進行非均相催化氣相反應的設備和方法與流程

原則上，這類設備和方法在現有技術中是已知的。例如，DE 41 32 263 A1記載了在催化劑管固定床反應器中、在高溫下、通過催化活性氧化物，將丙烯醛催化氣相氧化為丙烯酸的方法，其中對于在沿催化劑管的流動方向上的兩個連續反應區域中的反應溫度進行特定的溫度分布。DE 40 23 239 A1記載了將丙烯或異丁烯催化氣相氧化為丙烯醛或(甲基)丙烯醛的類似方法。這些公開的目的是改進反應溫度分布以增加反應的選擇性。

DE 10 2010 048 405 A1進行了類似目的的研究，其主題為丙烯非均相催化部分氣相氧化為丙烯醛的長期操作方法。根據該公開，將反應氣體混合物導通流過被劃分為兩個空間連續的溫度區域A和B的固定催化劑床。在該方法中，將固定催化劑床引入反應室，例如(反應)管的內部。對固定催化劑床的總長的一特定段，提供成型催化劑體和成型稀釋劑體的均勻混合物，作為第一區域。然后在另一區域中引入稀釋得較不顯著的或未經稀釋的固定催化劑床。還提供純惰性材料床，其長度為5％-20％，基于固定催化劑床的長度計且將其沿著反應氣體混合物的流動方向通向固定催化劑床。該惰性材料床用作反應氣體混合物的加熱區域。

DE 10 2007 004 961 A1(其涉及生產成型催化劑體的方法)還提出使反應管在總長的約25％的第一段中裝載有惰性預備床，并在約60％的第二段中裝載有催化劑材料，留下比例約15％的反應管不填充。

因此，根據現有技術，反應器體積的20％或更多并不用于非均相催化氣相反應，而是用于加熱以100℃-120℃供給的反應氣體混合物。這表明(基于反應器體積)必須接受較低的操作負荷，或者為了較高的操作負荷必須再增加反應器體積。因為借助較冷的反應氣體混合物不可能在反應管入口處建立最佳的反應溫度，此外，反應物的轉化通常不充分。

必須考慮現有技術中的另一不利方面為以下事實，將反應器或反應器體積(包括反應管、催化劑床、惰性材料床、傳熱介質)加熱至所要求的反應溫度240℃-300℃需要非常高的能量輸入，所述能量輸入僅部分用來加熱反應氣體混合物。

在該背景下，本發明的目的為提供一種設備和指定一種方法，其克服現有技術的缺點，并且尤其是采用這種設備和方法可以有效的方式進行非均相催化氣相反應。

所述目的首先通過一種用于進行非均相催化氣相反應的設備來實現，所述設備包括

-反應器(3)，

-至少一條通向反應器(3)的管線(11)，用于引入反應物至反應器(3)中，

-至少一個用于提供至少一種第一反應物A的第一進料裝置(feed)(5)，其通向管線(11)，

-至少一個用于提供至少一種第二反應物B的第二進料裝置(7)，其通向管線(11)，

-至少一個用于提供循環氣體G的第三進料裝置(9)，其通向管線(11)，

-溫度控制單元(13)，其被設置于反應器(3)上游的管線(11)中，并且用于控制第一反應物A和/或第二反應物B和/或循環氣體G在進入反應器(3)之前的溫度，以及

-至少一個出口(15)，用于來自氣相反應的產物、副產物和/或未反應的反應物。

前述目的也通過使用本發明設備(1)進行非均相催化氣相反應的方法來實現，所述方法包括步驟

a)在第一進料裝置(5)中提供至少一種第一反應物A，

b)在第二進料裝置(7)中提供至少一種第二反應物B，

c)在第三進料裝置(9)中提供至少一種循環氣體G，

d)混合第一反應物A、第二反應物B和循環氣體G，以在管線(11)中得到反應混合物R，

e)在溫度控制單元(13)中調節反應混合物R的溫度，

f)使經溫度調節的反應混合物R進料至反應器(3)中，

g)進行至少在第一反應物A和第二反應物B之間的至少一種非均相催化氣相反應，以及

h)經由至少一個出口(15)移除至少一種反應產物P和至少一種循環氣體G的混合物。

本發明的特征在于，將反應混合物R的預熱從反應器(3)中移出，從而可在低得多的設備復雜性下進行。此外，以此方式，基本上全部的反應器體積都可以用于氣相反應。此外，所述方法具有下述優點：以較低的溫度水平引入能量并在反應器中以高得多的水平回收能量。

在以下描述中，如果方法特征在與本發明的設備(1)相關的那些詳細描述之內，那么其優選涉及本發明的方法。同樣地，結合本發明的方法引用的物理特征優選涉及本發明的設備(1)。

在下文中將對本發明進行更加詳細的描述。

首先，本發明提供一種用于進行非均相催化氣相反應的設備(1)，包括

-反應器(3)，

-至少一條通向反應器(3)的管線(11)，用于引入反應物至反應器(3)中，

-至少一個用于提供至少一種第一反應物A的第一進料裝置(5)，其通向管線(11)，

-至少一個用于提供至少一種第二反應物B的第二進料裝置(7)，其通向管線(11)，

-至少一個用于提供循環氣體G的第三進料裝置(9)，其通向管線(11)，

-溫度控制單元(13)，其被設置于反應器(3)上游的管線(11)中并用于控制第一反應物A和/或第二反應物B和/或循環氣體G在進入反應器(3)之前的溫度，以及

-至少一個出口(15)，用于來自氣相反應的產物、副產物和/或未反應的反應物。

本發明設備的優點在于，所述溫度控制單元(13)——用于預熱反應混合物的裝置，已經從反應器(3)中移出并且可使用不同于加熱反應器(3)所需要的傳熱介質來操作。因此可將在方法中必須移除的能量流以較低的溫度水平引回到所述方法中，并將其作為較高能量水平的高壓蒸汽回收。

根據本發明，第一反應物A可為液體或氣體化合物或者這些化合物中的兩種或更多種的混合物。非常具體的實例為液體丙烯、丙烷、丙烯醛和(甲基)丙烯醛、丁烷、正丁烯或異丁烯。

同樣根據本發明，第二反應物B可為液體或氣體化合物或者這些化合物中的兩種或更多種的混合物，但根據本發明優選含氧氣體，尤其是空氣。

本發明的設備(1)已被設計用于非均相催化氣相反應，尤其是丙烯、丙烷或異丁烯至丙烯醛或(甲基)丙烯醛、正丁烯至馬來酸以及丙烯醛或(甲基)丙烯醛至丙烯酸或(甲基)丙烯酸的非均相催化、非部分或部分氣相氧化。

在本發明的上下文中，循環氣體G應理解為意指這樣的氣體，其用于稀釋反應物A和B以及吸收反應熱，且其在氣相反應中基本上呈現惰性行為。所述循環氣體G可包括氮氣、水蒸氣、二氧化碳及其混合物。

在本發明設備(1)的上述定義中，僅僅詳述了對本發明而言必不可少的設備組件。對本領域技術人員來說，顯而易見的設備組件——例如反應器(3)的傳熱介質的加熱和循環裝置或必要的入口和出口，未作明確描述，但并不排除在所述定義的范圍之外。

在優選實施方案中，所述反應器(3)為具有基本上完全被催化活性材料填充的反應管的殼管式反應器。因為本發明的設備(1)包括溫度控制單元(13)，所以不需要在反應器(3)中為預熱反應物A、B和/或循環氣體G(任選地，惰性床)而提供一個區域，因此殼管式反應器的反應管中的基本上全部的體積都可以用于氣相反應。鑒于相同的反應器體積，這樣可以實現更高的操作負荷。

用于進行非均相催化氣相反應的一般設備必須定期運行和關閉以進行維護操作，例如以便更換催化劑負載。為此目的，通常使用冷卻氣體，例如循環氣體G或空氣。根據現有技術，在將該氣體進料到所述設備的反應器之前，該氣體通過單獨的冷卻器(熱交換器)而被冷卻下來，以便由內部冷卻反應器本身。由于反應器因其穩定的金屬設計和大量的傳熱介質而具有高的熱容，因此對于相應尺寸的管線的管道系統，額外的資本成本是必須的，這是用于冷卻的一種高能量輸入。

為了降低資本成本和能量輸入，在本發明的開發中，將溫度控制單元(13)構造成可作為預熱器或作為冷卻器操作的熱交換器。在常規操作中，即在進行非均相催化氣相反應期間，溫度控制單元(13)(即熱交換器)用于預熱被供料到反應器(3)中的氣體混合物。在維護操作中，相同的溫度控制單元(13)作為反向熱交換器操作，其意指在維護操作中其用于冷卻被供料到反應器(3)中的氣體。

在該實施方案中，雖然本發明的溫度控制單元(13)必定比直列式預熱器(straight preheater)或直列式冷卻器(straight cooler)具有更加復雜的構造，但是本發明的設備的裝置復雜性及由此產生的資本成本可顯著降低。

本發明還提供一種使用本發明的設備(1)進行非均相催化氣相反應的方法，包括步驟

a)在第一進料裝置(5)中提供至少一種第一反應物A，

b)在第二進料裝置(7)中提供至少一種第二反應物B，

c)在第三進料裝置(9)中提供至少一種循環氣體G，

d)混合第一反應物A、第二反應物B和循環氣體G，以在管線(11)中得到反應混合物R，

e)在溫度控制單元(13)中調節反應混合物R的溫度，

f)使經溫度調節的反應混合物R進料到反應器(3)中，

g)進行至少第一反應物A和第二反應物B之間的至少一種非均相催化氣相反應，以及

h)經由至少一個出口(15)移除至少一種反應產物P與至少一種循環氣體G的混合物。

本發明的方法基本上具有與上述體系(1)相同的優點。具體而言，通過本發明的溫度控制單元(13)可以將反應混合物R的預熱從反應器(3)中移出，并用遠低于根據現有技術可能的能量消耗來進行反應混合物R的預熱。

此外，根據本發明，基本上整個反應器體積都可以用于氣相反應，從而可以實現相同的反應器體積下更高的操作負荷。

在本發明方法的開發中，在步驟d)中溫度控制單元(13)作為用于預熱反應混合物R的熱交換器操作。以此方式，可建立更佳的用于反應器(3)中氣相反應的更均勻的溫度分布，因為反應器不會被供給較冷的反應混合物R。此外，反應混合物R以較高的溫度到達催化劑負載，這會帶來更好的產率。

另外優選當在步驟d)中在溫度控制單元(13)中將反應混合物R預熱至溫度為反應器(3)中反應溫度的60％-100％時，反應物A和B進行最佳轉化。

已發現，當向溫度控制單元(13)(即熱交換器)供給熱的加工蒸汽D(process steam D)作為傳熱介質時，有利于本發明方法的能量平衡。在大多數化工場所，熱的加工蒸汽D通常作為較低價值的能量被大規模地獲得，并且可用于各種用途。通過在本發明的溫度控制單元(13)中，使用這種較低價值的能量(尤其在10bar-25bar下的加工蒸汽D)，以預熱反應混合物R，這例如與現有技術相比，可以節約較高價值的能量，即至少35bar的高壓蒸汽，其在反應器(3)的加熱中必須使用。

如上所述，用于進行非均相催化氣相反應的一般設備必須定期運行和關閉，以進行維護操作。所述方法的另一實施方案將該需要考慮在內，通過一定間隔時間執行以下步驟：

i)停止步驟a)和b)，

ii)進行步驟c)，

iii)停止步驟d)，

iv)在溫度控制單元(13)中調節循環氣體G的溫度，

v)使經溫度調節的循環氣體G進料到反應器(3)中，

vi)停止步驟g)，

vii)通過出口(15)移除循環氣體G。

這樣，以簡單但有效的方式，使當前的非均相催化氣相反應停止，并使所述方法處于維護或維修模式。

在該實施方案的開發中，在步驟d)中所操作的溫度控制單元(13)作為用于冷卻循環氣體G的熱交換器。通過該措施，可以有利的方式降低用于本發明的設備(1)的資本成本和用于本發明方法的能量輸入。與進行非均相催化氣相反應的常規操作相比，溫度控制單元(13)(即熱交換器)的操作模式在此是可逆的，并且其用于冷卻被供給至反應器(3)中的氣體。

為了節能，已發現向溫度控制單元(13)供給冷的冷凝物K作為傳熱介質是明智的。在大多數化工場所，通常可以獲得相當大量的冷的冷凝物K(類似于熱的加工蒸汽)。在被用作冷卻傳熱介質以后，冷凝物K另外可用作熱的冷凝物HK，其具有足夠的能量含量用于其他的應用。從而可以進一步改進化學化工場所的局部能量平衡。

通過以下參照附圖對本發明的工作實施例的描述，其他目的、特征、優點和可能的用途是顯而易見的。以附圖形式描述的和/或示出的所有特征，單獨地或以任意的組合均構成本發明的主題，甚至不考慮其在權利要求或其從屬引用中的列舉方式。如圖所示：

圖1在本發明第一種實施方案中設備(1)的示意圖，以及

圖2在本發明第二種實施方案中設備(1)的示意圖。

圖1示出了本發明的第一種實施方案。由并未詳細示出的儲存容器中，通過第一進料裝置5提供液體或氣體反應物A。該反應物A然后與第三進料裝置9中的預熱的循環氣體G混合，使得反應物A，如果為液體形式，基本上被全部蒸發。將第二反應物B經由第二供料裝置7進料，并且與反應物A和循環氣體G的混合物混合，以便獲得反應混合物R。

通過管線11將反應混合物R引入到溫度控制單元13中，其中在該實施方案中，所述反應混合物R用加工蒸汽D預熱至200℃的溫度。由此預熱的反應混合物R被進料到反應器3中，在本實施方案中，所述反應器3為具有固定床催化劑負載的殼管式反應器。

因為反應混合物R已經預熱至足夠的溫度用于非均相催化氣相反應，殼管式反應器3的反應管基本上完全被催化活性材料填充，所以在反應管的始端就已經發生反應物A和B的轉化。產物、副產物和/或未反應的反應物A和B經由出口15從反應器3中移出。

圖1中的圖省略了原則上由現有技術中已知的用于進一步后處理的產物和副產物的裝置，例如吸收塔、解吸塔、蒸餾塔、結晶器等。

圖1示出了在反應模式中的本發明的設備1，而圖2示出用于維護和維修所述設備的另一種實施方案。未示出用于反應物A和B的第一進料裝置5和第二進料裝置7，因為在維護模式中不提供反應物。將循環氣體G通過第三進料裝置9提供，并且經由管線11進料到溫度控制單元13中。該實施方案中的溫度控制單元13(其采用熱交換器的形式)不再用加工蒸汽D操作來預熱反應混合物R。通過關閉閥V₁停止加工蒸汽D的進料，替代地，打開閥V₂供入冷卻的或預冷卻的冷凝物K，以在溫度控制單元13中冷卻循環氣體G。

將以此方式冷卻下來的循環氣體G進料到反應器3中，以由內部反過來冷卻所述反應器。熱交換加熱冷卻的冷凝物K，以得到熱的冷凝物HK，其具有其他可行的進一步用途。

將在反應器中被加熱的循環氣體G經由出口15抽出，并且基本上通過未示出的循環系統提供到第三進料裝置9，以再次流回到起冷卻器作用的溫度控制單元13。

圖2中的圖也未示出某些設備組件，例如傳熱介質的循環系統和可能的收集和儲存容器，所述傳熱介質在反應模式中圍繞殼管式反應器中的反應管流動。該傳熱介質當然同樣地由反應器3排出，以便能夠使反應器3充分冷卻下來。