СМЕШИВАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
MIXER

Настоящее изобретение относится к смешивающему устройству. Настоящее изобретение, кроме того, относится к способу смешивания. В частности, настоящее изобретение относится к смешивающему устройству для смешивания двух или более газов. Смешивающее устройство может быть частью большого устройства, такого как устройство для производства.
При смешивании газов, где по меньшей мере один газ является коррозионным по отношению к смешивающему устройству, существует необходимость в защите смешивающего устройства. Это может быть достигнуто нанесением футеровки или покрытия на внутреннюю часть смешивающего устройства. Футеровка и покрытие могут быть дорогими и, в конечном счете, изнашиваются. Настоящее изобретение обеспечивает устройство, которое преодолевает по меньшей мере эти проблемы.
В патенте GB 1141888 раскрыто смешивающее устройство, также для смесей активных газов, которое также содержит концентрические направляющие части для первого и второго газа, в котором (внутренний) второй газ приводится в вихревое движение посредством вихревого элемента, функционирующего в качестве направляющей лопасти. Это приводит в движение второй газ во внешний первый газ, способствуя эффективному смешиванию. Для коррозионного второго газа такой способ создает опасность того, что вихревой второй газ прорвется через первый газ до полного смешивания, так что коррозионные условия возникнут в направляющей части для первого газа.
В заявке US 2005/0095185 раскрыто смешивающее устройство для смесей активных газов, таких как синтетический газ, в котором кислород направляют в направляющую часть для первого газа, имеющую входной конец направляющей части для первого газа и выходной конец направляющей части для первого газа, а метан направляют в направляющую часть для второго газа, имеющую вход направляющей части для второго газа и выход направляющей части для второго газа, причем выход направляющей части для второго газа расположен в направляющей части для первого газа, так что первый газ и второй газ смешиваются, и направляющая лопасть ниже по ходу потока от выхода второго газа выполнена так, чтобы обеспечивать вихревое движение в объединенном газе, для обеспечения смешивания после короткой зоны смешивания. Коррозионный второй газ, в соответствии с этим способом, не будет продвигаться к средствам направления для первого газа, но препятствий для этого также не существует.
В первом объекте, настоящее изобретение относится к смешивающему устройству для смешивания первого газа со вторым газом, причем второй газ является коррозионным по отношению к смешивающему устройству, при этом смешивающее устройство содержит направляющую часть для первого газа, имеющую входной конец направляющей части для первого газа и выходной конец направляющей части для первого газа, направляющую часть для второго газа, имеющую вход направляющей части для второго газа и выход направляющей части для второго газа, причем выход направляющей части для второго газа расположен в направляющей части для первого газа так, что первый газ и второй газ смешиваются, и направляющая лопасть конфигурирована так, чтобы устанавливать вихревое движение в первом газе.
Полагают, что расположение смешивающего устройства позволяет газам смешиваться, а температуре второго газа повышаться так, что внутренняя поверхность внешней направляющей части для первого газа не разъедается вторым газом. Это предпочтительно, поскольку снижает необходимость в футеровке и покрытиях на внутренней поверхности направляющей части для первого газа.
Предпочтительно, зона смешения образована в направляющей части для первого газа, а направляющая лопасть расположена в направляющей части для первого газа в потоке первого газа выше по ходу потока от зоны смешения. Вихревое движение может улучшать смешивание двух газов.
В варианте выполнения изобретения, вход направляющей части для второго газа расположен снаружи направляющей части для первого газа.
В варианте выполнения изобретения, первый газ представляет собой горячий, относительно сухой газ, а второй газ представляет собой относительно влажный коррозионный газ. Этот второй газ является коррозионным по отношению к направляющей части для первого газа при заданной, высокой температуре. После того как эти два газа были смешаны в смешивающем устройстве, полученный в результате смешанный газ имеет температуру выше кислотной точки росы, и тем самым не образуется коррозионных текучих сред на внутренней стороне направляющей части для первого газа.
В варианте выполнения изобретения, выход направляющей части для второго газа расположен так, что первый газ образует защитную зону, где предотвращают контактирование второго газа с направляющей частью для первого газа. Эта защитная зона может быть областью или объемом вокруг потока второго газа.
В варианте выполнения изобретения, направляющая часть для второго газа включает две направляющие части для газа, расположенные коаксиально в виде внутренней и внешней направляющей части для газа, причем эти направляющие части для газа расположены так, что при высвобождении соответствующего газа из соответствующих направляющих частей для газа, внешняя направляющая часть для газа обеспечивает газовый слой мжду первым газом и вторым газом. Это является дополнительным преимуществом, поскольку внутренняя направляющая часть для газа может быть защищена промежуточным газом от внешнего коррозионного газа.
В варианте выполнения изобретения, температура первого газа выше в начале зоны смешения, чем температура второго газа в начале зоны смешения.
Второй объект настоящего изобретения относится к способу смешивания первого газа и второго газа, причем этот способ содержит стадии обеспечения смешивающего устройства для смешивания первого газа со вторым газом, причем этот второй газ является коррозионным по отношению к смешивающему устройству, а смешивающее устройство содержит направляющую часть для первого газа, имеющую входной конец направляющей части для первого газа и выходной конец направляющей части для первого газа, направляющую часть для второго газа, имеющую вход направляющей части для второго газа и выход направляющей части для второго газа, причем выход направляющей части для второго газа расположен в направляющей части для первого газа так, что первый газ и второй газ смешиваются, обеспечивая первый поток, содержащий первый газ, на входе направляющей части для первого газа, обеспечивая второй поток, содержащий второй газ, на входе направляющей части для второго газа, и причем зона смешения образуется в направляющей части для первого газа, при этом первый поток окружает второй поток так, что первый поток в зоне смешения находится около направляющей части для первого газа.
Предпочтительно, первый поток предотвращает контактирование второго потока с внутренней поверхностью направляющей части для первого газа, таким образом, уменьшая или исключая коррозию этой внутренней поверхности. Когда эти два газа смешаны, температуру смеси повышают до температуры выше кислотной точки росы.
В варианте выполнения изобретения, первый газ представляет собой горячий, относительно сухой газ, а второй газ представляет собой относительно влажный коррозионный газ. Второй газ может быть коррозионным только по отношению к внешней направляющей части для первого газа. Первый газ необязательно является полностью сухим в том смысле, что не содержит каких-либо паров, таких как водяные пары. Этот первый газ может содержать пары серной кислоты.
В варианте выполнения изобретения первый газ может быть атмосферным воздухом. В варианте выполнения изобретения, где первый газ представляет собой атмосферный воздух или содержит его, содержание воды в первом газе может зависеть от содержания воды в окружающем воздухе. Реальное содержание воды может быть определено перед подачей атмосферного воздуха в смешивающее устройство. Первый газ может быть нагрет перед подачей в смешивающее устройство или может быть нагрет в смешивающем устройстве.
В варианте выполнения изобретения первый газ содержит пары воды и пары серной кислоты.
В варианте выполнения изобретения первый газ и второй газ в зоне смешения проходят, по существу, в параллельных направлениях. Предпочтительно, эти два потока располагают так, чтобы эти газы смешивались до того, как второй газ входит в контакт с внутренней поверхностью направляющей части для первого газа.
В варианте выполнения изобретения, этот способ, кроме того, предусматривает обеспечение вихревого движения в первом газе перед тем, как первый газ и второй газ смешивают.
В варианте выполнения этого способа, первый газ имеет температуру в начале зоны смешения в интервале от 150 градусов Цельсия до 400 градусов Цельсия и/или второй газ имеет температуру в интервале от 0 градусов Цельсия до 250 градусов Цельсия. Обычно первый газ имеет более высокую температуру, чем второй газ, чтобы обеспечивать повышение температуры второго газа после смешивания.
Третий объект настоящего изобретения относится к устройству для смешивания первого газа со вторым газом, причем первый газ является коррозионным по отношению к части смешивающего устройства, при этом смешивающее устройство содержит направляющую часть для первого газа, имеющую входной конец направляющей части для первого газа и выходной конец направляющей части для первого газа, направляющую часть для второго газа, имеющую вход направляющей части для второго газа и выход направляющей части для второго газа, причем выход направляющей части для второго газа расположен в направляющей части для первого газа, направляющую часть для третьего газа, имеющую вход направляющей части для третьего газа и выход направляющей части для третьего газа, причем выход направляющей части для третьего газа расположен, по существу, вокруг направляющей части для второго газа, причем смешивающее устройство выполнено для приема первого газа, второго газа и третьего газа на входе направляющей части для первого газа, входа направляющей части для второго газа и входа направляющей части для третьего газа, соответственно, причем выход направляющей части для первого газа, выход направляющей части для второго газа и выход направляющей части для третьего газа расположены так, что первый газ, второй газ и третий газ - все смешиваются.
В варианте выполнения изобретения, третий газ подают так, чтобы предотвращать контакт первого газа с поверхностью направляющей части для второго газа.
Предпочтительно, в начале зоны смешения непосредственно перед началом смешивания, температура второго газа ниже точки росы первого газа. Кроме того, температура третьего газа, то есть защитного газа, предпочтительно, выше точки росы первого газа.
В варианте выполнения изобретения, устройство может, кроме того, содержать направляющую лопасть, сконфигурированную, чтобы обеспечивать вихревое движение в первом газе.
Особенности и преимущества, указанные в отношении первого, второго и третьего объектов, могут быть равно применены к другим объектам настоящего изобретения.
Настоящее изобретение будет описано более подробно со ссылкой на варианты выполнения изобретения на чертежах, на которых:
Фиг.1 - схематический вид части первого варианта выполнения смешивающего устройства,
Фиг.2 - схематический вид части второго варианта выполнения смешивающего устройства,
Фиг.3 - схематический вид спереди первого варианта выполнения смешивающего устройства,
Фиг.4 - схематический вид в перспективе первого варианта выполнения смешивающего устройства,
Фиг.5 - блок-схема, показывающая стадии способа смешивания двух газов, и
Фиг.6 - схематический вид второго варианта выполнения смешивающего устройства.
На Фиг.1 схематично показано смешивающее устройство 10. Смешивающее устройство 10 конфигурировано для смешивания первого газа со вторым газом. В настоящем предпочтительном варианте выполнения изобретения, это устройство используют для смешивания двух газов, где один газ является коррозионным по отношению к смешивающему устройству.
Смешивающее устройство 10 содержит направляющую первый газ часть 12, имеющую вход 14 направляющей части для первого газа и выход 16 направляющей части для первого газа. Смешивающее устройство 10, кроме того, содержит направляющую часть 18 для второго газа, имеющую вход 20 направляющей части для второго газа и выход 22 направляющей части для второго газа. Выход 22 направляющей части для второго газа расположен в направляющей части 12 для первого газа так, что первый газ и второй газ смешиваются. Зона смешения образована в направляющей части 12 для первого газа. Зона смешения продолжается, по существу, от области на выходе 22 направляющей части для второго газа. Размер зоны смешения 24 зависит от объема потока и скорости газов и может также зависеть от вязкости и температуры газов.
При использовании смешивающего устройства по настоящему изобретению, одно преимущество состоит в том, что внутренняя поверхность в смешивающей трубе может поддерживаться сухой и выше температуры кислотной точки росы в ходе процесса смешивания. Таким образом, коррозии внутренней трубы можно избегать без использования дорогой устойчивой к коррозии внутренней футеровки, изготовленной из, например, перфторалкоксил-сополимера/ПТФЭ.
В общем, предпочтительно температура первого газа выше в начале зоны смешения, чем температура второго газа в начале зоны смешения. Динамика газов будет гарантировать, что эти два газа смешиваются. Температура этой смеси будет зависеть от массовых потоков газов, начальной температуры газов и теплоемкости газов. Это смешивающее устройство может быть использовано для смешивания двух, трех или более газов.
Как можно видеть на Фиг.1, внутреннюю трубу 18 вставляют в изгиб внешней трубы 12 и вводят влажный коррозионный газ, как показано стрелками 21 и 23, в параллельный поток с горячим, относительно сухим газом, как указано стрелками 25 и 27. в начале зоны смешения 24, которая начинается на выходе 22 внутренней трубы 18. В настоящем предпочтительном варианте выполнения настоящего изобретения, направляющие части 12 и 18 для газа сформированы в виде труб с круглым поперечным сечением, но могут быть использованы другие геометрии, такие как эллиптическая, овальная, квадратная, прямоугольная или любая многоугольная форма или их комбинации.
Смешивающее устройство 10 дополнительно содержит направляющую лопасть 26, сконфигурированную, чтобы обеспечить вихревое движение в первом газе. Вихревое движение может быть ламинарным. Альтернативно, вихревое движение может быть турбулентным. Могут быть малые области в ламинарном потоке, где присутствует турбулентность, но эта турбулентность может быть незначительной.
Направляющая лопасть 26 обеспечивает вихревое движение горячему, относительно сухому, газу, как показано стрелкой 27, позволяющее газу завихряться вокруг внутренней трубы 18. Вихревое движение продолжается в зоне смешения 24, где оно облегчает смешивание газов и сохраняет внутреннюю поверхность смешивающего устройства сухой и обеспечивает температуру стенки смешивающего устройства выше кислотной точки росы. Благодаря направляющей лопасти 26 коррозии смешивающего устройства 10 можно избегать в зоне смешения без использования дорогой устойчивой к коррозии футеровки, чтобы защищать смешивающее устройство. Смешивающее устройство 10 может быть произведено из углеродистой стали или нержавеющей стали либо из любого другого подходящего материала.
Включение направляющей лопасти 26, кроме того, позволяет операцию при более низком мольном отношении горячего, относительно сухого, газа к влажному газу, чем при использовании варианта выполнения изобретения без направляющей лопасти 26.
В предпочтительном варианте выполнения изобретения, внутреннюю трубу 18 вставляют в составное колено внешней трубы 12 параллельно центральной линии смешивающей трубы. Составное колено включает секцию 45°. Продолжение внутренней трубы от пересечения центральных линий секции 45° составного колена и направляющей газ части 12А составляет 0,1-3, и предпочтительно 0,3-2 диаметра направляющей части 12А для газа. Более предпочтительно, длина направляющей части 18 для газа, которая не покрыта направляющей лопастью 26, равна диаметру направляющей части 12А для газа.
Угол (а) между направлением входа газа и центральной линией смешивающей трубы находится в интервале 50-170°, предпочтительно 70-130°, более предпочтительно около 90°.
Радиус кривизны направляющей лопасти (Rv), см. Фиг.3, может быть между Vzd, диаметра внутренней направляющей части для газа, и (1/12d+5/12D1), где D1 представляет собой диаметр направляющей части для первого газа на входном сечении, предпочтительно, радиус кривизны направляющей лопасти равен (D1+d)/4.
Диаметр смешивающей трубы (D2) составляет 0,6-2, предпочтительно 0,8-1,5 диаметра трубы горячего сухого газа (D1). Более предпочтительно, эти два диаметра, по существу, равны.
Угол (β) направляющей лопасти находится в интервале 0-360°, предпочтительно, 45-180°.
В предпочтительной конструкции изобретения, отношение средней осевой скорости горячего, относительно сухого газа в кольце между внешней и внутренней трубами на выходе внутренней трубы, и средней осевой скорости во внутренней трубе составляет от 0,4 до 2,5, предпочтительно от 0,6 до 1,7.
Предпочтительно, направляющие части для газа имеют круглое поперечное сечение. Поперечное сечение направляющей части для первого и/или второго газа может быть круглым, овальным, эллиптическим, квадратным, прямоугольным, пятиугольным, шестиугольным или может образовывать любую многоугольную геометрию или их сочетания.
Направляющая лопасть 26 расположена выше по ходу потока от зоны смешения 24, то есть в направляющей части 12 для первого газа в области перед зоной смешения, когда первый и второй газ текут в направлении стрелки 23.
В варианте выполнения изобретения, показанном на Фиг.1, вход направляющей части 20 для второго газа расположен снаружи направляющей части 12 для первого газа. Это обеспечивает два входа и, таким образом, позволяет подачу двух газов в смешивающее устройство.
В настоящем предпочтительном варианте выполнения изобретения первый газ является горячим, относительно сухим, газом, а второй газ является влажным, коррозионным газом. Должен быть предотвращен контакт этого влажного, коррозионного газа с внутренней стороной направляющей части 12 для первого газа. Этого достигают размещением этих направляющих частей для двух газов. Кроме того, направляющая лопасть 26 обеспечивает достижение желательных условий смешивания. Размер и точность расположения направляющей лопасти 26 может быть выбрана так, чтобы оптимизировать перемещение в этих газах в зоне смешения, тем самым, снижая требуемую область зоны смешения, то есть эти два газа смешиваются быстро.
Предпочтительно, в этой установке, выход направляющей части для второго газа расположен так, что первый газ образует защитную зону, где предотвращают вхождение в контакт второго газа с направляющей частью для первого газа. Это предполагает продление времени эффективной работы смешивающего устройства. Это также может обеспечивать лучший результат на выходе, поскольку второй газ не теряет активные ингредиенты при химической реакции с материалом направляющей части для первого газа.
Фиг.2 показывает схематично вариант выполнения изобретения, где направляющая часть для второго газа включает две направляющие части, 34 и 32, для газа, расположенные коаксиально, как внутренняя и внешняя направляющие части для газа соответственно. Эти направляющие части для газа расположены так, что при высвобождении соответствующего газа из направляющих частей для соответствующего газа внешняя направляющая часть 32 для газа обеспечивает слой 38 третьего газа между первым газом и вторым газом.
Вариант выполнения изобретения по Фиг.2 также может быть предпочтительным, когда газ, являющийся коррозионным по отношению к внутренней направляющей части для второго газа, подлежит смешиванию с другим газом. Средний или промежуточный слой вводят так, чтобы самый внешний газ, который является коррозионным по отношению к направляющей части для самого внутреннего газа, не входил в контакт с направляющей частью для самого внутреннего газа. Поток первого газа или слой 36 является, таким образом, коррозионным по отношению к направляющей части 34 для газа. Поток второго газа или слой 40 подлежит смешиванию с потоком первого газа или слоем 36 и потоком третьего газа или слоем 38 в зоне смешения 24.
Далее перечислены три примера, относящиеся к газу в варианте выполнения смешивающегося устройства по настоящему изобретению:
Размеры смешивающего устройства в примерах ниже таковы: диаметр входной трубы или направляющей части для первого газа перед зоной смешения (D1): 2000 мм, диаметр направляющей части для первого газа у зоны смешения (D2): 2000 мм, диаметр направляющей части для второго газа (d): 1200 мм, длина направляющей части для второго газа внутри направляющей части для первого газа (L): 2000 мм. См. Фиг.6 для ссылочных позиций.
Горячий, относительно сухой газ: поток: 34804 кг/ч, молекулярный вес: 29, температура: 219°С, давление 1005 мбар, теплоемкость: 0,256 ккал/кг/°С.
Влажный, коррозионный газ: поток: 33051 кг/ч, молекулярный вес: 29, температура: 100°С, давление 1000 мбар, теплоемкость: 0,265 ккал/кг/°С, содержание тумана серной кислоты 30 млн. долей по объему, кислотная точка росы: 152°С.
Полная газовая смесь: поток: 67855 кг/ч, молекулярный вес: 29, температура: 160°С, давление 1000 мбар, содержание тумана серной кислоты 15 млн. долей по объему, кислотная точка росы: 138°С.
Температуру внутренней поверхности смешивающего канала рассчитывали с использованием вычислительной гидродинамики. Расчетная минимальная температура внутренней поверхности смешивающей трубы составляет (исключая потери тепла в окружающую среду и из-за теплопроводности в стенке трубы): 150°С.
Минимальная температура внутренней поверхности смешивающей трубы выше кислотной точки росы смешанного газа с хорошим отличием, и смешивающая труба не будет корродировать.
Вычисление выполняли при тех же состояниях газа, как в указанном выше примере, но без направляющей лопасти.
Температуру внутренней поверхности смешивающего канала рассчитывали с использованием вычислительной гидродинамики. Расчетная минимальная температура внутренней поверхности смешивающей трубы составляет (исключая потери тепла в окружающую среду и из-за теплопроводности в стенке трубы): 135°С.
Минимальная температура внутренней поверхности смешивающей трубы ниже кислотной точки росы газовой смеси, и смешивающая труба будет корродировать.
В варианте выполнения изобретения, где смешивающее устройство не включает направляющую лопасть, и внутренняя труба является короткой, вычисление проводили, используя те же состояния газа, как в примере выше.
Температуру внутренней поверхности смешивающего канала рассчитывали с использованием вычислительной гидродинамики. Расчетная минимальная температура внутренней поверхности смешивающей трубы составляет (исключая потери тепла в окружающую среду и из-за теплопроводности в стенке трубы): 132°С.
Минимальная температура внутренней поверхности смешивающей трубы ниже кислотной точки росы выходящего газа, и таким образом смешивающая труба будет корродировать.
Примеры выше подтверждают влияние направляющей лопасти.
На Фиг.3 показано смешивающее устройство 10 по Фиг.1 в другом виде. Направляющая лопасть 26 присоединена к внутренней поверхности направляющей части 12 для газа. Направляющая лопасть 26 заставляет первый газ течь вокруг направляющей лопасти 26, как показано в фиг.1 стрелкой 27.
Фиг.4 представляет собой схематический вид смешивающего устройства 10. Как показано на Фиг.4, направляющая часть 12 для газа может быть разделена на две части, часть перед выходом внутренней трубы 26, а именно часть 12А, и часть после выхода внутренней трубы 26, а именно часть 12В. Не требуется, чтобы части 12А и 12В имели сходные диаметры. Часть 12В может иметь диаметр больше, чем часть 12А. Тем самым может быть обеспечена большая зона смешения.
Как также указано в еще одном варианте выполнения изобретения, направляющая часть 12 В для газа может иметь диаметр меньше, чем диаметр направляющей части 12А для газа. В предпочтительном теперь варианте выполнения изобретения, эти две части 12А и 12В имеют аналогичные или идентичные диаметры.
Кроме того, направляющая часть 12 для газа может включать изгибы или повороты, не показанные здесь. Например, направляющая часть для газа может включать изгиб на 90 градусов или быть присоединенной к нему, чтобы присоединяться к трубе или вытяжке или выходному отверстию.
Фиг.5 представляет собой схематичную блок-схему стадий 42 в способе для смешивания первого газа и второго газа. Этот способ содержит стадии 42 обеспечения 44 смешивающего устройства для смешивания первого газа со вторым газом, причем второй газ является коррозионным по отношению к смешивающему устройству, причем смешивающее устройство содержит направляющую часть для первого газа, имеющую входной конец направляющей части для первого газа и выходной конец направляющей части для первого газа, направляющую часть для второго газа, имеющую вход направляющей части для второго газа и выход направляющей части для второго газа, причем выход направляющей части для второго газа расположен в направляющей части для первого газа так, что первый газ и второй газ смешиваются. Этот способ, кроме того, предусматривает стадию 46 обеспечения первого потока, содержащего первый газ на входе направляющей для первого газа. Этот способ дополнительно предусматривает стадию 48 обеспечения второго потока, содержащего второй газ на входе направляющей для второго газа. Зону смешения образуют в направляющей части для первого газа, причем первый поток окружает второй поток так, что первый поток в зоне смешения находился вблизи направляющей части для первого газа.
Этот способ может быть выполнен с использованием смешивающего устройства, которое описано в связи с любой из Фиг.1-4 и 6.
Фиг.6 представляет собой схематический вид варианта выполнения смешивающего устройства. Это смешивающее устройство включает составное колено с углом 45 градусов, как описано выше.