NO331912B1 - Dyseinnretning for trykkavlastning av materilaer inneholdende eroderende forbindelser - Google Patents

Abstract

Utskiftbar dyseinnretning for avlastning av trykk i en blanding av damp og erosive materialer, innbefattende et rør (2) med en flens (3) for fastgjøring på en trykkavlastningstank, hvilket rør (2) er forsynt med en innsnevring (4) og defleksjonsplate (5).

Description

Utskiftbar dyseinnretning for trykkavlastning av materialer inneholdende eroderende forbindelser.

Foreliggende oppfinnelse vedrører en utskiftbar dyseinnretning for avlastning av trykk i en blanding av damp og erosive materialer, innbefattende et rør med en flens for fastgjøring på en trykkavlastningstank

Fra US patent 4.268.017 er det kjent en dyseinnretning for tilførsel av et brennstoff eller en koks-slurry til en reaktor. Innretningen innbefatter en ytre dysehylse med en uttrekkbar, koaksial matedyse som er omgitt av ildfaste, keramisk fibre, hvilken matedyse er festet til hylsen ved hjelp av flenser på den ytre enden av hylsen og matedysen. Denne publikasjonen beskriver at tidligere kjente løsninger har vært utsatt for erosjon og at utbytting av dyser har ført lengre perioder med driftsavbrudd. Hensikten med løsningen i henhold til denne publikasjonen er å kunne tilveiebringe en utbyttbar dyse for en reaktor.

I nåværende anlegg for termisk hydrolyse av organisk slam blir det organiske slammet varmet opp til 150-170 °C i en trykksatt reaktor og ført etter en viss tid videre til en tilnærmet trykkløs trykkavspenningstank, en såkalt flashtank. Trykkavlastningen vil forårsake en faseovergang i vannet som vil ekspandere og rive i stykker de cellene og andre fysiske strukturene som vannet befinner seg i. Dette resulterer i en ønsket forbedring av slammets egenskaper med hensyn til redusert viskositet og biotilgjengelighet. Slamblandingen som slippes inn i flashtanken fra en reaktor med høyt trykk, vil akselereres til stor hastighet i røret mellom reaktoren og flashtanken og ved innløpet til flashtanken. De eroderende partiklene i slamblandingen vil dermed forårsake erosjon. For å redusere erosjon i rørene mellom reaktoren og flashtanken har man tidligere benyttet bend med stor radius. I flashtanken har det i tillegg vært vanlig å sette inn slitasjeplater på det stedet hvor innløpsstrålen treffer veggen tangensielt i flashtanken. Ventilen som åpner for slammet fra reaktoren, må stå tett inntil reaktoren for å forhindre at stagnant slam i det eventuelle røret mellom ventilen og reaktoren ikke når den nødvendige hydrolysetemperaturen (ca. 165 °C) og derved ikke oppfyller hygieniseringskravene. Et arrangement av denne typen er kjent fra EP 0784504.

For ytterligere å redusere slitasje og dessuten kontrollere dampretur, har man satt inn arealrestriksjoner på strømningstverrsnittet i ventilen. Dette skaper lokalt høye hastigheter som kan medføre erosjon i nedstrøms rør, det vil si i røret eller rørene mellom reaktor og flashtank.

Fra publikasjon EP 1198424 er det kjent en fremgangsmåte for kontinuerlig hydrolyse av organisk materiale, hvor alt trykket beskriver denne prosessens gitte begrensninger for behandling av biomasse med fra reaktorene avlastes til flashtanken. EP 1198424 beskriver et høyt innhold av eroderende partikler.

Begge disse to nevnte publikasjoner beskriver trykkavlastning og overføring av damp og organisk slam til flashtanken, hvor ventilen som styrer overføringen av damp og organisk slam er plassert i røret mellom reaktor og flashtank.

Fra EP 1396286 er det kjent en dyse med innebygget defleksjonsplate for bruk til belegning.

WO 9613562 beskriver en dyse for prosessering av hydrokarboner hvor det anvendes en dyse sammenbygget med en deflektor.

US 5813087 beskriver en spraydyse for rengjøring hvor det også benyttes en deflektor for å avbøye strålen.

Ytterligere publikasjoner som beskriver trykkavlastning av denne typen er for eksempel WO 98/55408, WO 2008/115777 og WO 03/043939.

Nye beregninger og målinger som har blitt foretatt viser at strømningsraten kan være begrenset av lydhastigheten i damp/slam-blandingen et sted i røret mellom reaktor og flashtank, i stedet for av ventilens reduserte areal. Dette kan innebære at strømningsraten er ukjent og at tømmetiden for reaktoren ikke lar seg bestemme. Det er derfor ønskelig å kunne være i stand til å definere strømningsrater og tømmetider på en sikrere måte.

En raskest mulig trykkavlastning og dermed raskest mulig dampeksplosjon/volumutvidelse vil gi størst mekanisk degradering av det organiske materialet og dermed størst mulig utbytte ved senere produksjon av for eksempel biogass. Dette vil også innebære at eroderende partikler ikke blir akselerert til høy hastighet før ved utløpet av blåserøret og at slitasjeproblemene i røroverføringen(e) mellom reaktoren(e) og flashtanken dermed blir vesentlig redusert.

Slik akselerasjon og trykkavlastning i et lite, kontrollert område, og redusert hastighet i rørforbindelsen(e) mellom reaktoren(e) og flashtanken kan oppnås ved å anbringe en arealrestriksjon i enden av blåserøret fra reaktoren(e), inne i flashtanken. Dette er også nevnt i EP 1198424, men denne publikasjonen verken beskriver eller antyder hvordan dette kan gjøres i praksis. Denne publikasjonen beskriver samtidig at trykkfallet fordeles mellom reguleringsventil i røret og dyse plassert mot slutten av røret og nevner spesielt at mengden av eroderende partikler må være lavt.

Arealrestriksjonen kan utformes som en dyse av materialer med stor slitasjemotstand, for eksempel keramer. Den geometriske utformingen til dysen, samt plasseringen og utformingen av blåserøret, gjør det mulig å styre strålen mot væskespeilet i flashtanken og derved forhindre slitasje på tankveggen.

En sentral fordel med foreliggende oppfinnelse er at man oppnår en rask dampeksplosjon og derved mer omfattende sprengning av celler og andre fysiske strukturer samt kort tid for partikkelakselerasjon. Mot en defleksjonsplate. Sistnevnte innebærer effektiv knusing av celler og andre, forholdsvis store partikler og relativt mindre problemer med slitasje forårsaket av de mindre eroderende partiklene.

Nok en fordel med oppfinnelsen er at problemene med slitasje og erosjon i rør mellom reaktor og flashtank samt i blåseventilen unngås eller reduseres i betydelig grad. Dette innebærer at det kan brukes vanlige bend med standard radius og veggtykkelse i rør mellom reaktor og flashtank.

En ytterligere fordel med foreliggende oppfinnelse er at dyseinnretningen kan monteres/byttes ut fra utsiden av flashtanken, slik at man slipper å måtte demontere flashtanken ved montering/utbytting av dyseinnretningen. Man slipper derved å vedlikeholde eventuelle slitasjeplater i tanken.

Dyseinnretningen i henhold til foreliggende oppfinnelse gjør at strømningsraten fra reaktor til flashtank kan beregnes mer presist, siden kritisk tverrsnitt i dyseinnretningen og trykkforholdene i dyseinnretningen er kjent. Videre har dyseinnretningen en enkel geometri, hvilket innebærer at det kan anvendes sofistikerte materialer med stor erosjonsmotstand så som keramer, i deler av dyseinnretningen.

Disse fordelene oppnås med en utskiftbar dyseinnretning for avlastning av trykk i en blanding av damp og erosive materialer, innbefattende et rør med en flens for fastgjøring på en trykkavlastningstank som er kjennetegnet ved at røret er forsynt med en innsnevring og defleksjonsplate, hvor innsnevringen og defleksjonsplaten er fremstilt av et materiale med høy erosjonsmotstand, fortrinnsvis en keram så som for eksempel SiNi, AlOx, WC eller lignende.

I henhold til en utførelsesform er innsnevringen og defleksjonsplate fremstilt i en integrert enhet.

I henhold til en alternativ utførelsesform er innsnevringen og defleksjonsplaten fremstilt to selvstendige deler.

Fortrinnsvis er innsnevringen og defleksjonsplaten utbyttbart fastgjort i røret.

Fortrinnsvis har innsnevringen en diameter som er 30-70 % av den indre diameteren til røret.

Oppfinnelsen vil nå bli mer detaljert forklart ved hjelp av ikke-begrensende utførelseseksempler med henvisning til de medfølgende tegninger, hvor

Fig. 1a og 1b viser et snitt av to utførelsesformer av en dyseinnretning i henhold til foreliggende oppfinnelse; Fig. 2 viser en delvis gjennomskåret flashtank og viser alternative plasseringer av dyseinnretningene vist i fig. 1; Fig. 3 er et diagram som viser trykk, lydhastighet og strømningshastigheter i en slam/damp-blanding i et rør mellom reaktor og flashtank i et kjent system; Fig. 4 er et diagram som viser trykk, lydhastighet og strømningshastigheter i en slam/damp-blanding i et rør mellom reaktor og flashtank i et system som anvender en dyseinnretning i henhold til foreliggende oppfinnelse.

I figur 1a og 1 b er det vist et snitt av en dyseinnretning i henhold til to utførelsesformer av dyseinnretningen i henhold til foreliggende oppfinnelse. Dyseinnretningen, generelt betegnet 1, består av et rør 2 med en flens 3 i sin ene ende, en innsnevring 4 og en defleksjonsplate 5 i den andre enden.

I utførelsesformen vist i fig. 1a, er innsnevringen 4 og defleksjonsplaten 5 utformet som en integrert enhet, mens i utførelsesformen i fig. 1 b er innsnevringen 4 og defleksjonsplaten 5 utformet som to separate enheter. Innsnevringen 4 og defleksjonsplaten 5 er fremstilt av et materiale med høy erosjonsmotstand. Innsnevringen 4 og defleksjonsplaten 5 kan være utformet utbyttbare, slik at det i utførelsesformen i henhold til figur 1a er mulig å bytte ute hele den integrerte enheten, mens det i utførelsesformen i henhold til figur 1b er mulig å bytte ut innsnevringen 4 og/eller defleksjonsplaten 5 etter behov.

Nok en fordel med utførelsesformen i henhold til fig. 1b er at biologiske partikler (cellemasse) med lav tetthet og relativt stor diameter akselereres raskt i dysens innsnevring og knuses mot defleksjonsplaten 5. Eroderende partikler med relativt liten diameter og større tetthet akselereres saktere og når ikke de samme hastigheter ved defleksjonsplaten.

Dyseinnretningen 1 skal plasseres i en yttervegg til en flashtank, hvor ytterveggen til flashtanken er forsynt med et rør med en indre diameter som er tilnærmet lik den ytre diameteren til røret 2. Videre er det rundt den frie enden til røret anbragt en flens for samvirke med flensen 3 til dyseinnretningen, slik at disse flensene kan festes til hverandre. Denne løsningen gjør det mulig å løsne forbindelsene med dyseinnretningens flens 3 og flensen på flashtanken, slik at hele dyseinnretningen kan trekkes ut av flashtanken for eventuelt vedlikehold eller utbytting.

Nær den ytre enden av røret 2 er det tilveiebragt en innsnevring 4 som medfører en økning av strømningshastigheten. Etter at væskestrømmen med økt hastighet har kommet gjennom innsnevringen, treffer den en treffplate som har en defleksjonsplate 5sopm har en avskrådd vegg, som medfører at væskestrømmens bevegelsesretning endres tilnærmet 90° i forhold til strømningsretningen i røret 2. Samtidig vil partikulært, degraderbart materiale i væskestrømmen bli revet opp. En kort innsnevring gir trykkavlastning over kort tid, hvilket medfører en rask/intens dampeksplosjon som effektivt river opp det partikulære materialet. Både innsnevringen 3 og treffplaten 4 er fremstilt av meget erosjonsbestandige materialer, spesielt foretrukket et keramisk materiale som for eksempel Si3Ni4 , AI2O3 , W2C etc.

Utformingen og sammenstillingen av de forskjellige komponentene i dysen tar hensyn til forskjell i de termiske utvidelseskoeffisientene til stål og keram. Stål har en termisk utvidelseskoeffisient som er i størrelsesorden 5 ganger så stor som den til et keram. Dette innebærer at det er fordelaktig med en forspenning av keramen ved lav temperatur for å sikre innspenning også ved høye driftstemperaturer.

Fig. 2 viser en delvis gjennomskåret flashtank med flere mulige plasseringer av dyseinnretningen 1. Flashtanken kan være forsynt med en eller flere dyseinnretninger. Dersom det er montert flere dyseinnretninger i en flashtank, må disse være utformet slik at strålene fra dyseinnretningen ikke treffer andre dyseinnretninger og eroderer disse. Dette kan gjøres ved å variere lengden på røret 2 og vinkelen til defleksjonsplatene 5. Utformingen av dyseinnretningene 1 er avgjørende for å oppnå en tilstrekkelig oppriving av partikulært materiale i væskestrømmen. Videre er det viktig å plassere dyseinnretningene 1 slik at den utstrømmende væskestrømmen fra dyseinnretningen, treffer overflaten av væsken som allerede er i flashtanken, slik at det ikke oppstår erosjon på de indre overflatene til flashtanken. Fig. 3 viser et eksempel på strømningshastigheter og trykk i et rør mellom reaktor og flashtank uten dyseinnretningen i henhold til foreliggende oppfinnelse. X-aksen er et uttrykk for lengden av røret mellom utløpet av reaktoren og innløpet i flashtanken. Den venstre delen av x-aksen representerer verdiene ved utløpet av reaktoren, mens den høyre delen av x-aksen angir verdiene ved utløpet av røret inn i flashtanken. Trykkurven (P(bara)) viser at trykket reduseres tilnærmet linjært over hele avstanden og når til slutt samme trykk som er tilstede i flashtanken og at væskestrømmen når lydhastigheten c_m et ubestemt sted i røret. Lydhastigheten gir en begrensning for strømningsraten i røret og det er viktig å kunne bestemme posisjon og trykkforhold ved kritisk tverrsnitt. Fig. 4 viser et eksempel på strømningshastigheter og trykk i et rør mellom reaktor og flashtank med en dyseinnretning i henhold til foreliggende oppfinnelse. Aksene i dette diagrammet tilsvarer aksene i fig. 3. Dette diagrammet viser at trykket synker markant mindre over rørlengden sammenlignet med det viste tilfellet i fig. 3. Trykket reduseres kraftig og brått idet væsken strømmer ut av dyseinnretningen i henhold til oppfinnelsen. Strømningshastighet stiger moderat frem til dysen, hvoretter hastigheten øker markant idet væskestrømmen kommer ut av dysen. I dette tilfellet er kritisk tverrsnitt (choked flow) bestemt i dysen og derved blir strømningsraten bedre definert.

Dersom man forutsetter at nedbrytningen av partikler i væskestrømmen skjer ved en kraftig trykkendring (dampeksplosjon) og at erosjonen i rør og ventiler er en funksjon av strømningshastigheten til de eroderende partiklene, vil det fremgå klart for en fagmann, at partikkelnedbrytningen er mye større i fig. 4 enn i fig. 3 på grunn av det mye raskere trykkfallet i fig. 4 og at erosjonen er mye lavere i fig. 4 enn i fig. 3 på grunn av strømningshastighetene. Av dette følger at det ved hjelp av dyseinnretningen i henhold til foreliggende oppfinnelse, er mulig å oppnå oppfinnelsens hensikter, nemlig redusert erosjon og forbedret partikkelnedbrytning.

Claims (5)

1. Utskiftbar dyseinnretning for avlastning av trykk i en blanding av damp og erosive materialer, innbefattende et rør (2) med en flens (3) for fastgjøring på en trykkavlastningstank karakterisert vedat røret (2) er forsynt med en innsnevring (4) og defleksjonsplate (5), hvor innsnevringen (4) og defleksjonsplaten (5) er fremstilt av et materiale med høy erosjonsmotstand, fortrinnsvis en keram så som for eksempel SiNi, AlOx, WC eller lignende.

2. Dyseinnretning i henhold til krav 1, karakterisert vedat innsnevringen (4) og defleksjonsplate (5) er fremstilt i en integrert enhet.

3. Dyseinnretning i henhold til krav 1, karakterisert vedat innsnevringen (4) og defleksjonsplaten (5) er fremstilt to selvstendige deler.

4. Dyseinnretning i henhold til hvilke som helst av de foregående krav,karakterisert vedat innsnevringen (4) og defleksjonsplaten (5) er utbyttbart fastgjort i røret (2).

5. Dyseinnretning i henhold til hvilke som helst av de foregående krav,karakterisert vedat innsnevringen (4) har en diameter som er 30-70 % av den indre diameteren til røret (2).