CN108151345A - 甲苯液相催化氧化过程中反应热回收方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种甲苯液相空气氧化过程中反应热的回收方法及其装置，该方法包括1)利用外界蒸汽为氧化反应供热以启动反应；2)当反应尾气中氧含量＜0.5％时停止充入外界蒸汽并利用冷却水进行内置换热，吸收氧化反应过程中释放的热量，冷却水换热得到过热水；3)将得到的过热水进行闪蒸，得到循环热水和蒸汽，蒸汽引出，循环热水中补充冷却水进行内置换热得过热水，过热水再进行闪蒸，循环往复，持续输出蒸汽，实现反应热回收。本发明装置采用内置式换热器换热效率高，不但提高了氧化效率，使得正常反应时尾气中氧含量<0.5％，远高于安全标准的＜7％，而且可以满足不同负荷时换热需求，适用于万吨级规模氧化装置的热回收。
Description
技术领域
本发明涉及反应热回收技术领域，具体地指一种甲苯液相催化氧化过程中反应热回收方法及其装置。
背景技术
甲苯液相催化氧化制备苯甲酸是一种典型的自由基反应，在反应的过程中会放出大量的热量。回收利用反应热产生蒸汽可以作为装置的保温以及在后续分离过程使用，从而降低生产成本，减少能源消耗，达到节能减排的目的。
目前，甲苯液相氧化制备苯甲酸反应热回收的方法主要有以下几种：1)通过反应器气相冷凝换热回收，这种方式所需冷凝器换热面积非常大，且反应中大量的不凝气会导致气液夹带严重，为达到尾气排放标准会设置众多冷凝器和分相器，附属设备较多，结构复杂。2)通过反应液循环再经过换热器实现热量回收，这种方式会要求使用物料循环泵，物料循环泵工作介质为反应液，其中含有约70％的甲苯和30％的苯甲酸，采用该方式时，首先160℃的反应液塔外循环时极度易燃易爆，而且反应液比热较小，理论上需要比水多两倍的循环量来实现热量回收，反应液经过换热后存在超过5～10℃的温差，循环回到反应器后会出现吸热大于放热的现象，使得反应难以控制，甚至出现“死料”，因而此方式的安全和经济性较差。3)通过反应器夹套实现热量回收，夹套换热面积较小，采用此方式会使得反应釜高径比偏大，因而反应器很难做得很大。4)通过反应器内盘管换热实现热量回收，常见于小型反应器，反应器较大时会使得众多盘管难以固定来避免温度波动造成的管道应力影响。因此，前述热回收方式均很难满足大规模的工业生产要求，因此，为达到年产万吨级氧化装置规模，通常需要前述两种或多种换热方式相结合进行热回收，进而导致需要使用的设备众多、热回收工艺复杂、很难安全经济地回收反应热等问题。
发明内容
本发明的目的就是要提供一种甲苯液相空气氧化过程中反应热的回收方法及其装置，该方法及装置能够安全、经济、高效地回收反应热，满足万吨级以上大规模工业生产热回收要求。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种甲苯液相催化氧化过程中反应热回收方法，包括以下步骤：
1)利用外界蒸汽为甲苯液相催化氧化提供热量，进行升温，以启动甲苯催化氧化反应；
2)当甲苯液相催化氧化反应的尾气中氧气含量＜0.5％时停止充入外界蒸汽，完成升温过程，然后利用冷却水进行内置换热，吸收甲苯液相催化氧化反应过程中释放的热量，冷却水换热得到过热水；
3)将过热水输入闪蒸罐进行闪蒸处理，得到循环热水和闪蒸蒸汽；
4)将产生的闪蒸蒸汽输出；
5)向循环热水中补充冷却水，再次进行内置换热，吸收甲苯液相催化氧化反应过程中释放的热量，再次得过热水，对过热水再次进行闪蒸，这样循环往复操作，即可持续输出闪蒸蒸汽，实现反应热回收。
进一步地，步骤3)中，所述闪蒸罐内液位高度为闪蒸罐高度的10～80％。
进一步地，步骤3)中，所述过热水输入闪蒸罐的输送压力为0.50～0.80Mpa。
进一步地，步骤5)中，所述冷却水按与循环热水为1:50～1:200的重量比例补入。
进一步地，步骤4)中，控制闪蒸蒸汽输出压力为0.10～0.50Mpa。
一种上述甲苯液相催化氧化过程中反应热回收装置，包括反应釜，所述反应釜底部开有空气补给装置，所述空气补给装置上连有空气分布器，所述反应釜顶部开有尾气排出口，所述反应热回收装置还包括设置在所述反应釜内的内置式换热器，和设置在所述反应釜外的蒸汽闪蒸罐，所述内置式换热器的一端与所述蒸汽闪蒸罐的循环热水进出口相连通，另一端与所述蒸汽闪蒸罐的过热水进出口相连通，所述内置式换热器与所述循环热水进出口之间设置有循环热水调节泵；所述内置式换热器与所述过热水进出口之间设置有过热水调节阀；所述蒸汽闪蒸罐上还开设有蒸汽出入口及冷却水补充口，所述蒸汽出入口上设置有蒸汽调节阀，所述冷却水补充口上连接有补水调节泵。
进一步地，所述蒸汽出入口与蒸汽调节阀之间连有除沫器。
进一步地，所述内置式换热器与所述循环热水调节泵之间，设置有疏水器。
进一步地，所述冷却水补充口与所述补水调节泵之间连接有补水调节阀。
进一步地，所述内置式换热器为翅片式换热器。
进一步地，所述过热水进出口和蒸汽出入口开设在蒸汽闪蒸罐的顶部，所述循环热水进出口和冷却水补充口开设在蒸汽闪蒸罐底部。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
其一，本发明提供了一种可应用于万吨级规模甲苯液相空气氧化过程中反应热的回收方法，工艺简单，可安全经济地回收反应热。
其二，本发明的甲苯液相空气氧化过程中反应热的回收装置不但提高了氧化效率，使得正常反应时尾气中氧气含量<0.5％，远高于安全标准的＜7％，而且可以满足不同负荷时换热需求；本发明装置换热效率高，能够稳定、经济、连续、自动化运行，适用于万吨级规模氧化装置的热回收。
其三，本发明内置式换热器的换热介质循环管即可用于供热介质(水)循环流动换热，也可在氧化反应开始前用于引入外界蒸汽，以启动氧化反应，进而使得本发明装置附属设备少，结构简单紧凑，占据空间小。当本发明的内置式换热器采用翅片式换热器并联而成时，利用翅片持续分割上升空气，增大气液接触面积，促进气液传质，进而提高氧化效率，降低尾气氧含量，避免爆炸情况的出现，大幅降低了安全风险。另外，本发明的内置式换热器持续稳定地移走反应产生的热量，同时输出品位可控的蒸汽，使反应釜温度恒定，减小温度波动对反应的影响。
其四，本发明装置利用过热水调节阀控制循环管线出口(过热水入口)处的压力在一定值，保持内部水为液态，避免了过热水在管线和换热器中汽化产生气锤，损坏设备。同时，在蒸汽闪蒸罐上开设补水入口，根据产汽的大小进行补水，维持蒸汽闪蒸罐液位稳定，进而维持换热系统稳定产汽。
其五，将过热水进出口和蒸汽出入口开设在蒸汽闪蒸罐顶部，将循环热水出入口和补水入口开设在蒸汽闪蒸罐底部，进一步避免了气锤的产生；而且，在蒸汽闪蒸罐的蒸汽出入口上设置除沫器，可有效防止液位过高而产生气液夹带。
附图说明
图1为一种甲苯液相催化氧化过程中反应热回收装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于更清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。
如图1所示的甲苯液相催化氧化过程中反应热回收装置，包括反应釜1，反应釜1底部设有空气补给装置1.1，空气补给装置1.1上连有空气分布器2，反应釜1顶部开有尾气排出口1.2，反应热回收装置还包括设置在反应釜1内的内置式换热器3，和设置在反应釜1外的蒸汽闪蒸罐5，内置式换热器3为翅片式换热器，蒸汽闪蒸罐5顶部开有蒸汽出入口5.2，过热水进出口5.3及安全阀接口5.5，安全阀接口5.5上连安全阀，蒸汽闪蒸罐5底部开有循环热水进出口5.1和冷却水补充口5.4，内置式换热器3的一端与蒸汽闪蒸罐5的循环热水进出口5.1相连通，另一端与蒸汽闪蒸罐5的过热水进出口5.3相连通，内置式换热器3与循环热水进出口5.1之间设置有循环热水调节泵6，内置式换热器3与循环热水调节泵6之间设置有疏水器7，循环热水调节泵6前连有出口阀门13，疏水器7连有手动阀14；内置式换热器3与过热水进出口5.3之间设置有过热水调节阀8，该热水调节阀8可控制过热水进出口5.3处压力以保持内部水为液态，防止过热水在管线和换热器中汽化产生气锤，损坏设备；蒸汽闪蒸罐5上还开设有蒸汽出入口5.2及冷却水补充口5.4，蒸汽出入口5.2上设置有蒸汽调节阀10，蒸汽出入口5.2与蒸汽调节阀10之间连有除沫器9，该除沫器9用于防止液位过高产生的气液夹带；冷却水补充口5.4上连接有补水调节泵11，冷却水补充口5.4与补水调节泵11之间连接有补水调节阀12。
上述甲苯液相空气氧化过程中反应热的回收装置的工作过程如下：
将外界蒸汽从蒸汽出入口5.2通入蒸汽闪蒸罐5，外界蒸汽经过热水调节阀8进入内置式换热器3，内置式换热器3采用多段翅片式换热器相互间并联连接沉浸在反应液中，内置式换热器3给反应釜1提供热量使甲苯催化氧化反应启动，产生的蒸汽凝结水通过疏水器7排出；反应启动后关闭蒸汽闪蒸罐5上的蒸汽出入口5.2和疏水器7，启动补水调节泵11补充冷却水，为维持换热系统稳定，冷却水按与循环热水为1:50～1:200的重量比例补入蒸汽闪蒸罐5内，通过补水调节阀12，使得蒸汽闪蒸罐5达到设定液位，该液位优选为10～80％，更优选在50％左右；压缩空气不断从反应釜1底部的空气补给装置1.1进入，经过空气分布器2上升，同时反应釜1内的反应物放出大量反应热，当尾气排出口1.2排出的尾气中氧气含量＜0.5％时(此时反应釜1温度达到甲苯氧化反应的反应温度，反应物间充分反应)启动循环热水调节泵6，水在内置式换热器3内吸收热量成为过热水，过热水经过有压力控制的热水调节阀8进入蒸汽闪蒸罐5进行闪蒸，产生蒸汽，开启蒸汽出入口5.2引出蒸汽，并根据后续工段用汽需求通过蒸汽调节阀10设置合适的输出蒸汽压力，优选0.10～0.50Mpa，闪蒸后的热水与补充软水混合后通过循环热水调节泵6进入内置式换热器3内循环吸收热量，再循环回到蒸汽闪蒸罐5内不断产生蒸汽。其中，热水调节阀8控制循环管线出口压力在0.50～0.80Mpa，以保持内部水为液态，防止过热水在管线和换热器中汽化产生气锤，损坏设备。
实施例1
一种甲苯液相催化氧化过程中反应热回收方法，包括以下步骤：
1)往反应釜1内加入甲苯和催化剂，利用外界蒸汽为甲苯液相催化氧化提供热量，进行升温，以启动甲苯催化氧化反应，具体操作如下：开启补水调节泵11向蒸汽闪蒸罐5内加入20％液位的冷却水，然后关闭补水调节泵11、补水调节阀12和循环热水调节泵6的出口阀门13，开启疏水器7的手动阀14排尽系统内的冷凝水；打开热水调节阀8后，将压力为0.7MPa、温度为150℃左右的外界蒸汽通过蒸汽出入口5.2通入蒸汽闪蒸罐5，同时高压空气以小流量由反应釜1底部进入，持续从蒸汽出入口5.2引入外界蒸汽让反应釜1内继续升温；
2)当甲苯液相催化氧化反应的尾气中氧气含量＜0.5％时，反应已经充分进行并持续发生，停止充入外界蒸汽，完成升温过程，具体操作如下：反应釜内反应充分进行并持续发生时，氧化反应的放热大于吸热，反应釜内并开始放热，此时，通过关闭蒸汽调节阀10关闭外界蒸汽，同时关闭疏水器7的手动阀14，缓慢加大空气流量，反应程度加剧，反应釜会逐渐升温至165℃，当尾气氧含量低于0.5％时，反应釜1升温过程完成；然后利用冷却水进行内置换热，吸收甲苯液相催化氧化反应过程中释放的热量，冷却水换热得到过热水；
3)将过热水输入闪蒸罐进行闪蒸处理，得到循环热水和闪蒸蒸汽，具体操作如下：升温后，开启补水调节泵11和补水调节阀12进行补水，使蒸汽闪蒸罐5内液位高度达到闪蒸罐高度的50％后，开启循环热水调节泵6的出口阀门13，然后设置热水调节阀8的压力0.60Mpa，自动运行，待过热水调节阀8开度为5％时开启循环热水调节泵6，冷却水进入内置式换热器3内循环换热，产生蒸汽；
4)将产生的闪蒸蒸汽输出；控制闪蒸蒸汽输出压力为0.10～0.50Mpa；
5)向蒸汽闪蒸罐5中的补充冷却水，再次循环进行内置换热，吸收甲苯液相催化氧化反应过程中释放的热量，再次得过热水，对过热水再次进行闪蒸，这样循环往复操作，即可持续输出闪蒸蒸汽，实现反应热回收；冷却水按与循环热水为1:50～1:200的重量比例补入。
当设置蒸汽调节阀10输出蒸汽压力为0.45Mpa时，蒸汽产量为6吨/小时，运行30天共产生蒸汽4320吨。
实施例2
一种甲苯液相催化氧化过程中反应热回收方法，包括以下步骤：
1)往反应釜1内加入甲苯和催化剂，利用外界蒸汽为甲苯液相催化氧化提供热量，进行升温，以启动甲苯催化氧化反应，具体操作如下：开启补水调节泵11向蒸汽闪蒸罐5内加入20％液位的冷却水，然后关闭补水调节泵11、补水调节阀12和循环热水调节泵6的出口阀门13，开启疏水器7的手动阀14排尽系统中的冷凝水；打开热水调节阀8后，将压力为0.7MPa、温度为150℃左右的外界蒸汽通过蒸汽出入口5.2通入蒸汽闪蒸罐5，同时高压空气以小流量由反应釜1底部进入，持续从蒸汽出入口5.2引入外界蒸汽让反应釜1内继续升温；
2)当甲苯液相催化氧化反应的尾气中氧气含量＜0.5％时，反应已经充分进行并持续发生，停止充入外界蒸汽，完成升温过程，具体操作如下：反应釜内反应充分进行并持续发生时，氧化反应的放热大于吸热，即反应在持续发生，反应釜内并开始放热，此时，通过关闭蒸汽调节阀10关闭外界蒸汽，同时关闭疏水器7的手动阀14，缓慢加大空气流量，反应程度加剧，反应釜会逐渐升温至165℃，当尾气氧含量低于0.5％时，反应釜1升温过程完成；然后利用冷却水进行内置换热，吸收甲苯液相催化氧化反应过程中释放的热量，冷却水换热得到过热水；
3)将过热水输入闪蒸罐进行闪蒸处理，得到循环热水和闪蒸蒸汽，具体操作如下：升温后，开启补水调节泵11和补水调节阀12进行补水，使蒸汽闪蒸罐5内液位高度达到闪蒸罐高度的50％后，开启循环热水调节泵6的出口阀门13，然后设置热水调节阀8的压力0.60Mpa，自动运行，待过热水调节阀8开度为5％时开启循环热水调节泵6，冷却水进入内置式换热器3内循环换热，产生蒸汽；
4)将产生的闪蒸蒸汽输出；控制闪蒸蒸汽输出压力为0.10～0.50Mpa；
5)向蒸汽闪蒸罐5内的循环热水中补充冷却水，再次进行内置换热，吸收甲苯液相催化氧化反应过程中释放的热量，再次得过热水，对过热水再次进行闪蒸，这样循环往复操作，即可持续输出闪蒸蒸汽，实现反应热回收；冷却水按与循环热水为1:50～1:200的重量比例补入。
当设置蒸汽调节阀10输出蒸汽压力为0.35Mpa时，蒸汽产量为7.7吨/小时，运行10天共产生蒸汽1850吨。
Claims (11)
1.一种甲苯液相催化氧化过程中反应热回收方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)利用外界蒸汽为甲苯液相催化氧化提供热量，进行升温，以启动甲苯催化氧化反应；
2)当甲苯液相催化氧化反应的尾气中氧气含量＜0.5％时停止充入外界蒸汽，完成升温过程，然后利用冷却水进行内置换热，吸收甲苯液相催化氧化反应过程中释放的热量，冷却水换热得到过热水；
3)将过热水输入闪蒸罐进行闪蒸处理，得到循环热水和闪蒸蒸汽；
4)将产生的闪蒸蒸汽输出；
5)向循环热水中补充冷却水，再次进行内置换热，吸收甲苯液相催化氧化反应过程中释放的热量，再次得过热水，对过热水再次进行闪蒸，这样循环往复操作，即可持续输出闪蒸蒸汽，实现反应热回收。
2.根据权利要求1所述甲苯液相催化氧化过程中反应热回收方法，其特征在于：步骤3)中，所述闪蒸罐内液位高度为闪蒸罐高度的10～80％。
3.根据权利要求1所述甲苯液相催化氧化过程中反应热回收方法，其特征在于：步骤3)中，所述过热水输入闪蒸罐的输送压力为0.50～0.80Mpa。
4.根据权利要求1所述甲苯液相催化氧化过程中反应热回收方法，其特征在于：步骤5)中，所述冷却水按与循环热水为1:50～1:200的重量比例补入。
5.根据权利要求1所述甲苯液相催化氧化过程中反应热回收方法，其特征在于：步骤4)中，控制闪蒸蒸汽输出压力为0.10～0.50Mpa。
6.一种权利要求1所述甲苯液相催化氧化过程中反应热回收装置，包括反应釜(1)，所述反应釜(1)底部开有空气补给装置(1.1)，所述空气补给装置(1.1)上连有空气分布器(2)，所述反应釜(1)顶部开有尾气排出口(1.2)，其特征在于：所述反应热回收装置还包括设置在所述反应釜(1)内的内置式换热器(3)，和设置在所述反应釜(1)外的蒸汽闪蒸罐(5)，所述内置式换热器(3)的一端与所述蒸汽闪蒸罐(5)的循环热水进出口(5.1)相连通，另一端与所述蒸汽闪蒸罐(5)的过热水进出口(5.3)相连通，所述内置式换热器(3)与所述循环热水进出口(5.1)之间设置有循环热水调节泵(6)；所述内置式换热器(3)与所述过热水进出口(5.3)之间设置有过热水调节阀(8)；所述蒸汽闪蒸罐(5)上还开设有蒸汽出入口(5.2)及冷却水补充口(5.4)，所述蒸汽出入口(5.2)上设置有蒸汽调节阀(10)，所述冷却水补充口(5.4)上连接有补水调节泵(11)。
7.根据权利要求6所述的甲苯液相催化氧化过程中反应热回收装置，其特征在于：所述蒸汽出入口(5.2)与蒸汽调节阀(10)之间连有除沫器(9)。
8.根据权利要求6或7所述的甲苯液相催化氧化过程中反应热回收装置，其特征在于：所述内置式换热器(3)与所述循环热水调节泵(6)之间，设置有疏水器(7)。
9.根据权利要求6或7所述的甲苯液相催化氧化过程中反应热回收装置，其特征在于：所述冷却水补充口(5.4)与所述补水调节泵(11)之间连接有补水调节阀(12)。
10.根据权利要求6或7所述的甲苯液相催化氧化过程中反应热回收装置，其特征在于：所述内置式换热器(3)为翅片式换热器。
11.根据权利要求6或7所述的甲苯液相催化氧化过程中反应热回收装置，其特征在于：所述过热水进出口(5.3)和蒸汽出入口(5.2)开设在蒸汽闪蒸罐(5)的顶部，所述循环热水进出口(5.1)和冷却水补充口(5.4)开设在蒸汽闪蒸罐(5)底部。
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