Способ очистки сажи

 

Изобретение относится к способам очистки сажи от посторонних включений с помощью инерционного сепаратора. Цель - повышение эффективности очистки сажи за счет уменьшения вторичного уноса частиц посторонних включений и уменьшения содержания сажи в отходах. Нисходящий сажевый аэрозоль закручивают вокруг вертикальной оси, затем скачкообразно уменьшают скорость потока в 2 - 4 раза в момент изменения направления потока на противоположное, скорость образовавшегося восходящего потока вначале плавно уменьшают , затем выдерживают постоянной и перед окончанием процесса скачкообразно увеличивают. Эффективность очистки 9,5 - 99,9%. Содержание сажи в отходах уменьшается до 0,82 - 1,25 кг/г, т.е. в 8 - 12 раз по сравнению с прототипом. 1 з.п. флы. 1 табл. 2 ил. ел d 00 h l 4 ON bJ

N 40 TT ri-H 00

Формула изобретения

P Ю Изобретение относится к способам разделения дисперсных материалов по размеру и плотности частиц в газовом потоке и может быть использовано, например, для очистки сажи от посторонних включений в производстве технического углерода, а также в других отраслях промышленности. Целью изобретения является повышение эффективности очистки сажи за счет уменьшения вторичного уноса частиц посторонних включений и уменьшения содержания сажи в отходах. По данному способу очистки сажи скорость входного закрученного вокруг вертикальной оси нисходящего потока аэрозоля сажи, содержащей частицы посторонних включений, скачкообразно уменьшают в 2 - 4 раза одновременно с изменением аксиальной составляющей скорости потока на противоположное направление, а скорость образующегося восходящего потока, соосно нисходящему, вначале плавно в течение 0,01 - 0,04 с уменьшают в 1,5 - 2 раза, затем в течение 0,05 - 0,5 с выдерживают постоянной и перед окончанием процесса скачкообразно увеличивают в 1,2 - 1,8 раза, причем входной нисходящий поток аэрозоля закручивают вокруг вертикальной оси с ускорением 200 - 800 g. Данный способ очистки сажи от частиц посторонних включений основан на оптимальном сочетании центробежных, инерционных , аэродинамических и гравитационных сил. Процесс разделения частиц посторонних включений и сажи начинается при закрутке потока аэрозоля вокруг вертикальной оси. Возникающие при закрутке аэрозоля центробежные силы приводят к перераспределению частиц, их упорядочиванию по радиусу вращения потока. Заметное влияние на перераспределение частиц посторонних включений и сажи по сечению оказывает закрутка потока аэрозоля с ускорением 200 g. В этом случае частицы посторонних включений концентрируются в относительно тонких внешних слоях потока, а кинематической энергии потока оказывается достаточно для последующего преодоления потерь, обусловленных изменениями скорости и направления движения, разрушения сажевых агломератов. Эффективность очистки сажи, определяемая как отношение количества выделенных частиц посторонних включений размерами более 0,5 мм к количеству этих частиц, содержащихся в саже до очистки, составляет в данном случае 99,8%, а количество сажи в отходах 0,97 кг/ч (см. пример 2 таблицы). При уменьшении ускорения вращения потока аэрозоля до менее 200 g не достигается необходимое распределение частиц по сечению потока, и наиболее легкие частицы посторонних включений уносятся потоком газа. Одновременно снижается кинематическая энергия потока, которой оказывается недостаточно для полного разрушения и уноса сажевых агломератов. В этом случае эффективность очистки сажи составляет 98,8%, количество сажи в отходах 2,1 кг/ч, а содержание частиц посторонних включений в саже процесса очистки составляет 0,002%, что вдвое превышает допускаемую ГОСТ 7885-86 норму содержания в саже частиц посторонних включений размерами более 0,5 мм (не более 0,001%, см. пример 1 таблицы). При превышении ускорения вращения потока аэрозоля более 800 g создаваемые центробежные силы, действуя на частицы сажи, приводят к их выделению из газового потока. Частицы посторонних включений и частицы сажи начинают вращаться по орбитам с практически одинаковыми радиусами и процесс их взаимного разделения на одной стадии не происходит. Для закрутки потока с таким ускорением требуется больше энергии, так как гидравлическое сопротивление возрастает пропорционально квадрату скорости газа и составляет 2,6 кПа. Эффективность очистки в этом случае составляет 98,9%, а содержание сажи в отходах 0,84 кг/ч. Содержание частиц посторонних включений размерами более 0,5 мм превышает допускаемую ГОСТ норму и составляет 0,0018% (см. пример 4 таблицы). При резком, скачкообразном уменьшении скорости потока с одновременным изменением направления ее аксиальной составляющей на противоположное к действию центробежных сил подключаются инерционные силы. Инерционные силы выводят более массивные частицы из зоны вращения потока, так как направление их действия совпадает с направлением аксиальной составляющей нисходящего потока, но ортогонально направлению действия центробежных сил. Величина инерционных сил определяется массой частиц, но учитывая влияние газового потока и аэродинамических качеств частиц, результирующая сила зависит от степени уменьшения скорости газа. При уменьшении скорости аэрозоля сажи при выходе из входного канала в коническое днище в 2 - 4 раза эффективность очистки сажи от частиц посторонних включений составляет 99,5 - 99,8%, количество сажи в отходах 0,82 - 1,05 кг/ч, а содержание в саже частиц посторонних включений размерами более 0,5 мм в результате очистки снижается с 0,16% до 0,0008 - 0,0003%, что полностью удовлетворяет требования ГОСТ (см. примеры 6 и 7 соответственно). Если скорость аэрозоля на данной стадии уменьшается менее чем в 2 раза, величина результирующей инерционной силы не достигает требуемых значений. Наблюдается вторичный унос частиц, и эффективность очистки снижается до 98,5%. Содержание частиц посторонних включений размерами более 0,5 мм после очистки сажи составляет 0,0032%, что превышает норму ГОСТ. Количество сажи в отходах составляет 0,79 кг/ч (см. пример 5). В случае резкого уменьшения скорости аэрозоля при выходе из входного канала, более чем в 4 раза, инерционные силы и их результирующие достигают величин, при которых начинается выделение из аэрозоля не только частиц посторонних включений, но и частиц сажи. Количество сажи в отходах возрастает до 2,45 кг/ч при эффективности очистки сажи 99,4%. Содержание частиц посторонних включений размерами более 0,5 мм после очистки сажи составляет 0,001%. Резкое уменьшение скорости сажевого аэрозоля , более чем в 4 раза, приводит к дополнительным потерям энергии потока, и гидравлическое сопротивление возрастает до 2,5 кПа (см. пример 8). Последующее за резким, скачкообразным уменьшением скорости сажевого аэрозоля плавное уменьшение инерционных сил уменьшает турбулизацию потока. Плавное уменьшение скорости образующегося восходящего потока аэрозоля препятствует вторичному уносу частиц посторонних включений. Степень уменьшения скорости определяется двумя факторами: уменьшением вторичного уноса частиц посторонних включений и уменьшением выделения сажевых частиц в отходы. Оптимальное сочетание этих факторов достигается при плавном уменьшении скорости восходящего потока в 1,5 - 2 раза. В этом случае минимальное содержание в саже частиц посторонних включений размерами более 0,5 мм после очистки составляет 0,0004 и 0,0003%, при минимальном количестве сажи в отходах, которое составляет 0,83 и 0,98 кг/ч. Эффективность процесса очистки при этом составляет 99,8%, а гидравлическое сопротивление 1,50 и 1,70 кПа (см. примеры 10 и 11 соответственно). 8174626 При плавном уменьшении скорости восходящего потока менее, чем в 1,5 раза, возрастает вторичный унос частиц посторонних включений. В связи с этим содержанием в саже частиц посторонних включений размерами более 0,5 мм после очистки возрастает до 0,0024%, что превышает норму, допускаемую ГОСТ. Эффективность очистки сажи снижается до 98,6%, количество сажи в отходах составляет 0,82 кг/ч (см. пример 9 таблицы). При плавном уменьшении скорости потока аэрозоля более, чем в 2 раза, возрастает выделение частиц сажи в отходы, так как скорость потока становится соизмеримой со скоростью витания сажевых агломератов. Количество сажи в отходах составляет 2,7 кг/ч при эффективности очистки 99,6%, а содержание частиц посторонних включений после очистки составляет 0,0006% (см. пример 12). На данной стадии очистки существенное значение имеет также продолжительность плавного уменьшения его скорости, т.е. величина, характеризующая саму плавность уменьшения. При продолжительности плавного уменьшения скорости менее 0,01 с процесс выделения частиц посторонних включений из аэрозоля не успевает осуществиться полностью , велика скорость уменьшения скорости и обусловленные этим турбулизация потока и вторичный) унос частиц. Содержание этих частиц в .саже после очистки составляет 0,004%, количество сажи в отходах 1,05 кг/ч, а эффективность очистки 97,5% (см. пример 17). При увеличении продолжительности уменьшения скорости восходящего потока до более 0,04 с увеличивается количество сажевых частиц, попадающих в отходы, так как за этот период успевают выделиться не только частицы посторонних включений, но и некоторое количество сажевых агломератов . Количество сажи в отходах в этом случае составляет 4,2 кг/ч. Содержание частиц посторонних включений в саже составляет после очистки 0,0006%, а эффективность очистки 99,8% (см. пример 20). В последующий за периодом плавного уменьшения скорости восходящего потока период стабилизации его скорости происходит окончательное разрушение агломератов, состоящих из сажевых частиц, покрывающих частицы посторонних значений. В этот период происходит окончательное разделение частиц посторонних значений, не выделенных ранее, и частиц сажи. На данной стадии основную роль играют аэродинамические и гравитационные силы. Процесс осаждения частиц посторонних включений занимает определенный промежуток времени. При продолжительности этой стадии постоянной скорости потока менее 0,05 с частицы посторонних включений не успевают выделиться из потока и уносятся вместе с потоком. Содержание этих частиц в саже после очистки достигает 0,0033%. Эффективность очистки составляет 98,0%, количество сажи в отходах 0,9 кг/ч (см. пример 21). Увеличение продожительности постоянной скорости аэрозоля до более 0,5 с нецелесообразно из-за увеличения габаритных размеров устройств и возрастающего их гидравлического сопротивления, которое составляет 2,45 кПа при такой же эффективности очистки (99,8%). Содержание частиц посторонних включений в саже после очистки составляет 0,0003%, а количество сажи в отходах 0,91 кг/ч (см. пример 24). Резкое, скачкообразное увеличение скорости потока перед окончанием процесса на стадии, следующей за стадией постоянной скорости, препятствует возможному выделению сажевых частиц, способствует тем самым уменьшению количества сажи в отходах и препятствует проскоку частиц посторонних включений. При скачкообразном увеличении скорости потока перед окончанием процесса в 1,2 - 1,8 раза достигается максимальное соотношение между эффективностью очистки, которая составляет 99,6%, количество сажи в отходах 0,97 - 0,94 кг/ч, содержанием частиц посторонних включений в саже очистки 0,0007 - 0,0006% и гидравлическим сопротивлением 1,15 -1,45 кПа (см. примеры 14 и 15). Если скорость потока увеличивается менее чем в 2 раза, то наблюдается проскок частиц посторонних включений и содержание этих частиц в саже после очистки составляет 0,0016%, что превышает норму ГОСТ. Эффективность очистки снижается до 99,0%, количество сажи в отходах составляет 0,92 кг/ч, а гидравлическое сопротивление 1,1 кПа (см. пример 13). При увеличении скорости потока перед окончанием процесса более чем в 1,8 раза значительно возрастает гидравлическое сопротивление ( 2,4 кПа), увеличивается количество сажи в отходах ( 3,7 кг/ч). Эффективность очистки сажи составляет 99,7%, содержание частиц посторонних включений в саже после очистки составляет 0,0005% (см. пример 16). 18174628 На фиг. 1 приведена схема сепаратора; на фиг. 2 - вид А - А на фиг. 1. Сепаратор состоит из входного патрубка 1, соединенного тангенциально с входным каналом 2, цилиндрического корпуса 3, выходной камеры 4 с выходным тангенциальным патрубком 5, конического днища 6 с патрубком отходов 7. Способ очистки сажи от частиц посторонних включений заключается в следующем . Аэрозоль сажи, содержащий частицы посторонних включений, через входной тангенциальный патрубок 1 подается во входной канал 2 и закручивается вокруг вертикальной оси. Закрученный нисходящий поток сажевого аэрозоля из входного канала 2 поступает в коническое днище 6. При выходе из канала 2 скорость потока резко изменяется и образуется восходящий закрученный поток. По высоте конического днища 6 от плоскости торца выходного канала 2 до цилиндрического корпуса 3Hi скорость уменьшается плавно. Далее по высоте корпуса ЗШ скорость сохраняется постоянной , а при переходе в выходную камеру 4 резко увеличивается. Очищенный аэрозоль сажи удаляется из сепаратора через тангенциальный патрубок 5. Выделенные частицы посторонних включений и часть сажи скапливаются в коническом днище 6 и периодически удаляются через патрубок отходов 7. П р и м е р 2 (по таблице). Поток сажевого аэрозоля с расходом 8640 м3/ч подается через патрубок 1 в сепаратор. Аэрозоль содержит 2250 кг/ч сажи, в которой содержится 3,6 кг/ч частиц посторонних включений с размерами более 0,5 мм, что составляет 0,16%. Диаметр входного канала 2 (Do) составляет 394 мм, а скорость аэрозоля в нем W)o 20,0 м/с, следовательно, поток аэрозоля закручивается в нем вокруг вертикальной оси с ускорением, равным 200 g. Диаметр конического днища 6 в плоскости торца входного канала DI составляет 780 мм, и скорость аэрозоля в этом сечении Wi 6,7 м/с. Степень резкого уменьшения скорости потока аэрозоля Wo/Wi составляет 3,0. Диаметр цилиндрического корпуса 3 сепаратора D2 950 мм. Скорость аэрозоля в корпусе 3 сепаратора W2 4,1 м/с. Отношение скорости в коническом днище 6 в плоскости торца входного канала 2 и скорости аэрозоля в корпусе 3 сепаратора Wi/W2 составляет 1,64. Диаметр выходной камеры 4 Шз) составляет 760 мм. Скорость аэрозоля в выходной камере Wa 6,7 м/с. Отношение скорости аэрозоля в выходной камере и скорости аэрозоля Wa/Wz 1,63. Высота конического днища 6 от плоскости торца входного канала 3 (Hi) составляет 100 мм. Продолжительность плавного уменьшения скорости аэрозоля в коническом днище п составляет 0,0195 с. Высота корпуса сепаратора Н2 составляет 900 мм. Продолжительность постоянной скорости аэрозоля в корпусе сепаратора Г2 составляет 0,22 с. После очистки содержание частиц постоянных включений размерами более 0,5 мм в саже составило 0,009 кг/ч или 0,0004%, что соответствует требованиям ГОСТ 7885-86 на сажу к ее чистоте. В процессе очистки выделено 3,591 кг/ч частиц посторонних включений и 0,97 кг/ч сажи. Гидравлическое сопротивление сепаратора составило 1,20 кПа. Эффективность очистки, т.е. отношение количества выделенных частиц посторонних включений к поступившему их количеству, составила 99,8%. Другие опыты проводились аналогично при изменении габаритных размеров сепаратора в следующих пределах: диаметр входного канала 295 - 400 мм; диаметр конического днища в плоскости торца входного канала 590 - 800 мм; диаметр корпуса сепаратора 740 - 960 мм; диаметр выходной камеры 650 - 820 мм; высота конического днища от плоскости входного канала до корпуса 32 - 290 мм; высота корпуса сепаратора 234 - 2860 мм. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ очистки сажи от посторонних включений, включающий закрутку нисходящего потока сажевого аэрозоля вокруг вертикальной оси, последующее изменение скорости, а также направления потока на восходящее вертикальное, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности очистки сажи за счет уменьшения вторичного уноса частиц посторонних включений и уменьшения содержания сажи в отходах, скорость закрученного нисходящего потока аэрозоля сажи скачкообразно уменьшают в 2-4 раза в момент изменения направления Конструктивные, технологические параметры и качественные показатели сажи до и после очистки по описанному способу в примерах 1 - 24 и по прототипу в примере 25 приведены в таблице. Из таблицы следует, что оптимальными являются скачкообразное уменьшение скорости нисходящего потока сажевого аэрозоля, закрученного вокруг вертикальной оси с ускорением 200 - 800 g, в 2 - 4 раза одновременно с изменением направления аксиальной составляющей скорости потока на противоположное, плавное уменьшение скорости восходящего потока в 1,5-2 раза в течение 0,01 - 0,04 с, выдерживание скорости восходящего потока затем постоянной в течение 0,05 - 0,5 с и резкое увеличение скорости потока перед окончанием процесса в 1,2 - 1,8 раза. Способ очистки сажи от частиц посторонних включений обладает высокой эффективностью очистки (99,5 - 99,9%) и обеспечивает получение чистого продукта в соответствии с требованиями ГОСТ 7885-86 на сажу при использовании сепаратора размерами, меньшими, чем у сепаратора по прототипу. Содержание сажи в отходах снижается до 0,82 - 1,25 кг/ч, т.е. в 8 - 12 раз по сравнению с прототипом. Это существенно упрощает переработку, утилизацию отходов, снижает потери сажи и улучшает экологическую обстановку. потока, а скорость образовавшегося восходящего потока, соосного нисходящему, вначале плавно в течение 0,01 - 0,04 с уменьшают в 1,5-2 раза, затем в течение 0,05 - 0,5 с выдерживают постоянной, а перед окончанием процесса скачкообразно увеличивают в 1,2 - 1,8 раза. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что входной нисходящий поток аэрозоля сажи закручивают вокруг вертикальной оси с ускорением 200-800 g. 23 ТА 5