CN103619465B - Nh3氧化器的气体分配器 - Google Patents

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Abstract

公开了氨氧化器，其可包括气体分配器和分配环以改善气体进料流跨氨氧化器内的催化剂床的流动分配。该气体分配器包括具有孔的圆板，气体进料流经由所述孔跨催化剂床分配。在一些实施例中，该气体分配器还具有侧壁。分配环在气体分配器下方预定距离处附连到氨氧化器的内壁。

Description

NH3氧化器的气体分配器
技术领域
本技术涉及氨(NH3)氧化器，并且特别地涉及用于氨(NH3)氧化器的气体分配器。
背景技术
羟胺硫酸盐可用于己内酰胺生产。己内酰胺是一种有机化合物，具有下式(CH2)5C(O)NH，被广泛用作制造尼龙-6的原料。羟胺硫酸盐可在由例如以下操作组成的若干并行序列(paralleltrains)中生产：碳酸铵生产，亚硝酸铵生产，氢氧化铵生产，羟胺二磺酸盐生产和水解。
亚硝酸铵生产过程可包括一系列步骤，由在空气存在下的氨燃烧或氧化开始。氨的氧化可跨(across)包含在称为氨(NH3)氧化器的容器内的钴催化剂床进行。由于氨氧化反应的动力学，催化剂床趋向于较浅，只有几英寸的深度。
发明内容
本技术涉及用于氨(NH3)氧化器的气体分配器。
在一个方面，提供了一种氨氧化器，包括具有内壁的容器，包含在容器内的催化剂床，容器的进气口和安装在进气口中的气体分配器。氨氧化器还可包括在气体分配器下方的预定位置处附连到容器内壁的分配环，分配环具有一定宽度。
在另一个方面，提供了一种氨氧化器，包括具有内壁和进气口的容器，包含在容器内的催化剂床，容器的进气口，安装在进气口中的气体分配器，和在气体分配器下方的预定位置处附连到容器内壁的分配环，该分配环具有一定宽度。气体分配器可包括圆形的气体扩散板，其具有一定厚度和中心点，和多个设置在一系列同心环的孔，每个环具有在气体扩散板中心点的中心。
在进一步的方面，提供了一种氨氧化器，包括具有内壁和进气口的容器，包含在容器内的催化剂床，容器的进气口和安装在进气口中的气体分配器。气体分配器可包括圆形的气体扩散板，其具有一定厚度和中心点；和多个设置在一系列同心环中的孔，每个环均具有位于气体扩散板中心点的中心；和气体分配器侧壁，其在气体分配器侧壁的下端连接到气体扩散板并在气体分配器侧壁的上端连接到容器的进气口。
附图说明
已选择了具体实施例来用于说明和描述的目的，并显示在附图中，形成说明书的一部分。
图1是具有大致圆筒形容器的氨氧化器的一个实施例的截面。
图2是本技术的气体分配器的一个实施例的俯视图。
图3是本技术的气体分配器的第二个实施例的截面图。
具体实施方式
图1示出氨(NH3)氧化器100，其可用于羟胺硫酸盐生产过程中。氨氧化器100包括容器102，和包含在容器102内的催化剂床104。催化剂床104中所含的催化剂可为钴催化剂，并且催化剂床104可以较浅。例如，钴催化剂床104可具有直径122，其可小于容器102的直径124。在催化剂床直径为约9英尺的实施例中，催化剂床104可具有约3英寸到约5英寸的深度。在该实施例中，容器的直径124可为约120英寸。
氨氧化可包括提供氨气进料流106，其可在混合器126(如静态混合器)中与空气进料流108混合，形成气体混合物进料流110。氨气进料流106中的氨可与空气进料流108以任何适当的比例混合形成气体混合物进料流110，例如，约10摩尔％的氨比空气。气体混合物进料流110可通过安装在氨氧化器100的容器102的进气口114中的气体分配器112引入氨氧化器100中。
在较高的流率下，气体混合物进料流110可趋向于引起催化剂床104中的催化剂移位(shift)，这可导致空白点(barespot)并允许未反应的氨通过催化剂床104。气体混合物进料流110跨钴催化剂床104的有效分配可以减少催化剂床104中的催化剂移位。例如，目前在氨氧化工艺中的催化剂转化(conversion)可为约96％至约98％，单个氨氧化器的平均氨消耗为约4,500lbs/hr。气体混合物进料流110跨钴催化剂床104的分配改善可导致催化剂转化的改善。1％的催化剂转化改善将导致氨消耗减少45lbs/hr。
在图1中所示的实施例中，氨氧化器100还包括分配环116。不过，应该理解的是，至少在某些实施例中，在氨氧化器100中包括分配环116是任选的。分配环116可以通过将气流从容器102壁面重新朝催化剂床104导向返回，来改变气体混合物进料流110的分配。如图1中所示，分配环116可以附连到容器102的内壁126，其可沿圆周环绕容器102的内壁126延伸。分配环116具有从内壁126朝向容器102内部延伸的宽度118，并可位于气体分配器112下方预定距离120处。在容器具有至多大约15英尺例如约10英尺直径的一些实施例中，分配环116可具有至多约5英寸的宽度，包括从约1英寸至约4英寸，或从约1.5英寸到约3英寸。在这样的实施例中，分配环116所处的气体分配器112下方的预定距离120，可为约30英寸至约50英寸，或约42英寸至约47英寸。
气体分配器112可包括圆形的气体扩散板，或由其组成。圆形的气体扩散板的一个实施例如图2所示。图2是气体扩散板200的俯视图，示出了多个孔202，204，206，208和210，它们布置在一系列同心环212，214，216，218和220中，每个环的中心均为气体扩散板200的中心点222。虽然只对一个象限(quadrant)显示了孔202，204，206，208和210的布置，但所述孔的布置可相对于水平基准线A和垂直基准线B均为对称的。因此，在图2中所示的实施例中，气体扩散板200包括第一环212，其具有8个孔202；第二环214，其具有8个孔204；第三环216，其具有8个孔206；第四环218，其具有16个孔208；和第五环220，其具有24个孔210。通过将环的360°除以环中的孔数，可确定给定环上的每个孔之间的角度。
参考图1至图3，气体混合物进料流110通过气体扩散板200的孔202，204，206，208和210进入容器102的内部并跨越整个催化剂床104。如图2和图3所示，孔218，220，222，224和226延伸穿过气体扩散板200，并且可以一定模式布置，例如在一系列的圆环中，所述模式配置为在容器中提供所需的气体混合物进料流110的分配。
孔202，204，206，208和210的布置可以称为气体扩散板200的孔编排(holeschedule)。例如，图2和图3所示实施例的气体扩散板200各自具有下表1中所描述的孔编排。
表1：气体扩散板孔编排
环# 环半径 各环的孔数 孔间角度 孔直径
1 6” 8 360°/8＝45° 2”
2 10” 8 360°/8＝45° 2”
3 13” 8 360°/8＝45° 2”
4 16” 16 360°/16＝22.5° 2”
5 20” 24 360°/24＝15° 2”
孔可具有任何合适的直径，并且任何一个孔的直径可与任何其他孔的直径相同或不同，但优选所有的孔都具有相同的直径。
孔202，204，206，208和210，还可各自具有相对于垂直中心线C的取向角，如图3中所示，可选择未在容器中提供气体混合物进料流110的所需分配。应该指出的是，本文使用的术语″垂直″仅供说明之用，以提供所示部件的取向的参照，尽管实际上部件可能会以不同的方式取向。
在一个实施例中，各孔202，204，206，208和210相对于垂直中心线C的取向角为约0℃，这意味着，所有的孔以垂直取向通过气体扩散板200。在另一个实施例中，如图3所示，第一环的孔202可具有第一取向角D，第二环的孔204可具有第二取向角E，第三环的孔206可具有第三取向角F，第四环的孔208可具有第四取向角G，并且第五环的孔210可具有第五取向角H。取向角D，E，F，G和H可相同或不同。在一个实施例中，取向角D可为约0°，取向角E可为约35°，取向角F可为约30°，取向角G可为约30°，并且取向角H可为约45°。
在一些实施例中，除气体扩散板200之外，本技术的气体分配器还可包括侧壁。图3示出了气体分配器300的一个这样的实施例，其包括圆形的气体扩散板200和侧壁302。在图3中所示的气体扩散板200具有厚度304和直径306。气体分配器300还包括气体分配器侧壁308，其在气体分配器侧壁308的下端310连接到气体扩散板200。气体分配器侧壁308的上端312可附连到氨氧化器100的容器102的进气口114。在图示的实施例中，气体分配器侧壁308的形状为截锥形，在下端310具有等于气体扩散板200的直径306的直径，并在上端312具有小于下端310处的直径的上部直径314。气体分配器300还具有高度316。
实践中，气体混合物进料流110通过进入位于气体分配器侧壁308的上端312处的气体分配器300，并在气体分配器侧壁308的下端310处通过气体扩散板200的孔202，204，206，208和210离开气体分配器300而供给到容器102中。
实施例1
使用计算流体动力学(CFD)计算机模型来评估本技术的气体分配器的设计1，其按照图2和图3设计。气体分配器的高度为约14英寸。气体分配器侧壁的上部直径为约23.25英寸，并且气体分配器侧壁的下部直径为约44英寸。气体扩散板的直径也为约44英寸，并且气体扩散板的厚度为约1.575英寸。气体扩散器板具有上表1所述的孔编排。气体扩散板中的孔的取向角如下表2所示变化，以确定角度对气体混合物进料流在氨氧化器的容器中的分配的影响。
表2
结果表明，气体扩散板中的孔的取向角对容器内和跨催化剂床的气流分配有显著的影响。情形13的结果对于跨催化剂床提供最高效的气体分配而言是最好的。
实施例2
将上述实施例1中所述具有按照以上实施例1中情形13的取向角的本技术的设计1气体分配器的性能，与已知的在氨氧化器进气口处的具有三角形气体扩散板并且没有侧壁的气体分配器的性能进行了比较。三角形气体扩散器板有45个孔，每个孔的直径为约1英寸。
两个分配器的定量比较示于下表3中，其中并排给出了通过催化剂床的气体相对于输入总量的质量百分比，面积加权平均气体速度，和速度量值的标准偏差。
表3
还测定了设计1和三角形板气体扩散器的压降，并列于下表4中，操作压力为约12psig。跨用于设计1气体分配器的分配器的压力降大于跨三角形板气体扩散器的压降。不受任何特定理论的束缚，认为这是由于实施例1的气体分配器的侧壁造成的。然而，在操作压力为约12psig和正常进气速率(4600Pa/0.667psi)下，跨设计1气体分配器的压降仅为操作压力的5.5％，这不视为显著量。
表4压降
实施例3
对于在氨氧化器的进气口处具有目前已知的具有三角形气体扩散板的气体分布器，并且没有侧壁的氨氧化器，测试了具有附连到氨氧化器的容器的内壁的分配环的效果。三角形气体扩散器板有45个孔，每个孔的直径为约1英寸。分配环的宽度为约3英寸，并且位于气体分配器下方约45英寸处。
两个氨氧化器的定量比较示于下表5中，其中并排给出了面积加权平均气体速度，和速度量值的标准偏差。
表5
根据定量比较，增加分配环将催化剂床的气体速度的标准偏差从2.02降低到了1.63，这是19％的气体分配均匀性改善。
实施例4
使用计算流体动力学(CFD)计算机模型来评估本技术的气体分配器结合本技术的分配环的可选设计的实施例。气体分配器按照图2设计。模型包括具有直径为约120英寸的容器，以及具有约108英寸直径和约4英寸深度的催化剂床的氨氧化器。气体分配器包括薄的圆形气体扩散板，并且没有气体分配器侧壁，气体扩散板具有约0.25英寸的厚度。圆形气体扩散板包括垂直孔，与圆形气体扩散板的表面成90°角钻透圆形气体扩散板，每个孔的直径为约2英寸。氨氧化器被建模为具有四种不同宽度的分配环，在各个实施例中位于气体分配器下方约45英寸处，并且结果示于表6。
表6
表6中的设计3至5显示出对催化剂床中气体流速的标准偏差的最佳效果，各自低于上表3中的三角形板表现出的2.02的催化剂床标准速度。实施例3源于在HopewellNH3氧化器中的现有三角形板。因此，通过安装新设计的简化设计#2，达到39％的气体分配均匀性改善。
实施例4显示出比实施例1更低的跨气体扩散器的压降，其中不被任何特定理论的束缚，认为这是由于除去了分配器侧壁。在正常的流率下，实施例4中的压降为约0.16psi或12psi的操作压力的1.3％，相比之下实施例1中的压降为0.667psi或12psi的操作压力的5.5％。
从以上所述，可以理解的是，虽然本文已经描述了用于说明目的的具体的实施例，但是在不脱离本公开的精神或范围的情况下可以作出各种变型。因此，前面的详细描述被认为是说明性的而非限制性的，并且应理解的是下面的权利要求，包括所有的等同物，意在特别指出并清楚地提出要求保护的主题。

Claims (10)

1.一种氨氧化器，包括：
具有内壁的容器；
包含于容器内的催化剂床；
容器的进气口；以及
安装在进气口中的气体分配器，该气体分配器包括圆形的气体扩散板，该气体扩散板具有一定厚度和中心点；和多个布置在一系列同心环中的孔，每个环均具有位于气体扩散板中心点的中心；
该气体扩散板至少包括各自具有不同多个孔的内环、中间环和外环；以及
所述内环的孔具有第一取向角，所述中间环和外环的至少一个的孔具有比该第一取向角大的第二取向角。
2.根据权利要求1的氨氧化器，其中所述内环的多个孔相对于气体分配器的垂直中心线具有约0°的取向角。
3.根据权利要求1的氨氧化器，其中内环具有第一多个孔，中间环具有多于第一多个孔的第二多个孔，外环具有多于第二多个孔的第三多个孔。
4.根据权利要求1的氨氧化器，其中内环的孔具有第一取向角，中间环的孔具有比第一取向角大的第二取向角，以及外环的孔具有比第二取向角大的第三取向角。
5.根据权利要求1的氨氧化器，进一步包括在所述气体分配器下方的预定位置处附连到容器内壁的分配环，该分配环具有一定宽度。
6.根据权利要求5的氨氧化器，其中所述分配环具有至多约5英寸的宽度。
7.根据权利要求5的氨氧化器，其中所述分配环具有约1英寸至约4英寸的宽度。
8.根据权利要求1的氨氧化器，其中所述气体分配器进一步包括：
气体分配器侧壁，该气体分配器侧壁的下端连接到所述气体扩散板，且该气体分配器侧壁的上端连接到所述容器的进气口。
9.根据权利要求8的氨氧化器，其中所述气体分配器侧壁在上端具有的上部直径小于该气体分配器侧壁在下端的直径。
10.一种氨氧化器，包括：
具有内壁的容器；
包含于容器内的催化剂床；
容器的进气口；
安装在进气口中的气体分配器，该气体分配器包括圆形的气体扩散板，该气体扩散板具有一定厚度和中心点；和多个布置在一系列同心环中的孔，每个环均具有位于气体扩散板中心点的中心；
该气体扩散板至少包括内环、中间环和外环，该中间环和外环的至少一个和该内环具有不同的多个孔；
所述内环的孔具有第一取向角，所述中间环和外环的至少一个的孔具有比该第一取向角大的第二取向角；以及
在气体分配器下方的预定位置处附连到容器内壁的分配环，该分配环具有一定宽度。
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