專利名稱：感應(yīng)加熱的催化反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在升溫、有固體催化劑存在下進行氣相反應(yīng)的新設(shè)備。更具體而言，本發(fā)明涉及連續(xù)流氣相反應(yīng)器，其中金屬催化劑用反應(yīng)器中的感應(yīng)圈進行感應(yīng)加熱。
背景技術(shù)：
在升溫的氣相化學(xué)反應(yīng)過程中，利用感應(yīng)加熱使催化劑升溫的概念在本技術(shù)領(lǐng)域中通常是已知的。例如，美國專利NO.5,110,996公開了一種生產(chǎn)偏氟乙烯的方法，該法使二氯氟甲烷在一含有非金屬填料和還可有金屬催化劑的感應(yīng)加熱的反應(yīng)管中與甲烷反應(yīng)。
同樣，PCT專利申請WO 95/21126公開了氰化氫的制備方法，該法使氨在感應(yīng)加熱的石英反應(yīng)管中與氣態(tài)烴反應(yīng)。在此專利中，一種鉑族金屬催化劑在反應(yīng)管中被成螺旋形纏繞在石英管外壁的感應(yīng)圈加熱。感應(yīng)圈的能源于供給脈沖能的感應(yīng)能源。對于該文獻中所用的特定吸熱反應(yīng)，建議采用0.5-30MHz范圍內(nèi)的頻率將反應(yīng)溫度保持在600-1200℃之間。纏繞在反應(yīng)管外壁的感應(yīng)圈本身是金屬管，冷卻水通過該管循環(huán)。該參考文獻同樣建議各種形式的金屬催化劑，包括金屬網(wǎng)、有金屬散布在其表面的陶瓷襯底或以金屬涂復(fù)的陶瓷顆粒，其先決條件是這些金屬的電導(dǎo)至少為每米1.0西門子，以便有效地進行感應(yīng)加熱。
雖然感應(yīng)加熱的管式反應(yīng)器在本技術(shù)領(lǐng)域是眾所周知的，并被證明在通過氨和烴例如甲烷的吸熱反應(yīng)來制備氰化氫中是有用的，現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)存在某些缺陷，這些缺陷至少部分歸因于現(xiàn)存反應(yīng)器的設(shè)計。原則上反應(yīng)器的尺寸放大時會遇到問題，這些問題對于對溫度敏感的反應(yīng)特別重要，問題可能表現(xiàn)在下述的一種或幾種所需產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化降低、不希望的副反應(yīng)產(chǎn)物增加、和/或低于最佳選擇性。此外反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)材料在設(shè)計和放大的過程中會遇到明顯困難。本發(fā)明正是針對這些問題。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)的感應(yīng)加熱的氣相化學(xué)反應(yīng)器的潛在問題，現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)，將主感應(yīng)圈直接置于管式反應(yīng)器內(nèi)部，使其基本氣流流過的整個反應(yīng)截面，并利用這個感應(yīng)圈直接作能源就可改善溫度控制，并可使金屬催化劑得到更均勻的加熱。能取得這些改進，部分是由于改進了控制感應(yīng)能源和被感應(yīng)加熱的金屬催化劑之間的空間關(guān)系，即反應(yīng)器內(nèi)的徑向分布更為均勻及其間距離更為減小。這反過來可容許反應(yīng)器截面放大盡不使轉(zhuǎn)化率和選擇性明顯減少，甚至在對溫度敏感的氣相反應(yīng)用氨和烴制備氰化氫等反應(yīng)亦是如此。
本發(fā)明提出一種在升溫下連續(xù)進行催化氣相反應(yīng)的改進型設(shè)備，該設(shè)備包括(a)反應(yīng)容器，該反應(yīng)器包括至少一氣體反應(yīng)物入口裝置和至少一產(chǎn)物出口裝置，分別將氣體反應(yīng)物送入和將產(chǎn)物導(dǎo)出該反應(yīng)容器。
(b)至少一固相催化劑介質(zhì)，該介質(zhì)在操作上置于反應(yīng)容器中，以使該介質(zhì)與從反應(yīng)物入口裝置流到產(chǎn)物出口裝置的氣體反應(yīng)物接觸，并在操作上被感應(yīng)加熱；(c)至少一感應(yīng)圈裝置，該裝置在操作上置于反應(yīng)容器內(nèi)，以使固相催化劑介質(zhì)感應(yīng)加熱，并在操作上置于氣體流道上。
在本發(fā)明的一個具體實施方案中，感應(yīng)圈是一種扁平型圈，該圈主要由扁平金屬螺旋線組成，相鄰螺旋回路之間的空間適于氣體在其間流通。在這個實施方案中，該扁平型圈在反應(yīng)容器內(nèi)以靠近固相催化劑介質(zhì)并基本上橫過整個氣體流道而設(shè)置。在另一個實施方案中，感應(yīng)圈是一種錐形圈，該圈主要由錐形螺旋金屬管組成，相鄰螺旋回路之間的空間適于氣體流通。
附圖概述

圖1是本發(fā)明的石英反應(yīng)器剖面圖，該反應(yīng)器特別適于制備氰化氫。
圖2是本發(fā)明的不銹鋼反應(yīng)器剖面圖，該反應(yīng)器特別適用于制備氰化氫。
圖3是圖2所示的不銹鋼反應(yīng)器的替代方案的剖面圖。
本發(fā)明的實施模式本發(fā)明的改進型感應(yīng)加熱反應(yīng)器，其如何使氣相化學(xué)反應(yīng)在升溫下進行、其如何操作并與現(xiàn)有已知的感應(yīng)加熱反應(yīng)器有何不同、以及其應(yīng)用的優(yōu)點和益處可參照附圖加以最好發(fā)解釋和理解。例如，圖1表示一臺石英反應(yīng)器，總體以數(shù)字10表示，該反應(yīng)器特別適于制備氰化氫，其所用之方法通常稱為德古莎(Degussa)方法。Degussa方法一般包括升溫下的氨和烴如甲烷的催化反應(yīng)，其溫度通常高于1200℃，氰化氫的生成按下列吸熱反應(yīng)圖2和3表示不銹鋼反應(yīng)器的不同方案，總體分別用數(shù)字20和30表示。與圖1的反應(yīng)器相反，反應(yīng)器20和30特別適于用Degussa方法或通常稱為放熱Andrussow(安德努索)方法制備氰化氫。此外還應(yīng)指出，雖然本發(fā)明的改進型感應(yīng)加熱反應(yīng)器是針對高溫下氣相制備氰化氫為例如以敘述和具體說明，但本發(fā)明不能視為只限于該反應(yīng)。改進反應(yīng)器的許多優(yōu)點和益處對其它升溫氣相反應(yīng)和方法同樣能顯示出來。有關(guān)下列敘述和權(quán)利要求的解釋不應(yīng)過份受限。
如圖1所示，這個具體實施方案中的感應(yīng)加熱反應(yīng)器10包括一總的圓柱體的石英石英襯里的反應(yīng)容器11，其一端為圓錐形入口12，反應(yīng)物氨和甲烷經(jīng)入口送入。另一端為一類似的圓錐形出口13，產(chǎn)物氰化氫和氫由此流出。在反應(yīng)容器12內(nèi)裝有扁平螺旋形圈14，具有出入反應(yīng)器的引管15和15′。扁平圈15由金屬管(例如銅管等)制成，致使冷卻水或其它熱交換介質(zhì)可以流過其中。而且扁平型圈14還適于與感應(yīng)能源(未示出)聯(lián)接作基本感應(yīng)圈。這個扁平型圈基本上是懸于反應(yīng)容器11的內(nèi)部，直接靠近擴散孔板16。擴散板16上的小直徑孔的排列方式為偏心排列，約占擴散板表面積的三分之一。通常擴散板用石英或非導(dǎo)電陶瓷制成。另外，此擴散板還可用泡沫陶瓷制成。擴散板亦可作感應(yīng)圈14和受感應(yīng)加熱的催化劑17之間的電絕緣體，催化劑置于擴散板16的另外一面。這個具體實施方案中的催化劑17是多層鉑金屬纖維、線或網(wǎng)(例如氧化鋁上纏繞Pt-Rh等)。圓柱形石英定位片18和18′及支撐環(huán)19在使用期內(nèi)將擴散板16和懸于反應(yīng)容器11內(nèi)的位于扁平型圈14附近的催化劑17壓緊。應(yīng)該指出，亦可采用各種其它類型的結(jié)構(gòu)和支撐部件支撐催化劑和懸于反應(yīng)容器內(nèi)的感應(yīng)圈。
圖2表示一臺不銹鋼反應(yīng)器21，具有反應(yīng)物入口22和產(chǎn)物出口23。與圖1相似，扁平型圈24懸在反應(yīng)器20內(nèi)部，基本橫過反應(yīng)容器21內(nèi)部的整個截面并垂直于氣流流道。在這個具體實施方案中，扁平型圈24緊靠在鋁硅陶瓷纖維(Fiberfrax)墊25之下，以降低熱損失并為流過這里的原料氣體提供末級過濾。直接在鋁硅陶瓷纖維墊25之下是一層氧化鋁泡沫，它作為輻射屏蔽26(即，屏蔽進入反應(yīng)器的原料氣體混合物，防止其過早著火)。在輻射屏蔽26之下是金屬催化介質(zhì)27。催化劑27支撐在多孔的陶瓷支撐層28之上，支撐層的孔徑小于被支撐的催化劑顆粒。在這種陶瓷支撐層下是具有更大孔的第二陶瓷支撐層29。
示于圖2的這個具體方案還表明，本發(fā)明的改進型感應(yīng)加熱反應(yīng)器如何適用于各種不同類型的高溫氣相催化反應(yīng)。更具體而言，如圖所示，催化劑不限于金屬絲、織物或網(wǎng)，事實上催化劑可以是顆粒，涂復(fù)的顆?；虿煌愋皖w粒的混合物。同時，在感應(yīng)圈和受熱催化劑介質(zhì)之間采用隔熱層和/或輻射屏蔽層使這種反應(yīng)器有機會用于多種不同的反應(yīng)，并使通過感應(yīng)圈的溫升減至最小(即在冷卻介質(zhì)流中)。
圖3表示示于圖2的反應(yīng)器的一個替代實施方案。在這個具體實施方案中，反應(yīng)器總體以數(shù)字30表示，它基本上同圖2所示的一樣包含隔熱層、輻射屏蔽層、催化劑介質(zhì)和支撐部件，但是，這個實施方案中的感應(yīng)圈32是一種螺旋形纏繞的螺旋金屬管，它在反應(yīng)器30內(nèi)直接置于催化劑介質(zhì)之上。
本發(fā)明的改進型反應(yīng)器的實際結(jié)構(gòu)包括本專業(yè)領(lǐng)域熟知的用作制造感應(yīng)加熱反應(yīng)器的通用材料。如圖所示，反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)材料優(yōu)選石英、石英襯里、陶瓷、陶瓷涂層、不銹鋼等。同樣可設(shè)想，根據(jù)具體的反應(yīng)條件亦宜采用不同的涂層或保護包層。用于裝配反應(yīng)器的具體制造技術(shù)與本專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)熟知的方法相似，包括例如金屬部件的焊接、和/或用陶瓷-環(huán)氧型粘接劑粘接或壓縮密封等等，但也不局限于此。一般說來，特定材料以及催化劑介質(zhì)的選擇取決于所采用的具體化學(xué)反應(yīng)和條件。
催化劑介質(zhì)包括能被感應(yīng)加熱的金屬或金屬組合物。一般說來，這種催化劑介質(zhì)可呈一層或多層金屬織物、網(wǎng)(例如激光鉆孔的金屬膜、織物或無紡絲網(wǎng)等)、分立的平面金屬物體(例如金屬泡沫)或多層丸型催化劑顆粒的形式。這種催化劑形式較完整的公開和敘述在WO95/21126以及共同轉(zhuǎn)讓的共同待決的美國專利申請?zhí)?8/887,549(1997，7，3提出)中，引此作為參考。此外還可設(shè)想，在單一反應(yīng)器內(nèi)采用替代的催化劑層和感應(yīng)圈對本發(fā)明的目的亦是有效的。
本發(fā)明的感應(yīng)加熱管狀反應(yīng)器被認(rèn)為在寬頻率范圍，一般從50Hz-30MHz范圍都是有效的。原則上，任何升溫的、催化的氣相化學(xué)反應(yīng)皆可在本發(fā)明的改進型反應(yīng)器中進行，優(yōu)選采用鉑簇金屬催化劑介質(zhì)使氨和烴反應(yīng)生成氰化氫。達到同樣目的的這類反應(yīng)和方法的其它細節(jié)可參見引作參考的WO 95/221126和美國專利申請08/887,549。
舉出下列實例以較為完全的論述和說明本發(fā)明的各個方面和特征，并試圖表明本發(fā)明的不同之處和優(yōu)點。這些實例并不是限制性的，其目的在于說明本發(fā)明，但并不意味是對本發(fā)明的過份限制。
實例1-4通過稍呈摩爾過量的氨與甲烷在連續(xù)流固定床反應(yīng)器中反應(yīng)制備HCN，該反應(yīng)用示于圖1的扁平型圈進行感應(yīng)加熱。氨和甲烷的比例示于表1。反應(yīng)器實質(zhì)上是一個石英圓柱體，其直徑為5.0cm、長20cm，并有相應(yīng)的配件與進料導(dǎo)管和產(chǎn)品輸出單元連接。催化劑由20塊80目和90％(重量)的鉑和10％(重量)的銠(以重量計)的金屬網(wǎng)組成，其厚度為0.4mm。催化劑床的加熱是將來自能源的能量偶合到反應(yīng)器內(nèi)的主圈而實現(xiàn)的。反應(yīng)器加料系統(tǒng)的設(shè)計允許兩種氣體物料以恒定流量流入反應(yīng)區(qū)。氣體的流量用Brook質(zhì)量流量控制器監(jiān)測。產(chǎn)品鑒別和定量分析采用氣相色譜儀。在恒定頻率26MHz下供應(yīng)感應(yīng)熱，調(diào)節(jié)直射能和反應(yīng)能可得到預(yù)期的總輸出。反應(yīng)條件、轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)率等列于表1。
表1實例流量 停留總功率轉(zhuǎn)化率 產(chǎn)率No. NH3CH4時間 NH3CH4HCN(sccm) (sec.) (watts) (％) (％)1 58 501.6 750 79.4 80.366.92 58 501.6 750 80.9 81.068.33 58 501.6 750 81.2 81.069.24 58 501.6 900 95.3 94.179.3工業(yè)適用性本發(fā)明的改進型感應(yīng)加熱反應(yīng)器的益處和優(yōu)點是大量的而且是顯著的。首先，采用置于反應(yīng)容器內(nèi)部靠近金屬催化劑介質(zhì)的感應(yīng)圈可使溫度控制更為均勻。結(jié)果，能克服與現(xiàn)存技術(shù)的感應(yīng)加熱反應(yīng)器有關(guān)的問題，如避免了溫度梯度引發(fā)的副反應(yīng)和轉(zhuǎn)化率/選擇性的降低。同時，改進型反應(yīng)器的設(shè)計提供了采用大截面尺寸時的放大可能性。因此該改進型反應(yīng)器使設(shè)計、結(jié)構(gòu)材料選擇以及操作方法更靈活、而且可改造現(xiàn)存的反應(yīng)器。對于較大直徑的反應(yīng)器，采用置于反應(yīng)容器內(nèi)部的感應(yīng)圈作能源能達到比置于外部的感應(yīng)圈有更高的單位體積熱輸出，在外部感應(yīng)圈的情況下床高限制了感應(yīng)圈的圈數(shù)。因此，改進型反應(yīng)器適于完成很快的氣相反應(yīng)，其中可采用一種床結(jié)構(gòu)(例如盤形)，該床結(jié)構(gòu)因為床層高度小有固有的低壓降。
用一定程度的特定性描述和說明了本發(fā)明，應(yīng)該指出，下列權(quán)利要求不應(yīng)如此受到限制，而是提供了一個與權(quán)利要求描述相一致的范圍。
權(quán)利要求
1.一種升溫下連續(xù)進行催化氣相反應(yīng)的設(shè)備，它包括(a)反應(yīng)容器，該容器包括至少一氣體反應(yīng)物入口裝置和至少一產(chǎn)物出口裝置，分別將氣體反應(yīng)物送入和將產(chǎn)物導(dǎo)出該反應(yīng)容器；(b)至少一固相催化劑介質(zhì)，該介質(zhì)在操作上置于該反應(yīng)容器中，以使該介質(zhì)與從反應(yīng)物入口裝置流到該產(chǎn)物出口裝置的氣體反應(yīng)物接觸，并在操作上被感應(yīng)加熱；(c)至少一感應(yīng)圈裝置，該裝置在操作上置于該反應(yīng)容器內(nèi)，以使固相催化劑介質(zhì)感應(yīng)加熱，并在操作上置于氣體流道上。
2.權(quán)利要求1的設(shè)備，其中該感應(yīng)圈裝置是一種扁平型圈，該圈基本上由平的螺旋金屬管組成，相鄰回路之間的螺旋空間適于氣體流通，其中該扁平型圈的平面基本上橫過該反應(yīng)容器內(nèi)的整個氣流，并置于該固相催化劑介質(zhì)附近。
3.權(quán)利要求1的設(shè)備，其中該感應(yīng)圈裝置是一種錐形圈，該圈基本上由錐形螺旋金屬管組成，相鄰回路之間的螺旋空間適于氣流流通，而且其中錐形圈的平面基本橫過該反應(yīng)容器的整個氣流，并置于該固相催化劑介質(zhì)附近。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種在升溫下連續(xù)進行催化化學(xué)反應(yīng)的改進型氣相反應(yīng)器(10),該反應(yīng)器包括一反應(yīng)容器(11),其中流過反應(yīng)器的氣體反應(yīng)物與感應(yīng)加熱的固相催化劑介質(zhì)(17)接觸。采用連接置于反應(yīng)器內(nèi)部靠近固相催化劑的感應(yīng)圈(14)使催化劑(17)感應(yīng)加熱,可使溫度控制得到改進,使催化劑加熱均勻。這種反應(yīng)器特別適用于連續(xù)制備氰化氫。
文檔編號B01J19/12GK1261821SQ98806713
公開日2000年8月2日 申請日期1998年7月2日 優(yōu)先權(quán)日1997年7月3日
發(fā)明者T·A·科克, M·梅蒂扎德, J·W·阿斯梅德, B·E·布拉克維爾, G·S·基爾拜, S·K·森古普塔 申請人:納幕爾杜邦公司