Устройство для химической обработки дисперсного материала

 

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ХИМИЧЕСКО ОБРАБОТКИ ДИСПЕРСНОГО МАТЕРИАЛА, содержащее реактор, вибропривод для сообщения реактору колебаний, заг/////////J///}// // К W т о 00 рузочное и разгрузочное устройства, патрубки подвода и отвода газа-реагента , отличающееся тем, что, с целью повышения производительности за счет интенсификации теплообмена , оно снабжено неподвижным перфорированньм кожухом, установленным на реакторе с зазором h, равньм А Ь -10 А, где А - амплитуда колебаний реактора. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что, с целью поддержания оптимального режима ведения процесса, кожух выполнен раздвижным . //////7 Й/г./

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

4(5ц F 27 В 15/02

О ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPblTHA (21) 3490960/29/33 (22) 20.05.82 (46) 23.03.85. Бюл. N - 11 (72) Ю.А.Усенко, Г.Д.Косенко, Ш.У.Кадрилеев и Б.Г.Сапожников (53) 621.762.242(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

N« 703740, кл. F 27 В 15/14, 1978.

2. Авторское свидетельство СССР

N - 603823, кл. F. 27 В 15/02, 1976 (прототип) . (54)(57) 1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ХИМИЧЕСКОЙ

ОБРАБОТКИ ДИСПЕРСНОГО МАТЕРИАЛА, содержащее реактор, вибропривод для сообщения реактору колебаний, заг4

„„SU„,) 1067903 A рузочное и разгрузочное устройства, патрубки подвода и отвода газа-реагента, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения производительности за счет интенсификации теплообмена, оно снабжено неподвижным перфорированным кожухом, установленным на реакторе с зазором h, равным

А - h <10 А, где А — амплитуда колебаний реактора.

2. Устройство по п. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью поддержания оптимального режима ведения процесса, кожух выполнен раздвижным

1 1067

Изобретение относится к области порошковой металлургии, химического, радиохимического производства, а более конкретно — к устройствам для проведения гетерогенных экзотермических реакций в виброкипящем слое.

Технологический процесс окисления дисперсного материала (УОд), для которого может быть использовано изобретение, обладает определенной 10 спецификой.

Если из исходного продукта — порошкообразной двуокиси урана (UOz,) необходимо получить промежуточное соединение, а именно окисел (UO) с кислородным коэффициентом 2,36ф0,05, то необходимо иметь ввиду, что при окислении двуокиси урана воздухом выделяется избыточное тепло, и конечным продуктом при температурах

165-260 С является окисел урана UO (2,36-0,05), а при окислении кислородом †. это соединение получается при температурах 150-200 С.

При более высокой температуре реакция окисления вступает в следую-щую фазу и образуется ряд нежелательных окислов. Следовательно, если реакционный газ - воздух, то температура дисперсного материала в реакциь онной зоне не должна превышать 260 С, если реакционный газ — кислород, то температура не должна превышать

200 С. Поэтому устройство должно обеспечить: изотермичность слоя дис35 персного материала при проведении процесса, интенсивный отвод от материала к стенке аппарата и интенсивный теплообмен между наружной стенкой аппарата и охлаждающей средой, то есть обладать свойством поддержа-,,ния оптимальной для реакции температуры.

Локальные перегревы, застойные зоны в материале нарушают технологические параметры процесса и могут вызывать необратимые качественные изменения конечного продукта. Необходимо поддерживать и регулировать в определенных пределах температуру

50 слоя материала в реакционной зоне аппарата. От интенсивности теплообмена не зависит производительность . аппарата и качество конечного продукта.

Существующие устройства представляют собой либо неподвижные аппараты с транспортирующимся тонким слоем

903 материала с интенсивным теплоотводом с наружной поверхности, либо аппарат с виброкипящим слоем материала, но с недостаточно интенсивным внешним теплообменом.

В аппаратах с транспортирующимся тонким слоем материала не обеспечивается выравнивание температуры материала в рабочем объеме и ийтенсивный отвод тепла к стенке аппарата.

Это снижает качество продукта и производительность данных устройств.

Аппараты с виброкипящим слоем либо не имеют устройств для интенсификации наружного теплообмена, либо выполнены заодно с рубашками охлаждения. Последнее приводит к утяжелению конструкции, дополнительному росту энергозатрат, снижению надежности.

Нецелесообразно, такие аппараты снабжать и неподвижными теплообменниками, так как даже на вибрирующей поверхности аппарата образуется ламинарный пограничный слой окружающей среды, создающий значительное термическое сопротивление, ведущий к ухудшению наружного теплообменника и невозможности поддержания оптимальной температуры реакции в заданных пределах.

Известно устройство для термиче-. ской обработки порошков, состоящее из аппарата (реактора) с патрубками для загрузки и выгрузки материала, для подачи и отвода газов, вибропривода теплоизоляции на наружной стенке аппарата, плоских теплообменников, расположенных с противоположных сторон (в шахматном порядке) консольно внутри аппарата.

Теплообменники выполнены с ребристой поверхностью и снабжены соплами для подачи газов (1)

Закрепленные в корпусе аппарата теплообменники являются дополнительными концентраторами напряжений, снижающими надежность устройства. При работе с токсичными материалами и газами возможная разгерметизация в местах присоединения теплообменников к корпусу аппарата приводит к усложнению,,ухудшению условий обслуживания устройства.

Подвод или отвод тепла индивидуально от каждого плоского теплообменника при вибрирующем аппарате ведет к усложению конструкции, увеличению числа коммуникаций, дополнительным затратам на регулирование температуры слоя материала. Тонкий

Отличительные признаки, перечис.-.ленные выше, существенны, так как

:благодаря их наличию в заявленной совокупности проявляется новое тех-. ническое свойство, заключающееся в усилении положительного свойства

3 1067 слой транспортируемого материала является причиной низкой производительности устройства.

Наиболее близкой по технической сущности к изобретению является

5 печь для получения металлических порошков. Печь содержит реактор, представляющий собой -набор жестко связанных труб, имеющих отверстия в нижней части вдоль образующей, при этом трубы связаны между собой переходными каналами. Имеются патрубки подачи и выхода дисперсного материала и газов-реагентов, нагреватель, вибропривод Р) .

В данном устройстве теплообмен между виброкипящим слоем и нагревателем затруднен, так как происходит через стенки аппарата и дополнительно через движущийся реакционный газ между нагревателем и стенками аппа- рата. На наружных стенках вибрирующего аппарата образуется пограничный ламинарный слой окружающей среды, создающий термическое сопротивление. д

Подвод или отвод тепла от внутреннего ряда труб еще более затруднен.

Данное устройство не позволяет качественно регулировать и поддерживать температуру во всех зонах аппарата из-за большой тепловой инерции конструкции, поэтому имеет низ- кое качество готового продукта и низкую производительность.

Целью изобретения является повы35ь шение производительности за счет интенсификации .теплообмена.

Достигается цель тем, что устрой1 ство для химической обработки дисперсного материала, содержащее реактор, вибропровод для сообщения реак тору колебаний, загрузочное и разгрузочное устройства, патрубки подвода и отвода газа-реагента, снабжено неподвижным перфорированным кожухом, установленным на реакторе с зазором

45 . h, равным АС h 410 А, где А — ампли4 туда колебаний реактора.

Кроме того, целесообразно с целью поддерживания оптимального режима

50 ведения процесса кожух выполнять раздвижным.

903 4 в известных устройствах, а именно, в интенсификации теплообмена за счет разрушения ламинарного слоя окружающей среды у наружных стенок реактора.

На фиг. 1 изображено предлагаемое устройство, продольный разрез; на фиг. 2 — сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 — график изменения коэффициента теплоотдачи от отношения

А где d — диаметр. отверстия кожуха; на фиг. 4 — график изменения коэффициента теплоотдачи от отношения

h где h — зазор между стенкой реактора и кожухом.

Устройство для химической обра.ботки дисперсного материала содержит герметичный реактор 1, выполненный в виде горизонтальной трубы. В верх" ней части предусмотрен патрубок 2 для загрузки дисперсного материала, а в нижней — сливной патрубок 3 для выгрузки конечного продукта.

Высота уровня виброкипящего слоя, а следовательно, и количество материала, находящегося в реакторе 1, регулируется высотой Н сливного патрубка 3. Имеется трубка 4 с перфорацией 5 в нижней части для ввода реакционного газа под слой материала 6. В реактор 1 жестко вмонтированы фильтрующие элементы 7, сообщенные с каналом 8 выхода газов. Реактор 1 жестко связан с рамой 9. Рама 9 опирается на пружины 10 и получает вертикальные колебания от закрепленного на ней механического вибратора 11 (вал с дебалансами), имеющего привод вращения (не показан). Имеется приспособление 12 для направления колеба,ний реактора 1.

На жестко закрепленной горизонтальной оси 13 расположен неподвижный перфорированный кожух 14, который выполнен раздвижным. Кожух 14 установлен снаружи реактора 1 с зазором h равным А 1ФОА, где А — амплитуда колебаний реактора 1. При h А, происходит механическое соударение между вибрирующим реактором и неподвижным кожухом. При h ). 10Л коэффициенты теплоотдачи вибрирующего реактора с кожухом и без него равны между собой.

Раздвигание и сдвигание секций кожуха может происходить, например, Ф 1067 от рычажно-винтового привода 15, 16 и 17, изображенного на фиг. 2, либо от любого другого типа привода.

Кожух может повторять форму стенок реактора, может иметь овальную или другую форму с минимально-возможным боковым зазором. Кроме того, сбоку могут быть выполнены окна большего размера, чем диаметр отверстий перфорации для более интенсивного отво- 10 да горячих газов из зазора между стенкой реактора и кожухом.

Над устройством может быть расположен раструб вытяжной вентиляции и горячий воздух будет использоваться!5 на прочие промышленные нужды.

Высотой уровня Н (см. фиг. 1), параметрами вибрации (амплитуда, частота), углом наклона реактора, расходом газа через перфорацию 5 2о трубки 4 можно регулировать время пребывания дисперсного материала в реакторе 1.

Устройство работает следующим образом. 25

Дисперсный материал, нагретый цо необходимой температуры, через патрубок 2 подается в вибрирующий реактор 1. Реакционный газ. через трубку 4 с перфорацией 5 подается íà рр слой материала 6, Вибрация и направление струи газа создают условия для интенсивного перемешивания частиц. Образуется транспортирующий виброкипящий слой. Выгрузка конеч-. ного продукта происходит через пат-, рубок 3. Отходящие газы фильтруются элементами 7 и отводятся через канал 8.

Распространеиие тепла в виброкипя-,О щем слое мало зависит от теплопроводности дисперсного материала, а в основном — от количества тепла, переносимого частицами при их перемешивании. На процесс теплопроводности как бы накладывается процесс "виброконвенции". Благодаря циркуляции газа в слое осуществляется перемешивание частиц — основных переносчиков тепла, а также перенос тепла газовой фазой. Виброкипящий слой — изотермичен. стенки реактора 1 в поперечном сечении (см. фиг. 2) имеют форму окружности. Вибрация, форма стенок 55 реактора 1 и направленный поддув реакционного газа вниз через перформацию

5 трубки 4 способствуют увеличению

903 поверхности раздела газового и твердого реагентов, а также дополнительно создают поперечные циркуляционные контуры движения частиц дисперсного материала, омывающего стенки реактора.

Это улучшает гидродинамику виброкипящего слоя, выравнивает температуру по всему объему, способствует интенсификации перемешивания частиц, увеличивает коэффициент тенлоотдачи от материала к стенкам реактора. Избыточное тепло, образующееся в материале в результате экзотермической реакции, необходимо интенсивно отводить.

Интенсифицировать теплообмен между стенкой реактора 1 и окружающей средой позволяет перфорированный кожух 14, закрепленный на неподвиж— ной оси 13

На фиг. 3 изображен график изменения теплоотдачи

А(вт/м — град) в зависимости от

d соотношения — ; где д — диаметр отверстий перфорации кожуха; — амплитуда вибрации;

А- 2,5 мм — принято из условий создания оптимального режима виброкипящего слоя.

Значение А от стенки неподвижного реактора к воздуху принято равным

Вт

10 (- - — — — ) — пунктирная линия 18 м ° град

Ъ

19 — значение А при вибрирующем реакторе без кожуха

20 — изменение Х в зависимости от

d при расстоянии между отверстиями 1 = 2 мм и диамет-. рах отверстий d от 0 до 2мм.

21 — то же при 1 = 4 мм; d = 0-4мм.

22 — то же при 1 = ; d

0-9 мм.

Как видно из графика (20, 21, 22) при любых значениях Й коэффициентД: будет выше, чем при вибрирующем реакторе без кожуха (19). При изменении частоты вибрации характер кривых сохраняется.

На фиг. 4 изображен график изменения коэффициента теплоотдачи А в

h зависимости от соотношения - >

7 1 где — зазор между стенкой реактора и кожухом, мм; пунктирные линии 18 и 19 имеют те же значения, что и на фиг. 3.

23 — изменение Ф-при оптимальном

d соотношении — для кривой 20 (см. фиг. 3) . и изменяется от А до

24 †. изменение, Ж при оптимальном

d соотношении — для кривой 21

А с фиг. 3.

25 — изменение А при оптимальном

d соотношении †.для кривой 22

А с фиг. 3.

Как видно из графика (кривые 23, 24, 25) при и ) 10А, наличие кожуха не влияет на процесс теплообмена.

При изменении соотношения

А — от 0 до 1 5 происходит нарастание

t Э коэффициента:теплоотдачи. Дальнейшее увеличение диаметра отверстий приво.дит к снижению коэффициента теплоот дачи. Максимальное соотношение

2 5.

:4".-- -" ь

При соотношении — от 1 и более

А наблюдается снижение коэффициентов

067903 8 теплоотдачи от максимума (соотношеd яие — взято оптимальным). .На наружной стенке вибрирующего реактора образуется пограничный ламинарный слой окружающей среды, обладающий значительным термическим сопротивлением и уменьшающий коэф1О фициент теплоотдачи от стенки. Наличие неподвижного перфорированного кожуха 14 способствует турбулизации воздушных потоков в изменяющемся зазоре между кожухом 14 и реактором 1. Возникающее пульсирующее струйное течение способствует разрушению ламинарного пограничного слоя на наружной стенке реактора и интенсифицирует теплообмен. Реак/

20 тор, совершающий колебания перпен- дикулярно оси поверхности кожуха, самоохлаждается.

Таким образом, кожух интенсифицирует теплообмен и повышает производительность реактора.

Перфорированный кожух можут <>Tb выполнен раздвижным для возможности

30 регулирования и поддержания оптимального режима ведения технического процесса.

1

1067903

М

42

4п.4 щцщуЩ Заказ 1702/3 Тираж;570 ПОдписное

»В а» Ю ю ° Ф»»ю» ФВ Ю ЮЮ»ю» Ю ФВВ4»»В »В»В@В»ВЮЮ» »Ь Ю »» щ »» филиал ППН " ахене", r. Ужгород, ул.Проектная, 4