专利名称：适于kpta生产的无搅拌氧化和深度氧化反应系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种适于KPTA (昆仑公司聚合级对苯二甲酸)生产的无搅拌氧化和深度氧化反应系统，属于化工技术领域。
背景技术：
目前世界上生产对苯二甲酸的工艺技术有两种一种是PTA(精对苯二甲酸)生产工艺，装置分成氧化单元和加氢精制单元两大部分。在催化剂作用下，先将对二甲苯(PX)在醋酸(HAC)溶剂中与空气中氧气氧化生成对苯二甲酸(TA)及中间产物(对羧基苯甲醛4-CBA、对甲基苯甲酸PT酸等)，制取粗对苯二甲酸(CTA)，然后将CTA溶于水中，通过加氢反应使4-CBA还原成PT酸，利用PT酸和TA在水中溶解度不同，经过滤使PT酸和TA分离，生成纯净的PTA。此工艺主要缺陷是流程较长，投资及能耗相对较高。 另一种生产路线是深度氧化法，即PX在HAC溶剂中与空气中氧气氧化生成TA及中间产物后，继续通入空气使其深度氧化，PT酸和4-CBA进一步生成TA。深度氧化工艺具有流程短、投资省、污水少的优点，但传统深度氧化反应工艺采用搅拌设备多，能量利用不合理，除杂系统复杂，近二十年无太多发展，也没有建立新的工厂。目前采用深度氧化工艺生产TA的厂商，氧化及深度氧化反应器大都采用搅拌釜式反应器，投资高，消耗大量电能。
实用新型内容为了克服现有技术的上述缺陷，本实用新型提供了一种适于KPTA生产的无搅拌氧化和深度氧化反应系统，该系统无需对反应装置中的浆料进行机械搅拌，设备结构简化，能量消耗少，操作方便。本实用新型实现上述目的所采用的技术方案是一种适于KPTA生产的无搅拌氧化和深度氧化反应系统，其包括依次连接的氧化反应器、出料桶和深度氧化反应装置，所述深度氧化反应装置为单一深度氧化反应器或者由依次连接的深度氧化反应器I和深度氧化反应器II组成，所述氧化反应器、出料桶、单一深度氧化反应器、深度氧化反应器I和深度氧化反应器II均采用进气口位于下部的鼓泡塔结构，当所述深度氧化反应装置为所述单一深度氧化反应器时，所述单一深度氧化反应器的浆料进口构成所述深度氧化反应装置的浆料进口，所述单一深度氧化反应器的浆料出口构成所述深度氧化反应装置的浆料出口 ；当所述深度氧化反应装置由依次连接的所述深度氧化反应器I和深度氧化反应器II组成时，所述深度氧化反应器I的浆料进口构成所述深度氧化反应装置的浆料进口，所述深度氧化反应器II的浆料出口构成所述深度氧化反应装置的浆料出口。本实用新型的有益效果是由于所述氧化反应器、出料桶和组成深度氧化反应装置的各深度氧化反应器均采用了鼓泡塔结构，从位于鼓泡塔底部的进气口通入氧化反应所需的含氧气体，由这些反应气体对各自反应器(包括能够起到氧化反应作用的出料桶)内的浆料进行搅混，实现了氧气同其它反应物之间的有效接触，在省去了搅拌设备的同时，有效防止了悬浮浆料的沉淀，提高了反应液相中的气含量，有利于提高氧化反应的效率，由此简化了设备结构，减少了设备投资，根据申请人的测算，对于百万吨级的系统而言，可以减少设备投资4000万元，减少电耗1000kwh/h。由于在氧化反应和深度氧化反应之间设置了出料桶，并可以通过出料桶底部的进气口通入含氧气体，使进入出料桶的浆料得以在出料桶内进行进行氧化反应，即实现了氧化后氧化，通过出料桶不仅有利于防止氧化出料发生短路，而且还提高了氧化效果，有利于减轻后续的深度氧化反应要求，同时还可以根据浆料中的中间产物特性，合理地设置出料桶内的氧化后氧化的反应条件，并通过与氧化反应器的协同控制，在方便操作的同时，使整体反应流程和反应条件更为合理。
图I是本实用新型涉及的主要化学反应示意图；图2是本实用新型的系统的一个实施例的结构示意图；·图3是本实用新型的系统的另一个实施例的结构示意图。
具体实施方式
参见图2-3，本实用新型提供了一种适于KPTA生产的无搅拌氧化和深度氧化反应系统，其包括依次连接的氧化反应器I、出料桶19和深度氧化反应装置，所述深度氧化反应装置为单一深度氧化反应器21或者由依次连接的深度氧化反应器Ill和深度氧化反应器IIio组成，所述氧化反应器、出料桶、单一深度氧化反应器、深度氧化反应器I和深度氧化反应器II均采用进气口位于下部的鼓泡塔结构，当所述深度氧化反应装置为所述单一深度氧化反应器时，所述单一深度氧化反应器的浆料进口构成所述深度氧化反应装置的浆料进口，所述单一深度氧化反应器的浆料出口构成所述深度氧化反应装置的浆料出口 ；当所述深度氧化反应装置由依次连接的所述深度氧化反应器I和深度氧化反应器II组成时，所述深度氧化反应器I的浆料进口构成所述深度氧化反应装置的浆料进口，所述深度氧化反应器II的浆料出口构成所述深度氧化反应装置的浆料出口。所述各反应器(包括氧化反应器、出料桶以及深度氧化反应器)进气口连接相应的含氧气体管道，所述含氧气体从相应的所述进气口进入所述氧化反应器、出料桶、深度氧化反应器(单一深度氧化反应器或者深度氧化反应器I和深度氧化反应器II)后，在所述氧化反应器、出料桶和深度氧化反应器的底部鼓泡搅混浆料，以促使所述浆料中的固体悬浮物在含氧气体的搅混下不沉淀，使得所述出料桶、单一深度氧化反应器、深度氧化反应器I和深度氧化反应器II内的浆料中包括PT酸和4-CBA在内的氧化中间产物与氧继续进行氧化反应。优选地，所述出料桶的长径比可以为6 10，所述单一深度氧化反应器、所述深度氧化反应器I和所述深度氧化反应器II的长径比可以均在5 8的范围内，根据这种结构参数设计的各反应器，有利于提高含氧气体的搅混作用，可以最为有效地优化各反应器内的氧化过程，简化设备结构和运行成本。优选地，所述出料桶的容积为所述氧化反应器的10 15%，所述单一深度氧化反应器的容积为所述氧化反应器的70 80%，所述深度氧化反应器I和深度氧化反应器II的容积之和为所述氧化反应器的70 80%。采用这种结构参数，有利于合理分配各反应器中的反应过程。通常，所述出料桶的浆料进口可以位于其中部，所述氧化反应器的浆料出口可以位于其底部，所述出料桶的浆料进口通过出料桶进料管道连接所述氧化反应器的浆料出口，以实现浆料由所述氧化反应器向所述出料桶的输送，所述出料桶的顶部可以设有尾气排出口，所述出料桶的尾气排出口通过出料桶尾气管道接入所述氧化反应器的液相区，所述出料桶尾气管道上优选带有倒U形结构。所述出料桶的浆料出口通过出料桶出料管道连接所述深度氧化反应装置的浆料进口，所述出料桶出料管道上设有浆料加热器7和由所述氧化反应器的液位控制的控制阀4，根据所述氧化反应器的液位控制所述出料桶的浆料排出，所述浆料加热器为蒸气加热器，其放热介质进、出口串接在加热用的蒸汽管道上，其吸热介质进、出口串接在所述出料桶出料管道上。所述加热蒸汽管道上可以设有由所述深度氧化反应器I的温度控制的控制阀，根据所述深度氧化反应器I的温度控制所述浆料加热器的加热量。·优选地，所述出料桶的进气口可以包括压缩空气进口和深度氧化尾气进口，所述压缩空气进口连接压缩空气管道2或空压机，所述深度氧化尾气进口通过深度氧化尾气输送管13连接所述深度氧化反应装置的深度氧化尾气排出口，当所述深度氧化反应装置为所述单一深度氧化反应器时，所述深度氧化尾气排出口设置在所述单一深度氧化反应器的顶部，所述深度氧化尾气输送管上设有由所述单一深度氧化反应器内的压力控制的控制阀20 ;当所述深度氧化反应装置由依次连接的所述深度氧化反应器I和深度氧化反应器II组成时，所述深度氧化尾气排出口设置在所述深度氧化反应器II的顶部，所述深度氧化尾气输送管上设有由所述深度氧化反应器II内的压力控制的控制阀13。由此，可以根据所述单一深度氧化反应器或者所述深度氧化反应器II内的压力控制所述深度氧化尾气的排出，并通过压力控制反应器内的反应温度。所述深度氧化尾气输送管和所述深度氧化尾气排出口之间设有深度氧化尾气热交换器12，当设有所述深度氧化尾气热交换器时，所述深度氧化尾气输送管连接所述深度氧化尾气热交换器的放热介质出口，所述深度氧化尾气排出口连接所述深度氧化尾气热交换器的放热介质进口，所述深度氧化尾气热交换器的吸热介质进口连接蒸汽凝液管，所述深度氧化尾气热交换器的吸热介质出口连接副产蒸气输送管。优选地，所述深度氧化反应装置的进气口通常可以连接有增压气体管道5，所述增压气体管道连接用于气体增压的压缩机3的出口，所述压缩机的进气口连接压缩空气管道和净化后的氧化反应器尾气输出管道18，当所述深度氧化反应装置为所述单一深度氧化反应器时，所述单一深度氧化反应器的进气口构成所述深度氧化反应器的进气口 ；当所述深度氧化反应装置由依次连接的所述深度氧化反应器I和深度氧化反应器II组成时，所述深度氧化反应器I的进气口构成所述深度氧化反应装置的进气口。优选地，所述深度氧化反应器I底部的浆料出口通过深度氧化I的浆料排出管送入所述深度氧化反应器II中部的浆料进口，所述深度氧化I的浆料排出管上设有由所述深度氧化反应器I的液位控制的控制阀8，所述深度氧化反应器I的顶部设有深度氧化I的尾气出口，所述深度氧化I的尾气出口通过深度氧化I的尾气排出管连接所述深度氧化反应器II底部的进气口，所述深度氧化I的尾气排出管上设有由所述深度氧化反应器I的压力控制的控制阀14。所述深度氧化装置的浆料出口连接深度氧化浆料排出管，当所述深度氧化反应装置为所述单一深度氧化反应器时，所述单一深度氧化反应器的浆料出口位于其底部，所述深度氧化浆料排出管上设有由所述单一深度氧化反应器的液位控制的控制阀9 ;当所述深度氧化反应装置由依次连接的所述深度氧化反应器I和深度氧化反应器II组成时，所述深度氧化反应器II的浆料出口设置在其底部，所述深度氧化浆料排出管上设有由所述深度氧化反应器II的液位控制的控制阀9。所述氧化反应器的顶部设有氧化尾气排出管，所述氧化尾气排出管上依次设有氧化尾气热交换器和氧化尾气气液分离罐，所述氧化尾气排出管依次接入冷凝系统16和气液尾气气液分离罐的尾气出口接入氧化尾气分离罐15，所述氧化尾气分离罐的分离后气体输出管道接入氧化尾气净化器17，所述氧化尾气净化器排出的净化后尾气通过净化尾气管道连接各回用设备。本实用新型从氧化反应到深度氧化反应涉及由PX氧化生成TA的全过程，历经许·多中间化学反应，其主要反应过程如见图I所示，各中间反应的活化能如下Kl——PX氧化生成TALD (对甲基苯甲醛)，活化能65kJ/molK2——TALD氧化生成PT酸(对甲基苯甲酸)，活化能51. 5kJ/molK3——PT酸氧化生成4-CBA (对羧基苯甲醛)，活化能85. lkj/molK4——4-CBA氧化生成TA (对苯二甲酸)，活化能78. 3kJ/mol从反应难易程度来说，第一、二步反应速度最快，第三步PT酸生成4-CBA反应最慢，第四步4-CBA进一步反应生成TA也相对容易。所以，氧化反应排出浆料中所含PT酸最多( 9000ppm)，由于PT酸易溶于HAC，所以PT酸大都存在于浆料中的液相。反应浆料中虽然4-CBA含量只有 4000ppm，由于共结晶原因，4-CBA大多存在于固相。深度氧化反应就是使PT酸氧化生成4-CBA，4-CBA再进一步氧化生成TA。显然，由于4-CBA大部分存在于固相，要想进一步氧化，首先要使4-CBA从结晶固相中扩散出来，所以深度氧化反应要在高温下使浆料中的TA全部溶解或部分溶解，4-CBA进入液相后才能氧化生成TA。深度氧化反应并不激烈，对传质传热要求也不高，传统深度氧化反应采用带搅拌的反应器，目的是避免悬浮浆料沉积，并搅混分散空气，增加反应器气含率。在图2所示的实施例中，PX、循环HAC和催化剂按比例送入鼓泡塔结构的氧化反应器，反应器底部通入工艺压缩空气，在温度186 188°C、压力 I. 25MpaA条件下进行氧化反应，生成TA及中间产物，反应浆料从氧化反应器底部输出进入出料桶，出料桶下部通入深度氧化尾气和新鲜空气，鼓泡搅混浆料，使固体悬浮不沉积，并使氧化中间产物(PT酸、4-CBA等)继续氧化。出料桶顶部尾气(含氧量 3. 5%vol)进入氧化反应器，出料桶底部浆料(含PT酸 500ppm，4-CBA 2500ppm)，经浆料泵升压和加热器加热后，进入深度氧化反应器中上部，处理净化后尾气和部分工艺压缩空气混合，经增压( 4. 8MpaG，例如4. 5-4. 8MPaG)后送入深度氧化反应器底部鼓泡搅混浆料，深度氧化反应在温度220 250°C，压力1.5 4. 6MPaG条件下进行，使PT酸、4-CBA进一步氧化生成TA。深度氧化反应器顶部在压力控制下排出深度氧化尾气，此尾气作为氧化反应出料桶搅混气体使用，深度氧化反应完成的衆料(PT酸含量 50ppm,例如20-50ppm ;4-CBA 150ppm,例如100-180ppm)，在液位控制下排入结晶系统。[0032]所述出料桶的作用，一是防止氧化出料发生短路，二是后氧化。为了保证出料桶内物料足够的气含率和充分搅混浆料不发生沉积，出料桶设计长径比6 10，容积相当氧化反应器10 15%，深度氧化尾气和/或压缩空气进出料桶底部可以设置适宜的进气结构，以形成更好的鼓泡效果，深度氧化尾气和压缩空气可以分别进入出料桶，也可以以混合气体的形式一起进入出料桶或者通过接入同一进口在进气过程中混合。深度氧化反应器进料口设在中上部，下部进气采用特殊结构，达到搅混悬浮浆料作用。深度氧化反应器设计长径比为5 8，容积大约为氧化反应器的70 80%，通过液位控制调节深度氧化时间。如图3所示，深度氧化反应器最好设计成两个串联的反应器，第二个深度氧化反应器(深度氧化反应器II)控制压力要低于第一深度氧化反应器(深度氧化反应器I)，以便排料和降压，如何选择按工程需要选定。进入出料桶的氧化反应浆料，以深度氧化尾气使其搅混悬浮，并继续氧化，使大量PT酸生成4-CBA，部分4-CBA进一步生成TA。出料桶上部汇集的尾气，通过“ H ”型(倒U形)·弯管道进入氧化反应液相，最终进入氧化尾气系统。出料桶下部浆料用增压泵抽出，以液位控制增压泵的送出量。浆料进入深度氧化反应器I前，用60 SObar蒸汽加热，其加热程度受控于深度氧化反应温度。在深度氧化反应器I下部通入由净化后尾气和压缩空气混合的增压气体，使反应器中浆料悬浮，并使液相中PT酸和4-CBA氧化生成TA。深度氧化反应器I操作温度230 250°C，压力4. O 4. 6MPaG,优选4. 5MPaG 4. 6MPaG。深度氧化反应器I浆料在液位控制下排入深度氧化反应器II中上部，深度氧化反应器I顶部尾气在压力控制下通入深度氧化反应器II底部，深度氧化反应器II操作温度220 230°C，压力I. 5 2. OMPaG。深度氧化反应器II以压力调节反应温度。深度氧化反应器II的作用是(I) 使反应趋向完成(2) 调节产品粒径深度氧化后的浆料在液位控制下排入结晶系统。根据最终产品质量变化调节深度氧化程度，其控制手段是调整深度氧化温度和停留时间，深度氧化温度的调整可通过压力控制来实现，反应停留时间的控制可通过调节深度氧化反应器液位高低来完成。本实用新型KPTA深度氧化工艺是中温中压技术，不仅采用的设备结构异于世界上其他厂商，在工艺参数的掌控上，既区别于高温、高压TA固体全溶解的深度氧化工艺，也与低温低压渗透扩散深度氧化法差异较大。本实用新型通过改变各反应器的结构，用气体鼓泡替代机械搅拌，并改变了深度氧化反应的条件，由现有技术下的高温高压条件改变为中温中压，降低了设备的材料要求和工艺要求，由此不但投资下降(下降幅度大约50%)，而且节省搅拌器电耗。对百万吨级PTA装置来说，与传统工艺相比，可节省投资 4000万元，电消耗可节省 1000kWh/h。
权利要求1.一种适于KPTA生产的无搅拌氧化和深度氧化反应系统，其特征在于包括依次连接的氧化反应器、出料桶和深度氧化反应装置，所述深度氧化反应装置为单一深度氧化反应器或者由依次连接的深度氧化反应器I和深度氧化反应器II组成，所述氧化反应器、出料桶、单一深度氧化反应器、深度氧化反应器I和深度氧化反应器II均采用进气口位于下部的鼓泡塔结构，当所述深度氧化反应装置为所述单一深度氧化反应器时，所述单一深度氧化反应器的浆料进口构成所述深度氧化反应装置的浆料进口，所述单一深度氧化反应器的浆料出口构成所述深度氧化反应装置的浆料出口 ；当所述深度氧化反应装置由依次连接的所述深度氧化反应器I和深度氧化反应器II组成时，所述深度氧化反应器I的浆料进口构成所述深度氧化反应装置的浆料进口，所述深度氧化反应器II的浆料出口构成所述深度氧化反应装置的浆料出口。
2.如权利要求I所述的反应系统，其特征在于所述出料桶的长径比为6 10，所述单一深度氧化反应器、所述深度氧化反应器I和所述深度氧化反应器II的长径比均在5 8的范围内。
3.如权利要求2所述的反应系统，其特征在于所述出料桶的容积为所述氧化反应器的10 15%，所述单一深度氧化反应器的容积为所述氧化反应器的70 80%，所述深度氧化反应器I和深度氧化反应器II的容积之和为所述氧化反应器的70 80%。
4.如权利要求1、2或3所述的反应系统，其特征在于所述出料桶的浆料进口位于其中部，所述氧化反应器的浆料出口位于其底部，所述出料桶的浆料进口通过出料桶进料管道连接所述氧化反应器的浆料出口，所述出料桶的顶部设有尾气排出口，所述出料桶的尾气排出口通过出料桶尾气管道接入所述氧化反应器的液相区，所述出料桶尾气管道上带有倒U形结构。
5.如权利要求4所述的反应系统，其特征在于所述出料桶的浆料出口通过出料桶出料管道连接所述深度氧化反应装置的浆料进口，所述出料桶出料管道上设有浆料加热器和由所述氧化反应器的液位控制的控制阀，所述浆料加热器为蒸气加热器，其放热介质进、出口串接在加热用的蒸汽管道上，其吸热介质进、出口串接在所述出料桶出料管道上。
6.如权利要求1、2或3所述的反应系统，其特征在于所述出料桶的进气口包括压缩空气进口和深度氧化尾气进口，所述压缩空气进口连接压缩空气管道或空压机，所述深度氧化尾气进口通过深度氧化尾气输送管连接所述深度氧化反应装置的深度氧化尾气排出口，当所述深度氧化反应装置为所述单一深度氧化反应器时，所述深度氧化尾气排出口设置在所述单一深度氧化反应器的顶部，所述深度氧化尾气输送管上设有由所述单一深度氧化反应器内的压力控制的控制阀；当所述深度氧化反应装置由依次连接的所述深度氧化反应器I和深度氧化反应器II组成时，所述深度氧化尾气排出口设置在所述深度氧化反应器II的顶部，所述深度氧化尾气输送管上设有由所述深度氧化反应器II内的压力控制的控制阀。
7.如权利要求6所述的反应系统，其特征在于所述深度氧化尾气输送管和所述深度氧化尾气排出口之间设有深度氧化尾气热交换器，当设有所述深度氧化尾气热交换器时，所述深度氧化尾气输送管连接所述深度氧化尾气热交换器的放热介质出口，所述深度氧化尾气排出口连接所述深度氧化尾气热交换器的放热介质进口，所述深度氧化尾气热交换器的吸热介质进口连接蒸汽凝液管，所述深度氧化尾气热交换器的吸热介质出口连接副产蒸气输送管。
8.如权利要求7所述的反应系统，其特征在于所述深度氧化反应装置的进气口连接增压气体管道，所述增压气体管道连接用于气体增压的压缩机的出口，所述压缩机的进气口连接压缩空气管道和净化后的氧化反应器尾气输出管道，当所述深度氧化反应装置为所述单一深度氧化反应器时，所述单一深度氧化反应器的进气口构成所述深度氧化反应器的进气口 ；当所述深度氧化反应装置由依次连接的所述深度氧化反应器I和深度氧化反应器II组成时，所述深度氧化反应器I的进气口构成所述深度氧化反应装置的进气口。
9.如权利要求8所述的反应系统，其特征在于所述深度氧化反应器I底部的浆料出口通过深度氧化I的浆料排出管送入所述深度氧化反应器II中部的浆料进口，所述深度氧化I的浆料排出管上设有由所述深度氧化反应器I的液位控制的控制阀，所述深度氧化反应器I的顶部设有深度氧化I的尾气出口，所述深度氧化I的尾气出口通过深度氧化I的尾气排出管连接所述深度氧化反应器II底部的进气口，所述深度氧化I的尾气排出管上设有由所述深度氧化反应器I的压力控制的控制阀。
10.如权利要求1、2或3所述的反应系统，其特征在于所述深度氧化装置的浆料出口连接深度氧化浆料排出管，当所述深度氧化反应装置为所述单一深度氧化反应器时，所述单一深度氧化反应器的浆料出口位于其底部，所述深度氧化浆料排出管上设有由所述单一深度氧化反应器的液位控制的控制阀；当所述深度氧化反应装置由依次连接的所述深度氧化反应器I和深度氧化反应器II组成时，所述深度氧化反应器II的浆料出口设置在其底部，所述深度氧化浆料排出管上设有由所述深度氧化反应器II的液位控制的控制阀。
专利摘要本实用新型涉及一种适于KPTA生产的无搅拌氧化和深度氧化反应系统，其包括依次连接的氧化反应器、出料桶和深度氧化反应装置，I和深度氧化反应器II组成，I和深度氧化反应器II均采用进气口位于下部的鼓泡塔结构。本实用新型采用用于氧化反应的含氧气体搅混各反应器内的浆料，促进氧化反应的进行，省去了搅拌设备，设备投资和运行电耗大幅度下降。
文档编号B01J4/00GK202700501SQ20122021699
公开日2013年1月30日 申请日期2012年5月15日 优先权日2012年5月15日
发明者周华堂, 罗文德, 姚瑞奎, 汪英枝, 李利军 申请人:中国昆仑工程公司