CN101590386A - 流化床反应装置及使用其的气相放热反应方法 - Google Patents

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Abstract

涉及流化床反应装置及使用其的气相放热反应方法。所述方法，在使用内部具有除热管的流化床反应器进行气相放热反应时，其通过使蒸气有效地在除热管内流通来进行反应器的温度控制而充分满足工艺稳定性和经济性。所述方法是将反应原料供给在内部具有多个除热管的流化床反应器进行气相放热反应的方法，包括下列工序：(a)使第一蒸气和/或构成所述第一蒸气的物质的液体在一个上述除热管的内部流通，而将所述流化床反应器除热，同时由所述第一蒸气和/或所述液体产生过热蒸气，(b)将构成所述第一蒸气的物质的液体与所述过热蒸气接触而产生第二蒸气，(c)使所述第二蒸气在其它所述除热管的内部流通。

Description

流化床反应装置及使用其的气相放热反应方法
技术领域
本发明涉及具有除热管的流化床反应装置以及使用其的气相放热反应方法。
背景技术
流化床技术自十九世纪后半段被开发以来，已经应用于各种制造技术。作为流化床的主要工业应用，可以列举煤炭气化炉、FCC(催化裂化)装置、基于丙烯的氨氧化的丙烯腈制造装置、聚乙烯气相聚合装置、马来酸酐制造装置等。由于流化床反应器的反应热的除去或施加容易，因此作为特征，可以列举能够将床内部维持在均一温度、能够处理爆炸范围的高浓度气体、生产率高等，今后期待在各方面的应用和改良。
进行气相放热反应的流化床反应器在其内部设有除热管，通过使水或蒸气流通而除去反应热，控制反应温度。
作为与设置在流化床反应器内部的除热管有关的发明，例如，在专利文献1中公开了一种以高收率稳定地制备马来酸酐的方法，其中设置除热管，使得在将碳数4以上的脂族烃供给到流化床反应器以通过气相氧化反应制备马来酸酐时，流化床反应器的稀薄层温度相比于浓厚层温度降低。
另外，在专利文献2中公开了一种在流化床反应器中除热和/或供热的热交换管的配置。
此外，专利文献3记载了一种使用以恒定速度供给冷却介质的除热管和以可变速度供给冷却介质的除热管来精密地控制反应温度的方法。
专利文献1：日本特开平2-19370号公报
专利文献2：日本特开2002-213886号公报
专利文献3：国际公开第95/21692号小册子
发明内容
发明要解决的问题
反应温度是流化床反应器运转时的重要控制因素之一。从将目的产物的收率维持在高水平以及安全运转的观点考虑，反应温度的稳定化是必需的事项。另外，由流化床反应器副产的蒸气具有重要的作用，在工业规模的制造装置中，不用说，蒸气的有效利用很大程度上决定经济性。然而，对于同时满足工艺稳定性和经济性的流化床反应器的冷却方法迄今仍有待改善。
本发明的目的是提供气相放热反应方法和流化床反应装置，其通过在使用内部具有除热管的流化床反应器进行气相放热反应时，使蒸气有效地在除热管内流通来进行反应器的温度控制，从而充分满足工艺稳定性和经济性。
用于解决问题的方案
本发明人深入研究了使作为冷却介质的蒸气稳定且经济地在流化床反应器的除热管内流通的方法，结果发现可以解决该问题，从而完成了本发明。
即，本发明是如下所述的气相放热反应方法和流化床反应装置。
[1]一种气相放热反应方法，所述方法是将反应原料供给到在内部具有多个除热管的流化床反应器而进行气相放热反应的方法，包括下列工序：(a)使第一蒸气和/或构成所述第一蒸气的物质的液体在一个上述除热管的内部流通，而将所述流化床反应器除热，同时由所述第一蒸气和/或所述液体产生过热蒸气，(b)将构成所述第一蒸气的物质的液体与所述过热蒸气接触而产生第二蒸气，(c)使所述第二蒸气在其它所述除热管的内部流通。
[2]根据项[1]所述的气相放热反应方法，其中所述反应原料包括碳数2～4的烷烃和/或烯烃。
[3]根据项[2]所述的气相放热反应方法，其中所述烷烃是丙烷和/或异丁烷。
[4]根据项[2]所述的气相放热反应方法，其中所述烯烃是丙烯和/或异丁烯。
[5]根据项[1]～[4]的任一项所述的气相放热反应方法，其中所述气相放热反应是氨氧化反应。
[6]一种流化床反应装置，所述流化床反应装置是气相放热反应用的流化床反应装置，包括流化床反应器、配置在其内部的多个除热管、和连接在一个所述除热管和其它所述除热管上的减温器(Desuperheater)，其中，(a)所述一个除热管通过使第一蒸气和/或构成所述第一蒸气的物质的液体在其内部流通，而将所述流化床反应器除热，同时由所述第一蒸气和/或所述液体产生过热蒸气，(b)所述减温器使构成所述第一蒸气的物质的液体与所述过热蒸气接触而产生第二蒸气，(c)所述其它除热管使所述第二蒸气在其内部流通。
[7]根据项[6]所述的流化床反应装置，其中多个所述除热管被配置成满足下式(1)表示的条件，
0.70Smax≤Smin    (1)
在式(1)中，Smax表示：用通过与所述流化床反应器的内部的反应原料和反应产物的流通方向大致正交的断面中心并且与所述断面正交的假想平面将所述流化床反应器等分为4个区域时，在所述各区域的所述除热管外表面积合计值中的最大外表面积合计值，Smin表示在所述各区域的所述除热管的外表面积合计值中的最小外表面积合计值。
[8]根据项[6]或[7]所述的流化床反应装置，其中在多个所述除热管中，以具有最小外表面积的所述除热管的所述外表面积为基准，除此以外的所述除热管的所述外表面积分别是1～10倍。
发明的效果
根据本发明，可以提供气相放热反应方法和流化床反应装置，其中，在使用内部具有除热管的流化床反应器而进行气相放热反应时，通过使蒸气有效地在除热管内流通来控制反应器的温度，从而充分满足工艺稳定性和经济性。
附图说明
图1为示出本实施方式的流化床反应装置的一个实例的概要图。
图2为使用块体示出本实施方式所涉及的各除热管在与S方向正交方向上的配置以及各除热管的外表面积的示意图。
图3是使用块体示出本实施方式所涉及的各除热管在与S方向正交方向上的另一配置以及各除热管的外表面积的示意图。
图4为示出比较例所涉及的流化床反应装置的概要图。
图5是用于说明比较例所涉及的流化床反应器中的各除热管的配置的横断面图。
图6是用于说明另一个比较例所涉及的流化床反应器中的各除热管的配置的横断面图。
附图标记说明
1  气液分离容器
2  冷却螺管
3  过热螺管
4  蒸气螺管
5  蒸气螺管
6  蒸气螺管
7  减温器
8  减温器
9  流化床反应器
10～14  管线
具体实施方式
以下，根据需要参照附图来详细说明用于实施本发明的具体实施方式(以下简称为“本实施方式”)。另外，在附图中，同一要素用同一附图标记表示，并省略重复说明。而且，上下左右等位置关系只要无特别说明，均以附图中所示的位置关系为基础。此外，装置和部件的尺寸比例不限于图示的比例。
本实施方式的气相放热反应方法是将反应原料供给到在内部具有多个除热管的流化床反应器而进行气相放热反应的方法，包括下列工序：(a)使水蒸汽和/或水在一个上述除热管的内部流通，而将流化床反应器除热，同时由所述水蒸汽和/或水产生过热水蒸气，(b)使所述过热水蒸汽与水接触而产生水蒸汽，使该水蒸汽在其它所述除热管的内部流通。
图1是示意性地示出本实施方式的具有多个除热管的流化床反应装置的一个实例的概要图。该流化床反应装置在气相放热反应中使用，其包括流化床反应器9和具有配置在其内部的多个除热管的除热系统。除热系统具体地说具有分别作为除热管的冷却螺管2、过热螺管3、蒸气螺管4、5和6、气液分离容器1，分别连接于多个蒸气螺管的减温器7和8。流化床反应器9只要与公知的相同即可，例如，在其下部具有作为反应原料的气体的分布管和/或分布板，在其上部具有捕集混入从反应器流出的反应气体中的催化剂的旋风分离器。在该情况下，反应原料和反应产物一般从下向上流通。
反应原料经由从流化床反应器9的下侧连出的原料供给管(图中未示出)供给到填充有必要量的流化床催化剂的流化床反应器9。气相放热反应中产生的热通过用设置在流化床反应器9内的作为除热管的螺管2、3、4、5和6冷却来除热，从而反应温度被控制。
对气相放热反应没有特定限制，例如可以列举氧化反应、氨氧化反应、烷基化反应。
对反应原料没有特定限制，只要是气相放热反应的原料即可，例如可以列举烷烃、烯烃、醇、芳族烃。具体地说，在上述氨氧化反应的情况下，使用烃等有机化合物、氧或空气等氧化剂和氨作为反应原料。作为构成氨氧化反应原料之一的烃的实例，可以列举烷烃和烯烃。有机化合物和氧化剂分别可以将一种单独或者将两种以上组合使用。
作为烷烃，可以列举碳数1～4的烷烃(甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、异丁烷)，而作为烯烃，可以列举碳数2～4的烯烃(乙烯、丙烯、正丁烯、异丁烯、叔丁烯)。在这些当中，从所生成的腈化合物作为化学品中+原料的价值的观点考虑，烷烃优选为丙烷和/或异丁烷，而烯烃优选为丙烯和/或异丁烯。
另外，填充在流化床反应器内的气相放热反应的催化剂没有特定限制，只要是在该反应中常用的固体催化剂即可。例如，可以列举担载在硅石等上的金属氧化物催化剂。
使用泵1a，将饱和温度的水从气液分离容器1供给到冷却螺管2。冷却螺管2中的水的压力优选为20～60kg/cm2G，更优选为25～50kg/cm2G。
冷却螺管2通过饱和温度的水的蒸发潜热从流化床反应器9内除热，按一个系列或并联的多个系列配置在反应器9的内部。图1示出了包括直管部与U字型的弯曲部的一个系列的冷却螺管的实例，但冷却螺管不限于该形态。冷却螺管2的一端连接于使从泵1a输送的水在流化床反应器9的壁部流通的管线。冷却螺管2通过弯曲部在反应器下方弯曲，经过直管部，进一步通过弯曲部以在上方折回的方式弯曲。这被称为一道(pass)。图1中的冷却螺管2是三道的实例。冷却螺管2的另一端与连接于气液分离容器1的管线连接。这称为一个系列，优选设置多个系列的冷却螺管2。另外，在本发明中，在设置有多个系列的除热管的情况下，各系列的除热管是一个除热管，多个系列的除热管由多个除热管构成。
优选的是，冷却螺管2的螺管直径按外径基准计为20mm～200mm，在反应器长度为Lr时，直管部的长度Lc应使得Lc/Lr为0.05～0.8，更优选Lc/Lr为0.2～0.7。冷却螺管2的道数优选为1～10道。冷却螺管2的材料例如可以采用JIS G-3458规定的钢管和JIS B-2311规定的弯管，只要满足温度和压力使用条件，其它没有特定限制。
在冷却螺管2内流通的水由于流化床反应器9内的放热反应而被加热，其至少一部分蒸发。通过该蒸发产生的水蒸汽量用下式(2)计算的蒸发率Rv优选为5～30％。
Rv＝(水蒸汽质量)/(供给到冷却螺管2的水的质量)×100(2)
另外，冷却螺管2优选承担用下式(3)计算的必要除热量Qc的70～95％的除热。
Qc＝Qr-(Qe-Qi)-Qd    (3)
其中，在式(3)中，Qc表示必要除热量，Qr表示反应器9中的气相放热反应的反应放热量，Qe表示从反应器9流出的气体的显热量，Qi表示供给到反应器9的原料气体的显热量，Qd表示反应器9中的放热量，各热量单位彼此相同。
冷却螺管2中产生的水蒸汽和水经由连接于冷却螺管2的另一端的管线返回到气液分离容器1，水蒸汽从气液分离容器1的上部排出。为了调节气液分离容器1的水位，从未图示的管线将水供给到气液分离容器1。
通过管线10，将从气液分离容器1中排出的水蒸汽(高压水蒸汽)供给到例如需要高压水蒸汽的其它设备。另外，根据需要，通过从管线10分叉的管线，可以将必要量的高压水蒸汽供给到设置在流化床反应器9内的过热螺管3。过热螺管3除了使高压水蒸汽在其内部流通并通过水蒸汽的显热变化对流化床反应器9内部进行除热以外，还可以制成与冷却螺管2同样的规格。过热螺管3优选承担必要除热量Qc的0～15％的除热。在过热螺管3中变得过热的高压水蒸汽通过从管线10分叉的与上述不同的管线返回到管线10。
从气液分离容器1排出的高压水蒸汽的剩余部分经由从管线10分叉的管线11供给到蒸气螺管4，进一步流通到减温器7、蒸气螺管5、减温器8、蒸气螺管6。在管线11中流通的剩余高压水蒸汽例如是从气液分离容器1产生的全部水蒸汽量的5～50％。在水蒸汽不足等情况下，若有需要还可以通过管线12从外部导入高压水蒸汽。
来自管线11的高压水蒸汽首先经由管线11a供给到蒸气螺管4。蒸气螺管4可以是一个系列，但为了减小流化床反应器9中的气相放热反应的反应温度的不均一而实现进行均一反应的目的，更优选设置多个系列。蒸气螺管4的一端和另一端分别在流化床反应器9的壁部连接于管线11a和管线13。
优选的是，蒸气螺管4的螺管直径按外径基准计为20mm～200mm，在反应器长度为Lr时，直管部的长度Lv4应使得Lv4/Lr为0.05～0.8，进一步优选Lv4/Lr为0.2～0.7。蒸气螺管4的道数优选为1～10道。蒸气螺管4的材料可以采用JIS G-3458规定的钢管和JIS B-2311规定的弯管，只要满足温度和压力使用条件，其它没有特定限制。
来自管线11的高压水蒸汽的一部分可以经由以蒸气螺管4为旁路的方式设置的管线11b，供给到减温器7。在管线11a和管线11b中分别流通的高压水蒸汽量(向蒸气螺管4的高压水蒸汽供给量与以蒸气螺管4为旁路的高压水蒸汽量的平衡)优选以使得调节流化床反应器9内部的温度的方式控制。例如，从管线11a流通到蒸气螺管4内的高压水蒸汽量可以参照设置在反应器9内的至少一个温度计所示的温度来手动控制。或者，为了使反应器9内的温度达到目标温度，可以自动控制在管线11a中流通的水蒸汽量。在自动控制水蒸汽量的情况下，可以通过设置在管线11a中的未图示的阀门的全开放/全关闭来控制在蒸气螺管4内流通的水蒸汽量，以使得达到设定的目标温度，或者可以通过设置在管线11a和/或管线11b中的未图示的流量控制阀来控制。在蒸气螺管4内流通的水蒸汽的流量控制可以频繁地进行。该流量控制优选1小时进行一次以上，更优选30分钟进行一次以上。
上述温度计可以是化学装置中常用的温度计，对形式等并没有特定限制。温度计优选在能够掌握催化剂层的温度分布的地方设置多个。温度计的设置个数优选：在以流化床反应器9的高度为Lr时，从反应器9的下端起的0.1Lr～0.5Lr的范围内，反应器9的每1m3的容积内为0.01～10个。
在蒸气螺管4内流通的高压水蒸汽由于流化床反应器9内的放热反应而被加热，形成过热水蒸汽，进一步在管线13内流通。该过热水蒸汽与以蒸气螺管4为旁路的高压水蒸汽合并，供给到减温器7。
减温器7内的压力例如设定为比气液分离容器1的压力低2～8kg/cm2的压力。在减温器7中，使用泵7a，通过喷雾循环方式使水循环，并使水与所供给的水蒸汽逆流接触，使一部分水蒸发而生成水蒸汽，同时降低过热水蒸汽的温度。通过喷雾供给到减温器7时的循环水的温度优选为水的饱和温度±3℃。通过未图示的管线将水从外部供给减温器7。通过用减温器降低过热水蒸汽的温度，水蒸汽与反应温度的温度差被保持为一定程度的大小，可以作为冷却介质再利用。
经由减温器7冷却的水蒸汽从减温器7的上部排出，供给到蒸气螺管5。另外，从减温器7排出的水蒸汽的一部分可以以蒸气螺管5为旁路，直接供给到减温器8。蒸气螺管5的规格(与管线的连接、系列数、螺管直径、直管部的长度、道数、材质等)可以与蒸气螺管4的规格相同。另外，向蒸气螺管5的水蒸汽的供给量与以蒸气螺管5为旁路的水蒸汽量的平衡可以和向蒸气螺管4的高压水蒸汽的供给量与以蒸气螺管4为旁路的高压水蒸汽量的平衡同样地控制。在蒸气螺管5内流通的水蒸汽由于流化床反应器9内的放热反应而被加热，形成过热水蒸汽。将该过热水蒸汽与以蒸气螺管5为旁路的水蒸汽合并，供给到减温器8。
减温器8内的压力设定为例如比减温器7的压力低2～8kg/cm2的压力。在减温器8中，使用泵8a，通过喷雾循环方式使水循环，并使水与所供给的水蒸汽逆流接触，蒸发一部分水，从而降低过热水蒸汽的温度。通过喷雾供给到减温器8时的循环水的温度优选为水的饱和温度±3℃。通过未图示的管线将水从外部供给到减温器8。通过用减温器降低过热水蒸汽的温度，水蒸汽与反应温度的温度差被保持为一定程度的大小，可以作为冷却介质再利用。
经由减温器8冷却的水蒸汽从减温器8的上部排出，供给到蒸气螺管6。另外，从减温器8排出的水蒸汽的一部分可以以蒸气螺管6为旁路。蒸气螺管6的规格(与管线的连接、系列数、螺管直径、直管部的长度、道数、材质等)可以与蒸气螺管4的规格相同。另外，向蒸气螺管6的水蒸汽的供给量与以蒸气螺管6为旁路的水蒸汽量的平衡可以和向蒸气螺管4的高压水蒸汽的供给量与以蒸气螺管4为旁路的高压水蒸汽量的平衡同样地控制。在蒸气螺管6内流通的水蒸汽由于流化床反应器9内的放热反应而被加热，形成过热水蒸汽。将该过热水蒸汽与以蒸气螺管6为旁路的水蒸汽合并，例如供给到需要中低压水蒸汽的其它设备。
上述蒸气螺管4、5和6例如承担必要除热量Qc的5～20％的除热。
图2是用于说明本实施方式所涉及的流化床反应器9的上述各螺管(除热管)的配置的图。该图2是示出从图1的S方向看反应器9内部时上述各螺管存在的位置的示意图。
另外，图2使用块体示意性地示出了在流化床反应器9中的螺管的存在位置以及各螺管的外表面积，不表示反应器9的特定高度的与S方向正交的断面(以下简称为“横断面”)。另外，虽然根据反应器9的高度位置，其横断面的形态是不同的，但图2是反应器9固有的形态。一个决体表示外表面积的单位面积，相互连接的多个块体构成单独的螺管。各螺管的外表面积比用相互连接的块体的合计值表现。另外，用块体表示的区域表示反应器9内的各螺管的存在的位置。以具有最小的外表面积的螺管的外表面积为基准(1个块体)计，除此以外的螺管的外表面积优选分别为1～10倍，更优选为1～5倍。在比较外表面积时，冷却螺管、过热螺管、蒸气螺管的种类没有区别，以全部螺管中的外表面积最小的螺管的外表面积为基准计，比较其它全部螺管的外表面积是它的多少倍。在图2中，最小的外表面积是1个块体，各螺管的外表面积在1～10个块体的范围内，以具有最小外表面积的螺管的外表面积为基准(1个块体)计，满足除此以外的螺管的外表面积分别为1～10倍的条件。
此外，用通过横断面中心的假想平面(图2中用点划线表示的线)等分为四个区域(0～90°、90～180°、180～270°、270～0°；在图2中显示为扇形)。在各区域中存在的螺管的外表面积合计值中，在最大外表面积表示为Smax、最小外表面积表示为Smin时，Smax和Smin优选满足下式(1)，
0.70Smax≤Smin    (1)
其中，在式(1)中，Smax表示：用通过与流化床反应器内部的反应原料和反应产物的流通方向大致正交的断面中心并且与断面正交的假想平面将流化床反应器等分为4个区域时，在各区域的除热管外表面积合计值中的最大外表面积合计值，Smin表示在各区域的除热管的外表面积合计值中的最小外表面积合计值。
在Smax和Smin满足上述式(1)的情况下，在各区域中能够确保的除热中，即使将最大值与最小值比较也保持在不到30％，各区域的除热量的差较小。本发明人发现，在流化床反应中，在反应器内流通的气体之间，横向(水平方向)上的热的交换是很少的，因此想到了减小各区域的除热量的差的方法。即，按照防止反应器内局部达到高温从而充分控制放热的观点，优选的是，设定各区域的外表面积合计值，使得伴随气相放热反应所产生的热满足上述式(1)。
在表1中给出了图2中所示的流化床反应器9中用块体数表示的各螺管的外表面积合计值。
表1
  0～90°   90～180°   180～270°   270～0°   min/max
  冷却螺管   18   20   20   20   0.90
  过热螺管   4   3   4   4   0.75
  蒸气螺管   9   10   8   10   0.80
  合计   31   33   32   34   0.91
首先，在0～90°、90～180°、180～270°和270～0°的各扇形区域内存在的冷却螺管、过热螺管和蒸气螺管的外表面积合计值如上述表1的各栏中所示。如表1的最下栏所示，由于图2中所示螺管的Smax为270～0°中的34，而Smin为0～90°中的31，因此，满足上述式(1)表示的条件。此外，关于从各螺管(冷却螺管、过热螺管、蒸气螺管)的种类考虑时的传热面积合计值，如表1的最右栏所示，满足上述式(1)表示的条件。
如图2所示，由于各螺管配置成按种类计的传热面积合计值也满足上述式(1)的条件，从而能够使流化床反应器9内的温度分布接近均一，从在流化床中进行气相放热反应来看是优选的。在通过过热螺管的过热水蒸汽被冷却并供给到蒸气螺管的装置中，过热螺管、减温器和蒸气螺管需要按该顺序在功能上连接，各螺管的配置通常不能是对称性的。因此，如果没有确保每个扇形区域所需的除热量的想法，就不会设计成传热面积合计值满足上述式(1)，进一步按种类计的传热面积合计值也满足上述式(1)。对此，以使得按种类计的传热面积合计值分别满足上述式(1)的方式配置各螺管，从控制气相放热反应的放热的观点来看，这是进一步优选的实施方式。
在以上说明的本实施方式中，在运行进行气相放热反应的流化床反应器时，提高了反应器的温度控制性，同时能够稳定而有效地利用水蒸汽。因此，本实施方式的气相放热反应方法也是在流化床反应器内进行气相放热反应时控制该反应器内的温度的方法，还可以称为利用气相放热反应产生的热来产生蒸气(水蒸汽)的方法。另外，从上述内容可以看出，本实施方式涉及在流化床反应器中的气相放热反应体系内的除热系统，也可称作涉及利用气相放热反应所产生的热的蒸气(水蒸汽)生产系统。
以上，对本发明的具体实施方式进行了说明，但本发明不限于上述实施方式。本发明在不脱离其主旨的范围内可以作出各种变化。
过热水蒸汽的脱过热只要是公知的方法即可，也可以采用使用诸如上述减温器7之类的鼓(容器)的方法，此外还可以采用通过喷雾将水引入到管线13或者管线13与管线11b合并后的管线中的方法。
此外，上述蒸气螺管6可以省略。在该情况下，来自减温器8的水蒸汽全部供给到其它设备。
在图1所示的流化床反应装置中，蒸气螺管4、5和6被设置在流化床反应器9内，但在蒸气螺管6内流通而得到的过热水蒸汽进一步通过脱过热而冷却后，可以供给到设置在反应器9内的蒸气螺管。这样，对过热水蒸汽的脱过热、以及由此获得的水蒸汽供给设置在流化床反应器9内的除热管的次数没有限制。
另外，对蒸气螺管4、5和6的各自系列数没有限制，优选在反应器内均一地配置。
此外，各除热管的配置可以如图3所示。图3是用于说明本实施方式涉及的流化床反应器9的上述各螺管的配置的图，与图2相同，示出了其配置和外表面积。
表2
  0～90°   90～180°   180～270°   270～0°   min/max
  冷却螺管   14   20   20   19   0.70
  过热螺管   2   3   4   4   0.50
  蒸气螺管   7   10   8   10   0.70
  合计   23   33   32   33   0.70
首先，在0～90°、90～180°、180～270°和270～0°的各扇形区域内存在的冷却螺管、过热螺管和蒸气螺管的外表面积合计值如上述表2的各栏中所示。如表2的最下栏所示，由于图3中所示螺管的Smax为在90～180°和270～0°中的33，而Smin为在0～90°中的23，因此，满足上述式(1)表示的条件。关于冷却螺管和蒸气螺管的传热面积合计值，如表2的最右栏所示，满足上述式(1)表示的条件。
通过如图3所示那样配置各螺管，虽然比图2所示的配置差，但能够使流化床反应器9内的温度分布接近均一，从在流化床中进行气相放热反应来看是优选的。
[实施例]
以下通过实施例和比较例来进一步详细说明本发明。然而，本发明不限于以下实施例。另外，实施例中使用的流化床反应装置与图1所示的相同，除了具有使饱和蒸气在除热管(过热螺管)内流通而获得过热蒸气，并将该过热蒸气经由脱过热而冷却，然后在其它除热管(蒸气螺管)中流通的除热系统以外，是通常的气相放热反应中所使用的流化床反应装置。更详细地说，在流化床反应器的下部具有作为反应原料的气体的分布管和/或分布板，在内部安装有用于除去反应热的各除热管。另外，在流化床反应器的上部具有捕集混入从反应器流出的反应气体中的催化剂的旋风分离器。
仪表和附属设备为通常所使用的，在通常的误差范围内。反应产物的收率及未反应率，通过对反应气体进行取样并按照下式由用气相色谱仪测定的分析数据来计算。
(反应产物的收率(％))＝(产物中的碳重量(g))/(供给的反应原料的有机化合物中的碳质量(g))×100
(未反应率(％))＝(未反应的反应原料的有机化合物中的碳质量(g))/(供给的反应原料的有机化合物中的碳质量(g))×100
[实施例1]
将作为反应原料的丙烯、氨和空气供给到与图1所示同样的流化床反应装置内的、与图2所示同样的流化床反应器9中，如下所述进行丙烯的氨氧化反应。除热系统使用与图1所示同样具有冷却螺管2、过热螺管3、蒸气螺管4、5和6、气液分离容器1和减温器7和8的除热系统。
流化床反应器9是内径8m、长度Lr20m的纵型圆筒型，自下向上2m(0.1Lr)位置处具有空气分布板，在空气分布板上具有原料气体分布管。为了测定催化剂层的温度，在空气分布板上方1.5～4.5m之间的20个点安装温度计。
催化剂使用粒径10～100μm、平均粒径55μm的钼-铋-铁系担载催化剂，填充至2.7m的静止床高。从空气分布板供给56000Nm3/h的空气，从原料气体分布管供给6200Nm3/h的丙烯和6600Nm3/h的氨。反应器内的压力为0.70kg/cm2G。
将反应温度的目标值设定在443℃，使用冷却螺管2和过热螺管3进行温度控制。空气分布板上方1.5～4.5m之间的20个点的温度计的平均温度为445℃。
气液分离容器1的压力为31kg/cm2G，所产生的高压水蒸汽的65％从管线10供给到蒸气涡轮，用于驱动反应原料供给用的空气压缩机。35％的剩余高压水蒸汽从管线11供给到蒸气螺管4，进一步流通到减温器7、蒸气螺管5、减温器8和蒸气螺管6。
通过流量控制阀控制在蒸气螺管4、5和6内流通的蒸气量，使得空气分布板上方1.5～4.5m之间的20个点的温度计的平均温度为440℃。20个点的各温度计的指示值在434℃～445℃的范围内，平均值为440℃。在减温器7和8中，使用泵让饱和温度的水按照喷雾循环方式循环，分别与从蒸气螺管4和5中排出的过热水蒸汽逆流接触。除热系统的运行条件如表3所示。另外，表中的“流量(％)”按照从气液分离容器1流出的高压水蒸汽的质量为100％的基准，以百分率示出(以下相同)。
在其它设备中，需要15kg/cm2G的蒸气，从管线14排出的水蒸汽直接输送给其它设备并被利用。
分析反应效果，丙烯腈的收率为81.5％，丙烯的未反应率为1.1％。
表3
  地点   流量(％)   压力(kg/cm2G)   温度(℃)
  管线10   65   30   330
  管线11   35   30   234
  管线12   0   31   235
  蒸气螺管4入口/出口   21/21   30/25   234/407
  蒸气螺管4旁路   14   30   234
  减温器7出口   39   25   227
  蒸气螺管5入口/出口   20/20   25/20   227/410
  减温器8出口   43   20   215
  蒸气螺管6入口/出口   11/11   20/15   215/403
  管线14   43   15   262
[实施例2]
除了将反应原料中的丙烯替换为丙烷以外，在与实施例1相同的条件下将反应原料供给到流化床反应器，如下所述进行丙烷的氨氧化反应。
催化剂使用粒径10～100μm、平均粒径55μm的钼-钒系担载催化剂，填充至2.2m的静止床高。从空气分布板供给64500Nm3/h的空气，从原料气体分布管供给4300Nm3/h的丙烷和4300Nm3/h的氨。反应器内的压力为0.75kg/cm2G。
将反应温度的目标值设定在443℃，使用冷却螺管2和过热螺管3进行温度控制。空气分布板上方1.5～4.5m之间的20个点的温度计的平均温度为444℃。
气液分离容器1的压力为31kg/cm2G，所产生的高压水蒸汽的75％从管线10供给到蒸气涡轮，用于驱动反应原料供给用的空气压缩机。25％的剩余高压水蒸汽从管线11供给到蒸气螺管4，进一步流通到减温器7、蒸气螺管5、减温器8和蒸气螺管6。
通过流量控制阀控制在蒸气螺管4、5和6内流通的蒸气量，使得空气分布板上方1.5～4.5m之间的20个点的温度计的平均温度为440℃。20个点的各温度计的指示值在435℃～444℃的范围内，平均值为440℃。在减温器7和8中，使用泵让饱和温度的水按照喷雾循环方式循环，分别与从蒸气螺管4和5中排出的过热水蒸汽逆流接触。除热系统的运行条件如表4所示。
在其它设备中，需要15kg/cm2G的蒸气，从管线14排出的水蒸汽直接输送给其它设备并被利用。
分析反应效果，丙烯腈的收率为52.1％，丙烷的未反应率为10.8％。
表4
  地点   流量(％)   压力(kg/cm2G)   温度(℃)
  管线10   75   30   330
  管线11   25   30   234
  管线12   0   31   235
  蒸气螺管4入口/出口   12/12   30/25   234/411
  蒸气螺管4旁路   13   30   234
  减温器7出口   28   25   227
  蒸气螺管5入口/出口   13/13   25/20   227/409
  减温器8出口   32   20   215
  蒸气螺管6入口/出口   10/10   20/15   215/403
  管线14   32   15   262
[实施例3]
除了用具有与图3所示同样的除热管配置的流化床反应器9代替具有与图2所示同样的除热管配置的流化床反应器9以外，与实施例1同样地进行丙烯的氨氧化反应。除热系统的运行条件与表3所示的条件相同。20个点的各温度计的指示值在431℃～448℃的范围内，平均值为440℃。
分析反应效果，丙烯腈的收率为81.0％，丙烯的未反应率为1.1％。
[比较例1]
除了不使用图1所示的除热系统而使用图4所示的除热系统以外，与实施例1同样地进行丙烯的氨氧化反应。图4所示的除热系统一方面具有与上述实施例相同的气液分离容器1、冷却螺管2和过热螺管3，另一方面没有蒸气螺管4、5、6和减温器7、8。该除热系统中的各螺管的配置如图5所示，各螺管的各扇形区域中的外表面积合计值如表5所示。另外，图5与图2、3同样地示出了各螺管的配置和外表面积比。
表5
 0～90°   90～180°   180～270°   270～0°   min/max
  冷却螺管  13   20   20   20   0.65
  过热螺管  3   3   4   4   0.75
  合计  16   23   24   24   0.67
将反应温度的目标值设定在440℃，使用冷却螺管2和过热螺管3进行温度控制。空气分布板上方1.5～4.5m之间的20个点的各温度计的指示值在426℃～451℃的范围内。另外，所述20个点的温度计指示值的平均值为440℃。
从管线11排出的剩余高压水蒸汽通过设置在管线11中的压力调节阀从30kg/cm2G降压至15kg/cm2G，然后输送给使用该蒸气的其它设备。
分析反应效果，丙烯腈的收率为79.9％，丙烯的未反应率为1.0％。
[比较例2]
除了不使用图1所示的除热系统而使用图6所示的除热系统以外，与实施例2同样地进行丙烷的氨氧化反应。图6所示的除热系统一方面具有与上述实施例相同的气液分离容器1、冷却螺管2、过热螺管3和蒸气螺管4、5、6，另一方面没有减温器7、8。该除热系统中的各螺管的配置如图2所示，各螺管的各扇形区域中的外表面积合计值如表1所示。
将反应温度的目标值设定在443℃，使用冷却螺管2和过热螺管3进行温度控制。空气分布板上方1.5～4.5m之间的20个点的温度计的指示值的平均值为444℃。
气液分离容器1的压力为31kg/cm2G，所产生的高压水蒸汽的75％从管线10供给到蒸气涡轮，用于驱动反应原料供给用的空气压缩机。25％的剩余高压水蒸汽从管线11、此外不足用的话从管线12导入蒸气，流通到蒸气螺管4、5和6。
通过流量控制阀控制在蒸气螺管4、5和6内流通的蒸气量，使得空气分布板上方1.5～4.5m之间的20个点的温度计的平均温度为440℃。20个点的各温度计的指示值在435℃～444℃的范围内，平均值为440℃。除热系统的运行条件如表6所示。
在其它设备中，需要蒸气，输送从管线14排出的水蒸汽，5％剩余，由于没有用途而放出到大气中。
分析反应效果，丙烯腈的收率为52.1％，丙烷的未反应率为10.8％。
表6
  地点  流量(％)   压力(kg/cm2G)   温度(℃)
  管线10  75   30   330
  管线11  25   30   234
  管线12  12   31   235
  蒸气螺管4入口/出口  12/12   30/25   234/411
  蒸气螺管5入口/出口  14/14   30/25   234/409
  蒸气螺管6入口/出口  11/11   30/25   234/409
  管线14  37包括剩余5   25   410
产业上的可利用性
本发明的方法可以有效地用于使用流化床反应器实施的气相放热反应。

Claims (8)

1.一种气相放热反应方法，所述方法是将反应原料供给到在内部具有多个除热管的流化床反应器进行气相放热反应的方法，包括下列工序：
(a)使第一蒸气和/或构成所述第一蒸气的物质的液体在一个所述除热管的内部流通，而将所述流化床反应器除热，同时由所述第一蒸气和/或所述液体产生过热蒸气，
(b)将构成所述第一蒸气的物质的液体与所述过热蒸气接触而产生第二蒸气，
(c)使所述第二蒸气在其它所述除热管的内部流通。
2.根据权利要求1所述的气相放热反应方法，其中所述反应原料包括碳数2～4的烷烃和/或烯烃。
3.根据权利要求2所述的气相放热反应方法，其中所述烷烃是丙烷和/或异丁烷。
4.根据权利要求2所述的气相放热反应方法，其中所述烯烃是丙烯和/或异丁烯。
5.根据权利要求1～4的任一项所述的气相放热反应方法，其中所述气相放热反应是氨氧化反应。
6.一种流化床反应装置，所述流化床反应装置是气相放热反应用的流化床反应装置，包括流化床反应器、配置在其内部的多个除热管、和连接在一个所述除热管和其它所述除热管上的减温器，其中：
(a)所述一个除热管通过使第一蒸气和/或构成所述第一蒸气的物质的液体在其内部流通，而将所述流化床反应器除热，同时由所述第一蒸气和/或所述液体产生过热蒸气，
(b)所述减温器使构成所述第一蒸气的物质的液体与所述过热蒸气接触而产生第二蒸气，
(c)所述其它除热管使所述第二蒸气在其内部流通。
7.根据权利要求6所述的流化床反应装置，其中多个所述除热管被配置成满足下式(1)表示的条件，
0.70Smax≤Smin    (1)
在式(1)中，Smax表示，用通过与所述流化床反应器内部的反应原料和反应产物的流通方向大致正交的断面中心并且与所述断面正交的假想平面将所述流化床反应器等分为4个区域时，在所述各区域的所述除热管的外表面积合计值中的最大外表面积合计值，Smin表示在所述各区域的所述除热管的外表面积合计值中的最小外表面积合计值。
8.根据权利要求6或7所述的流化床反应装置，其中在多个所述除热管中，以具有最小外表面积的所述除热管的所述外表面积为基准，除此以外的所述除热管的所述外表面积分别是1～10倍。
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