專利名稱：高效反應(yīng)器和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對(duì)在高溫進(jìn)行的氣相反應(yīng)的工藝改進(jìn)。更具體地，本發(fā)明 涉及其中熱導(dǎo)管與反應(yīng)器處于熱交流狀態(tài)的方法。這些工藝改進(jìn)通過(guò)參考 氰化氫的吸熱催化合成和一氧化二氮的放熱分解而更具體地說(shuō)明。
背景技術(shù)：
氰化氫(HCN)，也稱為氫氰酸，是在化學(xué)、采礦和制藥行業(yè)中有許多 用途的工業(yè)化學(xué)品。例如，HCN是制造用于生產(chǎn)聚酰胺如尼龍66和尼龍 6的己二腈的原料。其它用途包括制造丙烯酸類塑料；在金回收中使用的 氰化鈉；以及殺蟲(chóng)劑、農(nóng)產(chǎn)品、螯合劑和動(dòng)物詞料制造中的中間體。
己知的是，采用或不采用催化劑，從含氫、氮和碳的化合物在高溫制 備HCN。己知的HCN方法包括安德盧梭法，BMA法，或者較少人知的 沙威尼根法。其描述提供例如于Kirk-Othmer編輯的化學(xué)技術(shù)百科全書 (Encyclopedia of Chemical Technology)(第四版，第7巻，753至782頁(yè))中。 由于經(jīng)濟(jì)上不令人滿意而沒(méi)有顯著商業(yè)開(kāi)發(fā)的用于制備HCN的其它方法 包括甲酰胺分解，甲醇氨解，以及酸與氰化鈉的反應(yīng)。HCN還是從丙 烯和氮合成丙烯腈的索亥俄法的副產(chǎn)物。
安德盧梭等的吸熱HCN合成反應(yīng)是為人熟知的。經(jīng)由過(guò)量甲烷與氧 的放熱共燃燒將熱能供應(yīng)給該體系。美國(guó)專利1,957,749號(hào)公開(kāi)了氫氰酸 的催化制備(IGFARBENINDUSTRIE AG)，其包括通常用等式1描述的， 氨、可汽化的烴和含游離氧的氣體在750°C-1250°C之間的溫度和金屬催 化劑存在下的相互反應(yīng)。
CH4 + NH3 + 1,502 ~>HCN + 3H20 (1)
該反應(yīng)在約1，100°C的溫度、在金屬絲網(wǎng)形式的貴金屬催化劑上，典 型地在鉑(Pt)，鈾-銠(Pt/Rh)或鈾-銥合金上，在約大氣壓進(jìn)行。其它工藝方 案包括原料流的純化，原料混合物的預(yù)熱，和富02空氣以及100% 02作為氧源的使用。
用于HCN合成的BMA法也是已知的。美國(guó)專利2,768,876號(hào)公開(kāi)了 用于從揮發(fā)性烴制備HCN的催化方法，其中揮發(fā)性烴和氨的混合物處于 氣相，并且反應(yīng)在鉑金屬催化劑存在下、在大氣壓下進(jìn)行。使該氣體混合 物反應(yīng)的步驟是在鉑金屬催化劑存在下，在加熱的反應(yīng)室中進(jìn)行的，所述 反應(yīng)室具有陶瓷材料的壁，所述陶瓷材料由0.7至8%的Si02、其余是氧 化鋁組成。
BMA法涉及根據(jù)等式2的甲烷和氨的吸熱反應(yīng)。
CH4 + NH3 — HCN + 3H2 (2)
BMA法通過(guò)除去在原料氣中的02，限制了與制備HCN的其它方法 相關(guān)的不適宜的副反應(yīng)。在這種方法中，甲垸和氨在沒(méi)有氧的情況下在超 過(guò)約1200。C的溫度反應(yīng)。該反應(yīng)是在爐內(nèi)的在外部加熱的燒結(jié)氧化鋁(陶 瓷)管中進(jìn)行的，所述的管涂覆有鉑。
Koch等在美國(guó)專利5,470,541和5,529,669號(hào)中公開(kāi)了用于制備HCN
的方法和設(shè)備，包括在采用單一模式微波輻照提供熱量的同時(shí)，在鉬族
金屬催化劑上由氨蒸氣和烴氣體的反應(yīng)制備HCN。由于該工藝的吸熱特 性，需要巨大的熱能輸入以提供高的工藝溫度。這些公開(kāi)內(nèi)容在本文中通 過(guò)引用而結(jié)合。
美國(guó)專利5,958,273; 6,287,531; 6,315,972;和7,070,743號(hào)一起公開(kāi) 了用于制備HCN的方法和設(shè)備，包括在采用感應(yīng)加熱作為能量來(lái)源的同 時(shí)，在鉑族金屬催化劑上由氨蒸氣和烴氣體的反應(yīng)制備HCN。這些公開(kāi) 內(nèi)容在本文中通過(guò)引用而結(jié)合。
這些氣相反應(yīng)所采用的高溫(在使用一種或多種鉑族金屬進(jìn)行催化時(shí)) 受到縮短催化劑壽命的困擾。安德盧梭法中的這種觀察可能與催化劑結(jié)構(gòu) 的快速重構(gòu)和較高的壓降有關(guān)。
在上述方法，排出的產(chǎn)物流必須迅速冷卻到低于約300°C以防止HCN 的熱降解。另外，必須除去未反應(yīng)的氨，"氨漏過(guò)"。氨可以催化HCN的 聚合， 一種工藝事故。典型地，將氨回收和再循環(huán)；在較小的裝置(imits) 中，可以將其燃燒或者作為硫酸銨除去。
熱導(dǎo)管，也稱為熱管，是導(dǎo)熱金屬的密封中空管，容納有少量的工作流體以主要通過(guò)蒸發(fā)和冷凝傳遞熱能。容納有工作流體的中空管也稱為熱
管夕卜殼(envelope) o
利用毛細(xì)作用的優(yōu)點(diǎn)的熱導(dǎo)管的原理是由Los Alamos National Laboratory的George Grover等人提出的，并且隨后由Grover， G.M.， T. P. Cotter禾口 G. F. Erickson發(fā)表于the o/bwma/ 尸/27&cs 35 (6) 1964;
"Structures of Very High Thermal Conductance"。
在內(nèi)部，熱導(dǎo)管的管道系統(tǒng)在側(cè)壁上可以具有吸液芯結(jié)構(gòu)，從而對(duì)液 相工作流體施加毛細(xì)作用力。這種吸液芯結(jié)構(gòu)典型地為燒結(jié)金屬粉或一系 列平行于管軸的凹槽，但是原則上也可以是能夠吸取工作流體的任何材 料。如果熱導(dǎo)管具有隨著加熱端向下的連續(xù)坡度，則吸液芯結(jié)構(gòu)是任選的。 熱導(dǎo)管沒(méi)有移動(dòng)部件。
熱導(dǎo)管機(jī)構(gòu)依賴于在管的熱端的熱液體工作流體上的蒸汽壓高于在 管的較冷端的冷凝工作流體上的平衡蒸汽壓。正是這種壓差驅(qū)動(dòng)了冷凝端 的快速質(zhì)量傳遞，在冷凝端，過(guò)量的蒸汽冷凝并且釋放其潛熱。冷凝的工 作流體然后流回導(dǎo)管的熱端。在垂直定向熱導(dǎo)管的情況下，可以通過(guò)重力 使流體移動(dòng)。在含有吸液芯的熱導(dǎo)管的情況下，流體通過(guò)毛細(xì)作用返回。 因?yàn)闊釋?dǎo)管被排空之后裝入工作流體然后密封，所述內(nèi)部壓力是由工作流
體的蒸汽壓設(shè)定的。在本領(lǐng)域熟知的熱導(dǎo)管的應(yīng)用包括冷卻系統(tǒng)，其在 宇宙飛船中作為用于內(nèi)部溫度的熱管理的裝置，并且在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中用以 從高速中央處理器單元排熱。
熱導(dǎo)管可用于將熱能傳遞給化學(xué)反應(yīng)器或者將其從化學(xué)反應(yīng)器移除。
這種熱導(dǎo)管應(yīng)用的實(shí)例至少公開(kāi)于US 4,351,806和US 4,315,893中。
Rosenfdd等人的美國(guó)專利7,069,978公開(kāi)了在將鋁外殼材料和水用作 優(yōu)選工作流體的努力中遇到的問(wèn)題，原因在于盡管金屬鋁與水不相容，但 是氧化鋁與水相容。鋁和其氧化物在熱膨脹上的巨大差異和所導(dǎo)致的應(yīng) 力，使得氧化物層經(jīng)常在第一熱循環(huán)時(shí)就破裂，導(dǎo)致熱導(dǎo)管故障。該美國(guó) 7,069,978專利提出了在外殼的內(nèi)壁上形成有保護(hù)層以與工作流體相容的 鎂合金外殼。
盡管可以通過(guò)在鉑族金屬催化劑存在下的甲垸和氨反應(yīng)制備HCN，但 是仍需要提高該基本反應(yīng)的熱效率以及由此提高HCN生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益。尤其重要的是在HCN生產(chǎn)率最大化的時(shí)使使用的熱能和氨漏過(guò)最小化。另 外的考慮包括保持催化劑完整性和在反應(yīng)區(qū)中的貴金屬催化劑的量。
然而，如上所述，HCN的商業(yè)生產(chǎn)是在貴金屬催化劑上在約1,100°C 的高溫進(jìn)行的。
熱導(dǎo)管冶金和工作流體，軸向熱流和表面熱流，公開(kāi)于"How to Select a Heat Pipe" ， Enert腿 ， Inc.( 可獲自 http : 〃www.enertron-inc.com/enertron-resources/library.php)中。特另'J是，據(jù)公 開(kāi)，鈉工作流體和鎳，不銹鋼容器或外殼材料適合于500°C至卯0。C的溫 度范圍。據(jù)公開(kāi)，鋰工作流體和鈮+1%鋯容器或外殼材料適合于900°C 至1500°C的溫度范圍。
設(shè)計(jì)外來(lái)的且昂貴的商用反應(yīng)容器是不經(jīng)濟(jì)的，盡管從在高溫工藝中 使用熱導(dǎo)管產(chǎn)生其它可能的益處。
非常需要一種經(jīng)濟(jì)上可行的商用反應(yīng)容器，其使用擔(dān)負(fù)得起的構(gòu)造材 料制造適合于在高溫使用的熱導(dǎo)管設(shè)備。采用這種用于高溫化學(xué)反應(yīng)的熱 導(dǎo)管設(shè)備和反應(yīng)容器進(jìn)行各種化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的方法也是非常需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種經(jīng)濟(jì)上可行的商用反應(yīng)容器，其使用擔(dān)負(fù)得起的構(gòu)造 材料制造適合于在高溫使用的熱導(dǎo)管設(shè)備。
本發(fā)明還提供采用這種用于高溫化學(xué)反應(yīng)的熱導(dǎo)管設(shè)備和反應(yīng)容器 進(jìn)行各種化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的方法。
本發(fā)明的一個(gè)方面提供一種用于以持久連續(xù)的吸熱反應(yīng)方式合成 HCN的方法。該方法的步驟包括使用催化劑，使一部分含甲烷的烴氣 體和一部分氨氣在反應(yīng)區(qū)中在超過(guò)約1000。C的反應(yīng)溫度反應(yīng)以形成產(chǎn)物， 和使用至少包括熱導(dǎo)管設(shè)備的用于熱能傳遞的裝置將熱能傳遞給反應(yīng)區(qū)， 并且在驟冷區(qū)驟冷產(chǎn)物，并且使用至少包括熱導(dǎo)管的用于熱能轉(zhuǎn)移的裝置 從驟冷區(qū)傳遞熱能。氨和甲垸的反應(yīng)典型地在沒(méi)有添加氧的情況下進(jìn)行， 并且更典型地，在沒(méi)有易測(cè)量到的量的氧的情況下進(jìn)行。在本發(fā)明的另一 實(shí)施方案中，反應(yīng)溫度可以超過(guò)1100°C。
本發(fā)明的另一方面提供用于合成HCN的連續(xù)催化方法，該方法包括(a) 甲垸和氨反應(yīng)物裝入反應(yīng)區(qū)；
(b) 在所述反應(yīng)區(qū)中提供熱管；和
(c) 以大于5瓦/cm2的速率和高于1000°C的溫度控制從熱管至反應(yīng)物的傳熱速率，以提高HCN選擇性和/或收率。
本發(fā)明的另一方面提供用于合成HCN的連續(xù)催化方法，該方法包括:
(a) 將甲烷和氨反應(yīng)物裝入具有外壁的反應(yīng)區(qū)；和
(b) 提供傳熱管，用于將熱量以大于5瓦/cr^的速率和高于1000。C的溫度傳遞給反應(yīng)物，其中傳熱管與反應(yīng)物接觸的部分的內(nèi)表面溫度變化小于10°C，例如，小于10°C。
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案可以任選包括在低于1200°C的溫度，例如低于1100°C或1000°C的溫度，以大于10瓦/cm2的傳熱速率從反應(yīng)產(chǎn)物回收熱能。
本發(fā)明的一種合適的反應(yīng)器可以使用具有56.5英寸(1.44 m)長(zhǎng)的冷凝(反應(yīng))部的1英寸(2.54cm)O.D.熱管。每根管的功率輸出可以為24.2 kW，其中軸向傳熱速率為4.8 kW /cm2 (基于OD)。在管表面向反應(yīng)物的能量傳遞據(jù)估計(jì)為21瓦/cm2。
本發(fā)明的另一種反應(yīng)器可以生產(chǎn)額定100kt/年的HCN，該反應(yīng)器使用在1.5-英寸(3.81 cm)中心距(centers)上以額定37根管/平面安置在25個(gè)平面中的約933根管，采用額定5英尺x 5英尺(1.5 m x 1.5 m)的反應(yīng)器橫截面。如果需要，可以基于假設(shè)的較低的傳熱速率，使反應(yīng)器更大。例如，如果假定傳熱速率(每平方面積)以4的因子減小，則對(duì)于相同的生產(chǎn)能力，總傳熱面積將需要以4的因子增加)。
本發(fā)明的另一方面提供用于以連續(xù)吸熱反應(yīng)方式如以持久連續(xù)的吸熱反應(yīng)方式合成HCN的設(shè)備。提供用于以持久連續(xù)的吸熱反應(yīng)方式，從基本上包含氣相氨和氣相甲烷的原料氣合成HCN的反應(yīng)器。該反應(yīng)器包括預(yù)熱區(qū)，第一級(jí)反應(yīng)區(qū)，第二級(jí)反應(yīng)區(qū)和驟冷區(qū)。
在用于將原料氣溫度升高到第一溫度(介于800°C和1000°C之間)的預(yù)熱區(qū)中，第一熱導(dǎo)管裝置可以配置有效抑制原料氣(甲烷和氨)分解的涂層或?qū)?，所述的涂層或?qū)釉O(shè)置在第一熱導(dǎo)管裝置外表面的。例如，涂層可以是非反應(yīng)性涂層。當(dāng)涂布第一熱導(dǎo)管裝置時(shí)，可以采用本領(lǐng)域已知的方法將涂料直接涂覆到表面上，所述方法包括但不限于，通過(guò)噴淋涂覆，等離
子體涂覆，通過(guò)電鍍涂覆，和通過(guò)修補(bǔ)基面涂層(washcoating)涂覆。備選地，可以將第二熱導(dǎo)管裝置插入涂有涂層的陶瓷(例如，含氧化鋁的陶瓷)鞘中。
反應(yīng)器的第一級(jí)反應(yīng)區(qū)可以包含熱導(dǎo)管裝置，在熱導(dǎo)管裝置的至少一部分表面上設(shè)置有第一催化劑，并且有效將原料氣升高到高于所述第一溫度的第二溫度(介于1000。C和1300。C之間)；并且將反應(yīng)物轉(zhuǎn)化成產(chǎn)物，例如，完成超過(guò)40%的原料氣至反應(yīng)產(chǎn)物的單程轉(zhuǎn)化率。
第一催化劑可以具有任何己知的形式，例如但不限于金屬絲網(wǎng)，箔，泡沫，負(fù)載的催化劑鞘，浸漬的涂料和修補(bǔ)基面涂層。催化劑的量是將一種或多種反應(yīng)物有效轉(zhuǎn)化成一種或多種產(chǎn)物的任何量。當(dāng)?shù)谝淮呋瘎┦峭苛蠒r(shí)，可以采用本領(lǐng)域己知的方法將涂料直接涂覆到表面上，所述方法包括但不限于，通過(guò)噴淋涂覆，等離子體涂覆，通過(guò)電鍍涂覆，和通過(guò)修補(bǔ)基面涂層涂覆。備選地，可以將熱導(dǎo)管裝置插入涂有涂層的陶瓷(例如，含氧化鋁的陶瓷)鞘中。
反應(yīng)器的第二級(jí)反應(yīng)區(qū)可以包含金屬絲網(wǎng)形式的第二催化劑，其包含卯重量％的鉬和10重量％的銠，用于提供原料氣至反應(yīng)產(chǎn)物的進(jìn)一步轉(zhuǎn)化。在第二級(jí)反應(yīng)區(qū)中，基于進(jìn)料到第一反應(yīng)區(qū)的原料，總轉(zhuǎn)化率可以接近或大于50%。備選地，第二催化劑可以具有任何已知的形式，例如但不限于金屬絲網(wǎng)，片狀，丸狀和單塊(例如，泡沫)。
反應(yīng)器的驟冷區(qū)可以包含第二熱導(dǎo)管裝置，其有效將反應(yīng)產(chǎn)物快速冷卻至低于500。C的溫度。第二熱導(dǎo)管裝置可以任選涂有涂層，或者具有設(shè)置在第一熱導(dǎo)管裝置外表面上的層，其中含有抑制劑以有效降低一部分反應(yīng)產(chǎn)物(HCN)的分解。當(dāng)?shù)诙釋?dǎo)管裝置涂有涂層時(shí)，可以采用本領(lǐng)域己知的方法將涂料直接涂覆到表面上，所述方法包括但不限于，通過(guò)噴淋涂覆，等離子體涂覆，通過(guò)電鍍涂覆，和通過(guò)修補(bǔ)基面涂層涂覆。備選地，可以將第二熱導(dǎo)管裝置插入涂有涂層的陶瓷(例如，含氧化鋁的陶瓷)鞘中。
反應(yīng)器的驟冷區(qū)任選包含第二帶涂層的熱導(dǎo)管裝置，其有效用于將反應(yīng)產(chǎn)物快速冷卻到低于500°C的溫度；并且其中，第二帶涂層的熱導(dǎo)管裝置對(duì)于至少一部分任何未反應(yīng)的氨的分解是選擇性有效的。


圖1是配備有熱管并且適用于本文公開(kāi)的方法的設(shè)備的一種表現(xiàn)形式。
圖2是是配備有熱管并且適用于本文公開(kāi)的方法的設(shè)備的第二種表現(xiàn)形式。
圖3是配備有熱管并且適用于本文公開(kāi)的方法的設(shè)備的第三種表現(xiàn)形式。
圖4是配備有熱管并且適用于本文公開(kāi)的方法的設(shè)備的一種表現(xiàn)形式，所述的設(shè)備包括重復(fù)情形的第一級(jí)反應(yīng)區(qū)和第二級(jí)反應(yīng)區(qū)。
圖5是配備有熱管并且適用于本文公開(kāi)的方法的設(shè)備的一種表現(xiàn)形
式，其中熱管用于將熱能從驟冷區(qū)傳遞到預(yù)熱區(qū)。
圖6是配備有熱管并且適用于本文公開(kāi)的方法的設(shè)備的一種表現(xiàn)形
式，其中熱管是定向的，以提供橫向流動(dòng)和軸向流動(dòng)。
圖7是配備有熱管并且適用于本文公開(kāi)的方法的設(shè)備的一種表現(xiàn)形式，其中熱管是定向的，以提供基本上軸向流動(dòng)。
圖8是在適用于本文公開(kāi)的方法的設(shè)備中使用的帶鞘的熱管的一種表現(xiàn)形式。
圖9是在適用于本文公開(kāi)的方法的設(shè)備中使用的熱管的一種表現(xiàn)形式。
圖IO是根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的一種表現(xiàn)形式。
圖11是說(shuō)明本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的操作壓力和工作流體壓力之間關(guān)系的圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明包括用于進(jìn)行高溫氣相反應(yīng)的方法和設(shè)備。例如，本發(fā)明包括其中與預(yù)熱反應(yīng)物、持續(xù)反應(yīng)和驟冷流出物有關(guān)的能量是至少借助于熱導(dǎo)管傳遞的那些氣相反應(yīng)。本發(fā)明的熱導(dǎo)管提供催化劑溫度均勻性和高傳熱速率方面的有益改善。從所采用的高溫源回收熱量可以提高工藝收率和降低能耗。本發(fā)明包括一種使至少一種反應(yīng)物在至少一個(gè)反應(yīng)區(qū)在某一溫度反 應(yīng)并且形成至少一種產(chǎn)物的方法，其中任選在催化劑存在下，所述溫度足 以促進(jìn)所述至少一種反應(yīng)物的反應(yīng)，并且其中所述至少一個(gè)反應(yīng)區(qū)中的所 述溫度是由用于將熱能傳遞給至少一個(gè)反應(yīng)區(qū)或從至少一個(gè)反應(yīng)區(qū)傳出 的裝置提供的。
至少一個(gè)反應(yīng)區(qū)是指一個(gè)或多個(gè)容積元件，向其中引入一種或多種反 應(yīng)物并且將一種或多種產(chǎn)物取出。
在反應(yīng)物或產(chǎn)物的定義范圍內(nèi)，進(jìn)一步預(yù)期還表示熱能。 本發(fā)明的實(shí)施方案包括在熱導(dǎo)管裝置在用于合成HCN和用于一氧化
二氮(&0)自熱分解的方法中的用途。
本發(fā)明的HCN方法包括使包含一部分甲烷氣體和一部分氨氣的工藝 原料氣在超過(guò)約1000°C的溫度在反應(yīng)區(qū)，例如在基本上沒(méi)有添加氧或基 本上沒(méi)有商業(yè)上可測(cè)量的量的氧的反應(yīng)區(qū)中反應(yīng)。用于本發(fā)明HCN方法 的反應(yīng)區(qū)可以包括用于傳遞熱能的包括至少一種熱導(dǎo)管的裝置。
涉及HCN合成的本發(fā)明的另一方面提供一種持久連續(xù)的吸熱反應(yīng)， 包括以大于5瓦/cn^的速率、在高于1000°C的溫度將熱能傳遞給反應(yīng)物。
本發(fā)明另一方面中提供一種用于以持久連續(xù)的吸熱反應(yīng)的方式合成 HCN的設(shè)備如反應(yīng)器。反應(yīng)器輸入是基本上包含氣相氮和氣相甲烷的原 料氣。該反應(yīng)器包括四個(gè)區(qū)預(yù)熱區(qū)，第一級(jí)反應(yīng)區(qū)，第二級(jí)反應(yīng)區(qū)和驟 冷區(qū)。
在預(yù)熱區(qū)中，將原料氣的溫度升高到介于soo。c和1000°C之間的第
一溫度。在該預(yù)熱區(qū)中，第一熱導(dǎo)管裝置配備有非反應(yīng)性涂層。該非反應(yīng) 性涂層有效抑制輸入原料氣，即甲烷和氨的分解。
反應(yīng)器的第一級(jí)反應(yīng)區(qū)可以包括涂布有第一鉑族金屬催化劑的熱導(dǎo) 管裝置。具有催化劑的第一級(jí)反應(yīng)區(qū)可以將原料氣升高到超過(guò)所述第一溫
度且介于1000。C和1300。C之間的第二溫度，以完成原料氣至反應(yīng)產(chǎn)物的 超過(guò)10%的單程轉(zhuǎn)化率。
反應(yīng)器的第二級(jí)反應(yīng)區(qū)可以包含金屬絲網(wǎng)形式的第二催化劑，第二催
化劑包含90重量％的鉑和10重量％的銠，用于提供原料氣至反應(yīng)產(chǎn)物的 轉(zhuǎn)化并且將單程轉(zhuǎn)化率提高至超過(guò)50%。備選地，第二催化劑可以具有其它形式，例如但不限于，金屬絲網(wǎng)，片狀，丸狀和單塊(例如，泡沫)。 反應(yīng)器任選包括重復(fù)情形的第一級(jí)反應(yīng)區(qū)和第二級(jí)反應(yīng)區(qū)。 反應(yīng)器的驟冷區(qū)可以包含對(duì)于將反應(yīng)產(chǎn)物快速冷卻到低于500°C的溫
度有效的第二帶涂層的熱導(dǎo)管裝置。位于驟冷區(qū)的第二帶涂層的熱導(dǎo)管裝
置可以選擇性有效地抑制一部分反應(yīng)產(chǎn)物(HCN)的分解。熱導(dǎo)管的涂層防 止了HCN收率損失。
反應(yīng)器的驟冷區(qū)任選包含對(duì)于將反應(yīng)產(chǎn)物快速冷卻到低于500。C的溫 度有效的第二帶涂層的熱導(dǎo)管裝置；并且其中，附加的帶涂層的熱導(dǎo)管裝 置具有選擇性有效地促進(jìn)"漏過(guò)"的氨的分解的涂層。
本發(fā)明預(yù)期與催化化學(xué)反應(yīng)器一起使用熱導(dǎo)管裝置，其中使熱導(dǎo)管裝 置與催化劑部分或完全接觸。
申請(qǐng)人的發(fā)明預(yù)期與化學(xué)反應(yīng)器一起使用熱導(dǎo)管裝置，其中采用熱導(dǎo) 管從反應(yīng)產(chǎn)物回收能量。
申請(qǐng)人的發(fā)明預(yù)期與催化化學(xué)反應(yīng)器一起使用熱導(dǎo)管裝置，用于N20 的熱消除，N20是醇和酮的硝酸氧化的副產(chǎn)物。在環(huán)己酮和環(huán)己醇至己二 酸的氧化中，N20被確認(rèn)為"溫室"氣體。全球都在進(jìn)行努力以減少?gòu)倪@些 工藝中釋放到大氣中的N20的量。
用于消除N20向環(huán)境散發(fā)的方法包括(1)燃燒，(2)自熱分解，和 (3)催化分解。
基于燃燒的方法，已知有超過(guò)50年的歷史，其利用N20作為氧源與 燃料反應(yīng)以產(chǎn)生熱量同時(shí)破壞N20分子。該方法消耗大量的燃料，但是在 希望從工藝中產(chǎn)生并且輸出水蒸汽的地方可以提供益處。與基于燃燒的方 法相關(guān)的是高燃料消耗，高投資，NOx的生成，以及高的維持成本。
已知N20分子在超過(guò)約800°C的溫度將分解成氮和氧，形成定量的經(jīng) 濟(jì)上可回收的NOx。該熱法采用熱交換器、引火燈、分級(jí)燃燒器和儲(chǔ)熱器 的組合，以引發(fā)和穩(wěn)定連續(xù)熱分解反應(yīng)狀態(tài)。該熱分解方法公開(kāi)于美國(guó)專 利6,328,941 (BASF)。高水平的NOx形成，高維持成本和高投資是自熱N20 消除實(shí)踐的特征。
N20分解的催化方法是已知的。該方法在較低的溫度有效進(jìn)行。催化 劑和方法的實(shí)例至少公開(kāi)于美國(guó)專利5,314,673; US 4,259,303; US4,793,980;和US 6,723,295號(hào)中。這些催化劑典型地具有較窄的操作溫度 窗口，在此窗口之下不發(fā)生反應(yīng)而在此窗口之上催化劑失活。由于分解的 高放熱性質(zhì)，采用預(yù)熱的約10M體積濃度的稀釋N2O原料流。這種稀釋需 要要求原始含N20工藝氣體流的約2-3倍體積的稀釋劑。結(jié)果，工藝設(shè)備 必須相應(yīng)調(diào)整大小。高初始投資和定期催化劑更換是這種方法的特征。
本發(fā)明包括一種用于N20消除的方法，所述方法包括使用熱導(dǎo)管將熱 量從放熱N20降解反應(yīng)轉(zhuǎn)移?？梢圆捎脽釋?dǎo)管裝置以支持自熱N20消除 工藝維持連續(xù)分解反應(yīng)，并且實(shí)現(xiàn)幾乎完全的N20的破壞，而不添加燃料， 還原劑，或外部能量。在這種方法中，熱導(dǎo)管將提供將N20分解過(guò)程中釋 放的熱量傳輸至反應(yīng)器入口的裝置，以提供引發(fā)分解反應(yīng)必需的預(yù)熱。這 種方法只需要在啟動(dòng)過(guò)程中提供外部能源，或者在低N20濃度下操作。
在另一個(gè)概念中，將熱導(dǎo)管裝置應(yīng)用于催化N20方法，以提供高度均 勻溫度的催化劑床以及將熱量傳至反應(yīng)進(jìn)料和從產(chǎn)物取走熱量的高的傳 熱率。
選擇的熱導(dǎo)管的構(gòu)成材料和工作流體取瘊于熱導(dǎo)管必須運(yùn)行的溫度 條件。工作流體涵蓋從用于極低溫度應(yīng)用的液氦或液氮至用于高溫條件的 銀、鋰、鈉或鉀。熱導(dǎo)管中產(chǎn)生的內(nèi)部壓力是工作流體的蒸汽壓，其隨著 熱導(dǎo)管溫度而變化。熱導(dǎo)管的一個(gè)已知優(yōu)點(diǎn)在于，傳熱效率高。熱導(dǎo)管顯 著優(yōu)于具有相同橫截面的實(shí)心銅熱導(dǎo)體。已知熱導(dǎo)管通量可以達(dá)到超過(guò) 200兆瓦/平方米。
在高溫和恒定的應(yīng)力或負(fù)荷下，許多材料以慢的連續(xù)速率變形，該行 為稱為蠕變。蠕變是用于描述固體材料在應(yīng)力影響下緩慢移動(dòng)或永久性變 形的趨勢(shì)的術(shù)語(yǔ)。其是作為長(zhǎng)期暴露于低于材料的屈服強(qiáng)度或極限強(qiáng)度的 應(yīng)力水平的結(jié)果而發(fā)生的。蠕變?cè)陂L(zhǎng)期經(jīng)受熱和在高溫下的材料中更加嚴(yán) 重。蠕變總是隨著溫度而增加。這種變形的速率是材料性能、暴露時(shí)間、 暴露溫度和施加的負(fù)荷(應(yīng)力)的函數(shù)。取決于施加的應(yīng)力的大小及其持續(xù) 時(shí)間，變形可以變得大到部件不再能夠發(fā)揮其功能的程度。在熱導(dǎo)管外殼 材料的情況下，蠕變可能最終導(dǎo)致外殼失效。
本發(fā)明的用于合成HCN和用于自熱破壞N20的方法都在高溫下操作。 作用在熱導(dǎo)管殼(也稱作外殼)上的工作流體的壓力可以提供足以誘導(dǎo)許多用于外殼構(gòu)造的在其它方面適宜的低成本材料的蠕變的應(yīng)力。在本發(fā)明的 一個(gè)實(shí)施方案中，通過(guò)平衡工藝應(yīng)力和工作流體壓力，顯著降低了通常與 工作流體壓力有關(guān)的應(yīng)力，從而極大地降低了外殼上的應(yīng)力和相關(guān)的蠕變 變形，并且由此擴(kuò)展了熱導(dǎo)管的操作溫度范圍并且能夠使用較低成本的構(gòu) 造材料。
可以控制反應(yīng)器內(nèi)的壓力，使得反應(yīng)區(qū)壓力和熱導(dǎo)管外殼內(nèi)工作流體 壓力之間的絕對(duì)差值最小化，由此極大地減小外殼上的應(yīng)力。從而，應(yīng)力 的降低使得能夠使用較低成本的外殼材料和在更高溫度的工作流體，并且 具有更長(zhǎng)的壽命預(yù)期。在一個(gè)實(shí)施方案中，控制反應(yīng)器內(nèi)的壓力，使得反
應(yīng)區(qū)壓力和熱導(dǎo)管外殼內(nèi)工作流體壓力之間的絕對(duì)差值小于約14.7 psi (101 kPa)。
在其它實(shí)施方案中，控制反應(yīng)器內(nèi)的壓力，使得反應(yīng)區(qū)壓力約等于熱 導(dǎo)管外殼內(nèi)工作流體的壓力，即反應(yīng)區(qū)壓力和熱導(dǎo)管外殼內(nèi)工作流體壓力 之間的絕對(duì)差值小于約5 psi (34 kPa)或小于約1 psi (7 kPa)。
在本發(fā)明的實(shí)施方案中，可以采用已知的裝置測(cè)量工作流體的壓力， 或可以從測(cè)量的溫度如反應(yīng)器溫度，熱導(dǎo)管外殼溫度或工作流體溫度估計(jì) 任何給定的工作流體的壓力。例如，如圖11所示，當(dāng)使用鈉作為熱導(dǎo)管 工作流體并且當(dāng)在熱導(dǎo)管外部的工藝操作壓力(Po，按psia計(jì)量)被計(jì)算為 熱導(dǎo)管工作流體溫度(T，按。C計(jì)量)的函數(shù)時(shí)，其滿足以下等式.-
Po = aNaT - bNaT + cNaT - dNa
其中
Po按psia計(jì)，
T在900至1300。C范圍內(nèi)， a他等于1.2xl(T6， bw等于2.7405 x IO-3， c他等于2.1643，并且 d^在570至600范圍內(nèi)。
如上所述的d^值的變化(例如，從570至600)限定了在Po上限和下 限之間的操作壓力帶。盡管由所述等式和圖表描述的實(shí)施方案顯示的是在鈉作為工作流體 時(shí)用于減小蠕變的特定方法，但是應(yīng)指出，該通用方法適用于在蠕變是選 擇外殼材料時(shí)的顯著因素的溫度操作的所有工作流體。這樣的工作流體至 少包括銫、鉀、鋰和銀。
應(yīng)理解，在本文提及熱管(例如，20， 20A， 20B， 21， 22)的任何情形， 應(yīng)理解可以采用單個(gè)熱管或者多個(gè)熱管來(lái)履行所指熱管的功能。
現(xiàn)在參考圖l，反應(yīng)器10配置有熱管(20， 22)，其適用于以下工藝 在大氣壓或更高壓力下，使包含氨和甲垸的反應(yīng)物流150與催化劑180接 觸，以形成包含HCN的產(chǎn)物流250。作為代替甲垸的選擇，可以使用含2 至6個(gè)碳原子的任何烴氣體。熱管20位于反應(yīng)器10的第一反應(yīng)區(qū)160， 在第一反應(yīng)區(qū)160中，使預(yù)熱至介于800和1000°C之間的溫度的反應(yīng)物 流150與催化劑(O.l至20重量％的Pt族金屬)接觸。在本文描述的第一反 應(yīng)區(qū)催化劑的每一情形中，各種催化劑組成和形式都在考慮和描述之列并 且可以互換使用。任選作為預(yù)熱用的裝置，提供配置有陶瓷涂層的熱管， 所述陶瓷涂層基本上消除氨和甲烷在預(yù)熱溫度下的分解。最通常地，熱管 20具有設(shè)置在至少一部分外表面上的催化劑。熱管20的端部20，比端部 20"更熱并且是通過(guò)熱源(未顯示)加熱的。足夠的熱量從熱源經(jīng)由熱管20 傳遞，以升高和維持反應(yīng)物流溫度至1000。C和1300。C之間并且將反應(yīng)物 轉(zhuǎn)化成產(chǎn)物，例如基于原料進(jìn)料為40%以上的轉(zhuǎn)化率。選擇所采用的熱管 以提供在所需工作溫度范圍內(nèi)的最佳性能。進(jìn)一步引導(dǎo)反應(yīng)物流以與 Pt/Rh (卯重量％ Pt/10重量％ Rh)金屬絲網(wǎng)的催化劑180接觸，通過(guò)催化劑 180，發(fā)生至產(chǎn)物大于約90%的轉(zhuǎn)化率。備選地，催化劑180可以為一種 或多種其它已知形式如泡沫，并且可以具有已知有效促進(jìn)HCN形成的其 它組成，如85重量。/。Pt/15重量。/。Rh。借助于熱管22將產(chǎn)物流在反應(yīng)器 區(qū)域200中的溫度驟冷，其中熱管端部22，冷于管端部22"。熱管端部22' 與已知冷卻裝置熱接觸，從管端部22"和反應(yīng)產(chǎn)物轉(zhuǎn)移熱量，以使它們的 溫度低于500°C。在熱管22上提供已知的陶瓷涂層如氧化鋁，該陶瓷涂層 有效地抑制產(chǎn)物流中HCN的分解。以已知的方式從產(chǎn)物流回收HCN。
現(xiàn)在參考圖2，反應(yīng)器10配置有適用于以下工藝的熱管(20):在大氣 壓或更高壓力下，使反應(yīng)物流150與催化劑接觸，以形成產(chǎn)物流250。熱管20位于反應(yīng)器10的第一反應(yīng)區(qū)160，在第一反應(yīng)區(qū)160中，使預(yù)熱至 介于800和1000°C之間的溫度的反應(yīng)物流150與催化劑(O.l至20重量％ 的Pt族金屬)接觸。任選作為預(yù)熱用的裝置，提供配置有陶瓷涂層的熱管， 所述陶瓷涂層基本上消除氨和甲垸在預(yù)熱溫度下的分解。最通常地，熱管 20具有設(shè)置在至少一部分外表面上的催化劑23。熱管20的端部20'比端 部20"更熱并且是通過(guò)熱源(未顯示)加熱的。足夠的熱量從熱源經(jīng)由熱管 20傳遞，以升高和維持反應(yīng)物流溫度至1000°C和UOO。C之間并且將反 應(yīng)物轉(zhuǎn)化成產(chǎn)物，例如基于原料進(jìn)料為40%以上的轉(zhuǎn)化率。選擇所采用的 熱管以提供在所需工作溫度范圍內(nèi)的最佳性能。進(jìn)一步引導(dǎo)反應(yīng)物流至第 二反應(yīng)區(qū)190,第二反應(yīng)區(qū)190任選含有Pt/Rh(90重量。/。Pt/10重量。/。Rh) 金屬絲網(wǎng)的接觸催化劑，通過(guò)該催化劑，發(fā)生至產(chǎn)物大于約90%的轉(zhuǎn)化率。 通過(guò)快速冷卻裝置15將驟冷區(qū)210中的溫度驟冷，使溫度低于500°C。任 選地，作為快速冷卻裝置，熱管從反應(yīng)產(chǎn)物轉(zhuǎn)移熱量，以使它們的溫度低 于500。C，所述熱管具有己知的陶瓷涂層并且與已知冷卻裝置熱接觸，所 述陶瓷涂層有效地抑制產(chǎn)物流中HCN的分解。以已知的方式從產(chǎn)物流回 收HCN。
現(xiàn)在參考圖3，反應(yīng)器10配置有熱管(20， 22)，其適用于以下工藝 在大氣壓或更高壓力下，使反應(yīng)物流150與催化劑接觸，以形成產(chǎn)物流 250。熱管20位于反應(yīng)器10的第一反應(yīng)區(qū)160，在第一反應(yīng)區(qū)160中，使 預(yù)熱至介于800和1000°C之間的溫度的反應(yīng)物流150與催化劑(O.l至20 重量％的Pt族金屬)接觸。任選作為預(yù)熱用的裝置，提供配置有陶瓷涂層 的熱管，所述陶瓷涂層基本上消除氨和甲烷在預(yù)熱溫度下的分解。最通常 地，熱管20具有設(shè)置在至少一部分外表面上的催化劑。熱管20的端部20， 比端部20"更熱并且是通過(guò)熱源(未顯示)加熱的。足夠的熱量從熱源經(jīng)由 熱管20傳遞，以升高和維持反應(yīng)物流溫度至1000°C和1300°C之間并且 將反應(yīng)物轉(zhuǎn)化成產(chǎn)物，例如基于原料進(jìn)料為40%以上的轉(zhuǎn)化率。選擇所采 用的熱管以提供在所需工作溫度范圍內(nèi)的最佳性能。借助于熱管22將產(chǎn) 物流在反應(yīng)器區(qū)域200中的溫度驟冷，其中熱管端部22'冷于管端部22"。 熱管端部22，與已知冷卻裝置熱接觸，從管端部22"和反應(yīng)產(chǎn)物轉(zhuǎn)移熱量， 以使它們的溫度低于500°C。在熱管22上提供已知的陶瓷涂層，該陶瓷涂層有效地抑制產(chǎn)物流中HCN的分解。以己知的方式從產(chǎn)物流回收HCN。 現(xiàn)在參考圖4，反應(yīng)器10配置有熱管(20， 22)，其適用于以下工藝 在大氣壓或更高壓力下，使反應(yīng)物流150與催化劑180接觸，以形成HCN 的產(chǎn)物流250。熱管20位于反應(yīng)器10的第一反應(yīng)區(qū)160，在第一反應(yīng)區(qū) 160中，使預(yù)熱至介于800和1000°C之間的溫度的反應(yīng)物流150與催化劑 (0.1至20重量。/。的Pt族金屬)接觸。任選作為預(yù)熱用的裝置，提供配置有 陶瓷涂層的熱管，所述陶瓷涂層基本上消除氨和甲垸在預(yù)熱溫度下的分 解。最通常地，熱管20具有設(shè)置在至少一部分外表面上的催化劑。熱管 20的端部20'比端部20"更熱并且是通過(guò)熱源(未顯示)加熱的。足夠的熱量 從熱源經(jīng)由熱管20傳遞，以升高和維持反應(yīng)物流溫度至1000°C和1300°C 之間并且將反應(yīng)物轉(zhuǎn)化成產(chǎn)物，例如基于原料進(jìn)料為40%以上的轉(zhuǎn)化率。 選擇所采用的熱管以提供在所需工作溫度范圍內(nèi)的最佳性能。進(jìn)一步引導(dǎo) 反應(yīng)物流以與Pt/Rh (90重量％ Pt/10重量％ Rh)金屬絲網(wǎng)的催化劑180接 觸，通過(guò)催化劑180，發(fā)生至產(chǎn)物大于約50%的轉(zhuǎn)化率。備選地，催化劑 180可以具有其它己知形式如泡沫，并且可以具有已知有效促進(jìn)HCN形 成的其它組成，如85重量。/。Pt/15重量。/。Rh。將反應(yīng)物流進(jìn)一步引導(dǎo)至用 反應(yīng)區(qū)161表示的第二情形的第一反應(yīng)區(qū)160，反應(yīng)區(qū)161配置有第二情 形的熱導(dǎo)管20，用熱導(dǎo)管21表示，從而將反應(yīng)物進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成產(chǎn)物，例 如80%或更大的轉(zhuǎn)化率。然后將反應(yīng)物流進(jìn)一步引導(dǎo)與以與用催化劑181 表示的第二情形的催化劑180接觸，通過(guò)催化劑181發(fā)生至產(chǎn)物的大于約 90%的轉(zhuǎn)化率。借助于熱管22將產(chǎn)物流在反應(yīng)器區(qū)域200中的溫度驟冷， 其中熱管端部22，冷于管端部22"。熱管端部22'與已知冷卻裝置熱接觸， 從管端部22"和反應(yīng)產(chǎn)物轉(zhuǎn)移熱量，以使它們的溫度低于500。C。在熱管 22上提供已知的陶瓷涂層，該陶瓷涂層有效地抑制產(chǎn)物流中HCN的分解。 以已知的方式從產(chǎn)物流回收HCN。
現(xiàn)在參考圖5，反應(yīng)器10配置有熱管(20， 22)，其適用于以下工藝 在大氣壓或更高壓力下，使反應(yīng)物流150與催化劑接觸，以形成HCN的 產(chǎn)物流250。反應(yīng)器10包括四個(gè)區(qū)預(yù)熱區(qū)155，第一反應(yīng)區(qū)160，第二 反應(yīng)區(qū)190，和驟冷區(qū)210。預(yù)熱區(qū)155和第一反應(yīng)區(qū)160可以直接接觸， 或者可以通過(guò)管道如導(dǎo)管或輸送管連接。第一反應(yīng)區(qū)160和第二反應(yīng)區(qū)190可以直接接觸，或可以通過(guò)管道如導(dǎo)管或輸送管連接。第二反應(yīng)區(qū)190 和驟冷區(qū)210可以直接接觸，或可以通過(guò)管道如導(dǎo)管或輸送管連接。熱管 22的熱管端部22，與預(yù)熱區(qū)155中的反應(yīng)流150熱接觸并且向反應(yīng)物流提 供預(yù)熱溫度(800。C至1000°C)。熱管端部22，和熱管22在預(yù)熱區(qū)155內(nèi)的
部分配置有基本上消除氨和甲垸在預(yù)熱溫度下的分解的層或陶瓷涂層。熱 管20位于反應(yīng)器10的第一反應(yīng)區(qū)160，在第一反應(yīng)區(qū)160中，處于預(yù)熱 溫度的反應(yīng)物流150與催化劑(O.l至20重量％的Pt族金屬)接觸。最通常 地，熱管20具有設(shè)置在至少一部分外表面上的催化劑。熱管20的端部20' 比端部20"更熱并且是通過(guò)熱源(未顯示)加熱的。足夠的熱量從熱源經(jīng)由 熱管20傳遞，以升高和維持反應(yīng)物流溫度至1000°C和1300°C之間并且 將反應(yīng)物轉(zhuǎn)化成產(chǎn)物，例如基于原料進(jìn)料為40%以上的轉(zhuǎn)化率。選擇所采 用的熱管以提供在所需工作溫度范圍內(nèi)的最佳性能。借助于熱管22將產(chǎn) 物流在驟冷區(qū)210中的溫度驟冷，其中熱管端部22'冷于管端部22"。熱管 端部22'與預(yù)熱區(qū)155中的反應(yīng)流150熱接觸，并且熱管端部22"與驟冷區(qū) 210中的產(chǎn)物流250熱接觸，使得至少一個(gè)熱管22將熱量從產(chǎn)物流250 傳遞給反應(yīng)物流150，使得反應(yīng)產(chǎn)物達(dá)到低于500。C的溫度。將已知的陶 瓷涂層提供在熱管端部22"和熱管22在驟冷區(qū)210內(nèi)的部分上，并且有效 抑制產(chǎn)物流中HCN的分解。以已知的方式從產(chǎn)物流回收HCN。
位于反應(yīng)器區(qū)域中的熱管可以相對(duì)于在該區(qū)域中的反應(yīng)物和產(chǎn)物的 流動(dòng)方向以任何方式定向。反應(yīng)器區(qū)域可以配置擋板以引導(dǎo)反應(yīng)物和產(chǎn)物 在該區(qū)域中的流動(dòng)?，F(xiàn)在參考圖6，反應(yīng)器10配置有熱管(20A， 20B)，其 適用于在大氣壓或更高壓力下使反應(yīng)物流150與催化劑接觸以形成產(chǎn)物流 250的工藝。反應(yīng)器10包括含擋板30的反應(yīng)區(qū)165。反應(yīng)物流在擋板30 一側(cè)進(jìn)入反應(yīng)區(qū)165并且產(chǎn)物流在擋板30的另一側(cè)離開(kāi)反應(yīng)區(qū)165。熱管 20A與反應(yīng)器10的反應(yīng)區(qū)165的熱接觸，在反應(yīng)區(qū)165中使在預(yù)熱溫度 的反應(yīng)物流150與催化劑(O.l至20重量％的Pt族金屬)接觸。熱管20A在 垂直于擋板30的方向上定位并且延伸穿過(guò)擋板30，使得端部20A"與反應(yīng) 物流150熱接觸，中部20A"'與產(chǎn)物流250熱接觸，并且端部20A'與已知 熱源300熱接觸。熱導(dǎo)管20A的端部20A'比端部20A"熱并且有效地將熱 量傳遞給反應(yīng)區(qū)165中的反應(yīng)物流。熱管20A的定向還提供與反應(yīng)區(qū)165中熱管20A熱接觸的反應(yīng)物和產(chǎn)物的基本上橫向(cross)流動(dòng)(相對(duì)于熱管 20A)。熱管20B在反應(yīng)區(qū)165中沒(méi)有被擋板30分開(kāi)的區(qū)域中垂直于擋板 30定位，使得熱導(dǎo)管20B的端部20B"與反應(yīng)區(qū)165熱接觸并且端部20B' 與已知熱源300熱接觸。熱管20B的端部20B，比端部20B"熱并且有效地 將熱量傳遞給反應(yīng)區(qū)165。熱管20B的定向還提供與反應(yīng)區(qū)165中熱管20B 熱接觸的反應(yīng)物和產(chǎn)物的基本上軸向流動(dòng)(相對(duì)于熱管20B)。另外，熱管 20A和熱管20B可以垂直定向，使得端部20A，低于端部20A"并且端部 20B，低于端部20B"，從而熱管20A和熱管20B作為重力輔助的熱管操作。 最通常地，熱管20A和熱管20B涂布有設(shè)置在至少一部分外表面上的催 化劑。足夠的熱量從熱源經(jīng)由熱管20A和20B傳遞，以升高和維持反應(yīng) 物流溫度至1000。C和1300。C之間并且將反應(yīng)物轉(zhuǎn)化成產(chǎn)物，例如基于原 料進(jìn)料為40%以上的轉(zhuǎn)化率。選擇所采用的熱管以提供在所需工作溫度范 圍的最佳性能。將產(chǎn)物流在由如上所述裝置控制的溫度驟冷。以已知方式 從產(chǎn)物流回收HCN。
現(xiàn)在參考圖7，反應(yīng)器10配置有熱管(20)，其適用于在大氣壓或更高 壓力下使反應(yīng)物流150與催化劑接觸以形成產(chǎn)物流250的工藝。反應(yīng)器10 包括含擋板30的反應(yīng)區(qū)165。反應(yīng)物流在擋板30 —側(cè)進(jìn)入反應(yīng)區(qū)165并 且產(chǎn)物流在擋板30的另一側(cè)離開(kāi)反應(yīng)區(qū)165。熱管20與反應(yīng)器10的反應(yīng) 區(qū)165熱接觸，在反應(yīng)區(qū)165中使在預(yù)熱溫度的反應(yīng)物流150與催化劑(0.1 至20重量％的Pt族金屬)接觸。熱管20在平行于擋板30的方向上定位， 使得端部20"與反應(yīng)物流150熱接觸，并且端部20'與已知熱源300熱接觸。 熱導(dǎo)管20的端部20'比端部20"熱并且有效地將熱量傳遞給反應(yīng)區(qū)165。 熱管20的定向還提供與反應(yīng)區(qū)165中熱管20熱接觸的反應(yīng)物和產(chǎn)物的基 本上軸向流動(dòng)(相對(duì)于熱管20)。另外，熱管20可以垂直定向，使得端部 20，低于端部20"，從而熱管20作為重力輔助的熱管操作。最通常地，熱 管20具有設(shè)置在至少一部分外表面上的催化劑。足夠的熱量從熱源經(jīng)由 熱管20傳遞，以升高和維持反應(yīng)物流溫度至1000。C和1300°C之間并且 將反應(yīng)物轉(zhuǎn)化成產(chǎn)物，例如基于原料進(jìn)料為40%以上的轉(zhuǎn)化率。選擇所采 用的熱管以提供在所需工作溫度范圍的最佳性能。將產(chǎn)物流在由如上所述 裝置控制的溫度驟冷。以己知方式從產(chǎn)物流回收HCN?？梢允褂锰沾?cermamic)鞘(例如，套管)覆蓋在反應(yīng)器區(qū)域中與反應(yīng)物 和產(chǎn)物熱接觸的熱管的至少一部分，所述反應(yīng)器區(qū)域如預(yù)熱區(qū)，反應(yīng)區(qū)或 驟冷區(qū)?，F(xiàn)在參考圖8，熱導(dǎo)管組件40包括插入陶瓷鞘50中的熱管20， 陶瓷鞘50具有外部表面52，并且具有在陶瓷鞘50內(nèi)表面54和熱管20 外表面25之間的環(huán)形間隙60。環(huán)形間隙60具有足夠的寬度，以使熱管 20和陶瓷鞘50之間在預(yù)期操作溫度的熱膨脹的相對(duì)差異，而又不大到明 顯降低傳熱效率。 一種或多種已知材料的外部層70可以圍繞陶瓷鞘50， 基本上鄰近外部表面52。陶瓷鞘50的外部表面52，并且因而外部層70 可以是粗糙的，帶凸緣的，齒牙狀(cog-toothed)，蝕刻的，有肋的或具有 增加面積的任何己知形狀。外部層70可以是任何己知的形式，例如，但 不限于金屬絲網(wǎng)，箔，泡沫，浸漬的涂料，修補(bǔ)基面涂層，或它們的任何 組合?？梢赃x擇外部層70中的一種或多種已知材料以提供一種或多種所 需的結(jié)果。例如，在預(yù)熱區(qū)中，可以選擇該層以基本上消除反應(yīng)物流150 中的氨和甲垸在預(yù)熱溫度下的分解。在反應(yīng)區(qū)中，可以選擇該層以催化性 地促進(jìn)反應(yīng)物向產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化。在驟冷區(qū)中，可以選擇該層以有效地抑制產(chǎn) 物流250中HCN的分解。
現(xiàn)在參考圖9，將熱導(dǎo)管80至少部分設(shè)置在反應(yīng)器內(nèi)部(未顯示)并且 包括具有內(nèi)部84的外殼82，所述熱導(dǎo)管內(nèi)部84容納有工作流體(未顯示)。 圍繞熱導(dǎo)管外殼82的至少一部分外表面設(shè)置層86?？梢赃x擇層86，以基 本上消除反應(yīng)物流150中的氨和甲垸在預(yù)熱溫度下的分解，催化性地促進(jìn) 反應(yīng)物向產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化，有效地抑制產(chǎn)物流250中HCN的分解，或有效分 解在產(chǎn)物流250中的任何未反應(yīng)的氨的至少一部分。
實(shí)施例
在以下實(shí)施例中，本發(fā)明的方法示例如下?，F(xiàn)在參考圖IO，高溫?zé)釋?dǎo) 管401包括由合適的高溫冶金術(shù)形成的外殼如Inconel 600，并且具有通過(guò) 本領(lǐng)域已知方法(例如，"Design and Technology of Heat pipes for Cooling and Heat Exchange", Calvin C. Silverstein， 1992， Taylor & Fmncis)制造的 容納有高溫工作流體如鈉的內(nèi)部蒸汽空間。熱導(dǎo)管401是采用電鍍技術(shù)用 鉑涂覆的。通過(guò)將感應(yīng)線圈402放入合適大小的容器403中，然后使用可澆鑄的陶瓷材茅斗，獲自Thermal Ceramics Incorporated of Augusta， Georgia的Kao-Tab 95高氧化鋁可澆鑄材料，形成陶瓷襯里404，從而制備能量源和反應(yīng)容器。形成鑄件，使得完全放入反應(yīng)器容器內(nèi)的熱導(dǎo)管401是由可澆鑄陶瓷襯里支撐的并且與反應(yīng)器容器和感應(yīng)線圈402軸向排列，使得感應(yīng)線圈402圍繞熱導(dǎo)管401 —個(gè)端部的一部分。在可澆鑄陶瓷襯里404和熱導(dǎo)管401之間提供環(huán)形間隙，由此形成反應(yīng)區(qū)。提供原料氣入口 405和產(chǎn)物氣體出口 406，使得氣體進(jìn)料到反應(yīng)器的入口端，通過(guò)環(huán)形間隙，并且從反應(yīng)器的出口端排出。反應(yīng)器容納有一個(gè)或多個(gè)熱電偶407以監(jiān)測(cè)熱導(dǎo)管401的溫度。
使用進(jìn)料管408將原料氣供應(yīng)至反應(yīng)器。使用質(zhì)量流量控制器412、413和414，將甲烷409、氨410和氮411分別計(jì)量入進(jìn)料管，以建立所需的原料氣的流量和組成。原料氣的組成是使用傅里葉變換紅外(FTIR)進(jìn)料分析器415或原料氣相色譜(GC)分析器(未顯示)證實(shí)的。使用排料管416從反應(yīng)器移除產(chǎn)物氣體。排料管416容納有包含產(chǎn)物冷卻器417，以將產(chǎn)物氣體冷卻到適宜的溫度。排料管416容納有反壓控制閥418以控制在反應(yīng)區(qū)內(nèi)的壓力。產(chǎn)物氣體的組成是使用產(chǎn)物FTIR 419或產(chǎn)物GC分析器420測(cè)量的。將排料管416連接至其中將產(chǎn)物氣體燃燒的火炬421 。
通過(guò)監(jiān)測(cè)在反應(yīng)區(qū)內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)熱電偶407同時(shí)使用己知方法和設(shè)備調(diào)節(jié)從感應(yīng)電源423 (獲自Ameritherm Incorporated of Scottsville， NewYork)輸入到感應(yīng)線圈402的功率，將熱導(dǎo)管401的溫度升高到從約900至約1300 C的適宜溫度，并且控制在該溫度。
反應(yīng)區(qū)內(nèi)的壓力是通過(guò)壓力變送器422測(cè)量的并且通過(guò)調(diào)節(jié)控制閥418而控制，使得反應(yīng)區(qū)壓力約等于熱導(dǎo)管外殼內(nèi)工作流體的壓力，從而極大地降低了外殼上的應(yīng)力。應(yīng)力的降低從而使得能夠使用較低成本外殼材料和在更高溫度的工作流體并且具有更長(zhǎng)的壽命預(yù)期。
預(yù)期這種反應(yīng)器系統(tǒng)能夠從甲烷和氨制備HCN。
盡管上述實(shí)施例指示鈉作為工作流體，但是應(yīng)指出，在采用銫、鉀或鋰作為工作流體的同時(shí)也能夠獲得類似的結(jié)果和性能，只要工藝操作壓力和工作流體壓力大致相等，由此極大地降低外殼上的應(yīng)力。
上述公開(kāi)內(nèi)容構(gòu)成了說(shuō)明本發(fā)明可以如何使用和應(yīng)用的具體實(shí)施方案的描述。這些實(shí)施方案僅是示例性的。本發(fā)明在其最寬方面是由后附權(quán) 利要求書限定的。這些權(quán)利要求和本文使用的術(shù)語(yǔ)可以采用所描述的發(fā)明 的變體形式。這些權(quán)利要求不限于這種變體，而應(yīng)理解為涵蓋隱含在本發(fā) 明公開(kāi)內(nèi)容中的本發(fā)明的全部范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于以持久連續(xù)的吸熱反應(yīng)方式合成HCN的方法，所述方法包括(a)提供容納有催化劑的反應(yīng)區(qū)；將甲烷和氨裝入所述反應(yīng)區(qū)；(b)在超過(guò)約1000℃的溫度使在所述反應(yīng)區(qū)中的甲烷和氨反應(yīng)；(c)通過(guò)熱導(dǎo)管將熱能傳遞到反應(yīng)區(qū)；(d)從所述反應(yīng)區(qū)取出產(chǎn)物；(e)在驟冷區(qū)驟冷取出的產(chǎn)物；和(f)通過(guò)熱導(dǎo)管從所述驟冷區(qū)傳遞熱能。
2. 權(quán)利要求1所述的方法，其中所述催化劑包括在所述熱導(dǎo)管上的催 化表面。
3. 權(quán)利要求1所述的方法，所述方法還包括在高于1000°C的溫度以 大于5瓦/cm2的速率將熱量通過(guò)所述熱導(dǎo)管傳遞給所述反應(yīng)物。
4. 權(quán)利要求3所述的方法，其中通過(guò)所述熱導(dǎo)管的傳熱速率大于20瓦 /cm2并且反應(yīng)溫度高于1000°C。 5
5. —種用于從包含氨和甲烷的原料氣合成HCN的反應(yīng)器，所述反應(yīng) 器包括0)預(yù)熱區(qū)，(b) 第一級(jí)反應(yīng)區(qū)，(c) 第二級(jí)反應(yīng)區(qū)，和(d) 驟冷區(qū)，其中(i) 用于將原料氣溫度升高到第一溫度的所述預(yù)熱區(qū)包括第一熱導(dǎo)管，所述第一熱導(dǎo)管涂有涂層以抑制原料氣分解；(ii) 所述第一級(jí)反應(yīng)區(qū)包含涂布有第一催化劑的熱導(dǎo)管，有效使原 料氣升溫至超過(guò)所述第一溫度的第二溫度；(iii) 所述第二級(jí)反應(yīng)區(qū)包含第二催化劑；并且(iv) 所述驟冷區(qū)包含第二帶涂層的熱導(dǎo)管裝置，有效用于將反應(yīng)產(chǎn) 物快速冷卻到低于500。C的溫度；并且其中，(v) 所述第二帶涂層的熱導(dǎo)管裝置對(duì)于抑制一部分反應(yīng)產(chǎn)物的分解是選擇性有效的。
6. —種用于N20消除的方法，所述方法包括通過(guò)熱導(dǎo)管傳遞來(lái)自放 熱N20降解反應(yīng)的熱量。
7. 權(quán)利要求6所述的方法，其中所述N20降解反應(yīng)是自熱的。
8. —種化學(xué)反應(yīng)器，包括(a)用于進(jìn)行高溫反應(yīng)的內(nèi)部和在所述內(nèi) 部的反應(yīng)器壓力；(b)至少部分設(shè)置在所述反應(yīng)器內(nèi)部并且包括具有內(nèi)部 的外殼的熱導(dǎo)管，所述熱導(dǎo)管內(nèi)部容納有工作流體，其中所述工作流體具 有蒸汽壓；并且其中所述反應(yīng)器壓力和所述蒸汽壓之間的絕對(duì)壓差足夠 低，從而在高的反應(yīng)器溫度下獲得穩(wěn)定的熱導(dǎo)管操作特性。
9. 權(quán)利要求8所述的反應(yīng)器，所述反應(yīng)器還包括將所述反應(yīng)器壓力控 制在預(yù)定值的裝置。
10. 權(quán)利要求8所述的反應(yīng)器，其中所述工作流體選自由鈉、銫、鉀 和鋰組成的組。
11. 權(quán)利要求8所述的反應(yīng)器，其中所述壓差小于約1個(gè)大氣壓。
12. 權(quán)利要求8所述的反應(yīng)器，其中所述壓差小于約5psi。
13. 權(quán)利要求8所述的反應(yīng)器，其中所述壓差小于約lpsi。
14. 權(quán)利要求8所述的反應(yīng)器，其中所述外殼包含不銹鋼或不銹鋼合金。
15. 權(quán)利要求8所述的反應(yīng)器，其中所述反應(yīng)器溫度高于約1000°C。
16. 權(quán)利要求8所述的反應(yīng)器，所述反應(yīng)器還包括控制沒(méi)有設(shè)置在所 述反應(yīng)器內(nèi)的一部分所述熱導(dǎo)管外殼的壓力的裝置。
17. —種吸熱化學(xué)合成方法，所述方法包括(a) 提供反應(yīng)器，所述反應(yīng)器具有催化劑、內(nèi)部和至少部分設(shè)置在所 述反應(yīng)器內(nèi)部的熱導(dǎo)管；并且將至少一種反應(yīng)物裝入所述反應(yīng)器；(b) 使所述反應(yīng)器中的所述至少一種反應(yīng)物在超過(guò)約1000°C的溫度 反應(yīng)，以形成至少一種產(chǎn)物；(c) 通過(guò)所述熱導(dǎo)管將熱能傳遞給所述反應(yīng)器。
18. 權(quán)利要求17所述的方法，其中所述熱導(dǎo)管包括具有內(nèi)部的外殼， 所述熱導(dǎo)管內(nèi)部容納有工作流體，其中所述工作流體具有蒸汽壓；并且其 中反應(yīng)器壓力和所述蒸汽壓之間的絕對(duì)壓差足夠低，從而在所述反應(yīng)器溫度獲得穩(wěn)定的熱導(dǎo)管操作特性。
19. 權(quán)利要求17所述的方法，其中所述至少一種反應(yīng)物包括氨和甲烷，并且所述至少一種產(chǎn)物包括HCN。
20. 權(quán)利要求18所述的方法，其還包括將所述反應(yīng)器壓力控制在預(yù)定 值的裝置。
21. 權(quán)利要求18所述的方法，其中所述工作流體包括鈉。
22. 權(quán)利要求18所述的方法，其中所述壓差小于約1大氣壓。
23. 權(quán)利要求18所述的方法，其中所述壓差小于約5psi。
24. 權(quán)利要求18所述的方法，其中所述壓差小于約1 psi。
25. 權(quán)利要求18所述的方法，其中所述外殼包含不銹鋼或不銹鋼合金。
26. 權(quán)利要求17所述的方法，其中所述反應(yīng)器溫度高于約1200°C。
27. 權(quán)利要求18所述的方法，其還包括控制沒(méi)有設(shè)置在所述反應(yīng)器內(nèi) 的一部分所述熱導(dǎo)管外殼的壓力的裝置。
28. 權(quán)利要求17所述的方法，其中所述催化劑被設(shè)置在所述熱導(dǎo)管的 外表面的至少一部分上。
29. 權(quán)利要求17所述的方法，其還包括圍繞所述熱導(dǎo)管設(shè)置的陶瓷 鞘，其中所述催化劑被設(shè)置在所述陶瓷鞘的外表面的至少一部分上。
30. 權(quán)利要求8所述的反應(yīng)器，其還包含催化劑。
31. 權(quán)利要求30所述的反應(yīng)器，其中所述催化劑被設(shè)置在所述熱導(dǎo)管 的外表面的至少一部分上。
32. 權(quán)利要求30所述的反應(yīng)器，其還包括圍繞所述熱導(dǎo)管設(shè)置的陶瓷 鞘，其中所述催化劑被設(shè)置在所述陶瓷鞘的外表面的至少一部分上。
33. 權(quán)利要求17所述的方法，其中所述反應(yīng)物基本上平行所述熱導(dǎo)管 的縱軸流動(dòng)。
34. 權(quán)利要求17所述的方法，其還包括至少部分設(shè)置在所述反應(yīng)器內(nèi) 部的附加的熱導(dǎo)管，并且其中所述反應(yīng)物基本上平行所述附加的熱導(dǎo)管的 縱軸流動(dòng)。
35. —種放熱化學(xué)合成方法，所述方法包括(a)提供反應(yīng)器，所述反應(yīng)器具有內(nèi)部和至少部分設(shè)置在所述反應(yīng)器內(nèi)部的熱導(dǎo)管；并且將至少一種反應(yīng)物裝入所述反應(yīng)器；(b) 使所述反應(yīng)器中的所述至少一種反應(yīng)物在超過(guò)約1000°C的溫度 反應(yīng)，以形成至少一種產(chǎn)物；(c) 通過(guò)所述熱導(dǎo)管從所述反應(yīng)器傳遞熱能。
36. 權(quán)利要求35所述的方法，其中所述熱導(dǎo)管包括具有內(nèi)部的外殼， 所述熱導(dǎo)管內(nèi)部容納有工作流體，其中所述工作流體具有蒸汽壓；并且其 中反應(yīng)器壓力和所述蒸汽壓之間的絕對(duì)壓差足夠低，從而在所述反應(yīng)器溫 度獲得穩(wěn)定的熱導(dǎo)管操作特性。
37. 權(quán)利要求35所述的方法，其中所述至少一種反應(yīng)物包括N20。
38. 權(quán)利要求35所述的方法，其還包括將所述反應(yīng)器壓力控制在預(yù)定 值的裝置。
39. 權(quán)利要求36所述的方法，其中所述工作流體包括鈉。
40. 權(quán)利要求36所述的方法，其中所述壓差小于約1大氣壓。
41. 權(quán)利要求36所述的方法，其中所述壓差小于約5psi。
42. 權(quán)利要求36所述的方法，其中所述壓差小于約lpsi。
43. 權(quán)利要求36所述的方法，其中所述外殼包含不銹鋼或不銹鋼合金。
44. 權(quán)利要求36所述的方法，其中所述反應(yīng)器溫度高于約1200°C。
45. 權(quán)利要求36所述的方法，其還包括控制沒(méi)有設(shè)置在所述反應(yīng)器內(nèi) 的一部分所述熱導(dǎo)管外殼的壓力的裝置。
46.<image>image see original document page 0</image>
47. 權(quán)利要求37所述的方法，其中所述反應(yīng)是N20的自熱降解反應(yīng)。
48. —種使至少一種反應(yīng)物在至少一個(gè)反應(yīng)區(qū)中在某一溫度反應(yīng)并且 形成至少一種產(chǎn)物的方法，其中任選在催化劑存在下，所述溫度足以促進(jìn) 所述至少一種反應(yīng)物的所述反應(yīng)，并且其中在所述至少一個(gè)反應(yīng)區(qū)中的所 述溫度是通過(guò)用于將熱能傳遞給所述至少一個(gè)反應(yīng)區(qū)或從所述至少一個(gè) 反應(yīng)區(qū)傳遞熱能的裝置提供的。
49. 權(quán)利要求19所述的方法，其中所述反應(yīng)器壓力為至少40psia。
50. —種用于改善使用至少一個(gè)熱管的高溫反應(yīng)器的壽命和成本的方 法，所述方法包括通過(guò)降低反應(yīng)器壓力和熱管內(nèi)壓力之間差值的絕對(duì)值， 降低所述至少一個(gè)熱管上的應(yīng)力。
51. 權(quán)利要求17所述的方法，其中所述熱導(dǎo)管包括具有內(nèi)部的外殼， 所述熱導(dǎo)管內(nèi)部容納有鈉工作流體，其中所述工作流體具有蒸汽壓；并且 其中在所述熱導(dǎo)管外部的反應(yīng)器壓力(Po，按psia計(jì)量)在作為所述熱導(dǎo)管 工作流體溫度(T，按。C計(jì)量)的函數(shù)計(jì)算時(shí)，滿足以下等式Po = aNaT - bNaT + cNaT - dNa $巾Po按psia計(jì)，T在900至1300°C范圍內(nèi)， a化等于1.2xl(T6， b他等于2.7405 x l(T3， c^等于2.1643，并且 dNa在570至600范圍內(nèi)；并且其中d^值從570至600變化限定了在Po的上限和下限之間的操 作壓力帶。
52. 權(quán)利要求19所述的方法，其中所述反應(yīng)器壓力為至少80psia。
全文摘要
本發(fā)明包括用于從氨和烴氣體的原料氣催化制備HCN的設(shè)備和方法，所述設(shè)備和方法借助于將熱量供應(yīng)至原料氣流的熱管和用于從產(chǎn)品除去熱量的熱管。本發(fā)明還包括用于N₂O消除的方法，該方法包括通過(guò)熱導(dǎo)管傳遞來(lái)自放熱N₂O降解反應(yīng)的熱量。
文檔編號(hào)C01C3/02GK101687658SQ200880016323
公開(kāi)日2010年3月31日 申請(qǐng)日期2008年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月14日
發(fā)明者科林·S·斯萊滕 申請(qǐng)人:因溫斯特技術(shù)公司