CN104190328B - 一种可用于制取气相氰化氢的反应器 - Google Patents
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Abstract
一种可用于制取气相氰化氢的反应器，包括上封头、下封头、壳程、反应列管,所述反应列管置于壳程内部，上封头与下封头分别对应安装于壳程上下两端，还包括原料气分布装置、温度监测装置、传热介质导流装置、中空导流筒，所述原料气分布装置安装于列管式反应器的主体结构顶端内部，温度监测装置从列管式反应器的主体结构顶端插入，传热介质导流装置安装于壳程外部，在传热介质导流装置内部与壳程接触壁面开设有导流孔，中空导流筒与反应列管混合安装于壳程内部。本发明的有益效果是：可生成易于分离的氰化氢气体，稳定而有效的撤出反应热量，精确的反应温度监测系统，原料气分布效果好，反应转化率高，催化剂在使用过程中损耗低，使用寿命长。
Description
技术领域
本发明属于化工生产工艺设备技术领域，具体地涉及一种可用于制取气相氰化氢的反应器。
背景技术
传统工艺采用甲醇氨氧化法生产氰化氢，生产原理为包含甲醇、氨、空气按一定比例组成的混合原料气体，在装有催化剂的固定床反应器内，于一定的温度、压力下催化反应得到氰化氢、一氧化碳、二氧化碳、水蒸气及未参加反应的甲醇、氨、氧、氮等组成的混合气体。
反应为：CH3OH+NH3+O2→HCN+3H2O
巴斯夫2009年公布(CN101511734A)：甲酰胺生产工艺，存在反应温度高，转化率低的问题。针对反应中易形成碳黑问题，提出高度烧结的氧化铝或氧化铝/二氧化硅成型体或耐高温腐蚀铬-镍不锈钢成型体，所采用成型工艺成本过高，不利于工业化生产。
阿肯马法国2011年公布(CN101977884A)：传统制备氰化氢方法，有以下几种：
反应为：CH4+NH3+3/2O2→HCN+3H2O+热量 (1)
CH4+NH3+热量→HCN+3H2 (2)
基于(1)和(2)的安德鲁梭反应，催化剂对反应原料品质较为敏感(杂质铁、硫)，对原料进料要求品质高，要求甲烷含量90％以上，并且不能含硫、尽可能少的含有乙烷、丙烷等烃。并且反应系统复杂，内部由含铑的铂网和淬火炉共同组成，制作工艺复杂，成本较高，反应温度在1050～1150℃，高耗能。产率较低为60％～70％，氰化氢选择性维持在80％～90％。
基于(2)的Degussa法，反应温度在1300℃进行，反应内部涂覆铂的烧结氧化铝管，用煤气供热。
该发明适合以上两种方法，对通过在反应混合进料中加入至少一种含硫化合物，来提高反应的产率，但这无形增加了反应的成本，及不确定因素。并且硫化物的加入时间也是重要影响因素，操作起来较为麻烦，增加了人力成本。
日本化学工业株式会社1998年公布(CN1202458A)：以甲醇氨作为原料在氧气存在下反应制取氢氰酸的方法，但该发明中主要涉及催化剂的选取和制备，对于制取产品的反应工艺的细节并未提及。
另外，多管式反应器可用于混合气相的催化反应，反应器壳程通入传热介质，可实现对反应物放出热量的移去和所需热量的提供。甲醇氨氧化法制取氰化氢为强放热反应，反应温升可以达到1000℃以上，现有的专利技术旨在对以下问题进行改善：
1、反应器温度的有效控制，减少径向的温度变化，并延长催化剂使用寿命；
2、反应物料的在反应器内部的均匀分布；
专利CN 1261821A通过一种反应器内部的感应圈可以实现对反应温度的有效控制，均匀加热催化剂的同时，也可对催化剂实现有效监控避免烧结现象的发生；专利CN101353173A通过在反应物料进口设置混合元件，使得混合物料进入反应器更加均匀，提高了目标产品的收率；专利CN1343137A给出了多管式反应器适用在固定床催化剂的气相反应时的催化剂管数的选择及管间距与外管直径之间的关系。
发明内容
本发明的目的旨在提供能够实现甲醇氨氧化法连续生产并以低廉的生产成本即可快速而简单制取气相氰化氢的反应器。采用的具体技术方案如下：
一种可用于制取气相氰化氢的反应器，包括上封头、下封头、壳程、反应列管,所述反应列管置于壳程内部，上封头与下封头分别对应安装于壳程上下两端，还包括原料气分布装置、温度监测装置、传热介质导流装置、中空导流筒，所述原料气分布装置安装于列管式反应器的主体结构顶端内部，温度监测装置从列管式反应器的主体结构顶端插入，传热介质导流装置安装于壳程外部，在传热介质导流装置内部与壳程接触壁面开设有导流孔，中空导流筒与反应列管混合安装于壳程内部。
所述中空导流筒包括核心中空导流筒和周边中空导流筒，核心中空导流筒设置在壳程中心位置，周边中空导流筒围绕核心中空导流筒设置，核心中空导流筒与周边中空导流筒的距离a/R值在0.25～0.55之间。
所述反应列管所占空间与壳程内剩余空间的比例为0.22—0.33，反应列管设置80—12000根，直径为25mm—40mm，长度为1200mm—3500mm，反应列管内部抛光度为Ra≤0.4μm。
所述传热介质导流装置采用筒式环绕壳程布置，分为上导流装置和下导流装置，分别设置在靠近上封头和下封头位置。
所述导流孔，数量为20—2000个，孔径为Φ5—Φ30。
所述上封头与下封头为锥形或弧形，上封头高度为0.1—1D，下封头高度为0.05—1D，上下封头与壳程接口采用焊唇密封面。
所述温度监测装置，包括2～12个套管其插入管口均布于反应器上封头处，每个套管内放置2～10个测温元件，一个套管内的测温元件为一组，每组测温元件可以沿着套管方向向外移动。
所述的原料气分布装置，可为圆锥形或人字形，锥角范围为100°—160°，投影面积为0.2D—0.7D的壳程的同心圆面积，原料气分布装置上设置分布孔，孔径大小为6mm—24mm，距离上封头顶部100—600mm。
在所述下导流装置上部靠近反应器壁面设置排气孔，在上导流装置下部设置Φ4—Φ10的放净小孔。
所述导流孔以同心圆周形式均布于传热介质导流装置内部与壳程接触壁面上。所述上导流装置的导流孔靠近与壳程接触壁面上部，下导流装置的导流孔靠近与壳程接触壁面下部。
所述氰化氢反应器中，反应列管内置填料和催化剂，原料气由反应器顶部进入，反应生成混合物由反应器底部出；设置的温度监测装置可以准确监测反应器径向及轴向温度分布情况；在反应器反应列管中加入中空导流筒，从而加强对反应器径向温升的控制，中空导流筒的设置会减少反应器反应列管的有效空间，因此存在的反应空间与传热空间的比例控制范围，根据反应器的实际产能及反应温度的径向温度控制的要求来确定这一局部最优比例为0.22—0.33；考虑下导流槽内可能出现气相聚集，因此在下导流装置上部靠近反应器壁面设置排气孔。当对产品要求较高期望反应器径向温度控制较严格时，可设置多个中空导流筒。
本发明适用于甲醇氨氧化法连续制备氰化氢的反应器包含由上封头、下封头、壳程、反应列管组成的反应器的主体结构，内含反应气入口的原料气分布装置，反应列管内装填催化剂，反应列管外与壳程之间存在传热介质，可移出反应热量，其中传热介质进入反应器的方式通过筒式环状导流装置实现，温度可通过反应器上部插入的几组装有热电偶上位温度检测装置实现准确测量。
本发明所包含的反应器主体结构可以选择多种形式，圆柱形结构更为常见，但不只局限于圆形截面，矩形截面也适用于本发明。反应上封头中内置有一个气相分布装置，其投影面积可选范围为0.2D～0.7D的反应器外壁的同心圆面积，分布的形式可以采用圆锥形或人字形。导流装置的设置可以有效移走反应产生的热量并保证反应器的径向温度在可控范围之内，本发明采用的传热系统由径向导流装置和纵向中空导流筒组成。
中空导流筒可控制径向反应温度的最大差值。中空导流筒数量可根据反应器大小及径向反应温度的要求来设置。一般设置一核心中空导流筒为主温度控制导流筒，根据需要核心中空导流筒周围可设置几个周边中空导流筒为辅；如图5所示核心中空导流筒与周边中空导流筒的距离关系a/R值存在一个局部最优值，通过调整a/R的比值可控制径向反应温差的大小，a/R的比值范围在0.25～0.55之间。
中空导流筒的设置可以采用1个核心中空导流筒，这样反应器的温度变化呈现三个区域，将反应温升的高点分成了两个，如图4所示，这样有效降低了反应温升的范围。需要对反应径向温度控制更为严格时，中空导流筒甚至可以采用矩阵式排布，来降低径向反应温升，但实际中空导流筒的设置会减少反应列管的有效排布空间，为维持产能就需要增加反应器的直径和反应列管长度，事实上反应空间和传热介质的流通空间形成一种竞争关系，解决这一矛盾的方法除了增加设备体积外，就是寻找一个在反应器体积既定的情况下，可接受的反应空间和传热介质空间的局部最优比例。本发明给出的这一局部最优比例在0.22～0.33之间。
图4则给出对应含有中空导流筒不同设置的反应温度情况说明。
由图4中可以看出
图4中1#表示传统反应器，可见在反应器存在最大反应温升Tmax1；
图4中2#表示含有1个核心中空导流筒的反应器形式，存在2个最大温升点Tmax2；
图4中3#表示本发明寻求的局部最优导流空间所存在的几个个最大温升点Tmax3；
对比发现当含有1个中空导流筒时，反应温升Tmax2＜Tmax1；而当更多的导流筒存在时反应温升Tmax3＜Tmax2可以控制在一个小的范围之内，实现反应器径向温度的局部最优化控制。
本发明的有益效果是：可生成易于分离的氰化氢气体，稳定而有效的撤出反应热量，精确的反应温度监测系统，原料气分布效果好，反应转化率高，催化剂在使用过程中损耗低，使用寿命长。
附图说明
图1为本发明可用于制取气相氰化氢的反应器的结构图
图2含有1个中空导流筒的实施例2对应附图
图3含有7个中空导流筒的实施例3对应附图
图4为含有导流空间的几种方案对比温度变化图
图5为含有7个中空导流筒的实施例3对应尺寸比例图
图例说明：1、上封头，2、壳程，3、下封头，4、套管，5-1、上导流装置，5-2、下导流装置，6、反应列管，7、导流孔，8、温度监测装置，9、原料气分布装置，10、中空导流筒，11、核心中空导流筒，12、周边中空导流筒
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面对本发明的具体实施方式作进一步说明，但不限定本发明的保护范围。
对比例1：
反应器壳程2具有2.5米直径，内含2800根反应列管6为外径35mm，壁厚2mm，管间距44mm，每个反应列管6长度为3米，设置6个套管式的温度检测装置8的测温点，每组检测装置内设置3个热电偶。距离反应器上封头1处设置一个开度120°的原料气分布装置9，上开4个3mm的小孔，原料气分布装置9在反应器壳程2外壁的同心圆投影面积约0.4D反应列管6中放置催化剂，空气进料量可保持在18000-20000Nm3/h，甲醇、氨和空气经过预热温度在200℃以上时进入反应器。
导流装置采用如下的设置，上导流装置5-1内部与反应器壳程2接触壁面开设198个Φ10的导流孔7均布于上导流装置的顶部环面，下部环面设置Φ6放净孔10个；下导流装置5-2内部与反应器壳程2接触壁面开设246个Φ8的导流孔7均布于下导流装置5-2底部环面，上部环面设置均布Φ5排气孔20个。上导流装置5-1与下导流装置5-2的筒体直径为2.8米，高度设置为250mm。导流装置内采用含有硝酸钾和亚硝酸钠混合物作为传热介质，混合物料在反应器的进出口温升为2.4℃。
这样的反应器结构可以保证反应器的径向温度的差异在2.7℃，而不需要单独设置中空的可流通传热介质的传热管。
实施例2：
反应器壳程2具有2.5米直径，内含2781根反应列管6为外径35mm，壁厚2mm，管间距44mm，每个反应列管6长度为3米，设置6个套管式的温度检测装置8的测温点，每组检测装置内设置3个热电偶。距离反应器上封头1处设置一个开度120°的原料气分布装置9，上开4个3mm的小孔，原料气分布装置9在反应器壳程2外壁的同心圆投影面积约0.4D反应列管6中放置催化剂，空气进料量可保持在18000-20000Nm3/h，甲醇、氨和空气经过预热温度在200℃以上时进入反应器。
导流装置采用如下的设置，上导流装置5-1内部与反应器壳程2接触壁面开设198个Φ10的导流孔7均布于上导流装置的顶部环面，下部环面设置Φ6放净孔10个；下导流装置5-2内部与反应器壳程2接触壁面开设246个Φ8的导流孔7均布于下导流装置5-2底部环面，上部环面设置均布Φ5排气孔20个。上导流装置5-1与下导流装置5-2的筒体直径为2.8米，高度设置为250mm。在此基础上反应列管6中的中心部位设置Φ232的可通入传热介质的中空导流筒，导流装置内采用含有硝酸钾和亚硝酸钠混合物作为传热介质，其进入反应器的进出口温升为2.4℃。
中空导流筒的设置增加传热介质在反应器中部的流通面积，反应器的径向温度的差异可以控制在1.8℃以内。
实施例3：
反应器壳程2具有2.5米直径，内含2751根反应列管6为外径35mm，壁厚2mm，管间距44mm，每个反应列管6长度为3米，设置6个套管式的温度检测装置8的测温点，每组检测装置内设置3个热电偶。距离反应器上封头1处设置一个开度120°的原料气分布装置9，上开4个3mm的小孔，原料气分布装置9在反应器壳程2外壁的同心圆投影面积约0.4D反应列管6中放置催化剂，空气进料量可保持在500～1000Nm3/h，甲醇、氨和空气经过预热温度在200℃以上时进入反应器。
导流装置采用如下的设置，上导流装置5-1内部与反应器壳程2接触壁面开设198个Φ10的导流孔7均布于上导流装置的顶部环面，下部环面设置Φ6放净孔10个；下导流装置5-2内部与反应器壳程2接触壁面开设246个Φ8的导流孔7均布于下导流装置5-2底部环面，上部环面设置均布Φ5排气孔20个。上导流装置5-1与下导流装置5-2的筒体直径为2.8米，高度设置为250mm。在此基础上反应列管6中设置7个Φ155的可通入传热介质的中空导流筒，其中一个核心中空导流筒11与六个周边中空导流筒12，a/R值为0.5，排列方式详见图3，导流装置内采用含有硝酸钾和亚硝酸钠混合物作为传热介质，其进入反应器的进出口温升为2.4℃。
中空导流筒的设置增加传热介质在反应器中部的流通面积，反应器的径向温度的最大差异可以控制在1.5℃以内。
实施例4：
反应器壳程2具有0.5米直径，内含82根反应列管6为外径38mm，壁厚3mm，管间距48mm，每个反应列管6长度为1.3米，设置2个套管式的温度检测装置8的测温点，每组检测装置内设置4个热电偶。距离反应器上封头1处设置一个开度100°的原料气分布装置9，上开4个3mm的小孔，原料气分布装置9在反应器壳程2外壁的同心圆投影面积约0.3D反应列管6中放置催化剂，原料进气量可保持在180～200Nm3/h。
导流装置内采用含有硝酸钾和亚硝酸钠混合物作为传热介质。在此基础上反应列管6中的中心位置设置Φ40的可通入传热介质的导流筒，混合物料在反应器的进出口温升为2.6℃，径向反应温度可控制在2.0℃以内。
实施例5：
反应器壳程2具有4.5米直径，内含12000根反应列管6为外径25mm，壁厚2mm，管间距32mm，每个反应列管6长度为3.35米，设置10个套管式的温度检测装置8的测温点，每组检测装置内设置8个热电偶。距离反应器上封头1处设置一个开度120°的原料气分布装置9，上开8个4mm的小孔，原料气分布装置9在反应器壳程2外壁的同心圆投影面积约0.4D反应列管6中放置催化剂，空气进料量可保持在70000-80000Nm3/h，甲醇、氨和空气经过预热温度在200℃以上时成一定比例进入反应器。
导流装置内采用含有硝酸钾和亚硝酸钠混合物作为传热介质。在此基础上反应列管6中的中心位置设置Φ300的可通入传热介质的核心中空导流筒11，围绕核心中空导流筒11周围设置a/R比值为0.45，共6～8个等间距的周边中空导流筒12，混合物料在反应器的进出口温升为2.6℃，径向反应温度可控制在2.0℃以内。
表1各实施例径向温差变化对比表
| 实施例序号 | 对比例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | 实施例5 |
| 反应温升(℃) | 2.7 | 1.8 | 1.5 | 2.0 | 2.0 |
从表1中可知，增加中空导流筒后，可以有效地控制径向反应温度变化，使反应在一个较为稳定的温度下进行。
本发明所述的设备已经通过具体的实施例进行了描述。本领域技术人员可以借鉴本发明的内容适当改变设备组件等环节来实现相应的其它目的，其相关改变都没有脱离本发明的内容，所有类似的替换和改动对于本领域技术人员来说是显而易见的，都被视为包括在本发明的范围之内。
Claims (9)
1.一种用于制取气相氰化氢的反应器，包括上封头、下封头、壳程、反应列管,所述反应列管置于壳程内部，上封头与下封头分别对应安装于壳程上下两端，其特征在于，还包括原料气分布装置、温度监测装置、传热介质导流装置、中空导流筒，所述原料气分布装置安装于列管式反应器的主体结构顶端内部，温度监测装置从列管式反应器的主体结构顶端插入，传热介质导流装置安装于壳程外部，在传热介质导流装置内部与壳程接触壁面开设有导流孔，中空导流筒与反应列管混合安装于壳程内部；所述中空导流筒包括核心中空导流筒和周边中空导流筒，核心中空导流筒设置在壳程中心位置，周边中空导流筒围绕核心中空导流筒设置，核心中空导流筒与周边中空导流筒的距离a/R值在0.25～0.55之间。
2.根据权利要求1所述一种用于制取气相氰化氢的反应器，其特征在于，所述反应列管所占空间与壳程内剩余空间的比例为0.22—0.33，反应列管设置80—12000根，直径为25mm—40mm，长度为1200mm—3500mm，反应列管内部抛光度为Ra≤0.4μm。
3.根据权利要求1所述一种用于制取气相氰化氢的反应器，其特征在于，所述传热介质导流装置采用筒式环绕壳程布置，分为上导流装置和下导流装置，分别设置在靠近上封头和下封头位置。
4.根据权利要求1所述一种用于制取气相氰化氢的反应器，其特征在于，所述导流孔，数量为20—2000个，孔径为Φ5—Φ30。
5.根据权利要求1所述一种用于制取气相氰化氢的反应器，其特征在于，所述上封头与下封头为锥形或弧形，上封头高度为0.1—1D，下封头高度为0.05—1D，上下封头与壳程接口采用焊唇密封面。
6.根据权利要求1所述一种用于制取气相氰化氢的反应器，其特征在于，所述温度监测装置，包括2～12个套管其插入管口均布于反应器上封头处，每个套管内放置2～10个测温元件，一个套管内的测温元件为一组，每组测温元件沿着套管方向向外移动。
7.根据权利要求1所述一种用于制取气相氰化氢的反应器，其特征在于，所述的原料气分布装置，为圆锥形或人字形，锥角范围为100°—160°，投影面积为0.2D—0.7D的壳程的同心圆面积，原料气分布装置上设置分布孔，孔径大小为6mm—24mm，距离上封头顶部100—600mm。
8.根据权利要求3所述一种用于制取气相氰化氢的反应器，其特征在于，在所述下导流装置上部靠近反应器壁面设置排气孔，在上导流装置下部设置Φ4—Φ10的放净小孔。
9.根据权利要求3所述一种用于制取气相氰化氢的反应器，其特征在于，所述导流孔以同心圆周形式均布于传热介质导流装置内部与壳程接触壁面上，所述上导流装置的导流孔靠近与壳程接触壁面上部，下导流装置的导流孔靠近与壳程接触壁面下部。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |