CN102658042B - 一种乙苯脱氢制苯乙烯的低压降导流喷嘴型混合装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种乙苯脱氢制苯乙烯的低压降导流喷嘴型混合装置，由导流喷嘴、圆锥管和环管组成，圆锥管的内部空间形成混合腔。高温水蒸汽从圆锥管的锥顶进入混合腔，乙苯流通过环管和导流喷嘴进入混合腔，流体经激烈直接对撞和卷吸返混，实现了低压降条件下乙苯流和水蒸气流的瞬间混合，满足了后续乙苯脱氢径向反应器对原料的高均匀度的温度和浓度场的要求。该导流喷嘴型混合装置可充分满足低水比、共沸节能乙苯脱氢工艺所必须的系统低压降的要求。

Description

一种乙苯脱氢制苯乙烯的低压降导流喷嘴型混合装置

技术领域

本发明属于化学工程领域中的混合装置，具体地说，涉及一种两股气流之间的低压降快速均匀混合的装置，尤其适用于低水比和节能型的乙苯脱氢制苯乙烯工艺中的乙苯流与高温水蒸汽的混合。

背景技术

众所周知在化工过程中，经常要求提供一种气体的快速均匀混合的技术。由于气体混合的速度和均匀程度将直接影响后续过程的进行。例如，在乙苯脱氢制苯乙烯装置中，乙苯流与高温水蒸汽的混合程度直接影响到反应床层的温度分布，而不良的温度分布将造成反应的恶化。由于乙苯流与高温水蒸汽的混合具有体积比高，介质温差大，允许压降极小以及混合均一度要求高等特性，不仅要求混合器结构简单，而且要求在小于数百毫秒的混合时间内，达到微团尺度上的混合均匀度。这类混合的特点是要求在很小有限的空间、极短的时间以及主流体在有限的极小压降范围内实现反应物料的快速混合。

在美国专利US 20110242930中公开了一种“反应静态混合器”，见图1，用于光气与胺的混合，在管内设置圆锥形导流体，光气在管壁与导流体形成的环隙快速流动，胺通过管壁的小孔高速射入环隙，与光气进行混合。该混合装置适合两种反应物的快速混合，但侧壁采用小孔侧流进入，导致流体穿孔压降非常大，同时管内设置导流体，迫使主流体的混合压降也很大。

在现有的乙苯脱氢制苯乙烯装置中，普遍采用的是如CN1228133C所公开的气体高均匀度喷射流快速混合装置，见图2。工业中500℃左右的乙苯流通过半球形分布板进入混合腔，约830℃的0.2～0.3MPa的高温水蒸汽经混合腔的侧壁小孔进入，其压降达100～200kPa左右，通过两股流体碰撞，达到两种流体的均匀混合。此混合装置满足了乙苯脱氢制苯乙烯的工艺要求，实际生产中反应器的入口温度的最大差别在2℃以内，但不足之处的是混合装置的由侧壁孔进入的流体的穿孔压降太大。

目前，乙苯脱氢制苯乙烯工艺向低水烃比、节能型方向发展，且装置规模由10万吨/年左右向30～60万吨/年的大型化方向发展。水烃比(水与乙苯的质量比)由原来的1.30～1.45降到1.0～1.1，整个生产装置能耗可降低20％以上，但由此带来了高温水蒸汽的温度由830℃上升到900℃左右，从而导致原混合装置中高温水蒸汽与混合装置的连接锻件难以制造或造价极为昂贵。恒沸热回收技术是现有乙苯脱氢制苯乙烯节能技术中节能效果最好的技术，其整个生产装置能耗比常规乙苯脱氢制苯乙烯工艺可降低20％左右，但采用恒沸热回收技术，其反应单元与精馏单元耦合，不再是独立的操作系统，而两个单元的乙苯流既是串联又是循环的紧密相关的系统，恒沸蒸发压力为90～100kPa，为此限制性要求反应器前的水蒸汽与乙苯流混合装置中乙苯流的绝压低于75kPa，使得现有的混合装置由于主流体压降过高而无法满足节能工艺的实施要求。另外，随着装置的大型化，反应器内催化剂装填体积大幅增加，反应系统中反应器的压降随床层的增加而不可避免要增大，使得混合装置的主流体的压降要求更趋严格受限，仅有14kPa左右。

综上所述，由于乙苯脱氢制苯乙烯生产恒沸热回收和低水比工艺的出现，现有的反应前水蒸汽与乙苯流混合的装置已无法适应新节能工艺的要求。

发明内容

本申请的发明人通过研究，设计了一种乙苯脱氢制苯乙烯的低压降导流喷嘴型混合装置，由圆锥管、导流喷嘴和环管组成，圆锥管与环管通过数个导流喷嘴相连，圆锥管的内部空间形成混合腔。高温水蒸汽从圆锥管的锥顶进入混合腔，乙苯流通过环管和导流喷嘴进入混合腔，流体经激烈对撞和卷吸，实现了很低压降条件下的高均匀度瞬间混合。

因此，本发明的首要目的就在于提供一种乙苯脱氢制苯乙烯的低压降导流喷嘴型混合装置。

本发明需要解决的技术问题是：提供一种反应前水蒸汽与乙苯流高速均匀混合的装置，以满足低水比、低能耗工艺和反应装置大型化的制造要求，在超低压降下保证乙苯流与高温水蒸汽的均匀混合，从而满足后续反应工艺的高要求。

本发明的技术构思是这样的：

将现有乙苯流进口由混合装置的底部改到侧面，高温水蒸汽流进口由混合装置的侧面改到底部，使高温水蒸汽进口管与半球形分布板直接相连，水蒸汽的高温连接锻件已无须采用，使乙苯流走侧面，侧壁的温度由原来的800～900℃降至500℃左右，大大减少了高温材质的使用量；将圆锥管上的侧流孔取消，改为导流喷嘴，一来显著地降低乙苯流的入口压力，采用导流喷嘴型式时乙苯流的压降比小孔型式的穿孔压降可下降30％～50％；二来利用导流喷嘴的导流作用，适当地降低乙苯流的喷出速度；三来乙苯流的密度是水蒸汽流的三倍以上，其大质量的数股乙苯流的高动量对撞，并卷吸由底部进入的水蒸汽，在很低的压降下达到快速高均匀度混合的目的。

根据上述构思，发明人提出了如下所述的实现本发明目的的技术方案：

本发明所述的乙苯脱氢制苯乙烯的低压降导流喷嘴型混合装置，由圆锥管、导流喷嘴和环管组成，圆锥管与环管通过数个导流喷嘴相连，圆锥管的内部空间形成混合腔。

圆锥管的半锥角为5～25°。圆锥管的锥顶处设有一个开有许多均布孔的半球形分布板，该半球形分布板与高温水蒸汽的入口相连接，水蒸汽通过入口再经半球形分布板上的均布孔进入混合腔。

环管上设有乙苯流的入口，乙苯流通过该入口进入环管，然后通过导流喷嘴进入圆锥管内的混合腔。

当乙苯流与水蒸汽流进行快速混合时，水蒸汽由底部进入，并通过半球形的分布板上的小孔均匀地进入圆锥管内的混合腔；乙苯流由侧面进入环管，然后在较低的流速下通过导流喷嘴进入圆锥管内的混合腔，形成几股高动量的乙苯流之间强烈的对撞，由此卷吸由下而上流动的水蒸汽，之后在混合腔中再进一步湍流混合。

环管可以采用圆形环管，也可采用由两个同轴的直管，两个直管的两段封闭所形成的矩形环管，乙苯流的进口接在外直管上，内直管与导流喷嘴相连，外直管的上端通过封头与圆锥管的上端相连，下端通过封头与水蒸汽的入口相连。

导流喷嘴由一个收缩管和一个短管组成，收缩管直径较大的一端与环管相连，另一端与短管相连，而短管的另一端穿过圆锥管伸入混合腔。导流喷嘴可以设置1层或多层，每层导流喷嘴有2～10个，处于同一圆周上，上下层的导流喷嘴相互交错排列。

水蒸汽通过多孔的半球形分布板上的小孔进入混合腔，提高了水蒸汽在混合腔的截面上分布的均匀度，而乙苯流通过若干个导流喷嘴进入混合腔中，使得高密度、大质量的乙苯流之间相互激烈碰撞，乙苯流凭借抽吸作用卷吸上下部位水蒸汽，充分实现了主体扩散和湍流扩散，从而可达到在很低压降条件下的高均匀度瞬间混合的要求。

本发明所提供的装置，其混合效果可以各截面浓度的均方根偏差S来表征，S愈小，混合得愈均匀，一般认为S＝0.05时基本达到混合均匀的要求(N.Harnby著，《工业中的混合过程》，中国石油出版社，1991出版，179页)。

$S=\frac{\sqrt{\frac{1}{n-1}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(c_i-\stackrel{\‾}{c})}^2}}{\stackrel{\‾}{c}}---\left(1\right)$

$\stackrel{\‾}{c}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{c}_i}{n}---\left(2\right)$

其中：S-----浓度均方根偏差    ci----------取样点浓度

      n------取样点个数

--------平均浓度

本发明所述的乙苯脱氢制苯乙烯的混合装置，利用导流喷嘴形成对撞流，可在瞬间实现两股气体的快速混合，而且具有高均匀度的混合效果，具有结构简单效果显著的技术特点，可充分满足低水比、低节耗工艺和大型化的制造和低压降要求，保证乙苯流与高温水蒸汽的快速均匀混合，从而满足后续反应工艺的高要求。

附图说明

图1为美国专利US20110242930中公开的混合装置示意图。

图2为工业应用的乙苯脱氢喷射流快速混合装置示意图。

图3本发明所述的环管为圆形的乙苯脱氢制苯乙烯的低压降导流喷嘴型混合装置示意图。

图4本发明所述的环管为圆形的单层四导流喷嘴布置的示意图。

图5本发明所述的环管为矩形的乙苯脱氢制苯乙烯的低压降导流喷嘴型混合装置示意图。

图6本发明所述的环管为矩形的四层八导流喷嘴布置的示意图。

图7为冷模实验中混合器出口截面的取样点分布的示意图。

图中：1-圆锥管，2-导流喷嘴，3-环管，4-半球形分布板，5-混合腔，6-短管，7-收缩管，8-乙苯流入口，9-水蒸气流入口，10-上封头，11-下封头，12-外直管，13-内直管，14-盖板

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

由图3可见，本发明所述的乙苯脱氢制苯乙烯的低压降导流喷嘴型混合装置，包括一个圆锥管(1)、一个圆形环管(3)和数个导流喷嘴(2)，圆锥管(1)与圆形环管(3)通过数个导流喷嘴(2)相连，圆锥管(1)的内部空间形成混合腔(5)。

圆锥管(1)的半锥角α为5～25°。圆锥管(1)锥顶设有一个开有许多均布孔的半球形分布板(4)，该半球形分布板(4)与高温水蒸汽的入口(9)相连接，高温水蒸汽通过入口(9)再经半球形分布板(4)上的均布孔进入混合腔(5)。

导流喷嘴(2)由一个收缩管(7)和一个短管(6)组成，收缩管(7)直径较大的一端与圆形环管(3)相连，另一端与短管(6)相连，而短管(6)的另一端穿过圆锥管(1)伸入混合腔(5)；导流喷嘴(2)的短管(6)的长度与直径之比为0.5～2，短管(6)伸进圆锥管(1)部分的长度与短管(6)的长度之比为0.5～1，收缩管(7)长度与短管(6)长度之比为1～8，收缩管(7)的半锥角β为10～60°。

乙苯流的入口(8)设置在圆形环管(3)上，乙苯流通过入口(8)进入圆形环管(3)，再经过导流喷嘴(2)的收缩管(7)和短管(6)进入混合腔(5)。

当高温水蒸汽与乙苯流进行快速混合时，高温水蒸汽由高温水蒸汽的入口(9)进入，通过半球形分布板(4)上的分布孔均匀地进入混合腔(5)中；乙苯流通过乙苯流的入口(8)进入圆形环管(3)，然后进入导流喷嘴(2)，在导流喷嘴(2)的引流作用下，多股乙苯流进入混合腔(5)中，高动量乙苯流之间强烈的对撞，由此卷吸由下而上流动的水蒸汽，在高湍流下进行快速混合，同时在混合腔(5)中进一步实现分子级的扩散混合。

由图4可见：四个导流喷嘴(2)设置在同一圆周上，它们的轴线相交于圆锥管(1)的轴线上，沿圆周均匀布置。乙苯流的进口(8)设置在两个导流喷嘴(2)之间。

由图5可见，本发明所述的乙苯脱氢制苯乙烯的低压降导流喷嘴型混合装置，包括一个圆锥管(1)、一个矩形环管(3)和数个导流喷嘴(2)，圆锥管(1)与矩形环管(3)通过数个导流喷嘴(2)相连，圆锥管(1)的内部空间形成混合腔(5)。

圆锥管(1)的半锥角α为5～25°。圆锥管(1)的锥顶设有一个开有许多均布孔的半球形分布板(4)，该半球形分布板(4)与高温水蒸汽的入口(9)相连接，高温水蒸汽通过入口(9)再经半球形分布板(4)上的均布孔进入混合腔(5)。

矩形环管(3)由两个同轴的内直管(13)和外直管(12)所围成，内直管(13)和外直管(12)的上下两端由盖板(14)所封闭，盖板(14)可以是平板，也可以是弧形板。乙苯流的入口(8)接在外直管(12)上，内直管(13)与导流喷嘴(2)相连，并通过导流喷嘴(2)与混合腔(5)相连通，外直管(12)的上端通过上封头(10)与圆锥管(1)的上端相连，下端通过下封头(11)与高温水蒸汽的入口(9)相连。

导流喷嘴(2)分布在四个平面，上下层的导流喷嘴(2)交错布置。导流喷嘴(2)由一个收缩管(7)和一个短管(6)组成，收缩管(7)直径较大的一端与矩形环管(3)相连，另一端与短管(6)相连，而短管(6)的另一端穿过圆锥管(1)伸入混合腔(5)；导流喷嘴(2)的短管(6)的长度与直径之比为0.5～2，短管(6)伸进圆锥管(1)的长度与短管(6)的长度之比为0.5～1，收缩管(7)长度与短管(6)长度之比为1～8，收缩管(7)的半锥角β为10～60°。

乙苯流通过入口(8)进入矩形环管(3)，再经过导流喷嘴(2)的收缩管(7)和短管(6)进入混合腔(5)。

当高温水蒸汽流与乙苯流进行快速混合时，高温水蒸汽由入口(9)进入，通过半球形分布板(4)上的分布孔均匀地进入混合腔(5)中；乙苯流通过入口(8)进入矩形环管(3)，然后进入导流喷嘴(2)，在导流喷嘴(2)的引流作用下，多股乙苯流射流进入混合腔(5)中，高动量乙苯流之间强烈的对撞，由此卷吸由下而上流动的水蒸汽，在高湍流下进行快速混合，同时在混合腔(5)中进一步实现分子级的扩散混合。

由图6可见：导流喷嘴(2)设置在四个圆周上，每个圆周上的导流喷嘴(2)有两个，它们的轴线相交于圆锥管(1)的轴线上，沿圆周均匀布置，上下平面的导流喷嘴相互交错。乙苯流的入口(8)设置在两层导流喷嘴(2)之间，径向位置上与导流喷嘴(2)相互交错。

图7为冷模实验装置中混合器出口截面的取样点分布的示意图。取样点以混合器轴线为圆心，分布于4个同心圆的圆周及圆心上，共计33个取样点。取样点设置按照等面积原则排列，即每一取样点所占面积相等。

【实施例1】

采用图3所示的乙苯脱氢制苯乙烯的低压降导流喷嘴型混合装置进行气体混合试验，导流喷嘴设置如图4所示，四个导流喷嘴布置在一个平面。

高温水蒸汽以加入了示踪剂(乙醇)的空气(以下简称“流体1”)代替，乙苯流以空气(以下简称“流体2”)代替，圆锥管(1)的半锥角α为12°，导流喷嘴(2)的短管(6)直径150mm，短管(6)长度为100mm，伸入圆锥管(1)的长度为50mm，导流喷嘴(2)的收缩管(7)的半锥角β为20°，半球形分布板(4)直径为500mm，半球形分布板(4)上的分布孔孔径为38mm，开孔数为130个，均布排列于分布板上，流体2与流体1的质量比为2.0，在混合腔(5)出口处依据图7的采样点采样，通过气相色谱分析，每个采样点的乙醇浓度相对峰高数值见表1，并采用式(1)和式(2)进行计算，均方根偏差S为0.038。该数据证明图3所示的装置具有十分理想的混合效果。

表1实施例1的采样分析数据

【实施例2】

采用图5所示的乙苯脱氢制苯乙烯的低压降导流喷嘴型混合装置进行气体混合试验，导流喷嘴设置如图6所示，八个导流喷嘴布置在四个平面，每层两个导流喷嘴，上下相互交错布置。

高温水蒸汽以加入了示踪剂(乙醇)的空气代替(以下简称“流体1”)，乙苯流以空气(以下简称“流体2”)代替，圆锥管(1)的半锥角α为6°，导流喷嘴(2)的短管(6)直径160mm，短管(6)长度为120mm，伸入圆锥管(1)的长度为50mm，导流喷嘴(2)的收缩管(7)的半锥角β为40°，半球形分布板(4)直径为500mm，半球形分布板(4)上的分布孔孔径为38mm，开孔数为130个，均布排列于分布板上，流体2与流体1的质量比为5.0，在混合腔(5)出口处依据图7的采样点采样，通过气相色谱分析，每个采样点的乙醇的浓度相对峰高数值见表2，并采用式(1)和式(2)进行计算，均方根偏差S为0.031。该数据证明图5所示的装置具有十分理想的混合效果。

表2实施例2的采样分析数据

【实施例3】

采用图5所示的乙苯脱氢制苯乙烯的低压降导流喷嘴型混合装置，导流喷嘴设置如图6所示，八个导流喷嘴布置在四个平面，每层两个导流喷嘴，上下相互交错布置。

采用低水比(1.2)、共沸节能乙苯脱氢工艺，高温水蒸汽从底部进入混合器，进口温度为857℃，压力为95kPaA，乙苯流从侧面进入混合器，进口温度为510℃，压力为73kPa A。圆锥管(1)的半锥角α为8°，导流喷嘴(2)的短管(6)直径180mm，短管(6)长度为120mm，伸入圆锥管(1)的长度为50mm，导流喷嘴(2)的收缩管(7)的半锥角β为40°，半球形分布板(4)直径为700mm，半球形分布板(4)上的分布孔孔径为30mm，开孔数为238个，均布排列于分布板上，乙苯流与高温水蒸汽的质量比为2.5，混合后出口处压力为61kPaA，出口处不同径向位置测定混合后的温度，分别为614.4℃、615.8℃、616.5℃和617.2℃，温度偏差小于3℃，具有十分理想的混合效果。该工业装置混合器完全满足低水比、节能型乙苯脱氢工艺的要求。

【对比例】

采用图2所示的乙苯脱氢制苯乙烯的工业混合装置。

采用水比1.3的传统乙苯脱氢工艺，高温水蒸汽从侧面进入混合器，进口温度为750℃，压力为135kPaA，乙苯流进口温度为530℃，压力为125kPaA，混合后出口处压力为61kPaA，出口处直管不同径向位置测定混合后的温度，分别为629.8℃、628.7℃、628.1℃和626.4℃，温度偏差为3℃左右。该工业装置混合器具有十分理想的混合效果，但乙苯流和水蒸气流的压降较大，无法满足低水比、节能型乙苯脱氢工艺的要求。

由上可见，本发明的乙苯脱氢制苯乙烯的低压降导流喷嘴型混合装置，不仅结构简单，可在瞬间实现两股气体的快速混合，而且具有高均匀度的混合效果，可充分满足低水比、低能耗工艺和大型化的制造和低压降要求，保证乙苯流与高温水蒸汽的快速均匀混合。从而满足后续的反应工艺要求。

Claims (5)

1.一种乙苯脱氢制苯乙烯的低压降导流喷嘴型混合装置，其特征在于，该混合装置由圆锥管(1)、导流喷嘴(2)和环管(3)组成，圆锥管(1)与环管(3)通过数个导流喷嘴(2)相连，圆锥管(1)的内部形成混合腔(5)；

圆锥管(1)的半锥角α为5～25°；圆锥管(1)的锥顶设有一个开有许多均布孔的半球形分布板(4)，该半球形分布板(4)与高温水蒸汽的入口(9)相连接，高温水蒸汽通过入口(9)再经半球形分布板(4)上的均布孔进入混合腔(5)；

导流喷嘴(2)由一个收缩管(7)和一个短管(6)组成，收缩管(7)直径较大的一端与环管(3)相连，另一端与短管(6)相连，而短管(6)的另一端穿过圆锥管(1)伸入混合腔(5)；

乙苯流的入口(8)设置在环管(3)上，乙苯流通过入口(8)进入环管(3)，再经过导流喷嘴(2)的收缩管(7)和短管(6)进入混合腔(5)。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的环管(3)为圆形环管。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的环管(3)为两个同轴的直管的两端封闭所形成的矩形环管。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的导流喷嘴(2)的短管(6)的长度与直径之比为0.5～2，短管(6)伸进圆锥管(1)部分的长度与短管(6)的长度之比为0.5～1，收缩管(7)长度与短管(6)长度之比为1～8，收缩管(7)的半锥角β为10～60°。

5.如权利要求1至4所述的装置，其特征在于，所述的导流喷嘴(2)分布在1～8个不同高度的圆周上，每个圆周上导流喷嘴(2)的数量为2～12个，上下圆周上的导流喷嘴(2)沿周向交错设置。

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