CN113166002A - 用于在温度变化的反应性模拟逆流中生产对二甲苯的方法及装置 - Google Patents

用于在温度变化的反应性模拟逆流中生产对二甲苯的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于对二甲苯的反应性模拟逆流生产的方法和装置，其中通过加入以下物质将模拟移动床吸附分离与间二甲苯和/或邻二甲苯向对二甲苯的转化耦合：放置在每个吸附剂床中，或放置在插入2个吸附剂床之间的催化床中的非均相催化剂，或与原料一起注入的催化剂，该催化剂为液体或可溶于由反应物和产物组成的液体介质中，所述方法和装置使得在原料注入、提余物排出和解吸剂注入之间的温度高于在解吸剂注入、提取物排出和原料注入之间的温度。

Description

用于在温度变化的反应性模拟逆流中生产对二甲苯的方法及 装置
技术领域
本发明涉及将对二甲苯与其它芳族C8异构体分离的领域，并涉及用于生产对二甲苯的反应性模拟逆流分离的方法和装置。
为了进行对二甲苯的分离，使用称为模拟移动床分离方法或模拟逆流分离方法或者VARICOL方法的方法系列和相关装置，所述方法在下文将由通用名SCC分离（模拟逆流的缩写）方法表示，向其增加反应性功能，使得可以与单独的分离相比以改进的产率生产对二甲苯。
现有技术
在模拟移动床吸附分离单元内，由非均相催化剂催化的产生一种或多种产物的平衡反应（例如A↔ B或A(+ B)↔ C + D）的集成是现有技术中公知的。Ganetsos等人（1993，Preparative and Production Scale Chromatography，G. Ganetsos & P.E. Barker编辑，Marcel Dekker Inc.）和Kulprathipanja（2002，Reactive separation processes，纽约(NY)，Taylor & Francis，第115至153页）提供了关于反应性模拟移动床原理、关于根据所涉及的反应类型在反应性模拟移动床中进行反应-分离的一般实施方式和关于研究该实施方式的实验工具类型的大量信息。
在得到两种通过吸附分离的产物的A (+ B)↔ C + D型反应的情况下，可提及例如由Lode等人发表的文章（2001，Chem. Eng. Sci.，第56卷，第269至291页），其描述了在实验室规模使用模拟移动床以应用于乙酸和甲醇的酯化生产乙酸甲酯。在这种情况下，催化剂和吸附剂在单元的塔中混合。
专利5 744 684也举例说明了通过在使用非均相催化剂和反应性解吸剂的模拟移动床中进行的反应性色谱法来异构化具有5至8个碳原子的烷烃的方法。
现有技术文献还描述了反应性模拟移动床方法的实施，所述方法采用作为液相的或可溶于原料的催化剂用于A↔ B + C型反应，然后仅用固体吸附剂填充塔。
例如，Ganetsos等人（1993，Batch and Continuous chromatographic systemsas combined bioreactor-separators，第375至394页，Preparative and ProductionScale Chromatography，G. Ganetsos & PE Barker编辑，Marcel Dekker Inc.）研究了蔗糖转化，A↔ B + C型反应，采用可溶于原料的催化剂（转化酶）。
因此，现有技术中存在几种用于反应性分离的反应性模拟移动床方法解决方案，其中反应是A↔ B + C型。然而，这些方法系统地基于产物B和C的分离，以防止与所寻求的相反的反应。因此，它们不可以应用于A↔ B或A↔ B↔ C型异构化反应，与其中反应为A↔B + C型反应的情况不同，对于所述A↔ B或A↔ B↔ C型异构化反应，获得高纯度异构体需要存在模拟移动床的至少一个区域，其中没有催化剂，无论是均相或非均相催化剂。
在A↔ B型反应的情况下，现有技术中也已经提出了反应性模拟移动床的实例。例如，可提及Hashimoto等人（1983，Biotechnology and Bioengineering，第25卷，第2371至2393页）和Zhang等人（2007，Biochemical Engineering Journal，第35卷，第341至351页）发表的文章，其应用反应性模拟移动床将葡萄糖异构化为果糖，以及Minceva等人的文章（2008，Chemical Engineering Journal，第140卷，第1-3期，第305至323页），其应用反应性模拟移动床将对二甲苯异构化和分离。在这些情况下，反应位于单元的部分体积内，以避免在需要回收高纯度目的产物（在以上提及的参考文献中为果糖和对二甲苯）的位置处的任何反应。这是将非均相催化剂和吸附剂固体放置在分开的塔中的原因。Hashimoto等人提出在区域3 （即原料入口和提余物出口之间）中将非均相催化剂床与吸附剂床串联放置，而Zhang等人提出在区域3中将非均相催化剂床与某些吸附剂床并联放置。这些实例具有将非均相催化剂床与吸附剂床分开，和需要复杂的实施方式来管理不同床之间随时间的相互连接的缺点。
Baur和Krishna（2005，Chem. Eng. Journal，第109卷，第107至113页）以及Ray和Carr（1995，Chem. Eng. Sci.，第50卷，第2195至2202页和1995，Chem. Eng. Sci.，第50卷，第3033至3041页）提出了另一种应用于A↔ B反应的反应性模拟移动床的实施方式，其呈现了在其中混合吸附剂和非均相催化剂的两个区域。这种类型的实施方式非常有限，所述有限达到以下程度：其仅适用于表现出很大程度上有利于形成产物B的平衡的反应。此外，所得产物B的纯度低。
专利FR 2 953 733描述了使用液体或可溶于由反应物和产物组成的液体介质中的催化剂，在模拟移动床中将由通过A↔ B型平衡催化反应而关联的异构体混合物进行反应性分离的方法，所述催化剂被局限在由原料注入和提余物排出所限定的区域中。
发明内容
在上述背景下，本说明书的第一目的是克服现有技术的问题，并提供允许改进对二甲苯生产的反应性分离方法和装置。本说明书的第二目的是提供一种反应性分离方法和装置，其可以限制不需要的异构体的量的显著再循环。
根据第一方面，上述目的以及其它优点通过对二甲苯的反应性模拟逆流生产方法获得，该方法包括以下步骤：
进料原料和解吸剂，并从反应性分离塔中提取提余物和提取物，
其中原料包含对二甲苯和至少一种选自邻二甲苯和间二甲苯的化合物，
其中所述反应性分离塔包括多个吸附剂固体床，所述多个吸附剂固体床在闭合回路中相互连接，并且根据以下定义分成相对于进料点和排出点准确定位的4个区域：
-用于解吸对二甲苯的区域I在解吸剂注入和提取物排出之间，
-用于解吸对二甲苯异构体（例如邻二甲苯和间二甲苯）的区域II在提取物排出和原料注入之间，
-用于吸附对二甲苯的区域III在原料注入和提余物排出之间，和
-区域IV在提余物排出和解吸剂注入之间，该方法还包括：
在反应性分离塔中通过加入以下物质将模拟移动床吸附分离步骤与间二甲苯和/或邻二甲苯转化成对二甲苯的步骤耦合：
-放置在每个吸附剂床内或放置在插入2个吸附剂床之间的催化床中的非均相催化剂，或
-与原料一起注入的催化剂，该催化剂为液体（例如与主液相不混溶）或可溶于由反应物和产物组成的液体介质中，
进行所述方法使得区域III和IV中的温度高于区域I和II中的温度。
根据一个或多个实施方案，区域III和区域IV中的温度比区域I和区域II中的温度高至少10℃。
根据一个或多个实施方案，区域III和区域IV中的温度为190至280℃和/或区域I和区域II中的温度为140至189℃。
根据一个或多个实施方案，原料进料温度为25至150℃，和/或解吸剂进料温度为195至300℃。
根据一个或多个实施方案，解吸剂包括甲苯。
根据一个或多个实施方案，通过结晶或通过模拟逆流吸附纯化提取物的对二甲苯。
根据一个或多个实施方案，塔中的压力为1 MPa至4 MPa。
根据一个或多个实施方案，进料/提取的两次相继转换之间的周期为20秒至90秒。
根据一个或多个实施方案，催化剂包括包含沸石的非均相催化剂或包括包含允许二甲苯异构化的酸官能的均相催化剂。
根据第二方面，上述目的以及其它优点通过用于由原料反应性模拟逆流生产对二甲苯的装置获得，所述原料包含对二甲苯和至少一种选自邻二甲苯和间二甲苯的化合物，所述装置包括：
反应性分离塔，其包括多个吸附剂固体床，所述多个吸附剂固体床在闭合回路中相互连接，并根据以下定义分成相对于进料点和排出点准确定位的4个区域：
-用于解吸对二甲苯的区域I在解吸剂注入和提取物排出之间，
-用于解吸异构体的区域II在提取物排出和原料注入之间，
-用于吸附对二甲苯的区域III在原料注入和提余物排出之间，和
-区域IV在提余物排出和解吸剂注入之间；
所述装置还包括放置在每个吸附剂床内或放置在插入2个吸附剂床之间的催化床中的非均相催化剂，或
所述装置适于循环与原料一起注入的催化剂，该催化剂为液体或可溶于由反应物和产物组成的液体介质中；并且所述装置适于使区域III和IV的温度高于区域I和II的温度。
根据一个或多个实施方案，所述装置适于使区域III和区域IV中的温度比区域I和区域II中的温度高至少10℃。
根据一个或多个实施方案，所述装置适于使区域III和区域IV中的温度为190至280℃和/或使区域I和区域II中的温度为140至189℃。
根据一个或多个实施方案，所述装置适于使原料进料温度为25至150℃和/或使解吸剂进料温度为195至300℃。
根据一个或多个实施方案，所述装置还包括用于从提取物中纯化对二甲苯的结晶器或模拟逆流塔。
根据一个或多个实施方案，所述装置适于使塔中的压力为1 MPa至4 MPa。
在阅读以下描述时，根据上述方面的实施方案以及其它特征和优点将显现，所述以下描述仅以举例说明的方式给出而不是作为限制。
实施方案的描述
本发明涉及用于对二甲苯的反应性模拟逆流（或反应性模拟移动床）生产的方法和装置，其涉及二甲苯异构化的平衡反应，并且其通过分离反应产物，与使用与本发明相同的吸附剂固体的非反应性模拟移动床分离相比，可以以改进的产率生产对二甲苯。
根据本发明的反应性分离方法的优点在于，通过将分离与促进这些不需要的异构体转化为对二甲苯的反应耦合，其增加了对二甲苯的产率并限制了不需要的异构体（邻二甲苯和间二甲苯）的量的显著再循环。
更具体地，本发明涉及由含有对二甲苯和其一种或多种异构体（邻二甲苯、间二甲苯和乙苯）的原料生产对二甲苯的方法和装置，该方法和装置包括通过加入以下物质将模拟移动床吸附分离与间二甲苯和/或邻二甲苯转化成对二甲苯的反应耦合：放置在每个吸附剂床内或放置在插入2个吸附剂床之间的催化床中的非均相催化剂，或作为液体或可溶于液体介质中的催化剂，其优选与原料一起注入装置中。
根据一个或多个实施方案，插入的催化床的数量等于吸附剂床的数量。
根据一个或多个实施方案，每个吸附剂床在催化床之前/之后，并且每个催化床在吸附剂床之前/之后。
催化剂的功能是加速二甲苯异构化反应。
在本文的其余部分中，术语“步骤”用于表示在方法的某一点处对给定物流进行的操作或一组类似操作。
所述方法以其据物流或产物的流动顺序而采取的各种步骤来描述，并且术语“用于对二甲苯的反应性模拟逆流生产的装置”用于表示在模拟移动床中进行反应性分离的装置，从该模拟移动床中提取对二甲苯。
用于在模拟移动床中进行反应性分离的装置的实例是在模拟移动床中工作的色谱柱或吸附塔。模拟移动床分离在现有技术中是公知的。通常，使用模拟移动床技术的塔包括至少三个区域，任选地四个或五个区域，这些区域中的每一个由一定数量的连续床组成，并且每个区域由其在进料点和排出点之间的位置进行限定。通常，将至少一种待分级的原料和解吸剂（有时称为洗脱液）进料至模拟移动床塔，并且从所述塔中排出至少一种提余物和提取物（包含解吸剂和对二甲苯）。进料点和排出点随着时间的推移而改变，通常在相同的方向上移动对应于一个床的量。
通过定义，每个操作区域由数字表示：
-用于解吸对二甲苯的区域I在解吸剂注入和提取物排出之间；
-用于解吸异构体的区域II在提取物排出和原料注入之间；
-用于吸附对二甲苯的区域III在原料注入和提余物排出之间；和
-区域IV在提余物排出和解吸剂注入之间。
现有技术深入描述了可以在模拟移动床中实现原料的分离的各种装置和方法。可特别提及的有专利US 2,985,589、US 3,214,247、US 3,268,605、US 3,592,612、US 4,614,204、US 4,378,292、US 5,200,075、US 5,316,821。
模拟移动床装置通常包括至少一个塔（并且通常为两个），其被分成多个连续的吸附剂床，所述床被板隔开。用于从模拟移动床分离装置分配和提取流体的受控机构是例如以下两种主要技术类型之一：
-对于每个板，用于进料或排出流体的多个受控的开/关阀，这些阀通常位于相应的板的紧邻处。每个板通常包括至少四个基于开/关控制的二通阀，以便分别进料原料和解吸剂以及排出提取物和提余物；
-或用于跨越所有板进料或提取流体的多路旋转阀。
本发明特别地属于以模拟移动床模式操作的塔的范围，该模拟移动床模式采用多个阀来进料和排出各种流体。
跨越每个床的分配对应于对来自先前床的主物流的收集，注入辅助流体或次级流体的可能性，同时尽可能混合这两种流体，或者分出所收集流体的一部分，将其提取以便将其送出装置的可能性以及跨越下一床再分配流体的可能性。
根据本发明的方法以这样的方式进行：在原料注入与解吸剂注入之间、且包括提余物排出的区域（即在区域III和区域IV）中的温度高于在解吸剂注入与原料注入之间、且包括提取物排出的区域（即在区域I和区域II）中的温度。
根据一个或多个实施方案，区域III和区域IV中的温度比区域I和区域II中的温度高至少10℃，优选至少15℃，甚至更优选至少20℃。
根据一个或多个实施方案，区域III和区域IV中的温度为190至280℃，并且优选200至250℃，和/或区域I和区域II中的温度为140至189℃，并且优选155至185℃，特别优选170至180℃。
根据一个或多个实施方案，原料进料温度为25至150℃，优选30至100℃，和/或解吸剂进料温度为195至300℃，并且优选200至270℃，特别优选210至250℃（例如240℃）。
调节压力从而在根据本发明的方法的所有点处保持液相。根据一个或多个实施方案，塔中的压力为1 MPa至4 MPa，优选2 MPa至3 MPa。
根据一个或多个实施方案，所使用的转换周期ST（进料/提取的两次相继转换之间的周期）为20秒至90秒。优选地，所使用的转换周期ST为30秒至70秒。
根据一个或多个实施方案，n个吸附剂床根据称为a/b/c/d型配置的配置分布在区域I-IV中，换言之床的分布如下：
-a是区域1中的床的数量；
-b是区域2中的床的数量；
-c是区域3中的床的数量；且
-d是区域4中的床的数量。
根据一个或多个实施方案，n是6至24的自然整数，优选12至24。
根据一个或多个实施方案：
a = (n * 3) * (1±0.2)；
b = (n * 6) * (1±0.2)；
c = (n * 4) * (1±0.2)；且
d = (n * 2) * (1±0.2)。
根据一个或多个实施方案，所用解吸剂包括甲苯。
根据一个或多个实施方案，所用的吸附剂包括选自BaX、BaKX和BaLSX的类型的八面沸石（Faujasite）。
根据一个或多个实施方案，催化剂是非均相催化剂。根据一个或多个实施方案，催化剂包含沸石。根据一个或多个实施方案，催化剂包含HZSM-5型的铝硅酸盐。
根据一个或多个实施方案，催化剂是液相或可溶相催化剂。根据一个或多个实施方案，催化剂是均相催化剂。根据一个或多个实施方案，催化剂包含允许二甲苯异构化的酸官能。根据一个或多个实施方案，催化剂包含选自以下的化合物：路易斯酸，如例如AlCl3和FeCl3，基于过渡金属的路易斯酸，如例如W(CO)5(C6H5)3P，布朗斯台德酸，例如三氟甲磺酸CF3So3H，及其衍生物。
液体或可溶形式的催化剂优选在吸附剂床中是不可吸附的。在催化剂是可吸附的情况下，其优选比对二甲苯的可吸附性差。液体或可溶形式的催化剂优选可混溶于原料和/或解吸剂中。
产生的提取物含有解吸剂、对二甲苯和异构体（对二甲苯纯度＞90%）。然后可以通过结晶或通过模拟移动床吸附（例如没有异构化反应）纯化提取物。
实施例
在阅读以下实施例时将更清楚地理解本发明，所述实施例举例说明本发明，而不限制其范围。
在该实施例中，考虑在根据本发明的反应性模拟移动床中操作的装置上，由不含乙苯的含有8个碳原子的芳族原料生产对二甲苯，所述装置装配有15个含有BaX型沸石的吸附剂床，并使用甲苯作为解吸剂。
所用催化剂是HZSM-5型沸石。将催化剂均匀地装载在每个床中，并且占据每个床中所有固体（吸附剂和催化剂）所占据体积的5%。
在反应性模拟移动床中操作的该装置包括15个2m长且3.5m内半径的吸附剂床，具有原料注入、解吸剂注入、提取物排出和提余物排出。
区域配置如下：
-在区域I中3个吸附剂床；
-在区域II中6个吸附剂床；
-在区域III中4个吸附剂床；
-在区域IV中2个吸附剂床。
所用压力为2.0 MPa。
原料F由23.6%对二甲苯、12.7% OX、49.7% MX和14% EB组成。百分比为摩尔百分比。
原料进料温度为40℃。
解吸剂进料温度为240℃。
采用的转换周期是84秒。
各个区域中的液体流量如下：
在区域I中为2933m3/h；
在区域II中为2260m3/h；
在区域III中为2560m3/h；且
在区域IV中为2000m3/h。
然后通过模拟获得44.2%的二甲苯产率，其定义为在提取物中排出的对二甲苯的量相对于注入原料中的所有二甲苯（对二甲苯+间二甲苯+邻二甲苯）。
提取物中对二甲苯的纯度为98.5重量%。
在本说明书中，术语“包含”与“包括”和“含有”同义（表示相同的事物），并且是包容性的或开放性的，并且不排除未陈述的其他要素。应当理解，术语“包含”包括排他性和封闭性的术语“组成”。此外，在本说明书中，术语“大约”、“基本上”、“近似地”“大致”和“接近”与给定值的10%、优选5%的下限和/或上限裕度同义（表示相同的事物）。

Claims (17)

1.用于对二甲苯的反应性模拟逆流生产的方法，包括以下步骤：
进料原料和解吸剂并从反应性分离塔中提取提余物和提取物，
其中所述原料包含对二甲苯和至少一种选自邻二甲苯和间二甲苯的化合物，
其中所述反应性分离塔包括多个吸附剂固体床，所述多个吸附剂固体床在闭合回路中相互连接，并且根据以下定义分成相对于进料点和排出点准确定位的4个区域：
-用于解吸对二甲苯的区域I在解吸剂注入和提取物排出之间，
-用于解吸对二甲苯异构体的区域II在提取物排出和原料注入之间，
-用于吸附对二甲苯的区域III在原料注入和提余物排出之间，和
-区域IV在提余物排出和解吸剂注入之间；
所述方法还包括：
在所述反应性分离塔中通过加入以下物质将模拟移动床吸附分离步骤与间二甲苯和/或邻二甲苯转化成对二甲苯的步骤耦合：
-放置在每个吸附剂床内或放置在插入2个吸附剂床之间的催化床中的非均相催化剂，或
-与原料一起注入的催化剂，所述催化剂为液体或可溶于由反应物和产物组成的液体介质中，
进行所述方法使得区域III和IV中的温度高于区域I和II中的温度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中插入的催化床的数量等于吸附剂床的数量。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中区域III和区域IV中的温度比区域I和区域II中的温度高至少10℃。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中区域III和区域IV中的温度为190℃至280℃和/或区域I和区域II中的温度为140℃至189℃。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中原料进料温度为25℃至150℃，和/或解吸剂进料温度为195℃至300℃。
6.根据前述权利要求中任一项所要求的方法，其中所述解吸剂包括甲苯。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中通过结晶或通过模拟逆流吸附纯化所述提取物中的对二甲苯。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述塔中的压力为1 MPa至4 MPa。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中进料/提取的两次相继转换之间的周期为20秒至90秒。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述催化剂包括包含沸石的非均相催化剂或包括包含允许二甲苯异构化的酸官能的均相催化剂。
11.用于由原料反应性模拟逆流生产对二甲苯的装置，所述原料包含对二甲苯和至少一种选自邻二甲苯和间二甲苯的化合物，所述装置包括：
反应性分离塔，其包括多个吸附剂固体床，所述多个吸附剂固体床在闭合回路中相互连接，并根据以下定义分成相对于进料点和排出点准确定位的4个区域：
-用于解吸对二甲苯的区域I在解吸剂注入和提取物排出之间，
-用于解吸异构体的区域II在提取物排出和原料注入之间，
-用于吸附对二甲苯的区域III在原料注入和提余物排出之间，和
-区域IV在提余物排出和解吸剂注入之间；
所述装置还包括放置在每个吸附剂床内或放置在插入2个吸附剂床之间的催化床中的非均相催化剂，或
所述装置适于循环与原料一起注入的催化剂，所述催化剂为液体或可溶于由反应物和产物组成的液体介质中；以及
所述装置适于使区域III和IV中的温度高于区域I和II中的温度。
12.根据权利要求11所述的装置，其中插入的催化床的数量等于吸附剂床的数量。
13.根据权利要求11或12所述的装置，其适于使区域III和区域IV中的温度比区域I和区域II中的温度高至少10℃。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的装置，其适于使区域III和区域IV中的温度为190℃至280℃和/或使区域I和区域II中的温度为140℃至189℃。
15.根据权利要求11至14中任一项所述的装置，其适于使原料进料温度为25至150℃，和/或使解吸剂进料温度为195至300℃。
16.根据权利要求11至15中任一项所述的装置，其还包括用于从提取物中纯化对二甲苯的结晶器或模拟逆流塔。
17.根据权利要求11至16中任一项所述的装置，其适于使塔中的压力为1 MPa至4 MPa。
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