用于生產(chǎn)氰化氫的轉化器的制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種用于生產(chǎn)氰化氫的轉化器，包括用于引入含甲烷的氣體、含氨的氣體和含氧氣的氣體的狹長導管，其中導管會產(chǎn)生三元氣體混合物流；反應容器，其包括用于接收三元氣體混合物的入口、阻火器以及用于將三元氣體混合物轉化成氰化氫的催化劑床層；以及分布板，其設置在反應容器內(nèi)，位于入口的下游和阻火器的上游，分布板具有比反應容器的入口大并且比反應容器的最大直徑小的直徑，其中分布板具有占分布板總面積的50%到80%的空區(qū)域并且其中分布板包括與入口的中心點對齊的實心區(qū)域。分布板會沿著催化劑床層均勻分散三元氣體混合物。分布板操作為具有小于150kPa的低壓降。
【專利說明】用于生產(chǎn)氰化氫的轉化器
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求2012年12月18號提交的美國臨時申請61/738684的優(yōu)先權，其公開的全部內(nèi)容合并到本文中。
【技術領域】
[0003]本實用新型涉及一種轉化器，其包括用于在催化劑床層上方均勻分散三元氣體混合物的分布板。
【背景技術】
[0004]通常，根據(jù)Andrussow 法或 BMA 法(例如見，Ullman’ s Encyclopedia ofIndustrial Chemistry,第 A8 卷，ffeinheim, 1987 年，第 161-163 頁)，以工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)氰化氫(“HCN”)。例如，在Andrussow法中，通過將氨與含甲烷的氣體和含氧氣的氣體在高溫下在反應器中，在存在適當?shù)拇呋瘎?美國專利號1934838和6596251)下反應，可經(jīng)濟地生產(chǎn)HCN。含硫化合物和甲烷的較高同系物可對甲烷的氧化氨解參數(shù)產(chǎn)生影響。例如，見 Trusov, Effect of Sulfur Compounds by Andrussow Method, Russian J.AppliedChemistry, 74:10(2001), pp 1693-1697。通過將反應器排出氣體與氨吸收器內(nèi)的磷酸銨水溶液相接觸而將未反應的氨從HCN中分離。將所分離的氨純化并濃縮以再循環(huán)到HCN轉化中。典型地,通過在水中吸收而將HCN從處理后的反應器排出氣體流中回收?？赏ㄟ^進一步地提純步驟來處理所回收的HCN以生產(chǎn)純化的HCN。Clean Development MechanismProject Design Document Form(CDM F1DD, Version3)，2006 不意性地解釋了 Andrussow法HCN生產(chǎn)方法。純化后的HCN可用在氰化中，例如含烯基基團的氰化，或例如1，3_ 丁二烯和戊烯腈的氰化，所述1，3_ 丁二烯和戊烯腈的氰化可用于己二腈(“ADN”)的生產(chǎn)。在BMA方法中，HCN由甲烷和氨在基本無氧并且在存在鉬催化劑下合成，導致產(chǎn)生HCN、氫氣、氮氣、剩余氨和剩余甲燒。(例如,見，Ullman’ s Encyclopedia of IndustrialChemistry,第A8卷，ffeinheim, 1987年，第161-163頁)。商業(yè)經(jīng)營要求對于處理氰化氫的危險性質(zhì)的工藝安全管理。(見，Maxwell等，Assuring process safety in thetransfer of hydrogen cyanide manufacturing technology, JHazMatl42(2007)677-684)。此外，來自生產(chǎn)設備的HCN生產(chǎn)方法的排放物可受制于調(diào)節(jié)，這可影響HCN生產(chǎn)的經(jīng)濟性° (見，Crump, Economic, Impact Analysis For The Proposed Cyanide ManufcaturingNESHAP, EPA, May2000)。
[0005]在生產(chǎn)HCN中，將氨氣、含甲烷的氣體和含氧氣的氣體混合以形成供入反應器的三元氣體混合物。三元氣體混合物與催化劑床層相接觸。典型地是，催化劑床層具有大于反應器的供給管道的直徑并且需要將三元氣體混合物在催化劑床層上方分布。主要用于阻止回燃的阻火器已經(jīng)用于分布三元氣體混合物，如美國專利2620259 ；6491876和6656442所描述。美國專利3215495描述了由惰性耐火材料顆粒層覆蓋的惰性鋁-硅耐火材料纖維層，所述惰性鋁-硅耐火材料纖維層有助于供入氣體在催化劑床層上方的分布以避免熱點。[0006]美國專利3423185描述了反應器內(nèi)部的用于支持金屬網(wǎng)紗催化劑的格柵，在所述反應器中氨和甲烷反應以生產(chǎn)HCN，格柵包括多個水平布置的帶有用作反應氣體通道的孔的陶瓷塊體，格柵的上部部分包括用于支撐絲網(wǎng)催化劑的催化劑接觸構件以及格柵的下部部分包括用于沿反應器的橫截面均勻分散反應氣體的氣體分布構件。
[0007]美國專利6221327公開了一種改進的催化系統(tǒng)，所述催化系統(tǒng)使用了反應區(qū)的流過輻射屏蔽，以及用于使用用于生產(chǎn)氰化氫的催化系統(tǒng)方法。催化系統(tǒng)的輻射屏蔽件可由兩個或多個輻射屏蔽層形成。在一些實施中，其中不關心經(jīng)過輻射屏蔽件的壓降，可使用多層或較厚的屏蔽件以產(chǎn)生這種壓降，其目的在于進一步改善經(jīng)過系統(tǒng)的流動分布。
[0008]美國專利8133458公開了用于通過兩步反應將甲烷、氨和氧氣以及堿金屬或堿土金屬氫氧化物轉化成堿金屬或堿土金屬氰化物的反應器，所述反應器包括帶有氣體入口的第一階段，其中第一階段由帶有分布板的錐體形成，所述分布板在催化劑材料上方提供了均勻的氣體分布，其中分布板設置在反應器的氣體入口和催化劑材料之間并且分布板穿有多個孔，通過將多個分布板在氣體的流動方向中彼此間隔開，第一分布板主要用于分布氣體，而最后的分布板用作熱輻射屏蔽件和朝向催化劑材料的分布板，并且其中催化劑材料以通過催化劑重量而固定的催化劑絲網(wǎng)的形式而存在。
[0009]總之，需要高的壓降以保證三元氣體混合物的足夠分布。但是，高的壓降將導致產(chǎn)率損失。因此，所需要地是，改善反應氣體在催化劑床層上方的適合于HCN生產(chǎn)的分布。
實用新型內(nèi)容
[0010]本實用新型涉及一種用于生產(chǎn)氰化氫的轉化器，包括:用于引入含甲烷的氣體、含氨的氣體和含氧氣的氣體的狹長導管，其中所述導管會產(chǎn)生三元氣體混合物流；反應容器，其包括用于接收三元氣體混合物的入口、阻火器以及用于將所述三元氣體混合物轉化成氰化氫的催化劑床層；以及分布板，其設置在所述反應容器內(nèi)，位于所述入口的下游和所述阻火器的上游，所述分布板具有比所述反應容器的入口大并且比反應容器的最大直徑小的直徑，其中所述分布板具有占分布板總面積的50%到80%的空區(qū)域，并且其中所述分布板包括與入口的中心點對齊的實心區(qū)域。
[0011]在一個實施例中，所述分布板橫向于所述三元氣體混合物流而設置。
[0012]在一個實施例中，所述實心區(qū)域具有為錐形形狀的升起部分。
[0013]在一個實施例中，所述升起部分牢固地固定于所述分布板。
[0014]在一個實施例中，還包括一個或多個將所述分布板與所述反應容器的內(nèi)壁相連的
支撐臂。
[0015]在一個實施例中，所述一個或多個支撐臂中的每一個安裝在所述分布板的下游表面。
[0016]在一個實施例中，所述空區(qū)域由多個孔而限定。
[0017]在一個實施例中，所述多個孔中的每個孔具有從0.1mm到20mm的直徑。
[0018]在一個實施例中，所述阻火器包含耐火陶瓷材料。
[0019]在一個實施例中，所述耐火陶瓷材料選自由泡沫陶瓷、陶瓷氈、丸體、鋁-硅耐火非織物氈和其結合組成的組。
[0020]在一個實施例中，所述實心區(qū)域具有小于或等于所述狹長導管的出口的直徑。[0021]在一個實施例中，所述分布板具有從IOcm到290cm的直徑范圍。
[0022]在一個實施例中，還包括處于所述反應容器的內(nèi)壁和所述分布板的周向之間的周向間隙。
[0023]在一個實施例中，所述實心區(qū)域由一個或多個插入在所述多個孔的至少一部分中的能移除的裝置來限定，使得所述分布板具有占所述分布板總面積的50%到80%的空區(qū)域。
[0024]在一個實施例中，所述一個或多個能移除的裝置選自由螺栓、鉚釘、螺紋插件、鍛件或其結合組成的組。
[0025]本實用新型的一個實施方案旨在一種用于制備氰化氫的轉化器，所述轉化器包括用于引導選自由含甲烷的氣體、含氨的氣體、含氧氣的氣體和其混合物組成的組中的至少一種反應氣體的狹長導管，其中狹長導管會產(chǎn)生優(yōu)選地具有至少25體積％的氧氣的三元氣體混合流，反應容器包括用于接收三元氣體混合物的入口、阻火器和催化劑床層；并且分布板設置在反應容器內(nèi)，位于入口的下游和阻火器的上游，分布板具有比入口大和比反應容器的最大直徑小的直徑，其中分布板具有分布板總面積的至少50%到80%，例如50%到75%的空區(qū)域并且其中分布板包括與入口的中心對齊的實心區(qū)域。在一個方面中，實心區(qū)域和入口可同軸對齊。分布板可橫向于三元氣體混合物的流動而設置。實心區(qū)域可具有錐形形狀的升起部分。升起部分可穩(wěn)固地固定于分布板。轉化器還可包括一個或多個將分布板與反應容器的內(nèi)壁相連的支撐臂。一個或多個支撐臂的每一個可安裝在分布板的下游表面。空區(qū)域可由多個孔而限定。多個孔的每一個孔可具有從0.1mm到20mm的直徑。阻火器可包括耐火陶瓷材料。耐火陶瓷材料可選自由泡沫陶瓷、陶瓷氈、丸、鋁-硅耐火非織物氈和其結合組成的組。實心區(qū)域可具有小于或等于狹長導管的出口的直徑。分布板可具有從IOcm到290cm的范圍的直徑。轉化器還可包括在反應容器的內(nèi)部壁和分布板的外周之間的周向間隙。實心區(qū)域可由一個或多個插入在多個孔的至少一部分中的能移除的裝置而限定，使得分布板具有分布板總面積的50%到80%的空區(qū)域。一個或多個能移除的裝置可選擇由螺栓、鉚釘、螺紋插件、鍛件或其結合組成的組。在一個方面中，實心區(qū)域可包括具有錐形形狀的升起部分。升起部分安裝為指向分布板。
[0026]本實用新型的第二實施方案旨在一種用于制備氰化氫的轉化器，所述轉化器包括用于引導選自由含甲烷的氣體、含氨的氣體、含氧氣的氣體和其混合物組成的組中的至少一種反應氣體的狹長導管，其中狹長導管會產(chǎn)生三元氣體混合流；反應容器包括用于接收三元氣體混合物的入口、阻火器和催化劑床層；并且分布板設置在反應容器內(nèi)，位于入口的下游和阻火器的上游，其中分布板具有由來自分布板的總面積的50%到80%的多個孔限定的空區(qū)域以及其中分布板包括具有為錐形形狀的升起部分的實心區(qū)域。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1是根據(jù)本實用新型的實施方案的HCN合成系統(tǒng)的簡單的示意性流程圖。
[0028]圖2是根據(jù)本實用新型的實施方案的分布板的頂視圖。
[0029]圖3A是根據(jù)本實用新型的實施方案的具有錐形形狀的實心區(qū)域的分布板的側視圖。
[0030]圖3B是圖3A中的分布板的透視圖。
[0031]圖4是根據(jù)本實用新型的實施方案的反應容器的剖視圖?！揪唧w實施方式】
[0032]此處所用之術語僅出于描述特定實施方案的目的，并不意欲限制本實用新型。除非上下文中清楚地顯示出另外的情況，如此處所用的單數(shù)形式“一個”和“該”也包括復數(shù)形式。還應當理解，在本說明書中使用的用語“包括”和/或“包括有”時說明了存在所述的特征、整體、步驟、操作、部件和/或構件，但不妨礙一個或多個其他特征、整體、步驟、操作、部件組、構件和/或構件組的存在或添加。
[0033]例如“包括”、“包含”、“具有”、“含有”或“涉及”的用語及其變體應廣泛地理解，并且包含所列出的主體以及等效物，還有未列出的另外的主體。另外，當由過渡性用語“包含”、“包括”或“含有”來引出組分、部件組、工藝或方法步驟或者任何其他的表述時，應當理解此處還考慮了相同的組分、部件組、工藝或方法步驟，或者具有在該組分、部件組、工藝或方法步驟或任何其它表述的記載之前的過渡性用語“基本上由…組成”、“由…組成”或“選自由…構成的組”的任何其它的表述。
[0034]如果的適用話，權利要求中的相應的結構、材料、動作以及所有功能性的裝置或步驟的等效物包括用于與權利要求中所具體陳述的其他部件相結合地來執(zhí)行功能的任何結構、材料或動作。本實用新型的說明書出于介紹和描述的目的而提供，但并不是窮舉性的或?qū)⒈緦嵱眯滦拖拗频剿_的形式。在不偏離本實用新型的范圍和精神的前提下，許多改變和變體對于本領域的普通技術人員來說是顯而易見的。這里選擇并描述了一些實施方案，目的是對本實用新型的原理和實際應用進行最佳的解釋，并且使得本領域的其他普通技術人員能夠理解本實用新型的不同實施方案具有多種變化，如同適合于該特定用途一樣。相應地，盡管本實用新型已經(jīng)依據(jù)實施方案進行了描述，然而本領域技術人員將認識到，本實用新型可以有所改變地并在所附權利要求的精神和范圍之內(nèi)實施。
[0035]現(xiàn)在將詳細參 考特定的所公開的主題。盡管所公開的主題將結合所列舉的權利要求來描述，然而可以理解，它們并不將所公開的主題限制到這些權利要求中。相反，所公開的主題覆蓋了所有的替代方案、改變以及等效物，這些可以包含于由權利要求所限定的所公開的主題的范圍之內(nèi)。
[0036]可根據(jù)Andrussow法或通過BMA法來以工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)氰化氫(“HCN”)。在Andrussow法中，甲烷、氨和含氧原料在高于1000°C的溫度下在催化劑的存在下反應，以制備包含HCN、氫氣、一氧化碳、二氧化碳、氮氣、剩余氨、剩余甲烷和水的氰化氫粗產(chǎn)物。催化劑典型地為絲網(wǎng)(mesh)鉬/銠合金或絲網(wǎng)鉬/銥合金?？梢允褂闷渌拇呋瘎┙M分，包括但不限于鉬族金屬、鉬族金屬合金、負載型鉬族金屬或負載型鉬族金屬合金。也可以使用其他的催化劑構造，包括但不限于多孔結構、網(wǎng)紗、突片嵌件、球體、塊體、泡沫、浸潰涂層和清洗涂層。
[0037]天然氣典型地用作甲烷來源，而空氣、富氧空氣或純氧可用作氧源。如本領域的技術人員可理解地是，甲烷源可變化并且可從可再生資源例如為垃圾填埋場、農(nóng)場、來自發(fā)酵的沼氣而獲得，或由化石燃料例如天然氣、石油伴生氣、煤氣和氣水合物而獲得，如 VN Parmon 在“Source of Methane for Sustainable Development” 第 273-284中， 和 Derouane 等在 “Sustainable Strategies for the Upgrading of NaturalGas:Fundamentals, Challenges, and Opportunities (2003) ” 中所描述。[0038]大體上講，圖1顯示了 HCN合成系統(tǒng)100。HCN—般在轉化器102中制備，轉化器102包含狹長導管104和反應容器106。在Andrussow法中，將包括含氧氣的氣體進料流108、含甲烷的氣體進料流110、和含氨的氣體進料流112的反應氣體引入到狹長導管104中。注意地是，圖1中顯示的進料位置是示意性的，并不顯示將反應劑供入狹長管道104中的順序。在一些實施方案中，含甲烷體進料流110和含氨氣體進料流112可在引入到狹長導管104之前混合。在一個實施方案中，狹長導管104可包括一個或多個靜態(tài)混合區(qū)，所述靜態(tài)混合區(qū)具有用于產(chǎn)生徹底混合的三元氣體混合物114的突片嵌件。在一個實施方案中，三元氣體混合物114包含至少25%體積的氧。在一些實施方案中，三元氣體混合物114可包含至少28%體積的氧。三元氣體混合物114離開狹長管道104并且與包含在反應容器106內(nèi)的催化劑接觸以形成包括HCN的粗氰化氫產(chǎn)品116。催化劑可處于催化劑床層118中。
[0039]在三元氣體混合物114與催化劑床層118接觸之前，其會接觸分布板120。分布板120用作沖擊板以將進入反應容器106的三元氣體混合物射流分散?！吧淞鳌鄙婕熬劢褂谝粋€位置的氣體流。由于反應容器106的入口小于反應容器106的直徑，因此三元氣體混合物114很容易射流。射流會產(chǎn)生在催化劑床層上導致熱點的非均勻線速度。分布板120與反應容器106的入口間隔開并且處于催化劑床層118的上游。三元氣體混合物114進入反應容器106中并且具有需要被分散以避免催化劑床層118中的熱點的射流。有利地是，本實用新型使用了適用于分散三元氣體混合物114的射流的分布板120，而沿著分布板120沒有顯著壓降。這阻止了反應容器106內(nèi)的大的壓降。在一些實施方案中，分布板120也可根據(jù)需要用于進一步混合三元氣體混合物114。
[0040]反應容器106也可包含位于分布板120下游的阻火器122、相鄰于催化劑床層118的輻射防護板124和在催化劑床層118下游的催化劑支撐組件126。
[0041]在圖1和4中顯示的阻火器122可包括堆積材料床層或支撐在籃子中的陶瓷丸，并且空間上所述阻火器設置在催化劑床層118的上游。陶瓷耐火材料例如陶瓷丸、泡沫陶瓷、陶瓷纖維氈、鋁-硅耐火非織物氈以及其結合等可用在阻火器122中。盡管用在丸床層中的丸的尺寸可非常寬范圍地變化，但是丸的直徑通常為Imm到20mm，例如3mm到13mm。在一個實施方案中，丸床層的深度至少為0.4m，例如至少0.5m。適當?shù)奶沾赡突鸩牧辖M成的非限定性的例子包括至少90重量％的鋁，例如至少95重量％的鋁。優(yōu)選地，阻火器122包含少于10重量％的二氧化硅，例如少于6重量％的二氧化硅。阻火器122也加強了三元氣體混合物144的混合并且沿著催化劑床層118產(chǎn)生了的基本均勻組成的三元氣體混合物144。應理解地是，阻火器122基本降低了受熱的三元氣體混合物114從暴燃徹底過渡到爆炸而變得能夠爆炸的可能性。
[0042]阻火器122有助于沿著催化器床層118均勻地分布三元氣體。分布板120和阻火器122 —起操作以提供均勻分布的三元氣體混合物。有利地是，當通過分布板120分散了三元氣體混合物114的射流時，會實現(xiàn)均勻分布。沒有分布板，穿過阻火器122的線速度可不相同并且線速度的變化可導致燃燒，在催化劑床層中產(chǎn)生熱點或孔。這會導致在催化劑床層上的其他問題，包括降低的HCN產(chǎn)率和三元氣體混合物的繞流。有利地是，通過使用分布板分散射流，可在阻火器122內(nèi)保持相同的線速度。在一個方面中，經(jīng)過催化劑床層的速度為至少2m/s，例如至少5m/s或至少7m/s。較高的線速度可用于提高產(chǎn)率。為了本實用新型的目的，分散射流會降低線速度的變化并且保持相同的線速度。在反應容器106內(nèi)的任何兩點之間，相同的線速度會變化土5%。
[0043]反應容器106也可包括換熱器128，例如余熱沸騰器，用于冷卻粗氰化氫產(chǎn)品116。盡管沒有在圖1或4中顯示，但是優(yōu)選使阻火器122、輻射防護板124和催化劑支撐組件126與反應容器106的內(nèi)壁相鄰以阻止三元氣體混合物的繞過。換句話說，阻火器122、輻射防護板124和催化劑支撐組件126的橫截面平面面積大于分布板120的面積。
[0044]在氨回收區(qū)130中可從粗氰化氫產(chǎn)品116中回收氨并且通過管路132返回。HCN可在HCN提純區(qū)134中進一步提純到預期使用所要求的純度。在一些實施方案中，HCN可為包含少于IOOmpm的水的高純度。
[0045]將反應氣體提供到狹長導管以提供三元氣體混合物，所述三元氣體混合物具有從1.2到1.6的氨-氧摩爾比(例如從1.3到1.5)、從I到1.5的氨-甲烷摩爾比(例如從1.1到1.45)、以及從I到1.25的甲烷-氧摩爾比(例如從1.05到1.15)。例如，三元氣體混合物具有1.3的氨-氧摩爾比和1.2的甲烷-氧摩爾比。在另一個示例性的實施例中，三元氣體混合物可具有1.5的氨-氧摩爾比和1.15的甲烷-氧摩爾比。三元氣體混合物中氧含量可根據(jù)這些摩爾比而變化。在一個實施方案中，三元氣體混合物包含至少25體積％的氧，例如至少28體積％的氧。在一些實施方案中，三元氣體混合物包含從25%到32體積％的氧，例如從26%到30體積％的氧?？墒褂枚喾N控制系統(tǒng)以調(diào)節(jié)反應氣體流。例如,可使用測量反應氣體進料流的流速、溫度、壓力并且允許控制系統(tǒng)將壓力補償和溫度補償?shù)牧魉佟皩崟r”反饋提供給操作者和/或控制裝置的流量計。
[0046]正如本領域技術人員所理解的，前述功能和/或方法可以實施為系統(tǒng)、方法或計算機程序產(chǎn)品。例如，功能和/或方法可以實施為計算機可執(zhí)行的程序指令，該指令記錄在計算機可讀的存儲器件中，當通過計算機處理器檢索和執(zhí)行該指令時，其控制計算機系統(tǒng)以執(zhí)行上述實施方案的功能和/或方法。在一個實施方案中，計算機系統(tǒng)可以包括一個或多個中央處理單元、計算機存儲器(例如只讀存儲器、隨機訪問存儲器)和數(shù)據(jù)存儲器件(例如硬盤驅(qū)動器)。計算機可執(zhí)行的指令可以使用任何適合的計算機編程語言(例如C++、JAVA等)來編碼。相應地，本實用新型的一些方面可以采取整體為軟件的實施方式的形式(包括固件、常駐軟件、微碼等)，或結合了軟件方面和硬件方面的實施方式。
[0047]在一個實施方案中，進入反應容器106的三元氣體混合物為徹底混合并且具有沿催化劑床層的直徑小于0.1，或更優(yōu)選為小于0.05并且甚至更有選為小于0.01的變化系數(shù)(CoV)。在范圍方面，CoV可以形成為0.001到0.1，或更優(yōu)選地從0.001到0.05。CoV定義為標準偏差σ與平均值μ的比值。CoV理想上盡可能地低，例如小于0.1，如0.05。HCN單元可在CoV為0.1以上操作，CoV為0.2也不罕見，即處于0.01到0.2或0.02到0.15的范圍，但是高于0.1時，運行成本更高而HCN產(chǎn)率更低，例如低2%到7%，這相當于連續(xù)式商業(yè)運行中每年幾百萬美元的損失。分布板保持了在混合器中實現(xiàn)的低CoV以使得反應器和方法實現(xiàn)較高的HCN產(chǎn)率以改善操作性能。
[0048]通常，隨著三元氣體混合物的分散，轉化器和特別是反應容器內(nèi)的壓降預期為增力口。對于復雜的分布板和對于多個分布板這是特別真實的。最小化壓降可降低三元氣體混合物的最大壓力并且因此降低在萬一爆炸情況下的潛在壓力。為了有助于分布，可將射流分散。大體均勻分布的三元氣體可沿著反應器床層達到大體相同的平均速度和/或溫度并且避免了催化劑床層上的熱點。在一個實施方案中，反應容器106內(nèi)的壓降為小于150kPa，例如從35到125kPa。除非另有說明，否則所有壓力均為絕對壓力。優(yōu)選較小的壓降。
[0049]圖2是分布板120上游表面的頂視圖，所述分布板沿著反應器床層分散射流以提供相同的線速度，即在平均線速度的±5%內(nèi)，而沒有高的壓降。如所示，分布板120為大體圓形，但是在其他實施方案中可使用任何適當?shù)男螤?，例如矩形、方形、卵圓形、橢圓形、三角形或其他的與反應容器的形狀相應的多邊形形狀。在一個實施方案中，分布板120具有大于反應容器106的入口并小于反應容器106的最大內(nèi)直徑的直徑。入口具有可與混合室類似的內(nèi)直徑并且通常為5到60cm，例如從10到35cm。反應容器106的內(nèi)直徑可根據(jù)工業(yè)設備而變化，并且可為從50到300cm，例如從75到200cm。示例性的分布板可具有從IOcm到290cm (例如從20cm到100cm)變化的直徑。在一個實施方案中，分布板120具有不接觸反應容器106的內(nèi)側壁148的周向邊緣150，如圖4所示，因此留下了用于三元氣體圍繞分布板120而經(jīng)過的周向間隙。分布板120可設置為橫向于進入反應器的三元氣體混合物的流動。分布板120包含實心區(qū)域140和通過區(qū)域143間隔開的多個孔142。在一個方面，分布板120可具涂層。在一個方面，分布板120可為大體平狀。在其他實施方案中，如圖3A和3B所示，分布板120在實心區(qū)域140中可具有升起的錐形形狀體141。在操作和常規(guī)處理期間，分布板120的厚度可足以支撐其自身重量，并且可根據(jù)反應容器106內(nèi)的需要而變化。在一個實施方案中，分布板120可具有從5到20mm (例如從10到18mm)的厚度。
[0050]實心區(qū)域140可通常占據(jù)分布板120的中心點，并且與反應容器入口的中心點對齊。在一個優(yōu)選的實施方案中，實心區(qū)域140可與反應器入口的中心點同軸對齊。實心區(qū)域140會將三元氣體混合物流分散以幫助均勻分布穿過和圍繞分布板120的三元氣體混合物。此外，實心區(qū)域140可阻止三元氣體混合物在催化劑床層中產(chǎn)生熱點。
[0051]實心區(qū)域140可具有與分布板120的形狀相應的形狀。在一些實施方案中，實心區(qū)域140的形狀可與反應器的入口相似。實心區(qū)域140可具有可近似為或小于反應器入口直徑的直徑。應當理解地是 ，當實心區(qū)域140大體上不為圓形時，用語“直徑”可指實心區(qū)域140的形狀的最大內(nèi)直徑。
[0052]為了本實用新型的目的，實心區(qū)域140優(yōu)選地具有小于或等于分布板120的直徑的直徑。分布板120的直徑⑴和實心區(qū)域140的直徑(y)可滿足下面關系:().1 < I < °.7，
例如0.丨5 <全< 0_6，0.2<^< 0.5 ’更優(yōu)選為0.25 <^< 0.35 不論實心區(qū)域140是平狀還
是升起狀，所述關系是相同的。當實心區(qū)域140的直徑太小時，三元氣體混合物流不能被完全分散并且此外，三元氣體混合物不能被充分地分布。實心區(qū)域140具有少于分布板的總面積的25%，例如少于20%的面積。有利地是，這使得本實用新型的分布板能夠分散射流，同時仍提供具有沿催化劑床層的直徑小于0.1的低CoV的三元氣體混合物。
[0053]在一個實施方案中，實心區(qū)域140可不包含孔。實心區(qū)域140可由通過附著于分布板120的適當材料例如焊接材料或金屬片材而填充孔而形成。在一些實施方案中，可根據(jù)需要將螺栓、鉚釘、螺紋插件、鍛件或其他能移除的裝置設置在孔中以限定實心區(qū)域140。這提供了可調(diào)整的實心區(qū)域140，所述實心區(qū)域可根據(jù)需要而重新定位以沿著催化劑床層分散三元氣體混合物。此外，可根據(jù)需要將螺栓、鉚釘或其他能移除的裝置進行更換和清潔以移除在實心區(qū)域或分布板表面上的任何沉積物。[0054]如圖3A和3B所示，實心區(qū)域140可具有為錐形形狀141的升起部分。升起部分可為實體或中空。錐形形狀體141直接穩(wěn)定地固定于分布板120。隨著三元氣體混合物114進入頭部空間154，錐形形狀體141會在混合物接觸分布板120之前而將其分散。因此，錐形形狀體141也可稱之為預分散器。錐形形狀體141可占據(jù)實心區(qū)域140的部分或整體。在一個實施方案中，錐形形狀體141可具有小于分布板的半徑的高度。錐形形狀體可為正圓錐或斜圓錐。錐形形狀可具有尖的、圓的、方的、鈍角的、斜角的等的頂點?？蓛?yōu)選為尖刀形狀的頂點。錐形形狀體的側部可為平滑并且通常朝向分布板120逐漸成錐形。錐形形狀體的側部的斜度或角度可為從5°到75°，例如從10°到60°。
[0055]在一個任選的實施方案中，實心區(qū)域140中的升起部分可具有其他形狀例如棱錐形狀或具有多個表面的棱柱。替代性的錐形形狀可為具有方形頂點或平狀頂點的柱形形狀或梯形形狀。
[0056]多個孔142限定了分布板120的至少50%到80%，例如從50%到75%的空區(qū)域。50%到80%的范圍的空區(qū)域有利地使得本實用新型實現(xiàn)了沿著分布板120小于IkPa (例如小于0.5kPa)的低壓降。因此，所分散的射流對反應容器106內(nèi)的整體壓降具有最小的影響?？?42的數(shù)量不受限并且可變化以達到所要求的空區(qū)域?？椎氖綐涌蔀橥臓?、成行對齊、錯排或成網(wǎng)格，例如菱形網(wǎng)格、方形網(wǎng)格、六邊形網(wǎng)格、矩形網(wǎng)格、平行四邊形網(wǎng)格或等邊形網(wǎng)格等。例如，在六邊形網(wǎng)格中，對于空區(qū)域的理論限制為約90%。在這種式樣中的孔可均勻間隔開?？?42可以任何適當?shù)姆绞絹碇瞥?，例如對分布?20鉆孔或沖壓?？?42可具有尖銳、倒角或倒圓的邊緣。在孔之間的區(qū)域143可為平狀。多個孔142的每一個孔可具有從Imm到20mm,例如從5mm到18mm或從12mm到15mm的直徑。在一個實施方案中，每個孔可具有相似的直徑。當使用不同尺寸的孔時，較大的孔可靠近分布板120的外側周向。在孔之間的區(qū)域143可大體為平狀。在一個實施方案中，使用機加工或拋光來將分布板處理到大約125微英寸(3.2微米)的表面粗糙度(rms)。
[0057]在一個實施方案中，穿過分布板120的孔142的壁可大體平行以允許三元氣體混合物經(jīng)過并且可有助于沿著催化劑床層均勻分布三元氣體混合物。任選地是，壁可從上游表面向下游表面逐漸變變尖或下游表面與上游表面成5°到60°的角。
[0058]如圖4所示，分布板120設置在反應容器106內(nèi)，位于入口 144的下游以及阻火器122和催化劑床層118的上游。分布板120可在頭部空間154內(nèi)使得分布板120通過一個或多個支撐臂146與入口 144和阻火器122間隔開。在一個實施方案中，分布板120與入口間隔開使得周向間隙152等于或大于入口區(qū)域。一個或多個支撐臂146連接于分布板120的下游表面并且安裝到反應容器106的側壁148處。支撐臂146的數(shù)量可從一個到十個，例如從三個到八個變化。
[0059]在一個優(yōu)選的實施方案中，可將分布板120焊接，例如點焊到支撐臂146和反應容器106的內(nèi)側表面。這提供了周向間隙152。在一個任選的實施方案中，分布板120可與反應容器106的內(nèi)表面滑動式配合或可設置在環(huán)形支撐環(huán)上。
[0060]在圖4中顯示的錐形形狀體141對入口 144的中心點對齊，優(yōu)選地同心對齊。分布板120也可對入口 144的中心點對齊。
[0061]分布板120的周界150可為圓形或方形。周界150不接觸側壁148并且限定了在側壁148和分布板120之間的周向空隙152。隨著三元氣體混合物114分散穿過并圍繞分布板120，三元氣體混合物可流過周向空隙152。在一個實施方案中，周向空隙152可具有等于或大于分布板120總面積的面積。因此，周向空隙152可具有大于空區(qū)域的面積，例如至少大兩倍或三倍。這可使得大部分的三元氣體混合物圍繞分布板120而經(jīng)過。
[0062]為了在反應容器106內(nèi)提供低的壓降，必須通過具有較少的板來降低分布板120的總表面積。一個分布板120足以分散射流。因此,優(yōu)選地,在反應容器106中具有一個分布板120，但是當分布板的表面積不會使壓降增加時，可使用多個板。
[0063]在轉化器以及特別是在反應容器內(nèi)也應當避免在不良的操作條件下的暴燃的風險或爆炸的影響。如這里所使用的用語“暴燃”是指相對于未燃燒的氣體在緊鄰于火焰之前處以亞音速傳播的燃燒波?！氨ā笔侵赶鄬τ谖慈紵臍怏w在緊鄰于火焰之前處以超音速傳播的燃燒波。暴燃典型地導致適度的壓力上升，但是爆炸可導致特別大的壓力上升。本實用新型提供了通過分散射流而實現(xiàn)沿催化劑床層均勻分散三元氣體混合物的有利的解決方法，同時最小化了反應容器內(nèi)的壓降。
[0064]分布板120的構造材料可變化并且可為任何能與三元氣體混合物相共存的，能夠承受反應器內(nèi)的設計溫度和壓力而不會顯著劣化的材料，并且所述材料不會在催化劑床層之前促進三元氣體混合物內(nèi)的氣體的反應。在一個實施方案中，分布板可由不銹鋼材料構造成，所述不銹鋼材料包括但不限于310SS、316SS和316L。
[0065]阻火器122空間上設置在催化劑床層118的上方以在其之間提供空間。阻火器會熄滅反應容器內(nèi)的由回燃導致的任何上游燃燒。分布板120可阻止射流燃燒式穿過阻火器122?？裳刂鴼んw的限定了內(nèi)部反應容器的內(nèi)壁的至少一部分和催化劑設置泡沫陶瓷。泡沫陶瓷最小化了供給氣體旁路，這是由于當反應器停止時催化劑會收縮。設置在催化劑床層的上方的泡沫陶瓷用于在反應器的操作期間，最小化三元氣體體積、降低壓降并且抑制自由基的形成。在殼體的每個出口中設置了套管并且在催化劑床層和余熱沸騰器的上部部分之間提供了流體傳遞。下部支撐件大體與催化劑床層的下表面相鄰而設置，所述下部支撐件具有大體蜂窩結構以降低沿下部支撐件的壓降。
[0066]在催化劑床層118中進行了反應以生產(chǎn)HCN。用在Andrussow法的催化劑床層118中的適合的催化劑包含第珊組金屬。第VDI組金屬包括鉬、銠、銥、鈀、鋨或釕并且催化劑可為這些金屬、這些金屬的混合物或兩種或多種這些金屬的合金。將包含基于催化劑總重量而從50重量％到100重量％的鉬的催化劑用于多個用于HCN生產(chǎn)的實例中。但是，通常優(yōu)選的催化劑是金屬、包含基于催化劑總重量而至少85重量％的鉬和最多15重量％的銠或至少90重量％的鉬和最多10重量％的銠的混合物或合金。
[0067]催化劑床層118可為一層或多層適合于進行反應的金屬絲網(wǎng)、網(wǎng)紗或其他堆疊或適合于進行反應的取向的結構，例如波紋結構。在一個示例性的實施方案中，催化劑床層118為具有不同網(wǎng)眼尺寸的編織網(wǎng)紗層的形式。網(wǎng)紗的層數(shù)和網(wǎng)眼尺寸以及金屬絲直徑可取決于過程的特定操作參數(shù)而變化。但是，通常當使用多層金屬網(wǎng)紗作為催化劑床層118時，絲網(wǎng)網(wǎng)紗具有從16到31個開口每直線厘米的網(wǎng)眼尺寸并且具有從0.076mm到0.228mm的金屬絲直徑。
[0068]點火孔160延伸經(jīng)過輻射防護板124。點火孔160使得點火器能夠接觸催化劑床層118的上部表面并且點燃催化劑床層118。也可使用不需要輻射防護板124中的孔的其他點火技術。在下文中將詳細描述催化劑床層118的點火。[0069]材料的其他層例如網(wǎng)紗設置在點火孔160的底部以增加點火孔區(qū)域中的壓降從而平衡沿催化劑床層118的直徑的壓降。因此，催化劑床層118具有沿著催化劑床層118的整個表面和結構大體相同的壓降。即，催化劑床層118的在點火孔160下方部分(即，材料的額外的層)的寬度大體上等于點火孔160的寬度。盡管這里已經(jīng)將材料的額外層稱之為“網(wǎng)紗”，但是應當理解地是該材料可為任何類型的能夠增加沿垂直于經(jīng)過轉化器102的氣體反應物的流動方向的橫截面的速度場均勻性的材料。例如，如果催化劑床層118由丸狀體形成，則材料的額外層也可由丸狀體、材料片體、網(wǎng)紗或相同或相似材料的結合而形成。
[0070]返回到狹長導管104，可存在有一個或多個用于混合反應氣體以形成三元氣體混合物114的混合器(未示出)?；旌掀鞯男螤詈统叽缒軌驈氐撞⒖焖俚鼗旌戏磻獨怏w?；旌掀骺蔀橐赃@里所描述的方式而作用的任何混合器?？捎糜诒緦嵱眯滦偷膶嵺`的混合器的非限定例子為二元混合器、三元混合器、動態(tài)混合器、靜態(tài)混合器等?；旌掀鞯某叽缈煞浅挼刈兓⑶以诤艽蟪潭壬蠈⑷Q于反應容器106的容積。
[0071]在一個實施方案中，使用渦流產(chǎn)生板混合器來提供大體均勻的混合物。VORTAB?是適當?shù)谋粍踊旌显?其用于可從Chemineer, Inc.的作為HEV (高效潤流)生產(chǎn)線的一部分而得到的高效靜態(tài)混合器中。通常，HEV混合器包括梯形板，所述梯形板以與混合器殼體成一定角度安裝并且通過交替轉動產(chǎn)生細小的渦流以通過最小的壓力損失來混合所經(jīng)過的流體流束，同時保持與湍流相關的相對平穩(wěn)的速度場。
[0072]在一個實施方案中，混合器可包含具有一行或多行的靜態(tài)混合區(qū)，每行具有一個或多個適合產(chǎn)生混合反應氣體的渦流的板。板可為正方形或矩形形狀。為了避免任何額外的壓降，混合器應當在狹長導管內(nèi)、小于150kPa例如小于125kPa或小于35kPa的壓降下實現(xiàn)徹底混合。
[0073]用于本實用新型的目的的徹底混合的三元氣體具有沿催化劑床層小于0.1，更有選為小于0.05以及甚至更優(yōu)選為小于0.01的CoV。在范圍方面，CoV可為從0.001到0.1，或更優(yōu)選地從0.001到0.05。低CoV有利于增加反應物轉化成HCN的產(chǎn)率。完全混合的三元氣體有利地增加了 HCN的產(chǎn)率，并且回報更高產(chǎn)量的HCN。當CoV超出0.1時，反應氣體可能處于在催化劑床的安全操作范圍之外的濃度。例如，當在三元氣體中的較高氧氣濃度下操作時，較大的CoV可能造成氧氣增加，這導致了回流。另外，當CoV較大時，催化劑床可能暴露于更多的甲烷下，這可能導致碳沉淀物的聚集。碳沉淀物可能降低催化劑壽命和性能。因此，在較大的CoV下可能會有更高的原材料消耗。
[0074]在一個實施例中，混合器也可包括任選的流動校正器(未示出)。任選的流動校正器可具有在氣體供給流束接觸靜態(tài)混合區(qū)之前調(diào)校正動的結構體。流動校正器也可攪動在導管的整個區(qū)域周圍的氣體，并且大體上阻止反應氣體直接向下流到導管的中部。當使用流動校正器時，其可設置為鄰近每個入口并遠離靜態(tài)混合器。
[0075]使用高氧含量的含氧源(即，低含量的惰性氣體例如氮氣)提供了降低下游設備的尺寸和操作成本的機會，否則必須處理大體積的惰性氮氣。在一個實施方案中，含氧氣的氣體包含大于21體積％的氧氣,例如大于28體積％的氧氣，大于80體積％,大于90體積％,大于95體積％，或大于99體積％的氧氣。為了清楚的目的，這里，每當使用用語“富氧空氣”時，該用語意在包含大于21體積％的氧氣含量和包含100體積％ (即純氧)的氧氣含量。每當使用用語“含氧氣體進料流”時，該用語意在包含多達21體積％的氧氣含量和包括100體積％ (即純氧)的氧氣含量。由于使用了含氧氣氣體進料流或純氧，其應當具有比空氣少的雜質(zhì)并且因此分布板中的孔不大可能被堵塞。
[0076]從上述說明中可以清楚，本實用新型能很好地適合于實現(xiàn)目標并達到這里所提及的優(yōu)勢以及本公開所固有的優(yōu)勢。雖然出于本公開的目的已經(jīng)描述了本實用新型的優(yōu)選的實施方案，然而可以理解的是，可以進行對于本領域技術人員而言顯而易見的并且能夠在本實用新型的精神下所完成的改變參照下面的實施例可進一步理解本實用新型。
[0077]本實用新型可以參照下述例子來進一步理解。
[0078]實施例1
[0079]如圖4所示，具有多個限定了 70%的空區(qū)域的孔的分布板設置在反應容器的頭部空間中，所述反應容器具有137.16cm (54英寸)的內(nèi)直徑。分布板設置為掘進頭部入口，其具有22.86厘米(9英寸)的內(nèi)直徑。分布板由310SS構造成并且具有9.53mm (3/8英寸)的厚度。每個孔具有11.11_ (7/16英寸)的平均直徑。分布板通過焊接到反應器的內(nèi)壁上的多個臂而保持以排列分布板并且以提供比分布板大的周向區(qū)域。分布板具有實心區(qū)域，所述實心區(qū)域與反應容器入口軸向?qū)R并且包含升起部分。實心區(qū)域小于分布板總面積的25%。升起部分為錐形形狀。
[0080]將反應氣體引入到在頂部入口進料的混合區(qū)域中。將純氧用作含氧氣氣體。反應氣體以1: 1.2的甲烷-氧氣摩爾比和1: 1.5的氨-氧氣摩爾比進料以產(chǎn)生包含約接近28.5體積％氧氣的三元氣體混合物?；旌鲜彝耆旌戏磻獨怏w以達到具有沿催化劑床層的直徑小于0.1的變化系數(shù)(CoV)的三元氣體混合物。將三元氣體混合物以7m/s的平均氣體線速度引入到反應容器中。一旦將三元氣體混合物射流分散后，通過三元氣體混合物流過包含籃子盛裝的陶瓷丸的阻火器而將其進一步分散。在三元氣體混合物接觸催化劑床層之前，阻火器將其進一步分散。在Andrussow方法的反應條件下,沿著分布板的壓降小于IkPa0分布板將三元氣體射流分散并且提供了流過阻火器和催化劑床層的相同的線速度。因此，沒有形成熱點。在分散射流中，分布板保持了通過混合室實現(xiàn)的小于0.1的CoV。
[0081]對比例A
[0082]在實施例1的反應容器的頭部空間內(nèi)，沒有插入分布板。三元氣體混合物以至少7m/s的氣體平均線速度經(jīng)過反應器而形成氣體射流。當射流與催化劑的上表面接觸時，射流具有從22.86到25.4cm (9到10英寸)的直徑，其與頂部入口的內(nèi)直徑類似。這表明氣體射流沒有沿著催化劑的表面而分散并且可在催化劑床層和阻火器上導致熱點。觀察到CoV為0.2。HCN產(chǎn)率為7%，少于具有分布板的實施例1的產(chǎn)率。
[0083]對比例B
[0084]在反應容器的頭部空間內(nèi)，插入有多個板。多個板具有一系列孔。至少一個板為非平面的。在與實施例1相同的條件下，將實施例1的三元氣體混合物進料到反應器中并且反應容器內(nèi)的壓降大于150kPa。
[0085]對比例C
[0086]使用在美國專利N08133458的實施例1中描述的傳統(tǒng)反應器來制備HCN，所述反應器沒有分布板或輻射防護件并且這里催化劑支撐件很簡單沒有對于催化劑支撐件的擴展的可能。此外，通過用水直接急冷熱的反應氣體來移除熱。使用催化劑處理12體積％的氨、13體積％的天然氣、75體積％的空氣，壓力為4bar，特定的催化劑載荷為25tN/m2d，和16層催化劑網(wǎng)紗，所述催化劑網(wǎng)紗為90/10Pt/Rh，1024個網(wǎng)眼，具有0.076mm的絲直徑。在催化劑內(nèi)測定的溫度為1050°C。
[0087]以50-55%的效率(氨轉化成HCN)工作時間長度70天。如美國專利N08133458中的報道，工作由于催化劑中的裂縫而中途失敗。
[0088]實施例2
[0089]將具有實施例1的錐形中心部分的分布板安裝在實施例1的反應器中。催化劑支撐件的其他方面與對比例C中的相同并且反應器在相同的條件下運行。以60-65%的效率工作時間長度100天。在編織的催化劑組件中沒有觀察到皺紋或裂紋，并且在運行期間，CoV平均為0.05到0.1。觀察到HCN產(chǎn)率相對于對比例C提高接近7%。
【權利要求】
1.一種用于生產(chǎn)氰化氫的轉化器，其特征在于，包括: 用于引入含甲烷的氣體、含氨的氣體和含氧氣的氣體的狹長導管，其中所述狹長導管會產(chǎn)生三元氣體混合物流； 反應容器，其包括用于接收三元氣體混合物的入口、阻火器以及用于將所述三元氣體混合物轉化成氰化氫的催化劑床層；以及 分布板，其設置在所述反應容器內(nèi)，位于所述入口的下游和所述阻火器的上游，所述分布板具有比所述反應容器的入口大并且比反應容器的最大直徑小的直徑，其中所述分布板具有占分布板總面積的50%到80%的空區(qū)域，并且其中所述分布板包括與入口的中心點對齊的實心區(qū)域。
2.根據(jù)權利要求1所述的轉化器，其特征在于，所述分布板橫向于所述三元氣體混合物流而設置。
3.根據(jù)權利要求1所述的轉化器，其特征在于，所述實心區(qū)域具有為錐形形狀的升起部分。
4.根據(jù)權利要求3所述的轉化器，其特征在于，所述升起部分牢固地固定于所述分布板。
5.根據(jù)權利要求1所述的轉化器，其特征在于，還包括一個或多個將所述分布板與所述反應容器的內(nèi)壁相連的支撐臂。
6.根據(jù)權利要求5所述的轉化器，其特征在于，所述一個或多個支撐臂中的每一個安裝在所述分布板的下游表面。
7.根據(jù)權利要求1所述的轉化器，其特征在于，所述空區(qū)域由多個孔而限定。
8.根據(jù)權利要求7所述的轉化器，其特征在于，所述多個孔中的每個孔具有從0.1mm到20mm的直徑。
9.根據(jù)權利要求1所述的轉化器，其特征在于，所述阻火器包含耐火陶瓷材料。
10.根據(jù)權利要求9所述的轉化器，其特征在于，所述耐火陶瓷材料選自由泡沫陶瓷、陶瓷氈、丸體、鋁-硅耐火非織物氈和其結合組成的組。
11.根據(jù)權利要求1所述的轉化器，其特征在于，所述實心區(qū)域具有小于或等于所述狹長導管的出口的直徑。
12.根據(jù)權利要求1所述的轉化器，其特征在于，所述分布板具有從IOcm到290cm的直徑范圍。
13.根據(jù)權利要求1所述的轉化器，其特征在于，還包括處于所述反應容器的內(nèi)壁和所述分布板的周向之間的周向間隙。
14.根據(jù)權利要求1所述的轉化器，其特征在于，所述實心區(qū)域由一個或多個插入在所述多個孔的至少一部分中的能移除的裝置來限定，使得所述分布板具有占所述分布板總面積的50%到80%的空區(qū)域。
15.根據(jù)權利要求14所述的轉化器，其特征在于，所述一個或多個能移除的裝置選自由螺栓、鉚釘、螺紋插件、鍛件或其結合組成的組。
【文檔編號】C01C3/02GK203683108SQ201320822367
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2013年12月12日 優(yōu)先權日:2012年12月18日
【發(fā)明者】約翰·C·卡頓, 布蘭特·J·斯塔爾曼, 凱文·L·哈姆麥克 申請人:英威達科技公司