Настоящее изобретение относится к новому способу реакционной отпарки, применяемому для проведения химических реакций в реакционной колонне с суспендированным слоем. В другом аспекте настоящее изобретение относится к новому реакционному отпарному аппарату для одновременного проведения химических реакций и отгонки реакционного продукта, где предусмотрено множество суспендированных слоев. В дополнительном аспекте настоящее изобретение относится к новым способу и устройству для одновременного осуществления гетерогенного катализа и выделения или отпарки из реакционной смеси, по меньшей мере, одного реакционного продукта с применением практически вертикальной многостадийной реакционной отпарной системы, в которой предусмотрено множество суспендированных слоев, которые включают в себя удерживающийся в них катализатор в форме частиц.
Более конкретно настоящее изобретение относится к новым способу и устройству для получения бисфенола А в практически вертикальной многостадийной реакционной отпарной системе, в которой предусмотрено множество суспендированных слоев, включающих в себя удерживающийся в них катализатор на основе твердой модифицированной катионообменной смолы в форме частиц, что позволяет существенно упростить последовательные обработки, в значительной мере уменьшить количества возвращаемых в процесс непрореагировавших реагентов и в большой степени сократить капитальные затраты на оборудование и технологические расходы.
В промышленном производстве постоянной целью является проведение непрерывных химических реакций и достижение высокой степени конверсии реагентов. Для непрерывного проведения многих химических реакций, которые в практических и экономически обоснованных реакционных условиях обратимы или при протекании которых быстро достигается равновесное состояние, реакционные продукты необходимо отделять от реагентов, поскольку выделение из реакционной смеси, по крайней мере, части реакционных продуктов обеспечивает возможность дальнейшего протекания химических реакций. В результате в соответствии с кинетикой реакции достигается увеличение выхода целевых продуктов. Однако при попытке непрерывного удаления, по меньшей мере, одного реакционного продукта, например такого, который образуется при получении 2,2-бис-(4-оксифенил)-пропана (бис-фенола А, который в дальнейшем иногда называется "4,4-БФА" или "п,п-БФА" или же просто обозначен как "БФА"), что служит основным сырьем или промежуточным продуктом для промышленного производства различных полимеров, включая сюда полиакрилаты, полиамиды, простые полиэфиримиды, полусульфоны, поликарбонаты и тому подобное, эпоксидных смол, модифицированных фенолоформальдегидных смол и тому подобного, обычно приходится сталкиваться со значительными затруднениями технологического порядка.
С целью преодолеть затруднения при отделении реакционных продуктов от реагентов в ходе проведения таких процессов, как реакции конденсации, реакции простой этерификации, реакции аминирования, реакции омыления и тому подобное, уже были разработаны различные технические решения или предложения. В этом отношении хорошо известно применение дистилляционных реакционных систем, например таких, как предлагаемые в описаниях к американским патентам NN 4471154 и 5133942.
Эти известные дистилляционные реакционные системы обычно используют таким образом, что посредством фракционной перегонки за счет разницы точек кипения химические реакции проводят при одновременном очень быстром отделении реакционных продуктов от реагентов, благодаря чему обеспечивается быстрое дальнейшее протекание химических реакций в желаемом направлении. Известные дистилляционные реакторные системы обычно применяют для проведения гетерогенных каталитических химических реакций в жидкой фазе в присутствии катализатора в форме частиц. В этом случае каталитические частицы полностью погружены в жидкую фазу в статическом состоянии, образуя реакционную систему с неподвижным слоем, или суспендированы в жидкой фазе за счет перемешивающего действия газа с образованием реакционной системы с суспендированным слоем.
Более конкретно в описании к американскому патенту N 4215011, выданному на имя Лоуренса Э.Смита младшего, предлагается каталитическая система для использования в реакционно-дистилляционной колонне, включающей в себя множество закрытых матерчатых карманов, содержащих каталитический материал в форме частиц, которые размещены и удерживаются в указанной реакционно-дистилляционной колонне с помощью проволочной сетки, тесно связанной с упомянутыми закрытыми матерчатыми карманами. Такое усложненное размещение каталитических частиц конкретно предусмотрено для применения с целью выделения изоолефинов из потоков, включающих в себя смеси по меньшей мере одного изоолефина и соответствующего нормального олефина. Изобретение по этому патенту особенно полезно для выделения изобутилена из потока, содержащего нормальные бутены. Неизвестна ни возможность его использования, ни то, что оно когда-либо было использовано при получении бисфенола А.
В описании к американскому патенту N 4308404, выданному на имя Эрайэна Квантеса и др., предлагается усовершенствованный способ непрерывного получения бисфенолов из фенола и карбонильных соединений, в частности бисфенола А из фенола и ацетона, в присутствии катализатора на основе кислотной ионообменной смолы в реакционной зоне, включающей в себя ряд реакторов, при осуществлении которого часть потока, отводимого по меньшей мере из одного реактора, за исключением последнего реактора, возвращают в предыдущий реактор, предпочтительнее в первый реактор, и соотношение между возвращаемым в процесс потоком и потоком, вводимым в последующий реактор (коэффициент рециркуляции) находится в интервале приблизительно от 0,1:1 до 10:1. Тем не менее при проведении реакции конденсации осуществление способа Квантеса несомненно приведет к существенному уменьшению скорости процесса по мере протекания реакции конденсации.
В описании к американскому патенту N 4391997, выданному на имя Эшока К. Мендиратты, предлагается способ получения бисфенола А, при осуществлении которого предусмотрена реакция фенола с ацетоном в присутствии катионообменной смолы в качестве катализатора в реакционной системе непрерывного действия, в которой реакционная температура растет вдоль реактора, или по другому варианту реакцию проводят в ряде реакторов, работающих при постепенно растущих температурах, в результате чего получают реакционную конденсационную смесь бисфенола А с фенолом, ацетоном, водой и побочными продуктами фенол/ацетоновых реакций конденсации, которые в дальнейшем могут быть обработаны любыми обычными средствами с получением в качестве продукта бисфенола А, содержащего ограниченные количества окрашивающего материала и других побочных продуктов реакции конденсации или примесей. В соответствии с описанием к патенту Мендиратты была предпринята попытка уменьшить количество примесей побочных продуктов и потерь материалов с улучшением тем самым использования материалов и повышением качества БФА в применяемой системе. Однако конверсия и селективность реакции ацетона также заметно ограничены. Действительно, при молярном соотношении между фенолом и ацетоном приблизительно 10,7: 1 и температуре примерно 90oC конверсия ацетона остается на постоянном уровне - около 69%. В постоянных рабочих условиях п,п-бисфенол А образуется с выходом более приблизительно 94%, а п,п-БФА совместно с о,п-БФА образуются с общим выходом примерно от более 98 до более 99% (в расчете на п,п-БФА, о, п-БФА и другие побочные продукты, содержащиеся в незначительных количествах). Селективность в отношении п,п-БФА возможно, как полагают, составляет всего приблизительно 96% (в расчете на п,п-БФА, о,п-БФА и другие побочные продукты, содержащиеся в незначительных количествах).
В описании к американскому патенту N 4400555, выданному на имя Эшока К. Мендиратты, предлагается усовершенствованная реакционная система для синтеза бисфенола А в ходе проведения процесса получения бисфенола А, катализируемого катионообменной смолой, где используют технику многостадийного ввода ацетона. Эшок К. Мендиратта намеревался достичь высокой степени утилизации материала и улучшить окраску или цветовой оттенок получаемого в качестве продукта бисфенола А, а также сократить капитальные затраты на оборудование и технологические расходы, связанные с выделением и возвратом в процесс избытка фенола при том же самом общем соотношении между фенолом и ацетоном, которые загружают в реакционную систему. В ходе проведения процесса 25-75% потока исходного ацетона вводят в первый реактор или в начало реактора, а оставшуюся часть вводят в последующие реакторы или вдоль реактора, а фенол загружают в первый реактор или начало реактора целиком. Полагают, что такая процедура позволяет поддерживать высокую относительную концентрацию фенола в ходе протекания большей части реакции конденсации при одновременном уменьшении, насколько это возможно, общего молярного соотношения между фенолом и ацетоном. В соответствии с техническим решением Мендиратты конверсия и селективность реакции ацетона в п,п-БФА в существенной мере ограничены /выход п, п-БФА превышает приблизительно 94%, а совместный выход п,п-БФА и о,п-БФА составляет всего примерно от более 98 до 99% (в расчете на п,п-БФА, о,п-БФА и другие побочные продукты, содержащиеся в незначительных количествах)/ благодаря многостадийной системе ввода ацетона.
В описании к американскому патенту N 4471154, выданному на имя Фредерика К.Франклина, предлагается многостадийный дистилляционный реактор с псевдоожиженными слоями, в котором предусмотрен реакционный сосуд, включающий в себя множество тарелок, равноудаленных друг от друга в вертикальном направлении и соединенных между собой соответствующими переточными трубками для перемещения реакционной жидкости сверху вниз с одной тарелки на другую, причем, кроме того, по меньшей мере, на некоторых из указанных тарелок содержится некоторое количество катализатора в форме частиц, находящихся внутри объема, ограниченного сеткой с учетом возможности сообщения тарелок между собой, и псевдоожиженных под действием пара. С началом процесса поток пара и поток жидкости проходят соответственно снизу вверх и сверху вниз через соответствующие тарелки, на которых содержится катализатор. Низко- и высококипящие материалы отводят соответственно из верхней и нижней частей дистилляционного реактора. Из изложенного Фредериком К. Франклином совершенно очевидно, что техническое решение по этому патенту направлено на проведение реакции между реагентами А и Б с помощью предлагаемого многостадийного дистилляционного реактора с псевдоожиженными слоями.
В описании к американскому патенту N 5087767, выданному на имя Кеничи Окамото и др., предлагается способ получения 2,2-бис-(4-оксифенил)-пропана, при осуществлении которого предусмотрена реакция ацетона с фенолом в присутствии кислотной ионообменной смолы в качестве катализатора, где реакцию ацетона с фенолом проводят с одновременным удалением части воды, образующейся во времени реакции, из смешанного раствора, содержащего ацетон и фенол, по методу диффузионного испарения с помощью селективно водопроницаемой мембраны, в частности такой, как мембраны из пористого стекла, двуокиси кремния, окиси алюминия и керамические мембраны. В соответствии со способом, предлагаемым в описании к этому патенту, воду, образующуюся в результате реакции, можно быстро удалять одновременно с проведением реакции или поочередно с ней в процессе диффузионного испарения, что, следовательно, вовсе не ухудшает каталитической активности ионообменной смолы. Более того, при этом не требуется проведения никаких усложненных операций, связанных с дегидратацией. Таким образом, кислотную ионообменную смолу как катализатор можно непрерывно использовать в течение всего периода времени без какой-либо обработки для ее регенерации. Кроме того, в соответствии со способом, предлагаемым по этому патенту, бисфенол А можно экономично получать из ацетона и фенола с высокой степенью конверсии и хорошим выходом. Однако, как это показано с помощью пояснительных примеров, производительность в отношении удаления воды оказывается невысокой, вследствие чего после приблизительно 8-часовой реакции конденсации в перемешиваемом реакторе периодического действия конверсия ацетона или выход п,п-бисфенола А достигает приблизительно 75% для неорганическо-органической композитной мембраны, 80% для органической мембраны и 90% для неорганической мембраны.
В описании к американскому патенту N 5133942, выданному на имя Эдварда Л. Джонса, предлагается система для одновременного проведения химических реакций в дистилляционном колонном реакторе, позволяющем разделять фракционной перегонкой реагенты и реакционные продукты, удаляя реакционный катализатор из дистилляционного колонного реактора и заменяя отработанный катализатор свежим и/или регенерированным катализатором. В такой дистилляционной колонне имеется множество соответствующих парожидкостных контактных тарелок. Каждая из таких тарелок снабжена переточной трубкой и связанной с ней перегородкой сливного отверстия, причем посредством указанной переточной трубки каждая из упомянутых тарелок сообщается с тарелкой, находящейся ниже каждой упомянутой тарелки. Катализатор из твердых частиц находится и поддерживается по меньшей мере на части упомянутых тарелок посредством проволочной сетки, экрана или фильтрующей среды и погружен примерно на глубину слоя жидкости на упомянутых тарелках. Пар, поднимающийся через жидкость на тарелках, вызывает тенденцию катализатора в форме частиц к образованию их суспензии в жидкости. Совершенно очевидно, что существует масса химических реакций, которые не могут быть проведены, поскольку реакционная температура реагентов и температура дистилляции компонента или продукта, которые необходимо выделить фракционной перегонкой, не согласуются между собой или же между ними существует большая разница.
Очевидно, что технические решения по вышеупомянутым патентам не могут быть использованы для проведения химических реакций, где эффективная реакционная температура ниже точки кипения реакционной смеси.
Ниже в качестве примера несколько более подробно описано получение бисфенола А из фенола и ацетона в присутствии каталитических частиц ионообменной смолы.
Реакцию и дистилляцию обычно объединяют в дистилляционной реакторной системе с целью удалить фракционной перегонкой один из продуктов реакции сразу же после его образования во время реакции, что позволяет в значительной степени повысить выход целевых продуктов или конверсию сырья. До сих пор при получении бисфенола А обычно использовали реакторные системы с неподвижным слоем, поэтому конверсия ацетона за один проход достигала лишь приблизительно 50 вес. %. Таким образом, при получении бисфенола А с целью повысить конверсию ацетона и уменьшить энергетические затраты, рециркулируемые количества материалов, потери материалов, в особенности получаемого бисфенола А, и объем оборудования известные дистилляционные реакторы никогда не применяли.
Хотя реакционную дистилляцию теоретически рассматривают как полезную, практическое применение дистилляционных реакционных систем очень ограничено. В качестве типичного примера можно указать на то, что реакционную дистилляцию используют для получения МТВЕ и низкомолекулярных сложных эфиров в дистилляционных реакционных системах, но ее очень редко применяют в других производствах. До сих пор она не нашла применения в таких реакциях, как аминирование, гидрогенизация и метоксилирование, хотя теоретически она для этого применима. Затруднения всегда встречаются там, где существует большая разница между температурами, при которых катализатор проявляет активность, и точками кипения реакционных смесей.
Так, например, температуры, при которых катализатор активен при проведении реакции конденсации с получением бисфенола А, обычно находятся в интервале приблизительно от 60 до 100oC, причем максимальная температура составляет 130oC. При таких температурах и создаваемых при этом давлениях избыточный или непрореагировавший фенол, воду и тому подобное, невозможно отогнать из реакционной системы. В другом варианте, если использовать более высокие температуры, катализаторы становятся чувствительными к дезактивации или даже к полной деструкции, поскольку они способны размягчаться или стареть и проявлять аналогичное поведение, в то время как температура кипения реакционной смеси из фенола, реакционных продуктов и примесей побочных продуктов превышает 180oC. Совершенно очевидно, что дистилляционные реакционные системы неприменимы для получения бисфенола А. Что касается реакционной кинетики, то вода, образующаяся во время реакции конденсации, снижает скорость протекания этой реакции. При осуществлении известных способов воду удаляют из реакционных систем с использованием полупроницаемой мембраны, обезвоживающего агента или тому подобного, что уже представлено в литературе, например, в описаниях к вышеупомянутым патентам.
Настоящее изобретение предназначено для устранения вышеупомянутых недостатков путем разработки нового способа реакционной отпарки и создания устройства для его осуществления.
Таким образом, одной из задач настоящего изобретения является разработка способа непрерывного проведения химических реакций с одновременным отделением реагентов, по меньшей мере, от одного из реакционных продуктов.
Другой задачей настоящего изобретения является разработка способа реакционной отпарки для одновременных проведения химических реакций и отделения, по меньшей мере, одного из продуктов реакций от реагентов по принципу противотока за счет отпарки реакционного продукта с помощью инертного газообразного потока в реакционной колонне, которая снабжена множеством парожидкостных контактных тарелок, предусмотренных в ней, взаимосообщающихся посредством множества переточных трубок.
Дополнительной задачей настоящего изобретения является разработка способа непрерывной отпарки, по меньшей мере, одного низкокипящего продукта реакции из высококипящей реакционной смеси с помощью инертного газового потока в ходе проведения химических реакций в новом многостадийном отпарном аппарате для суспензионной реакции, снабженном множеством перфорированных тарелок, которые предусмотрены в реакционной колонне и которые сообщаются между собой множеством переточных трубок, где по меньшей мере один из жидких реагентов вводят на самую верхнюю тарелку, один или несколько других реагентов одновременно вводят на некоторые или все тарелки, находящиеся ниже самой высокой тарелки, а инертному газовому потоку дают возможность подниматься через перфорированные тарелки, удаляя из реакционной смеси низкокипящий продукт реакции.
Тем не менее еще одной задачей настоящего изобретения является создание аппарата для непрерывного проведения химических реакций посредством удаления из реакционной смеси по меньшей мере одного реакционного продукта.
Тем не менее дополнительной задачей настоящего изобретения является создание реакционного отпарного аппарата для непрерывного проведения химических реакций с одновременной отпаркой по меньшей мере одного низкокипящего реакционного продукта из высококипящей реакционной смеси с использованием инертного газового потока.
Тем не менее другой дополнительной задачей настоящего изобретения является разработка нового способа и создание аппарата для получения бисфенола А из фенола и ацетона с достижением хорошего выхода и превосходной селективности в новой реакционной колонне, снабженной множеством перфорированных тарелок, предусмотренный в ней, и взаимосообщающихся посредством множества переточных трубок, у каждой из которых имеется сетка, соединенная с ее верхней частью, сеткой, предусмотренной на каждой тарелке, и катализатором в форме твердых частиц, содержащемся в объеме, который определяется переточной трубкой и сеткой, соединенной с тарелкой, благодаря чему весь требуемый фенол вводят на самую верхнюю тарелку, а ацетон вводят на несколько или все тарелки, находящиеся ниже самой верхней тарелки, в форме отдельных порций.
В одном из аспектов в соответствии с настоящим изобретением предлагается способ реакционной отпарки для непрерывного проведения химических реакций с одновременным отделением по меньшей мере низкокипящего реакционного продукта от реакционной смеси, причем при осуществлении этого способа предусмотрено: осуществление истечения потоков жидких реагентов параллельно и сверху вниз в реакционной колонне, снабженной множеством перфорированных тарелок, предусмотренных в ней, первой сеткой, расположенной на каждой тарелке, и множеством переточных трубок, обеспечивающих взаимосообщение тарелок, причем у каждой из переточных трубок предусмотрены вторая сетка, соединенная с ее верхней частью, эта вторая сетка, часть каждой из указанных переточных трубок, часть боковой стенки реакционной колонны и одна из перфорированных тарелок совместно с находящейся на ней первой сеткой в сочетании между собой определяют камеру, необязательно содержащую в себе катализатор, благодаря чему образуется жидкая реакционная смесь, включающая в себя по меньшее мере низкокипящий реакционный продукт:
(а) одновременное, пропускание инертного газового потока снизу вверх через тарелки и камеры, обеспечивающее перемешивание содержимого камер с образованием суспензии в жидкой реакционной смеси;
(б) удаление по меньшей мере низкокипящего реакционного продукта из верхней части реакционной колонны с помощью потока инертного газа;
(в) удаление оставшейся части реакционной смеси из нижней части реакционной колонны.
В другом аспекте в соответствии с настоящим изобретением предлагается реакционный отпарной аппарат для непрерывного проведения химических реакций с одновременным выделением по меньшей мере низкокипящего реакционного продукта из реакционной смеси, включающий реакционную колонну, у которой имеются нижняя часть и верхняя часть с верхней секцией, множеством перфорированных тарелок, предусмотренных в реакционной колонне, с первой сеткой, находящейся на каждой тарелке, и множеством переточных трубок, обеспечивающих взаимосообщение тарелок, причем у каждой из переточных трубок имеется вторая сетка, соединенная с ее верхней частью, эта вторая сетка, часть каждой из указанных переточных трубок, часть боковой стенки реакционной колонны и одна из перфорированных тарелок совместно с находящейся на ней первой сеткой в сочетании между собой определяют камеру, необязательно содержащую в ней катализатор, при этом аппарат снабжен
(а) впускными отверстиями в верхней части и вдоль реакционной колонны над самой нижней тарелкой для введения жидких и/или парообразных реагентов;
(б) впускным отверстием и выпускным отверстием, находящимися в нижней части реакционной колонны, соответственно для впуска инертного газового потока и удаления реакционной смеси;
(в) выпускным отверстием в верхней секции реакционной колонны для удаления инертного газа совместно по меньшей мере с одним низкокипящим реакционным продуктом из реакционной смеси.
В дополнительном аспекте в соответствии с настоящим изобретением предлагается способ реакционной отпарки для получения реакционной смеси с высокой концентрацией сверхчистого бисфенола А, при осуществлении которого предусмотрены
(1) реакция от 4- до 12-кратного молярного избытка фенола с ацетоном в присутствии модифицированной катионообменной смолы в качестве катализатора в реакционной колонне, снабженной
(а) множеством перфорированных тарелок, предусмотренных в ней;
(б) первой сеткой, расположенной на каждой тарелке;
(в) множеством переточных трубок, обеспечивающих взаимосообщение тарелок, причем у каждой из переточных трубок предусмотрена вторая сетка, соединенная с ее верхней частью, эта вторая сетка, часть каждой из указанных переточных трубок, часть боковой стенки реакционной колонны и одна из перфорированных тарелок совместно с находящейся на ней первой сеткой в сочетании между собой определяют каталитическую камеру;
(г) катализатором в форме твердых частиц, содержащихся в каталитической камере, при температуре в интервале приблизительно от 60 до 130oC, причем при осуществлении этого способа весь фенол, необходимый для его реакции конденсации с ацетоном, вводят в реакционную колонну из секции над самой верхней тарелкой, порции всего требуемого количества ацетона подают на тарелку, следующую за самой верхней тарелкой и соответственно на некоторые или все нижележащие тарелки, а поток инертного газа пропускают снизу вверх через каталитические камеры для получения суспензий твердого материала в жидкости и отпарки воды из реакционной смеси,
(2) охлаждение потока жидкой реакционной смеси реакции конденсации, отходящего из реакционного отпарного аппарата, в кристаллизаторе с получением шлама, содержащего кристаллы аддукта бисфенола А и фенол в молярном соотношении 1:1, и маточного раствора;
(3) выделение кристаллов аддукта из маточного раствора с необязательной последующей промывкой выделенных кристаллов аддукта;
(4) операция удаления фенола из кристаллов аддукта, полученных на вышеописанной стадии (3), с получением высокочистых кристаллов бисфенола А;
(5) необязательная последующая перекристаллизация кристаллов высокочистого бисфенола А, полученных на вышеописанной стадии (4), в присутствии растворителя в кристаллизаторе;
(6) выделение кристаллов бисфенола А из маточного раствора с необязательной последующей промывкой выделенных кристаллов бисфенола А для получения как продукта сверхчистого бисфенола А.
Аппарат, применяемый для проведения процесса реакционной отпарки в соответствии с настоящим изобретением, носит также название многостадийного суспендированного слоя для реакционной отпарки. В соответствии с настоящим изобретением аппарат включает в себя реакционную колонну, содержащую множество тарелок, равноудаленных друг от друга в вертикальном направлении. Эти тарелки взаимосообщаются посредством переточных трубок для прохождения жидкости с с тарелки на тарелку сверху вниз. На каждой тарелке помещаются сетки, и непосредственно на таких сетках размещен катализатор в форме твердых частиц, диаметр которых превышает размер ячейки сетки. Верхние отверстия переточных трубок закрыты или накрыты такими же самыми сетками, предпочтительнее с верхней стороны каждой из переточных трубок. Поток инертного газа входит в реакционную колонну из впускного отверстия для газа в нижней части реактора, поднимается вверх, проходя через слои жидкости на тарелках, и удаляется из выпускного отверстия для газа в верхней секции реактора. У реакционной колонны имеется по меньшей мере одно впускное отверстие для жидкого сырья в верхней секции реактора, и на различной высоте вдоль стенки реакционной колонны над самой нижней тарелкой предусмотрено несколько боковых впускных отверстий для сырья. В нижней части реакционной колонны имеется выпускное отверстие для жидкого продукта. Вдоль боковой стороны реактора предусмотрено по боковому патрубку для каждой из тарелок для удаления отработанного или дезактивированного катализатора и ввода свежего и/или регенерированного катализатора. Указанные тарелки, предусмотренные в реакционной отпарной колонне, представляют собой ситчатые тарелки, тарелки с поплавковыми клапанами или любые другие подходящие газожидкостные контактные тарелки.
Способ проведения непрерывной реакции между фенолом и ацетоном с получением бисфенола А в присутствии ионообменной смолы в качестве катализатора в соответствии с изобретением характеризуется тем, что реакцию проводят в новом многостадийном (многослойном) реакционном отпарном аппарате вместо реактора с неподвижным слоем. Весь фенол, необходимый для этой реакции, подают через впускное отверстие для жидкого сырья в верхней части реактора, а ацетон загружают через несколько боковых отверстий для впуска сырья. Применение этого нового реакционного отпарного аппарата устраняет вышеперечисленные недостатки.
В соответствии с настоящим изобретением эффект инертного газа или потока газов, перфорированных тарелок и боковых впускных отверстий для ацетона может быть суммирован в предпочтительном варианте выполнения настоящего изобретения, рассчитанном на проведение реакции между фенолом и ацетоном следующим образом.
Эффект поднимающегося инертного газа состоит в том, что он предотвращает утечку реакционной жидкости через сита, которые размещены на тарелках, благодаря чему поддерживаются определенная высота слоя реакционной жидкости на каждой из тарелок и высокая скорость реакции фенола с ацетоном на тарелках, обеспечивает суспендирование каталитических частиц смолы в слоях реакционной жидкости на тарелках благодаря перемешивающему действию инертного газа, вследствие чего каждая тарелка приравнивается к идеальной смесительной емкости, причем весь реактор становится равным большому числу последовательных резервуаров, и удаляет воду, образующуюся во время реакции между фенолом и ацетоном совместно с этим инертным газом благодаря вхождению пузырьков инертного газа в контакт с реакционной жидкостью.
Эффект перфорированных тарелок состоит в определении зоны осевого смешения для реакционной жидкости одной тарелкой, что обеспечивает полное использование повышенной скорости реакции в начальной части или на находящихся выше тарелках, создании требуемой зоны газожидкостного маслообмена, позволяющей удалять воду, образующуюся во время реакции, из смешанного раствора, содержащего ацетон, фенол и продукт бисфенол А, и уменьшении статического уровня жидкости на тарелках, что обеспечивает равномерное суспендирование частиц смолы в жидкости.
Эффект нескольких боковых впускных отверстий для потока ацетона состоит в поддержании высокой относительной концентрации фенола в индивидуальных камерах, тогда как общее молярное соотношение между фенолом и ацетоном оказывается относительно низким, что позволяет повысить селективность реакции в отношении бисфенола А и уменьшить количество рециркулируемого фенола, и возможности создания повышенных реакционных температур.
На фиг. 1 представлено схематическое изображение нового многостадийного суспензионного реакционного отпарного аппарата, где показаны различные тарелки, снабженные каталитическими частицами, опирающимися на каждую из тарелок в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг. 2 представлена технологическая схема, иллюстрирующая предпочтительный вариант осуществления предлагаемого способа реакционной отпарки с применением нового устройства в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг. 3 представлено схематическое изображение второго варианта осуществления нового многостадийного способа суспензионной реакционной отпарки и исполнения устройства в соответствии с настоящим изобретением, предназначенного для применения в сочетании с жидким катализатором, размещенном на каждой из тарелок, или без катализатора.
Если сослаться на фиг. 1, то новый многостадийный суспензионный реакционный отпарной аппарат для непрерывного проведения химических реакций с одновременным выделением по меньшей мере одного низкокипящего компонента из реакционной смеси или реакционная система включает в себя реакционную колонну 1 с множеством равноудаленных друг от друга в вертикальном направлении тарелок 2. За счет переточных трубок 3 между тарелками предусмотрен путь для истечения вниз потока жидкости. На тарелках размещены сита 4, все верхние отверстия переточных трубок закрыты ситами 5, такими же самыми, как и те, что размещены на тарелках. Сита 4 и 5 выполнены, например, из нержавеющей стали или из другого материала, который не подвергается воздействию в реакционных условиях. На тарелках размещен катализатор 6 в форме частиц (показан в суспендированном состоянии), диаметр которых превышает размер ячейки сита. В верхней секции реакционной колонны предусмотрен элемент 7 для захвата жидкости. Позициями 8 и 9 обозначены соответственно отверстия для впуска и выпуска инертного газа. Позициями 10 и 11 обозначены соответственно отверстие для впуска жидкого реагента и отверстие для выпуска жидкой реакционной смеси. Вдоль боковой стенки реактора предусмотрено несколько боковых впускных отверстий для реагентов 12 и боковой патрубок 13 для удаления частиц отработанного катализатора из каждой тарелки и загрузки свежего катализатора в форме части и/или регенерированного катализатора.
Как показано на фиг. 1, в реакционной колонне предусмотрены, по меньшей мере, две перфорированные тарелки 2. Очевидно, что чем больше тарелок 2 применяют, тем выше достигаемая эффективность, но тем выше, следовательно, капитальные затраты. Пористость тарелок 2 обычно составляет приблизительно от 5 до 50%, предпочтительнее примерно от 10 до 30%. Размер ячейки сит 4 зависит от размера частиц катализатора 6 в форме частиц, но этот первый всегда несколько меньше последнего. Все переточные трубки 3 снабжены сетчатыми колпачками 5, размещенными по их концам, причем эти колпачки 5 могут быть соединены с переточными трубками 3 с помощью любых подходящих средств, в частности с помощью сварки. Колпачковые сетки 5 выполнены из тех же самых материалов, что и сетки 4, которые смонтированы на тарелках 2. Высота каждой из переточных трубок 3 над тарелкой, связанной с ней, составляет приблизительно от 1/2 до 3/4 расстояния между двумя смежными тарелками 2.
Давление в реакционной колонне равно атмосферному или превышает атмосферное давление. Соотношения между различными порциями ацетона, которые соответственно загружают в реакционную колонну 1, определяются главным образом в зависимости от желаемых параметров выхода и селективности в отношении бисфенола А. Число тарелок 2, над которыми вводят ацетон, или число боковых впускных отверстий для ацетона также зависит от желаемых параметров выхода и селективности в отношении бисфенола А. Совершенно очевидно, что чем больше впускных отверстий для ацетона, тем сложнее конструкция реакционной колонны. В предпочтительном варианте выполнения настоящего изобретения между двумя смежными боковыми отверстиями для впуска ацетона предусмотрена, по меньшей мере, одна тарелка 2, хотя отверстие для впуска ацетона может быть предусмотрено над каждой тарелкой 2. В более предпочтительном варианте при практическом осуществлении настоящего изобретения между двумя смежными боковыми отверстиями для впуска ацетона может находиться от 1 до 5 тарелок. Ацетоновое сырье может быть использовано в форме пара, жидкости или в виде их смеси.
Потоком инертного газа, который пригоден для использования при удалении из реакционной смеси, по меньшей мере, одного низкокипящего реакционного продукта, может служить поток любого технически доступного инертного газа, в частности азота, аргона или любой их смеси, причем из-за доступности и экономичности особенно предпочтителен азот.
Что касается процедуры осуществления способа реакционной отпарки в соответствии с настоящим изобретением, то с целью упростить иллюстрацию работы аппарата в соответствии с настоящим изобретением она представлена на конкретном примере получения бисфенола А, хотя совершенно очевидно, что настоящее изобретение можно применять для проведения разнообразных химических реакций, в частности таких, как аминирование, гидрогенизация, сложная этерификация, простая этерификация, метоксилирование, омыление и тому подобное.
Если сослаться на фиг. 2, то в предпочтительном варианте выполнения настоящего изобретения весь фенол, необходимый для реакции конденсации, из расходной емкости для фенола 21 загружают через верхнее питающее впускное отверстие реакционной отпарной реакторной колонны 27 с помощью фенольного насоса 22, а ацетон загружают в реакционную отпарную реакторную колонну 27 из ацетоновой расходной емкости 23 через боковые питающие впускные отверстия с помощью ацетоновых насосов соответственно 24, 25 и 26. С помощью компрессора 212 в нижнюю часть реактора через газовое впускное отверстие в реакционную отпарную реакторную колонну 27 подают азот. После удаления из реакционной отпарной реакторной колонны 27 через газовое выпускное отверстие в верхней секции реактора азот пропускают через газожидкостной сепаратор 29, охлаждающий бассейн 210 и сушилку из молекулярного сита 211, а затем, наконец, возвращают в реакционную отпарную реакторную колонну 27 с помощью компрессора 212. Жидкие продукты реакций конденсации направляют с помощью насоса 213 непосредственно в кристаллизатор аддукта.
В соответствии со способом реакционной отпарки по настоящему изобретению общее молярное соотношение исходных фенола и ацетона может составлять приблизительно 4-12:1, предпочтительнее равно примерно 7 - 10:1 и наиболее предпочтительно равно примерно 7:1. Реакционная температура может находиться в пределах приблизительно от 60 до 130oC, предпочтительнее примерно от 80 до 100oC, а продолжительность пребывания, рассчитанная на основе веса катализатора, составляет приблизительно 0,25 - 2 ч. Реакционное давление равно атмосферному или превышает атмосферное. Скорость движения вверх инертного газа составляет приблизительно от 0,006 до 0,075 м/с в пересчете на площадь поперечного сечения колонны. Количество катализатора на каждой тарелке или в камере находится в пределах примерно от 3 до 30 об.% от общего объема всей смеси, состоящей из катализатора и реакционной жидкости.
Проиллюстрированные на фиг. 3 способ проведения реакции и аппарат практически идентичны представленным на фиг. 1, за исключением того, что при этом используют жидкий катализатор и этот катализатор удерживается на перфорированных тарелках за счет поднимающего действие потока инертного газа. На фиг. 3 все части, составляющие аппарат и потоки сырья для осуществления способа, аналогичные тем, что показаны на фиг. 1, обозначены идентичными позициями. Однако в варианте фиг. 3 сита 4 и 5, которые представлены на фиг. 1, по существу не необходимы, вследствие чего они не предусмотрены в том варианте, который показан. Более того, в случае, когда не применяют никакого катализатора, отсутствует необходимость в боковом патрубке 13. Процедура работы аппарата, показанного на фиг. 3, практически аналогична той, что описана для аппарата на фиг. 2.
Поток инертного газа через впускное отверстие 8 для газа движется по принципу противотока относительно потоков жидкостей у которые поступают через впускное отверстие 10 для жидкого реагента и боковые впускные отверстия для реагента 12. Реакция между избытком фенола из впускного отверстия 10 для жидкого реагента и ацетоном из бокового впускного отверстия 12 для реагента протекает в суспензиях твердого материала в жидкости на тарелках 2. Вышеописанные многостадийные способ реакционной отпарки и устройство в соответствии с настоящим изобретением характеризуются нижеследующими достоинствами.
Благодаря перемешивающему действию инертного газа катализатор в форме частиц суспендирует в реакционной жидкости реакционной колонны, вследствие чего уменьшается сопротивление диффундированию реагентов в направлении каталитической поверхности и значительно возрастает скорость реакции.
Инертный газ удаляет воду из реакционной жидкости, в результате чего катализатор сохраняет высокую активность и дополнительно возрастает скорость реакции. В противоположность этому в обычной системе вода отравляет катализатор.
Наличие многочисленных точек ввода ацетона в процессе синтеза БФА, катализируемом ионообменной смолой, позволяет поддерживать на каждой индивидуальной тарелке высокую относительную концентрацию фенола, благодаря чему высокочистый и сверхчистый БФА могут быть получены при относительно низком общем молярном соотношении между исходными фенолом и ацетоном.
Перемешивающее действие и эффект теплопереноса у инертного газа дают возможность снизить осевые и диаметральные температурные перепады внутри колонны из-за экзотермичности реакции, что позволяет избежать локальных перегревов и упростить регулирование условий протекания реакции в оптимальных пределах.
Для каждой тарелки реакционной колонны можно, но не обязательно, предусмотреть наличие бокового патрубка, с помощью которого можно добавлять на тарелку смолу или ее удалять. Это дает, таким образом, возможность поочередно, от одной тарелки к другой, заменять катализатор, вследствие чего нет необходимости в резервной колонне. Более того, это дает возможность непрерывной работы колонны даже в процессе замены катализатора на одной из тарелок.
В соответствии с настоящим изобретением образуется жидкость реакции конденсации с высокой концентрацией БФА. Эту жидкость можно непосредственно направлять в кристаллизатор для получения шлама с кристаллами аддукта фенол/БФА в маточном растворе при молярном соотношении 1:1. Таким образом, в процессе получения БФА можно устранить операцию удаления ацетона, воды и некоторого количества фенола в концентраторе до кристаллизации. Устранение такой операции позволяет существенно повысить качество продукта бисфенол А.
Уменьшение общего молярного соотношения фенол/ацетон дает возможность уменьшить объем потока рециркулируемого непрореагировавшего фенола и, следовательно, уменьшить затраты на проведение процесса после завершения реакции конденсации.
Необходимость подходящей пары из точки кипения жидкости и температур каталитической активности ограничивает возможности эффективного использования дистилляционной реакционной колонны. Благодаря удалению из реакционной жидкости инертным газом более легколетучего компонента в соответствии с настоящим изобретением устраняется необходимость в сочетании температур при проведении реакции и операций разделения.
В соответствии со способом настоящего изобретения в среднем за один проход можно достигать концентрации БФА в реакционной жидкости процесса конденсации 30 вес. % или более, достигаемая конверсия ацетона может составлять приблизительно 96% или более, а достигаемая селективность в отношении БФА может быть равно примерно 95% или более.
Существо способа реакционного отпаривания и аппарата по настоящему изобретению иллюстрирует нижеследующий конкретный пример.
Пример. Реакционная колонна для многостадийного суспензионного реакционного отпарного аппарата выполнена из стеклянной трубки с внутренним диаметром приблизительно 150 мм и высотой примерно 2900 мм. Предусмотрены тринадцать тарелок, на которых смонтированы сетки с размером ячейки 60 меш (0,25 мм). Использовали переточные трубки с внешним диаметром примерно 14 мм и толщиной около 2 мм, выполненные из стального сплава 3161. Катализатором, который применяли в такой реакционной колонне, служила макропористая ионообменная смола из сульфированного сополимера полистирола и дивинилбензола, частично нейтрализованная меркаптоэтиламином. Количество катализатора на каждой тарелке в пересчете на сухой вес составляло приблизительно 180 г. С реакционной колонной по своей внешней поверхности соединен осушитель из молекулярного сита для удаления воды, захватываемой потоком азота, отводимым из колонны. В устойчивом режиме соблюдаются нижеследующие рабочие условия.
Реакционная температура - 80oC
Молярное соотношение между исходными фенолом и ацетоном - 7:1
Продолжительность пребывания (в пересчете на вес сухого катализатора) - 0,38 ч
Расход потока ацетона - 0,49 кг/ч
Расход потока фенола - 5,604 кг/ч
Первая/вторая/третья порции вводимого ацетона - 40/40/30%
Расход потока азота - 2,9 куб.м/ч
Поток, отходящий из нижней части реактора, собирали и анализировали. Для анализа на состав потока, отходящего из реакционной колонны, применяли жидкостную хроматографию под высоким давлением и водоанализатор Карла Фишера. Состав реакционной смеси реакции конденсации, полученной после работы реакционной колонны в условиях устойчивого режима в течение 12 ч, приведен в табл. 1.
Сравнительный пример.
Использовали тот же самый реактор по настоящему изобретению, описанный в вышеприведенном примере, и создавали те же технологические условия, за исключением того, что из схемы, приведенной на фиг. 2, удалили осушитель из молекулярного сита 211. После перевода процесса в устойчивый режим смесь после реакции конденсации, отводимую из нижней части реакционной колонны, анализировали на состав. Состав реакционной смеси после конденсации приведен в табл. 2.
Применимость в промышленности.
Помимо возможности получения бисфенола А, которое описано выше, для любого специалиста в технике проведения реакций, химической технологии и связанных с ними областей техники очевидно, что настоящее изобретение может быть использовано для проведения разнообразных химических реакций, в которых, по меньшей мере, один низкокипящий реакционный продукт, предпочтительнее, по меньшей мере, один реакционный продукт, должен быть выделен из высококипящей реакционной смеси независимо от сочетания температур протекания реакции и разделения. В качестве примеров таких химических реакций можно упомянуть аминирование, омыление, гидрогенизацию, простую этерификацию, сложную этерификацию, алкилирование и тому подобное.
Более того, существо настоящего изобретения выше изложено с пояснительными и иллюстративными целями в соответствии с особенно предпочтительным вариантом получения высокочистого и сверхчистого бисфенола А. Любому специалисту в данной области техники совершенно очевидно, что в связи с общим способом реакционной отпарки и устройством для его осуществления могут быть произведены многочисленные модификации и изменения, не выходя при этом за рамки и существо настоящего изобретения, которое в общем определено в следующей, прилагаемой ниже формуле изобретения.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ БИСФЕНОЛА-А | 1994 |
|
RU2119906C1 |
| КАТАЛИЗАТОР НА ОСНОВЕ ИОНООБМЕННОЙ СМОЛЫ ДЛЯ СИНТЕЗА БИСФЕНОЛОВ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ | 1995 |
|
RU2128550C1 |
| СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ БИСФЕНОЛА А | 2004 |
|
RU2384558C2 |
| СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ БИСФЕНОЛА-А | 2005 |
|
RU2342356C1 |
| СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ДИМЕТИЛОКСАЛАТА | 2015 |
|
RU2692099C2 |
| СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АРОМАТИЧЕСКОГО ПОЛИКАРБОНАТА | 2004 |
|
RU2326133C2 |
| СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ДИМЕТИЛСУЛЬФОКСИДА | 2013 |
|
RU2649576C2 |
| СПОСОБ ОЧИСТКИ ПРОПИЛЕНОКСИДА | 2013 |
|
RU2639872C2 |
| СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ (МЕТ)АКРИЛОВОЙ КИСЛОТЫ | 2003 |
|
RU2333194C2 |
| СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОЧИСТОЙ МЕТАКРИЛОВОЙ КИСЛОТЫ | 2008 |
|
RU2501782C2 |
Изобретение может быть использовано для непрерывного проведения химических реакций с одновременным отделением реагентов от реакционных продуктов. Сущность способа заключается в пропускании жидких реагентов и инертного отпаривающего газового потока в реакционной колонне 1, снабженной множеством перфорированных тарелок 2, предусмотренных в ней и взаимосообщающихся с помощью множества переточных трубок 3 сетками 4 и 5, предусмотренными на тарелках 2 и верхних отверстиях переточных трубок 3. Тарелки 2 и переточные трубки 3 соединяют с сетками 4 и 5 с образованием камеры, необязательно содержащей в себе твердый в форме частиц или жидкий катализатор 6. В соответствии с изобретением по меньшей мере один реакционный продукт и реакционую смесь, обладающие разными температурами кипения, можно раделять с целью дальнейшего непрерывного проведения желательных химических реакций. 3 c. и 13 з.п. ф-лы, 2 табл., 3 ил.
а) одновременное пропускание инертного газового потока снизу вверх через тарелки и камеры для перемешивания содержимого камер с образованием суспензии в жидкой реакционной смеси;
б) удаление по меньшей мере низкокипящего реакционного продукта из верхней части реакционной колонны с помощью потока инертного газа;
в) удаление оставшейся части реакционной смеси из нижней части реакционной колонны.
(а) впускными отверстиями в верхней части и вдоль боковой стенки реакционной колонны над самой нижней тарелкой для введения жидких и/или парообразных реагентов;
(б) впускным отверстием и выпускным отверстием, находящимися в нижней части реакционной колонны, соответственно для впуска потока азота и удаления реакционной смеси;
(в) выпускным отверстием в верхней секции реакционной колонны для удаления из реакционной смеси потока азота совместно по меньшей мере с одним низкокипящим реакционным продуктом.
(а) множеством перфорированных тарелок, предусмотренных в нем;
(б) первой сеткой, расположенной на каждой тарелке;
(в) множеством переточных трубок, обеспечивающих взаимосообщение тарелок, причем у каждой из переточных трубок предусмотрена вторая сетка, соединенная с ее верхней частью, при этом вторая сетка, часть каждой из переточных трубок, часть боковой стенки реакционной колонны и одна из перфорированных тарелок совместно с находящейся на ней первой сеткой в сочетании между собой определяют каталитическую камеру,
(г) катализатором в форме твердых частиц, содержащихся в каталитической камере,
при температуре в интервале приблизительно от 60 до 130oС, причем при осуществлении способа весь фенол, необходимый для его реакции конденсации с ацетоном, вводят в реакционную колонну над самой верхней тарелкой, порции всего требуемого количества ацетона подают на тарелку, следующую за самой верхней тарелкой и соответственно на некоторые или все нижележащие тарелки, а поток азота пропускают снизу вверх через каталитические камеры для получения суспензий твердого материала в жидкости и отпарки воды из реакционной смеси.
| US 4471154 A1, 1984 | |||
| 0 |
|
SU319327A1 | |
| Массообменный аппарат | 1983 |
|
SU1110464A1 |
| US 5133942 A1, 1992 | |||
| 0 |
|
SU267055A1 | |
