CN102858442B - 用于混合腐蚀性气体和非腐蚀性气体的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及用于将第一气体与第二气体相混合的混合装置(10)，第二气体对混合装置有腐蚀性。该混合装置包括具有第一气体引导入口部分(14)和第一气体引导出口部分(16)的第一气体引导部分(12)、具有第二气体引导入口部分(20)和第二气体引导出口部分(22)的第二气体引导部分(18)，第二气体引导出口部分布置在第一气体引导部分中，以便混合第一气体和第二气体，以及构造成用以在第一气体中建立旋流运动的导向叶片。还公开了一种相关的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种混合装置。本发明还涉及一种用于混合的方法。具体而言，本发明涉及一种用于混合两种或多种气体的混合装置。该混合装置可为大型设备（如生产设备）的一部分。
背景技术
在混合至少一种气体对混合装置有腐蚀性的气体时，需要保护混合装置。这可通过将衬层或涂层施加到混合装置的内部上来实现。衬层和涂层可能很昂贵，且最终将磨损。本发明提供了一种至少克服这些问题的装置。
GB1141888公开了一种混合装置，也是用于反应性气体混合，其也包括同心的第一和第二气体引导部分，其中，（内）第二气体被扭转部件驱动为旋流运动，该扭转部件作为导向叶片。这驱使第二气体进入外侧第一气体，辅助有效的混合。对于腐蚀性的第二气体，这种方法是高风险的，因为使第二气体旋流会在完成混合之前穿透第一气体，使得在第一气体引导部分发生腐蚀情况。
US2005/0095185公开了一种用于反应性气体混合物的混合装置，诸如合成气体，其中，氧气在具有第一气体引导入口部分端部和第一气体引导出口部分端部的第一气体引导部分中引导，甲烷在具有第二气体引导入口部分和第二气体引导出口部分的第二气体引导部分中引导，第二气体引导出口部分布置在第一气体引导部分中，使得第一气体和第二气体被混合，并且第二气体的出口的下游的导向叶片构造成在组合气体中建立旋流运动，用于在短的混合区之后建立混合。根据该方法，腐蚀性的第二气体将不被驱使到第一气体引导器件，但对此没有有效的阻碍。
发明内容
在第一方面中，本发明涉及一种用于将第一气体与第二气体相混合的混合装置，第二气体对混合装置有腐蚀性，该混合装置包括具有第一气体引导入口部分端部和第一气体引导出口部分端部的第一气体引导部分、具有第二气体引导入口部分和第二气体引导出口部分的第二气体引导部分，第二气体引导出口部分布置在第一气体引导部分中，以便混合第一气体和第二气体，以及构造成用以在第一气体中建立旋流运动的导向叶片。
混合装置的布置构想成用以允许气体混合且升高第二气体的温度，使得第二气体不会腐蚀外侧的第一气体引导部分的内表面。这是有利的，因为这减少了对第一气体引导部分的内表面上的衬层和涂层的需要。
有利的是，混合区形成在第一气体引导部分中，且导向叶片布置在混合区的上游的第一气体流中的第一气体引导部分中。旋流运动可改善两种气体的混合。
在实施例中，第二气体引导入口部分布置在第一气体引导部分的外侧。
在实施例中，第一气体为热的相对干燥的气体，而第二气体为相对潮湿的腐蚀性气体。第二气体在给定的高温下对第一气体引导部分有腐蚀性。在两种气体在混合装置中混合之后，产生的混合气体具有高于酸露点的温度，且因此没有腐蚀性流体形成在第一气体引导部分的内侧上。
在实施例中，第二气体引导出口部分布置成使得第一气体形成保护区，在保护区中，防止第二气体与第一气体引导部分接触。保护区可为围绕第二气体流的区域或体积。
在实施例中，第二气体引导部分包括同轴地布置为内气体引导部分和外气体引导部分的两个气体引导部分，气体引导部分布置成使得在从相应的气体引导部分排出相应的气体时，外气体引导部分提供第一气体与第二气体之间的气体层。这是进一步有利的，因为可通过中间气体来保护内气体引导部分免受外侧腐蚀性气体影响。
在实施例中，在混合区的开始处的第一气体的温度高于混合区的开始处的第二气体的温度。
本发明的第二方面涉及一种用于混合第一气体和第二气体的方法，该方法包括以下步骤：提供用于将第一气体与第二气体相混合的混合装置，第二气体对混合装置有腐蚀性，混合装置包括：具有第一气体引导入口部分端部和第一气体引导出口部分端部的第一气体引导部分、具有第二气体引导入口部分和第二气体引导出口部分的第二气体引导部分，第二气体引导出口部分布置在第一气体引导部分中，使得第一气体和第二气体混合，在第一气体引导入口处提供包括第一气体的第一流、在第二气体引导入口处提供包括第二气体的第二流，以及在第一气体引导部分中限定混合区，第一流围绕第二流，使得混合区中的第一流接近第一气体引导部分。
有利的是，第一流阻碍第二流与第一气体引导部分的内表面相接触，因而减小或消除了内表面的腐蚀。当混合了两种气体之后，使混合物的温度升高至高于酸露点的温度。
在实施例中，第一气体为热的相对干燥的气体，而第二气体为潮湿的腐蚀性气体。第二气体可仅对外第一气体引导部分有腐蚀性。第一气体在其不包括任何蒸汽如水蒸汽的意义上，不必完全干燥。第一气体可包括硫酸蒸汽。
在实施例中，第一气体可为环境空气。在第一气体为环境空气或包括环境空气的实施例中，第一气体的水含量可取决于周围空气的水含量。可在将环境空气供应至混合装置之前来确定实际水含量。第一气体可在供应至混合装置之前加热，或可在混合装置中加热。
在实施例中，第一气体包括水蒸汽和硫酸蒸汽。
在实施例中，混合区中的第一气体和第二气体沿基本平行的方向流动。有利的是，两个流布置成使得在第二气体与第一气体引导部分的内表面接触之前混合气体。
在实施例中，该方法还包括在混合第一气体和第二气体之前在第一气体中建立旋流运动。
在本方法的实施例中，第一气体在混合区的开始处具有范围从150摄氏度至400摄氏度的温度，和/或第二气体具有范围从0摄氏度至250摄氏度的温度。总的来说，第一气体具有高于第二气体的温度，使得在混合之后提供第二气体的温度升高。
本发明的第三方面涉及一种用于将第一气体与第二气体相混合的设备，第一气体对混合装置的部分有腐蚀性，该混合装置包括具有第一气体引导入口部分端部和第一气体引导出口部分端部的第一气体引导部分、具有第二气体引导入口部分和第二气体引导出口部分的第二气体引导部分、第二气体引导出口部分布置在第一气体引导部分中、具有第三气体引导入口部分和第三气体引导出口部分的第三气体引导部分，第三气体引导出口部分布置成基本围绕第二气体引导部分，该混合装置构造成用以分别在第一气体引导入口部分、第二气体引导入口部分和第三气体引导入口部分处接收第一气体、第二气体和第三气体，第一气体引导出口部分、第二气体引导出口部分和第三气体引导出口部分布置成使得第一气体、第二气体和第三气体全部都混合。
在实施例中，提供了第三气体，以便防止第一气体与第二气体引导部分的表面接触。
作为优选，在混合区的开始处，刚好在混合开始之前，第二气体的温度低于第一气体的露点。此外，第三气体(即，保护气体)的温度优选为高于第一气体的露点。
在实施例中，该设备还可包括构造成用以在第一气体中建立旋流运动的导向叶片。
相对于第一方面、第二方面和第三方面提到的特征和优点可等同地应用于本发明的其它方面。
附图说明
将参照附图中的实施例来更为详细地描述本发明，在附图中：
图1为混合装置的第一实施例的一部分的示意图，
图2为混合装置的第二实施例的一部分的示意图，
图3为混合装置的第一实施例的示意性前视图，
图4为混合装置的第一实施例的示意性透视图，
图5为示出用于混合两种气体的方法的步骤的示意性流程图，以及
图6为混合装置的第二实施例的示意图。
具体实施方式
图1示意性地示出了混合装置10。混合装置10构造成用于使第一气体与第二气体相混合。在当前的优选实施例中，装置用于混合两种气体，其中一种气体对混合装置有腐蚀性。混合装置10包括具有第一气体引导部分入口14和第一气体引导部分出口16的第一气体引导部分12。混合装置10还包括具有第二气体引导部分入口20和第二气体引导部分出口22的第二气体引导部分18。第二气体引导部分出口22布置在第一气体引导部分12中，以便混合第一气体和第二气体。混合区限定在第一气体引导部分12中。混合区基本从第二气体引导部分出口22处的区域延伸。混合区24的尺寸取决于气体的流体积和速度，且还可取决于气体的粘性和温度。
当使用根据本发明的混合装置时，一个优点在于在混合过程期间可保持混合管路中的内表面干燥且高于酸露点温度。因此，可在不使用例如由PFA/PTFE制成的昂贵的抗腐蚀内衬层的情况下避免内管路的腐蚀。
总的来说，优选的是在混合区的开始处的第一气体的温度高于混合区的开始处的第二气体的温度。气体的动力将确保两种气体被混合。混合物的温度将取决于气体的质量流量、气体的初始温度和气体的热容量。混合装置可用于混合两种、三种或更多种气体。
如可从图1中看到的那样，将内管路18插入外管路12的弯曲部中，且在混合区24的开始处（始于内管路18的出口22），引入潮湿腐蚀性气体（由箭头21和23示出），该气体与箭头25和27示出的热的相对干燥的气体平行流动。在本发明的当前的优选实施例中，气体引导部分12和18形成为带有圆形横截面的管路，但可使用其它几何形状，如椭圆形、卵形、正方形、矩形或任何多边形或它们的组合。
混合装置10还包括构造成用以在第一气体中建立旋流运动的导向叶片26。旋流运动可为层流。作为备选，旋流运动可为湍流。在层流中可有存在湍流的小区域，但湍流可忽略不计。
导向叶片26将旋流运动提供给箭头27示出的热的相对干燥的气体，从而允许气体围绕内管路18旋动。旋流运动持续到混合区24中，在混合区24中，旋流运动便于气体的混合，且保持混合装置10的内表面干燥，且确保混合装置的壁温度高于酸露点。由于导向叶片26，可在不使用昂贵的抗腐蚀衬层来保护混合装置的情况下在混合区24中避免混合装置10的腐蚀。混合装置10可由碳钢或不锈钢或任何其它适合的材料制成。
包括导向叶片26还允许在比使用没有导向叶片26的实施例更低的热的相对干燥的气体与潮湿气体摩尔比率下操作。
在本发明的优选实施例中，平行于混合管路的中心线地将内管路18插入外管路12的斜接弯曲部中。斜接弯曲部包括45°区段。内管路从斜接弯曲部的45°区段的中心线与气体引导部分12A的交点的延伸等于气体引导部分12A的直径的0.1倍至3倍，且优选为0.3倍至2倍。更优选的是，不由导向叶片26覆盖的气体引导部分18的长度等于气体引导部分12A的直径。
入口气体方向与混合管路中心线之间的角(α)在50°至170°的范围内，优选为在70°至130°的范围内，更优选为大约90°。
见图3，导向叶片的曲率半径(Rv)可在1/2d（d为内气体引导部分的直径）与(1/12d+5/12D1)之间，其中D1为入口区段处的第一气体引导部分的直径，作为优选，导向叶片的曲率半径等于(D1+d)/4。
混合管路的直径(D2)等于热干燥气体管路的直径(D1)的0.6倍至2倍，优选为0.8倍至1.5倍。更优选的是，两个直径基本相等。
导向叶片的角(β)在0°至360°的范围内，优选为45°至180°。
在本发明的优选设计中，在内管路的出口处的外管路与内管路之间的环形空间中的热的相对干燥的气体的平均轴向速度与内管路中的平均轴向速度的比率为0.4至2.5，优选为0.6至1.7。
作为优选，气体引导部分具有圆形横截面。第一和/或第二气体引导部分的横截面可为圆形、卵形、椭圆形、正方形、矩形、五边形、六边形，或可限定任何多边几何形状或它们的组合。
当第一气体和第二气体沿箭头23的方向流动时，导向叶片26位于混合区24的上游，即，在混合区之前的区域中的第一气体引导部分12中。
在图1中所示的实施例中，第二气体引导部分入口20布置在第一气体引导部分12的外侧。这建立了两个入口，且因此允许将两种气体供应至混合装置。
在当前的优选实施例中，第一气体为热的相对干燥的气体，而第二气体为潮湿的腐蚀性气体。应当防止潮湿的腐蚀性气体与第一气体引导部分12的内侧接触。这通过两个气体引导部分的布置来实现。此外，导向叶片26确保了实现所期望的混合条件。可选择导向叶片26的尺寸和精确位置，以便优化混合区处的气体的移动，因而减小了混合区的所需区域，即，很快地混合两种气体。
作为优选，在此布局中，第二气体引导出口部分布置成使得第一气体形成保护区，在该保护区中，防止第二气体与第一气体引导部分接触。这被构想出以便延长混合装置的有效操作时间。还可提供较好的产率，因为第二气体不会通过与第一气体引导部分中的材料的化学反应来释放活性成分。
图2示意性地示出了实施例，其中第二气体引导部分包括分别同轴地布置为内气体引导部分和外气体引导部分的两个气体引导部分34和32。气体引导部分布置成使得在从相应的气体引导部分排出相应的气体时，外气体引导部分32在第一气体与第二气体之间提供第三气体层38。
图2中的实施例在对内侧第二气体引导部分有腐蚀性的气体与另一气体相混合时也可为有利的。将引入中间层或介入层，使得对最内气体引导部分有腐蚀性的最外侧气体不会与最内气体引导部分相接触。因此，第一气体流或层36对气体引导部分34有腐蚀性。第二气体流或层40将在混合区24中与第一气体流或层36和第三气体流或层38相混合。
下文列出了与根据本发明的混合装置的实施例中的气体相关的三个实例：
以下的实例中的混合装置的尺寸为：混合区之前的入口管路或第一气体引导部分的直径(D1)：2000mm，混合区处的第一气体引导部分的直径(D2)：2000mm，第二气体引导部分的直径(d)：1200mm，第一气体引导部分内侧的第二气体引导部分的长度(L)：2000mm。参考标号见图6。
热的相对干燥的气体：流量：34804kg/h，摩尔重量：29，温度：219℃，压力1005mbar，热容量：0.256kcal/kg/℃。
潮湿的腐蚀性气体：流量：33051kg/h，摩尔重量：29，温度：100℃，压力1000mbar，热容量：0.265kcal/kg/℃，硫酸雾含量按体积：30ppm，酸露点：152℃。
完全混合的气体：流量：67855kg/h，摩尔重量：29，温度：160℃，压力1000mbar，硫酸雾含量按体积：15ppm，酸露点：138℃。
通过使用计算流体动力学来计算混合导管的内表面温度。混合管路的计算的最低内表面温度为(排除至周围的热损失和管路壁中的热传导)：150℃。
混合管路的内表面的最低温度以良好的裕度高于混合气体的酸露点，混合管路不会腐蚀。
如以上实例中那样但没有导向叶片，用相同的气体条件来完成计算。
通过使用计算流体动力学来计算混合导管的内表面温度。混合管路的计算的最低内表面温度为(排除至周围的热损失和管路壁中的热传导)：135℃。
混合管路的内表面的最低温度低于混合气体的酸露点，混合管路会腐蚀。
在混合装置不包括导向叶片且内管路较短的实施例中，使用与以上实例中相同的气体条件来执行计算。
通过使用计算流体动力学来计算混合导管的内表面温度。混合管路的计算的最低内表面温度为(排除至周围的热损失和管路壁中的热传导)：132℃。
混合管路的内表面的最低温度低于出口气体的酸露点，且因此混合管路会腐蚀。
以上实例证实了导向叶片的效果。
图3以不同视角示出了图1中的混合装置10。导向叶片26附接到气体引导部分12的内表面上。如图1中通过箭头27所示，导向叶片26迫使第一气体围绕导向叶片26流动。
图4为混合装置10的示意性透视图。如图4中示出那样，气体引导部分12可分为两个部分，在内管路26的出口之前的部分，即，部分12A，以及在内管路26的出口之后的部分，即，部分12B。不需要部分12A和12B具有类似的直径。部分12B可具有比部分12A更大的直径。因而，可建立较大的混合区。
如还在别处提到的那样，在另一实施例中，气体引导部分12B可具有小于气体引导部分12A的直径的直径。在当前优选的实施例中，两个部分12A和12B具有类似或相同的直径。
此外，气体引导部分12可具有这里未示出的弯曲部或扭转。例如，气体引导部分可包括90度弯曲部或连接到90度弯曲部上，以便连接到烟道或排气口或出口。
图5为用于混合第一气体和第二气体的方法42中的步骤的示意性流程图解视图。该方法42包括步骤44：提供用于第一气体与第二气体相混合的混合装置，第二气体对混合装置有腐蚀性，该混合装置包括具有第一气体引导入口部分端部和第一气体引导出口部分端部的第一气体引导部分、具有第二气体引导入口部分和第二气体引导出口部分的第二气体引导部分，第二气体引导出口部分布置在第一气体引导部分中，以便混合第一气体和第二气体。该方法还包括步骤46：在第一气体引导入口处提供包括第一气体的第一流。该方法还包括步骤48：在第二气体引导入口处提供包括第二气体的第二流。混合区限定在第一气体引导部分中，第一流围绕第二流，使得混合区中的第一流接近第一气体引导部分。
使用相对于图1至图4和图6中的任一个描述的混合装置来执行该方法。
图6为混合装置的实施例的示意图。混合装置包括如上文所述的带有45度角的斜接弯曲部。
Claims (10)
1.一种用于将第一气体与第二气体相混合的混合装置，所述混合装置包括：
具有第一气体引导入口部分端部和第一气体引导出口部分端部的第一气体引导部分，且所述第二气体对所述第一气体引导部分有腐蚀性，
具有第二气体引导入口部分和第二气体引导出口部分的第二气体引导部分，所述第二气体引导出口部分布置在所述第一气体引导部分中，使得所述第一气体和所述第二气体被混合，以及
构造成用以在操作中在所述第一气体中建立旋流运动的导向叶片，其中所述第一气体的旋流运动阻止所述第二气体与所述第一气体引导部分之间的接触，混合区形成在所述第一气体引导部分中，所述导向叶片布置在所述混合区的上游的所述第一气体中的第一气体引导部分中，所述导向叶片将旋流运动提供给所述第一气体，从而允许所述第一气体围绕所述第二气体引导部分旋流运动，该旋流运动持续到混合区中，在该混合区中，该旋流运动便于所述第一气体和所述第二气体的混合，且保持所述混合装置的内表面干燥。
2.根据权利要求1所述的混合装置，其特征在于，所述第二气体引导入口部分布置在所述第一气体引导部分外侧。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的混合装置，其特征在于，所述第一气体为热的相对干燥的气体，所述第二气体为潮湿的腐蚀性气体。
4.根据权利要求3所述的混合装置，其特征在于，所述第二气体引导出口部分布置成使得所述第一气体形成保护区，在所述保护区中，防止所述第二气体与所述第一气体引导部分接触。
5.根据权利要求4所述的混合装置，其特征在于，所述第二气体引导部分包括同轴地布置为内气体引导部分和外气体引导部分的两个气体引导部分，以便在从所述相应的气体引导部分排出相应的气体时，所述外气体引导部分在所述第一气体与所述第二气体之间提供气体层。
6.一种用于混合第一气体和第二气体的方法，所述方法包括以下步骤：
提供用于将所述第一气体与所述第二气体相混合的混合装置，所述第二气体对所述混合装置有腐蚀性，所述混合装置包括：
具有第一气体引导入口部分端部和第一气体引导出口部分端部的第一气体引导部分，
具有第二气体引导入口部分和第二气体引导出口部分的第二气体引导部分，所述第二气体引导出口部分布置在所述第一气体引导部分中，使得所述第一气体和所述第二气体被混合，
在所述第一气体引导入口部分端部处提供包括所述第一气体的第一旋流，
在所述第二气体引导入口部分处提供包括所述第二气体的第二流，
在所述第一气体引导部分中限定混合区，所述第一旋流围绕所述第二流，使得所述混合区中的第一旋流接近所述第一气体引导部分，
在所述混合区的上游的所述第一气体中的第一气体引导部分中，提供导向叶片，所述导向叶片将旋流运动提供给所述第一气体，从而允许所述第一气体围绕所述第二气体引导部分旋流运动，该旋流运动持续到混合区中，在该混合区中，该旋流运动便于所述第一气体和所述第二气体的混合，且保持所述混合装置的内表面干燥。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一气体为热的相对干燥的气体，所述第二气体为潮湿的腐蚀性气体。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，混合区中的所述第一气体和所述第二气体沿基本平行的方向流动。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述混合区的开始处的所述第一气体的温度高于所述混合区的开始处的所述第二气体的温度。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述第二气体的温度低于所述第一气体的露点。
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