CN105960278A - 气体分布器喷嘴 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种气体分布器喷嘴(25)，其包含浮体(13)和竖直向上取向的气体入口(1)，当无气体流动时，气体入口(1)的出口可通过该浮体(13)闭合，其中所述浮体(13)的重心低于气流的力作用点。本发明还涉及具有固体床和至少一个气体分布器喷嘴(25)的反应器。

Description

气体分布器喷嘴

本发明涉及一种包含竖直向上取向的气体进口和浮体的气体分布器喷嘴，在没有气体流动或在流动方向上气体分布器喷嘴下游的的压力大于气体分布器喷嘴的上游时，所述气体进口外面的出口孔可通过所述浮体闭合。

气体分布器喷嘴被用于例如将气体引入固体床(solid bed)。固体床通常包含气体流经的颗粒或粉末。其中使用气体分布器喷嘴的固体床为例如沸腾床(fluidized beds)、流化床(fluid beds)或移动床。

将气体经由气体分布器喷嘴引入固体床通常通过风箱进行，气体通过合适的气体分布器由该风箱引入至固体床。在这种情况下，必须的设置气体分布器的方式是，使得无来自固体床的颗粒能够通过气体分布器进入风箱。

气体分布器例如可为喷射器、多孔板、弯曲多孔板或喷嘴板。气体应通过所述气体分布器均匀地分布于整个横截面。为此，所述气体分布器必须具有最小压力降，其与固体床压力降成比例。用于沸腾床的经验法则是，在气体分布器上的压力降必须为沸腾床压力降的至少20％至30％。如果在以大工业规模设计沸腾床装置时考虑到其还需要在部分负载下(即，当较少的气体流经气体分布器板时)操作，则这就意味着，对于满载操作而言，在气体分布器板上的压力降明显高于设定值即沸腾床压力降的20％至30％，由此将增加操作成本。

喷射器的缺点是(特别是在固体床的下部)不能实现在整个横截面上的均匀的气体分布。虽然多孔板可使气体在整个横截面上均匀地分布，但是这里应该考虑到在某些情况下颗粒可在稳态操作过程中慢慢向下移动穿过孔而进入风箱中。为避免这种情况，本领域的技术人员使用了喷嘴板。喷嘴板包含气体分布器喷嘴，其彼此相邻地布置在底板上。在正常的操作中，这些喷嘴的设计防止了颗粒慢慢移动返回到风箱中。然而，在实践中发现，在固体床处于操作过程中时也出现了如上所述的颗粒可慢慢移动穿过气体分布器喷嘴返回的状况。此状况例如可为气体供应的突然故障或甚至是固体床中的压力反转。压力反转应理解为意指在流动方向上气体分布器喷嘴的下游的压力高于其上游的压力。如果固体床的废气通道由于安全措施被突然闭合，而气体进口仍保持了一段短时间开启，则可出现这种状况。如果发生这种情况，则气体分布器喷嘴的下游短暂地出现较高的压力，这导致颗粒流经喷嘴而进入风箱。此外，气体也可在气体循环系统中的压缩机故障的情况下通过喷嘴流回并且在此过程中夹带颗粒。

进入风箱的颗粒被风箱中的气流夹带且可由此导致气体分布器喷嘴的不期望的腐蚀。此过程加速，则气体分布器喷嘴受损更加严重。如果这种损害严重到不能实现气体在横截面均匀分布的程度时，该装置就必须关闭。此外，颗粒可堵塞各个喷嘴，以使气体可能无法再通过喷嘴流入固体床，导致气流在横截面上不均匀分布。例如当在沸腾床反应器中进行放热反应时，均匀气体分布是重要的，因为这样可实现均匀温度分布。热区的形成通常是不期望的，因为它们可导致例如容量的降低或不安全状态。

此外，在通过所用气体的吸附而发生毛细管凝聚的情况下，固体床的材料也可能发生腐蚀。特别是在将催化剂用作固体床的材料和气体用作原料时或任选地反应产物对风箱的材料具有腐蚀作用时出现这种情况。特别是在进料至风箱的温度低于操作温度时会出现毛细管凝聚。

特别是当固体床的材料为催化剂且反应混合物已经被引入至风箱时，与流回至风箱的颗粒的接触可导致不期望的反应。尤其是在放热反应的情况下，由于产生的热量通常不能被充分地散去，这会导致风箱中温度升高。

此外，必须定期清洁风箱并将颗粒从风箱中除去，为达到这一目的，每次必须中断方法过程，因此降低了方法的效率且增加了操作成本。

为防止来自固体床的颗粒能通过气体分布器喷嘴流回，例如从US3,386,182已知可使用中心(central)气体分布器喷嘴，其具有在气流中断时由弹簧辅助件闭合的闭合元件。

US 4,387,667公开了一种浮体，其用于建立恒定的压力降。在这种情况下，该浮体为尖端朝下直立的圆锥体的形式且其周围分布有肋条，当气流太微弱时该浮体借助于该肋条停靠在套筒上。其中，该套筒具有朝气流方向变宽的圆锥形的横截面。该文中记载的浮体不能防止颗粒回流。

一种球体形的浮体已知于US 3,921,663。当气体流量太低时，所述球体立于气门上。气门上方提供具有以圆锥形变宽的横截面的套筒。这确保了在降低气体流量的情况下球体立于气门上。

所有现有技术中已知的浮体的缺点是，它们不能建立起与通过喷嘴的气体体积流速无关的恒定压力降，以使固体床可进行均匀的操作，或浮体不能确保颗粒保持在固体床中，特别是在低气体流速或反流的情况下。另一缺点是，对于所需的压力降，通常浮体必须非常重，这会导致不稳定的操作条件。

因此，本发明的目的是提供一种气体分布器喷嘴，其即使在不稳定的气体流量的情况下也可建立恒定的压力降并且在气体供应完全或部分故障的情况下或在底部的压力反转的情况下也可防止来自固体床的颗粒的回流。

该目标通过包含竖直向上取向的气体进口和浮体的气体分布器喷嘴来实现，在气体速率降低至低于给定值时，气体进口外面的出口孔可通过所述浮体闭合，没有气体流动或发生压力反转，其中所述浮体的重心低于气流阻力的力作用点。

将重心设置为低于气流阻力的力作用点确保了不会建立不稳定的操作状态。如果浮体因为不均匀的气体流量而开始振动或开始倾斜，则由于重心低于力作用点，其本身再次直立并自行稳定。这也防止了浮体被卡住，从而不损害闭合功能。此外，浮体也可建立起与气体供应量无关的恒定压力降。

对于本发明的目的而言，气流阻力的力作用点是可将由气流施加并在浮体表面累积的应力结合成合力的点。该点作为压力中心是本领域技术人员已知的且不一定是浮体表面的几何中心。此处气流阻力的力作用点的位置取决于浮体的圆周表面上的压缩应力和剪切应力。此外，动压力取决于局部流动速率，局部流动速率受以下因素影响：通过喷嘴的操作体积流速、喷嘴和浮体的形态以及浮体在喷嘴中的位置。

当浮体被设计为使得几何中心和压力中心是在同一轴线上时，例如为点对称或轴对称的浮体，则对于本发明的目的而言，气流阻力的力作用点也可以确定为以下的点：可将在浮体表面累积并由气流所施加的应力以相对于该点不存在力矩的方式结合成力矢量的点。

低于其时气体进口外面的出口孔即闭合的气体速率的具体数值是，气体速率低至浮体不再受支撑的值。该值取决于气体进口喷嘴的几何形状和浮体的几何形状以及浮体的质量和流动气体的特性，例如密度、粘度或压力。

本发明的气体分布器喷嘴特别用于具有固体床(例如沸腾床、流化床或移动床)的装置中。气体分布器喷嘴的结构使得孔在气流完全或部分故障或在底部的压力反转时闭合，从而无来自固体床的颗粒可通过喷嘴流回。以此方式可防止相关缺点，例如侵蚀、腐蚀和风箱中的反应。此外，在该装置中进行的过程因清洁风箱而必须被中断的次数降低了。这减少了停机时间并且由此降低了生产损失。

在本发明的一个实施方案中，所述浮体在面向气体进口的一侧上具有不断变窄的直径。所述变窄的直径使得浮体能够同时用作闭合元件以及能够在气体流量太低时将气体分布器喷嘴闭合。为此，当气流速率低时，所述浮体停靠在支座上并以此方式将气体分布器喷嘴闭合。因此，使气体不能吹入固体床中，也不能使来自固体床的颗粒回流。该支座在这种情况下优选采用环形限位挡件(limit stop)的形式，其上可坐上浮体。

为确保浮体的重心低于气流阻力的力作用点，特别有利的是所述浮体在远离气体进口一侧包含有空腔。该空腔使其质量显著降低，这意味着使重心朝向限位挡件移动至较低的位置。还可在浮体面向气体进口的一侧提供实心尖端(solid tip)，该尖端的材料具有比浮体材料更高的密度，从而以此方式也将重心进一步向气体进口移动。

如果空腔在一侧(即，远离气体进口的一侧)是开口的，则固体床的材料可进入该空腔。这增加了浮体的质量。根据颗粒的堆积密度和数量，一方面，浮体的质量可增加至其不能再被气流提升的程度。在这种情况下，气体分布器喷嘴在进一步操作时保持闭合并特别地防止颗粒渗入风箱中。另一方面，由于颗粒导致的浮体质量的增加可保持低于一个临界值，这意味着浮体的功能没有被破坏，而该浮体继续被进气流所支撑。浮体防止回流的功能在这种情况下没有受到损害。空腔中颗粒的累积具有的其他优点是这些颗粒不能流过浮体并以此方式损害气体分布器作为瓣阀的功能。例如，如果颗粒被楔入在浮体表面和喷嘴内壁之间，则这种损害会增加。这可导致在浮体和喷嘴内壁之间形成间隙且该浮体不再能使孔闭合以在低气体流量的情况下防止颗粒回流。

另一方面，如果需要防止颗粒在空腔中积累，空腔也可为封闭的。为此，可例如在空腔上置有盖子。所述盖子可以互锁或非互锁的方式(例如焊接、钎焊、粘接、铆接、螺丝接合或夹紧(clamping))连接至浮体。最合适的连接类型取决于例如浮体的尺寸和材料。

在一个优选的实施方案中，所述浮体关于浮体的中心轴为点对称的，特别为轴对称的。特别优选地，所述浮体为空心圆锥体的形式，圆锥体的尖端为实心的。在这种情况下，所述实心尖端可由与空心圆锥体相同的材料制成或由具有比空心圆锥体的材料更高密度的材料制成。在操作中，浮体的尖端朝向气体进口，以使在气流中断、流速太低或在喷嘴底部上压力反转的情况下，浮体的尖端落入气体进口并由此使气体进口闭合。为防止浮体完全落入气体进口中，将圆锥体的朝上底部的直径选择为大于气体进口的直径或气体进口中的圆锥在闭合状态位于其上的限位挡件的直径。

在一个实施方案中，所述浮体还包含导杆(guide rod)。导杆的引导同样防止了浮体在气体分布器喷嘴内的倾斜或径向移动，由此工作状态可受到限制。在这种情况下，特别是在倾斜浮体的情况下，所述浮体卡住并由此使气体分布器喷嘴堵塞的风险增加，因此限制了工作状态，特别是在气流中断或压力反转时作为用于使气体分布器喷嘴闭合以防止颗粒进入风箱的单向阀的工作状态。

特别优选导杆在圆锥形浮体的情况下在圆锥体尖端处形成。由于圆锥体尖端处的导杆，浮体的重心又进一步向下移动并因此增加了重心到气流阻力的力作用点之间的距离。

为了能轴向引导浮体，优选在导向环(guide ring)中引导导杆。在本文中，使用至少一个辐条(web)将导向环固定在气体进口上。所述导向环优选使用多于一个辐条(例如使用三个或四个辐条)固定，以提高导向环的稳定性。特别地，通过使用至少三个辐条，提高了导向环对抗翘曲的稳定性，其中所述辐条的厚度优选选择为：使气体进口的自由横截面积的减小小于25％。因此，导向环甚至在负重的情况下仍保持在原位。

在一个特别优选的实施方案中，在导杆上提供有引导挡块，该引导挡块在打开的状态时顶住导向环而使其停住。所述引导挡块限制了浮体的孔移动。这防止了浮体的上下振荡。这种上下振荡是由浮体以恒定气流的超程运动中的涡旋的周期性流出引起的。此处，浮体上下振荡的振荡频率取决于浮体和其周围流动的气体的特性。特别地，当在大规模沸腾床装置中用作气体分布器喷嘴(其中可安装数百个气体分布器喷嘴)时，浮体的振荡是不能容忍的，因为所有喷嘴的振荡可导致沸腾床的抖动，由此沸腾床装置可能受到损害。由于该引导挡块(其被设置使得不能达到浮体的最大孔高度)，在恒定的气体速率下，所述浮体保持在上部孔口的位置，即引导挡块所限定的位置。

例如在气体进口采用套筒的形式且浮体在套筒中被引导时，可实现以下的结合功能：气体分布器喷嘴在无关气流中气体量而获得恒定压力降的情况下作为用于引入气流的组件，以及同时在气流中断或压力反转的情况下作为用于使气体进口闭合的单向阀。所述套筒优选包含限位挡件，在闭合状态时浮体位于该限位挡件上。在这种情况下，所述限位挡件在所述套筒中以环形的方式来构造，以使所述限位挡件用作阀座。可这样获得限位挡件，例如，套筒在限位挡件下方具有较小的内径而在限位挡件上方具有更大的内径，在这种情况下，限位挡件例如由在套筒中阶梯式变宽的部分来形成。在限位挡件的上方，套筒的内径大于浮体的最大直径，以使气流在套筒内在浮体的周围流动。在操作中，气流通过气体分布器喷嘴在浮体的周围流动。

为了建立恒定的压力降，优选套筒具有较小内径的下部和较大内径的上部，上部具有朝向气体进口减小的内径。通过朝向气体进口减小的内径，可建立起恒定的压力降，条件是浮体还没有位于其结构上限定的端部位置。如果在套筒中的上部为阶梯式变宽的部分，则下部可例如通过限位挡件与上部区分开。

此外，如果气体分布器喷嘴还包含围绕气体进口、浮体和套筒的顶盖，则还可实现防止颗粒渗入气体进口和进入风箱中，所述顶盖具有在其周围分布的孔并且在顶部为封闭的。在这种情况下，通过气体进口和浮体周围向上流动的气体被转向至顶盖的唇缘并通过孔流入固体床中。此处，所述孔可在顶盖周围的任意所需高度上分布。此处，所述孔可以一个径向列或甚至是多列的形式形成。也可为任意所需的分布。特别优选在顶盖的下部区域(即，邻近底部的上方)——其中安装了气体分布器喷嘴——提供一列或多列径向外围的孔。

根据本发明所构造的气体分布器喷嘴特别适合用于沸腾床装置、流化床装置或移动床装置中。非常特别优选的是用于沸腾床装置中，特别是沸腾床反应器。所述沸腾床反应器例如用于制备苯胺、制备三聚氰胺、制备丙烯腈或使用迪肯法(Deacon process)由氯化氢制备氯。

根据本发明所构造的气体分布器喷嘴的实例在如下描述中更加详细地进行说明并示于附图中，其中：

图1为具有浮体的气体进口的三维图示。

图2为浮体处于闭合位置时的气体分布器喷嘴的截面图示。

图3示出了图2所述的气体分布器喷嘴，其中所述浮体处于打开位置。

图1为具有浮体的气体进口的三维图示。

气体进口1例如采用套筒3的形式。气体(如箭头5所示)从下方流入套筒3，其中为此，套筒3连接至例如输气管或为输气管的端部。套筒3优选为竖直取向，其中气体从下方流入套筒3并在套筒3的顶部处流出。

导向环7容纳在套筒3中，其中导向环7通过辐条9固定在套筒3的内壁11上。为此，可例如将辐条9焊接在套筒的内壁11上或甚至将它们连接至环上，环的直径对应于套筒的内径，并使它们与环楔入套筒中。也可使用任意其他类型的可将导向环7固定至套筒3的紧固件。

如果将导向环7通过辐条9固定至套筒3的内壁11上，则优选提供至少三个辐条9来抵抗位移和弯曲而使导向环7稳定。

浮体13被导向环7中的导杆15引导。在此处所示的实施方案中，浮体13采用的是具有实心尖端19的空心圆锥体17的形式。因为实心尖端19的缘故，空心圆锥体17的重心向尖端19偏移。重心的进一步偏移是由导杆15引起的。这确保了浮体13的重心低于气流阻力的力作用点。由于重心的低位置，若浮体13开始倾斜，则其位置稳定。这可防止浮体13堵塞。

为防止堵塞，如虚线所示，还可在导向环7的下方提供第二导向环23。

在导杆15上提供有引导挡块21，例如以环的形式提供在导杆15上。其可例如螺接到导杆15上。当气体流动时，引导挡块21限制了浮体13的向上运动。以此方式，可防止如上文所述的浮体的上下振荡。

当操作时，浮体13被气流5提升并因此使套筒3的上端打开。气体可自由地流出套筒。一旦气体速率降至低于给定的值或出现完全故障或出现压力反转，则浮体向下降落并停靠在套筒3的上端。以此方式，使套筒3闭合，这意味着，当用于将气体供应至沸腾床或移动床时，可防止颗粒进入套筒3。

图2示出了浮体处于闭合位置时的气体分布器喷嘴的截面图示，而图3示出了浮体处于打开位置时。

气体分布器喷嘴25包含套筒3，其中在此处所示的实施方案中，所述套筒3具有较小内径的下部27和较大内径的上部29。如此处所示，在由下部27过渡至上部29的点上，提供限位挡件31，当气体分布器喷嘴25闭合时，浮体13停靠于限位挡件31上。在下部27中，形成导向环7，其中引导浮体13的导杆15。

为使气体流动，上部29的内径大于浮体13的最大直径。

在此处所示的实施方案中，具有内环35的顶盖33螺接到套筒3上。孔37在内环上形成，气体可通过其流入顶盖33和套筒3之间的间隙39。气体通过孔41流出间隙39。此处顶盖33的构造方式也可为，流动气体通过的间隙形成于顶盖33和底部43之间，其中安装了气体分布器喷嘴25。

在图2所示的位置中，浮体13位于限位挡件31上并因此使气体进口1闭合。这防止了通过气体分布器喷嘴25发生的反流，夹带来自固体床的颗粒。一旦气体速率不再足以提升浮体13，则气体分布器喷嘴25自动进行闭合。

图3示出了当气体流动通过气体分布器喷嘴25时浮体13的位置。流动气体将浮体13提升，直至导杆15上的引导挡块21顶住导向环7而停止。这种上限防止了浮体13的振荡并以此方式可降低气体进口1的压力波动，这意味着气流5保持均匀。

一旦气体速率再次下降，浮体13向下回落到限位挡件31上并由此使气体进口1闭合。

附图标记列表

1 气体进口

3 套筒

5 气流

7 导向环

9 辐条

11 套筒3的内壁

13 浮体

15 导杆

17 空心圆锥体

19 实心尖端

21 引导挡块

23 第二导向环

25 气体分布器喷嘴

27 下部

29 上部

31 限位挡件

33 顶盖

35 内环

37 内环35中的孔

39 间隙

41 孔

43 底部

Claims (13)

1.一种气体分布器喷嘴，其包含竖直向上取向的气体进口(1)和浮体(13)，在气体速率降低至低于给定值时，气体进口(1)外面的出口孔可通过所述浮体(13)闭合，没有气体流动或发生压力反转，其中所述浮体(13)的重心低于气流的力作用点。

2.根据权利要求1所述的气体分布器喷嘴，其中所述浮体(13)在面向气体进口(1)的一侧上具有不断变窄的直径。

3.根据权利要求1或2所述的气体分布器喷嘴，其中所述浮体(13)在远离气体进口一侧包含有空腔。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的气体分布器喷嘴，其中所述浮体(13)为空心圆锥体(17)的形式，圆锥体(17)的尖端(19)为实心的。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的气体分布器喷嘴，其中所述浮体(13)包含导杆(15)。

6.根据权利要求4和5所述的气体分布器喷嘴，其中所述导杆(15)在空心圆锥体(17)的尖端(19)处形成。

7.根据权利要求5或6所述的气体分布器喷嘴，其中所述导杆(15)在导向环(7)中被引导。

8.根据权利要求7所述的气体分布器喷嘴，其中在导杆(15)上提供有引导挡块(21)，该引导挡块(21)在打开的状态时顶住导向环(7)而使其停住。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的气体分布器喷嘴，其中所述浮体(13)在套筒(3)中被引导，所述套筒(3)包含在闭合状态时所述浮体(13)停靠在其上的限位挡件(31)并且在限位挡件(13)的上方具有大于浮体(13)的最大直径的直径。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的气体分布器喷嘴，其中提供了包围气体进口(1)、浮体(13)和套筒(3)的顶盖(33)，所述顶盖(33)具有在其周围分布的孔(41)且在顶部是封闭的。

11.根据权利要求1-10中任一项所述的气体分布器喷嘴，其中所述套筒(3)具有较小内径的下部(27)和较大内径的上部(29)，所述上部(29)具有朝向气体进口(1)减小的内径。

12.一种反应器，其包含固体床和至少一个用于将气体进料至固体床的根据权利要求1-11中任一项所述的气体分布器喷嘴(25)。

13.根据权利要求12所述的反应器，其中所述固体床为沸腾床、流化床或移动床。