專利名稱：噴霧裝置和用于流化床?；姆椒?br> 技術領域：
本發(fā)明涉及一種在高生產量流化床?；惺褂玫膰婌F裝置和在流化床中從液體材料制備固體顆粒的方法。
更具體地，本發(fā)明涉及可用于通過在固體微粒的流化床中使液體霧化而供給顆粒生長液體的噴霧噴嘴，其中將極小的液滴噴霧在固體微粒上。
背景技術：
流化床?；^程最初由Nederlandse Stikstof Maatschappij設計，隨后以NSM和現在以HFT(水力肥料技術)成粒機著稱，已經證明流化床?；^程具有優(yōu)于其它用于?；柿衔镔|如尿素和硝酸銨的方法的很大的優(yōu)點，例如參見美國專利No.5653781。HFT粒化方法將非常高的生產量與極好的產品性質和低能量消耗結合起來，在實現它的過程中，將待?；囊后w噴霧到流化床中的方式是最重要的。使液體霧化的噴嘴的設計影響液體流量——且因而影響成粒機的生產量——以及在沒有聚團和不希望的流化床擾動的情況下維持噴流具有連續(xù)且均勻的噴霧所需的霧化氣體壓力和容積流量。最后，噴嘴設計也通過其流動和壓力特性影響成粒機的能量消耗。
目前技術發(fā)展水平的噴霧裝置(噴嘴)一般是二元型的霧化噴嘴，其中用氣體例如空氣使待粒化的液體霧化。原則上，可以通過噴嘴將氣體和液體引入相同的單個管子中，或例如分別通過同心的管子引入氣體和液體以使得僅僅在噴嘴孔中和噴嘴孔之后發(fā)生混合。原則目的是有效的氣液混合；液體微粒的均勻且小尺寸和最后獲得的噴霧或噴流的合適幾何形狀，以使得霧化的液體(極小的液滴)連續(xù)且同質地依附于在流化床中形成的顆粒上。
大多數可利用的噴嘴設計不是為了在高生產量?；械氖褂枚O計的。用于?；膰娮毂仨毮茉跊]有堵塞或破壞生產過程的其它問題的情況下處理濃的溶液(高達99％)或熔融物。同時，在不同設計之間關于處理的能量消耗、生產量(產品生產能力)和形成的顆粒的質量存在有顯著差別?，F有的和以前的噴嘴類型需要處于高壓的較高水平的霧化氣體，這又意味著高能量消耗。
例如在美國專利No.4701353中描述了在粒化過程中使用的噴嘴，這些噴嘴具有中央通道和與其同心的傳送強大氣流的通道，通過中央通道供給液體材料。液體在其與氣流混合之前經過一個旋轉腔。噴嘴還可以具有用于提供較少的富能量氣流的同心外側通道。然而，該噴嘴設計在液體流動能力方面和在將液體霧狀化或霧化成合適液滴以及同時使液滴液化成適當成形的噴流所需的能量方面具有各種限制，在此，噴流將發(fā)生微粒生長。美國專利文件US4701353描述的旋轉腔僅僅用來賦予液體螺旋形運動，而在下面描述的新穎裝置的混合腔將允許霧化氣體和液體在噴霧離開噴嘴的出口孔之前徹底混合。由此最佳地利用來自氣體和液體的動能。這里描述的新穎裝置和方法證明了高的?；⑸a量和低能量消耗；比美國專利No.4701353中引用的值高幾倍。在將第二同心氣體管安裝到噴嘴上的情況下，如US4701353的權利要求5中所述，與下面描述的裝置相比，這種設計不必要地使裝置復雜化了，這是因為新穎裝置和方法利用了用于在噴嘴周圍被向上引導的額外噴流氣體的流體化作用供氣的一部分。
專利文件WO02083320也描述了一種在流化床成粒機中使用的噴嘴，它具有用于供給液體的中央供給部，在中央供給部之后引導液體通過渦流裝置并進入內部混合腔。通過混合腔下部中的壁上的多個開口將氣體供給到混合腔。然而，說明書沒有展示關于所述設計的實際應用的任何示例和圖示，而與任何其它先前描述的設計相比，下面描述的新穎裝置和方法通過高生產量、好的產品質量性質和低能量消耗證明了它自己。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是獲得一種具有減少的能量消耗和增強的粒化能力的?；^程；減小?；襟E的變動成本的兩個因素。另一個目的是獲得較好質量的顆粒。
用如下所述的裝置和方法獲得本發(fā)明的這些目的，和本發(fā)明由所附的專利權利要求進一步確定和表征。
因而，本發(fā)明涉及用于在流化床中的熔體?；膰婌F裝置，它包括帶有用于待霧化的液體的供給通道的噴嘴，在供給通道引導液體通過乳化裝置并在將所述液體供給到流化床之前使其進入用于氣體和液體的內部混合腔。噴嘴具有同心地配裝在用于待霧化或待霧狀化的液體的中央液體供給通道周圍的用于霧化氣體的單獨通道?；旌锨话鼑鷣碜匀榛b置的液體噴霧和氣體的出口區(qū)，使得高速霧化氣體和液體能有效混合，且具有外部氣帽，在外部氣帽中將流體化作用氣體引導到噴霧裝置上方的噴流中?；旌锨豢梢允菐в猩蠄A錐部分的圓柱形的或是圓錐形的，混合腔的長度/直徑比L/D應該在0.5到5的范圍內，而1/d比在0.1到2的范圍內，優(yōu)選地混合腔的比L/D在1到4的范圍內，而1/d比在0.25到1的范圍內。
氣帽是圓錐形的且在噴嘴周圍同心地配裝到形成有穿孔的底板，氣帽在底板(3)上面具有10到200mm的高度，優(yōu)選地20到100mm。氣帽的上部孔直徑是20到150mm和其底部孔直徑是30到300mm，優(yōu)選地分別為35到100mm和40到200mm。
本發(fā)明還涉及用于一種在流化床中制備固體顆粒的方法，其中通過供給霧化氣體使液體材料霧化并通過垂直安裝的噴霧噴嘴將液體材料噴霧到流化床中，和其中通過向上吹過床下面的形成有穿孔的板的流體化作用氣體維持流化床。引導流體化作用氣體的一部分通過包圍噴嘴的氣帽以在噴霧裝置上面產生氣體噴流。
本發(fā)明還涉及一種通過使用帶有用于待霧化的液體的供給通道的噴嘴在流化床中從液體材料制備固體顆粒的方法。在將被霧化液體向上噴霧到流化床層中之前，引導液體通過乳化裝置并使其進入用于氣體和液體的內部混合腔，與液體供給同心地引導霧化氣體穿過一通道并使其進入混合腔。混合腔包圍既用于液體也用于氣體的出口開口，使得高速霧化氣體和液體能有效混合。引導流體化作用氣體的一部分通過包圍噴嘴的氣帽以在噴霧裝置上面引起氣體噴流。
噴霧裝置能用于尿素顆粒和其它肥料產品如硝酸銨鈣、硝酸銨、硫酸銨及其混合物的生產。


現將參考附圖即圖1-4進一步說明本發(fā)明，其中圖1表示現有技術的設計和新穎的噴嘴設計之間原理的不同；
圖2表示氣帽的設計和同心地在噴嘴外側的氣帽的位置；圖3表示帶有圓柱形混合腔的噴嘴設計；以及圖4表示具有圓錐形混合腔的噴嘴設計。
具體實施例方式
在?；^程中，通過噴霧噴嘴將液體噴霧到流化床中，噴霧噴嘴垂直地安裝且將被霧化的液體向上噴霧到流化床層中。通過向上吹過流化床下面的形成有穿孔的板的流體化作用氣體維持流態(tài)化層，在所述板上以規(guī)定距離，例如5-100mm，將噴嘴置于該帶有孔的板的開口中。
使液體霧化的噴嘴的設計影響液體流動能力，并因此影響成粒機的生產能力。它還影響在沒有不想要的聚團和流化床的擾動的情況下，維持具有連續(xù)且均勻的噴霧的噴流所需的霧化氣體的壓力和體積率。最后，噴嘴設計還通過其氣流特性影響成粒機的能量消耗。這對操作的變動成本具有直接影響。噴嘴應當使液體霧化成具有所需尺寸的液滴，對于單一相熔體來說大約50-100微米。同時，噴嘴在不引起過早凝固的情況下應當使一些水蒸發(fā)。它還應當將液滴散布和輸送到床中，同時它應當有助于在噴嘴周圍的運動和在床中的質量交換。
本發(fā)明的主要新穎性在于用低能量流體化作用氣體代替所需的高壓霧化氣體的很大部分。這通過引導流體化作用氣體經過專門設計的包圍噴嘴的氣帽從而引起氣體噴流來實現。噴嘴孔上游的新穎的混合腔改善了在噴嘴內的霧化過程中的氣體和液體的內部混合。
在兩個適合的功能中劃分氣體給予了在霧化和運動中劃分四個主要功能的自由。
霧化1)以足以產生液滴和將它們輸送到床中的最小能量消耗進行霧化。
2)能根據熔體的性質調整所需的蒸發(fā)率，熔體的性質是含水量、結晶熱、低溫冷卻性質和結晶曲線。
沖擊3)使液滴傳送和噴流形狀適應床的幾何尺寸，其中床深度是關鍵。
4)還調整沖擊以給出進入噴流區(qū)域中的晶種微粒的質量轉移。
本發(fā)明實現了可以保持或甚至改善顆粒質量特性和?；芰Γ瑫r與迄今在?；惺褂玫哪切﹪娮煜啾龋喈敶蟮販p少了能量消耗。因為在不增加流體化作用氣體的總量的情況下，霧化氣體能工作在較低的壓力下，所以使能量消耗減小。該設計仍然考慮了高熔體輸出量和極好的顆粒物理特性。
在圖1中示出了在現有技術的設計和本發(fā)明的新穎設計之間原理的不同。在現有技術的設計中(案例I)，通過氣體(G1)在液體(L)上的外部沖擊而在流化床中發(fā)生液體(L)和霧化氣體(G1)的混合。在新穎的噴嘴設計中(案例II)，在混合腔中發(fā)生氣體(G2)和液體(L)的內部混合。同時，通過流體化作用氣體(G3)代替一部分霧化氣體，其中通過同心(或同軸)地安裝在噴嘴外側的新穎的氣帽將該流體化作用氣體(G3)引入流化床中的噴流中。因而，用通過氣帽供給的流體化作用氣體(G3)代替一部分霧化氣體。與已知的噴嘴設計相比，霧化氣體的所需量急劇減少，如將通過示例闡明的(從80-250公斤/小時(kg/h)減少到32kg/h)。
在圖2A中示出了該氣帽的設計和同心地在噴嘴外側的氣帽的位置。圖2B表示沿A-A的水平剖面。錐形成形的氣帽1圍繞噴嘴2同心地安裝在形成有穿孔的篩板3上且暴露于流體化作用氣體。氣帽裝置的頂部直徑小于其底部直徑，且在噴嘴外壁和氣帽之間存在有用于氣體通過的間隙。通過氣帽的氣體量足以產生進入成粒機床的能維持下去的噴流。通過氣帽的氣體速度由噴嘴和氣帽之間的水平面積、氣帽孔的上部直徑和氣帽的底部入口的直徑來確定。每平方米水平的床面積的流體化作用氣體的質量流量保持幾乎與已知設計相同。
圖3表示帶有圓柱形混合腔的新穎的噴嘴設計。混合腔的長度與直徑比(L/D)可以如圖中所示地變化。從圖中省略了供給管道、成粒機的形成有穿孔的底板和與噴嘴同心地安裝在底板上的錐形帽。噴嘴2包括中央通道4，中央通道4在一端A與從圖中省略的液體管道相連，而在另一端B通向混合腔5。在開口A和B之間的位置中，在里面安裝有渦流裝置6，以使得通過A的供給物在點B進入螺旋運動。此外，噴霧裝置設有通道7，其同心地配置在中央液體供給通道4的周圍。通道7在一端與從圖中省略的氣體管道相連，而在另一端設有5-15個通向混合腔5中的圓孔8。兩個連續(xù)流同時供給到混合腔內通過開口B的顆粒生長液體和經過圓孔8的氣流。在該混合腔中，能產生液體乳狀物中的氣體。通過孔口9的膨脹將乳狀物轉變成50-100μm直徑的液滴，其適合在流化床中的顆粒生長。
圖4表示具有圓錐形混合腔5的噴嘴，噴嘴的其它部分與圖3中的相同。
從文獻(Lefebvre A.H.Atomization and sprays，Taylor &Francis，1989，214-215頁和232頁(ISBN0-89116-603-3)中，似乎孔的1/d(長度/直徑)和混合腔的L/D(長度/直徑)的比是液滴形成的重因素。基于這些假設和我們自己的發(fā)現，L/D比應該處于0.5到5的范圍內，而1/d比應該處于0.1到2的范圍內，以便有效地獲得平均直徑小于100μm的液滴，優(yōu)選地L/D的范圍從1到4和1/d的范圍從0.25到1。
也已經為新設計的噴嘴計算了能量效率，使用標準的和公共的公式，參見Perry’s Chemical Engineers’Handbook(chapterthermodynamics(熱力學章節(jié)))。
W＝ФM*Cp*ΔT[kJ/s]ΔT＝T2-T1和T2＝T1*(p2/p1)(k-1/k)[K]ФM＝熔體的質量流量Cp＝氣體的比熱[KJ/K·kg]T1＝環(huán)境溫度T2＝風扇后的溫度p1＝風扇前的氣體壓力p2＝風扇后的氣體壓力k＝氣體常數為了計算，作出下面的假設絕熱狀態(tài)環(huán)境空氣溫度25℃壓力損失5000Pa風扇效率0.80根據計算，能減少流體化作用的能量消耗和霧化供氣大約50％。用新穎的噴霧裝置實際上獲得的能量減少在下面的示例1中示出。
與用現有設計生產的顆粒相比，用新穎的噴嘴設計生產的尿素顆粒的含水量、密度和抗壓強度等參數具有類似的或更好的值。這在下面的示例中將闡明。
已經用實驗方法發(fā)現，當使用內部氣體/液體混合腔噴嘴代替外部氣體/液體混合噴嘴時，能用較少的能量消耗制造具有更好的化學和物理性質的顆粒。
在各?；瘑卧?，特別是對于尿素和硝酸銨，達到高生產量、避免每個合成單元具有多于一個單一?；瘑卧男枨蟆⑼瑫r將變動成本減到最小也是一個重要目標。
將通過下面描述尿素的粒化的示例進一步闡明本發(fā)明，這些示例將表明基于新穎設計對于一個噴嘴范圍針對產品質量參數以及能量消耗獲得的值。
將在下面給定的條件下實現各示例成粒機在中央配裝有實驗噴嘴。圓錐形氣帽具有105mm的下部直徑和50mm的上部直徑。它安裝在4.5％開口的穿孔篩板上，篩板包含多個直徑為2mm的孔。在等于大約800mmwc的流體化作用氣體(空氣)壓力的供給壓力下和在40℃溫度的情況下，通過該氣帽間隙的空氣量是248Nm3/h。在正常的標準尿素?；瘲l件下實施?；５臉藴誓蛩亓；瘲l件具有包含0.55重量百分比甲醛的96％尿素的熔體，大約132℃的溫度。為裝置供應將床保持在運動中所需的流體化作用氣體，且流體化作用氣體還用于產生通過氣帽‘噴流開口’的噴流。將流量為32kg/h和溫度為142℃的霧化氣體與熔體一起供給到噴嘴的混合腔中。
對于每個噴嘴試驗分析具有2.5-4.5mm直徑的顆粒的產品質量參數如含水量、密度、抗壓強度。在試驗過程中使用不同的液流；250、350和4501/h。至少以一式兩份的方式執(zhí)行每個粒化試驗。
還能用這類噴嘴生產具有33.5％N和27％N的硝酸鹽產品。
示例1-帶有圓柱形混合腔的噴嘴L/D＝2.75在這個示例中，使用如圖3中所示的類型H5的噴霧裝置，其中混合腔的L/D比為2.75。將結果與以現有技術設計的噴嘴執(zhí)行的實驗進行比較。
表1.工作參數

表2.獲得的產品性質，尿素

表3.能量消耗

如說明書中所描述的計算能量消耗，將空氣用作流體化作用和霧化氣體，因此為了空氣的濕度而修正的k＝1.40和Cp＝1.04。
示例2-具有圓柱形混合腔的噴嘴L/D＝1除了混合腔長度之外，工作原理和設計與示例1中描述的相同。在這個設計中，混合腔的長度是20mm而不是55mm，所以L/D比從2.75變成1。將結果與以現有技術設計的噴嘴執(zhí)行的實驗進行比較。
表4.工作參數

表5.獲得的產品性質，尿素

示例3-帶有圓錐形混合腔的噴嘴在這個示例中，使用如圖4中所示的具有圓錐形混合腔的噴霧裝置。噴嘴的L/D比是2.75。將結果與用現有技術設計的噴嘴執(zhí)行的實驗進行比較。
該帶有圓錐形混合腔的噴嘴也具有12個進氣開口(D)，以指向液體渦流的旋轉方向的角度布置這些進氣開口。將它構造成讓霧化氣體沿與液體相反的方向旋轉，以便產生進入液流中的最大氣體沖擊。
表6.工作參數

表7.獲得的產品性質，尿素

通過在?；^程中使用新的噴嘴設計，能以較低的能量消耗、較好的質量和以增大的生產量生產顆粒。
權利要求
1.一種用于在流化床中的熔體粒化的噴霧裝置，它包括帶有用于待霧化的液體的供給通道(4)的噴嘴(2)，在供給通道引導所述液體通過乳化裝置(6)并在將所述液體供給到所述流化床之前使其進入用于氣體和液體的內部混合腔(5)，其特征在于，，所述噴嘴(2)具有同心地配裝在用于待霧化或待霧狀化的液體的中央液體供給通道(4)周圍的用于霧化氣體的單獨通道(7)，和其中所述混合腔(5)包圍來自所述乳化裝置的液體噴霧和所述氣體的出口區(qū)，使得高速霧化氣體和液體能有效混合，且具有外部氣帽(1)，在所述外部氣帽中流體化作用氣體被引導到所述噴霧裝置上方的噴流中。
2.如權利要求1所述的噴霧裝置，其特征在于，所述混合腔(5)是帶有上圓錐部分的圓柱形的。
3.如權利要求2所述的噴霧裝置，其特征在于，所述混合腔(5)的比L/D在0.5到5的范圍內，而l/d比在0.1到2的范圍內。
4.如權利要求2所述的噴霧裝置，其特征在于，所述混合腔(5)的比L/D在1到4的范圍內，而l/d比在0.25到1的范圍內。
5.如權利要求1所述的噴霧裝置，其特征在于，所述混合腔(5)是圓錐形的。
6.如權利要求1所述的噴霧裝置，其特征在于，所述氣帽(1)是圓錐形的且在所述噴嘴(2)周圍同心地配裝到形成有穿孔的底板(3)。
7.如權利要求6所述的噴霧裝置，其特征在于，所述氣帽(1)在所述底板(3)上面具有10到200mm的高度，優(yōu)選地20到100mm。
8.如權利要求6所述的噴霧裝置，其特征在于，所述氣帽(1)具有20到150mm的上部孔直徑和30到300mm的底部孔直徑，優(yōu)選地分別為35到100mm和40到200mm。
9.一種用于在流化床中制備固體顆粒的方法，其中通過供給霧化氣體使液體材料霧化并通過垂直安裝的噴霧噴嘴(2)將所述液體材料噴霧到所述流化床中，和其中通過向上吹過床下面的形成有穿孔的板的流體化作用氣體維持所述流化床；其特征在于，引導所述流體化作用氣體的一部分通過包圍所述噴嘴的氣帽(1)以在所述噴霧裝置上面引起氣體噴流。
10.一種通過使用帶有用于待霧化的液體的供給通道(4)的噴嘴(2)在流化床中從液體材料制備固體顆粒的方法，其中在將霧化的液體向上噴霧到所述流化床層中之前，引導所述液體通過乳化裝置并使其進入用于氣體和液體的內部混合腔(5)中；其特征在于，在通道(7)中與所述液體同心地將霧化氣體引導到混合腔中，所述混合腔包圍既用于液體也用于氣體的出口開口，使得高速霧化氣體和液體能有效混合，和其中引導所述流體化作用氣體的一部分通過包圍所述噴嘴(2)的氣帽(1)，從而在所述噴霧裝置上面產生氣體噴流。
11.一種如權利要求1-8所述的噴霧裝置的用途，其應用在用于制備尿素顆粒和其它適合于生產肥料產品的熔體如硝酸銨鈣、硝酸銨、硫酸銨及其混合物的處理中。
全文摘要
一種用于在流化床中的熔體粒化的噴霧裝置，它包括帶有用于待霧化的液體的供給通道的噴嘴(2)，在供給通道引導液體通過乳化裝置并在將液體供給到流化床之前使其進入用于氣體和液體的內部混合腔，噴嘴具有同心地配裝在用于待霧化或待霧狀化的液體的中央液體供給通道周圍的用于霧化氣體的單獨通道，混合腔包圍來自乳化裝置的液體噴霧和氣體的出口區(qū)，使得高速霧化氣體和液體能有效混合，且具有外部氣帽，在外部氣帽將流體化作用氣體引導到噴霧裝置上方的噴流中。
文檔編號B01J2/04GK1972754SQ200380111054
公開日2007年5月30日 申請日期2003年12月23日 優(yōu)先權日2003年12月23日
發(fā)明者R·斯蒂芬斯, L·范馬克, R·埃爾德森 申請人:亞拉國際有限公司