用于催化气相反应的装置和方法以及其用途制造方法及图纸

一种用于催化放热气相反应的改进的反应器，沿包含至少一种氧化剂和至少一种待氧化成分的进给气体的流动方向看，反应器具有输入区、包括至少一个催化剂的反应区、以及用于产品气体的输出区。反应器至少在输入区的区域中设置有用于降低在反应区中形成的反应热到输入区中的输送的装置，由此降低采用的进给气体混合物预点火的风险或者在输入区中引起不期望副反应的风险，以及/或者其中反应器的至少在输入区的区域中的内壁由惰性材料构造而成。进给气体作为关于其物质成分均质化的气体混合物经由一个或多个进给线进入到输入区中。该反应器可以尤其用于氨氧化，其中使用优选地构造为蜂窝形式的横截面比惯用的铂纱网小的过渡金属催化剂。

【技术实现步骤摘要】
本案是国际申请号为PCT/EP2009/008553、国际申请日为2009年12月1日、专利技术名称为“用于催化气相反应的装置和方法以及其用途”、中国国家阶段申请号为200980148254.5的专利技术专利申请的分案申请。
本专利技术涉及用于催化气相反应的改进的反应器和利用该反应器执行的方法，具体地，本专利技术涉及改进的氧化方法，例如用于氨氧化的方法，其可以用作例如己内酰胺或者尤其是硝酸的制备的组成部分。
技术介绍
在许多情况下，当实施催化气相反应时，反应热被释放。借助例如通过加热的反应器壁的热传递，通过反应气体沿逆流方向运动的涡旋引起的对流，或者通过热辐射，反应热可以到达反应器的位于反应区之前的部分。这种热传递的结果是，供给的气体可以在甚至到达反应区之前就被强烈地加热，使得在到达该反应区之前导致以不受控制的方式进行不期望的副反应或预反应。在工业上大规模实施的放热气相反应的实例是硝酸(“HNO3”)的制备。在工业规模上通常是根据奥斯特瓦尔德(Ostwald)方法通过铂/铑催化剂上的氨的催化氧化来实施这个反应。这里，氨(“NH3”)被完全选择性地氧化成一氧化氮(“NO”)，然后一氧化氮在进一步的过程中被氧化成二氧化氮(“NO2”)并且最终在吸收塔中与水反应而生成HNO3。铂/铑催化剂设计成薄的纱网并且在燃烧器的大面积区域上展开。用于这些纱网的通常尺寸处于0.5-5m的直径范围内。纱网填料的厚度通常为几毫米至最多2厘米，这取决于采用的纱网的数量。含氧和含氨的混合物流过纱网。这种混合物的成分通过稀释进行控制，使得在缺少安全间隔时总是降低爆炸下限，以避免爆炸或爆裂的危险——即使在纱网前面的装备和生产线中。在硝酸的制备中和在用于制备己内酰胺的某些方法中，所使用的稀释剂是空气的惰性成分，尤其是氮，也就是大气空气和氨混合成使得混合物通常包含大约8-12％的氨。由于纱网上的反应的放热，所以在那里形成范围为大约800℃-950℃的温度。用于制备一氧化氮的方法和用于在制备己内酰胺的过程中间制备羟胺硫酸盐的方法也是已知的，但是其中氨利用氧而被催化氧化，并且利用蒸汽对氨/氧混合物进行处理，从而氨/氧混合物被稀释(参考GB-A-1,139,849和RU-A-2,127,222)。接下来热的反应气体在热交换器中被冷却，其中产生蒸汽或者过程气体被加热。选择纱网高度非常小的大直径催化剂几何结构的原因在于，NH3氧化必须以非常小的停留时间进行，另一方面是因为接下来可能的NO反应，另一方面是因为由于纱网的灌注和纱网的机械应力而产生的压力损失应当保持为尽可能的小。从而，在工业HNO3制备中，以较低的线性速率进行纱网的灌注，根据压力范围，该线性速率处于在大气条件下为大约0.4-1.0m/s、在范围为从3-7巴绝对值的中压氧化下为大约1-3m/s以及在范围为从8-12巴绝对值的高压氧化下为大约2-4m/s的范围内，其中速率数据要理解为被反应热加热的气体的真空空间速率。在入射流太快的情况下，由于进入气流的冷却效果(“吹熄”现象)，铂/铑纱网上的反应还可能消失。通过可能的热氨燃烧的火焰速度标记用于氨/氧惰性混合物的入射流量的下限，使得在各种情况下，在催化剂上点火的反应到催化剂床前面的自由气体空间中的回击被排除在外。除了经典纱网催化剂之外，在科学文献和专利文献中还说明了基于用于氨氧化的过渡金属氧化物的基础金属催化剂的使用。这些可以自身单独使用或者与铂/铑纱网结合使用。例如，Sadykov等人的Appl.Catal.General A:204(2000)59-87中
有关于这方面的考虑。用于使用基础金属催化剂的驱动力是为了节省贵金属，尤其是铂。贵金属催化剂在氨氧化期间被实际消耗，从而必须根据纱网的负荷以大约三个月到一年的间隔进行更换，这导致相当可观的成本。通常，基于过渡金属氧化物的催化剂，以及铂/铑纱网催化剂，同样以较低的入射流量被流过。当在催化剂上点火时，这是尤其必要的，以便不会再次熄灭氨氧化。实际上，基于过渡金属氧化物的催化剂通常比贵金属催化剂具有较低的活性，并且与贵金属催化剂相比具有明显较高的启动温度和较高的熄灭温度。在WO-A-99/25,650中，措施被描述为可以如何通过使用极细粒度的催化剂颗粒来降低“吹熄”温度，而不允许压力损失在这里增加太多。在氨的催化氧化的情况下，还总是存在这样的问题，即氨在与实际氧化催化剂接触之前(例如在热管壁上)点火，并且在这里非选择性地点火以形成N2和H2O或者N2O。在EP-A-1,028,089中说明了，可能发生的是通过在用于供应NH3/空气混合物的分配器配件上的氨燃烧的反射来加热这些配件，由此，进入的NH3的一部分在这些配件的表面上被氧化成N2O。US-A-5,266,291说明了一种反应器，其在输入区(在这里称为混合区)中具有惰性材料的填料。在混合区中，诸如水的冷却介质可以被喷射以降低该混合区中的温度。可替代的是或者除此之外的是，可以用水冷却混合区中的反应器套。该文献还说明了这样一种可能性，即反应区还能够围绕有冷却套，并且水还可以喷射到反应区中以降低其中的温度且由此降低不受控制的反应的风险。在该反应器中，不同的气流被进给到混合区中，在混合区的填料中混合，然后被进给到反应区。除了作为混合器的功能外，填料还防止发生爆炸。EP-A-334,710说明了一种由钢壁构成反应器。在反应器的内侧上设置有耐火混凝土涂层，而该涂层在内侧上又被莫来石护套覆盖。提供这些措施以便能够在高压下执行气相反应。在该文献中所示的反应
器同样具有填料和用于将不同进给气体引入到输入区(在这里称为散布区)中的两条线路。在这个反应器中，不同的气流也被引入到散布区中，在散布区的填料中混合，然后被进给到反应区。除了作为混合器的功能外，填料在这里还防止发生爆炸。NH3预点火的问题在技术上相关的按体积算8-12％的NH3高浓度中尤为重要，因为在这里燃烧自身可以被保持并且甚至通过反应的放热而增大。因此，除了实际点火温度(即临界表面温度，在该温度之上NH3可能发生分解)之外，去除通过NH3分解释放的热也相当重要。这种去除越好，则载有氨的气流流过表面(冷却作用)的速度就更快并且气流越冷。此外，减少了进给的气流在与催化剂接触之前停留的时间，由此减少了可能的非选择性预反应的反应时间。在借助铂/铑纱网上的氨氧化的HNO3工业制备中，高活性铂/铑催化剂的低响应温度使得能够具有大约200℃的较低输入温度。这样，尽管为低流入速度，但是氨的预点火对该方法的工业实现而言并不是障碍。然而，当使用具有较低催化活性的催化剂时，必须在进给气体混合物的较高温度(预热)下工作，或者具有较低的流入速率，或者优选地采用这两种措施的结合。在这些条件下，增大了氨预点火的风险。采用与铂纱网相比具有较小横截面和较大催化剂床深度的蜂窝催化剂的试验现在已经显示出，在较低的进给气体混合物流入速率下形成期望的NOx的选择性仅仅是非常小的。从而这种方法的经济性存在问题。这种影响在理论上可以通过增加进给气体混合物的流入速率进行补偿。然而实际上，因为压力损失中出现不成比例的增大，所以流入速率的增大设定了极限，此外，在某些环境下，仅仅实现氨的不完全反应。在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于将进给气体转化为产品气体而进行催化放热气相反应的反应器，沿进给气体的流动方向看，所述反应器具有输入区(1)、包括至少一个催化剂(4)的反应区(2)、以及用于产品气体的输出区(3)，其中关于其物质成分均质化的气体混合物作为进给气体借助一个或多个进给线(30)被供应到所述输入区(1)，所述气体混合物包含至少一种氧化剂和至少一种待氧化成分，并且至少在所述输入区(1)或者所述反应区(2)的区域中设置有用于降低在所述反应区(2)中形成的反应热到所述输入区(1)中的输送的装置，以及/或者其中所述反应器的至少在所述输入区(1)的区域中或者在所述反应区(2)的区域中的内壁由惰性材料构造而成。

【技术特征摘要】
2008.12.02 DE 102008059930.11.一种用于将进给气体转化为产品气体而进行催化放热气相反应的反应器，沿进给气体的流动方向看，所述反应器具有输入区(1)、包括至少一个催化剂(4)的反应区(2)、以及用于产品气体的输出区(3)，其中关于其物质成分均质化的气体混合物作为进给气体借助一个或多个进给线(30)被供应到所述输入区(1)，所述气体混合物包含至少一种氧化剂和至少一种待氧化成分，并且至少在所述输入区(1)或者所述反应区(2)的区域中设置有用于降低在所述反应区(2)中形成的反应热到所述输入区(1)中的输送的装置，以及/或者其中所述反应器的至少在所述输入区(1)的区域中或者在所述反应区(2)的区域中的内壁由惰性材料构造而成。2.根据权利要求1所述的反应器，其中，所述输入区(1)是选择性地包括功能性配件的真空空间，所述功能性配件部不用于相互混合。3.根据权利要求1至2中任一项所述的反应器，其中，所述输入区(1)不包括用于使均质化的气体混合物相互混合的配件，尤其是不包括用于混合或散布均质化的气体混合物的惰性填料。4.根据权利要求1至3中任一项所述的反应器，其中，所述进给线(30)连接至一个或多个混合单元，所述混合单元用于混合所述至少一种氧化剂和所述至少一种待氧化成分。5.根据权利要求1至4中任一项所述的反应器，其中，所述用于降低从所述反应区(2)中形成的反应热到所述输入区(1)中的输送的装置设置在所述输入区(1)和所述反应区(2)的区域中。6.根据权利要求1至4中任一项所述的反应器，其中，至少在所述输入区(1)的区域中或者在所述反应区(2)的区域中设置有用于降低在所述反应区(2)中形成的反应热到所述输入区(1)中的输送的装置，并且其中所述反应器的在所述输入区(1)的区域中或者在所述反应区(2)的区域中的内壁由惰性材料构造而成。7.根据权利要求1至6中任一项所述的反应器，其中，设置有作为用于降低在所述反应区(2)中形成的反应热到所述输入区(1)中的输送的装置的至少一个隔绝套(6)，所述至少一个隔绝套在所述输入区(1)的高度处，或者在所述输入区(1)和所述反应区(2)的高度处，或者在所述输入区(1)和所述输出区(3)的区域中，或者在所述输入区(1)、所述反应区(2)和所述输出区(3)的区域中，相对于反应器包壳(5)隔绝所述反应器的内部空间。8.根据权利要求1至7中任一项所述的反应器，其中，在所述输入区(1)的区域中，或者在所述输入区(1)和所述反应区(2)的区域中，或者在所述输入区(1)和所述输出区(3)的区域中，或者在所述输入区(1)、所述反应区(2)和所述输出区(3)的区域中，设置有作为用于降低在所述反应区(2)中形成的反应热到所述输入区(1)中的输送的装置的至少一个用于引导冷却介质的装置。9.根据权利要求8所述的反应器，其中，用于输送冷却介质的装置位于反应器包壳(9)中或者位于反应器包壳(9)的内壁上。10.根据权利要求1所述的反应器，其中，所述输入区(1)、所述反应区(2)和所述输出区(3)被一反应器包壳(5)围绕，所述反应器包壳还是用于所述催化剂(4)且用于隔绝套(6)的载体，所述隔绝套在所述输入区(1)的至少一部分的区域中，或者在所述反应区(2)和所述输入区(1)的至少一部分的区域中，将所述反应器的内部空间与所述反应器包壳(5)热隔绝，从而抑制热从所述反应区(2)传递至所述输入区(1)中的进给气体。11.根据权利要求1所述的反应器，其中，所述输入...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·施韦弗，M·格罗韦斯，J·富克斯，R·毛雷尔，R·西费特，B·欣德根，
申请(专利权)人：犹德有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE