CN102176977A - 用于将液体雾化的喷射方法和喷嘴 - Google Patents

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Abstract

一种用于在喷射喷嘴(1)中将液体(L)雾化的方法，其中气相(G)和所述液体(L)被供给到所述喷嘴(1)内部的混合腔(30)中，获得气体在液体中的乳化液，该乳化液在所述腔的内部受到压力并由被薄膜态液体封住的气泡形成；在混合腔入口处气相的速度接近于声速或更大，并通过所述乳化液在所述腔的出口处膨胀获得雾化液体。还公开了一种合适的喷嘴(1)，其包括混合腔(30)和分配器件(D)，适于提供合适的气体和液体供给以形成所述乳化液。

Description

用于将液体雾化的喷射方法和喷嘴
技术领域
本发明涉及一种用于液体雾化的喷射方法和一种相关的喷射喷嘴。本发明的优选应用为使流化床制粒机(fluid-bed granulator)中的生长液体雾化。
背景技术
雾化是通过适当的喷嘴将大量液体转化为微小喷雾或者薄雾。在现有技术的雾化喷嘴中，通过在高速下与大量空气或另一种适当气体混合，将液体充分地雾化。空气/液体的比率通常约为25-50％；相关的缺点是需要大的空气压缩机及其能量消耗。
液体雾化有许多应用领域。在本说明书的其余部分，将参考使流化床制粒机中的生长液体雾化的优选应用。
流化床制粒机是一种将液体转化成具有预定形状和尺寸的固体微粒的装置。流化床制粒工艺通常用于生产尿素、硝酸胺、氯化胺和一般肥料的微粒。
WO 02/074427公开了包括容器的流化床制粒机，其中鼓风系统使给定量的微粒保持液化状态，并且通过雾化的生长液体逐渐涂覆微粒并使微粒增大。所述生长液体可由将被微粒化的纯物质或其溶液制成。已知向流化床供给相同或另一种物质的小固体颗粒(直径通常小于2mm)，以提供用于生长液体逐渐沉积的起点并促进粒化工艺，其中该小固体颗粒被称为种子。以基本术语而言，该工艺通过由生长液体的液滴对种子和微粒进行润湿(wetting)、粘着和固化而进行，其中该种子和微粒一起形成流体床。
必须向流化床制粒机供给具有小且微量分散液滴的雾化液体，以获得低速结晶，以及在生长液体为溶液(例如水溶液)时，使溶剂快速蒸发和获得高纯度(例如99.8％)的产物。
如上所述，现有技术的雾化器需要大量的空气供给。例如通常以介于0.4和0.5之间的空气/液体比率将用于尿素粒化的生长液体雾化。空气流动速率约是液体流动速率的50％，且空气速度约为200至300m/s并且压力高达1巴(bar)。
相关的空气消耗是一个主要缺点。以2000mtd(公吨每天)的速率生产尿素的工厂将需要大约1000mtd的空气，也就是106Nm3/d(一百万标准立方米每天)。这样大量的高速空气需要昂贵且耗能的空气供给区。用于机械设备(压缩机等)的资本投入也是有关的。
WO 02/083320公开了一种喷嘴，其中通过经由涡流器件供给液相并且通过在所述涡流器件下游经由径向孔或狭缝供给气相而产生气相进入液相的乳化液。为了形成乳化液，液体必须通过由涡流器件限定的小通道。
本发明公开了对现有技术雾化工艺的改进和相关的喷嘴。
发明内容
本发明所要解决的问题是提供一种用于雾化液体的有效方法和器件，目的是低的空气或气体消耗以及简单和可靠的喷嘴设计。
本发明的基本构想是通过气相进入液体的乳化液的膨胀获得雾化液体，并通过在输出口喷嘴上游、在合适的喷射喷嘴的混合腔中将小但很快的气体射流与液体混合而获得所述的乳化液。
因此，本发明提供一种用于在喷射喷嘴中将液体雾化的方法，其中所述液体和气相被供给到所述喷射喷嘴，并在所述喷嘴的输出处获得雾化流，该方法的特点在于：
-所述气相和所述液体通过各自的通道供给至所述喷嘴内部的混合腔，在该混合腔获得气体在液体中的乳化液，该乳化液在所述腔的内部受到压力并由被薄膜态的液体封住的气泡形成；
-在该混合腔的入口区域处该气相的速度为大约声速或更大，以形成所述乳化液；
-所述雾化流通过所述乳化液的膨胀而获得，用于将所述腔的出口处的液体薄膜雾化。
在优选实施例中，供给给所述混合腔的气相的质量速率大大小于供给给同一混合腔的液体质量流量，并且优选地，该气相的质量速率是液体质量速率的1至10％。
根据本发明，气相的速度为大约声速，即根据温度具有声速的数量级；优选地，进入混合腔的气相的速度为稍微次音速、音速或超音速。接着在混合腔的所述入口区域处液体的速度比气相的速度慢很多，通常为小于10m/s。
优选地，当该气相为双原子气体时，混合腔中的绝对压力是该气相的供给压力的约1/2，这是因为具有约0.5的膨胀率的双原子气体被加速到声速。在优选实施例中，以约1至11巴的相对压力将气相供给给所述混合腔中，混合腔内的相对压力为0.5至5巴。
根据本发明的一个优选实施例，乳化液在喷射喷嘴端部的会聚区域中膨胀，该喷射喷嘴包括一个或多个开口。
根据本发明的另一方案，通过包括至少一个轴向气流的气体入口将该气相供给到所述混合腔，进入该混合腔的所述入口区域，并且液相入口以对称方式围绕所述气体入口分布。在优选实施例中，液体通过多个圆形或另一种形状的通道分布且围绕气体入口区域分布例如分布在圆周上。
气相通常为空气。上述方法的优选应用是尿素的制粒，其中液体流是液体尿素(尿素熔体)或其水溶液，气体流是空气，优选为测试用高品质空气(instrument-quality air)。
本发明尤其适合，但不是唯一地，用于在流化床制粒工艺中生长液体的雾化。一个例子是尿素的制粒，其中生长液体是液体尿素或尿素溶液；在约5-7巴的压力下将空气供给给喷嘴，同时混合区域内部的压力为2-4巴，使得进入混合区域空气的膨胀将空气的压力能转化为动能，即空气流被剧烈地加速并以约为声速(通常约400m/s)的速度进入混合区域，同时以每秒几米的很低速度供给液体尿素。
本发明的目的也是提供一种适用于根据上述方法运转的喷射喷嘴。优选的喷嘴包括：气体入口通道；液体供给通道；混合腔，该混合腔借助气体和液体分配器件与所述气体通道和液体通道处于流体连通，该气体和液体分配器件设置为在所述腔的入口区域中提供高速气体入口；以及非常慢速的液体入口，该液体入口围绕所述腔的入口区域中的所述气体入口以对称方式分布，以在所述混合腔中形成气体在液体中的乳化液。
所述气体入口设计为提供约为声速或更大的气相的速度。在优选实施例中，所述混合腔是围绕同一喷嘴的轴对称的圆柱形腔，该喷嘴具有以出口为末端的会聚端部。
根据一个实施例，气体和液体分配器件设置为在混合腔的所述入口区域以分布在圆周上的液体流形式提供由液体入口包围的高速气体入口。替代实施例能够，例如，具有进入围绕该空气入口的环形通道的液体。气体入口可以是一个或更多高速射流的形式，优选为在混合腔的轴上或靠近混合腔的轴。
在优选实施例中，气体和液体分配器件实质上为具有内部部件的外部主体部件的组件，这两个部件之间的耦合限定了与喷嘴的气体入口连通的相对大的气体入口以及通向混合腔的小的气体出口通道。这样，气流通过所述器件被加速，将压力能转化为动能。该器件还具有至少一个液体通道，该液体通道与喷嘴的液体入口连通且通向同一个混合腔。
在优选的实现方式中，所述外部主体部件和内部部件大体上形成为套管和同轴地插入套管中的栓。套管具有轴向气体通道，该轴向气体通道具有与喷嘴的气体入口连通的后开口以及与混合腔连通的前开口；栓成形为在所述前开口处限定一个或多个通道，其适于产生进入混合腔的高速气流；套管带有围绕所述前开口的环形部件，该环形部件具有与混合腔和喷嘴的液体入口处于流体连通的多个用于液相的通道。借助这些通道，液体在混合腔的入口处围绕高速气体射流分布。
根据进一步优选的设计特征，栓具有中心部分和头部部分，该中心部分具有与套管的前开口相等的直径，该头部部分具有与套管的后开口相等的直径。纵向切口沿栓从所述中心部分的头部至末端形成，所述切口的下表面到栓的轴的距离小于所述中心部分的半径。在所述分配器件的入口侧，由栓的头部部分中的所述纵向切口限定的大的狭缝允许气体流过，同时在所述分配器件的出口侧，由所述切口在栓的中心部分和套管的前开口之间限定小出口通道。将给出一个实例进行详细描述。
术语切口应当以广泛的方式解释，例如栓可以机加工或者直接形成(例如浇注)为在中心部分和头部部分中具有所述切口，或者切口可以形成为铣槽(milling)，或者术语切口还可以以任何其它等同的方式解释。
优选地，喷嘴由主体部件和拧紧或固定到所述主体部件上的截锥形顶端形成。液体和气体分配器件固定在喷嘴内部、在主体部件和顶端之间。该顶端的末端带有限定混合腔的中空圆柱部分。
本发明的主要特征是混合腔中形成乳化液(其中气相体积远大于液相体积)并且由于形成乳化液的气泡在出口处压力下降时爆裂而使液体雾化。
从分配器件离开的连续气体射流当与液体接触时被转化成气泡，且另一方面液体转到薄膜状态，因此形成了所述乳化液。在混合腔下游，在喷嘴的会聚端部，乳化液的压力下降且气泡膨胀，因此形成带有更大气泡的乳化液，但该气泡仍被包在连续液体薄膜中。由于离开喷嘴口时突然的压力下降，乳化液通过气泡的“爆裂”变成碎片，使液体薄膜破裂成许多微小的液体碎片，该微小液体碎片在表面张力作用下迅速转化成小的球形液滴。以上述方法运作的喷嘴出口表现为低速的非常微细的薄雾。
本发明的第一个优势为与现有技术的喷雾器比较，空气消耗较少，因此使得对用于包括压缩机及其辅助设备的空气输送系统的投资成本较少。一般空气消耗小至现有技术系统的1/10。
本发明的进一步优点为只有气体(一般为空气)通过具有小横截面的通道供给，而液相以较低速度并穿过具有更大截面的通道供给。通过将两个相供给到混合腔来获得乳化液，其不需要对液体提供小通道截面，这点尤其在液体可能容易堵塞小通道时是一个优势。例如液体尿素或者含有尿素的溶液即为这种情况。
所公开的喷嘴也容易制造和安装。具体地，由于通过两个分离的部件(即套管和轴向栓)的耦合而获得小通道，因此没有必要机械加工一些非常小的孔或通道，结果成本降低并易于制造。
应该注意到以相对高的压力供给气相(通常为空气)并不是缺点，因为由于混合技术的原因，少量空气就足够了。
本发明的优选但不唯一的应用为制粒设备。本发明可用于例如像尿素、硫磺、硝酸胺或另一肥料的制粒。本发明优选地与申请号为WO 02/074427的专利申请所公开的流化床制粒机结合使用。
参考下文所附附图，通过本发明示例性而非限制性的实施例的描述，本发明的优势和特点将会更好地示出。
附图说明
图1是根据本发明优选实施例的合适喷嘴的正透视图。
图2是图1喷嘴的后透视图。
图3是图1和图2喷嘴的截面图。
图4和图5是图3喷嘴的气体和液体分配器件的外部部件或套管的截面图和正视图。
图6和图7是图3喷嘴的气体和液体分配器件的内部部件或栓的截面图和正视图。
图8是图4、图5喷嘴和图6、图7栓耦合在一起的截面图，该喷嘴和该栓耦合在一起以形成喷嘴的气体和液体分配器件。
图9和图10是从所述图8中标示的IX和X方向分别看去的图8器件的正视图和后视图。
图11为图10的细节，示出了在器件出口侧的小空气通道。
图12是用于尿素流化床制粒机实例中的喷嘴截面图。
具体实施方式
喷嘴1包括主体部件2和顶端(tip)3，该顶端3通过螺丝4或任意其它适合的工具固定至主体2。顶端3具有大体截锥形的基底部分3a和大体圆柱形的圆柱部分3b，其在该实例中为整体形成的单个部件，但在不同实施例中可以以分离的部件来实现。
主体部件2具有后空气入口2a和液体入口2b。所述入口2a和2b与主体部件2中的气体通道5和液体通道6相连通。喷嘴部3b的末端带有喷嘴口35(图3)。
混合腔30在喷嘴顶端的部分3b内部形成。腔30具有入口区域30a，该入口区域30a具有(在该实例中)直径更大的部分31。在腔30的下游有会聚区(converging section)34和喷嘴1的输出口35。所述口35可形成为用以获得锥形或扇形流。
喷嘴1包括内部气体-液体分配器件D。基本上，所述器件D具有从通路(channel)5和6接收气体和液体流的入口侧和向混合腔30提供供给的出口侧。分配器件D设置为向混合腔30的区域30a提供适当的气体和液体供给。在该实例中，器件D设计为在轴A-A附近提供高速气体射流，该气体射流被以对称方式分布在圆周上的液体围绕。
下面参考所附的图3至图11对优选实施例进行描述。
器件D由套管10和栓20形成。栓20同轴地插入套管10中，且套管和栓组件位于主体部件2和顶端3之间由顶端3的截锥部3a形成的座中。
套管10(图4-图5)为带有轴向通道11的大体圆柱形的主体，该轴向通道11具有后开口12和前开口13，所述前开口优选具有比前开口更小的直径。套管10的前面部分具有外部环14，该外部环14带有多个孔15，所述孔分布在圆周17上且围绕轴向通道11的前开口13。所述前开口13的内部边缘13a为圆形。
栓20(图6-图7)的末端部分22具有总体尺寸(例如直径)，大体上与通道11的前开口13的内部尺寸匹配，并且所述末端部分22成形为在器件D的出口侧、在栓和套管之间留下小通道。
更详细地，并且在优选实施例中，栓20包括圆柱形的中心部分23和直径比中心部分23大的头部部分24。沿着栓20，从头部部分24至中心部分23的末端22形成至少一个纵向切口25，所述切口25的下表面与栓的轴(其在使用时为同一轴A-A)之间的距离小于中心23的半径。优选地，具有以相等角度隔开的多个切口，例如所示以90°间隔隔开的四个切口。
由套管10和栓20形成的器件D如图8所示。栓20具有与套管10大概相同的长度，并能固定在套管中且穿过通道11，直至头部部分24靠在图4所示的环形表面18上。
在器件D的入口侧(图9)，头部部分24的直径大体上与后开口12的内部直径匹配且具有用于自由安装的适当间隙，并且由栓的头部部分24上的切口25限定的相对大的狭缝26容许气体流过。
在器件D的相对的出口侧(图10)，中心部分23的直径大体上与通道13的直径匹配且具有用于自由安装的适当间隙。由于切口25以及它们到轴A-A的距离小于中心23的半径，因此在栓的末端部分22处由每个切口25限定小的出口通道27。当使用喷嘴1时，所述小通道27由于它们小的截面而能够产生进入腔30的高速气体射流。器件D的空气出口的细节如图11所示，其示出了在栓中心23和套管的通道13之间的通道27。
在本发明一个优选实施例中，通道或狭缝27具有伸长的形状并且围绕喷嘴1的轴A-A被平均地间隔开；更优选地设置四个至八个切口25和相应的狭缝27。在本发明的另一个(未示出)实施例中，使用六角形的元件例如螺栓或螺钉可获得与圆形开口例如通道13同轴的通道27。
将器件D定位为使得套管10的轴向通道11通过后开口12与空气入口处于流体连通(fluid connection)。在套管10和顶端3的部分3a之间围绕器件D限定环形空间16，所述空间16与液体入口处于流体连通。孔15提供所述空间16和混合腔30之间的流体连通。
可以理解，通过主体部件2中的通道6，然后通过分配器件D中的通道26和27，使空气供给与混合腔30连通。另一方面，通过环形空间16和孔15，使液体供给与混合腔30连通。一个O形环状物32确保气体路径的密封(tightness)且另一个O形环状物33用于液体路径的密封。如果合适的话，也可使用其它的垫圈。
还可以理解，分布在圆周17上围绕气体通道27的孔15向腔30提供不连续的液体供给。在本发明的其它实施例中，通过围绕进入同一腔30的气流的圆环形开口，可以向腔30供给液体。为此，连续的环形通道或者两个或更多个伸长的弧形狭缝可代替孔15。
当然，可根据需要改变尺寸。入口的流速由通道27的总截面确定，该通道将被相应地设计。该数值涉及音速实施例，其中通道27的出口处的空气速度约为声速。在一个超音速的实施例中，通道13和/或栓20的轮廓是用于在所述通道27处确定会聚/发散通路的。
现在转到图12的应用实例中，喷嘴1耦合到用于尿素的流化床制粒机的壁W上，且空气和液体管道7和8分别连接到后入口2a和2b。盖41限定了围绕管道7和8的内部空间40，如果适合，管道7和8可以用于提供加热介质。
以约5-7巴的压力通过管道7供给空气G，同时混合腔30中的压力保持为较低，例如2至4巴。当流过通道27时，空气由于其压力能量的一部分被转化为动能而被加速，以集中在轴A-A附近的轴向流的形式进入混合腔30中。
同时，将液体L以每秒几米的低速从管道8通过空间16和由孔15形成的通道而提供给同一混合腔30。由孔15产生的液体流进入混合腔30的部分31中，然后被引导至空气流的区域中。在该实例中，管道7中的液体是尿素熔体(urea melt)，且在内部空间40中提供热蒸汽以使尿素保持在流体状态。
因此，气相(在该实例中为空气流)以非常小的气泡形式分散在液相中，用于在腔30中形成空气在液体中的乳化液(air-in-liquid emulsion)，其实质为封在连续的液体薄膜中的空气气泡。在下游，会聚区34提供一个加速区域，其中乳化液的压力下降，结果使空气气泡膨胀，导致产生了气泡更大并且被液相薄膜包围的混合物。
离开喷嘴口35后，压力下降且乳化液破裂成为微小的液滴，该液滴在表面张力的作用下形成小的球形液滴。尽管混合腔30内部的空气流的速度快，但是在口35下游的液体颗粒的速度是慢的。喷嘴1的输出实际上表现为雾化液体的微小薄雾。因此，喷嘴1实现了上面所公开的方法。

Claims (16)

1.一种用于在喷射喷嘴(1)中将液体(L)雾化的方法，其中所述液体(L)和气相(G)被供给到所述喷射喷嘴(1)，并在所述喷嘴的输出处获得雾化流，该方法的特征在于：
-所述气相(G)和所述液体(L)通过各自的通道(5、6)供给至所述喷嘴(1)内部的混合腔(30)，在该混合腔(30)获得气体在液体中的乳化液，该乳化液在所述腔的内部受到压力并由被薄膜态的液体封住的气泡形成；
-在该混合腔(30)的入口区域(30a)处该气相的速度为大约声速或更大，以形成所述乳化液；
-所述雾化流通过所述乳化液的膨胀而获得，用于将所述腔(30)出口处的液体薄膜雾化。
2.如权利要求1所述的方法，其中供给到所述混合腔(30)的气相的质量速率大大小于供给到同一混合腔的液体的质量流量，并且优选为液体质量速率的1至10％。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中在该混合腔(30)的所述入口区域(30a)处的液体速度大大小于该气相的速度，并且优选小于10m/s。
4.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其中通过包括至少一个轴向气流的气体入口将该气相供给到所述混合腔(30)，进入该混合腔(30)的所述入口区域(30a)，并且进入所述腔(30)的液体入口以对称方式围绕所述气体入口分布。
5.如权利要求4所述的方法，其中通过围绕进入该混合腔(30)的所述气体入口分布在圆周(17)上的多个液体射流，将该液体供给到该混合腔(30)。
6.如上述权利要求中任一项所述的方法，其中在所述喷嘴的输出处的雾化流形成为锥形或者扇形。
7.如上述权利要求中任一项所述的方法，其中雾化液体用于流化床制粒工艺，且所述液体(L)是包含用于所述流化床制粒工艺的生长液体的液相。
8.如权利要求7所述的方法，其中该气相为空气，且该液相为液体尿素或其溶液、或者硝酸胺、或者肥料。
9.如上述权利要求中任一项所述的方法，其中该气相在大约1至11巴的相对压力下被供给至所述混合腔，且所述混合腔内部的相对压力为0.5至5巴。
10.一种用于将液体(L)雾化的喷射喷嘴，该喷嘴包括气体入口通道(5)和液体供给通道(6)，并且还包括混合腔(30)和较慢速液体入口，其中该混合腔(30)借助气体和液体分配器件(D)与所述气体通道(5)和液体通道(6)流体连通，该气体和液体分配器件(D)设置为在所述腔(30)的入口区域(30a)中提供高速气体入口，该较慢速液体入口在该腔的同一入口区域(30a)处，以在所述混合腔(30)中形成气体在液体中的乳化液。
11.如权利要求10所述的喷射喷嘴，其中所述气体和液体分配器件(D)设置为提供：围绕该腔的入口区域(30a)中的所述气体入口以对称方式分布该液体入口。
12.如权利要求11所述的喷嘴，其中所述气体和液体分配器件(D)设置为在混合腔(30)的所述入口区域(30a)处提供由分布在圆周上的液体流所包围的多个气体射流。
13.如权利要求10至12中任一项所述的喷嘴，其中所述气体和液体分配器件(D)包括套管(10)和栓(20)，该栓(20)同轴地插入所述套管(10)中，且其中：
-该套管(10)具有轴向气体通道(11)，该轴向气体通道(11)具有与该气体入口连通的后开口(12)和具有内部圆形边缘(13a)且与该混合腔(30)连通的前开口(13)；该栓(20)成形为在所述前开口(13)处限定通道(27)，适合于产生进入所述混合腔30的高速气体射流；
-该套管(10)具有环形部(14)，该环形部(14)围绕所述前开口(13)并具有用于液相的多个通道(15)，所述通道(15)与该混合腔(30)和该液体入口处于流体连通，使得在使用时来自所述凸缘的通道(15)的液体流在所述混合腔(30)入口(30a)处围绕高速气体流分布。
14.如权利要求13所述的喷嘴，其中该栓(20)具有中心部分(23)和头部部分(24)，该中心部分(23)具有与该套管(10)的所述前开口(13)相等的直径，该头部部分(24)具有与该套管(10)的所述后开口(12)相等的直径，并且沿该栓(20)从所述中心部分的头部至末端形成纵向切口(25)，所述切口的下表面到该栓(20)的轴的距离小于所述中心部分(23)的半径，该栓插入所述套管(10)中用于形成该气体-液体分配器件，使得在所述分配器件的入口侧，由该栓的头部部分(24)中所述纵向切口(25)限定的大狭缝(26)允许气体流过，同时在所述分配器件的出口侧，由所述切口在所述栓的中心部分(23)与该套管(10)的前开口(13)之间限定小的气体-出口通道(27)。
15.如权利要求10至14中任一项所述的喷嘴，该喷嘴具有顶端(3)，该顶端(3)包含所述混合腔(30)并且末端带有会聚部分(34)和喷嘴口(35)，所述喷嘴口成形为用于形成锥形或扇形的雾化流。
16.一种流化床制粒设备，包括至少一个根据上述权利要求中任一项所述的喷嘴。
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