способ получения ароматической карбоновой кислоты

Формула изобретения

1. Способ получения ароматической карбоновой кислоты путем жидкофазного окисления ароматического исходного сырья, содержащего бензол, содержащий два или три способных к окислению заместителя в кольце, или нафталин, содержащий по меньшей мере один способный к окислению заместитель в кольце, кислородом в реакционной среде, содержащей исходные ароматические соединения, промотор, катализатор на основе тяжелого металла и растворитель, содержащий бензойную кислоту и от около 5 до около 60 вес.% воды, причем весовое отношение растворителя в реакционной среде находится в интервале от 1 до 40, причем окисление осуществляется в реакционной зоне реактора с двухфазным потоком, в условиях реакции с образованием отходящего газа высокого давления и при температуре в первой части реакционной зоны в интервале от 160 до 230°С, и при температуре во второй части реакционной зоны в интервале от 180 до 260°С, и по меньшей мере, часть полученной ароматической кислоты кристаллизуется из реакционной среды в реакционной зоне.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, около 10 вес.% ароматической карбоновой кислоты кристаллизуется в реакционной зоне.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, около 15 вес.% ароматической карбоновой кислоты кристаллизуется в зоне реакции.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что весовое отношение растворителя в реакционной среде, поступающей в зону реакции, находится в интервале от примерно 2 до примерно 30.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что исходное ароматическое соединение выбирают из группы, состоящей из пара-ксилола, мета-ксилола, орто-ксилола, 2,6-диметилнафталина, 1,5-диметилнафталина, 2,7-диметилнафталина или их смесей.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, 20 вес.% ароматической карбоновой кислоты кристаллизуется из реакционной среды, пока последняя находится в реакционной зоне.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, 25 вес.% ароматической карбоновой кислоты кристаллизуется из реакционной среды, пока последняя находится в реакционной зоне.

8. Способ по п.5, отличающийся тем, что исходное ароматическое соединение представляет собой пара-ксилол и ароматической карбоновой кислотой является терефталевая кислота.

9. Способ по п.5, отличающийся тем, что исходное ароматическое соединение представляет собой мета-ксилол, и ароматической карбоновой кислотой является изофталевая кислота.

10. Способ по п.5, отличающийся тем, что исходное ароматическое соединение представляет собой 2,6-диметилнафталин и ароматической карбоновой кислотой является 2,6-нафталиндикарбоновая кислота.

11. Способ по п.1, отличающийся тем, что промотор содержит бром.

12. Способ по п.1, отличающийся тем, что реактор с поршневым потоком содержит несколько соединенных последовательно непрерывно перемешиваемых реакторов смешения, причем каждый непрерывно перемешиваемый реактор смешения содержит реакционный участок, а несколько непрерывно перемешиваемых реакторов смешения содержат несколько реакционных участков, и реакционная зона представляет собой несколько реакционных участков.

13. Способ по п.1, отличающийся тем, что из потока отходящего газа высокого давления утилизируется энергия методом утилизации, включающим:

(а) удаление в высокоэффективном аппарате выделения, по меньшей мере, около 95 вес.% бензойной кислоты из потока газа высокого давления с образованием потока газа высокого давления, содержащего воду и газообразные побочные продукты, образовавшиеся в процессе окисления, и

(б) направление потока газа высокого давления в средство для улавливания энергии.

14. Способ по п.13, отличающийся тем, что удаление, по меньшей мере, около 95 вес.% бензойной кислоты в высокоэффективном аппарате выделения происходит путем фракционирования.

15. Способ по п.14, отличающийся тем, что высокоэффективный аппарат выделения, включает, по меньшей мере, около 5 теоретических тарелок.

16. Способ по п.13, отличающийся тем, что средство для улавливания энергии из потока газа высокого давления представляет собой расширитель.

17. Способ получения ароматической дикарбоновой кислоты путем жидкофазного окисления исходного ароматического сырья, включающий:

(а) приготовление реакционной среды, содержащей исходное ароматическое сырье, катализатор на основе тяжелого металла, источник брома и растворитель, содержащий бензойную кислоту и воду, причем ароматическое соединение представляет собой бензол, содержащий два способных к окислению алкильных заместителя в мета- или пара-положении в кольце, или нафталин, содержащий в кольце два способных к окислению алкильных заместителя, и весовое отношение растворителя в реакционной среде находится в интервале от 1 до 40;

(б) контактирование, по меньшей мере, части реакционной среды с кислородсодержащим газом в первом непрерывно перемешиваемом реакторе смешения при температуре от 160 до 230°С с образованием первого потока газа высокого давления и продукта, содержащего кристаллическую ароматическую дикарбоновую кислоту, в жидкой среде, содержащей растворенную дикарбоновую кислоту, катализатор на основе тяжелого металла, бром, воду, бензойную кислоту, промежуточные продукты окисления и побочные продукты;

(в) направление полученного продукта во второй непрерывно перемешиваемый реактор смешения, где образуется второй поток газа высокого давления и, по меньшей мере, часть этого продукта контактирует с кислородсодержащим газом при температуре от 180 до 260°С, при этом значительная часть промежуточных продуктов окисляется с получением ароматической дикарбоновой кислоты.

18. Способ по п.17, отличающийся тем, что исходное ароматическое соединение выбирают из группы, состоящей из пара-ксилола, мета-ксилола, орто-ксилола, 2,6-диметилнафталина, 1,5-диметилнафталина, 2,7-диметилнафталина или их смесей.

19. Способ по п.17, отличающийся тем, что исходное ароматическое соединение представляет собой пара-ксилол, и ароматической карбоновой кислотой является терефталевая кислота.

20. Способ по п.17, отличающийся тем, что исходное ароматическое соединение представляет собой мета-ксилол, и ароматической карбоновой кислотой является изофталевая кислота.

21. Способ по п.17, отличающийся тем, что исходное ароматическое соединение представляет собой 2,6-диметилнафталин, и ароматической карбоновой кислотой является 2,6-нафталиндикарбоновая кислота.

22. Способ по п.17, отличающийся тем, что весовое отношение растворителя в реакционной среде находится в интервале от примерно 2 до примерно 30.

23. Способ по п.17, отличающийся тем, что из первого потока газа высокого давления и второго газа высокого давления энергия утилизируется методом, включающим:

(а) соединение первого потока газа высокого давления и второго потока газа высокого давления с образованием потока газа высокого давления

(б) удаление в высокоэффективном аппарате выделения, по меньшей мере, около 95 вес.% бензойной кислоты из потока газа высокого давления с образованием потока газа высокого давления, содержащего воду и газообразные побочные продукты, образовавшиеся в процессе окисления, и

(в) направление потока газа высокого давления в средство для улавливания энергии.

24. Способ по п.23, отличающийся тем, что удаление, по меньшей мере, около 95% вес. бензойной кислоты в высокоэффективном аппарате выделения происходит путем фракционирования.

25. Способ по п.24, отличающийся тем, что высокоэффективный аппарат выделения включает, по меньшей мере, около 5 теоретических тарелок.

26. Способ по п.23, отличающийся тем, что средство для улавливания энергии представляет собой расширитель.

Описание изобретения к патенту

Область, к которой относится изобретение

Данное изобретение относится к получению ароматической карбоновой кислоты путем жидкофазного окисления соответствующего ароматического соединения, содержащего два или три способных к окислению заместителя в кольце. Конкретно, данное изобретение относится к способу получения ароматической карбоновой кислоты путем жидкофазного окисления соответствующего ароматического соединения, содержащего два или несколько способных к окислению заместителей в кольце, характеризующемуся тем, что растворитель, используемый при окислении, содержит бензойную кислоту и воду, и в результате получается ароматическая кислота с пониженным содержанием примесей.

Уровень техники

Ароматические карбоновые кислоты являются ценными химическими соединениями и исходными материалами для изготовления разнообразных изделий. Самые широко распространенные промышленные способы получения ароматических карбоновых кислот включают каталитическое жидкофазное окисление подходящего ароматического сырья при повышенных давлении и температуре. Например, ортоксилол окисляется с получением фталевой кислоты (РА), метаксилол окисляется с получением изофталевой кислоты (IA), пораксилол окисляется с получением терефталевой кислоты (ТА), 2,6-диметилнафталин - с получением 2,6-нафталиндикарбоновой кислоты (NDA) и псевдокумол - с получением 2,6-тримеллитовой кислоты (TMLA). Эти процессы катализируются одним или более соединениями тяжелых металлов, таких как кобальт, марганец, цирконий, церий или их смеси. Кроме того, реакцию окисления обычно ускоряют при помощи одного или нескольких промоторов, например элементарного брома.

ТА, вероятно, производится в самом большом количестве. В мире ее производят в количествах, превышающих 10 млрд фунтов в год. Один завод может производить от 100000 до более 750000 метрических тонн терефталевой кислоты в год. ТА используют, например, для получения полиэтилентерефталата, из которого изготавливают полиэфирные волокна для текстильной промышленности и полиэфирную пленку для упаковки и контейнеров. Хотя существуют и другие процессы, чаще всего ТА получают при высоком давлении путем экзотермического окисления п-ксилола в жидкой фазе с использованием воздуха или других источников молекулярного кислорода в качестве окислителя в присутствии одного или нескольких соединений тяжелых металлов в качестве катализатора и одного или нескольких промоторов.

Способы окисления параксилола и других ароматических соединений в жидкой фазе хорошо известны из уровня техники. Например, в патенте США 2833816 описан способ окисления ароматических соединений до соответствующих ароматических карбоновых кислот. Основным в этих процессах получения ароматических карбоновых кислот является применение катализатора окисления, содержащего соединения тяжелого металла и источника брома в жидкофазной реакционной смеси, включающей низкомолекулярную карбоновую кислоту, такую как уксусную, в качестве компонента реакционного растворителя. В растворителе при окислении содержится также определенное количество воды. Вода образуется также в результате реакции окисления. Хотя для регулирования температуры высокоэкзотермичной реакции окисления могут быть использованы различные средства, наиболее удобно тепло удаляется испарением растворителя, а именно при кипении, в процессе реакции окисления. Газ, выделяющийся в процессе реакции окисления, обычно содержит пар, монокарбоновую кислоту, ее эфир, двуокись углерода, моноокись углерода и бром, который в зависимости от применяемого исходного ароматического соединения находится, в основном, в виде одного или более алкилбромидов, таких как метилбромид. Метилбромид является токсичным и полагают, что при попадании в атмосферу он способствует расщеплению атмосферного озона. Следовательно, важно избегать попадания метилбромида в атмосферу. Кроме того, когда в качестве источника молекулярного кислорода используют сжатый воздух, газообразный выходящий поток содержит газообразный азот и непрореагировавший кислород.

При осуществлении обычных процессов ТА подвергается каталитической очистке для уменьшения содержащихся в ней примесей. Очищенная терефталевая кислота (РТА), на которой основано производство волокон, бутылок, пленок, получается каталитической очисткой технической терефталевой кислоты (ТА), полученной жидкофазным окислением параксилола.

Обычно после образования терефталевой кислоты последняя кристаллизуется и отделяется от маточной жидкости, которая содержит компоненты катализатора, уксусную кислоту и различные промежуточные и побочные продукты. Каталитическая ТА содержит ряд примесей, таких как 4-карбоксибензальдегид (4-СВА), и окрашенные примеси, которые определяются при измерении оптической плотности (абсорбции света) при 400 нм (OD400). Эти примеси оказывают нежелательное воздействие на полиэфирную смолу. Следовательно, ТА должна быть очищена.

В обычном способе очистки кристаллическую ТА растворяют в деионизированной воде при температурах от примерно 250°С и выше. Затем раствор контактирует с молекулярным водородом с присутствии катализатора гидрирования. Затем раствор охлаждают для кристаллизации очищенной терефталевой кислоты, которую затем выделяют, промывают и сушат. При использовании обычных процессов получаемая ТА обычно содержит около 2000-5000 ч./млн 4-СВА и имеет OD400, приблизительно равную 0,1. РТА обычно содержит менее примерно 75 ч./млн 4-СВА и имеет OD400, равную примерно 0,01.

В настоящее время используются также жидкостные способы, позволяющие получить терефталевую кислоту со средней степенью чистоты (МТА). МТА можно использовать во многих областях применения РТА, например при изготовлении волокон и пленок. МТА обычно содержит от примерно 100 до примерно 500 ч./млн 4-СВА и имеет OD400, немного превышающую примерно 0,01. Хотя МТА содержит больше 4-СВА, чем РТА, она получается практически таким же способом окисления без последующей очистки. Обычно используемые способы получения LA, PA, NDA и TMLA похожи на способ получения ТА. В каждом случае такой процесс включает жидкофазное окисление соответствующего ароматического соединения. Как и в случае ТА, ароматические кислоты, полученные в процессе окисления, содержат примеси, количество которых снижают путем очистки. В случае TMLA кислота часто подвергается последующей дегидратации для получения тримеллитового ангидрида.

В общем, подходящее сырье представляет собой бензол, содержащий два соответствующим образом расположенных способных к окислению заместителей в кольце, в случае ТА, IA и РА. В случае TMLA подходящее сырье представляет собой бензол, содержащий способные к окислению заместители в кольце в положениях 1, 2 и 4. В случае NDA подходящим сырьем является нафталин, содержащий способные к окислению заместители в кольце в положениях 2 и 6.

Сущность изобретения

Данное изобретение предусматривает непрерывный способ получения ароматической карбоновой кислоты путем жидкофазного окисления ароматического исходного соединения, содержащего бензол, содержащий два или три способных к окислению заместителя в кольце, или нафталин, содержащий по меньшей мере один способный к окислению заместитель в кольце, кислородом в реакционной среде, содержащей исходные ароматические соединения, промотор, катализатор на основе тяжелого металла и растворитель, содержащий бензойную кислоту и от около 5 до около 60% воды, причем отношение растворителя в реакционной среде находится в интервале от 1 до 40, причем окисление осуществляется в реакционной зоне реактора с двухфазным потоком, в условиях реакции с образованием отходящего газа высокого давления и при температуре в первой части реакционной зоны в интервале от 160°С до 230°С, и при температуре во второй части реакционной зоны в интервале от 180°С до 260°С, и по меньшей мере, часть полученной ароматической кислоты кристаллизуется из реакционной среды в реакционной зоне.

Используемое отношение растворителя определяется следующим образом:

Предпочтительно, чтобы отношение растворителя в реакционной среде, когда она попадает в зону реакции, было равно от примерно 2 до примерно 30.

Осуществление реакции в реакторе с двухфазным потоком (с поршневым, с пробковым потоком) применяется для уменьшения степени окисления промежуточных продуктов, таких как 4-СВА, в выходящем из зоны реакции потоке. Под «реактором с двухфазным потоком» мы понимаем реактор, в котором создаются условия, при которых предотвращается выведение ароматических реагентов из зоны реакции в течение времени, значительно меньшего, чем среднее время пребывания загруженного сырья. Важно то, что реактор может включать ряд непрерывно перемешиваемых реакторов смешения. Применение серии непрерывно перемешиваемых реакторов смешения для достижения условий двухфазного (поршневого) потока является общеизвестным методом и часто используется специалистами.

При осуществлении данного изобретения время пребывания реакционной среды в зоне реакции можно оптимизировать для достижения более полного окисления ароматического сырья по сравнению с обычными способами. Соответственно, ароматическая карбоновая кислота, полученная в результате реакции, содержит меньшие количества промежуточных продуктов по сравнению с кислотой, полученной по обычному способу. Когда данный способ используется для получения ТА, количество 4-СВА в ТА, полученной в результате реакции в реакционной зоне, является достаточно небольшим, поэтому перед превращением ТА в PET (полиэтилентерефталат) не требуется отдельной стадии очистки. Количество 4-СВА в ТА предпочтительно составляет менее примерно 500 ч./млн.

Как уже указывалось, реакция окисления является высокоэкзотермичной. Данное изобретение предусматривает адиабатические условия реакции. Соответственно, из зоны реакции не происходит удаления тепла. Более того, реакционная среда может находиться в кипящем состоянии, образуя поток отходящего газа, который может содержать водяной пар, бензойную кислоту, моноокись углерода, двуокись углерода, кислород и другие газы. Этот отходящий газ может быть переработан и обработан различными методами, известньми специалистам, в частности методом утилизации энергии, включающим:

(а) удаление в высокоэффективном аппарате выделения, по меньшей мере, около 95% вес. бензойной кислоты из потока отходящего газа высокого давления с образованием потока газа высокого давления, содержащего воду и газообразные побочные продукты, образовавшиеся в процессе окисления, и

(б) направление потока газа высокого давления в средство для улавливания энергии.

От 10% до 25% ароматической карбоновой кислоты кристаллизуется в реакционной зоне.

Исходное ароматическое соединение может быть выбрано из группы, состоящей из параксилола, метаксилола, ортоксилола, 2,6-диметилнафталина, 1,5-диметилнафталина, 2,7-диметилнафталина или их смесей.

При использовании в качестве исходного ароматического соединения параксилола ароматической карбоновой кислотой является терефталевая кислота, при использовании метаксилола - изофталевая кислота и при использовании 2,6-диметилнафталина - 2,6-нафталиндикарбоновая кислота.

В качестве промотора целесообразно использование брома.

Удаление, по меньшей мере, около 95% вес. бензойной кислоты происходит путем фракционирования в высокоэффективном аппарате выделения, который включает, по меньшей мере, около 5 теоретических тарелок.

Средство для улавливания энергии из потока газа высокого давления может быть в виде расширителя.

Согласно второму аспекту настоящего изобретения предусматривается способ получения ароматической дикарбоновой кислоты путем жидкофазного окисления исходного ароматического соединения, включающий:

(а) приготовление реакционной среды, содержащей исходное ароматическое сырье, катализатор на основе тяжелого металла, источник брома и растворитель, содержащий бензойную кислоту и воду, причем ароматическое соединение представляет собой бензол, содержащий два способных к окислению алкильных заместителя в мета- или пара-положении в кольце, или нафталин, содержащий в кольце два способных к окислению алкильных заместителя, и отношение растворителя в реакционной среде находится в интервале от 1 до 40;

(б) контактирование, по меньшей мере, части реакционной среды с кислородсодержащим газом в первом непрерывно перемешиваемом реакторе смешения при температуре от 160°С до 230°С с образованием первого потока газа высокого давления и продукта, содержащего кристаллическую ароматическую дикарбоновую кислоту, в жидкой среде, содержащей растворенную дикарбоновую кислоту, катализатор на основе тяжелого металла, бром, воду, бензойную кислоту, промежуточные продукты окисления и побочные продукты;

(в) направление полученного продукта во второй непрерывно перемешиваемый реактор смешения, где образуется второй поток газа высокого давления и, по меньшей мере, часть этого продукта контактирует с кислородсодержащим газом при температуре от 180°С до 260°С, при этом значительная часть промежуточных продуктов окисляется с получением ароматической дикарбоновой кислоты.

Как и первый вариант способа, этот способ предусматривает адиабатический процесс в первом и втором непрерывно перемешиваемых реакторах смешения. Следовательно, образуются потоки отходящего газа. Эти газообразные потоки содержат воду, двуокись углерода, кислород, моноокись углерода и бензойную кислоту. Когда используют воду и кислородсодержащий газ, эти отбираемые сверху потоки отходящего газа содержат также азот и другие неконденсирующиеся компоненты. Важно, чтобы отходящий из каждого реактора газ обрабатывали отдельно или же эти потоки можно соединить в один поток и обработать его.

В традиционных способах получения карбоновой кислоты, в которых в качестве растворителя используют алифатическую, например уксусную, кислоту, отбираемый сверху поток газа обрабатывают для удаления метилбромида и других вредных для окружающей среды веществ, образовавшихся в процессе окисления, и для выделения желательных компонентов, которые можно вернуть на стадию окисления. Эти стадии обработки и выделения обычно включают фракционирование, мокрую очистку газа и каталитическое окисление. Кроме того, для возвращения энергии, образовавшейся в процессе экзотермического окисления, обработкой отходящего газа можно применять схемы утилизации энергии, такие как описанные в патентах США 5612007 и 5723656, Abrams. В любом случае любая обработка отходящего газа обязательно включает отделение воды от кислотного растворителя и удаление вредных для окружающей среды компонентов путем мокрой очистки или каталитического окисления.

Применение бензойной кислоты в качестве компонента растворителя позволяет значительно уменьшить сложность способов и оборудования, необходимого для обработки или выделения компонентов отходящего газа.

Во-первых, вода и бензойная кислота разделяются гораздо легче из-за разницы их температур кипения, чем вода и уксусная кислота. Следовательно, фракционирование кислоты и воды в отходящем газе становится менее сложным. Во-вторых, количество образовавшихся бромидов, например метилбромида, сводится к минимуму, тем самым уменьшается количество оборудования и упрощаются способы, необходимые для обработки отходящего газа с целью удаления этого компонента и снижения риска загрязнения окружающей среды.

Рабочие условия в каждом непрерывно перемешиваемом реакторе смешения может определить специалист в данной области в зависимости от количества промежуточных продуктов окисления, желательных в конечном продукте. Температура в первом непрерывно перемешиваемом реакторе смешения может быть в интервале от примерно 160°С до примерно 230°С, предпочтительно в интервале от примерно 180°С до примерно 220°С. Давление в первом непрерывно перемешиваемом реакторе смешения находится предпочтительно в интервале от примерно 200 ф/дюйм² до примерно 500 ф/дюйм² (1378,9-3447,38 кПа), предпочтительнее от примерно 300 ф/дюйм² до примерно 450 ф/дюйм² (2068,4-3102,6 кПа). Температура во втором непрерывно перемешиваемом реакторе смешения может быть в интервале от примерно 180°С до примерно 260°С, предпочтительно в интервале от примерно 190°С до примерно 220°С. Давление во втором непрерывно перемешиваемом реакторе смешения предпочтительно находится в интервале от примерно 200 ф/дюйм² до примерно 500 ф/дюйм² (1378,9-3447,38 кПа), более предпочтительно от примерно 300 ф/дюйм² до примерно 450 ф/дюйм ² (2068,4-3102,6 кПа). В любом случае профили давления и температуры для обеспечения протекания реакции окисления в жидкой фазе легко определить.

Когда исходным ароматическим соединением является параксилол, а образующейся ароматической дикарбоновой кислотой - терефталевая кислота, содержание промежуточного продукта окисления, 4-СВА, в продукте превышает примерно 3000 ч./млн. Предпочтительно, чтобы, по меньшей мере, 85% 4-СВА, содержащегося в продукте, затем окислялось во втором непрерывно перемешиваемом втором реакторе смешения. Более предпочтительно, чтобы примерно 90-98% 4-СВА затем окислялось во втором непрерывно перемешиваемом реакторе смешения.

Жидкий поток из второго непрерывно перемешиваемого реактора смешения может быть направлен в кристаллизатор, где большая часть дикарбоновой кислоты в жидкой среде кристаллизуется, образуя при этом выходящую из кристаллизатора суспензию, содержащую кристаллическую твердую дикарбоновую кислоту и маточную жидкость. Этот выходящий из кристаллизатора поток затем направляют в систему разделения жидкость/твердое вещество, где дикарбоновая кислота выделяется и подвергается сушке. Выделенную маточную жидкость можно затем обработать обычными методами.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 представлена схема одного из вариантов способа с поршневым потоком по изобретению.

На фиг.2 представлена схема другого варианта данного изобретения, предусматривающего два непрерывно перемешиваемых реактора смешения.

Подробное описание изобретения

На фиг.1 отражена схема осуществления изобретения, согласно которой в реакционной зоне создается поршневой поток. Поток реакционной среды 101 и поток кислородсодержащего газа 102 направляют в реактор 103. Поток реакционной среды 101 содержит ароматическое соединение, катализатор на основе тяжелого металла и промотор окисления в растворителе, содержащем бензойную кислоту и воду. Ароматическое исходное соединение выбирают из группы, состоящей из бензолов, содержащих два или три способных к окислению заместителей в кольце, и нафталинов, содержащих, по меньшей мере, один способный к окислению заместитель в каждом из ароматических колец. Предпочтительно, чтобы ароматическое исходное соединение представляло собой параксилол, ортоксилол, метаксилол, псевдокумол, 1,5-диметилнафталин или их смеси. Катализатор на основе тяжелого металла содержит предпочтительно кобальт, марганец, цирконий, церий или их смеси. Промотор окисления предпочтительно является источником брома. Поток кислородсодержащего газа 102 содержит любой подходящий кислородсодержащий газ, предпочтительно воздух.

Реактор 103 содержит реакционную зону 104. Температура и давление в реакторе 103 выбираются таким образом, чтобы реакция окисления протекала в жидкой фазе. Давление в реакторе 103 предпочтительно находится в интервале от примерно 200 ф/дюйм² до примерно 500 ф/дюйм², более предпочтительно в интервале от примерно 300 ф/дюйм² до примерно 450 ф/дюйм² . Температура в реакторе 103 находится предпочтительно в пределах от примерно 180°С до примерно 230°С, более предпочтительно в пределах от примерно 190°С до примерно 220°С, наиболее предпочтительно в пределах от примерно 190°С до примерно 210°С. Отношение растворителя в реакционной среде в реакционной зоне 104 поддерживается в интервале от примерно 1 до примерно 40, предпочтительно в интервале от примерно 2 до примерно 30. Все указанные в данном описании интервалы включают крайние значения.

Реактор 103 работает в условиях поршневого потока, поэтому ароматические соединения в этом реакторе находятся в реакционной зоне 104 одно и то же время. В реакционной зоне 104 ароматические исходные соединения окисляются до соответствующей карбоновой кислоты. Карбоновая кислота, образовавшаяся в реакторе 103, может растворяться в реакционной среде не полностью. Следовательно, по мере образования карбоновой кислоты, по меньшей мере, часть ее начинает кристаллизоваться из реакционной зоны в реакционной зоне 104. Например, 10%, 15% или даже 25% образовавшейся карбоновой кислоты может кристаллизоваться в реакционной зоне 104. Выделение карбоновой кислоты может быть достигнуто обычными методами. Схема выделения карбоновой кислоты, отраженная на фиг.1, такая же, как в обычных способах, используемых при получении терефталевой кислоты и изофталевой кислоты. Показанный на фиг.1 поток, выходящий из реактора 106, содержит кристаллическую карбоновую кислоту в жидкой среде, содержащей растворенную карбоновую кислоту, воду, бензойную кислоту, катализатор на основе тяжелого металла, промотор окисления, промежуточные продукты окисления и побочные продукты. Количество промежуточных продуктов окисления, находящихся в потоке 106, выходящем из реактора, сведено к минимуму, так как окисление в поршневом потоке позволяет в значительной степени завершить реакцию окисления. Поток 106, входящий из реактора, направляют в кристаллизатор 107, где значительная часть растворенной карбоновой кислоты кристаллизуется. Кристаллизатор 107 представляет собой предпочтительно флэш-кристаллизатор, в котором давление потока 106, выходящего из реактора, значительно снижается почти мгновенно, при этом кристаллизация растворенной карбоновой кислоты ускоряется.

Вследствие разницы в летучести воды и бензойной кислоты значительная часть воды, содержащейся в потоке, выходящем из реактора, селективно испаряется во время снижения давления в кристаллизаторе. У некоторых ароматических карбоновых кислот, например ТА, растворимость уменьшается с уменьшением содержания воды в бензойной кислоте. Соответственно, сброс давления облегчает кристаллизацию карбоновой кислоты за счет комбинированного охлаждения выходящего из реактора потока и уменьшения растворимости карбоновой кислоты в остающейся жидкой среде при испарении воды.

Процесс кристаллизации в кристаллизаторе 107 приводит к образованию отходящего сверху из кристаллизатора газообразного потока 108 и потока 112. В этом кристаллизаторе газообразный поток 108 в основном содержит пар высокого давления, он может быть направлен в систему утилизации энергии 109, где пар конденсируется с образованием потока воды 110. Неконденсирующиеся компоненты газового потока 108, выходящего сверху из кристаллизатора, удаляются из системы продувкой потоком 111. Поток 111 может быть подвергнут дальнейшей переработке методами, хорошо известными специалистам.

Поток 112, выходящий из кристаллизатора, содержит кристаллическую карбоновую кислоту в жидкости, содержащей бензойную кислоту, катализатор на основе тяжелого металла и промотор окисления. Поток 112, выходящий из кристаллизатора, направляется в средство для разделения жидкость/твердое вещество 113, где кристаллическая карбоновая кислота отделяется от значительной части жидких компонентов потока 112. Средство 113 для разделения жидкости и твердого вещества включает, например, по меньшей мере, одну центрифугу или, по меньшей мере, один ротационный фильтр-пресс.Преимуществом настоящего изобретения является то, что жидкий компонент потока 112, выходящего из кристаллизатора, в основном бензойная кислота, имеет низкую летучесть при температуре кипения 484°F (251,1°C). Это позволяет проводить разделение жидкость/твердое вещество при повышенных температурах, что приводит к повышенной растворимости примесей, которые иначе могут выкристаллизовываться вместе с карбоновой кислотой.

Твердый поток 114 содержит кристаллическую карбоновую кислоту и примерно 10-30% бензойной кислоты и направляется в средство для промывки 115. В средстве для промывки 115 кристаллическая карбоновая кислота промывается для удаления содержащейся в ней бензойной кислоты. Эта промывка может быть осуществлена, например, повторным суспендированием кристаллической карбоновой кислоты в воде, подаваемой из водного потока 110, с последующим отделением твердого вещества от жидкости. Полученный продукт 116 представляет собой, например, влажный остаток на фильтре, который может быть высушен и направлен на хранение.

Промывная маточная жидкость 117 из средства для промывки 115 содержит бензойную кислоту и воду. Эта жидкость 117 может быть соединена с маточником 118, образующимся в рецикле 119, который направляется снова в реактор 103. Важным является то, что повышенная температура, при которой происходит разделение жидкости и твердого вещества в средстве для разделения 113, вызывает образование маточной жидкости при разделении 118 при повышенных температурах, тем самым позволяя возвратить маточную жидкость рецикла 119 в реактор 103 без нагрева или при небольшом нагреве. Можно также часть маточной жидкости рецикла 119 промыть, чтобы предотвратить попадание примесей в реактор 103.

Обычно необходимо при непрерывном осуществлении процесса добавлять катализатор на основе тяжелого металла, промотор окисления и другие компоненты реакционной среды для того, чтобы компенсировать потерю небольших количеств этих веществ в ходе процесса. Можно добавлять свежеприготовленный катализатор 120 для восполнения потери катализатора и промотор окисления. Поскольку используемый растворитель содержит бензойную кислоту, важно также обеспечить наличие свежей порции бензойной кислоты путем подачи толуола или другого моноалкила бензола в качестве части реакционной среды. Толуол или другой моноалкилбензол превращается в бензойную кислоту в реакторе 103.

Реакция окисления является высокоэкзотермичной. Данное изобретение предусматривает адиабатические условия, при которых реакционная среда кипит, при этом образуется поток газа высокого давления 105, выходящий сверху. Этот газовый поток 105 содержит воду, двуокись углерода, моноокись углерода, бензойную кислоту и другие побочные продукты окисления. Когда поток кислородсодержащего газа 102 содержит воздух, газообразный поток 105 содержит также азот, аргон и другие неконденсирующиеся газы.

Обработка выходящего сверху потока газа высокого давления может включать направление этого потока газа высокого давления 105 в высокоэффективный аппарат для разделения (на фиг.1 не показан), где, по меньшей мере, примерно 95% бензойной кислоты удаляется и возвращается в реактор окисления. Из потока, выходящего сверху из высокоэффективного аппарата для разделения, можно утилизировать энергию. Эта операция описана в патенте США 5723656. Кроме того, обработка газового потока высокого давления 105 может включать конденсацию пара с последующим фракционированием, как описано в европейском патенте 498591, включенном в данное описание в качестве ссылки.

На фиг.2 представлена схема осуществления способа по изобретению, включающего два последовательно соединенных непрерывно перемешиваемых реактора. На фиг.2 показано, что реакционная среда 201 и первый поток кислородсодержащего газа 202 направляются в первый непрерывно перемешиваемый реактор смешения 203. Реакционная среда 201 содержит ароматическое исходное соединение, катализатор на основе тяжелого металла и промотор окисления в растворителе, содержащем бензойную кислоту и воду.

Ароматическое исходное соединение выбирают из группы, состоящей из бензолов, содержащих в кольце два или три способных к окислению заместителя, или нафталинов, содержащих, по меньшей мере, один способный к окислению заместитель в каждом из ароматических колец. Предпочтительное ароматическое исходное соединение представляет собой параксилол, ортоксилол, метаксилол, псевдокумол, 1,5-диметилнафталин, 2,6-диметилнафталин, 2,7-диметилнафталин или их смеси. Катализатор на основе тяжелого металла предпочтительно включает кобальт, марганец, цирконий, церий или их смеси. Предпочтительный промотор окисления является источником брома. Кислородсодержащий газ 102 представляет собой любой подходящий кислородсодержащий газ, предпочтительно воздух. Отношение растворителя в реакционной среде находится в интервале от примерно 2 до примерно 40, предпочтительно от примерно 4 до примерно 20. Кроме того, растворитель содержит от примерно 5% до примерно 60% воды, предпочтительно от примерно 10% до примерно 40% воды.

В первом непрерывно перемешиваемом реакторе смешения 203 ароматическое исходное соединение окисляется в жидкой фазе до ароматической карбоновой кислоты и различных промежуточных соединений. Выходящий из первого реактора жидкий поток 204 содержит кристаллическую ароматическую карбоновую кислоту в жидкой среде, содержащей растворенную карбоновую кислоту, катализатор на основе тяжелого металла, бром, воду, бензойную кислоту, промежуточные продукты окисления и побочные продукты. Предпочтительно, чтобы более примерно 10% вес. полученной в первом непрерывно перемешиваемом реакторе смешения 203 карбоновой кислоты кристаллизовалось в этом первом реакторе 203.

Выходящий из первого реактора поток 204 направляют во второй непрерывно перемешиваемый реактор смешения 205. В этом втором реакторе 205, по меньшей мере, часть выходящего из первого реактора потока 204 контактирует с кислородом, поступающим со вторым кислородсодержащим потоком газа 206, при этом значительная часть промежуточных продуктов окисления окисляется до ароматической карбоновой кислоты. Жидкий поток 207, выходящий из второго реактора, содержит закристаллизовавшуюся ароматическую карбоновую кислоту в жидкой среде, содержащей растворенную карбоновую кислоту, катализатор на основе тяжелого металла, бром, воду, бензойную кислоту, промежуточные продукты окисления и побочные продукты. По сравнению с потоком 204, выходящим из первого реактора, поток 207, выходящий из второго реактора, содержит примерно на 85% вес. меньше промежуточных продуктов окисления. Более того, около 85% вес. промежуточных продуктов окисления, содержащихся в потоке 204, выходящем из первого реактора, окисляется до карбоновой кислоты во втором непрерывно перемешиваемом реакторе 205.

Рабочие условия в каждом непрерывно перемешиваемом реакторе смешения могут быть легко определены специалистом в зависимости от содержания промежуточных продуктов окисления, которые желательно получить в конечном продукте. Температура в первом непрерывно перемешиваемом реакторе смешения 203 может находиться в интервале от примерно 160°С до примерно 230°С, предпочтительно от примерно 180°С до примерно 220°С. Давление в первом непрерывно перемешиваемом реакторе смешения 203 находится предпочтительно в пределах от примерно 200 ф/дюйм² (1378,9 кПа) до примерно 500 ф/дюйм² (3447,38 кПа), более предпочтительно от примерно 300 ф/дюйм² до примерно 450 ф/дюйм ² (2068,4-3102,6 кПа). Температура во втором непрерывно перемешиваемом реакторе смешения 205 может быть в интервале от примерно 180°С до примерно 260°С, предпочтительно в интервале от примерно 190°С до примерно 220°С. Давление во втором непрерывно перемешиваемом реакторе смешения 205 предпочтительно находится в интервале от примерно 200 ф/дюйм² (1378,9 кПа) до примерно 500 ф/дюйм² (3447,38 кПа), более предпочтительно в интервале от примерно 300 ф/дюйм² (2068,4 кПа) до примерно 450 ф/дюйм² (3102,6 кПа). В любом случае профили давления и температуры обычно определяются таким образом, чтобы обеспечить протекание реакции окисления в жидкой фазе.

Когда исходным ароматическим соединением является параксилол, а образуется в качестве ароматической дикарбоновой кислоты терефталевая кислота, количество промежуточного 4-СВА в суспензии образовавшегося продукта больше примерно 3000 ч./млн. Предпочтительно, чтобы, по меньшей мере, примерно 85% 4-СВА, содержащегося в потоке 204, выходящем из первого реактора, далее окислялось во втором непрерывно перемешиваемом реакторе смешения 205. Более предпочтительно, чтобы примерно 90-98% 4-СВА, содержащегося в потоке 204, выходящем из первого реактора, окислялось затем до терефталевой кислоты во втором непрерывно перемешиваемом реакторе смешения 205.

Осуществление процесса в адиабатических условиях в первом непрерывно перемешиваемом реакторе 203 и втором непрерывно перемешиваемом реакторе 205 приводит к образованию первого потока газа 208 и второго потока газа 209. И первый поток газа 208, и второй поток газа 209 представляют собой газ высокого давления и содержат воду, двуокись углерода, моноокись углерода, кислород, бензойную кислоту и, если воздух является кислородсодержащим газом, другие неконденсирующиеся компоненты, такие как азот. Эти потоки газа обычно подвергают какой-либо обработке и/или рекуперации, они могут обрабатываться в отдельности или же их можно объединить в один поток. Первый поток газа 208 и второй поток газа 209 могут быть обработаны или в отдельности, или вместе методами, обсуждавшимися выше при описании фиг.1. Например, обработка первого потока газа 208 и второго потока газа 209 может включать направление их в высокоэффективный аппарат для разделения (не показан на фиг.1), в котором удаляется, по меньшей мере, около 95% бензойной кислоты, и направляют ее в реактор окисления вместе с другими рекуперированными реагентами. Из выходящего сверху в высокоэффективном аппарате для разделения потока может быть утилизирована энергия путем направления потока в средство для утилизации энергии, такое как расширительное устройство. Такие средства для утилизации энергии могут быть соединены с генератором, где энергия превращается в электрическую.

Полученная карбоновая кислота может быть выделена из второго потока газа 207 тем же способом, который обсуждался при описании фиг.1. Как схематически показано на фиг.2, кристаллизатор 210, средство для выделения 211, средство для разделения жидкость/твердое вещество 212 и средство для промывки 213 работают так же, как описано в случае фиг.1.