Результат интеллектуальной деятельности: СЕПАРАТОР С ВИХРЕВОЙ ТРУБОЙ

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к усовершенствованному сепаратору с вихревой трубой. Изобретение также относится к усовершенствованной конструкции сепаратора третьей ступени, содержащего усовершенствованные сепараторы с вихревыми трубами. Такие сепараторы третьей ступени могут использоваться, например, в процессе, проводимом в крекинг-установке с флюидизированным катализатором (КУФК).

Уровень техники

Удаление мелкодисперсных твердых частиц из увлекаемых газов необходимо почти в любой системе, где приходится пропускать газ через гидродинамическое устройство, содержащее газоотклоняющие стенки, например турбодетандер у расширителя, для предотвращения эрозионного повреждения таких систем. Кроме того, если увлекаемый газ приходится, в конце концов, выпускать в атмосферу, то удаление твердых частиц также оказывается важным с точки зрения охраны окружающей среды. Из-за этих ограничений, накладываемых окружающей средой, иногда требуются уровни эмиссии менее 50 мг/Нм³.

Подходящими сепараторами для удаления мелкодисперсных твердых частиц из увлекаемых газов являются так называемые сепараторы третьей ступени, например, такие, как описанные в первоисточнике Hydrocarbon Processing, январь 1985, стр.51-54. Сепараторы третьей ступени осуществляют удаление до достижения приемлемого уровня, хотя мелкие частицы все равно присутствуют в потоке газа, покидающем регенератор крекинг-установки с флюидизированным катализатором непосредственно перед турбодетандером или котлом, работающим на топочных газах. Обнаружено, что сепараторы третьей ступени также могут найти применение в других процессах, в которых приходится удалять мелкодисперсные твердые частицы из увлекаемых газов. Примерами таких процессов являются процессы прямого восстановления железа, процессы газификации угля, процессы, проходящие в электростанциях, работающих на угле, и процессы обжига, такие как обжиг алюминия.

Сепараторы третьей ступени, например, такие как описанные выше, содержат совокупность параллельно расположенных сепараторов с вихревыми трубами. Сепараторы с вихревыми трубами являются цилиндрическими циклонами с осевым входом для смеси твердых частиц и газа и описаны, например, в документах ЕР-В-360360, US-A-4863500, US-A-5681450, GB-A-1411136 и US-A-3541766. В документе ЕР-В-360360 описан узел сепаратора с вихревой трубой, содержащий выпускную трубу для газа, расположенную вдоль оси в верхней части вертикального цилиндрического корпуса, причем направленное вдоль оси впускное средство для газа образовано кольцевым пространством между выпускной трубой для газа и вертикально расположенным цилиндрическим корпусом, при этом в упомянутом кольцевом пространстве расположены придающие завихрение средства. На фиг.2 документа ЕР-В-360360 показан сепаратор с вихревой трубой, имеющий вихрестабилизатор, содержащий шток, установленный на элементе основания. Предполагается, что вихрь будет поддерживаться в центре цилиндрического корпуса, потому что нижний конец вихря будет оканчиваться на упомянутом штоке.

Обнаружено, что когда такой циклонный сепаратор используют на подаче вещества, содержащего значительное количество твердых частиц, как в случае сепаратора третьей ступени, может происходить формирование неосевого симметричного вихря. Такая непредпочтительная работа приводит к тому, что циклон не отделяет частицы настолько оптимально, насколько это требуется. Кроме того, наблюдалась эрозия внутри полой части циклона.

В документе US-A-4810264 описан циклонный сепаратор, имеющий тангенциально расположенный впуск для газа и твердых частиц. Под выпускной трубой для газа расположен регулируемый вихрестабилизатор в форме плоской пластины или диска. На этом стабилизаторе расположен вихреискатель. В соответствии с этой публикацией расстояние между вихрестабилизатором и выпускным отверстием для газа часто регулируют с тем, чтобы изменить конкретный состав газа, выходящего сквозь выпускное отверстие для газа.

В документе US-A-1753502 описан пневматический пылесборник. Этот пылесборник состоит из циклона, имеющего тангенциально расположенное впускное отверстие для газа и твердых частиц. Из выпускного отверстия для газа выходит стержень, достигающий диска, расположенного под выпускным отверстием для газа.

В документе ЕР-А-052042 описан сепаратор с вихревой трубой, снабженный антиэрозионным средством, закрепленным на стенке корпуса сепараторов.

В документе US-A-4795561 описан циклонный сепаратор, снабженный тангенциально расположенным впуском для газа и твердых частиц, цилиндрическим корпусом с закрытым дном, а также клапаном на дне цилиндрического корпуса. Этот клапан прикреплен к штоку. Противоположный конец этого штока находится в выпускной трубе для газа, находящейся на верхнем конце цилиндрического корпуса. Таким образом, этот шток осуществляет механическую установку клапана и перемещение клапана внутри сепаратора.

В документе US-A-4072481 описано устройство для отделения газа от смеси жидкости, твердых частиц и газа. Впуск для смеси является тангенциальным. Так называемая стойка, снабженная пластиной на ее верхнем конце, расположена на некотором расстоянии под выпуском для газовой фазы.

В документе US-A-4795561 описан циклонный сепаратор для использования в гидравлических проточных системах, который содержит корпус, содержащий впуск, подвижный колпак и, по меньшей мере, один выпуск с переменной площадью сечения.

Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы разработать сепаратор с вихревой трубой, имеющий повышенную эффективность отделения и проявляющий меньшую тенденцию к работе с несимметричным вихрем.

Раскрытие изобретения

Изобретение посвящено следующему сепаратору с вихревой трубой. Сепаратор с вихревой трубой для отделения твердых частиц от подаваемого вещества, содержащего газ и твердые частицы, содержит цилиндрический корпус, осевой впуск для введения смеси газа и твердых частиц на одном конце упомянутого корпуса, причем упомянутый осевой впуск для введения смеси газа и твердых частиц оснащен придающими завихрение средствами, выпускное отверстие для твердых частиц на противоположном конце упомянутого корпуса и коаксиально расположенную цилиндрическую выпускную трубу для газа, установленную на конце упомянутого корпуса, причем вдоль оси цилиндрического корпуса установлен вихреудлиняющий шток.

Изобретение также посвящено многокомпонентному сепаратору, состоящему из совокупности вышеописанных сепараторов с вихревыми трубами. Изобретение также посвящено применению сепаратора с вихревой трубой и/или многокомпонентного сепаратора.

Заявитель обнаружил, что вышеупомянутый сепаратор с вихревой трубой проявляет повышенную эффективность отделения в сочетании с более стабильной работой, чем сепараторы с вихревыми трубами, не имеющие вышеописанного штока. Это стабильное рабочее состояние наблюдается и является преимущественным, когда несколько сепараторов с вихревыми трубами работают параллельно, причем выпускное отверстие для твердых частиц каждого индивидуального сепаратора с вихревой трубой сообщается посредством текучей среды с общим пространством для сбора твердых частиц камеры, например, так, как это показано в документе US-A-5538696 и в вышеупомянутой статье.

Фактическое расположение вихреудлиняющего штока вдоль оси цилиндрического корпуса не критично, поскольку шток простирается на некоторую длину вдоль оси. Заявитель обнаружил, что этот шток можно размещать у выпускного отверстия для твердых частиц и/или у выпускного отверстия для газа, или он может проходить от выпускного отверстия для газа до выпускного отверстия для твердых частиц. Таким образом, в качестве возможного варианта осуществления настоящего изобретения следует рассматривать наличие двух отдельных штоков - одного, проходящего сверху, и одного - снизу, причем оба они проходят вдоль оси цилиндрического корпуса. Очевидно, что вихрь удлиняется и работает стабильнее, когда используют сепаратор с вихревой трубой, соответствующий изобретению.

С конструкторской точки зрения выгоднее размещать шток во впускном отверстии для газа, причем шток должен проходить в цилиндрический корпус. Тогда шток можно крепить крепежными средствами внутри выпускной трубы для газа.

Обнаружено, что предпочтительно использовать шток, имеющий минимальную длину, чтобы сделать вихрь достаточно направленным. Длину (l) штока вдоль оси можно сделать как можно большей. Заявитель обнаружил, что увеличение длины (l) штока выгодно для достижения большей эффективности отделения. Однако очень длинные штоки будут страдать механическими повреждениями, если они не имеют опоры вдоль своей длины. С другой стороны, эти опоры в цилиндрическом корпусе не являются предпочтительными, потому что они негативно влияют на эффективность отделения. Таким образом, максимальная длина будет определяться, например, прочностью материала штока, его склонностью к вибрации и характером выбранных опор штока. По этой причине штоки, идущие изнутри выпускной трубы для газа, оказываются предпочтительными, так как их крепление можно проводить только внутри выпускной трубы для газа, что приводит к минимальному возмущению вихря вдоль штока внутри цилиндрического корпуса. Предпочтительны те штоки, которые крепятся в выпускной трубе для газа, а те, которые проходят вдоль 100% оси, преимущественно могут опираться также на своем нижнем конце. В более предпочтительном варианте штоки проходят до некоторого положения, находящегося ниже цилиндрического корпуса, чтобы обеспечить расположение нижней опоры на некотором расстоянии от упомянутого корпуса. Длина таких штоков может вдвое превышать длину оси. Подходящими для использования могут оказаться полые штоки, поскольку они жестче.

Шток предпочтительно крепят внутри выпускной трубы для газа. По выбору шток также крепят в цилиндрическом корпусе. Крепление предпочтительно осуществляют посредством тела с лопастями, размещаемого в выпускной трубе для газа. Это тело с лопастями при эксплуатации будет преобразовывать вихревое движение газа, выпускаемого из цилиндрического корпуса (2), в выпускной трубе для газа в увеличение давления ниже по течению от тела с лопастями. Таким образом, сепаратор с вихревой трубой, снабженный таким телом с лопастями, будет иметь сниженный перепад давления.

Шток предпочтительно проходит, по меньшей мере, вдоль 20%, более предпочтительно - по меньшей мере, вдоль 30% длины оси. Шток может простираться вдоль 100% длины оси. Ось ограничена расстоянием от впускного отверстия выпускной трубы для газа до противоположного конца цилиндрического корпуса. Под цилиндрическим корпусом в данном случае понимается часть, имеющая постоянный диаметр, так что при этом исключены какие-либо конические части. Кроме того, противоположный конец представляет собой либо выпускное отверстие для твердых частиц в случае вихревой трубы с обратным потоком либо впускное отверстие для газа и твердых частиц для вихревой трубы с параллельным течением. Шток может быть длиннее самой оси. Длина может быть ограничена на его верхнем конце, чтобы минимизировать вибрацию штока. В альтернативном варианте шток нужно будет крепить так, чтобы избежать вибрации.

Осевой впуск вихревой трубы будет снабжен придающим завихрение средством, так что в цилиндрическом корпусе будет происходить вихревое движение для отделения твердых частиц от газа посредством центробежных сил.

Осевой впуск может иметь цилиндрическую конструкцию или кольцевую конструкцию в зависимости, например, от положения выпускной трубы для газа. Если сепаратор с вихревой трубой является сепаратором с параллельным течением, то выпускная труба для газа расположена на противоположном конце цилиндрического корпуса по отношению к впуску газа и твердых частиц. Тогда впуск газа и твердых частиц предпочтительно представляет собой центрально расположенную трубу, установленную коаксиально с корпусом и снабженную придающим завихрение средством. Вышеописанная ось будет проходить от придающего завихрение средства до впускного отверстия для газа выпускной трубы для газа.

Если выпускная труба для газа расположена на том же конце цилиндрического корпуса, что и впуск для газа и твердых частиц, то этот впуск для газа и твердых частиц предпочтительно расположен в кольцевом пространстве между выпускной трубой для газа и стенкой корпуса. Такую вихревую трубу также называют трубой с обратным потоком. Осевой впуск газа и твердых частиц будет располагаться на одном конце цилиндрического корпуса, а выпуск твердых частиц предпочтительно будет располагаться на противоположной стороне корпуса. Выпускное отверстие для твердых частиц предпочтительно располагается на противоположной стороне цилиндрического корпуса относительно выпускной трубы для газа. По выбору цилиндрический корпус может переходить в коническую часть на этом конце, что приводит к меньшему выпускному отверстию для твердых частиц. Вместе с тем, предпочтительнее использовать цилиндрический корпус с открытыми концами так, чтобы твердые частицы, которые накапливаются у стенки корпуса, можно было свободно выпускать из корпуса в выпускном отверстии для твердых частиц.

Если выпуск для газа расположен на том же конце, что и впуск для газа и твердых частиц (вихревая труба с обратным потоком), то конструкцию выпуска для твердых частиц можно реализовать просто посредством цилиндрического корпуса с открытыми концами - на противоположном его конце. Выпуск для твердых частиц сепаратора с параллельным течением можно надлежащим образом разместить в пространстве между центрально расположенной выпускной трубой для газа и стенкой упомянутого корпуса, например, так, как описано в документе US-A-5690709.

Изобретение посвящено, в частности, сепаратору с вихревой трубой, в котором предусмотрена конструкция вихревой трубы, имеющая осевой впуск для газа и твердых частиц и выпускную трубу для газа, расположенные на одном и том же конце цилиндрического корпуса. Выпуск для твердых частиц предпочтительно реализован посредством цилиндрического корпуса с открытыми концами - на противоположном его конце. Изобретение также посвящено случаю, когда выпуск для газа и выпуск для твердых частиц расположены на одном и том же конце цилиндрического корпуса, т.е. на стороне, противоположной впуску. В упомянутом выпускном отверстии для твердых частиц предпочтительно нет пластин или других препятствий.

Большинство размеров вихревой трубы являются обычными, это относится к размерам впуска для газа и твердых частиц, выпуска для газа, а также к размерам цилиндрического корпуса. Предпочтительные размеры сепаратора с вихревой трубой в соответствии с изобретением приведены ниже. Внутренний диаметр (d2) цилиндрического корпуса сепаратора с вихревой трубой может находиться в диапазоне от 0,15 до 1,5 м. Когда сепаратор с вихревой трубой используют для отделения твердых частиц, имеющих диаметр в диапазоне между 1·10^-6 м и 40·10^-6 м от потока газа, этот диаметр (d2) предпочтительно составляет 0,15-3 м. В вихревых трубах, которые используются в конфигурации FCC, вихревые трубы могут иметь больший диапазон диаметра - до 1,5 м, как описано в документе US-A-5328592.

Обнаружено, что расстояние (d3) между нижним концом цилиндрического корпуса и впуском выпускной трубы для газа, также называемое осью, является параметром конструкции, который важен для достижения еще большей оптимальной эффективности отделения. Отношение d3/d2 предпочтительно находится между 1,5 и 5, более предпочтительно - между 2 и 5, а еще более предпочтительно - между 2,5 и 4. Большее расстояние d3 может привести к тому, что вихрь окажется нестабилизируемым, а меньшее расстояние может привести к сниженной эффективности отделения.

Диаметр (d4) впуска выпускной трубы для газа предпочтительно находится между 0,3·d2 и 0,6·d2.

Сепаратор с вихревой трубой, соответствующий изобретению, можно с удобством использовать для различных типов отделения твердых частиц от газов. В частности, предлагаемый сепаратор можно с выгодой использовать, когда требуется низкая эмиссия твердых частиц на единицу объема. Сепаратор, соответствующий изобретению, с выгодой применим для отделения твердых частиц, имеющих диаметр в диапазоне между 1·10^-6 м и 40·10^-6 от потока газа. Поток газа обычно имеет содержание твердых частиц между 100 и 500 мг/Нм³. Очищенный газ, покидающий усовершенствованный сепаратор, может иметь уровни эмиссии ниже 50 мг/Нм³ и даже ниже 30 мг/Нм³.

Изобретение также относится к усовершенствованному сепаратору третьей ступени, содержащему некоторое количество вышеописанных циклонных сепараторов, соответствующих настоящему изобретению, причем трубы циклонных сепараторов работают параллельно и установлены между двумя листами трубной рубашки в камере давления. Примеры известных сепараторов третьей ступени, которые можно изменять путем введения штока, как указано выше, описаны в документах US-A-3541766, US-A-5690709, US-A-5372707, US-A-5514271 и US-A-6174339. Осевой впуск для газа вихревых трубок будет сообщаться посредством текучей среды с пространством впуска для газа и твердых частиц между листами трубной рубашки, которые в свою очередь сообщаются посредством текучей среды с впуском для газа и твердых частиц сепаратора третьей ступени. Открытые нижние концы разных вихревых трубок корпуса сообщаются посредством текучей среды с пространством для сбора твердых частиц в нижней части камеры давления, также называемым улавливающей камерой. Улавливающая камера также снабжена выпуском для твердых частиц. Впускная труба для газа сообщается посредством текучей среды с пространством для сбора чистого газа, которое в свою очередь сообщается посредством текучей среды с выпуском для чистого газа из сепаратора третьей ступени.

Количество узлов сепараторов с вихревыми трубами, присутствующих в сепараторе третьей ступени, будет зависеть от расхода подаваемого вещества. Как правило, в одной камере давления имеется от 1 до 200 узлов сепараторов с вихревыми трубами.

Цилиндрический корпус может быть расположен вертикально, под некоторым углом или даже горизонтально. Выпуск для твердых частиц предпочтительно расположен на нижнем конце цилиндрического корпуса, если упомянутый корпус расположен вертикально или под некоторым углом между 0 и 90°.

Краткое описание чертежей

Изобретение будет проиллюстрировано посредством фиг.1-6.

На фиг.1 представлен известный сепаратор с вихревой трубой.

На фиг.2 представлен сепаратор с вихревой трубой с обратным потоком, соответствующий изобретению и имеющий шток, выступающий из выпускной трубы для газа.

На фиг.3 представлен сепаратор с вихревой трубой с обратным потоком, соответствующий изобретению и имеющий шток, выступающий из выпускного отверстия для твердых частиц.

На фиг.4 представлен сепаратор с вихревой трубой с обратным потоком, соответствующий изобретению, в котором шток проходит вдоль всей оси.

На фиг.5 представлен сепаратор с вихревой трубой с параллельным течением, соответствующий изобретению, в котором шток проходит вдоль всей длины оси.

На фиг.6 представлена камера, оснащенная некоторым количеством сепараторов с вихревыми трубами, соответствующих настоящему изобретению.

Осуществление изобретения

На фиг.1 показана известная осевая вихревая труба, состоящая из цилиндрического корпуса 1, впускного отверстия 9 для газа и твердых частиц, придающих завихрение средств 10, установленных в кольцевом пространстве между цилиндрическим корпусом 1 и выпускной трубой 4 для газа. Цилиндрический корпус 1 соединен с частью 8 в форме усеченного конуса, которая оканчивается выпускным отверстием 3 для твердых частиц. Выпускная труба для газа снабжена впускным отверстием 7 для газа. На оси 5 имеются пластина 12 вихрестабилизатора и шток 11 вихрестабилизатора.

На фиг.2 показан сепаратор с вихревой трубой с обратным потоком, как на фиг.1, в котором вдоль оси 5, проходящей от впускного отверстия 7 для газа до выпускного отверстия 3 для твердых частиц, расположен вихреудлиняющий шток 6. Шток 6 закреплен внутри выпускной трубы 4 для газа посредством придающего завихрение тела 13. Это придающее завихрение тело 13 является таким, что при эксплуатации вихревое движение газа, протекающего в упомянутой трубе 4, замедляется. Придающее завихрение тело предпочтительно выступает на некоторое расстояние из выпускной трубы 4 для газа до некоторого положения (не показано), находящегося ниже впускного отверстия 7 для газа. В более предпочтительном варианте из трубы 4 выступает менее 75% тела 13. Другие позиции имеют тот же смысл, что и на фиг.1.

На фиг.3 показан сепаратор с вихревой трубой с обратным потоком, как на фиг.2, за исключением того, что вихреудлиняющий шток 6 установлен в выпускном отверстии 3 для твердых частиц. Кроме того, отсутствует часть 8 в форме усеченного конуса. Шток 6 крепится посредством крепежных стержней 14. Крепежные стержни 14 предпочтительно выполнены таким образом, что не влияют на вращающийся поток твердых частиц и газов, который может возникнуть в этом положении. Другие позиции имеют тот же смысл, что и на фиг.1.

На фиг.4 представлен сепаратор с вихревой трубой с обратным потоком, как на фиг.3, в котором шток 6 проходит вдоль всей длины оси. Шток крепится в выпускной трубе 4 для газа. На нижнем конце штока 6 может присутствовать малая горизонтальная пластина 15. Поскольку шток 6 простирается на существенное расстояние, предпочтительно на расстояние, превышающее 80% длины оси, ниже впускного отверстия 7 для газа, это приведет к получению длинного вихря. Чтобы получить такой удлиненный вихрь в некотором предварительно определенном месте, можно использовать такую пластину. Такая пластина 15 предпочтительно является малой, чтобы не возмущать твердые частицы, выпускаемые из цилиндрического корпуса. Другие позиции имеют тот же смысл, что и на фиг.1.

На фиг.5 представлен сепаратор с вихревой трубой с параллельным течением, в котором впускное отверстие 9 для газа и твердых частиц расположено на одном конце цилиндрического корпуса 1, а выпускное отверстие 3 для твердых частиц и выпускная труба 4 для газа расположены на другой конце цилиндрического корпуса 1. Во впускном отверстии 9 для газа и твердых частиц имеются придающие завихрение средства 10. Эти средства 10 могут, как показано на чертеже, состоять из центрального тела, на котором расположены лопасти. Выпускное отверстие 3 для твердых частиц образовано кольцевым пространством между цилиндрическим корпусом 1 и выпускной трубой 4 для газа. Шток 6 крепится и в придающих завихрение средствах 10 и с помощью придающего завихрение средства 13 внутри выпускной трубы 4 для газа. Это двойное крепление создает преимущество, выражающееся в ограничении вибраций штока. Придающее завихрение тело предпочтительно выступает из впускной трубы 4 для газа на некоторое расстояние до положения (не показано), находящегося над впускным отверстием 7 для газа. В более предпочтительном варианте из трубы 4 выступает менее 75% длины тела 13.

Очевидно, что признаки, показанные на любом из чертежей согласно фиг.1-5, могут найти применение в проиллюстрированной вихревой трубе, не имеющей такого признака. Например, вихревая труба, показанная на фиг.4, также может быть оснащена придающим завихрение средством 13, показанным на фиг.2.

На фиг.6 представлена камера 16, оснащенная некоторым количеством сепараторов 17 с вихревыми трубами, соответствующих настоящему изобретению. Камера оснащена впускным отверстием 18 для газа и твердых частиц, которое сообщается посредством текучей среды с пространством 19, которое закрыто от остальной части камеры листами 20 и 21 трубной рубашки. Это пространство 19 сообщается посредством текучей среды с впускными отверстиями 9 для газа и твердых частиц сепараторов 17 с вихревыми трубами. Выпускная труба 4 для газа сообщается посредством текучей среды с пространством 22 для сбора газа, а выпускное отверстие для твердых частиц сообщается посредством текучей среды с пространством 23 для сбора твердых частиц. Пространство для сбора у выпуска для газа сообщается с выпуском 24 для газа, а пространство 23 для сбора твердых частиц сообщается с выпуском 25 для твердых частиц.