Газовый смеситель с распределителем

91 (11) РЕСПУБЛИК ЗЛ ГОСУДАРСТВЕННЫЙПО ИЗОТ%ТЕНИЯМ ИПРИ ГКНТ СССР ИТЕТРЫТИ 11 М ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ АТЕН м ЕЙШН (ЦВ) ДжозеФ Иартен (03) 38(57),Изобретенитурному оФормленного окисленияОно обеспечиваетельности смесираспределителемдержит первую иры. Вторая камеду первой камероонную камеру ап относится к аппараию процесса частич-. глеводородного сырЬя.повышение производи" еля. Смеситель с газа для реактора совторую впускные каме- а располагается меж" й и входом в реакципарата. Во второй ка-.; повышение протеля.н реакционный рого установтоящему изобре"; фраспределите- (ф поперечныйл 1 на фиг.1;г.2; на Фиг.4 " .5 - узел 1ий критические изобретенияльности смес г.1 представл на входе кот лненный по на ок смесителя , вертикальны на Фиг.2 - уз - вид А на Фиг,2; на Филлюстриру Цел вводиаппаратлен выпотению бллем газаразрез;на:Фиг,3вид Б нана Фиг. Фи иг ющ.(71) ЛЕЙВИ ИакКИ КОРПОР, кл. 48-107,1971,Заявка .Великобританикл, В 01 Р 3/02, 1975Изобретение относится к устройст-.ву.для смешивания двух или более газовых, 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 2ере установлен пучок труб, образующих каналы, простирающиЬся 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 выполнены заодно с ними, Клинообразные на" конечники 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 Заев1711659 Составитель Т. Кругледактор Б. Папп Техред А.кравчук орректор И. Самборс НТ ССС оиэводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 10 г58 аказ 350 Тираж НИИПИ Государственного комитета по 113035, Москва, Ж-З3 1711 размеры; на фиг.б - 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 11 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. Исход.ное сырье может быть представлено углеводородным газом или испаряемой углеводородной жидкостью, которая подвергается преобразованию или конверсии, Оксидант представлен богатым кислородом потоком газа, в качест. ве 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 реакционныхаппаратах 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 распростра" ненным другим типам реакционных аппаратов относятся те, которые используются в процессе осуществления автотермального реформинга или вторичного реформинга с целью получения таких продуктов, как аммиак, метанол,синтеэ-газ и т,д. Реакционный аппаратвключает в себя внешнюю оболочку 1 5иэ конструкционного металла, например иэ углеродной стали, вместе сверхней частью 5, прикрепленной коболочке болтами (не показаны) илииным образом. Слой изоляции б, например, иэ выдерживающего температурув 1260 С (2306 ф) изоляционного материала на основе керамического волокна ВРСГ, прикрепляется к внутреннейстороне верхней части оболочки М,включая верхнюю часть 5. В нижнейчасти блока 1, в секции реакционногоаппарата 2 и в секции 3 выпускногоотверстия на внутренней стороне обо-лочки закреплены слои 7 - 9, Слой 7представлен отливаемым или эквивалентным изоляционным материалом, например выдерживающим температуру в109 С С (2000 Ф) керамическим изоляционным материалом с низким содержани-:ем железа и высокой степенью чистоты.Слой 8 также представлен отливаемымили эквивалентным слоем .изоляционного материала, но содержащим 60 оки.-.си алюминия, что дает ему возможностьыдерживать температуру в 1650(3000 Ф). Вйутренний слой 9 представ"лен огнеупорным или эквивалентнымслоем, например слоем изоляционногоматериала, состоящим как минимум на976 из окиси алюминия с керамическими анкерами, или изоляционного кирпича, состоящим как минимум на 97 ь изокиси алюминия и способным выдерживать внутренние температуры реакци"онного аппарата.Кроме того, с целью недопущениядиффузии реагирующих веществ, а следовательно, и сгорания внутри огнеупорного слоя, между внутренней стороной огнеупорного слоя и,слоем катализатора можно поместить оболочкуиз непористого сплава металла (не показана).В секции реакционного аппарата2 установлена стопка монолитных ката литических дисков 10 промышленного.образца, причем между каждой смежной парой дисков проложены кольцаиз материала с высоким содержаниемоксида алюминия. Вся стопка дисковопирается на решетку,. представленнуюстержнями 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 каталитицеские материалы, родиевые каталити"цеские материалы и прочие каталитические материалы с сильной развитойплощадью поверхности, например, оксидалюминия или каталитические материаОлы, которые используются в каталитических преобразователях систем выпуска выхлопных газов автомобилей.В нижней части аппарата 2 выполнено отверстие 13, в котором установ 15лена трубка 14, простирающаяся поднижним каталитическим диском 10 ипредназначенная для измерения температуры или для отвода образцов продукта,Выпускная секция 3 выполнена та 20кой Формы, чтобы ее можно было на"дежно и просто соединять с расположенным ниже паровым котлом-утилизатором (не показан) и/или с другимтехнологическим оборудованием.В блоке 1 смесителя с распределителем первое впускное отверстие 15,расположенное по центру верхнейчасти 5, сообщается с первой камерой16 в виде питающей воронки. Воронка30с помощью опорных элементов 17 надежно крепится в верхней части 5.Вторые впускные отверстия 18 проходят через боковые отверстия оболочки4 и сообщаются с второй камерой 19, .которая установлена между верхнейкамерой 16 и впускным отверстием секции каталитического аппарата 2, Установленное в центральной части верхней стенки 20 камеры 19 кольцо 21обеспечивает герметическое зацепление с нижней кромкой воронкитак, цто стенка 20 будет образовыватьобщую стенку между первой камерой16 и второй камерой 19, Камера 19 45снабжена верхней внешней кольцеоб"Разной частью 22, которая опираетсяна верхнюю поверхность огнеупорного.. слбя 9 или крепится к оболочке 4.В камере 19 установлен пучок труб23, который простирается вниз в огнеупорный слой 9.Иножество удлиненных трубок 24имеют верхние концы, которые распо"лагаются в верхней стенке 20 камеры 551.9, трубки образуют каналы, сообщаю- .щиеся с первой камерой 16. Нижниеконцы 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, ворон" ка 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.Колицество трубок 24, внутренний диаметр 0 (фиг.5) трубок 24, а также размер й 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 Ь отверстий 28 от нижней части секции 26 трубки 24 выбирается с таким расцетом, цто" бы 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 0 трубок 24, а также длина этих же трубок выбираются с таким расчетом, 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 каме ры 16. Точно так же размер отверстий 28 выбирается с таким расчетом, что" бы создать перепад давления между камерой 19 и внутренней частью тру- . бок 24, достаточный для образования в основном равномерных объемов потоков газа, которые проходят через от- верстия 28 и попадают в трубки 24,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 Ф, который образуется между стенкой каналаи прямой стенкой трубок 24, должен быть равен или меньше 15, а оптимально равен или меньше 7 , чтоО 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 случаеможно использовать и другие сечениядонных отверстий, например они могут5иметь прямоугольное, треугольноеи прочие сечения; важно, цтобы этиотверстия обеспечивали по существуравномерное распределение потока газовой смеси по слою катализатора.В канале секции 27 может происходить воспламенение, особенно околослоя катализатора, однако реакцияокисления происходит главным образом в пределах слоя катализатрра.Существует также возможность повыситьтемпературу подаваемого газа вышетемпературы воспламенения газовойсмеси; В этом последнем случае скорости потока газа в трубках 24 выбираются с таким расчетом, цтобы сократить продолжительность пребываниягаза в каналах. трубок 24 до продолжительности, которой будет. явно недостаточно для гарантирования пол 25 ной реакции газовой смеси. Было установлено, что, если до момента вводагазов в расширяющиеся секции 27 онине были .полностью перемешаны, тогдаэти газы стремятся остаться в этомсостоянии, т.е. не полностью смешанными, что вызывает расхождение иуменьшение скорости потоков газа.И тем не менее, было установлено, чтов пределах секций 26 в трубках 24происходит полное перемешивание газов на участке минимального расстояния Ь, что в данном случае обусловлено высокоскоростным турбулентнымпотоком, Кроме того, введение потоков через отверстия 28 поперек потока в трубках 24 образует дополнительную турбулентность в потоках, которые опускаются вниз по трубкам, чтособственно еще более усиливает пере 45 мешивание,В показанном на Фиг.7 вариантеизобретения нижняя или донная частькамеры 19 закрыта стенкой 30. Трубки24 проходят через донную стенку 30,в которой они крепятся, например,сваркой. Нижние концы трубок 24 вы. даются вниз. Кроме того, элемент 25будет открытым, что уменьшает веси необходимое для получения элемента25 количество исходного материала.На Фиг.8-10 показан еще один,вариант изобретения, в соответствии скоторым удлиненное равномерное поперечное сечение верхних секций 26,канала, которые соединяются с камерой16, образовано щелевидными каналами31 между горизонтальными трубами 32,имеющими продолговатое поперечное сечение и установленными поперек второй камеры 19Таким образом каналы30 с постоянной площадью поперечногосечения получаются щелевидными. Трубы 32 соединяются на противоположныхконцах с кольцеобразной камерой 33,которая принимает в себя поток газачерез впускнце отверстия 18. Отверстия 34, выполненные в горизонтальныхрядах, обеспечивают сообщение междувнутренней 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 равно"мерное давление по всей горизонтальной длине трубок 32, а количествои диаметр отверстий 34 выбираются стаким расчетом, цтобы обесПечитьзначительный перепад давления наотверстиях 34, и гарантировать равномерный поток. газа из отверстий 34в щелевидные каналы 31. Ширина каналов 31, г также вертикальный их размер выбираются с таким расчетом, чтобы образовать перепад давления изверхней камеры 16 с конечным поддержанием равномерного распределениячерез входы в каналы 31 и тем самыйгарантировать образование равномер"ного потока газа через каналы 31,что в конечном итоге будетдопус"кать использование скорости потока,которая будет выше скорости обратного воспламенения газовой смеси,и образование турбулентного потока.Минимальное расстояние, на которомотверстия 34 располагаются над ниж-.ним концом секции 26 с равномернымсечением каналов, будет равно иличуть больше минимального расстояния,которое гарантирует по существу полное перемешивание газовых потоков.Трубы 32 в нижней части снабженыклинообразными элементами 36, кото-.рые устанавливаются на или выполняются заодно целое с нижними кромкамитрубок 32 с целью образования расходящихся нижних секций 27 каналов,чтобы уменьшить скорость потока и,свести к минимуму или вообще устранить образование завихрений газаили спирального потока на входе вслой катализатора. Образованные в элементах 36 каналы 37 могут передавать охлаждающую жидкость, например воду.На фиг.11 показана модифицирован" ная трубка 38, которая может заменить трубку или трубки 32. В своей нижней части модифицированная трубка 38 может иметь форму показанныхна Фиг.10 клинообразных элементов 36.Смеситель работает следующим об"разом,1 В показанной на фиг. 1 конструкции15 реакционного аппарата протекает, ката"литическое частичное окисление, например, приРодного газа, содержащего95 об,З метана, остальная часть при.ходится на этан, пропан, азот и двуоксид углеродаГаз смешивается спаром и воздухом с конечным образованием смеси, содержащей примерно20 об,4 природного газа, примерно60 об.4 воздуха и примерно 20 об.Ф 25 пара. Пар подразделяется и вводитсякак в поток природного газа, так ив поток воздуха перед впускными от"верстями 15 и 18. Газообразный угле".водород с температурой в 55 РС пь- ЗО дается через впускное отверстие 15диаметром в 0,254 м под давлением2760 кПа, Поток воздуха с температурой 550 С подается через два впускныхотверстия 18 диаметром 0,152 м поддавлением 2960 кПа и со скоростьюпримерно 34 м/с. Диаметр нижней части камеры 19 равен 0,68 и, а диаметрверхней части 22 равен 0,91 м. В дан"ной конструкции используются 261 труб ка 24 с внутренним диаметром 12,7 .мми длиной в 0,51 м каждая. В каждойтрубке образовано шесть отверстий28 диаметром 3,2 мм каждое, причемчетыре отверстия располагаются с 45 одинаковым интервалом вокруг каждойтрубки на расстоянии 0,102 м над нижним концом секции 26, а остальныедва отверстия располагаются напротивдруг друга на расстоянии 0,152 ммнад нижним концом трубки. Нижний эле"мент 25 имеет толщину в 0,127 м, асекции 27 канала выполнены конусообразными с диаметром в верхней частив 12,7 мм и с диаметром в нижней части в 44,5 мм. Давления внутри камер16 и 19 поддерживаются в основном науровне давлений во впускном отверстии. Скорость потока газа в трубках 24 над верхними отверстиями равно20изобретения Формула 1. Газовый смеситель с распреде" лителем для подачи газовой реагентной 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 ре-акционной и имеющих в боковых стенках ряд отверстий, сообщающих каналы с полостью второй камеры, о т л иц а ю щ и й с я тем, цто, с целью повышения производительности смеси171165примерно 52 м/с, а между нижними отверстиями и нижним концом трубок она равна примерно 107 м/с, В расходящйхся каналах скорость потока газа уменьшается с 107 м/с в верхнем конце до5 9 м/с в нижнем конце или на входев катализатор.Различные приведенные выше разме ры предназначены для реакцйи какогото специфического газообразного углеводорода и воздуха, подаваемых прикаких-то специФических скоростях.Следует иметь в виду, цто эти размеРы и скорости будут иными Для Другихгазообразных углеводородов, кислорода или обогащенного воздуха, для иныхкатализаторов и иных скоростей подачи. 2теля, каналы выполнены двухсекционными, при этом первая секция, со староны первой камеры, выполнена с прстоянным проходным сечением, а вторая,со стороны реакционной камеры, - спостоянно увеличивающимся по ходугаза проходным сецением.2. Смеситель по п.1, о т л и ц аю щ и й с я тем, что верхняя частьтруб закреплена в стенке, отделяющейпервую, камеру от второй.3. Смеситель по п.2, о т л и ц аю щ и й с я тем, что каналы с постепенно увелицивающимся проходнымсечением выполнены в донной стенкевторой камеры, отделяющей ее от реакционной камеры.Й, Смеситель по п.2, о т л и ц аю щ и й с я тем,.цто участки труб.образующие каналы с увеличивающимсяпроходным сечением, размещены поддонной стенкой второй камеры.5.Смеситель поп.1,о т л и ц ающ и й с я тем, цто трубы во второйкамере имеют продолговатое попереч-ное сечение и размещены поперек второй камеры с образованием каналов ввиде щелей.6. Смеситель по п.5 о. т л и ц аю щ и й с я тем, цто трубы снабженыклинообразными в сечении элементами,установленными на нижних краях трубс продолговатым сечением или выполненными заодно с ними,7. Смеситель по п.б, о т л и ц аю щ и Й с я тем, цто в элементах склинообразным сечением выполнены каналы для подачи охлаждающей жидкости.