаратор циклонный при работе в режиме циклона, т.е. при низком давлении, на фиг.2 - сечение А-А фиг.1 с тангенциальной впускной насадкой. На фиг.3 - сепаратор циклонный при работе в режиме сепаратора с дополнительными днищами и «нормальной» впускной насадкой при высоком давлении.

На фиг.4 вариант циклона или сепаратора с выделением из сливного потока более легкой, например масляной, фракции.

На фиг.5 - сечение А-А фиг.3 и 4.

На фиг.6 - вид по стрелке Б фиг.5 - преобразование «нормального» входа впускного потока в тангенциальный.

Сепаратор циклонный по фиг.1 и 2 включает цилиндрический корпус 1 с внутренними вертикальными цилиндрами 2, 3, 4, 5 с тангенциальными прорезями 6, направленными от периферии к центру по касательной к внутренним диаметрам вертикальных цилиндров, верхнее 7 и нижнее 8 днища, тангенциальная впускная 9, шламовая 10 и сливная 11 насадки. Входы прорезей 6 фиг.2 устремлены навстречу входному потоку 9. На участке впускной насадки 9 вертикальные цилиндры 36 фиг.2 выполнены без тангенциальных прорезей или входы тангенциальных прорезей 34, 35 фиг.2 и 1 размещены вдоль входного потока 9 и направлены от центра к периферии - поз.34. Нижнее днище выполнено по параболе с левой 8 и правой 12 нисходящими к центру ветвями с началом координат в нижних углах С и D сечения внутреннего цилиндра минимального диаметра поз.5, причем концентрические цилиндры 2, 3, 4, 5 закреплены на верхнем днище 7 на фланцевом разъеме 13 и простираются от верхнего 7 до нижнего поз.8, 12 днищ. По оси аппарата установлена уравнительная трубка 14, закрепленная в нижней 15 и верхней 16 втулках, снабженных радиальными ребрами.

При работе в режиме сепаратора высокого давления, см. фиг.3, 5, 6, аппарат снабжен дополнительными сферическими охватывающими днищами 17 и 18, а впускной насадок 9 выполнен по нормали к корпусу 1 - фиг.5, 6 и снабжен двумя зеркально-противоположными треугольными вставками 20 и 21, образующими тангенциальный сопловый канал 22, сужающийся на входе в корпус 23.

При необходимости выделения из сливного потока более легкой, например масляной, фракции, см. фиг.4, 5, 6, по параболе выполнено не только нижнее, но и верхнее днище, причем для верхнего днища левая 24 и правая 25 ветви параболы выходят к центру днища, а ветви 26 и 27 нисходят к центру нижнего днища. Начала координат ветвей парабол расположены в нижних С и D и верхних Е, F углах сечения внутреннего цилиндра минимального сечения 5. Внизу сливной насадки 11 на стыке параболических 24 и 25 и сферического 17 днищ в зоне кольцевой щели поз.23 между днищами установлен конический отбойник 29 с открытым меньшим основанием внизу, перекрывающий щель, причем в полости, образованной днищами, установлен штуцер 30 выхода легкой фракции.

Вертикальные концентричные цилиндры 2, 3, 4, 5, закреплены на верхнем параболическом днище 24, 25, совмещенном с фланцевым разъемом 31.

Тангенциальные прорези 6 могут быть выполнены в виде просечно-вытяжного профиля /перформ-профиль/. Тангенциальные прорези могут быть также образованы вертикальными пластинами 32, размещенными по окружности вертикальных цилиндров 2, 3, 4, 5 с формированием сопловых каналов 32, сужающихся от периферии к центру /"беличье" колесо/ фиг.1 и 2. Сепаратор циклонный работает следующим образом.

Жидкостный или газопылежидикостный поток вводится в аппарат через тангенциальный впускной насадок 9 - фиг.1 и 2 - вариант низкого давления, закручивается и движется, вращаясь в кольцевых полостях, образованных корпусом 1 и вертикальными перфорированными цилиндрами, поз.2, 3, 4, 5, перемещаясь последовательно от наружной к внутренней полости. Вращение происходит за счет наличия касательной составляющей тангенциальных прорезей 6, а переведение - за счет наличия осевой составляющей. Под действием центробежной силы, возникающей при вращении, поток прижимается к стенке корпуса 1 и к стенкам цилиндров 2, 3, 4, 5, разделяется на легкие и тяжелые фракции, причем отсепарировнный шлам удаляется через шламовый насадок 10, а очищенный поток удаляется сверху через сливную насадку 11. Залогом высокой эффективности сепарации является высокая центробежная сила Р_ц, которая, как отмечено в описании, имеет максимальное значение в циклонах малого диаметра и минимальное - для больших аппаратов.

Кроме того, пустотелый аппарат большого диаметра только с одной "разделяющей" корпусной стенкой, к которой прижимается вращающийся поток, имеет, как отмечено, низкий КПД использования объема, не превышающий 10%.

Предлагается более конструктивно использовать другой параметр в уравнении центробежной силы - скорость в квадрате, который более значим, чем радиус в первой степени. Например, если численное значение и радиуса, и скорости одинаковы R=V=10, то скорость в квадрате составит V²=100, т.е. в десять больше чем значение R=10.

Как известно, значение расхода потока равно: Q=V·F,

где V - скорость, a F - площадь канала, по которому движется поток.

Если объем аппарата разделить перегородками на каналы, т.е. резко уменьшить сечение, по которому раньше вращался поток, то при постоянной величине потока скорость существенно вырастет. Для стабилизации потока и исключения вредной турбулентности расчет сечения каналов был выполнен из условия постоянства центробежной силы во всех сечениях аппарата, а в качестве базовой центробежной силы принято ее максимальное значение Р_ц=мах, достигаемое у перегородки минимального диаметра - поз.5 фиг.1 и 2.

Величина потока Q во всех сечениях была постоянной Q=const.

За счет тангенциальных прорезей (поз.6) поток, вращаясь плавно, перетекал из наружных во внутренние каналы. Учитывая уменьшающийся радиус каналов R при переходе от наружных к внутренним каналам, высота сечений плавно увеличивалась. Выявился параболический закон изменения высоты сечений / ширина принята постоянной/:

У²=2РХ, где:

- У - высота канала,

- Х - расстояние от начала координат до сечения,

- Р - параметр, равный расстоянию между фокусом и директрисой параболы /Е.А.Скороходов. "Общетехнический справочник". М.: ^"Машиностроение", 1990, стр.43/.

Возможны два варианта конструктивной реализации уравнения параболы:

- все приращение высоты сечения каналов сосредоточено внизу аппарата - фиг.1, 2, 3,

- приращение высоты распределено на верх и низ аппарата равномерно - фиг.4. Разновидностью этого варианта является неравномерное приращение высоты между верхом и низом, что также может быть рабочим вариантом в зависимости от требований технологии.

За начало координат параболы приняты точки в нижних и верхних углах сечения внутреннего цилиндра минимального диаметра:

С и D - фиг.1, 2, 3, C, D, Е, Р - фиг.4.

С появлением вертикальных концентричных перфорированных цилиндров резко увеличилась сепарирующая поверхность, причем величина центробежной силы в каналах большого диаметра столь же высока, как и в канале минимального диаметра. Таким образом увеличился процент улавливания тонких фракций и КПД использования объема аппарата. Применение сит с просечно-вытяжным профилем /перформ-профиль/ резко упростило задачу изготовления тангенциальных вырезов - подобные сита освоены промышленностью.

Вариант с образованием тангенциальных прорезей при помощи вертикальных пластин 32 предпочтительней для твердой фазы, способной "забить" перформ-сетку, а также для абразивного материала, способного быстро "стереть" сетку.

Вариант с "крутой" нижней параболой более пригоден для циклонов с труднотекучей шламовой фракцией - фиг.1, 2, 3, причем аппарат по фиг.3 предусматривает работу при высоком давлении, например, для газовых сепараторов.

Вариант с приращением высоты, распределенной на верх и низ аппарата - фиг.4, может быть полезен при необходимости выделения из сливного потока более легкой, например масляной, фракции: приращение высоты вверху в зоне легких фракций по сравнению с плоским днищем по фиг.3 позволяет увеличить объем "масляной" фракции, четче выделить "масло" из общего сливного потока. В сепараторе по фиг.3 идет тонкое фракционное разделение по высоте тяжелой и более тяжелой шламовой фракции, а по фиг.4 - легкой и более легкой сливной фракции. На фиг.3 разделенные фракции смешиваются в общем сливном потоке, а на фиг.4 ловушка, образованная отбойником 29, параболическим днищем 24, 25 и щелью 28 позволяет выделить "масляную" фракцию из общего сливного потока, собрать "масло" в специальной полости днищ 24, 25, 17 и удалить его через штуцер 30.

При большом диаметре впускной насадки 9 и относительно малой ширине канала между корпусом 1 и вертикальной обечайкой 5 входной поток может через устремленные ему навстречу входы прорезей 6 попасть в следующий канал между обечайками 2 и 3 без раскрутки в прикорпусном канале. Чтобы исключить этот недостаток, вертикальный цилиндр 2 на участке впускной насадки 9 выполнен без тангенциальных прорезей - поз.36. Однако сепарационный эффект будет выше, а поверхность сепарации больше, если на участке впускной насадки 9 входы тангенциальных прорезей 34, 35 размерены вдоль входного потока и направлены от центра к периферии - фиг.2.

Поток на входном участке наберет максимальную скорость, а на участке "встречных" прорезей 6 начнет перетекать во внутренние каналы, обеспечивая высокий КПД объема аппарата.

Для сепараторов высокого давления фиг.3, 4 не рекомендовано применение тангенциальных штуцеров типа фиг.2 из-за ослабления сечения. Однако высокая потеря напора и искажение газового потока при установке дефлекторов заставляет искать способы преобразования "нормального" штуцера в тангенциальный. Такое преобразование предпринято в патенте №2136350 RU C1, фиг.2: в "нормальный" штуцер введены вертикальные пластины и дефлектор. Пластины вдвое увеличивают длину штуцера, а дефлектор наполовину перекрывает кольцевое сечение корпуса сепаратора, что турбулизирует поток, увеличивает потерю напора и снижает эффективность сепарации.

В предлагаемом по фиг.5 и 6 решении впускной насадок 9 выполнен по нормали к корпусу 1 и снабжен двумя зеркально-противоположными вставками треугольного профиля 20 и 21, образующими тангенциальный сопловый канал 22, сужающийся на входе в корпус 23.

Дефлектор отсутствует. Вставки 20 и 21 вписываются в длину обычного штуцера. Исполнение входа в виде сужающегося сопла способствует исключению дефлектора, так как поток становится строго тангенциальным, а не "размазанным" по спиралям.

Внедрение предлагаемого сепаратора циклонного позволяет:

- повысить КПД объема аппарата,

- повысить эффективность удаления тонкодисперсных фракций,

- выделить из сливного потока легкую, например масляную, фракцию,

- работать в условиях как низких, так и высоких давлений,

- решить проблему эффективной работы крупномасштабных аппаратов высокой производительности,

- обеспечить возможность серийного изготовления аппаратов.

Изобретение относится к оборудованию для удаления мелкодисперстных жидких и твердых частиц из газового или жидкого потока в поле центробежных сил и может быть применено в газовой, цементной, пищевой, нефтяной, химической промышленности. Сепаратор включает цилиндрический корпус, верхнее и нижнее днища, впускную, шламовую и сливную насадки, внутренние цилиндры, размещенные концентрично корпусу, снабженные тангенциальными прорезями, направленными от периферии к центру по касательной к горизонтальной образующей вертикальных цилиндров, причем входы прорезей устремлены навстречу входному потоку. Тангенциальные прорези выполнены в виде просечно-вытяжного профиля /перформ-профиль/ или образованы вертикальными пластинами, размещенными по окружности вертикальных цилиндров с формированием сопловых каналов, сужающихся от периферии к центру /"беличье" колесо/. Днища могут быть выполнены по параболе с левыми и правыми ветвями: восходящими к центру для верхнего днища и нисходящими к центру для нижнего днища. Технический результат: повышение КПД объема аппарата, повышение эффективности удаления тонкодисперстных фракций, выделение из сливного потока легких, например масляных, фракций, решение проблемы эффективной работы крупномасштабных аппаратов. 7 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Сепаратор циклонный, включающий цилиндрический корпус, верхнее и нижнее днища, впускную, шламовую и сливную насадки, отличающийся тем, что внутренние цилиндры, размещенные концентрично корпусу, снабжены тангенциальными прорезями, направленными от периферии к центру по касательной к горизонтальной образующей вертикальных цилиндров, причем входы прорезей устремлены навстречу входному потоку.2. Сепаратор циклонный по п.1, отличающийся тем, что тангенциальные прорези выполнены в виде просечно-вытяжного профиля (перформ-профиль).3. Сепаратор циклонный по п.1, отличающийся тем, что тангенциальные прорези образованы вертикальными пластинами, размещенными по окружности вертикальных цилиндров с формированием сопловых каналов, сужающихся от периферии к центру ("беличье" колесо).4. Сепаратор циклонный по п.1, отличающийся тем, что нижнее днище выполнено по параболе с левой и правой нисходящими к центру ветвями с началом координат в нижних углах сечения внутреннего цилиндра минимального диаметра, причем концентричные цилиндры по высоте простираются от верхнего до нижнего днища.5. Сепаратор циклонный по п.1, отличающийся тем, что верхнее и нижнее днища выполнены по параболе с левыми и правыми ветвями: восходящими к центру для верхнего днища и нисходящими к центру для нижнего днища с началом координат в верхних и нижних углах сечения внутреннего цилиндра минимального диаметра.6. Сепаратор циклонный по любому из пп.1, 4, 5, отличающийся тем, что верхнее и нижнее днища снабжены дополнительными сферическими охватывающими днищами.7. Сепаратор циклонный по п.6, отличающийся тем, что внизу сливной насадки на стыке параболического и сферического днищ в зоне кольцевой щели между днищами установлен конический отбойник с открытым меньшим основанием внизу, перекрывающий щель, причем в полости, образованной днищами, установлен штуцер выхода легкой фракции.8. Сепаратор циклонный по п.1, отличающийся тем, что впускная насадка снабжена двумя зеркально-противоположными треугольными вставками, образующими тангенциальный сопловой канал, сужающийся на входе в корпус.