CN110586019A

CN110586019A - 流体混合装置

Info

Publication number: CN110586019A
Application number: CN201910869099.1A
Authority: CN
Inventors: 徐建; 莫晗旸; 杜巍
Original assignee: China University of Petroleum Beijing
Current assignee: China University of Petroleum Beijing
Priority date: 2019-09-16
Filing date: 2019-09-16
Publication date: 2019-12-20
Anticipated expiration: 2039-09-16
Also published as: CN110586019B

Abstract

本申请公开一种流体混合装置，其包括：反应容器，所述反应容器的内部用于第一流体流动；向所述反应容器内部喷射第二流体的多个喷嘴，多个所述喷嘴沿所述反应容器的周向分布；所述喷嘴具有喷射方向，所述喷嘴的喷射方向偏离该喷嘴和所述反应容器的中心连线；至少两个所述喷嘴的喷射方向与该喷嘴和所述反应容器的中心连线的夹角相等。该流体混合装置结构简单、具有良好的混合性能和分布性能，便于安装与维护，能减小装置内的压力降，降低成本。

Description

流体混合装置

技术领域

本申请涉及化学工程或石油处理中的物料混合换热技术领域，尤其涉及一种流体混合装置。

背景技术

乙苯是一种主要用于供给下游材料工业的重要化工原料，主要通过苯和乙烯在相对高温与高压的条件下进行强放热反应而得。一种制备乙苯的有效生产工艺为：采用多段进料的固定床反应器，利用在催化裂化石油过程中排出的富含乙烯组分的干气作为原料，与苯蒸汽在相对苛刻的条件下进行气相反应，得到乙苯。

上述生产工艺中采用的固定床反应器，是指一种流体流动方式为并流而下，开车操作时催化剂床层不随器内流体而发生膨胀或改变位置的反应器。上述生产工艺中的固定床反应器一般至少设置2个催化剂床层，并在每两段床层之间采用注入低温干气的方式来控制反应器内的温度和反应程度。为了使每段给料的下层催化剂性能稳定、不出现局部高温，必须采用专用的混合设备，使干气冷料与每一段床层向下排出的高温气体充分混合并均匀分布，再进入下一个催化剂床层进行反应。因此该混合设备在固定床反应器中具有重要作用。

现有最常用的一类混合设备利用混合-分布的组合技术。具体的，将待混合物流通过某种形式在某一位置汇聚以实现高度混合，再利用分布装置将其均匀分布在整个反应器截面上。这类混合设备通常可同时用于气-气混合和气-液混合等多种应用场景。如专利US9,403,139、US8,673,246及CN 2448440Y、CN201959780U所披露，上述混合设备一般设有三个主要构件：(1)冷料进料管，也称为预混合器，其主要作用是补充新的急冷物料并完成初步的混合；(2)混合箱，其主要作用是将多股流体以某种特定形式汇聚到一块区域来完成大尺度混合，即排出的混合流体各处温度和浓度都应该是高度均匀的；(3)分布器，其主要作用是将混合箱汇聚的流体重新均匀分配到整个反应器中，即反应器横截面内各点的速度应该是相对均匀的。

上述设备中的三个部件通常缺一不可，且各部件均具有十分复杂的结构，因此使用该技术的混合设备通常会导致较大的压力降、较高的设备安装所需高度以及较高的维护难度。同时，上述技术中的部分构件在设计时利用了液体的重力特性，而对气相混合无效。另外，通常认为气相混合的难度远小于气液多相混合，因此将上述混合设备用于气相混合时，其性能超出了大多数工程需求，从而引入各种不必要的耗资，同时使反应器设计、安装及后期维护更加复杂。

另一种混合设备仅使用上述技术的冷料进料管来实现混合过程，即不使用混合箱、分布器等复杂结构，仅通过详细设计冷料进料管的结构来使冷料在反应器内的分布以及与热流的混合效果达到最优。其冷料进料管分为两种类型。第一种冷料进料管为管上带有若干开孔的分布管型，如树枝型、环形等。第二种冷料进料管为不开孔、高速喷射冷流的简易型单管。专利CN2218599Y描述了多种分布管型进料分布器；专利CN1049110A描述了一种用于气-气混合的单管喷射快速流体混合装置。

利用上述第一种冷料进料管的混合设备具有较好的分布性能，但是由于喷射出的冷流线速度很小，因此混合性能较差。并且由于设置多条开孔的支管实现分布功能，其结构较为复杂。

利用上述第二种冷料进料管的混合设备由于较高的喷射线速度，使得冷热物流的对撞强度较高，具有较好的混合性能，其结构也足够简单。但分布性能却存在十分明显的缺陷，经喷射混合后的混合流体通常会聚集在器壁处或中心处某一块区域，而在其他位置几乎没有分布。

综上所述，现有的混合设备在其结构简单时，无法同时具有良好的混合性能和分布性能；在其结构复杂时虽然具有良好的混合性能和混合性能，但是反应器设计、安装及后期维护较为复杂，引入各种不必要的耗资。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本申请的目的之一是提供一种流体混合装置，其结构简单、具有良好的混合性能和分布性能，便于安装与维护，能减小装置内的压力降，降低成本。

为达到上述目的，本申请采用如下技术方案：

一种流体混合装置，包括：

反应容器，所述反应容器的内部用于第一流体流动；

能向所述反应容器内部喷射第二流体的多个喷嘴，多个所述喷嘴沿所述反应容器的周向分布；所述喷嘴具有喷射方向，所述喷嘴的喷射方向偏离该喷嘴和所述反应容器的中心连线；至少两个所述喷嘴的喷射方向与该喷嘴和所述反应容器的中心连线的夹角相等。

作为一种优选的实施方式，所述流体混合装置还包括：

设置在所述反应容器内的环形管，多个所述喷嘴设于所述环形管的管壁上，多个所述喷嘴与所述环形管内部相通；所述环形管所在平面将所述反应容器内部分为相通的第一容纳腔和第二容纳腔；所述第一流体能从所述第一容纳腔流向所述第二容纳腔，所述喷嘴的喷射方向朝向所述第一容纳腔；

与所述环形管相通的进料管，所述进料管穿过所述反应容器的器壁。

作为一种优选的实施方式，多个所述喷嘴沿周向间隔均匀地设置在所述环形管的管壁上。

作为一种优选的实施方式，所述喷嘴的喷射方向与所述环形管所在平面的夹角为0°～75°。

作为一种优选的实施方式，所述环形管与所述反应容器同轴设置；所述喷嘴的喷射方向所在直线与所述反应容器的中心具有预定距离，所述预定距离为所述反应容器半径的0.02～0.5倍。

作为一种优选的实施方式，所述喷嘴的喷射方向偏离该喷嘴出口与所述反应容器的中心连线1°～30°。

作为一种优选的实施方式，多个所述喷嘴形成的旋流中心圆的半径为所述反应容器半径的0.02～0.5倍。

作为一种优选的实施方式，所述环形管的外径是所述反应容器半径的0.6～0.95倍。

作为一种优选的实施方式，所述的喷嘴的形状为圆形或方形。

作为一种优选的实施方式，所述第一流体和所述第二流体之一为苯蒸汽，另一流体中含有乙烯。

有益效果：

本申请实施方式所提供的流体混合装置，在反应容器内有流动的第一流体，再通过喷嘴喷射第二流体，喷嘴的喷射方向偏离该喷嘴与所述反应容器的中心连线，可以使得喷嘴不指向所述反应容器的中心。因此喷嘴喷出的第二流体能与第一流体撞击、混合，并在反应容器中心附近区域进行汇聚，形成扩径旋流。

上述过程所形成的中心附近区域的扩径旋流是一种在离心作用下随着流动方向，向反应容器外壁逐渐扩散的流动形式，不仅可以进一步提高第一流体和第二流体的混合性能，也可以辅助中心附近区域处高速旋转的第一流体和第二流体混合形成的流体向周围分散，提高分布性能。

同时，该流体混合装置结构简单、更加高效、工况适用性更广泛、性耗比更高，便于安装与维护，且能减小装置内的压力降，降低成本。本申请实施方式所提供的流体混合装置能够在更为简单的结构下达到更高水平的混合与分布性能，其工况适用性强，并可以在一定程度上改善上层流体冷热分配不均的问题，实现流体的均匀再分配。

参照后文的说明和附图，详细公开了本申请的特定实施方式，指明了本申请的原理可以被采用的方式。应该理解，本申请的实施方式在范围上并不因而受到限制。

针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施方式中所提供的一种流体混合装置的内部结构示意图；

图2为标有第一流体、第二流体流向的图1的主视图；

图3为图1中忽略反应容器的立体结构示意图；

图4为图3的俯视图；

图5为图4中A-A处的放大示意图；

图6为使用图1所示流体混合装置得到的最大温差波动曲线图；

图7为使用图1所示流体混合装置得到的质量分数分布曲线图；

图8为使用图1所示流体混合装置得到的温度分布曲线图。

附图标记说明：

1、反应容器；2、环形管；3、进料管；4、喷嘴；5、第一流体；6、第二流体；

α、喷嘴出口所在的点到反应容器中心的连线与喷嘴在水平面内投影延长线的夹角；

d、预定距离；

β、喷嘴与水平面的夹角。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的另一个元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中另一个元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

为了便于说明，本说明书中将图1和图2竖直向上的方向定义为“上”，将图1和图2竖直向下的方向定义为“下”。

请参阅图1至图5。本申请实施方式中提供一种流体混合装置，该装置包括：反应容器1以及多个喷嘴4。

其中，所述反应容器1的内部用于第一流体5流动。多个喷嘴4能向所述反应容器1内部喷射第二流体6。多个所述喷嘴4沿所述反应容器1的周向分布。所述喷嘴4具有喷射方向，喷嘴4的喷射方向偏离该喷嘴4和所述反应容器1的中心连线。至少两个所述喷嘴4的喷射方向与该喷嘴和所述反应容器1的中心连线的夹角相等，从而可以在反应容器1中心附近区域形成扩径旋流。

上述反应容器1的中心是指反应容器1的中心线，也是反应容器1延伸方向的轴线。因此喷嘴4与所述反应容器1的中心连线能够形成一个平面，该平面经过喷嘴4的出口以及反应容器1的中心线。也即该平面由一点和一线确定，一点是指喷嘴4的出口，一线是指反应容器1的中心线。喷嘴4的喷射方向偏离该喷嘴4与所述反应容器1的中心连线，也就是说，喷嘴4的喷射方向不位于该平面内。

本申请实施方式所提供的流体混合装置利用了流体对撞与旋流原理，在反应容器1内通过喷嘴4以向心旋流喷射的方式快速均匀喷射第二流体6，喷嘴4的喷射方向偏离该喷嘴4与所述反应容器1的中心连线，可以使得喷嘴不指向所述反应容器的中心。因此喷嘴4喷出的第二流体6能与第一流体5撞击、混合，并在反应容器1中心附近区域进行汇聚，形成扩径旋流。上述过程所形成的中心附近区域的扩径旋流是一种在离心作用下随着流动方向，向反应容器1外壁逐渐扩散的流动形式，不仅可以进一步提高第一流体5和第二流体6的混合性能，也可以辅助中心附近区域处高速旋转的第一流体5和第二流体6混合形成的流体向周围分散，提高分布性能。

本申请实施方式中的反应容器1可以是固定床反应器，或者其他设有反应器壁和反应腔的普通容器。由于本申请属于器内混合，无需对反应容器1的器壁参数进行限定。

本申请实施方式所提供的流体混合装置，主要针对两股或多股气相物流的混合、换热过程。本申请实施方式对第一流体5和第二流体6不做限制，可以是液体，也可以是气体，可以是纯净物，也可以是混合物。第一流体5可以来源于反应容器1中位于环形管2上层的预分布器或床层支撑筛板。

在一种极限的情况下，反应容器1内可以无第一流体5，该流体混合装置可以利用喷嘴4喷出第二流体6后形成扩径旋流，或者利用喷嘴4喷出第二流体6和空气混合后形成扩径旋流，从而得到在反应容器1内分布均匀的第二流体6或第二流体6与空气的混合流体。

在本申请实施方式中，所述流体混合装置还可以包括内部相通的环形管2和进料管3。所述环形管2设置在所述反应容器1内，所述进料管3穿过所述反应容器1的器壁。多个所述喷嘴4与所述环形管2的内部相通。所述环形管2所在平面将所述反应容器1内部分为相通的第一容纳腔和第二容纳腔。所述第一流体5能从所述第一容纳腔流向所述第二容纳腔。所述喷嘴4的喷射方向朝向所述第一容纳腔。在一个具体的实施方式中，所述进料管3可以是直管。第二流体6从所述进料管3进入环形管2，再从喷嘴4喷出，进入反应容器1的第一容纳腔与第一流体5接触、混合。

具体的，所述环形管2与所述反应容器1同轴设置，以保证混合后的流体具有良好的分布性能。考虑到上述扩径旋流的形成过程，若环形管2的外径过小，可能会导致扩径旋流无法形成，或对混合性能造成较大影响，因此设置所述环形管2的外径是所述反应容器1半径的0.6～0.95倍。本说明书中所述反应容器1的半径是指反应容器1的内径，即接触流体的最大尺寸。本申请实施方式不要求环形管2紧贴反应容器1的内壁，能够为环形管2的安装与维护提供可移动的空间。

在本申请实施方式中，多个所述喷嘴4设于所述环形管2的管壁上。喷嘴4的喷射方向可以朝向所述第一流体5的来料方向。具体的，多个所述喷嘴4沿环形管2周向间隔均匀地设置在环形管2的管壁上，以形成均匀的扩径旋流。

为了使第二流体6与第一流体5的流动方向相反，所述喷嘴4的喷射方向朝向所述第一容纳腔。具体的，喷嘴4的喷射方向与第一流体5的流动方向的夹角为0°～75°。即喷嘴4的喷射方向与所述环形管2所在平面的夹角为0°～75°。也即如图5所示的β的范围为0°～75°。在本申请实施方式中，所述环形管2所在平面为水平面，第一流体5的流动方向为竖直向下。则喷嘴4的喷射方向为向上且与水平面的夹角为0°～75°。

为了形成向心旋流，所述喷嘴4的喷射方向不指向所述反应容器1的中心，而是与反应容器1的中心有一定距离，否则第二流体6将汇集在中心处而无法形成旋流。具体的，如图4所示，所述喷嘴4的喷射方向所在直线与所述反应容器1中心具有预定距离d。该预定距离d的大小是所述反应容器1半径的0.02～0.5倍。如此可以使得多个喷嘴4形成的旋流中心圆的半径为所述反应容器1半径的0.02～0.5倍。也可以理解为，在所述环形管2所在平面内，喷嘴4出口所在的点到所述反应容器1中心点的连线与喷嘴4在水平面内投影延长线的夹角α为1°～30°。也即，所述喷嘴4的喷射方向偏离该喷嘴4出口与所述反应容器1的中心连线1°～30°。所述的喷嘴4的形状可以为圆形或方形，本申请实施方式对此不做限制。

如图2所示，本申请实施方式提供的流体混合装置在使用时，第一流体5在反应容器1内从环形管2上方流下。第二流体6从进料管3进入环形管2，再从喷嘴4向上喷出，进入反应容器1的第一容纳腔，与第一流体5撞击、混合，并在反应容器1中心附近区域进行汇聚，形成扩径旋流后再逐渐向下流动。该种混合方式不仅可以进一步提高第一流体5和第二流体6的混合性能，也可以辅助中心附近区域处高速旋转的第一流体5和第二流体6混合形成的流体向周围分散，提高分布性能。

具体的，如图4中的中心小圆就是第一流体5和第二流体6最初汇聚的地方。第二流体6在喷嘴4的特定喷射方向下，会先与第二流体6进行一定程度的混合，两者并流至图4中心小圆处汇聚后再形成旋流，并随着向下流动逐渐向反应容器1的壁面方向扩展。

在一个具体的应用场景中，采用图1、图2所示的流体混合装置进行实验。其中，第一流体5采用温度为681.85K、质量流量为10584kg/h的苯蒸汽，第二流体6采用温度为556.86K、质量流量为4569.5kg/h的催化裂化干气，反应容器1采用直径为2.6m、表压为0.6MPa的固定床反应器。催化裂化干气的组分为(H₂＝13.58w％，N₂＝28.60w％，O₂＝1.92w％，CH₄＝28.22w％，C₂H₄＝15.39w％，C₂H₆＝8.38w％，n-C₃H₈＝0.04w％，i-C₃H₈＝0.27w％，CO₂＝1.77w％，CO＝1.80w％)。在环形管2或者喷嘴4所在平面下侧、距离为0.6m处监控流体流动截面的温度分布，得到的最大温差波动曲线如图6所示。

图6的横坐标为监控时间，单位为秒(s)，纵坐标为最大截面温差，单位为开尔文(K)。从图6可以看出，经过本申请实施方式提供的流体混合装置处理，得到的混合流体温差较小。从而可以说明本流体混合装置能够混合均匀、充分，具有优越的混合性能。

在另一个具体的应用场景中，所述第一流体5的质量流率变异系数为60％，第一流体5来自上层再分布器。具体的，该上层再分布器在本申请中环形管2或喷嘴4的上方，其距离大于0.7m。更具体的，该上层再分布器与环形管2或喷嘴4的距离为1.3m。

上述质量流率的变异系数是一种数学上的表达方式。变异系数越大，同一平面处所测质量流率的差异越大。在上一个应用场景中，来自上层再分布器的流体(即第一流体5)质量流率均匀分布，变异系数为0。本应用场景中第一流体5质量流率的变异系数为60％，可以理解为：同一平面的不同处的第一流体5的质量流率不同，且差异较大。

除了第一流体5的质量流率变异系数，本应用场景中的其余工况参数均与上一个应用场景相同。以本申请实施方式所提供的流体混合装置中环形管2或喷嘴4上方的再分布器为基准，分别在流动距离H＝0.10m、H＝0.25m、H＝0.45m、H＝0.70m(即位于再分布器下方0.10m、0.25m、0.45m、0.70m)四处监控径向干气质量分数和流体温度的分布，得到的质量分数分布曲线如图7所示，得到的流体温度分布曲线如图8所示。

图7和图8的横坐标为以反应容器1中心为基准点得到的所测点的位置与反应容器1半径的比值，无量纲。图7的纵坐标为第二流体6的质量分数，无量纲。图8的纵坐标为温度，单位为开尔文(K)。

从图7可以看出，本申请实施方式提供的流体混合装置在质量传递方面具有优越性。从图8可以看出，本申请实施方式提供的流体混合装置在热量传递方面具有优越性。图7和图8共同说明本申请实施方式提供的流体混合装置具有良好的混合与分布性能，对上层不均匀流体具有良好的再分配性能。

需要说明的是，本申请实施方式提供的流体混合装置可用于两股物流的混合、换热过程。也可用于发生强放热反应过程的多段固定床反应器中，使每一段流出的高温气相反应产物(第一流体5)与新注入的低温气相原料(第二流体6)进行充分混合、降温与分布。但是并不要求第二流体6的温度一定比第一流体5的温度低，也可以使第一流体5的温度比第二流体6的温度低。由于目前在化工行业中，通过冷料冷激、混合热流的实例较多，因此上述应用场景中第二流体6相对于第一流体5为冷料。

另外，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的和区别类似的对象，两者之间并不存在先后顺序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

本文引用的任何数字值都包括从下限值到上限值之间以一个单位递增的下值和上值的所有值，在任何下值和任何更高值之间存在至少两个单位的间隔即可。举例来说，如果阐述了一个部件的数量或过程变量(例如温度、压力、时间等)的值是从1到90，优选从20到80，更优选从30到70，则目的是为了说明该说明书中也明确地列举了诸如15到85、22到68、43到51、30到32等值。对于小于1的值，适当地认为一个单位是0.0001、0.001、0.01、0.1。这些仅仅是想要明确表达的示例，可以认为在最低值和最高值之间列举的数值的所有可能组合都是以类似方式在该说明书明确地阐述了的。

除非另有说明，所有范围都包括端点以及端点之间的所有数字。与范围一起使用的“大约”或“近似”适合于该范围的两个端点。因而，“大约20到30”旨在覆盖“大约20到大约30”，至少包括指明的端点。

披露的所有文章和参考资料，包括专利申请和出版物，出于各种目的通过援引结合于此。描述组合的术语“基本由…构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何属性都是可选的。

多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。

应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施方式和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。

Claims

1.一种流体混合装置，其特征在于，包括：

反应容器，所述反应容器的内部用于第一流体流动；

2.根据权利要求1所述的流体混合装置，其特征在于，所述流体混合装置还包括：

3.根据权利要求2所述的流体混合装置，其特征在于，多个所述喷嘴沿周向间隔均匀地设置在所述环形管的管壁上。

4.根据权利要求2所述的流体混合装置，其特征在于，所述喷嘴的喷射方向与所述环形管所在平面的夹角为0°～75°。

5.根据权利要求2所述的流体混合装置，其特征在于，所述环形管与所述反应容器同轴设置；所述喷嘴的喷射方向所在直线与所述反应容器的中心具有预定距离，所述预定距离为所述反应容器半径的0.02～0.5倍。

6.根据权利要求1所述的流体混合装置，其特征在于，所述喷嘴的喷射方向偏离该喷嘴出口与所述反应容器的中心连线1°～30°。

7.根据权利要求6所述的流体混合装置，其特征在于，多个所述喷嘴形成的旋流中心圆的半径为所述反应容器半径的0.02～0.5倍。

8.根据权利要求2所述的流体混合装置，其特征在于，所述环形管的外径是所述反应容器半径的0.6～0.95倍。

9.根据权利要求1所述的流体混合装置，其特征在于，所述的喷嘴的形状为圆形或方形。

10.根据权利要求1所述的流体混合装置，其特征在于，所述第一流体和所述第二流体之一为苯蒸汽，另一流体中含有乙烯。