冷卻氰化氫粗產物的熱交換器和生產氰化氫的反應裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種用于冷卻氰化氫粗產物的熱交換器，其包括若干根管，其中所述若干根管中的每根管均包括：含有至少90wt%的氧化鋁且延伸過所述管的入口的陶瓷套管，各所述套管均包括環(huán)繞所述套管的至少一部分的隔離層；以及含有至少90wt%的氧化鋁的一個或多個墊片，其中，所述一個或多個陶瓷墊片中的至少一個在所述管的入口的上方圍繞著所述套管，并且所述陶瓷套管與所述管隔開。本實用新型進一步涉及包括所述熱交換器的反應裝置。
【專利說明】冷卻氰化氫粗產物的熱交換器和生產氰化氫的反應裝置
[0001] 相關申請的奪叉引用
[0002] 本申請要求享有于2012年12月18日提交的美國申請61/738, 795的優(yōu)先權，該 申請的全部內容和公開結合于本文中。

【技術領域】
[0003] 本實用新型涉及一種生產氰化氫的反應裝置，所述反應裝置包括含若干根管的熱 交換器。

【背景技術】
[0004] 傳統(tǒng)地，氰化氫（"HCN"）是按照Andrussow法或BMA法進行工業(yè)規(guī)模的生產的。 (例如參見 Ullman' s Encyclopedia of Industrial Chemistry, Volume A8, ffeinheim 1987:161-163)。例如，在Andrussow法中，可以在適當?shù)拇呋瘎┐嬖谙略诜磻髦惺拱?氣與含甲烷的氣體和含氧氣的氣體在高溫下反應商業(yè)化地來制備HCN(參見美國專利 US1，934, 838號和US6, 596, 251)。硫化合物以及甲烷的高級同系物可能會影響甲烷的氧化 氨解反應的參數(shù)。例如參見 Trusov, Effect of Sulfur Compounds and Higher Homologues of Methane on Hydrogen Cyanide Production by the Andrussow Method, Russian J. Applied Chemistry, 74:10 (2001) :1693-1697。通過使反應器流出氣體在氨氣吸附器中 與磷酸銨水溶液接觸來將未反應的氨氣與HCN中分離。將分離出來的氨氣純化、濃縮，用于 再循環(huán)HCN的轉化。通常通過將其吸附至水中從而從處理后的反應器流出的氣流中回收 HCN。所回收的HCN可經(jīng)過進一步的提煉工序處理后，以制備純化的HCNXlean Development Mechanism Project Design Document Form(CDM HDD, Version 3) ,2006 (清潔發(fā)展機制項 目設計書，第三版，2006年）圖示性地解釋了 HCN的Andrussow生產工藝。純化的HCN可使 用于氫氰化，如含烯烴基團的氫氰化或1，3-丁二烯和戊烯腈的氫氰化，其中1，3-丁二烯和 戊烯腈的氫氰化可用作生產己二腈（"ADN")。在BMA工藝中，用甲烷和氨氣在實際無氧氣 的條件下于鉬催化劑存在下合成HCN，其結果是產生了 HCN、氫氣、氮氣、剩余的氨氣和剩余 的甲燒（參見 Ullman' s Encyclopedia of Industrial Chemistry, Volume A8, ffeinheim 1987 :161-163)。商業(yè)經(jīng)營者要求進行工藝安全管理以控制氰化氫的危險性（參見Maxwell 等人，Assuring process safety in the transfer of hydrogen cyanide manufacturing technology, JHazMat 142(2007) :677-684)。另外，HCN制造工藝中的來自生產設備的排放 可能要遵守法規(guī)，這將影響HCN生產的經(jīng)濟性。（參見Crump, Economic Impact Analysis For The Proposed Cyanide Manufacturing NESHAP, EPA, May 2000) 〇
[0005] 當HCN流出反應器時，在其進入分離區(qū)以回收氨和氰化氫之前必須冷卻。其中一 種冷卻反應器產品的方法包括使用熱交換器。US6960333教導了一種延長用于化學反應 器的間接管板型熱交換器，尤其是那些暴露于還原、氮化和/或滲碳環(huán)境中的熱交換器的 使用壽命的方法。US6960333進一步教導了二氧化硅、氧化鋁和氧化鋯的陶瓷套管不能在 苛刻環(huán)境下針對化學和物理試劑提供足夠的防護，其中也包括了氰化氫反應器中的情形。 US6960333教導了在這些環(huán)境下，通常使用的套管（包括已知的陶瓷套管）是保護性的，意 味著其會降解，必須對其進行監(jiān)控以及定期更換。US6960333教導了使用含鎳-鉻合金或氮 化硅的套管能夠大大增加熱交換管、尤其是在氰化氫生產中使用的熱交換管的使用壽命。
[0006] 使用含套管的熱交換管以生產氰化氫的現(xiàn)有套管和工藝遭遇到許多問題，阻礙了 其商業(yè)可行性，這些問題包括：套管壽命不足的保護性套管，可能過份昂貴的套管，以及使 用含上述問題的套管生產氰化氫工藝的工藝效率和生產率的降低。
[0007] 氧化鋁陶瓷是一種以a _A1203為主晶相的陶瓷材料，其中A1203含量在 75% -99. 9%之間，通常以配料中的A1203含量來分類。根據(jù)A1203的質量百分含量不同，可 分為75瓷、90瓷、95瓷、96瓷和99瓷，它們的A1 203%分別為：75%、90%、95%、96%、99% (劉維良，特種陶瓷工藝學，ISBN978-7-5493-0049-5, 2010 年 8 月，p8-20)。 實用新型內容
[0008] 本實用新型涉及一種冷卻氰化氫粗產物的熱交換器，其包括若干根管，其中所述 若干根管中的每根管均包括：含有至少90wt%的氧化鋁且延伸過所述管的入口的陶瓷套 管，各所述套管均包括環(huán)繞所述套管的至少一部分的隔離層；以及含有至少90wt%的氧化 鋁的一個或多個墊片，其中，所述一個或多個陶瓷墊片中的至少一個在所述管的入口的上 方圍繞著所述套管，并且所述陶瓷套管與所述管隔開。
[0009] 在一個具體的實施例中，所述陶瓷套管包含至少94wt%的氧化鋁。在另一個實施 例中，所述陶瓷套管包含90_98wt %的氧化鋁。
[0010] 在另一個具體的實施例中，所述一個或多個陶瓷墊片包含至少94wt %的氧化鋁。 在一些實例中，所述一個或多個陶瓷墊片包含90-98wt %的氧化鋁。
[0011] 在一個具體的實施例中，所述陶瓷套管延伸至高于管板的上表面，每根管子的上 部連接于管板的下表面上。
[0012] 在另一個具體的實施例中，所述一個或多個墊片環(huán)繞所述高于管板上表面的陶瓷 套管的至少一部分，所述墊片與管板的上表面相鄰。
[0013] 本實用新型還涉及一種生產氰化氫的反應裝置，包含：反應器和包含若干根管的 熱交換器，其中所述若干根管中的每根管均包括：含有至少90wt %的氧化鋁且延伸過所述 管的入口的陶瓷套管，各所述套管均包括環(huán)繞所述套管的至少一部分的隔離層；以及含有 至少90wt %的氧化鋁的一個或多個墊片，其中，所述一個或多個陶瓷墊片中的至少一個在 所述管的入口的上方圍繞著所述套管，并且所述陶瓷套管與所述管隔開。
[0014] 在一個具體的實施例中，所述一個或多個陶瓷墊片為陶瓷纖維墊片。
[0015] 在另一個具體的實施例中，所述隔離層環(huán)繞整個陶瓷套管。在一個具體實例中，所 述陶瓷套管可包含90_98wt%的氧化鋁。在另一個實例中，所述套管不含氮化硅和鎳-鉻 合金。
[0016] 在另一個具體的實施例中，所述一個或多個墊片含有至少94wt%的氧化鋁。在一 些實施例中，所述一個或多個墊片含有90-98wt %的氧化鋁。
[0017] 在第一實施例中，本實用新型涉及包括用于生產氰化氫的反應設備，其包括反應 器以及包含若干根管的熱交換器，其中所述若干根管中的每根管均包括：含有至少90wt% 的氧化鋁且延伸過所述管的入口的陶瓷套管，各所述套管均包括環(huán)繞所述套管的至少一部 分的隔離層；以及含有至少90wt%的氧化鋁的一個或多個墊片，其中，所述一個或多個陶 瓷墊片中的至少一個在所述管的入口的上方圍繞著所述套管，并且所述陶瓷套管與所述管 隔開。所述一個或多個陶瓷墊片包含94wt%的氧化鋁。所述套管可具有圓錐形、錐形或喇 叭形的入口部分。所述套管可不含有氮化硅和鎳-鉻合金。所述一個或多個墊片可含有 90?98wt%的氧化鋁。所述套管當暴露于氰化氫時具有至少六個月的壽命。
[0018]在第二實施例中，本實用新型涉及包括用于生產氰化氫的反應設備，其包括反應 器以及包含若干根管的熱交換器，其中所述若干根管中的每根管均包括：含有至少90wt% 的氧化鋁且延伸過所述管的入口的陶瓷套管，各所述套管均包括環(huán)繞所述套管的至少一部 分的隔離層；以及含有至少90wt%的氧化鋁的一個或多個墊片，其中，所述一個或多個陶 瓷墊片中的至少一個在所述管的入口的上方圍繞著所述套管，并且所述陶瓷套管與所述 管隔開，進一步地，其中所述陶瓷套管不含氮化硅和鎳-鉻合金。所述陶瓷套管可含至少 94wt%的氧化鋁。所述一個或多個陶瓷墊片可含有選自由氧化鋁、氧化硅、氧化鋯和其結合 構成的組的陶瓷。所述一個或多個陶瓷墊片可包含至少94wt%的氧化鋁。
[0019]在第三實施例中，本實用新型涉及一種用于冷卻氰化氫粗產物的熱交換器，其包 括若干根管，其中所述若干根管中的每根管均包括：含有至少90wt%的氧化鋁的套管，所 述套管環(huán)繞有隔離層；以及含有至少90wt%的氧化鋁的一個或多個墊片，其中，并且所述 陶瓷套管與所述管隔開。所述套管當暴露于氰化氫時具有至少六個月的壽命。所述陶瓷套 管和一個或多個墊片均可含有至少94wt%的氧化鋁。所述陶瓷套管延伸至高于管板的上表 面，每根管子的上部連接于管板的下表面上。所述一個或多個墊片環(huán)繞著所述陶瓷套管中 的高于管板上表面的至少一部分，所述墊片與管板的上表面相鄰。
[0020] 在第四實施例中，本實用新型涉及一種用于冷卻化學反應產品的熱交換器，其包 括若干根管，其中所述若干根管中的每根管均包括：含有至少90wt%的氧化鋁的套管，所 述套管環(huán)繞有隔離層；以及含有至少90wt%的氧化鋁的一個或多個墊片，其中，其中所述 陶瓷套管與管隔開，所述套管當暴露于化學反應產品時能夠耐受斷裂和降解至少六個月。 所述化學反應產品包含氰化氫。所述一個或多個墊片可含有至少90_98wt%的氧化鋁。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021] 圖1為本實用新型的一個實施例中所描述的熱交換器和反應系統(tǒng)的部分橫截面 的簡化示意圖；
[0022] 圖2為根據(jù)本實用新型一個實施例的熱交換器管和部分用隔離層包裹的套管的 簡化圖；
[0023] 圖3為根據(jù)本實用新型一個實施例的熱交換管和用隔離層完全包裹的套管的簡 化圖；
[0024] 圖4和圖5顯示了根據(jù)本實用新型的另外兩個實施例的熱交換管和套管。

【具體實施方式】
[0025] 本申請中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/或成分，但不妨礙一個或多個其他特征、整體、步 驟、操作、部件組、成分和/或它們的組合的存在或添加。
[0026] 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、元素組、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、元素組、工藝或方法步驟，或者具有在該組分、元素組、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。
[0027] 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 或將本實用新型限制到所公開的形式。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 至IJ，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實施。
[0028] 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。
[0029] 傳統(tǒng)地，氰化氫（"HCN"）按照Andrussow法或BMA法進行工業(yè)規(guī)模的生產。在 Andrussow法中，在催化劑的存在下，含甲燒、氨氣和氧氣的原料在高于1000°C的溫度下進 行反應以生產氰化氫粗產物，其包含HCN、氫氣、一氧化碳、二氧化碳、氮氣、剩余的氨氣、剩 余的甲烷和水。在一些優(yōu)選的實施例中，含甲烷、含氨和含氧氣的原料在其于催化劑的作用 下反應生成氰化氫粗產物之前結合在一起，形成三元氣體混合物。在流經(jīng)熱交換器之前，氰 化氫粗產物的溫度超過l〇〇〇°C，必須在進一步加工前進行冷卻。
[0030] Andrussow法工藝中HCN的形成通常用下述總的化學反應來表達：
[0031] 2CH4+2NH3+302 - 2HCN+6H20
[0032] 然而應該理解，上述化學反應代表了更加復雜的動力學順序的簡化，其中部分烴 首先被氧化，從而產生足夠的熱能以支持從剩余的烴和氨氣來合成HCN的吸熱反應。
[0033] 在合成HCN的過程中有如下三個基本的副反應發(fā)生：
[0034] CH4+H20 - C0+3H2
[0035] 2CH4+302 - 2C0+4H20
[0036] 4NH3+302 - 2N2+6H20
[0037] 除了副反應產生的氮氣量外，存在于粗產物中的其他的氮氣取決于氧氣的來源。 盡管現(xiàn)有技術已給出富氧空氣或純氧可作為氧氣來源的教導，但是并沒有完全揭露使用富 氧空氣或純氧的優(yōu)點。當使用空氣作為氧氣來源時，氰化氫粗產物包含空氣中的成分，如 78vol%的氮氣，以及氨氣和氧氣的副反應中所生產的氮氣。
[0038] 本申請中使用的用語"空氣"指成分與取自大氣（通常在地平面）的原始氣體成 分大致相同的氣體混合物。在一些實例中，空氣取自室溫環(huán)境的空氣?？諝饩哂腥缦陆M成， 包括約78v%的氮氣、約2lv%的氧氣、約lv%的氬氣和約0. 04v%的二氧化碳，以及少量的 其它氣體。
[0039] 本申請使用的用語"富氧空氣"指成分包含比空氣中氧氣含量高的氣體混合物。富 氧空氣具有如下組成，包括大于21v%的氧氣、少于78v%的氮氣、少于lv%的氬氣和少于 0. 04v%的二氧化碳。在一些實施方案中，富氧空氣包括至少28v%的氧氣，例如至少80v% 的氧氣，例如至少95v%的氧氣，或者至少99v%的氧氣。
[0040] 由于空氣中的大量氮氣，合成HCN的工藝中使用富氧空氣會比較有優(yōu)勢，這是因 為當使用空氣作為氧氣來源生產HCN時，大量惰性氣體（氮氣）的存在將會導致合成反應 需要在合成步驟中使用較大型的裝置，并且還會導致產品氣體中HCN的濃度較低。此外，由 于惰性氮氣的存在，需要燃燒更多甲烷以提高三元氣體混合物組分的溫度，使其維持在合 成HCN所需的溫度。該氰化氫粗產物含有HCN，也含有副產物氫氣、甲烷燃燒副產物（一氧 化碳、二氧化碳、水）、剩余的甲烷和剩余的氨氣。然而，當使用空氣（即21vol%氧氣）時， 在將HCN以及可回收的氨氣與其他氣體組分分離之后，惰性氮氣的存在會使得殘余的氣流 的熱值低于能量回收所需的熱值。
[0041] 因此，采用富氧空氣或純氧代替空氣制備HCN具有許多優(yōu)點，包括了回收氫氣的 能力。其他優(yōu)點包括提高天然氣轉化為HCN的轉化率以及相應的生產裝置的尺寸減小。因 此，采用富氧空氣或純氧，通過減少進入合成工藝的惰性化合物能夠減小反應器的尺寸和 減少下游氣體處理裝置的至少一個部件。采用富氧空氣或純氧還可以降低將該含氧原料氣 體加熱至反應溫度所需消耗的能量。三元氣體混合物中氨氣與氧氣的摩爾比為1. 2-1. 6,如 1. 3-1. 5 ;氨氣與甲烷的摩爾比為1-1. 5,例如1. 10-1. 45 ;甲烷與氧氣的摩爾比為1-1. 25， 如1. 05-1. 15。例如，三元氣體混合物中，氨氣-氧氣的摩爾比為1. 3,甲烷和氧氣的摩爾比 為1. 2。在另一個具體的實施例中，三元氣體混合物中，氨氣-氧氣的摩爾比為1. 5,甲烷 和氧氣的摩爾比為1. 15。三元氣體混合物中的氧氣含量取決于上述的摩爾比。在一些實施 例中，該三元氣體混合物包含25-32vol%的氧氣，例如26-30vol%的氧氣。具體氰化氫粗 產物組成如表1中所示。
[0042] 表1氰化氫粗產物組成
[0043]

【權利要求】
1. 一種冷卻氰化氫粗產物的熱交換器，其特征在于，所述熱交換器包括若干根管，其中 所述若干根管中的每根管均包括：含有至少90wt %的氧化鋁且延伸過所述管的入口的陶 瓷套管，各所述套管均包括環(huán)繞所述套管的至少一部分的隔離層；以及含有至少90wt%的 氧化鋁的一個或多個墊片，其中，所述一個或多個陶瓷墊片中的至少一個在所述管的入口 的上方圍繞著所述套管，并且所述陶瓷套管與所述管隔開。
2. 根據(jù)權利要求1所述的熱交換器，其特征在于，所述陶瓷套管延伸至高于管板的上 表面，每根管子的上部連接于管板的下表面上。
3. 根據(jù)權利要求2所述的熱交換器，其特征在于，所述一個或多個墊片環(huán)繞所述高于 管板上表面的陶瓷套管的至少一部分，所述墊片與管板的上表面相鄰。
4. 一種生產氰化氫的反應裝置，其特征在于，所述反應裝置包含：反應器和包含若干 根管的熱交換器，其中所述若干根管中的每根管均包括：含有至少90wt %的氧化鋁且延伸 過所述管的入口的陶瓷套管，各所述套管均包括環(huán)繞所述套管的至少一部分的隔離層；以 及含有至少90wt %的氧化鋁的一個或多個墊片，其中，所述一個或多個陶瓷墊片中的至少 一個在所述管的入口的上方圍繞著所述套管，并且所述陶瓷套管與所述管隔開。
5. 根據(jù)權利要求4所述的反應裝置，其特征在于，所述一個或多個陶瓷墊片為陶瓷纖 維墊片。
6. 根據(jù)權利要求4所述的反應裝置，其特征在于，所述隔離層環(huán)繞整個陶瓷套管。
【文檔編號】F28F19/00GK204165443SQ201320822077
【公開日】2015年2月18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, 洛基·王 申請人:英威達科技公司