ES2215075T3 - Procedimiento para la deshidrogenacion de etilbenceno a estireno. - Google Patents

Procedimiento para la deshidrogenacion de etilbenceno a estireno.

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ES2215075T3 ES00971281T ES00971281T ES2215075T3 ES 2215075 T3 ES2215075 T3 ES 2215075T3 ES 00971281 T ES00971281 T ES 00971281T ES 00971281 T ES00971281 T ES 00971281T ES 2215075 T3 ES2215075 T3 ES 2215075T3
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Abstract

Procedimiento para la deshidrogenación de etilbenceno a estireno que comprende: (a) hacer reaccionar etilbenceno mezclado con un producto inerte en un reactor de lecho fluidizado, en presencia de un sistema catalítico que consiste en óxido de hierro y promotores soportados en alúmina modificada con un 0, 01%-10% en peso de sílice y operar a una temperatura que oscila entre 400ºC y 700ºC a una presión total de 10, 13 a 303, 9 kPa (Pa abs.) (0, 1 a 3 ata) y con una velocidad espacial GHSV que oscila entre 50 y 10.000 h-1 (litros normales de la mezcla de etilbenceno y del gas inerte/h x litro de catalizador); y (b) regeneración del catalizador en un regenerador a una temperatura superior a los 400ºC.

Description

Procedimiento para la deshidrogenación de etilbenceno a estireno.
La presente invención se refiere a un procedimiento para la deshidrogenación de etilbenceno a estireno en un sistema compuesto por un reactor en lecho fluidizado y un regenerador en presencia de un catalizador basado en un óxido de hierro y otros promotores seleccionados, por ejemplo, a partir de óxidos metálicos como óxidos alcalinos, óxidos metálicos alcalinotérreos u óxidos de metales pertenecientes al grupo de lantánidos, soportados en una alúmina modificada.
El estireno es un importante producto intermedio que puede utilizarse para la preparación de materiales plásticos y gomas.
Más específicamente, el estireno se utiliza para la producción de poliestirenos (cristales de GPPS, HIPS de alto impacto y EPS expansibles), copolímeros de acrilonitrilo-estireno-butadieno (ABS) y estireno acrilonitrilo (SAN) y gomas de estireno-butadieno (SBR).
La reacción de deshidrogenación de etilbenceno a estireno tiene algunas características particulares que deben tenerse en cuenta para el diseño tecnológico.
La primera se basa en el hecho de que la reacción se controla mediante un equilibrio termodinámico y, en consecuencia, la conversión no es total en cada paso. El grado de deshidrogenación aumenta cuando aumenta a la temperatura y cuando disminuye la presión total y, cuando tiene lugar la reacción a una presión constante, cuando aumenta el volumen. Por lo tanto, para obtener conversiones económicamente aceptables es necesario desarrollar la reacción a temperaturas que, en general, oscilan entre 540 y 630ºC.
No obstante, el uso de temperaturas altas estimula las reacciones negativas que se caracterizan por una energía de activación mayor con respecto al valor de deshidrogenación. Como consecuencia, se forman junto al producto principal cantidades más o menos significativas de subproductos, consistentes principalmente en tolueno, benceno, carbón de coque y productos ligeros.
Por tanto, es necesario utilizar un catalizador capaz de dirigir la reacción hacia el producto deseado.
El último aspecto importante consiste en el hecho de que la reacción es extremadamente endotérmica, con una reacción de calor igual a 28 kcal/moles de estireno correspondientes a 270 cal/kg de estireno producido.
El alto calor requerido y los altos niveles térmicos en los cuales se debe intercambiar influyen mucho en el diseño tecnológico.
Las tecnologías que se comercializan en estos momentos (procedimientos Fina/Badger y Lummus/UOP Classic SM) satisfacen las demandas impuestas por la termodinámica de la reacción mediante procedimientos que utilizan un catalizador a granel basado principalmente en óxido de hierro y promovido con álcalis, y que comprende el uso de:
-
varias reacciones adiabáticas en serie, con los pasos de calentamiento intermedio a una temperatura que oscila entre 540ºC y 630ºC, y con tiempos de contacto del orden de décimas de segundo;
-
reactores de flujo radial que operan en vacío a una presión que oscila entre 30,39 a 50,65 kPa (Pascal absoluto) (0,3 a 0,5 ata) (atmósferas absolutas); y
-
vapor de agua que se introduce con la carga que se va a deshidrogenar.
El agua es el principal componente de la carga que se introduce en el reactor. La concentración molar típica es del 90%, incluso cuando se adoptan concentraciones más altas para alargar la vida química del catalizador.
El vapor tiene la función de:
-
reducir la presión parcial de los productos y, por lo tanto, desplazar favorablemente el equilibrio termodinámico;
-
contribuir a la extracción del coque que se deposita en la superficie del catalizador, no habiendo regeneración del catalizador con el aire;
-
suministrar el calor necesario para la deshidrogenación de etilbenceno;
-
disminuir la velocidad de envejecimiento del catalizador.
Operando con estas tecnologías se obtienen conversiones que oscilan entre el 60% y el 65%, con una selectividad por estireno mayor del 90% en peso.
Sin embargo, estos procedimientos adolecen de las siguientes desventajas:
-
uso de grandes cantidades de vapor (H_{2}O/EB= 9,0-10 molar) supercalentado con temperaturas mayores de 700ºC; con ello se obliga al uso de hornos de supercalentamiento y, por lo tanto, a unos costes de inversión altos;
-
envejecimiento del catalizador y, en consecuencia, la necesidad de sustituirlo tras 18-36 meses de funcionamiento; este paso implica la detención de la unidad y, en consecuencia, la interrupción de la producción durante el periodo necesario para sustituir el catalizador;
-
recuperación de la energía inferior al óptimo, las tecnologías actuales, de hecho, sólo comprenden la recuperación del calor del vapor sensible y del calor latente;
-
llevar a cabo la reacción al vacío (presión media absoluta de 40,52 kPa (Pa abs.) (0,4 ata) y, por lo tanto, en una fase extremadamente diluida en EB; la presión parcial en EB es como media de 4,052 kPa (Pa abs.) (0,04 ata).
En la actualidad, se ha demostrado que es posible superar estos inconvenientes mediante un procedimiento que utiliza un sistema de reactor de lecho fluidizado y un regenerador y un catalizador basado en óxido de hierro apoyado en alúmina microesferoidal modificada con sílice y otros óxidos metálicos como promotores.
El procedimiento de la presente invención presenta unas ventajas económicas considerables, en particular:
-
perfil térmico del reactor favorable para la termodinámica de la reacción;
-
el calor se transfiere directamente a la reacción mediante el catalizador regenerado, por lo que los hornos de supercalentamiento no son necesarios para el intercambio térmico y el fuerte remezclado del lecho fluidificado previene la formación de puntos calientes que podrían disminuir la selectividad;
-
la posibilidad de reciclar el hidrógeno;
-
la planta puede funcionar con una gran flexibilidad en términos de una capacidad productiva real con respecto a la proyectada;
-
la reacción de deshidratación y la regeneración tienen lugar en zonas físicamente separadas, con lo que se evita la mezcla de corrientes de hidrocarburos con corrientes de oxígeno;
-
el procedimiento se realiza a una presión que es atmosférica o ligeramente superior; como consecuencia, no hay infiltraciones de aire desde el exterior en la zona de reacción;
-
la concentración molar del gas inerte o del etilbenceno en el material de alimentación es mucho menor con respecto a las tecnologías comerciales.
-
no resulta necesario efectuar ningún tratamiento específico para reducir las emisiones de gases contaminantes; y
-
la posibilidad de trabajar sin vapor de agua sin que haya ningún deterioro químico del catalizador.
En la solicitud de patente japonesa 7-328.439 se da a conocer un procedimiento para la deshidrogenación de etilbenceno en presencia de un catalizador que consiste en alúmina, transportando un complejo de ferrato potásico y posiblemente óxidos de metales térreos raros, modificados por la adición de un óxido metálico básico. Dicho catalizador muestra actividad cuando se opera en presencia de agua pero no se aportan datos en dicha solicitud de patente sobre el rendimiento del catalizador en ausencia de agua, como material introducido simultáneamente en el alimentador con el etilbenceno, ni se describe con detalle el efecto del envejecimiento. Resulta sorprendente que se encontrase que, a través de una modificación parcial del vehículo de la alúmina mediante sílice, fuera posible mejorar significativamente los comportamientos catalíticos del rendimiento de la deshidrogenación, con ventajas evidentes. Al mismo tiempo, la resistencia mecánica del propio catalizador mejora con la modificación mediante sílice haciendo que sea más adecuado para las operaciones en un lecho fluidizado. Además, el catalizador también puede operar con nitrógeno además de con agua.
De acuerdo con ello, la presente invención se refiere a un procedimiento para la deshidrogenación de etilbenceno a estireno que esencialmente consiste en:
(a) hacer reaccionar etilbenceno mezclado con un producto inerte en un reactor de lecho fluidizado en presencia de un sistema catalítico que consiste en óxido de hierro y promotores soportados en alúmina modificada con un 0,01%-10% en peso de sílice y actuación a una temperatura que varía entre 400ºC y 700ºC a una presión total de 10,13 a 303,9 kPa (Pa abs.) (0,1 a 3 ata) y con una velocidad espacial (GHSV) que varía entre 50 y 10.000 h^{-1} (litros normales de la mezcla de etilbenceno y del gas inerte/h x litro de catalizador); y
(b) regenerar el catalizador en un regenerador mediante la ignición del coque depositado en su superficie a una temperatura superior a los 400ºC.
El sistema catalítico que se utiliza en el procedimiento de la presente invención consiste en:
(1) un 1%-60% en peso, preferiblemente entre un 1%-20%, de óxido de hierro;
(2) un 0,1%-20% en peso, preferiblemente entre un 0,5%-10%, de al menos un óxido metálico alcalino o alcalinotérreo;
(3) un 0%-15% en peso, preferiblemente entre un 0,1%-7%, de un segundo promotor consistente en al menos un óxido de una tierra rara;
(4) siendo el complemento hasta el 100% un vehículo que consiste en una alúmina microesferoidal con un diámetro seleccionado entre las fases delta o teta o sus mezclas, en una fase teta + alfa o en una fase delta + teta + alfa, modificada preferiblemente con un 0,08%-5% en peso de sílice.
El vehículo tiene un diámetro medio de la partícula y una densidad media de partículas tal que el producto final se puede clasificar como de Grupo A según Geldart (Gas Fluidization Technology, D. Geldart, John Wiley and Sons) y un área superficial menor de 150 m^{2}/g (BET).
El metal alcalino usado preferiblemente como primer promotor en la presente invención es potasio. Los segundos promotores preferidos que pertenecen a los metales de las tierras raras son cerio, lantano y praseodinio.
Un ejemplo de catalizador según la presente invención consiste en:
(1) 5%-50% en peso de óxido de hierro;
(2) 0,5%-10% en peso de un promotor expresado como óxido;
(3) siendo el complemento hasta 100 un vehículo que consiste en una alúmina microesférica que tiene un diámetro que oscila entre 50 y 70 micras seleccionada entre las fases delta o teta o sus mezclas, entre la fase teta + alfa o en la fase delta + teta + alfa, modificada preferiblemente con un 0,08%-3% en peso de sílice.
El procedimiento de preparación del sistema catalítico que se describe anteriormente puede llevarse a cabo esencialmente mediante las etapas siguientes:
-
preparación de soluciones basadas en derivados de los componentes del sistema catalítico;
-
dispersión de las soluciones en los vehículos como se define anteriormente;
-
secado de los sólidos obtenidos;
-
calcinación de los sólidos secados a una temperatura que varía entre 500ºC y 900ºC.
La dispersión de los componentes catalíticos en el vehículo puede llevarse a cabo utilizando técnicas convencionales como impregnación, intercambio de iones, depósito de vapor o adsorción a la superficie.
Preferiblemente se utiliza la técnica de impregnación de "humedad incipiente".
Según una realización preferida, el catalizador se prepara mediante:
(a) la adición de una parte alícuota de los promotores al vehículo;
(b) el secado a 100ºC-150ºC y, opcionalmente, la calcinación del sólido secado a una temperatura no superior a 900ºC;
(c) la dispersión del óxido de hierro y de la parte alícuota restante de los promotores en un vehículo (a) modificado;
(d) el secado a 100ºC-150ºC y calcinación del sólido secado a una temperatura que varía entre 500ºC y 900ºC.
Las etapas (c) y (d) se pueden repetir varias veces.
El nitrógeno, metano, hidrógeno o vapor de agua pueden usarse como el producto gaseoso inerte en una relación volumétrica de gas inerte/etilbenceno de 1 a 6, preferiblemente de 2 a 4. Se utilizan preferentemente metano y nitrógeno.
Según una realización adicional del procedimiento de la presente invención, el etilbenceno puede introducirse simultáneamente en el reactor con una parafina seleccionada entre etano, propano o isobutano para obtener una deshidratación contemporánea de los productos introducidos simultáneamente para dar un estireno y las olefinas correspondientes, respectivamente.
En particular, cuando el etilbenceno se introduce con etano el procedimiento puede realizarse como se describe en la patente de los US 6.301.143.
Según otra realización del procedimiento de la presente invención, el etileno se puede reciclar a una unidad de alquilación junto a una corriente de benceno para dar etilbenceno.
En el sistema de reactor-regenerador, el catalizador circula continuamente en un estrato fluidizado que transcurre entre el reactor y el regenerador, con lo que se permite que el procedimiento se realice de forma continua.
El calor necesario para la reacción se proporciona mediante un catalizador regenerado que da al reactor una temperatura mayor que la temperatura media de la reacción.
El catalizador se mantiene en un estado fluidizado en el reactor mediante la mezcla de reactivo (gas inerte/etilben-
ceno), que entra en el lecho catalítico desde abajo, mediante un sistema de distribución apropiado.
El gas que ha reaccionado, después de atravesar un sistema de ciclones u otro sistema de separación de polvo, sale del reactor desde arriba. El gas se puede enviar entonces hacia el intercambiador de calor para el precalentamiento del material entrante y posteriormente a la sección de separación en la cual se recupera el estireno producido, mientras que la carga que no ha reaccionado se recicla hacia el reactor de deshidrogenación y los subproductos de la reacción (hidrocarburos ligeros e hidrógeno) se recuperan y utilizan en el regenerador como gas
combustible.
El catalizador se desplaza en un estado fluidizado en el reactor, a contracorriente con respecto a la fase gaseosa. Entra en el lecho catalítico desde arriba, a través de un distribuidor que lo dispersa por igual sobre la superficie del lecho y sale del reactor desde abajo, pasando por gravedad hacia una zona de desorción en la que tiene lugar el movimiento y desorción del gas existente entre las partículas, introduciéndose desde debajo el nitrógeno o metano, por lo que el gas movido o desorbido se reintroduce en el reactor, con lo que se evitan las pérdidas de los reactivos o productos.
Es preferible operar en el reactor de lecho fluidizado como se indica a continuación:
-
a una temperatura que oscila entre 450ºC y 650ºC en relación con la reacción deseada; la temperatura se mantiene dentro de los valores preseleccionados regulando el flujo del catalizador regenerado;
-
a una presión que es la atmosférica o ligeramente mayor;
-
a una velocidad espacial (GHSV) que oscila entre 100 y 1.000 h^{-1}, preferiblemente entre 150 h^{-1} y 300 h^{-1}; y
-
con un tiempo de residencia del catalizador en el lecho fluidizado que oscila entre 5 y 30 minutos y en la zona de resorción entre 0,2 y 10 minutos.
Según una realización del procedimiento de la presente invención, se pueden disponer unas rejillas horizontalmente en el interior del reactor, a una distancia entre 20 y 200 cm entre sí, y con un área libre que varía entre el 10% y el 90%, preferiblemente entre un 20% y un 40%. El propósito de esta rejilla es prevenir que el gas y el catalizador se vuelvan a mezclar, de forma que el flujo de gas del interior del reactor simula un tapón de flujo. El uso de estas rejillas permite maximizar la conversión de etilbenceno y la selectividad a estireno.
La selectividad de la reacción puede mejorar aún más por el perfil térmico longitudinal que se establece a lo largo del lecho catalítico, alcanzándose la temperatura máxima en la parte superior donde llega el catalizador regenerado y la temperatura mínima en la parte inferior. La diferencia de temperatura a lo largo del lecho varía preferiblemente entre 15ºC y 65ºC.
Para optimizar el perfil térmico longitudinal el catalizador regenerado puede distribuirse a varias alturas en el lecho catalítico.
El catalizador fluidizado se envía posteriormente al regenerador a través de un sistema de transporte neumático que consiste en:
-
una línea de transporte con al menos una zona en la cual el catalizador se mueve hacia abajo mediante la introducción de cantidades adecuadas de gas en las alturas apropiadas, y
-
una zona en la cual el catalizador se desplaza hacia arriba hasta que alcanza la parte superior del lecho catalítico, mediante la introducción del gas en la base del elevador.
El regenerador presenta preferiblemente unas dimensiones similares a las del reactor, para mantener el catalizador durante un periodo de tiempo suficiente para su regeneración.
La regeneración del catalizador se realiza mediante la combustión del coque con aire y oxígeno, mientras que su calentamiento se efectúa utilizando metano, un gas combustible, o subproductos de la reacción de deshidrogenación, a una temperatura mayor que la temperatura media de la reacción.
El movimiento del gas y del sólido tiene lugar a contracorriente también en el regenerador: el aire entra por la parte inferior del lecho catalítico, mientras que el gas combustible se introduce a las alturas adecuadas a lo largo del lecho.
El gas que abandona el regenerador, que consiste sustancialmente en nitrógeno y productos de combustión, se hace pasar a través de un sistema de ciclones, u otro sistema, situado en la parte superior del aparato, para separar los polvos arrastrados y después se envía hacia el intercambiador de calor para precalentar el aire de la combustión.
Antes de ser liberado hacia la atmósfera, estos gases se pueden tratar con un sistema de filtro u otros dispositivos para reducir el contenido de polvo a algunas décimas de mg por Nm^{3} de gas.
En el regenerador es preferible operar a presión atmosférica o ligeramente mayor, a una velocidad espacial que varía entre 100 y 1.000 h^{-1} y con un tiempo de residencia del catalizador que varía entre 5 y 60 minutos, preferiblemente entre 20 y 40 minutos.
El catalizador regenerado y recalentado se envía al reactor mediante un sistema neumático que presenta las características descritas anteriormente.
El uso de un sistema de reactor-regenerador presenta las siguientes ventajas:
-
la posibilidad de mantener los parámetros operativos y los comportamientos catalíticos constantes durante toda la vida técnica de la planta;
-
el calor se transfiere hacia la reacción directamente mediante el catalizador regenerado; por lo tanto, no es necesario utilizar hornos de supercalentamiento para el intercambio térmico y el fuerte premezclado del lecho fluidizado previene la formación de puntos calientes que pudieran disminuir la selectividad;
-
el hidrógeno se puede reciclar;
-
el procedimiento se puede realizar de forma continua sin tener que modificar los parámetros operativos durante la vida de la planta;
-
la reacción y regeneración tiene lugar en zonas físicamente separadas de forma que las corrientes de hidrocarburos no se mezclen con las corrientes que contienen el oxígeno;
-
la concentración molar del producto inerte/etilbenceno en el alimentador es mucho menor con respecto a las tecnologías comerciales.
Con respecto a la Figura 1, se proporciona una posible aplicación del esquema del reactor-regenerador, que usa el catalizador basado en un óxido de hierro soportado.
La corriente líquida de etilbenceno (1), consistente en un material de alimentación nuevo y reciclado, a temperatura ambiente y a una presión de 263,38 kPa (Pa abs.) (2,6 ata) se vaporiza hacia el evaporador (2), se precalienta hasta aproximadamente 420ºC en el intercambiador de gas-gas (3), se mezcla en un mezclador adecuado (4) con una corriente (5) que consiste frecuentemente en nitrógeno y cuyo origen se describe a continuación, y se introduce en el reactor (6) mediante un distribuidor apropiado situado en la parte inferior. La corriente (7), efluente desde el reactor a una temperatura de 600ºC y a una presión de 135,74 kPa (Pa abs.) (1,34 ata), y consistente esencialmente en nitrógeno, estireno, hidrógeno y etilbenceno no reaccionado, sufre un primer enfriamiento en el intercambiador de gas (8) y un segundo enfriamiento en el intercambiador de gas (8), desde el cual fluye a una temperatura de 320ºC. Esta corriente atraviesa entonces el sistema de filtro (9) para eliminar las partículas finas atrapadas y se enfría posteriormente con agua hasta una temperatura de 40ºC en el intercambiador (10). La mezcla se convierte en bifásica a esta temperatura como consecuencia de la condensación parcial del hidrocarburo.
La corriente condensada (12) se recupera desde el fondo en el separador de fase (11) y se envía, como la corriente de gas (13), hacia la zona siguiente de recuperación y purificación de los productos (14), que no se muestra con detalle, donde se recuperan las corrientes usando las técnicas conocidas por los expertos en la materia:
-
una corriente (15) consistente en estireno puro (producto);
-
una corriente (16) consistente en etilbenceno que se recicla para la deshidrogenación;
-
una corriente (17) consistente esencialmente en nitrógeno e hidrógeno, que contiene hidrocarburos ligeros;
-
una corriente (18) consistente esencialmente en benceno y tolueno;
-
una corriente (19) consistente en subproductos de hidrocarburos pesados.
La corriente (17), después de la corriente de flujo (20), se calienta en el intercambiador de gas-gas (21) hasta una temperatura de 550ºC y se introduce en el regenerador (22) mediante el distribuidor (23) situado por encima de la entrada de aire. La corriente de aire (24) se comprime en el compresor (25) y se precalienta a una temperatura de 560ºC en el intercambiador de gas (26), antes de introducirse en el regenerador (22). La corriente (27) que abandona el regenerador, consistente frecuentemente en nitrógeno y vapor de agua, se enfría posteriormente en los intercambiadores (21) y (26), pasa a través de los filtros (28) para eliminar los polvos finos atrapados y se enfría en el intercambiador (29) a 40ºC.
La corriente de agua condensada (30) se separa en el vaso (31), mientras que la corriente de gas restante (32), que todavía contiene cantidades significativas de vapor de agua, se comprime en el compresor (33) a una presión de 263,38 kPa (Pa abs.) (2,6 ata) y se enfría posteriormente en el intercambiador (34) a una temperatura tan alta que permite la condensación casi completa del agua presente. La corriente condensada (35) se elimina del fondo del vaso (36), mientras que la corriente de gas (37), después de que una parte del mismo se haya lavado (38), se calienta en el intercambiador de gas-gas (8).
La corriente resultante (5) se trata a continuación como se ha descrito anteriormente.
Todas las pruebas catalíticas se realizan usando un micorreactor de cuarzo en el cual se cargan 50-100 ml de catalizador. El reactor se calienta mediante un horno para mantener el lecho catalítico en la temperatura deseada.
El etilbenceno se introduce en el evaporador mediante una bomba de dosificación y a continuación se mezcla con un gas inerte cuyo flujo se mide mediante un rotámetro.
La mezcla de reacción se precalienta a 200ºC y se introduce en el reactor desde abajo a través de un tabique que actúa como distribuidor del gas, con lo se que fluidiza el catalizador.
En la cabeza del reactor se monta un vaso de expansión de cuarzo que tiene la función de desacelerar el gas efluente y hacer que las partículas finas del catalizador caigan de nuevo en el reactor. Las líneas del expansor y de toma de muestras se mantienen a 200ºC para evitar la condensación de estireno del etilbenceno que no ha reaccionado y de cualquier subproducto pesado posible.
El ciclo catalítico consiste en:
-
una fase de reacción en la cual el etilbenceno mezclado con el producto inerte o con la parafina se introduce en el reactor durante un periodo de 10 minutos;
-
una fase de destilación en la cual se hace pasar nitrógeno durante unos 15 minutos para eliminar los productos absorbidos en el catalizador;
-
una fase de regeneración, en la cual el aire se introduce durante aproximadamente 45 minutos; y
-
una fase de lavado con nitrógeno durante aproximadamente 20 minutos.
El ciclo catalítico se realizó de forma continua durante 100 horas sin tener ninguna pérdida de la actividad del catalizador.
La reacción de deshidrogenación se lleva a cabo a 560ºC-650ºC, mientras que la regeneración se lleva a cabo a 660ºC.
La velocidad espacial global, expresada como litros normales de etilbenceno más litros normales del producto inerte, se mantiene a 300 \pm 5 Nl/h/l del lecho catalítico.
Durante la fase de reacción y destilación se enfría el efluente en una rejilla sumergida en nitrógeno líquido en la cual se condensan el etilbenceno, el estireno y los subproductos condensables que no han reaccionado. El efluente de la rejilla se envía a un saco desde el cual se recuperan el hidrógeno, los productos inertes y los hidrocarburos ligeros C_{1}-C_{3} procedentes de las reacciones de agrietamiento.
La fracción líquida se pesa y analiza mediante cromatografía de gases usando un cromatógrafo de gas HP 5890 equipado con una columna capilar CP WAX 10. La dosificación de los componentes se efectúa usando un patrón interno.
El gas recuperado del saco se analiza mediante cromatografía de gases usando el procedimiento de patrón externo para la dosificación de los componentes. El contenido del saco se mide con un contador para obtener el balance del material.
El coque depositado en la superficie del catalizador entra en combustión con aire y el efluente se recoge en un saco. El gas se analiza a continuación mediante cromatografía de gases para dosificar la concentración de CO_{2}, mientras que se mide el volumen para establecer la cantidad de coque formado durante la reacción.
Los siguientes ejemplos, cuyo único propósito consiste en describir esta invención con mayor detalle, no deben considerarse en ningún modo como limitante del ámbito de la invención.
Ejemplo 1
Se prepara una pseudobohemita microesferoidal a la cual se ha añadido sílice (1,2% en peso), con un diámetro de partícula que varía entre 5 y 300 \mu, mediante secado en aerosol de alúmina hidratada y sílice Ludox.
Se calcina una muestra de pseudobohemita a 450ºC durante 1 hora y después a 1190ºC durante 4 horas en una corriente de aire seco. El producto obtenido, que consta de alúmina de transición \delta, \theta y \alpha, tiene una superficie específica de 34 m^{2}/g y una porosidad de 0,22 cc/g.
Se impregnaron 150 g de alúmina microesferoidal, utilizando el procedimiento de "humedad incipiente", con 33 ml de una solución acuosa que contiene 7,8 g de KNO_{3} (valoración: 99,5%) en agua desionizada, manteniéndose a una temperatura de 25ºC.
El producto impregnado se seca a 80ºC durante 1 noche y se calcina a continuación en una corriente de aire seco a 650ºC durante 4 horas. La concentración de potasio, expresada como óxido con respecto al producto calcinado, es igual al 2,4% en peso.
Una solución de impregnación se prepara a continuación disolviendo en 23 ml de agua desionizada: 56,2 g de Fe(NO_{3})_{3}\cdot9H_{2}O (valoración: 99% en peso) y 6,7 g de KNO_{3} (valoración: 99,5% en peso). La solución, calentada a 50ºC hasta completar la disolución de las sales, se mantiene a esta temperatura durante toda la duración de la impregnación.
La alúmina modificada con óxido de potasio (153,6 g) se impregna con una parte alícuota (48 g) de la solución impregnadora, se seca a 120ºC durante 4 horas y se impregna de nuevo con la parte alícuota restante de la solución de impregnación.
El producto impregnado se seca a 120ºC durante una noche y finalmente se calcina hasta 700ºC durante 4 horas.
La composición en peso del preparado formulado es la siguiente: 6,6% de Fe_{2}O_{3}, 4% de K_{2}O y vehículo hasta completar el 100%.
El preparado formulado se estudió en la reacción de deshidrogenación de etilbenceno a estireno y las medias de los resultados, después de un ciclo de prueba de 100 horas, se muestran en la Tabla 1.
Ejemplo 2
Se impregnan 150 g de alúmina microesferoidal, obtenida como se describe en el ejemplo 1, con una solución que contiene: 56,3 g de Fe(NO_{3})_{3}\cdot9H_{2}O (valoración: 99% en peso) y 14,2 g de KNO_{3} (valoración: 99,5% en peso).
La impregnación, secado y calcinación se realizan con el mismo procedimiento que se describe en el ejemplo 1.
La composición en peso de la formulación es la siguiente: 6,6% Fe_{2}O_{3}, 4% K_{2}O y vehículo hasta completar el 100%.
Los resultados medios de la deshidrogenación de etilbenceno, después de un ciclo de prueba de 100 horas, se muestran en la Tabla 1.
Ejemplo 3
Se adopta el mismo procedimiento que en el ejemplo 2, pero usando una solución de impregnación que contiene: 55,2 g de FE(NO_{3})_{3}\cdot9H_{2}O (valoración: 99% en peso) y 6,7 g de KNO_{3} (valoración: 99,5% en peso).
La composición en peso del preparado formulado es la siguiente: 6,6% Fe_{2}O_{3}, 1,9% K_{2}O y vehículo hasta completar el 100%.
Los resultados medios de la deshidrogenación de etilbenceno, después de un ciclo de prueba de 100 horas, se muestran en la Tabla 1.
Ejemplo 4
Se adopta el mismo procedimiento que en el ejemplo 2, pero usando una solución de impregnación que contiene: 53,9 g de Fe(NO_{3})_{3}\cdot9H_{2}O (valoración: 99% en peso) y 2,8 g de KNO_{3} (valoración: 99,5% en peso).
La composición en peso del preparado formulado es la siguiente: 6,5% Fe_{2}O_{3}, 0,8% K_{2}O y vehículo hasta completar el 100%.
Los resultados medios de la deshidrogenación de etilbenceno, después de un ciclo de prueba de 100 horas, se muestran en la Tabla 1.
Ejemplo 5
Se adopta el mismo procedimiento que en el ejemplo 2, pero usando una solución de impregnación que contiene: 93,1 g de Fe(NO_{3})_{3}\cdot9H_{2}O (valoración: 99% en peso) y 14,8 g de KNO_{3} (valoración: 99,5% en peso) a una temperatura de 60ºC. La impregnación se realiza en tres pasos sucesivos en los que se utilizan 45 g de la solución de impregnación madre en cada paso.
La primera parte alícuota se añade sobre alúmina sola, que se seca a continuación a 120ºC durante 4 horas después de la impregnación. El producto seco se impregna a continuación con otros 45 g de la solución madre y se seca a 120ºC. Este tratamiento se repite dos veces.
La composición en peso del preparado formulado es la siguiente: 10,3% Fe_{2}O_{3}, 4% K_{2}O y vehículo hasta completar el 100%.
Los resultados medios de la deshidrogenación de etilbenceno, después de un ciclo de prueba de 100 horas, se muestran en la Tabla 1.
Ejemplo 6
Se ha preparado un vehículo que tiene una superficie de 100 m^{2}/g calcinando la misma sílice que contiene pseudobohemita utilizada en el ejemplo 1 a 1060ºC.
Se impregnan 200 gramos de este vehículo con una solución que contiene 57,05 g de Fe(NO_{3})_{3}\cdot9H_{2}O (valoración: 99% en peso) y 17,23 g de KNO_{3} (valoración: 99,5% en peso), 2,97 g de Ce(NO_{3})_{3}\cdot6H_{2}O y 2,93 g de La(NO_{3})_{3}\cdot6H_{2}O a una temperatura de 60ºC. La impregnación se realiza en un solo paso.
El material impregnado se seca a 120ºC durante 4 horas y después se calcina a 750ºC durante 4 horas.
La composición en peso del preparado formulado es la siguiente: 5,0% Fe_{2}O_{3}, 3,68% K_{2}O, 0,5% Ce_{2}O_{3}, 0,5% La_{2}O_{3} y vehículo hasta completar el 100%.
Los resultados de la deshidrogenación de etilbenceno, durante de un ciclo de prueba de 150 horas, se muestran en la Tabla 2.
Ejemplo 7
(Comparativo)
Para demostrar el efecto promotor de la sílice contenida en el vehículo, se ha preparado una muestra siguiendo el mismo procedimiento del ejemplo 6 pero basado en un vehículo, libre de sílice, que tiene una superficie de 104 m^{2}/g.
Los resultados medios de la deshidrogenación de etilbenceno, después de un ciclo de prueba de 188 horas, se muestran en la Tabla 2.
Ejemplo 8
La deshidrogenación simultánea de etilbenceno y etano se realiza en el microrreactor que se describe anteriormente a una temperatura de 600ºC usando el catalizador del ejemplo 1.
En la Tabla 3 adjunta se indican los parámetros operativos y los resultados obtenidos.
1
2
3

Claims (18)

1. Procedimiento para la deshidrogenación de etilbenceno a estireno que comprende:
(a) hacer reaccionar etilbenceno mezclado con un producto inerte en un reactor de lecho fluidizado, en presencia de un sistema catalítico que consiste en óxido de hierro y promotores soportados en alúmina modificada con un 0,01%-10% en peso de sílice y operar a una temperatura que oscila entre 400ºC y 700ºC a una presión total de 10,13 a 303,9 kPa (Pa abs.) (0,1 a 3 ata) y con una velocidad espacial GHSV que oscila entre 50 y 10.000 h^{-1} (litros normales de la mezcla de etilbenceno y del gas inerte/h x litro de catalizador); y
(b) regeneración del catalizador en un regenerador a una temperatura superior a los 400ºC.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que el catalizador consiste en:
(1) un 1%-60% en peso óxido de hierro;
(2) un 0,1%-20% en peso de al menos un óxido metálico alcalino o alcalinotérreo;
(3) un 0%-15% en peso un segundo promotor consistente en al menos un óxido de una tierra rara;
(4) siendo el complemento hasta el 100% un vehículo consistente en una alúmina microesferoidal con un diámetro seleccionado entre las fases delta o teta o sus mezclas, en una fase teta + alfa o en una fase delta + teta + alfa, modificada con un 0,08%-5% en peso de sílice.
3. Procedimiento según las reivindicaciones 1 ó 2, en el que el catalizador consiste en:
(1) un 5%-50% en peso óxido de hierro;
(2) un 0,5%-10% en peso de un promotor metálico, expresado como óxido;
(3) siendo el complemento hasta el 100% un vehículo consistente en una alúmina microesferoidal con un diámetro que oscila entre 50 y 70 micras, seleccionadas entre las fases delta o teta o sus mezclas, en una fase teta + alfa o en una fase delta + teta + alfa, modificada preferiblemente con un 0,08%-3% en peso de sílice.
4. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el promotor se selecciona de entre metales alcalinos o alcalinotérreos o a partir del grupo de los lantánidos.
5. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el promotor es óxido de potasio.
6. Procedimiento según la reivindicación 4, en el que los promotores son óxido de potasio, óxido de cerio, óxido de lantano y óxido de praseodimio.
7. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el catalizador se obtiene mediante:
(a) adición de una parte alícuota del promotor al vehículo;
(b) secado a 100ºC-150ºC y, opcionalmente, calcinación del sólido secado a una temperatura no superior a 900ºC;
(c) dispersión del óxido de hierro y de la parte alícuota restante de los promotores en el vehículo obtenido en (a); y
(d) secado a 100ºC-150ºC y calcinación del sólido secado a una temperatura que oscila entre 500ºC y 900ºC.
y en el que las etapas (c) y (d) se pueden repetir varias veces.
8. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que el gas inerte se selecciona de entre nitrógeno, metano, hidrógeno y vapor de agua.
9. Procedimiento según la reivindicación 8, en el que el gas inerte se selecciona de entre nitrógeno y metano.
10. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que la relación volumétrica entre gas inerte y etilbenceno oscila entre 1 y 6.
11. Procedimiento según la reivindicación 10, en el que la relación volumétrica oscila entre 2 y 4.
12. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que la reacción de deshidrogenación de la etapa (a) se lleva a cabo a una temperatura que oscila entre 450ºC y 650ºC, a una presión atmosférica o ligeramente superior, a una
\newpage
velocidad espacial (GHSV) que oscila entre 100 y 1.000 h^{-1} y con un tiempo de residencia del catalizador que oscila entre 5 y 30 minutos.
13. Procedimiento según la reivindicación 12, en el que la velocidad espacial oscila entre 150 y 300 h^{-1} y el tiempo de residencia del catalizador oscila entre 10 y 15 minutos.
14. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que en la etapa (b) la regeneración del catalizador se realiza con aire u oxígeno mientras que su calentamiento se efectúa utilizando metano, un gas combustible o subproductos de la reacción de deshidrogenación, operando a una temperatura mayor con respecto a la temperatura media de la deshidrogenación, a una presión atmosférica o ligeramente superior, a una velocidad espacial que oscila entre 100 y 1.000 h^{-1} y con un tiempo de residencia del catalizador comprendido entre 5 y 60 minutos.
15. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que en la etapa (a) el gas inerte es una corriente gaseosa consistente esencialmente en el nitrógeno recuperado a partir de los productos de combustión del regenerador.
16. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que en la etapa (a) el etilbenceno se introduce en el reactor mezclado con una parafina seleccionada de entre etano, propano o isobutano, obteniéndose la deshidrogenación contemporánea de los componentes de la mezcla para proporcionar estireno y las correspondientes olefinas, respectivamente.
17. Procedimiento según la reivindicación 16, en el que el etilbenceno se introduce en el reactor mezclado con etano, obteniéndose la deshidrogenación simultánea de los componentes de la mezcla para proporcionar estireno y etileno, respectivamente.
18. Procedimiento según la reivindicación 17, en el que el etileno se recicla a una unidad de alquilación junto a una corriente de benceno para proporcionar etilbenceno.
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