ES2200489T3

ES2200489T3 - Destilacion reactiva.

Info

Publication number: ES2200489T3
Application number: ES99811076T
Authority: ES
Inventors: Peter Moritz; Willem Wiekert Levering; Raymond Charles Pluss
Original assignee: Sulzer Chemtech AG
Current assignee: Sulzer Chemtech AG
Priority date: 1998-12-22
Filing date: 1999-11-23
Publication date: 2004-03-01
Anticipated expiration: 2019-11-23
Also published as: KR20000062215A; TW452500B; EP1013325B1; DE59905823D1; PL337271A1; CN1260229A; CA2288312C; US20030124038A1; JP2000189788A; CA2288312A1; CN1158125C; EP1013325A1; SG74756A1; ZA997521B; CZ9904683A3; BR9905921A; ATE242029T1

Abstract

Destilación reactiva en una columna (1) con una guarnición (2) realizada al menos en parte como soporte de un catalizador (23), donde se entiende por destilación reactiva un procedimiento en el cual se efectúan reacciones catalíticas con destilación simultánea, donde la guarnición comprende una multitud de espacios de piezas que contienen sustancias sólidas y oquedades entre los espacios de piezas, donde las oquedades y los espacios de piezas se extienden en gran medida a lo largo de un eje de la columna o formando ángulos con respecto a éste, donde los espacios de piezas citados están formados respectivamente por un lecho sólido que contiene sustancias de efecto catalítico, donde además la guarnición es atravesada por dos fases, concretamente fluidos (3, 4) de diferentes densidades, fluyendo el primer fluido, el más denso, a través de los espacios de las piezas de lecho sólido con un caudal de volumen Vi (300), que es el llamado caudal de volumen interno, donde el segundo fluido, el menosdenso, fluye a contracorriente a través de las oquedades, y donde tienen lugar, por una parte, reacciones catalíticas en el lecho sólido y por otra parte, una transferencia de masa entre los dos fluidos, caracterizada porque para el caudal de volumen Vi del fluido más denso (3) se ajusta un valor que está situado dentro de un intervalo (I) alrededor de un valor señalado a, porque el valor a se corresponde con una función del caudal de volumen Vi y esta función es una distribución del tiempo de permanencia (32) del fluido de mayor densidad, porque la variancia s de la distribución del tiempo de permanencia es una segunda función del caudal de volumen Vi en forma de una curva determinada por vía experimental, porque esta función s(Vi) adopta para Vi = a un mínimo, y porque en los límites del intervalo citado el caudal de volumen Vi no se diferencia del valor a en más de un 30%, preferentemente un 10%.

Description

Destilación reactiva.

La invención se refiere a una destilación reactiva según el preámbulo de la reivindicación 1 y a las aplicaciones de la destilación reactiva. Una destilación reactiva de este tipo se conoce por la patente
WO 90/02603.

Se entiende por destilación reactiva un procedimiento en el cual se llevan a cabo reacciones catalíticas en una columna, con destilación simultánea. La columna puede trabajar como columna con guarnición. La guarnición de la columna comprende normalmente una multitud de espacios de piezas que contienen sustancias sólidas y de oquedades entre los espacios de piezas, donde las oquedades y los espacios de piezas se extienden sensiblemente a lo largo del eje de la columna o formando ángulos con éste, y los espacios de piezas están formados respectivamente por un lecho sólido que contiene sustancias con efecto catalítico. Un fluido más denso fluye a través de los espacios de piezas del lecho sólido con un caudal de volumen que se denomina caudal de volumen interno. Un fluido menos denso fluye a contracorriente a través de las oquedades. Los espacios de piezas del lecho sólido están limitados por paredes que son permeables para los fluidos. Tienen lugar por una parte reacciones catalíticas en el lecho sólido y por otra parte, una transferencia de masa entre los dos fluidos.

En el curso de la destilación reactiva se forman subproductos indeseables, cuyas concentraciones dependen de los parámetros de trabajo. Por lo general se necesita un reacondicionamiento del producto, que es tanto más complejo cuanto mayor sea el número de subproductos que se hayan formado. Por ese motivo los parámetros de trabajo se eligen ventajosamente de tal manera que la producción de subproductos sea lo más reducida posible. Pero por otra parte se tiende también a lograr una tasa de producción, la mayor posible, de la destilación reactiva que se ha de realizar, por unidad de volumen de la guarnición. Para conseguir esto hay que procurar que toda la superficie de la guarnición que potencialmente está disponible para la reacción, quede cubierta (humedecida) por el fluido más denso. Por la patente US-A 5.120.403 se conoce una destilación reactiva en la que la guarnición se "inunda" de una fase líquida, y una fase gaseosa forma con la fase líquida una espuma que se transporta a través de la guarnición.

El objetivo de la invención es el de crear un procedimiento para llevar a cabo una destilación reactiva en la que la producción de subproductos sea mínima o al menos quede cerca del mínimo posible, y en el cual la tasa de producción de los productos a producir sea lo mayor posible. Este objetivo se resuelve mediante la destilación reactiva definida en la reivindicación 1.

Las reivindicaciones dependientes se refieren a formas de realización ventajosas de la invención. El objeto de las reivindicaciones 7-9 es una aplicación del procedimiento objeto de la invención.

A continuación se describe la invención sirviéndose de los dibujos. En éstos pueden verse:

Figura 1 la parte inferior de una columna mediante la cual se puede llevar a cabo una destilación reactiva,

Figura 2 detalle de una guarnición para llevar a cabo la destilación reactiva,

Figura 3 un diagrama para explicar la distribución del tiempo de permanencia,

Figura 4 una curva determinada por vía experimental que representa la dependencia entre la variancia de la distribución del tiempo de permanencia y el caudal de volumen interno,

Figura 5 partes de pared de una pieza de guarnición en forma de cojín,

Figura 6 una estructura portante con una pieza de guarnición de forma cilíndrica, y

Figura 7 detalle de una guarnición con dos clases de estructuras de guarnición.

La columna 1 de la Figura 1 contiene una guarnición 2, tal como se conoce por la memoria de patente EP 0 640 385. La guarnición 2 comprende unos elementos de guarnición 2' dispuestos de forma apilada, formados por capas 2'' alineadas a lo largo de una dirección de flujo principal 10, donde las capas 2'' están formadas por piezas de guarnición 23 que tienen esencialmente forma cilíndrica. Entre las piezas de guarnición 23 hay unos canales de flujo que se cruzan y que están abiertos entre sí. Las piezas de guarnición 23 están colocadas en una estructura soporte a modo de rejilla, que no está representada en la Figura 1. Los elementos de guarnición contiguos 2' están decalados respectivamente entre sí formando un ángulo de 90º. Unos cuellos 12 forman obstáculos de desvío para los fluidos 3 y 4 que intervienen en la destilación reactiva (véase la Figura 2).

Mediante las Figuras 2 y 3 se explican a continuación aspectos de la destilación reactiva que son necesarios para explicar la invención. Los fluidos 3 y 4, que forman dos fases de diferente densidad, fluyen a través de la guarnición 2 a contracorriente en la dirección del eje z, que es paralelo a un eje de la columna. La guarnición comprende oquedades 24 y espacios de piezas 23 que se extienden ampliamente a lo largo del eje de la columna, o que también pueden estar alineados formando ángulos con respecto al eje de la columna. Los espacios de piezas 23 forman respectivamente un lecho sólido 24, en particular, un cuerpo a granel a base de un granulado que es un portador de sustancias de efecto catalítico. Los espacios de piezas 23 están limitados por paredes 22 que son permeables para los fluidos 3, 4. Estas paredes 24 pueden estar fabricadas, por ejemplo, de malla de alambre (en forma de tejidos, trenzados o tricotados).

El fluido 3 fluye con un caudal de volumen interno 300 a través del lecho sólido 22. Las flechas 30 indican las vías por las que se mueven las moléculas de las sustancias contenidas en el fluido 3. Mediante reacciones en los puntos 21 (dentro del lecho sólido 20), las sustancias de partida se transforman en los productos deseados o en subproductos indeseables (flecha 30'). En las superficies del lecho sólido 20 formadas por las paredes 22 tiene lugar una transferencia de masa (flechas 40, 41) entre los fluidos 3 y 4. Mediante esta transferencia de masa se puede efectuar una destilación.

Las moléculas contenidas en el fluido 3 presentan distintos tiempos de permanencia en el lecho sólido 20. Una molécula introducida en el lecho sólido 20 en el punto z = 0 y en el momento t = 0, véase el diagrama de la Figura 3, se encuentra en un momento posterior t = t_{1} en el entorno de un punto descrito por z = z_{1}. Las dos líneas de trazos y puntos 301 y 302 indican la gama de dispersión de las vías por las que se desplazan las moléculas a través del lecho sólido 20. La distribución de frecuencias de los lugares de permanencia z de las moléculas en el momento t = t_{1} viene dada por una curva de Gauss 31 que está representada cualitativamente como curva funcional c = c(z; t = t_{1}). Si en el extremo inferior del lecho sólido 20, concretamente en z = z_{2}, se registra la salida de moléculas marcadas que habían sido introducidas todas ellas simultáneamente en el lecho sólido 20 en el momento
t = 0, se obtiene una curva de Gauss 32: c' = c'(t;
z = z_{2}). Para esta curva se puede determinar una variancia s. Esta variancia s depende del caudal de volumen interno 300. Las moléculas marcadas pueden ser, por ejemplo, iones cuya concentración se puede determinar en el extremo del lecho sólido z = z_{2} mediante mediciones de la conductividad eléctrica.

Las mediciones de la variancia s en función del caudal de volumen interno 300 dan la curva 33, que presenta un mínimo: véase la Figura 4. Al mínimo de s le corresponde un valor señalado a del caudal de volumen interno, en el cual también es mínima la cantidad de subproductos producida. Para un caudal de volumen interno mucho más pequeño que a se produce en el lecho sólido 20 un estancamiento del fluido 3, y por lo tanto, a unos tiempos de permanencia parcialmente superiores, lo que da lugar a que se ensanche la curva 32 y por lo tanto a que se produzca un aumento de la variancia s. En el caso de un caudal de volumen interno mucho mayor que a se produce en la superficie del lecho sólido 20 formada por las paredes 22 un bypass de fluido. Este fluido fluye a lo largo del lecho sólido 20 con efecto catalítico, y entra muy poco en contacto con él. El fluido 3 tiene unos tiempos de permanencia parcialmente superiores, lo que da lugar también al ensanchamiento de la curva 32 y a un aumento de la variancia s.

Para una tasa de producción especificada, de la destilación reactiva que se ha de realizar, se obtiene un procedimiento óptimo si la columna se dimensiona de tal manera que el caudal de volumen interno adopte el valor señalado a. Las variaciones respecto a este valor a que estén dentro de un intervalo I limitado alrededor del valor a, no dan lugar a un empeoramiento esencial del procedimiento. En los límites de este intervalo I, el caudal de volumen interno se puede diferenciar del valor señalado a hasta en aproximadamente un 30%. Obviamente se debe preferir que la diferencia sea del 10% o menor.

Por la memoria de patente EP 0 631 813 se conoce otra guarnición adecuada para llevar a cabo la destilación reactiva. Las piezas de la guarnición 23 que forman capas paralelas tienen forma de cojín y comprenden dos paredes 22' y 22'' permeables para el fluido: véase la Figura 5. El espacio interior de la pieza de guarnición 23 contiene un granulado 200 con sustancias de efecto catalítico. Unos canales paralelos 25 en las paredes 22' y 22'', perfiladas a modo de acanaladuras, forman el espacio interior. Estos canales 25 se cruzan y están abiertos entre sí. En el borde de la pieza de guarnición 23 están cerrados. Debido al perfilado de las paredes 22' y 22'' se forman también entre las capas contiguas sendas oquedades, a modo de canales, que se cruzan y que están abiertas entre sí.

La Figura 6 muestra otra guarnición adecuada, que se conoce por la ya citada patente EP 0 640 385. Para las piezas de guarnición 23 se emplean como estructura portante una estructura estática mixta 23 a base de superficies 51 y 52 plegadas en zig-zag. Todos o también solo algunos de los canales formados por el plegado en zig-zag pueden contener respectivamente una pieza de guarnición 23. Sobre la estructura portante 5 se forma también por lo general una película del fluido más denso. De este modo aumenta la superficie disponible para la destilación.

Con el fin de poder facilitar superficies aun mayores para la destilación, la guarnición 2 se puede diseñar de la forma siguiente: véase la Figura 7. En la columna se disponen zonas 6 y 7 de una primera y de una segunda clase, en una secuencia alternante en la dirección del eje de la columna. En las zonas 6 de la primera clase están contenidas estructuras de guarnición 5 (véase la Figura 6), donde únicamente tiene lugar una transferencia de masa entre los dos fluidos. En las zonas 7 de la segunda clase figuran unas estructuras de empaquetadura 5' 23 en las que tiene lugar la destilación reactiva. Las longitudes de las zonas 6 y 7 se pueden variar para poder facilitar superficies de diferente tamaño.

Para la columna de guarnición se especifica una cantidad de producción de la destilación reactiva. La capacidad de la guarnición de la columna es preciso diseñarla, de acuerdo con la invención, de tal manera que el caudal de volumen interno previsto para el funcionamiento de la columna se corresponda, por una parte, en gran medida con el volumen de producción especificado, y por otra parte, se encuentre dentro del intervalo I citado, alrededor del valor señalado a.

La destilación reactiva objeto de la invención se puede emplear, por ejemplo, para la preparación o disociación de ésteres, éteres y alcoholes. Otras aplicaciones pueden ser la hidrogenación selectiva de olefinas o de aromáticos, así como para la realización de isomerizaciones.

Un ejemplo que permite explicar la destilación reactiva conforme a la invención:

La síntesis de metil-ter-butiléter (MTBE) se puede realizar en una destilación reactiva con guarniciones de efecto catalítico (véase la patente WO 90/02603). Para ello se transforma isobuteno de una corriente de C4 con metanol para formar MTBE. Como catalizador se puede emplear para ello una resina ácida de intercambio de iones. Junto a la reacción principal pueden producirse principalmente tres reacciones secundarias. Por una parte, el flujo del C4 puede contener trazas de agua, con la que el isobuteno reacciona para formar terbutanol. Por otra parte, el isobuteno puede reaccionar consigo mismo para formar diisobuteno; también puede tener lugar la condensación de metanol para formar dimetiléter. Las dos reacciones secundarias citadas en último lugar aparecen cuando hay gran exceso de uno de los elementos de la reacción, o en ausencia del otro elemento de la reacción.

En una destilación reactiva que trabaje con guarniciones de efecto catalítico, cuando el caudal de volumen interno es pequeño, se produce en diversos puntos un estancamiento de la fase líquida y por lo tanto, a unos tiempos de permanencia parcialmente superiores en la zona de reacción de la columna. En estas zonas de estancamiento se forman en mayor medida las reacciones secundarias citadas, en el caso de exceso de uno de los elementos de la reacción o cuando por motivos de la reacción esté ausente el otro elemento de la reacción. En el caso de que el caudal de volumen interno rebase el límite superior del intervalo I se evitan también zonas de estancamiento, pero entonces el rendimiento de la reacción disminuye notablemente.

En la destilación reactiva objeto de la invención, el caudal de volumen interno de la columna se ajusta de tal manera que la sustancia sólida de efecto catalítico es atravesada uniformemente por la fase líquida y se evitan zonas de estancamiento en el lecho sólido de efecto catalítico. De esta manera el catalizador se humedece en su totalidad y se suprimen en parte las reacciones secundarias citadas.

Claims

1. Destilación reactiva en una columna (1) con una guarnición (2) realizada al menos en parte como soporte de un catalizador (23), donde se entiende por destilación reactiva un procedimiento en el cual se efectúan reacciones catalíticas con destilación simultánea, donde la guarnición comprende una multitud de espacios de piezas que contienen sustancias sólidas y oquedades entre los espacios de piezas, donde las oquedades y los espacios de piezas se extienden en gran medida a lo largo de un eje de la columna o formando ángulos con respecto a éste, donde los espacios de piezas citados están formados respectivamente por un lecho sólido que contiene sustancias de efecto catalítico, donde además la guarnición es atravesada por dos fases, concretamente fluidos (3, 4) de diferentes densidades, fluyendo el primer fluido, el más denso, a través de los espacios de las piezas de lecho sólido con un caudal de volumen V_{i} (300), que es el llamado caudal de volumen interno, donde el segundo fluido, el menos denso, fluye a contracorriente a través de las oquedades, y donde tienen lugar, por una parte, reacciones catalíticas en el lecho sólido y por otra parte, una transferencia de masa entre los dos fluidos, caracterizada porque para el caudal de volumen V_{i} del fluido más denso (3) se ajusta un valor que está situado dentro de un intervalo (I) alrededor de un valor señalado a, porque el valor a se corresponde con una función del caudal de volumen V_{i} y esta función es una distribución del tiempo de permanencia (32) del fluido de mayor densidad, porque la variancia s de la distribución del tiempo de permanencia es una segunda función del caudal de volumen V_{i} en forma de una curva determinada por vía experimental, porque esta función s(Vi) adopta para Vi = a un mínimo, y porque en los límites del intervalo citado el caudal de volumen V_{i} no se diferencia del valor a en más de un 30%, preferentemente un 10%.

2. Destilación reactiva según la reivindicación 1, caracterizada porque la columna (1) contiene una guarnición (2) que comprende una multitud de espacios de piezas (23) que contienen sustancias sólidas y de oquedades (24) entre los citados espacios sólidos, extendiéndose las oquedades en gran medida a lo largo de un eje de la columna o formando ángulos con ésta, estando formados los espacios de las piezas citados, respectivamente, por un lecho sólido que contiene sustancias de efecto catalítico, y estando limitados estos espacios de las piezas del lecho sólido por unas paredes (22) que son permeables para los fluidos (3, 4).

3. Destilación reactiva según la reivindicación 2, caracterizada porque en la columna (1) están situadas unas zonas (6, 7) de una primera y de una segunda clase en una secuencia alternante en la dirección del eje de la columna, donde en las zonas de la primera clase están contenidas unas estructuras de guarnición (5) en las que únicamente tiene lugar una transferencia de masa entre los dos fluidos, mientras que en las zonas de la segunda clase están contenidas unas estructuras de guarnición (5') en las que se lleva a cabo la destilación reactiva.

4. Destilación reactiva según las reivindicaciones 2 ó 3, caracterizada porque la guarnición (2) o las estructuras de guarnición (5') previstas para llevar a cabo la destilación reactiva están compuestas por capas orientadas en la dirección del eje de la columna, y porque las capas contiguas forman, respectivamente, unas oquedades a modo de canales, que se cruzan y que están abiertas entre sí.

5. Destilación reactiva según la reivindicación 4, caracterizada porque las capas están formadas respectivamente por una multitud de piezas de guarnición (23) que contienen sustancias de efecto catalítico, que están colocadas en una estructura de soporte (5) y porque las piezas de guarnición son esencialmente de forma cilíndrica.

6. Destilación reactiva según la reivindicación 4, caracterizada porque las capas están formadas respectivamente por piezas de guarnición (23) en forma de cojín que comprenden dos paredes permeables para el fluido, y porque los espacios interiores de las piezas de guarnición están formados por canales paralelos que contienen sustancias de efecto catalítico (200), que existen en forma de un perfilado en relieve de las paredes (25), donde estos canales se cruzan, están abiertos entre sí y cerrados en el borde de la pieza de guarnición.

7. Aplicación de la destilación reactiva conforme a una de las reivindicaciones 1 a 6 para la preparación o disociación de ésteres, éteres o alcoholes.

8. Aplicación de la destilación reactiva conforme a una de las reivindicaciones 1 a 6 para la hidrogenación selectiva de olefinas o de aromáticos.

9. Aplicación de la destilación reactiva conforme a una de las reivindicaciones 1 a 6 para llevar a cabo isomerizaciones.