对二甲苯氧化的分析研究与方法

1、对二甲苯氧化的研究与方法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，用空气氧化得到粗对苯二甲

2、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环口较高温度约280）的条件下进行。对苯二甲酸加氢产物再经结晶分离和干燥，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，一般用醋酸粘和醋酸钮用量对于对二甲苯为0.025%领量分数），其中锐钻比为3:1摩尔比），澳与钻和钮之比为1:1摩尔比）为最佳。关键词：对苯二甲酸，对二甲苯，精制，生产流程，

3、工艺I/14目录述11.1 对苯二甲酸的性质和用途11.2 生产方法12 反应原理22.1 主、副反应22.2 催化齐U23 操作条件33.1 溶剂比33.2 温度33.3 压力33.4 反应系统的水含里33.5 氧分压II/1433.6 停留时问44 高温氧化法生产工艺流程54.1 对苯二甲酸的生产54.2 对苯二甲酸的精制75 总结96 参考文献10III/141综述1.1 对苯二甲酸的性质和用途COOH对苯二甲酸的化学结构式：可病，为HOOCGH)COOH其分子式为GH。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300c以上可升

4、华，常温常压下不溶于水、乙醴、冰醋酸和氯仿，微溶于乙醇，能溶于热乙醇。在多种有机溶剂中难溶，但溶于碱溶液。低毒，易燃，自燃点680C0其粉尘与空气形成爆炸性混合物，爆炸极限0.05g/L12.5g/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160230C。该法以醋酸为溶剂，钻、钮等重金属盐为催化剂，澳化物为助催化剂，将对二甲苯经液相空气氧化

5、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澳化物，所以设备与管道的材质需用昂贵的特殊材料。1/142、反应原理2.1主、副反应CH3主反应：+3O+2HCOOH对二甲苯分子上第一个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-竣基苯甲醛简称4-CBA的反应，反应步骤如下：CHOCOOH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

6、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钮和醋酸钻，由于对二甲苯第二个甲基受分子中竣基影响较难氧化仅依靠主催化剂醋酸钻和醋酸锐，反应产物将主要是对甲基苯甲酸。因此，使用助催化剂漠化物，于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，不能低于某一范围。采用低

7、钻高钻式的配比，既经济又可使澳浓度降低，并能减轻设备的腐蚀。三者配比一般是醋酸钻和醋酸钮用量对于对二甲苯为0.025%质），其中锐钻比为3:1摩尔比），澳与钻和钮之比为1:1摩尔比）。2/143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

8、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，又可提高产品纯度。一般，选择溶剂比为3.540:13.2 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，所以要选择既要加快主反应，又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，又要与温度相对应。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220225c时，相应压力为2.52.7MPa3.4 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

9、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56%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-CBAI?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3/14中4CBA等杂质明显增加，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

10、适当。本法对尾气含氧量规定为1.53.0%。3.6 停留时间由于主反应是典型的连串反应，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数对反应的影响列表表示如下：表3-1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4CBA的含量醋酸和对二甲苯的深度氧化反应溶剂比T无影响反应物料含水量TT氧分压TT反应温度和压力TT个停留时间T4/144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

11、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 对二甲苯高温氧化工序流程如图41所小。催化剂醋酸钻与醋酸钮按比例配制成醋酸水溶液，并将适量四澳乙烷溶于少量对二甲苯后，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）。图41对二甲苯氧化工序流程1混合槽；2一氧化反应器；3空气透平压缩机；4一尾气吸收塔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5/14器带有搅拌器，具型式、转速及功率都是影响反应

12、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4-CBA对甲基苯甲酸简称PT酸）、方酮等。由于PT酸溶于溶剂，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，先后进入三个串联的逐次降温降压的结晶器1）。

13、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23批右，催化剂用量却可节省约1520%进入第一结晶器的氧化浆料液含对苯二甲酸约29%侦），由于闪蒸、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%W）。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42对苯二甲酸分离干燥工序流程1一结晶器；2一离心机；3一打浆槽；4一螺旋输送机；5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

14、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。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%弱）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于对苯二甲酸的杂质，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%S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6/14燥

15、。干燥后的对苯二甲酸含湿量可达到0.1%也）以下，可用氮气流输送到加氢精制工序，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。,分离干燥后可降为0.200.50%以下。分离干燥前对苯二甲酸的杂质含量约为78%质）4.1.3 醋酸回收工序图43醋酸回收系统流程1一回收醋酸贮槽；2一汽提塔；3薄膜蒸发器；4脱水塔；5一分离器本工序的工艺流程图如图43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

16、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，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99.599.8%,杂质含量为0.20.5%。这些杂质尤其是4CBA和一些有色体在浆液中浓度为20003000Ppm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4CB蛤量小于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，

17、也可采用加氢精制法，现新建装置多采用后法。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6.66.8MPa压力下，使用载于活性炭上的钳催化剂进行连续加氢，使4-CBA转化为易溶于水的对甲基苯甲酸，有色体也同时分解。止匕外，此催化剂还有吸附作用，可除去方酮等杂质。整个加氢过程的化学反应可用下式表示：CHOCH3加氢反应后杂质大部分转化为能溶解于水的物质。故可用结晶分离、水洗等方法7/14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

18、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45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。M饨,但对策一二甲酸国聚去*子原靖加塞反应去离子水离心分X箱对笨二甲餐尾气洗诙一下水道图44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4CBA等杂质较多，需采用加氢、重结晶等工序生产精对苯二甲酸。由于精制过程长、设备多、技术难度大，钳又是贵重金属，所以操作费用和生产成本增高。目前，又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