CN100450578C - 装于弯头中的气-液冲击式分离器及分离液滴的方法 - Google Patents

Abstract

气液分离器，它包括内装鱼骨形冲击装置的弯头，此冲击装置有若干下倾的叶片，该叶片最好装附到此弯头内的中心脊骨上。此种叶片沿其长度方向有一开口，并同时有底部凸缘与一或多个集流点沟通，而最好是与弯头的内壁沟通。此装置坚固，结构简单，并显示出较低的压力降。

Description

装于弯头中的气-液冲击式分离器及分离液滴的方法

技术领域

本发明针对化学过程中从气-液流中分离出液滴。

背景技术

许多化学过程需要从化学处理设备例如化学反应器中将气相分离。在某些情形下，各种反应物、制品或副产品本身的性质便于去除实质上不含液体的气体。但在其他过程中则显著数量的液滴可能结合到气相中，而在这些液滴随后不论严格地是由于相变或是由于相继的化学反应而导致固化的情形下，管道和阀门就可能被堵塞，需要拆开清理或更换。此外，在许多情形下，液滴会造成贵重的反应物、中间产品或成品的损失。例如，制备聚对苯二甲酸乙酯的聚合物时，聚合物与低聚体的颗粒在乙二醇与水于蒸汽相中从反应器中除去时而随着它们被带走。

已知有多种用于从气流中除去液体的装置，包括旋风分离器、急冷板、过滤器和类似装置。例如充填柱就可以有效地除去液滴。然而上述这些方法中的许多例如使用急冷板的方法是能量密集的，而其他的采用填充柱的方法则会呈现剧烈的压力降以及易致堵塞。联机的过滤器也会同样苦于上述缺陷。

惯性分离器或收集器利用了流动的气体容易进行具有大的惯性的液滴不能进行的拐弯。不能随气流而转弯的液滴是由于它惯性地冲击或碰撞淀积其上的靶板或集流面。简单的管道弯头便是这种分离器的例子。可是，这样的分离器一般只是对具有大惯性的材料液滴有效。由于液滴的惯性是通过其质量测度，液滴的大小和密度在确定除去效率中是重要的。

在美国专利5181943中，液体的除去是通过在液-气流通路的横向设置大量板形折流件来实现，这些折流件大致平行并向下倾斜，同时交替地从该分离装置的两侧延伸出，横向于初始流动方向设置。上述装置形成大的表面积的蛇形通路，如果压力降太低，该装置必须相当大。由于在许多情形中分离器必须保持在特定的操作温度下，因而需有大量的外部保温设备，于是这种装置要耗用相当大的资金。

美国专利5510017公开了一种气-液分离器，它包括两组同心的沿径向设置的叶片它使流经的含液体的气流形成涡流。生成的离心力促使液滴冲击到包含分离器的这段管道的内壁，由此通过一系列的排水管使得这些液滴作为大量液体被去除，上述装置具有颇为复杂的结构，并且据信只有当构造为用于由设置收集液滴的折流件和排水管导致的水平流动时才能利用。此外，将层流变换为涡流必然需要能量，其显示为压力降。

EP0197060公开了一种用于气体脱硫的气液分离器，它使用多组斜向安置的面积巨大的板条，对这些板条喷射冲洗液以带走附着到这些板条上的液滴。在多数情形下，使用上述冲洗液流的方法是不可取的。

最好能提供一种设计与结构都简单的气-液分离器，它不需冲洗液即可使用，它的压力降很低，用相当小的惯性便可有效地分离液滴。

发明内容

一种气-液惯性分离器，它包括

a)具有内壁的弯头

b)分离增强器，它具有

b)i)多个纵向延伸的叶片，它们位于气流方向的横向并沿气流方向分隔开；并且

b)ii)中央脊骨，在其上接附有上述叶片，所述中央脊骨设置在所述弯头中

其中，上述叶片在其纵向上相对于重力朝向下取向，使得从流径上述弯头的含液气体收集的液体向下流到至少是一个收集点。

所述叶片取中空结构并沿其长度具有至少一个开口。

所述开口是沿叶片的全长，而所述叶片定位成使上述开口面向流经所述弯头的气流方向。

所述叶片安装在从所述脊骨上或从所述的弯头上延伸出的支柱上。

所述叶片的横截面的高度大于其厚度，所述的叶片安装成使得上述横截面高度的轴线相对气流方向倾斜成从20°到约90°的角度。

所述的叶片是中空的并沿其长度有一开口，所述的开口面向气流方向，该开口定位成使此中空叶片具有位于其底部的流体收集凸缘。

而所述的叶片从所述的中央脊骨向下倾斜，在端部紧邻所述弯头的内壁。

所述叶片向下朝所述中央脊骨倾斜，所述中央脊骨是中空的以提供一个向下流体流动通道，在所述的中央脊骨中的孔与所述的叶片相通以提供用于被所述叶片收集的流体的通道以便流体进到所述中央脊骨内。

所述叶片是中空的，沿其长度有一开口，可滑动连接到所述的支柱上。

所述的中央脊骨是一个宽度为所述弯头内径的约一半或稍小于该内径的金属中央脊骨。

所述的中央脊骨在所述的弯头入口为水平平面时垂直取向。

所述的弯头具有圆形截面。

所述的弯头具有多边形的截面。

所述中央脊骨的底端用固定在所述弯头的壁上的保持件设置在所述的弯头内，同时所述中央脊骨的顶部则用活动地连接到固定在所述的弯头的壁上的上保持件上的、可动地连接到所述中央脊骨的所述的顶部上的连杆，设置于所述弯头内。

所述的连杆是一体式连杆，它可转动地连接到所述的上保持件上并可转动地连接到所述的中央脊骨的所述的顶部上。

一种用于从流动的气流中分离液滴的方法，包括将所述气流引入上述的分离器中，通过使所述液滴与所述分离增强器和所述弯头内壁接触而收集液体，并提供释出液滴的气流出口。

所述弯头的入口端与处理容器连通，此处理容器将含液滴的气体发送到所述的弯头，将收集的液体从所述分离器引回到所述容器内。

所述容器是聚合反应器，所述的液滴包括液状单体或分子量聚合物中的至少一种。

本发明人公开的这种弯头形惯性分离器是在弯头内安设多个叶片状靶面而能够显著地提高效率。由于这种集液面的形状及其理想的支承结构，弯头上的这种附加物便称作为鱼骨形的冲击装置。即使对于小惯性的液滴分离效率很高。这种装置结实耐用、结构简单、成本低廉。

附图说明

图1所示为本发明的惯性气液分离器一实施形式的局部剖视图；

图2所示为本发明气液分离器的鱼骨形插件一实施形式的正视图；

图3所示为叶片与支柱的实施例的放大图，这里的叶片向下朝弯头壁倾斜；

图4所示的实施例中叶片向下朝中央和中央收集位置倾斜而不是朝向弯头的壁；

图5a-5e所示为本发明的鱼骨形件的另几个实施例；

图6所示为在粒度不一而密度相同的情形下本发明的分离器与简单的弯头分离器的分离效率比较；

图7所示为在粒度不一且假设颗粒较大而密度较小的情形下本发明的分离器与简单的弯头分离器的分离效率比较；

图8示意性地表明本发明的分离器中液滴的分离；

图9所示为本发明无脊骨式鱼骨形分离器；

图10所示为置于方形弯头内的鱼骨形分离器；

图11所示为从侧面安装有鱼骨形分离器的45°弯头；

图12所示为鱼骨形分离器一种较好的安装方法；以及

图13所示为作为叶片数函数的清除效率。

具体实施方式

本发明的分离器包括如下面所定义的置于管道弯头内的“鱼骨”。可以采用单一的鱼骨件或采用多个鱼骨件装置。最好是每个弯头采用一个鱼骨件。

鱼骨件最佳实施例可以参照包含鱼骨件的弯头的剖视图即图1作出最好的说明。气-液分离器1包括管道弯头3和鱼骨件2。鱼骨件2包括脊骨4、例如用螺栓、焊接方法等在鱼脊骨4上固定支柱5，支柱5于其纵向相对于重力方向倾斜向下，而最好相对于气流方向在横断面上形成倾斜角。安装在支柱5上的是叶片6，这种叶片在本实施例中是空心且部分扁平的管子，在朝向气体与液体流的一面具有开口。在所示的本实施例中，叶片滑配合到支柱上，以便进行远离鱼骨件4的长度调整。但当叶片一旦适当地定位好后，通常便永久地固定在支柱上，例如用点焊，或者省除支柱而将叶片直接固定到脊骨上。上述叶片延伸到接近弯头的内壁上，如果需要，还可以接附于其上。最好是使叶片离开弯头内壁0.1到5mm，而尤为最好是1-2mm。靠近弯头壁的程度要依据弯头直径、排水方式、叶片热膨胀引起的热应力有关的一些问题，同时这种接近程度则不会以其他方式对分离装置的结构施加任何限制。例如，能使叶片端部距弯头壁部较远，特别是对于直径为0.75-3米的大弯头，或是叶片端部触及壁部或者甚至于附到壁部之上时。

操作中，液滴冲击到弯头的壁上并冲击到脊骨支柱及叶片上。由于叶片相对于重力倾斜向下，因此方蓄积的液体就下流到叶片，特别是在延伸了叶片长度且在该处限定出前述开口的底部边缘处，然后液体也沉积到弯头的壁上。

脊骨可以以任何方式置于弯头内，但最好大体上为垂直的。如图1所示，脊骨宽度最好小于弯头直径，且最好是弯头直径的25-70％，而尤为最好是弯头直径的30-50％，同时最好但不是必须地从弯头壁沿径向朝内取向。这种沿径向朝内的方向，在涉及的是通常的45°或90°度弯头时，则对应于通过该弯头弯曲部分的平面。

但是，脊骨也可以偏中心安装，和/或与垂直线形成角度。此外。脊骨本身不需要是平的，而可以旋拧成螺旋形，弯成曲线，等等。在最佳的设计中，脊骨的主要功能是保持和定位叶片，因而任何尺寸或几何形状的脊骨构造形式只要满足这个目标都是适合的。此脊骨可以是，用或不用连接叶片的简单的棒或管。此外，在叶片直接连接或用中间支柱连到壁上的实施例中，脊骨就成为不需要的而可以省去。

图2所示为鱼骨件2的最佳实施例的侧视图。可以看到支柱5和叶片6的朝下方向，还可以看到它们相对于流动的倾斜取向。注意到叶片的端部弯成角度或取这样的构型，使之能实现接近弯头的壁部。实际的角度/构型可用通常的CAD(计算机辅助设计)迅速确定。

图3所示为支柱与叶片的放大图，表明了它们安装的一种最佳实施例。

图4示明另一种实施例，该叶片与支柱朝下向在此为空心的脊骨倾斜而不是朝下向弯头壁倾斜。在脊骨与支柱的交界处，脊骨上的孔5a可让积聚的流体流入空心脊骨，并由此排出底部。此孔还最好延长为使得该孔在支柱和/或叶片大部分下面延伸以便从支柱或叶片的其他部分捕获液体。此孔也可构造有挤压底部凸缘，以增强液体的捕获效果。底部排液管也可构造成使得贯穿弯头的壁，让液体能导引出而不返回处理容器。脊骨也可以从弯头处向下延伸，亦即如果弯头直接连到反应器上时就可进入到反应器中，当气体在反应器中流速较低时便可让流体返回，这样就能减小大量气流将流体吹扫回弯头的倾向。这些实施例(中心排液)在当前并非最佳的。

所用的支柱，其形状通常要适于安装叶片，例如用滑配合或“弹簧”配合，但也可用螺栓、焊接等。例如点焊可用于防止叶片因振动移位，虽然叶片端部靠近弯头壁部处一般会防止叶片向外延伸以致从支柱上脱落。支柱、脊骨、叶片以及任何其他部件可用合乎要求的金属一般是不锈钢制作，但是在允许这些部件曝放在化学物下时，这些部件可用钛、碳钢等制作。在合适的环境下，甚至可以用塑料构制。

叶片以作成“空心”的为好，带有纵向的槽缝，例如具有“C”或“J”形的断面，且所具有的断面要使得当位于鱼骨件处时最好存在底部流槽，以有助于沿叶片导引液体，并屏蔽从气流中收集到的液体，以便使液体不致回流到气流中。叶片可以用圆形、椭圆形、翼形、方形、矩形，或其他形状的。上述的形状以及相对于气流的倾角可通过空气动力学模拟计算出以使压力降减到最少，和/或使液体的收集效率达到最大。图5a-5e示明一些可用的叶片形状。图5a示出的矩形叶片8具有不连续的开孔。图5b中描述的是开口的“半圆形”叶片9，其两个孔10用以由螺栓固定于支柱上。图5c示明沿长度具有完全开口部分12和液体收集凸缘13的三角形叶片11。图5d为具有不连续开孔的翼形叶片14，而图5e所示为没有端部凸缘的叶片15，它是沿焊接线16直接焊到脊骨上的。

叶片与流体流构成的斜角可以是不变的，或可以从脊骨底部到顶部有所变化。上述斜角最好使叶片具有这样的纵横比(高度/厚度)，即显著地大于1，例如2到10，而更好是3到6，而其宽边要横向于液流方向。于是，最好使叶片位于在叶片所在处垂直于液流方向的平面上。叶片的角度(见图8)相对于流向以20°到90°较好，以45°到90°为更好，最好是60°到90°。其斜度以从5°到40°较好，5°到30°为更好。此斜度取决于捕获到的液滴的粘度、液滴被捕获时的速率和流槽的尺寸，并可作出相应的调整。

若有人沿气流方向通过弯头“观察”，他会“看清”叶片的整个壁上几乎没有或完全没有空隙，或者叶片实际上有稍许迭搭。当然，由于叶片并没有真正的接触，而只是在空间上交错，压力降是低的，此时微小液滴会有一种趋势，由于其惯性，冲击到叶片上，与环绕叶片流动相反，而被其收集。

“横向于所述流动”一词是指叶片是沿不同于流体流向的方向纵向取向。叶片不是如美国专利5510017所公开的直线分离器中公开的那样在弯头的有限部分横向绕单一轴线径向布置，而是沿弯头显著长度相续地布置，如图所示。这样，叶片的布置就不会如美国专利5510017所示那样赋予强的涡流。

脊骨可以是使支柱或叶片以适当方法附着于其上的简单板件，或也可以是取管状或其他几何形状。由于图中所示平板形脊骨便于装在弯头内并具有显著的液滴收集表面面积，这在当前属最佳。虽然平板形脊骨在易于设计和制造方面是理想的，但扭转形(螺旋形)脊骨也是可以的。当脊骨是平面的并垂直取向时，便如以前所述定位。脊骨稍微有助于收集效率，但它首先是作为叶片和/或支柱的方便的附着点，使之易于构造。

但是鱼骨式分离器也可以如图9所示构造成为无脊骨的。在这种情形下，叶片例如通过焊接附着到弯头的至少一个壁上或附着到连接于壁的支柱上。叶片取倾斜形状，如图9所示或可以是直线的。直线叶片朝弯头的壁向下指向，而倾斜叶片可以在两端向下指向。这两种情形都有利于所收集的液体沿着或在叶片内流动而后沉积在弯头壁上。

图12说明对大型弯头为最佳的另一种安装方法，在弯头和/或鱼骨件的尺寸变化有可能随操作中或在运转和停工之间的压力和温度变化而变化。在图12中，鱼骨件2包括如前所述的支柱5、叶片6与脊骨7。

在这一实施例中，脊骨并不附着到弯头本身的两端上。两个保持件，一个上保持件20和一个下保持件21固定在弯头壁上。这两个保持件中有容纳脊骨的一道槽缝。在下保持件21上，该脊骨可以简便地插入到该槽缝中，也可以用开口销或螺栓之类松驰固定。与此类似，脊骨的上部配合到上保持件20的槽缝中。上保持件有一个向下伸到弯头内的凸出部分22，仍然用开口销或螺栓24之类可转动地将脊骨安装连杆23连接到所述凸出部分上，连杆的下端同样地以开口销、螺栓25之类固定到该脊骨上。上述“连杆”一词包括单元式连杆或由多个部件组成的连杆，只要这种连杆能保持脊骨顶端的通常定位同时能允许脊骨与弯头的壁之间相对运动。

脊骨可以构造成在低温低压下与弯头的最小尺寸相比具有相同或稍短的长度。当弯头膨胀时，连杆仍保持在弯头中的位置，但脊骨不再限制弯头壁的移动。于是，会在全部组件上形成较小的应力。前述的这种安装方式在此称之为“浮动定位”安装，而其特征在于分离器能保持其在弯头内的一般定位，同时能允许分离器与弯头之间因不均匀膨胀等而进行相对运动。

弯头本身并不一定取圆形截面而可以取任何所需的形状，如椭圆形、多边形等。例如“方形”或“矩形”弯头就易于制作。图10所示为矩形弯头中的鱼骨式分离器。弯头可以是90°的或也可以是较大或较小角度即30°到180°的，而以45°到90°的为最好。多数弯头可按需要斜接。

收集效率以流体动力学的常规计算法进行查验。图6是在液滴尺寸不同密度相同的条件下比较了图1制成的鱼骨式分离器与简单的弯头分离器的分离效率。如以前所指出，分离效率通常与液滴的惯性相关。当然，小的液滴相应地具有较小的惯性。如图6所示，简单的弯头对大于35Φm的液滴有效，低于该值的其分离效率快速下降，使得液滴尺寸为15Φm时，只有大约25％的液滴能分离出来。但是本发明的分离器按所设定的液滴密度甚至是15∶m的液滴实质上也能有100％的效率。

在图7，假定了液滴密度是随其粒度加大而降低，这是现实世界加工过程都会发生的现象，这可能是由于大尺寸液滴实际已成为气泡而具有异于球形的形状或含有气体的空穴。在这种情形下，在上述假定下经研究得知，简单弯头的效率即使对于75Φm的液滴连40％还达不到，而鱼骨形分离器的效率对于小到25Φm的液滴事实上可达到100％，即使在15Φm时效率还可达90％。

图13所示为与叶片数量相关的除去效率，如前所述设液滴密度是液滴直径的函数。叶片的数量由10个(5对)到14个，叶片的宽度同于用来形成图6和7的16个叶片(8对)的模型。可以看到，即使是10个叶片，除去效率还是高的，而用14个叶片则可趋近100％的效率。叶片的最佳个数可按流体动力学计算法得出，并可在现场得到验证，不过一般说来，5到10对叶片即可满足需要，而以6到10对叶片最好。

图8为液滴分离的示意图。阴影部分30表示含有气体的液滴。只有非常小的“卷流(plume)”31才不会显著地释放通过叶片6的液滴。但是多数这种卷流触及到叶片之上的弯头壁，从这种卷流上除去其中所含的显著的液滴含量。

可以看到，本发明的分离器是高效率和易于制备的，尤其是还显示出相对小的压力降。总的处理效率仍然是高的。因鱼骨式冲击装置而附加的压力降则取决于气体的密度和弯头中的气体速度。

本发明提出的分离器需要至少一个弯头，里面至少要安装一个鱼骨件，鱼骨件上具有多个相对于重力沿纵向下倾斜的叶片，使得收集到的液体于其上和/或其中会流到一个或多个收集点。在所述最佳实施例中，上述收集点是弯头内壁最接近鱼骨件上叶片端部的一部分。虽然这里所示为90度的弯头，但此种鱼骨件可以容易地进入有不同角度比如45度的弯头内。

虽然本发明的实施例已如上作了图示和说明，但这并不是说上述各实施例阐明和描述本发明的各种可能形式。相反，用在发明专利说明书的文字只是叙述性的文字而不是限制，同时应该认识到在不脱离本发明的精神和范围的前提下是可做出种种变化的。

Claims (18)

1.一种气-液惯性分离器，它包括

a)具有内壁的弯头

b)分离增强器，它具有

b)i)多个纵向延伸的叶片，它们位于气流方向的横向并沿气流方向分隔开；并且

b)ii)中央脊骨，在其上接附有上述叶片，所述中央脊骨设置在所述弯头中

其中，上述叶片在其纵向上相对于重力朝向下取向，使得从流经上述弯头的含液气体收集的液体向下流到至少是一个收集点。

2.权利要求1的分离器，其中所述叶片取中空结构并沿其长度具有至少一个开口。

3.权利要求2的分离器，其中所述开口是沿叶片的全长，而所述叶片定位成使上述开口面向流经所述弯头的气流方向。

4.权利要求1的分离器，其中所述叶片安装在从所述脊骨上或从所述的弯头上延伸出的支柱上。

5.权利要求1的分离器，其中所述叶片的横截面的高度大于其厚度，所述的叶片安装成使得通过上述横截面高度的轴线相对气流方向倾斜成从20°到约90°的角度。

6.权利要求5的分离器，其中所述的叶片是中空的并沿其长度有一开口，所述的开口面向气流方向，该开口定位成使此中空叶片具有位于其底部的流体收集凸缘。

7.权利要求1的分离器，其中，所述的叶片从所述的中央脊骨向下倾斜，在端部紧邻所述弯头的内壁。

8.权利要求1的分离器，其中，所述叶片向下朝所述中央脊骨倾斜，所述中央脊骨是中空的以提供一个向下流体流动通道，在所述的中央脊骨中的孔与所述的叶片相通以提供用于被所述叶片收集的流体的通道以便流体进到所述中央脊骨内。

9.权利要求4的分离器，其中所述叶片是中空的，沿其长度有一开口，可滑动连接到所述的支柱上。

10.权利要求1的分离器，其中所述的中央脊骨是一个宽度为所述弯头内径的约一半或稍小于该内径的金属中央脊骨。

11.权利要求10的分离器，其中所述的中央脊骨在所述的弯头入口为水平平面时垂直取向。

12.权利要求1的分离器，其中所述的弯头具有圆形截面。

13.权利要求1的分离器，其中所述的弯头具有多边形的截面。

14.权利要求1的分离器，其中所述中央脊骨的底端用固定在所述弯头的壁上的保持件设置在所述的弯头内，同时所述中央脊骨的顶部则用活动地连接到固定在所述的弯头的壁上的上保持件上的、可动地连接到所述中央脊骨的所述的顶部上的连杆，设置于所述弯头内。

15.权利要求14的分离器，其中所述的连杆是一体式连杆，它可转动地连接到所述的上保持件上并可转动地连接到所述的中央脊骨的所述的顶部上。

16.一种用于从流动的气流中分离液滴的方法，包括将所述气流引入权利要求1的分离器中，通过使所述液滴与所述分离增强器和所述弯头内壁接触而收集液体，并提供释出液滴的气流出口。

17.权利要求16的方法，其中所述弯头的入口端与处理容器连通，此处理容器将含液滴的气体发送到所述的弯头，将收集的液体从所述分离器引回到所述容器内。

18.权利要求17的方法，其中所述容器是聚合反应器，所述的液滴包括液状单体或分子量聚合物中的至少一种。

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