Газовий змішувач з розподільником

СОЮЗ СОВЕТСНИХ СОЦИАЛИСТИЧЕСЖЗС РНСЛУБЛИН ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ ПРИ ГННТ СССР (21) ^35653V?.6 (22) 12.08.88 (31) 085159 " * ' '* (32) 14.H3.87 (33) ИЗ Й 6 ) 07,02.92, Бюл. № 5 (71) ДЕЙВИ МакКИ КОРПОРЕЙШН (US) ; (72) Майкл Данстер (GB), Джозеф Д. Корчнак и Лжером X. Мартен (US) (53) 66.023.0X8 (088.8) (56) Патент С А № 3871838, . Ш кл. 48-1Л7,1971Заявка Великобритании N1 139^813, кл. В 01 F 3/02, 1975. (5і*) ГАЗОВЫЙ СМЕСИТЕЛЬ С РАСПРЕДЕЛИТЕЛЕМ (57) Изобретение относится к аппаратурному оформлению процесса частичного окисления углеводородного сырья, Оно обеспечивает повышение производительности смесителя. Смеситель с распределителем газа для реактора содержит первую и вторую впускные камеры. Вторая камера располагается между первой камерой и входом в реакционную камеру аппарата. Во второй ка Изобретение относится к устройству для смешивания двух или более газовых, потоков и распределения и подачи образованной газовой смеси на вход в реакционный аппарат, например для смешивания газообразного углеводородного сырья с содержащим кислород газом с последующей подачей образованной смеси в каталитический реакционный аппарат для частичного окисления углеводородного сырья. мере установлен пучок труб, образующих каналы, простирающиеся от первой камеры до входа в реакционную камеру. Каналы выполнены двухсекционными» Верхние секции каналов имеют постоян- . ную площадь поперечного сечения. В стенках труб этой секции выполнены отверстия, сообщающие вторую впускную камеру с полостью труб. Поперечное сечение нижних частей каналов постепенно увеличивается, чтобы уменьшить скорость и свести к минимуму образование завихрения и рециркуляции на входе в камеру реакционного аппарата. Каналы могут быть образованы горизонтальными трубами с продолговатым поперечным сечением, в результате чего их конфигурация щелевядна. Трубы снабжены клинообразными наконемчиками, которые могут быть выполнены заодно с ними. Клинообразные наконечники образуют секцию каналов с постоянно увеличивающейся площадью поперечного сечения. В наконечниках • выполняются каналы для подачи охлаждающей жидкости. 6 з . п . ф-лы, И 'АЛ. Цель изобретения - повышение производительности смесителя. На фиг.) представлен реакционный" аппарат, на входе которого установлен выполненный по настоящему изобретению блок смесителя с распределителем газа, вертикальный поперечный разрез; на фиг.2 - узел I на ф и г . ? ; на фиг Л - вид А нэ фиг.2; на ф и г . 4 вид 5 на фиг.2; на фиг.5 - узел I на фиг.1 5 иллюстрирующий критические 17И659 размеры; на фиг.Ь - вид Б на фиг.5, иллюстрирующий модифицированную конструкцию распределителя; на фиг.7~ увеличенный вертикальный поперечный разрез, идентичный фиг.2, но иллюстрирующий модифицированный блок смесителя и распределителя; на фиг.8 - модификация съемного блока смеситегя с распределителем газа; на фиг.Э^" вид Г на фиг.8; на фиг.10 - узел I I на фиг.8; на фиг.11 - модифицированный трубчатый элемент, показанный на фиг.1П ? поперечный разрез. Реакционный аппарат для частичного окисления газообразного исходного сырья (фиг.1) содержит блок 1 смесителя с распределителем исходного сырья. Блок 1 смесителя с распределителем смешивает исходное сырье с оксидантом и лодает образованную смесь на вход в реакционную камеру каталитического аппарата 2, в котором происходит частичное окисление исходного сырья с конечным образованием продукта, который затем проходит через выпускную секцию 3« Исходное сырье может боїть представлено углеводородным газом или испаряемой углеводородной жидкостью, которая подвергается преобразованию или конверсии. Оксидант представлен богатым кислородом потоком газа, в качеет ве которого может выступать чистый кислород, воздух или богатый кислородом воздух. Пагр можно вводить в углеводородное исходное сырье и/или в поток газообразного оксиданта. Блок 1 смесителя с распределителем можно использовать в реакционных аппаратах многих типов, помимо описываемого в примере каталитического реакционного аппарата для частичного окисления исходного углеводородного потока. В последнем случае вводимые в реакционную камеру двз или более газообразных реагирующих вещества должны предварительно обязательно равномерно и тщательно перемешиваться. Блок 1 особенно пригоден для экзотермических реакций, когда необходимо осуществление реакции каким-то регулируемым образом внутри катализатора. К наиболее распространенным другим типам реакционных аппаратов относятся т е , которые используются а процессе осуществления гвтотермального реформинга или вторичного реформинга с целью получения таких Продуктов, как аммиак, метанол, синтез-газ и т.д. Реакционный аппарат включает в себя внешнюю оболочку h из конструкционного металла? например из углеродной стали, вместе с верхней частью 5, прикрепленной к оболочке болтами (не показаны) или иным образом. Слой изоляции 6, например, из выдерживающего температуру 10 в 12бП С (2300°Ф) изоляционного материала на основе керамического волокна ВРСГ, прикрепляется к внутренней стороне верхней части оболочки 4, включая верхнюю часть 5. В нижней 15 части блока 1, в секции реакционного аппарата ? и в секции 3 выпускного отверстия на внутренней стороне оболочки закреплены слои 7 - 9. Слой 7 представлен отливаемым или эквивалентным изоляционным материалом, например выдерживающим температуру в 109С°С (200и°й) керамическим изоляционным материалом с низким содержанием железа и высокой степенью чистоты. 25 Слой 8 также представлен отливаемым или эквивалентным слоем изоляционного материала, но содержащим 60% окиси алюминия, что дает ему возможность выдерживать температуру в 1б5П°С 9 30 (3000 ф), Вйутренний слой 9 представлен огнеупорным или эквивалентным ' слоем, например слоем изоляционного материала, состоящим как минимум на 97% из окиси алюминия с керамическими анкерами, или изоляционного кирпича, состоящим как минимум на 97% из' , окиси алюминия и способным выдерживать внутренние температуры реакционного аппарата. 40 Кроме того, с целью недопущения диффузии реагирующих веществ, а следовательно, и сгорания внутри огнеупорного слоя, между внутренней стороной огнеупорного слоя и слоем ка45 тализатора можно поместить оболочку из непористого сплава металла (не показана) . В секции реакционного аппарата 2 установлена стопка монолитных ката50 литических дисков 10 промышленного образца, причем между каждой смежной парой дисков проложены кольца 11 из материала с высоким содержанием оксида алюминия. Вся стопка дисков 55 опирается на решетку, представленную стержнями 12, выполненными из матери-| ала с высоким содержанием оксида алюминия. Исходный материал для ката-пи 1711659 затора выбирается с учетом происхоменту 25. Каналы выполнены двухсекдящей реакции. Для осуществления реакционными. Первая секция 2& имеет ций частичного окисления вполне при•постоянное проходное сечение, а этоемлемы платино-палладиевые каталитирая секция 'И - постоянно увеличиваюческие материалы, родиевые каталитищееся по ходу газа прохсдное сечение. ческие материалы и прочие каталитиЭлемент 25 образует донную стенку ческие материалы с сильной разєитой - второй камеры 19, отделяющую ее от площадью поверхности, например, оксид реакционной камеры. В стенках тоуалюминия или каталитические материаJQ бок 2k образованы отверстия 28, котолы, которые используются в каталитирые направляют потоки из камеры 19 ческих преобразователях систем выв каналы трубок 2k. пуска выхлопных газов автомобилей. Впускные отверстия 15 и 18, воронВ нижней части аппарата 2 выполнека и опорные элементы 17 выполнены но отверстие 13, в котором установ- J5 из обычного стойкого к коррозии и лена трубка Й , простирающаяся под высоким температурам материала, напнижним каталитическим диском 1П и ример из нержавеющей стали или выдерпредназначенная для измерения темпеживающего высокие температуры сплава, ратуры или для отвода образцов протогда как камера 195 трубки 2k ' элеи дукта. 2Q мент 25 выполнены из обычного выдерВыпускная секция 3 выполнена таживающего высокие температуры сплава,« кой формы, чтобы ее можно было нанапример, из фирменного сплава "Хасдежно и просто соединять с располотэллой X" или из материала огнеупор- • женным ниже паровым котлом-утилизаного типа. тором (не показан) и/или с другим 25 Количество трубок 2kt внутренний технологическим оборудованием. диаметр D (фиг.5) трубок 2k, а также В блоке 1 смесителя с распределиразмер d и количество отверстий 28 телем первое впускное отверстие 15, в каждой трубке выбираются в зависирасположенное по центру верхней мости от давлений и скоростей ввода части 5, сообщается с первой камерой 3 0 газа через впускные отверстия 15 и 16 в виде питающей воронки. Воронка 18 и с таким расчетом, чтобы внутри • с помощью опорных элементов 17 натрубок 2k образовывался турбулентный ~ дежно крепится в верхней части 5> поток со скоростью, которая будет Вторые впускные отверстия 18 прохопревышать скорость обратного воспдят через боковые отверстия оболочки ламенения (проскока пламени) смеси. k и сообщаются с второй камерой 19, 35 Минимальное расстояние h отверстий которая установлена между верхней 28 от нижней части секции 26 трубки камерой 16 и впускным отверстием сек2k выбирается с таким расчетом, чтоции каталитического аппарата 2. Усбы оно было равно или больше расстотановленное в центральной части верхяния, которое необходимо для гарантиней стенки 20 камеры 19 кольцо 21 40 рования по существу полного смешиваобеспечивает герметическое зания газовых потоков из камер Тб и 19 цепление с нижней кромкой воронки в условиях наличия в каналах турбутак, что стенка 20 будет образовывать лентности. Размер внутреннего диаметобщую стенку между первой камерой ра D трубок 2А, а также длина этих 16 и второй камерой 19. Камера 19 45 же трубок взбираются с таким расчеснабжена верхней внешней кольцеобтом, чтобы образовать перепад давлеразной частью 22, которая опирается ния в газе, проходящем из камеры 16 в на верхнюю поверхность огнеупорного реакционную камеру, достаточный для слоя 9 или крепится к оболочке k. образования по существу равномерных 50 В камере 19 установлен пучок труб потоков газа через трубки 2k из каме* « 23, который простирается вниз в огры 16. Точно так же размер отверстий неупорный слой 928 выбирается с таким расчетом, чтоМножество удлиненных трубок 2k бы создать перепад давления между имеют верхние концы, которые распокамерой 19 и внутренней часть» -трулагаются в верхней стенке 20 камеры 55 бок 24, достаточный для образования 19, трубки образуют каналы, сообщаюв основном, равномерных объемов потощиеся с первой камерой 16. Нижние ков газа, которые проходят через отконцы трубок 2k прикреплены к элеверстия 28 и попадают в трубки 2Ц, 7 171 1659. Минимальная скорость потока газа внутри трубок 2k выбирается а зависимости от типа, температуры и плотности вступающего в реакцию газа. Для смеси из природного газа и воздуха, в которой при температуре и давлении окружающей среды практически не содержится водорода, выбирается скорость в 1 м/с (3 фута/с) (минимальная), однако для более высоких температур и давлений во впускном отверстии или в случае содержания в смеСи относительно высокого процента водорода минимальная температура может быть более высокой. Типичные минимальные скорости для смесей из углеводородного газа и воздуха при давлении во впускном отверстии 2750 кПа-(4()П фунтов на кв.дюйм) и при температурах во впускном отверсJ тии 50P C (эти параметры типичны для реакций частичного окисления) находятся t диапазоне от 6 до 55 м/с » (или от 20 до 180 фунтов в секунду) или выше. " 8 тиугольным сечением. В данном случае можно использовать и другие сечения донных отверстий, например они могут иметь прямоугольное, треугольное и прочие сечения; важно, чтобы эти отверстия обеспечивали по существу равномерное распределение потока газовой смеси по слою катализатора. J0 В канале секции 27 может происходить воспламенение, особенно около слоя катализатора, однако реакция окисления происходит главным образом в пределах слоя катализатора. 15 Существует также возможность повысить температуру подаваемого газа выше температуры воспламенения газовой смеси. В этом последнем случае ско- рости потока газа в трубках 2k выби20 раются с таким расчетом, чтобы сократить продолжительность пребывания газа в каналах трубок 2k до продолжительности, которой будет явно недостаточно для гарантирования пол25 ной реакции газовой смеси. Было установлено, что, если до момента ввода газов в расширяющиеся секции 27 они Расширяющиеся каналы в элементе не были полностью перемешаны, тогда 25 выполнены таким образом, чтобы эти газы стремятся остаться в этом они обеспечивали уменьшение скорости Зо состоянии, т.е. не полностью смешанпотока газа с конечным образованием ными, что вызывает расхождение и равномерного распределения потока уменьшение скорости потоков газа. газа по всему сечению катализатора. И тем не менее, было установлено, что Боковые стенки каналов в элементе в пределах секций 26 в трубках 2k 25 можно выполнить прямыми или изогпроисходит полное перемешивание ганутыми в вертикальном сечении плос35 зов на участке минимального расстоякости. Степень увеличения площади ния h, что в данном случае обусловпоперечного сечения канала в секции лено высокоскоростным турбулентным 27 по направлению вниз, т.е. угояоі, потоком. Кроме того, введение потокоторый образуется между стенкой каков через отверстия 28 поперек потонала и прямой стенкой трубок 2k, 40 ка в трубках 2k образует дополнительдолжен быть равен или меньше 15°, а ную турбулентность в потоках-, котооптимально равен или меньше 7°, чторые опускаются вниз по трубкам, что бы иметь возможности свести к минисобственно еще более усиливает перемуму или даже вообще устранить возмешивание . можность образования завихрений внутри расширяющихся каналов, которые В показанном на фиг.7 варианте будут стимулировать образование плат изобретения нижняя или донная часть мени в канале. Конфигурация донной камеры 19 закрыта стенкой 30. Трубки части канала секции 27 (фиг.М вы2k проходят через донную стенку 30, полнена круглой. Чтобы избежать в которой они крепятся, например( 50 сваркой. Нижние концы трубок 2^ выобразования участков 29, которые способствуют возникновению завихредаются вниз. Кроме того, элемент 25 ния в выпускном отверстии элемента будет открытым, что уменьшает вес 25, каналы секции 27 можно удлинить^ и необходимое для получения элемента что обусловит обязательное уменьше25 количество исходного материала. ние площади участка 29 до простой 55 На фиг.8-Ю показан еще один ваточки. На фиг.6 показан модифицирориант изобретения, в соответствии с ванный вариант изобретения, в котокоторым удлиненное равномерное попером каналы секции 27 выполнены с шесречное сечение верхних секций 26 ка 171 1659 нала, которые соединяются с камерой 16, образовано щелевидными каналами 31 между горизонтальными трубами 32, имеющими продолговатое поперечное сечение и установленными поперек второй камеры Ї9. Таким образом каналы 30 с постоянной площадью поперечного сечения получаются щелевидными. Tpyfбы 32 соединяются на противоположных концах с кольцеобразной камерой 33, которая принимает в себя поток газа через впускные отверстия 18. Отверстия 3^, выполненные в горизонтальных рядах, обеспечивают сообщение между внутренней камерой 35 труб 32 с каналами 31. Вертикальная длина секции 26, а также горизонтальная ширина камер 35 в трубах 3?. выбираются с таким расчетом, чтобы поддержать равномерное давление по всей горизонтальной длине трубок 32, а количество и диаметр отверстий 3 * выбираются с * таким расчетом, чтобы обеспечить значительный перепад давления на отверстиях 3і*, и гарантировать равномерный поток газа из отверстий 3і* в щелевидные каналы 31. Ширина кана-і лов 31, а также вертикальный их размер выбираются с таким расчетом, чтобы образовать перепад давления из верхней камеры 16 с конечным поддержанием равномерного распределения через входы в каналы 31 и тем самым гарантировать образование равномерного потока газа через каналы 31, что в конечном итоге будет лрпус* кать использование скорости потока, которая будет выше скорости обратного воспламенения газовой смеси, и образование турбулентного потока. Минимальное расстояние, на котором отверстия 3і* располагаются над нижним концом секции 26 с равномерным сечением каналов, будет равно или чуть больше минимального расстояния, которое гарантирует по существу полное перемешивание газовых потоков. Трубы 32 в нижней части снабжены клинообразными элементами 36, которые устанавливаются на или выполняются заодно целое с нижними кромками трубок 32 с целью образования расходящихся нижних секций 27 каналов, чтобы уменьшить скорость потока и свести к минимуму или вообще устранить образование завихрений газа , или спирального потока на входе в слой катализатора. Образованные в 10 элементах 36 каналы 37 могут передавать охлаждающую жидкость, например воду. На фиг.11 показана модифицированная трубка 38, которая может заменить трубку или трубки 32. S своей нижней части модифицированная трубка 38 может иметь форму показанных на фиг.10 клинообразных элементов 3&. 10 Смеситель работает следующим образом . 25 30 35 40 45 50 В показанной на фиг.1 конструкции \ реакционного аппарата протекает .каталитическое частичное окисление, например, природного газа, содержащего 95 об.% метана, остальная часть приг холится на этан, пропан, азот и -двуоксид углерода. Газ смешивается с паром и воздухом с конечным образованием смеси, содержащей примерно 20 об.% природного газа, примерно 60 об.% воздуха и примерно 20 об.^ пара. Пар подразделяется и вводится как в поток природного газа, так и в поток воздуха перед впускными от-' верстями 15 и 18. Газообразный углеводород с температурой в"Ь5»>°С пйдается через впускное отверстие ]$ диаметром в 0,25і* м под давлением 2?б0 кПа. Поток воздуха с температурой 55 0°С подается через два впускных отверстия 18 диаметром 0,152 м под давлением 296U кПа и со скоростью примерно 3^ м/с. Диаметр нижней части камеры 19 равен 0,68 м, а диаметр верхней части 22 равен 0,91 м. В дан- • ной конструкции используются 261 труб* ка ?.k с внутренним диаметром 12,7 мм и длиной в 0,51 м каждая. В каждой трубке образовано шесть отверстий 28 диаметром 3,2 мм каждое, причем четыре отверстия располагаются с одинаковым интервалом вокруг каждой трубки на расстоянии 0,102 м над ниж^ ним концом секции 26, а остальные два отверстия располагаются напротив друг друга на расстоянии 0,152 мм над нижним концом трубки. Нижний элемент ?5 имеет толщину в 0,127 м, а , . секции 27 канала выполнены конусообразными с диаметром в верхней части в 12,7 мм и с диаметром а нижней части в 44,5 мм. Давления внутри камер 16 и 19 поддерживаются в основном на уровне давлений во впускном отверстии. Скорость потока газа в трубках 2k над верхними отверстиями равно І і 17П65Э 12 примерно 5? м/с, а между нижними отверстиями и нижний концом трубок она равна примерно 107 м/с. В расходящихся каналах скорость потока газа умень* шается с 107 м/с в верхнем конце до 9 м/с в нижнем конце или на входе в катализатор. Различные приведенные выше размеры предназначены для реакции какого- JQ то специфического газообразного углеводорода и воздуха, подаваемых при каких-то специфических скоростях. Следует иметь в виду, что эти размеры и скорости будут иными для других jc газообразных углеводородов, кислорода или обогащенного воздуха, для иных катализаторов и иных скоростей подачи . 2д Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я теля, каналы выполнены двухсекционны ми, при этом первая секция, со сторо ны первой камеры, выполнена с прстоянным проходным сечечием, а вторая со стороны реакционной камеры, - с постоянно увеличивающимся по ходу газа проходным сечением. 2. Смеситель п о п . 1 , о т л и ч а ю щ и й с я тем, что верхняя часть труб закреплена в стенке, отделяющей первую камеру от второй. 3. Смеситель по п.?, о т л и ч аю щ и й с я тем, что каналы с постепенно увеличивающимся проходным сечением выпопнены в донной стенке второй камеры, отделяющей ее от реакционной камеры. h. Смеситель по п.2, о т л и ч аю щ и й с я тем, что участки труб, образующие каналы с увеличивающимся проходным сечением, размещены под донной стенкой второй камеры. 1. Газовый смеситель с распределителем для подачи газовой реагент5.Смеситель по п.1,о т л и ч а юной смеси в реактор, содержащий пос- 25 щ и й с я тем, что трубы во второй ледовательно размещенные первую камекамере имеют продолговатое поперечру с впускным отверстием для одного ное сечение и размещены поперек втогазообразного агента, вторую камеру рой камеры с образованием каналов в с впускным отверстием для второго виде щелей. газообразного агента и реакционную 3Q 6. Смеситель по п.5, о т л и ч а камеру, размещенный во второй камеющийся тем, что трубы снабжены ре пучок труб, образующих ряд канаклинообразными в сечении элементами, лов, сообщающих первую камеру с реустановленными на нижних краях труб акционной и имеющих в боковых стенс продолговатым сечением или выполках ряд отверстий, сообщающих каналы ненными заодно с ними. ' с полостью второй камеры, о т л и 7. Смеситель по п . 6 , о т л и ч а ч а ю щ и й с я тем, что, с целью ю щ и й с я т е м , что в элементах с повышения производительности смесиклинообразным сечением выполнены кана лы для подачи охлаждающей жидкости. ' 71ї 659 17 13 1711659 Вид А OOOOOOO \ ч \ ooooo- oooooooo OOOOOOOO \ ooooooooo oooooooo ooooooooo Фиг.З Вид В 25 25 Фиг Л IB oo t 7П6&9 Вид Г •: її і ; :; >> ;> It *• Фаг. Ю Редактор Е. Папп Составитель Т. Круглова Техред А.Кравчук Корректорм. Саиборскзя Заказ 35П Тираж Подписное ВНИИПИ Го(_ударст'вемнпго комитета по изобретениям л ОТКРЫТИЯМ при ГКЧТ СССР 1ИО35, Москва, Ж-35, Раушская наб^, д . 4/5 комбинат "Патент", г . Ужгород, VJI. Гагарина, V