Газовый смеситель с распределителем Советский патент 1992 года по МПК B01F3/02 

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

,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

6S91UI

J -

00

ON

Л ,

,&

Вид Г

Фиг.-9

Фиг. II

3

3/

26

Фиг. Ю