熱氣霧化的製作方法
2023-05-06 05:28:21
專利名稱：熱氣霧化的製作方法
技術領域：
本發明一般涉及流體的霧化，並且特別適用於對高粘性流體，例如含有顆粒的流體的霧化。
在從石油或廢物燃燒到陶瓷粉末合成的許多工業方法中，霧化起著重要作用。大部分霧化器是三種主要類型之一，即加壓霧化器、雙流體霧化器和轉杯霧化器。加壓霧化器比較簡單和便宜，但是容易被固體堵塞，並且不能處理高粘度液體。雙流體霧化器稍微不容易堵塞，但是處理粘性流體仍然有困難，並且因為需要高壓霧化氣或蒸汽而使操作昂貴。轉杯霧化器是有效的，但其主要缺點是機械上太複雜。
即使對於那些採用慣用霧化器的應用，液滴大小分布也對工藝的經濟和效率有顯著影響。可製備的平均顆粒尺寸的限制較小，最大顆粒尺寸可以比平均顆粒尺寸大幾個量級。因此，對於例如金屬霧化這樣的工藝，即使平均顆粒尺寸屬於特定尺寸範圍之內，較大尺寸顆粒也可在所需尺寸範圍之外，因此顯著降低了該工藝的產率。此外，因為熱傳遞和燃燒反應對小顆粒而言更加有效，因此，分布中的大顆粒導致在燃燒和煅燒操作中產生大部分未燃烴類。
一個問題是在粘性流體中獲得非常小的液滴尺寸。用轉杯霧化器一般不能獲得。加壓霧化器被限制在液滴大約為小孔尺寸的兩倍，因此物理尺寸、壓差和表面張力問題使該類型通常不適用。雙流體霧化器可製備小液滴，但是只有在採用非常高壓的霧化氣和非常高的氣體流量比的條件下才行(霧化氣與被霧化液體質量的質量比)。超聲霧化器可得到小液滴，但其內部太複雜，並且十分昂貴。
另一問題是霧化器被流體中的固體顆粒所堵塞的問題。由於孔小，加壓霧化器具有嚴重的堵塞問題。許多雙流體霧化器以小通道和相應的堵塞問題為代價，達到了高性能。
因此，本發明的一個目的在於提供一種使流體霧化的改進方法。
本發明的另一目的在於提供一種使流體霧化的方法，該方法可被用於有效霧化高粘性流體。
本發明的另一目的在於提供一種使流體霧化的改進方法，以產生非常小的液滴尺寸。
本發明的另一目的在於提供一種使充滿顆粒的流體霧化而不發生堵塞的改進方法。
通過閱讀公開內容，本領域技術人員將清楚可見本發明能實現上述目的和其它目的，即一種使流體霧化的方法，包括(A)將一種氣體加熱至溫度至少為300°F，產生一種熱氣體；(B)將上述熱氣體流經一個通路，產生一種加速的熱氣流；(C)將上述加速熱氣流與所述可霧化的液流接觸；和(D)將上述加速的熱氣流的剪切力、壓力和慣性力加於可霧化流體物流，使該可霧化流體霧化。
此處所用的術語「霧化」指的是製成若干液滴的形式。
此處所用的術語「剪切力」指的是當兩種流體以不同速度行進時，一種流體加到另一種流體表面的切向力。
此處所用的術語「慣性力」指的是當一種物體或流體被其它外力加速或減速時，它所表面出的一種力。
此處所用的術語「壓力」指的是由於分子運動而在流體的某一點或某一表面所產生的法向力。
圖1是本發明操作概圖的截面示圖。
圖2-4是本發明操作的優選實施方案的截面示圖。
圖5是在實施本發明的一個實施方案中的平均直徑和熱氣溫度關係的圖解示圖。
在附圖中，共同的元件用相同的數字表示。
下面將參照附圖更加詳細地描述本發明。現在參照圖1-3，被用作霧化流體的氣體1加熱到溫度至少為300°F，優選溫度範圍為1000～3000°F，以製備一種熱氣。可通過任何一種有效方法來加熱該氣體，例如熱方法、化學方法或電方法。例如，可採用一個熱交換器、一個再生爐、一個電阻加熱器、一個等離子加熱器或電弧加熱器來加熱氣體。在圖2所描述的本發明實施方案中，熱氣是通過燃燒燃料40和氧化劑41來產生的。上述氣體可以是任何一種有效的霧化氣體，例如氮氣、氧氣、氬氣或氦氣。另外，在本發明的實踐中，氣體混合物例如空氣也可被用作霧化氣體。在圖3所描述的本發明實施方案中，氣體是通過加熱旋管45來加熱的。
霧化裝置2包括一根中心管3和由外管5所形成的環形通道4，外管5與中心管3有一定間隔並且同軸。該環形通道4形成一個盛裝並通過熱氣的室。
可霧化流體6流經中心管3，並且經中心管3的噴射通道7噴入霧化室8中。該可霧化流體可以是一種液體，或是一種液體和固體顆粒的混合物，例如一種淤漿。在本發明實踐中可採用的若干可霧化流體的實例是工業的或廢水汙泥、用於粉末製備的漿料、高粘度油和液體金屬。本發明特別適用於霧化其它難以霧化的流體，例如粘度為400釐泊或更大的高粘度流體，但是本發明可被用於有效霧化低粘性流體。
熱氣在環形通道4中與可霧化液流6同軸流動，然後通過噴嘴或受限通路9。經過噴嘴或受限通路9的熱氣通道用以加速熱氣，以製備速度大於最初速度或入口速度的加速熱氣流，該速度一般至少為300英尺每秒鐘(fps)，典型範圍為1000～6000fps。
加速的熱氣流一般在角度至多90°的條件下與可霧化液流接觸，在該過程中由加速的熱氣流以剪切力、壓力和慣性力的形式向可霧化液流傳遞能量。這些力使至少部分可霧化液流霧化，即從液流中破碎並形成液滴。在本發明實踐中，採用加速熱氣流所形成的液滴的平均直徑將取決於霧化流體的性質，但是一般大於5微米，並且典型範圍為5～18微米。
使用熱氣以若干方式改善了霧化工藝。噴嘴方程式可用於說明部分改進之處。U=2gcRToM(-1)(1-PP0)1-1]]>其中R=氣體常數To=氣體溫度P=出口壓力Po=供應壓力
M=氣體的分子量γ=比熱比Cp/Cvgc=重力常數U=氣體速度通過提高氣體溫度，採用較低供應壓力即可得到相同速度。另外，可保持供應壓力恆定，通過噴嘴來得到更高的氣體速度。氣體速度對流體霧化的影響可參見下列方程式D32=(585U)(1)0.5+1683(11)0.45(1000(L8G1))1.5]]>其中D32=沙得(Sauter)平均液滴直徑σ=表面張力μ1=液體的粘度ρ1,ρg=液體(l)和氣體(g)的密度L=液體的質量流速G=氣體的質量流速該方程式說明了在雙流體霧化器工藝中製備的沙得平均液滴直徑的相關性。該方程式用於繪製本發明的一種潛在應用的圖5，即在固定供應壓力下通過一個給定噴嘴，用加熱的氧氣來霧化一種稀水溶液。圖5標繪了在三種不同的液體與氣體比值的情況下，所得平均液滴直徑與氣體溫度的關係。圖5說明了採用加熱的氣體進行霧化的兩個重要優點。例如，如果一給定工藝的霧化質量是充分的，那麼加熱氣體則可以更少的氣體來霧化給定數量的流體。例如，如果一種工藝需要沙得平均直徑為50微米，那麼將霧化氣體從室溫加熱至大約1200°F則可使所需氣體降低至最初值的大約33％。另外，當保持給定的液體與氣體比時，加熱氣體將顯著降低液滴尺寸。此外，通過加熱氣體而增加的力，例如剪切力、壓力和動量力，可使霧化粘性極大的流體成為可能。由熱氣向被霧化流體的熱傳遞也可用於增強後霧化工藝，例如乾燥、灼燒或防止金屬固化。
圖4描述了本發明的另一實施方案，其中，通過燃燒反應來加熱氣體，當被加熱氣體是氧氣或一種含氧氣體時，該方法尤其適用，從而使相同的氣源不僅被用於形成加速熱氣流，而且被用作燃燒反應中的氧化劑。
現在參照圖4，將含氧氣體20通入燃燒室輸入線21，然後流進主燃燒室區22中。該含氧氣體可以是空氣、富氧空氣，或者是氧濃度為99.5mole％或更大的商業氧。優選含氧氣體是一種氧濃度至少為21mol％的氣體。在主燃燒室區22內，定向排列著燃料管23。燃料24被裝入燃料管23，並流經燃料管23，然後經噴嘴25噴入到主燃燒室區22中。上述燃料可以是任何一種合適的流體燃料，例如天然氣、甲烷和丙烷。在主燃燒室區22內，燃料與至少部分含氧氣體混合，並燃燒形成熱燃燒反應產物，例如二氧化碳和水蒸汽。在主燃燒室區22內的小室中所產生的燃燒反應形成了一種熱氣流26，它包含熱燃燒反應產物、任何未燃燒的燃料和任何未燃燒的含氧氣體。熱氣流26即是在本發明的實踐中所使用的熱氣。
熱氣流經被用於產生加速熱氣流的通路的噴嘴27。如圖4所示，從噴嘴通路形成的加速熱氣流，隨液流28流入霧化室29中。可霧化液流30經與霧化室29連通的流體輸入導管31進入霧化室29中。這種導管的特點是能夠霧化充滿顆粒的流體而不發生堵塞。在霧化室29內，可霧化液流30與加速熱氣流28接觸。在圖4所述的本發明實施方案中，所示接觸角大約為90°。加速熱氣流與可霧化液流的接觸，導致加速熱氣流的剪切力加至可霧化液流，從而使至少部分可霧化流體霧化，如被霧化的噴霧32所示。
現在，通過使用本發明，可更有效地霧化流體，並製備出比由慣用方法得到的平均直徑更小的霧化液滴。雖然參照某些優選實施方案對本發明進行了詳細描述，但是本領域的技術人員應認識到，在本權利要求書的要義和範圍之內，還存在本發明的其它實施方案。
權利要求
1．一種霧化流體的方法，包括(A)將一種氣體加熱至溫度至少為300°F，產生一種熱氣體；(B)將上述熱氣體流經一個通路，產生一種加速的熱氣流；(C)將上述加速熱氣流與所述可霧化的液流接觸；和(D)將上述加速的熱氣流的剪切力、壓力和慣性力加於可霧化流體物流，使該可霧化流體霧化。
2．權利要求1的方法，其中的氣體被加熱至1000～3000°F的溫度。
3．權利要求1的方法，其中的熱氣流的速度為每秒鐘1000～6000英尺。
4．權利要求1的方法，其中的加速熱氣流與可霧化流體物流的接觸角大約為90°。
5．權利要求1的方法，其中的加速熱氣流與可霧化流體物流的接觸角小於90°。
6．權利要求1的方法，其中的氣體是一種含氧氣體。
7．權利要求6的方法，其中至少部分含氧氣體與燃料一起燃燒，以產生熱氣。
8．權利要求1的方法，其中可霧化流體是一種含水流體。
9．權利要求1的方法，其中可霧化流體是一種可燃燒的流體。
10．權利要求1的方法，其中可霧化流體含有懸浮的固體顆粒。
全文摘要
一種霧化流體的方法,其中,加熱一種氣體,使之容易加速至高速度。使該加速氣體與一種流體接觸,將剪切力、壓力、慣性力和熱傳遞給該流體,使該流體有效霧化。
文檔編號F23G7/00GK1319458SQ0111190
公開日2001年10月31日 申請日期2001年3月23日 優先權日2000年3月24日
發明者J·E·安德森, L·E·波爾三世, G·W·阿諾, C·B·萊格 申請人:普萊克斯技術有限公司