专利名称：一种甲烷与氧气预混器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种工业用甲垸与氧气预混器，属于工业易燃易爆气体的混合技术领域。
技术背景甲烷与氧气安全、高效的预混对于天然气部分氧化制合成气的工业化有着及其重要的作 用。天然气部分氧化制合成气的产物是非平衡产物，产物对局部的温度、化学组成等十分敏 感，甲烷与氧气的混合效果直接影响产物的选择性和产率。当混合效果不佳时，绝热反应器 内部将会出现局部甲垸过量或局部氧气过量，前者将导致甲烷转化率下降，后者将导致产物 选择性降低，总的来说无论出现哪种情况，混合效果不佳都会降低产品的产率。另外，甲烷 在氧气中有很宽的爆炸极限，当温度达到混合气的着火点时， 一旦发生回火将引起预混气着 火爆炸。因此，成功地设计甲垸与氧气预混器，对于天然气部分氧化制合成气具有重要的意 义。预混气在预混室里发生爆炸的原因是预混室出口气速低于扩散燃烧速度，火焰从反应室 返回预混室将预混气点燃，可燃气体火焰迅速向四周器壁传播，压力急剧增高造成爆炸。因 此，只要将燃烧实施阻隔，将局部燃烧产生的热量移走，使火焰瞬间熄灭，那么即使在操作 过程中发生回火也能防止预混气在预混室内发生爆炸。针对爆炸阻隔，按作用机制不同，分为机械隔爆和化学隔爆两种类型，隔爆装置主要有 工业阻火器、主动式隔爆装置和被动式隔爆装置等几种类型。工业阻火器又分为机械阻火器、 液封阻火器和料封阻火器等类型，主要用于阻隔燃烧和爆炸初期火焰蔓延；主动式隔爆装置 通过传感器探测到的爆炸信号实施致动；被动式隔爆装置则依靠爆炸波本身来引发致动。针 对甲烷与氧气预混后还要进行反应这一特点，阻火器应采用机械阻火器。目前较为成熟的商用机械阻火器大致可以分为金属网型阻火器、波纹型阻火器、泡沬金 属型阻火器、平行板型阻火器、多孔板型阻火器、充填型阻火器、星型旋转阀阻火器。这些 阻火器能够起到阻火的作用，但是不能在一个大容器内将高气速的甲烷和氧气充分的预混。工业上易燃气体预混主要采取高气速错流或逆流接触，然后经过一定的发展段进行气体 的预混；预混后的气体通过小孔进入高温反应室，利用高气速防止回火，并且在出口处装有 商用或自制的阻火器。这类设计虽然一定程度上达到了防爆和预混的目的，但是两股气体在 较大的空间内靠这类错流或逆流接触混合很不充分，其后的自然发展也无法使气体达到分子 水平的混合。如上所述，为了实现甲烷和氧气分子水平的预混，同时达到阻燃和防爆的作用，需要设 计其它更为有效的甲烷和氧气预混装置，以加快天然气部分氧化制合成气工业的发展。 发明内容本发明的目的是提供一种甲垸与氧气预混器，这种预混器可以使甲垸和氧气达到分子级 的混合，同时达到阻燃和防爆的作用。本发明的目的可以通过以下方案实现本发明提供的一种甲烷与氧气预混器，其特征在于该预混器含有外壳，设置在外壳内 的气体分布系统，换热系统和多孔气体分布板，所述的气体分布系统采用旋流气体分布系统， 旋流气体分布系统由甲垸进气系统、氧气进气系统、下分布器和上分布器组成；下分布器和 上分布器对称布置，所述的上分布器和下分布器均由分布器板、位于板中心的圆柱型空腔和 与该空腔相切的多个气体通道组成；上分布器气体通道位于上分布器的分布板中部，该分布 板的上表面有与上分布器气体通道相通的出气小孔；下分布器气体通道位于下分布器的分布 板中部，该分布板的下表面有与下分布器气体通道相通的进气小孔；上分布器的上表面还均 匀布置有圆柱形孔道，圆柱形孔道贯穿下分布器和上分布器；所述的换热系统由下隔板、上 隔板、通有换热介质的中心内管、外管、设置在外管上的金属翅片、换热介质的入口管和换 热介质的出口管组成；中心内管与下隔板相连接，并与换热介质的入口管相连通；外管与上 隔板相连接，并与换热介质的出口管相连通。在上述技术方案的旋流气体分布系统中，所述的上分布器和下分布器内分别有6 48 个上分布器气体通道和下分布器气体通道，这些气体通道为边长lmm 10mm的正方体孔道或 直径lmm 10mm的圆柱形孔道；上分布器和下分布器分布板中心的圆柱型空腔的直径为15 150mm。本发明提供的另一种甲垸与氧气预混器，其特征在于该预混器含有外壳，设置在外壳 内的气体分布系统、换热系统和多孔气体分布板；所述的气体分布系统采用环流气体分布系 统，该分布系统由甲烷中心进料管和氧气中心进料管，甲垸十字进料管和氧气十字进料管， 甲烷环形气体分布器和氧气环形气体分布器组成；甲垸环形气体分布器和氧气环形气体分布 器分别由多个同心环管组成，每个环管上开有多个孔径相同的气体喷射孔，甲烷环形气体分 布器置于下方，环管上的气体喷射孔竖直向上，氧气环形气体分布器置于上方，环管上的气 体喷射孔竖直向下；所述的换热系统由下隔板、上隔板、通有换热介质的中心内管、外管、 设置在外管上的金属翅片、换热介质的入口管和换热介质的出口管组成；中心内管与下隔板 相连接，并与换热介质的入口管相连通；外管与上隔板相连接，并与换热介质的出口管相连 通。在上述技术方案的环流气体分布系统中，甲烷环形气体分布器和氧气环形气体分布器由 3 15个同心环管组成，每个环管上所开的气体喷射孔的孔径为1 3mm。上述两种技术方案中，所述设置在外管上的金属翅片可拆卸且倾斜布置；每根外管上的 金属翅片的总体积占金属翅片在水平方向上投影所形成的空间体积的10% 50%。相邻外管
上的金属翅片上下、左右交错，进而在空间上形成气体的复杂流道；相邻两外管上的金属翅片在水平方向上的投影正好接触。所述的换热介质采用水、蒸气或导热油对混合气体进行冷 却或加热。本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果①通过环形气体分布系统或旋流气体分布系统，使甲烷和氧气在一个较小的空间内相互 碰撞或高速剪切形成旋流，最大程度上达到两股气体的初级混合。②混合室内装有大量分布 着金属翅片的外管和中心内管；相邻的外管上的金属翅片上下、左右交错，进而在空间上形 成气体的复杂流道；经过进气分布装置初步预混的气体沿着金属翅片构成的复杂流到曲折向 上，依靠流道的导流作用在上升的过程中充分混合，最终在到达外壳上部气体分布器前接近 分子水平的混合。③金属翅片倾斜布置；每根外管上的金属翅片的总体积占金属翅片在水平 方向上投影所形成的空间的体积的10% 50%，具有很大的热容，当局部温度过高时，金属翅片能够及时将产生的热量移走，保证了体系的阻燃和防爆。④金属翅片与外管相接，外管 内的换热介质不断流动，能够及时将金属翅片上过多的热量带出预混室，进一步增加了预混 室的热容，进一步保证了预混室的阻燃和防爆。⑤预混器顶部有多孔气体分布板，分布板上 均匀分布着大量微孔，有利于气体的均匀分布，避免局部火焰过长，烧坏顶部燃烧器壁；同 时，微孔能够提高出口气速，高气速有利于防止回火。本发明所述的甲烷与氧气预混器，可以用于甲垸与氧气混合，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气体与氧气的混合。
图l是本发明所述的甲垸与氧气预混器的一种实施例的结构示意图，其中气体分布系统 采用旋流气体分布系统。图2是本发明所述的甲烷与氧气预混器的另一种实施例的结构示意图，其中气体分布系 统采用环流气体分布系统。图3是本发明所述的旋流气体分布系统的结构示意图。图4a、 4b分别为旋流气体分布系统中甲烷进气系统和氧气进气系统的结构示意图；图 4c、 4d分别为图4a、 4b的俯视图；图4e、 4f分别为旋流气体分布系统中下分布器和上分布 器的结构示意图；图4g、 4h分别为图4e、 4f的俯视图。图5为本发明所述的环流气体分布器的结构示意图。图6为图5的俯视图。图中1-外壳；2a—旋流气体分布系统；2b —环流气体分布系统；3 —换热系统；4一多孔气体分布板；5 —下隔板；6 —上隔板；7—中心内管；8 —外管；9一金属翅片；10-冷却介 质入口管；ll-冷却介质出口管；12—甲垸进气系统；13 —氧气进气系统；14一下分布器；15 一上分布器；16a—甲烷进气环形管道；16b —氧气进气环形管道；17 —进气小管；18 —进气
小孔；19一下分布器的气体通道；20 —上分布器的气体通道；21 —出气小孔；22a—甲烷中心 进料管；22b —氧气中心进料管；23 —圆柱形孔道；24a—甲烷环形分布器；24b —氧气环形分 布器；25-气体喷射孔；26a-甲烷十字进料管；26b-氧气十字进料管。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的原理和具体结构作进一步的说明。图l是本发明所述的甲垸与氧气预混器的一种实施例的结构示意图。该甲垸与氧气预混器主要由外壳l、旋流气体分布系统2a、换热系统3和多孔气体分布板4组成；甲垸和氧气 通过旋流气体分布系统2a进行混合，混合后的气体进入换热系统3构成的模拟流化床的预混 室；换热系统3由下隔板5、上隔板6、中心内管7、外管8、设置在外管上的金属翅片9、 换热介质入口管10和换热介质出口管11组成；外壳1与下隔板5之间是换热介质通道，下 隔板5与中心内管7相连接，冷却水依靠一定的水压进入中心内管7;下隔板5与上隔板6 之间是另一个冷却水通道，上隔板6与外管8相连接，从中心内管7进入的冷却水沿中心内 管7和外管8之间的空隙流入下隔板5和上隔板6之间的冷却水通道；外管8的外表面上分 布大量可拆卸的金属翅片9，金属翅片9倾斜布置；每根外管8上的金属翅片9的总体积占 金属翅片9在水平方向上投影所形成的空间的体积的10% 50%;相邻的外管8上的金属翅 片9上下、左右交错，进而在空间上形成气体的复杂流道，有效增大了这一区域的气体扰动， 使得气体达到分子级混合；另外，大量金属翅片9的存在带来了极大的换热面积，同时金属 具有良好的导热性能，使得气体的热量能够迅速地被冷却水带走，有效防止了因回火造成的 爆炸；充分混合后的气体通过多孔气体分布板4离开预混室，气体分布板上均匀分布大量的 微孔，气体穿过微孔时极大地提高了流速，有利于防止回火。图2是本发明所述的甲垸与氧气预混器的另一种实施例的结构示意图。甲垸与氧气预混 器，主要由外壳l、环流气体分布系统2b、换热系统3和多孔气体分布板4组成；甲烷和氧 气通过环流气体分布系统2b进行混合，混合后的气体进入换热系统3构成的模拟流化床的预 混室；换热系统3和多孔气体分布板4与图1中结构完全相同。图3是本发明所述的旋流气体分布系统的结构示意意图。旋流气体分布系统，主要由甲 烷进气系统12、氧气进气系统13、下分布器14和上分布器15组成；下分布器14和上分布 器15对称布置，所述的上分布器15和下分布器14均由分布器板、位于板中心的圆柱型空腔 和与该空腔相切的多个气体通道组成；下分布器气体通道19位于下分布器14的分布板中部， 分布板的下表面有与下分布器气体通道19相通的进气小孔18;上分布器气体通道20位于上 分布器15的分布板中部，分布板的上表面有与上分布器气体通道20相通的出气小孔21;上 分布器15的上表面还均匀布置有圆柱形孔道23，圆柱形孔道23贯穿下分布器14和上分布 器15;甲烷和氧气分别通过甲烷进气系统12和氧气进气系统13，进入甲垸进气环形管道16a 和氧气进气环形管道16b，并通过甲垸进气环形管道16a和氧气进气环形管道16b上的进气
小管17进入下分布器14;甲垸进气环形管道14a略大于氧气进气环形管道14b，使得两进气 系统在空间位置上得以放置；下分布器14底面开有进气小孔18，每个进气小孔18下分布器 14中部的下分布器气体通道19相连通，并与甲烷进气系统12、氧气进气系统13上的进气小 管17相连接，甲烷进气系统12与氧气进气系统13的进气小管17数量相同；下分布器14中 心有一直径15-150mm的圆柱型空腔，空腔下端封闭，下分布器气体通道19为边长1咖-10mm 的正方体孔道或直径lrani-10mm的圆柱形孔道，孔道沿切向方向与中央空腔相连通；上分布器 15内部的上部分器气体通道20的上表面开有出气小孔21;上、下两分布器在安装时对称放 置，并且紧密连接避免漏气；甲垸和氧气经由进气系统12、 14的进气小管17进入下分布器 的气体通道19,沿切向方向高速进入中央空腔，在空腔内产生旋流，最大程度上达到两股气 体的初级混合，混合气通过上分布器15的中央空腔进入上分布器的气体通道20，并通过上 分布器的气体通道20上表面的出气小孔21进入换热系统3组成的预混室。图4是本发明所述的甲烷进气系统、氧气进气系统、下分布器和上分布器的结构示意图。 图4a和图4b分别是甲烷进气系统12和氧气进气系统13的结构示意图；图4c、 4d分别为图 4a、 4b的俯视图；进气系统12和13均通过甲烷中心进料管22a和氧气中心进料管22b，将 甲垸和氧气输送到环形管道16a和16b，并通过其上均匀地排列的3-24个内径1-IO腿的进 气小管17将气体输送到下分布器14;图4e和图4f分别是下分布器14和上分布器15的结 构示意图；图4g、 4h分别为图4e、 4f的俯视图；下分布器14底面开有6-48个直径1-10ram 的进气小孔18，每个进气小孔18下分布器的气体通道19相连通；每个上分布器的气体通道 20的上表面开有5-20个直径lmm的出气小孔21;上分布器15的上表面还均匀布置有圆柱形 孔道23，圆柱形孔道23贯穿下分布器14和上分布器15，这些圆柱形孔道23用于穿过并固 定换热系统3的外管8。图5是本发明所述的环流气体分布系统的结构式意图。甲烷和氧气分别由甲烷中心进料 管22a和氧气中心进料管22b，进入甲烷十字进料管26a和氧气十字进料管26b，进而进入甲 垸环形气体分布器24a和氧气环形气体分布器24b;甲烷环形气体分布器24a和氧气环形气 体分布器24b由多个同心圆的环管组成，每个环管上开有多个孔径相同的l-3mm的气体喷射 孔25，甲烷环形气体分布器24a的气体喷射孔25竖直向上，氧气环形气体分布器24b的开 气体喷射孔25竖直向下，甲垸和氧气通过气体喷射孔25高速射出，由于上、下两个分布器 完全对称，气体射出后高速对撞，最大程度上达到两股气体的初级混合。图6是本发明所述的环流气体分布系统的俯视图。氧气中心进料管22b与氧气十字进料 管26b的中心相连，氧气通过氧气十字进料管26a均匀的进入氧气环形气体分布器24a的各 个环形管道。下面是本发明的具体实施例。具体实施例是说明本发明的而不是限制本发明的。 实施例
采用本发明所述的甲垸与氧气预混器，预混器的进气分布系统分别采用环形气体分布设 计和旋流气体分布设计。环形气体分布器有三层同心圆环，每个圆环上分别有60个气体喷射 孔，孔径lmm。旋流气体分布器的导流板有24个气体通道，通道尺寸为lmm*lmm，导流板中 央圆柱型空腔直径为15mm。气体采用北京市北温气体厂提供的99.99%的甲烷和氧气；气体流 量通过北京七星华创电子股份有限公司D07型质量流量计进行控制，甲烷和氧气流量均为 15L/min;混合气体通过上海天美科学仪器有限公司的7890II型气相色谱进行分析。用色谱 进样器分别从每个预混层的气体出口随机采集IO个样品进行分析，分析结果所有的样品中甲 烷与氧气均为摩尔比l: 1。
权利要求
1.一种甲烷与氧气预混器，其特征在于该预混器含有外壳(1)，设置在外壳内的气体分布系统，换热系统(3)和多孔气体分布板(4)，所述的气体分布系统采用旋流气体分布系统(2a)，旋流气体分布系统(2a)由甲烷进气系统(12)、氧气进气系统(13)、下分布器(14)和上分布器(15)组成；下分布器(14)和上分布器(15)对称布置，所述的上分布器和下分布器均由分布器板、位于板中心的圆柱型空腔和与该空腔相切的多个气体通道组成；上分布器气体通道(20)位于上分布器(15)的分布板中部，该分布板的上表面有与上分布器气体通道(20)相通的出气小孔(21)；下分布器气体通道(19)位于下分布器的分布板中部，该分布板的下表面有与下分布器气体通道相通的进气小孔(18)；上分布器(15)的上表面还均匀布置有圆柱形孔道(23)，圆柱形孔道(23)贯穿下分布器(14)和上分布器(15)；所述的换热系统(3)由下隔板(5)、上隔板(6)、通有换热介质的中心内管(7)、外管(8)、设置在外管上的金属翅片(9)、换热介质的入口管(10)和换热介质的出口管(11)组成；中心内管(7)与下隔板(5)相连接，并与换热介质的入口管(10)相连通；外管(8)与上隔板(6)相连接，并与换热介质的出口管(11)相连通。
2. 根据权利要求l所述的甲垸与氧气预混器，其特征在于设置在外管(8)上的金属 翅片(9)可拆卸且倾斜布置；每根外管(8)上的金属翅片(9)的总体积占金属翅片(9) 在水平方向上投影所形成的空间体积的10% 50%。
3. 根据权利要求1或2所述的甲烷与氧气预混器，其特征在于相邻外管(8)上的金 属翅片(9)上下、左右交错，进而在空间形成气体的复杂流道；相邻两外管(8)上的金属 翅片(9)在水平方向上的投影正好接触。
4. 根据权利要求l所述的一种甲烷与氧气预混器，其特征在于，上分布器(15)和下分 布器(14)内分别有6 48个上分布器气体通道(20)和下分布器气体通道(19)，这些气体 通道为边长l腿 10mm的正方体孔道或直径lmm 10腿的圆柱形孔道；上分布器(15)和下 分布器(14)分布板中心的圆柱型空腔的直径为15 150mm。
5. 根据权利要求l所述的甲烷与氧气预混器，其特征在于所述换热介质采用水、蒸气 或导热油对混合气体进行冷却或加热。
6. —种甲垸与氧气预混器，其特征在于该预混器含有外壳(l)，设置在外壳内的气体 分布系统、换热系统(3)和多孔气体分布板(4);所述的气体分布系统采用环流气体分布系 统(2b)，该分布系统由甲垸中心进料管(22a)和氧气中心进料管(22b)，甲垸十字进料管(26a)和氧气十字进料管(26b)，甲烷环形气体分布器(24a)和氧气环形气体分布器(24b) 组成；甲垸环形气体分布器(24a)和氧气环形气体分布器(24b)分别由多个同心环管组成， 每个环管上开有多个孔径相同的气体喷射孔(25)，甲烷环形气体分布器(24a)置于下方， 环管上的气体喷射孔(25)竖直向上，氧气环形气体分布器(24b)置于上方，环管上的气体 喷射孔(25)竖直向下；所述的换热系统(3)由下隔板(5)、上隔板(6)、通有换热介质的 中心内管(7)、外管(8)、设置在外管上的金属翅片(9)、换热介质的入口管(10)和换热 介质的出口管(11)组成；中心内管(7)与下隔板(5)相连接，并与换热介质的入口管(10) 相连通；外管(8)与上隔板(6)相连接，并与换热介质的出口管(11)相连通。
7. 根据权利要求6所述的甲烷与氧气预混器，其特征在于设置在外管(8)上的金属 翅片(9)可拆卸倾斜布置；每根外管(8)上的金属翅片(9)的总体积占金属翅片(9)在 水平方向上投影所形成的空间体积的10% 50%。
8. 根据权利要求6或7所述的甲烷与氧气预混器，其特征在于相邻外管(8)上的金 属翅片(9)上下、左右交错，进而在空间上形成气体的复杂流道；相邻两外管(8)上的金 属翅片(9)在水平方向上的投影正好接触。
9. 根据权利要求6所述的一种甲烷与氧气预混器，其特征在于，甲垸环形气体分布器 (24a)和氧气环形气体分布器(24b)由3 15个同心环管组成，每个环管上所开的气体喷射孔(25)的孔径为1 3mra。
10. 根据权利要求6所述的一种甲烷与氧气预混器，其特征在于所述的换热介质采用 水、蒸气或导热油对混合气体进行冷却或加热。
全文摘要
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。本发明有效提高了预混合效果，保证了预混室的阻燃和防爆，在甲烷部分氧化制合成气工业中有较好的作用。
文档编号C01B3/36GK101125282SQ20071011892
公开日2008年2月20日 申请日期2007年6月15日 优先权日2007年6月15日
发明者石 丁, 易 程, 涌 金 申请人:清华大学