CN111344055A - 形成和催化转化反应物混合物的工艺和反应器 - Google Patents

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Abstract

提出了一种形成和催化转化可燃性气体混合物的工艺，其中至少将含有氧气的第一气体或第一气体混合物和含有一种或多种可氧化化合物的第二气体或第二气体混合物进行混合以得到可燃气体混合物，在其中将可燃气体混合物供应到反应器(1)的反应区(12)。将第一气体或第一气体混合物和第二气体或第二气体混合物进料到具有设置有多个通道(131)的边界壁(13)的混合室(11)中，在其中第一气体或第一气体混合物通过边界壁(13)中的通道(131)进料到混合室(11)，第二气体或第二气体混合物通过一个或多个带有进料孔(141)并延伸到混合室(11)中的进料管(14)进料到混合室(11)。本发明同样提供了相应的反应器(1)。

Description

形成和催化转化反应物混合物的工艺和反应器
技术领域
根据独立权利要求的各个前序部分，本发明涉及形成和催化转化反应物混合物的工艺和设备。
背景技术
在多个化学工艺中，对反应物混合物进行催化转化。这些反应物混合物可以是可燃气体混合物的形式，并且在这种情况下，在低于其自燃温度的条件下进行催化转化。在下文中，“可燃气体混合物”应理解为是指包含一种或多种可氧化组分，尤其是一种或多种烃和氧气的气体混合物。氧气可以以例如空气或纯氧的形式加入。可燃气体混合物具有能够通过点火源将气体混合物点燃的成分。如下文所阐明的，在相应的过程中，也可能存在只能暂时点燃的气体混合物，例如在启动操作中，在发生过程偏差等情况下。这种仅是暂时形成的可燃气体混合物也可以作为反应物混合物提供以进行催化转化。
本发明尤其以具有两个至四个碳原子的烷烃的氧化脱氢(ODH)为例进行描述，其中将烷烃与氧气一起作为反应物混合物供应至反应器的催化反应区。相应的反应物混合物原则上可以是可点燃的。更具体地，本发明可用于乙烷的ODH(称为ODH-E)，但原则上也可用于高级烷烃如丙烷和丁烷的ODH。然而，本发明也适用于并且有利于催化转化气态反应物混合物的其他过程，例如在其他氧化过程中，如环氧乙烷或丙烯酸的合成。
与更成熟的烯烃制备工艺(如蒸汽裂化或催化脱氢)相比，ODH可能更有优势。例如，由于所涉及的反应的放热性，此处没有热力学平衡限制。原则上，由于氧气的存在使得能够原位再生，因此不需要再生所使用的催化剂。最后，与蒸汽裂化相比，形成了较少量无价值的副产物，例如焦炭。
有关ODH的更多详细信息，请参考相关的技术文献，例如Ivars,F.and LópezNieto,J.M.,Light Alkanes Oxidation:Targets Reached and Current Challenges,in:Duprez,D.and Cavani,F.(eds.),Handbook of Advanced Methods and Processes inOxidation Catalysis:From Laboratory to Industry,London 2014:Imperial CollegePress,pages 767–834,or
Figure BDA0002466301290000011
C.A.et al.,Oxidative Dehydrogenation of Ethane:Common Principles and Mechanistic Aspects,ChemCatChem,vol.5,no.11,2013,pages3196 to 3217.
在ODH和至少可暂时形成可燃气体混合物的其他过程中，在反应器的上游或催化反应区中存在点火源的情况下，可能会发生不必要的点火。随后的很大程度上不受控制的燃尽可以以爆燃或爆轰的方式进行。
爆炸是一种可燃气体混合物的不受控制的燃尽，具有层流火焰锋。在爆燃中，具有湍流火焰锋。一方面是爆炸和爆燃，另一方面是爆轰，它们在传播速度上存在本质差异。在爆炸或爆燃中，所述速率低于声速，而在爆轰中所述速率通常明显高于声速。在一定的起动距离和最小的燃料和氧气浓度之后，爆炸或爆燃可以转变为爆轰。气体混合物的爆炸、爆燃和爆轰导致巨大的压力增加，这可能导致所用的设备部件破裂和相应的二次损坏。
在烷烃、烯烃和空气的化学计量混合物爆炸或爆燃的情况下，压力可能会增加10倍，以及在烷烃.烯烃和氧气的化学计量混合物爆炸或爆燃的情况下，压力可能会增加20倍。在爆轰的情况下，会导致压力再次大幅上升。
在下文讨论爆炸的地方，相应的阐述也扩展到爆燃。相应地，“防爆”装置或防爆措施也可以防止爆燃。
从根本上避免相应的混合状态是可能的，即形成可燃气体混合物，并且在这种情况下，应采取措施，即使在启动和关闭过程中以及出现过程偏差时，也能够可靠地防止可燃性气体混合物的形成。另外，可以在低压下操作相应的过程，并且以防爆和甚至可能防爆轰的方式运行所使用的设备。在这方面，替代地或附加地，可以使用安全性指示的措施或耗散装置，例如爆破片或防爆翼。
然而，原则上，关于转化特性，产物谱和选择性和/或鉴于下游产物加工，可燃气体混合物作为反应物混合物的催化转化可能是期望的或必须的。因此，在这种情况下，由于上述原因，避免形成可燃气体混合物是不可能的，或者至少是不利的。设备的防爆或防爆轰设计或提供相应的耗散措施或装置会导致额外的成本。
本发明所解决的问题是：规定了能够可靠地实现形成以及可选地催化转化相应气体混合物的措施，这些气体混合物可能至少暂时处于可燃状态，而不会发生不必要的点火以及随后的爆炸/爆燃或爆轰。
发明内容
在此背景下，本发明提出了一种催化转化气态反应物混合物的工艺和反应器，以及具有所述独立权利要求的特征的相应设备。在每种情况下，配置是从属权利要求和随后的描述的主题。
本发明从形成和催化转化气态反应物混合物的工艺进行，其中，混合至少一个第一气体或第一气体混合物和第二气体或第二气体混合物以得到反应物混合物。对于催化转化反应物混合物，将其提供到反应器的反应区。
催化转化的例子已经在上面阐明。如上所述，根据本发明的工艺尤其适用于在ODH-(E-)反应器或相应的工艺中使用，其中向反应器的反应区提供包含烷烃和氧作为反应物混合物的气体混合物。如上所述，然而，本发明也可以用于例如前述的其它工艺或所有工艺，其中将气态反应物混合物催化转化并且从一开始就不能排除可燃性。
原则上，在本发明的范围内，反应区可以配备任何所需的催化剂，尤其是固定化形式的催化剂。例如，在本发明的范围内，可以使用外部加热和/或冷却的管的形式的固定床催化剂、蜂窝体或催化活性体。例如，在管式反应器的情况下，许多反应管中都填满了催化剂。将这些经引导通过反应室并在其中加热或冷却。下文也将阐明，通过合适的分配器单元，在各个反应管之间分配可燃气体混合物。
如果在此说形成和催化转化气态反应物混合物或将这种气体混合物进料到反应器的反应区，正如一开始就已经阐明的那样，这并不一定要理解为在整个过程中必须不断形成和转化可燃气体混合物作为反应物混合物。更具体地，在本发明的范围内，也可能只在特定的时间形成可燃气体混合物，即例如，在相应反应器的启动操作中或或在不同操作模式之间切换时或在出现操作偏差的情况下。相反，在常规操作中，也可以向反应区提供例如不可燃气体混合物作为反应物混合物。相反，也可以将不可燃混合物流动到仅接近或选定的工作点，并且在启动时或在操作条件改变时(例如通过用惰性气体提高稀释度)选择不可燃条件。
相应气体混合物的可燃性由其组成成分来确定，特别是其可氧化化合物和氧的含量。更具体的是，在ODH的情况下，相应的可燃气体混合物包含诸如烷烃的烃。除了第一气体混合物和第二气体混合物，在本发明的范围内也可以使用和混合其他气体混合物。
更具体的是，在本发明的范围内，第一气体或第一气体混合物可以包含一种或多种可氧化化合物，尤其是烷烃和烯烃。特别地，第二气体或第二气体混合物可以包含氧气。原则上，也有可能，第一气体或第一气体混合物包含氧气以及第二气体或第二气体混合物包含一种或多种可氧化化合物。在每种情况下，含有氧气的气体或气体混合物可以是纯氧、空气或富氧空气或其混合物。通常，不论氧气来源如何，这两种气体都可能含有惰性或低反应活性的其他稀释剂，例如水蒸气、氮气、甲烷、二氧化碳或其他成分。术语“惰性”涉及相应反应系统中相应化合物的反应特性，并且不限于常规上称为“惰性”的化合物，例如惰性气体氮气、氦气或氩气。
原则上，在本发明的范围内，也可以提供第一气体和/或第一气体混合物和/或第二气体或第二气体混合物，该气体或气体混合物已经以含有一种或多种可氧化化合物和同时含有氧的形式存在。以此方式，可选地，可以改善第一气体或第一气体混合物和第二气体或第二气体混合物的可混合性。例如，即使当第一气体混合物或第二气体混合物全部或部分地作为循环流提供时，其也可以包含氧气以及一种或多种可氧化化合物。与使用第一气体或第一气体混合物和第二气体或第二气体混合物形成的反应物混合物相反，然而，在这种第一或第二气体混合物中，可选地可以随时确保不可燃性。
然后在本发明的范围内设想的是，将第一气体或第一气体混合物和第二气体或第二气体混合物进料到具有设置有多个通道的边界壁的混合室中，在其中第一气体混合物通过边界壁中的通道进料到混合室，第二气体或第二气体混合物通过一个或多个带有进料孔并延伸到混合室中的进料管进料到混合室。
在本发明的范围内，第一气体或第一气体混合物以临界流状态(critical flowstate)或流型(flow regime)(从流动力学的角度来看)通过边界壁中的通道进料到混合室中。当第一气体或第一气体混合物从边界壁中的通道离开并以第一气体或第一气体混合物中的声速进入混合室时，即马赫数Ma＝1时，存在临界流状态或流型。关于术语“临界流”，可参考适当的专家文献，参见如Frenzel,B.和Gebhard,F.:Physik Formelsammlung:FürIngenieure und Naturwissenschaftler,page 78.理想气体中的声音计算是已知的，对于非理想气体，可以从专家文献中获得。特别地，可以通过适当选择边界壁中的通道的数量和直径以及第一气体或第一气体混合物的相应流动参数来建立相应的临界流状态(特别是其在边界壁上游的压力)。相应的参数可以由本领域技术人员直接确定，例如基于流动动力学计算或模拟。
如果以此方式将临界流状态的第一气体或第一气体混合物进料到混合室，可以可靠地避免从混合室返混到混合室的上游区域或边界壁。因此，可燃气体混合物不会在相应的上游区域中形成或不会扩散到相应的上游区域中。因此，当遵循适当的安全措施时，不应形成这样的上游区域，从而可以以较低的成本建立相应的反应器。
US 7,521,029 B2公开了用于进行催化气相反应的管式反应器，其中与反应物混合物接触的特定设备部件具有防爆设计。此类设备部件的体积非常小，因此防爆设计中的装置复杂性是有限的。然而，更具体地，如在本发明的范围内所设想的，该出版物没有公开提供具有设有通道的边界壁的混合室以及通过相应的边界壁中的通道将气体混合物进料到混合室中。更具体地，这里也没有公开在临界流状态下的进料。相比之下，在本发明的范围内，与所述US 7,521,029 B2相反，由于仅将相应的边界壁引入反应器中，因此可以显著降低装置的复杂性。
以此方式，本发明通过仅在紧靠反应区的上游形成可燃的气体混合物并将其限制在特定区域，即所提到的混合室(以及可选的下游反应区)中而使催化反应可靠地进行。换句话说，在本发明的范围内，混合区，即反应物流的活性组分与氧化剂混合的区域，直至反应区开始为止，都可以通过技术上简单且廉价的措施将其最小化，使其尺寸从安全角度来看并不重要。以此方式，更具体地，例如，可以以简单的方式设计存在相应可燃气体混合物的区域，该区域可以防爆或防爆轰的方式设计，或者提供相应的耗散措施或装置，而不必对整个反应器进行相应配置。
首先，在下文中详细阐明了根据本发明提出的工艺的方面和实施例。此后，具体地，参考反应器及其优选实施例描述根据本发明的工艺的装置实施方式。显而易见的是，在每种情况下，与根据本发明的工艺及其配置有关的说明同样适用于根据本发明的反应器及其配置，并且在此仅为了避免重复而不再赘述。原则上，如所阐明的，第一气体或第一气体混合物或第二气体或第二气体混合物可以是含氧的气体混合物，并且相应的其他气体混合物可以是包含一种或多种可氧化组分的气体混合物。有利的是，将具有恒定和较高流速的介质或气体或气体混合物经引导通过边界壁或其通道。
此外，在根据本发明的工艺的特别优选的配置中，为了以临界流状态将第一气体或第一气体混合物进料到混合室中，将第一气体或第一气体混合物以比混合室中存在的压力更高的压力提供于边界壁远离混合室的一侧。以这种方式，实现了防止返混进入上游区域的额外防护。总体而言，根据本发明的措施还实现了第一气体或第一气体混合物在混合室的均匀分布。
通过适当的技术措施，如下文中特别参考根据本发明及其实施例所设想的反应器的装置配置所阐明的，尤其是通过适当选择可能特别是采用喷嘴形式的通道，可以实现相应的临界流状态。通过使用文丘里(Venturi)喷嘴或具有文丘里特性的喷嘴，可以获得优势。通过使用拉瓦尔(Laval)喷嘴或具有拉瓦尔特性的喷嘴，还可以获得特别的优势。
当第二气体或第二气体混合物与第一气体或第一气体混合物在混合室中混合时(例如借助管式分配器)，可以获得特别的优势。气态反应物混合物可在以此方式限定的混合区形成。通过以比可燃气体混合物的层流或湍流火焰速度更高的速度和/或在临界流状态下将第二气体或第二气体混合物进料到混合室中，从而有利地进料第二气体或第二气体混合物。这种流动速度或流动特性以及为此目的所需的喷嘴，管式分配器等也由本领域技术人员来确定(例如通过流动模拟或计算)。
根据本发明所设想的反应器设置为形成和催化转化气态反应物混合物，其中，该反应器具有反应区以及设置为混合至少一种第一气体或第一气体混合物和一种第二气体或第二气体混合物，以获得反应物混合物并将其供应至反应区。根据本发明，反应器具有混合室，该混合室具有带有多个通道的边界壁，其中设置了用于将第一气体或第一气体混合物以临界流状态通过这些通道进料到混合室中的装置。关于为建立临界流状态而提供的装置，请参考上述说明以及随后的说明。另外,为了将第二气体或第二气体混合物进料到混合室，设有一个或多个带有进料孔并延伸到混合室中的进料管。关于相应反应器的特征和优点，还请参考与根据本发明提出的工艺有关的上述说明。
在最简单的情况下，通过边界壁的通道可以至少部分地呈圆柱形孔的形式。这样的执行方式可以以一种特别简单的方式实现，但是可能需要在布置在混合室上游的区域和混合室本身之间的高压差，以确保第一气体或第一气体混合物的临界流状态。因此，这样的解决方案是一种选择，特别是当相应的第一气体或第一气体混合物在相对较高的压力下存在并且要在相对较低的压力下供应到反应区时。
在本发明的替代配置中，相反，通道至少部分地呈喷嘴的形式，这是喷嘴的特定特征，其具有沿喷嘴轴线变化的横截面。相应的喷嘴尤其可以是可更换的形式，并且例如可以拧入边界壁中，或者以其他方式固定在其中。与圆柱形孔相比，喷嘴可以控制对流动的影响。以此方式，尤其可以确保的是，即使在混合室的上游区域和混合室本身之间的压力差相对较小的情况下，也有可能提供临界流状态。
在根据本发明特别优选的实施例中，相应的喷嘴至少部分地采用具有文丘里或拉瓦尔特性的喷嘴形式，即喷嘴的横截面首先收缩，然后变宽，并从一个部分到另一个部分不断过渡。横截面在各点上有利地呈圆形或椭圆形。具有文丘里和拉瓦尔特性的喷嘴和文丘里和拉瓦尔喷嘴的使用将在混合室的上游区域和混合室之间所需的压力差降低到特别高的程度，使得提供临界流状态所需的压降异常的小。
在根据本发明特别优选的配置中，混合室可以设有无规填料，该填料特别是以惰性形式存在，但是也可能已经具有催化活性。以此方式，相应的混合室中反应气体的质量降低，惰性物的质量增加。借助于相应的无规填料，可以从初期爆炸中提取能量，从而熄灭燃尽。因此，所需的设计压力可以显著降低，并且可以以较低的成本相应地设计压力壳体。
除了惰性无规填料之外，也可以出于相同目的而提供规整填料和/或静态混合元件。通过规整填料或静态混合元件的热质量，还可以从初期爆炸中提取能量。特别是，规整填料也可以仅设置在混合室的一部分中，特别是仅在第二气体混合物的进料管的下游或其进入混合室的开口中，该规整填料可以由例如相应的结构化金属薄板或静态混合元件形成。通过规整填料或静态混合元件，还可以实现在混合室或相应区域中改善第一气体混合物和第二气体混合物的混合。
如已经阐明的，延伸到混合室中并且具有用于第二气体或第二气体混合物的进料孔的一个或多个进料管可以有利地采用管式分配器的形式。以此方式，可以实现第二气体或第二气体混合物在第一气体或第一气体混合物中或在混合室中的均匀分布。
在本发明的范围内，尤其是具有圆柱形内部的相应的混合室，其中圆柱形内部的一个横截面圆形表面由所述边界壁形成。特别地，该圆柱形内部不会从边界壁沿反应区的方向锥形变窄，或者不会经历横截面的任何变化，使得相应的反应区能够以技术上简单的方式在已知反应器中实施。
特别地，其它圆柱形内部的横截面圆形表面由具有通道的其它边界壁形成，其中其它边界壁将反应区与混合室分隔开。特别地，其它边界壁可以是管板，填充有催化剂的反应管从该管板伸出。可以以技术上简单且非复杂的方式将两个边界壁设置为可安装在相应反应器的圆柱形外壳中的圆盘。
特别地，混合室可以限定为使得所述两个边界壁(例如通过双头螺栓)以限定的距离彼此固定，该限定的距离设定混合室的尺寸。特别地，相应的双头螺栓可以被拧到其中一个边界壁上并且被焊接到另一个壁上。以此方式，可以设计相应的反应器，使得其可以完全拆卸。以此方式，在假定爆炸同时对称地作用在边界壁上的情况下，两个边界壁可以相互支撑，从而可以省去进一步的支撑措施或减小其尺寸。
特别有利的是，在本发明的范围内所使用的混合室为防爆形式。由于在空间上明显减小了混合区，因此可以以特别简单和廉价的方式实现相应的防爆设计。作为防爆设计的替代或补充，可以使用耗散措施或装置，例如爆破片或防爆翼。
更具体地，在本发明的范围内，所述边界壁之间的区域可以减小到小于一米，特别是小于半米。
总体上，在本发明的范围内所提出的措施可以实现以规则的方式或在出现过程偏差的情况下将所形成的可燃气体混合物减小到非常小的体积。不必要点火的影响仅限于此小体积。由于受体积小的限制，最大可能发生的是爆炸；防止转变为爆轰。混合室形式的小容积可设计成可抗爆炸压力，这样操作就不会受到任何爆炸的严重损害。根据本发明的工艺还可以在较高的系统压力和高的反应物浓度下进行。例如，与EP 1292 382 B1中提出的分别喷射到各个反应管中的解决方案相比，根据本发明的工艺或相应的反应器可以以一种技术上简单的方式执行或设置。
在下文中，参考示出了本发明的优选配置的附图来详细说明本发明。
附图说明
图1以高度简化的局部视图示出了本发明的一个实施例中的反应器。
图2以高度简化的局部视图示出了本发明的一个实施方案中的反应器中混合室的边界壁。
在附图中，相应的元件带有相同的附图标记，并且为了清楚起见，不再对其重复说明。
具体实施方式
图1以高度简化的局部视图示出了本发明的一个实施例中的反应器，其整体上标记为1。反应器1以纵剖面示出。反应器1包括混合室11和反应区12，它们均呈圆柱形并具有中心轴线A。
混合室11通过边界壁13从上游区域10界定，第一气体或第一气体混合物(如箭头所示)从该上游区域10沿边界壁的方向流动。关于第一气体或第一气体混合物的性质，明确地参考了上述说明。第一气体或第一气体混合物通过通道131流入混合室11，该通道131尤其可以采用喷嘴的形式，特别有利地为拉瓦尔喷嘴或具有拉瓦尔特性的喷嘴的形式。如所阐明的，调节在临界流状态下进行。
同样参考上述说明，为了输送第二气体或气体混合物，设有一个或多个带有进料孔141并进入混合室11的进料管14。如所阐明的，第二气体或第二气体混合物还可以以临界流状态进料。
混合室11还由具有通道151的其它边界壁15界定，该边界壁在所示的示例中是管板，该管板可以与尤其已填充有合适的催化剂的反应管16相连。所述元件还由限定了反应器1围绕中心轴线A的圆柱形横截面的外壳段17a至17d界定。
图2以高度简化的局部视图示出了本发明的一个实施例中的反应器的边界壁13、15。为了进一步阐明，参考了与图1有关的说明。特别地，图2示出了如何通过双头螺栓18将这些边界壁13、15彼此间隔开限定的距离，在所示的例子中，这些螺栓18已经被焊接到边界壁15并且被拧到边界壁13。

Claims (14)

1.形成和催化转化气态反应物混合物的工艺，其中，将第一气体或第一气体混合物和第二气体和第二气体混合物混合以得到反应物混合物，然后将其供应到反应器(1)的反应区(12)，其特征在于，将所述第一气体或第一气体混合物和所述第二气体和第二气体混合物进料到具有边界壁(13)的混合室(11)，该边界壁设有多个通道(131)，在此处所述第一气体或第一气体混合物以临界流状态通过通道(131)进料到混合室(11)，以及所述第二气体和第二气体混合物通过一个或多个带有进料孔(141)并延伸到混合室(11)中的进料管(14)进料到混合室(11)中。
2.根据权利要求1所述的工艺，其中，将所述第一气体或第一气体混合物提供于背离所述混合室(11)的边界壁(13)的一侧上，其压力高于所述混合室(11)中存在的压力。
3.根据权利要求1和2中任一项所述的工艺，其中，将所述第二气体或第二气体混合物以比可燃气体混合物的层流或湍流火焰速度更高的速度和/或临界流状态进料到混合室(11)。
4.用于形成和催化转化气态反应物混合物的反应器(1)，其中，所述反应器(1)具有反应区(12)，并且设置为混合至少一种第一气体或第一气体混合物和一种第二气体或第二气体混合物以获得反应物混合物并将其供应至所述反应区(12)，其特征在于，所述反应器(1)包括具有设有多个通道(131)的边界壁(13)的混合室(11)，其中设置有将第一气体或第一气体混合物以临界流状态通过通道(131)进料到混合室(11)的装置，以及其中设置有一个或多个具有进料孔(141)并延伸到混合室(11)中的进料管(14)，以将第二气体或第二气体混合物进料到混合室(11)。
5.根据权利要求4所述的反应器(1)，其中，所述通道(131)至少部分地呈圆柱形孔的形式。
6.根据权利要求4所述的反应器(1)，其中，所述通道(131)至少部分地呈喷嘴的形式。
7.根据权利要求6所述的反应器(1)，其中，呈喷嘴形式的所述通道(131)至少部分具有文丘里或拉瓦尔特性。
8.根据权利要求6或7所述的反应器(1)，其中，呈喷嘴形式的所述通道(131)至少部分可更换。
9.根据权利要求4-8任一项所述的反应器(1)，其中，所述混合室(11)设有无规填料和/或具有静态混合作用的规整填料和/或设有另一个混合单元。
10.根据前述权利要求中任一项所述的反应器(1)，其中，一个或多个具有进料孔(141)并延伸到混合室(11)中的进料管(14)采用管式分配器的形式。
11.根据权利要求4-10任一项所述的反应器(1)，其中，所述混合室(11)具有圆柱形内部，其中圆柱形内部的横截面圆形表面由边界壁(13)形成。
12.根据权利要求11所述的反应器(1)，其中，圆柱形内部的其它横截面圆形表面由具有通道(151)的其它边界壁(15)形成，其中其它边界壁(15)将反应区(12)与混合室(11)区分开。
13.根据权利要求12所述的反应器(1)，其中，所述边界壁(13,15)通过双头螺栓以限定的间隔彼此固定。
14.根据权利要求4-13任一项所述的反应器(1)，其中，所述混合室(11)为防爆型。
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