專利名稱：用于催化氣相反應(yīng)的裝置和方法以及其用途的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于催化氣相反應(yīng)的改進(jìn)的反應(yīng)器和利用該反應(yīng)器執(zhí)行的方法，具體地，本發(fā)明涉及改進(jìn)的氧化方法，例如用于氨氧化的方法，其可以用作例如己內(nèi)酰胺或者尤其是硝酸的制備的組成部分。
背景技術(shù)：
在許多情況下，當(dāng)實(shí)施催化氣相反應(yīng)時，反應(yīng)熱被釋放。借助例如通過加熱的反應(yīng)器壁的熱傳遞，通過反應(yīng)氣體沿逆流方向運(yùn)動的渦旋引起的對流，或者通過熱輻射，反應(yīng)熱可以到達(dá)反應(yīng)器的位于反應(yīng)區(qū)之前的部分。這種熱傳遞的結(jié)果是，供給的氣體可以在甚至到達(dá)反應(yīng)區(qū)之前就被強(qiáng)烈地加熱，使得在到達(dá)該反應(yīng)區(qū)之前導(dǎo)致以不受控制的方式進(jìn)行不期望的副反應(yīng)或預(yù)反應(yīng)。在工業(yè)上大規(guī)模實(shí)施的放熱氣相反應(yīng)的實(shí)例是硝酸(“ΗΝ0/’)的制備。在工業(yè)規(guī)模上通常是根據(jù)奧斯特瓦爾德(Ostwald)方法通過鉬/銠催化劑上的氨的催化氧化來實(shí)施這個反應(yīng)。這里，氨(“NH3”)被完全選擇性地氧化成一氧化氮(“NO”)，然后一氧化氮在進(jìn)一步的過程中被氧化成二氧化氮(“N02”)并且最終在吸收塔中與水反應(yīng)而生成ΗΝ03。鉬 /銠催化劑設(shè)計成薄的紗網(wǎng)并且在燃燒器的大面積區(qū)域上展開。用于這些紗網(wǎng)的通常尺寸處于0. 5-5m的直徑范圍內(nèi)。紗網(wǎng)填料的厚度通常為幾毫米至最多2厘米，這取決于采用的紗網(wǎng)的數(shù)量。含氧和含氨的混合物流過紗網(wǎng)。這種混合物的成分通過稀釋進(jìn)行控制，使得在缺少安全間隔時總是降低爆炸下限，以避免爆炸或爆裂的危險——即使在紗網(wǎng)前面的裝備和生產(chǎn)線中。在硝酸的制備中和在用于制備己內(nèi)酰胺的某些方法中，所使用的稀釋劑是空氣的惰性成分，尤其是氮，也就是大氣空氣和氨混合成使得混合物通常包含大約8-12%的氨。 由于紗網(wǎng)上的反應(yīng)的放熱，所以在那里形成范圍為大約800°C -950°C的溫度。用于制備一氧化氮的方法和用于在制備己內(nèi)酰胺的過程中間制備羥胺硫酸鹽的方法也是已知的，但是其中氨利用氧而被催化氧化，并且利用蒸汽對氨/氧混合物進(jìn)行處理，從而氨/氧混合物被稀釋(參考 GB-A-1, 139，849 和 RU-A-2, 127，222)。接下來熱的反應(yīng)氣體在熱交換器中被冷卻，其中產(chǎn)生蒸汽或者過程氣體被加熱。選擇紗網(wǎng)高度非常小的大直徑催化劑幾何結(jié)構(gòu)的原因在于，NH3氧化必須以非常小的停留時間進(jìn)行，另一方面是因?yàn)榻酉聛砜赡艿腘O反應(yīng)，另一方面是因?yàn)橛捎诩喚W(wǎng)的灌注和紗網(wǎng)的機(jī)械應(yīng)力而產(chǎn)生的壓力損失應(yīng)當(dāng)保持為盡可能的小。從而，在工業(yè)HNO3制備中， 以較低的線性速率進(jìn)行紗網(wǎng)的灌注，根據(jù)壓力范圍，該線性速率處于在大氣條件下為大約 0. 4-l.Om/s、在范圍為從3-7巴絕對值的中壓氧化下為大約l_3m/S以及在范圍為從8_12 巴絕對值的高壓氧化下為大約2-4m/s的范圍內(nèi)，其中速率數(shù)據(jù)要理解為被反應(yīng)熱加熱的氣體的真空空間速率。在入射流太快的情況下，由于進(jìn)入氣流的冷卻效果(“吹熄”現(xiàn)象)， 鉬/銠紗網(wǎng)上的反應(yīng)還可能消失。通過可能的熱氨燃燒的火焰速度標(biāo)記用于氨/氧惰性混合物的入射流量的下限，使得在各種情況下，在催化劑上點(diǎn)火的反應(yīng)到催化劑床前面的自由氣體空間中的回?fù)舯慌懦谕狻３私?jīng)典紗網(wǎng)催化劑之外，在科學(xué)文獻(xiàn)和專利文獻(xiàn)中還說明了基于用于氨氧化的過渡金屬氧化物的基礎(chǔ)金屬催化劑的使用。這些可以自身單獨(dú)使用或者與鉬/銠紗網(wǎng)結(jié)合使用。例如，Sadykov等人的 Appl. Catal. General A :204(2000)59-87 中有關(guān)于這方面
的考慮。用于使用基礎(chǔ)金屬催化劑的驅(qū)動力是為了節(jié)省貴金屬，尤其是鉬。貴金屬催化劑在氨氧化期間被實(shí)際消耗，從而必須根據(jù)紗網(wǎng)的負(fù)荷以大約三個月到一年的間隔進(jìn)行更換，這導(dǎo)致相當(dāng)可觀的成本。通常，基于過渡金屬氧化物的催化劑，以及鉬/銠紗網(wǎng)催化劑，同樣以較低的入射流量被流過。當(dāng)在催化劑上點(diǎn)火時，這是尤其必要的，以便不會再次熄滅氨氧化。實(shí)際上， 基于過渡金屬氧化物的催化劑通常比貴金屬催化劑具有較低的活性，并且與貴金屬催化劑相比具有明顯較高的啟動溫度和較高的熄滅溫度。在W0-A-99/25，650中，措施被描述為可以如何通過使用極細(xì)粒度的催化劑顆粒來降低“吹熄”溫度，而不允許壓力損失在這里增加太多。在氨的催化氧化的情況下，還總是存在這樣的問題，即氨在與實(shí)際氧化催化劑接觸之前(例如在熱管壁上)點(diǎn)火，并且在這里非選擇性地點(diǎn)火以形成N2和H2O或者N20。在EP-A-1，028，089中說明了，可能發(fā)生的是通過在用于供應(yīng)NH3/空氣混合物的分配器配件上的氨燃燒的反射來加熱這些配件，由此，進(jìn)入的NH3的一部分在這些配件的表面上被氧化成N2O。US-A-5, 266, 291說明了一種反應(yīng)器，其在輸入?yún)^(qū)(在這里稱為混合區(qū))中具有惰性材料的填料。在混合區(qū)中，諸如水的冷卻介質(zhì)可以被噴射以降低該混合區(qū)中的溫度。可替代的是或者除此之外的是，可以用水冷卻混合區(qū)中的反應(yīng)器套。該文獻(xiàn)還說明了這樣一種可能性，即反應(yīng)區(qū)還能夠圍繞有冷卻套，并且水還可以噴射到反應(yīng)區(qū)中以降低其中的溫度且由此降低不受控制的反應(yīng)的風(fēng)險。在該反應(yīng)器中，不同的氣流被進(jìn)給到混合區(qū)中，在混合區(qū)的填料中混合，然后被進(jìn)給到反應(yīng)區(qū)。除了作為混合器的功能外，填料還防止發(fā)生爆炸。EP-A-334，710說明了一種由鋼壁構(gòu)成反應(yīng)器。在反應(yīng)器的內(nèi)側(cè)上設(shè)置有耐火混凝土涂層，而該涂層在內(nèi)側(cè)上又被莫來石護(hù)套覆蓋。提供這些措施以便能夠在高壓下執(zhí)行氣相反應(yīng)。在該文獻(xiàn)中所示的反應(yīng)器同樣具有填料和用于將不同進(jìn)給氣體引入到輸入?yún)^(qū)(在這里稱為散布區(qū))中的兩條線路。在這個反應(yīng)器中，不同的氣流也被引入到散布區(qū)中，在散布區(qū)的填料中混合，然后被進(jìn)給到反應(yīng)區(qū)。除了作為混合器的功能外，填料在這里還防止發(fā)生爆炸。NH3預(yù)點(diǎn)火的問題在技術(shù)上相關(guān)的按體積算8-12%的NH3高濃度中尤為重要，因?yàn)樵谶@里燃燒自身可以被保持并且甚至通過反應(yīng)的放熱而增大。因此，除了實(shí)際點(diǎn)火溫度(即臨界表面溫度，在該溫度之上NH3可能發(fā)生分解)之外，去除通過NH3分解釋放的熱也相當(dāng)重要。這種去除越好，則載有氨的氣流流過表面(冷卻作用)的速度就更快并且氣流越冷。此外，減少了進(jìn)給的氣流在與催化劑接觸之前停留的時間，由此減少了可能的非選擇性預(yù)反應(yīng)的反應(yīng)時間。在借助鉬/銠紗網(wǎng)上的氨氧化的HNO3工業(yè)制備中，高活性鉬/銠催化劑的低響應(yīng)溫度使得能夠具有大約200°C的較低輸入溫度。這樣，盡管為低流入速度，但是氨的預(yù)點(diǎn)火對該方法的工業(yè)實(shí)現(xiàn)而言并不是障礙。然而，當(dāng)使用具有較低催化活性的催化劑時，必須在進(jìn)給氣體混合物的較高溫度 (預(yù)熱)下工作，或者具有較低的流入速率，或者優(yōu)選地采用這兩種措施的結(jié)合。在這些條件下，增大了氨預(yù)點(diǎn)火的風(fēng)險。采用與鉬紗網(wǎng)相比具有較小橫截面和較大催化劑床深度的蜂窩催化劑的試驗(yàn)現(xiàn)在已經(jīng)顯示出，在較低的進(jìn)給氣體混合物流入速率下形成期望的NOx的選擇性僅僅是非常小的。從而這種方法的經(jīng)濟(jì)性存在問題。這種影響在理論上可以通過增加進(jìn)給氣體混合物的流入速率進(jìn)行補(bǔ)償。然而實(shí)際上，因?yàn)閴毫p失中出現(xiàn)不成比例的增大，所以流入速率的增大設(shè)定了極限，此外，在某些環(huán)境下，僅僅實(shí)現(xiàn)氨的不完全反應(yīng)。在其它的工業(yè)上運(yùn)行的放熱氣相反應(yīng)中，例如除了氨氧化之外的氧化反應(yīng)、環(huán)氧化或者碳?xì)浠衔锏淖杂苫u化，原理上存在相同的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種反應(yīng)器和用于實(shí)施催化、放熱氣相反應(yīng)的方法，其中降低了進(jìn)給氣體或進(jìn)給氣體混合物的預(yù)點(diǎn)火的風(fēng)險，并且降低了出現(xiàn)不期望副反應(yīng)的風(fēng)險。本發(fā)明涉及一種用于通過包含至少一種氧化劑和至少一種待氧化成分的進(jìn)給氣體轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品氣體而進(jìn)行催化放熱氣相反應(yīng)的反應(yīng)器，沿進(jìn)給氣體的流動方向看，該反應(yīng)器具有輸入?yún)^(qū)(1)、包括至少一個催化劑的反應(yīng)區(qū)O)、以及用于產(chǎn)品氣體的輸出區(qū) (3)，其中關(guān)于其物質(zhì)成分均質(zhì)化的氣體混合物作為進(jìn)給氣體借助一個或多個進(jìn)給線(30) 被供應(yīng)到輸入?yún)^(qū)(1)，并且至少在輸入?yún)^(qū)(1)的區(qū)域中或者在反應(yīng)區(qū)(2)的區(qū)域中設(shè)置有降低在反應(yīng)區(qū)O)中形成的反應(yīng)熱到輸入?yún)^(qū)(1)中的輸送的裝置，以及/或者其中反應(yīng)器的至少在輸入?yún)^(qū)(1)的區(qū)域中或者在反應(yīng)區(qū)O)的區(qū)域中的內(nèi)壁由惰性材料構(gòu)造而成。進(jìn)給氣體和進(jìn)給線(30)“進(jìn)給氣體”或“進(jìn)給氣體混合物”在本說明書的內(nèi)容中應(yīng)當(dāng)理解為指的是包括多種化學(xué)物質(zhì)的氣體混合物，其中的至少一種化學(xué)物質(zhì)在根據(jù)本發(fā)明的反應(yīng)器的反應(yīng)區(qū)(2) 中以期望的方式反應(yīng)以形成一種或多種期望的產(chǎn)品，其中并不排除額外形成不期望的副產(chǎn)品，并且該氣體混合物包括至少一種氧化劑和至少一種待氧化的成分。進(jìn)給氣體包含在反應(yīng)區(qū)O)中以期望的方式彼此反應(yīng)的多種化學(xué)物質(zhì)，也就是至少一種待氧化的化合物，例如氨，以及至少一種氧化劑，例如氧，優(yōu)選地，對于物質(zhì)之間彼此反應(yīng)呈惰性的一種或多種物質(zhì)同樣包含在進(jìn)給氣體中。特別優(yōu)選為惰性成分的是空氣中除氧之外的組分，尤其是氮。 惰性成分或多種惰性成分通過化學(xué)活性物質(zhì)的稀釋而用來安全地不能達(dá)到可能的爆炸下限，從而消除在進(jìn)給線(30)、輸入?yún)^(qū)(1)或反應(yīng)區(qū)(2)中爆炸的危險。由惰性成分在需要時履行的另一個目的是改變在反應(yīng)區(qū)中發(fā)生的反應(yīng)的速率，以避免局部過熱所導(dǎo)致的催化劑損壞，或者通過惰性成分的額外熱容降低反應(yīng)區(qū)O)中的溫度增大，以防止由于反應(yīng)的放熱而導(dǎo)致的不允許的溫度增大，否則該溫度增大可能在反應(yīng)器部件或催化劑中導(dǎo)致有害的尚溫。進(jìn)給氣體或進(jìn)給氣體混合物的特征在于，在進(jìn)入輸入?yún)^(qū)(1)之前或最遲在進(jìn)入輸入?yún)^(qū)(1)時，其總是被極度均質(zhì)化，即材料上相互混合，這對于在反應(yīng)區(qū)O)中成功實(shí)施期望的反應(yīng)而言是必要的。這發(fā)生在沿流動方向布置在進(jìn)給線(30)前面的設(shè)備中?？商娲氖牵镔|(zhì)的相互混合可以在引入到輸入?yún)^(qū)(1)中之前立即進(jìn)行。在大多數(shù)情況下，如果在反應(yīng)區(qū)中彼此反應(yīng)的物質(zhì)的進(jìn)給氣體中的局部濃度具有< 0. 1、優(yōu)選地小于0. 05、更優(yōu)選地小于0. 03的變化系數(shù)，那么就實(shí)現(xiàn)了必要的相互混合。相互混合的實(shí)施例、或者實(shí)施相互混合必要的設(shè)備、以及合適的措施都是本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的。這種用于相互混合的設(shè)備為例如靜態(tài)混合器。在這些設(shè)備中，要相互混合的氣體被引入到通道中，該通道以金屬片材牢固地構(gòu)建， 管或其它成形件安裝在該通道內(nèi)，該氣體引導(dǎo)通過在利用氣體流過的情況下產(chǎn)生的紊流， 從而使氣體良好地相互混合。用于混合的設(shè)備的另一個實(shí)例是動態(tài)混合器。這樣的設(shè)備包括一個或多個可動元件。通常通過電能引起運(yùn)動。運(yùn)動導(dǎo)致紊流，紊流導(dǎo)致進(jìn)入的氣體的良好相互混合。物質(zhì)的局部濃度的變化系數(shù)指的是局部物質(zhì)濃度的標(biāo)準(zhǔn)偏差與局部物質(zhì)濃度的平均值的比。物質(zhì)濃度可以用例如mol/m3、kg/升、ppm或其它濃度單位表示。因?yàn)樽兓禂?shù)包括濃度的比，所以其是無量綱的并且與所選的濃度單位無關(guān)。變化系數(shù)是混合物質(zhì)量的慣用措施或者是混合設(shè)備效率的慣用措施?？梢岳缃柚闪己梅植荚谕ǖ阑蚬艿臋M截面上的足夠數(shù)量的測量點(diǎn)的樣品或皮托管測量所確定的局部濃度和氣體速率，來確定通道或管中獲得的局部濃度的加權(quán)變化系數(shù)。期望的局部物質(zhì)濃度的變化系數(shù)還可以用計算方法預(yù)測?；旌显O(shè)備的供應(yīng)者通常指明其設(shè)備期望的物質(zhì)濃度的變化系數(shù)，供應(yīng)者已經(jīng)通過機(jī)算方法或者通過試驗(yàn)確定了該變化系數(shù)。輸入?yún)^(qū)(1)輸入?yún)^(qū)⑴在本說明書的內(nèi)容中應(yīng)當(dāng)理解為指的是反應(yīng)器的位于反應(yīng)區(qū)(2)與用于引導(dǎo)在材料上相互混合的進(jìn)給氣體或進(jìn)給氣體混合物的至少一個進(jìn)給線(30)之間的內(nèi)部空間。這通常是真空空間。然而，這還可以包含功能性配件，例如流動傳導(dǎo)裝置，其不用于相互混合，即引起可能的相互混合，而僅僅作為額外的次要效果。功能性配件的實(shí)例是用于氣體在輸入?yún)^(qū)的橫截面上流動均等化的配件，例如擋板或?qū)蛉~片、多孔板、鐵絲網(wǎng)、薄片或整流器。另外的可能功能性配件是測量裝置，例如樣品探針或者用于壓力或壓力分布測量的儀器。另外的可能功能性配件是通過熱交換器利用流過構(gòu)建在輸入?yún)^(qū)內(nèi)的管或其它通道的其它介質(zhì)冷卻或加熱氣體混合物的配件。另外的可能功能性配件是電加熱元件，利用該電加熱元件來加熱氣體混合物。另外的可能功能性配件是用于啟動催化反應(yīng)的點(diǎn)火裝置。另外的可能功能性配件是用于增加氣體混合物的壓力的吹風(fēng)機(jī)。另外的可能功能性配件是用于從氣體混合物回收能量的渦輪。也可以采用這些功能性配件中兩個或更多個的組合。合適的點(diǎn)火裝置可以以壓電或感應(yīng)的方式產(chǎn)生火花，或者其以熱電的方式產(chǎn)生高溫。由此在進(jìn)入的氣體混合物中產(chǎn)生足夠的能量，以啟動催化反應(yīng)。通過首先僅僅進(jìn)給氧化劑，選擇性地進(jìn)給惰性物質(zhì)到反應(yīng)器，并且引導(dǎo)諸如氫的可容易地點(diǎn)火的氣體(這里稱為“點(diǎn)火氣體”)經(jīng)過分開的進(jìn)給線而進(jìn)入點(diǎn)火裝置并且將其點(diǎn)火，還可以將能量間接地傳遞給氣體混合物。燃燒來自點(diǎn)火裝置的點(diǎn)火氣體的火焰將催化劑加熱到必要的反應(yīng)溫度。接下來，待氧化的氣體混合物的成分額外地進(jìn)給到反應(yīng)器。如果已經(jīng)開始期望的催化反應(yīng)，那么終止點(diǎn)火氣體的供應(yīng)。因?yàn)樵谶M(jìn)入到輸入?yún)^(qū)(1)中之前或之時已經(jīng)良好地相互混合了進(jìn)給氣體，所以在輸入?yún)^(qū)(1)中可以省去用于混合的配件。具體地，不需要用于混合或散布的惰性填料。輸入?yún)^(qū)⑴的并且與術(shù)語“進(jìn)給線”(30)或多個“進(jìn)給線”(30)區(qū)別的特征在于， 在不使用一個或多個這里所述的措施來降低在反應(yīng)區(qū)( 中形成的熱從反應(yīng)區(qū)( 到輸入?yún)^(qū)(1)中的傳遞的情況下，可能出現(xiàn)能夠在輸入?yún)^(qū)中導(dǎo)致不期望副反應(yīng)或預(yù)點(diǎn)火的條件。 進(jìn)給線(30)或多個進(jìn)給線被認(rèn)為離開反應(yīng)區(qū)(2)如此遠(yuǎn)以至于在進(jìn)給線上沒有影響或只有可以忽略的負(fù)面影響。反應(yīng)區(qū)O)反應(yīng)區(qū)⑵在本說明書的內(nèi)容中應(yīng)當(dāng)理解為指的是反應(yīng)器的位于輸入?yún)^(qū)⑴之后并且包含一個或多個催化劑以用于放熱氣相反應(yīng)的內(nèi)部空間。在反應(yīng)區(qū)O)中，發(fā)生進(jìn)給氣體混合物的成分之間的反應(yīng)的主要部分。本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)公知標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行定位催化劑的類型。通常，催化劑將布置成填料、灌注、紗網(wǎng)或蜂窩的形式。輸入?yún)^(qū)(1)通過反應(yīng)區(qū)(2)在空間上與輸出區(qū)(3)排它地分隔開并不是必須的。 相反，輸入?yún)^(qū)⑴和輸出區(qū)⑶可以被反應(yīng)區(qū)⑵中用于催化劑和用于其它配件的壁或支撐件分隔開。反應(yīng)區(qū)(2)中的壁或支撐件必須僅僅可靠地防止進(jìn)給氣體從輸入?yún)^(qū)(1)避開反應(yīng)區(qū)(2)而直接流入輸出區(qū)(3)。反應(yīng)區(qū)O)的壁或支撐件的面對輸入?yún)^(qū)(1)的側(cè)部包括在輸入?yún)^(qū)⑴中，輸出區(qū)⑶的側(cè)部面對輸出區(qū)(3)。從而，反應(yīng)區(qū)( 可以填充根據(jù)本發(fā)明的反應(yīng)器的整個橫截面，或者僅僅填充該橫截面的一部分。在后一種情況下，輸入?yún)^(qū)(1)在反應(yīng)器橫截面的沒有被反應(yīng)區(qū)( 填充的部分中直接變化到輸出區(qū)(3)中。輸出區(qū)(3)輸出區(qū)(3)在本說明書的內(nèi)容中應(yīng)當(dāng)理解為指的是反應(yīng)器的位于反應(yīng)區(qū)(2)之后并且含有產(chǎn)品的氣體混合物從反應(yīng)器被引導(dǎo)離開的內(nèi)部空間。其通常同樣為真空空間。然而，其也可以包含功能性配件，例如用于保持催化劑的裝置或者用于回收熱的裝置。在輸出區(qū)之后可以具有另外的反應(yīng)器或后反應(yīng)器。用于阻礙熱回輸?shù)难b置進(jìn)給氣體在反應(yīng)區(qū)O)中以放熱反應(yīng)完全地或部分地反應(yīng)，以形成產(chǎn)品氣體，該產(chǎn)品氣體接下來通過輸出區(qū)(3)離開該反應(yīng)器。這樣存在的風(fēng)險是，在反應(yīng)區(qū)O)中產(chǎn)生的熱通過傳導(dǎo)、對流和/或輻射在對進(jìn)給氣體的逆流中至少部分地被輸送到輸入?yún)^(qū)(1)中， 并且進(jìn)給氣體或反應(yīng)器壁在輸入?yún)^(qū)(1)中的表面以不合理的方式在那里被加熱。為了防止或至少阻礙這種情況，根據(jù)本發(fā)明，在本發(fā)明的第一實(shí)施例中，至少在輸入?yún)^(qū)⑴或者反應(yīng)區(qū)⑵的區(qū)域中設(shè)置有降低在反應(yīng)區(qū)⑵中形成的熱到輸入?yún)^(qū)⑴中的輸送的裝置。在輸入?yún)^(qū)(1)的區(qū)域中或在反應(yīng)區(qū)O)的區(qū)域中，或者在輸入?yún)^(qū)(1)和反應(yīng)區(qū)(2) 的區(qū)域中，或者在輸入?yún)^(qū)⑴和輸出區(qū)⑶的區(qū)域中，或者在輸入?yún)^(qū)(1)、反應(yīng)區(qū)⑵和輸出區(qū)(3)的區(qū)域中，根據(jù)本發(fā)明的反應(yīng)器優(yōu)選地具有降低在反應(yīng)區(qū)O)中形成的熱到輸入?yún)^(qū) (1)中的輸送的裝置。
對于用于降低在反應(yīng)區(qū)(2)中形成的熱到輸入?yún)^(qū)⑴中的輸送的裝置，可以使用不同方案的方法。在一個實(shí)施例中，在輸入?yún)^(qū)(1)的區(qū)域中，或者在輸入?yún)^(qū)⑴和反應(yīng)區(qū)(2)的區(qū)域中，或者在輸入?yún)^(qū)(1)和輸出區(qū)(3)的區(qū)域中，設(shè)置有隔絕套(6)，該隔絕套將反應(yīng)器的內(nèi)部空間與反應(yīng)器包殼(5)隔絕開。該隔絕套(6)基本上以兩種方式起作用。沿著易于熱傳導(dǎo)的反應(yīng)器包殼( 從反應(yīng)區(qū)( 或者從輸出區(qū)C3)進(jìn)入輸入?yún)^(qū)(1)中的熱僅僅能通過不易熱傳導(dǎo)的隔絕套(6)困難地輸送到面對進(jìn)給氣體的表面。此外，由于隔絕套(6)的低熱傳導(dǎo)率而減少了沿著隔絕套(6)從反應(yīng)區(qū)(2)或者輸出區(qū)(3)進(jìn)入輸入?yún)^(qū)(1)中的直接熱傳導(dǎo)。在第二實(shí)施例中，在輸入?yún)^(qū)⑴的區(qū)域中，或者在輸入?yún)^(qū)⑴和反應(yīng)區(qū)(2)的區(qū)域中，或者在輸入?yún)^(qū)(1)和輸出區(qū)(3)的區(qū)域中，設(shè)置有用于穿過冷卻介質(zhì)的裝置。該裝置部分地吸收在反應(yīng)區(qū)O)中產(chǎn)生的熱，使得該熱不再能夠熱輸送到輸入?yún)^(qū)(1)中，和/或使得該熱被引導(dǎo)到處于輸入?yún)^(qū)(1)的位置中的進(jìn)給氣體中，其中仍然是冷的而使得通過冷卻介質(zhì)的引入所產(chǎn)生的溫度增加是不會被批判的；或者冷卻介質(zhì)強(qiáng)烈地冷卻反應(yīng)區(qū)( 或者輸出區(qū)⑶附近的輸入?yún)^(qū)(1)，使得不管熱是否從反應(yīng)區(qū)⑵引導(dǎo)出去，輸入?yún)^(qū)⑴的溫度都保持在不被批判的范圍內(nèi)。結(jié)合有這兩種措施的反應(yīng)器是特別優(yōu)選的。在另一個優(yōu)選實(shí)施例中，在根據(jù)本發(fā)明的反應(yīng)器中，至少在輸入?yún)^(qū)(1)的區(qū)域中或者在反應(yīng)區(qū)O)的區(qū)域中設(shè)置有降低在反應(yīng)區(qū)O)中形成的熱到輸入?yún)^(qū)(1)中的輸送的裝置，并且反應(yīng)器的至少在輸入?yún)^(qū)(1)的區(qū)域中或者在反應(yīng)區(qū)O)的區(qū)域中的內(nèi)壁由惰性材料構(gòu)造而成。惰性材料在本發(fā)明的另一個實(shí)施例中，反應(yīng)器的至少在輸入?yún)^(qū)(1)的區(qū)域中或者在反應(yīng)區(qū)
(2)的區(qū)域中的內(nèi)壁由惰性材料構(gòu)造而成。該實(shí)施例防止或阻礙進(jìn)給氣體在反應(yīng)器內(nèi)壁上發(fā)生催化反應(yīng)。例如可以通過在反應(yīng)器中設(shè)置為護(hù)套形式的涂層或惰性材料來實(shí)施惰性材料的反應(yīng)器內(nèi)壁的構(gòu)造。反應(yīng)器的壁自身還可以包括惰性材料。在輸入?yún)^(qū)(1)的區(qū)域中或在反應(yīng)區(qū)O)的區(qū)域中，或者在輸入?yún)^(qū)(1)和反應(yīng)區(qū)(2) 的區(qū)域中，或者在輸入?yún)^(qū)(1)、反應(yīng)區(qū)(2)和輸出區(qū)(3)的區(qū)域中，根據(jù)本發(fā)明的反應(yīng)器優(yōu)選地由惰性材料構(gòu)造而成。術(shù)語“惰性材料”在本說明書的內(nèi)容中應(yīng)當(dāng)理解為指的是在輸入?yún)^(qū)(1)中的進(jìn)給氣體的主導(dǎo)溫度下，或者在反應(yīng)器內(nèi)壁優(yōu)選為輸入?yún)^(qū)(1)的內(nèi)壁的表面上的溫度下，不會促進(jìn)任何不期望副反應(yīng)的所有材料。這些材料可以額外地降低從反應(yīng)區(qū)( 或者輸出區(qū)
(3)到輸入?yún)^(qū)(1)中的熱輸送。惰性材料和熱隔絕材料是優(yōu)選的實(shí)施方式。惰性材料的實(shí)例是陶瓷，尤其是緊致燒結(jié)的陶瓷，此外還有石英玻璃、耐火粘土、 琺瑯和具有鈍化和/或拋光表面的材料，例如具有鈍化和/或拋光表面的金屬。例如可以通過利用酸、堿金屬或鹽溶液處理而進(jìn)行鈍化。本發(fā)明還涉及利用上述反應(yīng)器實(shí)施催化放熱氣相反應(yīng)的方法。該方法具有以下措施i)引導(dǎo)至少一種關(guān)于其物質(zhì)成分均質(zhì)化的氣體混合物作為進(jìn)給氣體通過至少一個進(jìn)給線(30)進(jìn)入反應(yīng)器的輸入?yún)^(qū)(1)，其中該氣體混合物包含至少一種氧化劑和至少一種待氧化的成分，ii)在進(jìn)給氣體以放熱反應(yīng)在反應(yīng)區(qū)中完全地或部分地反應(yīng)以形成產(chǎn)品氣體的條件下，將進(jìn)給氣體從輸入?yún)^(qū)(1)供應(yīng)到包括催化劑(4)的反應(yīng)區(qū)O)中，iii)將產(chǎn)品氣體通過輸出區(qū)(3)從反應(yīng)器中引導(dǎo)出去，以及iv)提供用于降低在反應(yīng)區(qū)(2)中形成的反應(yīng)熱到輸入?yún)^(qū)⑴中的輸送的裝置，和 /或由惰性材料構(gòu)造反應(yīng)器的至少在輸入?yún)^(qū)(1)的區(qū)域中或者在反應(yīng)區(qū)O)的區(qū)域中的內(nèi)壁。能夠在根據(jù)本發(fā)明的反應(yīng)器中實(shí)施或者利用根據(jù)本發(fā)明的方法實(shí)施的化學(xué)反應(yīng)的實(shí)例為所有類型的氧化反應(yīng)，包括放熱自由基氣相反應(yīng)，例如鹵化反應(yīng)。優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明的反應(yīng)器或者根據(jù)本發(fā)明的方法用于氨氧化，尤其是用于己內(nèi)酰胺或者硝酸的制備。同樣，根據(jù)本發(fā)明的反應(yīng)器或者根據(jù)本發(fā)明的方法優(yōu)選地用于實(shí)施安德盧梭 (Andrussow)反應(yīng)，尤其是用于由氨、氧和碳?xì)浠衔镉绕涫羌淄橹苽淝杌瘹?。在以下的說明中，借助作為模型反應(yīng)的實(shí)例更詳細(xì)地示出用于硝酸制備的氨氧化。然而在原理上，根據(jù)本發(fā)明的反應(yīng)器和方法——如上所解釋——也適合于其它的反應(yīng)?？梢圆捎玫拇呋瘎┦撬羞m合于目標(biāo)反應(yīng)或所涉及的目標(biāo)反應(yīng)的催化劑。這些可以例如以純粹的形式用作完全或支持的催化劑。還可以使用所有慣用的催化劑幾何構(gòu)造， 例如為灌注、填料、紗網(wǎng)或其它形式的小球、顆粒、擠壓物或粉末，該其它形式為例如單塊蜂窩體形式。優(yōu)選地采用的催化劑包括合適量(例如按重量計至少30% )的氧化物，優(yōu)選地為
金屬氧化物，尤其是過渡金屬氧化物。根據(jù)本發(fā)明，在這里具體可以采用含有過渡金屬氧化物的催化劑，例如Appl. Catal. General A :204(2000)59-87 中、US-A-5, 690, 900 中或 EP-A-946, 290 中所述的。含鈷的催化劑特別適合。對于結(jié)構(gòu)類型，鈣鈦礦尤其有利。優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明，催化劑以蜂窩形式用于氨氧化。例如，這些可以呈現(xiàn)為完全蜂窩催化劑或者支撐為蜂窩狀載體的形式，催化活性材料結(jié)合在該載體上和/或結(jié)合在該載體中。催化劑特別優(yōu)選地采用例如灌注、填料或蜂窩形式，沿流動方向看的深度為至少 3cm，優(yōu)選地為至少5cm，尤其為至少IOcm并且特別優(yōu)選地為10至200cm。


以下的實(shí)例和附圖示出了本發(fā)明，而并不對本發(fā)明進(jìn)行限制。附圖示出了 圖1 根據(jù)本發(fā)明的裝置的縱向剖面圖；圖2 根據(jù)本發(fā)明的另一個裝置的縱向剖面圖；圖3 根據(jù)本發(fā)明的另一個裝置的縱向剖面圖；圖4 根據(jù)本發(fā)明的另一個裝置的縱向剖面圖；圖5 根據(jù)本發(fā)明的另一個裝置的縱向剖面圖；圖6 根據(jù)本發(fā)明修改的氨氧化反應(yīng)器的縱向剖面圖；圖7 根據(jù)本發(fā)明的另一個裝置的縱向剖面圖8 根據(jù)本發(fā)明的另一個裝置的縱向剖面圖。
具體實(shí)施例方式在以下的實(shí)例中詳細(xì)說明了這些附圖。實(shí)例 1在圖1中借助根據(jù)本發(fā)明的氨氧化裝置示出了本發(fā)明的原理特征。氨氧化裝置可以分為三個區(qū)，也就是輸入?yún)^(qū)(1)、反應(yīng)區(qū)(2)和輸出區(qū)(3)。良好地相互混合的含有氨/氧/惰性氣體的氣體混合物(以下稱為“進(jìn)給氣體混合物”)經(jīng)由進(jìn)給線(30)引入到輸入?yún)^(qū)(1)中，并且在輸入?yún)^(qū)之后的反應(yīng)區(qū)O)中與氨氧化催化劑(4)相遇。接下來，氧化反應(yīng)的產(chǎn)品氣體混合物通過輸出區(qū)(3)離開反應(yīng)區(qū)O)。 在這個實(shí)施例中，輸入?yún)^(qū)(1)是真空空間并且不含有惰性材料填料。在圖1所示的實(shí)施例中，根據(jù)本發(fā)明的裝置的所有三個區(qū)(1、2、3)被包殼(5)圍繞，該包殼還是用于催化劑(4)和用于隔絕套(6)的載體。包殼(5)自身可以是高壓容器的壁，或者包殼可以容納在一空間中，而該空間自身被圖1中未示出的壓力套圍繞。由熱隔絕和氣密材料構(gòu)成的隔絕套(6)用于將輸入?yún)^(qū)(1)和反應(yīng)區(qū)(2)熱隔絕。 隔絕套(6)防止或阻礙由于通過包殼(5)的熱傳導(dǎo)而從反應(yīng)區(qū)(2)到達(dá)輸入?yún)^(qū)(1)的熱被傳遞至進(jìn)給氣體混合物。盡管包殼(5)的位于輸入?yún)^(qū)(1)的部分由于來自反應(yīng)區(qū)O)的反應(yīng)熱的熱傳導(dǎo)而變得較熱，但是通過熱隔絕的隔絕套(6)極大地抑制了熱傳遞至進(jìn)給氣體混合物。因?yàn)楦艚^套(6)僅僅具有稍微的熱傳導(dǎo)，所以隔絕套(6)還防止或阻礙沿著隔絕套(6)從反應(yīng)區(qū)( 到輸入?yún)^(qū)(1)的直接熱輸送。通過適當(dāng)?shù)剡x擇隔絕套(6)的材料和厚度，隔絕套(6)的面對進(jìn)給氣體混合物的壁的溫度保持在進(jìn)給氣體混合物的點(diǎn)火或反應(yīng)溫度之下，由此抑制了不期望的過早反應(yīng)。實(shí)例2圖2中示出了本發(fā)明另一個可能的實(shí)施例。除了實(shí)現(xiàn)輸入?yún)^(qū)和反應(yīng)區(qū)(1、2)之間的熱隔絕之外，該實(shí)施例與實(shí)例1的裝置類似。在這個氨氧化裝置中也具有輸入?yún)^(qū)⑴、反應(yīng)區(qū)(2)和輸出區(qū)(3)。在這個實(shí)施例中，輸入?yún)^(qū)(1)也是真空空間并且不含有惰性材料填料。良好地相互混合的含有氨/氧/惰性氣體的氣體混合物經(jīng)由進(jìn)給線(30)引入到輸入?yún)^(qū)⑴中。然后混合物在反應(yīng)區(qū)⑵中與氨氧化催化劑⑷相遇。接下來，氧化反應(yīng)的產(chǎn)品混合物通過輸出區(qū)(3)離開反應(yīng)區(qū)O)。所有三個區(qū)(1、2、；3)的包殼(5)容納催化劑G)。包殼(5)自身可以是高壓容器的壁，或者包殼可以容納在一空間中，而該空間自身被壓力套(這里未示出)圍繞。在輸入和反應(yīng)區(qū)(1、2)的高度處，包殼(5)為雙壁設(shè)計。在雙壁的在反應(yīng)區(qū)(2) 高度處的端部處附接有用于冷卻介質(zhì)的入口(7)，該入口與進(jìn)給氣體混合物、反應(yīng)器中期望的反應(yīng)、催化劑以及產(chǎn)品氣體混合物相容。為了用在硝酸設(shè)備中，例如可以采用空氣作為合適的冷卻介質(zhì)。冷卻介質(zhì)流過雙壁中的空間(9)并且由此冷卻包殼(5)的內(nèi)壁。因?yàn)橛捎谕ㄟ^包殼(5)的熱傳導(dǎo)而從反應(yīng)區(qū)(2)到達(dá)輸入?yún)^(qū)(1)的熱被傳遞至冷卻介質(zhì)，所以由此實(shí)現(xiàn)了輸入?yún)^(qū)⑴與反應(yīng)區(qū)⑵的熱隔絕。
借助在輸入?yún)^(qū)(1)的高度處、在雙壁的端部處的多個小開口(10)，冷卻介質(zhì)進(jìn)入輸入?yún)^(qū)(1)并且與進(jìn)給氣體混合物混合。通過適當(dāng)?shù)剡x擇入口(7)和開口(10)并且通過適當(dāng)?shù)剡x擇冷卻介質(zhì)的類型、量、 流速和進(jìn)入溫度，進(jìn)給氣體混合物中和包殼(5)的內(nèi)表面上的溫度可以被調(diào)節(jié)至進(jìn)給氣體混合物的點(diǎn)火或反應(yīng)溫度之下，由此抑制了不期望的過早反應(yīng)。實(shí)例3在圖3中示出了根據(jù)本發(fā)明的裝置，其允許輸入和反應(yīng)區(qū)之間的特別有效的熱隔絕。在這個氨氧化裝置中也具有輸入?yún)^(qū)⑴、反應(yīng)區(qū)(2)和輸出區(qū)(3)。在這個實(shí)施例中，輸入?yún)^(qū)(1)是真空空間并且不含有惰性材料填料。良好地相互混合的含有氨/氧/惰性氣體的氣體混合物經(jīng)由進(jìn)給線(30)引入到輸入?yún)^(qū)⑴中。然后混合物在反應(yīng)區(qū)⑵中與氨氧化催化劑⑷相遇。接下來，氧化反應(yīng)的產(chǎn)品混合物通過輸出區(qū)(3)離開反應(yīng)區(qū)O)。所有三個區(qū)(1、2、3)的包殼(5)容納催化劑(4)和隔絕套(6)。包殼(5)自身可以是高壓容器的壁，或者包殼(5)可以容納在一空間中，而該空間自身被壓力套(這里未示出)圍繞。在輸入和反應(yīng)區(qū)(1、2)的高度處，包殼(5)為雙壁設(shè)計。用于冷卻介質(zhì)的連接件 (7a、7b)也附接在這里。合適的冷卻介質(zhì)為例如水或空氣。冷卻介質(zhì)可以沿著進(jìn)給氣體混合物的流動方向流動或者與該流動方向相反地流動。隔絕套(6)以及冷卻介質(zhì)在包殼(5) 的雙壁之間的空間(9)上的沖擊都可以用于輸入?yún)^(qū)⑴與反應(yīng)區(qū)(2)的熱隔絕。由熱隔絕材料構(gòu)成并且在反應(yīng)區(qū)(2)和輸入?yún)^(qū)(1)的高度處覆蓋包殼(5)的隔絕套(6)防止由于通過包殼(5)的熱傳導(dǎo)而從反應(yīng)區(qū)( 到達(dá)輸入?yún)^(qū)(1)的熱被傳遞至進(jìn)給氣體混合物。因?yàn)楦艚^套(6)僅僅具有稍微的熱傳導(dǎo)，所以隔絕套(6)還防止或阻礙沿著隔絕套(6)從反應(yīng)區(qū)(2)到輸入?yún)^(qū)(1)的直接熱輸送。冷卻介質(zhì)流過包殼(5)的雙壁中的空間(9)并且由此冷卻包殼(5)的內(nèi)壁。因?yàn)橛捎谕ㄟ^包殼(5)的熱傳導(dǎo)而從反應(yīng)區(qū)( 到達(dá)輸入?yún)^(qū)(1)的熱被傳遞至冷卻介質(zhì)，所以由此實(shí)現(xiàn)了輸入?yún)^(qū)(1)與反應(yīng)區(qū)O)的進(jìn)一步熱隔絕。在流過雙壁之后，冷卻介質(zhì)通過連接件(7a、7b)中的一個再次從雙壁之間的空間(9)出現(xiàn)。由此，冷卻介質(zhì)的冷卻幫助隔絕套(6)的作用。通過適當(dāng)?shù)剡x擇隔絕材料及其厚度并且通過適當(dāng)?shù)剡x擇冷卻介質(zhì)，隔絕套(6)的面對進(jìn)給氣體混合物的壁的溫度可以被調(diào)節(jié)至進(jìn)給氣體混合物的點(diǎn)火或反應(yīng)溫度之下，由此抑制了不期望的過早反應(yīng)。實(shí)彳列4圖4中示出了與圖2中類似的裝置。在這里，通過輸入?yún)^(qū)的冷卻來進(jìn)行輸入和反應(yīng)區(qū)(1、2)之間的熱隔絕。在這個氨氧化裝置中也具有輸入?yún)^(qū)(1)、反應(yīng)區(qū)(2)和輸出區(qū)(3)。在這個實(shí)施例中，輸入?yún)^(qū)(1)是真空空間并且不含有惰性材料填料。良好地相互混合的含有氨/氧/惰性氣體的氣體混合物經(jīng)由進(jìn)給線(30)引入到輸入?yún)^(qū)⑴中。然后混合物在反應(yīng)區(qū)⑵中與氨氧化催化劑⑷相遇。接下來，氧化反應(yīng)的產(chǎn)品混合物通過輸出區(qū)(3)離開反應(yīng)區(qū)O)。
所有三個區(qū)(1、2、；3)的包殼( 容納催化劑G)。包殼(5)自身可以是高壓容器的壁，或者包殼可以容納在一空間中，而該空間自身被壓力套(這里未示出)圍繞。在輸入?yún)^(qū)(1)的高度處，包殼(5)為雙壁設(shè)計。在雙壁的在反應(yīng)區(qū)O)附近的端部處附接有用于冷卻介質(zhì)的入口(7)，該入口與進(jìn)給氣體混合物、反應(yīng)器中期望的反應(yīng)、催化劑⑷以及產(chǎn)品氣體混合物相容。為了用在硝酸設(shè)備中，例如可以采用空氣作為合適的冷卻介質(zhì)。冷卻介質(zhì)流過雙壁中的空間(9)并且由此在輸入?yún)^(qū)(1)的高度處冷卻包殼(5)的內(nèi)壁。因?yàn)橛捎谕ㄟ^包殼(5)的熱傳導(dǎo)而從反應(yīng)區(qū)(2)到達(dá)輸入?yún)^(qū)⑴的熱被傳遞至冷卻介質(zhì)，所以由此實(shí)現(xiàn)了輸入?yún)^(qū)⑴與反應(yīng)區(qū)⑵的熱隔絕。借助在雙壁的位于與進(jìn)給氣體流動方向相反的端部處的多個小開口(10)，冷卻介質(zhì)進(jìn)入輸入?yún)^(qū)(1)并且與進(jìn)給氣體混合物混合。通過適當(dāng)?shù)剡x擇入口(7)和開口(10)間距并且通過適當(dāng)?shù)剡x擇冷卻介質(zhì)的類型、 量、流速和進(jìn)入溫度，進(jìn)給氣體混合物中和包殼(5)的內(nèi)表面上的溫度可以被調(diào)節(jié)至進(jìn)給氣體混合物的點(diǎn)火或反應(yīng)溫度之下，由此抑制了不期望的過早反應(yīng)。實(shí)例5在圖5中示出了與圖3中類似的裝置。然而在這里，隔絕套(6)僅僅在輸入?yún)^(qū)(1) 的高度處起作用。在這個氨氧化裝置中也具有輸入?yún)^(qū)(1)、反應(yīng)區(qū)(2)和輸出區(qū)(3)。在這個實(shí)施例中，輸入?yún)^(qū)(1)是真空空間并且不含有惰性材料填料。良好地相互混合的含有氨/氧/惰性氣體的氣體混合物經(jīng)由進(jìn)給線(30)引入到輸入?yún)^(qū)⑴中。然后混合物在反應(yīng)區(qū)⑵中與氨氧化催化劑⑷相遇。接下來，氧化反應(yīng)的產(chǎn)品混合物通過輸出區(qū)(3)離開反應(yīng)區(qū)O)。所有三個區(qū)的包殼(5)容納催化劑⑷和隔絕套(6)。包殼(5)自身可以是高壓容器的壁，或者包殼(5)可以容納在一空間中，而該空間自身被壓力套(這里未示出)圍繞。在輸入和反應(yīng)區(qū)(1、2)的高度處，包殼(5)為雙壁設(shè)計。用于冷卻介質(zhì)的連接件 (7a、7b)也附接在這里。冷卻介質(zhì)可以沿著進(jìn)給氣體混合物的流動方向流動或者與該流動方向相反地流動。隔絕套(6)以及冷卻介質(zhì)在包殼(5)的雙壁中的空間(9)上的沖擊都可以用于輸入?yún)^(qū)⑴與反應(yīng)區(qū)⑵的熱隔絕。由熱隔絕材料構(gòu)成并且在輸入?yún)^(qū)(1)的高度處覆蓋包殼(5)的隔絕套(6)防止由于通過包殼(5)的熱傳導(dǎo)而從反應(yīng)區(qū)( 到達(dá)輸入?yún)^(qū)(1)的熱被傳遞至進(jìn)給氣體混合物。 因?yàn)楦艚^套(6)僅僅具有稍微的熱傳導(dǎo)，所以隔絕套(6)還防止或阻礙沿著隔絕套(6)從反應(yīng)區(qū)(2)到輸入?yún)^(qū)(1)的直接熱輸送。冷卻介質(zhì)流過包殼(5)的雙壁中的空間(9)并且由此冷卻包殼(5)的內(nèi)壁。因?yàn)橛捎谕ㄟ^包殼(5)的熱傳導(dǎo)而從反應(yīng)區(qū)( 到達(dá)輸入?yún)^(qū)(1)的熱被傳遞至冷卻介質(zhì)，所以由此實(shí)現(xiàn)了輸入?yún)^(qū)(1)與反應(yīng)區(qū)O)的進(jìn)一步熱隔絕。在流過雙壁之后，冷卻介質(zhì)通過連接件(7a、7b)中的一個再次從雙壁之間的空間(9)出現(xiàn)。冷卻介質(zhì)的冷卻幫助隔絕套(6)的作用。通過適當(dāng)?shù)剡x擇隔絕材料及其厚度并且通過適當(dāng)?shù)剡x擇冷卻介質(zhì)，隔絕套(6)的面對進(jìn)給氣體混合物的壁的溫度可以被調(diào)節(jié)至進(jìn)給氣體混合物的點(diǎn)火或反應(yīng)溫度之下，由此抑制了不期望的過早反應(yīng)。實(shí)例6該實(shí)施例主要適合于替換常規(guī)氨氧化反應(yīng)器的已有的罩蓋。圖6中示出了根據(jù)本發(fā)明的氨氧化反應(yīng)器。良好地相互混合的含有氧/氨/惰性氣體的進(jìn)給氣體混合物經(jīng)由進(jìn)給線(30)進(jìn)入該裝置。混合物在氨氧化催化劑(4)上被引導(dǎo)，該氨氧化催化劑在這里為蜂窩設(shè)計，或者位于蜂窩載體上和/或位于蜂窩載體中。通過與進(jìn)給氣體混合物中的氧的一部分反應(yīng)，氨在這里被轉(zhuǎn)換為一氧化氮。放熱反應(yīng)導(dǎo)致的結(jié)果是，位于反應(yīng)區(qū)(2)中的氨氧化催化劑(4) 中的溫度增大。熱產(chǎn)品混合物通過氨氧化催化劑(4)后面的開口(13)進(jìn)入到空間(3)中， 該空間(3)為輸出區(qū)。在該空間(3)之后，熱產(chǎn)品氣體被引導(dǎo)進(jìn)入氣體渦輪(這里未示出) 或者一個或多個熱交換器(這里未示出)中，以用于回收能量或用于以另外的方式使用過程熱。為了實(shí)現(xiàn)開始材料供應(yīng)側(cè)與反應(yīng)區(qū)O)的熱隔絕，氨氧化催化劑(4)設(shè)置在護(hù)套 (14)中，該護(hù)套由耐熱的熱隔絕材料制造，例如由陶瓷或石英玻璃制造。由此抑制了進(jìn)給氣體混合物的可能的預(yù)點(diǎn)火。在這里，氨氧化催化劑(4)松散地放置在護(hù)套(14)中并且靠在支撐環(huán)(1 和——在多顆粒催化劑的情況下——由諸如陶瓷或石英玻璃的耐熱材料制成的多個支撐梁(未示出)上。支撐環(huán)(1 防止可能的氣體分流。在安裝有支撐梁時， 支撐梁設(shè)計成使得其僅僅阻隔流動截面的無關(guān)緊要的部分。為了支撐并且為了保護(hù)護(hù)套(14)，用由耐高溫材料制成的金屬護(hù)套(16)包圍該護(hù)套。金屬護(hù)套(16)的下端設(shè)置有唇部(17)，該唇部支撐該支撐梁或支撐環(huán)(15)，從而也間接地支撐催化劑G)。在金屬護(hù)套(16)的下端處附接有網(wǎng)格(18)，產(chǎn)品氣體通過該網(wǎng)格從氨氧化催化劑(4)流入到空間(3)中。網(wǎng)格(18)用于金屬護(hù)套(16)的機(jī)械穩(wěn)定并且用于支撐任何可能的支撐梁。在氨氧化催化劑(4)不僅包括一個部分，而且包括多個部分的情況下，網(wǎng)格(18)用來借助支撐梁來支撐單獨(dú)的部分。如果護(hù)套(14)應(yīng)當(dāng)以無法預(yù)料的方式破裂，例如由于熱應(yīng)力，那么金屬護(hù)套(16)、唇部(17)和網(wǎng)格(18)還防止護(hù)套(14)落下，并且防止氨氧化催化劑(4)進(jìn)入到空間(3)中。護(hù)套(14)和金屬護(hù)套(16)利用螺母和螺栓(19)連接至氨氧化反應(yīng)器的壓力套 00)。壓力空間被附接到容器上的壓力凸緣03)向外密封。對于催化劑的更換，通過解開螺紋連接來移除連接片(12)。接下來，移除螺母和螺栓(19)，并且從反應(yīng)器移除金屬的和陶瓷的或石英玻璃的護(hù)套(16、14)以及氨氧化催化劑 (4).為了最小化設(shè)備停機(jī)時間(也與常規(guī)氨氧化反應(yīng)器相比)，可以直接在反應(yīng)器中安裝包殼金屬的和陶瓷的或石英玻璃的護(hù)套(16、14)的第二單元以及在停機(jī)前準(zhǔn)備的新的氨氧化催化劑(4)。為了幫助氨氧化反應(yīng)，在需要時，在進(jìn)入操作期間，氨氧化催化劑(4)可以借助點(diǎn)火噴槍0 被預(yù)熱或者激活。點(diǎn)火噴槍0 包括細(xì)管，氫通過該細(xì)管引入到氨氧化反應(yīng)器中；以及能夠在點(diǎn)火噴槍的開口端部處點(diǎn)燃?xì)錃饬鞯难b置。安裝在氨氧化反應(yīng)器的歧管中的觀察窗口 06)用于控制點(diǎn)火過程并且在操作期間監(jiān)測氨氧化催化劑的狀態(tài)。可以通過視覺觀察手動地實(shí)施控制，或者借助諸如光度計的合適測量裝置來實(shí)施控制。
為了緩解在氨氧化催化劑(4)后的空間(3)中壓力容器的壁的材料上的溫度應(yīng)力，該壁設(shè)置有附接到內(nèi)側(cè)上的浮動管冷卻件07)。水或另外的冷卻介質(zhì)流過浮動管壁。實(shí)例7圖7中所示的根據(jù)本發(fā)明的氨氧化反應(yīng)器的實(shí)施例尤其適合于裝備用于制備NO 的新設(shè)備，因?yàn)椴辉傩枰峁┱{(diào)節(jié)已有的例如蒸汽鍋爐的熱回收設(shè)備的直徑。與實(shí)例6的反應(yīng)器的原理區(qū)別在于，浮動壁、2Τ)包圍金屬護(hù)套(16)，從而不需要對后連接的設(shè)備的通常較大的直徑進(jìn)行調(diào)節(jié)。在這個實(shí)施例中，后連接設(shè)備可以適于氨氧化反應(yīng)器。作為對金屬護(hù)套(16)的懸浮的替代，設(shè)置成用于支撐催化劑的金屬唇部 (17)可以直接地附接到浮動壁(XT)上，而不是附接到金屬護(hù)套(16)上。這對于構(gòu)造的機(jī)械穩(wěn)定性具有積極的效果。圖7中所示的其它元件與圖6中的元件相對應(yīng)。它們是開口(13)、支撐環(huán)(15)、 網(wǎng)格(18)、螺母和螺栓(19)、壓力套(20)、點(diǎn)火噴槍05)和觀察窗口 06)。實(shí)例8圖8中示出了根據(jù)本發(fā)明的氨氧化反應(yīng)器。該實(shí)施例主要適合于在移除鉬/銠紗網(wǎng)之后為已有的常規(guī)氨氧化反應(yīng)器裝備新的催化劑。含有氧/氨/惰性氣體的混合物經(jīng)由進(jìn)給線(30)進(jìn)入根據(jù)本發(fā)明的裝置。混合物在氨氧化催化劑(4)上被引導(dǎo)，該氨氧化催化劑在這里為蜂窩形式構(gòu)造而成，或者位于蜂窩載體上和/或位于蜂窩載體中。通過與進(jìn)給混合物中的氧的一部分反應(yīng)，氨在這里被轉(zhuǎn)換為一氧化氮。放熱反應(yīng)導(dǎo)致的結(jié)果是，位于反應(yīng)區(qū)O)中的氨氧化催化劑中的溫度增大。熱產(chǎn)品混合物通過氨氧化催化劑(4)后面的開口(1 進(jìn)入到為輸出區(qū)(3)的空間中。在該空間之后，熱產(chǎn)品氣體被引導(dǎo)進(jìn)入氣體渦輪(這里未示出)或者一個或多個熱交換器(這里未示出)中，以用于回收能量或用于以另外的方式使用過程熱。催化劑容納在耐高溫支撐件09)中。而該支撐件09)氣密地放置在與容器壁連接的支撐環(huán)08)上。為了實(shí)現(xiàn)開始材料供應(yīng)側(cè)與反應(yīng)區(qū)O)的必要熱隔絕以及在這種情況下也與輸出區(qū)(3)的必要熱隔絕，容納氨氧化催化劑(4)的耐高溫支撐件09)裝備有一個或多個中空空間(9)，進(jìn)給到入口(7)中的冷卻介質(zhì)流過該中空空間。所使用的冷卻介質(zhì)與進(jìn)給氣體混合物、反應(yīng)器中期望的反應(yīng)、催化劑以及產(chǎn)品氣體混合物相容。為了用在硝酸設(shè)備中，例如可以采用空氣作為合適的冷卻介質(zhì)。冷卻介質(zhì)流過支撐件09)中的空間(9)并且由此冷卻其兩側(cè)上的內(nèi)壁。因?yàn)檠刂渭?9)從反應(yīng)區(qū)(2)到輸入?yún)^(qū)(1)的熱傳導(dǎo)被支撐件09)的冷卻所抑制，所以由此實(shí)現(xiàn)了輸入?yún)^(qū)⑴與反應(yīng)區(qū)(2)和輸出區(qū)(3)的熱隔絕。該冷卻還抑制熱流過支撐件09)而從輸出區(qū)C3)進(jìn)入輸入?yún)^(qū)(1)。冷卻介質(zhì)通過支撐件的上側(cè)中的多個小開口(10)進(jìn)入輸入?yún)^(qū)(1)并且與進(jìn)給氣體混合物混合。通過適當(dāng)?shù)剡x擇入口(7)和開口(10)之間的距離并且通過適當(dāng)?shù)剡x擇冷卻介質(zhì)的類型、量、流量和進(jìn)入溫度，支撐件09)的面對輸入?yún)^(qū)(1)的側(cè)面上的溫度可以被調(diào)節(jié)至進(jìn)給氣體混合物的點(diǎn)火或反應(yīng)溫度之下，由此抑制了不期望的過早反應(yīng)。為了將罩蓋在輸入?yún)^(qū)(1)中的內(nèi)壁的溫度調(diào)節(jié)到進(jìn)給氣體混合物的點(diǎn)火或反應(yīng)溫度之下，壁設(shè)置有附接到內(nèi)側(cè)上的浮動管冷卻件⑵)。水或另外的冷卻介質(zhì)流過浮動管
16壁，冷卻介質(zhì)經(jīng)由入口(31)進(jìn)入壁冷卻件中并且經(jīng)由出口(32)離開壁冷卻件。根據(jù)本發(fā)明的比較實(shí)例9a至9c和實(shí)例9d在使用過渡金屬氧化物蜂窩催化劑用于NH3氧化的測試中，在線性速度為l.Om/s 的大氣條件下，在試驗(yàn)的反應(yīng)器中僅僅發(fā)現(xiàn)相對于NOx形成的低選擇性，在該測試中與慣用催化劑尺寸不同地嘗試?yán)幂^大深度的催化劑床(5cm)將入流集中在低流入?yún)^(qū)域上。線性速度增大至2. Om/s也僅僅導(dǎo)致NOx選擇性的不充分改進(jìn)。下面的表1中示出了該結(jié)果。表權(quán)利要求
1.一種用于催化放熱氣相反應(yīng)而將進(jìn)給氣體轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品氣體的反應(yīng)器，沿進(jìn)給氣體的流動方向看，所述反應(yīng)器具有輸入?yún)^(qū)(1)、包括至少一個催化劑(4)的反應(yīng)區(qū)O)、以及用于產(chǎn)品氣體的輸出區(qū)(3)，其中關(guān)于其物質(zhì)成分均質(zhì)化的氣體混合物作為進(jìn)給氣體借助一個或多個進(jìn)給線C3)被供應(yīng)到所述輸入?yún)^(qū)(1)，所述氣體混合物包含至少一種氧化劑和至少一種待氧化成分，并且至少在所述輸入?yún)^(qū)(1)或者所述反應(yīng)區(qū)O)的區(qū)域中設(shè)置有用于降低在所述反應(yīng)區(qū)O)中形成的反應(yīng)熱到所述輸入?yún)^(qū)(1)中的輸送的裝置，以及/或者其中所述反應(yīng)器的至少在所述輸入?yún)^(qū)(1)的區(qū)域中或者在所述反應(yīng)區(qū)(2)的區(qū)域中的內(nèi)壁由惰性材料構(gòu)造而成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其中，所述輸入?yún)^(qū)(1)是選擇性地包括功能性配件的真空空間，所述功能性配件部不用于相互混合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1至2中任一項(xiàng)所述的反應(yīng)器，其中，所述輸入?yún)^(qū)(1)不包括用于使均質(zhì)化的氣體混合物相互混合的配件，尤其是不包括用于混合或散布均質(zhì)化的氣體混合物的惰性填料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的反應(yīng)器，其中，所述進(jìn)給線(3)連接至一個或多個混合單元，所述混合單元用于混合所述至少一種氧化劑和所述至少一種待氧化成分。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的反應(yīng)器，其中，所述用于降低熱從所述反應(yīng)區(qū) (2)到所述輸入?yún)^(qū)(1)中的輸送的裝置設(shè)置在所述輸入?yún)^(qū)(1)和所述反應(yīng)區(qū)(2)的區(qū)域中。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的反應(yīng)器，其中，至少在所述輸入?yún)^(qū)(1)的區(qū)域中或者在所述反應(yīng)區(qū)(2)的區(qū)域中設(shè)置有用于降低在所述反應(yīng)區(qū)(2)中形成的反應(yīng)熱到所述輸入?yún)^(qū)(1)中的輸送的裝置，并且其中所述反應(yīng)器的在所述輸入?yún)^(qū)(1)的區(qū)域中或者在所述反應(yīng)區(qū)O)的區(qū)域中的內(nèi)壁由惰性材料構(gòu)造而成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的反應(yīng)器，其中，設(shè)置有作為用于降低在所述反應(yīng)區(qū)(2)中形成的反應(yīng)熱到所述輸入?yún)^(qū)(1)中的輸送的裝置的至少一個隔絕套(6)，所述至少一個隔絕套在所述輸入?yún)^(qū)(1)的高度處，或者在所述輸入?yún)^(qū)(1)和所述反應(yīng)區(qū)O)的高度處，或者在所述輸入?yún)^(qū)(1)和所述輸出區(qū)C3)的區(qū)域中，或者在所述輸入?yún)^(qū)(1)、所述反應(yīng)區(qū) ⑵和所述輸出區(qū)⑶的區(qū)域中，相對于反應(yīng)器包殼(5)隔絕所述反應(yīng)器的內(nèi)部空間。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的反應(yīng)器，其中，在所述輸入?yún)^(qū)(1)的區(qū)域中，或者在所述輸入?yún)^(qū)(1)和所述反應(yīng)區(qū)( 的區(qū)域中，或者在所述輸入?yún)^(qū)(1)和所述輸出區(qū)(3) 的區(qū)域中，或者在所述輸入?yún)^(qū)(1)、所述反應(yīng)區(qū)(2)和所述輸出區(qū)(3)的區(qū)域中，設(shè)置有作為用于降低在所述反應(yīng)區(qū)(2)中形成的反應(yīng)熱到所述輸入?yún)^(qū)(1)中的輸送的裝置的至少一個用于引導(dǎo)冷卻介質(zhì)的裝置。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的反應(yīng)器，其中，用于輸送冷卻介質(zhì)的裝置位于反應(yīng)器包殼(9) 中或者位于反應(yīng)器包殼(9)的內(nèi)壁上。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其中，所述輸入?yún)^(qū)(1)、所述反應(yīng)區(qū)(2)和所述輸出區(qū)(3)被反應(yīng)器包殼(5)圍繞，所述反應(yīng)器包殼還是用于所述催化劑(4)且用于隔絕套(6) 的載體，所述隔絕套在所述輸入?yún)^(qū)(1)的至少一部分的區(qū)域中，或者在所述反應(yīng)區(qū)( 和所述輸入?yún)^(qū)(1)的至少一部分的區(qū)域中，將所述反應(yīng)器的內(nèi)部空間與所述反應(yīng)器包殼(5)熱隔絕，從而抑制熱從所述反應(yīng)區(qū)( 傳遞至所述輸入?yún)^(qū)(1)中的進(jìn)給氣體。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其中，所述輸入?yún)^(qū)(1)、所述反應(yīng)區(qū)(2)和所述輸出區(qū)C3)被反應(yīng)器包殼( 圍繞，所述反應(yīng)器包殼在所述輸入?yún)^(qū)(1)的高度處，或者在所述輸入?yún)^(qū)(1)和所述反應(yīng)區(qū)(2)的高度處，設(shè)計為雙壁的結(jié)構(gòu)，并且其中在為雙壁的反應(yīng)器包殼的至少一個端部上設(shè)置有用于將冷卻介質(zhì)引入到由為雙壁的反應(yīng)器包殼形成的空間(9) 內(nèi)的連接件(7)，以用于冷卻所述反應(yīng)器包殼(5)的內(nèi)壁。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的反應(yīng)器，其中，在為雙壁的反應(yīng)器包殼(5)的內(nèi)壁中，設(shè)置有至少一個開口(10)，冷卻介質(zhì)通過所述至少一個開口進(jìn)入到所述輸入?yún)^(qū)(1)中并且與進(jìn)給氣體混合。
13.根據(jù)權(quán)利要求10至12中任一項(xiàng)所述的反應(yīng)器，其中，所述反應(yīng)器包殼(5)被構(gòu)造為壓力容器的壁，或者容納在被壓力套圍繞的空間中。
14.根據(jù)權(quán)利要求10至13所述的反應(yīng)器，其中，除了所述至少一個隔絕套(6)之外，還設(shè)置有被設(shè)計為雙壁的至少一個反應(yīng)器包殼(5)，所述至少一個反應(yīng)器包殼還是用于所述催化劑的載體，并且具有用于冷卻介質(zhì)的至少一個連接件(7)。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其中，設(shè)置有護(hù)套(14)，所述護(hù)套由耐熱且熱隔絕的材料制成，所述催化劑(4)插入到所述護(hù)套中。
16.根據(jù)權(quán)利要求1至15中任一項(xiàng)所述的反應(yīng)器，其中，所述催化劑(4)設(shè)計為蜂窩形式，或者施加到構(gòu)造為蜂窩形式的載體材料和/或施加在構(gòu)造為蜂窩形式的載體材料上。
17.根據(jù)權(quán)利要求1至16中任一項(xiàng)所述的反應(yīng)器，其中，所述催化劑(4)按重量計包括至少30 %的氧化物，所述氧化物優(yōu)選為金屬氧化物，尤其是過渡金屬氧化物。
18.根據(jù)權(quán)利要求1至17中任一項(xiàng)所述的反應(yīng)器，其中，所述催化劑為灌注或填料形式，沿流動方向看，所述催化劑的深度為至少3cm。
19.一種利用根據(jù)權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器實(shí)施催化放熱氣相反應(yīng)的方法，其具有以下措施i)引導(dǎo)至少一種關(guān)于其物質(zhì)成分均質(zhì)化的氣體混合物作為進(jìn)給氣體通過至少一個進(jìn)給線(30)進(jìn)入反應(yīng)器的輸入?yún)^(qū)(1)，其中所述氣體混合物包含至少一種氧化劑和至少一種待氧化的成分， )在進(jìn)給氣體以放熱反應(yīng)在反應(yīng)區(qū)中完全地或部分地反應(yīng)以形成產(chǎn)品氣體的條件下，將進(jìn)給氣體從所述輸入?yún)^(qū)(1)供應(yīng)到包括催化劑(4)的所述反應(yīng)區(qū)O)中，iii)將產(chǎn)品氣體通過輸出區(qū)(3)從所述反應(yīng)器中引導(dǎo)出去，以及iv)提供用于降低在所述反應(yīng)區(qū)O)中形成的反應(yīng)熱到所述輸入?yún)^(qū)(1)中的輸送的裝置，和/或由惰性材料構(gòu)造所述反應(yīng)器的至少在所述輸入?yún)^(qū)(1)的區(qū)域中或者在所述反應(yīng)區(qū)O)的區(qū)域中的內(nèi)壁。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中，所述進(jìn)給氣體中的成分的局部濃度具有的變化系數(shù)小于或等于0. 1，優(yōu)選地小于0. 05，尤其優(yōu)選地小于0. 03，其中物質(zhì)的局部濃度的變化系數(shù)表示局部物質(zhì)濃度的標(biāo)準(zhǔn)偏差與局部物質(zhì)濃度的平均值的比。
21.根據(jù)權(quán)利要求19至20中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所用的所述進(jìn)給氣體是含氨和氧的氣體混合物。
22.根據(jù)權(quán)利要求19至21中任一項(xiàng)所述的方法，其中，采用構(gòu)造為蜂窩形式的催化劑。
23.根據(jù)權(quán)利要求19至22中任一項(xiàng)所述的方法，其中，采用按重量計包括至少30%的氧化物的催化劑，所述氧化物優(yōu)選為金屬氧化物，尤其是過渡金屬氧化物。
24.根據(jù)權(quán)利要求19至23中任一項(xiàng)所述的方法，其中，采用為催化劑灌注或催化劑填料形式的催化劑，沿流動方向看，所述催化劑的深度為至少3cm。
25.根據(jù)權(quán)利要求1至18中任一項(xiàng)所述的反應(yīng)器用于氨氧化的用途。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的用途，其中，所述反應(yīng)器結(jié)合到用于制備己內(nèi)酰胺或硝酸的設(shè)備中。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于催化放熱氣相反應(yīng)的改進(jìn)的反應(yīng)器，沿包含至少一種氧化劑和至少一種待氧化成分的進(jìn)給氣體的流動方向看，所述反應(yīng)器具有輸入?yún)^(qū)(1)、包括至少一個催化劑(4)的反應(yīng)區(qū)(2)、以及用于產(chǎn)品氣體的輸出區(qū)(3)。所述反應(yīng)器至少在所述輸入?yún)^(qū)(1)的區(qū)域中設(shè)置有用于降低在所述反應(yīng)區(qū)(2)中形成的反應(yīng)熱到所述輸入?yún)^(qū)(1)中的輸送的裝置，例如隔絕套(6)和/或用于輸送冷卻介質(zhì)的裝置，由此降低采用的進(jìn)給氣體混合物預(yù)點(diǎn)火的風(fēng)險或者在輸入?yún)^(qū)(1)中引起不期望副反應(yīng)的風(fēng)險，以及/或者其中所述反應(yīng)器的至少在所述輸入?yún)^(qū)(1)的區(qū)域中的內(nèi)壁由惰性材料構(gòu)造而成。進(jìn)給氣體作為關(guān)于其物質(zhì)成分均質(zhì)化的氣體混合物經(jīng)由一個或多個進(jìn)給線(30)進(jìn)入到輸入?yún)^(qū)(1)中。該反應(yīng)器可以尤其用于氨氧化，例如用在硝酸設(shè)備中，其中使用優(yōu)選地構(gòu)造為蜂窩形式的橫截面比慣用的鉑紗網(wǎng)小的過渡金屬催化劑。
文檔編號B01J12/00GK102239111SQ200980148254
公開日2011年11月9日 申請日期2009年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月2日
發(fā)明者B·欣德根, J·富克斯, M·施韋弗, M·格羅韋斯, R·毛雷爾, R·西費(fèi)特 申請人:猶德有限公司