CN1228133C - 气体高均匀度喷射流快速混合装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气体高均匀度喷射流快速混合装置，该装置主要由一个侧壁开有射流孔(5)的锥管(2)和一个直管(1)构成，锥管(2)套装在直管(1)内，锥管(2)将直管(1)分割成一个分布腔(8)和一个混合腔(3)；锥管(2)的锥顶处设有分布板(6)，分布板(6)与第一气体的入口(7)相连通；分布腔(8)与第二气体入口(4)相连通。本发明的装置不仅具有结构简单，而且可在瞬间内完成两股气体高均匀度的混合。

Description

气体高均匀度喷射流快速混合装置

                           技术领域

本发明属于化学工程领域中涉及到两股气流之间的快速均匀混合的装置，尤其适用于反应气流之间的混合均匀程度对反应性能有严重影响的化工反应过程的混合装置。

                           技术背景

众所周知在化工过程中，经常要求提供一种气体的快速均匀混合的技术。由于气体混合的速度和均匀程度将直接影响后续过程的进行。例如，在乙苯脱氢装置中，乙苯蒸汽与水蒸汽的混合程度直接影响到反应床层的温度分布，而不良的温度分布将造成反应的恶化。由于乙苯蒸汽与水蒸汽的混合具有体积比高，介质温差大，允许压降小以及混合均一度要求高等特性，不仅要求混合器结构简单，而且要求在小于1秒的混合时间内，达到微团尺度上的混合均匀度。这类混合的特点是要求在有限的空间及有限的时间内实现反应物料的快速混合，这一特点同样存在于多段反应器段间混合和快速管道混合过程中。

在CN 2065096U中公开了一种“气体混合器”，其工作原理基于主进气管和副进气管形成的腔室呈负压，可使小气量的副进气能自动抽入，主进气凭大流速带动副进气进入混合室，达到混合的目的，但由于负压抽力的限制，只能够应用于抽入小气量副进气的混合。在CN 1049110A中公开了一种“气-气快速混合装置”，利于射流与多孔板的撞击产生强烈的主体扩散及湍流扩散，从而实现气-气物料间的快速混合，但采用单管射流，难以达到有效的主体扩散，影响了混合均匀度。在CN 1176148A中公开了一种“流体混合器”，流体须流经一系列混合腔，混合腔两端有细管(或毛细管)相通，可达到均匀的混合，但无法满足流体瞬间的快速混合。

在专利US 4,865,820(或CN 1033753A)中公开了一种“用于反应器的气体混合、分配器”，它设置了第一腔室和第二腔室，通过一些管形或长缝形通道，使第一腔室和第二腔室的气体完全混合，但该装置结构复杂，安装要求高。在专利US 5,113,028中公开了一种“混合乙烷与氯气的方法”，乙烷在主管中流动，氯气通过4个或多个垂直于主管的喷嘴，但与管中心偏角为30～45°射入，随后两气体在混合管道中进一步混含，可见该装置技术要求较高，结构较复杂。在日本专利昭56-67534中公开了一种“接触反应器”，第一气体经过第一层催化剂床层后，被垂直隔板分成好多小区间，第二气体通过分散管的小孔喷出，再通过分散板最终达到均匀混合，该装置结构也较复杂，更无法达到瞬间混合的要求。

                           本发明的内容

本发明的目的在于提供一种气体高均匀度喷射流快速混合装置，以克服现有技术结构复杂、且无法满足介质温差大、体积比高、允许压降小以及无法达到瞬间混合的缺陷，它不仅具有结构简单，而且可在瞬间完成两股气体的均匀混合。

本发明的技术构思是这样的：

实现气体高均匀度瞬间混合的关键是有效地实现主体扩散和湍流扩散，使引入的第二气体以高强度的动量均匀地分散到混合器或管道的整个截面上，并尽可能使其分散成许多微团，以增大不同物料间的接触面积，最终通过分子扩散完成混合过程。

根据上述构思，发明人提出了如下所述的实现本发明目的的技术方案：

本发明所述的气体高均匀度快速喷射流混合装置，包括一个侧壁开有射流孔的锥管和一个直管，锥管套装在直管内，其中锥管的锥底与直管的内壁相密封固接，锥顶则与第一气体进口管外壁相固接；直管的下端则通过一过渡性的锥壳与第一气体进口管外壁相固接；锥管将直管分割成一个分布腔和一个混合腔，其中所说的分布腔是指直管部分和直管下端设置的过渡性锥壳部分的内侧，与锥管部分和第一气体进口管部分的外侧所包围的空间；所说的混合腔是指锥管将直管分割后，锥管内腔所占的空间。

锥管的锥顶处设有一个多孔的分布板，该分布板与第一气体入口相连通，第一气体可通过分布板上的小孔均匀地进入混合腔中。锥管的半锥角为5～25°。

直管上设有第二气体的入口，第二气体通过该入口进入分布腔中。

当需要将两种气体进行快速混合时，第一气体由入口进入，并通过多孔的分布板上的小孔均匀地进入锥管内的混合腔；第二气体通过入口进入分布腔，通过锥管侧面上的射流孔进入锥管内的混合腔，形成一个射流面，与第一气体强烈撞击和卷吸，进行快速混合，并在混合腔中进一步混合，混合后气体向锥底方向流动，进入直管中。

第一气体通过多孔的分布板上的小孔进入锥管内的混合腔，提高了第一气体在混合腔的截面上分布的均匀度，第二气体通过锥管侧壁上的射流孔进入锥管中，使引入的第二气体高速均匀地分散到锥管中的整个横截面上，锥管侧壁上的射流孔的结构同时具备了射流覆盖密度宽和射流射入深度深的功能，充分实现了主体扩散和湍流扩散，从而可达到高均匀度瞬间混合的要求。

本发明所提供的装置，因具有结构简单、瞬间混合均匀度高的特点，故特别适合于介质温差大、体积(摩尔)比高、大气量的气体高均匀度瞬间混合，如反应器前的预混合、多段催化固定床反应器段间的混合及管道气体混合。其混合效果可以各截面浓度的均方根偏差S来表征，S愈小，混合得愈均匀，一般认为S＝0.05时基本达到混合均匀的要求。

$S=\frac{\sqrt{\frac{1}{n-1}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(c_i-\stackrel{\‾}{c})}^2}}{\stackrel{\‾}{c}}---\left(1\right)$

$\stackrel{\‾}{c}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{c}_i}{n}---\left(2\right)$

其中：S-----浓度均方根偏差  c_i----------取样点浓度

      n------取样点个数     c--------平均浓度

                           说明书附图

以下将通过附图对本发明作详细的描述。

图1为反应器前的高均匀度气体喷射流快速混合装置示意图。

图2为第一气体入口设置在直管侧面上的气体喷射流快速混合装置示意图。

图3为无分布板的气体喷射流快速混合装置示意图。

图4为锥管侧壁上射流孔分布示意图。

图5为不同类型的分布板示意图。

由图1可见，本发明所述的高均匀度气体喷射流快速混合装置，包括一个侧壁上开有射流孔(5)的锥管(2)和一个直管(1)，锥管(2)套装在直管(1)内，并分别密封固接于直管(1)的内壁和第一气体的进口管外壁，直管(1)下端通过一过渡性的锥壳与第一气体进口管相接，锥管(2)将直管分割成一个分布腔(8)和一个混合腔(3)。

锥管(2)的锥顶处设有一个开有许多均布孔的分布板(6)，该分布板(6)与设置在直管端部的第一气体的入口(7)相连接，第一气体通过入口(7)再经分布板(6)上的均布孔进入混合腔(3)；

第二气体的入口(4)设置在直管(1)的侧面，并与分布腔(8)相连通。

锥管(2)的半锥角α为5～25°；其中优选的半锥角α为6～15°；

锥管(2)的侧壁上设置的射流孔(5)的孔径是均一或非均一的，孔径为10～120mm，视装置的大小而定；非均一的开孔，大小孔的比例在大于1至5范围内选取，大小孔交错均匀排列。可分布在同一圆周上如图4A，也可分布在不同的圆周上如图4B；

分布板(6)可以是半球形或圆锥形分布板，也可以是筛板形分布板，如图5所示，其中A为半球形结构，B为筛板形结构，C为圆锥形结构，使用时可任选一种，分布板(6)上的均布孔的孔径d为6～80mm，均匀排列在分布板上，孔间距为1.5～4d，d的大小取决于第一气体的量的大小；在混合要求稍低的场合，也可以不设置分布板。

由图2可见：除了第一气体入口(7)设置在直管(1)的侧面，并通过一弯管(9)的过渡与分布板(6)相连接，以及第二气体直接由直管下端兼作进口(4)外，其余部件的设置均同图1。该结构适合于多段催化固定床反应器段间气体的混合以及管道两股气体的混合。

当需要将两种气体进行快速混合时，第一气体由第一气体的入口(7)进入，通过分布板(6)上的分布孔均匀地进入混合腔(3)中；第二气体通过第二气体的入口(4)进入分布腔(8)，再通过锥管(2)侧面上的射流孔(5)进入混合腔(3)中，形成一个射流面，与第一气体强烈撞击和卷吸，在高湍流下进行快速混合，同时在混合腔(3)中进一步实现分子级的扩散混合。

第一气体通过分布板(6)上的均布孔进入锥管(2)内的混合腔(3)中，提高了第一气体在混合腔的截面上分布的均匀度，第二气体通过锥管(2)的射流孔(5)进入混合腔(3)中，使引入的第二气体快速地、均匀地分散到锥管(2)的整个截面上，锥管(2)侧面上射流孔(5)的结构兼顾了射流覆盖密度和射流深度的关系，从而可达到快速混合的要求。

由图3可见，除了没有设置分布板(6)外，其余结构均类似于图1，其工作原理亦同图1的说明。对于混合要求稍低的场合，无论如何都是一个结构更为简单的装置，具有一定的实用性。

下面通过实施例进一步阐述本发明的内容。

                           实施例1

采用图1所示的装置进行气体混合试验。

第一气体为加入了示踪剂(乙醇)的空气，第二气体为空气，直管(1)的直径为1100mm，球形分布板(6)直径为500mm，球形分布板(6)上的分布孔孔径为38mm，均布排列于分布板上，锥管(2)的半锥角α为15°，锥管2上的射流孔(5)孔径为38mm，第一流体与第二流体的动量比为11.8，在混合腔3出口处采样分析，并采用式(1)和式(2)进行计算，均方根偏差S为0.019。该数据证明图1所示的装置具有十分理想的混合效果。

                           实施例2

采用图1所示的装置进行气体混合试验。

第一气体为加入了示踪剂(乙醇)的空气，第二气体为空气，直管(1)的直径为1100mm，球形分布板(6)直径为720mm，球形分布板(6)上的分布孔孔径为32mm，锥管(2)的半锥角α为10°，锥管(2)上的射流孔(5)的孔径为40mm和25mm两种，大小孔交错均匀排列如图4A，第一流体与第二流体的动量比为3.67，在混合腔(3)出口处采样分析，并采用式(1)和式(2)进行计算，均方根偏差S为0.017。该数据证明图1所示的装置具有十分理想的混合效果。

                           实施例3

采用图2所示的装置进行气体混合试验。

第一气体为加入了示踪剂(乙醇)的空气，第二气体为空气，直管(1)的直径为500mm，圆锥形分布板(6)直径为200mm，圆锥形分布板(6)上的分布孔孔径为6mm，锥管(2)的半锥角α为22.5°，锥管(2)上的射流孔(5)的孔径为10mm和20mm两种，大小孔交错均匀排列如图4B，第一流体与第二流体的动量比为4.50，在混合腔(3)出口处采样分析，并采用式(1)和式(2)进行计算，均方根偏差S为0.022。该数据证明图2所示的装置具有十分理想的混合效果。

                           实施例4

采用图1所示的装置进行气体混合试验。

第一气体为加入了示踪剂(乙醇)的空气，第二气体为空气，直管(1)的直径为500mm，筛板形分布板(6)直径为200mm，筛板分布板(6)上的分布孔孔径为6mm，锥管(2)的半锥角α为7.5°，锥管(2)上的射流孔(5)的孔径为10mm和30mm两种，大小孔交错均匀排列如图4A，第一流体与第二流体的动量比为4.20，在混合腔(3)出口处采样分析，并采用式(1)和式(2)进行计算，均方根偏差S为0.021。该数据证明图1所示的装置具有十分理想的混合效果。

                           实施例5

采用图3所示的装置进行气体混合试验。

第一气体为加入了示踪剂(乙醇)的空气，第二气体为空气，直管(1)的直径为500mm，不设分布板，锥管(2)的半锥角α为5°，锥管(2)上的射流孔(5)的孔径为10mm和50mm两种，大小孔交错均匀排列如图4A，第一流体与第二流体的动量比为7.20，在混合腔(3)出口处采样分析，并采用式(1)和式(2)进行计算，均方根偏差S为0.055。该数据证明图1所示的装置具有较好的混合效果。

                           实施例6

采用带有如图4A所示射流孔工业装置的气体混合器，其余结构均同图1。

第一气体为乙苯和水蒸气的工艺气体，温度为530℃，第二气体为过热水蒸气，温度为750℃，直管(1)的直径Φ1200mm，球形分布板(6)直径为Φ500mm，球形分布板(6)上的分布孔径为32mm，锥管(2)的半锥角α为9°，锥管(2)上的射流孔(5)的孔径为30mm和20mm两种，大小孔交错均匀排列，第一流体与第二流体的动量比达到5.56，经混合后出口处直管不同径向位置测定混合后的温度，分别为629.8℃和626.4℃，温度偏差约3℃，具有十分理想的混合效果。该工业装置混合器完全满足设计要求。

由上可见，本发明的装置，不仅结构简单，可在瞬间实现两股气体的快速混合，而且具有理想的混合效果，可充分满足工业部门的技术要求，推动有关工业的技术进步。

Claims (9)

1.一种气体高均匀度喷射流快速混合装置，其特征在于：包括一个侧壁开有射流孔(5)的锥管(2)和一个直管(1)，锥管(2)套装在直管(1)内，其中锥管(2)的锥底与直管(1)的内壁相密封固接，锥顶则与第一气体进口管外壁相固接，直管(1)的下端则通过一过渡性的锥壳与第一气体进口管外壁相固接；锥管(2)将直管(1)分割成一个分布腔(8)和一个混合腔(3)，其中所说的分布腔(8)是指直管(1)和直管(1)下端的过渡性锥壳的内侧与锥管(2)和第一气体进口管的外侧所包围的空间，所说的混合腔(3)是指锥管(2)将直管(1)分割后，锥管内腔所占的空间；

锥管(2)的锥顶处设有分布板(6)，分布板(6)与第一气体的入口(7)相连接，第一气体由入口(7)通过分布板(6)上均匀分布的小孔进入混合腔(3)中；锥管(2)的半锥角α为5～25°；

分布腔(8)与第二气体的入口(4)相连通，第二气体由入口(4)进入分布腔(8)，并通过设在锥管(2)侧壁上的射流孔(5)喷射入混合腔(3)中；第一气体由入口(7)通分布板(6)上的小孔均匀地进入混合腔(3)内，然后与从射流孔(5)喷入的第二气体快速混合后，一起向锥底方向流动进入直管(1)中。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：第一气体入口(7)设置在直管(1)的侧面，并通过一弯管(9)的过渡与分布板(6)相连接。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于：锥管(2)的半锥角α为6～15°。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于：锥管(2)上射流孔(5)的孔径为10～120mm。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于：锥管(2)上射流孔(5)分布在同一圆周上或分布在多个圆周上。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于：锥管(2)上射流孔(5)的孔径为均一孔径或非均一孔径。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于：锥管(2)上射流孔(5)的孔径为非均一孔径时，其大小孔径比例在大于1至5范围内选取。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于：射流孔(5)分布在同一圆周或分布在多个圆周上，构成大小孔的均匀交错排列。

9.如权利要求1所述的装置，其特征在于；分布板(6)为半球形、圆锥形或筛板形分布板中的一种，分布板(6)上的分布孔的孔径为6～80mm。

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