Способ получения оксида этилена

 

Использование: в качестве полупродукта в органическом синтезе. Сущность изобретения: продукт-оксид этилена. Реагент 1: этилен. Реагент 2: кислород. Условия реакции: процесс проводят в двух реакционных зонах, температура в первой зоне 250 - 300^oС, во второй 200 - 250^oС перемещением катализатора между зонами и частичным или полным разделением подачи этилена и кислорода в каждую из зон и начальными концентрациями этилена 3 - 17% и кислорода 5 - 15%.

Изобретение относится к химической технологии, в частности к процессу получения оксида этилена путем окисления этилена кислородом.

Целью изобретения является повышение селективности процесса по целевому продукту.

Промышленный каталитический процесс получения этиленоксида на серебряном катализаторе впервые был реализован в 1937 году, и в настоящее время с помощью этой технологии в мире ежегодно производятся миллионы тонн оксида этилена ценного полупродукта органического синтеза, используемого для получения этиленгликоля, синтетических полимеров, гликолевых эфиров, этаноламина и др.

Уровень годового производства окиси этилена в развитых капиталистических странах (США, Япония, ФРГ) в 1984 г. превысил 3,6 млн.т.

Современный промышленный процесс окисления этилена до окиси этилена осуществляется в многотрубчатых реакторах с неподвижным слоем катализатора. Процесс проводят при давлениях 15-25 атм и температурах 473-573 К с рециркуляцией газовой смеси после отделения из нее оксида этилена. На практике используют два режима проведения процесса: воздушный и кислородный. Концентрация этилена на входе в реактор составляет 15-30% для кислородного и около 5% для воздушного режимов, концентрация кислорода около 7 об.

Катализатор представляет собой серебро, нанесенное на широкопористый носитель, преимущественно корунд. С целью повышения селективности производится промотирование хлором путем введения в газовую смесь дихлорэтана в концентрации около 10^-4% Основной характеристикой эффективности каталитического процесса получения оксида этилена является селективность превращения этилена в окись этилена. Стоимость сырья в себестоимости продукта составляет около 80% Поэтому даже небольшое повышение селективности приводит к значительному экономическому эффекту.

В современных производствах максимальная величина селективности достигается на уровне 80-82% Около 20% этилена превращается в Со₂ и выбрасывается в атмосферу.

Кроме трубчатых реакторов с неподвижным слоем катализатора запатентованы реакторы с кипящим слоем и восходящим потоком. Преимуществом реакторов с кипящим слоем является простота их конструкции, большая эффективность осуществления эксплуатации и теплоотвода из зоны реакции.

Реакторы с кипящим слоем катализатора не нашли применения в производстве оксида этилена, так как вследствие влияния массообменных процессов между пузырями и фазой катализатора селективность реакции резко снижается. Отрицательное влияние массообменных процессов на селективность удается снизить путем организации кипящего слоя с помощью малообъемных насадок. Одним из примеров конструкции насадки для организации слоя является предложенный способ.

Согласно этому способу процесс окисления этилена в оксид этилена осуществляют в изотермическом реакторе с кипящим слоем серебряного катализатора, организованном малообъемной насадкой. Благодаря использованию насадки в реакторе с кипящим слоем удалось достигнуть такой же селективности процесса, что и в реакторе с неподвижным слоем катализатора.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Всякий каталитический процесс, в частности процесс окисления этилена, включает стадии взаимодействия исходных компонентов (для рассматриваемого процесса этилен и кислород) с катализатором. При взаимодействии молекулярного кислорода с катализатором образуются различные атомарные формы кислорода на серебре, входящем в состав катализатора. При взаимодействии этилена с атомарными формами адсорбированного кислорода образуются целевой продукт оксид этилена и углекислый газ. Соотношение скоростей образования окиси этилена и углекислого газа, а следовательно, и селективность процесса зависит от состояния атомарного кислорода. Наиболее эффективные формы атомарного кислорода образуются при высокой температуре (выше 580 К), а взаимодействие этилена с катализатором проходит с приемлемой скоростью при более низкой температуре (около 500 К). Таким образом, если стадию взаимодействия кислорода с катализатором проводить при высокой температуре, а этилена при низкой температуре, то следует ожидать повышение селективности процесса.

Полное или частичное разделение стадий взаимодействия этилена и кислорода с катализатором достигается в реакторе с кипящим слоем, состоящем из двух зон с различной температурой. В нижней зоне поддерживается температура на уровне около 580 К, в верхней зоне около 470-550 К. Весь или большая часть кислорода подается в начало нижней зоны, этилен полностью или частично подается в начало верхней зоны. Оставшиеся части кислорода и этилена подаются соответственно в начало верхней и нижней зон. Между зонами осуществляется обмен катализатором так, что в каждой зоне катализатор находится определенное время. Обмен катализатором между зонами осуществляется либо самопроизвольно путем перемещения частиц катализатора по высоте реактора, либо искусственно с помощью специальных устройств. Реакционная зона полностью или частично заполнена малообъемной насадкой [8] с целью ускорения каталитического процесса и уменьшения загрузки катализатора. Реактор снабжен теплоотводящими устройствами.

Процесс образования окиси этилена происходит следующим образом. В нижней части реактора при температуре около 580 К в результате взаимодействия кислорода с серебром катализатора происходит образование эффективных форм атомарного кислорода на поверхности катализатора. Сформированный таким образом катализатор перемещается в верхнюю зону, в которой происходит взаимодействие этилена с "селективными" формами адсорбированного кислорода и образование окиси этилена. Так как в верхней зоне катализатор находится только определенное время, атомарные формы кислорода расходуются не полностью. Катализатор перемещается в нижнюю зону, в которой прореагировавшие в верхней зоне атомарные формы кислорода восполняются.

Таким образом, в результате постоянного перемещения катализатора между зонами и раздельного взаимодействия исходных компонентов с катализатором создается более высокая концентрация эффективных атомарных форм кислорода по сравнению с изотермическим кипящим слоем. Благодаря этому достигается увеличение селективности процесса.

П р и м е р 1. Окисление этилена осуществляют в одном реакторе с псевдоожиженным слоем, организованным малообъемной насадкой с двумя температурными зонами. В реактор подают смесь кислорода с инертом со скоростью 0,8 м/с, концентрация кислорода на входе составляет 7% В нижней зоне при температуре 280^оС происходит образование ковалентных форм кислорода на поверхности катализатора. В верхнюю зону, где поддерживается температура 230^оС, подается этилен, концентрация которого в начале зоны составляет 14% При общей насыпной высоте катализатора 0,8-1 м и соотношении высоты горячей и холодной зон 1:1 селективность по этиленоксиду составляет 86% П р и м е р 2. Процесс осуществляют по той же схеме, что и в примере 1, концентрация этилена на входе составляет 10% температура нижней и верхней зон 300^оС и 250^оС соответственно. Селективность составляет 88% П р и м е р 3. Отличие от примера 1 состоит в том, что в реактор подается воздух, а концентрация этилена в начале верхней зоны составляет 3-5% Селективность по этиленоксиду при степени превращения этилена 10-15% составляет 89-91% П р и м е р 4. Окисление этилена осуществляется в схеме, состоящей из двух реакторов с циркулирующим катализатором. В первом реакторе с нисходящим потоком катализатора в токе воздуха происходит окисление поверхности катализатора с образованием ковалентных форм кислорода при температуре 280^оС. Во второй реактор с восходящим потоком катализатора со скоростью 3-5 м/с подается реакционная смесь этилена с воздухом. Скорость подачи смеси 6 м/с, концентрация этилена на входе составляет 4-5% При температуре в реакционной зоне 240-250^оС селективность составляет 89-90% П р и м е р 5. Окисление этилена осуществляется в схеме, состоящей из двух реакторов, аналогично примеру 4, но с отличающимся температурным режимом. В первом реакторе в токе воздуха происходит образование ковалентных форм кислорода на поверхности катализатора при температуре 260^оС. Температура в реакционной зоне 230^оС, скорость подачи смеси 4-6 м/с. Селективность составляет 87-89% П р и м е р 6. Отличие от примеров 4 и 5 состоит в том, что окисление катализатора в первом реакторе может осуществляться как в токе воздуха, так и в токе кислорода на входе 5-7% Во второй реактор подается реакционная смесь, содержащая 5-7% О₂ и 10-15% этилена в инертном газе. Селективность по этиленоксиду при степени превращения этилена 15-7% составляет также 87-90%

Формула изобретения

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОКСИДА ЭТИЛЕНА путем окисления этилена в кипящем слое серебряного катализатора с малообъемной насадкой при повышенной температуре, отличающийся тем, что процесс проводят в двух реакционных зонах, температура в первой зоне 250 - 300^oС, во второй 200 - 250^oС с перемещением катализатора между зонами и частичным или полным разделением подачи этилена и кислорода в каждую из зон и начальными концентрациями этилена 3 - 17% и кислорода 5 - 15%.