ES2218265T3 - Procedimiento y dispositivo para la generacion de una mezcla homogenea a partir de un hidrocarburo aromatico en forma de vapor y un gas que contiene oxigeno. - Google Patents

Abstract

Procedimiento para la generación de una mezcla homogénea constituida por un hidrocarburo aromático en forma de vapor, y un gas que contiene oxígeno, para reacciones catalíticas en fase gaseosa, pulverizándose el hidrocarburo aromático líquido para dar gotas con un diámetro de menos de 1 mm, e inyectándose en una corriente gaseosa que contiene oxígeno, calentada previamente por encima del punto de ebullición del hidrocarburo aromático, caracterizado porque se genera la mezcla en un espacio que está limitado por paredes laterales calentadas por encima del punto de ebullición del hidrocarburo, y el hidrocarburo aromático líquido se pulveriza por medio de toberas para la formación de un cono hueco.

Description

Procedimiento y dispositivo para la generación de una mezcla homogénea a partir de un hidrocarburo aromático en forma de vapor y un gas que contiene oxígeno.

La invención se refiere a un procedimiento y a un dispositivo para la generación de una mezcla homogénea a partir de un hidrocarburo aromático en forma de vapor y un gas que contiene oxígeno para reacciones catalíticas en fase gaseosa, en especial una mezcla homogénea constituida por o-xileno y/o naftalina en forma de vapor, y aire, para la obtención de anhídrido de ácido ftálico.

El anhídrido de ácido ftálico (PSA) es un importante producto intermedio para la obtención de resinas sintéticas, plastificantes de ftalato, colorantes de ftalocianina, y otros productos químicos finos. Actualmente se obtiene PSA de manera predominante a partir de o-xileno, y precisamente, en gran medida, mediante oxidación en fase gaseosa de o-xileno con aire como oxidante.

Las instalaciones para la puesta en práctica de tal procedimiento de obtención de PSA están constituidas esencialmente por las unidades de función para la obtención de mezcla de aire vapor de o-xileno, el reactor para la reacción de mezcla de aire vapor de o-xileno, y un dispositivo para la separación de PSA, y elaboración.

La reacción mediante oxidación catalítica en fase gaseosa se efectúa casi siempre en catalizadores que contienen V_{2}O_{5}. A tal efecto se evapora o-xileno, se mezcla con un exceso de aire, y se conduce a 340ºC hasta 440ºC a través del catalizador en los tubos de un reactor de haz de tubos. El catalizador está constituido, a modo de ejemplo, por una mezcla de V_{2}O_{5} y TiO_{2} con promotores sobre cuerpos cerámicos, como por ejemplo bolas o anillos de porcelana o SiC, a modo de ejemplo de 6 x 6 mm de dimensiones. Los reactores de gran tamaño tienen 10.000 a 40.000 tubos en el haz de tubos. Habitualmente se oxida el o-xileno con una selectividad de un 78 a un 80% para dar PSA. Esta oxidación en sí misma es fuertemente exotérmica, con -1.110 kJ/mol.

En este caso, en el control del procedimiento se deben considerar, entre otros, los siguientes puntos críticos: por una parte, la mezcla de o-xileno con aire (exceso de oxígeno) se encuentra en el intervalo de explosión (Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 5ª edición, tomo A 20, página 85), por lo demás, se debe inundar el gran número de 10.000 - 40.000 tubos con una mezcla gaseosa igual en la sección transversal total, y constante en el tiempo, para que la reacción se desarrolle con la misma velocidad en todos los tubos, y no, eventualmente, de manera especialmente rápida o especialmente lenta en algunos. Además, la entalpía de reacción, fuertemente negativa, puede conducir a que el reactor se sinterice, se funda, o se vuelva inactivo, en el caso de desviaciones de las condiciones ajustadas en tubos aislados. Esto está vinculado a riesgos considerables para la instalación.

Debido a inhomogeneidades en la carga, las condiciones de reacción son además diferentes en los tubos. De este modo se producen, en medida elevada, productos secundarios que reducen los rendimientos, y que se deben separar de PSA y eliminar en etapas de purificación subsiguientes.

Por la DE-A 1 793 453 se conoce un procedimiento para la obtención de una mezcla homogénea a partir de o-xileno en forma de vapor y aire, para la oxidación catalítica para dar anhídrido de ácido ftálico. En el caso del procedimiento conocido se pulveriza una corriente de o-xileno para dar gotas con un diámetro por debajo de 1 mm, a modo de ejemplo en un tamaño predominantemente menor que 0,3 mm, y se introduce en una corriente de aire precalentada por encima del punto de ebullición de o-xileno. Esta corriente de aire es turbulenta; se recomienda un índice de Reynolds por encima de 200.000. El tiempo de residencia de pulverizado de o-xileno hasta el reactor debe ascender al menos a 0,2 segundos, para obtener una mezcla gaseosa homogénea, y con ello una alimentación uniforme de todos los tubos.

A pesar de esta mejora, que constituye el procedimiento según DE-A 1 793 453, especialmente en el caso de fluctuaciones de las condiciones de operación, pueden tener lugar modificaciones del tamaño de gota e interferencias de la evaporación. A tal efecto pueden entran en consideración diversas causas.

Las materias primas pueden estar más o menos impurificadas. El aire puede contener, entre otros, NO_{x}, H_{2}S, óxidos de azufre, como SO_{2}, NH_{3} y sus sales, por ejemplo con CO_{2}, lo que puede conducir a estrechamientos de una o varias toberas. También las partículas de corrosión pueden modificar el tamaño de gotas y la forma del chorro de o-xileno pulverizado. Se producen efectos similares mediante erosión de las toberas en funcionamiento de larga duración. Por lo demás, el o-xileno puede contener también m- y p-xileno, tolueno, etilbenceno, isopropilbenceno, nonano, así como cantidades reducidas de estireno. Tales compuestos pueden influir sobre la tensión superficial de o-xileno. Se pueden producir gotas que vuelan más que las gotas citadas anteriormente, con un tamaño, a modo de ejemplo, predominantemente por debajo de 0,3 mm. Estas pueden humedecer la pared del tubo de reacción, y formar una película de líquido en ésta. Como dificultad subsiguiente se añade que, en la, no es posible instalar las toberas que sirven para el pulverizado de la corriente de o-xileno, de modo que ninguna gota de la corriente de o-xileno pulverizada entra en contacto con la pared del tubo guía.

En el procedimiento según la DE-A 1 793 453 se puede llegar también a modificaciones involuntarias, de efecto negativo, de los parámetros ajustados, como presión y temperatura, y de la cantidad de aire. Por lo demás, se pueden introducir en las substancias de partida mezclas que contienen aire y o-xileno, y las gotas de la corriente de o-xileno pulverizadas pueden entrar en contacto con la pared tubular. Hasta aquí, el procedimiento citado anteriormente requiere mejoras, tanto antes como ahora.

Por lo tanto, la presente invención toma como base la tarea de poner a disposición un procedimiento mejorado y un dispositivo para la generación de una mezcla homogénea constituida por un hidrocarburo aromático en forma de vapor, como o-xileno y/o naftalina, y un gas que contiene oxígeno, en especial aire, para reacciones catalíticas en fase gaseosa. En especial se debían editar, o al menos minimizar, los inconvenientes descritos anteriormente.

La invención soluciona los problemas citados anteriormente efectuándose el pulverizado del hidrocarburo aromático líquido, en un procedimiento según especie, mediante empleo de una tobera para la formación de un cono hueco de pulverizado, preferentemente una tobera de vórtice. El cono hueco de pulverizado puede ser inicialmente una película cohesiva constituida por el hidrocarburo líquido, que, a mayor distancia de la tobera del vórtice, se descompone en pequeños pedazos que se contraen mediante fuerzas interfaciales para dar gotas aisladas con un diámetro de menos de 1 mm.

Por lo tanto, es objeto de la presente invención un procedimiento para la generación de una mezcla homogénea constituida por un hidrocarburo aromático en forma de vapor, como o-xileno y/o naftalina, y un gas que contiene oxígeno, como aire, para reacciones catalíticas en fase gaseosa, pulverizándose el hidrocarburo aromático líquido para dar gotas con un diámetro de menos de 1 mm, e inyectándose en una corriente gaseosa que contiene oxígeno, calentada previamente por encima del punto de ebullición del hidrocarburo aromático, estando caracterizado el procedimiento porque se genera la mezcla en un espacio que está limitado por paredes laterales calentadas por encima del punto de ebullición del hidrocarburo, y el hidrocarburo aromático líquido se pulveriza por medio de toberas para la formación de un cono hueco, preferentemente por medio de toberas de vórtice.

El procedimiento según la invención posibilita la generación de una mezcla muy homogénea, exenta de madejas, constituida por oxígeno gaseoso, preferentemente en aire u otro gas que contiene oxígeno, y un vapor de hidrocarburo.

Preferentemente se emplea el procedimiento según la invención en la obtención de ácidos carboxílicos o anhídridos de ácido carboxílico, mediante oxidación catalítica en fase gaseosa de hidrocarburos aromáticos, como xilenos, en especial o-xileno y/o naftalina, en reactores de lecho fijo. A modo de ejemplo cítese la obtención de anhídrido de ácido ftálico (PSA).

A continuación, únicamente a modo de ejemplo, se hace referencia al empleo especialmente preferente del procedimiento según la invención en la obtención de PSA mediante oxidación catalítica en fase gaseosa. En este caso, el hidrocarburo aromático es o-xileno, y el gas que contiene oxígeno es aire.

En el procedimiento según la invención, el cono hueco de pulverizado presenta preferentemente un ángulo de apertura de 30º a 70º. El cono hueco de pulverizado posee, de modo especialmente preferente, un ángulo de apertura de aproximadamente 60º.

El eje del cono hueco de pulverizado se sitúa en el sentido de circulación de gas que contiene oxígeno, es decir, por ejemplo el aire, pero puede diferir de este hasta 30º. Esto significa que el eje central del cono hueco de pulverizado de la corriente de hidrocarburo está en un ángulo de -30º a +30º respecto al eje central de la corriente gaseosa recalentada. De este modo se consigue que entren en contacto con la pared menos gotas de cono hueco. Otra medida a tal efecto puede ser, en especial, mantener una determinada distancia, por ejemplo un tercio del radio tubular de la pared. Preferentemente se emplea varias toberas, eventualmente 2 a 6, de modo preferente 4 a 6, a distancias aproximadamente ovales.

Según la invención se emplean preferentemente las denominadas toberas de vórtice para el pulverizado de hidrocarburo líquido. Estas toberas de vórtice, denominadas también toberas de cono hueco, presentan preferentemente, antes del orificio de salida, un cuerpo conductor con superficies de circulación oblicuas, que conceden un vórtice o una rotación alrededor del eje de circulación al líquido a pulverizar. Tales toberas de vórtice son conocidas para otros fines de empleo, como transmisión rápida de impulsos en bombas de chorro de agua, condensadores de inyección, etc. (véase Grassmann "Physikalische Grundlagen der Verfahrenstechnik", Verlag Sauerländer (1970), páginas 355 y 805). A pesar de que el empleo de toberas de cono hueco en el procedimiento según la invención especialmente preferente, en otras formas de ejecución de la invención se pueden emplear también toberas de cono macizo o toberas de ranura. También es posible el empleo de toberas binarias, que se pueden alimentar eventualmente con el o-xileno a pulverizar y el agente propulsor aire.

Si para la generación del cono hueco de pulverizado según la invención se emplea una tobera de vórtice o de cono hueco, esta se acciona preferentemente con una presión previa de 2 a 20 bar, para asegurar que se produzca un cono hueco de pulverizado con el ángulo de apertura de 30º a 70º, preferente según la invención.

En el procedimiento según la invención se pulveriza la corriente líquida de hidrocarburos para dar gotas con un diámetro menor que 1 mm, preferentemente menor que 0,8 mm. De modo especialmente preferente se pulveriza la corriente de líquido para dar gotas de 0,02 a 0,2 mm.

Ventajosamente se disponen las toberas de vórtice, empleadas para la formación del cono hueco de pulverizado con un ángulo de apertura de 30º a 70º, dentro de un tubo recorrido por oxígeno gaseoso, en forma de corona sobre un tubo con alimentación para el líquido a pulverizar. No obstante, también se puede disponer el tubo de alimentación anular para el líquido alrededor del tubo de alimentación de oxígeno, introducir las toberas desde fuera en el tubo de conducción de oxígeno. En este caso, los orificios de salida de tobera están orientados en el sentido de la corriente gaseosa. Como ya se ha dicho anteriormente, no obstante, el eje del cono hueco puede diferir hasta 30º del sentido de circulación del gas. De este modo se puede conseguir que entre en contacto con la pared menos gotas del cono hueco.

Para los fines del procedimiento según la invención son especialmente apropiadas toberas de cono hueco axial de tipo KS 1 (firma Lechler, Metzingen, Alemania). Tales toberas posibilitan la generación de un cono hueco con el ángulo de cono preferente de 60º. El diámetro de cono hueco asciende a aproximadamente 200 mm, a una distancia de 250 mm del orificio de salida. Según la invención se forman gotas reducidas con un diámetro menor que 1 mm, preferentemente menor que 0,8 mm, de modo especialmente preferente 0,02 a 0,2 mm. Estas últimas se evaporan muy rápidamente, y se han evaporado completamente ya a una distancia de 200 a 500 mm del orificio de salida de tobera. No obstante, las gotas de 0,8 a 1 mm pueden volar libremente 50 a 100 cm hasta una evaporación completa, y en este caso entran en contacto con la pared y humedecen la misma.

Debido a esta posibilidad de humectación está previsto generar la mezcla, a modo de ejemplo la mezcla de o-xileno-aire, en un espacio que está limitado por paredes laterales calentadas por encima del punto de ebullición del hidrocarburo. Ventajosamente se forman las paredes laterales del espacio por un tubo calentado, eventualmente un tubo de camisa doble, en especial un tubo de chapa térmica (tales tubos de chapa térmica se obtienen en Alemania, a modo de ejemplo, por las firmas BUCO, Geesthacht o DEG, Gelsenkirchen). Las gotitas de hidrocarburo que llegan al tubo calentado no se pueden almacenar como película líquida, sino que se evaporan inmediatamente. De este modo se produce finalmente la mezcla deseada constituida por vapor de hidrocarburo y, a modo de ejemplo, aire.

La ranura de tubo del tubo de camisa doble se puede calentar con vapor de alta presión, preferentemente, con vapor de agua de aproximadamente 20 bar, con una temperatura de 214ºC. Los tubos de chapa térmica citados anteriormente pueden presentar una ranura de tubo especialmente estrecha. Los tubos de chapa térmica presentan estructuras relativamente sencilla, y de este modo son económicos. Mediante un calentamiento intensivo se pueden excluir puntos fríos desde tubos de chapa térmica.

A continuación, para un homogeneizado completo se conduce la mezcla de vapor-aire a través de un dispositivo de mezclado, según otra variante ventajosa del procedimiento.

Preferentemente se emplean como dispositivos de mezclado mezcladores estáticos. En este caso se trata de chapas conductoras aplicadas en el tubo circulado, que dividen varias veces y reúnen de nuevo la corriente a entremezclar, mediante lo cual se efectúa el homogeneizado completo. A modo de ejemplo, se obtienen tales mezcladores estáticos por la firma Sulzer, Winterthur, Suiza. También se describen mezcladores estáticos en las solicitudes de patentes alemana DE 25 250 20 A1, DE 196 223 051 A1 y DE 196 23 105 A1.

Además es objeto de la presente invención un dispositivo para la generación de una mezcla homogénea constituida por un hidrocarburo aromático en forma de vapor y un gas que contiene oxígeno, con un tubo para una corriente gaseosa precalentada, que contiene oxígeno, una instalación de pulverizado que desemboca en el tubo para una corriente de un hidrocarburo aromático líquido, que está caracterizado porque la instalación de pulverizado presenta toberas de vórtice, y porque el tubo presenta, al menos en el sentido de circulación de las toberas de vórtice, paredes que son calentables al menos hasta la temperatura de ebullición del hidrocarburo.

El tubo comprende preferentemente un tubo de camisa doble, o un tubo de chapa térmica. De modo especialmente preferente, en los canales de gas está dispuesto un mezclador estático en el sentido de la circulación de las toberas de vórtice.

La temperatura en la pared de tubo caliente se ajusta de modo que pueda llegar a la pared de tubo, y evaporarse en la misma, un 5 a un 50% en peso de hidrocarburo líquido, en especial un 5 a un 40% en peso, de modo especialmente preferente un 5 a un 30% en peso, dependiendo la fracción exacta de impurezas de materias primas de la forma de cono hueco y de la modificación de toberas (erosión) durante el funcionamiento.

A la unidad funcional citada anteriormente se pueden unir otras unidades funcionales, por ejemplo para la obtención de PSA, por ejemplo el reactor para la reacción de o-xileno para dar PSA, y el dispositivo para la separación de PSA y obtención pura de PSA, como son conocidos por el estado de la técnica.

A continuación se explica más detalladamente la invención por medio de una forma de realización representada esquemáticamente en el dibujo adjunto, y mediante un ejemplo de aplicación.

En la figura del dibujo se representa un dispositivo 10 para la generación de una mezcla homogénea constituida por o-xileno y/o naftalina en forma de vapor y aire. El dispositivo presenta un tubo 11, que conduce una corriente de aire precalentada (en la figura simbolizada mediante la flecha 12). En el tubo 11 está previsto una instalación de pulverizado 13, que está constituido por conductos de alimentación 14 para o-xileno líquido, y por toberas de vórtice 15 dispuestas en el extremo de los conductos. Los conductos de alimentación 14 se alimentan por un tubo de abastecimiento que rodea concéntricamente el tubo 11 (no representado). Las toberas de vórtice 15 generan un cono hueco 16 constituido por o-xileno líquido, que se descompone en gotas ultrafinas con un diámetro medio entre 0,02 y 0,2 mm. Las gotas finas se evaporan muy rápidamente en la corriente de aire recalentada, de modo que se produce una mezcla homogénea de aire y vapor de o-xileno. Para la mejora adicional de la homogeneidad, en el tubo 11 está dispuesto un mezclador estático 17, a través del cual se conduce la mezcla de vapor/aire. En el sentido de circulación de las toberas de vórtice 15, el tubo 11 está configurado como tubo de camisa doble calentable 18. El tubo se calienta con vapor de agua a una temperatura por encima del punto de ebullición de o-xileno. Por consiguiente, las gotitas de o-xileno pulverizado, que llegan a la pared del tubo, se evaporan inmediatamente en la misma, y no se almacenan como película de líquido. En 19, el tubo 11 desemboca en un reactor de haz de tubos, en el que se obtiene anhídrido de ácido ftálico mediante oxidación catalítica en fase gaseosa de o-xileno.

Ejemplo

El dispositivo para la evaporación de o-xileno, en el caso de una instalación para la obtención de PSA, estaba constituido por un tubo de chapa térmica vertical de 1.200 mm diámetro. A través de este se condujo el aire de oxidación, que estaba precalentado a 200ºC con un dispositivo de precalentamiento, al reactor. La presión ascendía aproximadamente a 1,5 bar absolutos. Se alimentó el aire con o-xileno, con una carga de 100 g por Nm^{3}. Se succionó el aire del ambiente sin purificación especial, únicamente a través de un filtro de aire. El tubo de chapa térmica estaba calentado a 214ºC con vapor de 20 bar. Se inyectó el o-xileno a través de 6 toberas de vórtice, que estaban aplicadas en una corona de 600 mm de diámetro, y cuyo eje estaba orientado verticalmente hacia arriba. En este caso se trataba de toberas de cono hueco axial (KS 1 de tipo 216.324 de acero, firma Lechler). La presión previa ascendía a 8 bar. A distancia de 4,5 m tras las toberas estaban aplicados mezcladores estáticos en la pieza tubular de desarrollo horizontal.

Con este sistema de toberas de vórtice-pared calentable-mezclador se generó una mezcla homogénea de vapor de o-xileno-aire, exenta de madejas, cuya homogeneidad no se perturbó tampoco debido a parámetros de operación fluctuantes. Esto se verificó en la distribución de PSA constante de larga duración. Además no se observaron inflamaciones dentro de la instalación de producción, desfavorables para la seguridad de instalación, provocadas por inhomogeneidades de mezcla. No se observaron deterioros o sobreflujos debidos a temperaturas elevadas en zonas del reactor aisladas, o en los tubos del reactor. Entre las desconexiones rutinarias anuales, debidas al mantenimiento, la disponibilidad de instalación se situaba por encima de un 99%.

Claims (11)

1. Procedimiento para la generación de una mezcla homogénea constituida por un hidrocarburo aromático en forma de vapor, y un gas que contiene oxígeno, para reacciones catalíticas en fase gaseosa, pulverizándose el hidrocarburo aromático líquido para dar gotas con un diámetro de menos de 1 mm, e inyectándose en una corriente gaseosa que contiene oxígeno, calentada previamente por encima del punto de ebullición del hidrocarburo aromático, caracterizado porque se genera la mezcla en un espacio que está limitado por paredes laterales calentadas por encima del punto de ebullición del hidrocarburo, y el hidrocarburo aromático líquido se pulveriza por medio de toberas para la formación de un cono hueco.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el cono hueco de pulverizado posee un ángulo de apertura de 30º a 70º.

3. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque el eje central del cono hueco de pulverizado se encuentra en un ángulo de -30º a +30º respecto al eje central de la corriente gaseosa precalentada.

4. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque se pulveriza el hidrocarburo aromático líquido por medio de toberas de vórtice.

5. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque se forman las paredes laterales del espacio por un tubo calentable.

6. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque, en las paredes laterales calentables, se evapora un 5 a un 50% en peso de hidrocarburo pulverizado.

7. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque se conduce la mezcla a través de un mezclador estático tras la evaporación del hidrocarburo aromático.

8. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes para el empleo en la síntesis de anhídrido de ácido ftálico, siendo el hidrocarburo aromático o-xileno y/o naftalina, y siendo aire el gas que contiene oxígeno.

9. Dispositivo para la generación de una mezcla homogénea constituida por un hidrocarburo aromático en forma de vapor y un gas que contiene oxígeno con un tubo (11) para una corriente gaseosa precalentada, que contiene oxígeno (12), una instalación de pulverizado (13) que desemboca en el tubo (11) para una corriente de un hidrocarburo aromático líquido,

caracterizado porque

la instalación de pulverizado (13) presenta toberas de vórtice (15),

y porque el tubo (11) presenta, al menos en el sentido de circulación de las toberas de vórtice (15), paredes (18) que son calentables al menos hasta la temperatura de ebullición del hidrocarburo.

10. Dispositivo según la reivindicación 9, caracterizado porque el tubo (11) comprende un tubo de camisa doble o un tubo de chapa térmica.

11. Dispositivo según una de las reivindicaciones 9 ó 10, caracterizado porque, en el sentido de circulación de las toberas de vórtice, está dispuesto un mezclador estático en el tubo.