CN86108227A - 在气相或汽相介质中散布液体的方法和装置 - Google Patents

在气相或汽相介质中散布液体的方法和装置 Download PDF

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Abstract

用来在气相介质中散布液体的装置和方法，该方法是将液体送入空心的壳体，它有一组相同并与垂直轴旋转对称的出口，在壳体的空心中装有一部件，该部件至少部分与液体接触并可沿着与垂直轴平行的方向上下移动。至少带有出口部分的壳体可沿着与垂直轴平行的方向上下移动，或者壳体可围绕垂直轴运动，壳体运动的频率f等于液体通过壳体出口的平均流速除以出口直径之商与比例常数K的乘积，其中K在0.25～0.5之间，f表示为每秒振动次数，V为每秒米，d为米。

Description

本发明与在气相介质中散布液体的方法有关，该方法是将液体送入到空心的壳体中，此壳体有一组相同的与垂直轴旋转对称的出口，在壳体的空腔中装有一部件，该部件与液体部分接触并可沿着与垂直轴平行的方向上、下移动。
本发明还特别与喷撒熔融物质或浓缩的溶液有关，在喷撒后这些物质在介质中被冷却，然后固化。
例如，本发明特别适合化肥熔体或溶液的造粒，先形成滴，然后造成大小一致的颗粒。
可想而知，造粒的液体应是这样的一种物质，它并不完全是液态，但是它的行为象液体，例如悬浮液、分散液、乳状液。
本发明也与实行开头部分提到的这种方法的装置有关。
从欧洲专利申请，案号0，033，717中可知开头部分提到的方法。
已知方法的缺点是所得造粒的尺寸分布范围很大。
这里很大指的是相对造粒的平均直径最大偏差约为±50%。
申请人发现一种改进的办法，它的特征是至少装有出口部分的壳体在与垂直轴平行的方向上、下移动，移动频率f等于比例常数K与液体通过壳体出口的平均流速除以出口直径之商的乘积，其中K在0.25～0.5之间，f表示为每秒振动次数，V为每秒米，d为米。
应用本发明的方法所得造粒的优点是大批量的颗粒尺寸没有显著的差别。
根据本发明方法的另一优点是，由于造粒的大小实际上一样，所谓大宗的混杂物（带有不同营养组分造粒的混合物）最终可直接撒到大地或牧场。
还有，由于造粒大小一致，得到的产品的机械特性也统一，这在产品处理中是一项优点。结果可以免除产品的筛选。
应该注意根据自由射流形成微滴的雷诺方程，从理论上可希望在K＝0.22（本发明的平均值）处得到最优的结果。事实上在K＝0.22处是自由射流截止的自然频率。
从美国专利U.S.A-2，968，833（参看8列48-51行）可知所用的K值在0.1到0.25。因而喷撒装置运动频率就低于射流的自然频率。根据专利的指标，在这个区域外它就显得更加困难（要得到好的结果）。
当K值在0.25～0.5之间，即频率在射流的自然频率之上，根据本发明的方法（令人警奇地）产生极其好的结果。
本发明实施方案的特征是壳体和部件运动的频率和相位互相相等。
根据本发明方法的这种实施方案，就分布和操作的柔性而言得到了最好的结果。
本发明实施方案的特征是壳体围绕垂直轴以0.5～6转/秒的旋转频率转动。由于微滴被分布在更大的平面范围内，因此微滴相互碰撞的机会减小，对造粒尺寸分布有良好效果。
根据本发明方法的另一实施方案，其特征是壳体在水平面周期运动。这种运动可以是垂直于垂直轴一个方向的简单振动，或者是在水平面两个不同方向两个简单振动构成的复合振动。
以这种方法得到的微滴将分布在更大的范围，减小碰撞的机会，减轻液体分散在其中的介质热负荷。
在另一种实施方案中，部件有附加的运动，可以围绕垂直轴旋转，其速度最好在0.5到3转/秒之间，或者是在水平面上的周期运动。
用这种方法改善微滴的形成，特别是促进液体射流的遮断。
本发明还同在气相介质中散布液体的方法有关，该方法是将液体送入到空心的壳体，它有一组相同的与垂直轴旋转对称的出口，在壳体的空腔中装有一部件，该部件至少部分地与液体接触并可沿着与垂直轴平行的方向上下移动，这方法的特征是壳体围绕垂直轴以频率f运动，f等于液体通过壳体出口的平均流速除以出口直径之商与比例常数K的乘积，K在0.25～0.5之间，f表示为每秒振动次数，V为每秒米，d为米。
人们相信，由于部件的这种运动，液体达到振动状态，从而在离开壳体的出口后，微滴的体积非常均匀，所以得到的造粒直径其大小的分布将比用已知方法得到的造粒分布要小。
如果与大气隔绝的情况下，在气相或汽相介质中散布液体，例如在造粒塔中喷撒熔融化肥，这种情况微滴尺寸是决定性的。因为最大的微滴必须在接触造粒塔的壁或底之前完全固化，所以造粒塔的尺寸（依照高和直径）是由设想所生产的最大的滴（粒）所决定，将会得到这样的颗粒，它的直径比要求的平均直径约增加了三倍造粒直径变化系数。
根据本发明的方法实现了平均造粒直径5%的变化系数。这意味着实践中，在方法的条件和变量进一步完全一致的情况下，比起现用的方法计算得到的造粒塔，其高变可减小50%，其直径可减小25%。
应用本发明的方法到现有的造粒塔中，通过采用适当的散布或喷撒部件，造粒的平均直径约可增加20%，而不会造成最大的微滴在固化前碰到壁或底。较大的造粒对农民来说可节省劳力，因为较大因而较重的粒可散布到更宽、更远的范围。
按照已知的采用旋转造粒勺斗的方法，要新建平均直径为2.2m的尿素造粒塔，其高度必须在65m左右。它的变化系数最低为25%。
如应用按照本发明的方法，造粒塔的高度为30m就足够，因为平均造粒直径的变化系数最低可为5%。
应用本发明的方法所得造粒的优点是在大批量中将没有颗粒尺寸的显著差别。
按照本发明方法的另一优点是，由于实际上造粒尺寸统一，所谓大宗的混杂物（带有不同营养组份造粒的混合物）最终可以撒到大地或牧场上而不用在撒播中进行混合物的分离。
还有由于造粒尺寸统一，得到的产品其机械特性也统一，这在产品处理中是一项优点。
最显著的特点是在得到的造粒中没有所谓卫星状的小微滴存在，这就表示在已知的喷撒液体的方法和装置中会产生的小微滴不存在。结果就不再需要产品的筛选。在已知的方法中这些小颗粒必须再循环，因而也需再溶解，这样就增加产品额外的成本。
本发明还与应用本发明方法的装置有关。
按照本发明的装置，是由至少带有一个液体入口和一组液体出口的空心壳体构成。这些出口是相同的，在壳体壁上与垂直轴成旋转对称，在壳体空腔中装有一部件，壳体和部件有旋转对称的形状，这装置的特征是壳体和部件形状基本相似，相对垂直轴对称定位。
壳体和部件可有锥形部，其底平面上带有出口，液体由部件中的孔送入。
当围绕垂直轴没有旋转运动时这种实施方案特别有用。因此壳体可装设向外鼓的底板，从而增加微滴的分布面积。
另一种实施方案使用带有出口的锥形部分，它直径较小的一端朝下。
装置中壳体是围绕垂直轴旋转，从而得到很大的分布范围。
为了稳定要散布液体在壳体和部件出口附近的流动，在壳体内部装有网纱状的元件，它与底部基本平行并与底部间隔一定距离。
按照本发明装置实施方案，它的特征是壳体底部装有向外的鼓起，在其上面有液体的出口。这样在出口就得到良好的层流状流动，同时对液体射流的脉动也有良好的影响。
现在将对本发明的方法进行详细解释，并可参考下列的各项实验及附带的实验中所用的代表性装置图。
图1是本发明装置第一实施方案的略图，
图2是图1装置的细部，
图3是本发明装置第二实施方案的略图，
和图4是轴系统的代表，其中Z轴是垂直方向，用它作为参考系。
图1中1是壳体，其中带有出口2的底部3是凸形。在壳体1的内空腔中装有部件4，它装设带有孔22的底部5。通过管子15壳体1由衬套7中的轴承6支承，使之可以旋转，衬套依次通过元件8连到固定部件9，例如造粒塔的上底板（未显示），以便能进行柔性运动。10是马达，通过传送装置11和皮带轮12使壳体1旋转。当壳体1在Z方向略有错位时，传动装置11仍能与它相匹配，但最多相差为几毫米。进料管16最好由低粘着性的材料制成，例如聚四氟乙稀（PTFE）。21是电磁振动发生器，它的可动部分23固定到管子15，它的固定部分24与固定部件9连接。通过管子15壳体1可以上下移动。部件4的底部5与壳体1的底部3用棒20连接。要喷撒的液体通过元件17，进料管16，网纱形元件14和孔22进入到壳体1的内腔。弯头25用法兰接头26连接到管子15，并用软管（未表示）连接到过程的设备（未显示）。
在某些情况下，还采用与底部3内表面基本相似的网纱形元件13。这样壳体1的旋转至少在出口2附近被很好地传递给要喷撒的液体，从而对喷撒有良好的效果。
网纱元件14用作待喷撒液体的过泸器。这样获得的附加优点是送入的待喷撒液体将很好地散布在底部3的表面。19是绝热材料防止要喷撒液体的局部过冷和固化。用通风管18使壳体的内腔与液体喷撒的空间相连通。
由频率可控的电磁振动发生器产生壳体和部件的运动。
不打算单独讨论加速度，因为它总是在0.5～25m/S2之间（除非另外指出）。相反要提出所需的电功率，它在某些方面与产生的加速度有关。
图3表示壳体和部件有相对较尖顶角的实施方案。这种类型与Z轴的半顶角β在10-35°之间。由于削尖的形状，这样的桶体需要相对较小的空间来插入和通过造粒塔的上底板。这种壳体适合相当大的产量，例如42吨/小时，它的速度例如150-300转/分，结果微滴甩得很远。
在图3中31是壳体，它的圆锥形壁部件32装有液体出口33、在壳体中装有空心部件34，它的壁35大体和壳体的壁32相似。在35壁内有开口36。在部件34的底部37有开口38，它的直径等于底部37直径的一半。用轴承40将壳体安装在造粒塔（未画出）的上底板39以便能够旋转。41，42指的是驱动和传动装置。部件没有拖动，但它可围绕Z轴旋转。部件可由例如液压式或气动式的活塞、气缸43和44带有在Z轴方向移动。45是马达，46是能量转换器。驱动介质通过管路47供给气缸44。在图3表示的实施方案中，活塞43被压缩的介质压向下。在活塞43的向下冲程中被压缩的机械弹簧或液压、气动部件48，当气缸44中的压力移去后将活塞推向上，产生向上运动。也可应用弹性塑料制的弹簧。49是要喷撒液体的进料，它在缓冲室50终止。
按照本发明的方法用下列实验说明。
A系列实验
用图1的实施方案进行实验。
有关喷撒液体的数据：
A    B    C
物料性质：    尿素    硝酸氨    水
浓度    %    95-100    95-100    100
比重 kg/m31320 1420 1000
（在熔态）
粘度η    CP    1＜η＜5    3＜η＜10    C.1
在t℃    135℃    175℃    25℃
温度℃    135-140    175-180    环境温度
壳体内压力    大气压    大气压    大气压
（液体上部）
有关壳体和部件的结构数据
从Ⅰ到Ⅴ所有壳体都是如图1所示的结构。
Figure 86108227_IMG2
表中
n＝壳体速度    转/秒
f＝壳体运动频率（Hz）
V0＝液体从壳体出口流出的速度（m/S）
d＝所得造粒的加权平均直径    （mm）
Va＝相对加权平均造粒直径的变化系数
Cap＝每小时喷撒液体的产量或容量（kg/h）
P＝振动发生器输入电功率（W）
实验
系列Ⅳ    C（Ⅳ号壳体，材料C）
n f V0P Cap d＊ Va＊＊
（转/分）    （赫兹）（米/秒）    （瓦）（公斤/小时）（毫米）    （%）
100    500    1.6    120-230    1800    1.82
100    550    1.8    40-140    2350    1.98
100    600    2.0    70-240    2000    1.82
2.2    同上    2200    1.83
2.4    同上    2350    1.93
100    650    2.2    40-260    2200    1.82
2.4    同上    2350    1.87
100    700    2.0    20-110    2100    1.76
2.2    同上    2350    1.82
2.4    同上    2500    1.87
系列Ⅲ    C（Ⅲ号壳体，材料C）
n f VoP Cap d＊ Va＊＊
（转/分）    （赫兹）（米/秒）（瓦）（公斤/小时）（毫米）（%）
100    400    2.2    70-180    1510    2.45
2.4    同上    1600    2.49
100    450    1.6    20-200    1050    3.09
2.0    同上    1330    2.27
2.6    同上    1685    2.44
100    500    1.8    20-240    1200    2.11
2.2    同上    1510    2.27
2.6    同上    1685    2.36
100    550    1.8    20-220    1200    2.04
2.2    同上    1510    2.20
2.6    同上    1685    2.28
100    600    2    30-220    1330    2.06
2.2    同上    1510    2.14
2.6    同上    1685    2.22
100    650    2.2    30-220    1510    2.08
2.4    同上    1600    2.12
2.6    同上    1685    2.16
100    700    2.2    60-240    1510    2.03
2.6    同上    1685    2.40
750    2.6    70-240    1685    2.06
＊    d这里是微滴直径
＊＊    Va不能确定，因为没有形成固化的造粒（是水滴！）
系列ⅤA（Ⅴ号壳体，材料A）
n f VoP Cap d Va
（转/分）    （赫兹）（米/秒）（瓦）（公斤/小时）（毫米）（%）
出口直径：1.3毫米
100    400    1.66    60-140    6700    1.96    6.1
2.33    同上    9600    2.20    6.2
100    450    2.00    60-140    8300    1.82    6.1
2.14    同上    8700    2.05    6.0
2.33    同上    9600    2.11    6.0
100    500    2.33    60-140    9600    1.98    6.9
2.92    同上    12000    2.20    6.6
100    550    2.33    60-140    9600    1.97    6.9
2.41    同上    10000    2.00    6.3
系列Ⅴ    B（Ⅴ号壳体，材料B）
n f VoP Cap d Va
（转/分）    （赫兹）（米/秒）    （瓦）（公斤/小时）    （毫米）    （%）
出口直径：1.1毫米
100    400    1.56    100-180    6800    1.92    5.6
100    500    2.34    同上    10000    1.92    5.7
100    700    1.95    同上    8300    1.82    5.8
系列Ⅴ    B（Ⅴ号壳体，材料B）（续）
n f VoP Cap d Va
（转/分）    （赫兹）（米/秒）（瓦）（公斤/小时）    （毫米）    （%）
出口直径：1.2毫米
100    400    1，31    100-180    6800    1，92    6，1
100    500    1，64    同上    8300    1，92    5，8
出口直径：1.3毫米
100    300    1.12    100-180    6800    2.11    6.7
100    500    1.68    同上    10000    2.04    6.9
100    600    2.23    同上    13300    2.11    7.0
100    700    2.51    同上    15000    2.09    6.2
出口直径：1.4毫米
100    250    1.40    100-180    9700    2.57    6.2
100    400    1.69    同上    11700    2.31    6.2
100    500    2.17    同上    15000    2.25    6.2
系列Ⅴ    B（Ⅴ号壳体，材料B）（续）
n f VoP Cap d Va
（转/分）    （赫兹）（米/秒）（瓦）    （公斤/小时）    （毫米）    （%）
出口直径：1.5毫米
100    170    1.02    100-180    8100    2.75    6.7
100    400    2.10    同上    16700    2.60    6.1
100    500    1.68    同上    13300    2.25    6.2
出口直径：1.6毫米
100    300    1.29    150-240    11700    2.66    5.9
100    400    2.21    同上    20000    2.77    6.1
2.58    同上    23300    2.92    6.4
100    500    2.58    同上    23000    2.71    6.2
出口直径：1.7毫米
100    300    1.63    150-250    16700    2.87    6.2
2.45    同上    25000    3.28    6.5
100    400    1.96    150-250    20000    2.77    6.1
2.12    同上    21700    2.84    6.2
2.45    同上    25000    2.98    6.3
实验显示所于不同的容量（应用相同的壳体）通过调节运动的频率可使加权平均造粒直径维持恒定，也可以在容量保持相同的条件下调节频率获得所需的造粒直径。
实验显示本发明的方法在过程操作中的柔性。
图5是ⅤB系列中某个实验所得造粒的照片。
B系列实验
使用图3实施方案进行实验。
关于喷撒液体的数据
Figure 86108227_IMG3
关于壳体和部件的设计数据
壳体Ⅰ′和Ⅰ″是图3表示的壳体Ⅰ的实施方案变形。
Figure 86108227_IMG4
Figure 86108227_IMG5
实验
壳体Ⅰ′，液体A
Figure 86108227_IMG6
壳体Ⅰ′，液体A（续）
Figure 86108227_IMG7
壳体Ⅰ″，液体A和B
Figure 86108227_IMG8
壳体Ⅰ″，液体A和B    （续）
请参考图6到图9，进一步说明本发明的方法。
图6是喷撒液体（水）微滴分布的照片，壳体以200转/分的频率旋转，它的部件以200Hz频率在Z方向作周期性运动。
图7是同一装置得到的微滴分布照片，壳体以200转/分的频率围绕Z轴旋转，但从壳体内移去部件。应注意，通过使用比例尺按照工艺条件可以比较不同尺寸的勺斗。
图8是实验NO.Ⅰ′A1得到的造粒照片，图9是比较实验Ⅰ′A2得到的造粒照片。
Figure 86108227_IMG10

Claims (34)

1、用来在气相介质中散布液体的方法是将液体送入到空心的壳体，该壳体有一组相同并与垂直轴旋转对称的出口，在壳体的空心中装有一部件，该部件至少部分地与液体接触，并可沿着与垂直轴平行的方向上下移动，该方法的特征是至少装有出口部分的壳体可沿着与垂直轴平行的方向上下移动，该运动频率f等于液体通过壳体出口的平均流速除以出口直径之商与比例常数K的乘积，其中K在0.25～0.5之间，f表示为每秒振动次数，V为每秒米，d为米。
2、根据权利要求第1项的方法，其特征是壳体和部件运动的频率相同。
3、根据权利要求第1和第2项中任意一项的方法，其特征是壳体和部件的运动是相同的，并且相位一致。
4、根据权利要求1至3项中任意一项的方法，其特征是壳体围绕垂直轴旋转的速度在0.5～6转/秒。
5、根据权利要求1至4项中任意一项的方法，其特征是壳体在水平面作周期运动。
6、根据权利要求第5项的方法，其特征是在水平面的周期运动由垂直于垂直轴的单方向简单振动构成。
7、根据权利要求第5项的方法，其特征是在水平面上的周期运动由在水平面两个不同方向的两个简单振动组成的复合振动构成。
8、根据权利要求第7项的方法，其特征是在水平面上的两个方向围成一直角。
9、根据前面权利要求中任意一项，其特征是部件围绕垂直轴旋转的速度在0.5～3转/秒。
10、根据权利要求1至9项中任意一项，其特征是部件在水平面作周期运动。
11、用来在气相介质中散布液体的方法是将液体送入到空心的壳体，它有一组相同并与垂直轴旋转对称的出口，在壳体的空心中装有一部件，该部件至少部分与液体接触并可沿着与垂直轴平行的方向上下移动，该方法的特征是壳体围绕垂直轴运动的频率f等于比较常数K与液体通过壳体出口的平均流速除以出口直径之商的乘积，K在0.25～0.5之间，f表示为每秒振动次数，V为每秒米，d为米。
12、根据权利要求第11项的方法，其特征是壳体和部件的运动频率相同。
13、根据权利要求11、12项中任意一项的方法，其特征是壳体围绕垂直轴旋转的速度在0.5～6转/秒之间。
14、根据权利要求11至13项中任意一项的方法，其特征是壳体在水平面作周期运动。
15、根据权利要求第14项的方法，其特征是在水平面的周期运动由垂直于垂直轴的单方向简单振动构成。
16、根据权利要求第14项的方法，其特征是在水平面上的周期运动是由在水平面两个不同方向的两个简单振动组成的复合振动构成。
17、根据权利要求第16项的方法，其特征是在水平面上的两个方向围成一直角。
18、根据权利要求11至17项中任意一项的方法，其特征是壳体沿着垂直轴的方向上下移动。
19、根据权利要求11至17项中任意一项的方法，其特征是部件围绕垂直轴旋转的速度在0.5～3转/秒。
20、根据权利要求11至19项中任意一项的方法，其特征是部件在水平面作周期运动。
21、方法如实例中描述和说明的那样。
22、根据权利要求1至20项中任一项的方法所得到的产品。
23、用来在气相介质中散布液体的装置由至少带有一个入口和一组出口的空心壳体构成，这些相同的出口在壳体壁内并与垂直轴成旋转对称，在壳体的空心中装有部件，壳体和部件有旋转对称的形状，该装置的特征是壳体和部件形状基本相似，相对垂直轴对称定位。
24、根据权利要求第23项的装置，其特征是壳体和部件有锥形部分，其底板上装有出口，液体通过部件中的孔送入。
25、根据权利要求第23或24项中任意一项的装置，它的特征是壳体的底板向外鼓起。
26、根据权利要求第24和25项中任意一项的装置，其特征是壳体和部件的底板是互相连结的。
27、根据权利要求23至26项中任意一项的装置，其特征是在壳体内部装有网纱形元件，它与底部基本平行并间隔一定距离。
28、根据权利要求23至27项中任意一项的装置，其特征是在部件内部装有网纱形元件，与底板间隔一定距离。
29、根据权利要求23至28项中任意一项的装置，其特征是壳体装设由粘着性很低的材料，例如聚四氟乙稀（PTFE）制成的液体进料管。
30、根据权利要求23至29项中任意一项的装置，其特征是壳体的壁在液体出口的位置是向外鼓的。
31、用来在气相介质中散布液体的装置由至少带有一个入口和一组出口的空心壳体构成，这些相同的出口在壳体壁内并与垂直轴成旋转对称，在壳体的空心中装有部件，壳体和部件有旋转对称的形状，该装置的特征是壳体和部件形状基本相似，相对垂直轴对称安装。
32、根据权利要求第31项的装置，其特征是壳体和部件有装设出口的锥形部件，液体通过孔送入到壳体中。
33、根据权利要求第32项的装置，其特征是锥形部分有较小直径的一端朝下。
34、装置实际上如各种数字所描述和说明的那样。
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