MXPA98009724A - Lanceta inyectora de chorro coherente - Google Patents

Abstract

La presente invención se refiere a una lanceta inyectora de chorro coherente que comprende:(A) un ensamble de inyector que tiene:(1) un pasaje primario, un espacio de inyección y una boquilla convergente / divergente que tiene una entrada que comunica con el pasaje primario y que tiene una salida que comunica con el espacio de inyección;(2) un primer pasaje secundario espaciado radialmente del pasaje primario, orientado paralelo con el pasaje primario y que comunica el flujo rápido de espacio de inyección con la salida de la boquilla;y (3) un segundo pasaje secundario espaciado radialmente del primer pasaje secundario, orientado paralelo con el pasaje primario y que comunica el flujo rápido de espacio de inyección con la salida de boquilla;y (B) una cubierta que cubre el ensamble de inyector, la cubierta se extiende más alláde la salida de la boquilla para definir e espacio de inyección.

Description

LANCETA INYECTORA DE CHORRO COHERENTE Campo Técnico Esta invención se refiere generalmente a aparatos para producir un flujo de gas. La invención es especialmente útil para producir un flujo de gas para introducirlo en un líquido, tal como un metal fundido, el cual crea un ambiente riguroso para el dispositivo de inyección de gas. Antecedentes del Arte Con frecuencia se desea establecer un flujo de gas. Por ejemplo, u_ flujo de gas puede ser inyectado en un liquidó por una o más diversas razones. Un gas reactivo puede ser inyectado en un líquido para reaccionar con uno o más componentes del líquido, tal como, por ejemplo, la inyección de oxígeno en fierro fundido para reaccionar con carbono dentro del fierro fundido para descarburizar el fierro y proveer calor al fierro fundido. Puede ser inyectado oxígeno en otros metales fundidos tales como cobre, plomo y zinc para propósitos de fundido. Un gas no reactivo, tal como un gas inerte, puede ser inyectado en un líquido para revolver el líquido con el fin de promover, por ejemplo, una mejor distribución de temperatura o una mejor distribución de componentes en todo el líquido. Con frecuencia el líquido está contenido en un recipiente tal como un reactor o en un recipiente de fundición en donde el líquido forma un pozo dentro del recipiente conformado al fondo y a alguna longitud de las paredes del recipiente, y teniendo una superficie superior. Cuando se inyecta gas en el pozo de líquido, es deseable tener un flujo de tanto gas como sea posible en el líquido para llevar a cabo el intento de la inyección de gas. Consecuentemente un gas es inyectado desde un dispositivo de inyección de gas en el líquido por debajo de la superficie del líquido. Si la boquilla para un chorro de gas normal estuviera espaciada alguna distancia arriba de' la superficie del líquido, entonces mucho del gas incidiendo sobre la superficie será será desviado en la superficie del líquido y no entrará en el pozo del líquido. Aun más, tal acción causará salpicamiento del líquido que puede resultar en pérdida de material y problemas de operación. La inyección sumergida de gas en un líquido usando dispositivos de inyección de gas montados en el fondo o pared lateral, aunque son muy efectivos, tienen problemas de operación cuando el líquido es un líquido corrosivo o cuando está a una temperatura muy elevada, ya que estas condiciones pueden causar deterioración rápida del dispositivo de inyección de gas y desgaste localizado del revestimiento del recipiente resultando tanto en la necesidad de sistemas sofisticados de enfriamiento externo como en paros frecuentes para mantenimiento y altos costos de operación. Un conveniente es llevar la punta o boquilla del dispositivo de inyección de gas cerca de la superficie del pozo del líquido evitando el contacto con la superficie del líquido e inyectando el gas desde el dispositivo de inyección de gas a una alta velocidad para que una porción significativa del gas pase al líquido. Sin embargo, esta conveniencia no es satisfactoria aun porque la proximidad de la punta del dispositivo de inyección de gas a la superficie del líquido puede resultar aun en daño significativo a este equipo. Además, en casos en donde la superficie del líquido no es estacionaria, la boquilla tendría que ser movida constantemente para considerar la superficie en movimiento para que la inyección de gas ocurra en la ubicación deseada y para que la distancia requerida entre la punta de lanceta y la superficie del baño sea mantenida. Para hornos eléctricos de arco, esto requiere complicados manipuladores de lanceta impulsados hidráulicamente los cuales son caros y requieren mantenimiento considerable. Otro conveniente es usar un tubo que es introducido a través de la superficie del pozo del líquido. Por ejemplo, tubos enfriados sin-agua son usados con frecuencia para inyectar oxígeno en el baño de acero fundido en un horno eléctrico de arco. Sin embargo, esta conveniencia tampoco es satisfactoria porque el desgaste rápido del tubo requiere complicados manipuladores del tubo impulsados hidráulicamente así como equipo de alimentación de tubo para compensar la rápida relación de desgaste del tubo. Además, la pérdida de tubo, el cual debe ser continuamente remplazado, es cara. Estos problemas pueden ser resueltos si se puede establecer un chorro coherente. Un chorro de gas coherente conserva su diámetro y velocidad, después de la inyección, más allá de lo que lo hace un chorro de gas normal. Con un chorro coherente, la punta inyectora puede ser colocada significativamente más lejos de la superficie del líquido mientras aun permite virtualmente que todo el gas dentro del chorro de gas coherente penetre la superficie del líquido. Además, los chorros coherentes encontrarán uso en otras aplicaciones, tales como aplicaciones en combustión, en donde los chorros de gas son usados comunmente.

Consecuentemente, es un objeto de esta invención proveer un aparato para inyectar gas en un volumen para que el gas inyectado forme un chorro coherente de gas. Resumen de la Invención El anterior y otros objetivos, que serán aparentes a aquellos expertos en el arte con la lectura de esta descripción, son logrados por la presente invención la cual es: Una lanceta inyectora de chorro coherente que comprende: (A) un ensamble inyector que tiene: (1) un pasaje primario, un espacio de inyección, y una boquilla que tiene una entrada que comunica con el pasaje primario y que tiene una salida que comunica con el espacio de inyección; (2) un primer pasaje secundario espaciado radialmente del pasaje primario y que comunica con el espacio de inyección; y ( 3 ) un segundo pasaje secundario espaciado radialmente del primer pasaje secundario y que comunica con el espacio de inyección; y (B) una cubierta que cubre el ensamble inyector, dicha cubierta extendiéndose más allá de la salida de la boquilla para definir el espacio de inyección. Breve Descripción de los Dibujos La Fig. 1 es una representación en sección-transversal de una modalidad preferida de la lanceta inyectora de chorro coherente de esta invención. La Fig. 2 es una representación en sección-transversal de otra modalidad preferida de la lanceta inyectora de chorro coherente de esta invención. La Fig. 3 es una representación simplificada en sección-transversal de una modalidad de la lanceta de chorro coherente de la invención colocada en una pared lateral del recipiente. la Fig. 4 es una vista de frente simplificada de una modalidad de la lanceta inyectora de chorro coherente de la invención que tiene pasajes adicionales de inyección en la cubierta que expelen corrientes divergentes. a Fig. 5 es una vista frontal simplificada de una modalidad de la lanceta inyectora de chorro coherente de la invención que tiene pasajes adicionales de inyección en la cubierta que expelen corrientes convergentes. Los numerales en las Figuras son los mismos para los elementos comunes. Descripción Detallada La invención será descrita en detalle con referencia a los dibujos. Refiriéndose ahora a la Fig. 1, el inyector de chorro coherente 1 comprende un ensamble de inyector y una cubierta externa. El ensamble de inyector incluye un pasaje primario 2 que comunica con una fuente de gas primario (no mostrada). El gas primario puede ser cualquier gas del cual se desea la formación de un chorro coherente. Ejemplos de tales gases incluyen oxígeno, nitrógeno, argón, hidrógeno, helio, combustible de hidrocarburo gaseoso y mezclas que comprenden dos o más de esos. El pasaje primario 2 comunica también con la boquilla 3. Preferiblemente, en por lo menos una porción de su longitud, la boquilla 3 tiene un diámetro que es menor que el diámetro del pasaje primario 2 y es menor que el diámetro del espacio de inyección 6. Más preferiblemente, como se lustra en la Fig. 1, la boquilla 3 es una boquilla convergente / divergente. La boquilla 3 convergente/divergente tiene una entrada 4, la cual comunica con el pasaje primario 2, y tiene una salida 5 que comunica con el espacio de inyección 6. Espaciado radialmente del pasaje primario 2 está el primer pasaje secundario 7, y espaciado radialmente del primer pasaje secundario 7 está el segundo pasaje secundario 8. Uno del primer y segundo pasajes secundarios comunica con una fuente de oxidante (no mostrada), y el otro del primero y segundo pasajes secundarios comunica con una fuente de combustible (no mostrada). Cuando el oxígeno es el gas primario el primer pasaje secundario 7 comunica preferiblemente con una fuente de combustible y el segundo pasaje secundario 8 comunica con una fuente de oxidante. El oxidante es preferiblemente un fluido que contiene por lo menos 30 por ciento en mol de oxígeno, más preferiblemente por lo menos 90 por ciento en mol de oxígeno. El oxidante puede ser oxígeno puro técnicamente que tiene una concentración de oxígeno de 99.5 mol por ciento o más. El combustible puede ser cualquier combustible fluido tal como metano, propano, butileno, gas natural, hidrógeno, gas de coque para estufa o aceite. Cada uno del primero y segundo pasajes secundarios comunican con el espacio de inyección 6 preferiblemente, parejos o alineados con la salida 5 de la boquilla convergente/divergente 3. La Fig. 1 ilustra una modalidad preferida de la invención en donde cada uno de los pasajes secundarios primero y segundo se convierten en una pluralidad de pasajes individuales de manera que cada uno de los pasajes secundarios primero y segundo comunican con el espacio de inyección 6 como un anillo de agujeros alrededor de la salida 5. Alternativamente, uno o ambos de los pasajes secundarios primero y segundo podrían comunicar con el espacio de inyección 6 cerno un anillo circular a la salida 5. El ensamble inyector está cubierto por una cubierta 9 que corre a lo largo de la longitud del ensamble de inyector y tiene una porción de extensión de cubierta 10 que se extiende más allá de la salida de boquilla 5 para definir el espacio de inyección 6. La porción de extensión de cubierta 10 tiene una longitud generalmente de hasta 30.5 cm y preferiblemente dentro del rango de 1.27 a 17.8 cm. La extensión de cubierta no necesita ser de la misma longitud alrededor del ensamble de inyector entero y puede tener una longitud en un lado del ensamble de inyector que exceda su longitud en el otro lado del ensamble inyector. Una modalidad tal se ilustra en la Fig. 2. Tal modalidad es particularmente ventajosa cuando se monta angularmente en la pared lateral de un recipiente. La cubierta 9 puede ser enfriada mediante la circulación de refrigerante, v.g. agua, en el pasaje de flujo interior e refrigerante 11 y el pasaje de flujo externo de refrigerante 12. El espacio de inyección o volumen 6 formado por la porción de extensión de cubierta 10 establece una zona protectora que sirve para proteger las corrientes de gases inmediatamente encima de sus flujos fuera de los pasajes primario y secundario. Esto mejora la integridad del chorro coherente proporcionando un entorno propicio para su formación inicial.

Típicamente la lanceta inyectora de chorro coherente de esta invención está colocada en la pared o el techo de un recipiente, tal como un horno, y se usa para inyectar un flujo de gas, como un chorro de gas coherente, al recipiente. La Fig. 3 ilustra un arreglo tal en donde la lanceta inyectora de chorro coherente está montada angularmente en la pared lateral 20 de un recipiente, v.g. un horno de arco eléctrico, para inyectar gas al interior 25 del recipiente. En la Fig. 3 el ensamble de inyector está representado por el rectángulo obscuro 22. En operación, el gas primario es expulsado desde la lanceta 1 y forma la corriente de gas primario que tiene típicamente una velocidad de 305 metros por segundo (mps) o más. Combustible y oxidante son expulsados desde la lanceta 1 y forman corrientes anulares las cuales empiezan a mezclarse inmediatamente después de la expulsión desde la lanceta 1 y se queman para formar una envoltura flamígera alrededor de la corriente de gas primario. Si la invención es empleada en un ambiente caliente tal como un horno de fundición de metal, no se requiere una fuente de ignición por separado para el combustible y el oxidante. Si la invención no es empleada en un ambiente en donde el combustible y el oxidante se auto-enciendan, se requerirá una fuente de ignición tal como un generador de chispa. Preferiblemente, la envoltura flamígera tendrá una velocidad menor a la velocidad de la corriente de gas primario y generalmente dentro del rango de 15 a 305 mps. La envoltura flamígera forma un escudo o barrera fluida alrededor de la corriente de gas primario. Esta barrera reduce grandemente la cantidad de gases ambientales que son arrastrados en la corriente de gas primario de alta velocidad, sirviendo así para mantener coherente la corriente de gas durante una distancia significativa después de la expulsión desde la lanceta. Esto permite la colocación de la lanceta de tal forma que la punta de la lanceta esté espaciada por una distancia más grande desde donde el gas primario impacta o de otro modo hace contacto con otro fluido o sólido, aumentando así la seguridad y mejor preservación de la integridad de la lanceta. Generalmente, la cantidad de combustible y oxidante provista desde la lanceta será suficiente para formar una envoltura flamígera efectiva para la longitud deseada de la corriente de gas primario. Sin embargo, puede haber ocasiones cuando se deseé que salgan de la lanceta más combustible y oxidante significativamente de forma que la envoltura flamígera no sirva solamente para proteger la corriente de gas primario del arrastre de gas ambiental, sino también sirva para proveer calor considerable al recipiente. Es decir, la lanceta puede funcionar también como un quemador, en algunas modalidades de esta invención. La cubierta o chaqueta de la lanceta inyectora de chorro coherente de esta invención puede contener uno o más pasajes adicionales para proveer fluido o fluidos adicionales o para proveer una o más corrientes de partículas sólidas al recipiente al cual es inyectado el chorro coherente de gas primario. Esto se ilustra en la Fig. 3 por el pasaje adicional 21 que tiene una abertura de inyección 24. El pasaje o pasajes adicionales 21 pueden ser empleados ventajosamente con la lanceta inyectora de chorro coherente de esta invención para proveer oxígeno de post-combustión a un horno de arco eléctrico para llevar a cabo el método de post-combustión descrito y reivindicado en E.U., 5,572,444-Mathur et al., aunque el ensamble de inyector se usa para proveer oxígeno principalmente al metal fundido. El pasaje o pasajes adicionales pueden proveer el fluido o corriente adicional de partículas en una corriente o corrientes que corren paralelas al chorro coherente de gas primario o en una corriente o corrientes anguladas hacia o alejándose del chorro de gas coherente primario. La Fig. 4 ilustra una modalidad de la invención que puede ser empleada para proveer dos corrientes divergentes adicionales, y la Fig. 5 ilustra una modalidad de la invención que puede ser empleada para proveer dos corrientes adicionales desde la lanceta tal que estas dos corrientes intersecten corriente abajo de la lanceta, es decir las corrientes son convergentes. El eje de un pasaje o de una corriente de gas es la linea imaginaria que corre a través del centro del pasaje o de la corriente de gas a lo largo de su longitud. El eje del pasaje primario se ilustra en la Fig. 1. Las siguientes son especificaciones preferidas para el diseño de la lanceta inyectora de chorro coherente de esta invención. (1) relación de flujo a través del pasaje primario: 0.566-4.247 MyiCH a TPN (Temperatura y Presión Normales) Presión de Suministro (corriente arriba de la boquilla): 3.52- 21.11 Kg/cra2 Diámetro de Garganta para Boquilla Convergente-Divergente D = ?(Q/P) D - Diámetro de Garganta - centímetros Q - MCH a TPN para la relación de flujo del gas primario. P - Presión Absoluta (Kg/arr) K = 0.03 a 0.04 D = 0.63 a 5.08 c . (2) oxígeno al anillo de agujeros que rodea la boquilla Deq = C^ DM = Diámetro de tubo equivalente al área de sección transversal del anillo de agujeros. De_q_. = Raíz cuadrada de (área de sección transversal del anillo de agujeros (cm ) dividido entre (Pi/4)) Q - MCH a TPN para la relación de flujo del gas primario. C = 0.013 a 0.16 (3) combustible al anillo de agujeros que rodea la boquilla Q - MCH a TPN para la relación de flujo del gas primario. H - Valor calorífico del combustible - Kcal/m - (a TPN) J =0.4 a 5.0 Ahora con el uso de esta invención uno puede establecer efectivamente un flujo de gas como un chorro coherente de gas. Aun cuando la invención ha sido descrita en detalle con referencia a ciertas modalidades preferidas, aquellos expertos en el arte reconocerán que hay otras modalidades de la invención dentro del espíritu y el alcance de las reivindicaciones.

Claims (9)

1. REIVINDICACIONES 1. Una lanceta inyectora de chorro coherente que comprende: (A) un ensamble de inyector que tiene: (1) un pasaje primario, un espacio de inyección, y una boquilla que tiene una entrada que comunica con el pasaje primario y que tiene una salida que comunica con el espacio de inyección; (2) un primer pasaje secundario espaciado radialmente del pasaje primario y que comunica con el espacio de inyección; y (3) un segundo pasaje secundario espaciado radialmente del primer pasaje secundario y que comunica con el espacio de inyección; y (B) una cubierta que cubre al ensamble de inyector, dicha cubierta extendiéndose más allá de la salida de la boquilla para definir el espacio de inyección.
2. 2. La lanceta inyectora de chorro coherente de la reivindicación 1 en donde la boquilla es una boquilla convergente/divergente.
3. 3. La lanceta inyectora de chorro coherente de la reivindicación 1 en donde la cubierta se extiende más allá de la salida de la boquilla por una distancia mayor en un lado del ensamble de inyector comparado con el otro lado del ensamble de inyector.
4. 4. La lanceta inyectora de chorro coherente de la reivindicación 1 montada en la pared lateral de un recipiente.
5. 5. La lanceta inyectora de chorro coherente de la reivindicación 3 montada angularmente en la pared lateral de un recipiente.
6. 6. La lanceta inyectora de chorro coherente de la reivindicación 1 en donde la cubierta comprende por lo menos un pasaje adicional para la provisión de una corriente que comprende por lo menos una de fluido o de partículas.
7. 7. La lanceta inyectora de chorro coherente de la reivindicación 6 en donde por lo menos un pasaje adicional dentro de la cubierta tiene un eje el cual está en un ángulo al eje del pasaje primario.
8. 8. La lanceta inyectora de chorro coherente de la reivindicación 6 que comprende por lo menos dos pasajes adicionales dentro de la cubierta los cuales están orientados de tal forma que los ejes de las corrientes de fluido expulsados desde dichos pasajes adicionales se intersectan.
9. 9. La lanceta inyectora de chorro coherente de la reivindicación 6 que comprende por lo menos dos pasajes adicionales dentro de la cubierta los cuales están orientados de tal modo que los ejes de las corrientes de fluido expulsadas desde dichos pasajes adicionales divergen. LANCETA INYECTORA DE CHORRO COHERENTE RESUMEN Una lanceta que puede ser usada para establecer un chorro ">argo coherente de gas que incluye un pasaje primario que tiene una boquilla convergente/divergente, y dos pasajes secundarios espaciados radialmente para establecer una barrera flamígera, cada uno de los pasajes comunicando con un espacio de inyección definido por una cubierta protectora.