Устройство для подачи агрессивной и/или абразивной среды

Изобретение относится к области защиты материалов от коррозии, отложений и износа. Устройство содержит расположенные с зазором наружную газонепроницаемую стенку и внутреннюю металлическую газопроницаемую стенку из пористого материала, выполненную по толщине с уменьшением размера пор к поверхности, контактирующей с пропускаемой средой, а также с уменьшением по длине стенки от входа устройства к его выходу проницаемости, компенсирующей уменьшение давления агрессивной и/или абразивной среды. Технический результат - защита внутренней поверхности стенок устройства от агрессивной и/или абразивной среды. 5 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к устройствам для подачи агрессивной и/или абразивной среды, изготовленным из металла, контактирующего с жидкими агрессивными и/или абразивными средами, способными взаимодействовать с металлом (стенки труб, форсунок, реакторов, печей и т.п.).

Проблема коррозионной стойкости материалов, особенно работающих при повышенных температурах, часто очень сложна в своем решении. Особенно сложной она является, когда работа с абразивными и агрессивными материалами происходит при высоких температурах.

Известны подшипники на газовой смазке [А.с. СССР №312950, F02С 7/06. Брагин А.Н., Гаврилов С.Г. Подшипник на газовой смазке. 1971], когда контакт между трущимися деталями исключают путем создания газовой прослойки. Известен способ получения стекла методом плавающей ленты и установка для его осуществления, в которой лента стекла поддерживается воздушной подушкой [Пат. США №3615315, С03В 18/00, кл. США 65/25 A. Michalik E.R., Misson G.W. Method and apparatus having sealing means and gaseous takeoff for float glass. 1971]. Однако этот подход применили только для снижения трения между твердыми деталями в подшипнике, а также между лентой стекла и поверхностью печи, на которую она опирается, а не для решения задачи защиты материала от взаимодействия с жидкой или газообразной агрессивной средой.

Наиболее близким по сути можно считать способ защиты внутренних поверхностей стенок емкости от отложений [А.с. СССР №262092, С23F 14/00. Бубнов Г.А., Чепчуров Я.И., Шедько А.В. и др. Способ защиты внутренних поверхностей стенок емкости от отложений. 1970]. Чтобы не допустить осаждения твердого или вязкого продукта на стенки реактора, например, при полимеризации изопрена в каучук, внутрь емкости, изготовленной из пористого материала, подают через ее стенки не образующую отложений жидкость под давлением, превосходящим давление внутри емкости. Этот способ предусмотрен для защиты стенок от отложений, а не для защиты металлической стенки от воздействия агрессивной и/или абразивной среды. Он не может быть использован при высоких температурах, поскольку очень сложно подобрать необходимую инертную жидкость.

Технической задачей изобретения является создание устройства для подачи агрессивной и/или абразивной среды, обеспечивающего защиту внутренней поверхности его металлической стенки от агрессивной и/или абразивной среды.

Поставленная задача решена устройством для подачи агрессивной и/или абразивной среды, содержащим расположенные с зазором для подачи газа наружную газонепроницаемую и внутреннюю металлическую газопроницаемую стенку из пористого материала, выполненную по толщине с уменьшением размера пор к поверхности, контактирующей с агрессивной и/или абразивной средой. Это позволяет снизить гидравлическое сопротивление стенки. Проницаемость пор уменьшается по длине стенки от входа устройства к его выходу для компенсации соответствующего уменьшения давления агрессивной и/или абразивной среды. Это позволяет обеспечить более равномерное проникновение газа через стенки по длине устройства. При одинаковом размере пор по длине устройства уменьшение давления агрессивной и/или абразивной среды от входа к выходу приводит к тому, что газ преимущественно проходит по порам, находящимся ближе к входу.

Устройство может быть выполнено в виде трубы или форсунки и предназначено для подачи агрессивной среды или абразивной среды. В качестве агрессивной среды используется газ или жидкость. В качестве абразивной среды используется смесь газ-абразив или жидкость-абразив.

В устройстве проницаемая металлическая стенка, контактирующая с агрессивной и/или абразивной средой, может быть выполнена в виде металлической мембраны, выполненной по технологии порошковой металлургии и обращенной рабочим слоем к агрессивной и/или абразивной среде или из пористого проницаемого металла. Металлическая мембрана обычно содержит три проницаемых слоя: носитель с достаточно крупными порами, составляющий основную часть толщины мембраны, промежуточный тонкий слой с более мелкими порами и наиболее тонкий рабочий слой с наименьшими порами.

Через каналы проницаемой металлической стенки может подаваться газ с комнатной температурой, охлаждающий контактирующую с ним агрессивную среду и этим понижающий ее агрессивность.

Пример 1. Устройство выполнено в виде двухслойной трубы с зазором, через который подается газ. Наружная стенка трубы выполнена газонепроницаемой, чтобы газ проходил через внутреннюю проницаемую стенку, изготовленную методом порошковой металлургии и обращенную к пропускаемой по ней агрессивной среде. Длина трубы, выполненной в виде пористой проницаемой металлической мембраны из жаропрочного сплава ВЖЛ12У, - 400 мм, внутренний диаметр - 30 мм, толщина проницаемой стенки 10 мм. Наружный слой внутренней проницаемой стенки имеет размер пор 20 мкм. Рабочий слой металлической мембраны является внутренней стороной трубы. Размер пор рабочего слоя мембраны равномерно уменьшается от 3 мкм у входа в трубу до 1 мкм у ее выхода, что с учетом уменьшения давления агрессивной среды по длине устройства обеспечивало более равномерное проникновение газа через стенки.

Через трубу пропускали расплав цинка с температурой 430°С со скоростью 0,3 м/с. Через поры мембраны подавали воздух с комнатной температурой, образующий воздушную прослойку, препятствующую непосредственному контакту расплава цинка с металлической стенкой трубы. Скорость потока расплава цинка составляла 0,02 м/с. Давление регулировали так, чтобы расход газа составлял 5-10 см³/с. При этом между расплавом цинка и металлической стенкой образовывалась сплошная газовая прослойка.

Без подачи воздуха после 3-х часов испытаний на поверхности пористой трубы из сплава ВЖЛ12У заметны следы пропитки расплавом цинком. На образцах с защитной прослойкой воздуха после 3-х часов испытаний следы взаимодействия с цинком отсутствовали.

Пример 2. Устройство выполнено в виде двухслойного канала с зазором, через который подается газ. Наружная стенка канала выполнена газонепроницаемой, чтобы газ проходил через внутреннюю проницаемую стенку, обращенную к пропускаемой по нему агрессивной среде. Длина канала, выполненного в виде пористого проницаемого металла методом порошковой металлургии из жаропрочного сплава Х20Н80Н, - 900 мм, толщина проницаемой стенки 15 мм. Сечение канала имело в верхней части форму окружности диаметром 100 мм, сопряженную внизу с двумя симметрично расположенными прямыми, расходящимися под углом 30°. Наружный слой внутренней проницаемой стенки имеет размер пор 30 мкм. В рабочем слое, обращенном к агрессивной среде, в верхней части канала диаметр пор уменьшался от 10 мкм на входе в трубу до 5 мкм у выхода, в нижней части - от 5 мкм до 3 мкм. С учетом уменьшения давления агрессивной среды по длине устройства это обеспечивало более равномерное проникновение газа через стенки.

В устройство направлен факел, сжигающий жидкие отходы хлорорганических соединений. Температура факела составляла примерно 1100°С, скорость потока продуктов сгорания - 5 м/с. Через каналы стенки подавали компрессором под давлением воздух с комнатной температурой, образующий воздушную прослойку, препятствующую непосредственному контакту агрессивных продуктов сгорания с металлической стенкой трубы. Давление регулировали так, чтобы расход газа составлял 500-650 см³/с.

Без подачи воздуха после 2 часов испытаний на поверхности пористой трубы заметны следы химического взаимодействия с продуктами сгорания. На образцах с защитной прослойкой воздуха следы химического взаимодействия практически отсутствовали.

Пример 3. Конструкция устройства аналогична описанной в примере 1. Длина трубы, выполненной из пористого проницаемого сплава алюмель, - 350 мм, внутренний диаметр - 40 мм, толщина проницаемой стенки 12 мм. Наружный слой внутренней проницаемой стенки трубы имеет размер пор 25 мкм. Пористость рабочего слоя проницаемого металла уменьшалась от 5 мкм на входе в устройство до 3 мкм у выхода.

Через устройство пропускали поток расплавленного ZnCl₂. Через пористые стенки канала подавали очищенный азот с комнатной температурой, образующий газовую прослойку, препятствующую непосредственному контакту расплава ZnCl₂ с металлической стенкой трубы. Давление регулировали так, чтобы расход газа составлял 6-12 см³/с. При этом между расплавом ZnCl₂ и металлической стенкой проточного узла образовывалась сплошная газовая прослойка.

Без подачи газа после 2 часов испытаний на поверхности пористой трубы из сплава алюмель заметны следы химического взаимодействия с расплавом ZnCl₂. На образцах с защитной прослойкой газа следы химического взаимодействия отсутствовали.

Пример 4. Устройство выполнено в виде двухслойной форсунки с зазором между слоями, через который подается газ. Наружная стенка форсунки выполнена газонепроницаемой, чтобы газ проходил через внутреннюю проницаемую стенку, обращенную к пропускаемой по ней агрессивной среде. Длина канала форсунки, выполненного в виде пористой проницаемой металлической мембраны, изготовленной методом порошковой металлургии из порошка хромеля НХ9, - 6 мм, внутренний диаметр - 0,1 мм, толщина проницаемой стенки 5 мм.

Наружный слой внутренней проницаемой стенки имеет размер пор 27 мкм. Рабочий слой металлической мембраны является внутренней стороной форсунки. Размер пор рабочего слоя мембраны равномерно уменьшается от 3 мкм у входа в форсунку до 2,5 мкм у ее выхода, что с учетом уменьшения давления агрессивной среды по длине устройства обеспечивало более равномерное проникновение газа через стенки.

Через форсунку для гранулирования подавали расплав эмали для эмалирования магния и его сплавов (мас.%: SiO₂-24, Al₂O₃-1, В₂O₃-8, Na₂O-24, ВаО-13, РbО-30). Температура расплава составляла 450°С, скорость потока - 5 м/с. Через пористые стенки подавали воздух с комнатной температурой, образующий воздушную прослойку, препятствующую непосредственному контакту расплава эмали с металлической стенкой форсунки. Давление регулировали так, чтобы расход газа составлял 2-5 см³/с. При этом между расплавом эмали и металлической стенкой проточного узла образовывалась сплошная газовая прослойка.

Без подачи защитного воздуха после 2 часов испытаний на поверхности пористой форсунки заметны следы износа. На образцах с защитной прослойкой воздуха после 2 часов испытаний следы износа отсутствовали.

Пример 5. Устройство выполнено аналогично примеру 4. Длина рабочего канала форсунки - 6 мм, внутренний диаметр - 1,2 мм, толщина проницаемой стенки 7 мм.

Наружный слой внутренней проницаемой стенки имеет размер пор 25 мкм. Размер пор рабочего слоя металлической мембраны, изготовленной методом порошковой металлургии из нержавеющей стали марки Х12МФ, равномерно уменьшается от 4 мкм у входа в форсунку до 2 мкм у ее выхода, что с учетом уменьшения давления абразивной среды по длине устройства обеспечивало более равномерное проникновение газа через стенки.

Через форсунку распыляли абразивную смесь воздуха с кварцевым песком со скоростью потока 20 м/с. Через каналы стенки форсунки с помощью компрессора подавали воздух с комнатной температурой, образующий воздушную прослойку, препятствующую непосредственному контакту абразивных частиц кварцевого песка с металлической стенкой форсунки. Давление регулировали так, чтобы расход газа составлял 30-40 см³/с.

Без подачи защитного воздуха после 1 часа испытаний на поверхности пористой форсунки из нержавеющей стали Х12МФ заметны следы абразивного износа. На образцах с защитной прослойкой воздуха после 1 часа испытаний следы абразивного износа отсутствовали.

Пример 6. В соответствии с примером 5 было изготовлено устройство в виде форсунки длиной 20 мм, диаметром 2 мм и со стенками толщиной 6 мм в виде пористого проницаемого металла, изготовленной методом порошковой металлургии из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т. Наружный слой внутренней проницаемой стенки форсунки имеет размер пор 28 мкм. Размер пор рабочего слоя в пористой металлической стенке равномерно уменьшался от 3 мкм у входа в форсунку до 1 мкм у ее выхода.

Через форсунку распыляли абразивную смесь воды с металлическим порошком (шликер из металлического порошка) со скоростью потока 7 м/с. Через каналы стенки форсунки подавали воздух с комнатной температурой, образующий воздушную прослойку, препятствующую непосредственному контакту абразивных частиц шликера из металлического порошка с металлической стенкой форсунки. Давление регулировали так, чтобы расход газа составлял 25-40 см³/с.

Без подачи защитного воздуха после 2 часов испытаний на поверхности рабочей части форсунки заметны следы абразивного износа. На образцах с защитной прослойкой воздуха после 2 часов испытаний следы абразивного износа отсутствовали.

Пример 7. В соответствии с примером 1 было изготовлено устройство в виде трубы диаметром 35 мм и длиной 300 мм со стенками толщиной 17 мм, представляющей собой пористую проницаемую металлическую мембрану, изготовленную методом порошковой металлургии из нержавеющей стали марки 4Х5МФС. Наружный слой внутренней проницаемой стенки трубы имеет размер пор 28 мкм. Размер пор мембраны равномерно уменьшался от 5 мкм у входа в форсунку до 3 мкм у ее выхода.

Через устройство пропускали абразивную пластичную массу из смеси корунда с водой. Скорость потока пластичной массы составляла 0,02 м/с. Через каналы стенки трубы подавали воздух с комнатной температурой, образующий воздушную прослойку, препятствующую непосредственному контакту абразивных частиц корунда с металлической стенкой трубы. Давление регулировали так, чтобы расход газа составлял 3-5 см³/с.

Без подачи защитного воздуха после 2 часов испытаний на поверхности пористой трубы из нержавеющей стали заметны следы абразивного износа. На образцах с защитной прослойкой воздуха после 2 часов испытаний следы абразивного износа отсутствовали.

Предлагаемое устройство может быть использовано при защите от химического взаимодействия с агрессивными и/или абразивными средами, например при перемещении агрессивных газов, расплавов, сжигании хлорсодержащих отходов, перемещении смесей газ-абразив и жидкость-абразив. Оно может быть использовано в производствах, где увеличение стоимости из-за применения такого устройства для подачи агрессивной и/или абразивной среды, обеспечивающего защиту внутренней поверхности его металлической стенки от агрессивной и/или абразивной среды, будет перекрываться выгодой от уменьшения износа рабочей поверхности стенки.

1. Устройство для подачи агрессивной и/или абразивной среды, содержащее расположенные с зазором наружную газонепроницаемую и внутреннюю металлическую газопроницаемую стенку из пористого материала, выполненную по толщине с уменьшением размера пор к поверхности, контактирующей с пропускаемой средой, а также с уменьшением по длине стенки от входа устройства к его выходу проницаемости, компенсирующей уменьшение давления агрессивной и/или абразивной среды.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно выполнено в виде трубы.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно выполнено в виде форсунки.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно предназначено для подачи агрессивной среды в виде газа или жидкости.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве абразивной среды использованы газ-абразив и/или жидкость-абразив.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что поры газопроницаемой металлической стенки предназначены для подачи газа с комнатной температурой, охлаждающего контактирующую с ним агрессивную среду и этим понижающего ее агрессивность.