原則上，這類設(shè)備和方法在現(xiàn)有技術(shù)中是已知的。例如，DE 41 32 263 A1記載了在催化劑管固定床反應(yīng)器中、在高溫下、通過催化活性氧化物，將丙烯醛催化氣相氧化為丙烯酸的方法，其中對于在沿催化劑管的流動方向上的兩個連續(xù)反應(yīng)區(qū)域中的反應(yīng)溫度進(jìn)行特定的溫度分布。DE 40 23 239 A1記載了將丙烯或異丁烯催化氣相氧化為丙烯醛或(甲基)丙烯醛的類似方法。這些公開的目的是改進(jìn)反應(yīng)溫度分布以增加反應(yīng)的選擇性。

DE 10 2010 048 405 A1進(jìn)行了類似目的的研究，其主題為丙烯非均相催化部分氣相氧化為丙烯醛的長期操作方法。根據(jù)該公開，將反應(yīng)氣體混合物導(dǎo)通流過被劃分為兩個空間連續(xù)的溫度區(qū)域A和B的固定催化劑床。在該方法中，將固定催化劑床引入反應(yīng)室，例如(反應(yīng))管的內(nèi)部。對固定催化劑床的總長的一特定段，提供成型催化劑體和成型稀釋劑體的均勻混合物，作為第一區(qū)域。然后在另一區(qū)域中引入稀釋得較不顯著的或未經(jīng)稀釋的固定催化劑床。還提供純惰性材料床，其長度為5％-20％，基于固定催化劑床的長度計且將其沿著反應(yīng)氣體混合物的流動方向通向固定催化劑床。該惰性材料床用作反應(yīng)氣體混合物的加熱區(qū)域。

DE 10 2007 004 961 A1(其涉及生產(chǎn)成型催化劑體的方法)還提出使反應(yīng)管在總長的約25％的第一段中裝載有惰性預(yù)備床，并在約60％的第二段中裝載有催化劑材料，留下比例約15％的反應(yīng)管不填充。

因此，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，反應(yīng)器體積的20％或更多并不用于非均相催化氣相反應(yīng)，而是用于加熱以100℃-120℃供給的反應(yīng)氣體混合物。這表明(基于反應(yīng)器體積)必須接受較低的操作負(fù)荷，或者為了較高的操作負(fù)荷必須再增加反應(yīng)器體積。因為借助較冷的反應(yīng)氣體混合物不可能在反應(yīng)管入口處建立最佳的反應(yīng)溫度，此外，反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化通常不充分。

必須考慮現(xiàn)有技術(shù)中的另一不利方面為以下事實，將反應(yīng)器或反應(yīng)器體積(包括反應(yīng)管、催化劑床、惰性材料床、傳熱介質(zhì))加熱至所要求的反應(yīng)溫度240℃-300℃需要非常高的能量輸入，所述能量輸入僅部分用來加熱反應(yīng)氣體混合物。

在該背景下，本發(fā)明的目的為提供一種設(shè)備和指定一種方法，其克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點，并且尤其是采用這種設(shè)備和方法可以有效的方式進(jìn)行非均相催化氣相反應(yīng)。

所述目的首先通過一種用于進(jìn)行非均相催化氣相反應(yīng)的設(shè)備來實現(xiàn)，所述設(shè)備包括

-反應(yīng)器(3)，

-至少一條通向反應(yīng)器(3)的管線(11)，用于引入反應(yīng)物至反應(yīng)器(3)中，

-至少一個用于提供至少一種第一反應(yīng)物A的第一進(jìn)料裝置(feed)(5)，其通向管線(11)，

-至少一個用于提供至少一種第二反應(yīng)物B的第二進(jìn)料裝置(7)，其通向管線(11)，

-至少一個用于提供循環(huán)氣體G的第三進(jìn)料裝置(9)，其通向管線(11)，

-溫度控制單元(13)，其被設(shè)置于反應(yīng)器(3)上游的管線(11)中，并且用于控制第一反應(yīng)物A和/或第二反應(yīng)物B和/或循環(huán)氣體G在進(jìn)入反應(yīng)器(3)之前的溫度，以及

-至少一個出口(15)，用于來自氣相反應(yīng)的產(chǎn)物、副產(chǎn)物和/或未反應(yīng)的反應(yīng)物。

前述目的也通過使用本發(fā)明設(shè)備(1)進(jìn)行非均相催化氣相反應(yīng)的方法來實現(xiàn)，所述方法包括步驟

a)在第一進(jìn)料裝置(5)中提供至少一種第一反應(yīng)物A，

b)在第二進(jìn)料裝置(7)中提供至少一種第二反應(yīng)物B，

c)在第三進(jìn)料裝置(9)中提供至少一種循環(huán)氣體G，

d)混合第一反應(yīng)物A、第二反應(yīng)物B和循環(huán)氣體G，以在管線(11)中得到反應(yīng)混合物R，

e)在溫度控制單元(13)中調(diào)節(jié)反應(yīng)混合物R的溫度，

f)使經(jīng)溫度調(diào)節(jié)的反應(yīng)混合物R進(jìn)料至反應(yīng)器(3)中，

g)進(jìn)行至少在第一反應(yīng)物A和第二反應(yīng)物B之間的至少一種非均相催化氣相反應(yīng)，以及

h)經(jīng)由至少一個出口(15)移除至少一種反應(yīng)產(chǎn)物P和至少一種循環(huán)氣體G的混合物。

本發(fā)明的特征在于，將反應(yīng)混合物R的預(yù)熱從反應(yīng)器(3)中移出，從而可在低得多的設(shè)備復(fù)雜性下進(jìn)行。此外，以此方式，基本上全部的反應(yīng)器體積都可以用于氣相反應(yīng)。此外，所述方法具有下述優(yōu)點：以較低的溫度水平引入能量并在反應(yīng)器中以高得多的水平回收能量。

在以下描述中，如果方法特征在與本發(fā)明的設(shè)備(1)相關(guān)的那些詳細(xì)描述之內(nèi)，那么其優(yōu)選涉及本發(fā)明的方法。同樣地，結(jié)合本發(fā)明的方法引用的物理特征優(yōu)選涉及本發(fā)明的設(shè)備(1)。

在下文中將對本發(fā)明進(jìn)行更加詳細(xì)的描述。

首先，本發(fā)明提供一種用于進(jìn)行非均相催化氣相反應(yīng)的設(shè)備(1)，包括

-反應(yīng)器(3)，

-至少一條通向反應(yīng)器(3)的管線(11)，用于引入反應(yīng)物至反應(yīng)器(3)中，

-至少一個用于提供至少一種第一反應(yīng)物A的第一進(jìn)料裝置(5)，其通向管線(11)，

-至少一個用于提供至少一種第二反應(yīng)物B的第二進(jìn)料裝置(7)，其通向管線(11)，

-至少一個用于提供循環(huán)氣體G的第三進(jìn)料裝置(9)，其通向管線(11)，

-溫度控制單元(13)，其被設(shè)置于反應(yīng)器(3)上游的管線(11)中并用于控制第一反應(yīng)物A和/或第二反應(yīng)物B和/或循環(huán)氣體G在進(jìn)入反應(yīng)器(3)之前的溫度，以及

-至少一個出口(15)，用于來自氣相反應(yīng)的產(chǎn)物、副產(chǎn)物和/或未反應(yīng)的反應(yīng)物。

本發(fā)明設(shè)備的優(yōu)點在于，所述溫度控制單元(13)——用于預(yù)熱反應(yīng)混合物的裝置，已經(jīng)從反應(yīng)器(3)中移出并且可使用不同于加熱反應(yīng)器(3)所需要的傳熱介質(zhì)來操作。因此可將在方法中必須移除的能量流以較低的溫度水平引回到所述方法中，并將其作為較高能量水平的高壓蒸汽回收。

根據(jù)本發(fā)明，第一反應(yīng)物A可為液體或氣體化合物或者這些化合物中的兩種或更多種的混合物。非常具體的實例為液體丙烯、丙烷、丙烯醛和(甲基)丙烯醛、丁烷、正丁烯或異丁烯。

同樣根據(jù)本發(fā)明，第二反應(yīng)物B可為液體或氣體化合物或者這些化合物中的兩種或更多種的混合物，但根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選含氧氣體，尤其是空氣。

本發(fā)明的設(shè)備(1)已被設(shè)計用于非均相催化氣相反應(yīng)，尤其是丙烯、丙烷或異丁烯至丙烯醛或(甲基)丙烯醛、正丁烯至馬來酸以及丙烯醛或(甲基)丙烯醛至丙烯酸或(甲基)丙烯酸的非均相催化、非部分或部分氣相氧化。

在本發(fā)明的上下文中，循環(huán)氣體G應(yīng)理解為意指這樣的氣體，其用于稀釋反應(yīng)物A和B以及吸收反應(yīng)熱，且其在氣相反應(yīng)中基本上呈現(xiàn)惰性行為。所述循環(huán)氣體G可包括氮氣、水蒸氣、二氧化碳及其混合物。

在本發(fā)明設(shè)備(1)的上述定義中，僅僅詳述了對本發(fā)明而言必不可少的設(shè)備組件。對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，顯而易見的設(shè)備組件——例如反應(yīng)器(3)的傳熱介質(zhì)的加熱和循環(huán)裝置或必要的入口和出口，未作明確描述，但并不排除在所述定義的范圍之外。

在優(yōu)選實施方案中，所述反應(yīng)器(3)為具有基本上完全被催化活性材料填充的反應(yīng)管的殼管式反應(yīng)器。因為本發(fā)明的設(shè)備(1)包括溫度控制單元(13)，所以不需要在反應(yīng)器(3)中為預(yù)熱反應(yīng)物A、B和/或循環(huán)氣體G(任選地，惰性床)而提供一個區(qū)域，因此殼管式反應(yīng)器的反應(yīng)管中的基本上全部的體積都可以用于氣相反應(yīng)。鑒于相同的反應(yīng)器體積，這樣可以實現(xiàn)更高的操作負(fù)荷。

用于進(jìn)行非均相催化氣相反應(yīng)的一般設(shè)備必須定期運行和關(guān)閉以進(jìn)行維護(hù)操作，例如以便更換催化劑負(fù)載。為此目的，通常使用冷卻氣體，例如循環(huán)氣體G或空氣。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，在將該氣體進(jìn)料到所述設(shè)備的反應(yīng)器之前，該氣體通過單獨的冷卻器(熱交換器)而被冷卻下來，以便由內(nèi)部冷卻反應(yīng)器本身。由于反應(yīng)器因其穩(wěn)定的金屬設(shè)計和大量的傳熱介質(zhì)而具有高的熱容，因此對于相應(yīng)尺寸的管線的管道系統(tǒng)，額外的資本成本是必須的，這是用于冷卻的一種高能量輸入。

為了降低資本成本和能量輸入，在本發(fā)明的開發(fā)中，將溫度控制單元(13)構(gòu)造成可作為預(yù)熱器或作為冷卻器操作的熱交換器。在常規(guī)操作中，即在進(jìn)行非均相催化氣相反應(yīng)期間，溫度控制單元(13)(即熱交換器)用于預(yù)熱被供料到反應(yīng)器(3)中的氣體混合物。在維護(hù)操作中，相同的溫度控制單元(13)作為反向熱交換器操作，其意指在維護(hù)操作中其用于冷卻被供料到反應(yīng)器(3)中的氣體。

在該實施方案中，雖然本發(fā)明的溫度控制單元(13)必定比直列式預(yù)熱器(straight preheater)或直列式冷卻器(straight cooler)具有更加復(fù)雜的構(gòu)造，但是本發(fā)明的設(shè)備的裝置復(fù)雜性及由此產(chǎn)生的資本成本可顯著降低。

本發(fā)明還提供一種使用本發(fā)明的設(shè)備(1)進(jìn)行非均相催化氣相反應(yīng)的方法，包括步驟

a)在第一進(jìn)料裝置(5)中提供至少一種第一反應(yīng)物A，

b)在第二進(jìn)料裝置(7)中提供至少一種第二反應(yīng)物B，

c)在第三進(jìn)料裝置(9)中提供至少一種循環(huán)氣體G，

d)混合第一反應(yīng)物A、第二反應(yīng)物B和循環(huán)氣體G，以在管線(11)中得到反應(yīng)混合物R，

e)在溫度控制單元(13)中調(diào)節(jié)反應(yīng)混合物R的溫度，

f)使經(jīng)溫度調(diào)節(jié)的反應(yīng)混合物R進(jìn)料到反應(yīng)器(3)中，

g)進(jìn)行至少第一反應(yīng)物A和第二反應(yīng)物B之間的至少一種非均相催化氣相反應(yīng)，以及

h)經(jīng)由至少一個出口(15)移除至少一種反應(yīng)產(chǎn)物P與至少一種循環(huán)氣體G的混合物。

本發(fā)明的方法基本上具有與上述體系(1)相同的優(yōu)點。具體而言，通過本發(fā)明的溫度控制單元(13)可以將反應(yīng)混合物R的預(yù)熱從反應(yīng)器(3)中移出，并用遠(yuǎn)低于根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)可能的能量消耗來進(jìn)行反應(yīng)混合物R的預(yù)熱。

此外，根據(jù)本發(fā)明，基本上整個反應(yīng)器體積都可以用于氣相反應(yīng)，從而可以實現(xiàn)相同的反應(yīng)器體積下更高的操作負(fù)荷。

在本發(fā)明方法的開發(fā)中，在步驟d)中溫度控制單元(13)作為用于預(yù)熱反應(yīng)混合物R的熱交換器操作。以此方式，可建立更佳的用于反應(yīng)器(3)中氣相反應(yīng)的更均勻的溫度分布，因為反應(yīng)器不會被供給較冷的反應(yīng)混合物R。此外，反應(yīng)混合物R以較高的溫度到達(dá)催化劑負(fù)載，這會帶來更好的產(chǎn)率。

另外優(yōu)選當(dāng)在步驟d)中在溫度控制單元(13)中將反應(yīng)混合物R預(yù)熱至溫度為反應(yīng)器(3)中反應(yīng)溫度的60％-100％時，反應(yīng)物A和B進(jìn)行最佳轉(zhuǎn)化。

已發(fā)現(xiàn)，當(dāng)向溫度控制單元(13)(即熱交換器)供給熱的加工蒸汽D(process steam D)作為傳熱介質(zhì)時，有利于本發(fā)明方法的能量平衡。在大多數(shù)化工場所，熱的加工蒸汽D通常作為較低價值的能量被大規(guī)模地獲得，并且可用于各種用途。通過在本發(fā)明的溫度控制單元(13)中，使用這種較低價值的能量(尤其在10bar-25bar下的加工蒸汽D)，以預(yù)熱反應(yīng)混合物R，這例如與現(xiàn)有技術(shù)相比，可以節(jié)約較高價值的能量，即至少35bar的高壓蒸汽，其在反應(yīng)器(3)的加熱中必須使用。

如上所述，用于進(jìn)行非均相催化氣相反應(yīng)的一般設(shè)備必須定期運行和關(guān)閉，以進(jìn)行維護(hù)操作。所述方法的另一實施方案將該需要考慮在內(nèi)，通過一定間隔時間執(zhí)行以下步驟：

i)停止步驟a)和b)，

ii)進(jìn)行步驟c)，

iii)停止步驟d)，

iv)在溫度控制單元(13)中調(diào)節(jié)循環(huán)氣體G的溫度，

v)使經(jīng)溫度調(diào)節(jié)的循環(huán)氣體G進(jìn)料到反應(yīng)器(3)中，

vi)停止步驟g)，

vii)通過出口(15)移除循環(huán)氣體G。

這樣，以簡單但有效的方式，使當(dāng)前的非均相催化氣相反應(yīng)停止，并使所述方法處于維護(hù)或維修模式。

在該實施方案的開發(fā)中，在步驟d)中所操作的溫度控制單元(13)作為用于冷卻循環(huán)氣體G的熱交換器。通過該措施，可以有利的方式降低用于本發(fā)明的設(shè)備(1)的資本成本和用于本發(fā)明方法的能量輸入。與進(jìn)行非均相催化氣相反應(yīng)的常規(guī)操作相比，溫度控制單元(13)(即熱交換器)的操作模式在此是可逆的，并且其用于冷卻被供給至反應(yīng)器(3)中的氣體。

為了節(jié)能，已發(fā)現(xiàn)向溫度控制單元(13)供給冷的冷凝物K作為傳熱介質(zhì)是明智的。在大多數(shù)化工場所，通?？梢垣@得相當(dāng)大量的冷的冷凝物K(類似于熱的加工蒸汽)。在被用作冷卻傳熱介質(zhì)以后，冷凝物K另外可用作熱的冷凝物HK，其具有足夠的能量含量用于其他的應(yīng)用。從而可以進(jìn)一步改進(jìn)化學(xué)化工場所的局部能量平衡。

通過以下參照附圖對本發(fā)明的工作實施例的描述，其他目的、特征、優(yōu)點和可能的用途是顯而易見的。以附圖形式描述的和/或示出的所有特征，單獨地或以任意的組合均構(gòu)成本發(fā)明的主題，甚至不考慮其在權(quán)利要求或其從屬引用中的列舉方式。如圖所示：

圖1在本發(fā)明第一種實施方案中設(shè)備(1)的示意圖，以及

圖2在本發(fā)明第二種實施方案中設(shè)備(1)的示意圖。

圖1示出了本發(fā)明的第一種實施方案。由并未詳細(xì)示出的儲存容器中，通過第一進(jìn)料裝置5提供液體或氣體反應(yīng)物A。該反應(yīng)物A然后與第三進(jìn)料裝置9中的預(yù)熱的循環(huán)氣體G混合，使得反應(yīng)物A，如果為液體形式，基本上被全部蒸發(fā)。將第二反應(yīng)物B經(jīng)由第二供料裝置7進(jìn)料，并且與反應(yīng)物A和循環(huán)氣體G的混合物混合，以便獲得反應(yīng)混合物R。

通過管線11將反應(yīng)混合物R引入到溫度控制單元13中，其中在該實施方案中，所述反應(yīng)混合物R用加工蒸汽D預(yù)熱至200℃的溫度。由此預(yù)熱的反應(yīng)混合物R被進(jìn)料到反應(yīng)器3中，在本實施方案中，所述反應(yīng)器3為具有固定床催化劑負(fù)載的殼管式反應(yīng)器。

因為反應(yīng)混合物R已經(jīng)預(yù)熱至足夠的溫度用于非均相催化氣相反應(yīng)，殼管式反應(yīng)器3的反應(yīng)管基本上完全被催化活性材料填充，所以在反應(yīng)管的始端就已經(jīng)發(fā)生反應(yīng)物A和B的轉(zhuǎn)化。產(chǎn)物、副產(chǎn)物和/或未反應(yīng)的反應(yīng)物A和B經(jīng)由出口15從反應(yīng)器3中移出。

圖1中的圖省略了原則上由現(xiàn)有技術(shù)中已知的用于進(jìn)一步后處理的產(chǎn)物和副產(chǎn)物的裝置，例如吸收塔、解吸塔、蒸餾塔、結(jié)晶器等。

圖1示出了在反應(yīng)模式中的本發(fā)明的設(shè)備1，而圖2示出用于維護(hù)和維修所述設(shè)備的另一種實施方案。未示出用于反應(yīng)物A和B的第一進(jìn)料裝置5和第二進(jìn)料裝置7，因為在維護(hù)模式中不提供反應(yīng)物。將循環(huán)氣體G通過第三進(jìn)料裝置9提供，并且經(jīng)由管線11進(jìn)料到溫度控制單元13中。該實施方案中的溫度控制單元13(其采用熱交換器的形式)不再用加工蒸汽D操作來預(yù)熱反應(yīng)混合物R。通過關(guān)閉閥V₁停止加工蒸汽D的進(jìn)料，替代地，打開閥V₂供入冷卻的或預(yù)冷卻的冷凝物K，以在溫度控制單元13中冷卻循環(huán)氣體G。

將以此方式冷卻下來的循環(huán)氣體G進(jìn)料到反應(yīng)器3中，以由內(nèi)部反過來冷卻所述反應(yīng)器。熱交換加熱冷卻的冷凝物K，以得到熱的冷凝物HK，其具有其他可行的進(jìn)一步用途。

將在反應(yīng)器中被加熱的循環(huán)氣體G經(jīng)由出口15抽出，并且基本上通過未示出的循環(huán)系統(tǒng)提供到第三進(jìn)料裝置9，以再次流回到起冷卻器作用的溫度控制單元13。

圖2中的圖也未示出某些設(shè)備組件，例如傳熱介質(zhì)的循環(huán)系統(tǒng)和可能的收集和儲存容器，所述傳熱介質(zhì)在反應(yīng)模式中圍繞殼管式反應(yīng)器中的反應(yīng)管流動。該傳熱介質(zhì)當(dāng)然同樣地由反應(yīng)器3排出，以便能夠使反應(yīng)器3充分冷卻下來。