CN1962598A - 混合二甲苯共氧化生产苯二羧酸的方法 - Google Patents

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张永昭
李希
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Abstract

本发明公开的混合二甲苯共氧化生产苯二羧酸的方法,其步骤如下:将混合二甲苯原料与醋酸溶剂和钴、锰、溴三元催化剂一起加入氧化反应器中,吹入空气或含氧气体,在150~220℃温度,0.5~2.5MP压力下进行氧化反应30~150min,得到含有混合苯二甲酸浆料;将混合苯二甲酸浆料经过分离得混合苯二羧酸产品,或经过多级结晶分离提纯分别获得纯的对苯二甲酸、间苯二甲酸和邻苯二甲酸产品。采用本发明方法可以应用价格低廉的混合二甲苯原料直接生产应用于聚酯工业的苯二羧酸,简化了工艺过程,降低了二甲苯原料分离成本,提高了苯二羧酸产品的市场竞争力。

Description

混合二甲苯共氧化生产苯二羧酸的方法
技术领域
本发明涉及一种混合二甲苯共氧化生产苯二羧酸的方法。
背景技术
苯二羧酸是生产聚酯纤维和聚酯材料的重要原料,其中市场需求量最大的是精对苯二甲酸(PTA),用于涤纶的生产;其次是间苯二甲酸(PIA),用于聚酯切片;邻苯二甲酸则主要用于生产苯酐。目前这三种羧酸均分别采用二甲苯的三种异构体通过液相空气氧化法生产,例如,由对二甲苯(PX)氧化获得对苯二甲酸,由间二甲苯(MX)氧化得到间苯二甲酸,由邻二甲苯(OX)氧化得到邻苯二甲酸。这三种工业过程的氧化条件都十分相似,例如,催化剂都采用钴—锰—溴三元体系,醋酸为溶剂,温度150~220℃,压力0.5~2.5MP,具体工艺过程及条件在许多专利和化工文献中都有详细介绍。这些生产过程都采用高纯度的单组分原料(99.5%以上)通过分别氧化获得对应的苯二羧酸。从石油与煤为起始原料得到的碳8芳烃原料是一种达到化学平衡的混合物,间二甲苯最多,约占1/2,对二甲苯与邻二甲苯各约占1/4。由于这三种碳8芳烃的异构体性质接近,分离困难,为了得到高纯度的单组分物质,分离的成本就比较高。例如,现有的碳8芳烃原料生产工艺都是将混合芳烃气体冷凝液化后进行结晶分离或吸附分离,分出对二甲苯,然后将间、邻混合物加热气化,在高温下进行异构化反应,将其部分转化为对二甲苯(单程转化率约20%),再进行分离,如此循环往复。另一方面,虽然采用高纯度的间二甲苯为原料来制取间苯二甲酸,但大量的间苯二甲酸的主要用途是与对苯二甲酸一道进行共聚生产聚酯切片,这样,使用时产品间苯二甲酸又要与对苯二甲酸混合。如果能够直接采用混合二甲苯原料而不是其高纯度单组分物质进行氧化,得到的混合二羧酸再进行结晶分离,或者不再分离而直接共聚使用,则生产工艺就可以简化,生产成本可显著降低。这种方法,特别适合于大量生产低成本的间苯二甲酸。
发明内容
本发明目的在于改进现有的苯二羧酸生产工艺,提出一种混合二甲苯共氧化生产苯二羧酸的方法,以降低生产成本。
本发明的基本思路是采用未分离前的二甲苯混合物进行共氧化,制得混合苯二羧酸后进行结晶分离或不再分离而直接使用。
本发明给出的混合二甲苯共氧化生产苯二羧酸的方法,其步骤如下:
将混合二甲苯原料与醋酸溶剂和钴、锰、溴三元催化剂一起加入氧化反应器中,吹入空气或含氧气体,在150~220℃温度,0.5~2.5MP压力下进行氧化反应30~150min,得到含有混合苯二甲酸浆料;将混合苯二甲酸浆料经过分离得混合苯二羧酸产品,或经过多级结晶分离提纯分别获得纯的对苯二甲酸、间苯二甲酸和邻苯二甲酸产品;催化剂钴、锰、溴三种离子的总质量浓度为500~3000ppm,钴锰原子比为30~0.3,钴锰离子总浓度与溴离子的原子比为0.5~2.5。
本发明中,所说的混合二甲苯原料为对二甲苯、间二甲苯和邻二甲苯中任意两种或三种的二甲苯混合物;混合二甲苯原料来源于C8芳烃的抽提物,或者C8芳烃的抽提物经分离后的产物。
本发明中,所说的催化剂可以采用醋酸钴、醋酸锰和溴化氢的混合物。氧化反应器采用气液固三相搅拌釜反应器或鼓泡塔浆料反应器。
本发明中,所说的混合苯二甲酸浆料的分离可采用固液分离法,过程为:先通过闪蒸去除部分醋酸—水溶剂,然后过滤分离母液,最后干燥获得混合苯二羧酸产品。
本发明中,所说的混合苯二羧酸产品为对苯二甲酸、间苯二甲酸和邻苯二甲酸中任意两种或三种苯二甲酸的混合物。
本发明中,所说的多级结晶分离为2~5级结晶,一般采用三级结晶,第一级结晶器的温度为190~230℃,第二级结晶器的温度为110~150℃,第三级结晶器的温度为20~50℃。
本发明的可行性基于以下几点:首先是对二甲苯、间二甲苯和邻二甲苯这三种碳8芳烃异构体的氧化条件和工艺过程都十分相似,可以在同一个条件下实现共同氧化;其次是三种苯二羧酸产物溶解度差异很大,邻苯二甲酸在水中的溶解度是间苯二甲酸的上百倍,而间苯二甲酸的溶解度又是对苯二甲酸的近十倍,结晶分离相对容易;最后,间苯二甲酸与对苯二甲酸可以不用分离而直接用于聚酯共聚,可进一步降低生产成本。
氧化反应条件的选择
对二甲苯、间二甲苯和邻二甲苯三种二甲苯异构体都可以采用相似的液相氧化方法获得对应的苯二羧酸,其共同的特征是:采用钴—锰—溴三元催化体系,醋酸为溶剂,空气或含氧气体为氧化剂,反应温度150~220℃,压力0.5~2.5MPa,催化剂钴、锰、溴三种离子的总质量浓度为500~3000ppm,钴锰原子比为30~0.3,钴锰离子总浓度与溴离子的原子比为0.5~2.5,反应时间30~150min。许多文献与专利资料都对上述单组分二甲苯氧化的工业过程进行了介绍。实验室研究表明,对于单组分二甲苯的氧化,邻二甲苯氧化速率最快、对二甲苯次之、间二甲苯稍慢;而对于混合二甲苯共氧化,则间二甲苯与对二甲苯都比其单组分时的氧化速率更快,因此混合氧化更有利于氧化反应的进行。
另外,大量研究表明,二甲苯的氧化过程中,液相中发生的化学反应是过程的控制步骤,气液传质、液相混合、固体悬浮等条件都容易得到满足,因此氧化反应器类型既可以选择带有搅拌桨的釜式反应器,也可以选择带有气体分布器的鼓泡塔反应器,这两种反应器都能够满足氧化反应的要求。
结晶分离条件
混合二甲苯氧化的产物混合二甲酸中,邻苯二甲酸最容易溶解,间苯二甲酸次之,对苯二甲酸最难溶解,表1列出了三种苯二羧酸在水中的溶解度数据。可以看到,三种苯二羧酸的溶解度相互之间有数量级的差别,这就为结晶分离提供了方便。
          表1不同温度下邻、间、对苯二甲酸在水中的溶解度
温度(℃) 邻苯二甲酸溶解度(g/g·H2O) 间苯二甲酸溶解度(g/g·H2O) 对苯二甲酸溶解度(g/g·H20)
    100 19.0 0.24 0.034
    120 0.86 0.07
    150 147 1.9
    165 2.51 0.45
    200 30 1.8
工业化生产时,混合苯二羧酸通过结晶分离,一般采用三级结晶,第一级结晶器温度最高,温度为190~230℃,使得几乎全部的间、邻二甲苯都溶解在液相之中,固体对苯二甲酸处于熟化状态,此时固体中的杂质通过熟化进入液相,可以通入部分氧气到第一结晶器进行深度氧化,去除绝大部分杂质,使产品得到精制,获得纯的对苯二甲酸;第二级结晶器的温度为110~150℃,通过降温闪蒸获得纯的间苯二甲酸;第三级结晶器的温度降低到20~50℃,使得邻苯二甲酸从溶液中结晶下来,获得纯的邻苯二甲酸。
邻二甲苯的切割
在三种二甲苯异构体中,对二甲苯与间二甲苯沸点十分接近,相差1.8℃,很难通过常规的精馏方法分离。而邻二甲苯与对二甲苯沸点相差有6~7℃,可以通过常规的精馏分离将邻二甲苯从混合二甲苯中除去,得到仅含对、间两种异构体的混合物,其共同氧化所得到的间苯二甲酸与对苯二甲酸混合物可以直接进行共聚,不需要进行分离,这就进一步简化了生产工艺。
间苯二甲酸的生产
在碳8芳烃混合物中,间二甲苯最多,间、对、邻三种异构体的比例大体是2∶1∶1,因此当采用混合二甲苯为原料生产苯二羧酸时,得到的间苯二甲酸最多,占产品的主要部分,本发明提供的混合氧化法实际上可以考虑为一种低成本生产间苯二甲酸的方法。
本发明的有益效果在于:采用本发明方法可以应用价格低廉的混合二甲苯原料直接生产应用于聚酯工业的苯二羧酸,简化了工艺过程,降低了二甲苯原料分离成本,提高了苯二羧酸产品的市场竞争力。
附图说明
图1是混合二甲苯共氧化—三级结晶生产苯二羧酸工艺流程图;
图2是采用间、对二甲苯共氧化生产间、对苯二羧酸混合物产品的工艺流程图。
具体实施方式
以下结合附图以及实施例进一步说明本发明。需要说明的是,本发明提供的方法不局限于实施例1~2中给出的流程配置与工艺条件,任何对这些方法的局部改进也不会改变本发明的特征。
实施例1
图1是使用混合二甲苯进行共同氧化,然后通过结晶分离获得苯二羧酸的工艺过程示意图。含有三种异构体的混合二甲苯原料与溶剂醋酸、催化剂醋酸钴、醋酸锰、溴化物一道通过加料管1加入氧化反应器3,空气或含氧气体通过进气管2吹入,反应尾气通过尾气管4输出,经过冷凝器5冷凝后回流部分溶剂凝液到反应器3,其余尾气送入后续单元处理。从反应器3的浆料出口管线7得到含有对苯二甲酸、间苯二甲酸、邻苯二甲酸的浆料,通过加热器6升温后引入到三级结晶器8、11、14中,结晶器8、11、14的温度和压力逐级降低以便使对、间、邻三种二羧酸依次结晶析出。结晶器8输出的浆料通过液固分离器9后从侧线管10出料获得固体对苯二甲酸,液体进入结晶器11降温蒸发,然后再进入液固分离器12,从侧线管13出料获得间苯二甲酸,液体最后进入结晶器14进一步降温蒸发,从输出管道15获得邻苯二甲酸。
原料混合二甲苯中间二甲苯占50%,对二甲苯与邻二甲苯各占25%,氧化反应器苯二羧酸产能为7.5万吨/年,混合二甲苯与空气一道加入氧化反应器3,氧化生成混合羧酸浆料,浆料经过升温后送入第一结晶器8,第一结晶器8同时还送入部分空气进行补充氧化,输出的浆料经离心过滤后从侧线出口获得对苯二甲酸固体,液体则送入第二结晶器11降温蒸发,然后再离心过滤后从侧线出料获得间苯二甲酸固体;液体在第三结晶器14中进一步降温蒸发得到邻苯二甲酸,输出的浆料过滤后即得到邻苯二甲酸固体。氧化反应器与三级结晶器的工艺参数分别列于表2~表6。从第一结晶器侧线出料得到的对苯二甲酸固体中对苯二甲酸含量大于99.9%,杂质对羧基苯甲醛(4-CBA)含量小于200ppm,符合纤维聚合级对苯二甲酸的要求。从第二和第三结晶器得到的间苯二甲酸和邻苯二甲酸其纯度大于95%,杂质CBA含量小于200ppm,若要得到更高纯度的单组分羧酸可以进一步通过重结晶方法提纯。
                  表2氧化反应器工艺参数
混合二甲苯进料流量kg/h   进料配比(PX∶MX∶OX∶HAc) 温度(℃)   压力(MP) 空气进气流量(Nm3/h) 溶剂停留时间(min) 固含率(wt%)
6370   1∶2∶1∶12 191   1.35 2.4×104 80 30
催化剂总浓度(wt%) 催化剂原子比(Co∶Mn∶Br)   含水量(wt%) 尾气氧浓度(%)   尾气COx浓度(%)
0.15 1∶1∶2   10 3.5   1.5
在上述条件下,氧化反应器输出浆料的指标列于表2。
                表3氧化反应器输出指标
混合芳烃总转化率(mol%) 苯二羧酸收率(mol%) 固体中间、对、邻羧酸的比例 固体中3-CBA含量(wt%) 固体中4-CBA含量(wt%)
99 95 2∶1∶1 2000 2500
注:PX——对苯二甲酸,MX——间苯二甲酸,OX——邻苯二甲酸;3-CBA——3-羧基苯甲醛,4-CBA——4-羧基苯甲醛。
              表4第一结晶器工艺参数
温度(℃) 压力(MP) 空气进气流量Nm3/h 尾气氧浓度(%) 溶剂停留时间 固体抽出流量(kg/h) 固体中CBA浓度(ppm)
210 2.2 1200 0.5 60 2430 <200
                 表5第二结晶器工艺参数
温度(℃) 压力(MP) 溶剂停留时间 固体抽出流量(kg/h) 固体中间苯二甲酸含量(%) 固体中CBA浓度(ppm)
120 0.4 30 4860 >95 <200
                 表6第三结晶器工艺参数
温度(℃) 压力(MP) 溶剂停留时间 固体抽出流量(kg/h) 固体中邻苯二甲酸含量(%) 固体中CBA浓度(ppm)
30 0.1 30 2430 >95 <200
实施例2.
图2是将邻二甲苯分离后,将对、间二甲苯混合物进行共氧化的工艺过程示意图。混合二甲苯原料先经过精馏塔1,从塔底获得邻二甲苯,塔顶冷凝后得到间、对二甲苯;将间、对二甲苯混合物与溶剂、催化剂一道引入氧化反应器2,反应浆料再引入到精制单元3,精制后得到产品间苯二甲酸与对苯二甲酸混合物。
本实施例中,氧化反应器2的反应条件与实施例1相同,反应器进料与出料的描述列于表7,精制单元3的工艺条件列于表8。通过这种方法得到的是杂质含量小于25ppm的精对苯二甲酸与精间苯二甲酸的混合物,不需要分离就可以直接用于聚酯切片的生产。
                 表7氧化反应器液体进料与出料参数
混合二甲苯进料流量kg/h 进料配比(PX∶MX∶HAc) 混合芳烃总转化率 苯二羧酸收率 固体中间、对、邻羧酸的比例 固体中3-CBA浓度 固体中4-CBA浓度
6370 1∶2∶9 99% 95% 2∶1 2000 2500
                        表8精制单元工艺参数
温度℃ 压力MP 固体输入量kg/h 氢气输入量Nm3/h 空速h-1 CBA转化率(%) 产品中CBA残留量(ppm)
  288   8.7 9730 25   12.7 >99 <25

Claims (9)

1.一种混合二甲苯共氧化生产苯二羧酸的方法,其特征在于步骤如下:
将混合二甲苯原料与醋酸溶剂和钻、锰、溴三元催化剂一起加入氧化反应器中,吹入空气或含氧气体,在150~220℃温度,0.5~2.5MP压力下进行氧化反应30~150min,得到含有混合苯二甲酸浆料;将混合苯二甲酸浆料经过分离得混合苯二羧酸产品,或经过多级结晶分离提纯分别获得纯的对苯甲酸、间苯二甲酸和邻苯二甲酸产品;催化剂钴、锰、溴三种离子的总质量浓度为500~3000ppm,钴锰原子比为30~0.3,钴锰离子总浓度与溴离子的原子比为0.5~2.5。
2.根据权利要求1所述的混合二甲苯共氧化生产苯二羧酸的方法,其特征在于所说的混合二甲苯原料为对二甲苯、间二甲苯和邻二甲苯中任意两种或三种的二甲苯混合物。
3.根据权利要求1或2所述的混合二甲苯原料,其特征在于所说的混合二甲苯原料来源于C8芳烃的抽提物,或者C8芳烃的抽提物经分离后的产物。
4.根据权利要求1所述的混合二甲苯共氧化生产苯二羧酸的方法,其特征在于所说的催化剂为醋酸钴、醋酸锰和溴化氢的混合物。
5.根据权利要求1所述的混合二甲苯共氧化生产苯二羧酸的方法,其特征在于氧化反应器是气液固三相搅拌釜反应器或鼓泡塔浆料反应器。
6.根据权利要求1所述的混合二甲苯共氧化生产苯二羧酸的方法,其特征在于混合苯二甲酸浆料的分离采用固液分离法。
7.根据权利要求1所述的混合二甲苯共氧化生产苯二羧酸的方法,其特征在于所说的混合苯二羧酸产品为对苯二甲酸、间苯二甲酸和邻苯二甲酸中任意两种或三种苯二甲酸的混合物。
8.根据权利要求1所述的混合二甲苯共氧化生产苯二羧酸的方法,其特征在于所说的多级结晶分离为2~5级结晶。
9.根据权利要求8所述的混合二甲苯共氧化生产苯二羧酸的方法,其特征在于多级结晶分离为3级结晶,第一级结晶器的温度为190~230℃,第二级结晶器的温度为110~150℃,第三级结晶器的温度为20~50℃。
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