專利名稱：一種生產(chǎn)芳香酸的內(nèi)循環(huán)鼓泡塔氧化反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及芳香烴液相氧化制備芳香酸的技術(shù)方法和反應(yīng)裝置，尤其涉及一種生產(chǎn)芳香酸的內(nèi)循環(huán)鼓泡塔氧化反應(yīng)器，屬于化工設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
鼓泡塔反應(yīng)器是氣液兩相或氣液固三相進(jìn)行質(zhì)量、能量和化學(xué)反應(yīng)的重要裝置，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作穩(wěn)定的特點(diǎn)。芳香烴液相氧化制備芳香酸的技術(shù)方法，工業(yè)上可采用鼓泡塔反應(yīng)器，特別是對(duì)二甲苯液相催化氧化制備對(duì)苯二甲酸，近年來有越來越大型化的趨勢(shì)。
商業(yè)規(guī)模的對(duì)苯二甲酸制備工藝多數(shù)采用醋酸為溶劑，鈷、錳、溴類化合物為復(fù)合催化劑，空氣或富氧氣為氧化劑，與原料對(duì)二甲苯連續(xù)進(jìn)入氧化反應(yīng)器進(jìn)行反應(yīng)，典型情況下，反應(yīng)溫度155～225℃，反應(yīng)壓力0.5～3.0MPa，停留時(shí)間30～120min。反應(yīng)熱通過溶劑醋酸的蒸發(fā)、冷凝撤出，冷凝液返回反應(yīng)器；粗產(chǎn)品對(duì)苯二甲酸在反應(yīng)器內(nèi)結(jié)晶析出，以漿料的方式連續(xù)移出反應(yīng)器。
依據(jù)該工藝，制備對(duì)苯二甲酸的對(duì)二甲苯液相催化氧化反應(yīng)器的物料體系呈“氣(空氣、醋酸蒸汽)-液(醋酸、對(duì)二甲苯)-固(對(duì)苯二甲酸)”三相狀態(tài)，氧化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)必須同時(shí)滿足空氣分散、液相物料混合、固體顆粒懸浮的要求?，F(xiàn)有技術(shù)中，商業(yè)規(guī)模的對(duì)二甲苯液相氧化反應(yīng)器包括攪拌式反應(yīng)器和鼓泡塔式反應(yīng)器兩類。
美國(guó)專利USP5211924、USP5102630和中國(guó)專利ZL89102155采用空氣導(dǎo)入噴嘴、上層平直葉攪拌槳與下層上翻式斜葉槳組合、窄擋板的協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)氣液分散和釜內(nèi)物料混合。日本特公昭61-21217利用特殊的梳齒狀攪拌葉輪來改善氣液分散；日本特公昭47-14092將原料對(duì)二甲苯從中空的攪拌葉片導(dǎo)入，促進(jìn)了原料混合。總體來看，攪拌式反應(yīng)器機(jī)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)不方便。
專利CN1228302C和專利CN1680250A公開了生產(chǎn)芳香羧酸的上下均勻的直筒型鼓泡塔反應(yīng)裝置，專利CN1785495A在鼓泡塔反應(yīng)器內(nèi)設(shè)置阻尼內(nèi)構(gòu)件，以抑制塔內(nèi)中心區(qū)域過快的流速，同時(shí)干擾流場(chǎng)提高氣液傳質(zhì)速率。專利CN1208301C公開了一種生產(chǎn)對(duì)苯二甲酸用的氣升式外循環(huán)鼓泡塔氧化裝置，利用外筒將塔上部漿料通過氣升作用引入下部區(qū)域，形成流體在全塔的循環(huán)，改善塔內(nèi)的溫度與濃度分布，并采用較大的高徑比來強(qiáng)化氣液傳質(zhì)。但是大高徑比鼓泡塔的上部氧氣濃度比較低，影響反應(yīng)效率。
專利CN1293184從改變物料在反應(yīng)器中的流動(dòng)形態(tài)的角度出發(fā)，使反應(yīng)在塔式反應(yīng)器內(nèi)以接近活塞流的流動(dòng)形態(tài)進(jìn)行，提高對(duì)二甲苯氧化為對(duì)苯二甲酸的速度和轉(zhuǎn)化率，其反應(yīng)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。
專利公開CN1807392A提出了一種用于對(duì)二甲苯氧化制備對(duì)苯二甲酸的鼓泡塔式氧化反應(yīng)裝置，在下部反應(yīng)段的側(cè)壁設(shè)置周向均勻分布的2～8個(gè)氣相原料分進(jìn)口，試圖通過多點(diǎn)進(jìn)氣強(qiáng)化氣液分散。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的生產(chǎn)芳香酸的內(nèi)循環(huán)鼓泡塔氧化反應(yīng)器，以克服上述列舉的諸多現(xiàn)有反應(yīng)器的缺陷。
為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，一種生產(chǎn)芳香酸的內(nèi)循環(huán)鼓泡塔氧化反應(yīng)器，其塔體由上部的氣液分離段、中部的多級(jí)鼓泡段、底部的固液懸浮段三部分組成，其特征在于該反應(yīng)器中部的多級(jí)鼓泡段內(nèi)部安裝有1～5級(jí)氣體分布器和1～5級(jí)內(nèi)循環(huán)導(dǎo)流筒。
進(jìn)一步地，上述的一種生產(chǎn)芳香酸的內(nèi)循環(huán)鼓泡塔氧化反應(yīng)器，其中，所述氣體分布器和內(nèi)循環(huán)導(dǎo)流筒成組配置，優(yōu)選2～4組。
更進(jìn)一步地，上述的一種生產(chǎn)芳香酸的內(nèi)循環(huán)鼓泡塔氧化反應(yīng)器，其中，所述內(nèi)循環(huán)導(dǎo)流筒的截面積與鼓泡塔的截面積之比為1/2～1/12，內(nèi)循環(huán)導(dǎo)流筒的高度與鼓泡塔的直徑D之比為1～3。
更進(jìn)一步地，上述的一種生產(chǎn)芳香酸的內(nèi)循環(huán)鼓泡塔氧化反應(yīng)器，其中，所述內(nèi)循環(huán)導(dǎo)流筒的截面形狀是圓形或多邊形。
再進(jìn)一步地，上述的一種生產(chǎn)芳香酸的內(nèi)循環(huán)鼓泡塔氧化反應(yīng)器，其中，該鼓泡塔反應(yīng)器的低部設(shè)有底伸式攪拌器，頂部設(shè)有氣液分離器。
這樣，本發(fā)明便提出一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的內(nèi)循環(huán)鼓泡塔式氧化反應(yīng)器，其內(nèi)部沒有任何運(yùn)動(dòng)部件，通過內(nèi)循環(huán)導(dǎo)流筒和氣體分布器的協(xié)同作用，促進(jìn)塔內(nèi)局部區(qū)域的物料循環(huán)，多級(jí)進(jìn)氣結(jié)構(gòu)明顯改善了現(xiàn)有技術(shù)里大高徑比鼓泡塔的軸向氧氣濃度梯度，簡(jiǎn)單的直立導(dǎo)流筒結(jié)構(gòu)也不會(huì)引起固體顆粒的沉積，導(dǎo)流筒內(nèi)的物料流動(dòng)為降液流設(shè)計(jì)，使得導(dǎo)流筒的直徑顯著減小，有效節(jié)省了貴金屬材料，上述特點(diǎn)使得該氧化反應(yīng)器在芳香酸生產(chǎn)領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2a/2b是鼓泡塔反應(yīng)器內(nèi)液相流動(dòng)的計(jì)算流體力學(xué)(CFD)計(jì)算的對(duì)比分析，圖2a是雙級(jí)內(nèi)循環(huán)導(dǎo)流筒與氣體分布器組合的鼓泡塔內(nèi)的液速分布圖，圖2b是無內(nèi)循環(huán)導(dǎo)流筒的常規(guī)鼓泡塔內(nèi)的液速分布圖。
圖中1-液相進(jìn)料口，2-漿料出口，3-空氣入口，4-氣液分離段，5-內(nèi)循環(huán)導(dǎo)流筒，6-塔體，7-氣體分布器。
具體實(shí)施例方式
在常規(guī)的鼓泡塔氧化反應(yīng)器中，氣體通過反應(yīng)器底部的氣體分布器進(jìn)入反應(yīng)器后，氣泡不斷上升、聚并、長(zhǎng)大，在反應(yīng)器的中上部形成大直徑的氣泡，這雖具有較高的表觀氣含率，但氣液界面積和氣液傳質(zhì)能力不如鼓泡塔反應(yīng)器的中下部。另一方面，無內(nèi)構(gòu)件鼓泡塔的內(nèi)部，液相流動(dòng)混亂，在塔高度方向存在濃度差，而液固相物料的進(jìn)出口一般設(shè)置在塔的下段，導(dǎo)致鼓泡塔上部反應(yīng)效率降低。對(duì)于大高徑比的鼓泡塔，上述問題更加突出。
本發(fā)明采用在鼓泡塔內(nèi)合理設(shè)置內(nèi)循環(huán)導(dǎo)流筒的方法以解決上述技術(shù)問題。該鼓泡塔氧化反應(yīng)器由上部的氣液分離段、中部的多級(jí)鼓泡段、底部的固液懸浮段三部分組成，在鼓泡段中的不同高度安裝有1～5級(jí)氣體分布器和1～5級(jí)的內(nèi)循環(huán)導(dǎo)流筒。
鼓泡塔內(nèi)合理配置內(nèi)循環(huán)導(dǎo)流管，在氣體分布器的協(xié)同作用下，基于導(dǎo)流管內(nèi)外側(cè)氣含率的差異和氣體分布器出口處氣體的誘導(dǎo)流動(dòng)原理，導(dǎo)流筒的內(nèi)外形成了氣液循環(huán)流動(dòng)，有效促進(jìn)了鼓泡塔內(nèi)局部區(qū)域的返混。工作時(shí)，液相的芳香烴原料、溶劑、催化劑混合后從反應(yīng)器下部的進(jìn)料管加入；空氣或富氧氣從反應(yīng)器下部的氣體分布器進(jìn)入，氣體經(jīng)過分布器分散后鼓泡進(jìn)入液相反應(yīng)區(qū)?？刂品植计鞒隹跉馀萘鞯膶?dǎo)向，使置于鼓泡反應(yīng)器中心的導(dǎo)流筒的外側(cè)具有較高的氣含率，由于導(dǎo)流筒內(nèi)外的表觀密度差異，導(dǎo)流筒內(nèi)的液固漿料就在重力作用下自上而下流動(dòng)，將導(dǎo)流筒上部的物料不斷返回到導(dǎo)流筒的下部，形成循環(huán)并有效消除不良混合區(qū)，使物料濃度和溫度梯度降低。導(dǎo)流筒形成的循環(huán)流也有助于抑制大氣泡的產(chǎn)生。
對(duì)于大高徑比的鼓泡塔氧化反應(yīng)器，可以設(shè)置多級(jí)內(nèi)循環(huán)導(dǎo)流筒和多級(jí)氣體分布器，以協(xié)同解決塔內(nèi)各區(qū)域的液相循環(huán)問題?？諝饣蚋谎鯕怏w的多級(jí)進(jìn)入，也有利于大高徑比鼓泡塔氧化反應(yīng)器上部氧氣補(bǔ)充，促使氧化反應(yīng)的全塔均勻化，提高反應(yīng)器的空時(shí)產(chǎn)率。
如圖1所示，本發(fā)明內(nèi)循環(huán)鼓泡塔氧化反應(yīng)器的主體是塔體6，其內(nèi)部可分為上部的氣液分離段4、中部的多級(jí)鼓泡段、底部的固液懸浮段三部分，中部的多級(jí)鼓泡段設(shè)有內(nèi)循環(huán)導(dǎo)流筒5和氣體分布器7。工作時(shí)，液態(tài)芳烴、溶劑、催化劑從鼓泡塔下部的進(jìn)料口1進(jìn)入反應(yīng)器，空氣或富氧氣體從入口3進(jìn)入，經(jīng)過氣體分布器7分散后進(jìn)入反應(yīng)區(qū)，產(chǎn)品漿料從反應(yīng)器底部的漿料出口2離開反應(yīng)器。
在該反應(yīng)器的低部可設(shè)置底伸式攪拌器，以防止?jié){料的沉積；氧化反應(yīng)熱通過溶劑蒸發(fā)的方式撤除，反應(yīng)器的頂部設(shè)置氣液分離器4以抑制液沫夾帶。對(duì)于大高徑比的鼓泡塔氧化反應(yīng)器，在鼓泡段中的不同高度安裝多級(jí)氣體分布器7和多級(jí)的內(nèi)循環(huán)導(dǎo)流筒5，氣體分布器7和內(nèi)循環(huán)導(dǎo)流筒5可以成組配置，優(yōu)先2～4組。
以下對(duì)本發(fā)明的要點(diǎn)作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
1、氣體分布器本發(fā)明中的氣體分布器可以是環(huán)狀多孔分布器或多管口分布器，也可以是其它工業(yè)常用形式的分布器。氣體分布器安裝在內(nèi)循環(huán)導(dǎo)流筒的下方，氣體出口置于循環(huán)導(dǎo)流筒和塔壁之間。這樣，氣泡流進(jìn)入導(dǎo)流筒外側(cè)與鼓泡塔壁之間的環(huán)型通道，協(xié)同液體的重力作用強(qiáng)化導(dǎo)流筒內(nèi)的向下液流速率。
2、鼓泡塔的高徑比鼓泡塔的高徑比小容易使氣體短路，高徑比大又容易導(dǎo)致塔內(nèi)軸向物料混合不良、濃度分布和溫度分布的不均勻。普通鼓泡塔的高徑比一般在5以內(nèi)，帶外循環(huán)管的鼓泡塔的高徑比一般在7～10。多級(jí)內(nèi)循環(huán)導(dǎo)流筒和氣體分布器的組合可改善氣體短路和軸向混合問題，因而適合較寬范圍高徑比的鼓泡塔，本發(fā)明適用的高徑比為5～12，在鼓泡段中的不同高度安裝1～5級(jí)氣體分布器和1～5級(jí)的內(nèi)循環(huán)導(dǎo)流筒。各級(jí)氣體分布器的通氣量可分別控制，優(yōu)先采用自下而上逐步減小的原則。
3、內(nèi)循環(huán)導(dǎo)流筒本發(fā)明中的內(nèi)循環(huán)導(dǎo)流筒的功能是利用導(dǎo)流筒內(nèi)外側(cè)的氣含率差別、在重力的作用下引起導(dǎo)流筒內(nèi)外液相的循環(huán)流動(dòng)。特別地，控制分布器出口氣泡流的導(dǎo)向使置于鼓泡反應(yīng)器中心的導(dǎo)流筒的外側(cè)具有較高的氣含率，導(dǎo)流筒內(nèi)的液固漿料就在重力作用下自上而下流動(dòng)，將導(dǎo)流筒上部的物料不斷返回到導(dǎo)流筒的下部，形成循環(huán)并有效消除不良混合區(qū)，使物料濃度和溫度梯度降低。
內(nèi)循環(huán)導(dǎo)流筒的截面積決定了液相循環(huán)流的流量。導(dǎo)流筒內(nèi)液流向下流動(dòng)的設(shè)計(jì)的優(yōu)越性在于獲得相同液相循環(huán)流前提下，其截面積遠(yuǎn)小于導(dǎo)流筒內(nèi)氣液流向上流動(dòng)、導(dǎo)流筒外側(cè)液流向下的設(shè)計(jì)，顯著節(jié)省導(dǎo)流筒的材料成本并方便安裝，對(duì)于大型鼓泡塔反應(yīng)器特別突出；另一方面，內(nèi)循環(huán)導(dǎo)流筒的存在改變了鼓泡塔中心區(qū)域的流動(dòng)，避免了常規(guī)鼓泡塔中心氣體流動(dòng)速率過大、停留時(shí)間過短、氣泡聚并等問題，導(dǎo)流筒外側(cè)與鼓泡塔壁之間的氣液流的流動(dòng)速率均勻。本發(fā)明提出內(nèi)循環(huán)導(dǎo)流筒截面積與鼓泡塔截面積之比為1/2～1/12；內(nèi)循環(huán)導(dǎo)流筒截面形狀可以是圓形或多邊形，優(yōu)選是圓形；內(nèi)循環(huán)導(dǎo)流筒的高度與鼓泡塔的直徑D之比為1～3。
下面結(jié)合具體實(shí)例對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步說明。這些例子僅是一些應(yīng)用范例，不能理解為對(duì)本發(fā)明權(quán)利要求保護(hù)范圍的一種限制。
本發(fā)明的一種典型實(shí)例是雙級(jí)內(nèi)導(dǎo)流筒與氣體分布器組合的鼓泡塔反應(yīng)器反應(yīng)器內(nèi)徑380mm，反應(yīng)器直筒高度2000mm；內(nèi)導(dǎo)流筒內(nèi)徑100mm，內(nèi)導(dǎo)流筒高度500mm；雙級(jí)4直管對(duì)稱均布的氣體分布器，直管內(nèi)徑25mm，插入深度25mm；雙級(jí)氣體分布器的層間距1400mm，內(nèi)導(dǎo)流筒下沿高于相對(duì)于的氣體分布器200mm；上下層分布器進(jìn)氣量分別為10m3/h和30m3/h。
作為比較，無內(nèi)導(dǎo)流筒的鼓泡塔反應(yīng)器反應(yīng)器內(nèi)徑380mm，反應(yīng)器直筒高度2000mm；單層4直管對(duì)稱均布的氣體分布器，直管內(nèi)徑25mm，插入深度25mm，管口距邊壁的距離25mm；通氣量40m3/h。
上述具體實(shí)例的內(nèi)循環(huán)導(dǎo)流筒是否存在時(shí)鼓泡塔內(nèi)液相流場(chǎng)的計(jì)算流體力學(xué)(CFD)模擬對(duì)比分析如圖2a和圖2b所示圖2a是雙級(jí)內(nèi)循環(huán)導(dǎo)流筒與氣體分布器組合的鼓泡塔內(nèi)的液速分布，圖2b是無內(nèi)循環(huán)導(dǎo)流筒的常規(guī)鼓泡塔內(nèi)的液速分布。
圖2a和圖2b對(duì)比結(jié)果表明鼓泡塔中合理設(shè)置內(nèi)循環(huán)導(dǎo)流筒以后，液相流動(dòng)得到了明顯改善，全塔內(nèi)的液相流動(dòng)均勻、流速加大、流場(chǎng)規(guī)整；導(dǎo)流筒內(nèi)液體規(guī)則向下流動(dòng)，強(qiáng)化了鼓泡塔軸向流體的混合，促進(jìn)濃度梯度和溫度梯度的均勻化；由于導(dǎo)流筒內(nèi)的向下液流，誘導(dǎo)了塔下部流體的流動(dòng)；導(dǎo)流筒抑制了塔中心區(qū)的氣液上流，從而也改善了導(dǎo)流筒上部液相流動(dòng)。
總之，本發(fā)明提出一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)施的內(nèi)循環(huán)鼓泡塔式氧化反應(yīng)器，其內(nèi)部沒有任何運(yùn)動(dòng)部件，通過內(nèi)循環(huán)導(dǎo)流筒和氣體分布器的協(xié)同作用，促進(jìn)塔內(nèi)局部區(qū)域的物料循環(huán)，多級(jí)進(jìn)氣結(jié)構(gòu)明顯改善了現(xiàn)有技術(shù)里大高徑比鼓泡塔的軸向氧氣濃度梯度，簡(jiǎn)單的直立導(dǎo)流筒結(jié)構(gòu)也不會(huì)引起固體顆粒的沉積，導(dǎo)流筒內(nèi)的物料流動(dòng)為降液流設(shè)計(jì)，使得導(dǎo)流筒的直徑顯著減小，有效節(jié)省了貴金屬材料。這些特點(diǎn)使本發(fā)明在芳香酸生產(chǎn)領(lǐng)域有著很好的應(yīng)用前景。
權(quán)利要求
1.一種生產(chǎn)芳香酸的內(nèi)循環(huán)鼓泡塔氧化反應(yīng)器，其塔體由上部的氣液分離段、中部的多級(jí)鼓泡段、底部的固液懸浮段三部分組成，其特征在于該反應(yīng)器中部的多級(jí)鼓泡段內(nèi)部安裝有1～5級(jí)氣體分布器和1～5級(jí)內(nèi)循環(huán)導(dǎo)流筒。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種生產(chǎn)芳香酸的內(nèi)循環(huán)鼓泡塔氧化反應(yīng)器，其特征在于所述氣體分布器和內(nèi)循環(huán)導(dǎo)流筒成組配置，優(yōu)選2～4組。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種生產(chǎn)芳香酸的內(nèi)循環(huán)鼓泡塔氧化反應(yīng)器，其特征在于所述內(nèi)循環(huán)導(dǎo)流筒的截面積與鼓泡塔的截面積之比為1/2～1/12，內(nèi)循環(huán)導(dǎo)流筒的高度與鼓泡塔的直徑D之比為1～3。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種生產(chǎn)芳香酸的內(nèi)循環(huán)鼓泡塔氧化反應(yīng)器，其特征在于所述內(nèi)循環(huán)導(dǎo)流筒的截面形狀是圓形或多邊形。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種生產(chǎn)芳香酸的內(nèi)循環(huán)鼓泡塔氧化反應(yīng)器，其特征在于該鼓泡塔反應(yīng)器的低部設(shè)有底伸式攪拌器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種生產(chǎn)芳香酸的內(nèi)循環(huán)鼓泡塔氧化反應(yīng)器，其特征在于該鼓泡塔反應(yīng)器的頂部設(shè)有氣液分離器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種生產(chǎn)芳香酸的內(nèi)循環(huán)鼓泡塔氧化反應(yīng)器，屬于化工設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。其塔體由上部的氣液分離段、中部的多級(jí)鼓泡段、底部的固液懸浮段三部分組成，特點(diǎn)是該反應(yīng)器中部的多級(jí)鼓泡段內(nèi)部安裝有1～5級(jí)氣體分布器和1～5級(jí)內(nèi)循環(huán)導(dǎo)流筒。這種反應(yīng)器內(nèi)部沒有任何運(yùn)動(dòng)部件，通過內(nèi)循環(huán)導(dǎo)流筒和氣體分布器的協(xié)同作用，促進(jìn)塔內(nèi)局部區(qū)域的物料循環(huán)，有效消除不良混合區(qū)，使物料濃度和溫度梯度明顯降低。
文檔編號(hào)C07C51/16GK101092350SQ20071002463
公開日2007年12月26日 申請(qǐng)日期2007年6月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月26日
發(fā)明者馮連芳, 張軍, 顧雪萍, 仲軍實(shí), 王嘉駿, 李良超 申請(qǐng)人:中國(guó)石化儀征化纖股份有限公司