РЕАКТОР ДЛЯ ЖИДКОФАЗНОГО ОКИСЛЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДОВ

Изобретение относится к конструкциям химических реакторов и может применяться для осуществления таких процессов, как например жидкофазное окисление изобутана, изопентана, толуола, этилбензола, параксилола, этилена, метаксилола, изовалерианового альдегида, циклогексана и т.д.

Известен реактор для жидкофазного окисления углеводородов, содержащий горизонтальный цилиндрический корпус, разделенный на камеры вертикальными перегородками, расположенными с образованием совместного свободного пространства над ними, трубопровод ввода исходных углеводородов в первую камеру, трубопровод вывода оксидата из последней камеры, трубопровод подачи газа-окислителя, трубопровод вывода вторичных паров окисления, трубопроводы вывода и ввода циркулирующей реакционной смеси, а также устройства для охлаждения реакционной смеси (патент Франции 2416725, кл. В 01 J 3/04, 1979).

Недостатками данного реактора является наличие концентрационных неоднородностей в паровом пространстве над слоем реакционной смеси, связанных с различным составом вторичных паров, выходящих из различных камер, сравнительно жесткое окисление, приводящее к неселективным превращениям углеводородов, связанное с относительно высокими концентрациями кислорода в подаваемом в камеры газе-окислителе, а также застойные явления в пристеночных зонах реактора и особенно в межтрубных пространствах теплообменных пучков, расположенных непосредственно в реакционном объеме камер, осмоление теплообменных поверхностей и снижение теплопередачи.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является реактор для жидкофазного окисления углеводородов, содержащий горизонтальный цилиндрический корпус, разделенный на камеры вертикальными перегородками, расположенными с образованием совместного свободного пространства над ними, трубопровод ввода исходных продуктов в первую камеру, трубопровод вывода оксидата из последней камеры, трубопровод подачи газа-окислителя, трубопровод вывода вторичных паров окисления, трубопроводы вывода и ввода циркулирующей реакционной смеси, а также устройства для охлаждения реакционной смеси, коллектор для циркуляции вторичных паров окисления, расположенный параллельно его оси в пространстве над перегородками в корпусе или над корпусом и соединенный со свободным пространством первой и последней камер, причем коллектор имеет одно или несколько инжекционных устройств (патент РФ N 2108856, кл. В 01 J 10/00,1996).

Недостатком данного реактора является малоэффективный массообмен между жидкостью и газом за счет барботажа исходного газа-окислителя, расход которого незначителен (особенно при работе на обогащенном кислородом воздухе или кислороде). Интенсивный массообмен с помощью инжекторов возможен только в очень узкой области высоты столба жидкости в реакторе и в ограниченной области по ширине захвата. Для обеспечения эффективного массообмена по всему горизонтальному сечению реактора требуется установка большого количества инжекторов. А попытка увеличения массообмена по вертикальному сечению (на всю высоту слоя жидкости) реактора приводит к резкому возрастанию энергопотребления циркуляционных насосов, усложняет систему автоматического контроля и регулирования процессом. Кроме того, при большой циркуляции жидкой реакционной массы резко увеличивается время контакта с металлическими поверхностями аппаратуры, что неблагоприятно сказывается на сохранности гидроперекиси, так как при контакте с металлом возможно увеличение каталитического распада гидроперекиси.

Невозможность обеспечить хороший массообмен во всех точках реактора большой мощности даже при большом количестве инжекционных ячеек (так как массообмен у стенок и в зоне ниже отбойной тарелки значительно хуже) приводит к неэффективному использованию реакционного объема.

Наличие внутренних теплообменных устройств существенно усложняет конструкцию реакторов и затрудняет их чистку.

Имеется возможность попадания жидких углеводородов в линию подачи кислорода при кратковременном снижении давления в ней, что может вызвать ее саморазогрев до высоких температур и создать аварийную ситуацию.

Состав газовой фазы реактора неоднороден по реакционным зонам ввиду недостаточности циркуляции газовой фазы.

Необходимость поддержания более высокой концентрации кислорода в газовой фазе, а следовательно, и большой вывод его с инертами, т.е. расход кислорода сравнительно высокий.

Задачей предлагаемого изобретения является упрощение конструкции, повышение безопасности, увеличение производительности реактора и селективности процесса окисления по гидроперекиси.

Указанная задача решается тем, что реактор для жидкофазного окисления углеводородов, содержащий горизонтальный цилиндрический корпус, разделенный на камеры вертикальными перегородками, расположенными с образованием совместного свободного пространства над ними, трубопровод ввода исходных продуктов, трубопровод вывода оксидата из последней камеры, трубопровод подачи газа-окислителя, трубопровод вывода вторичных паров окисления, трубопроводы вывода и ввода циркулирующей реакционной смеси, соединенные с одним или несколькими инжекционными устройствами, устройство для охлаждения реакционной смеси, содержит коллектор для циркуляции вторичных паров окисления, содержащий инжектор, причем коллектор расположен ниже верхней кромки вертикальных перегородок и соединен с трубопроводом подачи газа окислителя, на трубопроводе ввода исходных продуктов в реактор установлена массообменная ячейка, соединенная с трубопроводом вывода вторичных паров окисления, реактор содержит трубопровод для циркуляции вторичных паров окисления с установленной на нем газодувкой.

Трубопровод для циркуляции вторичных паров окисления может быть соединен с трубопроводом ввода циркулирующей жидкой реакционной смеси.

Трубопровод для циркуляции вторичных паров окисления может быть соединен с распределителями вторичных паров окисления, расположенными в нижней части реактора под слоем жидкой фазы.

Распределители вторичных паров окисления могут содержать сопла, расположенные в горизонтальной плоскости.

Распределители вторичных паров окисления могут быть установлены с возможностью вращения вокруг вертикальной оси.

Реактор может содержать дополнительный трубопровод для ввода части циркулирующих вторичных паров в трубопровод подачи газа-окислителя.

Массообменная ячейка может быть выполнена, например, в виде трубы или колонны, заполненной насадкой или разделенной ситчатыми или другими тарелками, в которой газ и жидкость движутся противотоком, причем труба может быть заполнена жидкими углеводородами или может орошаться исходными углеводородами.

Массообменная ячейка также может быть выполнена, например, в виде смесителя газа и жидкости с сепаратором для их разделения.

Возможны и другие конструкции массообменной ячейки, обеспечивающие хороший контакт вторичных паров окисления с исходными углеводородами.

Распределители могут быть выполнены, например, в виде вертикальной трубы, с симметрично расположенными по разные стороны от нее горизонтальными трубами, которых может быть две или более. Горизонтальные трубы могут быть объединены трубным кольцом. По касательной в кольце и в поперечных трубах в горизонтальной плоскости установлены сопла с определенным диаметром отверстий. Верхняя часть распределительного устройства может быть выполнена в виде подвижного элемента, имеющего возможность вращения вокруг вертикальной оси за счет энергии выходящих из сопел струй.

К основным отличиям предлагаемого реактора от известного относятся:
- снабжение реактора циркуляционным коллектором с инжектором, который позволяет обеспечить быстрое разбавление газа-окислителя газовой фазой реактора, эффективно использовать тепло реакции окисления, надежно обеспечивать безопасность проведения процесса;
- установка массообменной ячейки на трубопроводе ввода исходных продуктов для контактирования вторичных паров окисления с исходным углеводородным сырьем, направляемым в реактор;
- снабжение реактора трубопроводом для циркуляции вторичных паров окисления с установленной на нем газодувкой, соединение с ним трубопровода ввода циркулирующей реакционной смеси и распределителей вторичных паров окисления, способных вращаться вокруг вертикальной оси, позволяет увеличить диспергирование газа, обеспечить более эффективный массообмен между газом и жидкостью;
- расположение сопел распределителей в горизонтальной плоскости позволяет обеспечить более полное газонасыщение реакционной зоны вне зависимости от ее геометрических размеров, что особенно важно при отличной от цилиндрической форме реакционной зоны;
На чертеже изображен многокамерный реактор.

Реактор выполнен в виде горизонтального или с небольшим наклоном (0-5^o) цилиндрического корпуса 1, содержащего последовательно расположенные реакционные камеры, разделенные вертикальными перегородками 2. Перегородки герметично прикреплены к днищу и боковым стенкам корпуса. Между перегородками и верхней частью корпуса имеется зазор. Перегородки обеспечивают поддержание рабочего уровня реакционной смеси в камерах реактора. В верхней части реактора над перегородками 2 образуется общее для всех камер свободное паровое пространство 3.

Реактор снабжен трубопроводами 4 для подачи исходных углеводородов, 5 для подачи газа-окислителя, 6 для вывода из последней камеры оксидата, 7 для вывода вторичных паров окисления.

Реактор также снабжен трубопроводами 8 для вывода и ввода циркулирующей в каждой камере жидкой реакционной смеси под давлением, создаваемым насосами 9.

Реактор снабжен циркуляционным коллектором 10, выполненным в виде трубопровода, расположенного ниже верхней кромки вертикальных перегородок и прикрепленного к ним, причем оба конца указанного трубопровода соединены со свободным паровым пространством реактора. В циркуляционном коллекторе 10 расположен инжектор 11, соединенный с трубопроводом подачи газа-окислителя 5.

Паровое пространство 3 играет роль части циркуляционного коллектора, в котором расположены инжекционные устройства в виде форсунок 12, соединенных с трубопроводами ввода циркулирующей реакционной смеси 8, и вертикальных труб 13, опущенных под слой жидкой фазы в каждой камере. На трубопроводах 8 установлены теплообменники 14. Теплообменники 14 могут быть установлены как на линии нагнетания, так и всасывания насосов 9.

На трубопроводе 4 для подачи исходных углеводородов установлена массообменная ячейка 15, соединенная с трубопроводом 7 для вывода вторичных паров окисления. Реактор снабжен трубопроводом 16 для циркуляции вторичных паров окисления, соединенным с трубопроводом 7 для вывода вторичных паров окисления. На трубопроводе 16 для циркуляции вторичных паров окисления установлена газодувка 17.

Реактор может содержать дополнительные трубопроводы 18 для подачи части циркулирующей жидкой реакционной смеси в трубопровод циркуляции вторичных паров окисления 16.

В нижней части камер реактора для обеспечения более эффективного массообмена между жидкостью и газом могут быть установлены распределители 19, соединенные с трубопроводом 16 для циркуляции вторичных паров окисления. Распределители 19 могут содержать сопла, расположенные в горизонтальной плоскости, и могут вращаться вокруг вертикальной оси.

Реактор может содержать дополнительный трубопровод 20 для ввода части циркулирующих вторичных паров в трубопровод подачи газа-окислителя.

Реактор может также иметь дополнительные перегородки 2а, установленные с зазором к перегородкам 2, при этом верхние торцы перегородок 2а установлены выше верхних торцов перегородок 2, а нижние торцы перегородок 2а установлены с зазором к корпусу реактора. Перегородки 2а герметично крепятся к средней части корпуса реактора. Перегородки 2 и 2а образуют шлюзовый затвор для сепарации пузырьков газа от перетекающей из одной камеры в другую реакционной смеси и для организации потока реакционной смеси в камерах реактора.

На трубопроводе 7 для вывода вторичных паров окисления до соединения его с трубопроводом 16 может быть установлен теплообменник 21.

Корпус реактора может быть снабжен разгрузочной камерой 22, отделенной от последней камеры реактора перегородкой 23 с верхним переливом.

Под вертикальными трубами инжекционных устройств могут быть установлены отбойные диски-диспергаторы 24.

Реактор работает следующим образом.

Реактор заполнен жидкостью до уровня верхней кромки вертикальных перегородок 2.

Газ-окислитель подается в реактор по трубопроводу 5, соединенному с циркуляционным коллектором 10, через инжектор 11, при этом обеспечивается направленная циркуляция вторичных паров через коллектор 10 и в паровом пространстве 3 реактора. В циркуляционном коллекторе 10 исходный газ-окислитель быстро разбавляется в инжекторе 11 газовой фазой реактора и подогревается жидкой реакционной средой.

Исходный углеводород подается в реактор по трубопроводу 4 через массообменную ячейку 15, в которой происходит его подогрев и насыщение кислородом перед вводом в реактор. При этом одновременно происходит охлаждение вторичных паров окисления и эффективное использование тепла реакции окисления.

Вторичные пары окисления после массообменной ячейки поступают в теплообменник 21 для дополнительной конденсации унесенных углеводородов. Конденсат возвращается в массообменную ячейку 15. Несконденсировавшиеся вторичные пары окисления (газовая фаза) частично выводятся из системы по трубопроводу 7 (при использовании в качестве кислородсодержащего газа воздуха, обогащенного кислородом, или чистого кислорода вывод вторичных паров окисления из реактора не обязателен), а частично направляются на циркуляцию по трубопроводу 16 с помощью газодувки 17.

Часть циркулирующих вторичных паров с нагнетания газодувки 17 по трубопроводу 20 направляется в трубопровод подачи газа-окислителя 5, что особенно эффективно при работе на кислороде или воздухе, обогащенном кислородом, другая часть поступает в распределитель 19 с соплами, расположенными в горизонтальной плоскости.

Часть циркулирующей с помощью насосов 9 жидкой реакционной смеси по трубопроводу 18 подается в линию циркуляции вторичных паров окисления от газодувки 17 перед вводом в распределитель 19.

Газожидкостная смесь, выходящая из сопел, обеспечивает вращение верхней части распределителя 19 с одновременным мелким диспергированием газа по всему сечению реакционной зоны, в том числе в удаленных от центра точках (вне зависимости от формы сечения реакционной зоны).

Такой распределитель особенно эффективен в аппаратах нецилиндрической конструкции, так как позволяет обеспечить хороший массообмен в удаленных частях реакционной зоны, например в углах прямоугольных или квадратных конструкций.

Циркулирующая жидкая реакционная смесь охлаждается в теплообменнике 14 и с помощью насоса 9 по трубопроводу 8 подается на форсунки 12 и по вертикальным трубам 13 совместно с потоками инжектированных из парового пространства 3 вторичных паров направляется в реакционные объемы камер. Потоки, выходящие из вертикальных труб, с большой скоростью диспергируются на отбойных дисках-диспергаторах 24.

Теплосъем в данном реакторе осуществляется охлаждением циркулирующих потоков жидкой реакционной смеси посредством теплообменников 14, установленных на трубопроводе 8, а также охлаждением рециркулирующих вторичных паров окисления в массообменной ячейке 15 и теплообменнике 21.

Таким образом, предлагаемый реактор в отличие от прототипа позволяет реализовать следующие преимущества.

По сравнению с прототипом в предлагаемом реакторе обеспечивается:
1. Подача свежего газа-окислителя непосредственно в паровое пространство реактора по циркуляционному коллектору через инжектор. При этом на входе сразу происходит разбавление газа-окислителя путем смешения его в инжекторе с вторичными парами окисления, содержащими минимальное количество углеводородов, а также, с одной стороны, обеспечивается подогрев газа-окислителя за счет использования теплоты реакции, а с другой - охлаждение трубопровода в аварийной ситуации при случайном попадании жидких углеводородов в этот трубопровод. При таком расположении коллектора подачи кислорода исключено попадание жидкой реакционной массы в линию кислорода, например, при падении давления в ней, что позволяет исключить разогрев трубопровода и таким образом обеспечить безопасность проведения процесса.

2. Состав вторичных паров более постоянен во всех реакционных зонах, так как существенно лучше циркуляция за счет нового конструктивного оформления варианта подачи кислорода и за счет интенсивной циркуляции вторичных паров как инжекторами, так и газодувкой.

3. Существенно более эффективный массообмен между газом и жидкостью во всем объеме реактора по высоте и по сечению даже при небольшом количестве инжекционных устройств способствует более эффективному использованию реакционного объема, т.е. повышению производительности реактора.

4. Уменьшение числа инжекционных устройств приводит к снижению энергоемкости, упрощению системы автоматического контроля и регулирования процесса окисления и упрощению конструкции реактора. Кроме того, уменьшение числа инжекционных ячеек, а следовательно, и уменьшение количества циркулирующей жидкости положительно сказывается на селективности процесса окисления. Это связано с тем, что при большой циркуляции жидкой реакционной массы резко увеличивается время контакта с металлическими поверхностями аппаратуры, что неблагоприятно сказывается на сохранности гидроперекиси, так как при контакте с металлом возможно увеличение каталитического распада гидроперекиси.

5. Подача небольшой части жидкой реакционной смеси в трубопровод циркуляции вторичных паров окисления перед вводом их в распределитель позволяет обеспечить очень тонкое распыление вторичных паров окисления. Это позволяет увеличить скорость реакции, а следовательно, увеличить производительность реактора.

6. Обеспечивается малый вывод вторичных паров только для удаления накапливающихся инертов (СO₂, остаточного азота и т.д.). При этом обеспечивается эффективная работа массообменной ячейки с одновременным охлаждением циркулирующих вторичных паров и подогревом исходного углеводорода за счет теплоты реакции, а также насыщение его кислородом.

Таким образом, изобретение обеспечивает упрощение конструкции, повышение безопасности, увеличение производительности реактора и селективности процесса окисления.