CN106964202A - 一种新型气液分离装置 - Google Patents
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Abstract
一种新型气液分离装置，气流从外围进入，经螺线形分离结构约束向中心加速旋转，旋转过程中完成气液分离，分离后的气流沿中心向上气流出口流出，分离后的液体汇集后从底部外沿或底部中心泄液口流出；气流通过螺线形分离结构中的气液分离区时压强和速度不断变化，处于紊流状态，流速不断加快，气流中的液滴沿气液分离区受到的阻力总是小于惯性力和向外压力之和，液滴被加速甩到气液分离区外侧壁，完成气液分离。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型气液分离装置，特别是涉及到利用一种螺线形分离结构的伯努利效应实现气液分离的发明。
背景技术
气液分离装置是一种常见化工设备，多用于化工反应器塔顶、锅炉或蒸发器上部、环保设备，用于分离气体中的液滴。目前已有的气液分离装置按工作原理可分为重力沉降、惯性分离、旋风分离、电分离、过滤、纤维丝网分离六种。
重力沉降分离装置在气体流道上设置膨大部分，气体流速降低后，液滴在重力作用下沉降分离。重力沉降分离装置构造简单可靠，但体积巨大，且只能用于分离大尺度液滴。
惯性分离装置在气体流道上设置挡板或波形板，气体受挡板或波形板阻隔，急剧改变流动方向，液滴因惯性作用，行进方向变化小于气流行进方向变化，撞击在挡板或波形板上，从而实现分离。惯性分离装置构造简单，气体压力损失相对较小，但同样只能用于分离较大尺度液滴。
旋风分离装置将气体沿切向引入到圆筒中，气体在圆筒中高速旋转，液滴因离心作用被气流甩至圆筒内壁实现分离。旋风分离装置体积较小，压力损失中等，可以分离中等尺度的液滴，但需要较高的气体初始流速。此外旋风分离装置直径不宜过大，在处理量较大的场合，只能采用一组多个小直径旋风分离装置并联的方式工作，需要较大的安装与维护空间。
电分离装置在气体流道两侧设置高压静电电极，形成电场，气体从电场中流过，带有电荷的液滴受电场作用，被电极分离。电分离装置效率较高，可以去除小尺度液滴，但对液滴的介电常数有一定要求。此外，民用场合，高压电具备一定危险。
过滤分离装置在气体流道中设置滤网去除液滴，滤网体积小，且可以去除一切大于滤网有效孔径的液滴。但高精度滤网阻力较大，且易于堵塞，实用价值较小。
纤维丝网分离装置采用纤维在一定厚度的空间内形成多重大孔径滤网构造，单重滤网对液滴捕获效率较低，多重构造理论上可以获得任意高去除率。实际上典型的纤维丝网分离装置厚度一般在100mm以上，对细小液滴的去除率一般大于99.7%，压力损失一般在200—1000Pa范围。对于细小液滴含量较高的气体，纤维丝网分离装置阻力通常有所增加。如果液滴不洁净，长期使用后，纤维丝网也存在堵塞或结垢的风险。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种重量小、压降低、体积紧凑、可充分去除液滴的气液分离装置。
本发明所采用的技术方案是：本装置由圆环顶盖、圆形底板和一组螺线形分离片构成；圆环顶盖外直径和圆形底板直径相等，圆环顶盖和圆形底板圆心同轴、板面平行；圆环顶盖和圆形底板之间垂直设置一组螺线形分离片，这组螺线形分离片沿圆环顶盖圆环均匀旋转排列，排列方向相同（逆时针、顺时针方向均可，考虑到地球自自传偏向力的影响，地球北半球更适合于逆时针方向，南半球更适合顺时针方向），各螺线原点与圆心重合，高度为顶盖和底板之间距离，上下边与圆环顶盖和圆形底板连接；螺线形分离片剖面为M个相邻的等角螺线臂（M取≥2的整数），等角度90°，总转角度为M×90°（即黄金螺线），内外相邻两臂弧长比为0.618：1；圆环顶盖外圆半径设为R则内圆半径为（1-0.618）×0.618n-2×R；螺线形分离片片数 N（N取≥3的整数），相邻两个螺线形分离片的夹角为360°/N；本装置横剖面为M层环形排列的同心等角螺线臂，最外第一层等角螺线臂的半径为((0.6182+1)/2)½R即0.831R，第二层等角螺线臂的半径为0.6182-1((0.6182+1)/2)½R，逐层向内，则第M层半径为0.618M-1((0.6182+1)/2)½R；圆环顶盖气流出口到圆形底板的投影区域形成的腔体为气流汇集区；两片相邻螺线形分离片围成曲面通道，曲面通道中两片螺线形分离片向轴心投影的未重合区域为气液分离区，N片螺线分离片形成N个气液分离区围绕气流汇集区排列，组成本装置的一组气液分离区即螺线形分离结构，经外围加压或由气流汇集区上方引风使含液滴的气流进入本装置，气流沿曲面通道螺旋前进经过气液分离区，气液分离区向内渐弯渐缩，半径变小曲率变大，截面积变小，气流被不断加速，液滴被甩到曲面通道外壁，完成气液分离；分离后的气流经气流汇集区沿圆环顶盖气流出口流出，液滴在曲面通道外壁上汇集成流，液流受重力和气流压力共同作用向通道底部和圆形底板中心汇集，累积一定高度反向沿气流进口流出，或在圆形底板另开泄液口流出。
气液分离区分离角度为螺线形分离片总转角度与两分离片夹角之差（M×90°﹣360°/N），等角螺线臂层数越多总转角度越大，分离片数越多分离角度越接近于总转角度分离角度越大，分离角度越大，曲面曲率越大，分离效果越好；分离片数越多，曲面通道数量越多，单个通道截面积越小，分离效果越好；分离片半径越小曲面曲率越大，分离效果越好；分离片间距越小，单个通道截面积越小，分离效果越好；例如：2层螺线臂3片螺线分离片总转角度180°分离角度为60°，2层螺线臂5片螺线分离片总转角度180°分离角度为108°，2层螺线臂8片螺线分离片总转角度180°分离角度为135°，2层螺线臂13片螺线分离片总转角度180°分离角度为152°；3层螺线臂3片螺线分离片总转角度270°分离角度为150°，4螺线臂层3片螺线分离片总转角度360°分离角度为240°等；根据气流流速、压力、流量等参数合理设置螺线臂层数（即螺线形分离片总转角度）、螺线形分离片片数、分离片间距、高度和半径可以取得很好的分离效果。
含液滴的气流从气液分离区经过，单个气液分离区由螺线形分离片内壁、外壁和两片螺线形分离片向圆心投影形成的气液分离区外边线、里边线以内空间围成，两边线夹角（M×90°﹣360°/N）为分离角度，上下由圆环顶盖和圆形底板封闭，气液分离区外侧壁（与螺线形分离片内壁重合部分）总是比内侧壁（与螺线形分离片外壁重合部分）长(即外侧壁曲线半径大于内侧壁曲线半径)，自进口到出口方向，半径变小曲率变大，截面积渐小，气流的压强和速度不断变化，处于紊流状态；在任意一处气流方向上，气流产生伯努利效应，即外侧流速大、压强小，内侧流速小、压强大，因此气液分离区内外两侧形成向外的压力差，曲面通道曲率渐进变大，外侧流速越大，压力差越大，液滴受向外压力作用加速向气液分离区外侧壁运动。在任意一处气流方向上，气流受通道形状影响作曲线运动，液滴的惯性力和气流阻力作用产生向心力，在惯性力和气流阻力平衡时液滴相对气流的速度平衡，液滴沿着气液分离区随气流向圆心运动；液滴的惯性力大于气流阻力时向心力减弱，离心现象显现，液滴向远离圆心方向运动；气流通过时气液分离区围绕圆心方向截面积变小，同时产生文丘里效应和伯努利效应，即截面积变小，流速增加，压强减小，因此气流压力减小即阻力减小，液滴的惯性力大于气流阻力，向心力减弱，离心现象增强，液滴加速向气液分离区外侧壁运动。液滴在气液分离区内持续受到向外压力和惯性力的同时作用，被加速甩到气液分离区外侧壁，完成气液分离。
伯努利效应（即边界层表面效应）反映出流体流速与压强的关系：流体的流速越大，压强越小；流体的流速越小，压强越大；伯努利方程：p+1/2ρv2+ρgh=常量；文丘里效应反应通过缩小的过流断面时，流体出现流速增大的现象，其流速与过流断面成反比。等角螺线形曲面通道阻力小，节约能耗，很多自然现象都是等角螺线，比如热带气旋、星系悬臂、向日葵花盘等，黄金螺线是等角螺线的一种。
本发明装置结构简单，气流从外围进入，经螺线形分离片组约束向中心加速旋转，旋转过程中完成气液分离，分离后的气流沿中心向上气流出口流出，分离后的液体汇集后从底部外沿或底部中心泄液口流出；装置内部的气液分离区形状为向心弯曲并不断收缩的螺线形，气流通过时压强和速度不断变化，处于紊流状态，流速不断被加快，连续产生伯努利效应和文丘里效应，气流中的液滴沿气液分离区受到的阻力总是小于惯性力和向外压力之和，液滴被加速甩到气液分离区外侧壁，完成气液分离；装置整体高度、直径可随内部结构变化调整，内部的螺线臂层数（即螺线形分离片总转角度）、螺线形分离片间距、螺线形分离片片数、高度和半径可随应用参数调整。
综上所述，减少曲面通道截面积可以增加流速，增加曲面通道曲率可以增加通道内内外侧压力差，从而提高气液分离效率，那么减小分离片间距可减少单个曲面通道截面积；增加分离片数量可以增加曲面通道数量、减少单个曲面通道截面积、使分离角度更接近于曲面通道总转角度；减小分离片螺线等角臂半径可以增加通道曲率；增加分离片连续螺线等角臂层数可以增加曲面通道总转角度而提高曲面通道曲率。以上方法均可以提高气液分离效率，应用时宜结合气体流速、气体压力、气体流向、工作空间等限制条件综合使用以上方法。
本方案设计的曲面通道也可平行排列并联使用，但与圆形排列比较，更加占据空间。
本发明的有益效果是，可以降低气液分离装置的体积、压降，提高去除效率，减小制造与运行成本。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明具体实施方式一的结构三视图和剖面图。
图1中1.剖面图 ，2.正视图，3.俯视图 ，4.侧视图，5. 曲面通道气流流入方向，6.螺线形分离片，7.曲面通道，8.圆环顶盖，9.圆形底板，10.气流出口，11.剖视图剖面位置，12.圆心，19.气流进口，26.曲面通道气流流出方向，27.装置气流流出方向，28.装置气流流入方向，101.气流汇集区。
图2是具体实施方式一中螺线分离片与圆环顶盖几何关系投影图：螺线形分离片中2个相邻的等角螺线臂，等角度90°，总转角度为180°，内外相邻两臂弧长于E点黄金分割，分割比为0.618：1；圆环顶盖外圆半径设为R即线段OA，内圆半径为（1-0.618）×0.618n-2×R=0.382R即线段OB；最外第一层等角螺线臂的半径为((0.6182+1)/2)½R=0.831R即线段EG，第二层等角螺线臂的半径为0.6182-1((0.6182+1)/2)½R即线段EF。
图2中O点.圆心， B点. 圆环顶盖外圆半径黄金分割点， E点. 螺线分离片黄金分割点，线段OA.圆环顶盖外圆半径R，线段OB.圆环顶盖内圆半径0.382R，线段EG.第一层螺线臂半径0.831R。
图3是具体实施方式一中曲面通道（7）中气液分离区剖面图，气液分离区外边线（13）、气液分离区里边线（14）、螺线形分离片外壁（15）、螺线形分离片内壁（16）相交共同围成气液分离区（35），分离角度135°。
图3中5. 曲面通道气流流入方向，6.螺线形分离片，7.曲面通道，12.圆心，13.气液分离区外边线，14.气液分离区里边线，15. 螺线形分离片外壁，16. 螺线形分离片内壁，26.曲面通道气流流出方向，35.气液分离区。
图4是截取曲面通道（7）透视图
图4中13.气液分离区外边线，15. 螺线形分离片外壁，16. 螺线形分离片内壁。
图5是具体实施方式一的透视图
图5中17.天点透视图，18.地点透视图，6.螺线形分离片，8.圆环顶盖，9.圆形底板，10.气流出口，19.气流进口。
图6是具体实施方式二的三视图
图6中23.泄液筒，30.带泄液筒装置正视图，31.带泄液筒装置侧视图，32.带泄液筒装置仰视图，29.泄液口。
图7是具体实施方式二的透视图
图7中23.泄液筒，24.泄液筒出口，25.带泄液口的圆形底板，29.泄液口，33.带泄液筒装置天点透视图，34. 带泄液筒装置地点透视图，
图8至图13是举例说明气液分离区分离角度是螺线形分离片总转角度与两分离片夹角之差（M×90°﹣360°/N）。
图8是2层螺线臂3片螺线分离片排列平面图，气液分离区分离角度为60°，螺线形分离片总转角度180°。
图8中6.螺线形分离片，35.气液分离区。
图9是2层螺线臂5片螺线分离片排列平面图，气液分离区分离角度为108°，螺线形分离片总转角度180°。
图9中6.螺线形分离片，35.气液分离区。
图10是2层螺线臂8片螺线分离片排列平面图，气液分离区分离角度为135°，螺线形分离片总转角度180°。
图10中6.螺线形分离片，35.气液分离区。
图11是2层螺线臂13片螺线分离片排列平面图，气液分离区分离角度为152°，螺线形分离片总转角度180°。
图11中6.螺线形分离片，35.气液分离区。
图12是3层螺线臂3片螺线分离片排列平面图，气液分离区分离角度为150°，螺线形分离片总转角度270°。
图12中6.螺线形分离片，35.气液分离区。
图13是4层螺线臂3片螺线分离片排列平面图，气液分离区分离角度为240°。螺线形分离片总转角度360°。
图13中6.螺线形分离片，35.气液分离区。
具体实施方式
具体实施方式一
如图1和图5所示，本装置由圆环顶盖（8）、圆形底板（9） 和8片螺线形分离片(6)构成（几何关系如图2）；圆环顶盖外直径和圆形底板直径相等，圆环顶盖和圆形底板圆心（12）同轴、板面平行，8片螺线形分离片(6)沿圆环顶盖（8）圆环均匀逆时针旋转排列、各螺线原点与圆心重合，高度为顶盖和底板之间距离，上下边与圆环顶盖和圆形底板连接；螺线形分离片剖面为2个相邻的等角螺线臂，等角度90°，总转角度为180°（即黄金螺线），内外相邻两臂弧长比为0.618：1，圆环顶盖外圆半径,为R则内圆半径为0.382R,相邻两个螺线形分离片的夹角为45°（360°/8）,横剖面（1）为2层环形排列的同心等角螺线臂，最外第一层等角螺线臂的半径为0.831R，第二层等角螺线臂的半径为0.514R；圆环顶盖气流出口(10)到圆形底板的投影区域形成的腔体为气流汇集区(101)；两片相邻螺线形分离片(6)围成的曲面通道(7)，两片螺线形分离片向圆心（12）投影的未重合区域为气液分离区（如图3图4），8个气液分离区围成气流汇集区（101），经外围加压或由气流汇集区（101）上方引风使含液滴的气流沿（28）进入本装置，气流沿曲面通道(7)逆时针螺旋前进经过气液分离区，液滴被甩到曲面通道(7)外壁，完成气液分离；分离后的气流经气流汇集区（101）沿圆环顶盖气流出口(10)流出，液滴在曲面通道(7)外壁上汇集成流，液流受重力和气流压力共同作用向通道底部和圆形底板（9）中心汇集，累积一定高度反向沿气流进口（19）底部向外流出。
如图3和图4所示，含液滴的气流从气液分离区（35）经过，单个气液分离区（35）由螺线形分离片内壁（16）、外壁（15）和两片螺线形分离片向圆心（12）投影形成的气液分离区外边线（13）、气液分离区里边线（14）以内空间围成，两边线夹角135°（总转角180°减相邻两个螺线形分离片的夹角45°），上下圆环顶盖（8）和圆形底板（9）封闭，气液分离区（35）外侧壁（与螺线形分离片内壁（16）重合部分）总是比内侧壁（与螺线形分离片外壁（15）重合部分）长(即外侧壁曲线半径大于内侧壁曲线半径)，自进口到出口方向，半径变小曲率变大，截面积渐小，气流的压强和速度不断变化，处于紊流状态；在任意一处气流方向上，气流产生伯努利效应，即外侧流速大、压强小，内侧流速小、压强大，因此气液分离区内外两侧形成向外的压力差，曲面通道曲率渐进变大，外侧流速越大，压力差越大，液滴受向外压力作用加速向分离区外侧壁运动。在任意一处气流方向上，气流受通道形状影响作曲线运动，液滴的惯性力和气流阻力作用产生向心力，在惯性力和气流阻力平衡时液滴相对气流的速度平衡，液滴沿着分离区随气流向圆心运动；液滴的惯性力大于气流阻力时向心力减弱，离心现象显现，液滴向远离圆心方向运动；气流通过时气液分离区围绕圆心方向截面积变小，同时产生文丘里效应和伯努利效应，即截面积变小，流速增加，压强减小，因此气流压力减小即阻力减小，液滴的惯性力大于气流阻力，向心力减弱，离心现象增强，液滴加速向分离区外侧壁运动。液滴在气液分离区内持续受到向外压力和惯性力的同时作用，被加速甩到气液分离区外侧壁，完成气液分离。
具体实施方式二
如图6和图7所示，在具体实施方式一中的圆形底板（9）中增开泄液口（29）形成带泄液口圆形底板（25），泄液口直径小于等于圆形顶盖气流出口直径，并连接泄液筒（23），使用时泄液筒出口（24）没于液面以下，起密封作用防止漏过气流干扰分离区工作，气液分离后，液滴在气液曲面通道外壁上汇集成流，液流受重力和气流压力共同作用向通道底部和圆形底板中心汇集，经泄液筒（23）流出。其他实施细节与具体实施方式一相同。
Claims (14)
1.一种新型气液分离装置，特别是涉及到利用一种螺线形分离结构的伯努利效应实现气液分离的发明，其特征在于：一组螺线形分离片构成一种螺线形分离结构，上下由圆环顶盖和圆形底板封闭；含液滴的气流从周围气流进口进入，经螺线形分离结构中的气液分离区约束向中心的气流汇集区加速旋转；气流通过气液分离区时压强和速度不断变化，处于紊流状态，流速不断加快，连续产生伯努利效应和文丘里效应，气流中的液滴受到的阻力总是小于惯性力和向外压力之和，液滴被加速甩到气液分离区外侧壁，完成气液分离；分离后的气流经气流汇集区沿圆环顶盖气流出口流出，液滴在曲面通道外壁上汇集成流，在圆形底板汇集后反向沿气流进口流出，或经泄液口流出。
2.根据权利要求1所述的螺线形分离片，其特征在于：圆环顶盖外圆半径设为R则内圆半径为（1-0.618）×0.618n-2×R。
3.根据权利要求1所述的螺线形分离片，其特征在于：螺线形为黄金螺线，等角度90°。
4.根据权利要求1所述的螺线形分离片，其特征在于：由 M个连续相邻的等角螺线臂（M取≥2的整数）构成，总转角度为M×90°。
5.根据权利要求1所述的螺线形分离片，其特征在于：内外相邻两螺线臂弧长比为0.618：1。
6.根据权利要求1所述的螺线形分离片，其特征在于：最外层等角螺线臂的半径为0.831R，第M层半径为0.618M-1((0.6182+1)/2)½R。
7.根据权利要求1所述的螺线形分离结构，其特征在于：由N（N取≥3的整数）片螺线形分离片，沿圆环顶盖圆环均匀旋转排列，排列方向相同，各螺线原点与圆心重合，相邻两个螺线形分离片的夹角为360°/N。
8.根据权利要求1所述的螺线形分离结构，其特征在于：横剖面为M层环形排列的同心等角螺线臂。
9.根据权利要求1所述的螺线形分离结构，其特征在于：由N片螺线分离片形成的N个气液分离区围绕气流汇集区排列组成。
10.根据权利要求1所述的气液分离区，其特征在于：分离角度为螺线形分离片总转角度与两分离片夹角之差（M×90°﹣360°/N）。
11.根据权利要求1所述的气液分离区，其特征在于：两片相邻螺线形分离片围成上下底封闭的曲面通道中，两片螺线形分离片向轴心投影的未重合区域。
12.根据权利要求1所述的气液分离区，其特征在于：外侧壁曲线半径大于内侧壁曲线半径。
13.根据权利要求1所述的泄液口，其特征在于：泄液口直径小于等于圆形顶盖气流出口直径。
14.根据权利要求1所述的气流汇集区，其特征在于：圆环顶盖气流出口到圆形底板的投影区域形成的腔体。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109420385A (zh) * | 2017-09-03 | 2019-03-05 | 郝占宁 | 一种涡式空气净化器及基于该净化器的空气净化方法 |
| CN110180221A (zh) * | 2019-07-05 | 2019-08-30 | 昇中(宁波)信息科技发展有限公司 | 气液分离单元 |
-
2017
- 2017-04-10 CN CN201710227333.1A patent/CN106964202A/zh active Pending
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| CN110180221A (zh) * | 2019-07-05 | 2019-08-30 | 昇中(宁波)信息科技发展有限公司 | 气液分离单元 |
| CN110180221B (zh) * | 2019-07-05 | 2024-05-03 | 昇中(宁波)信息科技发展有限公司 | 气液分离单元 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |