Газовый смеситель с распределителем

 

,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 образованной 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

АЗ

119) (11) СОНИ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

59 (51)5 В О1 3/02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н f3ATEHTY

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОЯ%ТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

IlPN ГКНТ СССР

1 (21) 4356534/26 (22) 12.О8.88 (31) 085159 (32) 14.08.87 (33) US (46) О/.02.92. Бюл. М 5 .(71) ДЕЙВИ ИакКИ КОРПОРЕЙШН (VS) (72) Майкл Данстер (СВ), Джозеф

Д.. Корчнак и Джером Х. Иартен (US) (53) 66.023.028 (088.8) (56) Патент США Н 3871838,, кл. 48-1117,1971, Заявка .Великобритании )г 1394813, кл. В 01 F 3/02, 1975 ° (54) ГАЗОВЫЙ СИЕСИТЕЛЬ С РАСПРЕДЕЛИТЕЛЕИ (57),Изобретение относится к аппара-. турному оформлению процесса частич-. ного 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 устройст-. ву.для смешивания двух или более газовь)х, 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 образованной смеси в каталитический реакционный аппарат для частичного .окисления углеводородного сырья..

/ мере установлен пучок труб, образующих каналы, простирающйЬся от первой камеры до входа в реакционную камеру. Каналы выполнены двухсекционными.

Верхйие 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 резуль- 3 тате чего их конфигурация щелевидна.

Трубы снабжены клинообразными нако" нечниками, которые могут быть выпол- ( нены заодно с ними. Клинообразные наконечники образуют секцию каналов с Я ; постоянно увеличивающейся площадью поперечного сечения. В наконечниках выполняются каналы для подачи охлаждающей жидкости. 6 з.п. ф-лы, 11 ил. Э а

Цель изобретения - повышение производительности смесителя.

На фиг.1 представлен реакционный * аппарат, на входе которого установлен выполненный по настоящему изобретению блок смесителя с распределите- Q4 лем газа, вертикальный поперечный разрез; на фиг.2 - узел I на фиг.1; на:фиг.3 - вид А на фиг.2; на фиг.4вид Б на фиг.2; на фиг.5 - узел X на фиг. I, иллюстрирующий критические

1659

3 171 размеры; на фиг.6 - вид В на Фиг.5, иллюстрирующий модифицированную конструкцию распределителя; на Фиг.7увеличенный вертикальный поперечный разрез, идентичный фиг.2, но иллюстрируюший модифицированный блок смесителя и распределителя; на фиг.8 - модификация съемного блока смесителя с распределителем газа; на фиг.9вид Г на фиг.8; на фиг.l0 - узел II на фиг.8; на фиг.ll - 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. Исход.ное сырье может быть представлено углеводородным газом или испаряемой углеводородной жидкостью, которая подвергается преобразованию или конверсии. Оксидант представлен богатым кислородом потоком газа, в качестве 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 йродуктов, как аммиак, метанол, синтез-газ и т.д. Реакционный аппарат включает в себя внешнюю оболочку 4

5 иэ конструкционного металла, например иэ углеродной стали, вместе с верхней частью 5, прикрепленной к оболочке болтами (не показаны) или иным образом. Слой изоляции 6, например, иэ выдерживающего температуру в 1260 С (2300 Ф) изоляционного материала на основе керамического волокна ВРСГ, прикрепляется к внутренней стороне верхней части оболочки 4, включая верхнюю часть 5. В нижней части блока 1, в секции реакционного . аппарата ? и в секции 3 выпускного отверстия на внутренней стороне обо- лочки закреплены слои 7 - 9. Слой 7 представлен отливаемым или эквивалентным изоляционным материалом, например выдерживающим температуру в

1.090 С (2000 ф) керамическим изоляционным материалом с низким содержанием железа и высокой степенью чистоты.

Слой 8 также представлен отливаемым или эквивалентным слоем .изоляционного материала, но содержащим 603 оки.-. си алюминия, что дает ему возможность выдерживать температуру в 1650 С (3000 ф). Вйутренний слой 9 представлен огнеупорным или эквивалентным слоем, например слоем изоляционного материала, состоящим как минимум на

974 из окиси алюминия с керамическими анкерами, или изоляционного кирпича, состоящим как минимум íà 974 из окиси алюминия и способным выдерживать внутренние температуры реакционного аппарата.

Кроме того, с целью недопущения диффузии реагирующих веществ, а следовательно, и сгорания внутри огнеупорного слоя, между внутренней сто45 роной огнеупорного слоя и .слоем катализатора можно поместить оболочку из непористого сплава металла (не показана).

В секции реакционного аппарата

2 установлена стопка монолитных ката 0 литических дисков t0 промышленного. образца, причем между каждой смежной парой дисков проложены кольца 11 из материала с высоким содержанием оксида алюминия. Вся стопка дисков опирается на решетку,. представленную . стержнями 12, выполненными из матери- ала с высоким содержанием оксида алюминия. Исходный материал для катали1711659 затора выбирается с учетом происходящей реакции. Для осуществления реакций частичного окисления вполне приемлемы платино-палладиевые каталитические материалы, родиевые каталитические материалы и прочие каталитические материалы с сильной развитой площадью поверхности, например, оксид алюминия или каталитические материа!

О лы, которые используются в каталитических преобразователях систем выпуска выхлопных газов автомобилей.

В нижней части аппарата 2 выполнено отверстие 13, в котором установ15 лена трубка 14, простирающаяся под нижним каталитическим диском 10 и предназначенная для измерения температуры или для отвода образцов продукта.

Выпускная секция 3 выполнена та20 кой формы, чтобы ее можно было надежно и просто соединять с расположенным 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

30 с помощью опорных элементов 17 надежно 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 камерои 19. Камера 19 45 снабжена верхней внешней кольцеобразной частью 22, которая опирается на верхнюю поверхность огнеупорного. . слбя 9 или крепится к оболочке 4.

В камере 19 установлен пучок труб

23, который простирается вниз в огнеупорный слой 9.

Иножество удлиненных трубок 24 имеют верхние концы, которые распо" лагаются в верхней стенке 20 камеры 55

1.9, трубки образуют каналы, сообщающиеся с первой камерой 16. Нижние концы трубок 24 приКреплены к элюменту 25. Каналы выполнены двухсекционными. Первая секция 26 имеет постоянное проходное сечение, а вторая секция 27 - постоянно увеличиваю" щееся 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, кото- 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 24 и элемент 25 выполнены из обычного выдерживающего высокие температуры сплава, например, из фирменного сплава "Хастэллой Х." или из материала огнеупорного 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

18 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 рассто" яния, которое необходимо для гарантирования по существу полного смешивания газовых потоков из камер 16 и 19 в условиях наличия в каналах турбулентности. Размер внутреннего диаметра D трубок 24, а также длина этих же трубок выбираются с таким расчетом, чтобы образовать перепад давления в газе, проходящем из камеры 16 в реакционную камеру, достаточный для образования по существу равномерных потоков газа через трубки 24 из каме ры 16. Точно так же размер отверстий

28 выбирается с таким расчетом, чтобы создать перепад давления между камерой 19 и внутренней частью .тру-бок 24, достаточный для образования

I в основном равномерных объемов потоков газа, которые проходят через от- верстия 28 и попадают в трубки 24.

1711659

Минимальная скорость потока газа внутри трубок 24 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 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-(400 фунтов на кв.дюйм) и при температурах во впускном отверстии 500 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 изогнутыми в вертикальном сечении плоскости. Степень увеличения площади поперечного сечения канала в секции

27 по направлению вниз, т.е. угол с, который образуется между стенкой канала и прямой стенкой трубок 24, должен быть равен или меньше 15, а оптимально равен или меньше 7, что0 бы иметь возможности свести к минимуму или даже вообще устранить возможность образования завихрений внутри расширяющихся каналов, которые будут стимулировать образование пла-. мени в канале. Конфигурация донной части канала секции 27 (фиг.4) 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 шестиугольным сечением. В данном случае можно использовать и другие сечения донных отверстий, например они могут

5 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 24 выбираются с таким расчетом, чтобы сократить продолжительность пребывания газа в каналах. трубок 24 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 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 24 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 24 образует дополнительную турбулентность в потоках, которые опускаются вниз по трубкам, что собственно еще более усиливает пере4 мешивание, В показанном на фиг.7 варианте изобретения нижняя или донная часть камеры 19 закрыта стенкой 30. Трубки

24 проходят через донную стенку 30, в которой они крепятся, например, сваркой. Нижние концы трубок 24 вы. даются 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,ка1711659

1О нала, которые соединяются с камерой

16, образовано щелевидными каналами

31 между горизонтальными трубами 32, имеющими продолговатое поперечное сечение и установленными поперек второй камеры 19. Таким образом каналы

30 с постоянной площадью поперечного сечения получаются щелевидными. Тру бы 32 соединяются на противоположных концах с кольцеобразной камерой 33, которая принимает в себя поток газа через впускные отверстия 18. Отверстия 34, выполненные s горизонтальных рядах, обеспечивают сообщение между внутренней камерой 35 труб 32 с кана" лами 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 34 выбираются с таким расчетом, чтобы обесПечить значительный перепад давления на отверстиях 34, и гарантировать равномерный поток газа из отверстий 34 в щелевидные каналы 31. Ширина кана лов 31, е 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 равномер" ного потока газа через каналы 31, что в конечном итоге будет попускать использование скорости потока, которая будет выше скорости обратного воспламенения газовой смеси, и образование турбулентного потока.

Минимальное расстояние, на котором отверстия 34 располагаются над ниж-. ним концом секции 26 с равномернымсечением 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, кото-. рые устанавливаются на или выполняются заодно целое с нижними кромками трубок 32 с целью образования расходящихся нижних секций ?7 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 38, которая может заменить трубку или трубки 32. В своей нижней части модифицированная трубка 38 может иметь форму показанных на фиг.10 клинообразных элементов 36.

Смеситель работает следующим об" разом.

В показанной на фиг.1 конструкции

15 реакционного аппарата протекает. ката" литическое частичное окисление, например, приРодного газа, содержащего

95 о6.4 метана, остальная часть при . ходится на этан, пропан, азот и двуоксид углерода ° Газ смешивается с паром и воздухом с конечным образованием смеси, содержащей примерно

20 о6.4 природного газа, примерно

60 об.4 воздуха и примерно 20 об.Ф

25 пара. Пар подразделяется и вводится как в поток природного газа, так и в поток воздуха перед впускными отверстями 15 и 18. Газообразный угле". водород с температурой в 55У С пь О дается через впускное отверстие 15 диаметром в 0,254 м под давлением

2760 кПа, Поток воздуха с температурой 550 С подается через два впускным отверстия 18 диаметром 0,152 м под давлением 2960 кПа и со скоростью примерно 34 м/с. Диаметр нижней части камеры 19 равен 0,68 и, а диаметр верхней части 22 равен 0,91 м. В дан" ной конструкции используются 261 труб40 ка 24 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

45 одинаковым интервалом вокруг каждой трубки на расстоянии 0,102 м над нижним концом секции 26, а остальные два отверстия расгюлагаются напротив друг друга на расстоянии 0,152 мм над нижним концом трубки. Нижний эле" мент 25 имеет толщину в С,127 м, а секции 27 канала выполнены конусообразными с диаметром в верхней части в 12,7 мм и с диаметром в 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

24 над верхними отверстиями равно

20 изобретения

Форм у па

1. Газовый смеситель с распреде" лителем 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, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повышения производительности смесиI I 171i 65 примерно 52 м/с, а между нижними отверстиями и нижним концом трубок она равна примерно 107 м/с. В расходящихся каналах скорость потока газа уменьшается 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 реакцйи какогото специфического газообразного углеводорода и воздуха, подаваемых при каких-ro специфических скоростях.

Следует иметь в виду, что эти размеры и скорости будут иными для других газообразных углеводородов, кислорода или обогащенного воздуха, для иных катализаторов и иных скоростей подачи.!

2 теля, каналы выполнены двухсекционны ми, при этом первая секция, со старо ны первой камеры, выполнена с прстоянным проходным сечением, а вторая, со стороны реакционной камеры, - с постоянно увеличивающимся по ходу газа проходным сечением.

2. Смеситель по п.1, о т л и ч аю шийся тем, что верхняя часть труб закреплена в стенке, отделяющей первую камеру от второй.

3. Смеситель по п.2, о т л и ч аю шийся тем, что каналы с постепенно увеличивающимся проходным сечением выполнены в донной стенке второй камеры, отделяющей ее от реакционной камеры.

4, Смеситель по п.2, о т л и ч аю шийся тем,.что участки труб „образующие каналы с увеличивающимся проходным сечением, размещены под донной стенкой второй камеры.

5.Смеситель поп.l o т л и ч а юшийся тем, что трубы во второй камере имеют продолговатое попереч- ное сечение и размещены поперек второй камеры с образованием каналов в виде щелей.

6. Смеситель по п.5, о. т л и ч аю шийся 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 аю щ и Й с я тем, что в элементах с клинообразным сечением выполнены кана лы для подачи охлаждающей жидкости.

) 711659

1у1 l659 Х

Г9

1711659 дид В

27

Фиг. 3

1711659

Составитель Т. Круглова

Техред A.êðàâ÷óê Корректор И. Самборская

Редактор Е. Папп

Заказ 350 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина, 101