Газовый смеситель с распределителем - SU1711659A3
Код документа: SU1711659A3
Чертежи
Описание
з17
размеры; на фиг.6 - вид В 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 смесителя с распределителем газа; на фиг.9 - вид Г на фиг.8; на фиг. 10 - узел II на фиг.8; на фиг.11 - модифицированный трубчатый элемент, показанный на фиг.10, 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 подает 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 быть представлено углеводородным газом или испаряемой углеводородной жидкостью, которая подвергается преобразованию или конверсии . Оксидант представлен богатым кислородом потоком газа, в качесве которого может выступать чистый кислород, воздух или богатый кислородом воздух. Пар 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 два 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 те, которые используются в процессе осуществления автотермального реформинга или вторичного реформинга с целью получения
таких продуктов, как аммиак, метанол, синтез-газ и т.д. Реакционный аппарат включает в себя внешнюю оболочку 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 в 12б)°С (2300°Ф) изоляционного материала на основе керамического волокна ВРСГ, прикрепляется к .внутренней стороне верхней части оболочки kt
5 включая верхнюю часть 5. В нижней части блока 1, в секции реакционного аппарата 2 ив секции 3 выпускного отверстия на внутренней стороне обо- лочки закреплены слои 7 - 9. Слой 7
0 представлен отливаемым или эквивалентным изоляционным материалом, например выдерживающим температуру в Ю9С°С (2000°Ф) керамическим изоляционным материалом с низким содержани-
5 ем железа и высокой степенью чистоты. Слой 8 также представлен отливаемым f или эквивалентным слоем изоляционного материала, но содержащим 60%. окиси алюминия, что дает ему возможность выдерживать температуру в 1б50°С (3000°Ф). Внутренний 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 реакци- .0 онного аппарата.
Кроме того, с целью недопущения диффузии реагирующих веществ, а следовательно , и сгорания внутри огнеупорного слоя, между внутренней стороной огнеупорного слоя и -слоем катализатора можно поместить оболочку из непористого сплава металла (не показана ) .
В секции реакционного аппарата 2 установлена стопка монолитных ката® литических дисков 10 промышленного образца, причём между каждой смежной парой дисков проложены кольца 11 из материала с высоким содержанием оксида алюминия Вся стопка дисков
5 опирается на решетку, представленную стержнями 12, выполненными из матери-j ала с высоким содержанием оксида алюминия . Исходный материал для катали0
5
10
15
20
25
517П659
затора выбирается с учетом происходящей реакции. Для осуществления реакций частичного окисления вполне приемлемы платино-палладиевые каталитические материалы, родиевые катэлити- ческие материалы и прочие каталити ческие материалы с сильной развитой площадью поверхности, например, оксид алюминия или каталитические материалы , которые используются в каталитических преобразователях систем выпуска выхлопных гэзов автомобилей.
В нижней части аппарата 2 выполнено отверстие 1 3 , в котором установлена трубка 14, простирающаяся под нижним каталитическим диском 10 и предназначенная для измерения температуры или для отвода образцов продукта .
Выпускная секция 3 выполнена такой формы, чтобы ее можно было надежно и просто соединять с располо- женным ниже паровым котлом-утилизатором (не показан) и/или с другим технологическим оборудованием.
В блоке 1 смесителя с распределителем первое впускное отверстие 15, расположенное по центру верхней части 5, сообщается с первой камерой 16 в виде питающей воронки. Воронка с помощью опорных элементов 17 на- дежно крепится в верхней части 5. Вторые впускные отверстия 18 проходят через боковые отверстия оболочки 4 и сообщаются с второй камерой 19, которая установлена между верхней камерой 16 и впускным отверстием секции каталитического аппарата 2. Установленное в центральной части верхней стенки 20 камеры 19 кольцо 21 обеспечивает. . герметическое зацепление с нижней кромкой воронки так, что стенка 20 будет образовывать общую стенку между первой камерой 16 и второй камерой 19. Камера 19 снабжена верхней внешней кольцеоб - разной частью 22, которая опирается на верхнюю поверхность огнеупорного слбя 9 или крепится к оболочке А. В камере 19 установлен пучок труб .23, который простирается вниз в огнеупорный слой 9.
Множество удлиненных трубок 2k имеют верхние концы, которые располагаются в верхней стенке 20 камеры 19, трубки образуют каналы, сообщаю-, щиеся с первой камерой 16. Нижние концы трубок 2k прикреплены к ЭЛР55 б
30
35
40
45
50
0
5
0
5
менту 25. Каналы выполнены двухсекционными . Первая секция 26 имеет постоянное проходное сечение, а вторая секция 27 - постоянно увеличивающееся по ходу газа проходное сечение. Элемент 25 образует донную стенку второй камеры 19, отделяющую ее от реакционной камеры. В стенках трубок 24 образованы отверстия 28, рые направляют потоки из камеры 19 в каналы трубок 24.
Впускные отверстия 15 и 18, воронка и опорные элементы 17 выполнены из обычного стойкого к коррозии и высоким температурам материала, например из нержавеющей стали или выдерживающего высокие температуры сплава, тогда как камера 19, трубки 2k и элемент 25 выполнены из обычного выдерживающего высокие температуры сплава, например, из фирменного сплава Хас- тэллой Х- или из материала огнеупор- ного типа.
Количество трубок 24, внутренний диаметр D (фиг.5) трубок 24, а также размер d и количество отверстий 28 в каждой трубке выбираются в зависимости от давлений и скоростей ввода газа через впускные отверстия 15 и 8 и с таким расчетом, чтобы внутри трубок 24 образовывался турбулентный поток со скоростью, которая будет превышать скорость обратного воспламенения (проскока пламени) смеси. Минимальное расстояние h отверстий 28 от нижней части секции 26 трубки 24 выбирается с таким расчетом, чтобы оно было равно или больше расстояния , которое необходимо для гарантирования по существу полного смешивания газовых потоков из камер t6 и 19 в условиях наличия в каналах турбулентности . Размер внутреннего диаметра D трубок 24, а также длина этих же трубок выбираются с таким расче- : том, чтобы образовать.перепад давле- ния в газе, проходящем из камеры 16 в реакционную камеру, достаточный для образования по существу равномерных потоков газа через трубки 24 из ры 16. Точно так же размер отверстий 28 выбирается с таким расчетом, чтобы создать перепад давления между камерой 19 и внутренней частью -тру- - 5 бок 24, достаточный для образования ( в основном, равномерных объемов потоков газа, которые проходят через отверстия 28 и попадают в трубки 24,
0
5
0
5
0
Минимальная скорость потока газа внутри трубок 2k выбирается в 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 I 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-(ОП фунтов на кв.дюйм) и при температурах во впускном отверстии 59О С (эти параметры типичны для реакций частичного окисления) находятся в диапазоне от 6 до 55 м/с (или от 20 до 180 фунтов в секунду) или выше.
Расширяющиеся каналы в элементе 25 выполнены таким образом, чтобы они обеспечивали уменьшение скорости потока газа с конечным образованием равномерного распределения потока газа по всему сечению катализатора. Боковые стенки каналов в элементе
25 МОЖНО ВЫПОЛНИТЬ ПРЯМЫМИ ИЛИ ИЗО1-
нутыми в вертикальном сечении плоскости . Степень увеличения площади поперечного сечения канала в секции 27 по направлению вниз, т.е. угблс, который образуется между стенкой канала и прямой стенкой трубок 2k, должен быть равен или меньше 15°, а оптимально равен или меньше 7°, чтобы иметь возможности свести к минимуму или даже вообще устранить возможность образования завихрений внутри расширяющихся каналов, которые будут стимулировать образование плат мени в канале. Конфигурация донной части канала секции 27 (фиг.0 выполнена круглой. Чтобы избежать образования участков 29, которые способствуют возникновению завихрения в выпускном отверстии элемента 25, каналы секции 27 можно удлинить, что обусловит обязательное уменьшение площади участка 29 до простой точки. На фиг.6 показан модифицированный вариант изобретения, в котором каналы секции 27 выполнены с шес
5
0
5
0
5
0
5
0
5
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.
В канале секции 27 может происходить воспламенение, особенно около слоя катализатора, однако реакция окисления происходит главным образом в пределах слоя катализатрра, Существует также возможность повысить температуру подаваемого газа выше температуры воспламенения газовой смеси. В этом последнем случае скорости потока газа в трубках 2k выбираются с таким расчетом, чтобы сократить продолжительность пребывания газа в каналах трубок 2k до продолжительности , которой будет явно недостаточно для гарантирования полной реакции газовой смеси. Было установлено , что, если до момента ввода газов в расширяющиеся секции 27 они не были полностью перемешаны, тогда эти газы стремятся остаться в этом состоянии, т.е. не полностью смешанными , что вызывает расхождение и уменьшение скорости потоков газа. И тем не менее, было установлено, что в пределах секций 26 в трубках 2k происходит полное перемешивание газов на участке минимального расстояния h, что в данном случае обусловлено высокоскоростным турбулентным потоком. Кроме того, введение потоков через отверстия 28 поперек потока в трубках 2 образует дополнительную турбулентность в потоках, которые опускаются вниз по трубкам, что собственно еще более усиливает перемешивание .
В показанном на фиг.7 варианте изобретения нижняя или донная часть камеры 19 закрыта стенкой 30. Трубки 2k проходят через донную стенку 30, в которой они крепятся, например, сваркой. Нижние концы трубок 2k выдаются вниз. Кроме того, элемент 25 будет открытым, что уменьшает вес и необходимое для получения элемента 25 количество исходного материала.
На фиг.8-10 показан еще один .вариант изобретения, в соответствии с которым удлиненное равномерное поперечное -сечение верхних секций 26 .канала , которые соединяются с камерой 16, образовано щелевидными каналами 31 между горизонтальными трубами 32, имеющими продолговатое поперечное сечение и установленными поперек вто- рой камеры 19. Таким образом каналы 30 с постоянной площадью поперечного сечения получаются щелевидными. Труь бы 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 32 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 3, и гарантировать равномерный поток, газа из отверстий 3 в щелевидные каналы 31. Ширина кана-i лов 31, 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 допускать использование скорости потока, которая будет выше скорости обратно- то воспламенения газовой смеси, и образование турбулентного потока. Минимальное расстояние, на котором отверстия 3 располагаются над ниж-. ним 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
/элементах 36 каналы 37 могут передавать охлаждающую жидкость, например воду.
На фиг.11 показана модифицированная трубка 3В, которая может заменить трубку или трубки 32. 8 своей нижней части модифицированная трубка 38 может иметь форму показанных на фиг.10 клинообразных элементов Зб«
Смеситель работает следующим об- . разом.
В показанной на фиг.1 конструкции 5 реакционного аппарата протекает.каталитическое частичное окисление, например , природного газа, содержащего 95 обД метана, остальная часть при ходится на этан, пропан, азот и -дву- 0 оксид углерода. Газ смешивается с
паром и воздухом с конечным образованием смеси, содержащей примерно 20 об.% природного газа, примерно 60 обД воздуха и примерно 20 о6.% 5 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 ЗЬО С ndr- 0 дается через впускное отверстие 15 диаметром в 0,25 м под давлением 2760 кПа. Поток воздуха с температурой 550°С подается через два впускных отверстия 18 диаметром 0,152 м под г давлением 2 96 U к Па и со скоростью
примерно 3 м/с; Диаметр нижней час- ти камеры 19 равен 0,68 м, а диаметр верхней части 22 равен 0,91 м. В дан- ной конструкции используются 261 труб- 0 ка Л 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 5 одинаковым интервалом вокруг каждой трубки на расстоянии 0,102 м над ним концом секции 26, а остальные два отверстия располагаются напротив друг друга на расстоянии 0,152 мм над нижним концом трубки. Нижний эле- мент 25 имеет толщинув 0,127 м, а , секции 27 канала выполнены конусообразными с диаметром в верхней части в 12,7 мм и с диаметром в нижней час ти в 4,5 мм. Давления внутри камер 16 и 19 поддерживаются в основном на уровне давлений во впускном отверстии . Скорость потока газа в трубках 2А над верхними отверстиями равно
0
примерно 52 м/с, а между нижними отверстиями и нижним концом трубок она равна примерно 107м/с. В расходящйх , ся каналах скорость потока газа умен шается с 107 м/с в верхнем конце до 9 м/с в нижнем конце или на входе в катализатор.
Различные приведенные выше разме- ры предназначены для реакции какого- 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 газообразных углеводородов, кислорода или обогащенного воздуха, для ины катализаторов и иных скоростей подачи .
Формула изобретения
1. Газовый смеситель с распределителем для подачи газовой реагент- ной смеси в реактор, содержащий последовательно размещенные первую камеру с впускным отверстием для одного газообразного, агента, вторую камеру с впускным отверстием для второго газообразного агента и реакционную камеру, размещенный во второй камере пучок труб, образующих ряд каналов , сообщающих первую камеру с реакционной и имеющих в боковых стенках ряд отверстий, сообщающих каналы с полостью второй камеры, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности смесителя , каналы выполнены двухсекционны ми, при этом первая секция, со сторо ны первой камеры, выполнена с прс- тоянным проходным сечением, а вторая, со стороны реакционной камеры, - с постоянно увеличивающимся по ходу газа проходным сечением.
2.Смеситель поп.1,отлича- Q ю щ и и с я тем, что верхняя часть
труб закреплена в стенке, отделяющей первую,камеру от второй.
3.Смеситель по п.2, о т л и ч а- ю щи и с я тем, что каналы с пос5 тепенно увеличивающимся проходным сечением выполнены в донной стенке второй камеры, отделяющей ее от реакционной камеры ь
k. Смеситель по п.2, о j л и ч аQ ю щ и и с я тем,.что участки труб образующие каналы с увеличивающимся проходным сечением, размещены под донной стенкой второй камеры.
5.Смеситель по п.1,о тли ч а ю5 щ и и с я тем, что трубы во второй камере имеют продолговатое поперечное сечение и размещены поперек второй камеры с образованием каналов в виде щелей.
о 6. Смеситель по п.5, о. т ли ч а- ю щ и и с я тем, что трубы снабжены клинообразными в сечении элементами, установленными на нижних краях труб с продолговатым сечением или выполненными заодно с ними.
7. Смеситель по п.6, о т л и ч а- ю щ и и с я тем, что в элементах с клинообразным сечением выполнены каналы для подачи охлаждающей жидкости.
5
ОЛ
LA 0
tsl
I
St. f-b
Ъ гяф
Ј Мф
I ООООООООО OOOOOOOQ
ooooooooo oooooooo л оооооооо . ooooooo
v XN ОООООбО Xv Ч Ч000000 Чч. QOOOO
ZZ
&
W
м
ооо
Реферат
,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 газовЫхС потоков и распределения и подачи об- . разованноЙ газовой смеси на вход в . реакционный аппарат, например для смешивания газообразного углеводородного сырья с содержащим кислород .газом с последующей подачей образо- ванной смеси в каталитический реакционный аппарат для частичного окисления углеводородного сырья. ..-. .2- . . : -- мере установлен пучок труб, образующих каналы, простирающиеся от первой камеры до входа в реакционную камеру . Каналы выполнены двухсекционными. Верхние секции каналов имеют постоянную 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 щелевидна. Трубы снабжены клинообразными наконечниками , 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, 11 ил. , о ел со Цель изобретения - повышение производительности смесителя. На фиг.1 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 фиг.1; на:фиг.З - вид А на фиг.2; на фиг. - вид Б на фиг.2; на фиг.5 - узел I на фиг.1, иллюстрирующий критические СП
Формула
