Sistema de oxidación con reactor secundario interno.

Un procedimiento de preparación de una composición de ácido policarboxílico,

comprendiendo dicho procedimiento:

(a) someter una primera porción (220a) de un medio de reacción multifásico (220) a oxidación en una primera zona de reacción (216) definida dentro de un recipiente de reacción externo (206);

(b) someter una segunda porción (220b) de dicho medio de reacción multifásico (220) a oxidación en una segunda zona de reacción (218) definida dentro de un recipiente de reacción interno (210), en el que dicho recipiente de reacción interno (210) está al menos parcialmente dispuesto en dicho recipiente de reacción externo (206); en el que dicho medio de reacción multifásico (220) se somete primero a oxidación en dicha primera zona de reacción (216) y luego se somete a oxidación en dicha segunda zona de reacción (218) de forma que dicha primera porción (220a) se localiza en dicha primera zona de reacción (216), mientras que dicha segunda porción (220b) se localiza en dicha segunda zona de reacción (218); y

(c) después de procesarse en dicha segunda zona de reacción (218), extraer al menos una porción de una fase de suspensión de dicho medio de reacción (220b) de dicha segunda zona de reacción (218) para el posterior procesamiento aguas abajo, en el que dicha fase de suspensión comprende fases sólida y líquida;

en el que dicho recipiente de reacción interno (210) es un reactor de columna de burbujeo, y en el que dicho recipiente de reacción externo (206) es un reactor de columna de burbujeo.

Sistema de oxidación con reactor secundario interno

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere generalmente a un procedimiento para la producción de una composición de ácido policarboxílico. Un aspecto de la invención se refiere a la oxidación parcial de un compuesto aromático de dialquilo (por ejemplo, para-xileno) para producir un ácido dicarboxílico aromático bruto (por ejemplo, ácido tereftálico bruto) ,

que luego puede someterse a purificación y separación. Otro aspecto de la invención se refiere a un sistema de reactor mejorado que proporciona un procedimiento de oxidación más eficaz y económico.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Las reacciones de oxidación se emplean en una variedad de procedimientos comerciales existentes. Por ejemplo, la oxidación en fase líquida se usa actualmente para la oxidación de aldehídos a ácidos (por ejemplo, propionaldehído a ácido propiónico) , la oxidación de ciclohexano a ácido adípico y la oxidación de compuestos aromáticos de alquilo a alcoholes, ácidos o diácidos. Un procedimiento de oxidación comercial particularmente significativo en la última categoría (oxidación de compuestos aromáticos de alquilo) es la oxidación parcial catalítica en fase líquida de para

xileno a ácido tereftálico. El ácido tereftálico es un compuesto importante con una variedad de aplicaciones. El uso primario del ácido tereftálico es como materia prima en la producción de poli (tereftalato de etileno) (PET) . El PET es un plástico muy conocido usado en grandes cantidades en todo el mundo para fabricar productos tales como botellas, fibras y envases.

En un procedimiento de oxidación en fase líquida típico, que incluye la oxidación parcial de para-xileno a ácido tereftálico, una corriente de alimentación en fase líquida y una corriente de oxidante en fase gaseosa se introducen en un reactor y forman un medio de reacción multifásico en el reactor. La corriente de alimentación en fase líquida introducida en el reactor contiene al menos un compuesto orgánico oxidable (por ejemplo, para-xileno) , mientras que la corriente de oxidante en fase gaseosa contiene oxígeno molecular. Al menos una parte del oxígeno molecular

introducido en el reactor como gas se disuelve en la fase líquida del medio de reacción para proporcionar la disponibilidad del oxígeno para la reacción en fase líquida. Si la fase líquida del medio de reacción multifásico contiene una concentración insuficiente de oxígeno molecular (es decir, si ciertas porciones del medio de reacción están “privadas de oxígeno”) , reacciones secundarias no deseadas pueden generar impurezas y/o las reacciones previstas pueden retardarse en velocidad. Si la fase líquida del medio de reacción contiene demasiado poco compuesto oxidable, la tasa de reacción puede ralentizarse indeseablemente. Además, si la fase líquida del medio de reacción contiene una concentración en exceso del compuesto oxidable, reacciones secundarias no deseadas adicionales pueden generar impurezas.

Los reactores de oxidación en fase líquida convencionales están equipados con medios de agitación para mezclar el

medio de reacción multifásico contenido en su interior. La agitación del medio de reacción se facilita en un esfuerzo por promover la disolución de oxígeno molecular en la fase líquida del medio de reacción, mantener concentraciones relativamente uniformes de oxígeno disuelto en la fase líquida del medio de reacción y mantener concentraciones relativamente uniformes del compuesto orgánico oxidable en la fase líquida del medio de reacción.

La agitación del medio de reacción que se somete a oxidación en fase líquida se proporciona frecuentemente por medios de agitación mecánicos en recipientes tales como, por ejemplo, reactores de tanque con agitación continua (CSTR) . Aunque los CSTR pueden proporcionar mezclado continuo del medio de reacción, los CSTR tienen varios inconvenientes. Por ejemplo, los CSTR tienen un coste de capital relativamente alto debido a su requisito de motores caros, rodamientos y ejes de accionamiento impermeabilizados a los fluidos, y/o mecanismos de agitación 50 complejos. Además, los componentes mecánicos de rotación y/u oscilación de los CSTR convencionales requieren un mantenimiento regular. Los tiempos de trabajo y de parada asociados a tal mantenimiento se añaden al coste de operación de los CSTR. Sin embargo, incluso con mantenimiento regular, los sistemas de agitación mecánicos empleados en los CSTR son propensos al fallo mecánico y pueden requerir sustitución durante periodos de tiempo relativamente cortos.

Los reactores de columna de burbujeo proporcionan una alternativa atractiva a los CSTR y otros reactores de oxidación mecánicamente agitados. Los reactores de columna de burbujeo proporcionan agitación del medio de reacción sin requerir equipo mecánico caro y poco fidedigno. Los reactores de columna de burbujeo normalmente incluyen una zona de reacción vertical alargada dentro de la que está contenido el medio de reacción. La agitación del medio de reacción en la zona de reacción se proporciona principalmente por la flotabilidad natural de las burbujas de gas que suben a través de la fase líquida del medio de reacción. Esta agitación por flotabilidad natural proporcionada en los reactores de columna de burbujeo reduce los costes de capital y de mantenimiento con respecto a los reactores mecánicamente agitados. Además, la ausencia sustancial de partes mecánicas en movimiento asociadas a los reactores de columna de burbujeo proporciona un sistema de oxidación que es menos propenso al fallo mecánico que los reactores mecánicamente agitados.

Si la oxidación parcial en fase líquida del para-xileno se lleva a cabo en un reactor de oxidación convencional (CSTR

o columna de burbujeo) , la extracción de producto del reactor es normalmente una suspensión que comprende ácido tereftálico bruto (CTA) y disolución madre. El CTA contiene niveles relativamente altos de impurezas (por ejemplo, 4carboxibenzaldehído, ácido para-toluico, fluorenonas y otros cuerpos de color) que lo hacen inadecuado como materia prima para la producción de PET. Por tanto, el CTA producido en reactores de oxidación convencionales es normalmente sometido a un procedimiento de purificación que convierte el CTA en ácido tereftálico purificado (PTA) adecuado para preparar PET.

Un procedimiento de purificación típico para convertir CTA en PTA incluye las siguientes etapas: (1) sustituir las disolución madre de la suspensión que contiene CTA con agua, (2) calentar la suspensión de CTA/agua para disolver el CTA en agua, (3) hidrogenar catalíticamente la disolución de CTA/agua para convertir las impurezas en compuestos más deseables y/o fácilmente separables, (4) precipitar el PTA resultante de la disolución hidrogenada mediante múltiples etapas de cristalización, y (5) separar el PTA cristalizado de los restantes líquidos. Aunque es eficaz, este tipo de procedimiento de purificación convencional puede ser muy caro. Los factores individuales que contribuyen al alto coste de los procedimientos de purificación de CTA convencionales incluyen, por ejemplo, la energía térmica requerida para promover la disolución del CTA en agua, el catalizador requerido para la hidrogenación, la corriente de hidrógeno requerida para la hidrogenación, la pérdida de rendimiento producida por la hidrogenación de algo de ácido tereftálico y los múltiples recipientes requeridos para la cristalización de múltiples etapas. Por tanto, se desearía proporcionar un sistema de oxidación capaz de producir un producto de CTA que pudiera purificarse sin requerir la disolución en agua promovida por calor, la hidrogenación y/o la cristalización de múltiples etapas.

OBJETOS DE LA INVENCIÓN

Por tanto, es un objeto de la presente invención proporcionar un sistema de oxidación en fase líquida más eficaz y económico.

Otro objeto de la invención es proporcionar un reactor y procedimiento más eficaz y económico para la oxidación parcial catalítica en fase líquida de para-xileno a ácido tereftálico.

Todavía otro objeto de la invención es proporcionar un reactor de columna de burbujeo que facilite las reacciones de oxidación en fase líquida mejoradas con formación reducida de impurezas.

Aún otro objeto de la invención es proporcionar un sistema más eficaz y económico para producir ácido tereftálico puro (PTA) mediante oxidación en fase líquida de para-xileno para producir ácido tereftálico bruto (CTA) y posteriormente purificar el CTA en PTA.

Otro objeto de la invención es proporcionar un reactor de columna de... [Seguir leyendo]

1. Un procedimiento de preparación de una composición de ácido policarboxílico, comprendiendo dicho procedimiento: 5

(a) someter una primera porción (220a) de un medio de reacción multifásico (220) a oxidación en una primera zona de reacción (216) definida dentro de un recipiente de reacción externo (206) ;

(b) someter una segunda porción (220b) de dicho medio de reacción multifásico (220) a oxidación en una segunda

zona de reacción (218) definida dentro de un recipiente de reacción interno (210) , en el que dicho recipiente de reacción interno (210) está al menos parcialmente dispuesto en dicho recipiente de reacción externo (206) ;

en el que dicho medio de reacción multifásico (220) se somete primero a oxidación en dicha primera zona de reacción (216) y luego se somete a oxidación en dicha segunda zona de reacción (218) de forma que dicha primera porción (220a) se localiza en dicha primera zona de reacción (216) , mientras que dicha segunda porción (220b) se localiza en dicha segunda zona de reacción (218) ; y

(c) después de procesarse en dicha segunda zona de reacción (218) , extraer al menos una porción de una fase de suspensión de dicho medio de reacción (220b) de dicha segunda zona de reacción (218) para el posterior 20 procesamiento aguas abajo, en el que dicha fase de suspensión comprende fases sólida y líquida;

en el que dicho recipiente de reacción interno (210) es un reactor de columna de burbujeo, y

en el que dicho recipiente de reacción externo (206) es un reactor de columna de burbujeo. 25

2. El procedimiento de la reivindicación 1 que comprende además introducir un compuesto aromático en dicha primera zona de reacción, en el que al menos aproximadamente el 80 por ciento en peso de dicho compuesto aromático introducido en dicha primera zona de reacción se oxida en dicha primera zona de reacción en una fase líquida de dicha primera porción de dicho medio de reacción.

3. El procedimiento de la reivindicación 2, en el que dicho compuesto aromático es para-xileno, en el que la etapa (b) incluye oxidar ácido para-toluico presente en dicha segunda porción de dicho medio de reacción.

4. El procedimiento de la reivindicación 1 que comprende además introducir una porción de dicho medio

de reacción en dicha segunda zona de reacción, en el que la concentración promediada en el tiempo de ácido paratoluico en una fase líquida de dicha fase de suspensión extraída de dicha segunda zona de reacción es inferior a aproximadamente el 50 por ciento de la concentración promediada en el tiempo de ácido para-toluico en una fase líquida de dicho medio de reacción introducido en dicha segunda zona de reacción, en el que la concentración promediada en el tiempo de ácido para-toluico en dicha fase líquida de dicho medio de reacción introducido en dicha segunda zona de reacción es al menos aproximadamente 500 ppmw, en el que la concentración promediada en el tiempo de ácido para-toluico en dicha fase líquida de dicha fase de suspensión extraída de dicha segunda zona de reacción es inferior a aproximadamente 250 ppmw.

5. El procedimiento de la reivindicación 1 que comprende además someter al menos una porción de 45 dicha fase de suspensión extraída de dicha segunda zona de reacción a digestión oxidativa.

6. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que dicha primera y segunda porciones de dicho medio de reacción se mantienen a sustancialmente la misma presión a elevaciones correspondientes en dicha primera y segunda zonas de reacción, en el que dicha primera y segunda porciones de dicho medio de reacción se mantienen 50 a sustancialmente la misma temperatura de reacción en dicha primera y segunda zonas de reacción, en el que dicha temperatura de reacción está en el intervalo de aproximadamente 125 a aproximadamente 200 ºC.

7. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que dicho recipiente de reacción interno se localiza enteramente dentro de dicho recipiente de reacción externo. 55

8. El procedimiento de la reivindicación 1 que comprende además introducir una porción de dicho medio de reacción en dicha segunda zona de reacción, en el que menos de aproximadamente el 50 por ciento en peso de dicho medio de reacción introducido en dicha segunda zona de reacción entra en dicha segunda zona de reacción dentro del 90 por ciento inferior del volumen de dicha segunda zona de reacción.

9. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que el tiempo de residencia promediado en la masa de dicha fase líquida en dicha segunda zona de reacción es al menos aproximadamente 1 minuto, en el que la velocidad superficial promediada en el tiempo de dicha fase líquida a cualquier elevación en dicha segunda zona de

reacción es inferior a aproximadamente 0, 2 metros por segundo.

10. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que la etapa (a) incluye introducir oxígeno molecular en dicha primera zona de reacción, en el que la etapa (b) incluye introducir oxígeno molecular adicional en dicha segunda zona de reacción, en el que dicho oxígeno molecular adicional es oxígeno molecular que se añade a dicha segunda zona de reacción, además del oxígeno molecular ya presente en dicho medio de reacción cuando dicho medio de reacción entra en dicha segunda zona de reacción.

11. El procedimiento de la reivindicación 10, en el que la relación molar de oxígeno molecular introducido en dicha primera zona de reacción con respecto a dicho oxígeno molecular adicional introducido en dicha segunda 15 zona de reacción es al menos aproximadamente 2:1.

12. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que la relación de la velocidad superficial del gas promediada en el tiempo de dicha primera porción de dicho medio de reacción a cualquier elevación con respecto a la velocidad superficial del gas promediada en el tiempo de dicha segunda porción de dicho medio de reacción a la misma elevación es al menos aproximadamente 1, 25:1.

13. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que la velocidad superficial del gas promediada en el tiempo de dicha primera y segunda porciones de dicho medio de reacción a cualquier elevación es al menos aproximadamente 0, 2 metros por segundo.

14. El procedimiento de la reivindicación 1 que comprende además introducir una porción de dicho medio de reacción en una entrada más alta de dicha segunda zona de reacción, en el que al menos una porción de la fase de suspensión extraída se extrae de una salida inferior de dicha segunda zona de reacción.

15. El procedimiento de la reivindicación 14 que comprende además introducir oxígeno molecular adicional en dicha segunda zona de reacción en una localización verticalmente separada de dicha entrada más alta y dicha salida inferior, en el que dicho oxígeno molecular adicional es oxígeno molecular que se añade a dicha segunda zona de reacción, además del oxígeno molecular ya presente en dicho medio de reacción cuando dicho medio de reacción entra en dicha segunda zona de reacción.

16. El procedimiento de la reivindicación 14, en el que la relación de la retención de gas promediada en el tiempo de dicho medio de reacción introducido en dicha entrada más alta con respecto a la retención de gas promediada en el tiempo de dicha fase de suspensión extraída de dicha salida más baja es al menos aproximadamente 2:1, en el que la retención de gas promediada en el tiempo de dicho medio de reacción introducido en dicha entrada más alta está en el intervalo de aproximadamente 0, 4 a aproximadamente 0, 9 y la retención de gas promediada en el tiempo de dicha suspensión de producto extraída de dicha salida más baja es inferior a aproximadamente 0, 1.

17. Un reactor de columna de burbujeo (200) que comprende:

un recipiente de reacción externo (206) ; y

un recipiente de reacción interno (210) al menos parcialmente dispuesto en dicho recipiente de reacción externo (206) ,

en el que una primera zona de reacción (216) se define dentro de dicho recipiente de reacción externo (206) y fuera de dicho recipiente de reacción interno (210) ,

en el que una segunda zona de reacción (218) se define dentro de dicho recipiente de reacción interno (210) ,

en el que dicho recipiente de reacción interno (210) define una o más aberturas directas que proporcionan comunicación de líquido directa entre dicha primera y segunda zonas de reacción (216) y (218) ,

en el que dicho recipiente de reacción interno (210) tiene una altura máxima (Hi) , en el que menos de aproximadamente el 50 por ciento del área abierta total definida por dichas aberturas directas está separada más de aproximadamente 0, 5Hi de la parte superior de dicho recipiente de reacción interno (210) , en el que dicho recipiente de reacción interno (210) define una o más aberturas de descarga que permiten que el flujo de fluido salga de dicha segunda zona de reacción (218) , pero no proporcionan comunicación de líquido directa entre dicha primera y

segunda zonas de reacción (216) y (218) ,

en el que dicho recipiente de reacción interno (210) es un reactor de columna de burbujeo, y

en el que dicho recipiente de reacción externo (206) es un reactor de columna de burbujeo. 10

18. El reactor de columna de burbujeo de la reivindicación 17, en el que al menos aproximadamente el 75 por ciento del área abierta total definida por todas las dichas aberturas directas está separada menos de aproximadamente 0, 25Hi de la parte superior de dicho recipiente de reacción interno.

19. El reactor de columna de burbujeo de la reivindicación 17, en el que al menos aproximadamente el 50 por ciento del área abierta total definida por todas dichas aberturas de descarga se localiza dentro de aproximadamente 0, 5Hi del fondo de dicho recipiente de reacción interno.

20. El reactor de columna de burbujeo de la reivindicación 17, en el que dichas aberturas directas incluyen una abertura superior localizada en la parte superior de dicho recipiente de reacción interno, en el que dicha abertura superior está abierta hacia arriba.

21. El reactor de columna de burbujeo de la reivindicación 20, en el que la relación del área abierta de dicha abertura superior con respecto al área de la sección transversal horizontal máxima de dicha segunda zona de reacción es al menos aproximadamente 0, 1:1, en el que la relación del área de la sección transversal horizontal máxima de dicha primera zona de reacción con respecto al área de la sección transversal horizontal máxima de dicha segunda zona de reacción está en el intervalo de aproximadamente 0, 01:1 a aproximadamente 0, 75:1.

22. El reactor de columna de burbujeo de la reivindicación 17, en el que dicho recipiente de reacción externo incluye una pared lateral externa generalmente cilíndrica, en el que dicho recipiente de reacción interno incluye una pared lateral interna interiormente separada de dicha pared lateral externa, en el que dicha pared lateral interna tiene una configuración generalmente cilíndrica, en el que una corona se define entre dichas paredes laterales interna y externa, en el que la relación del área de la sección transversal horizontal de dicha segunda zona de reacción con respecto al área de la sección transversal horizontal de dicha corona a 1/4 de altura, 1/2 de altura y/o 3/4 de altura de dicha segunda zona de reacción es al menos aproximadamente 0, 02:1.

23. El reactor de columna de burbujeo de la reivindicación 17, en el que la relación del volumen de dicha primera zona de reacción con respecto al volumen de dicha segunda zona de reacción está en el intervalo de aproximadamente 4:1 a aproximadamente 50:1.

24. El reactor de columna de burbujeo de la reivindicación 17, en el que dicho recipiente de reacción externo tiene una relación de altura vertical máxima con respecto al diámetro horizontal máximo en el intervalo de aproximadamente 3:1 a aproximadamente 30:1, en el que dicho recipiente de reacción interno tiene una relación de altura vertical máxima con respecto al diámetro horizontal máximo en el intervalo de aproximadamente 0, 3:1 a 45 aproximadamente 100:1, en el que la relación del diámetro horizontal máximo de dicho recipiente de reacción interno con respecto al diámetro horizontal máximo de dicho recipiente de reacción externo está en el intervalo de aproximadamente 0, 05:1 a aproximadamente 0, 8:1, en el que la relación de la altura vertical máxima de dicho recipiente de reacción interno con respecto a la altura vertical máxima de dicho recipiente de reacción externo está en el intervalo de aproximadamente 0, 03:1 a aproximadamente 1:1.

25. El reactor de columna de burbujeo de la reivindicación 17, en el que dicho recipiente de reacción interno define al menos una abertura de gas interna que directamente comunica con dicha segunda zona de reacción, en el que dicha abertura de gas interna está separada al menos aproximadamente 0, 05Hi de la parte superior de dicho recipiente de reacción interno, en el que dicha abertura de gas interna no comunica directamente 55 con dicha primera zona de reacción.