RU2796340C2 - Recycling method for obtaining ethylene glycol - Google Patents
Recycling method for obtaining ethylene glycol Download PDFInfo
- Publication number
- RU2796340C2 RU2796340C2 RU2020138688A RU2020138688A RU2796340C2 RU 2796340 C2 RU2796340 C2 RU 2796340C2 RU 2020138688 A RU2020138688 A RU 2020138688A RU 2020138688 A RU2020138688 A RU 2020138688A RU 2796340 C2 RU2796340 C2 RU 2796340C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- stream
- reactor
- ethylene oxide
- water
- inlet
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА ПОДСТВЕННУЮ ЗАЯВКУCROSS-REFERENCE TO SUBSTITUTE APPLICATION
В данном изобретении заявлен приоритет к предварительной заявке на патент США № 62/664,706, поданной 30 апреля 2018, полное содержание и раскрытие которой включено сюда в качестве ссылки.This invention claims priority to U.S. Provisional Application No. 62/664,706, filed April 30, 2018, the entire content and disclosure of which is incorporated herein by reference.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИFIELD OF TECHNOLOGY
Данное изобретение относится к способу окисления этилена до этиленоксида и гидрирования этиленоксида в этиленгликоль.This invention relates to a process for the oxidation of ethylene to ethylene oxide and the hydrogenation of ethylene oxide to ethylene glycol.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND OF THE INVENTION
Роль этиленгликоля в обществе значительно возросла с тех пор, как вскоре после его первого синтеза свойства молекулы стали предметом ожесточенного спора между двумя гигантами ранней органической химии, Адольфом Вюрцем и Германом Кольбе. В частности, Вюрц и Кольбе оспаривали функциональность и химическую формулу этиленгликоля среди все еще возникающих представлений о гомологах спирта, которые были ключом к великим теориям Кольбе о химической структуре. Лаборатория вскоре превратилась в опосредованную войну растущей промышленной и технической мощи растущего соперничества между Германией и Францией, когда обе страны выделяли значительные ресурсы на научные исследования, а волшебство Вюрца в области химического синтеза давало Франции значительное преимущество. Спор был завершен только применением оружия, когда Германская конфедерация Бисмарка аннексировала эльзасскую родину Вюрца в результате франко-прусской войны и, таким образом, фактически превратила международный спор во внутренний.The role of ethylene glycol in society has increased significantly since soon after its first synthesis, the properties of the molecule became the subject of a fierce dispute between two giants of early organic chemistry, Adolf Wurz and Hermann Kolbe. In particular, Würz and Kolbe disputed the functionality and chemical formula of ethylene glycol among the still emerging notions of alcohol homologues, which were the key to Kolbe's great theories on chemical structure. The laboratory soon turned into a proxy war of the growing industrial and technical power of the growing rivalry between Germany and France, with both countries devoting significant resources to scientific research, and Wurtz's magic in chemical synthesis giving France a significant advantage. The dispute was only ended by the use of arms when Bismarck's German Confederation annexed Wurtz's Alsatian homeland in the Franco-Prussian War and thus effectively turned the international dispute into an internal one.
Сегодня интерес к этиленгликолю более мирный, но тем более конкурентный, потому что этиленгликоль является одним из наиболее широко производимых органических химикатов. С тех пор как накануне Первой мировой войны началось крупномасштабное промышленное производство этиленгликоля, резкое увеличение использования двигателей внутреннего сгорания для моторных автомобилей и других транспортных средств стимулировало спрос на этиленгликоль в качестве охлаждающей жидкости и антифриза. С тех пор рост производства этиленгликоля только ускорился, так что к 2017 году оценочное мировое производство этиленгликоля превысило 25 миллиардов тонн.Today, interest in ethylene glycol is more peaceful, but all the more competitive, because ethylene glycol is one of the most widely produced organic chemicals. Ever since large-scale industrial production of ethylene glycol began on the eve of World War I, the dramatic increase in the use of internal combustion engines for motor cars and other vehicles has stimulated demand for ethylene glycol as coolant and antifreeze. Since then, the growth of ethylene glycol production has only accelerated, so that by 2017 the estimated global production of ethylene glycol exceeded 25 billion tons.
Этиленгликоль обычно получают как одно из многих производных этиленоксида, и, хотя доступны другие способы производства, большая часть производится из этиленоксида жидкофазным не каталитическим способом термической гидратации. Поскольку этиленоксид взаимодействует с этиленгликолями легче, чем с водой, неизбежно, что будут появляться смеси моноэтиленгликоля (МЭГ), а также сопутствующих продуктов с более высоким содержанием гликоля, таких как диэтиленгликоль (ДЭГ), триэтиленгликоль (ТЭГ) и даже высших этиленгликолей. Хотя эти высшие гликоли имеют значительную экономическую ценность, многие производители и заводские операторы хотели бы избежать их образования, потому что рынок конечных потребителей этих продуктов не так хорошо развит, и может быть трудно найти промышленных потребителей, которым они нужны, и продать им эти высшие гликоли.Ethylene glycol is usually produced as one of the many derivatives of ethylene oxide, and although other production methods are available, the majority is produced from ethylene oxide by a liquid phase non-catalytic thermal hydration process. Since ethylene oxide reacts more easily with ethylene glycols than with water, it is inevitable that mixtures of monoethylene glycol (MEG) as well as higher glycol content by-products such as diethylene glycol (DEG), triethylene glycol (TEG) and even higher ethylene glycols will appear. Although these higher glycols have significant economic value, many manufacturers and plant operators would like to avoid their formation because the end user market for these products is not as well developed and it can be difficult to find industrial customers who need them and sell these higher glycols to them. .
Для подавления реакции между продуктом гликоля и этиленоксидом, и тем самым уменьшить образование этих высших гликолей, проводят обычную не каталитическую гидратацию с количеством воды, которое намного превышает стехиометрическое количество воды для гидратации этиленоксида до этиленгликоля, например, 15-40 моль воды на моль этиленоксида. Такое добавление избытка воды эффективно для уравновешивания кинетически благоприятной параллельной реакции между продуктом гликоля и этиленоксидом, которая, как упомянуто выше, конкурирует с гидратацией этиленоксида до моноэтиленгликоля. Однако, будучи эффективным для подавления образования высших этиленгликолей, использование большого избытка воды по сравнению с этиленоксидом представляет проблему для оператора установки при удалении этих больших избытков непрореагировавшей воды, поскольку такое удаление является энергоемким и требует производственных мощностей для выпаривания/дистилляции. Соответственно, проводились интенсивные исследования альтернатив стандартной термической гидратации этиленоксида для производства этиленгликоля.To suppress the reaction between the glycol product and ethylene oxide, and thereby reduce the formation of these higher glycols, conventional non-catalytic hydration is carried out with an amount of water that is much higher than the stoichiometric amount of water for hydration of ethylene oxide to ethylene glycol, for example, 15-40 moles of water per mole of ethylene oxide. This addition of excess water is effective in balancing the kinetically favorable parallel reaction between the glycol product and ethylene oxide, which, as mentioned above, competes with the hydration of ethylene oxide to monoethylene glycol. However, while effective in suppressing the formation of higher ethylene glycols, the use of a large excess of water compared to ethylene oxide presents a problem for the plant operator in removing these large excesses of unreacted water, since such removal is energy intensive and requires evaporation/distillation facilities. Accordingly, there has been intensive research into alternatives to the standard thermal hydration of ethylene oxide for the production of ethylene glycol.
Одним из первых примеров альтернативы традиционной термической гидратации является гомогенная каталитическая гидратация этиленоксида до моноэтиленгликоля. Самые ранние примеры этого подхода включали гомогенный катализ серной кислоты и связанных с ней солей (см. Othmer, D.F. and Thakar, M.S., Glycol Production - Hydration of Ethylene Oxide. Ind. Eng. Chem. 1958, 50, 1235). В европейском патенте № 0,123,700 описана модификация таких более ранних поколений кислотных катализаторов путем их обработки, например, этиламинами, чтобы частично нейтрализовать их, в надежде улучшить селективность реакции гидратации по моноэтиленгликолю. С тех пор, для гомогенных систем были предложены другие соли, такие как соли четвертичного фосфония, как описано в патенте США № 4,160,116, и соли металлатов и бикарбонатов, как описано в патенте США № 7,683,221. Все более креативные сочетания органических веществ, таких как ЭДТК и соединения Салена, также были предложены в качестве гомогенных катализаторов (см. Hal, J.W., Ledford, J. S., and Zhang, X., Catalysis Today 123 (2007), 310-315).One early example of an alternative to traditional thermal hydration is the homogeneous catalytic hydration of ethylene oxide to monoethylene glycol. The earliest examples of this approach involved the homogeneous catalysis of sulfuric acid and its associated salts (see Othmer, D.F. and Thakar, M.S., Glycol Production - Hydration of Ethylene Oxide. Ind. Eng. Chem. 1958, 50, 1235). EP 0,123,700 describes the modification of these earlier generations of acid catalysts by treating them with, for example, ethylamines to partially neutralize them, in the hope of improving the selectivity of the hydration reaction to monoethylene glycol. Since then, other salts have been proposed for homogeneous systems, such as quaternary phosphonium salts as described in US Pat. No. 4,160,116, and metallate and bicarbonate salts as described in US Pat. No. 7,683,221. Increasingly creative combinations of organics such as EDTA and Salen compounds have also been proposed as homogeneous catalysts (see Hal, J. W., Ledford, J. S., and Zhang, X., Catalysis Today 123 (2007), 310-315).
Гомогенные системы катализаторов часто применяют в двухстадийном способе производства этиленгликоля, см., например, патент США № 4,519,875, в котором этиленоксид сначала взаимодействует с диоксидом углерода для производства этиленкарбоната, который затем гидролизуют до этиленгликоля, где на обеих стадиях обычно применяют один и тот же катализатор. Вслед за этим новаторским патентом, постоянные исследования привели к постепенным усовершенствованиям двухстадийного способа. Например, в патенте США № 5,763,691 реакцию карбонизации катализируют в абсорбате этиленоксида в присутствии катализатора карбонизации на основе соли галогенированного органического фосфония. Дополнительные исследования значительно расширили круг известных катализаторов; см., например, макроциклические хелатирующие соединения («краун эфиры»), описанные в патенте США № 7,453,015.Homogeneous catalyst systems are often used in a two-stage process for the production of ethylene glycol, see for example US Patent No. 4,519,875, in which ethylene oxide is first reacted with carbon dioxide to produce ethylene carbonate, which is then hydrolyzed to ethylene glycol, where the same catalyst is usually used in both stages. . Following this pioneering patent, continuous research has led to incremental improvements in the two step process. For example, in US Pat. No. 5,763,691, the carbonization reaction is catalyzed in ethylene oxide absorbate in the presence of a halogenated organic phosphonium salt carbonization catalyst. Additional research has greatly expanded the range of known catalysts; see, for example, macrocyclic chelating compounds ("crown ethers"), described in US patent No. 7,453,015.
Хотя гомогенные катализаторы улучшили селективность реакции гидратации по этиленгликолю по сравнению с не каталитической гидратацией, гомогенные катализаторы имеют недостатки, которые более чем перекрывают эти улучшения. В частности, раствор продукта гликоля содержит растворенный или суспендированный гомогенный катализатор - по существу вызывая загрязнение продукта катализатором, что значительно ухудшает качество продукта, а также является очень агрессивным, как, например, в случае кислотных катализаторов. Таким образом, необходима дополнительная стадия отделения гомогенного катализатора от раствора продукта гликоля, увеличивающая стоимость и усложняющая способ. Например, хотя в патенте США № 5763691, упомянутом выше, представлены попытки упростить двухстадийное производство этиленгликоля через взаимодействие этиленоксида и диоксида углерода в абсорбате, патент все еще требует отдельной стадии дистилляции для удаления катализатора карбонизации.Although homogeneous catalysts have improved the selectivity of the ethylene glycol hydration reaction over non-catalytic hydration, homogeneous catalysts have disadvantages that more than offset these improvements. In particular, the glycol product solution contains a dissolved or suspended homogeneous catalyst—essentially causing catalyst contamination of the product, which greatly degrades the quality of the product, and is also very aggressive, as is the case for example with acid catalysts. Thus, an additional step of separating the homogeneous catalyst from the glycol product solution is necessary, adding cost and complexity to the process. For example, although US Pat. No. 5,763,691, cited above, attempts to simplify the two-stage production of ethylene glycol through the reaction of ethylene oxide and carbon dioxide in the absorbate, the patent still requires a separate distillation stage to remove the carbonization catalyst.
Такая сложность способа приносит с собой дополнительный недостаток, заключающийся в том, что он не очень универсален и не гибок. Например, способу не хватает гибкости для того, чтобы работать частично каталитически, то есть в смешанном каталитическом и не каталитическом режимах, что позволило бы производить больше высших гликолей, если того пожелает оператор, а также адаптировать завод в случае некоторых сбоев в логистике и эксплуатации, когда он не может работать в каталитическом режиме, например, когда достаточное количество катализатора недоступно. Двухстадийному способу гидратации также не хватает универсальности для использования как на новых заводах, так и на модернизированных. Двухстадийный способ гидратации можно использовать только на новых заводах и нельзя использовать на модернизированных, потому что в случае модернизации необходимо будет удалить и заменить все «внутренние интерфейсы», что сделает такую модернизацию слишком дорогостоящей. Недостатком двухстадийного способа гидратации является необходимость инвентаризации концентрированного этиленоксида (концентрация более 70%) для производства промежуточного этиленкарбоната на первой стадии способа. Реакция карбонизации на первой стадии проводится барботированием диоксида углерода в такой концентрированный жидкий раствор этиленоксида при высокой температуре и давлении (например, более 1,6 МПа). Большой объем концентрированного этиленоксида требует значительных дополнительных мер (например, хранения в жидком холодоносителе) для предотвращения реакций или событий, которые могут привести к возгоранию, горению, дефлаграции, детонации или взрыву любого газового потока, но особенно тех, которые содержат типовые концентрации этиленоксида.This complexity of the method brings with it the additional disadvantage that it is not very versatile and flexible. For example, the process lacks the flexibility to operate partially catalytically, i.e. in mixed catalytic and non-catalytic modes, which would allow the production of more higher glycols if the operator so desires, as well as to adapt the plant in case of some disruptions in logistics and operation. when it cannot operate in catalytic mode, such as when sufficient catalyst is not available. The two-stage hydration process also lacks the versatility to be used in both new plants and retrofits. The two-stage hydration method can only be used in new plants and cannot be used in retrofits, because in the event of an upgrade, all "internal interfaces" would need to be removed and replaced, making such an upgrade too costly. The disadvantage of the two-stage hydration method is the need to inventory concentrated ethylene oxide (concentration of more than 70%) for the production of intermediate ethylene carbonate in the first stage of the method. The carbonization reaction in the first step is carried out by bubbling carbon dioxide into such a concentrated ethylene oxide liquid solution at high temperature and pressure (for example, more than 1.6 MPa). Large volumes of concentrated ethylene oxide require significant additional measures (e.g., storage in a coolant liquid) to prevent reactions or events that could result in ignition, combustion, deflagration, detonation, or explosion of any gas stream, but especially those containing typical concentrations of ethylene oxide.
Неудивительно, что с учетом вышеупомянутых недостатков как не каталитических, так и гомогенно-каталитических систем гидратации, также исследовали гетерогенный катализ с использованием твердых катализаторов или катализаторов на подложке. В поисках преимуществ более высокой селективности каталитической гидратации без вышеупомянутых недостатков, исследователи обратили свое внимание на гетерогенные системы катализаторов. Поскольку гетерогенные катализаторы не абсорбируются в жидкофазные реакционные смеси или растворы продуктов, не загрязняют растворы продуктов, не требуют стадии разделения и способствуют непрерывной работе реактора гидратации, они вызывают значительный интерес.Not surprisingly, given the aforementioned disadvantages of both non-catalytic and homogeneous catalytic hydration systems, heterogeneous catalysis using solid or supported catalysts has also been explored. In search of the benefits of higher catalytic hydration selectivity without the aforementioned disadvantages, researchers have turned their attention to heterogeneous catalyst systems. Because heterogeneous catalysts do not adsorb into liquid phase reaction mixtures or product solutions, do not contaminate product solutions, do not require a separation step, and promote continuous operation of the hydration reactor, they are of considerable interest.
Множество твердых материалов было предложено в качестве гетерогенных катализаторов для гидратации. Этот список включает цеолиты, такие как описаны в патенте США № 3,028,434, а также аморфные алюминосиликаты, твердые основания и кислотные катализаторы на подложке, такие как описаны в патенте США № 4,165,440. Также были предложены ионообменные смолы, частично нейтрализованная амином стирол-дивинилбензольная смола на основе сульфоновой кислоты описана в EP 0 123 709; катализаторы на основе четвертичной фосфониевой ионообменной смолы, см. публикацию PCT WO 2000/35840; и ионообменные смолы на основе сильного основания, суммированные в патенте США № 6,211,419, были среди первых ионообменных смол, предложенных для катализа реакции воды и этиленоксида. Более поздние публикации расширили область до широкого спектра анионообменных смол, см., например, патент Китая № 1208135.A variety of solid materials have been proposed as heterogeneous hydration catalysts. This list includes zeolites such as those described in US Pat. No. 3,028,434, as well as amorphous aluminosilicates, solid bases, and supported acid catalysts such as those described in US Pat. No. 4,165,440. Ion exchange resins have also been proposed, a sulfonic acid-based partially amine-neutralized styrene-divinylbenzene resin is described in EP 0 123 709; quaternary phosphonium ion exchange resin catalysts, see PCT publication WO 2000/35840; and strong base ion exchange resins, summarized in US Pat. No. 6,211,419, were among the first ion exchange resins proposed to catalyze the reaction of water and ethylene oxide. More recent publications have expanded the scope to a wide range of anion exchange resins, see for example Chinese Patent No. 1208135.
Хотя прекрасные результаты были достигнуты с использованием гетерогенных катализаторов на основе ионообменных смол, их использование также имеет определенные недостатки. В частности, ионообменная смола имеет ограниченную устойчивость к нагреванию, так что в типовых условиях реакции в течение длительного времени службы смолы набухают, что приводит к дезактивации. Набухание, которое возникает в результате внутренней полимеризации в слое смолы и общего накопления высокомолекулярных побочных продуктов, является серьезной проблемой, которая является существенным ограничивающим фактором срока службы ионообменной смолы. Смолы обычно претерпевают некоторое обратимое набухание во время работы из-за воздействия растворителей; однако при осторожном обращении это набухание можно уменьшить, а срок службы ионообменной смолы продлить. Однако воздействие этиленоксида на ионообменную смолу может вызвать более проблематичное и необратимое набухание смолы, особенно когда такое воздействие происходит при более высоких температурах реактора гидратации, которые, как упоминалось выше, могут выходить за пределы интервала температур, который смола может удовлетворительно переносить.Although excellent results have been achieved using heterogeneous ion exchange resin catalysts, their use also has certain disadvantages. In particular, the ion exchange resin has limited resistance to heat, so that under typical reaction conditions, the resin swells for long periods of time, resulting in deactivation. Swelling, which results from internal polymerization in the resin layer and the overall accumulation of high molecular weight by-products, is a serious problem that is a significant limiting factor in the service life of an ion exchange resin. Resins typically undergo some reversible swelling during operation due to exposure to solvents; however, with careful handling, this swelling can be reduced and the life of the ion exchange resin extended. However, exposure of the ion exchange resin to ethylene oxide can cause more problematic and irreversible swelling of the resin, especially when such exposure occurs at higher hydration reactor temperatures, which, as mentioned above, may be outside the temperature range that the resin can satisfactorily tolerate.
Набухание не только является проблемой само по себе, но также может снизить эффективность и усложнить процесс каталитической гидратации; например, когда избыточное набухание требует замены смолы и, таким образом, отключения установки каталитической гидратации, в которой она содержится. Были предприняты различные попытки решения этих проблем, включая попытки найти смолы, менее склонные к набуханию при обычных условиях эксплуатации, а также разработать модификации процесса в попытке улучшить производительность в дополнение к уменьшению набухания. Например, в европейском патенте ЕР1828086 описано применение “защитных шариков”, созданных для удаления примесей, которые предположительно могут вызвать набухание смолы, но такие попытки были неэффективными.Swelling is not only a problem in itself, but can also reduce efficiency and complicate the catalytic hydration process; for example, when excessive swelling requires changing the resin and thus shutting down the catalytic hydration unit in which it is contained. Various attempts have been made to address these problems, including attempts to find resins that are less likely to swell under normal operating conditions, and to develop process modifications in an attempt to improve performance in addition to reducing swelling. For example, European Patent EP1828086 describes the use of "protective beads" designed to remove impurities that would conceivably cause the resin to swell, but such attempts have been ineffective.
Вместо того чтобы защищать смолы защитным слоем в попытке минимизировать набухание, другой более успешный подход, описанный в публикации РСТ WO2008/150338, направлен не на защиту смолы, а на облегчение процесса удаления ионообменной смолы, срок службы которой истек, за счет ранее не предлагавшейся работы каталитического реактора в режиме восходящего потока, который расширяет слой катализатора, что позволяет разделить частицы катализатора по размеру и тем самым селективно удалить набухшие частицы. Еще один подход показан в патенте США № 6,160,187, который утверждает, что уменьшение набухания может быть достигнуто в условиях адиабатической реакции и при использовании адиабатического реактора. Однако примеры, содержащиеся в патенте «187», на самом деле не демонстрируют какое-либо улучшение характеристик набухания смол, равно как и не было последующих разработок адиабатического режима, разработкой которого пренебрегли.Rather than protecting resins with a protective layer in an attempt to minimize swelling, another more successful approach, described in PCT Publication WO2008/150338, does not aim to protect the resin, but to facilitate the removal of an expired ion exchange resin through previously unsuggested work. an up-flow catalytic reactor that expands the catalyst bed to allow size separation of the catalyst particles and thereby selectively remove swollen particles. Another approach is shown in US Pat. No. 6,160,187 which states that swelling reduction can be achieved under adiabatic reaction conditions and using an adiabatic reactor. However, the examples contained in the "187" patent do not actually show any improvement in the swelling characteristics of the resins, nor has there been any subsequent development of the adiabatic regime, which has been neglected.
Соответственно, несмотря на то, что было несколько многообещающих разработок в отдельных аспектах гетерогенной каталитической гидратации, остается значительная потребность в дальнейших улучшениях каталитической гидратации в адиабатических условиях процесса.Accordingly, although there have been several promising developments in certain aspects of heterogeneous catalytic hydration, there remains a significant need for further improvements in catalytic hydration under adiabatic process conditions.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯBRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION
Данное изобретение относится к жидкофазном способу каталитической гидратации этиленоксида для производства моноэтиленгликоля (МЭГ), включающему: получение раствора этиленоксида-воды, содержащего этиленоксид и воду; объединение сырьевого потока каталитического гидрирования с рециркулируемым разделенным потоком с получением первого входного потока реактора; подачу входного потока первого реактора на вход первого адиабатического реактора, где вход первого адиабатического реактора имеет первую температуру на входе; взаимодействие этиленоксида и воды в присутствии первого катализатора на основе ионообменной смолы в первом адиабатическом реакторе с получением исходящего потока, содержащего воду, этиленгликоль и непрореагировавший этиленоксид; дальнейшее объединение извлечение исходящего потока с рециркулируемой подачей потока с получением объединенного потока, содержащего воду, этиленгликоль и непрореагировавший этиленоксид; подача объединенного потока на вход второго адиабатического реактора, где вход второго адиабатического реактора имеет вторую температуру на входе; взаимодействие этиленоксида и воды в присутствии второго катализатора на основе ионообменной смолы во втором адиабатическом реакторе с получением исходящего потока второго реактора, содержащего воду, этиленгликоль, и непрореагировавший этиленоксид; сжатие второго исходящего потока реактора; деление второго исходящего потока реактора на рециркулируемый поток и передний поток; деление рециркулируемого потока на рециркулируемый разделённый поток и питающий рециркулируемый поток; подача переднего потока в виде сырьевого потока трубчатого реактора в не каталитический трубчатый реактор с получением потока продукта, в котором общая концентрация ДЭГ, ТЭГ и высших гликолей в потоке продукта выше, чем общая концентрация ДЭГ, ТЭГ и высших гликолей в переднем потоке.The present invention relates to a liquid phase process for the catalytic hydration of ethylene oxide for the production of monoethylene glycol (MEG), comprising: obtaining an ethylene oxide-water solution containing ethylene oxide and water; combining the catalytic hydrogenation feed stream with the recycled split stream to form a first reactor inlet stream; feeding the inlet stream of the first reactor to the inlet of the first adiabatic reactor, where the inlet of the first adiabatic reactor has a first inlet temperature; reacting ethylene oxide and water in the presence of a first ion exchange resin catalyst in a first adiabatic reactor to produce an effluent containing water, ethylene glycol and unreacted ethylene oxide; further combining the extraction of the outgoing stream with the recycled feed stream to obtain a combined stream containing water, ethylene glycol and unreacted ethylene oxide; feeding the combined stream to the inlet of the second adiabatic reactor, where the inlet of the second adiabatic reactor has a second inlet temperature; reacting ethylene oxide and water in the presence of a second ion exchange resin catalyst in a second adiabatic reactor to produce a second reactor effluent containing water, ethylene glycol, and unreacted ethylene oxide; compressing the second effluent from the reactor; dividing the second reactor effluent into a recycle stream and a front stream; dividing the recirculated stream into a recirculated split stream and a feeding recirculated stream; feeding the front stream as a tubular reactor feed stream to a non-catalytic tubular reactor to produce a product stream in which the total concentration of DEG, TEG and higher glycols in the product stream is higher than the total concentration of DEG, TEG and higher glycols in the front stream.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ НЕСКОЛЬКИХ ВИДОВ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF MULTIPLE DRAWING TYPES
Вышеизложенное краткое описание, а также следующее подробное описание предпочтительных вариантов изобретения будет лучше понято при чтении вместе с приложенными чертежами. Для иллюстрации изобретения на чертежах показаны предпочтительные в настоящее время варианты. Однако следует понимать, что изобретение не ограничивается показанными точными устройствами и инструментами. На чертеже:The foregoing summary, as well as the following detailed description of the preferred embodiments of the invention, will be better understood when read in conjunction with the accompanying drawings. To illustrate the invention, the drawings show the presently preferred embodiments. However, it should be understood that the invention is not limited to the precise devices and instruments shown. On the drawing:
На фигуре 1 показана схема технологического процесса получения потока концентрированного этиленоксида в соответствии с данным изобретением.Figure 1 shows a process flow diagram for obtaining a stream of concentrated ethylene oxide in accordance with this invention.
На фигурах 2-3 показаны схемы технологического процесса вариантов получения этиленгликоля в соответствии с данным изобретением.Figures 2-3 show process flow diagrams for ethylene glycol production options in accordance with the present invention.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Все части, проценты и соотношения, используемые здесь, выражены по объему, если не указано иное. Все давления являются абсолютными. Все документы, цитируемые здесь, включены в качестве ссылки.All parts, percentages and ratios used herein are by volume unless otherwise indicated. All pressures are absolute. All documents cited here are incorporated by reference.
Под «водой» подразумевается любой вид воды, подходящей для использования в химической и нефтехимической переработке, включая деионизированную, деминерализованную, промышленную, питьевую и дистиллированную воду. Также может применяться конденсат пара и конденсат, полученный в части дегидратации и выпаривания способа производства гликоля.By "water" is meant any kind of water suitable for use in chemical and petrochemical processing, including deionized, demineralized, industrial, drinking and distilled water. Steam condensate and condensate obtained from the dehydration and evaporation part of the glycol production process can also be used.
В данном изобретении разработан улучшенный способ адиабатической каталитической гидратации, в котором снижено набухание катализатора, значительно улучшена гибкость способа, и способ сконфигурирован так, чтобы его можно было преимущественно использовать для модернизации не каталитического способа до каталитического. Конкретным преимуществом данного изобретения является то, что применяют ряд адиабатических реакторов. Обычно, реакцию не каталитической гидратации проводят в одном адиабатическом реакторе безотносительно к выходу иди максимальной температуре реактора. Такая работа может причинить конкретный вред ионообменным смолам в соответствии с данным изобретением, так как температуры вне интервала температур, обозначенного для таких смол, могут увеличивать разбухание и снижать период службы катализатора, как описано выше.The present invention provides an improved adiabatic catalytic hydration process in which catalyst swelling is reduced, process flexibility is greatly improved, and the process is configured to advantageously be used to upgrade a non-catalytic process to a catalytic one. A particular advantage of this invention is that a number of adiabatic reactors are used. Typically, the non-catalytic hydration reaction is carried out in a single adiabatic reactor, regardless of yield or maximum reactor temperature. Such operation can be particularly detrimental to the ion exchange resins of this invention, as temperatures outside the temperature range indicated for such resins can increase swelling and reduce catalyst life, as described above.
Вместо использования таких одностадийных адиабатических реакторов и сопутствующих им недостатков (таких как высокая температура в присутствии катализатора), в данном изобретении используют многостадийные адиабатические реакторы, расположенные в ряд. Так как тепло в адиабатическом реакторе не удаляется, температура исходящего потока превышает температуру сырья, и тепло реакции необходимо удалять из исходящего потока охладителем на каждой стадии. Это особенно важно для предотвращения вышеупомянутого разбухания катализатора и для предотвращения избыточной не каталитической реакции продуктов гликоля с этиленоксидом до высших гликолей. В данном изобретении, эти проблемы решаются реакторным блоком каталитической гидратации с двумя или более адиабатическими реакторами, расположенными в ряд с рециркулированием и охлаждением исходящего потока реактора, для контроля температуры реактора. Внешнее охлаждение удаляет тепло реакции из исходящего потока, снижая его температуру так, чтобы его можно было рециркулировать в один или более потоков реактора так, чтобы температуры в реакторе не превышали целевое максимальное значение. Более того, с точки зрения процесса, охлаждение с помощью внешних теплообменников легче и проще, чем настройка соответствующего режима для изотермических реакторов, и его можно регулировать для поглощения нормальных колебаний в процессе и сохранения производительности каталитических реакторов. Таким образом, применение ряда адиабатических реакторов с такими внешними охладителями улучшает универсальность процесса и эффективность удаления тепла. Вторым преимуществом является то, что способ позволяет модернизировать или переоборудовать обычный процесс не каталитической гидратации в каталитической, как более подробно описано ниже.Instead of using such single-stage adiabatic reactors and their attendant disadvantages (such as high temperature in the presence of a catalyst), the present invention uses multi-stage adiabatic reactors arranged in a row. Since no heat is removed in the adiabatic reactor, the temperature of the effluent is higher than the temperature of the feed, and the heat of reaction must be removed from the effluent by a cooler at each stage. This is particularly important to prevent the aforementioned catalyst swelling and to prevent excessive non-catalytic reaction of glycol products with ethylene oxide to higher glycols. In the present invention, these problems are solved by a catalytic hydration reactor unit with two or more adiabatic reactors in series with recirculation and cooling of the reactor effluent to control the reactor temperature. External refrigeration removes heat of reaction from the effluent stream, lowering its temperature so that it can be recycled to one or more reactor streams so that reactor temperatures do not exceed a target maximum value. Moreover, from a process point of view, cooling with external heat exchangers is easier and simpler than setting the appropriate mode for isothermal reactors, and can be adjusted to absorb normal fluctuations in the process and maintain the performance of catalytic reactors. Thus, the use of a range of adiabatic reactors with such external coolers improves process versatility and heat removal efficiency. A second advantage is that the process allows the conventional non-catalytic to catalytic hydration process to be upgraded or converted, as described in more detail below.
В данном изобретении эти преимущества достигаются при одновременном сохранении высокой селективности предшествующих систем каталитической гидратации к моноэтиленгликолю. В каждом слое адиабатического реактора этиленоксид и вода взаимодействуют в присутствии гетерогенного катализатора (такого как ионообменная смола) с образованием моноэтиленгликоля, при этом не менее 98% этиленоксида превращается в моноэтиленгликоль, при этом лишь незначительная доля превращается в высшие гликоли, такие как диэтиленгликоль или триэтиленгликоль.The present invention achieves these advantages while maintaining the high selectivity of prior catalytic hydration systems for monoethylene glycol. In each bed of an adiabatic reactor, ethylene oxide and water react in the presence of a heterogeneous catalyst (such as an ion exchange resin) to form monoethylene glycol, with at least 98% of the ethylene oxide converted to monoethylene glycol, with only a small proportion converted to higher glycols such as diethylene glycol or triethylene glycol.
Таким образом, в настоящем изобретении разработана улучшенная схема процесса, которая включает реакторный блок каталитической гидратации, содержащий последовательно соединенные адиабатические реакторы, который сохраняет низкое набухание смолы и превосходную селективность, а также уменьшает сложность процесса и увеличивает универсальность.Thus, the present invention provides an improved process scheme that includes a catalytic hydration reactor block containing adiabatic reactors in series, which maintains low resin swelling and excellent selectivity, and reduces process complexity and increases versatility.
Этот блок реакторов каталитической гидратации (также “блок реакторов”), полученный в соответствии с данным изобретением, как описано выше, показан как 25 на фигуре 2 и более подробно описан ниже. Блок реакторов 25 загружают, среди прочих сырьевых потоков, жидким холодным сырьевым потоком через трубопровод 40, который высоко обогащен этиленоксидом, и который подают под давлением, достаточно высоким для того, чтобы удерживать этиленоксид в жидкости. Блок реакторов 25 включает конечный адиабатический реактор для не катализированного термического гидролиза ЭО 26, который обеспечивает полное превращение оставшегося не превращенного ЭО (присутствующего в исходящем потоке последнего адиабатического реактора из ряда реакторов 22) до уровней ч./млн., значительно снижая общий требуемый объем каталитического реактора ряда реакторов 22.This catalytic hydration reactor bank (also “reactor bank”) obtained in accordance with the present invention as described above is shown as 25 in Figure 2 and is described in more detail below. The
Любые подходящие средства получения такого жидкого сырьевого потока, который высоко обогащен этиленоксидом, применимы к данному изобретательскому способу каталитического производства этиленгликоля. Одним из подходящим средств для этого является прямой двухстадийный блок испарительный абсорбер-десорбер, показанный на фигуре 1. На фигуре 2 показаны коммуникации между блоком абсорбер-десорбер 1 и блоком реакторов 25, которые получены в соответствии с данным изобретением. Способ получения этиленоксида со ссылкой на этот прямой двухстадийный блок испарительный абсорбер-десорбер далее описан более подробно.Any suitable means of obtaining such a liquid feed stream that is highly enriched in ethylene oxide is applicable to this inventive process for the catalytic production of ethylene glycol. One suitable means for this is the straight two-stage evaporative absorber-stripper unit shown in Figure 1. Figure 2 shows the communications between the absorber-
Этиленоксид получают при непрерывном контакте кислородсодержащего газа с олефином, предпочтительно, этиленом, в присутствии катализатора этиленоксида (“эпоксидирования”) (описанного более подробно ниже). Кислород может подаваться в реакцию в по существу чистой молекулярной форме или в смеси, такой как воздух. В качестве примера, обычные сырьевые смеси реагентов в рабочих условиях могут содержать от около 0,5% до около 45%, предпочтительно, от около 5% до около 30% этилена и от около 3% до около 15% кислорода, где остальное составляют сравнительно инертные материалы, включая такие вещества, как диоксид углерода, вода, инертные газы, другие углеводороды и модераторы реакции, описанные здесь. Неограничивающие примеры инертных газов включают азот, аргон, гелий и их смеси. Неограничивающие примеры других углеводородов включают метан, этан, пропан и их смеси. Диоксид углерода и вода являются побочными продуктами процесса эпоксидирования, а также обычными примесями в сырьевых газах. Оба оказывают неблагоприятное воздействие на катализатор, поэтому концентрации этих компонентов обычно выдерживают на минимуме.Ethylene oxide is produced by continuously contacting an oxygen-containing gas with an olefin, preferably ethylene, in the presence of an ethylene oxide (“epoxidation”) catalyst (described in more detail below). The oxygen may be supplied to the reaction in substantially pure molecular form or in a mixture such as air. By way of example, conventional reactant feed mixtures under operating conditions may contain from about 0.5% to about 45%, preferably from about 5% to about 30% ethylene and from about 3% to about 15% oxygen, with the balance being relatively inert materials, including substances such as carbon dioxide, water, inert gases, other hydrocarbons and reaction moderators described here. Non-limiting examples of inert gases include nitrogen, argon, helium, and mixtures thereof. Non-limiting examples of other hydrocarbons include methane, ethane, propane, and mixtures thereof. Carbon dioxide and water are by-products of the epoxidation process, as well as common impurities in feed gases. Both have an adverse effect on the catalyst, so the concentrations of these components are usually kept at a minimum.
Как отмечено ранее, в реакции также присутствуют один или более модераторов реакции, неограничивающие примеры которых включают органические галогенсодержащие соединения, такие как C1-C8 галогенуглеводороды; особенно предпочтительными являются хлоридсодержащие модераторы, такие как метилхлорид, этилхлорид, этилендихлорид, винилхлорид или их смеси. Контроль уровня концентрации хлорида особенно важен для рутенийсодержащих катализаторов.As noted previously, one or more reaction moderators are also present in the reaction, non-limiting examples of which include organic halogenated compounds such as C 1 -C 8 halohydrocarbons; especially preferred are chloride-containing moderators such as methyl chloride, ethyl chloride, ethylene dichloride, vinyl chloride or mixtures thereof. Controlling the level of chloride concentration is especially important for ruthenium-containing catalysts.
Как указано выше, обычный способ эпоксидирования этилена включает парофазное окисление этилена молекулярным кислородом в присутствии катализатора эпоксидирования, в трубчатом реакторе с неподвижным слоем. Обычно коммерческие этиленоксидные реакторы с неподвижным слоем имеют форму множества параллельно расположенных трубок (в подходящей оболочке) внешним диаметром приблизительно 0,7-2,7 дюймов и внутренним диаметром 0,5-2,5 дюймов и длиной 15-53 футов, каждая из которых заполнена и упакована катализатором. Исходную реакционную смесь (описанную выше) вводят в эти трубки, и полученный исходящий из реактора газ содержит этиленоксид, неиспользованные реагенты и побочные продукты.As stated above, a conventional process for epoxidizing ethylene involves the vapor phase oxidation of ethylene with molecular oxygen in the presence of an epoxidation catalyst, in a fixed bed tubular reactor. Typically, commercial fixed bed ethylene oxide reactors are in the form of a plurality of parallel tubes (suitably sheathed) approximately 0.7-2.7 inches OD and 0.5-2.5 inches ID and 15-53 feet long, each filled and packed with catalyst. The initial reaction mixture (described above) is introduced into these tubes and the resulting reactor effluent contains ethylene oxide, unused reactants and by-products.
Только для целей иллюстрации, далее представлены условия, которые часто применяют в современных коммерческих этиленоксидных реакторах: часовая объемная скорость газа (ЧОСГ) 1500-10000 ч-1, давление на входе реактора 150-400 ф./кв. дюйм изб., температура охладителя 180-315°C, уровень превращения кислорода 10-60% и производительность ЭО (объем выпуска) 7-20 ф. ЭО/куб.ф. катализатора/ч. Потребление сырья на входе реактора после завершения запуска и во время обычной работы обычно составляет (в % объемных) 1-40% этилена, 3-12% O2; 0,3%-20%, предпочтительно, 0,3-5%, более предпочтительно, 0,3-1% CO2; 0-3% этана, некоторое количество одного или более хлоридных модераторов, которые описаны здесь; и остаток сырья составляет аргон, метан, азот или их смеси.For purposes of illustration only, the following are conditions that are often used in modern commercial ethylene oxide reactors: gas hourly space velocity (GOSV) 1500-10000 h -1 , reactor inlet pressure 150-400 psi. inch g, coolant temperature 180-315°C, oxygen conversion 10-60%, and EO production (output) 7-20 lb. EO/cfm catalyst/h Feedstock consumption at the reactor inlet after start-up is complete and during normal operation is typically (in % vol) 1-40% ethylene, 3-12% O 2 ; 0.3%-20%, preferably 0.3-5%, more preferably 0.3-1% CO 2 ; 0-3% ethane, some of one or more chloride moderators as described herein; and the remainder of the raw material is argon, methane, nitrogen, or mixtures thereof.
Типовые условия работы для способа эпоксидирования этилена включают температуры в интервале от около 180°C до около 330°C и, предпочтительно, от около 200°C до около 325°C и более предпочтительно, от около 225°C до около 280°C. Рабочее давление может варьироваться от около атмосферного давления до около 30 атмосфер, в зависимости от желаемого массового расхода и производительности. Более высокое давление может применяться в объеме данного изобретения. Время нахождения в коммерческих реакторах обычно составляет порядка от около 2 до около 20 секунд.Typical operating conditions for the ethylene epoxidation process include temperatures ranging from about 180°C to about 330°C, and preferably from about 200°C to about 325°C, and more preferably from about 225°C to about 280°C. Operating pressure can vary from about atmospheric pressure to about 30 atmospheres, depending on the desired mass flow and performance. Higher pressures may be used within the scope of this invention. Residence times in commercial reactors are typically on the order of about 2 to about 20 seconds.
Исходящий поток реактора выходит через выход реактора и, в предпочтительном варианте, течет в промывную колонну ЭО, где исходящий поток реактора контактирует с обедненным рециркулированным водным раствором для абсорбции этиленоксида, а также нескольких «легких» растворенных веществ, содержащихся в исходящем потоке реактора.The reactor effluent exits the reactor outlet and preferably flows into an EO wash column where the reactor effluent is contacted with a lean recycled aqueous solution to absorb ethylene oxide as well as several "light" solutes contained in the reactor effluent.
На фигуре 1 жидкость из промывной колонны (далее обозначенные как поток “воды из цикла обогащения”) течет через трубопровод 1 и подается в испарительный барабан 5. Потоком воды из цикла обогащения является водный поток, содержащий от 1,0% моль до 4% моль этиленоксида с некоторым количеством растворенных газов, таких как метан, этилен и другие. Этот поток воды из цикла обогащения подают под давлением, предпочтительно, от около 0,4 МПа до около 0,6 МПа в испарительный барабан 5. Абсорбирующее устройство 9 постоянно и непосредственно закреплено в верхней части испарительного барабана 5, и в испарительном барабане имеется отверстие для соединения с абсорбером 9. В данном изобретении давление и в испарительном барабане 5 и в абсорбере 9 поддерживается на уровне, достаточном для того, чтобы при поступлении воды из цикла обогащения в испарительный барабан 5, “легкие” газы, которые растворены в воде из обогащенного цикла, которые имеют летучесть более, чем у этиленоксида, вымывались из воды из цикла обогащения при поступлении в испарительный барабан 5, и пар легких газов направляется разностью давления между испарительным барабаном 5 и абсорбером 9 вверх через отверстие в абсорбер 9 с образованием верхних слоев абсорбера 9, а растворенный этиленоксид остается в основном солюбилизированным в потоке воды из цикла обогащения в кубовом остатке испарительного барабана 5. Эти более летучие “легкие” газы включают указанные выше инертные, непрореагировавшие или побочные газы, растворенные в воде из обогащенного цикла. (Кроме того, следы этиленоксида также могут испаряться с более летучими легкими газами в потоке воды из цикла обогащения. Небольшие количества этиленоксида, которые испаряются из воды из цикла обогащения и поднимаются в абсорбер 9 с испарениями растворенного легкого газа, могут быть восстановлены нисходящим промывочные потоком (не показан) для абсорбции и восстановления двигающегося вверх этиленоксида).In figure 1, the liquid from the wash column (hereinafter referred to as the stream of "water from the enrichment cycle") flows through the
Как указано выше, абсорбер 9 прямо и постоянно прикреплен к верхней поверхности испарительного барабана 5, например, сваркой. Абсорбер 9 прикреплен к испарительному барабану 5 так же, как в конфигурации испарительной колонны и ребойлера, хорошо известной специалисту в данной области техники. Более конкретно, абсорбер 9 прикреплен к испарительному барабану 5 вдоль продольной оси испарительного барабана 5, но предпочтительно, прикреплен в середине продольной оси. Поперечное сечение абсорбера 9 совпадает с формой отверстия в испарительном барабане 5, над которым прикреплен абсорбер 9, и что позволяет сообщение между испарительным барабаном 5 и абсорбером 9. Поперечное сечение абсорбера и форма отверстия в испарительном барабане 5 имеют одинаковую совпадающую форму, и этой формой может быть любая форма между кругом и эллипсом, между эксцентричностью 0 и эксцентричностью 1. Отверстие в испарительном барабане 5 и абсорбере 9 расположено так, что центр отверстия является коллинеарным с центром абсорбера 9. Конфигурация отверстия в испарительном барабане 5 и форма абсорбера 9 и их соответствующее расположение обеспечивает должную жидкостное сообщение между этими двумя элементами. Абсорбер 9 предпочтительно приварен плоским сварным швом к внутреннему диаметру отверстия, сделанного в испарительном барабане 5 так, что внешний диаметр абсорбера 9 находится заподлицо с диаметром отверстия в испарительном барабане 5.As stated above, the
Чтобы обеспечить баланс между вымыванием более летучих «легких» растворенных веществ при сохранении высокой растворимости этиленоксида в воде из обогащенного цикла, давление в испарительном барабане 5 поддерживается на уровне от около 0,1 МПа до 0,3 МПа, и давление в абсорбере 9, с которым имеется прямое сообщение, лишь немного ниже давления в испарительном барабане 5. Температура газов в верхней части абсорбера 9 составляет от около 30°C до около 45°C, а температура в испарительном барабане 5 составляет от около 50°C до около 60°C.In order to achieve a balance between washing out the more volatile "light" solutes while maintaining high ethylene oxide solubility in enriched cycle water, the pressure in the
Верхние компоненты абсорбера 9 возвращают через трубопровод 12 в реакторный блок до установки (не показан) как возможный рецикл в реактор. Вода из обогащенного цикла вытекает в виде кубового остатка из испарительного барабана 5 через насос 14 и через необязательный теплообменник 20 (который предварительно нагревает поток) и в десорбер 15. Давление в десорбере 15 поддерживают через контроль обратного давления, создаваемого отводом паров из конденсатора выпара 19. Температура в верхней части десорбера 15 должна быть от около 25°C до около 40°C, и в нижней части десорбера 15 составляет от около 120°C до около 160°C. Поток воды из цикла обогащения может быть предварительно нагрет в теплообменнике 20 для снижения нагрузки, необходимой для работы десорбера 15. Давление в десорбере 15 поддерживают в интервале от около 0,2 МПа до около 0,6 МПа. В десорбере 15 также может применяться система пароструйных насосов, хорошо известной специалистам в данной области техники, где пар подают из: (1) пара, образующегося везде в системе получения этиленоксида, или (2) пара под средним или высоким давлением, подаваемого из внешних источников/ЗГУ; или сочетания этих двух источников.The top components of the
Как показано на фигуре 2, находящийся под давлением поток из верхней части десорбера вытекает через трубопровод 30 в конденсатор 16 и затем в испарительный барабан 17, который отделяет промытые легкие газы от концентрированного жидкого потока водного этиленоксида, который подают в насос 18. Исходящее из насоса 18 делят на два потока: один поток в виде обратного потока обратно в десорбер 15, и один жидкий водный поток чистого продукта, концнетрированного в этиленоксиде. Промытые легкие газы из барабана 17 текут в конденсатор выпара 19 для дальнейшего восстановления этиленоксида из потока промытого пара и контроля количества растворенных легких газов в концентрированном жидком растворе этиленоксида 41. По сравнению с сильно разбавленным водным раствором, найденным в сравнимом месте в блоке восстановления этиленоксида обычного способа, находящийся под давлением поток из верхней части десорбера в значительно большей степени обогащен этиленоксидом, содержа, по меньшей мере, около 40% моль, предпочтительно, по меньшей мере, около 50% моль этиленоксида, где остальным содержимым в основном является вода. Таким образом, находящийся под давлением поток из верхней части десорбера дает и высокие концентрации этиленоксида, и находится под высоким давлением. Это делает поток крайне полезным для дальнейшей обработки до этиленгликолей через каталитический гидролиз на очень экономичной основе, так как нет необходимости дополнительно обогащать поток или создавать давление на следующих стадиях обработки. Другой предпочтительной опцией способа в соответствии с данным изобретением является то, что кубовый остаток десорбера 15, который представляет собой обеднённый водный раствор цикла, содержащий немного этиленоксида (от около 1 молярных ч./млн. до около 50 молярных ч./млн.), и который также не содержит легкие компоненты, а также примеси, может в предпочтительных вариантах применяться во множестве других схемах рационального использования тепловой энергии по всему заводу, в зависимости от нужд и условий.As shown in Figure 2, the pressurized stream from the top of the stripper flows through
В этих условиях потоков с концентрацией этиленоксида выше, чем обычно, операторы будут продолжать соблюдать соответствующие стандарты безопасности, которые всегда соблюдаются при производстве, обработке или хранении этиленоксида. Как всегда, должны быть приняты меры для предотвращения реакций или событий, которые могут привести к возгоранию, горению, дефлаграции, детонации или взрыву любого газового потока, особенно тех, которые содержат этиленоксид в концентрациях выше типовых. Соответственно, для предотвращения таких событий могут использоваться предохранительные устройства для сброса или уменьшения нежелательного повышения давления в способе, реакции или системах разделения или где-либо еще на заводе по производству этиленоксида как до, так и после того, что показано. Разделение в десорбере 15 настолько эффективно, что почти весь этиленоксид в воде из обогащенного цикла, который поступает в десорбер 15, успешно отделяется и восстанавливается из воды из цикла обогащения, и покидает десорбер 15 в виде чистого жидкого верхнего потока, в то время как только очень небольшая часть ЭО покидает десорбер 15 в других потоках.Under these conditions of streams with higher than normal concentrations of ethylene oxide, operators will continue to comply with the appropriate safety standards that are always followed when producing, processing or storing ethylene oxide. As always, precautions must be taken to prevent reactions or events that could result in ignition, combustion, deflagration, detonation or explosion of any gas stream, especially those containing ethylene oxide in concentrations higher than typical. Accordingly, to prevent such events, safety devices may be used to relieve or reduce unwanted pressure buildup in the separation process, reaction or systems, or elsewhere in the ethylene oxide plant, both before and after what is shown. The separation in
Верхний поток десорбера под давлением, полученный в десорбере 15, течет под повышенным давлением через трубопровод 40 из блока десорбера 1 в блок реакторов 25, как описано выше и показано на фигуре 2. В соответствии с данным изобретением, блок реакторов 25 содержит два или более реакторов. На фигуре 2, показан блок реакторов 25 с рядом из двух адиабатических каталитических реакторов, расположенных последовательно, каждый с охладителем теплообменником потока реактора, где каждый охладитель теплообменник потока реактора способен принимать горячий рециркулированный исходящий поток из второго реактора через насос 19. Более конкретно, как показано на фигуре 2, и более подробно на фигуре 3, блок реакторов 25 показывает ряд реакторов 22 из двух расположенных в ряд адиабатических реакторов с неподвижным слоем катализатора с нисходящим потоком сырья 38 и 40, каждый с охладителем теплообменником потока реактора 39 и 43, соответственно, и рециркулирующим насосом 19. Реакторы обозначены как первый адиабатический реактор 38 и второй адиабатический реактор 40, но в данном описании эти адиабатические реакторы 38 и 40 также могут быть обозначены как “реакторы”.The pressurized overhead stripper stream obtained in
Как описано выше, внешнее охлаждение необходимо, так как реакция воды с этиленоксидом является высоко экзотермической, поэтому необходимо удалять тепло реакции из продукта или исходящих потоков, если реакция происходит в адиабатическом реакторе, как в данном изобретении, чтобы избежать избыточной температуры в слое реактора, которая может снизить срок службы чувствительного к температуре катализатора, такого как ионообменные смолы. Это отличается от изотермических условий, где тепло реакции удаляют непосредственно из реактора. Сохраняя катализатор на основе ионообменной смолы при температурах, которые может выдержать смола, конечно является критическим для снижения набухания, предотвращения разложения и максимизации срока службы катализатора. При должно работе, повышение адиабатической температуры можно контролировать на уровне, который сохраняет хорошую эффективность и срок службы.As described above, external cooling is necessary because the reaction of water with ethylene oxide is highly exothermic, so it is necessary to remove the heat of reaction from the product or effluents if the reaction takes place in an adiabatic reactor, as in the present invention, to avoid excess temperature in the reactor bed, which can reduce the life of a temperature sensitive catalyst such as ion exchange resins. This is different from isothermal conditions where the heat of reaction is removed directly from the reactor. Keeping the ion exchange resin catalyst at temperatures that the resin can withstand is of course critical to reduce swelling, prevent degradation, and maximize catalyst life. Under proper operation, the rise in adiabatic temperature can be controlled at a level that maintains good efficiency and service life.
Наконец, после ряда реакторов 22 расположен обычный не каталитический адиабатический трубчатый реактор 26 (этот реактор, конечно, не содержит катализатор).Finally, downstream of the row of
Как указано выше, концентрированный раствор этиленоксида-воды в трубопроводе 40, полученный из охлажденного технологического потока в конденсаторе 16, является относительно холодным и поэтому его смешивают с потоком воды 36, который нагревают в теплообменнике 35, с получением смешанного потока 41, затем объединяют с рециркулируемым разделённым потоком 57 и охлаждают при температуре, достаточно высокой для того, чтобы провести реакцию каталитической гидратации этиленоксида до моноэтиленгликоля. Теплообменник 39 доводит раствор этиленоксида-воды до температуры от 70°C до 100°C. Теплообменник 35 также обеспечивает тепло для достижения температуры, достаточно высокой для запуска реакции гидратации этиленоксида, когда горячий рециркулированный поток из реактора еще недоступен.As indicated above, the concentrated ethylene oxide-water solution in
Раствор этиленоксида-воды 41 будет содержать, предпочтительно, от около 5% моль до около 10% моль этиленоксида. Таким образом, раствор этиленоксида-воды 41 содержит значительный стехиометрический избыток воды к этиленоксиду, по сравнению с необходимым для гидратации этиленоксида до этиленгликоля. В молярном соотношении, раствор этиленоксида-воды будет иметь молярное отношение вода:этиленоксид от около 5:1 до около 15:1, предпочтительно, от около 7:1 до около 12:1; и хотя это является вышеуказанным стехиометрическим избытком, как указано выше, это значительно ниже, чем количества, применяемые в данной области техники для не каталитической гидратации. И таким образом, так как сырьевой поток содержит меньше воды, конечный продукт также имеет соответствующие пониженные количества воды, которую необходимо удалить из продукта, как описано ниже.The ethylene oxide-
Поток раствора этиленоксида-воды 41 подают в вышеупомянутый блок реакторов 25, где его объединяют с рециркулируемым отцепленным потоком 57 с получением первого сырьевого потока 58. Так как рециркулированный разделённый поток 57 в значительной степени обеднен этиленоксидом по сравнению с потоком раствора этиленоксида-воды 41, подаваемым в блок реакторов 25, полученный первый сырьевой поток 58 будет иметь боле высокое соотношение воды и этиленоксида по сравнению с соотношением воды и этиленоксида в потоке раствора этиленоксида-воды 41, предпочтительно, молярное соотношение от 40:1 до около 10:1, предпочтительно, от около 30:1 до около 20:1, вода:этиленоксид. Это указано для варианта с двумя последовательными реакторами, показанными на фигуре 2, так как количество этиленоксида постепенно снижается при получении все большего количества моноэтиленгликоля, и соотношение воды и этиленоксида в последующих реакторах повышается. Это является значительным улучшением по сравнению с обычным проведением каталитической и не каталитической гидратации. При рециркулировании части исходящего потока реактора в каждый реактор (потоки 61 и 57), может быть получено высокое соотношение вода:этиленоксид в сырьевом потоке в каждый реактор, одновременно сохраняя низкое общее соотношение воды:этиленоксида в потоке продукта 88 в конце блока реакторов, который подают в испарители для удаления воды. Таким образом, реакцию этиленоксида и воды катализируют как в присутствии ионообменной смолы, так и при значительном избытке воды к этиленоксиду. Это способствует производству моноэтиленгликоля и подавлению образования высшего гомолога гликоля, таким образом оба эффекта дают преимущество. И еще это сохраняется при получении конечного продукта, который намного более концентрирован в этиленгликоле и, следовательно, требует намного меньше энергии в блоке выпаривания. Например, в соответствии с данным изобретением, конечный продукт блока реакторов, объединенный продукт из реактора 88, может иметь общую концентрацию гликолей (моно-, ди-, три- и следовых высших) 20% масс. или даже выше, в то время как наоборот, на обычном заводе исходящий поток реактора, поданный в блок выпаривания, имеет общую концентрацию гликолей около 12% масс., тем самым снижая количество тепловой нагрузки для выпаривания избытка воды на коэффициент, по меньшей мере, 40%.The ethylene oxide-
Проиллюстрировав общую схему работы блока реакторов и преимущества настоящего изобретения, далее способ в соответствии с данным изобретением будет описан более подробно со ссылкой на Фигуру 2.Having illustrated the general scheme of operation of the reactor block and the advantages of the present invention, the method according to the present invention will now be described in more detail with reference to Figure 2.
Как отмечено выше, потоки 41 и 57 объединяют и охлаждают в теплообменнике 39 с получением сырьевого потока 37 в первый реактор 38 и, таким образом, температура реактора 38 регулируется через контроль температуры потока 37, в то время как температура в последующем реакторе 40 регулируется применением теплообменника 43.As noted above, streams 41 and 57 are combined and cooled in a
Регулирование температуры и давления являются важными частями способа в соответствии с данным изобретением. Реакцию гидратации в настоящем изобретении проводят как жидкофазный процесс. В настоящем изобретении под «жидкофазным процессом» подразумевается, что сырьевые потоки, подаваемые в реактор, продукт реактора или исходящие потоки реактора, а также реагенты внутри реактора поддерживаются в жидкой фазе. Соответственно, температура и давление в каждом реакторе таковы, что по мере того, как потоки подаются и входят в каждый реактор, они поддерживаются в жидкой фазе. Таким образом, температура и давление в каждом реакторе регулируются для поддержания содержимого реактора в жидкой фазе. Выбор температуры во многом определяется соображениями вышеупомянутых параграфов. Таким образом, при указанных ниже интервалах температур в настоящем изобретении, когда содержимое реактора находится в жидкой форме, давление будет составлять от примерно 7 атм. до примерно 15 атм., предпочтительно от около 8 атм. до около 13 атм.Temperature and pressure control are important parts of the process according to the present invention. The hydration reaction in the present invention is carried out as a liquid phase process. In the present invention, by "liquid phase process" is meant that the feed streams to the reactor, reactor product or reactor effluents, and the reactants within the reactor are maintained in the liquid phase. Accordingly, the temperature and pressure in each reactor is such that as the streams are fed into and enter each reactor, they are maintained in the liquid phase. Thus, the temperature and pressure in each reactor is controlled to keep the contents of the reactor in the liquid phase. The choice of temperature is largely determined by the considerations of the above paragraphs. Thus, at the following temperature ranges in the present invention, when the contents of the reactor are in liquid form, the pressure will be from about 7 atm. up to about 15 atm., preferably from about 8 atm. up to about 13 atm.
При выборе температуры необходимо уравновесить два конкурирующих требования. Во-первых, как отмечено выше, температура на входе в соответствии с данным изобретением должна быть достаточно высокой для запуска реакции гидратации этиленоксида, чтобы превращение этиленоксида в моноэтиленгликоль было значительным. В данном изобретении процент превращения этиленоксида в моноэтиленгликоль в первом реакторе должен составлять, по меньшей мере, около 50%, предпочтительно, по меньшей мере, около 60% от общего прореагировавшего этиленоксида. Таким образом, температура на входе в первый реактор 38 должна быть в интервале от около 50°C до около 90°C, предпочтительно, в интервале от около 70°C до около 85°C. Процент превращения этиленоксида в моноэтиленгликоль во втором реакторе 40 должен быть, по меньшей мере, около 10% от всего прореагировавшего ЭО, предпочтительно, по меньшей мере, около 20% от всего прореагировавшего ЭО. Таким образом, температура на входе во второй адиабатический реактор 40 должна быть в интервале от около 70°С до около 110°С, предпочтительно, в интервале от около 80°С до около 95°С. Однако температура в реакторе (и, следовательно, на выходе из реактора) не должна быть слишком высокой, потому что, как упомянуто выше, значительное повышение температуры внутри реактора вызывает набухание и разрушение ионообменной смолы. Высокие температуры в реакторе являются результатом экзотермической реакции гидратации, поэтому для сдерживания любого повышения температуры необходимо удалить это тепло реакции. В изотермических операциях известного уровня техники тепло реакции может быть удалено, например, абсорбцией в охладитель корпусной части. Это невозможно с адиабатическими реакторами в соответствии с данным изобретением, которые имеют значительно меньше технологических осложнений, но, соответственно, являются менее универсальными в своей способности удалять тепло. Однако, в настоящем изобретении было обнаружено, что повышение температуры, тем не менее, может, по меньшей мере, частично сдерживаться в интервале, подходящем для стабильной работы катализатора на основе ионообменной смолы, избытком воды в каждом реакторе, которая действует как поглотитель тепла. Таким образом, хотя одной из целей настоящего изобретения является уменьшение количества воды, используемой при производстве этиленгликоля, тем не менее, по меньшей мере, минимальное количество воды необходимо для сдерживания повышения температуры в реакторах, возникающего в результате экзотермической реакции. Как описано выше, обе эти цели выполняются в данном изобретении рециркулированием частей исходящего потока из каталитического реактора 74 в такие же реакторы 38 и 40. При такой изобретательской конфигурации, все более высокое соотношение вода:этиленоксид получают в последовательных реакторах, сдерживая экзотерму так, что на выходе из каждого реактора температура составляет от около 90°C до около 120°C, предпочтительно, от около 95°C до около 110°C.When choosing a temperature, two competing requirements must be balanced. First, as noted above, the inlet temperature of the present invention must be high enough to drive the ethylene oxide hydration reaction so that the conversion of ethylene oxide to monoethylene glycol is significant. In the present invention, the percentage of conversion of ethylene oxide to monoethylene glycol in the first reactor should be at least about 50%, preferably at least about 60% of the total ethylene oxide reacted. Thus, the temperature at the entrance to the
Несмотря на успех настоящего изобретения в сдерживании повышения температуры в реакторе, тем не менее, может возникнуть необходимость в дальнейшем снижении температуры выходящего потока реактора до достижения приемлемого интервала температур на входе, упомянутого выше. Для этого объединенные потоки 58 и 62, включая потоки 57 и 61, пропускают через теплообменники 39 и 43. Это дает возможность для интеграции тепла, поскольку поток (не показан) извне блока реакторов может быть нагрет в любом из теплообменников за счет косвенного теплообмена с исходящим потоком реактора из одного или более расположенных последовательно реакторов.Despite the success of the present invention in controlling the temperature increase in the reactor, it may nevertheless be necessary to further reduce the temperature of the reactor outlet stream to achieve the acceptable inlet temperature range mentioned above. To do this, the combined
Как отмечено выше, при более высоких температурах происходит почти полное превращение этиленоксида в моноэтиленгликоль, при более низких температурах на входе не весь этиленгликоль будет реагировать, и обнаруживаемые количества этиленоксида появятся и останутся непрореагировавшими («прорвавшимися») в исходящем потоке реактора. В определенных ситуациях может потребоваться снижение температуры на входе для того, чтобы уменьшить превращение этиленоксида, чтобы обеспечить больший прорыв этиленоксида, когда, например, желательно продлить срок службы катализатора на основе ионообменной смолы или в других ситуациях, как описано ниже.As noted above, at higher temperatures almost complete conversion of ethylene oxide to monoethylene glycol occurs, at lower inlet temperatures not all of the ethylene glycol will react, and detectable amounts of ethylene oxide will appear and remain unreacted ("breakthrough") in the reactor effluent. In certain situations, it may be necessary to lower the inlet temperature in order to reduce ethylene oxide conversion to provide more ethylene oxide breakthrough, when, for example, it is desirable to extend the life of the ion exchange resin catalyst or in other situations, as described below.
В дополнение к вышеупомянутым параметрам и рабочим условиям, другие факторы, которые могут быть учтены при эксплуатации процесса, включают, но не ограничены ими: конфигурацию реактора и процесса, скорость превращения и селективность катализатора на основе ионообменной смолы, и скорость потока реагентов (ЧОСЖ).In addition to the above parameters and operating conditions, other factors that may be considered during process operation include, but are not limited to, reactor and process configuration, ion exchange resin catalyst conversion rate and selectivity, and reactant flow rate (RFR).
Принимая во внимание вышеупомянутые соображения, сырьевой поток 41 объединяют с рециркулируемым разделённым потоком 57 в объемном соотношении потока 41 к потоку 57 от около 0,5:1 до около 2:1. Полученный первый сырьевой поток 58 после охлаждения до достаточной температуры реакции в теплообменнике 39 подают в реактор 38, где этиленоксид взаимодействует с водой в присутствии катализатора на основе ионообменной смолы или слоя катализатора с получением моноэтиленгликоля. В адиабатических реакторах в соответствии с данным изобретением, например, реакторе 38, смешивание этиленоксида с избытком воды при каталитической температуре или около нее, в присутствии катализатора вызывает гидратацию этиленоксида, которая высокоселективна по моноэтиленгликолю так, что, по меньшей мере, около 95%, предпочтительно, по меньшей мере, около 98% этиленоксида превращается в моноэтиленгликоль, и только незначительная доля превращается в высшие гликоли, такие как диэтиленгликоль или триэтиленгликоль (процент превращения указан выше). В дополнение к продукту моноэтиленгликоля, каждый исходящий поток реакторов в соответствии с данным изобретением содержит воду и этиленоксид (избыточные количества доступны для рециркулирования в тот же реактора или для дальнейшего добавления в следующий реактор) и следовые количества других компонентов, включая этиленоксид и высшие гомологи гликоля.With the above considerations in mind, feed
Покидая реактор 38, исходящий поток 70 объединяют с рециркулированным исходящим потоком 61 в объемном соотношении потока 70 к потоку 61 от около 0,5:1 до около 2:1. Объединенный поток 62 затем пропускают через теплообменник 43, где он охлаждается с получением потока 81 для подачи в реактор 40. Во втором адиабатическом реакторе 40, как в реакторе 38, этиленоксид взаимодействует с водой с высокой селективностью и степенью превращения так, что по существу исходящий поток второго реактора 73, как и исходящий поток первого реактора содержит непрореагировавшую воду и этиленоксид, а также моноэтиленгликоль и следовые количества, упомянутые выше. Исходящий поток второго реактора 73 удаляют из второго адиабатического реактора 40, сжимают в насосе 19 и затем делят на передний поток 76 и рециркулируемый поток 75, который далее делят на рециркулируемый разделённый поток 57 и рециркулируемый питающий поток 61. По сути, единственной разницей между 70 и 73 является то, что последний содержит больше моноэтиленгликоля, потому что он содержит количество моноэтиленгликоля, полученное в обоих реакторах 38 и 40, и, следовательно, содержит значительно меньше этиленоксида.Leaving
Первый сырьевой поток 58 т объединенный поток 62 пропускают через соответствующие теплообменники 39 и 43 для получения приемлемой температуры потоков. В этом случае, теплообменник 43 действует как теплообменник 39, охлаждая сырьевой поток реактора для достаточного контроля каталитической реакции.The
В дополнение к вышеописанному ряду реакторов, включающему два последовательных реактора с неподвижным слоем катализатора с нисходящим потоком сырья, блок реакторов 25 также включает обычный трубчатый реактор 26 в который может подаваться передний поток 76. В данном изобретении этот трубчатый реактор 26 сконфигурирован и работает так, чтобы придавать ранее неизвестные уровни универсальности и управляемости схеме процесса каталитической гидратации, которая далее описана более подробно.In addition to the series of reactors described above, including two downflow fixed bed reactors in series, the
Во-первых, в дополнение к повышению превращения и селективности реакции этиленоксида и воды по МЭГ, данное изобретение также может использоваться и конфигурироваться для повышения универсальности и адаптируемости процесса гидратации, позволяя оператору процесса производить ди- и триэтиленгликоль. Это может быть выполнено путем физического обхода одного или нескольких каталитических реакторов 38 и 40 (сам этот байпас не показан) и, таким образом, удаления одного или нескольких каталитических реакторов из циркуляции сырьевого потока. Этиленоксид, который «прорывается» или остается непрореагировавшим, после обхода одного или более вышеупомянутых каталитических реакторов, направляют в не каталитический трубчатый реактор 26 для термического превращения этиленоксида и воды в этиленгликоль. Поскольку трубчатый реактор 26 является не каталитическим и полностью зависит от термической конверсии, передний поток 76 предварительно нагревают в теплообменнике 55, чтобы сырьевой поток 77 в трубчатый реактор мог попасть в диапазон эффективных температур для некаталитической гидратации этиленоксида в моноэтиленгликоль, предпочтительно, температура на входе в трубчатый реактор 26 составляет от около 130°C до около 160°C.First, in addition to improving the conversion and selectivity of the reaction of ethylene oxide and water to MEG, the present invention can also be used and configured to increase the versatility and adaptability of the hydration process, allowing the process operator to produce di- and triethylene glycol. This can be done by physically bypassing one or more
Конечно, такое не каталитическое термическое превращение является значительно менее селективным по МЭГ, с получением значительных количеств гликолей с более высоким содержанием, таких как ДЭГ и ТЭГ, так, что за счет увеличения количества этиленоксида, который превращается в этиленгликоль в трубчатом реакторе, продукт реактора 88 содержит меньше МЭГ и больше ДЭГ и ТЭГ, чем было бы произведено если бы использовались только каталитические реакторы в ряду реакторов 25. Это дает оператору универсальный и гибкий процесс производства этиленгликоля, так как выпуск моно-, ди- и триэтиленгликоля может регулироваться оператором для удовлетворения спроса. В крайнем случае, все каталитические реакторы обходятся, так что остается только последний некаталитический трубчатый реактор 26, и вся гидратация будут происходить в этом реакторе, тем самым превращая каталитический процесс в не каталитический.Of course, this non-catalytic thermal conversion is significantly less selective for MEG, producing significant amounts of higher grade glycols such as DEG and TEG, so that by increasing the amount of ethylene oxide that is converted to ethylene glycol in the tubular reactor,
Альтернативно, вместо того, чтобы физически обходить реакторы, может быть осуществлен «температурный байпас» путем снижения температуры на входе в один или несколько каталитических реакторов до необходимого низкого уровня, чтобы уменьшить реакцию между этиленоксидом и водой и, таким образом, уменьшить количество моноэтиленгликоля, образующегося в реакторах, что означает больший «прорыв» непрореагировавшего этиленоксида, наблюдаемый на выходах каталитических реакторов. Этот этиленоксид затем превращается в этиленгликоль в трубчатом реакторе, как указано выше.Alternatively, instead of physically bypassing the reactors, a "thermal bypass" can be implemented by lowering the inlet temperature to one or more catalytic reactors to the required low level to reduce the reaction between ethylene oxide and water and thus reduce the amount of monoethylene glycol formed. in reactors, which means more "breakthrough" of unreacted ethylene oxide seen at the outlets of catalytic reactors. This ethylene oxide is then converted to ethylene glycol in a tubular reactor as described above.
Трубчатый реактор может также выполнять «завершающую» роль. Даже когда ряд реакторов 22 работает с нормальной каталитической эффективностью, разработанной для максимального превращения этиленоксида в этиленгликоль, тем не менее, небольшое количество непрореагировавшего этиленоксида останется непрореагировавшим после всех реакторов в ряду 22, и этот этиленоксид будет «прорывом» в переднем потоке 76. В данном изобретении ряд 22 работает нормально, так что концентрация этиленоксида в переднем потоке 76 не будет превышать примерно 1% моль. Этот оставшийся этиленоксид затем можно превратить в моноэтиленгликоль в трубчатом реакторе 26. Применение трубчатого реактора в качестве завершающего реактора может дать значительную экономическую пользу через снижение требуемого количества катализатора. Незначительное превращение этиленоксида, достигаемое в трубчатом реакторе, проводят при очень высоком избытке воды так, что селективность по моноэтиленгликолю к высшим гликолям очень близка к селективности каталитических реакторов. Требуемое количество катализатора и объем каталитического реактора поэтому значительно снижается, при этом сохраняя очень высокую общую селективность по моноэтиленгликолю.The tubular reactor may also play a "finishing" role. Even when the row of
Наконец, трубчатый реактор 26 также может использоваться в качестве резервного реактора в ситуациях, когда один или несколько каталитических реакторов неисправны или должны быть по иным причинам выведены из эксплуатации из-за истощения, закупорки слоя смолы или сопла или других трудностей, обычно наблюдаемых при эксплуатации слоев ионообменной смолы. Когда это случается, неисправный каталитический реактор необходимо вывести из эксплуатации. Это означает, что в ряду реакторов 22 будет избыток непрореагировавшего этиленоксида, что нежелательно. Этот избыточный прорыв этиленоксида может быть превращен в этиленгликоль в трубчатом реакторе 26. Таким образом, присутствие трубчатого реактора 26 в настоящем изобретении обеспечивает значительную гибкость и работоспособность для оператора процесса. В отличие от предшествующего уровня техники, где невозможность замены или ремонта катализатора на основе ионообменной смолы или реактора является серьезным недостатком твердых/гетерогенных каталитических систем, в данном изобретении реакторы могут быть выведены на автономный режим для такого ремонта без прерывания работы.Finally, the
Хотя два реактора и два теплообменника показаны в блоке реакторов на фигурах 2 и 3, это сделано только для целей иллюстрации. В зависимости от конкретных потребностей и требований может использоваться больше или меньше реакторов. Увеличение количества реакторов имеет преимущество уменьшения экзотермы в каждом реакторе, тем самым уменьшая количество необратимого набухания, вызванного температурой, которое катализатор на основе ионообменной смолы испытывает внутри каждого реактора. Кроме того, увеличение количества реакторов также увеличивает разбавление этиленоксида, и поскольку этиленоксид разрушает большинство ионообменных смол, ожидается, что повышенное разбавление продлит срок службы смолы.Although two reactors and two heat exchangers are shown in the reactor block of Figures 2 and 3, this is for purposes of illustration only. More or fewer reactors may be used depending on specific needs and requirements. Increasing the number of reactors has the advantage of reducing the exotherm in each reactor, thereby reducing the amount of irreversible temperature-induced swelling that the ion exchange resin catalyst experiences within each reactor. In addition, increasing the number of reactors also increases ethylene oxide dilution, and since ethylene oxide destroys most ion exchange resins, increased dilution is expected to prolong resin life.
Первичными недостатками большего числа реакторов являются стоимость и сложность, включая дополнительные капитальные затраты на реакторы, насосы, теплообменники и другое оборудование, а также эксплуатационные расходы на большие объемы катализатора на основе ионообменной смолы, а также дополнительные трубопроводы, приборы и сложность эксплуатации.The primary disadvantages of more reactors are cost and complexity, including additional capital costs for reactors, pumps, heat exchangers, and other equipment, as well as operating costs for large volumes of ion exchange resin catalyst, as well as additional piping, instrumentation, and operational complexity.
Алкиленгликоль в объединенном продукте реактора 88 затем может быть восстановлен с помощью выпарной батареи или вакуумной дистилляции, или любым другим подходящим методом, известным специалистам в данной области. Методы восстановления могут быть объединены для разных стадий восстановления. Например, выпарную батарею можно использовать для удаления воды из исходящего потока реактора, в то время как вакуумная дистилляция может использоваться для сушки гликоля. Действительно, одним из преимуществ данного изобретения является то, что в постгликолевом блоке реакторов на заводе можно уменьшить сложность, поскольку количество тепловой нагрузки, необходимое для выпаривания избыточной воды, было уменьшено, как указано выше. Таким образом, хотя заводы известного уровня техники часто включают системы выпаривания, имеющие несколько эффектов или стадий (см., например, ЕР № 2121646 В1), данное изобретение требует меньшего количества стадий.The alkylene glycol in the combined product of the
Как обсуждалось выше, данное изобретение может включать один или несколько катализаторов на основе ионообменной смолы. Ионообменные смолы имеют полимерную матрицу, которая содержит на поверхности центры ионного обмена, заполненные ионными функциональными группами. Ионообменные смолы обычно различают на катионные и анионообменные смолы, хотя доступны и другие типы ионообменных смол. Для более полного описания катионо- и анионообменных смол см. de Dardel, F. and Arden, T. V. Ion Exchangers in Ullman’s Encyclopedia of Industrial Chemistry (2005).As discussed above, this invention may include one or more ion exchange resin catalysts. Ion-exchange resins have a polymer matrix that contains ion exchange centers filled with ionic functional groups on the surface. Ion exchange resins are generally distinguished into cationic and anion exchange resins, although other types of ion exchange resins are available. For a more complete description of cation and anion exchange resins, see de Dardel, F. and Arden, TV Ion Exchangers in Ullman's Encyclopedia of Industrial Chemistry (2005).
Подходящие полимерные матрицы для катализатора на основе ионообменной смолы включают полистирольную матрицу, полиакриловую матрицу, полиалкиламиновую смолу, а также другие полимерные материалы. Предпочтительно, полимерная матрица поперечно сшита с дивенилбензолом в достаточной степени для увеличения рабочей мощности, но при этом, не увеличивая плотность ионообменного материала до такой степени, что ионообменный материал становится слишком физически твердым и слишком химически стойким к химической обработке. Предпочтительно, матрица представляет собой сополимер стирола и дивинилбензола.Suitable polymeric matrices for the ion exchange resin catalyst include polystyrene matrix, polyacrylic matrix, polyalkylamine resin, as well as other polymeric materials. Preferably, the polymeric matrix is cross-linked with divenylbenzene sufficiently to increase operating power, but without increasing the density of the ion exchange material to such an extent that the ion exchange material becomes too physically hard and too chemically resistant to chemical processing. Preferably, the matrix is a copolymer of styrene and divinylbenzene.
К участкам полимерных матриц, описанных выше, прикреплены ионные стационарные группы, которые определяют, функционирует ли смола как катионная или анионная ионообменная смола. В растворах положительный или отрицательный заряд стационарных групп компенсируется ионами с противоположным зарядом, которые названы здесь функциональными группами.Attached to the regions of the polymer matrices described above are ionic stationary groups which determine whether the resin functions as a cationic or anionic ion exchange resin. In solutions, the positive or negative charge of stationary groups is compensated by ions with the opposite charge, which are called here functional groups.
Сильнокислотные катионные ионообменные смолы обычно включают сульфоновые группы в качестве стационарных групп, в свою очередь присоединенные к полимерной матрице стирол-дивенилбензол. Примеры сильнокислотных сульфокислотных катионообменных смол включают Amberlite IR 120, Dowex HCR, Lewatit S 100 и Amberlyst 15, среди прочих.Strongly acidic cationic ion exchange resins typically include sulfonic groups as stationary groups, in turn attached to the styrene-divenylbenzene polymer matrix. Examples of strongly acidic sulfonic acid cation exchange resins include Amberlite IR 120, Dowex HCR, Lewatit S 100 and
Катионные ионообменные смолы могут также включать полимерный материал, который является сополимером, полученным аддитивной полимеризацией акриловой или метакриловой кислоты и дивинилбензола, таким как описан в патенте США № 3,957,698. Другие подходящие полимерные материалы для катионообменных смол включают полимерную матрицу, полученную поперечным сшиванием поливинилпиридиновой смолы с дивенилбензолом. Такие материалы доступны под торговой маркой Reillex HPQ. Сульфированные фенольные полимерные смолы также являются подходящими катионными ионообменными смолами.Cationic ion exchange resins may also include a polymeric material that is a copolymer obtained by addition polymerization of acrylic or methacrylic acid and divinylbenzene, such as described in US patent No. 3,957,698. Other suitable polymeric materials for cation exchange resins include a polymeric matrix obtained by crosslinking a polyvinylpyridine resin with divenylbenzene. Such materials are available under the brand name Reillex HPQ. Sulfonated phenolic polymer resins are also suitable cationic ion exchange resins.
Слабокислотные катионные ионообменные смолы обычно включают карбоксильные группы в качестве стационарных групп. Примеры слабокислотных катионообменных смол включают, Amberlite IRC 86, Dowex Mac-3, Lewatit CNP, среди прочих.Weak acid cationic ion exchange resins typically include carboxyl groups as stationary groups. Examples of weak acid cation exchange resins include, Amberlite IRC 86, Dowex Mac-3, Lewatit CNP, among others.
В данном изобретении, сильноосновные анионообменные смолы содержат четвертичные аммониевые стационарные группы. Они далее подразделяются на I тип, полученный реакцией триметиламина с сополимером стирола и дивенилбензола после хлорметилирования, и II тип, полученный реакцией сополимера стирола и дивенилбензола с диметилэтаноламином. Подходящие примеры таких смол I типа включают Lewatit MP 500, доступный от Lanxess, и Amberlyst 26 и Amberlite IRA 402 и IRA 410, доступные от Dow. Подходящие примеры сильноосновных смол II типа включают, например, Purolite A510S (Purolite Corporation).In the present invention, the strongly basic anion exchange resins contain quaternary ammonium stationary groups. They are further classified into type I, obtained by the reaction of trimethylamine with a styrene-divenylbenzene copolymer after chloromethylation, and type II, obtained by the reaction of a styrene-devenylbenzene copolymer with dimethylethanolamine. Suitable examples of such Type I resins include Lewatit MP 500 available from Lanxess and
Слабоосновные анионообменные смолы обычно включают полиакрильные смолы, получившие стационарные группы в результате реакции с полифункциональным амином с получением анионообменных смол, таких как слабоосновные смолы на основе третичного аммония Amberlite IRA 67 и Amberlyst 21 (доступные от Dow). Следует особо отметить, что эту ионообменную смолу затем можно дополнительно обработать хлорметаном или диметилсульфатом с получением сильноосновной смолы I типа на основе четвертичного амина Amberlite IRA 458 (Dow). Слабоосновные анионообменные смолы могут также включать группу свободного основания в качестве стационарной группы, такие как смола Amberlite IRA-67 (Dow).Weak base anion exchange resins typically include polyacrylic resins that have received stationary groups by reaction with a polyfunctional amine to form anion exchange resins such as the weak base tertiary ammonium resins Amberlite IRA 67 and Amberlyst 21 (available from Dow). Of particular note, this ion exchange resin can then be further treated with chloromethane or dimethyl sulfate to form a Type I strong base quaternary amine resin Amberlite IRA 458 (Dow). Weak base anion exchange resins may also include a free base group as a stationary group, such as Amberlite IRA-67 resin (Dow).
В конкретном варианте данного изобретения, сильноосновная анионообменная смола содержит «связывающую» группу из 3-7 связывающих атомов, в частности 3-5 атомов углерода между четвертичной аммониевой стационарной группой и бензольной группой полимерной матрицы/материала. Пример такой связывающей цепи в сильноосновной смоле проиллюстрирован в патенте США № 5,945,568 и был произведен под названием Diaion TSA1200 (Mitsubishi Chemical). Как указано в патенте '568, связывающая группа, которая связывает стационарную группу четвертичного аммония с бензольной группой полимерной матрицы, особо не ограничена, если она является достаточно длинной. Подходящими примерами связывающей группы являются алкиленовая группа или алкиленоксиалкиленовая группа. Предпочтительным примером для использования в данном изобретении является анионообменная смола, которая содержит, в качестве субстрата, полимер винилароматического соединения, и которая имеет такую структуру, что четвертичная аммониевая группа связана с ароматической группой через связывающую группу, имеющую длину цепи, по меньшей мере, 3.In a particular embodiment of this invention, the strongly basic anion exchange resin contains a "bonding" group of 3-7 bonding atoms, in particular 3-5 carbon atoms between the quaternary ammonium stationary group and the benzene group of the polymer matrix/material. An example of such a link chain in a strong base resin is illustrated in US Pat. No. 5,945,568 and was produced under the name Diaion TSA1200 (Mitsubishi Chemical). As stated in the '568 patent, the linking group that links the stationary quaternary ammonium group to the benzene group of the polymer matrix is not particularly limited as long as it is long enough. Suitable examples of the linking group are an alkylene group or an alkyleneoxyalkylene group. A preferred example for use in this invention is an anion exchange resin which contains, as a substrate, a polymer of a vinylaromatic compound, and which has such a structure that the quaternary ammonium group is linked to the aromatic group through a linking group having a chain length of at least 3.
Не ограничиваясь теорией, полагают, что в данном изобретении эта связывающая группа предотвращает нуклеофильную атаку на аммониевую стационарную группу из бензольного кольца, которая, в противном случае, привела бы к ускоренной дезактивации, и разложению катализатора на основе ионообменной смолы и снижению стабильности и срока службы катализатора.Without being limited by theory, it is believed that in this invention, this linking group prevents nucleophilic attack on the ammonium stationary group from the benzene ring, which would otherwise lead to accelerated deactivation and degradation of the ion exchange resin catalyst and reduced catalyst stability and life. .
Множество ионов подходят для использования в качестве функциональной группы в анионных смолах в соответствии с данным изобретением, и могут быть выбраны из группы, включающей анионы бикарбоната, карбоната, гидроксида, бисульфита, карбоксилата, цитрата и металата, и молибдата. Эти функциональные группы могут использоваться с любыми стационарными группами и полимерным материалом, указанными выше.A variety of ions are suitable for use as a functional group in the anionic resins of this invention and may be selected from the group consisting of bicarbonate, carbonate, hydroxide, bisulfite, carboxylate, citrate and metalate, and molybdate anions. These functional groups can be used with any of the stationary groups and polymeric material mentioned above.
В данном изобретении предпочтительно, чтобы катализатор на основе ионообменной смолы принадлежал к группе сильноосновных анионообменных смол I типа, более предпочтительно, сильноосновных анионообменных смол I типа с бикарбонатной или моноцитратной функциональной группой, и наиболее предпочтительно, сильноосновных анионообменных смол I типа с бикарбонатной или моноцитратной функциональной группой со связующей группой.In the present invention, it is preferable that the ion exchange resin catalyst belongs to the group of strongly basic Type I anion exchange resins, more preferably, strongly basic Type I anion exchange resins with a bicarbonate or monocitrate functional group, and most preferably, strongly basic Type I anion exchange resins with a bicarbonate or monocitrate functional group. with a link group.
В дополнение к ионообменным материалам, указанным выше, может быть использована любая другая подходящая катионная или анионообменная смола, такая как катионо- и анионообменные смолы, указанные выше в de Dardel, F. and Arden, T. V. 2008, Ion Exchanger, in Ullman’s Encyclopedia of Industrial Chemistry.In addition to the ion exchange materials mentioned above, any other suitable cation or anion exchange resin may be used, such as the cation and anion exchange resins mentioned above in de Dardel, F. and Arden, TV 2008, Ion Exchanger , in Ullman's Encyclopedia of Industrial Chemistry .
В дополнение к вышеупомянутому ионообменному материалу также можно использовать сочетание гомогенного и гетерогенного катализатора, например, твердого катализатора, на котором адсорбирован растворимый металлический катализатор. В этом случае сначала получают твердый катализатор с адсорбированным на нем металлическим катализатором. Затем во время жидкофазной реакции гидратации, описанной выше, металлический катализатор десорбируется с твердого катализатора и может эффективно катализировать реакцию. Затем металлический катализатор должен быть отделен от продуктов реакции и может быть повторно использован для повторной адсорбции на твердом катализаторе. Твердым катализатором в этом случае может быть ионообменная смола.In addition to the above ion exchange material, a combination of a homogeneous and a heterogeneous catalyst, such as a solid catalyst on which a soluble metal catalyst is adsorbed, can also be used. In this case, a solid catalyst is first prepared with a metal catalyst adsorbed thereon. Then, during the liquid phase hydration reaction described above, the metal catalyst is desorbed from the solid catalyst and can effectively catalyze the reaction. Then the metal catalyst must be separated from the reaction products and can be reused for re-adsorption on the solid catalyst. The solid catalyst in this case may be an ion exchange resin.
Вышеупомянутые параграфы касаются выбора подходящего катализатора на основе ионообменной смолы для использования в каталитических реакторах в соответствии с данным изобретением. Что касается работы каталитических реакторов, содержащих ионообменную смолу, на фигурах 2 и 3 сырьевые потоки проходят в направлении от верха реактора вниз через каждый из реакторов. Это называется режимом «нисходящего потока», но в данном изобретении реакторы могут работать в режимах «нисходящего потока» или «восходящего потока». Процессы с нисходящим потоком имеют преимущество увеличения плотности катализатора внутри реактора и, таким образом, уменьшения размера и стоимости самих реакторов. Работа с нисходящим потоком также минимизирует не каталитическую реакцию воды и этиленоксида до этиленгликоля. Однако во время работы с нисходящим потоком селективность катализатора может быть ухудшена как из-за локальных неоднородностей и примесей, которые могут образовываться и захватываться в слой катализатора, так и из-за «канализации», которая развивается в слое катализатора.The above paragraphs relate to the selection of a suitable ion exchange resin catalyst for use in the catalytic reactors in accordance with the present invention. With respect to the operation of the catalytic reactors containing the ion exchange resin, in Figures 2 and 3 the feed flows from the top of the reactor down through each of the reactors. This is called the "downflow" mode, but in the present invention, the reactors can be operated in "downflow" or "upflow" modes. Downflow processes have the advantage of increasing the catalyst density within the reactor and thus reducing the size and cost of the reactors themselves. Downflow operation also minimizes the non-catalytic reaction of water and ethylene oxide to ethylene glycol. However, during downflow operation, the selectivity of the catalyst can be degraded, both due to local inhomogeneities and impurities that can form and be trapped in the catalyst bed, and due to "canalization" that develops in the catalyst bed.
Как можно предположить, при работе с восходящим потоком исходный поток движется в направлении снизу реактора наверх. В публикации РСТ № WO2008/150338A1 сообщается об увеличении стабильности и срока службы ионообменной смолы в рабочем режиме с восходящим потоком. В данном изобретении с жидкофазными реагентами и твердым катализатором работа с восходящим потоком может давать умеренную степень псевдоожижения слоя во время работы с восходящим потоком, что увеличивает долю пустот между соседними частицами смолы, позволяя уменьшить неоднородности и примеси, которые в противном случае внедряются и захватываются слоем катализатора во время работы с нисходящим потоком и ухудшают эффективность катализатора. В патенте США № 6,160,187 ранее недооценивалась работа каталитических реакторов с восходящим потоком, поскольку возникающее псевдоожижение слоя якобы вызывает большее истирание катализатора и снижение селективности по моноэтиленгликолю из-за продольного перемешивания. Однако в данном изобретении было обнаружено, что в жидкофазном процессе данного изобретения эти критические замечания нереалистичны, потому что они более вероятны в системах газ/твердый катализатор, где есть гораздо более высокие скорости, большая разница в плотностях (между газообразным реагентом и твердым катализатором, по сравнению с жидким реагентом и твердым катализатором) и, таким образом, гораздо большее расширение слоя, чем в данной системе жидкость/твердый катализатор в соответствии с данным изобретением. Таким образом, работа с восходящим потоком остается подходящим режимом работы в соответствии с данным изобретением.As can be expected, in upflow operation, the feed stream moves from the bottom of the reactor to the top. PCT Publication No. WO2008/150338A1 reports an increase in the stability and service life of an ion exchange resin in upflow operating mode. In the present invention with liquid phase reactants and solid catalyst, upflow operation can give a moderate degree of fluidization of the bed during upflow operation, which increases the proportion of voids between adjacent resin particles, allowing to reduce inhomogeneities and impurities that are otherwise embedded and trapped in the catalyst bed. during downflow operation and degrade catalyst performance. US Pat. No. 6,160,187 has previously underestimated the performance of upflow catalytic reactors because the resulting bed fluidization supposedly causes more catalyst attrition and reduced monoethylene glycol selectivity due to longitudinal agitation. However, it has been found in the present invention that in the liquid phase process of the present invention these criticisms are unrealistic because they are more likely to occur in gas/solid catalyst systems where there are much higher velocities, large differences in densities (between the gaseous reactant and the solid catalyst, according to compared to liquid reactant and solid catalyst) and thus much greater bed expansion than in the liquid/solid catalyst system of the present invention. Thus, upflow operation remains a suitable mode of operation in accordance with the present invention.
Катализатор эпоксидирования на основе серебра.Silver-based epoxidation catalyst.
Катализатор эпоксидирования на основе серебра включает подложку и, по меньшей мере, каталитически эффективное количество серебра или серебросодержащего соединения; также необязательно присутствует активирующее количество рения или ренийсодержащего соединения; также необязательно присутствует активирующее количество одного или нескольких щелочных металлов или соединений, содержащих щелочные металлы. Подложка, применяемая в соответствии с данным изобретением, может быть выбрана из большого числа твердых огнеупорных подложек, которые могут быть пористыми и могут обеспечивать предпочтительную пористую структуру. Хорошо известно, что оксид алюминия полезен в качестве подложки катализатора для эпоксидирования олефина, и он является предпочтительной подложкой.The silver-based epoxidation catalyst includes a support and at least a catalytically effective amount of silver or a silver-containing compound; an activating amount of rhenium or a rhenium-containing compound is also optionally present; an activating amount of one or more alkali metals or alkali metal-containing compounds is also optionally present. The substrate used in accordance with this invention may be selected from a wide variety of solid refractory substrates, which may be porous and may provide a preferred porous structure. It is well known that alumina is useful as a catalyst support for olefin epoxidation and is the preferred support.
Независимо от характера используемой подложки, она обычно имеет форму частиц, больших кусков, мелких кусков, гранул, колец, сфер, вагонного колеса, полых цилиндров с поперечными перегородками и подобных, размер которых подходит для использования в реакторе эпоксидирования с неподвижным слоем. Частицы подложки, предпочтительно, будут иметь эквивалентные диаметры в интервале от около 3 мм до около 12 мм и, более предпочтительно, в интервале от около 5 мм до около 10 мм. (Эквивалентным диаметром является диаметр сферы, имеющей такое же отношение внешней поверхности (т. е. без учета поверхности в порах частицы) к объему, что и у частиц используемой подложки.) Подходящие подложки доступны от Saint-Gobain Norpro Co., Sud Chemie AG, Noritake Co., CeramTec AG и Industrie Bitossi S.p.A. Не ограничиваясь конкретными композициями и составами, содержащимися здесь, дополнительная информация о композициях подложки и способах получения подложек можно найти в публикации патента США № 2007/0037991.Regardless of the nature of the support used, it is usually in the form of particles, large pieces, small pieces, granules, rings, spheres, wagon wheel, baffled hollow cylinders and the like, the size of which is suitable for use in a fixed bed epoxidation reactor. The substrate particles will preferably have equivalent diameters in the range of about 3 mm to about 12 mm, and more preferably in the range of about 5 mm to about 10 mm. (The equivalent diameter is the diameter of a sphere having the same ratio of outer surface (i.e., excluding surface in the pores of the particle) to volume as the particles of the substrate used.) Suitable substrates are available from Saint-Gobain Norpro Co., Sud Chemie AG , Noritake Co., CeramTec AG and Industrie Bitossi S.p.A. Without being limited to the specific compositions and formulations contained herein, additional information on support compositions and methods for preparing supports can be found in US Patent Publication No. 2007/0037991.
Для получения катализатора для окисления олефина до оксида олефина, на поверхность подложки, имеющей вышеуказанные характеристики, затем наносят каталитически эффективное количество серебра. В одном варианте, каталитически эффективное количество серебра составляет от 10% массовых до 45% массовых. Катализатор получают пропиткой подложки соединением, комплексом или солью серебра, растворенными в подходящем растворителе, достаточном для того, чтобы вызвать осаждение соединения-предшественника серебра на подложку. Предпочтительно, используют водный раствор серебра.To prepare a catalyst for oxidizing an olefin to an olefin oxide, a catalytically effective amount of silver is then applied to the surface of a support having the above characteristics. In one embodiment, the catalytically effective amount of silver is from 10% by weight to 45% by weight. The catalyst is prepared by impregnating the support with a silver compound, complex or salt dissolved in a suitable solvent sufficient to cause precipitation of the silver precursor compound onto the support. Preferably, an aqueous solution of silver is used.
Активирующее количество рениевого компонента, которым может быть ренийсодержащее соединение или ренийсодержащий комплекс, также может быть нанесено на подложку до, одновременно или после осаждения серебра. Рениевый промотор может присутствовать в количестве от около 0,001% масс. до около 1% масс., предпочтительно, от около 0,005% масс. до около 0,5% масс. и более предпочтительно, около 0,01% масс. до примерно 0,1% масс. в расчете на массу всего катализатора, включая подложку, в пересчете на металлический рений.An activating amount of the rhenium component, which may be a rhenium-containing compound or a rhenium-containing complex, may also be applied to the substrate before, simultaneously with, or after the silver is deposited. The rhenium promoter may be present in an amount of from about 0.001 wt%. up to about 1% wt., preferably from about 0.005% wt. up to about 0.5% of the mass. and more preferably, about 0.01% of the mass. up to about 0.1% of the mass. calculated on the weight of the entire catalyst, including the substrate, in terms of metallic rhenium.
Другие компоненты, которые также могут быть нанесены на подложку до, одновременно или после осаждения серебра и рения, представляют собой активирующие количества щелочного металла или смеси двух или более щелочных металлов, а также необязательные активирующие количества компонента щелочноземельного металла группы IIA или смеси двух или более компонентов щелочноземельного металла группы IIA, и/или компонент переходного металла, или смеси двух или более компонентов переходных металлов, все которые могут быть в форме ионов металлов, соединений металлов, комплексов металлов и/или солей металлов, растворенных в подходящем растворителе. Подложка может быть пропитана одновременно или на отдельных стадиях различными промоторами катализатора. Конкретное сочетание подложки, серебра, промотора(ов) щелочного металла, рениевого компонента и необязательного дополнительного промотора(ов) в соответствии с данным изобретением обеспечивает улучшение одного или нескольких каталитических свойств по сравнению с таким же сочетанием серебра и подложки при отсутствии или применении только одного из промоторов.Other components that may also be applied to the substrate before, simultaneously with or after the deposition of silver and rhenium are activation amounts of an alkali metal or a mixture of two or more alkali metals, as well as optional activation amounts of a Group IIA alkaline earth metal component or a mixture of two or more components a Group IIA alkaline earth metal, and/or a transition metal component, or mixtures of two or more transition metal components, all of which may be in the form of metal ions, metal compounds, metal complexes, and/or metal salts, dissolved in a suitable solvent. The support may be impregnated simultaneously or in separate stages with different catalyst promoters. A particular combination of support, silver, alkali metal promoter(s), rhenium component and optional additional promoter(s) in accordance with this invention provides an improvement in one or more catalytic properties over the same combination of silver and support in the absence or use of only one of promoters.
Используемый здесь термин «активирующее количество» определенного компонента катализатора относится к количеству этого компонента, которое эффективно работает для улучшения каталитических характеристик катализатора по сравнению с катализатором, который не содержит этот компонент. Точные применяемые концентрации, конечно, будут зависеть, среди прочих факторов, от желаемого содержания серебра, природы подложки, вязкости жидкости и растворимости конкретного соединения, используемого для доставки промотора в пропитывающий раствор. Примеры каталитических свойств включают, среди прочего, функциональность (устойчивость к снижению качества), селективность, активность, конверсию, стабильность и выход. Специалисту в данной области понятно, что одно или несколько отдельных каталитических свойств могут быть улучшены «активирующим количеством», в то время как другие каталитические свойства могут быть улучшены или не улучшены или даже могут быть уменьшены.As used herein, the "activating amount" of a particular catalyst component refers to the amount of that component that works effectively to improve the catalytic performance of a catalyst compared to a catalyst that does not contain that component. The exact concentrations used will, of course, depend on the desired silver content, the nature of the support, the viscosity of the liquid, and the solubility of the particular compound used to deliver the promoter to the impregnation solution, among other factors. Examples of catalytic properties include, among others, functionality (resistance to degradation), selectivity, activity, conversion, stability, and yield. One skilled in the art will appreciate that one or more individual catalytic properties may be improved by an "activating amount" while other catalytic properties may or may not be improved or may even be reduced.
Подходящие промоторы щелочных металлов могут быть выбраны из лития, натрия, калия, рубидия, цезия или их сочетаний, при этом цезий является предпочтительным, и сочетания цезия с другими щелочными металлами являются особенно предпочтительными. Количество щелочного металла, нанесенного или присутствующего на подложке, должно быть активирующим количеством. Предпочтительно, количество варьируется от около 10 ч./млн. до около 3000 ч./млн., более предпочтительно, от около 15 ч./млн. до около 2000 ч./млн. и даже более предпочтительно, от около 20 ч./млн. до около 1500 ч./млн. и особенно предпочтительно, от около 50 ч./млн. до около 1000 ч./млн. массовых от всего катализатора, в пересчете на металл.Suitable alkali metal promoters may be selected from lithium, sodium, potassium, rubidium, cesium, or combinations thereof, with cesium being preferred, and combinations of cesium with other alkali metals being particularly preferred. The amount of alkali metal deposited or present on the support must be an activating amount. Preferably, the amount varies from about 10 ppm. up to about 3000 ppm, more preferably from about 15 ppm. up to about 2000 ppm and even more preferably from about 20 ppm. up to about 1500 ppm and particularly preferably from about 50 ppm. up to about 1000 ppm mass from the entire catalyst, in terms of metal.
Подходящие промоторы щелочноземельных металлов включают элементы из группы IIA Периодической таблицы элементов, которыми могут быть бериллий, магний, кальций, стронций и барий или их сочетания. Подходящие промоторы переходных металлов могут включать элементы из групп IVA, VA, VIA, VIIA и VIIIA Периодической таблицы элементов и их сочетания.Suitable alkaline earth metal promoters include elements from Group IIA of the Periodic Table of the Elements, which may be beryllium, magnesium, calcium, strontium and barium, or combinations thereof. Suitable transition metal promoters may include elements from Groups IVA, VA, VIA, VIIA and VIIIA of the Periodic Table of the Elements and combinations thereof.
Количество промотора(ов) щелочноземельного металла и/или промотора(ов) переходного металла, нанесенных на подложку, является активирующим количеством. Промотор переходного металла обычно может присутствовать в количестве от около 0,1 микромоль на грамм до около 10 микромоль на грамм, предпочтительно от около 0,2 микромоль на грамм до около 5 микромоль на грамм.The amount of alkaline earth metal promoter(s) and/or transition metal promoter(s) deposited on the support is the activating amount. The transition metal promoter may typically be present in an amount of from about 0.1 micromoles per gram to about 10 micromoles per gram, preferably from about 0.2 micromoles per gram to about 5 micromoles per gram.
Раствор серебра, используемый для пропитки подложки, может также содержать необязательный растворитель или комплексообразующий/солюбилизирующий агент, известный в данной области техники. Множество растворителей или комплексообразующих/солюбилизирующих агентов может применяться для солюбилизации серебра до желаемой концентрации в пропитывающей среде. Подходящие комплексообразующие/солюбилизирующие агенты включают амины, аммиак, щавелевую кислоту, молочную кислоту и их сочетания. Амины включают алкилендиамин, содержащий от 1 до 5 атомов углерода. В одном предпочтительном варианте, раствор содержит водный раствор оксалата серебра и этилендиамина. Комплексообразующий/солюбилизирующий агент может присутствовать в пропитывающем растворе в количестве от около 0,1 до около 5,0 моль на моль серебра, предпочтительно от около 0,2 до около 4,0 моль и более предпочтительно, от около 0,3 до около 3,0 моль на каждый моль серебра.The silver solution used to impregnate the support may also contain an optional solvent or complexing/solubilizing agent known in the art. A variety of solvents or complexing/solubilizing agents can be used to solubilize the silver to the desired concentration in the impregnation medium. Suitable complexing/solubilizing agents include amines, ammonia, oxalic acid, lactic acid, and combinations thereof. Amines include alkylenediamine containing from 1 to 5 carbon atoms. In one preferred embodiment, the solution contains an aqueous solution of silver oxalate and ethylenediamine. The complexing/solubilizing agent may be present in the impregnating solution in an amount of from about 0.1 to about 5.0 moles per mole of silver, preferably from about 0.2 to about 4.0 moles, and more preferably from about 0.3 to about 3 .0 mole for every mole of silver.
При применении растворителя, он может быть органическим растворителем или водой и может быть полярным или по существу или полностью неполярным. В общем, растворитель должен обладать достаточной сольватирующей способностью для растворения компонентов раствора. В то же время предпочтительно, чтобы растворитель был выбран так, чтобы избежать чрезмерного влияния на сольватированные промоторы или взаимодействия с ними. Предпочтительны растворители на органической основе, содержащие от 1 до около 8 атомов углерода на молекулу. Могут использоваться смеси нескольких органических растворителей или смеси органических растворителей с водой при условии, что такие смешанные растворители функционируют так, как желательно здесь.When a solvent is used, it may be an organic solvent or water and may be polar or substantially or completely non-polar. In general, the solvent must have sufficient solvating power to dissolve the components of the solution. At the same time, it is preferred that the solvent be chosen so as to avoid excessive influence on or interaction with the solvated promoters. Organic based solvents containing from 1 to about 8 carbon atoms per molecule are preferred. Mixtures of several organic solvents or mixtures of organic solvents with water may be used, provided such mixed solvents function as desired herein.
Концентрация серебра в пропитывающем растворе обычно составляет от около 0,1% массовых вплоть до максимальной растворимости, предусмотренной конкретным используемым сочетанием растворитель/солюбилизирующий агент. Обычно очень удобно использовать растворы, содержащие от 0,5% до около 45% массовых серебра, при этом предпочтительны концентрации от 5 до 35% массовых серебра.The concentration of silver in the impregnating solution is typically from about 0.1% by weight up to the maximum solubility provided by the specific solvent/solubilizing agent combination used. It is generally very convenient to use solutions containing from 0.5% to about 45% by weight silver, with concentrations of 5 to 35% by weight silver being preferred.
Пропитка выбранной подложки проводится любым из общепринятых способов; например, пропитка избытком раствора, пропитка по влагоемкости, нанесение распылением и т.д. Обычно материал подложки помещают в контакт с серебросодержащим раствором до тех пор, пока достаточное количество раствора не будет абсорбировано подложкой. Предпочтительно, количество серебросодержащего раствора, используемого для пропитки пористой подложки, не больше, чем необходимо для заполнения пор подложки. Можно использовать однократную пропитку или ряд пропиток с промежуточной сушкой или без нее, что частично зависит от концентрации компонента серебра в растворе. Методы пропитки описаны, например, в патентах США №№ 4,761,394, 4,766,105, 4,908,343, 5,057,481, 5,187,140, 5,102,848, 5,011,807, 5,099,041 и 5,407,888. Могут применяться известные в данной области техники методы предварительного осаждения, совместного осаждения и последующего осаждения разных промоторов.The impregnation of the selected substrate is carried out by any of the conventional methods; e.g. excess solution impregnation, moisture capacity impregnation, spray application, etc. Typically, the substrate material is placed in contact with the silver containing solution until a sufficient amount of the solution is absorbed by the substrate. Preferably, the amount of silver-containing solution used to impregnate the porous substrate is not more than is necessary to fill the pores of the substrate. A single impregnation or a series of impregnations with or without intermediate drying may be used, depending in part on the concentration of the silver component in the solution. Impregnation methods are described, for example, in US Pat. Techniques known in the art for pre-precipitation, co-precipitation and post-precipitation of different promoters can be used.
После пропитки подложки серебросодержащим соединением, т. е. предшественником серебра, компонентом рения, компонентом щелочного металла и необязательными другими промоторами, пропитанную подложку обжигают в течение времени, достаточного для превращения серебросодержащего соединения в активные виды серебра и для удаления летучих компонентов из пропитанной подложки с получением предшественника катализатора. Обжиг может быть выполнен нагреванием пропитанной подложки, предпочтительно, постепенно, до температуры в интервале от около 200°C до около 600°C под давлением в интервале от 0,05 до около 3,5 МПа. В общем, чем выше температура, тем короче требуемый период нагревания. Широкий спектр периодов нагревания был предложен в данной области техники; например, в патенте США № 3,563,914 раскрыто нагревание в течение менее 300 секунд, и в патенте США № 3,702,259 раскрыто нагревание в течение от 2 до 8 часов при температуре от 100°C до 375°C, обычно в течение от около 0,5 до около 8 часов. Однако, важно только то, чтобы время нагревание коррелировало с температурой так, чтобы все содержащееся серебро превратилось в активные виды серебра. Для этой цели может применяться непрерывное или ступенчатое нагревание.After the substrate has been impregnated with the silver compound, i.e., the silver precursor, the rhenium component, the alkali metal component, and optional other promoters, the impregnated substrate is fired for a time sufficient to convert the silver compound to active silver species and to remove volatile components from the impregnated substrate to obtain catalyst precursor. The firing may be performed by heating the impregnated substrate, preferably gradually, to a temperature in the range of about 200° C. to about 600° C. under a pressure in the range of 0.05 to about 3.5 MPa. In general, the higher the temperature, the shorter the required heating period. A wide range of heating periods has been proposed in the art; for example, US Pat. No. 3,563,914 discloses heating for less than 300 seconds and US Pat. No. 3,702,259 discloses heating for 2 to 8 hours at 100°C to 375°C, typically for about about 8 hours. However, it is only important that the heating time correlates with the temperature so that all of the silver contained is converted to active silver species. For this purpose, continuous or stepped heating can be used.
Во время обжига пропитанная подложка может подвергаться воздействию газовой атмосферы, содержащей инертный газ или смесь инертного газа с от около 10 ч./млн. до 21% объемных кислородсодержащего окисляющего компонента. Для целей данного изобретения инертный газ определен как газ, который по существу не реагирует с катализатором или предшественником катализатора в условиях, выбранных для обжига. Дополнительную информацию о производстве катализатора можно найти в вышеупомянутой публикации патента США № 2007/0037991.During firing, the impregnated substrate may be exposed to a gas atmosphere containing an inert gas or an inert gas mixture with from about 10 ppm. up to 21% by volume oxygen-containing oxidizing component. For the purposes of this invention, an inert gas is defined as a gas that does not substantially react with a catalyst or catalyst precursor under the conditions chosen for firing. Further information on the manufacture of the catalyst can be found in the aforementioned US Patent Publication No. 2007/0037991.
Только для целей иллюстрации, ниже представлены условия, которые часто применяют в современных коммерческих реакторных установках для производства этиленоксида: часовая объемная скорость газа (ЧОСГ) 1500-10000 ч-1, давление на входе в реактор от 1 МПа до 3 МПа, температура охладителя 180-315°C, уровень превращения кислорода 10-60% и скорость получения ЭО (рабочая скорость) 100-350 кг ЭО/м3 катализатора/ч и изменение концентрации этиленоксида, ДЭО, от около 1,5% до около 4,5%. Композиция сырья на входе в реактор после завершения запуска и во время обычной работы обычно содержит (в % объемных) 1-40% этилена, 3-12% O2; 0,2%-10%, предпочтительно, 0,2%-6%, более предпочтительно, 0,2%-5% CO2; 0-5% этана, некоторое количество одного или более хлоридных модераторов, которые описаны здесь; и оставшуюся часть сырья составляют аргон, метан, азот или их смеси.For illustrative purposes only, the following conditions are often used in modern commercial ethylene oxide reactor plants: gas hourly space velocity (GSP) 1500-10000 h -1 , pressure at the reactor inlet from 1 MPa to 3 MPa, coolant temperature 180 -315°C, oxygen conversion rate 10-60% and EO production rate (operating rate) 100-350 kg EO/m 3 catalyst/h and ethylene oxide, DEO concentration change from about 1.5% to about 4.5% . The feedstock composition at the reactor inlet after startup is complete and during normal operation typically contains (in % by volume) 1-40% ethylene, 3-12% O 2 ; 0.2%-10%, preferably 0.2%-6%, more preferably 0.2%-5% CO 2 ; 0-5% ethane, some of one or more chloride moderators as described herein; and the rest of the raw material is argon, methane, nitrogen, or mixtures thereof.
Claims (33)
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US62/664,706 | 2018-04-30 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2020138688A RU2020138688A (en) | 2022-05-30 |
RU2796340C2 true RU2796340C2 (en) | 2023-05-22 |
Family
ID=
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6160187A (en) * | 1997-12-18 | 2000-12-12 | The Dow Chemical Company | Method for making glycol in an adiabatic reactor system |
US20020082456A1 (en) * | 2000-09-28 | 2002-06-27 | Van Kruchten Eugene Marie Godfried Andre | Catalytic process for producing an alkylene glycol with reactor-output recycle |
US20050119510A1 (en) * | 2003-09-26 | 2005-06-02 | Boons Petrus J.G. | Process of preparing an alkylene glycol |
US20060161026A1 (en) * | 2004-12-23 | 2006-07-20 | Van Kruchten Eugene Marie Godf | Process for the preparation of alkylene glycols |
US20060183927A1 (en) * | 2005-02-11 | 2006-08-17 | Scientific Design Company, Inc. | Ethylene oxide plant operation |
RU2477718C2 (en) * | 2007-11-14 | 2013-03-20 | Шелл Интернэшнл Рисерч Маатсхаппий Б.В. | Method of producing alkylene glycol |
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6160187A (en) * | 1997-12-18 | 2000-12-12 | The Dow Chemical Company | Method for making glycol in an adiabatic reactor system |
US20020082456A1 (en) * | 2000-09-28 | 2002-06-27 | Van Kruchten Eugene Marie Godfried Andre | Catalytic process for producing an alkylene glycol with reactor-output recycle |
US20050119510A1 (en) * | 2003-09-26 | 2005-06-02 | Boons Petrus J.G. | Process of preparing an alkylene glycol |
US20060161026A1 (en) * | 2004-12-23 | 2006-07-20 | Van Kruchten Eugene Marie Godf | Process for the preparation of alkylene glycols |
US20060183927A1 (en) * | 2005-02-11 | 2006-08-17 | Scientific Design Company, Inc. | Ethylene oxide plant operation |
RU2477718C2 (en) * | 2007-11-14 | 2013-03-20 | Шелл Интернэшнл Рисерч Маатсхаппий Б.В. | Method of producing alkylene glycol |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR101573553B1 (en) | Process for the preparation of alkylene glycol | |
US10807928B2 (en) | Recirculating process for preparing ethylene glycol | |
KR102438316B1 (en) | epoxidation process | |
US10710947B2 (en) | Method for improving the manufacture of ethylene glycol | |
RU2796340C2 (en) | Recycling method for obtaining ethylene glycol | |
EP3788036B1 (en) | Epoxidation process with concentrated ethylene oxide solutions | |
RU2795004C2 (en) | Method for obtaining ethylene glycol | |
RU2796341C2 (en) | Method for improving ethylene glycol production | |
KR102731857B1 (en) | Method for producing ethylene glycol | |
KR102731858B1 (en) | Recycling process for ethylene glycol production | |
TWI843724B (en) | Process for preparing ethylene glycol | |
KR102731859B1 (en) | Method for improving the production of ethylene glycol | |
EP2986595B1 (en) | Epoxidation process | |
US20220289702A1 (en) | Epoxidation process with increased cycle water absorption | |
RU2792388C2 (en) | Epoxidation method with concentrated solutions of ethylene oxide |