способ получения метил-трет-бутилового эфира, этил-трет- бутилового эфира или этил-трет-амилового эфира и устройство для осуществления реактивной дистилляции

Формула изобретения

1. Способ получения метил-трет-бутилового эфира, этил-трет-бутилового эфира или этил-трет-амилового эфира реактивной дистилляцией путем взаимодействия изоолефинового сырья, содержащего ненасыщенные С₄- и/или С₅-углеводороды, с метанолом или этиловым спиртом в вертикальном реакторе цилиндрической формы, снабженным ректификационными тарелками и имеющим по крайней мере одну реакционную зону, содержащую катализатор, например сульфонированную смолу, погруженную в жидкую реакционную смесь, отличающийся тем, что процесс проводят в тарельчатой колонне, в реакционные зоны которой подают жидкую фазу через вертикальные каналы с верха колонны, а готовый продукт собирают в нижней ее части, тогда как паровую фазу направляют через реакционные зоны и зоны ректификации от низа к верху колонны, откуда выделяют непрореагированную часть углеводородов или азеотропную смесь с метанолом или этанолом, при этом некоторые из тарелок в колонне, в которой проводят процесс, снабжены одним или более конструкционными элементами, включающими слой катализатора, содержащийся внутри подходящего носителя, два сливных стакана и камеру без катализатора, и являются частично или полностью перфорированными снизу либо отделены друг от друга одной или множеством традиционных дистилляционных тарелок, причем по крайней мере часть метанола подают в точку, находящуюся вблизи верхней части зоны ректификации, а жидкую смесь пропускают через слои катализатора в направлении, перпендикулярном оси фракционирующей колонны, и процесс ведут при давлении 200 - 3000 кПа и температуре от комнатной до 200^oС.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что реакционную смесь пропускают в радиальном направлении относительно оси той же колонны.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что реакционную смесь пропускают в поперечном направлении относительно оси той же колонны.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что процесс ведут при 65 - 140^oС и 1000 кПа.

5. Устройство для осуществления реактивной дистилляции, включающее колонну с одной или более зонами, в которой размещена каталитическая тарелка и одна дистилляционная тарелка, отличающееся тем, что каталитическая тарелка состоит из одного или более элементов, каждый из которых содержит слой катализатора, две переточные трубки и не содержащую катализатора камеру, при этом слой катализатора находится внутри слоя носителя, позволяющего жидкой реакционной смеси протекать через указанный слой в радиальном перпендикулярном направлении к оси колонны и удерживающего катализатор.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что слой катализатора размещен внутри подходящего носителя, позволяющего жидкой смеси протекать через слой катализатора от внешней боковой стенки указанного слоя к внутренней.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что слой катализатора размещен внутри подходящего носителя, позволяющего протекать жидкой смеси через слой катализатора от внутренней боковой стенки указанного слоя к внешней.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что слой катализатора размещен внутри подходящего носителя, позволяющего протекать указанной жидкой смеси от одного концаа слоя катализатора до другого.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам получения простых трет-алкиловых эфиров из изоолефинов и алифатических спиртов путем реактивной дистилляции и к устройству для его осуществления. Для лучшего понимания сущности изобретения в данном описании упоминается получение конкретного метил-трет-бутилового эфира (МТБЭ), таким образом, предлагаемый способ полностью пригоден для получения других трет-алкиловых эфиров, при этом подразумевается, что разница между точками кипения компонентов и продуктов всегда представляет собой величину одного порядка.

Предлагаемый способ применим во всех случаях, когда условия проведения реакции совместимы с дистилляцией и когда температуры кипения одного и более реагентов отличаются от температур кипения одного или более продуктов реакции.

Метил-трет-бутиловый эфир (МТБЭ) получают в промышленном масштабе в результате взаимодействия изобутена, содержащего в потоке С₄-углеводородов, с метанолом в присутствии катализатора, в общем случае представляющего собой сульфированные стирол-дивинил-бензольные смолы, при температурах от комнатной до приблизительно 100^оС (патент США 3979461, ИТ 1012686).

Из патента Италии 1137527 известно проведение реакции образования МТБЭ и отделения указанного МТБЭ, являющегося продуктом реакции, от углеводородов и сопровождающих его соединений в одном аппарате с реактификационными тарелками, некоторые из которых снабжены слоем катализатора, состоящим из сферических частиц катализатора.

В частности, в данном патенте показано применение ряда каталитических зон, в которых имеет место восходящий поток жидкости и пара через слой катализатора и где катализатор всегда покрыт жидкостью.

Данный способ имеет определенные недостатки вследствие того, что при проведении процесса в определенных условиях, в частности в случае слишком толстых слоев катализатора, возможно слишком сильное падение давления на слое.

В патенте США 4847431 утверждается, что большую часть этих связанных с гидродинамикой проблем можно решить за счет нисходящего тока жидкости через слой катализатора при сохранении всегда восходящего движения потока пара.

Однако несмотря на эту целесообразную меру, падение давления на слое катализатора может все же оказаться относительно высоким.

Было обнаружено, что за счет движения потока жидкой фазы в слое катализатора в поперечном направлении можно эффективно снизить падение давления.

Предлагаемый способ получения простых трет-алкиловых эфиров, в частности, метил-трет-бутилового эфира (ТМБЭ), из изоолефинов и алифатических спиртов включает следующие стадии:

углеводородное сырье, в котором содержится изоолефин, и возможно, часть алифатического спирта, подают в ректификационную колонну, снабженную тарелками, где некоторые из указанных тарелок снабжены слоем катализатора, представляющего собой, например, сульфированные стирол-дивинилбензольные смолы, и могут быть разделены одной обычной дистилляционной тарелкой или их группой (ситчатые, или перфорированные тарелки, либо клапанные тарелки, либо барботажные тарелки);

по крайней мере часть алифатического спирта подают отдельно в колонну, вблизи ее головной части;

указанный изоолефин взаимодействует с указанным спиртом на тарелках, содержащих слой катализатора, причем указанные слои катализатора погружены в жидкую реакционную смесь;

эфирный продукт отделяют от других соединений на дистилляционных тарелках и на тарелках, содержащих слои катализатора, причем чистый в основном эфир получается в виде собираемого со дна колонны потока продуктов; непрореагировавшие углеводороды и, возможно, спирт в виде азеотропных смесей с указанными углеводородами собирается с верха колонны; этот способ согласно изобретению отличается тем, что в указанной ректификационной колонне, снабженной тарелками и имеющей в основном в е р т и к а л ь н у ю цилиндрическую форму, внутри которой осуществляется образование трет-алкилового эфира и отделение указанного трет-алкилового эфира от сопровождающих его углеводородов и других соединений, жидкая реакционная смесь протекает через слои катализатора, расположенные на каталитических тарелках, в поперечном направлении относительно оси этой же ректификационной колонны.

Подразумевается, что термин "поперечный" совпадает также с термином "радиальный относительно слоя катализатора". В частности, может иметь место поток жидкой фазы снаружи внутрь, т.е. от внешней боковой стенки катализатора по направлению к внутренней стенке; либо изнутри наружу, т.е. от внутренней боковой стенки слоя катализатора по направлению к внешней; либо от одной стороны, к другой, т.е. от одной из боковых стенок слоя, ближе к которой расположена передаточная трубка, по которой жидкость поступает с верхней тарелки по направлению к противоположной стенке того же слоя катализатора.

Способ согласно изобретению осуществляется при давлении в диапазоне от 200 до 3000 кПа, предпочтительно при 500-2000 кПа, и при температуре в диапазоне от комнатной до 200^оС, предпочтительно при 45-150^оС.

Флегмовое число ректификационной колонны предпочтительно должно находиться в диапазоне 0,5-15, более предпочтительно 1-10.

Катализатор используется в виде зерен, цилиндрических тел, сферических тел и, в более общем случае, состоит из частиц любой формы, обеспечивающей наиболее оптимальное его изготовление и применение. Катализатор может представлять собой также частицы малого размера, такие, например, как сфероидальные частицы диаметром в диапазоне 0,5-1 мм.

Объектом изобретения является устройство, которое может быть использовано в любых процессах реактивной дистилляции, таких как, например, процессы, в которых имеют место реакции, связанные с химическим равновесием, в соответствии с которым реагенты и продукты реакции легко отделяются друг от друга, в связи с тем, что их характеристики летучести таковы, что их можно легко и успешно с промышленной точки зрения разделить.

Подобное устройство, в частности, подходит для процессов получения простых трет-алкиловых эфиров, таких как, например, МТБЭ, ЭТБЭ (этил-трет-бутиловый эфир). ТАМЭ (трет-алкилметиловый эфир), для получения кумола из пропена и бензола, для получения изобутена из МТБЭ, для алкилирования изопарафинов олефинами.

Устройство для реактивной дистилляции, включающее одну или более зону, в которой размещается в основном одна каталитическая тарелка, и, возможно, традиционная дистилляционная тарелка отличается тем, что каталитическая тарелка состоит из одного или более элементов, каждый из которых включает слой катализатора, две переточные трубки и не содержащую катализатора камеру, причем слой катализатора снабжен подходящим носителем, позволяющим протекать жидкости через указанный слой катализатора в радиальном, перпендикулярном направлении по отношению к оси колонны и удерживающим катализатор.

Фиг. 1-12 показывают не ограничивающие объем изобретения примеры его практической реализации.

Фиг. 1 -12 относятся, в частности, к различным формам каталитических зон ректификационной колонны, которые должны позволять протекание потока реакционной смеси в поперечном направлении, в частности в радиальном направлении, через слои катализатора.

Для простоты на фиг. 1-12 приведены каталитические тарелки, состоящие только из одного элемента.

На фиг. 1а и в изображена часть устройства, включающая одну дистилляционную тарелку 1 традиционного типа, которая может представлять собой ситчатую, клапанную или барботажную тарелку, и одну каталитическую тарелку 2, состоящую из слоя катализатора 3, двух переливных трубок 4 и 5 и не содержащей катализатора камеры 6.

Жидкая реакционная смесь 7 стекает вниз через переливную трубку 5 на дистилляционную тарелку 1, с которой она впоследствии стекает по направлению к каталитической тарелке 2 по переливной трубке 4, протекает через слой катализатора 3 в направлении, поперечном по отношению к оси устройства, от внешней боковой стенки указанного слоя по направлению к внутренней его стенке.

Пройдя через слой катализатора 3, жидкая реакционная смесь поступает в не содержащую катализатор камеру 6 и перетекает: по переливной трубке 5 в нижерасположенную зону устройства, которая, в свою очередь, может быть снабжена одной или более дистилляционной тарелкой, либо одной или более каталитической тарелкой, либо комбинацией одной или более каталитической тарелки и одной или более дистилляционной тарелки.

Нижняя часть 8 каталитической тарелки перфорирована только в той ее области, которая соответствует слою катализатора 3, тогда как верхняя часть 9 указанного плато предпочтительно закрыта или перфорирована в области, соответствующей расположению не содержащей катализатора камеры 6.

Поток пара 10 поднимается вверх, протекает через нижнюю часть каталитической тарелки 8, вступает в контакт с частью слоя катализатора 3, покидает не содержащую катализатора камеру 6 и достигает, наконец, дистилляционной тарелки 1.

На фиг. 2а и в изображена часть устройства, аналогичная в основном той, которая схематически изображена на фиг. 1, за исключением того, что зона 8 реакторной части тарелки 2 также перфорирована в части, соответствующей расположению не содержащей катализатора камеры 6. При этом часть потока пара 10 обходит слой катализатора.

На фиг. 3а и в изображена часть устройства, аналогичная в основном изображенной схематически на фиг. 2, за исключением того, что нижняя часть 8 перфорирована только в той ее части, которая соответствует положению не содержащей катализатора камеры 6. При этом весь пар 10 обходит слой катализатора.

На фиг. 4а и в изображена зона устройства, аналогичная в основном схематически показанным на предыдущих фигурах, за исключением того, что внутри слоя катализатора 3 имеются трубки 11, по которым пар 10 поднимается с нижерасположенной тарелки 2 по направлению к тарелке 1. Часть 8 тарелки не перфорирована, кроме области, соответствующей расположению указанных трубок, что позволяет паровой фазе 10 подниматься по ним вверх.

На фиг. 5, 6, 7 и 8 показаны части устройства, в основном аналогичные схематически изображенным, соответственно, на фиг. 1, 2, 3 и 4, за исключением того, что жидкая реакционная смесь протекает через слой катализатора 3 в направлении от внутренней боковой стенки слоя к внешней боковой стенке, причем направление ее течения поперечно по отношению к оси этой же установки.

Пройдя через слой катализатора 3, жидкая реакционная смесь попадает в не содержащую катализатор камеру 6 и по переливной трубке 5 стекает в нижнюю часть аппарата, причем указанная нижняя часть аппарата может, в свою очередь, включать одну или более дистилляционную тарелку и одну или более каталитическую тарелку и одной или более дистилляционной тарелки.

На фиг. 9, 10, 11 и 12 показаны части установки, аналогичные в основном изображенным, соответственно на фиг. 1, 2, 3 и 4, либо на фиг. 5, 6, 7 и 8, за исключением того, что жидкая реакционная смесь протекает через слой катализатора 3 в направлении, поперечном относительно оси этой же установки, от боковой стенки, около которой расположена переливная трубка, подающая жидкость из верхней части установки, к противоположной стороне этого же слоя катализатора.

В случае использования на одной и той же каталитической тарелке множества элементов, одна или более переливная трубка может обслуживать множество указанных элементов.

П р и м е р. Достигнута конверсия изобутена в МТБЭ выше 95% за счет подачи углеводородного сырья, в состав которого входят насыщенные и ненасыщенные С₄-углеводороды, содержащие 15 мас. изобутена, в установку того же типа, что схематически изображена на фиг. 1-12, снабженную несколькими каталитическими насадками и содержащую, в качестве катализатора, сульфированную стирол-дивинилбензольную смолу, и дистилляционными тарелками, за счет проведения процесса в соответствии с заявляемым способом при давлении приблизительно 10 бар. флегмовом числе, равном 1, и при температурах в диапазоне от 65 до 140^оС.

Со дна колонны собрали погон МТБЭ высокой чистоты, отводимый с верха колонны продукт был, в основном, свободен от МТБЭ. Такой результат был получен при размещении между двумя каталитическими тарелками одной дистилляционной.