KR970002035B1 - Process for oxidation of hydrocarbon utilizing partitioning oxidizing gas - Google Patents
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Abstract
내용없음.None.
Description
제1도는 산소수용액으로부터 액체탄화수소로의 산소의 이동을 도시한 실험장치.1 is a test apparatus showing the movement of oxygen from an oxygen aqueous solution to a liquid hydrocarbon.
제2도는 탄화수소의 대규모 산화를 위한 공정 흐름도.2 is a process flow diagram for large scale oxidation of hydrocarbons.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
A, B : 보유용기 R1: 반응기A, B: Retaining container R 1 : Reactor
H : 열교환기 C1, C2, C3, C4:관(column)H: heat exchanger C 1 , C 2 , C 3 , C 4 : column
본 발명은 탄화수소의 조절된 산화반응에 대한 개선 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 수용액으로부터 산화될 탄화수소로 산소를 분배하고, 산화된 탄화수소로부터 과량의 산소를 회수하는 것에 관한 것이다.The present invention relates to a process for improving the controlled oxidation of hydrocarbons. In particular, the present invention relates to the distribution of oxygen from aqueous solutions to hydrocarbons to be oxidized and the recovery of excess oxygen from oxidized hydrocarbons.
탄화수소, 특히 지방족 및 고리화 지방족 탄화수소등의 조절된 산화반응은 알코올, 알데히드, 케톤 및 카르복실산 등을 포함하는 많은 산화된 유기화합물의 제조에 대해 중요한 공업적 방법을 나타낸다. 예컨대, 고리화헥산은 부분산화반응을 통해 시클로헥사놀, 시클로헥사논, 아디프산 및 e-히드록시카프로산 등을 포함하는 다양한 생성물을 생성하는데 공급원료로써 유용하다. 이러한 생성물들은 헥산디올 및 카프로락탐등과 같은 매우 다양한 생성물의 제조에서 중간체로 공급될 수 있다.Controlled oxidation of hydrocarbons, in particular aliphatic and cyclic aliphatic hydrocarbons, represents an important industrial method for the preparation of many oxidized organic compounds including alcohols, aldehydes, ketones, carboxylic acids and the like. For example, cyclized hexane is useful as a feedstock to produce various products including cyclohexanol, cyclohexanone, adipic acid, e-hydroxycaproic acid and the like through partial oxidation. Such products can be supplied as intermediates in the manufacture of a wide variety of products such as hexanediol and caprolactam.
다른 탄화수소들은 부탄, 헥산, 시클로헥센, 벤젠 및 나프탈렌등을 포함하는 산화된 생성물의 형태로 종종 산화된다. 이들 및 다른 탄화수소들을 포함하는 산화방법들은 시중에 나와있는 상당한 부분의 화학약품들을 생산한다는 것으로 잘 알려졌다.Other hydrocarbons are often oxidized in the form of oxidized products, including butane, hexane, cyclohexene, benzene, naphthalene and the like. Oxidation methods involving these and other hydrocarbons are well known to produce a significant portion of the chemicals on the market.
불행하게도, 일반적으로 상승된 온도에서 일어나는 조절된 탄화수소의 산화반응은 심한 안정성 물제를 나타낸다. 대기중 산소와 같은 농도이거나 혹은 대기중 산소보다 높은 농도인 산소를 뜨겁고 연소성인 액체에 직접 도입하면 화재 및 폭발의 위험을 발생시킨다. 이는 산화반응이 기체상에서 일어나거나 혹은 이용된 장치가 산소함유 탄화수소 증기를 반응기 두격(head space)에 포집하는 경우에 특히 발생된다. 후자의 경우에서 공기는 폭발영역의 범위가 실제로 더 넓기 때문에, 순수한 공기보다 훨씬 더 큰 위험성을 나타낸다. 매우 불안정한 과산화물 및 히드로 과산화물이 상당한 부분의 산화로 이루어졌다는 사실은 이러한 방법들에서의 본래의 위험성들을 증가시킨다.Unfortunately, the oxidation of controlled hydrocarbons, which generally occur at elevated temperatures, represents a severe stability product. Direct introduction of oxygen, either at the same concentration as atmospheric oxygen or higher than atmospheric oxygen, directly into hot, combustible liquids creates the risk of fire and explosion. This is particularly the case when the oxidation reaction takes place in the gas phase or when the apparatus used traps oxygenated hydrocarbon vapors in the reactor head space. In the latter case, air presents a much greater risk than pure air, since the explosive area is actually wider. The fact that highly unstable peroxides and hydroperoxides consisted of a significant portion of oxidation increases the inherent risks in these methods.
통상적인 산화반응에서, 공기는 미세한 기포로써 반응기의 기저에 도입되고, 두격은 반응하지 않은 산소의 존재에 대해 주의깊게 탐지된다. 유럽 특허 출원번호 EP-A-0199 339에서는, 순수한 산소가 사용되고, 산소와 탄화수소간의 직접적인 초기접촉은 미세한 분사형태에서 수용액층 아래로 산소를 도입함으로서 차단된다. 산화될 탄화수소는 수용액층 위로 산소가 용해된 용기에 도입된다. 그러나 이 방법은 산소와 탄화수소간의 초기접촉이 순수한 기체상 산소로 주의깊게 조절함으로써 차단될지라도 용액화된 용기안에 여전히 존재하게 되어 매우 큰 폭발의 위험을 야기시킨다.In a typical oxidation reaction, air is introduced into the base of the reactor as fine bubbles, and the gap is carefully detected for the presence of unreacted oxygen. In European patent application EP-A-0199 339, pure oxygen is used, and direct initial contact between oxygen and hydrocarbon is blocked by introducing oxygen under the aqueous solution layer in a fine injection form. The hydrocarbon to be oxidized is introduced into a vessel in which oxygen is dissolved above the aqueous solution layer. However, this method, even if the initial contact between oxygen and hydrocarbons is blocked by careful control of pure gaseous oxygen, is still present in the solution vessel, creating a very large risk of explosion.
본 발명자는 먼저 별개의 용기에서 산화기체를 물에 용해시킨후, 산소수용액과 액체 탄화수소와의 접촉에 의해서 산화될 탄화수소에 그 기체를 분배함으로써, 산소와 같은 산화기체들을 탄화수소에 직접 도입함과 관련된 많은 위험성들이 배제될 수 있다는 것을 발견하였다. 이러한 조건하에서, 산소는 기체상 산소가 실제로 없도록 조절된 조건하에서 탄화수소로 운반되는데, 이는 전체 산화반응의 안정성을 크게 증가시킨다.The present invention relates to the direct introduction of oxidizing gases such as oxygen directly into hydrocarbons by first dissolving the oxidizing gas in water in a separate vessel and then distributing the gas to the hydrocarbon to be oxidized by contact of the aqueous oxygen solution with the liquid hydrocarbon. It has been found that many risks can be excluded. Under these conditions, oxygen is transported to the hydrocarbon under conditions that are substantially free of gaseous oxygen, which greatly increases the stability of the overall oxidation reaction.
제1도는 실험장치를 도시하는데 이는 산소수용액으로부터 액체 탄화수소로의 산소의 이동을 증명하는데 유용하다. 제2도는 액체 탄화수소를 산화된 생성물들로 산화하는 방법을 나타내는 것으로, 수용액과 산화될 탄화수소간에 산화기체를 분배하는데 사용된다. 게다가, 제2도는 산화반응동안 사용되고 남은 과량의 산소를 역분배로 제거하는 방법을 도시했다.Figure 1 shows the experimental setup, which is useful for demonstrating the transfer of oxygen from an aqueous oxygen solution to a liquid hydrocarbon. 2 shows a method of oxidizing a liquid hydrocarbon into oxidized products, which is used to distribute the oxidizing gas between an aqueous solution and the hydrocarbon to be oxidized. In addition, FIG. 2 shows a method for removing the excess oxygen remaining during the oxidation reaction by reverse distribution.
탄화수소의 산화반응은 잘 알려졌고, 공업적인 방법은 널리 실행됐다. 탄화수소물질, 촉매들이 사용되는 산화반응 공정의 설명 및 다른 세부설명들은 예컨대 참고문헌(고리화헥산의 산화반응, Berezin, et. al., Pergamon Press, New York,ⓒ1966) : (액상에서 탄화수소의 산화반응 Emanuel, Ed., Pergamon Press, the MacMilan Co., New York,ⓒ1965); 및 미국특허번호 4,322,558; 3,933,930; 3,923,895; 3,937,735; 3,991,099; 3,681,447; 3,719,706; 3,761,517; 3,869,508; 3,965,164; 4,227,021; 4,263,453; 3,671,588; 3,932,513; 3,948,992; 3,987,115; 4,055,600; 4,098,817; 4,341,907; 및 3,946,077 등을 포함하는 많은 미국 특허에 제시되어 있다.The oxidation of hydrocarbons is well known, and industrial methods have been widely practiced. Hydrocarbons, descriptions of oxidation processes in which catalysts are used and other details are described, for example, in the oxidation of hexanes, Berezin, et. Al., Pergamon Press, New York, ⓒ 1966. oxidation reaction Emanuel, Ed, Pergamon Press, the MacMilan Co., New York, ⓒ 1965); And US Patent No. 4,322,558; 3,933,930; 3,923,895; 3,937,735; 3,991,099; 3,681,447; 3,719,706; 3,761,517; 3,869,508; 3,965,164; 4,227,021; 4,263,453; 3,671,588; 3,932,513; 3,948,992; 3,987,115; 4,055,600; 4,098,817; 4,341,907; And 3,946,077 and the like.
본 발명의 방법에서는, 산소수용액이 바람직하게는 연속적인 방식으로 먼저 제조된다. 그 다음 산소는 바람직하게는 주변온도에서 또는 그 이하에서, 역류분배법 혹은 장치기구에 의해서 수용액으로부터 산화될 탄화수소로 이동되거나 분배된다. 그 다음 용해된 산소를 함유하는 탄화수소는 산화반응에 필요한 온도까지 가열되고, 반응용기로 이동된다. 반응이 수행된 후 생성물은 재순환될 반응하지 않은 탄화수소로부터 분리된다. 바람직하게는, 필요한 산소를 제공하기 위해 사용되는 대부분의 물이 또한 재순환된다.In the process of the invention, the oxygen aqueous solution is preferably prepared first in a continuous manner. The oxygen is then transferred or distributed from the aqueous solution to the hydrocarbon to be oxidized, preferably at or below ambient temperature, by countercurrent distribution or apparatus. The dissolved oxygen-containing hydrocarbon is then heated to the temperature necessary for the oxidation reaction and transferred to the reaction vessel. After the reaction is carried out the product is separated from the unreacted hydrocarbon to be recycled. Preferably, most of the water used to provide the necessary oxygen is also recycled.
본 발명의 방법에 따라, 알맞은 공정온도와 필요량의 산소를 용해하는데 충분한 압력하에서, 산소수용액은 공기, 산소부화공기, 혹은 산소등을 물에 용해함으로 제조된다. 적어도 첫번째의 근사법으로, 액체에서 기체의 용해도는 기체의 압력에 직접 비례한다는 것이 잘 알려졌다. 따라서 10바의 압력에서는 1바의 압력에서 보다 대략 10배의 물에서의 산소용해도를 갖는다. 따라서, 참고문헌(Gmelin's Handbook of Inorganic Chemistry, Sauerstoff, 3d Ed., p.461)에 제시된 1바의 압력 및 25℃에서 산소의 용해도는 대략 0.04g/l이다. 10바에서 용해도는 대략 0.4g/l가 될 것이고, 100바의 압력에서 용해도는 대략 4g/l가 될 것이다.According to the method of the present invention, under a suitable process temperature and a pressure sufficient to dissolve the required amount of oxygen, the oxygen aqueous solution is prepared by dissolving air, oxygen enriched air, or oxygen in water. At least as a first approximation, it is well known that the solubility of a gas in a liquid is directly proportional to the pressure of the gas. Thus, at 10 bar pressure, it has oxygen solubility in water about 10 times higher than at 1 bar pressure. Thus, the solubility of oxygen at 1 bar pressure and 25 ° C., presented in Gmelin's Handbook of Inorganic Chemistry, Sauerstoff, 3d Ed., P.461, is approximately 0.04 g / l. At 10 bar the solubility will be approximately 0.4 g / l and at a pressure of 100 bar the solubility will be approximately 4 g / l.
온도가 올라갈때, 물에서의 산소용해도는 감소한다. 따라서 50℃에서 대기중 산소의 용해도는 25℃에서의 값보다 약 30%가 감소한다. 따라서 산소가 공기중에서, 산소부화공기에서, 혹은 순수한 공기 그 자체에서 유도되었더라도 물에 산소를 용해하는 공정 동안의 온도는 가능한한 낮은 값으로써 유지되어야 할 것이다. 따라서 물 온도는 주변온도에서, 바람직하게는 70℃ 이하에서, 더 바람직하게는 실온(25℃) 또는 그 이하에서 유지되어야 할 것이다. 다음에서 논의되는 산소란 용어는 순수한 상태로 공기, 산소부화공기, 반응조건하에서 산소 및 하나 혹은 그 이상의 불활성기체들을 함유하는 혼합물중의 산소를 의미한다.As the temperature rises, the oxygen solubility in water decreases. Thus, the solubility of oxygen in air at 50 ° C. is reduced by about 30% from the value at 25 ° C. Thus, even if oxygen is derived from air, oxygen enriched air, or pure air itself, the temperature during the process of dissolving oxygen in water should be kept at the lowest possible value. The water temperature will therefore have to be maintained at ambient temperature, preferably below 70 ° C., more preferably at room temperature (25 ° C.) or below. The term oxygen, discussed below, refers to oxygen in a mixture containing air and oxygen enriched air, oxygen and one or more inert gases under reaction conditions in a pure state.
탄화수소에 대략 2-10무게%인 바람직한 양의 산소를 공급하기 위해, 산소의 부분압은 약5 내지 약 200바, 바람직하게는 5 내지 약 100바, 더 바람직하게는 7 내지 약 60바 이어야 한다. 필요한 압력은 쉽게 계산되거나, 혹은 최대 설계조작압력같은 기존의 공정파라미터 및 이용된 장치의 바람직한 조작범위를 기초해 실험적으로 결정될 수 있다. 산소의 압력은 탄화수소에서 바람직한 산소농도 탄화수소에 대한 물의 상대량, 이동단위수 및 물과 탄화수소 사이의 산소의 평형등에 의존한다. 이론적인 네 단계의 분배계 및 고리화헥산의 부피유동속도 보다 7.2배가 큰 물의 부피유동속도에 기초하면, 시클로헥산에 대략 5몰 퍼센트 산소를 공급하는 약 830psia의 부분압이 필요할 것이다. 다른 조작조건들에 대한 필요한 압력은 표 1에 제시된다.In order to supply the hydrocarbon with the desired amount of oxygen, approximately 2-10% by weight, the partial pressure of oxygen should be about 5 to about 200 bar, preferably 5 to about 100 bar, more preferably 7 to about 60 bar. The required pressure can be easily calculated or determined experimentally based on the existing process parameters such as the maximum design operating pressure and the desired operating range of the equipment used. The pressure of oxygen depends on the relative amount of water, the number of moving units and the equilibrium of oxygen between the water and the hydrocarbon with respect to the desired oxygen concentration hydrocarbon in the hydrocarbon. Based on a theoretical four stage distribution system and a volume flow rate of water 7.2 times greater than the volume flow rate of cyclized hexane, a partial pressure of about 830 psia will be required to provide approximately 5 mole percent oxygen to the cyclohexane. The necessary pressures for the different operating conditions are given in Table 1.
산소를 물에 용해하는 것은 어떠한 편리한 방법으로 수행될 수 있다. 예컨대, 산소는 압력하의 보관탱크에서 유지되는 물을 통해서 기포화될 수 있다. 산소는 관의 상부에 도입되는 물과 더불어 바람직하게는 충전관의 기저로 도입될 수 있거나, 혹은 산소로 충전된 관으로 분무함으로써 주입된다. 많은 부피의 산소 및 물의 사용은 역류 용해공정을 활용하므로써 경제성이 있게 된다. 산소를 물에 용해하는 다른 방법들이 당업자에게 공지되었을 것이다.Dissolving oxygen in water can be carried out in any convenient way. For example, oxygen can be bubbled through water held in a storage tank under pressure. Oxygen can be introduced into the base of the filling tube, preferably with water introduced at the top of the tube, or injected by spraying into a tube filled with oxygen. The use of large volumes of oxygen and water is economical by utilizing a countercurrent dissolution process. Other methods of dissolving oxygen in water will be known to those skilled in the art.
산소를 용해하는데 사용된 물은 신선한 물일 수 있고, 재순환된 물일 수 있고,혹은 양자가 조합된것일 수 있다. 바람직하게, 공정의 대부분의 물은 재순환된다. 그 물은 산소용해에 혹은 수행될 산화반응에 어떠한 악영향을 미치지 않는 용해된 고체 혹은 유기물질들을 함유할 수 있다. 또한 재순환 물은 깨끗한 역분배계로부터 얻어질 수 있는데, 재순환 물은 산화된 생성물로부터 반응하지 않은 산소를 제거하는데 사용된다.The water used to dissolve oxygen can be fresh water, recycled water, or a combination of both. Preferably, most of the water in the process is recycled. The water may contain dissolved solids or organic substances that do not adversely affect oxygen dissolution or the oxidation reaction to be carried out. Recycled water can also be obtained from a clean back distribution system, which is used to remove unreacted oxygen from the oxidized product.
수산화 알칼리금속과 같은 염기성물질, 특히 강염기물질들은 탄화수소의 산화반응 속도를 낮추는 것으로 알려졌으므로 제거되어야 한다. 더욱더, 강한 염기성수용액은 그들의 산화물, 수산화물 혹은 수화산화물 같은 전이금속촉매의 침전물을 야기할 수 있으므로, 촉매활성을 제거할 뿐만 아니라 포텐셜 파울링(potential fouling) 문제도 또한 야기할 수 있다.Basic substances such as alkali metal hydroxides, especially strong bases, are known to slow down the oxidation of hydrocarbons and should be removed. Furthermore, strong basic aqueous solutions can cause precipitation of transition metal catalysts, such as their oxides, hydroxides or hydroxides, and therefore can not only eliminate catalytic activity but also cause potential fouling problems.
용해된 무기염의 상당량을 포함하는 수용액은 이러한 염들이 상당한 농도로 존재할때, 용액에서 산소의 용해도를 감소시키므로 제거되어야 한다. 만일 공정에서 재순환물이 장시간 이러한 물질들을 축적한다면, 이러한 물질들을 제거하는 분리단계를 추가하고, 재순환된 물의 양을 조절하고, 혹은 수원으로써 신선한 물을 사용하여 공정을 주기적으로 재시행할 필요가 있다.Aqueous solutions containing significant amounts of dissolved inorganic salts should be removed when these salts are present in significant concentrations, reducing the solubility of oxygen in the solution. If the recycle material accumulates these substances for a long time in the process, it may be necessary to add a separation step to remove these substances, adjust the amount of recycled water, or periodically rerun the process using fresh water as the source of water. .
바람직하게는 이용된 물은 중성 혹은 약산성이어야 하고, 산화촉매가 요구될때 유효량의 특유의 산화촉매를 포함할 수 있다. 산화촉매들은 당업자에게 잘 알려진 것으로, 일반적으로는 염 혹은 금속의 착물이고, 특별하게는 코발트, 크롬, 망간, 바나듐, 알루미늄, 납, 주석 및 구리등과 같은 전이금속 혹은 중금속이다. 이러한 촉매들의 수많은 예들은 상기에 언급된 참고문헌에서 제시된다. 많은 이러한 촉매들이 최소한 어느 정도까지는 물에 용해되기 때문에, 산소를 제공하는데 공급되는 이러한 물은 또한 탄화수소에 촉매공급을 제공할 수 있다.Preferably the water used should be neutral or slightly acidic and may contain an effective amount of the specific oxidation catalyst when an oxidation catalyst is required. Oxidation catalysts are well known to those skilled in the art and are generally salts or complexes of metals, especially transition metals or heavy metals such as cobalt, chromium, manganese, vanadium, aluminum, lead, tin and copper and the like. Numerous examples of such catalysts are given in the references cited above. Because many of these catalysts are at least to some extent soluble in water, such water supplied to provide oxygen can also provide a catalyst feed to the hydrocarbons.
산소수용액으로부터 산화될 탄화수소로의 산소분배는 두 액체들을 접촉시킴으로써, 바람직하게는 액체-액체 표면적을 최대화하는 것과 같은 방식으로 수행된다. 바람직하게 두 액체들은 주변온도 및 그 이하에서 역류흐름에 의해 충전관에서 접촉된다. 일반적으로 탄화수소에서 산소의 큰 용해도 때문에 수용성에서 비수성 상으로 실제량의 산소의 효율적인 이동이 접촉온도에서 두 액체안의 산소의 분배계수에 의해 제한되는 이동정도와 더불어 쉽게 일어난다. 더욱더, 시클로헥산 보다 큰 부피의 물이 순환됨으로써 탄화수소산소의 농도가 증가될 수 있다. 여기서 사용된 용어 실질적인 양은 실질적 부분이 적어도 10퍼센트인 이론적으로 이동 가능한 양에 관한 것이다.Oxygen distribution from the aqueous oxygen solution to the hydrocarbon to be oxidized is carried out in such a way as to maximize the liquid-liquid surface area by contacting the two liquids. Preferably the two liquids are contacted in the filling tube by countercurrent flow at ambient temperature and below. In general, due to the large solubility of oxygen in hydrocarbons, the efficient transfer of the actual amount of oxygen from the water-soluble to the non-aqueous phase occurs easily with the degree of migration limited by the distribution coefficient of oxygen in the two liquids at the contact temperature. Furthermore, the concentration of oxygenated hydrocarbons can be increased by circulating a larger volume of water than cyclohexane. The term substantial amount as used herein relates to a theoretically movable amount wherein at least 10 percent of the substantial part is.
탄화수소 상으로 산소의 분배가 수행된 다음 탄화수소가 바람직한 산화온도까지 가열된다. 산화에서 촉매들이 활용될때, 촉매들은 바람직한 온도에 도달하기 앞서 또는 그후에 가해질 수 있거나, 혹은 상기에 제시한 것처럼 수용액 상으로부터 탄화수소로 분배될 수 있다.The distribution of oxygen over the hydrocarbon is carried out and then the hydrocarbon is heated to the desired oxidation temperature. When catalysts are utilized in oxidation, the catalysts may be added before or after reaching the desired temperature, or may be partitioned from the aqueous phase into hydrocarbons as set out above.
본 발명에서의 고유의 안정성 요인은 물에서의 용해도와는 달리, 많은 탄화수소, 특히 시클로헥산에서의 용해도에 있는데, 이는 온도가 증가함에 따라 증가된다. 따라서 대기압하의 고리화헥산에서의 산소의 용해도는 283.5。K, 297.6。K 및 313.1。K에서 각각 12.3, 12.4 및 12.7(×10-4)몰 퍼센트이다. 이는 실온에서 탄화수소에 산소가 포화된 용액은 온도가 증가함으로써 불포화될 수 있기 때문에 부가적인 안정성 요인을 제공하고, 따라서 산소는 쉽게 누출되어 증기를 형성한다.Unlike the solubility in water, the inherent stability factor in the present invention is the solubility in many hydrocarbons, in particular cyclohexane, which increases with increasing temperature. Thus, the solubility of oxygen in cyclohexane under atmospheric pressure is 12.3, 12.4, and 12.7 (× 10 −4 ) mole percent at 283.5 ° K, 297.6 ° K, and 313.1 ° K, respectively. This provides an additional stability factor because solutions saturated with oxygen in hydrocarbons at room temperature can be unsaturated by increasing temperature, so oxygen readily leaks and forms vapors.
산화방법 그 자체는 전반적인 통상적인 것이다. 산화반응이 수행된 후, 생성물이 분리되고, 통상적인 방법으로 정제된다.The oxidation method itself is general in general. After the oxidation reaction has been carried out, the product is separated and purified in a conventional manner.
본 발명의 방법에 알맞은 탄화수소는 벤젠, 톨루엔 및 다른 경량의 방향족 탄화수소, 특히 부탄, 펜탄, 헥산, 이소옥탄 등과 같은 지방족 탄화수소, 더욱 바람직하게는 시클로펜탄, 시클로펜텐, 시클로펜타놀, 시클로헥산, 시클로헥센, 시클로헥사놀, 메틸-시클로헥산, 디메틸-시클로헥산 같은 고리화 지방족들이다. 가장 바람직한 것은 시클로헥산이다.Suitable hydrocarbons for the process of the present invention are aliphatic hydrocarbons such as benzene, toluene and other lightweight aromatic hydrocarbons, in particular butane, pentane, hexane, isooctane and the like, more preferably cyclopentane, cyclopentene, cyclopentanol, cyclohexane, cyclohexene And cycloaliphatic, cyclohexanol, methyl-cyclohexane, dimethyl-cyclohexane. Most preferred is cyclohexane.
이제 본 발명은 도면 및 실시예에 관해서 기술될 것이다.The invention will now be described with reference to the drawings and embodiments.
본 토의는 어쨋든 본 발명의 영역을 제한하는 것으로써 해석되어서는 안된다. 청구된 방법의 유용한 수정이 당업자에 의해 제기될 것이다. 이러한 모든 수정들은 본 발명의 범위내에서 예측된다.This discussion should in no way be construed as limiting the scope of the invention. Useful modifications of the claimed method will be made by those skilled in the art. All such modifications are foreseen within the scope of the present invention.
[실시예 1]Example 1
수용액에서 탄화수소로 산소를 분배하는 편리한 방법이 다음의 실험에 의해 결정되었다. 제1도에 관하여, 시클로헥산을 용기(F1)에 도입한 다음 12시간동안 질소가스로 모든 용융된 산소를 제거했다. 질소흐름 배출구로부터 시클로헥산 증기를 트랩(T1)에 의해 제거하여 용기로 되돌려 놓았다. 증류수를 용기(F2)에 도입한 다음 12시간동안 기구 자체에 의해 생성된 적은 양의 배압을 제외하면 압력은 대기압 이상으로 증가하지 않았다.A convenient way of distributing oxygen from aqueous solution to hydrocarbons was determined by the following experiment. Regarding FIG. 1, cyclohexane was introduced into vessel F 1 and then all the dissolved oxygen was removed with nitrogen gas for 12 hours. Cyclohexane vapor was removed from the nitrogen flow outlet by trap (T 1 ) and returned to the vessel. The pressure did not increase above atmospheric pressure except for the small amount of back pressure generated by the apparatus itself for 12 hours after the introduction of distilled water into the vessel F 2 .
각각의 시험 동안에, 펌프에 의해 용기(F2)에서 보유용기(A)로, 그리고 밸브(V1)을 통하여 보유용기(A)에서 분배관(C1)의 상층으로 물을 빨아냈다. 분배관(C1)은 길이가 25.0cm이며 구멍이 채워지지 않은 유리관이었다. 동시에 시클로헥산을 밸브(V2)을 통하여 펌프(P2)에 의해 분배관의 시클로헥산 입구로 빨아냈다. 용융된 산소를 함유하는 시클로헥산은 오버플로(over flow) 장치(D1)로 관에 남겨두었다. 1/8관의 수직면을 통하여 물은 관속으로 들어가서, 관벽을 건드리지 않고 소적의 형태로 시클로헥산을 따라 내려간 다음, 밸브(V3)을 통하여 보유용기(B)속으로 관에 남겨두었다. 보유용기(B)에서, 물을 오버플로장치(D2)에 의해 제거했다. 물/시클로헥산 계면(I)의 높이는 (D2)의 높이를 조절하여 조정되었다. 시클로헥산 및 물의 유량을 주기적으로 측정했다. 용기(A) 및 (B)의 수증기 공간을 최소로 유지했다. 모든 종류의 수증기를 관(C1)에서 조심스럽게 제거했다. 용기(C)는 모든 배출된 산소가 흘러나오는 물을 수용했다. 주기적인 간격으로 Orion O2전극(모델번호 970800) 및 Orion Digital Ionalzer(모델번호 501)을 사용하여 용기(A) 및 (B)에 있는 물의 산소량을 측정했다. 몇번의 시험을 통하여 얻은 데이터는 아래의 표 1에 정리되어 있다.During each test, water was drawn from the vessel F 2 to the holding vessel A by means of a pump and from the holding vessel A to the upper layer of the distribution tube C 1 via the valve V 1 . The distribution tube C 1 was a glass tube 25.0 cm in length and unfilled. At the same time, cyclohexane was drawn into the cyclohexane inlet of the distribution pipe by pump P 2 through valve V 2 . Cyclohexane containing molten oxygen was left in the tube with an overflow device (D 1 ). Through the vertical plane of the 1/8 tube, water entered the tube, descended along the cyclohexane in the form of droplets without touching the tube wall, and then left in the tube through the valve (V 3 ) into the holding vessel (B). In the holding container B, water was removed by the overflow device D 2 . The height of the water / cyclohexane interface (I) was adjusted by adjusting the height of (D 2 ). The flow rates of cyclohexane and water were measured periodically. The vapor spaces of the vessels (A) and (B) were kept to a minimum. All types of water vapor were carefully removed from the tube (C 1 ). Vessel C received water from which all the released oxygen flowed out. At regular intervals, the oxygen content of the water in vessels (A) and (B) was measured using an Orion O 2 electrode (Model No. 970800) and Orion Digital Ionalzer (Model No. 501). The data obtained from several tests are summarized in Table 1 below.
유량비는 부피비에 근거한다.The flow rate ratio is based on the volume ratio.
산소부분압의 단위는 psia이다.The unit of oxygen partial pressure is psia.
물 및 시클로헥산의 유량단위는 ml/분이다. The flow rate unit of water and cyclohexane is ml / min.
모든 산소량의 단위는 ppm이다. O의 공급량은 용기(A)에서, O의 방출량은 용기(B)에서 측정되었다. All units of oxygen are ppm. The supply amount of O was measured in the container A, and the release amount of O was measured in the container B.
떨어지는 작은 물방울과 시클로헥산상 사이의 접촉시간으로 단위는 sec 이다. The contact time between falling droplets and the cyclohexane phase, in seconds.
실시예 1에서 알 수 있듯이, 대기압하에서 조차도, 26 내지 약 31%의 수용성 산소가 시클로헥산으로 분배될 수 있다. 특히 이 분배는 비교적 비효율적이며 충전되지 않은 관 및 짧은 접촉시간을 사용해서도 성취된다. 충전관 또는 배플관을 사용하므로써 많은 운반을 초래하리라고 기대될 것이다.As can be seen in Example 1, even at atmospheric pressure, 26 to about 31% water soluble oxygen can be partitioned into cyclohexane. In particular, this distribution is relatively inefficient and is achieved using unfilled tubes and short contact times. It will be expected that the use of filling or baffle tubes will result in a lot of transport.
제2도는 탄화수소, 예컨대 시클로헥산의 대규모 산화에 대한 공정흐름도를 나타낸다. 구성재료는 통상적인 것들이며 당업자들에게 잘 공지되어 있다. 전형적으로, 부식작용을 최소화 하기 위해서 스테인레스강, 클래드 또는 유리를 안에 댄 장비가 바람직하다. 특히 관(C) 및 (C)에서 사용된 고압으로 인하여, 최소화된 직경이 높은 안정성 한계를 제공하는 동시에 건설재료의 경제적인 사용을 가능하게 하기 때문에 높은 종횡비가 공정관들에 대하여 바람직하다. 일반적으로, 모든 관 및 반응기(R)는 전형적인 충전물질, 즉 볼, 한장모양의 버팀, 나선형의 것등으로 충전될 것이나, 트레이관 및 비충전관은 이론적으로 사용될 수 있다.2 shows the process flow diagram for large scale oxidation of hydrocarbons such as cyclohexane. The constituent materials are conventional and well known to those skilled in the art. Typically, stainless steel, clad or glass-clad equipment is desirable to minimize corrosion. In particular due to the high pressure used in tubes (C) and (C), high aspect ratios are preferred for process tubes because the minimized diameter provides a high stability limit and at the same time enables economical use of construction materials. In general, all tubes and reactors R will be filled with typical filling materials, ie balls, sheet-shaped braces, spirals, etc., but tray tubes and unfilled tubes can be used in theory.
조작 동안에, 물은 압력하에 밸브(V)을 통하여 산소용액관(C)의 상증으로 공급된다. 이 물은 밸브(V)를 경유하여 라인(L)으로부터 신선한 물이 될 수 있고 또는 다음에 설명되는 것처럼 부분적으로나 완전히 재순환 물을 만들어낼 수 있다. 순수한 형태의 산소, 공정조건하에서 불활성기체로 묽힌 산소, 공기로 묽힌 산소, 또는 대기압하의 산소는 펌프(P)에 의해 압입되며 밸브(V)를 통하여 관(C)에 공급된다. 산소의 압력 및 유량 모두는 물속으로 바람직한 산소 몰%를 용해시킴으로써 조절될 수 있다. 산소가 적재된 물은 라인(L)을 통하여 관에서 나와서 펌프(P)를 통하여 분배관(C)으로 들어간다. 액체 탄화수소가 펌프(P)에서 가압되며 밸브(V)을 통하여 관(C)으로 공급된다. 역류흐름 상황 비중의 차로인해 역류흐름 상황이 설정되고, 보다 경질의 산소적재 탄화수소는 관라인 (L)을 통해서 배출되는 반면에 산소가 없는 물은 탄화수소/물 접촉면 I아래의 라인(L)을 통해서 배출된다. 물보다 더 무거운 탄화수소의 경우에, 다양한 흐름의 입구 및 출구점은 역전되어야만 할 것이다. 주변온도에서 고체상태인 탄화수소의 경우에 이 관은 탄화수소를 액체 상태로 유지하기에 충분한 온도로 가열되어야만할 것이다.During operation, water is supplied to the supernatant of the oxygen solution tube C through the valve V under pressure. This water can be fresh water from line L via valve V or can produce partially or completely recycled water as described below. Pure oxygen, oxygen diluted with inert gas, oxygen diluted with air, or oxygen under atmospheric pressure is pressurized by the pump P and supplied to the tube C through the valve V. Both the pressure and flow rate of oxygen can be adjusted by dissolving the desired mole percent oxygen in water. Oxygen loaded water exits the pipe through line (L) and enters distribution pipe (C) through pump (P). The liquid hydrocarbon is pressurized in the pump P and fed to the pipe C through the valve V. Backflow Flow Conditions Backflow conditions are established due to the difference in specific gravity, and lighter oxygen-loaded hydrocarbons are discharged through the conduit line (L), while oxygen-free water is passed through the line (L) below the hydrocarbon / water interface I. Discharged. In the case of hydrocarbons heavier than water, the inlet and outlet points of the various flows will have to be reversed. In the case of hydrocarbons that are solid at ambient temperature, this tube must be heated to a temperature sufficient to keep the hydrocarbons in the liquid state.
라인(L)에서, 산소가 풍부한 탄화수소는 더 많이 산소를 풍부하게 하기 위해 또 다른 분배관으로 들어가거나, 보여진것처럼, 관(C)에서 탈가스화될 수 있다. 본 발명의 중요한 필요조건은 증기상의 형성없이 용액중에서 산소를 포획하기에 알맞은 압력하에서 시스템이 유지되어야 한다는 것이다. 이러한 이유로 인하여 관(C)보다 약간더 고압상태에 있는 관(C)으로 지탱하는 것이 현명하다. 마찬가지로, 공정라인에서 일어나는 압력강하를 고려해야만 한다.In line (L), the oxygen rich hydrocarbons may enter another distribution tube to enrich more oxygen or may be degassed in tube (C), as shown. An important requirement of the present invention is that the system must be maintained at a suitable pressure to capture oxygen in solution without the formation of a vapor phase. For this reason it is wise to bear with a tube (C) which is at a slightly higher pressure than the tube (C). Similarly, the pressure drop occurring in the process line must be taken into account.
압력의 부족에 기인하는 탈-가스화 반응이 일어나지 않아서, 관 (C)이 과다 안전구조가 되는 것이 가장 바람직하다. 회수된 모든 기체는 대기중으로 방출되어, 확 타오르거나 바람직하게는 펌프(P)에 의해 가압되어 라인(L)을 통하여 용액관(C)으로 재순환된다. 산소가 풍부한 탄화수소는 밸브(V)을 통하여 반응기(R)로 계량된다. 반응기(R)는 적당한 산화온도, 예컨대 100℃ 내지 200℃에서 조작된다. 열교환기(H)는 반응을 개시하기 위해, 필요한 열을 제공하기 위해 사용되며, 반응이 요구하는 대로 부가적인 열을 제공하거나 반응기에서 열을 제거할 수 있다.It is most preferable that the degasification reaction due to the lack of pressure does not occur, so that the tube (C) becomes an excessive safety structure. All recovered gases are released into the atmosphere, flared or preferably pressurized by pump P and recycled to line C through line L to solution tube C. Oxygen-rich hydrocarbons are metered to the reactor (R) via valve (V). Reactor R is operated at a suitable oxidation temperature, such as 100 ° C to 200 ° C. Heat exchanger (H) is used to provide the necessary heat to initiate the reaction and may provide additional heat or remove heat from the reactor as required by the reaction.
일반적으로, 산화반응은 약 0.01 내지 약 100ppm의 양만큼 적당한 촉매의 존재하에 촉진된다. 시스템의 유연성으로 인하여, 이 촉매는 하나 이상의 여러 위치에서 첨가될 수 있다. 예컨대, 이 촉매는 수용액 혹은 적합한 용매에서의 용융액으로써 라인(S) 및 밸브(V)를 통해서 몰입구에 가해질 수 있다.In general, the oxidation reaction is promoted in the presence of a suitable catalyst by an amount of about 0.01 to about 100 ppm. Due to the flexibility of the system, this catalyst can be added at one or more locations. For example, this catalyst can be added to the inlet via lines S and valves V as an aqueous solution or as a melt in a suitable solvent.
바람직하게, 이용되는 모든 용매는 반응생성물들 중의 하나가 될 것이다. 시클로헥산이 산화되는 경우, 이러한 용매로 시클로헥사놀, 시클로헥사논 또는 이들 생성물의 혼합물을 사용해도 된다. 그렇지 않으면, 촉매는 물에서 탄화수소로 산소의 분배에 앞서 라인(S) 및 밸브(V)을 경유하여 라인(L)으로 주입하므로써, 또는 산화에 앞서 라인(S) 및 밸브(V)을 경유하여 라인 (L)으로 주입하므로써 부가될 수 있다.Preferably, all solvents used will be one of the reaction products. When cyclohexane is oxidized, you may use cyclohexanol, cyclohexanone, or a mixture of these products as such a solvent. Otherwise, the catalyst may be introduced into line L via line S and valve V prior to the distribution of oxygen from water to hydrocarbon, or via line S and valve V prior to oxidation. It can be added by injecting into line (L).
일반적으로 산화된 탄화수소의 흐름은 1 내지 약 15무게%, 더욱 특히 약 3 내지 약 8무게%의 산소 포화생성물을 함유한다. 산화된 탄화수소의 처리는 다양한 방법으로 수행될 수 있다. 예를 들면, (R)에서 출구흐름(L)은 부식제를 사용하거나 몇가지 다른 적당한 방법에 의해 반응하여 과산화물 및 히드로과산화물을 분해한 다음 관(C)으로 송달될 수 있다. 그렇지 않으면, 산화물은 과산화물 및 히드로과산화물의 분해에 앞서 또는 그후에 분별증류될 수 있다. 시클로헥산의 경우에, 예를 들어, 시클로헥사논 및 시클로헥사놀(두 화합물 모두 물에 대해 약간의 가용성을 갖는다)을 함유하는 고온 끓음 분획은 관(C)으로 송달되는 잔류물, 대부분 시클로헥산과 함께 이 순간에서 공정에서 제거해도 된다.Generally, the flow of oxidized hydrocarbons contains from 1 to about 15 weight percent, more particularly from about 3 to about 8 weight percent oxygen saturation product. Treatment of oxidized hydrocarbons can be carried out in a variety of ways. For example, in (R), the outlet flow (L) can be delivered to tube (C) after the decomposition of peroxides and hydroperoxides by reaction with caustic agents or by some other suitable method. Otherwise, the oxide may be fractionally distilled prior to or after decomposition of the peroxide and hydroperoxide. In the case of cyclohexane, the hot boiling fraction containing, for example, cyclohexanone and cyclohexanol (both compounds have some solubility in water) is the residue delivered to tube (C), mostly cyclohexane May be removed from the process at this moment.
또 다른 대안으로는 완전히 관(C) 및 (C)에서 우회하여 (R)유출산화물을 통상의 방법으로 처리하는 것이다. 그렇지만, 모든 잔류물, 즉 반응하지 않은 산소는 반응기(R)에서 더 큰 안전하류를 유발하는 관(C) 및 (C)에서 역분배에 의해 제거될 수 있다.Another alternative is to treat the (R) effluent oxide in a conventional manner, bypassing completely in tubes (C) and (C). However, all residues, i.e., unreacted oxygen, can be removed by back-distribution in tubes (C) and (C) resulting in greater safety downstream in reactor (R).
신선한 물은 밸브(V)를 통하여 관(C)에 들어가서, 예컨대 라인(L)을 통하여 관(C)으로 들어간 다음 마침내 라인(L)을 통하여 관(C)에서 방출된다. 또한, 신선한 물은 양쪽의 관에 부가되며, 각각의 경우에, 각각의 관의 바닥을 통하거나 바닥의 근방에서 방출된다.Fresh water enters the tube C through the valve V, for example into the tube C via the line L, and finally exits the tube C through the line L. In addition, fresh water is added to both tubes and in each case is discharged through or near the bottom of each tube.
게다가, 라인(L)에 있는 물은 탄화수소로 포화된 용융산소; 용융산소포화 생성물; 주로 모노-및 디 염기성 유기산; 및 촉매의 최소량을 함유할 것이다. 이 물은 밸브(V)을 통하여 관(C)으로 재순환될 수 있고, 여기서 이 물은, 예컨대 시스템에 있는 전체 물의 10 내지 25% 또는 그 이상을 차지할 수 있다. 신선한 물의 입구밸브(V) 및 (V)의 적당한 균형을 통하여, 시스템은 수용성흐름중의 다양한 시스템 성분들의 농도에 대하여 빨리 평형상태에 도달해야만 한다. 수용성흐름의 일부분을, 예컨대 라인(C) 또는 (C)에서 주기적으로 또는 연속적으로 회수하여, 이렇게 끌어낸 흐름을 탈산소화하고 실제로 탄화수소가 없는 물을 관 C및 C로 보낼 필요가 있다. 또한, 반응하지 않은 산소를 제거하기 위해 사용된 물은 압력의 감소에 의해 관(C)에서 탈가스화된 다음, 라인(L)을 통하여 융용유기산의 공급원으로서 사용될 수 있다.In addition, the water in line (L) may be dissolved oxygen saturated with hydrocarbons; Molten oxygen saturation products; Predominantly mono- and dibasic organic acids; And a minimum amount of catalyst. This water may be recycled to the tube C through the valve V, where this water may comprise, for example, 10-25% or more of the total water in the system. Through proper balance of fresh water inlet valves (V) and (V), the system must quickly equilibrate for the concentration of the various system components in the aqueous stream. A portion of the water soluble stream, for example, may be recovered periodically or continuously in lines (C) or (C) to deoxygenate this drawn stream and send water, which is actually free of hydrocarbons, to tubes C and C. In addition, the water used to remove unreacted oxygen can be degassed in the tube (C) by a decrease in pressure and then used as a source of molten organic acid via line (L).
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