一种用于三路流体的甲烷/二氧化碳光热耦合干重整三段式气体混合器及使用方法与流程

1.本发明属于气体混合技术领域，具体涉及一种用于三路流体的甲烷/二氧化碳光热耦合干重整三段式气体混合器及使用方法。


背景技术：

2.甲烷/二氧化碳均是温室气体的重要成员，其资源化利用对于应对气候变化和能源危机具有重要意义。甲烷二氧化碳干重整是经典的转化方式之一，是一种将二氧化碳资源利用化的有效途径，对解决温室效应和改善能源结构具有重要意义；但其又是一个高温吸热反应，能量消耗高，需外界补充大量能量维持反应持续进行。近些年来，光热协同催化受到了人们的广泛关注，由于光照射以后，发现可以有效降低反应开启温度，也有助于提高催化反应效率。
3.作为一种在工业过程中常见且关键的单元操作，混合是指凭借流体所特有的流动特性，利用机械搅拌等操作方法或者流体动力学方法，使两种及以上流体所组成的物料体系中的浓度、温度等均匀分布，使其不均一度不断减低的过程。混合作为工业生产过程中的关键性步骤，不仅影响生产过程的顺利进行，有时候甚至决定了生产效率及产品的优劣。
4.传统气体混合器装置存在的问题主要有：1、目前还没有针对甲烷/二氧化碳光热耦合干重整工艺的气体混合器；2、内部结构复杂且在混合过程中会产生较大阻力，造成较大能量损失；3、实现均匀混合所需的混合距离较长。


技术实现要素：

5.为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于三路流体的甲烷/二氧化碳光热耦合干重整三段式气体混合器及使用方法，为了解决目前传统气体混合器装置内部结构复杂，在混合过程中会产生较大阻力，造成较大能量损失的技术问题；以及气体实现均匀混合所需的混合距离较长的技术问题。
6.为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
7.本发明公开了一种用于三路流体的甲烷/二氧化碳光热耦合干重整三段式气体混合器，其特征在于，包括依次共轴连接的前端进气腔、中端混合腔和后端扩散腔；
8.所述前端进气腔设有第一进气管、第二进气管和第三进气管，第二进气管设置在前端进气腔入口处，第一进气管与第三进气管对称地设置在前端进气腔两侧；第二进气管的气体出口处设有喷嘴；
9.所述中端混合腔的筒体内壁交错设有1号扰流板和2号扰流板，1号扰流板和2号扰流板均与中端混合腔的内壁成倾斜45
°
夹角。
10.优选地，所述后端扩散腔的出口处还设置有微尘滤清器。
11.优选地，所述前端进气腔还设有排气阀，排气阀与第三进气管同侧设置。
12.优选地，所述第一进气管、第二进气管和第三进气管都是插入式进气管。
13.优选地，所述第一进气管、第二进气管和第三进气管均使用镍基焊条进行角焊焊接。
14.优选地，所述第二进气管能够外接一个气体传送装置，第一进气管与第三进气管设有开关。
15.优选地，所述中端混合腔筒体内壁还设有螺钉和卡位槽，1号扰流板和2号扰流板通过螺钉固定于卡位槽。
16.优选地，所述1号扰流板和2号扰流板为半圆形。
17.优选地，气体混合器在有流体经过的转角为圆角。
18.本发明还公开了一种用于三路流体的甲烷/二氧化碳光热耦合干重整三段式气体混合器的使用方法，第一进气管通入co2、第二进气管通入co2和ch4、第三进气管通入ch4，开启第二进气管管道上的气体传送装置，第二进气管的气体在喷嘴的作用下，形成负压区，实现对第一进气管、第三进气管气体的卷吸，完成三路流体第一步混合；第一步混合的气体顺着轴线方向流入中端混合腔，混合气体在1号扰流板和2号扰流板的导向作用下顺着设计路线流动，进入后端扩散腔，进一步混合均匀，之后混合气体流出后端扩散腔，进入微尘滤清器完成净化，顺着管路流向下一个工段，完成整个用于三路流体的甲烷/二氧化碳光热耦合干重整三段式气体混合过程。
19.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
20.本发明所公开的一种用于三路流体的甲烷/二氧化碳光热耦合干重整三段式气体混合器，前端进气腔、中端混合腔和后端扩散腔依次共轴连接，以便混合气体可以较少耗能通过气体混合器，实现三步式气体充分混合；前端进气腔的第二进气管出气口设有喷嘴，流体在喷嘴的作用下，可实现对第一进气管与第三进气管低压气体的卷吸，形成漩涡造成强烈的湍流，实现流体之间的动量与能量的交换和传递，减少能量的损失，完成三路流体第一步混合；中端混合腔内壁交错设有的1号扰流板和2号扰流板均与中端混合腔的内壁成倾斜45
°
夹角，使得混合气体形成局部回流,完成浓度、速度等的均一化，增加了混合气体的混合效率与均匀性，使气体均匀混合所需混合距离缩短，进而提高气体混合器的混合性能，至此完成三路流体第二步混合；混合气体进入后端扩散腔后，开始逐渐减速，湍流度减小，三路气体在后端扩散腔进一步混合均匀，且混合流体的压力增大，压头损失小。
21.进一步地，气体混合器后端扩散腔还配备了一个微尘滤清器，可以对混合气体进行进一步净化处理。
22.进一步地，前端进气腔还设置有排气阀，可定期排掉混合器内杂质。
23.进一步地，第一进气管、第二进气管和第三进气管均使用镍基焊条进行角焊焊接，镍基焊条的塑性较好，有相当的塑性变形储存能，可以有效的避免裂纹产生。
24.进一步地，气体混合器在有流体经过的转角为圆角，混合气体通过弧面逐步融合在一起，可以减少混合气体流动中的阻力损失，从而降低能耗。
附图说明
25.图1为本发明用于三路流体的甲烷/二氧化碳光热耦合干重整三段式气体混合器的整体模型图；
26.图2为本发明气体混合器的左视图；
27.图3为本发明气体混合器的右视图；
28.图4为本发明用于三路流体的甲烷/二氧化碳光热耦合干重整三段式气体混合器的剖面图；
29.图5为前端进气腔剖面示意图；
30.图6为中端混合腔剖面示意图；
31.图7为图6中a部位的局部放大图。
32.其中：1-前端进气腔；1-1-第一进气管；1-2-第二进气管；1-3-第三进气管；1-4-排气阀；2-中端混合腔；2-1-1号扰流板；2-2-2号扰流板；2-3-螺钉；2-4-卡位槽；3-后端扩散腔；4-微尘滤清器。
具体实施方式
33.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
34.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
35.下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
36.参见图1，一种用于三路流体的甲烷/二氧化碳光热耦合干重整三段式气体混合器，包括前端进气腔1、中端混合腔2、后端扩散腔3和微尘滤清器4，前端进气腔1、中端混合腔2和后端扩散腔3是共轴连接，以便混合气体可以较少耗能通过混合器，在后端扩散腔3的出口处还设置有微尘滤清器4，微尘滤清器4可以对混合气体进行进一步净化处理。
37.参见图4，气体混合器在加工时，凡有流体会经过的转角为圆角，即通过弧面逐步融合在一起，以减少混合气体流动中的阻力损失，降低能耗。
38.参见图5，前端进气腔1设有第一进气管1-1、第二进气管1-2、第三进气管1-3和排气阀1-4，第二进气管1-2设置在前端进气腔1入口处，第一进气管1-1与第三进气管1-3对称地设置在前端进气腔1两侧，排气阀1-4与第三进气管1-3同侧设置，排气阀1-4可定期排掉混合器内杂质；第一进气管1-1与第三进气管1-3为圆柱形，第二进气管1-2出气口设有喷嘴，第二进气管1-2流体在喷嘴的作用下，形成高速流体射入前端进气腔，通过动能的增大和压力能的减小，实现对第一、三进气管低压气体的卷吸，形成漩涡造成强烈的湍流，实现流体之间的动量与能量的交换和传递；第一进气管1-1、第二进气管1-2和第三进气管1-3都是插入式进气管，均使用镍基焊条进行角焊焊接，通常采用熔敷金属伸长率为35％的镍基焊条焊接，镍基焊条的塑性较好，有相当的塑性变形储存能，可以有效的避免裂纹产生；第
二进气管1-2外接一个气体传送装置，第一进气管1-1与第三进气管1-3无需外接气体传送装置，需要一个开启开关即可完成，操作便捷方便，节省能耗。
39.参见图4，中端混合腔2在筒体内部交错设有1号扰流板2-1和2号扰流板2-2，1号扰流板2-1和2号扰流板2-2所在平面分别与中端混合腔2相对的两侧壁成倾斜45
°
夹角；参见图6和图7，中端混合腔2筒体内壁还设有螺钉2-3和卡位槽2-4，1号扰流板2-1和2号扰流板2-2通过螺钉2-3固定于卡位槽2-4；1号扰流板2-1和2号扰流板2-2为半圆形，可与筒体更好配合工作。
40.基于本发明提出的一种三路流体的甲烷/二氧化碳光热耦合干重整三段式气体混合器的使用方法，包括以下过程：使用时，将其应用于串联式补热与回热相结合的甲烷/二氧化碳光热耦合干重整系统中，所述系统主要包含尾气净化处理和甲烷/二氧化碳光热耦合干重整处理及产物分离，主要包括了气体混合器、预热器、光热反应器、换热器以及气体分离装置。
41.设定此系统日处理量为1吨，则使用aspen进行模拟得到各个仪器进出口参数具体数值。气体混合器一共有三路进气，第一进气管1-1、第二进气管1-2、第三进气管1-3分别通入co2、co2和ch4、ch4，第一进气管1-1co2流量为11.365kmol/day、温度600℃，第二进气管1-2co2和ch4流量都为11.365kmol/day、温度592.4℃，第三进气管1-3ch4流量为11.365kmol/day、温度25℃。
42.开启第二进气管1-2管道上的气体传送装置，此路气体流量变大，第二进气管1-2的气体在喷嘴的作用下，形成负压区，实现对第一、三进气管低压气体的卷吸，形成漩涡造成强烈的湍流，完成三路流体第一步混合。
43.初步混合的气体顺着轴线方向流入中端混合腔2，中端混合腔2筒体内部交错布置1号扰流板2-1和2号扰流板2-2，混合气体在扰流板的导向作用下顺着设计路线流动，在此处形成局部回流,完成浓度、速度等的均一化，增加了混合气体的混合效率与均匀性。
44.混合气体继续沿轴线流动，进入后端扩散腔3，在后端扩散腔3混合气体逐渐减速，湍流度减小，三路气体在后端扩散腔3进一步混合均匀，且混合流体的压力增大，压头损失小。
45.之后混合气体流出气体混合器，进入微尘滤清器4完成净化，顺着管路流向下一个工段。
46.综上所述，本发明是一种用于三路流体的甲烷/二氧化碳光热耦合干重整三段式气体混合器，尤其适用于三路流体的甲烷/二氧化碳光热耦合干重整工艺，具有结构简单、能耗小、压降低、成本低、可靠性高、混合效果较优等特点。
47.以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。