專利名稱：在流體流中的改善的顆粒的相互作用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及用于促進(jìn)或提高在流體流中不同類型的顆粒之間的相互作用的方法和裝置。本發(fā)明提供一種設(shè)計(jì)形成渦流發(fā)生器的方法以產(chǎn)生顆粒規(guī)模的紊流并以高效方式在流體流中特殊類型的顆粒之間引起相互作用。
通過促進(jìn)氣流中細(xì)小的污染顆粒凝聚成較大的顆粒，并由此有助于它們接下來的過濾或從氣流中除去，本發(fā)明在空氣污染控制方面具有特殊的應(yīng)用，盡管本發(fā)明不限于這種應(yīng)用。
背景技術(shù)：
許多產(chǎn)業(yè)的工藝導(dǎo)致將小的有害顆粒排放到大氣中。這些顆粒經(jīng)常包括非常細(xì)小的很容易被吸入的有毒化合物的亞微米顆粒。毒性和易吸入性的組合促使世界各國政府制定立法來嚴(yán)格控制直徑小于十微米(PM10)，特別是直徑小于2.5微米(PM2.5)的顆粒的排放。
大氣排放中較小的顆粒也主要對(duì)空氣污染的不利視覺效果負(fù)責(zé)。不透明度很大程度上決定于細(xì)小的排放顆粒組分，因?yàn)樵?.1和1微米之間的光的波長(zhǎng)附近吸光系數(shù)最高。
已經(jīng)使用各種方法來從氣流中除去塵埃和其它污染顆粒。盡管這些方法一般適合于從氣流中除去較大的顆粒，但它們經(jīng)常在過濾出較小顆粒上，特別是PM2.5顆粒，沒什么效果。
通過碰撞和粘結(jié)，可以使氣流中的細(xì)小顆粒凝聚成更大的顆粒，由此有助于接下來通過過濾除去顆粒。我們的國際專利申請(qǐng)?zhí)朠CT/NZ00/00223和PCT/AU2004/000546公開了用于凝聚顆粒的有源和無源設(shè)備。凝聚效率取決于碰撞和顆粒間的類似相互作用的發(fā)生率或頻率。
許多污染控制戰(zhàn)略也取決于具體種類的個(gè)別元素之間的接觸，以便促進(jìn)有益于接下來除去所關(guān)心的污染物的反應(yīng)或相互作用。例如，可以將如活性炭的吸附劑注入污染的氣流中以便除去汞(吸附)，或者將鈣注入以便除去二氧化硫(化學(xué)吸附)。
為了發(fā)生這些相互作用，關(guān)心的兩種物質(zhì)必須保持接觸。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)煙道中的許多工業(yè)污染物，由于幾個(gè)原因，這是困難的。例如，用于反應(yīng)/相互作用的期間是短的(0.5-1秒的數(shù)量級(jí))、所關(guān)心種類的物質(zhì)在排出氣體中分布得很少(相對(duì)于大量流體)以及煙道的規(guī)模比污染物顆粒的規(guī)模大。
通常，來自生成過程的排出氣體被輸入大的管道中，將它們盡可能均勻地輸送到一些下游的收集裝置(例如靜電沉淀器、濾袋器或旋風(fēng)收集器)，并且具有很小的紊流/能量損失。在途中產(chǎn)生的該紊流通常是沿導(dǎo)向葉片、沿內(nèi)部管道支撐/加強(qiáng)肋、通過擴(kuò)散幕等大規(guī)模轉(zhuǎn)向的氣體。該紊流具有管道的規(guī)模，并需要應(yīng)該是最小的干擾和壓降，由此可以獲得所需的正確流動(dòng)。
類似地，當(dāng)混合裝置用于特定用途時(shí)，例如特定污染物的吸收，它們通常是產(chǎn)生大規(guī)模紊流場(chǎng)(大約為管道的寬度和高度)并設(shè)置為氣體必須通過的短系列的幕的裝置。
最公知的混合裝置的目的是獲得兩種或多種物質(zhì)的混合。不將該裝置具體設(shè)計(jì)成促進(jìn)混合物中細(xì)小顆粒之間的相互作用。在大多數(shù)包括顆粒輸送的工業(yè)規(guī)模的裝置中，由混合產(chǎn)生的紊流相對(duì)于顆粒是大規(guī)模的。在這種條件下顆粒趨向于以相同的路徑而不是碰撞的過程運(yùn)動(dòng)。
還知道可以將渦流發(fā)生器用在混合腔中以促進(jìn)流體的混合。然而該裝置通常不用在裝滿顆粒的流動(dòng)中以在顆粒之間產(chǎn)生碰撞。
不管它們是顆粒(例如銀灰)、氣體(例如SO2)、霧(例如NOx)或元素(例如汞)，較難在工業(yè)排氣煙道內(nèi)收集的污染物質(zhì)是之間在微米數(shù)量級(jí)的物質(zhì)(即10-6米)。由于它們尺寸小，它們?cè)诳偟牧黧w流中占據(jù)很小的體積比例。例如，如果均勻分布，一百萬個(gè)1微米直徑的顆粒將占據(jù)小于1cm3氣體體積的0.00005％(假設(shè)顆粒是球狀的)。即使是10微米直徑，該比例僅提高到0.05％。當(dāng)認(rèn)為例如汞的污染物僅占總存在物質(zhì)的百萬分之幾份時(shí)，很明顯在該顆粒規(guī)模，在由工業(yè)煙道氣體輸送的物質(zhì)之間具有大量的空間/距離。在流動(dòng)中顆粒已經(jīng)“良好混合”的地方，例如在整個(gè)管道(例如在排氣煙道中)多少自由分布的，任何規(guī)模的紊流都不能更徹底地混合它們。
而且，輸送到流動(dòng)流體中的足夠小的顆粒將跟隨流體流動(dòng)中的流線。這發(fā)生在流體的粘力超出顆粒的慣性力時(shí)。公知的管道規(guī)模的紊流混合條件是大于顆粒的許多數(shù)量級(jí)。當(dāng)從顆粒的透視看時(shí)，它們遠(yuǎn)不是混亂的，而是相當(dāng)平穩(wěn)的。雖然顆粒在其通過管道中的紊流或通過標(biāo)準(zhǔn)混合區(qū)時(shí)在方向上有很多改變，與顆粒的尺寸和規(guī)模相比它們都在相當(dāng)長(zhǎng)分范圍。所以，在典型的裝滿工業(yè)塵埃的流動(dòng)條件下的氣流中的顆?；蚨嗷蛏俑S和它們臨近的顆粒相同的路徑，這導(dǎo)致與周圍的顆粒幾乎沒有相互作用。所以在顆粒規(guī)模上，有相對(duì)很少的紊流產(chǎn)生的相互作用，因此，公知的混合工業(yè)在凝聚方面具有很低的效率。
趨向于使很小的污染物質(zhì)的碰撞率最大化的系統(tǒng)必須使它們彼此沿不同的軌跡、和/或以不同的速度、盡可能經(jīng)常地移動(dòng)，而上述污染物質(zhì)占據(jù)非常小的比例的總流體流的體積。另外，在軌跡和/或速度上的這些不同必須承受顆粒的規(guī)模以具有最好的效果。不幸的是，當(dāng)前的設(shè)計(jì)理念沒有適當(dāng)?shù)乜紤]這些準(zhǔn)則。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種用于獲得改善的流體流中的相互作用的方法和裝置。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供定制設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)以產(chǎn)生顆粒規(guī)模紊流的方法，從而以高效方式引起流體流中特別類型的顆粒之間的相互作用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是基于這樣的認(rèn)識(shí)流動(dòng)的流體中的不同物質(zhì)和/或空氣動(dòng)力性能的兩種顆粒將不同地響應(yīng)流體流中預(yù)定尺寸的紊流渦旋。具體而言，如果渦旋具有特殊的規(guī)模，不同的顆粒將以不同的程度被吸入渦旋中，因此將跟隨不同的軌跡。所以，顆粒間的碰撞或相互作用的可能性提高了。
被紊流渦旋捕獲并吸入的類似物質(zhì)和/或空氣動(dòng)力性能的顆粒將大致跟隨相同的路徑，因此彼此沒有任何明顯程度的撞擊。較大物質(zhì)和/或不同空氣動(dòng)力性能的顆粒將不被吸入到渦旋中，或被吸入的程度基本上非常小，并因此將以不同的軌跡移動(dòng)通過渦旋并被吸入相同渦旋的許多其它顆粒撞擊。
為了提高流體流中兩種顆粒間碰撞的可能性，例如為了促進(jìn)較小顆粒被較大顆粒凝聚或吸附，設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)來產(chǎn)生這樣規(guī)模的紊流，從而以明顯不同的程度吸入不同的顆粒。
在一種廣泛的形式中，本發(fā)明提供這樣一種方法通過在流體流中產(chǎn)生紊流渦旋來促進(jìn)在流體流中的至少兩種顆粒之間的相互作用，其特征在于渦旋具有這樣的尺寸和/或強(qiáng)度，使得兩種顆粒以明顯不同的程度被吸入到渦旋中。
在另一種形式中，本發(fā)明提供一種用于促進(jìn)在流體流中的至少兩種顆粒之間的相互作用的裝置，包括用于在流體流中產(chǎn)生紊流渦旋的裝置，其特征在于渦旋具有這樣的尺寸和/或強(qiáng)度，從而使得兩種顆粒以明顯不同的程度被吸入到渦旋中。
優(yōu)選地，紊流渦旋具有這樣的尺寸和/或強(qiáng)度，一種顆粒基本上被完全吸入而另一種顆?；旧喜槐晃耄纱耸箖煞N顆粒之間的相對(duì)滑流和相互作用的可能性最大化。
在另一種廣泛的形式中，本發(fā)明提供一種定制設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的方法，該結(jié)構(gòu)用于在流體流中產(chǎn)生紊流，以促進(jìn)在流體流中至少兩種顆粒之間的相互作用，包括如下步驟(i)識(shí)別兩種顆粒的相關(guān)特征，(ii)進(jìn)行斯托克數(shù)(Stokes Number)分析以確定最佳特征的渦旋尺寸，使一種顆粒具有比另一種類型的顆粒明顯更高的滑流速度，以及(iii)設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)以在具有在上面步驟(ii)中確定的最佳尺寸的流體流中產(chǎn)生渦旋。
兩種顆粒的相關(guān)特征一般包括顆粒的尺寸和密度。
最佳特征渦旋尺寸的確定可以包括迭代過程。
由于用于斯托克數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)等式假設(shè)顆粒是球狀的，所以經(jīng)驗(yàn)“形狀因數(shù)”可以用于考慮顆粒的形狀。
對(duì)于兩種給定的顆粒種類，例如收集體顆粒和被收集顆粒，本發(fā)明提供一種客戶設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的方法，其產(chǎn)生這樣尺寸和規(guī)模的渦流渦旋，以便使兩種顆粒的不同的滑流速度最大化，由此使顆粒間相互作用的可能性最大化。在產(chǎn)生的紊流中的渦旋優(yōu)選具有這樣的尺寸，使得收集體顆粒的滑移速度最大化，同時(shí)被收集顆粒的滑流速度最小化。
在整個(gè)上下文允許的說明中，術(shù)語“顆?！敝傅氖强梢员徊僮髋c相同流體流中的另一種顆粒進(jìn)行碰撞的流動(dòng)流體的組分。“顆?！笨梢允枪虘B(tài)的(例如飛灰顆粒)、液態(tài)的(例如懸著水液滴)或氣態(tài)的(例如SO3、Hg或NOx分子)。可以將本發(fā)明用于氣體和固體顆粒的相互作用、氣體和液滴的相互作用、液體和固體顆粒的相互作用、不同尺寸的液滴的相互作用、以及不同尺寸的顆粒的相互作用。不同尺寸的顆?？梢詰腋≡跉怏w或液體中，不同尺寸的液滴可以懸浮在氣體中。
術(shù)語“收集體顆?！敝傅氖怯糜谂c“被收集”或“收集”顆粒碰撞和/或反應(yīng)的較大和/或較重的顆粒。
術(shù)語“相互作用”指的是顆粒碰撞或接觸或充分靠近以便導(dǎo)致凝聚、吸附、凝聚、催化或化學(xué)反應(yīng)。
另外，術(shù)語“滑流”和“滑流速度”用于描述顆粒及其周圍的流體之間的相對(duì)速度。所以，如果顆粒完全吸入紊流中，它的滑流速度為零。顆粒的路徑與其周圍的流體偏離得越多，它的滑流速度越大。所以，在上下文中，如果小顆粒比大顆粒更緊密的跟隨流體流，那么它們的滑流速度將更小，它們被說成具有較小的“滑流”。
通常，流體流是氣體或氣流，至少一種顆粒是微米或亞微米尺寸的污染物顆粒。然而，本發(fā)明不限于污染控制的使用，它可以更廣泛地應(yīng)用于其它用途，其中設(shè)法以高效的方式獲得流體流中顆粒之間的相互作用。
紊流渦旋通常包括具有多個(gè)不同尺寸和形狀的渦流運(yùn)動(dòng)。
在一個(gè)實(shí)施方式中，多個(gè)小的、低強(qiáng)度渦流用于吸入細(xì)小(污染物)顆粒并使它們經(jīng)過紊流。一種或多種較大的“收集體”顆粒被引入到氣流中用于除去污染物顆粒。較大的收集體顆粒不被吸入到渦流中，或者以非常小的程度吸入，由此它們于細(xì)小的污染物顆粒跟隨不同的軌跡，導(dǎo)致在污染物顆粒和較大物質(zhì)之間的接觸和/或相互作用的可能性更高。
當(dāng)污染物顆粒接觸較大物質(zhì)時(shí)，它們趨向于附著其上并與其反應(yīng)。除去物質(zhì)可以是化學(xué)的，例如鈣，它與污染物顆粒化學(xué)反應(yīng)，(例如二氧化硫)以形成第三化合物(例如硫酸鈣)。作為選擇，顆粒的除去物質(zhì)可以通過吸收、或通過吸附(碳顆粒吸附污染物汞顆粒)來除去污染物顆粒，或者顆粒的除去物質(zhì)可以通過撞擊附著與污染物凝聚來簡(jiǎn)單除去細(xì)小污染物。接下來使用公知的方法更容易從氣流除去較大或凝聚的顆粒。
通常，非常小于1的斯托克數(shù)將確保污染物顆粒的吸入。顆粒的較大除去物質(zhì)應(yīng)該具有大大大于1的斯托克數(shù)以便它們不被吸入。實(shí)際上，氣流產(chǎn)生的渦旋或渦流是小的，不像已知混合器的大規(guī)模紊流。所以，結(jié)構(gòu)一般包括產(chǎn)生多個(gè)小渦旋或渦流的多個(gè)部件。
多個(gè)小渦旋或渦流吸入所關(guān)心的(小)顆粒并使它們經(jīng)歷紊流。較大的顆粒不必被這些小的渦流吸入，或吸入的程度很小。在小顆粒和大顆粒之間的相對(duì)移動(dòng)導(dǎo)致它們之間更高的碰撞頻率，由較大(收集體)顆粒更有效地除去細(xì)小(污染物)顆粒。
在顆粒已經(jīng)很好地分布在管道中的流動(dòng)中使用多個(gè)小渦流是違反直覺的。通常，需要在氣流中的壓降盡可能的低。出于此原因，一般葉片僅用于保持顆粒在管道中盡可能均勻的分布。因此這種葉片一般具有相對(duì)大的規(guī)模-僅略微小于管道的規(guī)模。例如，可以彎曲的使用大規(guī)?！罢{(diào)整葉片”以防止所有的顆粒跑到彎曲的外面并在彎曲后產(chǎn)生不均勻的分布。
作為選擇，當(dāng)兩種不同的物質(zhì)開始沒有很好地分布在容器或管道中時(shí)，使用已知的混合器來產(chǎn)生均勻的混合。而且，一般使用大規(guī)模的裝置。通常它們不用于促進(jìn)已經(jīng)很好地分布在管道中的物質(zhì)之間的碰撞。另一方面，本發(fā)明使用許多渦流發(fā)生器，它產(chǎn)生小規(guī)模渦流以增加已經(jīng)足夠好地分布在整個(gè)流體流中的細(xì)小(污染物)顆粒和收集體顆粒之間的相互作用。
為了本發(fā)明可以被更充分地理解和實(shí)際應(yīng)用，現(xiàn)在僅通過例子，參考附圖，將描述其實(shí)施方式。


圖1是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的葉片的透視圖。
圖2是圖1葉片陣列的截面圖。
圖3是根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方式的葉片的截面圖。
圖4是根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方式的葉片的局部透視圖。
圖5仍是根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方式的葉片的局部透視圖。
圖6示出由圖2陣列形成的紊流渦旋。
圖7是圖2葉片陣列的修改形式的截面圖。
具體實(shí)施例方式
在優(yōu)選實(shí)施方式中，本發(fā)明涉及使用紊流渦旋來操縱由流動(dòng)的流體攜帶的非常小的污染物顆粒和較大收集體顆粒的相對(duì)軌跡，以便提高顆粒碰撞或相互作用而凝聚的可能性，或者彼此另外反應(yīng)而更容易形成可除去的顆粒，而上述流體一般是來自生成過程的排出氣體流。設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)以便提供要求尺寸和規(guī)模的紊流以使不同物質(zhì)的顆粒具有基本上不同的滑流速度。
紊流應(yīng)該使得小污染物顆粒的斯托克數(shù)(St)非常小于1(St＜＜1)，同時(shí)使得較大收集體顆粒的斯托克數(shù)(St)非常大于1(St＞＞1)。
斯托克數(shù)(St)是顆粒跟隨流線能力的理論測(cè)量。斯托克數(shù)被定義為顆粒響應(yīng)時(shí)間與流體流動(dòng)時(shí)間的比值并表征為St＝τp/τf＝ρpUdp2/18μL，(1)其中τp是顆粒響應(yīng)時(shí)間，τf是特征流動(dòng)時(shí)間，ρp是顆粒密度，U是流體速度，dp是顆粒直徑，μ是流體粘度，L是渦旋尺寸。通常，對(duì)于St＜＜1，顆粒能夠充分響應(yīng)規(guī)模L的紊流渦旋，并緊緊跟隨。在另一個(gè)極端，其中St＞＞1，顆粒根本不響應(yīng)此規(guī)模的紊流運(yùn)動(dòng)，其軌跡基本上不受影響。在中間范圍，對(duì)于St≈1，顆粒部分響應(yīng)流體運(yùn)動(dòng)，但仍有顆粒軌跡與流體運(yùn)動(dòng)明顯離開。
當(dāng)對(duì)于例如工業(yè)燒煤鍋爐的煙道中的普通污染物質(zhì)進(jìn)行斯托克分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)對(duì)于在一般管道(比如說4m2)的規(guī)模和氣體的速度(8-16m/sec)的紊流渦旋，所有共同發(fā)現(xiàn)尺寸的所有顆粒將完全響應(yīng)紊流渦旋，即對(duì)于所有顆粒St＞＞1。甚至對(duì)于響應(yīng)管道高度/寬度混合器、旋轉(zhuǎn)葉片、加強(qiáng)肋等(比如說400mm)尺寸的規(guī)模的紊流，大多數(shù)低于100微米的顆粒將完全響應(yīng)紊流渦旋。直到紊流規(guī)模顯著降低到下面的尺寸以下對(duì)于從0.1微米到100微米范圍的尺寸，顆粒具有從St＜＜1到St＞＞1的響應(yīng)范圍。在這種條件下，大小顆粒的軌跡從流動(dòng)的那些偏離到不同的范圍，使得提高了碰撞的可能性。
從上述可以看出，很明顯，如果紊流渦旋的尺寸正確，在它們與固定尺寸的紊流渦旋不同的相互作用和通過紊流渦旋的路徑的基礎(chǔ)上，可以提高在相同流體流內(nèi)不同尺寸組分之間的碰撞次數(shù)。而且，可以修整(tailor)紊流渦旋的主要尺寸以便在它們的相對(duì)慣性的基礎(chǔ)上使具體組分之間的相互作用最大化，并因此響應(yīng)紊流渦旋。然后可以設(shè)計(jì)合適的結(jié)構(gòu)以提供所需的渦旋尺寸的組合。
可以使用渦流發(fā)生器來產(chǎn)生渦旋。在本領(lǐng)域中渦流發(fā)生器是公知的，在本申請(qǐng)中無需具體描述。普通的渦流發(fā)生器是葉片。包括多個(gè)葉片的結(jié)構(gòu)可以用于在流體流中產(chǎn)生多個(gè)渦旋。
在一個(gè)實(shí)施方式中，如圖1和2所示，使用角形截面葉片來產(chǎn)生渦流。圖1示出葉片10，它包括沿其長(zhǎng)度具有凸起或“齒”12的Z形金屬帶。齒12可以由沿帶10邊緣隔開的缺口11形成。齒12具有深度Td和齒間距Tp。
在包括多個(gè)平行的排的陣列中設(shè)置葉片10，每排沿流動(dòng)方向延伸，并包含多個(gè)間隔的葉片，其相對(duì)于流體流橫向定向，如圖2的截面圖所示。(通常將多排葉片安裝在平面框架中，為了清楚它被省略)。葉片10的主體部分在流體流方向延伸Vl，并隔開距離Vs。葉片10的主體部分在跨過流的方向具有寬度Vw。
在葉片10的折疊和凸起12之后形成渦流渦旋。由該設(shè)計(jì)產(chǎn)生的渦旋的主要尺寸近似于發(fā)生器的重要尺寸，包括葉片寬度Vw、葉片長(zhǎng)度Vl、齒深度Td和齒間距Tp。選擇連續(xù)葉片之間的間隔距離Vs以便在內(nèi)部葉片區(qū)中可以充分形成渦旋。
尺寸的組合確定了形成的渦旋尺寸的組合。選擇渦旋尺寸的最佳范圍，并優(yōu)化葉片設(shè)計(jì)以在其它限制內(nèi)獲得它，例如壓降。
盡管在所示的葉片10上使用了齒，并且葉片與流體流動(dòng)方向有角度，但其它的變化也是可以的，因?yàn)樵O(shè)置在流體流動(dòng)的路徑中的任何平面圓柱體或其它形狀的體之后將形成渦旋，并且形成的渦旋幾乎和阻擋葉片的尺寸相同。
例如，如圖3所示，可以使用跨過流體流安裝的平帶陣列。作為選擇，可以使用具有如圖4所示的扇形邊緣的平帶陣列和如圖5所示的圓柱陣列。也可以使用跨過流方向的隔開的線或桿的單個(gè)橫排。
由葉片的陣列產(chǎn)生的多個(gè)小規(guī)模的渦流或渦旋跨過整個(gè)管道延伸，對(duì)于紊流場(chǎng)優(yōu)選包圍整個(gè)流動(dòng)路徑。然而，盡管可以將葉片安裝在其中主體氣流流動(dòng)的管道中，但應(yīng)注意，本發(fā)明不需要葉片安裝在管道或其它管路中。
因此，在一個(gè)實(shí)施方式中，可以設(shè)計(jì)用于在流體流中產(chǎn)生所需尺寸和規(guī)模的紊流的結(jié)構(gòu)并構(gòu)造如下1.確定要凝聚的顆粒的尺寸分布和密度(收集體和被收集的顆粒)，包括每個(gè)尺寸的顆粒的相對(duì)量。
2.識(shí)別用作“收集體顆?！?即將具有最大滑移的顆粒)的顆粒的尺寸分布、密度和形狀以及數(shù)量密度。這些顆粒可以自然出現(xiàn)在系統(tǒng)中(例如在疏松的燃料灰流中的顆粒的較高的尺寸粒度)或者可以被引入(例如用于汞收集的吸附劑顆粒)。
在某個(gè)系統(tǒng)中，收集體和收集顆?？梢跃哂忻黠@不同的密度和形狀?？梢酝ㄟ^密度和形狀上的不同以及尺寸上的不同來獲得收集體和被收集的顆粒在滑流特征上的變化。
也將選擇收集體顆粒來確保它們有足夠的數(shù)量來在收集體和收集顆粒之間產(chǎn)生顯著數(shù)量的碰撞。
3.使用等式(1)進(jìn)行如在2(上面)中限定的斯托克數(shù)量分析，以確定使收集體顆粒比被收集顆粒具有明顯高的滑流速度的最佳特征渦旋尺寸(L)。這通常要求收集體顆粒的斯托克數(shù)至少大于被收集顆粒一個(gè)數(shù)量級(jí)。在一個(gè)優(yōu)選方法中，球狀收集體顆粒的斯托克數(shù)在10-2＜St＜102的范圍內(nèi)。
注意，一旦確定臨近顆粒尺寸就可以進(jìn)行斯托克數(shù)分析，因?yàn)榭梢栽O(shè)定St(對(duì)于高滑流顆粒，設(shè)為St＞＞1)，斯托克等式中除L(渦旋尺寸)以外的所有其它變量是(或可以假設(shè)為)常數(shù)。
使用迭代過程確定最佳特征渦旋尺寸(L)。即使用在步驟3(上面)中確定的渦旋尺寸(L)，檢查用于所需的“被收集顆?！背叽绲腟t(對(duì)于低滑流顆粒，St＜＜1)。使用在步驟3(上面)中確定的渦旋尺寸(L)，St＝1，檢查中間顆粒響應(yīng)。迭代這些步驟，調(diào)整渦旋尺寸(L)以獲得所需的顆粒響應(yīng)。
通常最佳的渦旋尺寸是小的，例如大大小于400mm，一般具有10mm的數(shù)量級(jí)，但取決于顆粒的種類和它們相關(guān)的特征。
4.確定渦流發(fā)生器的葉片W的主要尺寸的所需尺寸以產(chǎn)生如在步驟3(上面)中所確定尺寸(L)的渦旋。在一個(gè)方法中，估計(jì)W等于L。在另一個(gè)優(yōu)選方法中，通過斯托克數(shù)模擬確定葉片的尺寸。這需要給葉片的尺寸定規(guī)模以盡可能緊密地匹配收集體和被收集顆粒的斯托克數(shù)，發(fā)現(xiàn)這些顆粒在不同的條件組下進(jìn)行得很好，即具有不同的顆粒尺寸分布、密度、形狀、流速和/或動(dòng)態(tài)粘度。
5.設(shè)計(jì)具有適當(dāng)形狀和尺寸的葉片以產(chǎn)生在上面4中確定的尺寸的渦旋，葉片的優(yōu)選形狀如圖1所示。
如果必要，使用經(jīng)驗(yàn)的“形狀因數(shù)”以考慮非球狀顆粒的形狀。
對(duì)于由該系統(tǒng)的物理性能、制造的尺寸要求和裝置的工程限制決定的每個(gè)臨界葉片尺寸可以具有尺寸范圍。然而通常，變量Vw、Vl、Vs、Tp和Td將確定產(chǎn)生紊流的尺寸、形狀、強(qiáng)度和頻率，依次它將控制在葉片后的紊流中單個(gè)顆?；骱团鲎驳轿闪鞯某潭取Ｖ匾脑O(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是葉片的尺寸和間隔。
此外，出于有用的目的，例如凝聚、吸附、催化、凝聚等，目的是引起懸浮顆粒的碰撞。因此，應(yīng)該發(fā)生充分的顆粒相互作用，基本上所有的顆粒經(jīng)歷至少一次(優(yōu)選多次)碰撞現(xiàn)象同時(shí)橫越該裝置。出于實(shí)際的意義，在流動(dòng)以及跨過流動(dòng)的方向上這要求多重葉片?？邕^流動(dòng)的多重葉片保證了通過沒有適當(dāng)尺寸的渦旋的裝置沒有流動(dòng)路徑，而在流動(dòng)方向上的多重葉片保證了在裝置中流動(dòng)保持足夠的時(shí)間用于發(fā)生有用次數(shù)的顆粒碰撞。
在優(yōu)選實(shí)施方式中，該裝置在流動(dòng)方向上足夠長(zhǎng)，由此它對(duì)流動(dòng)的流體至少處理0.1秒。對(duì)于一般的(比如說)10米/秒的工業(yè)流動(dòng)，要求裝置在流動(dòng)方向上至少1m深。
在流動(dòng)方向上相鄰葉片之間的間隔應(yīng)該使由葉片產(chǎn)生的渦旋通過就在下游的葉片的渦旋產(chǎn)生作用而加強(qiáng)，如圖6所示，其中由葉片產(chǎn)生的渦流1通過下面連續(xù)的葉片在2加強(qiáng)。圖6還示出低滑流顆粒3和高滑流顆粒4的不同軌跡。在優(yōu)選實(shí)施方式中，葉片分開距離Vs，與葉片寬度Vw相等。
葉片的排列不是關(guān)鍵的，可以是水平的、垂直的或在兩個(gè)方向上成一些角度。
本發(fā)明具有將混合裝置設(shè)計(jì)成適合特殊應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)。具體而言，可以獲得所需規(guī)模的紊流，由此小的污染物顆粒被吸入紊流渦旋或渦流，而較大的收集體顆粒以較小或可忽略的程度被吸入)。小的污染物顆粒和較大的除去顆粒的所得的不同滑流速度和軌跡導(dǎo)致在兩種顆粒之間更多的碰撞。所以，在顆粒之間具有更大的相互作用(例如撞擊粘著、吸附、吸附或化學(xué)反應(yīng))，提高了除去污染物的效率。
所以，本發(fā)明涉及產(chǎn)生這種規(guī)模的紊流，所關(guān)心的兩種物質(zhì)被以明顯不同的程度吸入，并且不限于任何特殊的裝置和工藝。對(duì)于一種物質(zhì)保持St＜＜1另一種物質(zhì)St≥1的系統(tǒng)將發(fā)生最佳的碰撞率。可以以任何合適的方式產(chǎn)生紊流本身，并不限于公知的渦流發(fā)生器。
盡管特別參考了污染控制應(yīng)用描述了本發(fā)明，但它可以用于設(shè)計(jì)高效混合器來用于其它應(yīng)用。
而且，盡管特別參考在氣流中混合顆粒描述本發(fā)明，但它也可用于在其它流體流中混合，例如液體。
無需以直線陣列安裝葉片。如圖7所示，可以以跨過流動(dòng)方向的連續(xù)排的方式安裝葉片，每排中的葉片相對(duì)于相鄰排的葉片與流動(dòng)路徑交叉。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式中，兩個(gè)或更多的渦流發(fā)生器沿流動(dòng)路徑連續(xù)間隔，產(chǎn)生逐漸增大的渦流渦旋以促進(jìn)逐漸增大的顆粒的撞擊。這種結(jié)構(gòu)適于沿流動(dòng)路徑在尺寸上逐漸增加的凝聚。該實(shí)施方式在除霧器和細(xì)小顆粒凝聚器中、以及在化學(xué)相互作用或催化工藝中具有潛在的應(yīng)用，在該化學(xué)相互作用或催化工藝中，依次大的組分的目的是提高工藝效率。
權(quán)利要求
1.一種設(shè)計(jì)渦流發(fā)生器的結(jié)構(gòu)的方法，該渦流發(fā)生器用于在流體流中產(chǎn)生紊流渦旋，以促進(jìn)在流體流中至少兩種顆粒之間的相互作用，包括如下步驟(i)識(shí)別兩種顆粒的相關(guān)特征，(ii)進(jìn)行斯托克數(shù)分析以確定最佳特征的渦旋尺寸，使一種顆粒具有比另一種類型的顆粒明顯更高的滑流速度，以及(iii)設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)以在具有在上面步驟(ii)中確定的最佳尺寸的流體流中產(chǎn)生渦旋。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中兩種顆粒的相關(guān)特征包括顆粒的尺寸和密度。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中最佳特征渦旋尺寸的確定包括迭代過程。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中一種顆粒的斯托克數(shù)至少比另一種顆粒的斯托克數(shù)大一個(gè)數(shù)量級(jí)。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中至少一種顆粒具有10-2到102范圍的斯托克數(shù)。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中最佳特征渦旋尺寸是這樣的尺寸在該尺寸下兩種顆粒的斯托克數(shù)的差最大。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)成包括多個(gè)葉片。
8.一種通過在流體流中產(chǎn)生紊流渦旋來促進(jìn)流體流中至少兩種顆粒之間的相互作用的方法，其特征在于渦流具有這樣的尺寸和/或強(qiáng)度，使得兩種顆粒以明顯不同的程度吸入渦旋。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中渦流具有這樣的尺寸和/或強(qiáng)度，使得一種顆?；旧媳煌耆攵硪环N顆粒基本上沒被吸入，由此使兩種顆粒之間的相對(duì)滑流和相互作用的可能性最大化。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，其中一種顆粒的斯托克數(shù)至少比另一種顆粒的斯托克數(shù)大一個(gè)數(shù)量級(jí)。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中至少一種顆粒具有10-2到102范圍的斯托克數(shù)。
12.一種用于促進(jìn)流體流中至少兩種顆粒之間的相互作用的裝置，包括用于在流體流中產(chǎn)生紊流渦旋的裝置，其特征在于渦流具有這樣的尺寸和/或強(qiáng)度，使得兩種顆粒以明顯不同的程度吸入渦旋。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中渦流具有這樣的尺寸和/或強(qiáng)度，使得一種顆?；旧媳煌耆攵硪环N顆?；旧蠜]被吸入，由此使兩種顆粒之間的相對(duì)滑流和相互作用的可能性最大化。
14.如權(quán)利要求12所述的方法，其中一種顆粒的斯托克數(shù)至少比另一種顆粒的斯托克數(shù)大一個(gè)數(shù)量級(jí)。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中至少一種顆粒具有10-2到102范圍的斯托克數(shù)。
16.一種在流體流中產(chǎn)生渦旋的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由權(quán)利要求1的方法設(shè)計(jì)。
全文摘要
通過在流體流中產(chǎn)生紊流渦旋(1、2)來促進(jìn)流體流中的兩種顆粒之間的相互作用。紊流渦旋被設(shè)計(jì)成具有這樣的尺寸和/或強(qiáng)度，從而使得不同尺寸的顆粒以明顯不同的程度被吸入渦旋并被迫跟隨不同的軌跡(3、4)，由此提高了碰撞和相互作用的可能性。保持一種尺寸的顆粒的斯托克數(shù)(St)非常小于1的系統(tǒng)會(huì)發(fā)生最佳的碰撞率。本發(fā)明對(duì)空氣污染控制具有特殊的應(yīng)用，由此促進(jìn)了細(xì)小顆粒凝聚成較大的顆粒，然后除去它們。
文檔編號(hào)B01D50/00GK1918390SQ200580004435
公開日2007年2月21日 申請(qǐng)日期2005年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月9日
發(fā)明者R·J·特魯斯, J·W·威爾金斯, G·J·內(nèi)森, R·M·凱爾索, P·A·M·卡爾特 申請(qǐng)人:因迪格技術(shù)集團(tuán)股份有限公司