專利名稱：一種生產芳香酸的內循環鼓泡塔氧化反應器的制作方法
技術領域：
本發明涉及芳香烴液相氧化制備芳香酸的技術方法和反應裝置，尤其涉及一種生產芳香酸的內循環鼓泡塔氧化反應器，屬于化工設備技術領域。
背景技術：
鼓泡塔反應器是氣液兩相或氣液固三相進行質量、能量和化學反應的重要裝置，具有結構簡單、操作穩定的特點。芳香烴液相氧化制備芳香酸的技術方法，工業上可采用鼓泡塔反應器，特別是對二甲苯液相催化氧化制備對苯二甲酸，近年來有越來越大型化的趨勢。
商業規模的對苯二甲酸制備工藝多數采用醋酸為溶劑，鈷、錳、溴類化合物為復合催化劑，空氣或富氧氣為氧化劑，與原料對二甲苯連續進入氧化反應器進行反應，典型情況下，反應溫度155～225℃，反應壓力0.5～3.0MPa，停留時間30～120min。反應熱通過溶劑醋酸的蒸發、冷凝撤出，冷凝液返回反應器；粗產品對苯二甲酸在反應器內結晶析出，以漿料的方式連續移出反應器。
依據該工藝，制備對苯二甲酸的對二甲苯液相催化氧化反應器的物料體系呈“氣(空氣、醋酸蒸汽)-液(醋酸、對二甲苯)-固(對苯二甲酸)”三相狀態，氧化反應器的設計必須同時滿足空氣分散、液相物料混合、固體顆粒懸浮的要求。現有技術中，商業規模的對二甲苯液相氧化反應器包括攪拌式反應器和鼓泡塔式反應器兩類。
美國專利USP5211924、USP5102630和中國專利ZL89102155采用空氣導入噴嘴、上層平直葉攪拌槳與下層上翻式斜葉槳組合、窄擋板的協同作用，實現氣液分散和釜內物料混合。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將原料對二甲苯從中空的攪拌葉片導入，促進了原料混合。總體來看，攪拌式反應器機構復雜，維護不方便。
專利CN1228302C和專利CN1680250A公開了生產芳香羧酸的上下均勻的直筒型鼓泡塔反應裝置，專利CN1785495A在鼓泡塔反應器內設置阻尼內構件，以抑制塔內中心區域過快的流速，同時干擾流場提高氣液傳質速率。專利CN1208301C公開了一種生產對苯二甲酸用的氣升式外循環鼓泡塔氧化裝置，利用外筒將塔上部漿料通過氣升作用引入下部區域，形成流體在全塔的循環，改善塔內的溫度與濃度分布，并采用較大的高徑比來強化氣液傳質。但是大高徑比鼓泡塔的上部氧氣濃度比較低，影響反應效率。
專利CN1293184從改變物料在反應器中的流動形態的角度出發，使反應在塔式反應器內以接近活塞流的流動形態進行，提高對二甲苯氧化為對苯二甲酸的速度和轉化率，其反應器的內部結構比較復雜。
專利公開CN1807392A提出了一種用于對二甲苯氧化制備對苯二甲酸的鼓泡塔式氧化反應裝置，在下部反應段的側壁設置周向均勻分布的2～8個氣相原料分進口，試圖通過多點進氣強化氣液分散。
發明內容
本發明的目的是提供一種結構簡單的生產芳香酸的內循環鼓泡塔氧化反應器，以克服上述列舉的諸多現有反應器的缺陷。
為實現本發明的目的，一種生產芳香酸的內循環鼓泡塔氧化反應器，其塔體由上部的氣液分離段、中部的多級鼓泡段、底部的固液懸浮段三部分組成，其特征在于該反應器中部的多級鼓泡段內部安裝有1～5級氣體分布器和1～5級內循環導流筒。
進一步地，上述的一種生產芳香酸的內循環鼓泡塔氧化反應器，其中，所述氣體分布器和內循環導流筒成組配置，優選2～4組。
更進一步地，上述的一種生產芳香酸的內循環鼓泡塔氧化反應器，其中，所述內循環導流筒的截面積與鼓泡塔的截面積之比為1/2～1/12，內循環導流筒的高度與鼓泡塔的直徑D之比為1～3。
更進一步地，上述的一種生產芳香酸的內循環鼓泡塔氧化反應器，其中，所述內循環導流筒的截面形狀是圓形或多邊形。
再進一步地，上述的一種生產芳香酸的內循環鼓泡塔氧化反應器，其中，該鼓泡塔反應器的低部設有底伸式攪拌器，頂部設有氣液分離器。
這樣，本發明便提出一種結構簡單的內循環鼓泡塔式氧化反應器，其內部沒有任何運動部件，通過內循環導流筒和氣體分布器的協同作用，促進塔內局部區域的物料循環，多級進氣結構明顯改善了現有技術里大高徑比鼓泡塔的軸向氧氣濃度梯度，簡單的直立導流筒結構也不會引起固體顆粒的沉積，導流筒內的物料流動為降液流設計，使得導流筒的直徑顯著減小，有效節省了貴金屬材料，上述特點使得該氧化反應器在芳香酸生產領域具有很好的應用前景。
圖1是本發明的結構示意圖；圖2a/2b是鼓泡塔反應器內液相流動的計算流體力學(CFD)計算的對比分析，圖2a是雙級內循環導流筒與氣體分布器組合的鼓泡塔內的液速分布圖，圖2b是無內循環導流筒的常規鼓泡塔內的液速分布圖。
圖中1-液相進料口，2-漿料出口，3-空氣入口，4-氣液分離段，5-內循環導流筒，6-塔體，7-氣體分布器。
具體實施例方式
在常規的鼓泡塔氧化反應器中，氣體通過反應器底部的氣體分布器進入反應器后，氣泡不斷上升、聚并、長大，在反應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能力不如鼓泡塔反應器的中下部。另一方面，無內構件鼓泡塔的內部，液相流動混亂，在塔高度方向存在濃度差，而液固相物料的進出口一般設置在塔的下段，導致鼓泡塔上部反應效率降低。對于大高徑比的鼓泡塔，上述問題更加突出。
本發明采用在鼓泡塔內合理設置內循環導流筒的方法以解決上述技術問題。該鼓泡塔氧化反應器由上部的氣液分離段、中部的多級鼓泡段、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級氣體分布器和1～5級的內循環導流筒。
鼓泡塔內合理配置內循環導流管，在氣體分布器的協同作用下，基于導流管內外側氣含率的差異和氣體分布器出口處氣體的誘導流動原理，導流筒的內外形成了氣液循環流動，有效促進了鼓泡塔內局部區域的返混。工作時，液相的芳香烴原料、溶劑、催化劑混合后從反應器下部的進料管加入；空氣或富氧氣從反應器下部的氣體分布器進入，氣體經過分布器分散后鼓泡進入液相反應區。控制分布器出口氣泡流的導向，使置于鼓泡反應器中心的導流筒的外側具有較高的氣含率，由于導流筒內外的表觀密度差異，導流筒內的液固漿料就在重力作用下自上而下流動，將導流筒上部的物料不斷返回到導流筒的下部，形成循環并有效消除不良混合區，使物料濃度和溫度梯度降低。導流筒形成的循環流也有助于抑制大氣泡的產生。
對于大高徑比的鼓泡塔氧化反應器，可以設置多級內循環導流筒和多級氣體分布器，以協同解決塔內各區域的液相循環問題。空氣或富氧氣體的多級進入，也有利于大高徑比鼓泡塔氧化反應器上部氧氣補充，促使氧化反應的全塔均勻化，提高反應器的空時產率。
如圖1所示，本發明內循環鼓泡塔氧化反應器的主體是塔體6，其內部可分為上部的氣液分離段4、中部的多級鼓泡段、底部的固液懸浮段三部分，中部的多級鼓泡段設有內循環導流筒5和氣體分布器7。工作時，液態芳烴、溶劑、催化劑從鼓泡塔下部的進料口1進入反應器，空氣或富氧氣體從入口3進入，經過氣體分布器7分散后進入反應區，產品漿料從反應器底部的漿料出口2離開反應器。
在該反應器的低部可設置底伸式攪拌器，以防止漿料的沉積；氧化反應熱通過溶劑蒸發的方式撤除，反應器的頂部設置氣液分離器4以抑制液沫夾帶。對于大高徑比的鼓泡塔氧化反應器，在鼓泡段中的不同高度安裝多級氣體分布器7和多級的內循環導流筒5，氣體分布器7和內循環導流筒5可以成組配置，優先2～4組。
以下對本發明的要點作進一步詳細說明。
1、氣體分布器本發明中的氣體分布器可以是環狀多孔分布器或多管口分布器，也可以是其它工業常用形式的分布器。氣體分布器安裝在內循環導流筒的下方，氣體出口置于循環導流筒和塔壁之間。這樣，氣泡流進入導流筒外側與鼓泡塔壁之間的環型通道，協同液體的重力作用強化導流筒內的向下液流速率。
2、鼓泡塔的高徑比鼓泡塔的高徑比小容易使氣體短路，高徑比大又容易導致塔內軸向物料混合不良、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，帶外循環管的鼓泡塔的高徑比一般在7～10。多級內循環導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級氣體分布器和1～5級的內循環導流筒。各級氣體分布器的通氣量可分別控制，優先采用自下而上逐步減小的原則。
3、內循環導流筒本發明中的內循環導流筒的功能是利用導流筒內外側的氣含率差別、在重力的作用下引起導流筒內外液相的循環流動。特別地，控制分布器出口氣泡流的導向使置于鼓泡反應器中心的導流筒的外側具有較高的氣含率，導流筒內的液固漿料就在重力作用下自上而下流動，將導流筒上部的物料不斷返回到導流筒的下部，形成循環并有效消除不良混合區，使物料濃度和溫度梯度降低。
內循環導流筒的截面積決定了液相循環流的流量。導流筒內液流向下流動的設計的優越性在于獲得相同液相循環流前提下，其截面積遠小于導流筒內氣液流向上流動、導流筒外側液流向下的設計，顯著節省導流筒的材料成本并方便安裝，對于大型鼓泡塔反應器特別突出；另一方面，內循環導流筒的存在改變了鼓泡塔中心區域的流動，避免了常規鼓泡塔中心氣體流動速率過大、停留時間過短、氣泡聚并等問題，導流筒外側與鼓泡塔壁之間的氣液流的流動速率均勻。本發明提出內循環導流筒截面積與鼓泡塔截面積之比為1/2～1/12；內循環導流筒截面形狀可以是圓形或多邊形，優選是圓形；內循環導流筒的高度與鼓泡塔的直徑D之比為1～3。
下面結合具體實例對本發明技術方案作進一步說明。這些例子僅是一些應用范例，不能理解為對本發明權利要求保護范圍的一種限制。
本發明的一種典型實例是雙級內導流筒與氣體分布器組合的鼓泡塔反應器反應器內徑380mm，反應器直筒高度2000mm；內導流筒內徑100mm，內導流筒高度500mm；雙級4直管對稱均布的氣體分布器，直管內徑25mm，插入深度25mm；雙級氣體分布器的層間距1400mm，內導流筒下沿高于相對于的氣體分布器200mm；上下層分布器進氣量分別為10m3/h和30m3/h。
作為比較，無內導流筒的鼓泡塔反應器反應器內徑380mm，反應器直筒高度2000mm；單層4直管對稱均布的氣體分布器，直管內徑25mm，插入深度25mm，管口距邊壁的距離25mm；通氣量40m3/h。
上述具體實例的內循環導流筒是否存在時鼓泡塔內液相流場的計算流體力學(CFD)模擬對比分析如圖2a和圖2b所示圖2a是雙級內循環導流筒與氣體分布器組合的鼓泡塔內的液速分布，圖2b是無內循環導流筒的常規鼓泡塔內的液速分布。
圖2a和圖2b對比結果表明鼓泡塔中合理設置內循環導流筒以后，液相流動得到了明顯改善，全塔內的液相流動均勻、流速加大、流場規整；導流筒內液體規則向下流動，強化了鼓泡塔軸向流體的混合，促進濃度梯度和溫度梯度的均勻化；由于導流筒內的向下液流，誘導了塔下部流體的流動；導流筒抑制了塔中心區的氣液上流，從而也改善了導流筒上部液相流動。
總之，本發明提出一種結構簡單、易于實施的內循環鼓泡塔式氧化反應器，其內部沒有任何運動部件，通過內循環導流筒和氣體分布器的協同作用，促進塔內局部區域的物料循環，多級進氣結構明顯改善了現有技術里大高徑比鼓泡塔的軸向氧氣濃度梯度，簡單的直立導流筒結構也不會引起固體顆粒的沉積，導流筒內的物料流動為降液流設計，使得導流筒的直徑顯著減小，有效節省了貴金屬材料。這些特點使本發明在芳香酸生產領域有著很好的應用前景。
權利要求
1.一種生產芳香酸的內循環鼓泡塔氧化反應器，其塔體由上部的氣液分離段、中部的多級鼓泡段、底部的固液懸浮段三部分組成，其特征在于該反應器中部的多級鼓泡段內部安裝有1～5級氣體分布器和1～5級內循環導流筒。
2.根據權利要求1所述的一種生產芳香酸的內循環鼓泡塔氧化反應器，其特征在于所述氣體分布器和內循環導流筒成組配置，優選2～4組。
3.根據權利要求1或2所述的一種生產芳香酸的內循環鼓泡塔氧化反應器，其特征在于所述內循環導流筒的截面積與鼓泡塔的截面積之比為1/2～1/12，內循環導流筒的高度與鼓泡塔的直徑D之比為1～3。
4.根據權利要求1或2所述的一種生產芳香酸的內循環鼓泡塔氧化反應器，其特征在于所述內循環導流筒的截面形狀是圓形或多邊形。
5.根據權利要求1或2所述的一種生產芳香酸的內循環鼓泡塔氧化反應器，其特征在于該鼓泡塔反應器的低部設有底伸式攪拌器。
6.根據權利要求1或2所述的一種生產芳香酸的內循環鼓泡塔氧化反應器，其特征在于該鼓泡塔反應器的頂部設有氣液分離器。
全文摘要
本發明涉及一種生產芳香酸的內循環鼓泡塔氧化反應器，屬于化工設備技術領域。其塔體由上部的氣液分離段、中部的多級鼓泡段、底部的固液懸浮段三部分組成，特點是該反應器中部的多級鼓泡段內部安裝有1～5級氣體分布器和1～5級內循環導流筒。這種反應器內部沒有任何運動部件，通過內循環導流筒和氣體分布器的協同作用，促進塔內局部區域的物料循環，有效消除不良混合區，使物料濃度和溫度梯度明顯降低。
文檔編號C07C51/16GK101092350SQ20071002463
公開日2007年12月26日 申請日期2007年6月26日 優先權日2007年6月26日
發明者馮連芳, 張軍, 顧雪萍, 仲軍實, 王嘉駿, 李良超 申請人:中國石化儀征化纖股份有限公司