УДАЛЕНИЕ СОЕДИНЕНИЙ, ВОССТАНАВЛИВАЮЩИХ ПЕРМАНГАНАТ ИЗ НЕПРЕРЫВНОГО ПРОЦЕССА КАРБОНИЛИРОВАНИЯ МЕТАНОЛА
REMOVAL OF PERMANGANATE-REDUCING COMPOUNDS FROM CONTINUOUS METHANOL CARBONYLATION PROCESS

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Это изобретение относится к улучшенному способу для удаления перманганат-восстанавливающих (ПМВ) соединений и алкил иодидов, образующихся при карбонилировании метанола в присутствии металла VIII группы как катализатора карбонилирования. Точнее, это изобретение относится к улучшенному способу для уменьшения количеств и/или удаления предшественников ПМВ-соединений и алкил иодидов из промежуточных потоков при получении уксусной кислоты карбонилированием.
2. УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В настоящее время среди способов, используемых для синтеза уксусной кислоты, одним из наиболее коммерчески применяемых является каталитическое карбонилирование метанола монооксидом углерода, как это было показано в  патенте США № 3769329, внесенном в реестр Paulik et al 30 октября 1973. Катализатор карбонилирования содержит родий, либо растворенный, либо диспергированный в жидкой реакционной среде или нанесенный на инертную твердую основу, вместе с галогенсодержащим промотером катализатора, например метил иодидом. Родий может быть введен в реакционную систему в любой из многих форм, и точное строение родиевого фрагмента в активном комплексе катализатора является неопределенным. Подобным образом, строение галогенного промотера не является критически важным. Патенты описывают очень большое количество подходящих промотеров, большинство из которых являются органическими иодидами. Наиболее часто проведение реакции проводится постоянным барботированием газообразного монооксида углерода через жидкую реакционную среду, в которой растворен катализатор.
Улучшение в предшествующем способе карбонилирования спирта в присутствии родиевого катализатора для получения карбоновой кислоты, имеющей на один атом углерода больше, чем у спирта, как считается, впервые описано в патентах США №№ 5001259, внесенном в реестр 19 марта 1991; 5026908, внесенном в реестр 25 июня 1991; и 5144068, внесенном в реестр 1 сентября 1992; а также в европейском патенте EP 0161874B2, опубликованном 1 июля 1992. Как раскрыто в этих патентах, уксусная кислота образуется из метанола в реакционной среде, содержащий метил ацетат, метил галогенид, особенно метил иодид, и родий, присутствующий в каталитически эффективной концентрации. Эти патенты впервые описывают, что стабильность катализатора и производительность реактора карбонилирования может быть сохранена на неожиданно высоких уровнях, даже при низких низкий концентрациях воды, т.е. 4 весовых процента или менее в реакционной среде (несмотря на общую промышленную практику сохранения приблизительно 14-15 весовых % воды) внесением в реакционную среду, вместе с каталитически эффективным содержанием родия и по меньшей мере предельной концентрацией воды, определенной концентрации иодид-ионов сверх того содержания иодида, который присутствует как метил иодид или другой органический иодид. Иодид-ион присутствует как простая соль, предпочтителен литий иодид. Патенты раскрывают, что концентрации метил ацетата и иодидных солей являются существенно важными параметрами в достижении скорости карбонилирования метанола для получения уксусной кислоты, особенно при низкой концентрации воды в реакторе. За счет применения относительно высокой концентрации метил ацетата и иодидной соли можно достигнуть значительного уровня стабильности катализатора и производительности реактора, даже когда жидкая реакционная среда содержит воду в концентрации на уровне около 0,1 весовых %, таком низком, что в общих чертах он может быть определен просто как "предельная концентрация" воды. Кроме того, используемая реакционная среда улучшает стабильность родиевого катализатора, т.е. устойчивость к его осаждению, особенно во время стадий выделения продукта. В этих стадиях перегонка для выделения полученной уксусной кислоты имеет тенденцию удалять из катализатора монооксид углерода, который сохраняется в реакционной емкости и является лигандом, имеющим стабилизирующий эффект на родий. Патенты США №№ 5001259, 5026908 и 5144068 включены в данное изобретение посредством цитирования.
Было найдено, что, хотя способ карбонилирования при низком содержании воды для получения уксусной кислоты уменьшает количество таких побочных продуктов как диоксид углерода, водород, пропионовая кислота, содержание другой примеси, присутствующей обычно в следовых количествах, также увеличивается, и качество уксусной кислоты иногда ухудшается, когда предпринимаются попытки увеличить скорость образования улучшением катализаторов или изменением условий проведения реакции.
Эти следовые примеси влияют на качество уксусной кислоты, особенно при возвращении в процесс реакции. Примеси, которые уменьшают время жизни перманганатна в процессе получения уксусной кислоты, включают в себя карбонильные соединения и ненасыщенные карбонильные соединения. Применяемая здесь фраза "карбонильный" также относится к соединениям, которые содержат альдегидную или кетонную функциональную группы, и эти соединения могут содержать, или нет, ненасыщенность (смотри Catalysis of Organic reaction, 75, 369-380 (1998) для дальнейшего обсуждения примесей в процессе карбонилирования).
Данное изобретение относится к уменьшению количеств и/или удалению перманганат-восстанавливающих соединений (ПМВ-соединения), таких как ацетальдегид, ацетон, метилэтилкетон, бутиральдегид, кротоновый альдегид 2-этил-кротоновый альдегид и 2-этил-бутиральдегид и подобные, и продуктов их альдольной конденсации. Данное изобретение также ведет к уменьшению количеств пропионовой кислоты.
2-12
Такие карбонильные примеси, описанные выше, как ацетальдегид могут реагировать с иодидным промотером катализатора с образованием высших алкил иодидов, например этил иодида, пропил иодида, бутил иодида, пентил иодида, гексил иодида и подобных. Желательно удалять алкил иодиды из продукта реакции, поскольку даже небольшое содержание этих примесей в уксусной кислоте имеет тенденцию отравлять катализатор, применяемый при получении винил ацетата - продукта наиболее широко производимого из уксусной кислоты. Таким образом, настоящее изобретение относится к также к удалению алкил иодидов, в особенности C алкил-иодидных соединений. Поэтому, поскольку многие примеси происходят из ацетальдегида, первичная цель состоит в удалении или понижении содержания ацетальдегида и алкилиодида в данном способе.
Обычные технологии для удаления примесей включают обработку полученной уксусной кислоты окислителями, озоном, водой, активированным углем, аминами и подобным, причем такая обработка может сопровождаться, или нет, перегонкой уксусной кислоты. Наиболее типичная очистка включает серию перегонок конечного продукта. Известно, например, из патента США № 5783731, что для удаления карбонильных примесей из органических потоков применяется обработка таких потоков таким аминным соединением как гидроксиламин, который реагирует с карбонильными соединениями с образованием оксимов, с последующей перегонкой для отделения очищенного органического продукта от оксимных продуктов. Однако дополнительная обработка конечного продукта увеличивает стоимость процесса, а перегонка обработанной уксусной кислоты может приводить к образованию дополнительных примесей.
Хотя возможно получить уксусную кислоту относительно высокой чистоты, уксусная кислота, получаемая через способ карбонилирования при низком содержании воды и описанной выше очистке, благодаря присутствию небольших количеств остаточных примесей часто сохраняет некоторую недостаточность в отношении перманганатного времени. Так как достаточность перманганатного времени является важным коммерческим тестом, который полученная кислота должна выдерживать для многих применений, присутствие примесей, которые уменьшают перманганатное время, является нежелательным. Кроме того, не экономично или коммерчески реально удалять небольшие количества этих примесей из уксусной кислоты перегонкой, поскольку некоторые из этих примесей имеют точки кипения, близкие к точке кипения уксусной кислоты.
Таким образом, важно определить экономически жизнеспособные способы удаления примесей в процессе карбонилирования без загрязнения конечного продукта или нежелательного возрастания стоимости. Патент США № 5756836, включенный в данное изобретение в качестве ссылки, впервые описывает способ для производства уксусной кислоты высокой чистоты доведением концентрации ацетальдегида в реакционном растворе ниже 1500 м.д. Установлено, что сохранением концентрации ацетальдегида ниже этой границы возможно подавлять образование примесей до такой степени, что для получения уксусной кислоты высокой чистоты необходимо только перегнать сырую уксусную кислоту.
Европейский патент EP 0487284 B1, опубликованный 12 апреля 1995, впервые описывает, что карбонильные примеси, присутствующие в уксусной кислоте, обычно концентрируются в верхнем погоне с верхней части колонны. Согласно этому верхний погон легких фракций с колонны обрабатывается аминным соединением (таким как гидроксиламин), которое реагирует с карбонильными соединениями с образованием производных оксимов, которые могут быть удалены из остающегося верхнего погона перегонкой, что приводит к получению уксусной кислоты с улучшенным перманганатным временем.
Европейская заявка EP 0687662A2 и Патент США № 5625095, включенные в данное изобретение посредством цитирования, описывают способ для получения уксусной кислоты высокой чистоты, в которой концентрации ацетальдегида 400 м.д. или менее остаются в реакторе применением однократной или многоступенчатой перегонки для удаления ацетальдегида. Потоки, предложенные для переработки для удаления ацетальдегида, включают в себя легкую фракцию, содержащую главным образом воду, уксусную кислоту и метил ацетат, и тяжелую фракцию, содержащую главным образом метил иодид, метил ацетат и уксусную кислоту; поток верхнего погона, содержащий главным образом метил иодид и метил ацетат; или возвращаемый поток, образующийся при соединении легкой и тяжелой фракций. Эти ссылки не определяют, какой из этих потоков имеет наибольшую концентрацию ацетальдегида.
EP 0687662A2 и Патент США № 5625095 также впервые описывают управление реакционными условиями для контроля образования ацетальдегида в реакторе. Хотя утверждается, что образование таких побочных продуктов как кротоновый альдегид, 2-этилкротоновый альдегид и алкил иодидов уменьшается контролированием образования ацетальдегида, также подчеркивается, что управление условиями реакции, как предложено, увеличивает образование пропионовой кислоты, нежелательного побочного продукта.
Совсем недавно, как обычно считается, было обнаружено в патенте США № 6143930 и 6339171, что можно значительно уменьшить нежелательные примеси в уксусной кислоте проведением многоступенчатой очистки верхнего погона легких фракций колонны. Эти патенты впервые описывают способ очистки, в котором верхний погон легких фракций перегоняется дважды, в каждом случае отбирается ацетальдегидный верхний погон и в реактор возвращается остаток, обогащенный метил иодидом. Обогащенный ацетальдегидом дистиллат экстрагируется водой для удаления основной части ацетальдегида в сток, оставляя значительно меньшую концентрацию ацетальдегида в очищенном продукте, который возвращается в реактор. Патенты США №№ 6143930 и 6339171 включены в данное изобретение посредством цитирования.
Хотя вышеописанные способы были успешны для удаления карбонильных примесей из системы карбонилирования, в основной части контролирования уровней ацетальдегида и проблем с перманганатным временем в конечном продукте уксусной кислоты, дальнейшие улучшения, тем не менее, могут быть сделаны. Таким образом, здесь сохраняется необходимость для альтернативных способов для улучшения эффективности удаления ацетальдегида. Данное изобретение представляет одно такое альтернативное решение.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Во-первых, данное изобретение представляет способ для получения уксусной кислоты, который включает следующие стадии:
(a) реагирование метанола и диоксида углерода в подходящей реакционной среде, которая содержит катализатор и органический иодид;
(b) разделение продуктов реакции на летучую фракцию, которая содержит уксусную кислоту, органический иодид и по меньшей мере одно перманганат-восстанавливающее соединение (ПМВ-соединение), и менее летучую фракцию, содержащую катализатор и уксусную кислоту;
(c) перегонку летучей фракции, приводящую к очищенному продукту и первому верхнему погону, который содержит органический иодид, воду, уксусную кислоту и непрореагировавший метанол;
(d) перегонку по меньшей мере части первого верхнего погона для получения второго верхнего погона, обогащенного ПМВ-соединением;
(e) экстрагирование второго верхнего погона водой и отделения оттуда для слива в сток водного экстракта, содержащего концентрированные ПМВ-соединения; и
(f) перегонку по меньшей мере части экстрагированного второго верхнего погона совместно с частью первого верхнего погона. Оставшуюся часть экстрагированного второго верхнего погона предпочтительно возвращать в реактор.
2-12
Во-вторых, данное изобретение представляет улучшенный способ разделения смеси, содержащий воду, уксусную кислоту, метил иодид, метил ацетат, метанол, по меньшей мере один C алкил иодид и по меньшей мере одно перманганат-восстанавливающее соединение (ПМВ-соединение). Улучшенный способ включает следующие стадии: (a) перегонка смеси с образованием потока верхнего погона, обогащенного ПМВ-соединением; (b) экстрагирование водой потока верхнего погона, обогащенного ПМВ-соединением, и отделение оттуда водного потока, содержащего по меньшей мере одно ПМВ-соединение; и (c) перегонка по меньшей мере части экстрагированного верхнего погона, обогащенной ПМВ-соединением совместно с исходной смесью.
2-12
В-третьих, данное изобретение представляет улучшенный способ для уменьшения количеств и/или удаления перманганат-восстанавливающих соединений (ПМВ-соединений) и C алкил иодидов, образующихся при карбонилировании метанола до уксусной кислоты. В данном улучшенном способе метанол карбонилируется в реакционной среде, содержащей катализатор и органический иодид; продукты карбонилирования реакции разделяются на (1) летучую фракцию, содержащую уксусную кислоту, органический иодид, воду, и по меньшей мере одно ПМВ-соединение, и (2) менее летучую фракцию, содержащую катализатор; летучая фракция перегоняется, приводя к очищенному продукту и первому верхнему погону, содержащему органический иодид, воду, уксусную кислоту и ПМВ-соединение. Улучшение включает следующие стадии: (a) перегонка первого верхнего погона, приводящая к потоку второго верхнего погона, обогащенного ПМВ-соединением; (b) экстрагирование водой потока второго верхнего погона и отделения оттуда водного потока, содержащего ПМВ-соединения; и (c) перегонка по меньшей мере части экстрагированного второго верхнего погона совместно с первым верхним погоном.
В особенно предпочтительных вариантах осуществления данного изобретения, второй верхний погон (или верхний погон, обогащенный ПМВ-соединением) содержит диметиловый эфир в количестве, достаточном для уменьшения растворимости метил иодида в экстрагирующем потоке воды.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 представляет предшествовавший способ для удаления карбонильных примесей из промежуточного потока процесса карбонилирования для получения уксусной кислоты реакцией карбонилирования, как впервые показано в патенте США № 6339171.
Фиг. 2 представляет предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения.
Хотя изобретение допускает различные модификации и альтернативные формы, специфические варианты осуществления, показанные на примере чертежей, будут описаны здесь детально. Однако необходимо понимать, что изобретение не ограничено представленными отдельными формами. Более того, изобретение предназначено охватывать все модификации, эквивалентные подстановки и альтернативы, попадающие в пределы данного изобретения, как определено приложенной формулой изобретения.
ИЛЛЮСТРИРОВАННОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Иллюстрированные варианты осуществления данного изобретения описаны ниже. В интересах ясности, не все черты действительного варианта осуществления представлены в этом описании. Конечно, будет высоко оценено, что при развитии любого действительного варианта осуществления многочисленные решения, зависимые от варианта осуществления, должны быть сделаны для достижения конкретных целей исследователей, таких как согласование с системными и экономическими ограничительными условиями, которые будут изменяться от одного варианта выполнения к другому. Кроме того, будет высоко оценено, что такие усилия в направлении развития могут быть сложными и время-затратными, но, тем не менее, выполняются рутинно специалистами в данной области, которые используют преимущество данного открытия.
Способ очистки данного изобретения используется в любом процессе, применяемом для карбонилирования метанола (или другого карбонилируемого реагента, такого как метил ацетат, метил формиат или диметиловый эфир) до уксусной кислоты в присутствии такого металлического катализатора VIII группы как родий и иодидного промотера. Особенно распространенным процессом является катализируемое родием карбонилирование метанола до уксусной кислоты при низкой концентрации воды, как описано на примерах в патенте США № 5001259. Обычно предполагается, что родиевый компонент каталитической системы присутствует в форме координационного соединения родия с галогенным компонентом, являющимся по меньшей мере одним из лигандов такого координационного соединения. Дополнительно к координации родия и галогена предполагается также, что монооксид углерода координируется с родием. Родиевый компонент каталитической системы может быть предоставлен введением в зону реакции родия в металлической форме таких солей родия как оксиды, ацетаты, иодиды и т.д. или других координационных соединений родия и подобных соединений.
Промотирующий галогенный компонент каталитической системы состоит из галогенного соединения, включая органический галогенид. Таким образом, могут быть применены алкил-, арил- и замещенные алкил- или арилгалогениды. Предпочтительно галогенной промотер присутствует в форме алкилгалогенида, в котором алкильный радикал соответствует алкильному радикалу прибавляемого карбонилируемого спирта. Таким образом, в карбонилировании метанола до уксусной кислоты галогенной промотер будет содержать метил галогенид, более предпочтителен метил иодид.
Применяемая жидкая реакционная среда может включать любой растворитель, совместимый с катализаторной системой, и может включать чистые спирты или смеси вводимого спирта и/или желаемой карбоновой кислоты, и/или эфиры этих двух соединений. Предпочтительным растворителем и жидкой реакционной средой для способа карбонилирования при низком содержании воды является конечная карбоновая кислота. Таким образом, в карбонилировании метанола до уксусной кислоты предпочтительным растворителем является уксусная кислота.
Вода содержится в реакционной среде, но при концентрации, существенно более низкой по сравнению с ранее полагаемой приемлемой для достижения достаточной скорости реакции. Ранее было раскрыто, что в катализируемой родием реакции карбонилирования, предложенной в этом изобретении, добавление воды имеет благоприятный эффект на ее скорость (Патент США № 3769329). Так, наиболее коммерчески пригодные операции протекают при концентрации воды по меньшей мере около 14 весовых %. Таким образом, является вполне неожиданным, что скорости реакции, существенным образом равные и большие скорости реакции, полученной при такой высоких уровнях концентрации воды, могут быть достигнуты при концентрации воды ниже 14 весовых % и даже при около 0,1 весовых %.
По настоящему изобретению для способа карбонилирования, наиболее применяемого для производства уксусной кислоты, желательные скорости реакции получены даже при низкой концентрации воды включением в реакционную среду метил ацетата и добавочного иодид-иона, дополнительно к иодиду, присутствующего в качестве промотера катализатора, такого как метил иодид или другой органический иодид. Добавочный иодидный промотер является иодидной солью, предпочтительно литий иодидом. Было найдено, что при низкой концентрации воды метил ацетат и литий иодид действуют как промотеры скорости, только если каждый из этих компонентов присутствует в относительно высокой концентрации, и что промотирование более сильно выражено, когда эти компоненты присутствуют совместно (Патент США № 5001259). Предполагается, что концентрация литий иодида, применяемого в реакционной среде предпочтительной реакционной системы карбонилирования, является достаточно высокой по сравнению с той небольшой концентрацией, что применена в предшествующем уровне техники, связанном с применением галогенидных солей в реакционных системах такого типа. Абсолютная концентрация иодид-иона не является ограничением для применения настоящего изобретения.
Реакция карбонилирования метанола до уксусной кислоты может быть выполнена контактированием подводимого метанола, который находится в жидком состоянии, с газообразным монооксидом углерода, пробулькиваемым через жидкую реакционную среду, содержащую уксусную кислоту как растворитель, а также родиевый катализатор, метил иодидный промотер, метил ацетат и добавочную растворимую иодидную соль, в том режиме температуры и давления, который приемлем для образования продукта карбонилирования. Обычно считается, что важной является концентрация иодид-иона в каталитической системе, а не катион, связанный с иодидом, и что при данной молярной концентрации иодида природа катиона не является такой значительной как эффект концентрации иодида. Может быть использована иодидная соль любого металла, или любая иодидная соль любого органического катиона, или четвертичного катиона, такого как четвертичный амин, фосфин или неорганический катион, в предположении, что соль является достаточно растворимой в реакционной среде для обеспечения желаемого уровня иодида. Если иодид прибавляется как соль металла, предпочтительны иодидные соли металлов, выбранных из группы IA и группы IIA периодической таблицы, как это предложено в "Handbook of Chemistry и Physics", опубликованном by CRC Press, Cleveland, Ohio, 1975-76 (56th edition). Особенно применяемыми являются иодиды щелочных металлов, предпочтительно литий иодид. В способе карбонилирования при низком содержании воды, наиболее применяемым в этом изобретении, добавочный иодид присутствует помимо и дополнительно к органическому иодидному промотеру в катализаторном растворе при концентрациях от около 2 до приблизительно 20 весовых %, метил ацетат присутствует в концентрациях от около 0,5 до приблизительно 30 весовых %, и литий иодид присутствует в концентрациях от около 5 до приблизительно 20 весовых %. Родиевый катализатор присутствует в концентрациях от около 200 до приблизительно 2000 частей на миллион (м.д.).
Типичные температуры реакции для карбонилирования будут составлять от 150 до 250°C, а температурный диапазон от около 180 до 220°C является предпочтительным диапазоном. Парциальное давление монооксида углерода в реакторе может изменяться в широких пределах, но обычно оно составляет от около 2 до приблизительно 30 атмосфер, и предпочтительно от около 3 до приблизительно 10 атмосфер. С учетом парциального давления побочных продуктов и давления пара содержащихся жидкостей общее давление в реакторе будет составлять от около 15 до приблизительно 40 атмосфер.
Типичная система возврата компонентов реакции и уксусной кислоты, которая применяется для промотируемого иодидом катализируемого родием карбонилирования метанола до уксусной кислоты, показана на фигуре 1 и включает жидкофазный реактор карбонилирования, импульсное устройство деления и колонну легких фракций метил иодида и уксусная кислоты 14, которая имеет боковой отвод уксусной кислоты 17, которая далее следует на дальнейшую очистку. Реактор и импульсное устройство деления не показаны на Фиг. 1. Предполагается, что они являются стандартным оборудованием, в настоящее время хорошо известным для процессов карбонилирования. Реактор карбонилирования является обычно или перемешиваемым емкостным реактором или реактором типа барботажной колонны, в котором взаимодействие жидкости или суспензии поддерживается автоматически на постоянном уровне. В этот реактор постоянно вводится свежий метанол, монооксид углерода, дополнительная вода для сохранения по меньшей мере предельной концентрации воды в реакционной среде, возвращенный катализаторный раствор из основания импульсного устройства деления, возвратная фаза метил иодида и метил ацетата и возвратная фаза водной уксусной кислоты из принимающий декантатор легких фракций метил иодида и уксусной кислоты с разделяющей колонны 14. Применяются перегонные системы, которые обеспечивают возвращение сырой уксусной кислоты и возвращение катализаторного раствора, метил иодида, и метил ацетата в реактор. В предпочтительном способе монооксид углерода постоянно вводится в реактор карбонилирования несколько ниже лопасти мешалки, которая используется для перемешивания содержимого. Подводимый газ полностью диспергируется в реагирующей жидкости перемешиванием. Газообразный поток очистки сдувается из реактора вентилированием для предотвращения накопления газообразных побочных продуктов и для сохранения парциального давления монооксида углерода при данном общем давлении реактора. Температура в реакторе контролируется и монооксид углерода подводится со скоростью, достаточной для сохранения желаемого общего давления в реакторе.
Жидкий продукт отводится из реактора карбонилирования со скоростью, достаточной для сохранения там постоянного уровня, и вводится в импульсное устройство деления. В импульсном устройстве деления катализаторный раствор отводится как поток от основания (в основном уксусная кислота, содержащий родиевую и иодидную соли вместе с меньшими количествами метил ацетата, метил иодида и воды), причем парообразный поток верхнего погона импульсного устройства деления содержит в основном уксусную кислоту вместе с метил иодидом, метил ацетатом и водой. Растворенные газы, покидающие реактор и поступающие в импульсное устройство деления, состоят частично из монооксида углерода вместе с такими газообразными побочными продуктами как метан, водород и диоксид углерода и покидают импульсное устройство деления как часть потока верхнего погона. Поток верхнего погона направляется в поток летучей фракции или на разделительную колонну 14 как поток 26.
Как было впервые показано в патентах США №№ 6143930 и 6339171, существует высшая концентрация, приблизительно трехкратная, ПМВ-соединений и в особенности ацетальдегида, в потоке легкой фазе по сравнению с потоком тяжелой фазы, покидающим колонну 14. Таким образом, в согласии с настоящим изобретением, поток 28, содержащий ПМВ-соединение, направляется в принимающий декантатор верхнего погона 16, откуда поток легкой фракции 30 направляется на перегонную колонну 18.
Вообще говоря, данное изобретение может обсуждаться как улучшенный способ для перегонки ПМВ-соединений, главным образом альдегидов и алкил иодидов, из парообразного потока уксусной кислоты. Парообразный поток перегоняется и экстрагируется для удаления ПМВ-соединений. Особенно предпочтительный способ удаления альдегидов и алкил иодидов из первого парообразного потока уксусной кислоты и уменьшения уровня пропионовой кислоты в полученной уксусной кислоте включает в себя следующие стадии:
a) конденсирования первого парообразного потока уксусной кислоты в первый ловушке конденсации и двухфазного отделения его с образованием первого жидкого продукта тяжелой фазы и первого жидкого продукта легкой фазы, в котором упомянутая первая жидкость тяжелой фазы содержит большее количество каталитических компонентов, чем упомянутый первый жидкий продукт легкой фазы;
b) перегонки жидкого продукта легкой фазы в первой перегонной колонне с образованием второго потока парообразной уксусной кислоты, который обогащен альдегидами и алкил иодидами по сравнению с упомянутым первым потоком парообразной уксусной кислоты;
c) конденсирования второй парообразного потока в второй ловушке конденсации с образованием второй жидкофазного продукта;
d) перегонки второй жидкофазного продукта в второй перегоночной колонне с образованием третьего парообразного потока;
e) конденсирования третьего парообразного потока и экстрагирование водой конденсированного потока для удаления оттуда остаточного ацетальдегида; и
f) возвращения по меньшей мере части экстрагированного третьего парообразного потока во вторую перегонную колонну.
Предшествующий вариант осуществления, как впервые показано в патенте США № 6339171, изображен на фигуре 1. Представленный на фигуре 1 первый поток газообразной уксусной кислоты (28) содержит метил иодид, метил ацетат, ацетальдегид и другие карбонильные компоненты. Затем этот поток конденсируется и разделяется (в емкости 16) для отделения тяжелой фазы, содержащей большую часть каталитических компонентов, которая возвращается в реактор (не показан на фигуре 1), от легкой фазы (30), содержащей ацетальдегид, воду и уксусную кислоту.
Любая фаза из верхнего погона легких фракций может быть далее перегнана для удаления ПМВ-соединений и, главным образом, ацетальдегидного компонента данного потока, хотя предпочтительно удалять ПМВ-соединения из легкой фазы (30), поскольку было найдено, что концентрация ацетальдегида в этой фазе до некоторой степени больше. В варианте осуществления, изображенном и описанном здесь, перегонка выполняется в две стадии, но будет высоко оценено, что перегонка может быть выполнена также в одиночной колонне.
Легкая фаза (30) направляется на колонну 18, которая служит для образования второй паровой фазы (36), обогащенной альдегидами и алкил иодидами по сравнению с потоком 28. Поток 36 конденсируется (емкость 20) и двухфазно разделяется с образованием второго жидкого продукта тяжелой фазы и второго жидкого продукта легкой фазы. Эта вторая жидкость тяжелой фазы содержит большее количество каталитических компонент, чем вторая жидкость легкой фазы, и затем возвращается в реактор. Вторая жидкость легкой фазы (40), содержащая ацетальдегид, метил иодид, метанол и метил ацетат, направляется на вторую перегонную колонну (22), в которой ацетальдегид отделяется от других компонентов. Было найдено, что этот способ данного изобретения уменьшает содержание и/или удаляет по меньшей мере 50% алкил-иодидных примесей, обнаруживаемых в потоке уксусной кислоты. Также было найдено, что ацетальдегид и его производные уменьшены по содержанию и/или удалены на по меньшей мере 50%, более часто на более чем 60%. Вследствие этого возможно удерживать концентрацию пропионовой кислоты в полученной уксусной кислоте ниже, чем около 400 частей на миллион по весу, и предпочтительно ниже 250 частей на миллион.
Из верха разделительной колонны 14 пары удаляются через поток 28, конденсируются и направляются в емкость 16. Пары охлаждаются до температуры, достаточной для конденсации и разделения конденсированного вещества на две фазы: воды и метил иодида, метил ацетата, ацетальдегида и других карбонильных компонентов. Часть потока 28 содержит неконденсируемые газы, такие как диоксид углерода, водород и подобные, которые могут быть отделены вентилированием, изображенные как поток 29 на фигуре 1. Из принимающий декантатора верхнего погона 16 выходит поток тяжелой фазы 28, не показанный на фигуре 1. Обычно эта тяжелая фаза возвращается в реактор, но отводной поток, обычно небольшого количества, например 25 объемных %, предпочтительно менее чем около 20 объемных %, тяжелой фазы может также быть направлен в процесс карбонильной обработки, а остаток возвращен в реактор или реакционную систему. Этот отводной поток тяжелой фазы может быть обработан отдельно или после объединения с легкой фазой (поток 30) для дальнейшей перегонки и экстракции карбонильных примесей.
Легкая фаза (поток 30) направлялась на перегонную колонну 18. Часть потока 30 направлялась обратно на верхнюю часть колонны 14 как поток возвратного конденсата 34. Остаток потока 30 входит в колонну 18 около середины колонны как поток 32. Колонна 18 служит для концентрирования альдегидных компонентов потока 32 в поток верхнего погона 36 путем отделения воды и уксусной кислоты от легких компонентов. Поток 32 перегоняется в первой перегонной колонне 18, которая предпочтительно содержит приблизительно 40 тарелок, а температура варьируется здесь от около 283°F (139,4°C) в кубе до приблизительно 191°F (88,3°C) наверху колонны. Поток 38, выходящий из кубовой части колонны 18, содержит приблизительно 70% воды и 30% уксусной кислоты. Поток 38 обрабатывается, обычно охлаждается в применением теплообменника, и возвращается в верхний погон-декантатор 16 верхних фракций колонны через потоки 46 и 48 и в конечном счете в реактор (реакционную систему). Было найдено, что возвращение части потока 38, обозначенной как поток 46, обратно через декантатор 16 увеличивает эффективность способа данного изобретения и позволяет большей части ацетальдегида присутствовать в легкой фазе (поток 32). Было найдено, что поток 36 имеет приблизительно в семь раз большее содержание альдегида, когда поток 38 возвращается таким образом через декантатор 16. Поток 36, выходящий с верха колонны 18, содержит ПМВ-соединения и в особенности ацетальдегид, метил иодид, метил ацетат, метанол и алкил иодиды. Затем поток 36 направляется на ресивер верхнего погона 20 после того как он охлажден до конденсации всех присутствующих конденсируемых газов.
2
3
С ресивера верхнего погона 20 выходит поток 40, содержащий ацетальдегид, метил иодид, метил ацетат и метанол. Часть потока 40 возвращается на колонну 18 как поток возвратного стекания 42. Остаток потока 40 входит во вторую перегонную колонну 22 ближе к основанию колонны. Колонна 22 служит для выделения основной части ацетальдегида из метил иодида, метил ацетата и метанола в поток 40. В одном из вариантов осуществления колонна 22 содержит около 100 тарелок и работает при температуре от около 224°F (106,60°C) в кубовой части до приблизительно 175°F (79,4°C) наверху. В альтернативном предпочтительном варианте осуществления колонна 22 имеет структурированную насадку в области тарелок. Предпочтительна структурированная насадка с рабочей площадью около 65 фут/фут, предпочтительно изготовленная из металлического сплава, подобного 2205 или другого подобного материала, совместимого с композициями, очищаемыми в колонне. При экспериментировании было замечено, что стандартная загрузка колонны, которая требуется для хорошего разделения, достигается легче со структурированной насадкой, чем с тарелками. Альтернативно, может быть применен керамический насадочный материал. Остаток с колонны 22, поток 44 выходит от основания колонны и возвращается в процесс карбонилирования.
1-10
Как впервые показано в патенте США № 6339171, было установлено, что в течение нагревания колонны 22 образуются полимеры ацетальдегида с высоким молекулярным весом. Предполагается, что эти полимеры с высоким молекулярным весом (молекулярный вес более чем около 1000) образуются в течение превращения легкой фазы и являются вязкими и тиксотропными. При подводе тепла к системе они имеют тенденцию отверждаться и прилипать к стенкам колонны, где их удаление является обременительным. Будучи заполимеризованными они только слегка растворимы в органических или водных растворителях и могут быть удалены из системы только механическими способами. Таким образом, необходим ингибитор, предпочтительно в колонне 22, для уменьшения образования этих примесей, т.е. метальдегида и паральдегида и полимеров ацетальдегида высокого молекулярного веса. Ингибиторы обычно состоят из C спиртов, предпочтительно метанола; воды; уксусной кислоты и подобных, применяемых по отдельности или в комбинации одного ингибитора с одним или более другим ингибитором. Поток 46, который является частью остатка колонны 18 и отводным потоком для потока 38, содержит воду и уксусную кислоту и, таким образом, может работать как ингибитор. Как показано на фигуре 1, поток 46 расщепляется с образованием потоки 48 и 50. Поток 50 добавляется в колонну 22 для ингибирования образования примесей метальдегида, паральдегида и полимеров высшего молекулярного веса. Так как остаток второй колонны 22 возвращается в реактор, любые добавляемые ингибиторы должны быть совместимы с химией реакции. Было найдено, что небольшие содержания воды, метанола, уксусной кислоты или их комбинации не являются препятствием для химии реакции и практически подавляют образование полимеров ацетальдегида. Предпочтительно поток 50 также применяется как ингибитор, поскольку этот поток не меняет баланс воды в реакторе. Хотя вода не является ингибитором, другие важные преимущества, объясненные ниже, были получены при добавлении воды на колонну 22.
Поток 52, содержащий ПМВ-соединения, выходит с верха колонны 22. Поток 52 направлялся в устройство для конденсации и затем в ресивер верхнего погона 24. После конденсации все неконденсируемые газы вентилируются из ресивера 24; а конденсированные вещества покидают ресивер 24 как поток 54. Поток 56, отводной поток потока 54, был использован как поток обратного стекания для колонны 22. Поток 44, содержащий метил иодид, метанол, метил ацетат, метанол и воду, выходит от основания колонны 22. Этот поток объединяется с потоком 66, который будет описан ниже, и направляется в реактор.
Для механизма экстракции важно, чтобы поток верхнего погона с колонны 22 оставался холодным, обычно при температуре около 13°C. Этот поток может быть получен при температуре около 13°C или сохранен при этой температуре обычными методами, известными специалистам, или любым устройством, обычно используемым в промышленности.
После выхода из ресивера 24 поток 58 предпочтительно проходит через устройство конденсации/охладитель (далее обозначаемый как поток 62) в экстрактор 27 для выделения и возвращения небольших количеств метил иодида из водного потока ПМВ-соединения. В экстракторе 27 ПМВ-соединения и алкил иодиды экстрагируются водой, предпочтительно водой из внешнего потока, для сохранения баланса воды в реакционной системе. Как результат данной экстракции, метил иодид отделяется от водного ПМВ-соединения и фракции алкил иодида. В предпочтительном варианте осуществления применяется смеситель-отстойник с отношением вода-подвод воды около 2.
Поток водного экстракта 64 покидает экстрактор из его верха. Эта обогащенная ПМВ-соединением, и в особенности обогащенная ацетальдегидом водная фаза, направляется на обработку отходов. Также из экстрактора выходит поток очищенного продукта 66, содержащий метил иодид, обычно возвращаемый в реакционную систему и в конечном счете в реактор.
Авторы настоящего изобретения обнаружили, что возвращение по меньшей мере части потока очищенного продукта 66 в перегонную колонну 22 улучшает эффективность удаления альдегида из системы в целом. Это может быть достигнуто возвращением по меньшей мере части потока 66 в любую точку между потоком 32 (подвод на колонну 18) и экстрактором 27. В варианте осуществления, показанном на фигуре 2, часть потока 66 отделяется как поток 68 и попадает на колонну 22 либо смешением с потоком 40 подвода на колонну или введением потока 68 прямо на колонну в другой точке.
В одном из вариантов осуществления данного изобретения весь поток 66 может быть возвращен на колонну 22. Было найдено, однако, что возвращать по меньшей мере часть потока 66 в реакционную систему предпочтительнее, чем возвращать весь поток на колонну 22. Когда авторы данного изобретения начали тестирование настоящего изобретения, было найдено, что давление в колонне 22 повышается значительно по сравнению с обычным, показывая накопление легколетучего компонента в системе, который не был удален при экстракции. Авторы данного изобретения установили, что существует ряд химических реакций, имеющих место в колонне 22, включая гидролиз метил ацетата и метил иодида до метанола с последующим образованием диметилового эфира (ДМЭ). ДМЭ был идентифицирован как тот летучий компонент, который вызывает увеличение давления в колонне. Когда весь поток очищенного продукта 66 из экстрактора 27 возвращается на колонну 22, ДМЭ, образующийся в колонне, не удаляется из системы. С другой стороны, однако, такой результат может быть достигнут возвращением части потока 66 прямо или опосредованно в систему реактора. Например, поток 66 может быть возвращен в емкость 16, где он объединяется с тяжелой фазой, которая возвращается в реактор как описано выше. Поскольку ДМЭ может быть подвергнут карбонилированию в реакторе для получения уксусной кислоты, возвращение некоторого количества ДМЭ-содержащого потока 66 прямо или опосредованно в реактор эффективно предотвращает от аккумулирования ДМЭ в системе удаления ацетальдегида.
В тоже время, тем не менее, авторы настоящего изобретения также обнаружили неожиданное преимущество небольших количеств ДМЭ в системе удаления ацетальдегида. С другой стороны, ДМЭ особенно уменьшает растворимость метил иодида в воде. Таким образом, присутствие подвода ДМЭ в экстракторе 27 уменьшает содержание экстрагированного метил иодида в потоке 64 и потери при удалении отходов. Например, авторы данного изобретения установили, что концентрация метил иодида в потоке 64 уменьшается от около 1,8%, когда ДМЭ не присутствует, до приблизительно 0,5%, когда ДМЭ присутствует. Как объяснено выше, поскольку метил иодид является особенно дорогим компонентом реакционной системы, то весьма желательно минимизировать количество метил иодида, который удаляется из процесса в виде отходов, посредством чего уменьшается количество свежего метил иодида, который должен быть добавлен в реактор. Поэтому следующий аспект данного изобретения включает стадию инжектирования добавочного потока ДМЭ в экстрактор 27, например в поток 62, для уменьшения потерь метил иодида в потоке водного экстракта 64. Иначе, возможно получение дополнительного ДМЭ добавлением дополнительной воды на колонну 22 или в подводной поток 40, или в поток возвратного стекания 56.
В то время как изобретение было описано со ссылкой на предпочтительные варианты осуществления, очевидные модификации и изменения могут быть внесены специалистами. В особенности, хотя настоящее изобретение в целом посвящено утилизации легких фракций с колонны 14, любой поток в процессе карбонилирования, имеющий высокую концентрацию ПМВ-соединений и алкилиодидов, может быть обработан в соответствии с настоящим изобретением. Таким образом, заявляется, что изобретение включает все такие модификации и изменения в полном объеме, и что они попадают в область прилагаемой формулы изобретения или ее эквивалентов.