MXPA02005852A

MXPA02005852A - Metodo y dispositivo para la produccion de una mezcla homogenea de un hidrocarburo aromatico que forma vapor y un gas que contiene oxigeno.

Info

Publication number: MXPA02005852A
Application number: MXPA02005852A
Authority: MX
Inventors: Ulrich Block
Original assignee: Basf Ag
Priority date: 1999-12-23
Filing date: 2000-12-22
Publication date: 2002-10-23
Also published as: TW581710B; CN1174793C; EP1239944B1; EP1239944A1; ES2218265T3; US20030013931A1; DE50005821D1; KR20020062374A; AU2172001A; JP2003518433A; WO2001047622A1; ATE262372T1; KR100655339B1; CN1411392A; JP4669184B2; DE19962616A1; MY125936A

Abstract

Se proporcionan un proceso y un aparato para producir una mezcla homogenea de hidrocarburo aromatico gaseoso y un gas que contiene oxigeno para reacciones en fase gaseosa cataliticas, en particular una mezcla homogenea de o-xileno gaseoso y/o naftaleno y aire para preparar anhidrido ftalico. El hidrocarburo aromatico liquido se atomiza para formar gotas que tienen un diametro menor de 1 mm y que se inyectan dentro de una corriente de gas (12) que contiene oxigeno, precalentada por arriba del punto de ebullicion del hidrocarburo aromatico. De acuerdo con la invencion, el hidrocarburo aromatico se- atomiza por medio de boquillas (15) que forman un cono hueco (16), preferiblemente por medio de boquillas de turbulencia. La mezcla de o~xileno/aire se produce ventajosamente en una camara que se une por paredes laterales (18) calentadas por arriba del punto de ebullicion del hidrocarburo.

Description

MÉTODO Y DISPOSITIVO PARA LA PRODUCCIÓN DE UNA MEZCLA HOMOGÉNEA DE UN HIDROCARBURO AROMÁTICO QUE FORMA VAPOR Y UN GAS QUE CONTIENE OXIGENO La presente invención se refiere a un proceso y un aparato para producir una mezcla homogénea de un hidrocarburo aromático gaseoso y un gas que contiene oxígeno para reacciones en la fase gaseosa catalíticas, en particular, una mezcla homogénea de o-xileno gaseoso y/o naftaleno y aire para la preparación de anhídrido ftálico. El anhídrido ftálico (PA) es un intermediario importante para producir resinas sintéticas, plastificantes de ftalato, tintes de ftalocianuro y químicos finos adicionales. El PA se prepara diariamente principalmente a partir de o-xileno, predominantemente mediante la oxidación de o-xileno en la fase gaseosa por medio de aire como oxidante. Las plantas para llevar a cabo dicho proceso de producción, consisten esencialmente de unidades funcionales para producir la mezcla de vapor de o-xileno/aire, el reactor hace reaccionar el vapor de o-xileno/aire y una instalación para la separación y la preparación del PA. La reacción de oxidación en la fase gaseosa, catalítica, se lleva a cabo usualmente sobre catalizadores que contienen V2Od. Para este propósito, el o-xileno se vaporiza, se mezcla con un exceso de aire y se pasa de 340°C a 440°C sobre el catalizador en los tubos de un reactor de tubos y coraza. El catalizador comprende por ejemplo, una mezcla de V20 y Ti02 con promotores en cuerpos de cerámica, por ejemplo, esferas o anillos de porcelana o SiC que tienen dimensiones de, por ejemplo, 6 x 6 mm. Los reactores grandes que tienen de 10 000 a 40 000 tubos se arreglan dentro de la coraza o envuelta. El o-xileno se oxida usualmente al PA con una selectividad de 78% a 80%. Esta misma oxidación es fuertemente exotérmica con un cambio de entalpia de -110 Kj/mol. Para llevar a cabo el proceso, se tiene que poner atención, entre otros a los siguientes puntos críticos: en primer lugar, la mezcla de o-xileno con aire (exceso de oxígeno) está en el rango explosivo (Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 5th edición, volumen A 20, página 85) , y segundo, el flujo de la mezcla de gas en cada uno del gran número de tubos de 10,000 - 40,000 son uniformes en la sección transversal completa y constante durante el tiempo de manera que la reacción procede igualmente de manera rápida en todos los tubos y no, por ejemplo, particularmente rápida o particularmente lenta en algunos de los mismos. Además, la entalpia altamente negativa de la reacción puede llevar al sinterizado, al fundido de los catalizadores, haciéndolos inactivos en los tubos individuales si se presentan desviaciones a partir de las condiciones de estabilidad.

Esto se asocia con los riesgos considerables para las plantas . Además, la no homogeneidad en el suministro de la mezcla de gas resulta en condiciones de reacción diferentes en los tubos individuales. Esto provoca un incremento en la formación de sub-productos que reducen el rendimiento y que se separan del PA en la fase de purificación subsecuente y se desprenden.

El DE-A 1 793 453 describe un proceso para producir una mezcla homogénea de o-xileno gaseosa y aire para la oxidación catalítica a anhídrido ftálico. En el proceso conocido, una corriente de o-xileno se atomiza para formar gotas que contienen un diámetro menor de 1 mm, por ejemplo un tamaño predominantemente menor de 0.3 mm, y se introducen en una corriente de aire que ha sido precalentada arriba del punto de ebullición de o-xileno. Esta corriente de aire es turbulenta; se recomienda un número de Reynolds de arriba de 200 000. El tiempo de residencia desde la inyección del o-xileno al reactor es de al menos 0.2 segundos de modo que se obtenga una mezcla de gas homogénea y fluya así uniformemente dentro de todos los tubos. A pesar del mejoramiento proporcionado por el proceso de la DE-A 1 793 453, pueden tomar lugar los cambios en el tamaño de las gotas y problemas en la vaporización, particularmente si las condiciones de operación varían. Esto puede deberse a un número de causas posibles: La materia prima puede tener niveles variables de contaminación. El aire puede contener, entre otros, N0X, H2S, óxidos de azufre tales como el S02, NH3 y sus sales, por ejemplo, con C02, que pueden llevar a la constricción de una o mas boquillas u orificios. Las partículas de corrosión pueden cambiar también el tamaño de las gotas y la forma del chorro de o-xileno atomizado. Efectos similares son provocados por la erosión de las boquillas en la operación a largo plazo. Además, el o-xileno puede contener también m- y p-xileno, tolueno, etilbenceno, isopropilbenceno, nonano y cantidades pequeñas de estireno. Tales compuestos pueden influenciar la tensión superficial del o-xileno. Es posible que las gotas que escapan además de las gotas antes mencionadas que tienen un tamaño de por ejemplo, predominantemente abajo de 0.3 mm para formarse. Estas pueden mojar la pared del tubo de reacción y formar una capa líquida. Una dificultad adicional es que no es posible en la práctica instalar las boquillas que sirven para la atomización de la corriente de o-xileno de tal forma que las gotas de la corriente de o-xileno atomizado no se pongan en contacto con la pared del tubo guía. Además, los cambios adversos no intencionales en los parámetros de estabilidad tales como la presión y la temperatura y la cantidad de aire pueden presentarse en el proceso de DE-A 1 793 453. Además, los contaminantes presentes en los materiales de inicio, aire y o-xileno pueden introducirse y las gotas de la corriente de o-xileno atomizado pueden tocar la pared del tubo. A este respecto, aún es necesario mejorar el proceso mencionado arriba. Un objetivo de la presente invención es proporcionar un proceso mejorado y un aparato para producir una mezcla homogénea de un hidrocarburo aromático gaseoso, por ejemplo, o-xileno y/o naftaleno y un gas que contiene oxígeno, en particular aire para reacciones catalíticas en fase gaseosa. En particular, las desventajas descritas arriba deberían ser evitadas o al menos minimizadas. Se ha encontrado que este objetivo se logra, en un proceso de este tipo, llevando a cabo la atomización del hidrocarburo aromático líquido por medio de una boquilla que forma un cono de atomización hueco, preferiblemente una boquilla de turbulencia. El cono de atomización hueco puede ser inicialmente una película coherente de hidrocarburo líquido que a una mayor distancia de la boquilla de turbulencia se rompe o divide en fragmentos pequeños que son transformados mediante fuerzas superficiales en gotas individuales que tienen un diámetro menor de 1 mm.

La presente invención en consecuencia proporciona un proceso para producir una mezcla homogénea de un hidrocarburo aromático gaseoso por ejemplo, o-xileno y/o naftaleno y un gas que contiene oxígeno por ejemplo, aire para reacciones catalíticas en fase gaseosa mediante la atomización del hidrocarburo aromático para formar gotas que tienen un diámetro menor de 1 mm y que se inyectan dentro de una corriente de gas que contiene oxígeno, precalentada por arriba del punto de ebullición del hidrocarburo aromático, en donde el hidrocarburo aromático líquido se atomiza por medio de boquillas que forman un cono hueco, preferiblemente por medio de boquillas de turbulencia. El proceso de la presente invención hace lo posible para producir un oxígeno gaseoso de mezclas libres de vapor muy homogéneas preferiblemente en aire u otro gas que contiene oxígeno y un vapor de hidrocarburo. El proceso de la presente invención se usa preferiblemente en la preparación de ácidos carboxílicos o anhídridos carboxílicos mediante la oxidación catalítica en fase gaseosa de los hidrocarburos aromáticos por ejemplo, xilenos, en particular o-xileno y/o naftaleno en reactores de lecho fijo. Un ejemplo que puede mencionarse es la preparación de anhídrido ftálico (PA) .

En lo siguiente, la referencia se hace únicamente en forma de ejemplo, al uso particularmente preferido del proceso de la presente invención en la preparación de PA mediante la oxidación catalítica en fase gaseosa. Aquí, el hidrocarburo aromático es o-xileno y el gas que contiene oxígeno es aire. En el proceso de la presente invención, el cono de atomización hueco tiene un ángulo de entrada de 30° a 70°. El cono de atomización hueco particularmente preferido tiene un ángulo de entrada de aproximadamente 60°. El eje del cono de atomización hueco se alinea en la dirección del flujo del gas que contiene oxígeno, es decir., por ejemplo, el aire, pero puede desviarse hasta 30° de este. Esto significa que el eje central del cono de atomización hueco de la corriente de hidrocarburo tiene un ángulo de -30° a +30° al eje central de la corriente de gas precalentado. Como resultado, algunas gotas del cono hueco tocan la pared. Una medida adicional para lograr esto puede ser, en particular, para mantener una cierta distancia, por ejemplo un tercio del radio el tubo a partir de la pared. Se prefiere usar una pluralidad de boquillas, por ejemplo a partir de 2 a 6, preferiblemente a partir de 4 a 6 con aproximadamente igual espaciamiento . De acuerdo a la presente invención, se da preferencia para usar boquillas de turbulencia para atomizar el niilM ¡ " »..*-**-*-»*»*-« ¿ -» «-s...... -~^-. — ....>...... . . .. hidrocarburo líquido. Estas boquillas de turbulencia referidas también como boquillas de cono hueco, preferiblemente tienen, corriente arriba del orificio de salida, un cuerpo guía que tiene superficies de choque oblicuas que imparten una turbulencia o una rotación alrededor del eje de flujo al líquido que va a ser atomizado. Tales boquillas de turbulencia son conocidas por otras aplicaciones por ejemplo, la transmisión del impulso rápido en bombas de chorro de agua, condensadores de rocío, etc. (cf. Grassmann "Physikalische Grundlagen der Verfahrenstechnick", Verlag Sauerlánder (1970), páginas 355 y 805) . Aunque se prefiere particularmente el uso de boquillas de cono hueco en el proceso de la presente invención, pueden usarse también las boquillas de cono sólido o boquillas con rendijas en otras modalidades de la invención. Es posible también el uso de boquillas de dos fluidos que pueden suministrarse por ejemplo, con el o-xileno para rociarse y el aire como propulsor. Si se usa una boquilla de cono hueco o de turbulencia para generar el cono de atomización hueco de acuerdo a la presente invención, es preferible operar a una presión de admisión a partir de 2 a 20 bar de manera que asegure la formación de un cono de atomización hueco que tenga el ángulo de entrada de 30° a 70° preferido de acuerdo a la presente invención.

En el proceso de la presente invención, la vapor de hidrocarburo líquido se atomiza para formar gotas que tienen un diámetro menor de 1 mm, preferiblemente menor de 0.8 mm. La corriente líquida se prefiere particularmente atomizada para formar gotas de 0.02 a 0.2 mm. Las boquillas de turbulencia usadas para formar el cono de atomización hueco que tiene un ángulo de entrada de 30° a 70° son localizados ventajosamente dentro de un tubo a través del cual el gas de oxígeno fluye en un arreglo circular en un tubo que tiene una entrada para que el líquido sea atomizado. Sin embargo, el tubo de alimentación anular y las boquillas pueden ser pasadas a partir del exterior hacia el tubo de alimentación de oxígeno. En este caso, los orificios exteriores de la boquilla son dirigidos en la dirección del flujo de gas. Sin embargo, como se estableció arriba todavía, el eje del cono hueco puede desviarse hasta 30° a partir de la dirección de flujo del gas. Esto puede reducir el número de gotas del cono hueco que tocan la pared. Para los propósitos del proceso de la presente invención, las boquillas de cono hueco axial KS 1 (de Lechler, Metzingen, Alemania) son particularmente adecuadas. Tales boquillas hacen posible generar un cono hueco que tiene un ángulo de cono preferido de 60°. El diámetro del cono hueco es de aproximadamente 200 mm a una distancia de 250 mm a partir del orificio de salida. De acuerdo a la presente invención, se forman gotas pequeñas que tienen un diámetro menor de 1 mm, preferiblemente menor de 0.8 mm, particularmente preferibles a partir de 0.02 a 0.2 mm. El último se vaporiza muy rápidamente 5 y son vaporizadas completamente a una distancia solamente de 200 - 500 mm a partir del orificio de salida de la boquilla. Sin embargo, las gotas que tienen un tamaño a partir de 0.8 a 1 mm pueden escapar de 50 - 100 cm antes de vaporizarse completamente y poder tocar y mojar la pared. 10 Debido a la posibilidad para humedecer, una modalidad particularmente preferida del proceso de la presente invención proporciona la mezcla, por ejemplo la mezcla o-xileno/aire, para ser producida en una cámara que se une por paredes laterales, calentada por arriba del punto de ebullición del 15 hidrocarburo. Las paredes laterales de la cámara son formadas preferiblemente por un tubo calentado, por ejemplo un tubo de pared doble, en particular un "Thermoblech" (= hoja de metal de pared doble, comercial) tubo (tales tubos "Termoblech" son fabricados en Alemania mediante por ejemplo, la compañía BUCO, 20 Geesthacht, o DEG, Gelsenkirchen) . Las gotas de hidrocarburos que chocan en el tubo caliente no pueden depositarse como una capa líquida, en lugar de esto se vaporizan inmediatamente. Esto produce finalmente la mezcla deseada de vapor de hidrocarburo y por ejemplo aire.

La abertura anular del tubo de pared doble puede calentarse mediante vapor de alta presión, preferiblemente vapor que tiene una presión de aproximadamente 20 bar y una temperatura de 214 °C. Los tubos "Termoblech" mencionados arriba pueden tener una abertura anular particularmente estrecha. Los tubos "Termoblech" tienen una construcción relativamente simple y son por lo tanto relativamente económicos. El calentamiento intensivo permite zonas de enfriamiento que se descartan en los tubos "Termoblech". Para lograr una homogeneización completa, la mezcla de vapor/aire es además una variante del proceso ventajosa que se hace pasar subsecuentemente a través de un dispositivo de mezclado . Se prefiere usar mezcladores estáticos como dispositivo de mezclado. Estos son placas guía que se instalan en el tubo a través del cual se presenta el flujo y divide y recombina la corriente para mezclarse, resultando en una homogeneización completa. Tales mezcladores estáticos son fabricados mediante por ejemplo, Sulzer, Winterthur, Suiza. Los mezcladores estáticos son descritos también en las Solicitudes de Patente Alemanas DE 25 250 20 Al, DE 196 223 051 Al y DE 196 23 105 Al. La presente invención proporciona también un aparato para producir una mezcla homogénea de un hidrocarburo aromático laj. ± Ljm.?m? . mtm í.- . . , gaseoso y un gas que contiene oxígeno que tiene canales de gas para un precalentamiento, corriente de gas que contiene oxígeno y un dispositivo de atomización para una corriente de un hidrocarburo aromático líquido que entra dentro de los canales de gas, en donde el dispositivo de atomización tiene boquillas de turbulencia y los canales de gas tienen al menos boquillas de turbulencia aguas abajo de las boquillas de turbulencia, las paredes de las cuales pueden calentarse al menos en el punto de ebullición del hidrocarburo. Los canales de gas comprenden preferiblemente un tubo que se puede calentar, en particular un tubo de pared doble o un tubo "termoblech" . Particularmente preferible es un mezclador estático instalado en los canales de gas aguas debajo de las boquillas de turbulencia. La temperatura en la pared del tubo caliente se coloca de modo que a partir de 5 a 50% en peso del hidrocarburo líquido, en particular a partir de 5 a 40% en peso, es particularmente preferible de 5 a 30% en peso, pueden chocar en la pared del tubo y vaporizarse ahí, con la proporción precisa que depende de las impurezas en la materia prima, en la forma del cono hueco y en los cambios de la boquilla (erosión) durante la operación. La unidad funcional antedicha puede ser seguida por unidades funcionales adicionales por ejemplo para preparar PA, por ejemplo el reactor para convertir el o-xileno en PA y el aparato para separar PA y aislar el PA puro como se conoce en la técnica previa. La invención se ilustra abajo con la ayuda de una modalidad mostrada esquemáticamente en el dibujo anexado y mediante un ejemplo de uso. La figura muestra un aparato 10 para producir una mezcla homogénea de o-xileno gaseoso y/o naftaleno y aire. El aparato tiene canales 11 de gas que conducen una corriente precalentada de aire (simbolizada por la flecha 12 en la figura) . En el ejemplo mostrado, los canales 11 de gas son configurados como tubos. El tubo 11 se proporciona con un dispositivo 13 de atomización que comprende líneas 14 de alimentación para o-xileno líquido y boquillas 15 de turbulencia localizadas en el extremo de las líneas. Las líneas 14 de alimentación son alimentadas por un tubo de suministro (no se muestra) que rodea concéntricamente al tubo 11. Las boquillas 15 de turbulencia producen un cono 16 hueco de o-xileno líquido que se rompe en gotas muy finas que tienen un diámetro medio de 0.02 a 0.2 mm. Las gotas finas se vaporizan rápidamente en la corriente de aire precalentado, de modo que se forme una mezcla homogénea de aire y vapor de o-xileno. Para mejorar la homogeneidad adicional, un mezclador 17 estático se instala en el tubo 11 de modo que la mezcla de A A ? Í rJ*? JVi l? a í . mt&e? tt « .» ..-MaM-at vapor/aire pase a través de este mezclador. Corriente abajo de las boquillas 15 de turbulencia, el tubo 11 se configura como un tubo 18 de pared doble de calentamiento. El tubo se calienta por medio de vapor a una temperatura arriba del punto de ebullición del o-xileno. Las gotas de o-xileno atomizado que choca en la pared del tubo son así vaporizados inmediatamente y no se depositan como una capa líquida. En el punto 19, el tubo 11 extendido dentro de un reactor de tubos y envuelta en el cual el anhídrido ftálico se prepara mediante la oxidación catalítica en fase gaseosa del o-xileno.

Ejemplo En una planta para preparar PA, el aparato para vaporizar o-xileno comprende un tubo "Termoblech" que tiene un diámetro de 1200 mm. El aire de oxidación que se ha precalentado a 200°C en un aparato de precalentamiento se envió a través de este al reactor. La presión fue aproximadamente de 1.5 bar absolutos. El aire se cargó con 100 g de o-xileno por m3 estándar. El aire se extrajo a partir del medio ambiente sin purificación adicional, solamente a través de un filtro de aire. El tubo "Termoblech" se calentó a 214° C por medio de 20 bar de vapor. El o-xileno se inyectó vía seis boquillas de turbulencia que se arreglan en un círculo que tiene un diámetro de 600 mm y cuyo eje se muestra verticalmente |lt.1 -t fMmmmim?+?**. »U ,. mmm .---a-a^V.,... ascendente. Estas son boquillas de cono huecas axiales (KS 1 del tipo 216.324 hechas de acero, de Lechler). La presión de admisión fue de 8 bar. Los mezcladores estáticos se instalaron a una distancia de 4.5 m aguas abajo de las boquillas en una sección horizontal del tubo. Este sistema mezclador de pared caliente/boquilla de turbulencia produce una mezcla de vapor de o-xileno/aire libre de corriente homogénea cuya homogeneidad no se altera por los parámetros de operación fluctuantes. Esto se estableció por medio de la salida de PA la cual fue constante durante un periodo largo de tiempo. Además, no se presentaron igniciones dentro de la planta de producción provocadas por la homogeneidad en la mezcla y se observó seguridad en la planta que afectan adversamente. No se observaron daños o cierre por emergencias debido a las altas temperaturas en las regiones del reactor individuales o en los tubos del reactor. Entre los cierres o paros de mantenimiento rutinarios, anuales, la disponibilidad de la planta estuvo arriba del 99%.

Claims

REIVINDICACIONES 1. Un proceso para producir una mezcla homogénea de un hidrocarburo aromático gaseoso y un gas que contiene oxígeno para reacciones catalíticas en fase gaseosa, atomizando el 5 hidrocarburo aromático líquido para formar gotas que tienen un diámetro menor de 1 mm y que se inyecta dentro de una corriente de gas que contiene oxígeno, precalentada, por arriba del punto de ebullición del hidrocarburo aromático, caracterizado porque el hidrocarburo aromático líquido se 10 atomiza por medio de boquillas que forman un cono hueco, preferiblemente boquillas de turbulencia.
2. Un proceso como se reivindicó en la reivindicación 1, caracterizado porque el cono de atomización hueco tiene un 15 ángulo de apertura de 30° a 70°.
3. Un proceso como se reivindicó en la reivindicación 1 o 2, caracterizado porque el eje central del cono de atomización hueco tiene un ángulo de -30° a +30° al eje central de la 20 corriente de gas precalentado.
4. Un proceso como se reivindicó en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque la mezcla se produce en una cámara que se une por paredes laterales, ^^^^^^^-^^^ | *»- . » i- . -- - - • < »>--. , .^¡ímm.mk.?t?mA. calentadas por arriba del punto de ebullición del hidrocarburo.
5. Un proceso como se reivindicó en la reivindicación 4, 5 caracterizado porque las paredes laterales de la cámara se forman por un tubo de calentamiento, en particular un tubo "Thermoblech" .
6. Un proceso como se reivindicó en la reivindicación 4 o 10 5, caracterizado porque a partir de 5 a 50% en peso, preferiblemente a partir de 5 a 40% en peso, y particularmente preferiblemente a partir de 5 a 30% en peso, del hidrocarburo atomizado se evapora en las paredes laterales calientes. 15
7. Un proceso como se reivindicó en cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la mezcla después de la vaporización del hidrocarburo aromático se pasa a través de un mezclador estático. 20
8. Un proceso como se reivindicó en cualquiera de las reivindicaciones precedentes para usarse en la síntesis del anhídrido ftálico, caracterizado porque el hidrocarburo aromático es o-xileno y/o naftaleno y el gas que contiene oxígeno es aire. *...^ñ¿<B?¿» itt É *?m ,? Aj . *>» * t , -tOtoafti,.. ... ^ a^,i.....,» *.
9. Un aparato para producir una mezcla homogénea de un hidrocarburo aromático gaseoso y un gas que contiene oxígeno que tiene canales de gas para una corriente de gas que contiene oxígeno, precalentada, y un dispositivo de 5 atomización para una corriente de un hidrocarburo aromático líquido que entra dentro de los canales de gas, caracterizado porque el dispositivo de atomización tiene boquillas de turbulencia y canales de gas que se encuentran al menos corriente abajo de las boquillas de turbulencia, paredes que 10 pueden ser calentadas al menos en el punto de ebullición del hidrocarburo .
10. Un aparato como se reivindicó en la reivindicación 9, caracterizado porque los canales de gas comprenden un tubo de 15 calentamiento, en particular un tubo de pared doble o un tubo elaborado de "Thermoblech" .
11. Un aparato como se reivindicó en la reivindicación 9 o 10, caracterizado porque un mezclador estático se instala en 20 los canales de gas corriente abajo de las boquillas de turbulencia . -.m.m !ié2i . * A ?íii ?*MM*m.*? &¿ a»a.