芳香羧酸的回收脱水共沸蒸馏工艺的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种芳香羧酸的回收脱水共沸蒸馏工艺，其步骤包括：(A)由包含有全冷凝器、再沸器以及多个平衡板的第一共沸蒸馏塔将非均相产物由进料平衡板引入；(B)将该塔顶产物引入分相槽内；(C)将分相槽内10%至95%的水相液体及有机相液体回流到第一共沸蒸馏塔内，其余水相液体流入包含有全冷凝器、再沸器以及多个平衡板的第二共沸蒸馏塔，将大部分水由第二共沸蒸馏塔塔底流出，塔顶得到乙酸甲酯、少量水与对位二甲苯；(D)再由第一共沸蒸馏塔的多个平衡板之间作引流进入分相槽内作为第一共沸蒸馏塔的挟带剂。本发明可使工艺减少一共沸蒸馏塔及使工艺成分较少，将第一共沸蒸馏塔侧流所回收的PX直接供应作为挟带剂，减少工艺自由度及再沸器能耗与挟带剂费用。
【专利说明】芳香羧酸的回收脱水共沸蒸馏工艺
【技术领域】
[0001]本发明有关一种脱水工艺，特别指一种能在乙酸脱水工艺中以脱水率高且已存在非匀相共沸蒸馏塔塔内的对位二甲苯作为挟带剂的芳香羧酸的回收脱水共沸蒸馏工艺。
【背景技术】
[0002]敬请参阅图1所示，为已知乙酸脱水工艺的流程图，按已知许多使用不同挟带剂的乙酸脱水工艺，如Othmer (1941)使用乙酸正丙酯当挟带剂,将乙酸与水分离；如Tanaka和Yamada(1972)使用乙酸丁酯及乙酸乙酯作为分离的挟带剂；如Siirola(1995)应用共沸蒸懼程序，使用乙酸乙酯当挟带剂；如Wasylkiewicz (2000)利用蒸懼边界、蒸余曲线等原理，对乙酸脱水的程序作一分析，所使用的挟带剂为乙酸丁酯，并利用这些原理来预估共沸蒸懼所选择的挟带剂是否可行；如Chien (2004)利用Aspen Plus进行乙酸脱水的计算模拟，分析三种挟带剂对工艺的影响，三种挟带剂分别为乙酸乙酯、乙酸正丁酯与乙酸异丁酯(iso-butyl acetate, IBA),分析其在蒸懼塔中纯化的效能以及所耗费的成本,得到的结果以乙酸异丁酯(iso-butyl acetate, IBA)为最佳。
[0003]从已知文献可以发现，大部分乙酸脱水工艺都是以乙酸酯当作挟带剂，如乙酸甲酯(methyl acetate, MA)、乙酸乙酯、乙酸正丁酯或乙酸异丁酯，但以乙酸酯为挟带剂会有几项缺点:(I)乙酸酯为外加成分，会增加工艺的成本与系统的自由度，导致操作或是热力学计算较为复杂；(2)在乙酸脱水工艺中进料所含的微量不纯物:对位二甲苯(p-xylene,PX),会不断累积在塔内，必须设置侧流(side draw)将之排出，而在对位二甲苯(p-xylene, PX)排出的同时也会将挟带剂排出，造成挟带剂的浪费。
[0004]已知乙酸脱水工艺以乙酸异丁酯(IBA)为挟带剂，根据Wang等人(2008)所发表的论文设计已知乙酸脱水工艺，此工艺主要由三个共沸蒸馏塔所构成，如图1所示的第一共沸蒸馏塔100，(Cl，)、第二共沸蒸`馏塔200，(C2，)、第三共沸蒸馏塔300，(C3，)，该非匀相第一共沸蒸馏塔100’(Cl’)，包含全冷凝器与再沸器共45个平衡板。操作压力为I大气压(Iatm)，总压降假设为0.273大气压。
[0005]该进料物流I’ (Stream I)包含水(H2O)、乙酸(HAc)及少量的乙酸甲酯(MA)、对位二甲苯(PX)，在70.(TC与I大气压(I atm)情况下，由第9平衡板进入第一共沸蒸馏塔100’(Cl’)，而该水(H2O)与乙酸(HAc)流量皆为1000 kmol/hr，乙酸甲酯(MA)与对位二甲苯(PX)流量分别为30 kmol/hr与0.29 kmol/hr，而其由第8平衡板作侧引流为物流6’(Stream 6)，而第一共沸蒸馏塔100’(Cl，)的塔底产物为物流3’ (Stream 3)。
[0006]挟带剂为乙酸异丁酯(IBA)，加入分相槽400 (decanter)，该分相槽400’的温度为35°C，分相槽400’的有机相液体全回流至第一共沸蒸馏塔100’(Cl’)，因挟带剂乙酸异丁酯(IBA)会随着水相液体、侧流以及塔底产物流出而流失，所以除了回收所得的乙酸异丁酯(IBA)外,还需要以0.446 kmol/hr的流量于物流5’ (Stream 5)补充乙酸异丁酯(IBA)。
[0007]又因为乙酸异丁酯(IBA)会与水(H2O)在第一共沸蒸馏塔100(C1’ )的塔顶会产生最小共沸物，经冷凝后，流进分相槽400’，使分相槽400’的液体自然分为有机相液体及水相液体，由于有机相液体内含有许多的乙酸异丁酯(IBA)，所以将有机相液体由物流2’(Stream2)全回流至第一共沸蒸馏塔100’(Cl’)的乙酸脱水塔。水相液体则全部流入后半段的工艺再进行分离，水相液体所损失的乙酸(HAc)规范需低于0.025 mol%，该第一共沸蒸馏塔100’(Cl’ )的塔底则分离出高纯度(99.5 mol%)的乙酸(HAc)。
[0008]由于对位二甲苯(PX)会在塔顶蒸出，经冷凝后由分相槽400’的有机相液体回流，将逐渐累积在塔内形成不稳定的蒸馏状态，为了避免对位二甲苯(PX)在塔内累积，一般工厂解决的方式为间隔一段时间，以批次方式由塔侧抽取出累积的对位二甲苯(PX)，但此法不但耗时、麻烦，且易造成工艺操作的不稳定。解决对位二甲苯(PX)累积于塔内的另外一种方式是以侧流将对位二甲苯(PX)连续排出，侧流的设置是选择蒸馏塔内对位二甲苯(PX)成分最多的平衡板，其流量为1.2 kmol/hr。分相槽400’所分离的水相液体，全部从第二共沸蒸馏塔200’(C2’ )其物流4’ (Stream4)的第4平衡板进入，而该第二共沸蒸馏塔200’(C2’ )则含全冷凝器与再沸器共8个平衡板，大部分的水(H2O)将由第二共沸蒸馏塔200’(C2’ )塔底流出，塔顶的成分包含大部分的乙酸甲酯(MA)、乙酸异丁酯(IBA)及少量的水(H2O),再从物流7 ’ (Stream7)进入第三共沸蒸馏塔300’ (C3)的第7平衡板，而该第三共沸蒸馏塔300’(C3’ )含全冷凝器与再沸器共15个平衡板并继续进行分离，在第三共沸蒸馏塔300’(C3’)塔顶可以得到乙酸甲酯(MA)与少部分的水(H2O),塔底则得到乙酸异丁酯(IBA)与另一部分的水(H2O),塔底的乙酸异丁酯(IBA)将由物流10’ (StreamlO)经分相槽400’而回流到第一共沸蒸馏塔100’ (Cl)当作挟带剂。
[0009]已知的第二共沸蒸馏塔200’ (C2)、第三共沸蒸馏塔300’(C3’ )的设计主要需达到几个目的:
(1)将大部分的水(H2O)由第二共沸蒸馏塔(C2’)塔底排出，但乙酸甲酯(MA)与乙酸异丁酯(IBA)不可由塔底流失太多；
(2)将乙酸甲酯(MA)与乙酸异·丁酯(IBA)分别由第三共沸蒸馏塔300’(C3’)塔顶及塔底分离。但由于乙酸甲酯(MA)与水(H2O)以及乙酸异丁酯(IBA)与水(H2O)皆存在共沸点，限制了分离后乙酸甲酯(MA)与乙酸异丁酯(IBA)的纯度。
[0010]第二共沸蒸馏塔200’(C2，)的塔底物流8’ (Stream8)产物，水(H2O)流量为990.73kmol/hr，还有极少量的乙酸甲酯(MA)以及乙酸异丁酯(IBA)，水(H2O)浓度为99.98 mol%。
[0011]第三共沸蒸馏塔300’(C3，)塔底物流10’(StreamlO)，主要为水(H2O)与乙酸异丁酯(IBA)，其塔顶物流9’ (Stream 9)的产物则为水(H2O)与乙酸甲酯(MA)，因乙酸甲酯(MA)与水(H2O)以及乙酸异丁酯(IBA)与水(H2O)皆存在共沸点，限制了分离后乙酸甲酯(MA)与乙酸异丁酯(IBA)的纯度，乙酸甲酯(MA)与乙酸异丁酯(IBA)的浓度分别为87.92mol% 与 14.93 mol%。
[0012]就已知乙酸脱水工艺的成本计算，已知乙酸脱水工艺的第一共沸蒸馏塔IOO(Cl)及第二共沸蒸馏塔200’ (C2)分别为45平衡板及8平衡板，第三共沸蒸馏塔300’(C3’)为15平衡板。再沸器能耗的部分，已知乙酸脱水工艺的第一共沸蒸馏塔100’(Cl’)再沸器能耗为84931 MJ/hr，传统乙酸脱水工艺的第二共沸蒸馏塔(C2’)、第三共沸蒸馏塔(C3’)，再沸器能耗分别为12255 MJ/hr与2200 MJ/hr。已知乙酸脱水工艺总再沸器能耗为99386MJ/hr。挟带剂比较的部分，由业界的报价得知，1000克的乙酸异丁酯(IBA)价格为1.5美元(新台币45元)，已知乙酸脱水工艺的乙酸异丁酯(IBA)补充量为0.446 kmol/hr，一年为3853.44 kmol，以乙酸异丁酯(IBA)分子量116.16，可算出已知乙酸脱水工艺乙酸异丁酯(IBA)每年补充所需费用为671，433美元(新台币20，143仟元)。最后将挟带剂消耗量与再沸器能耗换算成以美元为单位的金额，为方便比较，再沸器热消耗参考Gau(2005)所列的数据，1000磅蒸气费用约为3.4美元，也就是I吨蒸气费用约为7.5美元，由公式:
蒸气成本
【权利要求】
1.一种芳香羧酸的回收脱水共沸蒸馏工艺，其特征在于，包括以下步骤: (A)包含有全冷凝器、再沸器以及多个平衡板的第一共沸蒸馏塔将含有水、乙酸、乙酸甲酯、对位二甲苯的非均相产物的进料物流由进料平衡板引入，该塔底产物的物流为乙酸，而塔顶则冷凝塔顶产物； (B)将该塔顶产物引入分相槽内，该塔顶产物经分相槽分为有机相液体的物流与水相液体的物流； (C)将分相槽内10%至95%的有机相液体及水相液体的物流回流到第一共沸蒸馏塔内，而其余水相液体则流入包含有全冷凝器、再沸器以及多个平衡板的第二共沸蒸馏塔，由多个平衡板之间引入其内，将大部分水由第二共沸蒸馏塔塔底的物流流出，而塔顶将得到乙酸甲酯、少量水与对位二甲苯； (D)再由第一共沸蒸馏塔的多个平衡板之间的物流作引流进入分相槽内作为第一共沸蒸馏塔的挟带剂。
2.如权利要求1所述芳香羧酸的回收脱水共沸蒸馏工艺，其特征在于，该挟带剂为对位二甲苯。
3.如权利要求1项所述芳香羧酸的回收脱水共沸蒸馏工艺，其特征在于，该挟带剂由第一共沸蒸馏塔侧引流至分相槽。
4.如权利要求2所述芳香羧酸的回收脱水共沸蒸馏工艺，其特征在于，该挟带剂由第一共沸蒸馏塔侧引流至分相槽。
5.如权利要求1、2、3或4所述芳香羧酸的回收脱水共沸蒸馏工艺，其特征在于，该步骤(A)中第一共沸蒸馏塔的多 个平衡板由20至120个平衡板所组成。
6.如权利要求5所述芳香羧酸的回收脱水共沸蒸馏工艺，其特征在于，该步骤(A)中第一共沸蒸馏塔的非均相产物由多个平衡板最上面的平衡板向下数第2个平衡板至最下面的平衡板向上数至第2个平衡板之间引入。
7.如权利要求6所述芳香羧酸的回收脱水共沸蒸馏工艺，其特征在于，该步骤(C)中第二共沸蒸馏塔的多个平衡板由5至60个平衡板所组成。
8.如权利要求7所述芳香羧酸的回收脱水共沸蒸馏工艺，其特征在于，该步骤(C)中第二共沸蒸馏塔的其余水相液体由多个平衡板的最上面的平衡板向下数至第2个平衡板至最下面的平衡板向上数至第2个平衡板之间引入其内。
9.如权利要求8所述芳香羧酸的回收脱水共沸蒸馏工艺，其特征在于，该步骤(D)再由第一共沸蒸馏塔的多个平衡板最上面的平衡板向下数至第2个平衡板至最下面的平衡板向上数至第2个平衡板之间作引流进入分相槽内作为第一共沸蒸馏塔的挟带剂。
【文档编号】C07C53/08GK103848733SQ201210512051
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2012年12月4日 优先权日:2012年12月4日
【发明者】李亮三 申请人:新鼎系统股份有限公司, 李亮三