DE4141212C2

DE4141212C2 - Verfahren zur abtrennung von ethylbenzol oder ethylbenzol/p-xylol aus einem xylol-isomeren-gemisch

Info

Publication number: DE4141212C2
Application number: DE4141212A
Authority: DE
Inventors: Chung-Sung Tan
Original assignee: Taiwan Styrene Monomer Corp
Current assignee: Taiwan Styrene Monomer Corp
Priority date: 1991-12-02
Filing date: 1991-12-13
Publication date: 1993-11-04
Anticipated expiration: 2011-12-14
Also published as: US5227570A; DE4141212A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abrennung von Ethylbenzol aus einem Xylol-Isomeren-Gemisch, das zumindest ein Xylol-Isomer enthält, das aus der aus m-Xylol, o-Xylol und p-Xylol bestehenden Gruppe ausgewählt ist, oder zur Abtrennung von Ethylbenzol und p-Xylol aus einem Xylol-Isomeren-Gemisch, das zusätzlich mindestens ein Xylol-Isomer enthält, das aus der aus m-Xylol und o-Xylol bestehenden Gruppe ausgewählt ist.

Xylol-Isomere sind wichtige industrielle Rohstoffe, die gewöhnlich aus Naphtha- Crackern und -Reformern als Gemisch anfallen. Das Xylol-Isomeren-Gemisch enthält meta-Xylol (m-Xylol, MX), ortho-Xylol (o-Xylol, OX), para-Xylol (p-Xylol, PX) und Ethylbenzol (EB), wobei o-Xylol zur Synthese von Phthalsäure verwendet werden kann. m-Xylol kann für die Synthese von Isophthalsäure verwendet werden oder kann in p- Xylol umgewandelt werden, das ein wichtiger Rohstoff für die Herstellung von Polyesterfasern ist, und Ethylbenzol kann zur Herstellung von Styrolmonomer verwendet werden. Da die Xylol-Isomeren dicht beieinanderliegende Siedepunkte haben, ist es schwierig, sie durch Destillation aufzutrennen. Im Stand der Technik ist eine Tieftemperaturkristallisationstechnik entwickelt worden, um das Xylol-Isomeren- Gemisch aufzutrennen, die das Kühlen des Gemisches bis p-Xylol kristallisiert und das Abtrennen der p-Xylol-Kristalle daraus umfaßt. Diese Technik ist verhältnismäßig energie- und kostenintensiv. Außerdem ist die Rückgewinnung auf 73% des Einsatzmaterials beschränkt, und zwar wegen des Festkörper-Flüssigkeit-Gleichgewichts.

In der gegenwärtigen industriellen Praxis wird die Auftrennung des Xylol-Isomeren- Gemisches durch Adsorption an Zeolith-Absorptionsmittel unter Flüssigphasen- oder Dampfphasen-Betrieb erreicht. Es sind mehrere Patente verfügbar, die dieses Verfahren behandeln, wie die US-Patente 3 943 183, 4 051 192, 4 326 091 und 4 439 535. Bei diesem Verfahren ist generell ein Desorptionsmittel erforderlich, und p-Diethylbenzol, Isopropylbenzol, Propylbenzol und Toluol sind die am häufigsten eingesetzten Desorptionsmittel. Das gebrauchte Desorptionsmittel wird durch Destillation rückgewonnen, was verhältnismäßig energieintensiv ist. Eine umfassende Einführung in diese adsorptive Auftrennung findet sich in dem von D. M. Ruthven verfaßten Lehrbuch mit dem Titel "Principles of Adsorption and Adsorption Processes", John Wiley & Sons, New York (1984).

E. Sautacesaria et al. beobachteten in ihrem Aufsatz mit dem Titel "Separation of Xylenes on Y Zeolites in the Vapor Phase. 1. Determination of the Adsorption Equilibrium Parameters and of the Kinetic Regime", Ind. Eng. Chem. Process Des. Dev. 24, 78-83 (1985), daß die Auftrennung durch Gasphasen-Betrieb verbessert werden konnte, und die Menge des verwendeten Desorptionsmittels war verhältnismäßig geringer.

Chung-Sun Tan, der Erfinder der vorliegenden Erfindung, und Jeng-Leei Tsay haben in ihrem Aufsatz mit dem Titel "Separation of Xylene Isomers on Silicate in Supercritical and Gaseous Dioxide", Ind. Eng. Chem. Res., Vol. 29, 502-504, 1990, über eine experimentelle Studie über die Auftrennung von gleichen Mengen p- und m-Xylolen auf Silicalite unter Verwendung von Kohlendioxid als Träger berichtet. Die Ergebnisse zeigten, daß der Betrieb in der gasförmigen Phase Kohlendioxid eine bessere Trennleistung eröffnet als die superkritischen Bedingungen. Der Einfluß von Temperatur, Druck und Flußrate auf die Trennleistung wurde auch untersucht. Es wurde festgestellt, daß für einen Puls aus 1,0 cm³ Xylol-Isomeren und 39,5 g Silicalite die am besten geeigneten Betriebsbedingungen eine Temperatur von 85°C, ein Druck von 48,3×10² kPa und eine Flußrate von 15,0 cm³/min waren.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Abtrennung von Ethylbenzol oder Ethylbenzol/p-Xylol aus einem Xylol-Isomeren-Gemisch anzugeben, wobei die herkömmlichen Desorptionsmittel nicht verwendet werden, und daher die destillative Abtrennung der Desorptionsmittel vermieden wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Abtrennung von Ethylbenzol aus einem Xylol-Isomeren-Gemisch, das zumindest ein Xylol-Isomer enthält, das aus der aus m-Xylol, o-Xylol und p-Xylol bestehenden Gruppe ausgewählt ist, oder zur Abtrennung von Ethylbenzol und p-Xylol aus einem Xylol-Isomeren-Gemisch, das zusätzlich zumindest ein Xylol-Isomer enthält, das aus der aus m-Xylol und o-Xylol bestehenden Gruppe ausgewählt ist, dadurch gekennzeichnet, daß

a) eine bestimmte Menge des Gemisches unter Verwendung eines komprimierten, unter hohem Druck stehenden, gasförmigen CO₂-Stroms mit einer Temperatur von 50 bis 120°C und einem Druck von 34,5×10² bis 55,2×10² kPa als Träger in ein Silicalite-Adsorptionsmittelbett eingeführt wird, wo das Ethylbenzol oder das Ethylbenzol und p-Xylol selektiv an das Silicalite-Adsorptionsmittelbett adsorbiert wird;
b) aus dem Adsorptionsmittelbett ein Erste-Stufe-Abstrom abgetrennt wird, der eine Xylol-Isomeren-Zusammensetzung enthält, die im wesentlichen kein Ethylbenzol oder Ethylbenzol und p-Xylol enthält;
c) ein superkritischer CO₂-Strom mit einer Temperatur von 50 bis 120°C und einem Druck von mehr als 73,8×10² kPa in das Adsorptionsmittel eingespeist wird, um das adsorbierte Ethylbenzol oder Ethylbenzol und p-Xylol von dem Adsorptionsmittelbett zu desorbieren, wenn die Xylol-Isomeren-Zusammensetzung, die im Erste-Stufe-Abstrom enthalten ist, einen gewünschten Ethylbenzol-Prozentsatz oder einen gewünschten Wert für die Summe der Ethylbenzol- und p-Xylol-Prozentsätze enthält;
d) aus dem Adsorptionsmittelbett ein Zweite-Stufe-Abstrom abgetrennt wird, der eine Xylol-Isomeren-Zusammensetzung enthält, die im wesentlichen reines Ethylbenzol oder Ethylbenzol- und p-Xylol-Komponenten enthält;
e) der Zweite-Stufe-Abstrom im wesentlichen isotherm und isobar in ein erstes Aktivkohlebett eingespeist wird, wo das Ethylbenzol oder das Ethylbenzol und p-Xylol aus dem Zweite- Stufe-Abstrom durch selektive Adsorption an das erste Aktivkohlebett abgetrennt wird;
f) aus dem ersten Aktivkohlebett ein im wesentlichen reiner CO₂-Strom gewonnen wird, der in den superkritischen CO₂-Strom in Stufe c) rückgeführt wird;
g) der Erste-Stufe-Abstrom im wesentlichen isotherm und isobar in ein zweites Aktivkohlebett eingespeist wird, wo die Xylol-Isomeren-Zusammensetzung aus dem Erste-Stufe-Abstrom durch selektive Adsorption an ein zweites Aktivkohlebett abgetrennt wird; und
h) aus dem zweiten Aktivkohlebett ein im esentlichen reiner CO₂-Strom gewonnen wird, der in den komprimierten, unter hohem Druck stehenden gasförmigen CO₂-Strom in Stufe a) rückgeführt wird.

Alternativ kann die Adsorption in Stufe a) in einem geringeren Ausmaß oder über einen kürzeren Zeitraum ausgeführt werden, d. h.. die Desorption in Stufe c) wird eingeleitet, wenn die Xylol-Isomeren-Zusammensetzung, die in dem Erste- Stufe-Abstrom enthalten ist, einen gewünschten Ethylbenzol- Prozentsatz oder einen gewünschten Wert für die Summe der p-Xylol und Ethylbenzol-Prozentsätze aufweist, wodurch p-Xylol und das Ethylbenzol zusammen von dem Xylol-Isomeren-Gemisch abgetrennt werden können.

Im vorliegenden Verfahren wird das selektive Adsorptionsvermögen des/der gewünschten Xylol-Isomers oder -Isomeren an dem Silicalite-Adsorptionsmittel eingestellt, indem die gasförmige mobile Phase CO₂ in superkritisches CO₂-Fluid geändert wird. Als Ergebnis ist für die Desorption in Stufe c) kein anderes Desorptionsmittel als CO₂ erforderlich. Außerdem kann das verwendete CO₂ durch eine isotherme und isobare selektive Adsorption von den Xylol-Produkten abgetrennt und ohne zusätzliches Erhitzen und Komprimieren bzw. Druckbeaufschlagen recycelt werden, wodurch das Energieverbrauchproblem, das mit den herkömmlichen Expansions- Kompressions-Verfahren zur Auftrennung der CO₂-Xylol-Abströme und zum Recycling von CO₂ verbunden ist, gelöst wird.

Figurenbeschreibung

Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm eines Verfahrens zur adsorptiven Rückgewinnung von Ethylbenzol oder Ethylbenzol/ p-Xylol aus einem Xylol-Isomeren-Gemisch, wobei 1 eine CO₂-Druckgasflasche ist, 2 ein Regler ist, 3 Zeolith 4A ist, 4 ein Kompressor ist, 5 ein Puffer bzw. Druckausgleichsbehälter bzw. Auffangbehälter ist, 6 ein Druckmesser bzw. Manometer ist, 7 ein Probenventil ist, 8 ein Nadelventil ist, 9 eine Schlauchpumpe ist, 10 ein Xylol-Gemisch ist, 11 ein gepacktes Bett ist, 12 ein Thermoelement ist, 13 ein Ölbad ist, 14 ein Dosierventil ist, 15 eine Kühlfalle ist, 16 ein Magnetrührer ist und 17 ein Trommelgaszähler bzw. nasser Gaszähler ist.

Fig. 2 ist ein schematisches Diagramm eines integrierten Verfahrens zur adsorptiven Rückgewinnung von Ethylbenzol oder Ethylbenzol/p-Xylol aus einem Xylol-Isomeren- Gemisch, gefolgt von der Rückgewinnung von CO₂ durch selektive Adsorption und Recyceln des resultierenden CO₂, wobei I-V Festbetten sind, R1, R2 und R3 Regler sind, 20 und 21 Aktivkohlebetten sind; 22 eine Dosierpumpe ist; 50 ein Wärmeaustauscher ist; und 60 und 61 Dreiwegventile sind. Bei gleichen Merkmalen dieses Verfahrens wird die gleiche Numerierung wie in Fig. 1 verwendet.

Fig. 3 ist ein Diagramm, das den Einfluß des Druckes auf die adsorptive Trennung von EB und MX zeigt.

Fig. 4 ist ein Diagramm, das den Einfluß der Temperatur auf die adsorptive Abtrennung von EB und MX zeigt.

Fig. 5 ist ein Diagramm, das den Einfluß der Flußrate auf die adsorptive Abtrennung von EB und MX zeigt.

Fig. 6 ist ein Diagramm, das die Ansprech- bzw. Response-Kurven von EB und MX bei der adsorptiven Trennung zeigt, wobei der Druck bei einer Trennzeit von 120 Minuten von 44,8×10² kPa auf 82,7×10² kPa erhöht wird.

Fig. 7 ist ein Diagramm, das die Ansprech- bzw. Response-Kurven von EB, MX, PX und EB bei der adsorptiven Trennung zeigt, wobei der Druck bei einer Trennzeit von 120 Minuten von 44,8×10² kPa auf 82,7×10² kPa erhöht wird.

Fig. 8 ist ein Diagramm, das die Ansprech- bzw. Response-Kurven von EB, MX, PX und EB bei der adsorptiven Trennung zeigt, wobei der Druck bei einer Trennzeit von 325 Minuten von 44,8×10² kPa auf 103,4×10² kPa erhöht wird; das verwendete Silicalite hatte Teilchen mit der mesh-Zahl 24-32.

Fig. 9 ist ein Diagramm, das die Durchbruchskurven bei der adsorptiven Trennung von CO₂-Strömen, die verschiedene MX-Konzentrationen enthalten, auf Aktivkohle zeigt, wobei der Druck 44,8·10² kPa und die Temperatur 100°C beträgt.

Fig. 10 ist ein Diagramm, das die Durchbruchskurven bei der adsorptiven Trennung von CO₂-Strömen, die verschiedene EB-Konzentrationen enthalten, auf Aktivkohle zeigt, wobei der Druck 103,4×10² kPa und die Temperatur 100°C beträgt.

Die vorliegende Erfindung liefert ein Verfahren zur Abtrennung von Ethylbenzol alleine oder einer Ethylbenzol/p-Xylol-Zusammensetzung aus einem Xylol-Isomeren-Gemisch, das dann, wenn Ethylbenzol alleine abgetrennt wird, m-Xylol, o-Xylol und/oder p-Xylol enthält bzw. dann, wenn Ethylbenzol und p-Xylol abgetrennt werden, m-Xylol und/oder o-Xylol enthält. Eine bestimmte Menge des Xylol-Isomeren-Gemischs wird in ein Silicalite- Adsorptionsmittelbett unter Verwendung von komprimierten, unter hohem Druck stehenden CO₂ mit einer Temperatur von 50 bis 120°C und einem Druck von 34,5×10² kPa bis 55,2×10² kPa als Träger eingespeist, wobei das Ethylbenzol oder Ethylbenzol/p-Xylol selektiv aus dem Gemisch adsorbiert wird, und ein Erste-Stufe-Abstrom wird aus dem Adsorptionsmittelbett erhalten. Das adsorbierte Ethylbenzol oder Ethylbenzol/p-Xylol wird von dem Adsorptionsmittelbett durch Spülen mit superkritischem CO₂ desorbiert, wenn das meiste der Xylol-Isomeren, bei denen es sich nicht um Ethylbenzol oder Ethylbenzol/p-Xylol handelt, vom Adsorptionsmittelbett eluiert worden ist, so daß ein Zweite-Stufe-Abstrom erhalten wird, der eine Xylol-Isomeren- Zusammensetzung enthält, die im wesentlichen reines Ethylbenzol oder Ethylbenzol/p-Xylol erhält. Die Tempeatur des superkritischen CO₂-Stromes beträgt erfindungsgemäß 50 bis 120°C, und sein Druck beträgt nicht mehr als 73,8×10² kPa.

Die in den Abströmen enthaltenen Xylol-Isomer-Produkte können durch Verdampfung des CO₂ durch Expansion leicht rückgewonnen werden; das verdampfte CO₂ muß jedoch zum Recycling in die Adsorptions- oder Desorptionsstufe rekomprimiert bzw. erneut mit Druck beaufschlagt werden, was energieintensiv ist. Daher umfaßt das erfindungsgemäße Verfahren die Stufen e) bis h) zur selektiven Adsorption der Xylol-Isomer-Produkte aus den Abströmen und zum Recycling des resultierenden CO₂.

Ein bevorzugtes Isomeren-Gemisch, aus dem Ethylbenzol bzw. Ethylbenzol und p-Xylol erfindungsgemäß abgetrennt werden kann, enthält Ethylbenzol, m-Xylol, o-Xylol und p-Xylol.

Das Xylol-Isomeren-Gemisch, das für die Verwendung im vorliegenden Verfahren geeignet ist, hat vorzugsweise eine Zusammensetzung aus 5 bis 75 Gew.-% Ethylbenzol, 10 bis 45 Gew.-% m-Xylol, 5 bis 45 Gew.-% o-Xylol und 5 bis 35 Gew.-% p-Xylol. Üblicherweise werden solche Gemische mit Naphtha-Crackern oder -Reformern hergestellt und rückgewonnen und sind auf dem petrochemischen Markt erhältlich. In einer der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurde ein Xylol-Isomeren-Gemisch mit 54,55 Gew.-% Ethylbenzol, 26,43 Gew.-% m-Xylol, 10,10 Gew.-% p-Xylol und 9,92 Gew.-% o-Xylol verwendet. Bei der Abtrennung von lediglich Ethylbenzol ist ein Xylol-Isomeren-Gemisch für das vorliegende Abtrennungsverfahren geeignet, das nur zwei Xylol-Isomere wie Ethylbenzol/m-Xylol oder Ethylbenzol/p-Xylol enthält.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wurde festgestellt, daß das Silicalite-Adsorptionsmittel mit einem Si/Al-Verhältnis von 1040 eine bessere Trennleistung hat als das mit 540. Es wird angenommen, daß die Leistungsfähigkeit um so besser ist, je höher das Si/Al-Verhältnis ist. Geeignete Silicalite zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung haben ein Si/Al-Verhältnis größer als 500, vorzugsweise größer als 1000. Grundsätzlich ist das Silicalite-Adsorptionsmittel, das im vorliegenden Verfahren verwendet wird, nicht auf eine bestimmte Form oder Größe beschränkt; es wurde jedoch festgestellt, daß Silicalite-Teilchen mit einer mesh-Zahl von 24 bis 32 eine bessere Leistungsfähigkeit haben als Silicalite-Pellets mit einem Durchmesser von 1,55 mm und einer Länge von 6,2 mm. Es ist klar, daß funktionelle oder betriebsfähige Äquivalente des Silicalite-Adsorptionsmittels für die Zwecke dieser Erfindung Zeolithe sind, die selektiv Ethylbenzol adsorbieren können, oder Ethylbenzol aus einem Xylol- Isomeren-Gemisch, und zwar in einer mobilen Phase aus komprimiertem, unter hohem Druck stehenden gasförmigen CO₂, und das adsorbierte Ethylbenzol oder Ethylbenzol/p-Xylol kann durch Spülen mit superkritischem CO₂ wirksam desorbiert werden.

Das komprimierte, unter hohem Druck stehende, gasförmige CO₂ hat eine Temperatur von 50 bis 120°C, vorzugsweise 70 bis 110°C, und einen Druck von 34,5×10² bis 55,2×10² kPa, vorzugsweise 41,4×10² bis 48,3×10² kPa.

Das superkritische CO₂ hat eine Temperatur von 50 bis 120°C, vorzugsweise 70 bis 110°C, und einen Druck von höher als 73,8×10² kPa. Es ist bekannt, daß die Desorption in einem kürzeren Zeitraum beendet sein wird, wenn der Druck des superkritischen CO₂ erhöht wird; jedoch sind die Betriebs- und Kapitalkosten um so höher, je höher der Druck ist. Im allgemeinen liegt der Druck des superkritischen CO₂ bei 75,8×10² bis 110,3×10² kPa, vorzugsweise 82,7×10² bis 10,3×10² kPa.

Sowohl das erste als auch das zweite Aktivkohlebett enthält eine ausreichende Menge Aktivkohle, so daß die in den Abströmen enthaltenen Xylol-Isomer-Produkte zumindest während eines Betriebszyklus, vorzugsweise mehreren Betriebszyklen, vollständig durch die Aktivkohlebetten adsorbiert werden können. Die Xylol-Isomer-Produkte, die durch die Aktivkohle adsorbiert wurden, können mit jeder geeigneten Regenerierungs- bzw. Wiederaufbereitungstechnik für beladene Aktivkohle rückgewonnen werden, die im Stand der Technik bekannt ist, beispielsweise mit einem Dampfregenrations- oder superkritischen Regenerationsverfahren. Der im wesentlichen reine CO₂-Strom, der aus dem ersten Aktivkohlebett austritt, kann anstatt in den superkritischen CO₂-Strom recycelt zu werden, selektiv zur Regenerierung des zweiten Aktivkohlebetts verwendet werden.

Die folgenden Beispiele dienen zur Veranschaulichung der vorliegenden Erfindung.

Beispiel 1 Auftrennung von m-Xylol (MX) und Ethylbenzol (EB)

Das vorliegende Beispiel verwendet das in Fig. 1 dargestellte Trennsystem, um ein Gemisch aus gleichen Mengen MX und EB zu trennen.

Als Adsorptionsmittel wurden Silicalite-Pellets mit einem Durchmesser von 0,16 cm, einer Länge von 0,62 cm und einem Si/Al-Verhältnis von 1040 verwendet. Silicalite hat eine zu ZSM-5 ähnliche Struktur, mit der Ausnahme, daß der Al-Gehalt von Silicalite signifikant geringer als der von ZSM-5 ist. Die physikalischen Eigenschaften von Silicalite sind in der folgenden Tabelle 1 aufgelistet.

Tabelle 1

Oberfläche (BET) = 343,1 m²/g (<60 nm)
Porenvolumen (N2) = 0,2553 cm³/g (<60 nm)
Porenvolumen (Hg) = 0,3272 cm³/g (<3,75 nm bis 325 µm)
Schüttdichte = 0,7532 g/cm³
Teilchendichte = 1,2025 g/cm³
Wahre bzw. wirkliche Dichte = 1,9825 g/cm³
Relatives Porenvolumen bzw. Porosität des Betts = 0,3736
Teilchenporosität = 0,3934

Vor der Verwendung wurden diese Pellets während vier Stunden bei 120°C getrocknet und während 24 Stunden bei 600°C aktiviert. Ungefähr 39,5 g der Silicalite-Pellets wurden abgewogen, sobald die Temperatur auf 120°C abgefallen war und in eine Säule aus rostfreiem Stahl 316 mit einem I.D. von 2,12 und einer Länge von 25 cm gepackt. Um eine gleichförmige Flußverteilung in dem gepacktem Bett 11 zu erreichen, wurden Glasperlen mit einem Durchmesser von 0,1 cm über und unter die Silicalite-Packung gepackt, und zwar in Höhen von etwa 6,3 bzw. 5,3 cm.

Ein Gemisch, das durch Mischen gleicher Gewichte EB und MX von Forschungsqualität hergestellt wurde, wurde mit einer Pumpe 9 in ein Sechs-Pot-Probenventil 7 eingespeist. Das Volumen der Probenschleife betrug 1,0 cm³. Als Träger wurde Kohlendioxid mit einer Reinheit von mindestens 99,7% verwendet. Es wurde zuerst durch ein Zeolith-4A-Bett 3 geleitet, um Wasserdampf und Kohlenwasserstoffe zu entfernen, und es wurde dann mit einem Membrankompressor 4 mit Druck beaufschlagt und zu einem Puffer bzw. Druckausgleichbehälter 5 geleitet. In jedem Experiment wurde der Druck auf innerhalb 34 kPa des gewünschten Wertes gehalten. Die Temperatur wurde mit einem Ölbad 13 gesteuert, dessen Genauigkeit etwa 0,5°C betrug. Damit das Fluid die gewünschte Temperatur erreichte, wurde eine Vorheizschlange in das Bad getaucht.

Vor der Injektion des Gemisches wurde das Sechs-Port-Probenventil 7 so geschaltet, daß Kohlendioxid an der Probenschleife vorbeigeführt bzw. darum herumgeführt wurde. Wenn die Flußrate des Kohlendioxids einen stabilen Wert erreichte, wurde das Sechs- Port-Probenventil 7 so geschaltet, daß das Kohlendioxid das Gemisch in das gepackte Bett 11 tragen konnte. Das abströmende Fluid aus dem Bett wurde über ein Dosierventil 14 expandiert bzw. entspannt und floß durch eine Kühlfalle 15, deren Temperatur etwa -20°C betrug. EB und MX wurden in der Kühlfalle 15 gesammelt, die 1,0 l Alkohol enthielt. Zur Analyse der Zusammensetzung wurden regelmäßig Proben von 6,0 µl zu einem GC geschickt. Die Flußrate in dem gepackten Bett wurde durch Messen des Volumens des Gases mit einem nassen Gaszähler 17 bestimmt.

Die Gesamtmengen an EB und MX, die in der Kühlfalle 15 gesammelt wurden, wurden durch Messen der Endkonzentrationen in der Kühlfalle bestimmt. Diese Mengen wurden mit denen verglichen, die durch Integration der Ansprech- bzw. Response- Kurven berechnet wurden. Die Übereinstimmungen waren zufriedenstellend. Es wurde auch festgestellt, daß die gesammelten Mengen fast mit den Injektionsmengen übereinstimmten (Abweichung weniger als 5%). Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt, und einige typische Ergebnisse sind auch in Fig. 3 bis 5 dargestellt.

Tabelle 2

Die mittlere Retentionszeit in Tabelle 2 ist definiert als

wobei C die Konzentration und t die Zeit ist.

Die Rückgewinnung ist definiert als die Menge, die mit einer höheren Reinheit als 98 % über die gesamte experimentelle Zeitspanne gesammelt wurde, dividiert durch die injizierte Menge. Ein wünschenswertes Trennverfahren sollt eine niedrige Retentionszeit und eine höhere Rückgewinnung besitzen.

Aus Tabelle 2 ist klar, daß es einen Kompromiß zwischen der Rückgewinnung und der Retentionszeit gibt. Beispielsweise zeigen Tabelle 2 und Fig. 3, daß bei einer Temperatur und einer Flußrate, die auf 80°C bzw. 15 cm³/min festgelegt sind, bei einem Druck von 34,3×10² kPa oder 37,9×10² kPa, die Rückgewinnung sowohl von EB als auch von MX hoch ist. Die Betriebszeit ist jedoch verhältnismäßig zu lang im Vergleich mit der bei 41,4×10² kPa Druck. Unter Berücksichtigung sowohl der Rückgewinnung als auch der Betriebszeit wurde herausgefunden, daß ein Druck von etwa 41,4×10² kPa, eine Temperatur von etwa 80°C und eine Flußrate von etwa 15 cm³/min die am meisten geeigneten Betriebsbedingungen sind.

Um die Zykluszeit der Trennung noch weiter zu verringern, wird vorgeschlagen, daß der Betriebsdruck erhöht wird, wenn das meiste der MX-Komponente aus dem Abstromfluid rückgewonnen ist, so daß das adsorbierte EB von dem Silicalite schneller desorbiert werden kann. Wie in Fig. 6 gezeigt, wird die Zykluszeit der Trennung auf etwa 330 Minuten verringert, wenn der Betrriebsdruck nach einer Betriebszeit von 120 Minuten von 44,8×10² auf 82,7×10² kPa erhöht wird.

Beispiel 2 Trennung von p-Xylol (PX) und Ethylbenzol (EB)

Die Verfahren in Beispiel 1 wurden wiederholt mit der Ausnahme, daß 0,5 ml eines Gemisches mit gleichen Gewichten an PX und EB in Forschungsqualität anstelle des MX/EB-Gemisches in das gepackte Bett 11 injiziert wurden. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 gezeigt.

Die Daten von Tabelle 3 zeigen, daß die Betriebsbedingungen 120°C und 48,3×10² kPa zu einer besseren Trennung führen. Die Rückgewinnung von PX und EB unter diesen Betriebsbedingungen beträgt 64,8% bzw. 77,5%.

Tabelle 3

Beispiel 3 Trennung eines 4-Komponenten-Gemisches

Die Verfahren von Beispiel 1 wurden wiederholt, mit der Ausnahme, daß ein Gemisch mit 26,0 Gew.-% m-Xylol (MX), 8,8 Gew.-% o-Xylol (OX), 10,3 Gew.-% p-Xylol (PX) und 54,9 Gew.-% Ethylbenzol (EB) anstelle des MX/EB-Gemisches verwendet wurde. Der Betriebsdruck wurde bei 120 Minuten von 44,8×10² kPa auf 82,7×10² kPa erhöht. Die Betriebsbedingungen und Ergebnisse sind in Fig. 7 gezeigt.

Aus Fig. 7 ist ersichtlich, daß der Trennzyklus innerhalb 350 Minuten beendet ist. Bei den Produkten, die innerhalb der ersten 110 Minuten in der Kühlfalle 15 gesammelt wurden, handelt es sich um ein Gemisch aus MX und OX, gefolgt von einem Gemisch reich an EB un PX, und schließlich reinem EB. Die Menge an reinem EB, das in der letzten Stufe zurückgewonnen wird, beträgt 34 Gew.-% des injizierten EB. Die Gesamt- EB-Rückgewinnung kann verbessert werden, wenn das an EB und PX reiche Gemisch nach dem Verfahren von Beispiel 2 weiter aufgetrennt wird. Alternativ kann das 4- Komponenten-Gemisch zuerst in zwei Teile aufgetrennt werden: einer ist reich an MX und OX, und der andere ist reich an EB und PX. Der letzte wird dann weiter aufgetrennt, um im wesentlichen reines EB und im wesentlichen reines PX zurückzugewinnen, zwei Komponenten nach dem Verfahren von Beispiel 2.

Beispiel 4 Abtrennung von Ethylbenzol (EB) aus einem 4-Komponenten-Gemisch

Die Verfahren in Beispiel 1 wurden wiederholt, mit der Ausnahme, daß ein Gemisch mit 26,43 Gew.-% m-Xylol (MX), 8,92 Gew.-% o-Xylol(OX), 10,10 Gew.-% p-Xylol (PX) und 54,55 Gew.-% Ethylbenzol (EB) anstelle des MX/EB-Gemisches verwendet wurde, und die verwendete Menge Silicalite betrug 37,63 g. In dem vorliegenden Beispiel wurde die Größe des Silicalite und die Betriebsbedingungen wie Temperatur, Druck, der Grad der Druckerhöhung und die Zeit zum Erhöhen des Drucks variiert, um eine bessere EB-Rückgewinnung zu erhalten. Bei dem in den Läufen 1-7 verwendeten Silicalite handelte es sich um Pellets mit 0,16 cm Durchmesser und 0,62 cm Länge, und bei den Läufen 8-10 wurden Teilchen mit einer mesh-Zahl von 24 bis 32 verwendet. Die Betriebsbedingungen und Ergebnisse sind in Tabelle 4 gezeigt.

Tabelle 4

Die Daten in Tabelle 4 zeigen, daß die Teilchen mit der mesh-Zahl 24 bis 32 hinsichtlich der Trennleistung besser sind als die 0,16 cm×0,62 cm-Pellets. Lauf 8 in Tabelle 4 hat die beste EB-Rückgewinnung, die 0,2% höher ist als die von Lauf 9, aber die Zykluszeit der Trennung ist signifikant länger als die von Lauf 9. Deshalb wird Lauf 9 in Anbetracht der Rückgewinnung und der Betriebszykluszeit bevorzugt. Fig. 8 zeigt die Ansprech- bzw. Response-Kurven von Lauf 8.

Beispiel 5 Rückgewinnung von Xylol-Produkten aus dem Abstromfluid durch Aktivkohleadsorption

Der Zweck des folgenden Beispiels ist zu veranschaulichen, daß die Xylol-Isomeren, die in dem Abstromfluid aus dem mit dem Adsorptionsmittel gepackten Bett enthalten sind, durch isotherme und isobare Aktivkohleadsorption rückgewonnen werden können, wodurch im wesentlichen reine CO₂-Abströme aus der Aktivkohle ohne wesentliches Erhitzen oder Komprimieren bzw. Druckbeaufschlagen zur Silicalite- Adsorption/Desorption recycelt werden können.

6 g Aktivkohle-Teilchen mit einer mesh-Zahl von 8 bis 10 wurden verwendet, um m-Xylol aus CO₂-Strömen mit verschiedenen m-Xylol-Konzentrationen zu adsorbieren. Die Temperatur, der Druck und die Flußrate der CO₂-Ströme betrug 100°C, 44,8×10² kPa bzw. 15 cm³/min. Die Durchbruchskurven sind in Fig. 9 gezeigt. Ähnliche Experimente wurden mit Ethylbenzol enthaltenden CO₂-Strömen durchgeführt. Fig. 10 zeigt die Durchbruchskurven von CO₂-Strömen mit unterschiedlichen Konzentrationen an Ethylbenzol bei 100°C, 103,4×10² kPa und einer CO₂-Flußrate von 14 cm³/min.

Wie aus Fig. 9 ersichtlich, wird für den CO₂-Strom, der 221,9×10^-6 g/ml MX enthält, bei etwa 150 Minuten das MX nicht länger durch die 6 g Aktivkohle adsorbiert. Aus Fig. 8 ist bekannt, daß der CO₂-Abstrom aus dem gepackten Bett 11 eine maximale MX- Konzentration von 200×10^-6 g/ml hat und daß die Abstromzeit etwa 250 Minuten beträgt. Deshalb können die MX/OX/PX-Isomeren, die in dem Abstrom innerhalb der ersten 250 Minuten von Fig. 8 enthalten sind, bei isothermen und isobaren Bedingungen voll adsorbiert werden, wenn die Menge an verwendeter Aktivkohle auf 10 g oder mehr erhöht wird.

Wie aus Fig. 10 ersichtlich ist, wird bei der Kurve für die EB-Konzentration von 784×10^-6 bei etwa 15 Minuten das EB nicht länger von den 6 g Aktivkohle adsorbiert. Ähnlich kann das EB-Isomer, das in den letzten 130 Minuten Abstrom von Fig. 8 enthalten ist, isotherm und isobar durch 54 g oder mehr Aktivkohle adsorbiert werden.

Beispiel 6 Integriertes Verfahren zur Abtrennung von Xylol-Isomeren und zum Recycling des darin verwendeten CO₂

Das in Fig. 2 dargestellte System wurde verwendet, um EB aus Xylol-Isomeren abzutrennen, wobei das verwendete CO₂ recycelt wurde.

Bezugnehmend auf Fig. 2 wurde CO₂ zuerst mit einem Kompressor 4 und einem Wärmeaustauscher 5 auf 172,4×10² kPa und 100°C komprimiert bzw. erhitzt und wurde dann in einem Puffer- bzw. Druckausgleichbehälter 5 gelagert. Der Druck des CO₂ wurde mit den Reglern R2 und R3 auf gewünschte Werte eingestellt, und die Flußrate des CO₂ wurde durch die Dosierpumpen 22 auf 15 cm³/min gesteuert. Das Gemisch aus Xylol-Isomeren wurde aufeinanderfolgend in die Festbetten I bis V injiziert, und zwar durch Schalten der Dreiwegventile 60 zum Probenventil 7, das mit einer 44,8×10² kPa CO₂-Leitung verbunden war. Die Injektionen des Xylol-Isomeren- Gemisches wurden mit einem Intervall von 50 Minuten ausgeführt. Vor der Injektion wurde das Dreiwegeventil 61 am Boden der Festbetten zum MX/OX/PX- Aktivkohlebett 20 geschaltet. Bei jedem der Festbetten I bis V wurden die 44,8×10² kPa CO₂-Ströme 200 Minuten eingeführt, und dann wurden die Dreiwegeventile 60 am oberen Ende der Festbetten zur 103,4×10² kPa CO₂-Leitung geschaltet, und die Dreiwegeventile 61 für zusätzliche 50 Minuten zum EB-Aktivkohlebett 21. Zu diesem Zeitpunkt wurde die recycelte 44,8×10² kPa CO₂-Strom zu einem anderen festen Bett geschaltet, das die Injektion des Xylol-Isomeren-Gemisches erforderte. Beispielsweise wurde bei einer Betriebszeit von 200 Minuten der recycelte 44,8×10² kPa CO₂-Strom, der ursprünglich zum Festbett I recycelt wurde, zum Recyceln in das Festbett V geschaltet. Wie aus Tabelle 5 ersichtlich, kann das vorliegende Verfahren durch Vewendung des in Fig. 2 dargestellten Systems kontinuierlich durchgeführt werden.

Das Aktivkohlebett 20 wurde in zwei getrennte Säulen gepackt. Die beiden Säulen enthielten beide eine ausreichende Menge Aktivkohle für zumindest mehrere Betriebszyklen und wurden einzeln verwendet. Demzufolge kann man die zweite Säule verwenden, wenn die erste Säule regeneriert wird, ohne das Verfahren zu beenden. Das Aktivkohlebett 21 war ähnlich konstruiert.

Tabelle 5

Betriebssequenz für ein System, das fünf Festbetten enthält

Claims

1. Verfahren zur Abtrennung von Ethylbenzol aus einem Xylol-Isomeren-Gemisch, das zumindest ein Xylol-Isomer enthält, das aus der aus m-Xylol, o-Xylol und p-Xylol bestehenden Gruppe ausgewählt ist, oder zur Abtrennung von Ethylbenzol und p-Xylol aus einem Xylol-Isomeren-Gemisch, das zusätzlich zumindest ein Xylol-Isomer enthält, das aus der aus m-Xylol und o-Xylol bestehenden Gruppe ausgewählt ist, dadurch gekennzeichnet, daß

a) eine bestimmte Menge des Gemisches unter Verwendung eines komprimierten, unter hohem Druck stehenden, gasförmigen CO₂-Stroms mit einer Temperatur von 50 bis 120°C und einem Druck von 34,5×10² bis 55,2×10² kPa als Träger in ein Silicalite-Adsorptionsmittelbett eingeführt wird, wo das Ethylbenzol oder das Ethylbenzol und p-Xylol selektiv an das Silicalite-Adsorptionsmittelbett adsorbiert wird;
b) aus dem Adsorptionsmittelbett ein Erste-Stufe-Abstrom abgetrennt wird, der eine Xylol-Isomeren-Zusammensetzung enthält, die im wesentlichen kein Ethylbenzol oder Ethylbenzol und p-Xylol enthält;
c) ein superkritischer CO₂-Strom mit einer Temperatur von 50 bis 120°C und einem Druck von mehr als 73,8×10² kPa in das Adsorptionsmittelbett eingespeist wird, um das adsorbierte Ethylbenzol oder Ethylbenzol und p-Xylol von dem Adsorptionsmittelbett zu desorbieren, wenn die Xylol-Isomeren-Zusammensetzung, die im Erste-Stufe-Abstrom enthalten ist, einen gewünschten Ethylbenzol- Prozentsatz oder einen gewünschten Wert für die Summe der Ethylbenzol- und p-Xylol-Prozentsätze enthält;
d) aus dem Adsorptionsmittelbett ein Zweite-Stufe-Abstrom abgetrennt wird, der eine Xylol-Isomeren-Zusammensetzung enthält, die im wesentlichen reines Ethylbenzol oder Ethylbenzol- und p-Xylol-Komponenten enthält;
e) der Zweite-Stufe-Abstrom im wesentlichen isotherm und isobar in ein erstes Aktivkohlebett eingespeist wird, wo das Ethylbenzol oder das Ethylbenzol und p-Xylol aus dem Zweite-Stufe-Abstrom durch selektive Adsorption an das erste Aktivkohlebett abgetrennt wird;
f) aus dem ersten Aktivkohlebett ein im wesentlichen reiner CO₂-Strom gewonnen wird, der in den superkritischen CO₂-Strom in Stufe c) rückgkeführt wird;
g) der Erste-Stufe-Abstrom im wesentlichen isotherm und isobar in ein zweites Aktivkohlebett eingespeist wird, wo die Xylol-Isomeren-Zusammensetzung aus dem Erste-Stufe- Abstrom durch selektive Adsorption an ein zweites Aktivkohlebett abgetrennt wird; und
h) aus dem zweiteen Aktivkohlebett ein im wesentlichen reiner CO₂-Strom gewonnen wird, der in den komprimierten, unter hohem Druck stehenden gasförmigen CO₂-Strom in Stufe a) rückgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Xylol-Isomeren-Gemisch Ethylbenzol, m-Xylol, o-Xylol und p-Xylol enthält.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Xylol-Isomeren-Gemisch eine Zusammensetzung von 5 bis 75 Gew.-% Ethylbenzol, 10 bis 45 Gew.-% m-Xylol, 5 bis 45 Gew.-% o-Xylol und 5 bis 35 Gew.-% p-Xylol hat.

4. Verfahren nach Ansprruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Xylol-Isomeren-Gemisch Ethylbenzol und p-Xylol enthält.