CN117412804A - 氨混合系统及其用途 - Google Patents
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Abstract
描述了混合系统(1)，其配置成将氨流(50)注入到主要空气流(2)中。混合系统(1)包括注射单元10、静态混合单元(3)和分配通道(4)。注射单元(10)包含歧管(5)和多个注射管(11)。每个注射管(11)设置有孔(6)，其配置为排出具有与主流(2)的流动方向垂直的方向的氨流。
Description
技术领域
本发明在配置为将流体或气体注入另一流的主流中的混合装置的领域。具体地，本发明涉及混合装置，其包括分配通道、注射系统和至少一个设置在注射系统下游的静态混合单元。
背景技术
布置在导管或通道中的常规混合系统通常包括注射单元，以及可选地布置在下游的静态混合器。
通常，注入单元包括圆柱形钻孔歧管，该圆柱形钻孔歧管配置为将流体或气体进料到主流中，而静态混合器包括多个通道以促进注射流体与主流之间的混合，从而导致高混合效率。
遗憾的是，常规的混合装置无法在宽范围的注射流速下实现高混合效率。具体来说，当注射流体的体积与主流的体积相差数量级时，可能会出现低混合效率。因此，为了获得令人满意的混合效率和均匀的混合物，非常长的通道或导管中必须含有混合系统。
混合装置通常存在于需要在多个流之间混合的所有设备中，例如在燃烧单元和催化转化器中。
在催化转化器中，混合流之间必须高度均匀，以避免低产量和不均匀的催化床上的温度分布，从而可以导致催化剂的部分损失。
这种需求在硝酸合成装置中用于氨催化氧化的氨转化器中尤其明显。更详细地说，在这些装置中，在空气的存在下在转化器中进行氨的催化氧化，以根据以下化学平衡产生氮氧化物NO气体混合物：
该反应是高度放热的，它需要以约1：10的比例混合氨和空气。在由90％铂制成的催化剂纱布(gauze)的存在下进行反应，可能添加用于获得更好的机械阻力的铑和钯。
除了这个主要反应之外，还可以产生氮气和一氧化二氮(N2O)，特别是当氨和空气之间的混合物不均匀时。两种试剂之间的低质量混合通常会导致副产物形成高和反应产率低。此外，转化器中未反应氨的局部过量可能给装置安全带来风险。
所述试剂之间的不均匀混合可以进一步导致催化纱布(catalytic gauze)上的温度分布不均匀，这可以导致催化纱布的不均匀磨损，从而导致催化剂损失和低转化率，并且可能导致高氨泄漏。
因此，显而易见的是，在到达催化床之前，在氨和空气之间建立均匀的混合条件是多么重要。
因此，鉴于上述考虑状态，特别期望提供混合装置，该混合装置能够在分配通道的短长度上和通过混合装置注射的流速的宽范围内保证高混合效率。
此外，该装置应经历仅较小的压降，并且应允许获得高度的均匀性，以便试剂之间的氧化反应可以发生，从而避免或限制副产物的形成。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的上述缺陷。本发明的一个方面是提供根据权利要求所述的混合系统。
混合系统配置为将流体或气体混合成主流，该混合系统包括分配通道、注射单元和静态混合单元。
分配通道具有主要纵轴，在操作中该主要纵轴确定主流的流动方向，并且注入单元包括歧管和多个注射管。
该歧管布置在分配通道内部，并且设置为垂直于所述分配通道的主要纵轴。该歧管适用于接收待通过注射管注入主流的所述流体或气体。
该注射管垂直于所述歧管延伸，并且沿着所述歧管的长度纵向布置，从而形成至少一行，此外，该注射管彼此平行并且布置为使得对于每行管，每对连续的管由两个具有不同长度的管组成。
每个注射管都设置有孔，该孔配置为以垂直于分配通道的主要纵轴的流动方向喷射所述流体或气体。
本发明的第二个方面是本发明的混合系统在氨转化器中的用途，该氨转化器配置为在空气的存在下催化地氧化氨，其中氨转化器是硝酸合成装置的一部分。
本发明的另一方面是本发明的混合系统在包含脱除NOx(deNOx)反应器的NOx移除系统中的用途。通过注射管所注射的流体或气体是氨流，而主流是保留NOx的气流。
本发明的有趣的应用涉及将氨注入空气流中。已经发现，通过垂直或近似地垂直于穿过分配导管的空气流的流动方向注射氨，可以在导管的非常短的长度内建立试剂之间的均匀混合物，从而避免氨转化器中催化纱布上的温度梯度，并且防止催化剂的不均匀磨损。
甚至更有利的是，虽然常规的混合装置容易出现氨泄漏，但由于这种改进的配置，避免了催化床下游未反应氨的存在，并提高了装置效率。
甚至更有利的是，该系统需要低投资成本，并且由于注射管的长度缩短，可以节省用于制造该管的材料，并且可以在低压降内建立理想的混合条件。
本发明的又一个优点是，该混合系统可以用于在硝酸装置中以1：100的比例混合氨和尾气，用于催化还原作为尾气处理的一部分的NOx，从而获得高催化还原效率。
优选的实施例
优选地，注射系统的歧管连接到氨进料，并且分配导管连接到空气供应单元。因此，注入主流的流体或气体是氨进料，而后者是空气流。氨流可以在Pt催化剂上与空气流中保留的氧气反应，以产生氮氧化物气体混合物。
根据本发明的特别优选的实施例，该混合系统包括两行注射管，其布置在歧管的相对两侧。
优选地，静态混合单元是常规设计，其包括限定多个通道的多个壁，该多个通道最终定向为与纵向穿过导管的主流的流动轴成一定角度。本领域技术人员非常知晓如何定向或布置所述壁以实现试剂流之间的均匀混合。
根据本发明的另一实施例，混合分配装置可以包括多个串联布置的静态混合单元，使得从注射流和主流的混合中获得的混合物在被送入催化床之前依次穿过多个静态混合单元。优选地，包括在混合装置中的静态混合单元的数量包括在1至3之间。
根据本发明的特别优选的实施例，歧管呈圆柱形，其具有在歧管的表面上纵向设置的多个注射管。优选地，注射管呈圆柱形。
根据本发明，注射管彼此平行，并且基于转化器的操作参数、从注射管排出的流的注射渗透、静态混合单元的位置以及布置在催化转化器中的催化床的布置，相邻的管之间的距离可以发生变化。
此外，可以优化所提供的分支的注射管的数量，以达到进入系统的目标压降，从而建立最佳的混合条件。优选地，注射管的数量包括在6至24之间，更优选包括在10至18之间。
根据本发明的实施例，注射管还可以包括多个计量开口。计量开口可以形成作为注射管的壁中的圆柱形钻孔或作为出口管。该实施例是特别有趣的，特别是当注射流的流速和主流的流速较低时，例如以低雷诺数和层流行为为特征。
优选地，所述歧管的横截面积是注射管的横截面积之和的至少两倍。因此，当气体或流体穿过注射管时，会发生流动加速，从而增加湍流，因此促进混合。
附图说明
图1示出了根据本发明的实施例的本发明的混合系统。
图2示出了注射单元的横截面视图。
图3示出了根据本发明的实施例的注射管的透视图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的实施例的混合装置。
混合系统包括圆形分配通道或圆形分配导管4和注射单元10以及静态混合单元3。
注射单元10包含歧管5和多个注射管11。该歧管5沿着y平面15垂直地设置在分配通道4内部，因此占据导管4的径向横截面。
该歧管适用于接收待通过注射管11注入空气流2的氨进料50。
注射管11垂直于所述歧管5延伸并且沿着歧管纵向布置。注射管彼此之间平行，并且布置为使得每个注射管位于具有更短或更长长度的相邻的注射管之后或之前。
从图1可以理解，主要空气流穿过平行于圆形导管的纵向方向的分配通道4，其中所述方向由图中表示的x轴指示。可以理解，每个注射管11设置有孔6，其配置为排出具有与空气流2的流动方向垂直的方向的氨进料50。
有利地，由于这种注射配置，在两个流之间建立均匀的混合。在不同的实施例中，可以在不需要添加静态混合单元的情况下获得两个流之间的均匀混合物，因此，在注射单元10的下游没有布置静态混合单元。
静态混合单元3是常规设计，其包括限定多个通道的多个壁，该多个通道最终布置为与穿过导管的主流的流动轴(x轴)成一定角度。
图2示出了注射单元10的横截面视图。从图中可以理解，每个注射管位于具有较短或较长长度的管之后或之前。该管的长度定义为沿y平面15所测量的注射管的绝对延伸值，从歧管的环形壁为测量的原点进行测量。
在图2中可以理解，相对于z轴80，歧管是对称的，并且注射管11布置在歧管5的两个相对侧。
注射管沿着歧管的长度纵向布置，并且彼此之间以均匀的距离间隔。根据转换器的操作条件，可以对相邻的注射管之间的距离进行优化。
图3示出了根据本发明的实施例的注射管的透视图。注射管呈圆柱形并且由环形壁限定。注射管的端部具有孔6，用于将氨进料排放到穿过分配导管的主要空气流中。
该注射管还包括沿着环形壁的长度纵向设置的多个计量开口12。根据转化器的操作条件，对每个开口12的直径进行优化，通常不大于主要的孔的一半。
该特定实施例中描述的计量开口的结构特征能够使得通过空气流的体积来均匀注射氨进料。当注射流体的流速特别低时，例如以低雷诺数和层流行为为特征时，这种配置设计是特别有利的。
在设计阶段期间，根据转化器的操作参数以及混合装置上能够达到的最大压降，对计量次数进行优化。
Claims (9)
1.混合系统，其配置为将流体或气体(50)混合为主流(2)，所述混合系统包含：
●分配通道(4)
●注射单元(10)
●静态混合单元(3)
其中：
所述分配通道具有主要纵轴，在操作中，所述主要纵轴决定主流(2)的流动方向；
所述注射单元(10)包含歧管(5)和多个注射管(11)；
所述歧管(5)布置在分配通道(4)内部，并且设置为垂直于所述分配通道的主要纵轴，所述歧管适用于接收待通过注射管(11)注入到主流(2)中的所述流体或气体(50)；
所述注射管(11)垂直于所述歧管(5)延伸并且沿着歧管(5)的长度纵向布置，从而形成至少一行；
所述注射管(11)彼此平行，并且布置为使得对于每行管，每对连续的管由两个不同长度的管组成；
每个注射管(11)设置有孔(6)，所述孔(6)配置为以垂直于分配通道(4)的主要纵轴的流动方向喷射所述流体或气体(50)。
2.根据权利要求1所述的混合系统，其中所述歧管连接到氨进料，并且分配导管连接到空气供应单元，使得所述流体或气体(50)是氨进料，而所述主流(2)是空气流。
3.根据前述权利要求中任一项所述的混合系统，其中行的数量为两行，并且其中所述两行布置在歧管的相对两侧。
4.根据前述权利要求中任一项所述的混合系统，其中注射管(11)的数量为6至24，优选为10至18。
5.根据前述权利要求中任一项所述的混合系统，其中注射管(11)还包含沿着注射管(11)的长度纵向设置的多个计量开口(12)。
6.根据权利要求5所述的混合系统，其中计量开口作为注射管(11)的壁中的圆柱形钻孔或作为出口管获得。
7.根据前述权利要求中任一项所述的混合系统，其中所述歧管(5)的横截面积是所有注射管(11)的横截面积之和的至少两倍。
8.根据前述权利要求中任一项所述的混合系统在氨转化器中的用途，其中氨转化器配置为在空气的存在下催化地氧化氨，并且其中氨转化器是硝酸合成装置的一部分。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的混合系统在包括脱除NOx反应器的NOx移除系统中的用途，其中通过注射管注射的流体或气体(50)是氨流，而主流(2)是保留NOx的气流。
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