專利名稱：一種甲烷與氧氣預混器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種工業用易燃易爆氣體混合的甲烷與氧氣預混器。
背景技術：
甲烷催化部分氧化制合成氣過程具有能耗低，反應時間短等優點，被視 為最經濟的造氣工藝，然而這一工藝需要甲烷與氧氣安全、高效的預混。天 然氣催化部分氧化制合成氣的產物對局部的溫度、化學組成等十分敏感，甲 垸與氧氣的混合效果直接影響產物的選擇性和產率。當混合效果不佳時，絕 熱反應器內部將會出現局部甲烷過量或局部氧氣過量，前者將導致甲烷轉化 率下降，后者將導致產物選擇性降低，總之無論出現哪種情況，混合效果不 佳都會降低產品的產率。另外，甲垸在氧氣中有很寬的爆炸極限，當溫度達 到混合氣體的著火點時， 一旦發生回火將引起混合氣體著火爆炸。因此，成 功地設計甲烷與氧氣預混器，對于天然氣部分氧化制合成氣具有重要的意義。
預混氣體在預混室里發生爆炸的原因是預混室出口氣速低于擴散燃燒速 度，火焰從反應室返回預混室將預混氣體點燃，可燃氣體火焰迅速向四周器 壁傳播，溫度急劇上升、壓力急劇增高，從而造成爆炸。因此，只要將燃燒 實施阻隔，將局部燃燒產生的熱量移走，使火焰瞬間熄滅，那么即使在操作 過程中發生回火也能防止預混氣在預混室內發生爆炸。
針對爆炸阻隔，按作用機制不同，分為機械隔爆和化學隔爆兩種類型， 隔爆裝置主要有工業阻火器、主動式隔爆裝置和被動式隔爆裝置等幾種類型。 工業阻火器又分為機械阻火器、液封阻火器和料封阻火器等類型，主要用于
阻隔燃燒和爆炸初期火焰蔓延；主動式隔爆裝置通過傳感器探測到的爆炸信
號實施致動；被動式隔爆裝置則依靠爆炸波本身來引發致動。針對甲烷與氧 氣預混后還要進行反應這一特點，阻火器應采用機械阻火器。
目前較為成熟的商用機械阻火器大致可以分為金屬網型阻火器、波紋型 阻火器、泡沫金屬型阻火器、平行板型阻火器、多孔板型阻火器、充填型阻 火器、星型旋轉閥阻火器。這些阻火器能夠起到阻火的作用，但是不能在一 個大容器內將高氣速的甲垸和氧氣充分的預混。
工業上易燃氣體預混主要采取高氣速錯流或逆流接觸，然后經過較長的 發展段進行氣體的預混；預混后的氣體通過小孔進入高溫反應室，利用高氣 速防止回火，并且在出口處裝有商用或自制的阻火器，內部進行壓力控制， 一旦發生回火，內部壓力增高，將自動停止反應氣體進入，同時噴入氮氣使 火焰熄滅。這樣的裝置體積極其龐大， 一旦發生意外，將產生巨大的破壞， 化工固有安全性較低。并且，這樣的預混器的大小有一定的限制，過大的預 混器將使得發生意外的幾率大幅度提高，因此，預混器將成為限制產能的瓶 頸。
如上所述，為了實現甲烷和氧氣分子水平的預混，同時達到阻燃和防爆 的作用，需要設計其它更為有效的甲垸和氧氣預混裝置，以加快天然氣部分 氧化制合成氣工業的發展。
發明內容
本發明的目的是設計一種利用微尺度結構化混合設計，使預混過程發生 在微尺度的空間內，甲垸和氧氣在結構化的微型孔道內數次的相互交錯，在 較短的路徑內達到分子水平的混合的甲垸與氧氣預混器。
本發明的目的可以通過以下方案實現 一種甲烷與氧氣預混器，其特征 在于，該預混器包括有預混層l、甲垸進氣系統2、氧氣進氣系統3、甲烷 分布系統4、氧氣分布系統5、結構化混合系統ll;
預混器由多個預混層l疊加組成，預混層l呈圓柱形，上、下底面均封 閉，中間為一空腔構成甲垸分布系統4;結構化混合系統ll位于預混層l內 部，呈圓形，內部均勻分布著放射狀交錯分布的微孔IO，預混層l中心為一
同心圓的套管，外層套管構成氧氣進氣系統3，內層套管構成甲烷進氣系統2， 氧氣進氣系統3通過氧氣分布系統5和氧氣分布系統5上的氧氣入口 8與結 構化混合系統11內部的微孔10連通，甲烷進氣系統2通過內層套管彎頭9 與甲烷分布系統4連通，甲烷分布系統4通過底部的甲烷入口 7與結構化混 合系統11內部的微孔10連通，連接微孔10的氣體出口 6均勻地分布于結構 化混合系統ll的圓周邊緣上，呈圓形的放射狀。
甲垸通過甲垸進氣系統分別進入各層甲垸分布系統，從而使甲垸進入大 量均勻的微孔；相同地，氧氣也通過氧氣進氣系統進入各層氧氣分布系統， 氧氣通過分布系統進入大量均勻的微孔，甲烷和氧氣通過這些微孔進入結構 化的混合系統進行混合；在混合過程中，兩種氣體數次的相互交錯，最終離 開預混器。具有以下優點
(1) 預混層l是結構化的單元，無放大效應，可以能夠根據實際要求多 個并聯。
(2) 進氣系統2、 3能夠根據實際要求，調整彎頭9的數量，使氣體能 夠同時均勻地進入多個氣體分布系統4、 5。
(3) 結構化混合系統11甲烷入口 7和氧氣入口 8的微孔直徑很小，存 在一定的入口壓降，使得甲垸和氧氣能夠通過進氣系統均勻的進入氣體分布 系統。
(4) 結構化混合系統內的甲烷入口 7和氧氣入口 8內徑均一，使得甲烷 和氧氣能夠通過氣體分布系統均勻的進入，并且各個微孔內甲烷和氧氣均按 照比例可控混合。
(5) 結構化混合系統11微孔10排列是結構化的，很容易進行幾何拓撲，
6
能夠根據實際需要選擇微孔相互交錯的次數，使得甲垸和氧氣能夠達到分子 級混合。
(6) 結構化混合系統11微孔10孔徑很小(0. l-3mm， 0. 5-lmm最佳)， 氣體在微孔內混合，不會發生飛溫而導致爆炸。
(7) 結構化混合系統11的出口 6均勻地分布于預混器外壁上，形狀呈 圓形的放射狀，能夠使混合好的氣體呈環形擴散。
本發明所述的甲烷與氧氣預混器，可以用于甲垸與氧氣混合，在阻燃和 防爆的前提下接近分子水平的混合，也可以用于其它易燃氣體與氧氣的混合。 該預混器采用了微尺度技術，所有的預混過程發生于微尺度的空間內，由于 微尺度自身的特性使得預混氣體不會因為操作不慎而發生爆炸，因此該預混 器具有很好的化工固有安全性。在甲垸部分氧化制合成氣工業中有較好的作 用。
圖1甲烷與氧氣預混器結構示意圖。
圖2甲烷與氧氣預混器結構化混合系統結構示意圖。
圖3甲烷與氧氣預混器氣體入口示意圖。
其中1、預混層2、甲烷進氣系統3、氧氣進氣系統4、甲垸分布 系統5、氧氣分布系統 6、出口 7、甲垸入口 8、氧氣入口 9、內 層套管彎頭10、微孔11、結構化混合系統
具體實施例方式
根據附圖對本發明結構進行詳細的敘述。
預混層1呈圓柱形，上下底面均封閉，中間為一空腔構成甲垸分布系統4; 結構化混合系統ll位與預混層l外底部，呈圓形，上面有呈放射狀交錯分布
的與預混層1底面形成微孔10的微細的凹槽，預混層1中心為一同心圓的套 管，外層套管構成氧氣進氣系統3，內層套管構成甲烷進氣系統2，氧氣進氣 系統3通過氧氣分布系統5和氧氣分布系統5上的氧氣入口 8與微孔10連通， 甲烷進氣系統2通過內層套管彎頭9與甲烷分布系統4連通，甲垸分布系統4 通過底部的甲烷入口 7與微孔10連通，微孔10的出口 6均勻地分布于結構 化混合系統的圓周邊緣上。
采用本發明所述的甲烷與氧氣預混器，預混器由三個預混層組成，每個 預混層上的結構化混合系統都分別有120條氧氣和甲烷的微孔，孔徑0. 5mm。 氣體采用北京市北溫氣體廠提供的99. 99%的甲烷和氧氣；氣體流量通過北京 七星華創電子股份有限公司D07型質量流量計進行控制，甲烷和氧氣流量均 為15L/min;混合氣體通過上海天美科學儀器有限公司的7890II型氣相色譜 進行分析。用色譜進樣器分別從每個預混層的氣體出口隨機采集IO個樣品進 行分析，分析結果所有的樣品中甲垸與氧氣均為摩爾比l: 1。
權利要求
1、一種甲烷與氧氣預混器，其特征在于其包括預混層(1)、甲烷進氣系統(2)、氧氣進氣系統(3)、甲烷分布系統(4)、氧氣分布系統(5)、結構化混合系統(11)；預混器由多個預混層(1)疊加組成，預混層(1)呈圓柱形，上、下底面均封閉，中間為一空腔構成甲烷分布系統4；結構化混合系統(11)位于預混層(1)內部，呈圓形，內部均勻分布著放射狀交錯分布的微孔(10)；預混層1中心為一同心圓的套管，外層套管構成氧氣進氣系統(3)，內層套管構成甲烷進氣系統(2)，氧氣進氣系統3通過氧氣分布系統(5)和氧氣分布系統(5)上的氧氣入口(8)與結構化混合系統11內部的微孔(10)連通，甲烷進氣系統2通過內層套管彎頭(9)與甲烷分布系統(4)連通，甲烷分布系統(4)通過底部的甲烷入口(7)與結構化混合系統(11)內部的微孔(10)連通，連接微孔(10)的氣體出口(6)均勻地分布于結構化混合系統(11)的圓周邊緣上，呈圓形的放射狀。
2、 根據權利要求l所述的一種甲烷與氧氣預混器，其特征在于預混層 (1)是結構化的單元，無放大效應，可以多個并聯。
3、 根據權利要求l所述的一種甲垸與氧氣預混器，其特征在于進氣系 統(2) (3)能夠根據實際要求，調整彎頭(9)的數量，使氣體能夠同時進 入多個氣體分布系統(4) (5)。
4、 根據權利要求l所述的一種甲烷與氧氣預混器，其特征在于甲烷入 口 (7)和氧氣入口 (8)的內徑均一。
5、 根據權利要求l所述的一種甲垸與氧氣預混器，其特征在于，結構化 混合系統(11)內微孔(10)排列是結構化的，能夠根據實際需要選擇微孔(10)相互交錯的次數。
6、 根據權利要求l所述的一種甲垸與氧氣預混器，其特征在于，結構化混合系統(11)微孔(10)孔徑為O. 1-3mm。
7、 根據權利要求l所述的一種甲垸與氧氣預混器，其特征在于，結構化 混合系統(11)微孔(10)孔徑為0.5-lmm。
全文摘要
一種甲烷與氧氣預混器，由多個預混層疊加組成，預混層呈圓柱形，上、下底面均封閉，中間為一空腔構成甲烷分布系統；結構化混合系統位于預混層內部，呈圓形，內部均勻分布著放射狀交錯分布的微孔；預混層中心為一同心圓的套管，外層套管構成氧氣進氣系統，內層套管構成甲烷進氣系統，氧氣進氣系統通過氧氣分布系統和氧氣分布系統上的氧氣入口與結構化混合系統內部的微孔連通，甲烷進氣系統通過內層套管彎頭與甲烷分布系統連通，甲烷分布系統通過底部的甲烷入口與結構化混合系統內部的微孔連通，連接微孔的氣體出口均勻地分布于結構化混合系統的圓周邊緣上，呈圓形的放射狀；其可多個并聯，不會發生爆炸，混合效果好，用于甲烷部分氧化制合成氣。
文檔編號B01F5/00GK101376085SQ20071012077
公開日2009年3月4日 申請日期2007年8月27日 優先權日2007年8月27日
發明者石 丁, 明 喬, 王德崢, 白躍華, 易 程, 胡蓉蓉, 涌 金 申請人:中國石油天然氣股份有限公司;清華大學