專利名稱:生產(chǎn)芳香羧酸的系統(tǒng)和方法
技術領域:
本發(fā)明涉及在生產(chǎn)芳香羧酸的過程中回收熱和洗滌來自氧化反應器的廢氣的系統(tǒng)和方法。相關申請的交叉引用
本申請要求2009年12月16日提交的美國臨時申請61/286957的優(yōu)先權的權益。
背景技術:
可采用兩階段エ藝制備純化的對苯ニ甲酸(PTA)。在第一階段中,在氧化車間中,通過采用均相催化劑在溶劑(例如こ酸和水)中將對ニ甲苯空氣氧化來制備對苯ニ甲酸粗品(CTA)0所述反應的溫度的范圍是約150-210°C。所述氧化反應通常在ー個、兩個或三個串聯(lián)容器中進行,且對于每ー個步驟可采用多個并聯(lián)反應器。反應器容器通常是攪拌容器,其中所述攪拌通過機械攪拌和被加入的空氣的攪拌效果的組合得以實現(xiàn)。所述制備エ藝的第二階段是通過在水溶液中的催化氫化對CTA進行純化。通常,將CTA在高壓(70-90 barA)和高溫(275_290°C )下溶解于水中,且經(jīng)鈀負載在碳上的催化劑固定床進行氫化。在得到的溶液通過一系列的四至六個結晶設備時,所述溶液得到冷卻,在這里純化的對苯ニ甲酸(PTA)結晶,而大部分雜質和副產(chǎn)物(例如對甲苯甲酸)保留在溶液中。得到的漿料(在140-160°C)然后被供料至適當?shù)倪B續(xù)固液分離設備,例如沉降式離心機、旋轉壓力或真空過濾器等,在此所述PTA與純化母液流分離,然后干燥。圖I舉例說明了一種使對ニ甲苯反應來制備CTA粗品的方法,其中采用兩個串聯(lián)的氧化反應器。初級氧化反應器包括對ニ甲苯、こ酸水溶液、催化劑和空氣,且在反應溫度為約200°C、在16 barA操作所述初級氧化反應器。來自所述初級氧化反應器的漿料被傳送至ニ級氧化反應器,在這里所述漿料與空氣在約187°C和12 barA反應,以將更多的反應物轉化為CTA。初級和ニ級氧化反應器各自具有分離的廢氣系統(tǒng),以回收熱以及洗滌蒸汽。由于初級和ニ級氧化反應器各自在顯著不同的溫度和壓カ下操作,采用兩個熱回收和蒸汽洗滌系統(tǒng),這增加了資本支出。為了克服這種影響,可采用壓縮機(未圖示)提高來自ニ級氧化熱回收系統(tǒng)的廢氣的壓力,以向單個蒸汽洗滌系統(tǒng)逆流進料,從而減少重復的組件,例如所述ニ級氧化反應器廢氣蒸汽洗滌系統(tǒng)。然而,該方法需要該壓縮機的資本支出。
發(fā)明內容
在エ業(yè)中,需要開發(fā)另ー種方法,其可簡化所述系統(tǒng)以在生產(chǎn)對苯ニ甲酸的過程中回收熱和洗滌來自所述氧化反應器的廢氣,同時還降低對采用的設備的資本支出。簡要介紹的本發(fā)明的實施方式包括用于生產(chǎn)對苯ニ甲酸的系統(tǒng)、方法等。其中一個示例性系統(tǒng)包括初級氧化反應器,其中在約12至18 barA的壓カ和約180至210°C的溫度下操作所述初級氧化反應器,其中所述初級氧化反應器與初級熱回收系統(tǒng)連通,其中所述初級熱回收系統(tǒng)與蒸汽洗滌系統(tǒng)連通;和ニ級氧化反應器,其中在比 所述初級氧化反應器的壓カ低少于2bar的壓カ以及在比所述初級氧化反應器的溫度低約5_15°C的溫度下操作所述ニ級氧化反應器,其中在所述初級氧化反應器中產(chǎn)生的漿料被傳送至所述ニ級氧化反應器,其中所述ニ級氧化反應器與ニ級熱回收系統(tǒng)連通,其中所述ニ級熱回收系統(tǒng)與所述蒸汽洗滌系統(tǒng)連通。其中,一個用于生產(chǎn)對苯ニ甲酸的示例性方法包括提供初級氧化反應器,其中所述初級氧化反應器與初級熱回收系統(tǒng)連通,其中所述初級熱回收系統(tǒng)與蒸汽洗滌系統(tǒng)連通;提供ニ級氧化反應器,其中所述ニ級氧化反應器與ニ級熱回收系統(tǒng)連通,其中所述ニ級熱回收系統(tǒng)與所述蒸汽洗滌系統(tǒng)連通;將對ニ甲苯、こ酸、催化劑和空氣引入到所述初級氧化反應器中;在約12至18 barA的壓カ和約180至210°C的溫度下操作所述初級氧化反應器以產(chǎn)生第一漿料;將在所述初級氧化反應器中產(chǎn)生的所述第一漿料引入到所述ニ級氧化反應器中;和在比所述初級氧化反應器的壓カ低少于2bar的壓カ以及在比所述初級氧化反應器的溫度低約5-15°C的溫度下操作所述ニ級氧化反應器,以產(chǎn)生第二漿料。
附圖
簡述
參考以下附圖可更好地理解本發(fā)明的多個方面。在所述附圖中的組件不一定是按比例繪制的。圖I圖示了生產(chǎn)對苯ニ甲酸的エ藝的一部分的示意圖。圖2圖示了生產(chǎn)對苯ニ甲酸的改進エ藝的一部分的示意圖。發(fā)明詳述
在更詳細描述本發(fā)明之前,應了解的是本發(fā)明公開內容不限于描述的特定的實施方式,因為這些可以(當然可以)變化。還應了解的是這里采用的術語僅是為了描述特定的實施方式,且不g在限制本發(fā)明,因為本發(fā)明的范圍將僅由隨附的權利要求書進行限定。除非另有定義,本文所采用的所有技術術語和科學術語具有與本發(fā)明所屬的技術領域中的普通技術人員所通常理解的相同的含義。盡管與本文描述的方法和材料類似或相當?shù)娜我獾姆椒ê筒牧峡捎糜诒竟_內容的實施和測試,現(xiàn)在介紹優(yōu)選的方法和材料。除非另有指明,本公開內容的實施方式將采用屬于本領域技術的化學、化學工程、化學品回收等的技木。這些技術在文獻中得到充分的說明。為了向本領域普通技術人員提供如何實施所述方法和使用本文所公開且所要求保護的組合物和化合物,公開了以下實施例。雖然已經(jīng)盡力確保數(shù)值(例如量、溫度等)的精確性,但是應需要考慮ー些誤差和偏差。除非另有指明,份數(shù)為重量份數(shù),溫度以。C表示,且壓カ以barA表示。必須指出的是,如說明書和隨附的權利要求書中所應用的,除非上下文另外清楚地指出,所述單數(shù)形式“一”、和“該”包括復數(shù)個所指對象。因此,例如提及“ー載體”包括多個載體。在本說明書中以及在隨后的權利要求書中,除非存在明顯的相反意圖,將提及許多將被定義具有以下含義的術語。討論
本公開內容的實施方式包括用于生產(chǎn)對苯ニ甲酸的系統(tǒng)、用于處理對苯ニ甲酸的方法等。由于需要一定的系統(tǒng)和組件處理對苯ニ甲酸,而本公開內容的系統(tǒng)和方法的優(yōu)點在于它們減少了資本支出。例如,與一個系統(tǒng)相比,可除去一個蒸汽洗滌系統(tǒng),而與另ー個系統(tǒng)相比,可除去ー個蒸汽壓縮系統(tǒng)。總之,通過采用均相催化劑在こ酸水溶液溶劑中將對ニ甲苯空氣氧化來制備對苯ニ甲酸粗品(CTA)。在被供送至氧化反應器之前,氧化反應采用的空氣包含與大氣相比可富集或貧化的分子氧。來自所述氧化反應器的所得的CTA漿料(包含有CTA、氧化催化劑、反應中間體和副產(chǎn)物,包括顔料化合物)通常被供送至不止ー個容器(通過被稱為結晶設備),以降低エ藝流的壓カ和溫度。將CTA固體與氧化工藝母液分離,且任選去除所述氧化反應溶劑將所述CTA固體進行干燥。所述CTA固體然后與水混合以形成CTA純化供料流,接著在純化的對苯ニ甲酸(PTA)制備エ藝的第二階段中對所述CTA純化。所述CTA純化工藝/系統(tǒng)可包括許多階段,包括但不限于CTA再制漿階段、漿料加熱和CTA溶解階段、催化氫化階段、結晶階段、過濾階段、溶劑回收階段、干燥階段、母液流處理階段、母液固體處理階段等。圖2圖示了生產(chǎn)CTA的系統(tǒng)的一部分的實施方式。本公開內容的具體實施方式
是對現(xiàn)有エ藝的改進。所述系統(tǒng)包括初級氧化反應器和ニ級氧化反應器。簡言之,采用所述初級氧化反應器和所述ニ級氧化反應器以通過氧化反應來形成對苯ニ甲酸,所述氧化反應包括對ニ甲苯、こ酸、催化劑(例如鈷和/或錳化合物或其它重金屬,例如釩、鉻、鐵、鑰、 諸如鈰、鋯、鉿和/或鎳的鑭系元素和氧化促進劑)和空氣。在液相中采用的各組分的相對重量百分比是約10至25的對ニ甲苯,約74至90的こ酸水溶液,約0. I至I的催化劑,且所述空氣的流量比所述對ニ甲苯質量流量大約4. 5倍(針對常規(guī)大氣,不存在氧氣富集或貧化)。在所述初級氧化反應器中發(fā)生最初的氧化反應,產(chǎn)生廢氣(也被稱為“初級廢氣”)和漿料(也被稱為“初級漿料”),所述漿料包含有所述反應物、反應中間體和產(chǎn)物,所述漿料被傳送(例如流動或以其它方式移動)至所述ニ級氧化反應器。在所述ニ級氧化反應器中發(fā)生另ー氧化反應,以形成漿料(也被稱為“ニ級漿料”)和廢氣(也被稱為“ニ級廢氣”)。所述ニ級漿料進ー步被處理以產(chǎn)生純化的對苯ニ甲酸。所述初級廢氣被傳送(例如采用管或傳送構件流動或以其它方式傳送)至初級熱回收系統(tǒng),而所述ニ級廢氣被傳送至ニ級熱回收系統(tǒng)。所述初級和ニ級熱回收系統(tǒng)將所述廢氣的熱量除去并通過與作為熱接受流體的水或蒸汽以及作為液體的冷凝流交換熱以產(chǎn)生蒸汽。來自所述初級熱回收系統(tǒng)和所述ニ級熱回收系統(tǒng)的每一個的剩余廢氣被傳送至所述蒸汽洗滌系統(tǒng)。所述蒸汽洗滌系統(tǒng)處理剩余廢氣流,以產(chǎn)生可被進ー步處理的液體和蒸汽。所述初級氧化反應器可在約12至18 barA的壓カ下操作,且在ー個實施方式中,在約16 barA的壓カ下操作,而所述初級氧化反應器的溫度可以是約180至210°C,且在ー個實施方式中,溫度為約200°C。在比所述初級氧化反應器的壓カ低少于2bar的壓カ且比所述初級氧化反應器的壓カ低超過I bar的壓力,以及在比所述初級氧化反應器的溫度低約5-15°C的溫度下或在一個實施方式中(當所述初級氧化反應器為約200°C吋)約192°C的溫度下操作所述ニ級氧化反應器。由于在所述初級氧化反應器和所述ニ級氧化反應器之間的壓力降的減少小于2bar,從所述初級熱回收系統(tǒng)流出的剩余廢氣可與從所述ニ級熱回收系統(tǒng)流出的廢氣組合,以流動到單個蒸汽洗滌系統(tǒng)。然而,為了使所述實施方式成功實施,貫穿所述初級熱回收系統(tǒng)的壓カ降也必須増大。增大貫穿所述初級熱回收系統(tǒng)的壓力降的益處是顯著増大在所述初級熱回收系統(tǒng)中熱交換器的傳熱系數(shù)。這減小了所述熱交換器的尺寸,從而減少了在所述初級熱回收系統(tǒng)中的資本支出。由于所述熱回收系統(tǒng)通常是由諸如鈦的昂貴耐蝕材料制成的,因此投資成本的降低是顯著的。通常,所述初級和ニ級氧化反應器各自可以是由諸如鈦的耐蝕材料構建成或者是采用所述耐蝕材料作為內村。由于所述氧化反應在升高的壓カ實施,可將各氧化反應器構建成可經(jīng)受所述氧化反應所采用的高壓。此外,攪拌所述氧化反應器的內容物,使所述氧化反應最優(yōu)化,還使得所述固體反應產(chǎn)物保持在懸浮液中。攪拌器包括特定的流體混合配置,且所述氧化反應器可配備有ー個或多個機械攪拌器。對苯ニ甲酸粗品(由所述氧化反應產(chǎn)生的固體反應產(chǎn)物)以例如氧化反應漿料的形式沿著輸出線離開這兩個氧化反應器,所述氧化反應漿料包括對苯ニ甲酸粗品、水、こ酸、催化劑金屬、氧化反應中間體和反應副產(chǎn)物的混合物。所述初級熱回收系統(tǒng)包括至少ー個冷凝器,其中各冷凝器冷凝一部分廢氣并產(chǎn)生(raise)蒸汽。在一個實施方式中,所述初級廢氣被傳送至氣體管線,所述氣體管線將所述初級廢氣傳輸至一系列的冷凝器。在一個實施方式中,第一冷凝器產(chǎn)生第一壓カ的蒸汽(例如在約145°C和4. 5 barA),所述第二冷凝器產(chǎn)生第二壓カ的蒸汽(例如在約130°C和3barA),以及第三冷凝器產(chǎn)生第三壓カ的蒸汽(例如在約100°C和I barA)。其它實施方式可包括多于或少于三個的冷凝器,所述冷凝器可在與冷凝器的數(shù)量相適應的溫度和壓カ下操作。所述ニ級熱回收系統(tǒng)可包括至少ー個熱交換器,所述熱交換器將熱傳輸給傳熱流體。在一個實施方式中,所述熱交換器充當冷凝器,冷凝一部分所述廢氣并產(chǎn)生蒸汽。所述蒸汽可在所述エ藝中的其它地方得以應用,且還能產(chǎn)生能量。在一個實施方式中,充當冷凝器的初始的熱交換器可產(chǎn)生約130°C和約3 barA的蒸汽。所述蒸汽洗滌系統(tǒng)在約40-50°C和約9-15 barA下操作,其任選包括對來自所述初級和ニ級熱回收系統(tǒng)之一或二者的冷凝物進行脫氣的系統(tǒng)、回收揮發(fā)性有機物(例如こ酸甲酷、對ニ甲苯等)的系統(tǒng),以及保留用于在所述蒸汽洗滌系統(tǒng)內的洗滌的液體并排放殘留氣體的系統(tǒng)。所述洗滌系統(tǒng)的組件是本領域內公知的。所述洗滌液體可包括こ酸和水,和它們的組合。所述蒸汽洗滌系統(tǒng)包括至少ー個洗滌區(qū)。通常,用于生產(chǎn)CTA的方法的一個實施方式包括使用本文中所述的包括初級和ニ級氧化反應器的用于處理對苯ニ甲酸的系統(tǒng)。諸如對ニ甲苯、こ酸、催化劑和空氣的反應物被引入到所述初級氧化反應器中??稍诩s12至18 barA的壓カ和約180至210°C的溫度(或在本發(fā)明所描述的其它溫度或壓力)下操作所述初級氧化反應器,以產(chǎn)生初級漿料。然后所述初級漿料被引入到所述ニ級氧化反應器中。在比所述初級氧化反應器的壓カ低少于2bar的壓カ以及在比所述初級氧化反應器的溫度低約5-15°C的溫度(或在本發(fā)明所描述的其它溫度或壓力)操作所述ニ級氧化反應器,以產(chǎn)生ニ級漿料。如上所述,在所述氧化反應期間從所述初級氧化反應器產(chǎn)生初級廢氣。所述初級廢氣流至所述初級熱回收系統(tǒng),以產(chǎn)生經(jīng)處理的初級廢氣。所述經(jīng)處理的初級廢氣流至所述蒸汽洗滌系統(tǒng),在這里對所述經(jīng)處理的初級廢氣進行洗滌。所述初級熱回收系統(tǒng)和所述蒸汽洗滌系統(tǒng)以及所述操作條件已在上面描述。
如上所述,在所述氧化反應期間從所述ニ級氧化反應器產(chǎn)生ニ級廢氣。所述ニ級廢氣流至所述ニ級熱回收系統(tǒng),以產(chǎn)生經(jīng)處理的ニ級廢氣。所述經(jīng)處理的ニ級廢氣流至所述蒸汽洗滌系統(tǒng),在這里對所述經(jīng)處理的ニ級廢氣進行洗滌。所述ニ級熱回收系統(tǒng)和所述蒸汽洗滌系統(tǒng)以及所述操作條件已在上面描述。所述初級熱回收系統(tǒng)通過采用ー個或多個熱交換器進行熱交換,除去所述初級廢氣的熱量。在所述廢氣流過每ー個熱交換器時,所述廢氣的溫度降低,并形成作為分離的液相的初級冷凝物,所述初級冷凝物包括揮發(fā)性有機物和含水組分,例如こ酸、對ニ甲苯、反應中間體和水。收集所述初級濃縮物液體,并可再循環(huán)至所述氧化反應器,進行凈化以除去副產(chǎn)物和水,或者根據(jù)需要被送回至所述制備エ藝的其它地方。
所述ニ級熱回收系統(tǒng)通過采用ー個或多個熱交換器進行熱交換,除去所述ニ級廢氣的熱量。在所述廢氣流過每ー個熱交換器時,所述廢氣的溫度降低,并形成作為分離的液相的ニ級冷凝物,所述ニ級冷凝物包括揮發(fā)性有機物和含水組分,例如こ酸、對ニ甲苯、反應中間體和水。收集所述ニ級濃縮物液體,并可再循環(huán)至所述氧化反應器,進行凈化以除去副產(chǎn)物和水,或者根據(jù)需要被送回至所述制備エ藝的其它地方。
對于傳統(tǒng)的反應系統(tǒng),例如如圖I中所示的系統(tǒng),所述經(jīng)處理的初級廢氣在蒸汽洗滌器中洗滌,而所述經(jīng)洗滌、經(jīng)處理的廢氣流至能量回收系統(tǒng)以有利地回收功,例如采用渦輪以降低所述氣體的壓力。然而,經(jīng)處理的ニ級廢氣流至単獨的蒸汽洗滌器,井隨后被排放至大氣中。如圖2中所示,本公開內容的實施方式的優(yōu)點是利用所述經(jīng)洗滌、經(jīng)處理的ニ級廢氣以及所述經(jīng)洗滌、經(jīng)處理的初級廢氣以回收能量的改進的實施方式。此外,僅需要一個蒸汽洗滌系統(tǒng)來洗滌所述初級和ニ級廢氣流,導致投資成本降低。應當指出的是,圖2可能不包括在每ー個系統(tǒng)、方法或エ藝中采用的所有的各種組件。例如,可采用ー個或多個液壓泵,以導致所述流以ー種或多種流速和在ー種或多種壓力下流過所述系統(tǒng)或エ藝。
實施例在表I中,給出了所述初級熱回收熱交換器的總表面積顯著減少的等負載(equivalent duty)的計算比較,這表明了在需要用于制造所述熱交換器的昂貴的、耐蝕材料的數(shù)量的驚人減少。表I エ藝設備項目的比較
I實施例I I比較實施例 初級熱回收熱交換器面積(m2)69139106
熱交換器的壓降(bar)0.930.41
塞汽洗潘器I
蒸汽_條器排放ロIk向能量回收I通向能量回收和大氣
應指出的是,在本文中比例、濃度、數(shù)量和其它數(shù)值數(shù)據(jù)可以范圍形式表示。應理解的是,為方便簡潔起見,采用這種范圍形式,因此應以靈活方式解釋所述范圍形式,以不僅包括被明確描述為所述范圍的界限的數(shù)值,還包括包含在所述范圍內的所有單個數(shù)值或子范圍,就如明確描述每ー個數(shù)值和子范圍。為了舉例說明,“約0. 1%至約5%”的濃度范圍應被解釋為不僅包括所述明確描述的約0. I wt%至約5 wt%的濃度,還包括在所述指示范圍內的單個濃度(例如1%、2%、3%和4%)以及所述子范圍(例如,0. 5%, I. 1%,2. 2%, 3. 3%和4. 4%)。術語“約”可包括被修改的數(shù)值的土 1%、±2%、±3%、±4%、±5%、±8%或土 10%。此外,術語“約‘X’至‘y’”包括“約‘X’至約‘y’”??蓪ι鲜鰧嵤┓绞竭M行多種變化和修飾。所有這些修飾和變化g在被納入本公開內容的范圍內且被隨附的權利要求書保護。
權利要求
1.一種系統(tǒng),其包括 初級氧化反應器,其中在約12至18 barA的壓力和約180至210°C的溫度下操作所述初級氧化反應器,其中所述初級氧化反應器與初級熱回收系統(tǒng)連通,其中所述初級熱回收系統(tǒng)與蒸汽洗滌系統(tǒng)連通;和 二級氧化反應器,其中在比所述初級氧化反應器的壓力低少于2bar的壓力以及在比所述初級氧化反應器的溫度低約5-15°C的溫度下操作所述二級氧化反應器,其中在所述初級氧化反應器中產(chǎn)生的漿料被傳送至所述二級氧化反應器,其中所述二級氧化反應器與二級熱回收系統(tǒng)連通,其中所述二級熱回收系統(tǒng)與所述蒸汽洗滌系統(tǒng)連通。
2.如權利要求I所述的系統(tǒng),其中所述初級熱回收系統(tǒng)包括至少一個冷凝一部分所述廢氣和產(chǎn)生蒸汽的冷凝器。
3.如權利要求I或2所述的系統(tǒng),其中所述二級熱回收系統(tǒng)包括至少一個熱交換器,所述熱交換器將熱傳送至傳熱流體。
4.如權利要求1、2或3中任一項所述的系統(tǒng),其中所述蒸汽洗滌系統(tǒng)包括至少一個任選對來自所述初級和二級熱回收系統(tǒng)中之一或二者的冷凝物進行脫氣的系統(tǒng),回收揮發(fā)性有機物的系統(tǒng)、保留用于在所述蒸汽洗滌系統(tǒng)內的洗滌的液體的系統(tǒng),以及用于排出殘留氣體的系統(tǒng)。
5.一種用于生產(chǎn)對苯二甲酸的方法,其包括 提供初級氧化反應器,其中所述初級氧化反應器與初級熱回收系統(tǒng)連通,其中所述初級熱回收系統(tǒng)與蒸汽洗滌系統(tǒng)連通; 提供二級氧化反應器,其中所述二級氧化反應器與二級熱回收系統(tǒng)連通,其中所述二級熱回收系統(tǒng)與所述蒸汽洗滌系統(tǒng)連通; 將對二甲苯、乙酸、催化劑和空氣引入到所述初級氧化反應器中; 在約12至18 barA的壓力和約180至210°C的溫度下操作所述初級氧化反應器以產(chǎn)生第一漿料; 將在所述初級氧化反應器中產(chǎn)生的所述第一漿料引入到所述二級氧化反應器中;和在比所述初級氧化反應器的壓力低少于2bar的壓力以及在比所述初級氧化反應器的溫度低約5-15°C的溫度下操作所述二級氧化反應器,以產(chǎn)生第二漿料。
6.如權利要求5所述的方法,其進一步包括 從所述初級氧化反應器產(chǎn)生初級廢氣; 使所述初級廢氣流到所述初級熱回收系統(tǒng),以產(chǎn)生經(jīng)處理的初級廢氣;和 使所述經(jīng)處理的初級廢氣流到所述蒸汽洗滌系統(tǒng)。
7.如權利要求5或6中任一項所述的方法,其進一步包括 從所述二級氧化反應器產(chǎn)生二級廢氣; 使所述二級廢氣流到所述二級熱回收系統(tǒng),以產(chǎn)生經(jīng)處理的二級廢氣;和 使所述經(jīng)處理的二級廢氣流到所述蒸汽洗滌系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及在生產(chǎn)諸如對苯二甲酸的芳香羧酸的過程中回收熱和洗滌來自氧化反應器的廢氣的系統(tǒng)和方法。
文檔編號B01J3/00GK102652122SQ201080056879
公開日2012年8月29日 申請日期2010年12月15日 優(yōu)先權日2009年12月16日
發(fā)明者A.P.J.林巴赫, J.A.特納, R.J.奧布賴恩 申請人:英威達技術有限公司