專(zhuān)利名稱(chēng)：制備光氣的反應(yīng)器和方法
制備光氣的反應(yīng)器和方法本發(fā)明涉及一種通過(guò)一氧化碳和氯在固態(tài)催化劑存在下的氣相反應(yīng)來(lái)制備光氣的反應(yīng)器和方法。在工業(yè)中，光氣是通過(guò)一氧化碳和氯在固態(tài)催化劑(優(yōu)選活性炭)存在下的催化氣相反應(yīng)來(lái)制備的。所述反應(yīng)劇烈放熱；生成焓為-107.6kJ/mol。所述反應(yīng)一般是在管殼式反應(yīng)器中使用UllmannsEnzyklopSdie der technischen Chemie,A 19卷，第413-414
頁(yè)中所描述的方法進(jìn)行。根據(jù)該參考文獻(xiàn)，粒徑為3至5mm的顆粒催化劑被用于內(nèi)徑為50 至70mm的管中。所述反應(yīng)從40至50°C開(kāi)始，管中的溫度增加至約580°C并隨后下降。一氧化碳是以小量過(guò)量使用，以便確保所有的氯均反應(yīng)并獲得不含氯的光氣。所述反應(yīng)可在大氣壓或超大氣壓下進(jìn)行，經(jīng)常在2至^ar下進(jìn)行，以便能夠用冷卻水來(lái)冷凝光氣。在幾乎所有的化學(xué)分支中，光氣是制備中間體和最終產(chǎn)物的重要助劑。就數(shù)量而言，使用的最大領(lǐng)域是聚氨酯化學(xué)的二異氰酸酯的制備，特別是甲苯二異氰酸酯和4，4_ 二異氰?；交淄?。為了經(jīng)由催化劑管之間的傳熱介質(zhì)的循環(huán)來(lái)更好地移除反應(yīng)熱量，在催化劑管之間安裝有偏轉(zhuǎn)板，以便引導(dǎo)傳熱介質(zhì)橫向地流動(dòng)至催化劑管上。用于光氣制備的已知的管殼式反應(yīng)器具有全套的管，以實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器內(nèi)部空間的最大利用。在催化劑管之間，它們具有被保持為相對(duì)短的偏轉(zhuǎn)板，即，它們并不伸展至反應(yīng)器偏轉(zhuǎn)區(qū)域中反應(yīng)器的內(nèi)壁，而是留下約25至30%的總的反應(yīng)器橫截面的空間，以便限制傳熱介質(zhì)的壓降，并因此限制用于傳熱介質(zhì)的循環(huán)泵的操作成本。在偏轉(zhuǎn)區(qū)域中，傳熱介質(zhì)在催化劑管周?chē)牧鲃?dòng)形式從在管上的橫向流動(dòng)改變?yōu)檠刂艿目v向流動(dòng)。催化劑管的冷卻并不有效，由此導(dǎo)致在偏轉(zhuǎn)區(qū)域中的催化劑管上出現(xiàn)腐蝕問(wèn)題。WO 03/072237描述了一種制備光氣的改進(jìn)的反應(yīng)器，其通過(guò)避免在偏轉(zhuǎn)區(qū)域中的催化劑管上出現(xiàn)腐蝕問(wèn)題而使得比橫截面負(fù)載增加并因此可能具有更高的容量。為此，WO 03/072237提出了一種反應(yīng)器，其具有一束催化劑管和多個(gè)偏轉(zhuǎn)板，所述一束催化劑管被布置為在反應(yīng)器的縱向上彼此平行并且它們的末端通過(guò)位于反應(yīng)器的兩個(gè)端部的每一個(gè)處的帽被固定在管板中，所述多個(gè)偏轉(zhuǎn)板被布置為垂直于反應(yīng)器的縱向方向并處于催化劑管之間的中間空間內(nèi)，且在反應(yīng)器內(nèi)壁的交替相對(duì)側(cè)面上具有開(kāi)口，其中催化劑管被填充有固態(tài)催化劑，氣態(tài)反應(yīng)混合物從反應(yīng)器的一個(gè)端部經(jīng)由帽穿過(guò)催化劑管并且從反應(yīng)器的相對(duì)端部經(jīng)由第二帽離開(kāi)，液體傳熱介質(zhì)穿過(guò)催化劑管周?chē)闹虚g空間，并且反應(yīng)器在開(kāi)口區(qū)域中不具有管。然而，已發(fā)現(xiàn)，對(duì)于具有較大直徑的反應(yīng)器，特別是反應(yīng)器直徑為約3. 50m以上， 隨著反應(yīng)器直徑的增加，在反應(yīng)器橫截面上從位于反應(yīng)器內(nèi)壁處的一個(gè)開(kāi)口至位于反應(yīng)器內(nèi)壁處的相對(duì)開(kāi)口流過(guò)殼內(nèi)空間的傳熱介質(zhì)所經(jīng)歷的壓降變得太大。此外，傳熱介質(zhì)的損失和因此在由于制造原因而存在的催化劑管的外壁和偏轉(zhuǎn)板之間的間隙上的壓降也變得太大。因此，用于傳熱介質(zhì)的泵的費(fèi)用變得太大。此外，在反應(yīng)器的內(nèi)壁上的兩個(gè)相對(duì)開(kāi)口之間的反應(yīng)器橫截面上的大的壓降導(dǎo)致在催化劑管和傳熱介質(zhì)之間的界面上的傳熱系數(shù)的較大差異，這可使得在反應(yīng)器橫截面內(nèi)具有良好熱傳遞的區(qū)域和具有較差熱傳遞的區(qū)域之間出現(xiàn)1 2的因數(shù)。結(jié)果，在具有較差熱傳遞的區(qū)域中的催化劑管冷卻較差。然而，由于催化劑管具有——取決于所使用的材料(特別是雙煉鋼(duplex steel))——最大操作溫度，該最大操作溫度通常在約160至 2000C的范圍內(nèi)，特別是170至180°C，且不準(zhǔn)被超過(guò)，否則材料的腐蝕會(huì)極大地增加，所以具有較差熱傳遞的區(qū)域限制通過(guò)量并因而限制反應(yīng)器的容量。在具有很大直徑(自2. 5m最高達(dá)6m的直徑)的光氣反應(yīng)器的情況下，傳熱介質(zhì)的損失和由通過(guò)偏轉(zhuǎn)板和催化劑管之間間隙的旁通流導(dǎo)致的壓降經(jīng)常變得太大，以至于在反應(yīng)器中央?yún)^(qū)域中的內(nèi)部管周?chē)牧髁坎辉俪渥悖纱诉@些管不再被充分冷卻并因此存在腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。因此，本發(fā)明的目標(biāo)是提供一種工業(yè)規(guī)模制備光氣的方法和一種反應(yīng)器，該反應(yīng)器可在高光氣負(fù)載量下操作并且仍確保甚至在反應(yīng)器中央?yún)^(qū)域中催化劑管的足夠冷卻。所述目標(biāo)是通過(guò)用一氧化碳和氯在固態(tài)催化劑存在下的氣相反應(yīng)來(lái)制備光氣的反應(yīng)器而實(shí)現(xiàn)的，該反應(yīng)器設(shè)有多個(gè)催化劑管，所述多個(gè)催化劑管被布置為在反應(yīng)器的縱向方向上彼此平行并在其兩端的每一端處被焊接至管板，其中各自都經(jīng)由帽在催化劑管的上端引入起始材料并在催化劑管的下端排出氣態(tài)反應(yīng)混合物，并且該反應(yīng)器還在殼內(nèi)的催化劑管之間的空間中具有用于液體傳熱介質(zhì)的引入和排出設(shè)備，其中由于存在偏轉(zhuǎn)板，傳熱介質(zhì)在殼內(nèi)催化劑管之間的空間中是曲折流動(dòng)的，每個(gè)交替的偏轉(zhuǎn)板都在反應(yīng)器內(nèi)壁的相對(duì)側(cè)上具有弓形的兩個(gè)開(kāi)口，并且緊隨其后的偏轉(zhuǎn)板具有由兩條彼此平行且平行于反應(yīng)器直徑且等距的直線(xiàn)限定的中央開(kāi)口，其中反應(yīng)器在具有弓形形狀的開(kāi)口的區(qū)域中和在中央開(kāi)口的區(qū)域中不含有管，其中在反應(yīng)器的縱向方向彼此平行的多個(gè)催化劑管被布置為兩束相同的催化劑管，這兩束催化劑管通過(guò)一個(gè)不含有催化劑管并沿著反應(yīng)器直徑延伸至兩側(cè)的區(qū)域彼此分隔，并且通過(guò)使各自在傳熱介質(zhì)的流動(dòng)方向上從第一個(gè)催化劑管至最后一個(gè)催化劑管測(cè)量的每個(gè)反應(yīng)器橫截面中的傳熱介質(zhì)的流動(dòng)路徑借由催化劑管的變化布置而彼此一致，進(jìn)而使得催化劑管和傳熱介質(zhì)之間的界面處的傳熱系數(shù)在每個(gè)反應(yīng)器橫截面上相等。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，所述兩束相同的催化劑管各自被分成另外的兩束相同催化劑管，使得總共存在四束催化劑管，這四束催化劑管通過(guò)不含催化劑管并在反應(yīng)器相互垂直的直徑的兩側(cè)上延伸的兩個(gè)區(qū)域而彼此分隔。在此，偏轉(zhuǎn)板的幾何形狀優(yōu)選與管平面的幾何形狀一致，即，催化劑管在反應(yīng)器橫截面上的布置。圍繞所述四束催化劑管中每一個(gè)的空間各自都優(yōu)選設(shè)有用于傳熱介質(zhì)的專(zhuān)用入口和出口。在另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，各自在傳熱介質(zhì)的流動(dòng)方向上從第一個(gè)催化劑管至最后一個(gè)催化劑管測(cè)量的每個(gè)反應(yīng)器橫截面中傳熱介質(zhì)的流動(dòng)路徑通過(guò)安裝tt管(dummy tube)而進(jìn)一步彼此一致。已發(fā)現(xiàn)，將所述催化劑管束分為兩個(gè)或四個(gè)相同區(qū)域，這些區(qū)域由不含偏轉(zhuǎn)板且由此傳熱介質(zhì)可極大地不受干擾地循環(huán)通過(guò)的區(qū)域分隔，使得可實(shí)現(xiàn)傳熱介質(zhì)在催化劑管上流動(dòng)的進(jìn)一步改進(jìn)，并因此實(shí)現(xiàn)每個(gè)反應(yīng)器橫截面上傳熱系數(shù)α的進(jìn)一步均等化。這使得具有甚至更大直徑和甚至更高光氣負(fù)載量的光氣反應(yīng)器能夠不出問(wèn)題地運(yùn)行，并且催化劑管不會(huì)腐蝕。對(duì)于傳熱介質(zhì)在兩個(gè)偏轉(zhuǎn)板之間的反應(yīng)器外部空間中的流動(dòng)，在反應(yīng)器橫截面內(nèi)，從一個(gè)不含管的區(qū)域(開(kāi)口 )至相對(duì)的不含管的區(qū)域，在每種情況下，反應(yīng)器的內(nèi)壁處的壓降對(duì)于傳熱介質(zhì)的所有流動(dòng)路徑是相同的。壓降Δ ρ可通過(guò)以下方程式描述Δρ = l/ ^ζ, ‘ η · ν+ζ2 · P/2 ν2),其中Δρ是以帕計(jì)的壓降，(工和ζ 2為無(wú)因次壓降系數(shù)，1為以m計(jì)的流動(dòng)路徑的長(zhǎng)度，dK為以m計(jì)的催化劑管的直徑(特征參數(shù))，P為以kg/m3計(jì)的密度，ν為以m/s計(jì)的速度，Π為以I^a· s計(jì)的粘度。在上式中，首項(xiàng)對(duì)應(yīng)于與粘度成比例的壓降的層流部分，第二項(xiàng)對(duì)應(yīng)于與速度的平方成比例的湍流部分。在不變的條件下，特別是管的分布相同時(shí)，由于壓降對(duì)于每個(gè)流動(dòng)路徑是相同的， 因此傳熱介質(zhì)的流速——根據(jù)壓降的上述方程式——對(duì)于較短的流動(dòng)路徑相應(yīng)更大，對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的反應(yīng)器的管板的中間與反應(yīng)器內(nèi)壁的流動(dòng)路徑相比就是如此，所述現(xiàn)有技術(shù)的反應(yīng)器具有呈圓的弦形式的催化劑管束的互相相對(duì)的邊界。由于傳熱系數(shù)α大約與流速的0. 8次方成正比例，因此與反應(yīng)器中間的較短流動(dòng)路徑相比，反應(yīng)器內(nèi)壁處的較長(zhǎng)的流動(dòng)路徑獲得傳熱介質(zhì)的較低流速并因此獲得較低的傳熱系數(shù)，即，較差的熱傳遞。本發(fā)明的反應(yīng)器是圓柱狀的并且具有優(yōu)選0. 5至8m內(nèi)徑、更優(yōu)選2. 5至6m、特別是3. 5至6mο一束(S卩，多個(gè))在反應(yīng)器的縱向方向上彼此平行布置的催化劑管存在于反應(yīng)器中。催化劑管的數(shù)目?jī)?yōu)選在100至10 000的范圍內(nèi)，特別是2000至6000。催化劑管由耐腐蝕材料制成，例如不銹鋼，優(yōu)選雙煉鋼1. 4462、不銹鋼1. 4571或不銹鋼1. 4541或鎳基合金或鎳。管板或整個(gè)反應(yīng)器也優(yōu)選是由上述材料制成，特別是雙煉鋼或不銹鋼。每個(gè)催化劑管壁厚度優(yōu)選在2. 0至4. Omm范圍內(nèi)，特別是2. 5至3. Omm,并且管內(nèi)徑在20至90mm范圍內(nèi)，優(yōu)選在30至50mm范圍內(nèi)。催化劑管具有的長(zhǎng)度優(yōu)選在1. 5至6. Om范圍內(nèi)，特別是在2. 5至4. 5m范圍內(nèi)。催化劑管被優(yōu)選布置在反應(yīng)器內(nèi)部，使得直接相鄰的催化劑管的中點(diǎn)間的距離與催化劑管的外徑的比率在1. 15至1. 4范圍內(nèi)，優(yōu)選在1. 2至1. 3范圍內(nèi)，并且催化劑管是以三角形布置在反應(yīng)器中設(shè)置的。催化劑管以不透液的方式在管板中在其兩端固定，優(yōu)選焊接。管板同樣包含耐腐蝕材料，優(yōu)選不銹鋼，特別是雙煉鋼，特別優(yōu)選與催化劑管相同的材料。反應(yīng)器的兩端通過(guò)帽被限定在外部。將反應(yīng)混合物通過(guò)一個(gè)帽加入催化劑管中， 并且將產(chǎn)物蒸汽經(jīng)所述帽在反應(yīng)器的另一端移去。用于均衡氣流的氣體分布器——例如以板的形式、特別是穿孔板——優(yōu)選被布置在帽中。偏轉(zhuǎn)板被布置為垂直于反應(yīng)器的縱向方向，位于催化劑管之間的中間空間中。偏轉(zhuǎn)板被構(gòu)造為使得每個(gè)偏轉(zhuǎn)板都具有兩個(gè)切口，這兩個(gè)切口彼此相對(duì)并具有弓形形狀，并且下一個(gè)偏轉(zhuǎn)板在反應(yīng)器的中央?yún)^(qū)域中具有被彼此平行并與反應(yīng)器直徑平行并且與反應(yīng)器直徑等距的兩條直線(xiàn)限定的開(kāi)口。
在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，偏轉(zhuǎn)板具有兩個(gè)中央開(kāi)口。偏轉(zhuǎn)板使在反應(yīng)器內(nèi)部的催化劑管之間的中間空間循環(huán)的傳熱介質(zhì)偏轉(zhuǎn)，使得傳熱介質(zhì)相對(duì)于催化劑管橫向流動(dòng)，結(jié)果改進(jìn)其熱量排出。偏轉(zhuǎn)板的數(shù)目?jī)?yōu)選為約6至21。偏轉(zhuǎn)板優(yōu)選彼此等距，但特別優(yōu)選最低和最高的偏轉(zhuǎn)板各自距離管板比兩個(gè)連續(xù)偏轉(zhuǎn)板之間的距離更遠(yuǎn)，優(yōu)選約為1. 5倍。反應(yīng)器在開(kāi)口區(qū)域中不具有管，S卩，在該區(qū)域中基本上不含催化劑管。在一個(gè)實(shí)施方案中，獨(dú)立的催化劑管可被布置在偏轉(zhuǎn)區(qū)域的開(kāi)口中。在另一個(gè)實(shí)施方案中，開(kāi)口完全不含有催化劑管。優(yōu)選所有偏轉(zhuǎn)板具有相同的開(kāi)口。每個(gè)開(kāi)口的面積優(yōu)選為5至20%、特別是8至14%的反應(yīng)器橫截面。在反應(yīng)器橫截面中，中央不含管區(qū)域的總面積或兩個(gè)彼此垂直的中央不含管區(qū)域的面積總和優(yōu)選為使得流經(jīng)該一個(gè)或兩個(gè)中央不含管區(qū)域的傳熱介質(zhì)的軸向流速為約 0. 25 至 2. Om/s、優(yōu)選約 0. 5 至 1. 5m/s。偏轉(zhuǎn)板優(yōu)選不在催化劑管周?chē)纬擅芊?，而是允許泄漏流量最高達(dá)40體積％的傳熱介質(zhì)的總流量。為此，在催化劑管和偏轉(zhuǎn)板之間設(shè)置在0. 1至0. 6mm范圍內(nèi)、優(yōu)選0. 2 至0. 4mm的間隙。使偏轉(zhuǎn)板對(duì)除了開(kāi)口區(qū)域以外的反應(yīng)器內(nèi)壁不透液是有利的，以便在內(nèi)壁不發(fā)生額外的泄漏流量。偏轉(zhuǎn)板優(yōu)選是由耐腐蝕材料制成，優(yōu)選不銹鋼、特別是雙煉鋼，優(yōu)選為8至30mm的厚度，優(yōu)選為10至20mm。偏轉(zhuǎn)板的材料應(yīng)該與催化劑管的材料在電化學(xué)上相容。催化劑管填充有固態(tài)催化劑，優(yōu)選活性炭。在催化劑管中的催化劑床優(yōu)選具有 0. 33至0. 5的空體積，特別是0. 33至0. 40。根據(jù)本發(fā)明，自文件WO 03/072237中所述的催化劑管的上述布置開(kāi)始，催化劑管的布置通過(guò)將管平面中催化劑管束的側(cè)邊界自圓的弦變?yōu)閳A弧而進(jìn)行改變。通過(guò)該方式， 對(duì)比于現(xiàn)有技術(shù)的反應(yīng)器，催化劑管在傳熱介質(zhì)的最長(zhǎng)流動(dòng)路徑上的數(shù)目在反應(yīng)器內(nèi)壁處被減少至最大程度，相應(yīng)地催化劑管的數(shù)目在反應(yīng)器中間處增加。所述催化劑管束的側(cè)邊界在催化劑管根據(jù)本發(fā)明的布置中并不必需是精確的圓弧形狀，只是優(yōu)選為近似圓弧形狀。特別地，催化劑管束的側(cè)向邊界各自可被改變?yōu)槎噙呅尉€(xiàn)，該多邊形線(xiàn)各自都內(nèi)接于圓弧內(nèi)。在另一個(gè)實(shí)施方案中，通過(guò)在具有最差熱傳遞的區(qū)域中安裝啞管，即在接近于具有傳熱介質(zhì)的最長(zhǎng)流動(dòng)路徑的反應(yīng)器內(nèi)壁的區(qū)域中，或通過(guò)將催化劑管移出該區(qū)域，催化劑管和傳熱介質(zhì)之間的界面處的傳熱系數(shù)可彼此一致。此外，也可關(guān)閉具有較差傳熱系數(shù)以及存在腐蝕風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域中的催化劑管。在另一個(gè)實(shí)施方案中，可在反應(yīng)器內(nèi)部區(qū)域中設(shè)置干擾流動(dòng)的內(nèi)部件，例如穿孔板，以便實(shí)現(xiàn)在整個(gè)反應(yīng)器橫截面上的傳熱系數(shù)的進(jìn)一步均等化，其中在所述反應(yīng)器內(nèi)部區(qū)域中，傳熱介質(zhì)的流動(dòng)路徑最短且因而傳熱系數(shù)最大。特別地，用于均衡每個(gè)反應(yīng)器橫截面中傳熱介質(zhì)流動(dòng)路徑的催化劑管的布置的變化可根據(jù)以下算法實(shí)現(xiàn)-管平面，即，首先畫(huà)出反應(yīng)器橫截面中的催化劑管的布置，其中在平面中催化劑管束的兩個(gè)相對(duì)側(cè)向邊界為圓的弦，并且在管平面中傳熱介質(zhì)的主要流動(dòng)方向指定為y坐標(biāo)且反應(yīng)器橫截面的平面中與其成直角的坐標(biāo)指定為χ坐標(biāo)；-管平面隨后被分為η條直線(xiàn)，這η條直線(xiàn)平行于圓的弦且彼此等距；-η條直線(xiàn)中的每一條被分為m個(gè)等距點(diǎn)，這m個(gè)等距點(diǎn)順序地用自然數(shù)i來(lái)編號(hào) (其中i = 1至m)，并且最外面的點(diǎn)——即點(diǎn)i = 1和點(diǎn)i = m——各自位于管平面的外緣，即，位于反應(yīng)器的壁上；-將直線(xiàn)上的第i個(gè)點(diǎn)各自彼此連接以給出流動(dòng)路徑，該流動(dòng)路徑的長(zhǎng)度用以下迭代步驟達(dá)到一致(1)確定最長(zhǎng)流動(dòng)路徑imax和最短流動(dòng)路徑imin ；如果存在多于一個(gè)最長(zhǎng)或最短流動(dòng)路徑，則隨機(jī)選擇，(2)確定最短和最長(zhǎng)流動(dòng)路徑的流動(dòng)路徑長(zhǎng)度的差異，即流動(dòng)路徑長(zhǎng)度的不相等性；如果流動(dòng)路徑的不相等性小于流動(dòng)路徑長(zhǎng)度平均值的1%，則進(jìn)入步驟(8)；(3)通過(guò)均勻地減小兩個(gè)最外面點(diǎn)(即，在該流動(dòng)路徑上第一條直線(xiàn)的點(diǎn)和在該流動(dòng)路徑上的第η條直線(xiàn)上的點(diǎn))的y坐標(biāo)而使最長(zhǎng)流動(dòng)路徑imax縮短25%的不相等性， 并隨后重新等距分布位于其間的點(diǎn)；(4)最短的流動(dòng)路徑被類(lèi)似地延伸，使得管平面的面積(即，用圓的兩條弦線(xiàn)和反應(yīng)器的殼限定的面積)相對(duì)于之前的迭代不改變；(5)對(duì)于不是最外面流動(dòng)路徑i = 1和i = m的流動(dòng)路徑，χ坐標(biāo)在點(diǎn)的y坐標(biāo)的該變化期間不變化；(6)對(duì)于兩個(gè)外部曲線(xiàn)的其中之一，χ坐標(biāo)以這樣的方式改變，即所述點(diǎn)仍在反應(yīng)器殼上；如果必須在X方向上移動(dòng)點(diǎn)，則線(xiàn)i = η上的所有點(diǎn)被移動(dòng)以使得它們?cè)俅伪舜说染啵?7)回到步驟(1)；(8)停止迭代。在以上算法中，只考慮傳熱介質(zhì)在反應(yīng)器橫截面的平面中在反應(yīng)器內(nèi)壁上彼此相對(duì)的開(kāi)口之間的主要流動(dòng)方向，該主要流動(dòng)方向被指定為y坐標(biāo)。該簡(jiǎn)化觀(guān)點(diǎn)一般足以作為確定催化劑管的布置改變的基礎(chǔ)。然而，如果更加準(zhǔn)確地觀(guān)察傳熱介質(zhì)的流動(dòng)路徑，則在反應(yīng)器橫截面的平面中垂直于上述流動(dòng)方向的流動(dòng)方向必須被考慮并在此被指定為X坐標(biāo)。如果只考慮在反應(yīng)器橫截面上沿y坐標(biāo)的主要流動(dòng)方向，則催化劑管的布置必須以這樣的方式改變，即使得從第一個(gè)催化劑管至最后一個(gè)催化劑管的每個(gè)反應(yīng)器橫截面中的流動(dòng)路徑各自是相等的。然而，由于沿χ坐標(biāo)的傳熱介質(zhì)的流動(dòng)也有利地被考慮以使X方向上的流動(dòng)也均等化，則催化劑管的布置應(yīng)調(diào)整，以使得反應(yīng)器內(nèi)壁處的傳熱介質(zhì)的流動(dòng)路徑比沿著中心軸線(xiàn)的流動(dòng)路徑短達(dá)最多25%。由于流動(dòng)路徑相比于現(xiàn)有技術(shù)(對(duì)應(yīng)于WO 03/072237)中的反應(yīng)器借由本發(fā)明催化劑管的布置而總體上縮短，因此傳熱介質(zhì)的壓降在傳熱介質(zhì)的相同流速下總體上較低。因此，通過(guò)偏轉(zhuǎn)板和催化劑管之間間隙的傳熱介質(zhì)的旁通流也較低并且必須循環(huán)的傳熱介質(zhì)的量較低。本發(fā)明還提供一種通過(guò)一氧化碳和氯在固態(tài)催化劑存在下的氣相反應(yīng)來(lái)制備光氣的反應(yīng)器，在反應(yīng)器中在多個(gè)催化劑管中含固態(tài)催化劑，所述多個(gè)催化劑管被布置為在反應(yīng)器的縱向方向上彼此平行并在其兩端的每一端處被焊接至管板，其中各自都經(jīng)由帽在催化劑管的上端引入起始材料并在催化劑管的下端排出氣態(tài)反應(yīng)混合物，并且該反應(yīng)器還具有在殼內(nèi)的催化劑管之間的空間中用于液體傳熱介質(zhì)的引入和排出設(shè)備，其中由于存在偏轉(zhuǎn)板，傳熱介質(zhì)在殼內(nèi)催化劑管之間的空間中是曲折流動(dòng)的，每個(gè)交替的偏轉(zhuǎn)板都在反應(yīng)器內(nèi)壁的相對(duì)側(cè)上具有弓形的兩個(gè)開(kāi)口，并且緊隨其后的偏轉(zhuǎn)板具有由兩條彼此平行且平行于反應(yīng)器直徑且等距的直線(xiàn)限定的中央開(kāi)口，其中反應(yīng)器在具有弓形形狀的開(kāi)口的區(qū)域中和在中央開(kāi)口的區(qū)域中不含有管，其中在反應(yīng)器的縱向方向彼此平行的多個(gè)催化劑管被布置為兩束相同的催化劑管，這兩束催化劑管通過(guò)一個(gè)不含有催化劑管的區(qū)域彼此分隔，并且通過(guò)使各自在傳熱介質(zhì)的流動(dòng)方向上從第一個(gè)催化劑管至最后一個(gè)催化劑管測(cè)量的每個(gè)反應(yīng)器橫截面中的傳熱介質(zhì)的流動(dòng)路徑借由催化劑管的變化布置而彼此一致，進(jìn)而使得催化劑管和傳熱介質(zhì)之間的界面處的傳熱系數(shù)在每個(gè)反應(yīng)器橫截面上相等。優(yōu)選一種方法，其中兩束相同催化劑管各自被分成另外兩束相同的催化劑管，使得總共存在四束催化劑管，這四束催化劑管通過(guò)兩個(gè)不含催化劑管且在反應(yīng)器互相垂直的直徑的兩側(cè)上延伸的區(qū)域彼此分隔。各自在傳熱介質(zhì)的流動(dòng)方向上從第一個(gè)催化劑管至最后一個(gè)催化劑管測(cè)量的每個(gè)反應(yīng)器橫截面中傳熱介質(zhì)的流動(dòng)路徑可以?xún)?yōu)選地通過(guò)安裝 管而進(jìn)一步彼此一致。由于本發(fā)明反應(yīng)器的構(gòu)造，催化劑管被分為兩束或四束，沿著反應(yīng)器內(nèi)壁的流動(dòng)路徑變成等于或最多15%小于沿著反應(yīng)器中心軸線(xiàn)的那些流動(dòng)路徑，這是由于催化劑管布置的變化，其中位于管平面中的圓的弦被改變?yōu)閳A弧。本發(fā)明催化劑管的布置使得每個(gè)反應(yīng)器橫截面內(nèi)傳熱系數(shù)α之間的偏差能夠相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)(對(duì)應(yīng)于WO 03/072237)中的反應(yīng)器從約13至20%的初始值減小至僅約8 至10%的偏差。本發(fā)明借由以下實(shí)施例和附圖來(lái)闡釋。 實(shí)施例光氣是在如

圖1和IA中示意性示出的工業(yè)反應(yīng)器中制備，其中催化劑管以現(xiàn)有技術(shù)中的一個(gè)實(shí)施例來(lái)布置，使得管平面具有呈圓的弦形式的彼此相對(duì)的兩個(gè)邊界；或者，根據(jù)本發(fā)明，改變催化劑管在管平面中的布置，使得彼此相對(duì)的側(cè)向邊界從圓的弦改變?yōu)槎噙呅尉€(xiàn)，此外，反應(yīng)器中央?yún)^(qū)域不含催化劑管和偏轉(zhuǎn)板。在具有兩束催化劑管的本發(fā)明反應(yīng)器的情況下，要求設(shè)置用于傳熱介質(zhì)一氯苯的兩個(gè)入口和兩個(gè)出口。反應(yīng)混合物是自頂部向下運(yùn)送穿過(guò)豎直催化劑管，并且傳熱介質(zhì)一氯苯可以被并流傳送，即，在反應(yīng)器的上部區(qū)域引入并在反應(yīng)器的下部區(qū)域排出，并且曲向流經(jīng)催化劑管周?chē)臍?nèi)空間；或者，傳熱介質(zhì)與反應(yīng)混合物逆流傳送，即，在反應(yīng)器的下部區(qū)域中引入，曲向流經(jīng)催化劑管周?chē)臍?nèi)空間，并在反應(yīng)器的上部區(qū)域排出。每個(gè)具有44. 5mm的外管徑、2. 6mm的壁厚度、3800mm的管長(zhǎng)度和55mm的間距的5210催化劑管都各自被布置在反應(yīng)器中，其中催化劑管被各自布置在等邊三角形的角上。14個(gè)偏轉(zhuǎn)板被布置在反應(yīng)器中。反應(yīng)混合物(即，一氧化碳和氯)是在催化劑管中流經(jīng)活性炭催化劑。一氯苯是作為傳熱介質(zhì)以3500t/h的冷卻劑流速流經(jīng)催化劑管之間的殼內(nèi)空間，一氯苯的入口溫度為67°C，并且對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的實(shí)施例和具有與現(xiàn)有技術(shù)實(shí)施例相同的光氣負(fù)載量的本發(fā)明的第一個(gè)實(shí)施例，一氯苯的出口溫度為78°C，或者對(duì)于具有增加的光氣負(fù)載量的第二實(shí)施例，一氯苯的出口溫度81°C，。所使用的一氧化碳過(guò)量3. 5重量％，基于反應(yīng)混合物的總重量計(jì)。反應(yīng)混合物的入口溫度為40°C，入口壓力為4. Sbar絕對(duì)壓力，并且對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的實(shí)施例和本發(fā)明的第一個(gè)實(shí)施例，光氣進(jìn)料速率為48t/h，或?qū)τ诒景l(fā)明的第二個(gè)實(shí)施例為62. 4t/h。在對(duì)比實(shí)施例的情況下，1290ff/m2/K的最差傳熱系數(shù)α在催化劑管的未調(diào)整布置下獲得，即，具有呈圓的弦形式的兩個(gè)相對(duì)邊界的管平面。在2. Ilkg的光氣/m2/s的光氣負(fù)載量時(shí)，這導(dǎo)致154°C的催化劑管的內(nèi)壁的最大溫度。由于本發(fā)明的催化劑管的經(jīng)調(diào)整布置，S卩，管平面自圓的弦形式的兩個(gè)相對(duì)側(cè)邊界改變?yōu)楦髯缘亩噙呅尉€(xiàn)并且另外具有不含管的中央?yún)^(qū)域，并各自具有對(duì)應(yīng)于圖1中所描述的橫截面圖的尺寸，因此最差傳熱系數(shù)α可在不改變的條件下增加至1537W/m2/K。結(jié)果是催化劑管內(nèi)壁的最大溫度僅為147°C。因此，光氣負(fù)載量在本發(fā)明的第二個(gè)實(shí)施例中增加直至催化劑管的內(nèi)壁最大溫度達(dá)到K4°C，與現(xiàn)有技術(shù)的反應(yīng)器相同。在光氣負(fù)載量為2. 74kg光氣/m2/s的本發(fā)明的光氣反應(yīng)器的情況下，催化劑管的內(nèi)壁最大溫度達(dá)到1M°C，對(duì)應(yīng)于與現(xiàn)有技術(shù)的反應(yīng)器相比容量增加30%。附圖詳細(xì)示出圖1本發(fā)明反應(yīng)器的一個(gè)實(shí)施方案的橫截面，該反應(yīng)器具有經(jīng)調(diào)整的布置的催化劑管，其中在圖IA中示出反應(yīng)器的縱截面，和圖2本發(fā)明反應(yīng)器的一個(gè)實(shí)施方案的截面，其中在圖2A中示出平面B-B的橫截圖1中通過(guò)反應(yīng)器1的橫截面示出用于本發(fā)明反應(yīng)器的實(shí)施方案的管平面，其中在反應(yīng)器的內(nèi)壁上彼此相對(duì)的開(kāi)口 6處的管平面的側(cè)向邊界從圓的弦變?yōu)槎噙呅尉€(xiàn)。此外，由兩條直線(xiàn)限定且不含管的中央開(kāi)口 11被設(shè)置在反應(yīng)器的中央?yún)^(qū)域，所述兩條直線(xiàn)平行并且以距離反應(yīng)器直徑的兩側(cè)相等的距離平行于限定現(xiàn)有技術(shù)中管平面的弦線(xiàn)9。圖IA中反應(yīng)器1的縱截面示出具有位于反應(yīng)器內(nèi)壁處的開(kāi)口 6和中央開(kāi)口 11的偏轉(zhuǎn)板5的布置。圖2示出本發(fā)明反應(yīng)器1的一個(gè)實(shí)施方案的縱截面，其中兩束平行催化劑管2在它們的兩端的每一端部處被焊接至管板3。傳熱介質(zhì)7流經(jīng)催化劑管2周?chē)臍?nèi)空間，其中兩個(gè)入口和兩個(gè)出口被設(shè)置用于傳熱介質(zhì)7。傳熱介質(zhì)7可以自頂部向下穿過(guò)催化劑管與反應(yīng)混合物并流傳送，即，在反應(yīng)器的上部區(qū)域引入并在下部區(qū)域排出；或者，相反地，傳熱介質(zhì)與反應(yīng)混合物逆流傳送，即，在反應(yīng)器的下部區(qū)域引入并在反應(yīng)器的上部區(qū)域排出。傳熱介質(zhì)在殼內(nèi)空間的流動(dòng)是通過(guò)偏轉(zhuǎn)板5來(lái)引導(dǎo)的，所述偏轉(zhuǎn)板5在反應(yīng)器內(nèi)壁處具有弓形形狀的開(kāi)口 6和中央開(kāi)口 11。
在圖2A的平面B-B的橫截面圖中，可看出在具有弓形形狀的開(kāi)口 6區(qū)域中催化劑管的改變的布置并且在中央開(kāi)口 11中沒(méi)有催化劑管。此外， 管8被設(shè)置在最具腐蝕風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域中。
權(quán)利要求
1.一種通過(guò)一氧化碳和氯在固態(tài)催化劑存在下的氣相反應(yīng)來(lái)制備光氣的反應(yīng)器(1)， 該反應(yīng)器(1)設(shè)有多個(gè)催化劑管O)，所述多個(gè)催化劑管( 被布置為在反應(yīng)器(1)的縱向方向上彼此平行并在其兩端的每一端處被焊接至管板(3)，其中各自都經(jīng)由帽在催化劑管 (2)的上端引入起始材料并在催化劑管O)的下端排出氣態(tài)反應(yīng)混合物，并且該反應(yīng)器還具有在殼內(nèi)的催化劑管(2)之間的空間中用于液體傳熱介質(zhì)(7)的引入和排出設(shè)備， 其中由于存在偏轉(zhuǎn)板(5)，傳熱介質(zhì)(7)在殼內(nèi)催化劑管( 之間的空間中是曲折流動(dòng)的，每個(gè)交替的偏轉(zhuǎn)板(5)都在反應(yīng)器內(nèi)壁的相對(duì)側(cè)上具有弓形的兩個(gè)開(kāi)口(6)，并且緊隨其后的偏轉(zhuǎn)板具有由兩條彼此平行且等距且平行于反應(yīng)器直徑的直線(xiàn)限定的中央開(kāi)口 (11)，其中反應(yīng)器(1)在具有弓形形狀的開(kāi)口(6)的區(qū)域中和在中央開(kāi)口(11)的區(qū)域中不含有管，其中在反應(yīng)器(1)的縱向方向彼此平行的多個(gè)催化劑管( 被布置為兩束相同的催化劑管O)，這兩束催化劑管( 通過(guò)一個(gè)不含有催化劑管并沿著反應(yīng)器直徑延伸至兩側(cè)的區(qū)域彼此分隔，并且通過(guò)使各自在傳熱介質(zhì)(7)的流動(dòng)方向上從第一個(gè)催化劑管(2) 至最后一個(gè)催化劑管( 測(cè)量的每個(gè)反應(yīng)器橫截面中的傳熱介質(zhì)(7)的流動(dòng)路徑借由催化劑管O)的改變的布置而彼此一致，進(jìn)而使得催化劑管( 和傳熱介質(zhì)(7)之間的界面處的傳熱系數(shù)在每個(gè)反應(yīng)器橫截面上相等。
2.權(quán)利要求1的反應(yīng)器(1)，其中兩束相同的催化劑管⑵各自被分成另外兩束相同的催化劑管O)，使得總共存在四束催化劑管O)，這四束催化劑管通過(guò)不含有催化劑管 (2)并在反應(yīng)器(1)互相垂直的直徑的兩側(cè)上延伸的兩個(gè)區(qū)域彼此分隔。
3.權(quán)利要求1或2的反應(yīng)器(1)，其中各自在傳熱介質(zhì)(7)的流動(dòng)方向上從第一個(gè)催化劑管( 至最后一個(gè)催化劑管( 測(cè)量的每個(gè)反應(yīng)器橫截面中傳熱介質(zhì)(7)的流動(dòng)路徑通過(guò)安裝啞管(8)而進(jìn)一步彼此一致。
4.一種通過(guò)一氧化碳和氯在固態(tài)催化劑存在下的氣相反應(yīng)(1)來(lái)制備光氣的方法， 在反應(yīng)器(1)中在多個(gè)催化劑管O)中包含固態(tài)催化劑，所述多個(gè)催化劑管( 被布置為在反應(yīng)器(1)的縱向方向上彼此平行并在其兩端的每一端處被焊接至管板(3)，其中各自都經(jīng)由帽在催化劑管O)的上端引入起始材料并在催化劑管O)的下端排出氣態(tài)反應(yīng)混合物，并且該反應(yīng)器還具有在殼內(nèi)的催化劑管(2)之間的空間(4)中用于液體傳熱介質(zhì)的引入和排出設(shè)備，其中由于存在偏轉(zhuǎn)板(5)，傳熱介質(zhì)在殼內(nèi)催化劑管( 之間的空間(4) 中是曲折流動(dòng)的，每個(gè)交替的偏轉(zhuǎn)板(5)都在反應(yīng)器內(nèi)壁的相對(duì)側(cè)上具有弓形的兩個(gè)開(kāi)口 (6)，并且緊隨其后的偏轉(zhuǎn)板具有由兩條彼此平行且等距且平行于反應(yīng)器直徑的直線(xiàn)限定的中央開(kāi)口(11)，其中反應(yīng)器(1)在具有弓形形狀的開(kāi)口(6)的區(qū)域中和在中央開(kāi)口(11) 的區(qū)域中不含有管，其中在反應(yīng)器(1)的縱向方向彼此平行的多個(gè)催化劑管( 被布置為兩束相同的催化劑管O)，這兩束催化劑管( 通過(guò)一個(gè)不含有催化劑管( 的區(qū)域彼此分隔，并且通過(guò)使各自在傳熱介質(zhì)(7)的流動(dòng)方向上從第一個(gè)催化劑管( 至最后一個(gè)催化劑管( 測(cè)量的每個(gè)反應(yīng)器橫截面中的傳熱介質(zhì)(7)的流動(dòng)路徑借由催化劑管( 的改變的布置而彼此一致，進(jìn)而使得催化劑管( 和傳熱介質(zhì)(7)之間的界面處的傳熱系數(shù)在每個(gè)反應(yīng)器橫截面上相等。
5.權(quán)利要求4的方法，其中所述兩束相同的催化劑管(2)各自被分成另外兩束相同的催化劑管O)，使得總共存在四束催化劑管，這四束催化劑管通過(guò)不含有催化劑管( 并在反應(yīng)器(1)互相垂直的直徑的兩側(cè)上延伸的兩個(gè)區(qū)域彼此分隔。
6.權(quán)利要求4或5的方法，其中各自在傳熱介質(zhì)(7)的流動(dòng)方向上從第一個(gè)催化劑管 (2)至最后一個(gè)催化劑管( 測(cè)量的每個(gè)反應(yīng)器橫截面中傳熱介質(zhì)(7)的流動(dòng)路徑通過(guò)安裝啞管而進(jìn)一步彼此一致。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種通過(guò)一氧化碳和氯在固態(tài)催化劑存在下的氣相反應(yīng)來(lái)制備光氣的反應(yīng)器(1)，該反應(yīng)器(1)設(shè)有多個(gè)催化劑管(2)，所述多個(gè)催化劑管(2)被布置為在反應(yīng)器(1)的縱向方向上彼此平行并在其兩端的每一端處被焊接至管板(3)，其中各自都經(jīng)由帽在催化劑管(2)的上端引入起始材料并在催化劑管(2)的下端排出氣態(tài)反應(yīng)混合物，并且該反應(yīng)器還具有在殼內(nèi)的催化劑管(2)之間的空間(4)中用于液體傳熱介質(zhì)(7)的引入和排出設(shè)備，其中由于存在偏轉(zhuǎn)板(5)，傳熱介質(zhì)(7)在殼內(nèi)催化劑管(2)之間的空間(4)中是曲折流動(dòng)的，每個(gè)交替的偏轉(zhuǎn)板(5)都在反應(yīng)器內(nèi)壁的相對(duì)側(cè)上具有弓形的兩個(gè)開(kāi)口(6)，并且緊隨其后的偏轉(zhuǎn)板具有由兩條彼此平行且等距且平行于反應(yīng)器直徑的直線(xiàn)限定的中央開(kāi)口(11)，其中反應(yīng)器(1)在具有弓形形狀的開(kāi)口(6)的區(qū)域中和在中央開(kāi)口(11)的區(qū)域中不含有管，其中在反應(yīng)器(1)的縱向方向彼此平行的多個(gè)催化劑管(2)被布置為兩束相同的催化劑管(2)，這兩束催化劑管(2)通過(guò)一個(gè)不含有催化劑管并沿著反應(yīng)器直徑延伸至兩側(cè)的區(qū)域彼此分隔，并且通過(guò)使各自在傳熱介質(zhì)(7)的流動(dòng)方向上從第一個(gè)催化劑管(2)至最后一個(gè)催化劑管(2)測(cè)量的每個(gè)反應(yīng)器橫截面中的傳熱介質(zhì)(7)的流動(dòng)路徑借由催化劑管(2)的改變的布置而彼此一致，進(jìn)而使得催化劑管(2)和傳熱介質(zhì)(7)之間的界面處的傳熱系數(shù)在每個(gè)反應(yīng)器橫截面上相等。
文檔編號(hào)C01B31/28GK102316971SQ200980156902
公開(kāi)日2012年1月11日 申請(qǐng)日期2009年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月16日
發(fā)明者G·歐波特, W·格林杰, 金炳淵 申請(qǐng)人:巴斯夫歐洲公司