專利名稱：實(shí)現(xiàn)在高溫氣體介質(zhì)中反應(yīng)的新催化設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及了在高溫氣體介質(zhì)中的催化反應(yīng)，例如氨的氧化和HCN的合成。本發(fā)明特別主題是一個(gè)可以用于這類反應(yīng)的改進(jìn)催化設(shè)備和一個(gè)包括它的反應(yīng)器。
氨的氧化廣泛用于硝酸生產(chǎn)。已知為Ostwald方法的方法包括通過預(yù)熱氨/空氣混合物的階段，混合物通常包括5-15％，特別是10-12％體積的空氣，以高的線性速度(在標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力條件下度量)通過在反應(yīng)器橫截面上延伸的催化設(shè)備。
在單個(gè)操作中從氨和氣態(tài)烴合成氫氰酸(HCN)是一個(gè)多年已知的操作(美國專利1,934,838)，在存在催化劑下，與氧或含氧氣體(如空氣)的同時(shí)燃燒反應(yīng)提供了在合成中吸熱反應(yīng)所需的熱。這已知為Andrussow方法。
這兩類反應(yīng)采用了鉑族催化劑，一般為平的編織網(wǎng)。這些催化劑的表觀工作截面受到反應(yīng)器尺寸的限制。
為了增加這些反應(yīng)的生產(chǎn)率，可以增加催化網(wǎng)的數(shù)目。但是，超過一定的厚度，由此建立的壓降阻止了反應(yīng)物流的增加，并且取消了更好轉(zhuǎn)化產(chǎn)量的效果。此外，厚度的增加會(huì)引起副作用。因此，當(dāng)前技術(shù)中提高生產(chǎn)的困難是由于-壓降；-催化劑活性部位的數(shù)目(接觸表面積)；-催化劑與反應(yīng)物的接觸時(shí)間。
為了增加催化劑有效表面積，美國專利5,160,722和5,356,603提出了采用具有橫向波紋的催化劑網(wǎng)。雖然由此增加了表面積，但這些波紋具有低的波幅。另外，這種設(shè)備的形狀保持實(shí)際上僅在小于800℃下才有可能。超過這個(gè)范圍，金屬的機(jī)械特性變得不足，并且由于壓降的增加，褶皺或波紋有凹陷的傾向。因此這種設(shè)備的壽命非常短，與工業(yè)操作不協(xié)調(diào)。
至于專利申請(qǐng)EP 931,585公布了采用形狀為徑向波紋盤或錐的催化劑網(wǎng)，使得一個(gè)旋轉(zhuǎn)燃燒器在繞其軸線旋轉(zhuǎn)時(shí)可以仿照著波紋形狀。但是，仍有上述問題。
所以本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一個(gè)包括催化劑的催化設(shè)備，它具有更大的幾何表面積，并且可承受反應(yīng)條件而基本上不增加壓降或副作用。
本發(fā)明涉及了一種催化設(shè)備，用于實(shí)現(xiàn)高溫介質(zhì)中的反應(yīng)，例如，HCN的合成或氨的氧化，設(shè)備包括-至少一個(gè)織構(gòu)材料，可有效地用作上述反應(yīng)的催化劑，-一個(gè)支座，包括至少一個(gè)陶瓷部分，其結(jié)構(gòu)可通過氣體，上述支座的上述部分具有一個(gè)波紋面，使得波紋產(chǎn)生的表面積相對(duì)于平表面的增加(β)至少等于對(duì)鋸齒波紋計(jì)算的增加(α)，在約1.1到約3之間。
上述織構(gòu)材料的位置使得它靠在上述支座的上述部分的波紋面上，并且仿照著它的形狀。
使織構(gòu)材料靠在支座部分的波紋面上的裝置最好是由陶瓷支座的一個(gè)第二部分組成，其結(jié)構(gòu)可以通過氣體，上述第二部分具有一個(gè)波紋面，它與支座的上述第一部分的上述波紋面基本上為異體同構(gòu)和互補(bǔ)，以及上述第二部分的位置使得上述第一和第二部分的上述波紋面面對(duì)面，并且使得織構(gòu)材料插入上述波紋面之間和仿照著它們的形狀。因此，沿著由此形成的整個(gè)催化設(shè)備，壓降有利地基本均勻。
可以采用對(duì)熟悉該技術(shù)的人員已知的其他常規(guī)裝置來把織構(gòu)材料靠在支座第一部分的波紋面上。
在本發(fā)明的意義中，名稱“織構(gòu)材料”理解為帶或絲的任何集合物，它們?yōu)榭梢酝ㄟ^氣體的線狀和/或螺旋形狀的部件。例如，這種集合物為網(wǎng)、編織織物、編結(jié)織物或氈類，并且可以用各種技術(shù)得到、如編織、編結(jié)、縫紉、刺繡之類，最好是一個(gè)網(wǎng)。
在本發(fā)明的意義中，名稱“兩個(gè)基本上為異體同構(gòu)和互補(bǔ)形狀的波紋面”理解為兩個(gè)具有相似尺寸和形狀的波紋面的任何組合，也就是說，具有基本上相同的表面積增加β，當(dāng)這兩個(gè)面面對(duì)時(shí)，它們被構(gòu)成使得波紋為互補(bǔ)。
從以下的詳細(xì)描述和依靠參照以下的說明圖例，本發(fā)明的其他主題和優(yōu)點(diǎn)對(duì)熟悉該技術(shù)的人員將會(huì)變得很明顯。


圖1代表了本發(fā)明催化設(shè)備的一個(gè)簡略的具體例子。
圖2代表了可用于計(jì)算由鋸齒波紋產(chǎn)生的表面積增加(α)。
本發(fā)明的支座(2)由陶瓷做成，它的結(jié)構(gòu)可以通過氣體。這些陶瓷之例為(但不限于)泡沫陶瓷和復(fù)合陶瓷。支座(2)可以為一個(gè)蜂窩結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明的意義中，名稱“陶瓷”最好理解為任何耐熔材料，它在尤其包括蒸汽的反應(yīng)介質(zhì)中能夠承受催化鉑網(wǎng)產(chǎn)生的溫度。在按照Andrussow方法的HCN合成中應(yīng)用的情形，這個(gè)溫度可以達(dá)到1200℃。因此適用的材料均以剛玉為基礎(chǔ)，并且可以包括不同比例的硅(重量10到60％)和鎂、鋯、鈦和鈰的氧化物(對(duì)這些成分的每一個(gè)為重量1到20％)。這些材料可以包括(但不限于)以下化合物的一個(gè)和幾個(gè)二氧化硅(石英，SiO2)、碳化硅SiC、氮化硅Si3N4、硼化硅、氮化硼硅、氧化鋁(剛玉，Al2O3)、硅鋁酸鹽(3Al2O3-2SiO2)、硅鋁硼酸鹽、碳纖維、氧化鋯(ZrO2)、氧化釔(Y2O3)、氧化鈣(CaO)、氧化鎂(MgO)和堇青石(MgO-Al2O3-SiO2)。
最好采用Stettner生產(chǎn)的陶瓷StettaG29，其特征如下
在使用它們之前，按照已知的模制、擠壓、燒結(jié)等技術(shù)成形這些用于形成支座(2)的材料。接著在高溫(＞1300℃)下煅燒它們，從而得到與它們以后工作條件相容的機(jī)械性質(zhì)。這些組合的操作必須給它們一個(gè)可通過氣體的結(jié)構(gòu)，例如，具有沿三個(gè)方向連通的小格子形狀(泡沫)或者具有圓形或多邊形(正方形、矩形、六角形等)截面的蜂窩。
有效地用作催化劑的織構(gòu)材料(1)特別是為一種鉑族的催化金屬，可以從鉑、銠、銥、鈀、鋨、釕，或者從兩個(gè)或更多的這些金屬的混合物或合金來制備。最好采用鉑或鉑/銠合金。或者是，這種催化劑可以是上述一個(gè)鉑族催化劑和至少一個(gè)其他材料的混合物，其他材料包括(但不限于)鈰、鈷、錳、鎂和陶瓷。
支座面(6)和(7)的波紋可以為任何類型，特別是為鋸齒形波紋。
鋸齒形波紋由每個(gè)波紋的高度“h”和兩個(gè)波紋之間的距離“d”來確定。因此可以按以下方式從這兩個(gè)參數(shù)(圖2)來計(jì)算這類波紋產(chǎn)生的表面積增加αα=(4h2+d2)/d]]>本發(fā)明的任何類型波紋產(chǎn)生的表面積增加(β)將至少等于(α)，并且在范圍1.1到3之內(nèi)選擇。這是因?yàn)棣粒?.1相應(yīng)于表面積增加10％。低于這個(gè)值，這種波紋的優(yōu)點(diǎn)不太明顯。高于β＝3，采用這種設(shè)備變得很困難。本發(fā)明的鋸齒形波紋最好為具有d＝2h的等腰三角形外形，它產(chǎn)生約為1.40的比值α，因此增加表面積約40％。
本發(fā)明還涉及了一個(gè)反應(yīng)器，用于在氣體介質(zhì)中的高溫放熱反應(yīng)，具有一個(gè)大致為圓形的橫截面，其特征在于它包括了沿其橫截面延伸的本發(fā)明催化設(shè)備。
它還涉及了在高溫氣體介質(zhì)中的反應(yīng)方法，如氨的氧化或HCN的合成，其特征在于它利用了本發(fā)明的催化設(shè)備或反應(yīng)器。
在本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例中，本發(fā)明的方法是HCN的合成，包括了在800和1400℃之間的溫度下把包括烴(最好是甲烷、氨和氧)的氣體混合物通過本發(fā)明催化設(shè)備的一個(gè)階段，從而在反應(yīng)之后得到一個(gè)至少含5％體積HCN的氣體流。
用于本發(fā)明HCN合成方法的烴可以是一個(gè)取代或未取代以及脂族、環(huán)族或芳香族的烴，或者其混合物。這些烴的例子包括(但不限于)甲烷、乙烯、乙烷、丙烯、丙烷、丁烷、甲醇和甲苯。烴最好是甲烷。
本發(fā)明還涉及了制備本發(fā)明催化設(shè)備的方法，其特征在于把織構(gòu)材料(1)鋪平靠在支座(2)部分(3)的波紋面(6)上，使得它仿照其形狀，以及利用一個(gè)固定裝置把它保持在那里。
這個(gè)固定裝置最好是機(jī)械的，由支座(2)的第二部分(4)組成，它的波紋面(7)覆蓋了上述材料(1)的面，這個(gè)面背對(duì)著靠在上述支座(2)部分(3)波紋面(6)上的面。
更有利的是，由此形成的組合產(chǎn)生了在反應(yīng)器截面中基本上均勻的低壓降。
本發(fā)明設(shè)備的一個(gè)簡略的具體例子(圖1)包括-一個(gè)波紋網(wǎng)(1)的組合，-一個(gè)分成兩個(gè)部分(3)和(4)的波紋陶瓷支座(2)，每個(gè)部分具有一個(gè)波紋面(6)和(7)。
網(wǎng)(1)位于支座(2)的部分(3)和(4)的兩個(gè)面(6)和(7)之間。
支座(2)的部分(3)和(4)由陶瓷做成，具有為圓形或多邊形(正方形、矩形、六角形等)截面的蜂窩結(jié)構(gòu)。
制備本發(fā)明催化設(shè)備的例子可以把具有三角形截面的棱柱裝配和膠接在一起，在煅燒之前(在模制時(shí))或在煅燒之后對(duì)本發(fā)明的支座(2)給出一個(gè)波紋形狀。
接著把構(gòu)成催化劑的一組鉑網(wǎng)(1)插入波紋支座(2)的兩個(gè)層(3)和(4)之間。這個(gè)定位操作進(jìn)行如下在支座(2)的波紋部分(3)上，把將鋪到支座部分(3)波紋上的一組橢圓形網(wǎng)(1)鋪平，支座已經(jīng)事先定位在構(gòu)成圓截面反應(yīng)器基礎(chǔ)的空心磚(11)上。橢圓網(wǎng)的寬度相應(yīng)于反應(yīng)器的內(nèi)徑。長度等于寬度乘以先前確定的系數(shù)β。波紋材料的上層(4)可以機(jī)械地固定網(wǎng)(1)，同時(shí)對(duì)整個(gè)露出表面上的組合給出均勻的壓降。接著把一個(gè)防熱層(10)放在由此形成的催化設(shè)備上。可以把反應(yīng)和所有活性能限制到網(wǎng)(1)表面的最近點(diǎn)上。空心磚(11)本身位于反應(yīng)器的鍋爐管道(12)上，由耐熱水泥(13)組成。性能本發(fā)明催化設(shè)備的應(yīng)用使得對(duì)相同反應(yīng)器有可能增加催化劑和反應(yīng)物之間的接觸表面積。對(duì)于相同的反應(yīng)物總流量，這造成了改進(jìn)的生產(chǎn)率以及最小和基本不變的壓降，可能使生產(chǎn)使用周期更長，并且將更加如此，因?yàn)檫@種設(shè)備可承受反應(yīng)條件，特別是不會(huì)引起機(jī)械變形。
下表可以把一個(gè)先前技術(shù)的代表性系統(tǒng)與本發(fā)明的催化設(shè)備作比較。
權(quán)利要求
1.一種催化設(shè)備，用于實(shí)現(xiàn)在高溫介質(zhì)中的反應(yīng)，例如，HCN的合成或氨的氧化，設(shè)備包括-至少一個(gè)織構(gòu)材料(1)，可有效地用作上述反應(yīng)的催化劑，-一個(gè)支座(2)，包括至少一個(gè)陶瓷部分(3)，其結(jié)構(gòu)可通過氣體，上述支座(2)的上述部分(3)具有一個(gè)波紋面(6)，使得波紋產(chǎn)生的表面積相對(duì)于平表面的增加(β)至少等于對(duì)鋸齒波紋計(jì)算的增加(α)，在約1.1到約3之間。上述織構(gòu)材料(1)的位置使得它靠在上述支座(2)的上述部分(3)的波紋面(6)上，并且仿照著它的形狀。
2.按照權(quán)利要求1的催化設(shè)備，特征在于使材料(1)靠在支座(2)部分(3)的波紋面(6)上的裝置由陶瓷支座(2)的一個(gè)第二部分(4)組成，其結(jié)構(gòu)可以通過氣體，上述部分(4)具有一個(gè)波紋面(7)，它與上述部分(3)的上述波紋面(6)基本上為異體同構(gòu)和互補(bǔ)，以及上述部分(4)的位置使得上述波紋面(6)和(7)面對(duì)面，并且使得材料(1)插入上述面(6)和(7)之間和仿照著它們的形狀，因此沿著由此形成的整個(gè)催化設(shè)備，壓降有利地基本均勻。
3.按照以上權(quán)利要求中任一條的催化設(shè)備，特征在于支座(2)具有一個(gè)蜂窩結(jié)構(gòu)。
4.按照以上權(quán)利要求中任一條的催化設(shè)備，特征在于波紋為鋸齒形，使得表面積的增加β＝表面積的增加α。
5.按照權(quán)利要求4的催化設(shè)備，特征在于表面積的增加β約為1.4。
6.按照以上權(quán)利要求中任一條的催化設(shè)備，特征在于材料(1)為一個(gè)網(wǎng)。
7.在氣體介質(zhì)中高溫放熱反應(yīng)的反應(yīng)器，具有大致為圓形的橫截面，特征在于它包括一個(gè)如在權(quán)利要求1到6中規(guī)定的催化設(shè)備，設(shè)備沿著其橫截面延伸。
8.按照權(quán)利要求7的反應(yīng)器，特征在于放熱反應(yīng)是HCN的合成。
9.按照權(quán)利要求8的反應(yīng)器，特征在于設(shè)備放在構(gòu)成反應(yīng)器基礎(chǔ)的空心磚(11)上，并且用一個(gè)防熱層覆蓋。
10.在高溫氣體介質(zhì)中的反應(yīng)方法，特征在于采用如權(quán)利要求1到6規(guī)定的催化設(shè)備或權(quán)利要求7到9規(guī)定的反應(yīng)器。
11.按照權(quán)利要求10的方法，特征在于它是HCN的合成。
12.按照權(quán)利要求11的方法，特征在于它包括了在800和1400℃之間的溫度下把包括烴(最好是甲烷、氨和氧)的氣體混合物通過按照權(quán)利要求1到6的催化設(shè)備的一個(gè)階段，從而在反應(yīng)之后得到一個(gè)至少含5％體積HCN的氣體流。
13.制備按照權(quán)利要求1到6的催化設(shè)備的方法，特征在于把織構(gòu)材料(1)鋪平靠在波紋支座(2)部分(3)的表面(6)上，使得它仿照其形狀，以及利用一個(gè)固定裝置把它保持在那里。
14.按照權(quán)利要求13的方法，特征在于固定裝置是機(jī)械的，由支座(2)的部分(4)組成，它的表面(7)覆蓋了上述材料(1)的表面，這個(gè)表面背對(duì)著靠在上述支座(2)部分(3)表面(6)上的表面。
全文摘要
本發(fā)明涉及了一種催化設(shè)備，用于實(shí)現(xiàn)在高溫介質(zhì)中的反應(yīng)，例如，HCN的合成或氨的氧化，設(shè)備包括至少一個(gè)織構(gòu)材料(1)，可有效地用作上述反應(yīng)的催化劑，一個(gè)支座(2)，包括至少一個(gè)陶瓷部分(3)，其結(jié)構(gòu)可通過氣體，上述支座(2)的上述部分(3)具有一個(gè)波紋面(6)，使得波紋產(chǎn)生的表面積相對(duì)于平表面的增加(β)至少等于對(duì)鋸齒波紋計(jì)算的增加(α)，在約1.1到約3之間，上述織構(gòu)材料(1)的位置使得它靠在上述支座(2)的上述部分(3)的波紋面(6)上，并且仿照著它的形狀。
文檔編號(hào)B01J35/00GK1444542SQ01813493
公開日2003年9月24日 申請(qǐng)日期2001年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2000年7月28日
發(fā)明者約瑟夫·斯特芬 申請(qǐng)人:布塔化學(xué)公司