CN1095806C - 生产氰化氢的方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于生产氰化氢的催化方法及其装置。在该方法中，将富氧氧化剂流和至少一种不含氧化剂而含有甲烷和氨的进料流分别预热并在至少比混合气流的自燃温度低50℃的温度下迅速混合以形成易爆混合气流。然后，在可以避免爆燃的速度下将该混合气流送到能催化生成氰化氢的催化剂处。该方法的能量效率高且可产生氢含量比Andrussow法更高的流出气流。

Description

生产氰化氢的方法及其装置
本发明涉及生产氰化氢(HCN)的方法和用于这种方法的装置。
如美国专利US 1934838、US 4107278和US 4128622中所述，通常采用所谓Andrussow法生产HCN，在这些专利的方法中，氨和甲烷在铂族金属催化剂上于空气中燃烧以生成含HCN的流出气流。由于采用空气作为氧源，上述燃烧必然要在大量惰性氮的存在下进行。这样大量的氮必须采用适当规模的空气压缩机和下游装置。此外，由于惰性氮的存在，与仅需将反应剂的温度升高到HCN反应能在催化剂上继续进行的温度相比，需要燃烧更多的甲烷。另外，含有HCN的流出气体还含有副产物氢和水以及残余的氨。然而，在将HCN和可回收的氨与其他气态组分分离后，惰性氮的存在使这种低燃值的残余气流成为需要专用燃烧器的气流。
就最佳条件而言，Andrussow法是在氨和甲烷混合气的可燃极限范围内操作。采用富氧空气使该方法更接近易爆范围，从而使操作极端危险，这样的操作一般是极难控制的。
在本发明中，该方法的操作虽然生成了潜在易爆的反应剂混合物，然而用这样的方法却可避免爆燃。这就导致该方法的能量效率提高且所提供的流出气流比常规Andrussow法所能获得的氢含量高得多。
因此，本发明的第一个目的是提供一种用于生产氰化氢的催化法，该方法包括
(a)形成
(i)富氧氧化剂流
(ii)至少一种不含氧化剂的供给甲烷和氨的进料流；
(b)采用间接热交换将所述氧化剂和进料流中的至少一种分别预热到氧化剂和进料的各自预热温度；
(c)将氧化剂和进料流在其各自的预热温度下在混合区迅速充分地混合以形成混合温度下的易爆混合气流，且该混合温度至少比混合气流的自燃温度低50℃；
(d)在可以避免混合气流爆燃的混合速度下将该混合气流输送通过混合区；此后
(e)将该混合气流送到能在混合温度下由该混合气流催化生成氰化氢的催化剂处，以生成含有氰化氢的流出气流。
本发明的第二个目的是提供一种用于本发明的方法的装置，该装置包括
(a)富氧氧化剂流的第一进口；
(b)至少一个用于供给甲烷和氨的至少一种不含氧化剂的进料流的第二进口；
(c)与第一进口连接的第一导管，沿着该导管氧化剂流能从所述第一进口流到第一导管的排放端；
(d)至少一条与所述至少一个第二进口连接的第二导管，沿着该导管至少一种进料流能从至少一个第二进口流到至少一条第二导管的排放端，且该排放端与所述第一导管的排放端大致邻近；
(e)用以接收氧化剂和进料流的位于第一导管排放端的混合区；
(f)位于混合区的混合装置，该装置用于使氧化剂和进料流迅速混合以形成易爆混合气流，并用于将该混合气流在可以避免该混合气流爆燃的混合速度下输送通过混合区；
(g)排放喷孔，在混合区与爆燃防止器之间提供的气流接通装置，混合气流可以流过该喷孔，而爆燃防止器能够阻止混合气流的爆燃返回通过排放喷孔蔓延到混合区；以及
(h)反应区，用于接收来自爆燃防止器的混合气流和将该混合气流引入放置在该反应区中用以促使从易爆混合气流生成氰化氢的载体催化剂处；
(i)用于混合前预热至少一种氧化剂和进料流的间接热交换装置。
富氧氧化剂流通常含有30-100％(体积)的氧。优选该富氧氧化剂流含有50-100％(体积)、特别是80-100％(体积)的氧。
至少一种不含氧的进料流可作为单独的进料流提供甲烷和氨，然后将其分别与富氧氧化剂流混合。优选这种不含氧化剂的进料流是含有甲烷和氨混合气的预混合气流。用于本发明方法中的氨与甲烷的体积比(从此处起是摩尔)适宜为1∶1至1∶1.5、优选1∶1至1∶1.3、特别是1∶1至1∶1.2。
该氧化剂和进料流可以含其他组分，例如，只要该进料流的组成不在易爆范围内，那么含有甲烷和氨的进料流还可以含少量氧。
除采用富氧氧化剂流以外，通过将氧化剂和进料流中的至少一种间接预热到预热温度，以致当这些气流混合并从能催化生成氰化氢的催化剂上通过时，该反应仍然可以在所需的催化剂温度下继续进行，因此，在本发明中无需再使用相当过量的甲烷。在将氧化剂流预热的场合，避免达到可能引起冶金问题的温度是可取的。优选将该氧化剂流预热到200-300℃，且将至少一种进料流预热到300-450℃。该预热温度最好这样选择，以致可使混合温度达到200-400℃、优选300-430℃、特别是330-430℃。采用上述反应温度通常导致催化剂的温度为1000-1250℃。
流出催化剂的流出气流大致处于催化剂的温度，因而它相当于一种有价值的高级能源。因此，最好将从该催化剂流出的流出气流用于间接热交换以产生有用的高压蒸气，因此也提供温度通常为500-700℃例如约为600℃的部分冷却的流出气流。该部分冷却的流出气流也可以用于其他间接热交换步骤，特别是可用于预热氧化剂和进料流中的至少一种从而提供温度通常为200-400℃例如300℃的冷却的流出气流。
通常，该流出气流含15-20％(体积)的HCN和30-40％(体积)的氢。
预热氧化剂和进料流中的至少一种可以通过一个或多个分别预热的步骤进行，致使这些气流在进入相应的第一和第二导管时至少部分地预热。另外或另一种方法是，该预热可在气流沿着导管流动的同时进行。优选在气流沿着导管流动时通过与部分冷却的流出气流间接热交换进行预热。
当至少一种不含氧化剂的进料流之一含有氨和甲烷时，优选将各自的第一导管与第二导管关联并放置在第二导管之内。这就使该装置的结构，包括结构材料的选择简化。特别优选的是，将各第一导管均与第二导管关联并置于第二导管之内，且当进料流沿着第二导管流动时，部分冷却的流出气流与该进料流进行间接热交换。在这种特别优选的情况下，第二导管的长度取决于所需达到的预热温度；在进料流进入第二导管之前预热的情况下，与完全在第二导管内达到相同预热温度的情况相比，第二导管的长度可以较短。然而，在任何情况下预热进料流达到的最高温度必须低于甲烷和氨混合气的自燃温度。
载体催化剂床可以由常用来促进从氧、甲烷和氨生成氰化氢的材料例如铂族金属催化剂形成。优选将烧结金属或陶瓷隔焰器放置在该催化剂床之前，以便阻止任何非所需的焰峰从催化剂床蔓延到爆燃防止器。
兹参照附图对本发明作详细说明，其中：
图1表示根据本发明第二个实施方案的装置的总配置图。
图2表示用于本发明的混合区的放大视图。
图3表示用于本发明的混合装置的横断面图。
在图1中，将富氧氧化剂流通过第一进口(1)引入该装置。在该装置内，将该氧化剂流分配给若干各自具有进口端(2)和排放端(5)的第一导管。将含有甲烷和氨而不含氧化剂的预混合了的进料流通过第二进口(3)引入该装置。然而，如果需要，可以通过两个或多个上述第二进口分别引入甲烷和氨。在该装置内，将进料流分配给若干第二导管，该第二导管各自具有大致与第一导管的各端邻近的进口端(4)和排放端。如图所示，将各第一导管均与第二导管关联并置于第二导管之内，这样，分开的进料流可在第一和第二导管之间的环形通道中流动。在各第一导管的出口端，氧化剂流排出而进入进料流并在混合装置(6)中混合，形成在可避免该混合气流爆燃的流速下的混合气流。混合后，将该混合气流通过排放喷孔(7)继续引入阻止该混合气流爆燃蔓延的爆燃防止器(8)。
然后，该混合气流被接收进入反应区(15)并从那里引入能够促进氰化氢生成的载体催化剂床(9)。该流出气流离开催化剂床(9)，然后将其通过间接热交换器(10)加以冷却，如图中所示该热交换器是蒸气锅炉，从而在该热交换器出口(11)处形成部分冷却的流出气流。然后，将该部分地冷却了的流出气流通过至少一条流出气导管(12)输送，以便紧靠着固定在该装置的热交换部件(13)内的各条第二导管的外表面流动且与氧化剂和进料流的流动呈逆流方向，从而至少预热进料流并使部分冷却的流出气流进一步冷却，以便通过出口(14)从该装置流出。在从该装置流出时，采用常规的分离技术可回收含在该流出气流中的氰化氢。
在图2中，如在图1中所作的描述，第一导管(6)与第二导管(7)关联并置于该导管之内。第一导管(6)和第二导管(7)从热交换部件(9)穿过管板(8)进入反应区(10)。该第一导管的排放端具有用来增加进料流的有效流动面积的锥形段(1)和一系列的径向连接孔道(2)，氧化剂流流过该孔道准备与进料流混合。氧化剂和进料流在混合装置(3)内混合。在该混合装置内，通过高剪切力促使迅速混合且使该混合气流的流速保持得尽可能高。在从混合装置(3)流出后，该混合气流就通过可使气流与爆燃防止器(5)接通的排放喷孔(4)流动。混合后，该混合气流成为一种甲烷、氨和氧的易爆混合物。因此，在该混合装置下游气流的有效体积将减小到最低限度。爆燃防止器(5)可以阻止潜在的爆燃从反应区(10)蔓延到混合装置(3)。通过爆燃防止器(5)后，该混合气流排出而进入反应区(10)。爆燃防止器最好是属于一种具有狭缝的锥形结构，混合气流通过该狭缝流动从而为该混合气流在送进催化剂床时提供均匀的流速。
在图3中，该横断面示出了混合通道(1)，在混合过程中氧化剂和进料流沿着该通道流动，且该通道可提供所需的高剪切力和流速。
兹参照以下实施例对本发明作详细说明。
实施例1
当采用以下氧化剂和进料流来生产氰化氢时
氧化剂流             kg/hr             kmol/hr
氧                   1211              37.9
氮                   0                 0
进料流(预混合)       kg/hr             kmol/hr
氨                   848               49.9
天然气(甲烷)         777               45.7这些气流均已预热以便达到400℃的反应温度。本发明的方法提供了一种以下组成的流出气流(采用在约1100℃下操作的铂金属催化剂)
                kg/hr                    kmol/hr
HCN             948.2                    35.1
氢              165.7                    82.9
水              1040.0                   57.8
氨              127.9                    7.6
二氧化碳        68.0                     2.4
一氧化碳        379.0                    8.6
氮              107.1                    3.8

Claims (9)

1.一种用于生产氰化氢的催化方法，该方法包括
(a)形成
(i)富氧氧化剂流，所述富氧氧化剂流含30-100％(体积)的氧；
(ii)至少一种不含氧化剂的供给甲烷和氨的进料流；
(b)采用间接热交换将所述富氧氧化剂和进料流分中的至少一种分别预热到富氧氧化剂和进料流的各自预热温度；
(c)将氧化剂和进料流在其各自的预热温度下在混合区迅速充分地混合以形成混合温度下的易爆混合气流，且该混合温度至少比混合气流的自燃温度低50℃；
(d)在可以避免混合气流爆燃的混合速度下将该混合气流输送通过混合区；此后
(e)将该混合气流送到能在至少比该混合气流的自燃温度低50℃的混合温度下，由该混合气流催化生成氰化氢的催化剂处，以生成含有氰化氢的流出气流。
2.根据权利要求1的方法，其中该不含氧化剂的进料流是含有甲烷和氨混合气的预混合气流。
3.根据权利要求1或2中的方法，其中氨与甲烷的体积比为1∶1至1∶1.5。
4.根据权利要求1-3中任一项的方法，其中将该氧化剂流预热到200-300℃，且将至少一种进料流预热到300-450℃。
5.根据权利要求1-4中任一项的方法，其中该混合温度为200-400℃。
6.根据权利要求1-5中任一项的方法，其中从催化剂流出的流出气流用于间接热交换以提供部分冷却的流出气流，然后将该气流用来预热氧化剂和进料流中的至少一种。
7.根据权利要求1-6中任一项的方法，其中该流出气流含15-20％(体积)的HCN和30-40％(体积)的氢。
8.用于权利要求1-7的任一项中所定义的方法的装置，该装置包括
(a)富氧氧化剂流的第一进口；
(b)至少一个用于供给甲烷和氨的至少一种不含氧化剂的进料流的第二进口；
(c)与所述第一进口连接的第一导管，沿着该导管氧化剂流能从所述第一进口流到第一导管的排放端；
(d)至少一条与所述至少一个第二进口连接的第二导管，沿着该导管至少一种进料流能从至少一个第二进口流到至少一条第二导管的排放端，且该排放端与所述第一导管的排放端大致邻近；
(e)用以接收氧化剂和进料流的位于第一导管排放端的混合区；
(f)位于混合区的混合装置，该装置用于使氧化剂和进料流迅速混合以形成易爆混合气流，并用于将该混合气流在可以避免该混合气流爆燃的混合速度下输送通过混合区；
(g)排放喷孔，在混合区与爆燃防止器之间提供的气流接通装置，混合气流可以流过该喷孔，而爆燃防止器能够阻止混合气流的爆燃返回通过排放喷孔蔓延到混合区；以及
(h)反应区，用于接收来自爆燃防止器的混合气流和将该混合气流引入放置在该反应区中用以促使从易爆混合气流生成氰化氢的载体催化剂处；
(i)用于混合前预热氧化剂和进料流中的至少一种的间接热交换装置。
9.根据权利要求8的装置，其中将各第一导管均与第二导管关联并置于第二导管之内。
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