技术领域
本发明涉及化工领域，具体地，涉及一种淬冷器以及制备乙炔的装置。
背景技术
乙炔是重要的基础化工原料。目前，制备乙炔的通常方法包括电石法、 甲烷电弧裂解法等。但随着工业应用中对环境和能耗要求的提高，利用热等 离子体裂解碳质材料(如煤炭)制备乙炔的工艺逐渐兴起。
利用热等离子体裂解碳质材料(如煤炭)制备乙炔的工艺的基本原理为： 在高温、高焓、高反应活性的电弧热等离子体射流中，使煤炭的挥发分甚至 固定碳可直接转化为乙炔。而在完成裂解后，乙炔作为热等离子体裂解碳质 材料的主要气相产物，需要确保乙炔具有较好的稳定性，以有效防止乙炔继 续分解为碳黑和氢气，获得理想的乙炔产出率。因此，需要利用淬冷器对热 等离子体裂解碳质材料的混合产物进行淬冷。
目前，本领域中已经提出了若干种淬冷器，例如中国发明专利 CN101823935B。在传统的淬冷器中，大都通过将裂解气和淬冷剂同时通入淬 冷器内部空间中，使裂解气和淬冷剂在该内部空间中进行混合，从而实现淬 冷。然而，这种传统的淬冷器仅依靠裂解气和淬冷剂在空间上分布而实现混 合，难以达到裂解气和淬冷剂更为充分的混合，进而也难以进一步提高淬冷 效率。
因此，在热等离子体裂解碳质材料制备乙炔的工艺中，如何实现更为理 想的淬冷效率成为本领域需要解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于热等离子体裂解碳质材料制备乙炔的工 艺中的淬冷器、淬冷方法和制备乙炔的装置，该技术方案能够获得较高的淬 冷效率。
为了实现上述目的，本发明提供一种用于热等离子体裂解碳质材料制备 乙炔的工艺中的淬冷器，该淬冷器包括淬冷器本体，该淬冷器本体包括：
裂解产物入口，用于将裂解产物导入所述淬冷器本体内部；
淬冷剂入口，用于将淬冷剂导入所述淬冷器本体内部，所述裂解产物入 口和淬冷剂入口设置为能够使得导入所述淬冷器本体内部的裂解产物和淬 冷剂在所述淬冷器本体内彼此混合并在所述淬冷器本体内形成旋流；
固体/液体产物出口，该固体/液体产物出口在所述淬冷器本体的底部朝 下设置，用于将固体/液体产物从所述淬冷器本体内部排出；以及
气体产物出口，该气体产物出口朝上设置且通向所述淬冷器本体外部， 用于将气体产物从所述淬冷器本体内部排出。
优选地，所述淬冷器本体包括形成有内圆周面的侧壁，所述裂解产物入 口设置在所述淬冷器本体的上部，所述裂解产物入口贯穿所述淬冷器本体的 侧壁并使所述裂解产物入口朝向所述淬冷器本体内部的开口方向与该裂解 产物入口处的水平切线方向之间形成夹角α1；所述淬冷剂入口贯穿所述淬 冷器本体的侧壁并使所述淬冷剂入口朝向所述淬冷器本体内部的开口方向 与该淬冷剂入口处的水平切线方向之间形成夹角α2，所述夹角α1＝α2，且 优选为0度至60度。
优选地，所述淬冷器本体具有螺旋管道，所述裂解产物入口连通于所述 螺旋管道的上端开口，所述淬冷剂入口通入所述螺旋管道，以形成所述旋流。
优选地，所述淬冷剂入口为多个，沿所述淬冷器本体的轴向和/或周向 间隔设置。
优选地，所述多个淬冷剂入口中的至少一个与所述裂解产物入口彼此紧 邻并形成为双通道通孔结构。
优选地，所述淬冷器本体包括圆锥筒形的底壁，所述固体/液体产物出 口设置在所述底壁径向尺寸较小的底端。
优选地，所述淬冷器本体具有气体产物排出管道，该气体产物排出管道 的第一端在所述淬冷器本体内位于所述旋流的终结区域或与所述旋流终结 区域相邻近的区域A，所述气体产物排出管道的第二端位于所述淬冷器本体 外部而形成所述气体产物出口。
优选地，所述气体产物排出管道的至少所述第一端为竖直延伸的。
优选地，所述气体产物排出管道整体沿所述冷淬器本体的轴向竖直延伸。
优选地，所述淬冷器本体包括换热管路，该换热管路与所述旋流的路径 彼此密闭地相伴设置。
根据本发明的另一方面，还提供了制备乙炔的装置，该装置包括：反应 器，该反应器利用热等离子体使碳质材料裂解以产生裂解产物，该反应器具 有裂解产物出口；和淬冷器，该淬冷器为本发明所提供的上述淬冷器，所述 反应器的所述裂解产物出口与所述淬冷器的所述裂解产物入口相通。
通过上述技术方案，由于将裂解产物和淬冷剂能够以旋流方式彼此混合， 从而能够使淬冷剂与待进行淬冷处理的裂解产物充分且更为均匀地混合，实 现更好的淬冷效率，进而获得较高的乙炔收率。
本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与 下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在 附图中：
图1是本发明提供的淬冷器的一种实施方式的示意图；
图2为表示本发明提供的淬冷器中裂解产物入口和淬冷剂入口设置方式 的示意图；
图3是本发明提供的淬冷器的另一种实施方式的示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是， 此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
本发明提供了一种用于热等离子体裂解碳质材料制备乙炔的工艺中的 淬冷器，如图1或图3所示，该淬冷器包括淬冷器本体10，该淬冷器本体 10包括：裂解产物入口11，用于将裂解产物导入淬冷器本体10内部；淬冷 剂入口12，用于将淬冷剂导入淬冷器本体10内部，裂解产物入口11和淬冷 剂入口12设置为能够使得导入淬冷器本体10内部的裂解产物和淬冷剂在淬 冷器本体10内彼此混合并形成旋流；固体/液体产物出口13，该固体/液体 产物出口13在淬冷器本体10的底部朝下设置，用于将固体/液体产物从淬 冷器本体10内部排出；以及气体产物出口14，该气体产物出口14朝上设置 且通向淬冷器本体10外部，用于将气体产物从淬冷器本体10内部排出。
淬冷器本体10构成淬冷器的主体部分，可以根据具体工作场合而选择 不同的形状、尺寸等参数。
淬冷器本体10的裂解产物入口11用于将热等离子体裂解碳质材料工艺 中的裂解产物(如)导入淬冷器本体10内部，在淬冷器本体10内部，所述 裂解产物的温度将在预定时间内迅速降低到预定程度，这将在下文中进行详 细描述。通常，裂解产物入口11设置在淬冷器本体10的顶部或者上部。淬 冷器本体10的淬冷剂入口12用于将淬冷剂导入淬冷器本体10内部，以使 淬冷剂在淬冷器本体10内部与裂解产物相互接触并充分混合，使裂解产物 的温度迅速降低。
淬冷剂可以根据不同工况而加以选择，可以为单一或混合气体淬冷剂 (如甲烷、乙烷、丙烷、气态烷烃、炼焦尾气、炼油尾气、高碳氢含量的废 气等以及他们的混合气)、单一或混合液体淬冷剂(如水、水煤浆、原油、 水煤浆上清液、煤焦油、页岩油、重油、石脑油、沥青等液态碳质材料以及 他们的混合物)和/或单一或混合固体淬冷剂(如煤、半焦、石油焦、焦炭 等固态碳质材料以及他们的混合物)，也可将气体、液体和固体淬冷剂中的 两者或三者混合作为混合型淬冷剂。
淬冷器本体10的固体/液体产物出口13在淬冷器本体10的底部朝下设 置，用于将固体/液体产物从淬冷器本体10内部排出。气体产物出口14，该 气体产物出口14朝上设置且通向淬冷器本体10外部，用于将气体产物(主 要成分为乙炔)从淬冷器本体10内部排出。
在本发明的技术方案中，由于将裂解产物入口11和淬冷剂入口12设置 为能够使得导入淬冷器本体10内部的裂解产物和淬冷剂彼此混合并在淬冷 器本体10内形成旋流，从而能够使淬冷剂与待进行淬冷处理的裂解产物充 分且更为均匀地混合，实现更好的淬冷效率，进而获得较高的乙炔收率。而 在混合物流旋流向下运行的过程中，能够通过旋流分离的作用使得不同密度 的固体、液体和气体相互分离。
这与传统的淬冷器有着根本的区别。在传统的淬冷器中，通常情况下裂 解产物从淬冷器顶部进入，淬冷剂从淬冷器顶部周围喷入淬冷器中，以与裂 解产物在淬冷器内部空间内混合。但该混合基本上是无序的、不受控制的， 或者仅依靠于淬冷剂喷头的布置方式。尽管现有技术中已经在淬冷剂喷头设 置方式上进行了绞尽脑汁地研发活动，但仍然有些缺陷是不可避免的。比如 说，裂解产物的高温死区问题。
具体来说，在传统淬冷器中，由于裂解产物总是存在不能与淬冷剂实现 交混的部分或者区域，从而致使该区域的温度不能实现高效的淬冷，在进行 淬冷处理后与周围温度相对较低的区域相比，没有得到淬冷处理的区域仍然 保持较高温度，从而形成高温死区。由于传统淬冷器不可避免地存在高温死 区，致使乙炔收率的提升受到较大的限制。
正是基于对传统淬冷器的充分研究，本申请的发明人创造性地跳出传统 淬冷器的藩篱，使待淬冷的裂解产物与淬冷剂动态地在旋流中充分且更为均 匀地混合，不但能够彻底消除高温死区问题，获得较高的乙炔收率，还能够 实现固体、液体和气体产物的有效分离，从而相对于现有技术做出了重大的 改进。
为了适应于上述旋流的设计要求，根据不同的工况，淬冷器可以选择具 有不同的设计形式。下面分别描述淬冷器的两种实施方式。
如图1和图2所示，淬冷器本体10包括形成有内圆周面的侧壁101，裂 解产物入口11设置在淬冷器本体10的上部，裂解产物入口11贯穿淬冷器 本体10的侧壁101并使裂解产物入口11朝向淬冷器本体10内部的开口方 向与该裂解产物入口11处的水平切线方向之间形成夹角α1；淬冷剂入口12 贯穿淬冷器本体10的侧壁101并使淬冷剂入口12朝向淬冷器本体10内部 的开口方向与该淬冷剂入口12处的水平切线方向之间形成夹角α2，夹角α 1＝α2，且优选为0度至60度。
在此实施方式中，裂解产物入口11和淬冷剂入口12均贯穿侧壁101， 从而能够分别将裂解产物和淬冷剂导入淬冷器本体10内部。为了形成所述 旋流，裂解产物入口11和淬冷剂入口12的开口方向与其所在位置处的水平 切线方向分别形成有相通的夹角α1和α2，如图3所示。该夹角可以根据不 同工况而选择设计，以形成不同特点的旋流。由于图3为俯视示意图，因此 各个裂解产物入口11和淬冷剂入口12可以位于不同的高度水平。
优选地，为了使淬冷器本体10具有更为完整的结构形式，如图1所示， 淬冷器本体10还可以包括顶壁103，该顶壁103封闭地固定于侧壁101的顶 部并与侧壁101限定有淬冷器本体10内部的空腔。
如图1所示，裂解产物入口11可以设置在与顶壁103相邻的位置而贯 穿侧壁101。优选地，淬冷器本体10包括圆锥筒形的底壁104，固体/液体 产物出口13设置在所述底壁104径向尺寸较小的底端。
裂解产物入口11邻近顶壁103的位置，以使进入淬冷器内的裂解产物 在重力作用下向下流动。而且，由于上述角度α1的设计，因此在裂解产物 流的冲击力带动下以及重力作用下，裂解产物流会在内圆周面102上沿螺旋 形的路径持续从上向下流动。
类似地，淬冷剂入口12贯穿侧壁101，以使得进入淬冷器的淬冷剂形成 类似的旋流。淬冷剂入口12的位置可以根据不同工况而选择确定，以满足 进入淬冷器的淬冷剂能够与裂解产物形成一股混合的旋流。
因此，优选情况下，如图1和图3所示，淬冷剂入口12可以为多个， 其中一个淬冷剂入口12(图1中处于该图中最高位置的一个淬冷剂入口12 位于与裂解产物入口11紧邻的位置，显然为了满足形成旋流，其余淬冷剂 入口12均设置为旋流路径经过的位置，以使后续进入淬冷器的淬冷剂流有 助于旋流的形成，而不是对旋流构成干涉或干扰。淬冷剂入口12的设置并 不限于此，也可以仅设置一个淬冷剂入口12。
优选情况下，所述多个淬冷剂入口12中的至少一个与裂解产物入口11 彼此紧邻并形成双通道通孔结构，从而实现更为紧凑的结构。而且，在淬冷 剂和裂解产物分别从淬冷剂入口12和裂解产物入口11喷出后，能够随即实 现二者的混流，进而再实现旋流流动。
可选择地，不同的淬冷剂入口12可根据需要引入不同的淬冷剂，例如 一部分淬冷剂入口12用于引入液态淬冷剂，另一部分淬冷剂入口12用于引 入气态淬冷剂/固态淬冷剂；设于不同高度的淬冷剂入口12所引入的淬冷剂 也可以采用不同的流速，以进一步提高系统的效率和灵活性。
如图1所示，多个淬冷剂入口12与所述裂解产物入口11彼此在轴向和 /或周向方向上间隔设置，以适应于有助于所述旋流的要求。换句话说，多 个淬冷剂入口12中有一部分起到补充添加淬冷剂的作用，以在所述旋流流 动过程中向该旋流中继续补充淬冷剂，以获得更高的淬冷效率。
优选情况下，裂解产物入口11可相对于水平面倾斜向下。该倾斜角度 根据不同工况而选择设计，例如该倾斜角度可以为0度至60度，优选为0 度至30度。淬冷剂入口12通常应该具有与裂解产物入口11相同的倾斜角 度，以有助于所述旋流。
如上所述，随着旋流从上向下的流动，旋流中的固体、液体和气体产物 得以有效分离，气体由于较轻多集中在旋流中心区域，而液体和固体则位于 旋流相对外围的区域。
如图1所示，在淬冷器本体10内位于所述旋流的终结区域或与该旋流 终结区域相邻近的区域A会聚集大量的气体产物，而该气体产物具有向上流 动的趋势，因此为了有效地收集该气体产物，设置有气体产物排出管道105， 该气体产物排出管道105的第一端位于所述旋流的终结区域或与该旋流终结 区域相邻近的区域A，而其第二端伸出于外部，以与后续工艺设备相连接。
为了便于收集旋流分离获得气体，优选地，气体产物排出管道105的至 少所述第一端为竖直延伸的。进一步优选地，气体产物排出管道105可以设 计为包括从冷淬器本体10的内腔向外延伸并穿过侧壁101的横管，从横管 位于所述淬冷器本体10内的一端向下延伸至区域A的下折管(即气体产物 排出管道105的第一端设计为竖直延伸)，以及从横管的另一端向上延伸的 上折管。在气体产物在下折管中由下向上流动时，其中携带的较重的液体和 固体颗粒物会下落并由下折管的管口排回到淬冷器本体内。
根据本发明的另一实施方式，如图3所示，淬冷器本体10具有螺旋管 道20，裂解产物入口11连通于螺旋管道20的上端开口，淬冷剂入口12通 入螺旋管道20，以形成所述旋流。
根据该实施方式，在淬冷器本体10内形成有螺旋通道20，通过裂解产 物入口11进入该螺旋通道20的裂解产物在螺旋通道20的引导作用下形成 旋流，同时通过淬冷剂入口12进入螺旋通道20的淬冷剂顺流地进入螺旋通 道20内，从而与裂解产物充分混合而融入旋流中，同样能够实现本发明的 目的。
螺旋通道的参数可以根据不同的工况而加以选择设计，比如横截过流面 积、总长度、螺距等。
淬冷剂入口12可以为一个或优选为多个。优选地，所述多个淬冷剂入 口12中的至少一个与所述裂解产物入口11彼此紧邻并形成为双通道通孔结 构。如图3所示，在淬冷剂入口12为多个的情况中，其中一个淬冷剂入口 12连通于螺旋管道20的上端开口，从而与位于螺旋通道20上端开口的裂解 产物入口11相紧邻，形成为双通道通孔结构，以在裂解产物进入螺旋通道 20后随即混入淬冷剂，实现更为理想的淬冷效果。
如图3所示，类似地，多个淬冷剂入口12可以为多个，沿淬冷器本体 10的轴向和/或周向间隔设置。
如图3所示，在该实施方式中，淬冷器本体10设置有侧壁(未标记)， 该侧壁可至少形成在淬冷器本体10的下部，以限定容纳经过旋流分离获得 的气体产物。优选地，在淬冷器本体10的整体部分都设置有侧壁。优选地， 淬冷器本体10包括漏斗状的底壁107，该底壁107的内部空间与螺旋管道 20的下端开口相通，固体/液体产物出口13设置在底壁107径向尺寸较小的 底端。由于底壁107形成为漏斗形状，从而有利于汇集从螺旋管道20的下 端开口排出的固体/液体产物，进而通过设置在底壁107的底部的固体/液体 产物出口13排到外部。淬冷器本体10的底部结构并不限于此，例如，该底 部可以设计为开放式的。
为了排出气体产物，类似地，如图3所示，淬冷器本体10具有气体产 物排出管道106，该气体产物排出管道106的第一端在淬冷器本体10内位于 旋流的终结区域或与旋流终结区域相邻近的区域，气体产物排出管道106的 第二端位于淬冷器本体10外部而形成气体产物出口。优选情况下，淬冷器 本体10具有竖直延伸的气体产物排出通道106，该气体产物排出通道106 的一端位于在第二底壁107的内部空间内，另一端位于淬冷器本体10外部 而形成气体产物出口14。即，气体产物排出管道106整体沿冷淬器本体10 的轴向竖直延伸，从而更为便于气体产物的排出。而且，如上所述，在气体 产物在气体产物排出管道106中由下向上流动时，其中携带的较重的液体和 固体颗粒物会下落并排回到淬冷器本体内。
由于螺旋通道20的结构特点，在淬冷器本体10的中部可以形成为空腔 结构，而本申请的技术方案中将气体产物排出通道106设置在底壁107上方 空间(即巧妙地利用了上述空腔结构)，从而获得较好的结构紧凑的技术效 果。
如图3所示，优选地，淬冷器本体10包括换热管路30，该换热管路30 换热管路30与旋流彼此密闭(即不相通)并与旋流的路径紧邻且相伴的设 置，以能够充分利用热能。根据不同的实施方式，旋流的路径可具有不同的 形式。例如，在图1所示的实施方式中，旋流的路径为旋流经过的路线，换 热管路30可以螺旋形设置在侧壁101内。当然，换热管路30也可结合到图 1所示的实施方式中。
以上详细描述了本发明所提供的淬冷器的实施方式，利用本发明所提供 的淬冷器，能够消除高温死区问题，获得较高的乙炔收率。
在利用本发明所提供的淬冷器进行淬冷作业时，通过裂解产物入口11， 将裂解产物导入淬冷器本体10内部；通过淬冷剂入口12，将淬冷剂导入淬 冷器本体10内部，使得裂解产物和淬冷剂在淬冷器本体10内部彼此混合并 形成旋流，该旋流的终结区域的温度为裂解产物的温度的10％-35％，停留时 间为100ms内；完成旋流分离后，通过固体/液体产物出口13将固体/液体 产物从淬冷器本体10内部排出，并通过气体产物出口14将气体产物从淬冷 器本体10内部排出。
通常情况下，裂解产物的温度为1300度-2200度，而利用本发明的技术 方案能够使得旋流的终结区域的温度下降为150度-500度，进一步优选地， 旋流的终结区域的温度下降为150度-300度。
另外，本发明还提供了一种制备乙炔的装置，该装置包括：反应器，该 反应器利用热等离子体使碳质材料裂解以产生裂解产物，该反应器具有裂解 产物出口；和淬冷器，该淬冷器为本发明所提供的上述淬冷器，反应器的裂 解产物出口与淬冷器的裂解产物入口11相通。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限 于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明 的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征， 在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，例如上述两种实施 方式的技术特征可以相互借用和/或组合。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其 不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。