裝於彎頭中的氣－液衝擊式分離器的製作方法

2024-02-03 05:27:15

專利名稱：裝於彎頭中的氣－液衝擊式分離器的製作方法
背景技術：
1發明領域本發明針對化學過程中從氣-液流中分離出液滴。
背景技術：
許多化學過程需要從化學處理設備例如化學反應器中將氣相分離。在某些情形下，各種反應物、製品或副產品本身的性質便於去除實質上不含液體的氣體。但在其他過程中則顯著數量的液滴可能結合到氣相中，而在這些液滴隨後不論嚴格地是由於相變或是由於相繼的化學反應而導致固化的情形下，管道和閥門就可能被堵塞，需要拆開清理或更換。此外，在許多情形下，液滴會造成貴重的反應物、中間產品或成品的損失。例如，製備聚對苯二甲酸乙酯的聚合物時，聚合物與低聚體的顆粒在乙二醇與水於蒸汽相中從反應器中除去時而隨著它們被帶走。
已知有多種用於從氣流中除去液體的裝置，包括旋風分離器、急冷板、過濾器和類似裝置。例如充填柱就可以有效地除去液滴。然而上述這些方法中的許多例如使用急冷板的方法是能量密集的，而其他的採用填充柱的方法則會呈現劇烈的壓力降以及易致堵塞。聯機的過濾器也會同樣苦於上述缺陷。
慣性分離器或收集器利用了流動的氣體容易進行具有大的慣性的液滴不能進行的拐彎。不能隨氣流而轉彎的液滴是由於它慣性地衝擊或碰撞澱積其上的靶板或集流面。簡單的管道彎頭便是這種分離器的例子。可是，這樣的分離器一般只是對具有大慣性的材料液滴有效。由於液滴的慣性是通過其質量測度，液滴的大小和密度在確定除去效率中是重要的。
在美國專利5181943中，液體的除去是通過在液-氣流通路的橫向設置大量板形折流件來實現，這些折流件大致平行並向下傾斜，同時交替地從該分離裝置的兩側延伸出，橫向於初始流動方向設置。上述裝置形成大的表面積的蛇形通路，如果壓力降太低，該裝置必須相當大。由於在許多情形中分離器必須保持在特定的操作溫度下，因而需有大量的外部保溫設備，於是這種裝置要耗用相當大的資金。
美國專利5510017公開了一種氣-液分離器，它包括兩組同心的沿經向設置的葉片它使流經的含液體的氣流形成渦流。生成的離心力促使液滴衝擊到包含分離器的這段管道的內壁，由此通過一系列的排水管使得這些液滴作為大量液體被去除，上述裝置具有頗為複雜的結構，並且據信只有當構造為用於由設置收集液滴的折流件和排水管導致的水平流動時才能利用。此外，將層流變換為渦流必然需要能量，其顯示為壓力降。
EP 0197060公開了一種用於氣體脫硫的氣液分離器，它使用多組斜向安置的面積巨大的板條，對這些板條噴射衝洗液以帶走附著到這些板條上的液滴。在多數情形下，使用上述衝洗液流的方法是不可取的。
最好能提供一種設計與結構都簡單的氣-液分離器，它不需衝洗液即可使用，它的壓力降很低，用相當小的慣性便可有效地分離液滴。
發明概述本發明人公開的這種彎管形慣性分離器是在彎管內安設多個葉片狀靶面而能夠顯著地提高效率。由於這種集液面的形狀及其理想的支承結構，彎管上的這種附加物便稱作為魚骨形的衝擊裝置。即使對於小慣性的液滴分離效率很高。這種裝置結實耐用、結構簡單、成本低廉。
附圖簡述

圖1所示為本發明的慣性氣液分離器一實施形式的局部剖視圖；圖2所示為本發明氣液分離器的魚骨形插件一實施形式的正視圖；圖3所示為葉片與支柱的實施例的放大圖，這裡的葉片向下朝彎管壁傾斜；圖4所示的實施例中葉片向下朝中央和中央收集位置傾斜而不是朝向彎管的壁；圖5a-5e所示為本發明的魚骨形件的另幾個實施例；
圖6所示為在粒度不一而密度相同的情形下本發明的分離器與簡單的彎管分離器的分離效率比較；圖7所示為在粒度不一且假設顆粒較大而密度較小的情形下本發明的分離器與簡單的彎管分離器的分離效率比較；圖8示意性地表明本發明的分離器中液滴的分離；圖9所示為本發明無脊骨式魚骨形分離器；圖10所示為置於方形彎管內的魚骨形分離器；圖11所示為從側面安裝有魚骨形分離器的45°彎管；圖12所示為魚骨形分離器一種較好的安裝方法；以及圖13所示為作為葉片數函數的清除效率。
最佳實施例的詳述本發明的分離器包括如下面所定義的置於管道彎頭內的「魚骨」。可以採用單一的魚骨件或採用多個魚骨件裝置。最好是每個彎管採用一個魚骨件。
魚骨件最佳實施例可以參照包含魚骨件的彎管的剖視圖即圖1作出最好的說明。氣-液分離器1包括管道彎頭3和魚骨件2。魚骨件2包括脊骨4、例如用螺栓、焊接方法等在魚脊骨4上固定支柱5，支柱5於其縱向相對於重力方向傾斜向下，而最好相對於氣流方向在橫斷面上形成傾斜角。安裝在支柱5上的是葉片6，這種葉片在本實施例中是空心且部分扁平的管子，在朝向氣體與液體流的一面具有開口。在所示的本實施例中，葉片滑配合到支柱上，以便進行遠離魚骨件4的長度調整。但當葉片一旦適當地定位好後，通常便永久地固定在支柱上，例如用點焊，或者省除支柱而將葉片直接固定到脊骨上。上述葉片延伸到接近彎頭的內壁上，如果需要，還可以接附於其上。最好是使葉片離開彎頭內壁0.1到5mm，而尤為最好是1-2mm。靠近彎頭壁的程度要依據彎頭直徑、排水方式、葉片熱膨脹引起的熱應力有關的一些問題，同時這種接近程度則不會以其他方式對分離裝置的結構施加任何限制。例如，能使葉片端部距彎頭壁部較遠，特別是對於直徑為0.75-3米的大彎頭，或是葉片端部觸及壁部或者甚至於附到壁部之上時。
操作中，液滴衝擊到彎頭的壁上並衝擊到脊骨支柱及葉片上。由於葉片相對於重力傾斜向下，因此方蓄積的液體就下流到葉片，特別是在延伸了葉片長度且在該處限定出前述開口的底部邊緣處，然後液體也沉積到彎頭的壁上。
脊骨可以以任何方式置於彎頭內，但最好大體上為垂直的。如圖1所示，脊骨寬度最好小於彎頭直徑，且最好是彎頭直徑的25-70％，而尤為最好是彎頭直徑的30-50％同時最好但不是必須地從彎頭壁沿徑向朝內取向。這種沿徑向朝內的方向，在涉及的是通常的45°或90°度彎頭時，則對應於通過該彎頭彎曲部分的平面。
但是，脊骨也可以偏中心安裝，和/或與垂直線形成角度。此外。脊骨本身不需要是平的，而可以旋擰成螺旋形，彎成曲線，等等。在最佳的設計中，脊骨的主要功能是保持和定位葉片，因而任何尺寸或幾何形狀的脊骨構造形式只要滿足這個目標都是適合的。此脊骨可以是，用或不用連接葉片的簡單的棒或管。此外，在葉片直接連接或用中間支柱連到壁上的實施例中，脊骨就成為不需要的而可以省去。
圖2所示為魚骨件2的最佳實施例的側視圖。可以看到支柱5和葉片6的朝下方向，還可以看到它們相對於流動的傾斜取向。注意到葉片的端部彎成角度或取這樣的構型，使之能實現接近彎頭的壁部。實際的角度/構型可用通常的CAD(計算機輔助設計)迅速確定。
圖3所示為支柱與葉片的放大圖，表明了它們安裝的一種最佳實施例。
圖4示明另一種實施例，該葉片與支柱朝下向在此為空心的脊骨傾斜而不是朝下向彎頭壁傾斜。在脊骨與支柱的交界處，脊骨上的孔5a可讓積聚的流體流入空心脊骨，並由此排出底部。此孔還最好延長為使得該孔在支柱和/或葉片大部分下面延伸以便從支柱或葉片的其他部分捕獲液體。此孔也可構造有擠壓底部凸緣，以增強液體的捕獲效果。底部排液管也可構造成使得貫穿彎管的壁，讓液體能導引出而不返回處理容器。脊骨也可以從彎頭處向下延伸，亦即如果彎頭直接連到反應器上時就可進入到反應器中，當氣體在反應器中流速較低時便可讓流體返回，這樣就能減小大量氣流將流體吹掃回彎頭的傾向。這些實施例(中心排液)在當前並非最佳的。
所用的支柱，其形狀通常要適於安裝葉片，例如用滑配合或「彈簧」配合，但也可用螺栓、焊接等。例如點焊可用於防止葉片因振動移位，雖然葉片端部靠近彎頭壁部處一般會防止葉片向外延伸以致從支柱上脫落。支柱、脊骨、葉片以及任何其他部件可用合乎要求的金屬一般是不鏽鋼製作，但是在允許這些部件曝放在化學物下時，這些部件可用鈦、碳鋼等製作。在合適的環境下，甚至可以用塑料構制。
葉片以作成「空心」的為好，帶有縱向的槽縫，例如具有「C」或「J」形的斷面，且所具有的斷面要使得當位於魚骨件處時最好存在底部流槽，以有助於沿葉片導引液體，並屏蔽從氣流中收集到的液體，以便使液體不致回流到氣流中。葉片可以用圓形、橢圓形、翼形、方形、矩形，或其他形狀的。上述的形狀以及相對於氣流的傾角可通過空氣動力學模擬計算出以使壓力降減到最少，和/或使液體的收集效率達到最大。圖5a-5e示明一些可用的葉片形狀。圖5a示出的矩形葉片8具有不連續的開孔。圖5b中描述的是開口的「半圓形」葉片9，其兩個孔10用以由螺栓固定於支柱上。圖5c示明沿長度具有完全開口部分12和液體收集凸緣13的三角形葉片。圖5d為具有不連續開孔的翼形葉片14，而圖5e所示為沒有端部凸緣的葉片15，它是沿焊接線16直接焊到脊骨上的。
葉片與流體流構成的斜角可以是不變的，或可以從脊骨底部到頂部有所變化。上述斜角最好使葉片具有這樣的縱橫比(高度/厚度)，即顯著低大於1，例如2到10，而更好是3到6，而其寬邊要橫向於液流方向。於是，最好使葉片位於在葉片所在處垂直於液流方向的平面上。葉片的角度(見圖8)相對於流向以20°到90°較好，以45°到90°為更好，最好是60°到90°。其斜度以從5°到40°較好，5°到30°為更好。此斜度取決於捕獲到的液滴的粘度、液滴被捕獲時的速率和流槽的尺寸，並可作出相應的調整。
若有人沿氣流方向通過彎頭「觀察」，他會「看清」葉片的整個壁上幾乎沒有或完全沒有空隙，或者葉片實際上有稍許迭搭。當然，由於葉片並沒有真正的接觸，而只是在空間上交錯，壓力降是低的，此時微小液滴會有一種趨勢，由於其慣性，衝擊到葉片上，與環繞葉片流動相反，而被其收集。
「橫向於所述流動」一詞是指葉片是沿不同於流體流向的方向縱向取向。葉片不是如美國專利5510017所公開的直線分離器中公開的那樣在彎頭的有限部分橫向繞單一軸線徑向布置，而是沿彎頭顯著長度相續地布置，如圖所示。這樣，葉片的布置就不會如美國專利5510017所示那樣賦予強的渦流。
脊骨可以是使支柱或葉片以適當方法附著於其上的簡單板件，或也可以是取管狀或其他幾何形狀。由於圖中所示平板形脊骨便於裝在彎頭內並具有顯著的液滴收集表面面積，這在當前屬最佳。雖然平板形脊骨在易於設計和製造方面是理想的，但扭轉形(螺旋形)脊骨也是可以的。當脊骨是平面的並垂直取向時，便如以前所述定位。脊骨稍微有助於收集效率，但它首先是作為葉片和/或支柱的方便的附著點，使之易於構造。
但是魚骨式分離器也可以如圖9所示構造成為無脊骨的。在這種情形下，葉片例如通過焊接附著到彎頭的至少一個壁上或附著到連接於壁的支柱上。葉片取傾斜形狀，如圖9所示或可以是直線的。直線葉片朝彎頭的壁向下指向，而傾斜葉片可以在兩端向下指向。這兩種情形都有利於所收集的液體沿著或在葉片內流動而後沉積在彎頭壁上。
圖12說明對大型彎頭為最佳的另一種安裝方法，在彎頭和/或魚骨件的尺寸變化有可能隨操作中或在運轉和停工之間的壓力和溫度變化而變化。在圖12中，魚骨件2包括如前所述的支柱5、葉片6與脊骨7。
在這一實施例中，脊骨並不附著到彎頭本身的兩端上。兩個保持件，一個上保持件20和一個下保持件21固定在彎頭壁上。這兩個保持件中有容納脊骨的一道槽縫。在下保持件21上，該脊骨可以簡便地插入到該槽縫中，也可以用開口銷或螺栓之類松馳固定。與此類似，脊骨的上部配合到上保持件20的槽縫中。上保持件有一個向下伸到彎頭內的凸出部分22，仍然用開口銷或螺栓24之類可轉動地將脊骨安裝連杆23連接到所述凸出部分上，連杆的下端同樣地以開口銷、螺栓25之類固定到該脊骨上。上述「連杆」一詞包括單元式連杆或由多個部件組成的連杆，只要這種連杆能保持脊骨頂端的通常定位同時能允許脊骨與彎頭的壁之間相對運動。
脊骨可以構造成在低溫低壓下與彎頭的最小尺寸相比具有相同或稍短的長度。當彎頭膨脹時，連杆仍保持在彎頭中的位置，但脊骨不再限制彎頭壁的移動。於是，會在全部組件上形成較小的應力。前述的這種安裝方式在此稱之為「浮動定位」安裝，而其特徵在於分離器能保持其在彎頭內的一般定位，同時能允許分離器與彎頭之間因不均勻膨脹等而進行相對運動。
彎頭本身並不一定取圓形截面而可以取任何所需的形狀，如橢圓形、多邊形等。例如「方形」或「矩形」彎頭就易於製作。圖10所示為矩形彎頭中的魚骨式分離器。彎頭可以是90°的或也可以是較大或較小角度即30°到180°的，而以45°到90°的為最好。多數彎頭可按需要斜接。
收集效率以流體動力學的常規計算法進行查驗。圖6是在液滴尺寸不同密度相同的條件下比較了圖1製成的魚骨式分離器與簡單的彎頭分離器的分離效率。如以前所指出，分離效率通常與液滴的慣性相關。當然，小的液滴相應地具有較小的慣性。如圖6所示，簡單的彎頭對大於35Φm的液滴有效，低於該值的其分離效率快速下降，使得液滴尺寸為15Φm時，只有大約25％的液滴能分離出來。但是本發明的分離器按所設定的液滴密度甚至是15:m的液滴實質上也能有100％的效率。
在圖7，假定了液滴密度是隨其粒度加大而降低，這是現實世界加工過程都會發生的現象，這可能是由於大尺寸液滴實際已成為氣泡而具有異於球形的形狀或含有氣體的空穴。在這種情形下，在上述假定下經研究得知，簡單彎頭的效率即使對於75Φm的液滴連40％還達不到，而魚骨形分離器的效率對於小到25Φm的液滴事實上可達到100％，即使在15Φm時效率還可達90％。
圖13所示為與葉片數量相關的除去效率，如前所述設液滴密度是液滴直徑的函數。葉片的數量由10個(5對)到14個，葉片的寬度同於用來形成圖6和7的16個葉片(8對)的模型。可以看到，即使是10個葉片，除去效率還是高的，而用14個葉片則可趨近100％的效率。葉片的最佳個數可按流體動力學計算法得出，並可在現場得到驗證，不過一般說來，5到10對葉片即可滿足需要，而以6到10對葉片最好。
圖8為液滴分離的示意圖。陰影部分30表示含有氣體的液滴。只有非常小的「卷流(plume)」31才不會顯著地釋放通過葉片6的液滴。但是多數這種卷流觸及到葉片之上的彎頭壁，從這種卷流上除去其中所含的顯著的液滴含量。
可以看到，本發明的分離器是高效率和易於製備的，尤其是還顯示出相對小的壓力降。總的處理效率仍然是高的。因魚骨式衝擊裝置而附加的壓力降則取決於氣體的密度和彎頭中的氣體速度。
本發明提出的分離器需要至少一個彎頭，裡面至少要安裝一個魚骨件，魚骨件上具有多個相對於重力沿縱向下傾斜的葉片，使得收集到的液體於其上和/或其中會流到一個或多個收集點。在所述最佳實施例中，上述收集點是彎頭內壁最接近魚骨件上葉片端部的一部分。雖然這裡所示為90度的彎頭，但此種魚骨件可以容易地進入有不同角度比如45度的彎頭內。
雖然本發明的實施例已如上作了圖示和說明，但這並不是說上述各實施例闡明和描述本發明的各種可能形式。相反，用在發明專利說明書的文字只是敘述性的文字而不是限制，同時應該認識到在不脫離本發明的精神和範圍的前提下是可做出種種變化的。
權利要求
1.一種氣—液慣性分離器，它包括a)具有內壁的彎管b)魚骨式分離增強器，它具有b)i)多個縱向延伸的葉片，它們位於氣流方向的橫向並沿氣流方向分隔開；並且b)ii)可選擇地，中央脊骨，在其上接附有上述葉片，其中，上述葉片在其縱向上相對於重力朝向下取向，使得從流徑上述彎頭的含液氣體收集的液體向下流到至少是一個收集點。
2.權利要求1的分離器，其中所述葉片取中空結構並沿其長度具有至少一個開口。
3.權利要求2的分離器，其中所述開口是沿葉片的全長，而所述葉片定位成使上述開口面向流經所述彎頭的氣流方向。
4.權利要求1的分離器，其中所述葉片安裝在從所述脊骨上或從所述的彎頭上延伸出的支柱上。
5.權利要求1的分離器，其中所述葉片的橫斷面的高度大於其厚度，所述的葉片安裝成使得通過上述橫截面高度的軸線從氣流方向傾斜成從20°到約90°的角度。
6.權利要求5的分離器，其中所述的葉片是中空的並沿其長度有一開口，所述的開口面向氣流方向，該開口定位成使此中空葉片具有位於其底部的流體收集凸緣。
7.權利要求1的分離器，其中存在有脊骨件，而所述的葉片從所述的脊骨件向下傾斜，在端部緊鄰所述彎頭的內壁。
8.權利要求1的分離器，其中存在有脊骨件，所述葉片向下朝所述脊骨件傾斜，所述脊骨件是中空的以提供一個向下流體流動通道，在所述的脊骨件中的孔與所述的葉片相通以提供用於被所述葉片收集的流體的通道以便進到所述脊骨件內。
9.權利要求1的分離器，其中所述葉片是中空的，沿其長度有一開口，可滑動連接到所述的支柱上。
10.權利要求1的分離器，其中所述的脊骨件是一個寬度為所述彎頭內徑的約一半或稍小於該內徑的金屬脊骨件。
11.權利要求11的分離器，其中所述的脊骨件在所述的彎頭入口為水平平面時垂直取向。
12.權利要求1的分離器，其中所述的彎頭具有圓形截面。
13.權利要求1的彎頭，其中所述的彎頭具有多邊形的截面。
14.權利要求1的彎頭，其中不存在脊骨件，其中所述的葉片分別固定在所述彎頭的至少一個內壁上。
15.權利要求1的分離器，其中所述的分離器具有脊骨件，所述的脊骨件浮動地設置在所述彎頭內。
16.權利要求1的分離器，其中所述脊骨件的底端用固定在所述彎頭的壁上的保持件設置在所述的彎頭內，同時所述脊骨件的頂部則用活動地連接到固定在所述的彎頭的壁上的上保持件上的、可動地連接到所述脊骨件的所述的頂部上的連杆，設置於所述彎頭內。
17.權利要求16的分離器，其中所述的連杆是一體式連杆，它可轉動地連接到所述的上保持件上並可轉動地連接到所述的脊骨件的所述的頂部上。
18.一種用於從流動的氣流中分離液滴的方法，包括將所述氣流引入權力要求1的分離器中，通過使所述液滴與所述魚骨式分離增強器和所述彎頭內壁接觸而收集液體，並提供釋出液滴的氣流出口。
19.權力要求16的方法，其中所述彎頭的入口端與處理容器連通，此處理容器將含液滴的氣體發送到所述的彎頭，將收集的液體從所述分離器引回到所述容器內。
20.權利要求16的方法，其中所述容器是聚合反應器，所述的液滴包括至少一種液狀單體或齊分子量聚合物。
全文摘要
氣液分離器，它包括內裝魚骨形衝擊裝置的彎頭，此衝擊裝置有若干下傾的葉片，該葉片最好裝附到此彎頭內的中心脊骨上。此種葉片沿其長度方向有一開口，並同時有底部凸緣與一或多個集流點溝通，而最好是與彎頭的內壁溝通。此裝置堅固，結構簡單，並顯示出較低的壓力降。
文檔編號B01D45/00GK1852757SQ200480026908
公開日2006年10月25日 申請日期2004年9月7日 優先權日2003年9月17日
發明者P·K·謝勒爾 申請人:伊斯曼化學公司