ПОЛУЧЕНИЕ ДИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ С ПОВЫШЕННОЙ РЕГЕНЕРАЦИЕЙ ЭНЕРГИИ
OBTAINING DICARBOXYLIC ACIDS WITH INCREASED ENERGY REGENERATION

Уровень техники
Известно извлечение большей части испаренного растворителя из реакционных отходящих газов пропусканием их по меньшей мере через одно охлаждающее, поглотительное и/или дистилляционное устройство для получения сжиженного регенерированного растворителя. В основном является желательной максимальная степень извлечения из реакционных отходящих газов испаренных соединений, содержащих по меньшей мере одну углерод-водородную связь, называемых здесь «углеводородные соединения», «летучие органические соединения» и “VOC”.
Известно применение по меньшей мере одного дистилляционного устройства для удаления из регенерированного растворителя содержащейся избыточной воды, которая в больших количествах образуется в качестве побочного продукта при частичном окислении рХ (пара-ксилола). Известны разнообразные конструкции для использования энергии, выделяющейся при частичном окислении пара-ксилола (рХ), в качестве по меньшей мере части подводимой энергии, необходимой для работы дистилляционного устройства.
2
2
Термин «вода от образования ТРА (терефталевой кислоты)» определяется здесь как 0,340 килограмма воды на килограмм пара-ксилола (рХ) в качестве сырьевого материала категории «технически чистый». Это следует из предполагаемого уравнения реакции образования ТРА из рХ согласно стехиометрическим параметрам: рХ + 3 О дают ТРА + 2 НО. Несмотря на то, что в пара-ксилоле (рХ) технической чистоты присутствуют небольшие количества загрязняющих примесей и что небольшое количество рХ оказывается недоокисленным и/или переокисленным, современные производственные установки производят технически чистый рХ, включающий очень малые количества загрязняющих примесей, и преобразование такого сырьевого материала в сырую и/или очищенную ТРА происходит с очень высокими выходами. Общий выход ТРА в виде твердого продукта, сырого и/или очищенного, предпочтительно составляет по меньшей мере около 96, или 97, или 98, или 99 мольных процентов, в расчете на массу технически чистого сырьевого пара-ксилола (рХ), деленную на молекулярную массу 106,16 граммов на моль. Сырьевой рХ технической чистоты предпочтительно составляет по меньшей мере около 0,990, или 0,995, 0,997, или 0,998 массовой доли пара-ксилола (рХ).
Также известна регенерация энергии - как тепловой энергии, так и механической работы на валу - из части отходящих газов в различных комбинациях, наряду с регенерацией испаренного растворителя. Один известный способ регенерации энергии состоит в применении по меньшей мере части отходящих газов для кипячения технологической текучей среды, например воды или пентана, с образованием пара. Этот пар используют для теплопередачи еще одному пользователю или же давление пара снижают с помощью расширителя в типичном случае турбодетандера для получения выходной мощности на валу. Энергия, регенерированная из турбодетандера, может быть непосредственно преобразована в механическую работу, чтобы приводить в движение компрессор для подачи воздуха или другое движущееся оборудование или направлена на электростанцию для вращения электрогенератора, подключенного к сети для распределения и потребления электроэнергии.
Еще один известный способ регенерации энергии заключается в пропускании через турбодетандер по меньшей мере части отходящих газов, включающих молекулярный азот. Энергия, извлеченная из турбодетандера, может быть непосредственно преобразована в механическую работу для привода компрессора для подачи воздуха или другого движущегося оборудования или направлена на электростанцию для вращения электрогенератора, подключенного к сети для распределения и потребления электроэнергии.
Известно также направление значительной части воды, находящейся в отходящих газах в паровой форме, в устройство для термоокислительного разложения (TOD), в котором ядовитые газообразные загрязнители и летучие органические соединения (VOC), например монооксид углерода, уксусная кислота, метилацетат, пара-ксилол и метилбромид, преобразуются в более экологически приемлемые производственные отходы, например водяные пары и диоксид углерода. Определенные традиционные системы представляют выпуск «реакционной воды» в паровой форме из реактора для окисления пара-ксилола в устройство для термического разложения, чтобы удалять вредные загрязнители окружающей среды.
Сущность изобретения
Авторы настоящего изобретения исследовали предпочтительные варианты исполнения, которые не рассматривались в прототипе. Варианты осуществления настоящего изобретения могут обеспечивать более высокую степень регенерации энергии в виде мощности на выходном валу из реакционных отходящих газов определенной окислительной реакционной среды, будь то для производства электрической энергии или же непосредственно для применения в механических установках, и/или выпуска водяных паров в количестве, даже превосходящем количество воды, образующейся при формировании ТРА, и/или для самоподдерживающего (самопитающегося) термоокислительного разложения (TOD). Определенные варианты осуществления изобретения даже могут представлять объединенную установку для цикла переработки «пара-ксилол (рХ) в терефталевую кислоту (ТРА) и в полиэтилентерефталат (РЕТ)», которая практически не создает жидких водных стоков.
В предпочтительном варианте осуществления изобретение включает пропускание по существу всего количества отходящих из реакции окисления газов, включающих в качестве источников реакторы как первичного, так и вторичного окисления таких сырьевых материалов, как пара-ксилол (рХ) и мета-ксилол (mX), через совместную дистилляционную систему для регенерации растворителя, затем через стадию перегрева и затем через двухступенчатый турбодетандер, включающий промежуточную стадию нагревания, чтобы получить большее количество мощности на валу. Эта компоновка позволяет выдавать электрическую энергию сверх потребляемой для работы воздушных компрессоров и насосов для перекачки технологических жидкостей и суспензий. Флэш-пар (пар повторного парообразования) из конденсата в нагревателях турбодетандера используют в еще одной части процесса получения ТРА. После турбодетандера часть водяного пара конденсируют из отходящих из реакции окисления газов, чтобы получить жидкую воду для различных производственных нужд; а остальной водяной пар оставляют в отходящих газах, которые направляют в TOD-установку. Необязательно, для нагревания отходящих газов используют прямое сжигание топлива, а не нагревание водяным паром, чтобы обеспечить перегрев внутри турбодетандера. Необязательно, давление на выходе из турбодетандера снижают повторным сжатием отходящих газов после того, как они были пропущены через конденсационное устройство и газожидкостный сепаратор.
Кроме того, для других аспектов соответствующего изобретению способа являются предпочтительными следующие варианты исполнения:
• предпочтительно, чтобы в отходящих газах оставалось топливо, теплотворная способность которого достаточна, чтобы его экологически приемлемое устранение в TOD, предпочтительно в регенеративном термическом окислителе (RTO), было значительным, а лучше полным, в условиях саморазогревания без добавления топлив, не присутствующих в реакционных отходящих газах. Еще более предпочтительно, чтобы в значительной степени калорийность этого топлива обеспечивалась метилацетатом (МеОАс), известным побочным продуктом окисления рХ в уксусную кислоту. Авторы настоящего изобретения выяснили, как поддерживать образование метилацетата на достаточно низком уровне, чтобы значительные капиталовложения и эксплуатационные расходы на выделение метилацетата и его утилизацию гидролизом до уксусной кислоты не оправдывали бы введение закупаемого топлива в процесс RTO.
• Водный конденсат часто образуется из водяных паров окружающей среды в компрессорных системах, подающих окружающий воздух в окислительные реакторы для получения ТРА, и эта вода потенциально загрязнена смазочными средствами и материалами гидравлических затворов. Предпочтительно, чтобы этот водный конденсат из окружающей среды подавали в технологические жидкости для ТРА, например, в качестве промывочной воды, охлаждающей воды, водной флегмы или использовали скорее как хозяйственную воду, например, для пополнения системы водяной градирни, нежели для направления непосредственно в установку для обработки жидких сточных вод.
• После удаления и/или термического разложения VOC в отходящих газах во многих случаях требуется удаление бромоводорода из таких обработанных отходящих газов перед выпуском их в окружающую среду. Эту очистку часто выполняют путем водной промывки для получения соли брома, например, с использованием водного раствора гидроксида натрия и бисульфита натрия для промывания и образования бромида натрия. Авторы настоящего изобретения выяснили, что оборотную воду, использованную для регулирования содержания растворенных твердых веществ в такой промывочной воде, преимущественно применять скорее в качестве хозяйственной воды, например, для пополнения системы водяной градирни, нежели создавать жидкие сточные воды.
• В процессе получения полиэтилентерефталата (РЕТ) также образуется вода в результате реакций образования РЕТ, и эта вода часто загрязнена разнообразными VOC-соединениями, например этиленгликолем, ацетальдегидом и различными диоксоланами. Предпочтительно, чтобы по меньшей мере часть загрязненной воды из процесса получения РЕТ обрабатывали в совместной, общей установке вместе с водой, образовавшейся при получении ТРА, из смежной ТРА-установки. Предпочтительно указанную загрязненную воду из процесса получения РЕТ либо оставляют для обработки в паровой форме, выходящей из указанной РЕТ-установки, либо переводят ее в паровую форму с использованием по меньшей мере части тепловой энергии из указанной смежной ТРА-установки. Более предпочтительно воду из реакций образования РЕТ обрабатывают в совместном, общем TOD-процессе вместе с водой от образования ТРА.
По отдельности или в любых сочетаниях раскрытые здесь изобретения могут представлять установку для преобразования рХ в ТРА, создающую очень мало или даже вообще не создающую жидких сточных вод, требующих обработки до экологически приемлемого состояния, в расчете на единицу производства ТРА. Кроме того, изобретения могут представлять установку для преобразования рХ в ТРА и в РЕТ, создающую очень мало или же вообще не создающую жидких сточных вод, требующих обработки до экологически приемлемого состояния, в расчете на единицу производства РЕТ.
Краткое описание чертежей
Фигура 1 иллюстрирует примерные варианты осуществления настоящего изобретения.
Подробное описание предпочтительных вариантов исполнения
Приведенные здесь изобретения могут быть скомбинированы с описаниями изобретений патентных документов US 20070293699 и US 20060047158 (полное содержание которых включено сюда ссылкой) в части предпочтительной реакционной среды в процессе первичного окисления, способа и средств для преобразования пара-ксилола (рХ) в терефталевую кислоту (ТРА). Эти цитированные изобретения включают многочисленные предпочтительные механические признаки и технологические условия для первичного окисления с технологическими условиями, в особенности включающими температуры и градиенты, давления и градиенты, величины расхода потоков, составы и градиенты, условия перемешивания и времена пребывания и их распределения. Применение здесь терминов «окисляемое соединение», «растворитель», «окислитель», «реакционная среда» и «углеводородный остаток» согласуется с вышеуказанными ссылками.
Приведенные здесь изобретения являются более предпочтительными, когда по меньшей мере часть отходящих газов из реакционной среды вторичного окисления комбинируют по меньшей мере с частью отходящих газов из реакционной среды первичного окисления перед обработкой в устройстве для регенерации растворителя и/или дегидратации. Вторичная реакционная среда представляет собой среду, получающую в качестве большей части своего сырьевого материала ароматическое вещество из находящегося выше по потоку окислительного реактора, который может представлять собой реакционную среду первичного окисления и/или еще одну вторичную реакционную среду. См. патентные документы US 20070155985 и US 20070208191 для описаний реактора вторичного окисления, оптимизированного в отношении дополнительной реакции поступающего жидкофазного ароматического материала, включая преимущественное проведение процесса в выбранных технологических пределах, включающих температуры, давления, величины расхода потоков, составы, условия перемешивания и времена пребывания и их распределения, сбалансированные в плане различных расходов, в особенности включающих переокисление материала, продукта и растворителя. Здесь этот тип реактора для вторичного окисления называется «реактор дополнительного окисления». Также см. патентные документы US 20070208190 и US 20070219393 для описаний реактора для вторичного окисления, оптимизированного в отношении дополнительного реагирования поступающего твердофазного ароматического материала, включая преимущественное проведение процесса в выбранных технологических пределах, включающих температуры, давления, величины расхода потоков, составы, условия перемешивания и времена пребывания и их распределения, сбалансированные в плане различных расходов, в особенности включающих переокисление материала, продукта и растворителя. Здесь этот тип реактора вторичного окисления называется «выпарной реактор».
Когда предполагается генерирование энергии, в частности мощности на валу, сжиганием (оксидативным сожжением) соединений, главным образом включающих углерод-водородные связи (топлив), температуру указанного сжигания часто повышают настолько высоко, насколько это механически осуществимо, чтобы максимизировать извлечение энергии согласно известным термодинамическим принципам. С другой стороны, когда проводят каталитическое частичное окисление с образованием химического продукта, температуру и давление реакционной среды обычно настраивают на регулирование получаемых выходов, степеней конверсии и уровней чистоты продуктов. Процессы каталитического окисления согласно настоящему изобретению являются достаточно быстрыми, так что требуется особое внимание для поддержания надлежащих концентраций растворенного в жидкостной фазе молекулярного кислорода, и этим обусловливается преимущество более высоких давлений в системе для создания более высоких парциальных давлений газофазного молекулярного кислорода.
Несмотря на эти общие предпочтения в отношении более высоких температур для получения энергии и более высоких давлений для чистоты ТРА как продукта, авторы настоящего изобретения обнаружили, что предпочтительно работать по меньшей мере с частью реакционной среды первичного окисления при следующих умеренных давлениях и температурах, даже при извлечении повышенного количества мощности на валу и даже при выделении повышенных количеств водных отходов в паровой форме. Предпочтительно, чтобы по меньшей мере часть реакционной среды первичного окисления работала при давлении менее чем около 12, 10, 8, 7 бар (абсолютных) (1,2, 1,0, 0,8, 0,7 МПа, абсолютных). Предпочтительно, чтобы по меньшей мере часть реакционной среды первичного окисления работала при давлении по меньшей мере около 2, или 3, или 4, или 5 бар (абсолютных) (0,2, или 0,3, или 0,4, или 0,5 МПа, абсолютных). Предпочтительно, чтобы по меньшей мере часть реакционной среды первичного окисления работала при температуре менее чем около 200, или 190, или 180, или 170°С. Предпочтительно, чтобы по меньшей мере часть реакционной среды первичного окисления работала при температуре по меньшей мере около 120, или 130, или 140, или 150°С, или 155°С, или 160°С. Авторы настоящего изобретения обнаружили, что предпочтительно генерировать наибольшие объемы и массы пара, возможные на выходе отходящих газов из реакционной среды, в то же время при удовлетворительном энергетическом балансе, как требуется для получения предпочтительных реакционных температур и давлений. Нежелательным является то, что генерирование увеличенных количеств пара значительно усложняет отделение жидкостей и твердых веществ из отходящих газов, покидающих реакционную среду. Нежелательным является то, что такое возрастание количества отходящих газов увеличивает диаметры и объемы трубопроводов и оборудования для обработки реакционных отходящих газов; это в особенности включает устройство для регенерации растворителя и/или дегидратации. Нежелательным является то, что окислительная реакционная среда согласно настоящему изобретению создает отходящие газы, которые являются коррозионно-агрессивными в достаточной мере, чтобы потребовались особо дорогостоящие конструкционные материалы, часто включающие титан. Нежелательным является то, что повышенный расход потока пара, выходящего из реакционной среды, является в значительной степени разбавленным как по массе, так и по объему, во время обработки в устройстве для регенерации растворителя и/или дегидратации, в котором извлекают большую часть углеводородной части растворителя. Однако авторы настоящего изобретения нашли, что увеличенное количество паров растворителя, образующихся в реакционных отходящих газах, может отчасти поддерживаться как повышенное количество паров, главным образом включающих воду, выходящих из устройства для регенерации растворителя и/или дегидратации и поступающих в турбодетандер для отходящих газов, часто обеспечивая общее экономическое преимущество в виде извлечения мощности на валу, что неожиданно перевешивает возрастание других эксплуатационных расходов и увеличение капиталовложений. В одном варианте осуществления настоящего изобретения обедненные углеводородами отходящие газы, полученные из колонны для регенерации растворителя, включают по меньшей мере 10, или 15, или 20, или 30, или 35, или 40, или 45, или 50% по весу водяных паров, в расчете на поток обедненных углеводородами отходящих газов. В еще одном варианте осуществления изобретения обедненные углеводородами отходящие газы, полученные из колонны для регенерации растворителя, включают менее 4, или 3, или 2, или 1% по весу уксусной кислоты, в расчете на поток обедненных углеводородами отходящих газов.
Парообразные соединения в реакционных отходящих газах включают водяной пар плюс летучие органические соединения (VOC). Неконденсируемые газообразные соединения в реакционных отходящих газах включают молекулярный азот, молекулярный кислород, монооксид углерода, диоксид углерода и молекулярный водород. С применением различных аспектов настоящего изобретения авторы настоящего изобретения нашли, что возможно и предпочтительно проводить процесс частичного окисления пара-ксилола (рХ) с повышенными количествами парообразных соединений в реакционных отходящих газах следующим образом. Предпочтительно, чтобы парообразные соединения в реакционных отходящих газах составляли по меньшей мере около 0,67, или 0,72, или 0,75, или 0,77 килограмма на килограмм реакционных отходящих газов. Предпочтительно, чтобы парообразные соединения в реакционных отходящих газах составляли по меньшей мере около 12,4, или 13,2, или 13,8, или 14,2 килограмма на килограмм рХ, подводимого в соответствующую окислительную реакционную среду.
Для достижения таких больших количеств паров в реакционных отходящих газах авторы настоящего изобретения обнаружили, что предпочтительно в значительной мере подавлять потери в окружающую среду и предполагаемое отведение тепла от окислительной реакционной среды согласно настоящему изобретению через проводящие, разделительные поверхности раздела, несмотря на то, что такая окислительная реакция является в высокой степени экзотермической и требует сильного охлаждения. Предпочтительно изолировать ее так, чтобы по меньшей мере около 70, или 90, или 95, или 99 процентов открытой в окружающую среду площади поверхности резервуаров и/или трубопроводов, содержащих по меньшей мере часть окислительной реакционной среды, были покрыты изоляционным материалом с толщиной по меньшей мере около 0,01, или 0,02, или 0,04, или 0,08 метра. Предпочтительно, чтобы потери тепловой энергии через открытые в окружающую среду площади поверхности трубопроводов и/или резервуаров, содержащих по меньшей мере часть окислительной реакционной среды, составляли менее чем около 40, или 20, или 10, или 5 Ватт на килограмм рХ, подаваемого в соответствующую окислительную реакционную среду. Предпочтительно ограничивать охлаждение по меньшей мере части окислительной реакционной среды с применением технологических охлаждающих текучих сред, например воды и воздуха, через проводящие, разделительные, теплообменные поверхности раздела таким образом, чтобы отведение тепловой энергии составляло менее чем около 100, или 10, или 0,1, или 0,01 Ватта на килограмм рХ, подаваемого в соответствующую окислительную реакционную среду.
Для достижения таких больших количеств паров в реакционных отходящих газах авторы настоящего изобретения дополнительно обнаружили, что предпочтительно, чтобы сырьевые материалы, подаваемые в такую окислительную реакционную среду, были настолько горячими, насколько это возможно, опять же несмотря на то, что такая окислительная реакция является высокоэкзотермической и требует интенсивного охлаждения. Предпочтительно, чтобы окислитель, подаваемый по меньшей мере в одну окислительную реакционную среду, представлял собой сжатый воздух, в котором охлаждение сведено к минимуму после выхода из конечной стадии сжатия. Предпочтительно, чтобы по меньшей мере около 50, или 70, или 90, или 99 процентов массы указанного сжатого воздуха достигали окислительной реакционной среды с температурой по меньшей мере около 60, 70, 80, 90°С. Предпочтительно, чтобы по меньшей мере около 50, или 70, или 90, или 99 процентов от массы указанного сжатого воздуха достигали окислительной реакционной среды с температурой по меньшей мере около температуры на выходе соответствующего воздушного компрессора за вычетом 40, или 20, или 10, или 5°С. Предпочтительно проводить изоляцию так, чтобы по меньшей мере около 50, или 70, или 90, или 95 процентов открытой в окружающую среду площади поверхности трубопроводов, резервуаров и регуляторов для подачи указанного сжатого воздуха были покрыты изоляцией с толщиной по меньшей мере около 0,005, или 0,01, или 0,02, или 0,04 метра.
Предпочтительно, чтобы растворитель извлекали из реакционных отходящих газов по меньшей мере в одном устройстве для регенерации растворителя и/или дегидратации и затем возвращали в окислительную реакционную среду с температурой, которая превышает температуру окружающей среды и близка к температуре соответствующей реакционной среды. То есть предпочтительно, чтобы углеводородные соединения были сконденсированы из реакционных отходящих газов, надлежащим образом дегидратированы и возвращены в реакционную среду, не будучи охлажденными сильнее, чем реакционные отходящие газы. Более предпочтительно, чтобы этот горячий регенерированный растворитель получал ограниченные количества тепловой энергии, поступающей через проводящие, разделительные, теплообменные поверхности раздела. Как раскрыто здесь в других местах, этого результата достигают надлежащим ограничением количества тепловой энергии, отводимой в указанном устройстве для регенерации растворителя и/или дегидратации. Предпочтительно, чтобы по меньшей мере около 40, или 60, или 80, или 90 весовых процентов указанного регенерированного растворителя подводили в окислительную реакционную среду с температурой менее чем около 200, или 190, или 180, или 170°С, поскольку является предпочтительным не передавать тепловую энергию в регенерированный растворитель до температуры, которая превышает температуру первичной окислительной реакционной среды. Предпочтительно, чтобы по меньшей мере около 40, или 60, или 80, или 90 весовых процентов указанного регенерированного растворителя подавали в окислительную реакционную среду с температурой по меньшей мере около температуры реакционных отходящих газов за вычетом менее чем примерно 80, или 40, или 20, или 10°С. Предпочтительно, чтобы по меньшей мере около 40, или 60, или 80, или 90 весовых процентов указанного регенерированного растворителя подавали в окислительную реакционную среду с температурой по меньшей мере около 60, или 90, или 120, или 140°С. Предпочтительно, чтобы по меньшей мере около 40, или 80, или 90, или 98 процентов результирующей тепловой энергии, поступающей в устройство для регенерации растворителя и/или дегидратации, имели происхождение непосредственно от входящего потока реакционных отходящих газов, без теплопереноса через проводящие, разделительные, теплообменные поверхности раздела. Предпочтительно, чтобы по меньшей мере около 40, или 60, или 80, или 90 весовых процентов указанного регенерированного растворителя выходили из устройства для регенерации растворителя и/или дегидратации с температурой, по меньшей мере близкой к температуре соответствующих реакционных отходящих газов за вычетом менее чем примерно 80, или 40, или 20, или 10°С, в то же время, будучи обработанными в ней с использованием тепловой энергии, поступающей через проводящие, разделительные, теплообменные поверхности раздела на уровне менее чем около 100, или 30, или 10, или 3 килокалорий (419, 125,7, 41,9, 12,6 кДж) на килограмм регенерированного растворителя, поступали в соответствующую реакционную среду с подведением тепловой энергии через проводящие, разделительные, теплообменные поверхности раздела на уровне менее чем около 100, или 30, или 10, или 3 килокалорий (419, 125,7, 41,9, 12,6 кДж) на килограмм регенерированного растворителя. Предпочтительно так выполнять изоляцию, чтобы по меньшей мере около 70, или 90, или 95, или 99 процентов открытой в окружающую среду площади поверхности резервуаров и/или трубопроводов, содержащих по меньшей мере часть регенерированного растворителя, были покрыты изоляционным материалом с толщиной по меньшей мере около 0,01, или 0,02, или 0,04, или 0,08 метра.
Предпочтительно, чтобы отфильтрованный растворитель, извлеченный при фильтровании и промывке твердой терефталевой кислоты (ТРА), возвращали в окислительную реакционную среду с повышенной температурой, обеспеченной переносом тепловой энергии через проводящие, разделительные, теплообменные поверхности раздела. Отфильтрованный растворитель представляет собой растворитель, полученный механическим отделением и/или вымыванием твердой ТРА из суспензии. Один путь получения отфильтрованного растворителя представляет собой фильтрование и промывание суспензии ТРА с использованием любого устройства, известного в технологии фильтрования, но авторами настоящего изобретения рассматриваются и все прочие варианты механического отделения, известные в технологии, для получения отфильтрованного растворителя; например, установки для гравитационного осаждения, центрифуги, гидроциклоны и тому подобные.
Перед возвращением в окислительную реакционную среду предпочтительно охлаждать по меньшей мере около 40, или 60, или 70, или 80 весовых процентов указанного отфильтрованного растворителя до температуры менее чем около 100, или 80, или 70, или 60°С. Это надлежащим образом снижает растворимость ТРА в суспензии, и должным образом уменьшает коррозионную активность отфильтрованного растворителя, так что для трубопроводов, резервуаров, насосов и другого оборудования и регуляторов, включающих хранение и обработку отфильтрованного растворителя, могут быть использованы менее дорогостоящие конструкционные материалы. Пригодные конструкционные материалы для указанного охлажденного отфильтрованного растворителя включают разнообразные металлы и сплавы с умеренной устойчивостью к коррозии, такие как нержавеющие стали или дуплексные стали, в качестве альтернативы титану и другим более дорогостоящим металлам и сплавам с высокой коррозионной устойчивостью.
Однако более предпочтительно, чтобы по меньшей мере около 40, или 60, или 70, или 80 весовых процентов указанного отфильтрованного растворителя подавали в окислительную реакционную среду с входной температурой по меньшей мере около 60, или 90, или 120, или 140°С. Предпочтительно использовать солнечную энергию, тепловую энергию отходящих газов и/или тепловую энергию пара, сконденсированного при давлении менее чем около 60, или 20, или 8, или 4 бар (абсолютных) (6,0, 2,0, 0,8, 0,4 МПа, абсолютных), для нагревания около 40, или 60, или 70, или 80 весовых процентов указанного отфильтрованного растворителя по меньшей мере на величину около 10, или 20, или 40, или 60°С, перед подачей в окислительную реакционную среду. Предпочтительно передавать эту тепловую энергию в отфильтрованный растворитель через проводящие, разделительные, теплообменные поверхности раздела.
Предпочтительно, чтобы пара-ксилол (рХ) подавали в окислительную реакционную среду с повышенной температурой. Предпочтительно, чтобы по меньшей мере около 40, или 60, или 70, или 80 весовых процентов указанного рХ подавали в реакционную среду с входной температурой по меньшей мере около 60, или 90, или 120, или 140°С. Предпочтительно использовать солнечную энергию, тепловую энергию отходящих газов и/или тепловую энергию пара, сконденсированного при давлении менее чем около 60, или 20, или 8, или 4 бар (абсолютных) (6,0, 2,0, 0,8, 0,4 МПа, абсолютных), для нагревания около 40, или 60, или 70, или 80 весовых процентов указанного рХ на величину по меньшей мере около 10, или 20, или 40, или 60°С сверх температуры хранения в резервуаре и/или температуры окружающей среды, перед подачей в окислительную реакционную среду. Предпочтительно передавать эту тепловую энергию в рХ через проводящие, разделительные, теплообменные поверхности раздела.
По отдельности или в комбинации, более горячие температуры подводимых сжатого воздуха, регенерированного растворителя, отфильтрованного растворителя и/или рХ требуют подачи с повышенным значением расхода потока в окислительный реактор, чтобы поддерживать его энергетический баланс для достижения предпочтительных рабочих температур и давлений. При более горячих подводимых сырьевых материалах большая часть теплоты реакции отводится в виде скрытой теплоты испарения растворителя, а не теплосодержания сырьевых материалов и увеличенное количество жидкого сырьевого растворителя выходит из окислительного реактора в виде паров растворителя в реакционных отходящих газах. Нежелательно, чтобы подведение увеличенных количеств жидкого сырьевого растворителя требовало большего числа дорогостоящих насосов, трубопроводов и регуляторов, наряду с повышенными количествами мощности, затрачиваемой на перекачивание.
Что касается сжатия воздуха из окружающей среды, повышение температур подводимых материалов за счет исключения последующего охлаждения часто увеличивает количество водяного пара, поступающего в окислительный процесс, если только не предусматривается осушающее средство, отличное от охлаждения. Такая дополнительная вода должна быть в конечном итоге отделена и выведена из окислительного процесса вместе с водой от образования ТРА, чтобы поддерживать желательный состав растворителя. Кроме того, когда такую дополнительную воду в конце концов выводят, будь то в виде пара, или жидкости, или твердого вещества, то одновременно часто теряется некоторая приобретенная на рынке масса, содержащая углерод, и согласно прототипу в конечном итоге создаются дополнительные сточные воды. Таким образом, такую дополнительную воду, поступающую в сжатом окружающем воздухе, можно рассматривать как вдвойне нежелательную, создающую потенциальные потери углерода и увеличивающие количество сточных вод.
Однако при использовании изобретений, раскрытых в данном описании, для исключения повышенных количеств воды в виде паров и для применения ограниченных, сопутствующих количеств VOC в качестве сжигаемого топлива в TOD, авторы настоящего изобретения обнаружили результирующее позитивное преимущество от оставления избранных количеств водяного пара в сжатом окружающем воздухе, используемом для подачи окислителя. Соответственно этому предпочтительно, чтобы по меньшей мере около 70, или 80, или 90, или 95 весовых процентов окислителя, подводимого по меньшей мере в одну окислительную реакционную среду согласно настоящему изобретению, включали по меньшей мере около 0,01, или 0,03, или 0,04, или 0,05 килограмма воды на килограмм рХ, подаваемого в соответствующую окислительную реакционную среду, и менее чем около 0,12, или 0,10, или 0,08, или 0,07 килограмма воды на килограмм рХ, подводимого в соответствующую окислительную реакционную среду.
После выхода из окислительной реакционной среды более предпочтительно реакционной среды первичного окисления, является предпочтительным использование по меньшей мере части отходящих газов для генерирования некоторого количества мощности на валу с использованием одного или нескольких турбодетандерных устройств. Турбодетандерное устройство, или просто турбодетандер, представляет собой одну или несколько турбодетандерных ступеней, размещенных последовательно, необязательно с одним или несколькими межстадийными нагревательными устройствами. Отходящие газы, выходящие из ступени турбодетандера с наименьшим давлением, перед дополнительными стадиями обработки, называются здесь «турбодетандерные отходящие газы». Предпочтительно размещать по меньшей мере одну турбодетандерную ступень таким образом, чтобы она была механически соединена по меньшей мере с одной компрессорной ступенью для подачи окислителя из окружающего воздуха. Такое соединение без труда создают с помощью вращающегося механического вала и/или шестеренчатой коробки передач.
Чтобы максимизировать мощность на валу, желательно сводить к минимуму падение давления и потери тепловой энергии из отходящих газов до их поступления в турбодетандер. Однако существуют конкурирующие требования в отношении потребления энергии давления и температуры для извлечения растворителя и удаления надлежащих количеств воды в устройстве для регенерации растворителя и/или дегидратации. Кроме того, капиталовложения, необходимые для сооружения устройства для регенерации растворителя и/или дегидратации, значительно возрастают при пониженных давлениях, предпочтительных на выходе из турбодетандерного устройства, так как объемы отходящих газов становятся чрезмерно большими.
Как здесь раскрыто, авторы настоящего изобретения нашли комбинации признаков, которые позволяют сбалансировать потребление энергии давления и температуры из реакционных отходящих газов в устройстве для регенерации растворителя и/или дегидратации с получением мощности на валу из отходящих газов в турбодетандерном устройстве. Обнаруженные факты и описания возможностей создания предпочтительного устройства для регенерации растворителя и/или дегидратации приведены здесь в другом месте. Перед их рассмотрением будут представлены предпочтительные аспекты относительно турбодетандерного устройства.
Обсуждение сосредоточено на предпочтительных диапазонах давления, касающихся поступающих в турбодетандерные ступени потоков. Предпочтительно, чтобы давление отходящих газов на выходе из устройства для регенерации растворителя и/или дегидратации снижалось на величину менее чем около 2, или 1, или 0,5, или 0,2 бар (0,2, 0,1, 0,05, 0,02 МПа) статического давления, оцениваемого там, где реакционные отходящие газы образуются вблизи верхней поверхности реакционной среды. Предпочтительно, чтобы падение давления, обусловленное вязким течением через необязательные нагревательные устройства, сообщающие тепловую энергию отходящих газов между выходом из устройства для регенерации растворителя и/или дегидратации и входом в турбодетандер, составляло менее чем около 32000, или 16000, или 8000, или 4000 Па. Предпочтительно, чтобы давление отходящих газов на входе в первую турбодетандерную ступень снижалось на величину менее чем около 2, или 1, или 0,5, или 0,2 бар (0,2, 0,1, 0,05, 0,02 МПа) статического давления, оцениваемого там, где реакционные отходящие газы образуются вблизи верхней поверхности реакционной среды. Предпочтительно, чтобы давление на входе по меньшей мере в одну турбодетандерную ступень составляло по меньшей мере около 2, или 3, или 4, или 5 бар (абсолютных) (0,2, 0,3, 0,4, 0,5 МПа, абсолютных). Предпочтительно, чтобы давление на входе в первую турбодетандерную ступень составляло менее чем около 12, или 10, или 8, или 7 бар (абсолютных) (1,2, 1,0, 0,8, 0,7 МПа, абсолютных). Предпочтительно, чтобы падение давления, обусловленное вязким течением в любых межстадийных трубопроводах и технологических стадиях, таких как теплообменные устройства, совокупно присутствующих между входом в первую ступень турбодетандера и выходом из последней ступени, составляло менее чем около 64000, или 32000, или 16000, или 8000 Па.
Хотя желательно сводить к минимуму расстояние от выхода для отходящих газов из устройства для регенерации растворителя и/или дегидратации до входа в турбодетандер, чтобы минимизировать потерю тепловой энергии наружу через изоляцию, и потерю энергии давления в результате течения с внутренним трением авторы настоящего изобретения нашли, что предпочтительно размещать впускной канал турбодетандера для отходящих газов в пределах расстояния менее чем около 40, или 30, или 20, или 10 метров, измеренных вверх от окружающего уровня пола. Это максимизирует обратное преобразование геометрической высоты напора отходящих газов в статическое давление на входе турбодетандера, поскольку высота столба отходящих газов, выходящих из устройства для регенерации растворителя и/или дегидратации, может быть более 50 метров над уровнем пола.
Для большего извлечения мощности на валу предпочтительно сводить к минимуму противодавление на турбодетандере. Пониженное противодавление способствует максимизации извлечения мощности на валу из турбодетандера путем максимизации коэффициента декомпрессии и объема выходящего газа. Однако турбодетандерные отходящие газы согласно настоящему изобретению нужны для других конкурирующих потребностей. Как минимум, давление необходимо для протекания через трубопроводы, регуляторы и разнообразное оборудование, часто включающее конденсирующие устройства и устройства для обработки до экологически приемлемого состояния, перед выпуском в окружающую среду. Выпуск турбодетандерных отходящих газов с низкими давлениями создает значительные затруднения в отношении компоновки и капиталовложений для этих процессов ниже по потоку. Более высокое давление турбодетандерных отходящих газов показано для упрощения конденсации предпочтительных количеств воды и VOC, в особенности в тех технологических компоновках, которые предназначены для предпочтительной конденсации (по существу) «всего» водяного пара в расширенных отходящих газах. При более низких давлениях обеспечить конденсацию надлежащих частей водяного пара и VOC из турбодетандерных отходящих газов становится затруднительным или невозможным при эффективности охлаждающих текучих сред с температурами, близкими к температуре окружающей среды, и применение морозильных охлаждающих текучих сред нежелательно для таких больших тепловых нагрузок. Кроме того, если в турбодетандерных отходящих газах сохраняется более высокое давление, сокращаются необходимые физические габариты теплообменных устройств благодаря повышенным коэффициентам теплообмена, улучшенному перепаду температур при любой данной температуре подводимой используемой охлаждающей текучей среды, и возможности регулирования скоростей, падения давления и распределения потоков внутри указанных теплообменных устройств. Даже после конденсации большей части или даже почти всего водяного пара и VOC следствием более низких давлений турбодетандерных отходящих газов продолжают оставаться увеличенные габариты дальнейших трубопроводов, регуляторов и оборудования ниже по потоку. Кроме того, в некоторых технологических конструкциях предпочтительно использование расширенных отходящих газов или отходящих из конденсатора газов для транспортирования полученного порошкообразного ТРА, и это может обусловливать еще одну потребность в повышенном противодавлении в турбодетандере.
Согласно одному аспекту настоящего изобретения авторы настоящего изобретения обнаружили, что раскрытые конструкции трубопроводов, регуляторов, теплообменников, устройств TOD и скрубберов для отходящих газов способны обеспечивать следующие предпочтительные условия давления отходящих газов на выходе из турбодетандера. Предпочтительно, чтобы давление турбодетандерных отходящих газов составляло менее чем около 0,9, или 0,6, или 0,4, или 0,3 бар (манометрических) (0,09, 0,06, 0,04, 0,03 МПа, избыточных). Предпочтительно, чтобы давление турбодетандерных отходящих газов составляло по меньшей мере около 0,05, или 0,10, или 0,15, или 0,20 бар (манометрических) (0,005, 0,01, 0,015, 0,02 МПа, избыточных), причем этот аспект обеспечивает давление, достаточное для протекания турбодетандерных отходящих газов через представленные трубопроводы, регуляторы и оборудование, и включающие конденсатор отходящих газов, сдувание конденсата и антизапотевание, устройство TOD и промывную колонну, в то же время не включающие стадию повторного сжатия, перед выпуском в окружающую среду.
Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения предпочтительно сводить к минимуму дополнительно противодавление в турбодетандере путем минимизации потребления давления ниже по потоку, как указано выше, а также проведением стадии повторного сжатия, размещенной после конденсационного теплообменного устройства, в которой по меньшей мере около 10, или 20, или 40, или 80 весовых процентов водяного пара, присутствующего в турбодетандерных отходящих газах, удаляют в виде жидкой воды. Авторы настоящего изобретения нашли, что даже во время выпуска водяного пара в окружающую среду согласно представленным здесь изобретениям эффективное удаление водяного пара из отходящих газов согласно представленным здесь изобретениям позволяет выполнять стадию повторного сжатия остальных отходящих газов, которая требует потребления гораздо меньшей мощности, чем увеличение мощности, обеспечиваемое большей декомпрессией в турбодетандере выше по потоку. В дополнение, более предпочтительно размещать газожидкостный сепаратор между конденсатором отходящих газов и впускным каналом устройства для повторного сжатия. (См. здесь в других местах описания и обозначения для конденсатора отходящих газов и газожидкостного сепаратора отходящих газов.) При использовании повторного сжатия отходящих газов предпочтительно подвергать повторному сжатию прошедшие конденсацию отходящие газы, более предпочтительно отходящие газы из газожидкостного сепаратора, на величину по меньшей мере около 0,05, или 0,1, или 0,2, или 0,3 бар (0,005, 0,01, 0,02, 0,03 МПа). При применении повторного сжатия отходящих газов предпочтительно подвергать повторному сжатию прошедшие конденсацию отходящие газы, более предпочтительно отходящие газы из газожидкостного сепаратора, на величину менее чем около 0,9, или 0,8, или 0,7, или 0,6 бар (0,09, 0,08, 0,07, 0,06 МПа). При использовании повторного сжатия отходящих газов предпочтительно, чтобы давление отходящих газов, выходящих из турбодетандерной ступени с наименьшим давлением, составляло менее чем около 0,3, или 0,2, или 0,1, или 0,0 бар (манометрических) (0,03, 0,02, 0,01, 0,0 МПа, избыточных). При применении повторного сжатия отходящих газов предпочтительно, чтобы давление отходящих газов, выходящих из турбодетандерной ступени с наименьшим давлением, составляло по меньшей мере около -0,9, или -0,6, или -0,4, или -0,3 бар (манометрических) (-0,09, -0,06, -0,04, -0,03 МПа, избыточных). При использовании повторного сжатия отходящих газов предпочтительно размещать по меньшей мере одну стадию повторного сжатия так, чтобы она была механически связана по меньшей мере с одной турбодетандерной ступенью и/или по меньшей мере одной компрессорной ступенью для подачи окислителя из окружающего воздуха. Такое соединение без труда создают с помощью вращающегося механического вала и/или шестеренчатой коробки передач.
Теперь обсуждение будет сосредоточено на предпочтительных температурах для впускного канала турбодетандерного устройства для отходящих газов или, если необязательно предусмотрено, на входе в устройство для предварительного нагревания отходящих газов, размещенное после устройства для регенерации растворителя и/или дегидратации и перед указанным турбодетандерным устройством. Предпочтительно, чтобы температура на входе в первую турбодетандерную ступень составляла по меньшей мере около 110, или 120, или 130, или 135°С согласно оценке перед любым устройством для предварительного нагревания отходящих газов, необязательно размещенным перед первым турбодетандерным устройством. Предпочтительно, чтобы температура на входе в первую турбодетандерную ступень составляла менее чем около 190, или 175, или 165, или 155°С согласно оценке перед любым устройством для предварительного нагревания отходящих газов, необязательно размещенным перед первым турбодетандерным устройством. Предпочтительно, чтобы снижение температуры, оцениваемое от того места, где реакционные отходящие газы образуются вблизи верхней поверхности реакционной среды, до того места, где отходящие газы поступают в первое турбодетандерное устройство, составляло менее чем около 50, или 40, или 30, или 25°С согласно оценке перед любым устройством для предварительного нагревания отходящих газов, необязательно размещенным перед первым турбодетандерным устройством.
Хотя конденсационные турбодетандеры, действующие при точке росы рабочей текучей среды или ниже ее, хорошо известны в технологии, определенные компоненты отходящих газов согласно настоящему изобретению обусловливают чрезмерную степень разъедания и коррозии многих конструкционных материалов, когда они используются в турбодетандере, работающем слишком близко к точке росы отходящих газов. Как представляется, коррозионно-агрессивные компоненты включают карбоновые кислоты и/или бром в сочетании с водой и/или молекулярным кислородом.
Соответственно этому предпочтительно работать при температуре на выходе по меньшей мере из одной ступени турбодетандера, по меньшей мере на величину около 5, или 10, или 20, или 25°С превышающей локальную температуру точки росы отходящих газов. Более предпочтительно, чтобы эти разности температур с точкой росы поддерживались на выходе из всех ступеней турбодетандера. Такие температуры достигаются разнообразными средствами, включающими ограничение механического коэффициента полезного действия турбодетандера, введение тепловой энергии в отходящие газы между выходом из устройства для регенерации растворителя и/или дегидратации и входом в турбодетандер, и/или ограничение падения давления в пределах турбодетандера.
Однако, в достаточной мере избегая точки росы, авторы настоящего изобретения обнаружили, что в плане капиталовложений и эксплуатационных расходов часто нежелательно реализовывать настоящее изобретение при слишком высоком перегреве турбодетандерных отходящих газов. Соответственно этому предпочтительно работать при температуре на выходе по меньшей мере из одной ступени турбодетандера и входе в конденсатор отходящих газов, превышающей локальную точку росы на величину менее чем около 150, или 120, или 90, или 60°С.
Менее производительный турбодетандер требует меньшего подведения тепловой энергии для обеспечения того, чтобы температура на выходе турбодетандера удерживалась в предпочтительном диапазоне точки росы. Когда из рабочей текучей среды выводят меньшую часть теплосодержания для преобразования в механическую мощность, температура на выходе турбодетандера по определению является более высокой. В зависимости от относительных уровней стоимости тепловой энергии и стоимости электрической энергии, повышение механического коэффициента полезного действия турбины может быть вредным или полезным для оптимизации расходов. Авторы настоящего изобретения нашли, что, когда себестоимость единицы поставляемой тепловой энергии составляет менее чем около 0,3 части от стоимости электрической энергии, выраженной в тех же единицах, то предпочтительно максимизировать механический коэффициент полезного действия турбодетандера и использовать дополнительное подведение тепловой энергии для получения желательного диапазона точки росы на выходе расширителя. Это является менее эффективным, чем может достигаться в цикле генерирования электрической энергии, например, по меньшей мере примерно с величиной 0,5 отношения выходной механической энергии к входной тепловой энергии, так что применение подачи тепловой энергии в отходящие газы могло бы показаться неблагоразумным сравнительно с достигаемой мощностью на валу. Однако исключение проблемы точки росы означает, что постепенное подведение тепловой энергии может быть связано с улучшением коэффициента полезного действия расширителя и/или повышенной декомпрессией в нем для достижения заметного общего улучшения регенерации энергии. Таким образом, предпочтительно, чтобы механический коэффициент полезного действия турбодетандера, используемого в настоящем изобретении, составлял по меньшей мере около 65, или 75, или 80, или 85 процентов от максимальной выходной мощности на валу, которой можно достигнуть при идеальном изоэнтропийном расширении отходящих газов как рабочей текучей среды.
Для повышения выходной механической мощности из турбодетандера, в особенности в отношении поддержания выходной температуры в предпочтительном диапазоне относительно точки росы, в то же время с использованием высокопроизводительного турбодетандера, предпочтительно обеспечивать следующие количества тепловой энергии в отходящих газах между выходом из устройства для регенерации растворителя и/или дегидратации и поступлением в турбодетандер и/или в межстадийном положении в многоступенчатом турбодетандере: по меньшей мере около 100, или 200, или 300, или 350 Ватт на килограмм рХ, подаваемого в соответствующую окислительную реакционную среду; менее чем около 1000, или 800, или 600, или 500 Ватт на килограмм рХ, подаваемого в соответствующую окислительную реакционную среду; по меньшей мере около 10, или 20, или 30, или 40 Ватт на килограмм турбодетандерных отходящих газов; менее чем около 100, или 90, или 80, или 70 Ватт на килограмм турбодетандерных отходящих газов; повышение температуры вследствие подведения тепловой энергии на величину по меньшей мере около 10, или 20, или 40, или 60°С; и повышение температуры отходящих газов от подведения тепловой энергии на величину менее чем около 250, или 200, или 150, или 100°С.
Такие количества тепловой энергии подводят через теплообменники, включающие проводящие, разделительные, теплообменные поверхности раздела, предпочтительно включающие различные коррозионно-устойчивые металлы и металлические сплавы, как это известно в технологии. Тепловую энергию предпочтительно подводят с помощью горячей рабочей текучей среды, более предпочтительно пара, конденсирующегося с образованием части жидкого водного конденсата. Кроме того, авторы настоящего изобретения нашли, что предпочтительно формировать по меньшей мере часть флэш-пара (пара повторного парообразования) низкого давления из конденсата, образованного в теплообменнике для отходящих газов, и использовать по меньшей мере часть указанного флэш-пара по меньшей мере в одном теплообменнике где-нибудь еще в процессе получения ТРА, например нагревания части ксилола, регенерированного растворителя, отфильтрованного растворителя, твердого ТРА и/или отходящих газов.
Необязательно, такие количества тепловой энергии подводятся окислением топлива молекулярным кислородом и непосредственно объединяются с образующимися горячими реакционными продуктами в отходящие газы. Указанные горячие реакционные продукты подводятся к месту между выходом из устройства для регенерации растворителя и/или дегидратации и поступлением в турбодетандер и/или в межстадийное положение в многоступенчатом турбодетандере. Указанное топливо предпочтительно включает углерод-водородные связи. Более предпочтительно указанное топливо включает спирт, ацетат и/или углеводород. Еще более предпочтительно указанное топливо, главным образом, включает метанол, этанол, метан, пропан, бутан и/или нефтяное топливо. Наиболее предпочтительно указанное топливо включает по меньшей мере около 50, или 70, или 90, или 95 весовых процентов метана.
Предпочтительно для окисления указанного топлива подводят часть сжатого воздуха из окружающей среды, поскольку отходящие газы из устройства для регенерации растворителя и/или дегидратации часто являются относительно обедненными молекулярным кислородом и обогащенными водяным паром. Более предпочтительно по меньшей мере около 50, или 70, или 90, или 100 весовых процентов стехиометрического количества молекулярного кислорода поступают со сжатым окружающим воздухом, подводимым в зону окислительной реакции для указанного топлива. Стехиометрическое количество молекулярного кислорода представляет собой минимальное количество, требуемое для полного преобразования подведенного топлива в воду и диоксид углерода. Еще более предпочтительно со сжатым окружающим воздухом, подводимым в зону окислительной реакции для указанного топлива, поступают менее чем около 300, или 200, или 150, или 120 весовых процентов стехиометрического количества молекулярного кислорода. Предпочтительно максимальная температура для окисления указанного топлива составляет по меньшей мере около 300, или 400, или 600, или 800°С. Предпочтительно катализатор окисления не используют для стимулирования окисления по меньшей мере около 10, или 50, или 80, или 95 весовых процентов указанного топлива. Предпочтительно по меньшей мере около 10, или 50, или 80, или 95 весовых процентов VOC в отходящих газах, выходящих из устройства для регенерации растворителя и/или дегидратации, не сгорают перед выходом из последней ступени турбодетандера.
Кроме повышения температуры и давления на входе в турбодетандер авторы настоящего изобретения нашли, что приведенные здесь описания также предпочтительны для увеличения массы водяного пара, достигающего впускного канала по меньшей мере одного турбодетандерного устройства. Эти составы обеспечиваются приведенными здесь описаниями в отношении конструкции и действия реакционной среды первичного окисления, устройства для регенерации растворителя и/или дегидратации и соединительных трубопроводов. Предпочтительно, чтобы состав отходящих газов, поступающих по меньшей мере в одну турбодетандерную ступень, включал по меньшей мере около 3,0, или 3,3, или 3,5, или 3,6 килограмма воды на килограмм рХ, подводимого в соответствующую окислительную реакционную среду. Предпочтительно, чтобы состав отходящих газов, поступающих по меньшей мере в одну турбодетандерную ступень, включал по меньшей мере около 0,38, или 0,42, или 0,44, или 0,46 килограмма воды на килограмм отходящих газов в том же месте. Предпочтительно, чтобы величина массового расхода потока отходящих газов на входе по меньшей мере в одну турбодетандерную ступень, составляла по меньшей мере около 6,9, или 7,3, или 7,6, или 7,8 килограмма на килограмм рХ, подводимого в соответствующую окислительную реакционную среду.
Теперь обсуждение будет сосредоточено на устройстве для регенерации растворителя и/или дегидратации. В основном желательно максимизировать извлечение из реакционных отходящих газов испаренных соединений, содержащих по меньшей мере одну углерод-водородную связь, называемых здесь «летучие органические соединения» и «VOC». Если не извлекать эти соединения из отходящих газов, то они нежелательно высвобождаются в окружающую среду или, более предпочтительно, главным образом преобразуются в водяные пары и диоксид углерода в стадии TOD. Хотя поток, выходящий из TOD, является более экологически благоприятным, потеря VOC из устройства для регенерации растворителя и/или дегидратации обусловливает эксплуатационные затраты.
Более конкретно, в основном желательно ограничивать потери рХ, уксусной кислоты и метилацетата в отходящих газах, поступающих в устройство для термоокислительного разложения (TOD). Минимизация таких потерь обусловливается различными механическими способами в устройстве для регенерации растворителя и/или дегидратации, но отделение в конце концов контролируется термодинамическими закономерностями и потреблением энергии в устройстве для регенерации растворителя и/или дегидратации. В целом, повышенные величины расходования энергии могут обеспечивать меньшие потери VOC. Такие величины расходования энергии имеют результатом более низкие температуры и/или более высокие флегмовые числа в устройстве для регенерации растворителя и/или дегидратации.
Однако авторы настоящего изобретения нашли, что намеренное повышение потерь летучих органических соединений сверх их абсолютного минимума приводит к улучшенным общим экономическим показателям процесса, будучи интегрированным с расходом топлива в TOD и получением мощности на валу в турбодетандере.
Соответственно этому предпочтительно регулировать отведение энергии и потери энергии по меньшей мере в одном устройстве для регенерации растворителя и/или дегидратации, обрабатывающем реакционные отходящие газы, как здесь представлено. Предпочтительно, чтобы температура по меньшей мере около 40, или 60, или 80, или 90 весовых процентов отходящих газов, выходящих из устройства для регенерации растворителя и/или дегидратации, снижалась на величину менее чем на около 50, или 40, или 30, или 25°С согласно оценке от того места, где реакционные отходящие газы образуются вблизи верхней поверхности реакционной среды. Предпочтительно изолировать по меньшей мере около 70, или 90, или 95, или 99 процентов открытой в окружающую среду площади поверхности трубопроводов, резервуаров и регуляторов, составляющих устройство для регенерации растворителя и/или дегидратации, изоляционным материалом с толщиной по меньшей мере около 0,01, или 0,02, или 0,04, или 0,08 метра, несмотря на то, что огромные количества тепловой энергии в конце концов высвобождаются в окружающую среду после турбодетандера. Предпочтительно, чтобы потери тепловой энергии через открытые в окружающую среду площади поверхности трубопроводов и/или резервуаров, составляющих устройство для регенерации растворителя и/или дегидратации, были менее чем около 40, или 20, или 10, или 5 Ватт на килограмм рХ, подаваемого в соответствующую окислительную реакционную среду.
Предпочтительно ограничивать регенерацию тепловой энергии так, чтобы менее чем около 1000, или 100, или 1, или 0,1 Ватт тепловой энергии на килограмм рХ, подаваемого в соответствующую окислительную реакционную среду, отводилось из технологической текучей среды через проводящие, разделительные, теплообменные поверхности раздела, расположенные начиная с того места, где реакционные отходящие газы образуются вблизи верхней поверхности реакционной среды, и до тех пор, пока по меньшей мере около 80, или 90, или 95, или 99 весовых процентов молекулярного азота в них не будут пропущены через турбодетандерное устройство. Некоторые конструкции, известные для извлечения энергии из реакционных отходящих газов, включают конденсацию и регенерацию растворителя путем извлечения тепловой энергии сквозь проводящие, разделительные, теплообменные поверхности раздела, для нагревания и/или испарения технологических текучих сред до пропускания отходящих газов через турбодетандер. Технологические текучие среды затем используют для генерирования мощности на валу и/или передачи тепловой энергии в другие стадии. Примерные технологические теплоносители и/или охлаждающие текучие среды включают воду в жидком и/или парообразном состоянии, легкие алифатические углеводороды в жидком и/или парообразном состоянии и/или воздух.
Предпочтительно, чтобы устройство для регенерации растворителя и/или дегидратации работало без добавления соединения для азеотропного разделения. Примерные соединения для азеотропной дистилляции включают н-бутилацетат и/или н-пропилацетат. Предпочтительно, чтобы устройство для регенерации растворителя и/или дегидратации действовало с результирующим добавлением менее чем около 0,1, или 0,01, или 0,001, или 0,0001 килограмма соединений для азеотропной дистилляции на килограмм растворителя, извлекаемого из реакционных отходящих газов.
Предпочтительно, чтобы устройство для регенерации растворителя и/или дегидратации согласно настоящему изобретению включало высокопроизводительное дистилляционное устройство, обрабатывающее по меньшей мере около 80, или 90, или 95, или 99 весовых процентов неконденсируемых газов и/или молекулярного азота, присутствующих в реакционных отходящих газах. Предпочтительно, чтобы указанное дистилляционное устройство включало по меньшей мере около 20, или 25, или 30, или 35 идеальных стадий разделения. Предпочтительно, чтобы потери давления вследствие вязкого течения отходящих газов через указанное дистилляционное устройство составляли менее чем около 60, или 40, или 20, или 10 кПа. Предпочтительно, чтобы любые дистилляционные тарелки имели конструкцию с низким перепадом давлений менее чем около 1200, или 900, или 700, или 500 Па на тарелку, несмотря на то, что это нежелательно ограничивает рабочие характеристики при низкой нагрузке таких тарелок. Более предпочтительно использовать структурированную насадку, как это известно в технологии, несмотря на необходимость в дорогостоящем, коррозионностойком металлургическом исполнении и также потенциальную воспламеняемость некоторых металлов, включающих титан. Предпочтительно сооружать указанное дистилляционное устройство с использованием по меньшей мере двух различных диаметров резервуара, в которых максимальный горизонтальный диаметр верхней секции составляет менее чем около 1,0, или 0,96, или 0,92, или 0,90 части от максимального горизонтального диаметра нижней секции, и обрабатывающее по меньшей мере около 80, или 90, или 95, или 99 весовых процентов молекулярного азота в реакционных отходящих газах.
После выхода из турбодетандера предпочтительно, чтобы по меньшей мере часть отходящих газов охлаждали по меньшей мере в одном теплообменном устройстве, называемом здесь «конденсатор отходящих газов», тем самым получая жидкость, называемую здесь флегмой и, главным образом, включающую воду, по меньшей мере часть которой подают в указанное устройство для регенерации растворителя и/или дегидратации. Предпочтительно, чтобы различные предпочтительные диапазоны температуры, давления и/или состава на входе в конденсатор отходящих газов были такими же, как на выходе из конечной ступени турбодетандера. Предпочтительно, чтобы потери давления на вязкое течение отходящих газов в указанном конденсаторе отходящих газов составляли менее чем около 16, или 12, или 8, или 4 кПа. При работе без стадии повторного сжатия отходящих газов предпочтительно, чтобы давление отходящих газов, выходящих из указанного конденсатора отходящих газов, составляло по меньшей мере около 0,02, или 0,08, или 0,12, или 0,16 бар (манометрических) (0,002, 0,008, 0,012, 0,016 МПа, избыточных). При работе без стадии повторного сжатия отходящих газов предпочтительно, чтобы давление отходящих газов, выходящих из указанного конденсатора отходящих газов, составляло менее чем около 0,6, или 0,5, или 0,4, или 0,3 бар (манометрических) (0,06, 0,05, 0,04, 0,03 МПа, избыточных). При работе с необязательной стадией повторного сжатия отходящих газов предпочтительно, чтобы давление отходящих газов, выходящих из указанного конденсатора отходящих газов, составляло по меньшей мере около -0,8, или -0,7, или -0,6, или -0,5 бар (манометрических) (-0,08, -0,07, -0,06, -0,05 МПа, избыточных). При работе с необязательной стадией повторного сжатия отходящих газов предпочтительно, чтобы давление отходящих газов, выходящих из указанного конденсатора отходящих газов, составляло менее чем около 0,1, или 0,0, или -0,1, или -0,2 бар (манометрических) (0,01, 0,0, -0,01, -0,02 МПа, избыточных). Предпочтительно, чтобы температура отходящих газов, выходящих из указанного конденсатора отходящих газов, составляла по меньшей мере около 30, или 40, или 50, или 60°С. Предпочтительно, чтобы температура отходящих газов, выходящих из указанного конденсатора отходящих газов, составляла менее чем около 110, или 100, или 90, или 80°С. Предпочтительно, чтобы температура отходящих газов, выходящих из указанного конденсатора отходящих газов, снижалась на величину по меньшей мере около 10, или 20, или 30, или 35°С ниже температуры на выходе турбодетандера. Предпочтительно, чтобы температура отходящих газов, выходящих из указанного конденсатора отходящих газов, снижалась менее чем на около 100, или 80, или 70, или 60°С ниже температуры на выходе турбодетандера. Предпочтительно, чтобы тепловая энергия на уровне менее чем около 3100, или 2900, или 2700, или 2500 Ватт, отводилась в указанном конденсаторе отходящих газов на килограмм рХ, подаваемого в соответствующую окислительную реакционную среду. Предпочтительно, чтобы в указанном конденсаторе отходящих газов отводилась тепловая энергия на уровне по меньшей мере около 1600, или 1800, или 2000, или 2100 Ватт, на килограмм рХ, подаваемого в соответствующую окислительную реакционную среду.
Количество и температуру флегмы выбирают и регулируют для максимизации количества водяного пара, поступающего в турбодетандер, в соответствии с минимизацией потери VOC в отходящих газах, выходящих из конденсатора. Предпочтительно, чтобы поток флегмы в устройство для регенерации растворителя и/или дегидратации включал по меньшей мере около 7,0, или 8,0, или 8,5, или 9,0 килограммов жидкой воды на килограмм воды от образования ТРА, образованной в окислительных реакторах, обслуживаемых указанным устройством для регенерации растворителя и/или дегидратации. Предпочтительно, чтобы поток флегмы в устройство для регенерации растворителя и/или дегидратации включал менее чем около 12,0, или 11,0, или 10,5, или 10,0 килограммов жидкой воды на килограмм воды от образования ТРА, образованной в окислительных реакторах, обслуживаемых указанным устройством для регенерации растворителя и/или дегидратации. Предпочтительно, чтобы поток флегмы в устройство для регенерации растворителя и/или дегидратации включал по меньшей мере около 0,70, или 0,75, или 0,79, или 0,82 килограмма жидкой воды на килограмм водяного пара, выходящего из устройства для регенерации растворителя и/или дегидратации. Предпочтительно, чтобы поток флегмы в устройство для регенерации растворителя и/или дегидратации включал менее чем около 0,98*, или 0,96, или 0,92, или 0,90 килограмма жидкой воды на килограмм водяного пара, выходящего из устройства для регенерации растворителя и/или дегидратации. (*При работе с необязательным прямым сжиганием топлива при сгорании топлива образуется большая масса воды.) Предпочтительно, чтобы температура флегмы, подаваемой в устройство для регенерации растворителя и/или дегидратации, составляла по меньшей мере около 40, или 50, или 55, или 60°С. Предпочтительно, чтобы температура флегмы, подаваемой в устройство для регенерации растворителя и/или дегидратации, снижалась менее чем на 40, или 30, или 20, или 10°С ниже температуры водяного пара, покидающего конденсатор в отходящих газах.
Авторы настоящего изобретения отмечают, что размещение конденсатора отходящих газов в условиях такого низкого давления согласно настоящему изобретению значительно увеличивает объем отходящих газов на входе и выходе конденсатора. Если только не используют трубопроводы особенно большого диаметра, возникают нежелательные скорости течения и потери давления на вязкое течение. Соответственно этому предпочтительно, чтобы трубопроводы для отходящих газов между выходом турбодетандера и входом конденсатора отходящих газов имели диаметр по меньшей мере около 1,2, или 1,5, или 1,8, или 2,1 метра, которые являются довольно крупными для технологических трубопроводов, работающих под давлением, изготовленных из разнообразных дорогостоящих, коррозионно-стойких металлов и металлических сплавов. Для сокращения диаметра трубопроводов и снижения расходов предпочтительно, чтобы приведенная скорость отходящих газов в трубопроводах между выходом турбодетандера и входом конденсатора отходящих газов составляла по меньшей мере около 30, или 40, или 50, или 60 метров в секунду. Эти значения представляют собой нетипично высокие скорости в трубопроводах в отношении эрозии, в особенности для коррозионно-агрессивных технологических газов вблизи их точки росы, и в плане точки росы необходим тщательный контроль. На выходе конденсатора отходящих газов определенное присутствие капелек жидкости повышает возможность эрозии и коррозии, и предпочтительно ограничивать приведенные скорости в этих трубопроводах до уровня менее чем около 30, или 25, или 20, или 15 метров в секунду, вплоть до поступления в газожидкостный сепаратор для удаления жидкости, как обсуждается здесь в другом месте.
Авторы настоящего изобретения также отмечают, что работа конденсатора отходящих газов при низком давлении согласно настоящему изобретению вынуждает использовать более низкую рабочую температуру, чтобы сконденсировать требуемое количество флегмы. Более низкая рабочая температура сводится ближе к температуре охлаждающей текучей среды, и более низкое рабочее давление обусловливает пониженный пленочный коэффициент теплопереноса на производственную сторону. Все факторы понуждают увеличивать площадь проводящих, разделительных, теплообменных поверхностей раздела, которые в типичном случае включают разнообразные дорогостоящие, коррозионностойкие металлы и металлические сплавы.
Проблематика компоновки и затрат для конденсатора отходящих газов согласно настоящему изобретению еще больше усугубляется при выбросе предпочтительных количеств водяного пара в окружающую среду согласно некоторым аспектам настоящего изобретения. Выброс выбранных количеств водяного пара обусловливает необходимость преднамеренно контролировать количество энергии, отводимой в конденсаторе отходящих газов, даже при работе с новыми или незагрязненными проводящими, разделительными, теплообменными поверхностями раздела, при низких величинах массового расхода потока и/или энергетических мощностях, когда ТРА получают при пониженных уровнях производительности, и с переменными температурами охлаждающей среды, как это часто имеет место, например, вследствие суточных или сезонных изменений условий окружающей среды.
Особенная проблема контроля конденсатора отходящих газов состоит в том, что большинство башенных систем для охлаждения воды содержит определенные количества растворенных твердых веществ, которые в значительной степени концентрируются при испарительном охлаждении окружающим воздухом. Когда поток такой охлаждающей воды дросселируют для регулирования рабочей температуры конденсатора отходящих газов, температура выходящей охлаждающей воды повышается. Если температура такой охлаждающей воды поднимается слишком высоко, некоторые из растворенных твердых веществ выпадают в осадок. К сожалению, многие металлические сплавы с высокой устойчивостью к коррозии быстро подвергаются агрессивному воздействию, и в них появляются отверстия в результате точечной коррозии под такими бугорчатыми отложениями. Соответственно этому авторы настоящего изобретения раскрывают следующие предпочтительные варианты исполнения конденсатора отходящих газов согласно настоящему изобретению. Как он используется здесь, термин «отходящие газы конденсатора» включает отходящие газы, по меньшей мере часть которых была обработана по меньшей мере в одном конденсаторе отходящих газов.
Предпочтительно, чтобы указанный конденсатор отходящих газов, продуцирующий жидкую воду, включал воздушное охлаждение, в котором воздух из окружающей среды находится в контакте с проводящими, разделительными, теплообменными поверхностями раздела, содержащими указанные отходящие газы. Предпочтительно, чтобы для движения воздушного потока вдоль проводящих, разделительных, теплообменных поверхностей раздела, содержащих указанные отходящие газы, использовались нагнетательные вентиляторы. Предпочтительно, чтобы использовали скорость вращения вентилятора, шаг лопастей вентилятора, регулировочные жалюзи в воздушном потоке и/или другие средства регулирования величины расхода воздушного потока и/или температуры воздуха для регулирования степени охлаждения отходящих газов в ответ по меньшей мере на один переменный технологический фактор; например, температуру и/или давление отходящих газов конденсатора; температуру и/или величину расхода потока жидкости в конденсаторе; химический состав либо отходящих газов в конденсаторе, либо конденсата с помощью измерения любым встроенным измерительным средством, например анализом состава с помощью инфракрасной спектроскопии.
Более предпочтительно, чтобы указанный конденсатор отходящих газов, образующий жидкую воду, включал охлаждающую воду в контакте с проводящими, разделительными, теплообменными поверхностями раздела, включающими указанные отходящие газы. Предпочтительно, чтобы величина расхода потока охлаждающей воды, входная температура охлаждающей воды и/или выходная температура охлаждающей воды использовались для регулирования количества охлаждаемых отходящих газов в ответ по меньшей мере на один переменный технологический фактор, например температуру и/или давление отходящих газов конденсатора; температуру и/или величину расхода потока жидкости в конденсаторе; химический состав либо отходящих газов в конденсаторе, либо конденсата с помощью измерения любым встроенным измерительным средством, например анализом состава с помощью инфракрасной спектроскопии. Предпочтительно, чтобы по меньшей мере часть охлаждающей воды, выходящей из указанного теплообменника с водяным охлаждением, имела температуру по меньшей мере около 50, или 60, или 70, или 80°С. Предпочтительно, чтобы указанная охлаждающая вода включала воду, охлажденную непосредственным контактом с окружающим воздухом. Более предпочтительно, чтобы указанная охлаждающая вода представляла собой «замкнутый контур охлаждающей воды». Предпочтительно, чтобы указанный замкнутый контур охлаждающей воды включал пониженное количество общих растворенных твердых веществ (TDS), например, содержал деминерализованную воду или паровой конденсат. Предпочтительно, чтобы по меньшей мере часть теплоты отводили из указанного замкнутого контура охлаждающей воды в теплообменнике, включающем технологическую охлаждающую воду, охлаждаемую непосредственным контактом с окружающим воздухом. Предпочтительно, чтобы по меньшей мере часть теплоты отводили из указанного замкнутого контура охлаждающей воды в пластинчато-рамном теплообменнике.
Необязательно, является предпочтительным, чтобы по меньшей мере часть проводящих, разделительных, теплообменных поверхностей раздела выводились из эксплуатации время от времени в ответ по меньшей мере на один переменный технологический фактор, например, температуру и/или давление отходящих газов конденсатора; температуру и/или величину расхода потока жидкости в конденсаторе; химический состав либо отходящих газов в конденсаторе, либо конденсата с помощью измерения любым встроенным измерительным средством, например анализом состава с помощью инфракрасной спектроскопии. Такую часть поверхности выводят из эксплуатации путем прекращения ее контакта с протекающими отходящими газами и/или протекающей рабочей охлаждающей текучей средой.
Необязательно способ регулирования количества энергии, извлекаемой в конденсаторе отходящих газов, представляет собой перепуск части турбодетандерных отходящих газов мимо этого конденсатора, как раскрыто в патентном документе US 6504051, полное содержание которого включено сюда ссылкой. Однако такой перепуск газа создает новые проблемы, даже если разрешает задачу корректирования и регулирования регенерации энергии. Во-первых, такой перепуск в конце концов влияет на массовый баланс, а также энергетический баланс, поскольку пары растворителя затруднительно сконденсировать из пропущенных по перепускному каналу отходящих газов. Если перепускают слишком много или слишком мало газа, в то же время стремясь к удовлетворению энергетического баланса, нарушается водный баланс для системы регенерации растворителя, делая регенерированный растворитель слишком увлажненным или слишком обезвоженным; и имеет место также нарушение количества VOC, отправляемого на выброс в окружающую среду и/или в TOD. Во-вторых, желательно вновь объединять отходящие газы из конденсатора и проведенные через байпас отходящие газы для обработки в общем, совместном устройстве для обработки до экологически приемлемого состояния. Однако такое воссоединение является проблематичным, поскольку обычно образуется аэрозольный туман, когда более холодный, насыщенный жидкостью газовый поток объединяется с более теплым насыщенным жидкостью газом. Как показано, такой аэрозоль является опасным в отношении точечной коррозии в трубопроводах и оборудовании, и к тому же аэрозоль склонен собираться в капли на более холодных и/или испытывающих меньшую турбулентность поверхностях. Обеспечить быстрое удаление такого аэрозоля из высокоскоростного технологического потока при ограничении падения давления и/или поступления тепловой энергии затруднительно, несмотря на то, что такой туман может легко сливаться в жидкие дождевые капли при более длительных временах разделения.
Соответственно этому авторы настоящего изобретения раскрыли следующие предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения. По выходе из турбодетандера по меньшей мере часть отходящих газов перепускают мимо по меньшей мере одного конденсатора отходящих газов с образованием «байпасных отходящих газов» с использованием одного или более из следующих предпочтительных аспектов. Предпочтительно, чтобы указанные байпасные отходящие газы охлаждались менее чем на около 60, или 50, или 30, или 10°С в теплообменном устройстве, включающем проводящие, разделительные, теплообменные поверхности раздела, прежде чем быть объединенными с отходящими газами, выходящими из конденсатора отходящих газов, поступающими в TOD, и/или выпускаемыми в окружающую среду. Предпочтительно, чтобы указанные байпасные отходящие газы составляли по меньшей мере около 1, или 2, или 4, или 8 весовых процентов от всех отходящих газов, выходящих из турбодетандера. Предпочтительно, чтобы указанные байпасные отходящие газы составляли менее чем около 50, или 40, или 30, или 20 весовых процентов от всех отходящих газов, выходящих из турбодетандера. Предпочтительно, чтобы величину расхода потока указанных байпасных отходящих газов использовали для корректирования степени охлаждения отходящих газов в ответ по меньшей мере на один переменный технологический фактор; например, температуру и/или давление отходящих газов конденсатора; температуру и/или величину расхода потока жидкости в конденсаторе; химический состав либо отходящих газов в конденсаторе, либо конденсата с помощью измерения любым встроенным измерительным средством, например анализом состава с помощью инфракрасной спектроскопии. Предпочтительно, чтобы указанные байпасные отходящие газы объединяли по меньшей мере с частью отходящих газов, которые вышли из конденсатора отходящих газов, с образованием «смешанных отходящих газов», перед выпуском в окружающую среду. Предпочтительно, чтобы «газожидкостный сепаратор», в котором используют по меньшей мере один из следующих признаков, обрабатывал по меньшей мере часть отходящих газов из конденсатора, тем самым образуя «отходящие газы газожидкостного сепаратора». Предпочтительно, чтобы по меньшей мере около 10, 50, 98, 99,9 весовых процентов жидкости, поступающей в указанный газожидкостный сепаратор, отделялись и выводились смешанными с количеством менее чем около 50, или 95, или 99, или 99,8 весовых процентов молекулярного азота в отходящих газах, из отверстия на уровне ниже 80, или 60, или 40, или 10 процентов высоты указанного газожидкостного сепаратора. Предпочтительно, чтобы по меньшей мере часть указанного газожидкостного сепаратора размещали на меньшей высоте, чем по меньшей мере один конденсатор отходящих газов, для создания многофазного потока «газ-плюс-жидкость» в указанный газожидкостный сепаратор. Предпочтительно, чтобы жидкая вода выходила из указанного газожидкостного сепаратора через отверстие, расположенное ниже впускного канала для потока из конденсатора отходящих газов. Предпочтительно, чтобы приведенная вертикальная скорость отходящих газов в указанном газожидкостном сепараторе составляла менее чем около 4, или 3, или 2, или 1 метра в секунду в плоскости наибольшего горизонтального диаметра. Предпочтительно, чтобы приведенная горизонтальная скорость отходящих газов в указанном газожидкостном сепараторе составляла менее чем около 6, или 5, или 4, или 3 метра в секунду в плоскости наибольшего вертикального диаметра. Предпочтительно, чтобы среднее время пребывания отходящих газов в указанном газожидкостном сепараторе составляло менее чем около 20, или 13, или 8, или 5 секунд. Предпочтительно, чтобы среднее время пребывания отходящих газов в указанном газожидкостном сепараторе составляло по меньшей мере около 0,5, или 1,0, или 1,5, или 2,0 секунд. Предпочтительно, чтобы среднее время пребывания жидкости внутри указанного газожидкостного сепаратора составляло по меньшей мере около 0,5, или 2, или 4, или 8 минут. Предпочтительно, чтобы среднее время пребывания жидкости внутри указанного газожидкостного сепаратора составляло менее чем около 60, или 48, или 24, или 12 минут. Предпочтительно, чтобы по меньшей мере одна отбойная поверхность для удаления жидкости, иная, нежели герметичные граничные поверхности, была включена в указанный газожидкостный сепаратор. Предпочтительно, чтобы площадь твердой поверхности в контакте с отходящими газами, пропускаемыми через газожидкостный сепаратор, составляла по меньшей мере около 0,0005, или 0,001, или 0,002, или 0,004 квадратного метра на килограмм отходящих газов, выходящих из указанного газожидкостного сепаратора. Предпочтительно, чтобы по меньшей мере часть отходящих газов, пропускаемых через указанный газожидкостный сепаратор, контактировала по меньшей мере с около 0,001, или 0,005, или 0,01, или 0,02 квадратного метра площади негерметичной твердой поверхности на килограмм рХ, подаваемого в соответствующую окислительную реакционную среду. Предпочтительно, чтобы по меньшей мере около 70, или 80, или 90 процентов капель жидкости, меньших, чем по меньшей мере около 500, или 200, или 75, или 25 микрон (мкм), присутствующих в отходящих газах, поступающих в газожидкостный сепаратор, удаляли из отходящих газов газожидкостного сепаратора. Авторы настоящего изобретения нашли, что эти разнообразные предпочтительные признаки для газожидкостного сепаратора являются предпочтительными в газожидкостном сепараторе, обрабатывающем отходящие газы из конденсатора с байпасными отходящими газами или без них.
Предпочтительно, чтобы по меньшей мере часть байпасных отходящих газов обрабатывали в TOD, в котором также обрабатывают по меньшей мере часть отходящих газов, которые выходят из конденсатора отходящих газов. Более предпочтительно объединять по меньшей мере часть байпасных отходящих газов по меньшей мере с частью отходящих газов из конденсатора с образованием смешанных отходящих газов, перед поступлением в TOD. Наиболее предпочтительно подводить тепловую энергию для повышения температуры указанных смешанных отходящих газов перед поступлением в устройство для TOD. Это нагревание сокращает конденсацию в трубопроводах для отходящих газов, резервуарах и прочих камерах и тем самым сводит к минимуму стоимость конструкционных материалов. Эта тепловая энергия может быть подведена целиком или частично к потоку указанных отходящих газов, к потоку указанных байпасных отходящих газов или к потоку отходящих газов, выходящих из указанного конденсатора. Предпочтительно, чтобы температура указанных смешанных отходящих газов была по меньшей мере примерно на 10, или 20, или 40, или 60°С выше температуры отходящих газов, выходящих из указанного конденсатора отходящих газов.
Авторы настоящего изобретения нашли, что предпочтительно добавлять тепловую энергию в отходящие газы газожидкостного сепаратора согласно этому аспекту даже без байпасных отходящих газов. Предпочтительно размещать конденсатор отходящих газов и газожидкостный сепаратор следующим образом, чтобы сбалансировать одновременно расходы на закачивание охлаждающей воды на большие высоты, расходы на высотные конструкции и опоры и размещение оборудования на высоте, чтобы обеспечить сконденсированной жидкости возможность стекать под действием силы тяжести в конденсатор отходящих газов и/или газожидкостный сепаратор и/или через них. Предпочтительно, чтобы высота самой нижней поверхности охлаждения по меньшей мере в одном конденсаторе отходящих газов была на уровне менее чем около 50, или 30, или 20, или 10 метров над высотой поверхности пола. Предпочтительно, чтобы высота самой верхней поверхности охлаждения по меньшей мере в одном конденсаторе отходящих газов была на величину по меньшей мере около 6, или 9, или 12, или 15 метров выше высоты поверхности пола. Предпочтительно, чтобы высота запаса жидкости внутри газожидкостного сепаратора была по меньшей мере на около 0,5, или 1, или 2, или 3 метра выше высоты поверхности окружающей площадки. Предпочтительно, чтобы высота запаса жидкости в газожидкостном сепараторе составляла менее чем около 20, или 15, или 10, или 5 метров над высотой поверхности площадки.
В комбинации с улучшенной регенерацией мощности из турбодетандера отходящих газов и/или саморазогревания в TOD согласно приведенным здесь описаниям авторы настоящего изобретения раскрыли неожиданное преимущество от оставления увеличенных количеств водяного пара в выпускаемых отходящих газах, несмотря на повышенные потери VOC, которые часто сопровождают такие увеличенные количества водяного пара. Соответственно этому авторы настоящего изобретения раскрыли следующие предпочтительные варианты исполнения для «выпускаемого водяного пара», присутствующего в отходящих газах из конденсатора, отходящих газах из газожидкостного сепаратора и/или отходящих газах на входе в TOD. Предпочтительно, чтобы выпускаемый водяной пар составлял менее чем около 400, или 300, или 250, или 200 весовых процентов воды, полученной при образовании ТРА. Этим избегают расходования слишком большого количества теплоты реакции окисления при испарении жидкой воды в однократном прохождении через турбодетандерный энергетический цикл с последующими капиталовложениями и эксплуатационными расходами на обработку в TOD и без сопутствующего увеличения подачи флегмы для устройства регенерации растворителя и/или дегидратации. Предпочтительно, чтобы выпускаемый водяной пар составлял по меньшей мере около 100, или 110, или 130, или 150 весовых процентов воды, полученной при образовании ТРА. Во избежание чрезмерного обезвоживания системы регенерации растворителя и, тем самым, нарушения условий реакции окисления здесь раскрыты предпочтительные источники воды в количестве, превышающем количество воды, полученной при образовании ТРА.
Предпочтительно, чтобы выпускаемый водяной пар, избыточный относительно воды, полученной при образовании ТРА, включал по меньшей мере часть воды, которая поступила в процесс с подведением окислителя, более предпочтительно со сжатым окружающим воздухом. Предпочтительное количество водяного пара, поступающего в сжатом воздухе, раскрыто здесь в другом месте. Предпочтительно, чтобы выпускаемый водяной пар, избыточный относительно воды, полученной при образовании ТРА, включал по меньшей мере часть воды, образовавшейся при переокислении ароматических соединений и растворителя. Предпочтительно, чтобы выпускаемый водяной пар включал по меньшей мере около 0,05, или 0,10, или 0,15 килограмма воды, образовавшейся при переокислении ароматических соединений и растворителя, на килограмм рХ, подводимого в соответствующую окислительную реакционную среду. Предпочтительно, чтобы выпускаемый водяной пар включал менее чем около 0,05, или 0,04, или 0,03 килограмма воды, образовавшейся при переокислении ароматических соединений и растворителя, на килограмм рХ, подводимого в соответствующую окислительную реакционную среду.
Предпочтительно, чтобы выпускаемый водяной пар, избыточный относительно воды, полученной при образовании ТРА, включал воду, образованную из нагнетания сжатого пара (по меньшей мере около 50, 90, 95, 99 весовых процентов воды, с температурой по меньшей мере около 110, или 140, или 180, или 220°С) в технологический поток, включающий жидкий растворитель. Предпочтительные варианты применения включают водяной пар как источник тепловой энергии и как промывочное средство для трубопроводов, отверстий и оборудования. Предпочтительно, чтобы выпускаемый водяной пар, избыточный относительно воды, полученной при образовании ТРА, включал по меньшей мере часть воды, использованной для промывания технологических каналов, через которые впоследствии выпускают газ в окружающую среду. Предпочтительно, чтобы выпускаемый водяной пар, избыточный относительно воды, полученной при образовании ТРА, включал по меньшей мере часть воды, использованной в качестве вспомогательного средства для азеотропного разделения в процессе очистки растворителя и/или регенерации катализатора, включая описания в патентах США № 4939297, US 7351396 и в публикации патентной заявки США № 2005-0038288.
Предпочтительно, чтобы выпускаемый водяной пар, избыточный относительно воды, полученной при образовании ТРА, включал по меньшей мере часть воды, образованной при окислении топлива, когда его, необязательно, используют для нагревания отходящих газов между выходом из устройства для регенерации растворителя и/или дегидратации и выходом из турбодетандера.
Предпочтительно, чтобы выпускаемый водяной пар, избыточный относительно воды, полученной при образовании ТРА, включал по меньшей мере часть воды, приходящей из смежного РЕТ-процесса и поступающей в ТРА-процесс перед выходом TOD, более предпочтительно перед входом TOD. Предпочтительно, чтобы указанный РЕТ-процесс размещали так, чтобы минимальное горизонтальное расстояние от указанного ТРА-процесса составляло менее чем около 1800, 900, 300, 100 метров. Предпочтительно, чтобы указанный РЕТ-процесс создавал по меньшей мере часть РЕТ с использованием ТРА как продукта, полученного из указанного ТРА-процесса. Предпочтительно, чтобы по меньшей мере часть указанного продукта ТРА подавали в реакционную среду смежного РЕТ-процесса в течение менее чем около 72, или 24, или 12, или 4 часов после его формирования из пара-ксилола, пара-толуилового альдегида и/или пара-толуиловой кислоты. Предпочтительно, чтобы вода, поступающая из указанного РЕТ-процесса, составляла по меньшей мере около 0,02, или 0,2, или 0,3, или 0,4 килограмма на килограмм воды, полученной при образовании ТРА. Предпочтительно, чтобы вода, поступающая из указанного РЕТ-процесса, составляла менее чем около 1,1, или 0,9, или 0,7, или 0,6 килограмма на килограмм воды, полученной при образовании ТРА.
Предпочтительно, чтобы процесс TOD был самопитающимся за счет окисления соединений в отходящих газах, включающих монооксид углерода и VOC, в особенности за счет окисления метилацетата. Предпочтительно, чтобы содержание топлива в отходящих газах составляло по меньшей мере около 60, 70, 80, 90 процентов всего содержания топлива, поступающего в TOD. Содержание топлива оценивают как теплоту реакции окисления, которая образует продукты паровой фазы, включающие водяной пар и газообразный диоксид углерода. Предпочтительно, чтобы содержание топлива в отходящих газах составляло менее чем около 160, или 140, или 120, или 110 процентов от минимального содержания топлива, необходимого для работы TOD без охлаждающего средства, например теплосодержания воздуха или другого газа/пара и/или теплосодержания или скрытой теплоты воды или другой жидкости, будь то непосредственно от смешивания масс либо косвенно через разделительные проводящие теплообменные поверхности.
Предпочтительно, чтобы в процессе TOD по большей части, даже главным образом, в качестве топлива использовали метилацетат в отходящих газах согласно нижеследующим описаниям. Метилацетат представляет собой известный побочный продукт жидкофазного окисления пара-ксилола (рХ) до терефталевой кислоты (ТРА) в уксусной кислоте. В технологии известны способы выделения метилацетата и затем гидролиза его водой для регенерации уксусной кислоты как растворителя и получения метанола в качестве побочного продукта. Авторы настоящего изобретения нашли, что эффективная система синтеза ТРА, например, согласно патентным документам US 20070293699 и US 20070208191 (полные описания которых включены сюда ссылкой) обеспечивает надлежащее снижение результирующей скорости образования метилацетата. СО-компонент отходящих газов имеет сравнительно низкую теплотворную способность, и отходящие газы часто содержат относительно малые количества MeBr и уксусной кислоты. Метилацетат обеспечивает содержание топлива для TOD, эффективное для достижения необходимых температур и условий надлежащего разрушения загрязнителей окружающей среды, в том числе самого метилацетата. Если содержание топлива в отходящих газах слишком низкое, то в TOD для достижения необходимых температур и условий надлежащего разрушения загрязнителей окружающей среды должны быть подведены дополнительные топлива, например метан, метанол, нефтяное топливо.
Авторы настоящего изобретения раскрыли следующие предпочтительные диапазоны для метилацетата в отходящих газах газожидкостного сепаратора, диапазоны, которые эффективно согласуют теплотворную способность метилацетата как топлива в TOD и капиталовложения и эксплуатационные расходы для дополнительного подавления образования метилацетата и/или регенерации содержания уксусной кислоты из него путем разделения и гидролиза. Предпочтительно, чтобы содержание метилацетата в отходящих газах газожидкостного сепаратора и/или отходящих газах, поступающих в TOD, составляло по меньшей мере около 0,003, или 0,005, или 0,007, или 0,008 килограмма на килограмм рХ, подводимого в соответствующую окислительную реакционную среду. Предпочтительно, чтобы содержание метилацетата в отходящих газах газожидкостного сепаратора и/или отходящих газах, поступающих в TOD, составляло менее чем около 0,030, или 0,025, или 0,020, или 0,015 килограмма на килограмм рХ, подаваемого в соответствующую окислительную реакционную среду. Предпочтительно, чтобы метилацетат обеспечивал по меньшей мере около 20, или 30, или 40, или 50 процентов всего содержания топлива, поступающего в TOD. В еще одном варианте осуществления изобретения предпочтительно, чтобы содержание метилацетата и/или метанола в отходящих газах газожидкостного сепаратора и/или отходящих газах, поступающих в TOD, составляло менее чем около 0,030, или 0,025, или 0,020, или 0,015 килограмма на килограмм рХ, подводимого в соответствующую окислительную реакционную среду. Предпочтительно, чтобы метилацетат составлял по меньшей мере около 20, или 30, или 40, или 50 процентов всего содержания топлива, поступающего в TOD.
Предпочтительно, чтобы содержание уксусной кислоты в отходящих газах газожидкостного сепаратора и/или отходящих газах, поступающих в TOD, составляло по меньшей мере около 0,005, или 0,004, или 0,003, или 0,002 килограмма на килограмм рХ, подводимого в соответствующую окислительную реакционную среду. Предпочтительно, чтобы содержание монооксида углерода в отходящих газах газожидкостного сепаратора и/или отходящих газах, поступающих в TOD, составляло по меньшей мере около 0,45, или 0,40, или 0,35, или 0,30 мольного процента, в расчете на количество сухого вещества только неконденсируемых газообразных соединений.
Однако нежелательно без нужды направлять слишком много энергии в TOD, будь то сгораемого топлива, изначально содержащегося в отходящих газах, или же добавленного топлива. Поэтому предпочтительно, чтобы общая энергия сгорания, высвобождаемая в TOD, составляла менее 600, или 500, или 450, или 400 кДж на килограмм рХ, подводимого в соответствующую окислительную реакционную среду. Это малое количество требуемой теплоты сгорания достигается обеспечением эффективного объединения теплоты горячих обработанных отходящих газов вблизи выхода из TOD и необработанных отходящих газов вблизи входа в указанный TOD, как это известно в технологии, разнообразными способами.
2
Подведение теплоты сгорания надлежащим образом регулируют с помощью операционных методов и составов отходящих газов, как здесь раскрыто. Предпочтительно, чтобы процесс TOD действовал с максимальной внутренней температурой по меньшей мере около 200, или 400, или 600, или 800°С. Предпочтительно, чтобы по меньшей мере около 94, или 96, или 98, или 99 мольных процентов углерода в отходящих газах, поступающих в TOD, окислялись до СО перед выходом из TOD. Наиболее предпочтительно, термоокислительное разложение (TOD) во всех приведенных здесь описаниях означает устройство для регенеративного термического окисления (RTO).
После удаления и/или разложения монооксида углерода и VOC-загрязнителей в отходящих газах окислительной реакции многие местные обстоятельства требуют существенного удаления брома из обработанных отходящих газов. Это сокращение содержания брома часто выполняют водным промыванием обработанных отходящих газов из TOD, например жидкостным промыванием отходящих газов с использованием водного раствора гидроксида натрия или бисульфита натрия, с образованием такой соли, как бромид натрия. Со временем концентрация разнообразных солей в промывной воде нарастает, и нужно проводить частичный сброс оборотной воды с пополнением более чистой водой. Предпочтительно, указанная вода для пополнения жидкости для промывания отходящих газов представляет собой профильтрованную воду. Более предпочтительно, указанная вода для пополнения жидкости для промывания отходящих газов представляет собой деминерализованную воду, деионизированную воду и/или паровой конденсат.
Авторы настоящего изобретения нашли, что указанные промывные жидкие оборотные стоки, главным образом включающие воду, преимущественно использовать в качестве технологической воды, например воды для пополнения системы водной градирни. Соответственно этому предпочтительно применять по меньшей мере около 0,01, или 0,05 килограмма промывной водной оборотной жидкости на килограмм рХ, подаваемого в соответствующую окислительную реакционную среду, в качестве технологической воды, а не сбрасывать указанную промывную воду на обработку сточных вод и/или непосредственно в окружающую среду. В еще одном варианте осуществления изобретения любые водные стоки, полученные из производственной установки, включающей реакционную окислительную среду, могут быть использованы в количестве от 0,01 до 0,05 килограмма водных стоков на килограмм рХ, подаваемого в соответствующую окислительную реакционную среду, в качестве технологической воды, а не для сбрасывания технологической воды на обработку сточных вод и/или непосредственно в окружающую среду.
В необязательном и более предпочтительном варианте осуществления изобретение включает комбинирование отходящих газов реакции окисления, источниками которых являются реакторы как первичного, так и вторичного окисления, для обработки пропусканием через совместное объединенное устройство для регенерации растворителя и/или дегидратации, турбодетандер, конденсатор, газожидкостный сепаратор, TOD и/или промывное устройство для удаления брома.
Рабочие давления и температуры вторичной реакционной среды часто значительно отличаются, иногда являются существенно более высокими, от условий первичной реакционной среды и/или друг от друга, что неблагоприятно в отношении регенерации энергии. Простое расширение реакционных отходящих газов с более высоким давлением пропусканием через редукционный пневмоклапан до отходящих газов с более низким давлением обычно обусловливает значительное необратимое рассеяние энергии, приводя в последующем к потере способности производить мощность на валу. Однако настоящее изобретение преимущественно сохраняет энтальпию объединенных отходящих газов на входе в турбодетандер, и объединенные отходящие газы протекают, надлежащим образом сочетая теплотворные способности СО и VOC перед TOD.
Предпочтительно проводить обработку отходящих газов по меньшей мере из двух различных реакционных сред в совместном, общем устройстве для регенерации растворителя и/или дегидратации, турбодетандере, конденсаторе, газожидкостном сепараторе, TOD и/или промывном устройстве для удаления брома. Предпочтительно, чтобы по меньшей мере отчасти указанные различные реакционные среды были отделены горизонтально друг от друга на расстояние менее чем около 1000, или 500, или 300, или 150 метров. «Технологически объединенные» означает, что потоки сырьевых материалов или продуктов из двух различных процессов/установок объединяют и обрабатывают с использованием по меньшей мере одного агрегата из общего оборудования, выбранного из группы, состоящей из турбодетандера, конденсатора, газожидкостного сепаратора, TOD и/или промывного устройства для удаления брома.
При формировании смеси отходящих газов предпочтительно, чтобы количество всех отходящих газов в смеси, источником которых является реакционная среда вторичного окисления, было гораздо меньшим, чем количество всех отходящих газов в смеси, источником которых является реакционная среда первичного окисления. В смесях первичных и вторичных отходящих газов предпочтительно, чтобы отходящие газы, образующиеся в реакционных средах вторичного окисления, составляли менее чем около 20, или 10, или 5, или 2 весовых процентов от массы объединенных отходящих газов, и менее чем около 20, или 10, или 5, или 2 весовых процентов от массы молекулярного азота в объединенных отходящих газах. В смесях первичных и вторичных отходящих газов предпочтительно, чтобы отходящие газы, происходящие из реакционных сред вторичного окисления, составляли по меньшей мере около 0,1, или 0,2, или 0,4, или 0,8 весового процента от массы объединенных отходящих газов, и менее чем около 0,1, или 0,2, или 0,4, или 0,8 весового процента от массы молекулярного азота в объединенных отходящих газах.
Предпочтительно, чтобы по меньшей мере около 40, или 60, или 80, или 90 весовых процентов реакционных отходящих газов по меньшей мере из одной реакционной среды вторичного окисления объединяли по меньшей мере с около 40, или 60, или 80, или 90 весовыми процентами реакционных отходящих газов из реакционной среды первичного окисления для обработки в совместном, общем устройстве для регенерации растворителя и/или дегидратации, турбодетандере, конденсаторе, газожидкостном сепараторе, TOD и/или промывном устройстве для удаления брома. Предпочтительно, чтобы по меньшей мере часть отходящих газов из указанной вторичной среды образовывалась с температурой по меньшей мере около 160, или 175, или 190, или 200°С. Предпочтительно, чтобы по меньшей мере часть отходящих газов из указанной вторичной среды образовывалась с температурой менее чем около 250, или 240, или 230, или 220°С. Предпочтительно, чтобы по меньшей мере часть отходящих газов из указанной вторичной среды образовывалась с давлением по меньшей мере около 7, или 10, или 13, или 16 бар (абсолютных) (0,7, 1,0, 1,3, 1,6 МПа, абсолютных). Предпочтительно, чтобы по меньшей мере часть отходящих газов из указанной вторичной среды образовывалась с давлением менее чем около 40, или 34, или 28, или 24 бар (абсолютных) (4,0, 3,4, 2,8, 2,4 МПа, абсолютных).
Предпочтительно, чтобы по меньшей мере часть реакционных отходящих газов по меньшей мере из двух различных реакционных сред вторичного окисления объединяли между собой и по меньшей мере с частью реакционных отходящих газов из реакционной среды первичного окисления для обработки в совместном, общем устройстве для регенерации растворителя и/или дегидратации, турбодетандере, конденсаторе, газожидкостном сепараторе, TOD и/или промывном устройстве для удаления брома. Предпочтительно, чтобы по меньшей мере часть отходящих газов по меньшей мере из одной вторичной среды образовывалась с температурой, менее чем на около 20, или 15, или 10, или 5°С более высокой, чем часть указанных отходящих газов из указанной реакционной среды первичного окисления. Предпочтительно, чтобы по меньшей мере часть отходящих газов из одной вторичной среды формировалась с температурой, по меньшей мере на около 10, или 15, или 25, или 35°С более высокой, чем часть указанных отходящих газов из указанной реакционной среды первичного окисления, и/или часть указанных отходящих газов из иной отличающейся реакционной среды вторичного окисления. Предпочтительно, чтобы по меньшей мере часть указанных отходящих газов из одной вторичной среды образовывалась с температурой, менее чем на около 20, или 15, или 10, или 5°С отличающейся от части указанных отходящих газов из иной реакционной среды вторичного окисления. Предпочтительно, чтобы по меньшей мере один из указанных отходящих газов поступал из реакционной среды вторичного окисления, отделенной по горизонтали от части указанной первичной реакционной среды на расстояние менее чем около 60, или 20, или 8, или 2 метров. Предпочтительно, чтобы по меньшей мере один из указанных отходящих газов поступал из реакционной среды вторичного окисления, отделенной по горизонтали от части указанной первичной реакционной среды на расстояние по меньшей мере около 4, или 8, или 16, или 32 метра.
Предпочтительно обрабатывать по меньшей мере около 40, или 60, или 80, или 90 весовых процентов молекулярного азота в реакционных отходящих газах по меньшей мере из одной реакционной среды вторичного окисления в сочетании по меньшей мере с около 40, или 60, или 80, или 90 весовыми процентами молекулярного азота в реакционных отходящих газах из реакционной среды первичного окисления в совместном, общем турбодетандере, конденсаторе, газожидкостном сепараторе, TOD и/или промывном устройстве для удаления брома.
Приведенные здесь описания изобретения являются предпочтительными для процесса производства сырой ТРА, в которой общее содержание примесей монокарбоновых кислот составляет по меньшей мере около 1000, или 2000, или 4000, или 6000 весовых частей на миллион (масс.ч./млн); производства чистой ТРА, в которой общее содержание примесей монокарбоновых кислот составляет менее чем около 1000, или 500, или 300, или 200 масс.ч./млн; и производства как сырой, так и чистой ТРА одновременно в любом количественном соотношении. Загрязняющие примеси монокарбоновых кислот главным образом включают бензойную кислоту, пара-толуиловую кислоту и 4-карбоксибензальдегид.
Приведенные здесь описания изобретения являются более предпочтительными для получения очищенной ТРА с цветовой координатой b* менее чем около 4,0, или 3,5, или 2,5 единиц b*. Значение b*, используемое здесь, представляет собой одну цветовую характеристику, измеренную на спектроскопическом приборе, таком как прибор Hunter Ultrascan XE (фирмы Hunter Associates Laboratory, Inc., 11491 Sunset Hills Road, Рестон, Вирджиния 20190-5280, www.hunterlab.com), с использованием отражательного режима. Положительные показания обозначают степень желтого цвета (или поглощение синего), тогда как отрицательные показания обозначают степень синего (или поглощение желтого цвета).
Приведенные здесь описания изобретения применимы к процессам преобразования мета-ксилола (mX) в изофталевую кислоту (IPA) во всех аспектах изобретений, заменой пара-соединений на мета-соединения, например рХ на mX, TPA на IPA, пара-толуиловой кислоты на мета-толуиловую кислоту и 4-карбоксибензальдегид на 3-карбоксибензальдегид. Это расширение применимо для отдельного способа получения IPA. Расширение также применимо в частично и/или полностью комбинированных способах получения как ТРА, так и IPA.
Аспекты изобретения, относящиеся к объединению реакционных отходящих газов из различных реакционных сред для обработки по меньшей мере в одном из устройства для регенерации растворителя и/или дегидратации, турбодетандера, конденсатора, газожидкостного сепаратора, TOD и/или промывного устройства для удаления брома, применимы также ко всем аспектам, когда преобладающим ароматическим соединением по меньшей мере в одной реакционной среде является пара-замещенное соединение, а преобладающим ароматическим соединением по меньшей мере в одной другой реакционной среде является мета-замещенное соединение. Все аспекты изобретения, касающиеся регенерированного растворителя, также применимы, когда по меньшей мере часть растворителя, регенерированного из реакционных отходящих газов от окисления одного ксилола, впоследствии используют в течение 72, или 48, или 24, или 12 часов в реакционной среде для окисления другого ксилола. Все аспекты изобретения, относящиеся к отфильтрованному растворителю, также применимы, когда по меньшей мере часть отфильтрованного растворителя, образованного отделением от твердого продукта, который главным образом представляет собой одну ароматическую дикарбоновую кислоту, в последующем используют в течение 72, 48, 24, 12 часов в реакционной среде для окисления другого ксилола. (Даже если возможно и часто предпочтительно сохранять те же тяжелые ароматические примеси Co/Mn/Br из одного фильтрата изолированными от другого, не является предпочтительным разделять такие компоненты, как вода, уксусная кислота и бензойная кислота.)
Предпочтительно обрабатывать по меньшей мере часть растворителя (пара-фильтрата), отфильтрованного из процесса, в котором преобладающими ароматическими соединениями являются пара-замещенные, и часть фильтрата (мета-фильтрата), отфильтрованного из процесса, в котором доминирующими ароматическими соединениями являются мета-замещенные, в процессе очистки растворителя и/или регенерации катализатора, объединяя по меньшей мере один трубопровод, резервуар под давлением и/или вращающуюся единицу оборудования. Подходящие устройства для очистки фильтрата включены в описания патентов США № 4939297, US 7351396, и публикации патентной заявки США № 2005-0038288 (полное содержание которых включено сюда ссылкой). Более предпочтительно, чтобы по меньшей мере часть пара-фильтрата и мета-фильтрата подавали совместно в одно и то же время по сравнению с последовательным проведением операций. Предпочтительно, чтобы по меньшей мере часть очищенного фильтрата и/или по меньшей мере часть регенерированного катализатора из указанного процесса впоследствии использовали для образования по меньшей мере части окислительной реакционной среды и затем для формирования части пара-фильтрата или мета-фильтрата, более предпочтительно получения части обоих фильтратов. Предпочтительно, чтобы по меньшей мере около 10, или 40, или 80, или 98 весовых процентов ароматических примесей, удаленных из пара-фильтрата указанным процессом очистки отфильтрованного растворителя и/или регенерации катализатора, были физически объединены по меньшей мере с около 10, или 40, или 80, или 98 весовыми процентами ароматических примесей, удаленных из мета-фильтрата указанным процессом.
Все аспекты изобретения, касающиеся сжатого воздуха для подачи окислителя, применимы, когда часть сжатого воздуха из компрессорного устройства разделяют для обеспечения подачи окислителя по меньшей мере в одну окислительную реакционную среду, в которой преобладающими ароматическими соединениями являются пара-замещенные соединения, и по меньшей мере одну другую окислительную реакционную среду, в которой доминирующими ароматическими соединениями являются мета-замещенные соединения.
Все аспекты изобретения, имеющие отношение к конденсату из промежуточного охладителя при подаче окислителя, применимы, когда по меньшей мере часть конденсата из промежуточного охладителя при подаче окислителя разделяют на часть, используемую по меньшей мере в одной технологической стадии, в которой преобладающими ароматическими соединениями являются пара-замещенные, и еще одну часть для применения по меньшей мере в одной другой технологической стадии, в которой доминирующими ароматическими соединениями являются мета-замещенные.
В одном варианте исполнения предпочтительно, чтобы этот менее габаритный процесс получения IPA размещали в одном месте с более крупным процессом получения ТРА. Когда отходящие газы по меньшей мере из одной реакционной среды с преобладанием мета-замещенных соединений объединяют с отходящими газами по меньшей мере из одной реакционной среды с доминированием пара-замещенных соединений, предпочтительно, чтобы отходящие газы, происходящие из среды с преобладанием мета-замещенных соединений, включали менее чем около 50, или 40, или 30, или 20 весовых процентов от массы объединенных отходящих газов и менее чем около 50, или 40, или 30, или 20 весовых процентов от массы молекулярного азота в объединенных отходящих газах.
Когда отходящие газы по меньшей мере из одной реакционной среды с преобладанием мета-замещенных соединений объединяют с отходящими газами по меньшей мере из одной реакционной среды с доминированием пара-замещенных соединений, то предпочтительно, чтобы отходящие газы, происходящие из сред с преобладанием мета-замещенных соединений, составляли по меньшей мере около 0,5, или 1,0, или 1,5, или 2,0 весового процента от массы объединенных отходящих газов и менее чем около 0,5, или 1,0, или 1,5, или 2,0 весового процента от массы молекулярного азота в объединенных отходящих газах.
Когда устройство для сжатия воздуха из окружающей среды подает окислитель по меньшей мере в одну реакционную среду с преобладанием мета-замещенных соединений и по меньшей мере в одну реакционную среду с доминированием пара-замещенных соединений, предпочтительно, чтобы реакционные среды с преобладанием мета-замещенных соединений получали менее чем около 50, или 40, или 30, или 20 весовых процентов от общей величины массового расхода потока окислителя от указанного устройства для сжатия воздуха. Когда устройство для сжатия воздуха из окружающей среды подает окислитель по меньшей мере в одну реакционную среду с преобладанием мета-замещенных соединений и по меньшей мере в одну реакционную среду с доминированием пара-замещенных соединений, предпочтительно, чтобы реакционные среды с преобладанием мета-замещенных соединений получали по меньшей мере около 0,5, или 1,0, или 1,5, или 2,0 весового процента от общей величины массового расхода потока окислителя от указанного устройства для сжатия воздуха.
Более предпочтительно, чтобы указанные процессы получения IPA и ТРА были размещены в одном месте по меньшей мере с одним расположенным в том же месте процессом получения РЕТ. Предпочтительно, чтобы IPA, полученная в указанном близкорасположенном процессе, включала по меньшей мере около 0,5, или 1,0, или 1,5, или 2,0 весового процента всей дикарбоновой кислоты, подаваемой в размещенный в том же месте процесс получения РЕТ. Также предпочтительно, чтобы IPA, полученная в указанном близкорасположенном процессе, включала менее чем около 16, или 12, или 8, или 4 весовых процентов всей дикарбоновой кислоты, подаваемой в размещенный в том же месте процесс получения РЕТ.
В еще одном варианте исполнения при совместном размещении IPA и ТРА или без такового более предпочтительно, чтобы по меньшей мере часть IPA, подаваемой из первичной реакционной среды, главным образом включающей мета-замещенные соединения, подавали в РЕТ-реакционную среду без указанной IPA, очищенной путем растворения, селективного гидрирования и повторного осаждения для удаления 3-карбоксибензальдегида (3-CBA) и/или окрашенных веществ.
В одном варианте исполнения предпочтительно, чтобы указанная IPA, подаваемая в РЕТ-реакционную среду, представляла собой либо сырую IPA непосредственно из реакционной среды первичного окисления, которая является главным образом мета-замещенной, или дополнительно окисленную IPA, образованную во вторичной реакционной среде, средняя реакционная температура которой является менее чем на около 24, 16, 12, 8 градусов горячее, чем указанная первичная реакционная среда. Предпочтительно, чтобы указанная сырая IPA и/или дополнительно окисленная IPA содержала по меньшей мере около 20, или 80, или 160, или 320 масс.ч./млн 3-карбоксибензальдегида (3-CBA); менее чем около 3000, или 2400, или 1800, или 1200 масс.ч./млн 3-CBA; по меньшей мере около 2, или 4, или 8, или 16 масс.ч./млн 2,6-DCF (2,6-дикарбоксифлуоренона); и менее чем около 160, или 120, или 80, или 60 масс.ч./млн 2,6-DCF.
В еще одном варианте исполнения предпочтительно, чтобы указанная IPA, подаваемая для получения РЕТ, представляла собой выпаренную IPA, образованную во вторичной реакционной среде, средняя реакционная температура которой является по меньшей мере на около 16, или 24, или 30, или 36°С горячее, чем указанная первичная реакционная среда, и менее чем на около 80, или 70, или 60, или 50°С горячее, чем указанная первичная реакционная среда. Предпочтительно, чтобы указанная выпаренная IPA содержала по меньшей мере около 10, или 40, или 60, или 80 масс.ч./млн 3-CBA; менее чем около 1000, или 800, или 500, или 300 масс.ч./млн 3-CBA; по меньшей мере около 2, или 4, или 6, или 8 масс.ч./млн 2,6-DCF; и менее чем около 120, или 80, или 60, или 40 масс.ч./млн 2,6-DCF.
Еще один аспект настоящего изобретения относится к более рациональному распоряжению водой из окружающей среды, сконденсированной и удаленной, а не оставленной в виде пара, во время сжатия воздуха из окружающей среды для подачи окислителя. Компрессорное устройство для подачи сжатого окружающего воздуха часто включает многоступенчатые компрессорные системы, в которых используют по меньшей мере один промежуточный охладитель для отведения теплоты сжатия, чтобы сделать процесс более эффективным в термодинамическом и механическом отношении. Такие системы обычно создают водный конденсат в межстадийных охладителях, и эту воду обычно отделяют от воздуха перед поступлением в последующую ступень сжатия. Поскольку такой конденсат из промежуточного охладителя при подаче окислителя может быть загрязнен смазочными средствами и/или материалами гидравлических затворов, указанный конденсат традиционно направляют на установку для обработки сточных вод, возможно, только в маслоотделитель, хотя иногда и включающий технологии биологической и другой обработки.
Авторы настоящего изобретения раскрыли следующие усовершенствованные варианты применения для конденсата из промежуточного охладителя при подаче окислителя, одновременно сокращающие затраты на обработку сточных вод и уменьшающие расходы на приобретение и/или очистку технологической воды. Предпочтительно подавать по меньшей мере часть конденсата из промежуточного охладителя при подаче окислителя в ТРА-процесс и/или смежный РЕТ-процесс, более предпочтительно по меньшей мере в одну из следующих технологических стадий. Устройство для регенерации растворителя и/или дегидратации из ТРА-процесса, в особенности в качестве флегмы, как здесь определено. Система очистки отфильтрованного растворителя из ТРА, в особенности в качестве вспомогательного средства для азеотропного разделения, для извлечения компонентов ТРА-катализатора, более предпочтительно включающего изопропилацетат, согласно приведенным здесь литературным ссылкам. Процесс очистки ТРА селективным каталитическим гидрированием сырой ТРА. Скруббер на вентиляционном канале в окружающую среду либо из ТРА- или РЕТ-процесса, либо из резервуара-хранилища.
Предпочтительно подавать по меньшей мере часть конденсата из промежуточного охладителя при подаче окислителя по меньшей мере в одну систему технологической воды, более предпочтительно включающую следующие системы и наиболее предпочтительно для применения в ТРА-процессе и/или смежном РЕТ-процессе. Система водяного охлаждения, более предпочтительно система водяной градирни, в которой воду охлаждают непосредственным контактом с воздухом. Система фильтрования воды. Система деионизированной и/или деминерализованной воды. Система противопожарного водоснабжения.
Количество конденсата из промежуточного охладителя при подаче окислителя варьирует в зависимости от влажности окружающей среды, температуры охлаждающей среды, скорости подачи рХ и избытка молекулярного кислорода в реакционных отходящих газах, как эпизодически, так и в среднем. Соответственно этому предпочтительно, чтобы предпочтительные раскрытые варианты применения включали по меньшей мере около 0,01, или 0,02, или 0,04, или 0,08 килограмма конденсата из промежуточного охладителя при подаче окислителя на килограмм рХ, подаваемого в соответствующую окислительную реакционную среду.
В общем, предпочтительно выпускать водяные пары приблизительно в непрерывном балансе с их введением на различных технологических стадиях; но, тем не менее, неизбежным является то, что имеют место нарушения производственного цикла и проведение работ по техническому обслуживанию, которые создают временный избыток жидких водных стоков. Например, открыванию технологического резервуара для инспекции или ремонта во время остановки производства часто предшествует тщательное промывание водой или пропаривание для удаления, главным образом, всех растворителей, реагентов и продукта; и количество такой нарушающей баланс воды может быть большим для многих работ по техническому обслуживанию. Предпочтительно предусматривать по меньшей мере один резервуар для хранения жидких сточных вод с тем, чтобы эти жидкие сточные воды впоследствии возвратить по меньшей мере в одну технологическую стадию и затем выпустить в виде водяного пара согласно другим раскрытым здесь изобретениям. Предпочтительно, чтобы такие резервуары для хранения жидких сточных вод обеспечивали эффективную изоляцию для регулирования высвобождения VOC в окружающую среду. Предпочтительно, чтобы объем таких резервуаров-хранилищ составлял по меньшей мере около 50, или 100, или 200, или 400 кубических метров. Предпочтительно, чтобы объем таких резервуаров-хранилищ составлял менее чем около 12000, или 9000, или 6000, или 3000 кубических метров.
Комбинированием различных аспектов, имеющих отношение к выпуску воды в паровой форме в окружающую среду, более предпочтительно после обработки в TOD, наряду с использованием конденсата из промежуточного охладителя при подаче окислителя и/или промывной воды для удаления брома, в раскрытых вариантах применения для производственной и/или технологической воды, предпочтительно производить менее чем около 400, или 350, или 300, или 250, или 200, или 100, или 50, или 20 граммов выводимых жидких водных стоков на килограмм полученного твердого ТРА как продукта. Предпочтительно, чтобы эту производительность поддерживали главным образом непрерывно в течение длительных периодов времени. Предпочтительно удерживать эти низкие уровни выводимых жидких водных стоков по меньшей мере около 60, или 80, или 90, или 95 процентов времени в течение непрерывного 24-часового периода. Предпочтительно поддерживать эти низкие уровни выводимых жидких водных стоков, усредненные в течение периода по меньшей мере около 4, или 16, или 64, или 254 дней. Установка для синтеза РЕТ также производит воду из реакций, в которых по меньшей мере часть ТРА преобразуется в РЕТ, и эта вода часто загрязнена различными VOC-соединениями, например этиленгликолем, ацетальдегидом и разнообразными диоксоланами. Предпочтительно обрабатывать по меньшей мере часть загрязненной воды от образования РЕТ в совместном, общем устройстве наряду с водой из образования ТРА из смежной установки для получения ТРА. Предпочтительно указанную загрязненную воду из образования РЕТ оставляют в паровой форме, выходящей из указанной установки для получения РЕТ, или же переводят в паровую форму с использованием по меньшей мере части тепловой энергии из указанной смежной ТРА-установки.
В еще одном варианте осуществления изобретения количество воды, генерируемой в качестве побочного продукта или добавленной для окисления, которая выходит из указанной производственной установки в окружающую внешнюю среду в виде пара, составляет по меньшей мере 0,3, или 0,4, или 0,49 килограмма на килограмм ароматического соединения. Используемая в настоящем изобретении производственная установка может включать обработку сточных вод.
Более предпочтительно по меньшей мере часть испаренной воды при образовании РЕТ из реакций в смежной установке для синтеза РЕТ обрабатывать вместе по меньшей мере с частью воды, испаренной при образовании ТРА, в совместном, общем TOD-процессе, еще более предпочтительно RTO, согласно любому и/или всем раскрытым здесь изобретениям, имеющим отношение к обработке реакционных отходящих газов из окислительной реакционной среды. Предпочтительно, чтобы по меньшей мере часть окислительной реакционной среды для образования ТРА была размещена так, что минимальное горизонтальное расстояние от указанной установки для синтеза РЕТ составляло менее чем около 1800, или 900, или 300, или 100 метров. Предпочтительно, чтобы по меньшей мере часть ТРА подавали в реакционную среду указанной смежной установки для синтеза РЕТ в течение менее чем около 72, или 24, или 12, или 4 часов после образования из пара-ксилола. Предпочтительно обрабатывать по меньшей мере около 40, или 60, или 70, или 80 весовых процентов отходящих газов из указанной установки для синтеза РЕТ в совместном, общем процессе TOD, более предпочтительно RTO, по меньшей мере с около 40, или 60, или 70, или 80 весовыми процентами реакционных отходящих газов по меньшей мере из одной реакционной среды первичного окисления. Предпочтительно, чтобы по меньшей мере около 40, или 60, или 70, или 80 весовых процентов воды от образования ТРА из установки для получения ТРА были обработаны в совместном, общем процессе TOD, более предпочтительно RTO, по меньшей мере с около 40, или 60, или 70, или 80 весовыми процентами воды от образования РЕТ в указанной смежной установке для получения РЕТ.
Предпочтительно, чтобы нормальное течение технологических водных стоков, выводимых из указанной установки для получения РЕТ, скомбинированное с нормальным течением технологических водных стоков, выводимых из указанной установки для получения ТРА, составляло менее чем около 400, или 200, или 100, или 50 граммов выводимых жидких водных стоков на килограмм образованного РЕТ. Если количество ТРА, образованной в указанной установке для получения ТРА, отличается от количества ТРА, потребляемой в указанной установке для получения РЕТ, больше чем на 10 весовых процентов, то жидкие водные стоки, выводимые из указанной установки для ТРА, являются пропорциональными величине ее потребления в указанной РЕТ-установке, причем это значение суммируют с жидкими водными стоками, выводимыми из указанной РЕТ-установки, и делят на количество полученного РЕТ.