Смешивающее устройство и его применение для смешивания потоков текучей среды в трубе - RU2385183C2
Код документа: RU2385183C2
Чертежи
Описание
Область изобретения
Настоящее изобретение касается технологии смешивания веществ, особенно смешивающего устройства и его применения для смешивания потоков текучей среды в трубе.
Уровень техники
Правильное смешивание потоков одной текучей среды или потоков нескольких текучих сред, которые взаимодействуют в трубах или каналах, требует присутствия относительно турбулентных областей путем образования составляющих скорости, поперечных основному большему потоку текучей среды, проходящему через трубу. Чтобы достичь правильного смешивания между, например, одним или несколькими потоками текучей среды, впрыскиваемыми в основной поток текучей среды, требуется определенное расстояние вдоль трубы (канала). Традиционно его определяют на основе диаметров канала как так называемые интервалы смешивания. В настоящем описании интервалы смешивания упоминают как расстояние от точки, где расположено первое смешивающее устройство, до точки, где достигают желаемого смешивания потока. При смешивании предполагают унификацию свойств потоков, включающих массовый расход, скорость, температуру и концентрацию присутствующих веществ. Интервалы смешивания могут изменяться в диапазоне 1-100 диаметров канала в зависимости от, помимо прочего, типа потока текучей среды, относительных объемных расходов и концентрации веществ внутри потоков текучей среды. В настоящем описании поток текучей среды может быть газом, жидкостью или потоком частиц, взвешенных в газе, например аэрозолем. Под аэрозолем понимают совокупность очень малых частиц, диспергированных в газе.
Уменьшение интервалов смешивания очень желательно и может быть достигнуто путем выполнения статических смешивающих устройств, то есть неподвижных смешивающих устройств. Они представляют собой, в основном, устройства, которые не содержат движущихся частей и в которых потоки текучей среды смешивают или перемешивают путем пропускания через статическое смешивающее устройство. Создается локальная турбулентность около статического смешивающего устройства и, следовательно, может быть достигнута гомогенизация одного или нескольких потоков текучей среды в контакте со смешивающим устройством.
Использование статических смешивающих устройств имеет тот недостаток, что их использование само по себе приводит к значительному падению давления в трубе с сопутствующим влиянием на дорогостоящие энергетические потери. Хотя большие потери давления могут быть приемлемы в применениях, где хорошее смешивание имеет крайне важное значение, все еще существует необходимость в эффективных статических смешивающих устройствах или расположении статических смешивающих устройств, которые способны обеспечивать хорошее смешивание взаимодействующих потоков с относительно низким недостатком в смысле потери давления.
Хорошее смешивание взаимодействующих потоков особенно нужно в применениях, связанных с очисткой газов, например, дымовых газов из устройств для сжигания или высокотемпературных печей, где образуются газообразные загрязняющие вещества. Если загрязнение, переносимое основным газовым потоком, представляет собой оксид азота (NOx), впрыскивают восстанавливающий агент, такой как аммиак в качестве активного вещества второго потока. В этом процессе количество аммиака, включаемого во второй поток, намного ниже, чем объемный расход основного или главного потока. Следовательно, использование малых количеств аммиака налагает большое ограничение на гомогенность или степень смешивания газовой смеси. Смешанный газ перемещается к каталитической установке, где оксиды азота восстанавливают до свободного азота посредством реакции с аммиаком.
Поскольку выходное отверстие второго потока, впрыскиваемого в трубу, несущую первый главный поток, может только выступать на небольшое расстояние внутрь от стены трубы, концентрация активного вещества второго потока, например аммиака, может стремиться к уменьшению в направлении к центру трубы, что способствует недостаточному смешиванию. Важно, чтобы, по существу, равные концентрации аммиака преобладали по всему поперечному сечению трубы, в то время, когда главный поток перемещается к каталитической установке. Плохое смешивание или недостаточно гомогенное распределение введенного аммиака могут предполагать более высокие уровни NOx в массе, а также нежелательные уровни аммиака, проходящего непрореагировавшим через каталитическую установку.
Могут быть предусмотрены другие применения, например, снижение образования кислотного тумана в производстве серной кислоты. В процессе конденсации серной кислоты образуется серно-кислотный туман. Этот кислотный туман может быть заметен в виде аэрозоля, состоящего из малых капелек серной кислоты. Требования экологии относительно утечки кислотного тумана из заводов, производящих серную кислоту, являются очень строгими, и было опубликовано несколько способов, чтобы регулировать выбросы тумана кислоты. Один из опубликованных методов, например, описанный в европейском патенте ЕР 419539, основан на присутствии малых частиц в газе, действующих как ядра каплеобразования для конденсации серной кислоты, чтобы стимулировать образование больших капель серной кислоты. Эти капли больше, когда конденсация происходит в присутствии ядер каплеобразования, таким образом облегчая их последующее фильтрование и делая его более эффективным, и тем самым обеспечивается удаление кислотного тумана в пределах, приемлемых с точки зрения экологии. В этом процессе ядра каплеобразования, имеющие диаметр, например, ниже 1 мкм, могут быть добавлены в виде суспензии частиц (дым из оксидов металлов, производимый электросваркой, дым от сжигания топлива, например, дым от сгорания силиконовых масел) в подаваемый воздух перед конденсацией серной кислоты. Подходящие способы введения потока, содержащего ядра каплеобразования, описаны в европейском патенте ЕР 419539. Успех процесса зависит от способности ядер каплеобразования взаимодействовать с парами серной кислоты. Этому взаимодействию способствует смешивание.
Необходимость подходящих смешивающих устройств, в особенности статических смешивающих устройств, чтобы обеспечить полное смешивание потоков текучей среды без значительной потери давления внутри труб или каналов, хорошо известна в данной области.
Патент США №4527903 описывает систему для смешивания, по меньшей мере, двух потоков, выпускаемых в главный поток, содержащую вихревые вставные поверхности, которые могут изменяться по форме. Фигуры 5-10 из этого патента показывают широкий диапазон форм для вихревых вставных устройств, например, для круглой, параболической или ромбической основы. Вихревые вставные поверхности могут быть использованы в градирнях, где два различных потока выпускают в главный поток, или в системах дымовых труб и трубопроводов.
Патент США номер 6135629 описывает расположение смешивающих устройств или вставных структур для смешивания нескольких жидкостных потоков. Вставные структуры сложены вдоль прямых линий с образованием ω- или w-образных сечений, так что они тоньше и легче по весу, чем в традиционных вставных структурах. Они позволяют включение относительно легких поддерживающих элементов, чтобы гарантировать вставные структуры так, чтобы был улучшенный механический дизайн системы. Указанные традиционные вставные структуры или обычные устройства, требующие относительно тяжелых поддерживающих структур, различают в виде круглых, эллиптических, овальных, параболических, ромбических или треугольных. Цель этого изобретения состоит в том, чтобы улучшить обычные устройства путем снижения веса структур и поддерживающих элементов.
Патент США номер 5456533 описывает статический смешивающий элемент в канале потока, содержащий дефлекторы, прикрепленные к установочным деталям на некотором расстоянии от стенки канала. Дефлекторы формируют угол относительно направления главного потока и могут иметь различные формы. Фигуры 3a-3d этого патента показывают, например, дефлекторы, имеющие, преимущественно, круглую и треугольную формы.
Европейский патент ЕР 1170054 B1 описывает смешивающее устройство для смешивания газов и других ньютоновских жидкостей, содержащее вставные поверхности в поверхность, расположенные внутри канала для жидкости, чтобы воздействовать на поток. Вставные поверхности расположены поперечно направлению главного потока и частично перекрываются. Это обеспечивает гомогенизацию профиля скоростей потока посредством вставных поверхностей. Установлено, что вставные поверхности могут быть круглыми дисками, дисками с дельтаобразными или треугольными формами основы или эллиптическими, или параболическими дисками. Смешивающее устройство позволяет быстрое смешивание потока в канале в пределах очень короткого интервала смешивания.
Патент США №5547540 описывает устройство для охлаждения газов и сушки твердых частиц, добавленных к газам, в котором входное отверстие входной линии имеет форму скачкового диффузора. Внутри области скачкового диффузора одна или несколько вставок расположены так, чтобы обеспечить вихревое движение на переднем крае. Фигуры 3-9 в этом патенте показывают несколько форм, например круглую, треугольную и эллиптическую. Фигуры 8 и 9 в этом патенте изображают формы профилей, например, вставка V-формы на Фиг.8 увеличивает интенсивность смешивания, а вставка с угловыми гранями стабилизирует вставку.
Европейская заявка ЕР 638,732 А описывает использование круглых вставляемых поверхностей в области расширения диффузора, чтобы обеспечить равномерный поток при недорогих и низконапорных потерях.
Европейский патент ЕР 1166861 B1 описывает статическое смешивающее устройство, в котором канал потока содержит диск, который влияет на поток, и где диск также включает камеру для прохождения второго потока газа, причем указанная камера расположена на задней стороне диска и дополнительно снабжена выходными отверстиями. Эта камера целиком интегрально соединена с трубопроводом, несущим второй поток. Это позволяет быстрое смешивание потоков текучей среды в коротких участках смешивания.
Общее для всех этих описаний состоит в использовании смешивающих устройств, которые имеют правильные формы. Под смешивающими устройствами, которые имеют правильные формы, понимают смешивающие устройства, которые имеют не полое поперечное сечение и представляют формы, которые являются, по существу, круглыми, трапециевидными, эллиптическими, ромбическими, треугольными или тому подобными. То есть они не имеют выступов, продолжающихся наружу от периферии или главного корпуса смешивающегося устройства.
Более сложные статические смешивающие устройства описаны в патентах США №4929088 и 5605400. Они описывают относительно дорогие полые смешивающие устройства с выступами или выступами, направленными внутрь от периферии устройств.
Патент США №4929088 описывает простое статическое смешивающее устройство для смешивания потока внутри трубы, в котором один или несколько наклонных язычков выступают внутрь под острым углом от ограничивающей поверхности, то есть стенки канала, так, что язычки наклонены в направлении потока. Это статическое смешивающее устройство является полым, чтобы позволить прохождение потока через него, и его периферия соответствует, по существу, периферии канала, например, стенке трубы. Смешивающее устройство может выглядеть как имеющее выступы, направленные внутрь от периферии канала для текучей среды.
Патент США №5605400 описывает цилиндрический смешивающий элемент для прохождения жидкостей через него, содержащий множество так называемых спиральных корпусов лопасти, расположенных внутри смешивающего элемента. Эти корпуса расположены так, чтобы формировать множество проходов, продолжающихся спирально по длине смешивающего элемента. Корпуса лопасти сформированы независимо от цилиндрического смешивающего элемента и соединены с ним посредством, например, сварки. Установлено, что это приводит к статическому смешивающему устройству высокой эффективности смешивания, производимому с относительно низкой стоимостью по сравнению с аналогичными смешивающими элементами, в которых цилиндрический элемент и корпуса лопасти сформированы за одно целое.
Патент США №4034965 описывает статическое смешивающее устройство, имеющее центральный плоский участок и согнутые в противоположном направлении ушки. Согнутые в противоположном направлении ушки расположены, по существу, поперечно жидкостному потоку в трубопроводе, в то время как плоскость указанного центрального плоского участка предназначена для выравнивания с продольной осью трубопровода. Ушки выполнены в своих внешних перифериях для общей подгонки к стенке трубопровода или предпочтительно для "отпружинивания" от стенки трубопровода.
Еще более сложные статические смешивающие устройства содержат каналы, разделенные на меньшие гофрированные секции, которые формируют множество меньших камер. Это расположение разделяет поток на отдельные потоки так, чтобы создавалось интенсивное взаимодействие между потоками. Отдельные потоки затем перенаправляют так, чтобы формировать однородную смесь. Этот тип статического смешивающего устройства (смешивающее устройство для газов Sulzer SMV) обеспечивает хорошее смешивание с относительно низкими потерями давления. Однако они довольно дороги и могут требовать большего числа точек впрыскивания для ввода второго потока в главный поток жидкости, чем при использовании статических устройств смешивания с правильной формой.
Чтобы соответствовать коммерчески приемлемым интервалам потери давления, более простые смешивающие устройства, имеющие правильную форму, традиционно устанавливают таким способом, что первый главный поток ударяется о переднюю сторону смешивающего устройства при заданном угле падения. ЕР 1170054 описывает, например, расположение корпусов правильной формы, таких как круглые диски, расположенные, по существу, поперечно направлению главного потока и формирующие угол от 40° до 80°, предпочтительно 60° по отношению к направлению главного потока. Угол падения представляет собой угол, образованный между направлением главного потока жидкости и плоскостью, образованной вдоль поперечного сечения смешивающего устройства.
Можно понять, что необходим компромисс между наличием очень высокого угла падения, например 90°, где смешивающее устройство расположено поперечно основному направлению первого главного потока, и низкого угол падения, например 0°, где смешивающее устройство выровнено с основным направлением первого главного потока. В формующем устройстве выступающая область смешивающего устройства на плоскости, поперечной основному направлению потока, равна площади поперечного сечения смешивающего устройства. Эта конфигурация способствует созданию областей турбулентного течения на задней стороне смешивающего устройства, но приводит к более высокой потере давления. При последнем расположении, где угол падения составляет 0°, смешивающее устройство не оказывает никакого влияния на главный поток. Выступающая область смешивающего устройства на плоскости, поперечной направлению основного потока, равна нулю, следовательно, не создается областей турбулентного потока и получается недостаточное смешивание. Однако падение давления является очень низким. Выступающая область смешивающего устройства на плоскости, поперечной к направлению главного потока, важна. Более высокая выступающая область подразумевает более высокое генерирование турбулентных областей на задней стороне смешивающего устройства и тем самым лучшее смешивание потока (-ов). Соответственно, было бы желательно обеспечить расположение смешивающих устройств, имеющих оптимальный угол падения относительно главного потока текучей среды, чтобы было можно увеличивать степень смешивания с минимальным ущербом в отношении потери давления.
Основная проблема в данной области, следовательно, состоит в том, что желательно получить хорошее смешивание взаимодействующих потоков текучей среды в пределах относительно короткого интервала смешивания вдоль трубы без снижения энергетической эффективности системы, вызываемого высокой потерей давления при работе смешивающего устройства.
В ином случае желательна возможность найти средства для достижения лучшего смешивания потока одной текучей среды или, по меньшей мере, двух встречающихся потоков текучей среды в пределах допустимого интервала потери давления по сравнению со смешиванием, получаемым в смешивающих устройствах уровня техники, особенно смешивающих устройствах, имеющих основу правильной формы, например, круглой или эллиптической. Далее, было бы желательно иметь возможность обеспечить смешивающее устройство, которое может решить проблему эффективного смешивания потоков текучей среды с минимальной потерей давления при низкой стоимости и при обеспечении простыми средствами.
Другая проблема, встречающаяся в устройствах смешивания традиционной правильной формы, например круглыми или эллиптическими смешивающими устройствами, состоит в том, что установка их внутри прямоугольных или квадратных труб может приводить к относительно слабому смешиванию в угловых областях трубы или около них.
Соответственно, осознали, что было бы желательно перепроектировать известные смешивающие устройства правильной формы, особенно преимущественно круглые или эллиптические смешивающие устройства, чтобы они стали намного более эффективными в отношении обеспечения хорошего смешивания с сопутствующим эффектом уменьшенных интервалов смешивания в трубе.
Суммируя указанное выше, задача изобретения состоит в создании смешивающего устройства, которое вызывает лучшую степень смешивания в промышленно допустимом диапазоне потери давления, чем у традиционных смешивающих устройств правильной формы.
Эта задача достигается посредством предложенного смешивающего устройства, которое представляет собой твердую пластину, снабженную одним или несколькими выступами, продолжающимися наружу от основного корпуса твердой пластины.
Настоящее изобретение также касается использования, по меньшей мере, одного смешивающего устройства для смешивания потоков текучей среды в трубе, имеющего площадь сечения, значительно превышающую общую площадь сечения, по меньшей мере, одного смешивающего устройства, чтобы позволить прохождение первого главного потока, при этом, по меньшей мере, одно смешивающее устройство, имеющее переднюю сторону и заднюю сторону, расположено, по существу, поперечно направлению перемещения первого главного потока в указанной трубе.
Оба объекта (смешивающее устройство и его использование) изобретения дополнительно описаны ниже более подробно.
Под твердой пластиной понимают любой лист металла или другого материала, выровненный, по существу, поперечно жидкостному потоку и который способен отклонять или указанный поток в замкнутом пространстве или управлять им. Под основным корпусом твердой пластины понимают корпус правильной формы, например круглой, который составляет указанную твердую пластину и от которого отходят выступы.
Неожиданно обнаружили, что обеспечение выступов в твердой пластине значительно увеличивает степень смешивания потоков жидкости. Полагают, что выступы действуют подобно рукам, которые способны захватывать и придавать дополнительное движение потоку в потенциально застойных зонах вокруг твердой пластины, в особенности, в углах или около них квадратных или прямоугольных труб. Застойные зоны понимают как зоны, где векторы скорости, образующие часть профиля скорости главного потока в направлении его перемещения, укорачиваются, то есть скорость приближается к нулю. Было бы понятно, что, поскольку твердая пластина выровнена, по существу, поперечно первому главному потоку, твердая пластина действует как главный смешивающий элемент, таким образом, создавая относительно большие зоны турбулентности на своей задней стороне. Выступы помогают основному смешиванию, производимому ударом потока на передней стороне твердой пластины, путем создания малых зон турбулентности, которые захватываются в большие зоны турбулентности на задней стороне твердой пластины.
Поскольку во многих случаях один или несколько потоков текучей среды необходимо смешивать с первым главным потоком текучей среды, использование смешивающего устройства по изобретению может быть предпочтительно произведено в расположении, содержащем: по меньшей мере, одно смешивающее устройство, имеющее переднюю сторону и заднюю сторону и расположенное в указанной трубе, через которую перемещается первый главный поток, по меньшей мере, одно смешивающее устройство, определяющее полную площадь сечения, значительно меньшую, чем площадь сечения трубы, так, чтобы позволять прохождение указанного первого главного потока; средства ввода, предназначенные для введения, по меньшей мере, одного второго потока в указанную трубу, где перемещается указанный первый главный поток, причем средства ввода приспособлены так, чтобы обеспечить воздействие, по меньшей мере, одного второго потока на, по меньшей мере, часть области задней стороны, по меньшей мере, одного смешивающего устройства, и, по меньшей мере, одно смешивающее устройство представляет собой твердую пластину, расположенную поперечно направлению перемещения указанного первого главного потока и снабженную одним или несколькими выступами, продолжающимися наружу от основного корпуса твердой пластины.
Первый главный поток может быть дымовым газом, содержащим оксиды азота, а указанный второй поток, соответственно, может быть текучей средой, содержащей агенты, восстанавливающие окислы азота, например аммиак или мочевину. Обычно объемный расход указанного первого главного потока намного превышает объемный расход, по меньшей мере, одного второго потока текучей среды. Отношение объемных расходов указанного первого главного потока по отношению ко второму потоку может быть до 1000:1, например, 100:1 или 10:1.
Первый главный поток может также быть дымовым газом, содержащим конденсируемые пары серной кислоты, и может содержать частицы, которые могут действовать в качестве ядер каплеобразования для формирования капелек серной кислоты.
Мы обнаружили, что по сравнению со смешивающими устройствами правильной формы, особенно круглыми смешивающими устройствами, смешивающие устройства по изобретению создают меньше помех главному потоку жидкости. Смешивающие устройства по изобретению включают в некоторой степени полости или пустые пространства между выступами по их периферии, которые приводят к относительно низкой устойчивости главного потока жидкости, следовательно, далее снижая потери давления. Полагают, что преимущества смешивающих устройств по изобретению возникают не только из-за создания локальных турбулентных областей на задней стороне твердой пластины (смешивающего устройства), но также и из-за пониженных помех главному потоку текучей среды, когда он сталкивается с передней стороной твердой пластины.
В этом изобретении смешивающие устройства предпочтительно расположены рядом поперек и вдоль длины трубы. Смешивающие устройства также могут быть расположены так, чтобы формировать наклонное выравнивание относительно главного потока текучей среды, перемещающегося по трубе. Наклонное выравнивание создает преимущества в том, что обеспечивает относительно низкую устойчивость главного потока и уменьшает недостаток, создаваемый нежелательными потерями давления. Смешивающие устройства могут быть выровнены так, чтобы формировать области перекрывания или области отклонения, которые вынуждают главный поток отклоняться от его основного направления перемещения и таким образом дополнительно способствовать смешиванию или гомогенизации потока. Такое расположение, использующее круглые статические смешивающие устройства, раскрыто в европейском патенте ЕР 1170054.
В конкретном варианте выполнения изобретения общая площадь поперечного сечения, закрытая смешивающими устройствами по изобретению, соответствует той площади поперечного сечения, которую имеют смешивающие устройства правильной формы, например круглой. Таким образом, общая площадь поперечного сечения, обеспечивающая свободное прохождение смешанного потока в трубе, остается, по существу, постоянной.
Выступы могут иметь любую форму, однако предпочтительно они имеют конусную форму, направленную наружу от основного корпуса твердой пластины. Количество выступов можно изменять; может быть только один выступ, но лучшие результаты в отношении смешивания получают с количеством выступов от двух до шести, предпочтительно четыре или пять, наиболее предпочтительно пять. Площадь поперечного сечения каждого отдельного выступа может изменяться, но предпочтительно чтобы, по меньшей мере, два выступа имели, по существу, одинаковую площадь поперечного сечения. Термин “выступ” нужно понимать как область твердой пластины, выступающую от основной твердой пластины, например, ее периферии, причем основная твердая пластина имеет правильную форму, то есть круглую, эллиптическую, треугольную, дельтовидную, ромбовидную и т.п. Выступы продолжаются предпочтительно наружу в той же самой плоскости, образованной поперечным сечением основного корпуса твердой пластины, но они также могут продолжаться наружу так, чтобы образовывать угол относительно указанной плоскости. Выступы могут быть наклонены к передней стороне твердой пластины, то есть направлены к главному потоку жидкости, или они могут быть наклонными в направлении к задней стороне твердой пластины.
В другом предпочтительном варианте выполнения изобретения один выступ продолжается только слегка от основного корпуса и соответствует области, расположенной около и, по существу, ниже выпускного отверстия, по меньшей мере, одного второго потока жидкости. Следовательно, средства ввода, например труба для введения аммиака в главный поток, приспособлены для обеспечения взаимодействия или контакта, по меньшей мере, одного второго потока на, по меньшей мере, части области задней стороны твердой пластины. В этом способе предотвращают обратное течении второго потока: предотвращают перемещение второго потока вниз ниже твердой пластины (смешивающего устройства) и в его передний участок. Вместо этого второй поток направляют вверх в турбулентный поток, который создается ниже по ходу потока, то есть на заднюю сторону твердой пластины.
В результате этого изобретения степень смешивания или эффективность смешивания улучшается в пределах данного интервала смешивания или в пределах заданного (промышленно приемлемого) диапазона потери давления. Это улучшение в смешивании относительно, например, круглых смешивающих устройств может быть определено количественно (см. ниже, в связи с примером, приведенным на Фиг.3). Преимущества изобретения также можно увидеть в отношении потери давления: теперь возможно работать с более низкой потерей давления, чем обычно возможно при работе с традиционными круглыми смешивающими устройствами. В ином случае интервал смешивания в трубе, необходимый, чтобы получать ту же самую степень смешивания по сравнению с использованием круглых смешивающих устройств, снижается. Интервал смешивания в трубе может быть уменьшен (в безразмерных величинах) существенно по отношению к использованию традиционного круглого смешивающего устройства. Например, для расположения, содержащего единственное устройство смешивания внутри квадратной трубы, необходимо, чтобы интервал смешивания для достижения заданной степени смешивания можно было снижать от трех гидравлических диаметров при использовании круглого смешивающего устройства до двух гидравлических диаметров при использовании смешивающего устройства по изобретению.
В результате этого изобретения теперь возможно простым способом дополнительно уменьшить образование кислотного тумана при производстве серной кислоты в операциях по очистке дымового газа. Обычный способ предусматривает предварительное нагревание дымового газа в газовом теплообменнике с последующим каталитическим окислением SO2 в дымовом газе до SO3 в каталитическом преобразователе. Газ из каталитического преобразователя затем проходит через указанный газовый теплообменник, при этом его температуру понижают до приблизительно 200-300°С. Газ из каталитического преобразователя затем дополнительно подвергают последующему охлаждению до приблизительно 100°С в так называемом конденсаторе H2SO4, в котором SO2 реагирует с парами воды с образованием паров H2SO4, которые конденсируется в виде концентрированной H2SO4.
Одно или несколько смешивающих устройств по изобретению могут быть предпочтительно расположены в любой точке до указанной стадии конденсации серной кислоты, например, в трубе, несущей подаваемый газ, входящий в указанный каталитический преобразователь SO2 в SO3, или затем в трубу между каталитическим преобразователем и указанным газовым теплообменником. Предпочтительно одно или несколько смешивающих устройств расположены в трубе между указанным газовым теплообменником и конденсатором H2SO4.
Ядра каплеобразования, имеющие диаметр, например, ниже 1 мкм, могут быть добавлены в виде суспензии частиц, полученных из дыма от электросварки, дыма от сжигания топлива, например, дыма от сжигания минерального или силиконового масла. Дым от сжигания силиконового масла особенно предпочтителен из-за значительного количества ядер каплеобразования, которое может быть получено по сравнению с, например, растительными маслами. Ядра каплеобразования могут быть добавлены в подаваемый воздух перед конденсацией серной кислоты. Подходящие способы введения потока, содержащего ядра каплеобразования, описаны в европейском патенте ЕР 419539.
Ядра каплеобразования в форме суспензии частиц может быть добавлена в виде второго потока в ту же трубу, где расположено, по меньшей мере, одно смешивающее устройство. Ядра каплеобразования в форме суспензии частиц также могут быть добавлены в другую трубу выше по ходу, по меньшей мере, одного смешивающего устройства. Например, ядра каплеобразования могут быть добавлены в трубу, через которую перемещается подаваемый газ, входящий в каталитический преобразователь SO2 в SO3. Предпочтительно ядра каплеобразования добавляют в трубу выше газового теплообменника, в то время как, по меньшей мере, одно смешивающее устройство расположено в трубе между указанным газовым теплообменником и конденсатором H2SO4.
Подробное описание изобретения
Изобретение показано на приложенных чертежах, где:
Фиг.1 - схематичный вертикальный вид в сечении секции дымового газа по изобретению.
Фиг.2 - вид в сечении смешивающего устройства по изобретению, расположенного в квадратной трубе.
Фиг.3 - график, описывающий степень смешивания как функцию потери давления для смешивающего устройства по изобретению относительно традиционного круглого смешивающего устройства.
На Фиг.1 секция дымового газа для восстановления оксидов азота содержит трубу 1, имеющую прямоугольное сечение, через которую проходит дымовой газ 2. Дымовой газ представляет собой первый главный поток текучей среды, который перемещается в направлении Z и сталкивается с передней стороной 3 смешивающего устройства 4, которое расположено, по существу, поперечно направлению перемещения указанного первого главного потока текучей среды. Смешивающее устройство 4 расположено при угле падения α по отношению к направлению перемещения главного потока 2 текучей среды. Второй поток 5 текучей среды вводят через трубопровод 6 на заднюю сторону 7 твердой пластины смешивающего устройства 4. Смешивающее устройство 4 создает вихри или турбулентный поток 8, когда проходит главный поток 2, при этом перенося второй поток 5 и позволяя смешивание потоков 2, 5 текучей среды. Полагают, что хорошее смешивание возникает потому, что турбулентный поток 8, созданный на задней стороне 7 смешивающего устройства 4, включает вихреподобные участки, в которых поток частично течет в направлении Y, то есть поперечно направлению основного потока Z. В больших трубах могут быть установлены дополнительные смешивающие устройства 9, чтобы обеспечить хорошее смешивание по всему поперечному сечению канала. Могут быть установлены дополнительные трубопроводы 10 для ввода вторичного потока 5. Далее ниже по ходу потока может быть обеспечен узел 11 катализатора. Как можно видеть на Фиг.1, труба 1 имеет площадь поперечного сечения, которая значительно превышает площадь сечения смешивающих устройств 4, 9.
Ссылаясь теперь на Фиг.2, показана передняя сторона 3 единичного устройства смешивания 4. Смешивающее устройство 4 представляет собой твердую пластину, содержащую треугольные выступы 12, которые продолжаются наружу от круглого основного корпуса твердой пластины 13. Выступы 12 продолжаются наружу в той же плоскости, образованной поперечным сечением основного корпуса твердой пластины 13. Смешивающее устройство 4 размещено в трубе 1, имеющей длины стороны S1 и S2. Эта труба может иметь любую форму, но предпочтительно квадратную (S1=S2) или прямоугольную (S1≠S2). Угол падения α первого главного потока 2 текучей среды соответствует на этом чертеже 90°. Второй газовый поток 5 попадает на заднюю сторону 7 смешивающего устройства 4, и меньший выступ 14 действует подобно хвосту, который препятствует обратному течению указанного второго потока 5 в переднюю секцию смешивающего устройства 4.
Пунктирная линия 15 вокруг основного корпуса твердой пластины представляет вид в сечении имеющего радиус Rc эквивалентного смешивающего устройства 16, имеющего круглую форму основы, и при этом площадь его поперечного сечения соответствует площади сечения смешивающего устройства 4. Это предназначено для сравнения, но не обязательно требуется, чтобы площадь поперечного сечения смешивающего устройства 4 соответствовала площади сечения соответствующего смешивающего устройства 16, имеющего правильную форму основы, здесь круглую. Основа правильной формы также может быть иной, нежели круглой, например, как раскрыто на Фиг.4-8 в патенте США №4527903.
Форма выступов является предпочтительно такой, что они заострены наружу от основного корпуса твердой пластины 13, имеющего круглую форму основы с радиусом R, как на фигуре 2. Следовательно, выступы могут иметь треугольную форму, еще также могут быть предусмотрены другие формы, например прямоугольная, эллиптическая или дельтовидная формы. Количество и форма выступов могут изменяться в одном смешивающем устройстве так, что некоторые выступы могут продолжаться наружу дальше, чем другие. Выступы могут быть укороченными или удлиненными по желанию, но может быть желательно, чтобы добавляемый или удаляемый материал добавляли или удаляли внутри основного корпуса 13, путем увеличения или уменьшения его радиуса R так, что полная площадь поперечного сечения оставалась, по существу, постоянной.
В смешивающем устройстве по Фиг.2 показаны четыре основных треугольных выступа 12, а также один меньший выступ 14, то есть выступ, имеющий площадь сечения, меньше, чем площадь других выступов. Также возможно обеспечить смешивающее устройство 4, имеющее только один главный выступ 12, но количество главных выступов 12 также может быть больше четырех или пяти, например, от шести до десяти и даже больше. Предпочтительно количество главных выступов 12 поддерживают около четырех, чтобы улучшить смешивание потока(-ов) текучей среды в углах квадратных или прямоугольных труб.
В предпочтительном варианте выполнения изобретения основные выступы 12 размещены в углу гипотетического прямоугольника, имеющего длины сторон S1 и S2, который охватывает смешивающее устройство 4. Каждый выступ 12 и 14 охватывает область, соответствующую углу θ. Угол θ может изменяться от 20° до 45°, но предпочтительно лежит в интервале от 25° до 35°, обычно от 20° до 45°, более предпочтительно между 30° и 40°, наиболее предпочтительно около 30°. Предпочтительно протяженность SW выступов 12 в варианте выполнения по Фиг.2 является такой, что SW>2×(Rc-R), где SW представляет собой протяженность между вершиной и основанием треугольника, R представляет собой радиус твердой пластины, имеющей круглую форму основы, a Rc представляет собой радиус смешивающего устройства, имеющего круглую форму основы и площадь поперечного сечения, соответствующую площади сечения смешивающего устройства 4. Общая площадь поперечного сечения смешивающего устройства составляет от 50% до 75% или 80% от гипотетического прямоугольника или квадрата, имеющей длины сторон S1 и S2, который охватывают смешивающее устройство 4.
Твердая пластина может быть выполнена из материалов типа металла, стекловолокон, пластика или тому подобным. Когда мы ссылаемся на твердую пластину, мы включаем различные формы жестких и не жестких пластин, которые могут быть изогнутыми или нет под влиянием главного потока жидкости. Предпочтительно твердые пластины представляют собой относительно тонкие пластины, например, толщиной 5-20 мм, выполненные из металла и не изгибающиеся при прохождении потока жидкости.
Меньший выступ 14 может быть не включен, так как его главная задача состоит в том, чтобы предотвращать обратное течение второго потока на переднюю сторону твердой пластины, как объясняется выше. Понятно, что расположение смешивающего устройства 4 по отношению к выпускному отверстию устройства 6 для ввода может быть таким, что обратное течение второго потока 5 сводится к минимуму, например, позволяя второму потоку 5 наталкиваться на заднюю сторону 7 смешивающего устройства 4 вблизи его центральной области. Соответственно выпускное отверстие второго потока, который, в основном, соответствует устройству 6 для ввода, приспособлено для обеспечения напора второго потока 5 в, по меньшей мере, части области задней стороны 7, по меньшей мере, одного смешивающего устройства 4. Эта область воздействия преимущественно перекрывает площадь, заданную углом θ в области твердой пластины, где расположен меньший выступ 14.
Фиг.3 показывает сравнительный пример между традиционным круглым смешивающим устройством 16 и смешивающим устройством 4 по изобретению (круглое смешивающее устройство с треугольными выступами по Фиг.2). Оба смешивающих устройства имеют одинаковую площадь поперечного сечения. Степень смешивания представлена как функция потери давления, как измерено в квадратной трубе, имеющей размеры 200×200 мм. Для такой трубы типичное значение для R находится в интервале 50-100 мм, например, 77 мм. Приведено сравнение при интервале смешивания, соответствующем трем гидравлическим диаметрам, где гидравлический диаметр определен как отношение учетверенного поперечного сечения потока жидкости S1×S2 и окружности смачивания 2×(S1+S2). Необходимо заметить, что степень смешивания на Фиг.3 фактически представлена как так называемая несмешиваемость; то есть чем ниже величина несмешиваемости по оси Y, тем лучше смешивание пробного газа в главном газовом потоке.
Не смешиваемость на Фиг.3 была определена в соответствии с методом лазерной визуализации листа по С.Мэтлок (S.Matlok), П.С.Ларсен (P.S.Larsen), Е.Гжернес (Е.Gjemes) и Дж.Фольм-Хансен (J.Folm-Hansen) "Изучения смешивания в модели масштаба 1:60 в котле с угловым расположением горелок с OFA" ("Mixing studies in a 1:60 scale model of comer-fired boiler with OFA") на 8-ом международном симпозиуме по визуализации потоков, 1998, стр. с 1-1 по 1-6 и сопутствующие сопровождающие чертежи. Этот лазерный метод служит только для количественной оценки концентрации некоторых частиц, например, пробного газа с частицами тумана (пары масла) в любом интервале смешивания в трубе, то есть расстояния от точки, где помещено первое устройство смешивания. Однако специалистам очевидно, что применимы также и другие традиционные способы. Например, путем введения пробного газа, такого как метан, и измерения его концентрации при заданном интервале смешивания с использованием подходящего анализатора пробного газа.
Несмешиваемость на Фиг.3 определяют, рассматривая соотношение среднеквадратичного отклонения (RMS) и среднего значения (Mean) концентрации образцов, например, пробного газ с частицами тумана (пары масла) по ширине трубы при заданном интервале смешивания, здесь три гидравлических диаметра. Поэтому, чем ниже отношение (RMS/Mean), тем ниже отклонение от среднего значения концентрации по ширине трубы и, следовательно, тем лучше смешивание. Отношение объемного расхода меньшего потока, несущего пробный газ, относительно главного потока, перемещающегося по трубе, составляет около 1:100.
Потери давления по оси Х на Фиг.3 приведены, как обычно в данной области, в виде числа скоростных напоров, то есть в виде коэффициента падения давления, по следующей зависимости:
ΔP=ε×(l/2ρ×v2),
где
ΔP - потери давления (Pa), a 1/2ρ×v2 представляет собой скоростной напор (Ра) на данном интервале смешивания в трубе;
ρ представляет собой плотность потока (кг/м3), и
v - его скорость (м/с).
Коэффициент падения давления может коррелировать с углом падения α потока в трубе по направлению к передней секции смешивающего устройства, таким образом, коэффициент падения давления между 8 и 9 на кривой соответствует углу падения приблизительно 90°, тогда как коэффициент падения давления 0 соответствует углу падения 0°.
В этом изобретении предпочтительные результаты в отношении смешивания или потери давления по отношению к круглым смешивающим устройствам получают, когда угол падения находится в интервале от 10° до 80°, особенно между 20° и 60°. Предпочтительно угол падения составляет между 30° и 50°, наиболее предпочтительно от 35° до 45°.
Фигура 3 показывает, что в промышленно приемлемом интервале коэффициента падения давления, то есть между 0,5 и 3, смешивающее устройство по изобретению, то есть с треугольными выступами, имеет значительно более низкий коэффициент падения давления для той же величины RMS/Mean (несмешиваемости) по сравнению с круглым смешивающим устройством, имеющим ту же самую площадь поперечного сечения. В ином случае лучшего смешивания достигают с помощью устройства по изобретению по сравнению с круглым смешивающим устройством при заданном коэффициенте падения давления. В качестве конкретного примера при промышленно приемлемом коэффициенте падения давления, составляющем 2, величина RMS/Mean (несмешиваемость) для традиционного круглого смешивающего устройства составляет приблизительно 0,24, тогда как для смешивающего устройства по Фиг.2 она составляет 0,12. В качестве другого конкретного примера для предварительно определенной приемлемой величины RMS/Mean 0,2 круглое смешивающее устройство по Фиг.2 приводит к коэффициенту падения давления приблизительно 3, тогда как смешивающее устройство по Фиг.2 приводит к коэффициенту падения давления приблизительно 1. Должно быть видно в контексте, что интервал от 1 до 3 коэффициента падения давления по оси Х соответствует приблизительно 2 мбар. Для традиционной электростанции, имеющей основной объемный расход 700000 м3 при н.у. в час, потеря давления 1 мбар означает потерю стоимости в грубом приближении 150000 евро за время амортизации установки.
Реферат
Изобретение относится к смешивающему устройству и может использоваться при очистке дымовых газов, в производстве серной кислоты. Устройство представляет собой плоскую твердую пластину, снабженную одним или несколькими выступами, продолжающимися наружу от основного корпуса твердой пластины в той же плоскости, определенной поперечным сечением основного корпуса твердой пластины. Изобретение также касается применения смешивающего устройства для смешивания потоков текучей среды в трубе, имеющей площадь поперечного сечения, значительно превышающую площадь сечения смешивающего устройства. Устройство, имеющее переднюю и заднюю стороны, расположено поперечно направлению главного потока в трубе. Технический результат состоит в устранении застойных зон при уменьшении перепада давления в трубе. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 3 ил.
