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CN101848760B - 使用水雾的烃/氧工业气体混合器 - Google Patents

使用水雾的烃/氧工业气体混合器 Download PDF

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CN101848760B CN200880115018.9A CN200880115018A CN101848760B CN 101848760 B CN101848760 B CN 101848760B CN 200880115018 A CN200880115018 A CN 200880115018A CN 101848760 B CN101848760 B CN 101848760B
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Abstract

含烃气体在气体混合器中在水雾的存在下与含氧气体混合。水雾围绕并且接触在含氧气流或含烃气流中夹带的粒子。通过起到用于由这种粒子与气体混合器内的结构的有力碰撞而导致的热的接收体的作用，水起到抑制和防止烃气在混合器中点燃的作用。水雾还起到熄灭由这种碰撞导致的点燃的作用。水雾可以以许多不同构造引入所述气体混合器中，包括经由喷嘴将雾喷射到烃气歧管或氧气歧管中，喷嘴邻近供氧管的末端安置于气体混合器内，和喷嘴共轴地安置于气体混合器中的供氧管内。

Description

使用水雾的烃/氧工业气体混合器
背景
本发明总体涉及在用于含烃气体的气相部分氧化的系统中使用的气体混合器。本发明具有有用性的场合的实例是用于环氧乙烷的工业生产的系统。
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
在环氧乙烷生产系统中，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烃气的主流会合。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。
其它感兴趣的现有技术包括英国专利GB 705,176和2,357,817；U.S.5,336,791；和U.S.4,393,817。
概述
在本公开内容的第一方面中，公开了用于含烃气体的气相部分氧化的工业生产系统，其使用将含烃气体与含氧气体混合的方法。该方法包括：提供用于将含氧气体与含烃气体混合的气体混合器，将水雾引入气体混合器中，和将氧气与含烃气体在水雾的存在下混合。本发明可以应用于烃-空气混合器和富烃空气混合器。因此，术语“含氧气体”意在包括总体含氧的气体的流，例如纯氧气或基本上纯氧气的流、空气的流，或富有氧气的空气的流。
在另一方面中，提供对用于含烃气体的气相氧化的工业生产系统的气体混合器的改进。该改进是提供用于在气体混合器中产生水雾的装置，其中含氧气体和含烃气体在气体混合器中在水雾的存在下混合。描述了若干用于产生水雾的装置的实例，包括将水雾喷射到烃气歧管中的雾化器(喷嘴)、将水雾喷射到氧气歧管中的喷嘴，和在其末端具有产雾喷嘴的水管，所述水管(1)同心地位于气体混合器中供给氧的氧管中，(2)沿氧管的侧面安置，或(1)和(2)。
附图简述
图1是用于含烃气体的气相氧化的工艺生产系统的气体混合器的示意图，其显示用于将水雾引入气体混合器中的装置的第一实施方案，该装置的形式为(1)将水雾喷射到烃气歧管中的雾化器(喷嘴)和(2)同心地位于向气体混合器供给氧的氧管中的在其末端具有产雾喷嘴的水管。
图2是图1中所示的运送含烃气体的管中的一根的端视图，其显示氧管中的水管和由雾化器提供的雾以及在水管末端的喷嘴。
图3是气体混合器的第二实施方案的示意图，其特征在于运送水的水管和在其末端的喷嘴，所述喷嘴在氧和含烃气体混合的混合点处产生雾。
图4是图3的气体混合器的端视图，其显示邻近氧管和在氧管内同心安置的水管。
图5是气体混合器的第三实施方案的示意图，其特征在于将水雾喷射到氧气歧管中的雾化喷嘴。
图6是图5的氧管的末端的详细横截面。
详细描述
在用于含烃气体的气相部分氧化如环氧乙烷的制备的工业生产系统中，烃和氧气以安全可靠方式的混合是持续的问题，特别是在要混合的气体可能在混合过程中通过可燃区的情况下。此公开内容的特征提供对气体混合器的改进和将点燃的可能性最小化的混合气体的方法。两种气体的混合在水雾环境下进行。
下面将相当详细地描述特征在于用于产生水雾环境的装置的气体混合器的若干不同实施方案。这些实施方案示出适用于在特征在于低剪切共轴气体混合的气体混合器中生产环氧乙烷的应用。然而，从所公开实施方案的变化当然是可能的，并且本发明可以在高剪切气体混合器中实施，所述高剪切气体混合器例如在2007年12月14日提交的标题为氧/烃快速(高剪切)气体混合器(OXYGEN/HYDROCARBON RAPID(HIGH SHEAR)GAS MIXER)的本发明人的共同待审的美国专利申请序列号61/007,790中所述的，该美国专利申请的全部内容通过引用结合在此。在低剪切实施方案中，将水雾共轴地喷射到一个气流特别是高纯度氧进料中，和/或备选地，在进入到第二气流中的进入点，特别是高纯度氧流进入到含烃气流中的混合点包围一个气流。
水雾环境的目的是通过下列方法降低两种气体初始混合的可燃气体包层(envelope)的点燃可能性，或在会发生点燃的情况下将点燃熄灭：在高可燃性气体包层的点处将足够量的小水滴引入气流中，从而提供增强的混合、任何夹带在烃流或氧流中的粒子的表面润湿，和受热器(heat sink)，所述受热器用于传递在粒子仍然存在于可燃气流的可燃区域中时从粒子冲击或粒子破裂产生的热。通常，气体混合器的特征在于雾化器(水雾产生喷嘴)，所述雾化器设计为产生尺寸大约≤200微米SMD(沙得(Sauter)平均直径)的水滴。此术语定义为具有与整个喷雾相同的表面积与体积比的滴直径。然而，液滴可以显著更小，例如小至1微米。在高压下，例如在本公开内容类型的气体混合器中发现的，水雾可以起到致密气体的作用，其与氧气移动到高可燃性区中并且起到点燃抑制剂的作用。用于构造气体混合器和雾/烟雾发生装置的材料可以为不锈钢、蒙乃尔合金(Monel)、因科镍合金(Inconel)或其它抗腐蚀和抗点燃的金属。这样的金属还可以用于最高速度区和气体分布管中。
本发明的一个应用是直接氧化环氧乙烷工艺混合器，其将处于中间压力(～20巴)的氧与含有乙烯和其它气体的再循环的烃气混合。氧压力在约～26巴运行。本发明可以类似地用于其它使用纯氧或富氧空气的部分氧化工艺。
此公开内容的特征将氧/烃混合工艺重新限定，以降低在氧-烃流的混合完成之前，在将氧注入富烃流中的点的下游一定距离处存在的高度可燃气体包层中点燃的可能性。本发明通过在下列情况下混合气体而完成此内容：在表现为致密气体的细微水雾的存在下，并且最优选在1-15微米SMD的液滴尺寸的存在下，从而提供用于散逸夹带在烃或氧气流中的粒子的冲击能的受热器，或在会发生点燃的情况下将点燃熄灭。本发明特别可用于在环氧乙烷工艺中将氧混入含乙烯的循环气中。
本公开内容的方法和气体混合器不同于现有技术，原因在于其将细微水雾直接并且同时引入氧流和烃流中的一个或两个中。理想地，雾由尺寸处于200微米或小于200微米的水滴形成，以润湿随一个或多个气流行进的任何粒子的表面，以降低湿粒子在混合装置壁上的冲击能和/或起到点燃抑制剂的作用。为了火焰抑制目的的水喷射通常用于各种应用如涡轮发动机和油井火灾中，然而，还没有找到特定地将点燃源的发生最小化并且抑制初始火焰发展的所述类型的应用。
本公开内容的特征满足本领域中长期以来的需要，原因在于其允许将氧注入富烃气流中，同时将点燃混合物的可能性最小化。该优点对于通常在部分氧化工艺如环氧乙烷生产中发现的其中气体混合发生在高压(例如20巴)的应用的范围特别显著。
实施例1
图1是特征在于在含烃气体与含氧气体会合处的水雾环境的气体混合器的示意图。气体混合器10包括烃气歧管12，其接收来自源的沿入口管14的含烃如乙烯的循环气。尽管在实施例1中乙烯是具有商业意义的烃气体，但通常将其控制为在压载气(ballast gas)如甲烷或氮气内约20-35体积％。一根或多根管16与烃气歧管12连接。气体混合发生在管16中。管起到用于气体混合器10的混合室的作用。混合气体收集在第二歧管18中。
气体混合器10的特征在于用于在管16中产生水雾的装置。特别地，设置向雾化器22供水的供水管线20。雾化器22产生细微的水雾。在一个实施方案中，雾化器设计为产生尺寸为约200微米以下的水滴。阀24安置在雾化器22的下游。管26运送由雾化器22产生的雾，其安装在烃气歧管12中。因此，在烃气歧管12中产生细微的雾或烟雾，液滴在28表示。将在歧管12中产生的雾混合并且运送到管16中，因而存在于管16中的含烃气流中。
通过氧气歧管36将氧供给到气体混合器。在本领域中有时称为“指状物”的氧管38与歧管36连接。氧管38位于烃管16内。氧从歧管36流入管38中并且流出管38的远侧开口末端。
混合器10还包括与水源连接的水歧管30，其向水雾管32的近端供给水。烃管16中的每一根具有位于其内部的一根或多根氧管38，并且每一根氧管具有共轴地在其内部的水雾管32，如图1中所示。喷嘴34安置在管32的远端。喷嘴34优选为产生细微水滴的锥体的猪尾(pig-tail)型喷嘴。备选地，喷嘴为空心圆锥压力旋涡喷嘴(hollow cone pressure swirl nozzle)。喷嘴34的尖端邻近氧管38的远端安置，或略微朝向氧管38的远端安置，如图1中所示。
在运行中，含烃气体进入歧管12，在那里其分到一根或多根独立的管16中。含氧流，优选纯氧，进入歧管36，在那里所述流分到一根或多根管38中，所述管38小于管16并且与管16同心。同心管38沿外管16延伸一定距离，该距离如通过工程计算确定为对于其中含氧气体与富烃气体混合的混合区的混合和分离最优。另外，水流进入歧管30。歧管30可以安置在氧歧管36内部。歧管30与一根或多根水管32的近端连接。水管32直径小于氧管38并且同心地安置于氧管38内，它们在管16中同心。每一根氧管38具有一根安置于其中的水管32。在管32的末端固定雾化喷嘴34，其被设计用于产生液滴大小为约200微米以下的细微水雾。喷嘴34在管32的末端处大约与管38的末端一致地并且在管16的末端之前终止，从而使得含氧气体在与管16中的富烃气体混合时通过细微水雾。
如以上指出的，除了注入氧流的水雾以外，通过一个或多个雾化喷嘴22将水引入烃歧管12中使得细微水雾与烃流混合。随任一气流行进的粒子被雾润湿，从而降低粒子在其撞击管16或管38的表面时的冲击能。雾还提高离开粒子的传热并且在应当发生点燃的情况下熄灭点燃。含氧/水/烃的气体混合物再次集中于歧管18中以转移到下游水移除处理站(processing station)，之后进入位于更下游的反应器中。
图2是图1中所示运送含烃气体的管16中的一个的端视图，其中雾(由液滴28A表示)存在于含烃气流中。该图还显示共轴安置在氧管38内的水管32和由位于水管32的末端的喷嘴34提供的雾28B。尽管在图2中每根烃管16有三根氧管，但这当然可以例如根据气体混合器中烃管16的尺寸和数目变化。
下游水移除处理站可以使用压力容器塔将离开混合气流的水聚结。例如，此容器可以是在典型加工方案中靠近的CO2移除塔的组成部分。回收的水可以过滤以移除粒状物质并且再循环回到图1的供水中。
还设计类似于图1的雾化器22的喷嘴34以产生约200微米以下SMD的液滴尺寸。在一个可能的实施方案中，喷嘴34和/或22设计为产生尺寸为1-20微米SMD的水滴，从而产生微米大小的液滴雾。
在图1的实施方案的变化中，水管32位于管16中，但是不在氧管内。而是水管邻近氧管38安置使得在水管32的末端的喷嘴34将水雾导入混合区中，在那里氧气与含烃气体在管16中混合。
实施例2
图3是结合了本发明的水雾特征的气体混合器的第二实施例的示意图。
在此实施方案中，富烃气体从歧管供给到起到用于气体混合器10的混合室的作用的单一容器或管16中。在此实施方案中，含烃气体不被分到多根平行的管如之前实施方案中的管16中，而是围绕位于容器16内的一根或多根运氧管38流动。与实施例1中相同，含氧气体，优选高纯度氧，进入歧管36，在那里气体的流分到一根或多根管38中。氧管具有远侧开口末端，通过其氧气流出氧管38。
气体混合器10的特征在于用于在管或容器16中产生水雾的装置。具体地，水进入歧管30A，在那里水被分到管32A中。管32A在其末端具有喷嘴34，用于产生液滴尺寸小于约200微米SMD的水雾。水还进入水歧管30B，在那里水被分到多个水雾管32B中，所述水雾管32B小于氧管38并且同心地安置于氧管38中。在管32B的末端固定能够产生液滴尺寸小于约200微米的细微水雾的雾化喷嘴34。喷嘴34在管32B的末端处与管38的末端一致地终止，从而使得含氧气体在与富烃气体混合时通过细微水雾。水管32A紧邻氧管38并且平行于氧管38，并且以如图4中所示的图案散布在管38之间。为每三根或四根氧气喷射管38提供一个水雾发生管32A。
随任一气流行进的粒子被雾润湿，从而降低粒子在其撞击管32、38或容器16的表面时的冲击能。含氧/水/烃的气体混合物转移到下游水移除设备，之后进入位于更下游的反应器中。在此实施方案中多个水雾化器的使用改善体系的运行可靠性。
实施例3
图5中示出本发明的第三个实施方案。在此实施方案中，将氧气供给到氧气歧管36。含烃气体经由入口14供给到起到气体混合器中混合室作用的管16。
气体混合器10的特征在于用于在管16中产生水雾的装置。在此实施方案中，由与水供给(water supply)20连接的一系列两个以上雾化喷嘴22在氧歧管36中产生细微水雾，优选液滴尺寸为约200微米或低于约200微米。喷嘴22围绕歧管36的圆周布置，并且将水雾喷射到歧管36中。阀24和管段26将喷嘴22连接到歧管36。氧进入歧管36的有雾的环境，在那里润湿的氧水雾被分到一个或多个平行的氧管38中。
富烃气体从侧面入口14进入气体混合器10并且在平行于管38的方向上流入容器16中。可以设置导流板62以提供含烃气体的轴流。当适当地设计时，这些起到横跨管16的横截面的均衡循环气的流动分布的作用。设置支撑体60以支撑氧管38并且防止管38的震动。湿的氧气离开管38的远侧开口末端并且与富烃气体混合。随任一气流行进的粒子被雾润湿，从而降低粒子在其撞击外部包覆管16或氧管38的表面时的冲击能。雾还提高离开粒子的传热并且在会发生点燃的情况下熄灭点燃。确定管38的长度以将停留时间最小化并且减少流动漩涡。在图6中将氧管38中的一根的远端64单独并且以横截面显示。管38在喷射混合区66中喷出氧/水雾，在喷射混合区66中氧气与流过管38的外周表面上的含烃气体混合。
喷嘴22优选设计为产生尺寸在约200微米SMD或低于约200微米SMD的液滴。
用于实施例1-3的设计的合适喷嘴是猪尾型喷嘴，可商购自BETE FogNozzle，Inc.，Greenfield，MA，或Spraying Systems Co.，Wheaton IL。可以使用其它喷嘴，包括螺旋式针阀(spiral pintle)喷嘴、空心圆锥压力旋涡喷嘴和超声雾化喷嘴。
在一个实施方案中，用于产生水雾的水的温度为环境温度。在一个备选实施方案中，将水加热至高于环境。例如，将水加热至含烃气流的温度。在EO生产情况下，烃循环气流的温度典型介于约35-40摄氏度和65-70摄氏度之间。向喷射喷嘴供给的水可以处于环境温度，或是已加热至介于35和70摄氏度之间的温度的水。
尽管目前具体描述了优选实施方案，但是在不偏离本发明的范围的条件下，可以进行从所公开的实施方案的细节的变化。所有涉及本发明范围的问题应当参照后附权利要求确定。

Claims (26)

1.在用于含烃气体的气相部分氧化的工业生产系统中，一种用于将所述含烃气体与含氧气体混合的方法，所述方法包括下列步骤：
提供气体混合器，所述气体混合器用于将所述含氧气体与所述含烃气体混合；
将水雾引入到所述气体混合器中；和
将所述含氧气体与所述含烃气体混合，所述混合在这两种气体初始混合的地方在所述水雾的存在下进行，
其中将所述含氧气体通过安置于所述气体混合器内的多根氧管引入到所述气体混合器中，并且其中还将所述水雾通过多根水雾管引入到所述气体混合器中，所述水雾管的近端与水源连接，并且外围端具有喷嘴，并且
其中多根氧管中的每一根具有同心地位于其中的水雾管。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述气体混合器包括烃气歧管，并且其中所述引入步骤包括将所述水雾供给到所述烃气歧管的步骤。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中所述水雾由一个或多个喷嘴形成，所述一个或多个喷嘴设计为产生尺寸处于200微米SMD或小于200微米SMD的液滴。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，所述方法还包括从所述混合的含烃气体和含氧气体回收水的步骤。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中所述含烃气体包括含乙烯的气体。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中所述气体混合器包括接收含氧气体的流的氧气歧管，并且其中所述引入步骤包括将所述水雾向所述氧气歧管供给的步骤。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述水雾通过一个或多个喷嘴形成，所述一个或多个喷嘴设计为产生尺寸处于200微米SMD或小于200微米SMD的液滴。
8.根据权利要求6或权利要求7所述的方法，其中所述氧气歧管通过多根氧管与混合室连接，所述氧管将含氧气体和所述雾传导至所述混合室，在所述混合室将所述含烃气体引入到所述混合室中。
9.根据权利要求1-3或4-8中任一项所述的方法，所述方法还包括下列步骤：
在多根氧管中将所述含氧气体传导至所述气体混合器的混合室中，并且
其中所述引入步骤包括下列步骤：引导水通过所述水雾管并且用所述喷嘴产生所述水雾。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述喷嘴选自由下列各项组成的喷嘴的组：螺旋式针阀喷嘴、猪尾喷嘴、空心圆锥压力旋涡喷嘴和超声雾化喷嘴。
11.根据权利要求9或权利要求10所述的方法，其中所述氧管具有远侧开口末端，氧气通过所述远侧开口末端流出所述氧管，并且其中所述喷嘴在邻近所述氧管的远端的位置位于所述氧管内。
12.一种用于改进含烃气体的气相部分氧化的工业生产系统的气体混合器的方法，所述方法包括：
提供用于在所述气体混合器中产生水雾的装置，其中在所述气体混合器中将含氧气体与所述含烃气体混合，所述混合在这两种气体初始混合的地方在所述水雾的存在下进行，
所述气体混合器还包括：
多根位于所述气体混合器内的氧管，所述含氧气体通过所述多根氧管引入到所述气体混合器中，并且
其中所述用于产生水雾的装置包括多根水雾管，所述水雾管的近端与水源连接，并且外围端具有喷嘴，
其中所述多根氧管的每一根具有同心地位于其中的水雾管。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述气体混合器还包括烃气歧管、水供给、与所述水供给连接的水雾产生装置，并且其中所述水雾产生装置产生向所述烃气歧管供给的所述水雾。
14.根据权利要求12或权利要求13所述的方法，其中所述水雾产生装置设计为产生尺寸处于200微米SMD或小于200微米SMD的液滴。
15.根据权利要求12-14中任一项所述的方法，所述方法还包括从所述混合的含烃气体和含氧气体回收水的处理站。
16.根据权利要求12-14中任一项所述的方法，其中所述含烃气体包括含乙烯的气体。
17.根据权利要求12-16中任一项所述的方法，其中所述气体混合器还包括接收氧气的流的氧气歧管，并且其中所述用于产生水雾的装置包括水雾产生装置，所述水雾产生装置产生水雾并且将所述水雾供给到所述氧气歧管中。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述水雾产生装置设计为产生尺寸处于200微米SMD或小于200微米SMD的液滴。
19.根据权利要求17所述的方法，所述方法还包括多根氧管，所述氧管将所述氧气歧管与混合室连接，所述氧管将含氧气体和所述雾从所述氧气歧管传导至所述混合室。
20.根据权利要求12所述的方法，其中所述气体混合器还包括：
混合室；
其中所述多根氧管将氧气传导到所述气体混合器的所述混合室中；并且
其中引导水通过所述水雾管并且通过所述喷嘴产生所述水雾。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述喷嘴选自由下列各项组成的喷嘴的组：螺旋式针阀喷嘴、猪尾喷嘴、空心圆锥压力旋涡喷嘴和超声雾化喷嘴。
22.根据权利要求20或权利要求21所述的方法，其中所述氧管具有远侧开口末端，氧气通过所述远侧开口末端流出所述氧管，并且其中所述喷嘴在邻近所述氧管的远端的位置位于所述氧管内。
23.根据权利要求1-11中任一项所述的方法，其中用于产生所述水雾的水处于环境温度。
24.根据权利要求1-11中任一项所述的方法，其中将用于产生所述水雾的水加热至高于环境温度的温度。
25.根据权利要求12-22中任一项所述的方法，其中用于产生所述水雾的水处于环境温度。
26.根据权利要求12-22中任一项所述的方法，其中将用于产生所述水雾的水加热至高于环境温度的温度。
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