УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫЕ СЕПАРАТОРЫ С ВИХРЕВЫМИ ТРУБАМИ

Перекрестные ссылки на родственные заявки

Данная заявка испрашивает приоритет, заявленный в предварительной заявке на патент США № 62/127 631, поданный 3 марта 2015 года, которая включена в этот документ посредством ссылки.

Уровень техники

Настоящее изобретение в целом относится к усовершенствованным сепараторам с вихревыми трубами. Говоря более конкретно, в некоторых вариантах осуществления настоящее изобретение относится к усовершенствованным сепараторам с вихревыми трубами, содержащими VSP- вихрестабилизаторы, и к связанным с ними способам и системам.

Удаление мелкодисперсных твердых частиц из увлекаемых газов необходимо почти в любой системе, где приходится пропускать газ через гидродинамическое устройство, содержащее газоотклоняющие стенки, например турбодетандер в расширителе, 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 экологических ограничений иногда требуются уровни выбросов ниже 50 мг/м³.

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 потоках газа, покидающих регенератор крекинг-установки с флюидизированным катализатором непосредственно перед турбодетандером или котлом, работающим на топочных газах. Было установлено, что сепараторы третьей ступени могут найти применение и в других процессах, где тонкодисперсные твердые частицы должны быть отделены от увлекаемых газов. Примерами таких процессов являются процессы прямого восстановления железа, процессы газификации угля, электростанции, работающие на угле и обжиговые процессы, такие как обжиг алюминия.

Сепараторы третьей ступени могут содержать множество параллельно расположенных сепараторов с вихревыми трубами. Примеры сепараторов с вихревыми трубами описаны в EP-B-360 360, патент США № 4 863 500, патент США № 4 810 264, патент США № 5681450, GB-A-1411136 и патент США № 3 541 766, содержания которых включены в данный документ посредством ссылки. Коротко говоря, эти сепараторы третьей ступени выполняют сепарацию путем создания циклона в каждом сепараторе с вихревой трубой и используют этот циклон для физической сепарации, основанной на различии инерциальных свойств частиц в вихревой трубе.

Некоторые из этих сепараторов с вихревыми трубами, описанные выше, могут содержать вихрестабилизатор. Считается, что вихрестабилизатор может увеличить эффективность сепаратора третьей ступени, если удерживать вихри, образуемые в центре каждого из сепараторов с вихревыми трубой. Пример вихрестабилизатора описан в патенте США № 7 648 544, все содержимое которого включено в данный документ путем ссылки. Если вкратце, то патент США № 7 648 544 описывает сепаратор с вихревой трубой, который содержит вихреудлиняющий шток (длинный тонкий стержень, обычно именуемый S-образный шток), который предназначен для удержания вихря вихревой трубы в центре сепаратора с вихревыми трубами.

Однако использование S-образного штока в сепараторе с вихревыми трубами может быть проблематичным. В некоторых случаях S-образный шток может страдать от усталости металла в нескольких местах и в конечном итоге может выпасть из вихревых труб. Это может привести к уменьшению производительности сепаратора третьей ступени и может потребовать значительного количества времени простоя для исправления. Кроме того, эти сепараторы с вихревыми трубами не могут работать со 100% эффективностью для частиц и могут страдать от переноса частиц между индивидуальными вихревыми трубами, что обычно называют перекрестными помехами.

Желательно разработать новую конструкцию сепарационной вихревой трубы, которая не подвержена проблемам имеющихся конструкций сепарационных вихревых труб и в состоянии функционировать на том же уровне или лучше.

Краткое описание сущности изобретения

Настоящее изобретение в целом относится к усовершенствованным сепараторам с вихревыми трубами. Говоря более конкретно, в некоторых вариантах осуществления настоящее изобретение относится к усовершенствованным сепараторам с вихревыми трубами, содержащими VSP- вихрестабилизаторы, и к связанным с ними способам и системам.

В одном варианте осуществления настоящее изобретение предоставляет вихревую трубу сепарации, содержащую: трубчатый корпус, впускное отверстие газа с твердыми частицами, трубопровод выпуска газа, лопасть и VSP-вихрестабилизатор.

В другом варианте осуществления изобретения предлагается сепаратор третьей ступени, содержащий: сосуд под давлением, впускное отверстие дымового газа/катализаторной пыли, выпускное отверстие дымового газа, выпускное отверстие нижнего газа/катализаторной пыли и сепаратор с вихревыми трубами, где сепаратор с вихревыми трубами содержит трубчатый корпус, впускное отверстие для газа с твердыми частицами, трубопровод выпуска газа, лопасть и VSP-вихрестабилизатор.

В другом варианте осуществления изобретения предлагается способ, включающий: наличие сепаратора третьей ступени, где этот сепаратор третьей ступени содержит сосуд под давлением, впускное отверстие дымового газа/катализаторной пыли, выпускное отверстие дымового газа, выпускное отверстие нижнего газа/катализаторной пыли и сепаратор с вихревыми трубами, содержащий трубчатый корпус, впускное отверстие для газа с твердыми частицами, трубопровод выпуска газа, лопасть и VSP-вихрестабилизатор; и введение дымового газа и катализаторной смеси в сепаратор третьей ступени.

Краткое описание графических материалов

Более полное и глубокое понимание настоящих вариантов осуществления изобретения и их преимуществ можно будет получить при обращении к следующим описаниям с сопроводительными чертежами.

На фиг. 1 показан вид в поперечном сечении сепаратора с вихревыми трубами в соответствии с определенными вариантами осуществления изобретения.

На фиг. 2 показан вид в поперечном сечении VSP-вихрестабилизатора в соответствии с определенными вариантами осуществления настоящего изобретения.

На фиг. 3 показан вид в поперечном сечении сепаратора третьей ступени в соответствии с определенными вариантами осуществления изобретения.

Фиг. 4 - это график, иллюстрирующий эффективность различных систем сепарации с вихревыми трубами.

На фиг. 5 показаны перекрестные помехи различных систем сепарации с вихревыми трубами.

На фиг. 6 показаны векторы частиц в различных системах сепарации с вихревыми трубами.

Характеристики и преимущества настоящего изобретения будут очевидны для специалистов в данной области. И хотя специалистами в данной области могут быть сделаны многочисленные изменения, такие изменения соответствуют духу данного изобретения.

Подробное описание сущности изобретения

Приведенное ниже описание включает примеры аппаратов, способов, методик и/или последовательностей инструкций, которые реализовывают методики объекта изобретения. Однако понятно, что описанные варианты осуществлений изобретения могут быть реализованы без этих конкретных деталей.

Настоящее изобретение в целом относится к усовершенствованным сепараторам с вихревыми трубами. Говоря более конкретно, в некоторых вариантах осуществления настоящее изобретение относится к усовершенствованным сепараторам с вихревыми трубами, содержащими VSP- вихрестабилизаторы, и к связанным с ними способам и системам.

До недавних пор считали, что внутренний вихрь в вихревой трубе может быть разрушен с помощью устройств с S-образными штоками и что этого достаточно для предотвращения уноса твердых веществ в турбулентный поток. Однако было установлено, что прекращение вихря не всегда предотвращает унос твердых частиц из-под устройства с S-образными штоками. Считалось также, что использование твердой границы для предотвращения уноса нижнего газа приведет к большому падению давления в вихревой трубе, поскольку зона выхода вихревой трубы будет частично перекрыта.

Усовершенствованные сепараторы с вихревыми трубами, описанные здесь, имеют ряд преимуществ. Во-первых, в некоторых вариантах осуществления изобретения, сепараторы с вихревыми трубами, описанные здесь, не содержат S-образного штока и, таким образом, не приводят к простоям из-за отказа S-образного штока. Во-вторых, сепараторы с вихревой трубой, описанные здесь, имеют более высокую эффективность, чем обычные сепараторы с вихревой трубой. В-третьих, сепараторы с вихревой трубой, описанные здесь, не подвержены явлению перекрестных помех, так как у них обратный поток с меньшим количеством частиц благодаря отсутствию зоны вихревой рециркуляции в основании выпускной трубы, и, таким образом, могут быть короче и/или меньше по размеру, чем обычные сепараторы с вихревыми трубами. В-четвертых, в некоторых вариантах осуществления изобретения при желании сепараторы с вихревыми трубами, описанные здесь, могут содержать S-образный шток.

Сепаратор с вихревыми трубами 100, показанный на фиг. 1, соответствует определенным вариантам осуществлений настоящего изобретения. В некоторых вариантах осуществления изобретений сепаратор с вихревыми трубами 100 может иметь основные характеристики и свойства обычных сепараторов с вихревыми трубами. Примеры обычных сепараторов с вихревыми трубами описаны в патенте США №№ 3 541766, 5 690 709, 5 328 592, 5 372 707, 5 514 271 и 6 174 339, содержание которых настоящим включена посредством ссылки во всей их полноте.

В определенных вариантах осуществления изобретения сепаратор с вихревыми трубами 100 может быть реверсивным сепаратором с вихревыми трубами. Как показано на фиг. 1, в некоторых вариантах осуществления изобретения сепаратор с вихревыми трубами 100 может содержать трубчатый корпус 110, впускное отверстие газа с твердыми частицами 120, трубопровод выпуска газа 130, лопасть 140 и вихрестабилизатор 150.

В определенных вариантах осуществления изобретения трубчатый корпус 110 может содержать обычный трубчатый корпус, используемый в обычных сепараторах с вихревыми трубами. В определенных вариантах осуществления изобретения трубчатый корпус 110 может быть изготовлен из металлов, металлических сплавов и/или керамики и может быть футерирован эрозиестойкими покрытиями или керамической футеровкой. В определенных вариантах осуществления изобретения трубчатый корпус 110 может быть цилиндрической формы с внутренним диаметром и внутренней длиной. В определенных вариантах осуществления изобретения трубчатый корпус 110 может состоять из трубчатой стенки 111, определяющей полое внутреннее пространство 112, верхнее отверстие 113 и нижнее отверстие 114.

В определенных вариантах осуществления изобретения трубчатый корпус 110 может иметь внутренний диаметр в пределах от 0,15 до 1,5 м. В других вариантах осуществления изобретения трубчатый корпус 110 может иметь внутренний диаметр в пределах от 0,15 до 3 м. В других вариантах осуществления изобретения трубчатый корпус 110 может иметь внутренний диаметр от 0,5 до 2 м.

В определенных вариантах осуществления изобретения внутренний диаметр трубчатого корпуса 110 может быть однородным по всему трубчатому корпусу 110. В определенных вариантах осуществления изобретения внутренний диаметр трубчатого корпуса 110 может быть неоднородным по всему трубчатому корпусу 110. В определенных вариантах осуществления изобретения трубчатый корпус 110 может содержать конус с большим внутренним диаметром и/или меньшим внутренним диаметром в верхнем отверстии 113 и/или нижнем отверстии 114.

В определенных вариантах осуществления изобретения трубчатый корпус 110 может иметь внутреннюю длину в пределах от 0,1 до 15 м. В других вариантах осуществления изобретения трубчатый корпус 110 может иметь внутреннюю длину в пределах от около 0,5 до 10 м. В других вариантах осуществления изобретения трубчатый корпус 110 может иметь внутреннюю длину в пределах от 0,5 до 1,5 м.

В определенных вариантах осуществления изобретения трубчатый корпус 110 может иметь отношение внутренней длины к внутреннему диаметру от 1,5:1 до 25:1. В других вариантах осуществления изобретения трубчатый корпус 110 может иметь соотношение внутренней длины к внутреннему диаметру от 2:1 до 10:1. В других вариантах осуществления изобретения трубчатый корпус 110 может иметь соотношение внутренней длины к внутреннему диаметру от 2,5:1 до 5:1.

В определенных вариантах осуществления изобретения внутренний диаметр верхнего отверстия 113 и/или нижнего отверстия 114 может быть таким же, как внутренний диаметр трубчатого корпуса 110. В других вариантах осуществления изобретения внутренний диаметр верхнего отверстия и/или нижнего отверстия 114 может варьироваться в пределах от 0,05 м до 0,5 м.

В определенных вариантах осуществления изобретения впускное отверстие газа с твердыми частицами 120 может находиться в верхнем отверстии 113. В определенных вариантах осуществления изобретения впускное отверстие газа с твердыми частицами 120 может содержать кольцевое пространство, образованное трубчатой стенкой 111 и стенкой трубопровода выпуска газа 131 трубопровода выпуска газа 130.

В определенных вариантах осуществления изобретения впускное отверстие газа с твердыми частицами 120 может разрешать поток газа и твердых частиц в вихревую трубу 100. В определенных вариантах осуществления изобретения нижнее отверстие 114 может разрешать поток твердых частиц из вихревой трубы 100 и поток газа в вихревую трубу 100. В определенных вариантах осуществления изобретения впускное отверстие газа с твердыми частицами 120 и нижнее отверстие 114 могут иметь размер, позволяющий поток газа в вихревую трубу 100 со скоростью потока газа в пределах от 10 куб. фут/мин до 40 куб. фут/мин. В определенных вариантах осуществления изобретения впускное отверстие газа с твердыми частицами 120 и нижнее отверстие 114 могут иметь размер, позволяющий поток твердых частиц в вихревую трубу 100 со скоростью потока газа в пределах от 5 мг/м³ до 1500 мг/м³. В определенных вариантах осуществления изобретения вихревая труба 100 может эксплуатироваться при температурах в пределах от 25°C до 850°C и давлениях в пределах от 0 бар избыт. давления до 5 бар избыт. давления или больше.

В определенных вариантах осуществления изобретения трубопровод выпуска газа 130 может содержать стенку трубопровода выпуска газа 131, определяющую полое внутреннее пространство 132 и нижнее отверстие 133.

В определенных вариантах осуществления изобретения трубопровод выпуска газа 130 может иметь внутренний диаметр в пределах от 0,045 до 0,9 м. В других вариантах осуществления изобретения трубопровод выпуска газа 130 может иметь внутренний диаметр в пределах от 0,1 до 1 м. В других вариантах осуществления изобретения трубопровод выпуска газа 130 может иметь внутренний диаметр в пределах от 0,1 м до 0,5 м. В других вариантах осуществления изобретения трубопровод выпуска газа 130 может иметь внутренний диаметр в пределах от 0,1 м до 0,25 м.

В определенных вариантах осуществления изобретения соотношение внутреннего диаметра трубопровода выпуска газа 130 к внутреннему диаметру трубчатого корпуса 110 может быть в пределах от 0,1:1 до 0,6:1. В других вариантах осуществления изобретения соотношение внутреннего диаметра трубопровода выпуска газа 130 к внутреннему диаметру трубчатого корпуса 110 может быть в пределах от 0,3:1 до 0,5:1.

В определенных вариантах осуществления изобретения часть трубопровода выпуска газа 130 может входить в полое внутреннее пространство 112 трубчатого корпуса 110 через верхнее отверстие 113. В определенных вариантах осуществления изобретения трубопровод выпуска газа 130 может входить в полое внутреннее пространство 112 на расстояние в пределах от 0,1 до 0,5 м. В других вариантах осуществления изобретения трубопровод выпуска газа 130 может входить в полое внутреннее пространство 112 на расстояние в пределах от 0,2 до 0,4 м.

В определенных вариантах осуществления изобретения нижнее отверстие 133 трубопровода выпуска газа 130 может иметь тот же внутренний диаметр трубопровода выпуска газа 130. В других вариантах осуществления изобретения нижнее отверстие 133 трубопровода выпуска газа 130 может иметь больший внутренний диаметр, чем трубопровод выпуска газа 130.

В определенных вариантах осуществления изобретения трубопровод выпуска газа 130 может разрешить выход газа из сепаратора с вихревыми трубами 100. В определенных вариантах осуществления изобретения трубопровод выпуска газа 130 может иметь размер, позволяющий выход газа из сепаратора с вихревыми трубами 100 при скорости потока в пределах от 10 куб. фут/мин до 100 куб. фут/мин. В определенных вариантах осуществления изобретения трубопровод выпуска газа 130 может быть прикреплен к газовой камере (не показана на фиг. 1).

В определенных вариантах осуществления изобретения лопасть 140 может состоять из одной или нескольких поворачивающихся на угол лопастей, которые способны направлять поток в вихревое движение. В определенных вариантах осуществления изобретения лопасть 140 может быть изготовлена из металлов, металлических сплавов и/или керамики и может быть покрыта керамикой или износостойким покрытием. В определенных вариантах осуществления изобретения лопасть 140 может иметь диаметр в пределах от 0,1 до 0,5 м. В определенных вариантах осуществления изобретения лопасть 140 может иметь подходящий размер для установки в кольцевом пространстве, определенном трубчатой стенкой 111 и стенкой трубопровода выпуска газа 131.

В определенных вариантах осуществления изобретения лопасть 140 может быть размещена в кольцевом пространстве, определенном трубчатой стенкой 111 и стенкой трубопровода выпуска газа 131. В определенных вариантах осуществления изобретения лопасть 140 может быть размещена на расстоянии ниже впускного отверстия 130 в пределах от 0 до 0,4 м.

В определенных вариантах осуществления изобретения лопасть 140 может позволить образование циклона в полой внутренней камере 112, когда газ с твердыми частицами вводится в полую внутреннюю камеру 112. В определенных вариантах осуществления изобретения вихрь может генерироваться вихревым потоком на выходной лопасти 140. Вихревой поток, наряду с выпускным отверстием газа 130, может генерировать циклон низкого давления в полой внутренней камере 112. В определенных вариантах осуществления изобретения образование циклона может позволить разделение газа и твердых частиц и выпуск газа через трубопровод выпуска газа 130. В определенных вариантах осуществления изобретения центробежные силы, вызванные вращательным потоком, могут отделить твердые частицы от газов в циклоне, так как силы инерции перемещают твердые частицы к стенке вихревой трубы. Затем газ может быть удален из полой внутренней камеры 112 через трубу выпуска газа 130, в то время как твердые частицы могут выйти через нижнее отверстие 114.

В определенных вариантах осуществления изобретения вихрестабилизатор 150 может быть VSP-вихрестабилизатором. Используемый здесь термин "VSP-вихрестабилизатор" определяется как любой вихрестабилизатор, содержащий усеченное или коническое основание. В определенных вариантах осуществления изобретения VSP-вихрестабилизатор может состоять из цилиндрической верхней части расположенной на усеченном основании. На фигуре 2 показан VSP-вихрестабилизатор в соответствии с определенными вариантами осуществления настоящего изобретения.

На фиг. 2 показан VSP-вихрестабилизатор 250. В определенных вариантах осуществления изобретения, не показанных на фиг. 2, VSP-вихрестабилизатор 250 может быть прочной конструкцией без полых внутренних пространств. В таких вариантах осуществления изобретения VSP-вихрестабилизатор может быть изготовлен из металла, металлических сплавов, огнеупоров, керамики и/или металлокерамики. В других вариантах осуществления изобретения VSP-вихрестабилизатор 250 может содержать оболочку 251, определяющую полое внутреннее пространство.

В определенных вариантах осуществления изобретения оболочка 251 может быть изготовлена из стали, огнеупорных стеллитов, керамики и/или металлокерамики. В определенных вариантах осуществления изобретения оболочка 251 может иметь толщину в пределах от 0,01 м до 0,025 м на второй боковой поверхности 254 и толщину в пределах от 0,0075 дюйма до 0,025 дюйма на верхней поверхности 252.

В определенных вариантах осуществления изобретения VSP-стабилизатор 250 может состоять из верхней поверхности 252, первой боковой поверхности 253, второй боковой поверхности 254 и нижней части 255.

В определенных вариантах осуществления изобретения верхняя поверхность 252 может быть плоской поверхностью круговой формы. В определенных вариантах осуществления изобретения верхняя поверхность 252 может иметь постоянный диаметр. В определенных вариантах осуществления изобретения диаметр верхней поверхности 252 может иметь размер, исходя из своего применения. В определенных вариантах осуществления изобретения диаметр верхней поверхности 252 может быть в пределах от 0 до 0,5 м. В определенных вариантах осуществления изобретения диаметр верхней поверхности 252 может быть в пределах от 0,05 до 0,5 м. В других вариантах осуществления изобретения диаметр верхней поверхности 252 может быть в пределах от 0,2 до 0,4 м. В определенных вариантах осуществления изобретения верхняя поверхность 252 может быть гладкой, отполированной поверхностью. В определенных вариантах осуществления изобретения, не показанных на фиг. 2, S-образный шток может быть прикреплен к верхней поверхности 252. В определенных вариантах осуществления изобретения S-образный шток может иметь те же геометрию и материал, которые составляют любой вихреудлиняющий шток, описанный в патенте США № 7648544.

В определенных вариантах осуществления изобретения первая боковая поверхность 253 может быть цилиндрической формы с высотой в пределах от около 0,006 м до около 0,05 м. В определенных вариантах осуществления изобретения диаметр первой боковой поверхности 253 может быть таким же, как диаметр верхней поверхности 252.

В определенных вариантах осуществления изобретения вторая боковая поверхность 254 может быть цилиндрической формы с конусом. В определенных вариантах осуществления изобретения конус может быть однородным конусом. В определенных вариантах осуществления изобретения конус второй боковой поверхности 254 может быть в пределах от 10 градусов до около 60 градусов. В других вариантах осуществления изобретения конус второй боковой поверхности 254 может быть в пределах от около 20 градусов до около 50 градусов. В определенных вариантах осуществления изобретения конус второй боковой поверхности 254 может быть в пределах от около 30 градусов до 40 градусов. В других вариантах осуществления изобретения конус может быть неоднородным конусом.

В определенных вариантах осуществления изобретения диаметр боковой поверхности 254 можно увеличить из первоначального диаметра до окончательного диаметра. В определенных вариантах осуществления изобретения первоначальный диаметр второй боковой поверхности 254 может быть равным диаметру первой боковой поверхности 253.

В определенных вариантах осуществления изобретения окончательный диаметр второй боковой поверхности 254 может иметь размер, исходя из своего применения. В определенных вариантах осуществления изобретения соотношение окончательного диаметра второй боковой поверхности 254 к начальному диаметру второй боковой поверхности 254 может быть в пределах от 1,5:1 до 5:1. В определенных вариантах осуществления изобретения соотношение окончательного диаметра второй боковой поверхности 254 к начальному диаметру второй боковой поверхности 254 может быть в пределах от 2:1 до 4:1. В определенных вариантах осуществления изобретения соотношение окончательного диаметра второй боковой поверхности 254 к начальному диаметру второй боковой поверхности 254 может быть больше, чем 5:1, в пределах от 5:1 до 10:1, в пределах от 10:1 до 50:1 или больше, чем 50:1.

В определенных вариантах осуществления изобретения диаметр боковой поверхности 254 можно увеличить из первоначального диаметра до окончательного диаметра равномерно. В других вариантах осуществления изобретения диаметр боковой поверхности 254 можно увеличить из первоначального диаметра до окончательного диаметра неравномерно. В определенных вариантах осуществления изобретения высота боковой поверхности может быть в пределах от 0,1 м до 0,25 м.

В определенных вариантах осуществления изобретения нижняя часть 255 может иметь диаметр, равный окончательному диаметру второй боковой поверхности 254. В определенных вариантах осуществления изобретения нижняя часть 255 может быть открытой нижней частью. В определенных вариантах осуществления изобретения конструкция открытой нижней части VSP-вихрестабилизатора 250 может быть желательной, так как она позволяет сократить общий вес VSP-вихрестабилизатора 250 и уменьшает вибрации и изгибающие моменты, действующие на VSP-вихрестабилизатор 250.

Как показано на фиг. 1, вихрестабилизатор 150 может состоять из любой комбинации характеристик и свойств, рассмотренных выше, в отношении VSP-вихрестабилизатора 250. В определенных вариантах осуществления изобретения вихрестабилизатор 150 может состоять из оболочки 151, верхней поверхности 152, первой боковой поверхности 153, второй боковой поверхности 154 и нижней части 155.

В определенных вариантах осуществления изобретения размеры вихрестабилизатора 150 могут основываться на размерах трубчатого корпуса 110. В определенных вариантах осуществления изобретения соотношение диаметра верхней поверхности 152 к внутреннему диаметру трубчатого корпуса 110 может быть в пределах от 0,05:1 до 0,7:1. В определенных вариантах осуществления изобретения соотношение диаметра верхней поверхности 152 к внутреннему диаметру трубчатого корпуса 110 может быть в пределах от 0,1:1 до 0,5:1. В определенных вариантах осуществления изобретения соотношение диаметра верхней поверхности 152 к внутреннему диаметру трубчатого корпуса 110 может быть в пределах от 0,2:1 до 0,3:1. В определенных вариантах осуществления изобретения соотношение окончательного диаметра второй боковой поверхности 154 к внутреннему диаметру трубчатого корпуса 110 может быть в пределах от 0,5:1 до 2:1. В определенных вариантах осуществления изобретения соотношение окончательного диаметра второй боковой поверхности 154 к внутреннему диаметру трубчатого корпуса 110 может быть в пределах от 0,75:1 до 1,5:1. В определенных вариантах осуществления изобретения соотношение окончательного диаметра второй боковой поверхности 154 к внутреннему диаметру трубчатого корпуса 110 может быть в пределах от 1:1 до 1,25:1.

В определенных вариантах осуществления изобретения вихрестабилизатор 150 может находиться посреди под трубчатым корпусом 110. В определенных вариантах осуществления изобретения часть вихрестабилизатора 150 может входить в полое внутреннее пространство 112. В определенных вариантах осуществления изобретения вихрестабилизатор 150 может быть расположен так, что верхняя поверхность 152 будет находиться на одном уровне с нижним отверстием 114. В других вариантах осуществления изобретения вихрестабилизатор 150 может быть расположен так, что верхняя поверхность 152 будет находиться выше нижнего отверстия 114. В определенных вариантах осуществления изобретения вихрестабилизатор 150 может удерживаться на месте двумя или более монтажными кронштейнами 160. В определенных вариантах осуществления изобретения монтажные кронштейны 160 могут быть приварены к наружному корпусу 110 и вихрестабилизатору 150.

В определенных вариантах осуществления изобретения вихрестабилизатор 150 может служить для стабилизации циклона в полой камере 112 при работе сепарационной вихревой трубы 100. Используемый здесь термин «стабилизировать» может относиться к местонахождению и поддержанию осевой линии вихря в середине вихревой трубы 112, а также установке необходимого значения давления для регулирования потока газа с твердыми частицами в 112.

В определенных вариантах осуществления изобретения сепаратор с вихревыми трубами 100 должным образом может использоваться для различных типов разделения газа и твердых частиц. В определенных вариантах осуществления изобретения сепаратор с вихревыми трубами 100 может использоваться для сепарации твердых частиц диаметром от 1x10^-6 м до 250x10^-6 м из потока газа. В определенных вариантах осуществления изобретения поток газа может иметь содержание твердых частиц от 10 до 12 000 мг/м³. В определенных вариантах осуществления изобретения очищенный газ, покидающий сепаратор с вихревыми трубами 100, может иметь уровни выбросов ниже 50 мг/м³, ниже 30 мг/м³ или ниже 10 мг/м³. В определенных вариантах осуществления изобретения сепаратор с вихревыми трубами 100 может работать с эффективностью разделения от 90% до около 100%.

На фиг. 3 показан сепаратор третьей ступени 1000 согласно определенным вариантам осуществления настоящего изобретения. Как видно на фиг. 3, сепаратор третьей ступени 1000 может содержать: сосуд под давлением 1100, множество сепараторов с вихревыми трубами 1200, впускное отверстие дымового газа/катализаторной пыли 1300, выпускное отверстие дымового газа 1400 и выпускное отверстие нижнего газа/катализаторной пыли 1500.

В определенных вариантах осуществления изобретения сепаратор третьей ступени 1000 может содержать от 1 до 500 сепараторов с вихревыми трубами 1200, расположенными в сосуде под давлением 1100. В определенных вариантах осуществления изобретения сепаратор третьей ступени 1000 может содержать от 70 до 150 сепараторов с вихревыми трубами 1200, расположенных в сосуде под давлением 1100. На фиг. 3 показан сепаратор третьей ступени 1000, содержащий 4 сепаратора с вихревыми трубами 1200.

В определенных вариантах осуществления изобретения сепараторы с вихревыми трубами 1200 могут содержать комбинацию характеристик и свойств, рассмотренных выше, в отношении сепаратора с вихревыми трубами 100. В определенных вариантах осуществления изобретения множество сепараторов с вихревыми трубами 1200 может быть установлено в сосуде под давлением 1100 таким образом, что смесь дымового газа и катализатора, поступающая в сосуд под давлением 1100 через отверстие дымового газа/катализаторной пыли 1300, может пройти в сепаратор с вихревыми трубами 1200. В определенных вариантах осуществления изобретения множество сепараторов с вихревыми трубами 1200 может быть установлено в сосуде под давлением 1100, так что дымовой газ может выйти из сепаратора с вихревыми трубами и затем выйти из сосуда под давлением 1100 через выпускное отверстие газа 1400. В определенных вариантах осуществления изобретения множество сепараторов с вихревыми трубами 1200 может быть установлено в сосуде под давлением 1100, так что катализаторная пыль может выйти из сепаратора с вихревыми трубами и затем выйти из сосуда под давлением 1100 через выпускное отверстие нижнего газа/катализаторной пыли 1500.

В определенных вариантах осуществления изобретения предлагается способ, включающий: наличие сепаратора третьей ступени, где этот сепаратор третьей ступени содержит сосуд под давлением, впускное отверстие дымового газа/катализаторной пыли, выпускное отверстие дымового газа, выпускное отверстие нижнего газа/катализаторной пыли и сепаратор с вихревыми трубами, содержащий трубчатый корпус, впускное отверстие газа с твердыми частицами, трубопровод выпуска газа, лопасть и VSP-вихрестабилизатор; и введение потока газа в сепаратор третьей ступени.

В определенных вариантах осуществления изобретения сепаратор третьей ступени может содержать сепаратор третьей ступени, рассмотренный выше. В определенных вариантах осуществления изобретения поток газа может содержать поток газа, имеющий твердые частицы. В определенных вариантах осуществления изобретения поток газа может содержать смесь дымового газа и катализатора, которая может иметь твердые частицы с диаметрами от 1x10^-6м до 250 x 10^-6 м, из потока газа. В определенных вариантах осуществления изобретения поток газа может иметь содержание твердых частиц от 10 до 12 000 мг/м³.

В определенных вариантах осуществления изобретения способ может дополнительно включать удаление твердых частиц из потока газа. В определенных вариантах осуществления изобретения твердые частицы могут быть удалены из потока газа путем разрешения поступления потока газа в сепаратор с вихревыми трубами. В определенных вариантах осуществления изобретения удаление твердых частиц из потока газа может включать генерацию потока очищенного газа. В определенных вариантах осуществления изобретения поток очищенного газа может иметь содержание твердых частиц ниже 50 мг/м³, ниже 30 мг/м³или даже ниже 10 мг/м³.

Для более глубокого понимания настоящего изобретения приведены следующие примеры конкретных вариантов осуществления изобретения. Приведенные ниже примеры не следует принимать в качестве ограничения или определения объема изобретения.

Примеры

Пример 1

Для проверки эффективности сепарационной системы третьей ступени, состоящей из двух трубок сепарационных вихревых труб в различных конфигурациях, было проведено компьютерное моделирование системы. В первой конфигурации две сепарационные вихревые трубы не содержали вихрестабилизаторов. Во второй конфигурации две сепарационные вихревые трубы содержали вихрестабилизаторы с S-образными штоками. В третьем конфигурации две сепарационные вихревые трубы содержали VSP-вихрестабилизаторы в соответствии с определенными вариантами осуществлений настоящего изобретения.

Для каждой из конфигураций было выполнено моделирование, вводящее катализаторную пыль в систему с двумя вихревыми трубами. Геометрия и скорости потоков были репрезентативными для типичных операций с TSS вихревыми трубами. Нагрузка по твердым частицам в вихревые трубы варьировалась в пределах от 120 мг/м³ до 12 000 мг/м³ при этом сохранялись постоянными: расход газа, давление и температура.

При моделировании измерялась эффективность сепарации, падение давления в вихревой трубе и величина скорости потока как газа, так и твердых частиц вихревой трубы в зависимости от нагрузки по твердым частицам и оконечного устройства.

Диаграмма, отображающая эффективность разделения для каждой конфигурации, показана на фиг. 4. Иллюстрация перекрестных помех для каждой конфигурации показана на фиг. 5. Иллюстрация векторов частиц для каждой конфигурации показана на фиг. 6.

На фиг. 4 показана общая эффективность разделения, которая для третьей конфигурации была намного выше, чем общая эффективность разделения первой и второй конфигураций. Эффективность разделения оценивалась в 100% для третьей конфигурации и при измерении равнялась только 97,8% для второй конфигурации и 98,9% для первой конфигурации.

На фиг. 5 показано, что хотя перекрестные помехи частиц между каждым из сепараторов с вихревыми трубами случались в первой и второй конфигурациях, никаких перекрестных помех частиц между каждым из сепараторов с вихревыми трубами не наблюдалось в третьем конфигурации. Это означает, что третья конфигурация была самой эффективной.

На фиг. 6 показаны мгновенные векторы частиц в поперечном сечении вихревой трубы. Эти векторы показывают движение частиц катализатора в вихревой трубе. Вихревая труба с S-образным штоком и без S-образного штока показывает, что частицы захватываются в центр вихревой трубы и затем проходят до трубы выпуска газа. На фиг. 6 с имеющимся VSP-вихрестабилизатором показано, что частицы ограничиваются стенками вихревой трубы и не попадают в центральный вихрь.

Таким образом, результаты показывают, что сепараторы с вихревыми трубами, описанные в данном документе, работают на более высоком уровне, чем обычные сепараторы с вихревыми трубами.

Хотя варианты осуществления изобретения описаны со ссылкой на различные варианты реализаций и эксплуатаций, следует понимать, что эти осуществления изобретения носят иллюстративный характер и что объем предмета изобретения не ограничивается ими. Возможны многие вариации, изменения, дополнения и усовершенствования.

Для компонентов, операций или конструкций, описанных здесь в виде одного примера, могут быть предложены множественные примеры. Как правило, конструкции и функциональные возможности, показанные в виде отдельных компонентов в примерах конфигураций, могут быть реализованы в виде объединенной конструкции или компонента. Аналогично, конструкции и функциональные возможности, представленные в виде одного компонента, могут быть реализованы в виде отдельных компонентов. Эти и другие варианты, модификации, дополнения и усовершенствования находятся в пределах объема объекта изобретения.