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TW201437146A - 使用靜式混合器製造氰化氫之方法 - Google Patents

使用靜式混合器製造氰化氫之方法 Download PDF

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TW201437146A
TW201437146A TW102145778A TW102145778A TW201437146A TW 201437146 A TW201437146 A TW 201437146A TW 102145778 A TW102145778 A TW 102145778A TW 102145778 A TW102145778 A TW 102145778A TW 201437146 A TW201437146 A TW 201437146A
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gas mixture
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TW102145778A
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Inventor
John C Caton
David W Rabenaldt
William A Mcknight
Original Assignee
Invista Tech Sarl
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Abstract

本發明揭示用於氰化氫反應過程之靜式混合器，其充分混合反應物氣體以形成跨越觸媒床直徑之變動係數小於0.1之三元氣體混合物。該靜式混合器包含穿過導管中之不連續狹縫插入之凸耳且該等凸耳係緊固至該導管之外壁。

Description

使用靜式混合器製造氰化氫之方法 相關申請案交叉參考
本申請案主張優先於2012年12月18日提出申請之美國申請案第61/738,657號，其全部內容及揭示內容併入本文中。
本發明係關於製造氰化氫之方法且更具體而言係關於用於製造充分混合之與觸媒接觸之三元氣體的靜式混合器，且係關於使用該靜式混合器及製造該靜式混合器之方法。
習慣上，氰化氫(「HCN」)係根據安德盧梭(Andrussow)法或BMA法以工業規模製造。(例如，參見Ullman’s Encyclopedia of Industrial Chemistry，第A8卷，Weinheim 1987，第161-163頁)。例如，在安德盧梭法中，HCN可藉由在升高溫度下在反應器中在適宜觸媒存在下使氨與含甲烷氣體及含氧氣體反應來商業製造(美國專利第1,934,838號及第6,596,251號)。硫化合物及甲烷之高級同系物可對甲烷之氧化氨解參數具有效應。例如，參見Trusov,Effect of Sulfur Compounds and Higher Homologues of Methane on Hydrogen Cyanide Production by the Andrussow Method,Russian J.Applied Chemistry,74：10(2001)，第1693-1697頁)。藉由使反應器流出物氣體流與磷酸銨水溶液在氨吸收器中接觸來分離未反應之氨與HCN。將經分離氨純化 並濃縮以供再循環用於HCN轉化。通常藉由吸收至水中自經處理反應器流出物氣體流回收HCN。經回收HCN可用進一步精製步驟處理以產生經純化HCN。清潔發展機制項目設計文件表格(Clean Development Mechanism Project Design Document Form)(CDM PDD，第3版)，2006示意性地解釋了安德盧梭HCN製造方法。經純化HCN可用於氫氰化，例如含烯烴基團之氫氰化，或例如1,3-丁二烯及戊烯腈之氫氰化，其可用於製造己二腈(「ADN」)。在BMA法中，HCN係在實質上不存在氧下且在鉑觸媒存在下自甲烷及氨合成，從而產生HCN、氫、氮、殘餘氨及殘餘甲烷。(例如，參見Ullman’s Encyclopedia of Industrial Chemistry，第A8卷，Weinheim 1987，第161-163頁)。商業操作人員需要進行方法安全性管理以處置氰化氫之有害性質。(參見Maxwell等人Assuring process safety in the transfer of hydrogen cyanide manufacturing technology,JHazMat 142(2007),677-684)。另外，來自製造設施之HCN製造過程排放物可能要服從於規章，此可影響製造HCN之經濟性。(參見Crump,Economic Impact Analysis For The Proposed Cyanide Manufacturing NESHAP,EPA，2000年5月)。
在製造HCN時，混合氨氣、含甲烷氣體及含氧氣體以形成進給至反應器之三元氣體混合物。由於HCN方法涉及若干反應性氣體，因此在與觸媒接觸之前混合該等反應性氣體可能有益。然而，當實施反應性氣體之預混合時，與氣體反應性相關之風險可變得顯而易見。美國專利第2,803,522號揭示用於含氧氣體及氨之混合器。美國專利第3,063,803號揭示連接至反應器之可拆卸安裝之氣體混合室。美國專利第3,215,495號揭示用以混合反應物氣體之氣體混合室內之內部擋板。內部擋板可與相對較高之壓力降相關。最近，已提出將混合室置於反應器內，如美國公開案第2011/0171101號中所述。此組態在反應器內需要透氣層及若干混合板。
該等用於製造HCN之先前混合室不足以產生充分混合之三元氣體且因此導致生產率損失並增加反應物氣體與HCN之分離。
美國專利第8,133,458號揭示用於將甲烷、氨及氧以及鹼金屬或鹼土金屬氫氧化物轉化成鹼金屬氰化物或鹼土金屬氰化物之反應器，該轉化係藉由包含具有氣體入口之第一級之兩級反應達成，其中該第一級係藉由具有在觸媒材料上提供均勻氣體分佈之分佈板之錐體來形成，其中該等分佈板位於反應器之氣體入口與觸媒材料之間且分佈板穿有多個孔，其中分佈板在氣體流動方向上彼此間隔開，第一分佈板主要發揮分佈氣體之功能，而最後分佈板作為熱輻射屏蔽及作為面向觸媒材料之分佈板起作用，且其中該觸媒材料係以藉由觸媒重量固定之觸媒絲網形式存在。
已使用其他靜式混合器來混合反應物氣體。美國專利第4,929,088號揭示適於插入流體流中之靜式混合器件，該流體流相對於閉合導管具有主要流動方向，該閉合導管包含至少兩個在流動方向上以與導管之表面呈介於10°與45°之間之預選仰角傾斜之凸耳。美國專利第6,000,841號揭示包含具有凸耳之縱向細長導管之靜式混合器導管，該等凸耳配置有毗鄰導管壁之各別第一邊緣及與導管壁向內徑向間隔之各別對置第二邊緣。通常，靜式混合器足以使流體流穿過，同時維持與紊流相關之相對平坦之速度剖面，但難以安裝及維護。
因此，業內需要適於製造HCN之反應物氣體之改良混合，其亦容易安裝及維持。
在第一實施例中，本發明係關於用於製備氰化氫之反應總成，其包含：(a)包含細長導管之混合容器，該細長導管具有位於該細長導管近端之出口；第一入口埠及第二入口埠，其各自用於將至少一種選自由含甲烷氣體、含氨氣體、含氧氣體及其混合物組成之群之反應 物氣體引入至該混合容器中，其中該第二入口埠位於該第一入口埠下游；包含一或多個第一列不連續狹縫之第一靜式混合區，一或多個相應凸耳穿過該等不連續狹縫插入且緊固至該細長導管之外表面，且其中該第一靜式混合區毗鄰該第一入口埠；包含一或多個第二列不連續狹縫之第二靜式混合區，一或多個相應凸耳穿過該等不連續狹縫插入且緊固至該細長導管之外表面，且其中該第二靜式混合區毗鄰該第二入口埠，其中每一相應凸耳具有在流動方向上成角度之上游面，其中該等第一及第二靜式混合區提供至少一種反應物氣體之交叉流混合以產生三元氣體；及(b)反應器容器，其包含反應器入口，該反應器入口操作性地耦合至出口以接收三元氣體混合物；及觸媒床，其含有用於產生氰化氫流之觸媒。第一靜式混合區中之列數可為1至10且第二靜式混合區中之列數可為1至10。第一列及第二列中之每一者可含有1至10個不連續狹縫。第二靜式混合區中之列數可大於或等於第一靜式混合區中之列數。相應凸耳可與導管之內壁具有5°至45°之角度。反應總成可進一步包含一或多個位於第一靜式混合區上游用於對準至少一種反應物氣體之流動之整流器，其中該一或多個整流器各自具有中心主體。反應總成可進一步包含一或多個位於第二靜式混合區上游用於對準至少一種反應物氣體之流動之整流器，其中該一或多個整流器各自具有中心主體。不連續狹縫可為l-形、I-形、T-形、U-形或V-形。兩個或更多個第一列之不連續狹縫可橫向對準。兩個或更多個第二列之不連續狹縫可橫向對準。細長導管內每一相應凸耳可不平行於流動方向。每一相應凸耳可具有角度為30°至90°之後邊緣。每一相應凸耳可具有0°至7°之傾斜度。每一相應凸耳可具有50cm2至250cm2之表面積。每一相應凸耳可包含310SS或316SS。
本發明之第二實施例係關於用於製備氰化氫之反應總成，其包含(a)包含細長導管之混合容器，該細長導管具有位於該細長導管近 端之出口；第一入口埠及第二入口埠，其各自用於將至少一種選自由含甲烷氣體、含氨氣體、含氧氣體及其混合物組成之群之反應物氣體引入至該混合容器中，其中該第二入口埠鄰近該第一入口埠；包含一或多個第一列不連續狹縫之第一靜式混合區，一或多個具有第一角度之相應凸耳穿過該等第一列不連續狹縫插入且緊固至該細長導管之外表面，且其中該第一靜式混合區毗鄰該第一入口埠；包含一或多個第二列不連續狹縫之第二靜式混合區，一或多個具有第二角度之相應凸耳穿過該等第二列不連續狹縫插入且緊固至該細長導管之外表面，且其中該第二靜式混合區毗鄰該第二入口埠及/或鄰近該第二入口埠，其中該第一角度不同於該第二角度，其中該等第一及第二靜式混合區提供至少一種反應物氣體之交叉流混合以產生三元氣體；及(b)反應器容器，其包含反應器入口，該反應器入口操作性地耦合至出口以接收三元氣體混合物；及觸媒床，其含有用於產生氰化氫流之觸媒。第一角度和第二角度可為5°至45°。第一角度為30°且可大於第二角度。第一角度為30°且可小於第二角度。
本發明之第三實施例係關於製造氰化氫之方法，其包含：將含甲烷氣體、含氨氣體及含氧氣體引入至細長導管中以產生三元氣體混合物，該細長導管包含一或多個具有至少一個不連續狹縫之靜式混合區，凸耳穿過該不連續狹縫插入且緊固至該細長導管之外表面；及使該三元氣體混合物與觸媒床中之觸媒接觸以提供包含氰化氫之反應產物。引入步驟可包含：在包含一或多個第一列不連續狹縫之第一靜式混合區中混合含甲烷氣體與含氨氣體以形成二元氣體混合物；及在第二靜式混合區中混合含氧氣體與二元氣體混合物以形成三元氣體混合物，其中該第二靜式混合區包含一或多個第二列不連續狹縫。三元氣體混合物可具有跨越觸媒床之直徑小於0.1、較佳跨越觸媒床之直徑小於0.05之變動係數。該方法可進一步包含使含甲烷氣體、含氨氣體 或含氧氣體在一或多個靜式混合區之前穿過整流器，其中該整流器具有中心主體。凸耳在插入後可與導管之內壁具有5°至45°之角度。導管可具有4至24個不連續狹縫。不連續狹縫可呈l-形、I-形、T-形、U-形或V-形。凸耳可藉由導管之外表面上形成之焊接接頭緊固至不連續狹縫。細長導管中之壓力降可小於35kPa。凸耳可具有0°至7°之傾斜度。凸耳可具有剛性以在細長導管中壓力變化後保持一定角度。任一三元氣體混合物之處理皆可包含至少25vol.%氧。三元氣體混合物可具有1.2至1.6之氨對氧之莫耳比及1至1.25之甲烷對氧之莫耳比。混合容器可在50℃至120℃之溫度下操作。在一些態樣中，未自內部空腔提供焊接或黏合劑以緊固凸耳。
本發明之第四實施例係關於製造氰化氫之方法，其包含經由第一入口埠向細長導管中引入至少一種選自由含甲烷氣體、含氨氣體及其混合物組成之群之反應物氣體；在包含一或多個第一列不連續狹縫之第一靜式混合區中混合該等反應物氣體，一或多個相應凸耳穿過該等不連續狹縫插入且緊固至該細長導管之外表面；經由第二入口埠向該細長導管中引入含氧氣體；在第二靜式混合區中混合含氧氣體與該等反應物氣體以形成三元氣體混合物，其中該第二靜式混合區包含一或多個第二列不連續狹縫，一或多個相應凸耳穿過該等不連續狹縫插入且緊固至該細長導管之外表面；及使該三元氣體混合物在觸媒存在下反應以形成氰化氫流。三元氣體混合物可包含至少25vol.%氧。每一相應凸耳可具有在三元氣體混合物之流動方向上成角度之上游面。相應凸耳可具有5°至45°之角度。混合容器可經組態以提供變動係數跨越觸媒床之直徑小於0.1之三元氣體混合物。混合容器中之壓力降可小於35kPa。不連續狹縫可呈l-形、I-形、T-形、U-形或V-形。三元氣體混合物可具有1.2至1.6之氨對氧之莫耳比。三元氣體混合物可具有1至1.5之氨對甲烷之莫耳比。三元氣體混合物可具有1至1.25之甲 烷對氧之莫耳比。每一相應凸耳可具有角度為30°至90°之後邊緣。
本發明之第五實施例係關於製造混合容器之方法，其包含：提供一或多個凸耳，該等凸耳具有含斜邊緣之成角度之上游表面、下游表面及位於該下游表面上之支撐件，其中該支撐件具有選自由l-形、I-形、T-形、U-形及V-形組成之群之形狀且延伸經過上游表面之平面；及提供具有內部空腔、第一入口埠及連接至反應器容器之出口埠之細長導管。該方法包含在第一入口埠下游切割一或多個穿過細長導管之不連續狹縫，其中該等不連續狹縫對應於支撐件之形狀；藉由將支撐件可滑動地咬合至不連續狹縫中並在一或多個不連續狹縫上游使斜邊緣緊靠細長導管之內表面將一或多個凸耳中之一者插入來自內部空腔之一或多個不連續狹縫中之一者中；及將支撐件緊固至細長導管之外表面。支撐件可藉由焊接至外表面來緊固。在一個實施例中，在細長導管之外表面上研磨出凹槽，其中切割一或多個不連續狹縫。較佳地，未自內部空腔提供焊接或黏合劑以緊固一或多個凸耳。
本發明之第六實施例係關於製造混合容器之方法，其包含提供一或多個凸耳，該等凸耳具有含斜邊緣之成角度之上游表面、下游表面及位於該下游表面上之支撐件，其中該支撐件具有形狀且延伸經過上游表面之平面；及提供具有內部空腔、第一入口埠、第二入口及連接至反應器容器之出口埠之細長導管。該方法包含在第一入口埠下游切割至少一列一或多個穿過細長導管之第一不連續狹縫，其中該等第一不連續狹縫對應於支撐件之形狀；在第二入口埠下游切割至少一列一或多個穿過細長導管之第二不連續狹縫，其中該等第二不連續狹縫對應於支撐件之形狀；藉由將支撐件可滑動地咬合至第一及第二不連續狹縫中並在一或多個第一及第二不連續狹縫上游使斜邊緣緊靠細長導管之內表面將一或多個凸耳中之一者插入來自內部空腔之一或多個第一及第二不連續狹縫中之一者中；及將支撐件緊固至細長導管之外 表面。
100‧‧‧HCN合成系統
102‧‧‧反應總成
104‧‧‧混合容器
106‧‧‧反應器容器
108‧‧‧含氧氣體進料流
110‧‧‧含甲烷氣體進料流
112‧‧‧含氨氣體進料流
114‧‧‧三元氣體混合物
116‧‧‧粗製氰化氫產物
118‧‧‧觸媒床
120‧‧‧分佈器板
122‧‧‧氨回收區段
124‧‧‧管線
126‧‧‧HCN精製區段
128‧‧‧壓力釋放調控器
130‧‧‧細長導管
132‧‧‧第一入口埠/上部入口
134‧‧‧第二入口埠/下部入口
136‧‧‧第一靜式混合區
138‧‧‧第二靜式混合區
140‧‧‧列
142‧‧‧不連續狹縫
144‧‧‧出口
146‧‧‧空白空間
148‧‧‧支撐件
150‧‧‧凸耳
152‧‧‧上游表面
154‧‧‧下游表面
156‧‧‧斜邊緣
158‧‧‧內壁
160‧‧‧排氣管線
162‧‧‧堆疊
170‧‧‧氧進料準備系統
172‧‧‧甲烷進料準備系統
174‧‧‧新鮮氨進料準備系統
176‧‧‧含氧來源
178‧‧‧含甲烷來源
180‧‧‧經處理新鮮氨流
182‧‧‧再循環氨進料準備系統
圖1係根據目前所主張發明之實施例之HCN合成系統的簡化示意性流程圖。
圖2係根據目前所主張發明之實施例之混合容器的剖視圖。
圖3係根據目前所主張發明之實施例之插入混合容器中之凸耳的詳細剖視圖。
圖4A-4C係根據目前所主張發明之實施例之凸耳的視圖。
圖5係根據目前所主張發明之實施例之具有反應物進料流純化之HCN合成系統的簡化示意性流程圖。
本文所用術語僅用於闡述特定實施例之目的而並非意欲限制本發明。除非上下文另有明確指示，否則本文所用單數形式「一(a、an)」及「該」亦意欲包括複數形式。應進一步理解，當本說明書中使用術語「包括(comprises及/或comprising)」時，其係指明存在所述特徵、整數、步驟、操作、元件及/或組件，但並不排除存在或添加一或多個其他特徵、整數、步驟、操作、元件群、組件及/或其群。
諸如「包括(including)」、「包含(comprising)」、「具有(having)」、「含有(containing)」或「涉及(involving)」及其變化形式等用語意欲具有廣泛含義且涵蓋下文所列示之標的物，以及等效形式及未列舉之其他標的物。此外，每當組合物、元件群、製程或方法步驟或任一其他表述前面有過渡性片語「包含(comprising)」、「包括(including)」或「含有(containing)」時，應理解，本文中亦涵蓋在列舉組合物、元件群、製程或方法步驟或任一其他表述之前具有過渡性片語「基本上由……組成」、「由……組成」或「選自由……組成之群」之相同組合物、元件群、製程或方法步驟或任一其他表述。
申請專利範圍中所有構件或步驟附加功能元件之相應結構、材料、動作及等效形式意欲包括任一用於組合所具體主張之其他主張元件實施功能之結構、材料或動作。本發明之說明已出於例示及說明之目的加以呈現，但並不意欲具有窮盡性或限定於呈所揭示形式之本發明。熟習此項技術者將明瞭許多修改及變化形式，此並不背離本發明之範圍及精神。選擇及闡述該(等)實施例以便最佳地解釋本發明之原理及實際應用，且使其他熟習此項技術者能夠理解本發明，從而得出具有適於所涵蓋之具體用途之各種修改之各種實施例。因此，儘管已依照實施例對本發明進行了闡述，但熟習此項技術者將認識到，本發明可在修改的情況下實施且在隨附申請專利範圍之精神及範圍內。
現在將詳細地參考某些所揭示標的物。儘管將結合所列舉之申請專利範圍來闡述所揭示標的物，但應理解，其並不意欲將所揭示標的物限定於彼等申請專利範圍。相反，所揭示標的物意欲涵蓋可包括在如由申請專利範圍所界定之目前所揭示標的物之範圍內的所有替代形式、修改及等效形式。
氰化氫(「HCN」)係根據安德盧梭法或藉由BMA法以工業規模製造。在安德盧梭法中，使含甲烷、氨及氧之原材料在高於1000℃之溫度下在觸媒存在下反應以產生包含HCN、氫、一氧化碳、二氧化碳、氮、殘餘氨、殘餘甲烷及水之粗製氰化氫產物。通常使用天然氣作為甲烷來源，同時可使用空氣、富集氧之空氣或純氧作為氧來源。觸媒通常為金屬絲網鉑/銠合金或金屬絲網鉑/銥合金。可使用其他觸媒組合物且包括(但不限於)鉑族金屬、鉑族金屬合金、受支撐之鉑族金屬或受支撐之鉑族金屬合金。亦可使用其他觸媒組態且包括(但不限於)多孔結構、絲網、小片、團塊、單塊、發泡體、浸漬塗層及洗滌塗層。在BMA法中，使用如美國專利第7,429,370號中所述且以引用方式併入本文中之鉑觸媒使甲烷及氨反應。
通常，圖1顯示HCN合成系統100。通常，HCN係在包括混合容器104及反應器容器106之反應總成102中產生。在安德盧梭法中，將包括含氧氣體進料流108、含甲烷氣體進料流110及含氨氣體進料流112之反應物氣體引入至混合容器104中。應注意，圖1中所示之進料位置係示意性的且並不意欲顯示將反應物進給至混合容器104之順序。在一些實施例中，含甲烷氣體進料流110及含氨氣體進料流112可在引入至混合容器104中之前組合。在BMA法中，反應物氣體包括引入至混合容器104中之含甲烷氣體進料流110及含氨氣體進料流112。在一個實施例中，混合容器104可含有一或多個用於產生充分混合之三元氣體混合物114之靜式混合區。
三元氣體混合物114排出混合容器104並接觸反應器容器106內所含之觸媒以形成含有HCN之粗製氰化氫產物116。觸媒可在觸媒床118內。在一個實施例中，可使用分佈器板120來將三元氣體混合物114運輸至反應器容器106中。分佈器板120亦可用來均勻地分佈三元氣體混合物及視需要進一步混合三元氣體混合物。氨可在氨回收區段122中自粗製氰化氫產物116回收並經由管線124返回。HCN可進一步在HCN精製區段126中精製至期望用途所需純度。在一些實施例中，HCN可為含有小於100重量ppm之水之高純度HCN。
用於本發明目的之充分混合之三元氣體具有跨越觸媒床之直徑小於0.1或較佳小於0.05且更佳小於0.01之變動係數(CoV)。就範圍而言，CoV可為0.001至0.1或較佳0.001至0.05。低CoV有益地增加轉化成HCN之反應物之生產率。CoV定義為標準偏差σ對平均值μ之比率。理想地，CoV將儘可能地低，例如小於0.1，例如，0.05。HCN單元可在高於0.1之CoV下操作，且0.2之CoV並不異常，即，在0.01至0.2或0.02至0.15範圍內。然而，在高於0.1之CoV下，操作成本較高且HCN產率較低，例如低2%至7%，此表現為在連續商業操作下每年可能損 失數百萬美元。充分混合之三元氣體有利地增加HCN之生產率並回報較高HCN產率。性能改良可藉由跨越觸媒床達成實質上均一之床溫度來獲得。
當CoV超過0.1時，反應物氣體之濃度可能超出觸媒床之安全操作範圍。例如，當在三元氣體中在較高氧濃度下操作時，較大CoV可能產生導致回閃之氧增加。另外，當CoV較大時，觸媒床可能暴露於較多甲烷，此可導致碳沈積物之聚集。碳沈積物可縮短觸媒壽命並降低性能。因此，對於較大CoV可能具有較高原材料要求。
混合容器可在50℃至120℃之溫度下操作。可在對反應物氣體進行預熱之混合容器中使用較高溫度，如本文所述。在一個實施例中，混合容器較佳在低於反應器容器之溫度下操作。混合容器之操作壓力可在130kPa至400kPa且更佳130kPa至300kPa之間廣泛地變化。除非另外指示為表壓，否則所有壓力皆為絕對壓力。通常，混合容器可在與反應器容器類似之壓力下操作。
在使混合容器內之壓力降最小化之條件下混合反應物氣體。在一個實施例中，混合容器中之壓力降小於35kPa，較佳小於25kPa。使壓力降最小化可降低三元氣體混合物之最大壓力且因此降低在爆炸事件中之潛在壓力。降低壓力降亦使與混合相關之能量(即，壓縮能量)最小化。
將反應物氣體供應至混合容器以提供具有1.2至1.6(例如，1.3至1.5)之氨對氧之莫耳比、1至1.5(例如，1.1至1.45)之氨對甲烷之莫耳比及1至1.25(例如，1.05至1.15)之甲烷對氧之莫耳比的三元氣體混合物。例如，三元氣體混合物可具有1.3之氨對氧及1.2之甲烷對氧之莫耳比。在另一實例性實施例中，三元氣體混合物可具有1.5之氨對氧及1.15之甲烷對氧之莫耳比。三元氣體混合物中之氧濃度可端視該等莫耳比而變化。因此，在一些實施例中，三元氣體混合物包含至少25 vol.%氧，例如，至少28vol.%氧。在一些實施例中，三元氣體混合物包含25vol.%至32vol.%氧，例如，26vol.%至30vol.%氧。可使用各種控制系統來調控反應物氣體流。例如，可使用量測反應物氣體進料流之流動速率、溫度及壓力並且允許控制系統向操作人員及/或控制裝置提供壓力及溫度補償流動速率之「即時」回饋的流量計。
熟悉此項技術者應瞭解，上述功能及/或過程可體現為系統、方法或電腦程式產品。例如，功能及/或過程可作為記錄在電腦可讀儲存器件中之電腦可執行程式指令實施，該器件在由電腦處理器擷取並執行時，控制計算系統以實施本文所述實施例之功能及/或過程。在一個實施例中，電腦系統可包括一或多個中央處理單元、電腦記憶體(例如，唯讀記憶體、隨機存取記憶體)及資料儲存器件(例如，硬磁碟機)。電腦可執行指令可使用任一適宜之電腦程式設計語言(例如，C++、JAVA等)編碼。因此，本發明態樣可呈完全為軟體之實施例(包括韌體、常駐軟體、微程式碼等)或組合軟體與硬體態樣之實施例之形式。
在一個實施例中，當混合反應物氣體時，期望避免混合容器中之副反應。副反應可包括甲烷或氨之氧化。亦應藉由在混合容器中維持大於三元氣體之火焰前緣之流動速度在混合容器中避免在不利操作條件下爆燃或爆炸之風險及影響。本文所用術語「爆燃」係指燃燒波相對於火焰正前方之不燃氣體以次音速速度傳播。「爆炸」係指燃燒波相對於火焰正前方之不燃氣體以超音速速度傳播。爆燃通常導致適度壓力上升，而爆炸可導致異常壓力上升。本發明提供有利之解決方案以快速且充分地混合反應物氣體，同時使混合期間之壓力降最小化並避免不期望之副反應，例如氧化及爆燃。
在圖2中，顯示混合容器104之剖視圖。混合容器104產生具有小於0.1之CoV之三元氣體混合物114，該三元氣體混合物經由近端(例如 下游端)排出並進入HCN反應器容器106中。在混合容器104之遠端，例如，上游端，提供壓力釋放調控器128，其更全面地論述於本文中。混合容器104包含細長導管130，該細長導管可在三元氣體之流動方向上延伸至反應器容器中。在一個實施例中，存在第一入口埠132，其亦稱為上部入口，用於引入至少一種選自由含甲烷氣體、含氨氣體、含氧氣體及其混合物組成之群之反應物氣體。較佳地，經由第一入口埠132引入含甲烷氣體110及含氨氣體112。亦可經由第二入口埠134(亦稱為下部入口)將額外反應物氣體引入至導管130中。在一個實施例中，經由第二入口埠134引入之反應物氣體可選自由含甲烷氣體、含氨氣體、含氧氣體及其混合物組成之群。較佳地，可經由第二入口埠134引入含氧氣體流108。如圖2中所示，第二入口埠134鄰近第一入口埠132。由於直至引入含氧氣體才形成三元氣體混合物，因此較佳在導管130中下游引入含氧氣體流108以減小三元氣體混合物之體積。
細長導管130進一步包含一或多個用於產生充分混合之三元氣體之靜式混合區。在一個實施例中，存在至少一個靜式混合區136，其毗鄰第一入口埠132定位。靜式混合區136提供含甲烷氣體110與含氨氣體112之混合，然後與含氧氣體108混合。靜式混合區136可形成甲烷及氨之二元氣體。亦存在至少一個靜式混合區138，其毗鄰或鄰近第二入口埠134定位。靜式混合區138混合含氧氣體與其他反應物氣體以產生三元氣體混合物。具體而言，靜式混合區138應實際上儘可能靠近反應器容器106中之反應器觸媒床(未顯示)安裝以使混合容器104中之三元氣體混合物之體積及停留時間最小化。
儘管在圖2中對於埠132及134顯示一個入口，但在一個實施例中可存在複數個第一入口埠及第二入口埠。圍繞細長導管130之整個圓周可存在多個進料入口。每一進料入口可與三元氣體混合物之流動方 向呈5至90°之角度。主反應物進料管線可連接至環繞複數個第一入口埠及/或第二入口埠之環形區(未顯示)。可存在複數個孔(未顯示)，其界定入口埠並將進料自環形區輸入細長導管130中。不受理論限制，當將反應物進給至混合容器104時，複數個孔可防止旋轉，即渦漩。
在另一實施例中，第一入口埠132及第二入口埠134可延伸至細長導管130之空腔中。此可允許將反應物引入至細長導管130之中部中。不受理論限制，經延伸入口可防止反應物穿過混合容器104而不接觸凸耳150。較佳地，進給含氧氣體108之第二入口埠134延伸至導管130之中部中。
靜式混合區136及138各自包含一或多列140不連續狹縫142。每一靜式混合區136及138可包含1至10列不連續狹縫142。在一個實施例中，第二靜式混合區138中之列數可大於或等於第一靜式混合區136中之列數。例如，第二靜式混合區138可具有1至3列。每列140可包含1至10個不連續狹縫142，且較佳包括2至6個不連續狹縫142。在每一列140內，不連續狹縫142較佳圍繞導管130之圓周均勻地間隔且不連續。當列數及/或每列中之凸耳150數增加時，混合容器104中之壓力降亦會增加。因此，期望使用列與凸耳之組合，其提供充分混合，同時維持小於35kPa之壓力降。在一個態樣中，混合容器之不連續狹縫142及因此凸耳150之總數可為4至24，例如，8至20或10至16。
鄰近第二靜式混合區138且在混合容器104之出口144之前，可存在空白空間146。空白空間146為三元氣體混合物留出非混合區域。空白空間146可具有0.1*d至10*d之高度，其中d係細長導管130之內徑。
在一個實施例中，不連續狹縫142可與三元氣體之流動方向對準或可呈l-形、I-形、T-形、U-形或V-形。如圖4A-4C中所示，支撐件148係條，例如，l-形或I-形，且延伸經過上游表面152之平面。在其他實施例中，當每一凸耳150具有一個以上支撐件148時，可使用V-形 或U-形不連續狹縫142。
凸耳150包含斜邊緣156，如圖4B中所示，該斜邊緣在不連續狹縫142上方延伸且緊靠細長導管130之內壁158，如圖3中所示。斜邊緣156亦可在支撐件148上方延伸。較佳地，斜邊緣156不接觸另一毗鄰列140之凸耳150。斜邊緣156之角度可由上游表面152之角度確定。
凸耳150可由諸如310SS及316SS等不銹鋼材料構築。
支撐件148可向凸耳150提供剛性以使得凸耳150在壓力變化下不變形。由於不連續狹縫142及凸耳150之配置及在細長導管130之內表面上缺乏黏合劑或焊接，因此凸耳150可具有剛性以在細長導管130中壓力變化後保持一定角度。當細長導管130內存在壓力變化時，該等凸耳可比表面焊接至導管130內部之彎曲圓角焊接混合凸耳更強。出於本發明之目的，凸耳在超過5MPa(例如，較佳超過13MPa)之壓力變化下不變形。在壓力條件恢復至正常操作條件後，凸耳保持其原來角度。因此，混合容器104在此等壓力變化下不發生混合效率降低。
不連續狹縫142係穿過導管130之開口，其中未進給反應物氣體。不連續狹縫142可機械加工至導管130中。凸耳150係穿過不連續狹縫142插入且凸耳150延伸至導管130之空腔中。延伸經過上游表面之平面之支撐件148可滑動地咬合至來自細長導管130之內部空腔之不連續狹縫142中。凸耳150可稱為透切式(through-cut)混合凸耳。將凸耳150緊固至導管130之外壁。較佳地，在插入凸耳150後，藉由黏合劑或焊接自導管130之外部緊固凸耳150。在緊固凸耳150後，沒有氣體洩漏穿過不連續狹縫142。與難以適當地對準及緊固之內部焊接不同，此顯著地提高將凸耳150定位在導管130內之效率及精確度。另外，此藉由允許自導管外部而非自導管內操作允許容易地插入凸耳。
當使每一靜式混合區之各列定位時，可在導管之外表面上研磨出凹槽且使不連續狹縫穿過該凹槽。在插入凸耳150後，凹槽可用焊 接金屬填充以緊固凸耳150。凸耳150可自導管內部插入且凸耳150及支撐件148可延伸穿過導管以在外部緊固凸耳150。
在一個實施例中，凸耳150具有在流動方向上成角度之上游表面152。自導管之內壁量測凸耳150之角度。角度可在5°至45°且更佳20°至35°之間變化。下游表面154可與上游表面具有類似角度。一列內之凸耳可具有實質上類似之角度，例如在±5°內。毗鄰列之間以及不同混合區之間之凸耳之角度可有所變化。在具有多列之混合區中，下游列之凸耳之角度可小於上游列中之凸耳之角度。在一個實例性實施例中，第一混合區136之凸耳可具有30°之角度且第二混合區138之凸耳可具有25°之角度。在另一實例性實施例中，第一混合區136之凸耳可具有30°之角度且第二混合區138之凸耳可具有45°之角度。限制每一凸耳150之表面152上游之表面積以防止壓力降增加且其通常可在50cm2至250cm2(例如，75cm2至150cm2)範圍內，此取決於凸耳及列之數量。當所有凸耳150之總表面積增加時，壓力降亦可增加。
另外，凸耳150無傾斜度，即未扭曲，且在導管130之內壁上對準而實質上平行於三元氣體混合物之流動。在一個實施例中，凸耳150之傾斜度係0°至7°，例如，0°至3°。具有大於8°之輕微傾斜度可導致差混合性能，此可導致床溫度變化增加及/或不合意之壓力降增加。因此，本發明之透切式不連續狹縫允許凸耳具有降低之傾斜度及降低床溫度變動之改良之性能。在一個實施例中，跨越床之床溫度變動可為15℃至25℃。
在反應器中之壓力失衡(upset)下，凸耳150定位於透切物內以耐受扭曲且在壓力失衡下不變形。此避免了以高代價延遲進行修復。若存在任一損壞，則可容易地去除受損凸耳並用新凸耳替換，該替換係藉由將新凸耳穿過不連續狹縫插入並自細長導管之外表面焊接來達成。
另外，靜式混合區內之凸耳可具有實質上類似之角度。對於不同靜式混合區中之不同列及凸耳，可使用不同角度。在實例性實施例中，第一靜式混合區136中之凸耳之角度不同於第二靜式混合區138內之凸耳之角度。增加角度可增加混合，但壓力降會有相應不合意之增加。細長導管130內之每一凸耳150不平行於流動方向。換言之，在導管130之空腔內，凸耳150不具有實質上平行於導管130之壁之表面。支撐件148可實質上平行於流動方向，但支撐件148位於下游表面154上且對混合不具有顯著影響。而是，將凸耳150及支撐件148穿過不連續狹縫142插入且將凸耳150緊固至導管130之外壁。沿著導管130之外壁，凸耳150可具有實質上平行於外壁之表面。
每一凸耳150可具有0.1至2.5cm(例如，0.5cm至1.5cm)之適宜厚度，以維持凸耳150之剛性。凸耳之後邊緣係凸耳自導管之內壁最遠延伸至混合區域中之邊緣。凸耳之後邊緣可視需要為圓形、錐形或正方形以提供必要混合。在一個實施例中，凸耳之後邊緣可為銳邊緣，例如刀形邊緣，具有30°至90°(例如，45°至90°)之角度。銳邊緣可增加混合容器104內之混合。具有小於30°之角度之鈍邊緣可不合意地增加混合容器內之壓力降。
導管130內之凸耳150作為流體箔操作，在反應物氣體流動穿過混合容器104之情況下，針對其上游表面152表現之流體壓力較大且針對其下游表面154表現之流體壓力降低。每一凸耳150之相互對置毗鄰面上之此流體壓力差使在每一凸耳150上方並經過每一凸耳150之縱向流重新定向，由此增加穿過導管130之流體之縱向流的徑向交叉流分量。每一凸耳之邊緣上方之流體流因成角度之上游面而使該流向內及向上偏轉，從而生成數對位於每一凸耳頂端之相對旋轉之主要為順流的渦流及與由單一凸耳生成之毗鄰順流渦流互連之下游髮夾式渦流。每一此對之渦流沿著兩個邊界表面之間之環形空間繞著大體沿縱向順 流流體流動方向定向之旋轉軸具有相互對置之旋轉。由靜式混合區136及138生成之紊流混合產生具有小於0.1之CoV之充分混合之三元氣體混合物。
在一個實施例中，當靜式混合區136及138包含超過兩列140時，來自每列之凸耳150可與毗鄰列橫向對準以達成期望混合效應。在一些實施例中可使用橫向偏位凸耳150，即「交錯」。
150之上游表面152之形狀可包括梯形、正方形、平行四邊形、半橢圓形、圓角正方形或矩形。在一個實施例中可使用具有梯形形狀之錐形凸耳。另外，凸耳可輕微彎曲或折彎。在一個實施例中，在主順流流之方向上，凸耳之縱長尺寸不超過凸耳寬度之兩倍。
混合容器104之尺寸可廣泛地變化且將在很大程度上取決於反應器容器106之容量。在本文所揭示之本發明之一個實例性實施例中，混合容器104之外部長度對直徑之比率在2至20(例如2至10)範圍內。混合容器之大小可有所變化，但可具有1m至5m(例如，1.2m至2.5m)之長度及5cm至60cm(例如，10cm至35cm)之內徑。
儘管存在圖2中所示之兩個入口埠及兩個靜式混合區，但在其他實施例中，可存在一個入口埠，具有一個靜式混合區。另外，可存在兩個入口埠，具有一個鄰近下部入口埠定位之靜式混合區。可在本發明範圍內使用入口埠及靜式混合器之其他組態。
三元氣體混合物114可自混合容器104進入反應器容器106之入口埠中。在一個實施例中，可存在一或多個用於在觸媒床上提供均勻分佈之三元氣體混合物之分佈器板120。消焰器亦可與分佈器板組合使用以在觸媒床上分佈三元氣體。較佳地，分佈器板不應在反應器容器中引起大於35kPa之壓力降，例如更佳小於25kPa之壓力降。在一個態樣中，存在一個在反應器容器內佈置於入口下游及消焰器上游之分佈器板。分佈器板之直徑可大於入口埠且小於反應器容器之最大直 徑。分佈器板具有由一或多個孔形成之空隙區域，該空隙區域係分佈器板之面積之至少50%至80%。空隙區域可在上游表面上具有凸起之圓錐形特徵以擴散三元氣體混合物。分佈器板亦可包含與入口埠之中心點對準、較佳同心對準之實心區域。在一個實施例中，分佈器板可為金屬絲網材料。
用於混合容器及凸耳之構築材料可有所變化且可為任一與三元氣體混合物相容之材料，其能夠耐受混合容器中之設計溫度及壓力而不會顯著降解，且不會促進三元氣體混合物中之氣體之反應。已使用包括310SS及316SS之不銹鋼構築材料獲得滿意結果。
在一個實施例中，藉由拋光彼等暴露於氣體流之表面以減小內表面之比表面積(粗糙度)來降低混合器之內表面之催化活性。例如，將一定內徑之混合容器機械加工成約125微英吋(3.2微米)之表面粗糙度(rms)顯著地降低催化活性。
混合容器104可提供有一或多個用於量測排出第一靜式混合區136及/或第二靜式混合區138之甲烷及氨之濃度的適宜分析器。此等在線及離線分析器為業內所熟知。此等分析器之非限制性實例包括紅外線分析器、傅立葉(Fourier)變換紅外線分析器、氣體層析分析器及質譜分析器。同樣，第二靜式混合區138可提供有一或多個用於量測三元氣體混合物中之氧濃度之適宜分析器。
在圖2中未顯示之可選實施例中，上部及下部入口132及134提供有具有自動閥之鈍氣連接件，以使得可在需要時吹掃連接至混合容器104之管線中之反應物，例如用於維護關斷或反應器關斷。
在一個實施例中，混合容器104亦可包含一或多個整流器(未顯示)。整流器可具有在氣體進料流接觸靜式混合區之前對準流之組態。此外，整流器跨越整流器維持實質上均一之速度剖面。整流器亦可圍繞導管130之整個區域分佈氣體並防止反應物氣體向下直接穿過 混合容器104之中部。
整流器在使用時可在第一入口埠132及/或第二入口埠134鄰近(例如，下游)定位。較佳地，整流器分別直接位於第一靜式混合區136中之第一列凸耳上游及第二靜式混合區138上游。
在一個實施例中，整流器可具有複數個在中部連接之徑向板。一些整流器可在中部具有中心主體以防止反應物氣體向下穿過細長導管之中部。中心主體可為圓錐形或角錐形。中心主體通常經定位以與混合容器之中心線至少部分地重疊。中心主體藉由拒絕穿過混合容器之中部之流動來有利地改良混合並迫使三元氣體混合物接觸自內壁延伸之凸耳。當防止氣體穿過混合容器之中部時，可改良每一靜式混合區中之三元氣體混合物之混合。
可將緊急壓力釋放調控器128(例如破裂盤)安裝在混合容器104之排氣管線160中。壓力釋放調控器128限制細長導管130中之壓力，且因此限制於第一靜式混合區136與觸媒床(未顯示)之間包含之總質量及位能，由此降低在不利操作條件下爆燃之影響或爆炸之風險及影響。在一個實施例中，壓力釋放調控器128具有混合容器104之110%至115%操作壓力之壓力釋放設定點。
當壓力釋放調控器128支撐於第一靜式混合區136之遠端上以與可延伸至堆疊162之排氣管線160連通時，獲得良好結果。因此，在混合容器104中存在過量壓力聚集時，壓力釋放調控器128打開且經加熱氣體自反應容器106及混合容器104排出。可使用氮吹掃流來吹掃穿過壓力釋放調控器128之蒸氣體積。
在製造HCN時，反應物氣體各自分別經由適宜之進料準備系統170、172及174處理，如圖5中所示。各別反應物氣體之來源可經由業內已知之任一適宜遞送系統(例如管線、卡車、船或軌道及諸如此類)遞送至每一各別進料準備系統。
如圖5中所示，含氧來源176可自氧進料準備系統170供應，該氧進料準備系統包括用以調控引入至該方法中之含氧來源176之壓力之裝備，及用以自未過濾之含氧來源176去除細粒子之過濾器。增加含氧來源176之氧含量可有利於增加反應產率及減小處理裝備之大小。增加空氣之氧含量亦增加通常在空氣中可燃之物質之可燃性。進料流中夾帶之金屬粒子(例如鐵或鋼)及/或其他污染物及副產物若不去除，則可引起氧管路火災。可使用任一適宜機制自未過濾之含氧來源176去除夾帶之金屬粒子及其他污染物，例如，過濾、旋風分離器、聚結器、除濕器及除霧器。當含氧進料氣體之來源需要壓縮時，使用熟習此項技術者已知之無油壓縮器及密封設計亦可減小污染。對於富集氧之空氣而言，可能需要壓縮器。
本文所用術語「空氣」係指組成與取自通常在地面高度之大氣之氣體之天然組成大致相同的氣體混合物。在一些實例中，空氣取自周圍環境。空氣之組成包括約78vol.%氮、約21vol.%氧、約1vol.%氬及約0.04vol.%二氧化碳以及少量其他氣體。
本文所用術語「富集氧之空氣」係指組成包含超過存於空氣中之氧的氣體混合物。富集氧之空氣之組成包括大於21vol.%之氧、小於78vol.%之氮、小於1vol.%之氬及小於0.04vol.%之二氧化碳。在一些實施例中，富集氧之空氣包含至少28vol.%氧，例如，至少80vol.%氧、至少95vol.%氧或至少99vol.%氧。
在含氧來源176中使用高氧濃度(即，低濃度之惰性物質，例如氮)提供降低原本為處理大量惰性氮所必需之下游裝備之大小及操作成本之機會。在一個實施例中，含氧氣體包含大於21vol.%之氧，例如大於28vol.%之氧、大於80vol.%、大於90vol.%、大於95vol.%或大於99vol.%之氧。在本文中出於清晰性目的，每當使用術語「富集氧之空氣」時，該術語皆意欲涵蓋大於21vol.%直至且包括100vol.% (即，純氧)之氧含量。每當使用術語「含氧氣體進料流」時，該術語皆意欲涵蓋21vol.%直至且包括100vol.%(即，純氧)之氧含量。
當含氧來源176之氧含量增加時，可更小心地控制含甲烷來源178之純度。熟習此項技術者會理解，甲烷之來源可有所變化且可自可再生來源(例如填埋場、農場、來自發酵之生質物氣體)或自化石燃料(例如天然氣、伴油氣體(oil accompanying gas)、煤氣及氣體水合物)獲得，如以下文獻中所進一步闡述：VN Parmon,「Source of Methane for Sustainable Development」，第273-284頁；及Derouane編輯，Sustainable Strategies for the Upgrading of Natural Gas：Fundamentals,Challenges,and Opportunities(2003)。出於本發明之目的，含甲烷來源178之甲烷純度及一致組成非常重要。甲烷可以純化狀態、以半純化狀態或以不純狀態遞送至HCN合成系統100。
例如，天然氣係甲烷之不純狀態。亦即，天然氣係實質上含甲烷之氣體，其可用於提供在本發明方法中製造之HCN之碳元素。然而，除甲烷以外，天然氣亦可含有污染物，例如硫化氫、二氧化碳、氮、水及較高分子量烴，例如乙烷、丙烷、丁烷、戊烷等，所有該等污染物在存在時皆對HCN之製造有害。天然氣組成可隨來源而顯著變化。由管線提供之天然氣之組成亦可隨時間且甚至在短時間間隔內顯著改變，此乃因來源係承接自管線並自管線引出。此組成變動導致難以維持最佳且穩定之處理性能。當經由含氧來源176之氧富集降低惰性物質負載時，HCN合成方法對於該等變動之敏感性變得更嚴重。
參考圖5，含甲烷來源178可自甲烷進料準備系統172供應，該甲烷進料準備系統包括用於以下目的之裝備：濃縮甲烷，自天然氣去除較高分子量烴、二氧化碳、硫化氫及水，並過濾天然氣以去除細粒子。例如，天然氣之純化提供甲烷高度濃縮且組成及燃料值之可變性顯著降低之含甲烷氣體進料流110。與使用未純化之含甲烷氣體進料 流相比，經純化含甲烷氣體110在與含氧氣體108及含氨氣體112混合時，在HCN合成期間提供以較高預測性反應之三元氣體混合物。含甲烷氣體之更一致之純化及控制穩定製程並允許測定及控制甲烷/氧及氨/氧之最佳莫耳比，此進而產生HCN之較高產率。
使用經純化天然氣獲得含甲烷氣體進料流110(即，含實質上純淨之甲烷者)以產生HCN亦增加觸媒壽命及HCN之產率。具體而言，使用含實質上純淨之甲烷之氣體110：(1)降低諸如硫、CO2及H2O等雜質之濃度，該等雜質具有有害下游效應或不具有製程益處；(2)將剩餘組成穩定於一致水準，從而(a)允許將下游HCN合成最佳化及(b)藉由緩解HCN合成步驟之大的溫度偏差使得能夠使用含高度富集之氧或純氧之氣體，該等偏差通常與高級烴含量變動有關且對最佳產率及可操作性有害(例如損壞觸媒、互鎖及損失可操作時間)，及(3)減少高級烴(即，C2及高級烴)以使合成反應中之高級腈(例如乙腈、丙烯腈及丙腈)之形成及去除腈期間HCN之相關產率損失最小化。
另外，使用含實質上純淨之甲烷之氣體110(1)消除或最小化原料之可變性(即，其穩定碳及氫含量以及燃燒值)且由此穩定整個HCN合成系統100，從而允許測定及控制用於穩定操作之最佳甲烷對氧及氨對氧莫耳比及最有效之HCN產率；(2)消除或最小化相關溫度峰值及所致觸媒損壞；及(3)使二氧化碳最小化，由此降低在氨回收製程及來自氨回收製程之回收或再循環氨流中發現之二氧化碳的量，該氨回收製程可在反應器容器106下游。消除或最小化此一氨回收製程及回收或再循環氨流中之二氧化碳降低胺基甲酸鹽形成之可能性，該形成引起管道及其他處理裝置之堵塞及/或結垢。
在混合容器104中與含氧氣體108及含甲烷氣體110混合之前，經由新鮮氨進料準備系統174處理「補充」或新鮮之氨流180。通常，新鮮氨進料準備系統174之主要功能係在將含氨氣體112引入至混合容器 104中之前自新鮮氨流180去除諸如水、油及鐵等污染物。含氨氣體112之污染物可縮短觸媒壽命，從而導致差反應產率。新鮮氨進料準備系統174可包括處理裝備，例如氣化器及過濾器，用於「補充」或新鮮之氨流180以提供經處理新鮮氨流112。
例如，市售液氨可在氣化器中處理以提供部分純化之氨蒸氣流及含有水、鐵、鐵微粒及其他不揮發雜質之第一液體流。可使用氨分離器(例如除氨器(ammonia demister))來分離存於部分純化之氨蒸氣流中之雜質及任一液體以產生經處理新鮮氨流(實質上純淨之氨蒸氣流)及含有存於部分純化之氨蒸氣流中之夾帶之雜質及任一液氨的第二液體流。
在一個實施例中，將含有水、鐵、鐵微粒及其他不揮發雜質之第一液體流進給至第二氣化器，其中將一部分液體流氣化以產生部分純化之第二氨蒸氣流及含有水、鐵、鐵微粒及其他不揮發雜質之更高濃度之第二液體流，該第二液體流可作為吹掃或廢物流經進一步處理。可將部分純化之第二氨蒸氣流進給至氨分離器。在另一實施例中，將含有水、鐵、鐵微粒及其他不揮發雜質之更高濃度之第二液體流進給至第三氣化器以進一步降低氨含量，然後作為吹掃或廢物流處理。
氣化器中之泡沫形成可限制氨之氣化速率並降低所產生氨蒸氣之純度。通常藉由將消泡劑直接引入至氣化器中或引入至氣化器進料流中延遲泡沫形成。消泡劑屬於能夠消除或顯著降低液體及/或液體與氣體之混合物形成泡沫之能力的一大類聚合材料及溶液。消泡劑藉由降低溶液表面張力來抑制攪拌液體中形成氣泡。消泡劑之實例包括聚矽氧、有機磷酸酯及醇。在一個實施例中，將足量消泡劑添加至新鮮氨流以在新鮮氨流180中維持在2mpm至20mpm範圍內之消泡劑濃度。消泡劑之非限制實例係由Unichem of Hobbs,NM製造之 UNICHEM 7923。
新鮮氨進料準備系統174亦可提供有過濾系統，用於自經處理新鮮氨流180去除微粒以防止反應器容器106中之觸媒中毒。過濾系統可為單個過濾器或複數個過濾器。
亦在氨回收區段112中作為再循環氨流124分離並回收氨，該再循環氨流可在再循環氨進料準備系統182中單獨地處理。再循環氨進料準備系統182可包括用於過濾及加熱再循環氨流124以產生經處理再循環氨流124之處理裝備。加熱攜載再循環氨流124之管道有助於防止在管道壁內部上沈積。經處理再循環氨流124可與經處理新鮮氨流112組合。
發生於反應容器106中之HCN合成反應係在1000℃至1250℃範圍中之反應溫度及100kPa至400kPa範圍中之壓力下進行之放熱反應。觸媒通常為金屬絲網鉑/銠合金或金屬絲網鉑/銥合金。在一個態樣中，85/15鉑/銠合金可在平坦觸媒支撐件上使用。90/10鉑/銠合金可與相比於平坦觸媒支撐件具有增加之表面積之波紋支撐件一起使用。可使用其他觸媒組合物且包括(但不限於)鉑族金屬、鉑族金屬合金、受支撐之鉑族金屬或受支撐之鉑族金屬合金。亦可使用其他觸媒組態且包括(但不限於)多孔結構、絲網、小片、團塊、單塊、發泡體、浸漬塗層及洗滌塗層。在反應容器中將觸媒加載至在0.7至1.4(g觸媒)/(kg進料氣體/hr)範圍中之觸媒負載。使三元氣體混合物與反應容器中之觸媒接觸以提供含有氰化氫之反應產物，例如，粗製氰化氫產物。
在一個實施例中，能夠將經加熱三元氣體轉化成HCN之觸媒床係由支撐件總成支撐，該支撐件總成係由能夠減少矽化鉑形成並將反應器之管道之抗熱應力性及結垢最佳化的材料形成。觸媒支撐件總成實質上毗鄰觸媒床佈置。消焰器在空間上佈置於觸媒床上方以在二者 之間提供間隔。消焰器淬滅因內反應室內之回閃所致之任一上游燃燒。陶瓷發泡體沿界定內反應室之外殼之至少一部分內壁及觸媒佈置。當關斷反應器時，陶瓷發泡體使得因觸媒收縮所致之進料氣體繞行最小化。佈置於觸媒床上方之陶瓷發泡體發揮功能以使三元氣體體積最小化，降低壓力降並淬滅反應器操作期間形成之自由基。套管佈置在外殼之每一出口中且在觸媒床與廢熱鍋爐之上部之間提供流體連通。具有實質上呈蜂窩組態以降低跨越底部支撐件(undersupport)之壓力降的底部支撐件實質上毗鄰觸媒支撐件之下部表面佈置。
消焰器可由業內已知之任一適宜材料製得，只要消焰器能夠實施任一以下功能即可：(1)在來自觸媒床之回閃事件中淬滅上游燃燒；(2)用作流動分佈器以確保跨越觸媒床之均勻流動及消除可能回閃之低氣體速度區域；(3)用作空間填充物以減小反應器中反應物之體積，從而使其中之位能最小化；及/或在熱觸媒床與在反應器上部中之三元氣體混合物之間提供熱絕緣。所用消焰器可由以下材料製造：(1)具有最小催化效應，(2)在用於製造HCN之溫度下熱穩定，(3)不會分解氨且(4)不會起始氧化。可用於構築消焰器之材料之實例係任一適宜形式之陶瓷耐火材料，包括(但不限於)：陶瓷丸、陶瓷發泡體、陶瓷纖維毯、氧化鋁-矽石耐火非織造毯、其組合及諸如此類。適宜陶瓷耐火材料組合物之非限制性實例包括90wt.%氧化鋁、94wt.%氧化鋁及95wt.%氧化鋁。另外，當使用丸作為構築消焰器中之材料時，丸之大小及形狀可有所變化，前提為用於消焰器中之丸能夠實施上文所提及之功能。
應注意，使用消焰器實質上降低經加熱三元氣體混合物經由自爆燃轉變成爆炸而變得可爆炸之可能性。例如，若測定三元氣體混合物在304kPa及100℃下之火焰速度係1.2m/sec，則預熱三元氣體混合物穿過消焰器(例如，含有3/8-英吋(9.5mm)直徑丸之丸床)之表觀速 度應實質上大於1.2m/sec，由此防止火焰前進穿過丸床。儘管用於丸床中之丸之大小可廣泛地變化，但丸之直徑大小通常為1/8英吋至1/2英吋(3mm至13mm)。
選擇消焰器之特性(例如丸床之深度)以平衡三元氣體混合物之增加之速度及消焰器與觸媒床之間之減小之開放空間與預熱三元氣體混合物跨越消焰器之壓力降，由此使爆燃中可能釋放之能量最小化，而不會實質上損害向混合容器中之壓力釋放器件之回流。在一個實施例中，丸床之深度係至少0.4m。
根據上文闡述，可明瞭本發明非常適於實施目標及獲得本文所提及之優點以及目前所提供揭示內容中固有之優點。儘管已出於本發明之目的闡述本發明之較佳實施例，但應理解，可做出熟習此項技術者可容易地想到且在本發明精神內達成之變化。
可藉由參考以下實例來進一步理解本發明。
實例1
如圖2中所圖解說明，將複數個具有l-形支撐件之凸耳穿過細長導管上之相應不連續狹縫插入以形成第一靜式混合區中之一列四個凸耳及第二靜式混合區中之三列四個凸耳，從而形成混合容器。第一靜式混合區定位於含有甲烷及氨之氣體之入口埠之間且第二靜式混合區定位於含氧氣體之入口埠與出口埠之間。除第二靜式混合區中之底部列(其中凸耳具有25°±1°之角度)外，每一凸耳皆具有30°±1°之角度。每一凸耳具有約77.5cm2之表面積。將每一凸耳自細長導管內部插入且焊接至細長導管之外表面。來自一列之凸耳與毗鄰列對準且來自第一混合區之凸耳與來自第二混合區之凸耳對準。凸耳之傾斜度係0°至3°。此形成實例性混合容器以產生三元氣體混合物。
混合容器亦具有安裝在排氣管線中之破裂盤。具有四個徑向板及一個中心主體之整流器定位於第一靜式混合區上游。具有四個徑向 板及一個中心主體之第二整流器定位於第二靜式混合區上游及含氧氣體入口下游。
比較實例A
比較靜式混合器與實例1中之實例性混合容器具有相同凸耳數量及列組態，只是凸耳焊接至細長導管之內表面。比較靜式混合器無不連續狹縫。凸耳之傾斜度大於8°，此導致靜式混合器中之旋轉增加及差的混合。
實例2
將含甲烷及氨之反應物氣體進給至第一靜式混合區且將含氧反應物氣體進給至第二靜式混合區。以1.2之甲烷對氧之莫耳比及1：1.5之氨對氧之莫耳比進給反應物氣體，以產生含有約28.5vol.%氧之三元氣體混合物。然後將三元氣體混合物進給至在平坦觸媒床上具有85/15鉑/銠觸媒之反應器容器。反應溫度係1000℃至1200℃。使用實例1之實例性混合容器，三元氣體混合物具有跨越觸媒床小於0.1之變動係數(CoV)。靜式混合器之操作壓力可在130kPa至400kPa之間變化。另外，實例1之實例性混合容器內之壓力降小於35kPa。
實例3
使用實例1之實例性混合容器且在與實例2類似之反應條件下，觸媒床具有跨越床15℃至25℃之床溫度變動。此床溫度變動將指示充分混合之三元氣體混合物。相反，在與實例2類似之反應條件下，比較A之靜式混合器產生將導致跨越床35℃至100℃之床溫度變動之三元氣體混合物。比較A之靜式混合器之差混合可歸因於難以藉由焊接至細長導管之內部對準凸耳。
實例4
使用實例1之實例性混合容器且在與實例2類似反應條件下，反應器失衡引起估計大於13MPa之急劇壓力增加，此會衝破破裂盤。 實例1之實例性混合容器中之凸耳耐受壓力失衡且不變形。凸耳維持其形狀且傾斜度保持為0°至3°。相反，比較A之靜式混合器之凸耳不能經受壓力失衡且會變形。此需要替換受損凸耳及/或替換混合容器，從而產生製造HCN中之停機時間。
實例5
測試實例1之實例性混合容器以測定在插入凸耳並焊接後是否有任何含氧氣體、含甲烷氣體或含氨氣體洩漏穿過16個不連續狹縫。將該等氣體進給至混合容器且將混合容器密封並加壓。使用檢測器來測定是否有任何氣體正自混合容器洩漏。未觀察到洩漏。
實例6
將複數個具有l-形支撐件之凸耳穿過細長導管上之相應不連續狹縫插入以形成靜式混合區中之四列四個凸耳，該靜式混合區定位於含氧氣體之入口埠與出口埠之間。與實例1不同，沒有凸耳定位於含甲烷氣體及含氨氣體之入口埠之間。除底部列(其中凸耳具有25°±1°之角度)外，每一凸耳皆具有30°±1°之角度。每一凸耳具有約77.5cm2之表面積。自細長導管內部插入每一凸耳且自細長導管之外表面焊接。來自一列之凸耳與毗鄰列對準。凸耳之傾斜度係0°至3°。此形成實例性混合容器以產生三元氣體混合物。在與實例2類似之反應條件下，CoV高於實例2，從而指示降低之混合效率。
100‧‧‧HCN合成系統
102‧‧‧反應總成
104‧‧‧混合容器
106‧‧‧反應器容器
108‧‧‧含氧氣體進料流
110‧‧‧含甲烷氣體進料流
112‧‧‧含氨氣體進料流
114‧‧‧三元氣體混合物
116‧‧‧粗製氰化氫產物
118‧‧‧觸媒床
120‧‧‧分佈器板
122‧‧‧氨回收區段
124‧‧‧管線
126‧‧‧HCN精製區段

Claims (15)

  1. 一種製造氰化氫之方法，其包含：將含甲烷氣體、含氨氣體及含氧氣體引入至細長導管中以產生三元氣體混合物，該細長導管包含一或多個具有至少一個不連續狹縫之靜式混合區，凸耳穿過該不連續狹縫插入且緊固至該細長導管之外表面，及使該三元氣體混合物與觸媒床中之觸媒接觸以提供包含氰化氫之反應產物。
  2. 如請求項1之方法，其中該引入步驟包含：在包含一或多個第一列該等不連續狹縫之第一靜式混合區中混合該含甲烷氣體與該含氨氣體以形成二元氣體混合物；及在第二靜式混合區中混合該含氧氣體與該二元氣體混合物以形成該三元氣體混合物，其中該第二靜式混合區包含一或多個第二列該等不連續狹縫。
  3. 如請求項1之方法，其中該三元氣體混合物具有跨越該觸媒床之直徑小於0.1、較佳跨越該觸媒床之直徑小於0.05之變動係數。
  4. 如請求項1之方法，其進一步包含使該含甲烷氣體、該含氨氣體及/或該含氧氣體在該一或多個靜式混合區之前穿過整流器，其中該整流器具有中心主體。
  5. 如請求項1之方法，其中該凸耳在插入後與該導管之內壁具有5°至45°之角度。
  6. 如請求項1之方法，其中該細長導管具有4至24個不連續狹縫。
  7. 如請求項1之方法，其中該等不連續狹縫係呈l-形、I-形、T-形、U-形或V-形。
  8. 如請求項1之方法，其中該凸耳係藉由在該細長導管之該外表面 上形成之焊接接頭緊固至該不連續狹縫。
  9. 如請求項1之方法，其中該細長導管中之壓力降小於35kPa。
  10. 如請求項1之方法，其中該凸耳具有0°至7°、較佳0°至3°且更佳0°至1°之傾斜度。
  11. 如請求項1之方法，其中該凸耳具有剛性以在該細長導管中壓力變化後保持一定角度。
  12. 如請求項1之方法，其中該三元氣體混合物包含至少25vol.%氧。
  13. 如請求項1之方法，其中該三元氣體混合物具有1.2至1.6之氨對氧之莫耳比及1至1.25之甲烷對氧之莫耳比。
  14. 如請求項1之方法，其中該混合容器係在50℃至120℃之溫度下操作。
  15. 如請求項1之方法，其中未自該內部空腔提供焊接或黏合劑來緊固該凸耳。
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