对二甲苯氧化的研究与方法

1、对二甲苯氧化的研究与方法I 摘要 工业化的精对苯二甲酸制备工艺很多，但随着生产工艺的不断发展，对二甲苯高温 氧化法成为制备精对苯二甲酸的最主要的生产工艺， 这种工艺在对苯二甲酸的制备工艺 中占有绝对优势。目前，拥有这一专利技术的公司主要有美国 Amoc公司、英国ICI公司 和日本三井油化公司，我国曾在不同时期引进过这三家公司的专利技术。近年，我国对 苯二甲酸的工艺也取得了很大的进展。对二甲苯高温氧化法由氧化、精制和辅助系统组 成。该工艺以对二甲苯为原料，经空气催化氧化、加氢精制、结晶分离等工序制成。催 化氧化是对二甲苯在催化剂存在下，于190-230C，压力1.27-2.45MPa的条件下，用

2、空 气氧化得到粗对苯二甲酸。加氢精制是将对二甲苯氧化过程中尚未反应完全的 4-羟基苯 甲醛（4-BCA）转化为可溶于水的甲基苯甲酸，然后除去。加氢精制反应要在较高压力 （约 6.8MPa）和较高温度（约280C）的条件下进行。对苯二甲酸加氢产物再经结晶分离和十 燥，就得到可用于纤维生产的精对苯二甲酸。 对二甲苯高温氧化法流程简单、反应迅速， 收率可达90以上。上述方法制得的对苯二甲酸往往含有较多的副产物，因此需要进行精 制，制得精对苯二甲酸。通过对催化剂的实验和研究，一般用醋酸钻和醋酸铤用量对于 对二甲苯为0.025% （质量分数），其中铤钻比为3: 1 （摩尔比），漠与钻和铤之比为1: 1

3、（摩尔比）为最佳。 关键词：对苯二甲酸，对二甲苯，精制，生产流程，工艺ii 目录 1综述 . 1 1 1.1对苯二甲酸的性质和用途 . 1 1 1.2生产方法 . 1 1 2反应原理 . 2 2 2.1主、副反应. 2 2 2.2催化剂 . 2 2 3操作条件 . 3 3 3.1溶剂比 . 3 3 3.2温度 . 3 3 3.3压力 . 3 3 3.4反应系统的水含量 . 3 3 3.5氧分压 . 3 3 3.6停留时间 . 4 4 4高温氧化法生产工艺流程 . 5 5 4.1对苯二甲酸的生产 . 5 5 4.2对苯二甲酸的精制 . 7 7 5总结 . 9 9 6参考文献 . 10101 可以

4、简写为HOOC（ GHQ COO供分子式为 GI4Q。 COOH 对苯二甲酸的名称简写为TPA相对分子质量为166.13。在常温下系白色结晶或粉 末状固体，受热至300 C以上可升华，常温常压下不溶丁水、乙酰、冰醋酸和氯仿，微 溶丁乙醇，能溶丁热乙醇。在多种有机溶剂中难溶，但溶丁碱溶液。低蠹，易燃，自燃 点680C。其粉尘与空气形成爆炸性混合物，爆炸极限 0.05g/L 12.5g/ L。 对苯二甲酸最重要的用途是生产聚对苯二甲酸乙二酯树脂（简称聚酯树脂，简写为 PET,进而制造聚酯纤维、聚酯薄膜及多种塑料制品等。 1.2生产方法 以对二甲苯为原料，用空气（或氧气）氧化生产对苯二甲酸，主要有两

5、种方法：高 温氧化法和低温氧化法。工业上前者运用居多。在此对前者做简要介绍。 高温氧化法反应温度一般为160 230C。该法以醋酸为溶剂，钻、铤等重金届盐为 催化剂，漠化物为助催化剂，将对二甲苯经液相空气氧化一步生成对苯二甲酸，再在高 温高压下催化转化为高纯度纤维级对苯二甲酸。 这种方法优点多，如无需促进剂、不副产醋酸、工艺简单、反应快、收率高、原料 消耗低、产品成本低，生产强度大，易大型化连续化。本法的明显缺点是使用了腐蚀性 较强的漠化物，所以设备与管道的材质需用昂贵的特殊材料。1.1对苯二甲酸的性质和用途 OOH 1综述 对苯二甲酸的化学结构式: 2 2.1主、副反应 对二甲苯分子上第一个

6、甲基在一般氧化条件下是容易进行氧化的， 但第二个甲基较 难氧化，所以控制步骤是生成 4-埃基苯甲醛（简称4- CBA的反应，反应步骤如下： 副反应：原料对二甲苯和溶剂醋酸都容易发生深度氧化，同时氧化不完全的中间产 物或带入的一些杂质都会产生一些副反应。这些副产物虽数量不多，但品种繁多，已检 出的副产物多达30种左右，统称为杂质。所以，对苯二甲酸制得后，往往需要精制以 除去这些杂质，得到“纤维级”的对苯二甲酸，即精对苯二甲酸。 2.2催化剂 对二甲苯高温氧化法的催化剂为醋酸就和醋酸钻， 由丁对二甲苯第二个甲基受分子 中埃基影响较难氧化仅依靠主催化剂醋酸钻和醋酸铤，反应产物将主要是对甲基苯甲 酸。

7、因此，使用助催化剂漠化物，丁醋酸溶剂中加快第二个甲基的氧化，将对二甲苯液 相连续一步氧化为对苯二甲酸。 不论进料中Co或Mn及Br的浓度提高，氧化反应速度都有所加快，但醋酸与对二 甲苯深度氧化反应加剧。所以，三者用量都各应有一定的要求，不能低丁某一范围。采 用低钻高铤式的配比，既经济乂可使漠浓度降低，并能减轻设备的腐蚀。三者配比一般 是醋酸钻和醋酸铤用量对丁对二甲苯为 0.025% （质），其中铤钻比为3:1 （摩尔比）， 漠与钻和铤之比为1: 1 （摩尔比）。 2、反应原理 2。 COOH 3 3操作条件 3.1溶剂比 酯酸溶剂在反应体系中的主要作用是提高对二甲苯在溶剂中的分散性与对二甲苯

8、的转化率；可溶解氧化中间产物，有利于自由基的生成，从而加快氧化反应速度；利用 溶剂气化移出一部分反应热；对苯二甲酸产物几乎不溶解于醋酸，形成呈微小颗粒的浆 粉状等。若反应不使用溶剂，氧化中间产物在对二甲苯中溶解度小，物料呈悬浮状态， 从而产生固体物料的包结。物料包结后可影响氧化深度，使产品纯度下降，且物料粘度 高，造成操作困难。所以，醋酸溶剂的存在，既有利于反应物的传质和传热，总体上有 利于改善反应，乂可提高产品纯度。一般，选择溶剂比为 3.5 40: 1。 3.2温度 反应温度升高可加快反应，降低反应中间产物的含量。不过过高的温度也会加速醋 酸与对二甲苯的深度氧化及其它副反应，所以要选择既要

9、加快主反应，乂要抑制副反应 的合适温度，就非常的重要。 3.3压力 反正是在液相中进行，因此前提是选取的压力要以对二甲苯处于液相为基础，乂要 与温度相对应。一般温度升高，压力会升高；温度降低，压力也降低。如，当温度为220 225C时，相应压力为 2.5 2.7MP& 3.4反应系统的水含量 反应系统中水的来源主要有两个，一是由氧化反应联产而得，二是由溶剂和母液循 环带入。由主反应方程式可见，水对氧化反应有抑制作用，水含量过多，不利于化学平 衡向正反应方向移动，且造成产物中的 4-CBA含量增加。但水含量过低，深度氧化产 物一氧化碳或二氧化碳增加。所以正常生产时，反应系统中含水量宜为

10、5 6% 3.5氧分压 本反应是气液相反应，提高氧分压有利于传质，以及产物中 4 -CBA?杂质浓度降 低。但是提高氧分压，深度氧化反应与主反应速度同时加剧，且尾气含氧量过高，有爆 炸危险，给生产带来不安全因素。氧分压过低，引起反应缺氧，影响转化率，产品中 4 -CBA杂质明显增加，产品质量显著下降。在实际生产中，一般根据反应尾气中含氧 量和二氧化碳含量来判断氧分压是否选取适当。本法对尾气含氧量规定为 1.5 3.0%。4 3.6停留时间 由丁主反应是典型的连申反应，为保证氧化反应完全，达到所需转化率，反应器应 采用返混型。本反应工艺的停留时间应维持在二小时左右。 可以将高温氧化法中各种工艺参

11、数对反应的影响列表表示如下： 表 3 3- -1 1 各种参数对于对于对二甲苯氧化反应的影响 工艺参数 反应速度 对苯一甲酸中 4 4 CBACBA 的含量 醋酸和对二甲苯 的深度氧化反应 溶剂比f 无影响 反应物料含水量f $ 氧分压f 反应温度和压力f 停留时间f T 1 T 5 4高温氧化法生产工艺流程 高温氧化法生产精对苯二甲酸的工艺过程主要分两大部分， 即对苯二甲酸的生产与 对苯二甲酸的精制。前者包括高温氧化、对苯二甲酸的分离干燥和溶剂醋酸回收三个工 序，后者包括对苯二甲酸的加氢精制和精对苯二甲酸的分离干燥两个工序。 4.1对苯二甲酸的生产 4.1.1对一甲苯局温氧化工序 流程如图4

12、 1所小。 催化剂醋酸钻与醋酸铤按比例配制成醋酸水溶液，并将适量四漠乙烷溶丁少量对二 甲苯后，与溶剂醋酸及对二甲苯在进料混合槽（1）中按比例混合，经搅拌器混匀预热 再进入氧化反应器（2）。 氧化反应所需的工艺空气由多级空气压缩机（3）送往过滤器，经过滤后进入氧化 反应器。 高温氧化反应器是对二甲苯氧化装置的核心设备，内壁和封头均有钛衬里。反应器 带有搅拌器，其型式、转速及功率都是影响反应效率的主要因素。反应热是利用溶剂气 化和回流冷凝的方式循环撤除的。氧化反应器顶部的气体冷却冷凝后，部分液体回流返 回反应器，部分进入醋酸回收系统。而未凝气体进入尾气吸收塔（ 4）,用水吸收其中醋 酸蒸气后进入尾

13、气透平机做功，驱动空气压缩机（ 3）以回收能量。洗涤液则进入醋酸 回收系统。 4.1.2对苯二甲酸的分离干燥工序 6 本工序的工艺流程如图42所小。 在高温氧化法的氧化过程中除生成对苯二甲酸外，还伴生有一些杂质，如 4CBA 对甲基苯甲酸 （简称PT酸） 、协酮等。由丁 PT酸溶丁溶剂，所以可用结晶法分离，经 离心分离、洗涤、干燥后得对苯二甲酸。 来自氧化反应器（2）中部排出的浆料，先后进入三个申联的逐次降温降压的结晶 器（1）0在第一结晶器中，导入少量空气，使一次氧化液中未完全转化的对二甲苯及其 中间氧化物进行二次氧化，继续转化为对苯二甲酸。实践表明，采用这种措施后，对苯 二甲酸的产率可提高

14、2 3外右，催化剂用量却可节省约 15 20%进入第一结晶器的 氧化浆料液含对苯二甲酸约29%（质），由丁闪蒸、结晶、浓缩和冷却，自第三结晶器流 出的浆料其浓度已达39.8% （质）。为保持对苯二甲酸在结晶器内浆料中呈悬浮状态， 并 促进晶体成长，三台结晶器内都设有搅拌器。 图 4 42 2 对苯二甲酸分离干燥工序流程 1 1结晶器；2 2 一离心机；3 3 一打浆槽；4 4 一螺旋输送机；5 5 一干燥机 在二次氧化和结晶过程中产生的热量，仍由醋酸溶剂蒸发带出、前二台结晶器蒸发 出来的蒸汽直接入溶剂回收系统，第三台结晶器蒸发的蒸汽则进入专设的冷凝器，冷凝 后回流，不凝气体进入溶剂回收系统。

15、由第三结晶器送出的浆料进入第一离心机（2）分离，母液送醋酸回收系统。对苯 二甲酸结晶送入设有搅拌器的打浆槽（3）,用循环溶剂进行洗涤，使形成 45%（质）左 右的浆料。第一离心机分出90%S液后，为进一步洗涤除去附着丁对苯二甲酸的杂质， 洗涤后的浆料在第二离心机中重复以上操作， 再打浆后进入第三离心机分离出对苯二甲 酸与溶剂。离心机分出的全部洗涤溶剂作为反应用溶剂返回反应器，而第一台离心机分 出的10%5液进人溶剂回收系统，以平衡排出有机废物。 含湿量约为10%勺对苯二甲酸滤饼，经螺旋输送机（4）送入干燥机（5）用蒸汽干 燥。干燥后的对苯二甲酸含湿量可达到 0.1% （质）以下，可用氮气流输送

16、到加氢精制工 序，精制成精对苯二甲酸。由湿滤饼蒸出的溶剂用逆流循环的氮气吹出后，送溶剂回收 系统。 分离干燥前对苯二甲酸的杂质含量约为 7 78% 8% （质），分离干燥后可降为 0.200.200.50%0.50%以下。 4.1.3醋酸回收工序7 本工序的工艺流程图如图4-3所示。本工序的目的是将氧化反应器顶部的未凝气 体及结晶母液中的醋酸经脱水及除去高沸点杂 质后，使其可供反应系统循环使用，从而降低生 产的消耗定额。 醋酸回收系统主要由汽提塔、脱水塔和薄膜 蒸发器组成。待回收的醋酸进入汽提塔（2）除 去高沸点杂质组分，塔顶蒸出的物料为含水醋 酸，进入醋酸脱水塔（4）。醋酸脱水塔顶物料为 水

17、，供氧化吸收用，塔底为脱水醋酸，供氧化和 打浆等循环用。汽提塔釜物料含有高沸点杂质与 醋酸，进入薄膜蒸发器（3）分离，蒸出的轻组 分 回汽提塔，残渣送焚烧炉。 4.2对苯二甲酸的精制 对苯二甲酸在上述结晶分离工序初步分离后，纯度一般为 99.5 99.8%,杂质含量 为0.2 0.5%。这些杂质尤其是4 CB简日一些有色体在浆液中浓度为 2000 3000ppm 为防止4- CBA等杂质影响以后的缩聚反应和聚酯色度，需经过精制将其除去。精制所 得的精对苯二甲酸，其4 CBA量小丁 25ppm质量提高到纤维级标准。 对苯二甲酸的精制工艺可以采用酯化法，也可采用加氢精制法，现新建装置多采用 后法。

18、本部分讨论加氢精制法。 4.2.1加氢精制化学原理 加氢精制的基本反应，是根据对二甲苯氧化生成 4-CBA的逆反应原理进行的。在 280C及6.6 6.8MPa压力下，使用载丁活性炭上的车巴催化剂进行连续加氢，使 4- CBA 转化为易溶丁水的对甲基苯甲酸，有色体也同时分解。此外，此催化剂还有吸附作用， 可除去协酮等杂质。整个加氢过程的化学反应可用下式表示： COOH C00H V CHO CH3 加氢反应后杂质大部分转化为能溶解丁水的物质。故可用结晶分离、水洗等方法除 去，经干燥后制成精对苯二甲酸。 4.2.2加氢精制工艺过程 (4-CBA +2H +HO 发器；4 4 一脱水塔；5 5 一

19、分离器 8 加氢精制的工艺过程方块流程图如图 44所示。对苯二甲酸用无离子水制成浆料， 用升压泵加压，经加热、搅拌，待其完全溶解后送入加氢反应器。 反应器为衬钛固定床, 在精制过的纯氢和催化剂作用下对苯二甲酸进行加氢精制。 反应后的溶液经结晶器进行 4 5级逐步降压结晶，使精对苯二甲酸成为合适粒度分布的沉淀。 生成的水蒸气冷凝后 循环使用，未凝气体经洗涤后放空。溶液经加压离心机分离，分离出的母液经闪蒸后排 入下水道。 下水返 图 4 4 4 4 加氢精制工艺方块流程图 压离心机分离出来的湿精对苯二甲酸， 在打浆槽中用无离子水再洗涤一次后进入常 压离心机分离。分离出的水可循环供加氢前打浆用，湿精对苯二甲酸经螺旋输送机送入 回转式干燥机，干燥后即得精对苯二甲酸。 由传统对二甲苯高温氧化法生产的对苯二甲酸所含 4-CBA等杂质较多，需采用加 氢、重结晶等工序生产精对苯二甲酸。由丁精制过程长、设备多、技术难度大，车巴乂是 贵重金届，所以操作费用和生产成本增高。目前，乂开发了不经精制或稍加精制即可得 到纤维级的精对苯二甲酸的生产方法。这些方法一般被称为对二甲苯一步高温氧化