СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ДИМЕТИЛОВОГО ЭФИРА ВЫСОКОЙ ЧИСТОТЫ Российский патент 2006 года по МПК C07C41/09 C07C43/04 

Описание патента на изобретение RU2282613C2

Предлагаемое изобретение относится к области получения диметилового эфира, который находит применение в качестве хладоагента, экстрагента, как компонент дизельного топлива, бытовых и косметических средств.

Известно, что диметиловый эфир (ДМЭ) высокой чистоты является отличным пропеллентом, широко используемым в аэрозольных упаковках. Обязательным требованием для диметилового эфира, используемого в бытовых и косметических аэрозолях, является его высокая концентрация (выше 99,99%), присутствие метанола не более 0,0001% и в определенных случаях отсутствие любого постороннего запаха.

В настоящее время основным источником диметилового эфира являются производства метанола из синтез-газа, где диметиловый эфир образуется как побочный продукт в количестве 2-5% мас. Такие процессы описаны в патентах DE 2362944, DE 2757788 и DE 3220547.

Процессы очистки ДМЭ от метанола, воды и примесей путем ректификации описаны в патентах ЕР-А 0124078, ЕР-А 0270852, US 4802956, US 5037511.

Отсутствие постороннего запаха в очищенном ДМЭ является основным показателем его качества при использовании в изготовлении, например, косметических средств. Существует ряд примесей, присутствующих в ДМЭ на уровне одной десятитысячной процента, но придающих непригодный запах очищенному эфиру. Эти примеси имеют температуры кипения, близкие к температуре кипения ДМЭ, что в значительной степени затрудняет их отделение ректификацией. Так, в патенте US 5037511 отмечено присутствие в неочищенном ДМЭ таких примесей, как метилформиат, углеводороды, карбоновые кислоты, сложные эфиры, амиды, ацетали и др.

Известно достаточно много процессов, в которых диметиловый эфир получают дегидратацией метанола с использованием различных катализаторов. Согласно патенту DE 680328 алифатические эфиры получены путем нагревания спиртов в присутствии хлористого цинка.

В патентах GB 322756, GB 350010, GB 403402, US 1873537 и FR 701335 заявлен целый ряд катализаторов для получения эфиров из спиртов, а именно составы на основе хлорного железа, хлористого олова, хлорида марганца, хлористого алюминия и сульфата алюминия, квасцов, окиси алюминия, окиси титана, окиси бария, кремнезема и фосфорнокислого алюминия.

Применение перечисленных выше катализаторов имеет целый ряд недостатков, основными из которых являются:

- низкая технологичность процесса, связанная с необходимостью частой замены, добавления или регенерации катализаторов;

- применение высоких температур и давлений;

- необходимость использования дорогостоящего оборудования, рассчитанного на работу в условиях высоких температур и давлений.

В патентах DE 2818831, DE 3201155, ЕР-А 0124078, ЕР-А 0099676 заявлены более технологичные катализаторы на основе модифицированной окиси алюминия, легированных или нелегированных алюмосиликатов. Так, в патенте DE 2818831 указан алюмосиликатный катализатор для получения диметилового эфира из метанола. В патенте US 5037511 описан способ, согласно которому чистый ДМЭ получают каталитической дегидратацией в отдельном реакторе при температуре 140-500°С и давлении 1-50 ата с последующим выделением ДМЭ ректификацией.

К недостаткам указанных выше способов следует отнести необходимость иметь в реакторах синтеза ДМЭ высокую температуру (до 500°С) и давление (до 50 ата), а также склонность катализаторов к коксообразованию при рабочих температурах.

Описан способ получения диметилового эфира в реакционно-ректификационном реакторе (статья «Получение диметилового эфира с использованием совмещенной хеморектификационной технологии» Химическая технология, №2, 2004, с.34-41). Согласно способу для дегидратации метанола в ДМЭ используют низкотемпературные катализаторы типа Amberlyst-15W, составы на основе Al2О3 и соединений меди. Максимальное давление в колонном аппарате заявлено 3500 мм рт. столба (4,6 ата), что соответствует температуре куба 145-148°С, реакционной зоны 105-109°С, верха - около 15°С. Общее число ступеней разделения, включая катализаторную зону, не превышает 20, а флегмовое число - 2,6. Верхом отводят целевой продукт концентрации 97% мол. (98% мас.). Указанный продукт предназначен к использованию в качестве моторного топлива.

Недостатком способа является низкая чистота получаемого ДМЭ, что ограничивает области его применения.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ получения диметилового эфира из метанолсодержащего потока путем контактирования его с дегидратирующим катализатором (Заявка РФ №2002132017, опубл. 10.07.2004 г.). Способ осуществляют в реакционно-ректификационной системе, в которой реакционная зона соединена противоточными потоками жидкости и пара с исчерпывающей и укрепляющей ректификационными зонами. Метанолсодержащий поток подают в реакционную зону, и/или в верхнюю часть исчерпывающей ректификационной зоны, и/или в нижнюю часть укрепляющей ректификационной зоны. Сверху указанной укрепляющей зоны выводят поток, содержащий преимущественно ДМЭ, а снизу указанной исчерпывающей зоны выводят поток, содержащий преимущественно воду. В качестве катализатора используют сульфоионитный катализатор с размером частиц не менее 3 мм, предпочтительно имеющий форму цилиндров или массообменной насадки, в частности колец. Дегидратацию ведут при температуре от 100 до 160°С и поддерживают концентрацию воды в возвращаемом в реакционную(ые) зону(ы) метанольном потоке менее 12% мас, предпочтительно менее 5%.

Недостатком способа является, как и в описанном выше способе, низкое содержание ДМЭ (не выше 99,5%) при содержании метанола 0,5%. Кроме того, указанный способ предполагает двухреактороную схему для дегидратации (фиг.3 и 4), выделенный поток диметилового эфира предполагается подвергать водной отмывке от метанола и водно-метанольную смесь подавать в зону ректификации от воды и/или в исчерпывающую ректификационную зону реакционно-ректификационной системы (п.13). Кубовый продукт реакционно-ректификационного аппарата, содержащий до 5-12% мас. метанола, потребует выделения из него метанола, что также приведет к усложнению технологической схемы.

Задачей настоящего изобретения является повышение качества ДМЭ, что позволит расширить область его использования: от моторных топлив до косметических средств. В последнем случае к ДМЭ предъявляются повышенные требования как по чистоте (выше 99,99%), так и по отсутствию посторонних непригодных запахов. Особенно жестко регламентируется содержание метанола - менее 0,0001%. Кроме того, достигается упрощение технологии при одновременном сохранении высокого качества целевого продукта.

Указанный результат достигается способом получения диметилового эфира высокой чистоты дегидратацией метанола в присутствии сульфоионитного катализатора при повышенной температуре и давлении в совмещенном реакционно-ректификационном аппарате, состоящем из трех зон: двух ректификационных и средней - реакционной, заполненной катализатором, и выводом целевого эфира сверху совмещенного реактора, согласно которому дегидратацию осуществляют с боковым отбором части диметилового эфира, обогащенной примесями, из нижней части верхней ректификационной зоны с 1-10 теоретической тарелки (счет с низа указанной ректификационной зоны), лучше с 3-5 теоретической тарелки.

На фиг.1 представлен концентрационный профиль реакционно-ректификационного аппарата по примесям. Для получения ДМЭ использовался метанол концентрации 99,96%, содержание «легких» примесей - 0,007773%, «тяжелых» - 0,001685%, воды - 0,03%. Результаты обследования концентрационного профиля реакционно-ректификационного аппарата указывают на концентрирование так называемых «легких» примесей, кипящих в интервале температур выше температуры кипения ДМЭ и ниже температуры кипения метанола, в нижней части верхней ректификационной зоны. «Тяжелые» примеси, выкипающие выше температуры кипения метанола, концентрируются в области, принадлежащей реакционной (катализаторной) зоне. Данные по распределению примесей по высоте реакционно-ректификационного аппарата позволяют определиться с позициями для вывода накапливающихся примесей, чтобы избежать их поступления в отбираемый ДМЭ и таким образом обеспечить его высокую чистоту и отсутствие запаха.

Заявляемый способ поясняется вариантом технологической схемы, представленной на фиг.2.

Исходный метанол подогревается в теплообменнике 1 и подается в аппарат 2. Реакционно-ректификационный аппарат 2 включает три зоны:

- верхнюю ректификационную зону для отделения диметилового эфира от метанола;

- среднюю реакционную зону, заполненную катализатором;

- нижнюю ректификационную зону для отделения метанола от образующейся в результате реакции воды.

В аппарате 2 происходит синтез диметилового эфира и выделение продуктов. С верха аппарата выводятся пары чистого ДМЭ, которые конденсируются в конденсаторе 3. Конденсат частично возвращается в аппарат 2 в качестве флегмы, а балансовый избыток выводится на склад. Боковой отбор части ДМЭ, обогащенной примесями, содержащимися в метаноле и образующимися в процессе, осуществляют по линии 4. Из куба аппарата 2 отбирается вода. Реакционно-ректификационный аппарат обогревается через выносной кипятильник 5.

Подача метанола осуществляется либо под слой катализатора, либо в верхнюю часть нижней ректификационной зоны.

Возможно размещение реакционной и ректификационных зон как внутри одного колонного аппарата, так и раздельно в двух или трех аппаратах таким образом, что в них совокупно осуществляется единый реакционно-ректификационный процесс.

Предлагаемый способ иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1.

Синтез диметилового эфира проводился в непрерывном режиме в реакционно-ректификационном аппарате, выполненном в виде царговой колонны. Колонна состояла из 6 царг внутренним диаметром 32 мм и была снабжена обогреваемым кубом и дефлегматором. Две нижние и две верхние царги были заполнены нерегулярной насадкой в виде спирали диаметром 2 мм, выполненной из нихромовой проволоки. Эффективность каждой царги составляла около 10 теоретических тарелок. Две средние царги были заполнены катализатором КИФ, который является продуктом сульфирования формованной смеси полиэтилена и сополимера стирола с дивинилбензолом, взятых в соотношении 30 к 70. Катализатор был изготовлен в виде цилиндров диаметром 2 мм и длиной 2÷5 мм.

Количество загруженного катализатора - 250 мл. Количество подаваемого метанола определялось по наступлению состояния равновесия в колонне, не допуская его вывода с кубовым продуктом.

Метанол в количестве 60 мл/ч подавался в нижнюю часть третьей царги (счет от куба). Синтез проводился при следующих условиях:

- давление верха - 8,7 ата;

- температура верха - 39°С;

- температура слоев катализатора - 133÷127°С;

- температура куба - 174°С.

С верха колонны отбирался чистый диметиловый эфир с концентрацией основного вещества более 99,99% мас., содержанием метанола менее 0,0001% мас. в количестве 41,6 мл/ч. Из куба колонны отбиралась вода в количестве 13,5 мл/ч. Из нижней части шестой царги (счет с куба) осуществлялся боковой отбор ДМЭ, обогащенного нежелательными примесями. Количество отбора составляло 10 мл/ч. Боковой отбор содержал следующие примеси (% мас.): ацетон - 0,00126; метилэтилкетон - 0,00070; метанол - 0,0010; метилизопропилкетон - 0,00040; этанол - 0,00017.

Срок службы катализатора около 5000 часов.

Пример 2.

Синтез диметилового эфира проводился в реакционно-ректификационной системе, описанной в примере 1. В качестве катализатора использовался сульфокатионит Amberlyst-15. Количество загруженного катализатора - 250 мл.

Метанол в количестве 60 мл/ч подавался в нижнюю часть второй царги (счет от куба). Синтез проводился при следующих условиях:

- давление верха - 8,7 ата;

- температура верха - 39°С;

- температура слоев катализатора -133÷127°С;

- температура куба -174°С.

С верха колонны отбирался диметиловый эфир с концентрацией основного вещества более 99,99% мас. и отсутствием постороннего запаха (содержание метанола менее 0,0001% мас.) в количестве 41,6 мл/ч. Из куба колонны отбиралась вода в количестве 13,5 мл/ч. Из нижней части шестой царги (счет с куба) осуществлялся боковой отбор ДМЭ, обогащенного нежелательными примесями. Точка бокового отбора соответствовала десятой теоретической тарелке верхней ректификационной зоны. Количество отбора составляло 10 мл/ч. Боковой отбор содержал следующие примеси, % мас.: ацетон - 0,00128; метилэтилкетон - 0,00065; метанол - 0,0098; метилизопропилкетон - 0,00039; этанол - 0,00018.

Срок службы катализатора около 5000 часов.

Пример 3.

Синтез диметилового эфира проводился в реакционно-ректификационной системе, описанной в примере 1. В качестве катализатора использовался сульфокатионит Amberlyst - 15. Количество загруженного катионита - 250 мл.

Метанол в количестве 40 мл/ч подавался в верхнюю часть второй царги (счет от куба). Синтез проводился при следующих условиях:

- давление верха - 4,9-5,0 ата;

- температура верха - 20°С;

- температура слоев катализатора -115÷110°С;

- температура куба - 157°С.

С верха колонны отбирался диметиловый эфир с концентрацией основного вещества более 99,99% мас., содержанием метанола менее 0,0001% мас. в количестве 29,4 мл/ч. Из куба колонны отбиралась вода в количестве 9 мл/ч. Из нижней части пятой царги (счет с куба) осуществлялся боковой отбор ДМЭ, обогащенного нежелательными примесями. Точка бокового отбора соответствовала первой теоретической тарелке верхней ректификационной зоны. Количество отбора составляло 5 мл/ч. Боковой отбор содержал следующие примеси, % мас.: ацетон - 0,00214; метилэтилкетон - 0,00126; метанол - 1,58; метилизопропилкетон - 0,00097; танол - 0,00032.

Срок службы катализатора около 5000 часов.

Пример 4.

Синтез диметилового эфира проводился в реакционно-ректификационной системе, размещенной в трех отдельных аппаратах, соединенных так, что они составляли единую реакционно-ректификационную систему. Технологическая схема представлена на фиг.3. Каждый из аппаратов состоял из двух царг. Два аппарата (1 и 3) использовались в качестве нижней и верхней ректификационных зон и были заполнены нерегулярной насадкой в виде спирали диаметром 2 мм, выполненной из нихромовой проволоки. Третий аппарат (2) использовался в качестве реакционной зоны. В качестве катализатора использовался сульфокатионит Purolite С-275. Количество загруженного катионита - 250 мл.

Метанол в количестве 70 мл/ч подавался в среднюю часть второй царги (счет от куба). Синтез проводился при следующих условиях:

- давление верха - 13,2 ата;

- температура верха - 50°С;

- температура слоев катализатора -140÷150°С;

- температура куба - 190-192°С.

С верха колонны отбирался чистый диметиловый эфир с концентрацией основного вещества более 99,99% мас., содержанием метанола менее 0,0001% мас. в количестве 61 мл/ч. Из куба колонны отбиралась вода в количестве 16 мл/ч. Из средней части пятой царги (счет с куба) осуществлялся боковой отбор ДМЭ, обогащенного нежелательными примесями. Точка бокового отбора соответствовала четвертой теоретической тарелке верхней ректификационной зоны. Количество отбора составляло 7 мл/ч. Боковой отбор содержал следующие примеси, % мас.: ацетон - 0,00263; метилэтилкетон - 0,001264; метанол - 0,0687; метилизопропилкетон - 0,00042; этанол - 0,00022.

Срок службы катализатора около 3000 часов.

Как видно из приведенных примеров, заявленные условия проведения процесса позволяют получать ДМЭ высокой концентрации 99,99% и выше и без постороннего непригодного запаха (содержание метанола менее 0,0001% мас.), что значительно расширяет области применения ДМЭ, по более простой технологии.

Следует также отметить, что использование в процессе крупногранулированного сульфоионитного формованного катализатора позволит легко реализовать процесс в промышленном масштабе.

Похожие патенты RU2282613C2

название год авторы номер документа
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ДИМЕТИЛОВОГО ЭФИРА ИЗ МЕТАНОЛА 2014
  • Кузьменко Евгений Юрьевич
RU2564420C2
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗОБУТИЛЕНА ИЗ МЕТИЛ- ИЛИ ЭТИЛ-ТРЕТ-БУТИЛОВОГО ЭФИРА 1995
  • Павлов С.Ю.
  • Карпов И.П.
  • Горшков В.А.
  • Чуркин В.Н.
  • Бубенков В.П.
  • Павлов О.С.
RU2083541C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТИЛ-ТРЕТ-БУТИЛОВОГО ЭФИРА 1991
  • Стряхилева М.Н.
  • Смирнов В.А.
  • Павлов С.Ю.
  • Вавилов А.В.
  • Горшков В.А.
  • Столярчук В.И.
  • Казаков В.П.
  • Рязанов Ю.И.
  • Кожин Н.И.
  • Гаврилов Г.С.
  • Ухов Н.И.
  • Кузьменко В.В.
  • Коваленко В.В.
RU2030383C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АЛКИЛ-ТРЕТ-АЛКИЛОВЫХ ЭФИРОВ 1990
  • Горшков В.А.
  • Чуркин В.Н.
  • Павлов С.Ю.
  • Смирнов В.А.
  • Котельников Н.Г.
  • Столярчук В.И.
  • Казаков В.П.
  • Бубенков В.П.
SU1815954A1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АЛКИЛ-ТРЕТ-АЛКИЛОВЫХ ЭФИРОВ 1995
  • Павлов С.Ю.
  • Горшков В.А.
  • Чуркин В.Н.
  • Шляпников А.М.
RU2103255C1
СПОСОБ ВЫДЕЛЕНИЯ ДИМЕТИЛОВОГО ЭФИРА 2004
  • Шепелев Максим Евгеньевич
  • Шепелев Евгений Трофимович
  • Мемедляев Зия Наимович
RU2281934C2
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТИЛ-ТРЕТ-БУТИЛОВОГО ЭФИРА 1991
  • Павлов С.Ю.
  • Горшков В.А.
  • Стряхилева М.Н.
  • Смирнов В.А.
  • Чуркин В.Н.
  • Котельников Н.Г.
  • Столярчук В.И.
  • Казаков В.П.
  • Гимбутас А.А.
  • Нямунис Ю.В.
  • Снятков А.Ф.
  • Тер-Минасьян А.Г.
RU2008304C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ДИМЕТИЛОВОГО ЭФИРА 2002
  • Павлов Д.С.
  • Павлов О.С.
  • Телков Ю.К.
RU2256645C2
Способ непрерывного получения диметилового эфира 1987
  • Хорст Дорнхаген
  • Хартмут Хаммер
  • Эвальд Майзенбург
  • Бернд Хаас
SU1602392A3
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭФИРОВ 2005
  • Сливкин Леонид Григорьевич
  • Анатолий Иванович
  • Томин Виктор Петрович
  • Микишев Владимир Анатольевич
  • Кузора Игорь Евгеньевич
  • Казачков Андрей Иванович
  • Гришанов Геннадий Петрович
  • Кращук Сергей Геннадьевич
RU2286333C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 282 613 C2

Реферат патента 2006 года СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ДИМЕТИЛОВОГО ЭФИРА ВЫСОКОЙ ЧИСТОТЫ

Использование: нефтехимия. Сущность: проводят дегидратацию метанола в присутствии сульфоионитного катализатора при 110-150°С, давлении 4,9-13,2 ата в совмещенном реакционно-ректификационном аппарате, состоящем из трех зон: двух ректификационных и средней реакционной, заполненной катализатором. Метанол подают или в катализаторную зону, или в нижнюю ректификационную зону. Возможно размещение реакционной и ректификационной зон как внутри одного аппарата, так и раздельно в двух или трех аппаратах таким образом, что в них совокупно осуществляют единый реакционно-ректификационный процесс. Целевой эфир отводят с верха аппарата. Осуществляют боковой отбор части диметилового эфира, обогащенного примесями, из нижней части верхней ректификационной зоны в точке бокового отбора, соответствующей 1-10 теоретической тарелке (счет с низа указанной ректификационной зоны). Технический результат: повышение качества целевого продукта. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Формула изобретения RU 2 282 613 C2

1. Способ получения диметилового эфира высокой чистоты дегидратацией метанола в присутствии сульфоионитного катализатора при повышенных температуре и давлении в совмещенном реакционно-ректификационном аппарате, состоящем из трех зон: двух ректификационных и средней реакционной, заполненной катализатором, и выводом целевого эфира сверху аппарата с подачей метанола или в катализаторную зону, или в нижнюю ректификационную зону, при этом возможно размещение реакционной и ректификационной зон как внутри одного аппарата, так и раздельно в двух или трех аппаратах таким образом, что в них совокупно осуществляют единый реакционно-ректификационный процесс, отличающийся тем, что дегидратацию осуществляют при температуре 110-150°С, давлении 4,9-13,2 ата при боковом отборе части диметилового эфира, обогащенного примесями, из нижней части верхней ректификационной зоны в точке бокового отбора, соответствующей 1-10 теоретическим тарелкам (счет с низа указанной ректификационной зоны).2. Способ по п.1, отличающийся тем, что боковой отбор проводят в точке бокового отбора, соответствующей 3-5 теоретическим тарелкам.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2006 года RU2282613C2

RU 2002132017 C1, 10.07.2004
US 4560807 A, 24.12.1985
Способ непрерывного получения диметилового эфира 1987
  • Хорст Дорнхаген
  • Хартмут Хаммер
  • Эвальд Майзенбург
  • Бернд Хаас
SU1602392A3
US 5684213 A, 04.11.1997
ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ, М, 2004, №2, С.33-41
Приспособление в пере для письма с целью увеличения на нем запаса чернил и уменьшения скорости их высыхания 1917
  • Латышев И.И.
SU96A1

RU 2 282 613 C2

Авторы

Смирнов Владимир Александрович

Стряхилева Маргарита Николаевна

Шляпников Алексей Михайлович

Бубнова Ирина Александровна

Титова Людмила Федоровна

Размолодина Марина Робертовна

Глазунова Светлана Александровна

Егоров Сергей Александрович

Бажанов Юрий Владимирович

Никифоров Евгений Александрович

Даты

2006-08-27Публикация

2004-08-10Подача