CN101982227A - 一种用于高温裂解的气体快速混合反应装置及应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种气体快速混合反应装置及应用，两种气体通过同心双层圆管输送，一种气体通过内管输送，另一种气体通过外管和内管之间的管道环隙输送，两种气体在输送的过程中可以相互调温，使气体进行预调温；一种气体通过内管输送至混合喷嘴的内涡轮，另一种气体通过外管和内管之间的管道环隙输送至混合喷嘴的环形涡轮，由于内涡轮和环形涡轮涡的涡轮片的旋转方向相反，使得两种气体旋转方向相反，产生巨大的速度差，造成很大的剪切力和强烈湍动，阻力损失小，混合速度快，使两种气体在瞬间均匀混合，之后立即进入反应管进行反应；气体经过混合喷嘴混合后，直接进入反应器反应，无须另外增加混合段。

Description

一种用于高温裂解的气体快速混合反应装置及应用

技术领域

本发明涉及一种气体快速混合反应装置及应用，特别适用于高温裂解气，属于化工气体快速混合技术领域。

背景技术

在化工生产领域，经常存在两种或多种气体快速混合并进行反应的体系，此时反应气体间的混合速度和均匀程度对反应转化率和选择性及后续工艺有重要的影响，因此怎样将两种气体快速、均匀的混合便成为化工生产中亟待解决的问题。

例如，在二氟一氯甲烷与高温水蒸汽裂解制备四氟乙烯的过程中，二氯一氟甲烷通过与1000℃的水蒸汽充分混合达到裂解温度后进行裂解，二氯一氟甲烷和水蒸汽发生裂解反应的时间非常短，一般需要控制在0.01～1s完成。另外，二氟一氯甲烷与水蒸汽的混合程度直接影响到后续管式反应器中的轴向温度分布和径向温度分布，而不良的温度分布会使得反应中高沸副产物增加、四氟乙烯的收率降低。同时，二氯一氟甲烷气体与水蒸汽的混合体积比高达1∶6、由于两者温差大、允许压降小、反应速度快，因此为确保四氟乙烯的高收益率，必须使二氯一氟甲烷气体与水蒸汽瞬间充分混合均匀。

中国专利CN1049110A公开了一种气体快速混合装置，该装置利用射流与多孔板的撞击产生强烈的主体扩散及湍流扩散，从而实现气体物料间的快速混合，但采用单管射流，难以达到有效主体扩散的效果，从而使气体物料的混合均匀度低，反应不充分。中国专利CN1468651A公开了一种气体高均匀度喷射流快速混合装置，但这种装置压力损失较大，多孔的分布板在某些反应体系中易被堵塞。中国专利CN1176148A公开了一种流体混合器，流体须流经一系列混合腔，混合腔两端有细管相通，可以达到均匀的混合，但无法满足流体瞬间的快速混合。美国专利US4865820公开了一种混合乙烷与氯气的方法，但该设备技术要求高，结构复杂。

发明内容

为克服以上技术的不足，本发明公开一种气体混合速度快、混合均匀度高的用于高温裂解的气体快速混合反应装置，该装置适用于反应体积悬殊较大且反应速度快的两种气体混合，本发明还公开一种用该装置混合气体的方法。

本发明的技术方案如下：

一种用于高温裂解的气体快速混合反应装置，包括气体输送管、混合喷嘴和反应管；气体输送管通过混合喷嘴与反应管相连通；其特征在于，所述的气体输送管是一个同心双层圆管，分为输送内管和输送外管；

所述的混合喷嘴包括同心双层圆管，同心双层圆管分为喷嘴内管和喷嘴外管；喷嘴内管内设置有内涡轮，喷嘴外管和喷嘴内管之间的管道环隙设置有环形涡轮，内涡轮与环形涡轮的旋转方向相反；内涡轮的涡轮片外缘与喷嘴内管的内壁固定连接；环形涡轮的涡轮片外缘与喷嘴外管的内壁固定连接，涡轮片内缘与喷嘴内管的外壁固定连接；

气体输送管的输送内管与混合喷嘴的喷嘴内管相连，输送外管与喷嘴外管相连。本发明采用同心双层圆管和混合喷嘴对气体进行混合，优点在于：两种气体通过同心双层圆管输送，能够使气体进行预调温；另外，一种气体通过内管输送至混合喷嘴的内涡轮，另一种气体通过外管和内管之间的管道环隙输送至混合喷嘴的环形涡轮，由于内涡轮和环形涡轮的涡轮片的旋转方向相反，使得两种气体旋转方向相反，这会产生巨大的速度差，造成很大的剪切力和强烈湍动，让两种气体在瞬间得到低尺度上的均匀混合，之后立即进入反应管进行反应。气体经过喷嘴混合后，直接进入反应器反应，无须另外增加混合段。

所述的气体输送管的长度是输送外管直径的0.5～10倍；输送内管直径是输送外管直径的0.25～0.7倍。

所述的混合喷嘴的长度是喷嘴外管直径的0.5～10倍。

内涡轮的涡轮片数为3～50个，涡轮片的旋转角度为5度～85度；环形涡轮的涡轮片数为3～50个，涡轮片的旋转角度为5度～85度。

利用上述装置混合水蒸汽和二氟一氯甲烷制备四氟乙烯的方法，步骤如下：

1)950℃的过热水蒸汽通过输送内管和外管所形成的管道环隙进入混合喷嘴的环形涡轮，流量为1.5m³/s；450℃的二氟一氯甲烷从输送内管进入混合喷嘴的内涡轮，流量为0.25m³/s；

2)过热水蒸汽经环形涡轮旋出，二氟一氯甲烷经内涡轮旋出，彼此两种气体的旋出角度相反，充分混合后进入反应管；

3)步骤2)中的水蒸汽和二氟一氯甲烷在反应管内充分反应后，经急冷气冷却，脱酸、脱水和洗涤后，得四氟乙烯。

本发明的优势在于：

1、两种气体通过同心双层圆管输送，一种气体通过内管输送，另一种气体通过外管和内管之间的管道环隙输送，两种气体在输送的过程中可以相互调温，使气体进行预调温；

2、一种气体通过内管输送至混合喷嘴的内涡轮，另一种气体通过外管和内管之间的管道环隙输送至混合喷嘴的环形涡轮，由于内涡轮和环形涡轮涡的涡轮片的旋转方向相反，使得两种气体旋转方向相反，产生巨大的速度差，造成很大的剪切力和强烈湍动，阻力损失小，混合速度快，使两种气体在瞬间均匀混合，之后立即进入反应管进行反应；

3、两种气体经过混合喷嘴混合后，直接进入反应器反应，无须另外增加混合段。

附图说明

图1是本发明气体快速混合反应装置的纵向剖视图；

图2是本发明的混合喷嘴的横向剖视图；

图3是本发明内涡轮和环形涡轮的纵向剖视图，喷嘴内管和外管省略未画出；

在图1-3中，1、输送外管；2、输送内管；3、(外管)气流；4、(内管)气流；5、内涡轮；6、环形涡轮；7、内涡轮涡轮片；8环形涡轮涡轮片；9、喷嘴外管；10、喷嘴内管；11、反应管。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1、

反应气体：水蒸汽和二氟一氯甲烷；气体输送管的入口与加热炉相连，反应管的出口与急冷器相连。

一种用于高温裂解的气体快速混合反应装置，包括气体输送管、混合喷嘴和反应管11；气体输送管通过混合喷嘴与反应管11相连通；其特征在于，所述的气体输送管是一个同心双层圆管，分为输送内管2和输送外管1；

所述的混合喷嘴包括同心双层圆管，同心双层圆管分为喷嘴内管10和喷嘴外管9；喷嘴内管10内设置有内涡轮5，喷嘴外管9和喷嘴内管10之间的管道环隙设置有环形涡轮6，内涡轮5与环形涡轮6的旋转方向相反；内涡轮的涡轮片7外缘与喷嘴内管10的内壁固定连接；环形涡轮的涡轮片8外缘与喷嘴外管9的内壁固定连接，涡轮片8内缘与喷嘴内管10的外壁固定连接；

气体输送管的输送内管2与混合喷嘴的喷嘴内管10相连，输送外管1与喷嘴外管9相连。

所述的气体输送管的长度为0.5m，输送外管1直径为0.15m，输送内管2直径为0.08m；反应管11的长度为4m，直径为0.15m。

所述喷嘴外管9的直径为0.15m，喷嘴内管10的直径为0.08m

所述的混合喷嘴喷长0.1m，内涡轮的涡轮片数为6片，涡轮片的旋转角度为18度；环形涡轮的涡轮片数为8片，涡轮片的旋转角度为18度；但是内涡轮和环形涡轮的涡轮片的旋转角度是相反的。

实施例2、

利用实施例1所述的气体快速混合反应装置混合水蒸汽和二氟一氯甲烷的制备四氟乙烯的工艺步骤：

1)950℃的过热水蒸汽通过输送内管2和外管1所形成的管道环隙进入混合喷嘴的环形涡轮6，流量为1.5m³/s；450℃的二氟一氯甲烷从输送内管2进入混合喷嘴的内涡轮5，流量为0.25m³/s；

2)过热水蒸汽经环形涡轮6旋出，二氟一氯甲烷经内涡轮5旋出，彼此两种气体的旋出角度相反，充分混合后进入反应管11；

3)步骤2)中的水蒸汽和二氟一氯甲烷在反应管11内充分反应后，经急冷气冷却，脱酸、脱水和洗涤后，得四氟乙烯。

所述的四氟乙烯的收率为68％，选择性为98.5％。

采用普通混合装置将水蒸汽和二氟一氯甲烷的混合效果：反应后分析计算得四氟乙烯收率46％和选择性93.0％。

评测气体混合均匀度的测量方法：

利用以下浓度测量法对2种气体的混合的效果进行测量，测试同横截面上各点的浓度分布，以各点浓度的均方根偏差S表征该截面上浓度分布的均匀性。S由下式计算：

$S=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(c_i-c)}^2/(n-1)}/c$

其中

(S是各点浓度的均方根偏差，n是取点的数目)

对混合效果进行评价时，以S＜0.05作为达到微观混合均匀的判据，S的取值越小越好

利用氮气和氧气进行混合均匀度实验：

利用本发明的气体输送管和混合喷嘴，气体输送管和混合喷嘴相连。

实验在常温下进行，氮气从输送外管1和内管2之间的管道环隙进入，氧气从输送内管2进入，流量分别为1.5m³/s，0.25m³/s。采用以上浓度测量法计算得，在离混合喷嘴0.3m处采样分析并计算，均方根偏差S为0.017；离混合喷嘴0.5m处S为0.014。

对比试验：

对比试验中只采用发明中的气体输送管：在离出气口0.3m处，采用以上浓度测量法计算得，均方根偏差S为0.113；离出气口0.5m处，均方根偏差S为0.065。

由以上试验数据对比可以看出，采用了混合喷嘴，使得2种气体的混合均匀度大大提高。

本发明还适用于其它需要快速混匀混合的气体，不只局限于实施例中所述的情况。

Claims (5)

1.一种用于高温裂解的气体快速混合反应装置，包括气体输送管、混合喷嘴和反应管；气体输送管通过混合喷嘴与反应管相连通；其特征在于，所述的气体输送管是一个同心双层圆管，分为输送内管和输送外管；

所述的混合喷嘴包括同心双层圆管，同心双层圆管分为喷嘴内管和喷嘴外管；喷嘴内管内设置有内涡轮，喷嘴外管和喷嘴内管之间的管道环隙设置有环形涡轮，内涡轮与环形涡轮的旋转方向相反；内涡轮的涡轮片外缘与喷嘴内管的内壁固定连接；环形涡轮的涡轮片外缘与喷嘴外管的内壁固定连接，涡轮片内缘与喷嘴内管的外壁固定连接；

气体输送管的输送内管与混合喷嘴的喷嘴内管相连，输送外管与喷嘴外管相连。

2.根据权利要求1所述的反应装置，其特征在于，所述的气体输送管的长度是输送外管直径的0.5～10倍；输送内管直径是输送外管直径的0.25～0.7倍。

3.根据权利要求1所述的反应装置，其特征在于，所述的混合喷嘴的长度是喷嘴外管直径的0.5～10倍。

4.根据权利要求1所述的反应装置，其特征在于，所述内涡轮的涡轮片数为3～50个，涡轮叶片的旋转角度为5度～85度；环形涡轮的涡轮片数为3～50个，涡轮叶片的旋转角度为5度～85度。

5.利用权利要求1所述的反应装置混合水蒸汽和二氟一氯甲烷制备四氟乙烯的方法，步骤如下：

1)950℃的过热水蒸汽通过输送内管和外管所形成的管道环隙进入混合喷嘴的环形涡轮，流量为1.5m³/s；450℃的二氟一氯甲烷从输送内管进入混合喷嘴的内涡轮，流量为0.25m³/s；

2)过热水蒸汽经环形涡轮旋出，二氟一氯甲烷经内涡轮旋出，彼此两种气体的旋出角度相反，充分混合后进入反应管；

3)步骤2)中的水蒸汽和二氟一氯甲烷在反应管内充分反应后，经急冷气冷却，脱酸、脱水和洗涤后，得四氟乙烯。

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