Процесс гидрирования ацетона

Процесс гидрирования ацетона

Реферат

Предпосылки создания изобретения

Настоящее изобретение относится к способу гидрирования ацетона в изопропанол.

Изопропанол является широко используемым промежуточным соединением в органическом синтезе, а также важным коммерческим растворителем.

Способ гидрирования ацетона в изопропанол описан в европейской заявке EP-A-0379323. Гидрирование ацетона в изопропанол является экзотермическим процессом. Как указано в EP-A-0379323, слишком высокая температура реакции вызывает избыточное разложение ацетона под действием водорода, что приводит к уменьшению выходов изопропанола. Эта проблема особенно остро возникает при гидрировании ацетона. По сравнению с другими кетонами ацетон обладает относительно низкой температурой кипения, и потому легко испаряется. Избыточное испарение может привести к образованию локальных участков перегрева и вызвать разложение ацетона под действием водорода. Поэтому именно при гидрировании ацетона необходимо строго контролировать температуру реакции. Одним из часто используемых методов контроля температуры реакции является рецикл продукта реакции, например, изопропанола. В приведенном в EP-A-0379323 примере 7 описан предварительный нагрев реагента до температуры 77°С перед его вводом в колонну вертикального реактора, внутренний диаметр которого составляет 38,4 м, и в результате на выходе из реактора смесь имеет температуру 113°С. Полученный после проведения реакции раствор делят на две части. Первую часть выделяют из реакционной системы в качестве продукта. Вторую часть возвращают обратно в реактор с помощью рециклирующего насоса и объединяют с ацетоном с образованием подаваемой в реакцию смеси. В линии рецикла второй порции размещают теплообменник. Температуру внутри реактора поддерживают на предварительно определенном уровне путем контролирования температуры внутри рубашки теплообменника. Однако при рецикле продукта реакции, который содержит большое количество изопропанола, процесс становится менее экономичным, а количество, например, диизопропилового эфира, являющегося основным побочным продуктом, может увеличиваться. По этой причине возможность контролирования температуры в самом реакторе ограничена.

Улучшение процесса было найдено за счет использования мультитрубчатого реактора. Использование мультитрубчатого реактора для гидрирования газообразного ацетона над медным катализатором описано в Патенте США 2456187.

Целью настоящего изобретения является улучшенный способ гидрирования ацетона с точки зрения экономичности и контроля температуры.

Краткое описание изобретения

Таким образом, настоящее изобретение относится к способу гидрирования ацетона для получения изопропанола, в котором реакцию гидрирования проводят в мультитрубчатом реакторе, в котором используют катализатор на основе никеля и в котором реактор работает по принципу подачи небольшого потока реагентов.

Использование мультитрубчатого реактора позволяет осуществить более регулируемый и контролируемый отвод тепла, образующегося при проведении реакции. Далее, процесс более экономичен, так как не требует рецикла ценного продукта реакции.

Подробное описание изобретения

Мультитрубчатый реактор, который используют в процессе по настоящему изобретению, предпочтительно состоит из по существу вертикально вытянутого сосуда, множества реакторных трубок с открытыми концами, установленных в реакторе параллельно его центральной продольной оси, верхние концы которых закреплены в верхней трубчатой пластине таким образом, что обеспечивается коммуникация жидкости с верхней жидкостной камерой, расположенной над верхней трубчатой пластиной, нижние концы которых закреплены в нижней трубчатой пластине таким образом, что обеспечивается коммуникация жидкости с нижней жидкостной камерой, расположенной под нижней трубчатой пластиной, приспособлений для подачи реагентов в одну из жидкостных камер и выхода продуктов из нижней жидкостной камеры.

При проведении операций реакторные трубки заполнены частицами катализатора.

Для превращения ацетона и водорода в изопропанол ацетон можно подавать через верхнюю жидкостную камеру в верхний конец реакторных трубок и пропускать его через реакторные трубки. Водород можно подавать либо через верхнюю жидкостную камеру (по типу сверху-вниз), либо через нижнюю жидкостную камеру (по типу снизу-вверх). Водород предпочтительно подают через верхнюю жидкостную камеру в одном направлении с потоком ацетона (сверху-вниз). Поступающий из нижней части реакторных трубок поток продукта реакции собирают в нижней жидкостной камере и выводят с помощью приспособления для отвода продукта.

Тепло реакции отводят с помощью охлаждающей жидкости, которую пропускают вдоль внешней поверхности реакторных трубок. В качестве охлаждающей жидкости может быть использован широкий ряд жидкостей. Примерами являются вода и углеводороды, такие как, например, керосин и термическое масло. Предпочтительной охлаждающей жидкостью является вода.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения используют мультитрубчатый реактор, описанный в европейской заявке EP-A-0308034. В подобном мультитрубчатом реакторе верхняя часть каждой реакторной трубки, имеющей открытые концы, снабжена устройством для подачи газа и жидкости, при этом указанное устройство имеет входную камеру с отверстием для подачи газа, отверстием для ввода жидкости и отверстием для вывода жидкости, которое обеспечивает коммуникацию жидкости с верхней частью реакторной трубки, а также снабжена жидкостным коллектором, который расположен между уровнем слоя жидкости, образующегося при нормальной работе в верхней жидкостной камере и отверстии для ввода жидкости во входной камере.

Размер реактора будет зависеть от требуемой мощности процесса и может изменяться в широких пределах. Внутренний диаметр реактора предпочтительно находится в диапазоне от 0,1 до 8 м. Например, для реактора с относительно низкой производительностью продукта гидрирования, в частности от 10 до 30 килотонн в год, предпочтительный диаметр находится в диапазоне от 0,4 до 1,4 м, для реактора с умеренной производительностью продукта гидрирования, в частности от 30 до 70 килотонн в год, предпочтительный диаметр находится в интервале от 0,7 до 2 м, для реактора с высокой производительностью продукта гидрирования, в частности от 70 до 130 килотонн в год, значение предпочтительного диаметра находится в интервале от 1 до 3 м, а для реактора с очень высокой производительностью продукта гидрирования, в частности от 130 до 200 килотонн в год, значение предпочтительного диаметра находится в интервале от 1,5 до 5 м. Количество реакторных трубок может изменяться в широком диапазоне и также зависит от требуемой мощности процесса. На практике предпочтительное количество реакторных трубок составляет от 10 до 20000, более предпочтительно от 100 до 10000.

Внутренний диаметр реакторных трубок должен быть достаточно малым, чтобы выделяемое при реакции тепло могло эффективно передаваться охлаждающей жидкости, и достаточно большим, чтобы избежать ненужных материальных затрат. Оптимальный диаметр реакторных трубок зависит от количества тепла реакции, выделяемого в процессе гидрирования, и может также изменяться в зависимости от типа реагентов, количества реагентов и используемого катализатора. В процессе по настоящему изобретению внутренний диаметр реакторной трубки находится в интервале от 10 до 100 мм, более предпочтительно в интервале от 20 до 70 мм.

Процесс гидрирования может проводиться в широком диапазоне температур реакции. Предпочтительная температура внутри реактора находится в интервале от 40°С до 150°С, более предпочтительно в интервале от 60°С до 120°С.

Использование мультитрубчатого реактора предоставляет прекрасную возможность регулировать и контролировать температуру внутри реактора. Температура, которую поддерживают внутри реактора, может быть постоянной от верха реакторной трубки до низа реакторной трубки или же постепенно повышаться или понижаться. В предпочтительном варианте осуществления изобретения процесс гидрирования проводят в мультитрубчатом реакторе, имеющем понижающийся температурный профиль. Таким образом, реагенты подают в верхнюю часть реакторной трубки с высокой температурой, а затем температура постепенно понижается от верха до низа реакторной трубки. Подобный понижающийся температурный профиль позволяет добиться высокой степени конверсии и приводит к низкому уровню образования диизопропилового эфира.

Давление реакции может изменяться в широких пределах, однако предпочтительно его значение находится в интервале от 2 до 100 бар, еще более предпочтительно в интервале от 10 до 40 бар. Более высокое давление ведет к увеличению стоимости, в то время как более низкое давление может привести к низкой скорости конверсии. Если в качестве жидкости используют ацетон, то газ предпочтительно представляет собой практически чистый водород, хотя водород может содержать небольшие количества метана, этана, азота и других примесей.

Молярное отношение водорода к ацетону преимущественно составляет по крайней мере 1. Более предпочтительно значение молярного отношения водорода к ацетону находится в интервале от 1:1 до 10:1, наиболее более предпочтительно - в интервале от 1,5:1 до 5:1.

Необходимое количество катализатора зависит от требуемой мощности процесса и активности катализатора. Наиболее часто на практике применяют объемы катализатора в интервале от 0,1 до 50 м³, предпочтительно в интервале от 0,5 до 20 м³.

Катализатор, который используют в способе по настоящему изобретению, может быть любым катализатором на основе никеля, таким как восстановленные никелевые катализаторы, полученные нанесением оксида никеля на диатомовую землю, оксид алюминия или оксид кремния, или катализаторы типа никеля Ренея.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения в качестве катализатора на основе никеля используют никель на оксиде кремния.

Катализатор предпочтительно находится в мультитрубчатом реакторе в виде неподвижного слоя.

В наиболее предпочтительном варианте осуществления изобретения процесс по настоящему изобретению проводят по принципу подачи небольшого количества реагентов. Это означает, что жидкое карбонильное соединение подают небольшим потоком вдоль поверхности катализатора, который плотно размещен в атмосфере, заполненной газообразным водородом.

Может использоваться широкий диапазон потоков жидкости и газа. Из практических соображений скорость движения газа вдоль поверхности предпочтительно находится в интервале 0,01-10 м/с, а скорость движения жидкости вдоль поверхности предпочтительно находится в интервале 0,0001-0,1 м/с.

В способе по настоящему изобретению подаваемый в реакцию ацетон может содержать некоторое количество продукта реакции. Например, подаваемый ацетон может содержать некоторое количество изопропанола. Однако предпочтительно количество продукта реакции в подаваемом в реакцию реагенте меньше, чем 50% мас./мас., более предпочтительно меньше, чем 10% мас./мас. и наиболее предпочтительно находится в интервале от 0 до 5% масс./масс.

Далее со ссылкой на чертеж приводится пояснение процесса по настоящему изобретению.

Используют мультитрубчатый реактор (101), который состоит из по существу вертикально вытянутого сосуда (103) и множества реакторных трубок (105) с открытыми концами (из практических соображений на чертеже изображено только четыре из них). Реакционные трубки с открытыми концами (105) размещены в сосуде (103) параллельно его центральной продольной оси (107). Верхние концы (109) реакторных трубок (105) с отрытыми концами закреплены в верхней трубчатой пластине (111) таким образом, что обеспечивают коммуникацию жидкости с верхней жидкостной камерой (113), расположенной над верхней трубчатой плитой (111). Нижние концы (115) реакторных трубок (105) с открытыми концами закреплены в нижней трубчатой пластине (117) таким образом, что обеспечивается коммуникация жидкости с нижней жидкостной камерой (119), расположенной под нижней трубчатой плитой (117). Сосуд имеет приспособление (121) для подачи реагентов в верхнюю жидкостную камеру (113) и приспособление для отвода продуктов (123) из нижней жидкостной камеры (119). Верхняя часть реакторных трубок с открытыми концами снабжена устройством (125) для подачи газа и жидкости, которое размещено в верхней жидкостной камере. Указанное устройство для подачи газа и жидкости состоит из входной камеры (127), имеющей отверстие (129) для ввода газа, канал для ввода жидкости (131) и канал (133) для вывода жидкости, который обеспечивает коммуникацию жидкости с верхней частью реакторной трубки с открытыми концами. Реакторные трубки (105) с открытыми концами заполнены катализатором (135) никель на оксиде кремния. Сосуд (103) далее снабжен приспособлениями для ввода (137) и отвода (139) охлаждающей жидкости, например воды, так что получают понижающийся температурный профиль. Охлаждающая жидкость поступает в камеру охлаждения (141) между верхней трубчатой плитой (111) и нижней трубчатой плитой (117).

Поток (143) ацетона и водорода, предварительно нагретый до температуры, например, 100°С, через верхнюю жидкостную камеру (113) с помощью устройства (125) для подачи газа и жидкости под давлением, например 25 атм, подают в реакторные трубки (105) с открытыми концами. В реакторных трубках (105) с открытыми концами над катализатором (135) никель на оксиде кремния, ацетон и водород взаимодействуют с образованием изопропанола. Поток продукта реакции, содержащего среди прочих изопропанол и небольшие количества диизопропилового эфира, выводят из реакторных трубок (105) с открытыми концами через нижнюю жидкостную камеру (119) с помощью приспособления (123) для отвода продуктов.

В таблице, приведенной ниже, представлены результаты экспериментов с использованием коммерческого катализатора меди на оксиде кремния при использовании ацетона в паровой фазе и жидкой фазе при 110°С. Конверсия ацетона в жидкой фазе составила 96,4%, тогда как конверсия паровой фазы была равна 99,4%. LHSV в экспериментах равна 2, т.е. выше, чем показано в US 5081321. При использовании коммерческого катализатора никеля на оксиде кремния при жидкой фазе при той же температуре, конверсия ацетона составила 99,95%. Конверсия является даже количественной при более низкой температуре (70°С).

Как видно из экспериментов 5 и 6, хуже использовать никелевые катализаторы при газовой фазе, чем при жидкой фазе, где эффективность такого катализатора оценивалась при разных фазах (при разной температуре).

Отношение водорода к ацетону в данных экспериментах была между двукратным и четырехкратным избытком.

Таблица
№ эксперимента	металл	температура, °C	фаза	конверсия ацетона, %
1	Cu	110	пар	99,4
2	Cu	110	жидкость	96,4
3	Ni	110	жидкость	99,95
4	Ni	70	жидкость	100,0
5	Ni	150	пар	94,6
6	Ni	150	жидкость	99,4

Из таблицы видно, что медные катализаторы предпочтительно использовать при паровой фазе ацетона, чем при жидком ацетоне, что в свою очередь совершенно противоположно для катализаторов на основе никеля.

При сопоставимых условиях никелевые катализаторы превосходят медные катализаторы.

1. Способ гидрирования ацетона с получением изопропанола, в котором реакцию гидрирования проводят в мультитрубчатом реакторе, где используют катализатор на основе никеля, и реактор работает при небольшом потоке реагентов, подаваемом в реактор.

2. Способ по п.1, в котором внутренний диаметр реактора находится в интервале от 0,1 до 8 м.

3. Способ по п.1 или 2, в котором мультитрубчатый реактор состоит из, по существу, вертикально вытянутого сосуда, множества реакторных трубок с открытыми концами, установленных в реакторе параллельно его центральной продольной оси, верхние концы которых закреплены в верхней трубчатой пластине таким образом, что обеспечивается коммуникация жидкости с верхней жидкостной камерой, расположенной над верхней трубчатой пластиной, и нижние концы которых закреплены в нижней трубчатой пластине таким образом, что обеспечивается коммуникация жидкости с нижней жидкостной камерой, расположенной под нижней трубчатой пластиной, приспособлений для подачи реагентов в верхнюю жидкостную камеру и выхода для отвода продуктов, размещенного в нижней жидкостной камере, при этом верхняя концевая часть каждой реакторной трубки снабжена устройством для подачи газа и жидкости, причем указанное устройство состоит из входной камеры, имеющей отверстие для ввода газа, канал для ввода жидкости и канал для вывода жидкости, который обеспечивает коммуникацию жидкости с верхней концевой частью реакторной трубки, и жидкостного коллектора, который расположен между уровнем слоя жидкости, образующегося при нормальной работе в верхней жидкостной камере, и каналом для ввода жидкости во входной камере.

4. Способ по п.3, в котором количество реакторных трубок находится в интервале от 10 до 20000.

5. Способ по п.1 или 2, в котором внутренний диаметр реакторных трубок находится в интервале от 10 до 100 мм.

6. Способ по п.1 или 2, в котором температуру внутри реактора поддерживают в интервале от 40 до 150°С.

7. Способ по п.1 или 2, в котором процесс гидрирования проводят в мультитрубчатом реакторе, имеющем понижающийся температурный профиль.

8. Способ по п.1 или 2, в котором используемым катализатором является никель на оксиде кремния.

9. Способ по п.1 или 2, в котором подаваемый в реактор ацетон содержит менее 50% мас./мас. продукта реакции.