АППАРАТ С ПСЕВДООЖИЖЕННЫМ СЛОЕМ
FLUIDIZED BED DEVICE

Предлагаемое изобретение относится к аппаратам для термической обработки мелкозернистых материалов, широко применяемым в химической и других отраслях промышленности, в частности, для разложения солей, сжигания отходов, сушки и т.п. процессов.
Известен аппарат с псевдоожиженным слоем по пат. Японии N 57-2050, кл. B01J,8/34 от 1982 г., в псевдоожиженном слое которого размещен параллельный ряд вертикальных перфорированных плоских пластин, образующих насадку с высотой, большей расстояния между соседними пластинами.
Недостатком этого аппарата является возможность возникновения поршневого режима псевдоожижения при появлении между вертикальными пластинами по высоте ряда контуров циркуляции обрабатываемого материала, несмотря на наличие у них перфорации, в силу большого отношения высоты слоев между пластинами к расстоянию между ними.
Известен аппарат с псевдоожиженным слоем по пат. Франции N 2452316, кл. B01J,8/44 от 1980 г., в котором на перфорированной газораспределительной решетке установлен ряд перфорированных полых конусов, вершины которых расположены под поверхностью псевдоожиженного слоя.
Недостатком этого аппарата является рассредоточенная подача большей части ожижающего агента по высоте слоя, ведущая к ухудшению теплообмена в прирешеточной (активной) зоне псевдоожиженного слоя из-за уменьшения в ней расхода газа-теплоносителя, несмотря на уменьшение площади свободной поверхности газораспределительной решетки размещением на ней ряда конусов.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому аппарату является устройство для обработки сыпучих материалов в псевдоожиженном слое по ав. св. СССР, N 134698, кл. B01J,8/24 от 1960 г., содержащее цилиндрическую призматическую рабочую камеру с газораспределительными колпачками в беспровальной решетке, полые центральный конусообразный и концентрически расположенные вокруг него кольцевые элементы (вставки), установленные основаниями на ней, а вершинами выше уровня поверхности псевдоожиженного слоя, для сокращения площади свободной поверхности решетки.
Недостатками этого устройства являются пассивная функция центрального конуса и кольцевых вставок, предназначенных только для выемки части объема рабочей камеры над решеткой с уменьшением площади свободной поверхности псевдоожиженного слоя, малое время мгновенного контакта отдельной частицы с высокотемпературным газом в активной зоне теплообмена, трудности выгрузки из рабочей камеры части материала после остановки устройства из-за наличия высоких кольцевых вставок, мешающих выгрузке, ненадежность крепления множества вертикальных газораздающих колпачков в теле беспровальной решетки, особенно если она и колпачки выполнены из керамики.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый аппарат с псевдоожиженным слоем отличается тем, что отверстия в газораспределительной решетке выполнены трехступенчатыми с увеличивающимися от нижней части к верхней площадями проходных сечений, верхняя и средняя части которых в сечениях выполнены в виде равносторонних треугольников, одной из вершин обращенных к оси рабочей камеры, ряд наружных вставок выполнен в виде комбинаций низких трехгранных полых призм, заглубленных в верхние части трехступенчатых отверстий, одно из ребер призм направлено в сторону оси рабочей камеры, а примыкающие к этим ребрам грани призм попарно параллельны граням соседних призм, с установленными на верхних основаниях призм вертикальных полых трехгранных прямых пирамид, внутри каждой наружной вставки установлена внутренняя вставка в виде полой усеченной трехгранной прямой пирамиды с открытым верхним основанием, заглубленная своим открытым нижним основанием в среднюю часть трехступенчатого отверстия, сопла размещены в гранях и в ребрах призм наружных вставок, причем сопла в гранях соседних призм расположены попарно по одной оси, а сопла в одном из ребер каждой призмы направлены в сторону оси рабочей камеры.
Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию изобретения "новизна".
Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "существенные отличия".
Целью изобретения является увеличение производительности, улучшение гидродинамики слоя и снижение пылеуноса.
Указанная цель достигается тем, что в заявляемом аппарате с псевдоожиженным слоем, содержащем вертикальный цилиндрический корпус, футерованный изнутри огнеупором, рабочую камеру, газораздающую камеру, газораспределительную решетку между ними с рядом отверстий, ряд наружных вставок, прикрепленных к решетке, с вершинами, расположенными выше поверхности псевдоожиженного слоя, сопла с горизонтальным расположением осей над решеткой, камеру выгрузки, штуцера входа и выхода газа и материала, отверстия в газораспределительной решетке выполнены трехступенчатыми с увеличивающимися от нижней части к верхней площадями проходных сечений, верхняя и средняя части которых в сечениях выполнены в виде равносторонних треугольников, одной из вершин обращенных к оси рабочей камеры, ряд наружных вставок выполнен в виде комбинаций низких трехгранных полых призм, заглубленных в верхние части трехступенчатых отверстий, одно из ребер призм направлено в сторону оси рабочей камеры, а примыкающие к этим ребрам грани призм попарно параллельны граням соседних призм с установленными на верхних основаниях призм вертикальных полых трехгранных прямых пирамид, внутри каждой наружной вставки установлена внутренняя вставка в виде полой усеченной трехгранной прямой пирамиды с открытым верхним основанием, заглубленная своим открытым нижним основанием в среднюю часть трехступенчатого отверстия, сопла размещены в гранях и в ребрах призм наружных вставок, причем сопла в гранях соседних призм расположены попарно по одной оси, а сопла в одном из ребер каждой призмы направлены в сторону оси рабочей камеры.
На фиг.1 изображен аппарат с псевдоожиженным слоем, продольный разрез А-А на фиг. 2; на фиг. 2 - поперечный разрез Б-Б на фиг.1; на фиг. 3 - разрез В-В на фиг. 2; на фиг. 4 - разрез Г-Г на фиг. 2.
Аппарат содержит вертикальный цилиндрический корпус 1, футеровку 2, рабочую камеру 3, газораздающую камеру 4, газораспределительную решетку 5 между ними с рядом трехступенчатых отверстий 6 с верхней частью 7, средней частью 8 и нижней частью 9, площади проходных сечений которых увеличены от нижней части 9 к верхней части 7, верхняя 7 и средняя 8 части отверстий 6 в сечениях выполнены в виде равносторонних треугольников, одна из вершин которых обращена к оси рабочей камеры 3, ряд наружных вставок 10 в виде комбинаций из низких трехгранных полых призм 11, заглубленных в верхние части 7 трехступенчатых отверстий 6, и установленных на них вертикальных полых трехгранных прямых пирамид 12 с вершинами, расположенными выше уровня поверхности псевдоожиженного слоя 13, штуцер 14 выгрузки материала из аппарата с уровня поверхности псевдоожиженного слоя 13, ряд внутренних вставок 15 внутри ряда наружных вставок 10 в виде полых усеченных трехгранных прямых пирамид 16 с открытыми верхними основаниями (отверстиями) 17, заглубленных своими нижними открытыми основаниями в средние части 8 трехступенчатых отверстий 6, сопла 18 в гранях и сопла 19 в ребрах призм 11 с расположением их осей в горизонтальной плоскости над газораспределительной решеткой 5, камеру 20 выгрузки, штуцер 21 опорожнения рабочей камеры 3, штуцер 22 загрузки материала в рабочую камеру 3, штуцер 23 ввода горячего газа в газораздающую камеру 4, штуцер 24 отходящего газа из рабочей камеры 3.
В предлагаемом варианте исполнения аппарата газораспределительная решетка 5 поделена на 6 секторов, в трехступенчатых отверстиях 6 которых укреплены наружные вставки 10 таким образом, что одно из вертикальных ребер призм 11 направлено в сторону оси рабочей камеры 3, а примыкающие к этому ребру грани призм 11 попарно параллельны граням соседних призм 11, поэтому сопла 18, расположенные в гранях соседних призм 11, направлены попарно по одной оси навстречу друг другу в прирешеточной (активной) зоне псевдоожиженного слоя 13, а сопла 19, расположенные в одном из ребер каждой призмы 11, направлены в сторону оси рабочей камеры 3 для псевдоожижения материала в ее центральной части. Остальные сопла 18 и 19, расположенные в обращенных к футеровке 2 гранях и ребрах призм 11, могут быть выполнены с увеличенными площадями проходных сечений для обеспечения большей равномерности подачи теплоносителя по сечению рабочей камеры 3, а именно в центре решетки 5 и на ее периферии.
Выполнение наружной вставки 10 в виде комбинации вертикальной полой прямой низкой трехгранной призмы 11 и трехгранной пирамиды 12 необходимо для горизонтального размещения в трехгранной призме 11 сопел 18 и 19 во избежание их забивки частицами материала во время работы и для фиксации положения наружной вставки 10 в верхней части 7 трехступенчатого отверстия 6 решетки 5.
Для аппаратов большой производительности число наружных вставок 10 с внутренними вставками 15 может быть увеличено.
По сравнению с другими возможными формами вставок 10 треугольные формы призм 11 и граней пирамиды 12 имеют ряд преимуществ. При равной площади с другими фигурами треугольное основание призмы 11 имеет больший периметр, в котором можно разместить большее число сопел 18, и большую площадь боковой поверхности пирамиды 12 наружной вставки 10. Суммарная площадь боковых поверхностей граней пирамид 12 в предлагаемом аппарате использована в качестве поверхности дополнительного косвенного теплообмена между газом и псевдоожиженным слоем 13.
Внутренние вставки 15 с отверстиями 17 укреплены в средних частях 8 трехступенчатых отверстий 6 и размещены внутри наружных вставок 10. Наклон граней внутренней вставки 15 к плоскости решетки 5 меньше, чем наклон к ней граней наружной вставки 10, для выравнивания скорости газа при его опускном движении.
Нижняя часть 9 трехступенчатого отверстия 6 и отверстия 17 внутренней вставки 15 выполнены с меньшей площадью проходного сечения, чем площадь нижнего основания внутренней вставки 15, но большей, чем суммарная площадь проходных сечений сопел 18 и 19 наружной вставки 10, для предварительного выравнивания распределения газа перед соплами 18 и 19 наружных вставок 10.
Штуцер 21 предназначен для полного опорожнения рабочей камеры 3 по окончании процесса термообработки материала.
Корпус 1 аппарата может быть выполнен также призматической формы, при этом призмы 11 наружных вставок 10 должны быть расположены так, что одно из ребер призмы 11 и противоположная ей грань призмы 11 развернуты на 180 по отношению к соседним наружным вставкам 10, то есть все призмы 11 оказываются включенными в один большой прямоугольник решетки 5, в котором сопла 18, расположенные в обращенных друг к другу гранях соседних призм 11, также направлены навстречу друг другу, а сопла 18 в других гранях попеременно направлены на правую и левую стенки поверхности футеровки корпуса призматической формы.
Аппарат работает следующим образом.
Исходное мелкозернистое сырье через штуцер 22 непрерывно подают в рабочую камеру 3, где в псевдоожиженном слое 13 за счет теплообмена материала с газом-теплоносителем и со стенками граней пирамид 12, при большом времени пребывания частиц в слое 13, происходит термообработка материала (сушка или обжиг) до состояния готового продукта.
Газ (продукты горения топлива) под давлением через штуцер 23 поступает в газораздающую камеру 4, из которой через открытые нижние основания внутренних вставок 15 движется снизу вверх внутри внутренних вставок 15, выходит через отверстия 17 во внутренних вставках 15 в пространства между наружными поверхностями граней внутренних вставок 15 и внутренними поверхностями граней наружных вставок 10, где движется сверху вниз, после чего газ через сопла 18 и 19 в виде факелов поступает в активную зону псевдоожиженного слоя 13, а затем в основную массу псевдоожиженного слоя 13, приводя обрабатываемый материал в псевдоожиженное состояние.
Наружные вставки 10 при небольших углах раскрытия псевдоожиженного слоя 13 между гранями трехгранных пирамид 12 создают расширяющийся псевдоожиженный слой 13 в пространстве между ними, исключая возникновение фонтанирующего режима псевдоожижения, снижающего эффективность процесса термообработки, а размещение верхних частей пирамид 12 в верхней части псевдоожиженного слоя 13 и над его поверхностью ведет к успокоению поверхности слоя 13 за счет пристенного эффекта в ряде пирамид 12, снижая тем самым пылеунос из слоя 13.
Наряду с теплообменом газа и частиц материала в псевдоожиженном слое 13, в предлагаемом аппарате применена теплопередача от газа, движущегося внутри наружных вставок 10, к псевдоожиженному слою 13 через большую суммарную боковую наружную поверхность граней пирамид 12 наружных вставок 10. По мере движения газа в пространстве между внутренними вставками 15 и наружными вставками 10 он понижает свою температуру, нагревая стенки пирамид 12 и 16 без контакта с обрабатываемым материалом.
При отсутствии пирамид 16 внутренних вставок 15 эффективность теплопередачи от газа внутри наружных вставок 10 к псевдоожиженному слою 13 через суммарную боковую наружную поверхность граней пирамид 12 наружных вставок 10 будет значительно снижена из-за застойных явлений внутри наружных вставок 10 и выключения значительной части пирамид 12 из процесса теплопередачи. Стенки пирамид 16 внутренних вставок 15 нагреваются до более высокой температуры, чем стенки пирамид 12 наружных вставок 10, охлаждаемые снаружи псевдоожиженным слоем 13, поэтому наружная поверхность граней пирамиды 16 излучает тепло на внутреннюю поверхность граней пирамиды 12, в зависимости от перепада температур между ними. Суммарный коэффициент теплоотдачи к стенкам внутренних поверхностей граней пирамид 12 наружной вставки 10, кроме того, складывается из коэффициента теплоотдачи конвекцией, зависящего от скорости газа в пространстве между вставками 10 и 15, и коэффициента теплоотдачи излучением самого газа, зависящего от температуры и объемных долей трехатомных газов в продуктах горения топлива, и толщины слоя газа между вставками 10 и 15.
Поскольку часть тепла от газа к псевдоожиженному слою 13 в предлагаемом аппарате передается косвенным путем, через поверхности наружных вставок 10, появляется возможность использовать газ с повышенной по сравнению с известными аппаратами температурой на входе в них, при равной температуре газа на входе в активную зону слоя 13 и одинаковом объемном расходе газа, в истекающих из сопел 18 и 19 факелов газа. Это достигается увеличением расхода топлива в топливосжигающем устройстве при одинаковом объемном расходе воздуха, с уменьшением коэффициента избытка воздуха, для обеспечения одинакового гидродинамического режима псевдоожижения сравниваемых аппаратов, что позволяет увеличить производительность предлагаемого аппарата за счет косвенного ввода дополнительного тепла в слой 13, без увеличения уноса частиц из псевдоожиженного слоя 13. Кроме того, повышение температуры газа ведет к увеличению в нем объемных долей трехатомных газов, в свою очередь увеличивающих коэффициент теплоотдачи излучением для газа.
Газ, истекающий из сопел 18 и 19 в виде факелов с большой скоростью, теряет ее в активной зоне псевдоожиженного слоя 13, а затем его скорость продолжает уменьшается по высоте псевдоожиженного слоя 13 вследствие постепенного увеличения свободной площади поперечного сечения рабочей камеры 3, увеличивающейся с уменьшением суммарной площади сечения пирамид 12 по высоте слоя 13 и меньшей температуры основной массы псевдоожиженного слоя 13 по сравнению с температурой газа в соплах 18 и 19. В активной зоне большинство сопел 18 расположены близко и попарно направлены друг на друга, поэтому высокоскоростной газ из сопел 18 и 19 захватывает частицы материала и сталкивает их друг с другом в районе половины расстояния между призмами 11, повышая концентрацию частиц и понижая их скорость в местах столкновения, что увеличивает время контакта газа и сталкивающихся частиц материала в активной зоне псевдоожиженного слоя 13. Переменные во времени высокие скорости газа и частиц в активной зоне псевдоожиженного слоя 13 позволяют интенсифицировать теплообмен за счет увеличения относительной скорости газа (разности скоростей газа и частиц) по сравнению с разбросом по поверхности решетки факелов газа в прототипе, оказывающих меньшее влияние на передачу тепла от газа к частицам.
В активной зоне слоя 13 при высокой входной температуре и высокой относительной скорости газа происходит интенсивная термическая обработка материала при большом коэффициенте теплоотдачи от газа к поверхности частиц, что ведет к понижению температуры газа и перегреву наружной поверхности находящихся в активной зоне слоя 13 частиц обрабатываемого материала, которые затем поступают на длительную выдержку в основную массу псевдоожиженного слоя 13, а газ теряет скорость и далее проходит вверх через слой 13 при постоянной пониженной температуре по всему объему слоя 13. В рабочей камере 3 происходит многократный обмен частиц с перегретой поверхностью из активной зоны слоя 13, с частицами, подвергшимися выдержке в слое 13 с более низкой температурой, то есть происходит постоянный перенос части тепла из активной зоны слоя 13 в основную массу слоя 13, и выравнивание температуры по объему частиц.
Высокоскоростной газ, истекающий из сопел 18 и 19, позволяет псевдоожижать в активной зоне крупные частицы полидисперсного материала, для которых рабочая скорость псевдоожижения в несколько раз выше, чем для мелких частиц, и тем самым предотвратить залегание частиц материала на решетке 5. Обрабатываемый материал продвигается в сторону штуцера 14 за счет текучести слоя 13, а готовый продукт удаляют из рабочей камеры 3 через штуцер 14 выгрузки в камеру выгрузки 20, а далее из аппарата на охлаждение. После прохождения псевдоожиженного слоя 13 газ через штуцер 24, расположенный в своде рабочей камеры 3, направляют на газоочистку.
В отличие от прототипа, в предлагаемом аппарате осуществлена передача части тепла от газа с повышенной температурой на входе в аппарат к псевдоожиженному слою через стенку, улучшена гидродинамика расширяющегося псевдоожиженного слоя, что позволяет увеличить производительность аппарата и снизить пылеунос.