进料喷嘴组件和用于气/液反应的燃烧器设备

摘要

一种进料喷嘴组件，适于用在涉及气/液反应体系的合成和燃烧反应中，包括多个喷嘴，所述多个喷嘴定位成它们的喷雾彼此撞击，以通过适当平衡液滴的冲击破坏与聚结获得改进的、或维持可接受的、以沙得平均直径形式测量的液滴尺寸。此进料喷嘴组件可以装入到燃烧器设备中，所述燃烧器设备使得环状区与逐渐延伸的挡板结合，用于进料氧气和例如蒸汽的缓和剂气体，环状区和挡板都优选地在例如水套的外部环状冷却装置内。

说明书

优先权

本申请要求2005年1月6日提交的美国申请No.11/030,925的权益。

技术领域

本发明涉及进料喷嘴，更特别地，涉及用于各种气/液反应的进料喷嘴，所述气/液反应包括化学合成反应以及燃烧和其它氧化反应，其中进料喷嘴是燃烧器设备的一部分。

背景技术

各种相关工业使用气/液体系的反应以实现希望的最终结果。这些包括，例如，依靠燃烧作为能源的废物减少工业、化学制造工业、气体制造工业、以及能源相关工业。这些工业中的每一个一般通过通常在温度升高的区域内精细雾化一种或更多种液体流而进行此反应。在气化反应的情况下，雾化和更高的温度都是用来促进液体到气体相变，所述相变提高了在分子水平或接近分子水平的混合，从而有助于获得想要的最终结果。此混合可以是一种或更多种液体化合物或组合物与特定气体如空气、氧气、二氧化碳、蒸汽、惰性气体如氩气或氮气、或它们的组合的混合。

对于上面类型的反应中的每一种，雾化通常发生在某些类型的反应容器中。一种普通类型的反应容器是加有耐火衬里、一般为圆柱形的容器，所述容器用于“燃烧”液体化学废物，所述的液体化学废物通常为卤代烃的混合物。因为卤代烃中的很多为氯化化合物，所以术语“R-Cl”通常用于描述它们。本质上，相同类型的燃烧反应如在简单内燃机中一样完成的，例如，在简单内燃机中，雾化液体流在高温区域与氧混合，且理想的高转化率产生最终的氢、二氧化碳和一氧化碳产物，产物中含最小量的残余碳(“烟灰”)。根据对原料(the starting)和想要的最终产物的需要，将其它类型的反应容器用于很多种化学合成操作。

所列举的工业为研发用于将它们特定的原料液体流输送到适当反应容器中的适当进料喷嘴做出了很多创新。他们认识到在反应器内影响转化率的很多因素，并且设计进料喷嘴以改变液体的速度、流体动力学特性以及喷射模式。这些设计选择本质上由一个接受的概念启发：即液体的液滴大小在确定过程的最终结果即性能方面是重要的因素。简而言之，如果液滴太大，液体流与例如氧气的气体流混合会降低。如果混合降低(由分子之间界面的降低引起)，液体流的转化率将同样减小。如果转化率减小，结果将通常是残留的未反应的液体进料，所述的残留的未反应的液体进料可以形成烟灰或离开反应器，这会导致不希望的环境问题。此烟灰可以堵塞设备，这导致昂贵的停机时间。由此，进料喷嘴技术一贯地认识到，为了保证维持适当的小的液滴尺寸，进料喷嘴的孔必须受到限制，这限制了喷嘴的通过量。此固有的液滴尺寸限制迄今一直限制操作效率，并导致了使用多个平行的反应容器或具有多个燃烧器喷嘴的单个反应容器，所述多个燃烧器喷嘴布置成雾化流不会聚。这是因为本领域普通技术人员已经将以下接受为公知常识：雾化流的会聚易于导致液滴尺寸的增大，因此转化率降低。

重要的是应当注意到喷雾的特性可以几种方式表达。一种通常的方式是使用喷雾的液滴尺寸平均值，例如“沙得平均直径”(SMD)。喷雾的SMD是具有与整个喷雾相同的表面/体积比的平均液滴尺寸。可选地，喷雾可以由其“体积中线直径(volume median diameter)”(“D_V”)来表征。此方法描述大于喷雾的特定比例的液滴直径。例如，如果喷雾被描述为具有某一直径值的”D_V90”，这意味着约90％的喷雾体积处于小于该直径的液滴的状态中。相似地，某一直径值的“D_V50”意味着约50％体积的液体处于小于该直径的液滴的状态中。因为液滴遵循液滴蒸发的所谓“D平方律”，即蒸发时间与液滴尺寸的平方成比例，喷嘴性能的最好指标中的一个是喷雾的D_V90。最佳化的喷嘴系统也显示了喷雾的D_V90与液滴的SMD之间的直接比例关系。考虑到这些关系，于是，SMD可以用来提供任何喷雾的清晰表征。

进料喷嘴在例如废物减少工业中用作所谓的“燃烧器”的构件的情况中，遇到了另一问题。如在此使用的，术语“燃烧器”指这样的设备，所述设备包括例进料装置如喷嘴，以及在高温环境中将液体进料流与气体例如氧气混合以便促进进料流的燃烧的装置。喷嘴周围的环境的高温以及通常腐蚀性质的组合，即雾化的液体进料和气体的混合物的高温以及通常腐蚀性质的组合，易于缩短燃烧器的使用寿命。这种缩短是由用于构成燃烧器及其含有的喷嘴的金属的腐蚀和/或热疲劳所引起的。

当不相容的(incompatible)液体进料流被指定用于单个反应器时，产生特别在废物减少工业中遇到的再一个问题。此问题的一个实例是含有少量可聚合单体的流，一旦流混合，可聚合单体就可能聚合。在这些情况下，预混合是不实际的，因为聚合材料的形成可以堵塞设备，并且在内部混合燃烧器的情况下，在聚合物/气体反应产生不希望的产物的情况下甚至会缩短燃烧器寿命。

考虑到这些问题，在本技术领域中希望的是，识别出(identify)用于将具有受控的液滴尺寸的雾化液体进料流有效地引入到用于各种类型反应的反应容器中的装置。同样希望，这些引入的意图是完成废物进料流的燃烧，控制液滴大小，同时保护包括进料装置的燃烧器免受易于缩短燃烧器寿命的环境因素的影响。

发明内容

本发明是设计用于在增加单个反应容器内的给定操作的效率的同时，确保维持适当的液滴尺寸的进料装置。在一个实施方案中，这是对用于气/液反应体系的进料装置的改进，其中进料喷嘴组件包括多个进料喷嘴，所述进料喷嘴适于雾化至少一股液体进料流以形成喷雾，所述进料喷嘴定位成所述喷雾彼此撞击。此撞击的结果是，撞击后的喷雾的液滴的沙得平均直径基本上小于或等于在撞击之前的液滴的沙得平均直径。将可以包括适当数量喷嘴的选择在内的喷嘴布置最优化，以在不存在不可接受的转化率损失的情况下，在给定的时间段内确保想要的进料体积。

在另一个实施方案中，本发明是用于其中采用了描述的进料喷嘴组件的气/液反应体系反应的方法。

在再一个实施方案中，本发明是对用于气/液反应体系反应的燃烧器设备的改进，包括进料喷嘴组件，所述进料喷嘴组件沿中心轴定位，并使用适于雾化至少一股液体进料流的多个进料喷嘴以形成喷雾，所述进料喷嘴定位成喷雾彼此撞击，从而撞击后的喷雾的液滴的沙得平均直径基本上等于或小于在撞击之前的液滴的沙得平均直径。本发明的燃烧器设备也包括：环形定位到进料喷嘴组件的缓和剂气体进料区、氧气进料区、混合的缓和剂气体/氧气进料区、或它们的组合。也可以包括任选的环状冷却区。这些环状进料区可以构造成每一个环状进料区的外部挡板延伸超过所围绕的环状进料区的外部挡板，且最内的环状区具有延伸超过位于中心的进料喷嘴组件的外部挡板。这些特征保证了由进料喷嘴发射的喷雾首先通过由最内的环状进料区形成的罩环境(cap environment)。

最后，在又一个实施方案中，本发明是使用所述改进的燃烧器设备气化液体废物流的方法。

附图说明

图1是燃烧器设备的一个实施方案的侧视图的横截面，所述燃烧器设备装有本发明的进料喷嘴组件并示出为由单个液体进料流进料；

图2是进料喷嘴组件的另一个实施方案的横截面，所述喷嘴组件被装入本发明的燃烧器设备中，其中进料喷嘴组件由多于一个的液体进料流进料；和

图3是在进料喷嘴组件壳体内的七个喷嘴的排列的端头向前的横截面的示意图。

具体实施方式

本发明的进料喷嘴组件是防止与仅使用一个进料喷嘴有关的问题出现的简单但极其有效的装置，同时惊人的是，教导抛弃已经接受的知识，也就是，“喷雾”即雾化的液体进料流的会聚不可接受并自动地增大液滴的尺寸，从而改进不良的转化率和整个过程性能。现在已经发现的是，通过适当调整进料喷嘴的数量和它们相对于彼此的定位，并考虑到每一个进料喷嘴关于最大进料速度、孔构造以及最终的喷雾模式的特性，所述喷雾可以如此方式撞击以便平衡液滴的冲击破坏和聚结，从而确保用于给定操作的想要的液滴尺寸，同时使得潜在的进料流输入速率最大化。

撞击明显地需要至少两股喷雾，它们在反应容器内的轨道在某点重叠。为了多种目的，理想的是确保此重叠在进入反应容器内之后尽可能快地发生，换言之，重叠尽可能地靠近进料喷嘴孔。这使得一种或多种液体进料流(其可以相同或不同)与至少一股气体进料流例如氧气的混合最大化，并且附带地减少了对较大反应容器的需要。由此，在本发明中优选的是，进料喷嘴定位成非常靠近，甚至有一些彼此直接接触。距离的调整是常规设计分析的内容，以通过增加低速碰撞的发生率，确定相对于可以易于增加聚结的任何气相湍流的压力和速度的最优平衡。

进料喷嘴的相对位置可以用于增加或减少或撞击面积。例如，进料喷嘴可以朝向彼此倾斜，如图1中所示，从而它们的孔比远离每一个对应的孔的那些喷嘴部分更靠近地在一起。常规采用的工程分析和建模将有助于确定最优定向，但是在选择此倾斜定向的情况下，喷嘴的定位可以处于从约0度(平行的喷嘴)到约90度(直接彼此面对)的基本上任何相对角。更优选的是在约30度到60度之间的角度，并且最优选的是在40度到50度之间的角度。为简单起见并考虑到重力，优选的是角度面向下。不过，向上的角度也可以被采用，并通过增加每一个液滴的碰撞数，可以增加冲击破坏对聚结的最终比率。

然而，本领域普通技术人员将理解的是，喷嘴的定向可以理想地考虑任何给定喷嘴的喷雾模式。每一个喷嘴，根据其孔、和通向孔的流动导管的几何形状，显示出了特征性(在某些情况下可调节)的喷雾模式。这些模式可以是所谓的“中空锥”或“实心锥”构造，或可以描述为形成扇形或展平的锥形，或中空或实心的圆柱形。也可以使用其它构造。喷嘴可以是压力漩涡类型或其它类型。尽管对给定的液体进料流的需要，包括它的纯度、自聚潜力和其它特征，可以指令用于特定构造的优先选择，但是大多数商业上可获得的工业用压力漩涡喷嘴显示出“中空锥”的模式，因此仅为方便起见，“中空锥”的模式在此是优选的。当然，“锥”直径将根据离进料喷嘴的距离而变化，但是在孔处的锥的角度在很多商业模式中约为80度。由此，仅为说明目的，图1和图2中示出这种角度。

本领域普通技术人员将自然理解的是，选择例如具有圆柱形喷雾模式的喷嘴，将需要喷嘴朝向彼此至少成某一角度，以确保希望的撞击水平。相反，也应当理解的是，具有宽锥喷雾模式的喷嘴甚至能够定位在彼此远离的角度(即，喷嘴的孔比远离对应的孔的喷嘴部分分得更开，如图2中所示)，但是仍然至少获得了一些撞击。应该记住的是，撞击的最大化，特别在使用多个(多于两个)喷嘴的情况下，通常等同于撞击的最优化，因为液滴的冲击破坏/聚结的比率的增加易于提高转化率和整个反应效率。优选地，撞击前(pre-impingement)的喷雾的液滴显示出小于或等于约500微米的SMD，这意味着撞击后的喷雾的液滴的SMD基本上与撞击前的SMD相同。如在此使用的，“基本上”意味着在±5％的范围内。由此，如果撞击前的喷雾具有例如300微米的SMD，那么撞击后的喷雾的液滴将理想地落入小于或等于300微米加或减15微米的范围内。理想的是考虑液体进料流材料的表面张力，因为较低表面张力的流体易于聚结得少些，因此在撞击之前和之后通常显示出较低的沙得平均直径。

应该注意的是，撞击可以改变撞击后的喷雾区的形状。例如，已经发现：由于几个喷嘴围绕中心喷嘴环形排列、且环形喷嘴都通常朝向中心线倾斜而得到的多个扇形喷雾的撞击，可以导致具有圆柱形构造的密集喷雾。由此，单个喷嘴的喷雾模式的初始形状将是确定(未撞击的)液滴的初始SMD的因素，但是在撞击后的喷雾中不可在视觉上被识别。

在选择多个进料喷嘴的情况下，空间和整个设计优先选择将倾向于推荐一簇紧密定位的喷嘴，从而使得喷嘴“组件”(如在此所限定的，所述组件没有具体要求多个喷嘴彼此连接)构造为“集合物”(如在此所限定的，所述集合物不需要喷嘴自身的物理连接和/或流体连通到液体进料流源的它们的支撑衬里的至少一部分的物理连接)。这种簇图示在图3中，图3显示了用于七个喷嘴的最大化的装填(packing)，所述七个喷嘴包括定位成围绕第七个中心喷嘴的排列的六个喷嘴。通常，优选的是，喷嘴的数量为2到约100，且为了制造方便，3至25个是更优选的。有经验的技术人员可以想象在此主题上做出很多变化，包括例如围绕中心喷嘴的三个或四个喷嘴的排列；以三角形模式布置的三个喷嘴；或径向排列或成排或成行排列的很大数量的喷嘴。液体流进料喷嘴也可以围绕中心气体流进料环状排列。本发明不特别需要布置的对称或不对称，但是特别要求至少两股喷雾的至少一些撞击。在选择喷嘴朝向彼此倾斜的情况下，整个凹入设计，例如图1中所图示的，其中中心喷嘴相对于围绕的、环状排列的喷嘴凹入，可以是特别有效的。

应当理解的是，内部喷嘴设计的苛求超出本发明的保护范围，因此不需要在此详细讨论；然而，本发明的一个潜在的优点的确提出了对传统喷嘴设计的有趣变型的基础。仅仅因为本发明使用多个进料喷嘴，这增加了输出速率并因此提高了效率，而不是此前(heretorefore)通常用于在此设想的反应类型的单个进料喷嘴，所以可以将两种或更多种化学上不同的液体流同时进料到反应容器中。由此，两种或更多种液体反应物可以被同时进料到合成容器中，以便在与气体的反应中生成想要的产物；或备选地，在技术上可以是反应性的两种或更多种液体废物流可以同时进料到废物燃烧器容器中，且即便有也没有遇到禁止级别的不希望的反应。基于此点，于是本领域普通技术人员将容易了解的是，单个进料喷嘴，在此限定的单个进料喷嘴是指容纳从液体进料流源流动到孔的至少一个流动导管连接部分的压力产生壳体，当配备有多于一个的流动导管连接部分从而配备有多于一个的孔时，可以实现相同的目的。这进一步例示在图2中，其中可以看到的是，一股特定的进料流(R-Cl#1)供给孔142和148，而第二股不同的进料流(R-Cl#2)仅供给孔136。此喷嘴设计的变型在此也可以被理解在术语“进料喷嘴组件”的范围内。本领域普通技术人员将进一步理解的是，喷嘴设计中的更改，特别是易于增加压力和/或流率的更改，也可以使用在本发明中以便减小初始液滴尺寸，并因此也减小撞击后的液滴尺寸。

本发明的特别的优点在于，本发明可以使用在不相容的液体进料流被进料到反应器中的情况中。如在此所使用的，“不相容的”指反应以产生不希望的反应产品的进料流。其实例是聚合以形成聚合物的单体，所述聚合物可以不希望的方式堵塞设备或可以生成具有不希望的环境后果的产物。由此，“相容的”指这样的进料流，所述的进料流尽管它们可以反应，但是不生成因为任何原因是不希望的反应产物，或可以实际上是希望的反应产物的反应产物。

本发明的进一步的优点涉及启动的问题。在很多情况下，因为与必然的压力陡升(pressure ramp-up)相关的液滴尺寸的变化，单喷嘴反应器系统的转化率在启动时是很低的。当压力在操作水平上稳定时，液滴尺寸同样稳定，但是在陡升期间，可能出现与过大的液滴相关的所有问题，包括很弱的气/液反应、低的转化率、堵塞等。然而，在本发明中，喷嘴可以希望的顺序起动，且具有撞击以破碎液滴的效果，用于至少部分抵消在压力陡升期间出现的、在单个喷嘴内的较差的雾化。在一些情况下，已经发现的是，使用六个喷嘴围绕第七个中心喷嘴的排列，以及首先通过中心喷嘴开始进料，此后紧接着通过剩余的喷嘴另外进料，导致转化率提高。常规的工程分析以及建模将容易地确定在启动时间段期间将显著改进性能的顺序和压力陡升曲线。

上述的本发明进料喷嘴组件可以装入本发明的燃烧器设备中。这些设备特别适于使用在废物燃烧中，其中要被破坏的液体理想地在雾化、喷雾条件下与一种或多种气体混合。这些气体可以是空气、氧气、二氧化碳、蒸汽、惰性气体例如氩气或氮气、或它们的组合等。通过在形成中心轴的位置设置本发明的进料喷嘴组件，且离散气体进料区环形布置到其上，本发明的燃烧器设备提供了有效地完成此混合的装置。例如，在一个实施方案中，最内的环形区可以是缓和剂气体进料区。这种缓和剂气体可以上面确定的气体中的任何一种，但是通常是蒸汽，所述蒸汽方便地缓和气化可以发生的温度。在另一个实施方案中，存在两个或更多个向外连续的环形进料区，这些环形进料区中的一个是缓和剂气体进料区，且这些环形进料区中的另一个(the other)是氧气进料区。如此处所用的术语，“氧气进料区”是指包括任何比例的氧气的气体进料，并由此包括空气进料以及通常含有从1-100％重量百分比的氧气的那些气体进料。

本发明燃烧器设备的特别希望的特征涉及环形区的外部挡板。如图1和图2中所示，并且如下面进一步讨论的，外部挡板可以连续延伸，使得液体进料与每一个气体进料的混合最大化而可以干扰混合的湍流最小化。显著地，第一外部挡板延伸超过进料喷嘴组件的端部，从而最内的环形进料区的气体进料易于形成“罩环境”，即主要仅仅是来自进料喷嘴的喷雾和通过最内的环形区进料的气体被混合的区域。本领域技术人员将理解的是，此“罩环境”的温度和组成可以如此方式进行控制，以提供对进料喷嘴的一些保护或其它益处，从而潜在地延长进料喷嘴组件的寿命，由此延长燃烧器的寿命。例如，在此“罩环境”中可以维持一致的温度，这降低了对可以用于制造进料喷嘴组件的金属的热应力。

最后，在一个实施方案中，可以使用某种类型的外部冷却装置，以便进一步减小对燃烧器设备和/或反应器本身的热应力。例如，可以设置在任何或所有环形进料区的外部的环形冷却装置可以提供希望的温度控制。这可以是例如传统的水套，在所述水套中，冷却水或冷水在连续的基础上被进料到开放或封闭的循环类型套中，其中水在其从设备离开之前从设备吸取热量。这种水套可以形成燃烧设备的最终的外“层”。

参照附图将有助于读者理解本发明的整个概念。然而，附图意欲并且应该被理解为仅仅是说明性的，而不是表示本发明的范围或表示后附的发明人的权利要求的范围。

图1是包括本发明进料喷嘴组件的本发明燃烧器设备的局部横截面侧视图。在此图中，进料喷嘴组件12显示为位于暗示为圆柱形燃烧器设备15的大致中心处。首先注意进料喷嘴组件，看到的是，示出了三个独立的喷嘴18、21和24。每一个喷嘴具有喷嘴主体27、头30和孔33。孔33通过喷嘴导管39与进料流导管36流体连通，所述喷嘴导管39转而与液体进料源(没有示出)流体连通。在进料喷嘴组件的壁42的外部是构成第一缓和剂气体进料区45的环形区。此环形缓和剂气体进料区45具有延伸超过喷嘴孔33的第一缓和剂气体外部挡板48。从进料喷嘴组件12的中心轴51朝向图中的外边缘移动，且因此暗示从中心内部朝向燃烧器的外部，接下来的环形区是氧气进料区54。再次，氧气进料区54被它的氧气进料区挡板57围绕，所述氧气进料区挡板57延伸超过缓和剂气体进料区挡板48。下一个环是第二缓和剂气体进料区60，其中第二缓和剂气体进料区60的第二缓和剂气体进料区挡板63延伸超过紧接着在前的氧气进料区挡板57。最后，在燃烧器设备的外部的最后的环是冷却装置挡板66，所述冷却装置挡板66例如可以是水套。读者将看到的是，每一个环的挡板从喷嘴组件逐渐向外延伸的效果是形成一个凹入的出口，所述凹入出口处于基本上且优选为圆柱形的结构中，即作为总体的燃烧器设备中。已经绘出中空的锥形喷雾69、72和75，以表示通过喷嘴18和24向内朝向中心喷嘴21倾斜而实现的大量喷雾撞击。标记的箭头表示液体进料流向中心进料导管36内的引入；缓和剂气体向缓和剂气体进料区45和60内的引入；氧气向氧气进料区54内的引入；以及水向冷却装置挡板66内的引入。同样示出了缓和剂气体罩环境78，中空的锥形喷雾69、72和75必须通过所述缓和剂气体罩环境78。这图示了得到湍流辅助的大部分的气/液混合，将在缓和剂气体罩环境78之外出现，从而在只有氧气(或其它气体)的情况下，或在氧气(或其它气体)与液体混合的情况下，减少了喷嘴头30的露出。

图2显示了图1中的实施方案的变型。再次，图2是本发明的燃烧器设备的横截面，再次装有进料喷嘴组件112，该进料喷嘴组件112同样是本发明的进料喷嘴组件，但是有些修改。在图2中，喷嘴标示为118、121和124。然而，进料喷嘴组件112的内部的细节被示出。内部特征包括一个中心进料导管127和一个环形进料导管130。应当注意的是，环形进料导管130通过通道133与喷嘴118及其孔136流体连通，但是应当注意的是，中心进料导管127通过中心通道139与喷嘴121及其孔142流体连通，并且通过分支进料通道145也与喷嘴124及其孔148连通。示意性示出的三个喷嘴中的每一个的喷雾模式(暗指中空锥)，以及喷嘴118和124相对于彼此的向外倾斜，得到撞击区151、153和154。图2进一步表示环形缓和剂气体进料区157及其缓和剂气体进料区挡板160；环形氧气进料区163及其氧气进料区挡板166；和它们外部的环形冷却装置169。标记的箭头表示两种不同的进料，即R-Cl#1和R-Cl#2分别向中心进料导管127和环形进料导管130内的引入；以及缓和剂气体向环形缓和剂气体进料区157内的引入；氧气向环形氧气进料区163内的引入；以及水向环形冷却装置169内的引入。在喷嘴孔136、142和148处发出的喷雾在与氧气混合之前必须通过缓和剂气体罩环境173。

图3是七个喷嘴的排列的端头向前的横截面的简单示意图，所述七个喷嘴的排列例如可以使用在进料喷嘴组件201内。最小的圆代表在喷嘴内的通道204，例如通道204对应于图2中的133。较大圆代表喷嘴头自身的外部横截面207，且最大的围绕的环代表进料喷嘴组件201的外壁213。

以上讨论的描述、图和实例的意图是给有经验的专业人员提供理解本发明所需的总的概念、装置和方法，且当与本领域技术人员的典型理解水平结合时，实践本发明。因此应当理解的是，并不是被认为在本发明的保护范围内的所有实施方案在此都得到详细的描述，且每一个实施方案的很多变型将仍然落入本发明的总的保护范围内，所述的变型包括但不限于在此没有明确或详细描述的进料喷嘴组件和燃烧器设备材料、定向、构造、布置和应用。