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DE69706268T2 - Direkte Sauerstoffinjektion in Blasensäulereaktoren - Google Patents

Direkte Sauerstoffinjektion in Blasensäulereaktoren

Info

Publication number
DE69706268T2
DE69706268T2 DE69706268T DE69706268T DE69706268T2 DE 69706268 T2 DE69706268 T2 DE 69706268T2 DE 69706268 T DE69706268 T DE 69706268T DE 69706268 T DE69706268 T DE 69706268T DE 69706268 T2 DE69706268 T2 DE 69706268T2
Authority
DE
Germany
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oxygen
containing gas
reactor
bubbles
air
Prior art date
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DE69706268T
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English (en)
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DE69706268D1 (de
Inventor
Roger William Day
Jeffrey Paul Kingsley
Lawrence Marvin Litz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Praxair Technology Inc
Original Assignee
Praxair Technology Inc
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Publication date
Application filed by Praxair Technology Inc filed Critical Praxair Technology Inc
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Publication of DE69706268D1 publication Critical patent/DE69706268D1/de
Publication of DE69706268T2 publication Critical patent/DE69706268T2/de
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Description

    Gebiet der Erfindung
  • Diese Erfindung bezieht sich auf Luft basierende Oxidationsreaktionen, die in Blasensäulenreaktoren stattfinden. Genauer bezieht sich die Erfindung auf die Verbesserung sowohl der Produktqualität wie der Reaktorleistungscharakteristika einschließlich Produktertrag, Sauerstoffausnutzung und Produktivität in derartigen Reaktionen mittels einer direkten Injektion von Sauerstoff in die Reaktoren.
  • Hintergrund
  • Blasensäulenreaktoren (BCRs) werden in der chemischen Industrie in breitem Umfang als eine kostengünstige Anordnung mit niedrigen Unterhaltskosten zum Vermischen und Reagieren von Gasen mit Flüssigkeiten und insbesondere in Flüssigphasenoxidationen organischer Chemikalien verwendet. In solchen Flüssigphasenoxidationen treten die meisten, wenn nicht alle Oxidationsreaktionen mit in Flüssigkeit gelöstem Sauerstoff anstatt mit Sauerstoff in der Gasblase auf. Daher stellt die Rate an Sauerstoffauflösung in dem Verfahren im allgemeinen einen Hauptfaktor dar.
  • In seiner einfachsten Form weist ein für Flüssigphasenoxidationen verwendeter BCR eine Flüssigkeitssäule in dem unteren Viertel auf, von der ein Reaktantgas wie z. B. Luft oder mit Sauerstoff angereicherte Luft (z. B. Luft mit bis zu 40 Vol.% Sauerstoff) injiziert wird. Der Auftrieb des injizierten Gases bewirkt, dass die Blasen nach oben strömen. Diese nach oben gerichtete Strömung von Gasblasen zieht die Umgebungsflüssigkeit mit nach oben. Die Menge an Flüssigkeit, die aufgrund des Blasenauftriebs nach oben strömt, übersteigt den resultierenden Flüssigkeitsstrom durch die Säule. Daher muss die nach oben gerichtete Flüssigkeitsströmung in Bereichen, in denen viele oder große Blasen vorliegen, der abwärtigen Flüssigkeitsströmung in Bereichen, wo solche Blasen selten sind, entgegnen. Auf diese Weise wird ein Flüssigkeitszirkulationsmuster erzeugt, das je nach spezifischer Geometrie des BCR einzigartig ist. Da BCRs über keine mechanische Umrührung verfügen, fungiert das injizierte Reaktantgas zum Vermischen der Flüssigkeit.
  • Die meisten Flüssigphasenoxidationen organischer Chemikalien finden mittels freier Radikalkettenmechanismen statt. Im allgemeinen verläuft der Mechanismus in vier Schritten: Kettenstart, Ausbreitung, Verzweigung, und Kettenabbruch. Der Abbruch der Radikalkette beteiligt die Kombination von freien Radikalen. Nebenprodukte mit hohem Molekulargewicht werden in Kettenabbruchsreaktionen erzeugt, da zwei Radikale vor der Reaktion mit Sauerstoff miteinander reagieren. Die normalen Kettenabbruchsreaktionen sind die folgenden:
  • 1) ROO* + ROO* -> R=O + ROH + O&sub2;
  • 2) R* + R* -> R-R
  • In den obigen Reaktionen sind ROO* Peroxydradikale und R* sind Kohlenwasserstoffradikale. In der Anwesenheit von ausreichend Sauerstoff ist die Konzentration von ROO*-Radikalen relativ hoch und die Reaktion von zwei ROO*-Radikalen in der Reaktion 1 herrscht vor. Wenn jedoch nur unzureichend Sauerstoff wie in einem sauerstoffabgereicherten Bereich eines Reaktors vorhanden ist, wird die Reaktion der zwei Radikale in der Reaktion 2 signifikant werden, wodurch unerwünschte Nebenprodukte mit hohem Molekulargewicht ausgebildet werden. Zusätzlich zur Ausbildung dieser Nebenprodukte werden die Rekombinationen die Kettenabbruchsrate gegenüber der Ausbreitungsrate verbessern, was folglich zu einem Absenken der gesamten Reaktionsrate führt.
  • Die Nebenprodukte mit hohem Molekulargewicht sind typischerweise farbig und von dem Endprodukt schwierig zu entfernen. Als solches können sie das Produkt selbst bei sehr niedrigen Konzentrationen entwerten. Daher kann die Beseitigung des Pfades der Radikale der Reaktion 2 den Produktwert wesentlich erhöhen und in einigen Fällen auch die Reaktionsselektivität signifikant steigern.
  • In Reaktoren dieses Typs ist die Verwendung von mit bis zu 40% Sauerstoff angereicherter Luft zur Erhöhung der Produktionsraten verwendet worden. Allerdings kann die Verwendung von mit Sauerstoff angereicherter Luft Bereiche des Reaktors mit unerwünscht hohen Reaktionsraten und des öfteren unerwünscht übermäßig hohen Temperaturen erzeugen. Tatsächlich stellt dies für mit Luft gespeiste Reaktoren im allgemeinen oft ein Problem dar. Unglücklicherweise können diese hohen Temperaturen die Ausbildung von Nebenprodukten wie z. B. Kohlenstoffoxiden in diesen Bereichen fördern und insofern wird der Ertrag des erwünschten Produkts und/oder die Produktivität des Reaktors verringert.
  • Ein weiteres Problem mit BCRs besteht in der nicht gleichförmigen Verteilung von Gas in der Flüssigkeit aufgrund der etablierten Strömungsmuster. Weiterhin herrschen in der auf Luft basierenden Oxidation organischer Chemikalien sauerstoffabgereicherte Luftblasen in großen Teilen des Reaktors vor. Eine Koaleszenz von sowohl dieser Blasen wie der Einsatzluft und/oder der angereicherten Luftblasen führen zu der Ausbildung von Säulen großer Blasen, die wegen ihrer Größe bei der Übertragung von Sauerstoff sehr ineffizient sind. Somit kann selbst bei Vorhandensein von Sauerstoff in dem Abgasstrom die Reaktion tatsächlich sauerstoffabgereichert sein. In der Praxis wird aufgrund des ineffizienten Stoffübergangs typischerweise nur etwa 80% des Sauerstoffs, der entweder in Luft oder in der mit Sauerstoff angereicherten Luft bereitgestellt ist, in den Oxidationen verwendet. Unglücklicherweise sammelt sich der restliche Sauerstoff in dem Kopfraum des Reaktors an und kann ein Explosionsrisiko erzeugen.
  • In einigen BCR-Systemen werden die Bereiche, in denen Einsatzluft oder angereicherte Luft reagiert, absichtlich auf einem überschüssigen Temperaturpegel gehalten, um die Reaktion vor einer Koaleszenz der Einsatzblasen sicherzustellen. Der Grund für einen derartigen Betrieb besteht in der Förderung der Oxidation und dem Beibehalten der Sauerstoffkonzentration in dem Abgasstrom unter dem Explosionsgrenzwert. Unglücklicherweise kann ein Betrieb mit derartigen Temperaturen auch die Ausbildung von unerwünschten Nebenprodukten wie z. B. Kohlenstoffoxiden in diesen Bereichen unterstützen und zu einem reduzierten Ertrag des erwünschten Produkts und/oder der Produktivität des Reaktors führen. Es sei darauf hingewiesen, dass hier unter dem Begriff "Explosionsgrenzwert" diejenige Sauerstoffkonzentration verstanden wird, bei der der Gasstrom explodieren könnte. Solche dem Fachmann bekannten Grenzwerte unterscheiden sich in Abhängigkeit von dem Reaktanten und den Verfahrensbedingungen.
  • In der Praxis ist auch versucht worden, den Gaseinsatz an verschiedenen Stufen in dem Reaktor mittels des Aufbrechens von koaleszierten Blasen rückzuverteilen, so das die Oberfläche für den Stoffübergang von Sauerstoff erhöht wird. Verfahren für eine Rückverteilung beinhalten die Verwendung von perforierten Böden und/oder Packungsmaterialien. Jede dieser Optionen weist einige Nachteile auf. Zum Beispiel können zusätzlich zur steigenden Komplexität des Reaktors dadurch Metalloberflächen hinzugefügt werden. In den meisten Radikalreaktionen ist dies unerwünscht, da die unerwünschte Radikalrekombination an Metalloberflächen gefördert wird. Auch ändert das Vorhandensein von Hardware in dem Reaktor das Zirkulationsmuster wesentlich und kann tatsächlich die Reaktorproduktivität reduzieren. Daher besteht beim Stand der Technik ein Bedarf nach der Bereitstellung eines vereinfachten effizienteren Verfahrens zur Vermeidung der Ausbildung von Nebenprodukten in BCRs.
  • Aufgaben der Erfindung
  • Eine Aufgabe der Erfindung besteht daher in der Bereitstellung eines Verfahrens für Flüssigphasenoxidationen in Blasensäulenreaktoren, in dem die Ausbildung von Nebenprodukten verringert wird.
  • Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens für Flüssigphasenoxidationen in Blasensäulenreaktoren, in dem die Ausbildung von Nebenprodukten verringert und zugleich die Reaktorproduktivität beibehalten oder erhöht wird.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die obigen und weitere Aufgaben, die sich dem Fachmann anhand dieser Beschreibung ergeben, werden durch die vorliegende Erfindung gelöst, in der ein Aspekt ein Flüssigphasen-Oxidationsverfahren ist, wobei im Zuge des Verfahrens:
  • (a) ein Blasensäulenreaktionsbehälter bereitgestellt wird, der eine organische Flüssigkeit enthält, die einer Oxidation unterworfen werden kann;
  • (b) ein erstes Sauerstoff enthaltendes Gas in den unteren Teil des Behälters injiziert wird, so dass die Blasen des ersten Sauerstoff enthaltenden Gases nach oben durch den Behälter strömen, um eine nach oben gerichtete Strömung der organischen Flüssigkeit zu verursachen; und
  • (c) ein zweites Sauerstoff enthaltendes Gas mit einem Sauerstoffgehalt von mindestens 70 Vol.% in den Reaktionsbehälter an mindestens einer Stelle injiziert wird, wo ein Defizit an gelöstem Sauerstoff besteht.
  • Weiterhin ist eine Vorrichtung zum Durchführen einer Flüssigphasenoxidation beschrieben, wobei die Vorrichtung versehen ist mit:
  • a) einem Reaktionsbehälter, der eine organische Flüssigkeit aufweist, die oxidiert werden kann;
  • b) einem ersten Injektor, der mit dem Inneren des Reaktionsbehälters in Verbindung steht, um ein erstes Sauerstoff enthaltendes Gas in den Reaktionsbehälter zwecks Durchlass durch den Reaktionsbehälter zu injizieren; und
  • c) mindestens einem zusätzlichen derart angeordneten Injektor, so dass ein zweites Sauerstoff enthaltendes Gas in den Reaktionsbehälter an mindestens einer Stelle in der organischen Flüssigkeit mit einem Defizit an gelöstem Sauerstoff eingeleitet wird.
  • Wie hier benutzt bezeichnet der Begriff "unterer Teil" das untere Viertel des Reaktionsbehälters.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile ergeben sich für den Fachmann aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen und den beiliegenden Zeichnungen, in welchen:
  • Fig. 1 ein Graph ist, der die Vergleichsrate des Stoffübergangs (oder der Auflösung) von Sauerstoff aus Luft- und Sauerstoffblasen in die Flüssigkeit gemäß einer Ableitung durch Modellieren zeigt.
  • Fig. 2 ein Querschnittsaufriss einer Ausführungsform der Erfindung ist.
  • Fig. 2a eine von oben nach unten weisende Querschnittsansicht einer Ausführungsform der Erfindung ist.
  • Fig. 3 ein Querschnittsaufriss einer Ausführungsform der Erfindung ist.
  • Fig. 3a eine von oben nach unten weisende Querschnittsansicht einer Ausführungsform der Erfindung ist.
  • Fig. 4 ein Querschnittsaufriss einer Ausführungsform der Erfindung ist.
  • Fig. 4a eine von oben nach unten weisende Querschnittsansicht einer Ausführungsform der Erfindung ist.
  • Ausführliche Beschreibung der Erfindung
  • Untersuchungen haben gezeigt, dass der Stoffübergang von Sauerstoff aus Sauerstoffblasen in die Flüssigkeit signifikant schneller als aus Luftblasen oder mit Sauerstoff angereicherten Luftblasen erfolgt. Dies ist in Fig. 1 illustriert, welche die Vorhersagen des Stoffübergangsmodells von Sauerstoff aus einer Blase in eine organische Flüssigkeit darstellt.
  • In diesem Modell wird die gleiche Gesamtmenge an Sauerstoff der Flüssigkeit entweder über reine Sauerstoffblasen, mit Sauerstoff angereicherte Luftblasen (25 Vol.%), oder über Luft (21 Vol.% Sauerstoff) zugeführt. Die Stoffübergangsrate von Sauerstoff aus einer Sauerstoffblase wird mit der Stoffübergangsrate von Sauerstoff aus Luftblasen oder zu 25% mit Sauerstoff angereicherten Luftblasen verglichen. Wegen des Vorliegens von inertem Stickstoff verringert sich die Sauerstoffkonzentration in den Luftblasen und angereicherten Luftblasen mit der Übertragung von Sauerstoff aus der Blase heraus.
  • Im Unterschied dazu bleibt die Sauerstoffkonzentration in der Sauerstoffblase konstant und jegliche Verminderung der Sauerstoffübertragungsrate kommt einzig aufgrund der Abnahme der verfügbaren Fläche wegen des Schrumpfens der Blase zustande. Dieses Modell nimmt an, dass die Sauerstoff, Luft- und angereicherten Luftblasen alle mit der gleichen Größe einsetzen und dass keine Koaleszenz von Blasen und keine Verdampfung von Lösungsmittel in die Blase stattfindet.
  • In der realen Praxis können die Effekte der Lösungsmittelverdampfung auf den Stoffübergang signifikant ausfallen. Zusätzlich unterliegen die Luft- und angereicherten Luftblasen einer signifikanten Koaleszenz, da sie wegen des Vorliegens hoher Stickstoffkonzentrationen von der Injektionsstelle bis zu ihrem Austritt durch die Oberfläche der Flüssigkeit vorliegen. Dazu expandieren sie während ihres Aufstiegs durch die Flüssigkeit aufgrund der Abnahme im hydrostatischem Druck im Volumen. In einem geeigneten Injektorentwurf kann eine typische Größe für eine injizierte Sauerstoffblase beispielsweise einen Millimeter betragen. Für diese Anwendung ist signifikant, dass sich der Sauerstoff in diesen Blasen so schnell löst, dass eine nur geringe oder keine Koaleszenz auftritt. Im Unterschied dazu vereinigen sich Luftblasen und können bis auf eine Größe von 5 cm oder mehr anwachsen. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass der Bereich der Stoffübergangraten für Sauerstoff im Vergleich zu den mit den Luft- oder angereicherten Luftblasen um volle zwei Größenordnungen kleiner als im Vergleich zu reinem Sauerstoff ist. Für solche Reaktionen, die durch die Stoffübergangsrate von Sauerstoff begrenzt sind, kann der mit diesen kleinen Sauerstoffblasen verbundene Zuwachs der Stoffübergangsrate höhere Raten chemischer Reaktionen erzeugen.
  • Die Erfindung wird ausführlich mit Bezug auf die Fig. 2-4a erläutert werden. In diesen Figuren sind die Bezugszeichen für gleiche Elemente die gleichen. Strömungsdynamische Computersimulationen (Computational fluid dynamics, CFD) zeigen, dass für einen typischen BCR, in dem Reaktantgas in den unteren Teil des Reaktors injiziert wird, zwei mögliche Strömungsmuster auftreten. Das erste ist in Fig. 2 dargestellt.
  • Fig. 2 zeigt einen Reaktionsbehälter 1, der eine organische Flüssigkeit enthält, die oxidiert werden kann. Für die Zwecke der Erfindung weist der Reaktionsbehälter 1 typischerweise ein Streckungsverhältnis (Höhe über Durchmesser) zwischen 6 und 8 auf. Jedoch sind auch Reaktionsbehälter möglich, die ein Streckungsverhältnis von nur 2 oder größer als 10 aufweisen. Die organischen Flüssigkeiten können, ohne darauf begrenzt zu sein, Cumen beinhalten, das zur Ausbildung von Cumenhydroperoxid oxidiert wird; Cyclohexan, das zur Ausbildung eines Gemisches aus Cyclohexanon und Cyclohexanol oxidiert wird; p- Xylen, das in einem Verfahren zur Herstellung von Dimethylterephthalat oder Terephthalsäure oxidiert wird, Anthrahydrochinon, das zur Ausbildung eines Peroxyanthrachinons oxidiert wird, welches ein Vorläufer von Wasserstoffperoxid ist; und Azetaldehyd, das zur Ausbildung von Essigsäure oxidiert wird.
  • Wenn in einem typischen BCR ein erstes Sauerstoff enthaltendes Gas, das entweder Luft oder mit Sauerstoff angereicherte Luft (mit einem Sauerstoffgehalt von bis zu 40 Vol.%) ist, in den unteren Teil des Reaktionsbehälters 1 nahe dem Mittelpunkt des Reaktordurchmessers durch einen Injektor 2 injiziert wird, koalesziert es in Blasen 3 mit Durchmessern von bis zu 5 cm oder größer in einem oder zwei Reaktordurchmessern. Der zentrale Teil des Reaktors wird in großem Ausmaß mit Gas mit einer resultierenden nach oben gerichteten Strömung beschickt werden. Diese Strömung verursacht ein Aufsteigen des organischen flüssigen Reaktanten innerhalb des Behälters 1, wie durch die nach oben weisenden Pfeile dargestellt. Wenn sich der nach oben strömende Reaktant an die Oberseite des Behälters 1 annähert, ändert er seinen Kurs und strömt in einem Umwälzmuster nach unten durch den Behälter 1, wie durch die nach unten weisenden Pfeile gezeigt. Da das in den Blasen enthaltene Gas in den Kopfraum an der Oberseite des Reaktors abgegeben wird, weist ein Bereich 4 nahe den Wänden des Behälters 1 eine resultierende abwärts gerichtete Strömung von Flüssigkeit auf in der wenig oder kein Gas vorhanden ist. Bei der Fortführung der Reaktion zwischen dem gelösten Sauerstoff und der organischen Flüssigkeit wird die Flüssigkeit im wesentlichen sauerstoffentleert. In diesen Bereich (4) von unzureichend gelöstem Sauerstoff wird ein zweites Sauerstoff enthaltendes Gas mit einem Sauerstoffgehalt von mindestens 70 Vol.% und bevorzugter von mindestens 90 Vol.% Sauerstoff in den Reaktor durch mindestens eine Injektionsdüse 6 injiziert. Unterhalb des unteren Grenzwerts von weniger als 70 Vol.% kann zu viel inerter Stickstoff in das Verfahren eingespeist werden, wodurch sich die Strömungsmuster des Reaktors verändern. In einer alternativen Ausführungsform, wie in Fig. 2a gezeigt, kann der Sauerstoffinjektor ein röhrenförmiger Ring 6 mit darin befindlichen verschiedenen Öffnungen oder Düsen sein, der in dem Umfang des Reaktors 1 vorliegt.
  • Wenn wie in Fig. 3 dargestellt das erste Sauerstoff enthaltende Gas in den unteren Teil des Behälters 1 nahe den Wänden durch den Injektor 2 injiziert wird, tendiert es dazu, fest an den Wänden anzuhaften, und es koalesziert wiederum zu großen Blasen aus Gas 3. Die organische Flüssigkeit nahe den Wänden neigt zu einer Strömung nach oben, wie durch die Pfeile dargestellt, während die Flüssigkeit in der Mitte des Reaktors eine resultierende abwärts gerichtete Strömung aufweist, wie durch die Pfeile gezeigt.
  • Wiederum wird Gas in den Blasen in den Kopfraum des Reaktors freigesetzt und folglich neigt der zentrale Kern 5 des Behälters 1 dazu, wenig oder kein Gas aufzuweisen und er wird im wesentlichen sauerstoffentleert. In diesen Bereich wird das zweite Sauerstoff enthaltende Gas in den Behälter durch mindestens eine Injektionsdüse 6 injiziert. In einer alternativen Ausführungsform, wie in Fig. 3a gezeigt, kann der Sauerstoffinjektor ein röhrenförmiger Ring 6 mit darin vorliegenden verschiedenen Öffnungen oder Düsen sein, der in dem Umfang des Reaktors 1 liegt.
  • Wie oben erwähnt finden sich die Bereiche, die im wesentlichen von gelöstem Sauerstoff entleert sind, typischerweise in denjenigen Teilen des Reaktors vor, in denen eine resultierende abwärts gerichtete Flüssigkeitsströmung vorhanden ist. Das Vorliegen von Bereichen mit unzureichend gelöstem Sauerstoff kann aus dem Vorliegen von unerwünschten Nebenprodukten mit hohem Molekulargewicht bestimmt werden, die bei Abwesenheit von Sauerstoff ausgebildet werden: Zur Bestimmung der optimalen Stelle für die Sauerstoffinjektion können Strömungsmodelle (sowohl auf experimenteller wie auf Computerbasis) verwendet werden.
  • Die genaue Stelle dieser abwärts gerichteten Strömungsbereiche ist empfindlich hinsichtlich der Reaktorgeometrie, dem Vorliegen von internen Leitwänden und Wärmeübertragungsoberflächen, und der Injektorgeometrie, jedoch kann sie vom Fachmann ermittelt werden.
  • Wie erläutert weisen diese Bereiche keinen signifikanten Stoffübergang von Sauerstoff zu ihnen selbst auf und sie sind in typischen Reaktorsystemen im allgemeinen im wesentlichen sauerstoffentleert. Insofern werden jegliche Sauerstoffblasen von dem zweiten Sauerstoff enthaltenden Gas, das in diese Stellen injiziert wird, rasch gelöst. Diese Sauerstoffblasen weisen einen sehr kleinen Durchmesser (in der Größenordnung von 1 mm) im Vergleich zu den Blasen des ersten Sauerstoff enthaltenden Gases und daher einen geringen Auftrieb auf. Da sie schnell verbraucht werden besteht für die Sauerstoffblasen nur wenig Gelegenheit, sich zu vereinigen und schwimmfähig zu werden. Somit beeinflussen sie nicht die allgemeine Hydrodynamik des Reaktors.
  • Für den Fachmann versteht sich, dass die Menge an verwendetem Sauerstoff in jeder bestimmten Oxidation in Relation zu der Menge an in die Luft oder den mit Sauerstoff angereicherten Lufteinsatz zugeführtem Sauerstoff in Abhängigkeit von den bestimmten Merkmalen der Oxidation wie z. B. die jeweils beteiligte Flüssigkeit, die der Oxidation zugehörigen Betriebsbedingungen und ähnlichem variiert. Daher kann die Menge an durch das zweite Sauerstoff enthaltende Gas zugeführtem Sauerstoff größer oder kleiner als die Menge an Sauerstoff sein, die von dem ersten Sauerstoff enthaltenden Gas zugeführt wird.
  • Eine gesamte Ersetzung der Luft durch Sauerstoff ist in bestehenden BCRs teilweise deshalb nicht einfach zu bewerkstelligen, weil mit hohen Sauerstoffkonzentrationen in dem Reaktorkopfraum Explosionsgefahren verbunden sind. Ein weiterer Grund, die Luft nicht durch Sauerstoff zu ersetzen, besteht darin, dass der inerte Stickstoff in Luft den Auftrieb für das herbeigeführte Vormischen bereitstellt, um die Flüssigkeit in dem Behälter zu mischen.
  • Eine alternative Ausführungsform der Erfindung würde mehrere Sauerstoffinjektionsstellen aufweisen. Da BCRs zu einem hohen Verhältnis von Länge zu Durchmesser tendieren, können verschiedene Stellen entlang der abwärts gerichteten Strömung vorliegen, an denen die Flüssigkeit sauerstoffabgereichert sein kann. In einer derartigen Ausführungsform würde, wie in Fig. 4 dargestellt, ein Injektor 9 zur Injektion des zweiten Sauerstoff enthaltenden Gases verwendet werden. In einer alternativen Ausführungsform kann der Sauerstoffinjektor eine Reihe von röhrenförmigen Ringen 9 mit darin vorhandenen verschiedenen Öffnungen oder Düsen aufweisen, die im Umfang des Reaktors 1 vorliegen.
  • Die Erfindung bietet verschiedene Vorzüge. Zum Beispiel kann aufgrund des mit der Injektion des zweiten Sauerstoff enthaltenden Gases verbundenen verbesserten Stoffübergangs bis zu 100% dieses eingeleiteten Gases ausgenutzt werden. Insofern bietet das Verfahren der Erfindung verbesserte Effizienzen und Kostenvorteile gegenüber konventionellen Anreicherungsverfahren, in denen wie oben erläutert typischerweise etwa 80% Sauerstoff ausgenutzt wird. Zusätzlich sind wegen dieser bis zu 100%igen Ausnutzung des zugeführten Sauerstoffs die mit dem überschüssigen Sauerstoff in dem Kopfraum des Reaktors assoziierten Explosionsgefahren hauptsächlich durch den Restsauerstoff in der Luft oder den mit Sauerstoff angereicherten Luftblasen bestimmt, die aus der Oberfläche der Flüssigkeit aufsteigen.
  • Wie aus der obigen Erläuterung geschlossen werden kann, wird durch die Förderung der Reaktion von Radikalen in den oben bestimmten Bereichen die Ausbildung von unerwünschten gekoppelten Nebenprodukten unterdrückt. Folglich werden verbesserte Produkterträge und Produkte mit höherer Reinheit erhalten, da die Reaktanten, die unter Abwesenheit von Sauerstoff zur Ausbildung unerwünschter Nebenprodukte reagieren würden, oxidiert werden.
  • Da weiterhin nur wenig oder kein zusätzliches inertes Gas vorhanden ist, wird das gesamte Zirkulationsmuster des Reaktors durch das Vorliegen zusätzlicher inerter Gasblasen nicht wesentlich unterbrochen. Im Unterschied dazu verändert die stufenweise Injektion von Luft in diese abwärts gerichteten Strömungsbereiche die Zirkulationsmuster, da der hohe Stickstoffgehalt in der Luft dazu tendiert, die Blasen nach oben gegen die Strömung zu treiben. Dies würde zu unerwünschten Folgen wie z. B. zu schlechten Flüssigkeitszirkulationsmustern in dem Reaktor und folglich zu einer ineffizienten Wärmeübertragung führen.
  • Ein noch weiterer Vorzug des Verfahrens hängt mit der Produktivität des Reaktors zusammen. Nun können Reaktorbereiche, die zuvor unbenutzt waren (aufgrund ihres ungenügenden Sauerstoffgehalts zur Unterstützung der Reaktion) wegen des Verfahrens dieser Erfindung genutzt werden. Weiterhin ist die Erfindung für solche Reaktoren mit einer übermäßigen Kohlenstoffoxid-Nebenproduktausbildung anwendbar, da Hochtemperaturbereiche vorliegen, in die Luft oder angereicherte Luft eingespeist werden. In solchen Situationen kann eine Verbesserung des Ertrags des bevorzugten Produkts und/oder der Produktivität des Reaktors erwünscht sein, indem der primäre Eingang von Luft oder von angereicherter Luft verringert wird, um die Flüssigkeitstemperatur in diesem Bereich zu reduzieren. Die in diesen Bereichen verloren gehende Produktivität (z. B. Menge an erwünschtem Reaktionsprodukt) kann durch Gewinne im Produktertrag und in der Reaktorproduktivität in denjenigen Bereichen ausgeglichen oder übertroffen werden, in denen das zweite Sauerstoff enthaltende Gas gemäß dieser Erfindung zugeführt wird.
  • Die Erfindung ist auch für solche Reaktoren anwendbar, in denen die Temperatur der Reaktionsbereiche von Luft/angereicherter Luft absichtlich hoch gehalten wird, um den Sauerstoff in dem Abgasstrom unter dem Explosionspegel zu halten. Derartige hohe Temperaturen führen oft zur Ausbildung von unerwünschten Nebenprodukten wie z. B. Kohlenstoffoxiden, die den potenziellen Ertrag verringern können. Durch das Verfahren der Erfindung kann die Strömung der Luft/angereicherten Luft auf eine Stelle reduziert werden, an der die Sauerstoffkonzentration in dem Abstrom unter dem Explosionspegel oder - grenzwert an einer unteren bevorzugten Temperatur läge. Die in diesen Bereichen verloren gehende Produktivität (z. B. Menge an erwünschtem Reaktionsprodukt) kann durch Gewinne im Produktertrag und/oder in der Reaktorproduktivität in denjenigen Bereichen ausgeglichen oder übertroffen werden, in denen das zweite Sauerstoff enthaltende Gas gemäß dieser Erfindung zugeführt wird.
  • Schließlich bietet diese Technologie den zusätzlichen ökonomischen Vorzug der Reduzierung der Menge an Luftverdichtungsenergie, die pro Einheit Produkt erforderlich ist. Dies kommt dadurch zustande, dass die Erfindung eine Erhöhung der Reaktorproduktion ohne eine Erhöhung der Menge an verdichteter Einsatzluft gestattet. Aus diesen Überlegungen ergibt sicht schlussfolgernd, dass es möglich ist, die Menge an Reaktorproduktion beizubehalten und die Menge an Einsatzluft zu verringern.
  • Spezifische Merkmale der Erfindung sind in einer oder mehreren der Zeichnungen nur der Einfachheit halber dargestellt und jedes Merkmal kann mit anderen Merkmalen gemäß der Erfindung kombiniert werden. Für den Fachmann verstehen sich alternative Ausführungsformen, die beabsichtigtermaßen in den Rahmen der Ansprüche eingeschlossen sind.

Claims (8)

1. Flüssigphasen-Oxidationsverfahren, wobei im Zuge des Verfahrens:
(a) ein Blasensäulenreaktionsbehälter bereitgestellt wird, der eine organische Flüssigkeit enthält, die einer Oxidation unterworfen werden kann;
(b) ein erstes Sauerstoff enthaltendes Gas in den unteren Teil des Behälters injiziert wird, so dass die Blasen des ersten Sauerstoff enthaltenden Gases nach oben durch den Behälter strömen, um eine nach oben gerichtete Strömung der organischen Flüssigkeit zu verursachen; und
(c) ein zweites Sauerstoff enthaltendes Gas mit einem Sauerstoffgehalt von mindestens 70 Vol.% in den Reaktionsbehälter an mindestens einer Stelle injiziert wird, wo ein Defizit an gelöstem Sauerstoff besteht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das erste Sauerstoff enthaltende Gas Luft ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Sauerstoffverbrauch in dem Reaktor im Vergleich zu einem Verfahren erhöht ist, bei welchem das zweite Sauerstoff enthaltende Gas nicht dem Reaktor zugeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das zweite Sauerstoff enthaltende Gas in einer Menge zugegeben wird, die effektiv ist, um eine Verminderung der Menge des ersten Sauerstoff enthaltenden Gases zu ermöglichen, so dass die Menge an in dem Oxidationsverfahren erzeugten Oxidationsprodukt mindestens so groß ist wie bei einem Verfahren, bei welchem das zweite Sauerstoff enthaltende Gas nicht dem Reaktor zugeführt wird.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 4, bei welchem der Reaktionsbehälter einen Kopfraum oberhalb der organischen Flüssigkeit enthält, in welchem sich während dem Oxidationsprozess nicht reagierte und Reaktions-Nebenproduktgase sammeln und bei welchem die Menge an Sauerstoff in dem Kopfraum eine Konzentration unterhalb des Explosionsgrenzwerts hat.
6. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die organische Flüssigkeit aus der aus Cumen, Cyclohexan, p-Xylen, Anthrahydroquinon und Azetaldehyd bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
7. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Injektion des ersten Sauerstoff enthaltenden Gases ein Zirkulationsmuster in dem Reaktor erzeugt, welches ein Mischen der organischen Flüssigkeit fördert, und bei welchem das zweite Sauerstoff enthaltende Gas derart injiziert wird, dass es keinen nennenswerten Effekt auf das besagte Zirkulationsmuster hat.
8. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Reaktionsbehälter keine mechanische Bewegungsanordnung aufweist.
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