СПОСОБ И АППАРАТ ДЛЯ ПСЕВДООЖИЖЕНИЯ ПСЕВДООЖИЖАЕМОГО СЛОЯ Российский патент 2011 года по МПК B01J8/18 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к способу псевдоожижения псевдоожижаемого слоя, который образует псевдоожижаемый слой из твердых частиц, в емкости, имеющей днище, в результате проведения подачи псевдоожижающего газа в псевдоожижаемый слой, по меньшей мере, через одну трубу и к аппарату, предназначенному для реализации данного способа.

Уровень техники

До настоящего времени псевдоожижаемые слои подвергали псевдоожижению в результате проведения подачи газа снизу через открытые вертикальные отверстия, форсуночные трубы с боковыми отверстиями, имеющими или не имеющими колпачки или пористые пластины (смотрите работу «Handbook of Fluidization and Fluid-Particle Systems», Chapter 6: Gas Distributor and Plenum Design in Fluidized Beds pages 155-176, Ed. W.C. Yang, Dekker, New York, 2003).

В случае форсунок колпачкового типа равномерного псевдоожижения добиваются благодаря тому, что каждая колпачковая форсунка имеет конфигурацию, характеризующуюся высокими потерями давления благодаря небольшим площадям поперечного сечения потока. Высокие скорости и множество отклонений направления газового потока затрудняют обратное проникновение твердых частиц в систему газоподачи. Тем не менее, если система газоподачи будет выключена, то тогда остаточный уровень псевдоожижения зачастую станет причиной проникновения твердых частиц в колпачок, и, когда аппарат включат для работы еще раз, в общем случае данные твердые частицы снова выдуваться не будут, что даже может привести и к закупориванию колпачка. После этого должны быть проведены мероприятию по опорожнению, которые представляют собой проблему с точки зрения охраны труда и техники безопасности в случае способов, реализуемых при высокой температуре.

Пористые пластины или ткани позволяют добиваться получения очень высокого уровня однородности псевдоожижения, но характеризуются недостатком, заключающимся в том, что пористая среда становится закупоренной с течением времени и не может быть полностью прочищена снова, или в том, что потери давления в пористой среде с течением времени уменьшаются в результате эрозии. Как и в случае распределителя, оборудованного колпачками или форсунками, необходимо предусмотреть возможность опорожнения пространства, через которое протекает газ, по меньшей мере, на случай разрыва ткани. Кроме того, температура использования пористых пластин и, в частности, тканей ограничена.

Из документа DE 3340099 известно введение газа в псевдоожижаемый слой, газ сбоку и снизу вверх. Однако, в частности, в данном случае проникновение твердых частиц происходит в повышенной степени.

В альтернативном варианте газ в псевдоожижаемый слой можно подавать, например, через трубы сбоку (DE 4007835 С2). Для достижения равномерного псевдоожижения требуется наличие множества труб, концы которых равномерно распределены по поверхности поперечного сечения. В дополнение к этому необходимо обеспечить прохождение через каждую трубу газа приблизительно с одним и тем же объемным расходом. Таким образом, этого добиваются благодаря конфигурации каждой трубы, характеризующейся потерями давления, которые обеспечивают равномерное распределение газа. В случае форсунок, которые до настоящего времени использовали для этой цели, получения потерь давления добиваются в результате значительного сужения на конце форсунки. Данному варианту свойственен недостаток, заключающийся в высокой скорости потока при прямом контакте с твердыми частицами, что приводит к возникновению турбулентности, вызывает эрозию на конце форсунки и подвергает частицы в псевдоожижаемом слое воздействию механических напряжений.

Также известно введение дополнительной среды при помощи газового потока, сформированного струйной форсункой (DE 10237124). Однако в данном случае форсунка не используется для псевдоожижения.

Раскрытие изобретения

Цель изобретения заключается в обеспечении равномерного псевдоожижения псевдоожижаемого слоя при отсутствии возможности закупоривания частей системы газоподачи твердыми частицами. В дополнение к этому предполагается предотвращение эрозии и/или фрагментации частиц.

Изобретение позволят добиться достижения данной цели по существу при использовании способа, характеризующегося признаками из пункта 1 формулы изобретения, и аппарата, характеризующегося признаками из пункта 11 формулы изобретения.

Выгодные варианты реализации изобретения станут очевидны после ознакомления с зависимыми пунктами формулы изобретения.

Новая форма псевдоожижения отличается тем, что газовый поток непрерывно поступает сверху вниз из распределителя над псевдоожижаемым слоем и выходит из трубы в окрестности днища емкости. В соответствии с предпочтительной конфигурацией изобретения труба не имеет каких-либо сужений в направлении течения ниже максимальной высоты, вплоть до которой твердые частицы могли в трубе подниматься, то есть труба характеризуется поперечным сечением, которое остается постоянным или расширяется книзу ниже данной высоты.

Потери давления, требуемые для формирования более однородного псевдоожижения, в каждой трубе возникают вследствие наличия гидравлического сопротивления (например, диафрагмы), которое, однако, в любом случае находится в той части индивидуальной трубы, которая остается свободной от твердых частиц. Предпочитается, чтобы гидравлическое сопротивление располагалось бы вне пространства псевдоожижения, так чтобы к нему был бы обеспечен свободный доступ. В соответствии с изобретением потери давления в гидравлическом сопротивлении должны составлять величину в диапазоне от 10 до 1500 мбар, предпочтительно от 20 до 200 мбар.

Скорость газа на выходе из нижнего конца трубы зависит от чувствительности твердых частиц в псевдоожижаемом слое к внешним воздействиям и от величины допустимого напряжения. Если они будут чувствительными к внешним воздействиям, например, хрупкими, твердыми частицами, и фрагментация будет нежелательна, то тогда скорость необходимо будет выбрать по возможности более низкой. В общем случае скорость на выходе должна находиться в диапазоне от 2 до 50 м/сек, предпочтительно от 5 до 30 м/сек.

Для того чтобы во всех трубах сформировать абсолютно равномерные газовые потоки, перепад давления на диафрагме можно установить равным более 2 к 1, то есть, величина абсолютного давления по ходу потока до диафрагмы, по меньшей мере, в два раза будет превышать величину абсолютного давления по ходу потока после диафрагмы. Как следствие, в наиболее узком поперечном сечении диафрагмы возникает течение со звуковой скоростью. Значение течения со звуковой скоростью заключается в том, что объемный расход в трубе точно определяется вне зависимости от рабочих флуктуаций и скорости на выходе из нижнего конца трубы. Объемные расходы в трубах необязательно также можно определить и таким образом, чтобы даже добиться получения желательного определенного неравномерного распределения.

Трубы можно вводить вертикально или под углом к горизонтали. В данном случае угол равен более чем 1° по отношению к горизонтали, предпочтительно более чем 30° по отношению к горизонтали. Это делает возможным предотвращение закупоривания труб, или же те твердые частицы, которые проникнут в них, будут легко выдуваться обратно, когда начнут проводить псевдоожижение.

Вне зависимости от их угла введения трубы по концу предпочтительно имеют горизонтальный обрез для того, чтобы сделать возможным выход потока газа насколько возможно ниже, то есть близко к основанию псевдоожижаемого слоя, в общем случае на расстоянии, меньшем 250 мм, предпочтительно на расстоянии, меньшем 150 мм, от него.

Для того чтобы дополнительно улучшить течение на выходе из трубы, конец трубы можно снабдить «отводящим приливом» на верхней стороне, что уменьшает эрозию трубы, вызываемую потоком. Для уменьшения износа труб можно выбрать износостойкий материал, например нержавеющую сталь. Кроме того, износ конца трубы можно предотвратить при помощи навариваемой накладки.

Данная новая конструкция позволяет иметь простую и недорогую форму газораспределителя для псевдоожижаемого слоя. Кроме того, конструкция предотвращает проваливание твердых частиц через распределитель.

Для того чтобы облегчить оптимизацию рабочих эксплуатационных характеристик псевдоожижаемого слоя, гидравлическому сопротивлению можно придать конфигурацию сменной апертурной диафрагмы между двумя фланцами. Для еще большего увеличения легкости проведения технического обслуживания дополнительно можно сами форсуночные трубы вводить в емкость через соединительные элементы с фланцами, что упростит их замену.

Способ, соответствующий изобретению, является подходящим для использования во всех псевдоожижаемых слоях, но, в особенности, в тех из них, в которых очень легко может происходить то, что называется проваливание через форсунку, например, если частицы будут очень маленькими или будут оставаться в состоянии псевдоожижения в течение очень продолжительного периода времени после того, как проведение псевдоожижения будет прекращено.

Краткое описание чертежей

Изобретение более подробно разъясняется далее на основе примеров вариантов реализации и со ссылкой на чертежи, в которых все признаки, описанные и/или проиллюстрированные на чертежах, составляют сущность предмета изобретения вне зависимости от того, каким образом они объединены в формуле изобретения, или от того, каким образом будет даваться ссылка на формулу изобретения. На чертеже:

фигура 1 демонстрирует аппарат, соответствующий изобретению и предназначенный для псевдоожижения псевдоожижаемого слоя,

фигуры 2а, b демонстрируют альтернативные конфигурации концов труб, отверстия которых раскрыты выше днища емкости, и

фигура 3 демонстрирует еще один вариант реализации аппарата, соответствующего изобретению.

Осуществление изобретения

Аппарат, предназначенный для псевдоожижения псевдоожижаемого слоя, который схематически изображен на фигуре 1, включает емкость 1, в которую через линию подачи 2 вводят твердые частицы. Твердые частицы в емкости 1, например, подвергают тепловой обработке в псевдоожижаемом слое 3, а после этого еще раз выпускают из емкости 1 через линию выпуска 4. Полученный отходящий газ выпускают через линию отходящего газа 5.

Псевдоожижаемый слой 3 подвергают псевдоожижению в результате подачи псевдоожижающего газа, состав и свойства, в частности, температура которого зависят от желательной обработки твердых частиц. Псевдоожижающий газ подают через систему линий 14, которая распределяет псевдоожижающий газ при помощи газораспределителя (коллектора) 6 между множеством труб 7, распределенных, например, в форме круга. В варианте реализации, проиллюстрированном на фигуре 1, трубы 7 проходят по существу вертикально сверху вниз в псевдоожижаемый слой, образованный псевдоожижаемым слоем 3, и их соответствующие выходные отверстия 8, которые имеют горизонтальный обрез, раскрыты в пседоожижаемом слое 3 непосредственно над днищем 9 емкости 1. Расстояние между выходными отверстиями 8 и днищем емкости 9 составляет, например, 100 или 200 мм.

В трубах 7 в каждом случае в качестве гидравлического сопротивления предусмотрено наличие апертурной диафрагмы 10 над областью, которая может быть достигнута твердыми частицами псевдоожижаемого слоя 3. Апертурную диафрагму 10, например, закрепляют между двумя фланцами 11 таким образом, чтобы ее можно было бы легко заменить для того, чтобы оптимизировать рабочие характеристики и/или проводить работы по техническому обслуживанию или ремонту. Проходное отверстие апертурной диафрагмы 10 может быть переменным для того, чтобы устанавливать потери давления и, следовательно, качество равномерного распределения газа. В альтернативном варианте при наличии достаточно высокого давления на входе диаметр апертурной диафрагмы 10 может быть установлен таким образом, чтобы на диафрагме был бы получен перепад давления, равный, по меньшей мере, 2:1, и в наименьшем поперечном сечении формировалось бы течение со звуковой скоростью.

В проиллюстрированном варианте реализации апертурные диафрагмы 10 располагаются вне емкости 1. Однако они также могут быть расположены и внутри нее при том условии, что будет обеспечена невозможность подъема твердых частиц вплоть до гидравлического сопротивления и блокирования его и/или инициирования его изнашивания.

Вместо вертикального расположения труб 7, проиллюстрированного на фигуре 1, трубы 7 также могут быть и наклонными. Фигуры 2а и 2b иллюстрируют примеры наклонного расположения труб данного типа, при этом в данном случае трубы 7а и 7b расположены под углом, равным приблизительно 30° (25°-35°) по отношению к горизонтали.

Для увеличения стойкости к эрозии под действием газового потока поперечное сечение трубы утолщают в области выходного отверстия 8а или 8b. В варианте реализации, продемонстрированном на фигуре 2а, в данном случае вокруг области отверстия трубы 7а предусмотрено утолщение материала, полученное, например, при использовании навариваемой накладки 12.

В противоположность этому, в варианте, демонстрируемом на фигуре 2b, продемонстрирован просто «отводящий прилив» 13, предусмотренный на верхней стороне, поскольку газ в любом случае поднимается кверху и отводится прочь от трубы 7b благодаря наличию отводящего прилива 13.

В случае использования аппарата, продемонстрированного на фигуре 1, (или вариантов, продемонстрированных на фигурах 2а или 2b) псевдоожижающий газ поступает в псевдоожижаемый слой 3 через трубы 7 и подвергает твердые частицы псевдоожижению. Потери давления, обусловленные наличием гидравлического сопротивления, приводят к получению равномерного псевдоожижения, в то время как обеспечивается невозможность подъема твердых частиц вплоть до гидравлического сопротивления и блокирования трубы 7.

Фигура 3 демонстрирует еще один пример использования способа псевдоожижения, соответствующего изобретению, для транспортирования твердых частиц в том варианте, который называют «пневмокамеры пневмотранспортера». Систему пневмотранспортера используют для пневматического транспортирования 100 тн/час гидрата алюминия с диаметрами зерен в диапазоне от 30 до 170 мкм на высоту, равную приблизительно 60 м. Пневмокамеру пневмотранспортера 20, продемонстрированную на фигуре 3, в данных целях используют при подаче материалов для транспортирования. Емкость 21 характеризуется диаметром 1200 мм, имея расположенную по центру транспортирующую трубу 22 с диаметром 400 мм. Поток транспортирующего воздуха с расходом, равным приблизительно 6000 м³/час (стандартные температура и давление), поступает через центральную форсунку 23 и вместе с собой переносит твердые частицы. Для получения равномерного транспортирования близлежащие твердые частицы должны быть подвергнуты псевдоожижению таким образом, чтобы они всегда могли бы в достаточной степени перетекать в область центральной форсунки 23. Это требует наличия расхода псевдоожижающего газа 300 м³/час (стандартные температура и давление). Псевдоожижение в емкости формируют при помощи 30 трубных форсунок 24 (номинальная ширина 1" (25,4 мм)), нижние концы которых расположены в виде двух концентрических кругов различных диаметров таким образом, чтобы в кольцевое пространство между транспортирующей трубой 22 и стенкой емкости 25 производилась бы равномерная подача воздуха. В формирующие псевдоожижение трубы 24 производят подачу воздуха из общего распределителя 26, который располагается выше области, в которую могут быть загружены твердые частицы. В каждой трубе 24 имеется диафрагма 27, расположенная непосредственно под распределителем 26, при использовании которой потери давления в 150 мбар обеспечиваются таким образом, чтобы каждая труба 24 принимала бы практически один и тот же объемный расход воздуха.

Как это ни удивительно, но было обнаружено, что в том, что касается равномерности транспортирования твердых частиц, данная форма псевдоожижения превосходит стандартное псевдоожижение с днища емкости при использовании пористой ткани. Закупоривание труб, формирующих псевдоожижение, практически невозможно. Отсутствует какая-либо потребность в стандартных мероприятиях по опорожнению.

Изобретение относится к химическим процессам, проводимым в присутствии газа и твердых частиц. В емкость 1 через линию подачи 2 вводят твердые частицы. Псевдоожижающий газ подают через трубу 7 в область днища 9 емкости 1. Потери давления образуются за счет сменной диафрагмы 10. Псевдоожижаемый слой 3 подвергают псевдоожижению. Обработанные твердые частицы удаляют из емкости 1 через линию выпуска 4. Отходящий газ выпускают через линию отходящего газа 5. Изобретение обеспечивает равномерное псевдоожижение псевдоожижаемого слоя при отсутствии возможности закупоривания частей системы газоподачи твердыми частицами, предотвращает эрозию труб. 2 н. и 19 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ псевдоожижения псевдоожижаемого слоя (3) из твердых частиц в емкости (1), имеющей днище (9), в результате проведения подачи псевдоожижающего газа в псевдоожижаемый слой (3), по меньшей мере, через одну трубу (7), где псевдоожижающий газ вводят в емкость (1) через трубу (7) в области днища емкости (9), отличающийся тем, что газовый поток в трубе (7) по существу непрерывно направляют сверху вниз, и потери давления в трубе (7) образуются в части упомянутой трубы (7) выше максимальной высоты, вплоть до которой могли бы подняться в трубе твердые частицы, при этом потери давления образуются за счет сменной диафрагмы (10).

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что потери давления в трубе (7) образуются выше псевдоожижаемого слоя (3), в котором твердые частицы в емкости (1) подвергают псевдоожижению.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что потери давления выбирают в соответствии с требованиями, предъявляемыми к качеству равномерного распределения газа между трубами (7).

4. Способ по п.2 или 3, отличающийся тем, что потери давления в трубе (7) составляют величину в диапазоне от 10 до 1500 мбар.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что потери давления в трубе (7) составляют величину в диапазоне от 20 до 200 мбар.

6. Способ по п.2, отличающийся тем, что потери давления в трубе (7) образуются вследствие наличия гидравлического сопротивления (10), и скорость течения в наиболее узком поперечном сечении трубы равна скорости звука.

7. Способ по п.2, отличающийся тем, что потери давления в трубе (7) образуются вследствие наличия гидравлического сопротивления (10), и перепад давления на гидравлическом сопротивлении (10) составляет величину ≥2:1, исходя из абсолютных давлений по ходу потока до и после гидравлического сопротивления (10).

8. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что объемные расходы в трубах (7) устанавливают таким образом, чтобы получить неравномерное распределение псевдоожижающего газа, вводимого в емкость (1).

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что скорость псевдоожижающего газа на выходе из трубы (7) составляет величину в диапазоне от 2 до 50 м/с.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что скорость псевдоожижающего газа на выходе из трубы (7) составляет величину в диапазоне от 5 до 30 м/с.

11. Аппарат для псевдоожижения псевдоожижаемого слоя (3), включающий емкость (1), в которую твердые частицы подают через линию подачи (2), из которой частицы удаляют через линию выпуска (4), включающий систему линий (14), предназначенную для подачи псевдоожижающего газа в псевдоожижаемый слой, и включающий линию отходящего газа (5), предназначенную для выпуска отходящего газа, отличающийся тем, что, по меньшей мере, одну трубу (7), предназначенную для подачи псевдоожижающего газа, по существу непрерывно вводят сверху вниз в емкость (1), и в области днища (9) емкости она имеет отверстие (8), предназначенное для выпуска псевдоожижающего газа, и тем, что гидравлическое сопротивление (10), которое расположено выше псевдоожижаемого слоя (3), предусматривают, по меньшей мере, в одной трубе (7), причем гидравлическое сопротивление образует диафрагма (10).

12. Аппарат по п.11, отличающийся тем, что гидравлическое сопротивление (10) закрепляют в трубе (7) при помощи фланцевого соединения (11).

13. Аппарат по п.11, отличающийся тем, что труба (7а, 7b) характеризуется углом наклона по отношению к горизонтали в диапазоне от 1 до 90°, предпочтительно ≥ приблизительно 30°.

14. Аппарат по п.11, отличающийся тем, что труба (7) не имеет какого- либо сужения ниже области, которую могут достичь твердые частицы.

15. Аппарат по п.11, отличающийся тем, что труба (7) на своем открытом конце имеет горизонтальное выходное отверстие (8).

16. Аппарат по п.11, отличающийся тем, выходное отверстие (8) трубы (7) располагают на расстоянии <250 мм, предпочтительно <150 мм, выше днища емкости (9).

17. Аппарат по п.11, отличающийся тем, что труба (7а) в области своего выходного отверстия (8а) имеет внешнее утолщение материала, в частности, навариваемую накладку (12).

18. Аппарат по п.11, отличающийся тем, что в области своего выходного отверстия (8b) труба (7b) имеет, в частности, направленный кверху отводящий прилив (13).

19. Аппарат по п.11, отличающийся тем, что трубу (7) прикрепляют к емкости (1) при помощи элементов фланцевого соединения (11), предусмотренных на емкости (1).

20. Аппарат по п.11, отличающийся тем, что в емкости (1) предусматривается наличие множества труб (7), распределенных в форме круга.

21. Аппарат по п.20, отличающийся тем, что в емкости (1) предусматриваются трубы (7), распределенные по множеству предпочтительно концентрических кругов.