ПОЛУЧЕНИЕ ДИКАРБОНОВОЙ КИСЛОТЫ МЕТОДОМ САМОАКТИВИРОВАННОЙ ОКИСЛИТЕЛЬНОЙ ДЕСТРУКЦИИ
OBTAINING DICARBOXYLIC ACID BY METHOD OF SELF-ACTIVATED OXIDATIVE DESTRUCTION

Уровень техники
Как известно, большую часть испарившегося растворителя из отходящего после реакции газа извлекают, пропуская его, по меньшей мере, через одну установку охлаждения, поглощения и/или дистилляции, при этом получают жидкий регенерированный растворитель. В общем случае необходимо максимально повысить извлечение из отходящего после реакции газа паров соединений, содержащих, по меньшей мере, одну гидрокарбильную связь, которые в настоящем описании называют "гидрокарбильными соединениями", "летучими органическими соединениями" и "VOC".
Как известно, для удаления из регенерируемого растворителя избытка воды, в больших количествах образующейся вместе с продуктом при частичном окислении пара-ксилола, используют, по меньшей мере, одну дистилляционную установку. Известны различные схемы использования энергии, полученной при неполном окислении п-ксилола, в качестве источника, по меньшей мере, части энергии, требуемой для работы дистилляционной установки.
2
2
Термин "вода, образуемая при получении терефталевой кислоты (TPA)", определяют в настоящем описании как 0,340 кг воды/кг исходного п-ксилола (pX) коммерческой чистоты. Указанное количество получается из предполагаемой реакции образования TPA из п-ксилола согласно следующей стехиометрии: pX + 3O дает TPA + 2HO. Несмотря на то, что в п-ксилоле коммерческой чистоты присутствует некоторое количество примесей и что небольшое количество п-ксилола не полностью окисляется и/или избыточно окисляется, на современных производствах получают п-ксилол коммерческой чистоты, содержащий очень низкое количество примесей, который пригоден для превращения его с очень высоким выходом в сырую TPA и/или очищенную TPA. Общий выход TPA в виде твердого продукта, сырой и/или очищенной TPA, предпочтительно, составляет, по меньшей мере, приблизительно 96, или 97, или 98, или 99% мол. от массы исходного п-ксилола коммерческой чистоты, деленной на молекулярную массу 106,16 грамм на моль. Массовая фракция п-ксилола в исходном п-ксилоле коммерческой чистоты, предпочтительно, составляет, по меньшей мере, приблизительно 0,990; или 0,995; или 0,997; или 0,998.
Известно также, что вместе с извлечением испаренного растворителя из части отходящего газа, используя различные комбинации, рекуперируют и энергию, как тепловую энергию, так и механическую работу, передаваемую валу. Известный способ рекуперации энергии заключается в использовании, по меньшей мере, части отходящего газа для нагрева до кипения рабочей жидкости, например, воды или пентана, с целью получения пара. Этот пар используют для передачи теплоты другому потребителю или же давление пара снижают в экспандере, как правило, в турбоэкспандере, с тем, чтобы произвести мощность, передаваемую валу. Рекуперированную в турбоэкспандере энергию можно преобразовать непосредственно в механическую работу, такую как приведение в действие компрессора, подающего сжатый воздух, или других движущихся механизмов, или преобразовать ее в электроэнергию, за счет вращения электрического генератора, связанного с системой распределения и потребления энергии.
Другой известный способ рекуперации энергии заключается в пропускании, по меньшей мере, части отходящего газа, содержащего молекулярный азот, через турбоэкспандер. Рекуперированную в турбоэкспандере энергию можно преобразовать непосредственно в механическую работу, такую как приведение в действие компрессора, подающего сжатый воздух, или других движущихся механизмов, или преобразовать ее в электроэнергию, за счет вращения электрического генератора, связанного с системой распределения и потребления энергии.
Известно также, что значительную часть воды в виде пара, содержащуюся в отходящем газе, направляют в установку термической окислительной деструкции (TOD), где загрязняющие вещества в виде вредных газов и VOC, например, монооксид углерода, уксусная кислота, метилацетат, п-ксилол и метилбромид, преобразуются в экологически более приемлемые отходы, например, водяной пар и диоксид углерода. Некоторые системы преобразования описывают удаление из реактора окисления п-ксилола "образующейся в способе реакции воды" в виде пара путем обработки в устройстве термической деструкции, с целью удаления вредных веществ, загрязняющих окружающую среду.
Сущность изобретения
Авторы настоящего изобретения обнаружили предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения, которые не известны из предшествующего уровня техники. Варианты осуществления настоящего изобретения позволяют осуществить значительную рекуперацию подаваемой на вал мощности из отходящего после реакции окисления газа, которую проводят в определенной реакционной среде, в виде рекуперированной электроэнергии или энергии для непосредственного механического использования, и/или осуществить рекуперацию за счет удаления водяного пара в количестве, превышающем количество воды, образующейся при получении TPA, и/или за счет проведения самоподдерживающегося (самоактивируемого) способа в установке TOD. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения может даже предлагаться комбинированный способ получения по схеме pX-TPA-PET, в котором жидкие сточные воды практически не образуются.
В предпочтительном варианте его осуществления настоящее изобретение предусматривает пропускание практически всего образующегося в реакции окисления отходящего газа, в том числе отходящий газ из реакторов как первичного, так и вторичного окисления, в которых в качестве исходного вещества используют как п-ксилол, так и м-ксилол, через общую дистилляционную систему извлечения растворителя, а затем проведение стадии обработки путем перегрева и обработку в 2-ступенчатом турбоэкспандере, включающем промежуточный нагрев с тем, чтобы произвести большее количество энергии, передаваемой валу. Указанная конфигурация позволяет осуществлять экспорт электроэнергии, помимо ее потребления используемыми в способе компрессорами воздуха и используемыми в способе насосами для подачи жидкостей и суспензий. Пар мгновенного испарения, полученный из конденсата в нагревателях турбоэкспандера, используется в другом способе получения TPA. После турбоэкспандера часть водяного пара из отходящего после реакции окисления газа конденсируют, с целью получить жидкую воду, которую используют в различных способах; а оставшееся количество водяного пара оставляют в отходящем газе, который направляют в установку для проведения способа TOD. Для нагревания отходящего газа необязательно применяют прямое сжигание топлива, а не обогрев паром с тем, чтобы обеспечить необходимый перегрев внутри турбоэкспандера. Давление на выходе из турбоэкспандера необязательно снижают путем рекомпрессии отходящего газа после того, как он прошел через конденсаторное устройство и сепаратор для улавливания жидкости.
Кроме того, в других аспектах способа по настоящему изобретению предпочтительными являются следующие варианты осуществления настоящего изобретения:
В отходящем газе сохраняется достаточный энергетический топливный потенциал, так что его нагревание в TOD, преимущественно в установке регенеративного термического окисления (RTO), с целью уменьшения количества загрязняющих окружающую среду веществ, предпочтительно, в значительной степени, а более предпочтительно, полностью осуществляется за счет саморазогрева без добавления топлива, которое не присутствует в отходящем после реакции газе. Еще более предпочтительно, источником существенной части указанного энергетического потенциала топлива является метилацетат (MeOAc), который представляет собой известный побочный продукт окисления п-ксилола в уксусной кислоте. Авторы настоящего изобретения установили, как поддерживать образование метилацетата на достаточно низком уровне с тем, чтобы значительные капитальные затраты и эксплуатационные расходы, необходимые для отделения метилацетата и выделения уксусной кислоты путем гидролиза, стали неоправданными, по сравнению с количеством добавляемого в RTO покупного топлива.
Конденсированная вода часто образуется из водяного пара, который содержится в окружающей атмосфере, в компрессионных системах, подающих воздух из окружающей атмосферы в реакторы окисления для получения TPA, и указанная вода потенциально загрязнена смазочными материалами и жидкостями для гидравлического затвора. Указанную конденсированную воду из окружающей среды, предпочтительно, не отправляют сразу же в установку переработки отработанной вводы, а вводят в технологические жидкости, применяемые в способе получения TPA, например, применяют в качестве воды для скруббера, воды для охлаждения, орошающей воды, или же используют в качестве технической воды, например, в качестве подпиточной воды для охлаждающей башни.
После удаления и/или термической деструкции VOC, содержащихся в отходящем газе, во многих регионах требуется удаления бромида водорода из подвергнутого подобной обработке отходящего газа перед его сбросом в окружающую среду. Подобную газоочистку часто проводят путем очистки газа водой с образованием соли брома, например, путем использования для промывки газа водного раствора гидроксида натрия и бисульфита натрия, при этом образуется бромид натрия. Авторы настоящего изобретения обнаружили, что промывную воду, которую применяют для контролирования содержания растворенных твердых веществ в жидкости для скруббера, можно не направлять в жидкие сточные воды, а успешно использовать в качестве технической воды, например, подпиточной воды для охлаждающей башни.
Способ получения полиэтилентерефталата (PET) также сопровождается образованием воды при протекании реакции формирования PET, и указанная вода часто загрязнена различными VOC соединениями, например, этиленгликолем, уксусным альдегидом и различными диоксоланами. По меньшей мере, часть загрязненной воды из способа получения PET, предпочтительно, подвергают обработке в общей объединенной установке вместе с водой, образующейся при получении TPA в соседней установке синтеза TPA. Для проведения обработки указанную загрязненную воду после синтеза PET, предпочтительно, либо оставляют в парообразной форме, в какой она выходит из указанной установки синтеза PET, либо ее превращают в парообразную форму, используя, по меньшей мере, часть тепловой энергии, выделяющейся в указанной соседней установке синтеза TPA. Более предпочтительно, воду из способа синтеза PET подвергают обработке в общей объединенной установке TOD вместе с водой, образующейся при синтезе TPA.
Как самостоятельно, так и в различных комбинациях, раскрытые в данном описании способы осуществления настоящего изобретения позволяют разработать установку для проведения превращения п-ксилола в TPA, дающую очень низкое, практически нулевое количество жидких сточных вод, которые требуют проведения обработки, с целью защиты окружающей среды, на единицу произведенной TPA. Кроме того, настоящее изобретение позволяет разработать установку для проведения превращения по цепочке pX-TPA-PET, дающую очень низкое, практически нулевое количество жидких сточных вод, которые требуют проведения обработки, с целью защиты окружающей среды, на единицу произведенного PET.
Краткое описание чертежей
На фигуре 1 изображены примерные варианты осуществления настоящего изобретения.
Подробное описание предпочтительных способов осуществления настоящего изобретения
Настоящее изобретение можно комбинировать со способами, раскрытыми в заявках на патент США № 20070293699 и № 20060047158 (полное содержание которых включено в данное описание посредством ссылки), с целью приготовления предпочтительной среды для первичной реакции окисления, способа и разработки установок для преобразования п-ксилола в TPA. Указанные раскрытые описания включают многочисленные предпочтительные механические устройства и условия способа первичного окисления, при этом режимы способа, в частности, включают температуры и градиенты температуры, давления и градиенты давления, расходы, композиции и градиенты, перемешивание и времена контактирования и распределения. Используемые в настоящем описании термины "окисляемое соединение", "растворитель", "окислитель", "реакционная среда" и "гидрокарбильный радикал" приведены согласно вышеуказанным ссылкам.
Более предпочтительны варианты осуществления настоящего изобретения, в которых, по меньшей мере, часть отходящего газа из среды вторичной реакции окисления объединяют, по меньшей мере, с частью отходящего газа из среды первичной реакции окисления до проведения обработки в установках извлечения растворителя и/или дегидратации. Именно среда для вторичной реакции получает большую часть потока ароматического вещества из расположенного выше реактора окисления, которое может быть средой первичной реакции окисления и/или средой другой вторичной реакции. См. заявки на патент США № 20070155985 и № 20070208191 для описания реактора вторичного окисления, который оптимизирован для проведения дальнейшей реакции с поступающими жидкофазными ароматическими веществами, включая предпочтительные выбранные диапазоны параметров проведения способа, в том числе температуры, давления, потоки, композиции, перемешивание и времена контактирования и распределения, которые сбалансированы с учетом различных затрат, включающих, в частности, избыточное окисление субстрата, продукта и растворителя. В настоящем описании данный тип реактора вторичного окисления обозначают как "реактор последующего окисления". См. также в заявках США №20070208190 и №20070219393 описание реактора вторичного окисления, оптимизированного для проведения дальнейшей реакции с использованием твердофазного ароматического соединения, включая предпочтительные выбранные диапазоны параметров проведения технологического способа, в том числе температуры, давления, потоки, составы, перемешивание и времена контактирования и распределения, которые сбалансированы с учетом различных затрат, включающих, в частности, избыточное окисление субстрата, продукта и растворителя. В настоящем описании данный тип реактора вторичного окисления обозначают как "реактор расщепления".
В том случае, когда необходимо выработать энергию, в частности, мощность на валу, путем сжигания (окислительного горения) соединений, в частности, соединений, включающих гидрокарбильные связи (топлива), то температуру в способе указанного сжигания часто повышают настолько, насколько это механически осуществимо, с тем, чтобы максимально увеличить рекуперацию энергии, в соответствии с известными принципами термодинамики. С другой стороны, при проведении неполного каталитического окисления с образованием химического продукта, температуру и давление реакционной среды обычно устанавливают таким образом, чтобы контролировать итоговые выходы, степень конверсии и чистоту продукта. Способы каталитического окисления, согласно настоящему изобретению, протекают достаточно быстро, так что для поддержания в жидкой фазе подходящей концентрации растворенного молекулярного кислорода требуется большая осторожность, и это обусловливает то предпочтение, которое отдается более высоким давлениям в системе с тем, чтобы создать более высокое парциальное давление молекулярного кислорода в газовой фазе.
Несмотря на указанные общие предпочтительные варианты, касающиеся более высокой температуры для лучшей рекуперации энергии и более высокого давления для увеличения чистоты продукта в виде TPA, авторы настоящего изобретения обнаружили, что предпочтительнее проводить способ, по меньшей мере, для порции среды первичной реакции окисления со следующими умеренными значениями давлений и температур, даже с точки зрения рекуперации большего количества мощности на валу, и удаления большего количества отработанной воды в парообразной форме. Предпочтительнее проводить способ, по меньшей мере, для порции среды первичной реакции окисления при давлении меньше чем приблизительно 12, 10, 8, 7 бар абсолютного давления. Предпочтительнее проводить способ, по меньшей мере, для порции среды первичной реакции окисления при давлении, по меньшей мере, приблизительно 2, или 3, или 4, или 5 бар абсолютного давления. Предпочтительнее проводить способ, по меньшей мере, для порции среды первичной реакции окисления при температуре меньше чем приблизительно 200, или 190, или 180, или 170°C. Предпочтительнее проводить способ, по меньшей мере, для порции среды первичной реакции окисления при температуре, по меньшей мере, равной приблизительно 120, или 130, или 140, или 150°C, или 155°C, или 160°C. Авторы настоящего изобретения обнаружили, что предпочтительнее генерировать максимальные объемы и массы пара на выходе отходящего из реакционной среды газа, соблюдая при этом энергетический баланс, требуемый для получения предпочтительных значений для температур и давлений реакции. К сожалению, генерирование большего количества пара увеличивает трудности, связанные с высвобождением жидкостей и твердых веществ из отходящего газа, покидающего реакционную среду. Указанное увеличение количества отходящего газа приводит к увеличению диаметров и объемов трубопроводов и размеров технологического оборудования, которое перерабатывает отходящий после реакции газ, что нежелательно; сказанное, в частности, относится к установке извлечения растворителя и/или дегидратации. Из среды реакции окисления по настоящему изобретению выделяется отходящий газ, который является достаточно коррозийным, чтобы требовать использования в конструкциях необычно дорогих материалов, часто содержащих титан, что нежелательно. Увеличенный поток пара, выходящий из реакционной среды, значительно истощается как в своей массе, так и в объеме во время обработки в установке извлечения растворителя и/или дегидратации, что нежелательно, при этом регенерируется большая часть гидрокарбильной составляющей растворителя. Однако авторы настоящего изобретения обнаружили, что повышенное количество паров растворителя, образовавшихся в отходящем после реакции газе, можно частично сохранять в виде увеличенного количества пара, в основном включающего воду, который выходит из установки извлечения растворителя и/или дегидратации и поступает в турбоэкспандер отходящего газа, что часто дает общее экономическое преимущество для рекуперации мощности на валу, которое, как неожиданно оказалось, перевешивает увеличение других эксплуатационных расходов и увеличение капитальных затрат. В одном способе осуществления настоящего изобретения гидрокарбил-обедненный отходящий газ, образовавшийся после колонны извлечения растворителя, содержит, по меньшей мере, 10, или 15, или 20, или 30, или 35, или 40, или 45, или 50% масс. водяных паров от общего потока гидрокарбил-обедненного отходящего газа. В способе осуществления настоящего изобретения гидрокарбил-обедненный отходящий газ, образовавшийся после колонны извлечения растворителя, содержит меньше чем 4, или 3, или 2, или 1% масс. уксусной кислоты от массы потока гидрокарбил-обедненного отходящего газа.
Парообразные соединения в отходящем после реакции газе представляют собой водяной пар плюс VOC. Неконденсирующиеся газообразные соединения в отходящем после реакции газе включают молекулярный азот, молекулярный кислород, монооксид углерода, диоксид углерода и молекулярный водород. Применяя различные аспекты настоящего изобретения, авторы изобретения обнаружили, что возможно и предпочтительно следующим образом проводить способ частичного окисления п-ксилола с повышенными количествами парообразных соединений в отходящем после реакции газе. Парообразные соединения в отходящем после реакции газе, предпочтительно, составляют, по меньшей мере, приблизительно 0,67; или 0,72; или 0,75; или 0,77 кг/кг отходящего после реакции газа. Парообразные соединения в отходящем после реакции газе, предпочтительно, составляют, по меньшей мере, приблизительно 12,4; или 13,2; или 13,8; или 14,2 кг/кг п-ксилола, поданного в соответствующую среду реакции окисления.
При попытке получить указанные значительные количества пара в отходящем после реакции газе, авторы настоящего изобретения обнаружили, что предпочтительнее существенно сократить потери в окружающую среду и преднамеренный отвод тепла из среды реакции окисления по настоящему изобретению через проводящие, изолирующие, граничные поверхности, несмотря на то, что подобная реакция окисления является высоко экзотермичной и требует значительного охлаждения. Предпочтительнее осуществлять изоляцию таким образом, чтобы, по меньшей мере, приблизительно 70, или 90, или 95, или 99% открытой, подвергаемой воздействию окружающей среды поверхности реакторов и/или трубопроводов, содержащих, по меньшей мере, часть среды реакции окисления, была покрыта слоем изолирующего вещества, толщина которого составляет, по меньшей мере, приблизительно 0,01, или 0,02, или 0,04, или 0,08 м. Потери тепловой энергии через открытые, подвергаемые воздействию окружающей среды поверхности трубопроводов и/или сосудов, содержащих, по меньшей мере, часть среды реакции окисления, предпочтительно, составляют меньше чем приблизительно 40, или 20, или 10, или 5 Ватт/кг п-ксилола, подаваемого в соответствующую среду реакции окисления. Предпочтительнее ограничить охлаждение, по меньшей мере, части среды реакции окисления с помощью охлаждающих жидкостей, в частности, с помощью воды и воздуха, через проводящие, изолирующие, граничные поверхности теплообмена таким образом, что удаление тепловой энергии составляет меньше чем приблизительно 100, или 10, или 0,1, или 0,01 Ватт/кг п-ксилола, подаваемого в соответствующую среду реакции окисления.
При попытке получить значительные количества пара в отходящем после реакции газе, авторы настоящего изобретения обнаружили также, что исходные вещества, подаваемые в среду реакции окисления, предпочтительно, должны быть настолько горячи, насколько это практически возможно, вновь несмотря на то, что подобная реакция окисления является высоко экзотермичной и требует сильного охлаждения. Поток окислителя, подаваемого, по меньшей мере, в одну среду реакции окисления, преимущественно, представляет собой сжатый воздух, который минимально охлажден после выхода с заключительной стадии сжатия. По меньшей мере, приблизительно 50, или 70, или 90, или 99% масс. указанного сжатого воздуха, который поступает в среду реакции окисления, предпочтительно, имеет температуру, равную, по меньшей мере, приблизительно 60, 70, 80, 90°C. По меньшей мере, приблизительно 50, или 70, или 90, или 99% масс. указанного сжатого воздуха, который поступает в среду реакции окисления, предпочтительно, имеет температуру, по меньшей мере, равную температуре на выходе из соответствующего компрессора минус 40, или 20, или 10, или 5°C. Изоляцию, предпочтительно, осуществляют таким образом, чтобы, по меньшей мере, приблизительно 50, или 70, или 90, или 95% открытой, подвергаемой воздействию окружающей среды поверхности трубопроводов, сосудов и устройств контроля для доставки указанного сжатого воздуха было покрыто слоем изоляции с толщиной, по меньшей мере, равной приблизительно 0,005; или 0,01; или 0,02; или 0,04 м.
Растворитель, предпочтительно, извлекают из отходящего после реакции газа, по меньшей мере, в одной установке извлечения растворителя и/или дегидратации, а затем возвращают в среду реакции окисления с температурой, которая превышает температуру окружающей среды и приблизительно равна температуре соответствующей среды реакции. Таким образом, гидрокарбильные соединения, предпочтительно, конденсируют из отходящего после реакции газа, подвергают соответствующей дегидратации и возвращают в среду реакции немногим холоднее, чем отходящий после реакции газ. Более предпочтительно, указанный горячий регенерированный растворитель подается вместе с ограниченным количеством дополнительно вводимой тепловой энергии посредством проводящих, изолирующих, граничных поверхностей теплообмена. Как указано в настоящем описании, данный результат достигнут за счет соответствующего ограничения количества тепловой энергии, удаляемой в указанных установках извлечения растворителя и/или дегидратации. По меньшей мере, приблизительно 40, или 60, или 80, или 90% масс. указанного регенерированного растворителя, предпочтительно, подают в среду реакции окисления с температурой меньше чем приблизительно 200, или 190, или 180, или 170°C, т.к. предпочтительнее не передавать тепловую энергию регенерируемому растворителю при температуре, превышающей температуру среды первичной реакции окисления. По меньшей мере, приблизительно 40, или 60, или 80, или 90% масс. указанного регенерированного растворителя, предпочтительно, подают в среду реакции окисления с температурой, по меньшей мере, приблизительно равной температуре отходящего после реакции газа минус меньше чем приблизительно 80, или 40, или 20, или 10°C. Предпочтительно, по меньшей мере, приблизительно 40, или 60, или 80, или 90% масс. указанного регенерируемого растворителя подают в среду реакции окисления с температурой, по меньшей мере, равной приблизительно 60, или 90, или 120, или 140°C. По меньшей мере, приблизительно 40, или 80, или 90, или 98% суммарного количества тепловой энергии в установки извлечения растворителя и/или дегидратации, предпочтительно, поступает непосредственно с входящим потоком отходящего после реакции газа без передачи тепловой энергии через проводящие, изолирующие, граничные поверхности теплообмена. Предпочтительно, по меньшей мере, приблизительно 40, или 60, или 80, или 90% масс. указанного регенерированного растворителя выходит из установки извлечения растворителя и/или дегидратации с температурой, по меньшей мере, близкой к температуре соответствующего отходящего после реакции газа минус меньше чем приблизительно 80, или 40, или 20 или 10°C, и при этом он проходит обработку в указанной установке с использованием тепловой энергии, поступающей посредством проводящих, изолирующих, граничных поверхностей теплообмена, в количестве меньше чем приблизительно 100, или 30, или 10, или 3 ккал/кг регенерируемого растворителя, и он поступает в соответствующую среду реакции с количеством тепловой энергии, передаваемой посредством проводящих, изолирующих, граничных поверхностей теплообмена, составляющей меньше чем приблизительно 100, или 30, или 10, или 3 ккал/кг регенерированного растворителя. Изоляцию, предпочтительно, осуществляют таким образом, чтобы, по меньшей мере, приблизительно 70, или 90, или 95, или 99% открытой, подвергаемой действию окружающей площади поверхности сосудов и/или трубопроводов, содержащих, по меньшей мере, часть регенерированного растворителя, была покрыта изолирующим материалом с толщиной, по меньшей мере, приблизительно 0,01; или 0,02; или 0,04; или на 0,08 м.
Используемый при фильтрации растворитель, который собирают после фильтрации и промывки твердой TPA, преимущественно, возвращают в среду реакции окисления нагретым до высокой температуры, которую обеспечивает перенос тепловой энергии через проводящие, изолирующие, граничные поверхности теплообмена. Используемый при фильтрации растворитель представляет собой растворитель после механического разделения и/или промывки твердой TPA при ее выделении из суспензии. Способом получения используемого при фильтрации растворителя является фильтрация и промывка суспензии TPA любым методом, известным в технологии фильтрации, однако авторы настоящего изобретения для получения используемого при фильтрации растворителя рассматривают и все другие способы механические разделения, известные из области техники; например, отстаивание, использование центрифуг, гидроциклонов и т.п.
Прежде чем возвратить его в среду реакции окисления, предпочтительно, по меньшей мере, приблизительно 40, или 60, или 70, или 80% масс. указанного используемого при фильтрации растворителя охлаждают до температуры меньше чем приблизительно 100, или 80, или 70, или 60°C. Эта процедура с успехом позволяет уменьшить растворимость TPA в суспензии, и успешно снижает коррозионную способность используемого при фильтрации растворителя, так что для конструирования трубопроводов, реакторов, насосов, и другого технологического и контрольно-измерительного оборудования, включая емкости для хранения и переработки используемого при фильтрации растворителя, могут быть применены менее дорогостоящие материалы. Подходящими материалами конструкций для указанного охлажденного растворителя, используемого при фильтрации, являются различные металлы и сплавы с умеренной коррозионной стойкостью, такие как нержавеющие стали или стали, полученные дуплекс-способом, как альтернатива титану и другим, более дорогим металлам и сплавам, обладающим высокой коррозионной стойкостью.
Тем не менее, более предпочтительно, по меньшей мере, приблизительно 40, или 60, или 70, или 80% масс. указанного используемого при фильтрации растворителя подают в среду реакции окисления с температурой на входе, составляющей, по меньшей мере, приблизительно 60, или 90, или 120, или 140°C. Предпочтительно, используют солнечную энергию, тепловую энергию отходящего газа и/или тепловую энергию пара, конденсирующегося при давлении меньше чем приблизительно 60, или 20, или 8, или 4 бар абсолютного давления, с тем, чтобы нагреть приблизительно 40, или 60, или 70, или 80% масс. указанного используемого при фильтрации растворителя, по меньшей мере, до температуры приблизительно 10, или 20, или 40, или 60°C прежде, чем ввести его в среду реакции окисления. Указанную тепловую энергию, предпочтительно, передают используемому при фильтрации растворителю через проводящие, изолирующие, граничные поверхности теплообмена.
п-Ксилол, преимущественно, подают в среду реакции окисления нагретым до высокой температуры. Предпочтительно, по меньшей мере, приблизительно 40, или 60, или 70, или 80% масс. указанного исходного п-ксилола подают в среду реакции с температурой на входе, равной, по меньшей мере, приблизительно 60, или 90, или 120, или 140°C. Преимущественно используют солнечную энергию, тепловую энергию отходящего газа и/или тепловую энергию от пара, конденсирующегося при давлении меньше чем приблизительно 60, или 20, или 8, или 4 бар абсолютного давления, с целью нагреть приблизительно 40, или 60, или 70, или 80% масс. указанного п-ксилола, прежде чем ввести его среду реакции окисления, по меньшей мере, приблизительно на 10, или 20, или 40, или 60°C выше, чем температура, при которой он хранится на складе, и/или температура окружающей среды. Предпочтительно, указанную тепловую энергию передают п-ксилолу посредством проводящих, изолирующих, граничных поверхностей теплообмена.
Отдельно или в комбинации, более высокие температуры подачи сжатого воздуха, регенерированного растворителя, используемого при фильтрации растворителя и/или п-ксилола, требуют подачи в реактор окисления увеличенного потока жидкости с тем, чтобы поддержать энергетический баланс в реакторе и обеспечить предпочтительные рабочие температуры и давления. Вместе с более горячими исходными веществами больше теплоты реакции удаляется в виде латентной теплоты испарения растворителя, а не приводит к заметному нагреванию исходных веществ, и повышенное количество поступающего исходного жидкого растворителя покидает реактор окисления в виде паров растворителя в отходящем после реакции газе. Подача увеличенных количеств исходного жидкого растворителя требует более дорогих насосов, трубопроводов и устройств и систем контроля наряду с увеличением мощности насосов, что нежелательно.
При сжатии окружающего воздуха, если не использовать способы осушки, отличные от охлаждения, повышение температуры за счет отказа от использования концевого холодильника часто приводит к увеличению количества водяного пара, попадающего в способ окисления. Подобная добавленная вода должна, в конечном счете, быть отделена и удалена из способа окисления наряду с водой, образовавшейся при получении TPA, с тем, чтобы поддерживать требуемый состав растворителя. Кроме того, когда подобная добавленная вода, в конце концов, удаляется либо в виде пара, либо жидкости, либо твердого вещества, то указанный способ часто сопровождается потерей массы покупных углеродсодержащих соединений, и, в конце концов, как известно из области техники, увеличивается количество сточной воды. Таким образом, подобный дополнительный водяной пар, попадающий вместе со сжатым атмосферным воздухом, можно рассматривать как вдвойне нежелательный, поскольку он потенциально вызывает потерю углерода и увеличение количества сточной воды.
Однако при попытке использовать изобретения, приведенные в настоящем описании, с целью удалить увеличенное количество воды в виде пара и использовать соответствующие ограниченные количества VOC как горючего топлива в TOD, авторы настоящего изобретения обнаружили общий положительный эффект в том случае, если сохранять заданное количество водяного пара в сжатом атмосферном воздухе, который используют в качестве исходного окислителя. Таким образом, предпочтительно, по меньшей мере, приблизительно 70, или 80, или 90, или 95% масс. окислителя, который подают, по меньшей мере, в одну среду реакции окисления по настоящему изобретению, содержит, по меньшей мере, приблизительно 0,01; или 0,03; или 0,04; или 0,05 кг воды на килограмм п-ксилола, подаваемого в соответствующую среду реакции окисления, и меньше чем приблизительно 0,12; или 0,10; или 0,08; или 0,07 кг воды/кг п-ксилола, подаваемого в соответствующую среду реакции окисления.
На выходе из среды реакции окисления, более предпочтительно, среды первичной реакции окисления, преимущественно, используют, по меньшей мере, часть отходящего газа, чтобы создать определенное количество работы на валу, применяя одну или несколько установок турбоэкспандеров. Установка турбоэкспандера, или просто турбоэкспандер, включает одну или несколько стадий обработки в турбоэкспандере, проводимых последовательно, которые необязательно снабжены одним или несколькими устройствами для промежуточного нагрева. Отходящий газ, выходящий со стадии с самым низким давлением в турбоэкспандере, пока он не поступил на дальнейшие стадии способа, обозначают в настоящем описании как отходящий газ после турбоэкспандера. По меньшей мере, одну стадию обработки в турбоэкспандере, предпочтительно, размещают таким образом, чтобы она была механически связана, по меньшей мере, с одной стадией компрессии, предназначенной для подачи окислителя из окружающего воздуха. Подобную связь удобно осуществлять посредством вращающегося механического вала и/или коробки передач.
Чтобы максимально увеличить мощность на валу, необходимо свести к минимуму падение давления и уменьшение тепловой энергии отходящего газа прежде, чем он попадает в турбоэкспандер. Однако требования к снижению давления и расходу тепловой энергии, необходимые для извлечения растворителя и удаления соответствующего количество воды в установке извлечения растворителя и/или дегидратации, конкурируют между собой. Кроме того, требования к капитальным затратам для установок извлечения растворителя и/или дегидратации значительно возрастают при пониженных давлениях, которые предпочтительны на выходе из турбоэкспандера, поскольку в этом случае объемы отходящего газа становятся чрезвычайно большими.
Как указано в настоящем описании, авторы настоящего изобретения обнаружили комбинации параметров, которые обеспечивают и поддерживают баланс расхода давления и тепловой энергии, передаваемой отходящим после реакции газом установке извлечения растворителя и/или дегидратации, по отношению к рекуперации мощности на валу, передаваемой отходящим газов в установке турбоэкспандера. Обнаруженные особенности и соответствующие описания предпочтительной установки извлечения растворителя и/или дегидратации приведены в настоящем описании. Перед их обсуждением будут рассмотрены предпочтительные аспекты, касающиеся установки турбоэкспандера.
Следует обратить внимание на предпочтительные диапазоны давлений, которые касаются потоков на входе стадий обработки в турбоэкспандере. Давление на выходе отходящего газа из установки извлечения растворителя и/или дегидратации, предпочтительно, снижают меньше чем приблизительно на 2, или 1, или 0,5, или 0,2 бар статического давления, которое оценивают в том месте, где отходящий газ реакции образуется вблизи верхней поверхности реакционной среды. Предпочтительно, потеря гидродинамического давления от трения в дополнительном нагревательном устройстве, снабжающем тепловой энергией отходящий газ, между выпускным отверстием установки извлечения растворителя и/или дегидратации и входом турбоэкспандера составляет меньше чем приблизительно 32000, или 16000, или 8000, или 4000 Па. Предпочтительно, давление отходящего газа на входе первой стадии обработки в турбоэкспандере снижается меньше чем приблизительно на 2, или 1, или 0,5, или 0,2 бар статического давления, которое оценивают в том месте, где отходящий газ реакции образуется вблизи верхней поверхности реакционной среды. Предпочтительно, давление на входе, по меньшей мере, одной стадии обработки в турбоэкспандере составляет, по меньшей мере, приблизительно 2, или 3, или 4, или 5 бар абсолютного давления. Предпочтительно, давление на входе первой стадии обработки в турбоэкспандере составляет меньше чем приблизительно 12, или 10, или 8, или 7 бар абсолютного давления. Предпочтительно, суммарная потеря гидродинамического давления от трения в любых межкаскадных трубопроводах и стадиях способа, таких как устройства теплообмена, между входом на первую стадию обработки в турбоэкспандере и выходным отверстием последней стадии составляет меньше чем приблизительно 64000, или 32000 или 16000, или 8000 Па.
Несмотря на то что необходимо свести к минимуму расстояние от выхода отходящего газа из установки извлечения растворителя и/или дегидратации до входа в турбоэкспандер с тем, чтобы минимизировать потерю тепловой энергии через изоляцию и потерю энергии давления, вызванную потерей гидродинамического давления вследствие трения, авторы настоящего изобретения обнаружили, что предпочтительнее расположить вход отходящего газа в турбоэкспандер на расстоянии меньше чем приблизительно 40, или 30, или 20, или 10 м, которое отмеряют вверх от данной отметки. Указанное максимально увеличивает повторное преобразование гидростатического напора отходящего газа в статическое давление на входе турбоэкспандер, так как высота поднятия отходящего газа, покидающего установку извлечения растворителя и/или дегидратации, может быть более чем на 50 м превышать указанную отметку.
С целью рекуперации большей мощности на валу, предпочтительнее минимизировать поддерживающее давление в турбоэкспандере. Сниженное поддерживающее давление помогает добиться максимальной рекуперации мощности на валу в турбоэкспандере за счет максимального увеличения отношения декомпрессии и объема отходящего газа. Однако отходящий газ после турбоэкспандера по настоящему изобретению должен отвечать другим противоречивым требованиям. По меньшей мере, должно быть обеспечено давление, необходимое для перекачивания по трубопроводам, через устройства и системы контроля и различное оборудование, которое часто включает устройства для охлаждения, устройства для проведения обработки в соответствии с экологическими требованиями, прежде чем отходы выводятся в окружающую среду. Получение отходящего газа после турбоэкспандера с более низкими значениями давления вызывает значительные трудности, связанные с проектированием и капитальными затратами при проведении указанных конечных этапов способа. Большее давление для отходящего газа после турбоэкспандера рекомендовано для облегчения конденсирования предпочтительных количеств воды и VOC, особенно при разработке таких способов, где, преимущественно, конденсируют (практически) "весь" водяной пар из покидающего экспандер отходящего газа. При более низких значениях давления конденсирование соответствующих частей водяного пара и VOC в отходящем газе после турбоэкспандера трудно осуществимо или практически невозможно, если использовать технические охлаждающие жидкости с температурами, близкими к температуре окружающей среды, а охлаждение технических охлаждающих жидкостей нежелательно из-за больших тепловых нагрузок. Кроме того, требуемый физический размер для теплообменных устройств снижается, если в отходящем газе после турбоэкспандера сохраняется большее давление, благодаря лучшим коэффициентам теплообмена, лучшей разности температур по сравнению с температурой любого выбранного источника технических охлаждающих жидкостей, лучшему управлению скоростями, перепадом давления и распределению потоков внутри указанных теплообменных устройств. Даже после конденсирования большей части или после практически полного удаления водяного пара и VOC, более низкие значения давления для отходящего газа после турбоэкспандера все еще означают большие размеры для расположенных ниже по течению трубопроводов, устройств и систем управления и другого оборудования. Кроме того, при проектировании некоторых способов предпочитают использовать отходящий газа после экспандера или отходящий газ конденсатора для передачи полученного порошка TPA, и это может вызвать дополнительную потребность в увеличенном поддерживающем давлении в турбоэкспандере.
В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения, авторы изобретения обнаружили, что раскрытые конструкции для трубопроводов отходящего газа, устройств и систем контроля, теплообменных устройств, устройств TOD и скрубберных устройств позволяют создать следующие предпочтительные условия для давления отходящего газа на выходе из турбоэкспандера. Давление отходящего газа после турбоэкспандера, предпочтительно, составляет меньше чем приблизительно 0,9; или 0,6; или 0,4; или 0,3 бар избыточного давления. Давление отходящего газа после турбоэкспандера, предпочтительно, составляет, по меньшей мере, приблизительно 0,05, или 0,10, или 0,15, или 0,20 бар избыточного давления, и, в соответствии с данным аспектом, обеспечивается достаточная энергия давления для того, чтобы отходящий газ после турбоэкспандера мог пройти через указанные трубопроводы, системы и устройства контроля и оборудование, которое включает конденсатор отходящего газа, устройство для улавливания тумана из конденсата, TOD, скрубберное устройство, однако не включает стадию повторного сжатия перед сбросом в окружающую среду.
Согласно другому аспекту настоящего изобретения, предпочтительной является дальнейшая минимизация поддерживающего давления в турбоэкспандере за счет минимального использования давления ниже по течению, как уже было указано выше, а также проведение стадии рекомпрессии отходящего газа конденсатора теплообменного устройства, где, по меньшей мере, приблизительно 10, или 20, или 40, или 80% масс. водяного пара веса, присутствующего в отходящем газе после турбоэкспандера, удаляется в виде жидкой воды. Авторы настоящего изобретения обнаружили, что если даже сбрасывать водяной пар в окружающую среду, согласно приведенным в настоящем описании изобретениям, эффективное удаление водяного пара из отходящего газа, согласно настоящему изобретению, позволяет осуществить стадию рекомпрессии для оставшегося отходящего газа, которая требует существенно меньше энергии, чем увеличение мощности, необходимое для большей декомпрессии в расположенном выше по течению турбоэкспандере. Кроме того, более предпочтительным является размещение устройства для отделения конденсата между конденсатором для отходящего газа и входом в установку рекомпрессии. (См. приведенное здесь описание и обозначения для отходящего газа конденсатора и отходящего газа ловушки конденсата). При использовании рекомпрессии отходящего газа предпочтительным является проведение повторного сжатия отходящего газа конденсатора, более предпочтительно, проведение повторного сжатия отходящего газа ловушки конденсата, по меньшей мере, приблизительно на 0,05; или 0,1; или 0,2; или 0,3 бар. При использовании рекомпрессии отходящего газа предпочтительным является проведение повторного сжатия отходящего газа конденсатора, более предпочтительно, проведение повторного сжатия отходящего газа ловушки конденсата меньше чем приблизительно на 0,9; или 0,8; или 0,6 бар. При использовании рекомпрессии отходящего газа давление отходящего газа, покидающего стадию с самым низким давлением в турбоэкспандере, предпочтительно, составляет меньше чем приблизительно 0,3; или 0,2; или 0,1; или 0,0 бар избыточного давления. При использовании рекомпрессии отходящего газа давление отходящего газа, покидающего стадию с самым низким давлением в турбоэкспандере, предпочтительно, составляет, по меньшей мере, приблизительно -0,9; или -0,6; или -0,4; или -0,3 бар избыточного давления. При использовании рекомпрессии отходящего газа предпочтительным является размещение, по меньшей мере, одной стадии рекомпрессии таким образом, что она была механически связана, по меньшей мере, с одной стадией обработки в турбоэкспандере и/или, по меньшей мере, одной стадии сжатия, предназначенной для подачи окислителя из атмосферного воздуха. Подобную связь удобно осуществлять посредством вращающегося механического вала и/или коробки передач.
Следует теперь обратить внимание на предпочтительные температуры на входе отходящего газа в установку турбоэкспандера или, если оно необязательно присутствует, на входе устройства для предварительного нагрева отходящего газа, которое размещают после установки извлечения растворителя и/или дегидратации и перед указанной установкой турбоэкспандера. Температура на входе первой стадии обработки в турбоэкспандере, предпочтительно, составляет, по меньшей мере, приблизительно 110, или 120, или 130, или 135°C, которую измеряют перед любым устройством для предварительного нагрева отходящего газа, необязательно размещенным перед первой установкой турбоэкспандера. Температура на входе первой стадии обработки в турбоэкспандере, предпочтительно, составляет меньше, чем приблизительно 190, или 175, или 165, или 155°C, которую измеряют перед любым устройством для предварительного нагрева отходящего газа, необязательно размещенным перед первой установкой турбоэкспандера. Снижение температуры, которое оценивают от той точки, где отходящий после реакции газ образуется вблизи верхней поверхности реакционной среды, до точки, где отходящий газ попадает в первую установку турбоэкспандера, предпочтительно, составляет меньше чем 50, или 40, или 30, или 25°C, при этом температуру измеряют перед любым устройством для предварительного нагрева отходящего газа, необязательно размещенным перед первой установкой турбоэкспандера.
Хотя конденсирующие турбоэкспандеры, которые работают при температуре точки росы или ниже температуры точки росы рабочей жидкости, хорошо известны из области техники, определенные компоненты отходящего газа, согласно настоящему изобретению, вызывают избыточную эрозию и коррозию многих конструкционных материалов, когда их используют в турбоэкспандере, работающем при температуре, слишком близкой к точке росы отходящего газа. Коррозионные компоненты, как полагают, представляют собой карбоновые кислоты и/или бром в сочетании с водой и/или молекулярным кислородом.
Таким образом, предпочтительной является работа при температуре на выходе, по меньшей мере, одной стадии обработки в турбоэкспандере, которая, по меньшей мере, приблизительно на 5, или 10, или 20, или 25°C превышает локальную температуру точки росы отходящего газа. Более предпочтительно, указанный запас температуры, по сравнению с точкой росы, поддерживают на выходе всех стадий обработки в турбоэкспандере. Подобные температуры достигаются различными способами, включая ограничение механического к.п.д. турбоэкспандера, добавление тепловой энергии отходящему газу между выходом из установки извлечения растворителя и/или дегидратации и выходом турбоэкспандера, и/или ограничение снижения давления при обработке в турбоэкспандере.
Однако после того, как удалось эффективно избежать температуры точки росы, авторы настоящего изобретения обнаружили, что с точки зрения капитальных затрат и эксплуатационных расходов часто нежелательно осуществлять настоящее изобретение со слишком большим перегревом отходящего газа после турбоэкспандера. Таким образом, предпочтительной является работа при температуре на выходе, по меньшей мере, одной стадии обработки в турбоэкспандере и на входе в конденсатор отходящего газа, которая менее чем приблизительно на 150, или 120, или 90, или 60°C превышает локальную температуру точки росы.
Менее эффективный турбоэкспандер требует меньшего добавления тепловой энергии, необходимой для обеспечения того, что температура на выходе из турбоэкспандера оставалась в заданном по отношению к точке росы интервале температур. В том случае, когда меньше энтальпии выделено из рабочей жидкости и преобразовано в механическую энергию, температура на выходе из турбоэкспандера, соответственно, будет более высокой. В зависимости от относительных затрат на тепловую энергию и затрат на электроэнергию, улучшение механического к.п.д. турбины может быть вредным или же полезным для оптимизации стоимости. Авторы настоящего изобретения обнаружили, что в том случае, когда цена за единицу поступающей тепловой энергии составляет меньше чем приблизительно 0,3 от стоимость электроэнергии, выраженной в тех же самых единицах, то предпочтительным является максимальное повышение механического к.п.д. турбоэкспандера и использование дополнительного подвода тепловой энергии с тем, чтобы обеспечить требуемый диапазон температуры точки росы на выходе из турбоэкспандера. Это менее эффективно, чем может быть достигнуто в цикле генерирования электрической энергии, в частности, составляет, по меньшей мере, приблизительно 0,5 для отношения механической энергии на выходе к тепловой энергии на входе, так что подвод тепловой энергии для отходящего газа может оказаться неразумным, по сравнению с достигаемой энергией на валу. Тем не менее, проблема предотвращения наступления точки росы означает, что возрастающий подвод тепловой энергии можно сочетать с улучшенной эффективностью турбоэкспандера и/или повышенной увеличенной декомпрессией в нем с тем, чтобы добиться заметного общего улучшения рекуперации энергии. Таким образом, предпочтительно, механический к.п.д. турбоэкспандера, используемого в настоящем изобретении, составляет, по меньшей мере, приблизительно 65, или 75, или 80, или 85% от максимального выхода работы на валу, которая может быть достигнута при идеальном, изоэнтропическом расширении рабочей жидкости отходящего газа.
Чтобы увеличить выход механической энергии из турбоэкспандера, в особенности с точки зрения поддержания температуры на выходе в предпочтительном диапазоне температур по отношению к температуре точки росы, используя при этом высокоэффективный турбоэкспандер, предпочтительным является передача следующих количеств тепловой энергии отходящему газу в промежутке между выходом из установки извлечения растворителя и/или дегидратации и входом в турбоэкспандер и/или на одной из промежуточных ступеней в многокаскадном турбоэкспандере: по меньшей мере, приблизительно 100, или 200, или 300, или 350 Ватт/кг п-ксилола, подаваемого в соответствующую среду реакции окисления; меньше чем приблизительно 1000, или 800, или 600, или 500 Ватт/кг п-ксилола, подаваемого в соответствующую среду реакции окисления; по меньшей мере, приблизительно 10, или 20, или 30, или 40 Ватт/кг отходящего газа после турбоэкспандера; меньше чем приблизительно 100, или 90, или 80, или 70 Ватт/кг отходящего газа после турбоэкспандера; от поступающей тепловой энергии температура отходящего газа повышается, по меньшей мере, приблизительно на 10, или 20, или 40, или 60°C; и от поступающей тепловой энергии температура отходящего газа повышается меньше чем приблизительно на 250, или 200, или 150, или 100°C.
Подобные количества тепловой энергии поступают посредством теплообменников, включающих проводящие, изолирующие, граничные поверхности теплообмена, которые, предпочтительно, содержат различные коррозионно-стойкие металлы и металлических сплавы, известные из области техники. Предпочтительно, тепловая энергия поступает вместе с горячей рабочей жидкостью, более предпочтительно, за счет конденсации пара с образованием части жидкого водного конденсата. Кроме того, авторы настоящего изобретения обнаружили, что предпочтительным является образование, по меньшей мере, части пара мгновенного испарения из конденсата c более низким давлением пара, образовавшегося в теплообменнике для отходящего газа, использование, по меньшей мере, части указанного пара мгновенного испарения, по меньшей мере, в одной установке теплообмена где-либо в другом месте в способе получения TPA, например, для нагревания порции ксилола, регенерируемого растворителя, используемого для фильтрации растворителя, твердого TPA и/или отходящего газа.
Подобные количества тепловой энергии, необязательно, поступают за счет окисления топлива молекулярным кислородом и непосредственного объединения образующихся горячих продуктов реакции с отходящим газом. Указанные горячие продукты реакции подают в точку между выходом из установки извлечения растворителя и/или дегидратации и входом в турбоэкспандер и/или на промежуточную стадию многокаскадного турбоэкспандера. Предпочтительно, указанное топливо содержит гидрокарбильные связи. Более предпочтительно, указанное топливо представляет собой спирт, ацетат и/или углеводород. Еще более предпочтительно, указанное топливо преимущественно включает метанол, этанол, метан, пропан, бутан и/или дизельное топливо. Наиболее предпочтительно, указанное топливо включает, по меньшей мере, приблизительно 50, или 70, или 90, или 95% масс. метана.
Часть сжатого атмосферного воздуха, предпочтительно, подают для окисления указанного топлива, поскольку отходящий газ из установки извлечения растворителя и/или дегидратации часто относительно обеднен молекулярным кислородом и обогащен водяным паром. Более предпочтительно, по меньшей мере, приблизительно 50, или 70, или 90, или 100% масс. стехиометрического количества молекулярного кислорода поступает из источника сжатого атмосферного воздуха, который подают в зону реакции окисления указанного топлива. Стехиометрическое количество молекулярного кислорода представляет собой минимальное количество, требуемое для полного превращения поступающего топлива в воду и диоксид углерода. Еще более предпочтительно, меньше чем, по меньшей мере, приблизительно 300, или 200, или 150, или 120% масс. стехиометрического количества молекулярного кислорода поступает в виде сжатого атмосферного воздуха, который подают в зону реакции окисления указанного топлива. Предпочтительно, пиковая температура для окисления указанного топлива составляет, по меньшей мере, приблизительно 300, или 400, или 600, или 800°C. Преимущественно, для ускорения окисления, по меньшей мере, приблизительно 10, или 50, или 80, или 95% масс. указанного топлива катализатор окисления не используют. Предпочтительно, по меньшей мере, приблизительно 10, или 50, или 80, или 95% масс. VOC в отходящем газе, покидающем установку извлечения растворителя и/или дегидратации, не сгорает прежде, чем выйдет с последней стадии обработки в турбоэкспандере.
Помимо увеличения температуры и давления на входе в турбоэкспандер, авторы настоящего изобретения обнаружили, что раскрытые в настоящем описании параметры являются также предпочтительными для увеличения массы водяного пара, достигающего входа, по меньшей мере, в одну установку турбоэкспандера. Указанные составы обеспечивают раскрытые в настоящем описании параметры, которые позволяют разрабатывать и составлять первичную среду реакции окисления, установки извлечения растворителя и/или дегидратации и соединяющие их трубопроводы. Предпочтительно, состав отходящего газа, поступающего, по крайней, на одну стадию обработки в турбоэкспандере, содержит, по меньшей мере, приблизительно 3,0; или 3,3; или 3,5; или 3,6 кг воды на килограмм п-ксилола, подаваемого в соответствующую среду реакции окисления. Предпочтительно, в состав отходящего газа, поступающего, по меньшей мере, на одну стадию обработки в турбоэкспандере, входит, по меньшей мере, приблизительно 0,38; или 0,42; или 0,44; или 0,46 кг воды на килограмм отходящего газа, получаемого в том же месте. Предпочтительно, массовый поток отходящего газа на входе, по меньшей мере, на одну стадию обработки в турбоэкспандере составляет, по меньшей мере, приблизительно 6,9; или 7,3; или 7,6; или 7,8 кг/кг п-ксилола, подаваемого в соответствующую среду реакции окисления.
Следует вновь обратить внимание на установку извлечения растворителя и/или дегидратации. В общем случае необходимо максимально увеличить извлечение из отходящего после реакции газа находящихся в парообразном состоянии соединений, содержащих, по меньшей мере, одну гидрокарбильную связь, которые в настоящем описании обозначают как "летучие органические соединения" и "VOC". Если не извлечь их из отходящего газа, то указанные соединения попадают в окружающую среду, что нежелательно, и более предпочтительным является превращение большей их части в водяной пар и диоксид углерода в TOD. Хотя отток из TOD более безопасен с экологической точки зрения, потеря VOC в установке извлечения растворителя и/или дегидратации остается эксплуатационными расходами.
В частности, в общем случае необходимо ограничить потери п-ксилола, уксусной кислоты и метилацетата в отходящем газе, который поступает в TOD. На подобную минимизацию потерь влияют различные механические устройства в установке извлечения растворителя и/или дегидратации, однако, в конечном счете, разделение контролируется термодинамикой и энергозатратами в установке извлечения растворителя и/или дегидратации. В общем случае, большие энергозатраты могут обеспечить меньшие потери VOC. Подобные энергозатраты приводят к использованию более низких температур и/или к более высоким значениям флегмового числа в установке извлечения растворителя и/или дегидратации.
Тем не менее, авторы настоящего изобретения обнаружили, что преднамеренное увеличение потерь летучих органических соединений сверх практического минимума приводит улучшению общей экономики способа, если проводить интеграцию с потребностями топлива для TOD и рекуперацией мощности на валу в турбоэкспандере.
Таким образом, предпочтительным является контроль над извлечением энергии и потерями энергии, по меньшей мере, в одной установке извлечения растворителя и/или дегидратации, в которой проводят обработку отходящего из реакции газа, как указано в настоящем описании. Температура, по меньшей мере, приблизительно 40, или 60, или 80, или 90% масс. отходящего газа, покидающего установку извлечения растворителя и/или дегидратации, предпочтительно, снижается меньше чем приблизительно 50, или 40, или 30, или 25°C, при этом температуру измеряют в том месте, где отходящий после реакции газ образуется вблизи верхней поверхности реакционной среды. Преимущественно, изолируют, по меньшей мере, приблизительно 70, или 90, или 95, или 99% открытой, подвергаемой воздействию окружающей среды поверхности трубопроводов, реакторов и систем и устройства управления, включая установку извлечения растворителя и/или дегидратации, с помощью изолирующего материала, толщина которого составляет, по меньшей мере, приблизительно 0,01, или 0,02, или 0,04, или 0,08 метров, несмотря на большие количества тепловой энергии, которые, в конечном счете, высвобождаются в окружающую среду после турбоэкспандера. Потери тепловой энергии через открытые, подвергаемые воздействию окружающей среды поверхности трубопроводов и/или реакторов, включая установку извлечения растворителя и/или дегидратации, предпочтительно, составляют меньше чем приблизительно 40, или 20, или 10, или 5 Ватт/кг п-ксилола, подаваемого в соответствующую среду реакции окисления.
Предпочтительным является ограничение рекуперации тепловой энергии таким образом, чтобы меньше чем приблизительно 1000, или 100, или 1, или 0,1 Вт тепловой энергии на килограмм п-ксилола, подаваемого в соответствующую среду реакции окисления, рекуперировалось из используемых в способе жидкостей через проводящие, изолирующие, пограничные поверхности теплообмена, расположенные в том месте, где отходящий из реакции газ образуется вблизи верхней поверхности реакционной среды, и пока, по меньшей мере, приблизительно 80, или 90, или 95, или 99% масс. содержащегося в реакционном газе молекулярного азота не пройдет через установку турбоэкспандера. Некоторые разработки, известные для рекуперации энергии из отходящего после реакции газа, включают конденсирование и извлечение растворителя за счет извлечения тепловой энергии посредством проводящих, изолирующих, граничных поверхностей теплообмена, с целью нагреть и/или выпарить технические жидкости перед тем, как отходящий газ пройдет через турбоэкспандер. Технические жидкости затем используются для рекуперации мощности на валу и/или передачи тепловой энергии на другие стадии. Примеры технических жидкостей, используемых для теплопередачи и/или охлаждения, включают жидкую воду и/или пар, легкие жидкие углеводороды и/или пар, и/или воздух.
Установка извлечения растворителя и/или дегидратации, предпочтительно, работает без добавления вспомогательных соединений для азеотропного разделения. Примеры вспомогательных соединений для азеотропной дистилляции включают н-бутилацетат и/или н-пропилацетат. Установка извлечения растворителя и/или дегидратации, предпочтительно, работает таким образом, что общее количество добавленного вспомогательного соединения для азеотропной дистилляции составляет меньше чем приблизительно 0,1; или 0,01; или 0,001; или 0,0001 кг/кг растворителя, регенерируемого из отходящего после реакции газа.
Установка извлечения растворителя и/или дегидратации по настоящему изобретению, предпочтительно, включает установку высокоэффективной дистилляции, которая перерабатывает, по меньшей мере, приблизительно 80, или 90, или 95, или 99% масс. неконденсирующихся газов и/или молекулярного азота, присутствующего в отходящем после реакции газе. Указанная дистилляционная установка, предпочтительно, включает, по меньшей мере, приблизительно 20, или 25, или 30, или 35 идеальных ступеней разделения. Потеря гидродинамического давления от трения отходящего газа в указанной дистилляционной установке, предпочтительно, составляет меньше чем приблизительно 60, или 40, или 20, или 10 кПа. Конструкция любых используемых дистилляционных тарелок, преимущественно, должна обеспечивать малое снижение давления, которое составляет меньше чем приблизительно 1200, или 900, или 700, или 500 Па на тарелку, несмотря на то, что это нежелательным образом ограничивает диапазон изменения параметров указанных тарелок в способе эксплуатации. Более предпочтительным является использование структурированной насадки, известной из области техники, несмотря на необходимость применения дорогих коррозионно-стойких сплавов и несмотря на потенциальную воспламеняемость некоторых металлов, содержащих титан. Указанную дистилляционную установку, предпочтительно, конструируют, используя, по меньшей мере, два различных диаметра для реактора, при этом максимальный горизонтальный диаметр верхней секции составляет меньше чем приблизительно 1,0; или 0,96; или 0,92; или 0,90 от величины максимального горизонтального диаметра, измеренного на отметке высоты приблизительно 4 м в нижней части реактора, при этом и установка перерабатывает, по меньшей мере, приблизительно 80, или 90, или 95, или 99% масс. молекулярного азота, содержащегося в отходящем после реакции газе.
Предпочтительно, после выхода из турбоэкспандера, по меньшей мере, часть отходящего газа охлаждают, по меньшей мере, в одном теплообменнике, который в данном описании называют конденсатором отходящего газа, при этом образуется жидкость, которую в данном описании называют флегмой и которая в основном содержит воду, и, по меньшей мере, часть указанной жидкости направляют в указанную установку извлечения растворителя и/или дегидратации. Различные предпочтительные диапазоны температуры, давления и/или состава на входе конденсатора отходящего газа, предпочтительно, те же самые, что и на выходе с заключительной стадии обработки в турбоэкспандере. Потеря гидродинамического давления от трения отходящего газа в указанном конденсаторе отходящего газа, предпочтительно, составляет меньше чем приблизительно 16, или 12, или 8, или 4 кПа. Если стадию рекомпрессии отходящего газа не проводить, то избыточное давление отходящего газа на выходе из указанного конденсатора отходящего газа, предпочтительно, составляет, по меньшей мере, приблизительно 0,02; или 0,08; или 0,12; или 0,16 бара. Если стадию рекомпрессии отходящего газа не проводить, то избыточное давление отходящего газа на выходе из указанного конденсатора отходящего газа, предпочтительно, составляет, меньше чем приблизительно 0,6; или 0,5; или 0,4; или 0,3 бара. Если проводить необязательную стадию рекомпрессии отходящего газа, то избыточное давление отходящего газа на выходе из указанного конденсатора отходящего газа, предпочтительно, составляет, по меньшей мере, приблизительно -0,8; или -0,7; или -0,6; или -0,5 бара. Если проводить необязательную стадию рекомпрессии отходящего газа, то избыточное давление отходящего газа на выходе из указанного конденсатора отходящего газа, предпочтительно, составляет меньше чем приблизительно 0,1; или 0,0; или -0,1; или -0,2 бара. Температура отходящего газа на выходе из указанного конденсатора отходящего газа, предпочтительно, составляет, по меньшей мере, приблизительно 30, или 40, или 50, или 60°C. Температура отходящего газа на выходе из указанного конденсатора отходящего газа, предпочтительно, составляет меньше чем приблизительно 110, или 100, или 90, или 80°C. Температура отходящего газа на выходе из указанного конденсатора отходящего газа, предпочтительно, снижается, по меньшей мере, приблизительно на 10, или 20, или 30, или 35°C, по сравнению с температурой на выходе из турбоэкспандера. Температура отходящего газа на выходе из указанного конденсатора отходящего газа, предпочтительно, снижается меньше чем приблизительно на 100, или 80, или 70, или 60°C, по сравнению с температурой на выходе из турбоэкспандера. В указанном конденсаторе отходящего газа, предпочтительно, извлекается количество тепловой энергии, которое составляет меньше чем приблизительно 3100, или 2900, или 2700, или 2500 Ватт/кг п-ксилола, подаваемого в соответствующую среду реакции окисления. Предпочтительно, в указанном конденсаторе отходящего газа извлекается, по меньшей мере, приблизительно 1600, или 1800, или 2000, или 2100 Вт тепловой энергии на килограмм п-ксилола, подаваемого в соответствующую среду реакции окисления.
Количество флегмы и температуру выбирают и контролируют таким образом, чтобы максимально увеличить количество водяного пара, поступающего в турбоэкспандер, в сочетании с сокращением до минимума потерь VOC в отходящем газе, который выходит из конденсатора. Поток флегмы, направляемый в установку извлечения растворителя и/или дегидратации, предпочтительно, содержит, по меньшей мере, приблизительно 7,0; или 8,0; или 8,5; или 9,0 кг жидкой воды на килограмм воды, образовавшейся при получении TPA в реакторах окисления, которые обслуживает указанная установка извлечения растворителя и/или дегидратации. Поток флегмы, направляемый в установку извлечения растворителя и/или дегидратации, предпочтительно, содержит, меньше чем приблизительно 12,0 или 11,0, или 10,5; или 10,0 кг жидкой воды на килограмм воды, образовавшейся при получении TPA в реакторах окисления, которые обслуживает указанная установка извлечения растворителя и/или дегидратации. Поток флегмы, направляемый в установку извлечения растворителя и/или дегидратации, предпочтительно, содержит, по меньшей мере, приблизительно 0,70; или 0,75; или 0,79; или 0,82 кг жидкой воды на килограмм водяного пара, покидающего установку извлечения растворителя и/или дегидратации. Поток флегмы, направляемый в установку извлечения растворителя и/или дегидратации, предпочтительно, содержит, меньше чем приблизительно 0,98*; или 0,96; или 0,92; или 0,90 кг жидкой воды на килограмм водяного пара, покидающего установку извлечения растворителя и/или дегидратации. (*Если используют необязательное прямое сжигание топлива, то большее количество воды образуется за счет сгорания топлива.) Температура флегмы, подаваемой в установку извлечения растворителя и/или дегидратации, предпочтительно, составляет, по меньшей мере, приблизительно 40, или 50, или 55, или 60°C. Температура флегмы, подаваемой в установку извлечения растворителя и/или дегидратации, предпочтительно, снижается меньше чем 40, или 30, или 20, или 10°C, по сравнению с температурой водяного пара в отходящем газе, покидающем конденсатор.
Авторы настоящего изобретения отмечают, что размещение конденсатора отходящего газа с таким низким давлением, согласно настоящему изобретению, значительно увеличивает объем отходящего газа на входе и выходе конденсатора. Если не использовать трубопроводы необычно большого диаметра, то скорости потока и гидродинамическое давление снижаются слишком активно. Таким образом, трубопроводы отходящего газа между выходом турбоэкспандера и входом конденсатора отходящего газа, предпочтительно, должны иметь диаметр, по меньшей мере, приблизительно равный 1,2; или 1,5; или 1,8; или 2,1 м, что весьма много для используемых в способах трубопроводов, находящихся под давлением, которые изготавливают из различных дорогих, коррозионно-стойких металлов и металлических сплавов. Для уменьшения диаметра и стоимости трубопроводов, приведенная скорость отходящего газа в трубопроводах между выходом турбоэкспандера и входом конденсатора отходящего газа, предпочтительно, должна составлять, по меньшей мере, приблизительно 30, или 40, или 50, или 60 м/сек. Подобные необычно высокие скорости в трубопроводах вызывают эрозию, в особенности в случае отходящего после способа коррозионного газа, температура которого близка к температуре точки росы, так что требуется строгий контроль температуры точки росы. На выходе конденсатора отходящего газа наличие некоторого количества жидких капель увеличивает вероятность эрозии и коррозии, и предпочтительным является ограничение приведенной скорости в указанных трубопроводах до величины, меньшей, чем приблизительно 30, или 25, или 20, или 15 м/сек, пока отходящий газ не попадает в ловушку конденсата, предназначенную для удаления жидкости, как раскрывается в настоящем описании.
Авторы настоящего изобретения также отмечают, что, согласно настоящему изобретению, эксплуатация конденсатора отходящего газа при низком давлении вынуждает использовать более низкую температуру при проведении способа с тем, чтобы сконденсировать заданное количество флегмы. Более низкие температуры способа ограничены приближением к температуре охлаждающейся жидкости, а более низкие давления способа приводят к снижению пленочного коэффициента теплопередачи при проведении способа. Все указанные факторы приводят к увеличению площади проводящих, изолирующих, граничных поверхностей теплообмена, которые, как правило, содержат различные дорогие, коррозионно-стойкие металлы и сплавы металлов.
Трудности, связанные с проектированием, и затраты на конденсатор отходящего газа, согласно настоящему изобретению, еще больше возрастают, когда, в соответствии с некоторыми аспектами настоящего изобретения, требуется вывести в окружающую среду предпочтительные количества водяного пара. Удаление заданного количества водяного пара требует осуществления специального контроля над количеством энергии, удаляемой в конденсаторе отходящего газа, даже в том случае, когда используют новые или не засоренные проводящие, изолирующие, граничные поверхности теплообмена, работают с низкими значениями массопереноса и/или затратами энергии, получая TPA при сниженной производительности, и с переменными температурами хладагента, что часто наблюдается, например, вследствие суточных и сезонных изменений условий окружающей среды.
Особая сложность контроля над функционированием конденсатора отходящего газа заключается в том, что большая часть систем подачи воды в охлаждающей башни содержит большие количества растворенных твердых веществ, концентрация которых значительно возрастает при адиабатическом охлаждении с помощью окружающего воздуха. В том случае, когда поток подобной охлаждающей воды регулируют таким образом, чтобы контролировать температуру в конденсаторе отходящего газа, то температура охлаждающей воды на выходе возрастает. Если температура подобной охлаждающей воды поднимается слишком высоко, то часть растворенных веществ выпадает в осадок. К сожалению, под подобными образовавшимися отложениями точечная коррозия быстро атакует многие коррозионно-стойкие металлические сплавы, образуя дыры. В связи с этим авторы настоящего изобретения обнаружили следующие предпочтительные варианты конструкции конденсатора отходящего газа по настоящему изобретению. В данном описании термин "отходящий газ конденсатора" представляет собой отходящий газ, по меньшей мере, часть которого была подвергнута обработке, по меньшей мере, в одном конденсаторе отходящего газа.
Указанный конденсатор отходящего газа, производящий жидкую воду, преимущественно, имеет воздушное охлаждение, при этом окружающий воздух контактирует с проводящими, изолирующими, граничными поверхностями теплообмена, содержащими указанный отходящий газ. Для организации движения воздушного потока через проводящие, изолирующие, граничные поверхности теплообмена, содержащие указанный отходящий газ, предпочтительно, используют нагнетательные вентиляторы. Предпочтительно, используют скорость вентилятора, наклон лопастей вентилятора, вентиляционные решетки для управления потоком воздуха и/или другие средства для контролирования потока воздуха и/или температуры воздуха с тем, чтобы регулировать степень охлаждения отходящего газа в зависимости, по меньшей мере, от одного параметра способа; например, температуры и/или давления отходящего газа конденсатора; температуры и/или скорости потока используемой в конденсаторе жидкости; химического состава либо отходящего газа конденсатора либо конденсата, который определяют любым оперативным аналитическим методом, например, с помощью инфракрасных методов анализа химического состава.
Более предпочтительно, указанный конденсатор отходящего газа, производящий жидкую воду, включает охлаждающую воду, контактирующую с проводящими, изолирующими, граничными поверхностями теплообмена, содержащими указанный отходящий газ. Предпочтительно, скорость потока охлаждающей воды, температуру охлаждающей воды на входе и/или температуру охлаждающей воды на выходе используют, чтобы регулировать степень охлаждения отходящего газа в зависимости, по меньшей мере, от одного параметра способа, например, температуры и/или давления отходящего газа конденсатора; температуры и/или скорости потока используемой в конденсаторе жидкости; химического состава либо отходящего газа конденсатора либо конденсата, который определяют любым оперативным аналитическим методом, например, с помощью инфракрасных методов анализа химического состава. Предпочтительно, по меньшей мере, часть охлаждающей воды, выходящей из указанного водоохлаждаемого теплообменника, имеет температуру, по меньшей мере, приблизительно 50, или 60, или 70, или 80°C. Предпочтительно, указанная охлаждающая вода представляет собой воду, охлаждаемую прямым контактированием с окружающим атмосферой. Более предпочтительно, указанная охлаждающая вода представляет собой "охлаждающую воду в замкнутом контуре". Предпочтительно, указанная охлаждающая вода в замкнутом контуре содержит сниженное общее количество растворенных твердых веществ (TDS), например, представляет собой деионизированную воду или конденсат пара. Предпочтительно, по меньшей мере, часть теплоты удаляется из указанной охлаждающей воды в замкнутом контуре в теплообменнике, который включает техническую охлаждающую воду, которую охлаждают за счет прямого контактирования с окружающей атмосферой. Предпочтительно, по меньшей мере, часть теплоты удаляется из указанной охлаждающей воды в замкнутом контуре в пластинчатом теплообменнике.
Необязательно, по меньшей мере, часть проводящей, изолирующей, граничной поверхности теплообмена время от времени выводится из рабочего цикла в зависимости, по меньшей мере, от одного параметра способа, например, температуры и/или давления отходящего газа конденсатора; температуры и/или скорости потока используемой в конденсаторе жидкости; химического состава либо отходящего газа конденсатора либо конденсата, который определяют любым оперативным аналитическим методом, например, с помощью инфракрасных методов анализа химического состава. Указанную часть поверхности выводят из рабочего цикла, перекрывая ее контакт с потоком отходящего газа и/или потоком технической охлаждающей жидкости.
Альтернативный способ контролирования количества энергии, удаляемой в конденсаторе отходящего газа, заключается в организации обводной линии для части отходящего газа после турбоэкспандера в обход указанного конденсатора, как раскрыто в патенте США № 6504051, полное содержание которого включено в настоящее описание посредством ссылки. Однако подобное байпасирование газа создает новые проблемы, несмотря на то, что оно позволяет регулировать и контролировать извлечение энергии. Во-первых, подобное байпасирование непосредственно влияет на материальный баланс, а также на энергетический баланс, поскольку не просто сконденсировать пары растворителя в отходящем газе, прошедшем по обводной линии. Если слишком много или слишком мало газа направляется в обводную линию, то попытка удовлетворить энергетический баланс, вызывает нарушение водного баланса в системе извлечения растворителя и приводит к тому, что регенерируемый растворитель становится слишком влажным или слишком сухим; меняется также количество VOC, направляемого в окружающую среду и/или в TOD. Во-вторых, необходимо вновь объединить отходящий газ конденсатора и отходящий газ, прошедший по обводной линии, с тем, чтобы провести обработку в общем устройстве, предназначенном для удаления экологически вредных компонентов. Однако подобное объединение вызывает проблемы, поскольку при смешивании более холодного насыщенного жидкостью потока газа с более теплым насыщенным жидкостью газом, как правило, образуется аэрозольный туман. Подобный аэрозоль оказывается опасным с точки зрения точечной коррозии в трубопроводах и внутри оборудования, поскольку аэрозоль имеет тенденцию собираться в виде капель на более холодных и/или менее турбулентных поверхностях. Быстрого удаления подобного аэрозоля из способа, в котором используются большие скорости, трудно добиться путем ограничения перепада давления и/или добавления тепловой энергии, несмотря на то, что при увеличении времени разделения подобный туман легко коалесцирует с образованием дождя из капелек жидкости.
2
Таким образом, авторы настоящего изобретения обнаружили следующие предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения. На выходе из турбоэкспандера, по меньшей мере, часть, отходящего газа через обводную линию минует, по меньшей мере, один конденсатор отходящего газа, образуя "байпасный отходящий газ", при этом используют один или несколько следующих предпочтительных аспектов. Предпочтительно, указанный байпасный отходящий газ охлаждают меньше, чем приблизительно на 60, или 50, или 30, или 10°C в теплообменнике, включающем проводящие, изолирующие, граничные поверхности теплообмена прежде, чем объединить его с отходящим газом, вышедшим из конденсатора отходящего газа, который поступает в TOD и/или высвобождается в окружающую среду. Предпочтительно, указанный байпасный отходящий газ составляет, по меньшей мере, приблизительно 1, или 2, или 4, или 8% масс. от массы всего отходящего газа, покидающего турбоэкспандер. Предпочтительно, указанный байпасный отходящий газ составляет меньше чем приблизительно 50, или 40, или 30, или 20% масс. от массы всего отходящего газа, покидающего турбоэкспандер. Объемную скорость потока указанного байпасного отходящего газа, предпочтительно, используют для регулирования степени охлаждения отходящего газа в зависимости, по меньшей мере, от одного параметра способа, например, температуры и/или давления отходящего газа конденсатора; температуры и/или скорости потока используемой в конденсаторе жидкости; химического состава либо отходящего газа конденсатора либо конденсата, который определяют любым оперативным аналитическим методом, например, с помощью инфракрасных методов анализа химического состава. Указанный байпасный отходящий газ, перед тем как высвободить его в окружающую среду, предпочтительно, объединяют, по меньшей мере, с частью отходящего газа, вышедшего из конденсатора отходящего газа, при этом образуется "смешанный отходящий газ". "Ловушка конденсата", в которой используют, по меньшей мере, одну из указанных ниже конструктивных особенностей, предпочтительно, проводит обработку, по меньшей мере, части отходящего газа конденсатора, при этом получают "отходящий газ ловушки конденсата". Предпочтительно, по меньшей мере, приблизительно 10, 50, 98, 99,9% масс. жидкости, поступающей в указанную ловушку конденсата, отделяется и выводится с содержанием меньше чем приблизительно 50, или 95, или 99, или 99,8% масс. молекулярного азота, присутствовавшего в отходящем газе, из отверстия, расположенного в нижней части указанной ловушки конденсата, на расстоянии, составляющем меньше чем 80, или 60, или 40, или 10% от высоты указанной ловушки конденсата. По меньшей мере, часть указанной ловушки конденсата, предпочтительно, расположена ниже, чем, по меньшей мере, один конденсатор отходящего газа, снабжающий указанную ловушку конденсата многофазным потоком газа и жидкости. Жидкая вода покидает указанную ловушку конденсата из отверстия, предпочтительно, расположенного ниже уровня входа для потока, поступающего из конденсатора отходящего газа. Приведенная вертикальная скорость отходящего газа в указанной ловушке конденсата, предпочтительно, составляет меньше чем приблизительно 4, или 3, или 2, или 1 м/сек в плоскости наибольшего горизонтального диаметра. Приведенная горизонтальная скорость отходящего газа в указанной ловушке конденсата, предпочтительно, составляет меньше чем приблизительно 6, или 5, или 4, или 3 м/сек в плоскости наибольшего вертикального диаметра. Среднее время пребывания отходящего газа в указанной ловушке конденсата, предпочтительно, составляет меньше чем приблизительно 20, или 13, или 8, или 5 сек. Среднее время пребывания отходящего газа в указанной ловушке конденсата, предпочтительно, составляет, по меньшей мере, приблизительно 0,5; или 1,0; или 1,5; или 2,0 сек. Среднее время пребывания жидкости внутри указанной ловушки конденсата, предпочтительно, составляет, по меньшей мере, приблизительно 0,5; или 2, или 4, или 8 мин. Среднее время пребывания жидкости внутри указанной ловушки конденсата, предпочтительно, составляет меньше чем приблизительно 60, или 48, или 24, или 12 мин. Предпочтительно, внутри указанной ловушки конденсата располагается, по меньшей мере, одна отражающая поверхность, предназначенная для отделения жидкости, которая отлична от граничных поверхностей, служащих для поддержания давления. Предпочтительно, площадь твердой поверхности, контактирующей с отходящим газом, который проходит через ловушку конденсата, составляет, по меньшей мере, приблизительно 0,0005, или 0,001, или 0,002, или 0,004 м/кг отходящего газа, который выходит из указанной ловушки конденсата. Предпочтительно, по меньшей мере, часть отходящего газа, которая проходит через указанную ловушку конденсата, контактирует, по меньшей мере, приблизительно с 0,001, или 0,005, или 0,01, или 0,02 квадратных метров не находящейся под давлением площади изолирующей твердой поверхности на килограмм п-ксилола, подаваемого в соответствующую среду реакции окисления. Предпочтительно, по меньшей мере, приблизительно 70, или 80, или 90% капелек жидкости, размер которых, по меньшей мере, меньше чем приблизительно 500, или 200, или 75, или 25 мкм, присутствующих в отходящем газе, который подают в ловушку конденсата, удаляется из отходящего газа, прошедшего через ловушку конденсата. Авторы настоящего изобретения установили, что указанные различные предпочтительные конструктивные особенности ловушки конденсата являются предпочтительными для ловушки конденсата, в которой проводится обработка отходящего газа конденсатора, как с использованием, так и без использования байпасного отходящего газа.
Предпочтительно, по меньшей мере, часть байпасного отходящего газа подвергается обработке в TOD, в котором также обрабатывают, по меньшей мере, часть отходящего газа, которая вышла из конденсатора отходящего газа. Более предпочтительно, перед подачей в TOD, по меньшей мере, часть байпасного отходящего газа объединяют, по меньшей мере, с частью прошедшего через конденсатор отходящего газа с образованием потока смешанного отходящего газа. Наиболее предпочтительно, добавляют тепловую энергию с тем, чтобы повысить температуру указанного смешанного отходящего газа прежде, чем ввести его в устройство TOD. Указанное нагревание снижает образование конденсата в трубопроводах отходящего газа, реакторах и других корпусных сосудах и, таким образом, минимизирует стоимость конструкционных материалов. Указанную тепловую энергию можно добавить ко всему или к части указанного потока смешанного отходящего газа, к указанному потоку байпасного отходящего газа или к указанному потоку отходящего газа, вышедшему из конденсатора. Температура указанного смешанного отходящего газа, предпочтительно, по меньшей мере, приблизительно на 10, или 20, или 40, или 60°C выше, чем температура отходящего газа, вышедшего из указанного конденсатора отходящего газа.
Авторы настоящего изобретения установили, что, в соответствии с указанным аспектом, предпочтительно добавлять тепловую энергию отходящему газу после его обработки в ловушке конденсата, даже без использования байпасного отходящего газа. Конденсатор отходящего газа и ловушку конденсата, предпочтительно, располагают таким образом, чтобы установить баланс между стоимостью закачивания охлаждающей воды на большую высоту, стоимостью высоких конструкций и опорных элементов, и условиями обеспечения необходимого уровня высоты с тем, чтобы обеспечить самотек сконденсированной жидкости в конденсатор и/или через конденсатор отходящего газа и/или ловушки конденсата. Высота размещения наиболее низкой охлаждаемой поверхности, по меньшей мере, в одном конденсаторе отходящего газа составляет меньше чем приблизительно 50, или 30, или 20, или 10 метров над поверхностью земли. Высота размещения наиболее высокой охлаждаемой поверхности, по меньшей мере, в одном конденсаторе отходящего газа составляет, по меньшей мере, приблизительно 6, или 9, или 12, или 15 метров над поверхностью земли. Уровень размещения запаса жидкости для ловушки конденсата внутри ловушки конденсата, предпочтительно, составляет, по меньшей мере, приблизительно 0,5, или 1, или 2, или 3 м над поверхностью земли в данном месте. Уровень размещения запаса жидкости для ловушки конденсата внутри ловушки конденсата, предпочтительно, составляет меньше чем приблизительно 20, или 15, или 10, или 5 метров над поверхностью земли.
В сочетании с улучшенной рекуперацией энергии из турбоэкспандера отходящего газа и/или самонагреванием TOD, как раскрывается в данном описании, авторы настоящего изобретения неожиданно обнаружили преимущества от сохранения повышенного количества водяного пара в сбрасываемом отходящем газе, несмотря на большие потери VOC, которые часто сопровождают подобное повышенное количество водяного пара. Таким образом, авторы настоящего изобретения раскрывают следующие предпочтительные варианты "удаляемого водяного пара", который присутствует в отходящем газе конденсатора, отходящем газе ловушки конденсата и/или отходящем газе на входе в TOD. Удаляемый водяной пар, предпочтительно, составляет меньше чем приблизительно 400, или 300, или 250, или 200% от массы воды, образовавшейся при получении TPA. Указанное позволяет одновременно избежать чрезмерного расходования теплоты реакции окисления на испарение жидкой воды в течение энергетического цикла турбоэкспандера, а также последующих капитальных затрат и эксплуатационных расходов для проведения обработки в TOD, и одновременно избежать сопутствующего увеличения подачи флегмы в установку извлечения растворителя и/или дегидратации. Удаляемый водяной пар, предпочтительно, составляет, по меньшей мере, приблизительно 100, или 110, или 130, или 150% масс. от массы воды, образовавшейся при получении TPA. Чтобы избежать ситуации, когда происходит чрезмерное обезвоживание регенерируемой системы растворителей и тем самым нарушаются условия реакции окисления, в данном описании рассматриваются предпочтительные источники такого количества воды, которое превышает количество воды, образующееся при получении TPA.
Удаляемый водяной пар сверх того количества воды, которая образовалась при получении TPA, предпочтительно, содержит, по меньшей мере, часть воды, которая попала в способ вместе с подачей окислителя, более предпочтительно, сжатого атмосферного воздуха. В данном описании рассматривается предпочтительное количество водяного пара, поступающего вместе со сжатым воздухом. Удаляемый водяной пар сверх того количества воды, которая образовалась при получении TPA, предпочтительно, содержит, по меньшей мере, часть воды, которая образовалась при избыточном окислении ароматических соединений и растворителя. Удаляемый водяной пар, предпочтительно, включает, по меньшей мере, приблизительно 0,05; или 0,10; или 0.15 кг воды, которая образовалась при избыточном окислении ароматических соединений и растворителя на килограмм п-ксилола, подаваемого в соответствующую среду реакции окисления. Удаляемый водяной пар, предпочтительно, включает меньше чем, приблизительно 0,05; или 0,04; или 0,03 кг воды, которая образовалась при избыточном окислении ароматических соединений и растворителя на килограмм п-ксилола, подаваемого в соответствующую среду реакции окисления.
Удаляемый водяной пар сверх того количества воды, которая образовалась при получении TPA, предпочтительно, включает воду, которая образовалась при инжекции пара под давлением (по меньшей мере, 50, 90, 95, 99% масс. воды, по меньшей мере, приблизительно 110, или 140, или 180, или 220°C) в технологический поток, включающий жидкий растворитель. Предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения включают пар как источник тепловой энергии и как среду для промывки трубопроводов, отверстий и оборудования. Удаляемый водяной пар сверх того количества воды, которая образовалась при получении TPA, предпочтительно, включает, по меньшей мере, часть воды, которую используют для очистки вентиляционных труб, через которые впоследствии газ выводится в окружающую среду. Удаляемый водяной пар сверх того количества воды, которая образовалась при получении TPA, предпочтительно, включает, по меньшей мере часть воды, которую используют как вспомогательное средство для азеотропного разделения в способе очистки растворителя и/или извлечения катализатора, раскрытое в патентах США № 4939297 и № 7351396 и заявке на патент США № 2005-0038288.
Удаляемый водяной пар сверх того количества воды, которая образовалась при получении TPA, предпочтительно, включает, по меньшей мере, часть воды, которая образовалась при окислении топлива, если его необязательно используют для нагрева отходящего газа в промежутке от выпускного отверстия установки извлечения растворителя и/или дегидратации до выпускного отверстия турбоэкспандера.
Удаляемый водяной пар сверх того количества воды, которая образовалась при получении TPA, предпочтительно, включает, по меньшей мере, часть воды, которая поступает из находящегося по соседству способа получения PET и которая вводится в способ получения TPA в точке перед выпускным отверстием TOD, более предпочтительно, перед входом в TOD. Указанный способ получения PET, предпочтительно, расположен таким образом, что минимальное горизонтальное расстояние от указанного способа TPA составляет меньше чем приблизительно 1800, 900, 300, 100 метров. В указанном способе получения PET, предпочтительно, по меньшей мере, часть PET получают, используя продукт TPA из указанного способа получения TPA. По меньшей мере, часть указанного продукта TPA, предпочтительно, вводят в реакционную среду указанного находящегося по соседству способа получения PET в течение менее чем приблизительно 72, или 24, или 12, или 4 час после ее получения из пара-ксилола, пара-толуилового альдегида и/или пара-толуиловой кислоты. Вода, поступающая из указанного способа получения PET, предпочтительно, составляет, по меньшей мере, приблизительно 0,02; или 0,2; или 0,3; или 0,4 кг/кг воды, образующейся при получении TPA. Вода, поступающая из указанного способа получения PET, предпочтительно, составляет меньше чем приблизительно 1,1; или 0,9; или 0,7; или 0,6 кг/кг воды, образующейся при получении TPA.
TOD, предпочтительно, самоактивируется за счет окисления содержащихся в отходящем газе соединений, в том числе монооксида углерода и VOC, в частности, за счет окисления метилацетата. Содержание топлива в отходящем газе, предпочтительно, составляет, по меньшей мере, приблизительно 60, 70, 80, 90% от всего количества топлива, поступающего в TOD. Содержание топлива оценивают как теплоту реакций окисления, которые приводят к образованию продуктов в паровой фазе, включающих водяной пар и газообразный диоксид углерода. Содержание топлива в отходящем газе, предпочтительно, составляет меньше чем приблизительно 160, или 140, или 120, или 110% от минимального содержания топлива, необходимого для работы TOD без использования конденсаторных устройств, например, для заметного нагревания воздуха или другого газа/пара и/или заметного или латентного нагревания воды или другой жидкости как непосредственно за счет смешивания масс, так и косвенно за счет изолирования проводящих поверхностей теплообмена.
Целесообразно и даже преимущественно в качестве топлива в TOD используется метилацетат, содержащийся в отходящем газе, в соответствии со следующим описанием. Метилацетат является известным побочным продуктом жидкофазного окисления п-ксилола при получении TPA в уксусной кислоте. Из области техники известна технология выделения метилацетата с последующим его гидролизом водой для извлечения уксусной кислоты в качестве растворителя, при этом образуются отходы в виде метанола как побочного продукта. Авторы настоящего изобретения обнаружили, что эффективная система синтеза TPA, приведенная, например, в заявках US 20070293699 и US 20070208191 (полное их содержание включено в данное описание посредством ссылки), пригодна для снижения общей скорости образования метилацетата. CO в качестве компонента отходящего газа обладает относительно низкой теплотворной способностью, и отходящий газ часто содержит относительно малое количество MeBr и уксусной кислоты. Метилацетат представляет собой топливо, пригодное для использования в TOD для того, чтобы обеспечить требуемые температуры и добиться эффективного разложения загрязняющих веществ, включая и сам метилацетат. Если содержание топлива в отходящем газе слишком мало, то необходимо подавать в TOD вспомогательные топлива, например, метан, метанол, дизельное топливо, с целью обеспечить требуемые температуры и добиться эффективного разложения загрязняющих веществ.
Авторы настоящего изобретения обнаружили следующие предпочтительные диапазоны для содержания метилацетата в отходящем газе ловушки конденсата, т.е. такие диапазоны, которые позволяют сбалансировать энергетический потенциал метилацетата в TOD и капитальные затраты и эксплуатационные расходы, необходимые для дальнейшего снижения образования метилацетата и/или извлечения из него уксусной кислоты путем разделения и гидролиза. Содержание метилацетата в отходящем газе ловушки конденсата и/или в отходящем газе, поступающем в TOD, предпочтительно, составляет, по меньшей мере, приблизительно 0,003; или 0,005; или 0,007; или 0,008 кг/кг п-ксилола, подаваемого в соответствующую среду реакции окисления. Содержание метилацетата в отходящем газе ловушки конденсата и/или в отходящем газе, поступающем в TOD, предпочтительно, составляет меньше чем приблизительно 0,030; или 0,025; или 0,020; или 0,015 кг/кг п-ксилола, подаваемого в соответствующую среду реакции окисления. Метилацетат, предпочтительно, составляет, по меньшей мере, приблизительно 20, или 30, или 40, или 50% от всего количества топлива, поступающего в TOD. В другом варианте осуществления настоящего изобретения содержание метилацетата и/или метанола в отходящем газе ловушки конденсата и/или в отходящем газе, поступающем в TOD, предпочтительно, составляет меньше чем приблизительно 0,030; или 0,025; или 0,020; или 0,015 кг/кг п-ксилола, подаваемого в соответствующую среду реакции окисления. Предпочтительно, метилацетат составляет, по меньшей мере, приблизительно 20, или 30, или 40, или 50% от всего количества топлива, поступающего в TOD.
Содержание уксусной кислоты в отходящем газе ловушки конденсата и/или в отходящем газе, поступающем в TOD, предпочтительно, составляет меньше чем приблизительно 0,005; или 0,004; или 0,003; или 0,002 кг/кг п-ксилола, подаваемого в соответствующую среду реакции окисления. Содержание монооксида углерода в отходящем газе ловушки конденсата и/или в отходящем газе, поступающем в TOD, предпочтительно, составляет меньше чем приблизительно 0,45; или 0,40; или 0,35, или 0,30% мол., которое оценивают в пересчете лишь на сухие неконденсирующиеся газообразные соединения.
Однако нежелательно тратить в TOD впустую слишком много энергии, как горючего топлива, содержащегося в отходящем газе, так и добавленного топлива. Поэтому полная энергия сгорания, высвобождаемая в TOD, предпочтительно, составляет меньше чем 600, или 500, или 450, или 400 кДж на килограмм п-ксилола, подаваемого в соответствующую среду реакции окисления. Указанное небольшое количество требуемой теплоты сгорания достигается различными способами за счет эффективной тепловой интеграции между горячим подвергнутым обработке отходящим газом около выхода из TOD и не подвергавшимся обработке отходящим газом около входа в указанный TOD, как известно из области техники.
2
Подачу полученной при сгорании теплоты контролируют соответствующим образом оперативными способами и с помощью составов отходящего газа, как указывается в настоящем описании. TOD, предпочтительно, функционирует при пиковой внутренней температуре, составляющей, по меньшей мере, приблизительно 200, или 400, или 600, или 800°C. Предпочтительно, по меньшей мере, приблизительно 94, или 96, или 98, или 99% мол. углеродсодержащих соединений в отходящем газе, поступающем в TOD, прежде чем выйти из TOD, окисляется в CO. Наиболее предпочтительно, установка TOD, во всех раскрытых в настоящем описании вариантах осуществления настоящего изобретения представляет собой установку регенеративного термического окисления (RTO).
После удаления и/или разложения монооксида углерода и загрязняющих веществ в виде VOC в отходящем после реакции окисления газе, во многих местах требуется существенное удаление брома из подвергнутого обработке отходящего газа. Указанное снижение содержания брома часто осуществляется влажной очисткой подвергнутого обработке отходящего газа из TOD, например, жидкостной очисткой отходящего газа с использованием водного раствора гидроксида натрий и бисульфита натрия с образованием соли бромида натрия. С течением времени в используемой для очистки воде накапливается концентрация различных солей, и необходимо проводить сброс сточных вод и подпитку более чистой водой. Предпочтительно, указанная вода, используемая для подпитки скруббера отходящего газа, представляет собой фильтрованную воду. Более предпочтительно, указанная вода, используемая для подпитки скруббера отходящего газа, представляет собой деминерализованную воду, деионизированную воду и/или конденсат пара.
Авторы настоящего изобретения обнаружили, что указанные стоки после промывки скруббера, которые в основном представляют собой воду, с успехом используют в качестве технической воды, например, подпиточной воды для охлаждающей башни. Таким образом, предпочтительным является использовать, по меньшей мере, приблизительно 0,01 или 0,05 кг сточной воды после промывки скруббера отходящего газа на килограмм п-ксилола, подаваемого в соответствующую среду реакции окисления, в качестве технической воды, а не отправлять указанную воду после скруббера в узел обработки сточной воды и/или непосредственно в окружающую среду. В другом варианте осуществления настоящего изобретения любые водные отходы, полученные из производственных установок, включающих среду реакции окисления, можно использовать в качестве технической воды в соотношении от 0,01 до 0,05 кг сточных вод на килограмм п-ксилола, подаваемого в соответствующую среду реакции окисления, вместо того, чтобы отправлять техническую воду в узел обработки сточной воды и/или непосредственно в окружающую среду.
Альтернативный и более предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения предусматривает объединение реакции окисления отходящего газа, включая в качестве его источников как первичные, так и вторичные реакторы окисления, с целью проведения обработки в общей объединенной установке извлечения растворителя и/или дегидратации, установке турбоэкспандера, конденсаторе, ловушке конденсата, TOD и/или скруббере для удаления брома.
С точки зрения рекуперации энергии нежелательным является то, что рабочие давления и температуры сред вторичных реакций часто существенно различаются (при этом иногда они значительно выше) от среды первичной реакции и/или друг от друга. Простое расширение отходящих после реакции газов, имеющих более высокое давление, через дроссельный клапан, с целью преобразования отходящего газа с более высоким давлением в отходящий газ с более низким давлением, обычно сопровождается значительным рассеиванием энтропии, что приводит к потере способности впоследствии выработать энергию на валу. Тем не менее, настоящее изобретение позволяет успешно сохранить энтальпию в объединенных отходящих газах на входе в турбоэкспандер, и объединенные потоки отходящего газа целесообразно смешивать с обладающими энергетическим потенциалом CO и VOC перед отправкой в TOD.
Предпочтительно, подвергают обработке отходящий газ, по меньшей мере, от двух разных реакционных сред в общей объединенной установке извлечения растворителя и/или дегидратации, установке турбоэкспандера, конденсаторе, установке ловушки конденсата, TOD и/или скруббере для удаления брома. Предпочтительно, по меньшей мере, часть указанных разных реакционных сред отделена друг от друга по горизонтали меньше чем приблизительно на 1000, или 500, или 300, или 150 метров. "Интеграция способа" означает, что исходные вещества или потоки продукта из двух различных способов/установок, объединяют и обрабатывают, используя, по меньшей мере, одну единицу общего оборудования, выбранного из группы, которая включает турбоэкспандер, конденсатор, ловушку конденсата, TOD и/или скруббер для удаления брома.
При формировании смеси отходящего газа, предпочтительно, полное количество отходящего газа в смеси, который поступает из среды вторичной реакции окисления, намного меньше, чем полное количество отходящего газа в смеси, который поступает из среды первичной реакции окисления. В смесях первичного и вторичного отходящего газа отходящий газ, образующийся в средах вторичных реакций окисления, предпочтительно, составляет меньше чем приблизительно 20, или 10, или 5, или 2% масс. от массы объединенного отходящего газа и содержит меньше чем приблизительно 20, или 10, или 5, или 2% масс. от количества молекулярного азота в объединенном отходящем газе. В смесях первичного и вторичного отходящего газа отходящий газ, образующийся во вторичных средах реакции окисления, предпочтительно, составляет, по меньшей мере, приблизительно 0,1; или 0,2; или 0,4; или 0,8% масс. от массы объединенного отходящего газа и содержит меньше чем приблизительно 0,1; или 0,2; или 0,4; или 0,8% масс. от количества молекулярного азота в объединенном отходящем газе.
Предпочтительно, по меньшей мере, приблизительно 40, или 60, или 80, или 90% масс. отходящего после реакции газа, по меньшей мере, из одной среды вторичной реакции окисления, объединяют, по меньшей мере, с приблизительно 40, или 60, или 80, или 90% масс. отходящего после реакции газа из первичной среды реакции окисления для проведения обработки в общей объединенной установке извлечения растворителя и/или дегидратации, турбоэкспандере, конденсаторе, ловушке конденсата, TOD и/или скруббере для удаления брома. Предпочтительно, по меньшей мере, часть отходящего газа из указанной вторичной среды образуется при температуре, по меньшей мере, приблизительно 160, или 175, или 190, или 200°C. Предпочтительно, по меньшей мере, часть отходящего газа из указанной вторичной среды образуется при температуре меньше чем приблизительно 250, или 240, или 230, или 220°C. По меньшей мере, часть отходящего газа из указанной вторичной среды, предпочтительно, образуется при давлении, равном, по меньшей мере, приблизительно 7, или 10, или 13, или 16 бар абсолютного давления. По меньшей мере, часть отходящего газа из указанной вторичной среды, предпочтительно, образуется при давлении, меньшем, чем приблизительно 40, или 34, или 28, или 24 бар абсолютного давления.
По меньшей мере, часть отходящего после реакции газа, по меньшей мере, от двух разных вторичных сред реакции окисления, предпочтительно, объединяют друг с другом и, по меньшей мере, с частью отходящего после реакции газа из первичной среды реакции окисления для проведения обработки в общей объединенной установке извлечения растворителя и/или дегидратации, турбоэкспандере, конденсаторе, ловушке конденсата, TOD и/или скруббере для удаления брома. Предпочтительно, по меньшей мере, часть отходящего газа, по меньшей мере, из одной вторичной среды образуется при температуре, которая менее чем приблизительно на 20, или 15, или 10, или 5°C превышает температуру части указанного отходящего газа из указанной среды первичной реакции окисления. Предпочтительно, по меньшей мере, часть отходящего газа из одной вторичной среды образуется при температуре, которая, по меньшей мере, приблизительно на 10, или 15, или 25, или 35°C превышает температуру части указанного отходящего газа из указанной среды первичной реакции окисления и/или части указанного отходящего газа из другой среды вторичной реакции окисления. Предпочтительно, по меньшей мере, часть указанного отходящего газа из одной вторичной среды образуется при температуре, которая меньше чем приблизительно на 20, или 15, или 10, или 5°C отличается от температуры другой части указанного отходящего газа из другой среды вторичной реакции окисления. Предпочтительно, по меньшей мере, один из указанных отходящих после реакции газов поступает из среды вторичной реакции окисления, которая удалена горизонтально от части указанной среды первичной реакции меньше чем приблизительно 60, или 20, или 8, или 2 м. Предпочтительно, по меньшей мере, один из указанных отходящих газов реакции поступает из среды вторичной реакции окисления, которая удалена горизонтально от части указанной среды первичной реакции, по меньшей мере, приблизительно на 4, или 8, или 16, или 32 м.
Предпочтительно, подвергают обработке, по меньшей мере, приблизительно 40, или 60, или 80, или 90% масс. молекулярного азота в отходящем после реакции газе, по меньшей мере, из одной среды вторичной реакции окисления, которые объединяют, по меньшей мере, с приблизительно 40, или 60, или 80, или 90% масс. молекулярного азота в отходящем после реакции газе из среды первичной реакции окисления в общей объединенной установке извлечения растворителя и/или дегидратации, турбоэкспандере, конденсаторе, ловушке конденсата, TOD и/или скруббере для удаления брома.
Настоящее изобретение является предпочтительным для способа получения сырой TPA, где общее содержание примеси одноосновной карбоновой кислоты составляет, по меньшей мере, приблизительно 1000, или 2000, или 4000, или 6000 весовых частей на миллион (м.д.); для способа получения очищенной TPA, где общее содержание примеси одноосновной карбоновой кислоты составляет меньше чем приблизительно 1000, или 500, или 300, или 200 м.д.; и для способа одновременного получения как сырой, так и очищенной TPA в любом соотношении. Примеси одноосновной карбоновой кислоты в основном представляют собой бензойную кислоту, пара-толуиловую кислоту и 4-карбоксибензальдегид.
Настоящее изобретение более предпочтительно, для получения очищенного TPA с колориметрической величиной b меньше чем приблизительно 4,0, или 3,5, или 3,0, или 2,5 единиц показателя b в модели Lab. Колориметрическая величина b в данном описании обозначает один из показателей цветности, который измеряют с помощью спектрального прибора, такого как прибор Hunter Ultrascan XE (Hunter Associates Laboratory, Inc., 11491 Sunset Hills Road, Reston, VA 20190-5280, www.hunterlab.com), в режиме отражения. Положительные значения выражают степень желтизны (или меру поглощения синего цвета), в то время как отрицательные значения выражают степень синевы (или меру поглощения желтого цвета).
Приведенные в настоящем описании варианты осуществления изобретения касаются способов превращения м-ксилола (mX) в изофталевую кислоту (IPA) для всех аспектов, приведенных в данном описании, путем замены мета-производных пара-производными, например, м-ксилола п-ксилолом, изофталевой кислоты терефталевой кислотой, мета-толуиловой кислоты пара-толуиловой кислотой и 3-карбоксальдегида 4-карбоксальдегидом. Указанное дополнение применимо для всех способов получения IPA отдельно. Указанное дополнение применимо также в частично и/или полностью комбинированных способах получения как TPA, так и IPA.
Аспекты настоящего изобретения, касающиеся объединения отходящего после реакции газа из различных реакционных сред, с целью проведения обработки, по меньшей мере, в одной установке извлечения растворителя и/или дегидратации, турбоэкспандере, конденсаторе, ловушке конденсата, TOD и/или скруббере 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 настоящего изобретения, касающиеся регенерированного растворителя, применимы также в том случае, когда, по меньшей мере, часть растворителя, регенерируемого из отходящего после реакции газа при окислении одного из ксилолов, впоследствии используется в течение 72, или 48, или 24, или 12 часов в реакционной среде, в которой проводят окисление другого ксилола. Все аспекты настоящего изобретения, касающиеся фильтрата растворителя, применимы также в том случае, когда, по меньшей мере, часть фильтрата растворителя, образовавшегося при выделении твердого продукта, который представляет собой, преимущественно, одну ароматическую дикарбоновую кислоту, впоследствии используется в течение 72, 48, 24, 12 часов в реакционной среде, в которой проводят окисление другого ксилола. (Несмотря на то, что по возможности и часто предпочтительно стараются сохранить один фильтрат от попадания Co/Mn/Br и даже тяжелых ароматических примесей из другого выделенного фильтрата, преимущественно, не предпринимают никаких усилий для того, чтобы отделять такие компоненты, как вода, уксусная кислота и бензойная кислота.)
Предпочтительно, подвергают обработке, по меньшей мере, часть фильтрата растворителя (пара-фильтрата) из способа, в котором преобладающими ароматическими соединениями являются пара-замещенные соединения, и часть фильтрата растворителя (мета-фильтрат) из способа, в котором преобладающими ароматическими соединениями являются мета-замещенные, в установке очистки растворителя и/или извлечения катализатора, при этом совместно используется, по меньшей мере, один трубопровод, сосуд под давлением и/или находящиеся в них вращающиеся узлы. Подходящие установки для очистки фильтрата раскрыты в патентах США №№ 4939297, 7351396 и заявке на патент США № 2005-0038288 (полное содержание которых включены в данное описание посредством ссылки). По меньшей мере, часть пара-фильтрата и мета-фильтрата совместно, более предпочтительно, подают в одно и то же время, по сравнению с тем случаем, когда они участвуют в способе последовательно. По меньшей мере, часть очищенного фильтрата и/или, по меньшей мере, часть регенерированного катализатора из указанного способа, предпочтительно, используется впоследствии для создания, по меньшей мере, части среды реакции окисления и впоследствии участвует в образовании части пара-фильтрата или мета-фильтрата, более предпочтительно, участвует в образовании части обоих фильтратов. Предпочтительно, по меньшей мере, приблизительно 10, или 40, или 80, или 98% масс. ароматических примесей, удаленных из пара-фильтрата в указанном способе очистки фильтрата растворителя и/или извлечения катализатора, физически объединяют, по меньшей мере, с приблизительно 10, или 40, или 80, или 98% масс. ароматических примесей, удаленных из мета-фильтрата в указанном способе.
Все аспекты настоящего изобретения, касающиеся сжатого воздуха, предназначенного для подачи окислителя, применимы в том случае, когда часть сжатого воздуха из компрессора разделяется, с целью снабжения окислителем, по меньшей мере, одной среды реакции окисления, где преобладающим ароматическим соединением является пара-замещенное соединение, и, по меньшей мере, одной другой среды реакции окисления, где преобладающим ароматическим соединением является мета-замещенное соединение.
Все аспекты настоящего изобретения, имеющие отношение к конденсату, образовавшемуся в промежуточном холодильнике при подаче окислителя, применимы в том случае, когда, по меньшей мере, часть конденсата, образовавшегося в промежуточном холодильнике при подаче окислителя, делится на часть, которую используют, по меньшей мере, на одной стадии способа, где преобладающим ароматическим соединением является пара-замещенное соединение, и другую часть, которую используют, по меньшей мере, на одной другой стадии способа, где преобладающим ароматическим соединением является мета-замещенное соединение.
В одном варианте осуществлении настоящего изобретения, предпочтительно, меньший по масштабу способ получения IPA расположен по соседству с большим по масштабу способом получения TPA. Когда отходящий газ, по меньшей мере, из одной реакционной среды, где преобладает мета-замещенное соединение, объединяют с отходящим газом, по меньшей мере, из одной реакционной среды, где преобладает пара-замещенное соединение, то, предпочтительно, отходящий газ, образующийся из среды, где преобладает мета-замещенное соединение, составляет меньше чем приблизительно 50, или 40, или 30, или 20% масс. от массы объединенного отходящего газа и содержит меньше чем приблизительно 50, или 40, или 30, или 20% масс. от количества молекулярного азота в объединенном отходящем газе.
Когда отходящий газ, по меньшей мере, из одной реакционной среды, где преобладает мета-замещенное соединение, объединяют с отходящим газом, по меньшей мере, из одной реакционной среды, где преобладает пара-замещенное соединение, то, предпочтительно, отходящий газ, образующийся из среды, где преобладает мета-замещенное соединение, составляет, по меньшей мере, приблизительно 0,5; или 1,0; или 1,5; или 2,0% масс. от массы объединенного отходящего газа и содержит меньше чем приблизительно 0,5; или 1,0; или 1,5; или 2,0% масс. от количества молекулярного азота в объединенном отходящем газе.
Когда компрессор атмосферного воздуха подает окислитель, по меньшей мере, в одну реакционную среду, где преобладает мета-замещенное соединение, и, по меньшей мере, в одну реакционную среду, где преобладает пара-замещенное соединение, то, предпочтительно, реакционные среды, где преобладает мета-замещенное соединение, получают меньше чем приблизительно 50, или 40, или 30, или 20% масс. от общего массового расхода окислителя из указанного компрессора атмосферного воздуха. Когда компрессор атмосферного воздуха подает окислитель, по меньшей мере, в одну реакционную среду, где преобладает мета-замещенное соединение, и, по меньшей мере, в одну реакционную среду, где преобладает пара-замещенное соединение, то, предпочтительно, реакционные среды, где преобладает мета-замещенное соединение, получают, по меньшей мере, приблизительно 0,5; или 1,0; или 1,5; или 2,0% масс. от общего массового расхода окислителя из указанного компрессора атмосферного воздуха.
Более предпочтительно, указанные способы получения IPA и TPA соседствуют, по меньшей мере, с одним расположенным рядом способом получения PET. IPA, полученная в указанном расположенном по соседству способе, предпочтительно, включает, по меньшей мере, приблизительно 0,5; или 1,0; или 1,5; или 2,0% масс. всей дикарбоновой кислоты, направляемой в расположенный по соседству способ получения PET. Предпочтительно также, IPA, полученная в указанном расположенном по соседству способе, составляет меньше чем приблизительно 16, или 12, или 8, или 4% масс. от всей дикарбоновой кислоты, направляемой в расположенный по соседству способ получения PET.
В другом способе осуществления настоящего изобретения, предусматривающем или не предусматривающем размещение по соседству производства IPA и TPA, более предпочтительным является вариант, при котором, по меньшей мере, часть IPA, подаваемая из среды первичной реакции и преимущественно содержащая мета-замещенные соединения, направляется в среду реакции получения PET без очистки указанной IPA путем растворения, селективной гидрообработки и повторного осаждения с целью удаления 3-CBA и/или окрашенных примесей.
В одном способе осуществления настоящего изобретения указанная IPA, направляемая в среду реакции получения PET, предпочтительно, является либо сырым IPA, полученным непосредственно из среды первичной реакции окисления, которая представляет собой преимущественно мета-замещенное соединение, либо IPA после дополнительного окисления, которая образуется в среде вторичной реакции, средняя температура которой при проведении реакции менее чем приблизительно на 24, 16, 12, 8°С выше, чем температура указанной среды первичной реакции. Предпочтительно, указанный сырой IPA и/или IPA после дополнительного окисления содержит, по меньшей мере, приблизительно 20, или 80, или 160, или 320 мас. м.д. 3-CBA; меньше чем приблизительно 3000, или 2400, или 1800, или 1200 мас. м.д. 3-CBA; по меньшей мере, приблизительно 2, или 4, или 8, или 16 мас. м.д. 2,6-DCF; и меньше чем приблизительно 160, или 120, или 80, или 60 мас. м.д. 2,6-DCF.
В другом способе осуществления настоящего изобретения указанная IPA, направляемая в реакцию получения PET, предпочтительно, представляет собой выпаренную IPA, полученную в среде вторичной реакции, средняя температура при проведении реакции в которой, по меньшей мере, приблизительно на 16, или 24, или 30, или 36°C выше, чем температура указанной среды первичной реакции, и менее чем приблизительно на 80, или 70, или 60, или 50°C выше, чем температура указанной среды первичной реакции. Указанная выпаренная IPA, предпочтительно, содержит, по меньшей мере, приблизительно 10, или 40, или 60, или 80 мас. м.д. 3-CBA; меньше чем приблизительно 1000, или 800, или 500, или 300 мас. м.д. 3-CBA; по меньшей мере, приблизительно 2, или 4, или 6, или 8 мас. м.д. 2,6-DCF; и меньше чем приблизительно 120, или 80, или 60, или 40 мас. м.д. 2,6-DCF.
Другой аспект настоящего изобретения касается возможности лучше распорядиться водой из окружающей атмосферы, которая конденсируется и удаляется в способе сжатия атмосферного воздуха для подачи окислителя, а не сохранять ее в виде пара. Компрессор для подачи сжатого атмосферного воздуха часто включает системы многоступенчатого сжатия, в которых используют, по меньшей мере, один промежуточный холодильник, чтобы удалить выделяющуюся при сжатии теплоту и сделать способ более термодинамически и механически эффективным. В подобных системах, как правило, в межкаскадных охладителях образуется конденсированная вода, и указанную воду, как правило, отделяют от воздуха перед подачей на следующую стадии компрессии. Поскольку подобный конденсат, образовавшийся в промежуточном холодильнике при подаче окислителя, может быть загрязнен смазочными веществами и/или жидкостями гидрозатвора, то указанный конденсат обычно направляют в устройство обработки сточной воды, которое может представлять собой просто маслоотделитель, хотя иногда в указанном устройстве используют биологические или другие технологии очистки.
Авторы настоящего изобретения выявили следующие лучшие варианты использования конденсата, образовавшегося в промежуточном холодильнике при подаче окислителя, с одновременным уменьшением затрат на переработку сточной воды и снижением затрат на покупки и/или очистку водопроводной воды. По меньшей мере, часть конденсата, образовавшегося в промежуточном холодильнике при подаче окислителя, предпочтительно, подают в способ получения TPA и/или находящийся по соседству способ получения PET, более предпочтительно, подают, по меньшей мере, на одну из следующих стадий способа: Установка извлечения растворителя и/или дегидратации при получении TPA, в частности, в виде флегмы, как указано в данном описании. Система очистки фильтрата растворителя при получении TPA, в частности, в виде вспомогательного вещества для азеотропного разделения при извлечении компонентов катализатора для получения TPA, более предпочтительно, содержащего изопропилацетат, согласно имеющимся в настоящем описании ссылкам. Способ очистки TPA селективным каталитическим гидрированием сырой TPA. Скруббер в линии, соединяющей с окружающей атмосферой реактор для получения или контейнер для хранения TPA или PET.
По меньшей мере, часть конденсата, образовавшегося в промежуточном холодильнике при подаче окислителя, предпочтительно, направляют, по меньшей мере, в одну систему подготовки технической воды, более предпочтительно, для образования следующих систем, и наиболее предпочтительно, для использования в способах получения TPA и/или находящегося по соседству способа получения PET: Система охлаждения воды, более предпочтительно, система охлаждения воды в охлаждающей башне, где вода охлаждается прямым контактированием с воздухом. Система отфильтрованной воды. Система деионизированной и/или деминерализованной воды. Вода системы пожаротушения.
Количество конденсата, образовавшегося в промежуточном холодильнике при подаче окислителя, меняется в зависимости от влажности окружающего воздуха, температуры хладагента, скорости подачи п-ксилола и избытка молекулярного кислорода в отходящем после реакции газе, как за короткий период времени, так и в среднем. Соответственно, приведенные в настоящем описании предпочтительные способы применения включают, по меньшей мере, приблизительно 0,01; или 0,02; или 0,04; или 0,08 кг конденсата, образовавшегося в промежуточном холодильнике при подаче окислителя, на килограмм п-ксилола, подаваемого в соответствующую среду реакции окисления.
В общем случае, водяной пар, предпочтительно, непрерывно удаляют путем его введения на различные стадии способа; тем не менее, в способе производства неизбежно возникают нарушения, а, кроме того, проводится техническое обслуживание оборудования, которые приводят к образованию временного излишка жидкой отработанной воды. Например, вскрытие реактора для проведения его осмотра или ремонта во время остановки способа часто сопровождается тщательной промывкой водой или обработкой паром, с целью удаления практически всего растворителя, субстрата и продукта; и количество подобной воды, образующейся при нарушении способа, может быть слишком большим по сравнению с количеством, требуемым для проведения технического обслуживания. Предпочтительно, предусматривают, по меньшей мере, один резервуар-хранилище для жидкой сточной воды, и указанная жидкая сточная вода впоследствии возвращается, по меньшей мере, на одну стадию способа и затем удаляется в виде водяного пара, как указано в данном описании. Подобный резервуар-хранилище жидкой сточной воды, предпочтительно, снабжают эффективной изоляцией с тем, чтобы контролировать высвобождение VOC в окружающую среду. Объем подобного резервуара-хранилища, предпочтительно, составляет, по меньшей мере, приблизительно 50, или 100, или 200, или 400 кубических метров. Объем подобного резервуара-хранилища, предпочтительно, составляет меньше чем приблизительно 12000, или 9000, или 6000, или 3000 кубических метров.
За счет объединения различных аспектов, касающихся удаления воды в парообразной форме в окружающую среду, более предпочтительно, после обработки в TOD, наряду с использованием конденсата, образовавшегося в промежуточном холодильнике при подаче окислителя, и/или воды, используемой в скруббере для удаления брома, в раскрытых вариантах осуществления настоящего изобретения для использования в способе и/или для использования в качестве технической воды, предпочтительно, получают меньше чем приблизительно 400, или 350, или 300, или 250, или 200, или 100, или 50, или 20 г жидких сточных вод на килограмм полученного твердого продукта TPA. Указанные рабочие параметры, предпочтительно, поддерживают практически непрерывно в течение длительных периодов времени. Указанные небольшие количества жидких сточных вод, предпочтительно, получают, по меньшей мере, в течение приблизительно 60, или 80, или 90, или 95% времени за непрерывный 24-часовой период времени. Указанные небольшие количества жидких сточных вод, предпочтительно, получают в течение среднего периода времени, который составляет, по меньшей мере, приблизительно 4, или 16, или 64, или 254 дня. Установка синтеза PET также производит воду в способе превращения, по меньшей мере, части TPA в PET, и эта вода часто загрязнена различными соединениями VOC, например, этиленгликолем, ацетальдегидом и различными диоксоланами. По меньшей мере, часть загрязненной воды после получения PET, предпочтительно, подвергают обработке в общей объединенной установке вместе с водой после получения TPA, которая поступает от соседней установки получения TPA. Предпочтительно, указанную загрязненную воду после получения PET оставляют в форме пара, покидающего указанную установку PET, для проведения обработки, или ее превращают в парообразную форму, используя, по меньшей мере, часть тепловой энергии от указанной соседней установки TPA.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения количество воды, образовавшейся в качестве побочного продукта или добавленной в способ окисления, которое выводится из указанной установки в окружающую среду в виде пара, составляет, по меньшей мере, 0,3; или 0,4; или 0,49 кг/кг ароматического соединения. В настоящем описании установка для получения продукта может включать обработку сточной воды.
Более предпочтительно, по меньшей мере, часть испаренной воды, образовавшейся при получении PET при протекании реакций в находящейся по соседству установке синтеза PET, подвергают обработке вместе, по меньшей мере, с частью испаренной воды, образовавшейся при получении TPA, в общем, объединенном TOD, а еще более предпочтительно, в RTO, согласно любому и/или всем раскрытым в данном описании вариантам осуществления настоящего изобретения, касающимся обработки отходящего газа из среды реакции окисления. Предпочтительно, по меньшей мере, часть среды реакции окисления, в которой образуется TPA, расположена таким образом, что минимальное горизонтальное расстояние от указанной установки синтеза PET составляет меньше чем приблизительно 1800, или 900, или 300, или 100 метров. По меньшей мере, часть TPA, предпочтительно, вводят в реакционную среду указанной находящейся по соседству установки синтеза PET по прошествии менее чем приблизительно 72, или 24, или 12, или 4 час после ее получения из пара-ксилола. Предпочтительно, обрабатывают, по меньшей мере, приблизительно 40, или 60, или 70, или 80% масс. отходящего газа из указанной находящейся по соседству установки синтеза PET в общем, объединенном TOD, а более предпочтительно, в RTO, вместе, по меньшей мере, с приблизительно 40, или 60, или 70, или 80% масс. отходящего после реакции газа, по меньшей мере, из одной среды первичной реакции окисления. Обработке, предпочтительно, подвергают, по меньшей мере, приблизительно 40, или 60, или 70, или 80% масс. воды, образующейся при получении TPA, которая поступает из установки получения TPA, в общем, объединенном TOD, а более предпочтительно, в RTO, вместе, по меньшей мере, с приблизительно 40, или 60, или 70, или 80% масс. воды, образующейся при получении PET, которая поступает из указанной находящейся по соседству установки получения PET.
Предпочтительно, обычный поток сточных вод из указанной находящейся по соседству установки получения PET, объединенный с обычным потоком сточных вод из указанной установки получения TPA, составляет меньше чем приблизительно 400, или 200, или 100, или 50 г жидких сточных вод на килограмм полученного PET. Если количество TPA, полученной в указанной установке получения TPA, больше чем на 10% масс. отличается от количества TPA, потребляемого в указанной находящейся по соседству установке получения PET, то в таком случае поток жидких сточных вод из указанной установки пропорционально разделяется в зависимости от соотношения его использования в указанной установке PET, указанное значение суммируется с потоком жидких сточных вод из указанной установки PET и делится на количество полученного PET.