УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИМПУЛЬСНОЙ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ
DEVICE FOR PULSED HEAT TREATMENT OF BULK MATERIALS

Изобретение относится к устройствам для импульсной тепловой обработки сыпучих материалов (термоактивацией частиц) и может быть использовано на стадии их термохимической активации в производстве катализаторов, носителей, адсорбентов, осушителей, наполнителей, керамики, магнитных материалов, неорганических пигментов, твердых электролитов, лекарственных и косметических препаратов и т.д., а также для проведения процессов сушки/охлаждения сыпучих материалов в химической, пищевой, деревообрабатывающей промышленности и др.
Импульсную тепловую обработку сыпучего материала в устройстве осуществляют со скоростью более 100°С в секунду при движении его по нагретой поверхности, при этом с частиц испаряется поверхностная и удаляется структурная влага. В результате такого быстрого нагрева образуются продукты разложения, обладающие ценными химическими свойствами. При этом для фиксации аморфного состояния проводят закалку-охлаждение продуктов термоактивации на выходе частиц из горячей зоны. Нагрев за счет теплопередачи при контакте частиц сыпучего материала с горячей металлической поверхностью является более эффективным по сравнению с их нагревом при контакте между собой или при конвективном теплообмене при движении в потоке горячего газа. Напр., при производстве оксидных носителей и катализаторов требуется нагрев кристаллических кислородсодержащих соединений до температуры 300°С и более. При этом термолиз исходных соединений проводится в условиях, далеких от термодинамического равновесия, что позволяет сформировать из кристаллических веществ качественно новые метастабильные структуры аморфной твердой фазы, характеризуемые запасенной энергией и повышенной реакционной способностью, которые широко используются при производстве продуктов химической промышленности.
Имеется ряд аналогов изложенного способа с устройствами для его осуществления, наиболее эффективными среди которых является, например, устройство термоактивация частиц исходного материала, в котором до температур 400-600°С в течение 5-30 с происходит нагрев частиц теплопередачей при контакте с горячей поверхностью (SU 528733, C01F 7/44, 1973).
Схожим техническим решением является устройство (пат. РФ 2186616, B01J 8/10, 10.08.2002) для обработки частиц сыпучих материалов термоактивацией, содержащее: емкость для исходного материала, нагреватели и привод вращения контактной поверхности, дозируемую подачу частиц сыпучего материала, его перемещение по нагретой поверхности и сход готового продукта в накопитель.
В качестве прототипа принято устройство для обработки сыпучих материалов в режиме термоактивации частиц, описанное в пат. РФ 2264589, F26B 7/00, 11/12, 01.04.2004.
Изобретение по прототипу решает следующие задачи:
подачу и регулирование расхода сыпучего материала в зону термоактивации; упорядоченное распределение материала, с плотным его контактом, по нагретой поверхности; увеличение скорости нагрева сыпучего материала и испарения с частиц поверхностной и удаления из них структурной влаги термоактивацией; быструю закалку - охлаждение продукта термообработки для фиксации его метастабильной структуры; возможность изменения и повышения производительности устройства с уменьшением удельных энергозатрат.
Перечисленные задачи по прототипу решаются на устройстве, которое включает:
- цилиндрический корпус с коническим днищем и плоской крышкой, на которой установлены: вертикальный электропривод с вращающимся валом и закрепленным на нем цилиндрическим барабаном; накопительный бункер для сыпучего материала, снабженный червячным дозатором и ворошителем загруженного материала, приводимые во вращение электроприводами; патрубком отвода (отсоса) пара, выделяемого при термоактивации частиц;
- электрические нагревательные элементы - (ТЭНы), расположенные в корпусе и размещенные снаружи и внутри вращающегося барабана;
- распределительную тарель в виде конического кольца, жестко прикрепленную в зоне отверстия ребрами к втулке приводного вала;
- цилиндрический барабан, размещенный с зазором 2-5 мм снаружи тарели и жестко скрепленный с ней шпильками;
- защитный экран, установленный с зазором на внутренней полости холодильника;
- съемную накопительную емкость для готового продукта.
В прототипе устройства узлы по загрузке, регулированию расхода сыпучего материала, его быстрая закалка-охлаждение и сбор готового продукта в накопителе решаются любыми известными способами. Устройство работает в непрерывном или переменном режиме следующим образом. Из бункера загруженный сухой или влажный (в виде гранул) сыпучий материал медленно вращающимся ворошителем подают дозатором через течки на поверхность вращающейся конической тарели, по которой материал, под действием центробежной силы, скользит к периферии тарели и через зазор 2-5 мм отбрасывается на внутреннюю поверхность нагретого от ТЭНов вращающегося барабана. При этом гранулы разрушаются и частицы материала, под действием центробежной силы и силы тяжести, скользят по внутренней поверхности барабана вниз по винтовой линии, при этом силу прижатия частиц к барабану (их время контакта) регулируют изменением числа оборотов барабана. При контакте с нагретым барабаном происходит испарение с частиц поверхностной влаги и удаление из них структурной влаги под действием кратковременной термоактивации частиц. Например, кратковременного нагрева 100 мкм частиц до 350°С, скользящих по нагретому до 700°С барабану, достаточно в пределах 1 с. И чем меньше размер частиц сыпучего материала (<100 мкм), тем быстрее происходит процесс их нагрева. С барабана термообработанный продукт падает на холодильник для закалки-охлаждения, который затем сходит в накопительную емкость.
Известно, что при контакте влажных гранул частиц с поверхностью, нагретой до температур порядка 600-700°С, происходит мгновенный их нагрев и разрыв гранул парами испаряющейся с частиц поверхностной влаги, т.к. сила связи (аутогезия) между частицами в гранулах посредством поверхностной влаги и некоторым их уплотнением при подаче в устройство экструзией, непрочная. Известно, что в промышленных аппаратах при движении сыпучего материала по нагретой поверхности (в контактных теплообменниках с движущимися слоями теплоносителя и др.) минимальное время теплообменных процессов значительно меньше времен контакта в этих аппаратах. Так, например, для речного песка с диаметром частиц 100 мкм, движущихся по нагретой поверхности, минимальное время их нагрева около 0,07 с, при диаметре 2 мм - около 2,8 с. Величины такого же порядка получены и для других сыпучих материалов. А поскольку большинство порошковых материалов, обрабатываемых по прототипу и в предлагаемом изобретении устройства, одинаковы и имеют частицы размером 5-150 мкм, то время испарения с них поверхностной влаги будет практически мгновенным. Если же оно будет соизмеримо с временем термоактивации, то их можно сложить и отрегулировать процесс числом оборотов поверхности. Как показали опыты, проведенные в Институте катализа, для разрушения гранул диаметром 2-3 мм на отдельные частицы, длительность процесса испарения с них влаги в процессе термоактивации составила около 1 с.
К основным недостаткам устройства по прототипу, выявленным при эксплуатации опытно-промышленного аппарата в Институте катализа СО РАН, следует отнести следующие:
1. Установлено, что при скольжении частиц по нагретой внутренней стенке барабана процесс их нагрева и интенсивность испарения поверхностной и структурной влаги происходит неравномерно, поскольку распределить частицы в один слой на поверхности вращения не представляется возможным, так как они распределяются по стенке в несколько слоев. В наиболее благоприятных условиях контакта частиц со стенкой находится их первый слой, а в остальных создаются неодинаковые условия по теплообмену и испарению влаги. В результате это приводит к сложностям в тепловом регулировании процесса термоактивации всех частиц, температура смеси которых при их сходе с барабана колеблется в диапазоне 350-420°С. Этот недостаток существенно осложняет термоактивацию разнородных партий сыпучих материалов, имеющих различное начальное поверхностное и структурное влагосодержание.
2
2. При диаметре барабана по прототипу 0,7 м, его рабочей длине 0,43 м и плотном расположении ТЭНов снаружи и внутри барабана, их суммарная мощность составляет 50 кВт, и нагрев барабана до 600-700°С происходит преимущественно конвекцией, плотности теплового потока (отношение количества теплоты к продолжительности ее передачи через единицу поверхности, Вт/м) которой для нагрева стенки недостаточно для термоактивации многослойного потока частиц за короткое время их контакта.
3. Вследствие таких сложностей, выявленных в прототипе, часто не удается получить структуру готового продукта с заданными свойствами, что не делает установку универсальной для термообработки широкого класса сыпучих материалов.
Изобретение решает задачу разработки такой конструкции, которая является практически универсальной и позволяет получать продукт заданного качества.
Технический результат - предлагаемое устройство позволяет получать продукты термоактивации с заданной структурой и свойствами.
Предлагаемое устройство - циклонный термоактиватор исключает основной недостаток прототипа за счет плавного регулирования процесса термообработки частиц, что сделает установку более универсальной для термообработки широкого класса сыпучих материалов.
Суть конструкции предлагаемого устройства заключается в более эффективном подводе тепла (плотности теплового потока) к поверхности нагрева, которое в процессе термоактивации частиц обеспечит достаточную и практически постоянную во времени температуру нагреваемой поверхности, что позволит получать продукты термоактивации с заданной структурой и свойствами.
Реализацию способа термоударной обработки в циклонном термоактиваторе ведут с поступающей в него газовой взвесью сыпучего материала, которую готовят, например, перед термоактиватором путем дозирования материала в трубопровод подачи потока газа (воздуха, водяного пара и др.). При термоактивации частиц в устройстве происходит удаление наружной и структурной влаги, которая в виде водяного пара, смешиваясь с нагретым перед устройством потоком газа, образует перегретую парогазовую смесь, которую из рабочей камеры отводят (при необходимости) на очистку от пыли с дальнейшей утилизацией тепла, которое целесообразно использовать для нагрева (через теплообменник) газа, входящего в устройство. Для обработки ряда сыпучих материалов возможно создание циркуляционного или проточно-циркуляционного контура по возврату в устройство нагретой парогазовой смеси.
Задача решается конструкцией устройства для импульсной тепловой обработки сыпучих материалов, включающего цилиндрическую рабочую камеру термоактивации с крышкой и коническим днищем, нагреваемую до 700-800°С рабочей стенки камеры для контакта и термоактивации частиц сыпучего материала под действием центробежных сил; узла ввода исходного материала, узла отвода перегретого водяного пара; примыкающего снаружи к коническому днищу рабочей камеры закалочного холодильника; узла сбора готового продукта под холодильником, оно включает также печь кипящего слоя, внутри которой расположена камера термоактивации; закалочный холодильник с накопительной камерой продукта и запорным клапаном. При этом устройство не содержит движущиеся узлы и детали.
Узел ввода сыпучего материала в виде газовзвеси представляет собой тангенциально врезанный во внутреннюю стенку печи кипящего слоя патрубок с регулируемой заслонкой.
Крышка имеет коническую форму и снабжена отводящим патрубком и линзовым компенсатором.
Патрубок узла ввода газовзвеси - квадратный или предпочтительно прямоугольный.
Рабочая камера термоактивации содержит цилиндрическую обечайку с усеченным конусом, образующую со стенкой камеры кольцевой канал, при этом диаметр обечайки равен диаметру стенки рабочей камеры минус две ширины патрубка ввода газовзвеси, при этом длина цилиндрической обечайки составляет 0,4-0,5 длины стенки рабочей камеры, высота приваренного снизу конуса составляет - 0,3-0,35 длины стенки, а площадь его горловины составляет 1,1-1,3 площади входного патрубка газовзвеси.
Устройство - циклонный термоактиватор состоит из:
- цилиндрической рабочей камеры термоактивации частиц газовзвеси, которую с заданной расчетами скоростью подают через парубок тангенциально на внутреннюю поверхность стенки рабочей камеры, в результате чего частицы центробежными силами прижимаются к нагретой стенке и под действием закрученного потока перемещаются по стенке вниз по винтовой линии. При этом время контакта частиц с поверхностью нагрева зависит от свойств каждого класса сыпучих материалов - размеров их частиц и их концентрации в потоке газа, его температуры, вязкости и др. Поэтому время контакта частиц регулируют интенсивностью крутки потока путем задания скорости газовзвеси на входе, для чего патрубок ввода газовзвеси снабжен узлом регулирования скорости потока. Внутри рабочей камеры встроена цилиндрическая обечайка с усеченным конусом снизу, которая со стенкой рабочей камеры образует кольцевой канал для сохранения устойчивости скорости крутки газовзвеси, при этом ширина канала равна ширине входного патрубка. Длина цилиндрической обечайки составляет 0,4-0,5 длины стенки рабочей камеры, а высота конуса - 0,3-0,4 ее длины и площадью горловины 1,1-1,3 площади входного патрубка газовзвеси. Поскольку принцип работы термоактиватора не отличается от работы циклонов по пылеулавливанию твердых частиц из газа, то в зависимости от максимальной производительности, выбирают диаметр цилиндрической рабочей камеры устройства согласно расчетной методике циклонов, разработанной НИИОГАЗом, которая имеется во многих учебниках и справочной литературе в виде расчетных формул и номограмм эффективности (А.Г.Касаткин. Основные процессы и аппараты химической технологии, М., АльянС, 2004; Ю.В.Красовицкий и др. Обеспыливание промышленных газов в фаянсовом производстве, М., Химия, 1994).
- расположенного снизу рабочей камеры конического холодильника конструкции по прототипу, на поверхность которого частицы продукта термоактивации сходят (по инерции) с рабочей цилиндрической камеры для его быстрой закалки-охлаждения до заданной температуры. Габариты холодильника рассчитывают по методике расчета теплообменников по заданной производительности термоактиватора;
- накопительной камеры снизу холодильника с запорным клапаном (любой известной конструкции), объем которой выбирают по производительности термоактиватора, где готовый продукт накапливается и охлаждается до заданного проектом времени, откуда его периодически выгружают в емкость сбора готового продукта;
- узла сбора готового продукта, объем которого превышает объем накопленного в накопительной камере продукта и может быть любой конструкции;
- печи кипящего слоя, расположенной снаружи рабочей камеры в зоне ее нагрева, стенку которой нагревают путем контакта с внешней стороны кипящим слоем частиц инертного материала (или катализатора). Высокотемпературный кипящий слой, за счет высокого коэффициента теплопередачи, передает через стенку камеры постоянное (заданное температурой печи) количество тепла частицам обрабатываемого материала, что делает процесс их термоактивации легко управляемым. Температуру кипящего слоя в камере поддерживают известными способами - путем вдува топочных газов, полученных сжиганием вне слоя газового или жидкого топлива, или при сжигании топлива в слое. Согласно заданных проектом параметров печи - производительности устройства, теплонапряженности печи на единицу объема, места сжигания топлива, выбора рабочего материала (инерта или катализатора) печи кипящего слоя и др., проводят расчеты печи, ее узлов и деталей по известным формулам и номограммам, опубликованным во многих источниках - см., напр., А.Г.Касаткин. Основные процессы и аппараты химической технологии, М., АльянС, 2004; С.С.Забродский. Высокотемпературные установки с псевдоожиженным слоем, М., Энергия, 1971.
Сущность изобретения поясняется Фиг.1 и Фиг.2.
Предлагаемый способ обработки сыпучих материалов термоактивацией частиц реализуется в устройстве - циклонном термоактиваторе, показанном на Фиг.1 в двух вариантах: справа от вертикальной оси - не работающий, а слева - термоактиватор в работе (движение сыпучего материала показано точками). Стрелками показаны направления движения потоков, где: СМ - сыпучий материал; ГВ - газовзвесь сыпучего материала; ПТ - продукт термоактивации; ГП - готовый продукт; ПГС - парогазовая смесь; КС - кипящий слой; ТГ - топочные газы; ОГ - отходящие газы; ХВ - холодная вода. На Фиг.2 показан в сечении узел регулирования тангенциальной скорости входа газовзвеси в устройство.
На Фиг.1 также показаны узлы устройства: рабочая камера термоактивации циклонного типа I, закалочный водяной холодильник II, накопительная камера готового продукта термоактивации III, съемная емкость сбора продукта IV и печь кипящего слоя V.
Рабочая камера I включает:
- цилиндрическую обечайку 1, которая также является внутренней стенкой печи КС, размеры которой выбирают, в зависимости от производительности термоактиватора, по тангенциальной скорости ввода ГВ по методике, разработанной НИИОГАЗом по выбору промышленных циклонов для очистки газов от твердых частиц. Сверху к цилиндрической обечайке 1 приварена коническая крышка 2;
- патрубок 3 ввода исходного материала - ГВ, который под крышкой 2 врезан тангенциально во внутреннюю стенку печи КС поз.1, и в котором установлена (регулируемая расход ГВ) поворотная заслонка 26 с фиксируемым ручным или приводным валом 27 (любой известной конструкции). Размеры тангенциального патрубка 3 выбирают также по методике НИИОГАЗа, в форме круглого, квадратного или предпочтительнее прямоугольного сечения, большая сторона которого расположена вертикально;
- патрубок выхода ПГС поз.4 с линзовым компенсатором 5;
- встроенную цилиндрическую обечайку 9, диаметр которой выбирают из расчета равенства ширины кольцевого канала между деталями поз.1 и 9 (см. Фиг.2), равного ширине патрубка 3. При этом длина цилиндрической обечайки 9 составляет 0,4-0,5 длины стенки 1, а высота приваренного снизу конуса 10 составляет - 0,3-0,35 длины стенки 1, с площадью горловины конуса, равной 1,1-1,3 площади входного патрубка 3;
- коническое днище 6, которое является внутренней стенкой холодильника II, с патрубком 7, в который встроен запорный поворотный клапан 8 (ручной или приводной - любой известной конструкции).
Закалочный водяной холодильник II примыкает снизу к камере I и включает - цилиндрический корпус 11, равный диаметру обечайки 1, с коническим днищем 6. Снизу холодильника приварено плоское днище 12, а в обечайку 11 вварены патрубки входа-выхода хладагента 13. На Фиг.1 холодильник показан односекционным, а для плавного регулирования процесса закалки ряда продуктов термоактивации он может быть двух- и более секционным, с глухими перегородками между секциями. Размеры конического днища 6 выбирают по поверхности конуса, которую рассчитывают по методике расчета теплообменников по заданной производительности термоактиватора;
- накопительную камеру готового продукта термоактивации, расположенную снизу холодильника, где готовый продукт накапливается и охлаждается, откуда его периодически выгружают. Камера включает накопительный патрубок 7, любой известной конструкции запорный клапан 8 и узел крепления 28 емкости сбора готового продукта. Размеры всех деталей выбирают по производительности термоактиватора.
Печь кипящего слоя V с расширительной камерой сверху включает:
- цилиндрический корпус 14 с днищем 15, усеченный конус 16, цилиндрическую обечайку 17, плоскую приваренную (или съемную, на фланцах) крышку 18 с патрубком 19 отходящих из печи газов ОГ. Для загрузки материала в печь на крышке 18 приварен заглушенный люк 22, а для разгрузки материала - заглушенный патрубок 23;
- примыкающую к холодильнику II подрешеточную камеру с патрубком 21, для распределения ТГ, с решеткой 20 любой конструкции (беспровальной, колпачковой и др.).
Размеры перечисленных деталей печи выбирают по известным расчетам печей кипящего слоя, в зависимости от ее тепловой нагрузки. Снаружи горячие участки и детали печи покрыты теплоизоляцией 24. Устройство установлено на опору 25 (любой конструкции).
Узел регулирования скорости входа газовзвеси в рабочую камеру показан на Фиг.2, который состоит из: патрубка 3, встроенного в его горизонтальные стороны передвижной заслонки 26, закрепленной к ручной вращающейся оси 27, имеющей сверху стопорное крепление (любой конструкции) с фиксатором заданного положения заслонки 26.
Устройство работает следующим образом.
Вначале печь V заполняют инертным материалом (или катализатором) через загрузочный люк 22. Затем заполняют хладагентом (водой) закалочный холодильник II, устанавливают и закрепляют снизу съемную емкость сбора продукта IV, и закрывают поворотный клапан 8. Согласно выбранному расходу ГВ (см. выше), поворотом оси 27 устанавливают расчетный зазор между заслонкой 26 и стенкой патрубка 3.
Пуск начинают с разогрева печи. Высокую (заданную) температуру ТГ для КС реализуют любым известным способом. Напр., путем вдува снизу слоя через патрубок 21 ТГ, полученного в расположенной вне устройства камере сжиганием газового или жидкого топлива. В случае использования в КС катализатора, его при пуске также нагревают известными способами до температуры начала реакции и затем подводят холодную горючую смесь. В поток подачи нагретого газа в термоактиватор вдувают (любым известным способом) расчетное количество сыпучего материала и полученную ГВ через тангенциальный патрубок 3 подают в термоактиватор. Частицы материала, под действием центробежной силы, прижимаются к разогретой от КС стенке 1 и скользят вниз по винтовой линии. При контакте частиц сыпучего материала с нагретой поверхностью быстрая передача тепла к ним передается в виде теплового удара с мгновенным испарением с частиц поверхностной и внутренней влаги. Время пребывания частиц в контакте с поверхностью 1 в рабочей камере задают скоростью подачи ГВ. После прохождения частицами зоны печи КС (на стенке 1) полученный после термоактивации продукт поступает для закалки-охлаждения в закалочный холодильник II, температуру которого регулируют подачей ХВ путем интенсивного отвода тепла от материала до получения заданной степени его охлаждения. Затем продукт поступает в зону накопления продукта III, откуда поворотом клапана 8 периодически ссыпается в съемную емкость готового продукта IV. Выделяющиеся в процессе термоактивации из частиц водяные пары, совместно с нагретым газом и пылевыми частицами, в виде ПГС через патрубок 4 отводят из термоактиватора, вне его отфильтровывают от пыли, а тепло ПГС используют, напр., для нагрева газовых составляющих потоков ГВ или ТГ. Высокотемпературный отходящий газ ОГ из печи кипящего слоя IV через патрубок 19 отводят и также утилизируют и очищают по аналогии с потоком ПГС.