DE1793453C2

DE1793453C2 - Verfahren zur Herstellung eines homogenen Gemisches aus dampfförmigem o-XyIoI und Luft

Info

Publication number: DE1793453C2
Application number: DE19681793453
Authority: DE
Inventors: Gunter 5021 Sinnersdorf; Keunecke Gerhard 5021 Geyen; Krimphove Herbert 5000 Köm Engelhardt
Original assignee: Davy Powergas 5000koeln GmbH
Current assignee: Davy Powergas 5000koeln GmbH
Filing date: 1968-09-19
Publication date: 1977-05-12

Description

Die katalylische Oxydation von o-Xylol mit Luft zu Phthalsäureanhydrid erfolgt überwiegend in Röhrenreaktoren, in denen sehr viele parallele, mit Katalysator gefüllte Rohre angeordnet sind. Das Ausgangsgemisch wird daher beim Durchströmen der Recktionsvorrichtung in viele Teilströme unterteilt, die sich erst nach Beendigung der katalytischen Oxydation beim Verlassen der Katalysatorrohre wieder vereinigen. In der Praxis hat sich gezeigt, daß die Oxydation des o-Xylols in derartigen Vorrichtungen die Stufe des Phthalsäureanhydrids zu einem kleinen Teil nicht erreicht und zu einem kleinen Teil auch über diese Stufe noch hinausgeht. So enthält das auf diese Weise gewonnene Phthalsäureanhydrid immer kleine Mengen Phthalid, und das Abgas enthält Kohlendioxid und Maleinsäureanhydrid, die bei zu weit gehender Oxydation des o-Xylols entstehen. Diese Nebenprodukte vermindern die Ausbeute an Phthalsäureanhydrid und beeinträchtigen dadurch die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens.

Die Erfindung beseitigt diese Nachteile und erlaubt zudem die Ausbeute an Phthalsäureanhydrid zu steigern.

Es konnte nämlich festgestellt werden, daß die Bildung von Unter- und Überoxydationsprodukten bei der katalytischen Oxydation in einem Röhrenreaktor nicht gleichmäßig in allen Rohren erfolgt, sondern überwiegend in einigen wenigen von ihnen. Die Ursache hierfür ist die Inhomogenität des Ausgangsgemisches, die dazu führt, daß einzelne Rohre der Reaktionsvorrichtung mit einem Gemisch beaufschlagt werden, dessen Gehalt an o-Xylol von dem optimalen Wert von 40 g/N m³ erheblich nach oben oder nach unten abweicht. Ein zu geringer Gehalt an o-Xylol führt in Verbindung mit der dadurch bedingten tieferen Reaktionstemperatur zur Bildung von Fhihalid, und eine zu hohe Konzentration an o-Xylol bewirkt eine zu hohe Temneratur in dem betreffenden Rohr und eine zu weit

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5° gehende Oxydation des Kohlenwasserstoffs. Diese Nachteile lassen sich nun ve.· meiden, wenn man der Vorrichtung ein homogenes Gemisch zuführt, das insbesondere keine Schlieren erhöhter Xylol-Konzentration aufweist, die zu einer stärkeren Xylol-Beaufschlagung einzelner Katalysatorrohre führen würde.

Erfindungsgemäß wird dieses Problem dadurch gelöst, daß man das vorgewärmte o-Xylol in Form von Tröpfchen mit einem Durchmesser von maximal 1 mm in einen auf eine Temperatur von 120 bis 300° C vorgewärmten Luftstrom einer Reynolds-Zahl von >2 · 10⁵ eindüst und das Gemisch bis zur Oxydation einer Verweilzeit von wenigstens 0,2 Sekunden überläßt Auf diese Weise erhält man zu Beginn der Oxydation, d. h. am Eintritt in die mit Kontakt gefüllten Rohre der Reaktionsvorrichtung, ein homogenes Gasgemisch, das eine gleichmäßige Beaufschlagung aller Rohre mit o-Xylol, eine gleichmäßige Temperatur in allen Rohren und eine Vermeidung von Unter- und Überoxydation gewährleistet Die Ausbeute an Phthalsäureanhydrid beträgt etwa 97 Gewichtsprozent. Es enthält maximal 0,05 Gewichtsprozent Phthalid und maximal 03 Gewichtsprozent Maleinsäureanhydrid. Vorzugsweise wird das flüssige o-Xylol in den auf eine Temperatur zwischen 120 und 160⁰C vorgewärmten Luftstrom eingedüst. Die mit dem Gemisch der Vorrichtung zugeführte Wärme wird so auf ein Mindestmaß beschränkt, und die Kühlung der Vorrichtung wird entlastet.

Nach der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das o-Xylol auf 100 bis 140° C vorgewärmt. Das mit dieser Temperatur eingedüste o-Xylol wird in kurzer Zeit verdampft und in dem Luftstrom homogen verteilt, so daß zwischen der Eindüsung und der Kontaktoxydation nur kurze Verweilzeiten erforderlich sind. ]e geringer di- Vorwärmtemperatur des o-Xylols ist, um so höher wird man die Temperatur des Luftstroms wählen. Für eine gute Homogenität ist ferner eine kleine Tröpfchengröße günstig. Durch Steigerung des Betriebsdruckes der o-Xylol-Einspritzpumpe kann die Tröpfchengröße verringert und damit die Verdampfung und Vermischung mit der Luft beschleunigt werden.

Es ist von entscheidender Bedeutung, daß das o-Xylol in einen Luftstrom eingedüst wird, dessen Strömung eine Reynolds-Zahl von mindestens 200 000 aufweist. Bei dieser starken Turbulenz erfolgt die Verdampfung des o-Xylols und die Vermischung mit der Oxydationsluft in etwa 0,5 bis 1,0 Sekunden. Das o-Xylol kann direkt in die von der Luft turbulent durchströmte Rohrleitung oder auch in einen besonderen Mischbehälter eingedüst werden. Geeignet ist auch eine Mischdüse, in welcher der Luftstrom vorübergehend beschleunigt wird. Das flüssige vorgewärmte o-Xylol wird innerhalb dieser Beschleunigungsstrecke in den Luftstrom eingedüst.

Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren an zwei Ausführungsbeispielen näher beschrieben, wobei zur Demonstration der fortschrittlichen Wirkung auch ein Vergleichbeispiel ausgegeben ist, bei dem nicht nach der Erfindung gearbeitet wird.

Vergleichsbeispiel

Die Versuchsanlage bestand aus einem Luftgebläse 1, das die Oxydationsluft aus der Umgebung ansaugt und durch einen Luftvorwärmer 2 und eine nachgeschaltete, mit Düsen 4 ausgestattete Mischkammer 3 in den Kontaktofen 5 fördert, der mit Kontaktrohren 6

ausgestattet ist Ein beheizbarer o-Xylol-Behälter 7 ist über eine Rohrleitung 8, in der eine Einspritzpumpe 9 angeordnet ist, an die Düsen 4 der Mischkammer 3 der Luftleitung 10 angeschlossen. Die mit Katalysator gefüllten Rohre 6 des Kontaktofens 5 haben einen Innendurchmesser von 2,5 cm und sind außen voi einer Salzschmelze als Wärmeüberträger umgeben, die durch ein Rührwerk 11 ständig umgewälzt wird. Die Anlage wird mit Luft beaufschlagt, die zunächst in dem Luftvorwärmer 2 auf 80⁰C erwärmt wird. In die Mischkammer 3 wird durch die Düsen so viel o-Xylol eingesprüht, daß die Beladung der Luft mit o-Xylol etwa 40 g/Nm³ beträgt Der Luftdruck in der Mischkammer liegt bei etwa 0,5 atü, und der Betriebsdruck der G-Xylol-Einspritzpumpe ist auf 1 atü eingestellt. Unter diesen Bedingungen enthält das Tropfer*»pektrum einen erheblichen Anteil an Tropfen mit einem Durchmesser über 1 mm. Der Weg von den Düsen bis zum Eintritt in die Kontaktrolle des Ofens beträgt 10 m. Die Geschwindigkeit des Gasgemisches in der Mischkammer beträgt 5 m/Sek.. und die für die Verdampfung und Homogenisierung zur Verfügung stehende Verweilzeit liegt bei 3,3 Sekunden. Durch Sublimation des Reaktionsproduktes aus dem Abgas des Kontaktofens erhielt man ein rohes Phthalsäureanhydrid mit einer Ausbeute an Phthalsäureanhydrid von 92%. Die AnaK ···: ergab einen Gehalt von 0,2% Phthalid.

Nunmehr wurde die Temperatur des Luftstroms in dem Luftvorwärmer 2 stufenweise bis auf 300⁰C erhöht. Dabei konnte festgestellt werden, daß die Ausbeute an Phthalsäureanhydrid bei einer Lufttemperatur von 100° C auf 93,5% anstieg.

Beispiel 1

Die in dem Vergleichsbeispiel beschriebene Versuchsanlage wurde, wie dort beschrieben, mit Luft und o-Xylol beaufschlagt. Die Luft wurde in dem Luftvorwärmer auf 150°C vorgewärmt; das o-Xylol wurde mit einer Temperatur von !10⁰C in die Mischkammer eingedüst. Der Vordruck an den Düsen wurde dann stufenweise um jeweils 1 atü bis auf 8 atü über einen sehr langen Zeitraum gesteigert. Bei der Steigerung des Vordrucks von 1 auf 2 atü entsprechend einer Verringerung des Tröpfchendurchmessers im wesentlichen unter 1 mm konnte eine steigende Tendenz der Ausbeute an Phthalsäureanhydrid und eine Verbesserung der Produktqualität beobachtet werden. Die Ausbeute an Phthalsäureanhydrid stieg auf 97%, und der Gehalt des Rohproduktes an Phthalid verminderte sich auf 0,05 Gewichtsprozent. Bei einer weiteren Verringerung der Tröpfchengrößen durch Steigerung des Betriebsdruckes an den Düsen auf 3 atü bis 8 atü konnte keine weitere Ausbeutesteigerung gemessen werden.

Nunmehr wurde die Mischstrecke zwischen den Einspritzdüsen und den Kontaktrohren bei gleichbleibender Strömungsgeschwindigkeit ν = 5 m/Sek. auf 2,5 m verkürzt Trotz der dadurch bedingten Verringerung der für die Tröpfchenverdampfung und Homogenisierung zur Verfügung stehenden Verweilzeit a--;f 0,83 Sekunden blieb die Phthalsäureanhydrid-Ausbeute mit 97% und der Phthalid-Gehalt des Sublimats mit 0.05 Gewichtsprozent unverändert.

Beispiel 2

Die in dem Vergleichsbeispiel beschriebene Versuchsanlage wird unter den dort beschriebenen Bedingungen betrieben, wobei jedoch in die auf 160''C vorgewärmte Luft das o-Xylol mit einer Temperatur von 135° C eingesprüht wird. Die Düsenwehe und der Betriebsdruck ist so gewählt, daß überwiegend Tröpfchen in einer Größe unter 0,3 mm entstehen. In diesem Fall kennte die Mischstrecke auf etwa 1 m verringert werden entsprechend einer Verweilzeit von 0,35 Sekunden zwischen der letzten Eindüsung und dem Eintritt in die Kontaktrohre. Die Phthalsäureanhydrid-Ausbeute betrug auch in diesem Fall fast 97%, und der Gehalt an Phthalid lag bei 0,05%.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

17 9345 Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines homogenen Gemisches aus dampfförmigem o-Xylol und Luft durch Eindosen des flüssigen o-Xylols in einen vorgewärmten Luftstrom für die katalytische Oxydation zu Phthalsäureanhydrid in einem mit vanadiumoxydhaltigem Katalysator gefüllten Röhrenreaktor, dadurch gekennzeichnet, daß ι-■ man das vorgewärmte o-Xylol in Form von Tröpfchen mit einem Durchmesser von maximal 1 mm in einen auf eine Temperatur von 120 bis 300⁰C vorgewärmten Luftstrom einer Reynolds-Zahl Re > 2 · 10⁵ eindüst und das Gemisch bis zur Oxydation einer Verweilzeit von wenigstens 0,2 Sekunden überläßt

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das flüssige o-Xylol in einen auf

120 bis 160° C vorgewärmten Luftstrom eindüst. 2^

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man das o-Xylol auf 100 bis 140° C vorwärmt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man das Gemisch nach der o-Xylol-Eindüsung einer Verweilzeit zwischen 0,5 und 1,0 Sekunden überläßt.