一种气固催化反应器及丙烯腈吸收塔尾气处理系统的制作方法

本实用新型属于尾气处理技术领域，涉及一种固定床气固催化反应器及包括该反应器的含氢氰酸丙烯腈吸收塔尾气处理系统。

背景技术：

丙烯腈是一种重要的有机化工原料，一般以丙烯、氨和空气为主要原料，在催化剂作用下生成丙烯腈及乙腈、氢氰酸等副产物，之后经过急冷、回收、精制等工艺流程得到丙烯腈产品。在回收过程中设有丙烯腈吸收塔，由该塔排出的气体称为吸收塔尾气，其除含有丙烯、丙烷、一氧化碳、氮氧化物外，还含有少量的氢氰酸及丙烯腈等有害成分，这些尾气若直接排放会严重污染环境，因此，亟需开发一种丙烯腈吸收塔尾气处理技术。为此，中国专利CN101362051A公开了一种丙烯腈装置尾气处理工艺，上述技术是以贵金属蜂窝催化剂作为催化剂，将有害的挥发性有机物还原成二氧化碳、氮气和水，但该技术并未考虑到丙烯腈吸收塔尾气中的另一种环境危害成分氢氰酸，其排出的气体中氢氰酸的含量仍超过国家大气污染物综合排放标准中的规定值，且上述技术中催化氧化反应器和催化还原反应器都采用普通的固定床催化反应器，该类固定床催化反应器中流入反应器进料口的高速喷射气流束直接冲击催化剂床层的中央区，而远离中央区的催化剂床层没有气流通过或通过的气流很少，导致一部分催化剂超负荷而过早失活，另一部分催化剂却几乎不起作用，因此，上述技术反应器中的催化剂不能均匀且充分地被利用。

技术实现要素：

因此，本实用新型要解决的技术问题在于克服现有技术的固定床气固催化反应器存在气流分布不均匀的问题，从而提供一种气流分布均匀，催化剂能被充分利用的固定床气固催化反应器，同时，本实用新型还提供了包括上述反应器的丙烯腈吸收塔尾气处理系统。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种气固催化反应器，包括壳体设置于其内部的催化剂床层，所述壳体相对的两端分别设置有气体进口和气体出口，其中：沿气流方向，所述壳体依次包括：

进气段，具有沿所述气流方向内径逐渐增大的扩流段；

催化剂段，固定有催化剂床层，所述催化剂床层沿所述气流方向设置有1～3层；

出气段，具有沿所述气流方向内径逐渐缩小的缩流段；

其中，所述气体进口至气体出口的距离L与所述催化剂床层的高度h比为(1～1.5)：1。

进一步地，当所述催化剂(5)至少有2层时，相邻两层之间的间距为0.8～1.5m。

进一步地，所述扩流段与所述缩流段对称设置。

进一步地，所述气体进口、所述气体出口、所述催化剂床层同轴设置。

本实用新型还提供了一种含氢氰酸丙烯腈吸收塔尾气处理系统，包括第一气固催化反应器和第二气固催化反应器；所述第一气固催化反应器和/或第二气固催化反应器为上述的气固催化反应器。

进一步地，所述处理系统，还包括：

第一换热器，分别与所述第二气固催化反应器和第一气固催化反应器相通，用以回收所述第二气固催化反应器的反应热，并加热所述吸收塔尾气及空气的混合气体，加热后的所述混合气体进入所述第一气固催化反应器，经第一换热器换热后的净化尾气通过烟囱排出；

第二换热器，分别与所述第一气固催化反应器和第二气固催化反应器相通，用以回收所述第一气固催化反应器的反应热，从所述第一气固催化反应器出来的处理尾气经换热后进入所述第二气固催化反应器。

进一步地，所述第二换热器包括依次相连的蒸汽过热器和蒸汽发生器；

所述蒸汽发生器与给水设备连接，所述给水设备中的水吸收处理尾气的热量生成蒸汽并进入所述蒸汽过热器中，所述蒸汽进一步吸收所述第一气固催化反应器的反应热生成过热蒸汽排出。

进一步地，所述处理系统还包括气液分离器，其进口端与所述吸收塔的出口端连接，其出口端与所述第一换热器的进口端连接，用于分离所述吸收塔尾气中的水分。

进一步地，所述处理系统还包括电加热器，其进口端与所述第一换热器的出口端连接，其出口端与所述第一气固催化反应器的进口端连接，用于加热所述吸收塔尾气及空气的混合气体。

进一步地，所述处理系统还包括储氨装置，用以提供在所述第二气固催化反应器中发生催化氧化反应所需要的氨气。

本实用新型的丙烯腈吸收塔尾气处理系统中，在所述第一气固催化反应器内发生的催化氧化反应具体为：

C3H6+4.5O2→3CO2+3H2O

C3H8+5O2→3CO2+4H2O

C3H3N+4.25O2→3CO2+1.5H2O+NO

CO+0.5O2→CO2。

本实用新型丙烯腈吸收塔尾气处理系统中，在所述第二气固催化反应器内发生的选择性催化反应具体为：

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O

4NH3+2NO2+O2→3N2+6H2O

4NH3+6NO→5N2+6H2O

8NH3+6NO2→7N2+12H2O

4HCN+5O2→2N2+2H2O+4CO2

本实用新型技术方案，具有如下优点：

1.本实用新型提供的气固催化反应器，包括壳体及设置于其内部的催化剂床层，壳体上设有沿气流方向内径逐渐增大的扩流段，对进口气流实行导流，一部分气流改变方向，迅速沿径向分散到反应器的整个径向截面上，从而大大缩短了进口气流扩散到整个径向截面上所需空间高度，提高了反应器容积的利用率；此外，扩流段的设置还扩大了气流的均化空间，使气流能更加均匀地分布于反应器的催化剂床层中，从而达到提高催化剂利用率的目的。控制气体进口至气体出口的距离L与催化剂床层的高度h，一方面使进气段有合理的均化空间进而使气流更加均匀地分布于催化剂床层，提高催化剂的利用率，另一方面又降低了反应器阻力，提高了能量的利用效率。

2.本实用新型提供的气固催化反应器，扩流段、缩流段及气体进口、气体出口分别对称设置，且气体进口、气体出口、催化剂床层同轴设置，如此设置，减小了气流通过时的阻力，减少了气流的能量损失，从而达到了降低反应器压降的目的。

3.本实用新型提供的气固催化反应器，扩流段及缩流段的侧壁上还设有人孔，为人员进出维修反应器提供了极大地便利。

4.本实用新型提供的含氢氰酸丙烯腈吸收塔尾气处理系统，采用特定气固催化反应器并结合特定的催化剂催化氧化吸收塔尾气中的非甲烷总烃、一氧化碳及腈类物质等有害成分转成为二氧化碳、氮气和水，尾气处理彻底，无二次污染，检测结果完全能满足国家标准规定的环保控制要求；特定的气固催化反应器，使得本实用新型的处理系统具有非常宽广的操作范围，可保证吸收塔尾气中有害物质含量变化时，系统仍能稳定操作。

5.本实用新型提供的含氢氰酸丙烯腈吸收塔尾气处理系统，利用换热器回收反应热产生工厂需要的蒸汽并降低尾气温度，利用中温尾气对吸收塔尾气和助燃空气进行预热，实现了对资源能源的最大利用。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的含氢氰酸丙烯腈吸收塔尾气处理系统的结构示意图；

图2为图1中所示的气固催化反应器的主视图；

图3为图1中所示的气固催化反应器的俯视图；

图4为图1中所示的第一种变形的气固催化反应器的主视图；

图5为图1中所示的第二种变形的气固催化反应器的主视图。

附图标记说明：

1-扩流段；2-缩流段；3-气体进口；4-气体出口；5-催化剂床层；6-人孔；7-气液分离器；8-第一换热器；9-电加热器；10-第一气固催化反应器；11-蒸汽过热器；12-蒸汽发生器；13-第二气固催化反应器；14-丙烯腈吸收塔；15-烟囱；16-储氨装置；17-给水设备；18-厂区。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

如图1所示，本实施例1提供了一种丙烯腈吸收塔尾气处理系统，主要包括：气液分离器7、第一换热器8、第一气固催化反应器10、蒸汽过热器11、蒸汽发生器12、第二气固催化反应器13，含氢氰酸的丙烯腈吸收塔尾气从丙烯腈吸收塔14进入气液分离器7，气液分离器7对吸收塔尾气进行气液分离处理，经过初步处理的吸收塔尾气进入第一换热器8，第一换热器8与第二气固催化反应器13连接，回收反应热并利用该热量预加热吸收塔尾气，在吸收塔尾气流向第一气固催化反应器10的过程中利用鼓风机向其中补充新鲜空气，被预加热后的吸收塔尾气及空气的混合气体进入第一气固催化反应器10进行催化氧化反应，其中的有害物质分别转为成氮氧化物、二氧化碳和水，并释放出大量的热量。从第一气固催化反应器中出来的气体经过分别经过蒸汽过热器11和蒸汽发生器12回收部分热量后进入第二气固催化反应器13，在气体流向第二气固催化反应器13的过程中利用鼓风机向其中补充新鲜空气，并利用储氨装置16补充反应所需的氨气，将气体中的氮氧化物及氢氰酸选择性催化反应生成氮气、二氧化碳和水，并释放出大量的热量，经净化的吸收塔尾气通过第一换热器8换热后进入烟囱15排入大气。本实施例1中，蒸汽发生器12与外置给水设备17相连，水在蒸汽发生器12中吸收一部分热量形成水蒸汽进入蒸汽过热器11继续吸收一部分热量形成过热蒸汽后排入厂区18。

如图1所示，本实施例1中，在第一换热器8与第一气固催化反应器10之间还设有电加热器9，电加热器9根据实际情况的需要来确定是否启动，比如：当经过第一换热器8后混合气体的温度已达到催化反应所需的温度就无需启动；反之，则启动。

如图2所示，本实施例1的气固催化反应器包括壳体及设置于其内的催化剂床层5，壳体相对的两端分别设置有气体进口3和气体出口4，沿气流方向，壳体依次包括：进气段、催化剂段及出气段，其中：进气段具有沿气流方向内径逐渐增大的扩流段1，催化剂段固定有催化剂床层5，出气段具有沿所述气流方向内径逐渐缩小的缩流段2。如图3所示，为了减小反应器的压降，扩流段1、缩流段2及气体进出口分别对称设置，且气体进出口与催化剂床层5同轴设置。为了控制反应器合理的压降及气流更均匀地分布于催化剂床层5，本实施例1中气体进口3至气体出口4的距离L与催化剂床层5的高度h为1.2：1。当然，根据实际情况的不同，如不同的流速、不同的催化剂床层数、不同的催化剂装填材料等，L与h的值可以为(1～1.5)：1之间的其它值。

作为可替换的实施方式，本实施例1中的进气段还可以设置为如图4及图5所示的结构，即进气段包括平行于进出口中心线的平面和沿所述气流方向内径逐渐增大的扩流段1。

本实施例1中，沿气流方向的催化剂床层5设有1层，其装填材料为铂贵金属，作为其它可替换的实施方式，也可以为钯等贵金属，当然也可以采用其它贵金属或多种贵金属的组合物作为反应层的装填材料。作为可替换的其它实施方式，沿气流方向的催化剂床层还可以设有两层，靠近气体进口3的那层为惰性催化剂层，装填材料为惰性耐火瓷球，装填高度为30mm，另外一层为催化剂反应层，其装填材料为铂贵金属，作为其它可替换的实施方式，也可以为钯等贵金属，当然也可以采用其它贵金属或多种贵金属的组合物作为反应层的装填材料，装填高度为50mm，两层之间的间距为1.0米。当然，催化剂床层5还可以设置成3层，每层的高度控制在0.8～1.5米。

本实施例1中，为了便于维修人员检修反应器，上方的扩流段1和上方的缩流段2上均设有人孔。人孔的尺寸及形状等不作特别限制，只要方便维修人员施工即可。

本实施例1的丙烯腈吸收塔尾气处理系统中第一气固催化反应器10采用普通的固定床催化反应器，第二气固催化反应器12采用上述气固催化反应器。当然也可以第一气固催化反应器10及第二气固催化反应器12均采用上述气固催化反应器，具体可以根据吸收塔尾气的成分及含量来选择。

某公司含氢氰酸的丙烯腈吸收塔尾气中：氮氧化物含量≥400mg/Nm³，丙烯腈、乙腈及氢氰酸的含量为15～25mg/Nm³，采用本实施例1的丙烯腈吸收塔尾气处理系统对该公司含氢氰酸的丙烯腈吸收塔尾气进行处理后送入实验室进行检测，结果显示：净化尾气中氮氧化物含量≤75mg/Nm³、丙烯腈含量≤0.5mg/Nm³、氢氰酸含量≤1.9mg/Nm³，非甲烷总烃含量≤28mg/Nm³，与处理前的尾气相比，非甲烷总烃的去除效率达到97％以上，达到国家大气污染物综合排放标准。

实施例2

某公司含氢氰酸的丙烯腈吸收塔尾气中：氮氧化物含量≥380mg/Nm³，丙烯腈、乙腈及氢氰酸的含量为20～28mg/Nm³，采用本实施例1的丙烯腈吸收塔尾气处理系统对该公司含氢氰酸的丙烯腈吸收塔尾气进行处理后送入实验室进行检测，结果显示：净化尾气中氮氧化物含量≤72mg/Nm³、丙烯腈含量≤0.6mg/Nm³、氢氰酸含量≤2.0mg/Nm³，非甲烷总烃含量≤30mg/Nm³，与处理前的尾气相比，非甲烷总烃的去除效率达到96％以上，达到国家大气污染物综合排放标准。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型创造的保护范围之中。