专利名称：可燃气体和助燃气体的混合器的制作方法
技术领域：
本发明涉及ー种可燃气体和助燃气体的混合器，并涉及用于制造混合气体的方法。
背景技术：
可燃气体和助燃气体的混合气体被用于多种反应过程。例如，已知通过将作为可燃气体的烃类气体例如甲烷与助燃气体例如氧混合得到的混合气体用于制造一氧化碳和氢的歧化反应。还已知通过将包括氢的可燃气体与包括氧的载气混合得到的混合气体用于制造过氧化氢的氧化反应，并进ー步用于用过氧化氢使烯烃环氧化的环氧化反应。作为可燃气体与助燃气体的混合设备，例如，已知有具有向其提供可燃气体和助燃气体的混合容器的混合设备，其中混合容器填充有填料，以形成许多窄的气体通道，并增加流过混合容器的气体的流动速度(參见JP2009-29680A)。
发明内容
技术问题当通过传统的混合设备混合可燃气体和助燃气体吋，存在着对混合过程中可能发生燃烧反应的担心，并存在着燃烧反应蔓延的担心。为了实现更为安全的混合，要求有即使发生燃烧反应也不担心燃烧反应蔓延的混合设备。问题的解决手段在这种情况下，作为发明人对可燃气体(或易燃性气体)和助燃气体(或帮助易燃性气体燃烧的气体)的混合设备加以勤勉思虑的結果，完成本发明如下。在本发明的ー个方面，提供一种用于混合可燃气体和助燃气体的混合器，所述混合器包括管状混合部，所述管状混合部在具有可燃气体供给ロ的一端和具有混合气体排出 ロ的另一端之间延伸；和助燃气体供给管，所述助燃气体供给管在管状混合部的一端和另一端之间插入到管状混合部内，并在其末端具有助燃气体供给ロ，以朝向管状混合部的另一端开放；其中助燃气体供给管的邻近末端(juxta-tip)部分具有在末端处朝向助燃气体供给ロ渐缩的外部形状。在上述混合器中，管状混合部的纵向可以大体平行于助燃气体供给ロ的孔径面 ^aperature plane)0在上述混合器中，额外地或另外可选地，在邻近末端部分处助燃气体供给管的中心轴可以大体平行于管状混合部的纵向。在本发明另一方面，提供一种用于制造混合气体的方法，所述方法包括使用根据权利要求1-3中任一项所述的混合器；从位于管状混合部一端处的可燃气体供给ロ将可燃气体供给至管状混合部内；
从助燃气体供给ロ将助燃气体供给至管状混合部内；在助燃气体供给口和管状混合部的另一端之间混合可燃气体和助燃气体；从位于管状混合部另一端处的混合气体排出ロ排出由此得到的混合气体。在上述用于制造混合气体的方法的一个实施方案中，该方法进ー步包括控制可燃气体向管状混合部内的供给，使得助燃气体供给ロ处的可燃气体的流动速度不小于可燃气体和助燃气体的混合气体的燃烧速度。关于本发明的用于制造混合气体的方法，可燃气体可以包括氢，助燃气体可以包括氧。可燃气体可以进一歩包括丙烯，和/或可以进一歩包括惰性组分。发明的有益效果根据本发明，提供了一种更为安全的混合器，所述混合器可以在ー浓度范围内迅速进行混合，以便尽管将可燃气体和助燃气体混合在一起但仍然防止燃烧反应的蔓延。
图1显示了本发明ー实施方案中的混合器；图1(a)示意性地显示了混合器的横截面视图；图1(b)示意性地显示了图1(a)中X区的横截面放大视图；图1(c)显示了与图 1(b)对应的视图，并示出邻近末端部分处助燃气体供给管的中心轴C(在图1(b)和(c)中， 助燃气体供给管通过省略其穿过管状混合部的插入部分而显示)。图2显示了 5重量份丙烯和1. 7重量份氢的可燃气体(丙烯+H2)、助燃气体(氧， O2)和惰性的气体(氮，N2)的等边三角坐标图。图3示意性地显示了比较例中的混合器的横截面部分放大视图。图4显示了本发明另一实施方案中的混合器；图4(a)示意性地显示了混合器的横截面视图；图4(b)示意性地显示了图4(a)中X区的横截面放大视图(在图4(b)中，助燃气体供给管通过省略其穿过管状混合部的插入部分而显示)。以下參考数字或标记表示如下元件1,1'，61…管状混合部Ia----端Ib…另一端Ic…渐缩部分2…可燃气体供给ロ3…混合气体排出口4，64…助燃气体供给管4a，64a...末端4b…邻近末端部分5，65…助燃气体供给ロ10,10'…混合器D1，D2...内径X…丙烯+H2 (可燃气体的可燃性组分)100体积％Y…O2 (助燃气体)100体积％？…N2 (可燃气体的惰性组分)100体积％
A…化学计量组成B…极限氧浓度AB线…化学计量组成线C…爆炸下限(O2)D…爆炸上限(O2)BC线，BD线…爆炸极限E…要供给的可燃气体的組成EY线…操作线F，G…极限浓度H…化学计量组成线和操作线的交点实施方案描述(实施方案1)现将參考图1对本发明一实施方案的混合器和用于制造混合气体的方法进行描
3dio參考图1 (a)，在该实施方案中混合器10设置有在一端Ia和另一端Ib之间延伸的管状混合部1 ；和在管状混合部1的一端Ia和另一端Ib之间插入到管状混合部1内的助燃气体供给管4。管状混合部1是用于将可燃气体和助燃气体在其中混合的部件，并在一端Ia处具有可燃气体供给ロ 2，和在另一端Ib处具有混合气体排出ロ 3。管状混合部1可以是任意形状的，只要其在相対的Ia端和Ib端具有连续主体即可。管状混合部1可以具有任意的横截面形状和横截面积，但附图中作为作为实施方案示出的管状混合部1具有大体圆形的横截面。助燃气体供给管4在管状混合部1的一端Ia和另一端Ib之间插入到管状混合部1内，并在其端部具有助燃气体供给ロ 5。助燃气体供给ロ 5朝向管状混合部1的另ー 端Ib (下游侧，即图1(a)至(c)的右側)开放。如图1(b)所示，助燃气体供给管4的邻近末端部分(末端附近的部分)4b具有在末端如处朝向助燃气体供给ロ 5渐缩的外部形状(或外形)。优选的是，管状混合部1的纵向(贯穿一端Ia和另一端Ib的方向)大体垂直于助燃气体供给ロ 5的孔径面，如图1(b)所示。例如，如图1(a)所示，助燃气体供给管4在管状混合部1的一端Ia和另一端Ib之间插入到管状混合部1内，并可以如图1(c) 所示弯曲，使得在邻近末端部分4b处助燃气体供给管4的中心轴C(图1 (c)中的点线虚线 (dashed-dotted line)所示)大体平行于管状混合部1的纵向，优选与管状混合部1同轴。 助燃气体供给管4可以具有任意合适的横截面形状和横截面积，但附图中作为所述实施方案示出的助燃气体供给管4具有大体圆形的横截面。通常，助燃气体供给管4可以装配有用于控制流过其中的助燃气体流动速度的控制阀(附图未示出)，但这对于本实施方案并非必需。使用混合设备10，将可燃气体和助燃气体混合在一起。可燃气体是包括能够通过与氧反应来燃烧的组分(下文称作“可燃性组分”)的任何气体。例如，可燃性组分是氢、包括烯烃的烃类化合物以及它们至少两种的混合物等。除可燃性组分之外，可燃气体还可以进ー步包括惰性组分，例如氮、水分等。助燃气体是包括氧的任何气体。例如，助燃气体是氧气、空气等。使用可燃气体输送装置(附图未示出)例如离心式压缩机、轴流式压缩机、容积式压缩机(volume compressor)、风扇、鼓风机等，将可燃气体从位于一端Ia处的可燃气体供给ロ 2供给至管状混合部1内。另外，将助燃气体从助燃气体供给ロ 5通过助燃气体供给管4供给至管状混合部1内。以该方式供给的可燃气体经过助燃气体供给管4的邻近末端部分4b的外围，然后在管状混合部1内与从助燃气体供给ロ 5供给的助燃气体一起流动。 最后，从位于管状混合部1的另一端Ib处的混合气体排出ロ 3，得到可燃气体和助燃气体的混合气体。在附图中，可燃气体用标有箭头的虚线(dotted line)表示，助燃气体用标有箭头的点线虚线(dashed-dotted line)表示；混合气体用箭头状白线表示。同吋，如图3所示，当助燃气体供给管64是没有在其末端6 处朝向助燃气体供给ロ 65渐缩的总管吋，在助燃气体供给ロ 65周围(末端6 边缘的下游侧)通过可燃气体与助燃气体混合形成涡流(在图3中用螺旋形图案示意性示出)。该涡流倾向于抑制可燃气体和助燃气体的迅速混合。相反，根据本实施方案，由于助燃气体供给管4的邻近末端部分4b在末端如处朝向助燃气体供给ロ 5渐縮，可以有效地防止在助燃气体供给ロ 5处形成本可在可燃气体与助燃气体涡流混合时形成的涡流(參见图1(b))。結果，尽管可燃气体与助燃气体一起混合，混合可以在燃烧反应的蔓延得以防止的浓度范围内迅速进行，因此很难造成燃烧反应的发生和蔓延，实现了更高的安全性。而且，优选地在该实施方案中，管状混合部1的纵向大体垂直于助燃气体供给ロ 5 的孔径面，因此，可燃气体的流动受助燃气体供给管的干扰倾向于降低。当助燃气体供给管是总直管吋，如图3所示，在形成助燃气体供给ロ 65的助燃气体供给管的附近在可燃气体的下游侧，涡流倾向于很容易形成。相反，在本发明的混合器中，由于管状混合部1的纵向大体垂直于助燃气体供给ロ 5的孔径面，可燃气体的流动和助燃气体的流动变得大体彼此平行，結果，上述的涡流形成倾向于得以降低。而且，优选地在该实施方案中，由于在邻近末端部分4b处助燃气体供给管4的中心轴C大体平行于管状混合部1的纵向，因此可燃气体的流动和助燃气体的流动变得大体上进ー步更加彼此平行，结果上述的涡流形成倾向于得以降低。此外，在该实施方案中，优选地控制(或调节)可燃气体向管状混合部内的供给， 使得助燃气体供给ロ 5处的可燃气体的流动速度不小于可燃气体和助燃气体的混合气体的燃烧速度。通过以该方式进行控制，即使发生燃烧反应，可燃气体以不小于燃烧速度的流动速度流动，因此可以有效地防止燃烧反应蔓延。由干“助燃气体供给ロ处的可燃气体的流动速度”不小于可燃气体和助燃气体的混合气体的燃烧速度，即使在助燃气体的浓度被视为相对较高的助燃气体供给ロ 5的附近，燃烧反应的发生和蔓延也倾向于受到抑制。助燃气体的浓度越小越优选，因为点燃倾向于越困难。助燃气体供给ロ 5处的可燃气体的流动速度可以基于所用管状混合部1的大小和形状、助燃气体供给ロ 5在管状混合部1中的位置等来计算，并可以通过改变来自可燃气体供给ロ 2的可燃气体的供给速率(或量)来进行控制。可燃气体和助燃气体的混合气体的燃烧速度基于混合气体的組成来计算。具有某种组成的混合气体的燃烧速度可根据已知的球弹技术(spherical bomb technique)測量，该技木描；tdi亍"The Burning Velocity Measurement by Means of the Spherical Bomb Technique (通过球弹技术测量燃烧速度)，，，Tadao TKENO 和 iToshio IIJIMA, Bulletin of the Institute of Space and Aeronautical Science (空间航空科学协会快 艮)，东京大学，17(1_Β)，第沈1-272页，1980。通常，将制备成具有某种组成的混合气体装入球弹内并点燃；测量压カ随时间的变化；由测量结果计算燃烧(或灼烧)速度。管状混合部1的另一端Ib处的可燃气体和助燃气体的混合气体的組成被视作等于通过将供给的可燃气体和助燃气体组合产生的組成。在管状混合部1中在助燃气体供给 ロ 5的上游侧(图1 (a)至(c)中的左侧)的气体组成通常等于供给的可燃气体的組成。从微观尺度的角度而言，助燃气体供给ロ 5下游侧的气体组成可以取决于流动条件(或混合条件)而变化。当可燃气体不包括惰性组分吋，可以应用具有“化学计量”組成的燃烧速度作为 “可燃气体和助燃气体的混合气体的燃烧速度”。“化学计量组成”在此是指关于可燃气体中的可燃性组分和助燃气体中的氧两种组分的組成，其中氧以使可燃性组分燃烧所必需的理论量存在。随着助燃气体与可燃气体逐渐混合，混合过程中的气体组成从对应于所供给可燃气体的可燃性组分的一种组成朝向对应于所供给助燃气体中氧含量的另ー组成移动。然后，预计当气体组成达到化学计量组成时，获得最大燃烧速度，因为氧含量恰好处于使可燃性组分燃烧所必需的比例。因此，当“在助燃气体供给ロ处的可燃气体的流动速度”不小于化学计量组成处的燃烧速度吋，燃烧反应的蔓延应当认为被充分防止。当可燃气体包括惰性组分吋，可以应用具有某种组成的燃烧速度。在可燃气体的可燃性组分、助燃气体的氧和可燃气体的惰性组分的三組分(体积％)等边三角坐标图中， 所述某种組成位于化学计量组成线和“操作线”的交点处，在上述化学计量组成线上可燃性组分和氧形成化学计量组合物。“操作线”在此指的是指示所供给可燃气体中可燃性组分和惰性组分的組成的点和指示所供给助燃气体中氧含量的点之间的线。随着助燃气体与可燃气体逐渐混合，气体组成在跟踪操作线的同时，从指示所供给可燃气体中可燃性组分和惰性组分的組成的点朝向指示所供给助燃气体中氧含量的点移动。然后，预计当气体组成达到化学计量组成时，获得最大燃烧速度。因此，当“在助燃气体供给ロ处的可燃气体的流动速度”不小于在此化学计量组成处的燃烧速度吋，燃烧反应的蔓延应当认为被充分防止。在下文中，用于測定“可燃气体和助燃气体的混合气体的燃烧速度”的混合气体的组成更具体地參考图2进行描述。图2显示了 5重量份丙烯和1. 7重量份氢(丙烯+H2)的可燃气体、助燃气体(氧， O2)和惰性气体(氮為)的等边三角坐标图。在X点处，丙烯+H2 = 100体积在Y点处， O2 = 100体积％ ；在Z点处，N2 = 100体积％。当使用5重量份丙烯和1. 7重量份氢的混合气体作为可燃气体的可燃性组分吋， 可燃性组分和氧(没有氮)的化学计量组成在图2中位于点A处(丙烯+H2 = 22. 2体积
O2 = 77. 8体积％ )。通过向该混合气体中逐渐加入氮作为惰性组分，組成在保持可燃性组分和氧的化学计量组成的同时从点A跟踪AZ线朝向点Z移动。随着氮的比例变得足够高， 不会发生爆炸。在该极限处的氧浓度被称作极限氧浓度，并且在图2中由点B (丙烯+H2 = 2.3体积％;02 = 8.0体积％)示出。AB线是化学计量组成线。另ー方面，在没有氮的条件下，当氧浓度太低或太高吋，不会发生爆炸。这些极限处的氧浓度被称作爆炸下限(O2)和爆炸上限(O2)，并且分別由点C (丙烯+H2 = 49. 5体积％;02 = 50 . 5体积％ )和点D (丙烯 +H2 = 2. 3体积％ ;02 = 97 . 7体积％ )示出。BC线和BD线是爆炸的边界，由点B、C和D包围起来的区域是爆炸范围。当可燃气体由形式为5重量份丙烯和1. 7重量份氢的混合气体的可燃性组分组成且不包括惰性组分吋，可燃性组分和氧的化学计量组成在图2中位于点A处。使用氧气(O2 =100体积％ )作为助燃气体，并将其与上述可燃气体逐渐混合，混合过程中的气体组成跟踪XY线(N2 = 0体积％ )从点X朝向点Y移动。预计当气体组成达到点A的化学计量组成时，获得最大燃烧速度。因此，应用具有点A組成的混合气体的燃烧速度作为“可燃气体和助燃气体的混合气体的燃烧速度”。当可燃气体由形式为5重量份丙烯和1. 7重量份氢的混合气体的可燃性组分以及惰性组分氮气组成吋，出于说明的目的，假定所供给可燃气体的組成处于点E (丙烯+H2 = 6. 9体积％ ;02 = 1. 7体积％ ;N2 = 91. 4体积％ )。使用氧气(O2 = 100体积％ )作为助燃气体，并将其与上述可燃气体逐渐混合，混合过程中的气体组成跟踪EY线从点E朝向点Y 移动。预计当气体组成达到点H的化学计量组成吋，获得最大燃烧速度。点H是作为操作线的EY线和作为化学计量组成线的AB线的交点。点F和点G是作为操作线的EY线分别与BC线以及与BD线的交点，并且点F和点G是指极限浓度(当具有点E組成的气体与具有点Y組成(O2 = 100体积％)的气体混合时燃料浓度的上限和下限)。因此，应用具有点 H組成的混合气体的燃烧速度作为“可燃气体和助燃气体的混合气体的燃烧速度”。当其他组分用于可燃气体和助燃气体吋，也将參考以上说明确定“可燃气体和助燃气体的混合气体的燃烧速度”，并可以通过使用可燃气体输送装置控制混合条件，使得 “助燃气体供给ロ处的可燃气体的流动速度”不小干“可燃气体和助燃气体的混合气体的燃烧速度”。結果，即使发生燃烧反应，由于可燃气体以不小于燃烧速度的流动速度流动，可燃气体吹熄(blows out)燃烧反应，因此燃烧反应的蔓延可以被有效防止。由于这种防止燃烧反应蔓延的效果显著，变得可以降低可燃气体和/或助燃气体中惰性气体的含量比，因此提高每体积(或空间)混合气体的制造效率。而且，填料变得并非必需，或者其量可以降低，因此变得可以提高每体积混合气体的制造效率，并降低混合气体制造过程中从可燃气体和/或助燃气体的供给压カ的压カ损失。该实施方案中的混合器显示出比装有填料的传统混合器更小的压カ损失，因此它更为有效，用于驱动可燃气体输送装置的成本倾向于得到降低。但是，控制可燃气体向管状混合部内的供给使得助燃气体供给ロ 5处可燃气体的流动速度不小于可燃气体和助燃气体的混合气体的燃烧速度，并不是本实施方案所必需的。如上所述制备的混合气体可以用于任何应用。尽管本实施方案不受限制，当ー种或多种烯烃和氢用于可燃气体、并且氧用于助燃气体吋，由此产生的混合气体可以由氢和氧产生过氧化氢，因此混合气体可以用于一种或多种烯烃的环氧化反应。因此，当使用丙烯作为烯烃吋，可以产生环氧丙烷。上文对本发明的一个实施方案进行描述，但本实施方案可以有各种变化。例如，助燃气体供给管4的邻近末端部分4b在图1中显示成在末端如处具有朝向助燃气体供给ロ5线性地逐渐变化的外部形状。但是，只要邻近末端部分4b是朝向末端如渐縮，其可以具有其他的外部形状，例如弯曲的或流线形的形状。(实施方案2)现将參考图4对本发明另ー实施方案的混合器和用于制造混合气体的方法进行描述。该实施方案是上文所述的实施方案1的变化，除非另外说明，与实施方案1类似的说明适用于该实施方案。关于该实施方案中的混合设备10'，如图4(a)所示，渐缩部分Ic在助燃气体供给 ロ 5存在的位置与管状混合部1'的一端Ia附近的位置之间形成，使得在助燃气体供给ロ 5位置处管状混合部1 ‘的横截面积小于在管状混合部的一端Ia附近的位置处管状混合部 1'的横截面积。在管状混合部具有大体圆形的横截面的情况下，在管状混合部的一端Ia附近的位置处管状混合部1'的内径Dl大于在助燃气体供给ロ 5位置处管状混合部1'的内径 D2。如图4(a)所示，位于渐缩部分Ic上游侧(一端Ia —侧)的大体圆柱形的部分和位于渐缩部分Ic下游侧(另一端Ib —侧)的大体圆柱形的部分可以基本上同轴排列，渐缩部分Ic具有平头圆锥的形状，以形成这些大体圆柱形的部分之间的连续连接。在助燃气体供给ロ 5的位置处管状混合部1'的内径D2在附图中显示成等于位于渐缩部分Ic下游侧的大体圆柱形部分的内径，但本实施方案并不限于此。另外在该实施方案中，如图4 (b)所示，助燃气体供给管4的邻近末端部分4b具有在末端如处朝向助燃气体供给ロ 5渐缩的外部形状。根据本发明，使可燃气体在助燃气体供给ロ 5的位置处流动通过更小的横截面积，从而可燃气体的流动速度得到进ー步提高。在该情形下，可燃气体输送装置的负荷得以进ー步降低，同时在助燃气体供给ロ 5处可燃气体的流动速度被有效控制成不小于可燃气体和助燃气体的混合气体的燃烧速度。备选地，当保持可燃气体输送装置的操作条件吋，由于可燃气体的流动速度増加，可以更加可靠地防止燃烧反应的蔓延。该实施方案也可以与实施方案1类似地变化。エ业应用性根据本发明，提供一种更为安全的混合器，所述混合器可以在ー浓度范围内进行迅速混合，以便尽管将可燃气体和助燃气体混合在一起但可防止燃烧反应的蔓延。本申请要求2009年9月30日提交的名称为“可燃气体和助燃气体混合器”的日本专利申请号2009-2^846的优先权。该申请的内容通过对其引用而以其全部内容结合在本文中。
权利要求
1.一种用于混合可燃气体和助燃气体的混合器，所述混合器包括管状混合部，所述管状混合部在具有可燃气体供给ロ的一端和具有混合气体排出ロ的另一端之间延伸；和助燃气体供给管，所述助燃气体供给管在所述管状混合部的所述一端和所述另一端之间插入到所述管状混合部内，并在其末端具有助燃气体供给ロ，以朝向所述管状混合部的所述另一端开放；其中所述助燃气体供给管的邻近末端部分具有在所述末端处朝向所述助燃气体供给 ロ渐缩的外部形状。
2.根据权利要求1所述的混合器，其中所述管状混合部的纵向大体垂直于所述助燃气体供给ロ的孔径面。
3.根据权利要求1或2所述的混合器，其中在所述邻近末端部分处的所述助燃气体供给管的中心轴大体平行于所述管状混合部的纵向。
4.一种用于制造混合气体的方法，所述方法包括使用根据权利要求1至3中任一项所述的混合器；从位于所述管状混合部的所述一端处的所述可燃气体供给ロ将可燃气体供给至所述管状混合部内；从所述助燃气体供给ロ将助燃气体供给至所述管状混合部内；在所述助燃气体供给口和所述管状混合部的所述另一端之间混合所述可燃气体和所述助燃气体；从位于所述管状混合部的所述另一端处的所述混合气体排出ロ排出由此得到的混合气体。
5.根据权利要求4所述的用于制造混合气体的方法，所述方法进ー步包括控制所述可燃气体向所述管状混合部内的供给，使得所述助燃气体供给ロ处的所述可燃气体的流动速度不小于所述可燃气体和所述助燃气体的所述混合气体的燃烧速度。
6.根据权利要求4或5所述的用于制造混合气体的方法，其中所述可燃气体包括氢，并且所述助燃气体包括氧。
7.根据权利要求6所述的用于制造混合气体的方法，其中所述可燃气体进一歩包括丙火布。
8.根据权利要求6或7所述的用于制造混合气体的方法，其中所述可燃气体进一歩包括惰性组分。
全文摘要
一种用于混合可燃气体和助燃气体的混合器(10)包括管状混合部(1)，其在具有可燃气体供给口(2)的一端(1a)和具有混合气体排出口(3)的另一端(1b)之间延伸；和助燃气体供给管(4)，其在管状混合部(1)的一端(1a)和另一端(1b)之间插入到管状混合部(1)内，并在其末端(4a)处具有助燃气体供给口(5)，以朝向管状混合部(1)的另一端(1b)开放。助燃气体供给管(4)的邻近末端部分(4b)具有在末端(4a)处朝向助燃气体供给口(5)渐缩的外部形状。
文档编号B01F3/02GK102548648SQ20108004387
公开日2012年7月4日 申请日期2010年9月27日 优先权日2009年9月30日
发明者宫田荣三郎, 岛田直树, 波多野亮 申请人:住友化学株式会社