CN115155353B - 一种用于混合乙烯与氧气的混合器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于混合乙烯与氧气的混合器，包括外筒体、分层隔板、分布板、喷射环、乙烯入口、氧气入口、扰流混合片；喷射环固定于分布板上；分布板与外筒体封闭端之间形成进料区，分布板与喷射环所处的外筒体内形成分布区，喷射环与外筒体敞口端之间形成射流混合区；分层隔板将进料区分割为乙烯进料区和氧气进料区，分别连接乙烯入口和氧气入口；分布板和喷射环将分布区分割为由外向内交替排布的乙烯环形通道和氧气环形通道；乙烯进料区内的分布板上开设乙烯通道孔，与相应的乙烯环形通道对应；氧气进料区内的分布板上开设氧气通道孔，与相应的氧气环形通道对应，扰流混合片沿外筒体径向截面设置。本发明可使乙烯与氧气均匀混合，安全可靠。

Description

一种用于混合乙烯与氧气的混合器

技术领域

本发明属于混合设备技术领域，具体涉及一种用于混合乙烯与氧气的混合器。

背景技术

环氧乙烷(EO)是乙烯工业下游衍生物中仅次于聚乙烯的重要化工产品，应用领域广泛，主要用于生产非离子型表面活性剂、乙醇胶、乙二醇醋、聚酶多元醇、氧化胆碱及医药等精细化工产品，还可用作食品，化妆品，手术设备等医疗设备的消毒灭菌剂。环氧乙烷下游产品种类可达6000多种，生产具有广阔前景。

环氧乙烷工业生产技术主要有氯醇法和乙烯直接氧化法两种方法，早期以氯醇法为主，由于氯醇法生产过程中使用氯气并生成大量氯化氢，对设备、建筑物及辅助设施的腐蚀破坏严重，此外废水、废气、废料难以处理，氯醇法已基本被乙烯直接氧化法替代。乙烯直接氧化法根据氧化剂的不同，又可分为空气氧化法和氧气氧化法，空气的氧化法通常运行成本较低、催化剂选择性好，但投资较高、转化率低，目前主流的生产方法为氧气氧化法，通过乙烯与氧气反应合成环氧乙烷。此时，反应前必须要完成乙烯和氧气的混合，但乙烯易燃易爆，且爆炸范围较宽，如果控制不当极易发生燃爆事故，危险极高，因此乙烯与氧气的混合是环氧乙烷生产关键工艺和设备。

目前工业生产中常用的混合方法主要有搅拌混合、静态混合器混合、喷射流混合。搅拌混合主要用机械搅拌等外部机械能的方式强化流体的宏观混合，但由于化工产品往往易燃易爆、剧毒、受热易反应，机械搅拌很可能提供燃烧所需的火花和热量，且存在运动部件密封较为困难、易泄漏，因此搅拌混合很难用于乙烯与氧气的混合。静态混合器混合的方法一般是在混合器或管路中设置挡板等结构来扰乱流体流动，增加流体层流运动的速度梯度或形成湍流，实现物流的混合，但乙烯和氧气的混合爆炸范围较宽，在静态混合器混合比例难以控制，很难实现乙烯和氧气的精准混合，因此静态混合器也很难用于乙烯与氧气的混合。

喷射流混合是利用高速射流卷吸效应，通过将快速运动的流体(即射流)，注射到缓慢流动或静止的流体(即主流体)中，由于射流和主流体的速度差，在射流边界形成了一个混合层。该混合层沿着射流流动方向扩展，通过夹带和混合，使主流体进入射流中，二股流体混合均匀。由于结构简单、无旋转部件、工作可靠、混合剧烈、传质传热速率快等优势，已成为工业生产中混合方式。

目前工业上应用的乙烯氧气混合器常用为主体流侧面进料、射流为列管进料的混合方式，总体来看射流为单点的喷射，环向上不均匀、射流混合效果不好；主流侧向进入混合器后流动方向发生转变，混合器内的流动不均匀，且对列管冲击较大、列管易断裂，结构设计不合理，需要不断改进。

专利CN 105214528A公开了一种烯烃与氧气的混合器，主要是在氧气管道的末端对称设置了若干个氧气分散管，每个氧气分散管上均匀分布了若干个氧气分散孔，氧气管道通过氧气分散孔与混合室连通。但从烯烃管道的截面来看，氧气分散孔在管道中心处较密集，在壁面附近较稀疏。混合过程中氧气在主管中心处浓度可能高于壁面附近，混合不均匀，影响混合效果，易导致安全事故。

专利CN 108310989 B公开一种乙烯和氧气的快速混合设备，在混合室内布设若干氧气螺旋分配管，螺旋分配管平面与乙烯流动方向垂直，每个螺旋分配管上均匀分布若干个氧气喷嘴，喷嘴方向与乙烯流动方向一致，从主流道进入的乙烯与螺旋分配管喷嘴喷射出的氧气在混合区快速混合，较好地解决了乙烯和氧气的混合。但由于氧气进料管道在主管道分成若干支分配管进入乙烯主管，各氧气分支管内氧气可能不相同，将导致氧气在混合区内混合不均匀，影响混合效果，易导致安全事故。

综上所述，乙烯与氧气的混合是十分重要的生产环节，混合过程中要穿越爆炸区间，危险性极高，混合时必须保证乙烯与氧气均匀混合并远离爆炸区间。目前喷射流混合技术存在混合不均匀、易导致安全事故的技术问题，需要进一步改进。

发明内容

为了解决现有技术存在混合不均匀、易导致安全事故的技术问题，本发明提供了一种用于混合乙烯与氧气的混合器，使乙烯与氧气在混合过程中快速穿越爆炸区间，均匀混合后远离爆炸区间，达到安全性的目的。

本发明提供的用于混合乙烯与氧气的混合器包括外筒体、分层隔板、分布板、喷射环、乙烯入口、氧气入口和扰流混合片；外筒体呈圆筒状，一端封闭，另一端敞口；喷射环呈两端敞口的圆筒状；分布板固定于外筒体内部，喷射环一端沿外筒体轴线固定于分布板上，与外筒体同轴设置；分布板与外筒体封闭端之间的空间形成进料区，分布板与喷射环所处的外筒体内空间形成分布区，喷射环与外筒体敞口端之间的空间形成射流混合区；分层隔板位于进料区，沿外筒体轴线垂直固定于分布板上，并将进料区分割为乙烯进料区和氧气进料区两类，乙烯入口与乙烯进料区连接，氧气入口与氧气进料区连接；分布板和喷射环将分布区分割为沿外筒体径向由外向内、直径由大到小的环形通道，环形通道分为乙烯环形通道和氧气环形通道两类，二者沿外筒体径向由外向内交替排布；乙烯进料区内的分布板上开设乙烯通道孔，与相应的乙烯环形通道对应；氧气进料区内的分布板上开设氧气通道孔，与相应的氧气环形通道对应；扰流混合片设于射流混合区内，扰流混合片整体呈条带状薄片，沿外筒体径向截面自上而下层层设置并布满整个径向截面。

所述喷射环的具体数量可根据实际工况确定，以2～12个为宜，优选3～8个。喷射环大环套小环，沿外筒体径向层层嵌套，均与外筒体同轴设置。

所述外筒体可由壳体和封头组成，外筒体封闭端可采用封头或法兰盖等形式进行封闭；外筒体敞口端供混合后的混合气体进入后续流程；外筒体从便于制造、中心对称便于分配均匀的目的考虑，宜为圆筒，直径宜为200～3000mm。

所述分层隔板的数量可以根据实际工况确定，以2～6个为宜，优选3～5个。分层隔板与分布板一起将外筒体的进料区分为乙烯进料区和氧气进料区两类，两类进料区沿外筒体周向交替排布，每个乙烯进料区和氧气进料区均为封闭区域；每个封闭区域应密封严格，禁止物料互窜；每个封闭区域的对应外筒体上设置相应的乙烯入口或氧气入口，供外部氧气或乙烯进入。增加分层隔板的数量，可增加乙烯进料区和氧气进料区的数量，促进分布区内乙烯、氧气在各自的环形通道内快速均匀扩散，减少环向扩散的最大距离，增加乙烯、氧气在各自的环形通道内的均匀度，缩短整流长度和喷射环长度。

由于乙烯进料区的分布板上仅开设与乙烯环形通道对应的乙烯通道孔，氧气进料区的分布板上仅开设与氧气环形通道对应的氧气通道孔，乙烯和氧气将通过各自的通道孔进入各自的环形通道，互不掺混，以进行后续的射流混合。

喷射环与分布板两侧的密封应采用焊接、粘接等可靠的方式进行密封，由于乙烯与氧气的爆炸范围宽，危险性极高，必须要做好混合设备的密封。总体来说，喷射环与分布板的密封应确保氧气仅在氧气环形通道内向射流混合区输送，不进入乙烯环形通道、且不得向乙烯环形通道前端的乙烯区域扩散；乙烯不进入氧气环形通道，仅在乙烯环形通道内向射流混合区输送，且不得向氧气环形通道前端的氧气区域扩散，以此确保混合设备的本质安全。

为保证乙烯与氧气形成射流混合，乙烯环形通道与氧气环形通道是交替排布的，乙烯环形通道的径向宽度大于氧气环形通道的径向宽度。

作为改进，分布区最外圈的环形通道为乙烯环形通道。

喷射环长度的确定可考虑以下两个方面：

一方面，氧气从分布板上的氧气通道孔进入氧气环形通道后，先向氧气环形通道内没有氧气直接进入的区域扩散，当氧气在氧气环形通道内分布均匀后再进入射流混合区。氧气环形通道起到导流氧气、整流氧气，将氧气在氧气环形通道内环向均匀分布的作用，因此要求喷射环有一定的轴向长度；

另一方面，乙烯从分布板上的乙烯通道孔后进入乙烯环形通道后，在乙烯环形通道内向没有乙烯直接进入的区域扩散，当乙烯在乙烯环形通道内均匀分布后再进入射流混合区。喷射环起到将环向的乙烯整流，达到使乙烯在乙烯环形通道内沿环向均匀分布的目的，因此同样也要求喷射环有一定的轴向长度；

喷射环的最终长度取以上两者确定的长度的最大者，并保留一定的裕量，以便提供更大的操作弹性。

作为进一步改进，为缩短分布区内喷射环对乙烯的整流长度，促进乙烯更快向没有乙烯直接进料的乙烯环形通道区域扩散，降低喷射环和混合设备的长度，可连续或间断地在乙烯环形通道内与乙烯通道孔对应的部分内壁上设置乙烯挡板，乙烯挡板的高度小于乙烯环形通道的径向宽度，优取小于乙烯环形通道径向宽度的1/2，以增加乙烯进入乙烯环形通道后的流动阻力，促进乙烯向未直接开乙烯通道孔的乙烯环形通道位置流动，使乙烯在更短距离内实现在环形通道内的均匀分布。

当乙烯、氧气经过喷射环的整流、在各自的环形通道内分布均匀后，进入射流混合区。由于氧气环形通道的截面总面积小于氧气入口总面积，氧气在氧气环形通道内输送速度增大，可达到20～100m/s，快速运动的氧气流体高速注射到相对低速的主流体即乙烯流中，在射流边界，由于氧气射流和乙烯主流体的速度差，形成了一个混合层，该混合层沿着氧气射流流动方向扩展，通过夹带和混合，使主流体乙烯进入氧气射流中，达到快速通过爆炸范围、快速混合的目的。在设计环形通道的大小、喷射环位置和乙烯通道孔的位置时，应做到从不同氧气环形通道喷出的氧气在一定的距离内不得交叉和撞击壁面，以实现对氧气和乙烯混合比例的控制，以避免发生爆炸。在射流混合区内乙烯和氧气先射流混合，氧气快速穿越爆炸危险区，再经扰流混合片完成进一步混合后，远离爆炸范围并离开混合设备。

所述扰流混合片可将射流混合的混合气体进一步充分混合，达到外筒体径向截面内均匀分布的目的，扰流混合片可通过将薄片进行折叠、弯曲等不同加工方式得到，并以特定的角度安装后，达到对混合气体的导流、扰流、充分混合的作用。下面提供了两种扰流混合片的实施方案：

方案一：

所述扰流混合片为平直的长条状薄片，沿外筒体径向截面自上而下层层平行间隔排列布满整个径向截面，其宽度方向倾斜于外筒体轴向，倾斜角为10～70度，优选20～60度，在径向截面内，相邻扰流混合片间距为30～300mm，扰流混合片长度为30～400mm；

作为改进方案，为充分利用筒内空间，加强扰流混合片的扰流程度，扰流混合片沿长度方向间隔加工出缺口，缺口处的薄片相对于扰流混合片所在平面向一侧或两侧翻折呈舌状的舌片；加工缺口时，沿扰流混合片宽度方向进行切割。加工缺口的好处是用同一个扰流混合片可实现将混合气体进行两个及以上方向的导流，在有限的空间内加大扰流程度；作为进一步改进方案，在径向截面内上下相邻两扰流混合片的舌片部位可以错开布置，这样可以加大流体在外筒体内的流动距离，进一步加大扰流程度；

作为进一步方案，射流混合区内沿外筒体轴向可以设置多列扰流混合片，相邻列间扰流混合片安装呈一定夹角，推荐为45～135度，以防气体的短路并增加混合气体的扰流混合长度，在筒体内混合气体实现大角度的转向和掺混，增强混合效果。扰流混合片的列数以2～4列为宜。

方案二：

所述扰流混合片为波浪形条带状薄片，波峰或波谷所在的夹角为45～135度，扰流混合片沿外筒体径向截面自上而下层层排列布满整个径向截面，扰流混合片波峰或波谷所在直线与外筒体轴线成一偏转夹角，且上下相邻两扰流混合片与外筒体轴线成相反的偏转夹角，上下相邻两扰流混合片设置时错开一定长度，以半个波距为宜；混合气体在波浪形扰流混合片的导流作用下，于外筒体径向截面内上下掺混；在与外筒体轴线成不同夹角的扰流混合片的导流作用下，于外筒体轴线上左右掺混，在较短距离内实现混合气体的三维多向掺混，湍流程度大大增加，且无流动死区，不产生混合气体的积聚；

作为进一步方案，射流混合区内沿外筒体轴向可以设置多列扰流混合片，扰流混合片的列数以2～4列为宜。

作为进一步的改进，用于混合乙烯与氧气的混合器可设置静电接地装置，以消除静电对混合过程的影响，防止静电积聚，增加混合设备的安全性，增加本质安全。

作为进一步的改进，考虑到混合设备危险性极高，用于混合乙烯与氧气的混合器外部可设置防爆墙，将极端事故工况的损失降到最低。

作为进一步的改进，考虑到混合设备危险性极高，用于混合乙烯与氧气的混合器可设置联锁控制系统，当测得测量点氧含量超标时，减小氧气供应或从氧气入口通入氮气等惰性气体，使混合过程远离爆炸极限。

本发明具有以下有益效果：

1)利用高速氧气的喷射和卷吸作用，使乙烯和氧气迅速通过爆炸极限、快速混合，减小混合过程的物理域和时间域，达到安全混合的目的；

2)通过同轴设置的多层喷射环的导流作用实现了使乙烯与氧气同向进入混合设备，氧气从不同直径的氧气环形通道向混合设备内环向均匀、连续地喷出，易于混合均匀，操作弹性大；通过对氧气喷射流的流速、喷射流的位置的设置实现了乙烯和氧气的准确混合；

3)通过设置扰流混合片，使乙烯和氧气在射流混合区混合的更加充分，提升混合效果；

4)通过静电消除装置、防爆墙、联锁控制系统等保证了混合设备的安全性。

附图说明

图1是本发明的一种结构示意图；

图2是本发明的分层隔板为两个时进料区轴向结构示意图。

图3是本发明的扰流混合片的一种结构示意图；

图4是本发明的扰流混合片的另一种结构示意图；

图5是图4所示的扰流混合片在外筒体径向截面上的设置结构示意图。

图中：A-进料区，B-分布区，C-射流混合区，1-外筒体，2-乙烯入口，3-分层隔板，4-氧气入口，5-分布板，6-氧气通道孔，7-乙烯通道孔，8-乙烯挡板，9-喷射环，10-乙烯环形通道，11-氧气环形通道，12-扰流混合片，13-舌片，14-扰流混合片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

图1是本发明的一种结构示意图，如图所示，

本发明的用于混合乙烯与氧气的混合器包括外筒体1、分层隔板3、分布板5、喷射环9、乙烯入口2、氧气入口4和扰流混合片12；外筒体1呈圆筒状，左端封闭，右端敞口；喷射环9呈两端敞口的圆筒状，喷射环9的数量为六个；分布板5固定于外筒体1内壁上，喷射环9左端沿外筒体1轴线焊接于分布板5上，与外筒体1同轴设置，喷射环9右端为自由端；分布板5与外筒体1封闭端即左端之间的空间形成进料区A，分布板5与喷射环9所处的外筒体1内空间形成分布区B，喷射环9与外筒体1敞口端即右端之间的空间形成射流混合区C；分层隔板3位于进料区A，沿外筒体1轴线垂直固定于分布板5上，并将进料区A分割为乙烯进料区和氧气进料区两类，乙烯入口2与乙烯进料区连接，氧气入口4与氧气进料区连接；分布板5和喷射环9将分布区B分割为沿外筒体1径向由外向内、直径由大到小的七个环形通道，这七个环形通道包括四个乙烯环形通道10和三个氧气环形通道11，乙烯环形通道10和氧气环形通道11沿外筒体1径向由外向内交替排布；乙烯进料区内的分布板上开设乙烯通道孔7，与相应的乙烯环形通道10对应；氧气进料区内的分布板上开设氧气通道孔6，与相应的氧气环形通道11对应；在进料区A和分布区B内，乙烯和氧气不发生物料混合；扰流混合片12设于射流混合区C内，扰流混合片12沿外筒体径向截面自上而下层层设置并布满整个径向截面。

在乙烯环形通道10内与乙烯通道孔7对应的部分内壁上设置有乙烯挡板8，乙烯挡板8的高度小于乙烯环形通道10的径向宽度，以增加乙烯进入乙烯环形通道10后的流动阻力，促进乙烯向未直接开乙烯通道孔的乙烯环形通道位置流动，使乙烯在更短距离内实现在环形通道内的均匀分布。

所述扰流混合片12的结构如图3所示，扰流混合片12为平直的长条状薄片，扰流混合片12沿长度方向间隔加工出缺口，缺口处的薄片相对于扰流混合片所在平面向一侧翻折呈舌状的舌片13。

如图1所示，扰流混合片12沿外筒体1径向截面自上而下层层平行间隔排列布满整个径向截面，其宽度方向倾斜于外筒体轴向，在径向截面内上下相邻两扰流混合片的舌片部位错开布置，扰流混合片12沿外筒体1轴线设置了两列。

图4是本发明的扰流混合片的另一种结构示意图，如图所示，扰流混合片14为波浪形条带状薄片，波峰或波谷所在的夹角为45～135度。

扰流混合片14在外筒体1径向截面的设置如图5所示，扰流混合片14沿外筒体1径向截面自上而下层层排列布满整个径向截面，扰流混合片14波峰或波谷所在直线与外筒体1轴线成一偏转夹角，且上下相邻两扰流混合片14与外筒体1轴线成相反的偏转夹角，上下相邻两扰流混合片14设置时错开半个波距的长度。图中，阴影部分表示混合气体流道。

图2是本发明的分层隔板为两个时进料区轴向结构示意图，如图所示，分层隔板3为两个，垂直相交，将进料区分割为两个乙烯进料区和两个氧气进料区，两个乙烯进料区对应两个乙烯入口2，两个氧气进料区对应两个氧气入口4，乙烯进料区和氧气进料区沿分布板5周向交替排布。分布板5为圆形平板，其上开设氧气通道孔6和乙烯通道孔7。氧气通道孔6在图中用径向宽度窄的圆弧形阴影表示，乙烯通道孔7在图中用径向宽度宽的圆弧形阴影表示。分布板5上的未开孔区为非阴影区。

如图1和图2所示，本发明工作时：

乙烯从乙烯入口2进入乙烯进料区，经分布板5上的乙烯通道孔7进入乙烯环形通道10，在乙烯环形通道10内先向没有乙烯直接进入的区域扩散，当乙烯在乙烯环形通道10内均匀分布后再进入射流混合区C；

氧气从氧气入口4进入氧气进料区，经分布板5上的氧气通道孔6进入氧气环形通道11，在氧气环形通道11内先向没有氧气直接进入的区域扩散，当氧气在氧气环形通道11内均匀分布后再进入射流混合区C；

在射流混合区C内，乙烯和氧气先射流混合再经扰流混合片12的进一步混合，以实现预期混合效果。

Claims (15)

1.一种用于混合乙烯与氧气的混合器，其特征在于：包括外筒体、分层隔板、分布板、喷射环、乙烯入口、氧气入口和扰流混合片；外筒体呈圆筒状，一端封闭，另一端敞口；喷射环呈两端敞口的圆筒状；分布板固定于外筒体内部，喷射环一端沿外筒体轴线固定于分布板上，与外筒体同轴设置；分布板与外筒体封闭端之间的空间形成进料区，分布板与喷射环所处的外筒体内空间形成分布区，喷射环与外筒体敞口端之间的空间形成射流混合区；分层隔板位于进料区，沿外筒体轴线垂直固定于分布板上，并将进料区分割为乙烯进料区和氧气进料区两类，乙烯入口与乙烯进料区连接，氧气入口与氧气进料区连接；分布板和喷射环将分布区分割为沿外筒体径向由外向内、直径由大到小的环形通道，环形通道分为乙烯环形通道和氧气环形通道两类，二者沿外筒体径向由外向内交替排布；乙烯进料区内的分布板上开设乙烯通道孔，与相应的乙烯环形通道对应；氧气进料区内的分布板上开设氧气通道孔，与相应的氧气环形通道对应；扰流混合片设于射流混合区内，扰流混合片整体呈条带状薄片，沿外筒体径向截面自上而下层层设置并布满整个径向截面。

2.根据权利要求1所述的混合器，其特征在于：所述喷射环的数量为2～12个。

3.根据权利要求1所述的混合器，其特征在于：所述分层隔板的数量为2～6个。

4.根据权利要求1所述的混合器，其特征在于：所述乙烯进料区和氧气进料区沿外筒体周向交替排布。

5.根据权利要求1所述的混合器，其特征在于：所述乙烯环形通道的径向宽度大于氧气环形通道的径向宽度。

6.根据权利要求1所述的混合器，其特征在于：所述乙烯环形通道内与乙烯通道孔对应的部分内壁上设置乙烯挡板，乙烯挡板的高度小于乙烯环形通道的径向宽度。

7.根据权利要求6所述的混合器，其特征在于：所述乙烯挡板的高度小于乙烯环形通道径向宽度的1/2。

8.根据权利要求1所述的混合器，其特征在于：所述分布区最外圈的环形通道为乙烯环形通道。

9.根据权利要求1所述的混合器，其特征在于：所述扰流混合片为平直的长条状薄片，沿外筒体径向截面自上而下层层平行间隔排列布满整个径向截面，其宽度方向倾斜于外筒体轴向。

10.根据权利要求9所述的混合器，其特征在于：所述扰流混合片沿长度方向间隔加工出缺口，缺口处的薄片相对于扰流混合片所在平面向一侧或两侧翻折呈舌状的舌片。

11.根据权利要求1所述的混合器，其特征在于：所述扰流混合片为波浪形条带状薄片，波峰或波谷所在的夹角为45～135度。

12.根据权利要求11所述的混合器，其特征在于：所述扰流混合片沿外筒体径向截面自上而下层层排列布满整个径向截面，扰流混合片波峰或波谷所在直线与外筒体轴线成一偏转夹角，且上下相邻两扰流混合片与外筒体轴线成相反的偏转夹角，上下相邻两扰流混合片设置时错开一定长度。

13.根据权利要求1～12任一所述的混合器，其特征在于：还包括静电接地装置。

14.根据权利要求1～12任一所述的混合器，其特征在于：还包括混合器外部设置的防爆墙。

15.根据权利要求1～12任一所述的混合器，其特征在于：还包括联锁控制系统。