Устройство для подачи агрессивной и/или абразивной среды
Владельцы патента RU 2395626:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева" (РХТУ им. Д.И. Менделеева) (RU)
Изобретение относится к области защиты материалов от коррозии, отложений и износа. Устройство содержит расположенные с зазором наружную газонепроницаемую стенку и внутреннюю керамическую газопроницаемую стенку из пористого материала, выполненную по толщине с уменьшением размера пор к поверхности, контактирующей с пропускаемой средой, а также с уменьшением по длине стенки от входа устройства к его выходу проницаемости, компенсирующей уменьшение давления агрессивной и/или абразивной среды. Технический результат: защита внутренней поверхности стенок устройства от агрессивной и/или абразивной среды. 5 з.п. ф-лы.
Изобретение относится к устройствам для подачи агрессивной и/или абразивной среды, изготовленным из керамики, контактирующей с жидкими агрессивными и/или абразивными средами, способными взаимодействовать с керамикой (стенки труб, форсунок, реакторов, печей и т.п.).
Проблема коррозионной стойкости материалов, особенно работающих при повышенных температурах, часто очень сложна в своем решении. Особенно сложной она является, когда работа с абразивными и агрессивными материалами происходит при высоких температурах.
Известны подшипники на газовой смазке [А.с. СССР №312950. F02С 7/06. Брагин А.Н., Гаврилов С.Г. Подшипник на газовой смазке. 1971], когда контакт между трущимися деталями исключают путем создания газовой прослойки. Известны способ получения стекла методом плавающей ленты и установка для его осуществления, в которой лента стекла поддерживается воздушной подушкой [Пат. США №3615315. С03В 18/00 кл. США 65/25 A. Michalik E.R., Misson G.W. Method and apparatus having sealing means and gaseous takeoff for float glass. 1971]. Однако этот подход применили только для снижения трения между твердыми деталями в подшипнике, а также между лентой стекла и поверхностью печи, на которую она опирается, а не для решения задачи защиты материала от взаимодействия с жидкой или газообразной агрессивной средой.
Наиболее близким по сути можно считать способ защиты внутренних поверхностей стенок емкости от отложений [А.с. СССР №262092. С23F 14/00. Бубнов Г.А., Чепчуров Я.И., Шедько А.В. и др. Способ защиты внутренних поверхностей стенок емкости от отложений. 1970]. Чтобы не допустить осаждения твердого или вязкого продукта на стенки реактора, например, при полимеризации изопрена в каучук, внутрь емкости, изготовленной из пористого материала, подают через ее стенки не образующую отложений жидкость под давлением, превосходящим давление внутри емкости. Этот способ предусмотрен для защиты стенок от отложений, а не для защиты керамической стенки от воздействия агрессивной и/или абразивной среды. Он не может быть использован при высоких температурах, поскольку очень сложно подобрать необходимую инертную жидкость.
Технической задачей изобретения является создание устройства для подачи агрессивной и/или абразивной среды, обеспечивающего защиту внутренней поверхности его керамической стенки от агрессивной и/или абразивной среды.
Поставленная задача решена устройством для подачи агрессивной и/или абразивной среды, содержащим расположенные с зазором для подачи газа наружную газонепроницаемую и внутреннюю керамическую газопроницаемую стенку из пористого материала, выполненную по толщине с уменьшением размера пор к поверхности, контактирующей с агрессивной и/или абразивной средой. Это позволяет снизить гидравлическое сопротивление стенки. Проницаемость уменьшается по длине стенки от входа устройства к его выходу для компенсации соответствующего уменьшения давления агрессивной и/или абразивной среды. Это позволяет обеспечить более равномерное проникновение газа через стенки по длине устройства. При одинаковом размере пор по длине устройства уменьшение давления агрессивной и/или абразивной среды от входа к выходу приводит к тому, что газ преимущественно проходит по порам, находящимся ближе к входу.
Устройство может выполнено в виде трубы или форсунки и предназначено для подачи агрессивной среды или абразивной среды. В качестве агрессивной среды используется газ или жидкость. В качестве абразивной среды используется смесь газ-абразив или жидкость-абразив.
В устройстве проницаемая керамическая стенка, контактирующая с агрессивной и/или абразивной средой, может быть выполнена в виде керамической мембраны, обращенной рабочим слоем к агрессивной и/или абразивной среде, или из пористой керамики. Керамическая мембрана обычно содержит три проницаемых слоя: носитель с достаточно крупными порами, составляющий основную часть толщины мембраны, промежуточный тонкий слой с более мелкими порами и наиболее тонкий рабочий слой с наименьшими порами.
Через каналы проницаемой керамической стенки может подаваться газ с комнатной температурой, охлаждающий контактирующую с ним агрессивную среду и этим понижающий ее агрессивность.
Пример 1. Устройство выполнено в виде двухслойной трубы с зазором, через который подается газ. Наружная стенка трубы выполнена газонепроницаемой, чтобы газ проходил через внутреннюю проницаемую стенку, обращенную к пропускаемой по ней агрессивной среде. Длина трубы, выполненной в виде пористой проницаемой керамической мембраны из шамота, - 400 мм, внутренний диаметр - 30 мм, толщина проницаемой стенки 10 мм. Наружный слой внутренней проницаемой стенки имеет размер пор 20 мкм. Рабочий слой керамической мембраны является внутренней стороной трубы. Размер пор рабочего слоя мембраны равномерно уменьшается от 3 мкм у входа в трубу до 1 мкм у ее выхода, что с учетом уменьшения давления агрессивной среды по длине устройства обеспечивало более равномерное проникновение газа через стенки.
Через трубу пропускали расплав стекла с температурой 1550°С. Через поры мембраны подавали воздух комнатной температуры, образующий воздушную прослойку, препятствующую непосредственному контакту расплава стекла с керамической стенкой трубы. Скорость потока расплава стекла составляла 0,02 м/с. Давление регулировали так, чтобы расход газа через проницаемую стенку составлял 5-10 см3/с. При этом между расплавом стекла и керамической стенкой образовывалась сплошная газовая прослойка.
Без подачи воздуха после 2 часов испытаний на поверхности пористой трубы из шамота заметны следы пропитки компонентами стекла. На образцах с защитной прослойкой воздуха после 2 часов испытаний следы взаимодействия со стеклом отсутствовали.
Пример 2. Устройство выполнено в виде двухслойного канала с зазором, через который подается газ. Наружная стенка канала выполнена газонепроницаемой, чтобы газ проходил через внутреннюю проницаемую стенку, обращенную к пропускаемой по нему агрессивной среде. Длина канала, выполненного в виде пористой проницаемой керамики из муллита, - 900 мм, толщина проницаемой стенки 15 мм. Наружный слой внутренней проницаемой стенки имеет размер пор 30 мкм. Диаметр пор в рабочем слое, обращенном к агрессивной среде, изменялся от 5 мкм на входе в устройство до 3 мкм на выходе. Сечение канала имело в верхней части форму окружности диаметром 100 мм, сопряженную внизу с двумя симметрично расположенными прямыми, расходящимися под углом 30°.
В устройство направлен факел, сжигающий жидкие отходы хлорорганических соединений. Температура факела составляла примерно 1600°С, скорость потока продуктов сгорания - 5 м/с. В стенках канала сделаны сквозные канальные поры, диаметр которых равномерно менялся по длине стенки канала. Уменьшение диаметра пор рабочего слоя от 5 мкм на входе до 3 мкм на выходе компенсировало уменьшение давления агрессивной среды по длине канала и обеспечивало более равномерное проникновение газа через стенки.
Через поры стенки подавали компрессором под давлением воздух комнатной температуры, образующий воздушную прослойку, препятствующую непосредственному контакту агрессивных продуктов сгорания с керамической стенкой канала. Давление регулировали так, чтобы расход газа составлял 100-150 см3/с.
Без подачи воздуха после 2,5 часов испытаний на рабочей поверхности пористого канала заметны следы химического взаимодействия с продуктами сгорания. В значительно меньшей степени следы химического взаимодействия были видны при использовании плотного канала из муллита. На образцах с защитной прослойкой воздуха следы химического взаимодействия практически отсутствовали.
Пример 3. Конструкция устройства аналогична описанной в примере 1. Длина трубы, выполненной из пористой проницаемой керамики на основе шамота, - 350 мм, внутренний диаметр - 40 мм, толщина проницаемой стенки 12 мм. Наружный слой внутренней проницаемой стенки трубы имеет размер пор 25 мкм. Пористость рабочего слоя проницаемой керамики уменьшалась от 4 мкм на входе в устройство до 2,5 мкм у выхода.
Через устройство пропускали поток расплавленного алюминия. Температура расплава алюминия составляла 1000°С, скорость потока 0,03 м/с. Через пористые стенки трубы подавали аргон комнатной температуры, образующий газовую прослойку, препятствующую непосредственному контакту расплава алюминия с керамической стенкой трубы. Давление регулировали так, чтобы расход газа составлял 6-12 см3/с. При этом между расплавом алюминия и керамической стенкой устройства образовывалась сплошная газовая прослойка.
Без подачи аргона после 1,5 часов испытаний на поверхности пористой трубы из шамота заметны следы химического взаимодействия расплавом алюминия. На образцах с защитной прослойкой аргона следы химического взаимодействия отсутствовали.
Пример 4. Устройство выполнено в виде двухслойной форсунки с зазором между слоями, через который подается газ. Наружная стенка форсунки выполнена газонепроницаемой, чтобы газ проходил через внутреннюю проницаемую стенку, обращенную к пропускаемой по ней агрессивной среде. Длина канала форсунки, выполненного в виде пористой проницаемой керамической мембраны из шамота, - 6 мм, внутренний диаметр - 0,1 мм, толщина проницаемой стенки - 5 мм.
Наружный слой внутренней проницаемой стенки имеет размер пор 27 мкм. Рабочий слой керамической мембраны является внутренней стороной форсунки. Размер пор рабочего слоя мембраны равномерно уменьшается от 3 мкм у входа в форсунку до 2,5 мкм у ее выхода, что с учетом уменьшения давления агрессивной среды по длине устройства обеспечивало более равномерное проникновение газа через стенки.
Через форсунку формовали волокно из безщелочного алюмоборосиликатного стекла. Температура расплава составляла 1200°С, скорость потока - 5 м/с. Через пористые стенки подавали воздух комнатной температуры, образующий воздушную прослойку, препятствующую непосредственному контакту расплава стекла с керамической стенкой форсунки. Давление регулировали так, чтобы расход газа составлял 2-5 см3/с. При этом между расплавом стекла и керамической стенкой проточного узла образовывалась сплошная газовая прослойка.
Без подачи защитного воздуха после 1 часа испытаний на поверхности пористой форсунки из шамота заметны следы износа. На образцах с защитной прослойкой воздуха после 1 часа испытаний следы износа отсутствовали.
Пример 5. Устройство выполнено аналогично примеру 4. Длина рабочего канала форсунки - 6 мм, внутренний диаметр - 1,2 мм, толщина проницаемой стенки - 7 мм.
Наружный слой внутренней проницаемой стенки имеет размер пор 25 мкм. Размер пор рабочего слоя керамической мембраны равномерно уменьшается от 4 мкм у входа в форсунку до 2 мкм у ее выхода, что с учетом уменьшения давления абразивной среды по длине устройства обеспечивало более равномерное проникновение газа через стенки.
Через форсунку распыляли абразивную смесь воздуха с кварцевым песком со скоростью потока 20 м/с. Через каналы стенки форсунки с помощью компрессора подавали воздух комнатной температуры, образующий воздушную прослойку, препятствующую непосредственному контакту абразивных частиц кварцевого песка с керамической стенкой форсунки. Давление регулировали так, чтобы расход газа составлял 30-40 см3/с.
Без подачи защитного воздуха после 2 часов испытаний на поверхности пористой форсунки из шамота заметны следы абразивного износа. На образцах с защитной прослойкой воздуха после 3 часов испытаний следы абразивного износа отсутствовали.
Пример 6. В соответствии с примером 5 было изготовлено устройство в виде форсунка длиной 20 мм, диаметром 2 мм и со стенками толщиной 6 мм в виде пористой проницаемой керамики на основе корунда. Наружный слой внутренней проницаемой стенки форсунки имеет размер пор 28 мкм. Размер пор рабочего слоя в керамике равномерно уменьшался от 3 мкм у входа в форсунку до 1,5 мкм у ее выхода.
Через форсунку распыляли абразивную смесь воды с керамической массой (керамический шликер) со скоростью потока 7 м/с. Через каналы стенки форсунки подавали воздух комнатной температуры, образующий воздушную прослойку, препятствующую непосредственному контакту абразивных частиц керамического шликера с керамической стенкой форсунки. Давление регулировали так, чтобы расход газа составлял 25-40 см3/с.
Без подачи защитного воздуха после 2 часов испытаний на поверхности пористой форсунки из корунда заметны следы абразивного износа. На образцах с защитной прослойкой воздуха после 2 часов испытаний следы абразивного износа отсутствовали.
Пример 7. В соответствии с примером 1 было изготовлено устройство в виде трубы диаметром 35 мм и длиной 300 мм со стенками толщиной 17 мм, представляющей собой пористую проницаемую керамическую мембрану на основе корунда. Наружный слой внутренней проницаемой стенки трубы имеет размер пор 28 мкм. Размер пор мембраны равномерно уменьшался от 5 мкм у входа в форсунку до 3 мкм у ее выхода.
Через устройство пропускали абразивную пластичную массу из смеси корунда с водой. Скорость потока пластичной массы составляла 0,02 м/с.
Через каналы стенки трубы подают воздух комнатной температуры, образующий воздушную прослойку, препятствующую непосредственному контакту абразивных частиц корунда с керамической стенкой трубы. Давление регулировали так, чтобы расход газа составлял 3-5 см3/с.
Без подачи защитного воздуха после 1,5 часов испытаний на поверхности пористой трубы из корунда заметны следы абразивного износа. На образцах с защитной прослойкой воздуха после 1,5 часов испытаний следы абразивного износа отсутствовали.
Предлагаемое устройство может быть использовано при защите от химического взаимодействия с агрессивными и/или абразивными средами, например, при перемещении агрессивных газов, расплавов, сжигании хлорсодержащих отходов, перемещении смесей газ-абразив и жидкость-абразив. Оно может быть использовано в производствах, где увеличение стоимости из-за применения такого устройства для подачи агрессивной и/или абразивной среды, обеспечивающего защиту внутренней поверхности его керамической стенки от агрессивной и/или абразивной среды, будет перекрываться выгодой от уменьшения износа рабочей поверхности стенки.
1. Устройство для подачи агрессивной и/или абразивной среды, содержащее расположенные с зазором наружную газонепроницаемую и внутреннюю керамическую газопроницаемую стенку из пористого материала, выполненную по толщине с уменьшением размера пор к поверхности, контактирующей с пропускаемой средой, а также с уменьшением по длине стенки от входа устройства к его выходу проницаемости, компенсирующей уменьшение давления агрессивной и/или абразивной среды.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно выполнено в виде трубы.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно выполнено в виде форсунки.
4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно предназначено для подачи агрессивной среды в виде газа или жидкости.
5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве абразивной среды использованы газ-абразив и/или жидкость-абразив.
6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что поры газопроницаемой керамической стенки предназначены для подачи газа с комнатной температурой, охлаждающего контактирующую с ним агрессивную среду и этим понижающий ее агрессивность.
