DE2602895A1

DE2602895A1 - Verfahren zur verwertung der bei der katalytischen oxidation von o-xylol anfallenden reaktionswaerme

Info

Publication number: DE2602895A1
Application number: DE19762602895
Authority: DE
Inventors: Lars Dipl Ing Dr Hellmer; Gerhard Ing Grad Keunecke
Original assignee: Davy Powergas GmbH
Current assignee: Davy Powergas GmbH
Priority date: 1976-01-27
Filing date: 1976-01-27
Publication date: 1977-07-28
Also published as: FR2339602B1; US4169098A; DE2602895B2; FR2339602A1; JPS5291836A

Description

Aachener

Davy Powe.rgas GmbH

■Straße 958

5000 Köln 41

Verfahren zur Verwertung der bei der katalytischen Oxidation von o-Xylol anfallenden Reaktionswärme

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verwertung der bei der katalytischen Oxidation von o-Xylol mit Luft zu Phthalsäureanhydrid in einem Röhrenreaktor anfallenden, teilweise durch das Reaktionsgas und teilweise durch eine Salzschmelze aus dem Reaktor abgeführten Reaktionswärme.

Bei der Oxidation von o-Xylol zu Phthalsäureanhydrid wird eine Wärmemenge von 264_F8 kcal/Mol frei, die abgeführt werden muß, um die Reaktion beherrschen zu können«, Aus diesem Grunde wird der' Röhrenreaktor mit einer Salzschmelze aus KNO3 und NaN02 gekühlt, die um die Reaktorrohre zirkuliert und durch Wärmeaustausch mit verdampfendem Wasser gekühlt wird_o Ein Teil der Re-

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aktionswärme wird über die zirkulierende Salzschmelze in Form von Dampf abgeführt, während der andere Teil den Reaktor durch das heiße abströmende Reaktionsgas verläßt₀ Es ist bekannt, die an die Salzschmelze abgegebene und die im Reaktionsgasstrom enthaltene Wärme zur Dampferzeugung auszunutzen und den Dampf für verschiedene Beheizungen innerhalb der Anlage zu verwenden und/oder an ein Dampfnetζ für andere Zwecke abzugeben» Aus Hydrocarbon Processing S3 (1974), Februarheft, S. 111-112 ist es beispielsweise bekannt, Wasser durch Wärmeaustausch mit dem heißen Reaktionsgas zu erhitzen, dann in dem Salzbadkühler zu verdampfen, den Dampf in dem Reaktionsgaskühler anschließend zu überhitzen und diesen Dampf für den Antrieb des Luftverdichters zu verwenden,, Hierbei wird der Verdichter offensichtlich durch eine Gegendruckturbine angetrieben, da erhebliche Mengen Gegendruckdampf von 11 ata verfügbar sind_o Bei dieser Arbeitsweise ist eine Erhitzung oder Verdampfung von Wärmeträger für die Beheizung der Destillationskolonnen nicht vorgesehen_o Die Temperatur des verfügbaren Gegendruckdampfes reicht zur Beheizung der Destillation nicht aus« Eine Verwendung der üblichen organischen Wärmeträgerflüssigkeiten zur Beheizung der Destillation durch Wärmeaustausch mit der Salzschmelze ist infolge der stark oxidierenden Wirkung dieser Salzschmelze aus Sicherheitsgründen auszuschließen_o Schließlich ist es auch nachteilig, daß bei dem bekannten Verfahren der Überschußdampf unter einem vergleichsweise niedrigen Druck abgegeben wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verwertung der bei der katalytischen Oxidation

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von o-Xylol mit Luft zu Phthalsäureanhydrid in einem Röhrenreaktor anfallenden Reaktionswärme zu schaffen, bei dem außer der Antriebsenergie für den Luftverdichter und den in der Anlage benötigten Heizwärmen auch die in der Destillation benötigte Wärmeträgerflüssigkeit mit der erforderlichen Temperatur zur Verfügung gestellt werden kann_o Darüber hinaus soll der überschußdampf mit höherem Druck und höherer Temperatur abgegeben werden als dies durch den Gegendruck einer Gegendruckturbine möglich ist»

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß man mit dem heißen Reaktionsgas durch Wärmeaustausch nacheinander eine zur Beheizung der Phthalsäureanhydriddestillation dienende Wärmeträgerflüssigkeit erhitzt oder verdampft, Druckwasser erhitzt und anschließend weiteres Druckwasser verdampft, das erhitzte Druckwasser durch Wärmeaustausch mit dem Salzbad verdampft und überhitzt und den überhitzten Dampf in einer mit dem Luftverdichter gekuppelten Kondensationsturbine entspannt. Das den Reaktor verlassende Reaktionsgas wird demzufolge in drei hintereinander geschalteten Stufen abgekühlt, wobei die zwischen dem Destillationsteil und dem Reaktionsteil zirkulierende Wärmeträgerflüssigkeit zuerst mit dem Reaktionsgas in Wärmeaustausch tritt, so daß ihre Temperatur auf das erforderliche hohe Niveau, z„B_o 280 bis 32O°C, angehoben werden kann» Hierbei werden Sicherheitsrisiken vermieden, die bei einem Wärmeaustausch zwischen der organischen Wärmeträgerflüssigkeit, Z₀B₀ Diphenyl/Diphenyloxid, und der stark oxidierend wirkenden Salzschmelze bestehen würden. Das durch diesen Wärmeaustausch teil—

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weise abgekühlte Reaktionsgas dient dann zur Erhitzung des Druckwassers, aus dem anschließend Hochdruckdampf für den Turbinenantrieb, für die Wiedererwärmung der Wärmeträgerflüssigkeit für die Phthalsäureanhydridabscheider und gegebenenfalls überschußdampf erzeugt wird_P der an die Anlagengrenze abgegeben werden kann_o Da die zur Wiedererwärmung der Wärmeträgerflüssigkeit für die Abscheider benötigten Dampfmengen periodisch schwanken, die Dampferzeugung aber zeitlich konstant ist, werden entsprechend schwankende Überschußdampfmengen aus der Anlage abgeführte Das erfindungsgemäße Verfahren hat schließlich den Vorteil, daß der Wärmeaustausch in den genannten Austauschstufen zwischen einer Gasphase und einer gegebenenfalls siedenden flüssigen Phase erfolgt, wobei ein vergleichsweise guter Wärmeübergang erzielt wird und sich nicht unwirtschaftlich große Wärmeaustauschflächen ergebene Zweckmäßigerweise wird mit dem Reaktionsgas Wasser unter einem Druck in den Bereich von 20 bis 75 ata erhitzt und Wasser unter einem Druck in dem Bereich con 4 bis 10 ata verdampfte

Vorzugsweise setzt man den durch Wärmeaustausch mit dem Reaktionsgas erzeugten Niederdruckdampf wenigstens teilweise zur Erhitzung von Luft und/oder o-Xylol ein_e Darüber hinaus kann er zur Anlagenbeheizung dienen» Der erzeugte Niederdruckdampf wird vollständig in der Anlage verbraucht, so daß Überschußdampf nur unter hohem Druck abgegeben wird_o Der in der Destillation anfallende Niederdruckdampf wird zweckmäßigerweise ebenfalls zur Vorwärmung der Oxidationsluft verwendet»

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Weiterhin ist vorgesehen, daß man das Druckwasser für die Hochdruckdampferzeugung mit dem Reaktionsgas auf 220 bis 260 C, vorzugsweise 235 bis 245°C, erhitzte Die Erhitzungstemperatur hängt im Einzelfall von der Temperatur im Kondensatsammler ab sowie davon, wie weit das Reaktionsgas bereits durch den vorgeschalteten Wärmeaustausch mit der Wärmeträgerflüssigkeit abgekühlt wurde_o Das Speisewasser aus dem Kondensatsammler kann beispielsweise mit 105 bis 145°C zur Verfügung stehen, und das den Reaktor mit etwa 380 C verlassende Reaktionsgas kann im Wärmeaustausch gegen die Wärmeträgerflüssigkeit auf beispielsweise 305 bis 310°C abgekühlt worden sein_o

Zweckmäßigerweise nimmt man die Verdampfung und Überhitzung des Druckwassers in zwei Salzbadkühlstufen vor. In der ersten Salzbadkühlstufe wird das Druckwasser verdampft; in der zweiten Salzbadkühlstufe erfolgt nur noch eine Überhitzung des Dampfes ο Als Salzbadkühlstufen können zwei getrennte Wärmeaustauscher dienen, durch die gleiche oder verschiedene Mengen Salzschmelze zirkulieren«, Aus der Dampfleitung zwischen den beiden Salzbadkühlstufen kann der Dampf für die Erhitzung der Wärmeträgerflüssigkeit für die Abscheider sowie Überschußdampf entnommen werden« Zweckmäßigerweise überhitzt man den Dampf auf eine Temperatur in dem Bereich von 275 bis 33O°C, vorzugsweise 275 bis 290 C. Der so überhitzte Dampf wird dann in der Kondensationsturbine entspannt, die den Luftverdichter antreibt,. Selbstverständlich ist es auch möglich, Überschußdampf als überhitzten Dampf abzugeben«,

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Vorzugsweise erwärmt man die komprimierte Luft vor der Beladung mit dem o-Xylol nacheinander durch Wärmeaustausch mit dem durch die Reaktionsgaskühlung erzeugten Niederdruckdampf und dem durch Salzbadkühlung erzeugten Hochdruckdampf. Dieser Wärmeaustausch kann in einem zweistufigen Wärmeaustauscher erfolgen* Der Dampf wird dabei kondensiert; das Kondensat fließt dem Kondensatsammler zu. Die Lufttemperatur wird hierbei beispielsweise auf 135 bis 16O°C angehoben_o

Nach einer Ausfuhrungsform der Erfindung nimmt man die Erhitzung der Wärmeträgerflüssigkeit und des Druckwassers in einem zweistufigen Wärmeaustauscher vor, während die Verdampfung des Druckwassers zwecks Erzeugung von Niederdruckdampf in einem davon getrennten zweiten Wärmeaustauscher durchgeführt wird_e

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders für die katalytische Oxidation von o-Xylol mit Luft im Explosionsbereich, d.h. bei o-Xylol-Konzentrationen von mehr als 1,0 Vol_ö-%, insbesondere bei o-Xylol-Konzentrationen von 1,0 bis 1,7 Vol.-%, weil wegen der kleineren durchgesetzten Reaktionsgasmenge ein größerer Teil der Reaktionswärme innerhalb der Anlage nutzbar gemacht oder in Form von Überschußdampf abgegeben werden kann_o Das Verfahren ist jedoch nicht auf eine Arbeitsweise im Explosionsbereich beschränkt, sondern kann mit ähnlichen Vorteilen auch bei geringeren o-Xylol-Konzentrationen Anwendung finden_o

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher beschrieben, die das .Wärmeschaltbild einer Anlage zur Herstellung

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von Phthalsäureanhydrid mit erfindungsgemäßer Verwertung der Reaktionswärme zeigte

Die für die Oxidation benötigte Luft wird bei 1 angesaugt, in dem Wärmeaustauscher 2 mit Niederdruckdampf von der Destillation 19 erwärmt, in dem Luftverdichter 3 komprimiert und in dem Wärmeaustauscher 4 zweistufig mit Niederdruckdampf und anschließend mit Hochdruckdampf weiter erwärmt, beispielsweise auf eine Temperatur von 15O°C. In dem heißen Luftstrom wird dann durch Leitung 5 herangeführtes flüssiges o-Xylol eingedüst, das in dem Wärmeaustauscher 6 mit Niederdruckdampf auf etwa 14O°C erwärmt wurde. Die mit o-Xylol beladene Luft tritt mit etwa 135°C in den Röhrenreaktor 7 ein. Das Gasgemisch durchströmt die mit Katalysator gefüllten Röhren, wobei die Oxidation eintritt,, Eine Salzschmelze zirkuliert um die Rohre, nimmt dabei die Oxidationswärme auf und wird in zwei außenliegenden Wärmeaustauschern 7a und 7b durch verdampfendes Wasser bzw_o Wasserdampf gekühlte

Das den Reaktor 7 verlassende Reaktionsgas durchströmt einen zweistufigen Wärmeaustauscher 8, in dessen erster Stufe ein durch die Leitung 10 zirkulierender flüssiger Wärmeträger erwärmt oder verdampft wird, der zur Beheizung der Destillationskolonnen 19 für die Reinigung des Phthalsäureanhydrids dient_o In der zweiten Stufe des Wärmeaustauschers 8 wird Druckwasser erwärmt, das dann nach der Verdampfung in dem Salzbadkühler 7a und der Überhitzung in dem Salzbadkühler 7b in der Turbine T entspannt wird«, Nach Verlassen des Wärmeaustauschers 8 durchströmt das Reaktionsgas einen weiteren Wärmeaustauscher 9, in ·

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dem durch Verdampfung von Druckwasser Niederdruckdampf erzeugt wird. Das in den Austauschern 8 und 9 abgekühlte Reaktionsgas strömt dann durch die Leitung 11 zu den Phthalsäureanhydridabscheidern (nicht dargestellt)₀

Die verschiedenen Kondensate werden in dem Speicher 12 mit Entgaser 12a gesammelt, wobei in dem Speicher eine geeignete Wassertemperatur, z.B„ 130°C eingehalten wird«, Das Wasser wird durch Pumpen (nicht dargestellt) in der Leitung 13 unter Druck gesetzt und strömt dann mit diesem Druck durch Leitungen 13a und 13b zu den Wärmeaustauschern 8 bzw. 9 und den Destillationskolonnen 19_O Der Niederdruckdampf aus dem Wärmeaustauscher 9 gelangt über Leitung 14 zu den Wärmeaustauschern 4 und 6 für die Vorwärmung von Luft bzw_o o-Xylol sowie zu weiteren Wärmeverbrauchern 15 innerhalb der Anlage_o Nur ein Teil des im Salzbadkühler 7a erzeugten Hochdruckdampfes wird in dem Salzbadkühler 7b überhitzt,, Ein anderer Teil dient zur Vorwärmung der komprimierten Luft in dem Wärmeaustauscher 4; ein weiterer Teil wird durch Leitung 16 dem Erhitzer 20 zugeführt, in dem das zum Abschmelzen des Phthalsäureanhydrids aus den Abscheidern benötigte flüssige Wärmeträgermittel erwärmt wird. Der DampfÜberschuß wird bei 16a an das Hochdruckdampfnetz des Werks abgegebene

Der in dem Salzbadkühler 7b überhitzte Dampf wird in der mit dem Luftverdichter 3 gekuppelten Turbine T auf den Kondensationsdruck des nachgeschalteten, mit Kühlwasser beaufschlagten Kondensators 17 entspannte Die Kondensate aus dem Kondensator

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17 und den Wärmetauschern 2, 4_r 6 und 7a sowie die durch Leitung 18 herangeführten Kondensate von dem ölerhitzer 20 werden auf den Entgaser 12a gegeben und dann ausgehend von dem Speicher 12 erneut in Umlauf gebrachte

Beispiel

In einer Anlage mit der in der Figur gezeigten Verwertung der Reaktionswärme werden 180 000 Nm3/h Luft angesaugt und nach
Verdichtung auf 1,65 ata und Erwärmung auf 150°C mit 10 800
kg/h o-Xylol beladen,, Das Gemisch tritt mit etwa 135 C in den Reaktor ein; das Reaktionsgas verläßt ihn mit etwa 375 C₈ Mit dem Reaktionsgas werden 355 t/h organische Heizflüssigkeit von 290 auf 31O°C erwärmt, 57,5 t/h Wasser unter einem Druck von
50 ata von 140 auf 24O°C erhitzt und schließlich 4,2 t/h Wasser bei 7 ata verdampft. Das Reaktionsgas wird in den drei
Wärmeaustauscherstufen auf 3O8°C, 2O8°C bzw_o 170°C abgekühlt„ Das 24O°C heiße Druckwasser wird in dem Salzbadkühler 7a unter Aufnahme von 23,9 ° 10 kcal/h verdampft. 27 t/h dieses Dampfes werden in dem Salzbadkühler 7b unter Aufnahme von 0,43 ° 10
kcal/h auf 28O°C erhitzte Der überhitzte Dampf liefert in der Kondensat!onsturbine T 3800 kW für den Antrieb des Luftverdichters ο Von dem Hochdruckdampf aus dem Salzbadkühler 7a stehen
ferner 7,7 t/h für den Luftvorwärmer 4 und im Durchschnitt
3,3 t/h für den Ölerhitzer 20 zur Verfügung,, Über Leitung 16a werden durchschnittlich 11 t/h Überschußdampf mit 263°C und
50 ata abgegeben,, In dem Wärmeaustauscher 9 werden 4,2 t/h
Niederdruckdampf erzeugt, die den Bedarf der Verbraucher 4
teilweise, sowie 6 und 15 decken_o

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Claims

Patentansprüche

Verfahren zur Verwertung der bei der katalytischen Oxidation von o-Xylol mit Luft zu Phthalsäureanhydrid in einem Röhrenreaktor anfallenden, teilweise durch das Reaktionsgas und teilweise über eine Salzschmelze aus dem Reaktor abgeführten Reaktionswärme, wobei man Wasser durch Wärmeaustausch mit dem heißen Reaktionsgas erhitzt und mit der Salzschmelze verdampft, den Dampf überhitzt und für den Antrieb des Luftverdichters verwendet, dadurch gekennzeichnet, daß man mit dem Reaktionsgas durch Wärmeaustausch nacheinander eine zur Beheizung der Phthalsäureanhydriddestillation dienende Wärmeträgerflüssigkeit erhitzt oder verdampft, Druckwasser erhitzt und dann weiteres Druckwasser verdampft, das erhitzte Druckwasser durch Wärmeaustausch mit dem Salzbad verdampft und überhitzt und den überhitzten Dampf in einer mit dem Luftverdichter gekuppelten Kondensations turbine entspannt,,

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man mit dem Reaktionsgas Wasser unter einem Druck von 20 bis 75 ata erhitzt und Wasser unter einem Druck von 4 bis 10 ata verdampft.

Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man den durch Wärmeaustausch mit dem Reaktionsgas erzeugten Niederdruckdampf wenigstens teilweise zur Er-

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hitzung von Luft und/oder o-Xylol einsetzt;

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 _r dadurch gekennzeichnet , daß man das Druckwasser mit dem Reaktionsgas auf 220 bis 26O°C erhitzt.

5ο Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man die Verdampfung und überhitzung des erhitzten Druckwassers in zwei Salzbadkühlstufen vornimmt _o

6« Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man den Dampf auf eine Temperatur in dem Bereich von 275 bis 33O°C überhitzt»

ο Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man die komprimierte Luft nacheinander durch Wärmeaustausch mit dem durch die Reaktionsgaskühlung erzeugten Niederdruckdampf und dem durch Salzbadkühlung erzeugten Hochdruckdampf erhitzt_o

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis I₁ dadurch gekennzeichnet, daß man die Erhitzung der Heizflüssigkeit und des Druckwassers in einem zweistufigen Wärmeaustauscher vornimmt O

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