DE60125092T2

DE60125092T2 - Vorrichtung mit Sicherheitseigenschaften für industrielle Verfahren bei erhöhter Temperatur

Info

Publication number: DE60125092T2
Application number: DE60125092T
Authority: DE
Inventors: David Mark Galveston Bergeron; Michael Stanley Houston De Courcy; Aaron Angel Houston Quintanilla; Paul Francis Yardley Valerio
Original assignee: Rohm and Haas Co
Current assignee: Rohm and Haas Co
Priority date: 2000-05-23
Filing date: 2001-05-22
Publication date: 2007-07-05
Anticipated expiration: 2021-05-23
Also published as: US7063827B2; CN101829530A; KR100810449B1; JP2012061467A; CN102527308A; BR0102072B1; EP1160009A2; MXPA01004953A; US20020127166A1; KR20010110099A; TWI316420B; EP1160009B1; KR20070100676A; US6649137B2; EP1160009A3; US20040042952A1; CN100352539C; KR20070097002A; KR100810447B1; TWI314476B

Description

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf industrielle Hochtemperaturverfahren und genauer auf eine Reaktorvorrichtung und deren Verwendung in damit in Verbindung stehenden Verfahren.
Die Herstellung von Chemikalien wie Blausäure und Salpetersäure unter Verwendung eines Reaktors ist seit einiger Zeit bekannt. Beispielsweise wurde die Einstufensynthese von Blausäure aus Ammoniak und einem Kohlenwasserstoffgas, bei der Wärme durch gleichzeitige Reaktionen mit Luft in Gegenwart eines Platinmetallkatalysators erzeugt wird, von Andrussow in US-Patent 1,934,838 offenbart. Zahlreiche Modifikationen und Verbesserungen dieses Verfahrens sind in anderen Patenten beschrieben worden.
Zur Steigerung des Wirkungsgrads wird häufig ein Isolierstoff an die Außenseite des Reaktors angebracht, um einen Wärmeverlust zu verhindern. Jedoch begrenzen die Materialien, die den Reaktor umschließen, die Temperaturen, bei denen er sich sicher betreiben läßt. Manchmal wird der Reaktor mit einem Wassermantel bereitgestellt, um eine Überhitzung des Reaktors und die Gefahr eines Ausfalls des Behälters zu verhindern. Im Fall einer Versorgungsunterbrechung auf dem Weg zu dem Wassermantel können die Temperaturen in dem Reaktor mit äußerer Isolierung auf ein solches Niveau ansteigen, bei dem bewirkt wird, daß der Reaktor oder die Flanschverbindungen oder andere Behälterkomponenten ausfallen, wodurch gefährliche Chemikalien in die Atmosphäre freigesetzt werden können. Während sich durch den äußeren Isolierstoff der Wirkungsgrad erhöht, kann sich durch ihn ebenso die Wahrscheinlichkeit eines Reaktorversagens erhöhen. Es hat zwar einige Versuche zur Innenisolierung von Reaktoren mit hochtemperaturbeständigen Materialien gegeben, aber gewöhnlich sind hochtemperaturbeständige Materialien als Reaktion auf thermische Schocks und mechanische Stöße sehr rißanfällig, wodurch es sich als schwierig oder unmöglich erweist, das Verfahren zu beginnen oder zu unterbrechen oder den Reaktorkopf zur Instandhaltung zu entfernen, ohne das hochtemperaturbeständige Material zu beschädigen. Darüber hinaus ist es äußerst schwierig, ein hochtemperaturbeständiges Material in Suspension zu halten, wie an der inneren Oberfläche eines konvexen oder konischen Reaktorkopfs, da hochtemperaturbeständige Materialien eine relativ geringe Zugfestigkeit aufweisen.
Außerdem zeigen herkömmliche Reaktorkonstruktionen wie das in 1 gezeigte System eine schlechte Strömungsverteilung, gekennzeichnet durch Abreißen der Strömung. Wie in 1 gezeigt, kann eine schlechte Strömungsverteilung, die in den Reaktor 2 mit einem hochtemperaturbeständigen Material 4 eindringt, einen Aufwärtsstrom an der linken Seite von Reaktor 2 bewirken, der eine Zersetzung und Rußansammlung 6 an der Wand 8 zur Folge hat. Überdies kann der Düseneffekt der turbulenten Strömung, wie in 1 gezeigt, eine kürzere Katalysatorlebensdauer zur Folge haben, da die Strömung womöglich nur einen begrenzten Teil des Katalysators 9 nutzt. Außerdem bewirkt die in 1 dargestellte Strömungsverteilung in Verfahren, in denen leichtentzündliche Zufuhrgemische verwendet werden, wie Sauerstoffangereicherte HCN oder Sauerstoff-angereicherte Ammoniakoxidationsreaktoren, ein erhebliches Potential für Flammenrückschlag und Explosionen.
Außerdem umfassen Reaktorköpfe gewöhnlich einen großen Schweißhals oder Bördelflansch für die Verbindung mit einer Hülse, einem Austauscher oder einer anderen Vorrichtung, die den Reaktorkopf tragen kann. Der große Schweißhals oder Bördelflansch ist häufig im Hinblick auf die Konstruktion und Herstellung sehr kostenintensiv, und die Dichtungsfläche muß sorgfältig gewartet werden, um eine ausreichende Dichtung zwischen dem Reaktor und beispielsweise der Hülse zu gewährleisten. Die Instandhaltung der Verbindungsfläche ist dann von großer Bedeutung, wenn der Reaktor in Betrieb ist und potentiell gefährliche Hochtemperaturchemikalien wie die in dem Andrussow-Verfahren vorliegende HCN enthält. Wenn der Reaktorkopf zur Instandhaltung oder aus anderen Gründen bewegt werden muß, müssen die Betreiber sehr darauf achten, den Flansch vor einer Beschädigung zu schützen, damit der Reaktor schnell wieder in Betrieb genommen werden kann. Häufig wird ein Betreiber zum Schutz des Flansches den Reaktor einfach auf einen Holzblock, eine Unterlage oder irgendein anderes Material stellen, und obwohl ein Holzblock oder eine anderer Unterlage manchmal ausreichen kann, um den Flansch vor einer Beschädigung zu schützen, wenn dieser richtig aufgestellt ist, wird dann, wenn der Betreiber den Flansch nicht schließt und den Reaktorkopf direkt auf ein gewöhnliches Anlagengitter stellt, das Gewicht des Reaktorkopfs auf der Flanschoberfläche diese höchstwahrscheinlich unbrauchbar machen (wenn die Flanschoberfläche zerkratzt oder gekrümmt ist, wird sie sich nicht genau verschließen).
Schließlich wird durch physisches Anheben einer gewöhnlichen Hülse, auf der der Reaktorkopf ruht, ein Problem hinsichtlich des Einführens und Entfernens von Teilen wie Katalysatoren, Verteilern, Trägern oder irgendwelchen anderen Einrichtungen, die im Inneren der Hülse angeordnet werden sollen, hervorgerufen. Die Wand der Hülse weist häufig eine Höhe von vier Fuß oder mehr auf, weshalb ein Betreiber eine Plattform über der Wand besteigen und mit körperlich in die Hülse eindringen muß, um den Katalysator zu installieren oder ihn auszuwechseln. Außer daß es Zeit erfordert, in die Hülse einzudringen und wieder aus dieser herauszusteigen, wird die Hülse als enger Raum eingestuft, und für das Eindringen in einen engen Raum müssen erst Genehmigungen eingeholt werden und sind Atemluftversorgung, die Verfügbarkeit und Aufmerksamkeit eines anderen Arbeiters, der die Öffnung beobachtet, und manchmal noch andere teure und zeitaufwendige Sicherheitsvorkehrungen erforderlich. Der Bedarf an einer Konstruktion, mit der diese Vorkehrungen nicht mehr nötig sind und die Installation des Katalysators erleichtert wird, ist mittlerweile erkennbar.
Die vorliegende Erfindung ist auf die Überwindung oder zumindest die Minderung der Auswirkungen eines oder mehrerer der vorhergehend dargelegten Probleme gerichtet.
Die verschiedenen Aspekte der vorliegenden Erfindung sind in den anhängenden Ansprüchen dargestellt.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung für ein industrielles Hochtemperaturverfahren und umfaßt mindestens eine Flanschverbindung, wobei mindestens ein Flansch der mindestens einen Flanschverbindung durch mindestens drei Trägeransätze, die an den mindestens einen Flansch angebracht sind, vor mechanischer Beschädigung geschützt ist. Die Vorrichtung kann weiter einen Kühlmantel umfassen, der an dem mindestens einen Flansch angebracht ist, wobei der Kühlmantel aus einem ½-Rohr hergestellt ist.
In einer anderen Ausführungsform wird eine Vorrichtung für ein industrielles Hochtemperaturverfahren beschrieben, umfassend mindestens eine Flanschverbindung, wobei der Flansch durch einen angebrachten ½-Rohr-Kühlmantel abgekühlt wird.
In einigen Ausführungsformen umfaßt eine Vorrichtung für ein industrielles Hochtemperaturverfahren einen Einlaßrohrabschnitt mit einer ersten Querschnittsgröße, einen Stromabwärtsverfahrensabschnitt mit einer zweiten Querschnittsgröße und einen Einlaßübergangsbereich, der den Einlaßrohrabschnitt und den Stromabwärtsverfahrensabschnitt verbindet, wobei der Übergangsbereich innere Isolierung, hergestellt aus hochtemperaturbeständiger Keramikfaser, umfaßt. Die zweite Querschnittsgröße kann größer als die erste Querschnittsgröße sein, und die innere Isolierung kann eine konische innere Oberfläche bilden. Außerdem kann der Einlaßübergangsbereich zu einer konvexen Geometrie geformt werden. Der Übergangsbereich kann ein Reaktorkopf sein, der eine Flanschverbindung mit dem Stromabwärtsverfahrensabschnitt verbindet.
Einige Ausführungsformen umfassen eine oder mehrere Sichtglasdüsen. Es kann ebenfalls ein Laminargeschwindigkeitsprofil in dem Stromabwärtsverfahrensabschnitt unter Verwendung mindestens eines von: einem ausreichend langen geraden Rohr, umfassend den Einlaßrohrabschnitt zum Zuführen einer Laminarströmung an einem Stromaufwärtsende des Einlaßübergangsbereichs; mindestens einem CRV, angeordnet innerhalb des Einlaßrohrabschnitts; einem LAD an dem Stromaufwärtsende des Einlaßübergangsbereichs und einem EHD an dem Stromaufwärtsende des Einlaßübergangsbereichs, erreicht werden.
Eine andere Ausführungsform für ein industrielles Hochtemperaturverfahren umfaßt einen Verfahrensabschnitt mit einer ersten Querschnittsgröße; eine Auslaßleitung mit einer zweiten Querschnittsgröße, die kleiner als die erste Querschnittsgröße ist, und einen Auslaßübergangsbereich, der den Auslaßrohrabschnitt und den Verfahrensabschnitt mit einer inneren Oberfläche des Auslaßübergangsbereichs, der konisch ist, verbindet.
Noch eine andere Ausführungsform für ein industrielles Hochtemperaturverfahren umfaßt einen Reaktorkopf mit einem Unterflansch und einen Stromabwärtsverfahrensabschnitt mit einem Oberflansch, wobei eine Arbeitserhöhung des Stromabwärtsverfahrensabschnitts-Oberflansches von zwischen etwa 0,60 m und 1,1 m (2,0 und 3,5 Fuß) beträgt.
Eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt einen Einlaßrohrabschnitt, einen Einlaßübergangsbereich, einen Verfahrensabschnitt, einen Auslaßübergangsbereich und einen Auslaßrohrabschnitt, wobei die innere Isolierung in einem oder mehreren der Vorrichtungsbereiche enthalten ist und wobei die Isolierung eine hochtemperaturbeständige Keramikfaser umfaßt. In dieser Ausführungsform umfaßt der Einlaßübergangsbereich weiter eine konische innere Oberfläche, und der Auslaßübergangsbereich umfaßt weiter eine konische innere Oberfläche. Die Vorrichtung kann weiter eine Flanschverbindung umfassen, wobei sich der erste und zweite Flansch zwischen dem Einlaßübergangsbereich und dem Verfahrensabschnitt befinden und wobei mindestens ein Flansch des ersten und zweiten Flanschs einen daran angebrachten Kühlmantel umfaßt.
Es wird ebenso ein Verfahren zum Herstellen von Blausäure beschrieben, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: das Bereitstellen mindestens eines Kohlenwasserstoffs, mindestens eines stickstoffhaltigen Gases und mindestens eines sauerstoffhaltigen Gases, das Umsetzen des mindestens einen Kohlenwasserstoffes, des mindestens einen stickstoffhaltigen Gases und des mindestens einen sauerstoffhaltigen Gases in einer Vorrichtung, um Blausäure zu bilden, und das Zuführen von Wärme durch eine gleichzeitige Verbrennungsreaktion mit mindestens einem sauerstoffhaltigen Gas in der Vorrichtung; wobei die Vorrichtung mindestens eine Flanschverbindung umfaßt, wobei mindestens ein Flansch der mindestens ei nen Flanschverbindung durch mindestens einen Trägeransatz, der an dem mindestens einen Flansch angebracht ist, vor mechanischer Beschädigung geschützt wird.
Es wird ein Verfahren zum Herstellen von Blausäure offenbart, wobei das Verfahren umfaßt: das Bereitstellen mindestens eines Kohlenwasserstoffs, mindestens eines stickstoffhaltigen Gases und mindestens eines sauerstoffhaltigen Gases, das Umsetzen des mindestens einen Kohlenwasserstoffes, des mindestens einen stickstoffhaltigen Gases und des mindestens einen sauerstoffhaltigen Gases in einer Vorrichtung, um Blausäure zu bilden, und das Zuführen von Wärme durch eine gleichzeitige Verbrennungsreaktion mit mindestens einem sauerstoffhaltigen Gas in der Vorrichtung. In diesem Verfahren kann die Vorrichtung einen Einlaßrohrabschnitt mit einer ersten Querschnittsgröße, einen Stromabwärtsverfahrensabschnitt mit einer zweiten Querschnittsgröße, einen Einlaßübergangsbereich, der den Einlaßrohrabschnitt und den Stromabwärtsverfahrensabschnitt verbindet, umfassen, wobei der Übergangsbereich innere Isolierung, umfassend eine hochtemperaturbeständige Keramikfaser, umfaßt.
Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung umfaßt einen Reaktorkopf und eine innere Isolierung, wobei die Isolierung eine hochtemperaturbeständige Keramikfaser umfaßt. Der Reaktorkopf ist eingerichtet, mit einem Fluidstrom verbunden zu werden, um ein chemisches Verfahren zu erleichtern. In dieser Ausführungsform beträgt der Winkel zwischen einer konischen Reaktorkopfwand und einer vertikalen Linie weniger als etwa 25°. Die Isolierung kann durch mindestens eine Muffe, die sich sowohl durch den konischen Reaktor als auch die Isolierung erstreckt, in Position gehalten werden, und die Isolierung kann weiter durch einen Ring, der sich durch den Reaktorkopfeinlaß erstreckt, getragen werden. Der Reaktorkopf kann konisch oder konvex geformt sein. Die Vorrichtung kann zum Herstellen von Blausäure oder anderen Produkten verwendet werden.
In einer Ausführungsform umfaßt die Vorrichtung weiter einen um den Reaktorkopf angeordneten Kühlmantel. Der Kühlmantel ist aus einem Halbrohr hergestellt, das an eine äußere Oberfläche des konischen Reaktors angebracht ist. Es wird beabsich tigt, daß die Vorrichtung die Verwendung von Strömungsrichtflügeln vor dem Reaktorkopf umfassen kann.
Die vorliegende Erfindung umfaßt einen Reaktorkopf, mindestens einen Flansch mit einer Umfangsoberfläche und einer Kupplungsoberfläche, wobei die Kupplungsoberfläche eingerichtet ist, mit einem Gegenflansch in einer chemischen Verfahrenseinheit gekoppelt zu werden, mindestens drei Trägeransätze, die an den mindestens einen Flansch angebracht sind und befähigt sind, den Reaktorkopf zu tragen, wobei der mindestens eine Trägeransatz sich derart von den Umfangs- und Kupplungsoberflächen erstreckt, daß ein Spiel zwischen der Kupplungsoberfläche und den Trägeransätzen erzeugt wird. Gewöhnlich können die Trägeransätze U-förmig sein und sich um einen Kühlmantel erstrecken, der an dem mindestens einen Flansch angebracht ist. Die Trägeransätze können ebenso ein im allgemeinen rundes Loch, das durch diese gebohrt ist, aufweisen, um das Kühlen der mindestens zwei Trägeransätze zu erleichtern.
In einer Ausführungsform werden ein Reaktorkopf, eine Katalysator-tragende Hülse, die eingerichtet ist, mit dem Reaktorkopf gekoppelt zu werden, bereitgestellt, wobei die Katalysator-tragende Hülse eine vertikale Arbeitserhöhung von zwischen etwa 0,60 m und 1,1 m (2,0 und etwa 3,5 Fuß) zeigt und eingerichtet ist, die Aufnahme eines Katalysators oder einer anderen Vorrichtung, der/die durch einen oder mehrere Betreiber, die außerhalb des Durchmessers der Hülse stehen, wenn die Katalysator-tragende Hülse von dem Reaktorkopf entkoppelt wird, bereitgestellt wird, zu erleichtern. In einigen Anwendungen werden die Betreiber vielleicht eine Hubvorrichtung oder andere Werkzeuge zur Unterstützung beim Einbau eines Katalysators oder einer anderen Vorrichtung verwenden, wobei die Betreiber selbst außerhalb der Hülse bleiben können.
In einer Ausführungsform wird eine Vorrichtung offenbart, umfassend einen Reaktorkopf, eine Katalysator-tragende Hülse, die eingerichtet ist, mit dem Reaktorkopf gekoppelt zu werden, und mindestens eine Thermodüse mit einem inneren Laufgang, die eingerichtet ist, ein in der Seite der Katalysator-tragenden Hülse angeordnetes Thermoelement oder andere Geräte bei einem nicht normalen Winkel derart unter zubringen, daß es keine direkte Sichtlinie zwischen der Katalysatorhöhe und dem inneren Laufgang gibt.
Es wird ebenfalls ein Verfahren zum Herstellen von Blausäure offenbart, welches das Bereitstellen mindestens eines Kohlenwasserstoffs, mindestens eines stickstoffhaltigen Gases und mindestens eines sauerstoffhaltigen Gases, das Umsetzen des mindestens einen Kohlenwasserstoffes, des mindestens einen stickstoffhaltigen Gases und des mindestens einen sauerstoffhaltigen Gases in einem Reaktor, um Blausäure zu bilden, und das Zuführen von Wärme durch eine gleichzeitige Verbrennungsreaktion mit dem mindestens einen sauerstoffhaltigen Gas in dem Reaktor umfaßt. In diesem Verfahren soll der Reaktor einen Reaktorkopf, ein katalysatorhaltiges Hülsenteil und eine Isolierung, in den Reaktorkopf einsetzbar, umfassen, wobei die Isolierung eine hochtemperaturbeständige Keramikfaser umfaßt.
Die vorhergehenden und andere Merkmale und Aspekte der Erfindung werden sich weiter beim Lesen der folgenden ausführlichen Beschreibung und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen zeigen:
1 ist eine Ansicht eines Reaktorsystems gemäß dem Stand der Technik.
2 ist eine teilweise im Querschnitt gezeigte Vorderansicht einer Ausführungsform eines konischen Reaktorkopfs gemäß der vorliegenden Erfindung.
2a ist eine perspektivische Ansicht der in 2 gezeigten Ausführungsform.
3 ist eine Draufsicht der Konstruktion gemäß 2.
4 ist eine Draufsicht eines Rings gemäß der vorliegenden Erfindung.
4a ist eine Vorderansicht des in 4 gezeigten Rings.
5 ist eine Draufsicht eines Trägeransatzes, der an einem Flansch des konischen Reaktorkopfs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angebracht ist.
6 ist eine Seitenansicht, genommen entlang der Linie A-A des in 5 gezeigten Trägeransatzes.
7 ist eine Vorderansicht, genommen entlang der Linie B-B der Konstruktion gemäß 5.
8 ist eine Draufsicht des Reaktors, der die in 5 gezeigte Konstruktion einschließt.
9 ist eine Draufsicht eines Hülsenquerschnitts gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
10 ist eine Querschnittsdarstellung, genommen entlang der Linie C-C der Konstruktion gemäß 9.
11 ist eine Vorderansicht eines Rotationsflügels zur Verwendung mit dem konischen Reaktor von 2.
12 ist eine schematische Darstellung einer Fluidströmung in einer Leitung ohne Rotationsflügel.
13 ist eine Querschnittsdarstellung der effektiven Fluidströmung gemäß 12.
14 ist eine schematische Darstellung einer Fluidströmung in einer Leitung mit dem Rotationsflügel.
15 ist eine Querschnittsdarstellung der effektiven Fluidströmung gemäß 14.
16 ist eine perspektivische Ansicht eines Systems, das einen konischen Reaktorkopf und Rotationsflügel gemäß der vorliegenden Erfindung einschließt.
17 ist eine Vorderansicht einer alternativen Ausführungsform eines Reaktors gemäß der vorliegenden Erfindung.
18 ist eine Vorderansicht einer anderen alternativen Ausführungsform eines Reaktors gemäß der vorliegenden Erfindung.
19 ist eine Aufnahme des konischen Reaktors gemäß 2, gezeigt in der Nähe eines Betreibers.
20 ist eine Darstellung einer Unterdrückungseinheit für die nicht selektive katalytische Reduktion (NSCR) von NOx, konfiguriert gemäß der vorliegenden Erfindung.
Obwohl die Erfindung für verschiedene Abänderungen und alternative Formen geeignet ist, sind spezielle Ausführungsformen der Erfindung beispielhaft in den Zeichnungen dargestellt worden und werden hierin ausführlich beschrieben.
Illustrative Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend beschrieben. Im Interesse der Klarheit werden in dieser Beschreibung nicht alle Merkmale einer tatsächlichen Ausführung beschrieben. Es ist natürlich selbstverständlich, daß bei der Entwicklung irgendwelcher solcher tatsächlichen Ausführungsformen zahlreiche ausführungsspezifische Entscheidungen zu treffen sind, damit die speziellen Ziele der Entwickler erreicht werden können, wie die Einhaltung der systembedingten und betriebsbedingten Begrenzungen, die von einer Ausführung zur anderen variieren werden. Überdies ist es selbstverständlich, daß ein solcher Entwicklungsversuch womöglich komplex und zeitaufwendig sein kann, doch mit Hilfe dieser Offenbarung wäre er für einen Fachmann trotzdem eine Routineausführung.
Nun wird den Figuren, und insbesondere 2, Aufmerksamkeit zugewandt, und ein konischer Reaktorkopf 10 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird of fenbart. Der konische Reaktorkopf 10 umfaßt einen oberen Flansch 12, der eingerichtet ist, mit einem Gegenflansch 13 (gezeigt in 16) in einem chemischen Verfahren verbunden zu werden. Der obere Flansch 12 grenzt an einen Reaktoreinlaß 14 an, der gegebenenfalls einen konzentrisch darin angeordneten starren Ring 16 aufweist. Der Ring 16 wird deutlicher in 4 und 4a dargestellt und umfaßt gewöhnlich Edelstahl. Der Ring 16 ist im allgemeinen zylinderförmig und hat einen Ansatz 15, der verhindert, daß der Ring in den Reaktorkopf 10 fällt, und er ist zwischen dem oberen Flansch 12 und dem Gegenflansch 13 verschließbar. Ring 16 ist geeignet, die Isolierung 40 (in dieser Beschreibung ausführlicher erläutert) am richtigen Platz zu halten.
Einlaß 14 grenzt an ein konisches Seitenteil 18 an. Das Seitenteil 18 bildet einen sich ausdehnenden Bereich und erleichtert die Instandhaltung der laminaren Fluidströmung aus dem Einlaß. Ist die Strömung am Einlaß laminar, liegt sie gewöhnlich weiterhin an, wenn der Winkel 22 zwischen dem Seitenteil 18 und einer vertikalen Linie 20 weniger als ungefähr 25° beträgt. In der in 2 gezeigten Ausführungsform beträgt der Winkel 20 ungefähr 21°. Es wird davon ausgegangen, daß eine geringe Abweichung des Winkels 22 sich innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung befindet, d. h., der Winkel kann nach Belieben kleiner als etwa 25° sein, oder kann irgendein anderer Winkel sein, der die anliegende Laminarströmung fördert. Winkel 22 kann auch durch Variieren der Dicke der Isolierung 40 von oben nach unten wirksam geändert werden. Es wird davon ausgegangen, daß der Reaktorkopf 10 womöglich überhaupt nicht konisch ist, aber doch irgendeine geeignete Form aufweisen kann, die mit einem großen Winkelverteiler (LAD) oder einem elliptischen Kopfverteiler (EHD) gekoppelt ist, um ein Laminarströmungsprofil ähnlich der Form eines Kegels zu erzeugen (z. B. wie in 20 gezeigt). Große Winkelverteiler und EHDs sind von Koch-Glitsch, Inc. erhältlich. Die Laminarströmung bietet den Vorteil, daß Flammenrückschläge, die sonst ein Regime aus turbulenter Strömung/Abreißen der Strömung zur Folge hätten, vermieden werden können. Unter erneuter Bezugnahme auf 1 besteht dann, wenn Rückströme erzeugt werden, eine erhöhte Gefahr eines Flammenrückschlags und von Explosionen, die nicht in einem Laminarströmungsregime, wie in 16 gezeigt, besteht.
Zahlreiche Hebeösen 24 sind an das Seitenteil 18 angebracht. Wie in 3 gezeigt, sind bevorzugt drei Hebeösen 24 in gleichem Abstand um eine äußere Oberfläche 44 des Seitenteils 18 angeordnet. Die Hebeösen 24 zeigen eine Öse 26, die eingerichtet ist, einen Haken, ein Kabel oder einen anderen Hebesystemanhang (nicht gezeigt) aufzunehmen. Die Hebeösen 24 sind derart konstruiert, daß sie das gesamte Gewicht des Reaktorkopfes 10 tragen, um dessen Transport zu erleichtern.
Das Seitenteil 18 berührt einen unteren Flansch 28 gegenüber der Befestigung mit dem oberen Flansch 12. Der obere Flansch 12 und der untere Flansch 28 sind bevorzugt Schweißhalsflansche, aber andere Flansche wie Bördelflansche können ebenso verwendet werden. Fachleute werden mit Hilfe dieser Offenbarung erkennen, daß Schweißhalsflansche insbesondere mit Federdichtungen (nicht gezeigt) nützlich sind, die sehr hohe Auflagebeanspruchungen erfordern; Federdichtungen sind in kritischen Dienstleistungsanwendungen wie der HCN-Herstellung bevorzugt. Es wird davon ausgegangen, daß „oberer" und „unterer", wie zur Kennzeichnung des oberen Flanschs 12 und des unteren Flanschs 28 verwendet, sich nur auf die Richtung von Reaktorkopf 10 beziehen, so wie sie in den Figuren dargestellt sind. Die Richtung des Reaktorkopfs 10 kann in irgendeine geeignete Position abgeändert werden. In der in 2 gezeigten Ausführungsform ist ein Flanschkühlmantel 30 an den unteren Flansch 28 angebracht. Der Flanschkühlmantel 30 kann ein Halbrohr umfassen, das direkt an den unteren Flansch 28, wie in 2 und 6 gezeigt, geschweißt ist. Der Kühlmantel 30 umfaßt einen Einlaß 32 und einen Auslaß 34. Der Auslaß 34 ist in 3 gezeigt. Das Seitenteil 18 kann ebenso einen Kühlmantel 92 umfassen. Der Kühlmantel 92 ist in 2 nicht gezeigt, ist aber in 2a dargestellt. Der Kühlmantel 92 umfaßt einen Einlaß (nicht gezeigt) und einen Auslaß 94. Der Kühlmantel 92 kann ebenso ein Halbrohr umfassen, das direkt an das Seitenteil 18 in der in 2a gezeigten Konfiguration geschweißt ist. Diese Kühlmanteleinlässe/-auslässe umfassen Flansche, die deren benachbarte Kühlmäntel mit einer Kühlmediumquelle durch einen Schlauch mit Edelstahlverstärkung 91 verbinden. In einer bevorzugten Ausführungsform können einige der Mäntel in Reihe verbunden werden, das heißt, der Auslaßflansch des einen Mantels kann mit dem Einlaßflansch des anderen Mantels verbunden werden. In einigen Ausführungsformen können die Einlaß-/Auslaßflansche insgesamt beseitigt und durch eine kontinuierliche Leitung zu der Mediumquelle ersetzt werden (nicht gezeigt – dies kann beispielsweise ein Wasserspülkopf sein). In einigen Ausführungsformen sind überhaupt keine Kühlmäntel mit dem Reaktorkopf 10 verbunden.
An den unteren Flansch 28 grenzen zahlreiche Sichtglasdüsen 36 und 38 an. Ein Querschnitt der Sichtglasdüse 36 ist in 2 gezeigt. 3 offenbart als Draufsicht eine bevorzugte Ausführungsform mit sowohl Sichtglasdüse 36 als auch Sichtglasdüse 38. In der Alternative ist nur die Sichtglasdüse 36 in dem Reaktor enthalten. In einigen Ausführungsformen entfallen die Sichtgläser gänzlich. Die Sichtglasdüsen 36 und 38 erstrecken sich durch das Seitenteil 18 in das Innere des Reaktorkopfes 10. Die Sichtgläser 36 und 38 ermöglichen einem Betreiber, die innere Reaktion zu beobachten. Die Sichtglasdüsen 36 und 38 können alternativ als Entnahmeverbindungen oder als Leitungen für andere Geräte verwendet werden, die Thermoelemente, Druckanzeiger und Zünder umfassen, aber nicht darauf beschränkt sind.
Der Reaktorkopf 10 umfaßt eine innere Isolierung 40, die an die Innenwand 42 des Reaktors angrenzt. Die Isolierung 40 ist bevorzugt aus Aluminiumoxid- und/oder Siliciumdioxid-Keramikfaser hergestellt und kann ebenso ein Bindemittel umfassen. Beispielsweise kann die Isolierung 40 Pyrolite^® (umfaßt ein Bindemittel), das von Rex Roto Corporation erhältlich ist, oder K-mod-Keramikfasermodule (umfassen kein Bindemittel) umfassen, die von Rath Performance Fibers Inc. erhältlich sind. Die Anordnung der Isolierung 40 im Inneren des Reaktorkopfes 10 bietet den Vorteil einer erhöhten Wirksamkeit durch die Verminderung des Wärmeverlusts ohne die Gefahren einer Überhitzung und eines Reaktorkopfausfalls, die mit äußeren Isolierstoffen in Verbindung steht. Während der Reaktorkopf 10 und andere herkömmliche Reaktoren über Kühlsysteme verfügen können, kann die im Inneren von Reaktor 10 erzeugte Wärme im Fall eines Kühlsystemausfalls eine Temperaturerhöhung des Metallreaktors bewirken. Die Temperatur kann weiter ansteigen, bis ein Flansch oder der Reaktor selbst ausfällt, weil die Temperaturen die Dehngrenze des Metalls erreicht haben. Wenn der Reaktor ausfällt oder sich ein Flansch aufgrund übermäßig hoher Temperaturen verzieht, können die darin enthaltenen potentiell gefährlichen Chemikalien freigesetzt werden. Wird jedoch nur die innere Isolierung 40 im Inneren des Reaktorkopfes 10 verwendet, kann der Reaktorkopf 10 als Selbststrahler dienen, d. h., die äußere Oberfläche 44 ist frei und kann somit Wärme in die Atmosphäre abstrahlen. Dies hat den Vorteil, daß der Reaktorkopf 10 seine Temperatur selbst regulieren kann. Obwohl die Temperatur des Reaktorkopfes 10 im Fall eines Kühlsystemausfalls über die normale Betriebstemperatur hinaus steigen wird, sorgt das Selbststrahlungsvermögen für einen sekundären Kühlmechanismus; schließlich wird die Wärmestrahlung von der äußeren Oberfläche 44 des Reaktors 10 der im Inneren des Reaktors erzeugten Wärme gleichen, wodurch ein stabiler Zustand erreicht werden wird. Beispielsweise ist in einem HCN-Verfahren unter Verwendung der Isolierung 40 im Inneren des Reaktorkopfes 10 der Reaktorkopf 10 bei mehreren hundert Grad Fahrenheit unter der Dehntemperatur des Metalls selbstregulierend. Daher minimiert sich durch die Verwendung der Isolierung 40 der Wärmeverlust ohne Gefährdung der Sicherheit im Fall eines Kühlungsausfalls. In einigen Ausführungsformen kann es tatsächlich erwünscht sein, die Verwendung eines Kühlsystems gänzlich wegzulassen. Die früheren Reaktoren umfaßten ein hochtemperaturbeständiges Material innerhalb der Reaktorwand, um Energieverluste in die Umgebung zu minimieren, aber wie im Hintergrundsteil erläutert, sind hochtemperaturbeständige Materialien sehr schwer, zerbrechlich, schwer instandhaltbar und aufgrund mechanischer Stöße und thermischer Schocks rißanfällig. Ein konischer Kopf, enthaltend ein hochtemperaturbeständiges Material, ließe sich sehr schwer erzeugen, und der das hochtemperaturbeständige Material tragende Kopf könnte nicht in geeigneter Weise zur Instandhaltung oder aus anderen Gründen herumbewegt werden, ohne daß eine erhebliche Gefahr der Rißbildung des hochtemperaturbeständigen Materials bestünde. Die vorliegende Erfindung sieht vorteilhafterweise die Verwendung von Pyrolite^® oder K-mod^TM für die Isolierung 40 vor, welche leicht, gegen thermische Schocks und mechanische Stöße beständig und in einen konischen Reaktor leicht einbaubar und wartbar sind. Die Isolierung 40 kann bequem zu einer konischen Form, die zu dem Reaktorkopf 10 paßt und in den Reaktor sowie wieder aus ihm heraus gleitet, ohne die Gefahr einer Rißbildung hergestellt werden. Pyrolite^® und K-Mod^TM sind haltbar genug, damit der Reaktor ohne die erheblichen zusätzlichen Vorsichtsmaßnahmen, die üblicherweise bei einem inneren hochtemperaturbeständigen Materialsystem erforderlich sind, angehoben und transportiert werden kann. In der in 2 gezeigten Ausführungsform grenzt die Isolierung 40 im wesentlichen an die Innenwand 42 des Reaktorkopfes 10 an, aber in einigen Ausführungsformen ist die Isolierung 40 derart angeordnet, daß zwischen der Isolierung und der Innenwand 42 eine Abdeckung (nicht gezeigt) oder ein Luftspalt (nicht gezeigt) vorliegen kann.
Die Isolierung 40 kann innerhalb des Reaktors 10 mittels eines Rings 16 gesichert werden. Der Ring 16 erstreckt sich in den Reaktorkopf 10, und eine äußere Ringoberfläche 17 stellt eine starre Grenze bereit, an der ein oberes Ende 41 der Isolierung 40 ruht. Der Ring 16 gewährleistet ebenfalls, daß in den Reaktorkopf 10 eingeführte und in diesem enthaltene Gase nicht hinter die Isolierung 40 wandern. Außerdem kann sich eine Sichtglasmuffe 48 in Verbindung mit oder als Alternative zu der Verwendung des Rings 16 in jeder der Sichtglasdüsen 36 und 38 durch die Isolierung 40 erstrecken, um die Isolierung in Position zu halten. Wein 16 gezeigt, muß die Isolierung 40 jedoch nicht in Suspension vorliegen, wenn der Reaktor 10 vollständig eingebaut ist, sondern kann statt dessen auf einem gießbaren hochtemperaturbeständigen Material 50, gegossen in eine Hülse 52, ruhen. Das hochtemperaturbeständige Material 50 kann alternativ Pyrolite^®, K-mod^TM oder sogar Mauerwerk aus hochtemperaturbeständigem Material umfassen.
Aufgrund der Gefahren, die mit chemischen Reaktionen unter hoher Temperatur und hohem Druck verbunden sind, muß der untere Flansch 28 mit Vorsicht hergestellt und so unterhalten werden, daß die Gegenfläche 54 befähigt ist, die Verbindung des Reaktorkopfes 10 mit beispielsweise der Hülse 52 genau abzudichten. Die Verwendung des Reaktorkopfes 10 ist jedoch nicht auf die Hülse 52 begrenzt und kann statt dessen direkt mit Wärmeaustauschern, umfassend integrierte Hülsen (nicht gezeigt) oder eine andere Nicht-Hülsenvorrichtung, gekoppelt werden. Beispiele für mehrere Typen von Wärmeaustauschern, die in Kombination mit dem Reaktorkopf 10 verwendet werden können, sind in der anhängigen vorläufigen Patentanmeldung Nr. US 60/141,769 beschrieben, die herein durch Verweis aufgenommen ist. Da der Reaktorkopf 10 mehr als 906 kg (2.000 Pfund) wiegen kann, kann der untere Flansch 28 leicht beschädigt oder zerstört werden, wenn das Reaktorgewicht von der Gegenfläche 54 getragen wird. Mindestens aus diesem Grund werden in geeigneter Weise zahlreiche Trägeransätze, beispielsweise U-förmige Winkel 56, 58 und 60, in gleichem Abstand um den Umfang des unteren Flansches 28 angeordnet. Der U-förmige Winkel 56 ist in einer detaillierten Draufsicht in 5 gezeigt, und alle drei Trägeransätze sind in 8 dargestellt. Fachleute werden mit Hilfe dieser Offenbarung erkennen, daß die Anzahl, der Abstand und die Einzelheiten der Trägeransätze, die in den Figuren als U-förmige Winkel enthalten sind, variiert werden können. 5 offenbart einen normalerweise U-förmigen Winkel 56, der an dem unteren Flansch 28 angebracht ist. Der U-förmige Winkel 56 erstreckt sich über den Umfang des unteren Flansches 28 und den Flanschkühlmantel 30 hinaus.
In 6 ist eine Seitenansicht des U-förmigen Winkels 56, angebracht an dem unteren Flansch 28, gezeigt. In der Figur ist der untere Flansch 28, angrenzend an einen Gegenhülsenflansch 82, gezeigt. Der U-förmige Winkel 56 zeigt einen Fuß 64, der sich über die Gegenfläche 54 hinaus erstreckt, um ein Spiel 66 zwischen dem Unterteil des Winkels und der Gegenfläche zu erzeugen. Das Spiel 66 kann zwischen 1,27 cm und 7,62 cm, bevorzugt etwa 3,18 cm (½ Inch und 3 Inch, bevorzugt etwa 1¼ Inch) betragen, aber gegebenenfalls kann ein beliebiges anderes Spiel erzeugt werden. Fachleute werden mit Hilfe dieser Offenbarung erkennen, daß das Spiel 66 irgendeine Größe aufweisen kann, die die Gegenfläche 54 schützt, ohne das Anordnen des Reaktorkopfes 10 auf der Hülse 52 oder einer anderen Gegenvorrichtung zu beeinflussen. Das Spiel 66 schützt vorteilhafterweise die Gegenfläche 54, wenn der Reaktor 10 woanders als auf der Hülse 52 angeordnet ist. Wenn beispielsweise der Reaktor 10 auf den Boden gestellt wird, besteht keine Notwendigkeit, irgend etwas unter den unteren Flansch 28 zu stellen, um die Gegenfläche 54 vor Kratzern und/oder anderen Schäden, die aus dem direkten Kontakt zwischen der Gegenfläche und dem Boden resultieren können, zu schützen. Die U-förmigen Winkel 56, 58 und 60 sind befähigt, das volle Gewicht des Reaktorkopfes 10 zu tragen, ohne die Gegenfläche 54 mit dem Boden oder anderen Trägerflächen in Kontakt kommen zu lassen. Fachleute werden mit Hilfe dieser Offenbarung erkennen, daß in einigen Mehrkomponentenausführungsformen, wie dem in EP 847372(A1) offenbarten Reaktor, der hierin durch Verweis aufgenommen ist, zahlreiche Trägeransätze geeignet verwendet werden können, um mehrere Flansche zu schützen. Unter Bezugnahme auf 7 können die U-förmigen Winkel 56, 58 und 60 ein rundes Loch aufweisen, wodurch die Masse jedes Winkels verringert und die Kühlung jedes gefördert wird.
In 9 und 10 ist die Hülse 52 ziemlich ausführlich gezeigt. Die Hülse 52 ist normalerweise zylinderförmig und kann einen Katalysator 68 enthalten. Die Hülse 52 ist eingerichtet, mit dem Reaktorkopf 10 verbunden zu werden. 9 und 10 zeigen jedoch nur den Hülsenquerschnitt. Die Hülse 52 umfaßt einen oberen Hülsenflansch 82 und einen unteren Hülsenflansch 84. In einigen Ausführungsformen kann der Flansch 84 bei dauernder Verbindung zwischen der Wand 100 und einem nachstehenden Wärmeaustauscher (nicht gezeigt) weggelassen werden. Die Hülse 52 umfaßt ebenfalls drei Kühlmäntel (70, 76 und 86). Der Hülsenkühlmantel 70 umfaßt den Einlaß 72 und Auslaß 74. Der obere Hülsenflanschkühlmantel 86 schließt den zu im gehörenden Einlaß 88 und Auslaß 90 ein. Der untere Hülsenflanschkühlmantel 76 umfaßt den zu ihm gehörenden Einlaß 78 und Auslaß 80. Jeder der Kühlmäntel 70, 76 und 86 kann ein Halbrohr umfassen, das an die Hülse, wie in 10 gezeigt, geschweißt ist. Jeder der Einlässe 72, 74, 78, 80, 88 und 90 umfaßt Flansche, die die zu ihnen gehörenden Kühlmäntel mit einer Kühlmediumquelle durch einen Schlauch mit Edelstahlverstärkung 91 verbinden (oder sie können in Reihe miteinander verbunden werden). In einigen Ausführungsformen kann der Einlaß-/Auslaßflansch jedoch gänzlich entfernt und durch eine kontinuierliche Leitung zu einer Kühlmediumquelle (nicht gezeigt) ersetzt werden, und in noch einer anderen Ausführungsformen können Kühlmäntel gänzlich wegfallen.
Die Höhe der Hülse 52 ist geeigneterweise so konstruiert, daß sie ein leichtes Einbauen und Entfernen von Teilen erleichtert, welche Katalysatoren 68, Verteiler, Träger oder andere Einrichtungen, die in die Hülse eingeführt werden sollen, umfassen, aber nicht darauf beschränkt sind. Wie im Hintergrundsteil erläutert, ist es mit einer herkömmlichen Hülse sehr schwierig und zeitaufwendig, den Katalysator oder andere Teile einzubauen. Die in 9 und 10 offenbarte Hülse 52 umfaßt eine verkleinerte Größe D1 von ungefähr 0,45 m bis 0,75 m (1,5 bis 2,5 Fuß), bevorzugt von 0,53 m (1,75 Fuß), von dem oberen Hülsenflansch 82 zu dem unteren Hülsenflansch 84. Dieser Abstand resultiert, beispielsweise bei Kombination mit einem Austauscher (nicht gezeigt), in einer Arbeitserhöhung entweder von einem Boden (nicht gezeigt) oder einer Plattform zu dem oberen Hülsenflansch 82 von 0,6 m bis 1,1 m (2,0 bis 3,5 Fuß), bevorzugt 0,9 m (3,0 Fuß). Bei einer Höhe von 0,6 m bis 1,1 m (2,0 bis 3,5 Fuß) reicht der obere Hülsenflansch einer durchschnittlich großen Person bis zur Taille und ermöglicht es so einer durchschnittlich großen Person, in die Hülse 52 hineinzugreifen, um beispielsweise einen Katalysator von außerhalb der Hülse einzubauen oder wieder herauszuziehen. 19 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung in der Nähe eines Betreibers. Wie aus der Figur ersichtlich wird, kann ein Betreiber bequem in die Hülse hineingreifen, ohne in ihr Inneres einzudringen. Folglich ist kein Eindringen in enge Räume erforderlich, wodurch sich die Notwendigkeit der damit verbundenen Genehmigungen und Vorkehrungen erübrigt. Darüber hinaus ist es nicht nötig, einen Hocker oder irgendeine andere Vorrichtung zu verwenden, damit der Betreiber hineingreifen und den Katalysator oder andere innere Teile auswechseln kann. In bezug auf einen Katalysator beispielsweise, kann sich der Katalysator im Inneren der Hülse ungefähr einen Fuß von dem oberen Hülsenflansch 82 entfernt befinden, wobei die Hülse eingerichtet sein kann, den Katalysator in irgendeiner Entfernung aufzunehmen, die ein Betreiber bequem erreichen kann. Der Bereich der Entfernungen von dem oberen Hülsenflansch 82, auf den der Katalysator eingestellt werden kann, wird als ein Bereich von ungefähr 0,075 m bis 0,6 m (3 Inch bis 2 Fuß) angesehen.
Die Hülse 52 kann ebenso zahlreiche Gerätedüsen 96 und 98 aufweisen, um Überwachung von Bedingungen, wie der Temperatur, innerhalb des Reaktors zu erleichtern. Gewöhnlich werden Thermoelementleitungen in einen Reaktor von oben als Gewinde geschnitten, was mit einem großen Gegenstand wie einem konischen Reaktorkopf 10 schwierig sein kann. Durch geeignetes Einführen der Thermoelemente (nicht gezeigt) durch die Wand 100 der Hülse 52 wird der Einbau viel leichter und das Thermoelement ist ohne weiteres erreichbar. Die Gerätedüsen 96 und 98 sind derart eingerichtet, Thermoelemente unterzubringen, und erstrecken sich durch den Hülsenkühlmantel 70, um das Kühlen der Düsen zu ermöglichen. Die Gerätedüsen 96 und 98 sind ungefähr auf derselben Höhe an der Außenseite der Hülse 52 positioniert wie der Katalysator. Die Gerätedüsen 96 und 98 sind jedoch bei einem nicht normalen Winkel zur Wand 100 der Hülse 52 angeordnet, um zu gewährleisten, daß es keine direkte Sichtlinie mit der Katalysatorstrahlung gibt. Nicht normal bedeutet, daß die Gerätedüsen 96 und 98 die Hülsenwand 100 bei einem anderen Winkel als 90° berühren oder daß sich die Düsen nicht in einer einheitlichen Höhe in bezug auf den Katalysator befinden. Außerdem können die Düsen 96 und 98 eine in sie eingeführte Isolierung aufweisen, um die Thermoelemente weiter zu schützen. In der offenbarten Ausführungsform beträgt der Winkel zwischen der Düse 96 und der Wand 100 etwa 77°, aber ein anderer Winkel zwischen 0 und 180°, außer 90°, kann ebenso verwendet werden. Ein großer Teil der Energie in einer chemischen Reaktion wird durch Strahlung übertragen, und wenn die Gerätedüsen 96 und 98 normal mit der Hülse 52 sind, mit einer direkten Sichtlinie mit der Katalysatorreaktion, kann Wärme direkt in die Düsen eindringen und die innerhalb der Düsen angeordneten Thermoelemente (nicht gezeigt) schmelzen. Daher werden die Gerätedüsen 96 und 98 vorteilhafterweise nahe der Katalysatorreaktion positioniert, aber nicht in einer direkten Sichtlinie mit der Reaktion, was eine längere Haltbarkeit der Thermoelemente bewirkt.
Die Gerätedüsen 96 und 98 können alternativ für viele andere Geräte verwendet werden, umfassend Verfahrensanalyseprobeverbindunger, Druckanzeiger und Zünder.
In 11 bis 16 wird nun ein Strömungsrichtsystem zur Verwendung in Kombination mit dem Reaktor 10 offenbart. Aufgrund der beträchtlichen Ausgaben, die mit Edelmetall und anderen Katalysatoren verbunden sind, ist es wünschenswert, die Strömung über den gesamten Oberflächenbereich des Katalysators zu veranlassen, um dessen Nutzungsdauer zu verlängern. In einem typischen Reaktorsystem bewirkt der bekannte Düseneffekt von Fluiden, wenn sie eine plötzliche Ausdehnung durchlaufen, daß die Mehrheit der Fluide ungefähr denselben Durchmesser wie das Einlaßrohr behält. Wenn das Fluid den Katalysator erreicht, nimmt der Mittelbereich gewöhnlich 80 bis 90 % der Strömung auf, während die Katalysatorbereiche, die den Wänden am nächsten liegen, kaum etwas von der Strömung erhalten. Außerdem können Aufwärtsstrommuster, wie das in 1 gezeigte, auftreten und zur Zersetzung der Reaktanten an der Wand des Reaktors führen. Wenn eine Laminarströmung in der Einlaßleitung ausgelöst werden kann und der Reaktor eine allmähliche Ausdehnung zeigt, wird die Strömung an den Wänden des Reaktors gebunden bleiben, wodurch eine gleichmäßiger verteilte Strömung auf die gesamte Katalysatoroberfläche gerichtet wird. Ein Ausdehnungswinkel von weniger als ungefähr 25° wird normalerweise eine gebundene Laminarströmung beibehalten. In einigen Fällen kann die Laminarströmung durch Bereitstellen von mindestens zehn Durchmessern von geraden Rohren unmittelbar stromaufwärts vom Einlaß in einen Reaktor ausgelöst werden, aber gewöhnlich erfordern Raumbegrenzungen einen Rohrbogen von weniger als den nötigen zehn Rohrdurchmessern stromaufwärts. In diesen typischen Anwendungen auf begrenztem Raum wird eine Strömungsrichtvorrichtung wie der Rotationsflügel 102 erforderlich, um die Laminarströmung auszulösen. Der als CRV^® bekannte Rotationsflügel 102 ist von Cheng Fluid Systems, Inc. oder Koch-Glitsch, Inc. erhältlich. Fachleute werden mit Hilfe dieser Offenbarung erkennen, daß zum Auslösen der Laminarströmung auch andere Strömungsrichtsysteme verwendet werden können. 11 zeigt den Rotationsflügel 102 als Vorderansicht, so wie er mit dem Reaktor 2 verwendet werden kann. 16 offenbart die typische Plazierung des Rotationsflügels 102 in bezug auf den Reaktor 10. Der Rotationsflügel 102 kann so konstruiert sein, daß er zwei Bögen kompensieren kann, wie in 16 gezeigt, oder es kann ein zweiter Rotationsflügel (nicht gezeigt) zusätzlich zu dem Rotationsflügel 102 verwendet werden. 12 bis 15 illustrieren die Wirkung von Rotationsflügeln 102 in Betrieb. Ohne Rotationsflügel 102 wird die Geschwindigkeit des Fluids, wenn es um den Bogen 104 läuft, uneinheitlich, und ein Abreißen der Strömung tritt auf, wie in 12 gezeigt. Die effektive Strömung 106 ändert sich so, daß sie dem resultierenden Querschnitt, gezeigt in 13, gleicht. Die in 13 gezeigte uneinheitliche Strömung verhindert, daß eine verbundene Strömung gleichmäßig auf den Katalysator verteilt wird. Die Verwendung des Rotationsflügels 102 dagegen stellt das Strömungsmuster durch den in 14 gezeigten Bogen 104 bereit. Nach dem Durchlauf durch den Rotationsflügel 102 sind die resultierenden Strömungsgeschwindigkeiten gleichmäßig und laminar. 15 zeigt die gleichmäßige Strömung im Querschnitt 107. Wenn eine Laminarströmung in den konischen Reaktorkopf 10 eingeführt wird, wird die Strömung gewöhnlich an der Wand 42 des Reaktorkopfes gebunden bleiben, vorausgesetzt der Kegelwinkel 22 beträgt ungefähr 25° oder weniger. In der hierin offenbarten Ausführungsform beträgt der Kegelwinkel 22 des Reaktorkopfes 10 ungefähr 21°. Die Verwendung des Rotationsflügels 102 mit dem konischen Reaktor 10 steigert vorteilhaft die Leistungsfähigkeit der Reaktion und die Nutzungsdauer des Katalysators.
In einigen Ausführungsformen kann ein Reaktor wie der in 17 gezeigte Reaktor 202 den konischen Reaktor 10 ersetzen. Der Reaktor 202 ist eine Spalthülsenkonfiguration (204 und 206), die mit einem bestehenden Kopf 208 verbunden ist, wobei aber dasselbe Kühlsystem, dieselbe Hülsenhöhe, dieselben Thermoelementdüsen, dieselben Rotationsflügel und dieselbe innere Isolierung, wie sie oben offenbart sind, mit Reaktor 202 verwendet werden können. Der Reaktor 202 kann mit einem LAD oder EHD gekoppelt werden, um eine effektive Laminarströmung, ähnlich der in dem konischen Reaktor 10 erzeugten Strömung, zu erzeugen.
Außerdem offenbart 18 eine dritte Ausführungsform eines Reaktors 302 gemäß der Erfindung. Der Reaktor 302 umfaßt einen Langkopf 304, angebracht an einer kurzen Hülse 306. Wie Reaktor 202 kann der Reaktor 302 an der Hülse 52 angebracht sein, und er umfaßt dasselbe Kühlsystem, dieselbe Hülsenhöhe, dieselben Thermoelementdüsen, dieselben Rotationsflügel und dieselbe innere Isolierung, wie sie oben offenbart sind. Der Reaktor 302 kann ebenfalls mit einem LAD oder EHD gekoppelt werden, um eine konische Laminarströmung, ähnlich der in dem konischen Reaktor 10 erzeugten Strömung, zu erzeugen.
Eine Alternative zur Verwendung der LAD- oder EHD-Vorrichtung in den konvexen Köpfen 402 ist in 20 gezeigt. Es ist die Verwendung der Isolierung 40 mit einer konischen inneren Oberfläche 43 gezeigt. Ebenso gezeigt ist die Verwendung eines konischen Austritts 45 (oder genauer die Verwendung der Isolierung, um auch in dem konvexen Auslaßkopf eine konische innere Oberfläche bereitzustellen). Der Hauptnutzen des konischen Austritts besteht darin, daß die Laminarströmung derartig erzeugt wird, daß der Druckabfall minimiert wird (eine turbulente/Nicht-Laminarströmung erzeugt Wirbelströme, die den Druckabfall verstärken). Fachleute werden mit Hilfe dieser Offenbarung erkennen, daß während der Winkel von dem Einlaßkegel 43 sehr entscheidend ist, der Austrittswinkel oder -kegel 45 weniger entscheidend ist und irgendein Winkel von mehr als 0° und weniger als 90° sein kann. Überdies sind die Flansche 47, obwohl sie in 20 gezeigt sind, optional, und es wird davon ausgegangen, daß eine Isolierung aus hochtemperaturbeständiger Keramikfaser stückweise hergestellt werden kann, um in Behälter ohne Flansche einfach eingeführt und dann im Inneren des Behälters zusammengebaut zu werden, um eine erwünschte konische innere Oberfläche zu erzeugen.
Es wird erwartet, daß die Reaktoren 10, 202 und 302 für die Herstellung von Blausäure am günstigsten sein können. Das Verfahren zum Herstellen von Blausäure umfaßt das Zuführen von Reaktanten in einen Reaktor (beispielsweise Reaktor 10, 202 oder 302). Die Reaktanten umfassen mindestens einen Kohlenwasserstoff, mindestens ein stickstoffhaltige Gas und mindestens ein sauerstoffhaltiges Gas. Es ist anzumerken, daß das sauerstoffhaltige Gas dasselbe wie das stickstoffhaltige Gas oder der Kohlenwasserstoff sein kann.
Der mindestens eine Kohlenwasserstoff kann ein aliphatischer oder substituierter aliphatischer, cycloaliphatischer oder substituierter cycloaliphatischer, oder aromatischer oder substituierter aromatischer Kohlenwasserstoff oder ein Gemisch davon sein. Geeignete Beispiele umfassen ohne Einschränkung Methan (CH₄), Ethylen (C₂H₄), Ethan (C₂H₆), Propylen (C₃H₆), Propan (C₃H₈), Butan (C₄H₁₀), Methanol (CH₃OH), Toluol, Naphtha bzw. Schwerbenzin und Methylformiat. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der mindestens eine Kohlenwasserstoff Methan oder ein Gemisch aus einem oder mehreren Kohlenwasserstoffen, enthaltend Methan. Das mindestens eine stickstoffhaltige Gas umfaßt ohne Einschränkung Ammoniak, Formamid oder Stickstoff(II)-oxid (NO). In einer bevorzugten Ausführungsform ist das mindestens eine stickstoffhaltige Gas Ammoniak oder Gemische aus Ammoniak mit einem oder mehreren stickstoffhaltigen Gasen. Das mindestens eine sauerstoffhaltige Gas kann irgendein Material sein, das so eine Sauerstoffmenge enthält, die geeignet ist, die Verbrennung fortzusetzen, um Wärme für die endotherme Erzeugung von Blausäure zuzuführen. Geeignete Beispiele umfassen ohne Einschränkung Luft, Sauerstoff-angereicherte Luft, reines Sauerstoffgas, Kohlenmonoxid (CO), Kohlendioxid (CO₂) oder Gemische davon oder sauerstoffhaltige Verbindungen, die bei der Zersetzung Sauerstoff bereitstellen. Geeignete Beispiele umfassen Peroxide, Ketone, Ether und dergleichen.
Ebenso beabsichtigt ist die Verwendung der offenbarten Reaktoren für andere Nicht-Andrussow-HCN-Herstellungsverfahren des Stands der Technik, wobei die Energie für die HCN-Bildungsreaktion aus einer anderen Quelle als durch In-situ-Verbrennung bereitgestellt wird. Beispiele für solche Verfahren umfassen das Degussa-B-M-A-Verfahren, das Fluohmic-Verfahren und Verfahren mit Mikrowellen- und Induktionserwärmung.
Die offenbarte Vorrichtung kann ebenso in anderen industriellen Verfahren verwendet werden, welche die Herstellung von Salpetersäure (einschließlich der Herstellung durch das Ammoniakoxidationsverfahren oder ein Sauerstoff-angereichertes Verfahren), die Synthesegasherstellung, (Meth)acrylsäureherstellung, NOx-Verminderungseinheiten oder irgendein anderes Verfahren, bei dem hohe Temperaturen und Drücke mit einem Absorptionsmittel, einem Katalysator oder einem Wärmeaustauscher erforderlich sind, umfassen, aber nicht darauf beschränkt sind. Hohe Drücke umfassen irgendwelche Drücke, die größer als Atmosphärendruck sind, während hohe Temperaturen irgendwelche Temperaturen über 60°C umfassen. Außerdem kann der verwendete Katalysator ein Netz, einen Trägerkatalysator, ein Fließbett oder ein Ionenaustauscherharz umfassen, ist aber nicht darauf beschränkt.
Schließlich werden Fachleute mit Hilfe dieser Offenbarung erkennen, obwohl die vorliegende Erfindung für Gasverfahren verwendet werden kann, daß die Erfindung nicht auf Gasverfahren beschränkt ist. Die vorliegende Erfindung sieht ebenfalls industrielle Verfahren vor, die die Verwendung von Flüssigkeiten bei hohen Temperaturen und/oder hohen Drücken umfassen.
Die oben beschriebene Ausführungsform soll rein illustrativ sein und soll den Umfang der vorliegenden Erfindung nicht einschränken.

Claims

Vorrichtung für ein industrielles Hochtemperaturverfahren, wobei die Vorrichtung a) einen konischen oder konvex geformten Reaktorkopf, b) Isolierung, entfernbar in den Reaktorkopf einsetzbar, umfassend eine Hochtemperatur-beständige Keramikfaser, c) mindestens einen Flansch mit einer Umfangsoberfläche und einer Kupplungsoberfläche, wobei die Kupplungsoberfläche eingerichtet ist, mit einem Gegenflansch in einer chemischen Verfahrenseinheit gekoppelt zu werden, d) mindestens drei Trägeransätze, die an den mindestens einen Flansch angebracht sind und befähigt sind, den Reaktorkopf zu tragen, e) eine Katalysator-tragende Hülse, die eingerichtet ist, an den Reaktorkopf gekoppelt zu werden, f) mindestens eine Gerätedüse mit einem inneren Laufgang, die eingerichtet ist, in der Seite der Katalysator-tragenden Hülse angeordnete Geräte bei einem nicht normalen Winkel derart unterzubringen, daß es keine direkte Sichtlinie zwischen der Katalysatorhöhe und dem inneren Laufweg gibt, umfasst, wobei der Reaktorkopf eingerichtet ist, mit einem Fluidstrom verbunden zu werden, um ein chemisches Verfahren zu erleichtern, wobei die mindestens drei Trägeransätze sich derart von den Umfangs- und Kupplungsoberflächen erstrecken, daß ein Spiel zwischen der Kupplungsoberfläche und den Trägeransätzen erzeugt wird, und wobei die Katalysator-tragende Hülse eine vertikale Arbeitserhöhung von zwischen 0,60 m und 1,1 m (2,0 und 3,5 Fuß) zeigt und eingerichtet ist, die Auf nahme eines Katalysators, der durch einen oder mehrere Betreiber, die außerhalb des Durchmessers der Hülse stehen, wenn die Katalysator-tragende Hülse von dem Reaktorkopf entkoppelt wird, bereitgestellt wird, zu erleichtern.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Isolierung eine konische innere Oberfläche aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Isolierung durch mindestens eines der folgenden in Position gehalten wird: eine Muffe, die sich sowohl durch den Reaktor als auch die Isolierung erstreckt, oder ein Ring, der sich konzentrisch in einen Einlaß des Reaktorkopfes erstreckt.
Verfahren zum Herstellen von Blausäure, wobei das Verfahren umfaßt: a) das Bereitstellen mindestens eines Kohlenwasserstoffs, mindestens eines stickstoffhaltigen Gases und mindestens eines sauerstoffhaltigen Gases, b) das Umsetzen des mindestens einen Kohlenwasserstoffes, des mindestens einen stickstoffhaltigen Gases und des mindestens einen sauerstoffhaltigen Gases in einer Vorrichtung, um Blausäure zu bilden, und c) das Zuführen von Wärme durch eine gleichzeitige Verbrennungsreaktion mit mindestens einem sauerstoffhaltigen Gas in einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der mindestens eine Kohlenwasserstoff aus der Liste ausgewählt ist: Methan, Ethylen, Ethan, Propylen, Propan, Butan, Methanol, Toluol, Naphtha bzw. Schwerbenzin und Methylformiat.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei das mindestens eine stickstoffhaltige Gas entweder Ammoniak, Formamid oder NO ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4, 5 oder 6, wobei das sauerstoffhaltige Gas aus der Liste ausgewählt ist: Luft, Sauerstoff-angereicherte Luft, reines Sauerstoffgas, Kohlenmonoxid, NO und Kohlendioxid.