ВИХРЕВАЯ КАМЕРА ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ В ПСЕВДООЖИЖЕННОМ СЛОЕ ЧАСТИЦ
VORTEX CHAMBER FOR CONDUCTING CHEMICAL REACTION IN A FLUIDISED PARTICLE BED

Изобретение относится к технике тепломассообменных и химических процессов, а именно реакций в газообразной или жидкой среде при наличии закрученного псевдоожиженного слоя дисперсного материала, обладающего инертными или каталитическими свойствами.
Известно устройство для организации псевдоожиженного слоя с целью проведения химических процессов между псевдоожиженным слоем топлива и окислителем при псевдоожижении в поле тяжести и без вращения слоя [Радованович М. «Сжигание топлива в псевдоожиженном слое». - М., Энергоатомиздат, 1990, 248 с.]. Это устройство для осуществления химических процессов между газом и твердыми частицами, псевдоожиженными в поле силы тяжести, характеризуется низкими скоростями обтекания частиц, что снижает скорость проведения химического процесса, однако имеет и низкие скорости износа псевдоожижаемого материала, в частности, пористых и непрочных гранул катализатора.
Известно устройство для организации горения в слое частиц при подаче закрученного потока смеси воздуха и топлива через нижний торцевой завихритель вихревой камеры, при этом поток газа закручивает и псевдоожижает слой частиц, лежащих на нижней торцевой стенке вихревой камеры, [Р.Х. Абдрахманов, Н.А. Дворников, В.В. Лукашов. Динамика двухфазного закрученного потока в вихревой камере с нижним торцевым завихрителем // Теплофизика и аэромеханика, 2017, том 24, №3, с. 349-356].
Газ при этом проходит вверх по цилиндрической вихревой камере и отводится через центральное отверстие в вихревой камере. В отличие от предыдущего случая частицы псевдоожиженного слоя обтекаются закрученным потоком газа, что увеличивает тепло и массообмен между газом и частицами.
Здесь, как и в предыдущем случае частицы псевдоожижаются в поле сил тяжести, что накладывает ограничение на расход газа сквозь слой и производительность аппарата по газовому потоку.
Известно техническое решение [US 2006002829, 2006-01-05, B01J 8/00; B01J 8/18; B01J 8/24; B01J 8/44], в котором псевдоожижение выполняют в вертикально расположенном коническом кольцевом канале, образованном внешней и внутренней коническими стенками. Газ подают через гор. систему сопел или перфорированную решетку на дне канала в горизонтальной плоскости и выводят через кольцевой выход на внешней боковой стенке канала. Конический кольцевой канал может быть либо с увеличением радиуса канала кверху, либо с уменьшением радиуса канала кверху. Целью задания такой конусности канала, по мнению автора патента, является управление скоростью газового потока в этом канале. Дисперсный материал, образовавший конгломераты частиц в нижней части конического канала, выводится из канала специальным сепаратором частиц, а затем возвращается в нижнюю часть канала по трубе из бункера, где собираются выделенные частицы из газового потока.
Этот случай близок по своим свойствам с предыдущим, поскольку горизонтальное расположение решетки с подачей газа и конусный канал с преимущественно вертикальным расположением стенок предполагает, что псевдоожижение происходит в поле силы тяжести.
Известен способ сушки дисперсного материала и камера для его осуществления [патент РФ №2178543, 2000, F26B 3/10], где для предотвращения ссыпания вращающегося псевдоожиженного слоя между секциями конических кольцевых боковых завихрителей установлены конические полки, направленные книзу. Наличие конических каналов, образуемых полками, примыкающими к коническому завихрителю, позволяет удерживать материал в большом диапазоне скоростей вращения слоя.
Однако конусность полок направленных книзу позволяет применять такие аппараты только для процессов с большим расходом сыпучего материала к низу камеры и не позволяет раскручивать материал, например, катализатора, из имеющейся начальной засыпки частиц в камере при незначительной подаче или отсутствии непрерывной подачи частиц в камеру.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является устройство для организации взаимодействия с псевдоожиженным слоем для проведения реакций между окислителем и твердым гранулированным топливом [патент РФ №2029193, 1990 г., F23C 11/02], где твердое измельченное топливо подается в верхнюю зону кипящего центробежного слоя, формируемого тангенциально подаваемым потоком окислителя, проходящего через слой на боковом цилиндрическом завихрителе в вихревой камере. Тангенциальную скорость окислителя поддерживают выше теоретически равновесной скорости, а соотношение расходов окислителя и топлива поддерживают выше 0,4. Перед подачей в слой топливо закручивают в направлении, совпадающем с направлением вращения слоя, при этом время пребывания топлива в слое регулируют изменением расхода топлива. Положительным свойством такого способа и описанного устройства является высокая скорость обтекания частиц потоком газа и, как следствие, высокий тепло и массобмен газа и частиц.
Недостатком этого способа является то, что он требует высоких скоростей вращения дисперсной фазы для удержания слоя на цилиндрическом боковом завихрителе, что может приводить к быстрому разрушению непрочных пористых частиц слоя. Факт увеличения скорости измельчения материала в зависимости от увеличения скорости столкновения частиц со стенками и между собой хорошо известен и является основой процессов измельчения материалов по ударному механизму. При незначительном снижении скорости вращения слоя и уменьшении центробежных сил, прижимающих слой к боковому завихрителю, слой осыпается вниз, а боковой завихритель частично оголяется, что снижает эффективность взаимодействия слоя и газа, проходящего сквозь боковой завихритель.
Задача изобретения - существенно увеличить скорость химической реакции за счет увеличения скоростей тепло- и массообмена газа и частиц дисперсного материала, при этом снизить унос и истирание частиц, приблизившись по этому показателю к характеристикам реактора с псевдоожижением в поле сил тяжести.
В настоящем изобретении предложена вихревая камера для проведения химических реакций в псевдоожиженном слое частиц выполнена в виде двух соосных круговых усеченных конусов, образующих между своими поверхностями кольцевой конический канал, стенки которого сходятся к верху к вертикальной оси камеры, а угол наклона канала к вертикальной оси камеры (угол α на фиг.1) равен углу между образующими верхнего и нижнего конусов и их осью (осью камеры).
Согласно изобретению, угол между образующей каждого из усеченных конусов, создающих своими поверхностями кольцевой конический канал, и вертикальной осью камеры (угол наклона кольцевого конического канала) составляет 45 градусов или выбирается из условия, чтобы результирующая сила, действующая на слой псевдоожиженного материала, была параллельной образующим конических стенок канала.
Согласно изобретению, стенки кольцевого конического канала, сходящиеся к верху к вертикальной оси камеры, примыкают к выхлопной цилиндрической трубе для отвода газа.
Согласно изобретению, в нижней части конического кольцевого канала расположен перпендикулярно коническим стенкам камеры конический завихритель, который является газораспределительной решеткой подачи газа в слой псевдоожиженных частиц.
Для работы со стационарным псевдоожиженным слоем частиц или со слоем с низким расходом по дисперсному материалу требуется, чтобы конструкция камеры обеспечивала глубокую потенциальную яму для выносимых из слоя частиц в широком диапазоне соотношений центробежного ускорения вращающегося слоя частиц к гравитационному ускорению в поле силы тяжести, действующих на вращающийся псевдоожиженный слой частиц над завихрителем. Это обеспечивается тем, что восходящие потоки газа, проходящие сквозь слой, уходят в направлении, противоположном силе тяжести и центробежной силе, действующим на частицы дисперсного материала - это снижает унос материала из слоя.
Угол α между образующей конических стенок канала и вертикальной осью камеры (угол наклона кольцевого конического канала) в 45 градусов (фиг. 1), обеспечивает удержание слоя частиц в широком диапазоне отношения центробежного ускорения вращающегося слоя частиц к гравитационному ускорению в поле силы тяжести, а перпендикулярное к коническим стенкам камеры расположение завихрителя, распределяющего газ в псевдоожиженном слое, позволяет добиться равномерной толщины слоя частиц по всей ширине кольцевого конического канала камеры, через который отводится газ после прохождения через слой частиц.
На фиг. 1 приведена схема вихревой камеры для организации псевдоожиженного слоя инертных или каталитических частиц для проведения химических реакций, где: 1 - кольцевой конический канал; 2 - верхняя коническая стенка канала; 3 - нижняя коническая стенка канала; 4 - выхлопная цилиндрическая труба; 5 - конический завихритель; 6 - слой частиц дисперсного материала (псевдоожиженных частиц); 7 - корпус; α - угол наклона кольцевого конического канала.
Вихревая камера для проведения химических реакций в псевдоожиженном слое частиц выполнена в виде, заключенных в корпус 7, двух соосных круговых усеченных конусов, образующих своими поверхностями кольцевой конический канал 1, стенки которого (верхняя 2 и нижняя 3) сходятся к верху к оси камеры и примыкают к выхлопной цилиндрической трубе для отвода газа 4.
Угол наклона кольцевого конического канала α - угол между образующими конических стенок канала и вертикальной осью камеры. Угол наклона кольцевого конического канала составляет 45 градусов.
Конический завихритель 5, который является газораспределительной решеткой для подачи газа в слой псевдоожиженных частиц 6, установлен в нижней части конического кольцевого канала перпендикулярно коническим стенкам 2 и 3.
Вихревая камера работает следующим образом.
В кольцевой конический канал 1 между коническими стенками 2 и 3 и коническим завихрителем 5 первоначально засыпают или непрерывно подают дисперсный материал 6 для восполнения уноса и истирания частиц.
Рабочий газ, проходя через конический завихритель 5, закручивает поток газа и слой частиц дисперсного материала 6 в камере, приводя частицы дисперсного материала в псевдоожиженное состояние. Для восполнения уноса и истирания частиц дополнительно в слой частиц подают дисперсный материал. Разогретый в результате химических реакций газ нагревает внешнюю часть слоя инертного или каталитического дисперсного слоя, который, в свою очередь, перемешиваясь в псевдоожиженном слое, нагревает газ, проходящий сквозь слой частиц в области входа газа в псевдоожиженный слой. В результате ускоряются химические реакции в газе при прохождении газа сквозь слой. Далее газ проходит по кольцевому коническому каналу 1 между коническими стенками 2 и 3, завершая химические реакции, которые не прореагировали полностью в псевдоожиженном слое. Частицы катализатора, кроме разогрева потока газа, дополнительно ускоряют химические реакции за счет каталитических  процессов. Часть тепла может подводиться (отводиться) от слоя за счет нагрева (охлаждения) конических стенок камеры. Продукты реакции, проходя вдоль конического канала, уходят через верхнее отверстие выхлопной цилиндрической трубы 4.
Благодаря наличию конических стенок, сужающихся к верху камеры, материал 6 остается в зоне, примыкающей к завихрителю, даже в начальный момент, когда слой еще не успел раскрутиться, что снижает вынос частиц из камеры.
2
3
На фиг. 2 показана расчетная объемная концентрация псевдоожиженного слоя частиц катализатора AlO диаметром частиц 3 мм, где 8 - показано положение фотокамеры в экспериментальных исследованиях.
2
3
На фиг. 3 показана фотография слоя частиц катализатора АlО в вихревой камере при горении пропан-бутановой смеси с воздухом.
Использование предлагаемого устройства позволяет существенно увеличить скорость химической реакции за счет увеличения скоростей тепло-и массообмена газа и частиц дисперсного материала, имеющих место в закрученном газодисперсном потоке, при этом снизить унос и истирание частиц, приблизившись по этому показателю к характеристикам псевдоожиженного реактора с псевдоожижением в поле сил тяжести.