Устройство для смешения потоков текучей среды (варианты) - RU2468857C2

Чертежи

Описание

Область техники

Настоящее изобретение относится к полному смешению двух или более потоков текучей среды.

Изобретение касается, в частности, способа и устройства для смешения двух или более потоков текучей среды с переменными расходами.

Изобретение особенно пригодно для применения в реакторах каталитического парциального окисления (КПО-реактор), в которых поток углеводородного сырья и поток окислителя должны быть смешаны очень тщательно. Это важно для оптимального прохождения реакции в последующем слое катализатора.

Уровень техники

Из уровня техники известны смесители текучих сред, в том числе и смесители для смешения углеводородов с окислителем перед проведением каталитического парциального окисления.

С этой целью фирма Schulzer Chemtech разработала статический смеситель, который она показывает в брошюре, выложенной в Интернете. Смеситель включает трубу с лопастями на внутренней поверхности или на валу, установленном в трубе, и лопасти создают смешивающий режим турбулентного потока.

В патенте США №5026946 показан смеситель, в котором углеводород смешивается с окислителем. Смеситель включает две концентрические трубы; внутренняя труба закрыта на одном конце и снабжена небольшими отверстиями. Углеводород течет в кольцевом пространстве между трубами, а окислитель вытекает из внутренней трубы через отверстия и смешивается с углеводородом.

В патенте США №5112527 раскрывается процесс автотермического реформинга низших алканов, таких как природный газ. С целью равномерного смешения газообразных алканов, водяного пара и кислородсодержащего газа, во входном канале установлен статический смеситель. Однако эффективность смешения и эффективность создаваемого перепада давления в статическом смесителе меняется в зависимости от количества газа, протекающего через статический смеситель.

В японском патенте JP 3213132 описан еще один смеситель, в котором смешение газов производится с помощью вращающегося вала в кожухе. И поверхность вала, и внутренняя поверхность кожуха выполнены в форме винтовой канавки. При этом газы проталкиваются вперед в проточном канале с проточными участками, имеющими некоторый максимальный и минимальный размер.

Смеситель/диффузор, раскрытый в патенте США №6092921, включает входную камеру, расширитель и выходную камеру, причем в расширитель вставлен элемент, создающий конический, кольцевой проточный канал.

Полное смешение двух или более газов или жидкостей неизбежно сопровождается перепадом давления. Общим для известных из уровня техники смесительных устройств является то, что увеличение расхода текучей среды во время работы сопровождается значительным возрастанием создаваемого перепада давления. А когда расход текучей среды снижается, качество смешения также снижается.

Поэтому задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить простой способ и устройство для смешения, позволяющие полностью смешивать две или более текучие среды, причем также полностью смешивать их и при меняющихся расходах, но без колебаний создаваемого перепада давления по всему смесителю и без колебаний эффективности смешения.

Краткое описание изобретения

В соответствии с вышеуказанной задачей изобретение относится к способу смешения двух или более потоков текучей среды, в котором потоки объединяют во входной камере и затем многократно ускоряют и замедляют в одну или более стадий. Значение максимальной линейной скорости ускоренных объединенных потоков поддерживают на каждой ступени в пределах массовых расходов питающих потоков путем регулирования площади наименьшего проточного канала.

В изобретении также предлагается устройство для смешения двух или более потоков текучей среды. Согласно одному варианту осуществления изобретения устройство содержит корпус с гнездом; шпиндель с пробкой, установленный в гнезде, причем гнездо и пробка имеют множество конических поверхностей, образующих такое же множество конических кольцевых каналов. Шпиндель способен перемещать пробку в аксиальном направлении в гнезде в процессе смешения. Шпиндель и пробка могут иметь проточный канал.

Согласно другому варианту осуществления изобретения устройство для смешения двух или более потоков текучей среды содержит корпус и способный перемещаться шпиндель, соединенный с пробкой трубы, коаксиально установленной в корпусе. Вблизи шпинделя пробка трубы перфорирована, а на другом конце открыта. Питающие потоки входят в пробку трубы через перфорационные отверстия. Пробка трубы окружена корпусом с соплами; сам корпус окружен множеством кольцевых смесительных элементов, которые отделены друг от друга. Корпус и смесительные элементы закрыты на том конце, где конец пробки трубы открыт.

Изобретение обеспечивает полное смешение текучих сред при постоянном перепаде давления для определенного интервала расходов текучих сред.

Краткое описание чертежей

На Фиг.1 показан вид в сечении одного варианта смесительного устройства согласно изобретению.

На Фиг.2 показан вид в сечении смесительного устройства согласно изобретению, установленного на входе в реактор.

На Фиг.3 показана схема реактора со смешением и регулированием исходного газа согласно изобретению.

На Фиг.4 показан вид в сечении другого варианта смесительного устройства согласно изобретению.

На Фиг.5 показан вид в сечении еще одного варианта смесительного устройства согласно изобретению.

Подробное описание изобретения

Смешение газов и/или жидкостей применяется во всех процессах, и работа оборудования, установленного в технологической цепи после смесительного устройства, зависит от эффективности смешения.

Одним из примеров является производство содержащего Н₂/СО синтез-газа из углеводорода, водяного пара и окислителя, которым может быть воздух, кислород или смесь, например обогащенный воздух. Сырьевые материалы смешивают и затем подвергают каталитическому окислению. Далее, важно не допустить реакции между кислородом и углеводородом, прежде чем газовая смесь поступит в слой катализатора.

Для получения оптимальной реакции в слое катализатора очень важно, чтобы газовые потоки были тщательно смешаны, перед тем как они поступят в слой катализатора.

Эффективный путь смешения двух или более газов или жидкостей состоит в том, что потоки, в момент их объединения, ускоряют и замедляют несколько раз и с достаточно высокой максимальной скоростью, что помогает предотвратить реакцию перед вхождением их в слой катализатора. Когда ускоренные потоки замедляются в последующей камере, в ней создаются завихрения и потоки смешиваются.

Этот перепад давления является довольно большим в сравнении с перепадом давления, создаваемым другими трубными элементами и внутрикорпусными устройствами реакторов на нефтехимических установках.

Важно, чтобы полное смешение достигалось при всех мощностях установки без создания чрезмерных перепадов давления в случае высоких мощностей и без потери эффективности смешения в случае низких мощностей установки.

Согласно изобретению предлагается способ и устройство для смешения двух или более текучих сред путем многократного ускорения и замедления и при постоянном перепаде давления для широкого интервала мощностей. Это достигается путем изменения площади сечения потока в узком проточном канале в ускорительной части смесителя. Таким образом, высокая линейная скорость текучей среды, создаваемый перепад давления и эффективность смешения поддерживаются постоянными для широкого интервала расходов текучих сред.

Было установлено, что это достигается с помощью смесителя, содержащего гнездо и шпиндель с пробкой, причем поверхность гнезда и поверхность пробки образуют кольцевые каналы и камеры, через которые протекают текучие среды. Кольцевые каналы выполнены коническими, что позволяет шпинделю перемещаться вверх и вниз (в случае его вертикальной установки) и тем самым регулировать площадь сечения потока.

Гнездо включает в себя отверстия между камерами, которые выполняют функцию каналов между камерами. Благодаря этому газы несколько раз вынуждены изменять направление своего течения в камерах на 90°, обычно от 3 до 5 раз, в зависимости от конкретного исполнения устройства.

Шпиндель и пробка могут быть расточены, так что жидкость может втекать в этот канал и вытекать из него через распылительное сопло, установленное на пробке. Альтернативно, подвижная пробка может быть трубой и иметь отверстия на одном конце у конца шпинделя, а другой конец открытым. Вместо гнезда, пробка трубы окружена корпусом, окруженным горизонтальными газосмесительными элементами. Элементы отделены один от другого, благодаря чему питающие газы протекают только через элементы и часть корпуса, не экранированную пробкой трубы.

Благодаря этому максимальная линейная скорость и тем самым заданный перепад давления и образование завихрений поддерживаются постоянными, что важно для эффективного смешения потоков текучих сред в условиях изменяющихся расходов.

Смеситель может быть выполнен так, чтобы он обеспечивал наилучшее смешение при определенном перепаде давления, и этот перепад затем необходимо поддерживать постоянным.

При проектировании газо-газового смесителя с кольцевым проточным каналом между гнездом и пробкой, отношение между расходами и площадью сечения потока в кольцевом канале выражается следующей формулой:

где F означает полный расход газа в нм³/с,

D_seat и D_plug означают внутренний диаметр гнезда и диаметр пробки в одной и той же позиции в кольцевом канале, в метрах,

Р означает давление в МПа в смесителе и P_pref равно 3,0 МПа,

Т означает температуру в К в смесителе и T_ref равна 473,15 К,

R₁ должно находиться в пределах от 1·10⁶ до 1·10⁸ нм³/с/м², предпочтительно между 5·10⁶ и 2·10⁷ нм³/с/м².

Отношение между расходом объединенного питающего потока и площадью поперечного сечения отверстий между камерами в гнезде выражается отношением R₂, которое может быть выражено так:

где F означает полный расход газа в нм³/с,

n означает количество отверстий,

D_hole означает диаметр одного отверстия между камерами в метрах,

Р означает давление в МПа в смесителе и P_pref равно 3,0 МПа,

Т означает температуру в К в смесителе и T_ref равна 473,15 К,

R₂ должно находиться в пределах от 5·10⁵ до 1·10⁷ нм³/с/м², предпочтительно в пределах от 1·10⁶ до 2·10⁶ нм³/с/м².

Смеситель может быть установлен в любом месте, где требуется полное смешение двух или более текучих сред. В реакторе для каталитического парциального окисления смеситель обычно устанавливают на входном фланце реактора. Ниже смеситель более подробно описывается со ссылками на чертежи.

Один вариант осуществления изобретения показан на Фиг.1. Смеситель 1 содержит гнездо 2 и пробку 3; подлежащие смешению текучие среды входят в него через два кольцевых канала, как показано стрелками, и вытекают оттуда во входную камеру, заполненную при необходимости пористым материалом 4, откуда они через отверстия 8 поступают в камеру 9. Смешанные текучие среды покидают смеситель через выходные отверстия 5. После того как они вошли в камеру 9, текучие среды протекают через первый из кольцевых каналов 6, где они ускоряются между пробкой 3 и гнездом 2. Из кольцевого канала текучие среды вытекают с высокой скоростью в одну из камер 7, где они замедляются и вынужденно изменяют свое направление, сначала на 90° с вертикального на горизонтальное, при вхождении в камеру, а затем с горизонтального на вертикальное при прохождении через отверстия 8 в камеру 9. В камере 9 образуются завихрения, которые дополнительно способствуют тонкому смешению. После этого направление течения изменяется с вертикального на горизонтальное и затем снова на вертикальное при прохождении в последующий кольцевой канал 6. Благодаря этому в камерах 7 и 9 создается турбулентность и происходит надлежащее смешение.

Установка согласно вышеописанному варианту осуществления изобретения показана на Фиг.2. Смеситель установлен на верхнем входном отверстии 10 в реактор каталитического парциального окисления, с которым соединен корпус 11. В корпус 11 вставлен направляющий элемент 12, и шпиндель 17 пробки 3 проходит через корпус 11 и направляющий элемент 12 и может перемещаться вверх и вниз исполнительным механизмом 13, который таким образом изменяет площадь поперечного сечения гнезда 2 и пробки 3. Между шпинделем 17 и направляющим элементом 12 установлена внутренняя труба 14.

Питающий поток окислителя с водяным паром входит в смеситель через входное отверстие 15 для окислителя и протекает между шпинделем 17 и внутренней трубой 14, в то время как питающий поток углеводорода с водяным паром входит в смеситель через входное отверстие 16 для углеводорода и протекает между внутренней трубой 14 и направляющим элементом 12. Эти газы протекают вместе по ускорительно-замедлительной части смесителя, ниже которой смешанный газ покидает смеситель через выход 5 и входит в реактор каталитического парциального окисления.

Схема работы смесителя показана на Фиг.3. В реактор 20 каталитического парциального окисления загружен слой 21 катализатора. Смешанный газ протекает через пламегаситель 22 в реактор 20 каталитического парциального окисления и входит в слой 21 катализатора.

Один манометр 23 установлен на входном трубопроводе для окислителя, а другой манометр 24 установлен на выходе из смесителя. Сигналы от 23 и 24 принимаются прибором 25, измеряющим давление, который рассчитывает перепад давления в смесителе и посылает сигнал на контроллер 26. Контроллер 26 поддерживает перепад давления постоянным путем посылки сигнала на исполнительный механизм 13, в ответ на который исполнительный механизм перемещает шпиндель вверх или вниз, регулируя тем самым площадь сечения потока в кольцевых каналах. Это обеспечивает постоянный перепад давления и оптимальное смешение в широком интервале рабочих мощностей.

На Фиг.4 показан другой вариант осуществления изобретения. В этом варианте смеситель 1 содержит корпус 11 и шпиндель 17, соединенный с пробкой трубы 33. Вблизи шпинделя 17 пробка 33 трубы снабжена отверстиями 39, а на другом конце пробка 33 трубы открыта. При необходимости пространство выше отверстий 39 и внутри пробки 33 трубы может быть заполнено пористым материалом 4. Пробка 33 трубы коаксиально окружена кожухом 34, например трубой с соплами. Пространство между пробкой 33 трубы и корпусом 34 имеет как раз такие размеры, чтобы пробка 33 трубы могла скользить в корпусе. Сопла могут быть расположены вдоль винтовой линии. Вокруг корпуса 34 размещены горизонтальные кольцевые смесительные элементы 35 из проволочной сетки, которые таким образом изолированы по горизонтали друг от друга. Элементы 35 окружены перфорированной трубой 36.

Корпус и смесительные элементы закрыты на нижнем конце, где открыта пробка 33 трубы. Высота корпуса 34 - при его вертикальной установке - и высота неперфорированной части пробки 33 для трубы по существу одинаковы. Благодаря этому неперфорированная часть пробки 33 трубы, когда последняя расположена в верхней, средней или нижней позиции соответственно, либо не может блокировать ни одно из сопел (нулевая блокировка), либо может блокировать некоторые из сопел, либо блокирует все сопла.

Далее, полная площадь сечения сопел корпуса значительно меньше, чем площадь сечения потока в любом другом проточном канале смесителя.

Питающий поток окислителя и водяного пара поступает в смеситель из входного кольцевого канала 32, а питающий поток углеводорода и водяного пара поступает в смеситель из входного кольцевого канала 31, окружающего кольцевой канал 32. Оба потока входят в пористый материал 4, откуда они через входные отверстия 39 попадают в пробку 33 трубы. После смешения газовых потоков смешанный газ поступает из перфорированной трубы 36 в выходной канал 37 и покидает смеситель 1 через выходные отверстия 38.

Еще один вариант смесителя с кольцевыми каналами для газового потока и принцип его работы показаны на Фиг.5. Согласно этому варианту, в шпинделе и пробке 3 выполнен проточный канал 41 для жидкости, и таким образом жидкость может течь в этом промежуточном проточном канале для жидкости. На выходе из проточного канала для жидкости с пробкой 3 соединено распылительное сопло 42, благодаря чему в смешанный газ вводят с высокой скоростью распыленную струю жидкости. Примером жидкости в канале является жидкий углеводород.

Изобретение может быть полезно для смешения двух или более потоков текучих сред, в особенности потоков, в которых имеет место значительное разнообразие расходов текучих сред и требуется надлежащее смешение.

Примером процесса, когда требуется полное смешение потоков текучих сред, является вышеупомянутый процесс каталитического парциального окисления. Признаваемая во всем мире важность этого процесса обусловлена тем, что H₂/СО-синтез-газ является исходным сырьем для многочисленных производств, таких как, например, производство водорода, производство метанола, производство формальдегида.

Примеры

Ниже описан первый вариант изобретения. Смеситель согласно изобретению часто устанавливают со шпинделем в вертикальной позиции, каковая позиция также предполагается и в данном примере.

В описываемом ниже варианте смеситель выполнен с размерами, подходящими обычно для пилотной установки, предназначенной для демонстрации проекта коммерческого реактора каталитического парциального окисления. Однако настоящее изобретение никоим образом не ограничено малыми размерами реакторов и смесителей.

Смеситель имеет высоту от 40 до 80, предпочтительно от 55 до 65 мм и наружный диаметр от 40 до 80, предпочтительно от 55 до 65 мм.

Шпиндель имеет длину от 100 до 400, предпочтительно от 200 до 300 мм, пробка имеет высоту от 40 до 80, предпочтительно от 55 до 65 мм и образует вместе с гнездом от 1 до 5, предпочтительно от 2 до 4 кольцевых каналов.

Размер кольцевых каналов составляет от 0,25 до 1 мм, предпочтительно от 0,6 до 0,7 мм. В смесителе с тремя кольцевыми каналами три конические части гнезда имеют минимальные и соответственно максимальные диаметры от 9,3 до 12,3 мм, от 12,3 до 14,0 мм и от 14,0 до 18,3 мм.

Конические поверхности образуют с осью шпинделя угол от 10° до 30°, предпочтительно от 17,4° до 17,6°.

Камеры между кольцевыми каналами имеют наружный диаметр от 30 до 55, предпочтительно от 35 до 45 мм и высоту от 3 до 7, предпочтительно от 4 до 6 мм, а отверстия, образующие каналы между камерами, имеют высоту от 2 до 6, предпочтительно от 3 до 5 мм и диаметр от 3 до 8, предпочтительно от 5 до 7 мм.

Во время работы шпиндель может перемещаться на 5-10 мм, предпочтительно на 6-8 мм, вверх или вниз.

Входное отверстие для смешиваемых газов включает в себя от 2 до 9, предпочтительно от 3 до 5 отверстий, каждое с диаметром от 3 до 8, предпочтительно от 5 до 7 мм; выходное отверстие для смешанных газов включает в себя от 2 до 9, предпочтительно от 5 до 7 отверстий, каждое с диаметром от 3 до 8, предпочтительно от 5 до 7 мм.

Этот вариант пригоден для смешения углеводорода с окислителем, при котором объединенные газовые потоки образуют поток с расходом от 170 до 190, предпочтительно от 175 до 185 нм³/ч газа с молекулярным весом от 2 до 50, предпочтительно от 21 до 23 грамм/моль при температуре от 20 до 650, предпочтительно от 190 до 210°С, и смешение происходит при давлении от 0,5 до 4,5, предпочтительно от 2,9 до 3,1 МПа.

Другим вариантом изобретения является смеситель промышленных размеров.

Смеситель имеет высоту от 400 до 800, предпочтительно от 550 до 650 мм и наружный диаметр от 400 до 800, предпочтительно от 550 до 650 мм. Шпиндель имеет длину от 100 до 700, предпочтительно от 200 до 500 мм, пробка имеет высоту от 400 до 800, предпочтительно от 550 до 650 мм и образует вместе с гнездом от 1 до 6, предпочтительно от 2 до 4 кольцевых каналов.

Размер кольцевых каналов составляет от 2,5 до 10 мм, предпочтительно от 5,5 до 7,5 мм. Коническая часть гнезда имеет средний диаметр от 50 до 200, предпочтительно от 95 до 180 мм.

Конические поверхности образуют с осью шпинделя угол от 10° до 45°, предпочтительно от 17,4° до 17,6°.

Камеры между кольцевыми каналами имеют наружный диаметр от 300 до 550, предпочтительно от 350 до 450 мм и высоту от 30 до 70, предпочтительно от 40 до 60 мм, а отверстия имеет высоту от 20 до 60, предпочтительно от 30 до 50 мм, с диаметром от 30 до 80, предпочтительно от 50 до 70 мм.

Во время работы шпиндель может перемещаться на 10-100 мм, предпочтительно на 60-80 мм, вверх или вниз.

Входное отверстие для смешиваемых газов включает в себя от 2 до 9, предпочтительно от 3 до 5 отверстий, каждое с диаметром от 30 до 90, предпочтительно от 50 до 70 мм; выходное отверстие для смешанных газов включает в себя от 2 до 9, предпочтительно от 5 до 7 отверстий, каждое с диаметром от 30 до 90, предпочтительно от 50 до 70 мм.

Этот вариант пригоден для смешения углеводорода с окислителем, при котором объединенные газовые потоки образуют поток с расходом от 17000 до 19000, предпочтительно от 17500 до 18500 нм³/ч газа с молекулярным весом от 2 до 50, предпочтительно от 21 до 23 грамм/моль, при температуре от 20 до 650, предпочтительно от 190 до 210°С, и смешение происходит при давлении от 0,5 до 4,5, предпочтительно от 2,9 до 3,1 МПа.

Еще одним вариантом корпусного смесителя является смеситель, в котором корпус имеет наружный диаметр от 60 до 65, предпочтительно от 61 до 63 мм, и в нем установлено от 3 до 8, предпочтительно от 4 до 6 смесительных элементов, каждый высотой от 5 до 15, предпочтительно от 8 до 12 мм, с наружным диаметром от 30 до 40, предпочтительно от 35 до 37 мм и внутренним диаметром от 18 до 22, предпочтительно от 19 до 21 мм. Таким образом, корпус внутри элементов имеет диаметр от 18 до 22, предпочтительно от 19 до 21 мм, и каждый элемент снабжен соплами в количестве от 3 до 10, предпочтительно от 4 до 8 с размером сопла от 1 до 5, предпочтительно от 1 до 3 мм. Сопла расположены по винтовой линии. Вблизи шпинделя пробка трубы имеет несколько рядов отверстий, в каждом ряду от 4 до 10, предпочтительно от 6 до 8 отверстий, расположенных с шагом от 6 до 14, предпочтительно от 8 до 12 квадратных миллиметров и диаметром отверстия от 3 до 7, предпочтительно от 4 до 6 мм.

Неперфорированная часть пробки трубы имеет длину (или высоту) от 35 до 75, предпочтительно от 38 до 60 мм.

Этот вариант пригоден для общего газового потока с расходом от 170 до 190, предпочтительно от 175 до 185 нм³/ч с молекулярным весом газа от 2 до 50, предпочтительно от 21 до 23 грамм/моль при давлении от 0,5 до 4,5, предпочтительно от 2,9 до 3,1 МПа и при температуре от 20 до 650, предпочтительно от 190 до 210°С.

Реферат

Изобретение относится к смешению двух или более потоков текучей среды и может использоваться в реакторах каталитического парциального окисления. Устройство для смешения двух или более потоков текучей среды содержит корпус с гнездом; шпиндель с пробкой, установленной в гнезде, причем и гнездо и пробка имеют множество конических поверхностей, образующих такое же множество конических кольцевых каналов. Шпиндель способен перемещать пробку в аксиальном направлении в гнезде во время смесительной операции. Другой вариант устройства включает корпус, шпиндель с пробкой трубы. Корпус и кольцевые смесительные элементы окружают пробку трубы. Технический результат состоит в повышении эффективности смешивания при меняющихся расходах сред. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

Формула

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что зависимость между расходом газа и площадью поперечного сечения потока в кольцевом канале выражается следующей формулой:

где F означает полный расход газа, нм³/с;
D_seat и D_plug означают соответственно внутренний диаметр гнезда и диаметр пробки в одной и той же позиции в кольцевом канале, м;
Р означает давление в смесителе, МПа, и P_pref равно 3,0 МПа;
Т означает температуру в смесителе, К, и T_ref равна 473,15 К;
R₁ находится в пределах от 1·10⁶ до 1·10⁸ нм³/с/м², предпочтительно в пределах от 5·10⁶ до 2·10⁷ нм³/с/м², и
где отношение между расходом газа и площадью поперечного сечения потока в отверстиях, образующих соединительный канал между камерами, выражают следующей формулой:

где F означает полный расход газа, нм³/с;
n означает количество отверстий;
D_hole означает диаметр отверстий между камерами, м;
Р означает давление в смесителе, МПа, и P_ref равно 3,0 МПа;
Т означает температуру в смесителе, К, и T_ref равна 473,15 К, и
R₂ находится в пределах от 5·10⁵ до 1·10⁷ нм³/с/м², предпочтительно в пределах от 1·10⁶ до 2·10⁶ нм³с/м².