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        新型高效渦旋管分離器的原理、結(jié)構(gòu)及應用

        2015-04-13 08:33:48邢書芳
        機電信息 2015年26期
        關(guān)鍵詞:氣固旋風渦旋

        邢書芳 郭 健

        (核工業(yè)理化工程研究院,天津300180)

        0 引言

        在生物、醫(yī)藥等發(fā)酵行業(yè)中,壓縮空氣中含有大量的塵埃粒子,發(fā)酵企業(yè)的空氣管道多為碳鋼管,其含有銹粉粒子等,這些都是產(chǎn)生固體粒子的主要來源。對無菌空氣凈化系統(tǒng)來說,如何去除氣體中含有的固體粒子,保證膜過濾器正常運行是非常重要的。在空氣壓縮氣體凈化系統(tǒng)中,固體粒子通常作為細菌的載體,隨壓縮空氣進入發(fā)酵罐,導致產(chǎn)生染菌的現(xiàn)象。雖然進入過濾器前端的混合氣體,已經(jīng)處于無油、無水、干燥的狀態(tài),但若不能有效去除游離其中的固體粒子,就會導致過濾器非正常運行,縮短使用壽命,進而影響發(fā)酵生產(chǎn)的穩(wěn)定性,這既增加了染菌的機會,又造成經(jīng)濟上的損失。

        1 研發(fā)背景

        在發(fā)酵行業(yè)中,如何通過壓縮氣體中的氣固分離有效去除固體粒子,延長空氣過濾器使用壽命,維持生產(chǎn)穩(wěn)定,是必須解決的問題。碳鋼管道中的銹粉粒子,是產(chǎn)生固體粒子的主要來源,為解決這個難題,迫切需要高效、可靠、經(jīng)濟的氣固分離設(shè)備。為滿足市場需求,在參考國內(nèi)外同類先進產(chǎn)品和專利查詢的基礎(chǔ)上,我院研發(fā)了國內(nèi)先進的氣固分離裝置WF新型高效渦旋管分離器。含這種設(shè)備的空氣凈化系統(tǒng)流程示意如圖1所示。

        圖1 空氣凈化系統(tǒng)流程示意圖

        氣固分離裝置的工業(yè)應用按其目的要求可分為三大類:

        (1)回收有用的物料;

        (2)獲得潔凈的氣體;

        (3)凈化廢氣,保護環(huán)境。

        上述三類目的不是截然分開的,對于某一工業(yè)應用可能三者兼而有之。

        目前,氣固分離裝置的結(jié)構(gòu)有多種形式,通常使用的有:旋風分離器、過濾分離器、電除塵裝置等。

        但是,上述裝置基本都存在如下缺點:

        (1)除塵效率低,阻力大;

        (2)結(jié)構(gòu)復雜,維修費用高;

        (3)易損耗,壽命短等。

        氣固分離裝置的分離機理主要是機械力分離,其分離方法主要有3種:重力沉降、慣性分離、旋風分離。

        (1)重力沉降器:是一種只依靠顆粒在重力場中發(fā)生的沉降作用而將粒子從氣流中分離出來的設(shè)備。

        (2)慣性分離器:是在慣性分離器內(nèi),使氣流急速轉(zhuǎn)向,或沖擊在擋板上再急速轉(zhuǎn)向,其中粒子由于慣性效應,其運動軌跡便會偏離氣流軌跡,從而使兩者分離的設(shè)備。這種慣性效應大,可捕集到30~40 μm的粒子。

        (3)旋風分離器:它的基本原理是,含有粒子的氣體在做高速旋轉(zhuǎn)運動時,其中的粒子受到的離心力比重力大幾百到幾千倍,可大大提高其分離效率,旋風分離器能分離最小的粒子直徑達5 μm左右。

        在實際應用中,機械力分離是工業(yè)上應用最廣泛的方法。傳統(tǒng)的應用分離技術(shù)的各種旋風分離器,因處理風量的范圍較小,不適應發(fā)酵行業(yè)風量變化大的特點,總體分離效率較低,目前已逐步被淘汰。

        氣固分離設(shè)備性能比較如表1所示,對每臺分離設(shè)備而言,分離效率的計算公式為:

        式中 η——分離效率,%;

        W1——單位時間內(nèi)捕集的粉料重量,kg;

        W——單位時間內(nèi)進入該分離器的粉料重量,kg。

        表1 發(fā)酵行業(yè)氣固分離設(shè)備性能比較

        2 氣固分離設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點與工作原理

        2.1 傳統(tǒng)旋風分離器

        2.1.1 傳統(tǒng)旋風分離器的結(jié)構(gòu)

        傳統(tǒng)的旋風分離器結(jié)構(gòu)、旋流簡圖如圖2所示。

        2.1.2 傳統(tǒng)旋風分離器的工作原理

        圖2 傳統(tǒng)旋風分離器結(jié)構(gòu)、旋流簡圖

        混合氣體由進氣口切向進入分離器,氣體由直線運動轉(zhuǎn)為圓周旋轉(zhuǎn),在離心力的作用下,將密度較大的固體顆粒甩向圓筒體內(nèi)壁,顆粒與筒壁碰撞后,在重力的作用下,進入收集口。旋轉(zhuǎn)下降的外旋氣流在到達圓錐體時,因錐形的收縮向分離器下部靠攏。氣體到達圓錐體下端的某一位置時,以同樣的旋轉(zhuǎn)方向從分離器的中部,由下而上繼續(xù)做螺旋運動,即內(nèi)旋流。最后凈化氣體經(jīng)排氣口排出分離器外,一部分未被收集的固體顆粒也由此逃逸。

        影響旋風分離器分離效率的主要原因是其殼體內(nèi)部存在二次渦流。

        (1)短路流:旋風分離器頂蓋、排氣口外面與筒壁間,由于徑向速度與軸向速度的存在,將形成局部渦流,夾帶著相當數(shù)量的顆粒向中心流動,并沿排氣口外表面下降,最后隨著中心上升氣流逸出排氣口。

        (2)縱向旋渦流:縱向旋渦流是以分離器內(nèi)、外旋流分界面為中心的在器內(nèi)再循環(huán)而形成的縱向流動旋渦流。

        (3)外層旋流中的局部渦流:由于分離器壁面不光滑,可以產(chǎn)生與主流相垂直的渦流。這種流動會使壁面附近,或者已被分離到器壁的粒子重新甩到內(nèi)層流,使液體微粒在分離后的氣體中出現(xiàn)。

        (4)底部夾帶:外層旋流在錐體底部向上返轉(zhuǎn)時,可產(chǎn)生局部渦流,將顆粒重新卷起,被上升氣流帶走。

        2.2 新型高效渦旋管分離器

        新型高效渦旋管分離器是在傳統(tǒng)的旋風分離器的基礎(chǔ)上,利用渦旋、噴發(fā)、重力分離原理而發(fā)展起來的一種經(jīng)濟、高效的新型氣固分離設(shè)備。由于采用的是軸流式結(jié)構(gòu),并且整個通道內(nèi)部都很光滑,無擾動,避免了二次渦流的產(chǎn)生,這就保證了渦旋管分離器的低壓降和高效率。

        渦旋管分離器可在極低的壓降下產(chǎn)生極強的離心場,使其具有很高的分離效率,即使在流量大幅度變化的情況下仍可保持效率不變,尤其是在含有高濃度粒子的混合氣體凈化或分離處理中,更顯示出很高的性能。

        渦旋管分離器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

        圖3 渦旋管分離器三維視圖

        2.2.1 高效渦旋管分離器的結(jié)構(gòu)

        與國內(nèi)傳統(tǒng)的旋風分離器相比,高效渦旋管分離器在結(jié)構(gòu)上有很大的改進。新型高效渦旋管分離器的結(jié)構(gòu),主要由設(shè)備外殼和安裝在外殼內(nèi)的分離組件兩部分組成。其特征在于外殼的前、后端分別設(shè)有進氣端穩(wěn)流板及管板、出氣端穩(wěn)流板及管板,外殼的下端設(shè)有排塵口,分離組件是由一組渦旋管分離單元組成,其結(jié)構(gòu)形式為列管式均勻布局排列。

        每一個渦旋管分離單元均由一個錐管、一個位于錐管內(nèi)與錐管做成一體的渦旋葉片、一個與渦旋葉片同軸布置并于錐管前部過盈裝配的導流管組成。錐管前部為直管,其側(cè)壁開有排塵口,與外殼下端的排塵口對應,導流管呈擴散狀,其前部設(shè)有一裝配定位凸臺,渦旋管分離單元的前裝配端與外殼的出氣端管板過渡配合連接,由渦旋管分離單元的裝配定位凸臺定位,渦旋管分離單元的后裝配端與外殼的進氣端管板過盈配合連接。排塵口處安裝有閥門,可根據(jù)需求定時或不定時收集或排放固體顆粒。渦旋管分離器主剖視圖如圖4所示。

        渦旋管分離器的核心部件是渦旋管分離單元。該渦旋管分離單元可分為進氣口、渦旋發(fā)生區(qū)、分離區(qū)、加速區(qū)、排塵區(qū)及出氣口共6個區(qū)域,渦旋管分離單元結(jié)構(gòu)如圖5所示。

        對單支渦旋管分離單元進行實驗時,取入口管徑20 mm、渦旋發(fā)生區(qū)長度25 mm、渦旋葉片從入口至出口的扭轉(zhuǎn)角180°、導流管入口處管徑13 mm、質(zhì)量流量為7 g/s時,總壓降為750 Pa,用325目的細粉磨料做實驗,搜集全部料塵的效率為98%。

        圖4 渦旋管分離器主剖視圖

        圖5 渦旋管分離單元結(jié)構(gòu)圖

        該裝置的另一個顯著特征是,可以在排塵口流量從0%~15%升高的情況下,都可以很好地工作,其效率幾乎不變。

        2.2.2 高效渦旋管分離器的工作原理

        新型高效渦旋管分離器在工作狀態(tài)時,含有固體粒子的氣體從進氣口進入渦旋管分離單元,在渦旋發(fā)生區(qū)形成較強烈的渦旋場,使氣流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)后進入分離區(qū)。由于固體粒子遠重于氣體,所以在離心力的作用下,導致固體粒子向分離區(qū)的外側(cè)運動,使分離區(qū)外側(cè)的粒子濃度顯著提高,形成濃縮氣流流向加速區(qū),在加速區(qū)加速后從排塵區(qū)排出。相對地,分離區(qū)中心的主氣流便得到了凈化,凈化后的主氣流沿著導流管方向從出氣口排出。

        高效渦旋管分離器的顯著特點是:

        (1)分離效率高;

        (2)工作壓力降??;

        (3)結(jié)構(gòu)簡單、緊湊;

        (4)使用壽命長;

        (5)操作、維修方便。

        該裝置中沒有可更換運動部件,運行中處于免維護狀態(tài),只需一次性投資。對于發(fā)酵行業(yè)中使用碳鋼做空氣管道的企業(yè),該產(chǎn)品更具獨特的排塵效果,可以收到很好的經(jīng)濟效益。高效渦旋管分離器的主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

        表2 渦旋管分離器主要技術(shù)參數(shù)

        2.2.3 渦旋管分離器的安裝注意事項

        高效渦旋管分離器的安裝注意事項有:

        (1)安裝時只需把本裝置連接到管路中即可,排出口應垂直向下,并注意進、出口方向。

        (2)進入渦旋管分離器的氣體必須是干燥的氣體,以保證最好的分離效率。

        (3)排塵口通過閥門與收集部分連接,通過閥門直接向大氣中排放。

        (4)使用時,可以采取定時排放方式,也可以采取連續(xù)排放方式。

        (5)使用定時排放方式或采取連續(xù)排放方式時的排氣量,視空氣中的含塵量而定,只要不堵塞排塵口即可。

        3 應用情況

        新型高效渦旋管分離器可用于空壓機的引風口,以去除大氣中的塵埃粒子,降低系統(tǒng)能耗和運行費用。在使用碳鋼管道輸送壓縮空氣的場合,渦旋管分離器可以將碳鋼管道的銹粉連續(xù)排除管道之外。在總空過濾器前面使用渦旋管分離器,可以保持總空過濾器長時間經(jīng)濟運行。

        高效渦旋管分離器獲得了國家實用新型專利證書,投入市場后,得到了廣大用戶的肯定,用戶對使用效果給予了積極的評價。先后有數(shù)十家發(fā)酵企業(yè)和其他行業(yè)使用了高效渦旋管分離器,收到了很好的經(jīng)濟效益。

        鄭州拓洋實業(yè)有限公司VC發(fā)酵車間規(guī)模較大,年產(chǎn)量在萬噸以上,由于空氣管道材質(zhì)為碳鋼,產(chǎn)生的銹粉濃度較高,空氣壓降的上升時間較快??諝饬髁肯鄳獪p小,給正常生產(chǎn)帶來了隱患,既縮短了濾芯的正常使用壽命,又給企業(yè)造成了經(jīng)濟上的損失。

        通過在空氣主管道使用了兩臺每分鐘流量達1 000 m3的新型高效渦旋管分離器后,經(jīng)渦旋管分離器排放的銹粉非常可觀,碳鋼管道中的銹粉得到了有效的控制,總空過濾器的使用壽命也提高了3~4倍,有效地減緩了空氣壓降的升高,降低了染菌率和工人的勞動強度,給企業(yè)帶來了很好的經(jīng)濟效益。該產(chǎn)品在發(fā)酵車間空氣凈化管道中的應用如圖6所示。

        圖6 高效渦旋管分離器在拓洋實業(yè)有限公司發(fā)酵車間的應用

        新型高效渦旋管分離器投入市場后,在通遼梅花生物科技有限公司、金正大生態(tài)工程集團股份有限公司、鄭州福源生物科技有限公司、濟南明鑫藥業(yè)股份有限公司、廣東臺山化學制藥有限公司、山東雪花啤酒有限公司等數(shù)十家發(fā)酵企業(yè),都得到了較好的應用,并取得了良好的經(jīng)濟效益。每分鐘流量達200 m3的渦旋管分離器在金正大生態(tài)工程有限公司發(fā)酵車間中的應用如圖7所示。

        4 結(jié)語

        新型高效渦旋管分離器沒有傳動部件,運行中處于免維護狀態(tài),使用中不會有故障發(fā)生。渦旋管分離單元可以制成不同材料和不同直徑的系列產(chǎn)品,以適應不同場合的應用需求。

        圖7 高效渦旋管分離器在金正大生態(tài)工程公司發(fā)酵車間的應用

        該產(chǎn)品可應用于制藥行業(yè)、食品行業(yè)及精密機械加工行業(yè)等的凈化除塵處理,以及水泥廠的水泥回收和排放控制、煉油廠細顆粒催化劑的回收、面粉廠及糖廠的物料回收及相關(guān)行業(yè)物料的排放、回收等。

        該產(chǎn)品在氣固分離領(lǐng)域涉及范圍廣闊,銷售市場潛力很大,一定會給相關(guān)企業(yè)帶來很好的經(jīng)濟效益和社會效益。

        [1]時銘顯,施從南.化學工程手冊[M].北京:化學工業(yè)出版社,1996.

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