液-固微旋流分离器长周期连续稳定运行的倒置倾斜安装方法与装置

摘要

本发明涉及液-固微旋流分离器长周期连续稳定运行的倒置倾斜安装方法与装置，提供了一种液-固微旋流分离器长周期连续稳定运行的倒置倾斜安装方法，该方法包括：将液-固微旋流芯管（4）倒置倾斜安装于三层压力容器的进料腔（2）内，其中，液-固微旋流芯管（4）的底流口接入容器的底流腔（1），溢流口接入容器的溢流腔（3）；每一根液-固微旋流芯管（4）的底流口的标高高于其溢流口的标高；液-固微旋流芯管（4）的轴线与水平面之间的锐夹角β大于颗粒物料的堆积休止角。还提供了一种长周期连续稳定运行的液-固微旋流分离器装置。

权利要求

1.一种液-固微旋流分离器长周期连续稳定运行的倒置倾斜安装方法，该方法包括：

将液-固微旋流芯管(4)倒置倾斜安装于三层压力容器的进料腔(2)内，其中，液-固微旋流芯管(4)的底流口接入容器的底流腔(1)，溢流口接入容器的溢流腔(3)；每一根液-固微旋流芯管(4)的底流口的标高高于其溢流口的标高；液-固微旋流芯管(4)的轴线与水平面之间的锐夹角β大于颗粒物料的堆积休止角。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述液-固微旋流芯管(4)为多层分布，相邻两层之间错位布置，每层液-固微旋流芯管(4)周向均布于进料腔(2)中。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述液-固微旋流芯管(4)的进口朝下正对来流方向。

4.一种长周期连续稳定运行的液-固微旋流分离器装置，该装置包括：

由底流腔(1)、进料腔(2)和溢流腔(3)构成的三层压力容器，其中，液-固微旋流芯管(4)倒置倾斜安装于容器的进料腔(2)内，其中，液-固微旋流芯管(4)的底流口接入容器的底流腔(1)，溢流口接入容器的溢流腔(3)；每一根液-固微旋流芯管(4)的底流口的标高高于其溢流口的标高；液-固微旋流芯管(4)的轴线与水平面之间的锐夹角β大于颗粒物料的堆积休止角，其中，所述装置适用于固含量大于1000mg/L、粒度大于10μm的高固含量水处理系统中。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，液-固两相流由进料腔(2)分配进入所述液-固微旋流芯管(4)的进口；所述液-固微旋流芯管(4)的溢流口在溢流腔(3)集合，底流口在底流腔(1)集合。

6.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述装置还包括分别位于进料腔(2)、溢流腔(3)和底流腔(1)的下端的进口(5)、溢流出口(6)和底流出口(7)。

7.如权利要求4-6中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置对悬浮物浓度的操作弹性提高6倍或更多，连续稳定运行周期提高2倍或更多。

说明书

液-固微旋流分离器长周期连续稳定运行的倒置倾斜安装

方法与装置

技术领域

[0001] 本发明属于废水处理领域，涉及一种用于脱除废水中细微颗粒的微旋流分离器保持长周期连续稳定运行的安装方法。具体地说，本发明涉及液-固微旋流芯管安装于容器内的倒置倾斜安装方法及装置。

背景技术

[0002] 在甲醇制烯烃（MTO）、石油催化裂化、异丁烷脱氢制异丁烯、丙烷脱氢制丙烯、乙烷脱氢制乙烯、CLAUS炉尾气处理等反应急冷系统中，循环急冷水中都存在大量的微细固体颗粒（焦粉、催化剂等）需要进行脱除，而液-固微旋流分离器以其高效、节能等优势，广泛应用于石油炼制及化工生产过程中的悬浮液净化。

[0003] 中国专利申请CN101445744A公开了一种采用旋流分离的方法脱除原料油中焦粉及装置，原料油中焦粉含量为500～30000mg/L，焦粉粒径为1～80μm。经旋流分离后原料油的焦粉含量不大于300mg/L，且粒径大于15μm的焦粉去除率不低于90%。

[0004] 中国专利CN101732968A公开了一种利用微旋流脱除催化裂化烟气急冷液（洗涤液）、吸收液中细微固体颗粒的方法及装置，急冷液中的固体颗粒含量为50～5000mg/L，粒径为1～20μm，吸收液中固体含量为10～500mg/L，固体粒径为1～10μm。对部分急冷液进行微旋流分离，固体颗粒的去除率不低于90%，对全部急冷液进行微旋流分离，固体颗粒的去除率不低于80%，对全部吸收液进行微旋流分离，固体颗粒去除率不低于80%。

[0005] 中国专利申请CN102319523A公开了一种乙烯装置分馏塔中质油微旋流脱固方法与装置，从乙烯装置中导出的中质油中固体颗粒（焦粉）含量为50～5000mg/L，颗粒粒径为10～300μm，单根芯管压力降在0.09MPa附近时，达到最优分离效果，分离效率为80%以上。

[0006] 白志山发表在“石油学报(石油加工)”上的“催化外甩油浆的微旋流分离实验6
研究”公开了一种应用于1.8×10t/a重油催化裂化装置上的外甩油浆微型旋流净化工业实验装置。油浆中催化剂颗粒质量深度达到1000～18000mg/L，催化剂颗粒的平均粒径为
3.346μm，粒径范围为0～20μm，10μm以下微粒约占95%。（“催化外甩油浆的微旋流分离实验研究”，白志山，“石油学报（石油加工）”，2008年2月，第24卷第1期，101～105）。

[0007] 中国专利申请CN101352620A公开了一种MTO急冷水、水洗水中细微催化剂微旋流浓缩方法与装置，CN101352621A公开了一种MTO急冷水和水洗水微旋流脱固方法与装置，急冷水中催化剂含量为100～1000mg/L，粒径为1～20μm，水洗水中催化剂含量为70～800mg/L，粒径为1～10μm。经微旋流分离后，急冷水和水洗水中催化剂含量降至30mg/L以下。

[0008] 中国专利申请CN101353187A公开了一种MTO预旋流型反应废水汽提净化方法及装置，MTO反应废水中催化剂含量为30～400mg/L，催化剂粒径为1～10μm，经预旋流加微旋流分离后催化剂含量为30mg/L以下。

[0009] 中国专利申请CN102093153A公开了一种MTO含催化剂微粉反应气组合净化分离3
的方法与装置，MTO含催化剂微粉反应气夹带的催化剂微粉颗粒含量为1～500mg/m，催化剂颗粒粒径为0.1～30μm。反应气洗涤液固含量为30～400mg/L，采用微旋流分离后洗涤液的固含量为10～50mg/L。

[0010] 但是，上述专利申请或文献中所述物料的颗粒浓度均较高，在长期的工程实践与实验研究中发现，在壳体内采用水平两层管板竖直安装的液-固微旋流芯管，正常工况下物料均匀且连续，所以不易发生底流堵塞问题。但当出现较大工况波动，特别是在开停车极端工况时，由于旋流分离作用，微旋流芯管底流出口附近的颗粒浓度是进口浓度的10倍以上，再加上微旋流芯管底流出口直径普遍在3mm以下，因此底流出口很容易因颗粒的滞留、沉积而堵塞。

[0011] 例如，在中国神华集团包头MTO装置急冷水中催化剂颗粒粒径为1～20μm，采用了竖直安装的微旋流芯管进行脱固处理，当进口浓度达到1000mg/L时，微旋流芯管底流出口附近颗粒浓度就达到近10000mg/L。当系统总水量突然减小到额定处理量的50%以下时，由于并联的微旋流芯管进口流量分布的不均匀性，进口流量极少的微旋流芯管就会因底流出口高浓度颗粒不能及时排出而堵塞，当系统水量恢复正常时，底流出口就会因压力突然增大而被堵得更严实。最终将导致装置压降过大，影响水循环系统的正常运行。

[0012] 然而对于颗粒粒径范围在0.1～2μm，颗粒含量低于1000mg/L的大连化物所MTO装置中急冷水处理中，采用相同类型的竖直安装微旋流芯管，底流出口堵塞情况极少。这是因为其催化剂颗粒粒径小、含量低，不易在微旋流芯管底流出口堆积，即使在底流出口堆积，当进口流量恢复时也比较容易冲破堵塞。

[0013] 但是，针对颗粒粒度为10μm以上，浓度为1000mg/L以上的液固体系采用微旋流分离存在容易堵塞的问题，本领域尚未能够提出有效的解决方法。

发明内容

[0014] 本发明提供了一种新颖的液-固微旋流分离器长周期连续稳定运行的倒置倾斜安装方法与装置，可以有效防止因悬浮物沉积、操作压力波动、特别是装置开停工等极端工况造成的液-固微旋流芯管的底流口堵塞的问题，从而提高了液-固微旋流分离器在实际运行中对物料流量波动超限、以及开停车极端工况的适应性，延长了其稳定运行时间，从而解决了现有技术中存在的问题。

[0015] 一方面，本发明提供了一种液-固微旋流分离器长周期连续稳定运行的倒置倾斜安装方法，该方法包括：

[0016] 将液-固微旋流芯管倒置倾斜安装于三层压力容器的进料腔内，其中，液-固微旋流芯管的底流口接入容器的底流腔，溢流口接入容器的溢流腔；每一根液-固微旋流芯管的底流口的标高高于其溢流口的标高；液-固微旋流芯管的轴线与水平面之间的锐夹角β大于颗粒物料的堆积休止角。

[0017] 在一个优选的实施方式中，所述液-固微旋流芯管为多层分布，相邻两层之间错位布置，每层液-固微旋流芯管周向均布于进料腔中。

[0018] 在另一个优选的实施方式中，所述液-固微旋流芯管的进口朝下正对来流方向。

[0019] 另一方面，本发明提供了一种长周期连续稳定运行的液-固微旋流分离器装置，该装置包括：

[0020] 由底流腔、进料腔和溢流腔构成的三层压力容器，其中，液-固微旋流芯管倒置倾斜安装于容器的进料腔内，其中，液-固微旋流芯管的底流口接入容器的底流腔，溢流口接入容器的溢流腔；每一根液-固微旋流芯管的底流口的标高高于其溢流口的标高；液-固微旋流芯管的轴线与水平面之间的锐夹角β大于颗粒物料的堆积休止角。

[0021] 在一个优选的实施方式中，液-固两相流由进料腔分配进入所述液-固微旋流芯管的进口；所述液-固微旋流芯管的溢流口在溢流腔集合，底流口在底流腔集合。

[0022] 在另一个优选的实施方式中，所述装置好包括分别位于进料腔、溢流腔和底流腔的下端的进口、溢流出口和底流出口。

[0023] 在另一个优选的实施方式中，所述装置适用于固含量大于1000mg/L、粒度大于10μm的高固含量水处理系统中。

[0024] 在另一个优选的实施方式中，所述装置对悬浮物浓度的操作弹性提高6倍或更多，连续稳定运行周期提高2倍或更多。

附图说明

[0025] 根据结合附图进行的如下详细说明，本发明的目的和特征将变得更加明显，附图中：

[0026] 图1是根据本发明一个实施方式的液-固微旋流芯管倒置倾斜安装的示意图。

[0027] 图2是根据本发明另一个实施方式的奇数层液-固微旋流芯管在进料腔内周向布置的示意图。

[0028] 图3是根据本发明另一个实施方式的偶数层液-固微旋流芯管在进料腔内周向布置的示意图。

[0029] 图4是根据本发明另一个实施方式的液-固微旋流芯管进口方位的示意图。

[0030] 图5是根据本发明另一个实施方式的液-固微旋流芯管的结构尺寸关系和锐夹角（安装角）β的示意图。

[0031] 图6是根据本发明另一个实施方式的25mm液-固微旋流芯管防止堵塞的倒置倾斜安装角β与进口颗粒最高许用浓度的Ci关系图。

[0032] 图7是根据本发明另一个实施方式的颗粒沿25mm液-固微旋流芯管轴向填充高度与芯管进口浓度的关系图。

具体实施方式

[0033] 本申请的发明人在长期的工程实践与实验研究过程中发现，通过将液-固微旋流芯管倒置倾斜安装，使液-固微旋流芯管的底流口标高高于溢流口的标高，可以大大提高液-固微旋流分离器对工况波动较大，特别是装置开停车极端工况的适应性，提高了液-固微旋流分离器连续稳定运行周期。基于上述发现，本发明得以完成。

[0034] 本发明的技术构思如下：

[0035] 微旋流芯管进口流量一般达到8～10m/s，微粒在微旋流芯管内所受离心加速度约为重力加速度的300～1000倍，因此在微旋流芯管中可以忽略重力的影响，进而微旋流芯管的位置和安装方向对于分离作用的影响也可以忽略不计；

[0036] 以三层圆筒形腔体结构取代以往的在外壳内布置两层平行管板结构，使得微旋流芯管可以多层布置，提高了空间利用率，同时物料在进料腔内流通截面减小，减少物料中颗粒在进料腔的沉降堆积，改善了进料分布均匀性；由于微旋流芯管底流出口非常细小，通常在3mm以下，将液-固微旋流芯管倒置倾斜安装，有效地防止了在工况波动较大，特别是开停车阶段突然进料、停料时，颗粒沉积于芯管底流出口并使其堵塞的问题。

[0037] 在本发明的第一方面，提供了一种液-固微旋流分离器长周期连续稳定运行的倒置倾斜安装方法，其中，从内到外的底流腔、进料腔和溢流腔均为承压结构，该方法包括：将液-固微旋流芯管主体倒置倾斜安装于进料腔内，其底流口和溢流口分别与接触的腔体壁密封固定。

[0038] 在本发明中，微旋流芯管的底流口接入底流腔，溢流口接入溢流腔，微旋流芯管的底流口标高高于溢流口标高。

[0039] 在本发明中，液-固微旋流芯管的轴线与水平面之间的锐夹角（安装角β）应大于颗粒的堆积休止角，以减少芯管内沉积的颗粒。

[0040] 在本发明中，采用三层腔体结构使得微旋流芯管可以多层布置，减小了外壳直径，提高了空间利用率，同时物料在进料腔内流通截面减小，使得颗粒在进料腔中不易沉降堆积，各层微旋流芯管的进料更均匀。

[0041] 在本发明中，采用倒置倾斜的液-固微旋流分离器适用于固含量在1000mg/L以上、粒度大于10μm的高固含量水处理系统。

[0042] 在本发明的第二方面，提供了一种长周期连续稳定运行的液-固微旋流分离器装置，该装置包括：由底流腔、进料腔和溢流腔构成的三层圆筒形的压力容器，倒置倾斜的微旋流芯管组，以及进口、溢流出口和底流出口。

[0043] 在本发明中，含固悬浮液自装置进口进入进料腔，悬浮液在进料腔分别进入倒置倾斜的微旋流芯管，经旋流分离后，净化液自微旋流芯管溢流进入溢流腔，并从装置的溢流出口连续排出，固体颗粒随少量液体自微旋流芯管的底流进入底流腔，然后从装置的底流出口连续排出。

[0044] 在本发明中，每层微旋流芯管在进料腔内周向均布，相邻两层之间错位布置，以使进料分布更加均匀。

[0045] 在本发明中，微旋流芯管倒置倾斜安装，在物料流量较大波动或者开停车阶段，固体颗粒沉积于微旋流芯管进口柱段，不易使其堵塞。

[0046] 在本发明中，将装置的进口、溢流出口和底流出口设计在各腔的下端，可以减少颗粒在腔内的沉降堆积。

[0047] 在本发明中，液-固微旋流芯管的进口朝下正对来流方向，一方面可以减小芯管的进口压力损失，另一方面因为芯管进口比底流出口大得多，在停车卸料时，有利于芯管内物料排出，避免了物料在芯管内长期滞留以板结堵塞芯管。

[0048] 在本发明中，所述装置对悬浮物浓度的操作弹性提高6倍以上，连续稳定运行周期提高2倍以上。

[0049] 以下根据附图详细说明本发明的装置结构及方法。

[0050] 图1是根据本发明一个实施方式的液-固微旋流芯管倒置倾斜安装的示意图。如图1所示，装置从内到外分为由底流腔1、进料腔2和溢流腔3构成的三层圆筒形压力容器，以及设置在装置下端的进口5、溢流出口6和底流出口7，其中，液-固微旋流芯管4倒置倾斜安装于进料腔2内，其底流口标高高于溢流口标高；所有液-固微旋流芯管4的底流口汇集于底流腔1，然后由装置的底流出口7连续排出；所有液-固微旋流芯管4的溢流口都汇集于溢流腔3，然后由装置溢流出口6连续排出；液-固微旋流芯管的轴线与水平面之间的锐夹角（安装角β）大于颗粒的堆积休止角。

[0051] 图2是根据本发明另一个实施方式的奇数层液-固微旋流芯管在进料腔内周向布置的示意图。如图2所示，从方位0°开始均匀布置了16根液-固微旋流芯管4。

[0052] 图3是根据本发明另一个实施方式的偶数层液-固微旋流芯管在进料腔内周向布置的示意图。如图3所示，从方位11.25°开始均匀布置了16根液-固微旋流芯管4。

[0053] 图4是根据本发明另一个实施方式的液-固微旋流芯管进口方位的示意图。如图4所示，液-固微旋流芯管进口方向正对来流方向（进料腔物料流动方向），一方面可以减小芯管的进口压力损失，另一方面因为芯管进口较底流出口大得多，在停车卸料时，有利于芯管内物料排出，避免了物料在芯管内长期滞留来板结堵塞芯管。

[0054] 图5是根据本发明另一个实施方式的液-固微旋流芯管的结构尺寸关系和锐夹角（安装角）β的示意图。如图5所示，芯管轴线与水平面之间的锐夹角（定义为液-固微旋流的安装角β）必须大于处理物料颗粒（堆积颗粒）的堆积休止角；当液-固微旋流芯管溢流口标高高于底流口标高时，芯管为正安装，0°＜β＜90°为倾斜正安装，β=90°为水平安装；液-固微旋流芯管底流口标高等于溢流口标高时，即β=0°为水平安装；液-固微旋流芯管底流口标高高于溢流口标高时，芯管为倒置安装，β=0°为竖直倒置安装，0°＜β＜90°为倒置倾斜安装，其中，a为进口宽度，b为进口高度，D为微旋流器柱段内径，Do为微旋流器溢流管外径，du为底流出口直径，h1为微旋流器柱段高度，h2为微旋流器锥段高度，h3为底流出口长度，h4为溢流管长度。

[0055] 图6是根据本发明另一个实施方式的25mm液-固微旋流芯管防止堵塞的倒置倾斜安装角β与进口颗粒最高许用浓度的Ci关系图。如图6所示，示出了芯管正安装和倒置安装的情况；其中，进口颗粒许用浓度Ci是指倒置倾斜安装的液-固微旋流芯管内的颗粒完全沉积于进口，正好覆盖进口使其堵塞时的进口浓度；颗粒堆积休止角为40°。

[0056] 图7是根据本发明另一个实施方式的颗粒沿25mm液-固微旋流芯管轴向填充高度与芯管进口浓度的关系图。如图7所示，示出了芯管竖直正安装（β＝0°）和倒置倾斜安装（β＝40°）的情况，其中，

[0057] 当微旋流芯管竖直正安装时，悬浮物颗粒沉积于底流出口的沉积高度[0058]

[0059] 其中Vhy为芯管容积，Ci为芯管进口浓度，ρp为固体颗粒密度；

[0060] 当旋流芯管倒置倾斜安装时，悬浮物颗粒沉积于柱段的沉积高度

[0061]

[0062] 将式（1）与式（2）联立得到

[0063]

[0064] 取Do=0.68D，du=0.12D，则可得

[0065]

[0066] 由此可知，液-固微旋流芯管进口柱段堵塞的可能性比底流出口堵塞的可能性大大减小；

[0067] 微旋流器安装角β与腔内颗粒沉降堆积造成堵塞的最低浓度Ci理论关系为：

[0068] （i）正安装，0°＜β≤90°

[0069]

[0070] (ii)90°＜β＜β1

[0071]

[0072] (iii)β1＜β＜β2

[0073]

[0074] (iv)β2＜β＜β3

[0075]

[0076] (v)β3＜β＜180°

[0077]

[0078] 其中， b为倒置倾斜安装时的颗粒沉积高度或者是进口高度。

[0079] 本发明的主要优点在于：

[0080] 采用本发明的液-固微旋流芯管的安装方法及装置，能够大大减少微旋流芯管底流出口被颗粒堵塞的概率，提高液-固微旋流分离器对悬浮物浓度的操作弹性，延长连续稳定运行周期，降低装置的维修成本；相比竖直正安装微旋流芯管，采用倒置倾斜安装25mm液-固微旋流芯管的旋流分离器对MTO的急冷水循环系统中催化剂浓度的操作弹性提高至3.5～27.5倍，延长连续稳定运行周期22.2倍；

[0081] 本发明的液-固微旋流芯管布置方法可以推广应用到催化裂化烟气湿法脱硫洗涤液脱催化剂颗粒，原料油除焦粉，乙烯装置分馏塔中质油除焦粉，以及甲醇制烯烃、石油催化裂化、异丁烷脱氢制异丁烯、丙烷脱氢制丙烯、乙烷脱氢制乙烯、CLAUS炉尾气处理等反应急冷系统中。

[0082] 实施例

[0083] 下面结合具体的实施例进一步阐述本发明。但是，应该明白，这些实施例仅用于说明本发明而不构成对本发明范围的限制。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。除非另有说明，所有的百分比和份数按重量计。

[0084] 实施例1：

[0085] 中国神华集团包头MTO装置急冷水系统采用本发明的装置，其中催化剂颗粒微旋3
流分离器的催化剂颗粒粒径为1～20μm，含量为100～1000mg/L，堆积密度为1200kg/m，颗粒堆积休止角为40°；采用公称25mm微旋流芯管，以b和h3分别取代上述公式（1）和公式（2）中的ho填充和hu填充（在两种安装方式下，颗粒沉积高度分别达到b和h3时表明微旋流芯管已经堵塞），得到

[0086]

[0087]

[0088] 其中N和n分别为微旋流芯管倒置安装和正安装时装置的停车次数（即运行周期）。

[0089] 由此得到 即运行周期提高了22.2倍。

[0090] 由公式（4）至公式（8）得到芯管安装角与进口许用浓度关系，如图6所示，以及芯管轴向填充高度与芯管进口浓度的关系，如图7所示。芯管采用正安装(40°≤β≤q0°)进口达到1200mg/L时，芯管底流口将被沉积完全堵塞。而采用管倒置倾斜安装后，进口浓度范围提高到3600mg/L～33000mg/L，进口操作弹性提高了3～27.5倍。

[0091] 在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。