УСТАНОВКА ДЛЯ ЖИДКОФАЗНОГО ОДНОСТАДИЙНОГО СИНТЕЗА ИЗОПРЕНА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2004 года по МПК B01J10/00 C07C11/18 

Изобретение относится к устройствам, используемым в области производства мономеров для синтетического каучука, в частности касается конструкции аппарата для проведения процесса синтеза изопрена из изобутилена и формальдегида одностадийным методом в жидкой фазе.

Известно несколько вариантов конструкции реакторов, предназначенных для проведения одностадийного синтеза изопрена в две ступени. Так, известен реакторный блок для одностадийного синтеза изопрена, состоящий из двух последовательно соединенных однотипных кожухотрубных аппаратов, имеющих каждый по 7 трубок, с внутренней циркуляцией водной фазы в обоих аппаратах. В обоих аппаратах под нижней трубной решеткой установлены распределители специальной конструкции, имеющие по периметру шесть отверстий напротив каждой из 6 трубок. Напротив 7-ой трубки, расположенной в центре отверстия нет, что создает внутреннюю циркуляцию водного слоя. Вверху второго реактора имеется сепарационная зона, в которой разделяются и выводятся из системы газообразные и жидкие продукты реакции [авт. свид. СССР №1216940, БИ №8, 1983]. Основным недостатком указанной конструкции является нерациональное использование объема реактора, поскольку по части труб поток поднимается, а по части опускается, а межтрубное пространство практически не используется, что приводит к большой металлоемкости конструкции. Кроме того конструкция второго реактора не обеспечивает эффективного отвода изопрена из зоны реакции, о чем свидетельствует высокий выход продуктов его полимеризации, составляющий примерно 30% в расчете на 1 кг мономера.

Известна также устанока для процесса одностадийного синтеза изопрена, включающая один или несколько полых аппаратов, установленных последовательно или параллельно (I реакционная зона) и тарельчатую колонну с выносным кипятильником (II реакционная зона). Взамен полых аппаратов в I реакционной зоне могут быть использованы кожухотрубные аппараты или аппараты со встроенными конструкциями (тарелками, решетками, трубками, насадками), а во II реакционной зоне кроме тарельчатой колонны могут использоваться другие аппараты с высокоразвитой поверхностью теплообмена, например, трубчатый аппарат или его сочетание с колонным или емкостным [пат. РФ №2085552, опубл. БИ №21, 1997]. Недостатком этой конструкции является большая металлоемкость, низкая производительность контактной аппаратуры и неэффективность отвода изопрена из зоны реакции.

Известен также аппарат для жидкофазного синтеза изопрена, включающий два последовательно соединенных аппарата - эрлифтную и кожухотрубную колонны с размещенными в нижней части каждой колонны распределительными устройствами. Эрлифтная колонна (узел синтеза предшественников изопрена) содержит подъемную секцию в виде трубного пучка, межтрубное пространство которого выполняет функцию опускной секции. Кожухотрубная колонна (узел получения изопрена) снабжена наружным рециркуляционным контуром, соединяющим верхнюю сепарационную и нижнюю реакционную зоны [пат. РФ №2061538, опубл. БИ №6, 1989]. Недостатком этой конструкции является общий недостаток, характерный для всех трубчатых аппаратов, используемых в качестве устройств для осуществления реакций с образованием газов. Во втором реакторе, благодаря переходу изобутилена и изопрена в газовую фазу, соотношение газовой и жидких фаз резко меняется от минимального на входе в трубу до максимального на выходе. А поскольку химическая реакция протекает исключительно в жидкой фазе, эффективность использования реакционного пространства снижается по мере подъема реакционной смеси по высоте трубки.

Наиболее близкой по своей технической сущности к предлагаемой установке является конструкция реакторного блока, включающего два последовательно соединенных аппарата - эрлифтную колонну и кожухотрубную колонну с наружным рециркуляционным контуром, соединяющим верхнюю сепарационную и нижнюю реакционную зоны, с размещенными в нижней части колонн распределительными устройствами, и снабженную установленными на внутренней поверхности труб II реактора на одинаковой высоте кольцевыми сужениями, предназначенными для увеличения фактического времени пребывания реагентов в реакционном объеме [пат. РФ 2096076, опубл. БИ №32, 1994 - прототип]. Эта конструкция частично устраняет общий недостаток трубчатых реакторов - резкое изменение соотношения газовой и жидких фаз по высоте трубки. Достигнутый эффект основан на том, что на участках трубы, расположенных выше сужения, несколько возрастает плотность движущейся смеси. Однако установка кольцевых сужений не может устранить других недостатков этой конструкции, таких как значительная металлоемкость, сложность управления процессом, неизбежные потери изопрена вследствие неэффективности вывода его из реакционной среды и т.д.

Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, состоит в разработке упрощенной конструкции установки жидкофазного синтеза изопрена из изобутилена и формальдегида, позволяющей осуществление синтеза в одной реакционной зоне (в одну ступень), и обеспечивающей сочетание эффективного перемешивания реакционной массы и энергичного отвода из зоны реакции ее продуктов при минимально необходимом времени контактирования реагентов и при условии достаточно высокой производительности реакторного устройства. Указанная задача была решена при использовании предлагаемой установки для синтеза изопрена в одну ступень, состоящей из вертикально установленного полого реактора 1, соединенного в едином блоке с параллельно установленным кожухотрубным теплообменником 2, предназначенным для нагрева реакционной массы и переработки части сырья (фиг.1). Внизу цилиндрической части реактора 1 на одной оси с осью трубы 3, соединяющей реактор с верхней частью теплообменника, установлено распределительное устройство 4, предназначенное для ввода основной части сырья. В верхней зоне теплообменника расположена трубная решетка 5. От самой нижней точки сферической части реактора отходит вторая труба 6, соединяющая реактор с нижней зоной теплообменника, расположенной ниже трубной решетки 7, а от самой верхней точки реактора отходит труба 8, предназначенная для отвода контактного газа в сепаратор.

Распределительное устройство 4 представляет собой систему трубок с отверстиями диаметром 2-5 мм, параллельно установленных на центральной (подпитывающей) трубе (фиг.2). Аналогичное по конструкции распределительное устройство 9 установлено в нижней части теплообменника на одной оси с осью трубы 10, соединяющей этот аппарат с реактором 1. Площадь распределительных устройств, рассчитанная по их габаритным размерам, составляет не более 25% сечения сосудов, в которых они установлены.

Установка для жидкофазного синтеза изопрена из изобутилена и формальдегида в одну ступень (фиг.1) работает следующим образом. Реактор 1 выполняет одновременно функции реакционной и разделительной зон. Основную часть исходного сырья (не менее 65%), представляющего собой гомогенную смесь триметилкарбинола (ТМК) с водным раствором формальдегида и/или с 4,4-диметилдиоксаном-1,3 (ДМД), нагревают до температуры реакции (или на 5-7°С выше этой температуры) и через распределительное устройство 4 подают в полый реактор 1, в который одновременно поступает нагретый в теплообменнике 2 водный раствор кислотного катализатора. В условиях реакции при температуре 150-200°С и давлении 6-17 атм дегидратация ТМК и образование изопрена протекают практически мгновенно и образовавшиеся газовые потоки изобутилена и изопрена эффективно перемешивают реакционную массу в реакторе и выносят органические продукты и часть воды (в виде жидкости) через верхний штуцер 8 в сепаратор. Для увеличения интенсивности циркуляции в нижнюю часть теплообменника 2 через распределительное устройство 9, расположенное ниже трубной решетки 7, подают часть нагретого сырья (не более 35% от общего количества). Еще более высокая степень циркуляции реакционной массы может быть достигнута путем установки высокопроизводительного насоса на линии подачи сырья в нижнюю часть теплообменника 2.

Установка синтеза изопрена (как вариант) может также состоять из двух вертикальных соосно установленных аппаратов - полого реактора 1 (верхний аппарат) и кожухотрубного теплообменника 2 (нижний аппарат). В этом варианте (фиг.3) распределительное устройство для ввода основной части сырья 4 располагается выше трубы 3, соединяющей реактор с нижней зоной теплообменника и конструкция реактора дополняется установкой отбойника 11, предназначенного для предотвращения попадания газообразных продуктов в зону распределения сырья. Для подачи меньшей части сырья установлено распределительное устройство 9, аналогичное по конструкции устройству 4, и установленное на одной оси с патрубком 10, расположенным ниже трубной решетки 7. Циркуляционная труба 6 соединяет патрубок 10 с патрубком 3, расположенным в нижней части реактора 1. Еще более высокая степень циркуляции реакционной массы может быть достигнута путем установки высокопроизводительного насоса на линии подачи сырья в нижнюю часть теплообменника 2. В самой верхней точке сферической части реактора 1 установлена труба 8 для отвода продуктов реакции.

Установка для жидкофазного синтеза изопрена из изобутилена и формальдегида в одну ступень (фиг.3) работает следующим образом. В пустотелый реактор 1 через верхнее распределительное устройство подается предварительно нагретая до температуры реакции (или на 5-7°С выше температуры реакции) смесь ТМК с формальдегидом или ДМД в количестве не менее 65% от общей массы сырья. Сюда же поступает через циркуляционную трубу нагретый в теплообменнике водный раствор кислотного катализатора. Для усиления циркуляции в нижнюю зону теплообменника через нижнее распределительное устройство 9 подается часть сырья (не более 35%). Возврат водной фазы, содержащей катализатор, осуществляется через циркуляционную трубу 6.

В условиях реакции при температуре 150-200°С и давлении 6-17 атм дегидратация ТМК и образование изопрена протекают практически мгновенно и образовавшиеся газовые потоки изобутилена и изопрена эффективно перемешивают реакционную массу в реакторе 1 и выносят органические продукты и часть воды (в виде жидкости) через верхний штуцер 8 в сепаратор, где разделяются на газовую и жидкую фазы.

Преимущества предлагаемой установки состоят в следующем. Поскольку движение реакционной массы происходит снизу-вверх, трубки теплообменника 2 постоянно находятся под заливом, что в значительной мере предотвращает коррозию стенок трубок. Благодаря значительной разности в плотности воды и углеводородов, находящихся в газовой фазе, подъем реакционной массы внутри трубок существенно ускоряется и соответственно увеличивается кратность ее циркуляции по контуру “теплообменник - реактор”. Поскольку реакционная среда постоянно находится в жидкой фазе, а ее перемешивание осуществляется исключительно за счет эффективного испарения газообразных продуктов реакции, потери образовавшегося в процессе изопрена, непрерывно удаляемого из реакционного объема в потоке изобутилена, сводятся к минимуму. Благодаря интенсивной циркуляции водного раствора катализатора по контуру “реактор-теплообменник” в реакционной водной фазе поддерживается низкая концентрация формальдегида (не более 1-1.3%), что снижает скорость побочных реакций и предотвращает смолообразование.

Изобретение относится к устройствам, применяемым для одностадийного синтеза изопрена из изобутилена. Предлагаемая установка состоит из двух последовательно соединенных вертикальных аппаратов, установленных либо параллельно друг другу (I вариант), либо соосно один над другим (II вариант). Первый аппарат выполнен в виде полого реактора, второй – в виде кожухотрубного теплообменника. В нижней части обоих аппаратов находятся распределительные устройства, выполненные в виде системы трубок с отверстиями диаметром 2-5 мм, предназначенные для ввода сырья. По I варианту установки распределительное устройство в полом реакторе расположено на одной оси с осью трубы, соединяющей реактор с верхней частью теплообменника и выше верхней трубной решетки последнего, а нижняя часть реактора соединена с нижней частью теплообменника трубой, расположенной на одной оси с распределительным устройством теплообменника и ниже его нижней трубной решетки. По II варианту установки распределительное устройство реактора расположено выше трубы, соединяющей реактор с теплообменником, а под распределительным устройством установлен отбойник, предотвращающий попадание газообразных продуктов в зону распределения сырья. Изобретение позволяет упростить конструкцию установки, позволяющей осуществить синтез в одной реакционной зоне (в одну ступень), и обеспечить сочетание эффективного перемешивания реакционной массы и энергичного отвода из зоны реакции ее продуктов при минимально необходимом времени контактирования реагентов и при условии достаточно высокой производительности реакторного устройства. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Установка для жидкофазного одностадийного синтеза изопрена из изобутилена и формальдегида, включающая два последовательно соединенных вертикальных аппарата, установленных параллельно друг другу, один из которых выполнен в виде кожухотрубного теплообменника, соединенных между собой наружной циркуляционной трубой, отличающаяся тем, что второй аппарат выполнен в виде полого реактора и в нижней части обоих аппаратов установлены распределительные устройства для подачи сырья, выполненные в виде системы трубок с отверстиями диаметром 2-5 мм, установленными параллельно друг другу на центральной трубке распределительного устройства, при этом распределительное устройство полого реактора расположено на одной оси с осью трубы, соединяющей реактор с верхней частью теплообменника выше его верхней трубной решетки, а нижняя точка сферической части реактора соединена трубой с нижней зоной теплообменника, расположенной на одной оси с распределительным устройством теплообменника и ниже его нижней трубной решетки.2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что площадь распределительных устройств меньше, как минимум, в 4 раза сечения аппаратов, в которых они установлены.3. Установка для жидкофазного одностадийного синтеза изопрена из изобутилена и формальдегида, включающая два последовательно соединенных вертикальных аппарата, один из которых выполнен в виде кожухотрубного теплообменника, отличающаяся тем, что второй аппарат выполнен в виде полого реактора, установленного соосно над кожухотрубным теплообменником, и с установленными для подачи сырья в нижней части обоих аппаратов распределительными устройствами, выполненными в виде системы трубок с отверстиями диаметром 2-5 мм, установленными параллельно друг другу на центральной трубке распределительного устройства, при этом распределительное устройство полого реактора для ввода основной части сырья расположено выше одной трубы, соединяющей реактор с нижней зоной теплообменника, а под распределительным устройством полого реактора установлен отбойник для предотвращения попадания газообразных продуктов в зону распределения сырья.4. Установка по п.3, отличающаяся тем, что площадь распределительных устройств меньше, как минимум, в 4 раза сечения аппаратов, в которых они установлены.