BR102017028057A2 - Processo para produção de etileno e 1,3-butadieno - Google Patents

Abstract

processo para produção de etileno e 1,3-butadieno a presente invenção propicia um processo eficiente e singular para a produção de etileno e 1,3-butadieno a partir da pirólise do ciclohexeno. o processo da presente invenção constitui-se em duas diferentes rotas de produção, em que a diferença preeminente entre elas é a maneira como o reator recebe energia para a realização da pirólise. a invenção tem potencial aplicabilidade na indústria petroquímica e seus derivados. a alta pureza de etileno e 1,3-butadieno produzidos, bem como a simplicidade da produção sob certas condições de operação, são características dominantes deste processo.

Description

PROCESSO PARA PRODUÇÃO DE ETILENO E 1,3-BUTADIENO

CAMPO DA INVENÇÃO [001] A presente invenção trata de um processo para produção de etileno e 1,3-butadieno. Mais especificamente, a presente invenção trata de um novo processo com duas diferentes rotas para a produção de etileno e 1,3butadieno através da pirólise do ciclohexeno, com aplicação na área de processos químicos industriais. Visando sua utilização para realizar a produção simultânea destas duas substâncias em um processo mais atenuado e de fácil realização, com a conseguinte substituição dos métodos tradicionais de produção.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO [002] Até a presente data, o processo de etileno e butadieno são feitos separadamente, seja devido à disponibilidade dos recursos materiais (necessários para a produção) ou devido à rentabilidade econômica do processo. Seus derivados possuem valores atraentes no mercado, porém a distância entre fornecedor e receptor, ainda é um desafio para a lucratividade da produção.

[003] À medida que a longitude dos distribuidores de produtos é encurtada, a receita da empresa aumenta. E para que isto aconteça na produção de etileno e butadieno, é necessário um novo processo que possibilite a formação simultânea dos dois componentes, e que seja factível.

[004] Devido à elevada quantidade de etileno e 1,3-butadieno utilizados no planeta a cada ano, qualquer mudança ou processo inovador para a produção de etileno e/ou 1,3-butadieno que favoreça economicamente a produção, são de grandes interesses. Atualmente o etileno é produzido geralmente através da desidrogenação do etano com a utilização de

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2/18 catalisadores como o óxido de vanádio, de cromo, de urânio e de molibdênio suspensos em alumina. Enquanto o 1,3-butadieno é produzido pela extração de hidrocarbonetos C4, pela desidrogenação do n-butano, pela transformação do etanol em catalisadores de óxido metálico ou com sua reação com o acetaldeído, ou através da desidrogenação catalítica do n-buteno.

[005] Houve uma série de tentativas para produzir um processo viável para produção de etileno ou 1,3-butadieno, mas todas elas resultaram em processos com necessidade do uso de catalisadores e/ou gastos elevados no setor de separação das espécies químicas.

[006] A pirólise do ciclohexeno foi um dos objetos de estudo do seguinte artigo: DEAN, A. M. Predictions of pressure and temperature effects upon radical addition and recombination reactions. The Journal of Physical Chemistry, v. 89, n. 21, p. 4600-4608, 1985; E também de SMITH, S. Ruven; GORDON, Alvin S. A STUDY OF THE PYROLYSIS OF CYCLOHEXENE1. The Journal of Physical Chemistry, v. 65, n. 7, p. 1124-1128, 1961; E também de GONG, Chun-Ming; LI, Ze-Rong; LI, Xiang-Yuan. Theoretical kinetic study of thermal decomposition of cyclohexane. Energy & Fuels, v. 26, n. 5, p. 2811-2820, 2012;

[007] A pirólise do 1,3-butadieno foi um dos objetos de estudo do seguinte artigo: RAO, V. S.; TAKEDA, Kunio; SKINNER, Gordon B. Formation of H and D atoms in pyrolysis of 1, 3-butadiene and 1, 3 butadiene-1, 1, 4, 4,d4 behind shock waves. International journal of chemical kinetics, v. 20, n. 2, p. 153-164, 1988; E também do TSANG, Wing; MOKRUSHIN, Vladmir. Mechanism and rate constants for 1, 3-butadiene decomposition. Proceedings of the Combustion Institute, v. 28, n. 2, p. 1717-1723, 2000; E também do PEUKERT, Sebastian; NAUMANN, Clemens; BRAUN-UNKHOFF, Marina. Formation of H-atoms in the Pyrolysis of 1, 3-butadiene and 2-butyne: A Shock Tube and Modelling

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Study. Zeitschrift für Physikalische Chemie, v. 223, n. 4-5, p. 427-446, 2009.

[008] A pirólise do 1,2-butadieno foi um dos objetos de estudo do seguinte artigo: DEAN, A. M. Predictions of pressure and temperature effects upon radical addition and recombination reactions. The Journal of Physical Chemistry, v. 89, n. 21, p. 4600-4608, 1985; E também de KERN, R. D.; SINGH, H. J.; WU, C. H. Thermal decomposition of 1, 2 butadiene. International journal of chemical kinetics, v. 20, n. 9, p. 731747, 1988.

[009] Na literatura de patentes, pode-se citar a patente US3553279A que relata que o etileno pode ser produzido a partir do contato físico entre uma corrente de alimentação de hidrocarbonetos e um sal fundido de carbonato de metal alcalino, hidróxido de metal alcalino ou suas misturas. A desvantagem é que além de formar consideráveis produtos indesejados, é necessário esperar um tempo o suficiente para a formação dos produtos dos hidrocarbonetos, logo o processo pode não ser capaz de atender a demanda exigida pelo mercado.

[010] A patente US5960643A relata que o etileno pode ser produzido através da dismetanização em altas temperaturas, de uma mistura gasosa pressurizada de olefinas provenientes de um pré-processo produtivo das mesmas. Algumas desvantagens são que é necessário um pré-processo para a produção de tais olefinas e que as correntes contendo etileno possuem purezas diferentes.

[011] A patente US5705728A relata um processo para a produção de etileno a partir da reação do etano com o cloreto. Uma desvantagem é que a conversão mínima de etano por passagem no reator é de 50 %.

[012] A patente US4504692A relata que 1,3-butadieno pode ser produzido a partir da desidrogenação simples ou da desidrogenação oxidativa de uma corrente de alimentação constituída por C4-parafinas e C4-olefinas. O

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4/18 processo descrito nesta patente utiliza uma coluna de destilação extrativa, que pode não ser atraente ao ver do custo econômico de operação da planta. O processo descrito nesta patente utiliza uma coluna de destilação extrativa, que pode não ser atraente ao ver do custo econômico de operação da planta.

[013] A patente US7034195B2 relata um processo em que o 1,3butadieno pode ser sintetizado a partir de zonas de desidrogenação nãooxidativa do n-butano e n-buteno com ou sem butadieno contido na mistura, com o uso de catalisadores. Algumas desvantagens são que o processo de produção possui muitas etapas e que também é necessário o uso de catalisadores, tudo isto aumentando o custo na produção.

[014] A patente US9505682B2 descreve um método para produção de butadieno a partir da dimerização do etileno para formação de buteno, seguido pela reação de desidrogenação catalítica oxidativa do buteno, e a conseguinte separação através da absorção do butadieno formado, em um óleo absorvedor. Algumas desvantagens são que é necessário recuperar butadieno das correntes de produto bruto para que não haja perda de insumo, e que também é necessário o uso de catalisadores para a realização da produção.

[015] Como o exposto acima, existem algumas rotas para produção de etileno ou 1,3-butadieno, mas até o presente momento ainda não foi descrito nenhuma outra rota para produção simultânea de etileno e 1,3butadieno através da pirólise do ciclohexeno.

OBJETIVO DA INVENÇÃO [016] O objetivo da invenção é demonstrar duas rotas para um processo de produção simultânea de etileno e 1,3-butadieno a partir da pirólise do ciclohexeno, em proporções praticamente iguais e com alta pureza.

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Visando a substituição dos métodos tradicionais de produção pelo processo descrito na presente patente.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO [017] A presente invenção apresenta duas rotas de um processo eficiente para produção simultânea de etileno e 1,3-butadieno. O processo é caracterizado pela elevada conversão do ciclohexeno em etileno e 1,3butadieno, obtendo uma pureza acima de 97,5% para ambos e o pouco restante para produtos indesejáveis, na corrente de produtos na saída do reator pirolítico. Não são utilizados catalisadores neste processo e há um sistema de integração energética para diminuição de custos na produção e a optativa formação de vapor. Outra vantagem deste processo é que a produção pode ser contínua e suporta elevadas cargas de insumo.

[018] É um dos objetos da presente invenção propiciar um processo para a produção de etileno e 1,3-butadieno através de duas diferentes rotas de produção para a pirólise do ciclohexeno. Onde a primeira rota de produção é compreendida pelas seguintes etapas:

a) O insumo de ciclohexeno proveniente de outros processos ou de estocagem (11), é levado a um sistema de pré-aquecimento (10), onde a temperatura máxima obtida não ultrapassa o valor de 900 K. A pressão do insumo de ciclohexeno tem um valor abaixo da pressão atmosférica ou apenas um pouco acima;

b) O insumo de ciclohexeno segue para o sistema reacional (20) como corrente de alimentação do reator, onde sua temperatura em seu interior, se encontra entre 900 e 1300 K. Nesta etapa, o ciclohexeno reage se transformando majoritariamente em etileno e 1,3-butadieno em um processo tendo a pressão com um valor abaixo da pressão atmosférica ou apenas um pouco acima.

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Nesta rota, o reator pirolítico se encontra dentro de uma câmara que fornece calor (seja devido à combustão ou calor dissipado);

c) A corrente de produto que sai do sistema reacional (20) é levada para o sistema de pré-aquecimento (10) para fornecer calor ao insumo de ciclohexeno;

d) A corrente de produto sai do sistema de pré-aquecimento (10) e é optativamente resfriada com produção de vapor (30) e/ou levada posteriormente para o sistema de separação (40);

e) O sistema de separação (40) separa a corrente de produto em duas correntes, uma rica em etileno (41) e outra rica em 1,3butadieno (42).

[019] A segunda rota de produção é compreendida pelas seguintes etapas:

a) O insumo de ciclohexeno proveniente de outros processos ou de estocagem (51) é levado a um sistema de pré-aquecimento (50), onde a temperatura máxima obtida não ultrapassa o valor de 900 K. A pressão do insumo de ciclohexeno tem um valor abaixo da pressão atmosférica ou apenas um pouco acima;

b) O insumo de ciclohexeno segue para o sistema reacional (60) como corrente de alimentação do reator, onde sua temperatura em seu interior, se encontra entre 900 e 1300 K. Nesta etapa, o ciclohexeno reage se transformando majoritariamente em etileno e 1,3-butadieno em um processo tendo a pressão com um valor abaixo da pressão atmosférica ou apenas um pouco acima. Nesta rota, o reator pirolítico se encontra envolvido por uma camisa com fluido quente passante;

c) A corrente de produto que sai do sistema reacional (60) é optativamente resfriada com a produção de vapor (80) e/ou levada posteriormente para o sistema de separação (90);

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d) O sistema de separação (90) separa a corrente de produto em duas correntes, uma rica em etileno (91) e outra rica em 1,3butadieno (92);

[020] É um adicional objeto da presente invenção propiciar um sistema em circuito fechado entre a camisa do reator pirolítico e o sistema de préaquecimento utizados na segunda rota de produção, onde é compreendido pelas seguintes etapas repetitivas:

a) O fluido aquecedor tem sua temperatura elevada em um equipamento (70) tal como uma caldeira por exemplo. Temperatura esta que ao aquecer o reator pirolítico através de sua camisa, mantenha-o a uma temperatura interna com um valor entre 900 e 1300 K;

b) O fluido aquecedor é levado à camisa do reator para aquecer o reator pirolítico e manter sua temperatura interna com um valor entre 900 e 1300 K;

c) Ao sair da camisa do reator, o fluido aquecedor é levado para o sistema de pré-aquecimento (50), aquecendo o insumo de ciclohexeno até uma temperatura que não ultrapasse 900 K;

d) Ao sair do sistema de pré-aquecimento (50), o fluido aquecedor retorna ao equipamento (70), completando o circuito fechado que continua a prosseguir.

[021] Estes e outros objetos da presente invenção serão melhor compreendidos e valorizados a partir da descrição detalhada da invenção.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS [022] A Figura 1 apresenta o fluxograma da primeira rota apresentada na presente invenção para o processo produtivo de etileno e 1,3-butadieno através da pirólise do ciclohexeno.

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8/18 [023] A Figura 2 apresenta o fluxograma da segunda rota apresentada na presente invenção para o processo produtivo de etileno e 1,3-butadieno através da pirólise do ciclohexeno.

[024] A Figura 3 apresenta Temperatura de alimentação de 900 K, temperatura da camisa fixa de 1.000 K e pressões atmosféricas com variância de 10% [025] A Figura 4 apresenta Perfil de temperatura ao longo do comprimento do reator PFR [026] A Figura 5 apresenta temperatura de alimentação de 900 K, temperatura da camisa fixa de 1.450 K e pressões atmosféricas com variância de 10% [027] FIGURA 6 apresenta Perfil de temperatura ao longo do comprimento do reator PFR

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO [028] A presente invenção refere-se à produção de etileno e 1,3-butadieno a partir da pirólise do ciclohexeno em pressões abaixo da pressão atmosférica ou um pouco acima (em torno de 10% de variância), e em uma faixa de temperatura de 900-1300 K. O processo produtivo está descrito em duas diferentes rotas, onde a diferença preeminente entre elas se estabelece pela mudança na forma com que o reator recebe energia para a realização da pirólise.

[029] A reação de pirólise do ciclohexeno é endotérmica e acontece em um sistema fechado que não deve possuir contato com oxigênio para que não haja reação de combustão. Na pirólise do ciclohexeno e de seus derivados, existem vários subprodutos formados. Porém é a maneira como o processo é conduzido que acarreta na composição final dos produtos desejáveis. Os componentes envolvidos na pirólise do ciclohexeno e seus derivados são:

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a) Ciclohexeno;

b) Etileno;

c) 1,3-butadieno;

d) 2-ciclohexenil;

e) Radical do hidrogênio;

f) 2,5-hexadienil;

g) 1,3-ciclohexadieno;

h) 3-ciclopenten-1-ilmetil;

i) 1,3,5-hexatrieno;

j) 5-metil-2-ciclopenten-2il;

k) Ciclopentadieno;

l) Benzeno;

m) Hidrogênio;

n) Vinil radical;

o) Acetileno;

p) 1,2-butadieno;

q) 2,3-butanodiol.

[030] Catalizadores não são utilizados neste processo de pirólise, e as condições de operação descritas mais adiante, favorecem dominantemente apenas a formação de etileno e 1,3-butadieno. Logo, a formação de alguns destes componentes podem ser desconsideradas, visto que a composição se aproxima da nulidade. Estes componentes irrisórios são:

a) 2,5-hexadienil;

b) 3-ciclopenten-1-ilmetil;

c) 1,3,5-hexatrieno

d) 5-metil-2-ciclopenten-2il;

e) Ciclopentadieno;

f) Benzeno;

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g) Acetileno;

h) Vinil radical;

i) Hidrogênio;

j) 1,3-ciclohexadieno.

[031] Duas rotas viáveis e eficientes para a produção de etileno e 1,3butadieno a partir da pirólise do ciclohexeno, foram descritas no sumário e são agora detalhadas. A primeira rota para o processo é descrita e explicada pelas seguintes etapas:

1) Inicialmente o insumo de ciclohexeno proveniente de outros processos ou de estocagem (11), é levado a um sistema de préaquecimento (10), onde a temperatura máxima obtida não ultrapassa o valor de 900 K. A pressão do insumo de ciclohexeno tem um valor abaixo da pressão atmosférica ou apenas um pouco acima (em torno de 10% de variância). Com estas condições de operações no sistema de pré-aquecimento (10), a formação dos produtos não aconteceria antes da entrada do insumo no reator;

2) O insumo de ciclohexeno segue para o sistema reacional (20) como corrente de alimentação do reator, onde sua temperatura em seu interior, se encontra entre 900 e 1300 K;

[032] Nesta etapa, o ciclohexeno reage se transformando majoritariamente em etileno e 1,3-butadieno em um processo tendo a pressão com um valor abaixo da pressão atmosférica ou apenas um pouco acima.

[033] O sistema de pré-aquecimento (10) do processo desta rota, conforme a Figura 1, é constituído por trocadores de calor do tipo casco e tubo. A corrente utilizada para aquecer o insumo de ciclohexeno (11), nesse sistema, é a corrente de etileno e 1,3-butadieno que sai do sistema reacional (20), e passa pelo casco do trocador, exteriormente aos tubos, ao qual passa-se o insumo de ciclohexeno.

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11/18 [034] O sistema reacional das duas rotas deste processo, representados por (20) e (80) das Figuras 1 e 2, respectivamente, diferem em sua forma. O sistema reacional (20) da primeira rota do processo, é compreendido por um reator que se encontra interno a uma câmara de combustão. Enquanto o sistema reacional (60) da segunda rota encontra-se dentro de uma camisa com fluido quente passante, mudando naturalmente, devido à natureza do processo, a velocidade de pirólise do ciclohexeno. Como a pirólise nessas condições de operação, pode ser demorada, é recomendado o uso de um reator PFR tubular se a vazão de alimentação for acima de 0,5 m³.s^-1. Outros tipos de reatores podem ser usados para vazões de alimentação menores do que a mencionada.

[035] Com estas condições de operação para a pressão no interior do reator, as reações que formam os subprodutos indesejáveis são desfavorecidas e a reação de formação do etileno e 1,3-butadieno é favorecida. Quando a faixa de temperatura se encontra entre 900-1.300 K, a reação de pirólise do ciclohexeno para formação de etileno e 1,3butadieno é favorecida, enquanto as outras são desfavorecidas. Complementarmente, nesta condição de operação para a temperatura, o reator não precisará de grandes volumes de reator para atingir a total conversão do ciclohexeno nos produtos desejáveis.

[036] Com a temperatura entre 900 e 1.300 K, o processo de pirólise do ciclohexeno obtém uma conversão acima de 97,5% para o etileno e 1,3butadieno, podendo-se chegar próximo de níveis absolutos de pureza. As reações significantes de primeira ordem que possuem os maiores valores para as constantes de Arrhenius, em relação às reações que acercam o ciclohexeno e seus derivados, são:

A. Pirólise do ciclohexeno para a formação de 2-ciclohexenil e o radical do hidrogênio. Esta reação acontece em temperaturas entre 300 e 2.500 K;

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B. Pirólise do ciclohexeno para a formação de 1,3-ciclohexadieno e hidrogênio. Esta reação acontece em temperaturas entre 698 e 808 K e em pressões em torno de 30.300 a 344.000 Pa;

C. Pirólise do ciclohexeno para a formação de etileno e 1,3-butadieno. Esta reação acontece em temperaturas entre 300 e 3000 K;

D. Pirólise do 1,3-butadieno formado, para a formação de vinil (radical). Esta reação acontece em temperaturas entre 1.560 e 2.210 K;

E. Pirólise do 1,3-butadieno formado, para a formação de 1,2butadieno. Esta reação acontece em temperaturas entre 1.200 e 1.800 K;

F. Pirólise do 1,3-butadieno formado, para a formação de etileno e acetileno. Esta reação acontece em temperaturas entre 1.500 e 1.800 K e em pressões em torno de 120.000 a 190.000 Pa;

G. Pirólise do 1,2-butadieno formado, para a formação do radical do hidrogênio e de 2,3-butanodiol. Esta reação acontece em temperaturas entre 300 e 2.500 K;

H. Pirólise do 1,2 butadieno formado, para a formação de 1,3butadieno. Esta reação acontece em temperaturas entre 1.300 e 2.000 K e em pressões em torno de 20.300 a 55.700 Pa.

[037] Deve ser entendido que quando a pressão em que a reação ocorre não é mencionada, é porque a cinética da reação é limitada em altas pressões.

[038] As reações indesejáveis e de segunda ordem que acercam a pirólise do ciclohexeno e seus derivados, possuem valores irrisórios para a constante de Arrhenius quando comparadas com as contantes de Arrhenius das reações significantes, em temperaturas entre 900 e 1.300 K. Então essas reações são consideradas insignificantes, não tendo

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13/18 importância na presente invenção e, portanto, suas condições de ocorrência não são mencionadas.

[039] Com o exposto acima, deve ser entendido que a pureza de etileno e 1,3-butadieno no processo de produção, para temperaturas entre 900 e

1.300 K constitui um valor acima de 97,5% para as composições da corrente de produto (na saída do reator). Este valor para a pureza pode ser intensificado, para as correntes finais de etileno e 1,3-butadieno através do sistema de separação (40).

[040] O sistema de separação das duas rotas dos processos (40) e (90), das Figuras 1 e 2, respectivamente, podem ser constituídos por colunas de absorção e/ou colunas de destilação. Esta escolha é feita devido à separação entre os componentes, ser de natureza líquido-líquido, líquidovapor ou vapor-vapor.

[041] Se o projeto da indústria remeter ao uso de colunas de destilação criogênicas, o acionamento da turbina dos compressores contidos nos sistemas (40) e (90), podem ser optativamente realizados com o vapor formado nos sistemas (30) e (80) das Figuras 1 e 2, respectivamente.

EXEMPLIFICAÇÃO [042] Duas simulações do sistema reacional da presente invenção em um reator tubular PFR, são realizadas em condições de operações que estão dentro dos limites especificados pela presente invenção (temperatura do reator entre 900 a 1.300 K e pressões atmosféricas com variância de 10%). Nessas duas simulações, a temperatura de alimentação de ciclohexeno tem o valor de 900 K e a temperatura da camisa é fixa com valores distintos para cada simulação, 1.000 K e 1.450 K. As simulações são realizadas através da ressolução dos balanços de massa dos componentes e do balanço de energia para o reator PFR. Como já justificado, os componentes envolvidos nas reações são todos os componentes

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14/18 envolvidos na pirólise do ciclohexeno subtraídos daqueles que possuem significância irrisória:

a) Ciclohexeno (A);

b) Etileno (B);

c) 1,3-butadieno (C);

d) 2-ciclohexenil (D);

e) Radical do hidrogênio (E);

f) 1,2- butadieno (F);

g) 2,3-butanodiol (G).

[043] A Tabela 1 abaixo mostra as reações que acontecem nos limites estipulados de temperatura e pressão, para as duas simulações no reator PFR tubular:

TABELA 1: Reações que acontecem em uma temperatura entre 900 e

1.300 K e em pressões atmosféricas com variância de 10%.

Reações	Estequiometria
R1	Ciclohexeno Etileno + 1,3-butadieno
R2	Ciclohexeno 2-ciclohexenil + Radical do hidrogênio
R3	1,3-butadieno 1,2-butadieno
R4	1,2-butadieno Radical do hidrogênio + 2,3-butanodiol
R5	1,2-butadieno 1,3-butadieno

[044] A Tabela 2 abaixo mostra as especificações de projeto para as duas simulações:

TABELA 2: Especificações de projeto para as duas simulações da

exemplificação.
Vazão volumétrica de alimentação do ciclohexeno a 900 K	1,6666 m3.s-1
Coeficiente global de transferência de calor (a partir da equação de Dittus-Boelter)	34,8552 J.s-1.m-2.K
Raio do reator	0,15 metros

[045] Os resultados obtidos para a primeira simulação (temperatura de alimentação de 900 K, temperatura da camisa fixa de 1.000 K e pressões

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15/18 atmosféricas com variância de 10%) são mostrados nas duas Figuras abaixo:

[046] O eixo das abcissas da Figura 3 acima diz respeito ao comprimento de reator em metros e o eixo das ordenadas diz respeito à composição molar dos componentes envolvidos nas reações da simulação. O etileno e o 1,3-butadieno possuem composições molares praticamente iguais com um valor de 49,88%, somando um total de 99,76%.

[047] O eixo das abcissas da Figura 4 diz respeito ao comprimento de reator em metros e o eixo das ordenadas diz respeito à temperatura em Kelvin do reator PFR para a primeira simulação.

[048] Os resultados obtidos para a segunda simulação (temperatura de alimentação de 900 K, temperatura da camisa fixa de 1.450 K e pressões atmosféricas com variância de 10%) são mostrados nas duas Figuras 5 e

6.

[049] O eixo das abcissas da Figura 5 diz respeito ao comprimento de reator em metros e o eixo das ordenadas diz respeito à composição molar dos componentes envolvidos nas reações da simulação. O etileno e o 1,3butadieno possuem composições molares praticamente iguais com um valor de 49,835%, somando um total de 99,67%.

[050] O eixo das abcissas da Figura 6 acima diz respeito ao comprimento de reator em metros e o eixo das ordenadas diz respeito à temperatura em Kelvin do reator PFR para a segunda simulação.

[051] Para comprovar ainda mais a pureza destes resultados para o etileno e 1,3-butadieno, as composições molares das reações significantes existentes nas condições de operação descritas para este processo específico, foram calculadas como segue a Tabela 3 abaixo:

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Tabela 3: Composição molar das reações significantes para temperaturas entre 900 e 1.300 K e pressões atmosféricas com variância de 10%.

Composição molar (%)
Produtos formados	900 K	1.300 K
2-ciclohexenil+H.	0,24	1,99
Etileno e 1,3-butadieno	99,76	97,52
1,2-butadieno	-	0,34
2,3-butanodiol+H.	0,01	0,15

[052] Nesta primeira rota para o processo de pirólise do ciclohexeno, o reator pirolítico se encontra dentro de uma câmara que fornece calor (seja devido à combustão ou calor dissipado).

3) A corrente de produto que sai do sistema reacional (20) é levada para o sistema de pré-aquecimento (10) para fornecer calor ao insumo de ciclohexeno;

[053] Nesta etapa, a temperatura da corrente de produto que contém majoritariamente etileno e 1,3-butadieno sai com uma temperatura entre 900-1.300 K a depender da condição de operação do reator. Então o sistema de pré-aquecimento (10) deve ser projetado para que quando esta corrente troque calor com o insumo de ciclohexeno, o mesmo não ultrapasse a temperatura de 900 K.

4) A corrente de produto sai do sistema de pré-aquecimento (10) e é optativamente resfriada com produção de vapor (30) e/ou levada posteriormente para o sistema de separação (40);

5) O sistema de separação separa a corrente de produto em duas correntes, uma rica em etileno (41) e outra rica em 1,3-butadieno (42).

[054] A corrente de produto que foi utilizada para doar calor ao insumo de ciclohexeno, sai resfriada do sistema de pré-aquecimento (10). Porém o processo pode optativamente ser projetado para a produção de vapor (30), através de mais uma etapa de resfriamento da corrente de produto

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17/18 com um trocador de calor, em que o fluido refrigerante é água. Logo em seguida, esta corrente entra no sistema de separação (40) para que ocorra a separação do etileno (41) e 1,3-butadieno (42) em correntes ricas individualmente em cada um destes componentes.

[055] As explicações e justificativas do processo expostas àcima são parecidas para a segunda rota de produção, como descrita no sumário da presente invenção. Porém, a diferença do processo da segunda rota é que o reator está envolvido por uma camisa que o aquece e as correntes do processo percorrem diferentes caminhos, como é mostrado nas Figuras 1 e 2. A camisa do reator da segunda rota participa de um sistema fechado onde é constituído pelas seguintes etapas:

1. O fluido aquecedor tem sua temperatura elevada em uma caldeira (70). Temperatura esta que ao aquecer o reator pirolítico através de sua camisa, mantenha-o a uma temperatura interna com um valor entre 900 e 1300 K;

2. O fluido aquecedor é levado à camisa do reator para aquecer o reator pirolítico e manter sua temperatura interna com um valor entre 900 e 1300 K;

[056] A temperatura em que o fluido aquecedor sai da caldeira (70) é a temperatura de entrada do mesmo, na camisa do reator. Por outro lado, sabe-se que o fluido aquecedor diminui de temperatura à medida em que percorre a camisa do reator até sua saída. Logo, a temperatura de entrada do fluido aquecedor na camisa do reator deve possuir um valor em que possa manter a temperatura interna do reator com um valor entre 900 e

1.300 K. Favorecendo assim a reação de pirólise do ciclohexeno para a formação de etileno e 1,3-butadieno.

3. Ao sair da camisa do reator, o fluido aquecedor é levado para o sistema de pré-aquecimento (50), aquecendo o insumo de ciclohexeno até uma temperatura que não ultrapasse 900 K;

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4. Ao sair do sistema de pré-aquecimento (50), o fluido aquecedor retorna a caldeira (70), completando o circuito fechado que continua a prosseguir.

[057] Seguindo o exposto acima, o processo assegura que a projeção do sistema fechado impossibilite que o insumo de ciclohexeno comece a reagir desde o sistema de pré-aquecimento (50). O sistema dito (50) de acordo com a Figura 2, é constituído por trocadores de calor do tipo casco e tubo, onde o vapor que sai da caldeira (70) circula externamente aos tubos que percorrem o insumo de ciclohexeno. Antes da entrada deste vapor no sistema dito (50) da Figura 2, o mesmo passa por uma linha principal de tubulação conectada à saída da caldeira e que possue vários bicos de saída com válvulas.

[058] Os processos ditos (30) e (80) das Figuras 1 e 2, respectivamente, se referem à optativa produção de vapor, onde os mesmos são constituídos por trocadores de calor que utilizam a água condensada proveniente de piscinas industriais. Um circuito fechado com condensamento do vapor formado e retorno para a piscina, pode ser utilizado para o reaproveitamento da água desta piscina, sendo constituído por condensadores e bombas.

Claims (11)

1. REIVINDICAÇÕES

   1. Processo para produção de etileno e 1,3-butadieno através da pirólise do ciclohexeno, caracterizado por compreender as seguintes etapas:

   a) O insumo de ciclohexeno proveniente de outros processos ou de estocagem (11) é levado a um sistema de pré-aquecimento (10), onde a temperatura máxima obtida não ultrapassa o valor de 900 K. A pressão do insumo de ciclohexeno tem um valor abaixo da pressão atmosférica ou apenas um pouco acima;

   b) O insumo de ciclohexeno segue para o sistema reacional (20) como corrente de alimentação do reator pirolítico.

   c) A corrente de produto que sai do reator pirolítico é levada para o sistema de pré-aquecimento (10) para fornecer calor ao insumo de ciclohexeno;

   d) A corrente de produto sai do sistema de pré-aquecimento (10) e é optativamente resfriada com produção de vapor (30) e/ou levada posteriormente para o sistema de separação (40);

   e) O sistema de separação (40) separa a corrente de produto em duas correntes, uma rica em etileno (41) e outra rica em 1,3-butadieno (42).
2. 2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por reator, preferencialmente se encontra dentro de uma câmara que fornece calor;
3. 3. Processo para produção de etileno e 1,3-butadieno através da pirólise do ciclohexeno, caracterizado por compreender as seguintes etapas:

   a) O insumo de ciclohexeno proveniente de outros processos ou de estocagem (51) é levado a um sistema de pré-aquecimento (50);

   b) O insumo de ciclohexeno segue para o sistema reacional (60) como corrente de alimentação do reator pirolítico;

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   c) A corrente de produto que sai do reator pirolítico é optativamente resfriada com produção de vapor (80) e/ou levada posteriormente para o sistema de separação (90);

   d) O sistema de separação separa a corrente de produto em duas correntes, uma rica em etileno (91) e outra rica em 1,3-butadieno (92).
4. 4. Processo, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por reator possui ao seu redor, uma camisa com fluido aquecedor.
5. 5. Processo, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por em que o sistema de pré-aquecimento (50) e a camisa do reator pirolítico estão conectados, formando um circuito fechado. Onde o circuito é compreendido pelas seguintes etapas repetitivas:

   a) O fluido aquecedor tem sua temperatura elevada em uma caldeira (70);

   b) O fluido aquecedor é levado à camisa do reator para aquecer o reator pirolítico;

   c) Ao sair da camisa do reator, o fluido aquecedor é levado para o sistema de pré-aquecimento (50), aquecendo o insumo de ciclohexeno;

   d) Ao sair do sistema de pré-aquecimento (50), o fluido aquecedor retorna a caldeira (70), completando o circuito fechado que continua a prosseguir.
6. 6. Processo, de acordo com a reivindicação 3 e 5, caracterizado por compreender do dito equipamento eleva a temperatura do fluido aquecedor até um valor o suficiente para manter a temperatura interna do reator entre 900 e 1.300 K, quando acontecer a troca de calor entre o reator e a camisa;

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7. 7. Processo, de acordo com a reivindicação 3 e 5, caracterizado por insumo de ciclohexeno no sistema de pré-aquecimento (50), não alcance uma temperatura maior que 900 K antes de entrar no reator;
8. 8. Processo, de acordo com a reivindicação 1 e 3, caracterizado por temperatura do insumo de ciclohexeno no sistema de pré-aquecimento (10 e 50), preferencialmente não alcance uma temperatura maior que 900 K antes de entrar no reator;
9. 9. Processo, de acordo com a reivindicação 1 e 3, caracterizado por temperatura dos reagentes no interior do reator pirolítico, preferencialmente esteja entre 900 e 1300 K.
10. 10. Processo, de acordo com a reivindicação 1 e 3, caracterizado por pressão do insumo de ciclohexeno no sistema de pré-aquecimento (10 e 50), preferencialmente tenha um valor abaixo da pressão atmosférica ou um pouco acima;
11. 11. Processo, de acordo com a reivindicação 1 e 3, caracterizado por pressão dos reagentes no interior do reator pirolítico, preferencialmente tenha um valor abaixo da pressão atmosférica ou um pouco acima.