专利名称：喷雾装置和用于流化床粒化的方法
技术领域：
本发明涉及一种在高生产量流化床粒化中使用的喷雾装置和在流化床中从液体材料制备固体颗粒的方法。
更具体地，本发明涉及可用于通过在固体微粒的流化床中使液体雾化而供给颗粒生长液体的喷雾喷嘴，其中将极小的液滴喷雾在固体微粒上。
背景技术：
流化床粒化过程最初由Nederlandse Stikstof Maatschappij设计，随后以NSM和现在以HFT(水力肥料技术)成粒机著称，已经证明流化床粒化过程具有优于其它用于粒化肥料物质如尿素和硝酸铵的方法的很大的优点，例如参见美国专利No.5653781。HFT粒化方法将非常高的生产量与极好的产品性质和低能量消耗结合起来，在实现它的过程中，将待粒化的液体喷雾到流化床中的方式是最重要的。使液体雾化的喷嘴的设计影响液体流量——且因而影响成粒机的生产量——以及在没有聚团和不希望的流化床扰动的情况下维持喷流具有连续且均匀的喷雾所需的雾化气体压力和容积流量。最后，喷嘴设计也通过其流动和压力特性影响成粒机的能量消耗。
目前技术发展水平的喷雾装置(喷嘴)一般是二元型的雾化喷嘴，其中用气体例如空气使待粒化的液体雾化。原则上，可以通过喷嘴将气体和液体引入相同的单个管子中，或例如分别通过同心的管子引入气体和液体以使得仅仅在喷嘴孔中和喷嘴孔之后发生混合。原则目的是有效的气液混合；液体微粒的均匀且小尺寸和最后获得的喷雾或喷流的合适几何形状，以使得雾化的液体(极小的液滴)连续且同质地依附于在流化床中形成的颗粒上。
大多数可利用的喷嘴设计不是为了在高生产量粒化中的使用而设计的。用于粒化的喷嘴必须能在没有堵塞或破坏生产过程的其它问题的情况下处理浓的溶液(高达99％)或熔融物。同时，在不同设计之间关于处理的能量消耗、生产量(产品生产能力)和形成的颗粒的质量存在有显著差别。现有的和以前的喷嘴类型需要处于高压的较高水平的雾化气体，这又意味着高能量消耗。
例如在美国专利No.4701353中描述了在粒化过程中使用的喷嘴，这些喷嘴具有中央通道和与其同心的传送强大气流的通道，通过中央通道供给液体材料。液体在其与气流混合之前经过一个旋转腔。喷嘴还可以具有用于提供较少的富能量气流的同心外侧通道。然而，该喷嘴设计在液体流动能力方面和在将液体雾状化或雾化成合适液滴以及同时使液滴液化成适当成形的喷流所需的能量方面具有各种限制，在此，喷流将发生微粒生长。美国专利文件US4701353描述的旋转腔仅仅用来赋予液体螺旋形运动，而在下面描述的新颖装置的混合腔将允许雾化气体和液体在喷雾离开喷嘴的出口孔之前彻底混合。由此最佳地利用来自气体和液体的动能。这里描述的新颖装置和方法证明了高的粒化、生产量和低能量消耗；比美国专利No.4701353中引用的值高几倍。在将第二同心气体管安装到喷嘴上的情况下，如US4701353的权利要求5中所述，与下面描述的装置相比，这种设计不必要地使装置复杂化了，这是因为新颖装置和方法利用了用于在喷嘴周围被向上引导的额外喷流气体的流体化作用供气的一部分。
专利文件WO02083320也描述了一种在流化床成粒机中使用的喷嘴，它具有用于供给液体的中央供给部，在中央供给部之后引导液体通过涡流装置并进入内部混合腔。通过混合腔下部中的壁上的多个开口将气体供给到混合腔。然而，说明书没有展示关于所述设计的实际应用的任何示例和图示，而与任何其它先前描述的设计相比，下面描述的新颖装置和方法通过高生产量、好的产品质量性质和低能量消耗证明了它自己。
发明内容
本发明的目的是获得一种具有减少的能量消耗和增强的粒化能力的粒化过程；减小粒化步骤的变动成本的两个因素。另一个目的是获得较好质量的颗粒。
用如下所述的装置和方法获得本发明的这些目的，和本发明由所附的专利权利要求进一步确定和表征。
因而，本发明涉及用于在流化床中的熔体粒化的喷雾装置，它包括带有用于待雾化的液体的供给通道的喷嘴，在供给通道引导液体通过乳化装置并在将所述液体供给到流化床之前使其进入用于气体和液体的内部混合腔。喷嘴具有同心地配装在用于待雾化或待雾状化的液体的中央液体供给通道周围的用于雾化气体的单独通道。混合腔包围来自乳化装置的液体喷雾和气体的出口区，使得高速雾化气体和液体能有效混合，且具有外部气帽，在外部气帽中将流体化作用气体引导到喷雾装置上方的喷流中。混合腔可以是带有上圆锥部分的圆柱形的或是圆锥形的，混合腔的长度/直径比L/D应该在0.5到5的范围内，而1/d比在0.1到2的范围内，优选地混合腔的比L/D在1到4的范围内，而1/d比在0.25到1的范围内。
气帽是圆锥形的且在喷嘴周围同心地配装到形成有穿孔的底板，气帽在底板(3)上面具有10到200mm的高度，优选地20到100mm。气帽的上部孔直径是20到150mm和其底部孔直径是30到300mm，优选地分别为35到100mm和40到200mm。
本发明还涉及用于一种在流化床中制备固体颗粒的方法，其中通过供给雾化气体使液体材料雾化并通过垂直安装的喷雾喷嘴将液体材料喷雾到流化床中，和其中通过向上吹过床下面的形成有穿孔的板的流体化作用气体维持流化床。引导流体化作用气体的一部分通过包围喷嘴的气帽以在喷雾装置上面产生气体喷流。
本发明还涉及一种通过使用带有用于待雾化的液体的供给通道的喷嘴在流化床中从液体材料制备固体颗粒的方法。在将被雾化液体向上喷雾到流化床层中之前，引导液体通过乳化装置并使其进入用于气体和液体的内部混合腔，与液体供给同心地引导雾化气体穿过一通道并使其进入混合腔。混合腔包围既用于液体也用于气体的出口开口，使得高速雾化气体和液体能有效混合。引导流体化作用气体的一部分通过包围喷嘴的气帽以在喷雾装置上面引起气体喷流。
喷雾装置能用于尿素颗粒和其它肥料产品如硝酸铵钙、硝酸铵、硫酸铵及其混合物的生产。
现将参考附图即图1-4进一步说明本发明，其中图1表示现有技术的设计和新颖的喷嘴设计之间原理的不同；
图2表示气帽的设计和同心地在喷嘴外侧的气帽的位置；图3表示带有圆柱形混合腔的喷嘴设计；以及图4表示具有圆锥形混合腔的喷嘴设计。
具体实施例方式
在粒化过程中，通过喷雾喷嘴将液体喷雾到流化床中，喷雾喷嘴垂直地安装且将被雾化的液体向上喷雾到流化床层中。通过向上吹过流化床下面的形成有穿孔的板的流体化作用气体维持流态化层，在所述板上以规定距离，例如5-100mm，将喷嘴置于该带有孔的板的开口中。
使液体雾化的喷嘴的设计影响液体流动能力，并因此影响成粒机的生产能力。它还影响在没有不想要的聚团和流化床的扰动的情况下，维持具有连续且均匀的喷雾的喷流所需的雾化气体的压力和体积率。最后，喷嘴设计还通过其气流特性影响成粒机的能量消耗。这对操作的变动成本具有直接影响。喷嘴应当使液体雾化成具有所需尺寸的液滴，对于单一相熔体来说大约50-100微米。同时，喷嘴在不引起过早凝固的情况下应当使一些水蒸发。它还应当将液滴散布和输送到床中，同时它应当有助于在喷嘴周围的运动和在床中的质量交换。
本发明的主要新颖性在于用低能量流体化作用气体代替所需的高压雾化气体的很大部分。这通过引导流体化作用气体经过专门设计的包围喷嘴的气帽从而引起气体喷流来实现。喷嘴孔上游的新颖的混合腔改善了在喷嘴内的雾化过程中的气体和液体的内部混合。
在两个适合的功能中划分气体给予了在雾化和运动中划分四个主要功能的自由。
雾化1)以足以产生液滴和将它们输送到床中的最小能量消耗进行雾化。
2)能根据熔体的性质调整所需的蒸发率，熔体的性质是含水量、结晶热、低温冷却性质和结晶曲线。
冲击3)使液滴传送和喷流形状适应床的几何尺寸，其中床深度是关键。
4)还调整冲击以给出进入喷流区域中的晶种微粒的质量转移。
本发明实现了可以保持或甚至改善颗粒质量特性和粒化能力，同时与迄今在粒化中使用的那些喷嘴相比，相当大地减少了能量消耗。因为在不增加流体化作用气体的总量的情况下，雾化气体能工作在较低的压力下，所以使能量消耗减小。该设计仍然考虑了高熔体输出量和极好的颗粒物理特性。
在图1中示出了在现有技术的设计和本发明的新颖设计之间原理的不同。在现有技术的设计中(案例I)，通过气体(G1)在液体(L)上的外部冲击而在流化床中发生液体(L)和雾化气体(G1)的混合。在新颖的喷嘴设计中(案例II)，在混合腔中发生气体(G2)和液体(L)的内部混合。同时，通过流体化作用气体(G3)代替一部分雾化气体，其中通过同心(或同轴)地安装在喷嘴外侧的新颖的气帽将该流体化作用气体(G3)引入流化床中的喷流中。因而，用通过气帽供给的流体化作用气体(G3)代替一部分雾化气体。与已知的喷嘴设计相比，雾化气体的所需量急剧减少，如将通过示例阐明的(从80-250公斤/小时(kg/h)减少到32kg/h)。
在图2A中示出了该气帽的设计和同心地在喷嘴外侧的气帽的位置。图2B表示沿A-A的水平剖面。锥形成形的气帽1围绕喷嘴2同心地安装在形成有穿孔的筛板3上且暴露于流体化作用气体。气帽装置的顶部直径小于其底部直径，且在喷嘴外壁和气帽之间存在有用于气体通过的间隙。通过气帽的气体量足以产生进入成粒机床的能维持下去的喷流。通过气帽的气体速度由喷嘴和气帽之间的水平面积、气帽孔的上部直径和气帽的底部入口的直径来确定。每平方米水平的床面积的流体化作用气体的质量流量保持几乎与已知设计相同。
图3表示带有圆柱形混合腔的新颖的喷嘴设计。混合腔的长度与直径比(L/D)可以如图中所示地变化。从图中省略了供给管道、成粒机的形成有穿孔的底板和与喷嘴同心地安装在底板上的锥形帽。喷嘴2包括中央通道4，中央通道4在一端A与从图中省略的液体管道相连，而在另一端B通向混合腔5。在开口A和B之间的位置中，在里面安装有涡流装置6，以使得通过A的供给物在点B进入螺旋运动。此外，喷雾装置设有通道7，其同心地配置在中央液体供给通道4的周围。通道7在一端与从图中省略的气体管道相连，而在另一端设有5-15个通向混合腔5中的圆孔8。两个连续流同时供给到混合腔内通过开口B的颗粒生长液体和经过圆孔8的气流。在该混合腔中，能产生液体乳状物中的气体。通过孔口9的膨胀将乳状物转变成50-100μm直径的液滴，其适合在流化床中的颗粒生长。
图4表示具有圆锥形混合腔5的喷嘴，喷嘴的其它部分与图3中的相同。
从文献(Lefebvre A.H.Atomization and sprays，Taylor &Francis，1989，214-215页和232页(ISBN0-89116-603-3)中，似乎孔的1/d(长度/直径)和混合腔的L/D(长度/直径)的比是液滴形成的重因素。基于这些假设和我们自己的发现，L/D比应该处于0.5到5的范围内，而1/d比应该处于0.1到2的范围内，以便有效地获得平均直径小于100μm的液滴，优选地L/D的范围从1到4和1/d的范围从0.25到1。
也已经为新设计的喷嘴计算了能量效率，使用标准的和公共的公式，参见Perry’s Chemical Engineers’Handbook(chapterthermodynamics(热力学章节))。
W＝ФM*Cp*ΔT[kJ/s]ΔT＝T2-T1和T2＝T1*(p2/p1)(k-1/k)[K]ФM＝熔体的质量流量Cp＝气体的比热[KJ/K·kg]T1＝环境温度T2＝风扇后的温度p1＝风扇前的气体压力p2＝风扇后的气体压力k＝气体常数为了计算，作出下面的假设绝热状态环境空气温度25℃压力损失5000Pa风扇效率0.80根据计算，能减少流体化作用的能量消耗和雾化供气大约50％。用新颖的喷雾装置实际上获得的能量减少在下面的示例1中示出。
与用现有设计生产的颗粒相比，用新颖的喷嘴设计生产的尿素颗粒的含水量、密度和抗压强度等参数具有类似的或更好的值。这在下面的示例中将阐明。
已经用实验方法发现，当使用内部气体/液体混合腔喷嘴代替外部气体/液体混合喷嘴时，能用较少的能量消耗制造具有更好的化学和物理性质的颗粒。
在各粒化单元中，特别是对于尿素和硝酸铵，达到高生产量、避免每个合成单元具有多于一个单一粒化单元的需求、同时将变动成本减到最小也是一个重要目标。
将通过下面描述尿素的粒化的示例进一步阐明本发明，这些示例将表明基于新颖设计对于一个喷嘴范围针对产品质量参数以及能量消耗获得的值。
将在下面给定的条件下实现各示例成粒机在中央配装有实验喷嘴。圆锥形气帽具有105mm的下部直径和50mm的上部直径。它安装在4.5％开口的穿孔筛板上，筛板包含多个直径为2mm的孔。在等于大约800mmwc的流体化作用气体(空气)压力的供给压力下和在40℃温度的情况下，通过该气帽间隙的空气量是248Nm3/h。在正常的标准尿素粒化条件下实施粒化，正常的标准尿素粒化条件具有包含0.55重量百分比甲醛的96％尿素的熔体，大约132℃的温度。为装置供应将床保持在运动中所需的流体化作用气体，且流体化作用气体还用于产生通过气帽‘喷流开口’的喷流。将流量为32kg/h和温度为142℃的雾化气体与熔体一起供给到喷嘴的混合腔中。
对于每个喷嘴试验分析具有2.5-4.5mm直径的颗粒的产品质量参数如含水量、密度、抗压强度。在试验过程中使用不同的液流；250、350和4501/h。至少以一式两份的方式执行每个粒化试验。
还能用这类喷嘴生产具有33.5％N和27％N的硝酸盐产品。
示例1-带有圆柱形混合腔的喷嘴L/D＝2.75在这个示例中，使用如图3中所示的类型H5的喷雾装置，其中混合腔的L/D比为2.75。将结果与以现有技术设计的喷嘴执行的实验进行比较。
表1.工作参数
表2.获得的产品性质，尿素
表3.能量消耗
如说明书中所描述的计算能量消耗，将空气用作流体化作用和雾化气体，因此为了空气的湿度而修正的k＝1.40和Cp＝1.04。
示例2-具有圆柱形混合腔的喷嘴L/D＝1除了混合腔长度之外，工作原理和设计与示例1中描述的相同。在这个设计中，混合腔的长度是20mm而不是55mm，所以L/D比从2.75变成1。将结果与以现有技术设计的喷嘴执行的实验进行比较。
表4.工作参数
表5.获得的产品性质，尿素
示例3-带有圆锥形混合腔的喷嘴在这个示例中，使用如图4中所示的具有圆锥形混合腔的喷雾装置。喷嘴的L/D比是2.75。将结果与用现有技术设计的喷嘴执行的实验进行比较。
该带有圆锥形混合腔的喷嘴也具有12个进气开口(D)，以指向液体涡流的旋转方向的角度布置这些进气开口。将它构造成让雾化气体沿与液体相反的方向旋转，以便产生进入液流中的最大气体冲击。
表6.工作参数
表7.获得的产品性质，尿素
通过在粒化过程中使用新的喷嘴设计，能以较低的能量消耗、较好的质量和以增大的生产量生产颗粒。
权利要求
1.一种用于在流化床中的熔体粒化的喷雾装置，它包括带有用于待雾化的液体的供给通道(4)的喷嘴(2)，在供给通道引导所述液体通过乳化装置(6)并在将所述液体供给到所述流化床之前使其进入用于气体和液体的内部混合腔(5)，其特征在于，，所述喷嘴(2)具有同心地配装在用于待雾化或待雾状化的液体的中央液体供给通道(4)周围的用于雾化气体的单独通道(7)，和其中所述混合腔(5)包围来自所述乳化装置的液体喷雾和所述气体的出口区，使得高速雾化气体和液体能有效混合，且具有外部气帽(1)，在所述外部气帽中流体化作用气体被引导到所述喷雾装置上方的喷流中。
2.如权利要求1所述的喷雾装置，其特征在于，所述混合腔(5)是带有上圆锥部分的圆柱形的。
3.如权利要求2所述的喷雾装置，其特征在于，所述混合腔(5)的比L/D在0.5到5的范围内，而l/d比在0.1到2的范围内。
4.如权利要求2所述的喷雾装置，其特征在于，所述混合腔(5)的比L/D在1到4的范围内，而l/d比在0.25到1的范围内。
5.如权利要求1所述的喷雾装置，其特征在于，所述混合腔(5)是圆锥形的。
6.如权利要求1所述的喷雾装置，其特征在于，所述气帽(1)是圆锥形的且在所述喷嘴(2)周围同心地配装到形成有穿孔的底板(3)。
7.如权利要求6所述的喷雾装置，其特征在于，所述气帽(1)在所述底板(3)上面具有10到200mm的高度，优选地20到100mm。
8.如权利要求6所述的喷雾装置，其特征在于，所述气帽(1)具有20到150mm的上部孔直径和30到300mm的底部孔直径，优选地分别为35到100mm和40到200mm。
9.一种用于在流化床中制备固体颗粒的方法，其中通过供给雾化气体使液体材料雾化并通过垂直安装的喷雾喷嘴(2)将所述液体材料喷雾到所述流化床中，和其中通过向上吹过床下面的形成有穿孔的板的流体化作用气体维持所述流化床；其特征在于，引导所述流体化作用气体的一部分通过包围所述喷嘴的气帽(1)以在所述喷雾装置上面引起气体喷流。
10.一种通过使用带有用于待雾化的液体的供给通道(4)的喷嘴(2)在流化床中从液体材料制备固体颗粒的方法，其中在将雾化的液体向上喷雾到所述流化床层中之前，引导所述液体通过乳化装置并使其进入用于气体和液体的内部混合腔(5)中；其特征在于，在通道(7)中与所述液体同心地将雾化气体引导到混合腔中，所述混合腔包围既用于液体也用于气体的出口开口，使得高速雾化气体和液体能有效混合，和其中引导所述流体化作用气体的一部分通过包围所述喷嘴(2)的气帽(1)，从而在所述喷雾装置上面产生气体喷流。
11.一种如权利要求1-8所述的喷雾装置的用途，其应用在用于制备尿素颗粒和其它适合于生产肥料产品的熔体如硝酸铵钙、硝酸铵、硫酸铵及其混合物的处理中。
全文摘要
一种用于在流化床中的熔体粒化的喷雾装置，它包括带有用于待雾化的液体的供给通道的喷嘴(2)，在供给通道引导液体通过乳化装置并在将液体供给到流化床之前使其进入用于气体和液体的内部混合腔，喷嘴具有同心地配装在用于待雾化或待雾状化的液体的中央液体供给通道周围的用于雾化气体的单独通道，混合腔包围来自乳化装置的液体喷雾和气体的出口区，使得高速雾化气体和液体能有效混合，且具有外部气帽，在外部气帽将流体化作用气体引导到喷雾装置上方的喷流中。
文档编号B01J2/04GK1972754SQ200380111054
公开日2007年5月30日 申请日期2003年12月23日 优先权日2003年12月23日
发明者R·斯蒂芬斯, L·范马克, R·埃尔德森 申请人:亚拉国际有限公司