JP5507111B2 - 水性（メタ）アクリル酸の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は気体状物質流れから（メタ）アクリル酸を回収し、水性（メタ）アクリル酸を製造することに関する。
不飽和カルボン酸および不飽和ニトリルのようなモノマーは産業的に、様々な合成樹脂、コーティング物質、繊維、可塑剤、合成樹脂などを製造するための出発および中間物質として重要である。商業的には、不飽和カルボン酸（例えば、アクリル酸およびメタクリル酸）および不飽和ニトリル（例えば、アクリロニトリルおよびメタクリロニトリル）を製造する様々な方法があるが、概して、全てのそのような方法は、１種以上の炭化水素の触媒反応を経由して、所望のモノマーを含む純粋でない気体状物質を製造するという本質的に同じ方式である。次いで、その所望のモノマーを純粋でない気体状物質から回収し、次いで、回収されるモノマー流れに存在する他の物質、副生成物および不純物の量を最小限にするために、それをさらに精製することが必要である。
例えば、ある周知の商業的に成功しているアクリル酸の製造方法は、第１のプロセス段階でプロピレンがアクロレインにまず変換され、次いで第２のプロセス段階でアクロレインがアクリル酸に変換される２段階気相触媒酸化反応を伴う。得られる気体状物質流れはアクリル酸を含むが、水、未反応プロピレンおよびアクロレイン、並びにいくつかの副生成物、例えば、これらに限定されないが、次の化合物；ホルムアルデヒド、酢酸、プロピオン酸、ベンズアルデヒド、フルフラールおよびマレイン酸；の１種以上も含む。現在調査され開発されている他の公知のプロセスは、好適な触媒の存在下でのプロパンの単一段階気相触媒酸化であり、これはアクリル酸、水、炭素酸化物、未反応プロパン、プロピレン、アクロレインおよびいくつかの副生成物、例えば、これらに限定されないが、次の化合物；ホルムアルデヒド、酢酸、プロピオン酸、ベンズアルデヒド、フルフラールおよびマレイン酸；の１種以上を含む気体状物質流れも生じさせる。
それを製造する反応プロセスに関わらず、次いで、水性アクリル酸は最も典型的には、吸収塔内で未処理気体状生成物流れから回収され、その吸収塔内では冷却された吸収剤、例えば、水または有機化合物（例えばジフェニルエーテル）がその気体状物質流れと直接接触し、同時に、その気体状物質流れからアクリル酸および水をはじめとする様々な成分を濃縮および吸収し、水性アクリル酸流れを生じさせる。この水性混合物は、典型的には、かなりの量の副生成物および不純物、例えば、アクロレイン、ホルムアルデヒドおよび水を含む。これは、直接接触吸収プロセスは、気体状（メタ）アクリル酸含有物質から、所望の（メタ）アクリル酸生成物だけではなく、少なくとも部分的には、（メタ）アクリル酸と共に副生成物および不純物も捕捉するからである。従って、結果的に生じる水性アクリル酸流れが一以上の精製工程にかけられるのが一般的である。アクリル酸について意図される用途は、多くの場合、その物質流れが精製されなければならない程度および他の物質がアクリル酸から除かれまたは分離されなければならない限度を決定するであろう。
水性アクリル酸流れにおける他の物質からの所望のアクリル酸生成物の精製または分離は、蒸留、抽出および／または結晶化をはじめとする１以上の周知かつ理解されている方法によって達成されうる。これら精製工程の最も一般的なものの一つは、水性アクリル酸流れから水を除去する共沸蒸留の使用である。共沸蒸留による水性アクリル酸流れの精製はアクリル酸製造の技術分野において周知である。長年にわたって、様々な共沸剤に基づいて様々な共沸蒸留方法が開発されており、例えば、米国特許第３，７９８，２６４号は共沸剤として酢酸イソブチル（ＩＢＡｃ）の使用を教示し、英国特許第２１４６６３６号は共沸剤としてメチルイソブチルケトン（ＭＩＢＫ）の使用を教示し、さらに米国特許第６，３９９，８１７号は共沸剤としてトルエンの使用を教示する。
さらなる精製方法、例えば、連続した複数の蒸留工程、または結晶化方法が、多くの場合、最終製品の品質要求を満たすために必要とされる。もちろん、それぞれの追加の精製工程は、追加の初期資本投資、並びにより高い操作コストを必要とする。
例えば、米国特許第６，４８２、９８１号に開示された方法は、物質流れと水との直接接触による（メタ）アクリル酸の吸収、続いて、共沸蒸留、次いで、得られる水性アクリル酸の結晶化により、さらなる不純物を除去し、それにより重合および他の固体の形成を最小限にすることを伴う。このような複雑な方法は、それ故に、構築および操作するのに経済的に魅力がない。
水性アクリル酸流れにおけるある種の副生成物および不純物は、下流のプロセス、例えば、さらなる精製、貯蔵または他の物質（例えば、（メタ）アクリル酸のエステル）を生じさせる反応の操作および効率を妨げる場合があることに留意することが重要である。例えば、米国特許出願公開第２００７／０１６７６５０号に説明されるように、アクリル酸流れにおける多量のホルムアルデヒドはある種の重合禁止剤（例えば、フェノチアジン（ＰＴＺ）、ヒドロキノン（ＨＱ）、およびヒドロキノンのモノメチルエーテル（ＭｅＨＱ））と悪い相互作用をして、結果として、アクリル酸生成物中に固体沈殿物の形成をもたらす。この反応は禁止剤分子がアクリル酸モノマーの重合を阻害する有効性も低減させるというのは、その禁止剤のいくつかは固体沈殿物の形成に消費されるからである。さらに、これらの効果は、共沸蒸留カラム内で多くの場合使用されるような温度の上昇に伴って悪化する。よって、水性アクリル酸の下流での精製の前に、回収工程において、これらの不純物をできるだけ多く除去することが有利であろう。残念なことに、米国特許出願公開第２００７／０１６７６５０号の開示は、このような不純物の除去に関する助言を提供していない。その代わりに、その出願は、沈殿物の形成を回避するためにプロセスにおける禁止剤の濃度を限定する、すなわち低減させることを提案するだけである。このような試みは、不十分なプロセス禁止という犠牲を払って低減された沈殿物形成を得ているので、明らかに信頼性のあるプロセス操作にそぐわない。
水または有機吸収剤を用いた従来の吸収に対する代替法として、米国特許第６，６４６，１６１号は、（メタ）アクリル酸および高い割合の非凝縮性成分を含む加熱気体から、この加熱ガスの「分別凝縮」により（メタ）アクリル酸を回収する方法を記載する。所望の水性アクリル酸生成物（９５重量％を超えるアクリル酸を有する）は分別凝縮器の側部から出て、一方で、軽質成分（ｌｉｇｈｔ ｅｎｄ）（非凝縮成分）は頂部から出て、より重い不純物および副生成物は底部から凝縮液体流れとして出る。よって、米国特許第６，６４６，１６１号の方法は、水性アクリル酸生成物、および別々に取り扱われなければならない少なくとも２つの副生成物流れを生じさせる。場合によっては、排水流れが分別凝縮器の側部から抜き出されることができ、水性アクリル酸側部流れのアクリル酸含有量をさらに増加させうるが、処理されなければならない第３の副生成物流れも生じさせうる。この方法に使用される分別凝縮器は様々な工学的問題（すなわち、２５℃より大きく沸点が異なる複数の成分の分離）を解決し、加熱ガスの冷却およびその高沸点画分の凝縮を同時に達成するために、「セクション」に分けられる。よって、この方法は、従来のプロセスにおける２つの別々の工程で多くの場合達成される精留および吸収の組み合わせであると考えられうる。しかしながら、このようなプロセスから精製されたアクリル酸流れを得る利点は、複数の流れをプロセスに有させることの実質的な複雑さおよびこのような操作アプローチのために必要とされる追加のプロセス装置の初期投資コストにより上回られる。
欧州特許第１３１９６４８Ｂ１号は、二段階プロピレン酸化プロセスの流出物が最初にクエンチ塔に供給され、そこでアクリル酸がプロセス水と直接接触することにより捕捉される、アクリル酸の製造方法を提示する。得られる水性アクリル酸流れは、次いで、共沸蒸留にかけられ、水性アクリル酸から廃水を除き、その廃水がクエンチ塔の頂部に再循環させられる。また、第２の水性アクリル酸流れもクエンチ塔の上部セクションから抜き出され、蒸留され；この流れから除かれた水もクエンチ塔の頂部に再循環させられる。よって、このプロセスは、その双方が水とアクリル酸とを含み、かつその双方が商業的に有用な純度のアクリル酸を製造するためにさらなる処理を必要とする複数の生成物流れを抜き出すことを伴う。
産業界は、精製、輸送および貯蔵など後の処理段階中での（メタ）アクリル酸生成物の重合を妨げるのに利用可能な禁止剤の量を低減させ、装置の性能を阻害する、沈殿物およびポリマー固体のような汚染物質の蓄積を伴う下流の精製工程における問題を最小限にするように、不純物および副生成物がより少ない水性アクリル酸を製造するプロセスを歓迎する。このようなプロセスができるだけ簡単であること、すなわち、できるだけ少ないプロセス工程およびできるだけ少ない装置しか必要とせず、それにより、資本および操作コストを最小限にすることも望まれる。
本発明は、ａ）少なくともアクリル酸、水、アクロレイン、ホルムアルデヒドを含む気体状物質流れを凝縮器に供給すること；並びに
ｂ）凝縮器を操作して、凝縮されていない成分を含む気体状ベント流れと、アクリル酸を含む凝縮水性アクリル酸流れとを生じさせること；を含み、
前記水性アクリル酸流れが、前記水性アクリル酸流れの全重量を基準にして０．１重量％を超えてホルムアルデヒドを含まない；
気体状物質流れから水性アクリル酸を製造する方法を提供する。
凝縮水性アクリル酸流れは、例えば、凝縮水性アクリル酸流れの全重量を基準にして７５重量％〜９５重量％のアクリル酸を含むことができる。気体状物質流れは、（メタ）アクリル酸を生成するためのＣ２−Ｃ４アルカンまたはアルケンの触媒気相酸化をはじめとする炭化水素酸化反応の生成物であることができる。
本発明の方法は、ｃ）アクロレイン除去カラムにおいて水性アクリル酸流れをストリッピングして、アクロレイン含量が低減された水性アクリル酸流れと、アクロレインを含む凝縮物流れとを得ること；および
ｄ）前記アクロレインを含む凝縮物流れをアクリル酸凝縮器に再循環させること；をさらに含むことができる。
ｂ）凝縮器を操作して、凝縮されていない成分を含む気体状ベント流れと、アクリル酸を含む凝縮水性アクリル酸流れとを生じさせること；を含み、
前記水性アクリル酸流れが、前記水性アクリル酸流れの全重量を基準にして０．１重量％を超えてホルムアルデヒドを含まない；
気体状物質流れから水性アクリル酸を製造する方法を提供する。
凝縮水性アクリル酸流れは、例えば、凝縮水性アクリル酸流れの全重量を基準にして７５重量％〜９５重量％のアクリル酸を含むことができる。気体状物質流れは、（メタ）アクリル酸を生成するためのＣ２−Ｃ４アルカンまたはアルケンの触媒気相酸化をはじめとする炭化水素酸化反応の生成物であることができる。
本発明の方法は、ｃ）アクロレイン除去カラムにおいて水性アクリル酸流れをストリッピングして、アクロレイン含量が低減された水性アクリル酸流れと、アクロレインを含む凝縮物流れとを得ること；および
ｄ）前記アクロレインを含む凝縮物流れをアクリル酸凝縮器に再循環させること；をさらに含むことができる。
後述の実施形態から、および本発明の方法での使用に適する凝縮器の配置図である添付の図面を参照することにより本発明のより完全な理解が得られるであろう。
次の定義および意味は明確化のために提供され、本明細書において使用される。
次の定義および意味は明確化のために提供され、本明細書において使用される。
本明細書において使用される場合、用語「Ｃ２−Ｃ４アルカン」はアルカン１分子あたり、２〜４の炭素原子を有する直鎖または分岐鎖アルカンを意味し、例えば、エタン、プロパンおよびブタンであり、これらは典型的には常温および常圧（例えば、少なくとも１０℃および１気圧）で気相である。同様に、用語「Ｃ２−Ｃ４アルケン」はアルケン１分子当たり、２〜４の炭素原子を有する直鎖または分岐鎖アルケンを意味し、例えば、エテン、プロペンおよびブテンである。
範囲の端点は明確に限定されていると見なされ、かつその許容範囲内に、当業者の知識の範囲内の他の値、例えば、これらに限定されないが、本発明と関連するそれぞれの端点から有意性なく異なっている他の値（言い換えれば、端点は、それぞれの端点に対して「およその」、または「近い」、または「近接した」値を組み込むように解釈される）を組み込むものと認識される。ここで示される範囲および比率の境界は組み合わせ可能である。例えば、１〜２０および５〜１５の範囲が特定のパラメータについて示されている場合には、１〜５、１〜１５、５〜２０、または１５〜２０の範囲もそれにより意図され、含まれる。
本発明の方法は、（メタ）アクリル酸を含む気体状物質流れを、カラム内での気体状流れと凝縮物との間の接触および／または外部熱交換器での間接冷却もしくは直接冷却を用いる１以上の凝縮工程の組み合わせにかけることにより、従来のプロセスよりも低減された量の不純物および副生成物、特に、より少ないホルムアルデヒドである水性（メタ）アクリル酸生成物を生じさせる。その冷却は、直接水系吸収方法においてなされるように、水を添加する必要性を未然に除き、これは次に、気相から水性（メタ）アクリル酸に移るホルムアルデヒドの量を最小化する。さらに、共沸蒸留、非−共沸蒸留または結晶化のような精製工程が凝縮の後に行われることができ、所望のように、追加の水、副生成物および不純物を除去することができる。よって、本発明は、下流での水性（メタ）アクリル酸の処理中の、例えば、水性（メタ）アクリル酸の（例えば、蒸留カラム中での、トレイ／充填剤上での、リボイラーおよび配管内での）精製プロセス、輸送および貯蔵中の固体（ポリマーおよび汚染物質）形成を低減させる方法を提供する。
図面を参照すると、本発明の方法の凝縮工程の１実施形態の配置図が提供される。より具体的には、（メタ）アクリル酸と、１種以上の副生成物および不純物、例えば、これに限定されるものではないがホルムアルデヒドとを含む物質流れ１０が凝縮器カラム１２に提供される。さらなる副生成物および不純物、例えば、これに限定されるものではないが、未反応の反応物質および中間生成物、水蒸気、二酸化炭素、アクロレイン、酢酸、プロピオン酸、他のアルデヒドおよび有機物質、マレイン酸並びに無水マレイン酸が物質流れ１０に存在していてもよい。物質流れ１０は、典型的には、１種以上の非凝縮性成分、例えば、窒素、酸素、および大気圧（すなわち、１ｂａｒ）で少なくとも−４０℃、例えば、少なくとも−３０℃、またはさらには少なくとも−２０℃の沸点を有する他の物質を、物質流れ１０の全重量を基準にして２０重量％〜９５重量％、例えば５０重量％〜９５重量％、またはさらには７０重量％〜９０重量％の量でさらに含む。物質流れ１０は高温であるべきで、すなわち、５０℃〜４５０℃、例えば１００℃〜３５０℃、またはさらには１５０℃〜３５０℃の温度を有するべきである。
（メタ）アクリル酸、ホルムアルデヒドおよびアクロレインを含む物質流れ１０のソースは重要ではない。物質流れ１０は、例えば、限定されることなく、炭化水素がＣ２−Ｃ４アルカンまたはアルケン（すなわち、それぞれ、エタン、プロパンもしくはブタン、またはエチレン、プロピレン、ｎ−ブチレンもしくはイソブチレン）であった炭化水素酸化反応器からの出口ガスであってよい。このような物質流れは、例えば、限定されることなく、物質流れの全重量を基準にして次の典型的な組成を有するであろう：１重量％〜３０重量％の（メタ）アクリル酸、０．０５重量％〜１重量％の未反応プロピレンまたはイソブチレン、０．０５重量％〜１重量％の未反応（メタ）アクロレイン、０．０５重量％〜１０重量％の酸素、０．０５重量％〜２重量％の酢酸、０．０１重量％〜２重量％のプロピオン酸、０．０５重量％〜１重量％のホルムアルデヒド、０．０５重量％〜２重量％のアルデヒド、０．０１重量％〜０．５重量％の無水マレイン酸、および２０重量％〜９８重量％、例えば５０重量％〜９０重量％の不活性希釈ガス（例えば、窒素または炭素酸化物）。
凝縮器１２は、（熱交換器のように）直接的に冷却するかまたは（液体ポンプアラウンドループ（ｌｉｑｕｉｄ ｐｕｍｐ ａｒｏｕｎｄ ｌｏｏｐ）のように）間接的に冷却するかのいずれかによるガス流れのための１以上の冷却工程を可能にし、かつトレイ、充填剤などの内部構造物を備えた従来のカラム内での凝縮物とガス流れとの接触も可能にする装置である。さらに、凝縮器１２は、例えば、冷却が凝縮器１２の頂部のみで起こるか、または底部のみで起こるか、またはさらには複数の外部ループを備えた凝縮器カラム１２全体にわたって起こるような、当業者に周知の様々な形状のものであることができる。
凝縮器カラム１２は、これに限定されないが、３１６ステンレス鋼（ＵＮＳ ３１６００）、３１６Ｌステンレス鋼（ＵＮＳ Ｓ３１６０３）、３１７ステンレス鋼（ＵＮＳ ３１７００）、３１７Ｌ＋ステンレス鋼（ＵＮＳ Ｓ３１７２５＆Ｓ３１７２６）、Ａｌ６ＸＮ（ＵＮＳ Ｎ０８３６７）、インコネル６２５（ＵＮＳ Ｎ０６６２５）、９０４Ｌ（ＵＮＳ Ｎ０８９０４）、デュプレックス（Ｄｕｐｌｅｘ）２２０５（ＵＮＳ Ｓ３１８０３）、デュプレックス２５０７（ＵＮＳ Ｓ３２７５０）、デュプレックス２３０４（ＵＮＳ Ｓ３２３０４）、デュプレックスアロイ３２９（ＵＮＳ Ｓ３２９００）、アロイ２０ＣＢ−３（ＵＮＳ Ｎ０８０２０）およびハステロイＢ２（ＵＮＳ Ｎ１０６６５）をはじめとする任意の好適な物質で形成されうる。典型的には凝縮器カラムは、必要に応じかつ当業者によって決定可能なように、内部構成物、例えば、分配器、バッフル、固体充填剤物質、トレイなどを含む。さらに、凝縮器カラム１２には、間接的な冷却およびその結果としての物質流れ１０からの（メタ）アクリル酸の回収のために１以上の外部熱交換器１４、１６が備え付けられている。
例えば、気体状物質流れ１０は凝縮器カラム１２の底部に位置する管状冷却交換器１４を通る凝縮された液体に接触することにより冷却されることができ、凝縮されていない気体状物質（軽質成分）は凝縮器カラム１２を通って上昇し続け、凝縮された液体物質は凝縮器カラム１２の底部部分、すなわち「サンプ（ｓｕｍｐ）」２２に蓄積する。蓄積された液体物質の一部分がサンプ２２の外に、ポンプ移送で抜き出され、水性（メタ）アクリル酸１８を形成する。凝縮されていない気体状物質２４は凝縮器カラム１２の頂部部分２６から出て、第２の熱交換器１６に入り、そこではそれらは冷却され、次いで分離器（それ自体は図示されていない）に供給され、分離器から残部排ガス２０および凝縮流れ２８が出て、凝縮流れは凝縮器カラム１２に再循環して戻される。残部排ガス２０は別のプロセスに供給されることができ、例えば、酸化反応器に再循環されてもよく、または廃棄プロセス、例えば、熱オキシダイザーに移送されうる。
この凝縮工程により製造される水性（メタ）アクリル酸生成物１８は、吸収を伴う従来法により製造され、水性（メタ）アクリル酸の全重量を基準にして約６５重量％〜８０重量％の（メタ）アクリル酸を含む水性（メタ）アクリル酸よりも濃縮されており、すなわち、７５重量％〜９５重量％の（メタ）アクリル酸を有しており、かつ低減された量のホルムアルデヒドを有する。水性（メタ）アクリル酸流れは、水性（メタ）アクリル酸の全重量を基準として、０．１重量％を超えて、例えば、０．０５重量％を超えて、またはさらには０．０１重量％を超えてホルムアルデヒドを含まない。水性（メタ）アクリル酸生成物１８におけるこれら低いホルムアルデヒド量は、下流のプロセス装置、例えば、共沸蒸留カラム、ストリッパーおよび晶析装置におけるポリマーおよび他の汚染固体（例えば、ホルムアルデヒドとフェノール系禁止剤との反応生成物）の形成を低減させ、これはより高い資産活用およびより低い操作コストをさらにもたらす。より高い（メタ）アクリル酸濃度およびより低い不純物（例えば、ホルムアルデヒド）量も下流の精製／分離工程における全体的なエネルギー利用を低減させる。
粗水性（メタ）アクリル酸１８は、従来の手段、例えば、限定されないが、溶融結晶化、蒸留、ストリッピング、共沸蒸留、抽出またはこれらの組み合わせ（例えば、蒸留とそれに続く結晶化）を用いるさらなる精製にかけられることができ、酢酸、アクロレインおよび未反応アルカンまたはアルケンのようなさらなる副生成物および不純物を除去することができる。
既知の装置仕様および既知の操作データに基づいてプロセスの結果を予測することができる、コンピューターモデルと実際の商業プロセスデータとの組み合わせである次の実施例により、本発明のプロセスおよび方法は明らかにされるであろう。発明者により使用されたコンピューターモデルは、米国マサチューセッツ州バーリントンのアスペンテクノロジーから入手可能なアスペンプラス２００４．１シミューレーションエンジン（Ａｓｐｅｎ ｐｌｕｓ ２００４．１ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅ）として商業的に知られている。
比較例１（従来の吸収装置）
装置の仕様および一般的な操作
装置は、１０２フィート３インチ（３１．１６６メートル）長さである１０フィート６インチ（３．２メートル）直径の頂部セクションと、４フィート４インチ（１．３２１メートル）長さの円錐移行セクションと、１５フィート６インチ（４．７２４メートル）直径で３０フィート４インチ（９．２４６メートル）長さの底部セクションとを備えた３１６Ｌステンレス鋼カラムである吸収装置からなる。カラムの底部セクションは、反応器出口ガスの冷却を行うために外部液体ポンプアラウンドループを有し、カラムの底部から液体を引き抜く、１分間あたり１１００ガロン（ｇｐｍ）（２５０ｍ３／ｈ ＳＩ単位）ポンプ、３１℃（８８°Ｆ）の冷却塔水を用いて３０ＭＭ ＢＴＵ／ｈ（８．７８ ＭＷ）までの冷却を提供する２８０７平方フィート（２６１平方メートル）の３１６Ｌステンレス鋼管状熱交換器、および後述する充填床の上側で底部セクションへ戻るポンプアラウンド液体流れ（ｐｕｍｐ ａｒｏｕｎｄ ｌｉｑｕｉｄ ｓｔｒｅａｍ）の返送路（ｒｅｔｕｒｎ）で構成される。
装置の仕様および一般的な操作
装置は、１０２フィート３インチ（３１．１６６メートル）長さである１０フィート６インチ（３．２メートル）直径の頂部セクションと、４フィート４インチ（１．３２１メートル）長さの円錐移行セクションと、１５フィート６インチ（４．７２４メートル）直径で３０フィート４インチ（９．２４６メートル）長さの底部セクションとを備えた３１６Ｌステンレス鋼カラムである吸収装置からなる。カラムの底部セクションは、反応器出口ガスの冷却を行うために外部液体ポンプアラウンドループを有し、カラムの底部から液体を引き抜く、１分間あたり１１００ガロン（ｇｐｍ）（２５０ｍ３／ｈ ＳＩ単位）ポンプ、３１℃（８８°Ｆ）の冷却塔水を用いて３０ＭＭ ＢＴＵ／ｈ（８．７８ ＭＷ）までの冷却を提供する２８０７平方フィート（２６１平方メートル）の３１６Ｌステンレス鋼管状熱交換器、および後述する充填床の上側で底部セクションへ戻るポンプアラウンド液体流れ（ｐｕｍｐ ａｒｏｕｎｄ ｌｉｑｕｉｄ ｓｔｒｅａｍ）の返送路（ｒｅｔｕｒｎ）で構成される。
反応器出口ガスは、底部セクションの下部でカラムに導入され、次いでＶ−グリッド気相分配器、続いて、３１６ステンレス鋼＃４カスケードミニリングの１０フィート（３．０４８メートル）深さの床に通される、なおこれら全ては大きな直径の底部セクションに含まれる。次いで、そのガスは移行セクションを経由してカラムを上って行き、連続して、３１６ステンレス鋼＃３カスケードミニリング（カンザス州ウィチタのＫｏｃｈ−Ｇｌｉｔｓｃｈ，ＬＰから商業的に入手可能）の２３フィート（７．０１０メートル）深さの床の２つを通り、続いて、３１６ステンレス鋼Ｓｕｌｚｅｒ ＢＸ構造化充填剤（スイス国、ウィンタートゥールのＳｕｌｚｅｒ Ｃｈｅｍｔｅｃｈ Ｌｔｄ，から商業的に入手可能）の１４フィート４インチ（４．３６９メートル）深さの床の２つを通る。典型的には「排ガス」と称される、頂部の床を出るガスはカラムの頂部を出て、一部分が反応器の供給物に再循環され、一方で、残部は熱オキシダイザーに送られる。
カラムに供給される水は頂部に導入され、３１６ステンレス鋼Ｎｕｔｔｅｒ ＭＴＳ−１０９液体分配器（テキサス州ヒューストンのＪａｅｇｅｒ Ｐｒｏｄｕｃｔｓから等価物を商業的に入手可能）を用いて、頂部の床に分配される。液体が頂部セクション内のそれぞれの床を通った後で、その液体は３１６ステンレス鋼Ｎｕｔｔｅｒ ＣＦＴ−１２０６チムニートレイ（テキサス州ヒューストンのＪａｅｇｅｒ Ｐｒｏｄｕｃｔｓから等価物を商業的に入手可能）を用いて集められ、３１６ステンレス鋼 ＭＴＳ−１０９液体分配器（テキサス州ヒューストンのＪａｅｇｅｒ Ｐｒｏｄｕｃｔｓから等価物を商業的に入手可能）を用いて次の床に再分配される。頂部セクションを出る液体はポンプアラウンド循環（ｐｕｍｐ ａｒｏｕｎｄ ｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）ループからの液体に加えられ、３１６ステンレス鋼Ｎｕｔｔｅｒ ＨＬＴ−５３８液体分配器（テキサス州ヒューストンのＪａｅｇｅｒ Ｐｒｏｄｕｃｔｓから等価物を商業的に入手可能）を用いて底部の床に分配される。カラムの底部、すなわちサンプに液体が蓄積すると、レベル制御によってこの系からポンプを介して液体が抜き出される。吸収装置の底部を出る液体は水性アクリル酸と称される。この水性アクリル酸は、さらなる精製のために下流のプロセスに送られることができ、または場合によっては、アクロレインの効果的な除去のための統合されたアクロレイン除去カラムに送られうる。
この実施例の実施形態においては、任意構成物である統合されたアクロレイン除去カラムが利用される。この統合されたアクロレイン除去カラムは、３０４ステンレス鋼＃２カスケードミニリングの２１フィート８インチ（６．６０４メートル）充填床を備えた４フィート９インチ（１．４４８メートル）直径の３０４Ｌステンレス鋼カラムであり、さらに４１１平方フィート（３８．２平方メートル）の３０４Ｌステンレス鋼熱サイホンリボイラー、９４９平方フィート（８８．２平方メートル）の３０４Ｌステンレス鋼メイン凝縮器、および２９３平方フィート（２７．２平方メートル）の３０４Ｌステンレス鋼ベント凝縮器を備えている。吸収装置底部物質は、約２００ｍｍＨｇ（２６，６６４Ｐａ）絶対圧力で操作されるカラムの頂部に供給され、充填剤を通過し、次いでリボイラーによってカラムの底部で加熱され、その流れの約５〜１０体積％を気化させる。リボイラーを出る気体は、ストリッピングをもたらすための充填床を通過し、次いでメインおよびベント凝縮器によって凝縮される。アクロレインを含む凝縮物が、ポンプアラウンド流れのための返送ラインに添加されて、吸収装置の底部セクションに戻され；この方法で凝縮物を導入することにより、アクロレインを吸収装置内で再度気化させることが可能になる。アクロレイン除去カラムの底部を出る液体は、アクロレイン含量が低減された水性アクリル酸と称され、さらなる精製のために下流プロセスに送られる。
実際の操作および性能
上記装置および実際の操作データに基づいて、モデルは以下を前提とした：２９０℃（５５４°Ｆ）で反応器出口ガスが、２５３，６４１ ｌｂ／ｈ（１１５，０５０ｋｇ／ｈ ＳＩ単位）の質量流量、４．２ｐｓｉｇ（１３０，２８３ Ｐａ ＳＩ単位）で吸収装置カラムの底部に導入された、そして、次の組成を有すると推定された：
上記装置および実際の操作データに基づいて、モデルは以下を前提とした：２９０℃（５５４°Ｆ）で反応器出口ガスが、２５３，６４１ ｌｂ／ｈ（１１５，０５０ｋｇ／ｈ ＳＩ単位）の質量流量、４．２ｐｓｉｇ（１３０，２８３ Ｐａ ＳＩ単位）で吸収装置カラムの底部に導入された、そして、次の組成を有すると推定された：
吸収装置カラムの底部セクションでの冷却は、カラム頂部温度を６２℃（１４４°Ｆ）に保ち、結果として、７３℃（１６３°Ｆ）の底部温度となるように制御された。吸収装置の頂部を出るガス流れは１．９ｐｓｉｇ（１１４，４２５Ｐａ）で２１２，０４７ ｌｂ／ｈ（９６，１８３ｋｇ／ｈ）であると計算され、かつ次の推定組成を有していた：
吸収装置カラムは、ヒドロキノン（ＨＱ）禁止剤を含んでいた水の供給１９，４００ ｌｂ／ｈ（８，８００ｋｇ／ｈ）で提供され、吸収装置カラムを出る水性アクリル酸生成物流れは６５，０６９ ｌｂ／ｈ（２９，５１５ｋｇ／ｈ）の流量および次の組成を有していた：
次いで、水性アクリル酸生成物はアクロレインを除去するためにアクロレイン除去カラムに供給された。アクロレイン除去カラム底部から取り出された、アクロレイン含量が低減された水性アクリル酸流れは６０，８８６ ｌｂ／ｈ（２７，６１７ｋｇ／ｈ）の流量および次の組成を有していた：
実施例１および２（凝縮器）
装置の仕様および一般的な操作
装置は、１０２フィート３インチ（３１．１６６メートル）長さである１０フィート６インチ（３．２００メートル）直径の頂部セクションと、４フィート４インチ（１．３２１メートル）長さの円錐移行セクションと、１５フィート６インチ（４．７２４メートル）直径で３０フィート４インチ（９．２４６メートル）長さの底部セクションとを備えた３１６Ｌステンレス鋼カラムである凝縮器からなる。凝縮器カラムの頂部には、カラムの頂部を出るガスを冷却するために、３１℃（８８°Ｆ）の冷却水を用いて３３ＭＭ ＢＴＵ／ｈ（９．６６ＭＷ）までの冷却を提供する１１，８３２平方フィート（１０９９平方メートル）の管状交換器、すなわち頂部冷却器が備え付けられており、そして気体と液体とを分離し、凝縮物をポンプによってカラムの頂部に戻すために集めるように分離容器が設計される。カラムの底部セクションは、反応器出口ガスの冷却を行うための外部液体ポンプアラウンドループを有し、カラムの底部から液体を引き抜く１１００ｇｐｍ（２５０ｍ３／ｈ）ポンプ、３１℃（８８°Ｆ）の冷却塔水を用いて３０ＭＭ ＢＴＵ／ｈ（８．７８ ＭＷ）まで冷却を提供する２８０７平方フィート（２６１平方メートル）の３１６Ｌステンレス鋼管状熱交換器、および後述する充填床の上側で底部セクションへ戻るポンプアラウンド液体流れの返送路で構成される。
装置の仕様および一般的な操作
装置は、１０２フィート３インチ（３１．１６６メートル）長さである１０フィート６インチ（３．２００メートル）直径の頂部セクションと、４フィート４インチ（１．３２１メートル）長さの円錐移行セクションと、１５フィート６インチ（４．７２４メートル）直径で３０フィート４インチ（９．２４６メートル）長さの底部セクションとを備えた３１６Ｌステンレス鋼カラムである凝縮器からなる。凝縮器カラムの頂部には、カラムの頂部を出るガスを冷却するために、３１℃（８８°Ｆ）の冷却水を用いて３３ＭＭ ＢＴＵ／ｈ（９．６６ＭＷ）までの冷却を提供する１１，８３２平方フィート（１０９９平方メートル）の管状交換器、すなわち頂部冷却器が備え付けられており、そして気体と液体とを分離し、凝縮物をポンプによってカラムの頂部に戻すために集めるように分離容器が設計される。カラムの底部セクションは、反応器出口ガスの冷却を行うための外部液体ポンプアラウンドループを有し、カラムの底部から液体を引き抜く１１００ｇｐｍ（２５０ｍ３／ｈ）ポンプ、３１℃（８８°Ｆ）の冷却塔水を用いて３０ＭＭ ＢＴＵ／ｈ（８．７８ ＭＷ）まで冷却を提供する２８０７平方フィート（２６１平方メートル）の３１６Ｌステンレス鋼管状熱交換器、および後述する充填床の上側で底部セクションへ戻るポンプアラウンド液体流れの返送路で構成される。
反応器出口ガスは、底部セクションの下部で凝縮器カラムに導入され、次いでＶ−グリッド気相分配器、続いて、３１６ステンレス鋼＃４カスケードミニリングの１０フィート（３．０４８メートル）深さの床に通される、なおこれら全ては大きな直径の底部セクションに含まれる。次いで、そのガスは移行セクションを経由してカラムを上って行き、連続して、３１６ステンレス鋼＃３カスケードミニリングの２３フィート（７．０１０メートル）深さの床を２つ通り、続いて、３１６ステンレス鋼Ｓｕｌｚｅｒ ＢＸ構造化充填剤の１４フィート４インチ（４．３６９メートル）深さの床を２つ通る。頂部の床を出るガスはカラムの頂部を出て、次いで、頂部冷却器に配管される。冷却された後、次いで、そのガス流れは「排ガス」として系を出る前に液体凝縮物を除くために分離器を通り、一部分は反応器の供給物に再循環され、一方で残部は熱オキシダイザーに送られる。
分離器容器によって集められた凝縮物はカラムの頂部に供給され、３１６ステンレス鋼Ｎｕｔｔｅｒ ＭＴＳ−１０９液体分配器を用いて、頂部の床に分配される。液体が頂部セクション内のそれぞれの床を通った後で、その液体は３１６ステンレス鋼Ｎｕｔｔｅｒ ＣＦＴ−１２０６チムニートレイを用いて集められ、３１６ステンレス鋼 ＭＴＳ−１０９液体分配器を用いて次の床に再分配される。頂部セクションを出る液体はポンプアラウンド循環ループからの液体に添加され、３１６ステンレス鋼Ｎｕｔｔｅｒ ＨＬＴ−５３８液体分配器を用いて底部の床に分配される。カラムの底部、すなわちサンプに液体が蓄積すると、レベル制御によってこの系からポンプを介して液体が抜き出される。凝縮器カラムの底部を出る液体は水性アクリル酸と称される。この水性アクリル酸は、さらなる精製のために下流のプロセスに送られることができ、または場合によっては、アクロレインの効果的な除去のための統合されたアクロレイン除去カラムに送られうる。
この実施例の実施形態においては、任意構成物である統合されたアクロレイン除去カラムが利用される。この統合されたアクロレイン除去カラムは、３０４ステンレス鋼＃２カスケードミニリングの２１フィート８インチ（６．６０４メートル）充填床を備えた４フィート９インチ（１．４４８メートル）直径の３０４Ｌステンレス鋼カラムであり、さらに４１１平方フィート（３８．２平方メートル）の３０４Ｌステンレス鋼熱サイホンリボイラー、９４９平方フィート（８８．２平方メートル）の３０４Ｌステンレス鋼メイン凝縮器、および２９３平方フィート（２７．２平方メートル）の３０４Ｌステンレス鋼ベント凝縮器を備えている。凝縮器カラム底部物質は、約２００ｍｍＨｇ（２６，６６４Ｐａ）絶対圧力で操作されるアクロレイン除去カラムの頂部に供給され、充填剤を通過し、次いでリボイラーによってカラムの底部で加熱され、その流れの約５〜１０重量％を気化させる。リボイラーを出る気体は、ストリッピングをもたらすための充填床を通過し、次いでメインおよびベント凝縮器によって凝縮される。アクロレインを含む凝縮物が、ポンプアラウンド流れのための返送ラインに添加されて、凝縮器カラムの底部セクションに戻される。この方法で凝縮物を導入することにより、アクロレインを凝縮器カラム内で再度気化させることが可能になる。アクロレイン除去カラムの底部を出る液体は、アクロレイン含量が低減された水性アクリル酸と称され、さらなる精製のために下流プロセスに送られる。
実施例１
実際にモデル化された操作および性能（中程度の水性強度）
上記凝縮器装置に基づいて、本発明の凝縮器系の操作が、比較例１において使用されたのと同じ反応器出口ガス組成および質量流量（２５３，６４１ ｌｂ／ｈ（１１５，０５０ｋｇ／ｈ））でシミューレートされた。この実施例において、反応器出口ガスは２９０℃（５５４°Ｆ）の温度および７．３ｐｓｉｇ（１５１，６５７Ｐａ）の圧力で凝縮器カラムの底部に導入される。このモデルは凝縮器カラムの底部セクションでの充分な冷却を用いて行われ、カラム頂部温度を６８℃（１５４°Ｆ）に、および２５．７ＭＭ ＢＴＵ／ｈ（７．５３ＭＷ）の頂部冷却器を通る冷却に制御し、結果として８０．７℃（１７７°Ｆ）の底部温度を生じさせた。頂部冷却器の後の気−液分離装置の頂部を出る排ガスは、１．５ｐｓｉｇ（１１１，６６７）の圧力で２００，４２１ ｌｂ／ｈ（９０，９１０ｋｇ／ｈ）で流れていると計算され、このモデルは次の組成を予測する：
実際にモデル化された操作および性能（中程度の水性強度）
上記凝縮器装置に基づいて、本発明の凝縮器系の操作が、比較例１において使用されたのと同じ反応器出口ガス組成および質量流量（２５３，６４１ ｌｂ／ｈ（１１５，０５０ｋｇ／ｈ））でシミューレートされた。この実施例において、反応器出口ガスは２９０℃（５５４°Ｆ）の温度および７．３ｐｓｉｇ（１５１，６５７Ｐａ）の圧力で凝縮器カラムの底部に導入される。このモデルは凝縮器カラムの底部セクションでの充分な冷却を用いて行われ、カラム頂部温度を６８℃（１５４°Ｆ）に、および２５．７ＭＭ ＢＴＵ／ｈ（７．５３ＭＷ）の頂部冷却器を通る冷却に制御し、結果として８０．７℃（１７７°Ｆ）の底部温度を生じさせた。頂部冷却器の後の気−液分離装置の頂部を出る排ガスは、１．５ｐｓｉｇ（１１１，６６７）の圧力で２００，４２１ ｌｂ／ｈ（９０，９１０ｋｇ／ｈ）で流れていると計算され、このモデルは次の組成を予測する：
ポリマー阻害の目的のために、カラムは５重量％のヒドロキノン（ＨＱ）禁止剤を含む脱イオン水の供給４００ ｌｂ／ｈ（１８１ｋｇ／ｈ）で提供される。水性アクリル酸は、５８，１７６ ｌｂ／ｈ（２６，３８８ｋｇ／ｈ）の流量で、次の組成で凝縮器カラムの底部を出る。
シミュレーションについて、この実施例の水性アクリル酸流れは、次いで、アクロレイン除去カラムに供給され、そこではアクロレインがストリッピングされ、凝縮器カラムに再循環される。アクロレイン含量が低減された水性アクリル酸は、５３，６２０ ｌｂ／ｈ（２４，３２２ｋｇ／ｈ）の流量でアクロレイン除去カラムの底部から取り出され、次の組成を有するであろう：
この実施例の条件下で、本発明の方法が水性アクリル酸中で先行技術の吸収法よりも有意に低いホルムアルデヒド量を提供し、そして、この利点は水性アクリル酸がアクロレイン除去カラムにおいてストリッピングされる場合でさえ維持される。
実施例２ 実際の操作および性能（高い水性強度）
上記の凝縮器装置に基づいて、比較例１において使用されたのと同じ反応器出口ガス組成および質量流量（２５３，６４１ ｌｂ／ｈ（１１５，０５０ｋｇ／ｈ））で、本発明の凝縮器系の操作が再度シミュレートされた。この実施例においては、反応器出口ガスは、２９０℃（５５４°Ｆ）の温度および７．３ｐｓｉｇ（１５１，６５７Ｐａ）の圧力で凝縮器カラムの底部に導入される。
このモデルは凝縮器カラムの底部セクションでの冷却なしに運転された。そして、４３．５ＭＭ ＢＴＵ／ｈ（１２．７ＭＷ）を提供し、結果として、６０℃（１４０°Ｆ）の頂部冷却器出口温度および１０３℃（２１７°Ｆ）のカラム底部温度を生じさせるように、頂部冷却器がシミュレートされる。頂部冷却器の後の気−液分離装置の頂部を出る排ガスは２１１，６１１ ｌｂ／ｈ（９５，９８５ｋｇ／ｈ）で、圧力１．５ｐｓｉｇ（１１１，６６７Ｐａ）で流れるように計算され、そのモデルは次の組成を予測する：
上記の凝縮器装置に基づいて、比較例１において使用されたのと同じ反応器出口ガス組成および質量流量（２５３，６４１ ｌｂ／ｈ（１１５，０５０ｋｇ／ｈ））で、本発明の凝縮器系の操作が再度シミュレートされた。この実施例においては、反応器出口ガスは、２９０℃（５５４°Ｆ）の温度および７．３ｐｓｉｇ（１５１，６５７Ｐａ）の圧力で凝縮器カラムの底部に導入される。
このモデルは凝縮器カラムの底部セクションでの冷却なしに運転された。そして、４３．５ＭＭ ＢＴＵ／ｈ（１２．７ＭＷ）を提供し、結果として、６０℃（１４０°Ｆ）の頂部冷却器出口温度および１０３℃（２１７°Ｆ）のカラム底部温度を生じさせるように、頂部冷却器がシミュレートされる。頂部冷却器の後の気−液分離装置の頂部を出る排ガスは２１１，６１１ ｌｂ／ｈ（９５，９８５ｋｇ／ｈ）で、圧力１．５ｐｓｉｇ（１１１，６６７Ｐａ）で流れるように計算され、そのモデルは次の組成を予測する：
ポリマー阻害の目的のためには、カラムは５重量％のヒドロキノン（ＨＱ）禁止剤を含む脱イオン水のわずか４００ ｌｂ／ｈ（１８１ｋｇ／ｈ）の供給で提供されるであろう。水性アクリル酸は、４６，８５６ ｌｂ／ｈ（２１，２５４ｋｇ／ｈ）の流量で、そして次の組成で凝縮器カラムの底部を出る。
このシミュレーションについて、この実施例の水性アクリル酸流れは、次いで、アクロレイン除去カラムに供給され、そこではアクロレインがストリッピングされ、凝縮カラムに再循環される。アクロレイン含量が低減された水性アクリル酸はアクロレイン除去カラムの底部から、４２，４３０ ｌｂ／ｈ（１９，２４６ｋｇ／ｈ）の流量で取り出され、次の組成を有するであろう。
この実施例の条件下では、本発明の方法が水性アクリル酸において先行技術の吸収法よりも有意に少ないホルムアルデヒド量を提供し、そしてこの利点は水性アクリル酸がアクロレイン除去カラムにおいてストリッピングされる場合でさえ維持されることは明らかである。
１０ 物質流れ
１２ 凝縮器カラム
１４、１６ 外部熱交換器
１８ 水性（メタ）アクリル酸
２０ 残部排ガス
２２ サンプ
２４ 気体状物質
２６ 頂部部分
２８ 凝縮流れ
１２ 凝縮器カラム
１４、１６ 外部熱交換器
１８ 水性（メタ）アクリル酸
２０ 残部排ガス
２２ サンプ
２４ 気体状物質
２６ 頂部部分
２８ 凝縮流れ
Claims (7)
- ａ）少なくともアクリル酸、水、ホルムアルデヒドを含む気体状物質流れを凝縮器に供給すること、ここで前記凝縮器は、凝縮器カラム、当該凝縮器カラムの頂部部分に接続された頂部外部熱交換器、当該頂部熱交換器に接続された分離器及び、凝縮器カラムの底部に位置する底部外部熱交換器を含み；並びに
ｂ）前記気体状物質流れを、凝縮器内で前記気体状物質流れと凝縮物との間の接触並びに外部熱交換器での間接冷却もしくは直接冷却を用いる凝縮工程の組み合わせに付し、濃縮されていない気体状物質と、凝縮器のサンプ部分から抜き出されるアクリル酸を含む凝縮水性アクリル酸流れとを生じさせること、ここで前記凝縮されていない気体状物質は凝縮器カラムの頂部部分から出て前記頂部熱交換器に入り、そこで凝縮されていない気体状物質は冷却され、次いで分離器に供給され、分離器から残部排ガスおよび凝縮流れが出て、凝縮流れは凝縮器カラムに再循環して戻される；を含み、
前記水性アクリル酸流れが、前記水性アクリル酸流れの全重量を基準にして０．１重量％を超えてホルムアルデヒドを含まず、及び水性アクリル酸流れの全重量を基準にして７５重量％〜９５重量％のアクリル酸を含む；
気体状物質流れから水性アクリル酸を製造する方法。 - 前記水性アクリル酸流れが０．０５重量％を超えてホルムアルデヒドを含まない、請求項１に記載の方法。
- 前記水性アクリル酸流れが０．０１重量％を超えてホルムアルデヒドを含まない、請求項１に記載の方法。
- ｃ）アクロレイン除去カラムにおいて水性アクリル酸流れをストリッピングして、アクロレイン含量が低減された水性アクリル酸流れと、アクロレインを含む凝縮物流れとを得ること；および
ｄ）前記アクロレインを含む凝縮物流れをアクリル酸凝縮器に再循環させること；をさらに含む、請求項１に記載の方法。 - プロピレンおよびプロパンから選択される少なくとも１種の炭化水素を触媒気相シェルアンドチューブ反応系において酸化し、前記アクリル酸、水およびホルムアルデヒドを含む気体状物質流れを生じさせることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
- 大気圧で−４０℃以下の沸点を有する非凝縮性物質を、前記気体状流れがさらに含む、請求項１に記載の方法。
- 気体状物質流れが５０℃〜４５０℃の温度を有する、請求項１に記載の方法。
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