TW201422309A - 裝置及方法 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種用於純化粗製芳族羧酸之反應容器，其包括：一氫化觸媒床，其具有定位在該氫化觸媒床上方的蒸氣空間；一填充床及一滯留區段，其等定位在該蒸氣空間內及間隔在該觸媒床的上方；用於引入粗製芳族羧酸之構件及用於在各自位置將氫氣引入反應容器使得在使用時使粗製羧酸與氫氣在填充床中接觸之構件；及用於移除經純化之芳族羧酸之構件。

Description

裝置及方法

本發明係關於一種反應容器及一種用於純化粗製芳族羧酸的方法。更具體言之，本發明係關於一種反應容器及一種用於純化芳族羧酸及特定言之對苯二甲酸或間苯二甲酸的方法。

一般而言，粗製對苯二甲酸係藉由氧化對二甲苯而製備。該氧化係利用乙酸作為溶劑在觸媒存在下進行。接著以逐步的方式冷卻溶液以使對苯二甲酸結晶。然後從乙酸溶劑中除去粗製對苯二甲酸及此步驟一般藉由過濾完成。所稱之「粗製」對苯二甲酸係以約99.6至99.7重量%的純度最經濟地製得，其中主要雜質一般為在製備對苯二甲酸之前即為反應鏈中之中間產物的4-羧基苯甲醛。由於4-羧基苯甲醛及粗製對苯二甲酸中之其他雜質(諸如對甲苯甲酸及苯甲酸)具有單一羧酸端基及因此在對苯二甲酸與乙二醇反應形成聚酯產物的下游聚合反應中充當鏈阻斷劑，其存在為非所需的。因此，儘管粗製對苯二甲酸之雜質水平針對某些目的係足夠的，但是在諸如對苯二甲酸用於製備聚酯的情形下一般需要進一步純化該粗製產物。經純化之對苯二甲酸具有顯著更低含量的雜質，其中對甲苯酸及4-羧基苯甲醛之總量合宜地為小於200ppm w/w。這確保經純化之對苯二甲酸具有足夠的純度來製備可用於製造瓶、膜、聚酯纖維及長絲之聚合產品。

其他芳族羧酸係藉由在溶劑中，在觸媒存在下氧化芳族化合物而製備。該氧化反應之產物對其應用而言一般不夠純及需要純化步驟。在純化例如對苯二甲酸時，將經非所需雜質污染的粗製對苯二甲 酸溶於水中以產生澄清溶液。接著，使該溶液通過異質氫化觸媒，在通過觸媒時雜質氫化成一種使其更易與所需對苯二甲酸分離的形式。因此，該氫化步驟可製備高純度的對苯二甲酸。「高」純度意指作為最低要求，經純化之對苯二甲酸具有相比粗製對苯二甲酸更高的純度及較佳地具有200ppm w/w或更少的對甲苯甲酸及4-羧基苯甲醛含量。

US 3584039敘述一種氫化雜質之方法的一個實例，其中在觸媒存在下，氫化粗製對苯二甲酸之水溶液。將經處理之溶液與該觸媒分離及接著藉由結晶回收純對苯二甲酸。然後，晶體可與保留在母液中之雜質分離。在US 3584039中，該觸媒為載於惰性支撐物上之第VIII族貴金屬觸媒。市售觸媒一般為載於碳基礎支撐物上之0.5% w/w鉑。

由於觸媒很脆，為了使觸媒床的壽命最大化，一般以完全浸沒之觸媒床操作氫化反應器。在該情形下，僅有液體在觸媒床上方流動及在該觸媒床上方維持某一液面。其遵循：氫化反應所需之氫氣必須在溶液抵達液面及向下流經氫化觸媒床之前溶於氫化反應器之液體加料中。利用完全浸沒之床操作意指若在其抵達觸媒床之前，不足量的氫氣溶於液體中，則不可能氫化所有的雜質，使得未達成所需的純度水平。

在歷史上，以最簡單的形式，氫氣進入氫化反應器之液體加料流中之溶解係藉由使經溶解之粗製產物流經由基礎環形分配器流入反應容器而達成。該分配器使得粗製液體加料流經由定位在氫化觸媒床之液面上方的蒸氣空間向下流入液柱中。該蒸氣空間包括水蒸氣及氫氣。一般以等於氫氣溶於粗製酸含於水中之液體溶液中的速率的速率直接將氫氣添加至蒸氣空間，從而維持容器內的壓力。

氫氣溶於液體流的速率取決於蒸氣空間中之氫氣分壓以及液體表面積。對可達成之氫氣分壓存在限制。該分壓主要受反應容器之機 械設計壓力以及可從將液體流饋入反應器之泵上游獲得的最大輸送壓限制。

利用該環形分配器系統之主要問題在於：已經發現孔洞邊緣隨時間侵蝕及變大。最終，介於相鄰孔洞之間的金屬侵蝕到足以使孔洞合併成擴伸的開口。分配器內之孔洞的該侵蝕逐漸降低該方法的有效性。這是因為隨著通過蒸氣空間之液柱數降低，可用來接觸氫氣之液體的表面積亦減少。因此，由於質量轉移面積減少，在液體中達成更低的氫氣濃度。

最終，這不利地影響工廠操作。這意味著必須降低反應器速率或必須改進輸入加料之品質以減少加料中之雜質水平及因此減少氫化負載。該等效應對製備所需純化產品之經濟可行性產生影響。

最終，環形分配器之侵蝕將需要工廠停工使得替換該分配器。

即使當工廠利用新液體環形分配器操作時，可利用之液體表面積數可能未必足夠用於使氫氣完全飽和液體溶液。

因此，需要考慮替代性設計以進一步增加反應器之蒸氣空間中的液體表面積。

另一與該類型之環形分配器有關的問題在於必須在反應器中提供額外的高度，以提供用於液體與氫氣間接觸的足夠面積。該額外的高度係與提供足夠高的液柱以達成所需液體表面積有關。

一種替代性配置敘述於WO2011/100682中。在該配置中，使用一種液體分配器，其包括具有直徑約為純化反應容器直徑之0.3至0.9的穿孔圓盤或穿孔圓形開口管或通道。穿孔盤將輸入液體分成多個小液柱，相比利用習知環形分配器所達成者，其增加液體表面積。

儘管該配置提供可利用表面積量的改進，但其遭受各種不利及缺點。特定言之，相比習知配置，反應容器之高度必須進一步增加以容許安裝分配器，及必須提供額外的高度以產生該分配器下方的液體 表面積。

另一問題在於必須安裝分配器板使得其為水平的，以確保達成來自該板之均勻液體流動。由於在跨穿孔分配器板之液流中的任何不平衡可引起液體表面積的減少，故此為重要的。該要求使得板之安裝困難。

一種使液體加料可具有於其中飽和之氫氣之替代性配置敘述於CN202179958中。在該配置中，一填充區段定位在主觸媒床上方。該填充區段跨反應器之整個橫截面延伸。

一種替代性配置揭示於US2002127160中。在該配置中，敘述一種子總成，其提供介於處於向下流動模式之液相與氣相之間的接觸。該子總成包括定位在顆粒固體床上方的至少一個分配器託盤，其包括複數個降液管，各降液管由至少一個噴射分配器裝置包圍及在其上部各具有至少一個流動橫截面以供氣相之主要部份進入該降液管，及在託盤上方之該降液管之上部與下部之間，及至少一個流動橫截面以供液相之主要部份進入該降液管，及在其下部各具有至少一個在降液管中形成之混合物流的橫截面以將其分配在定位在該下部之顆粒固體床的上方，各降液管包含至少一種填充物，其跨介於循環區之其上部與其下部之間的降液管的整個橫斷橫截面延伸，該循環區係由該液相及該氣相通過之小室構成，該等小室係在實質上徑向方向定向該降液管內之流體循環。然而，該配置構造複雜及需要觸媒床上方之反應容器的實質高度。

因此，需要提供一種使得利用氫氣使氫化觸媒床的加料完全飽和的替代性方法。亦較佳地，達成其同時將進行氫化反應之容器高度最小化。

這可以藉由在反應容器之蒸氣空間中提供一填充區段及一液體滯留區段而達成。

因此，根據本發明之第一態樣，提供一種用於純化粗製芳族羧酸之反應容器，其包括：一氫化觸媒床，其具有定位在該氫化觸媒床之上方的蒸氣空間；一填充床及一滯留區段，其等定位在該蒸氣空間內及間隔在該觸媒床的上方；用於引入粗製芳族羧酸之構件及用於在各自的位置將氫氣引入反應容器使得在使用時使粗製羧酸與氫氣在填充床中接觸之構件；及用於移除純化之芳族羧酸之構件。

藉由該構件，粗製芳族羧酸可利用氫氣完全飽和。粗製芳族羧酸一般係呈水溶液提供。「粗製」羧酸加料可為來自用於製備羧酸加料之製程的直接產物或其可為已經經歷某純化製程的加料。

該填充床一般將提供液體與氫氣在蒸氣空間中接觸之足夠空隙度。該填充床未被浸沒。利用該配置，可在無先前技術配置之額外的高度要求下達成飽和。在一種配置中，高度減少將為在一般9至10m高度之容器中減少約1至1.5m數量級。未受限於任何理論，由於所需質量轉移不取決於下落液體流之高度，故可達成所得容器高度的減少。

通常用於引入氫氣之構件定位在或接近容器之頂部。在該配置中，氫氣及粗製羧酸並行地流過填充床。另外，其可在任何其他適宜的點(包括在或接近容器底部及或介於填充床與觸媒床之間)添加。在一種配置中，其可添加至液體滯留區段。

然而，在一些配置中，引入構件可經組態以在填充床下方引入氫氣使得該引入之氫氣係與向下流過填充床之液體逆流向上流動。

粗製芳族羧酸一般將呈適宜的溶液或呈含於其中之漿液提供。可使用任何適宜的溶劑。為本申請案之目的，提及「羧酸」應理解為 該酸及其溶劑。所使用之滯留區段一般提供足夠的滯留時間以確保所有粗製芳族羧酸固體在其與填充床中之氫氣接觸之前完全溶於溶劑中。在該配置中，一般將液體添加至液體滯留區段中。

針對液體滯留區段及填充床可使用能達成所需結果之任何組態。在一種配置中，該液體滯留區段可定位在填充床上方的任何位置。在該配置中，可使用用於從該液體滯留區段中除去液體及將其提供至填充床的任何適宜構件。在該配置中，該填充床可跨反應器延伸。

在一較佳配置中，可呈在中央降液管周圍之環形物定位該液體滯留區段。在該配置中，一般在或接近液體滯留區段之底部定位芳族羧酸之入口構件。在該配置中，該填充床可定位在降液管下方或可定位在降液管內。

在一種配置中，複數個降液管可延伸通過液體滯留區段。

在另一替代性配置中，該滯留區段可定位在中央，並且該填充床係呈在其周圍之環形物定位。

可使用任何適宜的填充物，限制條件為其提供複數個將被粗製芳族羧酸溶液潤濕之表面，以提供用於與氫氣接觸的大表面積。適宜的填充物包括無規填充物、結構化填充物、柵格或球。

根據本發明之第二態樣，提供一種用於純化芳族羧酸的方法，該方法包括： 將粗製芳族羧酸之液體流與氫氣引入在氫化條件下操作之上述第一態樣的反應容器中；及從該反應容器回收經純化之芳族羧酸。

本發明尤其適合製備經純化之對苯二甲酸或經純化之間苯二甲酸。

將操作該反應容器及方法使得氫化觸媒床係被芳族羧酸之氫氣飽和溶液完全浸沒。可使用任何適宜的異質氫化觸媒。適宜的觸媒包 括含第VIII族貴金屬之彼等。所用觸媒可經支撐或未經支撐。在使用支撐物的情形下，選擇其使得其不會在反應條件下溶解。適宜的支撐物包括碳及木炭，因為該等支撐物為惰性的。適宜的可購得觸媒的實例包括由Chimet提供之D3065、獲自BASF之觸媒，及獲自Sud-Chemie之H2Max50或H2Max HD。

所需氫化反應條件將取決於待處理之羧酸及所用溶劑。用於純化對苯二甲酸之典型反應條件為約270℃至約290℃之溫度及約60barg至約90barg的壓力。用於純化間苯二甲酸之典型反應條件為約200℃至約240℃之溫度及約20barg至約40barg的壓力。

1‧‧‧反應容器

2‧‧‧氫化觸媒床

3‧‧‧入口

4‧‧‧液體滯留區段

5‧‧‧降液管

6‧‧‧線

7‧‧‧液面

8‧‧‧出口

參考對苯二甲酸之形成及尤其參考附圖，現將藉由實例之方式敘述本發明，其中：圖1說明本發明之反應容器的一個實施例。

應理解，可能需要在圖式中未呈現之設備之許多其他項。該等其他項包括但不限於泵、儲料槽、閥門、壓力感測器、溫度感測器、壓力控制器、溫度控制器、水平感測器、加熱器、冷卻器、緩衝槽、冷凝器、塔再沸器等。可根據習知工程實踐安裝任一該等設備項。

如圖1所示，該反應器包括一反應容器1。一氫化觸媒床2定位在該反應容器1之底部。通過一入口3添加氫氣。另外或或者，可在填充床下方添加氫氣。

在一降液管5周圍提供一液體滯留區段4。沿線6將粗製芳族羧酸溶液引入反應容器1中。亦可使用粗製芳族羧酸之漿液及將在液體滯留區段4中完成溶解。填充中央降液管5以形成填充床。箭頭說明液體流徑。來自液體滯留區段4之液體將溢出進入降液管填充床5中。

當經氫氣飽和之液體接觸氫化觸媒床2時，發生雜質之氫化。然後在出口8移除包含氫化之雜質及芳族羧酸的流。

可使介於液面7與液體滯留/填充區段9、10之底部之間的距離最小化及可根據足以測量及控制氫化觸媒床上方之液面的良好工程實踐來設定該距離而非由提供用於氫氣質量轉移之液體高度的需要來控制。

1‧‧‧反應容器

2‧‧‧氫化觸媒床

3‧‧‧入口

4‧‧‧液體滯留區段

5‧‧‧降液管

6‧‧‧線

7‧‧‧液面

8‧‧‧出口

Claims (15)

1. 一種用於純化粗製芳族羧酸之反應容器，其包括：一氫化觸媒床，其具有定位在該氫化觸媒床上方的蒸氣空間；一填充床及一滯留區段，其定位在該蒸氣空間內及間隔在該觸媒床的上方；用於引入粗製芳族羧酸之構件及用於在各自的位置將氫氣引入反應容器使得在使用時使粗製羧酸與氫氣在填充床中接觸之構件；及用於移除純化之芳族羧酸之構件。
2. 如請求項1之反應容器，其中該用於引入氫氣之構件係定位在該容器之頂部或接近該容器之頂部。
3. 如請求項1或2之反應容器，其中該用於引入氫氣之構件係經組態以將氫氣引入該填充床之下方或引入至該液體滯留區段中。
4. 如請求項1至3中任一項之反應容器，其中提供彼此間隔的複數個填充床。
5. 如請求項1至4中任一項之反應容器，其中該液體滯留區段係定位在該填充床之上方。
6. 如請求項5之反應容器，其中該填充床或各填充床跨該反應器延伸。
7. 如請求項1至4中任一項之反應容器，其中該液體滯留區段係呈在中央降液管周圍之環形物或呈環形降液管內之中央區定位。
8. 如請求項7之反應容器，其中該芳族羧酸之入口構件係定位在該液體滯留區段之底部或接近該液體滯留區段之底部。
9. 如請求項7或8之反應容器，其中該填充床係定位在該降液管之 下方或定位在該降液管內。
10. 如請求項1至9中任一項之反應容器，其中該填充床中之填充物包括無規填充物、結構化填充物、柵格或球。
11. 一種用於純化芳族羧酸的方法，該方法包括：將粗製芳族羧酸之液體流與氫氣引入在氫化條件下操作之如請求項1至10中任一項之反應容器中；及從該反應容器回收經純化之芳族羧酸。
12. 如請求項11之方法，其中該芳族羧酸為對苯二甲酸。
13. 如請求項12之方法，其中該氫化係在約270℃至約290℃之溫度及約60barg至約90barg的壓力下進行。
14. 如請求項13之方法，其中該芳族羧酸為間苯二甲酸。
15. 如請求項14之方法，其中該氫化係在約200℃至約240℃之溫度及約20barg至約40barg的壓力下進行。