专利名称：用于反应器的气体混合、分配器的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于混合两种或多种气体及分配气体混合物到反应器进口的设备。例如，使气态烃原料与含氧气体混合，并把混合物送入用于烃原料的部分氧化的催化反应器中。
部分氧气催化反应器用于通过对烃气体混合物的反应来改变烃，所说的烃混合物可以是气体烃或汽化了的液态烃和氧化剂。氧化剂可以是蒸汽、氧、空气或它们的混合物。反应所形成的生成物包括氢、甲烷、二氧化碳和一氧化碳。生成物气体可用作燃料和/或用于氢或一氧化碳产品的基础原料，或用于一种或多种产品的合成，如用于氨、甲醇、羧基化合物及加氢化合物等产品的合成。
长期以来，人们认识到，在混合及传送气体组分到反应器时，现有技术需要将气体组分完全混合，以及需要防止从反应室进入混合室的火焰逆燃。混合不充分将降低产品的质量。此外，这些产品中还将含有过分氧化的成分、未氧化的成分和产生所不希望的碳沉积物的游离碳。逆燃产生类似的结果，另外还能造成混合、分配设备的热破坏。
一种用于消除逆燃的现有设备是在混合室和反应室之间插接一个具有一个或多个节流通道的分配器，气体混合物流过一个或多个节流通道的速度必须大于逆燃的速度，也就是说，火焰以这个速度在可燃性混合物中从反应室向混合室发展。该技术还认为从狭小或节流通道到反应室进口提供一逐渐增大的截面是重要的。以此，气流在反应室进口处产生的涡流或紊流可减小到最小的程度。这种涡流或紊流有助于逆燃。在混合室和反应室之间插接有分配器的这些设备中，混合室可能含有易爆的混合物及产生进气或出气压降，由此将导致设备的损坏。
在现有技术中，美国专利3871838公开了一种将汽油转化成较高级辛烷气体燃料的装置，其中有许多管子，所说管子在其汽化气流的整个横截面上开有许多孔，用以与氧混合并形成狭窄的通道。作为管壁一部分的隔板为一平面，并且在朝着反应器的方向逐渐增大狭窄的通道。辛烷燃料用于汽车发动机并使其燃烧得更完全，产生更少的污染，虽然在现有技术中公开了各种适合于生产需求量日益增加的辛烷燃料的设备，但这些设备一般不适合大规模的烃转化，例如，较大规模石油精炼或合成气的生产设备。
本发明概括地说是用于输送气体反应混合物到反应器的气体混合、分配器，气体混合、分配器具有第一和第二腔室，相应的气体组分被分别送入第一和第二腔室，第二腔室插接在第一腔室和反应器进口之间，气体混合、分配器包括许多封闭的器壁，如管子或导枟，这些器壁形成了许多狭窄的从第一腔室穿过第二腔室的通道，用来引导第一气体到反应室，在狭窄的通道器壁上开有许多喷口，用于将第二气体在通道内与第一气体组分混合，通过通道的气流是处于紊流状态，其速度大于混合物的逆燃速度。狭窄的通道包括具有均匀横截面的第一部分和横截面逐渐增大的第二部分。通道第一部分的上端与第一腔室连通，而通道第二部分连接在第一部分下端和反应器之间。喷口开在通道的第一部分上，喷口距通道第一部分的下端的距离，应确保第一和第二气体组分在进入通道第二部分以前在通道第一部分内基本上完全混合。
本发明的一个目的是提供一种用于反应器的气体混合、分配器，该反应器能减少产品中反应不足和过分反应部份，并能减少不需要的副产品。
本发明的另一个目的是通过改进进入反应器的混合均匀性及完全度来提高反应器的产量。
本发明的一个特征是，多个狭窄通道的结构是具有细长的直线型狭口部分，在其中，气体组分被混合，而且气流速度大于逆燃速度，以及处于紊流状态，这样直线狭口部分的气体组分的混合是充分的。
本发明的另一个特征是，通过器壁上的喷口，将第二气体喷入直线型狭口通道部分，在一定的距离中产生一速度大于逆燃速度的紊流，该距离是从喷口到直线型通道的出口处，这个距离等于或大于使气流基本上完全混合的距离。
本发明的其它的目的、优点和特征从下面的最佳实施例的描述及参照相应的附图将得到进一步的理解。
图1是按照本发明的一个在其进口处有一混合、分配器的反应器的正剖视图。
图2是图1中的混合、分配器的局部放大正剖视图。
图3是图1中的混合，分配器四分之一断面的顶视图。
图4是图1中的混合，分配器四分之一断面的仰视图。
图5是图1和图2中的混合，分配器断面的正剖视图，并给出了关键尺寸。
图6是一个类似于图4，但分配器的结构有所改进的仰视图。
图7是一个类似于图2，但混合、分配器有所改进的放大正剖视图。
图8是按照本发明的具有进一步改进了混合、分配器输入部分的反应器的局部正剖视图。
图9是图8中混合、分配器的四分之一断面的顶视图。
图10是图8中混合、分配器的局部放大正剖视图。
图11是图10中的改进了的管状零件的剖视图。
如图1所示，按照本发明的用于部分氧化气体原料的反应器，它包括一个由30表示的混合、分配器的输入端。混合、分配器30将原料与氧化剂混合，并且分配上述的混合物到由32表示的催化反应器的进口，在反应器中，原料被部分氧化或转变成一种产品，这种产品然后通过由34表示的出口部分。原料可以是要求进行转化的烃气或汽化了的液态烃。氧化剂是一种富氧气体，它实际上是一种纯氧、空气或富氧空气。蒸汽可以被含在烃原料和/或气态的氧化剂中。这种混合、分配器适用于在美国专利申请085160中公开的方法所使用的反应器，该申请与本发明同日申请，它由约瑟夫D.考肯纳克(JosephD.Korchnak)和迈克尔(MichaelDunster)共同申请的，名称为“用烃原料生产合成气产品的方法”。
除了所公开的用于未转化的烃气的部分催化氧化反应器的实施例外(它要求送入反应器的两种或多种气体组分必须均匀、充分地混合)，混合、分配器30还可以使用在多种类型的反应器中。它特别适合于放热反应，在这类反应中，人们希望以可控的方式在催化剂存在下完成反应。其它反应器的例子包括那些用于生产如氨、甲醇、合成气等产品的自热转化或二次转化中的反应器。反应器具有一用碳钢制成的外壳40，在外壳40上用螺栓(没有画出)或类似的方式将顶盖42固定在其上面。一绝热层44，例如可耐2300°F(1260℃)的BPCF陶瓷纤维，被固定在包括顶盖42在内的外壳40的上部内侧。在混合部分30以下的部分，即反应器32及出口部分34内，在外壳的内侧固定有绝热层46、48和50。绝热层46是一种浇注成形的或类似的绝热体，如低铁高品位可耐2000°F(1090℃)的陶瓷绝热体。绝热层48也是一种浇注成形或类似的绝热体，但它含有60%的矾土，可耐3000°F(1650℃)。内绝热层50是一种耐火材料或类似的材料，如具有陶瓷支撑物，至少含97%矾土的材料或至少含97%矾土的砖，以经受反应器内部的温度。
此外，为了防止组分的扩散及在耐火材料层内燃烧，一个无孔金属合金包皮可以安装在耐火材料壁60和催化剂床54之间的耐火材料内侧。
反应器32有一组批量生产的构成一体的催化剂盘54，在每对相邻的催化剂盘之间用高矾土环58将其隔开，这组催化剂盘用带有高矾土棒56的栅格支承。催化剂根据所进行的反应而选择。对于部分氧化反应，可以选择铂-钯催化剂、铑催化剂及其它高表面的催化剂，如氧化铝或使用在汽车排气系统中的催化转换器的催化剂。在美国专利4522894中公开了一种适用的催化剂，该催化剂用于第一催化剂床的部分氧化反应。
在反应器的底部有一开口60，一管道62伸入到底部的耐火催化剂盘54的下面，用以测量温度或取出产品的样品。
出口部份34连接到下游的热回收锅炉(没有画出)和/或其它生产设备。
在输入部分30，第一进口66通过顶盖42的中心与顶盖的输入锥斗68连通，或随意与外壳40的顶端内部连接，这里形成了第一腔室。锥斗68由顶盖42内的支撑69固定。第二进口70沿着外壳40的侧面入口伸入，并与第二腔室72连通，腔室72处于锥斗(上腔室)68与催化反应部分32的入口之间。环73安装在腔室72的上壁75的中心部位，与锥斗68的底端密封配合，以使上壁75在上腔室68与下腔室72之间形成一共用的间隔层。腔室72有一上部外环74(也可见图2和图3)，外环74支承在耐火材料层50的上表面或固定在外壳40上。腔室72的下部有一管壁76，管壁76向下延伸进入耐火材料层50的内侧，管壁76的底部是由铸件78形成。
细长管80的顶端安装在腔室72的上壁75上，管腔在其顶端与上腔室68连通。管80的下端固定在铸件78上，管腔与通道84的上端连通，通道84垂直穿过铸件78，在管80壁上开有喷口86，以引导气流从腔室72进入管腔80内。
进口66和70，锥斗68和支撑69是用普通耐腐蚀、耐热的合金制成，如不锈钢或高温合金。腔室72、管80和铸件78是用普通高温合金制成，如用哈可司X型镍基合金(HastalloyX)或耐火型材料。
管80的数量及内径90(见图5)及在每个管上的喷口86的尺寸和数量取决于通过进口66和70的气体输入速度和压力，以便在管80内以一定的速度产生紊流，这个速度是大过混合物的逆燃速度。从喷口86到进入扩张型通道84的管80的底端的最小距离92的选择应等于或大于所需求的尺寸，这个尺寸使来自腔室68和72的气流在紊流状态下充分地混合。管80的内径尺寸90及长度94的设计要求是，在从腔室68到反应室的气流通路中产生一足够的压降，以便使从腔室68来的气流实际上是均速地通过管80。同样，喷口86的尺寸选择的要求是，相对于通过进口70进入的气体速度和压力，在腔室72和管80之间产生足够的压降，以提供基本上均匀的气体流从喷口86进入管80。
在管80中的最小气流速度是根据所进行反应的气体种类、温度和密度而确定的。对于天然气和不含氢的空气混合物，在常温常压下，适合的最小速度为3英尺/秒(1米/秒)，但是，对于较高的输入温度或压力，或较高含氢量，最小的速度必须提高。对于烃气和空气混合物的部分氧化反应，在输入压力为400磅/英寸2(2750千帕)表压，输入温度为500℃时，常用的最小速度为20～180英尺/秒(6～55米/秒)或高于此范围。
在铸件78内形成的扩张型通道，使气体的速度减慢，以便在整个催化剂进口产生均匀的气体分布。在铸件78的垂直剖面上，通道的侧边可以是直线或曲线。通道84的水平截面积的增加率是随着向下增加的，即通道84的壁和管80的直壁之间的夹角98，一般应当等于或小于大约15°，最好是等于或小于7°，以便减小或避免在通道84内产生涡流，涡流促使在通道80内产生火焰。如图4所示，通道84底端外形是园形的。为了去除在铸件78出口处产生涡流的金属区99，通道84可以延伸，使相邻通道汇合，直到金属区99减小为一个点。图6表示了一种改进，其中通道102的底端开口是六边形，底端开口还可以设计成各种其它的截面，如矩形，三角形等，以使气体混合流基本上均匀地分配到催化剂进口。
一些火焰可能在通道84内产生，特别是在相邻的催化剂床处，但在催化剂床中主要发生的是氧化反应。气体输入温度超过气体混合物的点燃温度的情况是可能存在的，在这种情况下，管80中的气流速度的选择应使其在管80和通道84中产生一个不足以使气体混合物完全反应的滞留时间。
业已发现，如果气体在进入扩张型通道之前不能完全混合，气体趋向于保持非混合状态，同时进行扩散并且速度减小。然而，在管80的细长通道中，管80在其整个长度上的截面是均匀的，人们已经发现，由于高速的紊流，气体完全混合是发生在最小距离92处。此外，从喷口86横向喷入的气流在管80中产生辅加的紊流，在气流向下运动中，进一步增加了混合作用。
在图7所示的改进中，腔室72的底部由壁106封住，而不是由铸件78封底。管80通过壁106延伸，管80与壁为密封连接，如用焊接。管80的底端向下伸出，并与通道84的顶端相接，通道84使其顶部与管80的通道连接是连续、均匀的。此外，铸件78在形成通道84的壁的周围有空间，这样减轻了铸件78的重量和减少了铸件78所需的材料。
在图8、9和10所示的进一步改进中，连接到腔室68的顶部通道，其细长、均匀的截面是由处于水平管状零件120之间的长缝形通道124形成的。管状零件120连接在与其相对的环形室122上，环形室122接收通过进口70的气流。在水平方向形成的喷口126将管状零件120的内腔127与通道124连通。管120内腔127的垂直长度130以及水平宽度132的选择应使在管120的水平长度上保持均匀的压力，喷口126的数量和直径134的选择应使气流均匀通过喷口，以便在通过喷口126时提供一适当的压降，有助于从管120进入长缝形通道124的气流均匀。通道124的宽度136及其垂直高度的选择应使从顶部腔室68来的气流产生一压降，以便在通道124的入口断面处保持均匀的气流分布，这样就可保证通过通道124的气流均匀，同时允许速度大于气体混合物的逆燃速度，并为紊流速度。从喷口126到通道124均匀截面的底端的最小距离138是等于或大于使气流基本上完全混合所要求的距离。底部楔形件140安装于管120的底边或与其成为一体，以形成通道的扩张型底部142，以便降低气流的速度，减小或避免气体在催化剂入口处产生涡流或旋流。在楔形件140上开有通道144，它可引入冷却液体，如水，通道144也可以不要。
图11表示了一种改进了的管150，它可以取代管120。管150在它的底端缩成一点，以便形成如图10所示的楔形件140的形状，并且省去了楔形件140。
在图1所示的部分催化氧化反应器的结构中，包括9个催化剂盘54，每个催化剂盘的直径为30英寸(0.76米)，厚度为6英寸(0.15米)，催化剂盘用于部分氧化烃气，如主要成分为体积含量95%的甲烷，其余为乙烷、丙烷、氮和二氧化碳的天然气。将天然气与蒸汽及空气混合，形成体积含量大约为20%天然气、60%空气和20%的蒸气的混合气。蒸气在进入进口66和70之前被分开并被引入气然气和空气流中。温度为550℃的烃气通过直径为10英寸(0.254米)的进口66，以400磅/英寸2(2760千帕)的绝对压力及100英尺/秒(130米/秒)的速度输入。温度为550℃的空气通过两个直径为8英寸(0.152米)的进口70，以430磅/英寸2(2960千帕)的绝对压力及110英尺/秒(34米秒)的速度输入。腔室72底部76的直径为27英寸(0.68米)，其上部74的直径是36英寸(0.91米)。有261根内径为0.5英寸(12.7毫米)，长度为20英寸(0.51米)的管80。在每根管80上开有六个直径为0.125英寸(3.2毫米)的喷口86，其中四个喷口绕管均匀地开在距管底端4英寸(0.102米)处，另外两个喷口相互对置地开在距管底端6英寸(0.152米)处。底部铸件78的厚度为5英寸(0.127米)，通道84为锥体，其上端直径为0.5英寸(12.7毫米)，下端直径为1.75英寸(44.5毫米)，腔室68和72内的压力基本上与其进口处的压力相同。在管80上部喷口以上的气流速度大约为170英尺/秒(52米/秒)，在下喷口和管底端之间的速度大约为350英尺/秒(107米/秒)。在扩张型通道84内，气流速度从顶端的350英尺/秒(107米/秒)减少到底端或催化剂入口处的30英尺/秒(9米/秒)。
在上述实施例中所描述的各种尺寸是为特定流量的烃气和空气的反应而设计的。应当注意到对于不同的烃气、氧或浓缩空气、不同的催化剂以及不同的输入流量，这些尺寸和速度将是不同的。
由于上述的实施例在细节上可以做出许多变化，所以上述的说明及附图所描述的各种要素，其意图在于说明清楚，而本发明并不限于此范围内。
权利要求
1.一种用于将气体反应混合物送入反应器的气体混合、分配器，它包括第一腔室(68)和第二腔室(72，122)，所说第一腔室具有一用来接受第一气体组分的第一进口(66)，所说的第二腔室具有一用来接受第二气体组分的进口(70)，其特征在于所说的第二腔室(72，122)是插接在第一腔室(68)和反应室(32)的进口之间；封闭的器壁(80，120)形成了许多细长的通道(94、84、124、142)，通道从第一腔室(68)通过第二腔室延伸到反应器；所说的许多细长通道的每一个都包括具有均匀的横截面的第一部分(94，130)和横截面逐渐增大的第二部分，所说的第一部分其上端与第一腔室(68)连通，所说的第二部分连接在第一部分的下端和反应器进口之间；所说第一通道部分的横截面要设计成能达到气体紊流，即气体在通道内速度大于第一和第二气体组分的混合物的逆燃速度；在封闭的器壁内的喷口(86，126)使第二腔室(72、120、122)与各自的第一通道部分(94，130)连通，以便让第二气体组分的气流进入第一通道部分；所说喷口(86，126)的尺寸设计应使第二气体组分进入第一通道部分的速度均匀；所说喷口到第一通道部分的下端有一距离(92，138)，以保证第一和第二气体组分在进入第二通道部分(84，142)之前，在第一通道部分中基本完全混合；所说第二通道部分(84，142)，其逐渐增加的横截面的设计应能降低气体组分混合物的流速，并分配混合物的气流使其均匀地穿过反应室。
2.按照权利要求1的气体混合、分配器，其特征在于封闭的器壁是由管(80)形成，管的顶端固定在第二腔室的上壁(75)内，并与第一腔室(68)连通。
3.按照权利要求2的气体混合、分配器，其特征在于通道的第二部分(84)是由第二腔室(72)底壁的铸件(78)形成的。
4.按照权利要求2的气体混合、分配器，其特征在于管(80)穿过并固定在第二腔室的底壁(106)上，而且铸件(78)安装在第二腔室的下面，且有通道的第二部分(84)通过铸件。
5.按照权利要求1的气体混合、分配器，其特征在于第二腔室(122)包括具有垂直细长截面的水平分配管(120)，在管(120)之间形成许多细长通道(124)，所说细长通道是长缝形。
6.按照权利要求5的气体混合、分配器，其特征在于楔形件(140)固定在水平分配管底部，或与之成为一体，以形成通道的第二部分(142)。
7.按照权利要求5的气体混合、分配器，其特征在于水平管(120)的底部是楔形结构(140)，以形成通道的第二部分(142)。
8.按照权利要求1的气体混合、分配器，其特征在于通道(144)用来引导冷却液进入混合、分配器内，并使混合、分配器冷却。
9.按照权利要求1的气体混合、分配器，其特征在于第一通道部分(94、130)的横截面的设计应使通过该截面的气流速度大于最低速度1米/秒。
10.按照权利要求9的气体混合、分配器，其特征在于最低速度为6米/秒。
11.按照权利要求9的气体混合、分配器，其特征在于最低速度为55米/秒。
全文摘要
一种用于反应器的气体混合、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应室入口之间。一些壁形成管形或长缝形通道，通道从第一腔室通过第二腔室延伸到反应品入口。通道的上部具有均匀的横截面，其选择要使气流的速度大于逆燃速度，以及产生紊流，以便在通道内与通过喷口进入的第二腔室的气体完全混合。通道底部的横截面逐渐增大，以便在反应室入口处降低气流速度和减少涡流和回流。
文档编号F02M33/00GK1033753SQ8810684
公开日1989年7月12日 申请日期1988年8月13日 优先权日1987年8月14日
发明者迈克尔·邓斯特, 约瑟夫·D·科次内克, 杰罗姆·H·马顿 申请人:戴维麦基公司