[发明专利]一种生产多元羧酸的氧化反应器

说明书

技术领域

本发明涉及一种石油化工生产中使用的反应器，特别涉及一种生产多元羧酸的氧化反应器，该设备适用于空气、特别是富氧空气进行甲基芳烃液相氧化的生产过程，采用该设备可以提高氧化过程氧气利用率，改善氧化反应转化率、选择性和收率，改善氧化反应产品质量。

背景技术

工业上液相氧化方法生产多元羧酸的工艺，基本采用了以醋酸为溶剂，钴/锰/溴为催化剂，利用空气进行甲基芳烃的液相氧化，氧化过程通常采用搅拌釜或鼓泡塔的形式。

在甲基芳烃的液相氧化中，由于各个甲基氧化难易程度的不同，多元羧酸生产的氧化产物中存在一定量的中间物和过氧化杂质中间体，需要通过后续的加氢精制或精馏消除。为降低氧化反应中间产物的含量，通常采用的方法是提高氧化反应温度或增加催化剂浓度，这些措施加快了氧化反应速度，达到了降低氧化中间产物的目的。但是反应温度的上升，一方面意味着反应产生的热量增大，使得单位时间内的溶剂挥发量增大，对氧化反应器上部冷凝系统增加负担。另一方面，反应温度提高也使氧化燃烧的程度加剧，副产物增加。而采用增加催化剂浓度的方法，导致氧化目的产物(固体)夹杂的催化剂量含量增多，使后续洗涤分离强度增大。因此，这些措施都不是最佳改善操作的方法，可使氧化下游分离或汽相冷凝系统负担增加，在反应器或其它单元的设备容积或热负荷确定的情况下，进行生产能力扩大，该问题表现的更为突出。提高氧化反应进气中氧气含量，相对降低氮气的比例就成为一种解决这一问题的方法。

研究结果表明，甲基芳烃氧化过程多数属于快速反应过程，氧化反应主要在气液界面进行，氧气的传递量是影响氧化过程关键因素，在气液接触时间内得到充足的氧气，有利于氧化主反应的进行，改善选择性。增加氧化气体中氧浓度，提高了气体中氧分压，促进氧的传递。因此，现有生产过程中，很多采用了富氧方法实现产量的提高。

气体和液体在搅拌釜或鼓泡塔内混合、反应，搅拌釜或鼓泡塔结构特征决定了气体在反应器内的停留时间有限，而甲基芳烃的易燃性，又决定了在生产过程中反应尾气中氧含量必须控制在5％以下，当采用空气或富氧进行甲基芳烃氧化时，传统的搅拌反应器或鼓泡塔都无法改变气体停留时间，从而使气体中氧气利用率低，气液反应不能消耗提供的氧源，使单程氧化反应过程不充分，在进行富氧氧化过程中，由于尾氧浓度的限制，也使富氧促进氧化过程作用没有达到最优。

为了改善气液混合，增加气体在液相中的停留时间，提高氧气的利用率，国内外研究人员在传统的搅拌反应器上进行了改进。普拉塞尔公司在美国(US4900480)和中国(专利申请94117004.7)同步申请专利中，公开了一种适合于对苯二甲酸生产的氧化搅拌反应器，与传统的搅拌型反应器相比，专利在氧化搅拌器内增加了格板和内置导流筒，并在气相空间增加氮气吹扫系统。格板将反应器上部的气相和液相分隔，在反应器上部不再存在气液界面，该机械分割方法，增加了液体循环，限制了气体的逸出。采用螺旋型搅拌装置，保证了氧化形成的固体能够充分悬浮。通过此措施，增加了气体在液相中循环量和气体停留时间，保证了氧气有足够时间在液相中的消耗，使氧的利用率达到99％。但是该发明由于存在反应器结构复杂、工程实施困难的问题，因此至今尚未工业应用。专利CN92245125.7揭示了一种翼型轴流搅拌桨，具有高的升阻比，能够在消耗较少的功率情况下，产生较大的推力，此种桨叶比径向流桨叶产生更多的流量，使釜内的物料得到充分搅动，流场的均匀性更好，同时可以得到较高的气液传质系数。CN02136151.7在此基础上公开了一种适合于芳烷基氧化生产芳香羧酸的反应器，它采用了下层搅拌桨为翼型轴流窄叶斜桨，中间层采用凹叶涡轮桨，上层采用翼型轴流宽叶斜桨，气体进口采用4～8个环状进口。该专利揭示此种结构布置可以进一步改进氧化反应器内物料及产物均匀分布的程度，同时改善颗粒悬浮。但是专利侧重于实现液固混合均匀性，通过强化轴向流动，使最大剪切速率降低，反应器内的剪切速率分布更加均匀，虽然气液传质效果得到改善，但是气-液接触时间没有明显改变。CN95217888.5提出了一种通用的新型釜式搅拌反应器，其特征在于采用内外双轴搅拌和导流筒结构，内轴装有推进式螺旋桨，外套轴装有导流筒与刮壁桨叶的组合式搅拌器，刮板桨叶上端略低于液面，下端略高于分布器上表面，导流筒与刮板桨叶随着外套轴的转动而转动，气体分布器上层为微孔板，下层为多孔板。该搅拌器的特点是强化轴向混合，抑制物系的切向运动，消除了釜内死区和高剪切湍动区，螺旋桨和刮壁桨叶的组合消除了高粘性物体的滞留层，适合于物系反应过程中黏度变化大的场合，无法应用于多元羧酸的生产。