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Dokumentenidentifikation DE69522365T2 23.05.2002
EP-Veröffentlichungsnummer 0682000
Titel Verbesserungen bei der Oxidation organischer Chemikalien
Anmelder Praxair Technology, Inc., Danbury, Conn., US
Erfinder Kingsley, Jeffrey Paul, Newburgh, New York 12550, US;
Roby, Anne Katherine, Goldens Bridge, New York 10526, US
Vertreter Schwan Schwan Schorer, 81739 München
DE-Aktenzeichen 69522365
Vertragsstaaten BE, DE, ES, FR, GB, IT, LU, NL, PT, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 10.05.1995
EP-Aktenzeichen 951070457
EP-Offenlegungsdatum 15.11.1995
EP date of grant 29.08.2001
Veröffentlichungstag im Patentblatt 23.05.2002
IPC-Hauptklasse C07B 33/00
IPC-Nebenklasse B01F 3/04   

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und ein System für die Oxidation von in einem Flüssigkeitskörper vorhandenen organischen Chemikalien mit reinem oder nahezu reinem Sauerstoff.

Beschreibung des Stands der Technik

In Oxidationsreaktionen organischer Chemikalien, in denen die Oxidationsprodukte oder Nebenprodukte in dem Reaktor nicht als feste Materialien ausgefällt werden, wird zum Abführen der Reaktionswärme zweckmäßiger Weise die Direktkontakt-Kühlung wie z.B. durch die Verwendung von Kühlschlangen benutzt. In dreiphasigen Systemen, in denen ein Teil des Reaktionsgemischs eine sich ausfällende Feststoffphase ist, kann jedoch die Ausfällung von Feststoffen auf den Wärmeübertragungsoberflächen rasch die Übertragungskapazität der Oberflächen reduzieren. Weiterhin kann die Oberfläche der Wärmeübertragungsoberflächen für den Abzug von Wärme in hoch exothermischen Oxidationsreaktionen organischer Chemikalien relativ zu dem Reaktorvolumen ziemlich groß sein.

Die meisten kommerziellen Flüssigphasenoxidationen von organischen. Chemikalien werden unter Verwendung von Luft als eine zweckmäßige Sauerstoffquelle durchgeführt. In derartigen Oxidationsverfahren strippt die inerte Stickstoffkomponente der Einsatzluft einen Teil der flüchtigen Komponenten in dem Reaktionsgemisch ab. Der aufgrund der Abfuhr von latenter Wärme durch eine solche Verdampfung entstehende Kühleffekt gleicht somit die exothermische Wärme der Oxidationsreaktion aus. Für eine gegebene Menge an überschüssigem Luft- oder inertem Gasstrom durch den Oxidationsreaktor besteht eine Beziehung zwischen der Temperatur des Oxidationsreaktors und dem Betriebsdruck, mit der die Oxidationsreaktion durchgeführt wird. Diese Beziehung zwischen der Reaktionstemperatur und dem Druck hängt von der Zusammensetzung des Reaktionsgemischs und dem Volumen des verwendeten überschüssigen Gases ab. Auf Luft basierende Verdampfungskühlungsverfahren erfordern im allgemeinen relativ hohe Druck- und Temperaturbedingungen für jede gegebene Oxidation einer organischen Chemikalie.

Die in den Reaktor geleitete Einsatzluft muss auf einen etwas über dem Reaktorbetriebsdruck liegenden Druck verdichtet werden, bevor sie durch ein Rohr oder andere eingetauchte Einblasanordnungen in den Reaktor eingeblasen wird. Sind die Luftblasen dispergiert und durch die Flüssigphase zirkuliert, nimmt die Sauerstoffkonzentration in den Blasen ab, da sich der Sauerstoff löst und mit der organischen Chemikalie in der Flüssigphase reagiert. Die Luftblasen treten von der Flüssigphase außer Eingriff und sammeln sich an der Oberseite des Reaktors an, um eine kontinuierliche Gasphase auszubilden. Diese oben liegende Gasphase stellt ein Abgas dar, dass zur Bereitstellung von frischer Einsatzluft entlüftet werden muss, während zugleich eine adäquate Gasretention aufrecht erhalten werden muss, um die erwünschten Übertragung von Sauerstoff von der Einsatzluft zu der die organischen Chemikalien enthaltenden Flüssigphase zu fördern.

Zur Vermeidung der Möglichkeit von Feuer oder Explosion muss die Sauerstoffkonzentration in dem oben liegenden Gasraum an der Oberseite des Reaktors unter dem Entflammbarkeitsgrenzwert gehalten werden. Für diesen Zweck muss die Sauerstoffkonzentration auf weniger als 8-9 Vol.% gehalten werden. Typischer wird die Sauerstoffkonzentration in dem Gasraum auf unter 5 Vol.% gehalten, um einen Sicherheitsabstand unter dem Entflammbarkeitsgrenzwert bereitzustellen. Somit muss in einem gut verrührten Speicherbehälterreaktor die mittlere Konzentration von ungelöstem Sauerstoff in den zirkulierenden Luftblasen unter 5% liegen, um sicherzustellen, dass die mittlere Sauerstoffkonzentration des sich in dem oben liegenden Raum des Reaktors ansammelnden Gases nicht entflammbar ist.

Die Sauerstoffkonzentration in dem Gasraum ist eine Funktion der Rate, mit der Einsatzluft in den Reaktor eingespeist wird, und der Sauerstoffverbrauchsrate von der Einsatzluft durch die Reaktion mit der oxidierten organischen Chemikalie. Für die meisten Flüssigphasenoxidationsreaktionen ist die Gesamtrate des Sauerstoffverbrauchs durch diejenige Rate bestimmt, bei der sich der Sauerstoff in der Gasphase, d.h. die Gasblasen, in die Flüssigphase übertragen kann. Da die Sauerstoffübertragungsrate proportional zu dem Sauerstoffpartialdruck in der Gasphase ist, der wiederum proportional zu dem Volumenanteil des Sauerstoffs in der Gasphase ist, begrenzt der Sauerstoffgrenzwert von 5% in der Gasphase wie oben erwähnt effektiv die Stoffübergangsrate von Sauerstoff und somit die gesamte Oxidationsrate der organischen Chemikalie.

Bei der Zirkulierung der Luftblasen in dem Reaktor sammeln sich Lösungsmittel Wasser, flüchtige organische Chemikalien (VOC's) und Nebenproduktgase wie z.B. CO&sub2; und CO in dem kontinuierlichen oben liegenden Gasraum an und werden von dem Reaktor entlüftet. Die gesamte Menge an flüchtiger Spezies, die mit dem inerten Entlüftungsgas aus dem Reaktor austritt, ist proportional zu dem gesamten Gasdurchsatz, der wiederum proportional zu der Lufteinsatzrate ist.

In den USA bestimmen föderale, staatliche und örtliche Luftqualitätsstandards, die für eine bestimmte Herstellungsanlage zutreffen, das Ausmaß, bis zu welchem diese flüchtigen Spezies von dem Entlüftungsgas entfernt werden müssen, bevor diese an die Atmosphäre abgegeben werden. Lösungsmittelmaterialien sind typischerweise wertvolle Bestandteile der Oxidationsverfahren, so dass sie üblicherweise kondensiert und zu dem Reaktor rückgeführt werden. Organische Restverbindungen werden üblicherweise von dem inerten Entlüftungsgas gestrippt, wodurch ein flüssiger Abstrom von den Strippböden erzeugt wird. Einige Entlüftungsgasbehandlungssysteme können je nach Erfordernis auch COx- Verminderungssysteme aufweisen, um den Luftqualitätsstandards zu entsprechen. Da die gesamte Menge an von dem Entlüftungsgas abzuführendem Material proportional zu der Lufteinsatzrate für den Reaktor ausfällt, sind auch die Größe der Entlüftungsgasbehandlungsausrüstung und die Menge an in dem Oxidationsverfahren erzeugten Abstrom ähnlich proportional zu der Lufteinsatzrate.

Reiner oder nahezu reiner Sauerstoff bietet in solchen Oxidationsreaktionen organischer Chemikalien viele potenzielle Vorteile. Allerdings erfordert die sichere und effiziente Hinzufügung von reinem Sauerstoffeinsatz in die Oxidationssysteme wegen des Feuer- oder Explosionspotenzials die Verwendung von speziellen Vorsichtsmaßnahmen. In US-A-4 900 480, Litz et al., offenbart ein hoch erwünschtes Flüssigkeitsoxidationsreaktor-(LOR)-System zur Verwendung anstelle eines konventionellen Reaktorsystems, das sich bei der Anwendung mit Einsatzsauerstoff anstelle von Einsatzluft als nicht geeignet oder ineffizient erweist. Das LOR-System ermöglicht die Umwälzung von Gasblasen mit einem Umwälzstrom eines Teils der Flüssigkeitszusammensetzung der organischen Chemikalie getrennt von dem oben liegenden Gasraum, um die Sauerstoffnutzungseffizienz zu verbessern, während der Verlust von wesentlichen Gasmengen an den oben liegenden Gasraum vermieden wird. Bei der Umwälzung der Gasblasen und dem Übertragen des Sauerstoffs in die Flüssigphase nimmt die Sauerstoffkonzentration in den Gasblasen ab. Der durch die Verwendung von reinem Sauerstoff dargebotene Stoffübergangsvorteil verringert sich daher.

Für Oxidationen von rasch reagierenden organischen Chemikalien ist die Sauerstoffnutzungseffizienz natürlicherweise sehr hoch. Somit wird ein hoher Prozentsatz des Sauerstoffs in dem ersten Durchlauf durch die in dem LOR-System verwendete Laufradanordnung verbraucht und der Stoffübergangsvorteil nimmt in nachfolgenden Durchläufen durch die Laufradanordnung in großem Umfang ab. Für derartige Systeme ist die Umwälzung der Gasblasen unerwünscht. Weiterhin können wegen der Natur des in dem durch Litz, et al. beschriebenen LOR-System verwendeten nach unten pumpenden Laufrades und umgebenden Saugrohrs hohe Gasvolumina in dem Saugrohr eine Ausbildung von Kavitationen in der Mischvorrichtung bewirken. Tritt eine solche Kavitation auf, kann das Laufrad nicht länger Flüssigkeit pumpen oder Sauerstoff in der Form feiner Blasen in den umgewälzten Flüssigkeitskörper der organischen Chemikalie aufbrechen und dispergieren. Wäre die Verwendung einer Verdampfungskühlung anstelle der allgemein verwendeten Direktkontakt-Kühlungsanordnung erwünscht, wäre das Vorhandensein von mehr flüchtigen Stoffen oder Dampf in dem Reaktor erforderlich als für Direktkontakt-Kühlungsverfahren. Müssten große Mengen an Dampf in dem Saugrohr umgewälzt werden, würde jedoch wahrscheinlich eine unerwünschte Kavitation auftreten und das erwünschte Mischen des reinen Sauerstoffeinsatzes und der oxidierten Flüssigkeit unterbrechen. Da sich eine Verdampfungskühlung insofern als vorteilhaft erweist, als dass sie die bei der Verwendung von Direktkontakt-Wärmeaustauschoberflächen auftretende Probleme vermeidet, ist eine Modifizierung des LOR-Laufrad/Saugrohrsystems notwendig, um die Menge an umgewälztem Gas in dem Reaktor zu verringern, damit die Gesamtwirksamkeit von LOR- Systemen, wie sie in verdampfungsgekühlten Oxidationsverfahren verwendet werden, verbessert wird.

EP-A-0 454 986 offenbart einen Gas-Flüssigkeits-Mischbehälter, der ein nach unten pumpendes Axiallaufrad in einem Saugrohr verwendet, um eine Wirbelentwicklung zu erzeugen, damit Gas von dem oben liegenden Raum in einen Körper von umgewälzter Flüssigkeit gezogen wird. Ein Druckausgleichsbehälter wird zum Anpassen von Volumenveränderungen in dem Behälter benutzt, und ein Flüssigkeitspegel- Steuermerkmal, in dem die Gasphasendrücke in dem Mischbehälter und Druckausgleichsbehälter eingestellt werden, wird zur Aufrechterhaltung des Flüssigkeitspegels in dem Mischbehälter bei einem erwünschten Pegel für die geeignete Wirbelentwicklung verwendet. Das Flüssigkeitspegel-Steuermerkmal wird durch ein konventionelles Durchperl-Flüssigkeitspegel-Steuergerät bewerkstelligt, das eine vertikale Leitung aufweist, deren eines Ende in die Flüssigkeit in dem Mischbehälter eingetaucht ist, wobei ein aus dem eingetauchten Ende der Leitung ausperlender langsamer Gasstrom zur Erfassung des Flüssigkeitspegels in dem Mischbehälter bezüglich des hydrostatischen Druckes verwendet wird, der überwunden werden muss, um Gasblasen in dem Flüssigkeitskörper in dem Mischbehälter auszubilden.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher in der Bereitstellung eines Verfahrens und eines Systems für die Oxidation organischer Chemikalien unter Verwendung einer Verdampfungskühlung des Reaktionsgemischs, um die mit der Verwendung von Direktkontakt-Wärmeaustauschoberflächen verbundenen Probleme zu beseitigen.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines LOR-Verfahrens und -systems unter Verwendung einer Verdampfungskühlung und von reinem oder nahezu reinem Sauerstoff für die Oxidation organischer Flüssigkeiten.

Bezüglich dieser und weiterer Aufgaben wird die Erfindung im folgenden ausführlich beschrieben werden, wobei deren neue Merkmale insbesondere in den beiliegenden Ansprüchen verdeutlicht sind.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Aufgaben der Erfindung werden durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und ein System gemäß Anspruch 11 gelöst.

Das LOR-System wird modifiziert, um die Umwälzung von Gasblasen durch das Saugrohr zu minimieren, wodurch eine unerwünschte Kavitation in dem Rohr ausgeschlossen wird. Somit kann eine Verdampflxngskühlung, die eine größere Menge an Dampf in dem Reaktor erfordert als in Direktkontakt-Kühlungstechniken vorhanden ist, vorteilhaft in Oxidationsreaktionen organischer Chemikalien unter Verwendung von reinem oder nahezu reinem Sauerstoff verwendet werden, bei denen Teile der Oxidationsprodukte oder Nebenprodukte in der Feststoffphase vorliegen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im folgenden wird die Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben werden, in welchen:

Fig. 1 ein Auftrag von Essigsäureverbrennung als eine Funktion der Temperatur in dem verdampfüngsgekühlten LOR-Verfahren der Erfindung ist;

Fig. 2 eine schematische Seitenansicht eines LOR-Mischbehälters im Aufriss ist, der eine Ausführungsform der Erfindung darstellt; und

Fig. 3 eine schematische Seitenansicht eines konventionellen Reaktorentwurfes im Aufriss ist, der in Verdampfungskühlungsvorgängen unter Verwendung von Sauerstoff anstelle von Luft für die Oxidation von Kohlenwasserstoffen verwendet werden kann.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Die Aufgaben der Erfindung werden durch ein Durchführen der erwünschten Oxidationsreaktionen organischer Chemikalien mit reinem oder nahezu reinem Sauerstoff in einer Weise bewerkstelligt, die es ermöglicht, eine Verdampfungskühlung zu verwenden, und insbesondere mit Bezug auf die vorteilhafte Anwendung des LOR-Verfahrens und -systems für derartige Oxidationszwecke. Für Reaktionen, in denen ein Teil der Oxidationsprodukte oder Nebenprodukte in der Feststoffphase vorliegen, vermeidet die Erfindung die praktischen Betriebsprobleme, die mit der Verwendung von Wärmeaustauschoberflächen als eine Folge der Ausfällung von Feststoffen auf den Wärmeübertragungsoberflächen von Kühlschlangen und ähnlichem verbunden sind. Infolgedessen kann die sichere und effiziente Verwendung von reinem oder nahezu reinem Sauerstoff für die Oxidation einer organischen Chemikalie zweckmäßiger Weise unter Verwendung einer Verdampfungskühlung durchgeführt werden, um erwünschtermaßen die während der Oxidationsreaktion erzeugte Reaktionswärme abzuführen. Die Praxis der Erfindung ermöglicht einen Betrieb des vorliegenden Verfahrens und Systems an dem Siedepunkt des Oxidationsreaktionsgemisches bei im wesentlichen keinen Überschüss-Sauerstoffbedingungen.

Die Verwendung des wie hier beschrieben und beanspruchten modifizierten LOR-Verfahrens und - systems für die Oxidation organischer Chemikalien verbessert wesentlich den Stoffübergang von Sauerstoff von der Gasphase zu der Flüssigphase und erhöht dadurch die gesamte Reaktionsrate im Vergleich zu der Verwendung von Einsatzluft als eine Sauerstoffquelle. Das LOR-System, wie es für die Erfindungszwecke verwendet wird, minimiert die Umwälzung von Gasblasen durch das Saugrohr, was erwünscht ist, da Sauerstoff in großem Umfang in dem ersten Durchlauf durch die Kombination aus nach unten pumpendem wendelförmigem Laufrad und Saugrohr verbraucht wird, die in dem Reaktor und in nachstehend erläuterten Walzenzellen enthalten ist. Für ein ökonomisches Verfahren der Erfindung muss die Sauerstoffverbrauchsrate, d.h. die Rate, mit der Sauerstoff zu der Flüssigkeit übertragen wird und mit der oxidierten organischen Chemikalie reagiert, sehr hoch ausfallen.

Einer der wichtigen Vorteile des LOR-Ansatzes der Erfindung besteht in dem Umstand, dass, da das Gas- Flüssigkeits-Reaktionsgemisch von dem Saugrohr mit hohen Geschwindigkeiten gepumpt wird, sich dadurch ein Strahl ausbildet, der die umgebende Flüssigkeit außerhalb des Saugrohrs mitreißt und auf den Boden des Reaktionsbehälters auftrifft, Walzenzellen an dem Boden des Reaktors ausgebildet werden. Diese Walzenzellen fangen im wesentlichen die dispergierte Gasphase ein, bis sie entweder völlig verbraucht ist oder zu einem kritischen Blasendurchmesser mit einem ausreichenden Auftrieb koalesziert, um durch die Flüssigkeit aufzusteigen und zu entweichen. Dieses Muster an Fluiddynamik erbringt eine sehr hohe Sauerstoffnutzungseffizienz.

Die Verfahrensbedingungen für die Oxidation organischer Verbindungen in dem modifizierten LOR- System der Erfindung liegen im allgemeinen in dem Bereich von kommerziell angewendeten, auf Luft basierenden Oxidationsverfahren. Der signifikanteste Unterschied besteht darin, dass für ein gegebenes Reaktionsgemisch und eine gegebene Betriebstemperatur der Betriebsdruck des Reaktors niedriger mit dem auf Sauerstoff basierenden Verfahren als für das auf Luft basierende Verfahren ausfällt.

Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass für einige spezifische Oxidationsverfahren die optimalen Verfahrensbedingungen wie z.B. Betriebstemperatur und Katalysatorkonzentration sich für die auf Sauerstoff basierende Reaktion von der entsprechenden auf Luft basierenden Reaktion unterscheiden können. Für eine typische Oxidationsreaktion sind die auf Luft basierenden Verfahrensrentabilitäten durch die relativen Vorzüge einer hohen Temperatur auf die Reaktionsrate und Umwandlung im Vergleich zu dem erhöhten Verlust an Produktselektivität und -ertrag in Verbindung mit den erhöhten Betriebstemperaturbedingungen bestimmt. Ein solcher Verlust an Selektivität schlägt sich in dem erhöhten Verlust an Lösungsmittel und/oder Reaktionsmittel in Form von Abfallnebenprodukten wie z.B. Kohlendioxid oder Kohlenmonoxid nieder. Katalysatorkonzentrationen können einen ähnlichen Effekt auf die Reaktionsrate wie die Selektivität bewirken. Mit dem verdampfungsgekühlten auf Sauerstoff basierenden Verfahren gemäß der Praxis der Erfindung ergibt sich, dass die Produktumwandlung und Reaktionsrate mit einem Erhöhen der Betriebstemperatur zunehmen, jedoch ist keine Abhängigkeit von Lösungsmittelverlust und Reaktionstemperatur beobachtet worden.

Mit Bezug auf Fig. 1 der Zeichnung bezieht sich das Lösungsmittelsäureverbrennungsverhalten, illustriert als eine Funktion der Temperatur, auf die Oxidation von p-Xylen zu Terephthalsäure in dem verdampfungsgekühlten Verfahren der Erfindung. Für den Fachmann versteht sich, dass die Reaktion von Essigsäurelösungsmittel unerwünscht ist und ermitteltermaßen konsistent gering in Relation zu den auf Luft basierenden Verfahren bei typischen Reaktionstemperaturen im Bereich von etwa 180ºC bis 200ºC ist. Die aufgeführten Daten wurden einem 3,3 l-LOR-Reaktor entnommen, der gemäß der Erfindung modifiziert wurde. Der Innendurchmesser des Reaktors betrug 5 inch und sowohl ein 2 inch-Laufrad wie ein 3 inch-Laufrad wurden in einem Saugrohr angeordnet und bei einer Drehzahl von 1000 U/min benutzt, wobei das Saugrohr auf eine hier beschriebene und beanspruchte Weise in dem Reaktor vorgesehen war. Das Einsatzgemisch war typischerweise 11% p-Xylen. Die verwendeten Reaktionskatalysatoren waren Kobalt und Mangan als Acetatsalze, deren Konzentrationen von 200 bis 2000 ppm bzw. von 500 bis 3000 ppm reichten. Brom, in der Form von Wasserstoffbromid, wurde als ein Initiator mit Konzentrationen in dem Einsatzgemisch im Bereich von 400 bis 3000 ppm verwendet.

Fig. 2 der Zeichnungen illustriert ein modifiziertes LOR-System, das für eine Verwendung gemäß der Erfindung für die Oxidation von organischen Flüssigkeiten mit reinem oder nahezu reinem Sauerstoff unter Verwendung einer Verdampfungskühlung des Reaktionsgemischs geeignet ist. In dieser Ausführungsform weist ein Reaktorbehälter 1 einen Körper aus organischer Flüssigkeit 2 mit einer Gas/Flüssigkeits-Grenzfläche 3 und eine oben liegende Gasphase 4 auf. Produktflüssigkeit wird von dem Reaktorbehälter 1 durch eine Leitung 5 abgeführt. Wie in dem LOR-System von Litz et al. wird ein hohles Saugrohr 6 typischerweise zentral in dem Reaktorbehälter 1 angeordnet, wobei ein offenes Ende 7 an einem oberen und offenen Ende 8 an dem Boden des Behälters vorgesehen ist. Eine Laufradanordnung 9 ist in dem hohlen Saugrohr 6 angeordnet. Eine derartige Laufradanordnung 9 ist eine nach unten pumpende wendelförmige Laufradanordnung, die dazu ausgelegt ist, den abwärts gerichteten Flüssigkeitsstrom mit hoher Geschwindigkeit von dem Flüssigkeitskörper 2 in dem hohlen Saugrohr 6 sowie die Ausbildung von turbulenten Walzenzellen B und die aufwärts gerichteten Strömung der Flüssigkeit von dort in den Ringraum zwischen der Seitenwand des Reaktorbehälters und der Außenseite des hohlen Saugrohrs 6 über den Walzenzellen B zu erleichtern. Die Laufradanordnung 9 weist allgemein eine Radialstrom-Laufradanordnung 10 und falls erwünscht eine untere Ablenkanordnung 11 auf, um die erwünschte Umwälzflüssigkeitsströmung in den Reaktorbehälter 1 zu erleichtern. Eine geeignete Antriebswelle 12, die sich nach oben von dem Reaktorbehälter 1 zur Verbindung mit einer geeigneten Antriebsanordnung 13 erstreckt, wird zum Betreiben der Laufradanordnung 9 verwendet.

Anhand der Fig. 2 aus dem Patent von Litz et al. ist ersichtlich, dass eine hohle Saugkammer 29 optimalerweise einen konisch trichterartigen Bereich 30a an seinem oberen Ende beinhaltet, um die Strömung eines Gasblasen-Flüssigkeitsgemisches in die Saugkammer für einen dortigen abwärts gerichteten Durchlass zu erleichtern. In dem modifizierten LOR-System der Erfindung ist ähnlich dazu ein konisch trichterartiger Bereich an dem oberen Ende des hohlen Saugrohrs 6 angeordnet, jedoch unterscheidet sich die Konfiguration des konisch trichterartigen Bereiches ziemlich von derjenigen aus Litz et al. und sie wird für den gegenteiligen Zweck einer Reduzierung der Menge an nach unten in das hohle Saugrohr 6 gezogenen Gasblasen verwendet. Daher erstreckt sich ein vertikal verlängerter, konisch trichterartiger Bereich 6a des hohlen Saugrohrs 6 nach oben über einen im allgemeinen zylindrischen unteren Bereich 6b des Rohrs, in den eine Laufradanordnung 9 angeordnet wird. Der Durchmesserzuwachs an der Oberseite des konisch trichterartigen Bereiches 6a dient zur Minimierung der Abwärtsgeschwindigkeit eines Flüssigkeitsströmungsmusters A über der Oberseite des hohlen Saugrohrs 6, wodurch der Teil der in den Reaktorbehälter außerhalb des hohlen Saugrohrs 6 aufsteigenden Gasblasen, die mit der abwärts gerichteten Strömung von Reaktionsmittelflüssigkeit in dem hohlen Saugrohr 6 hinunter in die Laufradanordnung 9 gezogen werden, merklich verringert wird. Für diesen Zweck erstreckt sich der vertikal verlängerte, konisch trichterartige obere Bereich 6a in senkrechter Richtung von etwa 0% bis etwa 200% und vorzugsweise von etwa 100% bis etwa 150%, der Länge des unteren Bereiches b des hohlen Saugrohrs, in dem die Laufradanordnung 9 vorgesehen ist und der typischerweise eine zylindrische, nicht konische Konfiguration aufweist. Der Durchmesser an der Oberseite des Saugrohrs, d.h. der vergrößerte Durchmesser an der Oberseite des oberen Bereiches 6a, ist geeignet bemessen, um die Abwärtsgeschwindigkeit der Flüssigkeit über der Oberseite des Saugrohrs zu minimieren, z.B. bis etwa 1,5 Fuß/s in bestimmten Ausführungsformen. Während sich versteht, dass die Abmessungen des oberen Bereiches 6a des Saugrohrs 6 in Abhängigkeit von den Gesamtumständen einer gegebenen Anwendung variieren, liegt typischerweise ein Abstand von etwa dem 0,5 bis etwa dem 4,0 Fachen des Durchmessers des Saugrohrs zwischen dem oberen Bereich 6a und den Wänden des Reaktionsbehälters vor. In einigen Fällen reicht der vergrößerte Durchmesser an der Oberseite des oberen Bereiches 6a von dem 1,5 bis zu dem 3,0 Fachen des Durchmessers des unteren Bereiches 6b. In bestimmten Ausführungsformen beträgt der vergrößerte Durchmesser an der Oberseite des oberen Bereiches 6a von etwa 40% bis etwa 80% des Innendurchmessers oder der Innenbreite des Reaktorbehälters und vorzugsweise etwa 50% bis 60% davon. Die Geometrie und Drehzahl der Laufradanordnung sind Faktoren, welche die Größe des Saugrohrs 6 und dessen oberen Bereiches 6a für eine bestimmte Anwendung bestimmen. Die hohe Geschwindigkeit der nach unten durch die Laufradanordnung gepumpten Flüssigkeit liegt typischerweise im Bereich von 1,52 m/s oder 1,83 m/s bis etwa 2,44 m/s (5 oder 6 bis etwa 8 Fuß/s) oder höher, um die hochturbulenten Walzenzellen zu erzeugen, die nicht gelösten Sauerstoff einfangen und dessen erwünschte Auflösung verbessern. Auch ist eine Ablenkanordnung 6' erwünschter Weise in dem konisch trichterartigen Bereich 6a des hohlen Saugrohrs 6 angeordnet, um die abwärts gerichtete Flüssigkeitsströmung zu der Laufradanordnung 9 zu erleichtern.

Infolge des raschen Verbrauchs von Einsatzsauerstoff bei der Injektion in das hohle Saugrohr 6 und der Minimierung der abwärts gerichteten Flüssigkeitsströmung über die Oberseite des Saugrohrs reduziert die modifizierte LOR-Laufrad/Saugrohrkombination der Erfindung auf effektive Weise die Menge an nach unten in das Saugrohr strömendem umgewälztem Gas. Die nach oben in den Reaktionsbehälter außerhalb des unteren Bereiches 6b des hohlen Saugrohrs strömenden Gasblasen weisen prinzipiell flüchtige organische Chemikalien (VOCs), Reaktionsmittellösungsmittel, Wasserdampf und Nebenprodukte wie z.B. CO und CO&sub2;, mit nur geringen Mengen an darin vorhandenem nicht gelöstem Sauerstoff auf. Die Verdampfung der flüchtigen organischen Spezies stellt die für die Abführung der Reaktionswärme des erwünschten Oxidationsvorgangs organischer Chemikalien erforderliche Verdampfungskühlung bereit. Es ist ersichtlich, dass die Gasblasen, die in dem Reaktorbehälter 1 insbesondere in der Nachbarschaft der Oberseite des oberen Bereiches 6a des hohlen Saugrohrs 6 und in den Bereich über dem Saugrohr zu der Gas/Flüssigkeits-Grenzfläche 3 aufsteigen, sehr wenig Sauerstoff enthalten, so dass die Sauerstoffkonzentration in der oben liegenden Gasphase 4 einfach innerhalb den angegebenen Grenzwerten gehalten wird, um sich gegen die Möglichkeit von Feuer oder Explosion abzusichern. Der Bereich des Flüssigkeitskörpers 2 nahe der Oberseite des oberen Bereiches 6a des hohlen Saugrohrs 6 und in dem Bereich des Flüssigkeitskörpers 2 über dem oberen Bereich 6a bildet somit tatsächlich eine relativ ruhige Zone von geringer Turbulenz in Analogie zu der in dem LOR-Verfahren und -system des Patents von Litz et al. bereitgestellten Zone aus. Es versteht sich, dass Gase von der oben liegenden Gasphase 4 während des Oxidationsreaktionsprozesses durch eine Entlüftungsanordnung 14 entlüftet werden. Für die Zwecke der Erfindung sei gleichfalls darauf verwiesen, dass der untere nicht trichterartige Bereich 6b des hohlen Saugrohrs 6 erwünschter Weise und wie in Fig. 2 dargestellt in der unteren Hälfte des Reaktionsbehälters 1 und vorzugsweise nahe dem Boden des Behälters angeordnet wird, um ein Zusammenprallen zwischen dem von dem Boden des Reaktorbehälters 1 abgelassenen Gasblasen-Flüssigkeitsgemisch und dem Boden des Behälters bereitzustellen.

Betreffs der in der Praxis der Erfindung erwünschten völlig unterschiedlichen Gasströmungsmuster gegenüber dem in dem Patent von Litz et al. beschriebenen Gas-Flüssigkeitsmischvorgang wird in der Praxis der Erfindung keine Ablenkanordnung entsprechend der in dem System von Litz et al. zum Ausrichten eines Gasblasen-Flüssigkeitsgemisches zu der Oberseite der hohlen Saugkammer 29 verwendeten Leitablenkanordnung 34 verwendet. Jedoch benutzt die Erfindung eine kleine horizontale Ablenkanordnung, d.h. eine Scheibe 15, die in dem hohlen Saugrohr 6 um die Antriebswelle 12 herum in dem Bereich über der Laufradanordnung vorgesehen ist. Eine derartige Ablenkanordnung dient dazu, eine durch den Verwirbelungsvorgang induzierte Aufnahme von Gas von der oben liegenden Gasphase 4 entlang der Antriebswelle 12 auszuschließen.

Wie oben angegeben verwendet die Erfindung und insbesondere die Ausführungsform des modifizierten LOR-Verfahrens und -systems reinen oder nahezu reinen Sauerstoff für die Oxidation von organischen Chemikalien, wobei eine Verdampfungskühlung zum Abführen der von der Oxidationsreaktion erzeugten Reaktionswärme verwendet wird. Für diesen Zweck ist der Stoffübergang von Sauerstoff von der Gasphase zu der Flüssigphase wesentlich verbessert, um die gesamte Reaktionsrate im Vergleich zu auf Luft basierenden Oxidationsreaktionen zu erhöhen. Die Praxis der Erfindung ermöglicht die Bewerkstelligung einer hohen Sauerstoffverbrauchsrate, so dass eine sehr hohe Sauerstoffnutzungseffizienz, d.h. mindestens 75% und vorzugsweise 90% oder mehr bei der wie hier beschriebenen direkten ersten Injektion von reinem oder nahezu reinem Sauerstoff in das hohe Saugrohr 6 erhalten wird. Eine solche Ausnutzung von reinem Sauerstoff gekoppelt mit der oben beschriebenen Konfiguration des hohlen Saugrohrs 6 minimiert die Umwälzung von Gasblasen durch das Saugrohr 6, ermöglicht eine vorteilhafte Verwendung der Verdampfungskühlung und schließt eine unerwünschte Kavitation in der Laufradanordnung 9 aus, welche die erwünschte Umwälzung von Flüssigkeitsreaktionsmittel und das Aufbrechen und rasche Dispergieren von Sauerstoff als Blasen in dem Flüssigkeitsreaktionsmittel behindern oder ausschließen würde.

Für die Zwecke des Verdampfungskühlungsansatzes der Erfindung wird der reine oder nahezu reine Sauerstoffeinsatz dem Reaktorbehälter 1 an einer Stelle hoher Turbulenz innerhalb des hohlen Saugrohrs 6 oder unmittelbar darunter anstatt von einer anderen Stelle in dem Körper der organischen Flüssigkeit 2 zugeführt. Obgleich die Sauerstoffhinzufügung von jeder zweckmäßigen Stelle hoher Turbulenz in dem hohlen Saugrohr 6 wie z.B. durch eine Injektionsleitung 16 direkt in dessen unteren Bereich 6b unmittelbar über der Laufradanordnung 9 erfolgen kann, ist es erwünscht und zweckmäßig, Sauerstoff in das System durch eine Injektionsleitung 17 zu einer Stelle in dem unteren Bereich 6b unterhalb der wendelförmigen Laufradanordnung 9 und einer Radialstrom-Laufradanordnung 10 wie z.B. einer Flachschaufelturbine, falls verwendet, zu injizieren, oder zu einer Stelle in dem unteren Bereich 6b zwischen der wendelförmigen Laufradanordnung 9 und der Radialstrom-Laufradanordnung 10, falls verwendet. Es versteht sich, dass diese Stellen Stellen hoher Scherung sind. Es sei darauf hingewiesen, dass die Injektion des Sauerstoffeinsatzes an einer derartigen Stelle hoher Turbulenz oder Scherung wichtig für den erwünschten raschen Verbrauch von Sauerstoff ist. Die anfänglich hohe Sauerstoffkonzentration in der Gasphase an der Injektionsstelle dient zur Verbesserung der Stoffübergangsrate des Sauerstoffes in diesen Bereich des Flüssigkeitsreaktionsmittels, der andernfalls wegen der hohen Oxidationsreaktionsrate in der Flüssigphase sauerstoffabgereichert werden würde.

In der Praxis der Ausführungsform der Fig. 2 der Erfindung versteht sich, dass Stickstoff oder ein anderes inertes Spülgas durch eine Leitung 18 in die oben liegende Gasphase 4 eingeleitet werden kann, um eine sichere Sauerstoffkonzentration unter dem Entflammbarkeitsgrenzwert in der oben liegenden Gasphase 4 aufrechtzuerhalten. Diesbezüglich sei darauf hingewiesen, dass die Saugrohrkonfiguration eine ausgezeichnete Pumpe ist, welche die oben erwähnten Walzenzellen aufbaut, die den nicht gelösten Sauerstoff einfangen, was die Bewerkstelligung einer hohen Sauerstoffeffizienz ermöglicht und die in der oben liegenden Gasphase erforderliche Menge an Stickstoff oder anderem inertem Spülgas im Vergleich zu der nachstehend erläuterten Ausführungsform der Fig. 3 begrenzt.

Es sei darauf hingewiesen, dass in weniger bevorzugten Ausführungsformen die Substitution von Sauerstoff für Luft bei der Oxidation von organischen Chemikalien, z.B. Kohlenwasserstoffen, in konventionellen Reaktorbehältern durchgeführt werden kann, die so arbeiten, dass die exothermische Wärme der Oxidationsreaktion durch Verdampfungskühlung abgeführt wird. In der Fig. 3 der Zeichnungen enthält ein Reaktorbehälter 20 ein Flüssigkeitskörper-Reaktionsmittel 21 mit einer Gas/Flüssigkeits-Grenzfläche und einer oben liegenden Gasphase 23, in die Sauerstoff durch eine Leitung 24 injiziert wird. Eine durch eine Antriebswelle 26 und einen Antriebsmotor 27 angetriebene Umrühranordnung 25 wird zur Dispergierung des Sauerstoffs verwendet, der erwünschter Weise unter der Umrühranordnung 25 in der Form von Blasen 28 in das Flüssigkeitskörper-Reaktionsmittel 21 injiziert wird. Stickstoff oder anderes inertes Entlüftungsgas wird durch eine Leitung 29 in die oben liegende Gasphase 23 eingeleitet und Entlüftungsgas wird aus ihr durch eine Leitung 30 abgezogen.

Durch die Ausführung der Oxidationsreaktion in dem Reaktorbehälter 20 an dem Siedepunkt des Reaktionsgemischs, d.h. ohne überschüssigen gasförmigen Sauerstoff, wird die Reaktionswärme der Oxidationsreaktion von dem Reaktionsgemisch mittels Verdampfungskühlung abgeführt. Unter derartigen Bedingungen werden viele der mit einer auf Sauerstoff basierenden Verarbeitung beobachteten Vorteile realisiert, d.h. eine erhöhte Reaktionsrate, eine verringerte Entlüftungsströmung und eine Verringerung der Nebenproduktausbildung. Um jedoch die mit gefährlichen Sauerstoffkonzentrationen in der oben liegenden Gasphase 23 in Verbindung stehenden Sicherheitsprobleme in derartigen Reaktorarbeitsgängen zu vermeiden, muss eine große Menge an Stickstoff oder anderem inertem Entlüftungsgas zu der oben liegenden Gasphase 23 geleitet werden, damit solche mit dem Vorliegen von überschüssigem Sauerstoff in der Gasphase assoziierten Sicherheitsprobleme vermieden werden. Die zusätzlichen Kosten eines derartigen Stickstoffes oder anderen Gases könnte diese Ausführungsform jedoch unter dem Blickwinkel des praktischen Betriebs unökonomisch ausfallen lassen. Für eine ökonomische Geeignetheit des Verfahrens der illustrierten Ausführungsform muss das dort verwendete Laufrad bei der Sauerstoffübertragung effizient sein, indem es den Sauerstoffeinsatz als sehr kleine Blasen verteilen und eine längere mittlere Verweildauer für die Sauerstoffblasen in der Flüssigphase unterstützen kann.

Es versteht sich, dass bezüglich der Einzelheiten der hier beschriebenen Erfindung viele Veränderungen und Modifizierungen erfolgen können, ohne den Rahmen der beiliegenden Ansprüche zu verlassen. Das Verfahren und System der Erfindung sind für die exothermische Oxidation jeder organischen Chemikalie geeignet. Wegen der oben angeführten Gründe ist die Erfindung besonders für die Oxidation solcher organischer Chemikalien geeignet, deren Oxidation einen Feststoff als das erwünschte Produkt oder als ein Nebenprodukt erzeugt. Alle Polyalkylaromate wie z.B. p-Xylen sind Beispiele von organischen Chemikalien, für die eine Oxidation unter Verwendung des Verdampfungskühlungsansatzes der Erfindung besonders vorteilhaft sind. Zusätzlich zu der Herstellung von Terephthalsäure sind die Herstellung von jeder anderen Dicarboxylsäure wie z.B. Isophtalsäure, Trimellitsäure, und 2,6-Naphthalindicarboxylsäure illustrative Beispiele von kommerziellen signifikanten Anwendungen der Erfindung.

Wie aus den illustrierten Ausführungsformen ersichtlich ist, wird reiner Sauerstoff oder ein sauerstoffreiches Gas direkt in den umgewälzten Bereich des Flüssigkeitskörpers an einer Sauerstoffinjektionsstelle oder -stellen nahe der Laufradanordnung injiziert. Für die Zwecke dieser Erfindung ist eine Stelle nahe der Laufradanordnung eine Stelle innerhalb des turbulenten Strömungsfeldes, das von der Laufradanordnung einschließlich der Laufradansaugung und der Auslassströmungsfelder erzeugt wird. Es sei darauf hingewiesen, dass die in dem unteren Bereich des Reaktorbehälters unterhalb des hohlen Saugrohrs und der Laufradanordnung ausgebildeten Walzenzellen, d.h. die Walzenzellen B in Fig. 2, einen sehr signifikanten Bereich des von der Laufradanordnung erzeugten turbulenten Strömungsfeldes ausmachen.

In einem illustrativen Beispiel der Praxis der Erfindung wird Terephthalsäure durch die Oxidation von flüssigem p-Xylen in dem Reaktorbehälter 1 der Ausführungsform der Fig. 2 der Erfindung hergestellt. Essigsäure wird als ein Lösungsmittel verwendet, und 500-3000 ppm eines Kobalt/Mangan-Katalysators und Brom in der Form von Wasserstoftbromid werden als ein Initiator bei einer Brom in Relation zur gesamten Katalysatorbeschickung von 0,3 : 1 benutzt. Eine Reaktionstemperatur von etwa 200ºC wird bei einem Druck von 7,93 bis 8,14 bar (115-180 psia) verwendet. Im wesentlichen reiner Sauerstoff wird durch die Leitung 17a in das Saugrohr an einer Stelle sehr hoher Scherung zwischen der Laufradanordnung 9 und dem Radialmischer 10 injiziert. Infolgedessen dispergiert der Sauerstoff rasch als sehr kleine Blasen. Somit wird der Sauerstoff bei der Übertragung in die Flüssigphase schnell verbraucht. Eine Verdampfung eines Teils des Reaktionsgemischs tritt bei den zur Abführung der Reaktionswärme mittels Verdampfungskühlung benutzten Reaktionsbedingungen auf. Aufgrund der Saugrohrposition und - konfiguration gemäß der Zeichnung wird die Wiederaufnahme von nach oben aufsteigenden Gasen in die abwärts strömende Flüssigkeit an der Oberseite des konisch trichterartigen oberen Bereiches 6a des hohlen Saugrohrs 6 minimiert. Daher wird die Möglichkeit einer Kavitation signifikant reduziert oder vermieden. Ähnlich dazu wird eine unerwünschte Verdünnung von Sauerstoffreaktionsmittel in dem unteren Bereich des Saugrohrs 6 verhindert. Infolgedessen wird der benutzte Sauerstoff effektiv genutzt und die Verdampfungskühlung erfolgreich verwendet, und der Verlust von Lösungsmittel ist im Vergleich zu der auf Luft basierenden Verarbeitung für die Terephthalsäureproduktion gemäß dem Stand der Technik sehr signifikant reduziert.

Obgleich in bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung im wesentlichen reiner Sauerstoff erwünschter Weise verwendet wird, können auch andere nahezu reine Sauerstoffgase in der Praxis der Erfindung benutzt werden. Ein derart nahezu reiner Sauerstoff ist für die Zwecke der Erfindung ein sauerstoffreiches Gas mit einem signifikant höheren Sauerstoffgehalt als Luft, z.B. sauerstoffreiche Luft mit einem Sauerstoffgehalt von mindestens 50% und vorzugsweise von mindestens etwa 90%.

Die Erfindung stellt auf dem Gebiet der Oxidation von organischen Chemikalien einen signifikanten Fortschritt dar. Das hoch effektive LOR-System wird für eine Verwendung ohne Kavitation erwünschter Weise modifiziert, wodurch das erwünschte LOR-Gas/Flüssigkeitsmischverfahren und -system mit einer Verdampfungskühlung benutzt werden können. Die Praxis der Erfindung ermöglicht es nicht nur, dass das LOR-Verfahren und -system auf Feststoffprodukte oder Nebenprodukte erzeugende Oxidationsreaktionen effektiv ausgeweitet werden können, sondern die Verwendung von reinem oder nahezu reinem Sauerstoff in der Praxis der Erfindung erlaubt auch eine derartige Verwendung von Reaktionsbedingungen, dass eine unerwünschte Nebenproduktausbildung, der Lösungsmittelverbrauch und der Gasdurchsatz in dem Reaktionssystem und die Abgaserzeugung verringert werden. Das Verdampfungskühlmerkmal der Erfindung bietet signifikante und unerwartete Vorzüge bezüglich der erhöhten Verringerung des Flüssigkeitsreaktionsmittel- und Lösungsmittelverbrauchs. All diese Vorzüge verbessern die technische und ökonomische Durchführbarkeit von Oxidationsreaktionen organischer Chemikalien in einer Vielzahl praktischer kommerzieller Arbeitsgänge.


Anspruch[de]

1. Verfahren für die Oxidation von organischen Chemikalien in einem Flüssigkeitskörper (2, 21), der in einem Reaktorbehälter (1, 20) aufgenommen ist und ohne wesentlichen Verlust von Sauerstoff an eine oben liegende Gasphase (4, 24) sehr rasch oxidierbar ist, wobei im Zuge des Verfahrens

(a) der Flüssigkeitskörper, der eine zu oxidierende organische Chemikalie enthält, die in einem organischen Lösungsmittel vorliegt, mittels einer Laufradanordnung (9, 25), die darin angeordnet ist, in einem Umwälzströmungsmuster gehalten wird, wobei der Flüssigkeitskörper eine Gas/Flüssigkeits- Grenzfläche (3, 22) mit der oben liegenden Gasphase aufweist;

(b) reiner Sauerstoff oder ein sauerstoffreiches Gas direkt in den umgewälzten Teil des Flüssigkeitskörpers an einem Sauerstoffinjektionspunkt oder an Punkten nahe der Laufradanordnung injiziert wird, so dass es sich innerhalb des von der Laufradanordnung erzeugten turbulenten Strömungsfelds befindet, um Sauerstoff rasch in der Flüssigkeit als kleine Blasen (28) zum raschen Verbrauch nach der Injektion in die Flüssigkeit zu verteilen, wobei die von der Oxidation der organischen Chemikalie herrührende Reaktionswärme mittels Verdampfungskühlung durch Verdampfen von flüchtigem organischem Material und Wasser, welche in dem Flüssigkeitskörper vorhanden sind, abgeführt wird, wobei Blasen des verdampften organischen Materials und Wasserdampf, begleitet von nur kleinen Mengen an Sauerstoff in dem Flüssigkeitskörper und durch eine relativ ruhige, im wesentlichen nicht turbulente Zone in dem oberen Bereich des Reaktorbehälters zu der Gas/Flüssigkeits- Grenzfläche und zu der oben liegenden Gasphase aufsteigen, und wobei der Reaktorbehälter keine mechanische Direktkontakt-Kühlungsanordnung enthält; und

(c) die Blasen des verdampften organischen Materials und Wasserdampf aus der oben liegenden Gasphase freigesetzt werden, wobei der Sauerstoff und die zu oxidierende organische Chemikalie unter Bedingungen gemischt werden, die den raschen Verbrauch von Sauerstoff und die Verdampfung von organischem Material und Wasser fördern, wobei minimale Mengen an Sauerstoffblasen zu der oben gelegenen Gasphase gelangen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein inertes Gas (18, 29) durch die oben liegende Gasphase (4, 23) geleitet wird, um kleine Mengen an Sauerstoff, welche zu der oben liegenden Gasphase gelangen, zu inertisieren.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Umwälz-Flüssigkeitsströmungsmuster in dem Flüssigkeitskörper (2) mittels einer nach unten pumpenden Axialstromlaufradanordnung (9) aufrecht erhalten wird, welche in der unteren Hälfte des Reaktorbehälters (1) angeordnet ist, wobei die Injektionsstelle des reinen Sauerstoffs oder eines sauerstoffreichen Gases in dem von der Laufradanordnung erzeugten turbulenten Strömungsfeld liegt, wobei die Laufradanordnung mit einer sich nach oben erstreckenden Antriebswelle und einer Ablenkanordnung (15) versehen ist, die auf der Welle angeordnet ist, um die Aufnahme von Gas aus der oben liegenden Gasphase (4) entlang der Antriebswelle und in die zu der Laufradanordnung gelangende Flüssigkeit zu verhindern, und wobei die durch die nach unten pumpende Laufradanordnung nach unten gelangende Flüssigkeit eine Geschwindigkeit von mindestens 1,5 m/s (5 Fuß/s) aufweist, um hochturbulente Walzenzellen (B) zu erzeugen, welche nicht gelösten Sauerstoff einfangen und dessen Lösen verbessern.

4. Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei die nach unten pumpende Axialstrom-Laufradanordnung (9) in dem unteren Abschnitt eines im wesentlichen zentral angeordneten hohlen Saugrohrs (6) angeordnet ist, das oben und unten offene Enden (7, 8) aufweist, so dass der Umwälzflüssigkeitsstrom in dem hohlen Saugrohr nach unten und außerhalb desselben nach oben verläuft, wobei das hohle Saugrohr einen vergrößerten, konisch trichterartigen oberen Abschnitt (6a) aufweist, der sich in vertikaler Richtung über 0% bis 200% der Länge des unteren Abschnitts des Saugrohrs erstreckt, wobei der obere Abschnitt einen vergrößerten oberen Durchmesser hat, der die Abwärtsgeschwindigkeit der Flüssigkeit über die Oberseite des hohlen Saugrohrs minimiert.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Sauerstoff-Injektionsstelle in dem hohlen Saugrohr (6) unterhalb der nach unten pumpenden Axialstrom-Laufradanordnung (9) liegt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei eine Radialstrom-Laufradanordnung (10) in dem hohlen Saugrohr (6) unterhalb der nach unten pumpenden Axialstrom-Laufradanordnung (9) angeordnet ist, und wobei die Sauerstoff-Injektionsstelle zwischen der nach unten pumpenden Axialstrom-Laufradanordnung und der Radialstrom-Laufradanordnung liegt.

7. Verfahren nach Anspruch 5, wobei eine Radialstrom-Laufradanordnung (10) in dem hohlen Saugrohr (6) unterhalb der nach unten pumpenden Laufradanordnung (9) angeordnet ist und die Sauerstoff-Injektionsstelle unterhalb der Radialstrom-Laufradanordnung liegt.

8. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Sauerstoff-Injektionsstelle unterhalb des hohlen Saugrohrs (6) liegt.

9. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Flüssigkeitskörper (2) am Siedepunkt des Reaktionsgemischs gehalten wird und wobei nur wenig überschüssiger gasförmiger Sauerstoff darin vorhanden ist. 10. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der vergrößerte konisch trichterartige obere Abschnitt (6a) des hohlen Saugrohrs (6) sich nach oben über 100% bis 150% der Länge des unteren Abschnitts desselben erstreckt.

11. System für die Oxidation von organischen Chemikalien, die in einem Flüssigkeitskörper (2, 21) vorhanden sind und ohne wesentlichen Verlust an Sauerstoff an eine oben liegende Gasphase (4, 23) sehr rasch oxidierbar sind, mit:

(a) einem Reaktorbehälter (1, 20) zur Aufnahme eines Flüssigkeitskörpers, welcher eine zu oxidierende organische Chemikalie enthält, die in einem organischen Lösungsmittel vorliegt, wobei der Flüssigkeitskörper eine Gas/Flüssigkeits-Grenzfläche (3, 22) mit der oben liegenden Gasphase aufweist und der Reaktorbehälter keine mechanische Direktkontaktkühlungsanordnung enthält;

(b) einer Laufradanordnung (9, 25) zum Aufrechterhalten eines Flüssigkeits-Umwälzströmungsmusters innerhalb des Reaktorbehälters;

(c) einer Injektionsanordnung (16, 17; 24) zum Injizieren von reinem Sauerstoff oder einem sauerstoffreichen Gas direkt in den Flüssigkeitskörper an einer Injektionsstelle nahe der Laufradanordnung, so dass dieser bzw. dieses sich innerhalb des von der Laufradanordnung erzeugten turbulenten Strömungsfelds befindet, um Sauerstoff in der Flüssigkeit als kleine Blasen zum raschen Verbrauch nach der Injektion in die Flüssigkeit rasch zu verteilen, wobei die von der Oxidation der organischen Chemikalie herrührende Reaktionswärme durch die Verdampfung von organischem Material und Wasser, welche sich in dem Flüssigkeitskörper befinden, abgeführt wird und wobei Blasen (28) des verdampften organischen Materials und des Wasserdampfs, begleitet von nur kleinen Mengen an Sauerstoff, durch eine relativ ruhige, im wesentlichen nicht turbulente Zone in dem oberen Bereich des Reaktorbehälters in dem Flüssigkeitskörper nach oben zu der Gas/Flüssigkeits-Grenzfläche und der oben gelegenen Gasphase aufsteigen; und

(d) einer Entlüftungsanordnung (14, 30) zum Entfernen der Blasen des verdampften organischen Materials und des Wasserdampfs aus der oben gelegenen Gasphase, wobei der Sauerstoff und die zu oxidierende organische Chemikalie unter Bedingungen gemischt werden können, welche den raschen Verbrauch des Sauerstoffs und die Verdampfung des organischen Materials und des Wassers fördern, wobei minimale Mengen an Sauerstoffblasen zu der oben gelegenen Gasphase gelangen.

12. System nach Anspruch 11, versehen mit einer Leitungsanordnung zum Durchleiten eines inerten Gases (18, 29) durch die oben gelegene Gasphase (4, 23).

13. System nach Anspruch 11, wobei die Laufradanordnung eine nach unten pumpende Axialstrom- Laufradanordnung (9) umfasst, die in dem Reaktorbehälter (1) angeordnet ist und eine sich nach oben erstreckende Antriebswelle und eine darauf positionierte Ablenkanordnung (15) umfasst, um die Aufnahme von Gas aus der oben gelegenen Gasphase (4) entlang der Antriebswelle und in die zu der Laufradanordnung gelangende Flüssigkeit zu verhindern, wobei die nach unten pumpende Laufradanordnung in der Lage ist, Flüssigkeit mit einer Geschwindigkeit von mindestens 1,5 m/s (5 Fuß/s) nach unten zu pumpen, um hochturbulente Walzenzellen (B) zu erzeugen, welche ungelösten Sauerstoff einfangen und dessen Lösen verbessern.

14. System nach Anspruch 13, versehen mit einem im wesentlichen zentral angeordneten hohlen Saugrohr (6), in welchem die nach unten pumpende Axialstrom-Laufradanordnung (9) angeordnet ist und das an der Oberseite und Unterseite offene Ende (7, 8) aufweist, so dass der umgewälzte Flüssigkeitsstrom in dem hohlen Saugrohr nach unten verläuft und außerhalb desselben nach oben verläuft, wobei das hohle Saugrohr einen vergrößerten konisch trichterartigen oberen Abschnitt (6a) aufweist, der sich nach oben über einen vertikalem Abstand von 0% bis 200% der Länge des unteren Abschnitts (6b) des Saugrohrs erstreckt, und wobei der obere Abschnitt einen vergrößerten oberen Durchmesser aufweist, was die nach unten gerichtete Flüssigkeitsgeschwindigkeit über die Oberseite des hohlen Saugrohrs minimiert.

15. System nach Anspruch 14, wobei die Sauerstoff-Injektionsstelle in dem hohlen Saugrohr (6) unterhalb der nach unten pumpenden Axialstrom-Laufradanordnung (9) liegt.

16. System nach Anspruch 15, versehen mit einer Radialstrom-Laufradanordnung (10), welche in dem hohlen Saugrohr (6) unterhalb der nach unten pumpenden Axialstrom-Laufradanordnung (9) angeordnet ist, wobei die Sauerstoff-Injektionsstelle zwischen der nach unten pumpenden Axialstrom- Laufradanordnung und der Radialstrom-Laufradanordnung angeordnet ist.

17. System nach Anspruch 15, versehen mit einer Radialstrom-Laufradanordnung (10), welche in dem hohlen Saugrohr (6) unterhalb der nach unten pumpenden Laufradanordnung (9) angeordnet ist, wobei die Sauerstoff-Injektionsstelle unterhalb der Radialstrom-Laufradanordnung angeordnet ist.

18. System nach Anspruch 14, wobei der vergrößerte, konisch trichterartige obere Bereich (6a) des hohlen Saugrohrs (6) sich nach oben über 100% bis 150% der Länge des unteren Abschnitts (6b) des Saugrohrs erstreckt.







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