耦合式慣性旋流流體顆粒非均相分離裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種流體顆粒非均勻兩相(氣固或氣液)分離與凈化技術，尤其涉及一種耦合式慣性旋流流體顆粒非均相分離方法及其裝置。
【背景技術】
[0002]旋流非均相分離設備(即旋流分離器，包括旋風分離器和旋液分離器等)具有結構簡單、造價低廉易于維護的優點，并且適用高溫、高壓、高腐蝕等嚴苛的操作環境，廣泛應用于能源、化工、材料及環境等領域的氣體顆粒分離與凈化過程。當流體顆粒非均勻兩相流(稀相或濃相)進入旋流分離器的內部空間，螺旋運動向下流入分離器下部，到達自然旋轉長后反轉向上，顆粒在此過程中在離心力作用下向邊壁運動，從而使流體顆粒兩相得以分離。被分離的顆粒沿筒體和錐體壁面落入顆粒出口，清潔氣流由氣體出口排出。對于現有旋流分離器，流體顆粒兩相流直接進入旋風器，進口垂直方向截面上各位置顆粒濃度相同，由于短路流裹挾等原因造成穿透至流體出口管道的顆粒量增加從而導致分離效率下降。現有旋流分離器在顆粒經由進口進入到分離本體內部后，顆粒才在離心力作用下向邊壁運動，固相顆粒向捕集壁面運動距離或時間長，增加了分離難度，同樣有導致分離效率下降的弊端。一些研宄采用改變進口截面形狀或者尺寸的方法來消除上述影響，雖然在一定程度上提高了效率，但存同時導致壓降增大或者設備復雜度增加的問題。或者采用在旋流分離器進口直段處增設隔板使進口分割為等寬等長的兩個通道，但由于是直管段，依然不能有效的產生濃度富集效應。也有依靠采用旋流分離器外部連接彎管的方式實現濃度富集和預分離過程，但是由于彎管和分離器分別為兩個獨立單體結構，難以實現有機結合，增加了設備的體積和連接難度。此外，依靠研發新型結構的分離器的方法，例如采用雙進口甚至多進口，或者采用復式的二重回流式結構，以及內置甚至轉動部件的方式改善現有的旋流分離器的效率的方法，會導致現有分離器無法進行升級改進或者極大的增加了設計、制造和安裝等環節的難度，并且會造成設備投資的巨大增加。因此，從進口結構的功能與原理出發，從改善入射顆粒濃度場角度進行旋流分離器分離原理和結構創新，充分利用進入氣固兩相的濃度梯度或富集效應來減少顆粒穿透量和增加縮短分離時間或距離，從而有效提高流體顆粒分離效率是十分必要的。
【發明內容】
[0003]本發明的目的在于:解決旋流分離器進口氣流截面上各位置顆粒濃度相同導致固相顆粒穿透量大、分離距離和時間長大的問題，提出一種耦合式慣性旋流流體顆粒非均相分離裝置及方法，即采用慣性彎道與蝸殼式旋流分離器有機耦合的方法，實現提高現有分離裝置單體分離效率，以及提高串聯時多級分離系統的總效率。
[0004]本發明是通過以下具體技術方案實現的:
一種耦合式慣性旋流流體顆粒非均相分離裝置，包括一個慣性彎道、與慣性彎道耦合相連的一體式蝸殼切向進口的旋流分離器及其筒體、錐體、顆粒出口和流體出口，所述慣性彎道的進口與外部管線相連、出口與旋流分離器器的蝸殼進口端相連，所述慣性彎道由內側弧形板、外側弧形板、上頂板及下底板所夾封閉的同心扇面環形空間構成，其中內側弧形板與旋流分離器的筒體壁重合。
[0005]所述慣性彎道的內側弧形板和外側弧形板間的彎道橫截面呈扇環形，所述慣性彎道彎角和平面彎曲角度0-180°彎道空間仰角為0-60°。
[0006]所述慣性彎道和旋流分離器內均設置絕熱耐磨襯里，使之具有耐高溫耐磨性能。
[0007]多個所述慣性旋流耦合式非均相分離裝置串聯在一起，前一級分離裝置單體的出口經連接管道與下一級分離裝置單體的慣性彎道的進口外部管線相連接，或者采用Y型分流或者同心圓分流的方式并聯連接。
[0008]一種應用耦合式慣性旋流流體顆粒非均相分離裝置的分離方法，首先使得待分離的流體顆粒非均勻兩相進入所述慣性彎道，顆粒在離心力作用下進行濃度梯度差異化及預分離，使流體-顆粒相進入慣性彎道并在離心力作用下產生徑向外高內低的顆粒濃度梯度，再進入與其耦合一體式連接的旋流分離器進行分離；然后，具有濃度梯度顆粒相再進入旋流分離器的筒體和錐體進行再分離，使具有濃度梯度的顆粒相在進入旋流分離器后，從微細顆粒聚集為大顆粒，縮短其在離心力作用下移動到分離器的筒體和錐體邊壁的距離和時間；同時，降低旋流分離器內短路流所夾帶顆粒穿透性，提高整體分離效率。
[0009]與現有技術相比，本發明的有益效果是:
(I)合理地設計了慣性旋流耦合式流體顆粒非均相分離裝置的耦合一體式慣性彎道，使得原有蝸殼旋流分離器的筒體或筒錐體分離區域增加為彎道筒體或彎道筒錐體分離區域。慣性彎道使得進入旋流分離器的顆粒相產生外濃內淡的濃度梯度或富集效應，從而有效提高整個分離器的分離效率。
[0010](2)增設的慣性彎道可以通過靈活調整其彎曲角度和截面仰角等連接形式來適應現有設備結構或布置形式。
[0011](3)當進行多級串聯使用時，慣性彎道的多級使用時相當于增加了多個顆粒濃度梯度改善或富集空間，有利于提高整個系統的分離效率；當進行并聯時有利于提高系統的處理流量。
[0012](4)在不改變原有旋流分離器先進性能、結構尺寸和匹配方案的基礎上增強其分離效率，此外降低了設計和制造難度、節約了設備空間同時減少了研發時間和費用。
【附圖說明】
[0013]圖1為常規旋流分離原理及裝置示意圖；
圖2為圖1的俯視圖；
圖3為本發明的耦合式慣性旋流流體顆粒非均相分離裝置示意圖；
圖4為圖3的俯視圖；
圖5為本發明與常規旋流分離器分級效率對比圖；
圖6為本發明慣性彎道不同彎曲角度和仰角實施方式示意圖；
其中:(a)慣性彎道不同平面彎角，(b)慣性彎道不同空間仰角；
圖7為本發明高溫操作條件下實施方式示意圖；
圖8為本發明多級串聯實施方式示意圖； 圖9為圖8的俯視圖。
【具體實施方式】
[0014]下面結合具體實施案例，進一步闡述本發明。
[0015]如圖3，4所示，一種耦合式慣性旋流流體顆粒非均相分離裝置，包括一個慣性彎道I及與之耦合相連的一體式蝸殼切向進口旋流分離器2及其連接構成部件的筒體21、錐體22、顆粒出口 23和流體出