《霧化噴嘴及固定床》是神華集團有限責任公司、神華寧夏煤業集團有限責任公司和中國船舶重工集團公司第七一一研究所於2015年11月20日申請的專利，該專利的公布號為CN105289420A，申請號為2015108121386，授權公布日為2016年2月3日，發明人是莊壯、匡建平、雍曉靜、梁健、羅春桃、張世程、蘇慧、江永軍、王峰、張偉。
《霧化噴嘴及固定床》公開了一種霧化噴嘴及固定床。所述霧化噴嘴包括旋流器、內噴嘴和外噴嘴，所述內噴嘴穿設於所述外噴嘴中，所述旋流器穿設於所述內噴嘴中；所述外噴嘴的內壁與所述內噴嘴的外壁界定出一個環形的氣相通道，所述旋流器的外壁與所述內噴嘴的內壁界定出一個環形的氣液混合通道，所述氣液混合通道與外部的液相通道相通；所述內噴嘴的側壁開設有多個氣流孔，所述氣液混合通道通過所述氣流孔與所述氣相通道連通。所述固定床包括上述霧化噴嘴。
2018年12月20日，《霧化噴嘴及固定床》獲得第二十屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《霧化噴嘴及固定床》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：霧化噴嘴及固定床
- 公告號：CN105289420A
- 授權日：2016年2月3日
- 申請號：2015108121386
- 申請日：2015年11月20日
- 申請人：神華集團有限責任公司、神華寧夏煤業集團有限責任公司、中國船舶重工集團公司第七一一研究所
- 地址：北京市東城區安外西濱河路22號神華大廈
- 發明人：莊壯、匡建平、雍曉靜、梁健、羅春桃、張世程、蘇慧、江永軍、王峰、張偉
- Int.Cl.：B01J8/02(2006.01)I
- 代理機構：北京邦信陽專利商標代理有限公司
- 代理人：金璽
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
丙烯是重要的基本有機原料。長期以來，丙烯的來源主要來自煉油廠催化裂化和烴類蒸汽裂解等，面對我國多煤少油缺氣的能源格局以及日益增長的丙烯需求，迫切需要開發以丙烯為目標產物的新工藝。以煤或天然氣為原料生產甲醇製備丙烯（MTP）的生產路線越來越受到人們的關注，也是我國煤化工產業發展的重點領域。
截至2015年11月20日，在MTP反應工藝過程中，要保證每個床層催化劑區間內溫度調節精確，在給定負荷條件下就要求霧化粒徑很細而且分布均勻，為此所需要布置的噴嘴數量較多的情況下，每個噴嘴的流量較小，出口孔徑較小且精度要求嚴格。由於管路系統中存在雜質，導致噴嘴經常性堵塞或者磨損，造成催化劑床層溫度調節不準，影響轉化效率，增加了噴嘴的更換次數和工作量。此外，對於用於固定床的霧化噴嘴，中國國內的廠家基本都依賴中國國外產品，其供貨周期長，維護不方便，不利於MTP工藝的長周期穩定運行。這些問題一直限制著MTP工藝產品的生產效率和經濟效益。
圖1是一種傳統的用於固定床的霧化噴嘴。如圖1所示，傳統的霧化噴嘴主要包括液相噴嘴1、旋流器2和氣相噴嘴3，其中，整體結構以旋流器2為中心，旋流器2與液相噴嘴1依靠螺紋結構進行連線，氣相噴嘴3與液相噴嘴1相互配合定位連線。這種傳統的霧化噴嘴為氣液外混合的形式，具體地，高速流動的氣體在氣相通道內呈射流狀噴出，相對氣體而言，液體通過噴口低速流出，最終氣體通過快速地膨脹實現液體的剪下、液滴的破碎，進而實現霧化過程。在工作過程中，氣體流入兩個噴嘴之間的環隙通道，經液相噴嘴外壁上的旋流槽實現旋轉，從噴口高速噴出；液體經旋流器2旋轉噴出後在外部與高速旋轉的氣體混合，最終形成氣液混合均勻的錐形噴霧場。
但是，圖1中所示出的霧化噴嘴存在以下缺陷：首先，傳統的霧化噴嘴的氣相通道是由液相噴嘴與氣相噴嘴之間的環隙所形成的，這種結構中氣相流對液相流的擠壓作用非常明顯，其霧化角度甚至不到15°，液相分布呈現中間高兩邊低的狀態，從而使床層表面形成的霧化範圍非常有限，甚至不足要求覆蓋範圍的1/3，霧化均勻性差。此外，由於MTP反應系統中液相管路存在尺寸不均的固體雜質，非常易於產生堵塞與磨損問題。
因此，非常有必要設計一種霧化均勻性好、防堵塞、耐磨損的霧化噴嘴及固定床。
發明內容
技術方案
《霧化噴嘴及固定床》提供了一種霧化均勻性好、防堵塞、耐磨損的霧化噴嘴及固定床，旨在克服現有技術中所存在的缺陷。
《霧化噴嘴及固定床》提供了一種霧化噴嘴，所述霧化噴嘴包括旋流器、內噴嘴和外噴嘴，所述內噴嘴穿設於所述外噴嘴中，所述旋流器穿設於所述內噴嘴中；所述外噴嘴的內壁與所述內噴嘴的外壁界定出一個環形的氣相通道，所述旋流器的外壁與所述內噴嘴的內壁界定出一個環形的氣液混合通道，所述氣液混合通道與外部的液相通道相通；所述內噴嘴的側壁開設有多個氣流孔，所述氣液混合通道通過所述氣流孔與所述氣相通道連通；所述旋流器的頭部設定有一個或多個第一旋流槽，所述內噴嘴的端部開設有噴霧出口，所述外噴嘴的端部開設有一個或多個旋流孔，所述氣液混合通道經所述第一旋流槽、所述噴霧出口和所述旋流孔與外部相通；所述內噴嘴上開設有一個或多個第二旋流槽，所述氣相通道通過所述第二旋流槽和所述旋流孔與外部相通。
優選地，所述霧化噴嘴還包括：安裝端座，沿所述安裝端座的軸向設定有第一通孔，所述安裝端座上繞所述第一通孔設定有環形的第二通孔；連線件，沿所述連線件的軸向設定有第三通孔，所述連線件的第一端與所述安裝端座的端部連線，並且所述第三通孔與所述第一通孔對齊，所述第一通孔和所述第三通孔共同形成所述液相通道。
優選地，所述內噴嘴上設定有容納槽，所述容納槽的槽口位於所述內噴嘴的第一端的端面，所述內噴嘴的第一端與所述連線件的第二端連線，並且所述容納槽的槽口與所述第三通孔對齊；所述旋流器固定在所述容納槽中，並且所述旋流器的頭部朝向所述容納槽的槽底；所述容納槽的槽面與所述旋流器的外軸面界定出環形的所述氣液混合通道。
優選地，所述外噴嘴是一端開口的槽型結構，所述外噴嘴套設在所述內噴嘴的外部，並且所述外噴嘴的槽口朝向所述安裝端座設定，所述外噴嘴上槽口所在的端部與所述安裝端座連線，所述容納槽上的噴霧出口位於所述外噴嘴的槽底；所述氣相通道與所述第二通孔對齊。
優選地，所述連線件與所述內噴嘴之間設定有環形的墊片。
優選地，所述墊片是紫銅墊片。
優選地，所述旋流器、所述內噴嘴、所述連線件和所述外噴嘴共軸設定。
優選地，所述氣流孔沿著所述容納槽的橫截面的切向設定。
優選地，所述連線件與所述安裝端座螺紋連線。
優選地，所述內噴嘴與所述外噴嘴過盈配合連線。
《霧化噴嘴及固定床》還提供了一種固定床，所述固定床包括如上所述的任意一種霧化噴嘴。
改善效果
採用《霧化噴嘴及固定床》所提供的霧化噴嘴及固定床，可以有效地解決MTP噴嘴的堵塞，磨損，螺紋咬死以及霧化均勻性差等問題，從而可以提高催化劑床層的壽命和產品收率。
附圖說明
圖1是一種傳統的用於固定床的霧化噴嘴。
圖2是《霧化噴嘴及固定床》的霧化噴嘴的一種優選實施例。
圖3是圖2中A-A向的剖面圖。
圖4是圖2中旋流器的結構圖。
技術領域
《霧化噴嘴及固定床》涉及一種霧化噴嘴及包括該霧化噴嘴的固定床。
權利要求
1.一種霧化噴嘴，其特徵在於，所述霧化噴嘴包括旋流器、內噴嘴和外噴嘴，所述內噴嘴穿設於所述外噴嘴中，所述旋流器穿設於所述內噴嘴中；所述外噴嘴的內壁與所述內噴嘴的外壁界定出一個環形的氣相通道，所述旋流器的外壁與所述內噴嘴的內壁界定出一個環形的氣液混合通道，所述氣液混合通道與外部的液相通道相通；所述內噴嘴的側壁開設有多個氣流孔，所述氣液混合通道通過所述氣流孔與所述氣相通道連通；所述旋流器的頭部設定有一個或多個第一旋流槽，所述內噴嘴的端部開設有噴霧出口，所述外噴嘴的端部開設有一個或多個旋流孔，所述氣液混合通道經所述第一旋流槽、所述噴霧出口和所述旋流孔與外部相通；所述內噴嘴上開設有一個或多個第二旋流槽，所述氣相通道通過所述第二旋流槽和所述旋流孔與外部相通。
2.根據權利要求1所述的霧化噴嘴，其特徵在於，所述霧化噴嘴還包括：安裝端座，沿所述安裝端座的軸向設定有第一通孔，所述安裝端座上繞所述第一通孔設定有環形的第二通孔；連線件，沿所述連線件的軸向設定有第三通孔，所述連線件的第一端與所述安裝端座的端部連線，並且所述第三通孔與所述第一通孔對齊，所述第一通孔和所述第三通孔共同形成所述液相通道。
3.根據權利要求2所述的霧化噴嘴，其特徵在於，所述內噴嘴上設定有容納槽，所述容納槽的槽口位於所述內噴嘴的第一端的端面，所述內噴嘴的第一端與所述連線件的第二端連線，並且所述容納槽的槽口與所述第三通孔對齊；所述旋流器固定在所述容納槽中，並且所述旋流器的頭部朝向所述容納槽的槽底；所述容納槽的槽面與所述旋流器的外軸面界定出環形的所述氣液混合通道。
4.根據權利要求3所述的霧化噴嘴，其特徵在於，所述外噴嘴是一端開口的槽型結構，所述外噴嘴套設在所述內噴嘴的外部，並且所述外噴嘴的槽口朝向所述安裝端座設定，所述外噴嘴上槽口所在的端部與所述安裝端座連線，所述容納槽上的噴霧出口位於所述外噴嘴的槽底；所述氣相通道與所述第二通孔對齊。
5.根據權利要求4所述的霧化噴嘴，其特徵在於，所述連線件與所述內噴嘴之間設定有環形的墊片。
6.根據權利要求5所述的霧化噴嘴，其特徵在於，所述墊片是紫銅墊片。
7.根據權利要求2所述的霧化噴嘴，其特徵在於，所述旋流器、所述內噴嘴、所述連線件和所述外噴嘴共軸設定。
8.根據權利要求3所述的霧化噴嘴，其特徵在於，所述氣流孔沿著所述容納槽的橫截面的切向設定。
9.根據權利要求2所述的霧化噴嘴，其特徵在於，所述連線件與所述安裝端座螺紋連線。
10.根據權利要求1-9中任意一項所述的霧化噴嘴，其特徵在於，所述內噴嘴與所述外噴嘴過盈配合連線。
11.一種固定床，其特徵在於，所述固定床包括根據權利要求1-10中任意一項所述的霧化噴嘴。
實施方式
下面結合實施例對《霧化噴嘴及固定床》進行詳細說明。其中相同的零部件用相同的附圖示記表示。需要說明的是，下面描述中使用的詞語“前”、“後”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附圖中的方向，詞語“內”和“外”分別指的是朝向或遠離特定部件幾何中心的方向。
圖2是《霧化噴嘴及固定床》的霧化噴嘴的一種優選實施例；圖3是圖2中A-A向的剖面圖；圖4是圖2中旋流器1的結構圖。結合圖2、圖3和圖4所示，《霧化噴嘴及固定床》所提供的霧化噴嘴包括旋流器1、內噴嘴2、外噴嘴4、安裝端座9和連線件3。所述旋流器1、所述內噴嘴2和所述外噴嘴4形成一個整體，並通過所述連線件3連線在安裝端座9上。優選地，《霧化噴嘴及固定床》所提供的霧化噴嘴可以用於固定床上。
所述旋流器1、所述內噴嘴2和所述外噴嘴4由內到外層層套設，具體地，所述內噴嘴2穿設於所述外噴嘴4中，所述旋流器1穿設於所述內噴嘴2中。所述外噴嘴4的內壁與所述內噴嘴2的外壁界定出一個環形的氣相通道6，所述氣相通道6中通有噴霧過程中所用的氣體。所述旋流器1的外壁與所述內噴嘴2的內壁界定出一個環形的氣液混合通道8，所述氣液混合通道8與外部的液相通道7相通。在具體實施過程中，所述氣相通道6中的氣體和液相通道7中的液體最後在所述氣液混合通道8中進行混合，以產生噴霧。
所述內噴嘴2的側壁開設有多個氣流孔21，所述氣液混合通道8通過所述氣流孔21與所述氣相通道6連通；所述旋流器1的頭部設定有一個或多個第一旋流槽11，所述內噴嘴2的端部開設有噴霧出口22，所述外噴嘴4的端部開設有一個或多個旋流孔41，所述氣液混合通道8經所述第一旋流槽11、所述噴霧出口22和所述旋流孔41與外部相通；所述內噴嘴2上開設有一個或多個第二旋流槽23，所述氣相通道6通過所述第二旋流槽23和所述旋流孔41與外部相通。
一方面，液相通道7中的液體和氣相通道6中的一部分氣體進入氣液混合通道8中進行混合形成噴霧，另一方面氣相通道6中的另一部分氣體通過第二旋流槽23與旋流孔41旋轉噴出，以擴大噴霧範圍。
在圖2-4中所示的優選實施例中，液相通道7和氣相通道6是通過以下方式實現：沿所述安裝端座9的軸向設定有第一通孔91，所述安裝端座9上繞所述第一通孔91設定有環形的第二通孔92；沿所述連線件3的軸向設定有第三通孔31，所述連線件3的第一端與所述安裝端座9的端部連線，並且所述第三通孔31與所述第一通孔91對齊，所述第一通孔91和所述第三通孔31共同形成所述液相通道7。
在優選實施例中，所述旋流器1、所述內噴嘴2、所述連線件3和所述外噴嘴4共軸設定。如圖2-4所示，所述內噴嘴2上設定有容納槽，所述容納槽的槽口位於所述內噴嘴2的第一端的端面，所述內噴嘴2的第一端與所述連線件3的第二端連線，並且所述容納槽的槽口與所述第三通孔31對齊；所述旋流器1固定在所述容納槽中，並且所述旋流器1的頭部朝向所述容納槽的槽底；所述容納槽的槽面與所述旋流器1的外軸面界定出環形的所述氣液混合通道8。所述外噴嘴4是一端開口的槽型結構，所述外噴嘴4套設在所述內噴嘴2的外部，並且所述外噴嘴4的槽口朝向所述安裝端座9設定，所述外噴嘴4上槽口所在的端部與所述安裝端座9連線，所述容納槽上的噴霧出口22位於所述外噴嘴4的槽底；所述氣相通道6與所述第二通孔92對齊。
在實際套用過程中，對於傳統的設計而言，旋流器1的旋流槽非常小，而且由於液相進料溫度為35℃左右，氣相進料溫度為280℃左右，床層局部最高溫度可達600℃以上，噴嘴內外溫差變化較大，在噴嘴的連線處，螺紋受到熱應力的作用易發生變形和咬死現象。針對這種情況，《霧化噴嘴及固定床》優選地在所述連線件3與所述內噴嘴2之間設定有環形的墊片5，例如紫銅墊片；所述連線件3與所述安裝端座9通過螺紋連線。這種設計中，紫銅墊片既可以實現密封，又可以吸收螺紋的熱變形量，使外噴嘴4與安裝端坐的連線螺紋不易發生咬死。
更優選地，所述內噴嘴2與所述外噴嘴4過盈配合連線。外噴嘴4與內噴嘴2過盈配合為一體之後，一方面通過螺紋與安裝端座連線，另一方面通過紫銅墊片與連線件3實現密封，由於紫銅墊片良好的的熱膨脹性及密封性能，同時可以滿足這兩方面的作用。
在一個具體的實施例中，《霧化噴嘴及固定床》所提供的霧化噴嘴主要包括旋流器1、內噴嘴2、連線件3和外噴嘴4、銅墊片5。旋流器1在錐面上開有較大尺寸的旋流槽，使流體產生旋轉。旋流器1通過螺紋與內噴嘴2相應的錐面緊配合。連線件3與安裝端座9通過螺紋連線，連線件3通過紫銅墊片5與內噴嘴2連線並密封。外噴嘴4與內噴嘴2的環隙構成氣相通道6，出口處開有旋流孔41。其中，外噴嘴4與內噴嘴2通過過盈端面連線，二者裝配成為一體。在內噴嘴2的氣相旋流槽之前開有切向的氣流孔21（如圖3），小股氣流切向進入液相通道7，與液相混合後經旋流器1（如圖4）旋轉噴出。大部分氣相經內噴嘴2上的旋流槽後由外噴嘴4的旋流孔41旋轉噴出，進一步霧化和增大霧化範圍。與傳統的設計相比，液相噴嘴分離為內噴嘴2與內連線件3，依靠內連線件3與端座連線，內噴嘴2與內連線件3之間依靠經固溶處理的紫銅墊片5密封。同時，內噴嘴2和外噴嘴4通過過盈配合裝配成一體，通過外噴嘴4的螺紋與端座連線，並且紫銅墊片5可吸收其螺紋的熱變形量，這樣的結構特點保證了噴嘴與端座間不易發生螺紋咬死難拆卸的問題。其原因是：紫銅墊片熱膨脹性能良好，具有很好的韌性和抗壓性；並且紫銅墊片吸收了螺紋的熱變形量，使螺牙沒有變形和損壞，可以順利拆下。
對於《霧化噴嘴及固定床》的設計，液相通道不再只是依靠壓力霧化，氣流的混入推動液相向前，配合更大的液相出口孔徑，解決了液相噴嘴容易堵塞的問題。液相噴嘴的螺紋連線部分與主噴嘴分離解決了內噴嘴的易咬死的問題。氣相噴嘴與液相噴嘴使用過盈配合連為一體，通過銅墊片密封和吸收外噴嘴與端座螺紋的熱變形量，同樣可以解決外噴嘴的螺紋咬死問題。採用耐磨材料，保證噴嘴不易磨損。大股氣流在外圍旋轉撞擊霧化氣流，可以進一步霧化和增大霧化範圍。
此外，《霧化噴嘴及固定床》還提供了一種固定床，所述固定床包括如上所述的任意一種霧化噴嘴。
採用《霧化噴嘴及固定床》所提供的霧化噴嘴及固定床，可以有效地解決MTP噴嘴的堵塞，磨損，螺紋咬死以及霧化均勻性差等問題，從而可以提高催化劑床層的壽命和產品收率。
進一步，《霧化噴嘴及固定床》具有以下有益技術效果。
第一，《霧化噴嘴及固定床》的設計結構簡單，旋流槽以及液相出口孔徑增大，同時開有氣流切向孔，旋流器採用耐磨材料加工。因較大尺寸的旋流槽以及液相出口孔，再加上氣相的吹掃作用，使得液相的雜質更加流暢的通過噴嘴，不易堵塞。使用耐磨材料，磨損問題也得到解決，使噴嘴不易發生堵塞以及磨損。
第二，內連線件單獨與安裝端坐螺紋連線，外噴嘴與內噴嘴過盈配合為一體與安裝端座連線，這種設計中安裝端座內側的螺紋不會影響到噴嘴的安裝，從而在更換噴嘴時可以不必拆下連線件，減少了因螺紋咬死出現的安裝問題。
第三，外噴嘴的氣相出口為旋流孔，進口噴嘴氣相出口為環隙。通過切向孔的旋轉，出口氣流具有了水平方向的速度分量，氣液兩相流向周邊擴散，使得霧化角度和均勻性增大。使氣流旋轉噴出，增大氣液兩相的霧化角度和混合範圍，從而增大霧化範圍及均勻性。
第四，連線件與內噴嘴之間加裝紫銅墊片。外噴嘴與內噴嘴過盈配合為一體後，一方面通過螺紋與端座連線，另一方面通過紫銅墊片與連線件密封，由於紫銅墊片良好的的熱膨脹性及密封性能，同時可以滿足這兩方面的作用。銅墊既可以密封，又可以吸收螺紋的熱變形量，使外噴嘴與端座的連線螺紋不易發生咬死。
榮譽表彰
2018年12月20日，《霧化噴嘴及固定床》獲得第二十屆中國專利優秀獎。
