CN112672817B - 涡轮机型化学反应器 - Google Patents
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Abstract
提出了一种用于处理过程流体的涡轮机型化学反应器。该涡轮机型化学反应器包括至少一个叶轮部分和设置在下游的固定式扩散器部分。叶轮部分将过程流体加速为超音速流。在固定式扩散器部分中产生冲击波，该冲击波使该冲击波下游的过程流体的静态温度瞬间增加，以用于处理过程流体。穿过冲击波，过程流体的静态压力同时增加。该涡轮机型化学反应器显著减少了过程流体在化学反应器中的停留时间，并提高了化学反应器的效率。
Description
技术领域
所公开的各实施方式总体上涉及涡轮机型化学反应器，特别是用于处理过程流的涡轮机型化学反应器，更特别地是用于过程流体的吸热过程的涡轮机型化学反应器。
背景技术
吸热过程可以指需要向过程流体添加热以促进吸热化学反应发生的过程。吸热过程可以用在炼油厂和石化厂中，以用于分馏或“裂解”较重分子量的碳氢化合物。裂解之后，较轻分子量的碳氢化合物在石油化学工业中用作生产其他化合物的原料。在已知的经商业实践的热裂解处理中，在低氧环境中在炉型化学反应器中施加热和压力将较重分子量的碳氢化合物分馏为各种较轻分子量的烯烃、比如乙烯，而不会引起燃烧。吸热过程的另一示例可以是甲烷的蒸汽重组。通常，较重分子量的碳氢化合物被夹带在被加热的蒸汽中。包含蒸汽和碳氢化合物的过程流体流动通过化学反应器的热交换器。过程流体在热交换器内的赋予温度和停留时间被控制，以使夹带的碳氢化合物裂化为所需的输出、即较低分子量的碳氢化合物。
以通过热解进行乙烯生产作为示例，包含碳氢化合物和蒸汽混合物的过程流体在炉型化学反应器中在小于400毫秒(ms)的时间内被从1220°F加热至1545°F。进行加热并随后淬火(以停止进一步的化学反应)的速率对于生产所需的碳氢化合物混合物很重要。为了避免碳氢化合物燃烧，在加热处理期间必须不存在氧气。炉型化学反应器中的反应处理需要大量的热输入和相对较慢的过程流体质量流率。为了达到产量目标，乙烯生产厂采用多个平行的热解反应器，每个热解反应器都需要大量的热能输入。为达到生产目标所需的每个附加的反应器都增加了资本支出、加热过程流体的能量消耗、工厂地产空间。
期望以较低的生产能量输入来增加碳氢化合物裂解处理期间的过程流体的质量流。增加的质量流用更少的工厂设备资本支出和地产空间满足了生产目标。
发明内容
简要描述的所公开的各实施方式的各方面涉及用于处理过程流体的化学反应器和方法。
根据一方面，提出了一种用于处理过程流体的化学反应器。化学反应器包括外壳体，该外壳体包括用于使过程流体进入的流入口和用于使过程流体离开的流出口。在外壳体内限定流动路径，该流动路径沿着外壳体的内罩在流入口与流出口之间轴向地延伸。化学反应器包括旋转轴，该旋转轴延伸到外壳体中并联接至转子盘。转子轴由动力供给装置驱动。化学反应器包括叶轮部分，该叶轮部分包括定位在转子盘上的多个旋转叶轮轮叶。所述多个旋转叶轮轮叶从转子盘径向向外延伸到流动路径中。化学反应器包括设置在叶轮部分的下游的固定式扩散器部分。固定式扩散器部分包括多个发散的扩散器流动通道。化学反应器包括设置在固定式扩散器部分的下游的排放部分。排放部分包括多个会聚的排放流动通道。所述多个旋转叶轮轮叶构造成通过将过程流体的流动方向从前缘方向改变为后缘方向来将过程流体加速为超音速流。所述多个排放流动通道构造成提供背压，以使得在固定式扩散器部分中产生冲击波。所述多个扩散器流动通道构造成提供过程流体穿过冲击波的流动特性，以用于处理过程流体。
根据一方面，提出了一种用于处理过程流体的方法。该方法包括提供化学反应器。化学反应器包括外壳体，该外壳体包括用于使过程流体进入的流入口和用于使过程流体离开的流出口。在外壳体内限定流动路径，该流动路径沿着外壳体的内罩在流入口与流出口之间轴向地延伸。化学反应器包括旋转轴，该旋转轴延伸到外壳体中并联接至转子盘。转子轴由动力供给装置驱动。化学反应器包括叶轮部分，该叶轮部分包括定位在转子盘上的多个旋转叶轮轮叶。所述多个旋转叶轮轮叶从转子盘径向向外延伸到流动路径中。化学反应器包括设置在叶轮部分的下游的固定式扩散器部分。固定式扩散器部分包括多个发散的扩散器流动通道。化学反应器包括设置在固定式扩散器部分的下游的排放部分。排放部分包括多个会聚的排放流动通道。该方法包括通过转子轴使旋转叶轮轮叶旋转，以用于通过将过程流体的流动方向从前缘方向改变为后缘方向来将过程流体加速为超音速流。该方法包括通过提供背压而在固定式扩散器部分中产生冲击波。该方法包括使用过程流体穿过冲击波的流动特性来处理过程流体。
如上文和下文中所描述的本申请的各个方面和各实施方式不仅可以以明确描述的组合使用，而且可以以其他组合使用。技术人员在阅读和理解说明书之后将想到各改型。
附图说明
参照附图进一步详细说明本申请的示例性实施方式。在附图中：
图1是根据一实施方式的化学反应器的示意性纵向截面图；
图2是根据实施方式的过程流体流动通过图1中所示的化学反应器的流动路径的示意性过程图；
图3是图1的化学反应器的示意性立体图，其中，为了清楚起见，外壳体被移除；
图4是根据实施方式的叶轮轮叶的示意性截面图；
图5是根据实施方式的扩散器流动通道的示意图；
图6是根据实施方式的排放流动通道的示意性立体图；
图7是根据另一实施方式的化学反应器的示意性纵向截面图；
图8是过程流体流动通过图7中所示的化学反应器的流动路径的示意性过程图；
图9是根据又一实施方式的化学反应器的示意性纵向截面图；
图10是过程流体流动通过图9中所示的化学反应器的流动路径的示意性过程图；
图11是根据实施方式的过程流体流动通过化学反应器的流动路径的示意性过程图以及沿着化学反应器的流动路径的各个位置处的所计算的过程流体的静态压力和静态温度的图表；以及
图12是根据再一实施方式的化学反应器的示意性纵向截面图。
为了便于理解，在可能的情况下使用了相同的附图标记来表示为各图所共用的相同元件。
具体实施方式
在下文中，参照各附图描述与所公开的各实施方式的各方面有关的详细描述。
为了说明的目的，术语“轴向”或“轴向地”是指沿着化学反应器的纵向轴线的方向，术语“径向”或“径向地”是指垂直于化学反应器的纵向轴线的方向，术语“下游”或“后”是指沿着流动方向的方向，术语“上游”或“前”是指与流动方向相反的方向。
图1示出了根据一实施方式的化学反应器10的示意性纵向截面图。在该实施方式中，化学反应器10是具有一个叶轮部分200和一个固定扩散器部分400的单级化学反应器10。叶轮部分200和固定扩散器部分400类似于涡轮机那样起作用。如图1中所示，化学反应器10包括将沿着纵向轴线12的多个部件封围的外壳体100。这些部件包括叶轮部分200和固定扩散器部分400。外壳体100具有用于使过程流体F进入的流入口110。外壳体100具有用于使过程流体F离开的流出口120。流入口110和流出口120可以具有径向或轴向取向。在图1的示例性实施方式中，流入口110具有径向取向，而流出口120具有轴向取向。应当理解的是，流入口110和流出口120可以具有径向取向或轴向取向的任何组合。
外壳体100具有沿轴向方向延伸的内罩130。在外壳体100内沿着内罩130在流入口110与流出口120之间轴向地限定有环形的流动路径140。过程流体F经由流入口110进入流动路径140，并且经由流出口120离开流动路径140，从而限定轴向的流动路径。当过程流体F流动通过流动路径140时，过程流体F中的碳氢化合物裂解。
化学反应器10包括轴向延伸到外壳体100中的旋转轴14。该旋转轴连接至动力供给装置16，动力供给装置16驱动旋转轴14并使旋转轴14绕纵向轴线12沿旋转方向R旋转。在图1中所示的示例性实施方式中，旋转方向R为顺时针方向。应当理解的是，在其他实施方式中，旋转方向R可以是逆时针方向。动力供给装置16包括电动马达、蒸汽轮机、燃气轮机或工业中已知的任何内燃发动机或动力供给装置。
参照图1，叶轮部分200包括定位在转子盘220上的多个旋转叶轮轮叶210。旋转叶轮轮叶210可以被制造成与转子盘220成一体以作为一个部件。替代性地，旋转叶轮轮叶210可以单独制造并安装在转子盘220上。转子盘220联接至旋转轴14。旋转叶轮轮叶210在周向上彼此间隔开并且从转子盘220径向向外延伸到流动路径140中。流动路径140形成在转子盘220与外壳体100的内罩130之间。叶轮部分200设计成在流动路径140中将过程流体F加速成具有马赫数M大于1的超音速流。
固定式扩散器部分400布置在叶轮部分200的下游。固定式扩散器部分400具有发散的形状。固定式扩散器部分400包括定位在固定式扩散器毂420上的多个固定式扩散器叶片410。固定式扩散器叶片410可以被制造成与固定式扩散器毂420成一体以作为一个部件。替代性地，固定式扩散器叶片410可以单独制造并安装在固定式扩散器毂420上。固定式扩散器叶片410在周向上彼此间隔开并且从固定式扩散器毂420径向向外延伸到流动路径140中。流动路径140形成在固定式扩散器毂420与外壳体100的内罩130之间。通过在固定式扩散器部分400的出口处施加适当的背压而在固定式扩散器部分400中产生了冲击波416(图2所示)。
化学反应器10包括布置在固定式扩散器部分400下游的排放部分500。排放部分500包括定位在固定式排放毂520上的多个固定式排放叶片510。固定式排放叶片510可以被制造成与固定式排放毂520成一体以作为一个部件。替代性地，固定式排放叶片510可以单独制造并安装在固定式排放毂520上。固定式排放叶片510在周向上彼此间隔开并且从固定式排放毂520径向向外延伸到流动路径140中。流动路径140形成在固定式排放毂520与外壳体100的内罩130之间。排放部分500包括布置在固定式排放叶片510下游的排放锥522和出口过渡部524。流动路径140轴向地延伸通过排放锥522与出口过渡部524之间的通道，并在流出口120处离开外壳体100。
图2是过程流体F流动通过图1中所示的化学反应器10的流动路径140的示意性过程图。过程流体F经由流入口110进入流动路径140。过程流体F轴向地流动通过叶轮部分200并且被加速为超音速流。超音速过程流体F被引导到固定式扩散器部分400中，并穿过冲击波416被减速为马赫数M小于1的亚音速流。冲击波416使冲击波416下游的过程流体F的静态温度T瞬间显著增加，这产生足够的热来裂解过程流体F中的碳氢化合物。冲击波416同时使冲击波416下游的过程流体F的静态压力P瞬间增加，这产生化学反应器10的所需出口压力。过程流体F被引导到排放部分500中并且经由流出口120离开流动路径140。
图3是图1中所示的化学反应器10的示意性立体图。在图3中，为了清楚起见，外壳体100被移除。图4是旋转叶轮轮叶210的示意图。图5是相邻的固定式扩散器叶片410的示意图。图6是相邻的固定式排放叶片510的示意图。
参照图1、图3和图4，叶轮部分200包括定位在转子盘220上的多个旋转叶轮轮叶210。旋转叶轮轮叶210在周向上彼此间隔开并且从转子盘220径向向外延伸到流动路径140中。如图4所示，每个旋转叶轮轮叶210具有面向上游的前缘211和面向下游的后缘212。每个旋转叶轮轮叶210在前缘211与后缘212之间具有凹侧面213和凸侧面214。在通过转子盘220进行旋转时，旋转叶轮轮叶210通过将过程流体F的流动方向从前缘211处的方向215改变成后缘212处的方向216来加速过程流体F。前缘211流处的流动方向215和后缘212处的流动方向216相对于纵向轴线是相切的。旋转叶轮轮叶210具有超音速轮叶轮廓。旋转叶轮轮叶210在后缘212处将过程流体F加速成超音速流。过程流体F的加速速率由流动方向的变化量确定。过程流体F加速的速率越高，从前缘211到后缘212的流动方向变化量就越大。过程流体F的静态压力和温度在后缘212处与在前缘211处相比没有明显变化。
参照图1、图3和图5，超音速过程流体F从叶轮部分200排出到固定式扩散器部分400中。固定式扩散器部分400包括定位在固定式扩散器毂420上的多个固定式扩散器叶片410。固定式扩散器叶片410在周向上彼此间隔开并且从固定式扩散器毂420径向向外延伸到流动路径140中。如图5所示，每个固定式扩散器叶片410具有面向上游的前缘411和面向下游的后缘412。每个固定式扩散器叶片410在前缘411与后缘412之间具有两个相对的侧面413和414。扩散器流动通道415在相邻的固定式扩散器叶片410之间周向地形成并且在固定式扩散器毂420与内罩130之间径向地形成。扩散器流动通道415的横截面面积DA由扩散器流动通道415的横截面高度DH和横截面宽度DW确定。扩散器流动通道415的横截面高度DH在径向上限定在固定式扩散器毂420与内罩130之间。扩散器流动通道415的横截面宽度DW在周向上限定在相邻的固定式扩散器叶片410的相邻的面向侧面413和414之间。扩散器流动通道415被设计为沿着轴向方向发散。
通过在固定式扩散器部分400的出口处、在该实施方式中通过在固定式扩散器叶片410的后缘412处施加适当的背压而在固定式扩散器部分400中的轴向位置处产生过程流体F的冲击波416。随着扩散器流动通道415的横截面面积DA变大，超音速过程流体F沿着发散的固定式扩散器部分400连续加速。过程流体F的超音速加速的区域由冲击波416终止。冲击波416在固定式扩散器部分400中的轴向位置是背压的函数。背压越低，冲击波416的轴向位置就在更下游，则过程流体F的超音速加速的区域就越长。通过调节扩散器流动通道415的发散率、或者通过调节固定式扩散器叶片410的后缘412处的背压、或者通过调节扩散器流动通道415的发散率以及固定式扩散器叶片410的后缘412处的背压两者，过程流体F可以在冲击波416的上游实现高的超音速马赫数M。可以通过调节扩散器流动通道415的沿着轴向方向的横截面面积DA来调节扩散器流动通道415的发散率，横截面面积DA的调节可以通过调节扩散器流动通道415的沿着轴向方向的横截面高度DH来实现、或者通过调节扩散器流动通道415的沿着轴向方向的横截面宽度DW来实现、或者通过调节扩散器流动通道415的沿着轴向方向的横截面高度DH以及扩散器流动通道415的沿着轴向方向的横截面宽度DW两者来实现。
仍然参照图1、图3和图5，固定式扩散器叶片410可以具有螺旋形轮廓。过程流体F在穿过形成在相邻的螺旋形固定式扩散器叶片410之间的扩散器流动通道415时发生涡旋。固定式扩散器部分400中的位于冲击波416上游的高加速的且涡旋的过程流体F由于固定式扩散器部分400中的高的离心力而可以被分离成具有不同分子量的成分。过程流体F中的具有低分子量的成分、比如氢在扩散器流动通道415中的低径向位置流向固定式扩散器毂420。过程流体F中的具有高分子量的成分、比如CO2、碳氢化合物或蒸汽在扩散器流动通道415中的高径向位置流向内罩130。固定式扩散器部分400可以包括在冲击波416的下游布置在固定式扩散器毂420上的至少一个孔421。过程流体F中的低分子量的成分可以通过孔421被提取并从过程流体F中去除以用于剩余的流动路径140。多个孔421可以在冲击波416的下游布置在固定式扩散器毂420上。
冲击波416将超音速过程流体F瞬间降低为穿过冲击波416的亚音速过程流体F。过程流体F的静态温度穿过冲击波416瞬间增加。过程流体的静态压力F穿过冲击波416同时瞬间增加。在冲击波416下游的静态温度增加的过程流体F产生足够的热来裂解过程流体F中的较重分子量的碳氢化合物。冲击波416显著减少了过程流体F的加热和加压处理时间，从而显著减少了过程流体F在化学反应器10内的停留时间。穿过冲击波416的静态温度的比率和静态压力的比率是过程流体F的上游马赫数M和过程流体的性质的函数。
参照图1、图3和图6，亚音速过程流体F从扩散器部分400排出到排放部分500中的固定式排放叶片510。如图6所示，每个固定式排放叶片510具有面向上游的前缘511和面向下游的后缘512。每个固定式排放叶片510在前缘511与后缘512之间具有两个相对的侧面513和514。在相邻的固定式排放叶片510之间以及在固定式排放毂520与内罩130之间形成有多个排放流动通道515。排放流动通道515的横截面面积EA由排放流动通道515的横截面高度EH和横截面宽度EW确定。排放流动通道515的横截面高度EH在径向上限定在固定式排放毂520与内罩130之间。排放流动通道515的横截面宽度EW在周向上限定在相邻的固定式排放叶片510的相邻的相对侧面513和514之间。排放流动通道515被设计为沿着轴向方向会聚。通过调节排放流动通道515的会聚率，可以在固定式扩散器部分400的出口处施加适当的背压。可以在冲击波416的上游实现过程流体F的所需的超音速马赫数M，如上所述。可以通过调节排放流动通道515的沿着轴向方向的横截面面积EA来调节排放流动通道515的会聚率，横截面面积EA的调节可以通过调节排放流动通道515的沿着轴向方向的横截面高度EH来实现、或者通过调节排放流动通道515的沿着轴向方向的横截面宽度EW来实现、或者通过调节排放流动通道515的沿着轴向方向的横截面高度EH以及排放流动通道515的沿着轴向方向的横截面宽度EW两者来实现。
过程流体F从固定式排放叶片510排出到排放锥522与出口过渡部524之间的流动路径140而至流出口120。根据另一实施方式，过程流体F也可以从固定式排放叶片510排出至化学反应器10的另一级以进行进一步处理。固定式排放叶片510可以使离开第一级的过程流体F的流动方向与另一级的旋转叶轮轮叶210的前缘211对齐。
参照图1，化学反应器10包括布置在叶轮部分200下游的淬火区150。淬火区150包括至少一个喷嘴152。喷嘴152与过程流体F流体连通。喷嘴152可以将冷却剂流引入到过程流体F中以用于稳定过程流体F的温度。喷嘴152还可以将防垢流体引入到过程流体F中，以抑制化学反应器10内的结垢。
图7是根据一实施方式的化学反应器10的示意性纵向截面图。在该实施方式中，化学反应器10是具有双叶轮部分200和一个固定式扩散器部分400的单级化学反应器10。在双叶轮部分200之间布置有固定式桶部分300。固定式桶部分300包括定位在固定式桶叶片毂320上的多个固定式桶叶片310。固定式桶叶片310可以被制造成与固定式桶叶片毂320成一体以作为一个部件。替代性地，固定式桶叶片310可以单独制造并安装在固定式桶叶片毂320上。固定式桶叶片310在周向上彼此间隔开并且从固定式桶毂320径向向外延伸到流动路径140中。每个固定式桶叶片310具有面向上游的前缘311和面向下游的后缘312。固定式桶叶片310使从上游旋转叶轮轮叶210的后缘212离开的过程流体F的流动方向与下游旋转叶轮轮叶210的前缘211对齐。下游叶轮部分200可以在过程流体F进入固定式扩散器部分400之前进一步加速过程流体F的速度。每个叶轮部分200中的旋转叶轮轮叶210可以具有相同或不同的构型。与具有一个叶轮部分200的化学反应器10相比，具有双叶轮部分200的化学反应器10可以降低过程流体F在流入口110处的入口速度。与具有一个叶轮部分200的化学反应器10相比，具有双叶轮部分200的化学反应器10可以降低过程流体F在流入口120处的速度，并且在旋转叶轮轮叶210中可能需要较少的流动方向变化。图8是过程流体流动通过图7所示的双叶轮单级化学反应器10的流动路径140的示意性过程图。
图9图示了根据一实施方式的化学反应器10的示意性纵向截面图。在该实施方式中，化学反应器10是两级化学反应器10。两级化学反应器10包括上游级和下游级。每一级具有一个叶轮部分200和一个固定式扩散器部分400。应当理解的是，两个级中的每一级或者一个级可以具有如图7和图8所图示的双叶轮部分200和一个固定式扩散器部分400。这两个级可以被封围在共同的外壳体100内。替代性地，这两个级也可以被封围在两个单独的外壳体100内。两级化学反应器10分别在上游级和下游级中产生上游冲击波416和下游冲击波416以改善过程流体F的裂解过程。两级化学反应器10可以降低过程流体F在流入口120处的速度，并且在旋转叶轮轮叶210中可能需要较少的流动方向变化。图10是过程流体F流动通过图9所示的两级化学反应器10的流动路径140的示意性过程图。
参照图9，上游固定式扩散器部分400包括在上游冲击波416下游布置在固定式扩散器毂420上的至少一个孔421。过程流体F中的低分子量成分通过孔421被提取并从过程流体F中去除以用于剩余的流动路径140。具有高分子量成分的过程流体F流入下游级以进行进一步处理。化学反应器10的效率大大提高。
图11是过程流体F流动通过具有如图8所示的双叶轮部分200的化学反应器10的流动路径140的示意性过程图。在过程图的下方，布置有过程流体F在沿着流动路径140的各个位置处的计算出的静态温度T和静态压力P的图表。图11中所示出的过程流体F在沿着流动路径140的各个位置处的计算出的静态温度T和静态压力P的图表仅用于说明目的。应当理解的是，过程流体F在沿着流动路径140的各个位置处的静态温度T和静态压力P的值对应于化学反应器10的不同几何结构和过程流体F的性质而改变。过程流体F为含烃过程流体。
如图11所示，静态温度和静态压力P穿过冲击波416同时瞬间增加。如上所述，通过调整化学反应器10的几何结构，比如通过调整旋转叶轮轮叶210的轮廓、扩散器流动通道415的发散率、排放流动通道515的会聚率，实现了穿过冲击波416的静态温度T的期望比率和静态压力P的期望比率以裂解过程流体F中的碳氢化合物。例如，穿过冲击波416的静态温度T的比率可以为增加至少百分之十(10％)。穿过冲击波416的静态压力P的比率可以为增加小于百分之十(10％)、或者至少百分之十(10％)、或者多达两倍或三倍。穿过化学反应器10的静态压力P的总增加小于穿过冲击波416增加的静态压力P。与在已知的经商业实践的化学反应器、比如炉型化学反应器中的数百毫秒相比，在化学反应器10中的停留时间被显著减少，例如大约10毫秒、或大约5毫秒、或者甚至大约1毫秒。过程流体F穿过涡轮机型化学反应器10中的冲击波416的同时加热和加压可以减少在炉型化学反应器中所使用的气体压缩机和热交换器，并且因此降低了炼油厂和石化厂的成本和复杂性并提高了炼油厂和石化厂的可靠性。
离开固定式扩散器部分400的过程流体F被引导至排放部分500的固定式排放叶片510。裂解反应可以通过固定式排放叶片510继续。裂解反应可以从过程流体F吸收热，这可以使过程流体F中的化学反应有效地停止并降低冲击波416下游的过程流体F的温度。过程流体F可以在用于单级化学反应器10的流出口120处离开化学反应器10。替代性地，过程流体F可以进入用于如图9和图10所示的两级化学反应器10的第二级，在第二级中，过程流体F被重新加速成超音速流、使穿过第二级中的第二冲击波416的静态温度T和静态压力P同时瞬间增加，这类似于图11中所图示的。可以在第二叶轮部分200下游的第二级反应器中并入淬火区150，以通过将冷却蒸汽或其他冷却流体和/或防垢流体注入到流动路径140中来控制裂解反应率。
图12是根据一实施方式的化学反应器10的示意性纵向截面图。在该示例性实施方式中，动力供给装置16是燃气轮机16。换热器17操作性地连接至燃气轮机16以提取燃气轮机排放气体，从而预热过程流体F。然后，排放气体被传递到烟囱。加热装置18可以操作性地连接至换热器17以进一步加热过程流体F。加热装置18可以是熔炉或工业上已知的任何类型的加热装置。被加热的过程流体F然后被引入到化学反应器10的流入口110，如以上参照图1至图11所图示的。这种布置利用了来自燃气轮机10的废热，并提高了过程流体F的裂解过程的效率。
根据一方面，所提出的化学反应器10是用于裂解炼油厂和石化厂中的过程流体F中的碳氢化合物的涡轮机型化学反应器。所提出的涡轮机型化学反应器10包括固定式扩散器部分400和至少一个叶轮部分200，以在固定式扩散器部分400中产生冲击波416。冲击波416使冲击波416下游的过程流体F的静态温度T瞬间增加以裂解过程流体F。所提出的涡轮机型化学反应器10显著减少了过程流体F在化学反应器10中的停留时间并提高了化学反应器10的效率。
根据一方面，所提出的涡轮机型化学反应器10提供了过程流体F穿过冲击波416的同时加热和加压。所提出的涡轮机型化学反应器10可以减少在炉型化学反应器中所使用的气体压缩机和热交换器。与炉型化学反应器相比，所提出的涡轮机型化学反应器10明显更紧凑。因此，所提出的涡轮机型化学反应器10降低了炼油厂和石化厂的成本和复杂性并提高了炼油厂和石化厂的可靠性。
尽管本文中已经详细示出并描述了结合所公开的概念的各种实施方式，但是本领域技术人员可以容易地设计出仍然结合这些所公开的概念的许多其他变化的实施方式。所公开的实施方式不限于在说明书中所阐述的或者在附图中所图示的部件的结构和布置的具体细节。所公开的概念可以通过其他实施方案来实现，并且可以以各种方式实践或以各种方式来执行，这现在对于本领域技术人员而言将变得显而易见。另外，应当理解的是，本文中所使用的措词和术语是出于描述的目的，而不应被认为是限制性的。本文中的“包括”、“包含”或“具有”及其变型的使用意在涵盖其后所列出的项目及其等同物以及其他项目。除非另有说明或限制，否则术语“被安装”、“被连接”、“被支承”和“被联接”及其变型是广泛使用的，并且涵盖直接和间接的安装、连接、支承和联接。此外，“被连接”和“被联接”不限于物理或机械的连接或联接。
附图标记列表：
10：化学反应器
12：纵向轴线
14：旋转轴
16：动力供给装置
17：换热器
18：加热装置
100：外壳体
110：流入口
120：流出口
130：内罩
140：流动路径
150：淬火区
152：排出喷嘴
200：叶轮部分
210：旋转叶轮轮叶
211：轮叶的前缘
212：轮叶的后缘
213：旋转叶轮轮叶的凹侧面
214：旋转叶轮轮叶的凸侧面
215：前缘流动方向
216：后缘流动方向
220：转子盘
300：固定式桶部分
310：固定式桶叶片
311：固定式桶叶片的前缘
312：固定式桶叶片的后缘
320：固定式桶叶片毂
400：固定式扩散器部分
410：固定式扩散器叶片
411：固定式扩散器叶片的前缘
412：固定式扩散器叶片的后缘
413、414：固定式扩散器叶片的相对侧面
415：扩散器流动通道
416：冲击波
420：固定式扩散器叶片毂
421：孔
500：排放部分
510：固定式排放叶片
511：固定式排放叶片的前缘
512：固定式排放叶片的后缘
513、514：固定式排放叶片的相对侧面
515：排放流动通道
520：固定式排放叶片毂
522：排放锥
524：出口过渡部
Claims (19)
1.一种用于处理过程流体的化学反应器，所述化学反应器包括：
外壳体(100)，所述外壳体包括用于使所述过程流体进入的流入口(110)和用于使所述过程流体离开的流出口(120)，其中，在所述外壳体内限定流动路径，所述流动路径沿着所述外壳体的内罩(130)在所述流入口与所述流出口之间轴向地延伸；
旋转轴(14)，所述旋转轴延伸到所述外壳体中并联接至转子盘，其中，所述旋转轴由动力供给装置(16)驱动；
第一叶轮部分和设置在所述第一叶轮部分的下游的第二叶轮部分，每个叶轮部分包括定位在所述转子盘上的相应的多个旋转叶轮轮叶(210)，其中，所述多个旋转叶轮轮叶从所述转子盘径向向外延伸到所述流动路径中；
固定式桶部分(300)，所述固定式桶部分设置在所述第一叶轮部分与所述第二叶轮部分之间；
固定式扩散器部分(400)，所述固定式扩散器部分设置在所述第二叶轮部分的下游，其中，所述固定式扩散器部分包括多个发散的扩散器流动通道(415)；
排放部分(500)，所述排放部分设置在所述固定式扩散器部分的下游，其中，所述排放部分包括多个会聚的排放流动通道(515)，
其中，相应的所述多个旋转叶轮轮叶构造成将所述过程流体加速为超音速流，
其中，所述多个会聚的排放流动通道构造成提供背压，使得在所述固定式扩散器部分中产生冲击波，其中，在所述固定式扩散器部分中产生的所述冲击波使所述冲击波的下游的所述过程流体的静态温度增加，从而产生足够的热来处理所述过程流体，
其中，所述多个扩散器流动通道构造成提供所述过程流体穿过所述冲击波的流动特性，以用于处理所述过程流体。
2.根据权利要求1所述的化学反应器，其中，所述过程流体的所述流动特性包括所述过程流体穿过所述冲击波的静态温度的比率，其中，所述过程流体穿过所述冲击波的静态温度的比率增加至少百分之十。
3.根据权利要求1所述的化学反应器，其中，所述过程流体的所述流动特性包括所述过程流体穿过所述冲击波的静态压力的比率，其中，所述过程流体穿过所述冲击波的静态压力的比率包括达两倍或三倍的增加。
4.根据权利要求1所述的化学反应器，其中，所述固定式扩散器部分包括定位在固定式扩散器毂上的多个固定式扩散器叶片，其中，所述多个固定式扩散器叶片在周向上彼此间隔开并且从所述固定式扩散器毂径向向外延伸到所述流动路径中，并且其中，每个扩散器流动通道在相邻的固定式扩散器叶片之间被周向地限定并且在所述固定式扩散器毂与所述内罩之间被径向地限定。
5.根据权利要求4所述的化学反应器，其中，每个扩散器流动通道的发散率被调节，以提供所述过程流体穿过所述冲击波的所述流动特性。
6.根据权利要求4所述的化学反应器，其中，所述固定式扩散器部分包括在所述冲击波的下游设置在所述固定式扩散器毂上的至少一个孔，并且其中，所述孔构造成从所述过程流体提取低分子量成分。
7.根据权利要求1所述的化学反应器，其中，所述排放部分包括定位在固定式排放毂上的多个固定式排放叶片，其中，所述多个固定式排放叶片在周向上彼此间隔开并且从所述固定式排放毂径向向外延伸到所述流动路径中，并且其中，每个排放流动通道在相邻的固定式排放叶片之间被周向地限定并且在所述固定式排放毂与所述内罩之间被径向地限定。
8.根据权利要求7所述的化学反应器，其中，每个排放流动通道的会聚率被调节，以提供所述过程流体穿过所述冲击波的所述流动特性。
9.根据权利要求1所述的化学反应器，还包括设置在所述第二叶轮部分的下游的淬火区，其中，所述淬火区包括用于将冷却剂流引入到所述过程流体中的至少一个喷嘴。
10.一种用于处理过程流体的方法，所述方法包括：
提供化学反应器，所述化学反应器包括：
外壳体，所述外壳体包括用于使所述过程流体进入的流入口和用于使所述过程流体离开的流出口，其中，在所述外壳体内限定流动路径，所述流动路径沿着所述外壳体的内罩在所述流入口与所述流出口之间轴向地延伸；
旋转轴，所述旋转轴延伸到所述外壳体中并联接至转子盘，其中，所述旋转轴由动力供给装置驱动；
第一叶轮部分和设置在所述第一叶轮部分的下游的第二叶轮部分，每个叶轮部分包括定位在所述转子盘上的相应的多个旋转叶轮轮叶，其中，所述多个旋转叶轮轮叶从所述转子盘径向向外延伸到所述流动路径中；
固定式桶部分，所述固定式桶部分设置在所述第一叶轮部分与所述第二叶轮部分之间；
固定式扩散器部分，所述固定式扩散器部分设置在所述第二叶轮部分的下游，其中，所述固定式扩散器部分包括多个发散的扩散器流动通道；
排放部分，所述排放部分设置在所述固定式扩散器部分的下游，其中，所述排放部分包括多个会聚的排放流动通道，
通过所述旋转轴使相应的所述多个旋转叶轮轮叶旋转，以用于将所述过程流体加速为超音速流；
通过提供背压而在所述固定式扩散器部分中产生冲击波，其中，在所述固定式扩散器部分中产生的所述冲击波使所述冲击波的下游的所述过程流体的静态温度增加，从而产生足够的热来处理所述过程流体；以及
使用所述过程流体穿过所述冲击波的流动特性来处理所述过程流体。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述过程流体的所述流动特性包括所述过程流体穿过所述冲击波的静态温度的比率，其中，所述过程流体穿过所述冲击波的静态温度的比率增加至少百分之十。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，所述过程流体的所述流动特性包括所述过程流体穿过所述冲击波的静态压力的比率，其中，所述过程流体穿过所述冲击波的静态压力的比率包括达两倍或三倍的增加。
13.根据权利要求10所述的方法，其中，所述固定式扩散器部分包括定位在固定式扩散器毂上的多个固定式扩散器叶片，其中，所述多个固定式扩散器叶片在周向上彼此间隔开并且从所述固定式扩散器毂径向向外延伸到所述流动路径中，并且其中，每个扩散器流动通道在相邻的固定式扩散器叶片之间被周向地限定并且在所述固定式扩散器毂与所述内罩之间被径向地限定。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括调节每个扩散器流动通道的发散率，以提供所述过程流体穿过所述冲击波的所述流动特性。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述固定式扩散器部分包括在所述冲击波的下游设置在所述固定式扩散器毂上的至少一个孔，并且其中，所述方法还包括通过所述孔从所述过程流体提取低分子量成分。
16.根据权利要求10所述的方法，其中，所述排放部分包括定位在固定式排放毂上的多个固定式排放叶片，其中，所述多个固定式排放叶片在周向上彼此间隔开并且从所述固定式排放毂径向向外延伸到所述流动路径中，并且其中，每个排放流动通道在相邻的固定式排放叶片之间被周向地限定并且在所述固定式排放毂与所述内罩之间被径向地限定。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括调节每个排放流动通道的会聚率，以提供所述过程流体穿过所述冲击波的所述流动特性。
18.根据权利要求10所述的方法，还包括在所述第二叶轮部分的下游设置淬火区，其中，所述淬火区包括用于将冷却剂流引入到所述过程流体中的至少一个喷嘴。
19.根据权利要求15所述的方法，其中，通过所述至少一个孔(421)从所述过程流体提取的低分子量成分是氢。
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