專利名稱：熱氣體反應(yīng)器及其應(yīng)用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及汽相化學(xué)反應(yīng)領(lǐng)域。更具體地說本發(fā)明涉及用于這些反應(yīng)的一種特殊反應(yīng)器設(shè)計(jì)和反應(yīng)方法。
許多商業(yè)化學(xué)品，諸如環(huán)氧乙烷、丙烯腈、氰化氫、和二氧化鈦都是通過汽相反應(yīng)生產(chǎn)的。這些工藝方法的經(jīng)濟(jì)性在很大程度上取決于反應(yīng)物的選擇性(生成產(chǎn)物的摩爾數(shù)除以經(jīng)受反應(yīng)的反應(yīng)物摩爾數(shù))反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率(進(jìn)行反應(yīng)的反應(yīng)物摩爾數(shù)除以進(jìn)入反應(yīng)器的反應(yīng)物的摩爾數(shù))和反應(yīng)器投資費(fèi)用。
常規(guī)的汽相反應(yīng)器都是以在狹窄操作參數(shù)范圍內(nèi)達(dá)到最大的選擇性和轉(zhuǎn)化率的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)和操作的。在這些操作參數(shù)中，主要的是反應(yīng)物濃度、壓力、溫度和速度，以及主要根據(jù)反應(yīng)物或產(chǎn)物的著火性和投資限制所設(shè)定的這些參數(shù)的極限。特別是，反應(yīng)物進(jìn)料濃度必須始終保持在著火下限以下，且所得的氧烴比決定氧化的選擇性和轉(zhuǎn)化率。
在單獨(dú)采用處于最佳氧烴比下的純氧時(shí)，氧進(jìn)料混合物接近化學(xué)計(jì)量，因此很易著火。因此，需要添加惰性氣體如甲烷、CO2或蒸氣作為稀釋劑。在基于空氣的工藝方法中，不必添加另外的稀釋氣體，因?yàn)榭諝庵械牡獨(dú)饩推鸬较♂寗┑淖饔?。但是，不幸地是，空氣或稀釋氧的?yīng)用都會(huì)使反應(yīng)效率下降和反應(yīng)器尺寸增大。
考慮到如何使反應(yīng)物進(jìn)行接觸的工業(yè)反應(yīng)器設(shè)計(jì)，目前有三大類。它們包括預(yù)混合型、原位混合型和直接接觸型。
預(yù)混合反應(yīng)器包括固定催化床、催化絲網(wǎng)床和催化整體床。對(duì)于預(yù)混系統(tǒng)，反應(yīng)物分別被輸送至兩種物流混合的設(shè)備中。在混合區(qū)內(nèi)的停留時(shí)間一般都為幾秒鐘的時(shí)間。可采用將熱能供給該混合物的方法，或在反應(yīng)物相互作用之前將熱能供給反應(yīng)物中的一種或兩者的方法，對(duì)反應(yīng)混合物進(jìn)行預(yù)熱。該均勻混合再流至引發(fā)反應(yīng)的反應(yīng)區(qū)。在大多數(shù)情況下，反應(yīng)區(qū)裝有非均相催化劑。反應(yīng)區(qū)內(nèi)的停留時(shí)間對(duì)于固定床反應(yīng)器約1秒的時(shí)間，對(duì)于絲網(wǎng)狀床和整體式反應(yīng)器約0.01秒的大小。少數(shù)幾種情況是在沒有催化劑幫助下均相地完成反應(yīng)。在這些情況下，反應(yīng)區(qū)可裝有點(diǎn)火源或某些火焰穩(wěn)定機(jī)構(gòu)。反應(yīng)區(qū)內(nèi)的停留時(shí)間約0.1秒。
最通用的催化預(yù)混反應(yīng)器是固定床反應(yīng)器。對(duì)于這種反應(yīng)器，固體催化劑裝填于長(zhǎng)形管中，長(zhǎng)形管置于為移出反應(yīng)熱的循環(huán)熱傳遞流體中。諸如鄰苯二甲酸酐、馬來酸酐、丙烯酸、環(huán)氧乙烷和醋酸乙烯等產(chǎn)品都是采用這樣的反應(yīng)器生產(chǎn)的。
另一種工業(yè)化的催化預(yù)混反應(yīng)器是絲網(wǎng)狀反應(yīng)器。在這種反應(yīng)器中，反應(yīng)混合物穿過的催化劑為非常薄(約1厘米厚度)的絲網(wǎng)卷。沒有試圖從這種催化床層移出反應(yīng)熱。氰化氫和氧化氮就是用這種類型的反應(yīng)器生產(chǎn)的。
催化整體反應(yīng)器屬于一種具有氣體可以流通的固體孔隙結(jié)構(gòu)。催化整體反應(yīng)器商業(yè)上已用于催化燃燒和汽車催化轉(zhuǎn)化器進(jìn)行完全的氧化反應(yīng)。一般均沒有試圖從反應(yīng)器本身內(nèi)移出反應(yīng)熱。此外，這種類型的反應(yīng)器已經(jīng)用于進(jìn)行間歇式部分氧化反應(yīng)。
原位混合反應(yīng)器包括流化催化床和均相燃燒筒反應(yīng)器。在原位混合系統(tǒng)中，首先將反應(yīng)物一起送到反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行混合。多數(shù)商業(yè)原位混合反應(yīng)器為流化床反應(yīng)器。在流化床反應(yīng)器中，反應(yīng)物是分別被注入裝有大量循環(huán)固粒的容器中的。這些反應(yīng)氣體引起固粒運(yùn)動(dòng)。一般這些固粒都是起到催化劑作用的。這些反應(yīng)器通常都裝有內(nèi)部蒸氣盤管，用來移出反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)熱。在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間一般約10秒。在流化床中生產(chǎn)的產(chǎn)品實(shí)施例包括丙烯腈和馬來酸酐。
有時(shí)也有在原位混合系統(tǒng)中進(jìn)行均相非催化反應(yīng)，如USP2,559,638、2,934,410、3,172,729、和3,403,001。在這些反應(yīng)器中，反應(yīng)物被分別輸送至一個(gè)同時(shí)進(jìn)行混合及反應(yīng)的單一區(qū)域。
第三類反應(yīng)器是間接接觸反應(yīng)器，如催化移動(dòng)床反應(yīng)器。用這種間接接觸反應(yīng)器，實(shí)際上反應(yīng)物是不匯集一起。而是在反應(yīng)器內(nèi)氧源和反應(yīng)物從空間上或暫時(shí)地彼此隔離。唯一已知的這種類型的工業(yè)反應(yīng)器是移動(dòng)床。在這種類型的反應(yīng)器中，固體催化劑是被輸送于反應(yīng)器的兩個(gè)不同分隔段內(nèi)。將一種反應(yīng)物注入某一段中，而將第二反應(yīng)物注入另一段內(nèi)。這樣類型的反應(yīng)器已經(jīng)工業(yè)化用于生產(chǎn)馬來酸酐。
盡管提出的還有一些其它的汽相反應(yīng)器設(shè)計(jì)，但在技術(shù)上目前仍然需求發(fā)展一種能夠使汽相反應(yīng)選擇性和轉(zhuǎn)化率特別高，投資少而且安全的反應(yīng)器。
因此，本發(fā)明目的在于提供一種確保反應(yīng)選擇性和轉(zhuǎn)化率都高的汽相反應(yīng)器。
本發(fā)明目的還在于提供一種安全、投資少和操作費(fèi)用低的反應(yīng)器。
本發(fā)明另一目的還在于提供一種應(yīng)用這種反應(yīng)器的方法。
本發(fā)明一組優(yōu)選實(shí)施方案包括一臺(tái)反應(yīng)器，其包括反應(yīng)溫度在500℃以上的第一反應(yīng)氣體源，一個(gè)其中該第一反應(yīng)氣體與第二反應(yīng)氣體混合形成基本均勻而且基本未發(fā)生反應(yīng)的反應(yīng)氣體混合物的混合室或混合區(qū)，以及一個(gè)其中所述混合物進(jìn)行汽相反應(yīng)的反應(yīng)室或反應(yīng)區(qū)。
本發(fā)明也包括蒸氣化學(xué)反應(yīng)方法。優(yōu)選方法步驟包括a)、在第一壓力下將反應(yīng)氣體或惰性氣體加入第一室；b)、加熱所述反應(yīng)氣體或惰性氣體；c)、通過一個(gè)或數(shù)個(gè)噴嘴將所述加熱氣體輸送進(jìn)入壓力比第一室低的第二室；d)、將氣態(tài)或超臨界狀態(tài)的所述第二反應(yīng)物注入所述第二室；e)、在所述混合室內(nèi)保持所述第一反應(yīng)氣體和第二反應(yīng)物足夠時(shí)間，以形成基本均勻的該第一反應(yīng)氣體與該第二反應(yīng)物的混合物，但其中該第一反應(yīng)氣體與該第二反應(yīng)物之間的反應(yīng)基本上尚未發(fā)生；f)、將所述基本均勻混合物注入該混合物進(jìn)行反應(yīng)的第三室。
對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，，通過對(duì)下述優(yōu)選實(shí)施方案和附圖的描述，都可發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的其它目的、特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，其中

圖1為按照本發(fā)明反應(yīng)器的示意流程圖。
圖2為按照本發(fā)明在反應(yīng)器混合室出口實(shí)驗(yàn)測(cè)定的氧、二氧化碳、水和丙烷濃度分布圖。
圖3為幾種不同反應(yīng)氣體混合物均相反應(yīng)開始的時(shí)間圖。
采用如圖1所示一般結(jié)構(gòu)的本發(fā)明的熱氣體反應(yīng)器(“HGR”)可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出，所謂“熱”我們指的是氣體溫度在500℃以上，優(yōu)選在530℃以上。優(yōu)選的溫度范圍約500℃至約2800℃，更優(yōu)選約500℃至約1700℃。
反應(yīng)器的首要部件是熱反應(yīng)氣體源1(指的是反應(yīng)物A)。反應(yīng)物A優(yōu)選為氧，但是不局限于氧。優(yōu)選的源1是借用USP 5,266,024安德遜所述的熱噴嘴燃燒方法中所述。
此反應(yīng)器還包括混合室2，在混合室內(nèi)反應(yīng)物A與另一反應(yīng)氣體(這里指的是反應(yīng)物B)受到快速混合，但卻基本未發(fā)生反應(yīng)。
反應(yīng)物A是作為一種膨脹射流3被噴注入此混合室的。通過在熱氣源1和混合室2之間安放節(jié)流器4(如流動(dòng)噴嘴)的方法使之形成膨脹射流3。
熱氣體進(jìn)入混合室之前的絕對(duì)壓力優(yōu)選為至少1.2倍于混合室的絕對(duì)壓力，更優(yōu)選為至少1.5倍，和最優(yōu)選為至少2倍?；旌鲜覊毫?yīng)當(dāng)優(yōu)選在200至0.01大氣壓(atm)的范圍，更優(yōu)選為100至0.01atm，和最優(yōu)選為10至1atm。這里所述壓力均為絕對(duì)壓力。
在上述壓力下操作HGR會(huì)得到至少以下好處。首先，至少在選擇性、轉(zhuǎn)化率、生產(chǎn)能力和副產(chǎn)物形成等因素之一會(huì)有所改善。其次，對(duì)于同樣質(zhì)量流率的反應(yīng)器，可以將其制作得更小一些，這在流率非常大時(shí)可縮短混合時(shí)間，減小反應(yīng)器投資費(fèi)用。第三，HGR高壓操作和后續(xù)反應(yīng)產(chǎn)物高壓排放，有利于HGR下游裝置的操作。這些裝置操作包括，但不局限于，附加反應(yīng)、產(chǎn)物分離、和產(chǎn)物回收。
采用一些適宜的機(jī)構(gòu)5，如優(yōu)選按垂直于反應(yīng)物A膨脹射流軸線排列的多噴注口，將反應(yīng)物B在噴注反應(yīng)物A鄰近處注入混合室。
反應(yīng)物A的速度應(yīng)當(dāng)優(yōu)選大于約60m/s(米/秒)，更優(yōu)選為大于150m/s，最優(yōu)選為大于300m/s。本發(fā)明的關(guān)鍵之處在于采用熱反應(yīng)物射流，可使反應(yīng)物混合極快。反應(yīng)物在混合區(qū)的接觸時(shí)間應(yīng)非常短，以防止在混合段發(fā)生明顯反應(yīng)。發(fā)生明顯反應(yīng)所需時(shí)間取決于具體的反應(yīng)物和反應(yīng)條件。混合室內(nèi)反應(yīng)物A與B的接觸時(shí)間優(yōu)選應(yīng)當(dāng)短于約10微秒，更優(yōu)選短于1微秒，最優(yōu)選短于0.5微秒。
反應(yīng)物A與B的混合物在反應(yīng)器6中發(fā)生汽相反應(yīng)。此汽相反應(yīng)可以是催化的及/或非催化的。對(duì)于催化的反應(yīng)，反應(yīng)區(qū)與混合區(qū)的區(qū)別在于反應(yīng)區(qū)內(nèi)有催化劑存在，如整體、填充床或絲網(wǎng)填充物催化劑。對(duì)于均相反應(yīng)，反應(yīng)區(qū)與混合區(qū)的區(qū)別在于，反應(yīng)區(qū)內(nèi)發(fā)生陡的化學(xué)梯度或火焰溫度機(jī)構(gòu)。
在混合步驟中采用熱氣流對(duì)于本發(fā)明是關(guān)鍵的。加熱混合室2上游的反應(yīng)物A，使反應(yīng)物之間的混合在兩個(gè)方面得到改善。首先，由于熱氣流溫度上升，進(jìn)入混合室2的熱氣流(反應(yīng)物A)速度增加。例如，如果供給的反應(yīng)物A是入口溫度21℃、壓力1.8atm及排出壓力為1atm的氧氣，則噴嘴4出口氣體速度達(dá)到290m/s。與之相比，如果將氧氣加熱至1090℃，則在同樣供給壓力下出口速度會(huì)達(dá)到625m/s。由于氣體的混合速率是氣體速度的正函數(shù)，所以加熱反應(yīng)物好處明顯。
第二，按照射流理論，氣體射流(如反應(yīng)物A)與環(huán)境氣體(如反應(yīng)物B)之間的混合量隨射流氣體密度的降低而增加。氣體密度反比于絕對(duì)溫度。因此，對(duì)于給定的初始射流直徑，當(dāng)射流氣體溫度從21℃增加到904℃時(shí)，反應(yīng)物B沿給定射流軸向進(jìn)入該射流的夾帶量增加一倍。
本發(fā)明不同于以前技術(shù)的反應(yīng)器如預(yù)混非催化反應(yīng)器之處在于，混合室2內(nèi)的混合是在反應(yīng)條件下進(jìn)行的。本發(fā)明不同于以前技術(shù)如原位混合非催化反應(yīng)器之處在于，基本均勻的反應(yīng)物混合物是在主要反應(yīng)發(fā)生之前在混合室2內(nèi)形成的。這樣快的混合速率可以做到在開始主要反應(yīng)之前在混合室2內(nèi)，甚至在反應(yīng)條件下，混合形成基本均勻的混合物。
與目前本發(fā)明所述相反，在常規(guī)的預(yù)混反應(yīng)器設(shè)計(jì)中，為了避免反應(yīng)段上游發(fā)生反應(yīng)和爆炸，通常必須降低預(yù)熱溫度及/或反應(yīng)物的濃度，使之達(dá)到較低數(shù)值(如在200℃或以下)。結(jié)果使這種方法的產(chǎn)物收率和選擇性都降低。
在HGR中由于混合極快，那些在常規(guī)反應(yīng)設(shè)計(jì)中對(duì)溫度、壓力和反應(yīng)物濃度所給予的限制都沒必要?？砂踩捎妹黠@放寬的操作條件范圍。因此，可以設(shè)定操作條件使之獲得比常規(guī)反應(yīng)器更高的轉(zhuǎn)化率和選擇性。在這種HGR中，可做到混合反應(yīng)物無需稀釋劑(如惰性氣體)。
本發(fā)明已被延伸于在小規(guī)模HGR中進(jìn)行熱氧氣流與烴類的反應(yīng)。此熱氧氣流是采用如專利USP 5,266,024所述的熱噴嘴連續(xù)燃燒少量燃料的方法獲得的。
實(shí)驗(yàn)混合室的設(shè)計(jì)中，在熱氧入口噴嘴附近裝有四個(gè)等間距進(jìn)料氣體入口。此混合室呈管狀，大約長(zhǎng)9cm，直徑1.9cm，而且未設(shè)內(nèi)折流板。反應(yīng)區(qū)直徑均一，因此結(jié)構(gòu)可以非常簡(jiǎn)單。這也可使反應(yīng)混合物流以幾乎均勻的速度分布被輸送至反應(yīng)區(qū)。此實(shí)驗(yàn)HGR的反應(yīng)區(qū)內(nèi)裝的是非均相催化劑。
下表1及圖2和圖3中所列數(shù)據(jù)說明，在這樣小規(guī)模HGR中，反應(yīng)物的混合非常迅速，而且確實(shí)未發(fā)生任何均相反應(yīng)。
表1列舉了在射流直徑0.16cm和甲烷與氧之比為10∶1時(shí)，夾帶甲烷進(jìn)入熱氧氣射流中的計(jì)算結(jié)果。數(shù)據(jù)表明，用實(shí)驗(yàn)HGR達(dá)到預(yù)期的混合時(shí)間為0.2微秒或以下。
這些結(jié)果是根據(jù)瑞可和斯帕爾丁(Ricou and Spalding)推導(dǎo)的夾帶速率方程和英國利用研究協(xié)會(huì)(1767)，46的M.A.費(fèi)爾德(Field)等人著“粉煤燃燒”中報(bào)告的結(jié)果計(jì)算的。
圖2為在實(shí)驗(yàn)HGR中觀察的混合室末端實(shí)驗(yàn)氣體濃度分布。在此實(shí)施例中通過熱噴嘴的為約每分鐘11標(biāo)準(zhǔn)升(此后縮寫為SLPM)的天然氣和約137 SLPM的氧氣(見USP 5,266,024)，通過此熱噴嘴所有的天然氣完全燃燒產(chǎn)生一種內(nèi)含115 SLPM氧、11 SLPM二氧化碳和22 SLPM水蒸氣的熱反應(yīng)氧氣流。這種混合物作為該HGR的熱反應(yīng)物A。約90 SLPM的丙烷通入該混合室作為反應(yīng)物B。
圖2表明在混合室出口測(cè)定的沿混合室徑向不同五點(diǎn)處的氧、二氧化碳和水蒸氣的濃度分布。根據(jù)物料平衡計(jì)算的丙烷濃度也列于圖2之中。未發(fā)現(xiàn)其它化學(xué)物質(zhì)。
所有化學(xué)物質(zhì)的濃度沿混合區(qū)出口徑向分布都是均勻的。因此，圖2的結(jié)果證明，兩種反應(yīng)物(反應(yīng)物A為來自熱噴嘴的氧氣，反應(yīng)物B為丙烷)在混合室邊緣也完全混合。
另一方面，測(cè)定的氧、二氧化碳和水蒸氣濃度就是假設(shè)熱氧氣與丙烷在混合區(qū)完全混合而無任何伴隨反應(yīng)發(fā)生前提下所預(yù)期的濃度。因此，圖2所示的結(jié)果表明在混合室內(nèi)兩反應(yīng)物(反應(yīng)物A為來自熱噴嘴的氧氣，反應(yīng)物B為丙烷)之間沒有發(fā)生明顯的反應(yīng)。
圖3說明在許多條件下HGR的混合室內(nèi)沒有明顯均相反應(yīng)發(fā)生。在圖3中，采用了“熱化學(xué)計(jì)算器”(由加利福尼亞技術(shù)學(xué)院(CaliforniaInstitute of Technology)提供并根據(jù)CHEMKIN(一種由桑迪亞利伏摩爾國家實(shí)驗(yàn)室(Sandia Livermore National Laboratory)開發(fā)用以計(jì)算已知均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的計(jì)算機(jī)程序)計(jì)算各種不同氧-丙烷混合物的丙烷轉(zhuǎn)化百分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化。這種計(jì)算采用了科恩諾夫(Konnov)的反應(yīng)機(jī)理(小分子烴燃燒詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理。網(wǎng)址release 0.1 http//homepages.vub.ac.be/~akonnov/，1996)。
將生產(chǎn)CO的各種不同反應(yīng)混合物的初始組成設(shè)定為化學(xué)計(jì)量比如丙烷∶氧為2∶3。初始溫度通過假設(shè)在溫度如圖3所示的氧與溫度25℃的丙烷之間完全和瞬時(shí)混合進(jìn)行計(jì)算。一般，在混合區(qū)內(nèi)的停留時(shí)間在0.5微秒(msec)以下。因此圖3所示數(shù)據(jù)表明，在不同溫度下兩種反應(yīng)物可以完全混合并可安全地在開始均相反應(yīng)之前輸送至反應(yīng)區(qū)。
表2列舉了采用常規(guī)反應(yīng)器設(shè)計(jì)和此HGR的丁烷氣相部分氧化制馬來酸酐(一種應(yīng)用了所有三種類型工業(yè)催化反應(yīng)器的方法)的操作極限。丁烷在整體反應(yīng)器中的部分氧化的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)也包括在內(nèi)。此表說明用HGR比用常規(guī)技術(shù)所達(dá)到的操作條件范圍更寬。
表2HGR與常規(guī)非均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)的比較
注*1烴與氧分別進(jìn)入由上述討論可明顯看出，HGR方法可以在從前由于著火危險(xiǎn)而不能達(dá)到的濃度、溫度和壓力條件下使進(jìn)料和反應(yīng)氣體(氧氣)安全反應(yīng)。對(duì)于氧化反應(yīng)，HGR方法可以用氧氣而無需稀釋劑，從而使尺寸減小和提高下游回收操作的效率，以及大大減小工藝尾流的容積。
應(yīng)當(dāng)指出，預(yù)計(jì)在HGR中的實(shí)際混合時(shí)間會(huì)小于表1所示的時(shí)間，因?yàn)榉磻?yīng)物B一般是以垂直于熱氣流方向的強(qiáng)制射流而引入的。因此反應(yīng)物B的動(dòng)量不可忽略，而且是要能夠促進(jìn)混合的。
在常規(guī)的均相預(yù)混合反應(yīng)器設(shè)計(jì)中，反應(yīng)物是在非反應(yīng)條件下進(jìn)行預(yù)混合的，爾后才被輸送至處于起始反應(yīng)條件的反應(yīng)區(qū)內(nèi)。為保證在這些類型反應(yīng)器的混合區(qū)內(nèi)不發(fā)生非受控反應(yīng)，必須采用非常復(fù)雜的混合室設(shè)計(jì)，或者混合區(qū)的進(jìn)料濃度、溫度和壓力必須是不能致使反應(yīng)發(fā)生的?；旌鲜以O(shè)計(jì)復(fù)雜是不希望的，因?yàn)樗鼈兿嚓P(guān)的建造費(fèi)用高。限制進(jìn)料條件也是不希望的，因?yàn)檫@會(huì)導(dǎo)致選擇性和生產(chǎn)能力的下降。另外，使反應(yīng)物混合升至反應(yīng)溫度下進(jìn)行，又會(huì)使不理想的反應(yīng)發(fā)生。
而這種HGR卻避免了所有上述這些問題。混合室也十分簡(jiǎn)單。反應(yīng)物在較寬的設(shè)定條件下均可安全混合，而在反應(yīng)物完全混合和達(dá)到最佳反應(yīng)條件之前反應(yīng)始終是受到抑制的。
對(duì)于均相原位混合系統(tǒng)，反應(yīng)物是在反應(yīng)條件下在反應(yīng)區(qū)內(nèi)直接混合的。因此，反應(yīng)與混合同時(shí)發(fā)生。這就意味著反應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)物濃度隨位置有很大變化的。這就使產(chǎn)物收率、選擇性和質(zhì)量也變化較大一些。這種變化是很不理想的。
HGR方法消除了與均相原位混合系統(tǒng)相關(guān)的缺點(diǎn)。由于反應(yīng)物在反應(yīng)之前完全混合，反應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)物濃度都可以被很好地限定。因此，這種反應(yīng)器是操作在最佳條件下，避免了產(chǎn)物收率、選擇性和質(zhì)量的易變性。而且，由于反應(yīng)物快速混合，也減少了著火的危險(xiǎn)性。
如圖1所示，HGR的設(shè)計(jì)十分簡(jiǎn)單。設(shè)計(jì)上的簡(jiǎn)單又使工業(yè)HGR反應(yīng)器的工程、建造和維護(hù)費(fèi)用明顯低于常規(guī)反應(yīng)器，包括均相和非均相兩種反應(yīng)器。
HGR可以用于各種化學(xué)反應(yīng)，包括當(dāng)前實(shí)施的汽相反應(yīng)以及那些并非當(dāng)前工業(yè)所用的反應(yīng)。實(shí)施例包括，但并非受限制于，脫氫反應(yīng)、合成氣的生產(chǎn)、氨氧化、氨的氧化、選擇性自由基反應(yīng)、碳黑生成和金屬氧化物顆粒的生產(chǎn)、以及借助原子氫的熱裂化。
本發(fā)明并不受限于氧和烴類的反應(yīng)物。更確切地說，第一熱氣體可以包括惰性氣體(即氬、氦、氮和二氧化碳)，或其它氣體如氫、一氧化碳、氯、和氟或任何上述氣體的混合物。例如，如果氣體為氬，則熱氬氣體起到的作用是迅速加熱第二反應(yīng)物和在反應(yīng)區(qū)內(nèi)造成一種均勻、稀釋反應(yīng)物流。
可以采用不同方法加熱第一氣體。這些方法可包括燃燒、電弧、以及諸如電阻加熱等間接加熱法。
第二反應(yīng)物可以是氣體或超臨界流體，也可以是一種若干組分和氣相/超臨界相的混合物。至于具體的反應(yīng)物，這種氣體可以是，但不局限于，氣態(tài)烴類如甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、異丁烷、乙烯和丙烯、丁烯和異丁烯，氣態(tài)非烴類如氨或四氯化鈦，或這些氣體組分的混合物。超臨界流體可以是，但不局限于，純烴如甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、異丁烷、乙烯、丙烯、丁烯和異丁烯；純非烴類如氨或四氯化鈦，或若干組分的混合物。對(duì)于那些本領(lǐng)域技術(shù)人員均會(huì)認(rèn)識(shí)到，上述氣體的操作參數(shù)對(duì)于超臨界流體也可以應(yīng)用，也會(huì)認(rèn)識(shí)到，使某一具體的氣體或氣體混合物變成超臨界流體的必須條件(如丁烷在壓力超過36atm和溫度超過153℃時(shí)為超臨界流體)。我們還要指出的是，第二反應(yīng)物可包括惰性或無反應(yīng)活性的組分(如反應(yīng)物可包括50％氮/50％烴)。
盡管所示實(shí)施例表明的是單一氣體噴嘴，但也要考慮使用雙或多噴嘴將熱氣射流注入混合室中。此外，不同混合室設(shè)計(jì)也是可能的。例如，可使用的有以下膨脹或收縮的斜截錐管、兩端或一端帶膨脹或收縮的圓筒，以及矩形噴管。
本發(fā)明并不局限于特定的催化劑材料或排列。例如各種不同的催化劑均可應(yīng)用，諸如絲網(wǎng)或填充床。反應(yīng)區(qū)為非催化的也可。
混合區(qū)及/或反應(yīng)區(qū)可用外冷卻設(shè)備加以冷卻，包括但不局限于水夾套或水噴霧。此外，用于專門引入反應(yīng)物B至混合區(qū)的噴注器也可加在此HGR上。
僅僅為方便起見，本發(fā)明的具體特點(diǎn)顯示于一張或數(shù)張附圖上，因?yàn)檫@種特點(diǎn)是與按照本發(fā)明的其它特點(diǎn)相關(guān)的。本領(lǐng)域技術(shù)人員都會(huì)認(rèn)識(shí)到另一些實(shí)施方案，它們被包括在本發(fā)明范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種包括以下部件的反應(yīng)器一種溫度在500℃以上的第一反應(yīng)氣體源，一種使其中所述第一反應(yīng)氣體與氣態(tài)或超臨界狀態(tài)的第二反應(yīng)物相混合，形成基本均勻的第一和第二反應(yīng)物的混合物而又基本不發(fā)生反應(yīng)的混合室，以及一個(gè)其中所述混合物進(jìn)行汽相反應(yīng)的反應(yīng)區(qū)。
2.按照權(quán)利要求1中所述的反應(yīng)器，還包括將所述第一反應(yīng)物噴注進(jìn)入所述混合室的至少一個(gè)噴孔。
3.按照權(quán)利要求1中所述的反應(yīng)器，其中所述混合室包括噴注所述第二反應(yīng)物的至少一個(gè)噴孔。
4.按照權(quán)利要求1中所述的反應(yīng)器，其中噴注所述第一反應(yīng)物的至少一個(gè)噴孔限制了所述第一反應(yīng)物，使注入該混合室的第一反應(yīng)物的速度增加。
5.按照權(quán)利要求1中所述的反應(yīng)器，其中噴注所述第一反應(yīng)物的至少一個(gè)噴孔和噴注所述第二反應(yīng)物的至少一個(gè)噴孔是彼此垂直的。
6.按照權(quán)利要求1中所述的反應(yīng)器，其中所述反應(yīng)區(qū)包括催化劑。
7.按照權(quán)利要求1中所述的反應(yīng)器，其中所述反應(yīng)器混合室的設(shè)計(jì)是選自膨脹截錐形、收縮截錐形、至少一端收縮的圓筒形，和矩形管形。
8.按照權(quán)利要求1中所述的方法，其中所述第一反應(yīng)物氣體的溫度在530℃以上。
9.一種化學(xué)汽相反應(yīng)方法，如下包括步驟a)、在第一壓力下將反應(yīng)氣體或惰性氣體加至第一室；b)、加熱所述反應(yīng)氣體或惰性氣體；c)、將所述加熱氣體輸送穿過一個(gè)或數(shù)個(gè)噴嘴進(jìn)入其壓力比第一室低的第二室；d)、將處于氣態(tài)或超臨界狀態(tài)的第二反應(yīng)物注入所述第二室；e)、在所述混合室內(nèi)保持所述第一反應(yīng)氣體和第二反應(yīng)物足夠時(shí)間，以形成基本均勻的該第一氣體與第二反應(yīng)物的混合物，但是其中該兩種反應(yīng)物之間基本上還未發(fā)生反應(yīng)；f)、將所述基本均勻的混合物注入所述混合物進(jìn)行反應(yīng)的第三室。
10.按照權(quán)利要求9中所述的方法，其中所述混合室的壓力是在約200atm至約0.01atm之間。
全文摘要
本發(fā)明包括一種反應(yīng)器,其具有第一熱反應(yīng)氣體源,一種使其中所述第一熱反應(yīng)氣體與第二反應(yīng)氣體混合形成一種反應(yīng)氣體混合物但又基本未發(fā)生反應(yīng)的混合室,以及一個(gè)其中所述混合物進(jìn)行氣相反應(yīng)的反應(yīng)區(qū)。也披露了應(yīng)用這種反應(yīng)器的方法。
文檔編號(hào)B01J3/00GK1249959SQ9911849
公開日2000年4月12日 申請(qǐng)日期1999年9月3日 優(yōu)先權(quán)日1998年9月4日
發(fā)明者J·E·安德森, 小A·W·弗朗西斯, M·L·瓦格納, C·B·勒格爾 申請(qǐng)人:普拉塞爾技術(shù)有限公司