CN104801445B - 一种液体压力喷嘴 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种液体压力喷嘴，以解决烷基化反应器使用现有的静态混合器、纤维膜或机械搅拌器进行液态浓硫酸与异丁烷的混合与分布时分别存在的混合深度不够、阻力较大等问题。本发明设有主体管(3)，主体管内腔(4)由上部的圆柱形内腔和下部的倒置圆锥形内腔组成。两根入口管(1)分别设于主体管侧面相向的两侧，每根入口管出口端的入口管内孔(2)沿圆柱形内腔的切向与圆柱形内腔连通。圆柱形内腔的顶端设有扰流元件(5)，倒置圆锥形内腔的底端与圆锥形喷嘴出口(7)的顶端之间设有喉道(6)，喷嘴出口的圆锥面上绕主体管的轴心线设有扰流槽(8)。本发明主要用于烷基化反应器中，用于液态浓硫酸与异丁烷的混合、雾化及分布。

Description

一种液体压力喷嘴
技术领域
本发明涉及一种石油炼制与化工设备的内构件，具体来说是涉及一种液体压力喷嘴。
背景技术
在石油炼制与化工行业的烷基化反应器中，要求实现两种液体物料(液态浓硫酸与异丁烷)的充分混合与分布。两种液体的物化特性不尽相同，尤其是互不相溶；要实现它们之间的混合与分布，现阶段主要使用静态混合器、纤维膜或机械搅拌器。但使用静态混合器、纤维膜或机械搅拌器存在有以下几个问题：(1)静态混合器、纤维膜的混合深度不够、混合效果较差，且阻力较大；(2)机械搅拌器可以实现深度混合，但是能耗较大；同时作为动设备，机械搅拌器易于发生故障、停工的几率相对较大。
在石油炼制与化工行业的很多反应器中，广泛地使用着各种喷嘴。喷嘴主要有两大类：液体压力喷嘴和气液喷嘴。其中，液体压力喷嘴利用液体压力能的转换，使液体从喷嘴喷射出时形成高速液体喷射薄膜，达成微滴雾化；这方面的例子有《化学工程与装备》杂志2008年第2期刊登的“旋涡压力喷嘴的雾化特性”一文所述的喷嘴。但现有的液体压力喷嘴都是用于单液体的雾化，不能用于烷基化反应器中以进行两种液体(液态浓硫酸与异丁烷)的混合与分布。
发明内容
本发明的目的是提供一种液体压力喷嘴，以解决烷基化反应器使用现有的静态混合器、纤维膜或机械搅拌器进行液态浓硫酸与异丁烷的混合与分布时分别存在的混合深度不够、阻力较大、易于发生故障等问题，以及现有的液体压力喷嘴不能用于烷基化反应器中以进行两种液体(液态浓硫酸与异丁烷)混合与分布的问题。
为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：一种液体压力喷嘴，设有主体管，主体管内设有主体管内腔，主体管底部的出口端设有圆锥形的喷嘴出口，其特征在于：主体管内腔由上部的圆柱形内腔和下部的倒置圆锥形内腔组成，液体压力喷嘴设有两根入口管，两根入口管分别设于主体管侧面相向的两侧，每根入口管的出口端设有一个入口管内孔，入口管内孔沿圆柱形内腔的切向与圆柱形内腔连通，两个入口管内孔的出口分别位于圆柱形内腔侧面相向的两侧，圆柱形内腔的顶端封闭并设有扰流元件，倒置圆锥形内腔的底端与喷嘴出口的顶端之间设有喉道，喷嘴出口的圆锥面上绕主体管的轴心线设有扰流槽。
采用本发明，具有如下的有益效果：本发明的液体压力喷嘴(简称为喷嘴)通过旋流和扰流等方式，可以实现液态浓硫酸与异丁烷的深度混合、雾化，混合效果较好；喷嘴压降(即阻力)较小、能耗低，并可使混合后的液体均匀分布。喷嘴的结构简单牢固、安装方便，没有运动部件、不容易发生故障。详见本发明说明书具体实施方式部分对本发明液体压力喷嘴的结构与操作过程的说明。
本发明液体压力喷嘴主要用于烷基化反应器中，用于两种互不相溶且不含固体颗粒物的液体(液态浓硫酸与异丁烷)的混合、雾化及分布。其可靠性高、稳定性好、磨损较小、高温运行中不易变形，在检修时基本上不需要更换；可以长期安全平稳地运行、避免非计划停工。采用本发明，由于可以使两种液体的混合传质效率较高、反应效率较高，因此可以使烷基化反应器的利用率较高，从而降低设备投资。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。附图和具体实施方式并不限制本发明要求保护的范围。
附图说明
图1是本发明液体压力喷嘴的结构示意图。
图2是图1中的B--B剖视图。
图3是本发明液体压力喷嘴中一种喉道的放大示意图。
图4是图1中的A-A剖视图，扰流元件为绕主体管的轴心线按辐射状均匀设置的扇形板。
图5是相当于图1中A--A位置的剖视图，扰流元件为绕主体管的轴心线按辐射状均匀设置的长方形板。
图6是图1中喷嘴出口的仰视图。
图7是本发明另一种液体压力喷嘴的结构示意图。
图1至图7中，相同附图标记表示相同的技术特征。
具体实施方式
参见图1、图2，本发明的一种液体压力喷嘴，设有主体管3，主体管3内设有主体管内腔4，主体管3底部的出口端设有圆锥形的喷嘴出口7。主体管内腔4由上部的圆柱形内腔和下部的倒置圆锥形内腔组成。液体压力喷嘴设有两根入口管1，两根入口管1分别设于主体管3侧面相向的两侧。每根入口管1的出口端设有一个入口管内孔2，入口管内孔2沿圆柱形内腔的切向与圆柱形内腔连通，两个入口管内孔2的出口分别位于圆柱形内腔侧面相向的两侧。圆柱形内腔的顶端封闭并设有扰流元件5，倒置圆锥形内腔的底端与喷嘴出口7的顶端之间设有喉道6。喷嘴出口7的圆锥面上绕主体管3的轴心线设有扰流槽8。
两根入口管1可以沿主体管3的轴向等高设置(如图1所示)，也可以上下设置(如图7所示)。上下设置时，两根入口管1轴心线之间的高度差k一般为5至10毫米(参见图7)。两根入口管1上下设置时，可以使两种液体(液态浓硫酸与异丁烷)的混合效果更好。操作过程中，密度大的液体(浓硫酸)从上面的入口管1进入主体管内腔4。两种液体的流量相差越大，所述的高度差k应该越大。
参见图1和图4，本发明液体压力喷嘴的一种扰流元件5，为绕主体管3的轴心线按辐射状均匀设置的扇形板(其在水平截面上的形状大致为扇形)。扇形板的数量为6个(如图4所示)、4个或3个，相邻两个扇形板相邻的两个侧面之间的间距e为2至6毫米。参见图1和图5，本发明液体压力喷嘴的另一种扰流元件5，为绕主体管3的轴心线按辐射状均匀设置的长方形板。长方形板的数量为6个(如图5所示)、4个或3个，每个长方形板的厚度f为2至4毫米。本发明优选使用扇形板式的扰流元件5。
参见图1(以及图7)，本发明的液体压力喷嘴中，喉道6的侧面可以为圆柱面(即喉道6的形状为圆柱形)。喉道6的侧面还可以为圆弧回转面，如图3所示。所述的圆弧回转面，是以一段向主体管3的轴心线方向凸起的圆弧为母线、绕主体管3的轴心线(作为回转轴)进行旋转而得到的回转面。喉道6的直径d一般为1至5毫米，高度c一般为2至10毫米。对于图3所示的喉道6，其直径d为最小处(即喉圆)的直径，高度c为圆弧回转面的垂直高度。上述两种喉道6的高度c均较小，可以减小液体流动阻力；喉道6的侧面为圆弧回转面时(如图3所示)，也可以减小液体流动阻力。
本发明的液体压力喷嘴，在喷嘴出口7圆锥面上绕主体管3的轴心线所设的扰流槽8，可以是直条形槽、圆形槽、半圆形槽或圆锥螺旋形槽等，优选使用直条形槽。图1和图6所示的扰流槽8即为直条形槽；直条形槽按辐射状均匀设置，数量为6～16个。
扰流槽8为圆形槽时，数量为6～16个；各圆形槽水平设置，分别处于不同的轴向高度位置，圆心都位于主体管3的轴心线上。如果将一个圆形槽沿其直径分为两半，即可形成半圆形槽形的扰流槽8；喷嘴出口7圆锥面上所设半圆形槽形的扰流槽8，其数量基本上为圆形槽形扰流槽8数量的一倍(即12～32个)。扰流槽8为圆锥螺旋槽时，圆锥螺旋槽的数量为1个(总体形状类似于一条圆锥螺旋线)，其轴心线与主体管3的轴心线重合，旋向与喷嘴出口7内液体的旋转方向相反。本发明所述的各种扰流槽8，横断面形状可以是矩形、三角形等。上述扰流槽8的形状及其横断面形状的附图均省略。
本发明的液体压力喷嘴，主体管内腔4的总高度H一般为15至50毫米，主体管内腔4上部圆柱形内腔的直径D一般为5至30毫米。主体管内腔4下部倒置圆锥形内腔的高度b一般为1/2H至2/3H，锥角α一般为40至90度。扰流元件5的高度a一般为2至8毫米。圆锥形喷嘴出口7的锥角β一般为60至150度，圆锥形喷嘴出口7的底端圆口通常是开设至主体管3底面的边缘。在喷嘴出口7圆锥面上所设的各种扰流槽8的宽度一般为2至4毫米(在喷嘴出口7圆锥面的下表面上测量)，深度一般为2至4毫米。图1和图6所示的扰流槽8(直条形槽)的宽度用g表示。
本发明的液体压力喷嘴，主体管3的外观可以为长方体形，外面的边角处倒角处理(参见图1、图2、图4至图7)。主体管3的外观还可以是圆柱形、正棱柱形等，图略。入口管1一般为圆管，入口管内孔2一般为圆孔，入口管1与主体管3之间焊接连接。本发明附图所示的主体管3为整体式结构，也可以将主体管3顶部的顶盖(用于封闭主体管内腔4上部圆柱形内腔的顶端)与下部的管体之间改为螺纹连接结构(图略)。本发明液体压力喷嘴的材料，一般为不锈钢。
本发明的液体压力喷嘴在使用时，可以将多个液体压力喷嘴安装在支管分布器上，然后一同安装于烷基化反应器内。支管分布器可以使用石油炼制与化工行业中加氢反应器所常用的支管分布器，本发明液体压力喷嘴的入口管1可以通过螺纹与支管分布器连接在一起，有关的附图省略。本发明液体压力喷嘴的使用数量，应使其喷出的液体能够将烷基化反应器内位于安装有液体压力喷嘴的支管分布器下方的催化剂床层或填料床层的上表面覆盖。
下面以图1所示的液体压力喷嘴为例说明本发明的操作过程，同时说明喷嘴各部件或部位的作用。两种液体(液态浓硫酸与异丁烷)分别由两个入口管1、两个入口管内孔2沿主体管内腔4上部圆柱形内腔的切向进入圆柱形内腔，之后再进入主体管内腔4下部的倒置圆锥形内腔。由于两种液体沿切向进入，从而在主体管内腔4中形成旋流。液体(泛指上述两种液体之一或是两种液体的混合物)旋流形成一个外强旋流区、一个内弱旋流区；外强旋流区向下运动，内弱旋流区向上运动。内弱旋流区中向上流动的液体碰到扰流元件5后受到扰流元件5的扰流作用被强制扰流混合，再向下流动，对向下流动的外强旋流区中的液体产生作用，能够防止外强旋流区中互不相溶的两种液体形成分层旋流、强化混合效果。扰流元件5的扰流作用，还可以避免液体由喷嘴出口7流出后的空心锥效应。圆柱形内腔中混合后的两种液体进入倒置圆锥形内腔后，倒置圆锥形内腔能够进一步强化两种液体的旋流混合，同时加速液体流动，提高液体在喷嘴出口7处的扩散效果。
两种液体在主体管内腔4中经过旋流和扰流及混合后向下流经喉道6，加速流动；借助流经喉道6时的文丘里效应强化液液混合，并使高速旋流液体由喉道6流出后膨胀扩散、形成旋转液体薄膜，以提高液体压力喷嘴的扩散均布性能。
之后，喉道6内的液体高速进入喷嘴出口7，形成旋转液体薄膜；在喷嘴出口7内的气体流场、尤其是在扰流槽8的作用下，被撕裂破碎为均匀分布的小液滴，最后从喷嘴出口7向下喷出，均匀地分布到烷基化反应器内的催化剂床层或填料床层上。在上述的过程中，扰流槽8能够快速地扰流破碎喷嘴出口7内的液体薄膜，使液体在分布过程中进一步强化混合、增强液体间的传质效果，同时使液体分布得更加均匀。
在上述的操作过程中，两种液体(液态浓硫酸与异丁烷)的进料压力一般均为0.4～2.0MPa(表压)，温度一般均为0至30℃。由喉道6流出的液体的轴向喷射速度一般为15～50米/秒。液体从喷嘴出口7向下喷出时，雾化粒径(索太尔直径)一般为50～200微米。在喷嘴出口7底端圆口下方300至500毫米的水平面上，液滴分布的不均匀度系数一般在0.5以下。本发明液体压力喷嘴的压降，一般为50至200Pa。

Claims (9)

1.一种液体压力喷嘴，设有主体管(3)，主体管(3)内设有主体管内腔(4)，主体管(3)底部的出口端设有圆锥形的喷嘴出口(7)，其特征在于：主体管内腔(4)由上部的圆柱形内腔和下部的倒置圆锥形内腔组成，液体压力喷嘴设有两根入口管(1)，两根入口管(1)分别设于主体管(3)侧面相向的两侧，每根入口管(1)的出口端设有一个入口管内孔(2)，入口管内孔(2)沿圆柱形内腔的切向与圆柱形内腔连通，两个入口管内孔(2)的出口分别位于圆柱形内腔侧面相向的两侧，圆柱形内腔的顶端封闭并设有扰流元件(5)，倒置圆锥形内腔的底端与喷嘴出口(7)的顶端之间设有喉道(6)，喷嘴出口(7)的圆锥面上绕主体管(3)的轴心线设有扰流槽(8)。
2.根据权利要求1所述的液体压力喷嘴，其特征在于：两根入口管(1)沿主体管(3)的轴向等高设置或上下设置，上下设置时两根入口管(1)轴心线之间的高度差k为5至10毫米。
3.根据权利要求1所述的液体压力喷嘴，其特征在于：扰流元件(5)为绕主体管(3)的轴心线按辐射状均匀设置的扇形板，扇形板的数量为6个、4个或3个，相邻两个扇形板相邻的两个侧面之间的间距e为2至6毫米。
4.根据权利要求1所述的液体压力喷嘴，其特征在于：扰流元件(5)为绕主体管(3)的轴心线按辐射状均匀设置的长方形板，长方形板的数量为6个、4个或3个，每个长方形板的厚度f为2至4毫米。
5.根据权利要求1所述的液体压力喷嘴，其特征在于：喉道(6)的侧面为圆柱面或圆弧回转面，喉道(6)的直径d为1至5毫米，高度c为2至10毫米。
6.根据权利要求1所述的液体压力喷嘴，其特征在于：在喷嘴出口(7)圆锥面上所设的扰流槽(8)为直条形槽，直条形槽按辐射状均匀设置，数量为6～16个。
7.根据权利要求1所述的液体压力喷嘴，其特征在于：在喷嘴出口(7)圆锥面上所设的扰流槽(8)为圆形槽或半圆形槽，数量分别为6～16个、12～32个。
8.根据权利要求1所述的液体压力喷嘴，其特征在于：在喷嘴出口(7)圆锥面上所设的扰流槽(8)为1个圆锥螺旋槽。
9.根据权利要求1至8中任何一项所述的液体压力喷嘴，其特征在于：主体管内腔(4)的总高度H为15至50毫米，主体管内腔(4)上部圆柱形内腔的直径D为5至30毫米，主体管内腔(4)下部倒置圆锥形内腔的高度b为1/2H至2/3H，锥角α为40至90度，扰流元件(5)的高度a为2至8毫米，圆锥形喷嘴出口(7)的锥角β为60至150度，在喷嘴出口(7)圆锥面上所设的扰流槽(8)的宽度为2至4毫米，深度为2至4毫米。
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