CS203078B2 - Method of and heat exchanger for indirect heat transfer - Google Patents

Description

Vynález se týká způsobu nepřímého plynulého přenosu tepla od topného plynu na fluidní zahřívaný materiál, přičemž topný plyn je veden vodorovně a fluidní materiál je veden v trubkách svisle probíhajících kolmo - k proudění topného plynu, jakož i výměníku tepla k provádění tohoto způsobu pro nepřímý kontakt mezi topným plynem a zpracovávaným fluidním materiálem,.

U četných chemických postupů jsou práškové materiály vypalovány nebo rozkládány přímým stykem se spalinami, jako například při pálení vápna a cementu nebo· při dehydrataci vodných kysličníků hliníku za účelem výroby kysličníku hlinitého. Při těchto vypalovacích nebo rozkládacích postupech vznikají plynné reakční zplodiny jako kysličník uhličitý nebo vodní pára. Když tyto· uvolněné plyny vyvolávají fluidisaci prášků, jde o tzv. „autofluidisaci“.

Vypalování nebo dehydratace se obecně provádí v otáčivé peci, slabě nakloněné vůči vodorovné rovině. Práškové materiály, které mají být zpracovány, 'ptostu.pují v peci shora dolů, zatímco horké spaliny jsou vedeny v protiproudu zdola nahoru. Tím je zajištěn dobrý styk mezi, plynem a pevnou -látAutoifluidisace vede k promíchávání při2 váděného materiálu a tím ke zlepšení přechodu tepla od plynů na práškový materiál. Naproti· - tomu se však tato výměna tepla zhoršuje ostatními následky autoíluidisace, a td skluzy a závaly způsobenými zmenšením .sypného úhlu. . Proudem plynu o vysoké rychlosti se strhuje značný podíl práškového materiálu, což je ještě podporováno zabudováním zdvihadel pro zlepšování styku mezi - práškovým materiálem a topným plynem. - Celková kalorická bilance autoifluidisace je - proto negativní.

U pecí na výrobu kysličníku hlinitého se kromě práškového materiálu vycházejícího z pece obdrží ještě materiál, stržený plyny (úlet), přičemž tyto úlety dosahují často l,5násobku výtěžku pece. Prvním důsledkem je nutnost - uspořádání velkých odlučovačů prachu a druhý důsledek spočívá v tom, že výměna tepla -se děje velmi nedokonale. U otáčivé pece s výkonem 40 tun kysličníku hlinitého za - hodinu, představují úlety ú0 tun - jen částečně dehydratovaného hydratovaného kysličnku hlinitého, jelikož tyto úlety z větší části pocházejí z -oblasti s nízkou - teplotou. Tato otáčivá pec, do které se přivádí hydratovaný kysličník hlinitý jako koláč obsahující 13 % -vody, spotřebuje 120 kg paliva - na 1 tunu ' vyrobeného kysličníku hlinitého při 11,6 °/o , přebytku _λ vzduchu. Množství vody. · veškerých' · odpadních plynů;pece · činí 35 ' 'tun za hodinu, zatímco· · množství · ·vody v úletech činí ''' nejméně · 30 tun za hodinu. Množství vody úletů a spalin · jsou tedy stejného veli^k^iós^ního+řád^t^.;' Ochlazení · · spalin a · zvýšení teploty · · · · úletů · ve výměníku tepla nemůže být tedy větší než polovina teplotního rozdílu těchto obou prostředí při vstupu do pece. Tato hodnota se ještě snižuje následkem určitého· zředění účinkem parazitního vzduchu u výstupu z pece a v důsledku nutnosti teplotního rozdílu potřebného pro přechod tepla.

Je obvyklé · odstraňovat částečně tyto nevýhody tím, že se za otáčivou pecí umístí výměník tepla, který má soustavu zařízení několika · za sebou umístěných s prouděním v témže smyslu, avšak tak, že celkový směr proudění probíhá v protiproudu. Doprava - ··práškového materiálu ·· se děje · · ve fluidním stavu. K tomu účelu je upraven v sérii · · určitý počet cyklónů, které jsou ve svislém směru navzájem přesazeny. Tím se zlepší výkon, což se projevuje úsporou 20 kg paliva na' tunu kysličníku hlinitého·. Jelikož přitom také nastává část zamýšlené · výměny · tepla, je možné vyměřit délku otáčivé pece podstatně kratší............

Naproti tomu mají tato zařízení určité nevýhody. Investice jsou vysoké, montáž tří stupňů cyklónů vyžaduje konstrukci 40 m vysoké věže s horním přívodem; již existující zařízení může být pouze velmi obtížně pozměněno připojením takových výměníků tepla; zařízení je dimensováno pro určité předem stanovené množství a nemá prakticky žádnou · pružnost. · · Ztráty tlaku v cyklónech vedou konečně ke značné · spotřebě energie. Přivádění · hydratovaného kysličníku hlinitého je obtížné a pneumatická doprava způsobuje značně velké opotřebování. ··..·

Z · francouzského pat. spisu č. 1 179 572· je pro 'fluidní materiál znám výměník tepla, který má konstrukci obvyklého· výměníku se svazkem ' · trubek, majícího svislé rovnoběžné trubky · pro fluidní materiál. Materiál se ve · všech trubkách pohybuje rovnoměrně ' zdola · vzhůru, topné prostředí je do prostoru výměníku rozváděno nahoře · a odváděno dole, takže omývá trubky, vedoucí fluidní · materiál, v rovnoběžném směru. Ve všech trubkách panují stejné podmínky, pokud jde ' o' fluidní vrstvu a přechod tepla.

Vynález vychází z úlohy vytvořit postup pro převádění tepla, který by měl dobrou účinnost, ' byl jednoduchý a spolehlivý v provozu, měl vysokou přizpůsobivost na ' dané · požadavky · · a byl stejně účinný s autoflutdisací i bez ní.

Vynález se tedy týká shora uvedeného způsobu pro nepřímý plynulý přenos tepla od · topného · plynu na fluidní· materiál, při kterém- · je topný plyn veden v podstatě vodorovně a fluidní materiál svisle trubka4 mi probíhajícími kolmo k proudění topného plynu.

Podle vynálezu fluidní materiál plynule vede první řadou svislých trubek · shora dolů a · v druhé řadě svislých trubek zdola na- ‘ horu, · -přičemž · ·se v první řadě trubek · udržuje fluidní vrstva · vyšší hustoty, než ve druhé řadě trubek.

Způsob lze provádět na způsob autcrfluidisace, při kterém se jako nosného plynu užije plynu uvolněného při zahřátí · fluidního· materiálu.

Podle výhodného provedení vynálezu se na druhou řadu trubek působí větším· množstvím tepelné energie než na · první řadu trubek.

Způsob podle vynálezu má oproti způsobu podle francouzského pat. spisu číslo 1 179 '572 tu výhodu, že kromě libovolné doby prodlevy a velmi dobrého přechodu tepla lze · jednoduchým · způsobem· · ovlivňovat pohyb fluidní vrstvy. Způsob podle vynálezu lze nezávisle na tom, nastá^^^^-^l-i autoiluidisace nebo musí-li být pracováno výhradně s nosným plynem, provádět podle speciálních podmínek, což u známého způsobu není možné. Známý postup · je - · nepoddajné zaměřen na zcela speciální výměnné úkony a nepřipouští žádné obměny.

K provádění způsobu podle vynálezu se hodí výměník tepla se svisle probíhajícími trubkami, které na svých horních koncích ústí do směšovacích komor, které jsou navzájem spojeny spojovacími vedeními a na svých dolních 'koncích ústí do vířivých komor, přičemž průměr trubek pro· sestupný směr pohybu je větší než průměr trubek pro vzestupný směr pohybu.

Podle výhodného provedení vynálezu jsou tenké trubky v činném spojení s jednou silnou trubkou.

Zvlášť výhodným se ukázalo spolupůsobení několika tenčích trubek s jednou silnější trubkou v opačném ' směru proudění.

Výhodné provedení vynálezu záleží v tom, že silná trubka je umístěna vně výměnného prostoru výměníku tepla a/tenké trubky jsou umístěny uvnitř tohoto- prostoru.

Na · přiložených · výkresech je znázorněn příklad provedení vynálezu, přičemž jednotlivé obrázky představují:

obr. 1 schéma zařízení pro vypalování hydratovaného kysličníku hliníku na kysličník hlinitý, obr. 1 svislý řez tímto zařízením podél jedné trubky, obr. 3 svislý řez jiným provedením, výměníku tepla podle vynálezu, obr. 4 další konstrukční obměnu tohoto výměníku tepla ve svislém řezu.

Do otáčivé pece 1 se na výstupním konci přivádí vzduch 2 a na vstupním konci . 3 se odebírají spaliny. Materiál přiváděný do otáčivé pece 1 přichází z výměníku 6 tepla, do· jehož prostoru 7 ústí vstup 8 topného plynu a ze kterého odbočuje výstup 9 spalin. V prostoru 7 · jsou v podstatě ' svislé

03 07 8 trubky, které jsou na jedné straně opatřeny vstupem. 10 pro zpracovávaný materiál a na druhé straně výstupem 11 pro tento materiál, který vede do: pece 1.

Přívod materiálu do výměníku 6 tepla se přivádí dávkovacím zařízením 12. Spaliny, opouštějící výměník 6 tepla výstupem 9, přichází do čističe 13 spalin, například do· elektrického filtru a odpadní plyn pak odchází do: komína 14.

Spaliny neznázoirněného· hořáku se spalovacím vzduchem, vstupujícím u vstupu 2, odevzdávají své teplo při průchodu pecí 1 materiálu, vystupují z pece u výstupu 3 jako kouřové plyny a vstupují do výměníku 6 tepla vstupem· 8 a opouštějí jej výstupem 9 po dalším, odevzdání tepla.

Vlhký hydratovaný kysličník hliníku je dodáván dávkovacím zařízením 12 jako· fluidní materiál, je sušen a předehříván ve výměníku 6 tepla, do kterého, je přiváděn vstupem 10 a který opouští výstupem 11. Poté přichází vstupem 4 do otáčivé pece 1, kde je zcela dehydratován a je shromažďován u výstupu 5 otáčivé pece 1.

Mezi vstupem 10 a výstupem. 11 pro materiál provádí práškový materiál řadu oběhů při stoupající teplotě a vzrůstajícím stupni dehydratace za současného ochlazování topného plynu. Ve vstupních svislých trubkách, k tomu účelu upravených, postupuje materiál v první řadě trubek zdola nahoru a v druhé řadě trubek shora dolů. Každá řada má nejméně jednu trubku. V každé trubce je materiál ve fluidisovaném stavu, tedy v podobě fluidní vrstvy. Směr proudění v obou řadách trubek je opačný. Toto nepřetržité putování fluidní vrstvy kysličníku hlinitého je založeno na různém stavu fluidní vrstvy samotné. Husto-ta kysličníku hlinitého je vyšší v trubkách se sestupným směrem pohybu než v trubkách se vzestupným směrem pohybu.

Konstrukce výměníku tepla závisí na tom, je-li pro fluidisaci zapotřebí nosného plynu, například vzduchu nebo spočívá-li systém na autofluidisaci.

Výměník tepla podle obr. 2 obsahuje několik trubkových stupňů uložených v teplosměnném prostoru 7. Každý stupeň má svislou trubku 15 pro sestupný směr pohybu a trubku 16 pro vzestupný směr pohybu. Tyto trubky 15, 16 jsou spojeny v blízkosti důlních konců spojením 17. Trubka 16 jednoho· stupně je spojena s trubkou 15 sousedního stupně spojením 18 uspořádaným v blízkosti jejich horních částí. Všechny trubky 15, 16 jsou opatřeny nátrubkem 19 popřípadě 29, sloužícími k přivádění nosného, plynu, přičemž toto přivádění se provádí do trubek 15 pro sestupný pohyb za tlaku p, který je menší, než tlak · P pro, přivádění do trubek 16 pro vzestupný pohyb. Teplonosný plyn cirkuluje v trubkách 15, 16 ve vodorovném směru podle šipek 8, 9 ve výměnném .prosto-ru 7, Takto se docílí V sestupných trubkách 15 menší průchod vzduchu, než , ve vzestupných trubkách 16. Z toho následuje, že v trubce 15 je větší hustota fluidní vrstvy než v trubce 16. Jelikož fluidní vrstva se v podstatě chová jako kapalina určité hustoty, vyvolává tento rozdíl hustory cirkulaci trubkami 15., 16 ve směru šipek 21.

Vlhký hydratovaný kysličník hlinitý vniká vstupem 19 do první sestupné trubky 15, prochází plynule všemi trubkovými stupni a vystupuje z výměníku tepla výstupem 11 za herním koncem poslední vzestupné trubky 16.

Obr. 3 znázorňuje další příklad provedení výměníku tepla podle vynálezu.

Výměník 6 tepla má alespoň jeden stupeň umístěný ve výměnovém prostoru 7, avšak obecně několik výměníkových stupňů, z nichž každý má alespoň jednu v podstatě svislou trubku 22 ' pro sestupný směr pohybu a několik svislých trubek 23, pro vzestupný směr pohybu. Průměr sestupné , trubky 22 je větší než průměr vzestupných trubek 23, přičemž každé sestupné trubce 22 odpovídá několik vzestupných trubek 21. Jednotlivé trubky jsou spojeny na svém horním konci se směšovací komorou 24, a na jejich dolním konci s fluidisační komorou 25. Směšovací komory 24 jsou navzájem spojeny v sérii spojovacími vedeními 26. První směšovací komora 24 pi^v^níl^o stupně je spojena se vstupem 10 pro kysličník hlinitý a z poslední směšovací komory : 24 se výstupem 11 odvádí kysličník hlinitý; Jelikož autofluldisace vzniká uvolňováním plynu zahříváním materiálu teplonosným plynem, je rychlost vodní páry menší v širších sestupných trubkách 22 o větším průměru než ve vzestupné trubce 23 o menším průměru. Tento rozdíl je způsoben rozdílným průřezem trubek a tam panujícím tepelným tokem, který je menší při sestupném pohybu než při vzestupném pohybu a to vzhledem k menšímu povrchu výměny tepla u trubek s větším průměrem při stejném množství kysličníku hlinitého a též vzhledem· k menšímu koeficientu přestupu tepla z teplonosného plynu do, stěny pro trubku s větším průměrem než pro tenčí trubku.

Materiál přiváděný přes vstup 10 do, první směšovací komory 24, dostává se přímo do fluidní vrstvy prvního stupně, kde je směšován účinkem turbulence vytvořené fluidní vrstvou. Tam je již materiál značně vysušen a má průměrně teplotu 130 až 160 °C, což je střední teplota tohoto stupně, Kysličník hlinitý, vystupující z výstupu 11, obsahuje ještě přibližně 11 % vázané vody a má teplotu řádově 300 °C, což je střední teplota posledního stupně. Poslední molekula vody se totiž odštěpí teprve přibližně za teploty 700. °C v otáčivé peci.

Hlavní překážka, která se klade proti výměně tepla je, jak je známo, spalinový film.

Proto je nepřímé zahřívání teplonosného plynu, tj. spalin procházejících z otáčivé pece, v příčném proudění zvlášť výhodné. Koeficienty přenosu tepla, takto získané, obnášejí řádově 209 340 J za hodinu na 1 m² trubky o průměru 50 mm s teplotou plynu 500 ^0 při rychlostech plynu přibližně 6 až 8 m/sek. Potřebná plocha výměny tepla k výrobě 1000 tun kysličníku hlinitého za jeden den obnáší přibližně 1500 m2 má-li být převeden hydratovaný kysličník hlinitý s 15 %. vody, přítomné jako vlhkost a s teplotou 60 °C, na kysličník hlinitý s 11 °/o. vázané vody a s teplotou 300 °C. Takový výměník tepla, použitý u klasické otáčivé pece, umožňuje úsporu 15 až 20 kg paliva na tunu kysličníku hlinitého bez podstatného zvýšení spotřeby elektrické energie, ve srovnání s dosavadním výměníkem tepla s několika cyklóny uspořádanými v sérii.

Na obr. 4 je znázorněn jednostupňový výměník tepla, přičemž sestupné trubka 22 o· větším průměru je umístěna vně výměnného prostoru 7 výměníku 6 tepla.

Provedení pioidle obr. 3, avšak pouze s jedním stupněm, má jednu sestupnou trubku o průměru 222 mm a délce 5 m, .výměnná plocha je 3,5 m²) a šestnáct vzestupných trubek 23 o průměru 54 mm a délce 5 m, tj. o výměnné ploše 13,6 m². Povrch výměny tepla všech trubek 23 je tedy 4X větší než povrch velké trubky 22.' Koeficient K přestupu tepla je obráceně úměrný druhé odmocnině průměru trubky a proto platí:

— pro trubku o průměru 54 mm je K = = 50 209340 J/h/m²/W — pro trubku o pmůrěu 222 mm je K =s = 25 104670 J/h/m²CC.

Teplotní rozdíl mezi velkou .a malou trubkou . dosahuje 5 až 20 °C podle přiváděči a cirkulační rychlosti. Uvolňování vodní páry je daleko· intenzivnější v tenkých trubkách než v širokých a to· tím více, že v určitých teplotních rozmezích je dehydratační reakce velmi závislá na teplotě. Příslušná rychlost sestupu materiálu ve velké .trubce se sestupným pohybem· dosahuje 1,5 až 3 m za minutu. Obíhající množství odpovídá asi 4- až 8násobku výtěžku z výměníku tepla.

Claims (6)

předmět vynalezu

1. Způsob nepřímého plynulého přenosu tepla od topného plynu na fluidní zahřívaný materiál, přičemž topný plyn je veden vodorovně a fluidní materiál je veden v trubkách svisle probíhajících kolmo k proudění topného plynu, vyznačující se tím, že se fluidní materiál plynule vede první řadou svislých trubek shora dolů a v druhé řadě svislých trubek zdola nahoru, přičemž se v první řadě trubek udržuje fluidní vrstva vyšší hustoty než ve druhé řadě trubek.

2. Způsob podle bodu 1, vyznačující se tím, že nosný plyn pro fluidní vrstvu je tvořen plynem uvolněným při zahřátí fluidního. materiálu.

3. Způsob podle bodu 1 nebo 2, vyznačující se .tím, že se na druhou řadu trubek působí větším množstvím tepelné energie z topných plynů než na první řadu trubek.

4. Výměník tepla k provádění způsobu podle bodů 1 až 3, vyznačený tím, že svisle probíhající trubky .(22, 23) na svých horních koncích ústí do směšovacích komor (2,4) navzájem' spojených spojovacími· vedeními (26) .a na svých dolních koncích ústí do vířivých komor (25), přičemž průměr trubek (22) pra sestupný směr pohybu Je větší než průměr trubek . (23) pro vzestupný směr pohybu.

5. Výměník tepla podle bodu 4, vyznačený tím, že tenké trubky (23) jsou v činném spojení s jednou silnou trubkou (22).

6. Výměník tepla podle bodu 5, vyznačený tím, že silná trubka (22) Je umístěna vně výměnného prostoru (7) výměníku (6) tepla a tenké trubky .(23) jsou umístěny uvnitř ' tohoto prostoru' [ 7).