CN111214970A - 一种甲烷与氧气的在线混合设备及在线混合方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种甲烷与氧气的在线混合设备，包括：主管道；至少一支管道，支管道与主管道垂直连接，支管道的第一端位于主管道的外侧，支管道的第二端位于主管道的内侧，支管道的第一端的轴向平行于主管道的径向；支管道包括至少一通孔，通孔设置在支管道的第二端末端，通孔的轴向平行于主管道的轴向。还涉及一种甲烷与氧气的在线混合方法。其优点在于，支管道呈对称布置，并分布在主管道的一个截面上；氧气分别进入每个支管道，支管道流速与通孔流速相差较大，使通孔的气体流速与主管道的气体流速方向一致，不发生偏流；通孔等间距布置，支管道对称布置，有利于氧气在混合设备内的初始均匀，增强了混合设备适应氧气负荷的变化能力。

Description

一种甲烷与氧气的在线混合设备及在线混合方法

技术领域

本发明涉及甲烷氧化制烯烃技术领域，尤其涉及一种甲烷与氧气的在线混合设备及在线混合方法。

背景技术

目前全球乙烯生产所用原料70％为石脑油，25％为天然气，5％为煤炭。由于石脑油原料受制于石油供应限制，煤炭利用过程环保问题比较突出，而天然气资源尤其是页岩气、天然气水合物等非常规天然气资源不仅来源丰富，而且清洁环保，从长远看天然气制乙烯具有良好市场前景。随着未来全球非常规天然气资源的大规模发现与开采，以储量相对丰富和价格低廉的天然气替代石油生产乙烯及其下游产品显得越来越重要，值得引起业内的重视。

甲烷氧化偶联(OCM)制乙烯(天然气直接转化法)只需一步反应即可将甲烷转化成乙烯，具有很高的理论价值和经济价值，非常具有吸引力，具有良好的应用前景。

甲烷与氧气安全、高效的预混对于天然气部分氧化制合成气的工业化有着及其重要的作用。天然气部分氧化制合成气的产物是非平衡产物，产物对局部的温度、化学组成等十分敏感，甲烷与氧气的混合效果直接影响产物的选择性和产率。当混合效果不佳时，反应器内部将会出现局部甲烷过量或局部氧气过量，前者将导致甲烷转化率下降，后者将导致产物选择性降低，总的来说无论出现哪种情况，混合效果不佳都会降低产品的产率。另外，甲烷在氧气中有很宽的爆炸极限，当温度达到混合气的着火点时，一旦发生回火将引起预混气着火爆炸。因此，成功地设计甲烷与氧气预混器，对于天然气部分氧化制合成气具有重要的意义。

由于氧气与甲烷混合气体为易爆炸性气体，其混合爆炸限较宽。氧气在与甲烷的混合过程浓度快速降低，但存在一个氧浓度从处在爆炸极限内经与甲烷快速混合后，离开爆炸限的过程。这就对氧混合器的快速均匀混合提出了很高的要求，氧气混合器的可靠设计是直接氧化法安全生产的必要保证，也是OCM装置设计中所需解决的关键设备之一。

文献CN200710118927.5公开了一种甲烷与氧气预混器，主要由外壳、气体分布系统、换热系统和多孔气体分布板组成；气体分布系统采用旋流或环流气体分布系统；旋流气体分布系统由甲烷进气系统、氧气进气系统、上分布器和下分布器构成；环流气体分布系统由甲烷和氧气各自的中心进料管、十字进料管和环形气体分布器构成；换热系统由上隔板、下隔板、中心内管、外管、金属翅片、换热介质入口管和换热介质出口管组成；甲烷和氧气通过气体分布系统在一个较小的空间内初级混合后，通过由中心内管、外管和金属翅片组成的模拟流化床曲折向上流动，在出口处达到分子水平的混合。但此混合器结构复杂，造价贵。

因此，亟需一种结构简单、混合快、混合效果好的在线混合设备及混合方法。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供一种甲烷与氧气的在线混合设备及在线混合方法。

本发明的第一个目的是，提供一种甲烷与氧气的在线混合设备，包括：

主管道；

至少一支管道，所述支管道与所述主管道垂直连接，所述支管道的第一端位于所述主管道的外侧，所述支管道的第二端位于所述主管道的内侧，所述支管道的第一端的轴向平行于所述主管道的径向；

所述支管道包括至少一通孔，所述通孔设置在所述支管道的第二端末端，所述通孔的轴向平行于所述主管道的轴向，开孔方向与所述主管道流向一致。

优选地，所述支管道包括：

第一管道，所述第一管道与所述主管道垂直连接，所述第一管道的轴向平行于所述主管道的径向，所述第一管道的第一端位于所述主管道的外侧，所述第一管道的第二端位于所述主管道的内侧；

第二管道，所述第二管道的第一端与所述第一管道的第二端垂直连接，所述第二管道的轴向平行于所述主管道的轴向。

优选地，所述支管道的数量为3-9根。

优选地，所述支管道的数量为4-6根。

优选地，在每个所述支管道上，所述通孔的数量为1-3个。

优选地，相邻两个所述通孔之间的间距为1/6R-1/2R，其中，R为主管道直径。

优选地，若干所述支管道环绕所述主管道对称设置。

优选地，所述主管道的内径为100mm～200mm。

优选地，所述支管道的内径为10mm～20mm。

优选地，所述通孔的内径为2mm～6mm。

本发明的第二个目的是，提供一种甲烷与氧气的在线混合方法，应用于如上所述的甲烷与氧气的在线混合设备，包括以下步骤：

甲烷由所述主管道的进气口进入所述主管道；

氧气由所述支管道的进气口进入所述支管道，并通过所述支管道的所述通孔进入所述主管道；

其中，在所述主管道内，所述氧气的气流方向与所述甲烷的气流方向相同。

优选地，还包括：

氧气由所述支管道的进气口进入所述支管道，并通过设置在所述支管道的第二端的通孔进入所述主管道。

优选地，通过所述通孔的气流速度大于通过所述主管道的气流速度；

通过所述通孔的气流速度大于通过所述支管道的气流速度。

优选地，通过所述通孔的气流速度与通过所述主管道的气流速度的比值为2～6；

通过所述通孔的气流速度与通过所述支管道的气流速度的比值为5～10。

优选地，通过所述通孔的气流速度与通过所述主管道的气流速度的比值为3。

本发明采用以上技术方案，与现有技术相比，具有如下技术效果：

本发明的一种甲烷与氧气的在线混合设备及在线混合方法，支管道呈对称布置，所有支管道分布在混合设备的主管道的一个截面上；氧气分别进入每个支管道，支管道的流速与通孔流速相差较大，使通孔的气体流速与主管道的气体流速方向基本一致，不发生偏流；通孔等间距布置，支管道对称布置，有利于氧气在混合设备内的初始均匀，同时增强了混合设备适应氧气负荷的变化能力。

附图说明

图1是本发明一个示意性实施例的轴向截面图。

图2是本发明一个示意性实施例的横向截面图。

图3是本发明一个实施例的模拟分析图。

图4是现有技术的轴向截面图。

图5是现有技术的模拟分析图。

其中的附图标记为：主管道1、支管道2、通孔3。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

实施例1

本发明的一个示意性实施例，如图1～2所示，一种甲烷与氧气的在线混合设备，包括主管道1和若干支管道2，支管道2对称分布在主管道1的一截面上。

每个支管道2与主管道1垂直连接，每个支管道2的第一端位于主管道1的外侧，每个支管道2的第二端位于主管道1的内侧。每个支管道2的第一端的轴向平行于主管道1的径向。

支管道2包括至少一通孔，通孔设置在支管道的第二端末端，通孔的轴向平行于主管道的轴向，开孔方向与主管道流向一致。

进一步地，通孔的数量为1～3个。

支管道2可以是直线形，也可以是折线形。

当支管道2为折线形时，支管道2的第二端的轴向平行于主管道1的轴向。

进一步地，当支管道2为折线形时，支管道2包括第一管道和第二管道，第一管道的第二端与第二管道的第一端连接。

第一管道与主管道1垂直连接，第一管道的轴向平行于主管道1的径向，第一管道的第一端位于主管道1的外侧，第一管道的第二端位于主管道1的内侧。

第二管道的第一端与第一管道的第二端垂直连接，第二管道的轴向平行于主管道1的轴向，第二管道位于主管道1的内侧。

进一步地，该在线混合设备还包括通孔3，每个支管道2的第二端均设置有通孔3，通孔3的轴向平行于主管道1的轴向。

进一步地，主管道1的内径为100mm～200mm。

进一步地，支管道2的数量为3～9根。

进一步地，支管道1的内径为10mm～20mm。

进一步地，通孔3的内径为2mm～6mm。

进一步地，在每个支管道2上，通孔的间距为1/6R-1/2R。

本发明的甲烷与氧气的在线混合方法，包括以下步骤：

甲烷由主管道1的进气口进入主管道1；

氧气由支管道2的进气口进入支管道2，并通过支管道2的通孔进入主管道1；

其中，在主管1道内，氧气的气流方向与甲烷的气流方向相同。

进一步地，氧气由通孔3进入主管道1。

进一步地，通过通孔的气流速度大于通过主管道1的气流速度。

进一步地，通过通孔的气流速度大于通过支管道2的气流速度。

进一步地，通过通孔的气流速度与通过支管道2的气流速度的比值为5～10

进一步地，通过通孔3的气流速度大于通过主管道1的气流速度。

进一步地，通过通孔的气流速度与通过主管道1的气流速度的比值为2～6。

本发明的优点在于，支管道呈对称布置，所有支管道分布在混合设备的主管道的一个截面上；氧气分别进入每个支管道，支管道的流速与通孔流速相差较大，使通孔的气体流速与主管道的气体流速方向基本一致，不发生偏流；通孔等间距布置，支管道对称布置，有利于氧气在混合设备内的初始均匀，同时增强了混合设备适应氧气负荷的变化能力。

实施例2

本实施例为本发明的一个具体实施例。

采用实施例1的在线混合设备，其具体参数如下：

主管道1内径：150mm

支管道2内径：15mm

支管道2数量：6

通孔3内径：4mm

对称通孔3间距：90mm

支管道2距离主管道1的进口的距离：300mm

主管道1的出口距离支管道2的距离：1000mm

进气量如下：

氧气流量：133kg/hr

氧气温度：25℃

氧气压力：700KPa G

甲烷流量：1400kg/hr

氧气温度：750℃

氧气压力：600KPa G。

通过CFD软件进行模拟分析，氧气进口及甲烷进口定为质量进口，出口定为压力出口，利用物质传输模型，模拟分析可知，混合器出口的甲烷浓度均方根偏差为0.0097，浓度均方根偏差随混合距离的变化如图3所示。

实施例3

本实施例为现有技术的实施例。

采用图4所述的现有技术的喷射混合器，其具体参数如下：

主管道1内径：150mm

支管道2内径：25mm

支管道2的进口距离主管道1的进口的距离：300mm

主管道1的出口距离支管道2的进口的距离：1000mm

进气量如下：

氧气流量：133kg/hr

氧气温度：25℃

氧气压力：700KPa G

甲烷流量：1400kg/hr

氧气温度：750℃

氧气压力：600KPa G。

通过CFD软件进行模拟分析，氧气进口及甲烷进口定为质量进口，出口定为压力出口，利用物质传输模型，模拟分析可知，混合器出口的甲烷浓度均方根偏差为0.0045，浓度均方根偏差随混合距离的变化如图5所示。

将实施例2与实施例3进行比较，在相同的混合距离下，实施例2的混合效果明显优于实施例3的混合效果，即本发明的在线混合设备的混合效果明显优于现有技术的喷射混合器。

以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种甲烷与氧气的在线混合设备，其特征在于，包括：

主管道；

至少一支管道，所述支管道与所述主管道垂直连接，所述支管道的第一端位于所述主管道的外侧，所述支管道的第二端位于所述主管道的内侧，所述支管道的第一端的轴向平行于所述主管道的径向；

所述支管道包括至少一通孔，所述通孔设置在所述支管道的第二端末端，所述通孔的轴向平行于所述主管道的轴向，开孔方向与所述主管道流向一致。

2.根据权利要求1所述的甲烷与氧气的在线缓和设备，其特征在于，所述支管道包括：

第一管道，所述第一管道与所述主管道垂直连接，所述第一管道的轴向平行于所述主管道的径向，所述第一管道的第一端位于所述主管道的外侧，所述第一管道的第二端位于所述主管道的内侧；

第二管道，所述第二管道的第一端与所述第一管道的第二端垂直连接，所述第二管道的轴向平行于所述主管道的轴向。

3.根据权利要求1所述的甲烷与氧气的在线混合设备，其特征在于，所述支管道的数量为3-9根。

4.根据权利要求1所述的甲烷与氧气的在线混合设备，其特征在于，在每个所述支管道上，所述通孔的数量为1-3个。

5.根据权利要求1所述的甲烷与氧气的在线混合设备，其特征在于，若干所述支管道环绕所述主管道对称设置。

6.根据权利要求1所述的甲烷与氧气的在线混合设备，其特征在于，所述主管道的内径为100mm～200mm；

所述支管道的内径为10mm～20mm。

7.一种甲烷与氧气的在线混合方法，应用于如权利要求1～6任一所述的甲烷与氧气的在线混合设备，其特征在于，包括以下步骤：

甲烷由所述主管道的进气口进入所述主管道；

氧气由所述支管道的进气口进入所述支管道，并通过所述支管道的所述通孔进入所述主管道；

其中，在所述主管道内，所述氧气的气流方向与所述甲烷的气流方向相同。

8.根据权利要求7所述的甲烷与氧气的在线混合方法，其特征在于，还包括：

氧气由所述支管道的进气口进入所述支管道，并通过设置在所述支管道的第二端末端的通孔进入所述主管道。

9.根据权利要求8所述的甲烷与氧气的在线混合方法，其特征在于，通过所述通孔的气流速度与通过所述主管道的气流速度的比值为2～6；

通过所述通孔的气流速度与通过所述支管道的气流速度的比值为5～10。

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