JP5352587B2 - 擬似移動床におけるパラキシレンの改善された分離の方法および装置 - Google Patents

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Description

本発明は、本質的に8個の炭素原子を有する芳香族炭化水素原料からのパラキシレン(paraxylene:PX)の分離の分野に関する。「本質的に(essentially)」は、原料が少なくとも95%のキシレン類、好ましくは少なくとも97%のキシレン類を含有し、他の成分は任意のタイプのものであり得るという事実として定義される。
このタイプの原料は、蒸留によって分離され得るが困難を伴う。「クロマトグラフィー」分離、または「擬似移動床」または「擬似向流」または「擬似並流」の方法または装置の名称の下に知られる、一群の吸着方法および関連する装置がそこで用いられる。本発明者らは、以下に上記方法および装置を、「SMB」方法および装置の名称によって指定することになる(英語の技術用語による「Simulated Moving Bed」について、これは擬似移動床を意味する)。
典型的には少なくとも99.7重量%を有する商業純度のパラキシレンのSMB分離は、24の吸着床を含むSMB装置において工業的に行われる。エチルベンゼン(ethylbenzene:EB)、オルトキシレン(orthoxylene:OX)およびメタキシレン(metaxylene:MX)の含量が高いラフィネートも生じさせられ、これは、異性化の後にSMB中に再循環させられることが多い。
本発明は、SMB分離方法であって、単一段階で、99.5重量%超、典型的には99.7重量%超の商業純度を有するPXを、従来技術のものより複雑でないSMB装置、特に、少ない数の吸着床および特定の吸着/脱着帯域の構成を有する装置において得ることを可能にする、方法に関する。
SMBクロマトグラフィー分離は、従来技術において周知である。一般的なルールとして、擬似移動床は、少なくとも3つのクロマトグラフィー帯域(場合によっては、4または5つ)を含み、これらの帯域のそれぞれは、少なくとも1つの床またはカラムの部分からなり、2つの連続する供給または抜き出し点の間に位置する。典型的には、分画されるべき少なくとも1つの原料Fおよび1つの脱着剤D(溶離剤と呼ばれる場合もある)が供給され、少なくとも1つのラフィネートRおよび1つの抽出物Eが抜き出される。供給および抜き出し点は、時間とともに変更され、典型的には、同期方式で一つの床の底部の方にオフセットされる。
定義によれば、操作帯域のそれぞれは、数により指定される:
・帯域1=所望生成物(ここでは、抽出物中に含まれるパラキシレン)の脱着帯域;脱着剤Dの注入と抽出物Eのサンプリングとの間に位置する;
・帯域2=ラフィネートの化合物の脱着帯域;抽出物Eのサンプリングと分画されるべき原料Fの注入との間に位置する;
・帯域3=所望生成物(パラキシレン)の吸着帯域;原料の注入とラフィネートRの抜き出しとの間に位置する;および
・帯域4;ラフィネートの抜き出しと脱着剤の注入との間に位置する。
SMB装置における分離方法は、したがって、構成(a,b,c,d)により操作し、構成(a,b,c,d)は、以下を有する:
a=帯域1において操作する吸着剤床の数;
b=帯域2において操作する吸着剤床の数;
c=帯域3において操作する吸着剤床の数;
d=帯域4において操作する吸着剤床の数。
擬似移動床SMBにおける分離装置の変形例によると、異なる組成の2つの蒸留ラフィネートR1およびR2を生じさせることも可能である。R1は、「第一のラフィネート」または「中間ラフィネート」であり、R2は第二のラフィネートである。
この場合、SMB分離装置は、増加した数の操作帯域を含み、この操作帯域は、原料、脱着剤の注入および所望生成物を含む抽出物、中間ラフィネート(または第一ラフィネート)および第二ラフィネートの抜き出しによって範囲を定められる。2つのラフィネートは、異なる組成を有する。例えば、C8芳香族化合物フラクションの分離(抽出物が所望の生成物である)のために、第一ラフィネート(または中間ラフィネート)は、典型的には、エチルベンゼン含量が相対的に高く、オルトキシレンおよびメタキシレンの含量が相対的に低い一方で、第二ラフィネートは、対照的に、エチルベンゼン含量が相対的に低く、オルトキシレンおよびメタキシレンの含量が相対的に高い。
この変形例によると、帯域1、2および4は改変されていない。対照的に、帯域3は帯域3Aおよび帯域3B:すなわち、
・所望生成物の吸着のための帯域3A;原料の注入と中間ラフィネートの抜き出しとの間に位置する;
・中間ラフィネートの主要生成物の吸着のための帯域3B;中間ラフィネートの抜き出しと第二ラフィネートの抜き出しとの間に位置する;
に分割される。
本発明によると、帯域3Aおよび帯域3Bは、同一の帯域3の形成部分としてみなされる。
詳細には、従来技術は、擬似移動床において原料の分離を行うことを可能にする種々の装置および方法を記載する。特に、特許文献1〜8を挙げることが可能である。これらの特許も、SMBの操作を詳細に記載する。
SMB装置は、典型的には、少なくとも1つのカラム(しばしば2つ)、このカラム中に置かれる吸着剤床Aiおよび流体を分配・抽出するための順次的な制御手段を含み、吸着剤床Aiは、プレートPiによって分離され、該プレートPiは、種々の吸着剤床に流体を分配および/または種々の吸着剤床から抽出するための室(単数または複数)Ciを有する。
これらのSMBからの流体を分配・抽出するための制御手段は、典型的には、以下の2つの主要なタイプの技術の一つである:
− 各プレートについての、流体の供給または抜き出しのための多数の全か無かの制御弁;これらの弁は、典型的には、対応するプレートの中間近くに位置し、特に、各プレートPiについて、少なくとも4つの全か無かの二方向制御弁を、それぞれ、流体FおよびDの供給および流体EおよびRの抜き出しのために含む;または
− 一式のプレート上の流体の供給または抜き出しのための多経路回転式弁。
芳香族化合物フラクションからのパラキシレンの分離は、典型的には、2つの方法で行われる:
・第一経路(いわゆる「ハイブリッド経路」)において、低純度PX(例えば95%)を得ることを可能にするSMB分離が行われ、次いで、結晶化によって精製され、高純度PX(典型的には99.7%以上の商業純度)が得られる;
・第二経路(いわゆる「独立型」(直接)経路)において、高純度PX(典型的には99.7%以上)を直接的に得ることを可能にするSMB分離が行われる;この方法はまた、エチルベンゼン、オルトキシレンおよびメタキシレンの含量が高く、しばしば、異性化の後にSMBに再循環させられるラフィネートを得ることを可能にする;このタイプの全ての商業的SMB装置は、24の吸着床で操作する;この数の吸着剤床がPXを、所望である高い純度である、99.5重量%超、典型的には少なくとも99.7重量%で得るために、または、少なくとも、この純度を、受け入れ可能なPXの収率で得るために必要であると考えられるからである;床の数が多くなればなるほど、実際の流体/吸着剤向流に達することが可能であることがより近くなり、これは、連続的な方法であり、無限数の床を有する方法と等価である;それ故に、高純度のPXのために、所望の純度および受け入れ可能な収率を得るために24床が必要であると仮定される。
このようなSMB分離装置は、一般的には20〜250℃、好ましくは90〜210℃、より好ましくは160〜200℃の温度で、操作温度でのキシレン類の気泡圧力と2MPaの間の圧力下に操作される。SMB装置において用いられる脱着剤は、一般的には、パラジエチルベンゼン(paradiethylbenzene:PDEB)、トルエン、パラジフルオロベンゼンまたはジエチルベンゼン類の混合物の中から選択される。SMB装置中の脱着剤対原料の容量測定比は、典型的には0.5〜2.5、好ましくは1.05〜1.7である。上記の特許出願または特許または特許文献1、9〜11または非特許文献1〜2を参照することも可能であるだろう。これらの最後2つの論文は、高純度PXの分離が24の吸着剤床においてなされることを明らかに示している。
米国特許第2985589号明細書 米国特許第3214247号明細書 米国特許第3268605号明細書 米国特許第3592612号明細書 米国特許第4614204号明細書 米国特許第4378292号明細書 米国特許第5200075号明細書 米国特許第5316821号明細書 仏国特許発明第2681066号明細書 米国特許第6063978号明細書 国際公開第05/054161号パンフレット
アンジュシュリ・エス・クラップ(Anjushri S. Kurup)ら著、「Ind. Eng. Chem. Res.」2005年、第44巻、p.5703−5714 ペドロ・サ・ゴメス(Pedro Sa Gomes)ら著、「アドソープション(Adsorption)」、2006年、第12号、p.375−392
(発明の簡単な説明)
本発明は、SMB分離方法であって、単一段階で、99.5%より高い純度を有する、典型的には、99.7重量%の商業純度を有するPXを、従来技術のものより複雑でないSMB装置、特に、低減した数の吸着剤床を有する装置において得ることを可能にする、方法に関する。以前に考えられたことに反して、直接経路においてSMBにより高純度を得ることが制限された数の吸着剤床により、以下の二重の選択が同時に行われるという条件で可能であることが、実際に発見された:
− 特定数の吸着剤床、
− 特定の帯域構成(a,b,c,d)。
より具体的には、以下を組み合わせて用いることによって工業的に有利である予想外の性能レベルを得ることが可能であったことが見出された:
・構成(2,5,3,2)の12床、または
・構成(3,6,4,2)の15床、または
・構成(4,7,6,2)の19床。
この最後の二重選択は、実際に、PDEB(パラジエチルベンゼン)が脱着剤として用いられる場合に、第一に高い性能である。
(発明の詳細な説明)
したがって、本発明は、SMB装置中の擬似移動床における吸着の単一段階での直接的分離によって、本質的に8個の炭素原子を有する芳香族炭化水素の原料Fから、少なくとも99.5重量%、好ましくは少なくとも99.7重量%の純度を有するパラキシレンを分離する方法であって、該SMB装置は、多数の吸着剤床を含む少なくとも1つのカラムを有し、該吸着剤床は、分配/抽出プレートPiによって分離され、少なくとも原料Fおよび1つの脱着剤Dがこの装置に送り込まれ、パラキシレン含量が高い少なくとも1つの抽出物Eおよび少なくとも1つのラフィネートRが抜き出され、供給および抜き出し点は、時間とともに、切り替え時間Tで変更され、SMBの多数の操作帯域、特に、以下の主要帯域:
− パラキシレンの脱着のための帯域1;脱着剤Dの供給と抽出物Eの抜き出しとの間に位置する;
− ラフィネートの化合物の脱着のための帯域2;抽出物Eの抜き出しと原料Fの供給との間に位置する;
− 少なくともパラキシレンの吸着のための帯域3;原料の供給とラフィネートRの抜き出しとの間に位置する;
− 帯域4;ラフィネートRの抜き出しと脱着剤Dの供給との間に位置する
を決め、該方法は、帯域構成(a,b,c,d)に従って行われ、該帯域構成(a,b,c,d)は、
a=帯域1において操作する吸着剤床の数;
b=帯域2において操作する吸着剤床の数;
c=帯域3において操作する吸着剤床の数;
d=帯域4において操作する吸着剤床の数
を有し、本方法は、以下の選択肢:
− 構成(2,5,3,2)により操作する12の吸着剤床のSMBが用いられる、または、
− 構成(3,6,4,2)により操作する15の吸着剤床のSMBが用いられるか、または、
− 構成(4,7,6,2)により操作する19の吸着剤床のSMBが用いられ、このものの場合の脱着剤は、パラジエチルベンゼンである、
のいずれか一つを実施する、方法を提案する。
これらの二重選択の使用は、同一のまたは近い数の吸着剤床についての他の可能な組合せの全ての結果より優れた結果を得ることを可能にする。従来技術は、非常に高い純度を有するパラキシレンを得るには、擬似の真の向流に近い方法(無限数の床を有する方法に等価な連続的な方法)、したがって、多数の床:典型的には24を必要とすると考えた。
本発明によると、低減した数の床を有する所定の構成は、それ自体で特に十分な分離を添える帯域の分配を有し、これは、予想外の性能レベルにつながり、低減した数の床を有するSMBは、特に経済的(より少ない数の制御弁、より少ない数の分配/抽出システム、より少ない数のパイプ)であると思われる。
好ましくは、構成(2,5,3,2)により操作する12の吸着剤床のSMB選択および構成(3,6,4,2)により操作する15の吸着剤床のSMB選択は、トルエンおよびパラジエチルベンゼンによって形成される群に属する脱着剤により実施される。
構成(4,7,6,2)により操作する19の吸着剤床のSMB選択は、脱着剤としてのパラジエチルベンゼン(PDEB)により実施される。
好ましくは、所与のSMBについて、操作は、99.7重量%の純度、すなわち、典型的に所望される商業純度を得ることを可能にする条件(特に、原料の流れおよび溶媒の流れ)により行われる。
図1は、脱着剤としてのトルエンにより操作するSMBにおける種々の帯域構成についての吸着剤床の数に基づくSMBのパラキシレンの収率を示す。 図2は、脱着剤としてのPDEBにより操作するSMBにおける種々の帯域構成についての吸着剤床の数に基づくSMBのパラキシレンの収率を示す。
図面の説明は、以下の実施例において議論されることになる。
(実施例)
本発明は、以下の実施例を読むことからよりよく理解されることになる。
− 実施例1は、純度≧99.5%のための「孤立型」バージョン(一段階での直接的分離)における従来技術を代表し、24の吸着剤床を有するSMB装置が脱着剤としてのトルエンにより用いられる。
− 実施例2は、実施例1のものと同一の全体的吸着剤容積を有するが、より少ない数の床の間に分配され、種々の帯域構成により、これも脱着剤としてのトルエンを用いるSMB装置の性能レベルを記載する;所定の床数/帯域構成の組合せは、本発明に合致している。
− 実施例3は、純度≧99.5%のための「孤立型」バージョン(一段階での直接的分離)における従来技術を代表し、24の吸着剤床を有するSMB装置が、脱着剤としてのPDEBにより用いられる。
− 実施例4は、実施例3のものと同一の全体容積の吸着剤を有するが、より少ない数の床の間に分配され、種々の帯域構成によりおよび脱着剤としてのPDEBを用いる、SMB装置の性能レベルを記載する。所定の床の数/構成の組合せは、本発明に合致する。
(従来技術に合致する比較例1)
パラキシレンは、SMB装置における、24の吸着剤床を備え、脱着剤としてトルエンを用いる擬似移動床において8個の炭素原子を有する芳香族化合物原料から分離される。
このSMB装置は、24の吸着剤床を含み、高さ1.1mおよび内部断面3.5×10−4を有し、原料の注入、脱着剤の注入、抽出物の抜き出しおよびラフィネートの抜き出しを有する。典型的に効率的な帯域構成は、(5,9,7,3)、すなわち、
− 帯域1における5床
− 帯域2における9床
− 帯域3における7床
− 帯域4における3床
である。
用いられる吸着剤は、BaX−タイプのゼオライトであり、脱着剤は、トルエンである。温度は175℃であり圧力は1.5MPaである。
原料Fは、20%のPX、22%のOX、48%のMXおよび5%のEBからなる。用いられた切り替え時間は71秒である。種々の帯域中の液体流量は以下の通りである:
− 帯域1において4.78cm・s−1
− 帯域2において3.96cm・s−1
− 帯域3において4.99cm・s−1
− 帯域4において3.24cm・s−1
抽出物中のPX純度99.85重量%およびPX収率(抽出物のPX対原料のPXの比)95.75重量%がシミュレーションによって得られる。
(実施例2)
PXは、実施例1のものと同一の径および同一の全体容積の同一の吸着剤を有するが、該吸着剤は、24未満である数nの床の間に分配され、種々の帯域構成による吸着器を含むSMB装置において同一の原料Fから分離される。この目的のために、高さL=24/n×L24を有する吸着剤床が考慮され、ここで
=n床を有するSMBにおける床の高さ
24=24床を有するSMBにおける床の高さ
である。
このSMBも、脱着剤としてトルエンを使用する。
全ての試験は、実施例1に対して99.85重量%の等純度(isopurity)(この純度は、実施例1において得られた純度である)、脱着剤Dの等流れ(isoflow)および原料Fにより行われる。
さらに、各帯域における液体流量と等価固体流量との間の比を維持するために、床の高さと同一因子(factor)の切り替え時間Tは、24床を有するSMBの切り替え時間T24に対して適合される:T=24/n×T24。この値は、等しい純度になるようにわずかに修正され、したがって、収率に基づいて異なるシステムの比較が可能である。
9〜19の間に置かれる異なる数の床および種々の帯域構成についてのPXにおいて得られる収率がシミュレーションによって試験された。
図1は、各床数についておよび最良の可能な帯域構成について得られた収率の曲線を示す(ダイヤモンド形状の点)。平均曲線は、点線でプロッティングされ、注目すべき収率の点は丸印が付されている。他の最適でない構成に相当する所定のさらなる点(四角形状の点)も示された。
十分驚くべきことに、床数に伴う収率向上の曲線は、2つの最適な構成:12および15の床を有するSMBを示すことが分かった:この構成は、最適な構成のために平均曲線から切り離されている。11床に相当する点も曲線の上方にあるが、得られた収率は依然として並であるにすぎない。12および15床を有する2つのSMBに対して、他の構成が、相当により低い収率につながることも分かった。これは、下記表1および2に反映されている。所望程度の純度を得ることを可能にする最良の構成のみが言及される。
Figure 0005352587
Figure 0005352587
これらの結果の物理的な解釈は明らかでない。一つの可能な説明は、特定数の床と特定の帯域構成との関連性が、分離および収率の有効性についての他の可能性より極めて優れていると分かり得ることである。この二重選択:床の数/帯域構成の重要性は、PXの分離の従来技術において考慮に入れられておらず、さらに、高純度のPXを得るには24床を要すると考えていた。
(従来技術に合致する比較例3)
PXは、実施例1のものと同一のSMB装置において同一の原料Fから分離され、帯域構成も同一である。
実施例1とは異なり、用いられる脱着剤は、パラジエチルベンゼン(PDEB)である。
種々の帯域における操作条件および液体流量は、実施例1と同一である。用いられる切り替え時間は、わずかに異なり、70.4秒である。
シミュレーションにより、抽出物中の同一のPX純度99.85重量%およびPXの収率(抽出物のPX対原料のPXの比)98.12重量%が得られる。
(実施例4)
実施例2と同一であるが、パラジエチルベンゼン(PDEB)を脱着剤として用いる試験が行われる。したがって、吸着剤床の数および帯域の構成が変えられたが、トルエンではなくPDEBを脱着剤とした。
試験の全ては、実施例に対して等純度99.85重量%(実施例3において得られる純度)、脱着剤Dおよび原料Fの等流れで行われ、脱着剤PDEBにより、得られた結果が従来技術(実施例3)の結果と比較された。
図2は、実施例2のものと同一の(しかしPDEBを脱着剤として用いる)収率曲線(各床数についておよび最良の可能な帯域構成について得られる)を示す(ダイヤモンド形の点)。
同様に、平均曲線は、点線でプロッティングされ、特筆すべき収率の点は円で囲まれた。他の非最適化構成に相当する所定のさらなる点も示された(四角形の点)。
十分に驚くべきことに、床の数に伴う収率向上曲線はこの時の3つの最適な構成を示していることが分かる。12および15床を有するSMBは、図1の場合のように、それらの最適構成についての平均曲線から切り離され、これは、脱着剤トルエンを用いる実施例2の場合と同じである。しかしながら、さらに、19床の点も、24床(従来技術)により得られた結果より一層優れている非常に良好な結果を提供する。これは、下記表3、4および5に反映されている。所望程度の純度を得ることを可能にする最良の構成のみが言及される。
Figure 0005352587
Figure 0005352587
Figure 0005352587
これらの新しい結果の物理的な解釈はもはや明らかでない。一つの可能な説明は、脱着剤PDEBは、特定の帯域構成を有する特定の床数:19とも関連して、19床の場合での分離および収率の有効性を改善することである。
先行実施例の結果は、以下の組合せが本発明に従って最も高性能であることである:
− 構成(2,5,3,2)により操作する12の吸着剤床のSMB
− 構成(3,6,4,2)により操作する15の吸着剤床のSMB
− 構成(4,7,6,2)により操作する19の吸着剤床のSMB(脱着剤は、この場合、パラジエチルベンゼンである)。
この二重選択:床の数/帯域構成の重要性、および場合による特定の溶媒とのその関連は、PXの分離の従来技術において考慮に入れられておらず、従来技術はさらに少なくとも99.5重量%の高純度PXを得るには24床を要すると考えていた。

Claims (6)

  1. 少なくとも99.5重量%の純度を有するパラキシレンを、本質的に8個の炭素原子を有する芳香族炭化水素の原料Fから、擬似移動床装置(省略形でSMBで示す)中の擬似移動床における単一段階の吸着への直接的分離によって分離する方法であって、該擬似移動床装置は、多数の吸着剤床を含む少なくとも1つのカラムを有し、該吸着剤床は、分配/抽出プレートPiによって分離され、少なくとも1つの原料Fおよび1つの脱着剤Dがこの装置に送り込まれ、パラキシレン含量が高い少なくとも1つの抽出物Eおよび少なくとも1つのラフィネートRが抜き出され、供給および抜き出し点は、時間とともに切り替え時間Tにより変更され、擬似移動床(SMB)カラムの多数の操作帯域、特に、主要帯域:
    − パラキシレンの脱着のための帯域1;脱着剤Dの供給と抽出物Eの抜き出しとの間に位置する;
    − ラフィネートの化合物の脱着のための帯域2;抽出物Eの抜き出しと原料Fの供給との間に位置する;
    − 少なくともパラキシレンの吸着のための帯域3;原料の供給とラフィネートRの抜き出しとの間に位置する;
    − 帯域4;ラフィネートRの抜き出しと脱着剤Dの供給との間に位置する;
    を決め、該方法は、帯域構成(a,b,c,d)に従って行われ、該帯域構成(a,b,c,d)は、
    a=帯域1において操作する吸着剤床の数;
    b=帯域2において操作する吸着剤床の数;
    c=帯域3において操作する吸着剤床の数;
    d=帯域4において操作する吸着剤床の数;
    を有し、該方法は、選択肢:
    構成(2,5,3,2)により操作する12の吸着剤床のSMBが用いられ、脱着剤は、トルエンおよびパラジエチルベンゼンによって形成される群に属する、または
    構成(3,6,4,2)により操作する15の吸着剤床のSMBが用いられ、脱着剤は、トルエンおよびパラジエチルベンゼンによって形成される群に属する、または
    構成(4,7,6,2)により操作する19の吸着剤床のSMBが用いられる、ここで、この場合、脱着剤はパラジエチルベンゼンである;
    のいずれか1つを実施する、方法。
  2. 選択肢:
    − 構成(2,5,3,2)により操作する12の吸着剤床のSMBが用いられる、または
    − 構成(3,6,4,2)により操作する15の吸着剤床のSMBが用いられる、
    のいずれか1つを実施し、脱着剤は、トルエンおよびパラジエチルベンゼンによって形成される群に属する、請求項1に記載の方法。
  3. 構成(2,5,3,2)により操作する12の吸着剤床のSMBが用いられる、請求項1または2に記載の方法。
  4. 構成(3,6,4,2)により操作する15の吸着剤床のSMBが用いられる、請求項1または2に記載の方法。
  5. 構成(4,7,6,2)により操作する19の吸着剤床のSMBが用いられ、脱着剤はパラジエチルベンゼンである、請求項1に記載の方法。
  6. 操作は、純度99.7重量%を得ることを可能にする原料流量条件および溶媒流量で行われる、請求項1〜5のいずれか1つに記載の方法。
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