可燃氣體和助燃氣體的混合設備的製作方法

2023-06-30 10:00:06 1

專利名稱：可燃氣體和助燃氣體的混合設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種可燃氣體和助燃氣體的混合設備，以及與其相關的其他設備和方法。
背景技術：
可燃氣體和助燃氣體的混合氣體被用於多種反應過程。例如，已知通過將作為可燃氣體的烴類氣體例如甲烷與助燃氣體例如氧混合得到的混合氣體用於製造一氧化碳和氫的歧化反應。還已知通過將包括氫的可燃氣體與包括氧的載氣混合得到的混合氣體用於製造過氧化氫的氧化反應，並進一步用於用過氧化氫使烯烴環氧化的環氧化反應。作為可燃氣體與助燃氣體的混合設備，例如，已知有具有向其提供可燃氣體和助燃氣體的混合容器的混合設備，其中混合容器填充有填料，以形成許多窄的氣體通道，並增加流動通過混合容器的氣體的流動速度(參見JP2009-29680A)。

發明內容
技術問題當通過傳統的混合設備混合可燃氣體和助燃氣體時，存在著對混合過程中可能發生燃燒反應的擔心，並存在著燃燒反應蔓延的擔心。為了實現更為安全的混合，要求有即使發生燃燒反應也不擔心燃燒反應蔓延的混合設備。問題的解決手段在這種情況下，作為發明人對可燃氣體(或易燃性氣體)和助燃氣體(或幫助易燃性氣體燃燒的氣體)的混合設備加以勤勉思慮的結果，完成本發明如下。在本發明的一個方面，提供了一種用於混合可燃氣體和助燃氣體的混合設備，所述混合設備包括管狀混合部，所述管狀混合部用於混合可燃氣體和助燃氣體；可燃氣體供給口，所述可燃氣體供給口位於所述管狀混合部的一端處；可燃氣體輸送裝置，所述可燃氣體輸送裝置用於將所述可燃氣體從所述可燃氣體供給口供給至所述管狀混合部內；所述可燃氣體和所述助燃氣體的混合氣體的混合氣體出料口，所述混合氣體出料口位於所述管狀混合部的另一端處；和助燃氣體供給管，所述助燃氣體供給管在所述管狀混合部的所述一端和所述另一端之間連接到所述管狀混合部，用於將所述助燃氣體從所述助燃氣體供給口供給至所述管狀混合部內；其中所述可燃氣體輸送裝置能夠將在所述助燃氣體供給口處的所述可燃氣體的流動速度控制為不小於所述可燃氣體和所述助燃氣體的所述混合氣體的燃燒速度。在上述混合設備的一個實施方案中，所述管狀混合部在所述助燃氣體供給口和所述混合氣體出料口之間具有選自由下列各項組成的組的至少一個混合構件靜態混合器和分散性混合器。在上述混合設備的另一個實施方案中，所述混合設備還包括位於所述管狀混合部的所述一端和所述助燃氣體供給口之間的所述管狀混合部內的隔板，其中所述可燃氣體輸送裝置能夠將在所述助燃氣體供給口處由所述隔板導致的所述可燃氣體的旋流的流動速度控制為不小於所述可燃氣體和所述助燃氣體的所述混合氣體的燃燒速度。在後一實施方案中，所述管狀混合部可以具有在所述助燃氣體供給口的位置和所述隔板的位置之間的漸縮部分，使得在所述助燃氣體供給口的所述位置處的所述管狀混合部的橫截面積小於在所述隔板的所述位置處的所述管狀混合部的橫截面積。還在後一實施方案中，所述助燃氣體供給管可以插入至所述管狀混合部內；所述助燃氣體供給管的末端可以與所述管狀混合部同軸地彎曲；並且所述隔板可以連接到所述助燃氣體供給管的所述末端的外周。備選地，在上述混合設備中，所述助燃氣體供給管可以在所述助燃氣體供給口處連接到所述管狀混合部的壁，並且可以包括在所述助燃氣體供給口處的多孔膜。關於本發明的混合設備，可燃氣體可以包含氫，助燃氣體可以包含氧。可燃氣體可以進一步包含丙烯，和/或可以進一步包含惰性組分。在本發明的另一個方面，提供了一種反應設備，所述反應設備包括上述的混合設備；和反應器，所述反應器與所述混合設備的所述混合氣體出料口連接。在上述反應設備的一個實施方案中，所述反應設備還包括控制閥，所述控制閥用於控制流動通過所述助燃氣體供給管的所述助燃氣體的流動速度；測量儀器，所述測量儀器用於測量所述反應器中所述助燃氣體的濃度；和控制器，所述控制器用於通過所述控制閥基於由所述測量儀器測量的所述反應器中的所述助燃氣體的所述濃度控制流動通過所述助燃氣體供給管的所述助燃氣體的所述流動速度。在此實施方案中，所述控制器能夠通過所述控制閥控制流動通過所述助燃氣體供給管的所述助燃氣體的所述流動速度，以將所述反應器中所述助燃氣體的所述濃度維持在基本上恆定的水平。另外地或備選地，所述反應設備還可以包括再循環管線，所述再循環管線用於使所述反應器中的氣體返回至所述可燃氣體輸送裝置。在本發明的另一個方面，提供了一種用於製備混合氣體的方法，所述方法包括
將可燃氣體從管狀混合部的一端供給至所述管狀混合部內；將助燃氣體從位於所述管狀混合部的所述一端和另一端之間的助燃氣體供給口供給至所述管狀混合部內；和從所述管狀混合部的所述另一端排出所述可燃氣體和所述助燃氣體的混合氣體，其中從所述管狀混合部的所述一端供給的所述可燃氣體與從所述助燃氣體供給口供給的所述助燃氣體混合併流動通過所述管狀混合部，以從所述管狀混合部的所述另一端產生所述可燃氣體和所述助燃氣體的混合氣體；並且控制所述可燃氣體至所述管狀混合部的供給流動速度，使得在所述助燃氣體供給口處的所述可燃氣體的流動速度不小於所述可燃氣體和所述助燃氣體的所述混合氣體的燃燒速度。在上述用於製備混合氣體的方法的一個實施方案中，使從所述管狀混合部的所述一端供給的所述可燃氣體通過隔板形成旋流，然後其與從所述助燃氣體供給口供給的所述助燃氣體混合；並且在所述助燃氣體供給口處的所述可燃氣體的所述流動速度是所述旋流的流動速度。在此實施方案中，所述可燃氣體可以流動通過所述管狀混合部，其中在助燃氣體供給口的位置處的所述管狀混合部的橫截面積小於在所述隔板的位置處的所述管狀混合部的橫截面積。關於本發明的製備混合氣體的方法，可燃氣體可以包含氫，助燃氣體可以包含氧。 可燃氣體可以進一步包含丙烯，和/或可以進一步包含惰性組分。在本發明的另一個方面，提供了一種用於供給混合氣體的方法，所述方法包括為反應器供給通過上述用於製備混合氣體的方法製備的混合氣體；測量所述反應器中所述助燃氣體的濃度；和控制所述助燃氣體至所述管狀混合部的供給。在上述用於供給混合氣體的方法的一個實施方案中，控制所述助燃氣體至所述管狀混合部的供給，以將所述反應器中所述助燃氣體的所述濃度維持在基本上恆定的水平。在上述用於供給混合氣體的方法的一個實施方案中，所述方法還包括從所述反應器取出氣體以將所述氣體重新用於將要被供給至所述管狀混合部的所述可燃氣體。發明的有益效果根據本發明，提供了一種更為安全的混合設備，所述混合設備儘管將可燃氣體和助燃氣體混合在一起但仍然有效地防止燃燒反應發生蔓延。


圖1示意性地顯示了本發明的一個實施方案中的混合設備的橫截面視圖。圖2顯示了 5重量份丙烯和1. 7重量份氫的可燃氣體(丙烯+H2)、助燃氣體(氧， O2)和惰性的氣體(氮，N2)的等邊三角坐標圖。圖3示意性地顯示了本發明的另一個實施方案中的混合設備的橫截面視圖。圖4示意性地顯示了可以用於本發明的混合構件的一個實例的橫截面視圖。圖5示意性地顯示了可以用於本發明的混合構件的另一實例的橫截面視圖。圖6示意性地顯示了本發明的另一個實施方案中的混合設備的橫截面視圖。圖7示意性地顯示了本發明的另一個實施方案中的混合設備的橫截面視圖。圖8示意性地顯示了本發明的另一個實施方案中的混合設備的橫截面視圖。圖9示意性地顯示了本發明的另一個實施方案中的混合設備的橫截面視圖。圖10示意性地顯示了本發明的另一個實施方案中的混合設備的橫截面視圖。圖11示意性地顯示了圖10的實施方案中使用的隔板的正視圖(從上遊側觀看的視圖)。圖12示意性地顯示了本發明的另一個實施方案中的混合設備的橫截面視圖。圖13示意性地顯示了本發明的一個實施方案中的反應設備的橫截面視圖。
圖14示意性地顯示了本發明的另一個實施方案中的反應設備的橫截面視圖。圖15示意性地顯示了實施例1中使用的混合設備的管狀混合部的橫截面視圖。圖16示意性地顯示了實施例2中使用的混合設備的管狀混合部的橫截面視圖。圖17示意性地顯示了實施例3中使用的混合設備的管狀混合部的橫截面視圖。以下參考數字或標記表示如下元件1,1'，1〃，1〃 『…管狀混合部Ia…一端(可燃氣體供給口)Ib…另一端(混合氣體出料口)Ic…漸縮部分3…可燃氣體輸送裝置5,5'，5〃…助燃氣體供給管5a，5a' ,5a"…助燃氣體供給口7…混合構件7a…靜態混合器7b…分散性混合器8,8'…隔板9…多孔膜IOA至IOH…混合設備11…反應設備13…控制閥15···(助燃氣體濃度)測量儀器17…控制器19…再循環管線20,20'…反應設備D1，D2，D3."內徑X…丙烯+H2 (可燃氣體的可燃性組分)100體積％Y…O2 (助燃氣體)100體積％？…N2 (可燃氣體的惰性組分)100體積％A…化學計量組成B…極限氧濃度AB線…化學計量組成線C…爆炸下限(O2)D…爆炸上限(O2)BC線，BD線…爆炸極限E…要供給的可燃氣體的組成EY線…操作線F，G…極限濃度H…化學計量組成線和操作線的交點實施方案描述
(實施方式1)現將參考圖1對本發明的一個實施方案中的混合設備和用於製備混合氣體的方法進行描述。在該實施方案中混合設備IOA設置有管狀混合部1 ；在管狀混合部1的一端Ia處形成的可燃氣體供給口 ；用於將可燃氣體從可燃氣體供給口供給至管狀混合部1內的可燃氣體輸送裝置3 ；可燃氣體和助燃氣體的混合氣體的混合氣體出料口，所述混合氣體出料口在管狀混合部的另一端Ib處形成；和在管狀混合部1的所述一端Ia和所述另一端Ib之間連接到管狀混合部1的助燃氣體供給管5，用於將助燃氣體從助燃氣體供給口 fe供給至管狀混合部1內。管狀混合部1是用於將可燃氣體和助燃氣體在其中混合的構件。管狀混合部1可以是任意形狀的，只要其在相對的端部Ia和Ib處分別具有可燃氣體供給口和混合氣體出料口，且在這些相對的端部Ia和Ib之間具有連續的主體即可。管狀混合部1可以具有任意的橫截面形狀和橫截面積，但附圖中作為作為實施方案示出的管狀混合部1具有大體圓形的橫截面。可燃氣體輸送裝置3不受限制，只要其能夠以如下述所述的適宜的流動速度供給可燃氣體即可。其實例可以包括離心式壓縮機、軸流式壓縮機、容積式壓縮機、風扇、鼓風機，等等。助燃氣體供給管5具有與管狀混合部1的內部相通的助燃氣體供給口 5a。如圖 1中所示，例如，助燃氣體供給管5在管狀混合部1的一端Ia和另一端Ib之間插入至所述管狀混合部1中，助燃氣體供給管5的末端彎曲，且助燃氣體供給口 fe朝向管狀混合部的下遊側(圖1中的右側)開放。助燃氣體供給管5可以具有任意合適的橫截面形狀和橫截面積，但在附圖中作為實施方案顯示的助燃氣體供給管5具有大體圓形的橫截面。通常，助燃氣體供給管5可以裝配有用於控制流過其中的助燃氣體流動速度的控制閥(圖1中未示出)，但這對於本實施方案並非必需。使用混合設備10A，將可燃氣體和助燃氣體混合在一起。可燃氣體是包含能夠通過與氧反應來燃燒的組分(下文稱作「可燃性組分」)的任何氣體。例如，可燃性組分是氫、包括烯烴的烴類化合物以及它們至少兩種的混合物等。除可燃性組分之外，可燃氣體還可以進一步包含惰性組分，例如氮、水分等。助燃氣體是包含氧的任何氣體。例如，助燃氣體是
氧氣、空氣等。使用可燃氣體輸送裝置3，將可燃氣體從位於一端Ia處的可燃氣體供給口供給至管狀混合部1內。另外，將助燃氣體從助燃氣體供給口 fe通過助燃氣體供給管5供給至管狀混合部1內。然後如所述的那樣通過可燃氣體輸送裝置3供給的可燃氣體經過助燃氣體供給管5的助燃氣體供給口 5a，並在管狀混合部1內與從助燃氣體供給口 fe供給的助燃氣體一起流動。最後，從位於管狀混合部1的另一端Ib處的混合氣體出料口得到可燃氣體和助燃氣體的混合氣體。在此操作期間，可燃氣體輸送裝置3用來控制(或調節)可燃氣體向管狀混合部 1內的供給流動速度，使得助燃氣體供給口 fe處的可燃氣體的流動速度不小於可燃氣體和助燃氣體的混合氣體的燃燒速度。在混合設備具有如圖1和3中所示的大體圓柱形的管狀混合部或如圖6中所示的具有漸縮部分Ic的管狀混合部(圖3和圖6將在後面說明)的情況下，助燃氣體供給口 fe 處的可燃氣體的流動速度基本上等於或大於管狀混合部的可燃氣體供給口處的可燃氣體的流動速度。通過如上所述控制，即使發生燃燒反應，可燃氣體以不小於燃燒速度的流動速度流動，因此可以有效地防止燃燒反應蔓延。由於「助燃氣體供給口處的可燃氣體的流動速度」不小於可燃氣體和助燃氣體的混合氣體的燃燒速度，即使在助燃氣體的濃度被視為相對高的助燃氣體供給口 fe的附近， 燃燒反應的發生和蔓延也傾向於受到抑制。助燃氣體的濃度越小越優選，因為點燃傾向于越困難。助燃氣體供給口如處的可燃氣體的流動速度可以基於所用管狀混合部1的大小和形狀、助燃氣體供給口 fe在管狀混合部1中的位置等來計算，並可以通過改變來自可燃氣體輸送裝置3的可燃氣體的供給速率(或量)來進行控制。可燃氣體和助燃氣體的混合氣體的燃燒速度基於混合氣體的組成來計算。具有某種組成的混合氣體的燃燒速度可根據已知的球彈技術(spherical bomb technique)測量， 該技術描述於"The Burning Velocity Measurement by Means of the Spherical Bomb Technique (通過球彈技術測量燃燒速度)，，，Tadao TKENO 和 iToshio IIJIMA, Bulletin of the Institute of Space and Aeronautical Science (空間航空科學協會快 艮)，東京大學，17(1B)，第沈1-272頁，1980。通常，將製備成具有某種組成的混合氣體裝入球彈內並點燃；測量壓力隨時間的變化；由測量結果計算燃燒(或灼燒)速度。在位於管狀混合部1的另一端Ib處的混合氣體出料口處的可燃氣體和助燃氣體的混合氣體的組成被視作等於通過將供給的可燃氣體和助燃氣體組合產生的組成。在管狀混合部1中在助燃氣體供給口 fe的上遊側(圖1中的左側)的氣體組成通常等於供給的可燃氣體的組成。從微觀尺度的角度而言，助燃氣體供給口 fe下遊側的氣體組成可以取決於流動條件(或混合條件)而變化。當可燃氣體不包括惰性組分時，可以應用具有「化學計量」組成的燃燒速度作為 「可燃氣體和助燃氣體的混合氣體的燃燒速度」。「化學計量組成」在此是指關於可燃氣體中的可燃性組分和助燃氣體中的氧兩種組分的組成，其中氧以使可燃性組分燃燒所必需的理論量存在。隨著助燃氣體與可燃氣體逐漸混合，混合過程中的氣體組成從對應於所供給可燃氣體的可燃性組分的一種組成朝向對應於所供給助燃氣體中氧含量的另一組成移動。然後，預計當氣體組成達到化學計量組成時，獲得最大燃燒速度，因為氧含量恰好處於使可燃性組分燃燒所必需的比例。因此，當「在助燃氣體供給口處的可燃氣體的流動速度」不小於化學計量組成處的燃燒速度時，燃燒反應的蔓延應當認為被充分防止。當可燃氣體包括惰性組分時，可以應用具有某種組成的燃燒速度。在可燃氣體的可燃性組分、助燃氣體的氧和可燃氣體的惰性組分的三組分(體積％)等邊三角坐標圖中， 所述某種組成位於化學計量組成線和「操作線」的交點處，在上述化學計量組成線上可燃性組分和氧形成化學計量組合物。「操作線」在此指的是指示所供給可燃氣體中可燃性組分和惰性組分的組成的點和指示所供給助燃氣體中氧含量的點之間的線。隨著助燃氣體與可燃氣體逐漸混合，氣體組成在跟蹤操作線的同時，從指示所供給可燃氣體中可燃性組分和惰性組分的組成的點朝向指示所供給助燃氣體中氧含量的點移動。然後，預計當氣體組成達到化學計量組成時，獲得最大燃燒速度。因此，當「在助燃氣體供給口處的可燃氣體的流動速度」不小於在此化學計量組成處的燃燒速度時，燃燒反應的蔓延應當認為被充分防止。在下文中，用於測定「可燃氣體和助燃氣體的混合氣體的燃燒速度」的混合氣體的組成更具體地參考圖2進行描述。圖2顯示了 5重量份丙烯和1.7重量份氫(丙烯哄)的可燃氣體、助燃氣體(氧， O2)和惰性氣體(氮為)的等邊三角坐標圖。在X點處，丙烯+H2 = 100體積在Y點處， O2 = 100體積％ ；在Z點處，N2 = 100體積％。當使用5重量份丙烯和1. 7重量份氫的混合氣體作為可燃氣體的可燃性組分時， 可燃性組分和氧(沒有氮)的化學計量組成在圖2中位於點A處(丙烯+H2 = 22. 2體積
O2 = 77. 8體積％ )。通過向該混合氣體中逐漸加入氮作為惰性組分，組成在保持可燃性組分和氧的化學計量組成的同時從點A跟蹤AZ線朝向點Z移動。隨著氮的比例變得足夠高， 不會發生爆炸。在該極限處的氧濃度被稱作極限氧濃度，並且在圖2中由點B(丙烯+H2 = 2.3體積％;02 = 8.0體積％)示出。AB線是化學計量組成線。另一方面，在沒有氮的條件下，當氧濃度太低或太高時，不會發生爆炸。這些極限處的氧濃度被稱作爆炸下限(O2)和爆炸上限(O2)，並且分別由點C (丙烯+H2 = 49. 5體積％;02 = 50 . 5體積％ )和點D (丙烯 +H2 = 2. 3體積％ ;02 = 97 . 7體積％ )示出。BC線和BD線是爆炸的邊界，由點B、C和D包圍起來的區域是爆炸範圍。當可燃氣體由形式為5重量份丙烯和1. 7重量份氫的混合氣體的可燃性組分組成且不包括惰性組分時，可燃性組分和氧的化學計量組成在圖2中位於點A處。使用氧氣( =100體積％ )作為助燃氣體，並將其與上述可燃氣體逐漸混合，混合過程中的氣體組成跟蹤XY線(N2 = 0體積％ )從點X朝向點Y移動。預計當氣體組成達到點A的化學計量組成時，獲得最大燃燒速度。因此，應用具有點A組成的混合氣體的燃燒速度作為「可燃氣體和助燃氣體的混合氣體的燃燒速度」。當可燃氣體由形式為5重量份丙烯和1. 7重量份氫的混合氣體的可燃性組分以及惰性組分氮氣組成時，出於說明的目的，假定所供給可燃氣體的組成處於點E (丙烯+H2 = 6. 9體積％ ;02 = 1. 7體積％ ;N2 = 91. 4體積％ )。使用氧氣(O2 = 100體積％ )作為助燃氣體，並將其與上述可燃氣體逐漸混合，混合過程中的氣體組成跟蹤EY線從點E朝向點Y 移動。預計當氣體組成達到點H的化學計量組成時，獲得最大燃燒速度。點H是作為操作線的EY線和作為化學計量組成線的AB線的交點。點F和點G是作為操作線的EY線分別與BC線以及與BD線的交點，並且點F和點G是指極限濃度(當具有點E組成的氣體與具有點Y組成(O2 = 100體積％)的氣體混合時燃料濃度的上限和下限)。因此，應用具有點 H組成的混合氣體的燃燒速度作為「可燃氣體和助燃氣體的混合氣體的燃燒速度」。當其他組分用於可燃氣體和助燃氣體時，也將參考以上說明確定「可燃氣體和助燃氣體的混合氣體的燃燒速度」，並可以通過使用可燃氣體輸送裝置控制混合條件，使得 「助燃氣體供給口處的可燃氣體的流動速度」不小於「可燃氣體和助燃氣體的混合氣體的燃燒速度」。結果，即使發生燃燒反應，由於可燃氣體以不小於燃燒速度的流動速度流動，可燃氣體吹熄(blows out)燃燒反應，因此燃燒反應的蔓延可以被有效防止。由於這種防止燃燒反應蔓延的效果顯著，變得可以降低可燃氣體和/或助燃氣體中惰性氣體的含量比，因此提高每體積(或空間)混合氣體的製造效率。而且，填料變得並非必需，或者其量可以降低，因此變得可以提高每體積混合氣體的製造效率，並降低混合氣體製造過程中從可燃氣體和/或助燃氣體的供給壓力的壓力損失。此外，由於低壓力損失，驅動可燃氣體輸送裝置的成本趨於減小。(實施方案2)現將參考圖3對本發明另一實施方案中的混合設備和用於製備混合氣體的方法進行描述。該實施方案是上文所述的實施方案1的改型，除非另外說明，與實施方案1類似的說明可適用於該實施方案。關於該實施方案的混合設備10B，管狀混合部1'中在助燃氣體供給口 fe和管狀混合部的另一端Ib之間設置有混合構件7。由於混合構件7插入在助燃氣體供給口 fe和管狀混合部的另一端Ib之間，可燃氣體和助燃氣體可以更快速地混合在一起，並且可以更有效地防止燃燒反應的蔓延。作為混合構件7，例如，可以使用靜態混合器(渦旋機構)、分散性混合器等(圖3 顯示用於說明目的的靜態混合器)。例如，靜態混合器可以具有結構諸如圖4中顯示的靜態混合器7a(圖4顯示管狀混合部1'內部一部分的放大圖；靜態混合器7a可以具有任何適合的長度和/或數目的元件)從而將可燃氣體和助燃氣體渦旋在一起。作為靜態混合器，例如，可以使用獲自 Noritake Co. ,Limited,(日本)的那些。當使用靜態混合器時，優勢在於壓力損失相對小。 此外，在管狀混合部1內的徑向上均勻地獲得混合效果。例如，分散性混合器可以具有結構諸如圖5中顯示的分散性混合器7b(圖5顯示管狀混合部Γ內部一部分的放大圖；分散性混合器7b例如形成為具有交錯陣列形式的砂漏形孔並且可以具有任何適宜的長度和/或數目的元件)，從而將可燃氣體和助燃氣體分布(或分隔)和混合在一起。作為分散性混合器，例如，可以使用獲自Fujikin hcorporated(日本)的〃 Bimsankim"。當使用分散性混合器時，由於其賦予分散性混合器與氣體相對大的接觸面積，由具有高導熱率的材料諸如金屬製成的分散性混合器可以通過冷卻火焰發揮防爆效果。分散性混合器中的混合區優選彼此獨立。(實施方案3)將參考圖6對本發明另一實施方案中的混合設備和用於製備混合氣體的方法進行描述。該實施方案是上文所述的實施方案1的改型，除非另外說明，與實施方案1類似的說明可適用於該實施方案。關於該實施方案中的混合設備10C，漸縮部分Ic在存在助燃氣體供給口 fe的位置與管狀混合部1 「的一端Ia附近的位置之間形成，使得在助燃氣體供給口 fe位置處的管狀混合部1"的橫截面積小於在管狀混合部的一端Ia附近的位置處的管狀混合部1"的橫截面積。在管狀混合部具有大體圓形的橫截面的情況下，在管狀混合部的一端Ia附近的位置處的管狀混合部1"的內徑Dl大於在助燃氣體供給口如位置處的管狀混合部1"的內徑D2。如圖6所示，位於漸縮部分Ic上遊側(一端Ia—側)的大體圓柱形的部分和位於漸縮部分Ic下遊側(另一端Ib —側)的大體圓柱形的部分基本上同軸排列，並且漸縮部分Ic具有平頭圓錐的形狀，以形成這些大體圓柱形的部分之間的連續連接。在助燃氣體供給口 fe的位置處的管狀混合部1"的內徑D2在附圖中顯示成等於位於漸縮部分Ic下遊側的大體圓柱形部分的內徑，但本實施方案並不限於此。根據本發明，使可燃氣體在助燃氣體供給口 fe的位置處流動通過更小的橫截面積，從而可燃氣體的流動速度得到進一步提高。在該情形下，可燃氣體輸送裝置的負荷得以進一步降低，同時在助燃氣體供給口如處的可燃氣體的流動速度被有效控制成不小於可燃氣體和助燃氣體的混合氣體的燃燒速度。備選地，當保持可燃氣體輸送裝置的操作條件時，由於可燃氣體的流動速度增加，可以更加可靠地防止燃燒反應的蔓延。(實施方案4)將參考圖7對本發明的另一實施方案中的混合設備和用於製備混合氣體的方法進行描述。該實施方案是上文所述的實施方案1的改型，除非另外說明，與實施方案1類似的說明可適用於該實施方案。關於該實施方案中的混合設備10D，助燃氣體供給管5'在助燃氣體供給口 fe' 處與管狀混合部1"『的壁連接，例如，以如附圖中所示的T形接頭的形式。優選地，其在助燃氣體供給口 fe'處設置有多孔膜9。多孔膜9可以是任何具有透氣性的膜。例如，可以使用陶瓷、金屬網，聚合物膜，燒結金屬膜。多孔膜9的存在可以防止助燃氣體供給管5'內燃燒的發生。根據本實施方案，助燃氣體從助燃氣體供給口 fe'供給至管狀混合部1"『內， 所述助燃氣體供給口 fe'與管狀混合部1"『的壁連接，優選地通過多孔膜9連接，由此助燃氣體可以在被分散的同時被供給，並且因此可以與可燃氣體迅速地混合。(實施方案5)將參考圖8對本發明的另一實施方案中的混合設備和用於製備混合氣體的方法進行描述。該實施方案是上文所述的實施方案1的改型，除非另外說明，與實施方案1類似的說明可適用於該實施方案。此實施方案中的混合設備IOE設置有在管狀混合部1 ；在管狀混合部1的一端Ia 處形成的可燃氣體供給口 ；用於將可燃氣體從可燃氣體供給口供給至管狀混合部1中的可燃氣體輸送裝置3 ；在管狀混合部的另一端Ib處形成的可燃氣體和助燃氣體的混合氣體的混合氣體出料口 ；在管狀混合部1的一端Ia和另一端Ib之間連接至管狀混合部1的助燃氣體供給管5，用於將助燃氣體從助燃氣體供給口 fe供給至管狀混合部1內；和位於所述管狀混合部1的一端Ia和助燃氣體供給口 fe之間的管狀混合部1內的隔板8。隔板8可以是能夠使從管狀混合部1的一端Ia供給的可燃氣體的流動成為旋流 (其在附圖中以標有箭頭和帶點的半圓形線示意性地顯示)的任意隔板。例如，隔板8可以是多個板狀構件，它們相對於管狀混合部1成角度地傾斜，並且可以相對於管狀混合部1的軸對稱或不對稱地排列。更具體地，例如，八個翅片以每隔45度定位。此外，可以使用漸縮管(reducer)來提高氣體的渦旋速度。在本實施方案中，從可燃氣體輸送裝置3供給的可燃氣體被隔板8製成為旋流，然後它經過助燃氣體供給管5的助燃氣體供給口 5a，並在管狀混合部1內與從助燃氣體供給口 fe供給的助燃氣體一起流動。最後，可燃氣體和助燃氣體的混合氣體從位於管狀混合部 1的另一端Ib處的混合氣體出料口獲得。在此操作期間，可燃氣體輸送裝置3用來控制(或調節)可燃氣體向管狀混合部 1內的供給流動速度，使得助燃氣體供給口如處的可燃氣體的旋流的流動速度不小於可燃氣體和助燃氣體的混合氣體的燃燒速度。在混合設備具有如圖8中所示的大體圓柱形的管狀混合部或具有如圖9和10中所示的漸縮部分Ic的管狀混合部(圖9和圖10將在後面說明)的情況下，助燃氣體供給口 fe處的可燃氣體的流動速度基本上等於或大於管狀混合部的可燃氣體供給口處的可燃氣體的流動速度。通過如上所述控制，即使發生燃燒反應，可燃氣體也以不小於燃燒速度的流動速度流動，因此能夠防止燃燒反應蔓延。在此實施方案中，實施方案1中的上述「助燃氣體供給口處的可燃氣體的流動速度」替換為「助燃氣體供給口處的可燃氣體的旋流的流動速度」。助燃氣體供給口如處的可燃氣體的旋流的流動速度可以基於所使用的管狀混合部1的尺寸和形狀、隔板8的形狀、 助燃氣體供給口 fe在管狀混合部1中的位置等來計算，並且可以通過改變可燃氣體從可燃氣體輸送裝置3的供給速率(或量)來控制。根據本實施方案，可燃氣體在到達助燃氣體供給口 fe之前被隔板8製成為旋流， 由此可燃氣體的流動速度可以增加超過可燃氣體自然流動情況下的流動速度。在該情形下，在助燃氣體供給口 fe處的可燃氣體的旋流的流動速度被有效地控制為不小於可燃氣體和助燃氣體的混合氣體的燃燒速度的同時，可燃氣體輸送裝置的負荷可以減小。另一方面，常規的混合設備填充有填料，並且因此具有壓力損失大的問題。因此， 存在著對能夠混合可燃氣體和助燃氣體並且達到較小的壓力損失的混合設備的需求。根據本實施方案，提供了一種混合設備，其能夠混合可燃氣體和助燃氣體並且達到較小的壓力損失。本實施方案的混合設備顯示比填充有填料的常規混合設備更小的壓力損失，並且非常有效。(實施方案6)將參考圖9對本發明的另一實施方案中的混合設備和用於製備混合氣體的方法進行描述。該實施方案是上文所述的實施方案5的改型，除非另外說明，與實施方案5類似的說明可適用於該實施方案。關於該實施方案中的混合設備10F，漸縮部分Ic在存在助燃氣體供給口 fe的位置與隔板8所處的位置之間形成，使得在助燃氣體供給口 fe的位置處的管狀混合部1 『的橫截面積小於在隔板8的位置處的管狀混合部1 『的橫截面積。在管狀混合部具有大體圓形的橫截面的情況下，在隔板8的位置處的管狀混合部 1'的內徑Dl大於在助燃氣體供給口如位置處的管狀混合部1'的內徑D2。如圖9所示， 位於漸縮部分Ic上遊側(一端Ia —側)的大體圓柱形的部分和位於漸縮部分Ic下遊側 (另一端Ib —側)的大體圓柱形的部分基本上同軸排列，並且漸縮部分Ic具有平頭圓錐的形狀，以形成這些大體圓柱形的部分之間的連續連接。在助燃氣體供給口 fe的位置處的管狀混合部1'的內徑D2在附圖中顯示成等於位於漸縮部分Ic下遊側的大體圓柱形部分的內徑，但本實施方案並不限於此。根據本實施方案，在可燃氣體被隔板8製成為旋流後，其在助燃氣體供給口 fe的位置處流動通過更小的橫截面積，從而可燃氣體的旋流的流動速度得到進一步提高。在該情形下，可燃氣體輸送裝置的負荷得以進一步降低，同時在助燃氣體供給口如處的可燃氣體的旋流的流動速度被有效控制成不小於可燃氣體和助燃氣體的混合氣體的燃燒速度。備選地，當保持可燃氣體輸送裝置的操作條件時，由於可燃氣體的旋流的流動速度增加，可以更加可靠地防止燃燒反應的蔓延。(實施方案7)將參考圖10對本發明的另一實施方案中的混合設備和用於製備混合氣體的方法進行描述。該實施方案是上文所述的實施方案6的改型，除非另外說明，與實施方案6類似的說明可適用於該實施方案。關於該實施方案中的混合設備10G，助燃氣體供給管5'插入至管狀混合部1'中並且其末端隨管狀混合部同軸地彎曲，類似於實施方案6。然而，不同於實施方案6，其插入位置位於隔板8'的上遊側(一端Ia—側)，並且隔板8與助燃氣體供給管5'的末端的外周連接。作為隔板8'，例如，可以使用具有多個翼的隔板，所述多個翼如圖11中所示同軸地固定於隔板上並成角度地傾斜。在圖10中顯示的實施方案中，助燃氣體供給管5'的助燃氣體供給口 fe'位於漸縮部分Ic內，且在助燃氣體供給口 fe'的位置處的管狀混合部1'的內徑D2大於位於漸縮部分Ic的下遊側的大體圓柱形部分的內徑D3。然而，本實施方案不限於此，助燃氣體供給口 fe可以位於漸縮部分Ic的下遊側(另一端Ib —側)，並且這些內徑D2和D3可以彼此相等，類似於實施方案6。根據本實施方案，隔板8'可以連接至助燃氣體供給管5'的外周，由此所述設備可以容易地進行組裝。(實施方案8)將參考圖12對本發明的另一實施方案中的混合設備和用於製備混合氣體的方法進行描述。該實施方案是上文所述的實施方案6的改型，除非另外說明，與實施方案6類似的說明可適用於該實施方案。關於該實施方案中的混合設備10H，助燃氣體供給管5"在助燃氣體供給口 fe" 處與管狀混合部1'的壁連接，例如，以如附圖中所示的T形接頭的形式。其在助燃氣體供給口 fe"處設置有多孔膜9。多孔膜9可以是任何具有透氣性的膜。例如，可以使用陶瓷、金屬網，聚合物膜，燒結金屬膜。多孔膜9的存在可以防止助燃氣體供給管5"內燃燒的發生。根據本實施方案，助燃氣體從助燃氣體供給口 5"供給至管狀混合部Γ內，所述助燃氣體供給口 5"與管狀混合部1'的壁通過多孔膜9連接，由此助燃氣體可以在被分散的同時被供給，並且因此可以與可燃氣體的旋流迅速地混合。(實施方案9)將參考圖13對本發明的一個實施方案中的反應設備和用於供給混合氣體的方法進行描述。除非另外說明，與上述實施方案1至8中任一個類似的說明可適用於該實施方案。在此實施方案中的反應設備20設置有如上面實施方案1至8中所述的混合設備， 以及與該混合設備的混合氣體出料口連接的反應器11 (在附圖中，為了說明的目的顯示實施方案1的混合設備，並且與實施方案1中的那些部件類似的部件標記以相同的參考數字)。反應器11可以根據期望的反應來選擇。
1
使用反應設備20，可燃氣體和助燃氣體混合在一起，並且由此獲得的可燃氣體和助燃氣體的混合氣體進行反應。所述混合與實施方案1至8中任一個中的混合類似，並且可燃氣體和助燃氣體的混合氣體獲自管狀混合部1的另一端lb。獲得的混合氣體供給至反應器11，因為它要在反應器11中進行反應(在圖13，為了說明的目的顯示液相反應)。根據本實施方案，可以獲得與實施方案1至8中的效果類似的效果，並且此外可燃氣體和助燃氣體可以剛好在供給至反應器之前被安全地混合在一起。儘管本實施方案不受限制，但一種或多種烯烴和氫可以用於可燃氣體，並且氧可以用於助燃氣體。氫和氧可以在反應器11中產生過氧化氫，並且導致烯烴的環氧化反應。 例如，當丙烯用作烯烴時，能夠產生環氧丙烷。(實施方案10)將參考圖14對本發明的另一個實施方案中的反應設備和用於供給混合氣體的方法進行描述。本實施方案是上述實施方案9的改型。除非另外說明，與實施方案9類似的說明可適用於該實施方案。在此實施方案中的反應設備20'除了上述實施方案9中的設備構造以外，還設置有用於控制流動通過助燃氣體供給管5的助燃氣體的流動速度的控制閥13，用於測量反應器11中助燃氣體的濃度的測量儀器15，和與測量儀器15和控制閥13電連接的控制器17。 反應設備還設置有在反應器11和可燃氣體輸送裝置3之間的再循環管線19，儘管這對於本實施方案不是必需的。測量儀器15能夠測量反應器11中助燃氣體的濃度，並且控制器17接收測量到的濃度的數據信號，並且輸出控制信號至控制閥13用於控制流動通過助燃氣體供給管5的助燃氣體的流動速度。以此方式，流動通過所述助燃氣體供給管5的助燃氣體的流動速度可以經由控制閥13基於通過測量儀器15測量的反應器11中的助燃氣體的濃度進行控制。因此，根據需要通過反饋調節，能夠控制要供給至管狀混合部1的助燃氣體的量，並且因此控制轉移至反應器11中的助燃氣體的量。例如，進行控制以便將反應器11中助燃氣體的濃度保持在基本上恆定的水平，並且由此可以實現所述控制以避免在反應器11中引起燃燒反應。反應器11中的氣體主要由可燃氣體作為其主要部分組成，並且因此包括不被反應消耗的可燃性組分，和任選的惰性組分等等。取出反應器11中的氣體並使其通過再循環管線19返回至可燃氣體輸送裝置3。由此，可燃氣體，更具體地可燃性組分和任選的惰性組分可以被有效地重新利用。然而，這種構造對於本實施方案不是必需的。在上文中，描述了本發明的一些實施方案，但這些實施方案可以以多種方式改動。 例如，類似於實施方案6，實施方案5可以以實施方案7和8中所說明的方式改動。實施方案9可以設置有如實施方案10中所述的用於使反應器中的氣體返回至可燃氣體輸送裝置的再循環管線。根據實施方案1至8製備的混合氣體也可以用於任何應用，不僅僅用於如實施方案9和10中的反應設備。
實施例(實施例1)根據實施方案2，將可燃氣體和助燃氣體在多種條件下混合在一起。
圖15示意性地顯示了使用的混合設備的管狀混合部的橫截面視圖。作為管狀混合部1'，使用由SUS(不鏽鋼)製成且具有20mm的內徑和300mm的長度的直管。作為助燃氣體供給管5，使用由SUS製成且具有5mm的內徑的圓管，同時其末端與管狀混合部1' 大體同軸地彎曲，並且助燃氣體供給口如的孔徑面位於距管狀混合部的一端la(可燃氣體供給口)下遊約50mm處。作為混合構件7，使用市售的靜態混合器7a (TAH Industries Inc.,(經由日本的貿易公司，Mercury Supply Systems Corporation)，由 SUS 製成，型號 090-612)。另外，點火器E-Ol至E-03和溫度傳感器TI-Ol至TI-03設置在助燃氣體供給口 fe的下遊側附近，助燃氣體供給口如和另一端Ib(混合氣體出料口)之間，另一端Ib 的上遊側附近中的各個位置處，如附圖中所示的那樣。更具體地，從下遊方向上作為起始點的一端la，E-Ol位於55謹的距離處，E-02位於1；35謹的距離處，E-03位於215謹的距離處。各個溫度計(TI-01至TI-03)設置在下遊方向上距各個點火器(E-01至E-03)10mm的距離處。靜態混合器具有45. 5mm的長度，並且設置在E-Ol和E-02之間，E-02和E-03之間，E-03和Ib之間三個位置中的每個位置處，同時遠離各個上遊側點火器21mm的距離。點火器顯示火花導致的溫升為約10至20°C (僅在15m/s的氮氣流中測量，以不涉及燃燒反應)。用作可燃氣體的氣體由10體積％的6重量份丙烯和4重量份氫的混合氣體，和90 體積％的氮氣組成。用作助燃氣體的氣體是100體積％的氧氣。可燃氣體和助燃氣體的混合氣體的燃燒速度是具有圖2中在點H處的組成的混合氣體的燃燒速度；並且作為指導，考慮到丙烷火焰的穩定極限，記錄約30m/s，丙烷具有與本實施例中使用的丙烯類似的分子結構。在對於在E-Ol處進行點火操作、在E-02處進行點火操作和在E_03處進行點火操作的每種情況，以表1中所示的條件No. 01至No. 08的各種供給速率供給可燃氣體和助燃氣體的同時，在TI-Ol至TI-03處測量最大溫度，並且判斷在TI-Ol至TI-03任一處是否存在發生實際點火(著火)的操作。結果顯示在表2至表9中。在各表中，溫度由最大溫升指示，且判斷通過下面的符號顯示。N:未點火(無著火)Y-點火，溫升小於100°CY+:點火，溫升為100°C以上表權利要求
1.一種用於混合可燃氣體和助燃氣體的混合設備，所述混合設備包括管狀混合部，所述管狀混合部用於混合可燃氣體和助燃氣體；可燃氣體供給口，所述可燃氣體供給口位於所述管狀混合部的一端處；可燃氣體輸送裝置，所述可燃氣體輸送裝置用於將所述可燃氣體從所述可燃氣體供給口供給至所述管狀混合部內；所述可燃氣體和所述助燃氣體的混合氣體的混合氣體出料口，所述混合氣體出料口位於所述管狀混合部的另一端處；和助燃氣體供給管，所述助燃氣體供給管在所述管狀混合部的所述一端和所述另一端之間連接到所述管狀混合部，用於將所述助燃氣體從所述助燃氣體供給口供給至所述管狀混合部內；其中所述可燃氣體輸送裝置能夠將在所述助燃氣體供給口處的所述可燃氣體的流動速度控制為不小於所述可燃氣體和所述助燃氣體的所述混合氣體的燃燒速度。
2.根據權利要求1所述的混合設備，其中所述管狀混合部在所述助燃氣體供給口和所述混合氣體出料口之間具有選自由下列各項組成的組的至少一個混合構件靜態混合器和分散性混合器。
3.根據權利要求1所述的混合設備，所述混合設備還包括位於所述管狀混合部的所述一端和所述助燃氣體供給口之間的所述管狀混合部內的隔板，其中所述可燃氣體輸送裝置能夠將在所述助燃氣體供給口處由所述隔板導致的所述可燃氣體的旋流的流動速度控制為不小於所述可燃氣體和所述助燃氣體的所述混合氣體的燃燒速度。
4.根據權利要求3所述的混合設備，其中所述管狀混合部具有在所述助燃氣體供給口的位置和所述隔板的位置之間的漸縮部分，使得在所述助燃氣體供給口的所述位置處的所述管狀混合部的橫截面積小於在所述隔板的所述位置處的所述管狀混合部的橫截面積。
5.根據權利要求3或4所述的混合設備，其中所述助燃氣體供給管插入至所述管狀混合部內；所述助燃氣體供給管的末端與所述管狀混合部同軸地彎曲；並且所述隔板連接到所述助燃氣體供給管的所述末端的外周。
6.根據權利要求1至4中任一項所述的混合設備，其中所述助燃氣體供給管在所述助燃氣體供給口處連接到所述管狀混合部的壁，並且包括在所述助燃氣體供給口處的多孔膜。
7.根據權利要求1至6中任一項所述的混合設備，其中所述可燃氣體包含氫，且所述助燃氣體包含氧。
8.根據權利要求7所述的混合設備，其中所述可燃氣體還包含丙烯。
9.根據權利要求7或8所述的混合設備，其中所述可燃氣體還包含惰性組分。
10.一種反應設備，所述反應設備包括根據權利要求1至9中任一項所述的混合設備；和反應器，所述反應器與所述混合設備的所述混合氣體出料口連接。
11.根據權利要求10所述的反應設備，所述反應設備還包括控制閥，所述控制閥用於控制流動通過所述助燃氣體供給管的所述助燃氣體的流動速度；測量儀器，所述測量儀器用於測量所述反應器中所述助燃氣體的濃度；和控制器，所述控制器用於通過所述控制閥、基於由所述測量儀器測量的所述反應器中的所述助燃氣體的所述濃度控制流動通過所述助燃氣體供給管的所述助燃氣體的所述流動速度。
12.根據權利要求11所述的反應設備，其中所述控制器能夠通過所述控制閥控制流動通過所述助燃氣體供給管的所述助燃氣體的所述流動速度，以將所述反應器中所述助燃氣體的所述濃度維持在基本上恆定的水平。
13.根據權利要求10至12中任一項所述的反應設備，所述反應設備還包括再循環管線，所述再循環管線用於使所述反應器中的氣體返回至所述可燃氣體輸送裝置。
14.一種用於製備混合氣體的方法，所述方法包括將可燃氣體從管狀混合部的一端供給至所述管狀混合部內；將助燃氣體從位於所述管狀混合部的所述一端和另一端之間的助燃氣體供給口供給至所述管狀混合部內；和從所述管狀混合部的所述另一端排出所述可燃氣體和所述助燃氣體的混合氣體， 其中從所述管狀混合部的所述一端供給的所述可燃氣體與從所述助燃氣體供給口供給的所述助燃氣體混合併流動通過所述管狀混合部，以從所述管狀混合部的所述另一端產生所述可燃氣體和所述助燃氣體的所述混合氣體；並且控制所述可燃氣體至所述管狀混合部內的供給流動速度，使得在所述助燃氣體供給口處的所述可燃氣體的流動速度不小於所述可燃氣體和所述助燃氣體的所述混合氣體的燃燒速度。
15.根據權利要求14所述的用於製備混合氣體的方法，其中使從所述管狀混合部的所述一端供給的所述可燃氣體通過隔板形成旋流，然後其與從所述助燃氣體供給口供給的所述助燃氣體混合；並且在所述助燃氣體供給口處的所述可燃氣體的所述流動速度是所述旋流的流動速度。
16.根據權利要求15所述的用於製備混合氣體的方法，其中所述可燃氣體流動通過所述管狀混合部，其中在所述助燃氣體供給口的位置處的所述管狀混合部的橫截面積小於在所述隔板的位置處的所述管狀混合部的橫截面積。
17.根據權利要求14至16中任一項所述的用於製備混合氣體的方法，其中所述可燃氣體包含氫，且所述助燃氣體包含氧。
18.根據權利要求17所述的用於製備混合氣體的方法，其中所述可燃氣體還包含丙火布。
19.根據權利要求17或18所述的用於製備混合氣體的方法，其中所述可燃氣體還包含惰性組分。
20.一種用於供給混合氣體的方法，所述方法包括為反應器供給通過根據權利要求14至19中任一項所述的用於製備混合氣體的方法製備的混合氣體；測量所述反應器中所述助燃氣體的濃度；和控制所述助燃氣體至所述管狀混合部的供給。
21.根據權利要求20所述的用於供給混合氣體的方法，其中控制所述助燃氣體至所述管狀混合部的供給，以將所述反應器中所述助燃氣體的所述濃度維持在基本上恆定的水平。
22.根據權利要求20或21所述的用於供給混合氣體的方法，所述方法還包括 從所述反應器取出氣體，以將所述氣體重新用於將要被供給至所述管狀混合部的所述可燃氣體。
全文摘要
一種混合設備(10A)包括用於混合可燃氣體和助燃氣體的管狀混合部(1)；在一端(1a)處的可燃氣體供給口；用於將可燃氣體從可燃氣體供給口供給至管狀混合部(1)的可燃氣體輸送裝置(3)；在另一端(1b)處的可燃氣體和助燃氣體的混合氣體出料口；和在一端(1a)和另一端(1b)之間連接到管狀混合部(1)的助燃氣體供給管(5)，用於將助燃氣體從助燃氣體供給口(5a)供給至管狀混合部(1)。可燃氣體輸送裝置(3)可以控制助燃氣體供給口(5a)處可燃氣體的流動速度不小於混合氣體的燃燒速度。
文檔編號B01F5/02GK102574077SQ20108004377
公開日2012年7月11日 申請日期2010年9月27日 優先權日2009年9月30日
發明者宮田榮三郎, 島田直樹, 波多野亮 申請人:住友化學株式會社