ES2925647T3 - Dispositivo y método para la purificación de fluidos - Google Patents
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Abstract
Se proporciona un dispositivo (1) para separar partículas sólidas o gotas de líquido de un fluido. El dispositivo comprende un tubo de entrada (2) que tiene un puerto de entrada (3) para recibir un flujo de fluido y una sección de vórtice (4), cuyo diámetro disminuye en la dirección del flujo. La sección de vórtice comprende al menos una pared interna (6) que forma al menos un canal helicoidal. El canal helicoidal rodea preferiblemente un cuerpo central que se extiende a lo largo de un eje central del tubo de entrada. Las secciones extremas de diámetro variable del cuerpo central tienen preferiblemente una forma cónica. El dispositivo comprende además una sección de puerto de salida anular (8) que tiene al menos una abertura de salida periférica (90) y un tubo de salida (10) que se extiende a lo largo del eje central. Según una realización, el dispositivo está provisto de una unidad de separación previa en forma de ciclón. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Dispositivo y método para la purificación de fluidos
Campo técnico
La invención se refiere al campo de la purificación de fluidos. Más específicamente, la invención se refiere a un dispositivo para eliminar impurezas sólidas o líquidas de una corriente de fluido por medio de fuerzas centrífugas y a un método para eliminar impurezas sólidas o líquidas de una corriente de fluido.
Antecedentes
La eliminación de impurezas del aire es un problema que existe desde hace mucho tiempo, cuya importancia está aumentando de manera significativa debido a los problemas de contaminación actuales. Una solución técnica básica para separar partículas sólidas de una corriente de fluido es el ciclón.
Para aplicaciones exigentes de purificación del aire, se requieren desarrollos del concepto de ciclón. Se han diseñado una variedad de separadores helicoidales, que comprenden canales en espiral dentro de un conducto de gas y salidas para corrientes empobrecidas en sólidos y enriquecidas en sólidos, respectivamente.
En el documento EP 0344 749 A2, se da a conocer un dispositivo de separación adecuado para su uso en el tratamiento de una corriente de gas que contiene partículas para separar partículas de un gas o para limpiar el gas de las partículas. El dispositivo comprende un tubo exterior que tiene un extremo de entrada, una región de generación de vórtice y una región de separación; y un tubo de extracción interior para conducir el aire limpio fuera del dispositivo. La región de generación de vórtice tiene un núcleo central y palas helicoidales dispuestas alrededor del núcleo, y tiene un diámetro constante o divergente. El tubo exterior y el tubo de extracción son concéntricos y entre los tubos hay un orificio de salida que se extiende alrededor de una parte de la circunferencia. Las partículas en una corriente de alimentación que entra en el extremo de entrada se ponen en movimiento rotacional y se llevan a la periferia del tubo exterior. Una corriente enriquecida en partículas sale del orificio exterior mientras que una corriente empobrecida en partículas sale a través del tubo de extracción. El documento US2574370 da a conocer un dispositivo para separar partículas sólidas de una corriente de gas, que comprende una sección de vórtice con un canal helicoidal, y una sección de orificio de salida anular que tiene aberturas de salida periféricas.
Sumario de la invención
La invención se define en las reivindicaciones adjuntas.
Un objetivo de la presente invención es proporcionar un dispositivo para separar partículas sólidas o gotas líquidas de un fluido, denominado a continuación "separador". El separador comprende un tubo de entrada que tiene un orificio de entrada para recibir un flujo de fluido y una sección de vórtice, cuyo diámetro disminuye en la dirección de flujo. La sección de vórtice comprende al menos una pared interna que forma al menos un canal helicoidal. Preferiblemente, la sección de vórtice es cónica y se ahúsa en la dirección de flujo.
Preferiblemente, el canal helicoidal rodea un cuerpo central que se extiende a lo largo de un eje central del tubo de entrada. El cuerpo central tiene un diámetro variable en ambos extremos, por lo que se ensancha en la dirección de flujo en el extremo aguas arriba y se estrecha en la dirección de flujo en el extremo aguas abajo. Una sección intermedia del cuerpo central tiene un diámetro constante. Las secciones de extremo de diámetro variable del cuerpo central tienen preferiblemente una forma cónica.
El separador comprende, además, una sección de orificio de salida anular que tiene al menos una abertura de salida periférica, preferiblemente una pluralidad de aberturas de salida separadas por partes de pared; y un tubo de salida que se extiende a lo largo del eje central. La palabra "anular" en este contexto incluye tanto los cuerpos que tienen una simetría rotacional como los cuerpos que no tienen una simetría rotacional.
La sección de orificio de salida conecta el tubo de entrada a un tubo de salida dispuesto coaxialmente con el tubo de entrada. El separador comprende, situada entre la sección de vórtice y la sección de orificio de salida, una sección de separación a la que le faltan básicamente de manera preferible estructuras internas. La sección de separación tiene un diámetro constante.
El separador y su función se describen a continuación en la dirección de flujo de fluido a través del dispositivo. En funcionamiento, el fluido entra en el extremo de entrada del tubo de entrada, que puede comprender una sección inicial de diámetro constante. El fluido se conduce al canal o a los canales helicoidal(es), que se dispone(n) preferiblemente para moverse en espiral alrededor de un cuerpo de núcleo central por toda la longitud de la sección de vórtice que se ahúsa. Fuerzas centrífugas se llevan los sólidos suspendidos en la corriente de fluido a la periferia de los canales helicoidales a medida que la corriente de fluido avanza a través de la sección de vórtice. En la pared exterior de la sección de vórtice, puede(n) proporcionarse uno o varios conducto(s) de salida que se comunica(n)
con un canal helicoidal. El conducto de salida sale del canal helicoidal de manera tangencial al tubo principal, que lleva una corriente de fluido que se ha enriquecido en partículas suspendidas.
A medida que la corriente de fluido sale de la sección de vórtice, puede eliminarse al menos parte de las partículas suspendidas a través de los conductos de salida tangenciales opcionales. A continuación, la corriente de fluido entra en la sección de separación que preferiblemente tiene un diámetro constante que corresponde básicamente al diámetro del extremo de salida de la sección de vórtice. Las partículas se enriquecen de manera significativa en la pared exterior del tubo cuando salen de la sección de vórtice y pasan a través de la sección de separación.
A continuación, la corriente de fluido entra en la sección de orificio de salida, que incluye una parte de pestaña que conecta el tubo principal al tubo de salida central. La sección de orificio de salida puede comprender un único orificio de salida, pero preferiblemente un número de orificios de salida separados por partes de pared se separan de manera uniforme alrededor de la periferia de la parte de pestaña. Un fragmento enriquecido en partículas de la corriente de fluido que sale de la sección de vórtice o la sección de separación sale a través del/de los orificio(s) de salida periférico(s).
El fragmento de la corriente de fluido que no sale a través de los orificios de salida periféricos se empobrece en partículas y sale del separador a través del tubo de salida dispuesto coaxialmente.
Según una realización adicional de la presente invención, el separador está dotado de una unidad de separación previa con forma de ciclón, preferiblemente del tipo de entrada tangencial. Cuando a continuación se hace referencia a partes superiores e inferiores del ciclón, se supone que el ciclón se dispone en una posición en la que su eje central es vertical, estando la entrada en la parte superior y la salida para gotas o partículas separadas en el extremo inferior. La unidad de separación previa tiene preferiblemente una estructura básica según la estructura de ciclón convencional, que comprende un cuerpo cilíndrico con una entrada principal en su sección superior, una sección inferior preferiblemente cónica que se ahúsa hacia abajo y salidas principales verticales centrales para material particulado hacia abajo y fluido hacia arriba.
Según una realización adicional, el ciclón comprende, además de su entrada principal para un fluido que contiene sólidos o gotas, al menos un canal de entrada secundario en su parte superior. Un canal de entrada secundario puede suministrar fluido limpio. En una realización, al menos un canal de entrada secundario está conectado a la sección de separación del separador.
Según una realización adicional, el ciclón comprende, además de su canal de salida principal a través del cual sale fluido del ciclón hacia arriba a lo largo del eje central, al menos un canal de salida secundario en su parte inferior. En una realización, la corriente desde este canal de salida sale del aparato y puede filtrarse o conducir a un colector de polvo antes de la descarga. En otra realización, la corriente desde este canal de salida se introduce en el tubo de entrada del separador. Este canal puede servir, además, para controlar la presión en el ciclón.
Según una realización adicional de la invención, la sección de vórtice del tubo de entrada comprende en su pared exterior al menos un orificio de salida que permite que un fragmento de la corriente que se ha enriquecido en partículas salga de la sección de vórtice en una dirección esencialmente tangencial a la pared exterior del tubo de entrada.
Un material preferible para el dispositivo según la invención es acero; si las condiciones de funcionamiento lo requieren, puede usarse acero inoxidable de diversos grados. También pueden usarse materiales de polímero, posiblemente reforzados con fibra. Otros materiales posibles son materiales cerámicos, productos de pulvimetalurgia y aceros recubiertos.
Un segundo objeto de la invención es un método para separar partículas sólidas o gotas líquidas de un fluido que usa un dispositivo según la invención, que comprende las etapas de introducir una corriente de fluido que contiene partículas sólidas o gotas en un tubo de entrada que comprende una sección de vórtice que tiene un diámetro que disminuye en la dirección de flujo y al menos una pared interna que forma al menos un canal helicoidal alrededor del cuerpo central; ajustar de ese modo la corriente de fluido en un movimiento de agitación; eliminar una corriente de fluido enriquecido en partículas o gotas a través de al menos un orificio de salida dispuesto de manera periférica dispuesto en una sección de orificio de salida aguas abajo de la sección de vórtice, y eliminar una corriente de fluido empobrecido en partículas o gotas a través de un tubo de salida dispuesto coaxialmente con el tubo de entrada.
En el dispositivo de la presente invención, la sección de vórtice comprende un cuerpo central que se extiende a lo largo de un eje central, teniendo el cuerpo central un primer extremo que se ensancha en la dirección de flujo; una sección intermedia; y un segundo extremo que se estrecha en la dirección de flujo.
Breve descripción de las figuras
La figura 1 es una vista en sección lateral esquemática de un separador según la invención,
la figura 2 es una vista en perspectiva de una parte de pestaña de la sección de orificio de salida,
la figura 3 es una vista lateral esquemática de un separador según la invención combinada con un separador previo de ciclón,
la figura 4 es otra vista lateral esquemática de un separador según la invención combinado con un separador previo de ciclón, rotado 90 grados alrededor de un eje vertical en relación con la figura 3,
la figura 5 es una vista desde arriba según la sección A-A tal como se indica en la figura 3,
la figura 6 es una vista lateral en detalle de la estructura interna del separador previo de ciclón, y
la figura 7 es una vista en sección lateral del separador previo de ciclón.
Descripción detallada
La invención se describirá ahora en mayor detalle con referencia a los dibujos adjuntos. Las mismas estructuras se asocian con los mismos números de referencia en todo el documento.
Con referencia a la figura 1, el separador funciona de la siguiente manera. Una corriente de fluido que contiene partículas o gotas, por ejemplo, una corriente de gas que contiene partículas sólidas, entra en el tubo de entrada 2 del separador 1 a través del orificio de entrada 3. El separador mostrado tiene una sección inicial 11 con un diámetro constante. Una sección de vórtice 4 comprende un cuerpo central 5 que se extiende hacia la sección inicial 11 y que está rodeado por una estructura que comprende paredes helicoidales 6 que forman canales helicoidales que llenan el espacio entre el cuerpo central 5 y la superficie interior de la pared del tubo de entrada 2. El cuerpo central tiene un extremo delantero que se ensancha 27 y un extremo trasero que se ahúsa 28. La sección de vórtice 4 se ahúsa en la dirección de flujo a través del separador, lo que lleva a un aumento en la velocidad de fluido a medida que el fluido pasa a través del separador. Hay al menos una y preferiblemente cuatro paredes en espiral en la sección de vórtice. Las paredes se ajustan preferiblemente en un ángulo en el intervalo entre 60 y 90 grados en relación con el eje central del tubo de entrada. La distancia entre las paredes, es decir, el ancho de los canales helicoidales, está preferiblemente en el intervalo de desde 50 hasta 70 mm.
En la sección de vórtice, pueden proporcionarse opcionalmente uno o más canales de salida (no mostrados) que salen del canal helicoidal en una dirección esencialmente tangencial. Estos canales de salida eliminan las corrientes parciales en las que la concentración de partículas ha aumentado debido a las fuerzas centrífugas provocadas por la trayectoria helicoidal de la corriente.
La longitud en la dirección de flujo del extremo aguas arriba que se ensancha 27 del cuerpo central 5 es preferiblemente al menos tres veces la distancia entre las paredes helicoidales 6. La longitud en la dirección de flujo del extremo aguas abajo que se estrecha 28 del cuerpo central 5 es preferiblemente al menos cuatro veces la distancia entre las paredes helicoidales 6.
La forma preferida del cuerpo central descrita tiene el efecto de que el extremo delantero, que se ensancha en la dirección de flujo, dirige el flujo de entrada que incluye partículas o gotas hacia el/los canal(es) helicoidal(es) de manera laminar. El extremo trasero, que se estrecha en la dirección de flujo, estabiliza el flujo que sale del/de los canal(es) helicoidal(es) hasta la periferia del tubo.
Según la invención, la corriente de fluido sale de la sección de vórtice hacia una sección de separación 7, hacia la que se extiende la parte trasera que se ahúsa del cuerpo central 5. Como consecuencia del paso a través de la trayectoria helicoidal de la sección de vórtice, la corriente está en un movimiento de agitación brusco, y las partículas se concentran fuertemente en la periferia, es decir, adyacentes a la pared del tubo. La longitud de la sección de separación 7 es al menos cinco veces la distancia entre las paredes en espiral de la sección de vórtice.
Entonces, el fragmento cargado de partículas se encuentra con la sección de orificio de salida 8, que en la realización mostrada comprende una primera parte de pestaña 12 y una segunda parte de pestaña 13 que se sujetan entre sí con pernos entre respectivas pestañas de extremo (no indicadas) del tubo de entrada 2 y el tubo de salida 10. La estructura de la parte de pestaña 13 se muestra en la figura 2. En esta realización, las partes de pestaña tienen cuatro canales de salida dispuestos de manera simétrica 15 que se ajustan en un ángulo para recibir el flujo de agitación adyacente a la pared interior de la sección de separación.
Por tanto, los fragmentos de flujo enriquecidos en partículas salen del separador a través de los orificios de salida 9 en la sección de orificio de salida 8 mientras el equilibrio del fluido, empobrecido en partículas, entra en el tubo de salida 10 y sale del separador a través de la salida 14. El tubo de salida puede tener un diámetro constante o puede ensancharse en la dirección de flujo. Preferiblemente, el tubo de salida tiene una forma cónica que se ensancha en la dirección de flujo.
Las figuras 3 y 4 muestran vistas en sección lateral de un separador 1 según la presente invención acoplado a un separador previo de ciclón 15. La figura 4 se rota 90° alrededor de un eje vertical en relación con la figura 3.
En las figuras 3 y 4, el fluido que contiene partículas, denominado en el presente documento "aire polvoriento", entra en 16 y se introduce en el separador previo de ciclón 15, de manera tangencial en la parte superior del ciclón tal como se conoce en la técnica. La corriente de fluido se ajusta, por tanto, en un movimiento hacia abajo en espiral, tal como se indica esquemáticamente por la línea en espiral en la figura 4. Las partículas se enriquecen en la pared del ciclón y salen por la parte inferior en 17.
La corriente de fluido resultante que se ha limpiado previamente sale del ciclón en un movimiento hacia arriba a través del tubo de salida central vertical 18 y se transporta al orificio de entrada 3 del separador 1 por medio del ventilador principal 19. Después de pasar a través del separador 1 tal como se expone en relación con la figura 1, el flujo limpio se expulsa en 20 por medio del ventilador secundario 21.
En la realización mostrada, los fragmentos enriquecidos en partículas que salen de la sección de orificio de salida del separador se reciclan a la parte superior del separador previo de ciclón mediante las líneas 22. Preferiblemente, las líneas 22 de reciclaje se disponen de manera simétrica en el tubo ascendente 25 del ciclón tal como se muestra en la figura 5, que representa una vista desde arriba en la sección A-A indicada en la figura 3 (solo una línea 22 está dotada de un número de referencia en la figura 5).
En lugar del fluido enriquecido en partículas reciclado desde el separador, las líneas 22 pueden alimentar fluido limpio suplementario hacia el separador previo de ciclón.
Preferiblemente, las líneas 22 terminan en boquillas 26 que dirigen el flujo hacia la superficie interior de la pared del ciclón, tal como se muestra con mayor detalle en relación con la figura 6.
Las figuras 3 y 4 muestran, además, un orificio de salida secundario en 24 en la parte inferior del separador previo de ciclón 15. Desde este orificio de salida, la línea 23 conduce un flujo secundario directamente a la entrada del tubo de entrada 2 del separador. Esta disposición disminuye la presión en el ciclón durante el funcionamiento y hace posible la separación de partículas muy finas. Un flujo secundario preferible es desde un 10 hasta un 20 % del flujo de fluido que entra en el ciclón. Esta disposición mejora considerablemente el rendimiento del ciclón.
La figura 6 muestra la disposición de una única línea de reciclaje 22 con la boquilla 26 ajustada para elevar el tubo 25 dentro del separador previo de ciclón. La figura 7 es una vista en sección lateral de un separador previo de ciclón con cuatro líneas de reciclaje 22 y las boquillas 26 montadas de manera simétrica alrededor del tubo 25 ascendente del ciclón. Las boquillas 26 se dirigen para guiar el flujo enriquecido en partículas y reciclado desde la sección de orificio de salida del separador hacia el flujo en espiral hacia abajo en la pared del ciclón.
Aunque no se muestra en las figuras, pueden proporcionarse instrumentos tal como observará cualquier experto. Por ejemplo, pueden proporcionarse válvulas de control, sensores de presión y equipo de control digital para controlar, por ejemplo, el flujo secundario en la línea 23.
Debe entenderse que las realizaciones de la invención dada a conocer no se limitan a las estructuras, etapas del proceso o materiales particulares dados a conocer en el presente documento, sino que se extienden a equivalentes de los mismos, tal como lo apreciarían los expertos habituales en la técnica relevante. También debe entenderse que la terminología empleada en el presente documento se usa con el fin de describir solamente realizaciones particulares y no pretende ser limitativa.
Las referencias en toda la memoria descriptiva a "una realización" significa que se incluye un rasgo, una estructura o una característica particular descrita en relación con la realización en al menos una realización de la presente invención. Por tanto, la aparición de la frase "en una realización" en toda esta memoria descriptiva no hace referencia necesariamente a la misma realización.
Tal como se usa en el presente documento, puede presentarse una pluralidad de objetos, elementos estructurales, elementos compositivos y/o materiales en una lista común para mayor comodidad. Sin embargo, estas listas deberían interpretarse como si cada elemento de la lista se identificase individualmente como un elemento independiente y único. Por tanto, ningún elemento individual de esa lista debería interpretarse como un equivalente real de cualquier otro elemento de la misma lista basándose únicamente en su presentación en un grupo común sin que se indique lo contrario. Además, puede hacerse referencia a diversas realizaciones y ejemplos de la presente invención en el presente documento junto con alternativas para los diversos componentes de la misma. Se entiende que tales realizaciones, ejemplos y alternativas no deben interpretarse como equivalentes reales entre sí, sino que deben considerarse representaciones independientes y autónomas de la presente invención.
No se pretende que la invención esté limitada, excepto por las reivindicaciones expuestas a continuación.
Los verbos "comprender" e "incluir" se usan en este documento como limitaciones abiertas que ni excluyen ni
requieren la existencia de características no enumeradas tampoco. Además, debe entenderse que el uso de "un" o "una", es decir, una forma singular, en todo este documento no excluye una pluralidad.
Claims (11)
1. Dispositivo (1) para separar partículas sólidas de una corriente de gas, que comprende un tubo de entrada (2) que tiene:
- un orificio de entrada (3) para recibir un flujo de gas de entrada,
- una sección de vórtice (4) que tiene un diámetro que disminuye en la dirección de flujo, comprendiendo la sección de vórtice al menos una pared en espiral interna (6) que forma al menos un canal helicoidal; una sección de orificio de salida anular (8) que tiene al menos una abertura de salida periférica (9), y un tubo de salida (10) dispuesto coaxialmente con el tubo de entrada (2),
en el que la sección de orificio de salida (8) conecta el tubo de entrada (2) al tubo de salida (10), en el que el tubo de entrada comprende adicionalmente una sección de separación (7) que tiene un diámetro constante y una longitud al menos cinco veces el ancho del canal helicoidal de la sección de vórtice dispuesta entre la sección de vórtice y la sección de orificio de salida anular (8), definiéndose el ancho del canal helicoidal como la distancia entre las paredes en espiral internas que forman el al menos un canal helicoidal; y
en el que la sección de vórtice comprende un cuerpo central (5) que se extiende a lo largo del eje central; teniendo el cuerpo central (5) un primer extremo (27) que se ensancha en la dirección de flujo; una sección intermedia que tiene un diámetro constante; y un segundo extremo (28) que se estrecha en la dirección de flujo y que se extiende hacia la sección de separación (7).
2. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que las paredes (6) que forman canales helicoidales en la sección de vórtice (4) se ajustan en un ángulo en el intervalo entre 60 y 90 grados en relación con el eje central del tubo de entrada.
3. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la longitud del primer extremo (27) del cuerpo central que se ensancha en la dirección de flujo es al menos tres veces la distancia entre las paredes helicoidales (6).
4. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la longitud del segundo extremo (28) del cuerpo central que se estrecha en la dirección de flujo es al menos cuatro veces la distancia entre las paredes helicoidales (6).
5. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende una pluralidad de orificios de salida en la sección de orificio de salida.
6. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende, además, un ciclón (15) conectado aguas arriba del tubo de entrada (2).
7. Dispositivo según la reivindicación 6, que comprende al menos un conducto de entrada secundario (22) en una parte superior del ciclón (15).
8. Dispositivo según la reivindicación 6 o 7, que comprende al menos un conducto de salida secundario (23) en la parte inferior del ciclón (15).
9. Método para separar partículas sólidas o gotas líquidas de una corriente de gas, que comprende las etapas de
- introducir una corriente de gas que contiene partículas sólidas o gotas en un tubo de entrada que comprende una sección de vórtice (4) que tiene un diámetro que disminuye en la dirección de flujo y al menos una pared en espiral interna (6) que forma al menos un canal helicoidal; ajustando de ese modo la corriente de gas en un movimiento de agitación;
- eliminar una corriente de gas enriquecida en partículas o gotas a través de al menos un orificio de salida dispuesto de manera periférica (9) dispuesto en una sección de orificio de salida (8) aguas abajo de la sección de vórtice (4),
- eliminar una corriente de gas empobrecida en partículas o gotas a través de un tubo de salida (10) dispuesto coaxialmente con el tubo de entrada (2), en el que el tubo de entrada comprende, adicionalmente, una sección de separación (7) que tiene un diámetro constante y una longitud al menos cinco veces el ancho del canal helicoidal de la sección de vórtice dispuesta entre la sección de vórtice y
la sección de orificio de salida anular (8), definiéndose el ancho del canal helicoidal como la distancia entre las paredes en espiral internas que forman el al menos un canal helicoidal; y en el que la sección de vórtice comprende un cuerpo central (5) que se extiende a lo largo del eje central; teniendo el cuerpo central (5) un primer extremo (27) que se ensancha en la dirección de flujo; una sección intermedia que tiene un diámetro constante; y un segundo extremo (28) que se estrecha en la dirección de flujo y que se extiende hacia la sección de separación (7).
10. Método según la reivindicación 9, que comprende, además, la etapa de pasar la corriente de gas a través de un ciclón (15) antes de la introducción al tubo de entrada (2).
11. Método según la reivindicación 10, que comprende, además, la etapa de eliminar una corriente de gas secundaria desde la parte inferior del ciclón (15).
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