JP4383023B2 - 無水フタル酸の製造のためのｏ−キシレン−空気混合物を生成する方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、オルトキシレン（ｏ−キシレン）および空気から均質化されたガス混合物（供給ガス）を生成する方法に関するものである。なお、このガス混合物は、いわゆるＰＡプロセス（すなわち、無水フタル酸法）において気相酸化によって無水フタル酸（ＰＡ）を製造するための素地（すなわち、主成分）である。
【０００２】
【従来の技術】
原料としてのｏ−キシレンで操作されるＰＡプロセスのための供給ガスの生成は、これまでは、つぎのようにして行われてきた。
【０００３】
プロセス空気は、ブロワ（すなわち、送風機）によって周囲から吸い込まれ、濾過され、ついで、或る圧力レベルに圧縮される。この圧力レベルは、ＰＡ（無水フタル酸）プラントのプロセス・ガス・ストランド（すなわち、プロセス気体束）を通して空気ストリーム（すなわち、空気流）の移送を許容する。ブロワの後位に配置されている熱交換器において、このプロセス空気ストリームは、その温度レベルに上昇される。これと並行して、ストレージ・タンク（すなわち、貯液タンク）からの液体ｏ−キシレンは、ポンプによって或る予備的圧力にもたらされて、予熱器を通過する。予熱されたｏ−キシレンは、いわゆる蒸発器において、ノズル・システムによって空気ストリーム（すなわち、空気流）に対して平行な液体の形態で空気ストリーム中に噴射される。微細なｏ−キシレン滴は、空気ストリーム中に完全に蒸発し、ついには、ガス・ストリーム（すなわち、気体流）中の濃度および温度の分布の均一化がスタティック・ミキサ（すなわち、固定形混合機）のような均質化ステージによって達成される。この供給ガスは、ついで、触媒で充たされている管状反応器に入る。この反応器においては、無水フタル酸を形成するために、ｏ−キシレンと大気の酸素との部分的な酸化が行われる。
【０００４】
この数十年間、供給ガスの生成のための上述のプロセスの原理は、ＰＡプロセスにおいて首尾良く用いられてきた。しかし、上述のプロセスの原理は、空気ストリームへのより高いｏ−キシレン装入量（＞空気Ｎｍ³当りｏ−キシレン８０ｇ）の首尾良い導入については、また、ＰＡプラントの供給ガスの一部の爆発安全性に関して以下に述べるような潜在的弱点を示した。なお、本文において、「Ｎｍ³」とは、標準立方メートルを意味している。
【０００５】
ｏ−キシレンと空気とのガス状混合物の下方側の爆発限界は、約４４ｇ／Ｎｍ³である。上記混合物を発火させるのに必要な最小のエネルギーがｏ−キシレンのロード（すなわち、装入量）を増加させることによって非常に減少し、このために、爆発の可能性に関する増加された感度が存在することが見出された。ＰＡプロセスの経済性は、大部分、空気Ｎｍ³当りのｏ−キシレンの装入量に依存している。空気Ｎｍ³当りｏ−キシレン８０ｇ〜空気Ｎｍ³当りｏ−キシレン１２０ｇの範囲の処理能力を有するプラントが安全に操作されなければならないということは、基本的な必要条件である。
【０００６】
ＰＡプラントの供給ガスの一部における発火の可能性のある原因に関して、供給ガスを生成する上述のプロセスを用いるときには特に、つぎの２つの点が留意されるべきである。
○ スプレー・ノズルで液体ｏ−キシレンを霧状にするとき、静電気がｏ−キシレン滴自体に蓄積され、蒸発器における設備を通してのこの静電気の放電は、爆発の原因であることができるスパークを順次導くことができる。
○ 蒸発されたｏ−キシレンからの蒸発残査が蒸発器の内側の取り付け物に析出することは、固体層の蓄積を導くことができ、この固体層がプロセス空気からの酸素との化学反応によって自然発火性の物質（この自然発火性の物質は、順次、爆発のための潜在的な発火源になる。）を形成することができる。
【０００７】
ドイツ特許公開Ｎｏ．２８３９８３１は、ナフタレンの酸化のためのガス混合物を製造する方法を開示している。この製造方法においては、ナフタレンは酸素の不存在のもとで蒸発され、この蒸発されたナフタレンは酸素と混合され、そして、酸素に対するナフタレンの混合比は、フロー・レート（すなわち、流量率）を測定することによって調整される。ナフタレンを用いることによって行われるこの方法においては、ナフタレン４０ｇ／空気Ｎｍ³のキャパシティ（すなわち、処理能力）が達成される。
【０００８】
ヨーロッパ特許Ｎｏ．０４８３６４５は、ナフタレン、ｏ−キシレンおよび空気から供給ガス混合物を生成する方法を開示している。オルトキシレンは、まず最初に酸素の不存在のもとで蒸発され、ついで、液体ナフタレンを通過するので、ｏ−キシレン蒸気はナフタレンで飽和される。ついで、この混合物はプロセス空気に供給される。大気の酸素との蒸発されるべきナフタレンの接触は避けられる。もしもそうでなければ、このような接触は、ナフタレン蒸発器におけるタール状の副生品の連続的な形成を導いて、このナフタレン蒸発器を浄化する必要性が増大するであろう。この方法においては、処理能力は、炭化水素１００ｇ／空気Ｎｍ³に制限される。
【０００９】
本発明の目的は、無水フタル酸の製造のためのｏ−キシレン−空気混合物を製造する方法（この製造方法によって、空気Ｎｍ³当りｏ−キシレン８０ｇ〜空気Ｎｍ³当りｏ−キシレン１２０ｇの範囲の処理能力が達成されることができる。）を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、この目的は、ｏ−キシレンが酸素の不存在のもとで完全に蒸発され、その後に過熱され、ついで酸素含有の加熱された空気と混合され、そして、この混合物が無水フタル酸製造のための反応器（以下、「ＰＡ反応器」という。）に供給されることによって、達成される。
【００１１】
２つの成分の均質化されたプリミックス（すなわち、予め混合されたもの）を得るために、スパージャ・システムとして設計されているガス−ガス混合手段は、ｏ−キシレン蒸気がプロセス空気に混合される地点に備えられている。引き続いて備えられているスタティック混合手段（すなわち、固定形混合手段）は、上記混合物の完全な均質化を確実ならしめる。
【００１２】
蒸発器として、ケットル型蒸発器または自然循環蒸発器が用いられてよい。ケットル型蒸発器は、技術的にはより簡素であるために、費用がより少ないという利点があり、したがって、一般的には好ましい。もしもｏ−キシレンがスチレンまたはクメンとの高含量の副生品を有すれば、析出物は、蒸発器の表面に形成されるかもしれない。この析出物は、熱の伝達を妨げる。このようなことは、自然循環蒸発器がこの蒸発器の表面付近においてより高いフロー・レートを有しているので、自然循環蒸発器を用いることによって避けられることができる。
【００１３】
ｏ−キシレンは、２．３バールの蒸気絶対圧に相当する少なくとも１７５℃の温度で蒸発されなければならない。このことは、プロセス空気にｏ−キシレンを混合するための十分な圧力勾配を確保する。このプロセス空気は、蒸気状のｏ−キシレンが混合される地点において、約１．５バールの絶対圧を有している。上記プラントの実用化を実現するためには、１８０℃〜２０５℃の温度がｏ−キシレンの蒸発のために選択される。これは、２．４バール〜４バールの蒸気絶対圧に相当している。
【００１４】
蒸発システムの重要な必要条件は、ＰＡ反応器における触媒が空気ストリームへのｏ−キシレン装入量の変動によって短い操作期間内に損傷されるかもしれないので、ｏ−キシレン蒸気ストリームが一定に保持されることである。このことは、高いｏ−キシレン装入量にとっては、特に真実である。ｏ−キシレン蒸発器への蒸気の供給は、通常、或る範囲内で変動する。このことは、蒸発されるべきｏ−キシレン・ストリームの変動を引き起こす。このことは、ｏ−キシレン蒸発器に水蒸気を供給するための十分に所定の寸法で作られた水蒸気アキュムレータを用いることによって、少なくとも大部分は避けられることができる。さらに、上記変動は、ｏ−キシレン蒸発器における圧力を増加させることでもって、減少されることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
つぎに、本発明による製造方法の実施例を図面を参照して説明する。
【００１６】
図１に示されているように、ｏ−キシレン１５は、ｏ−キシレン・ポンプ４によって、ストレージ・タンク（すなわち、貯液タンク）から２つのｏ−キシレン予熱器５、６（これらの予熱器５、６においては、ｏ−キシレンは、水蒸気１３ｃ、１３ｄによって、１８０℃に加熱される。）を通して供給される。ｏ−キシレン・ポンプ４は、圧力側では、絶対圧２．５バールを与えている。ついで、液体ｏ−キシレン１５は、ケットル型蒸発器７に流れ込む。
【００１７】
このケットル型蒸発器７は、その内部に、水蒸気加熱された管状コイル（図示せず）を有している。ｏ−キシレン１５は、１８０℃〜２０５℃の蒸発温度に相当する２．４バール〜４バールの絶対圧で蒸発される。加熱媒体（すなわち、加熱を行うための媒体）として、１８バールと３０バールとの間の飽和水蒸気１４（１８バールで２１０℃の温度または３０バールで２３４℃の温度を有する上記飽和水蒸気１４は、蒸発されるべき媒体に対して十分な温度差を有している。）が用いられる。ｏ−キシレン蒸発器７への飽和水蒸気ストリーム（すなわち、飽和水蒸気流）を一定に保つために、水蒸気ネットワークからの水蒸気供給とｏ−キシレン蒸発器７との間に位置している水蒸気アキュムレータ（すなわち、水蒸気タンク）１２が用いられる。
【００１８】
このようにして生成されたｏ−キシレン蒸気１８は、ケットル型蒸発器７の蒸気スペースから取り出されて、過熱器８を通過する。この過熱器８は、ｏ−キシレン蒸気１８の凝縮を避けるために、このｏ−キシレン蒸気を１０℃だけ過熱する。過剰の凝縮液２７は、蒸発器７から取り出される。ｏ−キシレン蒸気の凝縮を避けることは、ｏ−キシレンのフロー・レート（すなわち、流量率）をコントロールするために、決定的に重要である。何故ならば、このことは、ｏ−キシレン蒸気のフロー・レートを測定することによって行われ、そして、ｏ−キシレン蒸気１９の凝縮は、プロセス空気ストリーム（すなわち、プロセス空気流）におけるｏ−キシレン・ロード（ｏ−キシレン装入量）のフラクチュエーション（すなわち、変動）を導くからである。ついには、過熱されたｏ−キシレン蒸気１９は、所定の混合手段１０において、プロセス空気１６（このプロセス空気１６は、プロセス空気ブロワ（すなわち、プロセス空気送風機）１によって、２つのステージ予熱器２、３を通してＰＡ反応器に向って供給される。）と混合される。混合手段１０は、添加地点においてプロセス空気１６との過熱されたｏ−キシレン蒸気１９の良好な混合がすでに達成されるように、設計されている。このことは、スパージャ・リング（これらのスパージャ・リングは、プロセス空気ラインの全導管断面にわたってｏ−キシレン蒸気を分散する。）によって達成される。
【００１９】
予熱器２、３においては、プロセス空気１６は、約１５０℃に加熱される。混成された供給ガス・ストリーム（すなわち、供給ガス流）１７は、濃度と温度とを均質化するために、スタティック・ミキサ（すなわち、固定形混合機）１１を通過する。このことは、このような高いロード・レンジ（すなわち、装入量範囲）における酸化反応器の安全で効率の良い操作のために、非常に重要である。混合手段１０（図３もまた参照乞う。）において可能なだけ均質化されるように、過熱されたｏ−キシレン蒸気１９をプリミックス（すなわち、予混合）することは、必要である。何故ならば、スタティック・ミキサ１１は、一定の効率でのみ混合することができ、したがって、反応器にとって必要とされる混合の質を確保できるようにするために、このスタティック・ミキサ１１の入口において十分に均質化された混合物をすでに必要としているからである。
【００２０】
ケットル型蒸発器においてｏ−キシレンを蒸発する代りに、自然循環が図２に示されているように蒸発の原理として用いられることができる。
【００２１】
この図２に示す製造方法においては、ｏ−キシレン１５は、予熱５、６の直後に、ｏ−キシレン蒸気ドラム９に入る。このｏ−キシレン蒸気ドラム９は、自然循環によって給液される。
【００２２】
下降パイプ２０を通る沸騰ｏ−キシレン１５は、加熱用の水蒸気で加熱された蒸発器２１（この蒸発器２１は、リボイラ（すなわち、再沸騰器）として操作する。）に入る。この蒸発器２１を通るｏ−キシレンの一部分は、約２．４〜４バールの範囲の絶対圧で蒸発され、ついで、自然循環によってｏ−キシレン蒸気ドラム９に再循環される。このドラム９の蒸気スペースからの蒸気は過熱器８に入る。この過熱器８では、上述のように、ｏ−キシレン蒸気１８は、このｏ−キシレン蒸気１８の凝縮を避けるために、１０℃だけ過熱される。これ以降の工程は、図１に関して既述した工程と実質的に同一である。
【００２３】
図３は、図１および図２に示す製造方法において混合手段１０として用いられることができるスパージャ・リング・システムを示している。過熱されたｏ−キシレン蒸気１９は、このスパージャ・リング・システムによって、プロセス空気１６と混合される。複数のリング２２は、プロセス空気導管２３の内側に同心状に配置されている。これらのリング２２は、曲げられかつ溶接されたチューブから構成されている。これらのリング２２の間の距離は、放射状の保持シート（すなわち、薄板）２４によって規定されている。加圧されかつ過熱されたｏ−キシレン蒸気１９は、導管２５を経由してすべてのリング２２内に導入される。これらのリング２２は、それらの外周囲に一様に分布している複数の出口開口２６を有している。ｏ−キシレン蒸気は、これらの出口開口２６を通して漏出して、プロセス空気と混合する。
【００２４】
具体例
年当り５０，０００トンの年間生産能力を備えたＰＡプラントのために、ｏ−キシレンの蒸発が、前述の原理にしたがって達成される。このプラントは、年当り８，０００時間稼働する。ｏ−キシレンは９８％の純度を有している。このプラントは空気Ｎｍ³当りｏ−キシレン１００ｇのロード（すなわち、装入量）で操作し、そして、このプラントは１１２％の収率（用いられるｏ−キシレンのｋｇ当りの生成される純粋ＰＡ（すなわち、純ＰＡ）のｋｇ）を達成するので、
（５０，０００〔トン／年ＰＡ〕）×１．１２／８，０００／０．９８＝ｏ−キシレン７，１４３〔ｋｇ／時間〕
のｏ−キシレン・ストリームが必要とされる。上記プラントが酸化のために必要とする空気ストリーム（すなわち、空気流）は、７１，４３０Ｎｍ³／時間である。
【００２５】
ｏ−キシレンポンプは、ｏ−キシレン・ストリーム（すなわち、ｏ−キシレン流；２０℃、大気圧）を供給する。このｏ−キシレン・ストリームは、このポンプの出口では、１．８バールの圧力と４０℃の温度とを有している。２．５バールの低圧水蒸気で操作される第１の熱交換器においては、ｏ−キシレンは１３５℃の温度に達する。１８バールで加熱される第２の熱交換器においては、ｏ−キシレン・ストリームは１７５℃に加熱される。蒸発器に入るとき、もしも熱交換器および導管が０．４バールの圧力損を有していれば、ｏ−キシレンは１．４バールの圧力を有する。
【００２６】
２つの予熱器の水蒸気消費量は、つぎのとおりである。
第１の予熱器：
ヒート・ストリーム（すなわち、熱流）：７，１４３〔ｋｇ／時間〕／３，６００〔秒／時間〕×２．１〔ｋＪ／ｋｇＫ〕×（１３５〔℃〕−４０〔℃〕）＝３９６〔ｋＷ〕
水蒸気必要量：３９６〔ｋＷ〕／２，１５３〔ｋＪ／ｋｇ〕×３，６００〔秒／時間〕＝６６２〔ｋｇ／時間〕（２．５バール）
第２の予熱器：
ヒート・ストリーム：７，１４３〔ｋｇ／時間〕／３，６００〔秒／時間〕×２．１〔ｋＪ／ｋｇＫ〕×（１７５〔℃〕−１３５〔℃〕）＝１６７〔ｋＷ〕
水蒸気必要量：１６７〔ｋＷ〕／１，９００〔ｋＪ／ｋｇ〕×３，６００〔秒／時間〕＝３１６〔ｋｇ／時間〕（１８バール）
【００２７】
蒸発器は、時間当り７，１４３ｋｇのｏ−キシレンを蒸発させなければならない。このために、
７，１４３〔ｋｇ／時間〕／３，６００〔秒／時間〕×{３１５〔ｋＪ／ｋｇ〕＋（１８０〔℃〕−１７５〔℃〕）×２．１５〔ｋＪ／ｋｇＫ〕}＝１，３６５〔ｋＷ〕
のヒート・ストリームを必要とする。これは、
１，３６５〔ｋＷ〕／１，９００〔ｋＪ／ｋｇ〕×３６００〔秒／時間〕＝２，５８６〔ｋｇ／時間〕
の量の加熱水蒸気（１８バール）を必要とする。
【００２８】
自然循環蒸発器システムの場合には、
７，１４３〔ｋｇ／時間〕／０．１５＝４７，６２０〔ｋｇ／時間〕
のｏ−キシレンが蒸発器循環路において循環する。
【００２９】
蒸気ドラムから漏出するｏ−キシレン蒸気は、これらのｏ−キシレン蒸気が過熱器の出口で１９０℃の温度を有するように、この過熱器において１０Ｋだけ加熱される。
【００３０】
過熱器は、
７，１４３〔ｋｇ／時間〕／３，６００〔秒／時間〕×１．９〔ｋＪ／ｋｇＫ〕×（１９０〔℃〕−１８０〔℃〕）＝３８〔ｋＷ〕
の熱出力を必要とする。これは、
３８〔ｋＷ〕／１，９００〔ｋＪ／ｋｇ〕×３，６００〔秒／時間〕＝７２〔ｋｇ／時間〕（１８バール）
の量の加熱水蒸気に相当している。
【００３１】
過熱されたｏ−キシレン蒸気は、蒸発器の出口において、１．３バールの圧力を有している。これらの蒸気は、その圧力がこの地点において約０．５バールであるプロセス空気ストリームに引き続いて拡散される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例によるケットル型蒸発器付きプロセスのフローチャートを示している。
【図２】本発明の別の実施例による自然循環蒸発器付きプロセスのフローチャートを示している。
【図３】図１および図２に示すプロセスにおいて混合手段として用いられることができるスパージャ・リング・システムを示している。
【符号の説明】
７ ケットル型蒸発器
８ 過熱器
９ ｏ−キシレン蒸気ドラム
１０ 混合手段
１１ スタティック・ミキサ
１２ 水蒸気アキュムレータ
１３ａ 水蒸気
１３ｂ 水蒸気
１３ｃ 水蒸気
１３ｄ 水蒸気
１５ ｏ−キシレン
１６ プロセス空気
１７ 混成供給ガス・ストリーム
１８ ｏ−キシレン蒸気
１９ 過熱されたｏ−キシレン蒸気
２１ 蒸発器
２２ リング

Claims (5)

1. 無水フタル酸の製造のためのｏ−キシレン−空気混合物を製造する方法において、
   ｏ−キシレンは、酸素の不存在のもとで完全に蒸発され、その後に過熱され、ついで加熱されたプロセス空気と混合され、
   この混合物が無水フタル酸製造のための反応器に供給されることを特徴とする製造方法。
2. 上記ｏ−キシレンの上記蒸発のための蒸発器が自然循環蒸発器（９）またはケットル型蒸発器（７）であることを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
3. 上記ｏ−キシレン−空気混合物を製造するためのプラントが空気Ｎｍ³当りｏ−キシレン８０ｇ〜空気Ｎｍ³当りｏ−キシレン１２０ｇの範囲の装入量を有することを特徴とする請求項１または２に記載の製造方法。
4. 加熱水蒸気を供給するための水蒸気アキュムレータが上記ｏ−キシレンの蒸発のための蒸発器の前位に備えられていることを特徴とする請求項１、２または３に記載の製造方法。
5. 上記プロセス空気との上記ｏ−キシレン蒸気の混合がスパージャ・リング・システムとして設計されている混合手段によって行われることを特徴とする請求項１〜４のうちのいずれか１つに記載の製造方法。

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