способ приготовления смесей о-ксилола с воздухом для получения фталевого ангидрида

Формула изобретения

1. Способ приготовления о-ксилол-воздушной смеси для получения фталевого ангидрида, отличающийся тем, что о-ксилол полностью испаряют в испарителе в отсутствии кислорода, затем пар перегревают в перегревателе для предотвращения его конденсации и после этого смешивают с технологическим воздухом и эту смесь подают в реактор для получения фталевого ангидрида.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что испаритель о-ксилола является испарителем с естественной циркуляцией или испарителем с паровым пространством.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагрузка смеси по о-ксилолу составляет от 80 г о-ксилола на 1 нм³ воздуха до 120 г о-ксилола на 1 нм воздуха.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что для снабжения греющим паром перед испарителем о-ксилола включен паровой аккумулятор для поддержания постоянства потока греющего пара, подаваемого в испаритель.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что смешение паров о-ксилола с технологическим воздухом осуществляют с помощью смесительного устройства, выполненного в виде системы распылительных колец.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к способу приготовления гомогенной газовой смеси (исходного газа) из орто-ксилола (о-ксилола) и воздуха, являющейся основой для получения фталевого ангидрида (ФА), путем газофазного окисления в так называемом ФА-процессе.

Исходный газ для ФА-процесса, проводимого с использованием о-ксилола в качестве исходного продукта, до сих пор готовят следующим образом: технологический воздух засасывают с помощью воздуходувки из окружающей среды, фильтруют и затем сжимают до давления, позволяющего пропускать поток воздуха по нитке технологического газа ФА-установки. Этот поток технологического воздуха подогревается в теплообменнике, включенном за воздуходувкой. Параллельно с этим жидкий о-ксилол из сборника доводят насосом до определенного предварительного давления и пропускают через подогреватель. Подогретый о-ксилол параллельно потоку воздуха впрыскивают в воздушный поток в жидком виде с помощью сопловой системы в так называемом испарителе. Мелкие капли о-ксилола полностью испаряются в воздушном потоке, и затем, после проведения стадии гомогенизации (например, в статическом смесителе), достигается, наконец, равномерное распределение концентраций и температур в газовом потоке. Эта исходная реакционная смесь затем поступает в заполненный катализатором трубчатый реактор, в котором происходит частичное окисление о-ксилола и кислорода воздуха до фталевого ангидрида.

Вышеописанный принцип осуществления способа приготовления исходной реакционной смеси оправдывал себя в течение десятилетий в ФА-процессе, однако с последовательным введением более высоких нагрузок воздушного потока по о-ксилолу (более 80 г о-ксилола на 1 нм³ воздуха) обнаружились также потенциальные слабости в отношении взрывобезопасности узла приготовления исходной реакционной смеси ФА-установки, которые излагаются ниже.

Нижний предел взрываемости газообразной смеси о-ксилола с воздухом лежит при 44 г/нм³ . Было установлено, что минимально необходимая энергия для воспламенения смеси сильно уменьшается с увеличением содержания о-ксилола в смеси и поэтому смесь обладает повышенной чувствительностью в отношении возможности взрыва. Экономичность процесса получения фталевого ангидрида в высокой степени зависит от количества о-ксилола в смеси, приходящегося на 1 нм³ воздуха. Принципиально существует требование безопасной эксплуатации установок при нагрузке по о-ксилолу от 80 г о-ксилола на 1 нм ³ воздуха до 120 г о-ксилола на 1 нм³ воздуха.

Относительно возможных причин воспламенения в узле приготовления исходной реакционной смеси ФА-установки, специально при использовании вышеописанного способа приготовления исходной реакционной смеси, необходимо придерживаться следующего:

- при распылении жидкого о-ксилола в распылительных соплах происходит накопление статического электричества в самой капле о-ксилола, разряд которого через внутренние элементы испарителя может приводить к проскоку искры, которая, в свою очередь, может быть причиной взрыва.

- отложение остатков отходящего пара из испаренного о-ксилола на внутренних элементах испарителя может приводить к образованию слоев

В немецкой заявке на патент DE-A-2839831 описывается способ приготовления газовой смеси для окисления нафталина, в котором нафталин испаряют в отсутствие кислорода, испаренный нафталин смешивают с кислородом и отношение нафталина к кислороду в смеси регулируют путем измерения скорости потока. В этом способе при использовании нафталина достигается нагрузка 40 г нафталина на 1 нм³ воздуха.

В европейской заявке на патент ЕР-В-0483645 описывается способ приготовления исходной реакционной газовой смеси из нафталина, о-ксилола и воздуха. При этом о-ксилол вначале испаряют без доступа кислорода, а после этого с целью насыщения паров о-ксилола нафталином пропускают через жидкий нафталин. Затем эту смесь вводят в технологический воздух. При этом не происходит контакта испаряемого нафталина с кислородом воздуха, что, в противном случае, приводило бы к непрерывному образованию смолоподобных побочных продуктов в испарителе нафталина и, как следствие, к необходимости более частой чистки испарителя. Нагрузка в этом способе ограничена 100 г углеводородов на 1 нм³ воздуха.

В основу изобретения положена задача создать способ приготовления смесей о-ксилола с воздухом для получения фталевого ангидрида, который позволяет достигать нагрузки исходной реакционной смеси по о-ксилолу в пределах от 80 г о-ксилола на 1 нм³ воздуха до 120 г о-ксилола на 1 нм³ воздуха.

Согласно изобретению эта задача решается тем, что о-ксилол полностью испаряют в отсутствие кислорода, затем перегревают, после этого смешивают с кислородсодержащим воздухом и эту смесь подают в ФА-реактор. Для обеспечения гомогенного предварительного смешения обоих компонентов предусмотрено смесительное устройство для газов, установленное в том месте, где пары о-ксилола вводятся в технологический воздух, и выполненное в виде системы распылительных колец. Включенный за ним статический смеситель обеспечивает полную гомогенизацию смеси. В качестве испарителя может быть использован испаритель с паровым пространством или испаритель с естественной циркуляцией. Испаритель с паровым пространством является технически более простым и, следовательно, более экономичным решением, поэтому он, как правило, предпочтительнее. В случае, если о-ксилол содержит большое количество побочных продуктов в виде стирола или кумола, на испарительных поверхностях могут образовываться отложения, затрудняющие теплопередачу; этого можно избежать путем применения испарителя с естественной циркуляцией, так как испаритель с естественной циркуляцией работает с более высокими скоростями потока в зоне испарительных поверхностей.

Необходимо испарять о-ксилол при температуре, по меньшей мере, 175°С, которая соответствует абсолютному давлению пара 2,3 бар. Тем самым обеспечивается достаточный перепад давлений для подмешивания о-ксилола к технологическому воздуху, который в точке введения в него парообразного о-ксилола имеет абсолютное давление около 1,5 бар. При практической реализации установки температура испарения о-ксилола выбирается в пределах от 180 до 205°С, что соответствует абсолютному давлению пара от 2,4 до 4 бар.

Важное требование к испарительной системе состоит в том, что поток парообразного о-ксилола должен оставаться постоянным, так как колебания в содержании о-ксилола в потоке воздуха в течение кратковременных периодов могут нанести вред катализатору в ФА-реакторе; соблюдение этого требования особенно важно при высоких нагрузках по о-ксилолу. Подвод пара в испаритель о-ксилола обычно колеблется в известных пределах, что влечет за собой колебания подлежащего испарению потока о-ксилола. Эти колебания могут быть, по меньшей мере, практически полностью устранены путем применения парового аккумулятора достаточных размеров для подвода пара в испаритель о-ксилола. Кроме того, колебания уменьшаются тем больше, чем выше давление в испарителе о-ксилола.

Возможности осуществления предлагаемого способа подробнее поясняются ниже на примерах со ссылками на прилагаемые чертежи:

на фиг.1 показана технологическая схема процесса с испарителем с паровым пространством;

на фиг.2 - испарение о-ксилола с испарителем с естественной циркуляцией;

на фиг.3 - система распылительных колец.

Как видно на Фиг.1, о-ксилол (15) из сборника прокачивают насосом (4) для о-ксилола через оба подогревателя (5) и (6), где о-ксилол нагревают паром (13с, 13d) до 180°С. При этом насос (4) для о-ксилола создает на стороне нагнетания абсолютное давление 2,5 бар. Затем жидкий о-ксилол (15) поступает в испаритель (7) с паровым пространством. Этот испаритель имеет внутри парообогреваемые трубчатые змеевики (не показаны). о-Ксилол (15) испаряется при давлениях от 2,4 до 4 бар, соответствующих температуре испарения от 180 до 205°С. В качестве подогревающей среды используют насыщенный пар (14) с давлением от 18 до 30 бар, который при температуре 210°С и давлении 18 бар, соответственно при температуре 234°С и давлении 30 бар, имеет достаточную разность температур с испаряемой средой. Для поддержания постоянства потока насыщенного пара, подаваемого в испаритель (7) о-ксилола, предусмотрен паровой аккумулятор (12), который установлен между точкой отбора пара из паровой сети и испарителем (7) о-ксилола.

Полученный таким образом пар (18) о-ксилола отбирают из парового пространства испарителя (7) с паровым пространством и пропускают через перегреватель (8), который перегревает пар (18) о-ксилола на 10°С, чтобы не допустить конденсации пара. Избыточный конденсат (27) отбирают из испарителя (7). Предотвращение конденсации паров о-ксилола имеет решающее значение для регулирования расхода о-ксилола, так как регулирование расхода о-ксилола осуществляется через измерение расхода паров о-ксилола и при конденсации паров о-ксилола могут возникнуть колебания в содержании о-ксилола в потоке технологического газа. Наконец, перегретый пар (19) о-ксилола смешивают в специальном смесительном устройстве (10) с технологическим воздухом (16), подаваемым газодувкой (1) в реактор через двухступенчатые подогреватели (2) и (3). Смесительное устройство (10) спроектировано таким образом, что уже в точке ввода в него подмешиваемого реагента достигается хорошее перемешивание перегретых паров о-ксилола (19) с технологическим воздухом (16). С этой целью используют распылительные кольца, которые распределяют пары о-ксилола в трубопроводе технологического воздуха по всему его поперечному сечению. Технологический воздух (16) нагревают в подогревателях (2, 3) до приблизительно 150°С. Объединенный поток исходной газовой смеси (17) проходит статический смеситель (11) с целью гомогенизировать концентрацию и температуру потока, что имеет первостепенное значение для безопасной и эффективной работы окислительного реактора при указанных высоких нагрузках технологического воздуха по о-ксилолу. Необходимо, чтобы предварительное смешение перегретых паров (19) о-ксилола в смесительном устройстве (10) было максимально равномерным (см. также Фиг.3), так как статический смеситель (11) может смешивать лишь с определенной эффективностью и поэтому уже на входе в него смесь должна быть хорошо гомогенизирована, чтобы обеспечить для реактора требуемую степень смешения.

Вместо испарения о-ксилола в испарителе (7) с паровым пространством может быть использована в качестве принципа испарения естественная циркуляция, как показано на Фиг.2. После подогрева (5, 6) о-ксилол (15) поступает в барабан (9) для паров о-ксилола. Этот барабан (9) для паров о-ксилола питается из цикла естественной циркуляции. Кипящий о-ксилол (15) по опускной трубе (20) поступает в парообогреваемый испаритель (21), работающий как ребойлер. Часть протекающего через ребойлер о-ксилола испаряется в ребойлере при абсолютных давлениях от приблизительно 2,4 до 4 бар и затем снова возвращается благодаря естественной циркуляции в барабан (9) для о-ксилола. Из парового пространства пары поступают в перегреватель (8). В нем пары (18) о-ксилола перегреваются на 10°С, чтобы, как описано выше, не допустить конденсации пара. В дальнейшем способ осуществляется идентично описанному на Фиг.1.

На Фиг.3 изображена система распылительных колец, с помощью которой происходит смешение перегретых паров (19) о-ксилола с технологическим воздухом. Внутри трубопровода (23) для технологического воздуха расположено концентрически друг с другом несколько колец (22). Кольца (22) состоят из изогнутых и сваренных труб. Расстояние между кольцами (22) определяется радиальными распорками (24) из металлического листа. Перегретый пар (19) о-ксилола под давлением подают по трубопроводу (25) во все кольца. Кольца имеют множество равномерно распределенных по окружности выходных отверстий (26), через которые выходит пар о-ксилола и при этом смешивается с технологическим воздухом.

Пример

На ФА-установке с годовой мощностью 50000 тонн, находящейся в эксплуатации 8000 часов в год, проводят испарение о-ксилола согласно вышеописанному принципу. Чистота о-ксилола составляет 98%. Так как установка работает с нагрузкой 100 г о-ксилола на 1 нм³ воздуха и имеет выход 112% (кг произведенного чистого фталевого ангидрида на кг загруженного о-ксилола), то требуется поток о-ксилола 50000 тонн в год или:

ФА×1,12/8000/0,98=7143 кг о-ксилола/ч.

Потребность установки в потоке воздуха, необходимого для окисления, составляет 71430 нм³/ч.

Насос для перекачки о-ксилола подает поток о-ксилола (20°С, атмосферное давление), который имеет на выходе из насоса давление 1,8 бар и температуру 40°С. В первом теплообменнике, обогреваемом паром низкого давления 2,5 бар, температура о-ксилола достигает 135°С. Во втором теплообменнике, обогреваемом паром с давлением 18 бар, о-ксилол нагревается до 175°С. Если потери давления в теплообменниках и трубопроводах составляют 0,4 бар, то при входе в испаритель о-ксилол имеет давление 1,4 бар.

Расход пара в обоих подогревателях следующий:

1-й подогреватель:

Тепловой поток: 7143 кг/ч/3600 с/ч×2,1 кДж/кг К×(135°С-40°С)=396 кВт

Расход пара: 396 кВт/2153 кДж/кг×3600 с/ч=662 кг/ч (2,5 бар)

2-й подогреватель:

Тепловой поток: 7143 кг/ч/3600 с/ч×2,1 кДж/кг К×(175°С-135°С)=167 кВт

Расход пара: 167 кВт/1900 кДж/кг К×3600 с/ч=316 кг/ч (18 бар)

Испаритель должен испарять в час 7143 кг о-ксилола. Необходимый для этого тепловой поток составляет:

7143 кг/ч/3600 с/ч×[315 кДж/кг+(180°С-175°С)×[2,15 кДж/кг К]=1365 кВт, что требует греющего пара (18 бар) в количестве

1365 кВт/1900 кДж/кг К×3600 с/ч=2586 кг/ч.

В случае применения испарительной системы с естественной циркуляцией в испарительном цикле циркулирует

7143 кг/ч/0,15=47620 кг/ч о-ксилола.

Выходящие из парового барабана пары о-ксилола нагревают в перегревателе на 10 К, в результате чего их температура на выходе из перегревателя составляет 190°С.

Перегреватель требует для этого тепловой производительности

7143 кг/ч/3600 с/ч×1,9 кДж/кг К×(190°С-180°С)=38 кВт, что соответствует количеству греющего пара (18 бар):

38 кВт/1900 кДж/кг×3600 с/ч=72 кг/ч.

Перегретые пары о-ксилола имеют на выходе из испарителя давление 1,3 бар. Эти пары затем вводятся с декомпримированием в поток технологического воздуха, давление которого в этом месте составляет около 0,5 бар.