ES2164687T5 - Utilizacion de una composicion catalitica en un procedimiento de oxicloracion de etileno. - Google Patents
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Abstract
COMPOSICION CATALITICA QUE COMPRENDE CLORURO DE COBRE, CLORURO DE MAGNESIO Y CLORURO DE POTASIO DEPOSITADOS SOBRE UNA ALUMINA, UTILIZABLE EN PARTICULAR PARA LA OXICLORACION DE ETILENO EN 1,2DICLOROETANO. EN LOS PROCESOS DE OXICLORACION DE ETILENO CON OXIGENO EN LECHO FLUIDO, ESTA COMPOSICION CATALITICA PERMITE OBTENER UN EXCELENTE RENDIMIENTO EN 1,2-DICLOROETANO SIN PROVOCAR EL DEPOSITO DE SUCIEDADES EN LA SUPERFICIE DE LOS TUBOS DEL HAZ DEL INTERCAMBIADOR TERMICO DISPUESTO EN EL REACTOR.
Description
Utilización de una composición catalítica en un
procedimiento de oxicloración de etileno.
La presente invención se refiere a una
utilización de una composición catalítica en un procedimiento de
oxicloración de etileno.
La oxicloración, es decir la cloración de
hidrocarburos por cloruro de hidrógeno en presencia de aire o de
oxígeno, constituye una reacción conocida desde hace tiempo que se
efectúa habitualmente en presencia de catalizadores constituidos
por sales metálicas depositadas sobre soportes inertes tales como
alúminas, geles de sílice, óxidos mixtos o incluso arcillas u otros
soportes de origen natural. Industrialmente, el catalizador se
utiliza lo más frecuentemente en lecho fluido o pueden ser también
empleados en lecho fijo. Como sales metálicas, se utilizan lo más
frecuentemente los halogenuros tales como cloruro de cobre. Cuando
se utiliza sólo, el cloruro de cobre presenta sin embargo el
inconveniente de ser relativamente volátil, lo que implica una caída
de la actividad catalítica y del rendimiento de la reacción de
oxicloración, inaceptable en las instalaciones industriales.
Es bien conocido mejorar los rendimientos de los
catalizadores de oxicloración constituidos por cloruro de cobre
sobre soporte mediante la adición de cloruros de metales alcalinos,
metales alcalinos-térreos o tierra raras
(lantánidos). En particular ya se han propuesto composiciones
catalíticas para oxicloración que comprenden simultáneamente
cloruros de cobre, de magnesio y de metales álcalinos sobre
alúmina.
La solicitud de patente
EP-A-0255156 de SOLVAY describe
composiciones catalíticas ternarias que contienen una mezcla de
cloruro de cobre, de magnesio y de un metal alcalino elegido entre
sodio o litio utilizados en proporciones precisas y la solicitud
EP-A-0494474 describe composiciones
catalíticas que comprenden cloruros de cobre, de magnesio, de litio
y de al menos un cloruro de metal alcalino distinto del litio que
permiten alcanzar un rendimiento muy bueno en
1,2-dicloroetano en un procedimiento en lecho fluido
de oxicloración de etileno, reduciendo simultáneamente la corrosión
de los reactores de acero inoxidable gracias, principalmente, a una
reducción del pegado y de la aglomeración de los granos del
catalizador.
La solicitud de patente
EP-A-0375202 se refiere a
composiciones catalíticas ternarias a base de cloruro de cobre,
magnesio y potasio que contiene 30 a 90 g de cobre, 2 a 30 g de
magnesio y 2 a 30 g de potasio por kilogramo de composición
catalítica, con una relación atómica Cu:Mg:K de
1:0,1-1,0:0,1-1,0.
Sin embargo, se ha observado que la mayor parte
de las composiciones de la técnica anterior que comprenden
simultáneamente cloruro de cobre, de magnesio y metales alcalinos
depositados sobre alúmina, provocan, en los reactores de
oxicloración de etileno en lecho fluidizado, la deposición de
incrustaciones en la superficie de los tubos del intercambiador del
calor dispuestos en el lecho fluido. Este fenómeno ha sido observado
en particular en los procedimientos con oxígeno, procedimientos en
los cuales el oxígeno se emplea bien sea en forma pura, bien sea en
forma de una mezcla de oxígeno y nitrógeno más rica en oxígeno que
el aire. Este comportamiento de las composiciones catalíticas
constituye un obstáculo importante para su utilización. En efecto,
se forma poco a poco una capa de incrustación cada vez más gruesa
en la superficie de los tubos, lo que implica una degradación
progresiva de la transferencia de calor. Además, este fenómeno
puede, finalmente, inducir corrosión. Por consiguiente es
indispensable proceder a paradas regulares de los reactores para
limpiar los tubos del haz de tubos del intercambiador de
calor.
calor.
Uno de los objetivos de la presente invención es
por consiguiente alcanzar, en un procedimiento de oxicloración de
etileno en lecho fluido, un rendimiento en
1,2-dicloretano elevado sin provocar la deposición
de incrustaciones en la superficie de los tubos del haz de tubos
del intercambiador de calor, especialmente en los procedimientos que
emplean oxígeno.
Por consiguiente, la presente invención se
refiere a una utilización como se define en la reivindicación 1.
De manera sorprendente, se ha observado ahora
que composiciones catalíticas que contienen cloruro de cobre, de
magnesio y de potasio, en las cantidades especificadas no provocan,
en la superficie de los tubos del haz de tubos del intercambiador
de calor dispuesto en el lecho fluido, la deposición de
incrustaciones observadas con la composiciones de la técnica
anterior, permitiendo al mismo tiempo conseguir, en la oxicloración
del etileno en 1,2-dicloretano, una selectividad
para 1,2-dicloretano con respecto a etileno
convertido y un rendimiento de 1,2-dicloretano con
respecto al cloruro de hidrógeno empleado similares, o incluso
mejores, que los obtenidos con las composiciones de la técnica
anterior.
Las composiciones catalíticas utilizadas según
la invención contienen al menos 30 g de cobre por kilogramo de
composición catalítica, de manera preferida al menos 40 g por
kilogramo y, de manera particularmente preferida, al menos 50 g por
kilogramo. Contienen como máximo 90 g de cobre por kilogramo de
composición catalítica. Las que contienen como máximo 80 g por
kilogramo parecen ventajosas. Las que contienen como máximo 70 g por
kilogramo parecen particularmente ventajosas.
Las composiciones catalíticas utilizadas según
la invención contienen al menos 12 g de magnesio por kilogramo de
composición catalítica y de manera particularmente preferida al
menos 15 g por kilogramo. Contienen como máximo 30 g de magnesio
por kilogramo de composición catalítica. Las que contienen como
máximo 25 g por kilogramo parecen ser ventajosas. Las que contienen
como máximo 20 g por kilogramo parecen ser particularmente
ventajosas.
Las composiciones catalíticas utilizadas según
la invención contienen al menos 0,1 g de potasio por kilogramo de
composición catalítica, de manera preferida al menos 0,5 g por
kilogramo y, de manera particularmente preferida, al menos 1 g por
kilogramo. Contienen como máximo 10 g de potasio por kilogramo de
composición catalítica. Las que contienen como máximo 9 g por
kilogramo parecen ser ventajosas. Las que contienen como máximo 6 g
por kilogramo parecen ser particularmente ventajosas.
Se han obtenido buenos resultados en
oxicloración de etileno por medio de la utilización de composiciones
catalíticas que contienen 40 a 80 g de cobre, 12 a 25 g de magnesio
y 0,5 a 9 g de potasio por kilogramo de composición catalítica.
En las composiciones utilizadas según la
invención, la relación atómica Mg/Cu es de preferencia al menos 0,3
y de manera particularmente preferida al menos 0,5. Ventajosamente,
esta relación no sobrepasa 1,5. Muy ventajosamente no sobrepasa
1,0.
La relación atómica K/Cu es preferiblemente al
menos 0,01 y, de manera particularmente preferida, al menos 0,025.
Ventajosamente, esta relación no sobrepasa 0,30. Muy ventajosamente
no sobrepasa 0,25.
La relación atómica K/Mg es de preferencia al
menos 0,01 y de manera particularmente preferida al menos 0,025.
Ventajosamente, esta relación no sobrepasa 0,8. Muy ventajosamente,
no sobrepasa 0,5.
Se han obtenido muy buenos resultados en
oxicloración de etileno con composiciones que presentan relaciones
atómicas Cu:Mg:K de
1:0,5-1,0:0,025-0,25.
La alúmina empleada como soporte en las
composiciones catalíticas utilizadas según la invención puede ser
de cualquier origen y obtenerse según cualquier procedimiento
conocido; se utilizan habitualmente alúminas del tipo eta o gamma.
Se han obtenido buenos resultados con un alúmina gamma. La alúmina
empleada en las composiciones catalíticas utilizadas según la
invención presenta generalmente un diámetro medio de partículas
comprendidas entre 10 y 200 \mum y de preferencia un diámetro
medio comprendido entre 20 y 120 \mum. Su superficie específica,
según el método B.E.T., está generalmente comprendida entre 50
m^{2}/g y 250 m^{2}/g. Se han obtenido buenos resultados en
oxicloración de etileno con una alúmina que presenta una superficie
específica de 100 m^{2}/g a 210 m^{2}/g. Finalmente, el volumen
de los poros de las alúminas habitualmente empleadas se sitúa entre
0,1 y 1 cm^{3}/g. De preferencia, el volumen de poros está
comprendido entre 0,2 y 0,8 cm^{3}/g y se han obtenido buenos
resultados en la oxicloración de etileno con una alúmina que
presenta un volumen de poros de 0,3 a 0,6 cm^{3}/g.
El modo de obtención de las composiciones
catalíticas utilizadas según la invención no es crítico. Los
cloruros metálicos pueden introducirse en la composición catalítica
bien sea directamente en forma de cloruros, por ejemplo por
impregnación del soporte con ayuda de una solución que contiene una
mezcla de estas sales, bien sea en forma de otros compuestos de
metales tales como óxidos, hidróxidos, nitratos o cualquier otro
compuesto capaz de ser transformado en cloruro en las condiciones
en las cuales se realizan las reacciones de oxicloración. La
preparación de las composiciones catalíticas puede realizarse
principalmente en un tambor rotatorio, en un lecho fluidizado, por
impregnación de la alúmina con una solución de los cloruros
metálicos, en una o varias pasadas, en presencia o no de aditivos
tales como ácidos, por ejemplo ácido clorhídrico.
Un modo de obtención que ha dado muy buenos
resultados consiste en impregnar un alúmina con una solución acuosa
que contiene las cantidades adecuadas de los cloruros de cobre, de
magnesio y de potasio en la cual se evita la aparición de una fase
líquida no absorbida por el sólido limitando el volumen de la
solución impregnante a 70 a 100% del volumen de poros de la
cantidad de alúmina empleada. La alúmina impregnada se seca a
continuación antes de ser introducida en el reactor de oxicloración
propiamente dicho.
Las composiciones catalíticas finales presentan
generalmente una superficie específica B.E.T. comprendida entre 25
m^{2}/g y 200 m^{2}/g y de preferencia entre 50 a 150 m^{2}/g.
Se han obtenido buenos resultados en la oxicloración de etileno con
composiciones catalíticas que presentan una superficie específica
B.E.T. de 80 a 140 m^{2}/g.
La utilización según la invención conviene para
los procedimientos de oxicloración con aire o con oxígeno. Está
particularmente bien adaptada al procedimiento con oxígeno que
emplea el oxígeno puro o una mezcla de oxígeno/nitrógeno más rica
en oxígeno que el aire.
Cuando se opera con un catalizador dispuesto en
lecho fluidizado, la temperatura a la cual se efectúa la reacción
de oxicloración se sitúa habitualmente entre 200 y 300ºC. De
preferencia, esta temperatura está comprendida entre 220 y 280ºC.
Finalmente, se han obtenidos buenos resultados a una temperatura
aproximadamente 230-270ºC.
La presión a la cual se efectúa la reacción de
oxicloración no es crítica en sí mismo. Habitualmente, se trabaja
con presiones comprendidas entre 0,1 y 1 MPa y de preferencia con
presiones comprendidas entre 0,1 y 0,8 MPa. En la velocidad de
fluidización de las composiciones catalíticas no es crítica por si
misma y depende esencialmente de la granulometría del catalizador y
de las dimensiones del aparato. Generalmente, se trabaja con
velocidades comprendidas entre 5 y 100 cm/s finalmente, la relación
de los reactivos empleados es la misma que la utilizada
generalmente en los procedimientos anteriores. Por lo general, se
trabaja con un ligero exceso de etileno con relación a la cantidad
estequométrica necesaria para reaccionar con el HCl empleado. Sin
embargo, la composiciones catalíticas utilizadas según la invención
permiten indiferentemente trabajar con excesos importantes de
etileno o en la proximidad de la estequiometría incluso en exceso
de HCl.
La invención se encuentra más ampliamente
ilustrada por los ejemplos siguientes. Los ejemplos marcados con
(c) se refieren a ejemplos dados a título comparativo.
\vskip1.000000\baselineskip
Ejemplos 1 a
9
Se preparó un catalizador partiendo de una
alúmina gamma que presentaba una superficie específica de 186
m^{2}/g, un volumen de poros de 0,38 cm^{3}/g, un peso
específico (medido por vertido libre) de 0,75 kg/dm^{3} y un
diámetro medio de partículas 50 \mum. A aproximadamente 800 g de
esta alúmina se le añadió una solución acuosa de impregnación que
comprendía en estado disuelto CuCl_{2}.2H_{2}O,
MgCl_{2}.6H_{2}O y KCl en cantidades adecuadas para obtener
después del secado a 150ºC, aproximadamente 1 kg de catalizador que
presentan, calculada en forma metálica con respecto al peso total
del catalizador, un contenido en cobre de 60 g/kg, un contenido de
magnesio de 18 g/kg y un contenido en potasio de 1,3 g/kg. Expresado
en relación atómica, la proporción entre los diferentes metales
Cu:Mg:K es
1:0,80:0,035.
1:0,80:0,035.
Los catalizadores empleados en los ejemplos 2 a
9 se prepararon de la misma manera que el catalizador del ejemplo
1, partiendo de la misma alúmina impregnada por una solución acuosa
que contenía CuCl_{2}.2H_{2}O, MgCl_{2}.6H_{2}O y KCl y
LiCl con NaCl en cantidades y proporciones adecuadas. Los contenidos
en metales en estos diferentes catalizadores se reunen en la Tabla
I.
Estos 9 catalizadores se ensayaron en la
oxicloración de etileno en un reactor micro-piloto
en lecho fluido que contenía 225 cm^{3} de catalizador. El
catalizador se fluidizó por medio de gases reaccionantes
introducidos por la parte inferior a través de un filtro metálico
sinterizado. Las condiciones operatorias en las cuales se
realizaron los ensayos son las siguientes:
- relación 2C_{2}H_{4}/HCl= 1,07 mol/mol
- relación 4O_{2}/HCl = 1,35 mol/mol
- velocidad del gas: 10 cm/s (con relación al
reactor vacío bajo presión y a temperatura de ensayo)
- temperatura: 260ºC
- presión: 0,6 MPa
- tiempo de permanencia: 5 s.
\vskip1.000000\baselineskip
Los productos de reacción que abandonan el
reactor se expandieron hasta la presión atmosférica mediante una
válvula de regulación de la presión del reactor y se refrigeraron en
un recipiente de captura mantenido a -20ºC. Los gases no
condensados se lavaron en un lavador con agua antes de barrer una
ampolla de toma de muestra. El balance de productos formados se
efectúo al inicio de los análisis cromatográficos de los productos
líquidos y gaseosos recogidos y de la valoración de la acidez de la
solución acuosa recogida al pie del lavador. El rendimiento de
1,2-dicloroetano (relación molar entre el DCEa
formado y el HCl empleado) es la selectividad para DCEa (relación
molar entre el DCEa formado y el etileno convertido) se presentan en
la Tabla I.
La deposición de incrustaciones provocada por
los diferentes catalizadores se midió en un reactor
micro-piloto similar al reactor descrito
anteriormente pero provisto además de un tubo en forma de dedo de
guante que está sumergido verticalmente en el lecho fluido. Este
tubo en forma de dedo de guante comprende un doble pared en la cual
circula un aceite mantenido a una temperatura inferior a la
temperatura la cual se realiza la reacción. La deposición de
incrustaciones se determina visualmente por examen de las
superficies externas de este tubo en forma de dedo de guante
después de 20 horas de funcionamiento del reactor en las condiciones
siguientes:
- relación 2C_{2}H_{4}/HCl= 1,07 mol/mol
- relación 4O_{2}/HCl = 1,12
- velocidad del gas: 2,5 cm/s
- temperatura del lecho fluido: 270ºC
\newpage
- temperatura en la superficie externa del tubo
en forma de dedo de guante: 180ºC
- presión: 0,7 MPa
- tiempo de permanencia: 12 s.
\vskip1.000000\baselineskip
En estas condiciones, los resultados obtenidos
reflejan el comportamiento de los catalizadores observados después
de algunos meses de funcionamiento en un reactor industrial. Una
calificación mediante una cifra es asignada a los catalizadores en
función del aspecto de las incrustaciones y del recinto en cual
aparecen en la superficie externa del tubo en forma de dedo de
guante. En la única figura se ha esquematizado el tubo en forma de
dedo de guante (1) que está sumergido en el lecho fluido (2). El
tubo comprende cuatro zonas distintas: una punta cónica (3), una
superficie cilíndrica (4), que está sumergida en el lecho fluido
(2), una interfase (5), situada justo por encima del lecho fluido y
una superficie cilíndrica (6) situada fuera del lecho fluido por
encima de la interfase (5). La presencia de un velo, es decir de una
fina película adherente que no comprende partículas de catalizador,
en la punta (3) o en la superficie (4) que está sumergida en el
lecho fluido vale 1 punto. La presencia de una costra, es decir de
un depósito más grueso que comprende partículas de catalizador que
se adhieren a la superficie del tubo, vale 2 puntos en la punta (3)
y en la superficie (4) y 1 punto en la interfase (5). En la zona de
la superficie (6) situada fuera del lecho, solo se ha observado
algunas veces la presencia de agregados y se cuenta como 1 punto.
La presencia sobre cualquier zona de la superficie del tubo de
partículas no adherentes del catalizador no se tiene en cuenta. Una
calificación de cero será pues atribuida a un catalizador que no
provoca ningún depósito de incrustaciones durante el ensayo mientras
que a un catalizador que provoca una aparición importante de
incrustaciones, puesta de manifiesto, por ejemplo, por la presencia
de costras en el punto (3) (2 puntos) en la superficie (4) (2
puntos) y en la interfase (5) (1 punto) se le deberá atribuir una
calificación de 5.
Los resultados obtenidos se reúnen en la Tabla
I, que recoge las composiciones de los diferentes catalizadores
ensayado, los resultados obtenidos en la oxicloración de etileno así
como las medidas de deposición de incrustaciones.
Las composiciones catalíticas de los ejemplos 4
a 9 de comparación, dan un buen rendimiento en
1,2-dicloretano con relación a HCl y una buena
selectividad de etileno para 1,2-dicloretano pero
provocan la deposición de incrustaciones en la superficie del tubo
en forma de dedo de guante. Por el contrario los ejemplos 1 a 3
demuestran que las composiciones utilizadas según la invención no
provocan ningún depósito de incrustaciones procurando al mismo
tiempo una selectividad y un rendimiento en
1,2-dicloretano muy elevados.
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(Tabla pasa a página
siguiente)
Claims (7)
1. Utilización de una composición catalítica que
consiste en cloruros de cobre, de magnesio y de potasio depositados
sobre una alúmina, caracterizada porque la composición
catalítica contiene de 30 a 90 g de cobre, de 12 a 30 g de magnesio
y 0,1 a 10 g de potasio, expresada en forma metálica por kilogramo
de composición catalítica, en un procedimiento en lecho fluido de
oxicloración de etileno para evitar la deposición de incrustaciones
en la superficie de los tubos del haz de tubos del intercambiador de
calor dispuesto en el lecho fluido.
2. Utilización según la reivindicación 1 de una
composición catalítica, que contiene 40 a 80 g de cobre, de 12 a 25
g de magnesio y de 0,5 a 9 g de potasio, expresados en forma
metálica, por kilogramo de composición catalítica.
3. Utilización según la reivindicación 1 o 2 de
una composición catalítica, en la cual la relación atómica K/Cu es
de 0,01 a 0,30.
4. Utilización según la reivindicación 3 de una
composición catalítica, en la cual la relación atómica K/Cu es de
0,025 a 0,25.
5. Utilización según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 4 de una composición catalítica, en la cual la
relación atómica K/Mg es de 0,01 a 0,8.
6. Utilización según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 5 de una composición catalítica, en la cual la
relaciones atómicas Cu:Mg:K son de
1:0,5-1,0:0,025-0,25.
7. Utilización según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 6 de una composición catalítica, en la cual la
alúmina presenta una superficie específica, medida según el método
B.E.T., comprendida entre 50 m^{2}/g y 250 m^{2}/g.
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