CN1036756A - 在芳香烷基氧化成芳香羧酸中提高收率和产品质量同时降低能耗的方法和设备 - Google Patents

Abstract

适于液相氧化芳香烷基成芳香羧酸的连续搅拌 筒形反应器，在靠近反应器壁处垂直配置有比较细长 的挡板，在反应器的搅拌器下部安装有氧化气体入口 装置，挡板的宽度为约0.02至0.04倍反应器直径。

Description

本发明概括地说是关于芳香烷基液相氧化为芳香羧酸，主要是指将对二甲苯液相氧化为对苯二酸的方法。更确切地说，本发明是关于为提高反应器的转化率、降低能耗以及改进芳香羧酸产品质量的方法。

芳香烷基液相氧化为芳香羧酸是一种放出大量热量的化学反应。使用可挥发的含水酸性溶剂，以便容纳反应混合物和分散反应热。在液相中，芳香烷基氧化生成芳香羧酸一般是在有排气口的并能很好混合的氧化反应器中进行。对于放热的氧化反应产生的大量热量是在反应器内通过回流一部分含有的含水溶剂和芳香烷基化物而除去的。

生产出的芳香羧酸的旋光性能在很大程度上取决于发生在氧化反应器中的混合状态，因为反应器中的混合可以分散反应物、促进氧的传质和保持产生的芳香羧酸处于悬浮液中。反应物的均匀分散和氧传质效率影响芳香烷基的氧化率和产生的中间体，以及影响形成不希望的旋光杂质和付产物，这又影响了产生的芳香羧酸的旋光性能、反应器的氧化和反应收率。因此，改进反应器的混合操作具有引人注意的经济吸引力。

在放热反应中，由于产生的热而汽化了的物质与未反应的氧气和其他可存在的非冷凝组分一起向上通过反应器，并且在反应混合物的液面上方位置从反应器排出。这些蒸汽上升并从反应器排至顶部回流冷凝器系统，在此汽化了的溶剂、水和芳香烷基化物被冷凝。在低于反应器物料的温度下，冷凝物通过重力返回到反应器中。与汽化的反应物一起被带出的非冷凝气体被排出。

在操作中，将含有芳香烷基化物、含水酸性溶剂和氧化催化剂的液体进料物流加入到反应器中。在催化剂存在下，含氧气体单独引入到用于芳香烷基氧化成芳香羧酸的反应器中。

在反应器中含有的反应混合物包括产生的芳香羧酸的悬浮物。因为反应混合物含有固相和液相组分，以及连续通过的含氧气体，所以对反应器的物料进行强力搅拌是必要的，以保持所希望的均匀的反应条件和得到高质量的产物。就动力消耗来说，强力搅拌费用是大的，然而，即使采用了高的动力消耗，现有系统的混合效果也没有达到希望的良好程度。

在用于生产芳香羧酸的一个系统中，反应发生在立式安装的细长形的容器中，该容器具有一个实际为园筒形的侧壁，并在容器内，在处于大约轴线位置的转轴上安装一个转动的搅拌器，该搅拌器对于上面的混合装置具有复式叶轮，即叶轮是以4个叶片园盘涡轮的形式位于转轴的中部，对于下面的混合装置，即叶轮是以4个叶片涡轮的形式，使安置的叶片位于转轴的下端。

本系统中的反应器具有在靠近园筒器壁实际上均匀配置的4个垂直档板，每块档板具有矩形截面，且其宽度约为容器内径的1/12。每块档板与容器壁的间隙约为容器内径的1/100。在此以前，气体引入到这样系统的位置稍高于下部叶轮位置。

本发明提供具有增强混合性能的氧化反应器，可以增加反应器中的气体容量，并且实际上减少了为保持固体反应物处于悬浮液中所需要的能量。其结果，可以得到相对较高质量的芳香羧酸产物。

本发明设想一种氧化反应器，它是具有一个轴向安装搅拌器的一般园筒形的立式压力容器，上述搅拌器具有位于大约在反应器中部位置的上部叶轮装置和具有位于大约在反应器底部位置的最低的叶轮装置，该反应器具有垂直配置的靠近反应器壁但留有间隙的档板，并且气体进口装置的端部有多个喷嘴位于反应器内的最低叶轮装置的下部。垂直配置的档板与反应器壁留有间隙，且从反应器壁在内部径向伸展，具有宽度为约0.02至约0.04倍的反应器内径。气体入口喷嘴最好位于大约在最低叶轮装置和反应器底部中间。

图1是示意图，断面部分表示本发明反应器的总体结构；

图2是反应器放大示意断面图(由其上端剖开)，表示反应器装置的总体空间相互关系；

图3是反应器单独四分之一的放大水平断面图，通过图2的3-3′剖面，表示了气体喷嘴和档板相互之间及其相对于最低叶轮通过的直径的方位；和

图4是放大的垂直断面图，通过图3的4-4′剖面，从反应器下部的一个侧面表示了喷嘴相对于反应器底部和相对于最低叶轮的方位。

芳香羧酸是在氧化反应器中，在升高温度和压力下，通过在可蒸发的溶剂介质中的含氧气体液相氧化芳香烷基而产生。芳香烷基氧化成芳香羧酸发生在有氧化催化剂存在下的含水酸性溶剂介质中。芳香烷基转化成芳香羧酸是放热的，由氧化反应产生的热量至少一部分通过溶剂、水、芳香烷基化物和存在于氧化反应器中的反应混合物的其他可汽化组分的蒸发而除去。汽化的反应混合物组分从氧化反应器中排出。在顶部冷凝器系统中冷凝，并返回氧化反应器中，而未凝气体从系统中排出。

氧化反应器的液相进料物流含有芳香烷基化物、溶剂介质和有效量的氧化催化剂，以便实现在反应器中，在氧存在下，液相氧化芳香烷基成为相应的芳香羧酸。

参见图1，表示了用于氧化芳香烷基为芳香羧酸的细长的、立式安装的、连续搅拌的筒形反应器10。氧化反应进行在液相中。反应器10是压力容器，并包括搅拌器12，它驱动上部混合装置，即叶轮13和最低混合装置，即叶轮14，两者都固定在搅拌器的转轴15上。反应器10另外包括比较细长的垂直配置的内部档板16，它靠近园筒形反应器的内壁，并且由此向内部径向伸展。每个混合装置通过转轴15，在通常的水平面上，以预定的转动速度旋转，以便使反应器10的物料充分混合，下面将进一步详细论述。多个气体喷嘴，如喷嘴18，位于最低叶轮14以下，为保证引入氧化气体创造了条件。

将反应器10的物料在经受某一温度和足够的压力下，以便保持含有的可挥发溶剂和芳香烷基化物实际上处于液相状态。

芳香烷基化物，如对二甲苯，和可挥发含水酸性溶剂介质，如含有催化剂的乙酸水溶液，将其合并形成混合物，该混合物通过导管25进入反应器10。含氧气体通过气体入口管线18被引入到反应器10的内部，在反应器内气体入口管线18的端部靠近反应器的底部，且低于叶轮14。含氧气体的作用是在催化剂存在下，将芳香烷基氧化成芳香羧酸。液体氧化产物和溶剂介质通过管线26引出。

在反应器10中的反应热汽化可挥发的溶剂、水和其中含有的反应混合物。在反应器10中，由于放热反应而产生的大部分热量是通过从反应混合物中蒸发含水溶剂和少量的芳香烷基化物移出。汽化的物质和任何未反应的氧以及进入反应器10的含氧气体的其它组分在反应器10内上升，并且由排气管19从反应器10中排出。这些汽化物质和气体进入顶部冷凝器系统，如冷凝器20，这里通入循环的冷却液体，通过进口21进入，通过出口22排出。进入冷凝器20的蒸气冷凝部分通过导管23返回至反应器，而未凝部分通过导管24从系统中排出。

在反应器10中，通常，当引入空气时，在催化剂存在下，通过氧使芳香烷基氧化，形成所希望的芳香羧酸和中间体。产品物流从排出管26以溢流的形式从反应器10排出。此后用常规技术处理产品物流，以便使其组分分离，并回收其中含有的芳香羧酸。一般通过进一步结晶来分离气液相，然后干燥。

本发明的特征在图2至4中进行了更详细的说明。在图1和其余的图中，同样的标记数字指的是同样的部件或装置。另外，为简便起见，对于图2至图4的那些部件或装置在此以前未作详细叙述的，将在下文的段落中进行详述。

参见图2，上部叶轮装置13包括6个叶片园盘涡轮，其中每个叶片27是处于对转轴是径向的平面上，叶片是相互均匀配置的，并且每个叶片都是通过园盘28与内轴相连。

在图2中也可以看出，下部叶轮14包括安置在叶片涡轮上的6个叶片，其中每个叶片29以45°角安置，这些叶片相互均匀配置。45°斜角的方向是由转轴15的方向确定的，以便在转轴的正常转动中，通过每个叶片使液体从转轴向上和向外流动。此外，沿着涡轮的转动方向，每个叶片的排列使之它的前缘低于它的后缘。

如上所述，含氧气体，通常是空气，由气体入口管线18引入到反应器的内部，在优选的实施方案中，有4个相同的气体入口管线，在反应器的每四分之一处安装一个。然而，为了清楚，在图1和图2只表示出一个。

每个气体入口管线在反应器内较高的位置穿过，然后从反应器壁向下方延伸至低于最低叶轮的位置(如图4所示)。表3和表4分别表示管线18的平面布置和高度，它包括所指的被加工的31、32和33的多个直管，以便使气体稳定地流向所希望的部位。

喷嘴末端和反应器壁间的距离如D₁所示，最好为约0.23倍反应容器的内径。喷嘴末端与反应器底部间的距离如D₂所示，为约0.12至约0.18倍内径；而下部叶轮(在叶片的中部测量)和反应器底部间的距离如D₃所示，其长度为约0.25至0.36倍容器直径。因此，喷嘴的末端大约处于反应器底部和最低叶轮中间的位置。

喷嘴与平行于反应器纵向轴的垂直基准线向下的喷嘴角度(θ₁)为约15°至30°(见图4)，最好是在约20°至约25°的范围内。而喷嘴与从反应器纵向轴的径向延伸平面的位移角度(θ₂)为约30°至约90°的范围内，最好是在约45°至约70°的范围内，以便优选的气流方向与底部叶轮通过的园形面积大致相切。

图3和图4不但表示了档板16相对于气体入口导管的位置，而且也表示了档板相对于反应器壁和相互间的位置。气体入口导管和最靠近的档板间的径向角度(θ₃)是在约20°至约45°的范围内，最好是约25°至约35°的范围内。每块档板在朝向反应器侧壁边缘末端可以被修切成园形或斜面。

档板的宽度(图4中的D₄)是约0.02至约0.04倍反应器的内径。每块档板和反应器壁之间的间隙是约0.01倍反应器内径。

在相似于上述的系统中，通过实验证明了本发明可得到的改进效果，只是下部叶轮有4个而不是6个45°安置的叶片，而试验流体是在环境条件下选择水和空气。用15％(重量)的粗对苯二酸作为固体物料，空气的流量是每分钟每单位体积的悬浮液为2.0体积空气，这一空气流量等于表面气体速度为5.3呎/分。

在这种系统中，用本发明的细长档板取代了以前使用的比较宽的档板结果表明，在为完成固体悬浮的最低液面的条件下，所需的搅拌器的速度减少14％，能量消耗降低61％。此外，在同样能耗的情况下，气体的容量可增加14％。

喷嘴的配置位置从高于下部叶轮改成低于下部叶轮的位置，其结果可增加气体的容量约29％，虽然，需要的搅拌速度和动力稍有增加。在相同功率下，气体容量增加约16％。

在下部叶轮区也可以观察到更好的气体鼓泡分散作用。这种作用对于抑制旋光杂质的生成是非常重要的，因为，认为大部分的对二甲苯的氧化都发生在下部叶轮区域。

在相同系统中，不但将气体喷嘴的配置位置由高于下部叶轮改成低于下部叶轮的位置，而且换成了细长的档板和具有6个叶片的45°安置的叶片涡轮叶轮，在为完成固体的悬浮所需的最低液面下测定，其结果搅拌器速度下降16％，能量消耗减少62％。在相同功率下，气体容量可增加38％。

本发明对其优选的实施方案已经叙述，然而，确信在本发明权利要求所述的范围内，技术熟练的人员可作出各种改变。

Claims (8)

1.一种适于氧化芳香烷基的反应器，该反应器包括具有纵向轴、底部和侧壁的一般园筒形立式压力容器；反应物入口装置、含有固体反应产物的出口装置，和氧化气体入口装置所有这些与压力容器、在此相连的搅拌器和转轴共处于流体系统中，转轴和搅拌器沿着容器的纵向轴延伸到容器内部，并且具有在此相连的上部混合装置和最低混合装置，在容器内，搅拌器使上部混合装置和最低混合装置环绕着纵向轴转动；和在压力容器内的垂直配置的档板装置，它靠近侧壁但又留有间隙；垂直配置的档板装置包括实际是环绕压力容器园周均匀分布的而且对着中心的多块板，以便每块板从侧壁向内经向伸展，板具有的宽度为约0.02至0.04园筒容器直径；和氧化气体入口装置，其端部有多个喷嘴位于压力容器内最低混合装置的下部。

2.权利要求1的反应器，其中有4个实际上均匀配置的喷嘴，每四分之一反应器的水平面有一个，并且，其中的每个喷嘴位于约在反应器底部和下部混合装置中间。

3.权利要求2的反应器，其中最低混合装置位于在压力容器底部之上约0.25至约0.36倍压力容器直径范围内的位置上，并且喷嘴位于底部之上约0.12至约0.18倍压力容器直径的位置上。

4.权利要求3的反应器，其中最低混合装置包括向上抽动所安置的叶片涡轮，和进料喷嘴朝向下方且向内。

5.权利要求4的反应器，其中每一个喷嘴指向侧壁与相应气体入口装置相接处的右侧，并朝向最靠近它的档板，所处的角度为相对于反应器半径约30°至约90°的范围内，和向下所处的角度为相对于垂直平面约15°至约30°的范围内。

6.权利要求1的反应器，其中将多块板的每一块在朝向侧壁的边缘末端修切成园形或斜面。

7.在氧化芳香烷基生产芳香羧酸的方法中，其中烃保持在立式安装的容器内的液体物料中，该容器具有轴和实际为园筒形的侧壁，并在靠近侧壁处有垂直配置的档板，而含氧气体通过液体物料，在上述的氧化作用中，产生了分得很细的固体产物。并且通过实际上在处于轴线位置的垂直转轴上安装的转动装置的搅拌作用，使之其固体产物悬浮于液体物料中，在液体物料的中部位置，通过把连续供给的推动力提供给搅拌作用，以便使部分液体朝向园筒侧壁水平流动和环绕着园筒侧壁旋转，并且，在液体物料的下部位置，通过连续供给的推动力，以便使部分液体朝向园筒侧壁向上和向外流动，并环绕着由垂直配置的档板隔开的通道间的园筒侧壁旋转，改进的方法包括在低于下部位置的部位上，将气体引入到液体物料中。

8.权利要求1的反应器，其中的档板装置距内壁的间隙约为园筒反应器内径的0.01倍。

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