KR100827968B1

KR100827968B1 - Chemical production processes, chemical production systems, and methods for monitoring and altering reactor conditions

Info

Publication number: KR100827968B1
Application number: KR1020067014727A
Authority: KR
Inventors: 윌리엄 알. 라우어리; 숀 이. 맥케이; 베니 디. 에버스; 비말 샤르마
Original assignee: 그레이트 레이크스 케미칼 코퍼레이션
Priority date: 2006-07-21
Filing date: 2004-01-21
Publication date: 2008-05-08
Also published as: KR20060132657A

Abstract

The present invention includes chemical production processes and systems, as well as methods for monitoring and changing reactor conditions. Methods of monitoring reactor conditions include monitoring the reactant recovery stream density and changing the conditions when the density reaches a predetermined amount. If a stream can be monitored by a density monitor, a chemical production system is provided that includes a reactor unit that receives a reactant recovery stream from the separation unit. Also provided is a chemical preparation method for reacting reactants and starting materials in a reactor unit with reactor parameters and producing a production stream comprising reactants, products and by-products. The recycle stream comprising the reactants and byproducts is separated from the product stream and returned to the reactor unit. The recycle stream density can be monitored at least periodically and the reactor parameters can be changed when the density indicates an increase in the concentration of by-products in the recycle stream.

Chemical, process, reactor, condition, by-product, parameter, recycle, density

Description

CHEMICAL PRODUCTION PROCESSES, CHEMICAL PRODUCTION SYSTEMS, AND METHODS FOR MONITORING AND ALTERING REACTOR CONDITIONS}

본 발명은 화학물질 제조 방법 및 시스템과 반응기 조건의 모니터 및 변경 방법에 관한 것이다.The present invention relates to methods and systems for the production of chemicals and to methods of monitoring and changing reactor conditions.

화학물질 제조 방법은 단일 또는 다중 반응기 유닛 및 단일 또는 다중 분리 유닛을 포함할 수 있다. 화학물질 가공의 계속된 목표는 프로세스를 효율적이 되게 하는 방식으로 이러한 유닛을 함께 동기화하는 것이다. 반응기와 분리 유닛의 예시적인 구조는 미사용 또는 과량의 반응물을 분리 유닛으로부터 반응기 유닛으로 복귀시키는 것을 포함한다. 이 구조의 이점 중 하나는 과량의 반응물을 폐기하는 것이 아니라 생성물을 효율적으로 생성하는 데 사용된다는 것이다. Chemical production methods may include single or multiple reactor units and single or multiple separation units. The continuing goal of chemical processing is to synchronize these units together in a way that makes the process efficient. Exemplary structures of the reactor and separation unit include returning unused or excess reactants from the separation unit to the reactor unit. One of the advantages of this structure is that it is used to efficiently produce the product rather than discarding excess reactants.

이 방식으로 구성된 화학물질 프로세스 시스템은 정상 상태 폐쇄 화학물질 프로세스 시스템으로 고려될 수 있다. 이와 같은 폐쇄 프로세스 시스템에서, 일부 경우에서 감소된 생성물 회수는 소모품의 교체 또는 프로세스 매개변수의 변경 또는 이들 모두에 대한 필요성을 가리킬 수 있다. 소모품 교체의 일례는 접촉 반응기 내 촉매의 교체이다. 그러나, 시스템이 폐쇄 시스템이기 때문에, 프로세스는 소모품을 대체할 필요가 있다고 결정할 때까지 불충분하게 실행될 수 있다.Chemical process systems constructed in this way can be considered as steady state closed chemical process systems. In such closed process systems, reduced product recovery in some cases may indicate a need for replacement of consumables or changes in process parameters, or both. One example of consumable replacement is replacement of the catalyst in the catalytic reactor. However, because the system is a closed system, the process may run insufficiently until it determines that it needs to be replaced.

본 발명은 반응기 촉매 및 반응기 촉매를 모니터하는 방법과 화학물질 제조 방법 및 시스템을 제공한다. 본 발명은 상기 문제를 다룸으로써 동기 부여되었지만, 물론 그것으로 한정되는 것은 결코 아니다. 본 발명은 첨부된 특허청구의 범위에 의하여 문자 그대로 한정될 뿐이며, 대등한 교시에 따라서 적절하게 해석되는 것이다.The present invention provides a reactor catalyst, a method for monitoring the reactor catalyst, and a method and system for producing a chemical. The present invention has been motivated by addressing the above problem, but of course is not limited thereto. The invention is only limited literally by the scope of the appended claims, and is to be construed as appropriate in accordance with equivalent teachings.

본 발명은 화학물질 제조 방법 및 시스템과 반응기 조건의 모니터 및 변경 방법을 포함한다. 한 실시에서, 반응기 조건을 모니터하는 방법은 반응물 회수 스트림 밀도를 모니터하는 단계를 포함한다. 반응물 회수 스트림은 반응물을, 촉매를 가진 반응기에 복귀시키도록 구성될 수 있다. 또한, 본 발명의 방법은 밀도가 소정량에 도달하도록 촉매를 변경시키는 단계를 포함한다.The present invention includes methods and systems for producing chemicals and methods for monitoring and changing reactor conditions. In one implementation, a method of monitoring reactor conditions includes monitoring reactant recovery stream density. The reactant recovery stream may be configured to return the reactants to the reactor with the catalyst. The method also includes modifying the catalyst so that the density reaches a predetermined amount.

본 발명의 한 가지 양태는 하나 이상의 반응기 유닛 및 하나 이상의 분리 유닛을 가진 화학물질 제조 시스템을 제공하는 것을 포함하는 제조 방법을 제공한다. 반응기 유닛은 반응기 매개변수를 가질 수 있다. 과량의 반응물은 분리 유닛으로부터 회수 스트림으로서 회수되어 반응기 유닛으로 제공된다. 회수 스트림 밀도는 모니터되고, 반응기 매개변수는 밀도가 소정량에 도달할 때 변경된다.One aspect of the present invention provides a manufacturing method comprising providing a chemical production system having one or more reactor units and one or more separation units. The reactor unit may have reactor parameters. Excess reactant is recovered from the separation unit as a recovery stream and provided to the reactor unit. The recovery stream density is monitored and the reactor parameters change when the density reaches a certain amount.

예시적인 실시에서, 분리 유닛으로부터의 반응물 회수 스트림을 수용하는 반응기 유닛을 포함하는 화학물질 제조 시스템이 제공되며, 스트림은 밀도 모니터에 의하여 모니터된다. In an exemplary implementation, a chemical preparation system is provided that includes a reactor unit that receives a reactant recovery stream from a separation unit, the stream being monitored by a density monitor.

한 가지 실시에서, 반응기 유닛 내에서 반응물과 출발 물질을 반응시키는 방법 및 반응물, 생성물 및 부산물을 포함하는 생성물 스트림을 생성하는 단계를 포함하는 화학물질 제조 방법이 제공된다. 반응은 촉매의 존재 하에 일어날 수 있고, 촉매는 고갈될 수 있다. 생성물 스트림은 두 개의 상이한 스트림으로 분리될 수 있는데, 두 개의 상이한 스트림 중 하나는 반응물과 부산물을 포함하는 재순환 스트림이다. 재순환 스트림은 반응기 유닛으로 복귀될 수 있다. 복귀는 촉매 고갈이 역치를 넘어설 때를 확인하기 위하여 재순환 스트림 밀도를 모니터하는 단계를 포함할 수 있다. 재순환 밀도는 적어도 주기적으로 모니터할 수 있다. 촉매는 밀도가 재순환 스트림 내 부산물의 농도 증가를 가리킬 때 보충될 수 있다.In one implementation, a method of making a chemical is provided that includes reacting a reactant with a starting material in a reactor unit and generating a product stream comprising reactants, products, and by-products. The reaction can take place in the presence of a catalyst and the catalyst can be depleted. The product stream can be separated into two different streams, one of which is a recycle stream comprising reactants and by-products. The recycle stream can be returned to the reactor unit. The return may include monitoring the recycle stream density to identify when catalyst depletion is above a threshold. The recycle density can be monitored at least periodically. The catalyst can be replenished when the density indicates an increase in the concentration of byproducts in the recycle stream.

도 1은 반응기 유닛(12) 및 분리 유닛(14)을 포함하는 본 발명의 화학물질 제조 시스템(10)을 나타낸다.1 shows a chemical preparation system 10 of the present invention that includes a reactor unit 12 and a separation unit 14.

본 발명은 반응기 조건의 모니터 및 변경 방법과 화학물질 제조 방법 및 시스템을 포함한다. 이러한 방법, 공정 및 시스템의 예시적인 실시는 도면을 참고로 설명할 것이다. 도면을 참조하면, 화학물질 제조 시스템(10)은 반응기 유닛(12) 및 분리 유닛(14)을 포함한다. 반응기 유닛(12)은 접촉 반응기를 포함할 수 있고, 반응물(16)과 출발 물질(18)을 수용 또는 반응 또는 수용 및 반응시키도록 구성될 수 있다. 반응기 유닛(12)은 출발 물질 및 반응물 조성과 공급 속도, 반응기 유닛 온도 및 압력, 뿐만 아니라 촉매 조성을 포함하는 반응기 매개변수를 가질 수 있다. 반응물(16)은 할로겐 교환 반응물과 같은 반응물을 포함할 수 있다. 예시적인 할로겐 교환 반응은 출발 물질 CH₂Cl₂(디클로로메탄, R-30)과 할로겐 교환 반응물 HF의 반응이다. 이 반응은 할로겐 교환 생성물 CH₂F₂(디플루오로메탄, R32) 및 부산물, 예컨대 CH₂ClF(클로로플루오로메탄, R-31) 및 HCl(염산)을 생성할 수 있다.The present invention includes methods for monitoring and altering reactor conditions and methods and systems for making chemicals. Exemplary implementations of these methods, processes and systems will be described with reference to the drawings. Referring to the drawings, the chemical preparation system 10 includes a reactor unit 12 and a separation unit 14. Reactor unit 12 may comprise a catalytic reactor and may be configured to receive or react or receive and react reactants 16 and starting material 18. Reactor unit 12 may have reactor parameters including starting material and reactant composition and feed rate, reactor unit temperature and pressure, as well as catalyst composition. Reactant 16 may include a reactant, such as a halogen exchange reactant. An exemplary halogen exchange reaction is the reaction of the starting material CH ₂ Cl ₂ (dichloromethane, R-30) with the halogen exchange reactant HF. This reaction can produce halogen exchange products CH ₂ F ₂ (difluoromethane, R32) and byproducts such as CH ₂ ClF (chlorofluoromethane, R-31) and HCl (hydrochloric acid).

촉매는 할로겐 교환 반응과 같은 반응을 개선시키는 데 사용할 수 있다. 할로겐 교환 반응을 위한 예시적인 촉매로는 지지형 및 비지지형 크롬 함유 촉매가 있다. 반응기 유닛(12)은 촉매를 포함할 수 있다. 촉매는 반응 중에 사용됨으로써 고갈될 수 있다. 고갈된 촉매는 보충할 수 있다. 한 가지 양태에서 촉매를 보충하는 것은 촉매 일부 또는 전부를 교체하는 것을 포함하고, 다른 양태에서 촉매의 일부 또는 전부를 재활성화시키는 것을 포함하며, 또 다른 실시에서 촉매의 일부를 재활성화시키고, 다른 일부를 교체할 수 있다.The catalyst can be used to improve reactions such as halogen exchange reactions. Exemplary catalysts for halogen exchange reactions are supported and unsupported chromium containing catalysts. Reactor unit 12 may comprise a catalyst. The catalyst can be depleted by being used during the reaction. Depleted catalyst can be replenished. Replenishing the catalyst in one embodiment includes replacing some or all of the catalyst, in another embodiment reactivating some or all of the catalyst, in another embodiment reactivating a portion of the catalyst, Can be replaced.

도면을 다시 참조하면, 생성물 스트림(20)은 반응기 유닛(12)으로부터 분리 유닛(14)으로 생성물을 이송할 수 있다. 생성물 스트림(20)은 과량의 반응물, 예컨대 할로겐 교환 반응물 및 출발 물질, 뿐만 아니라 생성물 또는 부산물 또는 이들 모두를 포함할 수 있다. 생성물 스트림(20)의 일부는 분리 유닛(14)에서 제거될 수 있다. Referring again to the figures, the product stream 20 may transfer product from the reactor unit 12 to the separation unit 14. The product stream 20 may comprise excess reactants, such as halogen exchange reactants and starting materials, as well as products or byproducts or both. A portion of product stream 20 may be removed in separation unit 14.

분리 유닛(14)은 증류 장치와 같은 분리 유닛 또는 액체-액체 상 분리 유닛과 같은 상 분리 유닛 또는 이들 모두를 포함할 수 있다. 예시적인 실시에서, 분리 유닛(14)은 CH₂F₂ 및 과량의 HF를 포함하는 생성물 스트림을 두 개의 스트림, 즉 최종 생성물 스트림(24) 및 회수 스트림(22)으로 분리할 수 있다. 최종 생성물 스트림(24)은 CH₂F₂와 같은 생성물을 포함할 수 있다.Separation unit 14 may comprise a separation unit such as a distillation apparatus or a phase separation unit such as a liquid-liquid phase separation unit or both. In an exemplary implementation, separation unit 14 may separate the product stream comprising CH ₂ F ₂ and excess HF into two streams, namely the final product stream 24 and the recovery stream 22. Final product stream 24 may comprise a product such as CH ₂ F ₂ .

회수 스트림(22)은 분리 유닛(14)으로부터 회수될 수 있다. 한 가지 실시에서, 회수 스트림(22)은 증류 장치 분리 유닛의 저부로부터 회수될 수 있다. 회수 스트림(22)은 과량의 반응물, 예컨대 HF를 포함할 수 있다. 또한, 회수 스트림(22)은 CH₂ClF와 같은 부산물 또는 CH₂Cl₂와 같은 출발 물질 또는 이들 모두를 포함할 수 있다.Recovery stream 22 may be recovered from separation unit 14. In one implementation, the recovery stream 22 may be recovered from the bottom of the distillation apparatus separation unit. Recovery stream 22 may include excess reactant, such as HF. In addition, recovery stream 22 may include by-products such as CH ₂ ClF or starting materials such as CH ₂ Cl ₂ or both.

도면의 예시적인 설명에서, 회수 스트림(22)은 반응기 유닛(12)으로 복귀된다. 도시한 바와 같이, 이것은 이것은 재순환으로 고려될 수 있고, 회수 스트림(22)은 재순환 스트림으로 고려될 수 있다. 그러나, 본 발명은 과량의 반응물을 반응기 유닛으로 재순환시키는 것으로 국한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명은 과량의 반응물이 다른 프로세스로부터 회수되고, 별개의 프로세스의 반응기로 이송되는 실시도 포함한다.In the exemplary description of the figure, the recovery stream 22 is returned to the reactor unit 12. As shown, this can be considered a recycle and the recovery stream 22 can be considered a recycle stream. However, the present invention is not limited to recycling excess reactant to the reactor unit. The invention also encompasses implementations in which excess reactants are recovered from other processes and transferred to reactors in separate processes.

도면을 다시 참조하면, 회수 스트림(22)은 모니터링 장치(26)에 의하여 모니터할 수 있다. 한 가지 구체예에서, 본 발명은 회수 스트림(22)의 밀도를 모니터하는 방법을 제공한다. 한 가지 실시에서, 재순환 스트림을 복귀시키는 것은 촉매 고갈이 역치를 넘어선 경우를 확인하기 위하여 재순환 스트림 밀도를 모니터하는 단계를 포함할 수 있다. 모니터링 장치(26)는 농도계 또는 밀도계를 포함할 수 있다. 예시적인 농도계 또는 밀도계로는 미국 콜로라도 80301 볼더 윈체스터 서클 7070에 소재하는 Micro Motion, Inc., A Division of Emerson Process Management 제품인 하스텔로이(Hastelloy) 센서를 갖춘 Micromotion Elite CMF 100이 있다. Referring back to the figure, the recovery stream 22 can be monitored by the monitoring device 26. In one embodiment, the present invention provides a method of monitoring the density of the recovery stream 22. In one implementation, returning the recycle stream may include monitoring the recycle stream density to identify when catalyst depletion has crossed a threshold. The monitoring device 26 may comprise a densitometer or a density meter. An example densitometer or density meter is the Micromotion Elite CMF 100 with a Hastelloy sensor from Micro Motion, Inc., A Division of Emerson Process Management, Boulder Winchester Circle 7070, Colorado, USA, 80301.

한 가지 실시에서, 밀도를 모니터하는 것은 회수 스트림(22) 내 출발 물질 또는 부산물 또는 이들 모두의 농도 증가를 나타낼 수 있다. 예시적인 실시에서, 회수 스트림(22)의 밀도는 주기적으로 또는 연속적으로 모니터할 수 있다. 예시적인 양태에서 출발 물질의 농도 증가만을 밀도 변화에 의하여 나타낼 수 있으며, 한 가지 양태에서, 부산물의 농도 증가만이 회수 스트림(22)의 밀도 변화를 나타낼 수 있다. 밀도는 회수 스트림(22)의 부산물 농도의 2 배 증가 또는 출발 물질 농도의 2 배 증가 또는 이들 모두를 나타낼 수 있다. 예시적인 양태에서, 밀도는 촉매 고갈이 역치를 넘어서는 경우를 확인하는 데 사용될 수 있다. 역치는 촉매가 고갈되는 레벨, 촉매가 곧 고갈될 레벨 또는 사전 결정된 레벨 또는 이들 모두일 수 있다. In one implementation, monitoring the density may indicate an increase in the concentration of starting materials or by-products or both in the recovery stream 22. In an exemplary implementation, the density of the recovery stream 22 can be monitored periodically or continuously. In an exemplary embodiment, only an increase in concentration of the starting material may be represented by a change in density, and in one embodiment, only an increase in concentration of byproducts may represent a change in density of the recovery stream 22. The density may represent a 2 fold increase in the byproduct concentration of the recovery stream 22 or a 2 fold increase in the starting material concentration or both. In an exemplary embodiment, the density can be used to identify when catalyst depletion exceeds a threshold. The threshold may be the level at which the catalyst is depleted, the level at which the catalyst will soon be depleted or the predetermined level or both.

본 발명에 따르면, 반응기 유닛(12)의 조건은 회수 스트림(22)의 밀도에 따라 변경될 수 있다. 예시적인 양태에서, 회수 스트림(22)의 소정 밀도 양은 반응기 유닛(12)의 반응기 매개변수의 변경을 공표할 수 있다. 예시적인 실시에서, 회수 스트림(22)의 밀도가 출발 물질 또는 부산물 또는 이들 모두의 2 배 증가를 나타낼 경우, 반응기 매개변수는 변경될 수 있다. 반응물(16)이 HF이고, 출발 물질(18)이 CH₂Cl₂인 특정 실시에서, 1.04 g/㎖의 회수 스트림 밀도는 반응기 유닛(12) 내 촉매 보충을 지시할 수 있다. 다른 실시에서, 1.01 g/㎖의 회수 스트림 밀도는 반응기 유닛(12) 내 촉매 보충을 지시할 수 있다. 전술한 바와 같이, 보충하고자 하는 촉매는 지지형 크롬 촉매를 포함할 수 있다. 촉매는 촉매를 교체 또는 재활성화 또는 교체 및 재활성화시킴으로써 보충할 수 있다. 촉매는 당업자에게 공지된 방법에 의하여 재활성화될 수 있다. 한 가지 그러한 방법으로는 HF와 같은 반응물의 존재 하에 촉매를 가열시키는 것이 있다. 게다가, 반응기 유닛을 변경하는 것은 촉매를 교체 또는 재생하는 것에 제한되지 않는다. 또한, 본 발명은 출발 물질 및 반응물 조성과 공급 속도, 뿐만 아니라 반응기 유닛 온도 및 압력과 같은 다른 반응 매개변수를 변경하는 것을 포함한다.According to the invention, the conditions of the reactor unit 12 can be changed depending on the density of the recovery stream 22. In an exemplary embodiment, the desired density amount of the recovery stream 22 can announce a change in reactor parameters of the reactor unit 12. In an exemplary implementation, if the density of the recovery stream 22 represents a twofold increase in starting material or by-products or both, the reactor parameters may be changed. In certain implementations where reactant 16 is HF and starting material 18 is CH ₂ Cl ₂ , a recovered stream density of 1.04 g / ml may indicate catalyst replenishment in reactor unit 12. In another implementation, a recovery stream density of 1.01 g / ml may direct catalyst replenishment in reactor unit 12. As mentioned above, the catalyst to be replenished may include a supported chromium catalyst. The catalyst can be replenished by replacing or reactivating the catalyst or by replacing and reactivating the catalyst. The catalyst can be reactivated by methods known to those skilled in the art. One such method is to heat the catalyst in the presence of a reactant such as HF. In addition, changing the reactor unit is not limited to replacing or regenerating the catalyst. The present invention also includes modifying the starting materials and reactant composition and feed rate, as well as other reaction parameters such as reactor unit temperature and pressure.

Claims

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Reacting the reactants with the starting material in a reactor unit and producing a product stream comprising reactants, products, and by-products, wherein the reaction occurs in the presence of a catalyst and depletes the catalyst;

Separating the product stream into two different streams, wherein one of the two different streams is a recycle stream comprising reactants and byproducts;

Returning the recycle stream to the reactor unit, the returning step comprising monitoring the recycle stream density to determine if catalyst depletion is above a threshold level; And

Replenishing the catalyst when the density indicates an increase in the concentration of by-products in the recycle stream

Chemical production method comprising a.

The method of claim 10, wherein the reactant comprises HF, the starting material comprises CH ₂ Cl ₂ , the product comprises CH ₂ F ₂ , and the by-product comprises CH ₂ ClF.

The method of claim 11, wherein the catalyst comprises a supported chromium catalyst.

The process of claim 12 wherein the separating step comprises distilling the product stream and recovering the recycle stream as the bottom product of the distillation.

The method of claim 12, wherein the replenishing step comprises one or more of replacing the catalyst, reactivating the catalyst or reactivating a portion of the catalyst and replacing a portion of the catalyst.

The process of claim 10 wherein the separating step comprises distilling the product stream and recovering the recycle stream as the bottom product of the distillation.

The method of claim 10, wherein the reaction step comprises combining the reactant and the starting material in the presence of a catalyst and the replenishing step comprises replacing the catalyst.

Reacting the starting materials with the reactants to produce a product stream comprising reactants, products, and by-products, wherein the reaction is performed in a reactor unit having reactor parameters;

Separating the recycle stream from the product stream, wherein the recycle stream comprises reactants and byproducts;

Returning the recycle stream to the reactor unit, wherein returning comprises periodically or continuously measuring the recycle stream density; And

Changing the reactor parameters when the density indicates an increase in the concentration of the byproduct,

Wherein the reactor parameters are selected from the starting materials and reactant compositions, feed rates, reactor temperatures, reactor pressures, catalyst compositions, or combinations thereof.

18. The method of claim 17, wherein one of the reactor parameters comprises a reactor temperature and the modifying step comprises changing the reactor temperature.

19. The method of claim 18, wherein the temperature change comprises increasing the reactor temperature.

The method of claim 17, wherein the reactant comprises HF, the starting material comprises CH ₂ Cl ₂ , the product comprises CH ₂ F ₂ , and the by-product comprises CH ₂ ClF.

The method of claim 20, wherein the reaction step combines HF and CH ₂ Cl ₂ in the presence of a catalyst and the modifying step comprises changing the reactor temperature.

The method of claim 21 wherein the temperature change comprises increasing the reactor temperature.

The method of claim 21, wherein the modifying step comprises changing the reactor temperature when the density indicates a twofold increase in byproduct concentration in the recycle stream.

The method of claim 20, wherein the product stream further comprises a starting material and the recycle stream further comprises a starting material.

The method of claim 24, wherein the reaction step comprises combining HF and CH ₂ Cl ₂ in the presence of a catalyst and the modifying step comprises changing the reactor temperature.

The method of claim 24, wherein the density indicates an increase in the concentration of both starting material and by-products in the recycle stream.

The method of claim 24, wherein the density indicates a twofold increase in the concentration of starting material in the recycle stream.

18. The method of claim 17, wherein the returning step comprises continuously measuring the recycle stream density.

18. The method of claim 17, wherein the density indicates a twofold increase in byproduct concentration.

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