CN2638830Y - 带冷却的高效气液分离装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于一种在冷却***内进行气液分离的高效气液分离装置。该装置由五部分组成：(1)进气管附近的碰撞冷凝分离室，它同时也是中冷却室；(2)旋风分离器，大部分处于下冷却室中；(3)上冷却室；(4)出气管附近的芯管分离室；(5)壳体、支架、液体***管等。本装置分离效率高，气液分离效率达99％以上，节省能量，可用在制药厂，味精厂，酶制品厂，柠檬酸厂等生物工程单位，也可用在化工厂等需要对压缩空气进行冷却和气液分离的工厂。

Description

带冷却的高效气液分离装置

                       技术领域

本实用新型属于一种气液分离设备，具体涉及一种带冷却的高效气液分离装置。

                       背景技术

在制药厂、味精厂、酶制品厂、柠檬酸厂等生物工程单位及化工厂等经常使用大量的压缩空气，经空压机后的高压气体温度常常在150℃以上，需要冷却后再输送到车间，降温后高压气体中的油水凝结，多呈雾状被气流夹带。这样的压缩空气要经去油去水处理。对生物工程单位往往还需要除菌处理。对进入生物发酵车间所用的压缩空气，冷却并进行气液分离后再升温，以确保进入高效气体除菌过滤器中的压缩空气无水，油凝结的雾滴重新出现。显然，进行这些处理常常花费大量的人力，物力。庞大的运行费用占生产成本的比例很大，因此改善压缩空气的处理方法，降低处理成本是很有必要的。到目前为止虽然研制出一些效率比较高的设备，处理压缩空气的成本也有所下降，但是现有设备的结构其冷却与旋风分离是分开的、温度是平衡的，所以效率不够高。另外还存在着如散热面积不够大，液体回流设计欠佳等问题，所以它还是制约生产成本的因素之一。

                       发明内容

本发明的目的在于提供一种在冷却压缩空气的同时，在冷却表面附近进行气液分离的节省能量的装置，即提供在冷却***内进行气液分离的高效节能设备。

本发明的技术方案如下：带冷却的气液分离装置，由五个部分组成：(1)邻近进气管的碰撞冷凝重力分离室，它同时也是中冷却室；(2)多个旋风子并联或单管旋风分离器，其中中部圆筒在下冷却室内，下部锥体的外面是大气，切向矩形进气口和芯管的大部分处于中冷却室中；(3)上冷却室；(4)邻近进气管的芯管分离室；(5)壳体、液体***管和支架等。

冷却***由上冷却室，中冷却室和下冷却室组成。上冷却室较小，仅有旋风子芯管，通过对芯管的冷却有利于邻近出气管的芯管分离室中的气液分离。和下冷却室，中冷却室相比，上冷却室中的冷却水水温最高，热交换后的冷却水从冷却水出口管排出。中冷却室内安装多根垂直的，内冷的冷却管，旋风子气体切向进口和芯管大部分都处于该冷却室之内，装置进气管也在该室中，它也是碰撞冷凝重力分离室。在下冷却室，旋风子上部筒体为水冷却，旋风子下部锥形管由环境自然冷却。和上冷却室、中冷却室相比，在下冷却室中的冷却水温度最低，冷却水是从下冷却室下部的冷却水进口管进入冷却器的。

气液分离室也有三个：碰撞冷凝重力分离室，旋风子分离室和芯管分离室。碰撞冷凝重力分离室同时也是中冷却室，压缩空气碰撞的管道就是中冷却室中的冷却管。在重力作用下，碰撞形成较大的液滴下沉到中冷却室的底部，由***管将分离出来的液体排走。芯管安装了斜挡板阻止冷却水进入旋风子切向矩形进气口，旋风子分离室由多个旋风子并联而成，其数目取决于装置需要处理的压缩空气额定流量和每个旋风子处理风量的能力。在旋风子中段的芯管上安装一口朝下的筒状档板，压缩空气只能从中段圆管内壁和档板之间的空间通过。芯管上端部为芯管分离室，芯管分离室上端为孔板，旋风子芯管的上端和冷却管的上端分别固定在上管板上，冷却管的下端固定在下管板上，孔板上的孔和芯管相对应，并在同一轴线上。孔板上的孔直径稍小于芯管的直径。

装置的外壳既是冷却器外壳，也是分离器外壳。净化气体汇集室中的压缩空气经过三次分离。汇集室的高度要大于芯管直径的三倍，以使气流平滑。旋风子分离出来的液体汇集到液体收集室中，由***管排走。液体收集室中保持一定的液面，避免对旋风子分离的干扰。支架承担整个装置的重量，为保持其稳定性，支架应有一定的斜度，例如和水平面夹角在80°左右。

在不需要冷却时，可只用一个旋风子分离管。旋风分离管分上下两部分，上粗下细。装置进气管也是上旋风分离进气管，并与旋风管圆筒相切，被离心力分离出来的液体下沉到粗管底部，从***管排到装置外面。经一次气液分离后，气流进入导向叶片，加强了旋转，流向下部。经过筒状挡板和圆筒之间的夹缝向下流动，被离心力抛向圆筒内壁的液体在重力作用下向下运动，被***管排到装置外面，而分离后的气流转弯沿着芯管向上旋转流动。出气管和芯管具有共同的中心轴线，出气管外径比芯管内径稍小。出气管下端和芯管上端间距离较小。***管排出从间隙外抛出的液体，这样从出气管流出的压缩空气经过了三次气液分离。

                     附图说明

图1带冷却高效气液分离装置结构示意图；

图2自然冷却或喷洒冷却水的高效气液分离装置结构示意图；

图3自然冷却单管旋风分离器串联的高效气液分离装置结构示意图。

其中：

1出气管          2外壳          3旋风子芯管

4上冷却室        5中冷却室(邻近进气管分离室)

6冷却水出口管    7进气管        8斜挡板

9进气口          10冷却管       11下冷却室

12旋风子圆筒     13锥形管       14筒状挡板

15液体收集室     16液体***管   17冷却水进口管

18液体***管     19芯管分离室(上分离室)

20液体***管     21孔板         22气体汇集室

23下底板         24导向叶片     25支架

26上管板         27下管板

                   具体实施方式

实施例1  带冷却高效气液分离装置

如图1所示，该装置由上、中、下三个冷却室4、5、11和邻近进气管分离室5(中分离室)，旋风子分离室11(下分离室)和芯管分离室19(上分离室)等三个分离室构成。旋风子分离室(下分离室)由多个旋风子并联而成。旋风子数目是由装置和旋风子额定流量决定的。推荐旋风子尺寸如下：旋风子中部圆筒12直径D＝200mm，芯管3直径d＝100mm，切向矩形进气口面积为50×100(mm²)，筒体高度(不包括芯管)为1200mm，这样的旋风子额定流量(在标准状态下)约10米³/分。根据气液分离装置额定流量要求确定所用这种旋风子数目。

装置最上方是出气管1，它接到装置外壳2上，出气管1周围的外壳和上分离室孔板21组成排出气体汇集室22，孔板21和上冷却室4之间是芯管分离室(上分离室)19。各旋风子芯管3的上端都在上分离室19中，旋风子芯管3的上端和冷却管10的上端分别固定在上管板26上，冷却管(10)的下端固定在下管板27上，孔板21上的孔和芯管3对应，它们在同一轴线上。孔板21上的孔直径略小于芯管3的外径。上分离室19的气液分离就发生在孔板21上的孔和芯管3上端的间隙之中，在离心力作用下，被分离出来的液体通过上分离室19下部***管20排到装置外面。上分离室19的下面是上冷却室4，已经充分进行热交换的冷却水从上冷却室4的上端排水管6排出。

上冷却室4下面是中冷却室5，同时也是中分离室，在中冷却室安装许多垂直放置的冷却管10，它是内冷却。中冷却室5和装置进气管7相连，中冷却室5的分离主要发生在冷却管10的外面，同时也发生在芯管3的外表面。由于气流中蒸汽碰撞冷表面，蒸汽凝结成小液滴。小液滴间的碰撞还会形成大液滴，在重力作用下，液滴落在中分离室5的底面上。分离出来的液体从中分离室5下方的***管18排到装置外。中冷却室5内还装有旋风子圆筒12，在旋风子圆筒12的上部装有切向矩形进气口9。为了避免碰撞冷凝的液滴落入旋风子切向矩形进气口9之中，在紧靠进气口9上方的芯管3的外圆周上安装一倾斜挡板8。

串联的旋风子，上部进气口处于中冷却室5中，旋风子圆筒12处于下冷却室11中，旋风子圆筒12的下部为锥形管13是自然冷却，下冷却室11底部有冷却水进口管17，向冷却器供给冷却水。

为了增大散热面积旋风子做成细而长。如果旋风子中部圆筒12的直径为D，芯管直径d≈D/2，芯管3***到筒体内的长度为(1.25-1.5)D，旋风子中部圆筒12长度不小于1.25D(从切向矩形进气口底部开始计算)，下锥体13的高度为(2.9-3.3)D。旋风子切向矩形进气口9的截面积比芯管3的截面积稍小一些，长宽比2∶1。旋风子进气旋转部分为蜗壳形，其当量直径比D大，约是D的(1.3-1.5)倍。

为了增加压缩气体中水蒸气或水滴与旋风子中部圆筒12内壁的碰撞几率，在切向矩形进气口9的下面装置一筒状档板14，它和芯管同轴，并连接在芯管上。筒状档板14和圆筒12内壁之间有供压缩气体通过的间隙。间隙面积比芯管3的截面积略小，和切向矩形进气口9的截面积相近。筒状档板14表面光滑，以减少空气阻力。

旋风子组件有共同的液体收集室15，收集室15下面是***管16，它将旋风子分离出来的液体排到装置外面。液体收集室15应有较大的容积，以保证旋风子之间的流动状态相近，不发生混流现象。装置支架25要向外倾斜，和水平面夹角约80°，以保证装置的稳定性。

实施例2  自然冷却或喷洒冷却水的高效气液分离装置

如图2所示，该装置比实施例1装置简单一些，取消了上冷却室4和下冷却室11，保留中冷却室5。装置主要向大气散热，如果自然冷却散热量不够，可从上面喷洒冷却水，加大散热量。喷洒管没有在图中画出。为了适应喷洒冷却水的需要，在旋风子下方加一短圆筒形的下底板23，其下面有装置支架25，承担支持装置重量的作用。下底板23上面的短圆筒是为了收集喷洒的冷却水。收集到的冷却水可通过下底板23的一个小孔(图中未画)排出。同样理由，孔板21外缘也安装了向上的短圆筒。

由于该装置主要是自然冷却，不但要求装置散热面积大，而且要求装置外部通风条件好。

实施例3  自然冷却单管旋风分离器串联的高效气液分离装置

如图3所示，如果在分离装置前已安装冷却器，并达到了降温要求，这时不必特别考虑增大冷却面积问题，用两个单管旋风分离器串联的方式也可以达到高效气液分离要求。

除去单管外，这个分离装置和前面的两个主要区别是在中分离室5中没有冷却管10，不利用碰撞冷凝分离，而利用旋风分离。一次分离后的压缩空气再进入第二级旋风分离。第一级和第二级相串联。旋风分离管上粗下细。装置进气管7也是上旋风分离进气管，并与旋风子圆筒12的上部相切，被离心力分离出来的液体下沉到粗管底部，从***管18排出。第二级旋风分离入口装有导向叶片24，和中段圆筒12及芯管3同轴的筒状挡板14强制气流向边缘流动，液珠顺着圆筒12的内壁下流，而气流却转向180°通过芯管3旋转向上运动，完成了二次分离。上分离室19(即芯管分离室)由出气管1、外壳2及芯管3上端组成。出气管1和芯管3具有共同的中心轴线，出气管1外径比芯管3内径稍小。出气管1下端和芯管3上端间距较小。***管20能够排出从间隙外抛的液体，这样从出气管1流出的压缩空气经过了三次气液分离。其中导向叶片的倾斜角为25-30°。

单管旋风分离器下部安装了短圆筒形的下底板23，其下面有装置支架25，下底板23上面的短圆筒是为了收集喷洒的冷却水。装置支架25向外倾斜，和水平面夹角约80°。

该装置有较强的适应性，即使流量有较大变化时，流场仍旧稳定，不会发生分离室之间的流体干扰。当环境温度过高时，也可喷洒冷却水，以利于蒸汽的凝结，降低蒸汽的含量。

该气液分离装置的工作过程如下：

如图1所示，带冷却高效气液分离装置工作时，含液体压缩空气从进气管7进入中冷却室5，当气流中蒸汽与中冷却室5中的冷却管10外壁或旋风子外壁(包括芯管3的外壁)碰撞时，由于冷却管10外壁的温度低(接近冷却水温度)，蒸汽凝结成水珠，小水珠之间碰撞形成大水珠，在重力作用下沉到中分离室5底部，经***管18排到装置外。芯管3上的斜挡板8阻止下沉的水珠落入旋风子的切向矩形进气口9中。经过第一次脱水后的压缩空气，从各个旋风子的切向矩形进气口9进入旋风子中，旋转向下运动，离心力使气流中的水珠外抛至旋风子圆筒12内壁上，在旋风子芯管3安装的与此同轴的筒状挡板14强制气流流向圆筒12内壁，增加气体中微粒和圆筒12内壁的碰撞几率，由于圆筒12是下冷却室11的冷却管，圆筒12壁上温度低，使压缩空气中的水蒸气凝结。通过圆筒12的内壁和筒状挡板14之间的空隙的压缩空气仍旋转向下，压缩空气转向180°，沿着芯管3流向上分离室19。而在圆筒内壁凝结的水分在重力作用下沉到旋风子液体收集室15中，通过***管16将液体排出装置。经过两次脱水后的压缩空气沿着芯管3旋转向上运动，经过中冷却室5，上冷却室4冷却，压缩空气剩余的蒸汽或雾，在芯管3的内壁上冷凝成雾珠，被压缩空气夹带到上分离室(芯管分离室)19中。上分离室19上面有孔板21，孔板21上的孔分别和旋风子芯管3相对应。并且同轴，两者间有微小间距。由于孔板21上的孔外经比芯管3的内径稍小，水珠被抛到孔外，在重力作用下下沉，液体经***管21排到装置外。完成了三次分离后气流收集到气体汇集室22，通过出气管1流向需要的地方。经过三次冷凝和三次分离后，压缩空气中的99％液雾被分离出来。由于气体在流动过程中被冷却，被分离，分离发生在温度较低处，在装置内气体温度并未达到平衡，和前面经过三次脱水的压缩空气在气体收集室22中汇合。温度基本达到平衡，平衡后的温度高于冷却面上温度。液体在平衡后的饱和蒸汽压必高于在温度低的冷却表面上的饱和蒸汽压。如果气流分离后的压缩空气输送到过滤器，只要过滤器出口气温和气流分离装置出口气温相差不大，在过滤器和气流分离装置之间不必加升温装置，在过滤器内也不会发生液体冷凝。

如果冷却介质不是水二而是大气，所用装置如实施例2所介绍的装置，冷却器简化了。装置的工作过程和实施例1没有多大差别。只不过冷却表面温度高了，冷却效果差一些。在冬天环境温度低，自然冷却也可达到要求。如果环境温度高，达不到要求，可喷洒冷却水，降低冷却表面温度，对压缩空气中蒸汽凝结颇有好处。

如当气液分离装置前冷却已经完成，所用的气液分离装置如图3所示，气液压缩空气从进气管7进入中分离室的方式是切向进气，气流经正方形切向进气口7进入上旋风分离器，旋转向下运动。气流中的水珠在离心力作用下外抛，***管18将外抛下沉的液体排到装置外。经上旋风分离器一次分离的压缩空气通过导向叶片24进入下旋风分离器，气流旋转向下，在筒状挡板14的作用下，气流流向圆筒12内壁，被离心力抛到外面的液滴和内壁碰撞，由小变大，下沉到下锥体13，由***管16将分离出来的液体排出。经两次脱水的气流沿着芯管3旋转运动流向上分离室19。装置出气管1也在上分离室19中，出气管1和芯管3同轴且有一段间隙，出气管1直径略小于芯管3内径。二次分离后仍夹带的一部分液珠或雾气在该间隙被抛向芯管3和出气管1外面，于是，压缩空气进行第三次分离，从出气管1流出的气体是经过三级脱水的压缩空气。

本装置分离效率高，气液分离效率达99％以上，节省能量，可用在制药厂，味精厂，酶制品厂，柠檬酸厂等生物工程单位，也可用在化工厂等需要对压缩空气进行冷却和气液分离的工厂。

Claims (10)

1、一种带冷却的高效气液分离装置，包括外壳(2)和安装在外壳(2)顶部的出气管(1)、安装在外壳(2)上部侧面的进气管(7)及安装在外壳(2)下部的支架(25)，其特征在于：在外壳(2)的内部安装有多个旋风子芯管(3)和多个冷却管(10)，旋风子芯管(3)的上端和冷却管(10)的上端分别固定在上管板(26)上，冷却管(10)的下端固定在下管板(27)上，旋风子芯管(3)的下部装置有防止冷凝水落入旋风子圆筒(12)中的斜挡板(8)和筒状挡板(14)，旋风子芯管(3)的下端装入旋风子圆筒(12)的上端内部；在气体汇集室(22)的下部安装有多孔的孔板(21)，进气管(7)的安装位置和外壳(2)的上部相切，在芯管分离室(19)的下部一侧装置有液体***管(20)，在中冷却室(5)的下部一侧装置有液体***管(18)、在下冷却室(11)的下部一侧装置有冷却水进口管(17)。

2、根据权利要求1所述的一种带冷却的高效气液分离装置，其特征在于：旋风子圆筒(12)的下部为锥形管(13)，在锥形管(13)的下部设有液体收集器(15)。

3、根据权利要求1所述的一种带冷却的高效气液分离装置，其特征在于：孔板(21)上的孔的直径小于旋风子芯管(3)的直径。

4、根据权利要求2所述的一种带冷却的高效气液分离装置，其特征在于：在液体收集器(15)的下部设有液体***管(16)。

5、一种自然冷却单管旋风分离器串联的高效气液分离装置，包括外壳(2)和安装在外壳(2)顶部的出气管(1)、安装在外壳(2)上部一侧的进气管(7)，其特征在于：在外壳(2)的内部安装一个旋风子芯管(3)，在旋风子芯管(3)的中部外侧装置有导向叶片(24)，在旋风子芯管(3)的下部装置有筒状挡板(14)，旋风子芯管(3)的下端装入旋风子圆筒(12)的内部。

6、根据权利要求5所述的一种自然冷却单管旋风分离器串联的高效气液分离装置，其特征在于：出气管(1)的直径小于旋风子芯管(3)的直径。

7、根据权利要求5所述的一种自然冷却单管旋风分离器串联的高效气液分离装置，其特征在于：进气管(7)的安装位置和旋风子圆筒(12)的上部相切。

8、根据权利要求5所述的一种自然冷却单管旋风分离器串联的高效气液分离装置，其特征在于：导向叶片(24)的倾斜角为25-30°。

9、根据权利要求5所述的一种自然冷却单管旋风分离器串联的高效气液分离装置，其特征在于：旋风子圆筒(12)的下部为锥形管(13)，在锥形管(13)的下方设有圆筒形的下底板(23)。

10、根据权利要求5所述的一种自然冷却单管旋风分离器串联的高效气液分离装置，其特征在于：在芯管分离室(19)的下部装置有液体***管(20)，在旋风子圆筒(12)的上部下底面装置有液体***管(18)、在下底板(23)的下端装置有液体***管(16)。

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