ЦИКЛОН ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ
CENTRIFUGAL SEPARATOR FOR SEPARATING GAS MIXTURES

Изобретение относится к устройствам для разделения газовых смесей в различных отраслях промышленности.
Известен циклон для отделения газообразного кислорода от жидкого азота, содержащий корпус и осевое сужающееся сопло (Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: ГНТИ, 1961, с.760). Разделение смеси кислорода и азота основано на положительном дроссельном эффекте, при котором при выходе из сужающегося сопла кислород находится в паровой фазе, а азот - в жидкой в виде капелек. Недостатками известного циклона является следующее.
1. Невозможность разделения газовых смесей, так как в известном устройстве разделяемые газы должны находиться в жидком состоянии при низкой температуре и под повышенным давлением.
2. Ограниченный диапазон работы по максимальной
производительности, так как процесс разделения осуществляется за счет осевой скорости пара, температура испарения которого выше.
3. Невысокое качество разделения пара, так как при осевом течении происходит унос мелких капелек жидкой фазы низкокипящего газа.
Известен циклон для отделения водяного пара от жидкости в виде капельной влаги, содержащий корпус, входное тангенциальное сопло постоянного сечения и канал в виде улитки на внутренней поверхности корпуса для закрутки парожидкостной смеси (Бузников Е.Ф. Циклонные сепараторы в паровых котлах. - М.: Энергия, 1969 г., с.72). За счет дополнительного закручивания парожидкостной смеси в канале в виде улитки происходит возрастание центробежных сил и дополнительное разделение пароводяной смеси. Газовая фаза собирается вверху, жидкость - внизу.
Недостатками известного циклона является следующее.
1. Невозможность разделения газовых смесей, так как в известном устройстве одна фаза всегда должна быть в виде жидкости, то есть иметь большую плотность.
2. Ограниченный диапазон работы по максимальной производительности, так как при увеличении расхода и скорости движения пароводяной смеси в улитке часть неразделенной смеси начинает выдавливаться без разделения из улиточного канала.
3. Невысокое качество разделения пара, так как при движении смеси в улиточном канале с большой скоростью происходит дробление капелек жидкости на более мелкие частицы, которые свободно уносятся паром.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является циклон по патенту РФ на изобретение №2071839, В04С 5/103, 1997 - прототип, предназначенный для очистки сжатого газа от влаги, масла и механических примесей, содержащий корпус, с тангенциальным сопловым вводом сжатого газа, камеру закручивания, сопряженную с тангенциальным сопловым вводом, камеру-сборник, размещенную над камерой закручивания.
В известном циклоне очистка воздуха или газа от влаги, масла и механических примесей происходит за счет центробежных сил, при возникновении которых, за счет тангенциального ввода, примеси скапливаются внизу, а очищаемый воздух поднимается по внутренней полости тангенциального соплового ввода вверх.
Недостатком известного циклона является невозможность разделения газовых смесей.
Задачей, на которую направлено заявляемое изобретение, является разделение газовых смесей с высоким качеством сепарации.
Технический результат достигается тем, что в циклоне, содержащем корпус с тангенциальным сопловым вводом сжатого газа, камеру закручивания, сопряженную с тангенциальным сопловым вводом, камеру-сборник, размещенную над камерой закручивания, тангенциальный сопловой ввод сжатого газа выполнен заодно с патрубком ввода и имеет сужающийся канал, а камера закручивания образована каналом в виде радиальной улитки на внутренней поверхности корпуса, над которой сверху соосно с корпусом закреплена ограничивающая диафрагма с центральным, расширяющимся в сторону камеры-сборника, отверстием для легкого газа, а встык с ней установлен ступенчатый с наружной стороны полый цилиндр, образующий с корпусом замкнутую кольцевую полость для камеры закручивания, которая соединена с дополнительной камерой закручивания тангенциальными сужающимися отверстиями, сопряженными с каналами в виде улитки, выполненными с внутренней стороны в теле полого цилиндра, являющимися дополнительной камерой закручивания.
На фиг.1 представлен эскиз циклона для разделения газовых смесей (разрез Б-Б), на фиг.2 разрез А-А.
Заявляемый циклон для разделения газовых смесей состоит из корпуса 1, тангенциального соплового ввода сжатого газа 2, камеры закручивания 3, выполненной в виде радиальной улитки, ограничивающей диафрагмы 4 с расширяющимся центральным отверстием 5 в сторону камеры-сборника 6, ступенчатого с наружной стороны полого цилиндра 7, образующего с корпусом 1 замкнутую кольцевую полость 8 и имеющего тангенциальные сужающие отверстия 9, сопряженные с каналами в виде улитки 10, выполненными на внутренней стороне полого цилиндра 7.
Заявляемый сепаратор работает следующим образом.
Разделяемая газовая смесь поступает под давлением через сужающийся канал тангенциального соплового ввода 2 в камеру закручивания 3, выполненную в виде радиальной улитки. Вследствие сужения возрастает скорость смеси и на выходе из сужающегося канала происходит дросселирование с положительным дроссельным эффектом, при котором температура газовых компонентов понижается на различную величину. В камере закручивания 3, выполненной в виде радиальной улитки, происходит закручивание потока. Более холодный и тяжелый газ прижимается к стенке за счет центробежных сил, то есть происходит первичное разделение смеси на компоненты. Поскольку температура газовой смеси из-за дроссельного эффекта понижается, то охлаждается стенка кольцевой полости 8, образованная ступенчатым полым цилиндром 7. Охлажденная газовая смесь поступает в тангенциальные сужающиеся отверстия 9, в которых происходит вторичное дросселирование с понижением температуры, так как стенки полого цилиндра 7 имеют более низкую температуру по сравнению с корпусом 1. В каналах 10 в виде улиток, выполненных с внутренней стороны в теле полого цилиндра 7, являющихся дополнительной камерой закручивания, охлажденная смесь дополнительно закручивается.
Происходит дополнительное понижение температуры и разделение газовой смеси на компоненты из-за различной плотности. Легкие газовые компоненты собираются под ограничивающей диафрагмой 4 и выводятся через центральное отверстие 5 в камеру-сборник 6. Тяжелые компоненты отводятся через открытую нижнюю часть полого цилиндра 7.
2
2
Пример конкретного исполнения. По приведенному чертежу (фиг.1) был изготовлен сепаратор для разделения смеси воздуха с аргоном (по массе 40% аргона, 60% воздуха). Аргон, в отличие от преобладающего большинства газов, имеет отрицательный дроссельный эффект. Температура его при дросселировании повышается. Дросселирование смеси происходило с 80 кг/см до 1 кг/см. Температура аргона повысилась с 20°С до 45°С. Степень разделения смеси составила 92%.