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CN113244801A - 一种多流体混合设备 - Google Patents

一种多流体混合设备 Download PDF

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CN113244801A
CN113244801A CN202110542783.6A CN202110542783A CN113244801A CN 113244801 A CN113244801 A CN 113244801A CN 202110542783 A CN202110542783 A CN 202110542783A CN 113244801 A CN113244801 A CN 113244801A
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CN
China
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fluid
pipe
guide pipe
cavity
heat exchanger
Prior art date
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Pending
Application number
CN202110542783.6A
Other languages
English (en)
Inventor
吕仲明
张结喜
杨琳
芮金泉
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nanjing Goodchina Chemical Technologies Co ltd
Original Assignee
Nanjing Goodchina Chemical Technologies Co ltd
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Publication date
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    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F25/00—Flow mixers; Mixers for falling materials, e.g. solid particles
    • B01F25/40—Static mixers
    • B01F25/42—Static mixers in which the mixing is affected by moving the components jointly in changing directions, e.g. in tubes provided with baffles or obstructions
    • B01F25/43—Mixing tubes, e.g. wherein the material is moved in a radial or partly reversed direction
    • B01F25/431—Straight mixing tubes with baffles or obstructions that do not cause substantial pressure drop; Baffles therefor
    • B01F25/4314—Straight mixing tubes with baffles or obstructions that do not cause substantial pressure drop; Baffles therefor with helical baffles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J8/00—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes
    • B01J8/02—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds
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    • B01J8/0446—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds the fluid passing successively through two or more beds the flow within the beds being predominantly vertical

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Abstract

本发明公开了一种多流体混合设备，包括壳体、换热管束、流体分布器、主流体混合器、辅流体混合器、中心管；流体分布器位于壳体一端，包括管道、腔体上盖、腔体下盖，由腔体上盖和腔体下盖构成内腔，管道与内腔相通，腔体下盖开有小孔；中心管自流体分布器顶端插入壳体内至近壳体另一端；主流体混合器包括第一导流管，第一导流管与中心管同轴安装并与中心管形成环隙，在第一导流管内壁安装第一旋流片；辅流体混合器包括位于壳体内的第二导流管，第二导流管与中心管同轴安装并与中心管形成环隙，在第二导流管内壁安装第二旋流片；在壳体另一端设置有流体入口。本发明多流体混合设备流体分布效果好，流动阻力低。

Description

一种多流体混合设备
技术领域
本发明涉及一种多流体混合设备，特别涉及适用于固定床反应器内的多流体混合设备。
背景技术
工业过程中存在多种流体需要混合的设备，如固定床反应器设置冷气与热气流体，热气为主流体，冷气用于调节床层温度，通过反应器内的气体混合设备，使冷气与热气混合均匀，然后进入催化剂床层进行反应，避免混合不均匀的气体进入催化剂床层影响反应效果。目前，气体混合设备多为环状分配管、树枝状分配管、格栅式分布器等，但均无法较好地适应不同工况的要求。
CN203440099U公开了气体混合分布器，该气体混合器包括冷激气分布器和合成气引流档板，其中冷激气分布器包括设有通气孔的直管和环形管，在环形管的下方设置筒状结构的合成气引流档板。该气体混合分布器使冷激气与合成气能够均匀混合，使混合后的流体在轴向流触媒筐中较均匀分布于触媒筐截面上，从而使催化剂能发挥出较好的转化率和利用率及达到降低催化剂床层压降的效果。该气体混合分布器结构简单，但由于冷激气分布器采取环管结构，冷激气量随生产负荷、操作条件的变化而变化，使通气孔出来的冷激气量均一性较差；且冷激气分布器与合成气引流档板属于两大部件，无法实现同心约束，受冷激气体与合成气温度的差异而产生不同的膨胀量，降低了冷激气和合成气的混合效果。
CN208471554U公开了气体混合分布器，该技术在CN203440099U基础上进行了改进，通过在环形管上设置挡板，使合成气及部分冷激流速变慢且流动方向改变形成螺旋流动气流，进而使冷激气与合成气的混合效果更好。该气体混合分布器提高了通气孔出来的冷激气与合成气的混合效果，但是该主体结构与CN203440099U结构类似，不能克服温差产生的不同膨胀量，从而降低了冷激气和合成气的混合效果。
CN106000240A公开了一种用于加氢反应器的冷氢箱，包括冷氢分配器，混合箱、液体粗分配盘，其中冷氢分配器为树枝形或环形，以解决冷氢气和反应产物的混合不够充分、物流降温不均匀的现象，提高反应的转化效率及催化剂的使用寿命。该冷氢分配器仅仅采用树枝形或环形结构，氢气流通过小孔沿反应器轴向流动，不能克服氢气负荷变化而导致的小孔分布不均匀的现象，为了进一步提高混合效果，采用混合箱使混合流体沿圆周方向交错流动，运行压降高。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中混合分布(配)器存在的不足，提供一种结构合理的多流体混合设备，流体通过多流体混合设备的路径较短、流体混合效果好，提高了催化剂的利用率和反应转化率；且流动阻力低，有利于降低系统的能耗。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种多流体混合设备，包括壳体5、安装在壳体内的换热管束6，其特征在于：还包括流体分布器1、主流体混合器2、辅流体混合器3、中心管4；所述的流体分布器1位于壳体其中一端；所述的流体分布器1包括管道11、腔体上盖12、腔体下盖13，由腔体上盖12和腔体下盖13构成内腔，所述的管道11与内腔相通，所述的腔体下盖13开有小孔14，C流体经管道进入流体分布器的内腔，再通过小孔进入流体分布器与壳体构成的腔体；所述的中心管4自流体分布器1顶端插入壳体内至接近壳体另一端；所述的主流体混合器2包括由流体分布器1固定的第一导流管21，所述的第一导流管21与中心管4同轴安装并与中心管4形成环隙，在所述的第一导流管21内壁安装有第一旋流片22；所述的辅流体混合器3包括位于壳体内的第二导流管31，所述的第二导流管31的直径小于第一导流管21的直径，第二导流管31与中心管4同轴安装并与中心管4形成环隙，在所述的第二导流管31内壁安装有第二旋流片32，第二导流管31的出口端位于流体分布器1与壳体构成的腔体内；在所述的壳体5另一端设置有与第二导流管31与中心管4间环隙相通的流体入口7，A流体经过中心管4与第二导流管31之间的环隙进入辅流体混合器3，通过第二导流管31的导流及第二旋流片32的旋流作用，自第二导流管31的出口端旋流进入流体分布器1与壳体构成的腔体内。
中心管4、第一导流管21、第二导流管31的直径具体由A、B、C流体体积流量决定。
优选的，所述的中心管4近流体入口7的一端封闭，在中心管4近封闭端的管壁设置至少一根分布管，所述的分布管穿过中心管4和第二导流管31间的环隙，B流体流经中心管4至多流体混合设备的另一端，再经分布管分配进入换热管束的管程。
优选的，所述的壳体5包括筒体以及设置于筒体一端的封头。
优选的，所述的管道11的数量至少为1根。当所述的管道11的数量为至少2根时，管道11均匀分布在腔体上盖12上。
优选的，所述的腔体上盖12为封头；所述的腔体下盖13呈圆台状，所述的腔体下盖13与水平面的倾角(α)为15°～75°，优选为30°～60°，从而使流体分布器1内腔的流体以一定角度进入流体分布器与壳体构成的腔体。
优选的，所述的小孔14的直径为1～25mm，优选为5～10mm。
优选的，所述的第一旋流片22安装在第一导流管21的内壁；所述的第二旋流片32安装在第二导流管31近出口端的内壁。
所述的第一旋流片22与水平面的仰角为15°～75°，优选为30°～45°；所述的第一旋流片22的数量为4～36，优选为8～16。所述的第二旋流片32与水平面的仰角为15°～75°，优选为30°～45°；所述的第二旋流片32的数量为2～24，优选为4～12。
进一步优选的，所述的第一旋流片22与第二旋流片32的方向一致，且第一旋流片22的数量不少于第二旋流片32的数量。
采用本发明所述的多流体混合设备，C流体(一般为冷流体)经管道11进入流体分布器1内腔，内腔空间远高于管道的截面积，因此C流体在内腔的流速较低，流速较低的C流体通过腔体下盖13开设的小孔14后，以一定角度进入流体分布器1与壳体构成的腔体；B流体流经中心管4至多流体混合设备的另一端，分配到换热管束的管程，经换热后与A流体混合；A流体经过中心管4与第二导流管31之间的环隙进入辅流体混合器3，通过第二导流管31的导流及第二旋流片32的旋流作用，使A流体以一定角度旋流离开辅流体混合器3，通过辅流体混合器3的旋流作用，在流体分布器1与壳体构成的腔体内将A流体与经过换热的B流体、C流体旋流混合，初步旋流后的A、B、C混合流体进入主流体混合器2，通过第一导流管21的导流及第一旋流片22的旋流作用，从而实现多种流体高效均匀混合、流动阻力低的效果。
一般情况下，A、B、C三种流体为各自独立的流体，但是A、B、C流体也可以为同种流体，但温度不完全相同。
本发明的另一个目的是提供一种氨合成反应器，包括外筒和内件，外筒与内件间构成环隙；内件包括从上往下依次设置的第一径向筐51、第二径向筐53、第三径向筐55，所述的第一径向筐51、第二径向筐53、第三径向筐55中分别装填氨合成催化剂形成第一、第二、第三催化床，在所述的第一径向筐51中设置本发明所述的多流体混合设备作为上层间换热器52，在所述的第二径向筐54中设置下层间换热器54，上层间换热器52的中心管4伸入下层间换热器54并使中心管4的出口位于下层间换热器54的近底端，上层间换热器52的第二导流管31与下层间换热器54顶端相通；在上层间换热器52设置有下降管58，下降管58一端伸出上层间换热器52至第一径向筐51外，另一端伸至上层间换热器52下端；在所述的第三径向筐中设置有径向流气体分布器和径向流气体集气器，在高压外筒底部设置有出气管56。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明多流体混合设备的流体分布器、主流体混合器和辅流体混合器依托中心管同心排列布置，从而使流体分布器、主流体混合器、辅流体混合器同轴排列成为一个有机的整体，使得该设备制造精度高，各流道的中心定位不受到流体不同温度的影响而产生偏差，能够克服流体温度的变化导致部件不同膨胀量产生的不利影响，且加工制造精度高，从而提高了流体混合的均匀性。
主流体混合器与辅流体混合器的旋流片方向相同，主流体混合器的旋流片数量高于辅流体混合器的旋流片，使流体能够在较小的空间内实现两次同向旋流混合，使混合流体螺旋上升(或下降)，具有相互卷吸的作用，提高了流体的混合强度和混合效果，降低了流体的压降。
本发明多流体混合设备使用范围宽，操作弹性大，流体分布效果好，流动阻力低，运行安全可靠，适应多种流体均匀混合的场合，尤其是化工领域的气相反应器。
附图说明
图1为本发明多流体混合设备的结构示意图；
图2为流体分布器的结构示意图；
图3为主流体混合器的结构示意图
图4为辅流体混合器的结构示意图；
图5为采用实施例1多流体混合设备的氨合成反应器的结构示意图；
图6为采用冷激分配器(CN203440099U)的氨合成反应器的结构示意图。
图中：1-流体分布器；2-主流体混合器；3-辅流体混合器；4-中心管；5-壳体；6-换热管束；7-流体入口；11-管道；12-腔体上盖；13-腔体下盖；14-小孔；21-第一导流管；22-第一旋流片；31-第二导流管；32-第二旋流片；51-第一径向筐；52-上层间换热器；53-第二径向筐；54-下层间换热器；55-第三径向筐；56-出气管；57-冷激分配器；58-下降管。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明的技术方案作进一步说明。
实施例1
如图1-图4所示，一种多流体混合设备，包括壳体5、安装在壳体内的换热管束6、流体分布器1、主流体混合器2、辅流体混合器3、中心管4；壳体5包括筒体以及设置于筒体一端的封头，在所述的封头设置有流体入口7，在壳体5另一端设置有流体分布器1，流体分布器1与壳体构成腔体；所述的流体分布器1包括管道11、腔体上盖12、腔体下盖13，所述的腔体上盖12为封头，所述的腔体下盖13呈圆台状，腔体下盖13与水平面的倾角(α)为45°，由腔体上盖12和腔体下盖13构成内腔，所述的管道11与内腔相通，所述的腔体下盖13开有小孔14，C流体经管道进入流体分布器的内腔，再通过小孔以一定角度进入流体分布器与壳体构成的腔体；所述的中心管4自流体分布器1顶端插入壳体内至接近壳体另一端，中心管4近流体入口7的一端封闭，在中心管4近封闭端的管壁设置至少一根分布管，所述的分布管穿过中心管4和第二导流管31间的环隙，B流体流经中心管4至多流体混合设备的另一端再分配到换热管束的管程；所述的主流体混合器2包括第一导流管21，所述的第一导流管21由流体分布器1固定，第一导流管21与中心管4同轴安装并与中心管4形成环隙；在第一导流管21与中心管4间的环隙安装有第一旋流片22；所述的辅流体混合器3包括位于壳体内的第二导流管31，第二导流管31的出口端位于流体分布器1与壳体构成的腔体内，所述的第二导流管31与中心管4同轴安装并与中心管4形成环隙，第二导流管31与中心管4间的环隙与流体入口7相通使A流体进入中心管4与第二导流管31间的环隙；在第二导流管31近出口端，于第二导流管31与中心管4间的环隙安装有与第一旋流片22的方向相同的第二旋流片32。
所述的管道11的数量为2根，2根管道11对称分布。
所述的第一导流管21的直径大于第二导流管31的直径。
所述的小孔14的直径为10mm。
所述的第一旋流片22固定在第一导流管21的内壁上，第一旋流片22与水平面的仰角为45°，第一旋流片22的数量为16。
所述的第二旋流片32固定在第二导流管31的内壁上，第二旋流片32与水平面的仰角60°，第二旋流片32的数量为8。
采用本实施例多流体混合设备，C流体(一般为冷流体)经管道11进入流体分布器1内腔，内腔空间远高于管道的截面积，因此C流体在内腔的流速较低，流速较低的C流体通过腔体下盖13开设的小孔14(孔流速一般为15～45m/s)后，以一定角度进入流体分布器1与壳体构成的腔体；B流体流经中心管4至多流体混合设备的另一端，分配到换热管束的管程进行换热后；A流体经过中心管4与第二导流管31之间的环隙进入辅流体混合器3，通过第二导流管31的导流及第二旋流片32的旋流作用，使A流体以一定角度旋流离开辅流体混合器3，在流体分布器1与壳体构成的腔体内，A流体与经过换热的B流体、C流体旋流混合，初步旋流后的A、B、C混合流体进入主流体混合器2，通过第一导流管21的导流及第一旋流片22的旋流作用，从而实现多种流体高效均匀混合、流动阻力低的效果。
实施例2
如图5所示，一种典型的氨合成反应器，采用实施例1多流体混合设备用于气体混合，其他部件均是已知的，技术人员基于本实施例技术方案和本领域公知常识，能够实现该技术方案。氨合成反应器由高压外筒和内件组成，高压外筒与内件间构成环隙；内件包括从上往下依次设置的第一径向筐51、第二径向筐53、第三径向筐55，所述的第一径向筐51、第二径向筐53、第三径向筐55中分别装填氨合成催化剂形成第一、第二、第三催化床，在所述的第一径向筐51、第二径向筐54中分别设置上层间换热器52(实施例1多流体混合设备)、下层间换热器54(常规换热器)，上层间换热器52的中心管4(中心管4两端敞口或中心管伸入下层间换热器54的一端封闭，在近封闭端管壁开设分布孔)伸入下层间换热器54并使其出口位于下层间换热器54的近底端，上层间换热器52的第二导流管31与下层间换热器54顶端相通；在上层间换热器52设置有下降管58，下降管58一端伸出上层间换热器52至第一径向筐51外，另一端伸至上层间换热器52下端使反应器顶部的流体进入上层间换热器52的管程与第一催化剂床反应后的热气换热；在所述的第三径向筐中设置有径向流气体分布器和径向流气体集气器，在高压外筒底部设置有出气管56。
f1主线气、f0冷激气、f2工艺气成均是氢氮气(氢气含量70～75％，氮气含量24～26％，氨含量2～3％，其余为少量甲烷、氩等惰性气体。f1主线气、f0冷激气、f2工艺气的温度相同，为165～170℃。
f1主线气从氨合成塔反应器底部进入高压外筒与内件间的环隙，上升到反应器顶部，通过下降管58进入上层间换热器52的管程，与第一催剂床反应后的热气换热；f2工艺气从氨合成塔反应器顶部进入中心管4进入下层间换热器54的管程，与第二催化床反应后的热气换热，然后通过上层间换热器52的第二导流管31与中心管4的环隙上升，最终通过第二旋流片离开辅流体混合器；调节零米温度的冷气副线f0冷激气管道11进入流体分布器腔体，然后通过腔体下盖的小孔分布后与换热后的f1主线气混合，混合后的f0、f1气体与换热后的来自辅流体混合器的f2工艺气混合进入主流体混合器，通过第一旋流片的旋流混合作用使f0、f1、f2气体混合均匀，混合后的三路f0、f1、f2气体依次进入第一催化床进行氨合成反应；反应后的热气体依次通过上层间换热器52的壳程与f1主线气换热，再进入第二催化床反应，通过下层间换热器54的壳程与f2工艺气换热，进入第三催化床反应，最后通过出气管56离开反应器。通过调节反应器进口工艺气温度及流量，从而保证氨合成反应处于较佳的工作状态。
如图6所示，同样为典型的氨合成反应器，但不同的是采用环分配管混合结构的冷激分配器57(CN203440099U)进行气体混合，冷激分配器为环状分配管，环管上开有小孔，冷激分配器为分体式结构。f1主线气从氨合成塔反应器底部进入高压外筒与内件的环隙，上升到反应器顶部，然后通过下降管进入上层间换热器的底部与来自换热后的f2工艺气混合进入上层间换热器的管程，与第一催化剂床反应后的热气换热；f2工艺气从氨合成塔反应器顶部进入，通过中心管进入下层间换热器的管程，与第二催化剂床反应后的热气换热，换热后的f2工艺气进入上层间换热器底部与f1主线气混合进入上层间换热器的管程；调节零米温度的冷气副线f0冷激气进入环状分配管，通过环状分配管的小孔分布后与换热后的f1、f2气体混合，混合后的三路f0、f1、f2气体依次进入第一催化床进行氨合成反应；反应后的热气体依次通过上层间换热器52的壳程换热，再进入第二催化床反应，通过下层间换热器54的壳程换热，进入第三催化床反应，最后通过出气管56离开反应器。
表1.氨合成反应器运行参数
Figure BDA0003072372170000071
通过表1可知，在氨合成反应器的规格、运行压力、氨产量等参数基本相同的情况下，采用本发明多流体混合设备的氨合成反应器每段床层的温度分布较好，温差较小，如第一床层进口温差2℃(传统结构为4.4℃)、第一床层出口最大温差7.6℃(传统结构为17.9℃)；由于反应温度分布好，使得氨净值更高，反应器阻力更低，反应器进口总流量更低，有利于系统的节能降耗。

Claims (10)

1.一种多流体混合设备，包括壳体(5)、安装在壳体内的换热管束(6)，其特征在于：还包括流体分布器(1)、主流体混合器(2)、辅流体混合器(3)、中心管(4)；所述的流体分布器(1)位于壳体一端，包括管道(11)、腔体上盖(12)、腔体下盖(13)，由腔体上盖(12)和腔体下盖(13)构成内腔，所述的管道(11)与内腔相通，所述的腔体下盖(13)开有小孔(14)；所述的中心管(4)自流体分布器(1)顶端插入壳体内至接近壳体另一端；所述的主流体混合器(2)包括由流体分布器(1)固定的第一导流管(21)，所述的第一导流管(21)与中心管(4)同轴安装并与中心管(4)形成环隙，在所述的第一导流管(21)内壁安装有第一旋流片(22)；所述的辅流体混合器(3)包括位于壳体内的第二导流管(31)，所述的第二导流管(31)的直径小于第一导流管(21)的直径，第二导流管(31)与中心管(4)同轴安装并与中心管(4)形成环隙，在所述的第二导流管(31)内壁安装有第二旋流片(32)，第二导流管(31)的出口端位于流体分布器(1)与壳体构成的腔体内；在所述的壳体(5)另一端设置有与第二导流管(31)与中心管(4)间环隙相通的流体入口(7)。
2.根据权利要求1所述的多流体混合设备，其特征在于：所述的中心管(4)近流体入口(7)的一端封闭，在中心管(4)近封闭端的管壁设置至少一根分布管，所述的分布管穿过中心管(4)和第二导流管(31)间的环隙。
3.根据权利要求1所述的多流体混合设备，其特征在于：所述的腔体上盖(12)为封头；所述的腔体下盖(13)呈圆台状，所述的腔体下盖(13)与水平面的倾角为15°～75°。
4.根据权利要求3所述的多流体混合设备，其特征在于：所述的腔体下盖(13)与水平面的倾角为30°～60°。
5.根据权利要求1所述的多流体混合设备，其特征在于：所述的小孔(14)的直径为1～25mm，优选为5～10mm。
6.根据权利要求1所述的多流体混合设备，其特征在于：所述的第二旋流片(32)安装在第二导流管(31)近出口端的内壁。
7.根据权利要求1所述的多流体混合设备，其特征在于：所述的第一旋流片(22)与水平面的仰角为15°～75°；所述的第一旋流片(22)的数量为4～36；所述的第二旋流片(32)与水平面的仰角为15°～75°；所述的第二旋流片(32)的数量为2～24。
8.根据权利要求7所述的多流体混合设备，其特征在于：所述的第一旋流片(22)与水平面的仰角为30°～45°；所述的第一旋流片(22)的数量为8～16；所述的第二旋流片(32)与水平面的仰角为30°～45°；所述的第二旋流片(32)的数量为4～12。
9.根据权利要求7或8所述的多流体混合设备，其特征在于：所述的第一旋流片(22)与第二旋流片(32)的方向一致，且第一旋流片(22)的数量不少于第二旋流片(32)的数量。
10.一种氨合成反应器，包括外筒和内件，外筒与内件间构成环隙；内件包括从上往下依次设置的第一径向筐(51)、第二径向筐(53)、第三径向筐(55)，所述的第一径向筐(51)、第二径向筐(53)、第三径向筐(55)中分别装填氨合成催化剂形成第一、第二、第三催化床；在所述的第三径向筐中设置有径向流气体分布器和径向流气体集气器，在外筒底部设置有出气管(56)；其特征在于：在所述的第一径向筐(51)中设置权利要求1所述的多流体混合设备作为上层间换热器(52)，在所述的第二径向筐(54)中设置下层间换热器(54)，上层间换热器(52)的中心管(4)伸入下层间换热器(54)并使中心管(4)的出口位于下层间换热器(54)的近底端，上层间换热器(52)的第二导流管(31)与下层间换热器(54)顶端相通；在上层间换热器(52)设置有下降管(58)，下降管58)一端伸出上层间换热器(52)至第一径向筐(51)外，另一端伸至上层间换热器(52)下端。
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