Способ снижения количества воды в отходящем газе реактора в процессе окисления ароматического соединения
Настоящее изобретение относится к способу снижения количества воды в отходящем газе реактора в процессе получения терефталевой кислоты путем окисления ксилола в растворе уксусной кислоты. Способ включает подачу отходящего из реактора газа L2 в нижний вход первичной абсорбционной колонны 110, подачу р-ксилола по линиям L4, L10 на верхний вход первичной абсорбционной колонны для извлечения уксусной кислоты через нижний выход первичной абсорбционной колонны и сброс воды, содержащейся в отходящем из реактора газе вместе с р-ксилолом L5, через верхний выход колонны 110 с конденсированием воды и р-ксилола с помощью конденсатора 120, отделением воды от р-ксилола с помощью органо-водного сепаратора 140 и выпуском воды L7, как сточной. Смесь уксусной кислоты, р-ксилола и воды, которую отводят через нижний выход колонны 110 по линии L9, вновь подают в реактор для получения терефталевой кислоты. р-Ксилол или р-ксилол с некоторым количеством воды, отделяемый сепаратором 140, вновь подают в колонну 110 по линии L4, а газ L8, выходящий из сепаратора 140, направляют во вторичную абсорбционную колонну 150. Технический результат: снижение расхода энергии, увеличение пропускной способности абсорбционной колонны, возможность использования смеси, выходящей из первичной абсорбционной колонны для окисления р-ксилола без использования специальных сепарирующих средств. 5 з.п. ф-лы, 1 табл., 2 ил.
Область техники
Настоящее изобретение относится к способу снижения количества воды в отходящем газе реактора в процессе окисления ароматических соединений путем пропускания газа, отходящего из реактор, через первичную абсорбционную колонну и конденсатор. По мере того как приток воды в дегидрационную колонну снижается, уменьшается количество пара, необходимого для отделения воды и уксусной кислоты, и может быть снижена нагрузка на дегидрационную колонну.
Предшествующий уровень техники
В общем, процесс приготовления терефталевой кислоты включает этап окисления p-ксилола на воздухе в присутствии катализатора типа кобальта, марганца и бромида, и этап дистилляции по извлечению уксусно-кислого раствора из реактора и удалению воды.
Обычно для отделения от воды и улавливания уксусной кислоты используются стандартная дистилляция, азеотропная дистилляция и прочее.
На фиг.1 показан обычный процесс улавливания уксусной кислоты путем азеотропной дистилляции с использованием азеотропного вещества.
Как показано на этой фигуре, обычное устройство для улавливания уксусной кислоты путем азеотропной дистилляции с использованием азеотропного вещества состоит из дегидрационной колонны 1 для отделения уксусной кислоты от воды путем азеотропной дистилляции, конденсатора 2 для конденсирования газа, отходящего сверху дегидрационной колонны 1, резервуара 3 для отделения жидких органических материалов, проходящих через конденсатор 2 от воды, нагревателя 4 для подачи пара в дегидрационную колонну 1 и теплообменника 5 для охлаждения уксусной кислоты, спускаемой в нижнюю часть дегидрационной колонны.
Эта стандартная технология становится еще более эффективной при добавлении азеотропного вещества в смесь воды и уксусной кислоты. Потребление энергии дегидрационной колонной 1 может быть снижено, т.к. получающийся в результате азеотроп кипит при температуре ниже, чем точка кипения воды.
Однако так как для улавливания уксусной кислоты требуется пар, для удаления воды необходима дополнительная энергия.
Температура отходящего из реактора газа, образующегося при приготовлении терефталевой кислоты, составляет 180°С и выше, при этом он содержит несжимаемые газы, такие как азотный, уксусную кислоту, p-ксилол и воду.
Газ, отходящий из реактора, проходит через несколько теплообменников с охлаждающей водой для того, чтобы постепенно понижать температуру отходящего из реактора газа. Конденсат уксусной кислоты и какое-то количество воды возвращаются в реактор, а оставшаяся вода направляется в дегидрационную колонну для ее отвода.
Газ, прошедший последний теплообменник, содержит небольшое количество уксусной кислоты и р-ксилола. Газ направляют в абсорбционную колонну высокого давления, где улавливается р-ксилол, захваченный уксусной кислотой, уксусная кислота улавливается, будучи захваченной водой, а несжимаемые газы, включая азотный, направляются в установку для отвода газов и обрабатываются там.
Жидкая смесь уксусной кислоты и воды, которая прошла последний теплообменник и конденсировалась, направляется в дегидрационную колонну, где уксусная кислота отводится в нижнюю часть дегидрационной колонны, а вода сбрасывается в верхней части дегидрационной колонны.
Раскрытие изобретения
Техническая задача
Хотя способ отделения уксусной кислоты от воды путем постепенного понижения температуры отходящего из реактора газа с использованием нескольких теплообменников эффективен тем, что пар может образовываться из горячего газа, отходящего из реактора, расход энергии неизбежен из-за того, что вода должна удаляться из уксусной кислоты в дегидрационной колонне с использованием пара.
Техническое решение
Для решения этой задачи было создано изобретение и его целью является создание способа снижения количества воды в отходящем газе реактора в процессе окисления ароматических соединений без дополнительного расхода энергии.
Для достижения цели по настоящему изобретению был создан способ снижения количества воды в отходящем газе реактора в процессе окисления ароматического соединения, который включает подачу отходящего из реактора газа в нижний вход первичной абсорбционной колонны, в которой имеется тарелка или насадка в качестве средства для увеличения поверхности контакта газа и жидкости; подачу ароматического соединения на верхний вход первичной абсорбционной колонны с целью извлечения карбоновой кислоты, выбираемой из группы, состоящей из уксусной кислоты, пропионовой кислоты и акриловой кислоты, и входящей в состав отходящего из реактора газа, и ее рекуперации через нижний выход первичной абсорбционной колонны; и сброс воды, содержащейся в отходящем из реактора газе наряду с ароматическим соединением через верхний выход первичной абсорбционной колонны, конденсируя воду и ароматическое соединение с использованием конденсатора, отделяя воду от ароматического соединения с использованием органо-водного сепаратора и сбрасывая воду как сточную.
Ароматическое соединение или ароматическое соединение частично с водой, отделенная органо-водным сепаратором, направляется во вторичную абсорбционную колонну.
Ароматическое соединение выбирается из группы, состоящей из o-ксилола, m-ксилола, p-ксилола, бензола и толуола. Использование p-ксилола более предпочтительно.
Преимущества
Во-первых, так как вода удаляется из отходящего из реактора газа, количество воды, удаляемой в дегидрационной колонне, уменьшается, также может быть уменьшено количество пара, используемого для отделения воды от уксусной кислоты.
Во-вторых, так как количество воды, удаляемой в дегидрационной колонне, уменьшается, снижается нагрузка в дегидрационной колонне, за счет чего увеличивается пропускная способность дегидрационной колонны.
В-третьих, так как в качестве ароматических соединений используются ксилолы, включая p-ксилол, смесь, выходящая из первичной абсорбционной колонны, может повторно направляться в реактор для окисления ароматических соединений без использования специальных сепарирующих устройств.
На фиг.1 показан традиционный способ улавливания уксусной кислоты посредством азеотропной дистилляции с использованием азеотропного вещества.
На фиг.2 показан процесс снижения количества воды в отходящем газе реактора при окислении терефталевой кислоты в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения.
Лучший вариант осуществления изобретения
Ниже приводится подробное описание способа снижения количества воды в отходящем газе реактора при окислении ароматических соединений в соответствии с настоящим изобретением, а более конкретно способ снижения количества воды в отходящем из реактора газе при окислении p-ксилола при приготовлении терефталевой кислоты.
При окислении p-ксилола на воздухе в присутствии катализатора такого, как кобальт, марганец и бромид, в процессе приготовления терефталевой кислоты уксусная кислота, которая используется как растворитель, и вода, которая образуется во время реакции, выводятся в виде горячего газа вместе с азотным газом и другими газами. Изобретатель установил, что за счет удаления воды из отходящего из реактора газа можно снизить содержание воды в потоке, входящем в дегидрационную колонну, и количество пара, необходимого для отделения воды от уксусной кислоты в дегидрационной колонне. Таким образом, нагрузка на дегидрационную колонну уменьшается или ее использование становится ненужным.
Жидкая смесь уксусной кислоты, p-ксилола и воды, которая выводится через нижний выход первичной абсорбционной колонны, вновь подается в реактор для последующего приготовления терефталевой кислоты. В целом, в зависимости от реакции, жидкая смесь включает 10-60% мас. уксусной кислоты, 10-60% p-ксилола и 3-40% воды.
В общем, терефталевая кислота готовится путем окисления на воздухе p-ксилола в присутствии катализатора, как видно из нижеследующей схемы 1. Для приготовления 100 мас. частей терефталевой кислоты необходимо около 65 мас. частей p-ксилола.
Схема химического процесса 1:
Вода, содержащаяся в отходящем из реактора газе, выпускается через верхний выход первичной абсорбционной колонны наряду с избыточным p-ксилолом. Газ, содержащий p-ксилол и воду, конденсируется первым теплообменником до температуры около 100°С, вторым - около 40°С и подается в сепарирующее устройство, отделяющее воду от органику. Здесь p-ксилол отделяется от воды и улавливается, а вода сбрасывается как сточная. Газ, выходящий из органо-водного сепаратора, имеет 40°С и ниже и направляется во вторичную абсорбционную колонну, которая представляет собой обычную абсорбционную колонну высокого давления, и обрабатывается там обычным способом.
Отходящий из реактора газ направляется в первичную абсорбционную колонну напрямую или через несколько теплообменников. Например, если газ проходит через 4 теплообменника, то горячий отходящий из реактора газ с температурой 120-190°С, прошедший через второй и третий теплообменник, направляется в нижний вход первичной абсорбционной колонны, и вода удаляется из отходящего из реактора газа как описано выше.
Объем отходящего из реактора газа, направляемого в нижний вход первичной абсорбционной колонны путем разделения, преимущественно определяется в зависимости от того количества воды, которое необходимо удалить в течение всего процесса приготовления терефталевой кислоты.
Количество воды, которое необходимо удалить в течение всего процесса приготовления терефталевой кислоты, - это 21-22 мас. части на 100 мас. частей получаемой терефталевой кислоты. Оно рассчитывается как 2 (моля воды)×18 (молекулярный вес воды)/166 (молекулярный вес терефталевой кислоты)×100 (количество терефталевой кислоты).
Например, если в год производится 500 тыс.тонн терефталевой кислоты, а часовая производительность составляет 62,5 тонн, то необходимое количество воды в час составляет 13,5 тонн.
Предположив, что в воздухе, подаваемом для осуществления реакции, содержится 23% кислорода и 77% азота и что весь подаваемый воздух окисляется, количество требуемого кислорода следующее: 3 (молей кислорода)×32 (молекулярный вес кислорода)/166 (молекулярный вес терефталевой кислоты)×62,5 (производство терефталевой кислоты в час)=36 тонн, а объем сбрасываемого азота составляет: 36×77/23=121 тонн.
Однако принимая во внимание эффективность окисления в реакторе и испарение жидкости, вызываемое теплотой реакции, общее количество отходящего из реактора газа определяется в пределах 300-700 тонн.
И предпочтительно, чтобы в качестве средства, увеличивающего поверхность контакта газа и жидкости, были тарелки или насадки.
Термины и слова, используемые в настоящем описании изобретения и в формуле, не должны интерпретироваться в их общем или буквальном значении. Основываясь на принципе, что изобретатель может адекватно определить значение терминов и слов, для того чтобы лучшим образом описать его или ее изобретение, они будут интерпретироваться в том значении и контексте, которые соответствуют сущности настоящего изобретения.
Соответственно вариант, представленный в этом описании и сопровождающем его чертеже, - это всего лишь пример наиболее предпочтительного варианта осуществления настоящего изобретения. Специалисты в этой области поймут, что изменения и модификации возможны без отхода от принципов и сущности настоящего изобретения, объем которого определяется в прилагаемой формуле.
На фиг.2 показан процесс снижения количества воды в отходящем из реактора газе при окислении терефталевой кислоты в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения.
Согласно фиг.2 устройство для удаления воды в процессе приготовления терефталевой кислоты в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения состоит из реактора 100, первичной абсорбционной колонны 110, первичного теплообменника 120, вторичного теплообменника 130, органо-водного сепаратора 140 и вторичной абсорбционной колонны 150.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения первичная абсорбционная колонна 110 может быть оснащена средством для увеличения поверхности контакта газа и жидкости, которое может быть сконструировано в виде тарелок или насадок, но этим настоящее изобретение не ограничивается.
Первичный теплообменник 120 охлаждает горячий газ, исходящий из верхнего выхода первичной абсорбционной колонны 110. Первичный теплообменник 120 может производить низкотемпературный пар с температурой около 100°С.
Вторичный теплообменник 130 конденсирует газ, который прошел через первичный теплообменник 120, и выделяет из него жидкую смесь воды и p-ксилола и азотосодержащий газ.
Из жидкой смеси p-ксилол отделяется органо-водным сепаратором, а вода сбрасывается как сточная через трубопровод L7. А газообразное вещество подается во вторичную абсорбционную колонну 150, представляющую собой стандартную абсорбционную колонну высокого давления, и перерабатывается там.
Ниже приводится подробное описание процесса удаления воды из отходящего из реактора газа при приготовлении терефталевой кислоты в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения.
Во-первых, отходящий из реактора 100 газ для приготовления терефталевой кислоты направляется в нижний вход первичной абсорбционной колонны 110 через трубопровод L2 напрямую или через несколько теплообменников.
Отходящий из реактора газ охлаждается до 120-190°С теплообменником (не показан), прежде чем его направляют в первичную абсорбционную колонну 110. Отходящий из реактора газ содержит азот, уксусную кислоту, воду и небольшое количество органических веществ. В целом, отходящий из реактора газ содержит 60-95% мас. азота, 1-18% уксусной кислоты, 2-36% воды и небольшое количество органических веществ, которыми могут быть метилацетат, p-ксилол и др.
Ароматическое соединение p-ксилола подается на верхний вход первичной абсорбционной колонны 110 через трубопроводы L4, L10. Количество p-ксилола составляет предпочтительно 2-5 массовых эквивалентов воды, подлежащей удалению. Если количество p-ксилола выходит из этих границ, уксусная кислота может быть отведена в верхней части абсорбционной колонны вместе с газом, не будучи отобранной в достаточной степени, или избыточное количество p-ксилола может сбрасываться вниз абсорбционной колонны, что может обернуться проблемами.
Из двух трубопроводов L4, L10, через которые p-ксилол подается на верхний вход первичной абсорбционной колонны 110, трубопровод L4 является тем, через который идет поток из органо-водного сепаратора, который будет описан ниже.
Далее, отходящий из реактора газ, подаваемый на нижний вход первичной абсорбционной колонны 110, поднимается в верхнюю часть первичной абсорбционной колонны 110, а p-ксилол, подаваемый на верхний вход первичной абсорбционной колонны 110, опускается вниз первичной абсорбционной колонны 110.
Внутри первичная абсорбционная колонна 110 оснащена средством для увеличения поверхности контакта газа и жидкости в виде тарелок или насадок. Проходя через тарелки или насадки, отходящий из реактора газ вступает в контакт с p-ксилолом, в результате чего уксусная кислота и часть воды, содержащейся в отходящем из реактора газе, абсорбируется p-ксилолом, конденсируется и собирается внизу первичной абсорбционной колонны 110.
В этом процессе p-ксилол выступает в качестве растворителя, который абсорбирует уксусную кислоту и воду, содержащиеся в отходящем из реактора газе, и поэтому возможно рециркулировать жидкую смесь, сбрасываемую вниз первичной абсорбционной колонны 110, в реактор 100 через трубопровод L9 для приготовления терефталевой кислоты, не удаляя растворитель.
И если количество p-ксилола, содержащегося в жидкой смеси, сбрасываемой вниз первичной абсорбционной колонны, больше необходимого для приготовления терефталевой кислоты, то p-ксилол может быть отделен из жидкой смеси органо-водным сепаратором для повторной его подачи на верхний вход первичной абсорбционной колонны 110.
Вода, не прошедшая конденсацию в нижней части первичной абсорбционной колонны 110, направляется на верхний выход первичной абсорбционной колонны 110 вместе с избыточным p-ксилолом и конденсируется конденсаторами 120, 130, которыми могут быть теплообменники. В органо-водном сепараторе 140 p-ксилол отделяется от воды, а вода обрабатывается как сточная. В этом процессе газ, выходящий из органо-водного сепаратора 140, содержащий азот, уксусную кислоту и p-ксилол, направляется во вторичную абсорбционную колонну 150, стандартную абсорбционную колонну высокого давления, и обрабатывается там.
Соответствующим образом смесь, содержащая 50-90% мас. азота, 5-30% p-ксилола, 2-15% воды, 5-500 ppm уксусной кислоты и небольшое количество органических веществ, отводится от верхнего выхода первичной абсорбционной колонны 110 через трубопровод L5. Смесь охлаждается, проходя через первый теплообменник 120.
Температура смеси, поступающей в первый теплообменник 120, составляет около 110-180°С. Температура смеси, охлажденной при прохождении через первый теплообменник 120, - около 100°С. В первом теплообменнике 120 может производиться пар низкого давления.
Содержащиеся в смеси, которая была охлаждена при прохождении через первый теплообменник 120, вода и p-ксилол конденсируются в процессе прохождения через второй теплообменник 130.
И, наконец, смесь, которая прошла через второй теплообменник 130, сепарируется органо-водным сепаратором 140.
В органо-водном сепараторе 140 азот, p-ксилол, не прошедший конденсацию, и небольшое количество уксусной кислоты, собираются в газообразном виде и направляются через трубопровод L8 во вторичную абсорбционную колонну 150, которая представляет собой обычную абсорбционную колонну высокого давления, а вода через трубопровод L7 отводится в систему переработки сточных вод.
А p-ксилол, отделенный органо-водным сепаратором 140, вновь направляется в верхнюю часть первичной абсорбционной колонны 110 через трубопровод L4.
А также хотя и не показано на чертеже, какое-то количество воды может быть повторно направлено в первичную абсорбционную колонну 110 через другой трубопровод с целью снижения концентрации уксусной кислоты, которая выпускается органо-водным сепаратором 140 вместе с водой.
В соответствии с настоящим изобретением количество воды, подлежащей удалению в дегидрационной колонне, снижается из-за того, что часть воды сбрасывается на верхнем выходе первичной абсорбционной колонны 110. Поэтому потребление энергии дегидрационной колонной снижается.
Кроме того, тщательное контролирование объема потока отходящего из реактора газа, направляемого в первичную абсорбционную колонну 110, может устранить необходимость дегидрационной колонны.
Вариант осуществления изобретения
Практические и предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения иллюстрируются нижеприведенным примером. Однако специалисты в этой области могут с учетом его раскрытой сущности вносить изменения и усовершенствования в рамках объема и сущности настоящего изобретения.
Пример
Условия на входе и выходе первичной абсорбционной колонны приводятся ниже в таблице 1. Абсорбционная колонна имеет внутренний диаметр 40 мм, а средство для увеличения поверхности контакта газа и жидкости было сконструировано в виде произвольной насадки высотой 1,5 м. В таблице РХ означает p-ксилол, a KGa - кг/см2 (абсолютное давление).
| Таблица 1 | ||||
| Условия на входе и выходе абсорбционной колонны | ||||
| Трубопровод | Состав (% мас.) | Объемная подача (г/час) | Температура (°С) | Давление (KGa) |
| L2 | уксусная кислота (9,6) | 984 | 137 | 10,3 |
| H2O (19,3) | ||||
| N2 (71,1) | ||||
| L4 | РХ (99,55) | 228 | 35 | 10,3 |
| H2O (0,45) | ||||
| L10 | РХ (99,99) | 234 | 35 | 10,3 |
| H2O (0,01) | ||||
| L9 | РХ (52) | 432 | 128 | 10,3 |
| уксусная кислота (22) | ||||
| H2O (26) | ||||
| L5 | РХ (52) | 1072 | 123 | 10,3 |
| уксусная кислота (25 ppm) | ||||
| H2O (12,5) | ||||
| N2 (65,5) |
Как видно из таблицы 1, 189,9 г/час воды (H2O) было подано через трубу L2 и 112,3 г/час воды было сброшено в нижнюю часть первичной абсорбционной колонны 110 через трубу L9 и собрано в реакторе 100.
Таким образом, количество воды, подлежащей удалению в дегидрационной колонне, снижается на 77,6 г/час, а количество пара, используемого дегидрационной колонной, уменьшается. Таким образом, потребление энергии дегидрационной колонной снижается.
Промышленная применимость
Как видно из вышеприведенного описания, способ снижения количества воды в отходящем газе реактора в процессе окисления ароматических соединений по настоящему изобретению снижает количество пара, необходимого для отделения воды и уксусной кислоты в дегидрационной колонне, и нагрузку на дегидрационную колонну. Кроме того, тщательное контролирование объема потока, отходящего из реактора газа, направляемого в первичную абсорбционную колонну, может устранить необходимость дегидрационной колонны.
Специалисты в этой области оценят, что принципы и конкретные варианты осуществления изобретения, раскрытые в вышеизложенном описании, могут с готовностью использоваться в качестве основы для модифицирования и создания других вариантов для достижения тех же целей. Специалисты также оценят то, что такие эквивалентные варианты не отходят от сущности и объема настоящего изобретения, изложенного в прилагаемой формуле.
1. Способ снижения количества воды в отходящем газе реактора в процессе окисления ароматического соединения, в качестве которого используют р-ксилол, включающий:
подачу отходящего из реактора газа в нижний вход первичной абсорбционной колонны, оснащенной средством для увеличения поверхности контакта газа и жидкости;
подачу р-ксилола на верхний вход первичной абсорбционной колонны для извлечения уксусной кислоты, входящей в состав отходящего из реактора газа, через нижний выход первичной абсорбционной колонны; и сброс воды, содержащейся в отходящем из реактора газе вместе с р-ксилолом, через верхний выход первичной абсорбционной колонны с конденсированием воды и p-ксилола с помощью конденсатора, отделением воды от р-ксилола с помощью органо-водного сепаратора и выпуском воды с качестве сточной воды.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что смесь уксусной кислоты, р-ксилола и воды, которую отводят через нижний выход первичной абсорбционной колонны, вновь подают в реактор для получения терефталевой кислоты.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что p-ксилол или р-ксилол с некоторым количеством воды, отделяемый органо-водным сепаратором, вновь подают в первичную абсорбционную колонну, а газ, выходящий из органо-водного сепаратора, направляют во вторичную абсорбционную колонну.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве отходящего газа реактора, подаваемого в первичную абсорбционную колонну, используют горячий газ с температурой 120-190°С, который подают напрямую или направляют для подачи через несколько теплообменников.
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что количество отходящего газа реактора, подаваемого в первичную абсорбционную колонну путем его разделения, соответствует тому количеству воды, которое необходимо удалить из реакции окисления.
6. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют средство для увеличения поверхности контакта газа и жидкости, которое выполняют в виде тарелок или насадок.
