барботажный реактор окисления циклогексана

Формула изобретения

1. Барботажный реактор окисления циклогексана, включающий устройства подачи и распределения воздуха или инертной среды - азота с каналами подачи и поперечные перегородки с отверстиями, отличающийся тем, что перегородки перекрывают все поперечное сечение реактора без зазора, а отверстия выполнены любой формы и расположения, но взаимное размещение устройств подачи и распределения воздуха или азота с каналами подачи и отверстий в поперечных перегородках таково, что в аварийных условиях с подачей по каналам азота распределенными в реакционном объеме струями азота создаются газовые перемычки условно запирающие отверстия, которые вместе с поперечными перегородками обеспечивают квазистационарное разделение реакционного объема на отсеки.

2. Барботажный реактор окисления циклогексана по п.1, отличающийся тем, что квазистационарное разделение реакционного объема на отсеки обеспечивается поперечными перегородками в виде одиночных листовых пластин, перекрывающих все поперечное сечение реактора без зазора, а отверстия в листовых пластинах выполнены в виде кольцевых проемов, по центральным осям которых установлены жестко скрепленные с ними кольцевые трубные устройства подачи и распределения воздуха - барботеры, с каналами подачи, причем газовая фаза подается по каналам только в проемы, создавая в аварийных условиях при подаче азота по каналам условно запирающие проемы газовые перемычки.

3. Барботажный реактор окисления циклогексана по п.1, отличающийся тем, что квазистационарное разделение реакционного объема на отсеки достигается использованием устройства подачи и распределения воздуха в виде двух перекрывающих все поперечное сечение реактора листовых пластин-перегородок, соединенных с торцами сквозных патрубков и образующих межпатрубочную полость с размещением каналов в патрубках для нагнетания воздуха или азота, создающим в аварийных условиях с подачей азота условно запирающие патрубки газовые перемычки.

4. Барботажный реактор окисления циклогексана по любому из пп.1 и 3, отличающийся тем, что нижняя из поперечных перегородок соединенных с торцами сквозных патрубков или нижние части сквозных патрубков выполнены с коническими частями на которых насверлены каналы для нагнетания воздуха или азота направленные вверх создающие в аварийных условиях с подачей азота условно запирающие патрубки газовые перемычки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам, специально приспособленным для проведения химического взаимодействия жидкости с газообразной средой, а более конкретно к барботажным реакторам для жидкофазного окисления циклогексана кислородом воздуха - одной из основных стадий получения капролактама - базового продукта для производства полиамидных пластмасс, и может быть использовано в конструкциях любых реакторов барботажного окисления углеводородов.

Известны конструкции аналогов - двухсекционных реакторов барботажного типа, установленных двумя ступенями - с образованием самотечно-переточного каскада и предназначенных для жидкофазного окисления циклогексана при получении капролактама, см. описание в работе Бадриана А.С., Кокоулина Ф.Г. и др. «Производство капролактама» под ред. Овчинникова В.И. и Ручинского В.Р. М., Химия, 1977, стр.60÷63, рис.16. Описанный аналог - барботажный реактор окисления циклогексана - в схеме двухреакторного каскада - установлен на первой или второй ступени. Принципиальных отличий в конструкции реакторов по ступеням - нет. Реактор каждой ступени - вертикальный сосуд, работающий под давлением, состоящий из двух последовательно размещенных по высоте секций - одной верхней и одной нижней. Секции разделены сплошной поперечной перегородкой с центральной трубой для вывода отработанной газовой фазы. Каждая секция реактора включает устройство подачи и распределения воздуха в виде кольцевых распределителей воздуха - барботеров, расположенных в нижней части секции в одной горизонтальной плоскости, но при верхнем расположении общего штуцера ввода воздуха. Также к каждой секции присоединены штуцера: ввода - вывода реакционной жидкости. В штуцер ввода реакционной жидкости первой секции первого реактора вводится свежий циклогексан. В устройствах подачи и распределения воздуха - трубах, изогнутых по кольцу, выполнены - насверлены два ряда каналов во внутренней трубе и один ряд в наружной. Оба ряда каналов внутренней кольцевой трубы выполнены внизу - по двум кругам с двух сторон от поверхности условного вертикального цилиндра, проходящего через центральную ось каждого кольца трубы - под углом к оси трубы - 45°. На наружной трубе выполнен только один ряд каналов - под тем же углом, но с направлением только внутрь реакционного пространства.

Работа конструкций-аналогов заключается в последовательном ступенчато-посекционном, с перерывами, окислении циклогексана С₆Н₁₂. Движение окисляемого продукта от «свежего» циклогексана до реакционной жидкости с максимальным содержанием окисленных целевых продуктов (оксидата) производится самотечным перетоком от секции к секции обоих реакторов (из верхней секции 1-го реактора в верхнюю секцию 2-го, затем из нее в нижнюю секцию 1-го реактора и затем в нижнюю 2-го). Начинается процесс с верхней части 1-ой секции первого реактора, куда подается «свежий» подогретый циклогексан. Одновременно подаваемый в оба кольцевых распределителя воздух через три ряда каналов, выполненных по двум кругам - с двух сторон от оси внутреннего кольцевого барботера и один ряд от оси наружного, попадает тремя направленными вниз реактора круговыми многоструйными потоками, образующими при всплывании три условных цилиндрических квазистационарных воздушно-пузырьковых поверхности в реакционном объеме, заполненном жидкостью. Кислород воздуха вступает в реакцию окисления с циклогексаном. Образуются окисленные целевые продукты: циклогексанон С₆Н ₁₀О и циклогексанол С₆Н₁₁ОН. Содержание их по мере опускания порций смеси вниз (в условно дискретном представлении процесса) повышается. Образующаяся и усредняющаяся в общем реакционном объеме по мере перемещения смесь циклогексана, циклогексанона и циклогексанола - реакционная жидкость самотечным перетоком переводится в следующую - верхнюю секцию второго реактора. В следующих секциях обоих реакторов процесс окисления С₆ Н₁₂, содержащегося в реакционной жидкости, принципиально не отличается от описанного окисления «свежего» циклогексана в первой секции первого реактора, а потому условно далее не приводится. Суммарная конверсия циклогексана за проход в 4-ех секциях двух реакторов составляет приблизительно 4÷5% (с исходных - в «свежем» сырье - 0,15÷0,3%). Окончательно готовая и усредненная по объему реакционная жидкость с максимальным содержанием окисленных продуктов - оксидат из последней нижней секции 2-го реактора выводится в нижний штуцер реактора и направляется на нейтрализацию (в технологический процесс разделения - выделения целевых продуктов). Особенностью начальной - пусковой стадии включения в работу реакторов является введенная для повышения безопасности процесса окисления - подача азота через штатные устройства подачи и распределения воздуха, и только затем постепенное добавление воздуха с последующим полным замещением азота воздухом. Вообще конструкции реакторов аналогов характеризуются повышенной безопасностью, т.к. реакционный объем разделен поперечной перегородкой на две части - две секции уменьшающие - дробящие массовый объем продукта и зону потенциально опасной реакции окисления - зону с процессом управляемого горения, - в два раза.

Недостатком конструкций-аналогов является пониженный выход готовых - окисленных целевых продуктов и повышенный выход побочных продуктов окисления - смол, связанный с недостаточно равномерным распределением подаваемого воздуха по поперечному сечению секций реакторов через имеющиеся устройства подачи и распределения - кольцевые барботеры. Образующиеся три вертикально вытянутых цилиндрических поверхности условного квазистационарного существования пузырьков по существу включают в реакцию узкие зоны объемов жидкости вблизи этих поверхностей. Ширина зон реакции - сопоставима с несколькими диаметрами, например десятью диаметрами истекающих пузырьков. То есть на весь диаметр реакционного объема - диаметр аппарата - 3000 мм - ширина активных полос равна соответственно, например, 10×6=60 диаметров пузырьков. Что, даже при диаметре пузырька 10 мм (диаметр каналов в кольцевых трубах - 2 мм) несопоставимо с величиной самого диаметра реактора. Из-за недостаточной равномерности окисления по объему аппарата - узкой локализации зон окисления - удлиняется общее время окисления и усиливаются процессы смолообразования, т.е. увеличивается выход побочных продуктов - смол.

Наиболее близким по технической сущности решением, принятым за прототип, является барботажный реактор окисления циклогексана по патенту РФ № 2381060. Известный из патента барботажный реактор окисления циклогексана выполнен с единым - не секционированным объемом, в котором установлено несколько устройств подачи и распределения воздуха, последовательно размещенных по высоте. В конструкции прототипа, по Фиг.8 и пункту 9 формулы изобретения принята оригинальная конструкция устройства для ввода и распределения воздуха в реакционном пространстве реактора - в виде отдельной полости, образованной двумя пластинами - верхней и нижней, соединенными с торцами сквозных патрубков, обеспечивающих транзитный проход реакционной жидкости и газа. Образованная таким образом межпатрубочная полость выполнена как узкая перегородка, прикрепляемая к корпусу реактора. Для подачи воздуха в реакционный объем из межпатрубочной полости в стенках патрубков по середине их длины насверлены многочисленные каналы.

Работа конструкции барботажного реактора окисления циклогексана прототипа с единым - несекционированным объемом, снабженным по меньшей мере одним отдельным устройством ввода воздуха, которое включает верхнюю и нижнюю пластины с приваренными к ним сквозными патрубками с каналами заключается в следующем. Окисляемая реакционная жидкость подается сверху вниз. Воздух вводится в нижнюю часть реактора. В отличие от устройств подачи распределения воздуха в виде двух кольцевых барботеров - аналога ввод воздуха внизу реакционного объема реактора прототипа осуществляется не в кольцевые трубы, а внутрь межпатрубочной полости и затем через многочисленные каналы, насверленные в стенках патрубков, - в реакционный объем. Прошедшие через каналы в стенках патрубков внутрь их - в реакционный объем реактора - струйки воздуха превращаются в цепочки всплывающих вверх от узкой перегородки воздушных струек - микрообъемов-пузырьков. Поясним, что скорость всплытия воздушных пузырьков относительно стенок реактора значительно выше скорости опускания условной порции жидкости реакционной жидкости вниз, поэтому процесс относительного движения рассматривается упрощенно как классическое «всплытие». В поверхностных слоях жидкости, окружающих каждый всплывающий воздушный микрообъем, протекает реакция окисления. Так как число каналов в стенках патрубков выполнено максимальным, то очевидно, что условная плотность распределения - насыщения сечения реактора струями пузырьков воздуха в сечении реактора прототипа гораздо выше, чем в конструкциях, создаваемых в реакторах кольцевыми барботерами - аналогами, имеющими только три ряда каналов. Межпатрубочная полость, образованная пластинами с вваренными патрубками, является своеобразной максимально перфорированной конструкцией, не оказывающей сопротивления движению потока реакционной жидкости - сверху вниз, а газовой фазы снизу вверх - в самом реакторе и служащей для максимально плотной - равномерно распределенной подачи воздуха изнутри полости во внутреннее пространство реактора.

Недостатком конструкции прототипа является пониженная безопасность процесса окисления циклогексана. Пониженная безопасность процесса обусловлена конструктивным отсутствием в реакторе деления массового объема продукта и соответственно реакционного объема - зоны с потенциально опасной - управляемой реакцией горения на более мелкие объемы, т.е. по существу отсутствием устройств дробления общего объема реактора на отсеки, а также отсутствием в аварийных условиях активной обработки этих более мелких объемов инертной средой - азотом.

Целью заявляемого технического решения является повышение безопасности процесса окисления циклогексана.

Указанная цель достигается тем, что в известном барботажном реакторе окисления циклогексана, включающем устройства подачи и распределения воздуха или инертной среды - азота с каналами подачи и поперечные перегородки с отверстиями, перегородки перекрывают все поперечное сечение реактора без зазора, а отверстия выполнены любой формы и расположения, но взаимное размещение устройств подачи и распределения воздуха или азота с каналами подачи и отверстий поперечных перегородок таково, что в аварийных условиях с подачей по каналам азота распределенными в реакционном объеме струями азота создаются газовые перемычки, условно запирающие отверстия, которые вместе с поперечными перегородками обеспечивают квазистационарное разделение реакционного объема на отсеки. Квазистационарное разделение реакционного объема на отсеки обеспечивается поперечными перегородками - в виде одиночных листовых пластин, перекрывающих все поперечное сечение реактора без зазора, а отверстия в листовых пластинах выполнены в виде кольцевых проемов, по центральным осям которых установлены жестко скрепленные с ними кольцевые трубные устройства подачи и распределения воздуха - барботеры с каналами подачи, причем газовая фаза подается по каналам только в проемы, создавая в аварийных условиях - при подаче азота по каналам условно запирающие проемы газовые перемычки. Квазистационарное разделение реакционного объема на отсеки достигается использованием устройств подачи и распределения воздуха в виде двух перекрывающих все поперечное сечение реактора - без зазора листовых пластин - перегородок, соединенных с торцами сквозных патрубков и образующих межпатрубочную полость с размещением каналов в патрубках для нагнетания воздуха или азота, создающим в аварийных условиях при подаче азота - условно запирающие патрубки газовые перемычки. Нижняя из поперечных перегородок соединенных с торцами сквозных патрубков или нижние части сквозных патрубков выполнены с коническими частями, на которых насверлены каналы для нагнетания воздуха или азота, направленные вверх, создающие в аварийных условиях - при подаче азота условно запирающие патрубки газовых перемычек.

Предлагаемое техническое решение поясняется Фиг.1-5.

На Фиг.1 приведена схема каскада из двух конструктивно одинаковых барботажных реакторов с устройствами подачи и распределения воздуха в виде кольцевых барботеров и поперечными перегородками, перекрывающими все поперечное сечение реактора без зазора. В перегородках для движения реакционной жидкости вниз, а газовой фазы противотоком вверх выполнены отверстия в виде кольцевых проемов. Воздух или азот подается в проемы перегородок - вниз.

На Фиг.2 представлен фрагмент I перегородки с кольцевыми барботерами по Фиг 1, жестко скрепленными с листом перегородки и размещенными по центральным осям выполненных в перегородке кольцевых проемов.

На Фиг.3 изображена схема продольного сечения барботажного реактора окисления с устройствами подачи и распределения воздуха в виде двух перегородок - листовых пластин, перекрывающих все поперечное сечение реактора без зазора и соединенных с торцами сквозных патрубков с образованием межпатрубочной полости. В патрубках насверлены каналы. Воздух или азот подаются в межпатрубочную полость перегородок.

На Фиг.4 приведен фрагмент II устройства подачи и распределения воздуха или азота по Фиг.3 с изображением одного патрубка с каналами. Вариант по Фиг.4 - вариант упрощенного исполнения перегородки из двух пластин - листов и патрубков, нарезанных из трубы.

На Фиг.5 приведен фрагмент III с другим вариантом конструктивного исполнения перегородки: - с нижним листом, выполненным переменного профиля с коническими частями, в которых насверлены каналы подачи воздуха или азота, направленные вверх. Различные конструктивные варианты исполнения по фрагментам по II и III на одной схеме продольного сечения одного барботажного реактора окисления Фиг.3, объединены условно.

Тонкими пунктирными линиями на Фиг.2; 4; 5 показаны траектории газовых струй азота от устройств подачи и распределения воздуха или азота, создающих в аварийных условиях - при подаче азота условно запирающие отверстия в перегородках - газовые перемычки. Заглавными буквами А, Б, В, Г обозначены отсеки квазистационарно разделенного реакционного объема.

Показанное на Фиг.1 и 3 количество перегородок - три, - принято условно.

Предлагаемая конструкция барботажного реактора окисления, по варианту Фиг.1, состоит из размещенных в корпусе 1 реактора устройств подачи и распределения воздуха: - в виде кольцевых барботеров 2. По варианту Фиг.2 кольцевые барботеры 2 жестко скреплены ребрами 3 с поперечными перегородками 4, перекрывающими все поперечное сечение реактора без зазора и выполненными в виде одиночных листовых пластин. Причем кольцевые барботеры 2 с насверленными каналами 5 размещены над поперечными перегородками 4 по центральным осям выполненных в перегородках кольцевых проемов 6. По варианту Фиг.3; 4; 5 устройства подачи и распределения воздуха выполнены в виде двух перекрывающих все поперечное сечение реактора без зазора листовых перегородок 7 и 8, соединенных с торцами сквозных патрубков 9 и образующих межпатрубочную полость 10 с каналами 11 в патрубках для нагнетания воздуха или азота. По варианту Фиг.5 нижняя перегородка 8 выполнена с переменным профилем, включающим конические части, на которых насверлены каналы 11 для нагнетания воздуха или азота, направленные вверх. Возникающие запирающие газовые перемычки показаны на фрагментах Фиг.2; 4; 5 тонкими пунктирными линиями. Вариант исполнения перегородки по фрагменту II - Фиг.4 - более прост в изготовлении, чем вариант по фрагменту III - Фиг.5, т.к. позволяет использовать обычные пластины и сварку с патрубками. В варианте по фрагменту III, Фиг.5, необходимо дополнительное формующее прессование нижних пластин - перегородок 8.

Работа предлагаемой конструкции барботажного реактора окисления циклогексана заключается в следующем. «Химия» процесса окисления остается неизменной и представляет собой сложный многостадийный комплекс превращений с образованием промежуточных - временно существующих продуктов реакции, который наиболее подробно описан в основной классической работе под ред. Овчинникова В.И. на стр.35-44. Основная гидродинамика взаимодействия воздуха и жидкости при работе в штатном режиме от описания приведенного в конструкции патента РФ № 2381060 - прототипа отличается мало. То есть в корпус 1 наполненного жидкостью реактора, в первый момент времени это чистый циклогексан, по устройствам подачи воздуха или азота в виде кольцевых барботеров 2 через насверленные каналы 5 по варианту Фиг.1; 2 или через межпатрубочную полость 10 по насверленным каналам 11 в патрубках 9 подают азот. Постепенно в азот добавляют воздух с последующим полным замещением азота воздухом. С попаданием кислорода воздуха в реакционный объем в активных зонах - вблизи поверхностей воздушно-пузырьковых струй начинаются и развиваются реакции окисления, см. работу под ред. В.И.Овчинникова, стр.35-44. Главное технологическое отличие в работе предложенного реактора от прототипа состоит в следующем. Т.к. перегородки в виде одиночных листовых пластин 4 по Фиг.1; 2 или в варианте по Фиг.3; 4; 5 в виде двух листовых пластин 7 и 8 перекрывают все поперечное сечение реактора - без зазора, никаких свободных перетоков - гидродинамического движения реакционной жидкости и газовой фазы по зазорам в корпусе 1 реактора нет. Все перемещение, т.е. опускание порций жидкости вниз, в условно дискретном представлении, а газовой фазы - воздуха с ракционными газами - вверх осуществляется только по имеющимся в перегородках 4 Фиг.1; 2 или перегородках 7; 8 Фиг.3; 4; 5 отверстиям, т.е. по кольцевым проемам 6, Фиг.1; 2 или патрубкам 9 Фиг.3; 4; 5. В результате чего с наступлением при работе предложенной конструкции предаварийных условий: - при фиксации на контрольных приборах показаний, свидетельствующих о превышении установленного интервала температур, давлений, концентраций, в первую очередь перекрывается - отсекается подача воздуха в устройства подачи и распределения воздуха по любому из вариантов по Фиг.1; 2 или Фиг.3; 4; 5. Прекращение подачи воздуха является основным фактором подавления аварии - исключения поступления новых порций окислителя - кислорода воздуха в зону управляемого горения - в реакционный объем. Одновременно переключающей арматурой устройства подачи и распределения воздуха подключаются к линии азота, и в реакционный объем начинает поступать инертная среда, которая разбавляет газовую фазу реакционного объема, понижая концентрацию - содержание и кислорода, и взрывоопасных паров. Причем если в конструкциях прототипа с размещенными по высоте корпуса несколькими устройствами подачи распределения воздуха были возможны перетоки реакционной жидкости помимо отверстий перегородок, - через зазоры между корпусом и устройствами подачи и распределения воздуха, то в предложенной конструкции, - это невозможно. И таким образом, вся масса движущейся вниз реакционной жидкости вынужденно проходит через отверстия -кольцевые проемы 6 в перегородках 4 по Фиг.1; 2 или через сквозные патрубки 9 в перегородках 7 и 8, по Фиг.3; 4; 5. А проходя через них гарантированно рассекается, тормозится и разбавляется струями подаваемой инертной среды - азота. Отдельно и движущаяся вверх газовая фаза, проходя через кольцевые проемы 6 в перегородках 4 по Фиг.1; 2 или через сквозные патрубки 9 в перегородках 7 и 8, тоже рассекается, тормозится; разбавляется азотными струями. В результате этого укрупнения-сосредоточения микрообъемов - фрагментов реакционной жидкости и газа с критическими параметрами при их перемещении внутри реактора, - в отдельных зонах корпуса, - например пятнового перегрева отдельных зон корпуса реактора - в аварийных условиях не происходит. Так, по существу, в аварийных условиях реализуется механизм активного квазистационарного разделения - рассекания реакционного объема барботажного реактора окисления циклогексана на более мелкие отсеки, образованные в продольных плоскостях - корпусом 1 реактора, а в поперечных плоскостях поперечными перегородками с отверстиями, перекрываемыми - условно закрываемыми подаваемыми газодинамическими азотными струями, - как своебразными - квазистационарно существующими газодинамическими перемычками из инертной среды. Образованные квазистационарные отсеки А; Б; В; Г имеют в четыре раза меньший объем и соответственно в четыре раза меньшее массовое содержание продукта по сравнению с общим реакционным объемом корпуса 1 всего реактора. Причем число отсеков определяемое количеством перегородок, может быть любым. Таким образом, в предложенной конструкции с реализованными - условным квазистационарным запиранием и газоструйной обработкой перемещающихся: реакционной жидкости и газа в отверстиях перемычек, - в аварийных условиях, образование взрывоопасных концентраций газа становится менее вероятным. Повышение критических параметров, например температуры в отдельных зонах реактора и неблагоприятное местное - зональное развитие критических ситуаций становятся в реакторе менее возможными. Причем в нормальных эксплуатационных условиях равномерность распределения воздушных струй по поперечному сечению реактора, определяющая качество и количество вырабатываемого оксидата, не снижается.

Благодаря предложенному решению повышена безопасность процесса окисления циклогексана. По существу, создана конструкция безопасного реактора окисления углеводородов с технологически единым объемом барботирования, - в нормальных эксплуатационных условиях, но при этом конструктивно выполненным так, что в аварийных условиях общий единый объем барботирования мгновенно рассекается - делится азотом на более мелкие реакционные объемы, существующие в виде квазистационарных отсеков с активно воздействующими на продукт газовыми перемычками, запирающими отверстия отсеков. Причем, повторим, создаваемые газовые перемычки являются не только пассивными квазистационарными препятствиями, но и активными воздействиями, добавляющими инертную среду и разбавляющими критические концентрации паров реакционной жидкости и кислорода. Таким образом, в предложенном решении реализована конструктивная форма исполнения реакторов барботажного окисления, воплощающая один из основных - фундаментальных принципов обеспечения взрывопожаробезопасности - принцип деления взрывопожароопасного продукта на более мелкие массовые объемы, - и соответственно самого реактора, - аппарата, содержащего продукт, - на условные - квазистационарные отсеки. Обеспечение взрывопожаробезопасности процессов окисления углеводородов - управляемых процессов горения является первоочередным, важнейшим условием конструктивно-технологического исполнения установок и производств, в частности блоков окисления производства капролактама и полиамидных пластмасс, без чего само промышленное использование процесса окисления становится неприемлемым и недопустимым.