CN203916629U - 用于氧化或氨氧化反应器的改进的空气格栅系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种用于氧化或氨氧化反应器的改进的空气格栅系统。当分布器系统(16)和空气格栅(14)之间的距离被控制在6至24英寸(~15至~61cm)、优选地8至12英寸(~20至~30.5cm)内时，商用丙烯腈反应器中不充分的反应物混合以及局部反应器过热点可显著地减轻。此外，空气格栅接触或离开支撑件的移动和空气格栅机械失效的问题可借助于用于将空气格栅附连到反应器的壁以及其内部的支撑梁的改进的系统来基本上完全地消除。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种用于氧化或氨氧化反应器的改进的空气格栅系统。
背景技术
在丙烯腈的商业制造中，丙烯、氨和氧按照以下反应图式一起反应：
CH2=CH-CH3 + NH3
+ 3/2 O2 → CH2=CH-CN+ 3 H2O
通常称为氨氧化的这个过程在合适的流化床氨氧化催化剂的存在下在高温下以气相进行。
图1示出了用来进行该过程的典型的氨氧化反应器。如该图所示，反应器10包括反应器壁12、空气格栅14、进料分布器(sparger)16、冷却盘管18和旋流器(cyclone)20。在正常操作期间，工艺空气通过空气入口22充入反应器10中，而丙烯和氨的混合物通过进料分布器16充入反应器10中。两者的流量都足够高，以使反应器内部的氨氧化催化剂的床24流化，在其中发生丙烯和氨向丙烯腈的催化氨氧化。
由反应产生的产物气体通过反应器流出物出口26离开反应器10。在这样做之前，产物气体穿过旋流器20，旋流器20去除这些气体可夹带的任何氨氧化催化剂，以通过料腿(diplegs)25返回到催化剂床24。氨氧化是高度放热的，因此使用冷却盘管18来带走过量的热量，从而将反应温度保持在适当水平。
丙烯和氨可与氧形成爆炸性混合物。然而，在正常操作温度下，在反应器10内部由流化的氨化作用催化剂来防止爆炸，该催化剂在爆炸可发生之前优先催化氨氧化反应。相应地，反应器10被设计和操作成使得在正常操作期间允许工艺空气接触丙烯和氨的唯一地方是在氨氧化催化剂24的流化床内，且因此仅在催化剂的温度高至足以催化氨氧化反应时。
为此，将丙烯和氨进料到反应器10的传统方式使用诸如在U.S. 5, 256,810中所示的进料分布器系统16，该专利的公开内容以引用方式并入本文中。如‘810专利的图1和图2(这两幅图被重新编号为本文献的图2和图3)中所示，进料分布器16采取一系列供应管或管道的形式，其包括主集管30和支管(lateral)32，支管32附连到集管30且从集管30分出。一系列面向下的进料喷嘴34被限定在集管30和支管32中，丙烯和氨的混合物在正常反应器操作期间通过进料喷嘴34充入。支管32和进料喷嘴34的数目和间距使得横跨反应器10的整个横截面积大致均匀地定位有每平方米总共约10至30个进料喷嘴。
通常，每个进料喷嘴34都被进料护罩36包围，进料护罩36采取管道的短部段的形式，该管道的内径为喷嘴34直径的若干倍。进料护罩36使得穿出喷嘴34的气体的速度能够在离开进入催化剂床24之前显著减慢，这防止了本来可发生的催化剂的崩解(disintegration)。
工艺空气通常在穿过空气格栅14之后进入催化剂床24(图1)，空气格栅14位于进料分布器16下方。如熟知的，空气格栅14通常采取连续的金属片材的形式，其限定在其中的一系列空气孔或喷嘴。空气喷嘴的直径、穿过空气格栅14的工艺空气的质量流量和穿过进料分布器16的丙烯/氨混合物的质量流量经选择，使得催化剂床24中的氨氧化催化剂在正常操作期间被这些气体完全流化。
空气孔76(在图5中)通常设有其自己的保护性空气护罩(未示出)，该护罩通常位于空气格栅14下方。此外，在许多情况下，进料喷嘴34与空气格栅14中的空气喷嘴以一对一关系设置，其中，每个进料护罩36直接对准其对应的空气喷嘴以促进穿出这两种不同喷嘴的气体的快速且充分的混合。就本申请的目的而言，这样的空气喷嘴被称为无盖的。参见U.S. 4,801,731。在其它情况下，空气喷嘴可具有安装在其正上方的盖，以优先地沿格栅水平地(以定向或均匀方式)而不是正对着进料护罩竖直地分配空气。这些盖可以是焊接在这样的空气喷嘴上方的小金属罩。将盖附连到格栅的腿部的设计可选择成优化水平气体分布模式。在空气孔上方的这些盖也可设计成防止处于反流化状态的催化剂(i)通过空气孔下落和/或(ii)沉降在盖本身上(例如，通过具有坡面或由角铁制成)。
虽然这种一般类型的丙烯/氨进料系统效果良好，但其可存在某些缺点。例如，穿出进料分布器16的丙烯/氨进料混合物与穿出空气格栅14的空气的混合可能是不充分的。这会降低反应器性能，导致反应物向产物的不太理想的转化。
此外，由氨氧化催化剂产生的钼垢(molybdenum scale)可造成一小堆这种钼垢加上额外量的夹带的催化剂以小的催化剂堆的形式积聚在空气格栅14的上表面上。这些堆作用类似于其中氨氧化反应持续发生的微型的静止或“固定的”催化剂床。因为固定的催化剂床内部的热传递远弱于在流化床中，所以这些催化剂堆产生局部过热点，该过热点的温度高到足以损坏刚好到达附近的任何流化的催化剂。例如，这样的温度高到足以煅烧到达附近的任何流化催化剂的表面，这继而减小表面积和因此减小催化剂活性。并且，由于形成流化催化剂床的各个催化剂颗粒自由地循环通过其整个体积，所以随时间推移，这些过热点可损坏反应器中的流化床催化剂的所有装料。
另外的缺点包括丙烯腈反应器的结构的机械问题。典型的商用丙烯腈反应器在大约400至550°C的相对恒定的温度下操作，但的确会出现波动。此外，氨氧化反应器必须定期停机，以进行正常维护、催化剂更换等，并且由于突发性的故障，诸如例如电源故障。由于正常操作温度如此之高，当反应器在环境温度和正常操作温度之间转变时，反应器内部的温度变化可高达500°C或以上。这种在低温和高温之间的循环可在形成反应器的结构构件上施加相当大的应力，尤其是在它们连接到彼此的地方，因为这些结构构件的固有膨胀和收缩响应于温度变化而发生。随着时间推移，这些应力可导致机械失效，尤其是在由焊接形成的接头处。
例如，空气格栅14附连到反应器10的壁12的正常方式在图4中示出。如图所示，空气格栅14由折角(knuckle)44附连到反应器的侧壁12，该空气格栅14采用在其中具有一系列孔的基本上平坦的金属板40的形式。如在该图中所示，折角44在横截面上采用金属的凹形截面的形式，其上端46与侧壁12基本上齐平且由焊缝48焊接到侧壁12，并且其下端50与空气格栅板40的面对的边缘基本上共平面且由焊缝52焊接到该边缘。
在直径31英尺(~9.4米)的大型商用丙烯腈反应器中，例如，空气格栅板40可响应于在反应器启动和停机期间所经历的温度变化而水平地膨胀和收缩多达½英寸(1.27cm)。这在折角44上产生很大的应力，且尤其是在用来将折角44附连到空气格栅板40和反应器侧壁12的焊缝48和52。遗憾的是，随时间推移，这些应力可导致机械失效，这又需要长的停机时间以进行修理和/或更换。
与上述常规设计相关联的另一个缺点涉及空气格栅挠曲。由于在反应器10停机时空气格栅16必须支撑反应器10内部的催化剂装料的整个重量，因此需要从下方支撑空气格栅板40以适应该重量。通常，这借助于上面搁置空气格栅板40的工字梁系统来实现。在一些反应器设计中，空气格栅板40仅搁置在这些工字梁上。遗憾的是，在这些设计中，空气格栅板40具有在正常操作期间颤动的趋势，这不仅是由于向上移动通过该空气格栅板的空气的力，而且也由于当其温度升高至正常操作温度时其固有的膨胀。在其它设计中，空气格栅板40焊接到这些工字梁的顶部。遗憾的是，在这些设计中，向上移动的空气的力加上空气格栅板的固有膨胀可导致这些焊缝的机械失效。
实用新型内容
根据本公开的技术，已经发现，当分布器系统16和空气格栅14之间的距离被控制在6至24英寸(~15至~61cm)、优选8至12英寸(~20至~30.5cm)内时，反应物混合不充分以及局部反应器过热点的上述问题可显著地减轻。此外，还发现的是，空气格栅颤动和空气格栅机械失效的上述问题可借助于用于将空气格栅附连到反应器的壁以及其内部的支撑梁的改进的系统来基本上完全地消除。
因此，本公开根据一个特征提供了一种用于诸如丙烯腈反应器的商用氧化或氨氧化反应器的改进的进料系统，其包括：进料分布器，其用于将不饱和的和/或饱和的C3至C4烃与氨的混合物供应至反应器的内部；以及空气格栅系统，其用于将空气供应至反应器的内部，进料分布器包括主集管管道和流体附连到主集管管道且从主集管管道分出的支管管道，主集管管道和支管管道两者均限定面向下的进料喷嘴，进料分布器系统还包括与相应的进料喷嘴相关联的进料护罩，每个进料护罩包括近端，该近端连接到相应的支管管道或集管管道且布置成将穿出其相应的进料喷嘴的C3至C4烃和氨向下导向进入反应器的内部，空气格栅系统包括布置在进料分布器系统的下方的连续金属板，连续金属板限定在其中的一系列空气孔以用于将工艺空气从连续金属板的下方朝分布器系统导向至连续金属板的上方，其中在连续金属板的上表面和进料护罩的远端之间的距离被选择为在约6至24英寸(~15至~61cm)之间。如本文中所用地，不饱和的和/或饱和的C3至C4烃的混合物是指包括丙烷、丙烯、丁烷、丁烯、以及它们的混合物的C3至C4烃。
在另一方面，提供了一种用于为氧化或氨氧化反应器供料的方法，其包括将饱和的和/或不饱和的C3至C4烃和氨的混合物通过进料分布器供应至反应器的内部。进料分布器包括主集管管道和流体附连到主集管管道且从主集管管道分出的支管管道，主集管管道和支管管道两者均限定面向下的进料喷嘴。进料分布器系统还包括与相应的进料喷嘴相关联的进料护罩，每个进料护罩包括近端，该近端连接到相应的支管管道或集管管道且布置成将穿出其相应的进料喷嘴的饱和的和/或不饱和的C3至C4烃和氨向下导向进入丙烯腈反应器的内部。该方法还包括将空气通过空气格栅系统供应至反应器的内部。空气格栅系统包括布置在进料分布器系统的下方的连续金属板，连续金属板限定在其中的一系列空气孔以用于将工艺空气从连续金属板的下方朝分布器系统导向至连续金属板的上方。在一方面，在连续金属板的上表面和进料护罩的远端之间的距离为约6至约24英寸(约15至约61cm)之间。
此外，本公开根据另一个特征提供了一种用于在诸如丙烯腈反应器的商用氧化或氨氧化反应器中使用的改进的空气格栅系统，该改进的空气格栅系统包括：连续金属板，其限定上表面、下表面和在上表面与下表面之间延伸的周边，该连续金属板还限定一系列空气孔以用于将工艺空气从连续金属板下方朝位于连续金属板上方的分布器进料系统导向；以及支撑系统，其用于支撑连续金属板和可搁置在连续金属板上的任何氧化或氨氧化催化剂的重量，其中支撑系统包括一系列支撑梁和固定地附连到连续金属板的下侧的一系列支撑件压具(hold-downs)，每个支撑梁具有接合连续金属板的下侧的上支撑表面，每个支撑件压具布置成以如下方式接合在相应的支撑梁中限定在其上表面下方的配合表面，即使得支撑件压具防止连续金属板被抬离成系列支撑梁。
在另一方面，提供了一种用于减少商用氧化或氨氧化反应器中的空气格栅系统的移动的方法。该方法包括提供空气格栅系统，该空气格栅系统包括：连续金属板，其限定上表面、下表面和在上表面与下表面之间延伸的周边。该连续金属板还限定用于将工艺空气从连续金属板的下方导向至连续金属板的上方的一系列空气孔；以及支撑系统，其用于支撑连续金属板和可搁置在连续金属板上的任何氧化或氨氧化催化剂的重量。在一方面，支撑系统包括均具有接合连续金属板的下侧的上支撑表面的成系列支撑梁和固定地附连到连续金属板的下侧的成系列支撑件压具。每个支撑件压具布置成以如下方式接合在相应的支撑梁中限定在其上表面下方的配合表面，即使得支撑件压具防止连续金属板被抬离成系列支撑梁。
此外，本公开根据另一个特征提供了一种用于在诸如丙烯腈反应器的商用氧化或氨氧化反应器中使用的改进的空气格栅系统，该改进的空气格栅系统包括：连续金属板，其限定上表面、下表面和在上表面与下表面之间延伸的周边，该连续金属板还限定一系列空气孔以用于将工艺空气从连续金属板的下方朝位于连续金属板上方的分布器进料系统导向；以及连接组件，其用于将连续金属板的周边附连到氧化或氨氧化反应器的侧壁，其中连接组件包括挠性板和配合的隔板，挠性板和隔板各自包括限定顶部和底部的环形金属片材，挠性板和隔板均布置成与氧化或氨氧化反应器的侧壁基本上一致(congruent)，其中隔板附连到氧化或氨氧化反应器的侧壁，其中挠性板的底部附连到连续金属板的周边，并且其中挠性板以使得挠性板限定在隔板的底部下方延伸的下部的方式附连到隔板，以使得因反应器内部的温度变化所导致的连续金属板的直径中的偏差可通过使挠性板的下部挠曲而适应。
在另一方面，提供了一种用于适应在空气格栅系统中的挠曲的方法，该方法包括提供连续金属板，该连续金属板限定上表面、下表面和在上表面与下表面之间延伸的周边。连续金属板还限定一系列空气孔以用于将工艺空气从连续金属板的下方导向至连续金属板的上方，以及用于将连续金属板的周边附连到反应器的侧壁的连接组件。连接组件包括挠性板和配合的隔板，挠性板和隔板各自包括限定顶部和底部的环形金属片材。挠性板和隔板均布置成与反应器的侧壁基本上一致，其中隔板附连到反应器的侧壁，其中挠性板的底部附连到连续金属板的周边，并且其中挠性板以使得挠性板限定在隔板的底部下方延伸的下部的方式附连到隔板，以使得因丙烯腈内部的温度变化导致的连续金属板的直径上的偏差可通过使挠性板的下部挠曲而适应。
附图说明
图1是示意图，其示出了用于制备丙烯腈的常规氨氧化反应器的反应器部段；
图2是平面图，其示出了图1的氨氧化反应器的常规分布器系统的下侧；
图3是沿图2的线3-3截取的剖视图，图3示出了图2的常规分布器系统的进料喷嘴和相关联的进料护罩；
图4示出将丙烯腈反应器的空气格栅附连到反应器的壁的常规方式；
图5是丙烯腈反应器的局部剖视图，其示出了本公开的第一特征，其中通过将空气格栅和进料分布器彼此间隔开适当距离而改善了常规的丙烯腈反应器的性能，并且减小了对丙烯腈反应器的某些部件的机械损坏；
图6示出本公开的第二特征，其中提供了用于支撑丙烯腈反应器的空气格栅的新型支撑系统；以及
图7示出本公开的第三特征，其中提供了用于将丙烯腈反应器的空气格栅14固定到反应器的侧壁的独特连接组件。
具体实施方式
图5示出了本公开的技术的第一特征，其中空气格栅14与进料分布器16间隔开适当距离，特别地6至24英寸(~15至~61cm)。具体而言，如图所示，进料分布器16包括多个进料护罩60，每个进料护罩与限定在分布器系统的集管30或支管32中的相应的进料喷嘴相关联。每个进料护罩限定连接到其相应的集管30或支管32的近端62和从其远离的远端64，其中进料护罩60布置成将穿出其相应的进料喷嘴的丙烯和氨进料朝空气格栅14向下导向进入丙烯腈反应器的内部。同时，空气格栅14采用连续金属板70的形式，连续金属板70布置在进料分布器16下方并且限定上表面72、下表面74和在上表面72与下表面74之间延伸的一系列空气孔76，用于将从连续金属板下方进入氨氧化反应器的工艺空气朝进料分布器16向上导向。
根据本实用新型的该特征，进料护罩60的远端64布置成在离连续金属板70的上表面72的距离为6至24英寸(~15至~61cm)处。优选地，进料护罩60的远端64布置成在离连续金属板70的上表面72的距离为8至12英寸(~20至~30.5cm)处。根据本公开的该特征，已发现的是，不但由不充分的反应物混合导致的较差反应器性能可通过遵循该方法而大大消除，而且对氨氧化催化剂的损坏和由局部反应器过热点导致的其它问题也可通过遵循该方法而消除或至少大致减少。
从理论/概念角度来看，看起来有益的是最小化在空气格栅14和进料分布器16之间的距离，因为这似乎有助于在穿出分布器16的进料气和穿出空气格栅16的工艺空气之间的最大可能程度的混合。然而，在实践中已发现，将空气格栅14布置得太靠近进料分布器16有助于形成反应器过热点，如上所述。当在空气格栅14和进料分布器16之间的距离太小时，连续金属板70中的一些空气孔76或进料护罩60的远端64或两者变得位于固有地堆积在连续金属板70的上表面72上的催化剂/钼垢堆内。这导致丙烯、氨和空气反应物在这些催化剂堆内部彼此接触，催化剂堆行为类似于其中热传递较差且因此温度迅速升高的固定的催化剂床。相应地，在进料护罩60的远端64和连续金属板的上表面72之间测量的在空气格栅14和进料分布器16之间的距离应为至少6英寸(~15cm)且优选地至少约8英寸(~20cm)，以避免该问题。
就在空气格栅14和进料分布器16之间的最大距离而言，已经发现的是，在大于约24英寸(~61cm)的距离处，反应器中的催化剂的一部分，特别是位于空气格栅14和进料分布器16之间的部分，不能有效地用于反应中。这降低了丙烯和氨反应物向产物丙烯腈的转化，这显然是不利的。相应地，在进料护罩60的远端64和连续金属板70的上表面72之间测量的在空气格栅14和进料分布器16之间的最大距离保持在不超过约24英寸(~61cm)、优选地不超过18英寸(~45.7cm)、在另一方面不超过14英寸(~35.5cm)、并且在另一方面不超过12英寸(~30.5cm)，以防止发生这种情况。
图6示出了本公开的技术的第二特征，其中提供了大体用80表示的新型支撑系统以用于支撑空气格栅14的连续金属板70的重量，包括可搁置在该连续金属板上的任何氨氧化催化剂的重量。如在该图中所示，支撑系统80采用一系列支撑梁82的形式，该支撑梁在特定实施例中显示为常规的工字梁。每个工字梁82包括上部横部段84，其限定在其上搁置连续金属板70的上表面86。此外，每个上部横部段84的下侧限定配合表面88，以用于与由空气格栅14的连续金属板70承载的支撑件压具接合，如下文进一步讨论地。
如图6中进一步所示，一系列支撑杆90焊接到连续金属板70的下侧，支撑杆的每个端部限定突出部(nose)92。如该图中进一步所示，每个突出部92在相应的工字梁82的上部横部段84的下侧延伸，在那里，突出部92接合配合表面88。利用该结构，每个支撑杆90起到压具的作用，用于使连续金属板70与工字梁82的上表面86保持接触，从而防止该连续金属板由于向上流过该金属板中的空气孔76的工艺空气的力而被抬离这些工字梁。
如图6中进一步所示，在每个支撑杆90的端部和工字梁82的面对部分之间布置有适当的空间94和96，以用于适应由于在启动和停机期间反应器内部经历的温度变化而固有地发生的这些支撑杆的长度中的变化。
利用该结构，通过支撑杆90的突出部92接合工字梁82的相应的配合表面88而将连续金属板70牢固地压紧在工字梁的上表面86上。可以理解，提供类似的附连方式的其它结构可代替支撑杆90和其相关联的突出部92来使用。在任何情况下，由于布置在每个支撑杆90的端部和工字梁82的面对部分之间的空间94和96，作为在启动和停机期间反应器10内部发生的显著温度变化的结果而发生的支撑杆90的长度上的变化通过这些空间来容易地适应。因此，支撑系统80的机械失效被大大消除。
图7示出了本公开的技术的第三特征，其中提供了独特的连接组件以用于将空气格栅14的连续金属板70的周边固定到反应器10的侧壁12。如在该图中所示，大体用100表示的该连接组件包括挠性板102和配合的隔板104。挠性板102包括细长的金属片材，其两端焊接在一起，以使得挠性板102呈现出环形形状，特别是柱形的右部段形状。利用该形状，挠性板102与空气格栅14所附连到的反应器10的侧壁12基本上一致，因为反应器10的中部也成形为柱形形式。同样地，隔板104也包括细长的金属片材，其两端焊接在一起，以使得隔板104也呈现出环形形状。
如在图7中进一步所示，隔板104布置在挠性板102和反应器10的侧壁12之间，使得挠性板102限定在隔板104的底部112下方延伸的下部114。优选地，挠性板102的底部110在隔板104的底部112下方延伸约6至约10英寸(约15至约25cm)、更理想地约7至约9英寸(约18至约23cm)的距离。
如图7中进一步所示地，挠性板102的底部110优选地通过焊接附连到空气格栅14的连续金属板70的周边。利用该结构，由于在启动和停机期间反应器10内部发生的温度上的显著变化而发生在空气格栅14的连续金属板70的直径中的变化通过挠性板102的下部114(即，在隔板104的底部112下方延伸的挠性板102的部分)的挠曲而容易地适应。因此，将空气格栅14的连续金属板70的周边连接到反应器10的侧壁12的接头的机械失效被大大消除。
本文中所述的各个方面，更具体地图4-7中所示的方面，可用于具有各种尺寸直径的反应器。在优选的方面，反应器可具有从约5至约12米、在另一方面约8至约12米、并且在另一方面约9至约11米的外径。在另一个优选实施例中，当使用在约8至约12米、或约9至约11米之间的反应器外径时，空气喷嘴为无盖的，空气被竖直地引入反应器中，最优选地竖直地朝进料护罩导向。在一个备选实施例中，当使用在约8至约12米、或约9至约11米之间的反应器外径时，空气格栅中的空气喷嘴为带盖的，空气优先地被盖水平地分布到反应器中。
虽然本文中仅描述了本公开的技术的若干实施例，但应当理解，在不脱离本技术的精神和范围的情况下，可进行许多修改。所有这样的修改旨在包括在仅由所附权利要求限制的本技术的范围内。
Claims (2)
1.一种用于氧化或氨氧化反应器的改进的空气格栅系统，所述改进的空气格栅系统包括：
连续金属板，其限定上表面、下表面和在所述上表面与所述下表面之间延伸的周边，所述连续金属板还限定一系列空气孔以用于将工艺空气从所述连续金属板的下方朝所述连续金属板的上方导向；以及连接组件，其用于将所述连续金属板的周边附连到所述反应器的侧壁，
其中，所述连接组件包括挠性板和配合的隔板，所述挠性板和所述隔板各自包括限定顶部和底部的环形金属片材，所述挠性板和所述隔板均布置成与所述反应器的侧壁一致，其中，所述隔板附连到所述反应器的侧壁，其中，所述挠性板的底部附连到所述连续金属板的周边，并且其中，所述挠性板附连到所述隔板，以使所述挠性板限定在所述隔板的底部下方延伸的下部，使得因所述反应器内部的温度变化而导致的所述连续金属板直径上的偏差能够通过所述挠性板的下部的挠曲而适应。
2.根据权利要求1所述的改进的空气格栅系统，其特征在于，所述挠性板的底部在所述隔板的底部下方延伸15至25cm。
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Cited By (2)
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| CN104941536B (zh) * | 2014-03-31 | 2020-12-25 | 英尼奥斯欧洲股份公司 | 用于氧化反应器的空气格栅系统和适应其中的挠曲的方法 |
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