CN107429441A - 用于中心到端部的纤维氧化炉的排放喷嘴板 - Google Patents

Abstract

一个实施例涉及一种用于加热纤维的炉。炉包括设置在炉的第一端部和第二端部之间的炉内的供应结构。供应结构包括彼此堆叠的多个气室，在所述多个气室之间具有间隙。气室与加热系统流体连通。至少一个气室包括至少一个侧壁，所述至少一个侧壁包括在其中形成的多个通路，所述至少一个气室经配置将加热的气体的至少一部分从多个通路引导到炉的内部中。在所述至少一个气室中形成的多个通路中的每个具有相应的锥形截面形状。

Description

用于中心到端部的纤维氧化炉的排放喷嘴板

相关申请的交叉引用

本申请要求2014年11月7日提交的美国临时专利申请序列号62/076,746的权益，在此以引用的方式将其并入本文。

背景技术

氧化炉通常用于从前体(例如丙烯酸、沥青或纤维素纤维)生产碳纤维。一种常见的处理方法包括将前体材料的纤维段连续地抽拉通过一个或多个氧化炉。

氧化炉中的每个包括相应的氧化室，在氧化室中发生纤维段的氧化。可以将每个纤维段作为碳纤维前体抽拉到第一氧化炉中，并且然后在作为被氧化的纤维段离开最后的氧化炉之前，多次通过每个氧化炉。辊架和张紧器用于将纤维段抽拉通过炉的氧化室。每个氧化炉通过热气体的循环流动将段加热到接近约300℃。

这样的炉的示例是购自明尼苏达州明尼阿波里斯的迪斯派奇工业公司(DespatchIndustries，Minneapolis，Minnesota)的迪斯派奇碳纤维氧化炉(Despatch Carbon FiberOxidation Oven)。这样的炉的描述可以在共同转让的美国专利号4,515,561中找到。‘561专利中描述的炉是“中心到端部”的氧化炉。在中心到端部的氧化炉中，热气体从室的中心供应到炉的氧化室，并流向室的端部。

通常，这样的中心到端部的氧化炉包括位于室的中心的中心供应结构。中心供应结构包括彼此堆叠的多个供应气室。在堆叠的供应气室之间提供间隙，以使得纤维段能够在气室之间通过。每个气室包括管道结构，该管道结构通过其一个端部或两个端部接收加热的空气。每个气室包括形成在相应管道结构的相对侧壁中的每一个侧壁中的孔阵列。该孔阵列在这里也称为“喷嘴”。每个气室经配置接收加热的空气，并将加热的气体以大致水平且平行的加热的气体流朝向氧化室的两个端部引导流出喷嘴。

通常在形成气室结构的侧壁的一对相对薄的金属片中形成这样的喷嘴。这些金属片在这里也称为“喷嘴片”。图1至图2示出具有在喷嘴片100中形成的喷嘴102的常规喷嘴片100的一个示例的一部分。

喷嘴片100通常小于四分之一英寸厚，并且由铝或适合在炉中使用的类似材料制成。通常通过对片进行穿孔在每个喷嘴片100中形成喷嘴102。

考虑到这样的喷嘴片的相对薄度和片中大量的喷嘴，通常在每个喷嘴片的外表面上层叠六边形蜂窝材料片，以便加强薄的喷嘴片并帮助控制离开喷嘴的空气的角度方向，使其以更均匀且平行的流离开喷嘴。图3示出六边形蜂窝材料片104的一部分，并且图4示出安置在图1至图2所示的喷嘴片100的外表面上的六边形蜂窝材料104。

然而，将六边形材料片中的开口与薄的喷嘴片中的相应喷嘴精确对准可以是困难的。六边形材料的开口与喷嘴片中的喷嘴的不对准可以导致离开喷嘴的空气以较不均匀且较不平行的流离开喷嘴。此外，将两片六边形材料添加到每个气室增加了制造和组装每个气室的成本。

发明内容

一个实施例涉及用于加热纤维的炉。炉包括设置在炉的第一端部和第二端之间的炉内的供应结构。供应结构包括彼此堆叠的多个气室，在所述多个气室之间具有间隙。气室与加热系统流体连通。至少一个气室包括至少一个侧壁，所述至少一个侧壁包括在其中形成的多个通路，所述至少一个气室经配置将加热的气体的至少一部分从多个通路引导到炉的内部中。在所述至少一个气室中形成的多个通路中的每个具有相应的锥形截面形状。

另一实施例涉及使用炉加热纤维的方法。方法包括将加热的气体供应到设置在炉的内部内的供应结构。供应结构包括彼此堆叠的多个气室，在所述多个气室之间具有间隙。方法进一步包括将加热的气体的至少一部分从在至少一个气室的至少一个侧壁中形成的通路引导到炉的内部中，所述通路具有锥形截面形状。

附图说明

图1示出常规喷嘴片的一个示例的一部分。

图2是图1所示的喷嘴片的截面图。

图3示出六边形蜂窝材料片的一部分。

图4示出安置在图1至图2所示的喷嘴片的外表面上的图3的六边形蜂窝材料。

图5是炉的一个示例性实施例的透视图。

图6是图5所示的炉的透视图，其中从炉的室中移除顶壁。

图7是图5所示的炉的截面平面图。

图8示出图5所示的炉的中心供应结构的细节。

图9是供应气室的一个示例性实施例的截面平面图。

图10是图9所示的供应气室的一个侧壁的侧视图。

图11更详细地示出图10所示的侧壁的一部分。

图12是图11所示的侧壁的部分的截面图。

图13是图12所示的喷嘴中的一个的详细视图。

图14是通过与加热的气体接触加热纤维的方法的示例性实施例的流程图。

图15示出一种替代的锥形截面喷嘴形状。

具体实施方式

图5至图7示出其中可以使用下述喷嘴板的氧化炉500的一个示例性实施例。然而，应当理解，可以在其它氧化炉中使用下述喷嘴板。

图5至图7所示的氧化炉500适合于在使用上述类型的氧化工艺生产碳纤维中使用。例如，如本领域技术人员已知的，图5至图7所示的氧化炉500的示例性实施例可以用于利用一个或多个炉(例如，堆叠配置)的氧化工艺。

本领域技术人员将认识到，为了简洁和清楚起见，已经从附图和以下描述中省略了在氧化炉中使用的各种常规特征结构。这样的特征结构的示例包括但不限于用于调节炉500内的气体的流动的挡板、管道、叶片、通气口等，用于减少不期望的过程气体排放到周围环境中的前室和排气特征结构，和/或用于提高炉500的热效率的绝缘材料、百叶窗以及其他热特征结构。应当理解，图5至图7所示的示例性炉500可以包括这样的特征结构。

在图5至图7所示的示例性实施例中，炉500包括在其中发生纤维段的氧化的炉室502。在该示例性实施例中，炉室502由多个壁限定。限定氧化室502的壁包括顶壁504、底壁506、沿着室502的侧面512和侧面514的两个相应的侧壁508和侧壁510、以及在室502的端部520和端部522处的两个相应的端壁516和端壁518。在端壁516和端壁518中的每个中形成用于纤维的相应入口。每个入口由在室502的第一侧面512和第二侧面514之间延伸的多个狭口形成，并且由氧化炉500加热的纤维段被抽拉通过所述多个狭口。可以以常规方式形成入口和狭口。

炉500还包括加热系统524。加热系统524用于将加热的气体供应到室502中。在该示例性实施例中，所使用的气体是环境空气。

可以以各种方式实施加热系统524。在图5至图7中所示的示例性实施例中，使用至少一个加热器526(在图7中示出)、将气体抽吸通过加热器526的鼓风机528(在图7中示出)以及为鼓风机528提供动力的电动机530实施加热系统524。可以以各种方式实施每个加热器526。例如，可以使用一个或多个加热元件实施每个加热器526。此外，可以使用间接气体加热器、电加热器或它们的组合实施每个加热器526。可以以其他方式实施每个加热器526。

例如，可以使用一个或多个合适的控制器(例如，比例积分微分(PID)控制器)控制加热系统524。

炉500包括设置在室502内部内的室502的端部520和端部522之间的供应结构532。在图5至图7中所示的示例性实施例中，炉500是中心到端部的氧化炉，其中从氧化室502的中心朝向室502的端部520和端部522供应加热的气体。在该示例性实施例中，供应结构532设置在室502内部内的端部502和端部522之间的室502的中心处或中心附近，并且在这里供应结构532也称为“中心供应结构”532。

在图5至图7中所示的示例性实施例中，中心供应结构532包括彼此堆叠的多个供应气室534，其中供应气室534之间具有间隙。

图8中更详细地示出中心供应结构532。在堆叠的供应气室534之间提供间隙536(在图8中示出)，以使纤维段能够在气室534之间通过。

以下结合对图9至图13的描述提供关于供应气室534的更多细节。

气室534在它们的一个端部或两个端部处与供应管道538(在图6和图7中示出)流体连通，以便从加热系统524接收加热的气体。在图5至图7所示的示例性实施例中，每个气室534经配置通过其一个端部接收加热的空气(然而应当理解，在其他实施例中，每个气室通过其两个端部接收加热的空气)。

供应管道538可以适当地成锥形或提供有可调节的狭口或其他特征结构(未示出)，以调节加热的气体的流动，使得离开气室534的加热的气体的速度基本上是均匀的。

每个炉500还包括在氧化室502内的两个返回结构540。一个返回结构540定位在第一端壁516附近，并且另一个返回结构540定位在第二端壁518附近。返回结构540中的每个返回结构包括多个返回通道，所述多个返回通道彼此堆叠，并且定位成大致与中心供应结构532的相应的气室534的位置对应。在返回通道之间提供间隙，以使纤维段能够在返回通道之间通过。

每个返回结构540的返回通道经配置接收从中心供应结构532引导朝向该返回结构540的气体的至少一部分。也就是说，每个返回结构540接收从在中心供应结构532中的气室534的一个侧面引导朝向该返回结构540的气体。

返回管道542用于在每个返回结构540和加热系统524之间建立流体连通。以这种方式，将由返回结构540接收的加热的气体的至少一部分引导回加热系统524以被加热，并且如上述地经由供应管道538供应到气室534。

在图5至图7所示的示例性实施例中，返回管道542位于室502的壁内。然而，应当理解，可以以其他方式(例如，通过将返回管道542的至少一部分定位在室502的壁的外部)实施返回管道542。

在这里结合图5至图7描述的示例性实施例中，如图9至图13中所示的实施气室534中的每个气室。每个气室534在气室534的第一端部900处供应有加热的气体。从供应管道538供应加热的气体。

每个气室534的截面通常为矩形，并且在室502的侧壁508和侧壁510之间水平延伸，但是与室502的侧壁508和侧壁510间隔开。如图10所示，每个气室534具有在气室534的侧壁904中形成的通路902。这些通路902在这里也称为“喷嘴”902。在该示例性实施例中，使用在以下结合图10至图12更详细描述的板实施每个气室534的每个侧壁904(并且这些板在这里也称为“喷嘴板”904)。

在喷嘴板904中形成的用于每个喷嘴902的通路具有供应到气室534的空气进入其中的入口开口908(在图12至图13中示出)，并且具有供应的空气从其离开并排放到炉500的室502中的出口开口910(在图12至图13中示出)。喷嘴902的出口开口910面向室502的相应端部520和端部522。

喷嘴902横跨气室534的宽度延伸。喷嘴902经构造和布置以便将接收到的加热的气体以大致水平且平行的加热的气体流引导流向氧化室502的端部520和端部522。沿着穿过氧化室502的该部分的每个纤维段引导气体流。

每个气室534包括设置在气室534的内部内的气室534的喷嘴板904之间的一个或多个挡板906。在该示例性实施例中，如图9所示，将挡板906布置成V形，其中V形的尖端部分位于端部900附近，在该端部900处，加热的气体被供应到气室534。挡板906的这种V形布置通常被设计成将接收到的加热的气体以均匀的方式引导流出喷嘴902。

图10示出在气室534的喷嘴板904中的一个中形成的喷嘴902。在该示例性实施例中，(尽管仅示出喷嘴板904中的一个的喷嘴902)但是以相同的方式在两个喷嘴板904中形成喷嘴502。图11更详细地示出图10所示的喷嘴板904的一部分。图12是图11所示的喷嘴板904的部分的截面图。图13是图12所示的喷嘴902中的一个的详细视图。

例如，通过钻出并加工用于喷嘴902的通路和/或通过使用铸造工艺生产具有在喷嘴板904中形成的用于喷嘴902的通路的喷嘴板904，可以在喷嘴板904中形成喷嘴902。可以以其他方式在喷嘴板904中形成喷嘴902。

如图12所示，在该示例性实施例中，喷嘴板904比常规穿孔的喷嘴板厚得多。例如，喷嘴板904可以具有大于0.25英寸的厚度。喷嘴板904可以由铝或适合于在炉中使用的类似材料制成。

此外，在喷嘴板904中形成具有圆形开口(在图11中示出)并具有锥形截面形状(在图12至图13中示出)的每个喷嘴902。锥形截面形状的每个喷嘴902具有入口开口908，入口开口908大于每个喷嘴902的相应出口开口910。

在该示例性实施例中，每个喷嘴902的锥形截面形状包括锥形区域912，所述锥形区域912从喷嘴902的入口开口908延伸喷嘴板904的宽度的至少一部分。每个喷嘴902还包括笔直区域914，所述笔直区域914从锥形区域912的端部延伸到喷嘴904的出口开口910。

供应到每个气室534的空气将趋于平行于气室534的侧壁904行进。然而，当空气通过气室534时，空气与挡板906相互作用，并且因此，当空气横跨气室534通过时，空气的一部分被引导到每个喷嘴902的入口开口908中。

在该示例性实施例中，每个喷嘴902的锥形区域912具有沿着入口开口908的弯曲或倾斜的边缘916。弯曲或倾斜的边缘916有助于使流过喷嘴902的空气进入该喷嘴902。每个喷嘴的锥形区域912逐渐重新引导进入喷嘴902的空气，而每个喷嘴902的笔直区域914使空气稳定和对准，使得空气以均匀的流从喷嘴902的出口开口910流出。

通过不使用这样的六边形蜂窝材料片，可以避免将每片六边形材料中的开口与薄的穿孔的喷嘴片中的相应喷嘴精确对准的困难工作，以及避免可以由于任何这样的不对准所产生的问题。此外，通过不将两片六边形蜂窝材料添加到气室534，可以降低制造和组装每个气室534的成本。

此外，在不使用六边形蜂窝材料片的情况下，与较厚的喷嘴板904组合的锥形截面形状的喷嘴902有助于离开喷嘴902的空气以更均匀且平行的空气流离开喷嘴902。

此外，通过不使用穿孔片，可以以降低的静压力在所得的空气流中实现相同程度的均匀性。

此外，通过不使用六边形蜂窝材料片，喷嘴902的出口开口910的形状和布置不必适应层叠在喷嘴板904上的六边形蜂窝材料中的开口。

图14是通过与加热的气体接触加热纤维的方法1400的示例性实施例的流程图。图14所示的方法1400的实施例在此描述为使用上面结合图5至图13描述的氧化炉500和喷嘴板904的示例性实施例来实施。然而，应当理解，可以以其他方式实施其他实施例。

方法1400包括将加热的气体供应到设置在炉500内部内的供应结构532(框1402)，其中供应结构532包括彼此堆叠的多个气室534，在所述多个气室534之间具有间隙536。在该示例性实施例中，加热的气体从加热系统528经由供应管道538供应到每个气室534。

方法1400进一步包括将加热的气体的至少一部分从喷嘴902引导到炉502的内部中(框1404)，在气室534中的至少一个的至少一个侧壁904中形成所述喷嘴902，其中所述喷嘴902具有锥形截面形状。加热的气体以大致水平且平行的加热的气体流从喷嘴902流出，沿着穿过氧化室502的该部分的每个纤维段朝向氧化室502的端部520和端部522。

在该示例性实施例中，将加热的气体的至少一部分引导到喷嘴902的入口开口908中，并且将加热的气体的至少一部分从喷嘴902的出口开口910引导到炉500的内部中。此外，在该示例中，将被引导到喷嘴902的入口开口908中的加热的气体的至少一部分沿着弯曲或倾斜的边缘916引导，并引导到喷嘴902的锥形区域912中，沿着入口开口908形成所述弯曲或倾斜的边缘916。此外，在该示例中，从喷嘴902的出口开口910引导到炉500的内部中的加热的气体的至少一部分在排放到炉500的内部中之前被引导到喷嘴902的笔直区域914中。

上述实施例仅仅是示例性的，而不是限制性的。

应当理解，可以以其他方式实施喷嘴902的锥形截面形状。图15示出可以在上述的气室534中使用的喷嘴1502的一种替代的锥形截面形状。除了以下描述的，喷嘴1502大致与以上结合图9至图13描述的喷嘴902相同。

在该示例性实施例中，喷嘴1502的锥形区域1512从喷嘴1502的入口开口1508延伸到喷嘴1502的出口开口1510，并且不包括笔直区域。此外，与上面结合图9至图14描述的实施例一样，每个喷嘴1502的锥形区域1512具有沿着入口开口1508的弯曲或倾斜的边缘1516。

可以使用其他锥形截面形状。

在上述示例性实施例中，每个气室534从单侧供应加热的气体。然而，在其他实施例中，中心供应结构中的气室从两侧供应气体。

此外，在上述示例性实施例中，所有喷嘴的截面形状相同。然而，在其他实施例中，情况并不是这样，并且喷嘴的尺寸和形状可以在给定的气室内从喷嘴到喷嘴变化，并且可以在给定的供应结构内从气室到气室变化。此外，在上述示例性实施例中，每个气室被示出为具有两个侧壁，其中两个侧壁具有在其中形成的喷嘴，所述喷嘴具有如上所述的锥形截面形状。然而，这不一定是这样(例如，仅侧壁中的一个侧壁可以具有在其中形成的具有如上所述的锥形截面形状的喷嘴)。此外，在上述示例性实施例中，中心供应结构中的每个气室具有相同的配置和设计。然而，这不一定是这样，并且相反，中心供应结构中包括的一个或多个气室可以具有与中心供应结构中包括的一个或多个其他气室不同的配置和/或设计。

已经描述了许多实施例。然而，应当理解，在不脱离所要求保护的发明的精神和保护范围的情况下，可以对所描述的实施例进行各种修改。

示例实施例

示例1包括用于加热纤维的炉，所述炉包括：供应结构，其设置在炉的第一端部和第二端部之间的炉内，供应结构包括彼此堆叠的多个气室，在所述多个气室之间具有间隙，其中气室与加热系统流体连通；其中至少一个气室包括至少一个侧壁，所述至少一个侧壁包括在其中形成的多个通路，所述至少一个气室经配置将加热的气体的至少一部分从多个通路引导到炉的内部中；并且其中在所述至少一个气室中形成的多个通路中的每个具有相应的锥形截面形状。

示例2包括示例1的炉，其中在所述至少一个气室的所述至少一个侧壁中形成的通路中的每个包括相应的入口开口和相应的出口开口。

示例3包括示例2的炉，其中对于通路中的至少一个，相应的入口开口大于相应的出口开口。

示例4包括示例2至示例3中任一示例的炉，其中在所述至少一个气室的所述至少一个侧壁中形成的通路中的至少一个包括从相应的入口开口延伸的锥形区域。

示例5包括示例4的炉，其中包括锥形区域的通路中的所述至少一个进一步包括沿着相应的入口开口的弯曲或倾斜的边缘。

示例6包括示例2至示例5中任一示例的炉，其中在所述至少一个气室的所述至少一个侧壁中形成的通路中的至少一个包括从相应的入口开口延伸的锥形区域，以及从锥形区域的端部延伸到相应的出口开口的笔直区域。

示例7包括示例1至示例6中任一示例的炉，其中在所述至少一个气室的外表面上不安置蜂窝材料。

示例8包括示例1至示例7中任一示例的炉，其中所述至少一个侧壁为至少0.25英寸厚。

示例9包括使用炉加热纤维的方法，所述方法包括：将加热的气体供应到设置在炉的内部内的供应结构，供应结构包括彼此堆叠的多个气室，在所述多个气室之间具有间隙；并且将加热的气体的至少一部分从在至少一个气室的至少一个侧壁中形成的通路引导到炉的内部中，所述通路具有锥形截面形状。

示例10包括示例9的方法，其中将加热的气体的至少一部分从所述通路引导到炉的内部中包括：将加热的气体的至少一部分引导到所述通路的入口开口中；并且将加热的气体的至少一部分从所述通路的出口开口引导到炉的内部中。

示例11包括示例10的方法，其中对于所述通路中的至少一个，相应的入口开口大于相应的出口开口。

示例12包括示例10至示例11中任一示例的方法，其中所述通路中的至少一个包括从相应的入口开口延伸的锥形区域。

示例13包括示例10至示例12中任一示例的方法，其中将加热的气体的至少一部分引导到所述通路的入口开口中包括：沿着弯曲或倾斜的边缘引导加热的气体的至少一部分，沿着所述通路的入口开口形成所述弯曲或倾斜的边缘。

示例14包括示例10至示例13中任一示例的方法，其中将加热的气体的至少一部分引导到所述通路的入口开口中包括：将加热的气体的至少一部分引导到所述通路的锥形区域中。

示例15包括示例10至示例14中任一示例的方法，其中将加热的气体的至少一部分从所述通路的出口开口引导到炉的内部中包括：在将加热的气体排放到炉的内部中之前，将加热的气体的至少一部分引导到所述通路的笔直区域中。

Claims (15)

1.一种用于加热纤维的炉，所述炉包括：

供应结构，其设置在所述炉的第一端部和第二端部之间的所述炉内，所述供应结构包括彼此堆叠的多个气室，在所述多个气室之间具有间隙，其中所述气室与加热系统流体连通；

其中至少一个气室包括至少一个侧壁，所述至少一个侧壁包括在其中形成的多个通路，所述至少一个气室经配置将所述加热的气体的至少一部分从所述多个通路引导到所述炉的内部中；并且

其中在所述至少一个气室中形成的所述多个通路中的每个具有相应的锥形截面形状。

2.根据权利要求1所述的炉，其中在所述至少一个气室的所述至少一个侧壁中形成的所述通路中的每个包括相应的入口开口和相应的出口开口。

3.根据权利要求2所述的炉，其中对于所述通路中的至少一个，所述相应的入口开口大于所述相应的出口开口。

4.根据权利要求2所述的炉，其中在所述至少一个气室的所述至少一个侧壁中形成的所述通路中的至少一个包括从所述相应的入口开口延伸的锥形区域。

5.根据权利要求4所述的炉，其中包括所述锥形区域的所述通路中的所述至少一个进一步包括沿着所述相应的入口开口的弯曲或倾斜的边缘。

6.根据权利要求2所述的炉，其中在所述至少一个气室的所述至少一个侧壁中形成的所述通路中的至少一个包括从所述相应的入口开口延伸的锥形区域，以及从所述锥形区域的端部延伸到所述相应的出口开口的笔直区域。

7.根据权利要求1所述的炉，其中在所述至少一个气室的外表面上不安置蜂窝材料。

8.根据权利要求1所述的炉，其中所述至少一个侧壁为至少0.25英寸厚。

9.一种使用炉加热纤维的方法，所述方法包括：

将加热的气体供应到设置在所述炉的内部内的供应结构，所述供应结构包括彼此堆叠的多个气室，在所述多个气室之间具有间隙；以及

将所述加热的气体的至少一部分从在至少一个气室的至少一个侧壁中形成的通路引导到所述炉的所述内部中，所述通路具有锥形截面形状。

10.根据权利要求9所述的方法，其中将所述加热的气体的至少一部分从所述通路引导到所述炉的所述内部中包括：

将所述加热的气体的至少一部分引导到所述通路的入口开口中；以及

将所述加热的气体的至少一部分从所述通路的出口开口引导到所述炉的所述内部中。

11.根据权利要求10所述的方法，其中对于所述通路中的至少一个，所述相应的入口开口大于所述相应的出口开口。

12.根据权利要求10所述的方法，其中所述通路中的至少一个包括从所述相应的入口开口延伸的锥形区域。

13.根据权利要求10所述的方法，其中将所述加热的气体的至少一部分引导到所述通路的入口开口中包括：

沿着弯曲或倾斜的边缘引导所述加热的气体的至少一部分，沿着所述通路的入口开口形成所述弯曲或倾斜的边缘。

14.根据权利要求10所述的方法，其中将所述加热的气体的至少一部分引导到所述通路的入口开口中包括：

将所述加热的气体的至少一部分引导到所述通路的锥形区域中。

15.根据权利要求10所述的方法，其中将所述加热的气体的至少一部分从所述通路的出口开口引导到所述炉的所述内部中包括：

在将所述加热的气体排放到所述炉的所述内部中之前，将所述加热的气体的至少一部分引导到所述通路的笔直区域中。