CN101219364A - 用于高温工业过程的具有改进的安全特征的装置 - Google Patents

Abstract

本发明一般涉及高温工业过程，尤其涉及用于高温工业过程的具有改进的安全特征的装置及其在相关过程中的应用。所述的装置包括内部绝热体，该内部绝热体包括耐火陶瓷纤维。本发明的装置可消除对昂贵和费时的安全预防措施的需要，并易于安装催化剂。

Description

用于高温工业过程的具有改进的安全特征的装置

本申请是申请人于2001年5月23日提交的、申请号为01119189.9的发明专利申请的分案申请。

本发明一般涉及高温工业过程，尤其涉及反应器装置及其在相关过程中的应用。

用反应器生产化学制品如氢氰酸和硝酸已经有一段时间是公知的。例如，Andrussow在美国专利1934838中公开了由氨和烃气一步合成氢氰酸，其中在铂族金属催化剂存在的情况下由空气通过联立反应供应热量。其它专利中描述了关于该过程的多种修改和改进。

为了提高效率，经常将一绝热体加在反应器的外部以防止热量损失。但包含反应器的材料限制了其能够安全运行的温度。有时为反应器装一水套来防止反应器过热以及容器的潜在破坏。在水套运行中断情况下，外部绝热的反应器温度会上升到导致反应器或装有凸缘的联接件或其它容器破坏的程度，使危险化学制品释放到大气中。外部绝热体虽然提高了效率，但也会增加反应器破坏的可能性。曾经尝试过用耐火材料从内部对反应器进行绝热，但耐火材料通常容易由于热或机械振动而破裂，使得过程的开始和停止以及不损坏耐火材料而去掉反应器头部来维修变得很困难或者不可能。同样极端困难的是维修悬吊的耐火材料，如在半球形或圆锥形反应器头部的内表面上，这是因为耐火材料的拉伸强度相对较低。

另外，常规反应器结构如图1中所示系统呈现出以流量分离为特征的很差的流量分配。如图1所示，进入具有耐火材料4的反应器2中的很差的流量分配会在反应器2的左侧产生向上流量，在壁8上产生分解和烟灰聚积物6。如图1中所示紊流的喷射效果还会使催化剂寿命缩短，因为该流量仅使用有限部分的催化剂9。另外，在包含高易燃原料混合物的过程中，如富氧HCN或富氧氨氧化反应器，图1中所示流量分配产生了相当大的回火和爆燃的可能性。

另外，反应器头部一般包括较大的焊接颈部或搭接凸缘，用于联接到筒体、换热器或其它支承反应器头部的装置上。该较大焊接颈部或搭接凸缘的设计和制造通常非常昂贵，密封表面必须小心维护，以确保反应器与例如筒体之间的正确密封。当反应器运行过程中以及包含潜在危险的高温化学制品如Andrussow过程中存在的HCN时，联接表面的维护特别重要。当由于维护或其它原因而必须移动反应器头部时，操作者必须格外小心，以保护凸缘免受损坏，从而反应器能够很快恢复运行。操作者通常简单地将反应器放置在一块木材、一个板或某些其它材料上来保护凸缘；尽管在正确放置的情况下一块木材或其它板有时足以保护凸缘免受损坏，但如果操作者没有扼住凸缘并将反应器头部直接放置在普通植物格栅上，凸缘表面上反应器头部的重量将很可能使其不能使用(如果凸缘表面被刮刻或翘曲，它将不能正确密封)。

最后，其上放置有反应器头部的普通筒体的物理高度使插入和取出物品如催化剂、分配器、支承件或任何其它要放置在筒体内部的组件变得很困难。筒体壁通常为4英尺或更高，需要操作者爬上壁上方的一平台，身体进入筒体中来安装或更换催化剂。不仅爬进和爬出筒体需要时间，而且筒体被分成一限定的空间，进入一限定的空间需要获得许可，供应呼吸空气，需要和注意另一个工人作为看守人，有时需要昂贵和费时的安全预防措施。因此需要一种结构来消除对这些预防措施的需要，并易于安装催化剂。

本发明用于克服或至少减小上述一个或多个问题的影响。

在一个实施例中，一种用于高温工业过程的装置包括至少一个凸缘联接件，其中通过连接到该至少一个凸缘上的至少一个支承突耳防止该至少一个凸缘联接件的至少一个凸缘受到机械损坏。该装置还可包括一连接到该至少一个凸缘上的冷却套，该冷却套由1/2管制成。

在另一实施例中，描述了一种用于高温工业过程的装置，包括至少一个凸缘联接件，其中该凸缘由所连接的1/2管冷却套冷却。

在某些实施例中，一种用于高温工业过程的装置包括一具有第一截面尺寸的入口管道部分；一具有第二截面尺寸的下游加工部分；一联接该入口管道部分和该下游加工部分的入口过渡部分；该过渡部分包括由耐火陶瓷纤维制成的内部绝热体。该第二截面尺寸可大于该第一截面尺寸，该内部绝热体可形成一圆锥形内表面。另外，该入口过渡部分可形成一半球形外形。该过渡部分可以是一反应器头部，该反应器头部包括一通向该下游加工部分的凸缘联接件。

在某些实施例中，包括一个或多个可视玻璃管嘴。可以用下列各项中的至少一项在该下游加工部分中获得层状速度分布：一段足够长的直管道，该直管道包括该入口管道部分，以在该入口过渡部分的上游端提供一层流；至少一个设置在该入口管道部分中的CRV；一位于该入口过渡部分上游端的LAD；及一位于该入口过渡部分上游端的EHD。

另一种用于高温工业过程的实施例包括：具有一第一截面尺寸的加工部分；具有一小于该第一截面尺寸的第二截面尺寸的出口管道；及一联接该出口管道部分和该加工部分的出口过渡部分；该出口过渡部分的内表面为圆锥形。

又一种用于高温工业过程的实施例包括：具有一底部凸缘的反应器头部；一具有一顶部凸缘的下游加工部分；其中该下游加工部分顶部凸缘的工作高度在约2.0至3.5英尺之间。

本发明的另一实施例包括：一入口管道部分；一入口过渡部分；一加工部分；一出口过渡部分；及一出口管道部分；其中内部绝热体包括在一个或多个装置部分中，其中该绝热体由耐火陶瓷纤维制成。在该实施例中，该入口过渡部分还包括一圆锥形内表面，该出口过渡部分还包括一圆锥形内表面。该装置还可包括一位于该入口过渡部分与该加工部分之间的具有第一和第二凸缘的凸缘联接件，并且第一和第二凸缘中的至少一个包括一与其相连的冷却套。

另外还描述了一种制造氢氰酸的方法，包括下列步骤：提供至少一种碳氢化合物，至少一种含氮气体，和至少一种含氧气体；在一装置中对该至少一种碳氢化合物、至少一种含氮气体、至少一种含氧气体进行反应，以制成氢氰酸，及通过在该装置中利用该至少一种含氧气体进行同时燃烧反应而供应热量；其中该装置包括：至少一个凸缘联接件，其中通过连接到该至少一个凸缘上的至少一个支承突耳防止该至少一个凸缘联接件中的至少一个凸缘受到机械损坏。

公开了一种制造氢氰酸的方法，包括：提供至少一种碳氢化合物，至少一种含氮气体，和至少一种含氧气体；在一装置中对该至少一种碳氢化合物、至少一种含氮气体、至少一种含氧气体进行反应，以制成氢氰酸，及通过在该装置中利用该至少一种含氧气体进行同时燃烧反应而供应热量。在该过程中，该装置可包括一具有第一截面尺寸的入口管道部分；一具有第二截面尺寸的下游加工部分；一联接该入口管道部分和该下游加工部分的入口过渡部分；其中该过渡部分包括内部绝热体，该内部绝热体由耐火陶瓷纤维制成。

在一个实施例中公开了一种装置，包括一反应器头部和内部绝热体，其中该绝热体由耐火陶瓷纤维制成。该反应器头部适于与一液体流联接，以有利于一化学过程。在该实施例中，一圆锥形反应器头部的壁与一垂直线之间的角度小于约25度。该绝热体可由至少一个延伸穿过该圆锥形反应器和该绝热体的套固定到位，该绝热体可由一延伸穿过反应器头部入口的轴环进一步支承。该反应器头部可以是圆锥形或半球形。该装置可用于制造氢氰酸或其它产品。

在一个实施例中，该装置还包括一环绕该反应器头部设置的冷却套。该冷却套由一连接到该锥形反应器外表面上的半管形成。可以设想，该装置可包括反应器头部上游的导直叶片的使用。

在一个实施例中公开了一个反应器头部；至少一个具有一圆周表面和一联接表面的凸缘，该联接表面适于与一化学处理单元中的配合凸缘联接；至少一个联接到该至少一个凸缘上并能够支承该反应器头部的支承突耳；其中该至少一个支承突耳从该圆周和联接表面延伸，从而在该联接表面与该支承突耳之间形成一间隙。该实施例中可以有一个或多个连接到该至少一个凸缘上并能够支承该反应器头部的附加支承突耳。该至少两个支承突耳基本为U形，并环绕安装在该至少一个凸缘上的一冷却套而延伸。该至少两个支承突耳还可具有一从中钻透的大致圆形的孔，以利于该至少两个支承突耳的冷却。

在一种实施例中公开了一种反应器头部、一适于与反应器头部相连的支承催化剂的筒体，其中，支承催化剂的筒体的垂直工作高度在约2.0至约3.5英尺之间，并且，当支承催化剂的筒体与反应器头部脱开时，该筒体有利于接受催化剂或由站在筒体直径外的一个或多个操作者提供的其它装置。在某些场合，操作者可用升降机或其它工具来安装催化剂或其它装置，但操作者自己可仍在筒体外。

在一个实施例中公开了一种装置，包括一个反应器头部、一适于连接到该反应器头部的支承催化剂的筒体；和至少一个有一适于容纳一热电偶或其它仪表的内部通道的热电偶管嘴，该热电偶或其它仪表以一非垂直角度安装在催化剂支承筒体侧部，从而在催化剂高度与内部通道之间没有直接的视线。

还公开了一种生产氢氰酸的方法，包括提供至少一种碳氢化合物，至少一种含氮气体，和至少一种含氧气体；在一反应器中对该至少一种碳氢化合物、至少一种含氮气体、和至少一种含氧气体进行反应，以制成氢氰酸；及通过在该反应器中利用该至少一种含氧气体进行同时燃烧反应从而供应热量。在该过程中可以设想，该反应器包括一反应器头部，一含催化剂的筒体部件，和可插入该反应器头部中的绝热体，该绝热体由耐火陶瓷纤维制成。

在阅读下面的详细描述并参照附图后，本发明的上述和其它特征将更加清楚，其中：

图1是一现有技术反应器系统的视图。

图2是一前视图，其以局部剖视的形式示出本发明圆锥反应器头部的一实施例。

图2a是图2中所示实施例的透视图。

图3是图2结构的顶视图。

图4是本发明轴环的顶视图。

图4a是图4中所示轴环的前视图。

图5是根据本发明一实施例连接到圆锥反应器头部凸缘上的一支承突耳的顶视图。

图6是沿图5中所示A-A线所取的支承突耳侧视图。

图7是图5中结构沿B-B线所取的前视图。

图8是包含图5中所示结构的反应器的顶视图。

图9是根据本发明一实施例的筒体部分的顶视图。

图10是图9中结构沿C-C线所取的剖视图。

图11是与图2中圆锥反应器一起使用的旋转叶片的前视图。

图12是没有旋转叶片的管道中流体流动的示意图。

图13是图12中有效流体流的剖视图。

图14是带有旋转叶片的管道中流体流的示意性视图。

图15是图4中有效流体流的剖视图。

图16是包含本发明的圆锥反应器头部和旋转叶片的系统的透视图。

图17是本发明反应器的一可替换实施例的正视图。

图18是本发明反应器的另一可替换实施例的正视图。

图19是靠近操作者的图2中所示圆锥反应器的图片。

图20是根据本发明构造的非选择催化还原(NSCR)NOx抑制单元。

尽管本发明可以有各种修改和替换形式，但还是通过例子将其具体实施例在附图中表示出来，并在这里进行详细描述。但应该理解，这里具体实施例的描述并不是将本发明限制在所公开的具体形式，而是相反，本发明是要覆盖落在由附加权利要求限定的本发明的精神和范围中的全部修改、等同物和替换例。

下面描述本发明的示意性实施例。为清楚起见，说明书中并没有描述实际实施例的全部特征。当然应该理解，在任何这种实际实施例的开发中，必须作出多种实施的具体决定，以实现开发者的特定目标，如依据随实施例不同而变化的与系统有关或与商业有关的约束条件。另外，应该理解，这种开发的努力可能是复杂而费时的，但尽管如此，对于从本公开受益的本领域普通技术人员来讲还是有一个可循的常规。

现在转向附图，特别是图2，公开了一种根据本发明一实施例的圆锥形反应器头部10。圆锥形反应器头部10包括一适于与化学过程中的配合凸缘13(图16中示出)联接的顶部凸缘12。顶部凸缘12靠近反应器入口14，该反应器入口14可选择地具有一同心放置在其中的刚性轴环16。图4和4a中更清楚地示出轴环16，其一般由不锈钢制成。轴环16一般为圆柱形并有一边缘15，该边缘15防止轴环落入反应器头部10中并可在顶部凸缘12与配合凸缘13之间密封。轴环16有助于将绝热体40(下面在说明书中详细描述)固定到位。

入口14靠近一圆锥形侧部元件18。侧部元件18形成一扩张区域并有利于保持来自入口的层流流动。如果流动在入口处为层状，则在侧部元件18与垂直线20之间的角度22小于约25度时流动将保持附着。在图2所示实施例中，角度22约为21度。应该理解，角度22的某些变化是在本发明范围内的，即该角度可以是小于约25度的任意角度，或者促进附着层流的任何其它角度。可有效地通过改变顶部到底部的绝热体40的厚度来修改角度22。还应该理解，反应器头部10可以根本就不是圆锥形，而是与大角度扩散器(LAD)或椭圆形头部扩散器(EHD)联接的任何方便的形状，从而产生与圆锥形状相似的层流分布(如图20所示的)。大角度扩散器和EDH可从Koch-G1itsch公司获得。层流的优点在于防止回火，否则将产生紊流/流量分离状态。再次参照图1，当产生回流时，产生图16中所示层流状态中不存在的回火和爆燃的危险就会增加。

多个提升凸耳24安装在侧部元件18上。优选地，如图3所示，三个提升凸耳24绕侧部元件18的外表面44等间距分布。提升凸耳24有一小孔26，该小孔26适于接收钩、缆绳或其它提升系统附件(未示出)。提升凸耳24用于支承反应器头部10的全部重量，有利于它的运输。

侧部元件18与和顶部凸缘12的附件相对的底部凸缘28交会。顶部和底部凸缘12和28最好是焊接颈部凸缘，但其它凸缘如搭接凸缘也可以使用。从本公开受益的本领域技术人员将认识到，焊接颈部凸缘对于需要很高支承应力的螺旋缠绕垫圈(未示出)是特别有用的；螺旋缠绕垫圈最好用于重要的运行应用中，如HCN生产。应该理解，用于标识顶部凸缘12和底部凸缘28的“顶部”和“底部”仅指反应器头部10在附图中的方向。反应器头部10的方向可修改为任何适当的位置。在图2所示实施例中，一凸缘冷却套30连接到底部凸缘28上。凸缘冷却套30可包括一直接焊接到图2和6中所示底部凸缘28上的半管。冷却套30包括一入口32和一出口34。图3中示出出口34。侧部元件18还可包括一冷却套92。冷却套92没有在图2中示出，但可从图2a中看到。冷却套92包括一入口(未示出)和一出口94。冷却套92还可包括一以图2a中的结构直接焊接到侧部元件18上的半管。这些冷却套入口/出口包括通过不锈钢编织软管91将它们相应的冷却套联接到一冷却介质源上的凸缘。在一优选实施例中，某些套可串联联接-也就是说，一个套的出口凸缘与另一个套的入口凸缘联接。在某些实施例中，入口/出口凸缘可全部去掉，代之以通向冷却介质源的连续管道(未示出-例如可以是供水集管)。在某些实施例中根本就没有与反应器头部10相联系的冷却套。

靠近底部凸缘28的是多个可视玻璃管嘴36和38。图2中示出可视玻璃管嘴36的一剖面。图3中以顶视图示出一带有可视玻璃管嘴36和可视玻璃管嘴38的优选实施例。在替换例中，反应器中仅包括可视玻璃管嘴36。在某些实施例中完全没有可视玻璃。可视玻璃管嘴36和38延伸穿过侧部元件18进入反应器头部10内部。可视玻璃36和38使操作者可以观察内部反应。可视玻璃管嘴36和38可以交替用作取样联接件或其它仪表的管道，其它仪表包括但不限于热电偶、压力指示器以及点火器。

反应器头部10包括一与反应器内壁42相邻的内部绝热体40。绝热体40最好由铝土和/或硅石陶瓷纤维制成，还可包括粘结剂。例如，绝热体40可包括可从Rex Roto公司获得的Pyrolite(包括粘结剂)或可从RathPerformance Fibers公司获得的K-mod陶瓷纤维模块(不包括粘结剂)。将绝热体40放置在反应器头部10中的优点是，通过在没有过热危险的情况下减少热量损失以及与外部绝热体相关的反应器头部失效而提高了效率。虽然反应器头部10和其它常规反应器可具有冷却系统，但在冷却系统失效的情况下，反应器10内部产生的热量会导致金属反应器温度上升。温度会持续上升，直到凸缘或反应器自身由于温度达到金属屈服点而失效。当反应器失效或凸缘由于过高的温度而翘曲时，包含在其中的有潜在危险的化学制品会释放出来。但通过仅使用反应器头部10内部的内部绝热体40，反应器头部10可用作一自幅射器，即外表面44可自由将热量幅射到大气中。这使反应器头部10具有自我限制其本身温度的优点。尽管在冷却系统失效的情况下反应器头部10的温度将上升到高于正常操作温度，但自幅射的能力还是提供了一个辅助冷却机构；最终从反应器10外表面44幅射的热量将等于反应器内部产生的热量，并达到一稳定状态。例如，在使用反应器头部10内部的绝热体40的HCN过程中，反应器头部10可自我限制在金属的屈服温度以下几百华氏度。因此在冷却失效的情况下，绝热体40的使用在不损失安全的前提下将热量损失减到最小。实际上，在某些实施例中，可期望完全不使用冷却系统。以前的反应器具有位于反应器壁内部的耐火材料以减少损失到环境中的能量损失，但如背景技术中描述的，耐火材料重量大、易碎、难于维修、且易由于机械或热振动而破裂。包含耐火材料的圆锥形头部很难形成，支承耐火材料的头部在为了维修或其它原因而方便地来回移动时很可能会使耐火材料破裂。有利地，本发明设想用Pyrolite或K-mod^TM制造绝热体40，它们重量轻，耐热振动和机械振动，并易于在圆锥形反应器中安装和维修。绝热体40可方便地制成圆锥形，以与反应器头部10配合，并且没有破裂危险地滑入和滑出反应器。Pyrolite和K-mod^TM足够耐用，允许在没有内部耐火材料系统中通常需要的相当的额外预防措施的情况下提升和运输反应器。在图2所示实施例中，绝热体40基本上靠近反应器头部10的内壁42，但在某些实施例中，绝热体40设置成在绝热体与内壁42之间存在一外围层或一空气隙(未示出)。

绝热体40可通过轴环16固定在反应器10中。轴环16延伸到反应器头部10中，外轴环表面17提供了一个刚性边缘，绝热体40的上端41靠在该边缘上。轴环16还确保了引入并容纳在反应器头部10中的气体不会移动到绝热体40后面。附加地或与之替换地，由于轴环16的使用，每个可视玻璃管嘴36和38中的可视玻璃套48可延伸穿过绝热体40而将绝热体固定到位。但如图16所示，当反应器10完全安装时绝热体40不需要悬空，而是可以靠在一在筒体52内部浇注的可铸耐火材料50上。耐火材料50可替换地包括Pyrolite或K-mod^TM，或者甚至耐火砌砖。

由于与高温高压下化学反应相联系的危险性，底部凸缘28必须小心制造和维护，使配合表面54处于使反应器头部10与例如筒体52之间的联接正确密封的条件下。但反应器头部10并不限于与筒体52一起使用，而是可直接联接到包括整体筒体(未示出)或其它非筒体装置的热交换器上。在待审的临时专利申请U.S.60/141769中描述了可与反应器头部10结合使用的几种类型热交换器的例子，该申请这里作为参考引入。由于反应器头部10的重量可超过2000磅，如果反应器重量由配合表面54支承的话，底部凸缘28会很容易损坏或毁坏。至少为了这个原因，有利地环绕底部凸缘28的圆周等距设置多个支承突耳，例如U形支架56、58和60。图5中以详细的顶视图示出U形支架56，图8中示出全部三个支承突耳。从本公开中受益的本领域技术人员应该理解，图中体现为U形支架的支承突耳的数量、间隔及细节可以变化。图5公开了连接到底部凸缘28上的大致U形的支架56。U形支架56延伸到底部凸缘28和凸缘冷却套30周边之外。

参看图6，一侧视图中示出U形支架56连接到底部凸缘28上。该图中，所示底部凸缘28靠近一配合筒体凸缘82。U形支架56有一底脚64，该底脚64延伸到配合表面54之外而在支架底部与配合表面之间产生一间隙66。间隙66可测量为1/2英寸到3英寸之间，优选是约1 _1/4英寸，但如必要可形成任何其它间隙。从本公开中受益的本领域技术人员应该理解，间隙66可以是能够在不干扰反应器头部10在筒体52上的设置的情况下保护配合表面54或其它配合装置的任何尺寸。当反应器10放置在除筒体52上以外的某处时，间隙66有利地向配合表面54提供了保护。例如，如果反应器10放置在地面上，则不必在底部凸缘28下面设置任何物品来保护配合表面54免受可由配合表面与地面之间的直接接触而导致的刮刻和/或其它损伤。U形支架56、58和60能够在不使配合表面54与地面或其它支承面接触的情况下支承反应器头部10的全部重量。从本公开中受益的本领域技术人员应该理解，在某些多部件实施例中，如这里作为参考引入的EP847372(A1)中公开的反应器中，可有益地使用多个支承突耳来保护多个凸缘。参照图7，U形支架56、58和60可有一圆孔，以减少每个支架的重量并促进各支架的冷却。

下面转向图9和10，示出筒体52的某些细节。筒体52一般为圆柱形，并可包含催化剂68。筒体52适于与反应器头部10联接。但图9和10仅示出筒体部分。筒体52包括一顶部筒体凸缘82和一底部筒体凸缘84。在某些实施例中，凸缘84可用壁100与下面的热交换器(未示出)之间的连续联接件代替。筒体52还包括三个冷却套(70，76和86)。筒体冷却套70包括入口72和出口74。顶部筒体凸缘冷却套86包括其相联的入口88和出口90。底部筒体凸缘冷却套76包括其相联的入口78和出口80。每个冷却套70、76和86可包括如图10焊接到筒体上的半管。每个入口72、74、78、80、88和90包括通过一不锈钢编织软管91将与它们相联的冷却套联接到一冷却介质源上的凸缘，(或者它们可以串联到一源上)。但在某些实施例中，入口/出口凸缘可全部去除，并由一通向冷却介质源(未示出)的连续管道代替，在另一实施例中可以根本就没有冷却套。

筒体52的高度有利地设计成有助于容易安装和去除物品，该物品包括但不限于催化剂68、分配器、支承件、或者其它将插入筒体中的组件。如背景技术中所描述的，对于常规筒体，安装催化剂或其它物品是非常困难和费时的。图9和10中公开的筒体52从顶部筒体凸缘82到底部筒体凸缘84包括一约为1.5至2.5英尺的缩短的尺寸D1，最好为1.75英尺。当与例如一交换器(未示出)结合时，该距离使从地面(未示出)或平台至顶部筒体凸缘82之间的工作高度为2.0至3.5英尺，最好为3.0英尺。当高度为2.0至3.5英尺时，顶部筒体凸缘到达正常人的腰部高度，有利地允许正常人进入筒体52中，例如从筒体外部安装或取回催化剂。图19示出与操作者靠近的本发明一实施例。如从图中看到的，操作者可方便地进入筒体中而不用在内部爬行。由此，不需要进入限定空间，不需要相关的许可和预防措施。同样不需要使用托架或任何其它装置来使操作者能够进入并更换催化剂或其它内部物品。设想例如一催化剂，该催化剂可位于筒体中距顶部筒体凸缘82大约一英尺处，但筒体可适于以任何距离方便地安装由操作者送达的催化剂。顶部筒体凸缘82至催化剂之间距离的范围可设定为大约从3英寸至2英尺。

筒体52还可有多个仪表管嘴96和98，以便于监测状态，如反应器中的温度。一般将热电偶导线从上方拧入反应器中，这对于大的物体如圆锥形反应器头部10来讲是很困难的。通过有利地将热电偶(未示出)输送穿过筒体52的壁100，安装变得容易得多且热电偶容易接近。仪表管嘴96和98适于容纳热电偶并延伸穿过筒体冷却套70以冷却管嘴。仪表管嘴96和98定位在筒体外部与催化剂基本相同的高度上。但仪表管嘴96和98以不垂直于筒体52的壁100的角度设置，以确保没有向催化剂幅射的直接的视线。非垂直意思是仪表管嘴96和98以不等于90度的角度与筒体壁100交会，或者管嘴相对于催化剂不是位于一水平高度。另外，管嘴96和98可具有插入其中的绝热体以进一步保护热电偶。在所公开的实施例中，管嘴96与壁100之间的角度为约77度，但也可采用0至180度之间除90度之外的任何其它角度。化学反应中的多数能量是通过幅射传导的，如果仪表管嘴96和98垂直于筒体52，与催化剂反应有一直接的视线，热量会直接进入管嘴中并熔化设置在管嘴中的热电偶(未示出)。因此，仪表管嘴96和98有利地定位在靠近催化剂反应的位置，但与反应没有直接的视线，这会延长热电偶的寿命。

仪表管嘴96和98可替换地用于多种其它仪表中，该仪表包括但不限于过程分析器取样联接件、压力指示器及点火器。

下面转向图11-16，公开了一种与反应器10结合使用的流动校直系统。由于贵金属和其它催化剂特别昂贵，期望将流量引导到催化剂的整个表面区域上，以提高其有用寿命。在一典型反应器系统中，公知的当流体流经突然膨胀区时的喷射效果使大部分流体基本与入口管道保持相同的直径。当流体到达催化剂时，通常中央区域接收80％至90％的流量，而最靠近壁的催化剂区域则缺乏。另外，会发生图1中显示的向上流线谱，并导致在反应器的壁处成份分解。如果层流可引入入口管道中且反应器呈现为逐渐膨胀，则流量将保持附着在反应器的壁上，并向整个催化剂表面引导一更均匀的流量分配。通常一小于约25度的膨胀角度将保持附着的层流。在某些情况下，可通过紧靠反应器入口上游设置至少十个直管直径来引导层流，但空间的限制一般要求有一个小于所需的十个上游管道直径的管道弯头。在这些典型的限定空间的应用中，需要一流动校直装置如旋转叶片102来引导层流。旋转叶片102已知为CRV，可从ChengFluid Systems公司或Koch-Glitsch公司得到。从本公开中受益的本领域技术人员应该理解，也可使用其它流动校直系统来引导层流。图11以前视图示出可与反应器2一起使用的旋转叶片102。图16公开了与反应器10有关的旋转叶片102的典型设置。旋转叶片102可用于补偿如图16中所示的两个弯头，或者除旋转叶片102之外可使用一第二旋转叶片(未示出)。图12-15示出运行中的旋转叶片102的效果。没有旋转叶片102时，流体绕弯头104经过时的速度变得不一致并如图12所示发生流体分离。有效流量106被改变成类似于图13中所示产生的截面。图13中所示的不一致流量阻止了附着的流量均匀分配到催化剂。另一方面，旋转叶片102的使用提供了图14中所示经过弯头104的流线谱。经过旋转叶片102后，产生的流速一致并为层状。图15示出截面107中的一致流量。当层流被引入圆锥形反应器头部10时，如果圆锥角22为约25度或更小的话，流量将保持附着在反应器头部的壁42上。在这里公开的实施例中，反应器头部10的圆锥角22约为21度。圆锥形反应器10中使用旋转叶片102有利地提高了反应效率和催化剂的有用寿命。

在某些实施例中，反应器如图17中所示反应器202可代替圆锥形反应器10。反应器202是一与已有头部208联接的拼合筒体(204和206)的结构，但在反应器202中可使用与上面公开的相同的冷却系统、筒体高度、热电偶管嘴、旋转叶片和内部绝热体。反应器202可与一LAD或EHD联接，以产生与圆锥形反应器10中产生的流动相似的有效的层流。

另外，图18公开了根据本发明用于反应器302的一第三实施例。反应器302包括一连接到一短筒体306上的细长的头部304。与反应器202类似，反应器302可连接到一筒体52上并包括与上面公开相同的冷却系统、筒体高度、热电偶管嘴、旋转叶片和内部绝热体。反应器302还可与一LAD或EHD联接，以产生与圆锥形反应器10中产生的流动相似的层流。

图20中示出半球形头部402中使用的LAD或EHD装置的替换例。所示是绝热体40用于圆锥形内表面43。还示出一圆锥出口45的使用(或者更具体地，使用绝热体而在半球形出口头部中提供一圆锥形内表面)。圆锥形出口的主要好处在于产生层流，从而使压降减到最小(紊流/非层流产生增加压降的涡旋)。从本公开中受益的本领域技术人员应该理解，入口圆锥43的角度非常重要，圆锥45的出口角度没有那么重要，可以是大于0度小于90度的任何角度。另外，尽管图20中示出凸缘47，但这些是可选择的，可以设想耐火陶瓷纤维绝热体可制成片状，以易于插入无凸缘的容器中，然后在容器中装配，以产生一期望的圆锥形内表面。

可以设想，反应器10、202和302对于氢氰酸的制造是最有用的。制备氢氰酸的过程包括将成分输送到反应器中(例如反应器10、202或302中)。该成分包括至少一种碳氢化合物，至少一种含氮气体，和至少一种含氧气体。应该理解，含氧气体可以与含氮气体或碳氢化合物相同。

该至少一种碳氢化合物可以是脂族或取代的脂族，环脂族或取代环脂族，或芳香族或取代芳香烃，或者它们的混合物。适当的例子没有限制地包括：甲烷(CH₄)，乙烯(C₂H₄)，乙烷(C₂H₆)，丙烯(C₃H₆)，丙烷(C₃H₈)，丁烷(C₄H₁₀)，甲醇(CH₃OH)，甲苯，石脑油，和甲酸甲酯。在一优选实施例中，该至少一种碳氢化合物是甲烷或一种或多种含甲烷的碳氢化合物的混合物。该至少一种含氮气体没有限制地包括：氨，甲酰胺，或一氧化氮(NO)。在一优选实施例中，该至少一种含氮气体是氨或具有一种或多种含氮气体的氨的混合物。该至少一种含氧气体可以是任何含一定量氧的材料，适于维持燃烧从而为制成吸热氢氰酸提供热量。适当的例子没有限制地包括：空气，富氧空气，纯氧气，一氧化碳(CO)，二氧化碳(CO₂)，或其混合物，或者分解后产生氧的含氧化合物。适当的例子包括过氧化物，甲酮，醚，等等。

还可以设想，将所公开的反应器用于其它现有技术，非Andrussow型HCN制备方法，其中用于HCN形成反应的能量是由地下燃烧之外的其它源供应的。这种过程的例子包括Degussa B-M-A过程，Fluohmic过程，以及微波加热和感应加热过程。

所公开的装置还可用于其它工业过程，包括但不限于：硝酸的生产(包括通过氨氧化过程或富氧过程进行生产)，合成气体生产，(甲基)丙烯酸生产，NOx抑制单元，或者任何其它用吸收剂、催化剂或热交换器的需要高温高压的过程。高压包括任何高于大气压的压力，而高温包括任何高于60℃的温度。另外，所使用的催化剂可包括但不限于：屏蔽板，支承催化剂，流化床，或者离子交换树脂。

最后，虽然本发明用于气体过程，但从本公开中受益的本领域技术人员应该理解，本发明并不限于气体过程。本发明中还可以是工业过程，其包括在高温和/或高压下使用液体。

尽管本发明是参照其特别的示意性实施例特别表示和描述的，但本领域技术人员应该理解，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，可以在形式和细节上进行改变。上述实施例仅是示意性的，不应理解为限制本发明的范围。

Claims (50)

1.一种用于高温工业过程的装置，包括：

a)具有第一截面尺寸的入口管道部分；

b)具有第二截面尺寸的下游加工部分；

c)一联接该入口管道部分和下游加工部分的入口过渡部分；

其中该过渡部分包括内部绝热体，该内部绝热体包括耐火陶瓷纤维。

2.如权利要求1所述的装置，其中该第二截面尺寸大于该第一截面尺寸。

3.如权利要求2所述的装置，其中该内部绝热体形成一圆锥形内表面。

4.如权利要求3所述的装置，其中该入口过渡部分包括一半球形外形。

5.如权利要求4所述的装置，其中该过渡部分是一反应器头部，该反应器头部包括一通向该下游加工部分的凸缘联接件。

6.如权利要求3所述的装置，其中该入口过渡部分包括一圆锥形外形。

7.如权利要求6所述的装置，其中该入口过渡部分是一反应器头部，该反应器头部包括一通向该下将加工部分的凸缘联接件。

8.如权利要求1所述的装置，还包括一个或多个可视玻璃管嘴。

9.如权利要求1所述的装置，其中用下列各项中的至少一项在该下游加工部分中获得层状速度分布：

a)一段足够长的直管道，该直管道包括该入口管道部分，以在该入口过渡部分的上游端提供层流；

b)至少一个设置在该入口管道部分中的CRV；

c)一位于该入口过渡部分上游端的LAD；

d)一位于该入口过渡部分上游端的EHD；及

e)一包括该过渡部分的圆锥形内表面。

10.一种用于高温工业过程的装置，包括：

a)具有一第一截面尺寸的加工部分；

b)具有一小于该第一截面尺寸的第二截面尺寸的出口管道；及

c)一联接该出口管道部分和该加工部分的出口过渡部分；

其中该出口过渡部分的内表面为圆锥形。

11.如权利要求10所述的装置，其中该出口过渡部分包括内部绝热体，该内部绝热体包括耐火陶瓷纤维。

12.如权利要求11所述的装置，其中该出口过渡部分是包括至少一个凸缘联接件的半球形头部。

13.如权利要求10所述的装置，其中该出口过渡部分是包括至少一个凸缘联接件的圆锥形头部。

14.一种用于高温工业过程的装置，包括：

a)一入口管道部分；

b)一入口过渡部分；

c)一加工部分；

d)一出口过渡部分；及

e)一出口管道部分；

其中内部绝热体包括在一个或多个装置部分中，其中该绝热体包括耐火陶瓷纤维。

15.如权利要求14所述的装置，其中该入口过渡部分还包括一圆锥形内表面。

16.如权利要求14所述的装置，其中该出口过渡部分还包括一圆锥形内表面。

17.如权利要求14所述的装置，还包括位于该入口过渡部分与该加工部分之间的具有第一和第二凸缘的凸缘联接件。

18.如权利要求17所述的装置，其中第一和第二凸缘中的至少一个包括一连接到其上的冷却套。

19.如权利要求17所述的装置，其中第一和第二凸缘中的至少一个包括至少一个支承突耳。

20.如权利要求14所述的装置，还包括一位于该加工部分与该出口过渡部分之间的具有第一和第二凸缘的凸缘联接件。

21.如权利要求20所述的装置，其中第一和第二凸缘中的至少一个包括至少一个支承突耳。

22.如权利要求20所述的装置，其中第一和第二凸缘中的至少一个包括一连接到其上的冷却套。

23.如权利要求14所述的装置，其中该入口过渡部分还包括至少一个可视玻璃管嘴。

24.如权利要求14所述的装置，其中该加工部分的工作高度在约2.0至3.5英尺之间。

25.如权利要求14所述的装置，其中该加工部分还包括至少一个仪表管嘴。

26.一种制造氢氰酸的方法，包括：

a)提供至少一种碳氢化合物，至少一种含氮气体，和至少一种含氧气体；

b)在一装置中对该至少一种碳氢化合物、至少一种含氮气体、至少一种含氧气体进行反应，以制成氢氰酸，及

c)通过在该装置中利用该至少一种含氧气体进行同时燃烧反应而供应热量；

其中该装置包括：

具有第一截面尺寸的入口管道部分；

具有第二截面尺寸的下游加工部分；

一联接该入口管道部分和该下游加工部分的入口过渡部分；

其中该过渡部分包括由耐火陶瓷纤维制成的内部绝热体。

27.一种装置，包括：a)一反应器头部；

b)可插入该反应器头部的绝热体，上述绝热体包括一耐火陶瓷纤维；

其中该反应器头部适于与一液体流联接，以有利于一化学过程。

28.如权利要求27所述的装置，其中该反应器头部大致为圆锥形。

29.如权利要求28所述的装置，其中一团锥形反应器头部的壁与靠近它的一垂直线之间的角度小于约25度。

30.如权利要求27所述的装置，其中该反应器为半球形。

31.如权利要求30所述的装置，其中该反应器与一大角度扩散器联接，从而功能上与权利要求29中的圆锥形反应器头部等同地导引一流线谱。

32.如权利要求27所述的装置，其中该绝热体可作为一单件而从该反应器头部中移出。

33.如权利要求27所述的装置，还包括至少一个位于该反应器头部侧面并延伸穿过该绝热体的可视玻璃。

34.如权利要求27所述的装置，其中该绝热体由至少一个延伸穿过该反应器和该绝热体的套固定到位。

35.如权利要求27所述的装置，其中该绝热体由一同心延伸到该反应器头部入口中的内部轴环固定在反应器中。

36.如权利要求27所述的装置，其中该化学过程是氢氰酸的生产。

37.如权利要求27所述的装置，还包括一环绕该反应器头部设置的冷却套，该冷却套包括一连接到该反应器头部外表面上的半管。

38.如权利要求27所述的装置，还包括一个或多个位于该反应器头部上游的流动校直装置。

39.一种装置，包括：

a)一反应器头部；

b)一适于连接到该反应器头部的支承催化剂的筒体；

其中该支承催化剂的筒体有一约2.0至约3.5英尺的垂直工作高度，并在该催化剂支承筒体从反应器头部卸下时适于接收由站在筒体直径外部的一个或多个操作者操作的催化剂或其它装置。

40.如权利要求39所述的装置，其中该反应器头部一般为圆锥形。

41.一种装置，包括：

a)一反应器头部；

b)一适于联接到该反应器头部上的催化剂支承筒体；及

c)至少一个具有内部通道的仪表管道，该内部通道适于容纳以一非垂直角度安装在催化剂支承筒体侧部的仪表，从而在催化剂高度与内部通道之间没有直接的视线。

42.如权利要求41所述的装置，其中该非垂直角度为约77度。

43.如权利要求41所述的装置，其中该至少一个仪表管嘴与一反应区域相邻。

44.如权利要求41所述的装置，其中该反应器头部一般为圆锥形。

45.一种装置，包括：

a)一圆锥形反应器头部；

b)绝热体，其可移动地插入由耐火陶瓷纤维制成的圆锥形反应器头部中；

c)至少一个具有一圆周表面和一联接表面的凸缘，该联接表面适于与化学过程单元中的配合凸缘联接；

d)至少三个连接到该至少一个凸缘上并能够支承该圆锥形反应器头部的支承突耳；

e)一适于联接到该国锥形反应器头部上的催化剂支承筒体；

f)至少一个具有一内部通道的仪表管嘴，该内部通道适于容纳以非垂直角度安装在催化剂支承筒体侧部的仪表，从而在催化剂高度与该内部通道之间没有直接的视线；

其中该圆锥形反应器头部适于与一液体流相联，以有利于一化学过程；及

其中该至少三个支承突耳从该圆周和联接表面延伸，从而在该联接表面与该支承突耳之间产生一间隙；及

其中该催化剂支承筒体有一约2.0至约3.5英尺的工作垂直高度，并且当催化剂支承筒体从筒体上卸下时适于接收由站在该筒体直径外部的一个或多个操作者提供的催化剂。

46.一种生产氢氰酸的方法，包括：

a)提供至少一种破氢化合物，至少一种含氮气体，和至少一种含氧气体；

b)在一反应器中对该至少一种碳氢化合物、至少一种含氮气体、和至少一种含氧气体进行反应，以制成氢氰酸；及

c)通过在该反应器中利用该至少一种含氧气体进行同时燃烧反应而供应热量；

其中该反应器包括一反应器头部、一含催化剂的筒体部件、和可插入该反应器头部中的绝热体，该绝热体由耐火陶瓷纤维制成。

47.如权利要求46所述的方法，其中该至少一种碳氢化合物是从下列各项中选择的：甲烷(CH₄)，乙烯(C₂H₄)，乙烷(C₂H₆)，丙烯(C₂H₆)，丙烷(C₃H₈)，丁烷(C₄H₁₀)，甲醇(CH₃OH)，甲苯，石脑油，和甲酸甲酯。

48.如权利要求46所述的方法，其中该至少一种含氮气体是氨、甲酰胺、或一氧化氮(NO)。

49.如权利要求46所述的方法，其中该含氧气体是从下列各项中选择的：空气、富氧空气、纯氧气、一氧化碳(CO)、NO、二氧化碳(CO₂)。

50.如权利要求46所述的方法，其中该含氧气体是通过对下列各项中的至少一项进行分解而提供的：过氧化物、酮、醚。

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