專利名稱：供增壓反應(yīng)器用的工藝和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種能夠?qū)崿F(xiàn)將液體供料引入到增壓反壓器的裝置。根據(jù)本發(fā)明多個(gè)特殊方面中的一個(gè)方面，方法和裝置涉及利用高壓部分氧化碳質(zhì)漿液的方法生產(chǎn)含H2和CO的氣體產(chǎn)品，例如生產(chǎn)合成氣體、還原氣體和氣體燃料。
增壓部分氧化碳質(zhì)漿液法的工藝和所用的裝置在本領(lǐng)域內(nèi)是眾所周知的。例如參見美國專利U.S.4113445，U.S.4353712和U.S.4443230。在大多數(shù)情況下，碳質(zhì)漿液和含氧氣體被送入溫度一般在2500°F(1370℃)的反應(yīng)區(qū)。將反應(yīng)器升高到這樣的溫度至少可以用兩種方法來實(shí)現(xiàn)。一種方法是將一種簡單的預(yù)熱噴咀以非氣密的方式固定到反應(yīng)器的噴咀接口上。此預(yù)熱噴咀將氣體燃料(例如甲烷)引入到反應(yīng)區(qū)，以便產(chǎn)生足夠的火焰，該火焰在不損害反應(yīng)器耐火材料的加熱速度下將反應(yīng)器溫度加熱到2000至2500℃(1090-1370.)。這種加熱溫度一般是40°F/小時(shí)至80°F/小時(shí)(22至44℃/小時(shí))。在此預(yù)熱階段，反應(yīng)區(qū)保持在大氣壓或稍低于大氣壓下。希望低于大氣壓，因?yàn)闅鈮旱涂墒箍諝馔ㄟ^在預(yù)熱器和反應(yīng)器之間的非氣密連接處進(jìn)入到反應(yīng)器，進(jìn)入的空氣因此可被用來燃燒氣體燃料。在達(dá)到希望的預(yù)熱溫度后，從反應(yīng)器上卸下預(yù)熱噴咀并換上工藝用噴咀。這種替換操作應(yīng)當(dāng)盡可能快，因?yàn)樵谔鎿Q期間反應(yīng)區(qū)會(huì)冷下來。通常會(huì)冷到低到1800°F(982℃)的溫度。如果反應(yīng)區(qū)的溫度仍然在可以接受的溫度范圍內(nèi)，則將碳質(zhì)漿液和含氧氣體(含有或不含有溫度調(diào)節(jié)劑)通過工藝用噴咀送入，從而實(shí)現(xiàn)漿液的部分氧化。用工藝用噴咀時(shí)，必須注意不要使反應(yīng)區(qū)的溫度上升過快，因?yàn)闊釠_擊可能損害反應(yīng)器的耐火材料。
如果反應(yīng)區(qū)的溫度低于所接受的溫度范圍，則必須再使用預(yù)熱器。這樣，由于重復(fù)進(jìn)行替換工作，損失了時(shí)間，增加了格外的勞動(dòng)。
將反應(yīng)區(qū)溫度提高到所需要的溫度范圍的兩個(gè)方法中的另一個(gè)方法是使用兩用噴咀，這種噴咀既能夠作為預(yù)熱噴咀又能用作工藝用噴咀，例如參見美國專利U.S.4353712中公開的噴咀。這種類型的噴咀具有選擇性輸送和同時(shí)輸送碳質(zhì)漿液。含氧氣體、氣體燃料和/或溫度調(diào)節(jié)劑的導(dǎo)管。當(dāng)噴咀用來預(yù)熱反應(yīng)器時(shí)，噴咀按達(dá)到完全燃燒的正確比例輸送含氧氣體和氣體燃料。在反應(yīng)區(qū)溫度達(dá)到要求的范圍內(nèi)以后。氣體燃料或者完全用碳質(zhì)漿液替代，或者與此漿液同時(shí)送入。當(dāng)采用同時(shí)送入模式時(shí)，一般要減小氣體燃料供料，以便使其僅產(chǎn)生部分氧化。在開始將碳質(zhì)漿液引入反應(yīng)器時(shí)，和在碳質(zhì)漿液/含氧氣體供料工作模式的工藝條件平衡以前維持反應(yīng)區(qū)溫度時(shí)，一般采用共送入模式。雖然使用兩用工藝用噴咀沒有預(yù)燃噴咀/工藝用噴咀法所具有的加工時(shí)間損失和增加額外勞動(dòng)等問題，但是它也有自身的缺點(diǎn)。使用兩用噴咀時(shí)，在兩種預(yù)熱條件下(即大氣壓-完全氧化和高壓-部分氧化)保持火焰穩(wěn)定是困難的，并且會(huì)導(dǎo)致降低工藝的可靠性。
在合成氣體工業(yè)中有些人提議采用預(yù)熱噴咀和工藝用噴咀的聯(lián)合法，其中，工藝用噴咀能夠提供碳質(zhì)漿液、含氧氣體、氣體燃料和/或溫度調(diào)節(jié)劑的選擇性同時(shí)供料。雖然這種聯(lián)合法由于要用工藝用噴咀替換預(yù)熱噴咀還有加工時(shí)間的損失和勞力的花費(fèi)，但是可以利用這種工藝用噴咀具有的選擇性的同時(shí)供料特點(diǎn)來減少前述的對反應(yīng)器耐火材料的熱沖擊。開始時(shí)供給氧氣和氣體燃料，隨后逐漸用碳質(zhì)漿液取代氣體燃料，采用這樣的方法可使反應(yīng)區(qū)的溫度從在預(yù)熱噴咀卸去以后冷下來的溫度回升到要求的溫度，采用這種反應(yīng)區(qū)升溫的辦法便可減小熱沖擊。由于在低速度下逐漸增加碳質(zhì)漿液的供料，受到加熱和蒸發(fā)的漿液液體較少，因此反應(yīng)器溫度的驟降減到最小。另外，在碳質(zhì)漿液供料的開始期間，繼續(xù)提供氣體燃料導(dǎo)致增加反應(yīng)器的熱量。燃料氣體在部分氧化條件下燃燒，所以氣體產(chǎn)品很少受到O2的污染。
對于在上述過程中實(shí)用的工藝用噴咀來說，它必須能夠以一種有效的方式將含氧氣體和碳質(zhì)漿液與氣體燃燒兩種供料供給反應(yīng)器。這種有效性要求碳質(zhì)漿液應(yīng)當(dāng)均勻地分散在含氧氣體中，變成高度原子化狀態(tài)，例如最大細(xì)滴尺寸小于1000微米。均勻分散和原子化二者都有助于保證正常燃燒，避免在反應(yīng)區(qū)產(chǎn)生局部過熱。
因此本發(fā)明的目的是提供這樣一種工藝用噴咀，這種噴咀能將三種或多種流體供料流選擇性地和同時(shí)地送入到反應(yīng)區(qū)，同時(shí)使均勻分散在含氧氣體中的碳質(zhì)漿液原子化。
本發(fā)明涉及一種新的和改進(jìn)的工藝用的噴咀，以供在一個(gè)容器中采用部分氧化碳質(zhì)漿液法生產(chǎn)合成氣、燃料氣、或還原氣使用，該容器提供一個(gè)反應(yīng)區(qū)，此反應(yīng)區(qū)壓力通常保持在15至3500磅/英寸2(表壓)(0.1至24兆帕(表壓))范圍內(nèi)，溫度保持在1700至3500°F(925至1925℃)范圍內(nèi)。所說噴咀結(jié)構(gòu)的改進(jìn)提供了改進(jìn)的燃燒過程，該燃燒過程包括將碳質(zhì)漿液和含氧氣體引入到改進(jìn)的工藝用噴咀中，用噴咀注入反應(yīng)區(qū)。
在這個(gè)工藝用噴咀中，形成同心并徑向分開的氣流。形成的氣流包括具有第一速度的中心圓柱形含氧氣體流、具有第二速度的環(huán)形碳質(zhì)漿液液流和具有第三速度的截頭圓錐形含氧氣體流。中心圓柱形含氧氣體流和環(huán)形碳質(zhì)漿液液流基本上具有共平面的排出端部，而截頭圓錐形含氧氣體流則在其排出端部會(huì)聚到中心圓柱形含氧氣體流和環(huán)形碳質(zhì)漿液液流中。中心圓柱形含氧氣體流的速度和截頭圓錐形含氧氣體流的速度大于環(huán)形碳質(zhì)漿液液流的速度。最好是，兩種含氧氣體流的速度是在75英尺/秒(23米/秒)至約聲速的范圍內(nèi)，而碳質(zhì)漿液液流的速度是在1至50英尺/秒(0.3/至15米/秒)的范圍內(nèi)。氣流速度的差別和截頭圓錐形含氧氣體流會(huì)聚到另外兩種氣體上導(dǎo)致碳質(zhì)漿液液流被分散。這種分散具有兩種作用，即碳質(zhì)漿液被初次原子化，然后形成由初始原子化的碳質(zhì)漿液和含氧氣體組成的均勻的第一分散相。使第一分散相加速通過加速區(qū)進(jìn)一步使初始原子化的碳質(zhì)漿液再原子化，便形成第二分散相。加速區(qū)從上述氣流的下游一點(diǎn)延伸到工藝用噴咀的排出點(diǎn)。加速區(qū)的氣流橫切面積小于各種氣流在它們的排出端部的橫切面積。包含高度原子化的碳質(zhì)漿液的第二分散相然后從加速區(qū)排入反應(yīng)區(qū)。
由于在鄰接加速區(qū)上游端部的某點(diǎn)處具有壓力P1，該壓力P1大于在工藝用噴咀外部的并鄰接加速區(qū)排出端部某點(diǎn)上測量的壓力P2所以能夠通過加速區(qū)加速第一分散相。壓力P1和P2之差最好保持在10至1500磅/英寸2(0.07至10.3兆帕)之間。根據(jù)流體動(dòng)力學(xué)定律并假定有恒定的物料通過量，當(dāng)?shù)谝环稚⑾啻┻^加速區(qū)時(shí)，它將被加速。另外，第一分散相中的含氧氣體部分將比由初始原子化形成的碳質(zhì)漿液粒子加速得更快。這種速度上的差別致使進(jìn)一步剪切碳質(zhì)漿液粒子，從而使這些粒子進(jìn)一步原子化，加速區(qū)的形狀最好是圓柱形的，然而也可以采用其它的結(jié)構(gòu)形狀。加速區(qū)的尺寸是第一分散相在加速區(qū)域內(nèi)停留時(shí)間的決定因素，因此其尺寸至少部分是存在進(jìn)一步原子化的決定因素。因此，能給出所需原子化程度的加速區(qū)的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸也取決于例如壓P1和P2之差、碳質(zhì)漿液粘度、漿質(zhì)漿液和含氧氣體的溫度、存在的溫度調(diào)節(jié)劑以及碳質(zhì)漿液和含氧氣體的相對數(shù)量等因素。由于有這些變量，所以要以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)來確定加速區(qū)域的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸。將本發(fā)明改進(jìn)的工藝用噴咀固定到容器上，借以使碳質(zhì)漿液和含氧氣體，以及可隨意選擇的溫度調(diào)節(jié)劑通過此噴咀送進(jìn)反應(yīng)區(qū)。另外，噴咀還可以將氣體燃料(例如甲烷)送進(jìn)反應(yīng)區(qū)。噴咀能夠選擇地和同時(shí)地處理所有這些氣流。
本發(fā)明的工藝用噴咀由于結(jié)構(gòu)獨(dú)特，所以能夠?qū)⒏叨仍踊螒B(tài)的碳質(zhì)漿液(即大量中等細(xì)滴尺寸在100至600微米范圍內(nèi)的漿液)提供給反應(yīng)區(qū)。在漿液和氣體被引入到反應(yīng)區(qū)時(shí)，不僅碳質(zhì)漿液被高度原子化，而且它還基本上均勻地分散在含氧氣體中。由于能提供這樣原子化和均勻的分散相，所以在反應(yīng)區(qū)達(dá)到改進(jìn)而高度均勻的燃燒。不能提供這種程度的原子化，或這種程度的碳質(zhì)漿液和含氧氣體分散性的已有技術(shù)中的工藝用噴咀可能發(fā)生不均勻燃燒、局部過熱和產(chǎn)生不需要的付產(chǎn)品，例如碳和CO2。本發(fā)明的重要特征是，均勻分散和原子化發(fā)生在噴咀的內(nèi)部。由于分散和原子化基本上在噴咀內(nèi)部完成，所以可以在碳質(zhì)漿液于反應(yīng)區(qū)燃燒之前更精確地控制它的原子化程度。試圖在反應(yīng)區(qū)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)最大限度(如果不是全部的話)原子化的已有技術(shù)中的噴咀不太容易控制粒子大小，因?yàn)檫M(jìn)一步的原子化被迫發(fā)生在一個(gè)區(qū)域內(nèi)，即反應(yīng)區(qū)內(nèi)，按原子化標(biāo)準(zhǔn)看這個(gè)區(qū)域是不受限制的。另外，在反應(yīng)區(qū)內(nèi)的原子化過程還不得不在時(shí)間上同碳質(zhì)漿液和含氧氣體的燃燒竟?fàn)帯?br> 本發(fā)明工藝用噴咀的一個(gè)優(yōu)選特征是它為燃燒氣體引入反應(yīng)區(qū)提供了條件，這種引入始有工藝用噴咀的外部。氣體燃料流沿一條線從工藝用噴咀噴出進(jìn)入反應(yīng)區(qū)，這條線與加速區(qū)的下游延伸縱軸相交。沿這條線噴出所得到的好處中的一個(gè)好處是氣體燃料火焰與噴咀面保持一段距離。如果燃料氣體火焰靠近噴咀面，則可能燒壞噴咀。當(dāng)含氧氣體的氧含量高時(shí)，比如50%，則最不希望從工藝用噴咀內(nèi)部導(dǎo)入燃料氣體，因?yàn)樵诟哐鯕夥罩写蠖鄶?shù)氣體燃料的火焰?zhèn)鞑O快。因此，經(jīng)常會(huì)發(fā)生這種危險(xiǎn)，即火焰可能會(huì)蔓延到噴咀中，從而導(dǎo)致嚴(yán)重?fù)p壞噴咀。
為了實(shí)現(xiàn)碳質(zhì)漿液均勻分散到含氧氣體中，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例提供了一種具有特點(diǎn)的工藝用噴咀，該噴咀具有一種產(chǎn)生截頭圓錐形處在第一速度下含氧氣體氣流的結(jié)構(gòu)，其它的噴咀結(jié)構(gòu)提供形狀為圓柱形的、處于第二速度下的碳質(zhì)漿液液流。圓柱形的液流這樣配置，使它與含氧氣體的截頭圓錐形氣流的內(nèi)表面相交。交角最好在15°至75°的范圍內(nèi)。截頭圓錐形氣流的速度最好從75英尺/秒(23米/秒)到聲速，并且應(yīng)當(dāng)大于速度處于1至50英尺/秒(15米/秒)范圍內(nèi)的碳質(zhì)漿液液流的最佳速度。
由于圓柱形碳質(zhì)漿液液流與截頭圓錐形含氧氣體氣流相交和由于兩種氣流速度的差別，所以利用本發(fā)明的工藝用噴咀可以達(dá)到基本上均勻的分散。人們認(rèn)為，截頭圓錐形氣流剪切圓柱形漿液液流，并至少使其一部分原子化，但是本發(fā)明的工藝用噴咀并不局限于這種理論。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，工藝用噴咀具有提供中心圓柱形含氧氣體氣流、環(huán)形碳質(zhì)漿液液流和截頭圓錐形含氧氣體氣流的結(jié)構(gòu)。這些氣流彼此同心并相互徑向分開，使中心氣體氣流處在環(huán)形碳質(zhì)漿液液流的里面，使環(huán)形碳質(zhì)漿液液流與截頭圓錐形含氧氣體氣流成在15°至75°的范圍內(nèi)一定角度相交。含氧氣體氣流的速度在75英尺/秒(23米/秒)至聲速的范圍內(nèi)，它們大于漿液液流速度，漿液液流的最小速度為1英尺/秒(0.3米/秒)。利用這樣配置的氣流和它們速度的差別可以達(dá)到使碳質(zhì)漿液基本上均勻地分散在含氧氣體中。截頭圓錐形和中心圓柱形含氧氣體氣流都對環(huán)形漿液液流進(jìn)行剪切，從而實(shí)現(xiàn)漿液液流的分散和初始原子化。在分散和初始原子化后，漿液和氣體的分散相穿過加速區(qū)。和前述第一個(gè)實(shí)施例的情況一樣，加速區(qū)由一個(gè)下游的空心圓柱形導(dǎo)管提供，該導(dǎo)管具有一個(gè)縱向截面，在此截面中內(nèi)腔壁以平滑的曲線會(huì)聚到截頭圓錐形導(dǎo)管的頂點(diǎn)。對于本實(shí)施例，空心圓柱形導(dǎo)管的截面積小于環(huán)形碳質(zhì)漿液液流，中心圓柱形和截頭圓錐形含氧氣體氣流總的截面積。這個(gè)空心圓柱形導(dǎo)管的操作及確定尺寸的標(biāo)準(zhǔn)和上述第一個(gè)工藝用噴咀實(shí)施例的空心圓柱形導(dǎo)管的相同。
本發(fā)明工藝用噴咀的又一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例提供一個(gè)環(huán)形通道，該通道具有加大的上部分以使液流，特別是使碳質(zhì)漿液液流均衡，從而防止由高液體流速區(qū)域引起的過分磨損。本發(fā)明中提供一個(gè)由在中心和中間導(dǎo)管之間的環(huán)形空間形成的環(huán)形通道，該道具有加長的上部和下部。而且其上部的環(huán)形橫截面積大于下部的環(huán)形橫截面積。環(huán)形通道的上端部除液體供料入口外是封閉的，因?yàn)橹行膶?dǎo)管穿過中間導(dǎo)管，所以液體供料入口偏離縱軸。因?yàn)橛羞@種偏離，所以在環(huán)形通道，或截頭圓錐形通道，或加速導(dǎo)管中可能存在這樣的部位，在這些部位可能碰到高液體流速區(qū)域，從而過分磨損。為了克服這些過分的磨損，在環(huán)形通道加大的上部中形成一個(gè)分配室，分配室包括一塊緩沖板或混合板，該板緊靠液體供料入口并配置在其下面，以便基本上將全部進(jìn)入的液體供料從軸流轉(zhuǎn)變?yōu)榛旧侠@環(huán)形空間的徑流。這種徑流為液流的均衡提供了時(shí)間，而且還減小了通過環(huán)形通道較下部和通過本發(fā)明工藝用噴咀的其它下游部件時(shí)所產(chǎn)生的磨損。
本發(fā)明的最佳的工藝用噴咀具有平滑會(huì)聚加速導(dǎo)管壁和分配室，該分配室包含混合板或緩沖板。這種工藝用噴咀象第一個(gè)工藝用噴咀實(shí)施例一樣，為將氣體燃料送入反應(yīng)區(qū)，使其在反應(yīng)區(qū)內(nèi)分散到碳質(zhì)漿液/含氧氣體分散相中提供了保證。這種氣體燃料分散作用在工藝用噴咀的外部進(jìn)行。
非催化局部氧化法在反應(yīng)區(qū)中生產(chǎn)原料氣體流，反應(yīng)區(qū)由耐火材料襯里的容器形成，本發(fā)明的工藝用噴咀對這種方法特別有用。這種工藝用噴咀可以暫時(shí)地或者永久性地安裝在容器的噴咀安裝口上。當(dāng)預(yù)熱噴咀永久地安裝在容器上時(shí)，可以采用永久性的安裝。在這種情況下，為達(dá)到起始的反應(yīng)區(qū)溫度，將預(yù)熱噴咀打開，然后再關(guān)掉。在預(yù)熱噴咀關(guān)掉以后，再操作本發(fā)明的工藝用噴咀。在初始的加熱之后卸下預(yù)熱噴咀并具用工藝用噴咀替換的情況下，采用暫時(shí)性的安裝。
如前所述，為了采用部分氧化碳質(zhì)漿液的方法生產(chǎn)合成氣、燃料氣或還原氣，一般在這樣的反應(yīng)區(qū)中進(jìn)行，該反壓區(qū)的溫度在1700至3500°F(925至1925℃)范圍內(nèi)，壓力在15至3500磅/英寸2(表壓)(0.1至24兆帕(表壓))范圍內(nèi)。典型的部分氧化氣體發(fā)生容器在美國專利NO.2 2 809 104中被描述了。生產(chǎn)的氣流中絕大部分是氫和一氧化碳、還可能包含一種氣體或多種下列氣體CO2、H2O、N2、Ar、CH4、H2S和COS。依賴所使用的燃料和操作條件，原料氣流中還可能包含夾帶物，如細(xì)粒碳黑、余料或熔渣。由部分氧化法產(chǎn)生的并且沒有夾帶在原料氣流中的熔渣將被導(dǎo)向容器的底部，從該處它將被不斷地除去。
此處所用“碳質(zhì)漿液”這一詞是指固體碳質(zhì)燃料的漿液，這種漿液可以用泵抽，其中的固體含量一般在40至80%的范圍內(nèi)，而且它可以通過下面要說明的本發(fā)明的工藝用噴咀的導(dǎo)管。這些漿液一般由液體載體和固體碳質(zhì)燃料組成。液體載體可以是水或液體烴類物質(zhì)，也可以是它們的混合物。水是最好的載體。可以用作載體的液體烴類物質(zhì)例舉如液化石油氣、石油餾出物和渣油、汽油、輕油、煤油、原油、柏油、粗柴油、殘油焦油、沙油、頁巖油、從煤中提出的油、煤焦油、從液體催化裂化操作中得到的催化裂化粗柴油、焦碳或粗柴油的糠醛抽提物、甲醇、乙醇、其它的醇、羰基合成和烴氧基合成中付產(chǎn)的含氧液體碳?xì)浠衔锖退鼈兊幕旌衔?，以及芳香烴，如苯、甲苯和二甲苯。另外一種液體載體是液體二氧化碳。為了保證二氧化碳成液態(tài)，根據(jù)壓力大小應(yīng)當(dāng)在-67°F至100°F(-55℃至38℃)溫度范圍內(nèi)引入到工藝用噴咀中。據(jù)報(bào)告，在使用液體CO2時(shí)，使液體漿液包含40至70%重量的固體碳質(zhì)燃料是最有利的。
固體碳質(zhì)燃料一般包括煤、用煤焦化得到的焦碳、用煤得到的碳、煤液化殘?jiān)⑹徒?、從油頁巖得到固體顆粒碳黑、焦油沙和焦油瀝青。所用煤的種類一般不重要，無煙煤、瀝青煤、次煙煤和褐煤都可以用。其它固體碳質(zhì)燃料可舉例如下碎垃圾、脫水的生活污水、半固體的有機(jī)物質(zhì)，例如柏油、橡膠以及包括橡膠車胎在內(nèi)的似橡膠物質(zhì)。如前所述，用在本發(fā)明工藝用噴咀中的碳質(zhì)漿液是能夠用泵抽的并可以通過被指定的工藝用噴咀的導(dǎo)管?？傊?，漿液中的固體碳質(zhì)燃料組分應(yīng)當(dāng)研磨細(xì)，使所有的物料基本上通過ASTME11-70C篩名標(biāo)準(zhǔn)140mm號篩(可替代的篩號14)，并至少80%通過ASTME11-70C篩名標(biāo)準(zhǔn)425mm篩(可替代的篩號40)。采用含水量在0至40重量%的固體碳質(zhì)燃料來測量過篩情況。
用在本發(fā)明工藝用噴咀中的含氧氣體是空氣或富氧空氣，即含氧量大于20摩爾%的空氣，和純氧。
如上所述，所說的工藝用噴咀可以利用溫度調(diào)節(jié)劑。這些溫度調(diào)節(jié)劑經(jīng)常摻和在碳質(zhì)漿液液流中和/或摻和在含氧氣體氣流中以混合物形式使用。合適的溫度調(diào)節(jié)劑的例子是水、蒸汽、CO2、N2和由本文說明的部分氧化法生產(chǎn)的氣體中部分再循環(huán)氣體。
從所述工藝用噴咀的外部排出的氣體燃料包括例如甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、合成氣體、氫和天然氣等氣體。
從下面結(jié)合附圖進(jìn)行的本發(fā)明最佳實(shí)施例的說明可以更清楚本發(fā)明的工藝用噴咀的高分散作用特征和高原子化特征，以及其它一些有助于使工藝用噴咀的使用令人滿意和制作簡易經(jīng)濟(jì)的特征，附圖中相同的編號屬于同一部件，這些附圖是

圖1是垂直截面視圖，示出本發(fā)明的工藝用噴咀;
圖2是經(jīng)過圖1中的切斷線2-2切取的橫截面視圖;
圖3是環(huán)形通道的分配室的局部截面視圖;
圖4是經(jīng)過圖3中的切斷線切取的分配室的截面視圖;
圖5是圖3所示分配室的仰視圖。
現(xiàn)在參照圖1和圖2，從中可以看到本發(fā)明的工藝用噴咀，總的用編號10表示。在下游端部向下穿過在部分氧化合成氣體反應(yīng)器上特別制作的一個(gè)入口，將工藝用噴咀10裝上。工藝用噴咀10的位置是在反應(yīng)器的頂端還是在其側(cè)面取決于反應(yīng)器的外形結(jié)構(gòu)。工藝用噴咀10可以永久性地，也可以暫時(shí)地按照上述方式安裝在反應(yīng)器上，取決于是工藝用噴咀是用作為永久性安裝的預(yù)熱噴咀，還是工藝用噴咀被用作為預(yù)燃噴咀的替換物。利用環(huán)形法蘭48可以實(shí)現(xiàn)工藝用噴咀的安裝。
工藝用噴咀10具有在中心配置的管22，該管在其上端部由板21封閉，在其下端部具有會(huì)聚的截頭圓錐形壁26。在截頭圓錐形壁26的頂點(diǎn)是與加速區(qū)域33流體相通的開口35。加速區(qū)域33的下端部結(jié)束于開口30。對于附圖所示的實(shí)施例，加速區(qū)域33是一個(gè)空心圓柱形區(qū)域，該區(qū)域的側(cè)壁從截頭圓錐形的頂點(diǎn)平滑彎曲到正圓柱形部分。
碳質(zhì)漿液輸送管14穿過板21上的孔并與其構(gòu)成氣密關(guān)系。碳質(zhì)漿液輸送管14的最下端連接到環(huán)形板17上的入口，該環(huán)形板封閉分配室16的上端部。分配室16具有會(huì)聚的截頭圓錐形下部壁19。向下垂懸的管28位于截頭圓錐形壁19的頂點(diǎn)，它形成環(huán)形漿液導(dǎo)管25。管28的內(nèi)徑顯著小于分配室16在其最大區(qū)域的內(nèi)徑。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，由于利用分配室16，從導(dǎo)管25底部的開口流出的碳質(zhì)漿液流速在整個(gè)環(huán)形區(qū)域上基本上是均勻的。這樣確定分配室16的內(nèi)徑和管28的內(nèi)徑，使得碳質(zhì)漿液在流過由管28的內(nèi)壁和管23的外壁所形成的環(huán)形導(dǎo)管25時(shí)所經(jīng)受的壓力降遠(yuǎn)大于在漿液中穿過分配室16的任何環(huán)形水平橫切面內(nèi)部所測量的最高和最低壓力之間的差。分配室16還帶有傾斜配置在漿液輸送管14的流體進(jìn)入口14a下面的混合板16a?；旌习?6a可以處在這樣的角度，該角度在分配室16中將大量的輸送漿液軸流轉(zhuǎn)變成大體上為徑流。如果不維持此壓力和這種流動(dòng)狀態(tài)，則已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，從環(huán)形導(dǎo)管25出來的液流將是不均勻的環(huán)形流，當(dāng)碳質(zhì)漿液同下面要說明的截頭圓錐形含氧氣流接觸時(shí)，這將導(dǎo)致分散效率的損失。
環(huán)形導(dǎo)管25內(nèi)徑和外徑之差至少部分依賴于在漿液中存在的碳質(zhì)物料的細(xì)度。為了防止在所用漿液中特殊粒度的碳質(zhì)物料的堵塞，環(huán)形導(dǎo)管25的直徑差別應(yīng)當(dāng)充分大。在很多應(yīng)用中，環(huán)形導(dǎo)管25的內(nèi)徑和外徑幸應(yīng)當(dāng)處于0.1至1.0英寸(2.54至25.4mm)的范圍內(nèi)。
管23與分配室16的縱軸和向下垂懸的管28的縱軸都共軸，它沿其長度基本上具有均勻的直徑。管23提供出通過含氧氣體用導(dǎo)管27，其上游端部和下游端部均是開著的，而且下游的開口大體上與管28下游端的開口共平面。
含氧氣體通過輸送管道24被輸送到工藝用噴咀10。一部分含氧氣體進(jìn)入管23的端部開口并穿過導(dǎo)管27。其余的含氧氣體流過由管22的內(nèi)壁和管28的外壁所形成的環(huán)形導(dǎo)管31。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，為了使輸送的漿液減小，避免沖刷加速導(dǎo)管35，應(yīng)使70至95重量量%的含氧氣體通過導(dǎo)管31。實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的一種方法是正確規(guī)定導(dǎo)管的尺寸。實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的另一種方法是在流體入口處將一塊限流環(huán)形部件23a放到導(dǎo)管23上。穿過導(dǎo)管31的氣體將被加速，因?yàn)闅怏w通過由截頭圓錐形表面26和截頭圓錐形表面20形成的截頭圓錐形導(dǎo)管時(shí)將受到力的作用。截頭圓錐表面20和26之間的距離可以這樣選擇，使得能般得到有效分散從碳質(zhì)漿液導(dǎo)管25流出的碳質(zhì)漿液所要求的含氧氣體速度。例如，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)含氧氣體在200英尺/秒(60米/秒)的計(jì)算速度下通過導(dǎo)管27，碳質(zhì)漿液以8英尺/秒(2.5米/秒)的速度通過環(huán)形導(dǎo)管25，環(huán)形導(dǎo)管25的內(nèi)外徑之差為0.3英寸(7.62毫米)時(shí)，含氧氣體果然以計(jì)算的200英尺/秒(60米/秒)的速度穿過截頭圓錐形導(dǎo)管。一般講，對于上述和下面要討論的流速來說，兩個(gè)截頭圓錐形表面之間的距離在0.05至0.95英寸(1.27至24.13毫米)的范圍內(nèi)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)對于這些流速和相對速度來說，加速區(qū)域33的高度和直徑分別應(yīng)是7英寸(178毫米)和1.4英寸(35.6毫米)。
截頭圓錐形表面26沿一個(gè)在15°至75°范圍內(nèi)的角度會(huì)聚到管28的延長的縱軸上。如果角度太小，比如說10°，則含氧氣體由沖擊表面而耗去它的大部分能量，然而如果角度太大，則達(dá)到的剪切作用又減小了。
管狀水套32相對于管22同心配置。水套32在其最上端部由環(huán)形板58封閉。環(huán)形板42在水套32的最下端部，它向內(nèi)延伸，但它提供一條環(huán)形水通道43。三根氣體燃料導(dǎo)管36、40和41配置在位于管22的外壁和水套32的內(nèi)壁之間的環(huán)形空間39中。氣體燃料導(dǎo)管36、40和41分別由管36a、40a和41a提供。從圖1可見，管36a和40a穿過法蘭42上的孔。雖然在圖1上未示出，但管41a同樣也穿過法蘭42上的孔。氣體燃料分別利用輸送管道52和50被送入管40a和36a，管41a的輸送管道圖上未示出但也同其它管用的輸送管道一樣。
從圖1還可以看到，氣體燃料導(dǎo)管40和36(對于氣體燃料導(dǎo)管41也一樣)與管28的延伸的縱軸形成角度。這些導(dǎo)管也是等角的，并圍繞此縱軸等距離的徑向間隔開。因?yàn)檫@種形成角度并間隔開的配置方法可以將氣體燃料均勻地引導(dǎo)到通過開口30以后的碳質(zhì)漿液/含氧氣體分散相中，所以這種配置方法是有好處的。應(yīng)這樣選擇氣體燃料導(dǎo)管形成的角度，使得氣體燃料在離噴咀面足夠遠(yuǎn)的地方被引入，但也不能遠(yuǎn)到妨礙氣體燃料快速摻入到或分散到碳質(zhì)漿液/含氧氣體氣流中。一般講，從圖1看到的角度a1和a2應(yīng)在30°至70°的范圍內(nèi)。
噴咀殼體44與水套32的外壁同心裝配并離開該外壁徑向外移一定距離。噴咀殼體徑向外移的空間形成環(huán)形水導(dǎo)管45。排水管56位于噴咀殼體44的上端部，如圖1中所見，流進(jìn)進(jìn)水管54的水流到水通道43并通過它，然后流過環(huán)形水導(dǎo)管45，從排水管56流出。利用這種水流可以使工藝用噴咀10保持在所希望的和基本上恒定的溫度下。
噴咀殼體44的上端部同環(huán)形法蘭60按水密性方式封閉。噴咀殼體44在其最下端部由噴咀面46終止。
本發(fā)明工藝用噴咀其中加速導(dǎo)管由以碳化鎢、碳化硅和碳化硼所組成的一組材料中選擇的一種材料構(gòu)成。
在操作時(shí)，在反應(yīng)區(qū)完成其預(yù)熱階段，即使反應(yīng)區(qū)溫度升到在1500至2500°F(815至1370℃)范圍內(nèi)，將工藝用噴咀10裝上。仔細(xì)調(diào)整供料物流和通過工藝用噴咀10引入反應(yīng)區(qū)的選擇性溫度調(diào)節(jié)劑的相對比例，使得在碳質(zhì)漿液和氣體燃料中的碳大部分轉(zhuǎn)化為氣體產(chǎn)品的所需成分CO和H2，并保持適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)區(qū)溫度。
供入的物流在離開工藝用噴咀10以后，在反應(yīng)器中的停留時(shí)間是1至10秒。
含氧氣體以一定的溫度被輸送到工藝用噴咀10中，該溫度取決于氣體中氧的含量。對于空氣，溫度是從室溫到1200°F(650℃)，而對于純氧，溫度是從室溫到800°F(425℃)。含氧氣體是在30至3500磅/英寸2(表壓)(206.8帕至24兆帕)(表壓))之間的壓力下送入。碳質(zhì)漿液是在從室溫至液體載體的飽和溫度之間的溫度下，在30至3500磅/英寸2(表壓)(0.2至24兆帕(表壓))之間的壓力下送入。用來使反應(yīng)區(qū)保持在希望的溫度范圍內(nèi)的氣體燃料，最好是甲醇，并在從室溫至1200°F(650℃)之間溫度下，在30至3500磅/英寸2(表壓)(0.2至24兆帕(表壓))之間壓力下送入。碳質(zhì)漿液、氣體燃料和含氧氣體在量上要定量送入，以便使游離氧和碳的重量比處于0.9至2.27的范圍內(nèi)。
碳質(zhì)漿液通過送料管14在0.1至20英尺/秒
(0.03至6米/秒)之間優(yōu)選流速下送到分配室16內(nèi)部。由于碳質(zhì)漿液導(dǎo)管25的直徑較小，因此碳質(zhì)漿液的速度將提高到1至50英尺/秒(0.3至15米/秒)范圍內(nèi)。
含氧氣體通過送料管道24送入，然后分成兩路，一路穿過氣體導(dǎo)管27，另一路在導(dǎo)管29中形成截頭圓錐形氣流。含氧氣體流的速度可以不同，例如，穿過氣體導(dǎo)管27的速度可以是200英尺/秒(6米/秒)，而穿過截頭圓錐形導(dǎo)管29的速度可以是300英尺/秒(90米/秒)。如前所述，環(huán)形碳質(zhì)流從碳質(zhì)漿液導(dǎo)管25射出，并與含氧氣體的截頭圓錐形氣體正好在管23和28的最下端部分的下面相交。由截頭圓錐形含氧氣流結(jié)合從導(dǎo)管27出來的中心傳輸?shù)暮鯕饬鲗Νh(huán)形碳質(zhì)漿液流所產(chǎn)生的總的剪切作用導(dǎo)致使碳質(zhì)漿液基本上均勻分散到含氧氣體中。
由此產(chǎn)生的分散相然后穿過加速區(qū)33，加速區(qū)的尺寸大小和形狀結(jié)構(gòu)使得含氧氣體被加速到足夠的速度，從而進(jìn)一步將碳質(zhì)漿液原子化到中間細(xì)滴尺寸在100至600微米的大量霧滴。
當(dāng)噴咀10開始工作時(shí)，燃料氣體送入速度遠(yuǎn)比碳質(zhì)漿液的送入速度大。然而隨著增加碳質(zhì)漿液供料的增加，氣體燃料的送入速度減小。這種同時(shí)發(fā)生的緩慢轉(zhuǎn)變，從輸入氣體燃料緩慢轉(zhuǎn)變到輸入碳質(zhì)漿液將繼續(xù)到完全停止輸入氣體燃料為止。如果反應(yīng)區(qū)失常并需要減少碳質(zhì)漿液的供料，則應(yīng)當(dāng)使氣體燃料的供料量恢復(fù)到足以保持反應(yīng)區(qū)處于所需溫度范圍內(nèi)的程度。
圖3至圖5進(jìn)一步說明了混合板16a。如圖所示，混合板16a從環(huán)形板17以45°角向下延伸。它最好圍繞導(dǎo)管23延伸成90°轉(zhuǎn)角，但是這個(gè)角度可從75°改變到115°。為了保證達(dá)到漿液的徑流，可以裝上阻擋板16b以防止?jié){液躲開混合板16a。
權(quán)利要求
1.一種工藝用噴咀包括a)中心導(dǎo)管，該中心導(dǎo)管形成圓柱形的通道，該通道具有一個(gè)開口排料端，而且除了其排料端上游有一個(gè)流體輸入口外，其上游端部是封閉的，b)中間導(dǎo)管，該中間導(dǎo)管與上述中心導(dǎo)管共軸并且至少圍繞上述中心導(dǎo)管部分長度限定，以便確定與中心通道同心的環(huán)形通道，該環(huán)形通道具有一個(gè)開口排料端和一個(gè)上游端，此上游端除了流體輸入口外是封閉的，環(huán)形通道的排料端和中心通道的排料端基本上處于同一平面，c)截頭圓錐形導(dǎo)管，該導(dǎo)管與上述中間導(dǎo)管共軸并且至少圍繞上述中間導(dǎo)管部分長波限定，以便確定截頭圓錐形通道，該截頭圓錐通道與中心通道的流體相通并且朝著中心通道和環(huán)形通道排料端下游的一點(diǎn)會(huì)聚，d)加速導(dǎo)管確定共軸的加速通道，該加速通道與中心、中間和截頭圓錐形通道共軸，與這些通道流體相通，它位于這些通道的下游并連接到截頭圓錐形通道的頂點(diǎn)，加速通道的流體橫截面積小于中心，中間和截頭圓錐形導(dǎo)管在其排料端的總的流體橫截面積，特征是，使用時(shí)，70-95重量%的流到中心和截頭圓錐形通道的流體通過上述截頭圓錐形通道。
2.如權(quán)利要求1所述的工藝用噴咀，其特征在于，上述加速導(dǎo)管具有以光滑的曲線會(huì)聚到圓柱形腔的縱向截面。
3.如權(quán)利要求1或2所述的工藝用噴咀，其特征在于，上述加速導(dǎo)管由從碳化鎢、碳化硅和碳化硼中選擇一種材料構(gòu)成。
4.如權(quán)利要求2或3所述的工藝用噴咀，其特征在于，上述加速導(dǎo)管的光滑曲線與上述截頭圓錐形的排料端成切線接觸。
5.如上述任一權(quán)利要求所述的工藝用噴咀，其特征在于，上述環(huán)形通道的上游端橫截面積充分大于上述環(huán)形通道的排料端橫截面積，從而形成分配室，借以平衡送入流體的壓力，所述送入的流體進(jìn)入上述環(huán)形通道相對較小的下游端，其中沒有流體高流速區(qū)域，上述分配室包括一塊混合板，該板與流體輸入口相鄰并在其下面，該板與進(jìn)入的流體成一角度，使上述送入的流體從一般的軸流變?yōu)榛旧鲜墙?jīng)流，借以阻擋流體的高流速區(qū)。
6.如權(quán)利要求5所述的工藝用噴咀，其特征在于，上述混合板與環(huán)形通道的縱軸成45°角。
7.如權(quán)利要求5或6所述的工藝用噴咀，其特征在于，上述混合板位于上述中心導(dǎo)管和上述中間導(dǎo)管之間，處于上述環(huán)形通道中，向下延伸90°轉(zhuǎn)角。
8.如上述任一權(quán)利要求所述的工藝用噴咀，其特征在于，包括至少一個(gè)氣體導(dǎo)管，該導(dǎo)管與位于該工藝用噴咀排料端面上出口的流體相通。
9.用上述任一權(quán)利要求所述的工藝用噴咀，通過在裝有上述噴咀的容器中的部分氧化碳質(zhì)漿液生產(chǎn)包括氫和一氧化碳?xì)怏w的方法，通過上述噴咀的環(huán)形通道提供上述漿液并且通過該噴咀的中心和截頭圓錐形通道提供含氧氣體。
10.如權(quán)利要求6所述的工藝用噴咀，其中所述的混合板位于上述中心導(dǎo)管和上述中間導(dǎo)管之間，處于上述環(huán)形通道中，向下延伸90°轉(zhuǎn)角。
11.如權(quán)利要求1所述述工藝用噴咀，其中所述加速導(dǎo)管的光滑曲線與上述截頭圓錐形的排料端成切線接觸。
12.一種工藝用噴咀，它包括a同心并徑向間隔開的中心導(dǎo)管和中間導(dǎo)管，其中ⅰ)中心導(dǎo)管形成圓柱形的通道，該通道具有一個(gè)開口排料端，除開在其排料端上游有一個(gè)流體輸入口外，其上游端是封閉的;ⅱ)中間導(dǎo)管和第一導(dǎo)管確定與中心通道同心的環(huán)形通道，該環(huán)形通道具有一個(gè)開口排料端，上游端除開流體輸入口外是封閉的，環(huán)形通道上游端橫截面積充分大于上述排料端橫截面積，從而形成分配室，借以平衡送入流體的壓力，所說送入的流體進(jìn)入上述環(huán)形通道相對較小的下游端，其中沒有流體高流速區(qū)域，上述分配室包括一塊混合板，該板與流體輸入口相鄰接并在其下面，該板與進(jìn)入的流體成一角度，使上述送入的流體從一般的軸流變?yōu)榛旧鲜菑搅鳎枰宰钃趿黧w的高流速區(qū)域，環(huán)形通道的排料端和中心通道的排料端基本上處于同一平面;b截頭圓錐形導(dǎo)管確定截頭圓錐形通道，該截頭圓錐形通道與環(huán)形通道共軸并從環(huán)形通道徑向外移，它與中心導(dǎo)管流體相通，其尺寸使得70-95重量%的送入流體流過截頭圓錐形通道，截頭圓錐形通道朝著中心通道和環(huán)形通道排料端下游的一點(diǎn)會(huì)聚。c加速導(dǎo)管確定共軸的加速通道，該加速通道與中心、中間和截頭圓錐形通道共軸，與這些通道流體相通，它位于這些通道的下游并連接到截頭圓錐形通道的頂點(diǎn)，加速通道的氣流橫截面積小于中心、中間和截頭圓錐形導(dǎo)管在其排料端的總的氣流橫切面積，上述加速導(dǎo)管的縱向截面以光滑的曲線會(huì)聚到圓柱形的腔，從而避免過分的損耗速率。
全文摘要
燃燒流體注入物料的工藝用噴嘴具有中心，中間和截頭圓錐形導(dǎo)管，其中心和中間導(dǎo)管形成環(huán)形通道，該通道具有加大的并形成分配室以阻擋流體高流速層的上游端部，該高流速層可能沖刷在中心。中間和截頭圓錐形導(dǎo)管排出端部的加速導(dǎo)管，加速導(dǎo)管從截頭圓錐形導(dǎo)管頂點(diǎn)到加速導(dǎo)管圓柱形排出部分形成無銳角的平滑彎曲表面。分配室最好具有在流體輸入口下面傾斜安裝在環(huán)形通道上的混合板，使輸送的流體從軸流變?yōu)槁菪蛳碌膹搅鳌?br> 文檔編號F23D17/00GK1039048SQ8910341
公開日1990年1月24日 申請日期1989年5月19日 優(yōu)先權(quán)日1988年5月19日
發(fā)明者查里斯·W·利普 申請人:陶氏化學(xué)公司