專利名稱：用于高溫工業(yè)過程的具有改進的安全特征的裝置的制作方法
用于高溫工業(yè)過程的具有改進的安全特征的裝置
本申請是第200710152991. 5號中國發(fā)明專利申請的分案申請，該申請是2001年 5月23日提交的、申請?zhí)枮?1119189. 9的發(fā)明專利申請的分案申請。本發(fā)明一般涉及高溫工業(yè)過程，尤其涉及反應(yīng)器裝置及其在相關(guān)過程中的應(yīng)用。用反應(yīng)器生產(chǎn)化學(xué)制品如氫氰酸和硝酸已經(jīng)有一段時間是公知的。例如， Andrussow在美國專利1934838中公開了由氨和烴氣一步合成氫氰酸，其中在鉬族金屬催 化劑存在的情況下由空氣通過聯(lián)立反應(yīng)供應(yīng)熱量。其它專利中描述了關(guān)于該過程的多種修 改和改進。為了提高效率，經(jīng)常將一絕熱體加在反應(yīng)器的外部以防止熱量損失。但包含反應(yīng) 器的材料限制了其能夠安全運行的溫度。有時為反應(yīng)器裝一水套來防止反應(yīng)器過熱以及容 器的潛在破壞。在水套運行中斷情況下，外部絕熱的反應(yīng)器溫度會上升到導(dǎo)致反應(yīng)器或裝 有凸緣的聯(lián)接件或其它容器破壞的程度，使危險化學(xué)制品釋放到大氣中。外部絕熱體雖然 提高了效率，但也會增加反應(yīng)器破壞的可能性。曾經(jīng)嘗試過用耐火材料從內(nèi)部對反應(yīng)器進 行絕熱，但耐火材料通常容易由于熱或機械振動而破裂，使得過程的開始和停止以及不損 壞耐火材料而去掉反應(yīng)器頭部來維修變得很困難或者不可能。同樣極端困難的是維修懸吊 的耐火材料，如在半球形或圓錐形反應(yīng)器頭部的內(nèi)表面上，這是因為耐火材料的拉伸強度 相對較低。另外，常規(guī)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)如

圖1中所示系統(tǒng)呈現(xiàn)出以流量分離為特征的很差的流量 分配。如圖1所示，進入具有耐火材料4的反應(yīng)器2中的很差的流量分配會在反應(yīng)器2的 左側(cè)產(chǎn)生向上流量，在壁8上產(chǎn)生分解和煙灰聚積物6。如圖1中所示紊流的噴射效果還會 使催化劑壽命縮短，因為該流量僅使用有限部分的催化劑9。另外，在包含高易燃原料混合 物的過程中，如富氧HCN或富氧氨氧化反應(yīng)器，圖1中所示流量分配產(chǎn)生了相當大的回火和 爆燃的可能性。另外，反應(yīng)器頭部一般包括較大的焊接頸部或搭接凸緣，用于聯(lián)接到筒體、換熱器 或其它支承反應(yīng)器頭部的裝置上。該較大焊接頸部或搭接凸緣的設(shè)計和制造通常非常昂 貴，密封表面必須小心維護，以確保反應(yīng)器與例如筒體之間的正確密封。當反應(yīng)器運行過程 中以及包含潛在危險的高溫化學(xué)制品如Andrussow過程中存在的HCN時，聯(lián)接表面的維護 特別重要。當由于維護或其它原因而必須移動反應(yīng)器頭部時，操作者必須格外小心，以保護 凸緣免受損壞，從而反應(yīng)器能夠很快恢復(fù)運行。操作者通常簡單地將反應(yīng)器放置在一塊木 材、一個板或某些其它材料上來保護凸緣；盡管在正確放置的情況下一塊木材或其它板有 時足以保護凸緣免受損壞，但如果操作者沒有扼住凸緣并將反應(yīng)器頭部直接放置在普通植 物格柵上，凸緣表面上反應(yīng)器頭部的重量將很可能使其不能使用(如果凸緣表面被刮刻或 翹曲，它將不能正確密封)。最后，其上放置有反應(yīng)器頭部的普通筒體的物理高度使插入和取出物品如催化 齊U、分配器、支承件或任何其它要放置在筒體內(nèi)部的組件變得很困難。筒體壁通常為4英尺 或更高，需要操作者爬上壁上方的一平臺，身體進入筒體中來安裝或更換催化劑。不僅爬進 和爬出筒體需要時間，而且筒體被分成一限定的空間，進入一限定的空間需要獲得許可，供應(yīng)呼吸空氣，需要和注意另一個工人作為看守人，有時需要昂貴和費時的安全預(yù)防措施。因 此需要一種結(jié)構(gòu)來消除對這些預(yù)防措施的需要，并易于安裝催化劑。本發(fā)明用于克服或至少減小上述一個或多個問題的影響。在一個實施例中，一種用于高溫工業(yè)過程的裝置包括至少一個凸緣聯(lián)接件，其中 通過連接到該至少一個凸緣上的至少一個支承突耳防止該至少一個凸緣聯(lián)接件的至少一 個凸緣受到機械損壞。該裝置還可包括一連接到該至少一個凸緣上的冷卻套，該冷卻套由 1/2管制成。在另一實施例中，描述了一種用于高溫工業(yè)過程的裝置，包括至少一個凸緣聯(lián)接 件，其中該凸緣由所連接的1/2管冷卻套冷卻。在某些實施例中，一種用于高溫工業(yè)過程的裝置包括一具有第一截面尺寸的入口 管道部分；一具有第二截面尺寸的下游加工部分；一聯(lián)接該入口管道部分和該下游加工部 分的入口過渡部分；該過渡部分包括由耐火陶瓷纖維制成的內(nèi)部絕熱體。該第二截面尺寸 可大于該第一截面尺寸，該內(nèi)部絕熱體可形成一圓錐形內(nèi)表面。另外，該入口過渡部分可形 成一半球形外形。該過渡部分可以是一反應(yīng)器頭部，該反應(yīng)器頭部包括一通向該下游加工 部分的凸緣聯(lián)接件。在某些實施例中，包括一個或多個可視玻璃管嘴?？梢杂孟铝懈黜椫械闹辽僖?項在該下游加工部分中獲得層狀速度分布一段足夠長的直管道，該直管道包括該入口管 道部分，以在該入口過渡部分的上游端提供一層流；至少一個設(shè)置在該入口管道部分中的 CRV ；一位于該入口過渡部分上游端的LAD ；及一位于該入口過渡部分上游端的EHD。另一種用于高溫工業(yè)過程的實施例包括具有一第一截面尺寸的加工部分；具有 一小于該第一截面尺寸的第二截面尺寸的出口管道；及一聯(lián)接該出口管道部分和該加工部 分的出口過渡部分；該出口過渡部分的內(nèi)表面為圓錐形。又一種用于高溫工業(yè)過程的實施例包括具有一底部凸緣的反應(yīng)器頭部；一具有 一頂部凸緣的下游加工部分；其中該下游加工部分頂部凸緣的工作高度在約2. 0至3. 5英 尺之間。本發(fā)明的另一實施例包括一入口管道部分；一入口過渡部分；一加工部分；一出 口過渡部分；及一出口管道部分；其中內(nèi)部絕熱體包括在一個或多個裝置部分中，其中該 絕熱體由耐火陶瓷纖維制成。在該實施例中，該入口過渡部分還包括一圓錐形內(nèi)表面，該出 口過渡部分還包括一圓錐形內(nèi)表面。該裝置還可包括一位于該入口過渡部分與該加工部分 之間的具有第一和第二凸緣的凸緣聯(lián)接件，并且第一和第二凸緣中的至少一個包括一與其 相連的冷卻套。另外還描述了一種制造氫氰酸的方法，包括下列步驟提供至少一種碳氫化合物， 至少一種含氮氣體，和至少一種含氧氣體；在一裝置中對該至少一種碳氫化合物、至少一種 含氮氣體、至少一種含氧氣體進行反應(yīng)，以制成氫氰酸，及通過在該裝置中利用該至少一種 含氧氣體進行同時燃燒反應(yīng)而供應(yīng)熱量；其中該裝置包括至少一個凸緣聯(lián)接件，其中通 過連接到該至少一個凸緣上的至少一個支承突耳防止該至少一個凸緣聯(lián)接件中的至少一 個凸緣受到機械損壞。公開了一種制造氫氰酸的方法，包括提供至少一種碳氫化合物，至少一種含氮氣 體，和至少一種含氧氣體；在一裝置中對該至少一種碳氫化合物、至少一種含氮氣體、至少一種含氧氣體進行反應(yīng)，以制成氫氰酸，及通過在該裝置中利用該至少一種含氧氣體進行同時燃燒反應(yīng)而供應(yīng)熱量。在該過程中，該裝置可包括一具有第一截面尺寸的入口管道部 分；一具有第二截面尺寸的下游加工部分；一聯(lián)接該入口管道部分和該下游加工部分的入 口過渡部分；其中該過渡部分包括內(nèi)部絕熱體，該內(nèi)部絕熱體由耐火陶瓷纖維制成。在一個實施例中公開了一種裝置，包括一反應(yīng)器頭部和內(nèi)部絕熱體，其中該絕熱 體由耐火陶瓷纖維制成。該反應(yīng)器頭部適于與一液體流聯(lián)接，以有利于一化學(xué)過程。在該 實施例中，一圓錐形反應(yīng)器頭部的壁與一垂直線之間的角度小于約25度。該絕熱體可由至 少一個延伸穿過該圓錐形反應(yīng)器和該絕熱體的套固定到位，該絕熱體可由一延伸穿過反應(yīng) 器頭部入口的軸環(huán)進一步支承。該反應(yīng)器頭部可以是圓錐形或半球形。該裝置可用于制造 氫氰酸或其它產(chǎn)品。在一個實施例中，該裝置還包括一環(huán)繞該反應(yīng)器頭部設(shè)置的冷卻套。該冷卻套由 一連接到該錐形反應(yīng)器外表面上的半管形成?？梢栽O(shè)想，該裝置可包括反應(yīng)器頭部上游的 導(dǎo)直葉片的使用。在一個實施例中公開了一個反應(yīng)器頭部；至少一個具有一圓周表面和一聯(lián)接表面 的凸緣，該聯(lián)接表面適于與一化學(xué)處理單元中的配合凸緣聯(lián)接；至少一個聯(lián)接到該至少一 個凸緣上并能夠支承該反應(yīng)器頭部的支承突耳；其中該至少一個支承突耳從該圓周和聯(lián)接 表面延伸，從而在該聯(lián)接表面與該支承突耳之間形成一間隙。該實施例中可以有一個或多 個連接到該至少一個凸緣上并能夠支承該反應(yīng)器頭部的附加支承突耳。該至少兩個支承突 耳基本為U形，并環(huán)繞安裝在該至少一個凸緣上的一冷卻套而延伸。該至少兩個支承突耳 還可具有一從中鉆透的大致圓形的孔，以利于該至少兩個支承突耳的冷卻。在一種實施例中公開了一種反應(yīng)器頭部、一適于與反應(yīng)器頭部相連的支承催化劑 的筒體，其中，支承催化劑的筒體的垂直工作高度在約2. 0至約3. 5英尺之間，并且，當支承 催化劑的筒體與反應(yīng)器頭部脫開時，該筒體有利于接受催化劑或由站在筒體直徑外的一個 或多個操作者提供的其它裝置。在某些場合，操作者可用升降機或其它工具來安裝催化劑 或其它裝置，但操作者自己可仍在筒體外。在一個實施例中公開了一種裝置，包括一個反應(yīng)器頭部、一適于連接到該反應(yīng)器 頭部的支承催化劑的筒體；和至少一個有一適于容納一熱電偶或其它儀表的內(nèi)部通道的熱 電偶管嘴，該熱電偶或其它儀表以一非垂直角度安裝在催化劑支承筒體側(cè)部，從而在催化 劑高度與內(nèi)部通道之間沒有直接的視線。還公開了一種生產(chǎn)氫氰酸的方法，包括提供至少一種碳氫化合物，至少一種含氮 氣體，和至少一種含氧氣體；在一反應(yīng)器中對該至少一種碳氫化合物、至少一種含氮氣體、 和至少一種含氧氣體進行反應(yīng)，以制成氫氰酸；及通過在該反應(yīng)器中利用該至少一種含氧 氣體進行同時燃燒反應(yīng)從而供應(yīng)熱量。在該過程中可以設(shè)想，該反應(yīng)器包括一反應(yīng)器頭部， 一含催化劑的筒體部件，和可插入該反應(yīng)器頭部中的絕熱體，該絕熱體由耐火陶瓷纖維制 成。在閱讀下面的詳細描述并參照附圖后，本發(fā)明的上述和其它特征將更加清楚，其 中圖1是一現(xiàn)有技術(shù)反應(yīng)器系統(tǒng)的視圖。圖2是一前視圖，其以局部剖視的形式示出本發(fā)明圓錐反應(yīng)器頭部的一實施例。
圖2a是圖2中所示實施例的透視圖。圖3是圖2結(jié)構(gòu)的頂視圖。圖4是本發(fā)明軸環(huán)的頂視圖。圖4a是圖4中所示軸環(huán)的前視圖。圖5是根據(jù)本發(fā)明一實施例連接到圓錐反應(yīng)器頭部凸緣上的一支承突耳的頂視 圖。圖6是沿圖5中所示A-A線所取的支承突耳側(cè)視圖。圖7是圖5中結(jié)構(gòu)沿B-B線所取的前視圖。圖8是包含圖5中所示結(jié)構(gòu)的反應(yīng)器的頂視圖。圖9是根據(jù)本發(fā)明一實施例的筒體部分的頂視圖。圖10是圖9中結(jié)構(gòu)沿C-C線所取的剖視圖。圖11是與圖2中圓錐反應(yīng)器一起使用的旋轉(zhuǎn)葉片的前視圖。圖12是沒有旋轉(zhuǎn)葉片的管道中流體流動的示意圖。圖13是圖12中有效流體流的剖視圖。圖14是帶有旋轉(zhuǎn)葉片的管道中流體流的示意性視圖。圖15是圖4中有效流體流的剖視圖。圖16是包含本發(fā)明的圓錐反應(yīng)器頭部和旋轉(zhuǎn)葉片的系統(tǒng)的透視圖。圖17是本發(fā)明反應(yīng)器的一可替換實施例的正視圖。圖18是本發(fā)明反應(yīng)器的另一可替換實施例的正視圖。圖19是靠近操作者的圖2中所示圓錐反應(yīng)器的圖片。圖20是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的非選擇催化還原(NSCR)NOx抑制單元。盡管本發(fā)明可以有各種修改和替換形式，但還是通過例子將其具體實施例在附圖 中表示出來，并在這里進行詳細描述。但應(yīng)該理解，這里具體實施例的描述并不是將本發(fā)明 限制在所公開的具體形式，而是相反，本發(fā)明是要覆蓋落在由附加權(quán)利要求限定的本發(fā)明 的精神和范圍中的全部修改、等同物和替換例。下面描述本發(fā)明的示意性實施例。為清楚起見，說明書中并沒有描述實際實施例 的全部特征。當然應(yīng)該理解，在任何這種實際實施例的開發(fā)中，必須作出多種實施的具體決 定，以實現(xiàn)開發(fā)者的特定目標，如依據(jù)隨實施例不同而變化的與系統(tǒng)有關(guān)或與商業(yè)有關(guān)的 約束條件。另外，應(yīng)該理解，這種開發(fā)的努力可能是復(fù)雜而費時的，但盡管如此，對于從本公 開受益的本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講還是有一個可循的常規(guī)?，F(xiàn)在轉(zhuǎn)向附圖，特別是圖2，公開了一種根據(jù)本發(fā)明一實施例的圓錐形反應(yīng)器頭部 10。圓錐形反應(yīng)器頭部10包括一適于與化學(xué)過程中的配合凸緣13 (圖16中示出)聯(lián)接的 頂部凸緣12。頂部凸緣12靠近反應(yīng)器入口 14，該反應(yīng)器入口 14可選擇地具有一同心放置 在其中的剛性軸環(huán)16。圖4和4a中更清楚地示出軸環(huán)16，其一般由不銹鋼制成。軸環(huán)16 一般為圓柱形并有一邊緣15，該邊緣15防止軸環(huán)落入反應(yīng)器頭部10中并可在頂部凸緣12 與配合凸緣13之間密封。軸環(huán)16有助于將絕熱體40 (下面在說明書中詳細描述)固定到 位。入口 14靠近一圓錐形側(cè)部元件18。側(cè)部元件18形成一擴張區(qū)域并有利于保持 來自入口的層流流動。如果流動在入口處為層狀，則在側(cè)部元件18與垂直線20之間的角度22小于約25度時流動將保持附著。在圖2所示實施例中，角度22約為21度。應(yīng)該理 解，角度22的某些變化是在本發(fā)明范圍內(nèi)的，即該角度可以是小于約25度的任意角度，或 者促進附著層流的任何其它角度?？捎行У赝ㄟ^改變頂部到底部的絕熱體40的厚度來修 改角度22。還應(yīng)該理解，反應(yīng)器頭部10可以根本就不是圓錐形，而是與大角度擴散器(LAD) 或橢圓形頭部擴散器(EHD)聯(lián)接的任何方便的形狀，從而產(chǎn)生與圓錐形狀相似的層流分布 (如圖20所示的)。大角度擴散器和EDH可從Koch-Glitsch公司獲得。層流的優(yōu)點在于 防止回火，否則將產(chǎn)生紊流/流量分離狀態(tài)。再次參照圖1，當產(chǎn)生回流時，產(chǎn)生圖16中所 示層流狀態(tài)中不存在的回火和爆燃的危險就會增加。多個提升凸耳24安裝在側(cè)部元件18上。優(yōu)選地，如圖3所示，三個提升凸耳24 繞側(cè)部元件18的外表面44等間距分布。提升凸耳24有一小孔26，該小孔26適于接收鉤、 纜繩或其它提升系統(tǒng)附件(未示出)。提升凸耳24用于支承反應(yīng)器頭部10的全部重量，有 利于它的運輸。側(cè)部元件18與和頂部凸緣12的附件相對的底部凸緣28交會。頂部和底部凸緣 12和28最好是焊接頸部凸緣，但其它凸緣如搭接凸緣也可以使用。從本公開受益的本領(lǐng)域 技術(shù)人員將認識到，焊接頸部凸緣對于需要很高支承應(yīng)力的螺旋纏繞墊圈(未示出)是特 別有用的；螺旋纏繞墊圈最好用于重要的運行應(yīng)用中，如HCN生產(chǎn)。應(yīng)該理解，用于標識頂 部凸緣12和底部凸緣28的“頂部”和“底部”僅指反應(yīng)器頭部10在附圖中的方向。反應(yīng)器 頭部10的方向可修改為任何適當?shù)奈恢?。在圖2所示實施例中，一凸緣冷卻套30連接到 底部凸緣28上。凸緣冷卻套30可包括一直接焊接到圖2和6中所示底部凸緣28上的半 管。冷卻套30包括一入口 32和一出口 34。圖3中示出出口 34。側(cè)部元件18還可包括一 冷卻套92。冷卻套92沒有在圖2中示出，但可從圖2a中看到。冷卻套92包括一入口(未 示出)和一出口 94。冷卻套92還可包括一以圖2a中的結(jié)構(gòu)直接焊接到側(cè)部元件18上的 半管。這些冷卻套入口 /出口包括通過不銹鋼編織軟管91將它們相應(yīng)的冷卻套聯(lián)接到一 冷卻介質(zhì)源上的凸緣。在一優(yōu)選實施例中，某些套可串聯(lián)聯(lián)接-也就是說，一個套的出口凸 緣與另一個套的入口凸緣聯(lián)接。在某些實施例中，入口 /出口凸緣可全部去掉，代之以通向 冷卻介質(zhì)源的連續(xù)管道(未示出-例如可以是供水集管)。在某些實施例中根本就沒有與 反應(yīng)器頭部10相聯(lián)系的冷卻套?？拷撞客咕?8的是多個可視玻璃管嘴36和38。圖2中示出可視玻璃管嘴36 的一剖面。圖3中以頂視圖示出一帶有可視玻璃管嘴36和可視玻璃管嘴38的優(yōu)選實施例。 在替換例中，反應(yīng)器中僅包括可視玻璃管嘴36。在某些實施例中完全沒有可視玻璃?？梢?玻璃管嘴36和38延伸穿過側(cè)部元件18進入反應(yīng)器頭部10內(nèi)部?？梢暡Ａ?6和38使操 作者可以觀察內(nèi)部反應(yīng)。可視玻璃管嘴36和38可以交替用作取樣聯(lián)接件或其它儀表的管 道，其它儀表包括但不限于熱電偶、壓力指示器以及點火器。反應(yīng)器頭部10包括一與反應(yīng)器內(nèi)壁42相鄰的內(nèi)部絕熱體40。絕熱體40最好由 鋁土和/或硅石陶瓷纖維制成，還可包括粘結(jié)劑。例如，絕熱體40可包括可從Rex Roto公 司獲得的Pyrolite (包括粘結(jié)劑)或可從RathPerformance Fibers公司獲得的K_mod 陶瓷纖維模塊(不包括粘結(jié)劑)。將絕熱體40放置在反應(yīng)器頭部10中的優(yōu)點是，通過在沒 有過熱危險的情況下減少熱量損失以及與外部絕熱體相關(guān)的反應(yīng)器頭部失效而提高了效 率。雖然反應(yīng)器頭部10和其它常規(guī)反應(yīng)器可具有冷卻系統(tǒng)，但在冷卻系統(tǒng)失效的情況下，反應(yīng)器10內(nèi)部產(chǎn)生的熱量會導(dǎo)致金屬反應(yīng)器溫度上升。溫度會持續(xù)上升，直到凸緣或反應(yīng) 器自身由于溫度達到金屬屈服點而失效。當反應(yīng)器失效或凸緣由于過高的溫度而翹曲時， 包含在其中的有潛在危險的化學(xué)制品會釋放出來。但通過僅使用反應(yīng)器頭部10內(nèi)部的內(nèi) 部絕熱體40，反應(yīng)器頭部10可用作一自幅射器，即外表面44可自由將熱量幅射到大氣中。 這使反應(yīng)器頭部10具有自我限制其本身溫度的優(yōu)點。盡管在冷卻系統(tǒng)失效的情況下反應(yīng) 器頭部10的溫度將上升到高于正常操作溫度，但自幅射的能力還是提供了一個輔助冷卻 機構(gòu)；最終從反應(yīng)器10外表面44幅射的熱量將等于反應(yīng)器內(nèi)部產(chǎn)生的熱量，并達到一穩(wěn)定 狀態(tài)。例如，在使用反應(yīng)器頭部10內(nèi)部的絕熱體40的HCN過程中，反應(yīng)器頭部10可自我 限制在金屬的屈服溫度以下幾百華氏度。因此在冷卻失效的情況下，絕熱體40的使用在不 損失安全的前提下將熱量損失減到最小。實際上，在某些實施例中，可期望完全不使用冷卻 系統(tǒng)。以前的反應(yīng)器具有位于反應(yīng)器壁內(nèi)部的耐火材料以減少損失到環(huán)境中的能量損失， 但如背景技術(shù)中描述的，耐火材料重量大、易碎、難于維修、且易由于機械或熱振動而破裂。 包含耐火材料的圓錐形頭部很難形成，支承耐火材料的頭部在為了維修或其它原因而方便 地來回移動時很可能會使耐火材料破裂。有利地，本發(fā)明設(shè)想用Pyrolite 或K-mod 制 造絕熱體40，它們重量輕，耐熱振動和機械振動，并易于在圓錐形反應(yīng)器中安裝和維修。絕 熱體40可方便地制成圓錐形，以與反應(yīng)器頭部10配合，并且沒有破裂危險地滑入和滑出反 應(yīng)器。Pyrolite 和K-mod 足夠耐用，允許在沒有內(nèi)部耐火材料系統(tǒng)中通常需要的相當 的額外預(yù)防措施的情況下提升和運輸反應(yīng)器。在圖2所示實施例中，絕熱體40基本上靠近 反應(yīng)器頭部10的內(nèi)壁42，但在某些實施例中，絕熱體40設(shè)置成在絕熱體與內(nèi)壁42之間存 在一外圍層或一空氣隙(未示出)。絕熱體40可通過軸環(huán)16固定在反應(yīng)器10中。軸環(huán)16延伸到反應(yīng)器頭部10中， 外軸環(huán)表面17提供了一個剛性邊緣，絕熱體40的上端41靠在該邊緣上。軸環(huán)16還確保 了引入并容納在反應(yīng)器頭部10中的氣體不會移動到絕熱體40后面。附加地或與之替換 地，由于軸環(huán)16的使用，每個可視玻璃管嘴36和38中的可視玻璃套48可延伸穿過絕熱 體40而將絕熱體固定到位。但如圖16所示，當反應(yīng)器10完全安裝時絕熱體40不需要懸 空，而是可以靠在一在筒體52內(nèi)部澆注的可鑄耐火材料50上。耐火材料50可替換地包括 Pyrolite .或K-mod ，或者甚至耐火砌磚。由于與高溫高壓下化學(xué)反應(yīng)相聯(lián)系的危險性，底部凸緣28必須小心制造和維護，使配合表面54處于使反應(yīng)器頭部10與例如筒體52之間的聯(lián)接正確密封的條件下。但反應(yīng) 器頭部10并不限于與筒體52 —起使用，而是可直接聯(lián)接到包括整體筒體(未示出)或其 它非筒體裝置的熱交換器上。在待審的臨時專利申請U. S. 60/141769中描述了可與反應(yīng)器 頭部10結(jié)合使用的幾種類型熱交換器的例子，該申請這里作為參考引入。由于反應(yīng)器頭部 10的重量可超過2000磅，如果反應(yīng)器重量由配合表面54支承的話，底部凸緣28會很容易 損壞或毀壞。至少為了這個原因，有利地環(huán)繞底部凸緣28的圓周等距設(shè)置多個支承突耳， 例如U形支架56、58和60。圖5中以詳細的頂視圖示出U形支架56，圖8中示出全部三個 支承突耳。從本公開中受益的本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，圖中體現(xiàn)為U形支架的支承突耳 的數(shù)量、間隔及細節(jié)可以變化。圖5公開了連接到底部凸緣28上的大致U形的支架56。U 形支架56延伸到底部凸緣28和凸緣冷卻套30周邊之外。參看圖6，一側(cè)視圖中示出U形支架56連接到底部凸緣28上。該圖中，所示底部凸緣28靠近一配合筒體凸緣82。U形支架56有一底腳64，該底腳64延伸到配合表面54 之外而在支架底部與配合表面之間產(chǎn)生一間隙66。間隙66可測量為1/2英寸到3英寸之 間，優(yōu)選是約11/4英寸，但如必要可形成任何其它間隙。從本公開中受益的本領(lǐng)域技術(shù)人 員應(yīng)該理解，間隙66可以是能夠在不干擾反應(yīng)器頭部10在筒體52上的設(shè)置的情況下保護 配合表面54或其它配合裝置的任何尺寸。當反應(yīng)器10放置在除筒體52上以外的某處時， 間隙66有利地向配合表面54提供了保護。例如，如果反應(yīng)器10放置在地面上，則不必在 底部凸緣28下面設(shè)置任何物品來保護配合表面54免受可由配合表面與地面之間的直接接 觸而導(dǎo)致的刮刻和/或其它損傷。U形支架56、58和60能夠在不使配合表面54與地面或 其它支承面接觸的情況下支承反應(yīng)器頭部10的全部重量。從本公開中受益的本領(lǐng)域技術(shù) 人員應(yīng)該理解，在某些多部件實施例中，如這里作為參考引入的EP847372(A1)中公開的反 應(yīng)器中，可有益地使用多個支承突耳來保護多個凸緣。參照圖7，U形支架56、58和60可有 一圓孔，以減少每個支架的重量并促進各支架的冷卻。下面轉(zhuǎn)向圖9和10，示出筒體52的某些細節(jié)。筒體52 —般為圓柱形，并可包含催 化劑68。筒體52適于與反應(yīng)器頭部10聯(lián)接。但圖9和10僅示出筒體部分。筒體52包括 一頂部筒體凸緣82和一底部筒體凸緣84。在某些實施例中，凸緣84可用壁100與下面的 熱交換器(未示出)之間的連續(xù)聯(lián)接件代替。筒體52還包括三個冷卻套(70，76和86)。 筒體冷卻套70包括入口 72和出口 74。頂部筒體凸緣冷卻套86包括其相聯(lián)的入口 88和出 口 90。底部筒體凸緣冷卻套76包括其相聯(lián)的入口 78和出口 80。每個冷卻套70、76和86 可包括如圖10焊接到筒體上的半管。每個入口 72、74、78、80、88和90包括通過一不銹鋼 編織軟管91將與它們相聯(lián)的冷卻套聯(lián)接到一冷卻介質(zhì)源上的凸緣，(或者它們可以串聯(lián)到 一源上)。但在某些實施例中，入口 /出口凸緣可全部去除，并由一通向冷卻介質(zhì)源(未示 出)的連續(xù)管道代替，在另一實施例中可以根本就沒有冷卻套。筒體52的高度有利地設(shè)計成有助于容易安裝和去除物品，該物品包括但不限于 催化劑68、分配器、支承件、或者其它將插入筒體中的組件。如背景技術(shù)中所描述的，對于常 規(guī)筒體，安裝催化劑或其它物品是非常困難和費時的。圖9和10中公開的筒體52從頂部 筒體凸緣82到底部筒體凸緣84包括一約為1. 5至2. 5英尺的縮短的尺寸D1，最好為1. 75 英尺。當與例如一交換器(未示出)結(jié)合時，該距離使從地面(未示出)或平臺至頂部筒 體凸緣82之間的工作高度為2. 0至3. 5英尺，最好為3. 0英尺。當高度為2. 0至3. 5英尺 時，頂部筒體凸緣到達正常人的腰部高度，有利地允許正常人進入筒體52中，例如從筒體 外部安裝或取回催化劑。圖19示出與操作者靠近的本發(fā)明一實施例。如從圖中看到的，操 作者可方便地進入筒體中而不用在內(nèi)部爬行。由此，不需要進入限定空間，不需要相關(guān)的許 可和預(yù)防措施。同樣不需要使用托架或任何其它裝置來使操作者能夠進入并更換催化劑或 其它內(nèi)部物品。設(shè)想例如一催化劑，該催化劑可位于筒體中距頂部筒體凸緣82大約一英尺 處，但筒體可適于以任何距離方便地安裝由操作者送達的催化劑。頂部筒體凸緣82至催化 劑之間距離的范圍可設(shè)定為大約從3英寸至2英尺。筒體52還可有多個儀表管嘴96和98，以便于監(jiān)測狀態(tài)，如反應(yīng)器中的溫度。一般 將熱電偶導(dǎo)線從上方擰入反應(yīng)器中，這對于大的物體如圓錐形反應(yīng)器頭部10來講是很困 難的。通過有利地將熱電偶(未示出)輸送穿過筒體52的壁100，安裝變得容易得多且熱 電偶容易接近。儀表管嘴96和98適于容納熱電偶并延伸穿過筒體冷卻套70以冷卻管嘴。儀表管嘴96和98定位在筒體外部與催化劑基本相同的高度上。但儀表管嘴96和98以不 垂直于筒體52的壁100的角度設(shè)置，以確保沒有向催化劑幅射的直接的視線。非垂直意思 是儀表管嘴96和98以不等于90度的角度與筒體壁100交會，或者管嘴相對于催化劑不是 位于一水平高度。另外，管嘴96和98可具有插入其中的絕熱體以進一步保護熱電偶。在 所公開的實施例中，管嘴96與壁100之間的角度為約77度，但也可采用0至180度之間除 90度之外的任何其它角度?；瘜W(xué)反應(yīng)中的多數(shù)能量是通過幅射傳導(dǎo)的，如果儀表管嘴96和 98垂直于筒體52，與催化劑反應(yīng)有一直接的視線，熱量會直接進入管嘴中并熔化設(shè)置在管 嘴中的熱電偶(未示出)。因此，儀表管嘴96和98有利地定位在靠近催化劑反應(yīng)的位置， 但與反應(yīng)沒有直接的視線，這會延長熱電偶的壽命。儀表管嘴96和98可替換地用于多種其它儀表中，該儀表包括但不限于過程分析 器取樣聯(lián)接件、壓力指示器及點火器。下面轉(zhuǎn)向圖11-16，公開了一種與反應(yīng)器10結(jié)合使用的流動校直系統(tǒng)。由于貴金 屬和其它催化劑特別昂貴，期望將流量引導(dǎo)到催化劑的整個表面區(qū)域上，以提高其有用壽 命。在一典型反應(yīng)器系統(tǒng)中，公知的當流體流經(jīng)突然膨脹區(qū)時的噴射效果使大部分流體基 本與入口管道保持相同的直徑。當流體到達催化劑時，通常中央?yún)^(qū)域接收80%至90%的流 量，而最靠近壁的催化劑區(qū)域則缺乏。另外，會發(fā)生圖1中顯示的向上流線譜，并導(dǎo)致在反 應(yīng)器的壁處成份分解。如果層流可引入入口管道中且反應(yīng)器呈現(xiàn)為逐漸膨脹，則流量將保 持附著在反應(yīng)器的壁上，并向整個催化劑表面引導(dǎo)一更均勻的流量分配。通常一小于約25 度的膨脹角度將保持附著的層流。在某些情況下，可通過緊靠反應(yīng)器入口上游設(shè)置至少十 個直管直徑來引導(dǎo)層流，但空間的限制一般要求有一個小于所需的十個上游管道直徑的管 道彎頭。在這些典型的限定空間的應(yīng)用中，需要一流動校直裝 置 如旋轉(zhuǎn)葉片102來引導(dǎo)層 流。旋轉(zhuǎn)葉片102已知為CRV⑧，可從ChengFluid Systems公司或Koch-Glitsch公司得 至IJ。從本公開中受益的本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，也可使用其它流動校直系統(tǒng)來引導(dǎo)層流。 圖11以前視圖示出可與反應(yīng)器2 —起使用的旋轉(zhuǎn)葉片102。圖16公開了與反應(yīng)器10有 關(guān)的旋轉(zhuǎn)葉片102的典型設(shè)置。旋轉(zhuǎn)葉片102可用于補償如圖16中所示的兩個彎頭，或者 除旋轉(zhuǎn)葉片102之外可使用一第二旋轉(zhuǎn)葉片(未示出)。圖12-15示出運行中的旋轉(zhuǎn)葉片 102的效果。沒有旋轉(zhuǎn)葉片102時，流體繞彎頭104經(jīng)過時的速度變得不一致并如圖12所 示發(fā)生流體分離。有效流量106被改變成類似于圖13中所示產(chǎn)生的截面。圖13中所示的 不一致流量阻止了附著的流量均勻分配到催化劑。另一方面，旋轉(zhuǎn)葉片102的使用提供了 圖14中所示經(jīng)過彎頭104的流線譜。經(jīng)過旋轉(zhuǎn)葉片102后，產(chǎn)生的流速一致并為層狀。圖 15示出截面107中的一致流量。當層流被引入圓錐形反應(yīng)器頭部10時，如果圓錐角22為 約25度或更小的話，流量將保持附著在反應(yīng)器頭部的壁42上。在這里公開的實施例中，反 應(yīng)器頭部10的圓錐角22約為21度。圓錐形反應(yīng)器10中使用旋轉(zhuǎn)葉片102有利地提高了 反應(yīng)效率和催化劑的有用壽命。在某些實施例中，反應(yīng)器如圖17中所示反應(yīng)器202可代替圓錐形反應(yīng)器10。反應(yīng) 器202是一與已有頭部208聯(lián)接的拼合筒體(204和206)的結(jié)構(gòu)，但在反應(yīng)器202中可使 用與上面公開的相同的冷卻系統(tǒng)、筒體高度、熱電偶管嘴、旋轉(zhuǎn)葉片和內(nèi)部絕熱體。反應(yīng)器 202可與一 LAD或EHD聯(lián)接，以產(chǎn)生與圓錐形反應(yīng)器10中產(chǎn)生的流動相似的有效的層流。另外，圖18公開了根據(jù)本發(fā)明用于反應(yīng)器302的一第三實施例。反應(yīng)器302包括一連接到一短筒體306上的細長的頭部304。與反應(yīng)器202類似，反應(yīng)器302可連接到一筒體 52上并包括與上面公開相同的冷卻系統(tǒng)、筒體高度、熱電偶管嘴、旋轉(zhuǎn)葉片和內(nèi)部絕熱體。反 應(yīng)器302還可與一 LAD或EHD聯(lián)接，以產(chǎn)生與圓錐形反應(yīng)器10中產(chǎn)生的流動相似的層流。圖20中示出半球形頭部402中使用的LAD或EHD裝置的替換例。所示是絕熱體 40用于圓錐形內(nèi)表面43。還示出一圓錐出口 45的使用(或者更具體地，使用絕熱體而在 半球形出口頭部中提供一圓錐形內(nèi)表面)。圓錐形出口的主要好處在于產(chǎn)生層流，從而使壓 降減到最小(紊流/非層流產(chǎn)生增加壓降的渦旋)。從本公開中受益的本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng) 該理解，入口圓錐43的角度非常重要，圓錐45的出口角度沒有那么重要，可以是大于0度 小于90度的任何角度。另外，盡管圖20中示出凸緣47，但這些是可選擇的，可以設(shè)想耐火 陶瓷纖維絕熱體可制成片狀，以易于插入無凸緣的容器中，然后在容器中裝配，以產(chǎn)生一期 望的圓錐形內(nèi)表面?？梢栽O(shè)想，反應(yīng)器10、202和302對于氫氰酸的制造是最有用的。制備氫氰酸的過 程包括將成分輸送到反應(yīng)器中(例如反應(yīng)器10、202或302中)。該成分包括至少一種碳氫 化合物，至少一種含氮氣體，和至少一種含氧氣體。應(yīng)該理解，含氧氣體可以與含氮氣體或 碳氫化合物相同。該至少一種碳氫化合物可以是脂族或取代的脂族，環(huán)脂族或取代環(huán)脂族，或芳 香族或取代芳香烴，或者它們的混合物。適當?shù)睦記]有限制地包括甲烷(CH4)，乙烯 (C2H4)，乙烷(C2H6)，丙烯(C3H6)，丙烷(C3H8)，丁烷(C4H10)，甲醇(CH3OH)，甲苯，石腦油，和甲 酸甲酯。在一優(yōu)選實施例中，該至少一種碳氫化合物是甲烷或一種或多種含甲烷的碳氫化 合物的混合物。該至少一種含氮氣體沒有限制地包括氨，甲酰胺，或一氧化氮(NO)。在 一優(yōu)選實施例中，該至少一種含氮氣體是氨或具有一種或多種含氮氣體的氨的混合物。該 至少一種含氧氣體可以是任何含一定量氧的材料，適于維持燃燒從而為制成吸熱氫氰酸提 供熱量。適當?shù)睦記]有限制地包括空氣，富氧空氣，純氧氣，一氧化碳(C0)，二氧化碳 (CO2),或其混合物，或者分解后產(chǎn)生氧的含氧化合物。適當?shù)睦影ㄟ^氧化物，甲酮，醚，寸寸。還可以設(shè)想，將所公開的反應(yīng)器用于其它現(xiàn)有技術(shù)，非Andrussow型HCN制備方 法，其中用于HCN形成反應(yīng)的能量是由地下燃燒之外的其它源供應(yīng)的。這種過程的例子包 括Degussa B-M-A過程，F(xiàn)luohmic過程，以及微波加熱和感應(yīng)加熱過程。所公開的裝置還可用于其它工業(yè)過程，包括但不限于硝酸的生產(chǎn)(包括通過氨 氧化過程或富氧過程進行生產(chǎn))，合成氣體生產(chǎn)，(甲基)丙烯酸生產(chǎn)，NOx抑制單元，或者任 何其它用吸收劑、催化劑或熱交換器的需要高溫高壓的過程。高壓包括任何高于大氣壓的 壓力，而高溫包括任何高于60°C的溫度。另外，所使用的催化劑可包括但不限于屏蔽板， 支承催化劑，流化床，或者離子交換樹脂。最后，雖然本發(fā)明用于氣體過程，但從本公開中受益的本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解， 本發(fā)明并不限于氣體過程。本發(fā)明中還可以是工業(yè)過程，其包括在高溫和/或高壓下使用 液體。盡管本發(fā)明是參照其特別的示意性實施例特別表示和描述的，但本領(lǐng)域技術(shù)人員 應(yīng)該理解，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的前提下，可以在形式和細節(jié)上進行改變。上述實 施例僅是示意性的，不應(yīng)理解為限制本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
一種用于高溫工業(yè)過程的裝置，包括a)具有一第一截面尺寸的加工部分；b)具有一小于該第一截面尺寸的第二截面尺寸的出口管道；及c)一聯(lián)接該出口管道部分和該加工部分的出口過渡部分；其中該出口過渡部分的內(nèi)表面為圓錐形。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中該出口過渡部分包括內(nèi)部絕熱體，該內(nèi)部絕熱體包 括耐火陶瓷纖維。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，其中該出口過渡部分是包括至少一個凸緣聯(lián)接件的半球 形頭部。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中該出口過渡部分是包括至少一個凸緣聯(lián)接件的圓錐 形頭部。
5.一種裝置，包括a) —反應(yīng)器頭部；b)可插入該反應(yīng)器頭部的絕熱體，上述絕熱體包括一耐火陶瓷纖維；其中該反應(yīng)器頭部適于與一液體流聯(lián)接，以有利于一化學(xué)過程。
6.如權(quán)利要求5所述的裝置，其中該反應(yīng)器頭部大致為圓錐形。
7.如權(quán)利要求6所述的裝置，其中一團錐形反應(yīng)器頭部的壁與靠近它的一垂直線之間 的角度小于約25度。
8.如權(quán)利要求5所述的裝置，其中該反應(yīng)器為半球形。
9.如權(quán)利要求8所述的裝置，其中該反應(yīng)器與一大角度擴散器聯(lián)接，從而功能上與權(quán) 利要求7中的圓錐形反應(yīng)器頭部等同地導(dǎo)引一流線譜。
10.如權(quán)利要求5所述的裝置，其中該絕熱體可作為一單件而從該反應(yīng)器頭部中移出。
11.如權(quán)利要求5所述的裝置，還包括至少一個位于該反應(yīng)器頭部側(cè)面并延伸穿過該 絕熱體的可視玻璃。
12.如權(quán)利要求5所述的裝置，其中該絕熱體由至少一個延伸穿過該反應(yīng)器和該絕熱 體的套固定到位。
13.如權(quán)利要求5所述的裝置，其中該絕熱體由一同心延伸到該反應(yīng)器頭部入口中的 內(nèi)部軸環(huán)固定在反應(yīng)器中。
14.如權(quán)利要求5所述的裝置，其中該化學(xué)過程是氫氰酸的生產(chǎn)。
15.如權(quán)利要求5所述的裝置，還包括一環(huán)繞該反應(yīng)器頭部設(shè)置的冷卻套，該冷卻套包 括一連接到該反應(yīng)器頭部外表面上的半管。
16.如權(quán)利要求5所述的裝置，還包括一個或多個位于該反應(yīng)器頭部上游的流動校直裝置。
17.一種裝置，包括a)一反應(yīng)器頭部；b)一適于連接到該反應(yīng)器頭部的支承催化劑的筒體；其中該支承催化劑的筒體有一約2. 0至約3. 5英尺的垂直工作高度，并在該催化劑支 承筒體從反應(yīng)器頭部卸下時適于接收由站在筒體直徑外部的一個或多個操作者操作的催 化劑或其它裝置。
18.如權(quán)利要求17所述的裝置，其中該反應(yīng)器頭部一般為圓錐形。
19.一種裝置，包括a)一反應(yīng)器頭部；b)一適于聯(lián)接到該反應(yīng)器頭部上的催化劑支承筒體；及c)至少一個具有內(nèi)部通道的儀表管道，該內(nèi)部通道適于容納以一非垂直角度安裝在催 化劑支承筒體側(cè)部的儀表，從而在催化劑高度與內(nèi)部通道之間沒有直接的視線。
20.如權(quán)利要求19所述的裝置，其中該非垂直角度為約77度。
21.如權(quán)利要求19所述的裝置，其中該至少一個儀表管嘴與一反應(yīng)區(qū)域相鄰。
22.如權(quán)利要求19所述的裝置，其中該反應(yīng)器頭部一般為圓錐形。
23.一種裝置，包括a)一圓錐形反應(yīng)器頭部；b)絕熱體，其可移動地插入由耐火陶瓷纖維制成的圓錐形反應(yīng)器頭部中；c)至少一個具有一圓周表面和一聯(lián)接表面的凸緣，該聯(lián)接表面適于與化學(xué)過程單元中 的配合凸緣聯(lián)接；d)至少三個連接到該至少一個凸緣上并能夠支承該圓錐形反應(yīng)器頭部的支承突耳；e)一適于聯(lián)接到該國錐形反應(yīng)器頭部上的催化劑支承筒體；f)至少一個具有一內(nèi)部通道的儀表管嘴，該內(nèi)部通道適于容納以非垂直角度安裝在催 化劑支承筒體側(cè)部的儀表，從而在催化劑高度與該內(nèi)部通道之間沒有直接的視線；其中該圓錐形反應(yīng)器頭部適于與一液體流相聯(lián)，以有利于一化學(xué)過程；及其中該至少三個支承突耳從該圓周和聯(lián)接表面延伸，從而在該聯(lián)接表面與該支承突耳 之間產(chǎn)生一間隙；及其中該催化劑支承筒體有一約2. 0至約3. 5英尺的工作垂直高度，并且當催化劑支承 筒體從筒體上卸下時適于接收由站在該筒體直徑外部的一個或多個操作者提供的催化劑。
24.一種生產(chǎn)氫氰酸的方法，包括a)提供至少一種破氫化合物，至少一種含氮氣體，和至少一種含氧氣體；b)在一反應(yīng)器中對該至少一種碳氫化合物、至少一種含氮氣體、和至少一種含氧氣體 進行反應(yīng)，以制成氫氰酸；及c)通過在該反應(yīng)器中利用該至少一種含氧氣體進行同時燃燒反應(yīng)而供應(yīng)熱量；其中該反應(yīng)器包括一反應(yīng)器頭部、一含催化劑的筒體部件、和可插入該反應(yīng)器頭部中 的絕熱體，該絕熱體由耐火陶瓷纖維制成。
25.如權(quán)利要求24所述的方法，其中該至少一種碳氫化合物是從下列各項中選擇的 甲烷(CH4)，乙烯(C2H4)，乙烷(C2H6)，丙烯(C2H6)，丙烷(C3H8)，丁烷(C4H10)，甲醇(CH30H)，甲 苯，石腦油，和甲酸甲酯。
26.如權(quán)利要求24所述的方法，其中該至少一種含氮氣體是氨、甲酰胺、或一氧化氮 (NO)。
27.如權(quán)利要求24所述的方法，其中該含氧氣體是從下列各項中選擇的空氣、富氧空 氣、純氧氣、一氧化碳(CO)、NO、二氧化碳(C02)。
28.如權(quán)利要求24所述的方法，其中該含氧氣體是通過對下列各項中的至少一項進行 分解而提供的過氧化物、酮、醚。
全文摘要
本發(fā)明一般涉及一種用于高溫工業(yè)過程的裝置，包括a)具有一第一截面尺寸的加工部分；b)具有一小于該第一截面尺寸的第二截面尺寸的出口管道；及c)一聯(lián)接該出口管道部分和該加工部分的出口過渡部分；其中該出口過渡部分的內(nèi)表面為圓錐形。本發(fā)明的裝置可消除對昂貴和費時的安全預(yù)防措施的需要，并易于安裝催化劑。
文檔編號F16L23/00GK101829530SQ20101017746
公開日2010年9月15日 申請日期2001年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2000年5月23日
發(fā)明者保羅·F·瓦萊里奧, 小詹姆斯·W·文森, 戴維·A·威廉斯, 戴維·M·伯杰龍, 艾倫·A·金塔尼利亞, 邁克爾·S·德庫西 申請人:羅姆和哈斯公司