一种乙烯与甲苯催化分离制备甲基乙苯的方法
技术领域
本发明涉及甲基乙苯的制备方法,具体地涉及一种低浓度乙烯与甲苯变相催化分离制备甲基乙苯的方法。
背景技术
对甲基乙苯脱氢可得到对甲基苯乙烯,经聚合后可生产聚甲基苯乙烯新型塑料。该聚合物在比重,耐热性,透明度和收缩率等方面均优于现有的聚苯乙烯塑料。此外对甲基苯乙烯可与其它单体共聚,可提高某些聚合物的耐热性和阻燃性,可大量用于工程塑料,醇酸树脂涂料等方面的制造,因而受到广泛重视(Kaeding w w,et al.Chemtech,1982,12(9):556)。目前,对甲基苯乙烯的生产仍以纯乙烯(>99%)为原料(USP4117024,1978),工艺比较复杂,能耗高和投资大。直接用低浓度乙烯与甲苯变相催化分离制备甲基乙苯,在国内外文献和专利中均未见报道。这个工艺的开发具有重要意义。第一随着石油炼制工业的发展,日益排出大量含有低浓度乙烯(含量10-20%)的炼油厂尾气,直接用低浓度乙烯与甲苯变相催化分离制备甲基乙苯为低浓度乙烯的利用找到了新途经。第二为大量过剩的甲苯找到了一条合理利用的新途径。第三用低浓度乙烯与苯烃化制乙苯(张淑蓉,魏永祯,王清遐等,石油炼制,1988,11:33-39),虽是利用低浓度乙烯的新途经之一,但据调查,全国苯的产量不足,需要大量进口。甲苯烷基化工艺是合理利用低浓度乙烯资源的又一途径,也是完善催化裂化工艺的配套工艺,它的生产可明显提高企业的经济效益。
从七十年代Mobil公司(USP4117024,USP5476828,USP5698756)研制出了具有择形催化作用的改性ZSM-5分子筛以来,使甲苯和纯乙烯气相烷基化反应突破了热力学平衡的限制,能获得90%以上浓度的对位甲基乙苯,并且不生成邻位甲基乙苯,而采用传统的AlCl3催化剂和氢型ZSM-5沸石,只能得到接近热力学平衡的甲基乙苯三个异构体。Mobil公司披露的ZSM-5的Si/Al2摩尔比在60以下,采用硅对ZSM-5催化剂进行修饰以提高PET(对甲基乙苯)的选择性。原料与催化剂接触时,反应温度为250-600℃,0.01-10MPa,重量空速为0.1-100h-1,甲苯/乙烯摩尔比:1-10。
为了提高产物中PET选择性,许多专利披露在分子筛催化剂中添加一些择形剂进行修饰,如USP5173461,4950835,4927979,4465886等采用硅对催化剂进行修饰。
USP4548914披露首先用Mg,Ca和或P对ZSM-5进行修饰,然后水处理可提高产物中PET的选择性。
EP296582披露对沸石催化剂先用P进行处理,然后用Mg,Co,Si和碱土处理也可提高产物中PET选择性。
USP4559314报道首先对分子筛催化剂在200-500℃水处理至少1小时可明显提高产物PET选择性。
CN85102828是关于气相制甲基乙苯方法专利。一种结构适宜的ZSM-5沸石并用磷改性的催化剂由甲苯乙烯烷基化制取对甲基乙苯,使产物中对甲基乙苯异构体高达96%以上,不含邻甲基乙苯,可使对甲基乙苯产物直接进行脱氢生成对甲基苯乙烯,再经聚合生成新型高分子塑料对甲基苯乙烯。
CN89105098.1中披露了一种用于甲苯与乙烯进行烷基化反应,特别是适用于低浓度乙烯为原料的甲苯烷基化反应过程所用含有锑(或磷)及镁元素化学改质处理的Pentasil型硅铝沸石催化剂。这种沸石催化剂可以直接用含有硫化氢、水等杂质的炼油厂尾气(含乙烯10-20v%)作原料与甲苯反应制取主要为对位甲基乙苯的过程。与以纯乙烯为原料的甲苯烷基化反应进程相比,当直接采用含杂质的低浓度乙烯的炼油厂尾气为原料时,本发明的沸石催化剂具有良好的反应性能。
CN93115960.1披露了一种用于催化裂化或催化裂解的干气中乙烯与甲苯反应制取对位甲基乙苯的催化剂,它是以含有稀土元素的Pentasil型沸石,且稀土元素是在合成沸石过程中直接加入的,添加硅或铝及镁元素改性,再经高温处理而制成,该催化剂用于上述反应,在反应温度为350-420℃,0.1-10MPa,重量空速为0.3-5h-1,甲苯/乙烯摩尔比:4-6条件下,不但具有较高的催化活性和对位甲基乙苯的选择性,且具有良好的抗硫化氢、耐水蒸气和氧化碳等杂质的性能。
CN93115961.x是一种低浓度乙烯与甲苯反应制取对甲基乙苯的工艺方法,包括烃化反应、芳烃回收、对甲基乙苯蒸出、脱二甲苯、乙苯几部分组成,特点是在催化剂作用下,低浓度乙烯可以直接采用炼油厂催化裂化干气为原料,不需要预先精制以除去H2S、O2、CO2、CO和少量丙烯等杂质而直接进入反应器与甲苯反应,采用反应产物中的多烷基苯等混合物作为吸收剂,回收尾气中芳烃,反应过程不需加压,用低浓度乙烯原料气作为冷激剂分段进入反应器,可分段取走反应热,控制反应温度。本工艺方法乙烯转化率高,乙烯生成对甲基乙苯选择性达90-95%,对甲基乙苯/(对+间)甲基乙苯达90%,尾气中芳烃回收率高,可达99%。
发明内容
本发明的目的在于提供一种乙烯与甲苯催化分离制备甲基乙苯的方法。
为实现上述目的,本发明提供的乙烯与甲苯催化反应分离制备甲基乙苯的方法,原料乙烯气从烃化反应器下部进入,在下部换热段与反应流出物进行热交换,使原料乙烯气达到反应温度;原料甲苯从烃化反应器上部进入,在上部热交换段与反应后尾气和蒸汽甲苯进行热交换,使原料甲苯达到反应温度;上述原料乙烯气和原料甲苯逆向通过烃化反应器中部的反应段时与催化剂接触,产物甲基乙苯和液体甲苯从反应器底部移走;反应段中汽化液态甲苯所需的汽化热是由乙烯和甲苯反应放出的热提供;
反应条件:压力为0.5-3.5Mpa,较佳地反应压力为0.8-3.0Mpa;反应温度为130-260℃,较佳地反应温度为140-260℃;原料甲苯与低浓度原料乙烯气中乙烯摩尔比为1-10,较佳地摩尔比为2-6;低浓度原料乙烯气中乙烯重量空速为0.1-1.0h-1,较佳地重量空速为0.15-0.6h-1条件下。在上述烃化条件下,低浓度原料乙烯气中乙烯的转化率在95%以上,乙烯生成甲基乙苯的选择性80-87%,乙基化选择性93-98%。
所述方法,其中催化剂可以与惰性填料混合装填于烃化反应段,惰性填料/催化剂体积比为0-1.0。
所述方法,其中催化剂为硅铝沸石(如:beta沸石、Y型沸石、丝光沸石或MCM-22沸石),加入多孔材料Al2O3粘结成型,制成异形条状颗粒。
所述方法,其中原料乙烯气中的乙烯浓度>10v%,其它组份为H2、N2、O2、COx、CH4、C2H6、C3H6、C3H8、C4H10、水汽和H2S中的一种或几种。
所述方法,其中原料甲苯为工业纯甲苯以及甲苯和乙烯与甲苯烃化产物的混合物。
所述方法,其中原料甲苯中加入由反应产物分离出的多乙基甲苯,以抑制烃化反应中多乙基甲苯的生成,使乙基甲苯的真实选择性可以达到100w%。
附图说明
图1为本发明变相催化反应分离顶部内回流流程示意图。
图2为本发明变相催化反应分离顶部外回流流程示意图。
上述附图中:1-低浓度原料乙烯;2-新鲜甲苯;3-反应产物;4反应尾气;5-换热段;6-反应段;7-换热段;8-冷凝器;9-加热器;10-甲苯分离罐。
具体实施方式
本发明与中国专利CN93115961.x最大的区别在于烃化反应部分,本发明提供的低浓度乙烯与甲苯变相催化分离生产甲基乙苯的过程,包括低浓度乙烯的原料气与部分从烃化反应器底部流出物混合经加热器(9)予热,进入反应器(参见图1)和下换热段(5)与反应段流下的产物进行直接热交换,使原料气接近所需反应温度,原料甲苯(2)从烃化反应段(6)的上部进入,进入上部的原料甲苯先在加热器(9)予热和在换热段(7)上与反应后的气体尾气和携带的甲苯蒸汽进行直接换热,使其达到反应温度,上述两种原料逆向通过烃化反应段(6)时与催化剂接触,产物甲基乙苯等以及甲苯液体从烃化反应段的下部(3)移走。经上换热段(7)后的反应尾气经冷却段(8)进一步冷却,以降低反应尾气中的甲苯含量,被冷凝的甲苯回流到反应器继续作烃化反应原料使用(简称内回流),尾气从出口(4)排出。外回流流程示意图如图2。如果将烃化反应流出产物一部分返回到烃化反应器(6)上部循环使用,可提高产物中甲苯的利用率,同时部分甲基乙苯进入烃化反应段(6),可起到保护催化剂的作用和相应提高操作温度,对提高甲基乙苯的选择性有利。
本发明中的烃化反应温度低于在一定的操作条件下原料甲苯的沸点进行,烃化反应放出的热量通过反应段中液态甲苯汽化取走,为了进一步降低反应段的温升,也可以在反应段中下部注入部分常温的甲苯再取走一部分反应热,致使反应段的温度维持相对恒定。
本发明与现通用的液相固定床和催化蒸馏存在明显区别。本发明的过程是通过反应本身放出的热量在换热段(7)与原料甲苯和低浓度乙烯原料气在换热段(5)直接进行热交换,使甲苯以及低浓度乙烯原料气接近所需反应温度,甲苯在反应段以汽液两相并存,液态甲苯以膜的形式在反应床层中沿催化剂由上往下移动,而甲苯蒸汽和原料乙烯气沿催化剂的孔隙上升,上述气体为连续相,有效地提高了原料气中乙烯与催化剂的接触时间,从而提高了乙烯的转化率和反应空速,实现了气液逆向催化反应与气(汽)液逆向直接换热合而为一的目的。现通用的气相固定床由于乙烯和甲苯生成甲基乙苯的反应放热,往往导致催化剂床层有较大的温升,影响产物的选择性和宜采用外取热方式把反应热取走。
本发明中使用含有低浓度乙烯的原料气,也可以适应高浓度乙烯原料气,包括炼厂催化裂化干气、催化裂解和热裂解干气,以及乙烯厂的99%浓度乙烯等,原料甲苯可以是工业纯甲苯,也可以是甲苯和乙烯与甲苯烃化产物的混合物。该发明除用于乙烯与甲苯烃化外,也可适应于原料气中含乙烯和/或丙烯与甲苯烃化。
本发明中的低浓度乙烯与甲苯烃化生产甲基乙苯的变相催化分离工艺过程使用的催化剂为硅铝沸石,可选用Beta沸石、Y型沸石、丝光沸石和MCM-22沸石,加入多孔材料Al2O3粘结成型,制成异形条状颗粒。所得的催化剂可以与惰性填料混合装填于烃化反应段,惰性填料/催化剂体积比为0-1.0。
该发明中的低浓度乙烯与甲苯烃化生产甲基乙苯的变相催化分离工艺过程,在烃化反应压力0.5-3.5MPa,较佳的烃化反应压力0.8-3.0Mpa;温度130-260℃,较佳的温度140-260℃;甲苯与乙烯的摩尔比1-10,较佳的摩尔比2-6;乙烯重量空速0.1-1.0h-1,较佳的重量空速0.15-0.6h-1条件下,原料与分子筛催化剂接触,乙烯的转化率在95%以上,乙基甲苯的选择性80-87%,乙基化选择性93-98%。
本发明的变相催化分离反应中,低浓度乙烯中乙烯转化率主要受反应温度,操作压力,进料甲苯与乙烯的分子比和乙烯浓度的影响,而反应段的温度主要受操作压力和进料甲苯与乙烯的分子比的影响,反应温度不能高于一定操作条件下甲苯的沸腾温度,否则导致催化剂床层所谓‘干锅’,损失催化剂的活性和稳定性。
本发明的变相催化分离反应塔不设塔底重沸器,入反应塔内产生的甲苯和甲基乙苯等的蒸汽主要依靠塔底部(1)进入的低浓度乙烯气将其带到塔的反应段,在反应塔中通过逐层汽液交换,甲基乙苯得到逐步分离。
综上所述,甲苯和低浓度乙烯气分别从反应塔上部和下部进入,反应段的温度接近操作条件下甲苯的沸腾温度,在反应段中利用液态甲苯汽化所需汽化热来吸收低浓度乙烯中乙烯和甲苯反应放出的反应热,反应段上下的流出物分别用来加热原料甲苯和原料气,达到反应热的合理利用,在反应中达到了变相催化分离生产甲基乙苯的目的,可实现在较低反应压力和温度条件下高效连续生产甲基乙苯产品,具有热能利用高,反应器结构简单,能耗低,投资省,反应效率高和产品中杂质少等优点。
下面结合较佳实施例对本发明做进一步阐述。
实施例1-8
所用的原料甲苯的组成(w%):甲苯:99.770;苯:0.010;庚烷:0.096,辛烷:0.103;乙苯:0.005,H2O:0.015。原料气的组成(v%)如表1所示,采用的催化剂由抚顺催化剂厂生产的3994(Y型分子筛为主要组份)梅花条状催化剂,4984(beta型分子筛为主要组份)三叶条状催化剂和5995(MCM-22型分子筛为主要组份)异型条状催化剂。反应条件和结果见表2。从表中可以看出在考察的条件范围内,乙烯的转化率在95%以上,乙烯生成乙基甲苯选择性80-87%,乙基化产物选择性93-98%。
表1 原料气的组成(V%)*
编号 |
H2 |
N2 |
COx |
CH4 |
C2H4 |
C2H6 |
C3H6 |
C3H8 |
C4H10 |
O2 |
H2Sppm |
H2Oppm |
1 |
16.05 |
14.62 |
1.37 |
30.86 |
21.59 |
12.25 |
0.62 |
1.10 |
0.53 |
0.63 |
2040 |
1750 |
2 |
23.90 |
16.00 |
2.19 |
26.49 |
16.05 |
13.35 |
0.04 |
0.63 |
0.37 |
0.67 |
1070 |
2050 |
3 |
27.60 |
12.90 |
3.10 |
28.14 |
13.60 |
12.51 |
0.58 |
0.66 |
0.41 |
0.50 |
5 |
10 |
4 |
13.39 |
12.19 |
1.14 |
25.74 |
34.60 |
10.22 |
0.52 |
0.92 |
0.44 |
0.53 |
1701 |
1460 |
5 |
8.08 |
7.36 |
0.69 |
15.54 |
60.52 |
6.17 |
0.31 |
0.55 |
0.27 |
0.32 |
1027 |
881 |
6 |
- |
19.00 |
- |
- |
81.00 |
- |
- |
- |
- |
- |
<5 |
<10 |
*1:抚顺石油二厂催化干气 2:抚顺石油二厂催化干气
3:大连石化分公司催化干气4/5:由1抚顺石油二厂催化干气加入纯乙烯配成
6:由纯乙烯与氮气配成
表2实验结果
实例编号 |
反应条件 |
乙烯转化率% |
主要产物分布w% |
选择性% |
原料气编号 |
催化剂编号 |
温度℃ |
压力Mpa |
空速h-1 |
甲苯乙烯摩尔比 |
C2苯 |
乙基甲苯 |
多乙基甲苯 |
甲基乙苯 |
乙基化 |
1 |
150-157 |
1.00 |
0.15 |
4.08 |
98.20 |
0.25 |
19.19 |
2.86 |
87.03 |
97.58 |
3 |
4984 |
2 |
151-158 |
1.00 |
0.15 |
4.12 |
98.50 |
0.41 |
19.43 |
3.84 |
83.49 |
93.55 |
1 |
3994 |
3 |
149-156 |
1.50 |
0.23 |
4.20 |
96.35 |
0.30 |
18.95 |
4.13 |
82.12 |
94.23 |
1 |
3994 |
4 |
151-159 |
2.00 |
0.28 |
3.81 |
98.33 |
0.38 |
21.75 |
4.58 |
82.60 |
92.71 |
2 |
3994 |
5 |
149-157 |
1.20 |
0.25 |
3.90 |
96.88 |
0.27 |
19.06 |
4.33 |
81.70 |
92.97 |
4 |
3994 |
6 |
147-162 |
1.50 |
0.24 |
5.05 |
98.88 |
0.17 |
14.86 |
3.66 |
80.25 |
92.76 |
5 |
3994 |
7 |
149-165 |
1.20 |
0.47 |
3.74 |
95.11 |
0.30 |
22.26 |
3.89 |
84.77 |
95.62 |
6 |
4984 |
8 |
150-161 |
1.50 |
0.10 |
6.50 |
94.87 |
0.28 |
10.01 |
1.85 |
84.43 |
94.54 |
2 |
5994 |
9 |
149-156 |
1.00 |
0.10 |
3.95 |
97.20 |
0.61 |
22.7 |
5.66 |
80.05 |
91.41 |
2 |
3994 |
10* |
150-165 |
1.50 |
0.21 |
4.15 |
97.19 |
0.29 |
19.01 |
4.03 |
82.50(99.32) |
92.56 |
2 |
3994 |
*原料甲苯中加入3.90w%多乙基甲苯,括号内数字为乙基甲苯的真实选择性。
实施例9
采用表1中催化干气原料,新鲜甲苯加上烃化产物为原料,其混合原料组成如下(w%):苯:0.045;甲苯:90.52;乙基甲苯:7.73;多乙基甲苯:1.58,未知物0.125。反应条件和结果见表2。从表中可以看出在考察的条件下,乙烯的转化率之95%,乙烯生成乙基甲苯选择性≥80%,乙基化产物选择性≥92%。
实施例10
采用表1中催化干气原料,在新鲜甲苯加上3.90w%多乙基甲苯为原料。反应条件和结果见表2。从表中可以看出在考察的条件下,乙烯的转化率97.21%,乙烯生成乙基甲苯选择性82.5%,若将反应产物中多乙基甲苯减去原料中加入的多乙基甲苯量,则真实的乙基甲苯选择性为99.32w%,故采用此方式可以省去多乙基甲苯的反烃化过程。
上述实施例只是部分较佳实施例,并不是对本发明限制。实际上只要是符合发明内容部分阐述的条件都可以实现本发明,因此,本发明保护范围以申请的权利要求为准。