CN112707811A - 一种粗对苯二甲酸加氢精制的反应系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种粗对苯二甲酸加氢精制的反应系统，包括：加氢反应器，所述加氢反应器内部设置有用于分散破碎氢气的氢气微界面发生器；所述加氢反应器的侧壁连通有粗对苯二甲酸管道和氢气进气管道，所述氢气进气管道穿过所述加氢反应器的侧壁通入所述氢气微界面发生器内部；从所述加氢反应器反应后的产物精对苯二甲酸依次进入结晶塔、离心分离器和干燥器，最终形成固体精对苯二甲酸进入到收集罐。本发明的反应系统大幅提高气相向反应液的传质速率及宏观加氢速率，进而可以降低原有的反应压力、反应温度和催化剂使用量，提高了反应效率。

Description

一种粗对苯二甲酸加氢精制的反应系统及方法

技术领域

本发明涉及粗对苯二甲酸的精制领域，具体而言，涉及一种粗对苯二甲酸加氢精制的反应系统及方法。

背景技术

精对苯二甲酸生产工艺作为主流的对苯二甲酸(PTA)生产工艺，通常包括氧化工序和加氢处理工序，其生产过程如下：原料对二甲苯通过氧化工序得到的粗对苯二甲酸(CTA)经原料制备单元输送到加氢反应器，通过分配总管分布后和输送到加氢反应器内的压缩氢气在加氢反应器内液层上方的空间充分接触，达到溶解平衡后反应液体再流经反应液层和催化剂床层，并在催化剂床层发生加氢反应，催化剂床层通常由钯-碳催化剂堆积而成，粗对苯二甲酸(主要包含有对苯二甲酸(TA)、对羧基苯甲醛(4-CBA)和对甲基苯甲酸(P-T酸)，主要杂质4-CBA将发生加氢反应生成对甲基苯甲酸(P-T酸)。衡量加氢处理的效果通常是以相同的工艺条件下加氢处理后的反应产物中4-CBA含量作为指标，即反应产物中4-CBA含量越低，表明加氢处理效果越好。

通过对上述反应过程的研究，发现反应物(4-CBA,氢气和对甲基苯甲酸)中气相、液相主体在催化剂表面的内、外扩散速度是4-CBA加氢反应过程的控制步骤，如何增加气液相界面积，改善或强化反应物中气相、液相主体在催化剂表面的内、外扩散对于提高加氢处理效果非常重要。

目前粗对苯二甲酸加氢工艺主要为滴流床加氢工艺。传统的加氢工艺普遍存在以下问题：

(1)气液相界面积小、传质速率低。且氢气在溶液中分布不均匀，加氢效果差，催化剂损耗较大。

(2)滴流床加氢工艺反应压力较高(约8MPa)，装置投资费用、运行费用高，安全性下降。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种粗对苯二甲酸加氢精制的反应系统，该反应系统基于微界面反应强化技术，以粗对苯二甲酸溶剂为连续相，通过微界面发生器将氢气高效破碎成微米级气泡，并分散到溶液中形成微界面体系，以数十倍地提高加氢反应器内的气液相界面积，大幅提高气相向反应液的传质速率及宏观加氢速率，进而可以降低原有的反应压力、反应温度和催化剂使用量，提高了反应效率。

本发明的第二目的在于提供一种采用上述反应系统进行对苯二甲酸加氢精制的反应方法，反应得到的精对苯二甲酸纯度高、杂质含量低、应用广泛，提高了精对苯二甲酸本身的适用面，值得广泛推广应用。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

本发明提供了一种粗对苯二甲酸加氢精制的反应系统，包括：加氢反应器，所述加氢反应器内部设置有用于分散破碎氢气的氢气微界面发生器；

所述加氢反应器的侧壁连通有粗对苯二甲酸管道和氢气进气管道，所述氢气进气管道穿过所述加氢反应器的侧壁通入所述氢气微界面发生器内部；

从所述加氢反应器反应后的产物精对苯二甲酸依次进入结晶塔、离心分离器和干燥器，最终形成固体精对苯二甲酸进入到收集罐。

现有技术里加氢精制对苯二甲酸反应存在以下缺点，首先是气液相界面积小、传质速率低。且氢气在溶液中分布不均匀，加氢效果差，催化剂损耗较大。其次是现有加氢工艺反应压力较高，装置投资费用、运行费用高，安全性下降。本发明通过设置在加氢反应器里的氢气微界面发生器，将进入的氢气进行破碎分散成氢气微气泡，从而提高了传质效果，加强了反应效率，从而降低了反应时的压力、温度和催化剂的使用量。反应生成的精制对苯二甲酸进入到结晶塔中，去除掉对甲基苯甲酸，之后再进入到离心分离器得到固体精对苯二甲酸，接下来进入干燥器里去除多余水分，最终形成固体精制对苯二甲酸进入到收集罐封装保存。

优选的，所述氢气微界面发生器设置在所述加氢反应器的底部。氢气微界面发生器之所以设置在加氢反应器的底部，是因为氢气的密度小，在液体中的上升速度较快，将氢气微界面发生器设置在加氢反应器的底部，可以延长氢气的上升距离，让氢气可以更加充分的和粗对苯二甲酸进行加氢反应。并且通过将氢气微界面发生器设置在最底部，可以让进入的原料液相与氢气互相接触的更为充分，当氢气微界面发生器打碎分散气体之后，出来的微气泡部分会停留在液体表面不动，这样一来也给这部分停留的微气泡给予了充分的停留空间，从而更加有效的提高气液两相之间的传质效果。

本领域所属技术人员可以理解的是，本发明所采用的微界面发生器在本发明人在先专利中已有体现，如申请号CN201610641119.6、CN201610641251.7、CN201710766435.0、CN106187660、CN105903425A、CN109437390A、CN205833127U及CN207581700U的专利。在先专利CN201610641119.6中详细介绍了微米气泡发生器(即微界面发生器)的具体产品结构和工作原理，该申请文件中记载了“微米气泡发生器包括本体和二次破碎件、本体内具有空腔，本体上设有与空腔连通的进口，空腔的相对的第一端和第二端均敞开，其中空腔的横截面积从空腔的中部向空腔的第一端和第二端减小；二次破碎件设在空腔的第一端和第二端中的至少一个处，二次破碎件的一部分设在空腔内，二次破碎件与空腔两端敞开的通孔之间形成一个环形通道。微米气泡发生器还包括进气管和进液管。”从该申请文件中公开的具体结构可以知晓其具体工作原理为：液体通过进液管切向进入微米气泡发生器内，超高速旋转并切割气体，使气体气泡破碎成微米级别的微气泡，从而提高液相与气相之间的传质面积，而且该专利中的微米气泡发生器属于气动式微界面发生器。

另外，在先专利201610641251.7中有记载一次气泡破碎器具有循环液进口、循环气进口和气液混合物出口，二次气泡破碎器则是将进料口与气液混合物出口连通，说明气泡破碎器都是需要气液混合进入，另外从后面的附图中可知，一次气泡破碎器主要是利用循环液作为动力，所以其实一次气泡破碎器属于液动式微界面发生器，二次气泡破碎器是将气液混合物同时通入到椭圆形的旋转球中进行旋转，从而在旋转的过程中实现气泡破碎，所以二次气泡破碎器实际上是属于气液联动式微界面发生器。其实，无论是液动式微界面发生器，还是气液联动式微界面发生器，都属于微界面发生器的一种具体形式，然而本发明所采用的微界面发生器并不局限于上述几种形式，在先专利中所记载的气泡破碎器的具体结构只是本发明微界面发生器可采用的其中一种形式而已。

此外，在先专利201710766435.0中记载到“气泡破碎器的原理就是高速射流以达到气体相互碰撞”，并且也阐述了其可以用于微界面强化反应器，验证本身气泡破碎器与微界面发生器之间的关联性；而且在先专利CN106187660中对于气泡破碎器的具体结构也有相关的记载，具体见说明书中第[0031]-[0041]段，以及附图部分，其对气泡破碎器S-2的具体工作原理有详细的阐述，气泡破碎器顶部是液相进口，侧面是气相进口，通过从顶部进来的液相提供卷吸动力，从而达到粉碎成超细气泡的效果，附图中也可见气泡破碎器呈锥形的结构，上部的直径比下部的直径要大，也是为了液相能够更好的提供卷吸动力。

由于在先专利申请的初期，微界面发生器才刚研发出来，所以早期命名为微米气泡发生器(CN201610641119.6)、气泡破碎器(201710766435.0)等，随着不断技术改进，后期更名为微界面发生器，现在本发明中的微界面发生器相当于之前的微米气泡发生器、气泡破碎器等，只是名称不一样。综上所述，本发明的微界面发生器属于现有技术。

优选的，所述加氢反应器的内部设置有布气管道，所述布气管道上均匀分布有布气孔，所述布气管道竖直设立于所述氢气微界面发生器的上表面并与之连通，所述氢气微界面发生器的出气口与所述布气管道相连用以将所述氢气微界面发生器破碎分散的氢气微气泡均匀分散到所述加氢反应器中。布气管道上均匀分布有布气孔，布气管道垂直设立于氢气微界面发生器的上表面并与之连通，氢气微界面发生器的出气口与布气管道相连，从氢气微界面发生器出来的氢气微气泡通过垂直设立的布气管道，从布气孔中排出均匀分散到加氢反应器中。优选的，所述加氢反应器的内部设置有钯-碳催化剂床层，所述钯-碳催化剂床层包覆在所述布气管道外侧。钯-碳催化剂床层包覆在布气管道外侧，粗对苯二甲酸进入到钯-碳催化剂床层里，破碎分散的微气泡从布气管道中均匀分散进钯-碳催化剂床层与粗对苯二甲酸进行加氢反应，加强了钯-碳催化剂的利用率，提高了反应效率。

上述结构中，通过将布气管道与氢气微界面发生器进行复合使用，更加提高了氢气微界面发生器的分散破碎效果，其中布气管道的设计可以理解为辅助型的微界面发生器，因为利用布气管道上的布气孔也能一定程度的达到对气体再分散破碎的效果，并且从氢气微界面发生器出来的气泡本身是杂乱无章的，通过利用布气管道的布气效果可以将气泡朝向设定的方向布设，以保证从不同方向穿过催化剂床层与床层充分接触并与原料液相充分接触。所以在布气管道的外侧设置钯-碳催化剂床层的方式是为了提高催化传质效果进行独特设计的。

优选的，所述氢气微界面发生器、所述布气管道和所述钯-碳催化剂床层的中轴线均设置在所述加氢反应器的中轴线上。氢气微界面发生器、布气管道和钯-碳催化剂床层拥有同一条中轴线，因为氢气微界面发生器的出气口设置在氢气微界面发生器的中轴线上，布气管道与氢气微界面发生器的出气口相连，所以布气管道也在氢气微界面发生器的中轴线上，钯-碳催化剂床层包覆在布气管道外侧，所以钯-碳催化剂床层的中轴线也与氢气微界面发生器相同。之所以要将氢气微界面发生器、布气管道和钯-碳催化剂床层的中轴线设置在加氢反应器的中轴线上，这样从布气管道出来的氢气微气泡距离加氢反应器内壁的距离是相等的，可以最大限度的加大反应范围。

另外，本发明还提供了一种粗对苯二甲酸加氢精制的反应方法，包括如下步骤：

将粗对苯二甲酸在钯-碳催化剂催化作用下与氢气混合微界面分散破碎后进行加氢反应，再经过结晶、离心分离、干燥得到精对苯二甲酸。

优选的，所述加氢反应的温度为260-290℃，所述加氢反应的压力为5-8MPa。

具体地，该反应方法通过氢气微界面发生器将氢气打碎成微米尺度的微气泡，并将微气泡释放到加氢反应器内部，以增大粗对苯二甲酸加氢过程中所述氢气与粗对苯二甲酸之间的相界传质面积，使得氢气以微气泡的状态与粗对苯二甲酸溶液充分接触。形成的氢气微气泡进入钯-碳催化剂床层并与粗对苯二甲酸进行加氢反应。

采用本发明的粗对苯二甲酸加氢精制反应得到的产品品质好、收率高。大幅降低了粗对苯二甲酸加氢反应时的压力、温度和钯-碳催化剂的用量，产品纯度高，相当于提高了产能。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明的粗对苯二甲酸加氢精制的反应系统通过在反应器内部设置与氢气进气管道相连的氢气微界面发生器，氢气微界面发生器将氢气破碎成直径为大于等于1μm、小于1mm的微气泡，使得氢气以微气泡的状态与粗对苯二甲酸颗粒接触，以增大粗对苯二甲酸加氢精制反应过程中，氢气与粗对苯二甲酸之间的相界传质面积，并进行充分混合后再对粗对苯二甲酸进行加氢精制反应，从而解决了现有技术中由于粗对苯二甲酸和氢气在反应器中无法充分混合，导致系统反应效率降低的问题；

(2)本发明的整个反应系统与传统加氢反应相比，反应压力、温度大幅度降低，产品纯度提高。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例提供的粗对苯二甲酸加氢精制的反应系统的结构示意图；

其中：

11-粗对苯二甲酸原料罐； 12-氢气进气管道；

13-粗对苯二甲酸管道； 20-加氢反应器；

21-氢气微界面发生器； 22-布气管道；

211-出气口； 221-布气孔；

23-钯-碳催化剂床层； 30-结晶塔；

40-离心分离器； 50-干燥器；

60-收集罐。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

为了更加清晰的对本发明中的技术方案进行阐述，下面以具体实施例的形式进行说明。

实施例

参阅图1所示，为本发明实施例提供的粗对苯二甲酸加氢精制的反应系统，其主要包括粗对苯二甲酸原料罐11、氢气进气管道12、加氢反应器20、结晶塔30、离心分离器40、干燥器50和收集罐60。粗对苯二甲酸原料罐11与加氢反应器20之间通过粗对苯二甲酸管道13相连使得粗对苯二甲酸进入到加氢反应器20中。加氢反应器20内部设置有氢气微界面发生器21、布气管道22和钯-碳催化剂床层23，氢气进气管道12穿过加氢反应器20的侧壁与氢气微界面发生器21相连。

氢气微界面发生器21设置在加氢反应器20的底部，因为氢气的密度小，在溶液中的上升速度快，将氢气微界面发生器21设置在加氢反应器20的底部可以延长氢气从氢气微界面发生器21出来后到达加氢反应器20的距离，从而增加了氢气与粗对苯二甲酸的反应时间，提高了反应效率。

出气口211朝上与布气管道22相连，布气管道22垂直设置在氢气微界面发生器21上，布气管道22上均匀分布有布气孔221。这样从氢气微界面发生器21出来的氢气微气泡可以均匀的分散到加氢反应器20中。布气管道22的外侧被钯-碳催化剂床层23包覆着，从布气孔221出来的氢气微气泡进入到钯-碳催化剂床层23中，在钯-碳催化剂的催化作用下与粗对苯二甲酸进行加氢反应，将对羧基苯甲醛(4-CBA)转化为对甲基苯甲酸(P-T酸)。

氢气微界面发生器21、布气管道22和钯-碳催化剂床层23的中轴线均设置在所述加氢反应器20的中轴线上。因为这样可以最大限度的扩大反应面积，如果将氢气微界面发生器21、布气管道22和钯-碳催化剂床层23的中轴线设置在加氢反应器20的一侧，那么另一侧的反应效果会受到影响，从而降低反应效率。将氢气微界面发生器21、布气管道22和钯-碳催化剂床层23的中轴线设置在加氢反应器20的中轴线上，各个方向破碎分散出来的氢气微气泡到加氢反应器20内壁的距离相等，这样可以使反应范围更均匀，提高了粗对苯二甲酸的利用率，加强了反应效率。

从加氢反应器20中出来的产物进入到结晶塔30里，因为对甲基苯甲酸(P-T酸)在水中的溶解度要远大于对苯二甲酸，所以在结晶塔30中对苯二甲酸析出晶体，去除掉杂质对甲基苯甲酸(P-T酸)。

从结晶塔30析出的精对苯二甲酸送入到离心分离器40进行离心分离，得到固体的精对苯二甲酸。再将固体精对苯二甲酸送入干燥器50进行干燥，去除多余水分，得到产品固体精对苯二甲酸，最后将固体对苯二甲酸放进收集罐60封装保存。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种粗对苯二甲酸加氢精制的反应系统，其特征在于，包括：加氢反应器，所述加氢反应器内部设置有用于分散破碎氢气的氢气微界面发生器；

所述加氢反应器的侧壁连通有粗对苯二甲酸管道和氢气进气管道，所述氢气进气管道穿过所述加氢反应器的侧壁通入所述氢气微界面发生器内部；

从所述加氢反应器反应后的产物精对苯二甲酸依次进入结晶塔、离心分离器和干燥器，最终形成固体精对苯二甲酸进入到收集罐。

2.根据权利要求1所述的反应系统，其特征在于，所述氢气微界面发生器设置在所述加氢反应器的底部。

3.根据权利要求2所述的反应系统，其特征在于，所述加氢反应器的内部设置有布气管道，所述布气管道上均匀分布有布气孔，所述布气管道竖直设立于所述氢气微界面发生器的上表面并与之连通，所述氢气微界面发生器的出气口与所述布气管道相连用以将所述氢气微界面发生器破碎分散的氢气微气泡均匀分散到所述加氢反应器中。

4.根据权利要求3所述的反应系统，其特征在于，所述加氢反应器的内部设置有钯-碳催化剂床层，所述钯-碳催化剂床层包覆在所述布气管道外侧。

5.根据权利要求1-4任一项所述的反应系统，其特征在于，所述氢气微界面发生器、所述布气管道和所述钯-碳催化剂床层的中轴线均设置在所述加氢反应器的中轴线上。

6.采用权利要求1-5任一项所述的粗对苯二甲酸加氢精制的反应系统的反应方法，其特征在于，包括如下步骤：

将粗对苯二甲酸在钯-碳催化剂催化作用下与氢气混合微界面分散破碎后进行加氢反应，再经过结晶、离心分离、干燥得到精对苯二甲酸。

7.根据权利要求6所述的反应方法，其特征在于，所述加氢反应的温度为260-290℃，所述加氢反应的压力为5-8MPa。

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