CN1332653A - 催化剂支承结构 - Google Patents
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Abstract
一种例如用于氨氧化反应器的催化剂支承结构,具有一系列设置在催化剂床之上的主要支承件(19),一个设置在催化剂床之下而承载催化剂床的网格组合件,网格组合件被延伸穿过催化剂床的悬挂设施(27)悬挂在主要支承件(19)上。该支承结构最好包括一个固定的起动燃烧器装置,其形式为设在主要支承件(19)邻近的一根或多根穿有小孔的管。
Description
本发明涉及一种催化剂支承结构，具体地说所支承的催化剂是供在较高温度下进行的化学反应用的，特别是在将氨氧化制造硝酸的过程中。
以前在氨的氧化过程中，催化剂的形式通常为一叠由活性材料如铂通常还加上其他贵金属如钯制成的线网或筛，该线网被支承在催化剂层之下横越反应容器而设置的钢梁的网格上。在传统的操作条件下，反应剂例如氨和空气的气体混合物常在100到300℃的较高温度下输入到催化剂之上的容器空间内。它们在移动通过催化剂时，发生强烈的放热反应，气体的温度迅速上升，通常可达800到950℃，支承网格就暴露在这样的高温下。反应容器的直径通常为2到6m，为了承受高温而在支承催化剂时没有不适当的变形，网格一般必需用间隔较密的、具有相当深度通常为15至30cm的钢梁横越容器构成。这种结构是笨重的，并且由于构造材料须能承受苛刻的操作条件，因此费用昂贵。传统上该网格具有焊接的“瓶格”(存放瓶子用)那样的构造。这种装置不仅笨重和昂贵，而且容易弯曲和损坏，由于是焊接结构，损坏后难于修理并且费钱。
我们实现了比这轻得多、因此较为便宜并且较易操作的支承结构，这种支承结构能被用作主要支承件，只要将这主要支承件设置在催化剂床之上条件较不严厉的地方就可以了。
按照本发明提供的在一容器内支承催化剂床的结构具有一系列横越容器延伸的主要支承和一个载有催化剂床的网格组合件，该组合件设置在主要支承之下并通过延伸穿过催化剂床的悬挂设施悬挂在主要支承件上。
现在结合附图说明本发明。
图1为通过一个氨氧化反应器的概略的垂直剖面；
图2为该反应器的上部外壳件拿去后的平面图；
图3为图2中沿III—III线的剖面；
图4为图3中基体组合件的平面图，主要支承组合件和盖板已被除去；
图5为基体组合件一部分的等角投影图；
图6为图2中一部分的放大平面图示出四个基体组合件和被支承的格栅组合件；
图7为格栅组合件一部分的立视图；
图8为图7中沿VIII—VIII线的剖面，相邻格栅组合件用虚线示出；
图9为裙部一部分的剖视图示出将格栅组合件支承在容器壁上的方法；
图10为图9的布置的平面图；
图11为与图3下部类似的图示出另一个实施例；
图12为与图10类似的图示出另一个实施例中将格栅组合件支承在容器壁上的方法；
图13为与图8类似的图示出另一个实施例；
图14和15均为与图3类似的图示出另一个起动用燃烧器的布置。
参阅图1，氨氧化反应器具有一个一般为圆形横截面的外壳，被制成上、下两个壳件10、11，分别设有反应剂输入口12和反应产物输出口13。上壳件设有一块横越壳体延伸的多孔扩散板14。反应器的直径通常约为4m。
下壳件载有一个位在容器内周周围的裙部15，裙部15用一向外伸出的法兰搁置在下壳件上边缘的槽口16上。裙部15有一上圆筒形部，接下来是一个向内倾斜的截圆锥部17。由于在操作时裙部的下部容易处在一个高得多的温度下，例如约为900℃，而上部通常仅约为300℃，圆锥的形状使裙部的下部可有与上部多少不同的热膨胀。
如图2所示，有多个槽形截面的支承18在弦线的两端成对地焊接在裙部圆锥形的上部上。通常有五对支承18。每一对槽形支承载有一个主要支承件19，这些主要支承件承载着网格组合件，由于主要支承件位在催化剂床之上反应器内温度较低的部分，因此它们不需用能承受在催化剂床内或之下的高温的材料来制造。主要支承件可以是实心的或空心的并且可以具有任何方便的横截面，但它们最好为管子，因为材料和尺寸都合适的管子马上可以得到供售。所需主要支承件的数目、形状和尺寸取决于反应器的尺寸和要被支承的载荷。通常对于4m直径的反应器，可用五个主要支承件，支承件的形式为直径约为10cm、间隔约为80cm的管子。
网格组合件具有多个由成对格栅支承21连接的基体组合件20，而多个格栅组合件22(其中只有一个在图2中示出)则被格栅支承21承载。如同后面说明的那样，格栅支承21被连结到裙部15的下截圆锥形部17上。
从每一个主要支承件19上可悬挂多个基体组合件20。通常这些组合件被设置成方形，其节距相当于主要支承件19的间隔。催化剂床(在图1中用虚线示出，在图2中只示出部分)被设置在基体和格栅组合件的顶上。基体组合件20设成方形虽然较好，但并非必需，它们也可设成其他形状如长方形或三角形。
虽然基体和格栅组合件位在反应器的高温区，但各个组合件承受的载荷较低。具体地说在反应器的高温区内没有单独的载荷承受件越过整个跨度，不需要有笨重的构造来承受巨大的变形载荷。因此可以少用耐高温的材料。
在传统的氨氧化反应器内，化学反应是这样起动的，即用一个可转动的燃绕器将燃烧可燃气体如氢得到的火焰导向催化剂床来加热该床，但这种构造不适用于本发明，因为任何一种这样的燃烧器都必需设在主要支承件之上，这样在起动时就会使主要支承件受到局部的高温。
在本发明中这个问题是这样解决的，即设有一个形式为与主要支承件邻近的一根或多根管子的固定起动燃烧器装置和将可燃气体供到该装置的设施。在管子上按间隔设有多个小孔(未示出)使火陷的方向向下，并且最好从催化剂床上的管子向外。如图1、2和3所示，起动烧嘴可具有一根与主要支承件19邻近的单独的蛇形管24。为了清晰起见，在图2中这个蛇形管部分以实线示出，部分以虚线示出。燃料气体如氢如图2所示可通过一根合适的输入管25供到蛇形管内。
参阅图2和3，蛇形管24可被支承在位在每一个辅助的组合件悬挂点的支架26上。为了清晰起见在图2中支架26只是在蛇形管24以实线示出的位置上示出。如图3所示，支架26和基体组合件20是用拉杆27支承在主要支承件19上。虽然这些拉杆承受载荷并在其下端受到高温，但它们承受的是拉力，没有受到弯曲载荷。
为了使整个催化剂支承结构在装配时能够调节，基体组合件20相对于主要支承件19的位置最好用在拉杆27上下端的螺纹部和螺帽来调节。
基体组合件20在图3、4和5中较详细地示出。每一根拉杆27支承一个基体28和一个盖板29。基体28最好为铸件以避免焊接。当基体组合件20成为方形或长方形时每一基体28最好为八角形并具有成对排列的内、外两个立壁30、31。对于方形或长方形的基体组合件20，每一基体28具有四对立壁。
每一外立壁31设有一条通过其壁的槽32。内外立壁在其上表面上设有两对槽口33(见图5)。在每一对槽口33内有一铰接件34，其圆形突出部35与两槽口接合。因此每一铰接件34能相对于内、外立壁而转动。当装配时，基体组合件20的盖板29起到保持器的作用，可将铰接件34的突出部35保持在立壁的槽口33内。
每一铰接件34还设有一根销杆36，定位在突出部35的轴线之下，系从铰接部34以垂直于突出部35轴线的方向伸出。在每一端具有一条狭长槽37的格栅支承21被安装在每一根销杆36上并通过外立壁31内的槽32而延伸。这样格栅支承就被销杆36支承在铰接件34上，而铰接件34可在基体28内环绕一条平行于所说销但比它高的轴线转动。这样格栅支承21就在平行于圆形突出部35的轴线的方向上从基体28延伸出来。每一个格栅支承21在其另一端与相邻基体组合件的铰接件上的相应销杆接合，或者与连接到裙部15下部17的周边上的销杆接合。格栅支承在裙部周边上的固定件将在下面结合图9说明。
由于狭长槽37，格栅支承21可沿纵向相对于基体28而自由移动，由于铰接件34，还可在侧向上自由摆动，因此可在侧向上位移。由于在立壁30、31内的每一对槽口33载有一个铰接件34，而每一个铰接件34载有一个格栅支承21，因此，基体组合件20被互相间隔开并可相互相对在侧向和纵向上自由移动的成对格栅支承21连接着。这样基体组合件20、从而拉杆27就不会受到由于热而引起的侧向应力，因此能引起弯曲的力可减少。
参阅图6，其中四个相邻的基体组合件20被成对的格栅支承连接着。格栅组合件22位在每一对的内格栅支承上。格栅组合件具有一个外八角形的环状件38，其尺寸被这样制定，使它在热膨胀时不会将不合适的力施加在其他格栅支承上的格栅组合件上和基体组合件20上。为了避免焊接，环状件38可简单地用弯曲金属构造。环状件38设有多个向下伸出的定位凸耳40用来使格栅组合件相对于格栅支承21而定位。这样环状件38的膨胀虽会使格栅支承21在纵向和侧向上移动，但如前所述，由于格栅支承21是通过铰接件34和格栅支承21两端的狭长槽37安装的，这种纵向和侧向移动不会在基体组合件20和拉杆27上造成弯曲力。
如图6、7和8所示，环状件38在其上表面的对侧上设有多个缺口。其中两个对侧的缺口41用来支承槽内的横杆42，而该横杆42又有缺口43支承着直杆44。直杆44的两端位在环状件38另外两个对侧的缺口45内。横杆42、直杆44和环状件38的上表面最好与盖板29的上表面基本上为同一平面。在横杆42上开出的缺口及横杆和直杆的长度被这样制定尺寸使它们能够进行相对移动来适应热膨胀。直杆和横杆的数目和间隔取决于设在格栅组合件之上的催化剂层允许作出的“下沉”。一般地说，如同以后要说明的那样，有一线网46设在格栅组合件的顶上，使它在相邻的横杆之间起到支承的作用。通常在相邻横杆之间和在相邻直杆之间的间隔是在2到15cm的范围内，特别是在3至12cm的范围内。但应知道在相邻横杆之间的间隔没有必要与在相邻直杆之间的间隔相同。
图9和10示出格栅支承21在裙部周边上的固定件。在图10中，为了清晰起见。网格46被省略。在必要的位置上，支架47被焊接到裙部的下圆锥形部17上。有一对铰接件48用铰接销49枢支在每一个支架上，可环绕一条平行于格栅支承21长度的轴线旋转。每一铰接件48都有一销50从其侧向伸出垂直地离开铰接销49。每一销都与相关格栅支承端头的狭长槽37接合。应该知道与裙部周边邻近的环状件的形状应适合裙部和格栅支承21所围起的面积。
将铰接件34、48枢支在比支承格栅支承21的销杆36、50高的位置上，这样，当组合件在室温下装配时，格栅支承21自然会下垂到最低位置。而当加热时，不同的热膨胀将使铰接件34、48绕枢旋转以致格栅支承21略有提高。但在组合件冷却而收缩时，铰接件仍会恢复原状。
在图11、12和13所示的可替代的实施例中，可以采用比较简单的构造而把铰接件省掉。其中每一个格栅支承21在每一端都有一个突出的带缺口的凸耳51与基体28外立壁31内的狭长槽或缺口52接合，内立壁被省掉。与此类似，在裙部的周边上，该凸耳与固紧在裙部下部17的支架47上的槽或缺口53接合。这样格栅支承便可在槽52或53内自由地在纵向膨胀和在侧向上移动。在这个实施例中，八角形环状件被省掉，横杆42被装在格栅支承36的上表面上的缺口54内。横杆42的两端设有缺口55与格栅支承上的缺口54接合。这样在横杆42热膨胀或收缩时，格栅支承21便可沿侧向移动到槽或缺口52、53内。由于有缺口55，在冷却收缩时，格栅支承会返回到其冷时没有位移的位置上。
应该知道整个支承组合件能用简单的方式构造，可以先把基体28(有拉杆27从其上向上伸出)和裙部(其上焊接着或用其他方法固紧着其槽形截面支承18和法兰47)支承在一个合适的衬底上，然后把格栅支承21(和铰接件34、48，如果使用的话)设置在基体28和法兰47上，接着把八角形环状件(38)定位在格栅支承21上，把横杆42设置在适当的缺口41或54内，然后把直杆44定位在横杆42上的缺口43内，接着将盖板29定位，然后将按间隔具有为拉杆27开设的孔的线网46放置在直杆44和盖板29上。线网最好为一单独件覆盖在裙部的整个区域上，并且如果需要，可用焊接固紧在裙部的周边上。于是可将形式为一叠线网或微粒的催化剂放置在网格46之上。接下来可将支架26、蛇形管24和主要支承件19定位在拉杆27上使主要支承件19搁置在槽形截面支承18上。然后可将螺帽56(见图3)设置在每一拉杆的上端，这样便可将载有整个组合件的裙部15提起并放置在反应器内。
在上述实施例中，是将通过蛇形管24供应的气体燃烧来使催化剂床加热到点燃温度的。虽然这样做能使所有的床同时加热的，但由于需要数量较大的燃料气如氢，这种装置实际上会发生困难。一种可替代的装置是将床的各部分轮流加热。要做到这一点可用多根分开的与每一主要支承件平行的管子来替代蛇形管并且设有设施除了加热在其下的那部分催化剂床的那根管子外可以隔绝所有管子的燃气供应。
在另一个装置中，主要支承件可沿径向设置而不是互相平行，这样就可提供没有拉杆的扇形的网格组合件。在这种情况下，主要支承件可在垂直方向上相互相对位移使它们在装置中心互相交叉，这样在中心就可不需设置焊接的连接件。这时起动加热器可采用多根沿径向延伸的燃烧器管的形式，在该管上设有多个小孔使火焰能够从该管投向下方的催化剂床，并设有设施可使在主要支承件下面沿着径向延伸的燃烧器管环绕装置的纵长轴线摆动越过在拉杆之间的扇形管。沿径向延伸的燃烧器管可从中央供应管得到燃气供应。
可替代的、较优的起动燃烧器装置在图14和15的实施例中示出。图14与图3相似，只是基体组合件系用点线示出，蛇形管24及其支承支架26被省掉并且拉杆27的部分长度为空心。在催化剂床之上合适的位置上钻有多个与拉杆27中空内部58连通的孔作为燃烧器的孔。在起动时，用未被示出的设施将燃料气如氢供到拉杆中空内部58的上端使它向下流动通过中空内部和燃烧器孔流出而燃烧生成火陷来加热催化剂床。
应该知道拉杆可以是一管子在其下端具有合适的盖或塞子。或者拉杆可分段构成，例如实心杆的下段和管状的上段，然后用焊接成螺纹把它们连接起来。
图15与图14相似，但只示出拉杆组合件的上部，每一拉杆在催化剂床之上设有一个形式为中空圆筒形壳59的封闭体的燃烧器组合件，其上在合适的位置上设有多个小孔作为燃烧器孔60还有一个燃料气供应管61。
应该知道，在图14和15的装置中，如果需要可将燃烧器孔倾斜以便使火焰向下投到催化剂床上。当基体组合件20和拉杆27被设置成方形如图2所示时，每一拉杆可设有四个燃烧器孔指向相对设置在上述方形对角线上的拉杆。还应知道在某些情况下并不需要在每一根拉杆上设置一个燃烧器装置，例如可在拉杆上交替设置。可以设置合适的点燃器如火花塞来点燃燃料，但由于火焰能从一个燃烧器传播到另一个燃烧器，并不需要在每一个燃烧器上都设置这种点燃设施。
如上所述，催化剂可以是一叠由贵金属如铂铑合金制成的线网或筛，也可以是一个颗粒催化剂例如稀土金属/氧化钴的组成物的固定床如同在我们的Wo 98/28073中说明过的那样。
Claims (21)
1.一种在容器内支承催化剂床的结构具有一系列横越容器延伸的主要支承件和一个载有催化剂床的网格组合件，该组合件设置在主要支承件之下并通过延伸穿过催化剂床的悬挂设施悬挂在主要支承件上。
2.根据权利要求1的结构，其特征为，主要支承件沿着弦线延伸越过容器。
3.根据权利要求1的结构，其特征为，网格组合件具有多个辅助支承组合件，其上载有多个格栅组合件。
4.根据权利要求3的结构，其特征为，每一个主要支承件可用拉杆悬挂数个辅助支承组合件。
5.根据权利要求4的结构，其特征为，辅助支承组合件被设置成方形。
6.根据权利要求4或5的结构，其特征为，辅助支承组合件具有由成对格栅支承连接的基体，这些格栅支承被基体支承并能相互相对和对基体作纵向和侧向的移动。
7.根据权利要求6的结构，其特征为，格栅支承被一销支承在铰接件上，而铰接件可在基体内环绕一条平行于但高于所说销的轴线转动。
8.根据权利要求6或7的结构，其特征为，格栅组合件被连接相邻基体的每一对格栅支承中的在内的一个所支承。
9.根据权利要求8的结构，其特征为，格栅组合件具有零件可延伸越过所说内格栅支承所围住的区域而自由沿纵向移动。
10.根据权利要求9的结构，其特征为，所说格栅组合件包括一个与所说内格栅支承接合的环状件，而所说延伸越过所说内格栅支承所围住区域的零件被设置在所说环状件的上表面的缺口内。
11.根据权利要求1到9中任一项的用于氨氧化的结构，其特征为，催化剂床具有由贵金属制成的一叠线网或筛。
12.根据权利要求1到9中任一项的用于氨氧化的结构，其特征为，催化剂床为由稀土金属/氧化钴组成的颗粒的固定床。
13.根据权利要求1的结构，其特征为，主要支承件沿径向设置。
14.根据权利要求1到13中任一项的结构，其特征为，包括一个固定的起动燃烧器，其形式为一根或多根与主要支承件邻近的穿有多个小孔的管，小孔被这样设置使火焰能向下投向催化剂床，还包括能将可燃气体供到所说管上的设施。
15.根据权利要求14的结构，其特征为，所说起动燃烧器具有一根设置在主要支承件邻近的单独的穿有多个小孔的蛇形管。
16.根据权利要求1到13中任一项的结构，其特征为，悬挂设施具有拉杆，并且其中至少有几个设有起动燃烧器装置。
17.根据权利要求16的结构，其特征为，至少有几根拉杆是空心的，具有径向的孔，并设有将燃料气供到所说空心拉杆内部的设施。
18.根据权利要求16的结构，其特征为，至少有几根拉杆在至少其一部分长度上设有环绕拉杆的封闭体，所说封闭体设有燃烧器孔和将燃料气供到所说封闭体内的设施。
19.根据权利要求13的结构，其特征为，包括一个固定的起动燃烧器装置，其形式为多根沿径向延伸的燃烧器管，每一扇形区一根，每一管上设有多个小孔使火焰能从管子向下投到催化剂床上，并备有设施可在主要支承件之下摆动沿径向延伸的燃烧器使它环绕装置的纵向轴线转动。
20.根据权利要求1到19中任一项的结构，其特征为，所说主要支承件由位在容器内周周围的裙部承载。
21.根据权利要求20的结构，其特征为，裙部的下部具有截圆锥体形，网格组合件按间隔被连结在所说下部。
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