Использование трехмерного перекрестного дивертера в качестве элемента трубы, барабана или башни

Изобретение относится к трехмерному перекрестному дивертеру, используемому в качестве внутренней детали для трубы, барабана или башни. Имеется корпус трубы, барабана или башни, в котором находится один или множество дивертеров, каждый из которых содержит четное количество (не меньше 4) конических полостей, размещенных под углом. Все полости сходятся у средней точки на оси дивертера, которая также является центром дивертера. Точка пересечения осевых линий нечетных и точка пересечения четных конических полостей расположены, соответственно, на каждой боковой стороне и симметричны по отношению друг к другу. Каждая коническая полость содержит две боковые четырехугольные поверхности и наружную поверхность, образованную криволинейной поверхностью или изогнутой плоской поверхностью, а также секторную внутреннюю поверхность. Наружный контур трехмерного перекрестного дивертера сопряжен с внутренней стенкой корпуса трубы, барабана или башни, при этом верхняя и нижняя внутренние контурные линии делят сечение трубы, барабана или башни с обеих боковых сторон трехмерного перекрестного дивертера на центральную зону и периферийную зону. Технический результат состоит повышении эффективности тепло- и массопередачи. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к внутреннему элементу трубы, барабана или башни, и более конкретно к трехмерному перекрестному дивертеру, используемому в качестве внутренней детали трубы, барабана или башни, который может устранять разницу состояний текучей среды в радиальном направлении, повышать качество передачи текучей среды, эффективность тепло- и массопередачи или химической реакции при относительно пониженной величине сопротивления течению.

ПРЕДПОСЫЛКИ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Когда материал протекает по пустотелым трубе, барабану или башне, скорость в центральной зоне выше по своей величине, тогда как скорость в периферийной зоне понижена таким образом, что весьма широким является значение распределения времени пребывания материала в трубе, барабане или башне. Если процесс протекания сопровождается излучением или поглощением теплоты, или если материал нагревается или охлаждается посредством использования рубашек, сопротивление теплопередаче может вызывать разность температур между центральной и периферийной зонами. Если осуществляется химическая реакция, разности по времени пребывания и по температуре могут вызывать неоднородность химического состава между материалами, находящимися в центральной и периферийной зонах. Для решения этих проблем наиболее простым в реализации является способ, состоящий в том, чтобы заставить материал, находящийся в центральной и в периферийной зонах трубы, барабана или башни, регулярно по времени меняться своим положением при условии того, что в наличии не имеется какое-либо пространство застоя или сокращенного пути течения с малым сопротивлением, таким образом произвольную частицу потока заставляют менять свою радиальную координату во время протекания по трубе, барабану или башне. При осуществлении химической реакции или массопередачи в гетерогенной системе с помощью башенной установки используемые двухфазные материалы должны оставаться при противотоке в канальном режиме насколько возможно долго по времени для получения максимального темпа проведения реакции или осуществления массопередачи, и материал, находящийся в дисперсном фазе, должен разделяться на минимальные по размерам частицы, капли или пузырьки, равномерно распределенные в материале, находящемся в сплошной фазе, для обеспечения возможности осуществления максимальной реакции или максимальной границы раздела при массопередаче. Для удовлетворения этих технических условий в настоящее время в промышленной эксплуатации находится множество тарельчатых и насадочных колонн с различными конструкционными формами, но их эффективность требует своего повышения, а их эксплуатационная гибкость требует своего дальнейшего расширения.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение обеспечивает трехмерный перекрестный дивертер второго поколения, используемый в качестве внутреннего элемента в трубе, барабане или башне и разработанный на основе перекрестного дивертера, применяемого в качестве внутренней детали в трубе, барабане или башне и известного из описания изобретения по патенту КНР № ZL 01100022.8, полученному изобретателем, подавшем данную заявку на патент. Настоящее изобретение оставляет все признаки и преимущества трехмерного перекрестного дивертера первого поколения и дополнительно упрощает конструкцию, снижает сопротивление и предусматривает наличие улучшенных общих рабочих характеристик.

Настоящим изобретением предусматривается создание трехмерного перекрестного дивертера, используемого в качестве внутреннего элемента в трубе, барабане или башне, который характеризуется тем, что один или множество ярусов трехмерных перекрестных дивертеров 2 размещен (размещено) внутри трубы, барабана или башни 1; указанный трехмерный перекрестный дивертер 2 содержит четное количество (большее или равное четырем) конусообразных трубчатых полостей 2-1 (здесь далее для краткости называемых «коническими полостями»), размещенных под углом, как это показано на фиг.2. Коническая полость имеет на наружном концевом участке увеличенный проход, а на внутреннем концевом участке - уменьшенный проход. Количество конических полостей определяется номинальной величиной диаметра трехмерного перекрестного дивертера, потребностями технологического процесса и обрабатываемой средой. Чем больше номинальный диаметр и чем выше уровень технических условий на степень перемешивания, тем больше требуемое количество конических полостей; чем больше вязкость обрабатываемой среды, тем меньше требуемое количество конических полостей. Предпочтительно количество конических полостей трехмерного перекрестного дивертера в трубе составляет 4, 6 или 8, а количество конических полостей трехмерного перекрестного дивертера в башне может быть увеличенным по своему значению. В то же время для того, чтобы облегчать изготовление, пара малых противоположно ориентированных по направлению конусов может быть дополнительно предусмотрена у центра трехмерного перекрестного дивертера. Все конические полости сходятся у средней точки на оси трехмерного перекрестного дивертера у его центра. Каждая коническая полость содержит две боковых поверхности 2-1-1, наружную поверхность 2-1-2 и внутреннюю поверхность 2-1-3. Указанные боковые поверхности являются четырехугольными плоскими поверхностями или криволинейными поверхностями, разделенными между двумя смежными коническими полостями, указанная наружная поверхность является криволинейной или изогнутой плоской поверхностью, а указанная внутренняя поверхность является секторной выпуклой поверхностью, либо плоской поверхностью, либо изогнутой плоской поверхностью. Осевые линии обозначенных нечетными числами конических полостей, образующих трехмерный перекрестный дивертер, распределены на конической поверхности при наличии точки пересечения осевых поверхностей, которая является вершиной конуса; осевые линии обозначенных четными числами конических полостей распределены на другой взаимнообратной конической поверхности при наличии точки пересечения осевых поверхностей, которая является вершиной другого конуса. Точка пересечения осевых линий, обозначенных нечетными числами конических полостей, и точка пересечения осевых линий, обозначенных четными числами конических полостей, соответственно расположены на каждой боковой стороне от центра трехмерного перекрестного дивертера и являются симметричными по отношению друг к другу. При другой конструкционной форме конической полости трехмерного перекрестного дивертера, предусмотренной настоящим изобретением, внутренняя поверхность подвергается усадке и превращается в линейный отрезок, который пересекает линии двух боковых поверхностей. Внутренние концевые участки всех линейных отрезков централизуются около центра трехмерного перекрестного дивертера. Здесь коническая полость образована только двумя листами боковой поверхности 2-1-1, разделенными двумя, левой и правой, смежными полостями, и одной наружной поверхностью 2-1-2.

Указанная конусообразная трубчатая полость может также быть образованной другими трубчатыми полостями с аномальными формами. Проекция наружного контура поверхности 3 трехмерного перекрестного дивертера на его поперечную плоскость сечения является полным кругом с диаметром, равным внутреннему диаметру сопряженной трубы, барабана или сопряженной башни. Проекции нижней и верхней внутренних контурных линий или поверхностей 4 трехмерного перекрестного дивертера на его поперечную плоскость сечения являются окружностями или другими замкнутыми кривыми, которые делят сечение трубы, барабана или башни у обеих боковых сторон трехмерного перекрестного дивертера на два участка, причем внутренний участок является центральной зоной, а внешний - периферийной зоной. Отношение площади центральной зоны к площади периферийной зоны равно приблизительно 0,1-4,2, и предпочтительно оно составляет 0,3-1,5.

Отношение высоты к диаметру у трехмерного перекрестного дивертера составляет 0,2-3, и предпочтительно оно равно 0,6-1,5.

Трехмерный перекрестный дивертер, выполненный согласно настоящему изобретению, может также устанавливаться в других трубах, барабанах или башнях, которые имеют некруглое сечение и такое, как квадратное, эллиптическое или другие нестандартные по формам сечения, и в этих случаях наружный контур трехмерного перекрестного дивертера согласуется с внутренними стенками труб, барабанов или башен, имеющих квадратную, эллиптическую профилировку или иные нестандартные формы их профилирования.

Трехмерный перекрестный дивертер, выполненный согласно настоящему изобретению, формирует трехмерный поток текучей среды через корпус трубы, барабана или башни. Когда материал протекает через трехмерный перекрестный дивертор, первоначально материал, находящийся в центральной зоне, протекает от центрального прохода к наружному проходу конических полостей посредством использования его отклонения внутренней поверхностью 2-1-3 и боковыми поверхностями 2-1-1 с достижением периферийной зоны, находящейся на другой стороне трехмерного перекрестного дивертера, тогда как материал, первоначально находящийся в периферийной зоне, протекает от наружного прохода к внутреннему проходу смежных конических поверхностей посредством использования его отклонения наружной поверхностью 2-1-2 и боковыми поверхностями 2-1-1 конических полостей с достижением центральной зоны, находящейся на другой стороне трехмерного перекрестного дивертера. Когда имеется ряд трехмерных перекрестных дивертеров, расположенных последовательно внутри корпуса трубы, барабана или башни, все углы расстановки трехмерных перекрестных дивертеров должны согласовываться между собой таким образом, чтобы каждый раз, когда жидкая среда будет протекать через трехмерный перекрестный дивертер, она будет находиться в процессе ее деления-перемещения-объединения в периферийном направлении при одновременном обмене текучей средой между центральной и периферийной зонами в радиальном направлении. После протекания через множество трехмерных перекрестных дивертеров любые частицы текучей среды в трубе, барабане или башне будут иметь подобные друг другу местоположения с радиальной координатой передвижения, и будет сокращаться разность во времени пребывания, будет устраняться радиальный градиент температуры и будут соблюдаться технические условия осуществления процесса.

Для полного устранения укорачивания пути и обратного смешения каждая из внутренних контурных линий или поверхностей 4 на обоих концевых участках трехмерного перекрестного дивертера может быть приподнята до вершины внутренних контурных линий или поверхностей вдоль цилиндрических поверхностей, на которых эти линии существуют, и контурные поверхности образуют стенку 5 канала, которая объединяется с каждой из конических полостей, имеющих нестандартные формы профилирования, как это показано на фиг.3.

Указанный трехмерный перекрестный дивертер может изготавливаться с помощью процесса литья либо посредством сварки и др. При этом в процессе монтажа трехмерного перекрестного дивертера внутри трубы, барабана или башни может использоваться способ создания плотной посадки с температурным перепадом или с конусностью, способ усадки труб или сварки и др.

Трехмерный перекрестный дивертер, выполненный согласно настоящему изобретению, может иметь широкое использование, например, в качестве статического смесителя в трубопроводе для транспортирования жидкости, в качестве теплообменника для жидкости с большой вязкостью, в качестве устройства с выравниванием температур на выходе у червячного экструдера, в высокоэффективном трубчатом реакторе, в случае экстрагирования жидкости жидкостью, в случае экстрагирования твердого вещества растворителем и в других случаях. Когда трехмерный перекрестный дивертер используется в качестве внутренней детали в теплообменнике для текучей среды с большой вязкостью, стенка с наружной поверхностью 2-1-2 конической полости с нестандартной формой профилирования может отливаться в виде формы с утолщенными периферийными участками и с внутренними участками уменьшенной толщины для повышения эффективности теплопередачи внутренней деталью.

Трехмерный перекрестный дивертер нового поколения, выполненный согласно настоящему изобретению и используемый в качестве внутренней детали в трубе, барабане или башне, имеет следующие преимущества:

1. простую конструкцию и низкую стоимость изготовления;

2. высокую эффективность перемешивания;

3. отсутствие застойного пространства или сокращения пути;

4. низкое значение величины сопротивления протеканию потока, особенно пригодную для текучей среды с большой вязкостью;

5. полное и глубокое принудительное отслаивание пленки пограничного слоя при наличии хорошей эффективности теплопередачи и равномерно распределяющейся температуре в поперечном сечении трубы;

6. достижение канального течения и увеличение объемной производительности трубчатого реактора при совершенствовании молекулярно-массового распределения полимера;

7. количество конических полостей может регулироваться для приспосабливания к различным техническим требования технологических процессов.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ СОПРОВОДИТЕЛЬНЫХ ЧЕРТЕЖЕЙ

1. На фиг.1 представлена конструкция множества трехмерных перекрестных дивертеров, смонтированных в трубе, барабане или башне.

2. На фиг.2 схематически изображена конструкция одиночного трехмерного перекрестного дивертера.

3. Фиг.3 представляет собой схематическое изображение цилиндрической поверхности 5 на концевом участке трехмерного перекрестного дивертера.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Далее описываются два примера реализации настоящего изобретения, тогда как его объем не ограничивается следующими далее примерами.

Пример 1

Труба длиной два метра в червячном экструдере Dg 50 имеет смонтированные в ней 40 трехмерных перекрестных дивертеров, которые выполнены с четырьмя коническими поверхностями при отношении длины к диаметру, равном единице. Снаружи предусмотрен кожух для осуществления теплопередачи. Эта труба теплообменника используется для охлаждения полимера. Показатель теплопроводности трубы возрастает в 3,5-5,5 раза по сравнению с тем, который имеется у трубы без трехмерного перекрестного дивертера, а перепад давления выше в 5-10 раз по сравнению с тем, который имеется у трубы без трехмерного перекрестного дивертера.

Пример 2

Максимальная разность температур в сечении расплава на выходе из червячного экструдера Dg 100 равна 15°С. После установки температурного гомогенизатора с семью трехмерными перекрестными дивертерами, которые имеют 4 конические полости и отношение длины к диаметру, равное 1,0, температурная разность понижена до 1-2°С.

1. Трехмерный перекрестный дивертер, используемый в качестве внутреннего элемента в трубе, барабане или башне, отличающийся тем, что один или множество трехмерных перекрестных дивертеров (2) размещено внутри корпуса (1) трубы, барабана или башни; каждый из указанных трехмерных перекрестных дивертеров (2) содержит четное количество (не меньше четырех) конических полостей (2-1) неправильной формы, расположенных кольцеобразно, каждая коническая полость (2-1) имеет на наружном концевом участке увеличенный проход, а на внутреннем концевом участке - уменьшенный проход, все конические полости сходятся у средней точки на оси трехмерного перекрестного дивертера, которая также является центром трехмерного перекрестного дивертера, каждая коническая полость образована двумя боковыми поверхностями (2-1-1), одной наружной поверхностью (2-1-2) и одной внутренней поверхностью (2-1-3), указанные боковые поверхности являются четырехугольными плоскостями или криволинейными поверхностями, относящимися одновременно к двум смежным коническим полостям; указанная наружная поверхность является криволинейной или изогнутой плоской поверхностью; указанная внутренняя поверхность является секторной выпуклой поверхностью, либо плоской поверхностью, либо изогнутой плоской поверхностью; осевые линии (X1, Х3) всех обозначенных нечетными числами конических полостей распределены на конической поверхности с точкой пересечения осевых линий, являющейся вершиной (О1) конуса; при этом осевые линии (Х2, Х4) всех обозначенных четными числами конических полостей распределены на другой обратной конической поверхности с точкой пересечения осевых линий, являющейся вершиной (О2) обратного конуса; две точки пересечения (О1 и О2) осевых линий расположены по оси трехмерного перекрестного дивертера и симметрично от обеих сторон центра дивертера О, проекция наружного контура поверхности (3) трехмерного перекрестного дивертера на плоскость поперечного сечения является окружностью с диаметром, равным внутреннему диаметру сопряженных труб, барабана или башни; проекции нижней и верхней внутренних контурных линий или поверхностей (4) на ту же самую плоскость поперечного сечения являются окружностями или другими замкнутыми кривыми, которые делят участок трубы, барабана или башни с обеих сторон трехмерного перекрестного дивертера на две части, причем внутренний участок является центральной зоной, а внешний - периферийной зоной; отношение площади центральной зоны к площади периферийной зоны равно 0,1-4,2, а отношение высоты к диаметру у трехмерного перекрестного дивертера составляет 0,2-3.

2. Трехмерный перекрестный дивертер по п.1, отличающийся тем, что указанная коническая полость неправильной формы состоит из двух четырехугольных боковых поверхностей (2-1-1), смежных для двух конических полостей, и из наружной поверхности (2-1-2), образованной криволинейной или изогнутой плоской поверхностью.

3. Трехмерный перекрестный дивертер по п.1, отличающийся тем, что отношение площади центральной зоны к периферийной зоне равно 0,3-1,5, а отношение высоты к диаметру у трехмерного перекрестного дивертера составляет 0,6-1,2.

4. Трехмерный перекрестный дивертер по п.1, отличающийся тем, что проекция наружного контура трехмерного перекрестного дивертера на плоскость поперечного сечения трехмерного перекрестного дивертера имеет квадратную, эллиптическую или другие формы, которые согласуются с корпусом трубы, барабана или башни той же формы.

5. Трехмерный перекрестный дивертер по п.1, отличающийся тем, что наружная поверхность (2-1-2) указанных конических полостей может изготавливаться в такую структуру, что поверхность является утолщенной близко к стенке и уменьшенной толщины вдали от стенки.

6. Трехмерный перекрестный дивертер по п.1, отличающийся тем, что, когда множество трехмерных перекрестных дивертеров расположены последовательно внутри корпуса трубы, барабана или башни, дивертеры выровнены по вертикали относительно друг друга.

7. Трехмерный перекрестный дивертер по п.1, отличающийся тем, что, когда проекции внутренних контурных линий или поверхностей (4) являются окружностями, внутренние контурные линии или поверхности (4) на обоих верхних и нижних участках трехмерного перекрестного дивертера вытянуты до той же самой плоскости поперечного сечения и образуют круглые трубчатые стенки (5), которые объединяются с каждой из конических полостей, имеющих неправильные формы, что является структурой, способной исключать острые углы и минимизировать концентрацию напряжений.

8. Использование трехмерного перекрестного дивертера, выполненного по п.1, в виде внутреннего элемента для трубы, барабана или башни, при изготовлении статического смесителя, трубчатого реактора, теплообменника для жидкости с большой вязкостью, в случае экстрагирования жидкости жидкостью и в случае экстрагирования твердого вещества жидкостью.