CN206064160U - 一种一氧化二氮热解装置 - Google Patents

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刘�文
艾晓欣
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徐烨琨
徐航
李亚楠
陈晨
白世杰
张媛
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Abstract

本实用新型提供了一种一氧化二氮热解装置，包括用管道连接的预反应系统、反应系统和检测系统；所述预反应系统包括静态混合器和预热器；所述静态混合器的通过管线连接所述预热器；所述反应系统包括分解反应器和换热器；所述分解反应器内设有若干催化反应单元；所述分解反应器上设有温度传感器和压力传感器；所述分解反应器的进气口连接所述预热器，所述分解反应器的出气口连接所述换热器壳程的进口，所述换热器管程的进口通过管线连接所述混合器；所述检测系统包括色谱检测器；所述色谱检测器的进气端连接所述换热器的壳程出口。本实用新型所述的一种一氧化二氮热解装置，既可实现分解反应热量的回收，又可保证一氧化二氮的进行无害化分解。

Description

一种一氧化二氮热解装置
技术领域
本实用新型属于尾气处理领域，尤其是涉及一种一氧化二氮热解装置。
背景技术
一氧化二氮(N2O)是一种强效温室气体，其产生的温室效应是二氧化碳的310倍，可加剧全球变暖，另外其在大气中的停留时间长(120年)，会引起臭氧层空洞。工业革命以来，大气中N2O的含量持续增加，主要来源于固定流化床设备燃煤烟气，硝酸，己二酸、尼龙等化工产品生产过程中排放的废气。尤其严重的是，近几年由于化肥、己二酸等市场价格的快速飙升，高额利润的刺激使国内企业新建、扩建己二酸装置出现了井喷式增长。己二酸的国内产能也从2006年的20万吨跃升至2013年的152万吨，2016年我国己二酸的产能可达350万吨，占全球总产能的50％以上。这些己二酸装置在反应过程中生产大量N2O，而且生产过程中排放的尾气集中、数量大、纯度高。以环己醇硝酸氧化法年产15万吨己二酸为例，N2O的年排放量达4.5万吨。因此，净化己二酸装置副产N2O的尾气亟需解决，刻不容缓。
一氧化二氮的直接分解是其减排的主要手段，中国科学院生态环境研究中心【CN102350370A】，Dupont【CN1146465C】，旭化成，舒德化学【CN103249468 B】等开发了各种不同的热解催化剂。迄今为止，国内没有成熟的己二酸装置尾气净化技术。本文针对最终工业减排实施提供了一种简洁、实用的一氧化二氮热解装置，具有催化剂适用广泛；反应热充分利用，无需额外热源；实时监测反应程度，最终实现一氧化二氮气体转化为氮气和氧气，实现其无害化排放的特点。
发明内容
有鉴于此，本实用新型旨在提出一种一氧化二氮热解装置，以实现己二酸装置工业废气的净化，有效降低工业废气中N2O浓度。
为达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：
一种一氧化二氮热解装置，包括用管线连接的预反应系统、反应系统和检测系统；所述管线上均设有阀门；
所述预反应系统包括静态混合器和预热器，所述静态混合器进口连接有一氧化二氮源和空气源；所述静态混合器出口与所述预热器进口连通；所述预热器出口与所述反应系统连通；
所述反应系统包括若干并行设置的分解反应器和换热器；所述分解反应器内设有若干催化反应单元；所述分解反应器上设有温度传感器和压力传感器；所述分解反应器进口与所述预热器出口连通；所述分解反应器出口与所述换热器壳程进口连通，所述换热器壳程出口与所述检测系统连通；所述换热器管程进口与所述静态混合器出口连通，所述换热器管程出口与所述分解反应器进口连通；所述换热器与预热器、静态混合器和分解反应器之间的管线上均设有温度传感器；
所述检测系统包括色谱检测器和流量计，所述色谱检测器进口与所述换热器壳程出口连通，所述色谱检测器出口与所述流量计进口连通；
进一步的，所述静态混合器连接所述一氧化氮源和空气源的管线上均设有变径管，所述变径管靠近所述静态混合器一端直径大于其远离所述静态混合器一端的直径。变径管的设置，可降低气速，延长气体在混合器中的停留时间，以使一氧化二氮与空气充分混合。
进一步的，所述静态混合器进口与一氧化二氮源和空气源连接的管线上均设有流量指示器；所述静态混合器与一氧化二氮源和空气源连接管线上的阀门均位于所述流量指示器和变径管之间；与所述分解反应器出口连接的管线上设有三通阀，所述三通阀两个出口所连接的管线上分别设有气动薄膜调节阀和止回阀，所述设有止回阀一端管线连接所述换热器壳程进口；所述所有与静态混合器进口和出口连接的管线上的阀门均为气动薄膜调节阀，其他管线上的阀门均为止回阀。
进一步的，所述预热器为电加热器。预热器可在反应初始阶段提供热量，待反应正常进行后预热器停止供热。
进一步的，所述分解反应器的数量为1-4个；所述分解反应器内部自下而上设有若干个催化反应单元。
进一步的，所述催化反应单元的数量为1-4个。
进一步的，所述催化反应单元包括自下而上依次设置的金属格栅、第一非金属材料层、催化剂层、第二非金属材料层和金属网。金属格栅上铺有第一非金属材料层，第一非金属材料层上铺有催化剂层，催化剂层上覆有第二非金属材料层，第二非金属材料层上再铺设金属网，金属栅格和金属网的栅孔和网孔均小于催化剂的颗粒直径，这种设置可最大程度的减少反应中催化剂的流失；可根据催化剂尺寸和反应温度对上述的5层设置进行适当增减。
进一步的，所述第一非金属材料层和第二非金属材料层材质均为瓷球或瓷环。
进一步的，所述催化反应单元包括自下而上依次设置的金属格栅、催化剂层、第二非金属材料层和金属网。
进一步的，所述色谱检测器为气相色谱。
相对于现有技术，本实用新型所述的一种一氧化二氮热解装置具有以下优势：
本实用新型所述的一种一氧化二氮热解装置，采用将分解后的高温气体的热量通过换热器转移至待分解的一氧化二氮混合气体的方式，再结合色谱检测器和流量计，既可实现分解反应热量的回收，又可保证一氧化二氮的无害化分解反应顺利进行，继而实现己二酸装置工业废气的净化，有效降低工业废气中N2O浓度。同时，通过色谱检测器检测分解后的气体组成和含量，还可用于评价分解反应器中催化剂的性能优劣，分解后的气体中一氧化二氮含量越少，氮气越多，则催化剂的性能越好。故本实用新型所述的一种一氧化二氮热解装置，系统简洁、实用，既可作为一氧化二氮分解催化剂性能和寿命评价装置，也可以放大做到中试或更大规模，进行一氧化二氮的无害化处理。
附图说明
构成本实用新型的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：
图1为本实用新型实施例所述的一种一氧化二氮热解装置的简单示意图；
图2为利用本实用新型实施例所述的一种一氧化二氮热解装置进行催化剂性能评价的结果示意图。
附图标记说明：
1-静态混合器；2-预热器；3-分解反应器；4-换热器；5-温度传感器；6-压力传感器；7-色谱检测器；8-流量计；9-变径管；10-流量指示器；11-气动薄膜调节阀；12-止回阀。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。
如图1所示，一种一氧化二氮热解装置，包括用管线连接的预反应系统、反应系统和检测系统；所述管线上均设有阀门；
所述预反应系统包括静态混合器1和预热器2，所述静态混合器1进口连接有一氧化二氮源和空气源；所述静态混合器1出口与所述预热器2进口连通；所述预热器2出口与所述反应系统连通；
所述反应系统包括若干并行设置的分解反应器3和换热器4；所述分解反应器3内设有若干催化反应单元；所述分解反应器3上设有温度传感器5和压力传感器6；所述分解反应器3进口与所述预热器2出口连通；所述分解反应器3出口与所述换热器4壳程进口连通，所述换热器4壳程出口与所述检测系统连通；所述换热器4管程进口与所述静态混合器1出口连通，所述换热器4管程出口与所述分解反应器3进口连通；所述换热器4与预热器2、静态混合器1和分解反应器3之间的管线上均设有温度传感器5；
所述检测系统包括色谱检测器7和流量计8，所述色谱检测器7进口与所述换热器4壳程出口连通，所述色谱检测器7出口与所述流量计8进口连通；
所述静态混合器1连接所述一氧化氮源和空气源的管线上均设有变径管9，所述变径管9靠近所述静态混合器1一端直径大于其远离所述静态混合器1一端的直径。
所述静态混合器1进口与一氧化二氮源和空气源连接的管线上均设有流量指示器10；所述静态混合器1与一氧化二氮源和空气源连接管线上的阀门均位于所述流量指示器10和变径管9之间；与所述分解反应器3出口连接的管线上设有三通阀，所述三通阀两个出口所连接的管线上分别设有气动薄膜调节阀11和止回阀12，所述设有止回阀12一端管线连接所述换热器4壳程进口；所述所有与静态混合器1进口和出口连接的管线上的阀门均为气动薄膜调节阀11，其他管线上的阀门均为止回阀12。
所述预热器2为电加热器。
所述分解反应器3的数量为1个；所述分解反应器3内部自下而上设有2个催化反应单元。
所述催化反应单元包括自下而上依次设置的金属格栅、第一非金属材料层、催化剂层、第二非金属材料层和金属网。
所述第一非金属材料层和第二非金属材料层材质均为瓷球。
所述色谱检测器7为气相色谱。
本实施例的工作过程为：
将本实施例应用于催化剂的评价，打开所述静态混合器1与所述一氧化二氮源、空气源和预热器2三者之间各自管线上的阀门，预热器2与分解反应器3之间管线上的阀门打开，分解反应器3与所述换热器4壳程之间管线上的阀门打开，关闭其他所有阀门；通过控制一氧化二氮源和空气源与所述静态混合器1各自管线上的阀门，调节一氧化二氮和空气至适量流量，再经过所述静态混合器1充分混合后，待分解的混合气体进入所述预热器2，同时开启所述预热器2的加热功能，待分解的混合气体经所述预热器2加热后进入所述分解反应器3中进行分解，当分解后的气体温度达到400-600℃后，调节所述静态混合器1和预热器2之间管线上的阀门、静态混合器1和换热器4管程之间管线上的阀门，逐渐打开静态混合器1和换热器4管程之间的阀门，关闭静态混合器1和预热器2之间管线上的阀门，通过调节与所述分解反应器3出口连接管线上的气动薄膜调节阀11，使得进气温度达到400-600℃后完全关闭所述静态混合器1与预热器2之间管线上的阀门和预热器2，打开所述换热器4管程与所述分解反应器3之间的管线上的阀门，实现利用反应热预热原料气，进行后续分解反应的目的。待进入所述换热器4壳程的高温尾气温度降低时，则打开所述换热器4壳程与所述色谱检测器7之间管线上的阀门，使温度已降低的尾气进入所述色谱检测器7进行检测，之后经装有所述流量计8的管线排出。整个过程中，可通过色谱检测器7和流量计(8)对反应程度(分解后气体中的组分和含量)和反应流量进行实时监控。
上述过程中，200-600℃之间不同温度下体系中一氧化二氮(笑气)、氮气和氧气含量百分比变化的关系图，也即利用该套装置进行的催化剂的性能评价结果如图2所示，从图中可以看出在400℃之前，氮气和氧气含量几乎均为0％，一氧化二氮(笑气)含量在80％以上；而当温度超过425℃时，氮气和氧气含量开始上升，一氧化二氮(笑气)含量则开始大幅下降，当温度达到460℃时，氮气含量与一氧化二氮(笑气)含量持平，而在温度进一步升高至接近500℃时，氮气、氧气和一氧化二氮(笑气)的含量均已达到极值，此后各组分含量不再变化，氮气和氧气含量分别为70％和30％，一氧化二氮(笑气)含量为0％。由此可见，在温度为400-600℃催化剂表现出优异的催化性能。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种一氧化二氮热解装置，其特征在于：包括用管线连接的预反应系统、反应系统和检测系统；所述管线上均设有阀门；
所述预反应系统包括静态混合器(1)和预热器(2)，所述静态混合器(1)进口连接有一氧化二氮源和空气源；所述静态混合器(1)出口与所述预热器(2)进口连通；所述预热器(2)出口与所述反应系统连通；
所述反应系统包括若干并行设置的分解反应器(3)和换热器(4)；所述分解反应器(3)内设有若干催化反应单元；所述分解反应器(3)上设有温度传感器(5)和压力传感器(6)；所述分解反应器(3)进口与所述预热器(2)出口连通；所述分解反应器(3)出口与所述换热器(4)壳程进口连通，所述换热器(4)壳程出口与所述检测系统连通；所述换热器(4)管程进口与所述静态混合器(1)出口连通，所述换热器(4)管程出口与所述分解反应器(3)进口连通；所述换热器(4)与预热器(2)、静态混合器(1)和分解反应器(3)之间的管线上均设有温度传感器(5)；
所述检测系统包括色谱检测器(7)和流量计(8)，所述色谱检测器(7)进口与所述换热器(4)壳程出口连通，所述色谱检测器(7)出口与所述流量计(8)进口连通。
2.根据权利要求1所述的一种一氧化二氮热解装置，其特征在于：所述静态混合器(1)连接所述一氧化氮源和空气源的管线上均设有变径管(9)，所述变径管(9)靠近所述静态混合器(1)一端直径大于其远离所述静态混合器(1)一端的直径。
3.根据权利要求2所述的一种一氧化二氮热解装置，其特征在于：所述静态混合器(1)进口与一氧化二氮源和空气源连接的管线上均设有流量指示器(10)；所述静态混合器(1)与一氧化二氮源和空气源连接管线上的阀门均位于所述流量指示器(10)和变径管(9)之间；与所述分解反应 器(3)出口连接的管线上设有三通阀，所述三通阀两个出口所连接的管线上分别设有气动薄膜调节阀(11)和止回阀(12)，所述设有止回阀(12)一端管线连接所述换热器(4)壳程进口；所有与静态混合器(1)进口和出口连接的管线上的阀门均为气动薄膜调节阀(11)，其他管线上的阀门均为止回阀(12)。
4.根据权利要求1所述的一种一氧化二氮热解装置，其特征在于：所述预热器(2)为电加热器。
5.根据权利要求1所述的一种一氧化二氮热解装置，其特征在于：所述分解反应器(3)的数量为1-4个；所述分解反应器(3)内部自下而上设有若干个催化反应单元。
6.根据权利要求1或5所述的一种一氧化二氮热解装置，其特征在于：所述催化反应单元的数量为1-4个。
7.根据权利要求6所述的一种一氧化二氮热解装置，其特征在于：所述催化反应单元包括自下而上依次设置的金属格栅、第一非金属材料层、催化剂层、第二非金属材料层和金属网。
8.根据权利要求7所述的一种一氧化二氮热解装置，其特征在于：所述第一非金属材料层和第二非金属材料层材质均为瓷球或瓷环。
9.根据权利要求6所述的一种一氧化二氮热解装置，其特征在于：所述催化反应单元包括自下而上依次设置的金属格栅、催化剂层、第二非金属材料层和金属网。
10.根据权利要求1所述的一种一氧化二氮热解装置，其特征在于：所述色谱检测器(7)为气相色谱。
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