專利名稱：在芳香烷基氧化成芳香羧酸中提高收率和產(chǎn)品質(zhì)量同時降低能耗的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明概括地說是關(guān)于芳香烷基液相氧化為芳香羧酸，主要是指將對二甲苯液相氧化為對苯二酸的方法。更確切地說，本發(fā)明是關(guān)于為提高反應(yīng)器的轉(zhuǎn)化率、降低能耗以及改進(jìn)芳香羧酸產(chǎn)品質(zhì)量的方法。
芳香烷基液相氧化為芳香羧酸是一種放出大量熱量的化學(xué)反應(yīng)。使用可揮發(fā)的含水酸性溶劑，以便容納反應(yīng)混合物和分散反應(yīng)熱。在液相中，芳香烷基氧化生成芳香羧酸一般是在有排氣口的并能很好混合的氧化反應(yīng)器中進(jìn)行。對于放熱的氧化反應(yīng)產(chǎn)生的大量熱量是在反應(yīng)器內(nèi)通過回流一部分含有的含水溶劑和芳香烷基化物而除去的。
生產(chǎn)出的芳香羧酸的旋光性能在很大程度上取決于發(fā)生在氧化反應(yīng)器中的混合狀態(tài)，因為反應(yīng)器中的混合可以分散反應(yīng)物、促進(jìn)氧的傳質(zhì)和保持產(chǎn)生的芳香羧酸處于懸浮液中。反應(yīng)物的均勻分散和氧傳質(zhì)效率影響芳香烷基的氧化率和產(chǎn)生的中間體，以及影響形成不希望的旋光雜質(zhì)和付產(chǎn)物，這又影響了產(chǎn)生的芳香羧酸的旋光性能、反應(yīng)器的氧化和反應(yīng)收率。因此，改進(jìn)反應(yīng)器的混合操作具有引人注意的經(jīng)濟(jì)吸引力。
在放熱反應(yīng)中，由于產(chǎn)生的熱而汽化了的物質(zhì)與未反應(yīng)的氧氣和其他可存在的非冷凝組分一起向上通過反應(yīng)器，并且在反應(yīng)混合物的液面上方位置從反應(yīng)器排出。這些蒸汽上升并從反應(yīng)器排至頂部回流冷凝器系統(tǒng)，在此汽化了的溶劑、水和芳香烷基化物被冷凝。在低于反應(yīng)器物料的溫度下，冷凝物通過重力返回到反應(yīng)器中。與汽化的反應(yīng)物一起被帶出的非冷凝氣體被排出。
在操作中，將含有芳香烷基化物、含水酸性溶劑和氧化催化劑的液體進(jìn)料物流加入到反應(yīng)器中。在催化劑存在下，含氧氣體單獨引入到用于芳香烷基氧化成芳香羧酸的反應(yīng)器中。
在反應(yīng)器中含有的反應(yīng)混合物包括產(chǎn)生的芳香羧酸的懸浮物。因為反應(yīng)混合物含有固相和液相組分，以及連續(xù)通過的含氧氣體，所以對反應(yīng)器的物料進(jìn)行強力攪拌是必要的，以保持所希望的均勻的反應(yīng)條件和得到高質(zhì)量的產(chǎn)物。就動力消耗來說，強力攪拌費用是大的，然而，即使采用了高的動力消耗，現(xiàn)有系統(tǒng)的混合效果也沒有達(dá)到希望的良好程度。
在用于生產(chǎn)芳香羧酸的一個系統(tǒng)中，反應(yīng)發(fā)生在立式安裝的細(xì)長形的容器中，該容器具有一個實際為園筒形的側(cè)壁，并在容器內(nèi)，在處于大約軸線位置的轉(zhuǎn)軸上安裝一個轉(zhuǎn)動的攪拌器，該攪拌器對于上面的混合裝置具有復(fù)式葉輪，即葉輪是以4個葉片園盤渦輪的形式位于轉(zhuǎn)軸的中部，對于下面的混合裝置，即葉輪是以4個葉片渦輪的形式，使安置的葉片位于轉(zhuǎn)軸的下端。
本系統(tǒng)中的反應(yīng)器具有在靠近園筒器壁實際上均勻配置的4個垂直檔板，每塊檔板具有矩形截面，且其寬度約為容器內(nèi)徑的1/12。每塊檔板與容器壁的間隙約為容器內(nèi)徑的1/100。在此以前，氣體引入到這樣系統(tǒng)的位置稍高于下部葉輪位置。
本發(fā)明提供具有增強混合性能的氧化反應(yīng)器，可以增加反應(yīng)器中的氣體容量，并且實際上減少了為保持固體反應(yīng)物處于懸浮液中所需要的能量。其結(jié)果，可以得到相對較高質(zhì)量的芳香羧酸產(chǎn)物。
本發(fā)明設(shè)想一種氧化反應(yīng)器，它是具有一個軸向安裝攪拌器的一般園筒形的立式壓力容器，上述攪拌器具有位于大約在反應(yīng)器中部位置的上部葉輪裝置和具有位于大約在反應(yīng)器底部位置的最低的葉輪裝置，該反應(yīng)器具有垂直配置的靠近反應(yīng)器壁但留有間隙的檔板，并且氣體進(jìn)口裝置的端部有多個噴嘴位于反應(yīng)器內(nèi)的最低葉輪裝置的下部。垂直配置的檔板與反應(yīng)器壁留有間隙，且從反應(yīng)器壁在內(nèi)部徑向伸展，具有寬度為約0.02至約0.04倍的反應(yīng)器內(nèi)徑。氣體入口噴嘴最好位于大約在最低葉輪裝置和反應(yīng)器底部中間。


圖1是示意圖，斷面部分表示本發(fā)明反應(yīng)器的總體結(jié)構(gòu)；圖2是反應(yīng)器放大示意斷面圖(由其上端剖開)，表示反應(yīng)器裝置的總體空間相互關(guān)系；圖3是反應(yīng)器單獨四分之一的放大水平斷面圖，通過圖2的3-3′剖面，表示了氣體噴嘴和檔板相互之間及其相對于最低葉輪通過的直徑的方位；和圖4是放大的垂直斷面圖，通過圖3的4-4′剖面，從反應(yīng)器下部的一個側(cè)面表示了噴嘴相對于反應(yīng)器底部和相對于最低葉輪的方位。
芳香羧酸是在氧化反應(yīng)器中，在升高溫度和壓力下，通過在可蒸發(fā)的溶劑介質(zhì)中的含氧氣體液相氧化芳香烷基而產(chǎn)生。芳香烷基氧化成芳香羧酸發(fā)生在有氧化催化劑存在下的含水酸性溶劑介質(zhì)中。芳香烷基轉(zhuǎn)化成芳香羧酸是放熱的，由氧化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量至少一部分通過溶劑、水、芳香烷基化物和存在于氧化反應(yīng)器中的反應(yīng)混合物的其他可汽化組分的蒸發(fā)而除去。汽化的反應(yīng)混合物組分從氧化反應(yīng)器中排出。在頂部冷凝器系統(tǒng)中冷凝，并返回氧化反應(yīng)器中，而未凝氣體從系統(tǒng)中排出。
氧化反應(yīng)器的液相進(jìn)料物流含有芳香烷基化物、溶劑介質(zhì)和有效量的氧化催化劑，以便實現(xiàn)在反應(yīng)器中，在氧存在下，液相氧化芳香烷基成為相應(yīng)的芳香羧酸。
參見圖1，表示了用于氧化芳香烷基為芳香羧酸的細(xì)長的、立式安裝的、連續(xù)攪拌的筒形反應(yīng)器10。氧化反應(yīng)進(jìn)行在液相中。反應(yīng)器10是壓力容器，并包括攪拌器12，它驅(qū)動上部混合裝置，即葉輪13和最低混合裝置，即葉輪14，兩者都固定在攪拌器的轉(zhuǎn)軸15上。反應(yīng)器10另外包括比較細(xì)長的垂直配置的內(nèi)部檔板16，它靠近園筒形反應(yīng)器的內(nèi)壁，并且由此向內(nèi)部徑向伸展。每個混合裝置通過轉(zhuǎn)軸15，在通常的水平面上，以預(yù)定的轉(zhuǎn)動速度旋轉(zhuǎn)，以便使反應(yīng)器10的物料充分混合，下面將進(jìn)一步詳細(xì)論述。多個氣體噴嘴，如噴嘴18，位于最低葉輪14以下，為保證引入氧化氣體創(chuàng)造了條件。
將反應(yīng)器10的物料在經(jīng)受某一溫度和足夠的壓力下，以便保持含有的可揮發(fā)溶劑和芳香烷基化物實際上處于液相狀態(tài)。
芳香烷基化物，如對二甲苯，和可揮發(fā)含水酸性溶劑介質(zhì)，如含有催化劑的乙酸水溶液，將其合并形成混合物，該混合物通過導(dǎo)管25進(jìn)入反應(yīng)器10。含氧氣體通過氣體入口管線18被引入到反應(yīng)器10的內(nèi)部，在反應(yīng)器內(nèi)氣體入口管線18的端部靠近反應(yīng)器的底部，且低于葉輪14。含氧氣體的作用是在催化劑存在下，將芳香烷基氧化成芳香羧酸。液體氧化產(chǎn)物和溶劑介質(zhì)通過管線26引出。
在反應(yīng)器10中的反應(yīng)熱汽化可揮發(fā)的溶劑、水和其中含有的反應(yīng)混合物。在反應(yīng)器10中，由于放熱反應(yīng)而產(chǎn)生的大部分熱量是通過從反應(yīng)混合物中蒸發(fā)含水溶劑和少量的芳香烷基化物移出。汽化的物質(zhì)和任何未反應(yīng)的氧以及進(jìn)入反應(yīng)器10的含氧氣體的其它組分在反應(yīng)器10內(nèi)上升，并且由排氣管19從反應(yīng)器10中排出。這些汽化物質(zhì)和氣體進(jìn)入頂部冷凝器系統(tǒng)，如冷凝器20，這里通入循環(huán)的冷卻液體，通過進(jìn)口21進(jìn)入，通過出口22排出。進(jìn)入冷凝器20的蒸氣冷凝部分通過導(dǎo)管23返回至反應(yīng)器，而未凝部分通過導(dǎo)管24從系統(tǒng)中排出。
在反應(yīng)器10中，通常，當(dāng)引入空氣時，在催化劑存在下，通過氧使芳香烷基氧化，形成所希望的芳香羧酸和中間體。產(chǎn)品物流從排出管26以溢流的形式從反應(yīng)器10排出。此后用常規(guī)技術(shù)處理產(chǎn)品物流，以便使其組分分離，并回收其中含有的芳香羧酸。一般通過進(jìn)一步結(jié)晶來分離氣液相，然后干燥。
本發(fā)明的特征在圖2至4中進(jìn)行了更詳細(xì)的說明。在圖1和其余的圖中，同樣的標(biāo)記數(shù)字指的是同樣的部件或裝置。另外，為簡便起見，對于圖2至圖4的那些部件或裝置在此以前未作詳細(xì)敘述的，將在下文的段落中進(jìn)行詳述。
參見圖2，上部葉輪裝置13包括6個葉片園盤渦輪，其中每個葉片27是處于對轉(zhuǎn)軸是徑向的平面上，葉片是相互均勻配置的，并且每個葉片都是通過園盤28與內(nèi)軸相連。
在圖2中也可以看出，下部葉輪14包括安置在葉片渦輪上的6個葉片，其中每個葉片29以45°角安置，這些葉片相互均勻配置。45°斜角的方向是由轉(zhuǎn)軸15的方向確定的，以便在轉(zhuǎn)軸的正常轉(zhuǎn)動中，通過每個葉片使液體從轉(zhuǎn)軸向上和向外流動。此外，沿著渦輪的轉(zhuǎn)動方向，每個葉片的排列使之它的前緣低于它的后緣。
如上所述，含氧氣體，通常是空氣，由氣體入口管線18引入到反應(yīng)器的內(nèi)部，在優(yōu)選的實施方案中，有4個相同的氣體入口管線，在反應(yīng)器的每四分之一處安裝一個。然而，為了清楚，在圖1和圖2只表示出一個。
每個氣體入口管線在反應(yīng)器內(nèi)較高的位置穿過，然后從反應(yīng)器壁向下方延伸至低于最低葉輪的位置(如圖4所示)。表3和表4分別表示管線18的平面布置和高度，它包括所指的被加工的31、32和33的多個直管，以便使氣體穩(wěn)定地流向所希望的部位。
噴嘴末端和反應(yīng)器壁間的距離如D1所示，最好為約0.23倍反應(yīng)容器的內(nèi)徑。噴嘴末端與反應(yīng)器底部間的距離如D2所示，為約0.12至約0.18倍內(nèi)徑；而下部葉輪(在葉片的中部測量)和反應(yīng)器底部間的距離如D3所示，其長度為約0.25至0.36倍容器直徑。因此，噴嘴的末端大約處于反應(yīng)器底部和最低葉輪中間的位置。
噴嘴與平行于反應(yīng)器縱向軸的垂直基準(zhǔn)線向下的噴嘴角度(θ1)為約15°至30°(見圖4)，最好是在約20°至約25°的范圍內(nèi)。而噴嘴與從反應(yīng)器縱向軸的徑向延伸平面的位移角度(θ2)為約30°至約90°的范圍內(nèi)，最好是在約45°至約70°的范圍內(nèi)，以便優(yōu)選的氣流方向與底部葉輪通過的園形面積大致相切。
圖3和圖4不但表示了檔板16相對于氣體入口導(dǎo)管的位置，而且也表示了檔板相對于反應(yīng)器壁和相互間的位置。氣體入口導(dǎo)管和最靠近的檔板間的徑向角度(θ3)是在約20°至約45°的范圍內(nèi)，最好是約25°至約35°的范圍內(nèi)。每塊檔板在朝向反應(yīng)器側(cè)壁邊緣末端可以被修切成園形或斜面。
檔板的寬度(圖4中的D4)是約0.02至約0.04倍反應(yīng)器的內(nèi)徑。每塊檔板和反應(yīng)器壁之間的間隙是約0.01倍反應(yīng)器內(nèi)徑。
在相似于上述的系統(tǒng)中，通過實驗證明了本發(fā)明可得到的改進(jìn)效果，只是下部葉輪有4個而不是6個45°安置的葉片，而試驗流體是在環(huán)境條件下選擇水和空氣。用15％(重量)的粗對苯二酸作為固體物料，空氣的流量是每分鐘每單位體積的懸浮液為2.0體積空氣，這一空氣流量等于表面氣體速度為5.3呎/分。
在這種系統(tǒng)中，用本發(fā)明的細(xì)長檔板取代了以前使用的比較寬的檔板結(jié)果表明，在為完成固體懸浮的最低液面的條件下，所需的攪拌器的速度減少14％，能量消耗降低61％。此外，在同樣能耗的情況下，氣體的容量可增加14％。
噴嘴的配置位置從高于下部葉輪改成低于下部葉輪的位置，其結(jié)果可增加氣體的容量約29％，雖然，需要的攪拌速度和動力稍有增加。在相同功率下，氣體容量增加約16％。
在下部葉輪區(qū)也可以觀察到更好的氣體鼓泡分散作用。這種作用對于抑制旋光雜質(zhì)的生成是非常重要的，因為，認(rèn)為大部分的對二甲苯的氧化都發(fā)生在下部葉輪區(qū)域。
在相同系統(tǒng)中，不但將氣體噴嘴的配置位置由高于下部葉輪改成低于下部葉輪的位置，而且換成了細(xì)長的檔板和具有6個葉片的45°安置的葉片渦輪葉輪，在為完成固體的懸浮所需的最低液面下測定，其結(jié)果攪拌器速度下降16％，能量消耗減少62％。在相同功率下，氣體容量可增加38％。
本發(fā)明對其優(yōu)選的實施方案已經(jīng)敘述，然而，確信在本發(fā)明權(quán)利要求所述的范圍內(nèi)，技術(shù)熟練的人員可作出各種改變。
權(quán)利要求
1.一種適于氧化芳香烷基的反應(yīng)器，該反應(yīng)器包括具有縱向軸、底部和側(cè)壁的一般園筒形立式壓力容器；反應(yīng)物入口裝置、含有固體反應(yīng)產(chǎn)物的出口裝置，和氧化氣體入口裝置所有這些與壓力容器、在此相連的攪拌器和轉(zhuǎn)軸共處于流體系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)軸和攪拌器沿著容器的縱向軸延伸到容器內(nèi)部，并且具有在此相連的上部混合裝置和最低混合裝置，在容器內(nèi)，攪拌器使上部混合裝置和最低混合裝置環(huán)繞著縱向軸轉(zhuǎn)動；和在壓力容器內(nèi)的垂直配置的檔板裝置，它靠近側(cè)壁但又留有間隙；垂直配置的檔板裝置包括實際是環(huán)繞壓力容器園周均勻分布的而且對著中心的多塊板，以便每塊板從側(cè)壁向內(nèi)經(jīng)向伸展，板具有的寬度為約0.02至0.04園筒容器直徑；和氧化氣體入口裝置，其端部有多個噴嘴位于壓力容器內(nèi)最低混合裝置的下部。
2.權(quán)利要求1的反應(yīng)器，其中有4個實際上均勻配置的噴嘴，每四分之一反應(yīng)器的水平面有一個，并且，其中的每個噴嘴位于約在反應(yīng)器底部和下部混合裝置中間。
3.權(quán)利要求2的反應(yīng)器，其中最低混合裝置位于在壓力容器底部之上約0.25至約0.36倍壓力容器直徑范圍內(nèi)的位置上，并且噴嘴位于底部之上約0.12至約0.18倍壓力容器直徑的位置上。
4.權(quán)利要求3的反應(yīng)器，其中最低混合裝置包括向上抽動所安置的葉片渦輪，和進(jìn)料噴嘴朝向下方且向內(nèi)。
5.權(quán)利要求4的反應(yīng)器，其中每一個噴嘴指向側(cè)壁與相應(yīng)氣體入口裝置相接處的右側(cè)，并朝向最靠近它的檔板，所處的角度為相對于反應(yīng)器半徑約30°至約90°的范圍內(nèi)，和向下所處的角度為相對于垂直平面約15°至約30°的范圍內(nèi)。
6.權(quán)利要求1的反應(yīng)器，其中將多塊板的每一塊在朝向側(cè)壁的邊緣末端修切成園形或斜面。
7.在氧化芳香烷基生產(chǎn)芳香羧酸的方法中，其中烴保持在立式安裝的容器內(nèi)的液體物料中，該容器具有軸和實際為園筒形的側(cè)壁，并在靠近側(cè)壁處有垂直配置的檔板，而含氧氣體通過液體物料，在上述的氧化作用中，產(chǎn)生了分得很細(xì)的固體產(chǎn)物。并且通過實際上在處于軸線位置的垂直轉(zhuǎn)軸上安裝的轉(zhuǎn)動裝置的攪拌作用，使之其固體產(chǎn)物懸浮于液體物料中，在液體物料的中部位置，通過把連續(xù)供給的推動力提供給攪拌作用，以便使部分液體朝向園筒側(cè)壁水平流動和環(huán)繞著園筒側(cè)壁旋轉(zhuǎn)，并且，在液體物料的下部位置，通過連續(xù)供給的推動力，以便使部分液體朝向園筒側(cè)壁向上和向外流動，并環(huán)繞著由垂直配置的檔板隔開的通道間的園筒側(cè)壁旋轉(zhuǎn)，改進(jìn)的方法包括在低于下部位置的部位上，將氣體引入到液體物料中。
8.權(quán)利要求1的反應(yīng)器，其中的檔板裝置距內(nèi)壁的間隙約為園筒反應(yīng)器內(nèi)徑的0.01倍。
全文摘要
適于液相氧化芳香烷基成芳香羧酸的連續(xù)攪拌筒形反應(yīng)器，在靠近反應(yīng)器壁處垂直配置有比較細(xì)長的擋板，在反應(yīng)器的攪拌器下部安裝有氧化氣體入口裝置，擋板的寬度為約0.02至0.04倍反應(yīng)器直徑。
文檔編號B01F15/00GK1036756SQ8910215
公開日1989年11月1日 申請日期1989年3月17日 優(yōu)先權(quán)日1988年3月17日
發(fā)明者李冕基 申請人:阿莫科公司