纯化芳香族羧酸的装置和方法
【专利说明】纯化芳香族羧酸的装置和方法
[0001]本发明涉及用于纯化粗芳香族羧酸的反应容器和方法。更具体地，本发明涉及用于纯化芳香族多聚羧酸，且特别地对苯二甲酸或间苯二甲酸的反应容器和方法。
[0002]通常，通过氧化对二甲苯制备粗对苯二甲酸。在催化剂的存在下，使用醋酸作为溶剂进行氧化。然后，以逐步方式将溶液冷却以结晶对苯二甲酸。然后，从醋酸溶剂中去除粗对苯二甲酸并且通常采用过滤进行该步骤。所谓“粗”对苯二甲酸，其为最经济地制备为约99.6wt % -99.7wt %的纯度，主要杂质通常为4-羧基苯甲醛，其为在对苯二甲酸的制备之前直接在反应链中的中间体。由于诸如对甲基苯甲酸和苯甲酸的粗对苯二甲酸中的4-羧基苯甲醛和其他杂质具有单个羧酸末端基团，因此在下游聚合反应中充当链终止剂，其中对苯二甲酸与乙二醇反应以形成聚酯产物，它们的存在是不期望的。因此，尽管出于某些目的，粗对苯二甲酸的纯度水平是足够的，但通常需要进一步纯化该粗产物，例如在对苯二甲酸用于制备聚酯的情况下。纯化的对苯二甲酸具有显著更低的杂质含量，期望对甲基苯甲酸和4-羧基苯甲醛的总含量低于200ppm w/w。这确保纯化的对苯二甲酸具有足够纯度以制备可用于制造瓶子、膜、聚酯纤维和丝的聚合产物。
[0003]在催化剂的存在下，其他芳香族羧酸通过在溶剂中氧化芳香族化合物而制备。氧化反应的产物通常不具有使用它们的足够纯度，因此需要纯化步骤。
[0004]例如，在对苯二甲酸的纯化中，将被不期望杂质污染的粗对苯二甲酸溶于水以制备澄清溶液。然后，使溶液通过多相氢化催化剂，其中将杂质氢化为使它们更容易从期望的对苯二甲酸中分离的形式。因此，氢化步骤能实现制备高纯度的对苯二甲酸。关于“高”纯度，我们意思是最小的纯化的对苯二甲酸具有比粗对苯二甲酸更高的纯度并且优选具有200ppm w/w或更少的对甲基苯甲酸和4-羧基苯甲醛的含量。
[0005]其中将杂质氢化的方法的一个实例在US 3584039中描述，其中在催化剂的存在下将粗对苯二甲酸的水溶液氢化。从催化剂中分离处理的溶液，然后通过结晶回收纯的对苯二甲酸。然后，可从保留在母液中的杂质中分离晶体。在US 3584039中，催化剂为在惰性载体上的第VIII族贵金属催化剂。通常，商业上，催化剂为0.5% w/w钯/碳基载体。
[0006]由于催化剂非常易碎，因此为了使催化剂床的寿命最大化，通常使用完全浸没的(fully flooded)催化剂床运行氢化反应器。在该情况下，仅有液体溢出催化剂床且液体水平保持在催化剂床上。因此，在溶液到达液体水平之前，必须将氢化反应所需的氢气溶于供给至氢化反应器的液体中并且向下流过氢化催化剂床。使用完全浸没的(fully flooded)床装置运行，如果在它到达催化剂床之前溶于液体的氢气不足，那么并不能氢化所有的杂质使得不能获得期望的纯度水平。
[0007]长久以来，以最简单的形式，通过基础环形分配器将溶解的粗产物流流入反应容器以实现溶解氢气至氢化反应器的液体供料流。分配器能使粗液体供料通过位于氢化催化剂床的液体水平上面的蒸汽空间向下流入液体柱。蒸汽空间包含水蒸汽和氢气。通常，在速率等于氢气被溶于粗酸的水的液体溶液的速率下将氢气直接加入至蒸汽空间以保持容器中的压力。
[0008]氢气溶于液体流的速率取决于蒸汽空间中氢气的分压以及液体表面积。对可获得的氢气的分压有限制。分压主要受反应器容器的机械设计压力以及从将液体流供给至反应器的上游泵获得的最大输出压力的限制。
[0009]该环形分配器系统的主要问题是，发现孔边缘随时间腐蚀并且变大。最后，相邻孔之间的金属被腐蚀足够大，因此这些孔结合成为延长的开口。该分配器内孔的腐蚀逐渐降低该方法的效能。这是因为当通过蒸汽空间的液体柱的数量减少时，接触氢气的可使用的液体的表面积也减小。因此，由于传质面积减小，在液体中获得氢气浓度较低。
[0010]最终，这不利地影响工厂运转。这意味着或者必须降低反应器速率或者必须提高供料质量以降低原料中的杂质水平，因此降低氢化载量。这些作用影响制备期望的纯化产品的经济可行性。
[0011]最后，环形分配器的腐蚀需要停止工厂以便更换分配器。
[0012]即使当使用新的液体环形分配器运行工厂时，可使用的液体表面积的量可能不必足够大以使用氢气来使液体溶液完全饱和。
[0013]因此，期望考虑可替代设计方案以进一步增加反应器的蒸汽空间中的液体表面积。
[0014]与该类型的环形分配器有关的其他问题在于在反应器中必须提供额外的高度以提供用于液体和氢气之间接触的足够面积。该额外高度与提供足够高的液体柱以获得需要的液体表面积有关。
[0015]—种可替代配置在W02011/100682中描述。在该配置中，使用包含穿孔圆盘或穿孔圆形开口管或具有约0.3至0.9的纯化反应器容器直径的通道的液体分配器。穿孔盘把进入液体分成多个小液体柱，与使用常规环形分配器获得的表面积相比，其增加液体表面积。
[0016]尽管该配置提供可使用表面积的量的改进，但它确实具有各种缺点和弊端。特别地，反应容器的高度必须比常规配制进一步增加以允许分配器的安装并且必须提供额外高度以在分配器下面产生液体表面积。
[0017]其他问题是必须安装分配器盘使得它为确保从盘中获得液体的均匀流的水平。这是重要的，因为通过穿孔分配器盘的液体流的任何不平衡可导致液体表面积的减小。该要求使盘的安装困难。
[0018]允许液体供料具有在其中饱和的氢气的替代配置在CN202179958中描述。在该配置中，填充部分位于主催化剂床上面。填充部分延伸通过反应器的整个横截面。
[0019]替代配置在US2002127160中公开。在该配置中，子装配被描述为提供以向下流方式的液相和气相之间的接触。子装配包含至少一个位于颗粒固体床上面的分配器托盘，其包含多个下降管，各自覆盖至少一个喷气式分配器装置并且各自在它的上部具有至少一个流动横截面用于大部分气相进入下降管，并且在所述托盘上面的下降管的上部和下部之间，和至少一个流动横截面用于大部分液相进入下降管并且在它的下部至少一个在下降管中形成的混合物流的横截面用于在位于下部以下的颗粒固体床上分配它，各个下降管包含至少一种延伸通过在循环区中的上部和下部之间的下降管的整个横截面的填充物，由所述液相和所述气相通过的孔组成，所述孔以基本上径向定向所述下降管内的液体循环。然而，该配置的建造复杂并且在需要在催化剂床上飞反应容器中的显著高度。
[0020]因此，期望提供能实现氢化催化剂床的供料被氢气完全饱和的替代方法。还优选的是，在实现该期望的同时使其中进行氢化反应的容器的高度最小化。
[0021]通过在反应容器的蒸汽空间中提供填充部分和液体截留部分实现该期望。
[0022]因此，根据本发明的第一方面，提供了纯化粗芳香族羧酸的反应容器，其包含:
[0023]氢化催化剂床，其具有位于所述氢化催化剂床上面的蒸汽空间；
[0024]填充床和截留部分，其位于蒸汽空间内并且在所述催化剂床上面间隔；
[0025]在各自的位置引导粗芳香族羧酸至反应容器的装置和引导氢气至反应容器的装置，以便在使用中所述粗羧酸在所述填充床中接触氢气；和去除纯化的芳香族羧酸的装置；和
[0026]去除纯化的芳香族羧酸的装置。
[0027]通过该装置，粗芳香族羧酸可被氢气完全饱和。通常，以水溶液形式提供粗芳香族羧酸。“粗”羧酸供料可为来自制备羧酸供料的方法的直接产物或者它可为已经经过一些纯化方法的供料。
[0028]填充床通常具有液体在蒸汽空间中接触氢气的足够的空隙率。填充床并不被浸没(flooded)。使用该配置，可实现饱和