Устройство для выравнивания потока
FLOW ALIGNMENT DEVICE

Устройство для выравнивания потока относится к химической промышленности, к промышленным химическим установкам, перемещение веществ внутри которых осуществляется в виде потока [B01D53/00, C10K1/00, E21F17/00].
Из уровня техники известна Регулируемая направляющая перегородка для выравнивания потока дымовых газов перед катализатором SCR угольного энергоблока [CN211963728 (U) - 2020-11-20], которая опирается на неподвижный вал, а два конца неподвижного вала жестко соединен с дымоходом; регулируемая перегородка направляющей потока соединена с электрическим исполнительным механизмом и используется для вращения вокруг неподвижного вала под действием электрического исполнительного механизма; контур управления электроприводом соединен с РСУ (распределенной системой управления) агрегата и используется оперативным персоналом для осуществления дистанционного управления РСУ с целью автоматической регулировки динамического выравнивания потока дымовых газов перед катализатора SCR (селективного каталитического восстановления). Согласно полезной модели реализована автоматическая регулировка динамического выравнивания потока дымовых газов перед катализатором СКВ, и устройство может быть приспособлено для выравнивания потоков дымовых газов в диапазоне полной нагрузки. Недостатком данного аналога является высокая скорость вращения вокруг неподвижного вала, что негативно влияет на надежность функционирования регулирующей направляющей перегородки.
Также из уровня техники известна Распылительная колонна c устройством выравнивания расхода газа [CN111621341 (A) - 2020-09-04], которая содержит форсуночную башню, в нижней части форсуночной башни выполнен газоподвод; газоотвод формируется в верхней части распылительной башни; распылительная колонна дополнительно содержит круговой цилиндр направления потока и конический цилиндр направления потока, расположенный над круговым цилиндром направления потока. Между кольцевым цилиндром выравнивания потока и стенкой башни пульверизатора образована кольцевая зона выравнивания потока, вход газа выполнен в стенке градирни форсунки, соответствующий зоне выравнивания кольцевого потока, конический направляющий цилиндр расположен выше цилиндра круглой направляющей диаметр верхнего конца цилиндра конической направляющей больше, чем диаметр нижнего конца цилиндра конической направляющей, и между нижним концом цилиндра конической направляющей и цилиндром круглой направляющей образован зазор. В соответствии с распылительной башней газ поступает в корпус башни распылительной башни и может поступать в зону распыления только из зазора под эффектом выравнивания потока цилиндра с круговой направляющей. Круглый направляющий цилиндр и конический направляющий цилиндр обладают эффектом буферизации и выравнивания потока, так что газ становится более однородным в зоне распыления корпуса башни, влияние изменения входящего потока на выравнивание потока невелико, а проблема выравнивания потока газа в горизонтальном направлении эффективно решается. Недостатком данного аналога являются его массогабаритные характеристики, ограничивающие его использование в качестве узла химических установок.
Наиболее близкой по технической сущности является Регулируемая направляющая перегородка для выравнивания потока дымовых газов перед катализатором SCR угольного энергоблока [CN105822339 (A) - 2016-08-03], которая относится к системе газоподвода и выравнивания потока механического регулирующего типа устройства термического обратного окисления метана вентиляционным воздухом. Система подвода газа и выравнивания потока механического регулирующего типа содержит реакционную камеру, две расширительные секции входа и выхода газа и две полости входа и выхода газа с отверстием на одном конце. На наружной стенке верха каждой расширительной секции входа и выхода газа дополнительно размещен один комплект первого механического регулирующего механизма; на боковой стенке наружной части каждой газовозаборной и выпускной полостей дополнительно размещен по одному комплекту второго механического механизма регулировки. Каждая расширительная секция входа и выхода газа и каждая полость входа и выхода газа внутри и дополнительно снабжены неподвижной щелевой пластиной для выравнивания потока и скользящей щелевой пластиной для выравнивания потока соответственно; рейка на скользящей щелевой пластине выравнивания потока в каждой секции расширения входа и выхода газа находится в передаточном соединении с соответствующим первым механическим регулирующим механизмом; и рейка на скользящей щелевой пластине выравнивания потока в каждой полости входа и выхода газа находится в передаточной связи с соответствующим вторым механическим регулирующим механизмом.
Система впуска газа с механической регулировкой и система выравнивания потока имеют относительно хорошую адаптируемость к различным рабочим условиям впуска газа за счет гибкой настройки механического регулирующего механизма в фактических условиях работы, когда количество впуска газа имеет относительно большую величину колебаний, так, что равномерное распределение газа количество входного воздуха и температура реакционной камеры, а также надежность работы и скорость окисления метана вентиляционного воздуха устройства улучшаются.
Технической проблемой прототипа является применение пластин со щелями, ориентированных в направлении перпендикулярном действию сил потока, которые «сводят» края щелей вместе и, тем самым, их блокируют. Этот эффект проявляется особенно заметно после определённого периода эксплуатации, при ослаблении прочности фильтрующего слоя вследствие коррозии.
Задачей изобретения является устранение недостатков прототипа.
Технический результат изобретения заключается в повышении срока эксплуатации устройства выравнивания потока.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что устройство для выравнивания потока, содержащее входную поверхность устройства с входными отверстиями на ее поверхности, отличающийся тем, что за входной поверхностью устройства, напротив входных отверстий располагается проходное пространство, ограниченное входной поверхностью устройства и фиксирующей поверхностью с перегородками напротив входных отверстий, проходное пространство выполнено с возможностью перераспределения потока поступающего через входные отверстия за счет рассеивания потока о перегородку, между фиксирующей поверхностью и перегородками выполнены пропускные зазоры, с возможностью подачи перераспределенного потока в слой сыпучего наполнителя, который располагается за фиксирующей поверхностью, при этом, размер пропускных зазоров выполнен меньшим минимального размера частиц сыпучего наполнителя.
В частности, перегородка выполнена в виде газопроницаемого слоя с низким сопротивлением.
В частности, в фиксирующей поверхности выполнены пропускные зазоры в виде сетки,
с возможностью подачи перераспределенного потока в слой сыпучего наполнителя, при этом, размер ячеек сетки меньше минимального размера частиц сыпучего наполнителя.
На фиг. 1 показана принципиальная схема реализации предлагаемого устройства.
На фиг. 2 показаны вариант реализации пропускного зазора для предлагаемого устройства.
На фиг. 3 показан вариант реализации предлагаемого устройства с фиксирующей поверхностью как газопроницаемого слоя.
На фигурах 1 - 3 показаны: 1 - входная поверхность устройства, 2 - входное отверстие, 3 - проходное пространство, 4 - перегородка, 5 - фиксирующая поверхность, 6 - наполнитель, 7 - пропускной зазор.
Осуществление изобретения
Устройство для выравнивания потока (фиг.1) содержит входную поверхность устройства 1, выполненную из материала, стойкого к разрушающим воздействиям потока, проходящего через нее. По входной поверхности устройства 1 равномерно, с установленным шагом по длине и ширине, выполнены входные отверстия 2, размер которых выбран в зависимости от параметров потока, через которые поток проходит внутрь устройства и попадает в проходное пространство 3. Проходное пространство 3, в котором происходит перераспределение потока, размещено между входной поверхностью устройства 1 и перегородкой 4, являющейся частью фиксирующей поверхности 5, которая ограничивает перемещение наполнителя 5 внутри устройства. Фиксирующая поверхность 5 жестко смонтирована с обратной стороной входной поверхности устройства 1, за исключением участков, находящихся напротив входных отверстий 2 (фиг. 2). В данных участках образовано проходное пространство 3, из которого через пропускной зазор 6 поток поступает в объем с наполнителем 6. При этом пропускной зазор 7 выполнен меньше минимального размера частиц наполнителя 6. Как вариант (фиг.3), фиксирующая поверхность 4 выполнена как газопроницаемый слой с низким сопротивлением, например, один или несколько слоёв сетки. В этом случае размер пор слоя меньше минимального размера частицы наполнителя 6, а входная поверхность устройства 1 параллельна фиксирующей поверхности 5. При этом наполнитель 6 выполнен в виде сыпучего материала, состоящего из твёрдых частиц произвольной регулярной, или нерегулярной формы и размера, находящегося в заданных/известных пределах от минимального до максимального значения габаритного размера.
Изобретение используют следующим образом
Поток газа, жидкости, плазмы, или их смеси, проходит через входную поверхность устройства 1 во входных отверстиях 2 и заполняет проходное пространство 3. Далее, через фиксирующую поверхность 5 и выполненные в ней пропускные зазоры 6, поток поступает в объем, заполненный наполнителем 6 в виде сыпучего материала, состоящего из твёрдых частиц произвольной регулярной, или нерегулярной формы и размера, находящегося в заданных/известных пределах от минимального до максимального значения габаритного размера. При этом устройство находится в контакте с наполнителем - является фрагментом, или суммой фрагментов, ограничивающей объем стенки ёмкости (реактора, сосуда и т.п.). Под механическим воздействием наполнителя 6 поток выравнивается. Устройство, кроме выравнивания потока выполняет функцию фильтра, препятствующего частицам наполнителя покидать объём через отверстия, предназначенные для входа/выхода потока. Возможны варианты конструкций, в которых отсутствует входной, или выходной экран и поток входит в объём, заполненный наполнителем, или покидает его без специального выравнивания. Количество, размер и расположение отверстий экрана определяются эмпирическим, или расчётным путём, с учётом того в каком смысле в данном случае понимается равномерность и в каких допусках она должна находиться по выбранному критерию. При этом, даже, если отверстия перфорации экранов меньше, чем минимальный размер частиц наполнителя, их отверстия могут быть полностью, или частично блокированы наполнителем, что приводит к повышению сопротивления на экране выше ожидаемой, и может негативно влиять на равномерность потока. Для предотвращения блокирования перфорации, если вероятность этого существует, экран оснащается дополнительным проницаемым слоем, разделяющим собственно экран - выравнивающее устройство - наполнитель - фильтром. Размер ячеек/отверстий фильтра меньше минимального размера частиц наполнителя и иметь поверхность, исключающую его существенное блокирование. Поток в слое фильтра может распространяться в любом направлении, в том числе вдоль его поверхности. При этом вследствие того, что функция фильтра выполняется специальным элементом, перфорация самого экрана может быть больше минимального размера частиц, а фильтр не оказывает значимого влияния на равномерность потока.
Технический результат - повышении срока эксплуатации устройства выравнивания потока - достигается за счет того, что устройство содержит за входной поверхностью устройства, напротив входных отверстий располагается проходное пространство, ограниченное входной поверхностью устройства и фиксирующей поверхностью с перегородками напротив входных отверстий, проходное пространство выполнено с возможностью перераспределения потока поступающего через входные отверстия за счет рассеивания потока о перегородку, между фиксирующей поверхностью и перегородками выполнены пропускные зазоры, с возможностью подачи перераспределенного потока в слой сыпучего наполнителя, который располагается за фиксирующей поверхностью, при этом, размер пропускных зазоров выполнен меньшим минимального размера частиц сыпучего наполнителя, что позволяет равномерно распределить механические нагрузки, создаваемые потоком, на элементы конструкции устройства, в особенности на наполнитель.
Пример достижения технического результата
Заявитель в 2022 году разработал математическую модель, описывающую процесс прохождения и выравнивания различных видов потоков жидкостей и газов, используемых в различных технологических процессах. Используя данную математическую модель, варьируя параметры потоков (плотность, скорость, химический состав и т.п) и устройств выравнивания в различных технологических процессах, были получены оценки соответствия реальных и модельных параметров на технологических установках. Математическое моделирование показало, что предложенное Заявителем устройство обладает оптимальными характеристиками выравнивания для большинства технологических процессов, используемых в настоящее время. Ожидаемый срок эксплуатации, в сравнении с известными устройствами для уравнивания, увеличивается в 3 - 4 раза.
Об известных в настоящее время устройствах выравнивания потока известно следующее. В реакторах синтеза аммиака (колоннам) в качестве фильтрующего-разделительного слоя используют металлические проволочные сетки, пластины с щелевыми отверстиями, или фильтры Johnson Screens .
Сетки (наиболее распространённое решение) показали свою крайнюю ненадёжность, особенно в колоннах с радиальным потоком, где фактор тангенциальной нагрузки особенно важен (в сравнении с колоннами с осевым потоком).
Применение прорезанных (лазером) пластин со щелями, ориентированными в направлении перпендикулярном действию тангенциальных сил, также не является надёжным решением ввиду того, что тангенциальные силы «сводят» края щелей вместе и, тем самым, их блокируют. Этот эффект проявляется особенно заметно после определённого периода эксплуатации, при ослаблении прочности фильтрующего слоя вследствие коррозии. Данное техническое решение защищено патентом Casale SA (Италия).
Наиболее надёжной является конструкция фильтра на основе патента Jonson Screens . В данном случае фильтрующий слой создаётся проволоками треугольного сечения (wedge wire), зафиксированными точечной сваркой на перпендикулярных им ребрах жесткости. При ориентации щелей фильтра в направлении тангенциальных усилий и при правильном выборе сечения и шага расположения проволоки и ребер данная конструкция (колонны Haldor Topsoe A/S и реакторы фирмы KBR) оказывается очень надёжной и долговечной, но самой дорогостоящей. Фильтры Johnson Screens (США) требуемых для колонн параметров в России не производятся.