[发明专利]有机化学物质的增强氧化

说明书

本发明涉及气体和液体的混合。更具体地说，本发明涉及用纯的或接近纯的氧氧化有机物。

在氧化产物或副产物不以固体物质形式在反应器中沉淀的有机化合物氧化反应中，使用直接接触冷却(例如用冷却盘管)来除去反应热很方便。但是，在反应混合物中的一些部分是沉淀的固相的三相体系中，固体在传热表面上的沉淀会迅速降低该表面的传热能力。另外，在高度放热的有机化合物氧化反应中，为除去反应热所需的传热表面的表面积相对于反应器体积可能相当大。

大多数工业上的有机化合物液相氧化是用空气作为方便的氧源进行的。在这种氧化方法中，进料空气中的惰性的氮组分脱除了反应混合物中的一部分挥发性组分。这种由于蒸发去除了潜热造成的冷却作用，平衡了氧化反应释放的热量。对于给定数量的过量空气，或者流过氧化反应器的惰性气流，在氧化反应器的温度和氧化反应进行时的操作压力之间存在某种关系。反应温度与压力之间的这种关系取决于反应混合物的组成和所用的过量气体的体积。以空气为基础的蒸发冷却法对于任何指定的有机化合物氧化一般都需要相对较高的压力和温度条件。

通入反应器中的进料空气在经过管子或其它的浸没式喷管吹入反应器中之前，必须先压缩到压力稍高于反应器的操作压力。当空气泡被分散并穿过液相循环时，气泡的氧浓度由于氧溶解和与液相中的有机化合物反应而减小。空气泡从液相中释出并聚集在反应器顶部，形成连续的气相。这一顶部气相构成了废气，它必须被排走以便为新鲜的进料空气提供空间，同时要保持足够的气体储藏量以促进所希望的氧气由进料空气中向含有机化合物液相中转移。

为避免着火和爆炸的可能性，反应器顶部气体空间中的氧气浓度必须保持低于自燃极限。为此，氧浓度必须保持低于8-9％(体积)。更一般的是，气体空间中的氧浓度保持低于5％(体积)以提供低于自燃极限的安全余量。于是，在一个充分搅拌的罐式反应器中，循环空气泡内未溶解的氧的平均浓度必须低于5％，以便确保聚集在反应器液面上空间中的气体内氧的平均浓度是不易燃的。

气体空间内的氧浓度与进料空气进入反应器的速度和进料空气中的氧由于和被氧化的有机化合物反应而消耗的速度有关。对于大多数液相氧化反应，氧的总消耗速度由气相中(即气泡中)的氧转移到液相中的速度决定。因为氧的转移速度与气相中氧的分压成正比，而分压又正比于氧在气相中的体积分数，所以上面提到的气相中5％氧的限制大大地限制了氧的质量传递速度，因此也限制了有机化合物的总的氧化速度。

当空气泡在反应器内循环时，溶剂、水、挥发性有机化合物(VOC)和副产物气体(如CO₂和CO)聚集在连续的顶部气体空间内，并由反应器中排放掉。与惰性排放气一起离开反应器的挥发性物种的总量与总的气体通过量成正比，后者又正比于空气进料速度。

在美国，适用于特定生产设施的联邦、州及地区的空气质量标准确定了在排放气释放到大气中之前必须从中除掉这些挥发性物种的程度。溶剂材料通常是氧化法的有用组分，所以常将其冷凝并且再循环到反应器中。残余的有机化合物常常从惰性排放气中汽提出来，从而形成汽提器底部的废液流。某些排放气处理系统必要时还包括消除COx的系统以符合空气质量标准。因为从排放气中必须除掉的物质总量与空气进入反应器的速度成正比，所以排放气处理设备的尺寸和在氧化过程中产生的废物的数量也同样与空气进料速度成正比。

纯的或接近纯的氧在这些有机化合物氧化反应中具有很多潜在的优点。但是，向氧化系统中安全有效地加入纯氧需要采取特别的预防措施，因为有着火或爆炸的可能。Litz等的美国专利U．S．P4，800，480公开了一种用来代替常规反应器系统的极其理想的液体氧化反应器(LOR)，常规反应器系统在用氧代替空气作为原料时是不合适或者效率不高的。这种LOR系统使气泡能与一部分从顶部气体空间分离出的有机液体组合物一起再循环流动，以便提高氧的利用效率，同时避免大量气体流失到顶部气体空间。随着气泡的再循环和氧向液相中转移，气泡中氧的浓度减小。使用纯氧所提供的传质方面的优点也因而减小。