专利名称：气态氯胺的生产方法
技术领域：
本发明涉及生产无机化合物的方法和设备。更具体地说，本发明涉及从商业可得的气体生产无机化合物例如氯胺气体的气相方法和设备。
现有技术的描述一种形成氯胺的有效方法是氯气与氨的反应，如下所示
产物副产物(氯胺) (氯化铵)这种基本反应的例子公开在授予Sisler等人的美国专利2,837,409和授予Grushkin等人的美国专利3,488,164中。
如果氯/氨反应通过将气态氯引入大量过量的气态氨中、立即混合反应物并从反应区取出它们来进行，则该反应是特别有效的。
尽管是十分有利的反应，但是存在与气态氯和气态氨的反应相关的许多缺点。一个显著的缺点是形成了副产物氯化铵。在低于350℃的温度，氯化铵冷凝，从产物气体沉淀出固体。这些固体如果不能得到适当控制就会在反应器中结垢。为了防止或尽可能减少固体氯化铵的形成，该反应必须在高于350℃的温度下进行。
授予Colli的美国专利4,038,372公开了一种生产氯胺的方法。氯胺是由氯和氨在约360℃的气态反应形成。所得的产物气体排放到排放区，并被加热以避免氯化铵从产物气体中沉淀出来。该产物气体流然后被夹带气体的高速射流夹带。该气体冷却了产物气体流，并将气体流携带到过滤系统，在那里从氯胺气体中分离出氯化铵固体。
英国专利1,149,836公开了一种生产氯胺的方法。该方法包括在惰性稀释气体存在下氯和氨的反应。反应在至少250℃的温度下进行。气态反应产物保持在约50-约250℃直到至少一部分氯化铵固化。氯化铵被收集在玻璃棉过滤器上，然后气态氯胺被回收，优选在溶剂中进行。
本发明通过在反应器下游提供具有固体收集和除去系统的新反应器克服了形成固体的麻烦问题。这种新的除去系统使得反应器设计简单，易于清洁和能长期连续操作。
发明概述本发明的目的是提供一种用于连续生产无机化合物的反应器。
本发明的另一个目的是提供一种或多种用于从产物气体流除去固体以避免反应器结垢的装置。
本发明的再一个目的是提供具有简单流线型设计的反应器。
本发明的再一个目的是提供易于清洁的反应器。
本发明的再一个目的是提供具有增加的连续操作时间的反应器。
本发明的这些和其它目的是通过商业可得的进料气体在惰性载气存在下在新型反应器中进行气相反应以形成工艺气体化合物来实现的。术语“进料气体”在本发明中表示包括在本发明方法中使用的反应性气体。反应器具有流线型的紧凑结构，并在反应器的下游具有固体收集和除去系统，其中固体被有效地从产物气体流中除去，留下高纯度的产物气体。这种新型的除去系统使得反应器设计简单，易于清洁和能长期连续操作。在优选的实施方案中，新型反应器用于形成氯胺产物气体。
附图简述
图1是本发明反应器的平面图；图2是本发明的固体收集和除去系统的平面图；图3是根据本发明实施方案的具有分开排放管线的反应器的平面图；图4是根据本发明实施方案的具有两个收集装置的固体收集和除去系统的平面图；图5是根据本发明的固体收集系统的另一个实施方案的平面图；和图6是显示根据本发明形成的产物气体中相对于氨和氯的氯胺的丰度的图。
本发明的详细描述参见图1，本发明的气相反应器一般用参考数字10表示。反应器10具有外壳管12和内管16，它们都向反应室18供应进料。至少一种第一商购进料气体经由第一入口13加入外管12中。一种或多种惰性气体经由第二入口14加入外管12中。所述一种或多种惰性气体用作至少一种第一商购气体的稀释剂和载体。至少一种额外的或第二商购进料气体以同心方式经由内壳管16加入反应室18(即一个或多个进料管位于一个或多个额外进料管内)。通过将进料气体以同心方式加入反应室18中，反应在将进料气体排放到反应室时立即发生，从而提供更有效的反应。结果，获得了进料气体向产物气体的更大转化率，从而避免了在反应室18中不利地形成固体。
适用于本发明反应器的商购进料气体包括、但不限于乙炔、氨、三氯化硼、三氟化硼、丁二烯、丁烷、丁烯、二氧化碳、一氧化碳、氯、顺-2-丁烯、氘、二甲基胺、二甲醚、乙烷、乙烯、乙基氯、氢气、溴化氢、氯化氢、硫化氢、异丁烷、异丁烯、甲烷、溴代甲烷、氯代甲烷、甲硫醇、甲胺、氧化一氮、二氧化氮、一氧化二氮、氧气、全氟丙烷、丙烷、丙烯、二氧化硫、六氟化硫、反-2-丁烯、三甲胺或它们的任何混合物。
适用于本发明的惰性气体包括、但不限于氮气、氩气、氦气、氖气或它们的任何混合物。
例如，使用本发明的新型反应器的反应可以包括、但不限于以下反应
在本发明的一个实施方案中，氯胺气体是使用本发明的新型反应器生产的。
氯气或含氯气体经由第一入口13和外管12以约0.001-约0.1ft3/分钟的速率加入反应器中。优选的是，氯气以约0.01-约0.05ft3/分钟的速率加入反应器中，更优选约0.0125-约0.015ft3/分钟。
惰性气体经由第二入口14和外管12以约0.1-约1ft3/分钟的速率加入反应器中。优选的是，惰性气体以约0.12-约0.36ft3/分钟的速率加入反应器中，更优选约0.15-约0.18ft3/分钟的速率。
气体氨经由内壳管16以约0.002-约0.2ft3/分钟的速率加入反应器中。优选的是，气态氨以约0.032-约0.096ft3/分钟的速率加入反应器中，更优选约0.04-约0.048ft3/分钟。
本发明的关键方面在于当形成氯胺气体时，氯气与惰性气体在预热这些气体之前预混合。氯气本身在较高温度下是高腐蚀性的。已经发现通过将氯气与惰性气体在加热之前混合能降低和/或消除氯气的腐蚀性。所以，不太昂贵和易于加工的材料可以用于制造本发明的反应器10。
适用于构建本发明反应器10的材料包括、但不限于哈斯特洛伊耐蚀镍基合金C、不锈钢、黄铜、硅硼酸盐玻璃、硅酸盐、硅酸钠、硅酸钾、硅石或它们的任何混合物。优选的是，用于构建反应器10的材料包括哈斯特洛伊耐蚀镍基合金C、不锈钢或它们的混合物。
本发明的另一个重要方面是将所有气体在被引入反应室18之前预热。因为进料气体被预热，所以可以使用更小的、更紧凑的反应器且不存在反应器被固体例如在氯胺情况下的氯化铵结垢的问题。另外，较高的温度提供了较高的转化速率和/或选择性。这提供了连续和有效生产产物气体的关键优点。
用于加热进料气体的设备或元件包括例如加热带、高电阻率电线、蒸汽、炉或它们的任何组合。优选的是，加热带用于加热外壳管12，后者又加热流过外管12的氯气和惰性气体以及流过内管16的气态氨。
在形成氯胺气体的情况下，外壳管12和内管16将料流排入反应室18。氯气与氨气在反应室18中的反应区20反应。反应室18被一个或多个加热元件22加热到超过约350℃的温度，该温度通过与加热元件22连接的一个或多个温度传感器检测。对本发明关键的是反应在超过约350℃的温度下进行以防止氯化铵的冷凝和沉淀，其中氯化铵是反应室18中进行的气相反应的副产物。
用于加热反应区20的设备或元件包括例如加热带、高电阻率电线、蒸汽、炉以及它们的任何组合。优选使用加热带。
产物气体流经由排料管26在仍然超过约350℃的温度排出反应室18。
参见图2，产物气体流经由排料管26进入根据本发明的固体收集系统，一般由参考数字30表示。固体收集系统30具有阱32，阱32具有一个或多个挡板34、36。挡板34、36帮助收集从产物气体沉淀出来的固体。在阱32之后，固体收集系统30具有一个或多个过滤器38、40。过滤器38、40进一步收集在产物气体中的任何沉淀固体。产物气体经由排料管线42从固体收集系统30排出。
任何合适的与所需产物气体相容的过滤器都可以用于固体收集系统30。适用于本发明固体收集系统30的过滤器包括、但不限于一个或多个筒式过滤器、袋式过滤器、颗粒床过滤器或它们的任何组合。优选使用一个或多个筒式过滤器。在本发明的一个优选实施方案中，可以使用一个或多个CUNO以商品名CT-101A和Micro-Klean III销售的筒式过滤器。
参见图3，本发明反应器的另一个实施方案一般由参考数字50表示。反应器50具有与上述反应器10相同的特性，但是反应器50具有用于将产物气体加入至少两个固体收集系统进料管52、54的排料管26。
参见图4，与图3所示反应器一起使用的固体收集系统一般由参考数字60表示。固体收集系统60具有与上述图2所示固体收集系统30相同的特性，但是系统60具有两个收集装置62、64。
收集装置62经由收集系统进料管52接收产物气体。收集装置64经由收集系统进料管54接收产物气体。收集装置62、64都通过与上述图2中收集系统30相同的机制从产物气体中除去固体。
根据本发明具有多于一个固体收集系统的优点在于向最终使用者提供具有各种操作结构的反应器以优化所需产物气体的连续生产。例如，具有两个或多个收集系统管和相应的收集系统的反应器可以在连续的基础上同时操作。
在另一个实施方案中，具有两个或多个收集系统管和相应的收集系统的反应器可以平行操作，但不是同时操作。所以，当一个或多个收集系统需要维护时，这些收集系统可以离线，而一个或多个剩余的收集系统可以保持在线或用于代替离线的系统。所以，连续方法不再需要由于维护两个或多个固体收集系统导致的停车时间。
应该理解的是，虽然图3描述了具有两个收集系统进料管的反应器，图4描述了两个相关的固体收集系统，但是本领域技术人员应该理解的是本发明可以构建成具有任何数目的收集系统进料管和相关的固体收集系统以确保产物气体的连续操作和生产。
参见图5，本发明的固体收集系统的另一个实施方案一般由参考数字70表示。固体收集系统70具有旋风分离器72，向其中经由反应器排料管线26加入产物气体。旋风分离器72能有效除去任何从产物气体中沉淀出来的固体。任何通过旋风分离器72除去的固体将收集在收集鼓76中。产物气体经由旋风分离器排料管线78从旋风分离器72排出，然后加入过滤器80。过滤器80进一步收集任何从产物气体中沉淀出来的剩余固体。产物气体经由过滤器排料管线82从过滤器80排出。
应该理解的是，虽然图5描述了具有一个固体收集系统的反应器，但是与上面图3和图4所述相似，本领域技术人员将理解本发明可以构建成具有任何数目的收集系统以确保产物气体的连续操作和生产。另外，可以形成在图2、4和5中描述的固体收集系统的任何组合，这是本领域技术人员可以理解的。
下面通过实施例进一步说明本发明。
实施例1Cl2被稀释在12份N2中。氨气体按照相对于化学计算量稍微过量加入。第一个实验中流过与1.5L/分钟N2混合的0.125L/分钟的Cl2，其与0.3L/分钟的NH3反应。两种气体在350-400+℃的温度反应。转化10公斤的总反应时间是170小时。通过增加流速4倍使产量增加4倍。但是，N2比例降低3倍到2L/分钟以提高总产量并同时使总流速的增加最小化。
为了监测反应的进程，GC/MS在线与反应连通。通过分开排出第二过滤器的料流，一个料流被直接送入GC/MS。该装置能通过比较具有特定分子量的成分的峰尺寸使排出反应器的氯胺、氨和氯气的量之间的比例定量化。该数据的样品参见图6。
从图6可见，料流几乎完全由氯胺组成，氯胺相对于氨的比例大于10∶1。氨是被预计的，因为它是稍微过量地加入反应器中。也可以看出氯气没有出现，这是因为它基本上完全消耗在反应中。
应该理解的是，上述仅仅是用于说明本发明的原则，本领域技术人员可以在不偏离本发明精神和范围的情况下设计根据本发明的许多改变。
权利要求
1.一种连续生产无机气体的方法，包括以下步骤(a)提供具有反应区的反应器；(b)将至少两种进料气体同心地加入反应区；(c)使所述至少两种进料气体在反应区内反应，从而形成产物气体；(d)提供至少一个固体收集系统；和(e)使产物气体流入所述至少一个固体收集系统，其中所述至少两种进料气体中的至少一种在加入反应区之前被加热。
2.权利要求1的方法，其中所述反应器还包括至少两个反应器进料管，用于将所述至少两种进料气体同心地加入反应区。
3.权利要求1的方法，其中所述至少两种进料气体中的至少一种加热至超过350℃的温度。
4.权利要求1的方法，其中所述反应器是由选自以下的材料构成哈斯特洛伊耐蚀镍基合金C、不锈钢、黄铜、硅硼酸盐玻璃、硅酸盐、硅酸钠、硅酸钾、硅石和它们的任何混合物。
5.权利要求1的方法，其中所述至少两种进料气体选自乙块、氨、三氯化硼、三氟化硼、丁二烯、丁烷、丁烯、二氧化碳、一氧化碳、氯、顺-2-丁烯、氘、二甲基胺、二甲醚、乙烷、乙烯、乙基氯、氢气、溴化氢、氯化氢、硫化氢、异丁烷、异丁烯、甲烷、溴代甲烷、氯代甲烷、甲硫醇、甲胺、氧化一氮、二氧化氮、一氧化二氮、氧气、全氟丙烷、丙烷、丙烯、二氧化硫、六氟化硫、反-2-丁烯、三甲胺和它们的任何混合物。
6.权利要求1的方法，进一步包括将至少一种惰性气体与所述至少两种进料气体中的至少一种同心地加入。
7.权利要求6的方法，其中所述至少一种惰性气体选自氮气、氩气、氦气、氖气和它们的任何混合物。
8.权利要求1的方法，其中所述至少一个固体收集系统选自阱、过滤器、旋风分离器和它们的任何组合。
9.权利要求8的方法，其中所述过滤器选自筒、袋、粒状床和它们的任何组合。
10.一种用于连续生产气态化合物的装置，该装置包括(a)至少一个反应器，其具有至少两个反应器进料管，用于将进料气体同心地加入反应区；和(b)至少一个固体收集系统。
11.权利要求10的装置，其中所述至少一个反应器包括反应区。
12.权利要求10的方法，其中所述至少一个反应器是由选自以下的材料构成哈斯特洛伊耐蚀镍基合金C、不锈钢、黄铜、硅硼酸盐玻璃、硅酸盐、硅酸钠、硅酸钾、硅石和它们的任何混合物。
13.权利要求10的装置，其中所述至少一个固体收集系统选自阱、过滤器、旋风分离器和它们的任何组合。
14.权利要求13的方法，其中所述过滤器选自筒、袋、粒状床和它们的任何组合。
15.一种连续生产氯胺气体的方法，包括以下步骤(a)提供反应器，其具有反应区、具有将进料气体同心地加入反应区的第一进料气体管和第二进料气体管；(b)将含氯气体加入第一进料气体管；(c)将氨加入第二进料气体管；(d)使含氯气体与氨在反应区内反应，从而形成氯胺气体；(e)提供至少一个固体收集系统；和(f)使氯胺气体流入所述至少一个固体收集系统，其中所述含氯气体、所述氨或所述含氯气体和所述氨两者在步骤(d)之前被加热。
16.权利要求15的方法，其中所述含氯气体、所述氨或它们两者被加热到大于350℃的温度。
17.权利要求15的方法，其中所述含氯气体以约0.001-约0.1ft3/分钟的流动速率加入反应区中。
18.权利要求15的方法，其中所述氨以约0.002-约0.2ft3/分钟的流动速率加入反应区中。
19.权利要求15的方法，进一步包括将惰性气体与所述含氯气体并流地加入所述反应区中。
20.权利要求20的方法，其中所述惰性气体选自氮气、氩气、氦气、氖气和它们的任何组合物。
21.权利要求20的方法，其中所述惰性气体以约0.1-约1ft3/分钟的流动速率加入。
22.权利要求15的方法，其中所述反应器是由选自以下的材料构成哈斯特洛伊耐蚀镍基合金C、不锈钢、黄铜、硅硼酸盐玻璃、硅酸盐、硅酸钠、硅酸钾、硅石和它们的任何混合物。
23.权利要求15的方法，其中所述至少一个固体收集系统选自阱、过滤器、旋风分离器和它们的任何组合。
24.权利要求23的方法，其中所述过滤器选自筒、袋、粒状床和它们的任何组合。
全文摘要
本发明提供一种用于商购气体在惰性载气存在下气相反应形成产物气体的反应器。该反应器具有流线型的紧凑结构和在反应器下游具有至少一个固体收集和除去系统，在该系统中固体被有效地从产物气流中除去，留下高纯度的产物气体。该除去系统使得反应器设计简单、易于清洁和能长期连续操作。
文档编号B01J4/00GK1732126SQ200380107945
公开日2006年2月8日 申请日期2003年11月14日 优先权日2002年11月14日
发明者S·图马拉, S·W·梁, 卢德璋, M·M·阿尔瓦雷斯 申请人:布里斯托尔-迈尔斯斯奎布公司