一种芳烷基氧化生产芳香羧酸的方法和氧化反应器

1.一种芳烷基氧化生产芳香羧酸反应器，包括圆筒形立式压力容器 (1)、垂直设置于圆筒形立式压力容器(1)内壁且与圆筒形立式压力容 器(1)内壁留有间隙的挡板(5)、一个轴向安装在圆筒形立式压力容器 (1)中的搅拌装置(3)和氧化气体入口装置(4)，其特征在于：
所说的搅拌装置(3)包括：
一个位于圆筒形立式压力容器(1)中部位置附近的上层翼型轴流宽 叶搅拌桨(301)，一个位于圆筒形立式压力容器(1)下部位置附近的中 层改型涡轮搅拌桨(302)和一个位于圆筒形立式压力容器(1)底部位置 附近的下层翼型轴流窄叶搅拌桨(303)；
所说的氧化气体入口装置(4)位于中层搅拌桨(302)和下层搅拌桨 (303)之间、靠近下层搅拌桨处；氧化气体入口装置(4)采取环状分布 的多管分布器，气流向下排出，管数为4-8根；
所说的挡板(5)设有槽隙(501)，挡板(5)的宽度为压力容器(1) 内径的0.06～0.1倍，挡板的下部设有指形(502)。
2.如权利要求1所述的反应器，其特征在于：上层翼型轴流宽叶搅 拌桨(301)采用设有6个叶片(311)的翼型轴流宽叶桨，中央为轮毂， 叶片(311)与轮毂由肋板连接，通过轮毂使叶片(311)安装在转轴上， 所述叶片在其半径方向的宽度范围内与任一与其轮毂共轴的圆柱面相交所 形成的剖面均为机翼型，轴流桨的盘面比为0.15～1.2，盘面比指的是叶片 在与转轴垂直的水平面上的投影面积之和与翼型桨旋转时扫过的圆盘面积 之比；
中层改型涡轮搅拌桨(302)采用改型涡轮，包括一个圆盘(322)和 设置在该圆盘(322)外缘的6个半圆形或抛物线形的叶片(323)，叶片 (323)上部的宽度比下部的宽度突出15～50％，叶片(323)均匀安装在 水平圆盘(322)上，并通过圆盘(322)与转轴相连接；
下层翼型轴流窄叶搅拌桨(303)采用翼型轴流窄叶斜桨，该搅拌桨 (303)具有六个叶片(333)，中央为轮毂，叶片(333)与轮毂由肋板连 接，通过轮毂使叶片(333)安装在转轴上，所述叶片在其半径方向的宽 度范围内与任一与其轮毂共轴的圆柱面相交所形成的剖面均为机翼型；
叶片(311)的盘面比大于叶片(333)的盘面比。
3.如权利要求1所述的反应器，其特征在于：所说的入口装置(4) 包括环状分布管(401)和与其相连通的分布支管(402)，管口向下，支 管数为4-8根，沿环状分布管(401)均匀布置，环状分布管(401)的 直径为下层搅拌桨叶(303)的直径的0.8～1.5倍，支管管口与叶轮的中心 距离为0.1～0.35T，T是压力容器(1)内径。
4.如权利要求1或2所述的反应器，其特征在于：挡板(5)上的槽 隙(501)可为一条或多条，槽隙(501)的面积为挡板的10～35％，槽 隙(501)设置在挡板(5)的中部、内侧或外侧，挡板(5)与反应器内 壁之间的间隙为0.008～0.012T，T是压力容器(1)内径。
5.如权利要求4所述的反应器，其特征在于：挡板(5)下部的指形 (502)占挡板总高度的10～25％。
6.一种芳烷基氧化生产芳香羧酸的方法，其特征在于：该方法包括 在权利要求1～5任一所述氧化反应器中，通过在可蒸发的溶剂介质中的含 氧气体液相氧化对二甲苯的反应步骤。

技术领域\n本发明涉及一种芳烷基氧化生产芳香羧酸的方法，以及所采用的氧化 反应器，具体地说，涉及二甲苯在钴、锰、溴催化剂作用下，用空气或福 氧在醋酸溶剂中通过气液相反应，将对二甲苯氧化成对苯二甲酸的方法和 所采用的反应器，特别涉及反应器中的搅拌装置和设置在反应器中的挡 板。\n背景技术\n二甲苯的氧化反应为一种复杂反应，除生成对苯二甲酸的主反应，另 有副反应生成多种副产物：如对羟基苯甲醛、对甲基苯甲酸和对甲基苯甲 醛等。此外，醋酸可以分解，二甲苯与溶剂醋酸都会发生部分燃烧，生成 CO，CO2和水。反应生成物以结晶析出，悬浮于系统中，构成气—液— 固三相物系。反应过程将放出大量的热量。该反应一般在设有排气口并能 较好混合的搅拌反应器中进行。\n实践和理论研究均证明，反应器中的混合状态将直接影响氧化反应的 效率和产品的质量，因此，设计一种能够对反应物料进行充分混合的反应 器已成为众多科学家所追求的目标。中国专利89102155.8披露了一种用 于芳烷基氧化制备芳香羧酸的氧化反应器，该专利所报道的技术对传统的 技术进行了改进，将氧化气体入口设置在搅拌装置的下部，同时将挡板的 宽度由传统的约为反应器内径的1/12改为反应器内径的0.02～0.04，从而 增加了反应器中气体的容量和降低了能耗，该专利同时采用了一种设有两 层桨叶的搅拌装置。由于该专利的挡板过于狭窄，而一般反应器高径比均 较大，二层桨叶即使很高功率，亦不能混合均匀。下部颗粒浓度较大，甚 至发生聚集、沉积；反应物不能迅速有效分散，影响反应速率和产物分布， 使副产物增加。其气体的容量还不能完全满足反应的需要，物料混合不够 均匀。如将下层桨叶下移，虽然可以改善底部的混合和颗粒分布，但是扩 大了桨间距，会出现桨间小循环；如上层桨叶下移，则上层上部空间特别 是自由面附近可能造成更不均匀的相分布。因此开发研究一种新的混合均 匀和节能的芳烷基氧化制备芳香羧酸的氧化反应器，是产业部门所十分期 望的。\n发明内容\n本发明需要解决的技术问题之一是公开一种芳烷基氧化生产芳香羧酸 的氧化反应器，以克服现有技术存在的气体的容量不能完全满足反应的需 要和物料混合不够均匀的缺陷；\n本发明需要解决的技术问题之二是提供一种芳烷基氧化生产芳香羧酸 的方法。\n本发明的技术方案：\n本发明对传统的氧化反应器的结构，包括搅拌装置、挡板和氧化气体 入口位置进行了全面的优化调整，该氧化反应器包括：\n一个设有物料入口装置的圆筒形立式压力容器；\n一个轴向安装在所述的压力容器中的组合搅拌装置，本发明选择三种 不同的桨型，构成三层组合桨，所述组合搅拌装置包括：一个位于圆筒形 立式压力容器中部位置附近的上层翼型轴流宽叶搅拌桨，该桨功率较低而 循环能力强，具有较好的气体分散能力，以达到均匀物料的目的；一个位 于圆筒形立式压力容器下部位置附近的中层改型涡轮搅拌桨，该搅拌桨有 较强的剪切力，通气后功率基本不下降，对气体的处理能力是普通直叶涡 轮的2-4倍，有助于大通气量时的气体分散，以使气体有效分散；一个 位于圆筒形立式压力容器底部位置附近的下层搅拌桨，该下层搅拌桨采用 循环性能好、功率低的翼型轴流窄叶搅拌桨，以保证颗粒离底悬浮。三种 不同类型桨叶的组合，充分发挥各自的独特性能，使反应器中气体分散， 液体混合，固体悬浮，三相体系的混合—分散性能得到显著改善。反应物 料迅速有效地分散，颗粒分布均匀，气体处理能力增加，气含率上升。由 于局部不均匀区消失，整个反应空间得到更有效的利用，提高反应器的生 产强度；\n一个位于中层搅拌桨和下层搅拌桨之间、靠近下层搅拌桨的氧化气体 入口装置，为防止堵塞、保证安全操作，本发明采取环状分布的多管分布 器，气流向下排出，管数为4-8根；\n多个垂直设置于反应器内壁且与反应器内壁留有间隙的、设有槽隙的 挡板，该挡板的宽度为反应器内径的0.06～0.1，本发明将挡板的宽度适度 减小，同时在挡板上开槽，使总宽度足够大，而净宽度足够小，既减小系 统阻力，节省能耗，同时避免中央漩涡。在两相和多相系统，使气含率增 加达15-25％，综合性能优于狭窄挡板。\n由于本发明全面调整了反应器的结构，包括搅拌桨，挡板和通气方式， 三相体系的混合-分散性能得到显著改善。反应物料迅速有效地分散，颗 粒分布均匀，气体处理能力增加，气含率上升。由于局部不均匀区消失， 整个反应空间得到更有效的利用，提高反应器的生产强度，降低了物耗和 能耗。\n附图说明\n图1为本发明的反应器的总体结构示意图。\n图2为上层搅拌桨的立体图。\n图3为中层搅拌桨的俯视立体图。图4为中层桨的正视立体图。\n图5为下层桨的俯视立体图。\n图6为八管环式气体分布器结构示意图。\n图7为四管环式气体分布器结构示意图。\n图8为单缝挡板示意图。\n图9双缝挡板示意图。\n图10为挡板端部指形的示意图。\n图11为该生产过程的示意图。\n具体实施方式\n见图1，本发明的氧化反应器包括：\n一个设有物料入口装置2的圆筒形立式压力容器1；\n一个轴向安装在所述的圆筒形立式压力容器1中的搅拌装置3，所述 搅拌装置3包括：一个位于圆筒形立式压力容器1中部位置附近的上层翼 型轴流宽叶搅拌桨301，一个位于圆筒形立式压力容器1下部位置附近的 中层改型涡轮搅拌桨302和一个位于圆筒形立式压力容器1底部位置附近 的下层翼型轴流窄叶搅拌桨303。\n上层翼型轴流宽叶搅拌桨301采用设有6个高盘面比叶片311的翼型 轴流宽叶桨，中央为轮毂，叶片311与轮毂由肋板连接，通过轮毂使叶片 311安装在转轴上，所述叶片在其半径方向的宽度范围内与任一与其轮毂 共轴的圆柱面相交所形成的剖面均为机翼型，轴流桨的盘面比为0.15～1.2， 盘面比指的是叶片在与转轴垂直的水平面上的投影面积之和与翼型桨旋转 时扫过的圆盘面积之比，如图2所示，具体的结构已经由中国专利 92245125.7所公开；\n中层改型涡轮搅拌桨302采用改型涡轮，包括一个圆盘322和设置在 该圆盘322外缘的6个半圆形或抛物线形的叶片323，叶片323上部的宽 度比下部的宽度突出15～50％，叶片323均匀安装在水平圆盘322上，并 通过圆盘322与转轴相连接，如图3和图4所示，具体的结构已经由美国 专利5791780所公开；\n下层翼型轴流窄叶搅拌桨303采用翼型轴流窄叶斜桨，该搅拌桨303 具有六个低盘面比叶片333，如图5所示，中央为轮毂，叶片333与轮毂 由肋板连接，通过轮毂使叶片333安装在转轴上，所述叶片在其半径方向 的宽度范围内与任一与其轮毂共轴的圆柱面相交所形成的剖面均为机翼 型。具体的结构已经由中国专利92245125.7所公开。本领域的一般技术 人员可以根据上述专利所公开的技术方便地制作所述及的搅拌装置；\n比较图2和图5可见，下层翼型轴流窄叶搅拌桨303采用的叶片333 的宽度小于上层翼型轴流宽叶搅拌桨301采用的叶片311的宽度。因此， 上层翼型轴流宽叶搅拌桨301也称为翼型轴流宽叶桨，而下层翼型轴流窄 叶搅拌桨303也称为翼型轴流窄叶斜桨，亦即叶片311的盘面比大于叶片 333的盘面比。\n一个位于中层搅拌桨302和下层搅拌桨303之间、靠近下层搅拌桨303 的氧化气体入口装置4，优选的入口装置4为一种管环式气体分布器，包 括环状分布管401和与其相连通的分布支管402，如图6或图7所示，管 口向下，支管数为4-8根，沿环状分布管401均匀布置，环状分布管401 的直径为下层搅拌桨叶303的直径的0.8～1.5倍，支管管口与叶轮的中心 距离为0.1～0.35T，T是压力容器1内径；\n多个垂直设置于压力容器1内壁、垂直均匀分布、且与反应器内壁留有 间隙的、设有槽隙501的挡板5，离壁距离0.008～0.012T，该挡板5的宽 度为压力容器1内径的0.06～0.1倍，挡板5的数量为4块，挡板5上的槽隙 501可为一条，也可为多条，挡板的下部设有指形502，占挡板总高度的 10～25％，如图8、图9和图10所示，指形502的作用在于更有效的消除 打旋，槽隙501的面积为挡板的10～35％倍，槽隙501可以设置在挡板5 的中部、内侧或外侧。\n芳烷基氧化生产芳香羧酸，如对二甲苯氧化生产对苯二甲酸即可在上 述氧化反应器中，在反应温度为190-200℃，反应压力为13-15kg/cm2 的条件下，通过在可蒸发的溶剂介质中的含氧气体液相氧化对二甲苯而进 行的。图11为该生产过程的示意图。预先配制的反应物料，其中含二甲 苯、醋酸、水及催化剂等从压力容器1中部的物料入口装置2加入压力容器1， 含氧气体通过氧化气体入口装置4被引入压力容器1的内部，液体氧化物和 溶剂介质通过物料出口装置6引出。该反应为强烈放热反应，依靠溶剂醋 酸蒸发，移去热量。大量蒸发的醋酸通过设置在压力容器1顶部的冷凝器8 中冷凝后，返回压力容器1，不凝性气体及水通过管线9从反应系统排出。\n采用上述的方法芳烷基氧化生产芳香羧酸，由于搅拌叶轮的合理选择 与配置，叶轮、挡板、通气管之间的匹配、协调，不仅使混合时间缩短， 气含率增加，颗粒悬浮，而且更为重要的是，反应器中组分分布、相分布 更为符合氧化反应的需要。在相近于工业生产条件的不同规模的模拟试验 中，均表明本发明所获得的良好效果。