Способ и устройство для примешивания разнообразных потоков в поток технологической жидкости
Настоящее изобретение относится к способу и устройству для примешивания разнообразных потоков в поток технологической жидкости. Соответствующие изобретению способ и устройство особенно предпочтительно пригодны для введения разнообразных химических реагентов в пульпу, используемую при производстве бумаги. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 6 ил.
[0001] Настоящее изобретение относится к способу и устройству для примешивания разнообразных потоков в поток технологической жидкости. Настоящее изобретение пригодно для применения в обработке технологических жидкостей во всех отраслях промышленности. В качестве особенно предпочтительного применения для способа и устройства согласно изобретению может быть упомянуто введение разнообразных химических реагентов в сырьевые материалы, компоненты сырьевых материалов и суспензии волокнистых материалов в целлюлозно-бумажной промышленности.
[0002] Далее настоящее изобретение и его предпосылки разъясняются более подробно в связи с производством бумаги. Однако это должно пониматься только как один из примеров разнообразных вариантов применения изобретения, поскольку подобные варианты применения смесителей, проблемы со смешением и желание разрешить их можно найти в самых разнообразных отраслях промышленности. В производстве бумаги, подобно многочисленным прочим отраслям промышленности, существуют потребности в примешивании вещества, далее называемого химическим реагентом в самом широком возможном смысле этого термина, в соответствии с чем термин охватывает простую воду (в более общем смысле жидкость), воздух (в более общем смысле газ или пар), а также введение некоторого другого твердого материала, не исключая разнообразных обрабатывающих химических реагентов и прочих химикатов, в поток в трубопроводе. В некоторых случаях достаточно позволить желательному количеству химического реагента втекать в поток в трубе, чтобы он смешался с текущим материалом, жидкостью или газом, вследствие турбулентности в данном потоке в трубе. Иногда же желательное количество химического реагента втекает в такое место потока по трубопроводу, где имеется создающее турбулентность механическое устройство несколько после точки добавления химического реагента, либо статическое препятствие потоку, вращающийся смеситель, или, например, центробежный насос. В некоторых случаях химический реагент вводят в относительно крупный бак, встроенный в технологический процесс, или непосредственно, или же, например, с веществом, направляемым в бак, тем самым необходимый смеситель размещен в баке.
[0003] Однако во многих случаях существует потребность в значительно более быстром и более эффективном способе смешения. Одним примером этого могло бы быть, например, примешивание очень быстро реагирующего химического реагента, такого как озон, к суспензии целлюлозных волокон. Если смешение проводить медленно, то озон имеет время для разрушения части пульпы, расположенной вплотную к отверстию для введения химического реагента, тогда как часть пульпы остается вообще необработанной, поскольку озону не остается времени на то, чтобы прореагировать с указанной частью пульпы, но вместо этого он расходуется раньше. Такой химический реагент нуждается в способе очень быстрого и полного смешения.
[0004] Разнообразные примеры известных в уровне техники смесительных устройств и способов для отраслей, не относящихся к целлюлозно-бумажной промышленности, обсуждались в следующих документах.
[0005] Патентный документ WO-А1-2009117141 обсуждает устройство, систему и способ, относящиеся к модульному устройству для обработки воды, в котором используют нагнетание побочного потока в сочетании со статическим смешением. В этих устройстве, системе и способе используют озон, с пероксидом водорода или без него, для эффективной дезинфекции и/или обеззараживания загрязнений, присутствующих в сточных водах. В соответствии с указаниями WO-документа, химический реагент, то есть либо озон, либо пероксид водорода, примешивают в смесительном модуле к воде. Затем смесь воды и химического реагента нагнетают в водную магистраль и смешивают с водой с помощью статического смесителя.
[0006] Патентный документ ЕР-А1-1254700 обсуждает промежуточное фланцевое кольцо для фланцевого соединения двух участков труб. Фланцевое кольцо включает наружное кольцо по меньшей мере с одной точкой для дозирования добавки в текучую среду, внутреннее концентрическое кольцо и ряд отверстий между каждой кольцевой камерой и полостью. Внутреннее кольцо имеет такую же ширину, как наружное кольцо, и включает одиночный кольцевой сегмент или несколько аксиально размещенных сегментов. Внутреннее кольцо и наружное кольцо формируют кольцевую камеру, в которую производится подача в некоторых или всех точках питания.
[0007] Патентный документ US-A1-20050248049 обсуждает способ генерирования пены для изготовления гипсовых продуктов. Способ включает стадию, в которой нагнетают воду через трубопровод, и впрыскивают пенообразователь через трубопровод для формирования первого раствора, включающего воду и пенообразователь. Способ включает стадию, в которой процеживают первый раствор в трубопроводе и нагнетают воздух через трубопровод для формирования второго раствора, включающего воду, пенообразователь и воздух. Способ также включает стадии, в которых процеживают второй раствор в трубопроводе с образованием пены, и направляют пену в устройство для изготовления гипсового продукта.
[0008] Патентный документ US-В1-6,764,212 обсуждает систему подачи химических реагентов, включающую, в качестве основных элементов, резервуар для хранения химического реагента, в котором жидкий химический реагент для очистки хранят в состоянии составленного из него концентрата, устройство для подачи химического реагента, соединенное с резервуаром для хранения химического реагента, для непосредственного выполнения подачи химического реагента, систему трубопроводов, соединенную с устройством для подачи химического реагента, с образованием питающего протока, который представляет собой проток для ультрачистой воды, которая должна быть смешана с жидким химическим реагентом, пару выпускных сопел, размещенных на концевых участках системы трубопроводов, чтобы подводить очищающую жидкость на противолежащие поверхности серии плоскопараллельных пластин в очистительной камере.
[0009] Еще одним примером могло бы быть, например, введение в сырьевой материал двух таких химических реагентов, которые предполагаются реагирующими друг с другом и с образованием частиц наполнителя однородной величины или формы, например микрохлопьев с волокнами или тонкодисперсного сырьевого материала. Если в таких вариантах применения используют способы медленного смешения, то очевидно, что возникают проблемы, например, такого рода:
- размер частиц варьирует в пределах широкого диапазона, поскольку в течение всего времени, пока оба химических реагента присутствуют в сырьевом материале, происходит как формирование новых частиц, так и увеличение размера старых частиц;
- это также справедливо для образования хлопьев, причем размер хлопьев варьирует в точности по той же причине;
- кроме того, когда цель состоит в соединении тонкодисперсного материала в сырьевом материале с волокнистым материалом с помощью связывающих химических реагентов, они должны быть введены в таком количестве, чтобы они обязательно присутствовали в достаточном количестве во всех местах потока сырьевого материала, несмотря на длительную продолжительность смешения.
[0010] Вышеупомянутые проблемы также обсуждаются в патентных документах EP-В1-1064427, EP-В1-1219344, FI-В-111868, FI-В-115148 и FI-В-116473 фирмы Wetend Technologies Oy, в которых в качестве технического решения для быстрого смешения представлено инжекционное смешение с использованием нагнетательной жидкости. Надлежащее размещение впрыскивающих сопел по окружности технологического трубопровода таким образом, что для трубопроводов с малым диаметром достаточно одного смесителя, в слегка более крупных трубопроводах применяют два противолежащих сопла на одной окружности, трубопроводы, слегка более крупные, чем эти, требуют трех сопел, размещенных по окружности с 120-градусными интервалами, и подобными, создает в настоящее время технологически наилучшую смесительную компоновку, например, для введения связывающих химических реагентов при производстве бумаги и соответствующего смешения.
[0011] Когда в некоторых вариантах применения возникает потребность по существу в одновременном введении нескольких химических реагентов, документ FI-B-116473 представляет нагнетательное устройство, в котором вблизи впрыскивающих сопел, обсуждаемых в вышеупомянутых патентах, непосредственно выше по потоку относительно них имеется отверстие, из которого второй химический реагент может протекать в желательном количестве в проточный/технологический трубопровод при разности давлений, как раз достаточной, чтобы указанный второй химический реагент протекал вдоль внутренней поверхности технологического трубопровода до отверстия впрыскивающего сопла, из которого высокоскоростная струя нагнетательной жидкости и второго химического реагента увлекает и также смешивает второй химический реагент с технологической жидкостью.
[0012] Однако в вышеупомянутых технических решениях, помимо всего прочего, обнаружились следующие проблемы:
- при большинстве необходимых условий смешение является не столь эффективным и быстрым, как желательно,
- одной впрыскиваемой струи недостаточно для смешения очень большого количества второго химического реагента,
- в некоторых случаях существовала необходимость в относительно длинной дистанции между точками введения двух химических реагентов, то есть порядка >2 с, для того, чтобы первый химический реагент смешался достаточно однородно со всем потоком в целом. На практике, в бумагоделательной машине с короткой циркуляцией, например, это означает расстояние свыше пяти метров между двумя смесителями.
[0013] Достойна упоминания проблема, как обособленная от предыдущих проблем, состоящая в склонности некоторых химических реагентов или продуктов их реакций осаждаться или закрепляться на поверхностях всех твердых материалов. Таким образом, в дополнение к желательному осаждению на поверхностях волокон сырьевого материала или других твердых материалов в суспензии, может происходить также осаждение или закрепление на поверхностях данного технологического трубопровода или размещенных в нем конструкций (в том числе разнообразных поверхностях смесителя). Такое осаждение или закрепление никоим образом не является желательным, так как в какой-то момент осадок или отслоение частиц/кусочков от него будет некоторым образом вредным для получения конечного продукта или даже губительным для качества конечного продукта.
[0014] Цель изобретения состоит в представлении решения по меньшей мере некоторых из вышеупомянутых проблем предшествующего уровня техники.
[0015] Одна цель изобретения заключается в создании смесительного устройства нового типа, которое действует эффективно и надежно при смешении с технологическим потоком как легко и быстро реагирующих химических реагентов, так и почти одновременно нескольких химических реагентов.
[0016] Цель изобретения также состоит в создании способа, в котором как легко и быстро реагирующий химический реагент, так и нескольких химических реагентов, могут быть примешаны в технологический поток почти одновременно эффективным и простым путем.
[0017] В соответствии с одним предпочтительным вариантом исполнения, способ согласно изобретению для введения разнообразных потоков в поток технологической жидкости включает стадии, в которых вводят первый поток нагнетанием его с помощью жидкостного носителя в технологическую жидкость, протекающую в технологическом трубопроводе, выполняют введение по существу перпендикулярно направлению течения технологической жидкости для формирования поля смешения, причем поле смешения от первого потока включает два вращающихся в противоположных направлениях завихрения в технологическом трубопроводе, и вводят второй поток по существу перпендикулярно направлению течения технологической жидкости нагнетанием его в технологическую жидкость между завихрениями для усиления поля смешения, созданного первым нагнетаемым потоком.
[0018] Устройство согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения для введения разнообразных потоков в поток технологической жидкости включает технологический трубопровод, проводящий технологическую жидкость, и по меньшей мере один инжекционный смеситель, вводящий и примешивающий первый поток в технологический трубопровод по существу перпендикулярно относительно направления течения технологической жидкости, причем смеситель присоединен к стенке технологического трубопровода, при этом по меньшей мере один инжекционный смеситель, вводящий и примешивающий второй поток по существу перпендикулярно относительно направления течения технологической жидкости, размещен на стенке технологического трубопровода по существу в той же плоскости, проходящей через ось технологического трубопровода, ниже по потоку и на расстоянии по меньшей мере от одного инжекционного смесителя, вводящего первый поток, причем инжекционные смесители, вводящие первый поток и второй поток, формируют пару инжекционных смесителей.
[0019] Другие признаки, типичные для способа и устройства согласно изобретению, станут ясными из пунктов прилагаемой формулы изобретения и нижеследующего описания, раскрывающего наиболее предпочтительные варианты осуществления изобретения, в сочетании со следующими фигурами.
[0020] В проведенных испытаниях было найдено, что преимущества, достигаемые с помощью изобретения, включают следующее:
- химический реагент примешивается достаточно равномерно для большинства целей за время менее одной секунды, иногда менее 0,1 с;
- реакция двух химических реагентов, взаимодействующих между собой, также происходит менее чем за секунду;
- гранулометрический состав кристаллов, образованных реакцией химических реагентов (таких как осажденный карбонат кальция, (PCC)), или в более общем смысле, гранулометрический состав продукта, является очень однородным, фактически более однородным, чем, например, в любом известном способе получения PCC;
- применением специального признака изобретения может быть предотвращено осаждение или закрепление химического реагента/химических реагентов и/или продуктов их реакций на поверхности технологического трубопровода, поскольку зона, где происходят осаждения, укорачивается до размера, практичного для доступного способа очистки
- устройство для эффективного и быстрого смешения согласно изобретению предоставляет возможность применения или разработки более агрессивных химических реагентов и добавок.
[0021] Далее способ, устройство и его действие согласно изобретению описаны более подробно с привлечением сопроводительных схематических фигур, на которых
Фиг. 1а и 1b схематически показывают местоположение и действие прототипного инжекционного подающего устройства,
Фиг. 2а и 2b схематически показывают конструкцию и действие инжекционного смесительного устройства для введения химических реагентов согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения,
Фиг. 3 схематически показывает еще один дополнительный предпочтительный вариант осуществления изобретения, и
Фиг. 4 схематически показывает еще один предпочтительный дополнительный вариант осуществления изобретения.
[0022] Исходным пунктом для изобретения является технологический трубопровод в процессе промышленного производства, трубопровод, подводящий технологическую жидкость в технологическую стадию, включающую получение конечного продукта, или, например, подводящий технологическую жидкость в резервуар для транспортирования на дальнейшую очистку или для конечного использования. Технологическая жидкость может содержать один или более жидких и/или газообразных компонентов, и она также может содержать твердые вещества одного типа или многих типов. Один пример последней альтернативы включает суспензию волокнистого материала в целлюлозно-бумажной промышленности, то есть сырьевой материал, состоящий по меньшей мере из воды, волокон, тонкодисперсных частиц и частиц наполнителя. Далее изобретение представлено более подробно со ссылкой на один пример целлюлозно-бумажной промышленности путем сравнения настоящего изобретения с известным из уровня техники применением инжекционного смесительного устройства для получения осажденного карбоната кальция (PCC).
[0023] Успешное применение инжекционного смесителя, например, в поточном производстве PCC в бумагоделательной промышленности обсуждалось в патентной заявке WO-А2-2009103854. Этот документ раскрывает, как введение химических реагентов проводили с размещением инжекционных смесителей, используемых для введения диоксида углерода и известкового молока, таким образом, что расстояние, заданное для смешения в связи с потоком по трубопроводу, составляет от 5 до 15 м, что соответствует от около 1 до 5 с по времени, в расчете на скорость течения от около 3 до 5 м/с в трубопроводе, ведущем в напорный ящик. Способ, представленный в этой патентной заявке, уже обеспечивает исключительно хорошее качество и однородное распределение PCC по сравнению с прототипом, хотя еще возможны усовершенствования как времени реакции, так и расстояния, а также качества PCC.
[0024] Понятно, что размещение реактора, имеющего длину от 5 до 25 м, в технологическом трубопроводе, будь то в бумагоделательной промышленности или в любой другой промышленности, может быть проблематичным. Проблема с получением конкретно PCC, а также многих других продуктов, состоит в том, что введенный по меньшей мере один химический реагент или продукт или продукты его реакции склонны осаждаться на поверхности технологического трубопровода, или на поверхности одной или более конструкций в технологическом трубопроводе или присоединенных к нему. Если бы было желательным предотвращение этого применением специального очищающего устройства, то длина очищающего устройства должна была бы растянуться по всей длине смесительной/реакционной зоны, в соответствии с чем очевидно, что размещение очищающего устройства с длиной в десять метров будет создавать проблемы и к тому же не является недорогим в плане капиталовложений.
[0025] В такой мере, насколько это касается качества PCC, его поточное получение требует введения и примешивания диоксида углерода (СО2) и известкового молока (Са(ОН)2) в сырьевой материал, или в компонент сырьевого материала, или в частичный поток, используемые в производстве бумаги, протекающие в сторону напорного ящика бумагоделательной машины. Когда PCC используют в качестве наполнителя в производстве бумаги, то для качества бумаги, как было указано выше, является существенным, чтобы кристаллы PCC были настолько однородными по размеру и форме, насколько возможно. Из предшествующего опыта известно, что разброс значений размера кристаллов PCC почти полностью зависит от того, как долго продолжается реакция кристаллизации PCC. Другими словами, чем длительнее время, затрачиваемое на кристаллизацию, тем сильнее разброс значений размера сформированных кристаллов. Причина этого состоит просто в том, что непрерывно образуются новые кристаллы в то время, как кристаллизация продолжается на поверхности ранее сформированных кристаллов.
[0026] Таким образом, очевидно, что в получении PCC было бы полезным попытаться достигнуть настолько короткой продолжительности реакции кристаллизации, насколько возможно. В то время как сама кристаллизация как химическая реакция имеет очень короткую продолжительность, решающее значение должны иметь некоторые другие факторы, когда обсуждается общая продолжительность реакции кристаллизации в целом. Единственным обстоятельством, оказывающим влияние на общую продолжительность кристаллизации, в дополнение к времени химической реакции, является массоперенос, то есть как карбонат-ионы (СО3 2-) и ионы кальция (Са2+) находят друг друга. Согласно испытаниям, проведенным авторами настоящего изобретения, факторы, влияющие на это время, фактически представляют собой только размер пузырьков диоксида углерода, размер частиц известкового молока и интенсивность перемешивания. Те же испытания показали, что, например, желательное количество кристаллов, то есть количество используемых химических реагентов (реальное количество в контексте получения наполнителя для производства бумаги) не оказывает существенного влияния на продолжительность реакции, в такой мере, насколько смешение может быть выполнено настолько равномерным, насколько возможно, и размер пузырьков и частиц является очень малым. Причина этого состоит в том, что, если количество вводимых химических реагентов является стехиометрическим относительно друг друга, то химические реагенты взаимодействуют между собой без значительной задержки, необходимой для массопереноса, в такой мере, насколько смешение является быстрым и равномерным.
[0027] Таким образом, цель испытаний, выполненных авторами настоящего изобретения, состояла в наблюдении, при получении PCC в качестве примера, насколько быстрым может быть сделано протекание смешения с использованием инжекционных смесителей, и какими средствами. Естественно, в такой ситуации исходным пунктом должно быть обстоятельное исследование действия инжекционного смесителя, с особым вниманием на выяснение того, может ли инжекционное смешение быть каким-то образом усовершенствовано.
[0028] Фиг. 1а представляет схематическую иллюстрацию известного из уровня техники инжекционного смесителя 10 и поля течения, которое он формирует в технологическом трубопроводе 20, подводящем технологическую жидкость, как сечение в продольном направлении технологического трубопровода 20. Фиг. 1b, с другой стороны, показывает поле течения, сформированное смесителем из фиг. 1а в трубопроводе, в такой точке поперечного сечения трубопровода, в которой струя химического реагента, выводимая из инжекционного смесителя, должна рассматриваться как достигшая максимального проникновения в технологический трубопровод. Как показывает практика, от этой точки дальнейшее смешение происходит только благодаря естественной турбулентности потока. Данные фигуры показывают, что при введении химического реагента в соответствии с известным из уровня техники способом, нагнетанием по существу перпендикулярно в отношении направления течения технологической жидкости (под прямым углом к технологической жидкости +/-30 градусов), и с высокой скоростью впрыскивания (от 3 до 12 раз большей) сравнительно со скоростью течения технологической жидкости в технологическом трубопроводе 20, когда он выходит из сопла инжекционного смесителя 10, струя сохраняет свои форму и направление на определенной дистанции вследствие высокой кинетической энергии струи. На фиг. 1а и 1b это соответствует протяженности струи примерно от трети до четверти ее максимального распространения. После этого струя сначала начинает изгибаться по направлению течения (направо на фиг. 1а), после чего она начинает расширяться по сторонам (как можно видеть из фиг. 1b). Расширение по сторонам происходит так, что на краевых областях струи скорость струи снижается быстрее, чем в середине струи, вследствие как скорости перемещения технологической жидкости, протекающей по трубопроводу, так и сдвиговых нагрузок между струей и технологической жидкостью. Такой более медленный слой струи постепенно увлекается потоком в трубопроводе (в продольном направлении трубопровода), и формируются два завихрения, производящих смешение спирально в противоположных направлениях, причем завихрения способны увлекать технологическую жидкость, протекающую по трубопроводу, и любые твердые вещества или химические реагенты, движущиеся вместе с ней. Вся струя в целом постепенно разделяется на эти два завихрения, склонных по существу распределиться по всему поперечному сечению трубопровода (на самом деле количество смесителей, необходимых для этого, зависит от диаметра трубопровода) благодаря воздействию завихрений, пока их кинетическая энергия уже не будет достаточной для контроля потока в трубопроводе и для противодействия неконтролируемой турбулентности, в основном имеющей место в потоке по трубопроводу. Вертикальная линия М на фиг. 1а показывает точку поля течения, где формируются вращающиеся в противоположных направлениях спирали, то есть точку, где эти части струи, которые начали вращаться первыми, движутся по траектории возвращения к стороне смесителя на технологическом трубопроводе. На практике это означает, что впрыснутая смесь химического реагента и нагнетательной жидкости проявляет тенденцию подходить к стороне стенки трубопровода, от которой она была только что выведена. Когда она перемещается дальше вправо от линии М, два противоположно вращающихся завихрения ослабевают, то есть завихрения явным образом становятся более единообразными, и они исчезают в общей неконтролируемой турбулентности потока в трубопроводе. Когда вышеупомянутое точное действие инжекционного смесителя сравнивали с конструкцией смесителя, описанного в вышеупомянутой WO-заявке, обсуждающей получение PCC, было отмечено, что определенный тип эффективного смешения и расширения поля течения (показанного на фиг. 1b), сформированный каждым инжекционным смесителем в потоке, в компоновке согласно WO-заявке имел время для значительного ослабления перед вторым смесителем, размещенным в более отдаленной точке технологического трубопровода ниже по потоку.
[0029] Когда это поведение поля течения после одного впрыскивающего сопла было детально разъяснено, и наблюдалось ослабление поля течения перед введением второго химического реагента, был сделан вывод, что смешение должно быть очень интенсивным в области, где струя, выходящая из инжекционного смесителя, проявляет тенденцию к расширению по существу на все поперечное сечение технологического трубопровода. Это стало стимулом для выяснения, как можно ввести больше энергии в поле течения одного инжекционного смесителя, чтобы по меньшей мере поддерживать завихрение достаточно сильным для хорошего перемешивания, или даже для повышения его интенсивности. Тенденция вращающихся в противоположных направлениях завихрений к расширению так, чтобы охватывать весь диаметр трубопровода, несмотря на тот факт, что единичная струя не распространяется до противолежащей стороны трубопровода, была обоснованием для поиска способа повысить интенсивность. Решение этого состояло в попытке размещения второго впрыскивающего сопла настолько близко к первому соплу, чтобы поле течения, сформированное первым соплом, все еще не ослабевало бы слишком сильно.
[0030] Следующий пример, показанный в связи с фиг. 2а и 2b, обсуждает поточное получение PCC с использованием решения, вкратце описанного выше. Другими словами, было испытано решение, показанное на фиг. 2а, в котором впрыскивающие сопла размещены последовательно очень близко друг к другу в технологическом трубопроводе, а не рядом друг с другом в окружном направлении, как было предложено в некоторых обстоятельствах. Впрыскивающие сопла, размещенные рядом друг с другом по окружности технологического трубопровода, были предложены для повышения эффективности смешения, но в испытаниях авторов настоящего изобретения, показывающих действие поля течения, можно было наблюдать, что на самом деле это не происходит, если только не применять очень мощное впрыскивание, тем самым также с потреблением гораздо более высокой мощности нагнетания, что тем самым создает очень интенсивное неконтролируемое хаотическое перемешивание. Новая испытательная компоновка была результатом исследования, например, в технологическом трубопроводе поля течения химического реагента, впрыснутого в поток, как показано на фиг. 1а.
[0031] Фиг. 2а схематически показывает устройство согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения для введения разнообразных потоков в поток технологической жидкости, и фиг. 2b показывает поле течения, сформированное с помощью устройства. Ссылочной позицией 20 показан технологический трубопровод, в котором технологическая жидкость, в этом примере сырьевой материал, протекает направо в сторону напорного ящика бумагоделательной машины. Инжекционный смеситель 12 закреплен на стенке указанного технологического трубопровода 20, причем смеситель используют для введения, например, диоксида углерода в сырьевой материал при получении PCC. Второй инжекционный смеситель 14 размещен на очень коротком расстоянии от первого смесителя 12, на стенке технологического трубопровода 20, с помощью которого в сырьевой материал вводят известковое молоко. Нагнетание согласно изобретению проводят с использованием специальной нагнетательной жидкости, как это типично для смесителей TrumpJet фирмы Wetend Technologies Oy, поскольку с помощью нагнетательной жидкости для химических реагентов, в этом примере СО2 и известкового молока, водная суспензия порошкообразного Са(ОН)2 может быть эффективно, быстро и равномерно примешана в сырьевой материал. В дополнение к применению сырьевого материала, уже протекающего в трубопроводе 20, отбором побочного потока и нагнетанием его в инжекционный смеситель в качестве нагнетательной жидкости, может быть использован фильтрат из бумагоделательной машины или еще одного места в процессе, или компонента сырьевого материала или наполнителя для производства бумаги, просто для упоминания некоторых альтернативных вариантов. Кроме того, характерным признаком нагнетания согласно изобретению является то, что, когда химический реагент и часть нагнетательной жидкости склонны непосредственно реагировать, является предпочтительным, чтобы введение и примешивание химического реагента производились посредством нагнетательной жидкости так, чтобы химический реагент приходил в контакт с нагнетательной жидкостью по существу одновременно с впрыскиванием их комбинации в технологическую жидкость. Также является существенным, что впрыскивание происходит по существу перпендикулярно направлению течения технологической жидкости. Термин «по существу перпендикулярное направление» означает здесь направление под прямым углом или отклоняющееся не более чем на 30 градусов от него относительно направления течения технологической жидкости. При желании возможно, что количество химических реагентов составляет только долю количества нагнетательной жидкости, поскольку при использовании относительно малых количеств нагнетательной жидкости обеспечивается глубокое проникновение в технологическую жидкость и равномерное смешение с нею даже очень малого количества химического реагента.
[0032] В своих испытаниях авторы настоящего изобретения выяснили, что наилучшее местоположение для второго сопла 14 было, во-первых, по существу в той же плоскости, проходящей вдоль оси трубопровода 14, в которой размещено первое сопло 12, поскольку в этом случае струя из второго сопла 14 может быть сделана попадающей непосредственно между двумя вращающимися в противоположных направлениях завихрениями, образованными предшествующим соплом 12, благодаря чему последующая струя наиболее эффективно усиливает завихрения, сформированные первым соплом, внося больше энергии в них и тем самым способствуя такому расширению завихрений по ширине поперечного сечения, насколько возможно. Другими словами, впрыскивающие сопла размещены по существу последовательно на стенке технологического трубопровода. В этом случае термин «по существу последовательно» означает, в дополнение к положению в точности один после другого, также размещение с отклонением не более чем на 20 градусов в обе стороны от этого местоположения. Другими словами, смесители образуют пару смесителей так, что инжекционный смеситель 14 каждой пары смесителей, вводящий второй поток, размещен в месте, положение которого на окружности технологического трубопровода 20 отклоняется не более чем на 20 градусов, более предпочтительно 10 градусов (измеренных по направлению окружности трубопровода) от плоскости, проходящей вдоль оси трубопровода, в которой размещен первый смеситель 12. Таким образом, второй инжекционный смеситель 14 в известном смысле расположен в 40-градусном секторе (показанном как сектор А на фиг. 2b), предпочтительно 20-градусном, в продольном направлении технологического трубопровода 20, причем на диаметре сектора расположен первый смеситель 12. Во-вторых, было сделано наблюдение, что второе сопло 14 должно быть размещено либо вблизи линии М на фиг. 1а, либо по возможности ближе в ней. Другими словами, второе сопло 14 должно быть размещено либо там, где струя химического реагента, вводимая первым соплом, имела время для формирования двух противоположно вращающихся завихрений, либо по возможности ближе к этому месту. Таким образом, можно обеспечить то, что струя из второго сопла 14 усиливает струю из первого сопла 12, и кинетическая энергия струи из второго сопла 14 не теряется на повторное ускорение уже ослабленных завихрений, образованных первым соплом. Тогда, если второй инжекционный смеситель не совпадает с определенным выше угловым положением после первого смесителя, его струя попадает сбоку и отчасти противодействует завихрению, сформированному первой струей, приводя к неконтролируемому полю течения, ухудшающему результат смешения по меньшей мере на порядок.
[0033] На основе своих испытаний авторы настоящего изобретения нашли, что расстояние в 0,2 м является наиболее предпочтительной дистанцией между вводящими соплами для поточного получения PCC, то есть, когда скорость течения составляет величину порядка 3 м/с, время между точками введения составляет 0,67 с. Скорости струй из химического реагента и нагнетательной жидкости, испускаемых из сопел 12 и 14, на величину примерно от 3 до 12 раз превышают скорость сырьевого материала, протекающего в трубопроводе. При сравнении полей течения на фиг. 1b и 2b можно видеть, что усиление завихрений, обусловленное вторым соплом 14, повышает скорость смешения химических реагентов по всей площади поперечного сечения трубопровода так, что уже примерно через 0,15 с от введения первого химического реагента оба химических реагента распределены по существу по всему поперечному сечению трубопровода. В своих испытаниях авторы настоящего изобретения отметили, что, в зависимости от степени вязкости технологической жидкости, продольное расстояние по технологическому трубопроводу между смесителями не должно по существу превышать двух метров, поскольку тогда завихрения от первой струи слишком сильно ослабевают. Таким образом, расстояние между впрыскивающими соплами в продольном направлении технологического трубопровода должно быть от 0,05 до 2 м, предпочтительно от 0,05 до 1 м.
[0034] В реальных процессах промышленного масштаба не всегда возможно вводить один химический реагент с помощью одного инжекционного смесителя/пары смесителей, главным образом, вследствие диаметра трубопровода. В этом случае имеется ряд инжекционных смесителей/пар смесителей, размещенных на одной и той же окружности технологического трубопровода. При использовании инжекционных смесителей стандартного размера, изготовленных фирмой Wetend Technologies Oy для малых трубопроводов, возможно применение только одного сопла, тогда как при трубопроводах с самыми большими диаметрами требуются от 4 до 6 смесителей на одной и той же окружности трубопровода для достаточного покрытия поперечного сечения трубопровода. Таким образом, очевидно, что наилучший результат смешения при примешивании двух химических реагентов достигается, когда второй химический реагент также вводят из такого же числа инжекционных смесителей, как первый химический реагент, и сформированные таким образом пары смесителей размещены по существу в одних и тех же продольных диаметральных плоскостях, которые равномерно распределены по окружности технологического трубопровода. Также явно является предпочтительным иметь смесители, вводящие первый химический реагент, по существу на одной и той же окружности технологического трубопровода, и смесители, вводящие второй химический реагент, на другой окружности.
[0035] Решение, заслуживающее упоминания как специальный вариант применения соответствующего изобретению решения, представляет собой ситуацию, в которой примешивают не два отдельных химических реагента, но вместо этого только один химический реагент, который может быть введен либо из обоих инжекционных смесителей, либо только из первого инжекционного смесителя, в соответствии с чем второй инжекционный смеситель впрыскивал бы только струю нагнетательной жидкости для усиления смешения с потоком технологической жидкости.
[0036] Вышеупомянутое изобретение позволяет применять более агрессивные и эффективные химические реагенты, так как смешение происходит явно быстрее и более равномерно, чем ранее. Однако одновременно данные химический реагент или химические реагенты, и продукты их реакций могут проявлять тенденцию к закреплению на стенках реактора или на других конструкциях в зоне реактора. Таким образом, чтобы обеспечить эффективную работу реактора, следует предусмотреть средство для поддержания чистоты поверхностей реактора и конструкций в зоне реактора.
[0037] В вышеизложенном, когда обсуждались проблемы, стимулировавшие разработку изобретения, было упомянуто очищающее устройство, используемое в связи с примешиванием химических реагентов, проявляющих склонность к осаждению или закреплению. Фиг. 3 относительно схематически показывает устройство для введения согласно предпочтительному дополнительному варианту осуществления изобретения, и устройство 30 для очистки трубопровода. Фактически, фиг. 3 показывает реактор, включающий прямолинейный цилиндрический технологический трубопровод 20, ограниченный фланцами 32, стенкой 34 реактора, оснащенной двумя соплами 12 и 14 для введения химических реагентов, размещенных близко друг к другу, как уже было описано в обсужденном выше варианте исполнения. Электропроводный стержневидный электрод 36 присоединен по существу по центру, то есть по существу по оси технологического трубопровода, к внутренности технологического трубопровода 20 с помощью кронштейнов 38, причем стержень 36 в этом варианте исполнения электрически соединен с помощью одного кронштейна 38' с управляющим устройством 40. Стержневидный электрод 36 должен быть электрически изолирован от технологического трубопровода 20, если технологический трубопровод 20 сделан из металла, что имеет место в большинстве случаев. Эта изоляция может быть обеспечена, например, созданием кронштейнов 38 для крепления стержня 36 главным образом из неэлектропроводного материала, или изготовлением стержня 36 из неэлектропроводного материала и покрытием его электропроводным материалом. Второй электрод 42 размещен внутри технологического трубопровода 20 так, что между внутренней поверхностью технологического трубопровода 20 и стержневидным электродом 36, размещенным в середине трубопровода, может быть создана желательная разность напряжений. Естественно, второй электрод, подобно первому электроду, электрически соединен с управляющим устройством 40. Наиболее простым и также самым обычным путем является наличие технологического трубопровода, выполненного из металла, благодаря чему он может действовать как электрод во всей своей полноте, и отдельный электрод не требуется. Когда технологический трубопровод выполнен из непроводящего материала, то могут присутствовать несколько вторых электродов, предпочтительно равномерно распределенных как по окружному направлению технологического трубопровода, так и в продольном направлении реактора. Еще один альтернативный вариант состоит в нанесении на внутреннюю сторону технологического трубопровода покрытия из электропроводного материала, благодаря чему указанное покрытие действует как электрод.
[0038] Третий компонент, соединенный с управляющим устройством 40, представляет собой измерительный датчик 44 некоторого вида, с помощью которого можно отслеживать эффективность смешения и/или развитие реакций в реакторе. Указанный датчик 44 может быть основан, например, на томографии, но он также может измерять значение рН или удельную проводимость технологической жидкости.
[0039] Согласно изобретению, реактор предпочтительно может быть, но не обязательно, сконструирован так, что все магистрали, трубопроводы, насосы и очищающие средства, необходимые для инжекционного смешения, размещены внутри трубопровода, в пределах длины, определенной фланцами 32, благодаря чему монтаж реактора в трубопроводе является максимально простым.
[0040] Устройство для очистки стенки реактора, показанное в фиг. 3, работает при получении PCC так, что напряжение постоянного тока направляется через управляющее устройство на упомянутый электрод и электрод, размещенный в соединении со стенкой реактора, так, что стержневидный электрод действует как катод, и стенка реактора действует как анод. Когда стенка технологического трубопровода является анодом, величина рН жидкости, соседней со стенкой, падает до значения от 2 до 3, что препятствует закреплению карбоната кальция на стенке. Однако карбонат кальция проявляет склонность к осаждению/закреплению на поверхности стержневидного электрода, когда величина рН является высокой вблизи указанной поверхности. Недостатки, обусловленные осаждением, легко устраняются программированием управляющего устройства на изменение полярности устройства, благодаря чему карбонат быстро растворяется в закисленной жидкости, образовавшейся вблизи электрода, который теперь действует как анод. Управляющее устройство может быть запрограммировано на изменение полярности либо через определенные интервалы времени, либо на срабатывание от контрольного импульса, полученного из процесса. Например, это можно отслеживать по изменению напряжения между катодом и анодом, соответственно чему определенное повышение напряжения на практике означает слой осадка определенной глубины. Таким образом, управляющее устройство может быть откалибровано на изменение полярности устройства при определенной разности потенциалов. Соответственно этому, когда разность потенциалов снизилась до начального уровня, управляющее устройство возвращает полярность обратно в исходное состояние.
[0041] Хотя стержневидный электрод был описан выше, на фиг. 3, как смонтированный по существу в центре технологического трубопровода/реактора, в некоторых случаях возможно размещение его также в наклонном положении относительно оси реактора. Такое решение в особенности возможно, когда реактор/проточный трубопровод выполнен как колено трубопровода, в котором, однако, протекает реакция. В этом случае можно разместить проходящие по центру стержневидные электроды в прямолинейных участках проточного трубопровода на обеих сторонах колена трубы с по-прежнему прямолинейным стержневидным электродом между ними в колене трубы, которое, конечно, предпочтительно смонтировано так, что его действие на очистку области колена трубы является лучше всего возможным. В частности, при широких проточных трубопроводах может быть необходимым применение нескольких параллельных стержневидных электродов. Так, можно обеспечить то, что значение рН жидкости вблизи поверхности для поддержания ее чистой находится в желательном диапазоне. Кроме того, в связи со стержневидным электродом следует упомянуть, что, когда продукт реакции или соединение со склонностью к осаждению или закреплению образуется либо только от химических реагентов, введенных из инжекционных смесителей, либо из совместного действия их обоих, стержневидный электрод может быть размещен так, что его первый конец находится вровень со вторым инжекционным смесителем 14. Тогда первый конец его предпочтительно доходит по направлению течения технологической жидкости вплоть до точки, где все химические реагенты оказываются израсходованными. Естественно, когда первый инжекционный смеситель используют для введения химического реагента, который сам по себе имеет склонность к осаждению или закреплению на стенке технологического трубопровода или тому подобном, стержневидный электрод должен быть позиционирован начинающимся на уровне первого инжекционного смесителя.
[0042] Фиг. 4 показывает очень схематично, в качестве еще одного предпочтительного дополнительного варианта осуществления настоящего изобретения, еще один путь проведения реакции кристаллизации карбоната кальция в производстве бумаги так, что карбонату не дают возможности присоединяться к любым поверхностям, расположенным в зоне реакции. Этот другой способ состоит в размещении постоянного магнита или электромагнита 50 вокруг проточного трубопровода 20. Такие устройства раскрыты, например, в патентах US 5,725,778 и 5,738,766. Постоянный магнит формирует магнитное поле, направление и напряженность которого являются постоянными. Можно разместить электромагнит 50 в соединении с проточным трубопроводом, например, путем обматывания электрическим проводником 52 вокруг проточного трубопровода 20 и направлением электрического тока в сформированную таким образом катушку. Изменением амплитуды, направления и/или частоты электрического тока с помощью управляющего устройства 54 могут быть желательным образом изменены направление и напряженность образованного магнитного поля. Дополнительно возможно направлять электрический ток в катушку электромагнита 50 в виде волн различной формы. Однако независимо от того, создается ли магнитное поле с помощью постоянного магнита или электромагнита, принцип действия всегда одинаков. Внутри проточного трубопровода магнитом индуцируется электрическое поле. Чтобы иметь возможность использовать электрическое поле, протекающая по трубопроводу суспензия должна содержать ионы, в этом случае - ионы кальция и их противоионы (карбонат-ионы или гидрокарбонат-ионы). Электрическое поле в зоне его действия заставляет ионы двигаться по направлению, обусловленному их собственным зарядом, относительно электрического поля. Всего лишь присутствие электрического поля на ограниченной длине проточного трубопровода и, в особенности, изменения в направлении электрического поля, поворачивают ионы, движущиеся с потоком, так как они склонны направляться сообразно изменениям электрического поля, и в конечном итоге приводит к размыканию ионных связей, и ионы свободно реагируют между собой с образованием кристаллов карбоната кальция. Другими словами, электрическое поле, и в особенности изменения его направленности, ускоряют совместные химические реакции ионов, поскольку непрерывное изменение направления движения ионов содействует их равномерному смешению в суспензии. Дополнительно, образованные кристаллы карбоната кальция находятся непосредственно в такой фазе, что они не могут присоединяться к поверхностям проточного трубопровода и образовывать осадки, или, если они образовали осадки, то они являются настолько рыхлыми, что они немедленно уносятся потоком с надлежащей скоростью течения. Что же касается местоположения рассматриваемого электромагнита, то по-прежнему применимы правила размещения, определенные выше в связи с правилами для электродов.
[0043] Еще один дополнительный применимый способ предотвратить формирование осадков внутри реактора состоит в применении изолированного электрода, предпочтительно размещенного по центру внутри реактора, причем электрод электрически соединен только с источником тока/управляющим устройством. Еще один электрод, например, поверхность реактора, либо изолирован от жидкости, либо находится в электрическом соединении с жидкостью. В обоих случаях образуются несколько емкостных слоев, соединенных последовательно, через которые передаются электростатический потенциал и интенсивность поля. Другими словами, в этом случае также электрическое поле, индуцированное в жидкостной фазе, вызывает желательные изменения в частицах, обычно проявляющих склонность к осаждению. Этот способ обсуждается, например, в патентном документе US 5,591,317.
[0044] Четвертый путь управления реакциями кристаллизации химических реагентов в технологическом потоке таким образом, что осадки не могут закрепляться на любых поверхностях, расположенных в реакционной зоне, состоит, как было упомянуто в связи с опорными кронштейнами стержневидного электрода, в изготовлении всех таких компонентов, то есть как проточного трубопровода, так и конструкций, размещенных внутри него в реакционной зоне, из таких материалов, которые не сцепляются с указанными осадками. В качестве примера материалов, применимых в ряде ситуаций, может быть упомянут полиамид. В качестве поверхностных или покровных материалов могут быть использованы полиэтиленовая (PE) смола, полиуретан, тефлон (Teflon®) и эпоксидная смола. Кроме того, в этом варианте применения может быть также использована топография поверхности, предпочтительно так называемая наноповерхность.
[0045] Следует отметить, что выше представлены только некоторые из наиболее предпочтительных вариантов осуществления. Таким образом, очевидно, что изобретение не ограничивается вышеупомянутыми вариантами осуществления, но оно может быть применено многими путями в пределах области, определенной пунктами прилагаемой формулы изобретения. Тем самым очевидно, что описание, сосредоточенное на получении PCC, должно пониматься только как хороший пример применимости изобретения для эффективного смешения химических реагентов, поскольку смешение компонентных материалов для PCC и их непосредственная реакция между собой дают ясную картину огромных преимуществ соответствующего изобретению способа по сравнению с решениями предшествующего уровня техники. Кроме того, следует рассматривать альтернативный вариант подачи, в дополнение к введению одного химического реагента через единичный инжекционный смеситель, где могут быть введены два химических реагента или смеси химических реагентов. Подобным образом, в дополнение к одному химическому реагенту из одного или обоих сопел, одна пара инжекционных смесителей может быть использована для введения также нескольких химических реагентов либо из одного смесителя, либо из обоих смесителей. Кроме того, разумеется, можно последовательно соединить более чем два смесителя, как описано выше для изобретения. Признаки, раскрытые в связи с разнообразными вариантами исполнения, также могут быть использованы в связи с другими вариантами исполнения в пределах области изобретения, и/или из раскрытых признаков могут быть скомбинированы различные сочетания, насколько это может быть желательным и насколько это является технически осуществимым.
1. Способ введения разнообразных потоков в поток технологической жидкости, причем способ включает стадии, в которых
a. вводят первый поток нагнетанием его с помощью введения жидкостного носителя в технологическую жидкость, проходящую в технологическом трубопроводе (20),
b. осуществляют нагнетание по существу перпендикулярно направлению потока технологической жидкости для формирования поля смешения,
c. вводят второй поток по существу перпендикулярно направлению потока технологической жидкости,
отличающийся тем, что включает стадии, на которых
d) формируют поле смешения первого потока в два вращающихся в противоположных направлениях завихрения в технологическом трубопроводе (20), и
e) нагнетают второй поток в технологическую жидкость между завихрениями для усиления поля смешения, созданного первым нагнетаемым потоком.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагнетание осуществляют с помощью введения жидкостного носителя с использованием по меньшей мере одного инжекционного смесителя (12, 14) для каждого потока.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что формируют одну или более пар инжекционных смесителей (12, 14), используемых для введения первого и второго потоков, причем каждую из указанных пар смесителей (12, 14) размещают в ее собственной плоскости, проходящей по существу вдоль оси технологического трубопровода (20).
4. Способ по п.3, отличающийся тем, что пару инжекционных смесителей составляют из предшествующего смесителя (12) и последующего смесителя (14), причем последующий смеситель (14) позиционируют в воображаемом секторе A на оси технологического трубопровода (20), угол которого составляет не более 40 градусов, и в плоскости, разделяющей угол пополам, размещают предшествующий смеситель (12).
5. Способ по п.4, отличающийся тем, что, когда присутствует более чем одна пара смесителей (12, 14), пары смесителей (12, 14) распределяют по существу равномерно по окружности технологического трубопровода (20).
6. Способ по п.1, отличающийся тем, что предотвращают осаждение или закрепление по меньшей мере одного химического реагента или продуктов реакций указанного по меньшей мере одного химического реагента, введенного с потоками, на поверхности технологического трубопровода (20) или расположенных в нем конструкций, путем размещения электрического очищающего устройства (30) внутри технологического трубопровода (20).
7. Способ по п.6, отличающийся тем, что формируют электрическое поле, создающее слой, имеющий значение pH, неблагоприятное для образования осадков, внутри технологического трубопровода (20) с помощью очищающего устройства (30).
8. Способ по п.4, отличающийся тем, что позиционируют предшествующий смеситель (12) и последующий смеситель (14) на расстоянии друг от друга так, что данное расстояние соответствует менее чем второй, вычисленной с помощью скорости потока технологической жидкости.
9. Устройство для введения разнообразных потоков в поток технологической жидкости, при этом устройство включает технологический трубопровод (20), проводящий технологическую жидкость, по меньшей мере один инжекционный смеситель (12), вводящий и примешивающий первый поток в технологический трубопровод (20) по существу перпендикулярно относительно направления потока технологической жидкости, причем указанный по меньшей мере один инжекционный смеситель присоединен к стенке технологического трубопровода (20), и по меньшей мере еще один инжекционный смеситель (14), вводящий и примешивающий второй поток, по существу перпендикулярно относительно направления потока технологической жидкости, причем указанный по меньшей мере еще один инжекционный смеситель расположен на стенке технологического трубопровода (20), отличающееся тем, что указанный по меньшей мере еще один инжекционный смеситель расположен по существу в той же плоскости, проходящей через ось технологического трубопровода, ниже по потоку и на расстоянии указанного по меньшей мере одного инжекционного смесителя (12), вводящего первый поток, так что нагнетание второго потока в поток технологической жидкости увеличивает поле смешения, созданное первым инжекционным потоком, причем инжекционные смесители (12, 14), вводящие первый поток и второй потоки, формируют пару инжекционных смесителей.
10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что, когда присутствует более чем одна пара смесителей (12, 14), пары смесителей (12, 14) распределены по существу равномерно по окружности технологического трубопровода (20).
11. Устройство по п.9, отличающееся тем, что инжекционный смеситель (14) пары инжекционных смесителей (12, 14), вводящий второй поток, расположен в месте, положение которого по окружности технологического трубопровода (20) отклоняется не более чем на 20 градусов от линии, параллельной оси технологического трубопровода, проходящей через инжекционный смеситель (12), вводящий первый поток.
12. Устройство по п.9, отличающееся тем, что пара инжекционных смесителей сформирована из предшествующего смесителя (12) и последующего смесителя (14), причем последующий смеситель (14) пары инжекционных смесителей (12, 14) позиционирован в воображаемом секторе A на оси технологического трубопровода (20), угол которого составляет не более 40 градусов, и в плоскости, разделяющей угол пополам, размещен предшествующий смеситель (12) из пары.
13. Устройство по любому из пп.9-12, отличающееся тем, что расстояние между смесителями пары смесителей составляет от 0,05 до 2 м.
14. Устройство по п.9, отличающееся тем, что внутри технологического трубопровода (20) размещено устройство (30) для очистки технологического трубопровода.
15. Устройство по п.14, отличающееся тем, что очищающее устройство (30) включает стержневидный электрод (36), размещенный по существу по центру внутри технологического трубопровода (20), по меньшей мере один электрод (42), размещенный на поверхности технологического трубопровода, и систему (40) управления, включающую источник напряжения.
16. Устройство по п.14, отличающееся тем, что очищающее устройство (30) дополнительно включает измерительный датчик (44) для отслеживания развития реакции в технологическом трубопроводе.
