Вихревой сепаратор Советский патент 1985 года по МПК B01D45/14 

Изобретение относится к сепараторам для очистки газов от Взвешенных в нем твердых частиц и капель жидкости и может быть применено в газовой, нефтеперерабатывающей, химической, пищевой, машиностроительной и других отраслях промышленности для очистки газов с одновременным разделением на потоки с разной-температурой.

По основному авт. св. № 457479 известен вихревой сепаратор для очистки и разделения газов, содержаш.ий корпус, входные тангенциальные сопла, камеру отвода хладагента с конусообразным обтекателем и конусным отбойником, конусный ротор с завихрителем газового потока и лопастями 1.

Недостатками известного вихревого сепаратора являются невысокое качество очистки газа, связанное с выносом частиц под действием сил Магнуса, действующих на вращающиеся обтекаемые частицы, а также малая доля охлажденных газов, связанная с отрывом потока хладагента под действием центробежных сил.

Цель изобретения - повышение эффективности сепарации.

Поставленная цель достигается тем, что в вихревом сепараторе, содержащем корпус, входные тангенциальные сопла, камеру отвода хладагента с конусообразным обтекателем и конусным отбойником, ротор, установленный внутри корпуса, содержащий в верхней части завихритель, а на наружной поверхности лопасти, при этом нижняя часть ротора выполнена с отбортовкой, над которой укреплен перфорированный отбойник, ротор снабжен направляющими пластинами, размещенными на его внутренней поверхности в виде многозаходной спирали, а лопасти ротора выполнены в виде Г-образных пластин и установлены по всей длине ротора по винтовым линиям. При этом направляющие пластины могут быть установлены под углом 10-25° к образующей ротора.

На фиг. 1 изображен предлагаемый сепаратор, продольный разрез; на фиг. 2 - ротор, общий вид.

Вихревой сепаратор содержит корпус 1, ротор 2, нижний опорный подшипник 3, верхний опорный подшипник 4, патрубок 5 ввода газа, винтовой канал 6, кольцевой кожух 7, патрубок 8 ввода хладагента, коллектор 9, тангенциальные сопла 10, патрубок 11 вывода холодного газа, патрубок 12 вывода конденсата, патрубок 13 вывода хладагента, патрубок 14 вывода горячего газа, конусный обтекатель 15, кольцевую перегородку 16, конусный отбойник 17, кольцевые гусли 18, коническое днище 19, Г-образные пластины 20 и направляющие пластины 21.

Сепаратор работает следующим образом.

По патрубку 5 ввода загрязненный газ вводится в кольцевой кожух 7, проходит 5 по его винтовому каналу 6, закручивается и тангенциально вводится в ротор 2 сепаратора. Силами трения в зоне контактирования газа с ротором и содержащихся в газе капель жидкости и твердых частиц

Q ротор приводится во вращательное движение. Одновременно по патрубку 8 ввода тангенциально в сторону закрутки газового потока в коллектор 9 вводится жидкий хладагент, который через тангенциальные сопла 10 вводится во внугреннюю полость

5 корпуса 1. Струи хладагента, контактируя с Г-образными пластинами 20, также раскручивают ротор в сторону вращения газового потока. Таким образом, под действием закрученного газового потока и струй

0 хладагента ротор 2 приобретает угловую скорость вращения. Из закрученного газового потока взвешенные твердые частицы и капли жидкости под действием центробежных сил отбрасываются на стенку ротора. Под действием собственного веса

5 и однонаправленных аэродинамических сил потока газа твердые частицы из жидкости скользят вдоль направляющих пластин 21, выводятся на нижние края ротора и под действием тех же сил сбрасываются

Q на кольцевую перегородку 16, по которой скользят вниз и поступают в коническое днище 19 через кольцевые щели 18, собир.аются в его вершине и периодически выводятся из сепаратора по патрубку 12 вывода конденсата. Одновременно в вихревом газовом потоке во внутренней полости ротора 2 происходит температурное разделение газа на горячий поток, который формируется на стенке ротора 2 и холодный поток, который формируется по его оси. В зоне понижения температур и в холод0ном потоке газов происходит конденсация паров и выпадение их в виде капель, которые сепарируются на стенке ротора. Стенки ротора, охлаждаемые снаружи хладагентом, снимают тепло из горячего потока

5 газа и конденсируют на себя содержащиеся в нем пары. Очищенный холодный поток газа проходит через кольцевой кожух 7 и выводится по патрубку 11 вывода, а горячий поток газа огибает осевой конусный обтекатель 15, отбивая на нем возмож0ный унос капель или твердых частиц, изменяет направление движения на 180°, опять отбивая оставшиеся частицы на конусный отбойник 17, проходит между обтекателем 15 и конусным отбойником 17,

5 вновь изменяет направление движения на 180°, огибает конусный отбойник и выводится из-под него по патрубку 14 по технологическому назначению. Жидкий хладагент двигается по внешней поверхности ротора 2 вниз между Г-образными пластинами 20, снимая тепло, поступает на профилированный отбойник, сбрасывается за кольцевую перегородку 16 и выводится из сепаратора. по патрубку 13 вывода. При эксплуатации известного вихревого сепаратора обнаружено, что с холодным газом через патрубок 11 уносится некоторое количество самых крупных кристаллов. Вихревой сепаратор был установлен в технологической линии по производству кристаллического иодата калия между кристаллизатором с сушилкой и компрессором. Кристаллы попадали в компрессор и нарушали его нормальную работу. Изменение числа оборотов ротора и регулирование расхода хладагента не дали положительных результатов, поэтому в технологической линии был установлен фильтр между вихревым сепаратором и компрессором. Причиной выноса крупных частиц из вихревого сепаратора с потоком очишенного и охлажденного газа является Действие силы Магнуса. При вводе загрязненного потока из винтового канала 6 в ротор частицы, размером dr, находяшиеся в потоке, отбрасываются на стенку ротора. При контакте со стенкой, скорость которой Уст ниже, чем скорость частицы V , последние закручиваются с угловой скоростью (j равной i: ; Vr-VcT/dr. При движении вращаюшихся частиц вдоль стенки ротора в случае их движения со скоростью, меньшей скорости потока газа (а это имеет место всегда, так как .частица трется о стенку и тормозится сильнее потока), на частицу действует сила Магнуса. Величина силы Магнуса пропорциональна массе частицы или кубу ее диаметра, угловой скорости и относительной скорости обтекания. Отсюда следует, что на крупные частицы действует максимальная сила Магнуса. Под влиянием силы Магнуса, которая действует в радиальном направлении к центру вихревого сепаратора, частицы отрываются от стенки и двигаются поперек полости ротора. На движущуюся частицу действуют тормозящие аэродина-, мические силы, пропорциональные квадрату диаметра частицы. В зависимости -от соотношения величин отрывной силы Магнуса и тормозящей аэродинамической определяется величина отскока частицы от стен-/ ки. Чем крупнее частица, тем ближе к центру вихревого сепаратора она перемещается. По этой причине такие частицы чаще попадают в осевой поток холодного газа и выносятся через патрубок 11. Часть частиц, совершая хаотическое движение поперек объема ротора, попадает в кольцевое пространство между ротором 2 и корпусом 1 и выносится хладагентом. Для устранения действия силы Магнуса необходимо исключить либо вращение частиц, либо относительную скорость потока и частиц, либо движение частиц по окружности ротора. В предлагаемом сепараторе на внутренней поверхности ротора устанавливаются направляющие пластины в виде многозаходной спирали под углом 10-25° к образующей ротора. Следствием этого является увеличение оборотов ротора, поскольку пластины работают как лопатки турбинного колеса, что приводит к снижению относительной скорости частицы и газа. Наличие лопаток препятствует окружному движению частиц по стенкам ротора. В результате действие силы Магнуса исключается и повышается качество очистки газов. Хладагент, поступающий на внешнюю поверхность ротора через сопла 10, под действием центробежных сил частично отбрасывается с его поверхности. Часть .хладагента, которая вследствие прилипания остается, движется вниз с очень малой скоростью, юскольку тормозится теми же центробежными силами. В результате происходит неполное охлаждение очищаемого газа, часть паров не конденсируется и не уда.тяется, а также снижается количество холодного газа, удаляемого через патрубок 11. Для устранения этого лопатки ротора выполнены по всей длине ротора в виде Г-образных пластин и установлены по винтовым линиям. Г-образная форма лопаток обеспечивает образование вихрей в объеме хладагента на поверхности ротора. Размещение лопаток по винтовым линиям обеспечивает принудительное смещение потока хладагента по,поверхности ротора вниз со скоростью, пропорциональной числу оборотов ротора. Оба эти фактора способствуют интенсификации теплообмена между газом и хладагентом, разделенных стенкой ротора. При одинаковом соотношении объемов охлаждаемого воздуха и хладагента (воды) выход холодного воздуха превышается на 15%. Экспериментальные данные по очистке воздуха, выходящего из сушилки кипящего слоя, полученные на известном вихревом сепараторе - приведены в табл. 1; результаты измерений на предлагаемом вихревом сепараторе - в табл. 2.

Таблица 1

1. ВИХРЕВОЙ СЕПАРАТОР по авт. св. № 457479, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности сепарации, ротор снабжен направляющими пластинами, размеш, на его внутренней поверхности в виде многозаходной спирали, а лопасти ротора выполнены в виде Г-образных пластин и установлены по всей длине ротора по винтовым линиям. 2. Сепаратор по п. 1, отличающийся тем, что направляющие пластины установлены под углом 10-25° к образующей ротора.

Экспериментальная проверка показала, что имеется оптимальный угол между направлением касательной к спиральной линии и образующей ротора. При углах наклона до 10° твердый продукт, отделенный от потока воздуха, собирается у направляющих пластин в значительные по объему комки, которые, далее обрушиваются вниз, создавая вибрацию ротора и унос отдельных кристаллов. При углах более 10° испытываемый материал начинает скользить вдоль направляющих пластин. Вибрации ртора и вынос отдельных кристаллов прекращаются. При углах более 25° окружная скорость твердых частиц возрастает настолько, что начинается эрозия стенок аппарата. Поскольку любое трение сопровождается выделением тепла, то одновременно ухудшается и теплопередача от хладагента к воздуху.

Таблица 2

Наличие выноса отдельных кристаллов через патрубок охлажденного воздуха при использовании известного сепаратора требует установления дополнительно в технологической цепи фильтр 1, что влечет 5 дополнительные гидравлические или энергетические затраты на прокачку воздуха сквозь него. Недостаточное охлаждение воздуха в вихревом сепараторе требует дополнительной мощности на прокачку охлаждающей воды через компрессор.

0

Использование предлагаемого сепаратора позволяет полностью устранить вынос крупных частиц и увеличить выход холодного воздуха на 15/о.

При использовании изобретения в технологических линиях обеспечивается также

5 снижение мощности компрессора на прокачку воздуха через дополнительные очистные установки на 20-40%.

I Ч

rV

/ /