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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Gegenstand der Erfindung ist ein
verbessertes Verfahren zur Herstellung hochreiner aromatischer Carbonsäure aus
einem unreinen festen Säureprodukt
und insbesondere eine Verfahrensverbesserung, wobei das feste Säureprodukt,
trotz Anwesenheit fester Klumpen effizient in einem geeigneten Lösungsmittel
bei relativ niedrigen Temperaturen aufgelöst werden kann.
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In typischen kommerziellen Verfahren
zur Herstellung hochreiner aromatischer Carbonsäuren und insbesondere von Isophthal-
und Terephthalsäure,
wird zuerst eine ziemlich unlösliche,
unreine Säure
hergestellt und aus einem Oxidationsverfahren wiedergewonnen. Im
Oxidationsverfahren, das die katalytische Luftoxidation von Paraxylen
in Essigsäure-Lösungsmittel
im Fall der Terephthalsäure
beinhaltet, wird die unreine Säure,
gewöhnlich
in der Form fester Kristalle, vor der weiteren Verarbeitung in einer
gewöhnlich
getrennten Reinigungsstufe zur Entfernung von Verunreinigungen aus
einem Trockner an ein Vorratssilo transportiert. In der Reinigungsstufe
eines derartigen Verfahrens, werden rohe, d. h. unreine Säurekristalle
in Wasser, rezyklierter Mutterlauge oder einem anderen geeigneten
Lösungsmittel aufgeschlämmt, und
die resultierende Aufschlämmung
wird durch eine Reihe von Vorerhitzern zum Anheben der Aufschlämmungstemperatur
gepumpt und die Aufschlämmungspartikel
dadurch aufgelöst. Die
resultierende Lösung
wird dann der Hydrierung bei erhöhter
Temperatur, in der Regel im Bereich von 280°C–283°C unter Flüssigphase-Bedingungen in der
Gegenwart eines Hydrierungskatalysators aus Edelmetall der Gruppe
VIII unterworfen. Die gereinigte Säure wird durch Kristallisation
der Säure
aus der mit Wasserstoff behandelten Lösung wiedergewonnen. Die Hauptverunreinigungen,
bei denen es sich um p-Toluylsäure
(Schmelzpunkt: 180°C,
Siedepunkt: 275°C)
handelt, die sich von der Verbindung 4-Carboxybenzaldehyd (4-CBA)
(Schmelzpunkt: 258°C,
Siedepunkt: sublimiert) herleitet, und nicht identifizierte Farbkörper, zusammen
mit einigen anderen organischen Komponenten, wie zum Beispiel Benzoesäure (Schmelzpunkt:
122,5°C;
Siedepunkt: 249°C)
und etwas restliche Terephthalsäure
(im Fall der Terephthalsäure)
bleiben in der Lösung
aufgelöst.
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JP-A-07 069975 offenbart ein Verfahren
aus dem Stand der Technik.
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Abhängig von den Bedingungen, unter
denen die Rohsäure
getrocknet wird, ihrem Feuchtigkeitsgehalt und der Zeit, während der
die Säure
im Vorratssilo vor dem Eintreten in die Reinigungsstufe festgehalten
wird, kann signifikante Klumpenbildung des festen Produktes auftreten.
Diese Klumpen können
einen durchschnittlichen durchmesser von so groß wie 10 cm aufweisen und können wiederum sehr
schwer zu verarbeiten sein, können
Ventile und die Transportanlage verstopfen und selbst beschädigen, und
es kann sehr schwer sein, sie effizient in Wasser und anderen Lösungsmitteln,
insbesondere bei relativ niedrigen Initialtemperatuen, d. h. unter
ca. 100°C,
zur weiteren Verarbeitung aufzulösen.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines
Verfahrens zur Handhabung dieser Klumpen im Kontext eines Verfahrens
zur Herstellung hochreiner aromatischer Carbonsäure aus einem rohen, kristallinen
Ausgangsmaterial.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung
ist eine Verbesserung in einem Verfahren zur Herstellung hochreiner
aromatischer Carbonsäurekristalle aus
einem unreinen festen Säureprodukt,
das die folgenden Schritte umfasst:
- (a) Auflösen des
unreinen, festen Produkts in einem Lösungsmittel bei erhöhter Temperatur
zur Bildung einer Lösung;
- (b) Hydrierung der Lösung
bei Anwesenheit eines Hydrierungskatalysators;
- (c) optional Trennung der Lösung
aus dem Katalysator; und
- (d) Abkühlen
der Lösung
zum Präzipitieren
reiner aromatischer Carbonsäure-Kristalle.
Die Verbesserung umfasst die Auflösung des unreinen festen Produktes
im Lösungsmittel
durch Dosieren des unreinen festen Produktes aus seinem Lagersilo durch
eine angemessene Austrittsdüse
in einen Vorratsbehälter,
enthaltend das Lösungsmittel, als
Reaktion auf ein Feedback-Signal. Es ist dadurch möglich, eine
Intermediäraufschlämmung aus
unreinen Säurekristallen
bei einer relativ niedrigen Temperatur im Bereich von 90°C bis 100°C und bei
einer Konzentration im Bereich von 28 Gew.-% bis zu 30 Gew.-% während kontinuierlichen
Rührens
der Aufschlämmung,
so wie sie gebildet wird, zu bilden. Die Aufschlämmung wird dann aus dem Vorratsbehälter entfernt,
d. h. gepumpt, während
unerwünscht
große
Klumpen von bisher noch unaufgelöstem
festem Produkt, d. h. Partikeln mit einer durchschnittlichen Größe größer als
von 24 mm bis 28 mm, im Vorratsbehälter zurückgehalten werden. Die Dichte
der Aufschlämmung
wird kontinuierlich an einem unterstromigen Ort des Vorratsbehälters gemessen, und
diese Messung wird dann in ein Feedback-Signal umgewandelt, das
an die Dosiervorrichtung zur Kontrolle der Rate, bei der festes
unreines Produkt und Lösungsmittel
in den Vorratsbehälter eingeführt werden,
weitergeleitet. Wenn die Aufschlämmung
aus dem Vorratsbehälter
oder danach über
eine oder mehrere Intermediärstufe(n) gepumpt
wird, wird die Aufschlämmung
gleichzeitig auf eine geeignet hohe Verarbeitungstemperatur von
ca. 283°C
erhitzt und der Druck der Aufschlämmung auf einen angemessenen
Grad angehoben, bei dem sich im Wesentlichen alle die Säurepartikel
vor der Hydrierung und Reinigung aufgelöst haben.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann auf einer
kontinuierlichen Basis oder chargenureise betrieben werden, und
in einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform wird die Dosierung
des festen unreinen Produktes aus seinem Lagersilo in den Aufschlämmungsvorratsbehälter unter
Verwendung eines durch einen Motor betätigten Drehventils mit einer
Kontrollvorrichtung erreicht, die auf das Feedback-Signal reagiert.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG
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Der erfindungsgemäße Gegenstand betrifft insbesondere
ein Verfahren zur Herstellung hochreiner aromatischer Carbonsäure-Kristalle
aus einem rohen, festen Säureprodukt.
Bei den aromatischen Carbonsäuren,
die von größtem kommerziellem
Interesse sind, handelt es sich um die Isophthal- und Terephthalsäure, obwohl
das Verfahren zur Handhabung von jedwedem unreinen festen Säureprodukt, das
einer ähnlichen
Reinigung durch Hydrierung in Lösung
ausgesetzt wird, anwendbar ist.
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Ein typisches erfindungsgemäßes Reinigungsverfahren
schließt
die folgenden Schritte ein:
- (a) Auflösen des
unreinen festen Produktes in einem Lösungsmittel bei erhöhter Temperatur
zur Bildung einer Lösung;
- (b) Hydrieren der Lösung
bei Anwesenheit eines Hydrierungskatalysators;
- (c) optional Trennen der Lösung
vom Katalysator; und
- (d) Abkühlen
der Lösung
zum Präzipitieren
reiner aromatischer Carbonsäure-Kristalle.
Im Fall der Isophthal- und Terephthalsäure ist Wasser, das rezyklierte
wässrige
Mutterlauge einschließen kann,
das bevorzugte Lösungsmittel,
und es wird in der Besprechung, welche zur erfindungsgemäßen Erläuterung
folgt, darauf verwiesen.
Die erfindungsgemäße Verbesserung umfasst das
Auflösen
des unreinen festen Produktes im Lösungsmittel, z. B. Wasser,
durch:
- (e) Dosieren des unreinen festen Produktes in einen Vorratsbehälter, enthaltend
das Lösungsmittel
unter Verwendung einer durch einen Motor betätigten Dosiervorrichtung als
Reaktion auf ein Feedback-Signal, um dadurch eine Aufschlämmung aus
unreinen Säurekristallen
bei einer relativ niedrigen Temperatur im Bereich von 90°C bis 100°C und bei
einer Konzentration im Bereich von 28 Gew.-% bis 30 Gew.-%, während des
kontinuierlichen Rührens
der Aufschlämmung,
so wie sie gebildet wird, zu bilden;
- (f) Entfernen der Aufschlämmung
aus dem Vorratsbehälter
durch ein Rückhaltesieb,
wodurch die Partikel des bisher ungelösten festen Produktes, die
eine Partikelgröße von größer als
die Öffnungen
im Sieb aufweisen, im Vorratsbehälter
zurückgehalten
werden;
- (g) Messen der Dichte der Aufschlämmung unterstromig vom Vorratsbehälter und
Umwandlung der Dichtemessung in ein Feedback-Signal;
- (h) Kommunikation des Feedback-Signals an die Dosiervorrichtung
in Schritt (e) und gleichzeitig damit oder danach
- (i) Erhitzen der Aufschlämmung.
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Bei der praktischen Ausführung auf
kommerzieller Skala wird eine rohe Isophthal- oder Terephthalsäure aus
einem Oxidationsverfahren als ein kristallines Pulver wiedergewonnen
und bis zur weiteren Verarbeitung an ein Lagersilo transportiert.
Das Lagersilo und die dazugehörige
Verarbeitungsausrüstung,
Behälter
usw. und die bei den sich anschließenden Reinigungsverfahren
verwendeten Rohrleitungen sind in der Regel aus Edelstahl oder einer
anderen Legierung gefertigt, die konosionsbeständig ist und die Kontamination
der Reaktanten verhindert. Das feste kristalline Pulver, zusätzlich zu
den während
der Oxidationsreaktion gebildeten chemischen Verunreinigungen können auch
rückständiges Lösungsmittel
von der früheren
Verarbeitung und dem Waschen enthalten, und es kann etwas Feuchtekonzentration
aufweisen, die alle zu einer Tendenz beitragen können, dass die Kristallpartikel
zusammenkleben und im Laufe der Zeit massive, harte Klumpen bilden.
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Die Reinigung des rohen, d. h. unreinen
Säureproduktes
erfordert zuerst das Auflösen
des kristallinen Produkts in einem Lösungsmittel, wie zum Beispiel
demineralisiertem oder rezykliertem Wasser (d. h. Mutterlauge) oder
einem Gemisch aus den beiden. Die Rate, bei der sich die Säurekristalle
auflösen
können,
kann durch zahlreiche Faktoren, wie zum Beispiel die Partikelgröße (Klumpengröße), Konzentration,
Temperatur, Druck und Rühren
beeinflusst werden. Es wurde festgestellt, dass es zur leichten
Verarbeitung am praktischsten ist, zuerst eine wässrige Aufschlämmung aus
der rohen Säure
bei einer verhältnismäßig niedrigen
Temperatur im Bereich von 90°C–100°C in einem
mit einem Rührer
zum kontinuierlichen Mischen der Aufschlämmung, so wie sie sich bildet,
ausgerüsteten
intermediären „Aufschlämmungsvorratsbehälter" zu bilden und dadurch
die Auflösungsrate
zu fördern.
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Es werden gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform
rohe Säurekristalle
aus einem Lagersilo in einen Aufschlämmungsvorratsbehälter durch
eine von zwei möglichen
Ablassdüsen
oder -leitungen dosiert. Eine primäre Ablassleitung verläuft direkt
von der konischen Basis des Lagersilos, und eine sekundäre Ablassleitung
verläuft
direkt von der Seite des konischen Teils kommend. Jede Ablassleitung
ist mit einer durch einen Motor betätigten Dosiervorrichtung ausgerüstet, bei
der es sich in einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform um ein durch einen
Motor betätigtes
Drehventil von geeignetem Durchmesser, d. h. nicht weniger als ca.
20 cm Durchmesser handelt. Die Geschwindigkeit des Drehventils wird
durch einen Aufschlämmungsdichte-Regler
kontrolliert. Der Regler-Ausgang liegt über einen Wechselrichter zur
Kontrolle der Geschwindigkeit des Drehventil-Antriebmotors im Bereich
von 0 bis 22 U/min.
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Das Lagersilo befindet sich in der
Regel direkt über
dem Aufschlämmungsvorratsbehälter, der mit
einem Rührer
zum kontinuierlichen Rühren
der Aufschlämmung,
so wie sie gebildet wird, ausgerüstet
ist. Es wird ein vertikal positionierter einzelner Axialabwärtsflusskreiselrührer verwendet,
der in der Regel bei ca. 68 U/min betrieben wird. Es kann jedoch jedes
geeignete Rührmittel
verwendet werden, das zum kontinuierlichen Betrieb installiert werden
kann.
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Die durch einen Motor betätigten Drehventile in
den primären
und sekundären
Ablassleitungen werden zur Dosierung des unreinen Säureproduktes aus
dem Lagersilo in den Aufschlämmungsvorratsbehälter angeordnet.
Die Pulverfließrate
kann unter Verwendung eines kommerziell erhältlichen Pulverfließmessers
des Typs gemessen werden, der simultan die Dichte und Geschwindigkeit
misst und diese Messungen dann in die Massenfließrate umwandelt. Die Aufschlämmungsstärke ist
dann durch Kontrolle der Pulvermassenfließrate bei einem fixierten Verhältnis zur
Gesamtlösungsmittelfließrate in
den Aufschlämmungsvorratsbehälter kontrollierbar.
In der beschriebenen Ausführungsform
kann ein alternatives Kontrollschema unter Verwendung der Aufschlämmungsdichtemessung
verwendet werden. Ein Feedback-Signal wird aus einem oder beiden
der Dichtemessvorrichtungen gemessen, die sich unterstromig vom
Aufschlämmungsvorratsbehälter befinden.
Die Aufschlämmungsdichte
wird in der Regel bei ca. 1085 kg/m3 aufrechterhalten.
Die Dichtemessung weist eine direkte Beziehung zur Aufschlämmungsstärke, d.
h. der Dichte auf und wird zum Einstellen der Rohsäurefließrate in
den Aufschlämmungsvorratsbehälter gemäß der vorgewählten Einstellpunkte verwendet.
Die Dichtemessung wird in ein Feedback-Signal umgewandelt, das entweder
an eine oder beide Motorkontrollvorrichtung(en) übertragen wird, die wiederum
die Geschwindigkeit kontrolliert, bei der der entsprechende Motor
sein entsprechendes Drehventil dreht. In der praktischen Ausführung wird
immer nur eine der primären
und sekundären Ablassleitungen
zum Betreiben des Verfahrens verwendet. Rerykliertes Wasser wird
in den Aufschlämmungsvorratsbehälter über eine
Leitung und ein Kontrollventil eingeführt, und Frischwasser kann
dem Aufschlämmungsvorratsbehälter über eine
Leitung zugefügt
werden. Außerdem
kann Lösungsmittel,
in der Regel kaltes demineralisiertes Wasser, über einen Spülwasserspray
durch eine Aufschlämmungsvorratsbehälter-Lüftungsleitung
in den Aufschlämmungsvorratsbehälter eingeführt werden.
Der Gesamtlösungsmittelfluss
in den Aufschlämmungsvorratsbehälter wird
durch ein kommerziell erhältliches Hoch-
und Niederpegelkontrollmittel kontrolliert.
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Die Reinigungsstufe basiert auf einem
Gesamtverfahrensdesign, wobei die im Aufschlämmungsvorratsbehälter gebildete
wässrige
Aufschlämmung
sorgfältig
kontrolliert wird, um eine Feststoffstärke im Bereich von 28 Gew.-%
bis 30 Gew.-% bezogen auf eine Rohsäuredesign-Fließrate von
55 tes/h und eine Lösungsmitteldesignfließrate von 128,3
tes/h aufrechtzuerhalten. Die Aufschlämmungskonzentration kann zwischen
höher und
niedriger variieren, eine derartige Variation produziert hinsichtlich
der Gesamtverfahrenseffizienz jedoch gewöhnlich eine entsprechende wirtschaftliche
Einbuße.
Die Temperatur im Aufschlämmungsvorratsbehälter wird
im Bereich von 95°C
bis 100°C
aufrechterhalten, obwohl dieser Bereich nicht kritisch und der Druck
atmosphärisch
ist.
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Zum Erreichen des gewünschten
erhöhten Temperatur-
und Druckpegels zur Hydrierung wird die wässrige Aufschlämmung durch
eine vorbestimmte Reihe von Vorerhitzern, d. h. Wärmeaustauschern
gepumpt. Die Aufschlämmung
wird aus dem Aufschlämmungsvorratsbehälter über eine
Leitung in einer Druckkontrollschleife über eine Niederdruck-Dissolver-Speisepumpe
umgepumpt. Die Niederdruck-Dissolver-Speisepumpe
ist eine Horizontalzentrifugalpumpe einer/eines geeigneten Kapazität und Ablassdrucks.
Der Druck in der Kontrollschleife wird in der Regel bei über 10 bar
(1000 kPa) aufrechterhalten. Zwei verfahrensbetriebene Filter sind
parallel auf der Ablassseite der Niederdruck-Dissolver-Speisepumpe zur Entfernung
jedweder Trümmer, die
in das System eingedrungen sind, positioniert. Nur immer eines der
Filter ist in Gebrauch. Die Aufschlämmung fließt durch einen Kondensat-Einspritzerhitzer
auf ihrem Weg zur Ansaugseite der Hochdruck-Dissolver-Speisepumpe
und dann weiter an einen ersten Vorerhitzer, der die Temperatur
der Aufschlämmung
auf einen intermediären
Wert im Bereich von 150°C
anhebt. Im Betrieb steigert eine Reihe Hochdruck-Dissolver-Speisepumpen
den Aufschlämmungsdruck
von ca. 10 bar (1000 kPa) auf 110 bar (11 000 kPa) und gibt die
Aufschlämmung über eine
Reihe von Vorerhitzem an die Reinigungsreaktionsstufe ab. Diese
zusätzlichen,
in Reihe angeordneten Vorerhitzer heben die Temperatur der Aufschlämmung zur
Reinigungsreaktion auf die sich im Bereich von 283°C befindende
erforderliche Betriebstemperatur an. Hochdruck-Dissolver-Speisepumpen sind
im allgemeinen einstufige, vertikal montierte, bei hoher Geschwindigkeit
arbeitende Zentrifugalpumpen.
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Die Aufschlämmung wird aus dem Aufschlämmungsvorratsbehälter über eine
Düse entnommen,
die sich in der Seitenwand des Vorratsbehälters befindet. Die Düse ist größenmäßig so bemessen,
um den Fließraten
des Verfahrensdesigns gerecht zu werden. Mit dieser Konfiguration
werden unerwünscht
große
Klumpen von bisher noch nicht aufgelösten Feststoffpartikeln aus
Rohsäure
durch ein perforiertes Sieb, das entweder intern oder extern über der Öffnung für die Düse positioniert
ist, im Vorratsbehälter
zurückgehalten,
wodurch Feststoffpartikel mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von größer als
24 mm, d. h. zu groß,
um durch die Öffnungen
im Sieb passieren zu können,
im Aufschlämmungsvorratsbehälter zurückgehalten
und daran gehindert werden, in den unterstromigen Teil des Verfahrens
einzutreten, bis sie ausreichend aufgelöst wurden, um durch die Öffnungen
im Sieb passieren zu können.
Obwohl die Beschreibung auf ein „Sieb" verweist, kann jedwedes geeignete Rückhaltemittel, wie
zum Beispiel expandiertes Metall, ein gebohrtes oder gestanztes
Blech, die über
die Düsenöffnung platziert
werden können,
um unerwünscht
große
feste Partikel vorübergehend
im Aufschlämmungsvorratsbehälter zurückzuhalten,
bei der erfindungsgemäßen praktischen
Ausführung
verwendet werden.
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Die Aufschlämmungsstärke in der Einspeisung an die
Vorerhitzer bestimmt die Terephthalsäure-/Isophthalsäurestärke im Hydrierungsreaktor.
Die Lösungsstärke ist
deshalb zum erfolgreichen Betrieb des Reaktors kritisch, und die
Kontrolle der Aufschlämmungsstärke zum
Einspeisen ist sehr wichtig.