CN105413598B - 生产芳香羧酸的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及在生产诸如对苯二甲酸的芳香羧酸的过程中回收热和洗涤来自氧化反应器的废气的系统和方法。本发明属于芳香羧酸生产的技术领域。在本发明的现有技术中，需要寻找替代方法来简化对苯二甲酸生产过程中回收热和洗涤来自氧化反应器的废气的系统，以及降低使用设备的资本支出。本发明包括用于生产对苯二甲酸的系统、用于处理对苯二甲酸的方法等。由于需要一定的系统和组件处理对苯二甲酸，本发明的优点在于它们减少了资本支出。例如，与一个系统相比，可除去一个蒸汽洗涤系统，而与另一个系统相比，可除去一个蒸汽压缩系统。本发明可用于生产对苯二甲酸。

Description

生产芳香羧酸的系统和方法

本申请是申请日为2010年12月15日，申请号为201080056879.1，发明名称为“生产芳香羧酸的系统和方法”的发明专利申请的分案申请。

发明领域

本发明涉及在生产芳香羧酸的过程中回收热和洗涤来自氧化反应器的废气的系统和方法。

相关申请的交叉引用

本申请要求2009年12月16日提交的美国临时申请61/286957的优先权的权益。

发明背景

可采用两阶段工艺制备纯化的对苯二甲酸（PTA）。在第一阶段中，在氧化车间中，通过采用均相催化剂在溶剂（例如乙酸和水）中将对二甲苯空气氧化来制备对苯二甲酸粗品（CTA）。所述反应的温度的范围是约150-210℃。所述氧化反应通常在一个、两个或三个串联容器中进行，且对于每一个步骤可采用多个并联反应器。反应器容器通常是搅拌容器，其中所述搅拌通过机械搅拌和被加入的空气的搅拌效果的组合得以实现。

所述制备工艺的第二阶段是通过在水溶液中的催化氢化对CTA进行纯化。通常，将CTA在高压（70-90 barA）和高温（275-290℃）下溶解于水中，且经钯负载在碳上的催化剂固定床进行氢化。在得到的溶液通过一系列的四至六个结晶设备时，所述溶液得到冷却，在这里纯化的对苯二甲酸（PTA）结晶，而大部分杂质和副产物（例如对甲苯甲酸）保留在溶液中。得到的浆料（在140-160℃）然后被供料至适当的连续固液分离设备，例如沉降式离心机、旋转压力或真空过滤器等，在此所述PTA与纯化母液流分离，然后干燥。

图1举例说明了一种使对二甲苯反应来制备CTA粗品的方法，其中采用两个串联的氧化反应器。初级氧化反应器包括对二甲苯、乙酸水溶液、催化剂和空气，且在反应温度为约200℃、在16 barA操作所述初级氧化反应器。来自所述初级氧化反应器的浆料被传送至二级氧化反应器，在这里所述浆料与空气在约187℃和12 barA反应，以将更多的反应物转化为CTA。初级和二级氧化反应器各自具有分离的废气系统，以回收热以及洗涤蒸汽。由于初级和二级氧化反应器各自在显著不同的温度和压力下操作，采用两个热回收和蒸汽洗涤系统，这增加了资本支出。为了克服这种影响，可采用压缩机（未图示）提高来自二级氧化热回收系统的废气的压力，以向单个蒸汽洗涤系统逆流进料，从而减少重复的组件，例如所述二级氧化反应器废气蒸汽洗涤系统。然而，该方法需要该压缩机的资本支出。

发明内容

在工业中，需要开发另一种方法，其可简化所述系统以在生产对苯二甲酸的过程中回收热和洗涤来自所述氧化反应器的废气，同时还降低对采用的设备的资本支出。

简要介绍的本发明的实施方式包括用于生产对苯二甲酸的系统、方法等。

其中一个示例性系统包括初级氧化反应器，其中在约12至18 barA的压力和约180至210℃的温度下操作所述初级氧化反应器，其中所述初级氧化反应器与初级热回收系统连通，其中所述初级热回收系统与蒸汽洗涤系统连通；和二级氧化反应器，其中在比所述初级氧化反应器的压力低少于2bar的压力以及在比所述初级氧化反应器的温度低约5-15℃的温度下操作所述二级氧化反应器，其中在所述初级氧化反应器中产生的浆料被传送至所述二级氧化反应器，其中所述二级氧化反应器与二级热回收系统连通，其中所述二级热回收系统与所述蒸汽洗涤系统连通。

其中，一个用于生产对苯二甲酸的示例性方法包括：提供初级氧化反应器，其中所述初级氧化反应器与初级热回收系统连通，其中所述初级热回收系统与蒸汽洗涤系统连通；提供二级氧化反应器，其中所述二级氧化反应器与二级热回收系统连通，其中所述二级热回收系统与所述蒸汽洗涤系统连通；将对二甲苯、乙酸、催化剂和空气引入到所述初级氧化反应器中；在约12至18 barA的压力和约180至210℃的温度下操作所述初级氧化反应器以产生第一浆料；将在所述初级氧化反应器中产生的所述第一浆料引入到所述二级氧化反应器中；和在比所述初级氧化反应器的压力低少于2bar的压力以及在比所述初级氧化反应器的温度低约5-15℃的温度下操作所述二级氧化反应器，以产生第二浆料。

附图简述

参考以下附图可更好地理解本发明的多个方面。在所述附图中的组件不一定是按比例绘制的。

图1图示了生产对苯二甲酸的工艺的一部分的示意图。

图2图示了生产对苯二甲酸的改进工艺的一部分的示意图。

发明详述

在更详细描述本发明之前，应了解的是本发明公开内容不限于描述的特定的实施方式，因为这些可以（当然可以）变化。还应了解的是这里采用的术语仅是为了描述特定的实施方式，且不旨在限制本发明，因为本发明的范围将仅由随附的权利要求书进行限定。

除非另有定义，本文所采用的所有技术术语和科学术语具有与本发明所属的技术领域中的普通技术人员所通常理解的相同的含义。尽管与本文描述的方法和材料类似或相当的任意的方法和材料可用于本公开内容的实施和测试，现在介绍优选的方法和材料。

除非另有指明，本公开内容的实施方式将采用属于本领域技术的化学、化学工程、化学品回收等的技术。这些技术在文献中得到充分的说明。

为了向本领域普通技术人员提供如何实施所述方法和使用本文所公开且所要求保护的组合物和化合物，公开了以下实施例。虽然已经尽力确保数值（例如量、温度等）的精确性，但是应需要考虑一些误差和偏差。除非另有指明，份数为重量份数，温度以℃表示，且压力以barA表示。

必须指出的是，如说明书和随附的权利要求书中所应用的，除非上下文另外清楚地指出，所述单数形式“一”、和“该”包括复数个所指对象。因此，例如提及“一载体”包括多个载体。在本说明书中以及在随后的权利要求书中，除非存在明显的相反意图，将提及许多将被定义具有以下含义的术语。

讨论

本公开内容的实施方式包括用于生产对苯二甲酸的系统、用于处理对苯二甲酸的方法等。由于需要一定的系统和组件处理对苯二甲酸，而本公开内容的系统和方法的优点在于它们减少了资本支出。例如，与一个系统相比，可除去一个蒸汽洗涤系统，而与另一个系统相比，可除去一个蒸汽压缩系统。

总之，通过采用均相催化剂在乙酸水溶液溶剂中将对二甲苯空气氧化来制备对苯二甲酸粗品（CTA）。在被供送至氧化反应器之前，氧化反应采用的空气包含与大气相比可富集或贫化的分子氧。来自所述氧化反应器的所得的CTA浆料（包含有CTA、氧化催化剂、反应中间体和副产物，包括颜料化合物）通常被供送至不止一个容器（通过被称为结晶设备），以降低工艺流的压力和温度。将CTA固体与氧化工艺母液分离，且任选去除所述氧化反应溶剂将所述CTA固体进行干燥。所述CTA固体然后与水混合以形成CTA纯化供料流，接着在纯化的对苯二甲酸(PTA)制备工艺的第二阶段中对所述CTA纯化。所述CTA纯化工艺/系统可包括许多阶段，包括但不限于CTA再制浆阶段、浆料加热和CTA溶解阶段、催化氢化阶段、结晶阶段、过滤阶段、溶剂回收阶段、干燥阶段、母液流处理阶段、母液固体处理阶段等。

图2图示了生产CTA的系统的一部分的实施方式。本公开内容的具体实施方式是对现有工艺的改进。所述系统包括初级氧化反应器和二级氧化反应器。简言之，采用所述初级氧化反应器和所述二级氧化反应器以通过氧化反应来形成对苯二甲酸，所述氧化反应包括对二甲苯、乙酸、催化剂（例如钴和/或锰化合物或其它重金属，例如钒、铬、铁、钼、诸如铈、锆、铪和/或镍的镧系元素和氧化促进剂）和空气。在液相中采用的各组分的相对重量百分比是约10至25的对二甲苯，约74至90的乙酸水溶液，约0.1至1的催化剂，且所述空气的流量比所述对二甲苯质量流量大约4.5倍（针对常规大气，不存在氧气富集或贫化）。在所述初级氧化反应器中发生最初的氧化反应，产生废气（也被称为“初级废气”）和浆料（也被称为“初级浆料”），所述浆料包含有所述反应物、反应中间体和产物，所述浆料被传送（例如流动或以其它方式移动）至所述二级氧化反应器。在所述二级氧化反应器中发生另一氧化反应，以形成浆料（也被称为“二级浆料”）和废气（也被称为“二级废气”）。所述二级浆料进一步被处理以产生纯化的对苯二甲酸。

所述初级废气被传送（例如采用管或传送构件流动或以其它方式传送）至初级热回收系统，而所述二级废气被传送至二级热回收系统。所述初级和二级热回收系统将所述废气的热量除去并通过与作为热接受流体的水或蒸汽以及作为液体的冷凝流交换热以产生蒸汽。来自所述初级热回收系统和所述二级热回收系统的每一个的剩余废气被传送至所述蒸汽洗涤系统。所述蒸汽洗涤系统处理剩余废气流，以产生可被进一步处理的液体和蒸汽。

所述初级氧化反应器可在约12至18 barA的压力下操作，且在一个实施方式中，在约16 barA的压力下操作，而所述初级氧化反应器的温度可以是约180至210℃，且在一个实施方式中，温度为约200℃。在比所述初级氧化反应器的压力低少于2bar的压力且比所述初级氧化反应器的压力低超过1 bar的压力，以及在比所述初级氧化反应器的温度低约5-15℃的温度下或在一个实施方式中（当所述初级氧化反应器为约200℃时）约192℃的温度下操作所述二级氧化反应器。

由于在所述初级氧化反应器和所述二级氧化反应器之间的压力降的减少小于2bar，从所述初级热回收系统流出的剩余废气可与从所述二级热回收系统流出的废气组合，以流动到单个蒸汽洗涤系统。然而，为了使所述实施方式成功实施，贯穿所述初级热回收系统的压力降也必须增大。增大贯穿所述初级热回收系统的压力降的益处是显著增大在所述初级热回收系统中热交换器的传热系数。这减小了所述热交换器的尺寸，从而减少了在所述初级热回收系统中的资本支出。由于所述热回收系统通常是由诸如钛的昂贵耐蚀材料制成的，因此投资成本的降低是显著的。

通常，所述初级和二级氧化反应器各自可以是由诸如钛的耐蚀材料构建成或者是采用所述耐蚀材料作为内衬。由于所述氧化反应在升高的压力实施，可将各氧化反应器构建成可经受所述氧化反应所采用的高压。此外，搅拌所述氧化反应器的内容物，使所述氧化反应最优化，还使得所述固体反应产物保持在悬浮液中。搅拌器包括特定的流体混合配置，且所述氧化反应器可配备有一个或多个机械搅拌器。对苯二甲酸粗品（由所述氧化反应产生的固体反应产物）以例如氧化反应浆料的形式沿着输出线离开这两个氧化反应器，所述氧化反应浆料包括对苯二甲酸粗品、水、乙酸、催化剂金属、氧化反应中间体和反应副产物的混合物。

所述初级热回收系统包括至少一个冷凝器，其中各冷凝器冷凝一部分废气并产生（raise）蒸汽。在一个实施方式中，所述初级废气被传送至气体管线，所述气体管线将所述初级废气传输至一系列的冷凝器。在一个实施方式中，第一冷凝器产生第一压力的蒸汽（例如在约145℃和4.5 barA），所述第二冷凝器产生第二压力的蒸汽（例如在约130℃和3barA），以及第三冷凝器产生第三压力的蒸汽（例如在约100℃和1 barA）。其它实施方式可包括多于或少于三个的冷凝器，所述冷凝器可在与冷凝器的数量相适应的温度和压力下操作。

所述二级热回收系统可包括至少一个热交换器，所述热交换器将热传输给传热流体。在一个实施方式中，所述热交换器充当冷凝器，冷凝一部分所述废气并产生蒸汽。所述蒸汽可在所述工艺中的其它地方得以应用，且还能产生能量。在一个实施方式中，充当冷凝器的初始的热交换器可产生约130℃和约3 barA的蒸汽。

所述蒸汽洗涤系统在约40-50℃和约9-15 barA下操作，其任选包括对来自所述初级和二级热回收系统之一或二者的冷凝物进行脱气的系统、回收挥发性有机物（例如乙酸甲酯、对二甲苯等）的系统，以及保留用于在所述蒸汽洗涤系统内的洗涤的液体并排放残留气体的系统。所述洗涤系统的组件是本领域内公知的。所述洗涤液体可包括乙酸和水，和它们的组合。所述蒸汽洗涤系统包括至少一个洗涤区。

通常，用于生产CTA的方法的一个实施方式包括使用本文中所述的包括初级和二级氧化反应器的用于处理对苯二甲酸的系统。诸如对二甲苯、乙酸、催化剂和空气的反应物被引入到所述初级氧化反应器中。可在约12至18 barA的压力和约180至210℃的温度（或在本发明所描述的其它温度或压力）下操作所述初级氧化反应器，以产生初级浆料。然后所述初级浆料被引入到所述二级氧化反应器中。在比所述初级氧化反应器的压力低少于2bar的压力以及在比所述初级氧化反应器的温度低约5-15℃的温度（或在本发明所描述的其它温度或压力）操作所述二级氧化反应器，以产生二级浆料。

如上所述，在所述氧化反应期间从所述初级氧化反应器产生初级废气。所述初级废气流至所述初级热回收系统，以产生经处理的初级废气。所述经处理的初级废气流至所述蒸汽洗涤系统，在这里对所述经处理的初级废气进行洗涤。所述初级热回收系统和所述蒸汽洗涤系统以及所述操作条件已在上面描述。

如上所述，在所述氧化反应期间从所述二级氧化反应器产生二级废气。所述二级废气流至所述二级热回收系统，以产生经处理的二级废气。所述经处理的二级废气流至所述蒸汽洗涤系统，在这里对所述经处理的二级废气进行洗涤。所述二级热回收系统和所述蒸汽洗涤系统以及所述操作条件已在上面描述。

所述初级热回收系统通过采用一个或多个热交换器进行热交换，除去所述初级废气的热量。在所述废气流过每一个热交换器时，所述废气的温度降低，并形成作为分离的液相的初级冷凝物，所述初级冷凝物包括挥发性有机物和含水组分，例如乙酸、对二甲苯、反应中间体和水。收集所述初级浓缩物液体，并可再循环至所述氧化反应器，进行净化以除去副产物和水，或者根据需要被送回至所述制备工艺的其它地方。

所述二级热回收系统通过采用一个或多个热交换器进行热交换，除去所述二级废气的热量。在所述废气流过每一个热交换器时，所述废气的温度降低，并形成作为分离的液相的二级冷凝物，所述二级冷凝物包括挥发性有机物和含水组分，例如乙酸、对二甲苯、反应中间体和水。收集所述二级浓缩物液体，并可再循环至所述氧化反应器，进行净化以除去副产物和水，或者根据需要被送回至所述制备工艺的其它地方。

对于传统的反应系统，例如如图1中所示的系统，所述经处理的初级废气在蒸汽洗涤器中洗涤，而所述经洗涤、经处理的废气流至能量回收系统以有利地回收功，例如采用涡轮以降低所述气体的压力。然而，经处理的二级废气流至单独的蒸汽洗涤器，并随后被排放至大气中。如图2中所示，本公开内容的实施方式的优点是利用所述经洗涤、经处理的二级废气以及所述经洗涤、经处理的初级废气以回收能量的改进的实施方式。此外，仅需要一个蒸汽洗涤系统来洗涤所述初级和二级废气流，导致投资成本降低。

应当指出的是，图2可能不包括在每一个系统、方法或工艺中采用的所有的各种组件。例如，可采用一个或多个液压泵，以导致所述流以一种或多种流速和在一种或多种压力下流过所述系统或工艺。

实施例

在表1中，给出了所述初级热回收热交换器的总表面积显著减少的等负载（equivalent duty）的计算比较，这表明了在需要用于制造所述热交换器的昂贵的、耐蚀材料的数量的惊人减少。

表 1 工艺设备项目的比较

	实施例1	比较实施例
			初级热回收热交换器面积（m<sup>2</sup>）	6913	9106
热交换器的压降（bar）	0.93	0.41
			蒸汽洗涤器	1	2
蒸汽洗涤器排放口	通向能量回收	通向能量回收和大气

应指出的是，在本文中比例、浓度、数量和其它数值数据可以范围形式表示。应理解的是，为方便简洁起见，采用这种范围形式，因此应以灵活方式解释所述范围形式，以不仅包括被明确描述为所述范围的界限的数值，还包括包含在所述范围内的所有单个数值或子范围，就如明确描述每一个数值和子范围。为了举例说明，“约0.1%至约5%”的浓度范围应被解释为不仅包括所述明确描述的约0.1 wt%至约5 wt%的浓度，还包括在所述指示范围内的单个浓度（例如1%、2%、3%和4%）以及所述子范围（例如，0.5%，1.1%，2.2%，3.3%和4.4%）。术语“约”可包括被修改的数值的±1%、±2%、±3%、±4%、±5%、±8%或±10%。此外，术语“约‘x’至‘y’”包括“约‘x’至约‘y’”。

可对上述实施方式进行多种变化和修饰。所有这些修饰和变化旨在被纳入本公开内容的范围内且被随附的权利要求书保护。

Claims (7)

1.一种系统，其包括：

初级氧化反应器，其具有设计用于在12至18 barA的压力和180至210℃的温度下操作所述初级氧化反应器的装置，其中所述初级氧化反应器与初级热回收系统连通，其中所述初级热回收系统与蒸汽洗涤系统直接连通；和

二级氧化反应器，其具有设计用于在比所述初级氧化反应器的压力低少于2bar的压力以及在比所述初级氧化反应器的温度低5-15℃的温度下操作所述二级氧化反应器的装置，其中在所述初级氧化反应器中产生的浆料被传送至所述二级氧化反应器，其中所述二级氧化反应器与二级热回收系统连通，其中所述二级热回收系统与所述蒸汽洗涤系统直接连通，

所述系统只包括一个蒸汽洗涤系统，且

所述系统不包括蒸汽压缩系统，其用于提高由二级热回收系统向单个蒸汽洗涤系统上流进料的废气的压力。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述初级热回收系统包括至少一个冷凝一部分废气和产生蒸汽的冷凝器。

3.如权利要求1所述的系统，其中所述二级热回收系统包括至少一个热交换器，所述热交换器将热传送至传热流体。

4.如权利要求1、2或3中任一项所述的系统，其中所述蒸汽洗涤系统包括至少一个任选对来自所述初级和二级热回收系统中之一或二者的冷凝物进行脱气的系统，回收挥发性有机物的系统、保留用于在所述蒸汽洗涤系统内的洗涤的液体的系统，以及用于排出残留气体的系统。

5.一种用于生产对苯二甲酸的方法，其包括：

提供初级氧化反应器，其中所述初级氧化反应器与初级热回收系统连通，其中所述初级热回收系统与蒸汽洗涤系统连通；

提供二级氧化反应器，其中所述二级氧化反应器与二级热回收系统连通，其中所述二级热回收系统与所述蒸汽洗涤系统连通；其中由二级热回收系统向单个蒸汽洗涤系统上流进料的废气的压力未经压缩机提高；

将对二甲苯、乙酸、催化剂和空气引入到所述初级氧化反应器中；

在12至18 barA的压力和180至210℃的温度下操作所述初级氧化反应器以产生第一浆料；

将在所述初级氧化反应器中产生的所述第一浆料引入到所述二级氧化反应器中；和

在比所述初级氧化反应器的压力低少于2bar的压力以及在比所述初级氧化反应器的温度低5-15℃的温度下操作所述二级氧化反应器，以产生第二浆料。

6.如权利要求5所述的方法，其进一步包括：

从所述初级氧化反应器产生初级废气；

使所述初级废气流到所述初级热回收系统，以产生经处理的初级废气；和

使所述经处理的初级废气流到所述蒸汽洗涤系统。

7.如权利要求5或6中任一项所述的方法，其进一步包括：

从所述二级氧化反应器产生二级废气；

使所述二级废气流到所述二级热回收系统，以产生经处理的二级废气；和

使所述经处理的二级废气流到所述蒸汽洗涤系统。