CN109053412B - 一种pta节能降耗装置及cta氧化反应前均相预混方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种PTA节能降耗装置及CTA氧化反应前均相预混方法，通过在进料混合装置和氧化反应器之间增设一台超重力均相预混合反应器，超重力均相预混合反应器包括电机、壳体、端盖、转轴、转子、静环和进料喷管。转子包括旋转盘和动环；动环包括从内至外依次同轴套装在转轴外周的内层动环、中间动环和外层动环。本发明通过增设的超重力均相预混合反应器，对氧化反应过程具有两个作用：1.对二甲苯、溶剂醋酸、催化剂（醋酸钴、醋酸锰、促进剂四溴乙烷）混合料二次均相混合，提高混合均度。2.通入空气引发氧化反应，提高氧化反应器中氧化反应速率、提高主反应产率；缩短撤热时间，减少溶剂醋酸的蒸发量。

Description

一种PTA节能降耗装置及CTA氧化反应前均相预混方法

技术领域

本发明涉及一种PTA生产装置及生产工艺，特别是一种PTA节能降耗装置及CTA氧化反应前均相预混方法。

背景技术

现有精对苯二甲酸工业装置氧化反应单元，粗对苯二甲酸氧化反应前，对二甲苯、醋酸、催化剂的均相预混采用传统的“罐内混合或静态混合器”混合的工艺技术，流程图见图1。本发明中，精对苯二甲酸统一简称为PTA，粗对苯二甲酸统一简称为CTA，对二甲苯统一简称为PX。

在PTA工业装置氧化反应单元中，如图1所示，原料对二甲苯、溶剂醋酸、催化剂(醋酸钴、醋酸锰、促进剂四溴乙烷)按一定比例进入进料进料混合装置1中，这里的进料混合装置可以为混合罐，也可以为静态混合器等。混合后的物料由混合液加料泵2加压送至氧化反应器3，在一定温度、压力下，与来自压缩机的空气进行氧化反应，由于氧化反应产生大量的热量，使部分溶剂醋酸和物料发生汽化，汽化气体进入冷凝器4冷凝，冷凝液再回流到氧化反应器3，未被冷凝的气体排至后续回收工段，生成的TA浆料从氧化反应器3出料中抽出，进入结晶罐5进行二次氧化和结晶，降温降压后TA浆料经反应淤浆泵6增压后进入过滤器7过滤浓缩成TA滤饼进入干燥系统，过滤母液进入母液罐8经母液回用泵9增压后回到进料混合装置1循环使用。

然而，上述PTA工业装置氧化反应单元工艺技术还存在着不足，有待改进。

PX氧化反应是较复杂的化学反应，在反应过程中，共有两类反应发生，一类是主反应，PX在高温、过量氧气和高强度搅拌条件下氧化成对二甲苯；另一类则是伴随主反应而同时发生的副反应，主要的副反应是溶剂醋酸和原料PX的燃烧反应。

采用进料混合装置对原料对二甲苯、溶剂醋酸、催化剂(醋酸钴、醋酸锰、促进剂四溴乙烷)按一定比例混料时，混合时间较短，均相混合效果差，进入氧化反应器后易发生副反应，生产一氧化碳、二氧化碳和水，影响主反应的产率；同时，因主反应和副反应过程都是放热过程，而反应过程中的撤热主要靠醋酸汽化带走，溶剂消耗量较大。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种PTA节能降耗装置，该PTA节能降耗装置在提高CTA氧化反应前均相预混反应的混合均度的同时，提高氧化反应器中氧化反应速率、提高主反应产率；降低氧化反应器的压力和温度，降低醋酸消耗。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种PTA节能降耗装置，包括进料混合装置、超重力均相预混合反应器和氧化反应器；超重力均相预混合反应器设置在进料混合装置和氧化反应器之间。

进料混合装置用于将原料对二甲苯、溶剂醋酸和催化剂进行初步预混合。

超重力均相预混合反应器包括电机、壳体、端盖、转轴、转子、静环和进料喷管。

壳体同轴包覆在转子外周，端盖密封盖合在壳体一侧。

壳体上设置有气体入口和液体出口，气体入口与壳体相垂直，液体出口与氧化反应器的入液口相连接；端盖上设置有液体入口和气体出口，液体入口通过混合液加料泵与进料混合装置的出液口相连接。

转轴的一端与电机相连接，转轴的另一端分别从壳体、转子和端盖的中心轴线穿过，转轴与壳体和端盖之间均为密封转动连接。

转子包括旋转盘和动环；旋转盘同轴固定套装在转轴外周，动环包括从内至外依次同轴套装在转轴外周的内层动环、中间动环和外层动环，中间动环的数量至少为一个；动环的一端均与旋转盘相连接；动环上均布设有流道孔；外层动环与壳体之间形成外密封腔，外密封腔分别与气体入口和液体出口相连通；内层动环与转轴之间形成与气体出口相连通的内密封腔。

进料喷管沿周向布设在内层动环和与内层动环相邻近的中间动环之间，且进料喷管的喷孔朝向中间动环；每根进料喷管均与液体入口处的入料管相连通。

当中间动环为一个时，中间动环与外层动环之间设置一个静环；当中间动环为两个以上时，相邻两个中间动环之间以及外层动环与相邻的中间动环之间均各设置一个静环；静环的一端均与端盖相连接。

静环由若干根圆柱沿周向均匀排列形成，相邻两根圆柱之间形成静环流体流道。

动环的一端均与旋转盘可拆卸连接。

静环的一端均与端盖可拆卸连接。

进料混合装置为混合罐或静态混合器。

催化剂为醋酸钴、醋酸锰或促进剂四溴乙烷中的一种或组合。

一种CTA氧化反应前均相预混方法，包括如下步骤。

步骤1，初步预混合：原料对二甲苯、溶剂醋酸和催化剂进入进料混合装置进行初步预混合。

步骤2，均相预混合：经初步预混合的物料由混合液加料泵加压送至超重力均相预混合反应器中进行均相预混合，均相预混合包括如下步骤。

步骤21，液体入料：转子转动，初步预混合的物料从超重力均相预混合反应器的液体入口进入，并均匀输送至各个位于内层动环和与内层动环相邻近的中间动环之间的进料喷管中。

步骤22，液滴混合：在混合液加料泵的输送压力以及离心力的作用下，液体物料将向着远离内层动环的移动，也即先经过与内层动环相邻近的中间动环上的流道孔，接着进入静环中的静环流体流道，然后再依次经过中间动环、静环，直至到达外层动环；液体物料每经过一次动环与静环的组合，由于受到剪切作用，就将进行一次重新分布。

步骤23，均相混合：在步骤22液滴混合的同时，压缩机中的空气，将从气体入口进入外密封腔，接着从外层动环上的流道孔进入静环中的静环流体流道，依次向内流入，并与步骤22中受到剪切作用的液滴逆流接触，均相混合，同时发生氧化反应；反应后的淤浆混合液由壳体底部的液体出口排出进入氧化反应器继续反应，反应过程中蒸发出的醋酸蒸汽自顶部排出进入冷凝器冷凝，冷凝后的醋酸液体自流至氧化反应器中循环使用。

本发明具有如下有益效果：

1.促进对二甲苯、溶剂醋酸、催化剂(醋酸钴、醋酸锰、促进剂四溴乙烷)混合料二次均相混合，提高混合均度。

2.在混合过程中极大的强化传质、传热，进行部分氧化反应。

3.通入空气引发氧化反应，提高氧化反应器中氧化反应速率、提高主反应产率；降低氧化反应器的压力和温度，降低醋酸消耗。

附图说明

图1显示了现有技术中一种PTA工业装置的结构示意图。

图2显示了本发明中一种PTA节能降耗装置的结构示意图。

图3显示了超重力均相预混合反应器平行于转轴的纵剖面示意图。

图4显示了超重力均相预混合反应器垂直于转轴的纵剖面示意图。

图5显示了PX氧化反应分步反应方程式。

其中有：1.进料混合装置；2.混合液加料泵；3.氧化反应器；4.冷凝器；5.结晶罐；6.反应淤浆泵；7.过滤器；8.母液罐；9.母液回用泵；10.超重力均相预混合反应器。

11.电机；12.壳体；121.气体入口；122.液体入口；13.机械密封；14.端盖；141.液体入口；142.气体出口；143静环；144.进料喷管；151.旋转盘；152.动环；1521.外层动环；1522.中间动环；1523.内层动环；16.转轴；17.轴承。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图2所示，一种PTA节能降耗装置，包括进料混合装置1、超重力均相预混合反应器10、氧化反应器3、冷凝器4、结晶罐5、过滤器7和母液罐8。

进料混合装置优选为混合罐或静态混合器等，用于将原料对二甲苯、溶剂醋酸和催化剂进行初步预混合。其中，催化剂优选为醋酸钴、醋酸锰或促进剂四溴乙烷等中的一种或组合。

超重力均相预混合反应器设置在进料混合装置和氧化反应器之间。

氧化反应器3、冷凝器4、结晶罐5、过滤器7和母液罐8的布设方式为现有技术，这里不再赘述。

如图3和图4所示，超重力均相预混合反应器包括电机11、壳体12、端盖14、转轴16、转子、静环143和进料喷管144。

壳体同轴包覆在转子外周，端盖密封盖合在壳体一侧。

壳体上设置有气体入口121和液体出口122，气体入口与壳体相垂直，液体出口与氧化反应器的入液口相连接。

端盖上设置有液体入口141和气体出口142，液体入口通过混合液加料泵2与进料混合装置的出液口相连接。

转轴的一端优选通过联轴器与电机11相连接，转轴的另一端分别从壳体、转子和端盖的中心轴线穿过，转轴与壳体和端盖之间均优选采用轴承17和机械密封13形成为密封转动连接。

转子包括旋转盘151和动环152。

旋转盘同轴固定套装在转轴外周，动环包括从内至外依次同轴套装在转轴外周的内层动环1523、中间动环1522和外层动环1521，中间动环的数量至少为一个，优选为两个以上。

动环的一端均与旋转盘相连接，优选为可拆卸连接。动环上均布设有流道孔；外层动环与壳体之间形成外密封腔153，外密封腔分别与气体入口和液体出口相连通；内层动环与转轴之间形成与气体出口相连通的内密封腔154。

进料喷管沿周向布设在内层动环和与内层动环相邻近的中间动环之间，且进料喷管的喷孔朝向中间动环；每根进料喷管均与液体入口处的入料管相连通。

当中间动环为一个时，中间动环与外层动环之间设置一个静环。

当中间动环为两个以上时，相邻两个中间动环之间以及外层动环与相邻的中间动环之间均各设置一个静环；静环的一端均与端盖相连接，优选为可拆卸连接。

静环由若干根圆柱沿周向均匀排列形成，每根圆柱体的一端均优选与端盖可拆卸连接，相邻两根圆柱之间形成静环流体流道。

超重力均相预混合反应器的工作原理

在超重力均相预混合反应器10中，空气从空气入口进入壳体，并由转子外圈向转子中心运动，混合液由液体入口进入转子中心，在离心力的作用下由转子中心向转子外圈甩出，这样，混合液与空气逆流接触，均相混合的同时发生氧化反应，反应后的淤浆混合液由壳体底部液体出口管口排出进入氧化反应器3继续反应，反应过程中蒸发出的醋酸蒸汽自顶部排出进入冷凝器4冷凝，冷凝后的醋酸液体自流至氧化反应器3中循环使用。

超重力均相预混合反应器10不仅具有强化液液均相混合作用，同时也有气液传质作用，即提高氧化反应的动力，而且具有防阻塞功能，保证设备的长周期、高效运行。

在超重力均相预混合反应器10壳体内，流体流动过程中每经过一组动环-静环就要重新分布一次，相当于多个传质端效应区的串联。定-转子之间的流体受到高度剪切作用，强化了液滴与液滴之间的混合效果。

超重力均相预混合反应器采用静环、转子组合方式，防止固体颗粒物阻塞、强化液液传质、气液传质、强化微观混合过程的优势，其结构说明如下：

1.超重力均相预混合反应器基本结构由静环(也即定子)和转子嵌合而成，静环固定在端盖上，转子包括多层动环，动环与静环沿径向间隔排列，形成动环-静环交替嵌合结构。

2.超重力均相预混合反应器内，液体在流动过程中每经过一组动环-静环需重新分布一次，相当于超重力设备内多个端效应区串联，进一步强化了混合及传质过程。

3.超重力均相预混合反应器内无填料，同时静环-转子间液体受高度剪切处于高度湍流状态，具有自清洁作用，对于高粘度物料或结晶沉淀体系不会出现堵塞现象。

4.超重力均相预混合反应器的动环与转子座以及静环与端盖间采用可拆连接方式，组装及拆卸方便，同一台设备经过不同的结构组装，可适用不同的使用要求。

5.超重力均相预混合反应器内部无复杂的气相内密封，结构简单。

一种CTA氧化反应前均相预混方法，包括如下步骤。

步骤1，初步预混合：原料对二甲苯、溶剂醋酸和催化剂按一定比例进入进料混合装置进行初步预混合。

步骤2，均相预混合：经初步预混合的物料由混合液加料泵加压送至超重力均相预混合反应器中进行均相预混合，均相预混合包括如下步骤。

步骤21，液体入料：转子转动，初步预混合的物料从超重力均相预混合反应器的液体入口进入，并均匀输送至各个位于内层动环和与内层动环相邻近的中间动环之间的进料喷管中。

步骤22，液滴混合：在混合液加料泵的输送压力以及离心力的作用下，液体物料将向着远离内层动环的移动，也即先经过与内层动环相邻近的中间动环上的流道孔，接着进入静环中的静环流体流道，然后再依次经过中间动环、静环，直至到达外层动环；液体物料每经过一次动环与静环的组合，由于受到剪切作用，就将进行一次重新分布。

步骤23，均相混合：在步骤22液滴混合的同时，压缩机中的空气，将从气体入口进入外密封腔，接着从外层动环上的流道孔进入静环中的静环流体流道，依次向内流入，并与步骤22中受到剪切作用的液滴逆流接触，均相混合，同时发生氧化反应；均相混合反应过程中产生的气相进入冷凝器4冷凝；反应后的淤浆混合液由壳体底部的液体出口排出进入氧化反应器，在一定温度、压力下，与来自压缩机的空气进行氧化反应，由于氧化反应产生大量的热量，使部分溶剂醋酸和物料发生汽化，汽化气体自顶部排出进入冷凝器冷凝，冷凝后的醋酸液体自流至氧化反应器中循环使用，未被冷凝的气体排至后续回收工段，生成的TA浆料从氧化反应器出料中抽出，进入结晶罐进行二次氧化和结晶，降温降压后TA浆料经反应淤浆泵增压后进入过滤器过滤浓缩成TA滤饼进入干燥系统，过滤母液进入母液罐经母液回用泵增压后回到混合罐(或静态混合器)循环使用。

PX氧化是PTA装置的核心，选择适宜的氧化反应条件，是降低原辅材料消耗、减少副产品生成和提高产品质量的决定性因素，优化反应条件成为技术开发的制高点。反应条件优化的总趋势是降低反应压力和温度，提高催化剂浓度并改进催化剂、促进剂配比。

PX氧化反应分步反应方程式如图5所示。

PX的氧化反应很重要的前提条件是气液相传质问题。现有的PTA主流工艺采用釜式搅拌反应器，气体从反应器下部进入反应釜，通过搅拌实现气液相均匀混合。

本发明的工艺特点是在气液相进入氧化反应器之前，在超重力均相预混合反应器内进行气液相充分混合并进行部分反应，气液均相混合物进入氧化反应器内进一步反应。

研究表明以下两个事实1.PX氧化分步反应过程中甲基苯甲酸(PT酸)氧化是速度最慢的一步反应；2.分步反应过程中杂质(PT酸、4-CBA等)产生由于反应过程中产生的PTA晶体将杂质包裹，阻碍了杂质的进一步氧化。

本发明的超重力均相预混合反应器可以实现PX→TALD→PT酸→4-CBA→PTA的部分分步反应，物料进入氧化反应器的中间产物粒径很小(纳米级)，高强度的剪切作用阻止大晶粒的中间产物形成。后续物料在氧化反应器内气液充分接触反应，在同等的温度、压力、催化剂条件下降低杂质含量。

PTA氧化过程中采用较高温度、压力的重要原因是需要提高反应速率、降低杂质含量。本发明通过强化传质过程可以有效提高现有氧化反应釜反应速率、降低杂质含量。研究表明，在现有反应器其它条件不变的情况下，现有反应器产能可以提高5％，4-CBA和PT酸等杂质总含量可以降低20％。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种PTA节能降耗装置，其特征在于：包括进料混合装置、超重力均相预混合反应器和氧化反应器；超重力均相预混合反应器设置在进料混合装置和氧化反应器之间；

进料混合装置用于将原料对二甲苯、溶剂醋酸和催化剂进行初步预混合；

超重力均相预混合反应器包括电机、壳体、端盖、转轴、转子、静环和进料喷管；

壳体同轴包覆在转子外周，端盖密封盖合在壳体一侧；

壳体上设置有气体入口和液体出口，气体入口与壳体相垂直，液体出口与氧化反应器的入液口相连接；端盖上设置有液体入口和气体出口，液体入口通过混合液加料泵与进料混合装置的出液口相连接；

转轴的一端与电机相连接，转轴的另一端分别从壳体、转子和端盖的中心轴线穿过，转轴与壳体和端盖之间均为密封转动连接；

转子包括旋转盘和动环；旋转盘同轴固定套装在转轴外周，动环包括从内至外依次同轴套装在转轴外周的内层动环、中间动环和外层动环，中间动环的数量至少为一个；动环的一端均与旋转盘相连接；动环上均布设有流道孔；外层动环与壳体之间形成外密封腔，外密封腔分别与气体入口和液体出口相连通；内层动环与转轴之间形成与气体出口相连通的内密封腔；

进料喷管沿周向布设在内层动环和与内层动环相邻近的中间动环之间，且进料喷管的喷孔朝向中间动环；每根进料喷管均与液体入口处的入料管相连通；

当中间动环为一个时，中间动环与外层动环之间设置一个静环；当中间动环为两个以上时，相邻两个中间动环之间以及外层动环与相邻的中间动环之间均各设置一个静环；静环的一端均与端盖相连接；

静环由若干根圆柱沿周向均匀排列形成，相邻两根圆柱之间形成静环流体流道。

2.根据权利要求1所述的PTA节能降耗装置，其特征在于：动环的一端均与旋转盘可拆卸连接。

3.根据权利要求1或2所述的PTA节能降耗装置，其特征在于：静环的一端均与端盖可拆卸连接。

4.根据权利要求1所述的PTA节能降耗装置，其特征在于：进料混合装置为混合罐或静态混合器。

5.根据权利要求1所述的PTA节能降耗装置，其特征在于：催化剂为醋酸钴或醋酸锰。

6.一种CTA氧化反应前均相预混方法，基于权利要求1-5任一项所述的PTA节能降耗装置，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1，初步预混合：原料对二甲苯、溶剂醋酸和催化剂进入进料混合装置进行初步预混合；

步骤2，均相预混合：经初步预混合的物料由混合液加料泵加压送至超重力均相预混合反应器中进行均相预混合，均相预混合包括如下步骤：

步骤21，液体入料：转子转动，初步预混合的物料从超重力均相预混合反应器的液体入口进入，并均匀输送至各个位于内层动环和与内层动环相邻近的中间动环之间的进料喷管中；

步骤22，液滴混合：在混合液加料泵的输送压力以及离心力的作用下，液体物料将向着远离内层动环的移动，也即先经过与内层动环相邻近的中间动环上的流道孔，接着进入静环中的静环流体流道，然后再依次经过中间动环、静环，直至到达外层动环；液体物料每经过一次动环与静环的组合，由于受到剪切作用，就将进行一次重新分布；

步骤23，均相混合：在步骤22液滴混合的同时，压缩机中的空气，将从气体入口进入外密封腔，接着从外层动环上的流道孔进入静环中的静环流体流道，依次向内流入，并与步骤22中受到剪切作用的液滴逆流接触，均相混合，同时发生氧化反应；反应后的淤浆混合液由壳体底部的液体出口排出进入氧化反应器继续反应，反应过程中蒸发出的醋酸蒸汽自顶部排出进入冷凝器冷凝，冷凝后的醋酸液体自流至氧化反应器中循环使用。