Распределительная тарелка
Изобретение относится к сопловой распределительной тарелке для равномерного ввода технологического газа в реактор. Реактор для металлургической, в особенности термической обработки загружаемого материала с сопловой распределительной тарелкой для равномерного ввода технологического газа, нагруженного твердыми частицами, при необходимости, для формирования вихревого слоя, в технологическом пространстве, расположенном над распределительной тарелкой, образованном реакторными стенками реактора. Распределительная тарелка имеет множество отверстий, в их числе пристеночные отверстия, которые размещены на таком расстоянии от реакторных стенок, что расстояние до их центральной оси, соответственно, составляет максимально от 1- до 10-кратного, в частности 2-кратный диаметр отверстия, или отношение расстояния от центральной оси пристеночного отверстия до центральной оси распределительной тарелки к радиусу распределительной тарелки составляет 0,9-1. Изобретение обеспечивает большую скорость течения и достаточный поток технологического газа и предотвращает припекания на распределительной тарелке. 20 з.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к распределительной тарелке, в частности сопловой распределительной тарелке для равномерного ввода технологического газа, в частности, нагруженного твердыми частицами, при необходимости, для формирования вихревого слоя в технологическом пространстве, расположенном над распределительной тарелкой, образованном реакторными стенками реактора для металлургической, в частности термической обработки загружаемого материала, причем распределительная тарелка имеет множество отверстий.
Распределительные тарелки служат для управляемого ввода или распределения технологического газа в реакторе. Подобные реакторы работают, например, по принципу вихревого (псевдоожиженного) слоя, причем поток технологического газа удерживает в вихревом слое, по меньшей мере, кусковой материал, который должен обрабатываться в реакторе.
Из уровня техники известно обеспечение распределения технологического газа в реакторе посредством распределительных тарелок.
Принципиальной проблемой при эксплуатации подобных реакторов являются осаждения на реакторных стенках или также в зоне самой распределительной тарелки. Они могут возникать из-за того, что имеются зоны со слишком низким псевдоожижением (флюидизацией), так что твердый материал, если он имеет склонность к припеканию, может образовывать в этих местах твердые агломераты, что также известно как приваривание. Эти эффекты снижают, с одной стороны, полезный объем реактора, а с другой стороны, могут создавать помехи функционированию встроенных элементов или полностью лишать их этой возможности, как, например, в случае трубок теплообменников, теплопередача которых может быть значительно снижена.
Из документа WO 98/55218 известно устройство для улучшения газового потока в агрегате с вихревым слоем. Однако недостатком при этом является то, что невозможно надежно предотвратить осаждения, прежде всего в области емкости реактора, с помощью предложенной распределительной тарелки.
Исходя из уровня техники, задачей изобретения является преодолеть недостатки уровня техники и создать распределительную тарелку, которая позволяет в значительной мере избежать припекания во всем реакторном пространстве.
Соответствующая изобретению задача решается согласно отличительной части пункта 1 формулы изобретения.
Припекание представляет проблему прежде всего в реакторах в областях с пониженной скоростью течения, так как здесь имеет место лишь незначительное псевдоожижение, и поэтому в распоряжении имеется малый импульс для разрыва мостиков «твердый материал-твердый материал». Часто возникают припекания в области распределительной тарелки на реакторных стенках. В соответствующей изобретению распределительной тарелке пристеночные отверстия размещены на таком расстоянии от реакторных стенок, что их среднее удаление, соответственно, составляет максимально от 1- до 10-кратного, в частности 2-кратный диаметр отверстия. Под пристеночной областью при этом понимается область от 5 до 20% диаметра, измеренная от внешнего края.
По сравнению с уровнем техники, отверстия, таким образом, позиционированы заметно ближе к стенкам реактора. Тем самым гарантируется, что и в области реакторных стенок имеет место достаточно большая скорость течения и, следовательно, достаточный поток технологического газа, так что припекания предотвращаются. По возможности близкое расположение пристеночных отверстий относительно реакторных стенок предотвращает то, что пристеночные слои течения формируются с низкими скоростями течения, которые, в свою очередь, привели бы к осаждениям кускового материала или тонко измельченного материала, который обрабатывается в реакторе. За счет согласования расстояния в зависимости от диаметра отверстий можно соответственно оказывать влияние на ситуацию течения или настраивать ее.
Специальная форма выполнения соответствующей изобретению распределительной тарелки предусматривает, что отношение расстояния от центральной оси пристеночного отверстия до центральной оси распределительной тарелки, к радиусу распределительной тарелки составляет 0,9-1. Это специальное выполнение обеспечивает предпочтительное протекание и, тем самым, образование вихревого слоя.
Согласно особой форме выполнения соответствующей изобретению распределительной тарелки, пристеночные отверстия размещены кругообразно на окружностях числом от 1 до 5, в частности на 3. Специальная форма расположения допускает, особенно в реакторах с круговыми поперечными сечениями, предпочтительное протекание или введение технологического процесса в реактор. Тем самым можно избежать пристеночных областей распределительной тарелки без отверстий и исключить области, имеющие склонность к припеканию. Отверстия на каждой окружности могут соответственно размещаться на одинаковых расстояниях от стенки. Угловое положение отверстий на каждой из окружностей может варьироваться соответственно требованиям для согласования с ситуацией течения. Но также возможно отверстия на окружностях установить таким образом, что отверстия размещены, соответственно, на радиально направленных лучах. Кроме того, это размещение отверстий можно предусмотреть также для реакторов, которые имеют не круговое, а например, многоугольное поперечное сечение. Посредством согласования размещения отверстий с ситуацией с сечением можно также избежать осаждений в углах.
Согласно особой форме выполнения соответствующей изобретению распределительной тарелки, пристеночные отверстия размещены рядами числом от 1 до 5, в частности в 2 ряда, параллельные внутренней стенке реактора. Это выполнение находит применение, прежде всего в реакторах с, например, многоугольным поперечным сечением. За счет соответствующего изобретению размещения условия течения могут предпочтительным образом согласовываться.
Согласно предпочтительной форме выполнения соответствующей изобретению распределительной тарелки, по меньшей мере, одно из пристеночных отверстий размещено соосно с, по меньшей мере, одной из реакторных стенок. Размещение пристеночных отверстий осуществляется таким образом, что имеет место соосность оси отверстия с ближайшей реакторной стенкой, чтобы, таким образом, ось отверстия лежала, по меньшей мере, параллельно стенке. За счет этого размещения, во взаимосвязи с незначительным расстоянием от отверстия до реакторной стенки, реализуется очень хорошее обтекание реакторной стенки. Тем самым можно избежать припеканий.
Особая форма выполнения соответствующей изобретению распределительной тарелки предусматривает, что, по меньшей мере, одно из пристеночных отверстий заключает угол ±15°, предпочтительно ±5°, с одной из реакторных стенок. За счет такого расположения можно целенаправленно предотвратить течения, направленные на, по меньшей мере, одну из стенок, и припекания.
Согласно предпочтительному выполнению соответствующей изобретению распределительной тарелки, отверстия, по меньшей мере, частично размещены на окружностях, причем отверстия, по меньшей мере, двух окружностей размещены в окружном направлении со смещением по отношению друг к другу, особенно таким образом, что отверстия ближайшей внутренней окружности размещены между отверстиями внешней окружности. За счет радиального распределения отверстий может быть реализовано равномерное распределение технологического газа.
Согласно возможной форме выполнения соответствующей изобретению распределительной тарелки, число пристеночных отверстий, приходящихся на единицу поверхности в краевой области распределительной тарелки, больше, чем соответствующее число для удаленных от стенки отверстий, приходящееся на единицу поверхности в удаленной от стенки области распределительной тарелки. За счет большего числа отверстий в области реакторных стенок имеется возможность воздействовать на ситуацию с течением таким образом, что припекания можно действенным образом предотвращать. В частности, припекания в критических зонах реактора, например в углах, можно соответствующим образом предотвращать за счет локально увеличенного числа отверстий и улучшать локальную ситуацию с течением.
Согласно другой возможной форме выполнения соответствующей изобретению распределительной тарелки, пристеночные отверстия имеют диаметр, увеличенный по отношению к удаленным от стенки отверстиям, предпочтительно на величину от 10 до 50%, в частности на 20%, так что больше технологического газа может быть введено в пристеночных областях. Наряду с согласованием течения посредством числа отверстий, также возможно согласование посредством диаметра, так что на ситуацию с течением в реакторе можно воздействовать еще лучше или соответственно адаптировать ее.
Согласно специальной форме выполнения соответствующей изобретению распределительной тарелки, по меньшей мере, одно из пристеночных отверстий расположено параллельно реакторной стенке и/или расположено с наклоном относительно нормали к распределительной тарелке под углом ±15°, предпочтительно ±5°. Отверстия могут поворачиваться относительно нормали к распределительной тарелке для ввода целенаправленного потока, наклоненного относительно основного направления потока технологического газа. Вновь посредством этого приема устанавливается целенаправленное пристеночное течение и, тем самым, предотвращаются припекания. В особом выполнении наклон ориентирован в радиальном направлении, так что отверстия могут быть направлены на, по меньшей мере, одну из стенок или направлены в сторону от нее.
В соответствии с ситуацией процесса могут устанавливаться диаметр отверстия, давление газа и пространственное положение струй технологического газа, которые формируются на выходе из отверстий. За счет дополнительных компонентов потока в поперечном направлении можно на поток воздействовать еще более гибко или оптимизировать его.
Согласно особенно предпочтительной форме выполнения соответствующей изобретению распределительной тарелки, по меньшей мере, одно из пристеночных отверстий ориентировано относительно реакторной стенки таким образом, что сформированная отверстием струя технологического газа попадает на реакторную стенку при рассчитанной глубине проникновения струи. Под глубиной проникновения струи специалист понимает глубину проникновения постоянного газового пространства струи, которая распространяется из сопла. Это определение согласно Knowlton и Hirsan (1980) можно найти во многих публикациях, например: “The effect of pressure on jet penetration in semi-cylinderical gas-fluidized beds”.
Это обуславливает усиленную турбулентность, которая выгодна для металлургических процессов.
Соответственно альтернативной предпочтительной форме выполнения соответствующей изобретению распределительной тарелки, по меньшей мере, одно из пристеночных отверстий относительно реакторной стенки ориентировано таким образом, что сформированная отверстием струя технологического газа попадает на реакторную стенку при глубине проникновения струи, составляющей 70-130%, предпочтительно 90-110% от рассчитанной глубины проникновения струи. Эксплуатационные испытания показали, что при этом конкретном выполнении процесса достигается оптимальное рабочее состояние.
Согласно подходящей форме выполнения соответствующей изобретению распределительной тарелки пристеночные отверстия ориентированы иначе, чем удаленные от стенки отверстия. На основе неодинаковой ориентации пристеночных и удаленных от стенки отверстий можно оказывать целенаправленное воздействие на влияние реакторных стенок на создаваемую ситуацию потока. Прежде всего, за счет этого могут устанавливаться специальные ситуации потока, так что и впоследствии реакторы при возникающих припеканиях, посредством отрегулированной распределительной тарелки, могут быть улучшены или оптимизированы. Возможное расположение отверстий могло бы предусматривать для пристеночных отверстий ориентацию против реакторных стенок, в то время как удаленные от стенки сопла могут быть ориентированы по нормали к распределительной тарелке.
Предпочтительное выполнение соответствующей изобретению распределительной тарелки предусматривает, что, по меньшей мере, одно из отверстий имеет регулируемое по положению сопло. За счет установки сопла можно еще более целенаправленно устанавливать ситуацию потока. За счет выполнения сопла поток на сопле и, тем самым, образованная на сопле струя может устанавливаться независимо от самой распределительной тарелки. Дополнительно, сопло может изготавливаться из другого материала, отличного от материала распределительной тарелки, и, тем самым, выполняться более экономичным образом и согласованно с процессом. За счет установления положения сопла, таким образом, оси сопла относительно распределительной тарелки может целенаправленно устанавливаться ситуация потока, причем поток на реакторных стенках устанавливается более целенаправленно, и можно избежать припеканий в области сопла и направляющей трубки.
Согласно специальной форме выполнения соответствующей изобретению распределительной тарелки, регулируемое по положению сопло имеет направляющую трубку, причем внутренний диаметр направляющей трубки составляет от 1- до 10-кратного, предпочтительно от 2- до 7-кратного значения минимального диаметра сопла. Посредством направляющей трубки приток к соплу стабилизируется и, тем самым, достигается дополнительное улучшение. На основе больших, по сравнению с соплом, размеров направляющей трубки можно гарантировать очень хороший приток и неискаженный поток на сопле.
В случае толстых распределительных тарелок, за счет использования направляющей трубки, область с высокими скоростями может ограничиваться до относительно малой области за счет применения короткого сопла. Тем самым можно избежать припеканий. При техническом обслуживании на распределительной тарелке, например при смене сопел, эти работы осуществляются не непосредственно на распределительной тарелке, а на направляющей трубке, так что для распределительной тарелки достижим более длительный срок службы.
Согласно альтернативной специальной форме выполнения соответствующей изобретению распределительной тарелки, длина направляющей трубки соответствует, по меньшей мере, 70% толщины распределительной тарелки. Длина направляющей трубки может быть согласована с конструктивными соотношениями, например, конструкцией распределительной тарелки и, в необходимом случае, с ее несущей конструкцией, так что может устанавливаться желательная ситуация течения.
Согласно предпочтительной форме выполнения соответствующей изобретению распределительной тарелки, направляющая трубка состоит из огнеупорного материала, так что могут быть реализованы большие сроки службы и в случае процессов с высокой термической нагрузкой.
Согласно специальной форме выполнения соответствующей изобретению распределительной тарелки, ось сопла расположена наклонно относительно оси направляющей трубки и/или к отверстию в распределительной тарелке. Такое расположение позволяет осуществить, например, прямой приток технологического газа в направляющую трубку. За счет наклона оси сопла по отношению к оси направляющей трубки потоки в соответствующих соплах и, тем самым, положения струй технологического газа согласуются предпочтительным образом. За счет этого могут устанавливаться различные картины течения.
Согласно альтернативной специальной форме выполнения соответствующей изобретению распределительной тарелки, направляющая трубка имеет изгиб. Это выполнение позволяет использовать сопло в первой прямой части направляющей трубки, причем ось другой части обычно расположена нормально к распределительной тарелке. Вновь, за счет такого выполнения, пространственное положение сопла может устанавливаться предпочтительным образом.
Предпочтительное выполнение соответствующей изобретению распределительной тарелки предусматривает, что сопло имеет, по существу, цилиндрический или конический раскрыв сопла. Обе формы сопел отличаются простой формой и, тем самым, выгодны в изготовлении. Кроме того, эти основные формы позволяют осуществлять согласование условий процесса в пространстве процесса, так что струи технологического газа по их форме и турбулентности и, тем самым, по глубине проникновения струи являются регулируемыми.
Согласно специальной форме выполнения соответствующей изобретению распределительной тарелки, сопло состоит из металла. Сопла из металла оказались экономичными и механически стабильными, что подтверждается эксплуатационными испытаниями.
Согласно другой специальной форме выполнения соответствующей изобретению распределительной тарелки, сопло посредством сварного соединения или посредством фланца соединено с распределительной тарелкой или с направляющей трубкой. Эти простые меры монтажа позволяют осуществлять экономичное оснащение распределительной тарелки соплами или простые работы по техническому обслуживанию и ремонту.
Изобретение поясняется далее более подробно с помощью последующих чертежей, причем эти чертежи показывают только возможные выполнения соответствующей изобретению распределительной тарелки, но никоим образом не означают ограничения показанными выполнениями.
Фиг.1 показывает соответствующую изобретению распределительную тарелку схематично в горизонтальной проекции,
Фиг.2 показывает соответствующую изобретению распределительную тарелку, оснащенную соплами, на виде в реакторе,
Фиг.3 показывает соответствующую изобретению распределительную тарелку, оснащенную соплами и направляющими трубками, на виде в реакторе,
Фиг.4 показывает расположение распределительной тарелки в реакторе,
Фиг.5 показывает соответствующую изобретению распределительную тарелку в специальном выполнении.
На Фиг.1 соответствующая изобретению распределительная тарелка показана в горизонтальной проекции. Отверстия 5, 6 или встроенные сопла и направляющие трубки в распределительной тарелке указаны лишь схематично кружками. Реактор имеет округлую форму. Размещение пристеночных отверстий 5 осуществляется здесь на окружности 8, так что все пристеночные отверстия 5 имеют одинаковое расстояние от реакторной стенки. Размещение пристеночных отверстий может осуществляться также и на более чем одной окружности 8, причем эти окружности размещены, соответственно, по отношению к реакторной стенке концентрично. Удаленные от стенки отверстия 6 могут быть размещены согласно другому шаблону, а также в другом числе на единицу площади удаленной от стенки распределительной тарелки. Для оптимизации течения размещение всех отверстий может быть согласовано с ректором или процессом.
Фиг.1 также показывает геометрическую ориентацию пристеночного цилиндрического сопла 7, причем направление Х представляет радиальный луч. Угол наклона сопла α может согласовываться по потребности.
Фиг.2 показывает соответствующую изобретению распределительную тарелку, размещенную в реакторе, на виде в сечении. Реактор обозначен своими реакторными стенками 4. Над распределительной тарелкой, на которой обозначены сопла, в пространстве 3 процесса находится вихревой (прсевдоожиженный) слой 2. За счет соответствующего изобретению выполнения распределительной тарелки 1 можно избежать припеканий на распределительной тарелке 1 и на реакторных стенках 4. Сопла 7 могут использоваться, относительно их оси, наклоненными или параллельными к нормали на распределительную тарелку. Предпочтительным является соответствующее изобретению расположение пристеночных сопел, которые могут быть также направлены на реакторную стенку 4, причем они на фиг.2 более детально не показаны.
На фиг.3 показаны сопла 7 с направляющими трубками 8 на распределительной тарелке. В качестве специальной формы выполнения направляющая трубка показана с изгибом 9, так что приток к соплу 7 и направление струй технологического газа могут быть соответственно согласованы.
На фиг.4 распределительная тарелка с отверстиями размещена в реакторе 10, причем реакторные стенки 4 над распределительной тарелкой выполнены по отношению к ней наклонными.
На фиг.5 показана специальная форма выполнения распределительной тарелки 1, причем пристеночные отверстия 5 размещены рядами. Пристеночные отверстия 5 размещены при этом в области с радиусом больше Х и меньше внутреннего диаметра R реактора от центральной оси С.
1. Реактор для металлургической, в особенности, термической обработки загружаемого материала с распределительной тарелкой (1), в частности сопловой распределительной тарелкой для равномерного ввода технологического газа, в частности, нагруженного твердыми частицами, при необходимости, для формирования вихревого слоя (2) в технологическом пространстве (3), расположенном над распределительной тарелкой, образованном реакторными стенками (4) реактора, причем распределительная тарелка (1) имеет множество отверстий пристеночных и удаленных от стенки отверстий (5, 6), при этом распределительная тарелка имеет пристеночные отверстия (5), которые размещены на таком расстоянии от реакторных стенок (4), что расстояние до их центральной оси, соответственно, составляет максимально от 1- до 10-кратного, в частности 2-кратный диаметр отверстия, или отношение расстояния от центральной оси пристеночного отверстия (5) до центральной оси распределительной тарелки (1) к радиусу распределительной тарелки составляет 0,9-1.
2. Реактор по п.1, отличающийся тем, что пристеночные отверстия (5) размещены кругообразно на окружностях (8) числом от 1 до 5, в частности на 2.
3. Реактор по любому из пп.1 или 2, отличающийся тем, что пристеночные отверстия размещены рядами числом от 1 до 5, в частности в 2 ряда, параллельные внутренней стенке реактора.
4. Реактор по любому из пп.1 или 2, отличающийся тем, что, по меньшей мере, одно из пристеночных отверстий (5) размещено соосно с, по меньшей мере, одной из реакторных стенок (4).
5. Реактор по любому из пп.1 или 2, отличающийся тем, что, по меньшей мере, одно из пристеночных отверстий (5) заключает угол ±15°, предпочтительно ±5°, с одной из реакторных стенок (4).
6. Реактор по любому из пп.1 или 2, отличающийся тем, что отверстия (5), по меньшей мере, частично размещены на окружностях, причем отверстия, по меньшей мере, двух окружностей размещены в окружном направлении со смещением по отношению друг к другу, в частности, таким образом, что отверстия ближайшей внутренней окружности размещены между отверстиями внешней окружности.
7. Реактор по п.1, отличающийся тем, что число пристеночных отверстий (5), приходящихся на единицу поверхности в краевой области распределительной тарелки, больше чем соответствующее число удаленных от стенки отверстий (6), приходящееся на единицу поверхности в удаленной от стенки области.
8. Реактор по п.1, отличающийся тем, что пристеночные отверстия (5) имеют диаметр, увеличенный по отношению к удаленным от стенки отверстиям (6), предпочтительно на величину от 10 до 50%, в частности на 20%, так что больше технологического газа может быть введено в пристеночных областях.
9. Реактор по любому из пп.1 или 2, отличающийся тем, что, по меньшей мере, одно из пристеночных отверстий (5) расположено параллельно к реакторной стенке (4) и/или расположено с наклоном относительно нормали к распределительной тарелке под углом α, равным ±15°, предпочтительно ±5°.
10. Реактор по любому из пп.1 или 2, отличающийся тем, что, по меньшей мере, одно из пристеночных отверстий (5) ориентировано относительно реакторной стенки (4) таким образом, что сформированная отверстием струя технологического газа попадает на реакторную стенку при рассчитанной глубине проникновения струи.
11. Реактор по любому из пп.1 или 2, отличающийся тем, что, по меньшей мере, одно из пристеночных отверстий (5) относительно реакторной стенки (4) ориентировано таким образом, что сформированная отверстием струя технологического газа попадает на реакторную стенку (4) при глубине проникновения струи, составляющей 70-130%, предпочтительно 90-110% от рассчитанной глубины проникновения струи.
12. Реактор по п.1, отличающийся тем, что пристеночные отверстия (5) ориентированы иначе, чем удаленные от стенки отверстия (6).
13. Реактор п.1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, одно из отверстий (5, 6) имеет регулируемое по положению сопло (7).
14. Реактор по п.13, отличающийся тем, что регулируемое по положению сопло (7) имеет направляющую трубку (8), причем внутренний диаметр направляющей трубки (8) составляет от 1- до 10-кратного, предпочтительно от 2- до 7-кратного значения минимального диаметра сопла.
15. Реактор по п.14, отличающийся тем, что длина направляющей трубки (8) соответствует, по меньшей мере, 70% толщины распределительной тарелки (1).
16. Реактор по п.15, отличающийся тем, что направляющая трубка (8) состоит из огнеупорного материала.
17. Реактор по любому из пп.14 или 15, отличающийся тем, что ось сопла расположена наклонно относительно оси направляющей трубки (8) и/или к отверстию (5, 6) в распределительной тарелке.
18. Реактор по любому из пп.14 или 15, отличающийся тем, что направляющая трубка (8) имеет изгиб (9).
19. Реактор по п.13, отличающийся тем, что сопло (7) имеет, по существу, цилиндрический или конический раскрыв сопла.
20. Реактор по п.13, отличающийся тем, что сопло (7) состоит из металла.
21. Реактор по п.13, отличающийся тем, что сопло (7) соединено с распределительной тарелкой (1) посредством сварного соединения или посредством фланца.
