流化床反应装置及氨氧化反应方法与流程

1.本发明涉及氨氧化反应设备，具体地涉及一种流化床反应装置。在此基础上，本发明还涉及一种利用该流化床反应装置的氨氧化反应方法。


背景技术：

2.在例如为丙烯腈的腈类产物制造中，可以以丙烯、氨气和氧气(空气)等为反应原料在合适的流化床反应装置中发生氨氧化化学反应而制得。通常地，此类化学反应需要在催化剂作用下及高温环境下以气相状态进行。
3.典型地，氨氧化反应可以在流化床形式的氨氧化反应器中进行，分别通过原料分布器和例如为格栅状的空气松动分布器将丙烯、氨气和空气等反应原料通入反应器内腔中，并以足够高的气体流量使得这些反应原料流化，从而在催化剂作用下生成腈类产物。在该腈类产物流出反应器前，还需利用旋风分离器去除产物气体中夹带的催化剂颗粒，并通过料腿返回到催化剂床层。
4.然而，现有流化床反应装置及基于其的氨氧化反应方法存在氨比大、空气比大、原料利用率低与单套处理量低的问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的是为了克服现有技术存在的氨氧化反应原料利用率低与单套处理量低的问题，提供一种流化床反应装置及基于其的氨氧化方法，该流化床反应装置能够有效提升催化剂在通过料腿返料后的分布均匀性，并使得该催化剂与由原料分布器喷出的反应原料充分混合，能够显著促进化学反应的发生，提高原料利用率和单套处理量。
6.为了实现上述目的，本发明一方面提供一种流化床反应装置，包括：反应器筒体；原料分布器，该原料分布器布置于所述反应器筒体的内腔中并设置为能够喷出反应原料；空气松动分布器，该空气松动分布器相对所述原料分布器间隔地布置于该原料分布器下方并能够允许空气通过该空气松动分布器向上喷出；气固分布器，该气固分布器布置于所述原料分布器与所述空气松动分布器之间以形成位于该气固分布器与所述空气松动分布器之间的返料预分布区域和位于该气固分布器与所述原料分布器之间的双分布器混合区域；以及，旋风分离器，该旋风分离器布置于所述原料分布器的上方并连接有延伸至所述返料预分布区域内的料腿，以能够将催化剂从由所述反应原料反应产生的反应产物中分离并回落至所述返料预分布区域内。其中，所述气固分布器具有进气管和连通该进气管且喷口向上的气固喷嘴，以能够通过由该气固喷嘴向上喷出的空气卷吸回落至所述返料预分布区域内的所述催化剂并携带该催化剂向上流入至所述双分布器混合区域内。
7.优选地，沿自下而上方向，所述气固喷嘴的通流截面积递减。
8.优选地，所述进气管包括在所述原料分布器与所述空气松动分布器之间的空间内沿水平方向延伸的主管和多个支管，多个所述气固喷嘴以均布或以中心密集、外围稀疏的分布形式分别从该主管和/或支管向上延伸。
9.优选地，所述气固分布器包括设于所述进气管上方的分布板，该分布板上对应所述气固喷嘴的位置形成有自下而上渐扩延伸的整流通孔，由所述气固喷嘴向上喷出的空气能够携带所述催化剂通过该整流通孔向上流入至所述双分布器混合区域内。
10.优选地，所述整流通孔的下端口与上端口的通流截面积之比为0.2-0.8，并且/或者，所述气固喷嘴的喷口与所述整流通孔的下端口的通流截面积之比为0.1-0.5。
11.优选地，所述返料预分布区域的竖直高度不小于300mm，并且/或者，所述双分布器混合区域的竖直高度不小于200mm。
12.优选地，所述反应器筒体连接有用于向所述空气松动分布器下方的区域内通入空气的空气进料管，由该空气进料管通入的空气能够通过所述空气松动分布器向上喷出至所述返料预分布区域内。
13.优选地，该流化床反应装置还包括延伸至所述反应器筒体的内腔中的换热管。
14.本发明第二方面提供一种利用上述流化床反应装置的氨氧化反应方法。
15.优选地，在反应过程中，由所述气固喷嘴喷出气体的表观线速为20m/s-80m/s，并且/或者，由所述原料分布器喷出的反应原料包括芳烃及其衍生物或丙烯中的至少一种以及氨气。
16.通过上述技术方案，本发明的流化床反应装置能够用于氨氧化反应，通过在原料分布器与空气松动分布器之间设置气固分布器以形成返料预分布区域和双分布器混合区域，由此可以通过使得该气固分布器的气固喷嘴向上喷出空气而卷吸通过料腿回落的催化剂并携带至双分布器混合区域内与由原料分布器喷出的反应原料充分混合，改善了高空速条件下催化剂在反应空间内的分布均匀性，有利于催化反应原料发生充分的化学反应，能够显著提高原料利用率和单套处理量。
附图说明
17.图1是根据本发明一种优选实施方式的流化床反应装置的结构示意图；
18.图2是图1的流化床反应装置中气固分布器在反应器筒体内的局部结构视图；
19.图3是图2中气固分布器中气固喷嘴与分布板的整流通孔的结构图。
20.附图标记说明
21.1-集气室；2-反应器筒体；3-换热管；4-原料分布器；5-空气松动分布器；6-气固分布器；7-进气管；8-气固喷嘴；9-分布板；9a-整流通孔；10-空气进料管；11-旋风分离器；12-料腿；13-翼阀；14-防倒锥；15-返料预分布区域；16-双分布器混合区域；17-密相反应区域。
具体实施方式
22.以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
23.在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、左、右”通常是指参考附图所示的上、下、左、右；“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外。另外，应当理解的是，尽管本发明主要以制备腈类产物的氨氧化反应为例对提供的流化床反应装置进行说明，但本发明并不限于此，所述流化床反应装置还可以用于其他产物的制备和处理中。
24.参照图1所示，根据本发明一种优选实施方式的流化床反应装置，包括反应器筒体
2以及自上而下布置于该反应器筒体2内腔中的原料分布器4、气固分布器6和空气松动分布器5等。其中，原料分布器4设置为能够向下喷出反应原料，例如其可以连接有能够通入芳烃或丙烯以及氨气等反应原料的原料进料管；空气松动分布器5相对该原料分布器4间隔地设置在其下方，并能够允许空气通过该空气松动分布器5向上喷出，例如，该空气松动分布器5可以形成为格栅状，并在反应器筒体2的底端连接空气进料管10，以在由该空气进料管10通入的空气经过空气松动分布器5后能够在其上方均匀分布；气固分布器6布置于原料分布器4和空气松动分布器5之间，由此将该原料分布器4和空气松动分布器5之间的空间分隔为分布位于该气固分布器6下方和上方的返料预分布区域15和双分布器混合区域16。
25.由此，可以在由原料分布器4向下喷出丙烯、氨气等反应原料的同时，利用如空气进料管10向反应器筒体2的内腔中通入空气原料，并依次经过空气松动分布器5、返料预分布区域15以及气固分布器6后进入双分布器混合区域16与原料分布器4喷出的反应原料混合，从而在催化剂作用和适当温度环境下在该双分布器混合区域16以及位于原料分布器4上方的密相反应区域17发生氨氧化反应，进而反应产物经过位于反应器筒体2上部的集气室1向外输出。输出的反应产物可以经冷凝或溶剂吸收等方法收集，进而经精馏或重结晶等方法精制得到预定产品气。
26.在反应器筒体2内，还可以设置有旋风分离器11，用于在反应产物输出至反应器筒体2之外前分离出其中混合的催化剂颗粒。具体地，旋风分离器11可以布置于原料分布器4的上方，并连接有延伸至返料预分布区域15内的料腿12，由此反应产物与催化剂的混合物可以由该旋风分离器11分离，分离后的反应产物排出至反应器筒体2外部，而分离出的催化剂则由料腿12回落至返料预分布区域15内，在反应器筒体2的内腔中形成催化剂颗粒循环。
27.结合图2和图3所示，本发明的流化床反应装置中的气固分布器6具有进气管7和喷口向上的气固喷嘴8，通过向进气管7通入空气，该空气能够由气固喷嘴8向上喷出，继而卷吸返料预分布区域15内的催化剂并将其携带流入气固分布器6上方的双分布器混合区域16内，用于催化氨氧化反应的发生。
28.由此，本发明提供的上述流化床反应装置能够用于氨氧化反应，通过在原料分布器4与空气松动分布器5之间设置具有气固喷嘴8的气固分布器6，从而可以卷吸回落至返料预分布区域15内的催化剂并携带至双分布器混合区域16内，使催化剂与由原料分布器4喷出的反应原料充分混合，改善了高空速条件下催化剂在反应空间内的分布均匀性，有利于催化反应原料发生充分的化学反应，能够显著提高原料利用率和单套处理量。
29.可以看出，本发明设置的气固分布器6能够优化催化剂颗粒的返料与输送并强化气固混合效果，同时还可以在返料预分布区域15强化催化剂的晶格氧补充。气固分布器6的气固喷嘴8能够有效利用喷出的空气改善催化剂颗粒在双分布器混合区域16内的分布均匀性，有利于与反应原料的充分混合和化学反应的高效发生。
30.典型地，前述反应器筒体2可以具有如圆形水平截面，原料分布器4、气固分布器6和空气松动分布器5自上而下安装在该反应器筒体2内并分别在相应的水平面内均布，如原料分布器4可以具有均布并分别向下延伸的多条出料管、气固分布器6可以具有主管和支管等以使得多个气固喷嘴8均布、空气松动分布器5可以为具有多个通气孔的格栅板等。反应器筒体2的内腔被分隔为返料预分布区域15、双分布器混合区域16以及密相反应区域17等多个不同的功能区域，实现催化剂的晶格氧补充、反应原料与催化剂的混合以及进行氨氧
化反应等功能，最终制得反应产物。其中，返料预分布区域15的竖直高度可以设置为不小于300mm(如500mm-1000mm)，以便催化剂在其中得到相对充分的晶格氧补充；双分布器混合区域16的竖直高度不小于200mm(如300mm-800mm)，由此催化剂能够在该区域内与反应原料充分混合。
31.在上述过程中，气固分布器6的气固喷嘴8用于向上喷出空气，以卷吸催化剂并使其在双分布器混合区域16内均布。为此，由该气固喷嘴8喷出的气流应当具有相对较大的流速。在一种优选实施方式中，气固喷嘴8可以在自下而上的方向具有递减的通流截面积。例如，在图示实施方式中，气固喷嘴8具有连接至进气管7的第一管段、位于远离进气管7的自由端的第二管段和位于该第一管段与第二管段之间的中间段，该中间段自下而上渐缩延伸，由此第二管段相对第一管段的通流截面积递减，从而可以使得气流在经过该气固喷嘴8时流速增加，有利于卷吸返料预分布区域15内的催化剂。其中，第二管段与第一管段的通流截面积之比可以为如0.05-0.3。在其他实施方式中，气固喷嘴8也可以形成为其他结构形式，如自进气管7向自由端渐缩等。
32.正如前述，气固分布器6上的气固喷嘴8的分布确定了其喷出的空气对催化剂的卷吸位置，最终影响催化剂在双分布器混合区域16内的分布情况。为此，可以将气固分布器6的进气管7设置为包括在原料分布器4与空气松动分布器5之间的空间内沿水平方向延伸的主管和多个支管(以及分支管等)，多个气固喷嘴8以均布方式从该主管和支管向上延伸，或者，多个气固喷嘴8也可以以中心密集、外围稀疏的分布方式从主管和支管向上延伸。由此，当向进气管7通入足量空气后，这些空气能够被朝向气固分布器6的上方喷出并均匀分布，有利于催化剂在双分布器混合区域16内与反应原料充分混合。
33.上述气固喷嘴8能够成股向上喷出气流，通过其通流截面积的变化能够提升对返料预分布区域15内的催化剂的卷吸作用，但会对催化剂在双分布器混合区域16内的均匀分布产生不利影响。在本发明一种优选实施方式中，气固分布器6还包括设于进气管7上方的分布板9，该分布板9上形成有自下而上渐扩延伸的整流通孔9a，各个整流通孔9a分别与相应的气固喷嘴8位置对应。其中，如图3所示，此处所述“对应”主要指气固喷嘴8的喷口与整流通孔9a的下端口对齐，例如，二者可以同轴线布置。另外，为了便于将催化剂卷吸并携带至双分布器混合区域16内，气固喷嘴8的喷口可以与整流通孔9a的下端口在竖直方向基本平齐或略伸入至整流通孔9a内。
34.由此，气固喷嘴8向上喷出的空气能够携带返料预分布区域15内的催化剂通过前述整流通孔9a向上流入双分布器混合区域16内，通过该整流通孔9a的整流扩散作用使得催化剂在双分布器混合区域16内更均匀地分布并与反应原料充分混合。
35.在此，整流通孔9a的径向尺寸应当适当设置，以便有效改善催化剂的分布均匀性。其中，整流通孔9a的下端口与上端口的通流截面积之比可以为0.2-0.8，并且/或者，气固喷嘴8的喷口与整流通孔9a的下端口的通流截面积之比为0.1-0.5。由此，由气固喷嘴8喷出的空气不仅能够在对返料预分布区域15内的催化剂产生有效卷吸作用，还能有效将其携带为进入整流通孔9a中，并经扩散后进入双分布器混合区域16内。
36.正如前述，可以在反应器筒体2底端连接空气进料管10，用于向空气松动分布器5下方的区域内通入空气，以对催化剂进行晶格氧补充。在其他实施方式中，空气松动分布器5也可以如原料分布器4或气固分布器6地设置为管状结构，并能够直接由该空气松动分布
器5向返料预分布区域15内通入空气。
37.本发明的流化床反应装置可以根据需要设置一级或多级旋风分离器11。在图示优选实施方式中，反应器筒体2内设有两级旋风分离器11，并分别连接有料腿12，其中，第一级旋风分离器的料腿底端连接有防倒锥14，第二级旋风分离器的料腿底端连接有翼阀13。该翼阀13和防倒锥14可以根据催化剂种类和用量适当设置，例如防倒锥14通常具有上构件和下构件，上构件可以设置为圆锥体，其锥角可为60
°‑
135
°
(优选为80
°‑
120
°
)；下构件可以为锥体、抛物线体或流线体等。在靠近该防倒锥14的位置，如相应料腿12的下端部，可以设置有用于吹扫该防倒锥14上的催化剂积料的松动风喷嘴(未示出)。
38.料腿12的下端延伸至气固分布器6的下侧并位于返料预分布区域15内，其位置不宜相距该气固分布器6的气固喷嘴8过远，避免该气固喷嘴8喷出的空气难以卷吸回落的催化剂。因此，料腿12可以设置为其底端与空气松动分布器5的距离为返料预分布区域15的竖直高度距离的1/8-2/3，优选为1/3-1/2。
39.为了便于使得反应器筒体2内的化学反应在适宜温度下进行，可以在本发明的流化床反应装置中设置延伸至该反应器筒体2内腔中的换热管3，由此能够通过通入换热流体(如冷却水)的方式控制环境温度，保证化学反应的发生。
40.以上对本发明提供的流化床反应装置进行了说明。在此基础上，本发明还提供基于该流化床反应装置的氨氧化反应方法，可用于利用芳烃或丙烯、氨气以及空气(氧气)等制备腈类产物，如丙烯腈。以下结合图示优选实施方式的流化床反应装置对该氨氧化反应方法的实施过程进行说明。
41.(a)空气原料由空气进料管9经空气松动分布器5进入反应器筒体2内的返料预分布区域15内，推动由旋风分离器11的料腿12返回进入返料预分布区域15内的催化剂颗粒流化，流化的催化剂颗粒与空气充分接触后，进行晶格氧补充，随着催化剂颗粒一直由料腿不断返回进入返料预分布区域15，将逐渐漫过气固分布器6上气固喷嘴8的喷口；
42.(b)另外一股空气原料由气固分布器6的进气管7通入，经过气固喷嘴8的缩径提速后，卷吸返料预分布区域15内流化的催化剂颗粒，一起喷射进入整流通孔9a内，进行整流后，空气与催化剂的混合物均匀地流入双分布器混合区域16中；
43.(c)氨气等原料经汽化后由原料分布器4向下喷出，与来自气固分布器6的夹带着催化剂的空气在双分布器混合区域16内充分接触、混合后，在该双分布器混合区域16和密相反应区域17内进行氨氧化反应；
44.(d)反应生成相应的腈类产物与催化剂颗粒经过旋风分离器11的分离，腈类产物流出流化床反应器，后经冷凝或溶剂吸收等方法接收，经精馏或重结晶等方法精制得到产品气；催化剂经过分离后经过旋风分离器11的料腿12返回进入返料预分布区域15内，完成催化剂颗粒循环。
45.在上述过程中，为了使得空气有效卷吸催化剂颗粒，由气固喷嘴8喷出气体的表观线速为20m/s-80m/s，优选为30m/s-50m/s。另外，在反应器筒体2的内腔中，气体表观线速为0.4m/s-10m/s，优选0.6m/s-3m/s，以能够实现充分反应。
46.进行上述氨氧化反应的原料可包括由原料分布器4喷出的例如为c7-c8的芳烃及其衍生物或丙烯和氨气以及由空气进料管10和气固分布器7通入的空气，芳烃及其衍生物或丙烯、氨气与空气的摩尔比为1:(1-9):(8-35)，反应温度为320℃-480℃，压力为
0.01mpa-0.15mpa。
47.以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个具体技术特征以任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。