RU2469786C1

RU2469786C1 - Bubbling cyclohexane oxidation reactor

Info

Publication number: RU2469786C1
Application number: RU2011144703/04A
Authority: RU
Inventors: Сергей Николаевич Кузнецов; Сергей Витальевич Ардамаков
Original assignee: Сергей Николаевич Кузнецов
Priority date: 2011-11-03
Filing date: 2011-11-03
Publication date: 2012-12-20

Abstract

FIELD: power industry.

SUBSTANCE: cyclohexane oxidation reactor includes device for supply and distribution of air or inert medium - nitrogen with supply channels and transverse partition walls with openings. Partition walls cover the whole reactor cross section without a gap, and openings have any shape and location, but mutual arrangement of air or nitrogen supply and distribution devices with supply channels and openings in transverse partition walls is such that in emergency conditions, when nitrogen is supplied via the channels, there created by means of nitrogen jets distributed in reaction volume are gas partitions conditionally closing the openings, which together with transverse partition walls provide quasi-stationary separation of reaction volume into compartments.

EFFECT: proposed reactor design implements the main principle of fire and explosion safety by means of quasi-stationary separation of inner reactor volume with fire and explosion hazardous product by means of inert medium (nitrogen) jets into smaller volumes - compartments.

4 cl, 5 dwg

Description

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.The invention relates to devices specially adapted for carrying out chemical interaction of a liquid with a gaseous medium, and more particularly to bubble reactors for liquid-phase oxidation of cyclohexane with atmospheric oxygen - one of the main stages for the production of caprolactam - a basic product for the production of polyamide plastics, and can be used in the construction of any bubbling hydrocarbon oxidation reactors.

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.There are known constructions of analogues - two-section bubbling-type reactors installed in two stages - with the formation of a self-flowing cascade and intended for liquid-phase oxidation of cyclohexane upon receipt of caprolactam, see the description in the work of Badrian A.S., Kokoulina F.G. et al. Caprolactam Production, ed. Ovchinnikova V.I. and Ruchinsky V.R. M., Chemistry, 1977, p. 60 ÷ 63, fig. 16. The described analogue, a cyclohexane oxidation bubble reactor, in a two-reactor cascade scheme, is installed at the first or second stage. There are no fundamental differences in the design of reactors in steps. The reactor of each stage is a vertical vessel operating under pressure, consisting of two sections sequentially placed along the height - one upper and one lower. The sections are separated by a continuous transverse baffle with a central pipe for outputting the exhaust gas phase. Each section of the reactor includes an air supply and distribution device in the form of annular air distributors - bubblers located in the lower part of the section in one horizontal plane, but with the upper arrangement of the common air inlet fitting. Also, fittings are connected to each section: input - output of the reaction liquid. Fresh cyclohexane is introduced into the inlet of the reaction liquid of the first section of the first reactor. In the air supply and distribution devices — pipes bent around the ring — two rows of channels in the inner pipe and one row in the outer are drilled. Both rows of channels of the inner annular pipe are made at the bottom - in two circles on two sides of the surface of a conventional vertical cylinder passing through the central axis of each pipe ring - at an angle to the pipe axis - 45 °. Only one row of channels is made on the outer pipe — at the same angle, but with a direction only inward to the reaction space.

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 С₆Н₁₀О 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 С₆Н₁₂, 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.The work of analog structures consists in sequential stepwise sectional, with interruptions, oxidation of cyclohexane C ₆ H ₁₂ . The movement of an oxidizable product from “fresh” cyclohexane to a reaction liquid with a maximum content of oxidized target products (oxidate) is carried out by gravity flow from section to section of both reactors (from the upper section of the 1st reactor to the upper section of the 2nd, then from it to the lower section 1st reactor and then to the lower 2nd). The process begins from the upper part of the 1st section of the first reactor, where “fresh” heated cyclohexane is fed. At the same time, air supplied to both ring distributors through three rows of channels made in two circles — from two sides of the axis of the inner ring bubbler and one row from the axis of the outside — enters with three circular multi-jet flows directed downward of the reactor, forming three conventional cylindrical quasistationary bubble surfaces in a reaction volume filled with liquid. Air oxygen reacts with cyclohexane. The oxidized target products are formed: cyclohexanone C ₆ H ₁₀ O and cyclohexanol C ₆ H ₁₁ OH. Their content as the portions of the mixture fall down (in a conditionally discrete representation of the process) increases. A mixture of cyclohexane, cyclohexanone and cyclohexanol formed and averaged in the total reaction volume as it moves, the reaction liquid is transferred by gravity to the next upper section of the second reactor. In the following sections of both reactors, the oxidation process of C ₆ H ₁₂ contained in the reaction liquid does not fundamentally differ from the described oxidation of “fresh” cyclohexane in the first section of the first reactor, and therefore it is not conditionally given further. The total conversion of cyclohexane per passage in the 4 sections of the two reactors is approximately 4–5% (0.15–0.3% in the “fresh” raw materials). The final finished and volume-averaged reaction liquid with the maximum content of oxidized products - the oxidate from the last lower section of the 2nd reactor, is discharged into the lower union of the reactor and sent for neutralization (in the technological separation process - separation of the target products). A feature of the initial - start-up stage of reactors commissioning is the introduction of nitrogen to increase the safety of the oxidation process — nitrogen supply through standard air supply and distribution devices, and only then the gradual addition of air followed by the complete replacement of nitrogen by air. In general, the designs of analog reactors are characterized by increased safety, as the reaction volume is divided by a transverse partition into two parts - two sections reducing - crushing the mass volume of the product and the zone of the potentially dangerous oxidation reaction - the zone with the controlled combustion process, is doubled.

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.The disadvantage of analog designs is the reduced yield of finished - oxidized target products and the increased yield of oxidation byproducts - resins associated with an insufficiently uniform distribution of the supplied air over the cross section of the reactor sections through the existing supply and distribution devices - ring bubblers. The resulting three vertically elongated cylindrical surfaces of the conditional quasistationary existence of bubbles essentially include narrow zones of liquid volumes near these surfaces in the reaction. The width of the reaction zones is comparable to several diameters, for example, ten diameters of flowing bubbles. That is, for the entire diameter of the reaction volume — the apparatus diameter — 3000 mm — the width of the active bands is respectively, for example, 10 × 6 = 60 bubble diameters. That, even with a bubble diameter of 10 mm (the diameter of the channels in the annular tubes - 2 mm) is not comparable with the size of the diameter of the reactor itself. Due to the insufficient uniformity of oxidation in the volume of the apparatus — the narrow localization of the oxidation zones — the total oxidation time is lengthened and the gum formation processes are enhanced, i.e. increased yield of by-products - resins.

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.The closest in technical essence the solution adopted for the prototype is a bubble reactor for the oxidation of cyclohexane according to the patent of the Russian Federation No. 2381060. The bubbling cyclohexane oxidation reactor known from the patent is made with a single, non-partitioned volume, in which several air supply and distribution devices are installed, successively arranged in height. In the design of the prototype, Fig and paragraph 9 of the claims adopted the original design of a device for introducing and distributing air in the reaction space of the reactor - in the form of a separate cavity formed by two plates - upper and lower, connected to the ends of the through pipes providing a transit passage of the reaction liquid and gas. The inter-tube cavity formed in this way is made as a narrow partition attached to the reactor vessel. To supply air to the reaction volume from the inter-tube cavity, numerous channels are drilled in the walls of the pipes along the middle of their length.

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.The design work of the bubble prototype cyclohexane oxidation reactor with a single, non-partitioned volume, equipped with at least one separate air intake device, which includes the upper and lower plates with through pipes welded to them with channels, is as follows. The oxidizable reaction liquid is supplied from top to bottom. Air is introduced into the bottom of the reactor. Unlike air distribution supply devices in the form of two annular bubblers - the analogue, the air is introduced at the bottom of the reaction volume of the prototype reactor not into the annular pipes, but into the inter-tube cavity and then through the numerous channels drilled in the pipe walls into the reaction volume. Passing through the channels in the walls of the pipes inside them - into the reaction volume of the reactor - the air streams turn into chains of air streams floating upward from the narrow partition - microvolume-bubbles. Let us explain that the rate of rise of air bubbles relative to the walls of the reactor is much higher than the rate of lowering of a conventional portion of the liquid of the reaction liquid downward; therefore, the process of relative motion is considered simplistically as a classic “ascent”. In the surface layers of the liquid surrounding each pop-up air microvolume, an oxidation reaction proceeds. Since the number of channels in the walls of the nozzles is made maximum, it is obvious that the conditional distribution density — saturation of the reactor cross section with jets of air bubbles in the cross section of the prototype reactor is much higher than in the designs created in the reactors by circular bubblers — analogues having only three rows of channels. The inter-tube cavity formed by plates with welded nozzles is a peculiar maximally perforated structure that does not resist the movement of the flow of the reaction liquid from top to bottom, and of the gas phase from bottom to top in the reactor itself and serving for the most dense - evenly distributed air supply from inside the cavity into the internal space the reactor.

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.The disadvantage of the prototype design is the reduced safety of the cyclohexane oxidation process. The reduced process safety is due to the constructive absence in the reactor of dividing the mass volume of the product and, accordingly, the reaction volume — a zone with a potentially dangerous — controlled reaction of combustion into smaller volumes, i.e. essentially the absence of devices for crushing the total volume of the reactor into compartments, as well as the absence in emergency conditions of active treatment of these smaller volumes with an inert medium - nitrogen.

Целью заявляемого технического решения является повышение безопасности процесса окисления циклогексана.The aim of the proposed technical solution is to increase the safety of the oxidation of cyclohexane.

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.This goal is achieved by the fact that in the well-known bubbling reactor for the oxidation of cyclohexane, including devices for feeding and distributing air or an inert medium - nitrogen with feed channels and transverse partitions with holes, partitions cover the entire cross section of the reactor without a gap, and the holes are made of any shape and location, but the mutual arrangement of the air and nitrogen supply and distribution devices with the supply channels and the openings of the transverse partitions is such that in emergency conditions with the supply of nitrogen through the channels definiteness jets in a reaction volume of nitrogen gas are webs conventionally locking hole, which together with transverse partitions provide a quasi-stationary separation of the reaction volume into compartments. Quasistationary separation of the reaction volume into compartments is ensured by transverse baffles - in the form of single sheet plates overlapping the entire cross section of the reactor without a gap, and the holes in the sheet plates are made in the form of ring openings, the ring axes of which are rigidly attached to them and annular pipe supply and distribution devices are installed air - bubblers with feed channels, and the gas phase is fed through the channels only into openings, creating in emergency conditions - when nitrogen is supplied through the channels gas jumpers that are cleverly locking openings. Quasi-stationary separation of the reaction volume into compartments is achieved by using air supply and distribution devices in the form of two overlapping reactor cross sections — without the gap of sheet plates — partitions connected to the ends of the through pipes and forming an inter-pipe cavity with channels in the pipes for air or nitrogen injection, creating in emergency conditions when nitrogen is supplied, gas jumpers are conditionally locking branch pipes. The lower of the transverse partitions of the through nozzles connected to the ends or the lower parts of the through nozzles are made with conical parts on which channels for pumping air or nitrogen are drilled upward, creating, under emergency conditions, conditionally locking gas jumper pipes when nitrogen is supplied.

Предлагаемое техническое решение поясняется Фиг.1-5.The proposed technical solution is illustrated in Fig.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.Figure 1 shows a diagram of a cascade of two structurally identical bubble reactors with air supply and distribution devices in the form of annular bubblers and transverse baffles overlapping the entire cross section of the reactor without a gap. In the partitions for the movement of the reaction liquid down, and the gas phase counterflow upward made holes in the form of annular openings. Air or nitrogen is fed into the openings of the partitions - down.

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.Figure 2 presents a fragment of the I partition with the annular bubblers of Fig 1, rigidly fastened to the sheet of the partition and placed on the central axes of the annular openings made in the partition.

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.Figure 3 shows a diagram of a longitudinal section of a bubbling oxidation reactor with air supply and distribution devices in the form of two partitions - sheet plates that overlap the entire cross section of the reactor without a gap and connected to the ends of the through pipes with the formation of an inter-tube cavity. Channels are drilled in the nozzles. Air or nitrogen is fed into the inter-tube cavity of the partitions.

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.Figure 4 shows a fragment II of the device for supplying and distributing air or nitrogen in Figure 3 with the image of one pipe with channels. The embodiment of FIG. 4 is a simplified embodiment of a partition of two plates — sheets and nozzles cut from a pipe.

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.Figure 5 shows fragment III with another embodiment of the partition: - with a bottom sheet made of a variable profile with conical parts in which the air or nitrogen supply channels are drilled upward. Various structural options for the fragments of II and III on the same longitudinal section of one bubbling oxidation reactor of Figure 3, are conventionally combined.

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.The thin dashed lines in FIG. 2; four; Figure 5 shows the trajectories of gas jets of nitrogen from the air and nitrogen supply and distribution devices, which create, under emergency conditions, conditionally locking holes in the partitions, gas jumpers, when nitrogen is supplied. The capital letters A, B, C, D indicate the compartments of the quasi-stationary separated reaction volume.

Показанное на Фиг.1 и 3 количество перегородок - три, - принято условно.The number of partitions shown in Figs. 1 and 3 — three, is conventionally accepted.

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.The proposed design of the bubbling oxidation reactor, according to the embodiment of FIG. 1, consists of air supply and distribution devices located in the reactor vessel 1: - in the form of annular bubblers 2. According to the embodiment of FIG. 2, the annular bubblers 2 are rigidly fastened by ribs 3 with transverse partitions 4 overlapping the entire cross section of the reactor without a gap and made in the form of single sheet plates. Moreover, the annular bubblers 2 with drilled channels 5 are placed above the transverse partitions 4 along the central axes of the annular openings made in the partitions 6. According to the embodiment of FIG. 3; four; 5, the air supply and distribution devices are made in the form of two sheet partitions 7 and 8 overlapping the entire cross section of the reactor, connected to the ends of the through pipes 9 and forming an inter-pipe cavity 10 with channels 11 in the pipes for pumping air or nitrogen. According to the variant of FIG. 5, the lower partition 8 is made with a variable profile, including conical parts, on which channels 11 for pumping air or nitrogen are drilled upward. The resulting locking gas jumpers are shown in fragments of Figure 2; four; 5 thin dashed lines. The embodiment of the partition according to fragment II - Figure 4 is more simple to manufacture than the variant according to fragment III - Figure 5, because allows the use of conventional plates and welding with nozzles. In the variant according to fragment III, Fig. 5, additional forming pressing of the lower plates - partitions 8 is necessary.

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.The work of the proposed design of a bubble reactor for the oxidation of cyclohexane is as follows. The “chemistry” of the oxidation process remains unchanged and is a complex multi-stage complex of transformations with the formation of intermediate - temporarily existing reaction products, which is described in more detail in the main classical work under the editorship of Ovchinnikova V.I. on pages 35-44. The basic hydrodynamics of the interaction of air and liquid during normal operation from the description given in the design of RF patent No. 2381060 - the prototype differs little. That is, in the housing 1 filled with a liquid reactor, at the first moment of time it is pure cyclohexane, by air or nitrogen supply devices in the form of annular bubblers 2 through drilled channels 5 according to the embodiment of FIG. 1; 2 or through the inter-tube cavity 10 through the drilled channels 11 in the nozzles 9 serves nitrogen. Gradually, air is added to the nitrogen followed by the complete replacement of nitrogen with air. With the ingress of oxygen in the reaction volume in the active zones — near the surfaces of the air-bubble jets, oxidation reactions begin and develop, see Ed. V.I. Ovchinnikova, pp. 35-44. The main technological difference in the operation of the proposed reactor from the prototype is as follows. Because partitions in the form of single sheet plates 4 of FIG. 1; 2 or in the embodiment of FIG. 3; four; 5 in the form of two sheet plates 7 and 8 overlap the entire cross section of the reactor — without a gap, there are no free flows — there is no hydrodynamic movement of the reaction liquid and gas phase along the gaps in the reactor vessel 1. All movement, i.e. the lowering of portions of liquid down, in a conditionally discrete representation, and of the gas phase - air with fractional gases - up is carried out only by the available in the partitions 4 of Figure 1; 2 or partitions 7; 8 Figure 3; four; 5 holes, i.e. along the annular openings 6, Figure 1; 2 or nozzles 9 of FIG. 3; four; 5. As a result, with the onset of the proposed design of the pre-emergency conditions during operation: - when the indications exceeding the specified temperature, pressure, and concentration limits are fixed on the control devices, it first shuts down - the air supply to the air supply and distribution devices is cut off according to any the options of Figure 1; 2 or FIG. 3; four; 5. The cessation of air supply is the main factor in suppressing an accident — the exclusion of new portions of the oxidizing agent — oxygen in the controlled combustion zone — in the reaction volume. At the same time, the switching devices of the air supply and distribution devices are connected to the nitrogen line, and an inert medium begins to flow into the reaction volume, which dilutes the gas phase of the reaction volume, lowering the concentration of oxygen and explosive vapors. Moreover, if in the prototype constructions with several air distribution supply devices arranged along the height of the casing, overflow of the reaction liquid was possible in addition to the baffle openings through the gaps between the casing and the air supply and distribution devices, then this is not possible in the proposed design. And thus, the entire mass of the downward moving reaction fluid is forced to pass through the openings-ring openings 6 in the partitions 4 of FIG. 1; 2 or through through pipes 9 in the partitions 7 and 8, according to FIG. 3; four; 5. And passing through them is guaranteed to be dissected, inhibited and diluted with jets of supplied inert medium - nitrogen. Separately, the upward moving gas phase, passing through the annular openings 6 in the partitions 4 of FIG. 1; 2 or through the through pipes 9 in the partitions 7 and 8, is also cut, braked; diluted with nitrogen jets. As a result of this enlargement-concentration of microvolumes — fragments of the reaction liquid and gas with critical parameters when moving inside the reactor — in separate zones of the vessel — for example, spot overheating of individual zones of the reactor vessel — does not occur under emergency conditions. So, essentially, in emergency conditions, a mechanism of active quasistationary separation is implemented - dissection of the reaction volume of the bubbler oxidation reactor of cyclohexane into smaller compartments formed in the longitudinal planes - by the reactor body 1, and in the transverse planes by transverse partitions with openings overlapped by conditionally closed supplied gas-dynamic nitrogen jets, as peculiar, quasi-stationary gas-dynamic bridges from an inert medium. Formed quasi-stationary compartments A; B; AT; G have four times less volume and, accordingly, four times less mass content of the product compared with the total reaction volume of the vessel 1 of the entire reactor. Moreover, the number of compartments determined by the number of partitions can be any. Thus, in the proposed design with realized - conditional quasi-stationary locking and gas-jet processing of moving: reaction liquid and gas in the openings of the jumpers - in emergency conditions, the formation of explosive gas concentrations becomes less likely. An increase in critical parameters, for example, temperatures in separate zones of the reactor and unfavorable local - zonal development of critical situations in the reactor become less possible. Moreover, under normal operating conditions, the uniformity of the distribution of air jets over the cross section of the reactor, which determines the quality and quantity of the produced oxidate, does not decrease.

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.Thanks to the proposed solution, the safety of the cyclohexane oxidation process is improved. Essentially, a design has been created for a safe hydrocarbon oxidation reactor with a technologically uniform bubbling volume, under normal operating conditions, but structurally designed so that in emergency conditions the total single bubbling volume is instantly dissected, and it is divided by nitrogen into smaller reaction volumes existing in the form quasistationary compartments with gas jumpers actively acting on the product, locking the compartment openings. Moreover, we repeat, the gas jumpers created are not only passive quasistationary obstacles, but also active influences that add an inert medium and dilute the critical concentrations of the vapor of the reaction liquid and oxygen. Thus, the proposed solution implements the design form of bubbling oxidation reactors, embodying one of the basic - fundamental principles for ensuring explosion and fire safety - the principle of dividing the explosive and fire hazard product into smaller mass volumes, and, accordingly, the reactor itself, - the apparatus containing the product, - into conditional ones - quasi-stationary compartments. Ensuring explosion and fire safety of hydrocarbon oxidation processes - controlled combustion processes is the primary, most important condition for the design and construction of plants and manufactures, in particular, oxidation units for the production of caprolactam and polyamide plastics, without which the industrial use of the oxidation process itself becomes unacceptable and unacceptable.

Claims

1. A bubble reactor for the oxidation of cyclohexane, including devices for supplying and distributing air or an inert medium - nitrogen with feed channels and transverse partitions with openings, characterized in that the partitions overlap the entire cross section of the reactor without a gap, and the openings are of any shape and arrangement, but mutual the placement of air or nitrogen supply and distribution devices with supply channels and holes in the transverse partitions is such that in emergency conditions with the supply of nitrogen channels distributed in the reaction SG screen jets of nitrogen gas are conventionally jumpers locking hole, which together with transverse baffles provide a quasi-stationary separation of the reaction volume into compartments.

2. The bubbling cyclohexane oxidation reactor according to claim 1, characterized in that the quasi-stationary separation of the reaction volume into compartments is provided by transverse baffles in the form of single sheet plates overlapping the entire cross section of the reactor without a gap, and the holes in the sheet plates are made in the form of ring openings, according to the central axes of which are installed annularly fixed annular pipe air supply and distribution devices - bubblers, with supply channels, the gas phase being fed through the channels only to openings, creating, under emergency conditions, when the nitrogen is supplied through the channels, gas jumpers conditionally locking openings.

3. The cyclohexane oxidation bubble reactor according to claim 1, characterized in that the quasi-stationary separation of the reaction volume into compartments is achieved by using an air supply and distribution device in the form of two partition plate-plates that overlap the entire cross section of the reactor and are connected to the ends of the through pipes and form an inter-tube cavity with the placement of channels in the nozzles for pumping air or nitrogen, creating in emergency conditions with the supply of nitrogen, conditionally locking gas jumper nozzles.

4. A cyclohexane oxidation bubble reactor according to any one of claims 1 and 3, characterized in that the lower of the transverse partitions of the through pipes connected to the ends or the lower parts of the through pipes are made with conical parts on which channels for pumping air or nitrogen are drilled upwardly creating emergency conditions with the supply of nitrogen, conditionally locking nozzles, gas jumpers.