DE202009019033U1

DE202009019033U1 - Energierückgewinnung

Info

Publication number: DE202009019033U1
Application number: DE202009019033.1U
Authority: DE
Original assignee: Invista Technologies SARL Switzerland
Current assignee: Invista Technologies SARL Switzerland
Priority date: 2008-05-06
Filing date: 2009-05-06
Publication date: 2015-08-20
Anticipated expiration: 2019-05-07
Also published as: CA2723701C; WO2009136146A2; US20150167501A1; TWI368685B; WO2009136146A3; GB0808200D0; EP2495405A3; EP2495405A2; MX2010012162A; CA2723701A1; BRPI0908294A2; KR20110005300A; EP2384394A2; JP2011528276A; US20110100007A1; RU2010149770A; CN102770626A; RU2548026C2; TW201002933A

Abstract

Kontinuierliches Reaktorsystem für eine Oxidationsreaktion, das durch eine Oxidationsreaktion eine gasförmigen Strömung erzeugt, umfassend: – einen Reaktorbehälter, der einen Einlass und einen Auslass für die gasförmige Strömung umfasst, – einen Kompressor, – eine Gasturbine, die an den Kompressor gekoppelt ist, – eine Brennkammer zum Aufheizen der gasförmigen Strömung, wobei der Kompressor mit dem Einlass des Behälters verbunden ist, und wobei die Brennkammer mit dem Auslass des Behälters verbunden ist.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANWENDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht Priorität der am 24. Oktober 2008 eingereichten provisorischen Anmeldung Nr. 61/108233 sowie der am 6. Mai 2008 eingereichten GB Patentanmeldung Nr. 0808200.0 .
GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung bezieht sich auf eine Energierückgewinnung aus einer gasförmigen Strömung („Abgas”) welche von einer Oxidationsreaktion, beispielsweise bei der Oxidation von Paraxylen (PX) zu Terephthalsäure und Dimethylterephthalat (DMT) oder von Zyclohexan zu Zyclohexanon/Zyclohexanol produziert wurde. Die Erfindung bezieht sich ebenfalls auf einen Reaktor mit einem Energierückgewinnungssystem. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf einen Prozess zur Bereitstellung einer aromatischen Carbonsäure durch Flüssigphasenoxidation eines Vorprodukts einer aromatischen Carbonsäure wodurch Energie zurückgewonnen wird.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Viele synthetische Prozesse in der Chemieindustrie, beispielsweise die synthetische Oxidation von Paraxylen (PX) zu Terephthalsäure (TA) sowie destruktive chemische Verfahren, zum Beispiel die Oxidation organischer Abfallprodukte, finden bei hohen Temperaturen und Drücken statt. Die Herstellung von TA umfasst z. B. typischerweise die Flüssigphasenoxidation einer PX Speiselösung unter Verwendung von molekularem Sauerstoff in Essigsäure bei gleichzeitiger Anwesenheit eines gelösten Schwermetallkatalysatorsystems, normalerweise mit Einbeziehung eines Aktivierungsmittels, beispielsweise Brom, wie in US Patent Nr. 2,83 3,816 aufgeführt. Essigsäure, molekularer Sauerstoff in Form von Luft, Paraxylen und Katalysator werden allgemein kontinuierlich mit erhöhter Temperatur und Druck, typischerweise bei einer Temperatur von ca. 150°C bis ca. 250°C und einem Druck von ca. 600 kPa bis ca. 2500 kPa, in den Oxidationsreaktor eingespeist.
Die Oxidation von Paraxylen produziert eine gasförmige Strömung (bzw. „Abgas”) umfassend Stickstoff, nicht umgesetzten Sauerstoff, Kohlendioxyd, Kohlenmonoxid sowie bei Verwendung von Brom als Aktivierungsmittel, Methylbromid. Darüber hinaus, aufgrund der exothermen Reaktion, kann das Lösungsmittel Essigsäure zur Regulierung der Reaktionstemperatur vielmals abdampfen, wobei es gleichzeitig gemeinsam mit dem Abgas entfernt wird. Dieser Brüdendampf wird typisch kondensiert, wobei der größte Teil des Kondensats als Rückfluss zum Reaktor geführt wird, wobei ein Teil dieses Kondensats zur Regulierung der Wasserkonzentration im Reaktor abgezogen wird. Der Teil der gasförmigen Strömung der nicht kondensiert wird, wird entweder entlüftet oder durch eine katalytische Verbrennungseinheit (CCU) zur Bildung eines umweltfreundlichen Abwassers geleitet, wie in WO 96/39595 beschrieben. Bei TA Anlagen wurden katalytische Verbrennungseinheiten einem Expander typisch vorgeschaltet. Ihre Funktion ist die katalytische Verbrennung leichtflüchtiger organischer Komponenten (VOCs) und Kohlenmonoxid.
Die gasförmige Strömung vom Reaktor enthält eine wesentliche Quantität an Energie. Diese Energie kann zumindest teilweise zum Ausgleich der benötigten hohen Temperaturen und Drücke im Oxidationsreaktor wiedergewonnen werden. Beispielsweise offenbaren WO 96/11899 und JP 8-155265 die Zufuhr der unter Hochdruck stehenden gasförmigen Strömung zu einem Mittel für Energierückgewinnung, zum Beispiel ein Expander, welche an einen elektrischen Generator oder andere mechanische Arbeit benötigende Geräte angeschlossen ist, wie z. B. einen Kompressor. Die Energierückgewinnung mittels eines Expanders (wie beispielsweise in WO 96/39595 beschrieben) wird herkömmlicherweise bei Temperaturen von ca. 150–750°C, typisch 450°C, ausgeführt. Es besteht jedoch genügend Spielraum, die Energierückgewinnung mittels eines Expanders durch Änderungen der Konfiguration des Herstellungsprozesses sowie der Energierückgewinnungsmittel aus dem Prozess zu verbessern, wie beispielsweise in „API 616 Gas Turbines for the Petroleum, Chemical and Gas Industry Services” beschrieben.
Um den Zulaufstrom in den Hydrierreaktor der Reinigungsanlage zu erhitzen, benötigt der TA Herstellungsprozess eine Wärmequelle mit einer Kapazität von über 300°C. Dieses Erfordernis ist typischerweise unter Verwendung einer Quelle zur Versorgung von Hochdruckdampf (100 bar/Ü, 311°C) erreichbar. Normalerweise wird der Hochdruckdampf für diesen Zweck von einem Versorgungsunternehmen bezogen oder wird durch Installierung eines Kompakt-Dampferzeugers vor Ort erzeugt.
Auf ähnliche Art und Weise wird ein Teil der Energie für den PTA Prozess typisch von einem Versorgungsunternehmen bezogen.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung ein verbessertes Energierückgewinnungssystem mit der Möglichkeit für einen verminderten Verbrauch von Hochdruckdampf der Anlage sowie ein System zur Rückgewinnung von mehr Energie bei gleichzeitiger Erzeugung von Hochdruckdampf von den gasförmigen Strömungen aus Oxidationsreaktionen zur Verfügung zu stellen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wurde eine verbesserte Energierückgewinnung von einem Oxidationsreaktor durch Erhitzung der gasförmigen Strömung aus der Oxidationsreaktion auf höhere Temperaturen (z. B. mindestens 800°C) sowie Rückgewinnung der Energie mit einem Expander (Turbine) gefunden. Bei derartigen Temperaturen stellen Expander eine erheblich bessere Energierückgewinnung im Vergleich zu Expandern bei ca. 450°C zur Verfügung, wobei die verbesserte Energierückgewinnung mehr als nur die zusätzlichen Kosten für die Erhitzung des Abgases ausgleicht. Die zusätzliche Energie, die aus der gasförmigen Strömung höherer Temperatur gewonnen wird, kann daher anderweitig beim Oxidationsprozess verwendet werden. Die vorliegende Erfindung kann daher durch ein System der Energierückgewinnung aus einer gasförmigen Strömung gekennzeichnet werden, die von einer Oxidationsreaktion produziert wird, wobei die Reaktion in einem kontinuierlichen Oxidationsreaktor stattfindet der mit dem gasförmigen Oxidationsmittel gespeist wird, umfassend:

(a) Erhitzen der gasförmigen Strömung auf eine Temperatur von mindestens 800°C;
(b) Einspeisung der gasförmigen Strömung in eine Gasturbine die eine mit einem Kompressor gekoppelte Turbine umfasst, wobei der Kompressor das gasförmige Oxidationsmittel komprimiert, das in den Reaktor eingespeist wird.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In den Figuren sind Beispiele verschiedener Ausführungsformen (Konfigurationen und Arten) der vorliegenden Erfindung beschrieben.
1 ist ein Verfahrensablaufschema, worin eine Ausführungsform der Erfindung gezeigt wird, wobei: Luft im Kompressor der Gasturbine verdichtet und in einen Oxidationsreaktor eingespeist wird, worin die Reaktion stattfindet. Zur Beseitigung der kondensierbaren Stoffe wird die gasförmige Strömung vom Reaktor kondensiert, erhitzt und anschließend in einer katalytischen Verbrennungseinheit reagiert. In dem indirekten Heizgerät wird Dampf oder Gas erhitzt und anschließend zu der gasförmigen Strömung aus der katalytischen Verbrennungseinheit hinzugefügt, bevor es in einem indirekten Heizapparat erhitzt wird. Brennstoff und Luft werden im indirekten Heizapparat vorgewärmt und dann in den Heizapparat eingespeist, um eine Wärmequelle bereitzustellen. Die resultierende heiße, gasförmige Strömung wird dann mit einem sauberen Brennstoff und mit Zuluft vom Kompressor-Förderstrom in Kontakt gebracht und zur Erzeugung der gewünschten Gastemperatur in einer Brennkammer mit direkter Beheizung reagiert. Das Abgas von der Brennkammer wird dann in die Turbine gespeist, von welcher die Energie zurückgewonnen wird. Die heißen Abgase von der Turbine werden zur Wärmerückgewinnung abgekühlt und anschließend ins Freie abgegeben.
2 ist eine Schemazeichnung einer anderen alternativen Ausführungsform der Erfindung, wobei: Luft im Kompressor der Gasturbine komprimiert und dann in einem Booster-Verdichter weiter verdichtet wird. Die komprimierte Luft wird in einen Oxidationsreaktor eingespeist, in welchem die Reaktion stattfindet. Zur Beseitigung der kondensierbaren Stoffe wird die gasförmige Strömung vom Reaktor kondensiert, erhitzt, und anschließend in einer katalytischen Verbrennungseinheit reagiert. In dem indirekten Heizgerät wird Dampf oder Gas erhitzt und anschließend zu der katalytisch verbrannten gasförmigen Strömung hinzugefügt, bevor diese in einem indirekten Heizapparat erhitzt wird. Brennstoff und Luft werden im indirekten Heizapparat vorgewärmt und dann in den Heizapparat eingespeist um eine Wärmequelle bereitzustellen. Die resultierende heiße, gasförmige Strömung wird dann mit einem sauberen Brennstoff und mit Zuluft vom Kompressor-Förderstrom in Kontakt gebracht und zur Erzeugung der gewünschten Gastemperatur in einer Brennkammer mit direkter Beheizung reagiert. Das Abgas von der Brennkammer wird dann in die Turbine gespeist von welcher die Energie zurückgewonnen wird. Die heißen Abgase der Turbine werden zur Wärmerückgewinnung abgekühlt und anschließend ins Freie abgegeben.
3 ist eine Schemazeichnung einer anderen alternativen Ausführungsform der Erfindung, wobei: Luft im Kompressor der Gasturbine verdichtet und in einen Oxidationsreaktor eingespeist wird, worin die Reaktion stattfindet. Zur Beseitigung der kondensierbaren Stoffe wird die gasförmige Strömung vom Reaktor kondensiert, erhitzt und anschließend in einer katalytischen Verbrennungseinheit reagiert. Die gasförmige Strömung wird abgekühlt und behandelt, beispielsweise mit einem Gaswäscher zur Entfernung aktiver Komponenten wie HBr und Br₂, und wird dann in einem Booster-Verdichter komprimiert. Der Booster-Verdichter dient zur Aufrechterhaltung des benötigten Drucks in der gasförmigen Strömung vom Reaktor über die Gasbehandlung zur Turbine. In dem indirekten Heizgerät wird Dampf oder Gas erhitzt und zu der behandelten und nachgebrannten, gasförmigen Strömung hinzugefügt, bevor es in einem indirekten Heizapparat erhitzt wird. Die resultierende heiße, gasförmige Strömung wird dann mit einem sauberen Brennstoff und mit Zuluft vom Kompressor-Förderstrom in Kontakt gebracht und zur Erzeugung der gewünschten Gastemperatur in einer Brennkammer mit direkter Beheizung reagiert. Das Abgas von der Brennkammer wird dann in die Turbine eingespeist, von welcher Energie zurückgewonnen wird. Die heißen Abgase von der Turbine werden zur Wärmerückgewinnung abgekühlt und anschließend ins Freie abgegeben.
4 ist eine Schemazeichnung einer anderen alternativen Ausführungsform der Erfindung, wobei: Luft im Kompressor der Gasturbine komprimiert und in einem Booster-Verdichter weiter verdichtet wird. Die komprimierte Luft wird dann an einen Oxidationsreaktor gespeist, in welchem die Reaktion stattfindet. Zur Beseitigung der kondensierbaren Stoffe wird die gasförmige Strömung vom Reaktor kondensiert, erhitzt und anschließend in einer katalytischen Verbrennungseinheit reagiert. Durchfluss- oder druckgeregelter Dampf oder Gas vom Zufluss zur Turbine wird im indirekten Heizgerät erhitzt und dann zu der katalytisch verbrannten gasförmigen Strömung vor der Erhitzung im indirekten Heizgerät hinzugefügt. Brennstoff und Luft werden in dem indirekten Heizgerät vorgewärmt und dann zur Bereitstellung einer Wärmequelle in das Heizgerät eingespeist. Die resultierende heiße, gasförmige Strömung wird dann mit einem sauberen Brennstoff und mit Zuluft vom Förderstrom des Kompressors in Kontakt gebracht und in einer Brennkammer mit direkter Beheizung zur Erzeugung der gewünschten Gastemperatur reagiert. Das Abgas von der Brennkammer wird danach in die Turbine gespeist, von welcher Energie zurückgewonnen wird. Die heißen Abgase von der Turbine werden zur Wärmerückgewinnung weiter abgekühlt und anschließend ins Freie abgegeben.
5 ist eine Schemazeichnung einer anderen alternativen Ausführungsform der Erfindung, wobei: Luft im Kompressor der Gasturbine verdichtet und danach in einen Oxidationsreaktor eingespeist wird, worin die Reaktion stattfindet. Zur Beseitigung der kondensierbaren Stoffe wird die gasförmige Strömung vom Reaktor kondensiert, erhitzt und anschließend in einer katalytischen Verbrennungseinheit reagiert. Dampf oder Gas wird der gasförmigen Strömung hinzugefügt, mit einem sauberen Brennstoff und mit Zuluft vom Förderstrom des Kompressors in Kontakt gebracht, und zur Erzeugung der gewünschten Gastemperatur in einer Brennkammer mit direkter Beheizung reagiert. Das Abgas von der Brennkammer wird dann in die Turbine eingespeist, von welcher Energie zurückgewonnen wird. Das heiße Abgas wird zur Wärmerückgewinnung weiter abgekühlt und anschließend ins Freie abgeleitet.
6 ist eine Schemazeichnung einer weiteren alternativen Ausführungsform der Erfindung, wobei: 1 durch den Austausch der heißen Abgase von der Turbine mit dem Zulauf in die Reinigungsanlage modifiziert ist, um das Erfordernis für Hochdruckdampf zu verlagern.
7 ist eine Schemazeichnung einer weiteren alternativen Ausführungsform der Erfindung, wobei: 1 durch die Verwendung der heißen Abgase von der Turbine zur Dampfentwicklung modifiziert ist, wobei der Dampf Hochtemperaturdampf sein kann (beispielsweise 300–500°C)
8 ist eine Schemazeichnung einer weiteren alternativen Ausführungsform der Erfindung, wobei: 1 durch Hinzufügung einer der ND-Turbine nachgeschalteten Verbrennungseinheit modifiziert ist. Zusätzlich ist die Einspritzung von Ammoniak zusammen mit einem Katalysator zur Reduzierung von NOx gezeigt. Die katalytische Verbrennungseinheit welche in 1 dem „Heizgerät” nachgeschaltet ist, wurde entfernt.
9 ist eine Schemazeichnung einer weiteren alternativen Ausführungsform der Erfindung, wobei: 8 mit dem Brennofen entfernt gezeigt ist.
10 ist eine Schemazeichnung einer weiteren alternativen Ausführungsform der Erfindung, wobei: 5 durch die Entfernung des CCU-Aggregats modifiziert ist.
Bei sämtlichen dieser Konfigurationen kann ein Generator an die Turbine angebaut sein. Die erzeugte Nettoenergie kann zum Ausgleich des Energiebedarfs der PTA-Anlage verwendet werden. Der Energieüberfluss kann von der Anlage exportiert werden.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung kann durch ein Verfahren zur Rückgewinnung von Energie von einer Oxidationsreaktion, die eine gasförmige Strömung produziert, gekennzeichnet werden, wobei die Reaktion in einem kontinuierlichen Oxidationsreaktor stattfindet, der mit gasförmigem Oxidationsmittel gespeist wird, umfassend:

(a) Aufheizen der gasförmigen Strömung bis zu einer Temperatur von mindestens 800°C;
(b) Einspeisung der gasförmigen Strömung in eine Gasturbine, die eine mit einem Kompressor gekoppelte Turbine umfasst, wobei der Kompressor das in den Reaktor eingespeiste gasförmige Oxidationsmittel komprimiert.

Gas kann in die gasförmige Strömung entweder vorher oder zusammen mit dem Zufluss der gasförmigen Strömung zur Turbine zugegeben werden. Der Massenstrom des zugegebenen Gases in die gasförmige Strömung kann in einem Bereich von ca. 0% bis ca. 25% des Massenstroms der gasförmigen Strömung vor der Zugabe des Gases liegen, beispielsweise zwischen ca. 6% bis ca. 15%. Das der gasförmigen Strömung zugegebene Gas kann Dampf oder Luft sein. Die gasförmige Strömung kann bis zu einer Temperatur im Bereich von 800°C bis ca. 1300°C aufgeheizt werden, zum Beispiel 800°C bis ca. 1100°C, oder geeigneterweise ca. 1050°C. Ein Expander oder ein Booster-Verdichter kann dem Gasturbinen-Kompressor nachgeschaltet am Einlass des gasförmigen Oxidationsmittels zum Oxidationsreaktor vorgesehen sein. Zum Aufheizen der gasförmigen Strömung kann ein Heizgerät sowie ein Booster-Verdichter dem Oxidationsreaktor nachgeschaltet und dem Heizgerät vorgeschaltet vorgesehen sein. Die gasförmige Strömung kann mit einem direkten Heizgerät oder einem indirekten Heizgerät aufgeheizt werden. Das Heizgerät kann ein Austauscher sein. Die gasförmige Strömung kann mit einer katalytischen Verbrennungseinheit vor der Aufheizung mit einem direkten Heizgerät oder einem indirekten Heizgerät oder einem Austauscher aufgeheizt werden. Die gasförmige Strömung kann mit einem Gaswäscher behandelt werden. Der Prozess kann weiterhin die Erzeugung von Dampf aus der gasförmigen Strömung nach Schritt (b) umfassen. Der Prozess kann weiterhin die Erzeugung von Elektrizität aus der gasförmigen Strömung nach Schritt (b) umfassen. Der Prozess² kann weiterhin das Entfernen von CO und NOx aus der gasförmigen Strömung nach Schritt (b) umfassen.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann durch ein Verfahren zur Überwachung der Energierückgewinnung von einer Oxidationsreaktion, die eine gasförmige Strömung produziert, gekennzeichnet werden, wobei die Reaktion in einem kontinuierlichen Oxidationsreaktor stattfindet, der mit dem gasförmigen Oxidationsmittel gespeist wird, umfassend:

(a) Aufheizen der gasförmigen Strömung bis zu einer Temperatur von mindestens 800°C;
(b) Einspeisung der gasförmigen Strömung in die Turbinenstufe einer ICOCGT [Internal Combustion Open Cycle Gas Turbine = Gasturbine im offenen Betrieb mit interner Verbrennung] die eine mit einem Kompressor gekoppelte Turbine umfasst, wobei der Kompressor das eingespeiste gasförmige Oxidationsmittel zum Reaktor komprimiert.
(c) Überwachung des Drucks der Turbinenstufe der ICOCGT:
(d) Aufrechterhalten des Drucks innerhalb der Turbinenstufe der ICOCGT innerhalb eines Druckbereichs oberhalb eines Mindestwerts der dem Leistungsbedarf des Kompressors entspricht um die gasförmige Oxidationsmitteleinspeisung zu einem Oxidationsreaktor zu komprimieren sowie unterhalb eines eingestellten Höchstwerts, der auf Energie oder Druckbegrenzungen der Gasturbine basiert, durch Hinzufügen von Gas in die gasförmige Strömung.

Zur Regelung des Drucks in der Turbinenstufe der Gasturbine sowie der Leistungsabgabe der Turbinenstufe kann die Strömung des hinzugefügten Gases variiert werden. Gas kann in die gasförmige Strömung entweder vorher oder zusammen mit dem Zufluss der gasförmigen Strömung zur Turbine zugegeben werden. Der Massenstrom des zugegebenen Gases in die gasförmige Strömung kann in einem Bereich von ca. 0% bis ca. 25% des Massenstroms der gasförmigen Strömung vor der Zugabe des Gases liegen, beispielsweise zwischen ca. 6% bis ca. 15%. Das zur gasförmigen Strömung zugegebene Gas kann Dampf oder Luft sein. Die gasförmige Strömung kann bis zu einer Temperatur im Bereich von 800°C bis ca. 1300°C aufgeheizt werden, zum Beispiel 800°C bis ca. 1100°C, oder geeigneterweise ca. 1050°C. Ein Expander oder ein Booster-Verdichter kann dem Gasturbinen-Kompressor nachgeschaltet am Einlass des gasförmigen Oxidationsmittels zum Oxidationsreaktor vorgesehen sein. Zum Aufheizen der gasförmigen Strömung kann ein Heizgerät sowie ein Booster-Verdichter dem Oxidationsreaktor nachgeschaltet und dem Heizgerät vorgeschaltet vorgesehen sein. Die gasförmige Strömung kann mit einem direkten Heizgerät oder einem indirekten Heizgerät aufgeheizt werden. Das Heizgerät kann ein Austauscher sein. Die gasförmige Strömung kann mit einer katalytischen Verbrennungseinheit vor der Aufheizung mit einem direkten Heizgerät oder einem indirekten Heizgerät oder einem Austauscher aufgeheizt werden. Die gasförmige Strömung kann mit einem Gaswäscher behandelt werden. Der Prozess kann weiterhin die Erzeugung von Dampf aus der gasförmigen Strömung nach Schritt (d) umfassen. Der Prozess kann weiterhin die Erzeugung von Elektrizität aus der gasförmigen Strömung nach Schritt (d) umfassen. Der Prozess³ kann weiterhin die Beseitigung von CO und NOx aus der gasförmigen Strömung nach Schritt (d) umfassen.
Eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann durch einen kontinuierlichen Reaktor für eine Oxidationsreaktion zur Erzeugung einer gasförmigen Strömung gekennzeichnet sein, wobei der Reaktor folgendes umfasst:

(a) einen Behälter, der einen Einlass für das Oxidationsmittel sowie einen Auslass für die gasförmige Strömung aufweist; und
(b) ein Energierückgewinnungssystem, das mit dem Auslass der gasförmigen Strömung verbunden ist, umfassend:
(b1) ein Heizgerät zum Aufheizen der gasförmigen Strömung, welches stromabwärts des Auslasses der gasförmigen Strömung angeschlossen ist; und
(b2) eine Gasturbine, die stromabwärts des Heizgerätes angeschlossen ist und eine mit einem Kompressor gekoppelte Turbine enthält, wobei der Kompressor mit dem Einlass für das Oxidationsmittel derartig verbunden ist, dass wenn der Reaktor in Betrieb ist, der Kompressor das dem Reaktor zugeführte gasförmige Oxidationsmittel komprimiert. Bevor oder gleichzeitig mit der Einspeisung der gasförmigen Strömung zur Turbine kann ein Gas (zum Beispiel Dampf oder Luft) der gasförmigen Strömung hinzugefügt werden. Folglich kann das Energierückgewinnungssystem im Reaktor der Erfindung einen Gaseinlass für die Zugabe von Gas in die gasförmige Strömung umfassen. Das Heizgerät kann ein direktes Heizgerät oder ein indirektes Heizgerät sein. Dem Heizgerät kann eine katalytische Verbrennungseinheit vorgeschaltet sein. Zwischen der katalytischen Verbrennungseinheit und dem Heizgerät kann ein Gaswäscher vorgesehen sein. Das Energierückgewinnungssystem kann weiterhin einen Expander oder einen Booster-Verdichter stromabwärts des Gasturbinenkompressors am Einlass für das gasförmige Oxidationsmittel zum Reaktor umfassen. Das Energierückgewinnungssystem kann weiterhin einen Booster-Verdichter stromabwärts des Oxidationsreaktors und stromaufwärts des Heizgeräts umfassen. Das Energierückgewinnungssystem kann weiterhin die Erzeugung von Dampf aus der gasförmigen Strömung nach Schritt (b2) umfassen. Das Energierückgewinnungssystem kann weiterhin die Erzeugung von Elektrizität aus der gasförmigen Strömung nach Schritt (b2) umfassen. Das Energierückgewinnungssystem kann weiterhin das Entfernen von CO und NOx aus der gasförmigen Strömung nach Schritt (b2) umfassen.

Eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann von einem Prozess des Oxidierens eines Vorprodukts einer aromatischen Carbonsäure oder eines Esters davon in einem Reaktionsgemisch in der Flüssigphase gekennzeichnet sein, wodurch Energie von der Oxidationsreaktion zurückgewonnen wird, umfassend:

(a) Kontakt mit einem oder mehreren Vorprodukten der aromatischen Carbonsäure mit einem Oxidationsmittel in der Gegenwart eines Katalysators und eines Lösungsmittels in der Flüssigphase, in einem kontinuierlichen Oxidationsreaktor, der zur Herstellung der aromatischen Carbonsäure und einer gasförmigen Strömung mit einem gasförmigen Oxidationsmittel gespeist wird;
(b) Aufheizen der gasförmigen Strömung bis zu einer Temperatur von mindestens 800°C;
(c) Einspeisung der gasförmigen Strömung in eine Gasturbine, die eine mit einem Kompressor gekoppelte Turbine umfasst, wobei der Kompressor das eingespeiste gasförmige Oxidationsmittel zum Reaktor komprimiert.

Gas kann in die gasförmige Strömung entweder vorher oder zusammen mit dem Zufluss der gasförmigen Strömung zur Turbine zugegeben werden. Der Massenstrom des in die gasförmige Strömung zugegebenen Gases kann in einem Bereich von ca. 0% bis ca. 25% des Massenstroms der gasförmigen Strömung vor der Zugabe des Gases liegen, beispielsweise zwischen ca. 6% bis ca. 15%. Das zur gasförmigen Strömung zugegebene Gas kann Dampf oder Luft sein. Die gasförmige Strömung kann bis zu einer Temperatur im Bereich von 800°C bis ca. 1300°C aufgeheizt werden, zum Beispiel 800°C bis ca. 1100°C, oder geeigneterweise ca. 1050°C. Ein Expander oder ein Booster-Verdichter kann dem Gasturbinen-Kompressor nachgeschaltet am Einlass des gasförmigen Oxidationsmittels zum Oxidationsreaktor vorgesehen sein. Zum Aufheizen der gasförmigen Strömung kann ein Heizgerät sowie ein Booster-Verdichter dem Oxidationsreaktor nachgeschaltet und dem Heizgerät vorgeschaltet vorgesehen sein. Die gasförmige Strömung kann mit einem direkten Heizgerät oder einem indirekten Heizgerät aufgeheizt werden. Das Heizgerät kann ein Austauscher sein. Die gasförmige Strömung kann mit einer katalytischen Verbrennungseinheit vor der Aufheizung mit einem direkten Heizgerät oder einem indirekten Heizgerät oder einem Austauscher aufgeheizt werden. Die gasförmige Strömung kann mit einem Gaswäscher behandelt werden. Der Prozess kann weiterhin die Erzeugung von Dampf aus der gasförmigen Strömung nach Schritt (c) umfassen. Der Prozess kann weiterhin die Erzeugung von Elektrizität aus der gasförmigen Strömung nach Schritt (c) umfassen. Der Prozess kann weiterhin das Entfernen von CO und NOx aus der gasförmigen Strömung nach Schritt (c) umfassen.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann durch ein Verfahren zur Gewinnung von Energie aus Brennstoff unter Verwendung der Gasturbine gekennzeichnet sein. Diese erzeugte Energie kann zum Ausgleich des Energiebedarfs der Anlage verwendet werden. Jedoch kann mehr Energie als von der PTA Anlage selbst benötigt wird gewonnen werden. Der von der Gasturbine erzeugte Energieüberfluss kann an eine andere chemische Anlage bzw. ein Versorgungsunternehmen exportiert werden.
Eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann durch ein Verfahren zur Aufheizung von Zuläufen in den Hydrierreaktor der Reinigungsanlage gekennzeichnet sein; dies kann beispielsweise erreicht werden, entweder durch:

(a) einen direkten Wärmeaustausch, und zwar durch Verwendung des heißen Abgases aus der Turbine zum Zweck der direkten Erhitzung des Zulaufstroms in den Hydrierreaktor der Reinigungsanlage;
(b) durch Verwendung des heißen Abgases der Turbine zur Gewinnung von Hochdruckdampf. Der Hochdruckdampf wird dann zur Aufheizung des Zulaufstroms in den Hydrierreaktor der Reinigungsanlage verwendet.

Eine ICOCGT, wie beschrieben in API 616 Gas Turbines for the Petroleum, Chemical and Gas Industry Services, umfasst einen Kompressor, eine Brennkammer und eine Turbine und ist optimiert für Energieerzeugung. Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet eine ICOCGT für die sachdienliche Energierückgewinnung aus der durch die Oxidationsreaktion produzierten gasförmigen Strömung.
Die Verdichterstufe der ICOCGT komprimiert den Oxidationsmittelzulauf zum Reaktor (bei einem Druck größer als der atmosphärische Druck), wodurch die Kosten zur Bereitstellung der Bedingungen für die hohe Temperatur und die Druckreaktion im Reaktor zumindest teilweise ausgeglichen werden.
Die Turbinenstufe der ICOCGT expandiert die aufgeheizte gasförmige Strömung aus dem Oxidationsreaktor für die Wiedergewinnung von Energie für die Energieversorgung des Kompressors und für eine Heißgasströmung, beispielsweise zur Gewinnung von Dampf stromabwärts der ICOCGT. Die erzeugte Nettoenergie kann zum Ausgleich des Energiebedarfs der PTA-Anlage verwendet werden. Der Energieüberfluss kann von der Anlage exportiert werden.
Eine andere Ausführungsform der Erfindung kann durch eine verbesserte Regelung des Energierückgewinnungssystems gekennzeichnet sein. Die Erfinder haben entdeckt, dass die Leistung der ICOCGT durch den Zulauf von Gas (zum Beispiel Dampf oder Luft) zur gasförmigen Strömung verbessert werden kann, um den Gasfluss zur Turbine bezüglich der Fördermenge vom Kompressor zu regeln, um den Oxidationsmittelverbrauch im Reaktor zu kompensieren. Diese Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt deshalb ein geeignetes Verfahren zur Optimierung der Energierückgewinnung durch die Drucküberwachung bei der Turbinenstufe der Gasturbine zur Verfügung. Bei diesem Verfahren kann Dampf verwendet werden, weil Dampf generell leicht verfügbar und meistens ein Nebenprodukt des Reaktionsverfahrens ist.
In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können ein Expander oder ein Booster-Verdichter stromabwärts des Gasturbinen-Kompressors am Einlass des Oxidationsmittels zum Oxidationsreaktor oder stromabwärts des Oxidationsreaktors vorgesehen sein, um die Fördermenge von der Gasturbine zu regeln, um diese dem optimalen Druck des gasförmigen Oxidationsmittels im Reaktor anzugleichen. Gemeinsam können die Regulierung des Dampfflusses in die gasförmige Strömung und der Expander oder der Booster-Verdichter die Verwendung einer mit einem chemischen Reaktor gekoppelten ICOCGT ermöglichen und es dadurch gestatten, den Betrieb des Reaktors und der Gasturbine unabhängig zu optimieren. Diese Ausführungsform ermöglicht daher, eine Standard-Gasturbine die möglicherweise selbst nicht die optimalen Eigenschaften für das Energierückgewinnungssystem hat, für die leistungsfähige Energierückgewinnung optimal zu integrieren.
Diese, sowie andere Aspekte der Erfindung, werden im Folgenden ausführlich beschrieben.
Aufheizen der gasförmigen Strömung
Bevor die gasförmige Strömung aufgeheizt wird bzw. die gasförmige Strömung mit Dampf vermischt wird, kann Lösungsmittel in der gasförmigen Strömung (zum Beispiel Essigsäure in der TA-Produktion) kondensiert werden, zum Beispiel durch Verwendung eines Abscheidungsapparats, wie zum Beispiel einer Destillationskolonne oder Kopfkondensatoren. Gewöhnlich wird der größte Teil des Kondensats als Rücklauf [Reflux] zum Reaktor geleitet, wobei etwas Kondensat abgezogen wird, um die Wasserkonzentration im Reaktor zu regeln (zwei Mol Wasser werden pro Mol PX geformt, das in der TA-Produktion reagiert wird).
Die gasförmige Strömung hat typisch eine Temperatur von 150–220°C und einen Druck von 600 kPa bis 2500 kPa, wenn sie aus dem Reaktor austritt. Die Temperatur und der Druck des Reaktors sind wählbar zur Optimierung des Reaktorbetriebs und der nachgeschalteten Prozesse.
Zur Optimierung der Temperatur und des Drucks der gasförmigen Strömung, die aus dem Reaktor austritt, kann es ggf. notwendig sein, den Druck der gasförmigen Strömung in einem zusätzlichen Kompressor zu erhöhen.
Die aus dem Reaktor austretende gasförmige Strömung kann mit einem geeigneten Heizgerät, wie z. B. einem direkten Heizgerät für die gasförmigen Strömung, bis zu mindestens 800°C aufgeheizt werden, beispielsweise eine mit Erdgas oder Heizöl brennstoffbetriebenen Brennkammer, oder mit einem indirekten Heizgerät für die gasförmigen Strömung, beispielsweise mit einem mit Erdgas oder Heizöl brennstoffbetriebenem Brennofen. In einer Ausführungsform werden Brennstoff und Oxidationsmittel (zum Beispiel vom Zulauf des Oxidationsmittels zum Reaktor) mit der gasförmigen Strömung in einer Brennkammer vermischt und verbrannt, um die Temperatur in der gasförmigen Strömung direkt zu erhöhen. Ein Brennofen erhitzt die gasförmige Strömung typischerweise jedoch indirekt, d. h. Brennstoff und Oxidationsmittel (zum Beispiel Luft) werden in dem Brennofen verbrannt ohne Vermischung mit der gasförmigen Strömung, und die gasförmige Strömung wird indirekt in einem Wärmeaustauscher beim Durchlauf durch den Brennofen erhitzt. Indirekte Heizung kann vorteilhaft sein, weil zur Einspeisung bei einem Druck über dem atmosphärischen Druck in die gasförmige Strömung kein zusätzliches Oxidationsmittel zur Verbrennung des Brennstoffs benötigt wird. Stattdessen kann es sich bei einer indirekten Heizung um die Verbrennung von Brennstoff mit atmosphärischer Luft handeln.
Andere Heizgeräte können ggf. zusätzlich zum Heizgerät für die Aufheizung der gasförmigen Strömung verwendet werden. Vor der Aufheizung (d. h. dem Heizgerät vorgeschaltet), kann die gasförmige Strömung in eine katalytische Verbrennungseinheit (CCU) eingespeist werden. CCUs werden typisch aufgrund von umweltfreundlichen Perspektiven für die Entfernung organischer Verbindungen und Nebenprodukte des Reaktors in der gasförmigen Strömung verwendet und werden mit flammenloser Oxidation organischer Verbindungen, usw. (z. B. MeBr) betrieben. Die aus der CCU austretende gasförmige Strömung hat typisch eine Temperatur von ca. 450°C bis ca. 600°C. Die gasförmige Strömung kann ggf. mit einem Austauscher erhitzt werden, d. h. einem Wärmeaustauscher, welcher eine Wärmeübergabe zwischen einem Prozessstrom und der gasförmigen Strömung bewirkt.
Um eine dauerhafte Verbrennung in der CCU zu gewährleisten, kann die Temperatur der gasförmigen Strömung, die in die CCU eintritt, zwischen ca. 250°C bis ca. 400°C liegen, beispielsweise ca. 300°C. Vor der Behandlung mit der CCU, kann die gasförmige Strömung von ca. 200°C auf ca. 350°C erhitzt werden, beispielsweise von ca. 300°C auf ca. 350°C. Um eine derartige Erhitzung zu erzielen, kann eine Dampfheizung stromaufwärts der CCU verwendet werden. Die Dampfheizung kann den Dampf, der als Nebenprodukt der Oxidationsreaktion produziert wurde, zur Aufheizung der gasförmigen Strömung verwenden.
Nach der CCU kann das Gas ggf. behandelt werden, beispielsweise durch Scrubbing (z. B. durch Einsatz eines Gaswäschers), um reaktionsfähige Komponenten wie HBr und Br₂ vor der Einspeisung in eine Gasheizung zu entfernen. Ein Weg für die Aufheizung der gasförmigen Strömung zur CCU ist die Möglichkeit, die Wärme mit dem austretenden Strom von der CCU auszutauschen.
Die Zugabe von Gas in die gasförmige Strömung
Vor oder gleichzeitig mit der Einspeisung der gasförmigen Strömung zum Einlass der Turbine, kann der gasförmigen Strömung Gas (zum Beispiel Dampf oder Luft) hinzugefügt werden. Folglich kann das Energierückgewinnungssystem im Reaktor der Erfindung einen Gaseinlass für die Zugabe von Gas in die gasförmige Strömung umfassen. Das Gas, beispielsweise Dampf oder Luft, kann der gasförmigen Strömung vor oder nach der Stufe der Aufheizung der gasförmigen Strömung hinzugefügt werden (oder, wo das Aufheizen mehr als eine Stufe umfasst, zwischen den Stufen). Das Gas kann der gasförmigen Strömung vor der Aufheizungsstufe zugegeben werden (d. h. stromaufwärts des Heizgeräts). Die gasförmige Strömung hat eine Temperatur von mindestens 800°C, beispielsweise im Bereich von 800°C bis ca. 1300°C, oder 800°C bis ca. 1100°C, oder geeigneterweise ca. 1050°C, unmittelbar vor Einspeisung in die Turbine.
Das Gas kann der gasförmigen Strömung hinzugefügt werden, um den Massenstrom des Gases zur Turbine zu regeln, um den Verbrauch des Oxidationsmittels im Oxidationsreaktor zu kompensieren. Um die wirtschaftliche Leistung zu optimieren, kann zusätzliches Gas weiterhin in die gasförmige Strömung gegeben werden, d. h. mehr als die erforderliche Menge, um den Verbrauch des Oxidationsmittels im Reaktor zu kompensieren. Dies kann vorteilhaft sein, weil dadurch die Energierückgewinnung in der Gasturbine erhöht werden kann. Eine Berechnung der Gasturbinencharakteristik kann es ermöglichen zu bestimmen, wie viel zusätzliches Gas der gasförmigen Strömung zugegeben wurde; der obere Wert wird durch die Energie- oder Druckgrenzwerte der Gasturbine, und der untere Wert durch die benötigte Kraft, die zum Antrieb des Kompressors erzeugt werden muss, bestimmt. Typischerweise, kann der Massenstrom des zugegebenen Gases in die gasförmige Strömung jedoch in einem Bereich von ca. 0% bis ca. 25%, beispielsweise zwischen ca. 6% bis ca. 15%, des Massenstroms der gasförmigen Strömung (vor der Zugabe des Gases) liegen.
Alternativ kann die zusätzliche Strömung von Gas ermöglichen, dass die Temperatur der gasförmigen Strömung, die in die Turbine fließt, reduziert wird (bei gleichzeitigem Erreichen einer gleichwertigen Energierückgewinnung von der Gasturbine), und somit die Temperatur reduzieren, auf welche die gasförmige Strömung erhitzt werden muss, sowie eine Brennstoffkostenersparnis. Im Allgemeinen kann die Energierückgewinnung seitens der Gasturbine durch die Auswahl einer zweckmäßigen gasförmigen Strömung in die Gasturbine optimiert werden (welche durch die Zugabe von Dampf oder Luft regelbar ist) und durch die Temperatur der gasförmigen Strömung in die Turbine.
Die Gasturbine
Wie hierin verwendet, bezieht sich eine „Gasturbine” auf eine Standard-Gasturbine, beispielsweise solche wie in „API 616 Gas Turbines for the Petroleum, Chemical and Gas Industry Services and Turbomachinery International Handbook 2006, vol. 46, No. 6” beschrieben und aufgeführt, welche einen Kompressor umfassen, der mit der Turbine über eine oder mehrere Wellen gekoppelt ist. Die Turbine ist mit der gasförmigen Strömung stromabwärts des Heizgeräts verbunden. Der Kompressor ist mit dem Einlass des Reaktors für das Oxidationsmittel verbunden und komprimiert das zum Reaktor eingespeiste gasförmige Oxidationsmittel. Die Turbinenleistung wird typischerweise größer sein als die Leistungsaufnahme des Kompressors.
Weil die Komprimierung des Oxidationsmittels (welches in erheblichen Mengen im Reaktor verbraucht wird) eine aufwändige Stufe im Reaktionsprozess ist, wird dieser Aufwand vorteilhafterweise durch die Energierückgewinnung aus der gasförmigen Strömung zumindest teilweise ausgeglichen.
Um die Kapitalkosten für das Energierückgewinnungssystem zu minimieren, kann die verwendete Gasturbine in der Erfindung eine Standardausführung und -konstruktion mit nur geringfügigen Modifikationen sein. Im Allgemeinen wird eine Gasturbine in der vorliegenden Erfindung ausgewählt, die für die Temperaturen, Druckbedingungen und Strömungsgeschwindigkeiten der gasförmigen Strömung und für den Leistungsbedarf des Kompressors für die Komprimierung zur Einspeisung des Oxidationsmittels ausgelegt ist.
Ein Expander oder ein Booster-Verdichter kann stromabwärts vom Gasturbinen-Kompressor an der Einspeisung des gasförmigen Oxidationsmittels vorgesehen sein. Dieser Expander oder der Kompressor ermöglicht eine Regelung der Fördermenge des Turbinen-Kompressors für die Anpassung des optimalen Drucks des gasförmigen Oxidationsmittels in den Reaktor, um die Integration der Gasturbine mit den restlichen Komponenten des Energierückgewinnungssystems und dem Reaktor zu unterstützen, sowie die Optimierung der Energierückgewinnung zu ermöglichen. Diese Ausführungsform kann besonders vorteilhaft sein, weil sie die Entkopplung der Erfordernisse der Gasturbine und des Reaktors ermöglicht, wodurch der Reaktor- und der Gasturbinenbetrieb unabhängig optimiert werden können. Alternativ kann ein Booster-Verdichter stromabwärts vom Oxidationsreaktor sowie stromaufwärts des Heizgeräts zur Einstellung und Optimierung des Drucks der gasförmigen Strömung in die Turbine angeordnet sein.
Gas (beispielsweise Dampf oder Luft) kann der gasförmigen Strömung entweder vorher oder zusammen mit dem Zufluss der gasförmigen Strömung zum Einlass der Turbine hinzugefügt werden. In einer Ausführungsform kann Gas der gasförmigen Strömung hinzugefügt werden, bevor die gasförmige Strömung zum Einlass der Turbine eingespeist wird (d. h. stromaufwärts von der Turbine) und daher befindet sich der Dampfeinlass im Energierückgewinnungssystem der Erfindung stromaufwärts von der Turbine. Dies kann vorteilhaft sein, um die Betriebsarten des Kompressors und der Turbine anzupassen, wodurch die Verwendung einer Standardgasturbine ermöglicht wird.
Stromabwärts der Gasturbine
Ein technisches Ziel der vorliegenden Erfindung ist es sicherzustellen, dass die Abgasemissionen die zunehmend strenger werdenden rechtlichen Vorgaben für NOx- und CO-Grenzwerte erfüllen. Hinsichtlich der Ausführung von Turbinen-Brennkammern trifft allgemein zu, dass eine erhöhte Verbrennungstemperatur sowie eine längere Verweilzeit eine gute Verbrennung von CO fördert, jedoch zu Lasten von erhöhter NOx-Erzeugung. Das Umgekehrte gilt ebenfalls, denn eine niedrige Verbrennungstemperatur oder Verweilzeit verursacht geringes NOx, jedoch ebenfalls hohes CO. In Fällen, wo unzulässig hohe CO oder NOx Konzentrationen im Abgas verbleiben, müsste die gasförmige Strömung behandelt werden. Die Suche nach geeigneten Auslegungspunkten verursacht das erhebliche Risiko, dass die Betriebsanlage zumindest eine der einschlägigen strengen Umweltschutzmaßnahmen entweder durch Ungenauigkeiten in der Ausführung nicht erfüllt, oder aufgrund der Notwendigkeit eines flexiblen Betriebs der PTA-Anlage.
Um dieses Risiko zu mindern, kann die gasförmige Strömung stromabwärts der Turbine wie folgt behandelt werden:

1. Indem die gasförmige Strömung in eine (katalytische oder nichtkatalytische) Verbrennungseinheit zur CO-Beseitigung eingespeist wird, wie allgemein im Fachgebiet bekannt.
2. Nach der Verbrennungseinheit kann Ammoniak in den Gasstrom injiziert und über ein Katalysatorbett geleitet werden, um NOx auf N2-Gas zu reduzieren. Dieser Strom kann dann in die Atmosphäre abgegeben werden, um die einschlägigen Umweltnormen zu erfüllen.

Entweder eine oder beide dieser Verfahren können verwendet werden, je nach den Erfordernissen der einschlägigen Umweltnormen.
Der Reaktor, die Reaktionsteilnehmer in der Oxidation und Bedingungen
Der Reaktor ist ein Durchflussreaktor, d. h. ein Reaktor in welchen die Reaktionsteilnehmer eingebracht und gemischt werden, und Produkte gleichzeitig und kontinuierlich abgezogen werden, im Gegensatz zu einem Reaktor der chargenweise beschickt wird. In dieser Erfindung kann ein Standard-Oxidationsreaktor verwendet werden, zum Beispiel wie in US 7,153,480 offenbart. Standardmäßige Reaktionsteilnehmer und Betriebsbedingungen können ebenfalls verwendet werden, beispielsweise wie in US 7,153,480 offenbart.
Die Erfindung ist zweckdienlich für beliebige Oxidationsreaktionen bei denen eine gasförmige Strömung produziert wird, d. h. gasförmige Reaktionsprodukte. Oxidationsreaktionen umfassen beispielsweise die Oxidation von Zyclohexan, die Oxidation von PX zu TA oder Dimethylterephthalat, Oxidation von Metaxylol zu Isophthalsäure usw. In dieser Erfindung ist jedoch die Oxidation von PX zu TA von besonderem Interesse.
Das Oxidationsmittel in der Erfindung kann molekularer Sauerstoff sein, beispielsweise Luft (einschließlich sauerstoffarme Luft und sauerstoffangereicherte Luft).
Oxidationsreaktionen sind typisch exotherm mit der Möglichkeit für Wärmeabfuhr zur Regelung der Reaktionstemperatur durch die Beseitigung flüchtiger Bestandteile, deren Kondensierung, und Rückführung des Kondensats zum Reaktor. Alternativ oder zusätzlich kann die Reaktionswärme der Reaktion durch Wärmeaustausch mit einer wärmeaufnehmenden Flüssigkeit gemäß herkömmlicher Technik, mit der ein Fachmann vertraut ist, entfernt werden.
Wie oben erwähnt, wird der Reaktor kontinuierlich betrieben. Durch Ausführung des Prozesses in einem Durchflussreaktor ist es möglich, die Verweilzeit der Reaktion der Erzielung für die Konvertierung der Vorprodukte des gewünschten Produkts ohne eine wesentliche Erzeugung von Abbauprodukten anzupassen.
Die gasförmige Strömung kann bis zu einem Temperaturbereich von 800°C bis ca. 1300°C erhitzt werden, zum Beispiel 800°C bis ca. 1100°C, oder geeigneterweise bis ca. 1050°C
Wie hierin verwendet, erstreckt sich der Bezug auf die Produktion von Carbonsäure ebenfalls auf die Produktion ihres Esters. Es wird dem Fachmann ebenfalls offensichtlich sein, dass, ob eine Carbonsäure oder deren Ester produziert wird, von den Bedingungen im Reaktor und/oder von den verwendeten Bedingungen zur Reinigung der Produkte abhängig ist.
Wie hierin verwendet, bedeutet „aromatische Carbonsäure-Vorläufer” oder „Vorläufer” eine organische Verbindung, vorzugsweise einen Kohlenwasserstoff, der fähig ist, zu einer bestimmten aromatischen Carbonsäure oxidiert zu werden, wobei die Mehrheit der Ausbeute in der Anwesenheit von selektiven Oxidationsbedingungen stattfindet. Ein Beispiel für einen Terephthalsäure-Vorläufer ist Para-Xylol. Ein Beispiel für einen Isophthalsäure-Vorläufer ist Meta-Xylol.
Die vorliegende Erfindung kann die Einspeisung von Lösungsmittel, Oxidationsmittel, Vorläufer und Katalysator in einen Oxidationsreaktor umfassen, der bei einer Temperatur im Bereich von ca. 150°C bis ca. 250°C, beispielsweise ca. 175°C bis ca. 225°C, und bei einem Druck im Bereich von ca. 100 kPa bis ca. 5000 kPa, zum Beispiel ca. 1000 kPa bis ca. 3000 kPa, gehalten wird.
Die Oxidationsreaktion kann in der Anwesenheit eines Oxidationskatalysators ausgeführt werden. Der Katalysator kann im Wesentlichen im Reaktionsmedium, bestehend aus Lösungsmittel und dem/den aromatische/n Carbonsäure-Vorläufern, löslich sein. Der Katalysator kann eine oder mehrere Schwermetallverbindungen umfassen, zum Beispiel Kobalt und/oder Manganverbindungen, und kann ggf. einen Oxidationsaktivator enthalten. Der Katalysator kann beispielshalber jegliche der Formen haben, die in der Flüssigphasenoxidation der aromatischen Carbonsäure Vorläufer verwendet wurden, wie zum Beispiel Terephthalsäure-Vorläufer in aliphatisch aromatischer Carbonsäure-Lösungsmittel, zum Beispiel Bromide, Bromoalkanoate, oder Alkanoate (meist C₁-C₄-Alkanoate wie Acetate) von Kobalt und/oder Mangan. Verbindungen anderer Schwermetalle wie Vanadium, Chrom, Eisen, Molybdän, ein Lanthanoid, wie zum Beispiel Cerium, Zirkonium, Hafnium, und/oder Nickel, können verwendet werden anstatt von, oder zusätzlich zu, Kobalt und/oder Mangan. Vorteilhafterweise kann das Katalysatorsystem Manganbromid (MnBr₂) und/oder Kobaltbromid (CoBr₂) einschließen. Wo ein Oxidationsaktivator verwendet wird, kann dieser in der Form von Elementarbrom, ionischem Bromid (beispielsweise HBr, NaBr, KBr, NH4Br) und/oder organischem Bromid (zum Beispiel Brombenzole, Benzylbromid, Monobromessigsäure und Dibromessigsäure, Bromacetylbromid, Tetrabromethan, Ethylendibromid, usw.) vorliegen. Verwendbar ist jedes geeignete Lösungsmittel, in dem die Oxidationsreaktion stattfinden kann.
Wo die Oxidationsreaktion die katalytische Flüssigphasenoxidation eines Vorläufers zur Herstellung aromatischer Carbonsäure ist, kann das Lösungsmittel eine aliphatische Monocarbonsäure mit zwischen 2 und 6 Kohlenstoffatomen sein, beispielsweise kann das Lösungsmittel Essigsäure sein. Essigsäure kann als Lösungsmittel besonders nützlich sein, weil es, verglichen mit anderen Lösungsmitteln, relativ beständig gegen die Oxidation ist und die Aktivität des katalytischen Wegs erhöht.
Die Reaktion kann durch Erhitzung und Druckbeaufschlagung des Vorläufers, Katalysators und der Lösungsmittelmischung gefolgt von der Einbringung des Oxidationsmittels in den Reaktor via den Oxidationsmittel-Einlass beeinflusst werden.
Der Ablauf, d. h. das Reaktionsprodukt, vom Oxidationsreaktor kann eine Aufschlämmung von aromatischen Carbonsäurekristallen sein, welche von der Aufschlämmung durch Filtern und anschließendes Waschen wiedergewonnen werden. Sie können zum Beispiel danach in eine separate Reinigungsstufe oder direkt in einen Polymerisationsprozess eingespeist werden, wobei die Hauptverunreinigung im Roh-TPA 4-Carboxybezaldehyd (4-CBA) ist, welches unvollständig in Para-Xylol oxidiert wird, obgleich andere Oxidationsprodukte und Vorläufer der Terephthalsäure wie zum Beispiel p-Tolualdehyd und p-Toluylsäure ebenfalls als Verunreinigungen anwesend sein können.
Inbetriebnahme und Stilllegung
Ein Verfahren zum Anfahren des Energierückgewinnungssystems kann durch den Start der Gasturbine unter Verwendung ihrer normalen Startvorrichtung (beispielsweise ein Anwurfmotor) erfolgen, unter gleichzeitiger Befolgung sämtlicher normalen Vorschriften für den Betrieb einer Verbrennungskraftturbine. Dieses Stadium der Inbetriebnahme verwendet einen Bypass der Anlage, wobei das gesamte Reaktorsystem und der Heizstrang (mit Brennofen usw.) umgangen werden. Nachdem die Gasturbine in einem stabilen Zustand unter teilweiser Belastung ist, wird Luft allmählich durch den Booster-Verdichter oder den Expander (falls vorhanden), und den Heizstrang (der die Brennofen usw. enthält) geleitet, und zur Brennkammer der Gasturbine und zur Expansionsstufe der Gasturbine zurückgeführt. In gleicher Weise, wenn ein Booster-Verdichter stromaufwärts der Brennkammer positioniert ist, wird dieser gestartet nachdem die Gasturbine in einem stabilen Zustand unter teilweiser Belastung ist. Bei dieser Phase der Inbetriebnahme wird ein Bypass um den Oxidationsreaktor für die Luft verwendet. Nachdem sämtliche Luft vom Kompressor der Gasturbine durch den Heizstrang gespeist wurde, ist der erste Bypass vollständig geschlossen. Nun wird Luft in den Oxidationsreaktor eingespeist, um die Reaktion einzuleiten. Zur Aufrechterhaltung der Abgabeleistung der Gasturbine auf dem gewünschten Niveau wird Dampf in den Heizstrang eingespeist. Der Anteil eingespeister Luft zum Reaktor wird durch Steuerung des Bypass-Ventils des Reaktors geregelt. Sobald der Reaktor-Bypass geschlossen ist, ist das Energierückgewinnungssystem komplett betriebsbereit.
Bei einem Ausfall des Reaktors wird der Luftstrom aus der Kompressorstufe durch den Reaktor-Bypass zur Expansionsstufe der Gasturbine umgeleitet. Der Reaktor kann auch in diesem Zustand mühelos wieder neu gestartet werden. Ebenfalls kann die Gasturbine aus diesem Zustand außer Betrieb gesetzt werden.
Allgemeines
Der Begriff „umfassend” umspannt ebenfalls „enthaltend” wie auch „bestehend aus”, zum Beispiel ein Aufbau welcher X „umfasst” kann entweder ausschließlich aus X bestehen oder ebenfalls etwas Zusätzliches beinhalten, beispielsweise X + Y.
Der Begriff „ca.” wenn auf einen numerischen Wert x bezogen bedeutet beispielsweise x ± 10%.
Es versteht sich, dass die Erfindung lediglich anhand von Beispielen beschrieben wurde und dass Modifikationen gemacht werden können, ohne vom Umfang der Erfindung und vom Erfindungsgedanken abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

GB 0808200 [0001]
US 2833816 [0003]
WO 96/39595 [0004, 0005]
WO 96/11899 [0005]
JP 8-155265 [0005]
US 7153480 [0055, 0055]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„API 616 Gas Turbines for the Petroleum, Chemical and Gas Industry Services and Turbomachinery International Handbook 2006, vol. 46, No. 6 [0047]

Claims

Kontinuierliches Reaktorsystem für eine Oxidationsreaktion, das durch eine Oxidationsreaktion eine gasförmigen Strömung erzeugt, umfassend: – einen Reaktorbehälter, der einen Einlass und einen Auslass für die gasförmige Strömung umfasst, – einen Kompressor, – eine Gasturbine, die an den Kompressor gekoppelt ist, – eine Brennkammer zum Aufheizen der gasförmigen Strömung, wobei der Kompressor mit dem Einlass des Behälters verbunden ist, und wobei die Brennkammer mit dem Auslass des Behälters verbunden ist.
Reaktorsystem gemäß Schutzanspruch 1, wobei die Turbine auch mit der Brennkammer verbunden ist.
Reaktorsystem gemäß Schutzanspruch 1 oder 2, wobei Brennstoff mit der gasförmigen Strömung in der Brennkammer gemischt werden kann.
Reaktorsystem gemäß irgendeinem der vorangehenden Schutzansprüche, außerdem umfassend zusätzliche Prozesseinheiten wie zum Beispiel eine katalytische Verbrennungsanlage, ein Austauschen, ein direktes Heizgerät und/oder ein indirektes Heizgerät.
Reaktorsystem gemäß irgendeinem der vorangehenden Schutzansprüche, wobei die gasförmige Strömung auf mindestens 800°C in der Brennkammer aufgeheizt werden kann.
Reaktorsystem gemäß Schutzanspruch 5, wobei die gasförmige Strömung auf eine Temperatur im Bereich von 800°C bis ungefähr 1350°C, insbesondere im Bereich von 800°C bis ungefähr 1100°C aufgeheizt werden kann.
Reaktorsystem gemäß irgendeinem der vorangehenden Schutzansprüche, weiter umfassend einen Gaseinlass für die Zugabe von Gas in die gasförmige Strömung.
Reaktorsystem gemäß Schutzanspruch 7, wobei der Massestrom des in die gasförmige Strömung zugegebenen Gases im Bereich von ungefähr 0% bis ungefähr 25% des Massestroms der gasförmigen Strömung vor der Zugabe des Gases liegt.
Reaktorsystem gemäß Schutzanspruch 7 oder 8, wobei der Massestrom des in die gasförmige Strömung zugegebenen Gases im Bereich von ungefähr 6% bis ungefähr 15% des Massestroms der gasförmigen Strömung vor der Zugabe des Gases liegt.
Reaktorsystem gemäß irgendeinem der Schutzansprüche 7 bis 9, wobei das Gas Dampf oder Luft ist.
Reaktorsystem gemäß irgendeinem der vorangehenden Schutzansprüche, außerdem umfassend einen Booster-Verdichter, der dem Kompressor nachgeschaltet ist und dem Reaktorbehälter entweder vorgeschaltet oder nachgeschaltet ist.
Reaktorsystem gemäß irgendeinem der vorangehenden Schutzansprüche, wobei das Reaktorsystem ausgelegt ist, um Elektrizität aus der gasförmigen Strömung zu erzeugen.
Kombination aus einem Kompressor, einer Gasturbine, die mechanisch an den Kompressor gekoppelt ist, und einer Brennkammer zum Aufheizen einer gasförmigen Strömung, wobei die Turbine mit der Brennkammer und dem Kompressor verbunden ist, wobei der Kompressor auch mit einem Einlass eines kontinuierlichen Reaktors für eine Oxidationsreaktion verbunden werden kann, der durch eine Oxidationsreaktion die gasförmige Strömung erzeugt, und wobei die Brennkammer mit einem Auslass für die gasförmige Strömung des Reaktors verbunden werden kann, um die gasförmige Strömung aufzunehmen.
Kombination gemäß Schutzanspruch 13, wobei Brennstoff mit der gasförmigen Strömung in der Brennkammer gemischt werden kann.
Gasturbinensystem, umfassend eine Turbine, die mit einer Verbrennungseinheit über eine Abgasströmung verbunden ist, wobei die Verbrennungseinheit Kohlenstoffmonoxid entfernt, und wobei die Turbine mechanisch an einen Kompressor gekoppelt ist, so dass die mechanische Leistung, die von der Turbine erzeugt wird zumindest einen Teil der Leistung liefert, um den Kompressor anzutreiben.
Gasturbinensystem gemäß Schutznspruch 15, wobei der Kompressor auch mit einen Einlass eines Luft-Oxidationsreaktionsbehälters verbunden werden kann, der eine gasförmige Strömung erzeugt, wobei eine Brennkammer mit einem Auslass des Behälters verbunden werden kann.
Gasturbinensystem gemäß Schutzanspruch 16, außerdem umfassend einen Brennstoffeinlass, wobei Brennstoff mit der gasförmigen Strömung vor der Verbrennungseinheit gemischt werden kann.