用于降低压力旋流器中的液上气体的系统

摘要

本发明披露了一种具有凹形上盖的压力旋流器，其中所述凹形上盖具有设置在旋流器容器的内部中的基本上平坦的顶部。入口与容器切向连接并且具有设置在其中的入口喷嘴，入口喷嘴构成为平滑过渡到旋流器容器以产生出涡流，该涡流使得固体颗粒物与输入的颗粒物-流体悬浮体分离。具体地说，入口喷嘴的一个表面与旋流器容器的内表面相切并且入口喷嘴的另一个表面与基本上平坦的顶部平行并且随基本上平坦的顶部连续。入口外壳围绕入口喷嘴的长度设置并且构成为沿着入口喷嘴的长度从圆形外壳过渡成椭圆形外壳，并且与具有椭圆形外壳的容器连接。

说明书

相关申请的交叉参考

本申请要求2010年5月4日提交的序列号为No.12/773206的美国专利申请的权益，该文献通过参考并入这里。

技术领域

本发明的实施方案总体涉及旋流分离装置。更具体地说，本发明的实施方案涉及具有凹形或倒置上盖的高压旋流器。

背景技术

旋流分离涉及在由向心运动产生出的离心力下使得两种或多种相物质例如流体-颗粒物悬浮体分离，其中一种或多种固体颗粒物悬浮在载体流体中。旋流分离器是通常用于进行旋流分离过程的机械装置。在正常的旋流分离器操作中，通过切向入口将颗粒状悬浮体引入到旋流分离器的顶部中，在那里固体颗粒物趋向于聚集在分离器的内表面上并且其流体对应物夹杂到涡流中。固体颗粒物逐渐落入到分离器容器的底部以便进行进一步处理，同时流体对应物最终被抽吸通过中心定位的输出管。旋流分离方法的使用可以包括将相纯化、使得相浓缩、终止在混合的相之间的化学和物理相互作用的装置操作或其组合。

在受到高压和超高压的应用中，旋流分离操作通常通过压力旋流分离器来进行。压力旋流器通常包括抗压缩容器，该容器在几何和结构上设计成承受高压和高温。但是，尽管如此在低压环境中采用压力旋流器并非是闻所未闻的。实际上，可以制造几乎任意规格或尺寸的压力旋流器以适于任意特定的分离应用。

适用于压力旋流器的至少一个高压应用包括碳氢化合物气化过程，其中含碳材料例如煤、石油、原油、焦油、生物燃料或生物质（biomass）转变成“合成气”例如一氧化碳和氢。根据所使用的碳氢化合物和所采用的转换过程，在碳氢化合物气化过程中的压力可以为从大约50psi至1000psi的范围，并且甚至达大约7000psi的超高压。因为这些潜在的极端条件，所以如果要具有较长的使用寿命，则压力旋流器的结构设计是至关重要的问题。

压力旋流器的上盖和切向入口是在改善高压旋流分离过程的整体效率中的关键部件。在现有的应用中，上盖在入口附近已经设计成平坦表面，由此产生接头和边缘，这反映出在高压和高温下失效的明显倾向。现有的应用已经采用了半球形凸形上盖以利用弧形表面的结构完整性，以便承受高压。但是，凸形上盖设计在切向入口和上盖之间实质上产生出空隙区域，在那里涡流会受到明显干扰，由此导致分离过程的效率明显降低。

同样，围绕着切向入口的外壳往往设计有方形或矩形特征，这也趋向于在极端条件下失效或破裂。在采用连续圆形入口外壳的应用中，入口喷嘴往往需要偏移成与中心定位的涡流输出管直接对准或半直接对准，由此在输出管处直接喷射颗粒物，这会使得其表面过早腐蚀并且干扰涡流。为了解决这个问题，一些设计已经在输出管中形成弯曲部，由此使之与涡流偏心并且实际上降低了该过程的效率。

因此，压力旋流器需要一种改进的上盖设计和切向入口，它能够承受高压并且保持或提高过程效率。

附图说明

通过参照实施方案可对本发明进行更详细的说明，能够详细理解本发明的所述特征，附图中示出实施方案中的一些。但是，要指出的是，附图仅显示出本发明的典型实施方案，并且因此不会被认为是对其范围进行限制，对于本发明而言可以允许其它等同实施方案。

图1显示出根据本发明的一个或多个实施方案的示例性旋流器的侧视图。

图2显示出根据本发明的一个或多个实施方案的图1的示例性旋流器的顶视图。

图3为根据本发明一个或多个实施方案的如图1所示的上盖的一部分。

图4显示出根据本发明一个或多个实施方案的旋流器入口的侧视图。

图5显示出根据本发明一个或多个实施方案的沿着在图4所示的5-5线所取的图4的旋流器入口的端视图。

图6显示出根据本发明一个或多个实施方案的图4的旋流器入口沿着在图4中所示的6-6线所取的相对端视图(相对于在图5中所示的端视图)。

图7显示出根据本发明一个或多个实施方案的具有设置在其上的示例性防雨罩的一部分上盖。

图8显示出在图7中所示的盖帽部分的放大图。

具体实施方式

现在进行详细说明。每个从属权利要求限定了单独发明，这对于侵权目的被认知为包括与在这些权利要求中所规定的各种要素或限制的等同物。根据上下文，下面针对“发明”的所有参考在一些情况下都可以只是涉及某些具体实施方案。在其它情况下，要知道的是，对于“发明”的参考将涉及在这些权利要求中的一个或多个而不必是全部中所述的主题。下面将对每个发明进行更详细说明，包括具体实施方案、形式和实施例，但是这些发明不限于这些实施方案、形式或例子，它们包括用来使得本领域技术人员在将在该专利中的信息与公知信息和技术结合时能够制造和使用本发明。

图1和2显示出根据本发明一个或多个实施方案的示例性旋流器100。图1显示出示例性旋流器100的侧视图，而图2显示出其端视图。在示例性实施方案中，旋流器100可以构成为用在高压旋流分离应用中的压力旋流器。在至少一个实施方案中，一种高压旋流分离应用可以包括碳氢化合物气化处理。但是，示例性旋流器100可以在低压应用例如流体催化裂变组件中同样有效，其中催化剂颗粒与碳氢化合物蒸汽悬浮体旋流分离。

如所示一样，旋流器100可以包括旋流器容器102，其大体上限定了具有入口104和出口106的圆筒形结构，其中出口106包括构成密封地穿过上盖107的出口管105。在至少一个实施方案中，旋流器容器102可以构成为能够在旋流分离过程中承受高温和高压的压力容器。旋流器容器102可以包括容器外壳108、耐腐蚀层110和介于容器外壳108和耐腐蚀层110之间的隔热层112。在一个或多个实施方案中，容器外壳108通常可以限定旋流器容器102的外侧面，而耐腐蚀层110大体上限定了内圆柱面126。

容器外壳108可以由例如碳钢如低合金钢制成，但是也可以由具有与碳钢类似的强度特性的其它材料制成。耐腐蚀层110可以包括致密层耐火材料，被压制的或单体耐火材料，构成用来保护相邻的隔热层112并且提供可以收集固体颗粒物的表面126，如将在下面所述一样。在至少一个实施方案中，耐腐蚀层110可以由RESCO?RS-88VC耐火材料(Resco Products Inc.)制成，并且可以通过振动铸造技术安装。

隔热层112可以用作后备的耐火材料层，但是更重要的是可为旋流器容器102提供隔热材料。在至少一个实施方案中，隔热层112可以包括耐热陶瓷例如KAOLITE?2300 LI耐热陶瓷(Thermal Ceramics Inc.)，并且可以通过铸造技术安装。隔热层112可以构成为承受大约1800°F的高温。

如在图2中最清楚地所示，入口104可以切向设置在旋流器容器102上，并且包括入口外壳116、入口耐腐蚀层118和设置在入口外壳116和入口耐腐蚀层118之间的入口隔热层120。如将在下面更详细描述的一样，入口外壳116沿着其长度为大体圆柱形，但是沿着其长度逐渐变细或过渡成椭圆形或卵圆形管道，因其最终与容器外壳108相交。在至少一个实施方案中，入口104可以焊接在旋流器容器102上以确保压紧互连。在其它示例性实施方案中，入口104可以机械连接或以其它方式附接到旋流器容器102，同时保持耐压互连。

在示例性实施方案中，入口外壳116可以由碳钢例如低合金钢制成。与耐腐蚀层110类似，入口耐腐蚀层118可以包括致密层耐火材料，例如RESCO?RS-88VC耐火材料，并且可以通过本领域所公知的振动铸造技术安装。入口绝缘层120可以用作入口耐腐蚀层118的后备耐火材料层，并且还沿着入口104的长度提供隔热。在至少一个实施方案中，入口隔热层120可以包括耐热陶瓷材料，例如KAOLITE?2500 LI耐热陶瓷(Thermal Ceramics Inc.)，并且可以通过本领域公知的喷补技术安装。

入口喷嘴122可以被限定在入口104中并且沿入口104的长度朝着旋流器容器102大体上对中。在至少一个实施方案中，入口喷嘴122的形状可以为矩形，具有基本上切向于和连续于旋流器容器102的内圆柱面126的第一表面124。而且，入口喷嘴122可以具有与旋流器容器102的旋流器顶部130基本上平行并且连续的第二表面128，其中旋流器顶部130形成上盖107的一部分。因此，第一表面124和第二表面128每个都可以分别提供从入口喷嘴122到内圆柱面126和旋流器顶部130的用于任意输入的流体-颗粒物悬浮体的平滑过渡。如可以理解的，在不脱离本发明的范围的情况下，其他示例性实施方案可以包括基本上矩形的入口喷嘴122，其具有类似的第一表面124和第二表面128。

在示例性的操作中，包含有悬浮在流体中的一种或多种固体颗粒物的流体-颗粒物悬浮体可以切向穿过入口喷嘴122进入旋流器容器102并且压靠内圆柱面126圆周盘旋，由此形成固体内容物减少的中央定位的涡流。在至少一个实施方案中，可以将流体-颗粒物悬浮体在高温和高压下导入到旋流器容器102中。例如，在一个或多个实施方案中，输入的压力范围可以例如为从下限大约0psi、大约100psi、大约200psi、大约300psi或大约400psi到上限大约500psi、大约600psi、大约700psi、大约800psi、大约900psi或大约1000psi。另外，输入的压力范围可以为大约500psi至大约900psi，或者大约600psi至大约800psi，大约700psi到大约800psi。输入的温度范围可以为从下限大约100°F、大约200°F、大约300°F、大约400°F、大约500°F、大约600°F、大约800°F、大约900°F或大约1000°F至上限大约1100°F、大约1200°F、大约1300°F、大约1400°F、大约1500°F、大约1600°F、大约1700°F、大约1800°F、大约1900°F或大约2000°F。另外，输入的温度范围可以大约为1500°F至2000°F、大约1600°F至大约1900°F、大约1700°F至大约1800°F或者从大约1550°F至大约1850°F。在其他示例性实施方案中，在旋流器容器内的压力可以到达高于1000psi的超高压，例如2000psi、3000psi、4000psi、5000psi、6000psi以及甚至高达大约7000psi或更高。

一旦注入到旋流器容器102中，悬浮的固体颗粒物可以由离心力立即向外朝着内圆柱面126驱动。分离出的颗粒物迅速聚集在内圆柱面126处，并且逐渐向下穿过旋流器容器102以便下游处理。同时，降低的颗粒物加载的分离流体相最终可以形成中央定位的涡流。从该涡流，贫固体的流体例如气体或燃料可以通过出口管105向出口106离开。

现在参照图3，该图显示出如图1所示的上盖107的一部分。根据本发明的一个或多个实施方案，上盖107可以围绕着出口管105的一部分圆周设置并且与之密封接合。在至少一个实施方案中，上盖107可以包括如上所述的旋流器顶部130、凹形外壳302和设置在它们之间的顶部隔热层304。旋流器顶部130可以包括致密层耐火材料例如RESCO?RS-88VC耐火材料，并且构成为防止顶部隔热层304腐蚀。如上所述，旋流器顶部130还可以构成为提供与入口喷嘴122的第二表面128基本上平行且连续的平坦表面(参见图1和2)。

在一个或多个实施方案中，旋流器顶部130可以包括一系列饼状耐火砖，它们周向包围着出口管105并且例如通过舌槽或键接头相互连接。在至少一个实施方案中，旋流器顶部130的每个饼状耐火砖可以通过直接铸入到旋流器顶部130的砖中的一个或多个T形支柱306a、b、c与旋流器容器102连接并且支撑在旋流器容器102内部，并且附接或以其它方式连接在凹形外壳302上。在其他实施方案中，耐腐蚀层110的台肩308和连接或以其他方式附接在出口管105上的环310可以为旋流器顶部130耐火砖提供进一步的支撑。在至少一个实施方案中，环310可以围绕着出口管105周向设置并且由合金例如HAYNES? HR-120?(Haynes International)制成。

顶部隔热层304可以用作旋流器顶部130的后备耐火材料层，并且进一步提供了隔热材料。在至少一个实施方案中，顶部隔热层304可以包括耐热陶瓷材料例如KAOLITE?2300 LI耐热陶瓷材料，并且可以通过铸造技术安装。

在所示的实施方案中，凹形外壳302可以朝着旋流器容器102的内部向内凹入但是朝着压力凸起，如由ASME提供的Boiler and Pressure Vessel Code所例举的一样。凹形外壳302可以通过机械装置焊接或以其他方式附接在旋流器容器102的外壳108上。如可以理解的，采用朝着上盖107向内凹入的外壳302利用了弧形构件的弹性结构特性的优点以便用在高压应用中，而类似设置的非弧形构件(例如平坦构件)将不能承受高压并且会最终失效。而且，上盖107的凹形外壳302可以消除在入口104和旋流器顶部130之间形成的不需要并且过程无效的空隙。消除在入口104和旋流器顶部130之间的空隙不仅能够改善整个过程效率，而且还能够导致填充或密封孔隙所需的材料的明显成本节约。

现在参照图4-6，这些附图显示出旋流器容器102的入口104以及入口外壳116沿着入口104的长度的示例性结构过渡。如所示一样，入口104可以包括纵向轴线402，入口喷嘴122沿着该纵向轴线同心延伸到旋流器容器102中。在至少一个实施方案中，入口喷嘴122可以为矩形，但是其他实施方案可以包括方形入口喷嘴122或其他多边形形状而不会脱离本发明的范围。入口喷嘴122可以至少构成为将任意输入的流体-颗粒物悬浮体引导离开出口管105和/或围绕着出口管105引导，由此降低了在出口管105的表面上的过早腐蚀的可能。

另外，如上面参照图1和2所述一样，入口喷嘴122可以包括第一表面124和第二表面128，其中每个表面124、128分别提供了从入口喷嘴122到内圆柱面126和旋流器顶部130的平滑过渡。另外，入口喷嘴122可以包括第三表面404和第四表面406，其中第三表面404面对着第一表面124，并且第四表面406面对着第二表面128。在至少一个实施方案中，第三表面404可以构成为帮助将流体-颗粒物悬浮体的输入流引导离开中央设置的出口管105和/或围绕着出口管105引导。在一个或多个实施方案中，入口喷嘴122的由其表面124、128、404、406限定的形状，不论其是矩形、方形或任意其他形状，都能够沿着纵向轴线402的长度保持基本上不变。在至少一个实施方案中，表面124、128、404、406可以汇聚在一起以形成基本上圆形横截面形状。

图5显示出从远离旋流器容器102的入口104的第一端部沿着如图4所示的5-5线剖开的视图，并且显示出由入口耐腐蚀层118、入口隔热层120和入口外壳116包围的入口喷嘴122。图6显示出靠近旋流器容器102的入口104的第二端部沿着如图4所示的6-6线剖开的视图，其中入口104可以连接或以其他方式附接在旋流器容器102上。在一个或多个实施方案中，入口外壳116远离旋流器容器102在横截面上大体上为圆形(图5)，但是可沿着纵向轴线402的长度逐渐变化并且最终在旋流器容器102处或其附近过渡成大体上椭圆形或卵圆形横截面(图6)。入口外壳116从大体上为圆形形状到沿着纵向轴线402变化为大体上椭圆形可以提供锥形连接部分，其构成为平滑过渡到旋流器容器102的外表面中。

如可以理解的是，入口外壳116的锥形过渡可以证实相比于采用均匀圆柱形入口外壳的应用的优点，该应用难以平滑过渡至旋流器容器102以便附接而没有使纵向轴线402偏移到向下延伸的出口管105的路径中。在纵向轴线402中的这种偏移将导致输入颗粒物直接冲击在出口管105上，由此使得其表面过早腐蚀，或者需要将出口管105在旋流器容器102内重新定位以避免颗粒物接触。但是将中央设置的出口管105重新定位对涡流效率和整体过程效率会具有不利影响。

现在参照图7和8，这些附图显示出示例性的防雨罩700，它可以围绕着旋流器100的出口106周向设置(图1)以防止雨水累积在上盖107的外部上，在那里设有凹形外罩302。如图7所示，防雨罩700可以包括在沿着出口102的长度变化的位置处从出口106水平地设置的一系列盖帽部分702。虽然在这里显示出一定数量的盖帽部分702，但是要理解的是这仅仅是例子的方式，并不是用来限制随后给出的权利要求的范围。实际上，可以实施数量更多或更少的盖帽部分702以满足特定应用，而没有脱离本发明的范围。

在一个或多个实施方案中，每个盖帽部分702可以构成为相对于出口106在沿着其长度的给定位置处至少部分围绕着106延伸。在部分围绕着出口106延伸之后，盖帽部分702这里可以连接或以其他方式附接在另一个盖帽部分702上等，直到盖帽部分702在给定位置处完全围绕着出口106延伸。如图7所示，在每个高度处都可以采取相同的过程。在至少一个实施方案中，盖帽部分702可以包括两个半圆盖帽部分702，其绕着出口106在中间相互连接，由此在给定位置处形成了全圆盖帽部分702。在另一个示例性实施方案中，盖帽部分702可以包括单个圆形长度，其构成用来完全围绕着出口106的圆周延伸。

盖帽部分702所有都可以大体上由一系列支撑板704(只显示出一个)支撑，每个支撑板704围绕着出口106的外部周向设置。虽然在给定位置处只有一个盖帽部分702可以实际上与支撑板704连接，但是每个盖帽部分702由此可以通过在每个盖帽部分702之间的内部支撑结构支撑，如将在下面所述一样。在至少一个实施方案中，可以大约有连接或以其他方式附接在出口106的外部上的八个支撑板704。在一个或多个实施方案中，支撑板704可以焊接在出口106的外部上。在其他示范性实施方案中，支撑板704可以按照机械方式或以其他方式附接在出口106的外部上。

与支撑板704连接的还有精整帽（finish cap）706。与盖帽部分702的结构类似，精整帽706可以包括一个或多个部分，构成为至少部分围绕着出口106延伸，并且在那里连接或以其他方式安装在精整帽706的另一个部分上等，直到精整帽706完全围绕着出口106延伸。在至少一个实施方案中，精整帽706可以包括两个半圆形精整帽706部分，它们围绕着出口106在中间相互连接，由此形成了全圆精整帽706。在其他实施方案中，精整帽706可以包括完全围绕着出口106的圆周延伸的单个部分。

在示例性实施方案中，精整帽706还可以连接至一系列精整支撑板708(只是显示出一个)，其可以连接或以其他方式附接在容器外壳108上。在一个或多个实施方案中，精整支撑板708可以围绕着容器外壳108周向设置并且或者焊接或机械地或以其他方式附接在其上。在至少一个实施方案中，可以有大约十六个精整支撑板708，其围绕着容器外壳108的外部周向设置并且构成为给精整罩706提供支撑。

参照图8，该图显示出如图7所示的盖帽部分702的横截面的放大图。在示例性实施方案中，每个盖帽部分702可以由连接在远离出口106的端部处的刚性条带710支撑，并且还由连接在靠近出口106的端部处的刚性条带711支撑。如所示一样，刚性条带710、711可以弯曲或以其他方式成型以沿着大体上下降的方向连接至一个盖帽部分702的底部以及随后的盖帽部分702的顶部。至少一个刚性条带710可以连接至最底部的盖帽部分702的底部上，并且还连接至精整帽706的顶部(未示出)。

在示例性实施方案中，刚性条带710、711可以包括刚性材料薄带，例如不锈钢或铝带，但是也可以包括其他刚性材料带，例如塑料或其他金属。在至少一个实施方案中，刚性条带710、711可以大约为1英寸宽，但是其他示例性实施方案可以包括各种宽度的刚性带710、711以满足特定应用。在一个或多个实施方案中，多个刚性条带710、711可以围绕着出口106等距离间隔开，由此给几个盖帽部分702提供支撑。在至少一个实施方案中，刚性条带710、711可以围绕着出口106在盖帽部分702的周边处大约6英寸中心间隔开。如所示一样，刚性条带710、711可以通过机械装置例如自攻螺钉712连接至盖帽部分702和精整罩706。但是，本领域技术人员将理解的是，在不脱离本发明范围的情况下刚性条带710、711可以通过任意可用的装置连接。

在示例性实施方案中，也可以围绕着出口106设置部分筛网材料714以防止动物生命体例如鸟和其他外来物质进入到上盖107的外部，在那里设有凹形外壳302。在至少一个实施方案中，筛网材料714可以为金属丝网，但是也可以由其他材料例如塑料制成。如所示一样，筛网材料714可以设置在盖帽部分702和刚性条带711之间，并且通过连接装置例如自攻螺钉712连接或附接在其上。如图7所示，筛网材料714也可以与精整罩706和精整支撑板708的相互连接结合使用，由此提供了防护件，构成用来防止动物和其他外来物质向上穿过精整罩706的底部。

至少一些盖帽部分702可以包括唇部716，其构成为防止雨水流入到上盖107的外部。例如，唇部716可以构成为阻挡吹出的雨水，其相对于水平方向基本上90°角进入。盖帽部分702的其余部分可以相对于水平方向大体上倾斜设置，由此允许任意累积的沉淀物从防雨罩700排出。

在示例性的实施方案中，防雨罩700还可以为旋流器容器102提供散热效果。在示例性的操作中，从旋流器容器102沿着箭头A的方向(图8)散发出的热量可以通过层流作用通过在沿着箭头B的方向垂直相邻的盖帽部分702之间的开放空间散发出。为了以更有效的方式完成这个，盖帽部分702可以通过与出口106的垂直位置对应的逐渐更小的距离相互垂直偏置。换句话说，在出口106上的垂直位置越高，则在相邻盖帽部分702之间的出口越小。如可以理解的，逐渐更小的出口通道可以迫使更多的热量通过层流气流的作用从更低更大的出口通道散发出，由此允许更多的热量以很少的限制或没有限制地散发出。

已经采用了一组数字上限和一组数字下限对一些实施方案和特征进行了说明。但是应该理解的是，除非另有规定，可以考虑从任意下限到任意上限的范围。某些下限、上限和范围在下面的一个或多个权利要求中出现。所有数值是“大约”或“大致”的规定值，并且考虑了试验误差以及本领域普通技术人员所能想到的变化。

上面限定了各种术语。在权利要求中所使用的术语不是按照上面所限定的一样的程度上，对于所属领域的技术人员而言应该给出如在至少一篇印刷出版物或授权专利中所反映出的最宽泛的解释。另外，在本申请中引用的所有专利、试验程序和其他文献通过参考全部被结合至这样的程度，即这些公开不会与本申请不一致，并且针对其中允许这种结合的所有权限。

虽然前面涉及了本发明的各个实施方案，但是在不脱离本发明的基本范围的情况下可以想到本发明的其他和进一步的实施方案，并且其范围由下面的权利要求限定。