Способ сепарации частиц примеси из жидкостей и газов и устройство для его осуществления (варианты)

Изобретение относится к способам и устройствам для механического выделения (сепарации) из состава смесей нежелательных или полезных компонентов, разделения смесей твердых частиц по плотности и размерам, очистки жидкостей и газов от частиц взвеси. Изобретение может быть использовано в таких технологических процессах, как выделение благородных металлов (золота, платины, палладия, редкоземельных металлов) и других полезных минералов (например, алмазов) из горнорудного и техногенного сырья, очистка воды от взвесей, очистка нефтепродуктов от твердых взвесей и воды, очистка воздуха и других газов от взвешенных частиц (сажи, пыли, капель жидкости), классификация и разделение песка, цемента, золы, асбеста, талька, фосфоритов, при изготовлении лекарственных препаратов. Изобретение наиболее эффективно для выделения мелкодисперсных примесей на заключительной стадии технологического процесса. Способ сепарации заключается в том, что среда протекает через большое количество тонких слоев, образованных параллельными или почти параллельными плоскими пластинами с характерным зазором d<10 мм между ними. При небольшом числе Рейнольдса (Re), которое определяется малым зазором d, в рабочей полости устройства обеспечивается ламинарная форма течения несущей жидкости или газа в направлении приложенного градиента давления. Под действием гравитационной или центробежной силы более плотные частицы примеси смещаются перпендикулярно потоку жидкости, оседают на нижней стенке полости и через специальные отверстия выводятся в накопительную камеру и далее в выходной трубопровод. Очищенная жидкость сливается через коллектор на противоположном конце рабочей полости. Способ может быть реализован в гравитационном устройстве - отстойнике или в центробежном сепараторе. Техническим результатом изобретения является создание в рабочей области устройств ламинарного стационарного и преимущественно одномерного течения сепарируемой среды, в котором подавлен паразитный эффект перемешивания и обеспечивается эффективное выделение частиц примеси из жидкости или газа, под действием гравитационной или центробежной силы; эффективное удаление отсепарированных частиц из рабочей области сепаратора и повышение в 2-4 раза производительности сепаратора без потери качества сепарации при фиксированных затратах подводимой мощности. 3 н.п. ф-лы, 5 ил., 3 табл.

 

Изобретение относится к способам и устройствам для механической сепарации из состава смесей нежелательных или полезных компонентов, очистки жидкостей и газов от частиц взвеси, разделения смесей твердых частиц по плотности и размерам. Изобретение может быть использовано в таких технологических процессах, как сепарация благородных металлов (золота, платины, палладия, редкоземельных металлов) и других полезных минералов (например, алмазов) из горнорудного и техногенного сырья, очистка воды от взвесей, очистка нефтепродуктов от твердых взвесей и воды, очистка воздуха и других газов от взвешенных частиц (сажи, пыли, капель жидкости), классификация и разделение по плотности и размерам частиц песка, цемента, золы, асбеста, талька, фосфоритов, при изготовлении лекарственных препаратов. Изобретение наиболее эффективно для сепарации мелкодисперсных примесей на заключительной стадии технологического процесса.

Известен способ сепарации из газа частиц пыли и мелких капель жидкости в гравитационном поле, когда газ горизонтально протекает в изогнутых каналах, образованных волнообразными вертикальными поверхностями, а более плотные, чем газ, частицы примеси смещаются вниз, где концентрируются и выводятся из рабочей области устройства (патент US №2479625 от 23.08.1949, кл.55-440). По замыслу автора патента волнообразный изгиб каналов приводит к образованию отрывных зон с двумерным вихревым течением, где частицы примеси задерживаются и опускаются по спирали вниз.

Недостатком данного способа является то, что в реальных условиях работы устройства ламинарное двумерное вихревое течение оказывается неустойчивым и переходит в трехмерное нестационарное течение, в котором для мелких частиц резко усиливается паразитный эффект перемешивания. Кроме того, оказалось, что частицы сравнительно быстро выбрасываются из отрывных зон опять в поток.

В дальнейшем было предложено много устройств, основанных на этом способе и содержащих различные приспособления для захвата и удержания частиц внутри отрывных зон. В частности, известно устройство для очистки газа, основным элементом которого являются зигзагообразные каналы, образованные изогнутыми вертикальными поверхностями (патент US №3925040 от 09.12.1975, кл.55-257.2). Каналы имеют многочисленные карманы, в которых, по замыслу автора патента, при горизонтальном протекании газа возникают отрывные зоны с двумерным вихревым течением, куда захватываются частицы примеси и где они опускаются по спирали вниз.

Данный способ и устройство приняты в качестве прототипа гравитационного сепаратора.

Однако предложенные в патенте организация течения газа и механизм сепарации частиц удовлетворительно работают только в случае сравнительно больших частиц размером больше 20 микрон. Для малых частиц не удается подавить паразитный эффект перемешивания из-за свойственной подобным течениям неустойчивости и, как следствие, турбулизации потока в каналах.

Известен также способ сепарации тяжелых частиц в поле центробежной силы, создаваемой в неинерциальной системе отсчета, связанной с вращающимся ротором. Этот способ используется, например, в центробежном сепараторе, имеющем корпус с расположенным в нем ротором, содержащим камеру с приемными полостями на ее рабочей поверхности, канал для вывода отсепарированных частиц, сливную кромку и раскручивающие лопасти (патент RU 2165791 С1 от 27.04.2001, МПК В 03 В 5/32). Через входное отверстие смесь подается в камеру ротора, где раскручивается лопастями до заданной ротором скорости вращения. Под действием центробежной силы твердые частицы смещаются на периферию камеры и попадают в приемные полости и далее выводятся наружу в накопительный бункер.

Недостатком данного устройства является неизбежное возбуждение турбулентности в сепарируемой среде при ее раскрутке в камере ротора, что препятствует сепарации мелких частиц. Кроме того, в приемных полостях тоже реализуется вихревое течение, и значительная доля частиц, попавших в полости, снова выбрасывается в поток.

Известен способ центробежной очистки газов от твердых частиц, в котором очищаемый поток подают во входной патрубок, после чего направляют во множество цилиндрических каналов, выполненных в коническом роторе, оси которых расположены в плоскостях, проходящих через ось вращения ротора под некоторым углом к этой оси (патент RU 2174860 С1 от 20.10.2001, МПК В 01 D 45/14). Расход воздуха в каналах и скорость вращения ротора выбираются из условия равенства времени движения частицы вдоль канала и максимального времени ее перемещения под действием центробежной силы поперек канала на внешнюю стенку. В конце канала при помощи разделительной втулки поток окончательно разделяют на очищенный (внутренний) и грязный (внешний) потоки, которые далее выводятся наружу по отдельным трубопроводам. Утверждается, что поставленная задача 95-98% очистки газов от частиц субмикронного уровня достигается прежде всего за счет пропускания газа через каналы диаметром D=5-10 мм и удлинением L/D=10-12, позволяющего существенно погасить турбулентные вихри, присутствующие во входном патрубке, после чего в каналах формируется одномерный стационарный поток, в котором происходит эффективное разделение газа и частиц.

Данный способ и устройство приняты в качестве прототипа центробежного сепаратора.

Недостатком такого способа является то, что даже при быстром затухании турбулентности течения на входе в каналы, внутри каналов самопроизвольно возникает достаточно интенсивное вторичное течение в форме двух продольных вихрей, которые снова перемешивают разделяющиеся потоки. Механизмом возбуждения этого вида течения служит неоднородное распределение кориолисовой силы в поперечном сечении канала. Устранить кориолисову силу можно было бы, расположив канал параллельно оси вращения, но тогда возникает серьезная проблема удаления из канала осевших на стенку частиц. Не является решением проблемы и уменьшение диаметра каналов. В каналах меньшего диаметра увеличивается градиент кориолисовой силы, а разделенные потоки движутся очень близко друг к другу и неизбежные внешние возмущения (например, вибрация ротора) будут возбуждать перемешивание. Таким образом в каналах нельзя обеспечить одномерное ламинарное течение и устранить паразитный эффект вторичного перемешивания. К недостаткам устройства следует отнести сложность конструкции узла разделения чистого и грязного потоков, который, тем не менее, не обеспечивает заявленный уровень качества очистки.

Техническая задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в разработке способа и устройств для эффективной 95-99% сепарации из состава жидкостей или газов тяжелых частиц примеси, имеющих плотность, более чем на 20% превосходящую плотность несущей жидкости или газа, и характерные размеры от 0.2 до 100 микрон, а также легких частиц примеси с характерными размерами от 1 до 100 микрон из жидкостей, имеющих плотность, более чем на 10% превосходящую плотность частиц.

Техническим результатом изобретения является создание в рабочей области устройств ламинарного стационарного и преимущественно одномерного течения сепарируемой среды, в котором подавлен паразитный эффект перемешивания и обеспечивается эффективная сепарация частиц примеси из жидкости или газа, под действием гравитационной или центробежной силы. Техническими результатами изобретения также являются эффективное удаление отсепарированных частиц из рабочей области сепаратора и повышение в 2-4 раза производительности сепаратора без потери качества сепарации при фиксированных затратах подводимой мощности.

Технический результат достигается тем, что в способе сепарации несущая среда (жидкость или газ) движется в рабочей полости устройства под действием перепада давления, а частицы примеси под действием гравитационной или центробежной силы смещаются перпендикулярно потоку несущей среды до границы рабочей области, где их выводят в накопительную камеру, при этом используют специальную форму движения сепарируемой среды - течение типа Хилли-Шоу [см. Hele-Shaw H.S. /Investigation of the nature of surface resistance of water and of stream motion under certain experimental conditions / Trans. Inst. Nav. Arch. XI, 1898, v.25/, или Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа // М. Наука, 1987], когда в рабочей области устройства сепарируемую среду пропускают через тонкие слои, образованные параллельными или почти параллельными (наклоненными под небольшим углом δ<5° друг к другу) плоскими удлиненными пластинами, в слоях обеспечивают ламинарное стационарное и преимущественно одномерное течение несущей среды вдоль длинной стороны пластин вследствие одновременного выполнения двух нижеследующих неравенств:

где Н - высота пластин [м],

L≥4H - длина пластин [м],

d - характерный зазор между пластинами 0.001≤d≤0.01 [м],

А<Н - продольный размер окна ввода сепарируемой среды [м],

ρ, μ - плотность [кг/м³] и вязкость [кг/мс] несущей среды (жидкости или газа),

q - объемный расход жидкости или газа через слой [м³/с],

Re* - критическое число Рейнольдса разрушения ламинарного стационарного и преимущественно одномерного течения в слое, рекомендуется принять Re*=1000,

ρ_T - плотность частиц примеси [кг/м³],

а - характерный размер частиц примеси [м],

9.8 - ускорение свободного падения g [м/с²],

n - характерная величина перегрузки в слое, для гравитационного сепаратора n=1, для центробежного сепаратора , где ω - угловая скорость вращения ротора [радиан/с],

R - среднее расстояние в слое до оси вращения [м],

ϕ - угол наклона пластин к линии действия гравитационной или центробежной силы [град],

Ф(ϕ) - безразмерная функция влияния угла ϕ, рекомендуется принять Ф(ϕ)=(1+0.17|ϕ|)cos(πϕ/180) для диапазона ϕ≤20°.

Технический результат достигается также тем, что в гравитационном сепараторе, состоящем из корпуса с внутренней полостью высотой Н, длиной L≥4H и шириной S, в которую сепарируемая жидкая среда поступает под давлением через окно ввода смеси размером А<Н, а очищенная жидкость выходит через окно выпуска, во всей полости, с малым зазором 0.001<d≤0.01 м друг от друга установлены плоские пластины длиной L и высотой Н, образующие в пространстве между собой рабочие слои для сепарации частиц примеси, пластины наклонены под углом ϕ<20° к вертикали, в слоях обеспечивается ламинарное стационарное и преимущественно одномерное течение сепарируемой среды вдоль длинной стороны пластин, на дне и крышке корпуса установлены кюветы для сбора соответственно более плотных и менее плотных, чем несущая жидкость, частиц примеси и вывода их через отверстия в накопительную камеру и далее в выходной трубопровод.

Технический результат достигается также тем, что в центробежном сепараторе, состоящем из корпуса, имеющего, как минимум, одну накопительную камеру для частиц примеси и выводной трубопровод, ротора, имеющего рабочую полость, в которую сепарируемая жидкая или газообразная среда поступает под давлением через окно ввода размером А<Н, а очищенная жидкость (или газ) выходит через окно выпуска, ротор установлен на двух полуосях, через которые он приводится во вращение, создающее в рабочей полости характерную перегрузку n≫1, в полуосях выполнены внутренние каналы для подвода сепарируемой среды и вывода очищенной жидкости или газа, рабочая полость ограничена внутренней R₁ и внешней R₂ цилиндрическими поверхностями, внутри полости, параллельно оси вращения ротора, с малым зазором 0.001≤d≤0.01 м друг от друга установлены плоские пластины высотой H=(R₂-R₁) и длиной L≥4H, образующие в пространстве между собой слои для сепарации частиц примеси, при этом пластины наклонены под углом ϕ≤20° к радиальному направлению, в слоях обеспечивается ламинарное стационарное и преимущественно одномерное течение сепарируемой среды вдоль длинной стороны пластин, на внешней поверхности полости ротора установлены кольцевые кюветы для сбора более плотных, чем несущая среда, частиц примеси и вывода их через отверстия в накопительную камеру.

На фиг.1 изображен продольный разрез гравитационного сепаратора плоскостью, параллельной пластинам. На фиг.2 показан поперечный разрез гравитационного сепаратора. На фиг.3 изображен продольный разрез центробежного сепаратора плоскостью, параллельной пластинам, при установке пластин на роторе под углом ϕ=0. На фиг.4 изображен поперечный разрез центробежного сепаратора при ϕ=0. На фиг.5 показан фрагмент поперечного разреза центробежного сепаратора при установке пластин под углом ϕ>0.

Заявляемый способ сепарации может быть реализован либо в виде гравитационного сепаратора, либо в виде центробежного сепаратора.

Гравитационный сепаратор для выделения частиц примеси более плотных, чем несущая жидкость (фиг.1, 2), состоит из корпуса 1, верхней крышки корпуса 2, пластин 3, образующих рабочие слои 4, кювет 5 с отверстиями для вывода концентрата частиц примеси 6, накопительные камеры для концентрата частиц примеси 7. На фиг.1, 2 также обозначено: 8 - траектории частиц примеси, g - вектор силы тяжести.

Гравитационный сепаратор работает следующим образом. Жидкость, содержащая частицы примеси, через окно ввода смеси поступает в рабочие слои 4, где после сравнительно короткого начального участка приобретает ламинарное стационарное и преимущественно одномерное течение в горизонтальном направлении под действием градиента давления, созданного, например, за счет перепада уровней жидкости на входе и выходе сепаратора (фиг.1). Под действием гравитационной силы более плотные частицы примеси смещаются вниз 8, концентрируются в кюветах 5 на нижней стенке области и через специальные отверстия 6 выводятся из рабочей области в накопительную камеру 7 и далее в выходной трубопровод. Очищенная жидкость выходит через окно выпуска очищенной жидкости на верхней крышке корпуса.

Центробежный сепаратор для выделения частиц примеси более плотных, чем несущая среда (жидкость или газ) (фиг.3, 4, 5), состоит из ротора 1, корпуса 2, пластин 3, образующих рабочие слои 4, кольцевых кювет 5 с отверстиями для вывода концентрата частиц примеси 6, накопительных камер для концентрата частиц примеси 7, шкива для привода ротора 9, полуосей ротора 10, 11. На фиг.3, 4, 5 также показаны траектории частиц примеси 8.

Центробежный сепаратор работает следующим образом. Под действием градиента давления, созданного, например, компрессором, несущая среда, содержащая частицы примеси, подается по внутреннему каналу полуоси ротора 10 (фиг.3) в полость ротора и через окно ввода смеси размером А<Н поступает в рабочие слои 4, где после сравнительно короткого начального участка приобретает ламинарное стационарное и преимущественно одномерное течение, параллельное оси вращения ротора. При вращении ротора более плотные частицы примеси под действием центробежной силы смещаются на периферию к внешней поверхности полости ротора (r=R₂) 8, концентрируются в кюветах 5 и через специальные отверстия 6 выводятся из рабочей области в накопительные камеры 7 и далее в выходной трубопровод. Очищенная жидкость выходит через окно выпуска в конце внутренней поверхности полости и далее выводится наружу по внутреннему каналу полуоси ротора 11.

Для иллюстрации технической реализуемости заявленных способа и устройств и возможности достижения требуемых эксплуатационных параметров ниже приведено несколько характерных примеров гравитационного и центробежного сепараторов.

Размеры гравитационного сепаратора: длина корпуса L=5 м, ширина корпуса S=2 м, высота корпуса Н=100 мм, зазор между пластинами d=5 мм, толщина пластин 1 мм, число слоев в рабочей области N=330.

Таблица 1 Расчетные параметры гравитационного сепаратора
Параметры частиц	Расход в 1 слое q см3/с	Полный расход Q м3/час	Re	Наклон слоев ϕ град
а мм диаметр	Плотность кг/м3
Сепарация частиц песка из воды
0.01	2200	2.6	3	26	10
0.03	2200	14.6	17	146	0
0.03	2200	23.2	27	232	10
0.03	2200	30.5	34	305	20
0.05	2200	84.8	97	848	20
Сепарация частиц золота из воды
0.002	19310	2.1	2.3	21	20
0.005	19310	12.9	15	130	20
0.008	19310	33	37	331	20
0.013	19310	87.5	99	875	20

Размеры центробежного сепаратора: полная длина корпуса 700 мм, внешний диаметр корпуса 450 мм, R₁=100 мм, R₂=160 мм, Н=60 мм, L=500 мм, d=5 мм, толщина пластин 1 мм, число слоев в рабочей области N=136, наклон пластин ϕ=0.

Таблица 2 Сепарация частиц примеси из воздуха
Скорость вращения оборот/с	Перегрузка в слое n	Параметры частиц	Расход в 1 слое q см3/с	Полный расход Q м3/час	Re
диаметр a мм	плотность кг/м3
Сепарация аэрозолей
30	480	0.0007	870	10.0	4.9	11
50	1310	0.0007	870	27.4	13.4	30
92	4430	0.0007	870	92.8	45.5	100
Сепарация твердых частиц (пыль, сажа)
30	480	0.0005	1550	9.1	4.5	10
50	1310	0.0005	1550	24.9	12.2	27
92	4430	0.0005	1550	84.5	41.4	92
Таблица 3 Сепарация частиц примеси из жидкости с плотностью р=1300 кг/м3 и вязкостью μ=0.04 кг/мс (краситель)
Скорость вращения оборот/с	Перегрузка в слое n	Параметры частиц	Расход в 1 слое q см3/с	Полный расход Q м3/час	Re
диаметр a мм	плотность кг/м3
Сепарация твердых частиц
30	480	0.02	2200	4.23	2.07	2.3
40	830	0.02	2200	7.35	3.60	4
50	1310	0.02	2200	11.6	5.68	6.3
Сепарация пузырьков газа.
30	480	0.017	6	4.19	2.05	2.3
40	830	0.017	11	7.28	3.56	4
50	1310	0.017	17	11.5	5.63	6.2

1. Способ сепарации частиц примеси из жидкостей или газов, при котором несущая среда - жидкость или газ, движется в рабочей полости сепаратора под действием перепада давления, а частицы примеси под действием гравитационной или центробежной силы смещаются перпендикулярно потоку несущей среды и затем выводятся из рабочей полости, отличающийся тем, что в рабочей полости сепарируемую среду пропускают через большое количество тонких слоев, образованных параллельными или почти параллельными плоскими удлиненными пластинами, в слоях обеспечивают ламинарное стационарное и преимущественно одномерное течение несущей среды вдоль длинной стороны пластин вследствие одновременного выполнения двух нижеследующих неравенств:

где Н - высота пластин [м];

L>4Н - длина пластин [м];

d - характерный зазор между пластинами 0,001≤d≤0,01 [м];

А<Н - продольный размер окна ввода сепарируемой среды [м];

ρ, μ - плотность [кг/м³] и вязкость [кг/мс] несущей среды (жидкости или газа);

q - объемный расход жидкости или газа через слой [м³/с];

Re* - критическое число Рейнольдса разрушения ламинарного стационарного и преимущественно одномерного течения в слое, рекомендуется принять Re*=1000,

ρ_T - плотность частиц примеси [кг/м³];

а - характерный размер частиц примеси [м];

n - характерная величина перегрузки в слое, для гравитационного сепаратора n=1, для центробежного сепаратора n≫1;

ϕ - угол наклона пластин к линии действия гравитационной или центробежной силы [град];

Ф(ϕ) - безразмерная функция влияния угла ϕ, определяемая по формуле

Ф(ϕ)=(1+0,17|ϕ|)cos(πϕ/180) для диапазона ϕ≤20°.

2. Гравитационный сепаратор, содержащий корпус с дном и крышкой, рабочую полость высотой Н, длиной L≥4Н и шириной S, окно ввода сепарируемой жидкой среды размером А<Н и окно выпуска очищенной жидкости, отличающийся тем, что во всей полости с малым зазором 0,001≤d≤0,01 м относительно друг друга установлены плоские пластины длиной L и высотой Н, образующие в пространстве между собой рабочие слои для сепарации частиц примеси, пластины наклонены под углом ϕ≤20° к вертикали, в слоях обеспечивается ламинарное стационарное и преимущественно одномерное течение сепарируемой среды вдоль длинной стороны пластин, на дне и крышке корпуса установлены кюветы для сбора соответственно более плотных и менее плотных, чем несущая жидкость, частиц примеси и вывода их через отверстия в накопительную камеру и далее в выходной трубопровод.

3. Центробежный сепаратор, содержащий корпус, имеющий, как минимум, одну накопительную камеру для частиц примеси, ротор, рабочую полость, окно ввода сепарируемой жидкой или газообразной среды, окно выпуска очищенной жидкости или газа, выводной трубопровод, отличающийся тем, что окно ввода выполнено с продольным размером А<Н, ротор установлен на двух полуосях, через которые он приводится во вращение, создающее в рабочей полости характерную перегрузку n≫1, в полуосях выполнены внутренние каналы для подвода сепарируемой среды и вывода очищенной жидкости или газа, рабочая полость ограничена внутренней R₁ и внешней R₂ цилиндрическими поверхностями, внутри полости, параллельно оси вращения ротора, с малым зазором 0,001≤d≤0,01 м относительно друг друга установлены плоские пластины высотой Н=(R₂-R₁) и длиной L≥4Н, образующие в пространстве между собой слои для сепарации частиц примеси, при этом пластины наклонены под углом ϕ≤20° к радиальному направлению, в слоях обеспечивается ламинарное стационарное и преимущественно одномерное течение сепарируемой среды вдоль длинной стороны пластин, на внешней поверхности полости ротора установлены кольцевые кюветы для сбора более плотных, чем несущая среда, частиц примеси и вывода их через отверстия в накопительную камеру.