способ получения диизопропилового эфира

Формула изобретения

1. Способ получения диизопропилового эфира, отличающийся тем, что пропиленсодержащее сырье, воду и/или изопропиловый спирт контактируют с катализатором, в качестве которого используют гетерополикислоты общей формулы



и гетерополисоединения общей формулы



где M1, M2 представляют собой Сu, Cs, K, Na, Li, Са, Ва;

М3 представляет собой W и/или Мо, при этом 0 m 2; 0 n 1,5, 0 q 2, где m, n и q - число соответствующих эквивалентов атомов, контактирование проводят в две стадии, причем на первой стадии пропиленсодержащее сырье и воду контактируют с катализатором общей формулы (1), на второй стадии, полученную на первой стадии реакционную смесь, контактируют с катализатором общей формулы (2), с проведением контактирования при температуре от 110 до 180°С и общем давлении реакционной смеси от 0,1 до 3 МПа.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что контактирование на первой стадии проводят при температуре 130-170°С, общем давлении реакционной смеси 0,7-2,9 МПа, на второй стадии - при давлении 0,101-0,13 МПа, причем мольное отношение пропилен/вода на первой стадии составляет 1-4, содержание воды на второй стадии - 2-10 мол.%.

3. Способ по одному из пп.1 и 2, отличающийся тем, что из полученной на первой стадии реакционной смеси удаляют воду путем отгонки азеотропной смеси, содержащей диизопропиловый эфир, изопропиловый спирт, воду.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к способу получения диизопропилового эфира (ДИПЭ) из пропиленсодержащего сырья и/или пропилового спирта с применением катализаторов и может быть использовано в нефтехимической промышленности, в частности, для получения октаноповышающих добавок к компаундированным бензинам.

Известен способ получения диизопропилового эфира из изопропанола (ИП) в присутствии катализаторов, в качестве которых используют гетерополикислоты (ГПК) структуры Кеггина (Lopez-Salinas E., Hernandez-Cortez J.G., Navarrete J. Formation of diisopropyi ether from 2-propanol using Keggin-type H₃PW₁₂ O₄₀ and H₄SiW₁₂O₄₀ heteropolyasids supported on Zirconia. Studies in Surface and Catalysis, 2000, p.2591-2596). В данной работе описан способ получения ДИПЭ из ИП с использованием катализаторов на основе вольфрамофосфорной H₃PW₁₂O₄₀ и вольфрамокремниевой H4SiW₁₂O₄₀ кислот, нанесенных на оксид циркония ZrO₂. Конверсия ИП не превышала 4%, а выход ДИПЭ составлял около 3%.

Известно, что Na и Zn соли ГПК также обладают активностью при разложении ИП [Abdel Ghaffar A. Ali, Fawzia F. Abdallah, Fikry M. Ebeid. Effect of cations introduced into 12-molybdophosphoric acid on its catalytic properties in dehydration of 2-propanol. Physical Sciences Section, 1993, vol.36, № 12, p.497-501], однако в этом случае основным продуктом реакции является пропилен. Так, при температуре 300°С в присутствии NaH₂PMo₁₂O₄₀ выход ДИПЭ не превышает 5% при конверсии ИП 96%. На нейтральных солях (например, Na₃PMo₁₂O₄₀) единственным продуктом превращения ИП является пропилен.

Таким образом, используемые катализаторы получения ДИПЭ из ИП обладают низкой активностью при температуре до 200°С, а при повышенной температуре до 300°С резко снижается селективность процесса и основными продуктами являются пропилен, вода и кокс.

Кроме того, исходным сырьем в описанных работах является лишь изопропанол, что исключает их широкое применение.

Более близким к изобретению является способ получения ДИПЭ из пропиленсодержащего сырья с использованием катализаторов на основе цеолитов и катионообменных смол (патент US 5744645, 1998 г.). В этой работе описан способ получения ДИПЭ из пропилена и воды в присутствии цеолита и катионнообменных смол в качестве катализатора

С₃Н₆+H₂O+С₃ Н₆ С₃Н₇-O-С₃Н₇ .

Химия процесса представлена в виде последовательных реакций. Сначала пропилен гидратируется в ИП. Затем промежуточный ИП взаимодействует с пропиленом или с другой молекулой ИП с образованием ДИПЭ.

В присутствии катионообменных смол или цеолитного катализатора процесс гидратации пропилена протекает под давлением до 40 МПа, при температуре около 200°С, а реакция этерификации пропилена с изопропанолом протекает под давлением до 110 МПа, при температуре около 260°С.

Недостатки способа заключаются в том, сульфокислоты и катионнообменные смолы являются термически нестабильными соединениями и имеют ограничения по температуре (не выше 150°С). В случае отравления таких смол их нельзя подвергать окислительной регенерации, как ГПК и цеолиты.

Более того, для катионнообменных смол требуется наличие растворителя. Цеолиты, как было обнаружено нами и опубликовано в литературе, проявляют активность в более жестких условиях (Т 200°С, Р 3,0 МПа).

Задачей изобретения является упрощение технологии процесса, в частности возможности регенерации применяемого в описанном способе катализатора, а также использования последнего в более мягких режимных условиях.

Поставленная задача достигается описываемым способом получения диизопропилового эфира путем контактирования пропиленсодержащего сырья, воды и/или изопропилового спирта с катализатором, в качестве которого используют гетерополикислоты общей формулы

H_3-q M3_12-qV_qPO₄₀ (1)

и гетерополисоединения общей формулы

M1_m M2_nH_3+q-m-nM3_12-qV_q PO₄₀ (2)

где M1, M2 представляют собой Cu, Cs, K, Na, Li, Са, Ва; М3 представляет собой W и/или Мо, при этом 0 m 2; 0 n 1,5, 0 q 2, где m, n и q - число соответствующих эквивалентов атомов, контактирование проводят в две стадии, причем на первой стадии пропиленсодержащее сырье и воду контактируют с катализатором общей формулы (1), на второй стадии полученную на первой стадии реакционную смесь контактируют с катализатором общей формулы (2) с проведением контактирования при температуре от 110 до 180°С и общем давлении реакционной смеси от 0,1 до 3 МПа.

Предпочтительно контактирование на первой стадии проводят при температуре 130-170°С, общем давлении реакционной смеси 0,7-2,9 МПа, на второй стадии - при давлении 0,101-0,13 МПа, причем мольное отношение пропилен/вода на первой стадии составляет 1-4, содержание воды на второй стадии - 2-10 мол.%.

Целесообразно для повышения выхода целевого эфира из полученной на первой стадии реакционной смеси удалять воду путем отгонки азеотропной смеси, содержащей диизопропиловый эфир, изопропиловый спирт, воду.

В описываемом способе контактированию с катализаторами возможно, в частности, подвергать в смеси с водой пропилен, пропиленсодержащее сырье, например фракции, содержащие пропилен (пропан-пропиленовая фракция), смеси пропиленсодержащего сырья (пропилена) и изопропилового спирта, а также иные смеси, содержащие пропилен. В описываемом способе осуществляют также контактирование с катализаторами изопропилового спирта.

Описываемый способ осуществляют путем проведения следующих стадий:

Взаимодействие пропилена с водой исследовано в интервале температур от 110 до 180°С при абсолютном давлении от 0,11 до 3 МПа; мольное отношение пропилен/вода варьировали от 0,25 до 15. В указанных условиях на всех исследованных катализаторах класса гетерополикислот и солей ГПК (более 10) протекает только реакция (I), то есть единственным значимым продуктом являлся изопропиловый спирт ИП, концентрация ДИПЭ не превышала 0,5%.

Найдено, что выход ИП возрастает с увеличением давления пропилена, при температуре 170°С и абсолютном давлении 0,550 МПа выход ИП достигает 25%. При концентрации свободной воды более 5%, даже в присутствии большого избытка пропилена, синтез ДИПЭ из пропилена и воды подавляется.

Скорость образования ДИПЭ из ИП увеличивается при введении в систему пропилена, причем непропорционально повышению давления. При введении в систему при 140°С пропилена под давлением 0,4 МПа стационарный выход ДИПЭ увеличился от 4 до 7%, дальнейшее повышение давления пропилена до 0,8 МПа привело к росту выхода ДИПЭ до 9%. В этих условиях добавки воды в реакционную смесь до 5% практически не сказывались на выходе ДИПЭ. При концентрации воды более 6% синтез ДИПЭ из пропилена и ИП заметно подавляется. Реакция (III) конденсация пропилена и ИП протекает на катализаторе типа ГПК, причем вода тормозит конденсацию.

Условия проведения стадий (I)-(III) синтеза ДИПЭ в одном реакторе, в присутствии одного катализатора плохо согласуются. Для стадии (I) необходима достаточно высокая концентрация воды, которая является реагентом, но синтез ДИПЭ из образовавшегося на стадии (I) изопропилового спирта на стадиях конденсации (II) и (III) сильно тормозит водой. Поэтому синтез ДИПЭ предпочтительно осуществляют в системе, которая включает в себя 2 реактора: в первом протекает стадия (I), а во втором реакторе, при необходимости, после удаления воды (предпочтительно до остаточного содержания менее 7,3%) протекают стадии (II) и (III).

Первую стадию каталитических превращений осуществляют на установке гидратации пропилена под давлением.

Установка позволяет исследовать процесс гидратации пропилена под давлением как в проточном режиме в паровой фазе, так и в парожидкостной фазе с фильтрующимся слоем катализатора.

Схема установки превращения пропилена в ИП и ДИПЭ в двух реакторах приведена на чертеже.

Пропилен (1) из баллона поступает в испаритель (2а), где барботирует через слой воды и образует смесь С₃Н₆/H₂ О (3). Температуру испарителя и подачу пропилена регулируют таким образом, чтобы смесь С₃Н₆/Н₂ О имела оптимальный состав для гидратации пропилена. При снижении уровня воды в испарителе (2а) приблизительно на 50% в него периодически добавляют воду (2). Первый реактор (4) гидратации пропилена работает в парожидкостной фазе с фильтрующимся слоем катализатора (5). Образовавшаяся смесь С₃Н₆-Н₂ О-ИП (6), после конденсации избыточной воды в холодильнике (не показан), поступает во второй реактор (8), содержащий слой катализатора (7), в котором протекает этерификация ИП и образуется ДИПЭ. Смесь С₃Н₆-ИП-H₂O-ДИПЭ охлаждается (при 0°С) в приемнике жидкого продукта (10) и поступает на анализ. Отходящий газ (11), как показал анализ, состоит из пропилена, который можно рециркулировать в первый реактор (4) гидратации пропилена. Для коммутации различных потоков в установке предусмотрены краны (9).

На основании данных о концентрации компонентов в смеси рассчитывали 3 основных параметра, характеризующие свойства катализатора, - степень превращения реагента (х), селективность (S_n) по продукту и выход (Y_n) целевого продукта:

где , С_р концентрация реагента на входе и выходе из реактора и C_n-концентрация продукта в полученной реакционной смеси, мол.%;

выход продукта определяется по формуле:

Показатели объемной скорости жидкого реагента ( _ж) и парогазовой смеси ( _n) определяются из отношений:

где Q_ж и Q_n - скорость подачи жидкости и паров в реактор, л/ч, и V_к - объем катализатора, л.

Способ согласно изобретению иллюстрируется следующими не ограничивающими его примерами.

В этих примерах были испытаны катализаторы различного состава, соответствующего формулам (1) и (2), в условиях, изложенных обобщенно в формуле изобретения.

Пример 1.

Смесь пропилен - инертный газ (азот) подают в испаритель под давлением 2,5 МПа, где она барботирует через слой воды, образуя смесь С₃Н₆/Н₂О с мольным отношением, равным 3:1. Для обеспечения оптимального состава реакционной смеси температура испарителя поддерживается равной 110°С, а объемная скорость подачи пропилена составляет 10000 ч^-1 . В первом реакторе при температуре 130°С и давлении 2,5 МПа при контактировании в парожидкостной фазе с фильтрующимся слоем катализатора H₃W₁₂PO₄₀ /SiO₂ осуществляется процесс гидратации пропилена. Образовавшаяся смесь С₃Н₆-Н₂ О-ИП, после конденсации избыточной воды в холодильнике до концентрации воды 5% в растворе ИП, поступает на контактирование во второй реактор, содержащий слой катализатора CuH₂PVW ₁₁/SiO₂, в котором при температуре 180°С и давлении 0,12 МПа протекает этерификация ИП и образуется ДИПЭ. Смесь С₃Н₆-ИП-Н₂О-ДИПЭ охлаждается (при 0°С) в приемнике жидкого продукта и поступает на анализ. По данным анализа, жидкий продукт содержит 6,4% ИП и 8,1% ДИПЭ. Результаты анализа представлены в таблице.

Из полученной смеси жидких продуктов отгоняют азеотроп состава ДИПЭ (88,0%):ИП (4,7%):вода (7,3%), который может быть использован также в качестве добавки к компаундированным бензинам. Для удаления воды смесь сушат над SiO₂ и перегоняют, отбирая азеотроп ДИПЭ (83,7%)-ИП (16,3%).

Для выделения чистого ДИПЭ ректификацию продукта осуществляют при пониженном давлении 30-40 кПа, температуре 35-40°С. Таким образом, получают ДИПЭ чистотой 98-99% и Т_кип, равной 70°С.

Методика приготовления катализатора приведена на примере получения цезиево-медной соли фосфор-ванадий-молибденовой кислоты и включает следующую последовательность действий:

I. Приготовление раствора А

1. Молибдат аммония ((NH₄)₆Mo₇O₂₄ , 88.2 г) и метаванадат аммония (NH₄VO₃ , 5.2 г) растворяют в 200 мл горячей воды (90-100°С).

2. К этому раствору добавляют H₃PO ₄ (85%, 5.24 г) при 80°С.

3. Полученным раствором фосфор-ванадий-молибденовой кислоты при 25°С пропитывают SiO₂. Продолжительность процесса 24 часа.

II. Приготовление раствора Б

1. CsNO₃ (8.12 г), Cu(NO₃)₂ (1 г) и конц. HNO ₃ (40 мл) растворяют в 50 мл воды (при комнатной температуре).

2. Раствор Б медленно, при интенсивном перемешивании добавляют к пропитанному раствором А носителю (60-70°С).

3. Высушивают катализатор на роторном испарителе при 70-80°С и давлении 3-5 кПа.

4. Активируют катализатор прокаливанием в токе воздуха непосредственно в реакторе при температуре 350°С в течение 1,5 часов.

В описываемом способе используют катализатор, нанесенный на подложку из оксидов различных металлов, предпочтительно на оксид кремния.

В таблице приведены также результаты экспериментов (примеры 2-5), относящихся к синтезу ДИПЭ в присутствии различных катализаторов, проведенных в различных технологических условиях.

Таким образом, способ согласно изобретению позволяет упростить технологию процесса, а именно снизить давление и температуру процесса, а также возможности неоднократного использования применяемых в описываемом способе катализаторов за счет их регенерации.