CN101376085B - 一种甲烷与氧气预混器 - Google Patents

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Abstract

一种甲烷与氧气预混器，由多个预混层叠加组成，预混层呈圆柱形，上、下底面均封闭，中间为一空腔构成甲烷分布系统；结构化混合系统位于预混层内部，呈圆形，内部均匀分布着放射状交错分布的微孔；预混层中心为一同心圆的套管，外层套管构成氧气进气系统，内层套管构成甲烷进气系统，氧气进气系统通过氧气分布系统和氧气分布系统上的氧气入口与结构化混合系统内部的微孔连通，甲烷进气系统通过内层套管弯头与甲烷分布系统连通，甲烷分布系统通过底部的甲烷入口与结构化混合系统内部的微孔连通，连接微孔的气体出口均匀地分布于结构化混合系统的圆周边缘上，呈圆形的放射状；其可多个并联，不会发生爆炸，混合效果好，用于甲烷部分氧化制合成气。

Description

一种甲烷与氧气预混器
技术领域
本发明涉及一种工业用易燃易爆气体混合的甲烷与氧气预混器。
背景技术
甲烷催化部分氧化制合成气过程具有能耗低，反应时间短等优点，被视为最经济的造气工艺，然而这一工艺需要甲烷与氧气安全、高效的预混。天然气催化部分氧化制合成气的产物对局部的温度、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烷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，总之无论出现哪种情况，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，当温度达到混合气体的着火点时，一旦发生回火将引起混合气体着火爆炸。因此，成功地设计甲烷与氧气预混器，对于天然气部分氧化制合成气具有重要的意义。
预混气体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体点燃，可燃气体火焰迅速向四周器壁传播，温度急剧上升、压力急剧增高，从而造成爆炸。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、泡沫金属型阻火器、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，然后经过较长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，内部进行压力控制，一旦发生回火，内部压力增高，将自动停止反应气体进入，同时喷入氮气使火焰熄灭。这样的装置体积极其庞大，一旦发生意外，将产生巨大的破坏，化工固有安全性较低。并且，这样的预混器的大小有一定的限制，过大的预混器将使得发生意外的几率大幅度提高，因此，预混器将成为限制产能的瓶颈。
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
本发明的目的是设计一种利用微尺度结构化混合设计，使预混过程发生在微尺度的空间内，甲烷和氧气在结构化的微型孔道内数次的相互交错，在较短的路径内达到分子水平的混合的甲烷与氧气预混器。
本发明的目的可以通过以下方案实现：一种甲烷与氧气预混器，其特征在于，该预混器包括有：预混层1、甲烷进气系统2、氧气进气系统3、甲烷分布系统4、氧气分布系统5、结构化混合系统11；
预混器由多个预混层1叠加组成，预混层1呈圆柱形，上、下底面均封闭，中间为一空腔构成甲烷分布系统4；结构化混合系统11位于预混层1内部，呈圆形，内部均匀分布着放射状交错分布的微孔10，预混层1中心为一同心圆的套管，外层套管构成氧气进气系统3，内层套管构成甲烷进气系统2，氧气进气系统3通过氧气分布系统5和氧气分布系统5上的氧气入口8与结构化混合系统11内部的微孔10连通，甲烷进气系统2通过内层套管弯头9与甲烷分布系统4连通，甲烷分布系统4通过底部的甲烷入口7与结构化混合系统11内部的微孔10连通，连接微孔10的气体出口6均匀地分布于结构化混合系统11的圆周边缘上，呈圆形的放射状。
甲烷通过甲烷进气系统分别进入各层甲烷分布系统，从而使甲烷进入大量均匀的微孔；相同地，氧气也通过氧气进气系统进入各层氧气分布系统，氧气通过分布系统进入大量均匀的微孔，甲烷和氧气通过这些微孔进入结构化的混合系统进行混合；在混合过程中，两种气体数次的相互交错，最终离开预混器。具有以下优点：
(1)预混层1是结构化的单元，无放大效应，可以能够根据实际要求多个并联。
(2)进气系统2、3能够根据实际要求，调整弯头9的数量，使气体能够同时均匀地进入多个气体分布系统4、5。
(3)结构化混合系统11甲烷入口7和氧气入口8的微孔直径很小，存在一定的入口压降，使得甲烷和氧气能够通过进气系统均匀的进入气体分布系统。
(4)结构化混合系统内的甲烷入口7和氧气入口8内径均一，使得甲烷和氧气能够通过气体分布系统均匀的进入，并且各个微孔内甲烷和氧气均按照比例可控混合。
(5)结构化混合系统11微孔10排列是结构化的，很容易进行几何拓扑，能够根据实际需要选择微孔相互交错的次数，使得甲烷和氧气能够达到分子级混合。
(6)结构化混合系统11微孔10孔径很小(0.1-3mm，0.5-1mm最佳)，气体在微孔内混合，不会发生飞温而导致爆炸。
(7)结构化混合系统11的出口6均匀地分布于预混器外壁上，形状呈圆形的放射状，能够使混合好的气体呈环形扩散。
本发明所述的甲烷与氧气预混器，可以用于甲烷与氧气混合，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。该预混器采用了微尺度技术，所有的预混过程发生于微尺度的空间内，由于微尺度自身的特性使得预混气体不会因为操作不慎而发生爆炸，因此该预混器具有很好的化工固有安全性。在甲烷部分氧化制合成气工业中有较好的作用。
附图说明
图1甲烷与氧气预混器结构示意图。
图2甲烷与氧气预混器结构化混合系统结构示意图。
图3甲烷与氧气预混器气体入口示意图。
其中：1、预混层  2、甲烷进气系统  3、氧气进气系统  4、甲烷分布系统  5、氧气分布系统  6、出口  7、甲烷入口  8、氧气入口  9、内层套管弯头  10、微孔  11、结构化混合系统
具体实施方式
根据附图对本发明结构进行详细的叙述。
预混层1呈圆柱形，上下底面均封闭，中间为一空腔构成甲烷分布系统4；结构化混合系统11位与预混层1外底部，呈圆形，上面有呈放射状交错分布的与预混层1底面形成微孔10的微细的凹槽，预混层1中心为一同心圆的套管，外层套管构成氧气进气系统3，内层套管构成甲烷进气系统2，氧气进气系统3通过氧气分布系统5和氧气分布系统5上的氧气入口8与微孔10连通，甲烷进气系统2通过内层套管弯头9与甲烷分布系统4连通，甲烷分布系统4通过底部的甲烷入口7与微孔10连通，微孔10的出口6均匀地分布于结构化混合系统的圆周边缘上。
采用本发明所述的甲烷与氧气预混器，预混器由三个预混层组成，每个预混层上的结构化混合系统都分别有120条氧气和甲烷的微孔，孔径0.5mm。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10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1∶1。

Claims (7)

1.一种甲烷与氧气预混器，其特征在于：其包括预混层(1)、甲烷进气系统(2)、氧气进气系统(3)、甲烷分布系统(4)、氧气分布系统(5)、结构化混合系统(11)；
预混器由多个预混层(1)叠加组成，预混层(1)呈圆柱形，上、下底面均封闭，中间为一空腔构成甲烷分布系统(4)；结构化混合系统(11)位于预混层(1)内部，呈圆形，内部均匀分布着放射状交错分布的微孔(10)；预混层(1)中心为一同心圆的套管，外层套管构成氧气进气系统(3)，内层套管构成甲烷进气系统(2)，氧气进气系统(3)通过氧气分布系统(5)和氧气分布系统(5)上的氧气入口(8)与结构化混合系统(11)内部的微孔(10)连通，甲烷进气系统(2)通过内层套管弯头(9)与甲烷分布系统(4)连通，甲烷分布系统(4)通过底部的甲烷入口(7)与结构化混合系统(11)内部的微孔(10)连通，连接微孔(10)的气体出口(6)均匀地分布于结构化混合系统(11)的圆周边缘上，呈圆形的放射状。
2.根据权利要求1所述的一种甲烷与氧气预混器，其特征在于：预混层(1)是结构化的单元，无放大效应，可以多个并联。
3.根据权利要求1所述的一种甲烷与氧气预混器，其特征在于：甲烷进气系统(2)和氧气进气系统(3)能够根据实际要求，调整弯头(9)的数量，使气体能够同时进入甲烷分布系统(4)和氧气分布系统(5)。
4.根据权利要求1所述的一种甲烷与氧气预混器，其特征在于：甲烷入口(7)和氧气入口(8)的内径均一。
5.根据权利要求1所述的一种甲烷与氧气预混器，其特征在于，结构化混合系统(11)内微孔(10)排列是结构化的，能够根据实际需要选择微孔(10)相互交错的次数。
6.根据权利要求1所述的一种甲烷与氧气预混器，其特征在于，结构化混合系统(11)微孔(10)孔径为0.1-3mm。
7.根据权利要求1所述的一种甲烷与氧气预混器，其特征在于，结构化混合系统(11)微孔(10)孔径为0.5-1mm。
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