專利名稱：用于反應器的氣體混合、分配器的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于混合兩種或多種氣體及分配氣體混合物到反應器進口的設備。例如，使氣態烴原料與含氧氣體混合，并把混合物送入用于烴原料的部分氧化的催化反應器中。
部分氧氣催化反應器用于通過對烴氣體混合物的反應來改變烴，所說的烴混合物可以是氣體烴或汽化了的液態烴和氧化劑。氧化劑可以是蒸汽、氧、空氣或它們的混合物。反應所形成的生成物包括氫、甲烷、二氧化碳和一氧化碳。生成物氣體可用作燃料和/或用于氫或一氧化碳產品的基礎原料，或用于一種或多種產品的合成，如用于氨、甲醇、羧基化合物及加氫化合物等產品的合成。
長期以來，人們認識到，在混合及傳送氣體組分到反應器時，現有技術需要將氣體組分完全混合，以及需要防止從反應室進入混合室的火焰逆燃。混合不充分將降低產品的質量。此外，這些產品中還將含有過分氧化的成分、未氧化的成分和產生所不希望的碳沉積物的游離碳。逆燃產生類似的結果，另外還能造成混合、分配設備的熱破壞。
一種用于消除逆燃的現有設備是在混合室和反應室之間插接一個具有一個或多個節流通道的分配器，氣體混合物流過一個或多個節流通道的速度必須大于逆燃的速度，也就是說，火焰以這個速度在可燃性混合物中從反應室向混合室發展。該技術還認為從狹小或節流通道到反應室進口提供一逐漸增大的截面是重要的。以此，氣流在反應室進口處產生的渦流或紊流可減小到最小的程度。這種渦流或紊流有助于逆燃。在混合室和反應室之間插接有分配器的這些設備中，混合室可能含有易爆的混合物及產生進氣或出氣壓降，由此將導致設備的損壞。
在現有技術中，美國專利3871838公開了一種將汽油轉化成較高級辛烷氣體燃料的裝置，其中有許多管子，所說管子在其汽化氣流的整個橫截面上開有許多孔，用以與氧混合并形成狹窄的通道。作為管壁一部分的隔板為一平面，并且在朝著反應器的方向逐漸增大狹窄的通道。辛烷燃料用于汽車發動機并使其燃燒得更完全，產生更少的污染，雖然在現有技術中公開了各種適合于生產需求量日益增加的辛烷燃料的設備，但這些設備一般不適合大規模的烴轉化，例如，較大規模石油精煉或合成氣的生產設備。
本發明概括地說是用于輸送氣體反應混合物到反應器的氣體混合、分配器，氣體混合、分配器具有第一和第二腔室，相應的氣體組分被分別送入第一和第二腔室，第二腔室插接在第一腔室和反應器進口之間，氣體混合、分配器包括許多封閉的器壁，如管子或導枟，這些器壁形成了許多狹窄的從第一腔室穿過第二腔室的通道，用來引導第一氣體到反應室，在狹窄的通道器壁上開有許多噴口，用于將第二氣體在通道內與第一氣體組分混合，通過通道的氣流是處于紊流狀態，其速度大于混合物的逆燃速度。狹窄的通道包括具有均勻橫截面的第一部分和橫截面逐漸增大的第二部分。通道第一部分的上端與第一腔室連通，而通道第二部分連接在第一部分下端和反應器之間。噴口開在通道的第一部分上，噴口距通道第一部分的下端的距離，應確保第一和第二氣體組分在進入通道第二部分以前在通道第一部分內基本上完全混合。
本發明的一個目的是提供一種用于反應器的氣體混合、分配器，該反應器能減少產品中反應不足和過分反應部份，并能減少不需要的副產品。
本發明的另一個目的是通過改進進入反應器的混合均勻性及完全度來提高反應器的產量。
本發明的一個特征是，多個狹窄通道的結構是具有細長的直線型狹口部分，在其中，氣體組分被混合，而且氣流速度大于逆燃速度，以及處于紊流狀態，這樣直線狹口部分的氣體組分的混合是充分的。
本發明的另一個特征是，通過器壁上的噴口，將第二氣體噴入直線型狹口通道部分，在一定的距離中產生一速度大于逆燃速度的紊流，該距離是從噴口到直線型通道的出口處，這個距離等于或大于使氣流基本上完全混合的距離。
本發明的其它的目的、優點和特征從下面的最佳實施例的描述及參照相應的附圖將得到進一步的理解。
圖1是按照本發明的一個在其進口處有一混合、分配器的反應器的正剖視圖。
圖2是圖1中的混合、分配器的局部放大正剖視圖。
圖3是圖1中的混合，分配器四分之一斷面的頂視圖。
圖4是圖1中的混合，分配器四分之一斷面的仰視圖。
圖5是圖1和圖2中的混合，分配器斷面的正剖視圖，并給出了關鍵尺寸。
圖6是一個類似于圖4，但分配器的結構有所改進的仰視圖。
圖7是一個類似于圖2，但混合、分配器有所改進的放大正剖視圖。
圖8是按照本發明的具有進一步改進了混合、分配器輸入部分的反應器的局部正剖視圖。
圖9是圖8中混合、分配器的四分之一斷面的頂視圖。
圖10是圖8中混合、分配器的局部放大正剖視圖。
圖11是圖10中的改進了的管狀零件的剖視圖。
如圖1所示，按照本發明的用于部分氧化氣體原料的反應器，它包括一個由30表示的混合、分配器的輸入端。混合、分配器30將原料與氧化劑混合，并且分配上述的混合物到由32表示的催化反應器的進口，在反應器中，原料被部分氧化或轉變成一種產品，這種產品然后通過由34表示的出口部分。原料可以是要求進行轉化的烴氣或汽化了的液態烴。氧化劑是一種富氧氣體，它實際上是一種純氧、空氣或富氧空氣。蒸汽可以被含在烴原料和/或氣態的氧化劑中。這種混合、分配器適用于在美國專利申請085160中公開的方法所使用的反應器，該申請與本發明同日申請，它由約瑟夫D.考肯納克(JosephD.Korchnak)和邁克爾(MichaelDunster)共同申請的，名稱為“用烴原料生產合成氣產品的方法”。
除了所公開的用于未轉化的烴氣的部分催化氧化反應器的實施例外(它要求送入反應器的兩種或多種氣體組分必須均勻、充分地混合)，混合、分配器30還可以使用在多種類型的反應器中。它特別適合于放熱反應，在這類反應中，人們希望以可控的方式在催化劑存在下完成反應。其它反應器的例子包括那些用于生產如氨、甲醇、合成氣等產品的自熱轉化或二次轉化中的反應器。反應器具有一用碳鋼制成的外殼40，在外殼40上用螺栓(沒有畫出)或類似的方式將頂蓋42固定在其上面。一絕熱層44，例如可耐2300°F(1260℃)的BPCF陶瓷纖維，被固定在包括頂蓋42在內的外殼40的上部內側。在混合部分30以下的部分，即反應器32及出口部分34內，在外殼的內側固定有絕熱層46、48和50。絕熱層46是一種澆注成形的或類似的絕熱體，如低鐵高品位可耐2000°F(1090℃)的陶瓷絕熱體。絕熱層48也是一種澆注成形或類似的絕熱體，但它含有60%的礬土，可耐3000°F(1650℃)。內絕熱層50是一種耐火材料或類似的材料，如具有陶瓷支撐物，至少含97%礬土的材料或至少含97%礬土的磚，以經受反應器內部的溫度。
此外，為了防止組分的擴散及在耐火材料層內燃燒，一個無孔金屬合金包皮可以安裝在耐火材料壁60和催化劑床54之間的耐火材料內側。
反應器32有一組批量生產的構成一體的催化劑盤54，在每對相鄰的催化劑盤之間用高礬土環58將其隔開，這組催化劑盤用帶有高礬土棒56的柵格支承。催化劑根據所進行的反應而選擇。對于部分氧化反應，可以選擇鉑-鈀催化劑、銠催化劑及其它高表面的催化劑，如氧化鋁或使用在汽車排氣系統中的催化轉換器的催化劑。在美國專利4522894中公開了一種適用的催化劑，該催化劑用于第一催化劑床的部分氧化反應。
在反應器的底部有一開口60，一管道62伸入到底部的耐火催化劑盤54的下面，用以測量溫度或取出產品的樣品。
出口部份34連接到下游的熱回收鍋爐(沒有畫出)和/或其它生產設備。
在輸入部分30，第一進口66通過頂蓋42的中心與頂蓋的輸入錐斗68連通，或隨意與外殼40的頂端內部連接，這里形成了第一腔室。錐斗68由頂蓋42內的支撐69固定。第二進口70沿著外殼40的側面入口伸入，并與第二腔室72連通，腔室72處于錐斗(上腔室)68與催化反應部分32的入口之間。環73安裝在腔室72的上壁75的中心部位，與錐斗68的底端密封配合，以使上壁75在上腔室68與下腔室72之間形成一共用的間隔層。腔室72有一上部外環74(也可見圖2和圖3)，外環74支承在耐火材料層50的上表面或固定在外殼40上。腔室72的下部有一管壁76，管壁76向下延伸進入耐火材料層50的內側，管壁76的底部是由鑄件78形成。
細長管80的頂端安裝在腔室72的上壁75上，管腔在其頂端與上腔室68連通。管80的下端固定在鑄件78上，管腔與通道84的上端連通，通道84垂直穿過鑄件78，在管80壁上開有噴口86，以引導氣流從腔室72進入管腔80內。
進口66和70，錐斗68和支撐69是用普通耐腐蝕、耐熱的合金制成，如不銹鋼或高溫合金。腔室72、管80和鑄件78是用普通高溫合金制成，如用哈可司X型鎳基合金(HastalloyX)或耐火型材料。
管80的數量及內徑90(見圖5)及在每個管上的噴口86的尺寸和數量取決于通過進口66和70的氣體輸入速度和壓力，以便在管80內以一定的速度產生紊流，這個速度是大過混合物的逆燃速度。從噴口86到進入擴張型通道84的管80的底端的最小距離92的選擇應等于或大于所需求的尺寸，這個尺寸使來自腔室68和72的氣流在紊流狀態下充分地混合。管80的內徑尺寸90及長度94的設計要求是，在從腔室68到反應室的氣流通路中產生一足夠的壓降，以便使從腔室68來的氣流實際上是均速地通過管80。同樣，噴口86的尺寸選擇的要求是，相對于通過進口70進入的氣體速度和壓力，在腔室72和管80之間產生足夠的壓降，以提供基本上均勻的氣體流從噴口86進入管80。
在管80中的最小氣流速度是根據所進行反應的氣體種類、溫度和密度而確定的。對于天然氣和不含氫的空氣混合物，在常溫常壓下，適合的最小速度為3英尺/秒(1米/秒)，但是，對于較高的輸入溫度或壓力，或較高含氫量，最小的速度必須提高。對于烴氣和空氣混合物的部分氧化反應，在輸入壓力為400磅/英寸2(2750千帕)表壓，輸入溫度為500℃時，常用的最小速度為20～180英尺/秒(6～55米/秒)或高于此范圍。
在鑄件78內形成的擴張型通道，使氣體的速度減慢，以便在整個催化劑進口產生均勻的氣體分布。在鑄件78的垂直剖面上，通道的側邊可以是直線或曲線。通道84的水平截面積的增加率是隨著向下增加的，即通道84的壁和管80的直壁之間的夾角98，一般應當等于或小于大約15°，最好是等于或小于7°，以便減小或避免在通道84內產生渦流，渦流促使在通道80內產生火焰。如圖4所示，通道84底端外形是園形的。為了去除在鑄件78出口處產生渦流的金屬區99，通道84可以延伸，使相鄰通道匯合，直到金屬區99減小為一個點。圖6表示了一種改進，其中通道102的底端開口是六邊形，底端開口還可以設計成各種其它的截面，如矩形，三角形等，以使氣體混合流基本上均勻地分配到催化劑進口。
一些火焰可能在通道84內產生，特別是在相鄰的催化劑床處，但在催化劑床中主要發生的是氧化反應。氣體輸入溫度超過氣體混合物的點燃溫度的情況是可能存在的，在這種情況下，管80中的氣流速度的選擇應使其在管80和通道84中產生一個不足以使氣體混合物完全反應的滯留時間。
業已發現，如果氣體在進入擴張型通道之前不能完全混合，氣體趨向于保持非混合狀態，同時進行擴散并且速度減小。然而，在管80的細長通道中，管80在其整個長度上的截面是均勻的，人們已經發現，由于高速的紊流，氣體完全混合是發生在最小距離92處。此外，從噴口86橫向噴入的氣流在管80中產生輔加的紊流，在氣流向下運動中，進一步增加了混合作用。
在圖7所示的改進中，腔室72的底部由壁106封住，而不是由鑄件78封底。管80通過壁106延伸，管80與壁為密封連接，如用焊接。管80的底端向下伸出，并與通道84的頂端相接，通道84使其頂部與管80的通道連接是連續、均勻的。此外，鑄件78在形成通道84的壁的周圍有空間，這樣減輕了鑄件78的重量和減少了鑄件78所需的材料。
在圖8、9和10所示的進一步改進中，連接到腔室68的頂部通道，其細長、均勻的截面是由處于水平管狀零件120之間的長縫形通道124形成的。管狀零件120連接在與其相對的環形室122上，環形室122接收通過進口70的氣流。在水平方向形成的噴口126將管狀零件120的內腔127與通道124連通。管120內腔127的垂直長度130以及水平寬度132的選擇應使在管120的水平長度上保持均勻的壓力，噴口126的數量和直徑134的選擇應使氣流均勻通過噴口，以便在通過噴口126時提供一適當的壓降，有助于從管120進入長縫形通道124的氣流均勻。通道124的寬度136及其垂直高度的選擇應使從頂部腔室68來的氣流產生一壓降，以便在通道124的入口斷面處保持均勻的氣流分布，這樣就可保證通過通道124的氣流均勻，同時允許速度大于氣體混合物的逆燃速度，并為紊流速度。從噴口126到通道124均勻截面的底端的最小距離138是等于或大于使氣流基本上完全混合所要求的距離。底部楔形件140安裝于管120的底邊或與其成為一體，以形成通道的擴張型底部142，以便降低氣流的速度，減小或避免氣體在催化劑入口處產生渦流或旋流。在楔形件140上開有通道144，它可引入冷卻液體，如水，通道144也可以不要。
圖11表示了一種改進了的管150，它可以取代管120。管150在它的底端縮成一點，以便形成如圖10所示的楔形件140的形狀，并且省去了楔形件140。
在圖1所示的部分催化氧化反應器的結構中，包括9個催化劑盤54，每個催化劑盤的直徑為30英寸(0.76米)，厚度為6英寸(0.15米)，催化劑盤用于部分氧化烴氣，如主要成分為體積含量95%的甲烷，其余為乙烷、丙烷、氮和二氧化碳的天然氣。將天然氣與蒸汽及空氣混合，形成體積含量大約為20%天然氣、60%空氣和20%的蒸氣的混合氣。蒸氣在進入進口66和70之前被分開并被引入氣然氣和空氣流中。溫度為550℃的烴氣通過直徑為10英寸(0.254米)的進口66，以400磅/英寸2(2760千帕)的絕對壓力及100英尺/秒(130米/秒)的速度輸入。溫度為550℃的空氣通過兩個直徑為8英寸(0.152米)的進口70，以430磅/英寸2(2960千帕)的絕對壓力及110英尺/秒(34米秒)的速度輸入。腔室72底部76的直徑為27英寸(0.68米)，其上部74的直徑是36英寸(0.91米)。有261根內徑為0.5英寸(12.7毫米)，長度為20英寸(0.51米)的管80。在每根管80上開有六個直徑為0.125英寸(3.2毫米)的噴口86，其中四個噴口繞管均勻地開在距管底端4英寸(0.102米)處，另外兩個噴口相互對置地開在距管底端6英寸(0.152米)處。底部鑄件78的厚度為5英寸(0.127米)，通道84為錐體，其上端直徑為0.5英寸(12.7毫米)，下端直徑為1.75英寸(44.5毫米)，腔室68和72內的壓力基本上與其進口處的壓力相同。在管80上部噴口以上的氣流速度大約為170英尺/秒(52米/秒)，在下噴口和管底端之間的速度大約為350英尺/秒(107米/秒)。在擴張型通道84內，氣流速度從頂端的350英尺/秒(107米/秒)減少到底端或催化劑入口處的30英尺/秒(9米/秒)。
在上述實施例中所描述的各種尺寸是為特定流量的烴氣和空氣的反應而設計的。應當注意到對于不同的烴氣、氧或濃縮空氣、不同的催化劑以及不同的輸入流量，這些尺寸和速度將是不同的。
由于上述的實施例在細節上可以做出許多變化，所以上述的說明及附圖所描述的各種要素，其意圖在于說明清楚，而本發明并不限于此范圍內。
權利要求
1.一種用于將氣體反應混合物送入反應器的氣體混合、分配器，它包括第一腔室(68)和第二腔室(72，122)，所說第一腔室具有一用來接受第一氣體組分的第一進口(66)，所說的第二腔室具有一用來接受第二氣體組分的進口(70)，其特征在于所說的第二腔室(72，122)是插接在第一腔室(68)和反應室(32)的進口之間；封閉的器壁(80，120)形成了許多細長的通道(94、84、124、142)，通道從第一腔室(68)通過第二腔室延伸到反應器；所說的許多細長通道的每一個都包括具有均勻的橫截面的第一部分(94，130)和橫截面逐漸增大的第二部分，所說的第一部分其上端與第一腔室(68)連通，所說的第二部分連接在第一部分的下端和反應器進口之間；所說第一通道部分的橫截面要設計成能達到氣體紊流，即氣體在通道內速度大于第一和第二氣體組分的混合物的逆燃速度；在封閉的器壁內的噴口(86，126)使第二腔室(72、120、122)與各自的第一通道部分(94，130)連通，以便讓第二氣體組分的氣流進入第一通道部分；所說噴口(86，126)的尺寸設計應使第二氣體組分進入第一通道部分的速度均勻；所說噴口到第一通道部分的下端有一距離(92，138)，以保證第一和第二氣體組分在進入第二通道部分(84，142)之前，在第一通道部分中基本完全混合；所說第二通道部分(84，142)，其逐漸增加的橫截面的設計應能降低氣體組分混合物的流速，并分配混合物的氣流使其均勻地穿過反應室。
2.按照權利要求1的氣體混合、分配器，其特征在于封閉的器壁是由管(80)形成，管的頂端固定在第二腔室的上壁(75)內，并與第一腔室(68)連通。
3.按照權利要求2的氣體混合、分配器，其特征在于通道的第二部分(84)是由第二腔室(72)底壁的鑄件(78)形成的。
4.按照權利要求2的氣體混合、分配器，其特征在于管(80)穿過并固定在第二腔室的底壁(106)上，而且鑄件(78)安裝在第二腔室的下面，且有通道的第二部分(84)通過鑄件。
5.按照權利要求1的氣體混合、分配器，其特征在于第二腔室(122)包括具有垂直細長截面的水平分配管(120)，在管(120)之間形成許多細長通道(124)，所說細長通道是長縫形。
6.按照權利要求5的氣體混合、分配器，其特征在于楔形件(140)固定在水平分配管底部，或與之成為一體，以形成通道的第二部分(142)。
7.按照權利要求5的氣體混合、分配器，其特征在于水平管(120)的底部是楔形結構(140)，以形成通道的第二部分(142)。
8.按照權利要求1的氣體混合、分配器，其特征在于通道(144)用來引導冷卻液進入混合、分配器內，并使混合、分配器冷卻。
9.按照權利要求1的氣體混合、分配器，其特征在于第一通道部分(94、130)的橫截面的設計應使通過該截面的氣流速度大于最低速度1米/秒。
10.按照權利要求9的氣體混合、分配器，其特征在于最低速度為6米/秒。
11.按照權利要求9的氣體混合、分配器，其特征在于最低速度為55米/秒。
全文摘要
一種用于反應器的氣體混合、分配器，具有第一和第二腔室，第二腔室插接在第一腔室和反應室入口之間。一些壁形成管形或長縫形通道，通道從第一腔室通過第二腔室延伸到反應品入口。通道的上部具有均勻的橫截面，其選擇要使氣流的速度大于逆燃速度，以及產生紊流，以便在通道內與通過噴口進入的第二腔室的氣體完全混合。通道底部的橫截面逐漸增大，以便在反應室入口處降低氣流速度和減少渦流和回流。
文檔編號F02M33/00GK1033753SQ8810684
公開日1989年7月12日 申請日期1988年8月13日 優先權日1987年8月14日
發明者邁克爾·鄧斯特, 約瑟夫·D·科次內克, 杰羅姆·H·馬頓 申請人:戴維麥基公司