CN204429125U - 一种适用于气-气快速反应的混合装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种气-气快速反应的混合装置，包括第一进料口，第二进料口，内管，外管，射流孔，渐缩段，渐缩段出口和实心导流圆锥；所述的内管设置在外管内，第一进料口设置在内管外端，所述实心导流圆锥连接在内管的内端；第二进料口连接在外管上，外管对应实心导流圆锥的位置与实心导流圆锥形成向中部缩进的渐缩段，渐缩段外端设渐缩段出口；射流孔设置在内管上，内管内气体通过射流孔引入外管及渐缩段内与第二进料口进入的气体混合。本实用新型射入气流与主体气流成一定角度的逆向流动，形成高湍动流场均匀混合；渐缩环隙通道可快速提升混合气体的速度并可进一步强化混合；同时混合气体温度能均匀分布，有利于减少局部高温区，抑制副反应的发生。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种适用于气-气快速反应的混合装置，属于化工行业气体快速混合、反应技术领域。
背景技术
气-气快速反应广泛存在于化工行业中，例如丙烯高温氯化反应等。这类体系由于反应速度极快且常伴有强烈放热，因此要求气体能在极短时间内混合均匀，且反应温度能维持在合适的范围。众所周知，快速反应体系中的气体微团一旦接触即可能发生反应。此时，如果气体尚未混合均匀则必然导致流场中存在局部高浓度区，从而促使副反应的发生并形成可能的局部高温区。局部高温区的出现又将导致副反应剧烈进行，推动新的高温区不断形成，最终演变为恶性循环。例如，在丙烯高温氯化反应中，氯气浓度的局部过高可促使丙烯发生深度氯化、形成大量脱碳。该脱碳反应属于强放热反应，可促使局部高温区的不断形成。这种由于混合不均匀引起的深度氯化、脱碳等副反应影响了开车周期以及目标产物3-氯丙烯的收率。因此开发高效的气-气快速混合装置已成为本行业亟需解决的关键技术问题。
中国专利CN102872786A公开了一种快速混合反应装置，即一种由氯和异丁烯制3-氯-2-甲基-1-丙烯的扁形氯化反应装置。其中，异丁烯加入管和氯加入管末端设有至少一个能使异丁烯流体包裹氯气流体的喷嘴部，喷嘴部喷出的混合流体撞击到一个圆台形套环壁面上。由于丙烯高温氯化反应需要丙烯过量以带走反应热，而该专利采用烯烃由狭缝喷入，其流速将明显高于从宽口径管进入的氯气的速度，从而形成烯烃流包裹氯气流。这种方式易于造成氯气积聚不便于充分分散，可能导致烯烃深度氯化的发生。
中国专利CN103801238A公开了一种双旋流气气快速混合反应器。反应器壳体内沿轴向设有若干双旋流构件，气体入口位于最底层双旋流构件的下方，每层双旋流构件的上方或下方设置另一种气体进气管。但过于复杂的内部结构可能导致反应器内部的压降过大，操作不便。另外，如果逐段喷入氯气或丙烯可能导致气体还没有充分分散就立即进入高温环境，可能加剧积碳反应的发生。
美国专利US6004517公开了一种合成3-氯丙烯的球形快速混合反应器。丙烯进料管和氯气进料管放置在球形室出口附近，其中一种气体的喷入方向与球形室出口方向相反，另一种气体的喷入方向则与出口方向垂直。但这种混合方式可能导致气体高速喷入球形室后，气体在球形室后侧空间的循环时间过长，不利于及时移走反应热以及有效抑制副反应的发生。
美国专利US5367105公开了一种气体快速混合方式。丙烯和氯气分别通过12个喷孔平行喷入管式混合反应器中，丙烯可获得线速度100m/s左右，氯气通过中心管道的喷孔进入，可获得线速度70m/s左右。但是由于氯气速度低于丙烯速度，可能导致氯气进入混合反应器后被丙烯流包裹，难以充分分散，从而发生丙烯的深度氯化。
实用新型内容
本实用新型的目的是针对背景技术中存在的缺点和问题加以改进和创新，提供适用于气-气快速反应的混合装置，它可在极短时间内实现气体的充分分散、均匀混合以及温度的均匀分布，有效抑制副反应。
本实用新型构造一种气-气快速反应的混合装置，包括第一进料口，第二进料口，内管，外管，射流孔，渐缩段，渐缩段出口和 实心导流圆锥；
所述的内管伸入外管内，第一进料口与内管外端连通，所述实心导流圆锥连接在内管的内端；第二进料口连接在外管上，外管对应实心导流圆锥的位置与实心导流圆锥形成向中部缩进的渐缩段，渐缩段外端设渐缩段出口；射流孔设置在内管上，内管内气体通过射流孔引入外管及渐缩段内与第二进料口进入的气体混合。
本实用新型的优点及有益效果：
本实用新型射入气流与主体气流成一定角度的逆向流动可使气体微团激烈撞击、卷吸，形成高湍动流场，促使气体微团短时间内快速破碎，达到分子尺度的均匀混合。混合的时间尺度在毫秒级；渐缩环隙通道可快速提升混合气体的速度，大大缩短气体停留时间，同时可使气体在渐缩环隙通道内得到进一步强化混合；流动同时可以使混合气体的温度快速达到均匀分布，有利于减少局部高温区，抑制副反应的发生。
附图说明
图1为本实用新型装置示意图。
图2为图1所示本实用新型装置的A-A剖面图。
具体实施方式
本实用新型的技术构思是：
两股气体形成一定夹角的错流或逆流流动有利于气体微团的激烈撞击、强烈卷吸，形成高湍动流场，从而促使气体微团短时间内快速破碎，达到分子尺度的均匀混合。这种流动同时可以使混合气体的温度快速达到均匀分布，有利于减少局部高温区，抑制副反应的发生。一股气流射入到主体气流中时应有足够的射入深度，但这个分散射程不单纯取决于气体的射入速度，而主要取决于两股气流的动量流比J = (ρ A /ρ B )(ū A /ū B )2。理论上，我们可以通过降低主体气流速度、提高入射气流速度来获得更大的射入深度，但要在极短的停留时间内实现气体的均匀混合，则应将射入气流和主体气流的速度设计在合适的范围内。
为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的首选实施例。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被认为是“设置”在另一个元件上，它可以是直接安装在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。
除非另有定义，本文中所使用的所有的技术和科学术语与本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施目的，不是旨在于限制本实用新型。
如图1、2所示，本实用新型提供一种适用于气-气快速反应的混合装置，包括第一进料口1，第二进料口2，内管3，外管4，射流孔5，渐缩段6，渐缩段出口7，实心导流圆锥8。
所述射流孔5设置在内管3壁面上和渐缩段6的斜坡上，所述射流孔5气体的喷入方向与外管4内气流的流向逆向形成一定夹角；所述射流孔5采取均匀、错位、分排开孔以使气体强烈撞击、充分分散；所述外管4和射流孔5的气体流速应满足外管4内混合气体的动量流比在60~120，以使由射流孔5喷入的气体具有足够射入深度；所述渐缩段6在实心导流圆锥8作用下形成一个圆环状的渐缩环隙通道，用于快速提升混合气体的速度，大大缩短气体停留时间，实现进一步强制混合。
所述内管3设置在外管4的内部，第一进料口1与内管3、射流孔5相连通。
所述射流孔5的开孔数目为70~140个，优选为80~100个孔；孔径为1.0~10.0mm，优选为2.5~4.0mm。另外，射流孔5可分为3~6排排列，排间距为20~50mm，优选为30~40mm，且相临两排的孔错位、均匀设置。
所述射流孔5的其中1~3排孔可设置在渐缩段6，优选为1排孔；射流孔5的气体射入方向与渐缩段6内的气体主流方向的夹角α1为60°~90°， 优选为75°~90°。
所述射流孔5的其中2~3排孔可设置在内管3的壁面上，射流孔5的气体射入方向与外管4内的气体主流方向的夹角α2为30°~90°，优选为60°~90°。
所述渐缩段6内的气体主流方向与内管3轴向的夹度α3为15°~50°，优选为25°~35°。
所述渐缩段出口7处可设置一直管管道，管道尺寸应大于渐缩段出口7的直径。
所述外管4和射流孔5的气体流速的选择由外管（4）内混合气体的动量流比来确定，合气体的动量流比来确定，所述动量流比的选择应满足下述关系，且动量流比优选为80~100。
=60~120
式中：d 1为内管3的管径（含管壁厚度），m；d 2为外管4的管径，m；n为射流孔的数目；和分别为气体A和气体B的密度，kg/m3；为气体A通过射流孔5的平均速度，m/s；为气体B通过外管4的平均速度，m/s；和分别为气体A和气体B的质量流量，kg/s；为每个射流孔的横截面积，m2；为外管的通道横截面积，m2。
所述的内管3伸入外管4内，第一进料口1与内管3外端连通，且实心导流圆锥8连接在内管3的内端；第二进料口2上下错位连接在外管4上，使气体进入外管4形成螺旋状气流，外管4对应实心导流圆锥8的位置与实心导流圆锥8形成向中部缩进的渐缩段6，渐缩段6外端与渐缩段出口7连通射流孔5设置在内管3上，内管3内气体通过射流孔5引入外管4及渐缩段6内与第二进料口2进入的气体混合。
所述的外管4的渐缩段出口7端与内管3的实心导流圆锥8组成一个圆环状的渐缩段6。
图1和图2所示的混合装置按照如下方式工作：
气流A经第一进料口1通入该装置的内管3中，气流B经第二进料口2以旋流方式通入外管4中。气流A和气流B分别沿内管3和外管4向下流动。气流A通过射流孔5高速喷入外管4的气流B中，两股气流发生强烈撞击、卷吸，实现气流之间的迅速混合。由于射流孔开在不同的位置且错位排列，因此避免了从相邻孔射入的气流A的相互叠加，有利于气流的分散。气流A经过射流孔喷入气流B后，两股气流混合成一股气流，并在外管4内流动。混合的气流离开外管4后进入渐缩段6内，由于渐缩段6的环隙通道逐渐收缩，气流的速度快速提升，并在极短的时间内得到进一步强化混合。混合均匀的气流从渐缩段出口7高速射出，渐缩段出口7后可接一直管管道作为反应器，使混合气体进入主反应阶段。
本实用新型所述的实施例仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行的描述，并非对本实用新型构思和范围进行限定，在不脱离本实用新型设计思想的前提下，本领域中工程技术人员对本实用新型的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本实用新型的保护范围，本实用新型请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。
Claims (8)
1.一种适用于气-气快速反应的混合装置，其特征在于包括第一进料口（1），第二进料口（2），内管（3），外管（4），射流孔（5），渐缩段（6），渐缩段出口（7）和 实心导流圆锥（8）；
所述的内管（3）设置在外管（4）内，第一进料口（1）设置在内管（3）外端，所述实心导流圆锥（8）连接在内管（3）的内端；第二进料口（2）连接在外管（4）上，外管（4）对应实心导流圆锥（8）的位置与实心导流圆锥（8）形成向中部缩进的渐缩段（6），渐缩段（6）外端设渐缩段出口（7）；射流孔（5）设置在内管（3）上，内管（3）内气体通过射流孔（5）引入外管（4）及渐缩段（6）内与第二进料口（2）进入的气体混合。
2.根据权利要求1所述的适用于气-气快速反应的混合装置，其特征在于所述的外管（4）的渐缩段出口（7）端向内减缩，并与内管（3）的锥形实心导流圆锥（8）形成一个圆环状的渐缩段（6）。
3.根据权利要求2所述的适用于气-气快速反应的混合装置，其特征在于所述的渐缩段（6）内气体的主流方向与内管（3）轴向的夹角α3为15°~50°。
4.根据权利要求1所述的适用于气-气快速反应的混合装置，其特征在于所述的射流孔（5）的开孔数目为70~140个，孔直径为1.0~10.0mm，分为3~6排排列，每排间距为20~50mm，相邻两排的孔错位设置。
5.根据权利要求4所述的适用于气-气快速反应的混合装置，其特征在于所述的射流孔（5）第1~3排孔设置在渐缩段（6）的斜坡上。
6.根据权利要求4所述的适用于气-气快速反应的混合装置，其特征在于所述的射流孔（5）孔道的射流方向与渐缩段（6）内气体主流方向的夹角α1为60°~90°。
7.根据权利要求4所述的适用于气-气快速反应的混合装置，其特征在于所述的射流孔（5）的其中第2排孔开始设置在内管（3）的壁面上，第1排设置在渐缩段（6）上，孔道的射流方向与外管（4）内气体主流方向的夹角α2为30°~90°。
8.根据权利要求1所述的适用于气-气快速反应的混合装置，其特征在于所述的第二进料口（2）上下错位连接在外管（4）上，使气体进入外管（4）形成螺旋状气流。
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