Método de oxidación y aparato de oxidación.

Un método de oxidación

- para aumentar la concentración de oxígeno o

- para mejorar la oxidación de reaccionantes en un reactor de oxidación (10),

que comprende las etapas de:

- retirar un volumen de medio acuoso o de medio orgánico del reactor de oxidación (10) de una manera periódica;

- alimentar oxígeno al volumen retirado con el fin de conseguir una concentración deseada de oxígeno y sustancialmente disolver casi todo el oxígeno gaseoso;

- alimentar el volumen enriquecido con oxígeno de nuevo al reactor de oxidación (10) y mezclar el volumen enriquecido con oxígeno en la masa de un medio acuoso o en la masa de un medio orgánico en el reactor de oxidación (10) y/o formar un patrón de circulación dentro del reactor de oxidación (10), con lo que en el medio acuoso o en el medio orgánico se mantiene una mayor concentración de oxígeno en la parte inferior del reactor de oxidación (10), en el que

- la concentración de oxígeno en el reactor de oxidación (10) se mide antes de retirar el volumen de medio acuoso o de medio orgánico del reactor de oxidación (10),

- se mide la concentración de oxígeno en el volumen retirado, y

- se eleva la presión del medio retirado del medio acuoso retirado.

Método de oxidación y aparato de oxidación

Campo técnico

La presente invención básicamente se refiere a un método de oxidación y a un aparato de oxidación.

En particular, la presente invención se refiere a un método y a un aparato para la oxidación de reaccionantes en un medio de reacción acuoso utilizando oxígeno molecular gaseoso para aumentar la concentración de oxígeno en el medio de reacción acuoso y para mejorar la eficiencia del proceso de reacción.

Antecedentes de la presente invención; técnica anterior Industrialmente, las oxidaciones en fase acuosa se llevan a cabo utilizando una diversidad de fuentes de oxígeno tales como aire, oxígeno y reactivos oxidantes tales como peróxido de hidrógeno. A escalas industriales, las oxidaciones con aire y oxígeno son una alternativa de costo mucho menor en comparación con la oxidación con reactivos oxidantes, pero plantean un reto debido a su solubilidad inherentemente baja del oxígeno en el agua. La solubilidad del oxígeno en el agua disminuye con el aumento en la concentración de solutos, especialmente iones, así como con un aumento en la temperatura.

Cuando las reacciones de oxidación se utilizan en la producción de productos químicos, los efluentes de aguas residuales y depuradores tienen a menudo altas concentraciones de solutos y la oxidación se lleva a cabo a una temperatura de reacción elevada. Ambos de estos factores disminuyen la solubilidad efectiva de oxígeno.

El aire se percibe a menudo como la alternativa de menor costo en comparación con oxígeno para sistemas de oxidación de gas-líquido, pero a veces la oxidación con el aire no es lo suficientemente intensa como en un aparato, sistema de oxidación o equipo de contacto gas-líquido dado y el oxígeno proporciona una alternativa viable.

Existe una diversidad de reactores de oxidación utilizados en la industria de procesos hoy en día y, además de la disolución de oxígeno, muchos otros requisitos del proceso tales como la transferencia de calor, la suspensión de sólidos, la mezcladura y la seguridad, incluyendo el mantenimiento del espacio de vapor fuera de los límites explosivos, influyen en la selección del tipo de reactor. Factores económicos tales como los costos de equipos, el consumo de energía, la complejidad operativa y la fiabilidad y el mantenimiento también son importantes en la determinación de un sistema de oxidación óptimo y viable.

Una consideración clave en el diseño de cualquier sistema de oxidación utilizando oxígeno molecular gaseoso es asegurar la utilización óptima de oxígeno.

Reactores de oxidación típicos son los reactores de tanque agitado o columnas bajo presión ambiente en donde el oxígeno es burbujeado en la parte inferior. En una columna o tanque de burbujas simple, en donde se burbujea oxígeno, burbujas de gas se elevan en el medio acuoso, al tiempo que algo de gas oxígeno se disuelve en el medio acuoso y el oxígeno restante se desacopla de la agrupación líquida cuando alcanza la superficie del líquido en la parte superior. Si el tanque o la columna están abiertos, lo cual es típico en la mayoría de los procesamientos de minerales y sistemas de oxidación de aguas residuales, el oxígeno se separa de la superficie del líquido, junto con los vapores de medio acuoso que escapan a la atmósfera.

Sin embargo, para la preparación de productos químicos no es a menudo una opción permitir que una corriente rica en oxígeno escape a la atmósfera y la industria de procesos utiliza tanques y columnas con tapas. Las burbujas gaseosas que se separan se recogen en la cámara de aire del tanque o el espacio de vapor de la columna y se reciclan de nuevo al burbujeador por medio de un compresor o un soplador. Esto puede añadir una cantidad significativa de costos en términos de energía y equipos de procesamiento, a pesar de una utilización más eficaz del oxígeno.

Reactores de tanque agitado (STR -siglas en inglés) con burbujeo de gas proporcionan a menudo una mejor disolución de oxígeno en comparación con columnas de burbujas simples o tanques no agitados. Sin embargo, el uso de STR se limita a aplicaciones con volúmenes más pequeños de oxidación y no es común un aumento a reactores muy grandes. Además, para una mejor eficiencia en la utilización, puede ser necesario un bucle de reciclaje de oxígeno.

Columnas de burbujas de alta presión y STR proporcionan a menudo un comportamiento bastante superior con la oxidación y la disolución de gas, pero son de un coste varias veces mayor en comparación con los sistemas de presión ambiente y, además, pueden requerir un bucle de reciclaje de oxígeno. Cuando la velocidad de la reacción de oxidación es baja, sistemas de alta presión ayudan a intensificar la reacción debido a una concentración de

oxígeno disuelto más alta. El uso de columnas de burbujas de alta presión y STR se limita generalmente a aplicaciones con requisitos de oxidación más bajos.

Para volúmenes de oxidación mayores, a menudo se utilizan sistemas de oxidación de grandes tanques con bucles externos. El oxígeno en estos procedimientos se disuelve en una pequeña corriente de un medio acuoso retirado del recipiente principal y el gas oxígeno es intensamente mezclado utilizando dispositivos de mezcladura estáticos o dinámicos, a veces incluso saturados, y es reintroducido en el recipiente principal junto con número muy grande de burbujas de gas.

Se utilizan bombas externas para impulsar el fluido a través de los bucles externos. En algunos sistemas, el medio acuoso retirado se somete a oxígeno a una presión más alta en un recipiente separado y el oxígeno se disuelve y se satura a una presión más alta antes de ser reintroducido de nuevo en el líquido a granel para formar burbujas. Para todos estos sistemas, la intención es maximizar ya sea la utilización de oxígeno o la tasa de absorción de oxígeno.

Especial consideración se puede dar a las reacciones de oxidación, en las que se disuelve "M" en un medio acuoso y se oxida con el oxígeno molecular. Esto está representado por la siguiente reacción:

M + x/2 O2 MOx

En un sistema de oxidación dado, una reacción se clasifica como muy lenta si la disolución de oxígeno es mucho más rápida en comparación con su consumo en la reacción de oxidación.

En tal caso, habrá una concentración finita de oxígeno disuelto en la mayor parte de la fase acuosa. La concentración del oxígeno disuelto será entre despreciable en el valor límite inferior y la concentración de solubilidad en equilibrio como el límite superior.

La velocidad específica de oxidación se expresa matemáticamente como:

R = kmn * [M]m * [O2]n en que R es la velocidad de reacción específica; kmn es la constante de velocidad de oxidación, generalmente una función de la temperatura;

[M] es la concentración de soluto a ser oxidado; mº es el orden con respecto a M; [O2] es la concentración de oxígeno disuelto; y nº es el orden con respecto al oxígeno.

La concentración de soluto a oxidar [M] en el reactor por tandas comienza a una concentración muy alta al comienzo de una operación por tandas y prosigue como oxidación, [M] alcanza una concentración más baja ralentizando considerablemente la velocidad de reacción específica hacia la compleción de la tanda.

La velocidad específica se maximiza cuando la concentración de oxígeno disuelto se aproxima a la solubilidad a una presión dada. A fin de mantener velocidades específicas próximas al máximo, son necesarios altos niveles de oxígeno disuelto. Estos niveles altos se logran poniendo en contacto un gran exceso de gas oxígeno molecular que debe ser reutilizado mediante reciclaje o desechado y ambas cosas añaden costes de capital o costes de operación.

Además de maximizar la velocidad de oxidación específica, las reacciones se llevan a cabo a temperatura elevada. En general, el aumento de la temperatura de reacción aumenta la constante de velocidad cinética "kmn", pero reduce la solubilidad del oxígeno y la concentración de oxígeno disuelto.

Alternativamente, el incremento de presión junto con la temperatura es un enfoque diferente, pero en la producción a muy gran escala, la oxidación de los materiales de alimentación de bajo costo tales como minerales, menas y productos químicos inorgánicos de bajo costo, grandes recipientes a presión de alto costo no son económicamente atractivos y, por lo tanto, es necesaria una solución eficiente más económica.

El documento EP 0 261 822 A2 describe un procedimiento para el tratamiento de material residual acuoso mediante oxidación, en el que se retira una parte de la fase acuosa y se enriquece... [Seguir leyendo]

1. Un método de oxidación -para aumentar la concentración de oxígeno o -para mejorar la oxidación de reaccionantes en un reactor de oxidación (10) , que comprende las etapas de:

- retirar un volumen de medio acuoso o de medio orgánico del reactor de oxidación (10) de una manera periódica; -alimentar oxígeno al volumen retirado con el fin de conseguir una concentración deseada de oxígeno y sustancialmente disolver casi todo el oxígeno gaseoso; -alimentar el volumen enriquecido con oxígeno de nuevo al reactor de oxidación (10) y mezclar el volumen enriquecido con oxígeno en la masa de un medio acuoso o en la masa de un medio orgánico en el reactor de oxidación (10) y/o formar un patrón de circulación dentro del reactor de oxidación (10) , con lo que en el medio acuoso o en el medio orgánico se mantiene una mayor concentración de oxígeno en la parte inferior del reactor de oxidación (10) , en el que -la concentración de oxígeno en el reactor de oxidación (10) se mide antes de retirar el volumen de medio acuoso o de medio orgánico del reactor de oxidación (10) , -se mide la concentración de oxígeno en el volumen retirado, y -se eleva la presión del medio retirado del medio acuoso retirado.

2. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la cantidad de oxígeno añadida al volumen -se controla para asegurar la disolución del oxígeno, y/o -se determina mediante un procedimiento seleccionado del grupo que consiste en el caudal de oxígeno que abandona el reactor de oxidación (10) y la concentración de oxígeno disuelto en el reactor de oxidación (10) , y/o - se controla para inhibir la formación de burbujas libres en el reactor de oxidación (10) .

3. El método de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, en el que -el oxígeno se alimenta a una presión elevada, y/o -el reactor de oxidación (10) se mantiene a presión ambiente.

4. El método de acuerdo con al menos una de las reivindicaciones 1 a 3, en el que el volumen enriquecido en oxígeno, en particular de medio acuoso, se retroalimenta o se introduce en el reactor de oxidación (10) a una presión elevada y/o a través de un dispositivo venturi (F) a un distribuidor de líquido (C) y/o para proporcionar una alta contrapresión al caudal volumétrico.

5. El método de acuerdo con al menos una de las reivindicaciones 1 a 4, en el que -la profundidad a la que el volumen enriquecido en oxígeno se añade a un distribuidor de líquido (C) es suficiente para proporcionar una alta contrapresión al caudal volumétrico, y/o -el volumen de medio acuoso enriquecido en oxígeno se introduce a una profundidad para proporcionar la 35 mezcladura con el medio acuoso.

6. El método de acuerdo con al menos una de las reivindicaciones 1 a 5, en el que la alimentación del volumen en el reactor de oxidación (10) agita el contenido del reactor de oxidación (10) , suspendiendo con ello los sólidos y mejorando la transferencia de calor en el reactor de oxidación (10) .

7. El método de acuerdo con al menos una de las reivindicaciones 1 a 6, en el que el volumen de medio acuoso 40 enriquecido en oxígeno se acerca la saturación de oxígeno.

8. El método de acuerdo con al menos una de las reivindicaciones 1 a 7, en el que se utiliza una bomba (E) para aumentar la presión del medio enriquecido con oxígeno, del medio acuoso enriquecido con oxígeno.

9. Un aparato de oxidación (100) para realizar el método de acuerdo con al menos una de las reivindicaciones 1 a 8, que comprende.

45. un reactor de oxidación (10) equipado con un agitador (B) y con un bucle de circulación externa que tiene medios para aumentar la presión en el bucle de circulación externa; -medios (E) , a saber, una bomba, para retirar un volumen de medio acuoso o de medio orgánico del reactor de oxidación (10) ; -medios (G) , a saber una fuente de alimentación de oxígeno, para alimentar a una presión elevada oxígeno 50 al volumen retirado; y

- medios, a saber un dispositivo tal como un conjunto de boquillas o una boquilla inductora de líquido, para introducir el volumen enriquecido con oxígeno de nuevo en el reactor de oxidación (10) .

10. El aparato de acuerdo con la reivindicación 9, en el que un medidor (A) está conectado de forma fluida al reactor de oxidación (10) para medir la concentración de oxígeno en el medio acuoso o en el medio orgánico.

11. El aparato de acuerdo con la reivindicación 9 ó 10, en el que un controlador lógico programable (D) controla la velocidad para la alimentación de oxígeno al volumen retirado.

12. El aparato de acuerdo con al menos una de las reivindicaciones 9 a 11, en el que un dispositivo venturi (F) retroalimenta o introduce el volumen de medio acuoso enriquecido en oxígeno en el reactor de oxidación (10) a una presión elevada a un distribuidor de líquido (C) y/o para proporcionar una alta contrapresión al caudal volumétrico.

13. Uso de un método de acuerdo con al menos una de las reivindicaciones 1 a 8 y/o de un aparato de acuerdo con al menos una de las reivindicaciones 9 a 12,

- para aumentar la concentración de oxígeno o

- para mejorar la oxidación de reaccionantes.