本发明涉及一种乙烯和氧气的静态混合器。
背景技术：
环氧乙烷/乙二醇(eo/eg)的工业生产方法有两种，即氯乙醇法和乙烯直接氧化法。乙烯直接氧化法又分为空气氧化法和氧气氧化法。氧气氧化法与空气氧化法相比，工艺流程稍短，设备较少，建厂投资少；氧化反应中催化剂的选择性高，反应温度比空气法低，对催化剂寿命的延长和维持生产的平稳操作较为有利。通常氧气氧化法的生产成本比空气氧化法低10％左右。由于氧气氧化法比空气氧化法有明显的优越性，因此目前世界上的环氧乙烷/乙二醇装置普遍采用氧气氧化法。
由于氧气与乙烯混合气体为易爆炸性气体，其混合爆炸限较宽。氧气在与乙烯的混合过程浓度快速降低，但存在一个氧浓度从处在爆炸极限内经与乙烯快速混合后，离开爆炸限的过程。这就对氧混合器的快速均匀混合提出了很高的要求，氧气混合器的可靠设计是直接氧化法安全生产的必要保证，也是eo/eg装置设计中所需解决的关键设备之一。
目前采用氧气直接氧化法工艺的eo/eg生产装置中，乙烯循环气和氧气的快速混合一般均采用多孔射流混合器。该类混合器通过一定尺寸的小孔，将氧气射流进入乙烯混换气中，从而快速通过乙烯混合气与氧气的爆炸极限，安全使乙烯混合气与氧气的安全、均匀混合。但是其仍然存在混合效果不理想的问题。
文献cn200710118927.5公开了一种甲烷与氧气预混器，主要由外壳、气体分布系统、换热系统和多孔气体分布板组成；气体分布系统采用旋流或环流气体分布系统；旋流气体分布系统由甲烷进气系统、氧气进气系统、上分布器和下分布器构成；环流气体分布系统由甲烷和氧气各自的中心进料管、十字进料管和环形气体分布器构成；换热系统由上隔板、下隔板、中心内管、外管、金属翅片、换热介质入口管和换热介质出口管组成；甲烷和氧气通过气体分布系统在一个较小的空间内初级混合后，通过由中心内管、外管和金属翅片组成的模拟流化床曲折向上流动，在出口处达到分子水平的混合。
专利cn105214528a中公开了一种烯烃与氧气的混合器，主要是在氧气管道的末端对称设置了若干个氧气分散管，每个氧气分散管上均匀分布了若干个氧气分散孔，氧气管道通过氧气分散孔与混合室连通。但从烯烃管道的截面来看，氧气分散孔在管道中心处较密集，在壁面附近较稀疏。混合过程中氧气在主管中心处浓度高于壁面附近，影响混合效果。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是现有技术中烯烃和氧气混合效果不理想的问题，提供一种新的乙烯和氧气的静态混合器。该设备具有烯烃和氧气混合效果好，安全可靠的优点。
为解决上述问题，本发明采用的技术方案如下：一种乙烯和氧气的静态混合器，包括乙烯主管道，乙烯主管道的末端连通混合室，混合室内布设若干氧气螺旋分配管，氧气管道从侧面进入乙烯主管道中心，进入氧气分配器，氧气通过分配器进入螺旋分配管，螺旋分配管平面与乙烯流动方向垂直，每个螺旋分配管上均匀分布若干个氧气喷嘴，喷嘴方向与乙烯流动方向一致。
上述技术方案中，优选地，螺旋分配管有2-6个，分配环中流速位9～30m/s。
上述技术方案中，优选地，每个螺旋分配管在主管截面均匀对称布置。
上述技术方案中，优选地，所有螺旋分配管布置在一个平面。
上述技术方案中，优选地，圆形分配环上的喷嘴直径为5～10毫米，喷嘴速度为32～64m/s。
上述技术方案中，优选地，喷嘴间距为喷嘴直径的3～15倍。
上述技术方案中，优选地，每个分配管上喷嘴的开孔方向与烯烃流动方向一致。
上述技术方案中，优选地，氧气分配器的直径比氧气管道的直径最少高2个等级。
本专利设计了一种乙烯与氧气的混合器，该混合器混合区布设若干个螺旋分配管，氧气通过乙烯主管道侧壁进入混合室中心氧气分配器，氧气通过分配器进入螺旋分配管，螺旋分配管上的小孔射流进入乙烯管道与乙烯气快速均匀准确混合，保证了混合过程中的爆炸区域最小化，并确保混合后的气体组成远离爆炸区间。本发明的所有螺旋分配管设置在一个平面，乙烯通过螺旋分配管截面时，流动截面减少，压降增大，使螺旋分配管截面上下游速度更均匀，起到整流作用。而且本发明混合器结构灵活，可根据具体的生产需要调整螺旋分配管的数量及螺旋分配管上喷嘴的数量，且本发明结构简单，可明显减少混合设备内的焊缝数量，取得了较好的技术效果。
附图说明
图1为本发明烯烃与氧气的混合器一种实施方式的结构简图
图2为本发明方法中所述氧气螺旋分配管布置示意图。
图1、图2中，1-乙烯进口2-混合器出口3-氧气进口4-螺旋分配管5-喷嘴6-氧气分配室。
图3为实施例中混合器螺旋分配管截面下游不同距离横向截面氧气浓度关系图。
下面通过实施例对本发明作进一步的阐述，但不仅限于本实施例。
具体实施方式
【实施例1】
一种乙烯和氧气的静态混合器，如图1、2所示，烯烃沿着主流道进入混合区，氧气穿过烯烃主管道壁面进入混合室中央氧气分配器，氧气通过分配器后分流进入若干螺旋分配管，通过螺旋分配管上的喷嘴与主流道内的乙烯快速均匀混合。
在线混合设备混合器结构参数如下：
采用图1和图2所示的乙烯与氧气的混合器，烯烃主管道内径：dn1100，氧气管道管径dn150，中央氧气分配器为直径250的球体，螺旋分配管管径：dn80，螺旋分配管数量为3个，分配管进口均布于烯烃主管道截面，相邻螺旋分配管之间的夹角为120度，分配管中平均流速为12m/s，每个螺旋分配管上开有35个直径为11mm的小孔，喷嘴速度为45m/s，3个螺旋分配管的末端汇合与混合室中央。
进气量如下：
氧气流量：17t/h
氧气温度：25℃
氧气压力：2.6barg
氧气密度：36kg/m3
氧气粘度：0.021cp
循环气流量：683t/h
循环气温度：35℃
循环气压力：22barg
循环气密度：20kg/m3
循环气粘度：0.026cp
采用cfd模拟，循环气进口和氧气进口为质量进口边界条件，出口为压力出口边界条件，采用k-e湍流模型，采用四面体网格划分，计算收敛后，得到混合器螺旋分配管截面下游不同距离横向截面氧气浓度，见图3，随着混合距离的增长，氧气的浓度均方跟偏差降低，在混合器螺旋分配管下游230mm距离处，氧气浓度的均方跟偏差迅速低于0.04，说明氧气的浓度比较均匀，即氧气与烯烃的混合效果较好，在较短的距离内即满足了混合要求。
【实施例2】
按照实施例1所述的条件和步骤，在线混合设备混合器结构参数如下：
在线混合设备混合器结构参数如下：
采用图1和图2所示的乙烯与氧气的混合器，烯烃主管道内径：dn1100，氧气管道管径dn150，中央氧气分配器为直径250的球体，螺旋分配管管径：dn80，螺旋分配管数量为5个，分配管进口均布于烯烃主管道截面，相邻螺旋分配管之间的夹角为72度，分配管中平均流速为11m/s，每个螺旋分配管上开有35个直径为11mm的小孔，喷嘴速度为45m/s，5个螺旋分配管的末端汇合与混合室中央。
进气量如下：
氧气流量：17t/h
氧气温度：25℃
氧气压力：2.6barg
氧气密度：36kg/m3
氧气粘度：0.021cp
循环气流量：683t/h
循环气温度：35℃
循环气压力：22barg
循环气密度：20kg/m3
循环气粘度：0.026cp
采用cfd模拟，循环气进口和氧气进口为质量进口边界条件，出口为压力出口边界条件，采用k-e湍流模型，采用四面体网格划分，计算收敛后，得到混合器螺旋分配管截面下游不同距离横向截面氧气浓度，随着混合距离的增长，氧气的浓度均方跟偏差降低，在圆形分配环下游200mm距离处，氧气浓度的均方跟偏差低于0.04，说明氧气的浓度比较均匀，即氧气与烯烃的混合效果较好，基本能满足了混合要求。
【实施例3】
按照实施例1所述的条件和步骤，在线混合设备混合器结构参数如下：
在线混合设备混合器结构参数如下：
采用图1和图2所示的乙烯与氧气的混合器，烯烃主管道内径：dn500，氧气管道管径dn50，中央氧气分配器为直径100的球体，螺旋分配管管径：dn32，螺旋分配管数量为2个，分配管进口均布于烯烃主管道截面，相邻螺旋分配管之间的夹角为180度，分配管中平均流速为9m/s，每个螺旋分配管上开有35个直径为11mm的小孔，喷嘴速度为45m/s，2个螺旋分配管的末端汇合与混合室中央。
进气量如下：
氧气流量：6t/h
氧气温度：25℃
氧气压力：2.6barg
氧气密度：36kg/m3
氧气粘度：0.021cp
循环气流量：224t/h
循环气温度：35℃
循环气压力：22barg
循环气密度：20kg/m3
循环气粘度：0.026cp
采用cfd模拟，循环气进口和氧气进口为质量进口边界条件，出口为压力出口边界条件，采用k-e湍流模型，采用四面体网格划分，计算收敛后，得到混合器螺旋分配管截面下游不同距离横向截面氧气浓度，随着混合距离的增长，氧气的浓度均方跟偏差降低，在圆形分配环下游500mm距离处，氧气浓度的均方跟偏差低于0.04，说明氧气的浓度比较均匀，即氧气与烯烃的混合效果较好，基本能满足了混合要求。
【实施例4】
按照实施例1所述的条件和步骤，在线混合设备混合器结构参数如下：
在线混合设备混合器结构参数如下：
采用图1和图2所示的乙烯与氧气的混合器，烯烃主管道内径：dn500，氧气管道管径dn50，中央氧气分配器为直径100的球体，螺旋分配管管径：dn32，螺旋分配管数量为2个，分配管进口均布于烯烃主管道截面，相邻螺旋分配管之间的夹角为180度，分配管中平均流速为9m/s，每个螺旋分配管上开有18个直径为5mm的小孔，喷嘴速度为63m/s，2个螺旋分配管的末端汇合与混合室中央。
进气量如下：
氧气流量：6t/h
氧气温度：25℃
氧气压力：2.6barg
氧气密度：36kg/m3
氧气粘度：0.021cp
循环气流量：224t/h
循环气温度：35℃
循环气压力：22barg
循环气密度：20kg/m3
循环气粘度：0.026cp
采用cfd模拟，循环气进口和氧气进口为质量进口边界条件，出口为压力出口边界条件，采用k-e湍流模型，采用四面体网格划分，计算收敛后，得到混合器螺旋分配管截面下游不同距离横向截面氧气浓度，随着混合距离的增长，氧气的浓度均方跟偏差降低，在圆形分配环下游450mm距离处，氧气浓度的均方跟偏差低于0.04，说明氧气的浓度比较均匀，即氧气与烯烃的混合效果较好，基本能满足了混合要求。
【实施例5】
按照实施例1所述的条件和步骤，在线混合设备混合器结构参数如下：
在线混合设备混合器结构参数如下：
采用图1和图2所示的乙烯与氧气的混合器，烯烃主管道内径：dn11000，氧气管道管径dn150，中央氧气分配器为直径250的球体，螺旋分配管管径：dn32，螺旋分配管数量为6个，分配管进口均布于烯烃主管道截面，相邻螺旋分配管之间的夹角为60度，分配管中平均流速为28m/s，每个螺旋分配管上开有18个直径为6mm的小孔，喷嘴速度为64m/s，2个螺旋分配管的末端汇合与混合室中央。
进气量如下：
氧气流量：17t/h
氧气温度：25℃
氧气压力：2.6barg
氧气密度：36kg/m3
氧气粘度：0.021cp
循环气流量：683t/h
循环气温度：35℃
循环气压力：22barg
循环气密度：20kg/m3
循环气粘度：0.026cp
采用cfd模拟，循环气进口和氧气进口为质量进口边界条件，出口为压力出口边界条件，采用k-e湍流模型，采用四面体网格划分，计算收敛后，得到混合器螺旋分配管截面下游不同距离横向截面氧气浓度，随着混合距离的增长，氧气的浓度均方跟偏差降低，在圆形分配环下游480mm距离处，氧气浓度的均方跟偏差低于0.04，说明氧气的浓度比较均匀，即氧气与烯烃的混合效果较好，基本能满足了混合要求。
【对比例】
采用专利cn105214528a中公开的烯烃与氧气的混合器，氧气分配管为米字型分配管，分配管管径采用dn40的管子，喷嘴开孔大小为7mm，每个只管开12个喷嘴。喷嘴间距70mm。采用实施例1的进料条件，采用cfd模拟，循环气进口和氧气进口为质量进口边界条件，出口为压力出口边界条件，采用k-e湍流模型，采用四面体网格划分，计算收敛后，得到混合器米字型分布器下游不同距离横向截面氧气浓度分布图，见图3，由图3可知，随着混合距离的增长，氧气的浓度均方跟偏差降低，在圆形分配环下游500mm距离内，氧气浓度的均方跟偏差已低于0.04。
由实施例1和对比例对比可知，同样的进料条件下，采用本发明，循环气和氧气的混合在较短的距离就可以混合好。