Brevet FR2019460A1 — publié le 19700703

La présente invention est relative à un procédé de fabrication d'un mélange homogène de vapeurs d'o-xylène et d'air pour l'oxydation catalytique de l'o-xylène en anhydride phtalique dans un réacteur-tubulaire rempli d'un catalyseur contenant V205. L'oxydation catalytique d'o-xylène avec 1'air en anhydride phtalique s'effectue surtout dans des réacteurs tubulaires dans lesquels sont disposés parallèlement un grand nombre de tubes remplis de catalyseur. Le mélange initial traversant les réacteurs est, par conséquent, divisé en beaucoup de courants partiels, qui se réunissent seulement après la fin de l'oxydation catalytique à la sortie des tubes remplis de catalyseur. La pratique a montré que l'oxydation de lto-xylène dans de tels réacteurs n'atteint pas, pour une petite partie, le stade de l'anhydride phtalique et dépasse également, pour une petite partie, ce stade.L'anhydride phtalique obtenu de cette manière contient toujours de petites quantités de phtalide et le gaz d'échappement contient de l'anhydride carbonique et de l'anhydride maléique, qui résultent d'une hyper-oxydation de lto-xylène. Ces sous-produits indésirables réduisent le rendement en anhydride phtalique et diminuent ainsi la rentabilité du procédé. La présente invention a pour but d'éviter le plus possible la formation de sous-produits indésirables, résultant aussi bien d'une hyper-oxydation que d'une sous-oxydation, et en conséquence d'augmenter le rendement en anhydride phtalique. On a pu constater alors que la formation des produits d'hyper-oxydation et de sous-oxydation d'une oxydation catalytique dans un réacteur tubulaire n'a pas lieu d'une façon uniforme dans tous les tubes, mais surtout dans quelques-uns d'entre eux. La cause en est l'hétérogénéité du mélange initial, qui conduit à l'alimentation de quelques tubes du réacteur avec un mélange dont le contenu en o-xylène s'écarte d'une façon considérable au-dessus ou au-dessous de la valeur optimale de 40 g par mètre cube normal.Une quantité trop faible d'o-xylène, en conjonction avec la basse température de réaction qui en résulte, conduit à la formation de phtalide, et une concentration trop importante d'o-xylène produit une température trop élevée dans le tube en question et une oxy dation~trop poussée indésirable de 1-hydro-carbure. Ces incon vénients peuvent entre évités en délivrant au réacteur un mélange homogè-ne, qui ne présente surtout pas de veines d'une concentration accrue en xylène, qui conduirait à une alimenstation plus forte en xylène des divers tubes remplis de catalyseur. Suivant l'invention? le problème en question est résolu par l'injection de l'o-xylène liquide, chauffé au préalable, en forme de gouttes d'un diamètre d'lm millimètre au maximum, dans un courant d'air turbulent, chauffé au préalable à une température de 120 à 3000C et par l'oxydation du mélange en moins de 0,-2 seconde après l'injection.De cette manière, on obtient au commencement de l'oxydation, c'est-à-dire à l'entrée des tubes remplis de catalyseur du réacteur, un mélange homogène de gaz, qui assure l'alimentation régulière de tous les tubes du réacteur avec l'o-xylène, une température régu lière dans tous les tubes et évite une hyper-oxydation ou une sous-oxydation. Le rendement en anhydride phtalique est d'environ 97 - en poids. I1 contient au maximum 0,05 en poids de phtalide et au maximum 0,3 % en poids d'anhydride maléique. L'o-xylène liquide est injecté, de préférence, dans un courant d'air chauffé au préalable à une température de 120 à 160 C. La chaleur qui accompagne le mélange dans le réacteur est ainsi réduite au minimum et le refroidissement du réacteur s'en trouve- allégé. Suivant la forme d'exécution préférée de l'invention, l'o-xylène est chauffé préalablement à une température de 100 à 1400C. L'o-xylène injecté à cette température s'évapore en peu de temps et se répartit d'une façon homogène dans le courant d'air, de sorte qu'ainsi de eurts temps de séjour sont nécessaires entre l'injection et 1'oxydation catalytique. Plus la température préalable de l'o-xylène est basse, plus on choisira une température élevée du courant d'air. De plus, une petite taille des gouttelettes est favorable pour une bonne homogénéité. On peut réduire la taille des gouttelettes et en conséquence accélérer l'évaporation et le mélange avec l'air, en augmentant la pression de fonctionnement de la pompe d'injection de l'ortho-xylène. I1 est prévu, de préférence, d'injecter l'o-xylène dans un courant d'air dont l'écoulement présente un nombre de Reynolds d'au moins 200.000. Avec cette forte turbulence, l'évaporation de l'o-xylène et le mélange avec l'air d'oxydation ont lieu en une demi-seconde à une seconde environ. L'o-xylène peut être injecté directement dans un conduit traversé par l'air de façon turbulente, ou bien dans un récipient mélangeur spécial. Un injecteur mélangeur convient également, dans lequel le courant d'air a été momentanément accéléré. L'o-xylène liquide, chauffé préalablement, est injecté dans le courant d'air dans la zone oU celui-ci est accéléré. Dans ce qui va suivre, on décrira plus en détail le procédé conforme à l'invention illustré par deux exemples de mise en oeuvre ; pour démontrer le progrès réalisé, on fait appel à un exemple de comparaison dans lequel on ne travaille pas suivant l'invention. Exeit > le de comparaison L'installation d'essai consiste en une soufflerie d'air 1 qui aspire l'air d'oxydation à partir du milieu environnant et le transporte, à travers un système de préchauffage 2 et une chambre de mélange 3 prévue en aval et équipée d'injecteurs 4, dans le four de catalyse 5 muni de tubes 6 remplis de catalyseur. Le récipient 7 pour 1'o-xylène, qui peut être chauffé, est raccordé par une tu-bulure 8 dans laquelle se trouve une pompe d'injection 9 aux injecteurs 4 de la chambre de mélange 3 de la conduite d'air 10.Les tubes 6 emplis de catalyseur) du four de catalyse 5 ont un diamètre intérieur de 2,5 cm et sont entourés à ltextérieur d'un bain de sel fondu servant à transmettre la chaleur et constamment brassé par un agitateur 11. L'installation est alimentée en air, préalablement chauffé à 800C dans le système de préchauffage 2. On injecte à travers les injecteurs, dans la chambre de mélange 3, suffisamment d'o-xylène pour que l'air soit chargé d'o-xylène à raison d'environ 40 g par mètre cube normal. La pression d'air dans la chambre de mélange se situe à environ 0,5 atmosphère effective et la pression de fonctionnement de la pompe d'injection de lto-xylène est réglée à une atmosphère effective. Dans ces conditions, le spectre des gouttes contient une quantité considérable de gouttes d'un diamètre supérieur à un milli mètre. La distance entre les injecteurs et l'entrée dans les tubes de catalyse du four est de 10 mètres. La vitesse du mélange gazeux dans la chambre de mélange est de 5 m/sec. et le temps de séjour disponible pour l'évaporation et l'homogénéisation est de 3,3 secondes. En sublimant le produit réactionnel provenant du gaz d'échappement du four de catalyse, on obtient un anhydride phtalique brut avec un rendement de 92 % en anhydride phtalique.L'analyse donne 0,2 % de phtalide En augmentant graduellement jusqu'à 300au la température du courant d'air dans le système 2 de préchauffage de I1 air, on a pu constater que le rendement en anhydride phtalique s'élevait à 93,5 % pour une température d'air de 1000C. EXEMPLE 1 L'installation d'essai est alimentée en air et en o-xylène comme il a été décrit dans l'exemple de comparaison. L'air est chauffé au préalable à 1500C dans le système de préchauffage, l'o-xylène est injecté dans la chambre de mélange à une température de 1100 C. La pression préalable dans les injecteurs a été ensuite augmentée graduellement d'une atmosphère effective chaque fois jusqu'à 8 atmosphères effectives, au cours d'une période de temps très longue. L'augmentation de la pression préalable de une à 2 atmosphères effectives, à laquelle correspond une réduction du diamètre de la goutte essentiellement au-dessous d'un millimètre, permet d'obtenir un rendement accru en anhydride phtalique et une amélioration de la qualité du produit. Le rendement en anhydride phtalique est porté à 97 % et la teneur du produit brut en phtalide diminue jusqu'à 0,05 % en poids.En réduisant encore la taille des gouttelettes par l'augmentation de la pression de fonctionnement des injecteurs de 3 jusqu'à 8 atmosphères effectives, on ne peut pas constater d'autre augmentation du rendement. Ensuite, le trajet de mélange entre les injecteurs et les tubes de catalyse a été réduit à 2,5 m, tout en conservant une vitesse d'écoulement V de Sm/sec. Malgré la diminution à 0,83 sec. du temps de séjour disponible pour l'évaporation des gouttelettes et l'homogénéisation, le rendement de 97 % en anhydride phtalique et la teneur en phtalide du sublimé, à savoir 0,05 % en poids, restent inchangés. EXEMPLE 2 L'installation d'essai décrite dans l'exemple de comparaison est conduite-dans les conditions qui sont décrites dans ledit exemple, mais l'o-xylène est injecté à une température de 13500 dans l'air chauffé au préalable-à 1600C. La taille des injecteurs et la pression de fonctionnement sont choisies de façon à former essentiellement des gouttelettes d'un diamètre inférieur à 0,3 mm. Dans ce cas, le trajet de mélange a pu être raccourci à un mètre environ, correspondant à un temps de séjour disponible de 0,35 sec. entre la dernière injection et l'entrée dans les tubes de catalyse. Le rendement en anhydride phtalique est, dans ce cas aussi, presque de 97 % et la teneur en phtalide est de 0,05 %. REVENDICATIONS 1. Procédé de préparation d'un mélange d'o-xylène sous forme de vapeur et d'air par injection d'o-xylène dans un courant d'air préalablement chauffé, pour l'oxydation catalytique en anhydride phtalique dans un reacteur tubulaire rempli d'un catalyseur contenant V205, caractérisé par le fait que l'o-xylène liquide, chauffé préalablement, est injecté sous forme de gouttelettes d'un diamètre d'un millimètre au maximum dans un courant d'air turbulent, ehauiZé au préalable à une température de 120 à 3000C, et par le fait que le mange est oxydé au moins 0,2 seconde après l'inJectien. 2. Procédé suivant la rezendication 1, caractérisé par le fait aue l'o-xylène liquide est injecté dans le courant d'air chauffé au préalable à 120 - 160 C. 3. Procédé suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que l'o- ylbne est préchauffé à une température de 100 à 1400C. 4. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que l'o-xylène est injecté dans un courant d'air avec un nombre de Reynolds d'au moins 200.000. 5. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que le mélange est oxydé une demi-seconde à une seconde après l'injection de 1' o-xylène.