CN1003851B - 以某一调定速率分配可流化粉末材料的装置 - Google Patents

Abstract

一种以某一调定速率分配可流化粉末材料的装置包括贮存部件１和流化部件４、５及排放部件８、８Ａ、１１。该装置的壳体２由两部分组成，其上部２Ａ与贮存和排放部件连通，其下部２Ｂ用多孔流化隔板４与上部２Ａ分隔开。根据本发明，上部２Ａ的一端７Ａ通过竖筒３与贮存部件１连通，另一端与平衡和脱气竖筒６连通，在其低部７Ｂ与紧靠多孔流化隔板４上表面设置的排放孔８连通；下部２Ｂ与进气口５连通引入调定压力下的流化气体。

Description

以某一调定速率分配可流化粉末材料的装置

本发明涉及的是一种以某一调定速率分配可流化粉末材料的装置。

对于粉末材料是如何以流化状态从一个贮存地点向另一个地点或从一个贮存地点向多个使用这种材料的地点输送的问题人们已有所了解。所谓“可流化材料”是指所有这种粉末形式的材料，其颗粒的测定以及其凝聚力的表现是这样的，喷射气流以很低的速度通过这种材料时，产生颗粒彼此之间的减聚力，使其内部摩擦力减小，形成悬浮，此时这种材料的表现大体上类似于一种均匀的同质流体。举例来讲，这种材料可以是用于熔融电解的铝土、水泥和灰粉、生石灰或熟石灰、粉尘、氟化钙，用于橡胶和塑料材料的附加填充剂、淀粉、催化剂、粉状石墨、碳酸氢钠、硫酸盐、磷酸盐、聚磷酸盐、焦磷酸盐、金属粉末、粉末状塑料材料以及诸如奶粉、面粉等食用产品。

很长时期以来人们就注意到了控制和调整流化材料流动速率的手段问题（美国专利2，667，448号）。人们曾提出了许多种机械装置（比如阀门和控制挡板结构），但是当所输送的材料具有磨蚀性时就不能采用这些装置了，前面所列举的大部分材料都属于这种情况，特别是用于生产铝的铝土，在这种情况下就必须放弃使用机械装置，以避免其磨损，只能求助于粉末材料的具体特性去想办法。

法国专利1，152，269号（即美国专利2，919，159号，描述了一种气动输送流化材料的方法，其中该气动输送管道直接由一个装有粉末的塔的底部来供给粉末，粉末借助于大气得以持久的流化。

法国专利2，236，758号（即美国专利3，964，793号）描述了一种在一设备中靠粉末材料的重量来调整流动速率的方法，它借助于流化供给塔的平衡作用靠气体的喷射来实现连续气动输送，其中，在靠重量调定的气体流动速率下，所喷射气体的压力得以测定，由此引入流化塔的粉末材料的数量得以控制，为了把所喷射气体压力维持在一个给定值，该塔的端部处于大气压力之下。

法国专利2，391，136号（即美国专利4，279，549号）叙述了一种装置用于粉末材料气动输入的自动调整，该装置包括一个供给塔，所供给的材料在供给塔的底部形成一个滑坡部分，靠该滑坡部分的滑动来供给材料。该装置还包括一个设置有多孔流化隔板的输送室，并有管道用于在加压情况下进行流化和气体的供给。还设有一个喷嘴，以及用于输送材料的管道。在该方法中，为了减小滑坡部分倾斜角，便于材料的流化，设定多孔隔板之下的压力为参考压力P_f，以使材料以期望的流动速率进入输送管道。在所述多孔隔板之上，使输送室中建立一个P_c＝P_f的压力，这样，当压力Pc高于压力P_f时，就会在压力P_f作用之下，使通过多孔隔板气流动相应地下降;而当压力P_c低于压力P_f时就会使气流相应地增加。

该过程的优点在于，提供了根据压力P_f，在选定值附近粉末材料的流动速率的自身调节，这就避免了输送塔阻塞的危险，并且稳定了材料的流动速率。

当今，某些使用者，特别是对生产铝的Hall-Heroult电解槽的操作者来讲，他们要求这种流化气动输送装置进一步提高其使用寿命和可靠性，同时要求对于材料流动速率的调整具有较高的准确度，之所以这样要求是为了给电解槽供料之用和给含氟废气的集气干燥过程使用，这种含氟废气是由所述电解槽放出的，这里利用了铝土对含氟物质的吸收能力。此外，用在流化过程和用在流化输送过程的压缩空气的消耗量应当减至最小，并且该装置应当能以一个简单、可靠、迅速的方式停止和重新起动。这种要求也适用于各种类型的流化输送过程，而不仅仅与用作电解铝土的目的有关。

本发明的目的就是克服现有装置仍存在的各种缺点，并且满足使用者在可靠性、精确性以及使用的方便性方面的要求。

本发明的主题是一种用于调整可流化粉末材料流动速率的装置，其中包括一个贮存部件和一个用于流化该粉末材料的部件以及一个用于排放已经流化了的粉末材料的部件，该装置包括一个由两部分构成的壳体，该壳体的上部一方面在该装置的一端处通过一个竖筒与该贮存部件连通，另一方面在该装置的另一端处与一个平衡和脱气竖筒连通，而其下部通过一个多孔流化隔板使之与所述上部分隔开来，并且与一个进气口相连通，该进气口用于输入调定压力下的流化气体，根据本发明，该壳体的上部在其另一端的垂直面上具有一个用于排放已经流化了的粉末材料的排放孔，该排放孔紧靠该多孔流化隔板的上表面设置，并且在该排放孔上设置了一个排放接头，该排放接头的内径大于该排放孔的直径。该接头与一个管道连接用于已经流化了的粉末材料的重力排放。该壳体的下部仅有一个进气口用于输入调定压力下的流化气体。被流化铝土的流速仅根据该流化气体的压力进行控制，并且对于一个给定的参考压力，该流速可以自动调节，这正是本发明的特征所在。

下面为了简化叙述过程，选定一种流化气体，但是应当理解为对于任何其他气体都是适用的。例如，当流化高活性物质或者流化具有爆炸危险的物质（比如面粉、铝粉或镁粉等）时，可以选择惰性或大体上不起反应的气体作为流化气体，比如：氩、氮、二氧化碳等。

图1、1a、2和3表明了根据本发明的装置的垂直截面示意图，而图4是沿A-A线截取的该装置的水平截面视图。

图1、1a和2表明了该装置的关闭状态，而图3则表明了该装置的工作状态。

图1a是一个设置有接头喷嘴的排放孔的放大视图。

贮存容器1通过一个供料竖筒3与壳体2相连。

壳体2大体呈平行六面体形状，在水平方向为其最长尺寸，其下部2B有一个多孔流化隔板4和一个用于提供稳定压力流化气体的进气口5，该稳定压力在一个预定参考值下以公知的方式得以控制;其上部2A的7B端上有一个平衡和脱气竖筒6，而在7A端上有一个供料竖筒3，在与平衡竖筒6相应的7B端上位于该多孔隔板4的表面处，有一个排放孔8用于排放已经流化了的粉末材料，所设置的该排放孔位于该多孔流化隔板的紧上方且形成一个隔膜，在该排放孔上设有一个喷嘴或接头8A，该接头8A大多数情况下呈水平管状延伸，其内径大于排放孔8的直径，通过这个接头连接一个导管用来排放该粉末材料。该平衡竖筒6的下端与该壳体的上侧壁9垂直。

在不工作条件下，贮存在容器1中的粉末材料向下流入壳体2，形成一个自然滑坡10（参见图1），其相对于流化隔板的倾角α取决于粉末材料的种类及其物理特性，该滑坡10的最下边达到排放孔8的边缘。否则在不工作条件下，既使在没有任何流化作用的情况下，该粉末材料也会连续地自然流动。为此，竖筒3的下部边缘3A到该壳体7B端之间的距离L取决于该粉末材料，滑坡部分10的倾角α可以测量出来。控制自然滑坡的另一种手段可以根据调节该供料竖筒3伸入该壳体上部的程度来控制。

如前所述，排放孔8可以设置一个形成隔膜的喷嘴或接头8A，该喷嘴或接头的外部可以连接管道11用来排放已流化了的粉末材料，该接头8A在该装置不工作条件下还构成了一个安全装置;在静止条件下，在接头8A处可以挡住位于滑坡10上的未经流化的粉末材料的偶然流动。这样就有可能在停止该装置的操作时，使该装置不至于完全排空（见图2）。

该装置的操作过程说明如下。

随着该壳体注入粉末材料（见图1和图2）并封住该排放孔8，该流化气体就经过管道5以及控制装置12穿过该多孔隔板4，可以发现由于起初在该粉末材料内部空气的存在，该颗粒具有减聚力的原因，该粉末材料首先经过一个“流动”状态，进而该粉末材料迅速地充满该壳体的上部2A以及该平衡竖筒6的底部。

进一步增加空气的压力，可以发现，该粉末材料在平衡竖筒6中的高度会逐渐增加到一定高度H（参见图3），这取决于该流化气体的压力（P_f）以及在平衡塔6中粉末材料的平均比重（d）（H＝P_f/d）。

在该壳体里，由于空气掺杂在该粉末材料中不能从中跑掉（除非在竖筒6的上部14中），所以该粉末材料处于一种假流化状态或者说处于一种“潜流化”状态，这种特殊的状态我们在早先的专利FR-A-2，534，891中已有所描述。这种状态对应于粉末材料颗粒空隙中空气压力的特定水平，既使是一种真正的流化介质，也不存在颗粒的减聚力和运动，而且也没有空气循环。

现在如果我们打开排放孔8，在该孔处和区域15中会发生空气膨胀，该区域15位于排放孔8的紧后面，在该区域15处产生了一个真正的流化状态，进而使该粉末材料流动，通过排放孔8和接头8A。

通过排放孔8流走的粉末材料依次由从滑坡部分10滑移过来的处于潜流化状态的粉末材料所代替，在排放孔8后面可以看到这一点，这种现象导致了该材料逐渐向供料竖筒3的底部流动。事实上，每次“材料滑移”都给粉末材料提供了充分空间以便于局部地从潜流化状态向真正流化状态转化，这就会以一个较宽范围的流动速率来供给一定量的铝土，这个供给量等于该排放流动速率，而该流动速率中不会有任何突变。

该系统其它因素的动态平衡以下列方式发生：

a）该流化压力Pf等于该平衡塔的反压P₂加上通过该多孔流化隔板的压降P₁：

P_f＝P₂+P₁

该压力P₂本身等于（h₁+h₂）d₁，其中d₁为该部分流体相的平均比重（例如，对用于电解之用的“流砂似的粗粒”铝土大约为0.75到0.95），h₁为流化隔板4和排放孔轴线之间的高度，h₂为排放孔8轴线和该流化粉末材料柱体的上面14之间的距离。

假如压力P_e不同于大气压力，而是获得了高于平衡和脱气竖筒6的压力，那么对应新的柱体高度H′＝H-P_e/d就建立了一个平衡条件，P_e是相对一个作为参考压力的大气压力而言的，大气压力为零。

b）该流化气体的流动速率Qf等于

Q_f＝Q₁+Q₂+Q_p

Q₁为通过排放孔8与该流化相一起带走的气体的流动速率，它对应于处在该潜流化状态的该粉末材料的压降。

Q₂为在该平衡竖筒中放出气体的流动速率，Q_p为各种损失的流动速率（很小），Q_p在正确设计的装置中可以忽略不计。

c）如果认为在该平衡竖筒中飞走的材料为零而没有损失的话，那么在排放孔8中粉末材料的排放流动速率Q′_A等于来自贮存容器2的铝土的流动速率Q_A，在这里就是这样考虑的。

这样该系统就处于平衡条件中了，并且这是本发明的基本要素所在。可以发现，对于给定的粉末材料和给定的接头8A，该粉末材料的流动速率Q′_A与R_f是一一对应的关系，在某个极限以内这种关系大体上呈线性关系，这将在以后予以详细说明。

结果，在该装置中粉末材料的流动速率仅仅通过控制该流化气体的压力就可以得到稳定和调整，而不需要任何其它的气压源。而在先有技术中（特别是在法国专利第2，391，136即美国专利4，279，549号中）则需要一个流化气体进气孔和另一个进气孔以达到气动输送之目的。

充当隔膜的排放孔8的直径由两个因素决定，即对于给定压力P_f下铝土的流动速率Q′_A和函数Q′_A＝f（P_f）所表示的曲线的形式。

在这种情况下一种被流化的粉末（比如铝土）可以看作是一种真正的流体，人们发现这与通过一垂直壁的小孔的体积给出流动速率Q的法则具有某种相关性。

Q＝K.S. $\sqrt{\mathrm{2gh}}$

Q为流动速率（单位：m³/S），

S为该孔的面积（单位：m²），

g为重力加速度，

h为从该流体的上流高度到该孔的中心所量出的该孔的落差（单位：m），和

K为一个系数，它特别取决于该排放孔的几何结构;K值可以在0.6到1之间变化。

如果取排放孔8的截面作为一个参量，按铝土的重量计算，可以绘制出关于流动速度对流化压力的关系曲线，可以发现，对应该“孔径”参量的某一数值，该曲线具有一段或长或短大体上为直线的线段。因此，在根据本发明的装置所提供的流动速率范围上，有可能选定排放孔8直径的最佳值，这样所提供的按重量计算的流动速率大体上就对应于该曲线中直线段的中间位置。

如果压力P_f严格地保持恒定，那么令人惊奇地发现，该粉末材料按重量计算的流动速率也是保持恒定的。

如果期望在流动速率上非常迅速地瞬时提供一个很大的增量（例如，用于把大量的铝土输入一个电解槽中，否则铝土有飞逸的可能），可以在平衡竖筒的上部高于粉末材料柱体的正常高度H处设置一个辅助孔8B。这样在Pf上的一个增量就会产生双倍的效果：即由排放孔8的排放流动速率上的正常增量和由辅助孔8B溢出和流出的经流化了的铝土的辅助流共同作用的结果，这是因为柱体6现已达到了在14处所示出的高度。

在低于正常高度H处设置辅助孔8B也是可以的，进而该辅助孔8B会提供一个恒定的补充流，然而这个补充流则小于通过排放孔8的主流，在某种情况下，这会产生一定的吸引力的。

使用实例：

建立一个被流化铝土的配量分配器，用于汇集含氟废气，这些废气是由一系列利用熔融电解法生产铝的电解槽放出的，由电解槽排放的气体被吸入及收集在一个普通的收集器中，铝土就输入到这个收集器中，利用铝土的吸附特性，铝土就可以收集起这些含氟衍生物，然后铝土被重新注入到电解槽内。

排放接头8A连接着一个由有机玻璃制成的透明管11，管11相对用来收集从电解槽排出的气体的收集器的底部大约向下倾斜45°，供料竖筒3与给电解槽供给铝土的普通设备（例如一种气垫支撑输送器）接通。平衡竖筒6在槽式气体收集器的上部设有开口。这种收集器在其内部处于减压状态下具有虹吸作用，高于平衡竖筒6的压力Pe比大气压力要低（大约为100毫米水标（mmWG））。

接头8A的直径为20mm，它对应于按重量计算的铝土平均流速的最优值为Q_A＝1.8吨/小时。

对于正常流速，流化压力P_f调在400毫米水标（mmWG）（≈3920Pa）。多孔流化隔板的总面积为4.5dm²，其相应的总的气体流动速率Q_f为11升/分钟。

通过多孔流化隔板的压降P₁为20mmBG，因此就给出了P₂（该平衡竖筒的反压）＝400-20，即380毫米水标（＝3720Pa）。

上面所描述的用于被流化铝土的调定供料系统已经在一系列120电解槽收集含氟废气的供料装置中使用数个月了，其工作状况非常正常。该流化气体的消耗速率在每平方米500毫米水标（4900Pa）下小于1米³/小时。

经过对该流化压力Pf和排放孔8简单调整，该装置可以用在本说明书开篇中提到的各种粉末材料。

Claims (4)

1、用于以某一调定速率来分配可流化粉末材料的装置，其中包括一个贮存部件（1）和一种用于流化所述粉末材料的部件（4，5）以及一个用于排放已经流化了的粉末材料的部件，该装置包括一个由两部分构成的壳体（2），其上部（2A）一方面在该装置的一端（7A）处通过一个竖筒（3）与该贮存部件（1）连通，另一方面在该装置的另一端（7B）处与一个平衡和脱气竖筒（6）连通，而其下部（2B）通过一个多孔流化隔板（4）使之与所述上部（2A）分隔开来，并且与一个进气口（5）相连通，该进气口用于输入调定压力下的流化气体，其特征在于：该壳体的上部（2A）在其另一端（7B）的垂直面上具有一个用于排放已经流化了的粉末材料的排放孔（8），该排放孔紧靠该多孔流化隔板（4）的上表面设置，并且在该排放孔（8）上设置了一个排放接头（8A），该排放接头的内径大于该排放孔（8）的直径。

2、按照权利要求1所述的装置，其特征在于竖筒（3）的下部边缘（3A）到壳体垂直面（7B）的距离“L”的确定取决于粉末材料，在不工作条件下，自然滑坡（10）的最下边达到排放孔（8）的边缘。

3、按照权利要求1或2所述的装置，其特征在于：为了提供一个辅助的补充流速，该装置包括一个第二排放孔（8B），该排放孔（8B）设置在该第一排放孔的标高之上。

4、按照权利要求3所述的装置，其特征在于：用于提供一个补充流的该第二排放孔（8B）设置在高于平衡竖筒（6）中粉末材料在正常流速条件下所达到的高度（13）的位置之上。