CN1056260A - 工艺过程冷却的气体载体中危害环境成分的催化氧化装置 - Google Patents

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Abstract

装置(1)包括两个相互平行走向的气道(2，3)，它 们在终端由一个拱形的弯头(4)连接在一起，另一端 连接在气体载体(TG)的气管(7)上和净化气体 (RG)的气管(8)上。气道(2，3)通过一个三级的热 能反馈装置(13)连接在一起。热能反馈装置(13)的 交换级(I、II、III)，以一定的间隔相互配置，并由热 管(14)组成，热管的数量从这个交换级向那个交换级 增加。每个交换级(I、II、III)从加热件(16)到冷却 件(15)的热交换面比率，从这个交换级向那个交换级 减少。催化反应器(19)直接组装在气道(2)最后交换 级(III)的加热件(16)后面。

Description

本发明涉及工艺过程冷却的气体载体中危害环境成分的催化氧化装置。
在一系列工艺过程中，例如在制造邻苯酸-酸酐或马来酸-酸酐时，所需的产物从气体载体里不能全部提取，而在气体载体中留下少量产物，尤其是留下在工艺过程中未转换的碳氢化合物成分。这种碳氢化合物成分与气体载体一起，由工艺设备的烟囱排空，从而对环境造成污染。
由于对环境保护自觉性的不断提高，在许多国家发布的条令中，要求上述残余产物，和碳氢化合物成分，在气体载体排入外界之前，为避免危害环境，必须加以清除。至今对此只可用焚烧和催化氧化进行处理。
虽然焚烧时由于燃烧温度高，不仅可把残余产物，也可把碳氢化合物成分完全烧掉，然而其缺点是，与其同时会产生大量对环境同样有害的一氧化氮。其原因是在燃烧空气中含有很高的氮成分。然而在实际中，却是越来越多的采用在低温下进行催化氧化，这种方法不仅能清除残余产物和碳氢化合物成分，亦不额外释放一氧化氮。
在这方面，有一种装置具有一定的技术水平，使用该装置时，使催化反应器进气设置前的载有残余产物和碳氢化合物成分的气体载体，与从催化器里出来的净化气体一起处于热交换接触中，以求达到催化反应器的所谓起动温度。即利用净化气体在氧化时发生的温度升高，在与气体载体的热交换中，达到所需的起动温度。为此要求使用一个单级的管束热交换器，在那里气体载体横向流过净化气体。
然而，这一类热交换器亦有缺点，气体载体和净化气体的引道，由于热交换器前后的气道必须偏转，造价很高。而且还要考虑，不能保证难得的100，000Nm3/h的容积流量。
这种已知装置的其它缺点是，经常出现操作中断，并危及全工艺过程。这种操作中断的原因在于主过程的载有剩余物的气体载体达到完全饱和，使气体载体由于沉淀的产物而处于露点。从而不可避免的有少量的沉淀产物，以细分布的滴状或固体形式共存，并覆盖在热交换面上。它进一步引起腐蚀及/或堵塞。
借助本发明的装置，上述的这些问题就可以得到如此改善，在维护方便和容易检修情况下，保证操作有尽可能高的适应性，并同样考虑到经济上、工艺和安全上的利益。
本发明涉及一种工艺过程冷却的气体载体（TG）中危害环境成分的催化氧化装置，使用此装置时，催化反应器（19）后面要排入外界的净化气体（RG）和催化反应器（19）前面的气体载体（TG）一起，经过一个管束热交换器（20），使其处于热交换的接触中，其特征为，气体载体（TG）和净化气体（RG）相互平行的导入气道（2，3），以及气道（2，3）至少通过两级由热管（14）组成的热能反馈装置（13）连接在一起。此时，按气体载体（TG）的流动方向，每个交换级（Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ）从加热件（16）到冷却件（15）的热交换面比率，从交换级（Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ）到交换级（Ⅱ，Ⅲ）那样的减少，以及催化反应器（19）直接配置在最后交换级（Ⅲ）的加热件（16）的后面。
本发明的明显优点是，大幅度减少气体载体和净化气体的引道造价。由于使用热管，这两种气流在整个的热交换区域内是平行的、并列的引导。这样就只需要直线的气道，为隔开气流只需要一个间壁。这就可以同时接受热管所承担的功能。这两种直线的气道可以在催化反应器后面的区域中，通过一个简单的180°-弯头而相互连接。这种情况使装置紧凑，它因地制宜不仅可以垂直也可以水平配置操作。结果明显扩大了本发明装置的使用可能性。
本发明的主要优点是，具有由热管组成的多级热能反馈装置。这种构成使每个交换级可以有两个组成部分，即一边为净化气体设置的冷却件以及另一边为气体载体设置的加热件，也就是可以按照当时的过程条件，而进行适当的匹配。
此外，在这方面也有很重要的意义，气体载体流动方向中的第一个交换级，鉴于从加热件到冷却件的热交换面比率，要如此的构成，使热管内的工作温度升高，并强烈地反馈到较高的气体温度的附近。这个措施的结果是，使为气体载体设置的临界热管段中，产生一个较高的管壁温度，并由此具有很高的安全性。
本发明的另一个特有的优点是，热管功能一方面作为制备产物自身工艺过程中被冷却的气体载体的预热器以及作为催化氧化的净化气体的再冷却器，另一方面也作为气体容积流量的整流器，这意味着在催化反应器中进行氧化时具有优化利用转换的可能性。
气态载体中碳氢化合物成分在氧化时的转换速度，在很大程度上与催化反应器中现场气体载体流速有关。如果现场流速不均匀，那末，转换也不均匀。也就是催化反应器的操作在现场有各种不同的效率。这里具有较高气体速度的地方，比之具有较低气体速度的地方，其效率要低。为了能达到所要求的效率，在催化反应器中要尽可能保证均匀的流过速度，这是很重要的。按照本发明，提高直接的和直线的，把催化反应器配置在气体载体流动方向中最后交换级（终端级）的加热件后面，对此便有所保证。此时热管在其一侧以它的长度可以充分地均匀分布温度的特征，为最佳的利用催化反应器的性能作出贡献。
使用热管最理想的方式，是从催化反应器后面的净化气体里回收热，并预热催化反应器前面的气体载体。此时热管不仅可以保证温度的均匀分布，也可以保证催化反应器整个横截面上速度的均匀分布。催化反应器中的转换速度，也同样与流动气体载体的现场温度有很大关系，即具有较高气体温度的地方要比具有较低气体温度的地方，可达到更高的转换度。
热管的其它优点是，它们相互之间完全无关。由于每个热管都是一个封闭的工作系统，如果有一个热管由于任一原因而遭到损坏，不必顾及成套的加热件或冷却件的失灵。这种损坏也许是由于腐蚀或其它的局部的、可能导致意外的因素，例如在热管上出现有缺陷的焊缝等等。一个损坏的热管，只能造成这样的结果，它的功率只是总功率的一部分，它的损坏不会引起催化氧化的很大破坏。
本发明认为，经常接近50℃温度的气体载体，通过催化反应器中催化氧化时产生的补充热能，可加热到300℃的催化反应器所谓的“起动温度”，无须从外部导入为此所需的热能。另一方面，本发明允许离开催化反应器的净化气体，可冷却到100℃-120℃适宜的烟囱温度。
气体载体流动方向中各个交换级中热管所增加的数量，可以对各个交换级按当时的过程条件进行恰当的匹配（权利要求2）。最好的结构形式例如：对三级的热能反馈装置，第一个交换级，可以由流动方向中约8-12管列的窄束组成。第二个交换级，在这种情况下可配约有20-24管列，而第三个和最后的交换级，约有30-36管列。在当时的交换级中，气流愈热，管列就愈多。
本发明主导思想的进一步形成，体现在权利要求3的特征。这种构思考虑到的情况是，在第一个交换级中，冷却件和加热件之间要达到尽可能大的表面比。在冷却件中的筋比较窄，以达到足够大的交换面。这也有利于为气体载体设置的热管段的清洁。
在第一个交换级中，加热件中的热管段却不加筋，而从举例的共三个交换级的第二个交换级起，在加热件中应考虑装有筋相当宽的热管段。鉴于这种情况，第二个交换级经常有沾污和被覆盖的危险，因此，在加热件中的筋间隔，要比冷却件中的大。从而也可减轻必须的清洁工作。
直接位于催化反应器前的第三个交换级，也称为终端级，它最好是在130℃以上的温度范围内操作，由此可以处理尚须进一步干燥的气体载体。它不仅在加热件中，也要在冷却件中装有尺寸理想的和间隔相同的高效加筋热管段。
由于在第一个交换级的加热件中受较低温度的控制，以及由于随同气体载体的酸滴具有很高的腐蚀性，按其权利要求4，不加筋的热管段，最好是用耐腐蚀的材料组成。
此外，在这方面的优点是，根据权利要求5的特征，不加筋的热管段，敷有用耐酸材料做的塑料涂层。这些材料涉及到聚四氟乙烯，聚偏氟乙烯或聚氟乙烯。
由于在气体载体流动方向中，第一个交换级的加热件中，气体载体载有产物的残滴或固体颗粒，以及随同有腐蚀性的酸性成分和其它有危险性的残余物质，第一交换级，可作为安全级和预分离器使用。按照权利要求6的特征，至少要连接一个洗涤和清洁装置。
按照权利要求7的特征，每个交换级的热管可单独或成组交换地设置在间壁中，该间壁把引导载体气体的气道与引导净化气体的气道隔开。采用这类方式，或将每个单独热管，或将成组配置的热管根据需要毫无问题地加以更换。热管设置在把引导载体气体的气道与引导净化气体的气道隔开的间壁中，有利于整体装置进一步简化。
按照权利要求8的特征，锥形支承套环，不仅可以用于单个的管，亦可用于成组的热管。这样热管的更换就相当的简单。一方面是支承套环的锥度;另一方面是与此相匹配的在间壁中的凹槽，这样除了把引导气体载体的气道与引导净化气体的气道，进行良好的密封以外，支承还可选用作为热管热延伸的支点。然后热管可向两侧，在各种温度的影响下，进行自由的延伸。
支承套环，按照权利要求9，还可用锥面与凹槽匹配。这种匹配在热管垂直配置时，只通过重力进行。
与之相反，如果热管是安装在接近水平的面上，即约在3°-5°以下微倾斜的位置中，那末，权利要求10的特征就很优越。密封面至少可由一个压紧弹簧来加以保证。
根据权利要求11的特征，每个支承套环，亦可用锥形螺纹紧密地旋入在配置的凹槽中。
权利要求12的特征在于，用于对付不可避免的残留危险，这种危险是由于随同气体载体的残余产物或另一些有害成分造成的。通过容易触及的检修维护孔，可以毫无问题的进行判定并可就地直接进行清理。
按照权利要求13的特征，补偿器根据随时随地控制的不同温度考虑到单个气道段的不同延伸特性。
权利要求14中提及的热交换器，借助它可以输出从催化反应器离开的净化气体的热量。当催化反应器中的气体载体达到所期待的温度时，净化气体流过整个交换级的冷却件之后，所出现的温度，还是比净化气体导入烟囱的温度要高时，热交换器就起作用。
本发明按照图中所示的结构举例，进行详细地说明如下：
图1侧视图，局部为剖面图。
工艺过程气体载体的催化氧化装置;
图2前视图，局部为剖面图。
产生于工艺过程的气体载体催化氧化装置的另一种结构形式;
图3图1装置所用热管的构成和支承的放大草图。
图4图2装置所用热管的配置和支承。
相关字符说明
1-装置
1a-装置
2-气道
3-气道
4-拱形结构
5-接管
6-接管
7-气管
8-气管
9-7、8中的关断阀
10-横管
11-10中的关断阀
12-补偿器
13-热能反馈装置
14-热管
15-冷却件
16-加热件
17-维护孔
18-煤气燃烧器
19-催化反应器
20-热交换器
21-支承套环
22-间壁
23-锥面
24-22中的凹槽
25-Ⅰ，16中的热管段
26-Ⅰ，15中的热管段
27-25中的涂层
28-Ⅱ，16中的热管段
29-Ⅱ，15中的热管段
30-Ⅲ中的热管段
31-弹簧
32-园盘
33-图4中14的筋
34-支座
35-螺栓
36-2的外壁
37-洗涤和清洁装置
38-3的外壁
39-36和38中的孔
40-前置外壳
Ⅰ-交换级
Ⅱ-交换级
Ⅲ-交换级
TG-气体载体
RG-净化气体
图1中，1是表示工艺过程冷却的气体载体TG中危害环境成分的催化氧化装置。这种工艺过程，例如与制造邻苯二甲酸-酸酐有关。
装置1包括两个相互平行的，直线延伸的气道2、3。它们在终端上，由一个U形的拱形结构4连接在一起。气道2用于引导气体载体TG;气道3用于引导净化气体RG。气道2、3的另一端，通过一个锥形接管5、6与直径较小的气管7、8连接。在气管7、8中装有关断阀9。关断阀9和锥形接管5、6之间的气管7、8，通过一个横管10相互连接。在横管10中，装有一个关断阀11。
在气道2、3的纵向，装有补偿器12，用于各个气道段的不同热延伸。
气道2、3通过3级的热能反馈装置13，相互导热连接。热能反馈装置13的每个交换级Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，由一定数量的热管14组成，热管横穿气道2、3。每个交换级Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，由在气道3中的冷却件15和气道2中的加热件16组成。在结构举例中，在锥形接管5、6附近的第一个交换级Ⅰ中，热管14有11个管列。与此有一定间隔的第二个交换级Ⅱ中，热管14有22个管列，在第三个和最后的交换级Ⅲ（终端级）中，热管14有33个管列。
除了交换级Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ以外，在气道2、3的壁中，设有可紧密关闭的维护孔。
此外，可从图1里看到，在第三个交换级Ⅲ的加热件16的后面，在气道2中，组装有一个煤气燃烧器18。与煤气燃烧器18有一定的间隔处，连接有一个催化反应器19。在煤气燃烧器18和催化反应器19之间，在气道2的壁中，又设有一个可关闭的维护孔17。
最后图1还表示，连接两个气道2、3的拱形结构4和最后的交换级Ⅲ的冷却件15之间，在气道3中设有一个附加的热交换器20。
图2表示的1a，是工艺过程气体载体中危害环境成分的催化氧化装置，从结构的构造上来看，基本上与图1的装置1相同。不同的仅仅是，装置1a是垂直站立的，3个交换级Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ中的热管14，按小于3°-5°的角对水平倾斜配置。此外，没有补偿器12。
从图3可以看到，装置1的三个交换级Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ中的热管14的支承。这里可以看到，热管14用它的中间一段长度，用支承套环21，可更换的匹配在间壁22内，间壁把引导气体载体气道2与引导净化气体气道3隔开。支承套环21的周边为锥面，此与间壁22中的凹槽24相匹配。
进一步还可以看到，气体载体TG流动方向中，第1个交换级Ⅰ的加热件16中的热管段25不加筋，在冷却件15中的热管段26加筋。不加筋的热管段25，由耐腐蚀的材料组成。如图中用虚线表明的那样，它敷有用耐酸材料做的塑料涂层27。
第二个交换级Ⅱ的热管14，它不仅在冷却件15中，而且也在加热件16中都加筋。冷却件15的热管段29中的筋间隔，要比加热件16的热管段28中的小，以使冷却件15中热管段29的热交换面，要比加热件16中热管段28的大。
在第三个和最后的交换级Ⅲ中，加热件16和冷却件15产的热管段30，都配有从数量上和间隔上均理想的筋。
在图2的装置1a中，热管14的配置稍微倾斜于水平面。按照图4，这就要借助一个弹簧31，将支承套环21匹配到间壁22的凹槽24上，这个弹簧一边是在热管14的筋33上的园盘32上，另一边支承在支承34上，支承用螺栓35固定在气道2的外壁36上。在这种情况下热管14不仅穿过气道2的外壁36，也穿过气道3的外壁38。在外壁36和38中为筋33所考虑的开孔39，由前置外壳40对外界密封。
除此以外，还可从图1和图2里得知，在气体载体TG的流动方向中，第一个交换级Ⅰ的加热件16中的热管段25，配有一个洗涤和清洁装置37。
在实际使用中，来自主过程的气体载体TG，通过气管7和锥形接管5进入气道2。由于催化反应器19的起动温度在300℃以下才能使用，因此，在热交换过程开始时，需要把气体载体TG首先用煤气燃烧器18在催化反应器前面加热，并通过装置1，1a在密闭的回路中循环多次。此时要关闭气管7、8中的关断阀9和打开横管10中的关断阀11。
如果气体载体TG达到了所要求的温度，就关闭横管10中的关断阀11，打开气管7、8中的关断阀9。然后气体载体TG流过交换级Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ的各个加热件16，并在那里分段的加热到催化反应器19的操作温度。
离开催化反应器19的净化气体RG，在交换级Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ的冷却件15中释热，并通过热管14传热到加热件16上。以这种方式可将气体载体TG加热到催化反应器19必需的操作温度。相反的，净化气体RG可以冷却到这样的温度，使净化气体以100℃-120℃的要求温度进入烟囱。
如果将催化反应器19中的气体载体TG加热得这样高，致使净化气体RG在流过交换级Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ的冷却件15之后，所显示的温度超过释放给外界的约100℃-120℃的有利温度，那末，热交换器20，就把多余的热从净化气体里输出，让其保证要求的释放温度。

Claims (14)

1、工艺过程冷却的气体载体(TG)中危害环境成分的催化氧化装置，使用此装置时，催化反应器(19)后面要排入外界的净化气体(RG)和催化反应器(19)前面的气体载体(TG)一起，经过一个管束热交换器(20)，使其处于热交换的接触中，其特征为，气体载体(TG)和净化气体(RG)相互平行的导入气道(2，3)，以及气道(2，3)至少通过两级由热管(14)组成的热能反馈装置(13)连接在一起，此时，按气体载体(TG)的流动方向，每个交换级(Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ)从加热件(16)到冷却件(15)的热交换面比率，从交换级(Ⅰ，Ⅱ)到交换级(Ⅱ，Ⅲ)那样的减少，以及催化反应器(19)直接配置在最后交换级(Ⅲ)的加热件(16)的后面。
2、按照权利要求1所述的装置，其特征为，热管（14）的数量，按气体载体（TG）的流动方向，从交换级（Ⅰ，Ⅱ）到交换级（Ⅱ，Ⅲ）那样的增加。
3、按照权利要求1或2所述的装置，其特征为，按气体载体（TG）流动方向，第一个交换级（Ⅰ）的加热件（16）中的热管段（25）不加筋，而冷却件（15）中的热管段（26）加筋。
4、按照权利要求3所述的装置，其特征为，不加筋的热管段（25）由耐腐蚀的材料组成。
5、按照权利要求3或4所述的装置，其特征为，敷有塑料涂层（27）的不加筋的热管段（25），由耐酸材料组成。
6、按照权利要求1-5所述的装置，其特征为，按气体载体（TG）流动方向，第一个交换级（Ⅰ）的加热件（16）中的热管段（25），至少要配置一个冲洗和清洁装置（37）。
7、按照权利要求1-6所述的装置，其特征为，每个交换级（Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ）的热管（14），可单个的或成组的，可更换的置入在间壁（22）中，间壁把引导气体载体（TG）的气道（2）与引导净化气体（RG）的气道（3）隔开。
8、按照权利要求1-7所述的装置，其特征为，热管（14）在它的中间一长段中，可单个的或成组的装着周边为锥形的支承套环（21），可更换的置入在间壁（22）内与支承套环（21）相匹配的凹槽（24）中，间壁把引导气体载体（TG）的气道（2）与引导净化气体（RG）的气道（3）隔开。
9、按照权利要求8所述的装置，其特征为，支承套环（21）与凹槽（24）内的锥面（23）相匹配。
10、按照权利要求8或9所述的装置，其特征为，支承套环（21）与凹槽（24）中的可调弹簧（31）相匹配。
11、按照权利要求8所述的装置，其特征为，支承套环（21）可用锥形螺纹旋入凹槽（24）中。
12、按照权利要求1-11中任一项所述的装置，其特征为，在此范围内，除了交换级（Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ）和催化反应器（19）以外，在引导气体载体（TG）和净化气体（TG）的气道（2，3）壁中，装有可密闭的维护孔（17）。
13、按照1-12中任一项所述的装置，其特征为，在引导气态载体（TG）和净化气体（RG）的气道（2，3）中，组装有一个补偿器（12）。
14、按照权利要求1-13中任一项所述的装置，其特征为，在引导净化气体（RG）的气道（3）中，在催化反应器（19）和靠近催化反应器（19）的交换级（Ⅲ）的冷却件（15）之间，装有一个热交换器（20）。
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