способ одностадийного получения изопрена из изобутилена и формальдегида с использованием свч-излучения

Формула изобретения

Способ одностадийного получения изопрена из изобутилена и формальдегида путем взаимодействия исходного сырья при повышенной температуре с твердым катализатором с использованием СВЧ-излучения, с непрерывной отгонкой образующихся продуктов, конденсацией отгона, отличающийся тем, что в качестве твердого катализатора используют катализатор следующего состава, мас.%:

P2O5	56
Ti	2,5
влага	6
кизельгур	35,5

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области основного органического и нефтехимического синтеза, точнее каталитической дегидратации углеводородов, в частности расщеплению изобутилена и формальдегида с образованием изопрена под воздействием излучения сверхвысокочастотного диапазона и модифицированных катализаторов. Может быть использовано в нефтехимической промышленности.

Известны многочисленные способы получения изопрена из изобутилена и формальдегида, осуществляемые через различные промежуточные продукты. Сущность этих способов состоит в том, что исходные вещества реагируют в присутствии кислоты при повышенной температуре и давлении, обеспечивающем пребывание реагентов в жидкой фазе. Наибольшее распространение в промышленности получил способ синтеза изопрена через промежуточную стадию образования 4,4-диметил-1,3-диоксана (ДМД), включающий стадию жидкофазной конденсации изобутилена, содержащегося во фракции углеводородов С₄, с формальдегидом в виде 20-40%-ного водного раствора с последующим выделением образовавшегося ДМД и разложением его над твердым кислотным катализатором в присутствии водяного пара [Огородников С.К., Идлис Е.С., Производство изопрена, Л.: Химия, 1973, с.12-91]. Применение данного способа обеспечивает получение изопрена мономерной чистоты, позволяет совместить получение ДМД с извлечением изобутилена из С₄-фракций, обеспечивает высокую производительность контактной аппаратуры. Однако недостатком этого способа являются значительные энергозатраты, связанные с расходом перегретого водяного пара на стадии разложения ДМД (мас. отношение H₂O/ДМД не менее 2,0) и при укреплении разбавленных растворов формальдегида, образующихся на обеих стадиях процесса.

Известен также способ получения изопрена из изобутилена и формальдегида, заключающийся в том, что предварительно выделенный из С₄-фракции изобутилен в смеси с соединениями, легко образующими изобутилен, например триметилкарбинолом (ТМК) или метил-трет-бутиловым эфиром (МТБЭ) реагирует с разбавленным раствором формальдегида при молярном соотношении изо-С₄ Н₈/CH₂O, большем 2,5-3,0 и температуре 100°С, а затем вся реакционная масса перемещается во второй реактор, где образовавшиеся промежуточные продукты, предшественники изопрена, такие как ДМД, 3-метилбутандиол-1,3 (МВД), изобутенилкарбинол (ИБК, 3-метил-3-бутен-1-ол), диоксановые спирты (ДС) и др., разлагаются с образованием изопрена, который отгоняют из зоны реакции вместе с непревращенным изобутиленом и частью воды. После выделения углеводородов этот поток вновь направляется в реактор синтеза предшественников изопрена. Поскольку технология не включает стадии выделения промежуточных продуктов, указанный процесс условно назван одностадийным синтезом изопрена из изобутилена и формальдегида (ОИФ) [Павлов С.Ю., Суровцев А.А., Хим. пром-сть, 1997, 7, с.466]. Способ предусматривает предварительное выделение изобутилена из фракции углеводородов С₄ путем гидратации его в реакторе, заполненном формованным катионитом, с подачей образующегося ТМК и изобутилена в реакторы I и II ступени.

Наличие избытка изобутилена в реакционной массе в обоих реакторах обеспечивает практически полную конверсию формальдегида, что исключает необходимость в проведении его рекуперации. Применение данного способа также обеспечивает получение изопрена мономерной чистоты, позволяет существенно снизить энергозатраты, по сравнению с двустадийным процессом. Недостатками ОИФ являются: низкая производительность контактной аппаратуры, связанная с использованием большого избытка изобутилена (мольное отношение изо-С₄Н₈ /CH₂O не менее 2,5-3,0); низкая конверсия изобутилена, не превышающая 33-40%, и глубокая конверсия ТМК (70% и выше) приводит к значительным затратам на конденсацию и возврат непревращенного олефина в зону реакции; образование в реакторе I ступени наряду с ДМД и МБД таких реакционноспособных соединений как ИБК, ДС и др. При температуре 150°С в условиях непрерывного процесса с рециклом водного потока эти соединения образуют стойкие суспензии, а затем смолообразные, каучукоподобные вещества, оседающие на стенках аппаратуры и трубопроводов, что приводит к забивкам и к останову процесса.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является способ каталитического дегидрирования бутенов под воздействием электромагнитного излучения СВЧ-диапазона [Патент № 2117650 «Способ каталитического дегидрирования углеводородов» Бикбулатов И.Х., Даминев P.P., Шулаев Н.С., Кутузов П.И., Арсланова А.Х.]. В данном способе в качестве энергоносителя используется мощное электромагнитное поле СВЧ-диапазона (длина электромагнитных волн 1< <10 см), облучающее реактор или генерируемое в нем. Электромагнитное излучение, поглощаемое катализатором, вызывает его разогрев, и при контакте с неразогретым сырьем происходит процесс дегидрирования. Используется хромжелезоцинковый новый катализатор, в состав которого в преобладающем количестве входят: Cr₂O₃, Fe₂O₃, ZnO, а также SiO₂, Co₂O₃. Недостатками данного способа являются то, что дегидрирование осуществляется постадийно и при высоких температурах (600-650°С), что приводит к значительным энергозатратам.

Изобретение решает техническую задачу снижения энергозатрат и повышения эффективности процесса. Указанная задача решается тем, что в способе получения изопрена путем взаимодействия исходного сырья при повышенной температуре с твердым катализатором с использованием СВЧ-излучения, с непрерывной отгонкой образующихся продуктов, конденсацией отгона, согласно изобретению в качестве твердого катализатора используют катализатор следующего состава мас.%:

Р₂ О₅ - 56%,

Ti - 2,5%,

влага - 6%,

кизельгур - 35,5%.

Катализатор получают методом пропитки предварительного отформованного носителя кизельгура с добавлением небольшого количества титана. В качестве пропиточного раствора используется 50% ортофосфорная кислота. Время пропитки 2 часа. Затем катализатор подвергается сушке в муфельной печи при температуре 400°С в течение 2 часов.

На чертеже предлагается схема лабораторной установки. Установка состоит из магнетрона 1, микроволновой камеры 2, реактора, наполненного твердым катализатором 3, согласователя нагрузки 4, холодильников 5, приемной камеры для конденсированного изопрена 6. Поток 1 - подаваемые исходные вещества, поток 2 - продукты реакции, поток 3 - неконденсированные газы из холодильника, потоки 4, 6, 8 - холодная вода, потоки 5, 7, 9 - нагретая вода после холодильников и согласователя нагрузки.

Смесь изобутилена и формальдегида подается в кубовую часть реактора 3, где под воздействием электромагнитного излучения СВЧ-диапазона испаряется и поступает в реакционную зону с предварительно разогретым катализатором. Затем продукты реакции, отобранные из верхней части реакционной колонны, проходит через холодильник 5, где конденсируются изопрен, изобутилен и промежуточные продукты реакции.

Экспериментальные данные показывают, что выход изопрена при использовании катализатора составляют около 45 мас.%.

Существенными отличительными особенностями предлагаемого способа от способа-прототипа являются:

- использование модифицированных и новых экспериментальных видов катализаторов;

- осуществление синтеза изопрена в одну стадию, в объеме одной реакционной зоны.

Преимуществами предлагаемого способа по сравнению с прототипом являются:

- более простое технологическое оформление процесса, осуществляемого в одном реакционном объеме;

- уменьшение энергозатрат в связи с меньшей температурой процесса.

Разработка может применяться в нефтехимической промышленности, на предприятиях по производству синтетического каучука.

Выход изопрена в зависимости от скорости подачи и температуры
Объемная скорость подачи W, ч-1	Температура, °С	Выход изопрена, мас.%
100	150	36
180	42
210	45
240	39
120	150	38
180	43
210	45
240	40
150	150	35
180	40
210	43
240	38
200	150	22
180	26
210	32
240	21