RO112691B1 - Reactor pentru efectuarea reactiilor cu faze eterogene - Google Patents

Description

Invenția se referă la un reactor pentru reacții cu faze eterogene, și mai ales pentru efectuarea reacțiilor gaz-lichid, în care faza lichidă ' ste continuă, iar faza gazoasă dispersă, în plan orizontal, în unele zone parțiale ale secțiunii reactorului, circulând un curent vertical ascendent, iar în alte zone parțiale circulând un curent vertical descendent al mediului de reacție.

După cum se știe, în cazul reacțiilor cu faze eterogene, mai ales cu gaze și lichide, când faza lichidă este continuă, iar faza lichidă dispersată, sunt hotărâtoare pentru desfășurarea reacției, cât și pentru randamentul care se obține, procesele de transport ale substanței și/sau ale căldurii prin faza limitrofă dintre faze și aceasta, mai ales în cazul reacțiilor exoterme, în care faza lichidă este continuă și faza gazoasă dispersă, când se ridică problema necesității evitării conglomerării bulelor de gaz.

Reactorul, conform invenției, se poate folosi, de preferință, pentru realizarea reacției de oxidare puternic exoterme a p-xilenului și a monometilesterului a acidului p-toluilic, cu aer, în cadrul procedeului witter-DMT (descris în EP-C328D5915, DE-C2-37O472O, W09D/O9367). Este caracteristic pentru acestă reacție ca împreună cu oxigenul, să fie condusă prin reactor, o mare cantitate de gaz inert și aceasta generează o conglomerare nedorită de bule de gaz. în Ullmann, voi. 3, p. 357 ff, sunt descrise diverse tipuri de reactoare de bază, pentru reacții cu faze eterogene.

Oxidarea p-xilenului și a monometilesterului acidului p-toluilic, cu aer, în cazul instalațiilor cunoscute, se realizează în reactoare cu coloană și blaz, fără mijloace de dispersare, în cazul cărora, gazul de reacție cu conținut de oxigen, se introduce central, în partea de jos a reactorului, bulele de gaz se unesc, după un scurt parcurs al curentului de gaz, în cea mai mare parte, în aglomerate de bule, ceea ce determină circulația lichidului. La aceste reactoare, schimbătoarele de căldură sunt orizontale, ele fiind dispuse într-un spațiu inelar exterior, în apropierea peretelui reactorului. Mediul de reacție lichid curge în lungul acestor țevi schimbătoare de căldură din nou în jos, de unde este antrenat în bule de gaz, din nou în sus (funcționare pe principiul pompelor mamut).

Apariția unor bule mari de gaze în reactoare conduce la următoarele dezavantaje:

- formarea spumei la partea superioară a reactorului;

- pierdere de randament, datorită zonelor intermediare cu bule, prin care nu se evacuează căldura de reacție;

- viteze ridicate de circulație a lichidului, cu curenți în scurt circuit, determinate de acestă viteză mărită.

Aceste dezavantaje, au ca efect o scădere a randamentului de oxidare, precum și o comportare parțial instabilă a reactorului în exploatare, datorită dinamicii respective a fluidelor.

Este cunoscut un reactor cu inel, descris în brevetul US-4342876, destinat realizării reacției de oxidare a p-xilenului și a monometilesterului acidului toluilic cu aer, în care, într-o primă parte a reactorului se amestecă reactanții lichizi și aerul cu mediul de reacție, în circulație și se aduc în reacție. într-o parte a reactorului separată de cea menționată, mediul de reacție încălzit prin reacție cu produsele lichide conținute în el, se răcește datorită țevilor schimbătorului de căldură străbătut de circulația longitudinală. Recircularea mediului de reacție se menține prin diferența dintre cele două faze. La acest reactor însă, există pericolul, ca faza gazoasă introdusă în reactor sub formă de bule, să se aglomereze sub formă de bule mari, datorită cărora, pe de o parte se micșorează suprafața limitrofă dintre faze și cu aceasta se micșorează viteza de reacție și pe de altă parte, faza lichidă închisă între bulele mari de gaz, nu este amestecată suficient, aceasta conducând la posibilitatea apariției unor vârfuri înalte de temperaturi și cu acesta pierderi de randament.

Un alt reactor cunoscut, descris în EP-A1-0Q75742, prevăzut cu un inel corespunzător acestui tip de reactoare, destinat realizării reacțiilor eterogene gaz

RO 112691 Bl lichid, este prevăzut cu mijloace pentru introducerea celor două faze lichidă și gazoasă, prin fundul reactorului într-un cilindru interior, deschis, folosit ca zonă de amestecare, și care este prevăzută cu corpuri de umplere sau alte mijloace, care nu sunt descrise în detaliu. La acest tip de reactor, căldura de reacție este evacuată prin evaporarea mediului lichid de reacție. Un asemenea tip de reactor nu se poate utiliza pentru reacția de oxidare a p-xilenului și a monometilesterului a acidului p-toluilic cu aer.

Problema pe care o rezolvă invenția de față, este realizarea unui reactor pentru reacții cu faze eterogene în care să fie asigurată în condiții îmbunătățite evacuarea căldurii reacțiilor exoterme, micșorează posibilitatea formării de bule mari de gaz, și realizează o distribuție mai omogenă a temperaturilor în interiorul acestuia.

Reactorul, conform invenției, asigură rezolvarea problemei propuse, prin aceea că este prevăzut cu niște ajutaje uzuale pentru introducerea fazei discontinue mai ușoare în zona sitelor de dispersie și cu niște schimbătoare de căldură, în zonele parțiale, în care circulă curentul vertical desccendent, aceasta asigurând ca în zona sitelor de dispersie, să fie posibilă o trecere liberă a mediului de reacție, din zonele parțiale în care circulă un curent vertical descendent, spre zonele parțiale, în care circulă un curent vertical ascendent.

Reactorul, conform invenției, prezintă următoarele avantaje:

- se poate folosi pentru realizarea reacției de oxidare a p-xilenului și a monometilesterului a acidului toluilic cu aer;

- se exclude apariția vârfurilor de temperaturi în interiorul acestuia;

- este asigurată posibilitatea reechipării ieftine a reactoarelor existente, pentru reacții eterogene.

în continuare se prezintă invenția în detaliu.

Reactorul, conform invenției, diferă de reactoarele cu inel, obișnuite, prin faptul că zona interioară a acestuia, în care circulă un curent ascendent, nu este separată de spațiul inelar exterior al reactorului. Cu toate sitele de dispersie introduse în reactor, de preferință, cu secțiunea de trecere sub 30 %, bulele de gaz nu sunt deviate în secțiunea transversală exterioară a reactorului, ele trecând în totalitate prin site și reînnoind astfel suprafața respectivelor faze.

Curentul principal este îndreptat în sus, în interiorul reactorului, în zona sitelor de dispersie, datorită densității mai reduse a bulelor de gaz, apoi el este deviat în sus, în zona oglinzii de lichid, spre exterior, și ajunge prin exterior, de-a lungul pereților reactorului, (spațiul inelar] din nou în jos. Aici se produce, în mod preferențial răcirea mediului de reacție, de exemplu, prin intermediul unor țevi de răcire, străbătute în lungul acestora de un mediu de răcire. Datorită curentului transversal, ce se realizează din spațiul inelar exterior al reactorului, în zona reactorului prin care circulă curentul ascendent, adică spre mijloacele de dispersie, se produce o răcire a mediului de reacție în acest loc și o amestecare suplimentară a fazei lichide.

Reactoarele cu coloană și blaz existente, care se utilizează în mod obișnuit pentru oxidarea p-xilenului și a monometilesterului a acidului p-toluilic cu aer, în cadrul procedeului Witten-DMT, se pot reechipa în condițiile, conform invenției, prin montarea în respectivele reactoare a câtorva site de dispersie.

într-o formă de realizare preferată a invenției, în care se folosește ca mijloc de dispersie a fazei mai ușoare, (fazei gazoase), distanța medie dintre sitele de dispersie se menține de 0,5-1,5 ori diametrul acestora. în cazul în care sitele nu sunt circulare, se ia ca referință diametrul unei site rotunde, având aceiași suprafață.

în interiorul reactorului, se pot amplasa schimbătoare de căldură, în zona interioară de circulație a curentului ascendent și în zona exterioară de circulație a curentului descendent. în general, schimbătoarele de căldură, sunt dispuse, de preferință, în zona exterioară, din motive constructive, respectiv în zonele parțiale de circulație a curentului descendent.

RO 112691 Bl

Este de preferat, ca faza dispersată (discontinuă], mai ușoară, să fie introdusă în reactor în zona sitelor de dispersie, pentru aceasta alimentarea respectivei faze, se realizează printr-un număr ridicat de ajutaje, de aer, dispuse vertical, în diferite planuri suprapuse, racordate la o țeavă de alimentare verticală, montată în reactor.

Această alimentare în reactor a fazei disperse, în diferite planuri verticale, în zona sitelor de dispersie, este deosebit de avantajoasă pentru următoarele considerente:

- partea de reactanți nereacționată, din faza dispersă, (de exemplu, oxigenul) poate fi reglată aproape constant, în curentul ascendent,

- bulele de gaz proaspăt introdus în reactor, contribuie la amestecarea în direcție transversală a fazei continue, (lichide], asigurând în acest mod o mai bună egalizare a temperaturii,

- efectul sinergie rezultat din posibilitatea de curgere liberă din zonele parțiale ale reactorului în care circulă în principal curentul descendent și din zonele parțiale în care circulă în principal curentul ascendent de fază dispersă, și respectiv prin introducerea preferată a fazei disperse (discontinue) în reactor, în zona sitelor de dispersie, conduce la o creștere importantă a randamentului reactorului.

Conform unei alte realizări preferate a invenției, curentul principal de fază dispersă din reactor, în zona interioară, direcționat în sus, și în zona exterioară, direcționat în jos, poate să fie intensificat suplimentar, cu ajutorul unei pompe. Prin imprimarea unui curent în esență vertical, ascendent, central, se intensifică reacția și crește eficiența reactorului. De preferință, faza ușoară epuizează total sau parțial după reacție, se evacuează prin partea superioară a reactorului, iar faza grea, pe la baza reactorului.

Se prezintă, în continuare, un exemplu concret de realizare a invenției, cu referire și la figura, ce reprezintă schematic în secțiune verticală, reactorul conform invenției.

Reactorul reprezentat pe figură, este folosit pentru oxidarea unui amestec de para-xilen (p-x), și de metilester a acidului para-toluilic (p-TE), în fază lichidă, în absența solvenților și compușilor halogenați, cu oxigenul din aer, la o presiune de cca 7 bar și la o temperatură de circa 16O°C, în prezența catalizatorilor de oxidare cuprinzând metale grele, de . exemplu, în prezența unui amestec de cobalt și mangan (a se vedea DE-PS2010137). Din proces rezultă un amestec de monometileterftalat (MMT) și de acid p-toluilic (p-TA). Acest procedeu este descris în detaliu în DE-A1-3994586/WD90/09367, produsul oxidat, după desăvârșirea reacției, este evacuat din incinta 1 a reactorului, pe la bază, printr-un traseu 4 și se recirculă parțial cu ajutorul unei pompe 10 și a unui traseu 4a. Cealaltă parte a produsului oxidat evacuat din incinta 1 a reactorului, poate să fie dirijată printr-un traseu 4b, într-o altă treaptă de oxidare și esterificare.

în cantitatea recirculată de produs oxidată, se introduc printr-un traseu 3, și se preamestecă materiile prime necesare, ca de exemplu p-xilen, monometilesterului acidului p-toluilic și catalizatorul. Pentru a se evita o scurgere nedorită a materiilor prime și a produsului recirculat oxidat, într-un curent de scurt circuit, respectivele cantități se introduc în asemenea condiții, la partea inferioară a incintei 1 a reactorului, încât în interiorul acesteia, să se imprime un curent ascendent 7, în esență vertical. Pentru intensificarea acestui curent 7. Cantitățile de produs oxidat ce se recirculă, și de materii prime se introduc în cantități dozate într-un emițător de lichid 12, de exemplu, pentru imprimarea curentului ascendent 7. în direcție perpendiculară față de curentul ascendent 7 se introduce serul prin intermediul unei conducte 5, prevăzută cu niște ajutaje G, în zona sitelor de dispersie 13. în aceste condiții faza discontinuă mai ușoară, este antrenată de curentul ascendent 7, și apoi este dispersată multiplu prin trecere prin sitele de dispersie 13. Formarea suprafețelor multiple limită dintre faze, între faza discon

RO 112691 Bl tinuă și faza continuă, duce la un schimb intensificat de substanțe și căldură între cele două faze.

Acest proces se repetă la trecere prin fiecare sită de dispersie 13, până 5 când faza discontinuă mai ușoară reacționează în cea mai mare parte și părăsește suprafața limită dintre cele două faze ale mediului de reacție și incinta 1 a reactorului, pe la partea superioară a io acestuia printr-un traseu 11. Curentul ascendent 7, trece după străbaterea ultimei site de dispersie 13, în zona suprafeței limită 2 a fazelor, pe care o ocolește trecând în zona parțială exterioară 15 a reactorului și circulând în jos sub forma curentului descendent 8.

Curentul descendent 8 este direcționat spre niște țevi 9, montate în această zonă exterioară a incintei 1a 20 reactorului, ele constituind un schimbător de căldură, care asigură răcirea mediului de reacție din curentul descendent 8. O parte din acest curent descendent 8 este antrenată de aer (faza discontinuă mai 25 ușoară), în spațiul inelar al incintei 1 a reactorului, în zona centrală, astfel, încât are loc o amestecare suplimentară a fazei mai ușoare, cu mediul de reacție răcit din curentul descendent 8. 30

Claims (4)

1. Revendicări

   1. Reactor pentru reacții cu faze 35 eterogene, și mai ales, pentru efectuarea reacțiilor gaz-lichid, în care faza lichidă este continuă, iar faza gazoasă dispersă, în plan orizontal, în unele zone parțiale ale secțiunii reactorului, circulând un curent vertical 40 ascendent, iar în alte zone parțiale circulând un curent vertical descendent, al mediului de reacție, și în care, în zonele parțiale, unde există un curent ascendent, fiind prevăzute mijloace pentru dispersarea fazei discontinue, caracterizat prin aceea că, este prevăzut cu:

   - niște ajutaje uzuale (6), pentru . introducerea fazei discontinue mai ușoare, în zona sitelor de dispersie (13),

   - niște țevi schimbătoare de căldură O). în zonele parțiale în care circulă curentul vertical descendent (8), al mediului de reacție, aceasta asigurând ca în zona sitelor de dispersie (13), să fie posibilă o trecere liberă a mediului de reacție din zonele parțiale în care circulă un curent vertical descendent (8) al mediului de reacție, spre zonele parțiale în care circulă un curent vertical ascendent (7), al respectivului mediu de reacție.
2. 2. Reactor, conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că, este prevăzut cu niște site de dispersie (13), cu o suprafață liberă de trecere sub 30 % și cu o distanță medie între ele cuprinsă între 0,5 și 1,5 ori diametrul lor.
3. 3. Reactor, conform revendicărilor 1 și 2, caracterizat prin aceea că, pentru asigurarea recirculării fazei oxidate, este racordat la o pompă (10) și este prevăzut în interior cu un injector de lichid (12).
4. 4. Reactor, conform revendicărilor 1 și 2, caracterizat prin aceea că, este prevăzut cu mijloace pentru evacuarea fazei discontinue, după desăvârșirea reacției cu oxigenul, printr-un traseu (11), prevăzut la extremitatea părții superioare a reactorului.