专利名称：和反应物流一起向流化床反应器直接注氧的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种将含氧气体带入一个被加料到一台流化床反应器的反应物流中，特别是将氧气注入一个到一台在马来酸酐合成工艺中使用的流化床反应器的反应物进料物流中的方法和设备。
酸酐的生产包括在有一种适合的催化剂的情况下使一种适合的烃发生部分氧化。马来酸酐的商业生产使用到一台部分氧化反应器中的适合的气体反应物进料，例如丁烷、丁烯或苯，在反应器中在有空气或氧和一种适合的催化剂的情况下生产出马来酸酐，而其它氧化物和碳的氧化物的数量则较少。在多数情况下，丁烷是优选的进料。当使用丁烷作为原料时，反应器通常为流化床反应器，它有一根单独的空气注入管道，将空气通入流化床中。
为了提供氧气使丁烷转化为马来酸酐，先有技术建议直接将氧气或含氧气体加到进料物流中，或是作为一个单独的进料加料到反应器中。在Dickason的美国专利3,899,516,Contractor的美国专利4,668,802,Ramachandran等的美国专利4,987,239和5,126,463中可以看到这些论述。上述专利中没有一个提到在流化床反应器的反应物进料注入点可能出现氧量不足。Dickason提出在高丁烷浓度下将事实上的纯氧直接加到反应器中。Contractor提出在再生段使用一个利用空气、富氧空气或氧气的移动床。Ramachandran的两份专利提出在部分氧化反应器中有纯氧进料时使用一种气体火焰抑制剂混合物，例如二氧化碳或一种基本上未反应的烃。因此Ramachandran的两份专利还提供了在部分氧化反应器下游用于回收和循环使用二氧化碳及未反应的烃进料的设备。
Rainbird等的美国专利3,661,165披露了一个将氧气与工艺物流中的气体烃类混合的喷射器阀。Rainbird等的喷射器阀包括许多在烃气流中指向下游的喷咀。喷咀注氧的喷射速度大大高于烃类气体的流速。氧气质量流量的变化靠改变喷射孔面积来实现，而在射流孔两端则保持一个预先确定的压降。
Son的美国专利3,702,619报道了一种在一个在线混合设备中将一种气体物流分散到另一种气体物流中的方法和设备。
Arpentiner的美国专利5,356,213介绍了另一种和一个进料物流管道轴线同轴设置的喷射器设计。在喷射器中利用径向叶片以大体上径向方向将气体向外注入进料流中，从而将注入气体与进料流气体混合。
上述先有技术未提到因在进料物流注入点缺乏氧气而发生的流化床反应器性能的恶化。另外先有技术虽然提到可在过程的不同位置注入含氧气体，但未提到如何以一种能保证工艺安全的方式来实现这种注入。
因此本发明的一个目的是提供一种改进的系统，它能将含氧气体与一种进料到流化床反应器的气体反应物进料流混合。
本发明的另一个目的是提供一种改进的系统和方法，它以一种能避免爆炸、爆燃或在工艺中的其它反常效应的方式将含氧气体与气体反应物混合。
本发明的又一个目的是提供一种改进的方法和系统，以便能在流化床反应器中将氧气加入丁烷中，而避免在进料物流的注入点出现氧量不足。
一种系统为一台流化床反应器提供一种含氧气体和一种气体反应物流。一种喷射器能将该含氧气体带入该反应物气体物流。一根进料管线将该喷射器联接到该反应器的流化床，使该反应物气体物流和被带入的含氧气体能与该流化床直接接触。一个控制器控制含氧气体和气体反应物两者的数量，使得在进料注入点处的流化床催化剂不会经历氧量的不足。为了确保安全，将混合的进料和氧气物流中反应物的含量保持在燃烧上限以上，最好有至少10％的安全系数。在本发明的一种实施方案中，该系统能从一个包含丁烷和氧气的进料物流生产马来酸酐。附图简述
图1是一个能体现本发明的系统的流程简图。
图2是进料管的截面图，它包括一个将氧气注入一个气体进料物流的喷射器。
图3是图2的喷射器的一对相邻喷咀的结构示意图。
虽然在下文中将结合流化床马来酸酐生产工艺来介绍本发明，但本领域的技术人员能够认识到它也同样适用于将一种含氧气体和一种反应物进料物流一起带入一台流化床反应器的其它工艺过程。图1表示一个利用流化床部分氧化工艺生产马来酸酐的系统。管道10经过控制阀12，单向阀14将一个丁烷物流供给喷射器26。氧气源通过控制阀28联接到喷射器26。
因此喷射器26能将氧气带入混合的反应物气体物流，并经管道30进入进料管线32。进料管线32与流化床34直接接触，流化床中装有散粒催化剂，该催化剂能促进丁烷和氧气组分间反应的发生，从而产生马来酸酐。该产物从反应器36经管道38排出，以进行进一步的加工。在反应器36底部是一根空气进料管线38，为反应提供额外的氧气。
控制器40包括到控制阀12,20和28中每一个的控制引线，其作用是根据检测到的工艺条件来控制经过这些阀门的反应物进料。虽然在图1中仅表示了单独一个控制器40，本领域的技术人员可以了解能够用多个控制器来控制各自的控制阀和其它控制机构。在图2和3中未表示到控制器40的过程输入。
控制器40(在操作工控制下)保证通过喷射器26将足够量的氧气注入到进料物流中，从而确保在流化床反应器36中的注入点处有足够的氧，以防止在这些注入点处出现氧量不足。该控制器还保证将反应物和氧气的混合浓度保持在该混合物的燃烧上限(UFL)以上。可接受的安全系数至少为10％，最好应将其保持在25％。
和反应物一起直接注入氧气使得能在进料注入区域保持一个既能改善产率又能延长使用寿命的氧气浓度。也可以调节经过管道38进入反应器36的空气流量，以保证有适量的氧气被带入反应器的流化床中，从而能实现最佳的反应条件。对于本发明来说为流化床反应器36提供多处氧气供给是至关重要的，一处氧气供给保证在进料注入区附近有适合的氧气浓度，而第二处氧气供给则保证在流化床中可得到总体上适量的氧气，从而能建立适合的反应条件。
如前文所指出的，通过喷射器26的氧气进料流量被保持在一个能保证超过该混合反应物气体物流的燃烧上限的水平上。在3.1kgf/cm2g和440℃下在100％氧气中丁烷进料物流的燃烧上限和下限(UFL和LFL)分别为大约49.0和1.8。
喷射器26的形状使得它的喷咀的排列形式能保证氧气被有效地分配到整个反应物气体物流中。这些喷咀还应被布置成能防止在进料物流中发生可燃混合物的相互作用。在图2中喷射器26位于管道30里，并且最好成单个园环50的形状，使其截面与进料气流正交。为能实现良好的气体分布，园环50的内径和外径的确定应使得在区域52和54中各有大体上相等的气体流量。这种排列保证在进料管中喷咀的园环内不会形成一个低压区(它会将射流吸拢到一起，引起它们的聚并，并在一旦射流中的一股被点燃时产生严重后果)。因此应恰当地确定园环50的尺寸，使区域52和54的有效截面大致相等。
在园环50内是一根通过进料管58与阀门28(见图1)相联的管道56。围绕园环50排列着许多固定喷咀60，它们的方向为使从管道56流出的氧气在管道30内指向下游方向。
图3中给出了一对喷咀60’和60”的剖面图。氧气自喷咀60’和60”中流出，形成了事实上是纯氧的区域70和72。在区域74,74’和74”中是混合的反应物进料气体。在区域76和78(画有剖面线)内出现的是一种在可燃范围中的氧气和反应物的混和物。再往下游(区域80和82中)尽管含有氧气，但气体混合物是不可燃的。
相邻喷咀60’和60”之间的距离D被调整到使可燃区域76和78不相交。对射流与射流相交的限制降低了一旦一股射流被点燃而引起另一股射流以及许多股射流点燃，在很大的火焰容积中汇聚成一个单个射流的可能性。相邻的喷咀孔口被排列成使可燃气体混合物的邻近区域不相交。并且使相邻喷咀的混合气体区域相交在可燃区域的最远范围以外。降低包含在每一个氧气射流中的混合的可燃气体的总容积可以进一步降低发生燃烧的危险。这是通过使每个喷咀的孔口直径最小来实现的，这又使得为达到所需的氧气流量水平喷咀孔的数目为最大。
下式给出了一个孔口中心到一个相邻的孔口中心之间的距离D＞do{(258.7-UFL)/(100-UFL)}式中D=孔口中心-中心间的距离；do=孔口直径；UFL=燃烧上限(百分数)。
保证氧气射流速度明显高于气体进料反应物流速和可燃的氧气反应物混合物的火焰速度可进一步降低发生持续的射流爆燃的危险。如果出现了火焰，这样一种射流速度会促使火焰被吹灭。为了促使吹灭，氧气射流的初始速度最好至少两倍于反应物流的进料流速或火焰速度，无论哪一个更大。而且喷射器不宜用方形管子制造，或用角铁来支撑。这种结构有锐边，它会造成能增加火焰稳定性的涡旋。
再回到图1，控制器40操纵阀门12,20和28，为流化床反应器36提供大约4份丁烷和96份空气。通过阀28和喷射器26注入氧气使得通过管道38的空气流量能有适度降低。除保证管道30中的反应物/氧气混合物流超过燃烧上限外，应该使自喷射器26流出的物流中的相对体积流量不超过38％的氧和62％的丁烷，最好是使相对体积流量不超过32％的氧和68％的丁烷。
在将氧气加到丁烷系统中时，可以将空气流量保持在加氧以前的水平，而不降低空气流量。可以提高丁烷的进料，而不使产率降低，按这种方式可以用直接注氧来提高马来酸酐的生产。
还可以将直接注氧和空气浓集相结合，从而使氧气加到丁烷进料和空气这两个物流中。既可以降低空气流量，也可将其保持在加氧前的水平上。这样做可以使通过氧气注入而得到的产率和产量的改善最大。
如果氧气流量突然提高，或反应物进料流量突然降低，自喷射器26流出的物流就可能进入可爆炸区。为了控制氧气流量的突然增高，为阀28提供了一个临界流量孔口，它能限制可能的氧气流量。该孔口的尺寸被确定为即使阀28因失效而全开，也不能提供在正常的最小进料流量下产生爆燃所需的氧气量。
在紧急停车过程中，只要和反应物工艺物流同时切断到喷射器26的氧气流量，氧气供给就能和反应物供给同时停止。由于氧气阀28比进料阀12和20中的任何一个都小很多，因此氧气进料将先于反应物进料而停止，由此就防止了进料浓度积累到可爆炸的水平。
如果进料反应物压力降到低于某个数值，控制器40将动作而切断到喷射器26的氧气流。这是由于进料量的明显降低可能是进料阻断造成的，阀28根据压力变化而做出切断的响应能防止随后可能形成的可爆燃混合物进入管道30。
此外，如果氧气/反应物混合物流的温度超过某个数值，控制器40也将动作而切断到喷射器26的氧气流。这是由于气体混合物温度的明显升高可能是喷射器附近的爆燃所造成的，阀28根据温度变化而做出的切断响应能熄灭这种爆燃。
控制器40还控制阀28，以确保到喷射器26的某个最低的氧气流量。在操作中必须防止反应物进料返回到喷射器26中。这是通过保持有一个氧气流量通过每个喷射器喷咀60；保持喷咀流速足够大以防止反应物进料因对流或扩散而流回到喷射器26；以及将喷咀设置在喷射器26的下流侧而避免的。保持氧气流过每个喷射器喷咀60是靠保证通过喷咀60的压降明显地高于在喷射器26内的压降实现的。为了防止反应物进料扩散到喷射器26中，应使通过每个喷咀60的最低压降为至少1psi，最好是10psi。
最后，在开车进程中在开始氧气进料前利用氮气吹扫来吹出喷射器26中的反应物。在停车过程中利用氮气吹扫来吹出喷射器26中的氧气，同时保证有足够高的压降以防止倒流。这样做是必须的，因为在停车后反应物会流入喷射器26。
虽然所示的喷射器26是成一个园环形状的，但也可以采用其它形状，例如多个园心园环，交叉的直型材和直管。但是这每一种结构都必须满足以上对最优的实施方案所提出的要求，即在图2中所示的园形喷射器构型。可以将喷咀设置在偏离喷射器中心，但仍在其下游侧，而不是将它们直接设置在喷射器26的下游边缘处。这样设置可能是有利的，因为它使得可以利用更大数目的喷咀。
虽然以上叙述集中于本发明在马来酸酐生产工艺中的应用，但其它使用流化床的气相氧化过程也可以使用本发明(例如丙烯腈，邻苯二甲酸酐合成等生产工艺过程)。
利用本文所述的本发明的系统和方法，可以将气体反应物流，例如气态的萘或邻二甲苯用于氧化生产邻苯二甲酸酐。
在另一种实施方案中，可以在有一种催化剂的情况下使3-甲基吡啶和氨反应生产烟酰腈。在又一种实施方案中，可以在有一种催化剂的情况下使间二甲苯和氨反应生产间苯二腈。
在某些情况下可以在氧气或反应物进料物流中加入惰性气体，以降低其燃烧上限，并由此而提高在进料物流中允许的最大氧浓度。
应该理解以上叙述仅仅是本发明的示例说明。本领域的技术人员在不离开本发明范围的情况下可以设想出各种替换和改进。因此本发明意图是包括所有在所附权利要求范围中的这类替换，改进和变更。
权利要求
1．一种用来为一台有流化床的反应器提供一种含氧气体和一种选自丁烷、丁烯和苯的气体反应物流的混合物以生产马来酸酐的系统，它包括(a)一个和所说反应器相联的第一含氧气体源；(b)所说反应物气体物流；(c)一个用来将第二含氧气体带入所说反应物气体物流的喷射器设备；(d)一个将所说喷射器设备联接到所说反应器的流化床以便使所说反应物气体物流和被带入的第二含氧气体直接与所说流化床接触的进料设备；以及(e)一个用来控制所说第二含氧气体到所说喷射器设备的进料以便在进料注入点处将足够的氧气带入所说气体反应物流以保证为生产所说马来酸酐所需的有效氧量的控制设备。
2．权利要求1所述的系统，其中所说第一含氧气体是空气。
3．权利要求1所述的系统，其中所说第二含氧气体是氧气。
4．权利要求1所述的系统，其中所说流化床包含一种用来将所说气体反应物流和含氧气体转变成马来酸酐的催化剂。
5．权利要求1所述的系统，其中所说控制设备控制到所说喷射器设备的氧气进料，以便将足够量的氧带入所说气体反应物流，使所说流化床催化剂接受足够量的氧，以防止在所说气体物流的注入点出现氧量不足。
6．权利要求1所述的系统，其中所说控制设备和包括所说反应物气体物流的多个气体反应物源相连接。
7．权利要求1所述的系统，其中所说控制设备还将所说气体反应物和含氧气体的所说进料调节和保持在燃烧上限以上。
8．权利要求1所述的系统，其中所说控制设备调节到所说反应物气体物流和所说第二氧气体的气体反应物的进料，以保证将混合的所说反应物气体物流和第二含氧气体保持在燃烧上限以上。
9．权利要求8所述的系统，其中所说喷射器设备包括(a)一根将所说混合器设备连接到所说进料设备的管道；以及(b)一根位于所说管道内与所说管道中的气流横切并与所说第二含氧气体源相连接的导管，所说导管上有一些指向所说管道下游方向的开孔，以便将所说第二含氧气体注入所说反应物气体物流。
10．权利要求9所述的系统，其中所说导管是环形的，并为所说第二含氧气体提供一个连续的内部流动通道。
11．权利要求9所述的系统，其中所说导管是一个封闭的多侧面的多面体，并为所说第二含氧气体提供一个连续的内部流动通道。
12．权利要求10所述的系统，其中所说环形导管的外环面和内环面的尺寸被确定为使得有大约相等体积的所说混合的反应物气体在所说外环面和所说管道的内表面之间以及在所说内环面之内流过。
13．权利要求10所述的系统，其中所说开孔在所说导管上的位置被确定为相距得足够远，以防止所说反应物气体和所说第二含氧气体的可燃混合物在相邻的开孔的下游侧相交。
14．权利要求13所述的系统，其中所说开孔有固定的尺寸，所说含氧气体是氧气，并且氧气通过所说喷咀开孔的流动受所说控制设备的压力控制，以保证在所说系统的运行过程中没有反应物气体流入所说喷射器设备。
15．一种为一台流化床反应器提供一种含氧气体和一种选自丁烷、丁烯和苯的气体反应物流的混合物以生产马来酸酐的方法，它包括以下步骤(a)将一种含氧气体带入所说气体反应物流；(b)使所说气体反应物流和被带入的第二含氧气体进料，直接与所说流化床反应器接触；以及(c)控制所说含氧气体的进料，以便在进料注入点将足够量的氧带入所说气体反应物流，从而保证有一个有效数量的氧能被用于生产所说马来酸酐。
16．权利要求15所述的方法，其中所说气体反应物流包含丁烷，所说含氧气体是氧气，并且所说方法包括在所说流化床反应器中加入一种催化剂，以便将所说丁烷和氧气转化为马来酸酐。
17．权利要求15所述的方法，其中所说控制步骤将所说气体反应物流和氧气的所说进料保持在燃烧上限以上。
18．权利要求15所述的方法，其中所说控制步骤将所说氧气和气体反应物流的一种混合物流保持在燃烧上限以上。
19．一种为一台用于生产一种酸酐的流化床反应器提供一种含氧气体和一种气体反应物流的混合物的方法，它包括以下步骤(a)将一种含氧气体带入所说气体反应物流；(b)使所说气体反应物流和被带入的第二含氧气体进料直接与所说流化床反应器接触；以及(c)控制所说含氧气体的进料，以便在进料注入点将足够量的氧带入所说气体反应物流，从而保证有一个有效数量的氧能被用于生产所说酸酐。
20．权利要求19所述的方法，其中所说气体反应物流包含用于生产邻苯二甲酸酐的萘。
21．权利要求19所述的方法，其中所说气体反应物流包含用于生产邻苯二甲酸酐的邻二甲苯。
22．权利要求19所述的方法，其中所说气体反应物流包含用于生产烟酰腈的3-甲基吡啶和氨。
23．权利要求19所述的方法，其中所说气体反应物流包含用于生产间苯二腈的间二甲苯和氨。
全文摘要
一种系统利用一个喷射器将一种含氧气体带入一种反应气体物流,从而为一台流化床反应器提供该含氧气体和气体反应物流。一根进料管线将该喷射器和反应器的流化床联接起来,使该反应气体物流和被带入的含氧气体能直接与该流化床接触。一个控制器将含氧气体和气体反应物两者的数量控制和保持在燃烧上限以上,最好有至少10%的安全系数。
文档编号B01F13/10GK1208729SQ9811478
公开日1999年2月24日 申请日期1998年6月18日 优先权日1997年6月19日
发明者M·L·瓦纳 申请人:普拉塞尔技术有限公司