CN101848759A - 低剪切气体混合器 - Google Patents

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Abstract

一种用于将第一气流与第二气流混合的气体混合器(10)包括在所述第一气流中的冲击迷宫式结构体(24)，所述冲击迷宫式结构体(24)具有形成所述第一气流在通往气体混合器中的混合点(20)的途中必须经过的弯曲路径的结构(25)，例如波纹壁。所述迷宫式结构体促进在所述第一气流中夹带的粒子的点燃。伸长的、直的管(30)接收来自所述冲击迷宫式结构体(24)的第一气流，并且将所述第一气流运送到所述混合点(20)。所述管(30)位于运送所述第二气流的容器(12)内。所述管(30)具有开口，所述开口与在所述混合点(20)的第二气流的流动方向基本上同向，从而以低剪切的方式将所述第一气流引入到所述第二气流中。

Description

低剪切气体混合器
背景
本发明总体涉及一种用于将两种气流混合的气体混合器。本公开内容特别适于用于将含烃气流与含氧气流混合的气体混合器。本公开内容的特征在于将两种气体在混合器中的点燃可能性最小化的气体混合器的设计。本发明具有用途的实例是在环氧乙烷的工业生产中使用的气体混合器。
化合物环氧乙烷(化学式C2H4O)是用作在乙二醇(汽车防冻液的主要组分)和其它化学品的生产中的中间体的重要工业化学品。环氧乙烷还用作用于食品和医学供给品的消毒剂。其在室温是无色可燃气体，并且可以作为液体冷却和储存。
环氧乙烷首先在第一次世界大战期间作为乙二醇和化学武器芥子气的前体实现了工业重要性。在1931年，法国化学家Theodore Lefort发现了使用银作为催化剂直接从乙烯和氧制备环氧乙烷的方法。自1940年以来，几乎所有工业生产的环氧乙烷都是使用此方法制备的。
在目前的工业过程中，当乙烯(CH2＝CH2)和氧(O2)在处于200-300℃的银催化剂上反应时制备环氧乙烷，所述银催化剂显示为担载于氧化铝上的大的Ag纳米粒子。典型地，还包括化学改性剂如氯。使用的压力在1-2MPa的范围。此反应的化学方程为：
CH2＝CH2+1/2O2→C2H4O
在环氧乙烷生产***中，气体混合器用于就在存在银催化剂的反应室上游混合烃和氧气流。气体混合器典型地以容器或管的形式构造。容器包括用于两种气体中的每一种的入口歧管。容器有时构造有容纳含烃气流的主外管和容纳氧流的内部同心管或“指状物(fingers)”。混合发生在内管终止的点，在该处流出指状物的氧气与在外管中流动的含烃气体的主流会合。此基本设计描述于美国专利3,706,534中。
该领域长期认为存在含烃气流(例如，含有例如与其它烃气混合的乙烯的气体的流)在其在气体混合器中与氧气结合之处的点燃风险。点燃可以发生在当烃或氧气流中夹带的粒子(例如一粒砂、锈末或管垢)撞击混合器中的金属表面，例如混合器的壁从而产生火花时。如果火花在高度可燃区例如处于或接近两种气流混合的点在烃流中出现，则可以发生点燃。点燃损坏气体混合器，并且还需要中断生产以抑制点燃，并且允许气体混合器在重新开始生产之前冷却。可燃区域限于两种气体的混合区。含烃气体以及反应器进料共混物低于O2可燃性下限-即，过富而无法燃烧。
该领域已经设计了多种气体混合器设计。设计中的一些特别涉及降低烃和氧气流的点燃风险。除上述‘534专利以外，已知的现有技术还包括以下专利文献：U.S.4,573,803；U.S.3,702,619；U.S.4,256,604；U.S 4,415,508；U.S.6,657,079；U.S.2003/0021182；U.S.3,518,284；U.S.4,390,346；U.S.3,237,923；U.S.3,081,818；U.S.2,614,616和U.S.6,840,256。
概述
本公开内容提供一种气体混合器，其设计用于例如在环氧乙烷的生产中将两种气流如含烃气流和含氧气流混合。该气体混合器包括设计用于减小气体混合器中的点燃事件的可能性的若干特征。本公开内容通过低剪切混合设计实现了此结果，所述低剪切混合设计利用放置在运送含烃气体的容器或管内的许多个长的、平行的氧注射管。氧管被如此取向，使得它们的开口与在混合点的含烃气流的流动方向基本上共轴地同向。氧注射管中的共轴气体流动路径将与内部管壁的粒子冲击的频率和能量最小化，从而使得在合并的混合气体潜在地可点燃的混合点附近上游不产生发光粒子(incandescent particles)。归因于在混合点的共轴流动的低剪切设计还将混合卷流内相对于含烃气体的氧的相对速度最小化，并且因而将含烃气流内夹带的较大粒子破碎的可能性最小化。发光粒子的另外的潜在来源是存在于含烃气流中的较大粒子如源自腐蚀的碎片(flakes)的破碎。此破碎被氧管的低剪切设计最小化。首先优选通过将耐腐蚀材料用于运送烃气体的管将粒子在含烃气流中的出现最小化。
除非其被充分氧化，否则在氧原料中夹带的含金属的粒子是最危险的，因为在处于高压的氧中与表面的冲击可以导致粒子的点燃。如果粒子在其到达混合区时足够热，则这可以导致混合卷流的可点燃区域点燃。产生这种发光或热粒子的可能性随着冲击能的增大而提高。然而，如果在混合区上游足够远地发生粒子点燃，则典型粒子足够小，从而安全地燃烧并冷却。除首先将这种粒子的产生最小化以外，本发明人已经意识到，适宜的是在混合区上游，并且在上游充分远的氧气流中实际促进粒子冲击和燃烧，使得由冲击和点燃残存的任何粒子被充分冷却，从而当将它们在混合点与含烃气体引入时，将不发生点燃。
因而，在本公开内容的另一个方面中，本公开内容的气体混合器包括在氧气流中的迷宫式结构体(labyrinth)的使用，所述迷宫式结构体包括限定含氧气流必须在气体混合器中的氧管上游通过其流动的弯曲路径的结构(例如，紧密间隔的波纹壁的阵列)。迷宫式结构体的壁结构设计为促进或促使在氧气流中夹带的粒子(例如，锈末或污垢)的冲击和燃烧。迷宫式结构体将在可点燃混合区上游远处的粒子冲击以及粒子烧掉的可能性最大化。将迷宫式结构体结合到气流中的特征优选与长的氧注射管的使用结合使用，以将这些粒子碰撞迷宫式结构体壁以后的安全冷却可用的时间最大化。
本公开内容的原理可以单独使用或与另外的安全措施结合使用，所述另外的安全措施用于将从氧进料***进入到气体混合器中的粒子的数量和尺寸最小化。例如，可以将此设计的特征结合到这样的***中，所述***包括在气体混合器和迷宫式结构体上游的子***，例如过滤器或湿式洗涤器，以从氧气流移除粒子，或过滤气流，使得进入到气体混合器中的任何粒子充分小，从而在气体混合区上游即迷宫式结构体内燃烧并冷却。
在本公开内容的一个具体方面中，公开了一种用于在气体混合器中的混合点将第一气流(例如，含氧气流)与第二气流(例如，含烃气流)混合的气体混合器。该气体混合器的特征在于：a)在第一气流中的冲击迷宫式结构体，所述冲击迷宫式结构体包括形成弯曲路径的结构，第一气流在通往混合点的途中必须经过所述弯曲路径，所述冲击迷宫式结构体促进第一气流中夹带的粒子的点燃；b)许多根各自具有开口的伸长管，所述许多根管接收来自冲击迷宫式结构体的第一气流，并且将第一气流运送到混合点；和c)运送第二气流的容器，所述第二气流具有流动方向，其中所述许多根管位于所述容器内，并且所述管的开口与在混合点的第二气流的流动方向基本上共轴地同向。
在另一个方面中，可以将本公开内容的迷宫式结构体特征改型(retrofit)到现有气体混合器中。因而，在此方面中，公开了一种对用于将氧气流与含烃气流混合的气体混合器的改进(improvement)，所述改进是对气体混合器提供冲击迷宫式结构体，所述冲击迷宫式结构体具有接收氧气流的入口，和形成氧气流必须经其通过的弯曲路径的结构，以及出口。该气体混合器包括将氧气供给至两种气流在气体混合器中混合的混合点的管。在迷宫式结构体中形成弯曲路径的结构促进在氧气流中夹带的粒子的点燃。
在又一个方面中，公开了一种将含烃气流与含氧气流混合的方法，所述方法包括下列步骤：将氧气流供给到冲击迷宫式结构体，所述冲击迷宫式结构体包括形成所述氧气流必须经其通过的弯曲路径的结构；使所述氧气流流过所述迷宫式结构体；将所述氧气流从所述迷宫式结构体导入许多根管中；和将离开所述管的氧气流在气体混合器内的混合点导入到含烃气流中。
本发明的主要应用是在直接氧化环氧乙烷工艺中，但是本发明可以用于存在潜在点燃危险的将加压氧混合到烃流中的其它应用。
附图简述
图1是氧气混合器的示意性表示，其特征在于：在氧流中的冲击迷宫式结构体，和特征在于低剪切设计的位于含有含烃气流的容器内的伸长的氧管。
图1A是图1的氧管的末端的详细视图，其显示气体混合的混合区。
图2是图1的气体混合器的一个备选实施方案的示意性表示。
图3是图1和2的气体混合器的一个备选实施方案的示意性表示。
图4是图1-3的迷宫式结构体的一部分的详细视图，其显示了特征在于限定弯曲路径的波纹壁形式的结构的迷宫式结构体。所述迷宫式结构体设计为促使在氧气流中夹带的粒子的冲击。
图5是气体混合***的示意性表示，所述气体混合***包括本公开内容的气体混合器、在气体混合器上游的氧气流中的湿式洗涤器，和在气体混合器下游的反应室。
详细描述
图1是根据本公开内容的一个代表性实施方案的气体混合器10的示意性表示。气体混合器的特征在于用于运送含烃气流的主容器或管12。容器12具有用于从来源(未示出)接收含烃气流16的入口14。含烃气流16流过入口14并且进入到容器12中。气体的流动由箭头18显示。含烃气体在混合点或区20与流出氧指状物(fingers)或管30的含氧气体混合。
将含氧气体(例如，纯氧、富氧空气，或空气)经由入口22引入到气体混合器10中。将氧气供给到具有入口26的迷宫式结构体24。该迷宫式结构体包括例如平行波纹壁25(在图4中更详细地显示)的阵列的结构，其限定了氧气流必须经其流过的弯曲路径。波纹壁25设计为促进在氧气流中夹带的粒子的冲击。具体地，如图4中所示，氧流遵循平行波纹壁25之间的迂回路径50并且气流中含有的任何粒子的动量将运送这些粒子到达壁25中，从而产生粒子的冲击和点燃(燃烧)。尽管图4显示了迷宫式结构体的一种可能的构造，但是其它的构造也是可以的，并且没有壁或其它结构在迷宫式结构体内的特别布置被认为是特别关键的。波纹结构25优选由材料如碳钢、不锈钢和哈斯特洛伊耐蚀镍基合金C(Hastelloy C)制成，其设计为促使夹带的粒子的点火(sparking)和点燃。如本领域技术人员所理解的，在迷宫式结构体中使用的材料必须遵循关于最小厚度和最大速度的工业方针，以防止波纹结构本身的点燃。
氧气流出迷宫式结构体24进入到氧气歧管28中。管30具有一个末端32，其朝向歧管28敞开并且允许气体进入到管30中。管具有充分的长度(例如，7至10米)，并且氧流动速度充分低，使得在迷宫式结构体24中由冲击残存的任何粒子在它们离开管30的敞开的相对末端34时之前充分冷却，从而不发生在混合区20中的点燃(参见氧管30的末端和混合区20的详细视图图1A)。另外，还优选对管30进行构造和布置，使得它们对于在末端32和34之间的整个长度基本上是直的，如图1中所示。这进一步将粒子在沿管30的长度的氧气流中的冲击的可能性最小化。
管30的出口34与在混合区20的含烃气流18的流动方向同向，从而将含烃气流的剪切最小化，并且将含烃气流中的任何夹带粒子破碎的可能性最小化。在一个实施方案中，容器12包括纵轴40并且管30全部相对于轴40平行取向。
气体混合器10还可以包括支持容器10内的管30以防止管30的振动的支持体44。在一些实施方案中，支持体44可以由多孔板、栅板、隔板或其它几何构造构成，以起到支持管以及使烃气流轮廓伸直的双重目的。
图2是气体混合器10的一个备选实施方案的示意性表示。含烃气体16被经由入口14引入到容器12的一侧。在容器12中安置有流动矫直器42以提供含烃气流的平行流动。氧气流经由入口22供给到迷宫式结构体24中。迷宫式结构体24包括波纹壁25。迷宫式结构体24的构造与图1和4中所示的基本相同。氧歧管28位于容器12内。管30具有与歧管28连接的一个末端32，和与在容器12中含烃气流的流动方向18同向的相对末端34。
尽管在图1中，迷宫式结构体24和氧歧管28与容器12的轴40共轴地布置，但是在图2中，从容器的侧面引入氧气流。图2的构造导致管30垂直于歧管28的主长度取向，并且氧气流必须进行直角转向以离开歧管28和进入管30。相反，图1的设计不需要这样的直角转向。由于转向的存在提供了用于粒子冲击发生的另外的可能位置，因此图1的设计可以是优选的，特别是在迷宫式结构体上游的氧气供给中不进行氧气流的粒子洗涤或过滤的情况下。
图3是气体混合器10的另一个实施方案的表示。在图3的实施方案中，氧气入口22和迷宫式结构体共轴地位于容器12内。因此，在氧气歧管28和管30之间不存在直角转向。此外，与图1和2的实施方案不同，在气体混合器中的含烃气流中也不存在直角转向。迷宫结构体24和歧管28据显示在容器12的壁内由支持托架46支持。另外，经由管支持体44防止氧管30的振动。气体在最接近管30的末端的混合区20中混合。
如所指出的，本公开内容的气体混合器10可以单独使用或与另外的安全措施结合使用，所述另外的安全措施用于将从氧进料***进入到气体混合器中的粒子的数量和尺寸最小化。例如，可以将图1-4设计的气体混合器的特征结合到这样的***中，所述***包括在气体混合器10和迷宫式结构体24上游的子***，例如过滤器或湿式洗涤器，以从氧气流移除粒子，或过滤气流，使得进入到气体混合器中的任何粒子充分小，从而在气体混合区上游即迷宫式结构体24内燃烧并冷却。图5显示了这种***的一种可能的构造。氧气供给管线22与氧气源连接并且将该气体供给到湿式洗涤器100中。湿式洗涤器设计为使用现有技术中已知的任何合适的湿式洗涤器技术移除下至特定的尺寸的粒子。用于氧气流的各种优选的湿式洗涤***描述于在2007年12月14日提交的标题为“用于从氧供给管线移除颗粒固体的湿式洗涤(Wet Scrubbing For Removing Particulate SolidsFrom Oxygen Supply Lines)”的共同未决美国专利申请序列号61/007,671中，所述专利申请的内容通过引用结合在此。湿式洗涤器100的出口与另外的供给管102连接，所述供给管102优选由耐腐蚀材料构造，例如蒙乃尔合金(Monel)或不锈钢。沿管102供给的氧气被进料到迷宫式结构体24中，并且从其进料到位于气体混合器10内的氧气歧管28。氧指状物30具有一个从歧管28接收氧气流的末端，和与在容器12内的含烃气体的流动轴向同向的敞开的相对的(远侧的)末端。气体在混合区20混合。混合的气体被收集在气体混合器10中，并且经由管104进料到反应室106。图5中所示的***的特征在于：在氧流中的冲击迷宫式结构体24(“L”)，和特征在于低剪切设计的位于含有含烃气流16的容器12内的伸长的氧管30。
因而，从以上描述可知，图5的实施方案使用气体混合器10的物理布置，并且任选与用于粒子移除的氧流的湿式洗涤相结合，并且为了减小当将氧与含烃气体混合时点燃的可能性，使用耐腐蚀的构造材料以减少管道中的粒子产生。气体混合器10与含烃气流的流动共轴地注射氧，以减小混合区20中的剪切力，并且根据可能的需要延长气体混合器10内氧管30的长度，以促使氧流中夹带的任何粒子在氧流与富烃气体混合之前的破坏和/或冷却。进一步注意的是，在公开的实施方案中，氧管30对于第一末端和第二末端之间的整个长度是直的，从而将高能粒子冲击的可能性最小化。氧供给流部件的设计优选使得氧气速度被降低，以减小混合区20内的混合剪切。该***的特征还在于改进的构造材料，以避免含烃气流中来源于腐蚀的粒子。
如果出现热粒子突破，在混合区20中的气体混合器内的并流混合布置消除了在氧管30出口的再循环区，所述在氧管30出口的再循环区可以促使初生火焰中心的生长以及随后的火焰稳定。相反，初生火焰中心将朝向良好混合气体的非-可燃(富集)区向下游迅速对流传递，从而与反闪相反，增加了火焰熄灭的可能性。而且，长的、直的氧管30的设计使得由迷宫式结构体残存的任何粒子都不在氧管出口附近经历能量壁冲击。如上所述的低剪切混合还减小了可能在含烃气流中夹带的碎片或其它粒子的破碎。
除减小热粒子点燃的可能性以外，通过将迷宫式结构体结合到氧气歧管和氧指状物上游的氧气流中，本文中所述的气体混合器适于对例如在以上引用的现有技术‘534专利中所述的现有混合器进行改进。如图1-3中所示，可以使用几种备选布置。优选设计的特征在于氧的同轴(in-line)进入，使得氧入口在距混合区的尽可能远的上游，并且随后到达迷宫式结构体，在氧流动路径中不存在直角转向(参见图1和3)。备选地，可以从侧面引入氧(参见图2)。优选设计的特征在于氧和烃气两者的同轴进入(图3)。备选地，可以将烃气从侧面引入以适应改进需求(图1、2和5)。
在一些情况下，特别是在相对小的EO生产设备，致力于生产EO衍生产品的设备，或具有有限的用于最终产品的现场储存能力的设备中，可以期望的是以高的“调低(turn-down)”运行模式运行本公开内容的EO生产气体混合器，在所述“调低”运行模式中，将气体混合器的开工率从它的正常或设计开工率充分减小。例如，对本公开内容的低剪切混合器预想90％的调低率，即其中设备仅以其最初设计能力的10％运行的调低率。在这样的模式中，氧气进料速率仅是它的设计速率的10％。可以以高的调低模式对氧指状物进行更改以提供更多的氧气注射点，并且增加在一个或多个氧气注射点的下游区域中的气体混合器的长度，以允许氧气和循环气(cycle gas)之间的良好混合。高的调低模式的运行的另外的实例包括在正常的、设计开工率的10至70％之间的开工率(在30至90％之间的调低率)运行EO气体混合器。
尽管通过特性描述了目前优选的实施方案，但是在不背离本发明的范围的情况下，可以进行对所公开的实施方案的具体内容的改变。关于本发明范围的所有问题应当参考后附权利要求确定。

Claims (24)

1.一种气体混合器，其用于在所述气体混合器内的混合点将第一气流与第二气流混合，包括：
a)在所述第一气流中的冲击迷宫式结构体，所述冲击迷宫式结构体包括形成弯曲路径的结构，所述第一气流在通往混合点的途中必须经过所述弯曲路径，所述冲击迷宫式结构体促进在所述第一气流中夹带的粒子的点燃；
b)许多根各自具有开口的伸长管，所述许多根管接收来自所述冲击迷宫式结构体的所述第一气流，并且将所述第一气流运送到所述混合点；和
c)运送所述第二气流的容器，所述第二气流具有流动方向，
其中所述许多根管位于所述容器内，并且所述管的所述开口与在所述混合点的所述第二气流的流动方向基本上同向。
2.根据权利要求1所述的气体混合器，其中所述容器为具有纵轴的管的形式，并且其中所述许多根管和这样的管的所述开口与所述纵轴同向地取向。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的气体混合器，其中所述许多根管具有第一末端和形成所述开口的第二末端，并且其中所述管对于所述第一末端和第二末端之间的整个长度是直的。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的气体混合器，其中所述第一气流包括含氧气流，并且其中所述第二气流包括含烃气流。
5.在用于将含氧气流与含烃气流混合的气体混合器中，改进包括下列各项的组合：
对所述气体混合器提供冲击迷宫式结构体，所述冲击迷宫式结构体具有接收所述含氧气流的入口，和形成所述氧气流必须经其通过的弯曲路径的结构，以及出口，和
管，所述管接收来自所述迷宫式结构体的所述氧气，并且将所述含氧气体运送到在所述气体混合器中混合所述含氧气流和含烃气流的混合点，
其中在所述迷宫式结构体中形成所述弯曲路径的所述结构促进所述氧气流中夹带的粒子的点燃。
6.根据权利要求5所述的改进，其中所述改进还包括氧歧管，所述氧歧管在所述迷宫式结构体的下游与所述迷宫式结构体连接，并且其中所述管具有第一末端和第二末端，所述第一末端与所述氧歧管连接，所述第二末端具有开口，所述开口用于将所述管中运送的所述含氧气流在所述混合点引入到所述烃气流中。
7.根据权利要求5或权利要求6所述的改进，其中所述管对于在所述歧管和所述管的所述开口之间的所述管的整个长度基本上是直的。
8.根据权利要求4-7中任一项所述的改进，其中所述管具有足够的长度，使得在所述冲击迷宫式结构体中被点燃的粒子在到达所述混合点之前被充分冷却。
9.根据权利要求5-8中任一项所述的改进，其中所述结构包括与所述氧气流的流动方向同向排列的平行波纹结构的阵列。
10.根据权利要求9所述的改进，其中所述波纹结构由选自由碳钢、不锈钢和哈斯特洛伊耐蚀镍基合金C组成的材料的组的材料制成。
11.一种气体混合***，其包括如在权利要求1中所述的气体混合器，并且还包括在所述迷宫式结构体的上游从所述第一气流移除粒子的子***。
12.根据权利要求11所述的气体混合***，其中所述子***包括湿式洗涤器。
13.根据权利要求11或权利要求12所述的气体混合***，其中所述第一气流包括含氧气流，而所述第二气流包括含烃气流。
14.根据权利要求13所述的气体混合***，其中所述含烃气流包括含有乙烯的气流。
15.一种将含烃气流与含氧气流混合的方法，所述方法包括下列步骤：
将所述含氧气流供给到冲击迷宫式结构体，所述冲击迷宫式结构体包括形成所述含氧气流必须经其通过以流过所述迷宫式结构体的弯曲路径的结构；
使所述含氧气流流过所述迷宫式结构体；
将所述含氧气流从所述迷宫式结构体导入许多根管中；和
将离开所述管的所述含氧气流在气体混合器内的混合点导入到所述含烃气流中。
16.根据权利要求15所述的方法，其中将所述含氧气流在与在所述混合点的第二气流的流动方向基本上同向的流动方向上引入到所述含烃气流中。
17.根据权利要求15或权利要求16所述的方法，所述方法还包括在所述迷宫式结构体的出口提供歧管的步骤，所述管具有第一末端和第二末端，所述第一末端与歧管连接，所述第二末端形成用于引导离开所述管的所述含氧气流的开口，并且其中所述管对于在所述歧管和所述管的所述开口之间的所述管的整个长度基本上是窄小的。
18.根据权利要求15-17中任一项所述的方法，所述方法还包括在所述迷宫式结构体的上游从氧气流移除粒子的步骤。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述移除粒子的步骤通过湿式洗涤器进行。
20.根据权利要求15-19中任一项所述的方法，其中所述含烃气流包括含有乙烯的气体的流。
21.根据权利要求1-5中任一项所述的气体混合器，其中所述气体混合器以高的调低运行模式运行。
22.根据权利要求6-10中任一项所述的改进，其中所述气体混合器以高的调低运行模式运行。
23.根据权利要求11-14中任一项所述的气体混合***，其中所述气体混合器以高的调低运行模式运行。
24.根据权利要求15-20中任一项所述的方法，其中所述供给所述含氧气流的步骤还包括以高的调低运行模式供给所述含氧气流。
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