способ получения с1-с4-алкил-трет-с4-с5-алкиловых простых эфиров
Классы МПК: | C07C43/04 насыщенные C07C41/06 только органических соединений C07C29/04 гидратацией углерод-углеродных двойных связей |
Автор(ы): | Шапиро А.Л., Синицын А.В., Поляков С.А., Деревцов В.И., Никитин В.А., Цыркин Е.Б. |
Патентообладатель(и): | Шапиро Арон Лейбович |
Приоритеты: |
подача заявки:
1994-08-22 публикация патента:
10.12.1996 |
Изобретение относится к усовершенствованному способу получения С1-С4алкил-трет-С4-С5 алкиловых простых эфиров, которые находят применение в качестве высокооктановых добавок к моторным топливам. Указанные простые эфиры получают этерификацией спиртов С1-С4 с третичными олефинами С4-С5 в жидкой фазе в присутствии гомогенного кислотного катализатора, например. серной или фосфорной кислоты, при исходном мольном соотношении спирта С1-С4 к третичному олефину С4-С5 (0,9-1,2):1 в вертикальном трубчатом реакторе, заполненном катализаторной фазой состава, мас.%: катализатор 5-50; вода 5-30; третичный спирт С4-С5 2-10; спирт С1-С4 остальное. Третичный олефин С4-С5 подают в нижнюю часть реактора в трубы через сопла и из верхней части (сепарационной) выводят отделившуюся углеводородную фазу, на которой после промывки водой ректификацией выделяют целевой простой эфир. Преимуществом способа является проведение этерификации и разделение образовавшихся продуктов на углеводородную и катализаторную фазы проводят в одном аппарате, что делает процесс значительно проще известного. 6 з.п. фы-лы. 1 табл.
Рисунок 1
Формула изобретения
1. Способ получения C1-C4-алкил-трет-C4-C5-алкиловых простых эфиров этерификацией спиртов C1-C4 третичными олефинами C4-C5 при 70 100oC в жидкой фазе в присутствии гомогенного кислотного катализатора, отделением от катализаторной фазы углеводородной фазы, содержащей целевой продукт, промывкой водой углеводородной фазы и выделением из нее целевого продукта ректификацией, отличающийся тем, что этерификацию проводят при исходном мольном соотношении спирта C1-C4 к третичному олефину C4-C5 (0,9 1,2):1 в вертикальном трубчатом реакторе, заполненном катализаторной фазой, содержащей катализатор, воду, третичный спирт C4-C5 и спирт C1-C4 при следующем соотношении компонентов, мас. Катализатор 5 50Вода 5 30
Третичный спирт C4-C5 2 10
Спирт C1-C4 до 100
с подачей третичного олефина C4-C5 в нижнюю часть реактора в трубы через сопла и выводом углеводородной фазы из верхней, сепарационной части. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что третичный олефин C4-C5 подают в трубы через сопла с линейной скоростью 3 10 м/с. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве катализатора используют серную кислоту в количестве 5 20 мас. в катализаторной фазе. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве катализатора используют фосфорную кислоту в количестве 20 50 мас. в катализаторной фазе. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве спирта C1-C4 используют метанол. 6. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве третичного олефина C4-C5 используют изобутилен или C4-фракцию дегидрирования изобутана. 7. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве третичного олефина C4-C5 используют изоамилены или C5-фракцию дегидрирования изопентана.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к усовершенствованному способу получения С1-С4 алкил-трет-С4-С5 алкиловых простых эфиров, которые находят применение в качестве высокооктановых добавок к моторным топливам. Простые С1-С4алкил-трет-С4-С5алкиловые эфиры (далее простые эфиры) получают этерификацией спиртов С1-С4, таких как метанол, этанол, пропанол, изопропанол, бутанол,вторбутанол, изобутанол с третичными олефинами С4-С5, такими, как изобутилен и изоамилен. Продуктами этерификации являются соответственно метилтретбутиловый эфир, этилтретбутиловый эфир, пропил и изопропилтретбутиловый эфиры, бутил-, вторбутил-, изобутил-третбутиловый эфиры, метилтретамиловый эфир; этилтретамиловый эфир, пропил-, и изопропилтретамиловый эфиры, бутил-, вторбутил-, изобутилтретамиловый эфиры. Известно получение простых эфиров этерификацией спиртов с изобутиленом или изоамиленами в присутствии гетерогенных катализаторов кислотной природы, например, активированных углей с функциональными сульфо- и карбоксильными группами, цеолитов, ионообменных смол [1] Однако гетерогенные катализаторы дезактивируются в процессе работы, их необходимо периодически регенерировать и заменять, при их использовании возникают проблемы, связанные с механической прочностью катализаторов и гидродинамическим сопротивлением слоя. Известно получение простых эфиров с применением гомогенных кислотных катализаторов, например серной, соляной кислот, катализаторов типа Фриделя-Крафтса, сульфокислот, гетерополикислот [2] Однако при гомогенном катализе возникают проблемы, связанные с отделением катализатора от продуктов реакции. Известен способ получения простых эфиров этерификацией спиртов с третичными олефинами в присутствии гомогенного кислотного катализатора с последующим разбавлением продукта реакции спиртом и отгонкой из полученной смеси азеотропа спирта и простого эфира, который затем выделяют из азеотропа промывкой водой [3] Однако разбавление продукта реакции даже большим количеством спирта не устраняет разложения простого эфира в присутствии кислоты при ректификации. Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ получения простого эфира метилтретбутилового эфира (МТБЭ) этерификацией метанола изобутиленом в гомогенной жидкой фазе при 70-100oС с использованием в качестве катализатора серной кислоты при исходном мольном соотношении метанола к изобутилену (1,5-5): 1 с получением реакционной массы, которую охлаждают до комнатной температуры. Далее реакционную массу разделяют в сепаратору на катализаторную фазу, которую рециркулируют на этерификацию, и углеводородную фазу, содержащую целевой продукт. Углеводородную фазу промывают водой, затем ректификацией выделяют целевой продукт и смесь непревращенных углеводородов, которую в количестве 10-80 мас. рециркулируют на сепарацию [4 прототип]Согласно известному способу этерификацию проводят в гомогенной фазе с избытком метанола. Однако избыточный метанол усложняет разделение продуктов реакции, его необходимо выделять и рециркулировать на синтез. Для разделения реакционную массу охлаждают до комнатной температуры и вводят в нее рециркулируемые непревращенные углеводороды. Это также усложняет процесс и приводит к повышенным энергозатратам. Известный способ характеризуется большими потерями кислотного катализатора, т.к. в углеводородную фазу переходит 10-50% поданной в реактор серной кислоты, на отмывку которой требуется щелочная вода в количестве 20-50% от массы углеводородной фазы. Кроме большого расхода кислоты возникает проблема утилизации сточных вод, содержащих соли. Целью изобретения является упрощение технологии за счет исключения рецикла катализаторной фазы и непревращенных углеводородов, а также снижение потерь катализатора, уменьшение количества сточных вод и уменьшение затрат на выделение непревращенного спирта С1-С4. Это достигается тем, что С1-С4 алкил-трет-С4-С5 алкиловые простые эфиры получают этерификацией спиртов С1-С4 с третичными олефинами С4-С5 при 70-100oС в жидкой фазе с использованием гомогенного кислотного катализатора, например, серной или фосфорной кислоты, при исходном мольном соотношении спирта С1-С4 к третичному олефину С4-С5(0,9-1,2):1 в вертикальном трубчатом реакторе, заполненном катализаторной фазой, содержащей катализатор, воду, третичный спирт С4-С5 и спирт С1-С4 при следующем соотношении компонентов, мас. катализатор 5-50; вода 5-30; третичный спирт С4-С5 2-10; спирт С1-С4 остальное. Третичный олефин С4-С5 подают в нижнюю часть реактора в трубы через сопла и из верхней части, сепарационной, выводят отделившуюся углеводородную фазу, из которой после промывки водой ректификацией выделяют целевой продукт (простой эфир). Отличительным признаком способа является проведение этерификации при исходном мольном соотношении спирта С1-С4 к третичному олефину (0,9-1,2):1. Другое отличие состоит в том, что процесс проводят в вертикальном трубчатом реакторе, заполненном катализаторной фазе, содержащей спирт С1-С4, катализатор, воду и третичный спирт С4-С5 при заявленном соотношении компонентов. Отличие состоит в том также, что третичный олефин С4-С5 подают в нижнюю часть реактора в трубы через сопла, а углеводородную фазу выводят из верхней, сепарационной,части реактора. Изобретение обеспечивает селективное превращение в простой эфир третичного олефина С4-С5 как в чистом виде, так и в присутствии н-бутенов, н-пентенов, бутадиена при использовании С4-С5 фракций пиролиза, крекинга, дегидрирования и перегонки нефтепродуктов, причем согласно предлагаемому способу процессы этерификации спиртов С1-С4 и разделения образовавшейся реакционной массы на углеводородную и катализаторную фазы проводят в одном аппарате, что делает процесс значительно проще известного. В результате введения третичных олефинов С4-С5 в трубчатый реактор, заполненный "стоячей" катализаторной фазой, через сопла обеспечивается интенсивный массообмен третичных олефинов С4-С5 с катализаторной фазой, содержащей спирт С1-С4, катализатор, воду и третичный спирт С4-С5. Образовавшийся простой эфир и непрореагировавшие углеводороды (углеводородная фаза) всплывают в верхней части реактора и могут быть направлены после промывки на выделение целевого простого эфира. Спирт С1-С4 подают в реактор в количестве, близком к стехиометрическому относительно третичного олефина С4-С5. Благодаря воде в составе катализаторной фазы практически все количество подаваемого спирта С1-С4 находится в катализаторной фазе и мало спирта С1-С4 выносится углеводородной фазой из реактора, что снижает затраты на выделение непревращенного спирта С1-С4, а также снижает потери кислоты катализатора, которая выводится из катализаторной фазы со спиртом С1-С4. Реактор представляет собой систему вертикальных труб, заключенных в общий кожух. Число и размеры труб определяют требуемой производительностью установки. В верхней части реактора за концом труб имеется сепарационная (отстойная) зона. В межтрубное пространство реактора подается теплоноситель, который обеспечивает поддержание заданной температуры. Количество реакторов определяется требуемой производительностью установки. Реакторы могут быть соединены между собой последовательно и/или параллельно. Температурный режим в реакторе может быть изотермическим и/или адиабатическим. Третичные олефины С4-С5 как в чистом виде, так и в виде фракций С4-С5 пиролиза, крекинга, дегидрирования и перегонки нефтепродуктов подают в нижнюю часть реактора через сопла, которые находятся внутри каждой трубы (в каждой трубе не менее одного сопла). Диаметр сопел выбирают таким образом, чтобы линейная скорость третичных олефинов С4-С5 внутри сопел составляла 3-10 м/с. В результате соприкосновения с катализаторной фазой углеводородная фракция разбивается на мелкие капли, которые за счет меньшего удельного веса всплывают поднимаются через катализаторную "стоячую" фазу. Мелкие капли нужны для интенсивного массообмена между ограниченно растворимыми катализаторной и углеводородной фазами, поскольку реакция в данном случае протекает в двухфазной системе. Продукты реакции и катализатор находятся в двух фазах, причем катализатор практически полностью находится в катализаторной фазе, где собственно и протекает реакция, а образующийся простой эфир находится в углеводородной фазе. Уменьшение линейной скорости ниже 3 м/с приводит к увеличению диаметра капель, снижению интенсивности массообмена ниже значения, требуемого для данной реакционной системы, и в результате снижается производительность единицы реакционного объема. Увеличение скорости более 10 м/с на производительность не влияет, однако увеличивает энергозатраты, связанные с подачей третичных олефинов С4-С5 в реактор (требуется более высоконапорный насос). Благодаря воде в составе катализаторной фазы всплывающая углеводородная фаза легко отделяется от катализаторной в верхней сепарационной зоне и выводится из реактора в качестве единственного потока. В реакторе поддерживают такое давление, чтобы реакционная смесь находилась в жидком состоянии, что в данном случае достигается при 5-22 атм. В условиях способа этерификации идет с высокой селективностью, т.к. с помощью воды и третичного спирта С4-С5подавляется образование димеров и полимеров указанных третичных олефинов. Присутствие третичных спиртов в катализаторной фазе в количестве более 2% кроме того, предотвращает расход третичного олефина С4-С5 и воды на образование третичного спирта С4-С5. При уменьшении содержания воды ниже 5% реакционная смесь становится гомогенной, что делает невозможным ее разделение в реакторе. Увеличение количества воды более 30% и третичного спирта С4-С5 более 10% приводит к снижению конверсии третичного олефина С4-С5. Исходное соотношение спирта С1-С4 к третичному олефину С4-С5 оказывает влияние как на селективность этерификации (при снижении количества спирта С1-С4 менее 0,9 моля на моль третичного олефина С4-С5 наблюдается образование димеров и тримеров указанного олефина), так и на содержание катализатора в углеводородной фазе, которое растет с увеличением заявленного количества спирта С1-С4. В качестве катализатора используют минеральные кислоты, например, серную, фосфорную, органические сульфокислоты, например, пропансульфокислоту, бензолсульфокислоту, гетерополикислоты, например, молибденфосфорную, карбоновые кислоты, например, щавелевую. Более предпочтительно в качестве катализатора использование серной кислоты в количестве 5-20% или фосфорной кислоты в количестве 20-50%
Выходящая из реактора углеводородная фаза благодаря воде в составе катализаторной фазы содержит 0,5-1,5% катализатора от находящегося в реакторе. Углеводородную фазу, содержащую целевой продукт, часть непревращенного спирта С1-С4 и третичный спирт С4-С5, для отмывки катализатора и спирта С1-С4 промывают водой, которой требуется 4-6% от массы углеводородной фазы. Причем, в связи с незначительным содержанием катализатора в углеводородной фазе к воде, подаваемой на промывку, не нужно добавлять щелочь, что позволяет далее утилизировать кислоту, содержащуюся в промывной воде, известными методами. Промывная вода, кроме кислот, содержит непревращенный спирт С1-С4, который обычным образом отгоняют далее на ректификационной колонне и возвращают на этерификацию. Вместе со спиртом С1-С4 отгоняется и возвращается на синтез небольшое количество третичного спирта С4-С5, которое отмывается из углеводородной фазы вместе со спиртом С1-С4. Углеводородную фазу после промывки направляют в ректификационную колонну, где отгоняют непревращенные углеводороды, затем подают в следующую ректификационную колонну, где целевой простой эфир отгоняют от третичного спирта С4-С5, отводят его на склад и далее непосредственно используют в качестве компонента моторных топлив. Остаток после перегонки возвращают в реактор синтеза. Предлагаемый способ проще в исполнении благодаря отсутствию рецикла катализаторной фазы и непревращенных углеводородов. Другое преимущество состоит в снижении потерь катализатора, уменьшении количества сточных вод и затрат на выделение непревращенного спирта С1-С4. Возможность осуществления изобретения подтверждается следующими примерами. Экспериментальные данные по примерам приведены в таблице. Примеры 1-5. Синтез метилтретбутилового эфира (МТБЭ) проводят с использованием реакторного блока из двухтрубчатых реакторов одинаковой конструкции. Реактор состоит из 199 вертикальных металлических труб, каждая диаметром 100 мм, высотой 15 м, заключенных в общий кожух. В верхней части реактора за концом труб имеется сепарационная зона. В межтрубное пространство реактора подается паровой конденсат, который обеспечивает поддержание заданной температуры. Внизу реактора под трубами расположено распределительное устройство с соплами, которые находятся внутри каждой трубы (в трубе одно сопло). Реакторы заполнены катализаторной фазой. В сепарационной зоне поддерживают уровень раздела двух фаз катализаторной и углеводородной, которую выводят с верха реактора. Исходную С4-фракцию подают через сопла в первый реактор (по ходу потока), затем подают с верха первого реактора вместе продуктами реакции (углеводородная фаза первого реактора) во второй реактор через сопла. В нижнюю часть каждого реактора подают метанол, который растворяется в катализаторной фазе. Заданный состав катализаторной фазы поддерживается постоянным за счет того, что: метанол подают в реактор в количестве, соответствующем его расходу, на образование МТБЭ и небольшому уносу с углеводородной фазой. Также за счет того, что унос третбутилового спирта (ТБС) полностью компенсируется рециклом ТБС из углеводородной фазы. И также за счет того, что в реактор подают незначительное количество воды и катализатора для компенсации уноса с углеводородной фазой. Углеводородную фазу с верха второго реактора подают в низ промывной колонны, заполненной насадкой кольцами Рашига. В верх колонны подают воду. От выходящей с низа промывной колонны промывной воды затем на ректификационной колонне при атмосферном давлении отгоняют метанол (метанол-рецикл), который смешивают со свежим метанолом и подают на синтез. Выходящую с верха промывной колонны углеводородную фазу подают в ректификационную колонну,где при давлении 5 атм отгоняют отработанную С4-фракцию. Кубовую жидкость этой колонны подают в следующую ректификационную колонну, где при атмосферном давлении отгоняют МТБЭ. Остаток после отгонки МТБЭ представляет собой ТБС, который рециркулирует на синтез. В качестве изобутиленсодержащего сырья в примерах 1-3 используют С4-фракцию дегидрирования изобутана следующего состава, мас. пропан 0,3; изобутилен 47,1; н-бутан 2,1; изобутан 47,9; н-бутены 2,3; дивинил 0,2; пентаны 0,1. В качестве изобутиленсодержащего сырья в примерах 4,5 используют С4-фракцию пиролиза бензина следующего состава, мас. пропан 0,7; изобутилен 25,7; н-бутан 9,6; изобутан 2,0; н-бутены 19,5; дивинил 41,7; пентаны 0,8. Как следует из приведенных в таблице данных, проведение синтеза МТБЭ в вертикальном трубчатом реакторе, заполненном "стоячей" катализаторной фазой, содержащей заявленные количества воды и ТБС, позволило исключить рецикл катализаторной фазы и провести процесс не только селективно, но и с меньшими потерями кислотного катализатора. Подача С4-фракции через сопла с указанной линейной скоростью позволила достичь высокой конверсии изобутилена без специальных приемов перемешивания двухфазной реакционной системы. Пример 6. Синтез проводят аналогично примеру 1, однако в качестве третичного олефина используют С5-фракцию дегидрирования изопентана, содержащую: пропан 1,1; бутан 3,5; изопентан 59,6; изоамилен 29,8; изопрен 1,3; н-пентан 1,2; н-амилены 2,9; пиперилен 0,6. Степень превращения изоамилена в метилтретамиловый эфир составляет 71,5%
Пример 7. Синтез проводят аналогично примеру 1, однако в качестве спирта С1-С4 используют этанол. Степень превращения изобутилена в этилтретбутиловый эфир составляет 72,3%
Пример 8. Синтез проводят аналогично примеру 1, однако в качестве спирта С1-С4 используют изопропиловый спирт. Степень превращения изобутилена в изопропилтретбутиловый эфир составляет 86,2%
Класс C07C41/06 только органических соединений
Класс C07C29/04 гидратацией углерод-углеродных двойных связей