РЕАКТОР ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ АРИЛКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ

Полезная модель относится к реакторам для проведения жидкофазных гетерогенных химико-технологических процессов окисления азотной кислотой ароматических углеводородов и может быть использована в производстве терефталевой, тримезиновой, фталевой, изофталевой, бензойной, нафталиндикарбоновой кислот при повышенных температуре и давлении.
Известен емкостной реактор для жидкофазного окисления углеводородов при повышенных температуре и давлении горизонтального типа (патент RU 2108856 С1, МПК6 В01J 10/00). Реактор содержит горизонтальный цилиндрический корпус, разделенный на камеры вертикальными перегородками, трубопроводы ввода исходных продуктов, вывода оксидата, подачи газа-окислителя, вывода вторичных паров окисления, ввода и вывода циркулирующей реакционной массы, устройства для охлаждения реакционной массы, коллектор для циркуляции вторичных паров окисления с одним или несколькими инжекционными устройствами. Недостатком данного устройства является сложность конструкции, металлоемкость, значительные энергозатраты.
Известен реактор жидкофазного окисления органических соединений в сточных водах при высокой температуре и давлении (патент US 4229296). Реактор состоит из пустотелого вертикального цилиндрического корпуса со штуцерами входа реагентов и выхода продукта и абгазов. Простота данной конструкции не обеспечит достаточного фазового перемешивания для процесса жидкофазного окисления ароматических углеводородов азотной кислотой, что является недостатком данного устройства.
Наиболее близким к предлагаемому решению проблемы жидкофазного окисления углеводородов азотной кислотой является конструкция реактора (автоклава) емкостного типа, помещенного в электропечь (Авторское свидетельство SU 1669529 А1). Реактор состоит из корпуса, съемной крышки, на которой установлена горловина для ввода вала перемешивающего устройства в реакционное пространство автоклава, к горловине присоединен корпус винтового многослойного трубчатого теплообменника, на котором установлен корпус многоступенчатого торцевого уплотнения вала механизма привода перемешивающего устройства, в крышке имеются штуцера для загрузки реагентов и выгрузки готовых продуктов
Использование емкостного типа реактора для жидкофазного окисления азотной кислотой при высоких температурах и под давлением с применением перемешивающего устройства, имеют ряд недостатков, а именно: сложность уплотнения валов мешалок, работающих в условиях агрессивных сред, повышенных температур и давлений, значительная длительность и трудоемкость, связанная с периодичностью проведения процесса.
В основу создания реактора была поставлена задача по разработке более простой и надежной в технологическом отношении конструкции, которая позволила бы проводить непрерывный высокопроизводительный и безопасный процесс жидкофазного окисления ароматических углеводородов без применения динамических перемешивающих устройств.
Технический эффект реактора жидкофазного окисления ароматических углеводородов азотной кислотой достигается тем, что реактор представляет собой вертикальный цилиндр, выполненный из антикоррозионного материала, снабженный штуцерами для входа исходного углеводорода и водного раствора азотной кислоты, выхода абгазов, слива реакционной массы, для датчика максимального уровня реакционной массы, для прибора регистрирующего давление, для отбора продукта - сырца, термогильзой для контроля температуры, оборудованный рубашкой для создания необходимого температурного режима, в нижней части реактор снабжен распределительным устройством, на котором располагается насадка.
Распределительное устройство обеспечивает эффективное перемешивание реагентов, непрерывно подающихся под давлением. Использование насадки способствует более быстрому достижению высоких значений конверсии ароматического углеводорода и увеличению выхода соответствующей арилкарбоновой кислоты.
Это увеличивает производительность реактора и позволяет упростить его конструкцию за счет исключения применения перемешивающих устройств, что существенно уменьшает затраты на обслуживание реактора. Реактор сконструирован с применением коррозионностойких материалов, устойчивых к воздействию агрессивной среды (разбавленной азотной кислоты) в условиях высокой температуры до 200°С и давления до 20 бар, создающихся в технологическом процессе.
Предлагаемый реактор прост в эксплуатации, дает возможность проведения технологического процесса в непрерывном режиме, что увеличивает производительность, снижает энергетические потери на межоперационное охлаждение реакционной массы или сброс давления и позволяет достигать высокого выхода целевого продукта.
В настоящее время изготовлен и испытан опытный образец реактора.
На фиг. 1 представлен общий вид реактора.
Реактор для жидкофазного окисления ароматических углеводородов азотной кислотой представляет собой вертикальный цилиндр поз. 1, выполненный из титана, со штуцерами для входа исходного углеводорода поз. 2 и окислителя поз. 3, выхода абгазов поз. 4, слива реакционной массы поз. 5, для датчика максимального уровня реакционной массы поз. 6, для прибора регистрирующего давление поз. 7, для отбора продукта - сырца поз. 8 и термогильзой поз. 9 для контроля температуры, снабженный рубашкой поз. 10 для создания необходимого температурного режима с штуцерами для входа (поз. 11) и выхода теплоносителя (поз. 12), в нижней части реактора для эффективного перемешивания реагентов без применения механического перемешивающего устройства установлено распределительное устройство поз. 13 с располагающейся на нем насадкой поз. 14, выполненной из титана, которая обеспечивает создание развитой поверхности контакта фаз при непрерывной подаче исходных реагентов.
За исключением штуцеров для входа и выхода теплоносителя, входа толуола и для прибора максимального уровня, которые выполнены из стали 12Х18Н10Т, материалом для остальных штуцеров является титан марки ВТ1-0.
Рассмотрим работу реактора на примере жидкофазного окисления толуола с получением бензойной кислоты.
В реактор поз. 1 дозирующим насосом высокого давления через штуцер поз. 3 подают расчетное количество 10-15% раствора азотной кислоты и подачей теплоносителя в рубашку поз. 10 нагревают реактор до температуры плюс 170-190°С. Затем дозирующим насосом высокого давления через штуцер поз. 2 с определенным расходом подают расчетное количество толуола.
2
После того как в реактор будет подано расчетное количество толуола, температура и давление в реакторе достигнут рабочих параметров (Р=20÷22 кгс/см, Т=плюс 170÷190°С), реактор переводят в непрерывный режим. Для этого, не прекращая подачи толуола, начинают подачу 10-15% раствора азотной кислоты в реактор дозирующим насосом с определенным расходом. Температура реакционной смеси в реакторе поддерживается регулированием температуры теплоносителя, подаваемого в рубашку реактора.
Для исключения забивок продуктовая линия снабжена электрообогревом. Температура на поверхности трубопровода поддерживается не ниже 130°С.
Полученная реакционная масса из реактора далее поступает на выделение целевого продукта. Таким образом в предложенном реакторе реализована проточная схема процесса жидкофазного окисления.
Сущность предлагаемой модели реактора иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1.
Окисление ароматического углеводорода разбавленной азотной кислотой проводят в реакторе в режиме периодического действия при температуре 190°С и давлении 20-22 бар. В реактор было загружено 42,4 г ароматического углеводорода. Получено 17,7 г продукта. Процесс проводили около 4 часов.
Пример 2.
Окисление ароматического углеводорода разбавленной азотной кислотой проводят в реакторе в режиме непрерывного действия с насадкой - кольца Рашига (титан, 8×8×1,5 мм) при температуре 190°С и давлении 20-22 бар. В реактор в течение 9 часов было загружено 186 г ароматического углеводорода. Получено 167 г продукта, в среднем 18,5 г/час.
Результаты представлены в таблице.
Из сопоставления примеров 1 и 2 видно, что при непрерывном режиме производительность увеличилась примерно в 4 раза.
Пример 3.
Окисление ароматического углеводорода разбавленной азотной кислотой проводят в реакторе в режиме непрерывного действия с насадкой - кольца Рашига (титан, 8×8×1,5 мм) при температуре 190°С и давлении 20-22 бар. Процесс проводили около 7 часов. Соотношение реагентов ароматического углеводорода: азотная кислота 1:3,15 моль.
Пример 4.
Окисление ароматического углеводорода разбавленной азотной кислотой проводят в реакторе в режиме непрерывного действия без насадки при температуре 190°С и давлении 20-22 бар. Процесс проводили около 7 часов. Соотношение реагентов ароматического углеводорода: азотная кислота 1:3,15 моль.
Результаты представлены в таблице.
Из сопоставления примеров 3 и 4 видно, что наличие насадки в реакторе приводит к увеличению выхода арилкарбоновой кислоты.
Экспериментально установлено, что благодаря предложенной конструкции реактора за счет его компактности и простоты устройства:
- повышена безопасность производства,
- снижена вероятность аварийной разгерметизации реактора, в отличии от реактора (автоклава) емкостного типа, где слабым местом является уплотнение перемешивающего устройства,
- за счет непрерывности получения требуемых арилкарбоновых кислот повышена производительность реактора по сравнению с реактором емкостного типа, что в конечном итоге позволяет снизить энергетические затраты, затраты на сырье, а также снизить металлоемкость аппарата.
Вся заявленная совокупность конструктивных признаков способствует достижению технического результата и в итоге решает поставленную задачу.