用于氧化或氨氧化反應(yīng)器的改進(jìn)的空氣格柵設(shè)計的制作方法
【專利說明】
【背景技術(shù)】
[0001]在丙烯腈的商業(yè)制造中，丙烯、氨和氧按照以下反應(yīng)圖式一起反應(yīng):
CH2=CH-CH3 + NH3 + 3/2 O2 — CH2=CH-CN+ 3 H2O
通常稱為氨氧化的這個過程在合適的流化床氨氧化催化劑的存在下在高溫下以氣相進(jìn)行。
[0002]圖1示出了用來進(jìn)行該過程的典型的氨氧化反應(yīng)器。如該圖所示，反應(yīng)器10包括反應(yīng)器壁12、空氣格柵14、進(jìn)料分布器(sparger) 16、冷卻盤管18和旋流器(cyclone) 20。在正常操作期間，工藝空氣通過空氣入口 22充入反應(yīng)器10中，而丙烯和氨的混合物通過進(jìn)料分布器16充入反應(yīng)器10中。兩者的流量都足夠高，以使反應(yīng)器內(nèi)部的氨氧化催化劑的床24流化，在其中發(fā)生丙烯和氨向丙烯腈的催化氨氧化。
[0003]由反應(yīng)產(chǎn)生的產(chǎn)物氣體通過反應(yīng)器流出物出口 26離開反應(yīng)器10。在這樣做之前，產(chǎn)物氣體穿過旋流器20，旋流器20去除這些氣體可夾帶的任何氨氧化催化劑，以通過料腿(diplegs) 25返回到催化劑床24。氨氧化是高度放熱的，因此使用冷卻盤管18來帶走過量的熱量，從而將反應(yīng)溫度保持在適當(dāng)水平。
[0004]丙烯和氨可與氧形成爆炸性混合物。然而，在正常操作溫度下，在反應(yīng)器10內(nèi)部由流化的氨化作用催化劑來防止爆炸，該催化劑在爆炸可發(fā)生之前優(yōu)先催化氨氧化反應(yīng)。相應(yīng)地，反應(yīng)器10被設(shè)計和操作成使得在正常操作期間允許工藝空氣接觸丙烯和氨的唯一地方是在氨氧化催化劑24的流化床內(nèi)，且因此僅在催化劑的溫度高至足以催化氨氧化反應(yīng)時。
[0005]為此，將丙烯和氨進(jìn)料到反應(yīng)器10的傳統(tǒng)方式使用諸如在U.S.5，256，810中所示的進(jìn)料分布器系統(tǒng)16，該專利的公開內(nèi)容以引用方式并入本文中。如‘810專利的圖1和圖2(這兩幅圖被重新編號為本文獻(xiàn)的圖2和圖3)中所示，進(jìn)料分布器16采取一系列供應(yīng)管或管道的形式，其包括主集管30和支管(lateral) 32，支管32附連到集管30且從集管30分出。一系列面向下的進(jìn)料噴嘴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應(yīng)器操作期間通過進(jìn)料噴嘴34充入。支管32和進(jìn)料噴嘴34的數(shù)目和間距使得橫跨反應(yīng)器10的整個橫截面積大致均勻地定位有每平方米總共約10至30個進(jìn)料噴嘴。
[0006]通常，每個進(jìn)料噴嘴34都被進(jìn)料護(hù)罩36包圍，進(jìn)料護(hù)罩36采取管道的短部段的形式，該管道的內(nèi)徑為噴嘴34直徑的若干倍。進(jìn)料護(hù)罩36使得穿出噴嘴34的氣體的速度能夠在離開進(jìn)入催化劑床24之前顯著減慢，這防止了本來可發(fā)生的催化劑的崩解(disintegrat1n)。
[0007]工藝空氣通常在穿過空氣格柵14之后進(jìn)入催化劑床24 (圖1)，空氣格柵14位于進(jìn)料分布器16下方。如熟知的，空氣格柵14通常采取連續(xù)的金屬片材的形式，其限定在其中的一系列空氣孔或噴嘴?？諝鈬娮斓闹睆?、穿過空氣格柵14的工藝空氣的質(zhì)量流量和穿過進(jìn)料分布器16的丙烯/氨混合物的質(zhì)量流量經(jīng)選擇，使得催化劑床24中的氨氧化催化劑在正常操作期間被這些氣體完全流化。
[0008]空氣孔76 (在圖5中)通常設(shè)有其自己的保護(hù)性空氣護(hù)罩(未示出)，該護(hù)罩通常位于空氣格柵14下方。此外，在許多情況下，進(jìn)料噴嘴34與空氣格柵14中的空氣噴嘴以一對一關(guān)系設(shè)置，其中，每個進(jìn)料護(hù)罩36直接對準(zhǔn)其對應(yīng)的空氣噴嘴以促進(jìn)穿出這兩種不同噴嘴的氣體的快速且充分的混合。就本申請的目的而言，這樣的空氣噴嘴被稱為無蓋的。參見U.S.4，801，731。在其它情況下，空氣噴嘴可具有安裝在其正上方的蓋，以優(yōu)先地沿格柵水平地(以定向或均勻方式)而不是正對著進(jìn)料護(hù)罩豎直地分配空氣。這些蓋可以是焊接在這樣的空氣噴嘴上方的小金屬罩。將蓋附連到格柵的腿部的設(shè)計可選擇成優(yōu)化水平氣體分布模式。在空氣孔上方的這些蓋也可設(shè)計成防止處于反流化狀態(tài)的催化劑(i)通過空氣孔下落和/或(ii)沉降在蓋本身上(例如，通過具有坡面或由角鐵制成)。
[0009]雖然這種一般類型的丙烯/氨進(jìn)料系統(tǒng)效果良好，但其可存在某些缺點。例如，穿出進(jìn)料分布器16的丙烯/氨進(jìn)料混合物與穿出空氣格柵14的空氣的混合可能是不充分的。這會降低反應(yīng)器性能，導(dǎo)致反應(yīng)物向產(chǎn)物的不太理想的轉(zhuǎn)化。
[0010]此外，由氨氧化催化劑產(chǎn)生的鑰垢(molybdenum scale)可造成一小堆這種鑰垢加上額外量的夾帶的催化劑以小的催化劑堆的形式積聚在空氣格柵14的上表面上。這些堆作用類似于其中氨氧化反應(yīng)持續(xù)發(fā)生的微型的靜止或“固定的”催化劑床。因為固定的催化劑床內(nèi)部的熱傳遞遠(yuǎn)弱于在流化床中，所以這些催化劑堆產(chǎn)生局部過熱點，該過熱點的溫度高到足以損壞剛好到達(dá)附近的任何流化的催化劑。例如，這樣的溫度高到足以煅燒到達(dá)附近的任何流化催化劑的表面，這繼而減小表面積和因此減小催化劑活性。并且，由于形成流化催化劑床的各個催化劑顆粒自由地循環(huán)通過其整個體積，所以隨時間推移，這些過熱點可損壞反應(yīng)器中的流化床催化劑的所有裝料。
[0011]另外的缺點包括丙烯腈反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)的機(jī)械問題。典型的商用丙烯腈反應(yīng)器在大約400至550° C的相對恒定的溫度下操作，但的確會出現(xiàn)波動。此外，氨氧化反應(yīng)器必須定期停機(jī)，以進(jìn)行正常維護(hù)、催化劑更換等，并且由于突發(fā)性的故障，諸如例如電源故障。由于正常操作溫度如此之高，當(dāng)反應(yīng)器在環(huán)境溫度和正常操作溫度之間轉(zhuǎn)變時，反應(yīng)器內(nèi)部的溫度變化可高達(dá)500° C或以上。這種在低溫和高溫之間的循環(huán)可在形成反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)構(gòu)件上施加相當(dāng)大的應(yīng)力，尤其是在它們連接到彼此的地方，因為這些結(jié)構(gòu)構(gòu)件的固有膨脹和收縮響應(yīng)于溫度變化而發(fā)生。隨著時間推移，這些應(yīng)力可導(dǎo)致機(jī)械失效，尤其是在由焊接形成的接頭處。
[0012]例如，空氣格柵14附連到反應(yīng)器10的壁12的正常方式在圖4中示出。如圖所示，空氣格柵14由折角(knuckle) 44附連到反應(yīng)器的側(cè)壁12，該空氣格柵14采用在其中具有一系列孔的基本上平坦的金屬板40的形式。如在該圖中所示，折角44在橫截面上采用金屬的凹形截面的形式，其上端46與側(cè)壁12基本上齊平且由焊縫48焊接到側(cè)壁12，并且其下端50與空氣格柵板40的面對的邊緣基本上共平面且由焊縫52焊接到該邊緣。
[0013]在直徑31英尺Γ9.4米)的大型商用丙烯腈反應(yīng)器中，例如，空氣格柵板40可響應(yīng)于在反應(yīng)器啟動和停機(jī)期間所經(jīng)歷的溫度變化而水平地膨脹和收縮多達(dá)1A英寸(1.27cm)。這在折角44上產(chǎn)生很大的應(yīng)力，且尤其是在用來將折角44附連到空氣格柵板40和反應(yīng)器側(cè)壁12的焊縫48和52。遺憾的是，隨時間推移，這些應(yīng)力可導(dǎo)致機(jī)械失效，這又需要長的停機(jī)時間以進(jìn)行修理和/或更換。
[0014]與上述常規(guī)設(shè)計相關(guān)聯(lián)的另一個缺點涉及空氣格柵撓曲。由于在反應(yīng)器10停機(jī)時空氣格柵16必須支撐反應(yīng)器10內(nèi)部的催化劑裝料的整個重量，因此需要從下方支撐空氣格柵板40以適應(yīng)該重量。通常，這借助于上面擱置空氣格柵板40的工字梁系統(tǒng)來實現(xiàn)。在一些反應(yīng)器設(shè)計中，空氣格柵板40僅擱置在這些工字梁上。遺憾的是，在這些設(shè)計中，空氣格柵板40具有在正常操作期間顫動的趨勢，這不僅是由于向上移動通過該空氣格柵板的空氣的力，而且也由于當(dāng)其溫度升高至正常操作溫度時其固有的膨脹。在其它設(shè)計中，空氣格柵板40焊接到這些工字梁的頂部。遺憾的是，在這些設(shè)計中，向上移動的空氣的力加上空氣格柵板的固有膨脹可導(dǎo)致這些焊縫的機(jī)械失效。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]根據(jù)本公開的技術(shù)，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)分布器系統(tǒng)16和空氣格柵14之間的距離被控制在6至24英寸Γ15至?61cm)、優(yōu)選8至12英寸Γ20至?30.5cm)內(nèi)時，反應(yīng)物混合不充分以及局部反應(yīng)器過熱點的上述問題可顯著地減輕。此外，還發(fā)現(xiàn)的是，空氣格柵顫動和空氣格柵機(jī)械失效的上述問題可借助于用于將空氣格柵附連到反應(yīng)器的壁以及其內(nèi)部的支撐梁的改進(jìn)的系統(tǒng)來基本上完全地消除。
[0016]因此，本公開根據(jù)一個特征提供了一種用于諸如丙烯腈反應(yīng)器的商用氧化或氨氧化反應(yīng)器的改進(jìn)的進(jìn)料系統(tǒng)，其包括:進(jìn)料分布器，其用于將不飽和的和/或飽和的C3至C4烴與氨的混合物供應(yīng)至反應(yīng)器的內(nèi)部；以及空氣格柵系統(tǒng)，其用于將空氣供應(yīng)至反應(yīng)器的內(nèi)部，進(jìn)料分布器包括主集管管道和流體附連到主集管管道且從主集管管