способ очистки изопрена от ацетиленовых углеводородов и установка для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ очистки изопрена от ацетиленовых углеводородов каталитическим гидрированием изопрена водородсодержащим газом в проточном реакторе, отличающийся тем, что изопрен и водородсодержащий газ подают на гидрирование в виде смеси, образованной при турбулентном движении.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что объемное соотношение водородсодержащий газ : изопрен при гидрировании изопрена выдерживают не менее 3:1.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что гидрирование проводят водородсодержащим газом, содержащим не более 10 об.% метана.

4. Установка для очистки изопрена от ацетиленовых углеводородов, включающая проточный реактор гидрирования, содержащий устройства для ввода изопрена и водородсодержащего газа и вывода гидрогенизата, решетки для размещения слоя катализатора, отличающаяся тем, что устройство для ввода изопрена и водородсодержащего газа выполнено в виде полого цилиндра, оснащенного статическими и/или динамическими средствами турбулизации, с встроенным в него патрубком для ввода водородсодержащего газа и размещенным после первого средства турбулизации, при этом устройство для ввода изопрена и водородсодержащего газа расположено ниже нижней решетки реактора гидрирования.

5. Установка по п.4, отличающаяся тем, что статические средства турбулизации выполнены в виде конфузор-диффузорных секций, системы пористых тел, например, колец Рашига, шаров, решеток, сеток, выполнены из тканых и/или нетканых материалов и расположены дискретно вдоль оси устройства для ввода изопрена и водородсодержащего газа.

6. Установка по п.4, отличающаяся тем, что динамические средства турбулизации выполнены в виде заслонок, барабанов с прорезями, пропеллеров с возможностью принудительного вращения.

7. Установка по пп.4-6, отличающаяся тем, что устройство для ввода изопрена и водородсодержащего газа расположено тангенциально к боковой поверхности проточного реактора гидрирования.

Описание изобретения к патенту

Группа изобретений относится к производству мономеров для синтетического каучука, конкретно к процессу очистки изопрена от ацетиленовых углеводородов путем гидрирования.

Известен способ очистки изопрена от ацетиленовых углеводородов селективным гидрированием на стационарном слое катализатора “никель на кизельгуре” путем подачи 4 молей водорода на 1 моль алленовых углеводородов (Авторское свидетельство СССР №134686, МПК С 07 С 7/02, опубл. Бюл. №1, 1961).

Способ не позволяет достичь полного гидрирования ацетиленовых углеводородов, например бутина при его высоком содержании в изопрене, и ведет к повышенному смолообразованию.

Известен также способ очистки изопрена от ацетиленовых углеводородов каталитическим гидрированием водородом (Патент РФ №2151760, МПК С 07 С 7/167, 11/18, опубл. 27.06.2000). В изопрен перед гидрированием подают рецикловый изопрен, содержащий непрореагировавший водород в количестве, необходимом для разбавления ацетиленовых углеводородов в изопрене, подаваемом на гидрирование.

Описанный способ требует дополнительных энергозатрат на рецикловую подачу изопрена.

Наиболее близким по технической сути является способ очистки изопрена от ацетиленовых углеводородов (П.А.Кирпичников, В.В.Береснев, Л.М.Попова. Альбом технологических схем основных производств промышленности синтетического каучука Л.: Химия, 1986, стр. 64-68), в котором гидрирование ацетиленовых продуктов, содержащихся в изопрене, осуществляют раздельной подачей изопрена и водорода в проточный реактор гидрирования, смешением их в ламинарном потоке и перемещением через стационарный слой катализатора.

В указанном способе изопрен и водород смешиваются в реакторе в ламинарном режиме движения при достаточно большом объеме реактора, что приводит к значительной разнице по содержанию водорода в изопрене в объеме реактора. Насыщение газообразным водородом изопрена ограничено в виду недостаточности массообмена между взаимодействующими средами во времени. Исходя из этого расход водорода завышенный, т.к. значительная часть его не используется в процессе, а это приводит помимо гидрирования ацетиленовых углеводородов к гидрированию изопрена с получением изоамиленов и изопентана до 2-3% от объема изопрена.

Наиболее близкой по технической сути к предлагаемой является установка для получения изопрена (П.А.Кирпичников, В.В.Береснев, Л.М.Попова. Альбом технологических схем основных производств промышленности синтетического каучука. Л.: Химия, 1986, стр. 64-68), включающая проточный реактор гидрирования, содержащий устройства для ввода изопрена и водородсодержащего газа и вывода гидрированного продукта, а также решетки, на которых размещается катализатор “никель на кизельгуре”. Водород и изопрен подают раздельно в нижнюю часть реактора.

Смешение водорода и изопрена осуществляется в большом объеме нижней части реактора в условиях ламинарного движения смешиваемых потоков, отсюда и возникают проблемы осуществления эффективного селективного гидрирования изопрена. Смешение неэффективное, большая разница в содержании водорода в разных объемах изопрена и большой расход водорода.

Задачей изобретения является повышение эффективности гидрирования ацетиленовых углеводородов и увеличение выхода изопрена, а также снижение расхода водородсодержащего газа в процессе гидрирования.

Поставленная задача решается способом очистки изопрена от ацетиленовых углеводородов каталитическим гидрированием изопрена водородсодержащим газом, проводимым в проточном реакторе, при этом изопрен и водородсодержащий газ подают на гидрирование в виде смеси, образованной при турбулентном движении.

Объемное соотношение водородсодержащий газ : изопрен при гидрировании изопрена выдерживают не менее 3:1.

Возможно проводить гидрирование электролитическим водородом или водородсодержащим газом, содержащим не более 10 об.% метана.

Предлагаемый способ осуществляют на установке, включающей проточный реактор гидрирования, содержащий устройства для ввода изопрена и водородсодержащего газа и вывода гидрогенизата, решетки для размещения слоя катализатора, при этом устройство для ввода изопрена и водородсодержащего газа выполнено в виде полого цилиндра, оснащенного статическими и/или динамическими средствами турбулизации, с встроенным в него патрубком для ввода водородсодержащего газа и размещенным после первого средства турбулизации, при этом устройство для ввода изопрена и водородсодержащего газа расположено ниже нижней решетки реактора гидрирования.

Статические средства турбулизации могут быть выполнены в виде конфузор-диффузорных секций, системы пористых тел, например, колец Рашига, шаров, решеток, сеток, из тканых и/или нетканых материалов и расположены дискретно вдоль оси устройства для ввода изопрена и водородсодержащего газа.

Динамические средства турбулизации могут быть выполнены в виде заслонок, барабанов с прорезями, пропеллеров с возможностью принудительного вращения.

Устройство для ввода изопрена и водородсодержащего газа в реактор гидрирования расположено тангенциально к его боковой поверхности.

Отличительными признаками предлагаемого способа получения изопрена является то, что изопрен и водородсодержащий газ подают на гидрирование в виде смеси, образованной при турбулентном движении при объемном соотношении водородсодержащий газ : изопрен не менее 3:1. Кроме того, возможно проводить гидрирование электролитическим водородом или водородсодержащим газом, содержащим не более 10 об.% метана.

Отличительными признаками установки является то, что устройство для ввода изопрена и водородсодержащего газа в реактор гидрирования выполнено в виде полого цилиндра, оснащенного статическими и/или динамическими средствами турбулизации, с встроенным в него патрубком для ввода водородсодержащего газа и размещенным после первого средства турбулизации, при этом устройство для ввода изопрена и водородсодержащего газа расположено ниже нижней решетки реактора гидрирования.

Статические средства турбулизации могут быть выполнены в виде конфузор-диффузорных секций, системы пористых тел, например, колец Рашига, шаров, решеток, сеток, из тканых и/или нетканых материалов и расположены дискретно вдоль оси устройства для ввода изопрена и водородсодержащего газа.

Динамические средства турбулизации могут быть выполнены в виде заслонок, барабанов с прорезями, пропеллеров с возможностью принудительного вращения.

Устройство для ввода изопрена и водородсодержащего газа расположено тангенциально к боковой поверхности проточного реактора гидрирования.

Технический результат достигается тем, что изопрен смешивается с водородсодержащим газом в условиях турбулентного движения, образуя газожидкостную смесь, после чего подается в реактор гидрирования, что обеспечивает снижение расхода водородсодержащего газа на селективное гидрирование и повышает выход изопрена за счет снижения гидрирования изопрена и превращения его в изоамилены и изопентан.

Жидкому компоненту - изопрену быстро придают турбулентное движение на одной или нескольких конфузор-диффузорной секциях, после чего в турбулентный поток непрерывно вводят газообразный компонент - водородсодержащий газ. На последующих средствах турбулизации водородсодержащий газ равномерно распределяется по объему изопрена с образованием газожидкостной смеси. Газожидкостная смесь подается в реактор гидрирования, и в присутствии катализатора “никель на кизельгуре” осуществляется селективное гидрирование ацетиленовых углеводородов, находящихся в изопрене.

Равномерное распределение водородсодержащего газа в изопрене создает условие полноты протекания реакции гидрирования ацетиленовых углеводородов, при этом количество используемого в процессе водородсодержащего газа можно значительно уменьшить, что повлечет за собой снижение вероятности гидрирования изопрена в изоамилены и изопентан.

В качестве водородсодержащего газа кроме чистого электролитического водорода можно использовать смесь водорода с метаном. Однако содержание метана в водородсодержащем газе должно быть ограничено и составлять не больше 10 об.%, в противном случае гидрирование осуществляется не полно.

Для поддержания интенсивного движения газожидкостной смеси при подаче в реактор устройство для ввода изопрена и водородсодержащего газа установлено ниже нижней решетки реактора гидрирования и расположено тангенциально к его боковой поверхности. Тем самым турбулентный поток на выходе из устройства для ввода изопрена и водородсодержащего газа закручивается в нижней части реактора, обеспечивая сохранение полученного состояния у газожидкостной смеси.

Особенность реализации технологического процесса и его аппаратурное оформление обусловлены тем, что в реальном производстве производительность и содержание ацетиленовых углеводородов в изопрене меняются, и в этих условиях следует поддерживать такие параметры процесса, при которых содержание ацетиленовых углеводородов в очищенном изопрене было минимизировано и соответствовало необходимым требованиям.

Реализация способа связана с конструктивными особенностями устройства для ввода изопрена и водородсодержащего газа в реактор гидрирования, его статическими и/или динамическими средствами турбулизации.

Статические средства турбулизации могут быть двух типов - конфузор-диффузорные секции и секции пористых тел различного вида.

Конфузор-диффузорная секция состоит из цилиндрической части, конфузора - сходящегося усеченного конуса и диффузора - расходящегося усеченного конуса, соединенных вместе. Наибольший диаметр - диаметр цилиндрической части, наименьший - диаметр основания конфузора. Выбор соотношения диаметров (1,3-4):1, углов наклона образующих конусов конфузора и диффузора к оси насадки 15-75 и общей длины секции 2-4 наибольшего диаметра обусловлены обеспечением стабильного турбулентного движения без образования застойных зон. Выбор числа секций определяется из условий достижения стабильной газожидкостной смеси и составляет не менее 6-8.

Ввод водорода осуществляется через патрубок, установленный в цилиндрической части после первого средства турбулизации.

Секция пористых тел построена на том же принципе, что и конфузор-диффузорная секция: цилиндрический - свободный участок и участок пористого тела. Участок пористого тела, как правило, ограничивается внутри устройства ввода изопрена и водородсодержащего газа сеткой или решеткой, между которыми размещают пористые тела, например, кольца Рашига, шары, выполненные из тканых и нетканых материалов и т.д. Ширина участка пористого тела определяется видом пористого тела и его плотностью.

Использование секции пористого тела связано с наличием достаточно большого по объему количества водородсодержащего газа относительно изопрена, такой прием применяется для исключения “снарядного режима” движения потоков. Кроме того, для этих же целей предполагается использование динамических средств турбулизации.

Динамические средства турбулизации газожидкостной смеси представляют собой вращающиеся заслонки, барабаны с прорезями, пропеллеры и т.д. Все они имеют вал, систему качения, уплотнения и привода.

Рассмотренные средства турбулизации могут использоваться индивидуально или в сочетании друг с другом. Конструктивные решения устройства для ввода изопрена и водородсодержащего газа и его соединение с реактором гидрирования изопрена позволяют получать стабильную газожидкостную смесь изопрена и водородсодержащего газа и поддерживать интенсивное перемешивание газожидкостной смеси после ее ввода в реактор гидрирования.

Предлагаемый способ и установка очистки изопрена от ацетиленовых углеводородов не описаны в литературе. Решение поставленной задачи было достигнуто за счет нескольких приемов, сочетание которых отсутствует в прототипе, следовательно, группа изобретений соответствует критерию патентоспособности “новизна”. При проведении сопоставительного анализа заявляемого способа и установки с аналогичными техническими решениями установлено, что сочетание их отличительных признаков с учетом достигаемого результата также не известны, что подтверждает соответствие группы изобретений критерию “изобретательский уровень”. “Промышленная применимость” подтверждается нижеприведенными примерами и описанием способа очистки изопрена от ацетиленовых углеводородов и установки для его осуществления.

На фиг.1 показана установка очистки изопрена от ацетиленовых углеводородов, включающая проточный реактор гидрирования 1 с решетками для размещения слоя катализатора и устройством для ввода изопрена и водородсодержащего газа 2, оснащенным средствами турбулизации 3. Изопрен подают в устройство 2 по линии I, водород вводят через патрубок 4 по линии II.

На фиг.2 схематично показано устройство для ввода изопрена и водородсодержащего газа в реактор гидрирования. Устройство 2 выполнено в виде цилиндрического полого корпуса и состоит из цилиндрического 5 и конфузор-диффузорного 6 участков, составляющих конфузор-диффузорную секцию. Диаметр конфузор-диффузорной секции наибольший - Дц и наименьший - Дк. Общая длина секций - Lc, цилиндрического участка - Lц, угол наклона образующей диффузора или конфузора к оси секции .

Секция пористого тела также состоит из цилиндрического участка 7 и участка системы пористого тела 8. Системы пористого тела 8 могут иметь разную протяженность вдоль оси секции, как правило, они определяются плотностью пористого тела. Система пористого тела 9 условно показана как более плотная, поэтому ее протяженность меньше, чем пористого тела 8.

Подачу водородсодержащего газа в устройство 2 производят через патрубок 10, в котором выполнены отверстия 11, торец патрубка заглушен.

На фиг.3 показано устройство 2 для ввода изопрена и водородсодержащего газа, которое расположено тангенциально к боковой поверхности реактора гидрирования 1 с радиусом R. Устройство 2 оснащено статическими средствами турбулизации 6 конфузор-диффузорного типа на участке введения изопрена и водородсодержащего газа через патрубок 10 и динамическими средствами турбулизации - заслонка 12, вращающаяся на валу 13.

Установка работает следующим образом (Фиг.1).

В устройство 2 подают изопрен I, содержащий ацетиленовые углеводороды, туда же через патрубок 4 подают водородсодержащий газ II. Образовавшаяся газожидкостная смесь при турбулентном движении поступает в реактор гидрирования 1. Гидрогенизат, пройдя через слои катализатора, выводится через устройство 14.

Очищенный изопрен отправляется на склад готовой продукции.

Пример 1

Изопрен I, содержащий ацетиленовые углеводороды, подают на гидрирование в проточный реактор 1 через устройство 2, в котором он приобретает на средствах турбулизации 3 (не менее одного) турбулентное движение (Фиг.1). Туда же через патрубок 4 подают электролитический водород II. Образовавшаяся газожидкостная смесь вновь турбулизируется на статических и динамических средствах турбулизации до получения стабильной газожидкостной смеси, после чего турбулентный поток тангенциально вводится в реактор гидрирования ниже нижней решетки для размещения катализатора. Устройство 2 выполнено в виде трубы диаметром 89 мм. Внутри трубы размещены 15 средств турбулизации. Они располагаются вдоль оси трубы следующим образом: шесть конфузор-диффузорных секций, две секции системы пористых тел (решетки, между которыми размещены кольца Рашига диаметром 8 мм и высотой 12 мм) протяженностью 40 мм, два динамических средства турбулизации - заслонки с коэффициентом перекрытия сечения устройства ввода изопрена и водородсодержащего газа 0,75. Заслонки на валу оборудованы узлами подшипников, уплотнений и приводов. Число оборотов заслонок - 15 в минуту. Затем установлены пять конфузор-диффузорных секций. Каждая конфузор-диффузорная секция имеет следующие габариты: диаметры наибольший - 80 мм, наименьший - 40, угол наклона образующей конуса к оси секции -45±5. длина секции 120 мм. Патрубок ввода водородсодержащего газа диаметром 57 мм расположен в цилиндрической части третьей конфузор-диффузорной секции, количество отверстий 8 диаметром 3 мм. Гидрирование ацетиленовых углеводородов, содержащихся в изопрене, осуществляется в присутствии катализатора “никель на кизельгуре” (ТУ 38-101396-89). Гидрогенизат выводится из реактора через устройство 14.

Очищенный от ацетиленовых углеводородов изопрен подают на товарный склад.

Результаты опытов (1-5) приведены в таблице.

Пример 2

Очистку изопрена от ацетиленовых углеводородов осуществляют так же, как описано в примере 1. Гидрирование проводят метановодородной смесью, содержащей 10% метана.

Соотношение водородсодержащего газа и изопрена выдерживают равным 5:1 (опыт 6).

Из приведенных примеров видно, что использование предлагаемого способа и устройства позволяет в достаточной степени производить очистку изопрена от ацетиленовых углеводородов и получать продукт, соответствующий требованиям ТУ-38.103659-88. При этом чем большее количество водородсодержащего газа расходуется при гидрировании, тем меньше выход изопрена. В случае поддержания указанного соотношения меньше, чем 3:1, степень очистки изопрена от ацетиленовых углеводородов недостаточна и полученный продукт не соответствует необходимым требованиям.

При использовании метановодородной фракции процесс гидрирования осуществляется в таких же условиях.

Предложенные способ и установка для очистки изопрена от ацетиленовых углеводородов способствуют повышению качества изопрена и увеличению выхода целевого продукта. Предлагаемое устройство простое в изготовлении и надежно в эксплуатации.