ES2209953T3 - Proceso para producir acido tereftalico puro con recuperacion mejorada de precursores, disolvente y acetato de metilo. - Google Patents

Abstract

Mejoramiento en un proceso continuo para producir ácido tereftálico puro a base de: (a) hacer primeramente que paraxileno reaccione con aire en presencia de ácido acético y un catalizador a elevada presión y temperatura para producir ácido tereftálico bruto; (b) recuperar en forma de una torta húmeda el ácido tereftálico bruto, que incluye una cantidad de ácido acético residual y ácido paratoluico; y (c) purificar el ácido tereftálico bruto a base de mezclarlo con agua y de aumentar la temperatura y presión de la mezcla para formar una solución acuosa, poner la solución acuosa en contacto con hidrógeno en presencia de un catalizador, ajustar la presión y temperatura de la solución hidrogenada, con lo cual precipitan cristales de ácido tereftálico puro y el ácido acético residual y el ácido paratoluico permanecen en la solución hidrogenada para formar un líquido madre de la instalación de purificación, y recuperar los cristales de ácido tereftálico puro a partir del líquido madre de la instalación de purificación; comprendiendo el mejoramiento los pasos de: (I) poner a dicho líquido madre de la instalación de purificación en contacto con paraxileno para formar un sistema bifásico que comprende una fase acuosa que contiene ácido acético residual y una fase orgánica que contiene ácido paratoluico y paraxileno; (II) devolver la fase orgánica a la reacción de oxidación del paso (a); (III) aportar la fase acuosa a al menos un dispositivo de contacto adicional simultáneamente con una corriente de condensado que comprende agua, acetato de metilo y componentes orgánicos para formar una segunda fase acuosa y una segunda fase orgánica entre las cuales se reparten el acetato de metilo y el ácido acético residual; y (IV) recuperar acetato de metilo a partir de la segunda fase acuosa y recuperar ácido acético a partir de la segunda fase orgánica.

Description

Proceso para producir ácido tereftálico puro con recuperación mejorada de precursores, disolvente y acetato de metilo.

Antecedentes de la invención

La presente invención se refiere a un proceso integrado y continuo para producir ácido tereftálico puro, y más en particular, a un proceso integrado que tiene medios mejorados para recuperar y/o reutilizar precursores de ácido tereftálico, ácido acético residual y otros subproductos de reacción tales como acetato de metilo.

El ácido tereftálico es producido comercialmente en un proceso bietápico que comienza con la oxidación con aire (oxígeno molecular) de paraxileno en presencia de un sistema catalizador de bromuro metálico en disolvente de ácido acético. En la etapa de oxidación es aislado de una lechada un producto que consiste en ácido tereftálico bruto, es decir impuro, y está habitualmente en forma de un polvo cristalino seco. El ácido tereftálico bruto es recuperado de la lechada en forma de una torta húmeda que es lavada según sea necesario con ácido acético o agua. La torta húmeda es entonces enviada a un secador, donde todo disolvente adherido es retirado para formar ácido tereftálico bruto. Como importante subproducto de la reacción de oxidación es producida agua que es retirada de la zona de reacción en una corriente de gas de evacuación de la reacción. La corriente de gas de evacuación incluye también ácido acético y bajos niveles de acetato de metilo, que es un subproducto de reacción que puede resultar de la oxidación del ácido acético. Unos medios preferidos para separar y recuperar de la corriente de gas de evacuación el ácido acético para su reutilización son los consistentes en efectuar una destilación azeotrópica del condensado de la corriente de gas de evacuación usando un arrastrador orgánico seleccionado de entre los miembros del grupo que consta de acetato de n-butilo, acetato de n-propilo y acetato de isobutilo, por ejemplo. En aquellos casos en los que la principal corriente de alimentación que es aportada al proceso de destilación azeotrópica es obtenida de los vapores salientes de la parte alta de la reacción de oxidación, la presencia de acetato de metilo en la corriente de alimentación puede afectar negativamente a la cantidad de agua que puede ser retirada del condensado azeotrópicamente porque el azeótropo de agua del acetato de metilo está situado en la región monofásica, es decir que su azeótropo de agua tendrá un bajo contenido de agua.

En la segunda etapa del proceso, es decir en la etapa de purificación, los cristales de ácido tereftálico bruto son disueltos en agua a elevada presión y temperatura, y la solución resultante es sometida a hidrogenación en presencia de un catalizador de hidrogenación de metales nobles del Grupo VIII. El ácido purificado es recuperado cristalizando el ácido a partir de la solución acuosa tratada con hidrógeno. Permanecen disueltas en la solución acuosa las de una mayoría de las impurezas principales, que son ácido p-toluico derivado del compuesto llamado 4-carboxibenzaldehído y materias de color no identificadas, junto con algunos otros componentes orgánicos tales como ácido benzoico y ácido tereftálico residual. A esta solución acuosa que queda se le da el nombre de "líquido madre de la instalación de purificación", es decir PPML.

Sin embargo, procesos bietápicos comerciales más recientes han perseguido eliminar la necesidad de recuperar el ácido tereftálico bruto en forma de un producto seco separado. En lugar de ello, el proceso ha experimentado grados de integración según los cuales los cristales de ácido tereftálico bruto pueden ser recuperados a partir de la lechada formada en la etapa de oxidación en forma de una torta húmeda a base de depositar la lechada sobre una cinta de material filtrante en movimiento. La torta húmeda es entonces lavada con agua o con otro disolvente según una serie predeterminada de pasos de lavado, y puede ser entonces disuelta de nuevo casi inmediatamente en agua para la purificación sin necesidad de efectuar por separado un paso de secado.

El proceso integrado permite obtener mayor rentabilidad cuando es posible recuperar y reutilizar el líquido madre de la instalación de purificación resultante. Sin embargo, bajo determinadas condiciones de trabajo puede suceder que una cantidad residual de ácido acético "se escabulla" del proceso de filtración e intercambio de disolventes, es decir que queden retenidas cantidades residuales en el ácido bruto recuperado, y que dicho ácido acético llegue a la solución acuosa de líquido madre. La presencia de ácido acético en el líquido madre de la instalación de purificación puede ser problemática al intentar reutilizar dicho líquido madre en otros puntos de elaboración en el proceso. Por consiguiente, se necesita un método para dar cuenta de los niveles de acetato de metilo y ácido acético residual en el proceso, así como para permitir la reutilización del ácido tereftálico residual, de los precursores del ácido y del líquido madre de la instalación de purificación para obtener de un proceso integrado una rentabilidad mejorada.

Breve exposición de la invención

La presente invención aporta un mejoramiento en un proceso continuo para producir ácido tereftálico puro, comprendiendo dicho proceso los pasos de: (a) hacer que paraxileno reaccione con aire en presencia de ácido acético y un catalizador a elevada presión y temperatura para producir ácido tereftálico bruto; (b) recuperar el ácido tereftálico bruto, que incluye una cantidad de ácido acético residual y ácido paratoluico; y (c) purificar el ácido tereftálico bruto a base de mezclarlo con agua y de aumentar la temperatura y presión de la mezcla para formar una solución acuosa, poner la solución acuosa en contacto con hidrógeno en presencia de un catalizador, ajustar la presión y temperatura de la solución hidrogenada, con lo cual precipitan cristales de ácido tereftálico puro y el ácido acético residual y el ácido paratoluico permanecen en la solución hidrogenada para formar un líquido madre de la instalación de purificación, y recuperar los cristales de ácido tereftálico puro a partir del líquido madre de la instalación de purificación. El mejoramiento comprende los pasos de:

(I) poner al líquido madre de la instalación de purificación en contacto con paraxileno para formar un sistema bifásico que comprende una fase acuosa que contiene ácido acético residual y una fase orgánica que contiene ácido paratoluico y paraxileno;

(II) devolver la fase orgánica a la reacción de oxidación del paso (a);

(III) aportar la fase acuosa a al menos un dispositivo de contacto adicional simultáneamente con una corriente de condensado que comprende agua, acetato de metilo y componentes orgánicos para formar una segunda fase acuosa y una segunda fase orgánica entre las cuales se reparten el acetato de metilo y el ácido acético residual; y

(IV) recuperar acetato de metilo a partir de la segunda fase acuosa y recuperar ácido acético a partir de la segunda fase orgánica.

Breve descripción de los dibujos

La Fig. 1 es un diagrama de bloques del proceso esquemático y simplificado para llevar a la práctica una realización de la invención.

Descripción detallada de la invención

La presente invención permite reutilizar los precursores del ácido tereftálico, es decir el ácido paratoluico, y las cantidades residuales de ácido tereftálico que quedan en el líquido madre de la instalación de purificación enviándolos de regreso a la reacción de oxidación y controlando al mismo tiempo los niveles de acetato de metilo y ácido acético residual en un proceso integrado y continuo para producir ácido tereftálico puro. En el sentido en el que se le utiliza en la presente, el vocablo "integrado" significa un proceso bietápico convencional que es para producir ácido tereftálico puro y ha experimentado un acoplamiento de la primera etapa de oxidación con la segunda etapa de purificación para con ello eliminar la necesidad de aislar y recuperar ácido tereftálico bruto en forma de un polvo cristalino seco a partir de la etapa de oxidación. A pesar de que la invención se refiere a un proceso integrado, la misma puede ser también aplicada con resultados satisfactorios a un proceso bietápico convencional.

La primera etapa de un típico proceso bietápico supone la producción de ácido tereftálico impuro, es decir bruto, mediante oxidación en fase líquida con aire (oxígeno molecular) de paraxileno en un disolvente de ácido carboxílico alifático tal como ácido acético, usando un catalizador de metal pesado y bromo como el descrito, por ejemplo, en Saffer et al., Patente U.S.2.833.816. La reacción de oxidación es llevada a cabo usando un reactor con agitación, y la reacción va acompañada por la producción de una corriente de vapores de cabeza que comprende vapor de agua, ácido acético y una cantidad de acetato de metilo. La concentración de los componentes de los que consta la corriente de vapores de cabeza del reactor puede variar dentro de una amplia gama de concentraciones en dependencia de las condiciones de trabajo reales. Típicamente, la corriente de vapores comprenderá del orden de un 69% en peso de ácido acético, un 12% en peso de agua y un 1% en peso de acetato de metilo, siendo el resto en gran medida componentes incondensables tales como nitrógeno. La EP 0764627 describe un proceso para producir ácido tereftálico de gran pureza.

La Fig. 1 es un diagrama de bloques de un proceso esquemático y simplificado que ilustra un proceso bietápico a efectos ilustrativos. La oxidación del paraxileno es llevada a cabo en una unidad de oxidación "OU". La corriente de vapores salientes de la parte alta es retirada del reactor y enfriada dentro de la OU para formar un primer condensado. Una parte o la totalidad de este primer condensado deviene una corriente de alimentación que está ilustrada como la corriente que es aportada por la tubería 1 a una torre de destilación azeotrópica "DH". La destilación azeotrópica ha demostrado ser un método económico para separar ácido acético de agua siendo la separación llevada a cabo en presencia de un arrastrador orgánico que es seleccionado de entre los miembros del grupo que consta de acetato de n-butilo, acetato de n-propilo y acetato de isobutilo, por ejemplo. La separación redunda en un producto de fondos que comprende aproximadamente un 95% en peso de ácido acético que es enviado de regreso por la tubería 8 a la reacción de oxidación, y un producto de cabeza que comprende agua, acetato de metilo y arrastrador orgánico. El producto de cabeza, que es conducido por la tubería 9, es a su vez enfriado, o sea condensado, en el condensador "C" para formar un segundo condensado.

El acetato de metilo tiende a permanecer en la fase orgánica, y al ser enviado de regreso a la torre azeotrópica tenderá a interferir en la separación en virtud de la cual el ácido acético es separado del agua porque el azeótropo de acetato de metilo tiene un bajo contenido de agua y está situado en la región monofásica. La presente invención está por consiguiente dirigida en parte a controlar el nivel de acetato de metilo en la torre azeotrópica.

La reacción de oxidación produce una lechada de cristales de ácido tereftálico bruto que está ilustrada como la que va conducida por la tubería 3. Los cristales de ácido tereftálico pueden ser recuperados a partir de la lechada mediante cualesquiera adecuados medios de intercambio de disolventes "SE", tal como por ejemplo mediante centrífuga(s), filtro(s) de tambor rotativo o filtro(s) de cinta en movimiento en combinación con una nueva formación de lechada según sea apropiado para lograr un efectivo intercambio de disolventes. Independientemente de qué método sea empleado para el intercambio de disolventes, en la práctica los cristales de ácido tereftálico bruto son recuperados a partir de la lechada, habitualmente en forma de una torta húmeda que es entonces lavada al menos una vez pero preferiblemente varias veces en una serie de pasos de lavado ya sea con agua pura, es decir sin usar, o bien con agua complementaria que llega por la tubería 5 y ha sido enviada de regreso desde alguna otra parte del proceso. El agua de lavado, que ahora contiene una considerable cantidad de disolvente de ácido acético, puede ser enviada de regreso a la reacción de oxidación por la tubería 4. En un proceso integrado, los cristales de ácido bruto recuperados pueden ser entonces transferidos por la tubería 6 y pueden ser inmediatamente disueltos de nuevo en agua para formar una solución de ácido impuro "IA" para iniciar la etapa de purificación del proceso.

La purificación del ácido bruto es llevada a cabo a base de poner la solución e hidrógeno, o un gas prehumidificado con contenido de hidrógeno, en contacto con un catalizador de metal noble del Grupo VIII en una instalación de purificación "PP". Debido a su baja solubilidad, el ácido tereftálico requiere ya sea grandes volúmenes de agua o bien altas temperaturas a fin de obtener la deseada solución de ácido tereftálico. En la práctica, el proceso de hidrogenación puede ser llevado a cabo a una temperatura situada dentro de la gama de temperaturas que va desde 200ºC hasta la temperatura crítica del agua, es decir 374ºC. Dentro de la gama de temperaturas preferida son usadas soluciones de aproximadamente un 10% en peso a aproximadamente un 35% en peso de ácido tereftálico. Las de la mayoría de las impurezas del ácido tereftálico están ocluidas en los cristales de ácido. Al disolver de nuevo los cristales brutos en agua (IA), la solución puede ser transferida por la tubería 20 a la instalación de purificación con las impurezas en solución y sujetas a tratamiento de hidrogenación catalítica.

Las condiciones de presión para el proceso de hidrogenación dependen de la manera cómo sea llevado a cabo el proceso. Puesto que la temperatura de la solución es considerablemente superior al punto de ebullición del agua, y puesto que es deseable mantener la solución acuosa en fase líquida, la hidrogenación es llevada a cabo en un reactor que está a una presión superior a la presión atmosférica, es decir a una presión que está típicamente situada dentro de la gama de presiones que va desde 4.000 kPa hasta 20.000 kPa. El nivel de presión es seleccionado no tan sólo para mantener la solución acuosa de ácido tereftálico impuro e hidrógeno en fase líquida, sino también para impedir una prematura cristalización del ácido debido a pequeñas variaciones del proceso que pueden ocasionar la vaporización de parte del disolvente. Esto se logra fácilmente usando un gas inerte incondensable tal como nitrógeno. Se entiende por gas "inerte" un gas que no es reactivo con el ácido tereftálico o con el hidrógeno o con el disolvente.

El proceso de hidrogenación puede ser puesto en práctica usando un adecuado reactor de hidrogenación preparado para la introducción intermitente de hidrógeno al interior de un lecho de catalizador durante la introducción continua de la solución acuosa de ácido tereftálico impuro. La cantidad de hidrógeno usada es superior a la cantidad requerida para la reducción de las impurezas disueltas. A pesar de que en la práctica es consumido muy poco hidrógeno en el proceso de hidrogenación, es decir en el proceso de purificación, de la instalación de purificación PP, la cantidad de hidrógeno que es usada es de 1 a 7 moles superior a la cantidad estequiométrica que es necesaria para las principales impurezas reducibles, que son el 4-CBA (4-CBA = 4-carboxibenzaldehído) y las impurezas que son característicamente de color amarillo, dejando un margen para otras impurezas de estructura desconocida. La naturaleza de los productos finales de todas estas impurezas no es conocida, pero mediante la medición de la densidad óptica del producto consistente en ácido tereftálico que es recuperado tras el tratamiento de hidrogenación catalítica por la tubería 21, puede observarse su ausencia o su reducida concentración. Deberá evitarse una severa hidrogenación para que no se produzca una conversión de ácido tereftálico en otros productos tales como ciclohexano, ácido 1,4-dicarboxílico y ácido p-toluico.

El catalizador de hidrogenación es preferiblemente un metal noble del Grupo VIII que es seleccionado de entre los miembros del grupo que consta de platino y/o paladio y está soportado en carbón vegetal adsorbente de gran superficie específica. Con respecto a los materiales que son catalíticamente eficaces bajo condiciones de hidrogenación en fase acuosa, puede hacerse referencia a cualquiera de los textos estándar que tratan sobre hidrogenación o catalizadores.

La solución acuosa tratada con hidrógeno puede ser filtrada para retirar todos los sólidos que estén en suspensión, tales como finos de soporte del catalizador y cuerpos extraños de un tamaño de aproximadamente 5 micras y más. El ácido purificado es entonces recuperado a partir de la solución filtrada conveniente y preferiblemente mediante cristalización, o bien mediante una serie de pasos de cristalización en los cuales la solución acuosa es enfriada a base de dar suelta a la presión, lo cual a su vez vaporiza agua y gas inerte disuelto de la solución, y hace con ello que precipiten cristales de ácido tereftálico puro dejando como medio fluido restante líquido madre de la instalación de purificación. A continuación de los de un número predeterminado de pasos de cristalización, la lechada de cristales de ácido tereftálico puro es aportada a una centrífuga, a un filtro de tambor rotativo o a otros medios adecuados para separar del líquido madre de la instalación de purificación los cristales de ácido puro en forma de una torta húmeda que será objeto de adicional elaboración. El líquido madre de la instalación de purificación, que sale por la tubería 10, contiene una cantidad residual de ácido acético junto con algunos componentes orgánicos útiles así como con algo de ácido tereftálico impuro disuelto. En una segunda parte, la presente invención está dirigida a recuperar los componentes orgánicos útiles y el ácido acético residual a partir del líquido madre de la instalación de purificación, con lo cual el líquido madre puede ser puesto en disponibilidad para su reutilización.

En su realización fundamental, la invención comprende el paso de poner al líquido madre de la instalación de purificación, que llega por la tubería 10, en contacto con paraxileno, que llega por la tubería 11, en un adecuado dispositivo de contacto "CD-1" para formar un sistema bifásico que comprende una fase acuosa que contiene ácido acético residual y una fase orgánica que contiene ácido paratoluico, es decir un precursor del ácido tereftálico, y paraxileno. Junto con cualesquiera otros precursores que puedan estar presentes, el ácido paratoluico es transferido del ambiente acuoso del líquido madre de la instalación de purificación al ambiente orgánico de la corriente de alimentación de paraxileno. La fase orgánica puede ser entonces enviada de regreso a la reacción de oxidación por la tubería 12. La fase acuosa es aportada por la tubería 13 a al menos un adicional dispositivo de contacto "CD-2" simultáneamente a una corriente de condensado 14 que comprende agua, acetato de metilo y componentes orgánicos para formar una segunda fase acuosa y una segunda fase orgánica. La corriente de condensado 14 resulta de enfriar y condensar en el condensador C la corriente de vapores de cabeza que sale de la columna azeotrópica DH, y los componentes orgánicos en la misma resultan principalmente del arrastrador orgánico que está presente en la corriente de vapores. Se reparten entre las dos fases el acetato de metilo, los componentes orgánicos y el ácido acético. Al hacer esto, el acetato de metilo puede ser recuperado de la fase acuosa resultante mediante destilación en la columna de destilación "DC". La fase acuosa es transferida por la tubería 16 del dispositivo de contacto CD-2 a la columna de destilación DC, y es recuperado en cabeza de la columna acetato de metilo por la tubería 17. De la base de la columna de destilación DC sale agua que es destinada ya sea a la recuperación por la tubería 18 o bien a la eliminación por la tubería 19. Pueden ser recuperados de la fase orgánica ácido acético y arrastrador orgánico a base de devolver, es decir a base de enviar de regreso a la torre azeotrópica DH como reflujo la fase orgánica por la tubería 7.

Los adecuados dispositivos de contacto para poner en práctica los mejoramientos de la invención anteriormente descritos y relativos al proceso de extracción de disolvente pueden ser decantadores, dispositivos de contacto multietápicos o una serie de aparatos mezcladores y sedimentadores como los descritos en cualesquiera de los textos estándar. El proceso de la invención no debe quedar limitado a ningún tipo específico de dispositivo de contacto.

Claims (1)

1. Mejoramiento en un proceso continuo para producir ácido tereftálico puro a base de: (a) hacer primeramente que paraxileno reaccione con aire en presencia de ácido acético y un catalizador a elevada presión y temperatura para producir ácido tereftálico bruto; (b) recuperar en forma de una torta húmeda el ácido tereftálico bruto, que incluye una cantidad de ácido acético residual y ácido paratoluico; y (c) purificar el ácido tereftálico bruto a base de mezclarlo con agua y de aumentar la temperatura y presión de la mezcla para formar una solución acuosa, poner la solución acuosa en contacto con hidrógeno en presencia de un catalizador, ajustar la presión y temperatura de la solución hidrogenada, con lo cual precipitan cristales de ácido tereftálico puro y el ácido acético residual y el ácido paratoluico permanecen en la solución hidrogenada para formar un líquido madre de la instalación de purificación, y recuperar los cristales de ácido tereftálico puro a partir del líquido madre de la instalación de purificación; comprendiendo el mejoramiento los pasos de:

(I) poner a dicho líquido madre de la instalación de purificación en contacto con paraxileno para formar un sistema bifásico que comprende una fase acuosa que contiene ácido acético residual y una fase orgánica que contiene ácido paratoluico y paraxileno;

(II) devolver la fase orgánica a la reacción de oxidación del paso (a);

(III) aportar la fase acuosa a al menos un dispositivo de contacto adicional simultáneamente con una corriente de condensado que comprende agua, acetato de metilo y componentes orgánicos para formar una segunda fase acuosa y una segunda fase orgánica entre las cuales se reparten el acetato de metilo y el ácido acético residual; y

(IV) recuperar acetato de metilo a partir de la segunda fase acuosa y recuperar ácido acético a partir de la segunda fase orgánica.