JP5336198B2 - 芳香族化合物の酸化処理において反応炉出口ガスから水を低減する方法 - Google Patents
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Description
本発明は、第一吸収塔と凝縮器に反応炉出口ガスを通過させることにより、芳香族化合物の酸化処理において反応炉出口ガスから水を低減する方法に関する。脱水塔に流入する水の量を低減するので、水と酢酸を分離するのに必要な蒸気の量を低減し、脱水塔の負荷を低減することができる。
一般に、テレフタル酸を調製するプロセスは、コバルト、マンガン、および臭化物などの触媒の存在下でｐ−キシレンを空気で酸化させる酸化工程と、反応炉から酢酸溶媒を回収し、水を除去する蒸留工程とを含む。
一般に、従来の蒸留、共沸蒸留等は、水から酢酸を分離し、回収するのに利用する。
図１は、共沸剤を用いて共沸蒸留を通して酢酸を回収する従来のプロセスを示す。
図を参照すると、共沸剤を用いて共沸蒸留を通して酢酸を回収する従来の装置は、共沸蒸留を通して水から酢酸を分離する脱水塔（１）と、脱水塔（１）の頂部から出口ガスを凝縮する凝縮器（２）と、凝縮器（２）を通過させて水から液体有機物質を分離する有機物−水分離タンク（３）と、脱水塔（１）に蒸気を供給する加熱器（４）と、脱水塔の底部で排出された酢酸を冷却する熱交換器（５）とを含む。
このような従来の技術は、共沸剤を水と酢酸の混合物に加えることで、得られる共沸混合物が水の沸点よりも低い温度で沸騰するので、脱水塔（１）によるエネルギー消費を低減することができるという利点がある。
しかしながら、蒸気の供給が酢酸を回収するのに必要であるため、さらなるエネルギーが水を除去するのに必要となる。
テレフタル酸を調製する際に形成された反応炉出口ガスは１８０℃以上と高温であり、非圧縮性ガス、例えば、窒素、酢酸、ｐ−キシレン、および水、を含む。
反応炉出口ガスは、反応炉出口ガスの温度を徐々に低下させるために、熱交換用の冷却水を含有するいくつかの熱交換器を通過させる。凝縮された酢酸および若干の水は反応炉に戻され、残りの水は排出用に脱水塔に送られる。
最後の熱交換器を通過したガスは、少量の酢酸とｐ−キシレンを含む。ガスは高圧吸収塔に送られ、ここで、ｐ−キシレンは酢酸により同伴された際に回収され、酢酸は水により同伴された際に回収され、窒素を含む非凝縮性ガスはガス排出ユニットに送られ、そこで処理される。
最後の熱交換器を通過し、凝縮された酢酸と水の液体混合物は脱水塔に送られ、ここで、酢酸は脱水塔の底部で排出され、水は脱水塔の頂部で排出される。
いくつかの熱交換器を用いて反応炉出口ガスの温度を徐々に低下させることにより水から酢酸を分離する方法は、高温の反応炉出口ガスから蒸気を生成できるという利点があるが、蒸気を用いて脱水塔で水を酢酸から除去する必要があるので、エネルギー消費が避けられない。
本発明はこの問題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、さらなるエネルギー消費をすることなく、芳香族化合物の酸化処理において反応炉出口ガスから水を低減する方法を提供することである。
本目的を達成するため、本発明は：ガス−液接触面を増加させる手段としてトレーまたはパッキンを備える第一吸収塔の底部入口に反応炉出口ガスを流入する工程と；酢酸、プロピオン酸、およびアクリル酸からなる群から選択されるカルボン酸および反応炉出口ガスに含まれるカルボン酸を回収し、第一吸収塔の底部出口を通してカルボン酸を回収するために、第一吸収塔の頂部入口で芳香族化合物を供給する工程と；第一吸収塔の頂部出口を通して芳香族化合物とともに反応炉出口ガスに含まれる水を排出し、凝縮器を用いて水と芳香族化合物を凝縮し、有機物−水分離器を用いて芳香族化合物から水を分離し、廃水として水を排出する工程とを含む、芳香族化合物の酸化処理において反応炉出口ガスから水を低減する方法を提供する。
有機物−水分離器により分離された芳香族化合物あるいは芳香族化合物および水の一部を第一吸収塔に再循環し、有機物−水分離器から排出されたガスを第二吸収塔に移送する。
芳香族化合物はｏ−キシレン、ｍ−キシレン、ｐ−キシレン、ベンゼン、およびトルエンからなる群から選択される。ｐ−キシレンを使用するのが好ましい。
第一に、水は反応炉出口ガスから除去されるので、脱水塔で除去する水の量が低減し、水と酢酸を分離するのに使用する蒸気の量も低減することができる。
第二に、脱水塔で除去する水の量が低減するので、脱水塔の負荷が低減することにより、脱水塔の能力が増加する。
第三に、ｐ−キシレンを含むキシレン化合物は芳香族化合物として使用するので、第一吸収塔で排出された混合物は、特別な分離装置を用いることなく、芳香族化合物の酸化用に反応炉に再循環することができる。
テレフタル酸を調製するためのｐ−キシレンの酸化処理において反応炉出口ガスから水を低減するプロセスに対する、本発明による芳香族化合物の酸化処理において反応炉出口ガスから水を低減する方法の具体的かつ詳細な説明を以下に示す。
テレフタル酸の調製プロセスにおいて、コバルト、マンガン、および臭化物などの触媒の存在下でｐ−キシレンを空気で酸化させる際に、溶媒として用いる酢酸と反応中に生成される水が、窒素および他のガスとともに高温ガスの形態で排出される。発明者は、反応炉出口ガスから水を除去することにより、脱水塔に流入する水の量および脱水塔で水と酢酸を分離するのに必要な蒸気の量を低減できることを発見した。その結果、脱水塔の負荷を低減できるかまたは脱水塔の使用が不要となる。
第一吸収塔の底部出口で排出される酢酸、ｐ−キシレン、および水の液体混合物は、テレフタル酸のさらなる調製用に反応炉に再循環される。反応の程度に応じて変わるが、液体混合物は一般に、１０〜６０重量％の酢酸、１０〜６０重量％のｐ−キシレン、および３〜４０重量％の水を含む。
一般に、テレフタル酸は、以下のスキーム１に示すように、触媒の存在下でｐ−キシレンの空気酸化により調製される。１００重量部のテレフタル酸を調製するのに約６５重量部のｐ−キシレンが必要である。
反応炉出口ガスに含まれる水は、過剰なｐ−キシレンとともに第一吸収塔の頂部出口で排出される。ｐ−キシレンと水を含むガスは、第一熱交換器により約１００℃のストリームに凝縮され、第二熱交換器により約４０℃のストリームに凝縮され、有機−水分離ユニットに移送される。ｐ−キシレンは水から分離され、そこで回収され、水は廃水として排出される。有機物−水分離器により排出されたガスは約４０℃以下のガスであり、通常の高圧吸収塔である第二吸収塔に移送され、従来の方法と同様にそこで処理される。
反応炉出口ガスは、直接またはいくつかの熱交換器を通過して第一吸収塔に流入する。例えば、ガスが４つの熱交換器を通過する場合、第二、第三の熱交換器を通過した１２０〜１９０℃の高温の反応炉出口ガスは第一吸収塔の底部入口に流入し、水は上述のように反応炉出口ガスから除去される。
分配されて第一吸収塔の底部入口に流入する反応炉出口ガスの量は、テレフタル酸の調製プロセス全体において除去される水の量に応じて決められるのが好ましい。
テレフタル酸の調製プロセス全体において除去される水の量は、調製したテレフタル酸１００重量部あたり２１〜２２重量部であり、２（水のモル）×１８（水の分子量）／１６６（テレフタル酸の分子量）×１００（テレフタル酸の量）から算出される。
例えば、テレフタル酸５００，０００トンを１年に生産し、時間あたりの生産量が６２．５トンである場合、時間あたりに必要な水の量は１３．５トンになる。
反応用に供給された空気が酸素２３％、窒素７７％を含み、供給された空気全てが酸化されるとすると、必要な酸素の量は、３（酸素のモル）×３２（酸素の分子量）／１６６（テレフタル酸の分子量）×６２．５（時間あたりのテレフタル酸の生産量）＝３６トンであり、排出される窒素の量は、３６×７７／２３＝１２１トンである。
しかしながら、反応炉の酸化効率および反応熱によって起こる液体の蒸発を考慮すると、反応炉出口ガスの全量は３００〜７００トンの間で決定される。
ガス−液接触面を増加させる手段はトレーまたはパッキンの形態で構成されるのが好ましい。
本明細書および特許請求の範囲で使用される用語および単語は、通常または文字通りの意味に解釈されるものではない。発明者が自身の発明を最もよく説明するため用語および単語の意味を十分に定義できる原理に基づいて、本発明の精神に適合する意味および文脈に解釈されるものである。
従って、本明細書に示される実施形態および添付図面は、本発明の最も好ましい実施形態の例にすぎない。当業者には、本発明の原理および精神から逸脱することなく変更および修正が実施可能であることが理解されるであろう。本発明の範囲は、添付された特許請求の範囲およびその均等物で定義される。
図２は、本発明の実施形態によるテレフタル酸の酸化処理において反応炉出口ガスから水を低減するプロセスを示す。
図２を参照すると、本発明の実施形態によるテレフタル酸を調製する際の水の除去装置は、反応炉（１００）、第一吸収塔（１１０）、第一熱交換器（１２０）、第二熱交換器（１３０）、有機物−水分離器（１４０）、および第二吸収塔（１５０）を含む。
本発明の実施形態において、第一吸収塔（１１０）はガス−液接触面を増加させる手段を備えることができ、これはトレーまたはパッキンの形態で構成することができるが、本発明はそれにより限定されるものではない。
第一熱交換器（１２０）は第一吸収塔（１１０）の頂部出口で排出された高温ガスを冷却する。第一熱交換器（１２０）は約１００℃の低温蒸気を生成することができる。
第二熱交換器（１３０）は第一熱交換器（１２０）を通過したガスを凝縮し、ガスを水とｐ−キシレンの液体混合物と窒素含有ガスとに分離する。
液体混合物のうち、ｐ−キシレンは有機物−水分離器により分離され、水はパイプ（Ｌ７）を通して廃水として処理される。気体物質は通常の高圧吸収塔である第二吸収塔（１５０）に移送され、そこで処理される。
以下、本発明の実施形態によるテレフタル酸の調製プロセスにおいて反応炉出口ガスから水を除去するプロセスを詳細に説明する。
第一に、テレフタル酸の調製用に反応炉（１００）から排出された反応炉出口ガスは、パイプ（Ｌ２）を介して直接またはいくつかの熱交換器を通過して第一吸収塔（１１０）の底部入口に流入する。
反応炉出口ガスは、第一吸収塔（１１０）に流入する前に熱交換器（図示せず）により１２０℃〜１９０℃に冷却される。反応炉出口ガスは窒素、酢酸、水、および少量の有機物質を含む。一般に、反応炉出口ガスは６０〜９５重量％の窒素、１〜１８重量％の酢酸、２〜３６重量％の水、および、酢酸メチル、ｐ−キシレン等であってよい少量の有機物質を含む。
第一吸収塔（１１０）の頂部入口で、芳香族化合物のｐ−キシレンはパイプ（Ｌ４、Ｌ１０）を介して流入する。ｐ−キシレンの量は除去される水の２〜５重量の当量であるのが好ましい。ｐ−キシレンの量がこの範囲外である場合、酢酸は十分に回収されることなく、ガスとともに吸収塔の頂部で排出され得る、または過剰なｐ−キシレンは吸収塔の底部で排出され得ることにより、問題が生じる。
ｐ−キシレンが第一吸収塔（１１０）の頂部入口に流入するパイプ（Ｌ４、Ｌ１０）のうちで、パイプ（Ｌ４）は、後述する有機物−水分離器（１４０）からストリームが流入するパイプである。
次に、第一吸収塔（１１０）の底部入口に流入した反応炉出口ガスは第一吸収塔（１１０）の頂部に上昇し、第一吸収塔（１１０）の頂部入口に流入したｐ−キシレンは第一吸収塔（１１０）の底部に下降する。
第一吸収塔（１１０）内には、トレーまたはパッキンの形態で構成されたガス−液接触面積を増加させる手段を備える。トレーまたはパッキンを通過することにより、反応炉出口ガスはｐ−キシレンに接触し、このプロセス中に、反応炉出口ガスに含まれる酢酸と若干の水はｐ−キシレンにより吸収、凝縮され、第一吸収塔（１１０）の底部で回収される。
このプロセスにおいて、ｐ−キシレンは反応炉出口ガスに含まれる酢酸と水を吸収する溶媒として作用する。そのため、溶媒除去を必要とすることなく、パイプ（Ｌ９）を介してテレフタル酸の調製用に、第一吸収塔（１１０）の底部で排出された液体混合物を反応炉（１００）に再循環することができる。
第一吸収塔の底部で排出された液体混合物に含まれるｐ−キシレンの量が、テレフタル酸の調製に必要なｐ−キシレンの量よりも多い場合、液体混合物に含まれるｐ−キシレンは有機物−水分離器により分離し、第一吸収塔（１１０）の頂部入口に再循環することができる。
第一吸収塔（１１０）の底部で凝縮されなかった水は過剰なｐ−キシレンとともに第一吸収塔（１１０）の頂部出口に排出され、熱交換器であってもよい凝縮器（１２０、１３０）により凝縮される。有機物−水分離器（１４０）で、ｐ−キシレンは水から分離され、水は廃水として処理される。このプロセスにおいて、窒素、酢酸、およびｐ−キシレンを含む、有機物−水分離器（１４０）により排出されたガスは、従来の高圧吸収塔である第二吸収塔（１５０）に移送され、そこで処理される。
その後、５０〜９０重量％の窒素、５〜３０重量％のｐ−キシレン、２〜１５重量％の水、５〜５００ｐｐｍの酢酸、および少量の有機物質を含む混合物は、パイプ（Ｌ５）を介して第一吸収塔（１１０）の頂部出口から排出される。混合物は第一熱交換器（１２０）を通過する際に冷却される。
第一熱交換器（１２０）に流入する混合物の温度は約１１０℃〜１８０℃である。第一熱交換器（１２０）を通過する際に冷却された混合物の温度は約１００℃である。第一熱交換器（１２０）で、低圧蒸気を生成することができる。
第一熱交換器（１２０）を通過する際に冷却された混合物から、混合物に含まれる水およびｐ−キシレンは第二熱交換器（１３０）を通過する際に凝縮される。
最後に、第二熱交換器（１３０）を通過した混合物は有機物−水分離器（１４０）により分離される。
有機物−水分離器（１４０）において、窒素、非凝縮のｐ−キシレン、および少量の酢酸は従来の高圧吸収塔である第二吸収塔（１５０）にパイプ（Ｌ８）を介して気相状態で回収され、水はパイプ（Ｌ７）を介して排水処理システムに移送される。
有機物−水分離器（１４０）により分離されたｐ−キシレンはパイプ（Ｌ４）を介して第一吸収塔（１１０）の頂部に再循環される。
図には示していないが、若干の水は、水とともに有機物−水分離器（１４０）により排出される酢酸の濃度を低下させるために、別のパイプを介して第一吸収塔（１１０）に再循環させる場合がある。
本発明において、若干の水は第一吸収塔（１１０）の頂部出口で排出されるため、脱水塔で除去される水の量は低減する。そのため、脱水塔によるエネルギー消費は低減する。
さらに、第一吸収塔（１１０）への反応炉出口ガスの流量を注意深く制御することにより、脱水塔の運転を不要にすることができる。
本発明の実際および現時点で好適な実施形態を以下の実施例に示す。しかしながら、当業者には、この開示を考慮して、本発明の精神および範囲内で修正および改良を行うことができることが理解されるであろう。
＜実施例＞
第一吸収塔での流入および流出条件を下記の表１に示す。吸収塔は内径４０ｍｍを有し、ガス−液接触面積を増加させる手段は高さ１．５ｍを有するランダムパッキンの形態で構成された。表１において、ＰＸはｐ−キシレンの略であり、ＫＧａはｋｇ／ｃｍ２（絶対圧）の略である。
表１に示すように、１８９．９ｇ／時間の水（Ｈ２Ｏ）がパイプ（Ｌ２）を介して流入し、１１２．３ｇ／時間の水をパイプ（Ｌ９）を介して第一吸収塔（１１０）の底部で排出し、反応炉（１００）で回収した。
従って、脱水塔で除去される水の量は７７．６ｇ／時間削減され、脱水塔により使用される蒸気の量は低減する。そのため、脱水塔のエネルギー消費および負荷は低減する。
以上の説明で明らかなように、本発明による芳香族化合物の酸化処理において反応炉出口ガスから水を低減する方法は、脱水塔で水と酢酸を分離するのに必要な蒸気の量および脱水塔の負荷を低減する。さらに、第一吸収塔への反応炉出口ガスの流量を注意深く制御することにより、脱水塔の運転を不要にすることができる。
当業者には、前述の説明において開示した概念および特定の実施形態が、本発明の同一目的を実施するのに修正または他の実施形態を設計する基礎として容易に利用できることが理解されるであろう。当業者には、かかる等価の実施形態が添付された特許請求の範囲に記載されている本発明の精神および範囲から逸脱しないことが理解されるであろう。
Claims (7)
- 芳香族化合物の酸化処理において反応炉出口ガスから水を低減する方法であって、
ガス−液接触面を増加させる手段を備える第一吸収塔の底部入口に反応炉出口ガスを流入する工程と；
酢酸、プロピオン酸、およびアクリル酸からなる群から選択されるカルボン酸と、前記第一吸収塔の底部出口を通して前記反応炉出口ガスに含まれるカルボン酸を回収するために、前記第一吸収塔の頂部入口で芳香族化合物を供給する工程と；
前記第一吸収塔の頂部出口を通して前記芳香族化合物とともに前記反応炉出口ガスに含まれる前記水を排出し、凝縮器を用いて前記水を凝縮し、有機物−水分離器を用いて前記芳香族化合物から前記水を分離し、廃水として前記水を排出する工程と、
を含む方法。 - 前記第一吸収塔の底部出口で排出されたカルボン酸、芳香族化合物、および水の混合物をテレフタル酸の調製用に前記反応炉に再循環する、請求項１に記載の芳香族化合物の酸化処理において反応炉出口ガスから水を低減する方法。
- 前記有機物−水分離器により分離された前記芳香族化合物あるいは前記芳香族化合物および若干の水を前記第一吸収塔に再循環し、前記有機物−水分離器により排出されたガスを第二吸収塔に移送する、請求項１に記載の芳香族化合物の酸化処理において反応炉出口ガスから水を低減する方法。
- 前記第一吸収塔に流入した前記反応炉出口ガスが１２０〜１９０℃の高温ガスであり、直接またはいくつかの熱交換器を通して流される、請求項１に記載の芳香族化合物の酸化処理において反応炉出口ガスから水を低減する方法。
- 分配されて前記第一吸収塔に流入する前記反応炉出口ガスの量が酸化反応から除去される水の量に対応する、請求項１に記載の芳香族化合物の酸化処理において反応炉出口ガスから水を低減する方法。
- 前記ガス−液接触面を増加させる手段がトレーまたはパッキンの形態で構成される、請求項１に記載の芳香族化合物の酸化処理において反応炉出口ガスから水を低減する方法。
- 前記芳香族化合物がｏ−キシレン、ｍ−キシレン、ｐ−キシレン、ベンゼン、およびトルエンからなる群から選択される、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の芳香族化合物の酸化処理において反応炉出口ガスから水を低減する方法。
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