DE3320719A1

DE3320719A1 - Verteiler fuer fluide

Info

Publication number: DE3320719A1
Application number: DE19833320719
Authority: DE
Inventors: Tadashi Fukuda; Yasuo Shoji; Kohji Amagasaki Hyogo Takatani
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1982-06-11
Filing date: 1983-06-08
Publication date: 1983-12-15
Also published as: JPS58216829A; FR2528532A1; FR2528532B1; DE3320719C2

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft einen Verteiler zur Verteilung eines über eine Haupt-Zufuhrleitung zugeführten Fluids .5 auf eine Anzahl von Zweigleitungen.

Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit Verteilern, bei denen das gleichmäßig auf die Zweigleitungen zu verteilende Fluid pulverisierte oder granulatförmige Feststoffe, im folgenden zusammenfassend als Staub oder staubförmige Feststoffe bezeichnet, und ein Trägergas wie beispielsweise Luft zum Transport des Staubes umfaßt.

Für derartige von einem Trägergas mitgeführte staubförmige Feststoffe sind folgende unterschiedliche Verteilersysteme vorgeschlagen worden: (i) kaskadenförmig entlang der Haupt-Zufuhrleitung angeordnete Y- oder T-förmige Rohrverzweigungen, {ii) eine zylindrische Verteilerkammer, in die die staubförmigen Feststoffe zusammen mit der Luft in einer aufwärts gerichteten Strömung eintreten und in der sie an der oberen Wand der Kammer umgelenkt und radial in die Zweigleitungen verteilt werden, die an der Seitenwand der zylindrischen Verteilerkammer angeordnet sind, und (iii) ein System, bei dem der Staub in einem Förder-Bett fließfähig gemacht wird und über Überläufe im oberen Bereich des Bettes in die einzelnen Zweigleitungen abfließt.

Die unter (i) und (ii) genannten Systeme haben den Hachteil, daß der Staub auf eine Innenwand der Verteilerkammer, bzw. der Rohrverzweigungen trifft und von dieser Wand zurückprallt und daß es dabei zu einer ungleichmäßigen Verteilung der Feststoffe kommt. Darüber hinaus tritt an den durch den Staub beaufschlagten Innen-

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wänden ein beträchtlicher Abrieb oder eine Erosion auf, und der Druckabfall in derartigen Verteilern ist verhältnismäßig groß.

Das unter (iii) genannte herkömmliche System hat den Nachteil, daß es schwierig zu betreiben ist, da die Bedingungen, unter denen der Staub fließfähig wird nicht nur von dem Material und der Größe der Staubpartikel, sondern darüber hinaus in hohem Maße von der Oberflächenbeschaffenheit der Partikel abhängen, die ihrerseits witterungsbedingten Veränderungen (Feuchtigkeit und dergleichen) unterworfen ist.

Die Erfindung ist darauf gerichtet, die Nachteile der herkömmlichen Systeme zu überwinden und einen Verteiler zu schaffen, der unabhängig von veränderlichen Betriebsbdingungen eine gleichmäßige Verteilung staubförmiger Feststoffe in die Zweigleitungen gestattet, ohne daß ein starker Druckabfall über dem Verteiler oder ein Abrieb an den Wänden des Verteilers auftritt.

Die Erfindung ergibt sich im einzelnen aus dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Der erfindungsgemäße Verteiler umfaßt ein an die Haupt-Zufuhrleitung angeschlossenes Einlaßrohr, an das sich stromabwärts ein divergierender Rohrabschnitt im wesentliehen koaxial anschließt. An das erweiterte Auslaß-Ende des divergierenden Rohrabschnitts schließt sich koaxial ein gerader Rohrabschnitt mit im wesentlichen konstantem Innenquerschnitt an. Die Zweigleitungen sind parallel zur Achse des geraden Rohrabschnitts in einer stromabwärtigen Stirnwand dieses Rohrabschnitts angeord-

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5 -

net und zu dem Rohrabschnitt hin offen. Der Divergenz·=· winkel des divergierenden Rohrabschnitts liegt im Bereich zwischen 8 und 180% und das Verhältnis des Durch-• ' messers am Auslaß-Ende äes divergierenden Abschnitts su dem Durchmesser an dem Einlaß-Ende dieses Abschnitts beträgt wenigstens 1 ,3.

Bevorzugt ist die Querschnittsfläche des Einlasses des divergierenden Rohrabschnitts so groß gewählt, daß ein mittlerer Fluiddurchsatz durch den divergierenden Rohrabschnitt ermöglicht wird, der größer oder gleich dem minimalen Durchsatz ist, der zur Förderung pulverisierter Feststoffe erforderlich ist. Die Länge des geraden Rohrabschnitts beträgt vorzugsweise das Drei- bis Fünfzigfache des Durchmessers am Auslaß-Ende des divergierenden Rohrabschnitts.

Besonders vorteilhaft ist ein Divergea2winkel des divergierenden Rohrabschnitts zwischen 20 und 120° und ein Wert zwischen zwei und drei für das Divergenzverhältnis, d.h., für das Verhältnis der Durchmesser am Auslaß und Einlaß des divergierenden RohrabSchnitts.

In dem erfindungsgemäßen Verteiler durchströmt der durch das Trägergas mitgeführte Staub in einer divergenten Strömung den divergierenden Rohrabschnitt und wird dadurch in diesem Rohrabschnitt gründlich durchmischt und gleichmäßig in dem Trägergas suspendiert, so daß sich eine über den gesamten Querschnitt dieses Rohrabschaitts gleichmäßige Verteilung des Staubes ergibt. Der in dieser Weise gleichmäßig verteilte Staub durchquert anschließend den geraden Rohrabschnitt, in dem die Ströaungsrichttang vereinheitlicht wird, so daß sich über den Radius dieses Rohrabschnitts ein gleichmäßiges Staubdichteprofil ausbildet. Die in dieser Weise gerichtete Strömung tritt in

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die einzelnen Zweigleitungen ein, und aufgrund der gleichmäßigen Dichteverteilung des Staubes ergibt sich eine im wesentlichen gleichförmige Verteilung des Staubes auf sämtliche Zweigleitungen. 5

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist es, daß in dem Verteiler auch dann eine gleichmäßige Verteilung des durch das Trägergas mitgeführten Staubes erreicht wird, wenn der Staub beim Eintritt in den Verteiler lokale Verdichtungen und somit eine ungleichförmige Dichteverteilung aufweist. Eine derartige ungleichmäßige Dichteverteilung tritt häufig in der Haupt-Zufuhrleitung auf, da der Staub durch Zentrifugalkräfte im gekrümmten Leitungsabschnitten stromabwärts des Verteilers lokal verdichtet wird. Dies gilt sowohl für waagerecht als auch für senkrecht verlaufende Leitungen. Bei herkömmlichen Verteilersystemen bleiben derartige Ungleichförmigkeiten oder lokale Verdichtungen des Staubes, die sich in Krümraungen der Haupt-Zufuhrleitung bilden,auch in und hinter dem Verteiler erhalten, so daß die Staub-Durchsätze durch die einzelnen Zweigleitungen bei herkömmlichen Systemen oft beträchtlich voneinander abweichen. Häufig beträgt die Abweichung in den einzelnen Zweigleitungen mehr als 30% des bei einer gleichmäßigen Verteilung zu erwartenden Durchsatzes. Demgegenüber bildet sich in dem erfindungsgemäßen Verteiler aufgrund der Erweiterung des Querschnitts des divergierenden Rohrabschnitts vom Einlaß zum Auslaß desselben eine turbulente und/oder wirbelförmige Strömung des in den divergierenden Rohrabschnitt eintretenden Staubes. Durch diese Turbulenzen oder Wirbel wird der in dem Trägergas mitgeführte Staub gründlich durchmischt, so daß sich am Ausgang in jedem Fall eine gleichmäßige Verteilung ergibt.

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Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 ist eine perspektivische

' sieht eines erfindungsgemäßen

Verteilers;

Fig. 2 ist eine Graphik zur Veranschau

lichung der Abweichung des Staub-Durchsatzes von einem vorgegebe

nen Sollwert in Abhängigkeit von einem Divergenzwinkel {§);

Fig. 3 ist eine Graphik zur Veranschau-

lichung der Beziehung zwischen der

Abweichung des Kohlenstaub-Durch-* Satzes und der Länge (L) eines geraden Rohrabschnitts;

Fig. 4 ist eine Graphik, in der die rela

tiven Durchsatz-Schwankungen in Bezug auf den Sollwert für jede einzelne von sechs Zweigleitungen

dargestellt sind*
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Ein erfindungsgemäßer Verteiler 1 umfaßt gemäß Figur 1 ein Einlaßrohr 2_B einen mit diesem verbundenen divergierenden Rohrabschnitt 3, einen geraden Rohrabschnitt 4 und eine Anzahl von Zweigleitungen 5. Der divergierende Rohrabschnitt ist über eine Flanschverbindung 6 an das Einlaßrohr 2 angeschlossen. Das Einlaßrohr 2 ist seinerseits über eine nicht gezeigte Flanschverbindung mit einer ebenfalls nicht gezeigten Haupt-Zufuhrleitung verbunden. Die Zweigleitungen 5 sind in Richtung auf die Flanschverbindung 6 geöffnet und mit Hilfe einer weiteren, an

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einem Ende 8 des geraden Rohrabschnitts 4 montierten Flanschverbindung 7 an dem Ende des geraden Rohrabschnitts 4 befestigt.

Erfindungsgemäß liegt der Divergenzwinkel des divergierenden Rohrabschnitts im Bereich von 8 bis 180°. Das Divergenzverhältnis D₂^⁰I' ^**¹·/ das Verhältnis des Durchmessers D- am erweiterten Ende des Rohrabschnitts 3 zu dem Durchmesser D₁ am verjüngten Ende des Rohrabschnitts ist größer oder gleich 1,3. Vorzugsweise liegt der Divergenzwinkel zwischen 20 und 120° und daß Divergenzverhältnis beträgt 2 bis 3.

Der Grund für diese Wahl des Divergenzwinkeis und des Divergenzverhältnisses soll nachfolgend im einzelnen erläutert werden.

Wenn der Divergenzwinkel klein ist, muß die Länge des divergierenden Rohrabschnitts 3 entsprechend vergrößert werden, damit sich eine hinreichend große Querschnittsfläche für die Installation der vorgesehenen Anzahl von Zweigleitungen ergibt. Dies ist nachteilig unter dem Gesichtspunkt einer möglichst effizienten Raumausnutzung. Darüber hinaus wird unter normalen Betriebsbedingungen, bei denen die Strömungsgeschwindigkeit des Trägergases im Bereich von 5 bis 50 m pro Sekunde liegen, die Bildung von Turbulenzen und Wirbeln unterdrückt, wenn der Divergenzwinkel kleiner als 8° ist. Dies führt zu einer weniger gründlichen Durchmischung des Staubes. Wenn andererseits der Divergenzwinkel mehr als 180° beträgt, wird die From des Verteilers kompliziert, ohne daß wesentlich andere Wirkungen eintreten als bei einem divergierenden Rohrabschnitt mit einem Divergenzwinkel von 180°. Wenn der Divergenzwinkel mehr als 150° beträgt, ist ferner der durch den Staub verursachte Abrieb am

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Einlaß-Ende des divergierenden Rohrabschnifcts verhältnismäßig hoch. Aus diesem Grund wird der Divergenzwinkel vorzugsweise zwischen 20 und 120° gewählt.

Das Divergenzverhältnis wird größer als 1,3 und vorzugsweise zwischen zwei und drei gewählt, da, wie bereits von im Handel erhältlichen Reduzierstücken für Luft oder Wasser bekannt ist, bei einem Divergenzverhältnis unter 1,3 der Druckabfall erheblich verringert ist und keine nennenswerte Durchmischungswirkung auftritt. Bei einem Divergenzverhältnis zwischen zwei und drei tritt bei staubförmigen Feststoffen eine wirksame Durchmischung ein.

Bevorzugt wird der Durchmesser des divergierenden Rohrabschnitts derart gewählt, daß die mittlere Strömungsgeschwindigkeit oder der mittlere Staub-Durehsatz in jedem Fall größer ist die Grenzgeschwindigkeit oder der Grenzdurchsatz für den Transport von Stäuben in einem Trägergas..Die Grenzgeschwindigkeit oder der Mindestdurchsatz wird experimentell bestimmt, wobei di© zn fördernde Staubmenge und die Teilchengröße den tatsächlichen Werten entsprechen,

Durch den geraden Rohrabschnitt stromabwärts des divergierenden Rohrabschnitts wird erreicht, daß sich der Staub gleichmäßiger über den gesaraten Querschnitt des geraden Rohrabschnitts verteilt, als dies in dem divergierenden Rohrabschnitt der Fall ist. Die Länge des geraden Rohrabschnitts ist von der Teilchengröße, dem spezifischen Gewicht und der Form der Staubpartikel, dem Durchsatz und Druck des Trägergases und anderen Parametern abhängig, üblicherweise ist für den geraden Rohrabschniitt eine Länge angemessen„ die das Drei- bis Fünfzigfache, vorzugsweise das Zehn- bis Dxeißigfache des

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Durchmessers D~ am stromabwärtigen Ende des divergierenden Rohrabschnitts beträgt. Es ist vorteilhaft, die Länge des geraden Rohrabschnitts größer als das Dreifache des Durchmessers am Auslaß des divergierenden Rohrabschnitts zu wählen, damit sich auf dem gesamten Querschnitt des geraden Rohrabschnitts eine gleichmäßige Staubkonzentration ergibt. Wenn jedoch die Länge des geraden Rohrabschnitts mehr als das Fünfzigfache des Durchmessers D- beträgt, kann es insbesondere bei Stäuben mit kleinem Partikeldurchmesser vorkommen, daß die zunächst gleichmäßig in dem geraden Rohrabschnitt verteilten Staubteilchen im stromabwärtigen Bereich des geraden Rohrabschnitts wieder konvergieren, so daß sich eine weniger gleichmäßige Verteilung der Staubpartikel am Ende des geraden Rohrabschnitts ergibt.

Die über die Haupt-Zufuhrleitung zugeführten staubförmigen Feststoffe treten durch das Einlaßrohr 2 in den erfindungsgemäßen Verteiler ein und werden in dem divergierenden Rohrabschnitt durchmischt und über den gesamten Querschnitt gleichmäßig in dem Trägergas verteilt. Die auf diese Weise durchmischten und in dem Trägergas suspendierten staubförmigen Feststoffe bilden in dem geraden Rohrabschnitt eine gleichmäßige Fluidschicht mit auf dem gesamten Querschnitt dieses RohrabSchnitts im wesentlichen gleichförmigem Feststoffgehalt. Das Fluid wird somit gleichmäßig in die in Richtung auf den geraden Rohrabschnitt geöffneten Zweigleitungen 5 verteilt.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand einiger Versuchsbeispiele näher erläutert werden, bei denen kohlen- oder Koksstaub als pulverisierte Feststoffe verwendet wurden.

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- 11 BEISPIEL 1

Dieses Versuchsbeispiel diente zur Ermittlung des Einflusses des Divergenzwinkels.
5

In Figur 2 sind die Ergebnisse einer Versuchsreihe dargestellt, die mit einem Verteiler gemäß Figur .1 durchgeführt wurden. In Figur 2 ist die Abweichung von einer gleichmäßigen Strömungsverteilung in % vom Absolutwert

10- in Abhängigkeit von dem Divergenzwinkel© dargestellt. Der Durchmesser des Einlaßrohres 2 des Verteilers betrug 41,5mm/ der Durchmesser am Auslaß-Ende des divergierendes Rohrabschnitts 3 betrug 80mm, und das Divergenzverhältnis hatte den Wert 2. Der Divergenzwinkel wurde im Bereich zwischen 3° und 210° variiert, indem die Länge des divergierenden Rohrabschnitts verändert wurde. Die Länge des geraden Rohrabschnitts 4 betrug 1300mm. Am stromabwärtigen Ende des geraden Rohrabschnitts waren sechs Zweigleitungen mit jeweils einem Durchmesser von 20mm installiert. Als staubförmiger Feststoff wurde Kohlenstaub mit einer Teilchengröße von durchschnittlich 70 um verwendet. Das Trägergas war Stickstoff mit einem Durchsatz von 5 Nm³/min {2kg/ cm² -G) .

Die Abweichung von einer gleichmäßigen Strömungsverteilung oder die üngleichförmigkeit der Strömung wurde nach folgender Formel berechnets

üngleichförmigkeit (%) = Abweichung vom Mittelwert/

Mittelwert χ 100.

Wie aus Figur 2 hervorgeht, ist für eine gegebene Länge des geraden Rohrabschnitts die üngleichförmigkeit mit dem Divergenzwinkel veränderlich. Die üngleichiöniigkeit

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beträgt mehr als 10% wenn der Divergenzwinkel kleiner als 8° ist, sinkt jedoch auf einen konstanten niedrigen Wert von beispielsweise 5% ab, wenn der Öivergenzwinkel auf über 8° erhöht wird. . V

Zusätzlich wurde unter den gleichen Bedingungen wie oben die Abhängigkeit der Ungleichförmigkeit der Strömung von der Länge des geraden Rohrabschnitts bestimmt. Bei diesen Messungen betrug der Divergenzwinkel 30° und das Auslaß-Ende des divergierenden Rohrabschnitts, hatte einen Durchmesser von 80mm, d.h., das Divergenzverhältnis hatte etwa den Wert zwei.

Die Ergebnisse dieser Meßreihe sind in Figur 3 dargestellt. Die üngleichförmigkeit nimmt ab, wenn die Länge des geraden Rohrabschnitts 0,24m übersteigt. Eine besonders statrke Abnahme ergibt sich oberhalb einer Länge von 0,85m. Aus diesen Grund wird für die Länge des geraden Rohrabschnitt wenigstens der dreifache, vorzugsweise der zehnfache Wert des Durchmessers des Auslasses des divergierenden Rohrabschnitts gewählt. Andererseits soll der erfindungsgemäße Verteiler so kompakt und klein wie möglich sein. Wenn der gerade Rohrabschnitt so lang ist, daß die einmal gleichmäßig verteilten Feststoff-Partikel dazu neigen, wieder zu konvergieren, ergibt sich eine weniger gleichmäßige Verteilung. Aus diesem Grund wird die Länge des geraden Rohrabschnitts auf das fünfzigfache, vorzugsweise das dreißigfache des Durchmessers des Auslasses des divergierenden Rohrabschnitts begrenzt.

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Bei diesem Beispiel wurde ein Verteiler gemäß Figur 1 verwendet. Die Abmessungen des Verteilers und die Be-

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- 13 -

dingungen bei der Förderung des Staubes durch den Verteiler sind in der nachfolgenden Übersicht zusammengefaßt.

Die Meßergebnisse, die die Verteilung des Staubes auf die einzelnen Zweigleitungen wiedergeben, sind in Figur 4 dargestellt.

I. Abmessungen:

Einlaßrohr 41,5mm (Innendurchmesser)

Divergierender Rohrabschnitt 41,5mm χ 80mm

Divergenzverhältnis = 2 Divergenzwinkel = 30°

Gerader Rohrabschnitt 80mm (Innendurchmesser) χ 1300mm (Länge)

Zweigleitungen 20rom (Innendurchmesser) ;

6 Leitungen

II. Förderbedingungen:

	Staub	Mittlere Partikelgröße	Stickstoff	Druck
	Durchsatz	ftm	Durchsatz	Kg/cm²
	t/H	55	Nm³/m	2
	Kohle 3,5	230	5	2
25	Koks 5,0	10

Wie in Figur 4 zu erkennen ist, lag die Ungleichförmigkeit der Strömung für Kohlenstaub im Bereich von *. 5% (Symbol ¹¹O") und für Koksstaub /Symbol"A") im Bereich von ±2%.

Wie diese verhältnismäßig kleinen Abweichungswerte zeigen, wird durch den erfindungsgemäßen Verteiler eine im wesentlichen gleichförmige Verteilung des Fluids erreicht. zum Vergleich betragen die Abweichungen bei herkömmlichen

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Verteilungssystemen wenigstens 30%.

Durch den erfindungsgemäßen Verteiler wird eine gleichmäßige Staubkonzentration überall innerhalb des Verteilers erreicht. Dies führt zu einer verbesserten Gleichförmigkeit der Verteilung des Staubes auf die einzelnen Zweigleitungen. Da die Förderung des Staubes im wesentlichen entlang einer Geraden erfolgt und somit keine Richtungsumkehr der Staubpartikel erforderlich ist, ergibt sich eine Verringerung des Druckabfalls und eine Verminderung des Abriebs an den Innenwänden des Verteilers.

Claims

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TER MEER-MULLER-STEfNIViEf! PATENTANWÄLTE — EUROPEAN PATENT ATTORNEYS

DipL-Chem. Dr. N. tar Meer Dipl.-lng. H. Sieinmeister ?Äa« 4^Ε· ^ΜύΙΙΘΓ Artur-Ladebeck-Strasse St

D-aooO MÜNCHEN 22 D-4SOO BIELEFELD 1

S-1-364(PF)
St/Wi/sc

SUMITOMO METAL INDUSTRIES, LTD, 15 Kitahama 5-chome, Higashi-ku, Osaka-shi, Osaka, Japan

VERTEILER FÜR FLUIDE

PRIORITÄT: 11.06.1982, Japan, Nr. 101021/1982

PATENTANS PRÜCHE

Verteiler zur Verteilung eines über eine Haupt-Zufuhr leitung zugeführten Fluids auf eine Anzahl von Zweigleitungen, gekennzeichnet durch ein an die Haupt-Zufuhrleitung angeschlossenes Einlaß= rohr (2) , einen divergierenden Rohrabschnitt (3) , des-= sen Divergenzwinkel im Bereich zwischen 8 und 180°

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liegt und bei dem das Verhältnis D-/D.. der Durchmesser am Auslaß- und Einlaß-Ende wenigstens 1,3 beträgt, und einen geraden Rohrabschnitt, an dessen Auslaß-Ende (8) die Zweigleitungen (5) angeschlossen sind. 5
2. Verteiler nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet, daß der Divergenzwxnkel θ im Bereich von 20 bis 120° liegt.
3. Verteiler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis D₂Zd. des Auslaß-Durchmessers zum Einlaß-Durchmesser des divergierenden Rohrabschnitts (3) im Bereich von 2 bis 3 liegt.
4. Verteiler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche des divergierenden Rohrabschnitts einen mittleren Strömungsdurchsatz gestattet, der wenigstens dem minimalen Durchsatz entspricht, der zur Förderung staubförmiger Feststoffe in einem Träger-Fluid erforderlich ist.
5. Verteile nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des geraden Rohrabschnitts (4) das Drei- bis Fünfzigfache des Durchmessers D₂ am Auslaß-Ende des divergierenden Rohrabschnitts (3) beträgt.
6. Verteiler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des geraden Rohrabschnitts

(4) das Zehn- bis Dreißigfache des Auslaß-Durchmessers D₂ des divergierenden Rohrabschnitts (3) beträgt.