Изобретение относится к распылительному устройству для использования при высокопроизводительной грануляции псевдоожиженного слоя и к способу приготовления твердых гранул из жидкого материала в псевдоожиженном слое.
В частности, это изобретение относится к распылительным форсункам, используемым для подачи жидкости для выращивания гранул, путем разбрызгивания жидкости в псевдоожиженный слой твердых частиц, после чего распыляются микроскопические капли жидкости.
Процесс грануляции псевдоожиженного слоя, первоначально разработанный фирмой Nederlandse Stikstof Maatschappiji, далее именуемой NSM, осуществляется гранулятором HFT (Hydro Fertilizer Technology), имеющим большие преимущества над другими процессами для гранулирования удобряющих веществ, таких как мочевина и нитрат аммония, см., например, патент США № 5653781. Процесс грануляции HFT объединяет в себе очень высокую производительность с хорошими свойствами продукта и низким энергопотреблением. Для этого, очень важен способ распыления жидкости, подлежащей грануляции, в псевдоожиженный слой. Конструкция форсунок, распыляющих жидкость, влияет на пропускную способность жидкости и, таким образом, на пропускную способность гранулятора, а также давление и объемный расход газа распыления, необходимый для поддержания струй с непрерывными и однородными аэрозолями без агломерации и нежелательным нарушением псевдоожиженного слоя. Наконец, конструкция форсунки также влияет на энергопотребление гранулятора посредством ее характеристик расхода и давления.
Распылительные устройства (форсунки), отвечающие уровню техники, в общем случае, являются распылительными форсунками сдвоенного типа, где газ, например воздух, используется для распыления жидкости, подлежащей грануляции. В принципе, газ и жидкость могут поступать через форсунку в одну единственную трубку или газ и жидкость могут поступать отдельно через, например, концентрические трубки, так что смешивание происходит только в или после отверстия форсунки. Принципиальными целями являются эффективное смешивание жидкости и газа; однородный и малый размер частиц жидкости и подходящая геометрия результирующего аэрозоля или струи, так что распыленная жидкость (микроскопические капли) непрерывно и однородно оседает на гранулах, сформированных в псевдоожиженном слое.
Большинство имеющихся конструкций форсунки не предназначены для использования в высокопроизводительной грануляции. Форсунки для грануляции должны работать с концентрированными растворами (до 99%) или расплавами без засорения или других проблем, нарушающих процесс производства. В то же время, имеются заметные различия между разными конструкциями в отношении энергопотребления процесса, производительности (выхода продукта) и качества сформированных гранул. Существующие и более ранние типы форсунок должны работать при сравнительно высоких уровнях газа распыления, при повышенных давлениях, что опять же приводит к высокому энергопотреблению.
Форсунки, используемые в процессе грануляции, описаны, например, в патенте США № 4701353. Они имеют центральный канал, по которому подается жидкий материал, и канал, концентричный с ним, обеспечивающий мощный поток газа. Жидкость проходит через камеру вращения, перед смешиванием с потоком газа. Форсунка также может иметь концентрический внешний канал для обеспечения менее энергетически насыщенного потока газа. Однако эта конструкция форсунки имеет ограничения в пропускной способности жидкости и в энергии, необходимой для распыления или разбрызгивания жидкости на подходящие капли и, в то же время, ожижения капель в струю надлежащей формы, где осуществляется рост частиц. Камера вращения, описанная в US 4701353, служит только для придания жидкости вихревого движения, тогда как смесительная камера настоящего устройства, описанная ниже, обеспечивает тщательное смешивание газа распыления и жидкости, пока аэрозоль не выйдет из выходного отверстия форсунки. Таким образом, кинетическая энергия газа и жидкости используется оптимальным образом. Устройство и способ, описанные здесь, имеют высокую производительность грануляции и низкое энергопотребление; в несколько раз лучшие, чем значения, упомянутые в патенте США № 4701353. В случаях, когда на форсунке установлена вторая концентрическая газовая трубка, наподобие описанной в п.5 US 4701353, такая конструкция без необходимости усложняет устройство по сравнению с устройством, описанным ниже, поскольку заявленное устройство и способ предусматривают использование части подаваемого газа ожижения для дополнительной струи газа, формируемой вокруг форсунки.
В международной патентной заявке WO 02083320 также описана форсунка для использования в грануляторах псевдоожиженного слоя. Она имеет центральный подвод для жидкости, после которого жидкость проходит через вихревое устройство во внутреннюю смесительную камеру. Газ поступает в смесительную камеру через множество отверстий в стенке в нижней части смесительной камеры. Однако в описании не приведены примеры и нет фигур, относящихся к практическому применению описанной конструкции, тогда как заявленные устройство и способ, описанные ниже, имеют такие преимущества, как высокая производительность, высокое качество продукции и низкое энергопотребление, по сравнению с любыми другими ранее описанными техническими решениями.
Задачей изобретения является обеспечение способа грануляции со сниженным энергопотреблением и повышенной производительностью грануляции, оба фактора снижают переменные издержки на единицу продукции на этапе грануляции. Другой задачей является получение гранул более высокого качества.
Для решения этих задач предусмотрены устройство и способ, описанные ниже, определяемые и характеризуемые прилагаемой формулой изобретения.
Таким образом, изобретение относится к распылительному устройству для грануляции расплава в псевдоожиженном слое, содержащему форсунку с каналом подачи для жидкости, подлежащей распылению, где жидкость проходит через средство эмульгирования и во внутреннюю смесительную камеру для газа и жидкости до подачи в псевдоожиженный слой. Форсунка имеет отдельный канал для газа распыления, установленный концентрически вокруг центрального канала подачи жидкости для жидкости, подлежащей распылению или разбрызгиванию. Смесительная камера окружает зону выпуска распыленной жидкости из средства эмульгирования и газа, обеспечивая эффективное смешивание высокоскоростного газа распыления и жидкости, и имеет внешний газовый колпак, где газ ожижения канализируется в струю над распылительным устройством. Смесительная камера может быть цилиндрической с верхней конической частью или конической. Отношение длина/диаметр L/D смесительной камеры должно быть в пределах от 0,5 до 5 и отношения l/d - в пределах от 0,1 до 2. Предпочтительно, отношение L/D смесительной камеры находится в пределах от 1 до 4 и отношения l/d - в пределах от 0,25 до 1.
Газовый колпак имеет коническую форму и подогнан к перфорированной нижней пластине концентрически вокруг форсунки. Газовый колпак имеет высоту от 10 до 200 мм над нижней пластиной (3), предпочтительно от 20 до 100 мм. Диаметр верхнего отверстия газового колпака равен от 20 до 150 мм и диаметр нижнего отверстия равен от 30 до 300 мм, предпочтительно от 35 до 100 мм и от 40 до 200 мм соответственно.
Изобретение также относится к способу приготовления твердых гранул в псевдоожиженном слое, при котором жидкий материал распыляется путем подачи газа распыления и разбрызгивается в псевдоожиженный слой через распылительные форсунки, установленные вертикально, и псевдоожиженный слой поддерживается газом ожижения, продуваемым вверх через перфорированную пластину под слоем. Часть газа ожижения должна подаваться в виде струи через газовый колпак, окружающий форсунку для создания струи газа над распылительным устройством.
Изобретение также относится к способу приготовления твердых гранул из жидкого материала в псевдоожиженном слое с использованием форсунки с каналом подачи для жидкости, подлежащей распылению. Жидкость проходит через средство эмульгирования во внутреннюю смесительную камеру для газа и жидкости до разбрызгивания распыленной жидкости вверх в псевдоожиженный слой. Газ распыления проходит через канал, концентрический каналу подачи жидкости в смесительную камеру, окружающую выпускные отверстия для жидкости и газа, обеспечивая эффективное смешивание высокоскоростного газа распыления и жидкости. Часть газа ожижения подается в виде струи через газовый колпак, окружающий форсунку, для создания струи газа над распылительным устройством.
Распылительное устройство можно использовать для создания гранул мочевины и других продуктов удобрения, например нитрата аммония-кальция, нитрата аммония, сульфата аммония и их смесей.
Изобретение далее будет описано со ссылкой на прилагаемые чертежи, фиг.1-4, на которых:
на фиг.1 показано принципиальное различие между конструкцией согласно уровню техники и заявленной конструкцией форсунки,
на фиг.2 изображена конструкция газового колпака и концентрическое положение газового колпака снаружи форсунки,
на фиг.3 изображена конструкция форсунки с цилиндрической смесительной камерой,
на фиг.4 изображена конструкция форсунки с конической смесительной камерой.
В процессе грануляции, жидкость разбрызгивается в псевдоожиженный слой через распылительные форсунки, установленные вертикально и разбрызгивающие распыленную жидкость вверх в псевдоожиженный слой. Псевдоожиженный слой поддерживается газом ожижения, продуваемого вверх через перфорированную пластину под слоем. Форсунки размещены в отверстиях этой пластины, причем их отверстия находятся на определенном расстоянии, например 5-100 мм, над пластиной.
Конструкция форсунок, в которых распыляется жидкость, влияет на пропускную способность жидкости и, таким образом, пропускную способность гранулятора. Она также влияет на давление и объемный расход газа распыления, необходимый для поддержания струй с непрерывными и однородными аэрозолями без агломерации и нежелательным нарушением псевдоожиженного слоя. Наконец, конструкция форсунки также влияет на энергопотребление гранулятора посредством ее характеристик расхода и давления. Это непосредственно влияет на переменные издержки на единицу продукции для операции. Форсунка должна распылять жидкость на капли нужного размера, приблизительно 50-100 микрон для однофазного расплава. В то же время, форсунка должна обеспечивать испарение некоторого количества воды, без создания преждевременного отвердевания. Она также должна обеспечивать распределение и подачу капли в слой и одновременно внесение вклада в перемещение вокруг форсунки и массообмен в слое.
Новизна изобретения состоит в использовании низкоэнергетичного газа ожижения для замены большой части необходимого газа распыления высокого давления. Это достигается за счет проведения по каналу газа ожижения через газовый колпак особой конструкции, окружающий форсунку, и, таким образом, создания струи газа. Смесительная камера, установленная выше по течению относительно отверстия форсунки, улучшает внутреннее смешивание газа и жидкости в процессе распыления в форсунке.
Разделение газа на две специализированные функции позволяет свободно разделять четыре основные функции при распылении и перемещении.
Распыление
1) Распыление производится с минимальным энергопотреблением, достаточным для создания капель и подачи их в слой.
2) Нужную скорость испарения можно регулировать в соответствии со свойствами расплава, а именно содержанием воды, теплоты кристаллизации, свойств переохлажденного состояния и кривой кристаллизации.
Удар
3) Транспортировка капель и форма струи подгоняется к геометрическим размерам слоя, причем основную роль играет глубина слоя.
4) Удар также регулируется для обеспечения массопередачи затравочных частиц в область струи.
Настоящее изобретение позволяет поддерживать и даже улучшать характеристики качества гранул и производительность грануляции, и одновременно значительно снижать энергопотребление по сравнению с форсунками, которые до сих пор использовались для грануляции. Снижение энергопотребления достигается за счет того, что газ распыления можно использовать при более низком давлении, без увеличения общего количества газа ожижения. Эта конструкция также обеспечивает высокую пропускную способность расплава и хорошие физические характеристики гранул.
На фиг.1 показано принципиальное различие между конструкцией согласно уровню техники, и конструкции согласно изобретению. В конструкции согласно уровню техники, (случай I) смешивание жидкости (L) и газа распыления (G1) происходит в псевдоожиженном слое посредством внешнего удара газа (G1) по жидкости (L). В заявленной конструкции форсунки (случай II) внешнее смешивание газа (G2) и жидкости (L) происходит в смесительной камере. В то же время, часть газа распыления заменяется газом ожижения (G3), подаваемым в струю в псевдоожиженном слое посредством газового колпака, установленного концентрически снаружи форсунки. Таким образом, часть газа распыления заменяется газом ожижения (G3), подаваемым через газовый колпак. Необходимое количество газа распыления значительно снижено по сравнению с известной конструкцией форсунки, что будет проиллюстрировано на примерах (от 80-250 кг/ч до 32 кг/ч).
На фиг.2A показана конструкция газового колпака и положение газового колпака концентрически снаружи форсунки. На фиг.2B показано горизонтальное сечение по A-A. Газовый колпак 1 конической формы установлен концентрически вокруг форсунки 2 перфорированной сетчатой пластине 3 и открыт для газа ожижения. Верхний диаметр устройства газового колпака меньше нижнего диаметра, и имеется зазор для прохода газа между наружной стенкой форсунки и газовым колпаком. Количество газа, проходящего через газовый колпак, должно быть достаточным для создания устойчивой струи в слой гранулятора. Скорость газа, проходящего через газовый колпак, определяется горизонтальной площадью между форсункой и газовым колпаком, верхним диаметром отверстия газового колпака и диаметром нижнего впускного отверстия газового колпака. Массовый расход газа ожижения на квадратный метр горизонтальной площади слоя почти не зависит от известных конструкций.
На фиг.3 показана новая конструкция форсунки с цилиндрической смесительной камерой. Отношение длина/диаметр (L/D) смесительной камеры может варьироваться, как указано на чертеже. На фигуре не показаны линии подачи, перфорированная нижняя пластина гранулятора и конический колпак, установленный концентрично с форсункой на нижней пластине. Форсунка 2 состоит из центрального канала 4, который одним концом A соединен с линией подачи жидкости, не показанной на чертеже, и другим концом B присоединен к смесительной камере 5. В положении между отверстиями A и B вихревое устройство 6 установлено внутри для приведения питания через A в спиральное движение в точке B. Кроме того, распылительное устройство снабжено каналом 7, размещенным концентрично вокруг центрального канала 4 подачи жидкости. Канал 7 одним своим концом присоединен к линии подачи газа, не показанной на чертеже, а на другом своем конце снабжен 5-15 круглыми отверстиями 8, проходящими в смесительную камеру 5. В смесительную камеру одновременно поступают два непрерывных потока: жидкость для выращивания гранул через отверстия B и поток газа 8. В этой смесительной камере может генерироваться газ в жидкой эмульсии. Расширение через отверстие 9 форсунки превращает эмульсию в капли диаметром 50-100 мкм, которые пригодны для выращивания гранул в псевдоожиженном слое.
На фиг.4 показана форсунка с конической смесительной камерой 5. Другие элементы форсунки такие же, как показано на фиг.3.
Из литературы (Lefebvre A.H.: Atomization and sprays, Taylor & Francis, 1989, p-214-215 an p-232, (ISBN:0-89116-603-3), следует, что l/d (длина/ диаметр) форсунки и отношение L/D (длина/ диаметр) смесительной камеры являются важными факторами для формирования капель жидкости. На основании этих предположений и наших собственных исследований, отношение L/D должно находиться в пределах от 0,5 до 5, отношение l/d - в пределах от 0,1 до 2, чтобы эффективно получать капли со средним диаметром менее 100 мкм. Предпочтительно, L/D должно находиться в пределах от 1 до 4 и l/d - от 0,25 до 1.
Для форсунок настоящей конструкции также можно вычислить энергетический КПД Для этого используются стандартные и общеизвестные уравнения, см. Perry: Chemical Engineers' Handbook (глава «Термодинамика»).
W = ΦM · Cp · ΔT [кДж/с],
где ΔT = T2 - T1 и T2 = T1 · (P2/P1)(k-1/k) [K];
ΦM - массовый расход расплава;
Cp - удельная теплоемкость газа [kJ/K.kg];
T1 - внешняя температура;
T2 - температура после вентилятора;
P1 - давление газа до вентилятора;
P2 - давление газа после вентилятора;
k - газовая постоянная.
Для расчетов, делаем следующие предположения:
Адиабатические условия.
Температура внешнего воздуха: 25°C.
Потеря давления: 5000 Па.
КПД вентилятора: 0,80.
Согласно расчетам можно снизить энергопотребление подачи воздуха ожижения и распыления примерно на 50%. Снижение энергии, фактически достигаемое с использованием заявленного распылительного устройства, показано ниже в примере 1.
Параметры влагосодержания, плотности и прочности на раздавливание гранул мочевины, производимых с помощью форсунки этой конструкции, имеют сравнимые или лучшие значения по сравнению с гранулами, создаваемыми с помощью известных конструкций. Это проиллюстрировано в нижеприведенных примерах.
Было экспериментально обнаружено, что при использовании форсунки с внутренней смесительной камерой газа/жидкости вместо форсунки с внешним смешиванием газа/жидкости, можно производить гранулы с более высокими химическими и физическими свойствами, при меньшем энергопотреблении.
В блоках грануляции, особенно для мочевины и нитрата аммония, также было важно добиться высокой производительности, во избежание необходимости иметь более одного блока грануляции на блок синтеза, в то же время поддерживая переменные издержки на единицу продукции.
Изобретение будет далее проиллюстрировано на следующих примерах, описывающих грануляцию мочевины. Примеры демонстрируют значения, полученные для параметров качества продукта, а также энергопотребление для ряда форсунок на основании заявленной конструкции.
Примеры выполнялись при указанных ниже условиях.
Гранулятор был снабжен экспериментальной форсункой в центре. Конический газовый колпак имел нижний диаметр 105 мм и верхний диаметр 50 мм. Он был смонтирован на перфорированной сетчатой пластине с отверстиями, занимающими 4,5% ее площади, содержащей отверстия 2 мм в диаметре. Количество воздуха, проходящего через этот газовый колпак, составляло 248 N м3/ч при давлении подачи, равной давлению газа (воздуха) ожижения около 800 мм вод. ст. и температуре 40°C. Грануляцию производили при нормальных стандартных условиях грануляции мочевины с расплавом 96%-ной мочевины, содержащим 0,55 вес.% формальдегида, при температуре около 132°C. установка снабжалась газом ожижения, необходимым для поддержания слоя в движении, а также для создания струи через «отверстие струи» газового колпака. Газ распыления с расходом 32 кг/ч и температурой 142°C подавали совместно с расплавом в смесительную камеру форсунки.
Параметры качества продукта, например влагосодержание, плотность, прочность на раздавливание гранул диаметром 2,5-4,5 мм проанализировали для каждого испытания форсунки. В ходе испытания использовали разные расходы жидкости; l/h, равные 250, 350 и 450. Каждое испытание грануляции производили, по меньшей мере, дважды.
Можно также создавать нитратные продукты с 33,5% N и 27% N с помощью такого рода форсунки.
Пример 1. Форсунка с цилиндрической смесительной камерой L/D=2,75
В этом примере было использовано распылительное устройство типа H5, показанное на фиг.3, с отношением L/D 2,75 смесительной камеры. Результаты сравнили с экспериментами, произведенными в форсунках конструкции согласно уровню техники.
Рабочие параметры
Полученные свойства продукта, мочевина
Потребляемая мощность
Потребляемая мощность вычислялась, как описано в описании. Воздух использовался в качестве газа ожижения и распыления, поэтому k=1,40 и Cp=1,04 с поправкой на влажность воздуха.
Пример 2. Форсунка с цилиндрической смесительной камерой L/D=1
Принцип работы и конструкция, за исключением длины смесительной камеры, такие же, как описаны в примере 1. В этой конструкции, длина смесительной камеры равна 20 мм вместо 55 мм, так что отношение L/D изменилось с 2,75 до 1. Результаты сравнивались с экспериментами, проводимыми в форсунках конструкции, отвечающей уровню техники.
Рабочие параметры
Полученные свойства продукта, мочевина
Пример 3. Форсунка с конической смесительной камерой
В этом примере было использовано распылительное устройство с конической смесительной камерой, показанное на фиг.4. Отношение L/D форсунки составляло 2,75. Результаты сравнивались с экспериментами, проводимыми в форсунках конструкции, отвечающей уровню техники.
Эта форсунка со смесительной камерой конической формы также имела 12 отверстий для впуска газа (D), которые размещаются под углом к направлению вращения вихря жидкости. Ее конструкция обеспечивает вращение газа распыления в противоположном направлении по отношению к жидкости, чтобы обеспечивать максимальный удар газа в поток жидкости.
Рабочие параметры
Полученные свойства продукта, мочевина
Благодаря использованию форсунки конструкции в процессе грануляции, можно создавать гранулы при более низком энергопотреблении, с лучшим качеством и с более высокой производительностью.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| СПОСОБ И ФОРСУНКА ДЛЯ РАСПЫЛЕНИЯ ЖИДКОСТИ | 2009 |
|
RU2497597C2 |
| СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МАТЕРИАЛА В ВИДЕ ЧАСТИЦ НА ОСНОВЕ МОЧЕВИНЫ, СОДЕРЖАЩЕГО ЭЛЕМЕНТАРНУЮ СЕРУ | 2016 |
|
RU2813870C2 |
| СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МАТЕРИАЛА В ВИДЕ ЧАСТИЦ НА ОСНОВЕ МОЧЕВИНЫ, СОДЕРЖАЩЕГО ЭЛЕМЕНТАРНУЮ СЕРУ | 2016 |
|
RU2735097C2 |
| ДВУХКОМПОНЕНТНАЯ ФОРСУНКА ДЛЯ РАСПЫЛЕНИЯ ЖИДКОСТИ | 1995 |
|
RU2156663C2 |
| УСТАНОВКА ДЛЯ РАСПЫЛИТЕЛЬНОЙ СУШКИ И ГРАНУЛЯЦИИ ДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ ТИПА ИМПУЛЬС 6 | 2007 |
|
RU2343385C1 |
| УСТАНОВКА ДЛЯ РАСПЫЛИТЕЛЬНОЙ СУШКИ И ГРАНУЛЯЦИИ ДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ | 2007 |
|
RU2343382C1 |
| УСТАНОВКА ДЛЯ РАСПЫЛИТЕЛЬНОЙ СУШКИ И ГРАНУЛЯЦИИ ДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ | 2007 |
|
RU2343384C1 |
| СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГРАНУЛИРОВАННОГО ЦИАНИДА ЩЕЛОЧНОГО МЕТАЛЛА И ПОЛУЧЕННЫЙ ЭТИМ СПОСОБОМ ГРАНУЛЯТ ЦИАНИДА ЩЕЛОЧНОГО МЕТАЛЛА | 1998 |
|
RU2201895C2 |
| АППАРАТ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ГРАНУЛИРОВАННЫХ ПРОДУКТОВ | 2009 |
|
RU2410153C1 |
| УСТАНОВКА ДЛЯ РАСПЫЛИТЕЛЬНОЙ СУШКИ И ГРАНУЛЯЦИИ ДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ | 2017 |
|
RU2647928C1 |
Изобретение относится к распылительному устройству для грануляции расплава в псевдоожиженном слое. Устройство содержит форсунку с каналом подачи для жидкости, подлежащей распылению, при этом жидкость проходит через средство эмульгирования во внутреннюю смесительную камеру для газа и жидкости, до подачи в псевдоожиженный слой. Форсунка имеет отдельный канал для газа распыления, установленный концентрически вокруг центрального канала подачи жидкости для жидкости, подлежащей распылению или разбрызгиванию. Смесительная камера окружает зону выпуска распыленной жидкости из средства эмульгирования и газа, обеспечивая эффективное смешивание высокоскоростного газа распыления и жидкости, и имеет внешний газовый колпак, где газ ожижения подается в виде струи над распылительным устройством. Изобретение позволяет снизить энергопотребление, повысить производительность грануляции и получить гранулы более высокого качества. 4 н. и 7 з.п. ф-лы, 4 ил., 7 табл.
| US 4701353 А1, 20.10.1987 | |||
| Форсунка для распыления жидкости | 1978 |
|
SU959614A3 |
| Способ гранулирования азотистых соединений | 1975 |
|
SU873867A3 |
| ДВУХКОМПОНЕНТНАЯ ФОРСУНКА ДЛЯ РАСПЫЛЕНИЯ ЖИДКОСТИ | 1995 |
|
RU2156663C2 |
| US 5653781 А1, 05.08.1997. | |||
