RU2398163C2

RU2398163C2 - Method for heat-mass exchange in vortex fluidised bed and device for its realisation

Info

Publication number: RU2398163C2
Application number: RU2008137911/06A
Authority: RU
Inventors: Вячеслав Александрович Иванов (RU); Вячеслав Александрович Иванов; Павел Владимирович Нестеров (RU); Павел Владимирович Нестеров; Дмитрий Сергеевич Сидоренко (RU); Дмитрий Сергеевич Сидоренко
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Ингредиент" (ООО "Ингредиент")
Priority date: 2008-09-22
Filing date: 2008-09-22
Publication date: 2010-08-27
Also published as: RU2008137911A

Abstract

FIELD: power engineering.

SUBSTANCE: method of heat-mass exchange includes tangential supply of gas, generation of rotating layer of disperse material, which is carried out with horizontal axis of layer rotation and formation of acceleration and rotation zone and falling zone in vortex flow, and outlet of fluidising gas from vortex layer into above-layer space is executed in radial direction in upper open area of falling zone via a layer of rotary dispersed material. Device for heat mass exchange of dispersed material in vortex fluidised bed comprises body, gas distribution channel, loading device for material and unloading device. Expansion chamber is installed over the body, lower part of body contains slot nozzles with tangential supply of fluidising gas with controlled gates, besides upper level of body wall cut arranged on the side of nozzles is higher than the opposite one.

EFFECT: increased efficiency of heat-mass exchange.

2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области тепломассообменных процессов, в частности к нагреву, сушке или охлаждению дисперсного материала в вихревом кипящем слое, и может быть использовано в химической, пищевой, сельскохозяйственной, деревообрабатывающей и других отраслях промышленности.The invention relates to the field of heat and mass transfer processes, in particular to heating, drying or cooling of a dispersed material in a vortex fluidized bed, and can be used in chemical, food, agricultural, woodworking and other industries.

Известен способ сушки дисперсного материала и вихревая камера для его осуществления (патент РФ №2178543, кл. F26B 3/10, F26B 17/10, публ. 2002.01.20). Способ сушки включает тангенциальную подачу материала в спутном газовом потоке, формирование слоя на боковых стенках вихревой камеры, перемещение слоя сверху вниз с псевдоожижением слоя материала закрученным потоком газа, нагрев и испарение влаги с материала при прохождении закрученного потока газа сквозь слой материала. Сформированный псевдоожиженный слой многократно переводят в разряженное состояние. Закрученный поток газа после прохождения слоя частиц направляют вверх, а мелкие частицы материала подвергают дополнительной сепарации.A known method of drying dispersed material and a vortex chamber for its implementation (RF patent No. 2178543, class F26B 3/10, F26B 17/10, publ. 2002.01.20). The drying method includes tangential supply of material in a spiral gas stream, forming a layer on the side walls of the vortex chamber, moving the layer from top to bottom with fluidization of the material layer with a swirling gas stream, heating and evaporation of moisture from the material when the swirling gas stream passes through the material layer. The formed fluidized bed is repeatedly transferred to the discharged state. The swirling gas stream after passing through a layer of particles is directed upward, and small particles of the material are subjected to additional separation.

Вихревая камера для осуществления сушки дисперсного материала содержит корпус, установленные в корпусе кольцевые завихрители потока газа, входной тангенциально расположенный канал для спутного потока газа и материала, нижний вывод отделяемой крупной фракции материала, осевой вывод потока газа. Выше и ниже каждого из кольцевых завихрителей, на которых происходит псевдоожижение слоя дисперсного материала, установлены конические полки Основная часть материала, проходя сверху вниз, падает с полок на следующий участок псевдоожиженного слоя, переходя при этом в разряженное состояние. Внутри вихревая камера снабжена циклоном с премыкающей к внешней стенке циклона конической полкой для формирования потока газа вверх между псевдоожиженным слоем частиц и стенкой циклона. В каждой конической полке, премыкающей к кольцевому завихрителю, вблизи завихрителя выполнено отверстие для дополнительного перетока крупных фракций материала сверху вниз.The vortex chamber for drying the dispersed material comprises a housing, annular gas flow swirls installed in the housing, an inlet tangentially located channel for a satellite flow of gas and material, a lower outlet of a detachable coarse material fraction, an axial outlet of the gas flow. Above and below each of the annular swirlers on which the bed of dispersed material is fluidized, conical shelves are installed. The bulk of the material, passing from top to bottom, falls from the shelves to the next section of the fluidized bed, thus transitioning to a discharged state. Inside, the vortex chamber is equipped with a cyclone with a conical shelf extending to the outer wall of the cyclone to form a gas flow upward between the fluidized bed of particles and the cyclone wall. In each conical shelf leading to the annular swirler, a hole is made near the swirl for additional overflow of large fractions of the material from top to bottom.

Недостатком способа и устройства является низкая эффективность, которая обусловлена потерей закрутки потока и дисперсной фазы на конических полках. Это в свою очередь приводит к увеличению выноса мелких частиц в циклонный аппарат, что ведет к увеличению расхода воздуха, необходимого для поддержания закрутки потока газа и слоя частиц, и потере давления в камере. Вихревая камера сложна в изготовлении.The disadvantage of this method and device is the low efficiency, which is due to the loss of swirling flow and dispersed phase on the conical shelves. This, in turn, leads to an increase in the removal of small particles into the cyclone apparatus, which leads to an increase in the air flow necessary to maintain the swirl of the gas flow and the particle layer, and the pressure loss in the chamber. The swirl chamber is difficult to manufacture.

Известен способ сушки сыпучих материалов и вихревой аппарат для его осуществления (патент RU №2290578 кл. F26B 3/10, публ.2006 г - прототип). Способ включает следующие операции:: сыпучий материал тангенциально подают в спутном газовом потоке, формируют слой на боковых стенках вихревого аппарата, перемещают слой сверху вниз с псевдоожижением слоя материала закрученным газовым потоком, нагрев и испарение влаги с материала закрученным потоком газа, проходящим через слой материала. Предлагается поток частиц материала и газа дополнительно закручивать при одновременном формировании псевдоожиженного слоя посредством перемещения по заданной спиральной траектории под действием силы тяжести и аэродинамических сил.A known method of drying bulk materials and a vortex apparatus for its implementation (patent RU No. 2290578 class. F26B 3/10, publ. 2006 g - prototype). The method includes the following operations: bulk material is tangentially fed in a confluent gas stream, a layer is formed on the side walls of the vortex apparatus, the layer is moved from top to bottom with fluidization of the material layer by a swirling gas stream, heating and evaporation of moisture from the material by a swirling gas stream passing through the material layer. It is proposed to further twist the flow of material and gas particles while simultaneously forming a fluidized bed by moving along a predetermined spiral path under the influence of gravity and aerodynamic forces.

Вихревой аппарат для сушки сыпучего материала содержит корпус, установленные в корпусе кольцевые завихрители потока газа, входной тангенциально расположенный канал для спутного потока газа и материала, осевой вывод потока газа. Вдоль кольцевых завихрителей установлены спиральные многозаходные ребра.The vortex apparatus for drying bulk material comprises a housing, annular gas flow swirls installed in the housing, an inlet tangentially located channel for a satellite flow of gas and material, an axial outlet of the gas flow. Along the annular swirlers, multiple spiral ribs are installed.

Недостатки - недостаточно высокий теплообмен ввиду низкой относительной скорости газа и твердых частиц и низкой относительной плотности по твердой фазе, что приводит к неоправданно большим размерам аппарата и малой степени заполнения объема аппарата обрабатываемым материалом.Disadvantages - insufficiently high heat transfer due to the low relative velocity of the gas and solid particles and low relative density in the solid phase, which leads to unreasonably large dimensions of the apparatus and a small degree of filling the volume of the apparatus with the processed material.

Известные способы тепломассообмена в вихревом слое предусматривают вращение дисперсной фазы вместе с потоком газа с вертикальной осью вращения и перемещение их под действием аэродинамических сил и сил тяжести и осевым выводом отработанного газа, что приводит к снижению скоростей продукта и газа, а также к увеличению объема аппарата.Known methods of heat and mass transfer in a vortex layer provide for the rotation of the dispersed phase together with a gas stream with a vertical axis of rotation and their movement under the action of aerodynamic and gravity forces and the axial outlet of the exhaust gas, which leads to a decrease in the product and gas velocities, as well as an increase in the volume of the apparatus.

Предлагаемый способ тепломассообмена дисперсного материала в вихревом псевдоожиженном слое может быть реализован только на аппарате, представленном ниже.The proposed method of heat and mass transfer of dispersed material in a vortex fluidized bed can be implemented only on the apparatus presented below.

Изобретение направлено на решение задачи повышения эффективности способа тепломассообмена в вихревом псевдоожиженном слое и аппарата для осуществления.The invention is aimed at solving the problem of increasing the efficiency of the heat and mass transfer method in a vortex fluidized bed and apparatus for implementation.

Сущность способа тепломассообмена дисперсного материала в вихревом псевдоожиженном слое заключается в том, что он включает тангенциальный подвод газа, а формирование вращающегося слоя дисперсного материала осуществляют с горизонтальной осью вращения слоя и образованием в вихревом потоке зоны ускорения, вращения и ниспадающей зоны, а выход ожижающего газа из вихревого слоя в надслоевое пространство осуществляют в радиальном направлении в верхней открытой области ниспадающей зоны через слой вращающегося дисперсного материала.The essence of the method of heat and mass transfer of a dispersed material in a vortex fluidized bed is that it includes a tangential gas supply, and the formation of a rotating layer of dispersed material is carried out with a horizontal axis of rotation of the layer and the formation of an acceleration, rotation and descending zone in the vortex flow, and the fluidizing gas exits from the vortex layer in the superlayer space is carried out in a radial direction in the upper open region of the falling zone through a layer of rotating dispersed material.

Аппарат для тепломассообмена дисперсного материала в вихревом псевдоожиженном слое содержит корпус, газораспределительный канал, загрузочное устройство материала и разгрузочное устройство. Над корпусом установлена расширительная камера, в нижней части корпуса выполнены щелевые форсунки с тангенциальным подводом ожижающего газа с регулируемыми шиберами, причем верхний уровень среза стенки корпуса, расположений со стороны форсунок, выше, чем противоположный.Apparatus for heat and mass transfer of dispersed material in a vortex fluidized bed contains a housing, a gas distribution channel, a material loading device and a discharge device. An expansion chamber is installed above the housing, slotted nozzles with a tangential supply of fluidizing gas with adjustable gates are made in the lower part of the housing, and the upper cut-off level of the housing wall and the locations on the nozzle side are higher than the opposite.

Поведение дисперсного материала и газа в разработанном горизонтальном вихревом псевдоожиженном слое материала рассмотрим в поперечном разрезе предлагаемого аппарата, изображенном на фигуре.The behavior of the dispersed material and gas in the developed horizontal vortex fluidized bed of material will be considered in cross section of the proposed apparatus, shown in the figure.

Процесс циркуляции дисперсного материала во вращающемся горизонтальном слое можно разделить на 2 основные зоны.The process of circulation of dispersed material in a rotating horizontal layer can be divided into 2 main zones.

1-я зона. В этой зоне происходит закручивание слоя дисперсного материала за счет тангенциального подвода газа через форсунки и конфигурации корпуса аппарата, и осуществляется формирование циркуляционного вихревого слоя. В этой зоне частицы дисперсного материала находятся в области взаимодействия с газом, подаваемым из форсунок, и находятся в режиме ускорения. Это зона максимального тепломассообмена. В этой зоне относительные скорости между твердой и газообразной фазами максимальны и в несколько раз превышают скорости витания частиц.1st zone. In this zone, the layer of dispersed material is twisted due to the tangential gas supply through the nozzles and the configuration of the apparatus body, and the circulation vortex layer is formed. In this zone, the particles of dispersed material are in the region of interaction with the gas supplied from the nozzles, and are in acceleration mode. This is the zone of maximum heat and mass transfer. In this zone, the relative speeds between the solid and gaseous phases are maximum and several times higher than the speed of the particles.

2-я зона - ниспадающая зона.2nd zone - a falling zone.

В этой зоне спутный газ, двигающийся вместе с циркулирующим потоком твердых частиц, и газ, поступающий из внутренней области вращающегося слоя, выходят в расширительную зону через слой ниспадающего потока вращающегося материала. В этой зоне на него действуют силы инерции, силы тяжести и подъемные силы сопротивления потока газа. Несмотря на то, что скорость газа через ниспадающий слой может значительно превышать скорость витания частиц, выноса частиц материала из слоя не происходит ввиду большой скорости движения частиц в горизонтальном направлении в ниспадающем слое. Силы гидродинамического сопротивления потока газа, действующие в радиальном направлении, т.е. в направлении, расширительной зоны, не могут превысить сил тяжести и инерцию частиц, чтобы успеть выбросить их из слоя за короткое время прохождения их через эту зону в горизонтальном направлении. Таким образом, твердые частицы дисперсного материала в этой зоне находятся в зоне интенсивного обдува газом со скоростью, превышающей скорость витания частиц, что обеспечивает высокий тепломассообмен.In this zone, the entangled gas moving together with the circulating stream of solid particles and the gas coming from the inner region of the rotating layer exit into the expansion zone through the layer of the descending stream of rotating material. In this zone, inertia forces, gravity and lifting forces of the gas flow resistance act on it. Despite the fact that the gas velocity through the falling layer can significantly exceed the velocity of particles, the removal of material particles from the layer does not occur due to the high velocity of particles in the horizontal direction in the falling layer. Hydrodynamic drag forces of a gas flow acting in the radial direction, i.e. in the direction of the expansion zone, they cannot exceed the gravity and inertia of the particles in order to have time to throw them out of the layer in a short time passing them through this zone in the horizontal direction. Thus, the solid particles of the dispersed material in this zone are in the zone of intense gas blowing at a speed exceeding the speed of the particles, which ensures high heat and mass transfer.

В циркулирующем (вращающемся) слое осуществляется вращение твердых частиц в зоне корпуса с непрерывным изменением поля скоростей газа как радиальной, так и тангенциальной составляющей, турбулентное течение газа в межчастичном объеме и вращение частиц вокруг горизонтальной оси. При этом скорость газа, омывающего частицы, намного превышает скорость витания частиц, что обуславливает максимальный теплообмен.In the circulating (rotating) layer, the rotation of solid particles occurs in the body zone with a continuous change in the gas velocity field of both the radial and tangential components, the turbulent gas flow in the interparticle volume and the particles rotate around the horizontal axis. In this case, the speed of the gas washing the particles is much higher than the speed of the particles, which causes maximum heat transfer.

При вращении материала в слое происходит его перемещение вдоль оси корпуса от загрузочного устройства к разгрузочному устройству по спиральной траектории за счет осевой составляющей скорости газа, подаваемого через форсунки. Таким образом, материал при своем перемещении в корпусе многократно проходит все зоны взаимодействия с газом.When the material rotates in the layer, it moves along the axis of the housing from the loading device to the unloading device along a spiral path due to the axial component of the gas velocity supplied through the nozzles. Thus, the material during its movement in the housing repeatedly passes through all the zones of interaction with the gas.

Из-за высокой интенсивности взаимодействия твердой фазы с газовым потоком и специфических условий образования слой назван "Торнадо".Due to the high intensity of the interaction of the solid phase with the gas stream and the specific formation conditions, the layer is called "Tornado".

Схема аппарата для реализации предлагаемого способа приведена на фигуре.A diagram of the apparatus for implementing the proposed method is shown in the figure.

Аппарат для тепломассообмена дисперсного материала в вихревом псевдоожиженном слое содержит корпус 1, установленные в нижней части корпуса щелевые форсунки 2 с регулирующими ширину щели шиберами 3, газораспределительный канал 4. Над корпусом 1The apparatus for heat and mass transfer of dispersed material in a vortex fluidized bed contains a housing 1, slotted nozzles 2 with gates 3 regulating the width of the slit installed in the lower part of the housing, a gas distribution channel 4. Above the housing 1

установлена расширительная камера 5. Аппарат имеет загрузочное устройство 6 и разгрузочное устройство 7. Форсунки расположены по всей длине корпуса, что обеспечивает регулируемый подвод газа и установку режима вращения слоя во всем объеме корпуса.an expansion chamber 5 is installed. The apparatus has a loading device 6 and an unloading device 7. The nozzles are located along the entire length of the housing, which provides an adjustable gas supply and setting the layer rotation mode in the entire housing volume.

Аппарат работает следующим образом.The device operates as follows.

Газ поступает в газораспределительный канал 4. В случае реализации процессов охлаждения может использоваться холодный воздух. Если проводится процесс термообработки или сушка материала, то газ перед газораспределительным каналом предварительно подогревается до нужной температуры любым способом. В качестве газа может быть использован перегретый пар.Gas enters the gas distribution channel 4. In the case of cooling processes, cold air can be used. If a heat treatment or drying process is carried out, the gas in front of the gas distribution channel is preheated to the desired temperature in any way. As gas, superheated steam can be used.

Сыпучий материал, находящийся в корпусе 1, разгоняется за счет газа подаваемого через щелевые форсунки 2 с тангенциальным вводом и образует в реакторе вращающийся слой, ограниченный стенкой корпуса А. На срезе стенки А поток переходит в свободное движение по горизонтальной, ниспадающей траектории до стенки В. На этом участке газ уходит из слоя в расширительную камеру 5 и выбрасывается в газоход. За счет высокой скорости потока твердые частицы не успевают выйти в расширительную камеру 5 за время движения до стенки В. На стенке В формируется плотный слой частиц материала, который под действием сил инерции и гравитационных сил спускается до уровня расположения форсунки и снова ускоряется потоком газа из форсунки. Высота среза стенки В находится выше среза стенки А, что необходимо для более устойчивого образования гравитационного слоя. Материал для обработки подается с помощью загрузочного устройства 6. Перемещение вращающегося слоя вдоль корпуса обеспечивается за счет направленного потока газа, подаваемого из форсунок в корпус, имеющего кроме тангенциальной составляющей скорости и осевую, направленную вдоль оси корпуса 1.The bulk material located in the housing 1 is accelerated by the gas supplied through the slotted nozzles 2 with a tangential inlet and forms a rotating layer in the reactor, limited by the wall of the housing A. At a section of the wall A, the flow passes into free movement along a horizontal, falling path to the wall B. In this section, the gas leaves the layer in the expansion chamber 5 and is discharged into the gas duct. Due to the high flow rate, solid particles do not have time to enter the expansion chamber 5 during the movement to wall B. A dense layer of material particles forms on wall B, which, under the action of inertia and gravitational forces, descends to the nozzle location level and is again accelerated by the gas flow from the nozzle . The cutoff height of the wall B is higher than the cutoff of the wall A, which is necessary for a more stable formation of the gravitational layer. The material for processing is fed by means of a loading device 6. The movement of the rotating layer along the housing is ensured by the directed gas flow supplied from the nozzles to the housing, which, in addition to the tangential velocity component, is axially directed along the axis of the housing 1.

Выгрузка обработанного материала осуществляется через разгрузочное устройство 7. Высотой уровня разгрузочного устройства регулируется степень заполнения корпуса аппарата сыпучим материалом. Степень заполнения корпуса материалом может достигать 0,75.Unloading of the processed material is carried out through the unloading device 7. The height of the level of the unloading device controls the degree of filling of the apparatus body with bulk material. The degree of filling of the housing with material can reach 0.75.

Claims

1. The method of heat and mass transfer of a dispersed material in a vortex fluidized bed, comprising a tangential supply of fluidizing gas, the formation of a rotating layer of dispersed material, characterized in that the formation of a rotating layer of dispersed material is carried out with a horizontal axis of rotation of the layer and the formation of an acceleration and rotation zone in the vortex, and a falling zones, and the fluidizing gas exit from the vortex layer into the superlayer space is carried out in the radial direction in the upper open area of the falling zones s through a layer of rotating dispersed material.

2. Apparatus for heat and mass transfer of dispersed material in a vortex fluidized bed containing a housing, a gas distribution channel, a material loading device and an unloading device, characterized in that an expansion chamber is installed above the housing, slotted nozzles with a tangential supply of fluidizing gas with adjustable gates are made in the lower part of the housing moreover, the upper level cut of the wall of the housing located on the side of the nozzles is higher than the opposite.

3. The apparatus according to claim 2, characterized in that the nozzles are located along the entire length of the housing.