专利名称：减少夹带的系统和方法
減少夹带的系统和方法背景
相关申请的交互参考
本申请要求2009年10月2日提交的U. S临时申请61/M8，173的优先权益。对苯ニ甲酸(TA)之类芳族羧酸的生产一般都涉及芳族原料化合物，如对ニ甲苯， 在溶剂内，用分子氧，通常在有加入助催化剂的催化剂存在下的液相氧化。溶剂、分子氧、原料和催化剂一般都被连续地喂进高温、高压下的氧化反应器。反应器内的原料氧化和其它反应产生高压气流或“出口气体”，所述出口气体一般包含氮、未反应的氧、ニ氧化碳、ー氧化碳和，用溴作为助催化剂时，溴代甲烷。由于氧化反应是放热的，所以常允许溶剂蒸发，以控制反应温度。因此，出口气体还可包含蒸发的溶剤。来自反应器的出口气体含大量能量，这种能量可以被回收，以减少生产期间的总能耗并至少部分地抵消获得氧化反应器所需高温和高压的成本。这样的回收常涉及使出ロ 气体通过塔顶蒸气处理系统或“塔顶系统”的一个或多个冷凝器，以将来自出ロ气体的热量传输给同时通过冷凝器的水，产生蒸汽，或传输给另ー种传热介质。此外，不可冷凝的残余出ロ气体可以用高压燃烧或洗涤法进行清洗，以除去毒性、有害或可燃的组分。除上述气态组分外，来自反应器的出口气体常含有各种颗粒，这些颗粒可包括溶剂或水的液滴以及芳族羧酸的固体颗粒。这类颗粒会降低塔顶系统中冷凝器和其它部件的效率。因此，希望尽量减少这类颗粒被夹带进塔顶系统。虽然为减少颗粒夹带已开发了多种撞击装置，但此类装置常被堵塞，因而它们的使用是不利的。附图简述
附图中的部件不一定符合比例，主要是为了清楚地说明本公开的原理。在这些附图中， 相似參考数字标志数个视图中的相应部件。
图1是生产芳族羧酸的系统的实施方案示意图。图2是能用在图1的系统中的氧化反应器的第一例实施方案的局部侧视图，该反应器具有单排气ロ。图3是能用在图1的系统中的氧化反应器的第二例实施方案的局部侧视图，该反应器具有多排气ロ。图4是氧化反应器的顶视示意图，说明第一例的排气ロ构型。图5是氧化反应器的顶视示意图，说明第二例的排气ロ构型。图6是氧化反应器的顶视示意图，说明第三例的排气ロ构型。图7是氧化反应器的顶视示意图，说明第四例的排气ロ构型。图8是对各种排气ロ构型所作的颗粒夹带随颗粒直径变化的曲线图。图9是对单排气ロ构型在多个径向位置上所作的颗粒夹带随颗粒直径变化的曲线图。图10是对双排气ロ构型在多个径向位置上所作的颗粒夹带随颗粒直径变化的曲线图。图11是对三排气ロ构型在多个径向位置上所作的颗粒夹带随颗粒直径变化的曲线图。图12是对四排气ロ构型在多个径向位置上所作的颗粒夹带随颗粒直径变化的曲线图。图13是对小反应器双排气ロ构型在多个径向位置上所作的颗粒夹带随颗粒直径变化的曲线图。图14是夹带随等径向位置排气ロ个数变化的曲线图。图15是对各种排气ロ构型所作的夹带随排气口径向位置变化的曲线图。图16是对单或双排气ロ构型所作的夹带随排气ロ直径变化的曲线图。图17是对双排气ロ构型和不同反应器尺寸所作的夹带随排气口径向位置变化的曲线图。发明详述
如上所述，一般都希望减少颗粒夹带，以免降低塔顶系统的效率。如下文所述，夹带能通过控制反应器排气ロ的位置和个数而被減少。在有些实施方案中，减少夹带的方法是将单个排气ロ定位于离反应器头顶件(headpiece)中心的优选距离处。在其它实施方案中， 减少夹带的方法是使头顶件上有多个排气ロ。在以下的公开内容中，将要描述系统和方法的各种实施方案。虽然描述了具体实施方案，但所公开的系统和方法不限于这些具体实施方案。而所述实施方案仅是所公开系统和方法的典型实施。现在，參考图1，该图示意由芳族原料化合物的放热液相氧化法生产芳族羧酸的典型系统10的一部分。在图1中，系统10的很多部件并未示出，因为超出了本公开的范围。系统10包含一般包括氧化反应器14在内的反应系统，在反应器14中，芳族原料能被氧化而生成芳族羧酸。更具体地说，芳族羧酸可以在反应器14内，用氧化剂、氧化溶剂、催化剂和助催化剂，通过合适芳族原料化合物在液相反应中的高压放热氧化而生成。所用的芳族原料化合物可以是含有能被氧化成羧酸基的可氧化取代基的任何芳族化合物。例如，可氧化取代基可以是烷基，如甲基、乙基或异丙基。取代基也可以是部分氧化的烷基，如醇基、醛基或酮基。芳族原料化合物的芳族部分可以是苯核，或者，也可以是双-或多环，如萘核。芳族原料化合物的芳族部分的可氧化取代基的个数可以等干，但ー 般少于，芳族原料化合物的芳族部分上有效反应点的个数，例如，约1 4或2或3个。适用芳族原料化合物的实例包括甲苯，乙苯，邻ニ甲苯，间ニ甲苯，对ニ甲苯，ト甲酰基-4-甲苯，1-羟甲基-4-甲苯，1，2，4-三甲基苯，1-甲酰基-2，4-ニ甲基苯，1，2，4，5-四甲基苯， 烷基、羟甲基、甲酰基以及酰基取代的萘化合物，如2，6-和2，7-ニ甲基萘、2-酰基-6-甲基萘、2-甲酰基-6-甲基萘、2-甲基-6-乙基萘、2，6- ニ乙基萘等等。为本公开的目的，假设芳族原料化合物是对ニ甲苯(PX)，被用来生产对苯ニ甲酸(TA)。可以用分子氧作为氧化剂。在有些实施方案中，可能是富氧或贫氧的空气是优选的分子氧源。喂进氧化反应器14的含氧气体可包含排放气体-蒸气混合物。为避免形成爆炸性气体/蒸气混合物，喂进氧化反应器14的含氧气体的流率被控制到使头顶件内的氧浓度维持在约0.5 8 voW)氧(在无溶剂基础上測定)的范围内。例如，足以提供每个甲基约1. 5 约2. 8 mol氧量的含氧气体的喂料率将在塔顶气体_蒸气混合物中提供0. 5 8 V01%氧(在无溶剂基础上測定)。
氧化溶剂可以是含约2 6个碳原子的低分子量脂肪族一元羧酸或它与水的混合物。在有些实施方案中，溶剂包含乙酸或乙酸和水的混合物。适用的催化剂包括原子序数为约21 82的那些重金属，如钴和锰的混合物，适用的助催化剂包括溴化合物，如溴化氢、分子溴和溴化钠。在生产粗对苯ニ甲酸中所用的催化剂/助催化剂可包含，例如，钴、锰和溴组分，还可包含促进剂。在液相氧化中，催化剂的钴组分中的钴(以元素钴计算)与对ニ甲苯之比可以在每克摩尔对ニ甲苯约0. 2 10毫克原子(mga)钴的范围内。在液相氧化中，催化剂的锰组分中的锰(以元素锰计算)与催化剂的钴组分中的钴(以元素钴计算)之比宜在每mga钴约0.2 10 mga锰的范围内。在液相氧化中，催化剂的溴组分中的溴(以元素溴计算)与催化剂的钴和锰组分中的钴和锰之和(以元素钴和元素锰计算)的重量比可以在每mga钴和锰之和约0.2 1.5 mga溴的范围内。钴和锰各组分能以在氧化反应器14内的溶剂中提供可溶形式的钴、锰和溴的任何已知离子或組合形式提供。例如，当溶剂是乙酸介质时，可以用钴和/或锰的碳酸盐、乙酸盐四水合物和/或溴化物。为实现溴与催化剂金属之和的摩尔比为0. 2:1. 0 1. 5:1. 0， 适用的溴源包括元素溴(Br2)、离子溴(如HBr、NaBr, KBr, NH4Br等)或已知在氧化的操作温度下提供溴化物离子的有机溴化物(如苄基溴、一-和ニ -溴乙酸、溴乙酰溴、四溴乙烷、 ニ溴化乙烯等)。用包括分子溴、有机溴和离子溴化物的总溴量来确定元素溴与催化剂金属总量之比。在氧化操作条件下释自有机溴化物的溴离子能用已知的分析法很容易确定。为了使对ニ甲苯氧化成对苯ニ甲酸，氧化反应器14中保持的最低压カー般是保持对ニ甲苯和溶剂为基本液相的压力。当溶剂是乙酸-水混合物时，氧化反应器14内合适的反应表压可以在约0 kg/cm2 35 kg/cm2的范围内，一般在约10 kg/cm2 20 kg/cm2的范围内。氧化反应器内的温度范围可以是，例如，约120°C 250°C。溶剂在反应器14内的驻留时间是，例如，约20 150 min，优选约30 120 min。氧化反应器14 一般包含用钛或玻璃之类的耐蚀材料构成或村里的容器。由于氧化反应在高压下进行，所以要将反应器14构造成耐适用于氧化反应的高压。此外，要搅拌氧化反应器14内的物料以优化氧化反应并保持固体反应产物悬浮。搅拌包含特定的流体混合构型以及氧化反应器可配置一个或多个机械搅拌器(未示出)。粗对苯ニ甲酸，即由氧化反应生成的固体反应产物，以包含粗对苯ニ甲酸、水、乙酸、催化剂金属、氧化反应中间产物和反应副产物的混合物的氧化反应淤浆形式，沿出口管道16排出反应器14。然后，用多种方法和设备(未示出)加工该淤浆，生成纯化对苯ニ甲酸。如上所述，在氧化反应器14内的液相氧化期间产生大量热。从反应出ロ气体包含大量能量的观点看，要采取步骤回收至少部分这种能量并将它用在装置内。例如，用出口气体来升高能被用来，例如，驱动和/或加热系统10的其它部件的各种蒸气压力。在图1的实施方案中，出ロ气体通过ー个或多个排气ロ 17从氧化反应器14的头顶件排出并通进将出ロ气体输送至一系列冷凝器20、22和M的气体管道18，冷凝器冷凝出ロ气体并提升蒸气。在有些实施方案中，第一冷凝器20产生第一蒸气压カ(例如，约145°C和4.5 bar)，第 ニ冷凝器22产生第二蒸气压カ(例如，约130°C和3 bar),以及第三冷凝器M产生第三蒸气压カ(例如，约100°C和1 bar)。来自冷凝器20、22和M的蒸气能通过蒸气管道沈、观和30流至系统10的多个其它部件(未示出)。可接受蒸气的实例部件包括再沸器、干燥器、涡轮、热交換器等。当出 ロ气体通过冷凝器20、22和M吋，出ロ气体内的有机物质就冷凝下来而且能使冷凝物在加 エ后回至氧化反应器14。由于发生在冷凝器20、22和M内的热交換作用，其余的出ロ气体较冷，但仍处在较高压力下，也能被应用于能量回收目的。因此，出ロ气体在通过冷凝器 20、22和M之后，就通过管道32排出，被输送到另一系统部件(未示出)。这类部件的一个实例是扩张器。出口气体能用，例如，高压燃烧或洗涤法，进行清洗，除去毒性、有害或可燃的组分。图2和3示出2个能用在图1的系统10中的典型氧化反应器。自图2起，示出了包含帽盖了头顶件44的容器42的单排气ロ氧化反应器40。自头顶件44伸出的是单个排气ロ 46，它一般与容器平行，但偏离头顶件的中心。排气ロ 46可连接到导至冷凝器的气体管道(如图1中的气体管道18)，或者也可以形成这种气体管道的一部分。图3中示出的是多排气ロ氧化反应器50，它也包含帽盖了头顶件M的容器52。但是，该反应器50包含 2个排气ロ 56和58，它们合并成反应器下游的单根管道60。虽然图3中仅示出2个排气 ロ，但从以下的公开内容，可以清楚地看到，反应器50也可以包含2个以上的排气ロ，它们在反应器下游合并在一起。给出图3中所示的双排气ロ布置是为了说明多排气ロ反应器的概念。图4-7示意了能用于氧化反应器的多种排气ロ构型的顶视图。自图4开始，示出类似于图2所示的排气ロ构型。因此，头顶件70包含单个排气ロ 72。排气ロ 72的中心偏离头顶件70的中心的中心-中心距离为C2C。C2C距离能以头顶件半径R的百分数表示， 在其中，头顶件中心是0%R，而头顶件外周是100%R。图5示出类似于图3中所示的排气ロ构型。因此，头顶件80包含2个排气ロ 82。 每个排气ロ 82的中心偏离头顶件80的中心的中心-中心距离是C2C。因此各排气ロ 82与头顶件中心是等距离的。此外，排气ロ 82的中心彼此相距排气ロ -排气ロ距离V2V。图6示出另ー种排气ロ构型。在该图的实施方案中，头顶件90包含3个以等边三角形构型布置的排气ロ 92。各排气ロ 92的中心偏离头顶件90的中心的中心-中心距离为 C2C。因此，各排气ロ 92与头顶件中心是等距离的。此外，排气ロ 92的中心彼此相距排气 ロ -排气ロ距离V2V。图7示出又ー个排气ロ构型。在图7中，头顶件100包含4个以正方形构型布置的排气ロ 102。各排气ロ 102的中心偏离头顶件100的中心的中心-中心距离为C2C。因此，各排气ロ 102与头顶件中心是等距离的。此外，排气ロ 102的中心彼此相距排气ロ-排气ロ距离V2V。上述排气ロ构型在减少夹带方面的效率用计算流体动力学模拟进行评价。具体地，对各种排气ロ构型进行计算机-基流体动力学模拟。表1给出了模拟中所用的ー些变里。表 权利要求
1.为氧化芳族原料以生成芳族羧酸所构建的氧化反应器，该反应器包含 至少ー个排气ロ，出ロ气体能通过其排出反应器。
2.权利要求1的反应器，其中反应器包含单个排气ロ自其伸出的头顶件，排气ロ的位置较接近于头顶件的中心。
3.权利要求2的反应器，其中排气口中心离头顶件中心的距离不大于头顶件半径的约29%。
4.权利要求2的反应器，其中排气口中心离头顶件中心的距离不大于头顶件半径的约18%。
5.权利要求1的反应器，其中反应器包含多个排气ロ。
6.权利要求5的反应器，还包含所述排气ロ自其伸出的头顶件，这些排气ロ离头顶件中心等距离。
7.权利要求1的反应器，其中反应器包含2个排气ロ。
8.权利要求7的反应器，其中排气口中心离头顶件中心的距离是头顶件半径的约20% 和58%之间。
9.权利要求1的反应器，其中反应器包含3个排气ロ。
10.权利要求9的反应器，其中排气ロ以等边三角形构型布置。
11.权利要求9的反应器，其中排气口中心离头顶件中心的距离是头顶件半径的约23% 和58%之间。
12.权利要求1的反应器，其中反应器包含4个排气ロ。
13.权利要求12的反应器，其中排气ロ以正方形构型布置。
14.权利要求12的反应器，其中排气口中心离头顶件中心的距离是头顶件半径的约 29%禾ロ 71%之间。
15.生产芳族羧酸的系统，该系统包含氧化反应器，它包含至少ー个排气ロ，出ロ气体能通过其排出反应器；和塔顶系统，它包括至少ー个冷凝器，至少部分出口气体能通过其冷凝下来以及水能通过其产生蒸汽。
16.权利要求15的系统，其中反应器包含单个排气ロ自其伸出的头顶件，排气ロ的位置较接近于头顶件的中心。
17.权利要求16的系统，其中排气口中心离头顶件中心的距离不超过头顶件半径的约29%。
18.权利要求16的系统，其中排气口中心离头顶件中心的距离不超过头顶件半径的约18%。
19.权利要求15的系统，其中反应器包含多个排气ロ。
20.权利要求19的系统，还包含所述多个排气ロ自其伸出的头顶件，这些排气ロ离头顶件中心等距离。
21.权利要求15的系统，其中反应器包含2个排气ロ。
22.权利要求21的系统，其中排气口中心离头顶件中心的距离是头顶件半径的约20% 和58%之间。
23.权利要求15的系统，其中反应器包含3个排气ロ。
24.权利要求23的系统，其中排气ロ以等边三角形构型布置。
25.权利要求23的系统，其中排气口中心离头顶件中心的距离是头顶件半径的约23% 和58%之间。
26.权利要求15的系统，其中反应器包含4个排气ロ。
27.权利要求沈的系统，其中排气ロ以正方形构型布置。
28.权利要求沈的系统，其中排气口中心离头顶件中心的距离是头顶件半径的约29% 和71%之间。
全文摘要
本申请公开一种减少反应期间颗粒夹带的设备，该设备是为氧化芳族原料以生成芳族羧酸而构建的氧化反应器，该反应器包含至少一个出口气体能通过其排出反应器的排气口。本申请还公开生产芳族羧酸的系统，该系统包含氧化反应器，该反应器包含至少一个出口气体能通过其排出反应器的排气口；和塔顶系统，它包括至少一个冷凝器，至少部分出口气体能通过其冷凝下来以及水能通过其产生蒸汽。
文档编号B01J19/18GK102574094SQ201080044487
公开日2012年7月11日 申请日期2010年9月29日 优先权日2009年10月2日
发明者H.N.S.尤塞夫 申请人:英威达技术有限公司