ES2694014T3 - Aparato para carbonilar metanol con una corriente de vapor instantáneo enriquecida con ácido acético - Google Patents

Aparato para carbonilar metanol con una corriente de vapor instantáneo enriquecida con ácido acético Download PDF

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Abstract

Aparato para producir ácido acético, que comprende: (a) un reactor (12) para carbonilar metanol o sus derivados reactivos en presencia de un catalizador de metal del Grupo VIII y promotor de yoduro de metilo para producir una mezcla de reacción líquida (28, 28a) incluyendo ácido acético, agua, acetato de metilo y yoduro de metilo; (b) un recipiente de vaporización instantánea (26) adaptado para recibir una corriente de la mezcla de reacción (28, 28a) y vaporizar instantáneamente de la mezcla de reacción (28, 28a) a presión reducida para producir una corriente de vapor de producto crudo (38); y (c) un sistema de transferencia de calor acoplado al reactor (12) y el recipiente de vaporización instantánea (26) operativo para transferir calor desde el reactor (12) al recipiente de vaporización instantánea (26) para elevar la temperatura de la corriente de vapor del producto crudo (38) en comparación con la temperatura de una corriente similar que experimenta vaporización instantánea adiabática, el sistema de transferencia de calor que comprende un intercambiador de calor (60) acoplado a un recipiente de vaporización instantánea de baja presión (62), el recipiente de vaporización instantánea de baja presión (62) acoplado a camisas o bobinas del recipiente de vaporización instantánea (26), en el que el intercambiador de calor (60) está acoplado al reactor (12) para transferir calor de la mezcla de reacción (28, 28a) a un condensado de vapor (68) para formar un condensado de vapor calentado, en el que el condensado de vapor calentado se vaporiza instantáneamente en el recipiente de vaporización instantánea a baja presión (62) para formar un vapor a baja presión (64), y en el que el vapor a baja presión está acoplado a las camisas o bobinas del recipiente de vaporización instantánea (26) para suministrar calor al recipiente de vaporización instantánea (26).

Description

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DESCRIPCION
Aparato para carbonilar metanol con una corriente de vapor instantaneo enriquecida con acido acetico Sector de la presente invencion
La presente invencion se refiere a un aparato para la fabrication de acido acetico con una eficacia mejorada proporcionada por medio de calentamiento de un recipiente de vaporization instantanea para mantener una temperatura de vapor instantaneo elevada, generalmente superior a 148,88°C (300°F). Por medio de la presente invencion, se aumenta el contenido relativo de acido acetico en la corriente de producto bruto, desbloqueando de este modo la purification.
Antecedentes
La production de acido acetico por medio de carbonilacion de metanol es bien conocida en la tecnica. En terminos generales, una llnea de produccion de carbonilacion de metanol incluye un reactor, un vaporizador instantaneo, purificacion y reciclado. En la section del reactor, se ponen en contacto el metanol y el monoxido de carbono con el catalizador de rodio o iridio en un medio de reaction en fase llquida agitado y homogeneo en un reactor para producir acido acetico. Se bombea metanol al reactor desde un tanque de compensation de metanol. El proceso es altamente eficiente, teniendo una conversion de metanol a acido acetico, tlpicamente, de mas del 99 por ciento. Un recipiente de vaporizacion instantanea acoplado al reactor vaporiza instantaneamente una corriente de extraction para eliminar el producto crudo de la mezcla de reaccion. El producto bruto se alimenta a una seccion de purificacion que incluye, generalmente, una columna de productos finales ligeros o de separation, una columna de secado, purificacion auxiliar y, opcionalmente, una columna de acabado. En el proceso, se generan varias corrientes de ventilation que contienen productos finales ligeros, notablemente yoduro de metilo, monoxido de carbono y acetato de metilo, y se alimentan a una seccion de recuperation de productos finales ligeros. Estas corrientes de ventilacion se limpian con un disolvente para eliminar los productos finales ligeros que se devuelven al sistema o se descartan.
Se ha observado en diversas referencias que los recipientes de vaporizacion instantanea utilizados en procesos de produccion de carbonilacion pueden o no calentarse. Vease la patente de Estados Unidos No. 5,874,610 de Clode y otros en la col. 2, llneas 20-54; la patente de Estados Unidos No. 5,750,007 de Clode y otros en la col. 2, llneas 40-51; y la patente de Estados Unidos No.5,990,347 de Clode en la col. 2, llneas 50-57. Vease tambien la patente de Estados Unidos No. 6,066,762 de Yoneda y otros que desvela una temperatura de vaporizacion instantanea de 80°C-180°C. (Col. 16, llneas 40-44), el documento EP 0 768 29 de Morimoto en la col. 5, llnea 59 a la col. 6, llnea 2. Vease tambien la patente de Estados Unidos No. 6,114,576 de Leet y otros, que se refiere a la produccion de un acido carboxllico en presencia de partlculas de catalizador solido que utiliza intercambio de calor directo para transferir el calor de la reaccion a una parte de la corriente residual del vaporizador instantaneo, sin la necesidad de un fluido de transferencia de calor adicional, tal como vapor. Vease tambien la patente de Estados Unidos No. 6,153,792 de Leet y otros, que se refiere a la produccion de un acido carboxllico en presencia de partlculas de catalizador solido que utiliza una etapa de vaporizacion instantanea con un lavado de llquido. Sin embargo, no se ha apreciado que el control de la temperatura dentro de una ventana relativamente estrecha puede utilizarse para aumentar en gran medida el contenido de acido acetico de la corriente de producto bruto en un proceso de acido acetico. En sistemas convencionales, la vaporizacion instantanea tlpicamente se lleva a cabo adiabaticamente y hay un gran descenso de temperatura con respecto a la corriente de alimentation debido al calor de vaporizacion del producto crudo.
Caracteristicas de la presente invencion
Inesperadamente, se ha determinado, de acuerdo con la presente invencion, que el aporte de calor moderado al recipiente del vaporizador instantaneo puede aumentar en gran medida la concentration de acido acetico en la corriente de producto bruto, reduciendo los requisitos de purificacion y reciclado. Este hallazgo no es intuitivamente evidente para un experto en la tecnica. Sin pretender imponer ninguna teorla, se cree que las temperaturas de vaporizacion instantanea elevadas vaporizan mas acido acetico y tienen poco efecto sobre la cantidad de productos finales ligeros (yoduro de metilo, acetato de metilo) que se vaporizan instantaneamente a la corriente de vapor del producto crudo.
De este modo, se da a conocer un proceso de carbonilacion para producir acido acetico, que comprende: (a) metanol carbonilado o sus derivados reactivos en presencia de un catalizador de metal del Grupo VIII y promotor de yoduro de metilo para producir una mezcla de reaccion llquida que incluye acido acetico, agua, acetato de metilo y yoduro de metilo; (b) alimentar la mezcla de reaccion llquida a un recipiente de vaporizacion instantanea que se mantiene a una presion reducida; (c) calentar el recipiente de vaporizacion instantanea mientras se produce simultaneamente la vaporizacion instantanea de la mezcla de reaccion para producir una corriente de vapor de producto bruto, en la que se selecciona la mezcla de reaccion y el caudal de la mezcla de reaccion al recipiente de vaporizacion instantanea, as! como la cantidad de calor suministrado al recipiente de vaporizacion instantanea se controla de modo que la temperatura de la corriente de vapor del producto crudo se mantiene a una temperatura superior a 148,88°C (300°F) y la concentracion de acido acetico en la corriente de vapor del producto bruto es superior al 70% en peso de la corriente.
Mas detalles y ventajas se haran evidentes a partir de la discusion expuesta a continuation.
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Description breve de las figuras
La presente invention se describe con detalle, a continuation, con referencia a los dibujos en los que los mismos numeros designan partes similares. En las figuras:
La figura 1 es un diagrama esquematico que muestra un aparato de carbonilacion de metanol con purification; la figura 2 es un diagrama esquematico que muestra una disposition alternativa del reactor y de los recipientes de vaporization instantanea, en los que se proporciona un intercambiador de calor para proporcionar calor desde el reactor al vaporizador instantaneo y un recipiente convertidor entre el reactor y el vaporizador instantaneo; la figura 3 es un diagrama de flujo que ilustra esquematicamente el funcionamiento del aparato de las figuras 1 y 2; la figura 4 es un grafico que muestra la concentration de vapor del producto bruto en funcion de la temperatura de vaporization instantanea;
la figura 5 es un grafico que ilustra la composition del llquido de vaporization instantanea frente a la temperatura de vaporization instantanea;
la figura 6 es un grafico del caudal en masa normalizado de los diversos componentes en el vapor instantaneo frente a la temperatura de vaporization instantanea;
la figura 7 es un grafico de los caudales en masa de varias corrientes frente a la temperatura de vaporization instantanea; y
la figura 8 es un grafico que ilustra el consumo de energla del vaporizador instantaneo calentado y el coste frente a la temperatura.
Descripcion detallada
La presente invention se describe con detalle, a continuation, con referencia a numerosas realizaciones con fines de ejemplificacion e ilustracion unicamente. Las modificaciones de realizaciones particulares dentro del esplritu y alcance de la presente invention, expuestas en las reivindicaciones adjuntas, seran facilmente evidentes para los expertos en la materia.
A menos que se defina mas especlficamente a continuation, la terminologla tal como se utiliza en el presente documento tiene su significado habitual. %, ppm y terminos similares se refieren al porcentaje en peso y a las partes por millon en peso, a menos que se indique lo contrario.
"Presion reducida" se refiere a una presion menor que la del recipiente del reactor.
Una corriente "similar" que se somete a vaporization instantanea se refiere a una corriente de alimentation de la misma composition que produce una corriente de producto que tiene el mismo caudal de acido acetico en el vapor instantaneo. Veanse las tablas 1-7.
La temperatura de alimentation de la mezcla de reaction al vaporizador instantaneo se mide lo mas cerca posible de la entrada del vaporizador instantaneo, en el lado de alta presion. Se puede utilizar cualquier instrumentation adecuada.
La temperatura de la corriente de vapor de producto bruto se mide lo mas cerca posible de la salida de vapor del recipiente de vaporization instantanea.
Un metal catalizador del Grupo VIII utilizado en relation con la presente invention puede ser un catalizador de rodio y/o iridio. El catalizador metalico de rodio puede anadirse en cualquier forma adecuada, de modo que el rodio este en la solution de catalizador como una mezcla de equilibrio que incluye anion [Rh(CO)2l2]-, tal como es bien conocido en la tecnica. Cuando la solution de rodio esta en el ambiente rico en monoxido de carbono del reactor, la solubilidad del rodio se mantiene generalmente debido a que las especies anionicas de rodio/yoduro de carbonilo son, generalmente, solubles en agua y acido acetico. Sin embargo, cuando se transfieren a ambientes en los que se ha eliminado el monoxido de carbono, tal como tlpicamente existen en el vaporizador instantaneo, la columna de productos finales ligeros y demas, la composition de equilibrio de rodio/catalizador cambia, ya que hay menos monoxido de carbono disponible. El rodio precipita como Rhl3, por ejemplo; no se conocen bien los detalles sobre la forma del rodio arrastrado aguas abajo del reactor. Las sales de yoduro ayudan a aliviar la precipitation en el vaporizador instantaneo bajo las llamadas condiciones de "niveles bajos de agua", tal como apreciara un experto en la tecnica.
Las sales de yoduro mantenidas en las mezclas de reaction de los procesos descritos en el presente documento pueden estar en forma de una sal soluble de un metal alcalino o alcalinoterreo o una sal de amonio cuaternario o de fosfonio. En ciertas realizaciones, el copromotor del catalizador es yoduro de litio, acetato de litio o mezclas de los mismos. El copromotor de la sal se puede anadir como una sal o ligando que no es yoduro que generara una sal yoduro. El estabilizador del catalizador de yoduro se puede introducir directamente en el sistema de reaction. Como alternativa, la sal de yoduro puede generarse in situ, ya que en las condiciones operativas del sistema de reaction, una amplia gama de precursores de sal que no es yoduro reaccionaran con yoduro de metilo para generar el estabilizador de la sal de yoduro copromotora correspondiente. Para detalles adicionales con respecto a la generation de la sal de yoduro, veanse las patentes de Estados Unidos 5,001,259 de Smith y otros; 5,026,908 de
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Smith y otros; y 5,144,068, tambien de Smith y otros. La sal de yoduro se puede anadir como un oxido de fosfina o cualquier ligando organico, si as! se desea. Estos compuestos y otros ligandos generalmente se someten a cuaternizacion en presencia de yoduro de metilo a temperaturas elevadas para producir sales adecuadas que mantienen la concentracion de anion yoduro.
Un catalizador de iridio en la composicion de reaccion de carbonilacion llquida puede comprender cualquier compuesto que contenga iridio que sea soluble en la composicion de reaccion llquida. El catalizador de iridio se puede anadir a la composicion de reaccion llquida para la reaccion de carbonilacion en cualquier forma adecuada que se disuelva en la composicion de reaccion llquida o se pueda convertir en una forma soluble. Entre los ejemplos de compuestos que contienen iridio adecuados que pueden anadirse a la composicion de reaccion llquida se incluyen: IrCls, Irl3, IrBr3, [Ir(CO)2l]2, [Ir(CO)2Cl]2, [Ir(CO)2Br]2, [Ir(CO)2l2]'H+, [Ir(CO)2Br2]'H+, [Ir(CO)2U]-H+, [Ir(CH3)l3(CO2]"H+, Ir4(CO)i2, IrCl3.3H2O, IrBr3.3H2O, Iu(Co)i2, metal de iridio, Ir2O3, Ir(acac)(CO)2, Ir(acac)3, acetato de iridio, [Ir3O(OAc)6(H2O)3][OAc], y acido hexachloroirldico [H2IrCl6]. Los complejos de iridio exentos de cloro, tales como acetatos, oxalatos y acetoacetatos, se utilizan habitualmente como materiales de partida. La concentracion del catalizador de iridio en la composicion de reaccion llquida puede estar en el intervalo de 100 a 6.000 ppm. La carbonilacion de metanol que utiliza catalizador de iridio es bien conocida y, en general, se describe en las siguientes patentes de Estados Unidos: 5,942,460; 5,932,764; 5,883,295; 5,877,348; 5,877,347 y 5,696,284.
El yoduro de metilo se utiliza como el promotor. Preferentemente, la concentracion de metilo en la composicion de reaccion llquida esta en el intervalo del 1 al 50% en peso, preferentemente del 2 al 30% en peso.
El promotor se puede combinar con un compuesto estabilizante de sal/copromotor, que puede incluir sales de un metal del Grupo IA o Grupo IIA, o una sal de amonio cuaternario o fosfonio. Las sales de yoduro o acetato, por ejemplo, yoduro de litio o acetato de litio, son particularmente preferentes.
Se pueden utilizar otros promotores y copromotores como parte del sistema catalltico de la presente invention, tal como se describe en la publicacion de patente europea EP 0 849 248, cuya divulgacion se incorpora en el presente documento como referencia. Los promotores adecuados se seleccionan entre rutenio, osmio, wolframio, renio, cinc, cadmio, indio, galio, mercurio, nlquel, platino, vanadio, titanio, cobre, aluminio, estano, antimonio, y se seleccionan, mas preferentemente, entre rutenio y osmio. En la patente de Estados Unidos No. 6,627,770 se describen copromotores especlficos.
Un promotor puede estar presente en una cantidad eficaz hasta el llmite de su solubilidad en la composicion de reaccion llquida y/o cualquier corriente de proceso llquida reciclada al reactor de carbonilacion desde la etapa de recuperation de acido acetico. Cuando se utiliza, el promotor esta presente de forma adecuada en la composicion de reaccion llquida en una relation molar entre el promotor y el catalizador metalico de [de 0,5 a 15]: 1, preferentemente [de 2 a 10]: 1, mas preferentemente [de 2 a 7,5]:1. Una concentracion de promotor adecuada es de 400 a 5.000 ppm.
La presente invencion se puede apreciar en relacion con, por ejemplo, la carbonilacion de metanol con monoxido de carbono en un sistema de reaccion catalltica homogenea que comprende un disolvente de reaccion (tlpicamente acido acetico), metanol y/o sus derivados reactivos, un catalizador de rodio soluble, como mlnimo, en una concentracion finita de agua. La reaccion de carbonilacion avaza a medida que el metanol y el monoxido de carbono se alimentan continuamente al reactor. El reactivo de monoxido de carbono puede ser esencialmente puro o puede contener impurezas inertes, tales como dioxido de carbono, metano, nitrogeno, gases nobles, agua e hidrocarburos paraflnicos de C1 a C4. La presencia de hidrogeno en el monoxido de carbono y generado in situ por la reaccion de desplazamiento de gas de agua se mantiene, preferentemente, baja, por ejemplo, a menos de 1 bar de presion parcial, ya que su presencia puede dar como resultado la formation de productos de hidrogenacion. La presion parcial de monoxido de carbono en la reaccion esta, de forma adecuada, en el intervalo de 1 a 70 bar, preferentemente de 1 a 35 bar y, de la forma mas preferente, de 1 a 15 bar.
La presion de la reaccion de carbonilacion esta, de forma adecuada, en el intervalo de 10 a 200 bar, preferentemente, de 10 a 100 bar, de la forma mas preferente, de 15 a 50 bar. La temperatura de la reaccion de carbonilacion esta, de forma adecuada, en el intervalo de 100 a 300°C, preferentemente en el intervalo de 150 a 220°C. El acido acetico se fabrica tlpicamente en una reaccion en fase llquida a una temperatura de aproximadamente 150 - 200°C y una presion total de aproximadamente 20 a aproximadamente 50 bar.
El acido acetico se incluye, tlpicamente, en la mezcla de reaccion como disolvente para la reaccion.
Entre los derivados reactivos adecuados de metanol se incluyen acetato de metilo, eter de dimetilo, formiato de metilo y yoduro de metilo. Una mezcla de metanol y sus derivados reactivos se pueden utilizar como reactivos en el proceso de la presente invencion. Preferentemente, se utilizan metanol y/o acetato de metilo como reactivos. Como mlnimo, parte del metanol y/o sus derivados reactivos se convertira en acetato de metilo y, por lo tanto, estara presente como acetato de metilo en la composicion de reaccion llquida, mediante reaccion con un producto o disolvente de acido acetico. La concentracion en la composicion de reaccion llquida de acetato de metilo esta, de forma adecuada, en el intervalo del 0,5 al 70% en peso, preferentemente, del 0,5 al 50% en peso, mas preferentemente, del 1 al 35% en peso y, de la forma mas preferente, del 1 al 20% en peso.
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Se puede formar agua in situ en la composicion de reaccion llquida, por ejemplo, mediante la reaccion de esterificacion entre el reactivo de metanol y el producto de acido acetico. Se puede introducir agua en el reactor de carbonilacion junto con otros componentes, o por separado de los mismos, de la composicion de reaccion llquida. El agua puede separarse de otros componentes de la composicion de reaccion extraldos del reactor y puede reciclarse en cantidades controladas para mantener la concentracion requerida de agua en la composicion de reaccion llquida. Preferentemente, la concentracion de agua mantenida en la composicion de reaccion llquida esta en el intervalo del 0,1 al 16% en peso, mas preferentemente, del 1 al 14% en peso, de la forma mas preferente, del 1 al 10% en peso.
Normalmente, el llquido de reaccion se extrae del reactor y se vaporiza de forma instantanea en un proceso de una etapa o de varias etapas utilizando un convertidor, as! como un recipiente de vaporizacion instantanea, tal como se describe mas adelante. La corriente de proceso de vapor bruto procedente del vaporizador instantaneo se envla a un sistema de purificacion que generalmente incluye, tal como mlnimo, una columna de productos finales ligeros y una columna de deshidratacion.
La presente invencion se aprecia adicionalmente como referencia a la figura 1, que es un diagrama esquematico que ilustra un proceso y aparato de carbonilacion tlpicos. En la figura 1 se muestra un sistema de carbonilacion -10- que incluye un reactor -12- provisto de un sistema de alimentacion -14- que incluye un tanque de compensacion de metanol -16- y una llnea de alimentacion -18- de monoxido de carbono. Un sistema de deposito de catalizador incluye un recipiente de almacenamiento -20- de yoduro de metilo, as! como un tanque de almacenamiento -22- de catalizador. El reactor -12- esta provisto de una ventilacion -24- y una ventilacion opcional -24a-. El reactor -12- esta acoplado a un recipiente de vaporizacion instantanea -26- por medio de un conducto -28- y, opcionalmente, a traves del orificio de ventilacion -24a-. El vaporizador instantaneo, a su vez, esta acoplado a una seccion de purificacion -30- que incluye una columna -32- de extraccion o de productos finales ligeros, una columna de deshidratacion -34- y un lecho de resina de intercambio cationico -36- de cation intercambiado con plata y acido fuerte que elimina los yoduros del producto. En lugar de una resina de intercambio ionico cationica de acido fuerte intercambiado con plata, se ha notificado que se puede utilizar una resina de intercambio ionico anionica para eliminar los yoduros. Vease la patente britanica GB 2112394A, as! como la patente de Estados Unidos No. 5,416,237, col. 7, llneas 54+, que divulga la utilizacion de resinas de 4-vinilpiridina para la eliminacion de los yoduros.
Una corriente de purga gaseosa tlpicamente se ventila desde la cabeza del reactor para evitar la acumulacion de subproductos gaseosos, tales como metano, dioxido de carbono e hidrogeno, y para mantener una presion parcial de monoxido de carbono establecida a una presion total dada del reactor. Opcionalmente (tal como se ilustra en la patente china No. ZL92108244.4) se puede utilizar un reactor denominado "convertidor" que se localiza entre el reactor y el recipiente de vaporizacion instantanea mostrado en la figura 1 y se analiza adicionalmente en relacion con la figura 2. Opcionalmente, las corrientes de purga gaseosa pueden ventilarse a traves del llquido base de vaporizacion instantanea o la parte inferior de la columna de productos finales ligeros para mejorar la estabilidad del rodio y/o pueden combinarse con otras ventilaciones de proceso de gas (tales como las ventilaciones de la parte aerea de la columna de purificacion) antes de la depuracion. Estas variaciones estan dentro del alcance de la presente invencion, tal como se apreciara a partir de las reivindicaciones adjuntas y la descripcion que sigue.
Tal como apreciara un experto en la tecnica, los diferentes entornos qulmicos encontrados en el tren de purificacion pueden requerir una metalurgia diferente. Por ejemplo, el equipo en la salida de la columna de los productos finales ligeros probablemente requerira un recipiente de circonio debido a la naturaleza corrosiva de la corriente de proceso, mientras que un recipiente de acero inoxidable puede ser suficiente para el equipo colocado aguas abajo de la columna de deshidratacion, en la que las condiciones son mucho menos corrosivas.
El monoxido de carbono y el metanol se introducen de forma continua en el reactor -12- con una mezcla adecuada a una presion parcial de monoxido de carbono elevada. Los subproductos no condensables se expulsan del reactor para mantener una presion parcial de monoxido de carbono optima. El gas de salida del reactor se trata para recuperar condensados del reactor, es decir, yoduro de metilo, antes de la combustion. Las eficiencias de metanol y monoxido de carbono son, generalmente, mayores que aproximadamente el 98 y el 90% respectivamente. Tal como se apreciara a partir de la patente de Smith y otros mencionada anteriormente, las principales ineficiencias del proceso son la fabrication concurrente de dioxido de carbono e hidrogeno por medio de la reaccion de desplazamiento gas de agua.
Desde el reactor, una corriente de la mezcla de reaccion se alimenta de forma continua a traves del conducto -28- al vaporizador instantaneo -26-. El producto acido acetico y la mayorla de los productos finales ligeros (yoduro de metilo, acetato de metilo y agua) se separan de la solution del catalizador del reactor y la corriente de proceso bruto -38- se envla con los gases disueltos a la seccion de destilacion o purificacion -30- en una vaporizacion de una sola etapa. La solucion de catalizador se recicla al reactor a traves del conducto -40-. De acuerdo con la presente invencion, se calienta el vaporizador instantaneo con vapor, por ejemplo, a modo de revestimiento o bobinas para elevar la temperatura de la corriente -38-. Se pueden utilizar medios de calentamiento alternativos, tales como calentamiento electrico o calentamiento radiante (microondas), si es mas conveniente.
La purificacion del acido acetico incluye, tlpicamente, destilacion en una columna de productos finales ligeros, una columna de deshidratacion y, opcionalmente, una columna de productos finales pesados. La corriente -38- de proceso de vapor crudo procedente del vaporizador instantaneo se alimenta a la columna -32- de productos finales ligeros. El
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yoduro de metilo, el acetato de metilo y una parte del agua se condensan en la parte aerea de las columnas de productos finales ligeros para formar dos fases (organica y acuosa) en un receptor -42-. Ambas fases llquidas superiores vuelven a la seccion de reaccion a traves de la llnea de reciclado -44-. Opcionalmente, una corriente de recirculacion llquida -45- desde la columna de productos finales ligeros tambien puede retornarse al reactor.
La corriente de proceso purificada -50- se extrae del lado de la columna de productos finales ligeros -32- y se alimenta a la columna de deshidratacion -34-. El agua y algo de acido acetico de esta columna se separan y se reciclan al sistema de reaccion a traves de la llnea de reciclaje -44- tal como se muestra. La corriente de proceso purificada y seca -52- de la columna de deshidratacion -34- alimenta al lecho de resina -36- y el producto se toma de all! a -56- tal como se muestra. El sistema de carbonilacion -10- utiliza solo dos columnas de purification primaria y se hace funcionar, preferentemente, tal como se describe con mas detalle en la patente de Estados Unidos No. 6,657,078 de Scates y otros, titulada "Proceso de carbonilacion de baja energla", cuya divulgation se incorpora en el presente documento como referencia. Generalmente se utilizan columnas adicionales segun se desee, dependiendo del sistema.
En la figura 2 se muestra una disposition alternativa del reactor/vaporizador instantaneo con un recipiente convertidor -12a- entre ellos, as! como un intercambiador de calor -60- y un recipiente de vapor de vaporization instantanea a baja presion -62-. El reactor -12- y el vaporizador instantaneo -26- funcionan tal como se ha descrito anteriormente. El metanol y el monoxido de carbono se proporcionan al reactor -12- en -18a-, -18- y la mezcla de reaccion llquida se extrae en -28a- y se proporciona al recipiente convertidor -12a- que ventila gas que incluye productos finales ligeros a un depurador (no mostrado). El gas de ventilation puede depurarse con metanol y devolverse al reactor. El convertidor -12a- alimenta al vaporizador instantaneo -26- en el que la presion se reduce y se vaporiza instantaneamente a la corriente de producto bruto -38-. El reciclado al reactor se proporciona por medio de las llneas -40-, -44- tal como se ha tratado anteriormente en conexion con la figura 1.
El vaporizador instantaneo -26- se calienta por medio de un suministro -64- de vapor a baja presion proporcionado desde un recipiente de vaporizacion instantanea -62- de vapor que se alimenta desde el intercambiador de calor -60-. El intercambiador de calor -60- se fabrica con una metalurgia adecuada y recibe la mezcla catalltica caliente del reactor -12- a traves de la llnea -66-, as! como el condensado de vapor a traves del tubo -68-. El condensado se calienta mediante el catalizador caliente que, a su vez, requiere enfriamiento debido a la naturaleza exotermica de la reaccion de carbonilacion. El condensado calentado se suministra al recipiente -62- a traves del tubo -70-, en el que se vaporiza instantaneamente a vapor de agua (a baja presion) y se utiliza para calentar el vaporizador instantaneo -26-, tal como se ha indicado anteriormente.
De este modo, el intercambiador de calor -60-, tal como se muestra en la figura 2 proporciona enfriamiento al reactor y calor al vaporizador instantaneo, lo que reduce los costes globales de energla, tal como apreciara un experto en la tecnica.
El monoxido de carbono se puede anadir directamente al convertidor -12a- si as! se desea o se puede anadir ligeramente antes (aguas arriba) o despues (aguas abajo) si as! se desea para estabilizar la solution de catalizador y consumir cualquier metanol sin reaccionar. Los detalles de dichas disposiciones se observan en la patente europea No. EP 0 759 419 as! como la patente de Estados Unidos No. 5,770,768 de Denis y otros.
Tanto si se utiliza la transferencia de calor desde el reactor al vaporizador instantaneo como si no, la presente invention aumenta sustancialmente la eficacia del sistema al proporcionar una mayor concentration de acido acetico en la corriente de vapor de producto bruto, tal como se apreciara en la discusion, a continuation.
El aparato de carbonilacion mostrado en la figura 1 y el ilustrado en la figura 2 se pueden representar esquematicamente, tal como se muestra en la figura 3 para los fines presentes. En la figura 3, la alimentation al reactor se designa corriente 1, la corriente llquida al del vaporizador instantaneo se designa corriente 2, la corriente de vapor de producto crudo proporcionada a la columna divisora se denomina corriente 3 y la corriente de producto purificada se etiqueta como corriente 4. La corriente 5 representa la corriente de reciclado del catalizador desde el dispositivo de dispersion y la corriente 6 representa el reciclado desde el reciclado de la purificacion al reactor.
La figura 3 ilustra dos ineficiencias principales del proceso de carbonilacion de metanol en general; reciclado de catalizador (5) y reciclado de purificacion (6). Ambos "volantes" internos son intensivos en energla y capital, y podrlan minimizarse mejorando el rendimiento del vaporizador instantaneo, asegurando que la corriente de vapor que envla a la purificacion (3) tenga proporcionalmente mas componentes HAc y menos componentes "que no son producto" (H2O, MeAc, Mel). Esto se puede lograr proporcionando entrada de calor para elevar la temperatura de funcionamiento del vaporizador instantaneo. Los beneficios de este concepto se ilustran en los siguientes ejemplos.
Se utilizo un simulador semiemplrico para estudiar el efecto de la temperatura del vaporizador instantaneo mientras se mantiene constante el flujo de la masa de HAc en la corriente de vapor (3). Las composiciones de corriente se muestran, a continuacion, para vapor (3) y llquido (5) que salen del vaporizador instantaneo. La base de entrada del vaporizador instantaneo es una corriente 197,22°C (387°F), presion manometrica de 2757,9 kPa (400 psig), que contiene el 8,1% en peso de Mel, el 2,9% en peso de MeAc, el 75,7% en peso de HAc, el 2,8% en peso de H2O y el 10,6% en peso de Lil. La temperatura de vaporizacion instantanea (temperatura de la corriente de vapor) vario de adiabatica (147,22°C (297°F)) a isotermica (197,22°C (387°F)), todos los casos a 172,37 kPa (25 psig).
Los resultados aparecen en las tablas 1-7 y las figuras 4-7.
Tabla 1 - Ejemplo comparativo A - Operacion adiabatica del vaporizador instantaneo
ENTRADA VAPOR LIQUIDO
T (°C) (T (F))
197,22 (387) 147,22 (297) 147,22 (297)
Flujo
Total
1554,42 260,37 1294,05
Total- HAc
89,48
MeI
125,17 58,31 66,86
MeAc
45,18 20,42 24,76
HAc
1175,98 170,89 1005,09
H2O
43,81 10,76 33,05
Li I
164,29 0,00 164,29
% en peso
MeI
8,1 22,4 5,2
MeAc
2,9 7,8 1,9
HAc
75,7 65,6 77,7
H2O
2,8 4,1 2,6
Li I
10,6 0,0 12,7
5
Tabla 2 - Ejemplo 1 - Operacion del vaporizador instantaneo manteniendo el vapor a 148,88°C (300°F)
ENTRADA VAPOR LIQUIDO
T(°C) (T (F))
197,22 (387) 148,88 (300) 148,88 (300)
Flujo
Total
878,28 241,52 636,76
Total- HAc
70,63
MeI
70,72 44,96 25,76
MeAc
25,53 15,82 9,70
HAc
664,45 170,89 493,56
H2O
24,75 9,84 14,91
Li I
92,82 0,00 92,82
% en peso
MeI
8,1 18,6 4,0
MeAc
2,9 6,6 1,5
HAc
75,7 70,8 77,5
H2O
2,8 4,1 2,3
Li I
10,6 0,0 14,6
Tabla 3 - Ejemplo 2 - Operacion del vaporizador instantaneo manteniendo el vapor a 151,66°C (305°F)
ENTRADA VAPOR LIQUIDO
T (°C) (T (F))
197,22 (387) 151,66 (305) 151,66 (305)
Flujo
Total
480,70 222,04 258,66
Total- HAc
51,15
MeI
38,71 31,48 7,23
MeAc
13,97 11,17 2,80
HAc
363,67 170,89 192,78
H2O
13,55 8,50 5,04
Li I
50,80 0,00 50,80
% en peso
MeI
8,1 14,2 2,8
MeAc
2,9 5,0 1,1
HAc
75,7 77,0 74,5
H2O
2,8 3,8 1,9
Li I
10,6 0,0 19,6
Tabla 4 - Ejemplo 3 - Operacion del vaporizador instantaneo manteniendo el vapor a 154,44°C (310°F)
ENTRADA VAPOR LiQUIDO
T(°C) (T (F))
197,22 (387) 154,44 (310) 154,44 (310)
Flujo
Total
351,38 212,96 138,42
Total- HAc
42,07
MeI
28,29 25,35 2,94
MeAc
10,21 9,05 1,16
HAc
265,83 170,89 94,94
H2O
9,90 7,67 2,24
Li I
37,14 0,00 37,14
% en peso
MeI
8,1 11,9 2,1
MeAc
2,9 4,2 0,8
HAc
75,7 80,2 68,6
H2O
2,8 3,6 1,6
Li I
10,6 0,0 26,8
Tabla 5 - Ejemplo 4 - Operacion del vaporizador instantaneo manteniendo el vapor a 162,77°C (325°F)
ENTRADA VAPOR LiQUIDO
T(°C) (T (F))
197,22 (387) 162,77 (325) 162,77 (325)
Flujo
Total
265,59 205,71 59,88
Total- HAc
34,82
MeI
21,39 20,58 0,81
MeAc
7,72 7,39 0,33
HAc
200,93 170,89 30,04
H2O
7,49 6,86 0,63
Li I
28,07 0,00 28,07
% en peso
MeI
8,1 10,0 1,4
MeAc
2,9 3,6 0,6
HAc
75,7 83,1 50,2
H2O
2,8 3,3 1,0
Li I
10,6 0,0 46,9
5 Tabla 6 - Ejemplo 5 - Operacion del vaporizador instantaneo manteniendo el vapor a 176,66°C (350°F)
ENTRADA VAPOR LIQUIDO
T(°C) (T (F))
197,22 (387) 176,66 (350) 176,66 (350)
Flujo
Total
241,97 203,50 38,47
Total- HAc
32,61
MeI
19,48 19,14 0,34
MeAc
7,03 6,89 0,14
HAc
183,06 170,89 12,17
H2O
6,82 6,58 0,24
Li I
25,57 0,00 25,57
% en peso
MeI
8,1 9,4 0,9
MeAc
2,9 3,4 0,4
HAc
75,7 84,0 31,6
H2O
2,8 3,2 0,6
Li I
10,6 0,0 66,5
5
10
15
20
25
30
35
40
45
Tabla 7 - Ejemplo 6 - Vaporizador instantaneo operacional isotermico
ENTRADA VAPOR LiQUlDO
T(°C) (T (F))
197,22 (387) 197,22 (387) 197,22 (387)
Flujo
Total
233,35 202,68 30,67
Total- HAc
31,79
Mel
18,79 18,61 0,18
MeAc
6,78 6,71 0,08
HAc
176,54 170,89 5,64
H2O
6,58 6,47 0,11
Lil
24,66 0,00 24,66
% en peso
Mel
8,1 9,2 0,6
MeAc
2,9 3,3 0,2
HAc
75,7 84,3 18,4
H2O
2,8 3,2 0,3
Lil
10,6 0,0 80,4
Tal como se muestra en los datos y en la figura 4, el aumento de la temperatura del vaporizador instantaneo aumenta el % en peso de HAc en la corriente de vapor (3) mientras se disminuyen las concentraciones de todos los demas componentes. La figura 5 ilustra que la proporcion de Lil en la corriente de reciclado del catalizador (5) aumenta con una temperatura de vaporizacion instantanea. Este alto Lil actua para mejorar la estabilidad del catalizador en el vaporizador instantaneo (posiblemente mediante los efectos perjudiciales de la temperatura de operacion mas alta).
La figura 6 muestra el efecto de la temperatura del vaporizador instantaneo sobre el caudal de la masa de cada componente en la corriente de vapor que se alimenta a la purificacion (3). Muestra que para una cantidad determinada de rendimiento de HAc, se envlan cantidades menores de los componentes "que no son producto" a la purificacion cuando se utiliza una temperatura de vaporizacion instantanea mas alta. Por ejemplo, elevar la temperatura de vaporizacion instantanea de 147,22 a 154,44°C (297 a 310°F) disminuirla el caudal en masa de agua enviada a la purificacion en un 30%, MeAc en un 55% y Mel en un 55%.
En la figura 7 se observa que los requisitos de caudal de las corrientes son significativamente mas bajas cuando se opera el vaporizador instantaneo a una temperatura mas alta. Esto es el resultado de, proporcionalmente, mas HAc en la corriente de vapor que sale del vaporizador instantaneo (3) y menos de los componentes "que no son producto". Se requiere un caudal mas bajo de la alimentacion del vaporizador instantaneo (2) para alcanzar el mismo rendimiento en masa de HAc a la purificacion (3). Por ejemplo, elevando la temperatura del vaporizador instantaneo de 147,22 a 154,44°C (297 a 310°F), la tasa de reciclado del catalizador requerida cae en un 90%, la alimentacion llquida al vaporizador instantaneo en un 80%, el reciclado de la purificacion en un 50% y la alimentacion de vapor a la purificacion en un 20%. Los beneficios incluyen: (1) para una unidad existente, el aumento del HAc en la corriente de producto bruto, desbloqueando, de este modo, la purificacion y reduciendo los costes operativos y/o permitiendo un aumento de la capacidad; (2) hacer funcionar el reactor a un MeAc superior, actualmente este nivel esta normalmente limitado por la capacidad de purificacion, un MeAc mas alto tambien permite que el reactor funcione a una temperatura mas baja y tambien disminuye la velocidad de produccion de acido propionico; (3) para una nueva unidad, los requisitos de capital y energla se reducen al requerir menos reciclaje de catalizador y rendimiento de purificacion para una tasa de produccion dada de HAc; (4) la disminucion en la velocidad de alimentacion de vapor a la purificacion reduce la perdida de catalizador por arrastre; y (5) la disminucion de la velocidad de alimentacion del llquido al vaporizador instantaneo mejora la eficacia del CO al reducir significativamente la perdida de arrastre de CO soluble (que actualmente representa el 80% del total de residuos de CO).
Por ejemplo, al aumentar la temperatura de funcionamiento del vaporizador instantaneo de 147,22 a 154,44°C (297 a 310°F) se reduce el caudal requerido al vaporizador instantaneo en un 80%. Esta modificacion disminuye drasticamente la ineficiencia total de CO, en el -60% (= reduccion del 80% del 80% de la perdida de CO del remanente del vaporizador instantaneo).
El coste de energla de calentar el vaporizador instantaneo con vapor se muestra en la figura 8. Este coste se reducirla significativamente al integrar el calor entre el reactor y el vaporizador instantaneo, tal como se muestra en la figura 2. Por ejemplo, para calentar a 154,44°C (310°F), es posible utilizar el circuito de enfriamiento del reactor para calentar el vaporizador instantaneo.

Claims (4)

  1. 5
    10
    15
    20
    25
    30
    35
    REIVINDICACIONES
    1. Aparato para producir acido acetico, que comprende:
    (a) un reactor (12) para carbonilar metanol o sus derivados reactivos en presencia de un catalizador de metal del Grupo VIII y promotor de yoduro de metilo para producir una mezcla de reaccion llquida (28, 28a) incluyendo acido acetico, agua, acetato de metilo y yoduro de metilo;
    (b) un recipiente de vaporizacion instantanea (26) adaptado para recibir una corriente de la mezcla de reaccion (28, 28a) y vaporizar instantaneamente de la mezcla de reaccion (28, 28a) a presion reducida para producir una corriente de vapor de producto crudo (38); y
    (c) un sistema de transferencia de calor acoplado al reactor (12) y el recipiente de vaporizacion instantanea (26) operativo para transferir calor desde el reactor (12) al recipiente de vaporizacion instantanea (26) para elevar la temperatura de la corriente de vapor del producto crudo (38) en comparacion con la temperatura de una corriente similar que experimenta vaporizacion instantanea adiabatica,
    el sistema de transferencia de calor que comprende un intercambiador de calor (60) acoplado a un recipiente de vaporizacion instantanea de baja presion (62), el recipiente de vaporizacion instantanea de baja presion (62) acoplado a camisas o bobinas del recipiente de vaporizacion instantanea (26), en el que el intercambiador de calor (60) esta acoplado al reactor (12) para transferir calor de la mezcla de reaccion (28, 28a) a un condensado de vapor (68) para formar un condensado de vapor calentado,
    en el que el condensado de vapor calentado se vaporiza instantaneamente en el recipiente de vaporizacion instantanea a baja presion (62) para formar un vapor a baja presion (64), y
    en el que el vapor a baja presion esta acoplado a las camisas o bobinas del recipiente de vaporizacion instantanea (26) para suministrar calor al recipiente de vaporizacion instantanea (26).
  2. 2. Aparato, segun la reivindicacion 1, que comprende, ademas, un recipiente convertidor acoplado al reactor y al vaporizador instantaneo.
  3. 3. Aparato, segun la reivindicacion 1, que comprende, ademas, una columna divisora adaptada para recibir la corriente de producto bruto y eliminar el acetato de metilo y el yoduro de metilo de la misma para producir una corriente de producto purificada.
  4. 4. Aparato, segun la reivindicacion 3, que comprende, ademas, una columna de secado adaptada para recibir la corriente de producto purificado de la columna divisora y eliminar el agua de la misma.
ES15002793.6T 2008-04-29 2009-04-23 Aparato para carbonilar metanol con una corriente de vapor instantáneo enriquecida con ácido acético Active ES2694014T3 (es)

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