CN101678289B - 低压降混合装置以及它在两种气体/蒸气混合时的使用 - Google Patents

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Abstract

一种用于两种气体/蒸气(下文中称为气体)的混合装置，包括：a)布置在管束(1)中的多个管，每个管在它的初始部分提供有多个侧部孔(5)；b)这两种气体中的一种的第一供给系统，该第一供给系统包括位于管的进口侧的第一管形体(6)；以及c)另一种气体的第二供给系统，它包括第二管形体(7)，该第二管形体以气密方式包围管束(1)和至少一部分第一管形体(6)；其特征在于：d)所述气体中的一种气体的第一供给系统包括在第一管形体(6)内的多个翅片(8)，这些翅片能够使供给的气体均匀分配至单个管。

Description

低压降混合装置以及它在两种气体/蒸气混合时的使用
技术领域
本发明涉及一种低压降混合装置以及它在两种气体/蒸气混合时的使用。
更具体地说，本发明涉及一种低压降混合装置以及它在高温下在苯乙烯制造单元中在乙苯和蒸汽混合时的使用。
背景技术
应当知道，苯乙烯单体主要通过乙苯在高温下在主要基于氧化铁的固体催化剂固定床上的脱氢作用而制造。在进入催化床之前，乙苯与蒸汽在高温下混合，以便提高产量和反应选择率。蒸汽的目的是使得反应平衡朝着苯乙烯移动，加热反应剂物质以及保持催化剂清洁防止碳沉淀(通过与碳沉淀形成水煤气)。
因此，使得两种气体(乙苯和蒸汽)尽可能完全地混合将非常重要。较差混合(它使得在反应器进口处在气体流中的浓度和温度不均匀)降低了产量和处理选择率，因为形成了不希望的产品，且加速催化剂的老化。
而且，为了降低上游设备的能量消耗和投资成本，需要使得乙苯和蒸汽之间的混合在尽可能低的压力降情况下进行。
用于苯乙烯单体设备的混合器通常构成如下：两种气体中的一种(A)用作主流并通入腔室，第二气体(B)从该腔室的壁注入。湍流(通常由合适的促进器增加)和腔室的细长形状使得两种气体能够混合。在腔室的端部有静止混合器，以便进一步提高均匀性。可以说，这种混合方法基本利用在设备的总体尺寸范围内的湍流扩散。
一些混合装置由文献可知-例如见国际专利申请WO01/97960或欧洲专利EP303438和EP1180393-它们包括穿孔管束，用于混合流体，以便随后送向反应区域，例如催化床。不过，这种类型的混合器在单个管内部为低压降的情况下并不能保证流体流在管束的各管之间均匀分配，因此并不能在低能量消耗的情况下获得较高混合程度。
现在，申请人发明了一种新类型的、用于气体的混合器，它是在已知技术的苯乙烯设备等中使用的工业形式的替代物，它能够通过更紧凑和经济的方案来获得良好混合，并有非常低的压力降，且不需要下游的静态混合器。因此，这种新颖的混合器也能够很容易用于克服现有设备的难题，在现有技术中，希望提高混合，但是没有较大的可用空间。
发明内容
因此，本发明的目的是涉及一种用于两种气体/蒸气(下文中称为气体)的混合装置，它包括：
a.在管束中的多个管，每个管在它的初始部分装备有多个侧部孔；
b.这两种气体中的一种的第一供给系统，该第一供给系统包括位于管的进口处的第一管形体；以及
c.第二气体的第二供给系统，包括第二管形体，该第二管形体以气密方式包围管束和至少一部分第一管形体；
其特征在于：
d.两种气体中的一种的第一供给系统包括在第一管形体内的多个翅片，这些翅片能够使供给的气体均匀分配至单个管。
根据本发明目的的混合装置，管束的管由钢或其它金属合金制成，例如镍合金。它们为柱形形状，或者优选是圆锥形，从进口朝着出口发散，它们的长度范围为从0.5至3米，平均内径范围为从5至25cm。管束的管布置成相互平行，或者优选是朝着管束的出口发散。
每个管的初始部分(例如它的总长度的10至50％)包括多个孔，每个孔在从5至50cm2的范围内，优选是从10至30cm2。孔的轴线可以垂直于相关管的轴线，或者可以与后者形成一定角度，优选是从30至60°。
管束通常包括于两个穿孔进口和出口管板之间，该管板优选是由与管束相同材料制成。这些管板可以有扁平圆形形状，或者为球形帽的形状，每个孔适合容纳管束的每个管。
第一供给系统包括第一管形体或元件，要混合的两种气体中的一种供给该第一管形体或元件内，该第一管形体或元件在管束的进口处与管板连接并密封固定。
第二供给系统包括第二管形体或元件，要混合的两种气体中的另一种供给该第二管形体或元件内，该第二管形体或元件在出口管板上以气体密封方式包围管束。
两个管形体可以同轴。在这种情况下，第二管形体完全包入管束和第一管形体。
也可选择，第一管形元件的轴线可以与第二管形元件的轴线形成角度α，范围为从0至90°，或者从-90至0°(根据第一管形元件在水平面上的投影朝向第二管形元件的投影的左侧还是右侧)。在这种情况下，第二管形体完全包入管束，但只局部包入第一管形体。
两种气体中的一种的第一供给系统保证这种气体在全部管束管之间均匀流动，从而保持低压降。该结果是由于存在多个翅片，这些翅片形成合适形状，布置在第一管形体内部并在横向截面上。
翅片的数目范围为4至15。
特别是，所述翅片由薄板组成，该薄板为圆弧形状，具有从0至α+10°的中心角β(当α为从0至90°时)或相应对称(当α为从-90至0°时)。在这种情况下，翅片结构的横截面为这样，它基本经过两个管形体的两个轴线的相交点。
当α为零时(两个管形体同轴)，β也等于零。
第二管形体形成封闭外壳，它以气体密封方式包围管束和两个管板，并至少局部包围第一管形体。两种气体中的一种(要与另一种混合)通过供给分段而充入封闭外壳内部。外壳内部的压力保持高于管中的压力，这样，外壳的气体通过侧部孔流入管内部。
由于这样细分和重新组合机构，在较大尺寸上产生两个气体流的一种预混合，且这能够在具有减小尺寸的腔室中完全混合两种气体。这些减小的混合腔室是穿孔部分下游的管部分，其中，由于在减小的管直径上的湍流扩散，获得两种气体的紧密混合，且由于减小的长度、由于可能的锥形形状和由于孔的方位，压力降将非常低。
本发明的还一目的是一种用于混合两种气体/蒸气(下文中称为气体)的方法，它包括：
i.将一束具有柱形截面或者(优选是)锥形截面的管布置在密封外壳中，所述管在其初始部分装备有多个侧部孔，该密封外壳具有两种气体中的一种的供给分段；
ii.将两种气体中的第二种通过供给系统而连续地供给每个管中，该供给系统包括管形体以及在它的内部的多个定向翅片，这些定向翅片使得所述第二气体流能够均匀分配至单个管中；
iii.将所述第一气体通过供给分段而连续地供给封闭外壳内部；以及
iv.保持封闭外壳内部的气体压力，该压力为使得所述第一气体能够通过侧部孔流入所述管内部。
根据本发明目的的方法，在制造苯乙烯时，一种气体由温度范围为550至900℃(优选是650至850℃)的蒸汽组成，另一种气体为预热至400-600℃(优选是450至550℃)的乙苯。
在混合腔室的出口处，完全混合的两种气体直接排入脱氢作用反应器中，该脱氢作用反应器在普通工作条件下工作。
下面参考附图通过以下实施例(用于举例和非限定目的)来介绍本发明。
附图中，(1)表示由多个发散管(2)组成的管束，这些发散管(2)通过两个进口(3)和出口(4)管板保持装配。每个管在它的初始部分有多个孔(5)。
第一管形体(6)与管板(3)连接，而第二管形体(7)以气体密封方式包围出口管板(4)。各管形体的轴线形成大约45°角度α。定向翅片(8)位于第一管形体的横截面上，并在两个轴线的相交处。
由附图和上述说明将清楚实现本发明目的的混合装置的功能。
一种气体通过供给分段A而供给第一管形体(6)，例如在高温下的蒸汽。另一种气体通过供给分段B而供给第二管形体(7)，例如在高温下的乙苯。
由于定向翅片(8)，蒸汽均匀分配在混合管(2)内部，该定向翅片(8)使得蒸汽能够均匀分配于混合器的每个管中。
乙苯在压力稍微高于供给蒸汽的压力的情况下供给第二管形体，这样，它通过孔(5)透入混合管的内部。乙苯由管内部的蒸汽夹带，在该管内部，由于减小管直径的湍流扩散，获得了两种气体紧密混合。
气体混合物通过出口分段C而排出，并供给用于反应的反应器(未示出)。
实例
一束100支管插入8m3的管形体或封闭外壳(7)中，每个管具有锥形纵向截面(1)，长度为1.2m，平均内径为10cm。每个管的初始部分(50cm长)包括10个孔(5)，每个孔为15cm2，均匀分布在管(2)的初始部分的表面上。
水蒸汽通过位于混合器一侧上的管形体(6)的供给分段(A)而在700℃下在管内供给。乙苯通过位于外壳(7)上的供给分段(B)而在500℃的温度下充入，在外壳内部保持0.08MPa的乙苯压力。
气体混合物在管(C)的出口处排出，该气体混合物直接供给在以下状态工作的脱氢作用反应器：
催化剂：氧化铁，氧化钾；
温度：600℃；
压力：0.06MPa；
蒸汽/乙苯比例：1.45；LHSV：0.95h-1。
在脱氢作用反应器的出口处获得23500kg/h流速的苯乙烯，具有95.3％的选择率。
相同流速的蒸汽和乙苯(基本在上述相同热力学状态下)供给由单个管组成的普通混合器，该管为1.5m长，内径为200cm，装备有侧部进口。
蒸汽供给管的主进口，而乙苯从侧部进口供给。
在管的端部处安装了由4个混合层构成的静态混合器，每个混合层为0.60m高(总共为2.4m)，直径为210cm。这样获得的混合物供给在与上述相同的状态下工作的脱氢作用反应器。
获得23500kg/h流速的苯乙烯，具有94.4％的选择率(生产每吨苯乙烯将多消耗大约10kg的乙苯)，或者通过可选的运行状态，可以获得23500kg/h的苯乙烯，具有95.3％的选择率，但是有大约5000kg/h的附加蒸汽消耗。

Claims (12)

1.一种用于两种气体的混合装置，包括：
a.布置成管束的多个管，每个管在它的初始部分设有多个侧部孔；
b.这两种气体中的一种的第一供给系统，该第一供给系统包括位于管的进口侧的第一管形体；以及
c.另一种气体的第二供给系统，该第二供给系统包括第二管形体，该第二管形体以气密方式包围管束和至少一部分第一管形体；
其特征在于：
d.所述气体中的一种气体的第一供给系统包括在第一管形体内的多个翅片，这些翅片能够使供给的气体均匀分配至单个管；其中：管束中的管为锥形，从进口朝着出口发散。
2.根据权利要求1所述的装置，其中：多个孔存在于管束的每个管的初始部分上，范围为总长度的10至50％。
3.根据前述任意一个权利要求所述的装置，其中：管束的管的全部孔具有从5至50cm2范围的表面。
4.根据权利要求3所述的装置，其中：孔的轴线垂直于相关管的轴线，或者它与相关管的轴线形成从30至60°的角度。
5.根据权利要求1或2所述的装置，其中：管束包含于两个进口和出口管板之间。
6.根据权利要求1或2所述的装置，其中：第一供给系统包括第一管形体，该第一管形体在管束的进口处与管板连接并密封固定。
7.根据权利要求1或2所述的装置，其中：第二供给系统包括第二管形体，该第二管形体在出口管板上以气体密封方式包围管束，以便包入所述管束和所述第一管形体。
8.根据权利要求1或2所述的装置，其中：第一管形体和第二管形体同轴。
9.根据权利要求1或2所述的装置，其中：第一管形体的轴线与第二管形体的轴线形成角度α，范围为从0至90°，或者从-90至0°。
10.根据权利要求9所述的装置，其中：第一供给系统的翅片由薄的圆弧形板组成，具有中心角β，当α的范围从0至90°时，中心角β的范围从0至α+10°，或当α为从-90至0°时，中心角β相应对称。
11.一种用于混合两种气体的方法，包括：
i.将一束具有锥形截面的管布置在密封外壳中，锥形截面从进口朝着出口发散，这些管在它们的初始部分装备有多个侧部孔，该密封外壳具有两种气体中的第一种气体的供给分段；
ii.将两种气体中的第二种气体通过供给系统而连续地供给每个管内，该供给系统包括管形体以及在它的内部的多个定向翅片，这些定向翅片使得所述第二种气体流能够均匀分配至单个管内；
iii.将所述第一种气体通过供给分段而连续地供给封闭外壳内部；以及
iv.保持封闭外壳内部的气体压力，该压力为使得所述第一种气体能够通过侧部孔流入所述管内部。
12.根据权利要求11所述的方法，其中：两种气体中的一种是温度范围从550至900℃的蒸汽，另一种气体为预热至400-600℃的乙苯。
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