DE68908648T2

DE68908648T2 - Apparat zum Entfernen von festen Teilchen aus einem Fluid.

Info

Publication number: DE68908648T2
Application number: DE89202388T
Authority: DE
Inventors: Den Akker Hendrikus Egidiu Van
Original assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Current assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Priority date: 1988-09-22
Filing date: 1989-09-21
Publication date: 1993-12-16
Anticipated expiration: 2009-09-22
Also published as: CN1042095A; DE68908648D1; AU612897B2; AU4159289A; EP0360357A3; ATE93403T1; IN172828B; BR8904722A; MY105102A; JPH02115055A; GB8822350D0; EP0360357A2; CA1334838C; US4956091A; EP0360357B1; ES2044063T3

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abscheiden von Feststoffteilchen aus einem Fluid.
Soviet Inventions Illustrated, Derwent Publications Ltd., Section Chemical, Week K03, Zusammenfassung Nr. 06666, J01, 2. März 1983 offenbart einen zweistufen Staubabscheider mit einer Wirbelkammer mit einer gekrümmten Seitenwand, einem tangentialen Einlaß und einem Feststoffteilchenauslaß. Ein Wirbelrohr erstreckt sich von der Wirbelkammer bis nach außen, und Verwirbelungsmittei sind in einem zylindrischen Element vorgesehen, das in der Wirbelkammer angeordnet ist, wobei dieses zylindrische Element einen größeren Durchmesser als das Wirbelrohr hat.
US-A-4 015 960 offenbart eine Gas/Flüssigkeits-Trennvorrichtung in Form eines zylindrischen Gefäßes mit einem tangentialen Einlaß, einem Flüssigkeitsauslaß, einem Gasauslaß und Verwirbelungsmitteln, die unterhalb des Gasauslasses angeordnet sind.
GB-A-2 061 773 bezieht sich auf einen Partikelabscheider bestehend aus einer ersten Wirbelkammer mit einem tangentialen Einlaß und einem Eeststoffteilchenauslaß und einer zweiten Wirbelkammer mit einem Gasauslaß und einem weiteren Feststoffteilchenauslaß.
US-A-4 205 965 betrifft eine Gas/Feststoffteilchen- Trennvorrichtung bestehend aus einer Wirbelkamrner mit einem tangentialen Einlaß und einem Feststoffteilchenauslaß sowie zwei Gasauslässen, die sich vom Inneren der Wirbelkammer nach außen in entgegengesetzte Richtungen erstrecken.
EP-A-206 399 offenbart eine Vorrichtung zum Abscheiden von Feststoffteilchen aus einer Mischung aus einem Fluid und Feststoffteilchen, mit einer Wirbelkammer mit einer gekrümmten Seitenwand, die mit einem tangentialen Einlaß für die Mischung und einem Feststoffteilchenauslaß versehen ist, sowie mit zwei gegenüberliegenden Stirnwänden.
Im Betrieb tritt eine Mischung aus Fluid und Feststoffteilchen in die Wirbelkammer der bekannten Vorrichtung über ihren tangentialen Einlaß ein. Die Mischung strömt entlang der gekrümmten Wand zwischen dem tangentialen Einlaß und dem Feststoffteilchenauslaß. Teile der Eeststoffe werden über den Feststoffteilchenauslaß entferne. Der Weg dieser Feststoffteilchen ist kürzer als der Umfang an der Innenseite der Wand. Dies führt zu einer kurzen Verweilzeit dieser Feststoffteilchen.
Verknüpft mit der Anordnung der Einlaßöffnung und der Auslaßöffnung bei der bekannten Vorrichtung ist der Effekt, daß im Betrieb ein verhältnismäßig hoher Prozentsatz der Feststoffteilchen, insbesondere die feineren Teilchen, über das Fluidauslaßrohr statt über den Feststoffteilchenauslaß ausgetragen werden.
Es ist ein Ziel der Erfindung, eine Vorrichtung zum Abscheiden von Feststoffteilchen aus einem Fluid zu schaffen, bei welcher die Verweilzeit der Teilchen in der Vorrichtung kurz ist und sowohl die gröberen als auch die feineren Teilchen aus dem Fluid abgeschieden werden.
Zu diesem Zweck ist die Vorrichtung zum Abscheiden von Feststoffteilchen aus einer Mischung aus einem Fluid und Feststoffteilchen erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung weiters aufweist:
- einen Zyklonabscheider mit einer mit der Wirbelkammer gemeinsamen zentralen Längsachse, welcher Zyklonabscheider enthält:
- ein Wirbelrohr, das sich durch eine Stirnwand in die Wirbelkammer erstreckt, wobei das Wirbelrohr ein offenes Ende hat, das in der Wirbelkammer liegt, und einen zweiten Feststoffteilchenauslaß, welcher außerhalb der Wirbelkammer liegt;
- ein Fluidauslaßrohr, das sich durch die gegenüberliegende Stirnwand in die Wirbelkammer hineinerstreckt und einen Einlaßteil hat, der im Wirbelrohr liegt; und
- Verwirbelungsmittel, die in einem Ringraum zwischen dem Wirbelrohr und dem Einlaßteil des Fluidauslaßrohres angeordnet sind, wobei die Verwirbelungsmittel so angeordnet sind, daß im Betrieb die Rotation der Mischung im Wirbelrohr dieselbe Richtung wie in der Wirbelkammer hat.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist bei katalytischen Crackprozessen besonders nützlich, bei welchen die Verweilzeit der Feststoffteilchen in der Vorrichtung so kurz wie möglich sein sollte, um ein weiteres Cracken der dort sehr heißen Feststoffteilchen zu verhindern.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden die gröberen Teilchen und ein Teil der feineren Teilchen direkt über den Feststoffteilchenauslaß ausgetragen. Das Fluid und die verbleibenden feineren Teilchen strömen in das Wirbelrohr, wobei sie die Verwirbelungsmittel durchsetzen. Somit wird der Wirbelzustand der Mischung in der Wirbelkammer durch die Verwirbelungsmittei verstärkt, was im Wirbelrohr einen Winkel mit einer höheren Winkelgeschwindigkeit erzeugt. Die verbleibenden Feststoffteilchen werden durch die Zentrifugalkräfte gegen die Innenwand des Wirbelrohres geworfen, strömen entlang dieser Wand zur Feststoffteilchen-Auslaßöffnung und werden über diese Öffnung ausgebracht. Weil der Wirbel im Wirbelrohr eine höhere Winkelgeschwindigkeit besitzt, kann der Durchmesser des Wirbelrohres verhältnismäßig klein sein. Dieser Durchmesser hängt direkt mit dem Innenvolumen des Wirbelrohres zusammen, und daher kann das Innenvolumen ebenfalls verhältnismäßig klein sein. Die Kombination aus hoher Winkelgeschwindigkeit der Mischung im Wirbelrohr und kleinem Innenvolumen ermöglicht sehr kurze Verweilzeiten der verbleibenden Feststoffteilchen im Wirbelrohr.
Die Erfindung wird nun als Beispiel ausführlicher unter Bezugnahme auf die beigeschlossenen Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 schematisch einen Längsschnitt der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Abscheiden von Feststoffteilchen aus einem Fluid zeigt; und
Fig. 2 schematisch einen Querschnitt nach der Linie II-II von Fig. 1 zeigt.
Die Vorrichtung zum Abscheiden von Feststoffteilchen aus einem Fluid umfaßt ein Gehäuse 1 mit einer Wirbelkammer 3, welche die Form eines Drehkörpers hat, der durch eine Linie in Form eines Kreisbogens erzeugt worden ist, welcher um die zentrale Längsachse 5 der Wirbelkammer 3 gedreht wird, wobei die Achse 5 horizontal verläuft. Die Wirbelkammer 3 ist mit einer Einlaßöffnung 7, die in Verbindung mit einem tangentialen Einlaß 9 steht, und einer Feststoffteilchen-Hauptauslaßöffnung 11 ausgestattet, welche in Verbindung mit einem Feststoffteilchenauslaß 13 steht, wobei der tangentiale Einlaß 9 und der Feststoffteilchenauslaß 13 auf der Unterseite der Wirbelkammer 3 angeordnet sind. Die Feststoffteilchen-Hauptauslaßöffnung 11 erstreckt sich in axialer Richtung über einen wesentlichen Teil der Axiallänge der Wirbelkammer 3.
Es ist ein horizontaler Zyklonabscheider vorgesehen, der ein Wirbelrohr 16 besitzt, welches sich koaxial durch die Wand 18 der Wirbelkammer 3 erstreckt und ein offenes Ende 20 hat, das in der Wirbelkammer 3 liegt. Das Wirbelrohr 16 ist mit einer Feststoffteilchen-Hilfsauslaßöffnung 22 versehen, die nahe dem Ende 24 des Wirbelrohres 16 gegenüber seinem offenen Ende 20 liegt. Der Ausdruck "koaxial" wird verwendet, um eine gemeinsame Längsachse mit der Wirbelkammer 3 zu bezeichnen.
Ein Fluidauslaßrohr 28 erstreckt sich koaxial durch die Wand 30 auf der gegenüberliegenden Seite der Wirbelkammer 3 in einer Richtung entgegengesetzt zu jener Richtung, in der sich das Wirbelrohr 16 erstreckt. Das Fluidauslaßrohr 28 besitzt einen Einlaßteil 32 und einen Auslaßteil 34, wobei sich der Einlaßteil 32 in das Wirbelrohr 16 hineinerstreckt und einen Hauptabschnitt 36 umfaßt, der an den Auslaßteil 34 angeschlossen ist, wobei ein kegelstumpfförmiger Abschnitt 38 mit dem Hauptabschnitt 36 verbunden ist und sich vom Hauptabschnitt 36 bis auf einen Hilfsabschnitt 40 verjüngt, welcher kleineren Durchmesser als der Hauptabschnitt 36 hat.
Verwirbelungsmittel in Form von Verwirbelungsflügeln 46 sind im Ringraum zwischen der Außenwand des Hauptabschnittes 36 des Einlaßteiles 32 und der Innenwand des Wirbelrohres 16 angeordnet. Die Orientierung der Verwirbelungsflügel 46 ist derart, daß der Wirbelzustand der Mischung in der Wirbelkammer 3 verstärkt wird, wenn die Mischung von der Wirbelkammer 3 über die Verwirbelungsflügel 46 in das Wirbelrohr 16 eintritt.
Im normalen Betrieb wird eine Mischung aus Gas und Feststoffteilchen in die Wirbelkammer 3 über den tangentialen Einlaß 9 und die Einlaßöffnung 7 eingebracht. Der tangentiale Einlaß 9 erteilt im Zusammenwirken mit der gekrümmten Wand der Wirbelkammer 3 der Mischung einen Hauptwirbel um die zentrale Längsachse 5 der Wirbelkammer 3. Ein Teil der verwirbelten Feststoffteilchen strömt entlang der Innenseite der gekrümmten Wand und wird über den Feststoffauslaß 13 ausgetragen.
Die verbleibende Mischung, welche aus den verbleibenden Feststoffteilchen und dem Gas besteht, strömt in das Wirbelrohr 16 über dessen offenes Ende 20 und streicht über die Verwirbelungsflügel 46. Diese Verwirbelungsflügel 46 erteilen der verbleibenden Mischung im Wirbelrohr 16 einen Hilfswirbel, welcher Hilfswirbel eine höhere Winkelgeschwindigkeit hat als der Hauptwirbel. Die verwirbelten verbleibenden Feststoffteilchen strömen entlang der Innenseite der Wand des Wirbelrohres 16, bis sie über die Feststoffteilchen-Hilfsauslaßöffnung 22 ausgetragen werden.
Das Gas wird aus dem Wirbelrohr 16 über das Fluidauslaßrohr 28 ausgebracht.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird in gleicher Weise betrieben, wenn eine Mischung aus Flüssigkeit und Feststoffteilchen in die Vorrichtung eingebracht wird.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird der Hauptwirbel in der Wirbelkammer 3 durch jene Teile des Wirbelrohres 16 und der Fluidauslaßleitung 28 stabilisiert, die sich in die Wirbelkammer 3 hineinerstrecken.
Bei der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung überlappt die Projektion des Umrisses der Feststoffteilchen-Hauptauslaßöffnung 11 auf die zentrale Längsachse 5 die Gesamtprojektion der Einlaßöffnung 7 auf diese Achse 5, wobei die Projektion eines Umrisses durch Schneiden der geraden Linien a, b, c, d, die durch jeden Punkt des Umrisses gehen und senkrecht zur zentralen Längsachse 5 verlaufen, mit dieser Achse 5 erhalten wird.
Alternativ kann die Projektion des Umrisses der Feststoffteilchen-Hauptauslaßöffnung auf die zentrale Längsachse nur einen Teil der Projektion der Einlaßöffnung auf diese Achse überlappen.
Die Erzeugende des Drehkörpers kann auch eine gerade Linie oder eine elliptische Linie sein.
Das Verhältnis von Innendurchmesser des Wirbelrohres 16 zu größtem Durchmesser der Wirbelkammer 3 wird in geeigneter Weise zwischen 0,15 und 0,75 gewählt.
In der Beschreibung und in den Ansprüchen werden die Ausdrücke "spezifischer Abstand", "spezifische Länge" und "spezifischer Innendurchmesser" verwendet, um das Verhältnis dieser Abmessungen zum Innendurchmesser des Wirbelrohres 16 zu bezeichnen.
Die spezifische Länge des Wirbelrohres 16 liegt bevorzugt zwischen 2,0 und 6,0.
Der spezifische Innendurchmesser des Fluidauslaßrohres 28 liegt bevorzugt zwischen 0,50 und 0,80.
Bevorzugt liegt die spezifische Länge des Einlaßteiles 32 des Fluidauslaßrohres 28 zwischen 1,45 und 2,7.
Die Länge jenes Teiles des Wirbelrohres 16, der sich in die Wirbelkammer 3 erstreckt, ist geeigneterweise kleiner als das 0,5-fache der Axiallänge der Wirbelkammer 3, welche Axiallänge der Abstand zwischen den Innenflächen der Wände 18 und 20 ist.
Bei einer geeigneten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung beträgt die spezifische Länge des Hilfsabschnittes 40 des Einlaßteiles 32 des Fluidauslaßrohres 28 zwischen 0,25 und 1,0, die spezifische Länge des Hauptabschnittes 36 zwischen 1,0 und 1,4, und der spezifische Innendurchmesser des Hilfsabschnittes 40 zwischen 0,2 und 0,4.
Es wurden die folgenden Versuche durchgeführt, um den verbesserten Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Abscheiden von Feststoffteilchen aus einem Fluid zu veranschaulichen.
Im Versuch 1 wird der Ausdruck "Wirbelzahl" dazu verwendet, das Verhältnis der Tangentialkomponente der Geschwindigkeit der Mischung zur Axialkomponente der Geschwindigkeit der Mischung zu bezeichnen.

Versuch 1

Die bei diesem Versuch verwendete erfindungsgemäße Vorrichtung hatte die folgenden Eigenschaften:
Die Wirbelkammer hatte die Form eines Teiles einer Kugel geschnitten mit zwei parallelen und in gleichen Abständen vom Mittelpunkt der Kugel liegenden Ebenen, die senkrecht zur zentralen Längsachse der Wirbelkammer waren;
der größte Durchmesser der Wirbelkammer betrug das 1,62-fache ihrer Axiallänge;
der Innendurchmesser des Wirbelrohres betrug das 0,33-fache des größten Durchmessers der Wirbelkammer;
die Länge des Wirbelrohres betrug das 5,13-fache ihres Innendurchmessers;
und der Innendurchmesser des Fluidauslaßrohres war über seine Länge konstant und betrug das 0,65-fache des Innendurchmessers des Wirbelrohres.
Es wurde eine Mischung aus Fluid und Feststoffteilchen dem tangentialen Einlaß zugeführt. Das Fluid hatte eine Dichte von 1,25 kg/m³ und die Druckdifferenz zwischen dem Fluid am tangentialen Einlaß und dem Fluid im Fluidauslaßrohr betrug 1600 Pa. Die Mischung enthielt 7 kg/m³ Feststoffteilchen mit einem mittleren Durchmesser von 72 µm. Die Wirbelzahl der Mischung, als sie die Verwirbelungsflügel passierte, betrug 1,73. Als Ergebnis wurde gefunden, daß 99,999 % der Feststoffteilchen über den Keststoffauslaß der Wirbelkammer und über die Feststoffteilchen-Auslaßöffnung des Wirbelrohres ausgetragen wurden, und der verbleibende Teil von 0,001 % über das Fluidauslaßrohr.

Versuch 2 (Vergleich)

Die bei diesem Versuch verwendete Vorrichtung war nicht mit einem Wirbelrohr ausgestattet und besaß daher nur einen Feststoffauslaß. Das Fluidauslaßrohr mündete direkt in die Wirbelkammer. Diese Vorrichtung hatte die folgenden Merkmale:
Die Wirbelkammer hatte dieselbe Form wie im Versuch 1; der größte Durchmesser der Wirbelkammer betrug das 1,62-fache ihrer Axiallänge;
und der Innendurchmesser des Fluidauslaßrohres war über seine gesamte Länge konstant und betrug das 0,22-fache des größten Durchmessers der Wirbelkammer.
Es wurde eine Mischung aus Fluid und Feststoffteilchen dem tangentialen Einlaß zugeführt. Das Fluid hatte eine Dichte von 1,25 kg/m³ und die Druckdifferenz zwischen dem Fluid am tangentialen Einlaß und dem Fluid im Pluidauslaßrohr betrug 800 Pa. Die Mischung enthielt 7 kg/m³ Feststoffteilchen mit einem mittleren Durchmesser von 73 µm. Als Ergebnis wurde gefunden, daß 99,5 % der Feststoffteilchen über den Feststoffauslaß ausgetragen wurden, und der verbleibende Teil von 0,5 % über das Fluidauslaßrohr.
Die Ergebnisse der Versuche 1 und 2 zeigen, daß bei Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine signifikant bessere Abscheidung im Vergleich zu den bekannten Vorrichtungen erzielt wurde.

Claims

1. Vorrichtung zum Abscheiden von Feststoffteilchen aus einer Mischung aus einem Fluid und Feststoffteilchen, mit:

- einer Wirbelkammer (3) mit einer gekrümmten Seitenwand, die mit einem tangentialen Einlaß (9) für die Mischung und einem ersten Feststoffteilchenauslaß (13) ausgestattet ist, sowie mit zwei gegenüberliegenden Stirnwänden (18, 30), dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung weiters aufweist:

- einen Zyklonabscheider mit einer mit der Wirbelkammer (3) gemeinsamen zentralen Längsachse (5), welcher Zyklonabscheider enthält:

- ein Wirbelrohr (16), das sich durch eine Stirnwand (18) in die Wirbelkammer (3) erstreckt, wobei das Wirbelrohr (16) ein offenes Ende (20) hat, das in der Wirbelkammer (3) liegt, und einen zweiten Feststoffteilchenauslaß (22), welcher außerhalb der Wirbelkammer (3) liegt;

- ein Fluidauslaßrohr (28), das sich durch die gegenüberliegende Stirnwand (30) in die Wirbelkammer (3) hineinerstreckt und einen Einlaßteil (32) hat, der im Wirbelrohr (16) liegt; und

- Verwirbelungsmittel (46), die im Ringraum zwischen dem Wirbelrohr (16) und dem Einlaßteil (32) des Fluidauslaßrohres (28) angeordnet sind, wobei die Verwirbelungsmittel (46) so angeordnet sind, daß im Betrieb die Rotation der Mischung im Wirbelrohr (16) dieselbe Richtung wie in der Wirbelkammer (3) hat.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher zumindest ein Teil der Wirbelkammer (3) die Form eines Drehkörpers hat, der durch eine Linie erzeugt ist, welche sich um die zentrale Längsachse (5) dreht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei welcher der genannte Teil der Wirbelkammer (3) die Form eines Drehkörpers hat, der durch einen Kreisbogen erzeugt ist, welcher sich um die zentrale Längsachse (5) dreht.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welcher der spezifische Innendurchmesser des Fluidauslaßrohres (28) zwischen 0,50 und 0,80 beträgt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welcher die spezifische Länge des Einlaßteiles (32) des Fluidauslaßrohres (28) zwischen 1,45 und 2,7 liegt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welcher die Länge jenes Teiles des Wirbelrohres (16), der sich in die Wirbelkammer (3) erstreckt, kleiner als das 0,5-fache der Axiallänge der Wirbelkammer (3) ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welcher der Einlaßteil (32) des Fluidauslaßrohres (28) einen Hauptabschnitt (36) aufweist, der mit einem kegelstumpfförmigen Abschnitt (38) verbunden ist, welcher sich vom Hauptabschnitt (36) auf einen Hilfsabschnitt (40) mit offenem Ende verjüngt, der einen kleineren Durchmesser als der Hauptabschnitt (36) besitzt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei welcher die spezifische Länge des Hilfsabschnittes (40) zwischen 0,25 und 1,0 liegt.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7-8, bei welcher die spezifische Länge des FIauptabschnittes (36) zwischen 1,0 und 1,4 liegt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei welcher der spezifische Innendurchmesser des Hilfsabschnittes (40) zwischen 0,2 und 0,4 liegt.