ES2873407T3 - Procedimiento y reactor para la epoxidación de propeno - Google Patents

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Marc Brendel
Manfred Bärz
Johannes Kowoll
David Bolz
Willi Hofen
Jürgen Schemel
Bernd Jaeger
Niels Bredemeyer
Bärbel Kolbe
Norbert Ullrich
Michael Dopfer
Wolfgang Wöll
Peter Porscha
Dana Pfenning
Maik Bernhard
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Abstract

Un procedimiento para la epoxidación de propeno al hacer reaccionar continuamente propeno con peróxido de hidrógeno en presencia de un catalizador de silicalita de titanio en un reactor (1) de haz de tubos que comprende una multitud de tubos (2) de reacción paralelos y una camisa (3) de enfriamiento que envuelve los tubos de reacción, teniendo dicha camisa de enfriamiento un punto (4) de alimentación para medio de enfriamiento cerca de la entrada (5) de los tubos de reacción y un punto (6) de retirada para medio de enfriamiento cerca del final (7) de los tubos de reacción, donde el catalizador se dispone como un lecho fijo en los tubos de reacción, una mezcla que comprende propeno y peróxido de hidrógeno se introduce continuamente en la entrada de los tubos de reacción y una mezcla de reacción que comprende óxido de propeno sale al final de los tubos de reacción, caracterizado por que la camisa de enfriamiento tiene al menos un punto (8) de retirada adicional para medio de enfriamiento aguas arriba del punto (6) de retirada para medio de enfriamiento cerca del final (7) de los tubos de reacción, se alimenta medio de enfriamiento al punto de alimentación para medio de enfriamiento, una parte del medio de enfriamiento alimentado a dicho punto de alimentación se retira en el al menos un punto de retirada adicional y el resto sale en el punto (6) de retirada cerca del final de los tubos de reacción.

Description

DESCRIPCIÓN
Procedimiento y reactor para la epoxidación de propeno
Campo de la invención
La presente invención se refiere a un procedimiento para la epoxidación de propeno con peróxido de hidrógeno en presencia de un catalizador de lecho fijo de silicalita de titanio.
Antecedentes de la invención
La epoxidación en fase líquida de propeno con peróxido de hidrógeno en presencia de un catalizador de silicalita de titanio se conoce del documento EP 0 100 119 A1. Habitualmente, la reacción se lleva a cabo con un catalizador de lecho fijo a una presión de más de 10 bar para alcanzar altas concentraciones de propeno en la mezcla de reacción en fase líquida. La epoxidación es muy exotérmica y requiere un control de temperatura adecuado, debido a que las temperaturas de reacción excesivas conducen a un incremento de la formación de subproductos que reduce la selectividad del producto para el óxido de propeno.
El documento EP 0659 473 A1 describe una epoxidación de propeno con un catalizador de silicalita de titanio usando un reactor que tiene varios lechos fijos adiabáticos, donde la mezcla de reacción líquida se retira después de cada lecho fijo, se enfría en un enfriador externo y se devuelve parcialmente a la entrada del lecho fijo respectivo.
El documento EP 1247 806 A1 describe la epoxidación de propeno con un catalizador de silicalita de titanio en un reactor de lecho fijo enfriado usando un medio de enfriamiento que tiene una temperatura mínima de 40°C y limitando la temperatura máxima del lecho fijo de catalizador hasta 60°C. Se usan con este propósito reactores tubulares o multitubulares que tienen una camisa de enfriamiento.
El documento EP 1489 074 describe la epoxidación continua de propeno con un catalizador de silicalita de titanio en un reactor tubular que tiene una camisa de enfriamiento, donde el catalizador se regenera periódicamente dentro del reactor al lavar con metanol a una temperatura de al menos 100°C.
El documento WO 03/016296 describe la epoxidación continua de propeno con un catalizador de silicalita de titanio en un reactor de lecho fijo enfriado donde el lecho fijo de catalizador está situado entre placas de termointercambio paralelas y un medio de enfriamiento se hace pasar a través de las placas de termointercambio.
El documento WO 2005/068062 describe la epoxidación de propeno con un catalizador de silicalita de titanio en un reactor de haz de tubos que tiene una multitud de tubos de reacción paralelos con una camisa de enfriamiento común. El catalizador está dispuesto en los tubos y un medio de enfriamiento se hace pasar a través del espacio de la camisa en paralelo, entrando en el espacio de la camisa cerca de la entrada de los tubos donde se alimentan las materias primas y saliendo del espacio de la camisa cerca del final de los tubos. Se pueden disponer pantallas en el espacio de la camisa para guiar el flujo de medio de enfriamiento transversalmente a los tubos de reacción a fin de mejorar la termotransferencia. El espacio de la camisa puede estar dividido en varias zonas y se pueden usar diferentes medios de enfriamiento o medios de enfriamiento de diferente temperatura en las zonas separadas. El documento WO 2005/068062 muestra el uso de tubos de reacción helicoidales en lugar de tubos de reacción rectos para alcanzar una retirada de calor más uniforme de los tubos y para evitar puntos calientes.
Sumario de la invención
Se ha encontrado ahora que el enfriamiento con flujo en paralelo del medio de enfriamiento en el espacio de la camisa de un reactor de haz de tubos según se describe en el documento WO 2005/068062 no proporciona una temperatura de reacción constante a lo largo de la longitud de un tubo de reacción cuando se lleva a cabo la epoxidación de propeno con un lecho fijo de catalizador de silicalita de titanio dispuesto en el tubo de reacción. Siempre existe un perfil de temperatura a lo largo de la longitud del tubo con una temperatura máxima cerca de la entrada al tubo de reacción y una caída de temperatura significativa hacia el final del tubo de reacción.
Se ha encontrado además que se puede alcanzar un perfil de temperatura más uniforme a lo largo de la longitud del tubo con diferencias de temperatura menores al retirar una parte del medio de enfriamiento del espacio de la camisa en uno o varios puntos a lo largo del tubo de reacción, saliendo el resto del medio de enfriamiento del espacio de la camisa cerca del final de los tubos de reacción.
Por lo tanto, la materia de la invención es un procedimiento para la epoxidación de propeno al hacer reaccionar continuamente propeno con peróxido de hidrógeno en presencia de un catalizador de silicalita de titanio en un reactor de haz de tubos que comprende una multitud de tubos de reacción paralelos y una camisa de enfriamiento que envuelve los tubos de reacción, teniendo dicha camisa de enfriamiento un punto de alimentación para medio de enfriamiento cerca de la entrada de los tubos de reacción y un punto de retirada para medio de enfriamiento cerca del final de los tubos de reacción, donde el catalizador está dispuesto como un lecho fijo en los tubos de reacción, una mezcla que comprende propeno y peróxido de hidrógeno se introduce continuamente en la entrada de los tubos de reacción y una mezcla de reacción que comprende óxido de propeno sale del final de los tubos de reacción, caracterizado por que la camisa de enfriamiento tiene al menos un punto de retirada adicional para medio de enfriamiento aguas arriba del punto de retirada para medio de enfriamiento cerca del final de los tubos de reacción, se alimenta medio de enfriamiento al punto de alimentación para medio de enfriamiento, una parte del medio de enfriamiento alimentado a dicho punto de alimentación se retira en el al menos un punto de retirada adicional y el resto sale en el punto de retirada cerca del final de los tubos de reacción.
La invención también proporciona un reactor de haz de tubos para la epoxidación continua de propeno que comprende una multitud de tubos de reacción paralelos y una camisa de enfriamiento que envuelve los tubos de reacción, teniendo dicha camisa de enfriamiento un punto de alimentación para medio de enfriamiento cerca de la entrada de los tubos de reacción y un punto de retirada para medio de enfriamiento cerca del final de los tubos de reacción, caracterizado por que la camisa de enfriamiento tiene al menos un punto de retirada adicional para medio de enfriamiento aguas arriba del punto de retirada para medio de enfriamiento cerca del final de los tubos de reacción.
Breve descripción de los dibujos
La Fig. 1 muestra un reactor de haz de tubos con un solo punto de retirada adicional para medio de enfriamiento, pantallas dispuestas en la camisa de enfriamiento y un medio de enfriamiento que circula en un circuito de enfriamiento secundario.
La Fig. 2 muestra perfiles de temperatura a lo largo de un tubo de reacción para la retirada de todo el medio de enfriamiento cerca del final del tubo de reacción (perfil A) y para la retirada de 33% del medio de enfriamiento en un punto de retirada a 22% de la longitud del tubo de reacción y el resto cerca del final del tubo de reacción (perfil B).
Descripción detallada de la invención
El procedimiento de la invención se lleva a cabo en el reactor de haz de tubos de la invención que comprende una multitud de tubos de reacción paralelos y una camisa de enfriamiento que envuelve los tubos de reacción. El reactor de haz de tubos comprende preferiblemente de 5000 a 20000 tubos de reacción paralelos, más preferiblemente de 7500 a 15000 tubos de reacción paralelos. Los tubos de reacción tiene preferiblemente una sección transversal circular con un diámetro interno preferiblemente de 2 a 5 cm, más preferiblemente de 2,5 a 4 cm. Preferiblemente, todos los tubos de reacción del reactor de haz de tubos tienen el mismo diámetro interno. Preferiblemente, los tubos de reacción tienen una longitud de 5 a 18 m, más preferiblemente de 10 a 15 m.
Los tubos de reacción paralelos están envueltos por una camisa de enfriamiento que tiene un punto de alimentación para medio de enfriamiento cerca de la entrada de los tubos de reacción y un punto de retirada para medio de enfriamiento cerca del final de los tubos de reacción. El punto de alimentación para medio de enfriamiento está preferiblemente menos de 1 m aguas abajo de la entrada de los tubos de reacción y puede estar tan cerca de la entrada de los tubos de reacción como sea técnicamente posible. Puede comprender varias aberturas donde el medio de enfriamiento entra en la camisa de enfriamiento dentro de esta distancia desde la entrada de los tubos de reacción. El punto de retirada para medio de enfriamiento está preferiblemente menos de 1 m aguas arriba del final de los tubos de reacción y puede estar tan cerca del final de los tubos de reacción como sea técnicamente posible. Puede comprender varias aberturas donde el medio de enfriamiento se retira de la camisa de enfriamiento dentro de esta distancia desde el final de los tubos de reacción. Preferiblemente, la camisa de enfriamiento comprende placas para tubos en la entrada de los tubos de reacción y al final de los tubos de reacción, que separan un espacio de entrada al reactor conectado a la entrada de todos los tubos de reacción paralelos de la camisa de enfriamiento y que separan un espacio de salida del reactor conectado al final de todos los tubos de reacción paralelos de la camisa de enfriamiento. La camisa de enfriamiento tiene al menos un punto de retirada adicional para medio de enfriamiento aguas arriba del punto de retirada para medio de enfriamiento cerca del final de los tubos de reacción. El reactor de haz de tubos tiene preferiblemente de 1 a 3 puntos de retirada adicionales para medio de enfriamiento, más preferiblemente 1 o 2 puntos de retirada adicionales para medio de enfriamiento y lo más preferiblemente un solo punto de retirada adicional para medio de enfriamiento. El al menos un punto de retirada adicional está situado preferiblemente a de 15 a 70% de la longitud de los tubos de reacción, más preferiblemente a de 18 a 50% de la longitud, midiéndose la longitud desde la entrada de los tubos de reacción hasta el final de los tubos de reacción. Cuando el reactor de haz de tubos tiene varios puntos de retirada adicionales para medio de enfriamiento, preferiblemente están situados a diferentes longitudes a lo largo de los tubos de reacción.
El reactor de haz de tubos de la invención comprende preferiblemente pantallas dispuestas en la camisa de enfriamiento transversalmente a los tubos de reacción a través de parte de la sección transversal de la camisa de enfriamiento para guiar medio de enfriamiento transversalmente a los tubos de reacción. Cada pantalla bloquea preferiblemente de 10 a 30% de la sección transversal de la camisa de enfriamiento y las pantallas vecinas preferiblemente están escalonadas para guiar medio de enfriamiento transversalmente a los tubos de reacción. La distancia entre pantallas a lo largo de la longitud de los tubos de reacción es preferiblemente de 10 a 40% del diámetro medio de las camisas de enfriamiento. Preferiblemente, las pantallas tienen aberturas cercanas o adyacentes a la pared interna de la camisa de enfriamiento o un hueco entre la pantalla y la pared interna de la camisa de enfriamiento. El número y el tamaño de las aberturas o la anchura del hueco se elige preferiblemente para proporcionar un caudal mínimo dentro de todo el volumen de la camisa de enfriamiento y para evitar regiones de medio de enfriamiento estancado en recovecos entre una pantalla y la camisa de enfriamiento.
El reactor de haz de tubos de la invención comprende preferiblemente un circuito de enfriamiento secundario con al menos una bomba de circulación y al menos un termointercambiador para enfriar el medio de enfriamiento con un refrigerante primario. El termointercambiador puede ser un termointercambiador líquido-líquido para enfriar con agua dulce o agua salada como refrigerante primario o un enfriador de aire para enfriar con aire como refrigerante primario. El termointercambiador también puede ser un enfriador de aire húmedo que usa evaporación de agua en aire para el enfriamiento del medio de enfriamiento.
En una realización preferida, el reactor de la invención tiene tubos de reacción dispuestos verticalmente y comprende al menos un distribuidor dispuesto por encima de la entrada de los tubos de reacción, que tiene aberturas para suministrar líquido a cada uno de los tubos de reacción. Preferiblemente, el distribuidor comprende aberturas separadas para suministrar separadamente dos líquidos a cada uno de los tubos de reacción, en particular para suministrar separadamente una corriente de alimentación de propeno y una corriente de alimentación de peróxido de hidrógeno a cada uno de los tubos de reacción. Distribuidores adecuados son conocidos de la técnica anterior, por ejemplo del documento WO 2005/025716. Esta realización del reactor es adecuada para hacer funcionar el procedimiento de la invención con flujo percolador de líquido en el lecho fijo de catalizador.
El reactor de la invención puede comprender adicionalmente un separador de fases dispuesto aguas abajo del final de los tubos de reacción para separar fases líquidas de una mezcla de reacción multifásica que sale del final de los tubos de reacción. Separadores de fases adecuados se conocen de la técnica anterior, por ejemplo del documento WO 2008/141734.
El reactor de la invención comprende preferiblemente sensores de temperatura dispuestos en el centro de los tubos de reacción. Preferiblemente, se usan de 1 a 50 sensores de temperatura. Los sensores de temperatura pueden estar dispuestos en una o más filas dentro de un número de tubos de reacción correspondiente. Sin embargo, se prefiere usar sensores de temperatura separados en un número de tubos de reacción correspondiente. Preferiblemente, los sensores de temperatura están distribuidos dentro del haz de tubos para comprobar la homogeneidad de la distribución de temperatura dentro del haz de tubos. Preferiblemente, se usa un grupo de sensores de temperatura dentro de un tubo de reacción o en varios tubos de reacción en posiciones comparables dentro del haz de tubos con los sensores de temperatura situados a diferentes distancias a lo largo de la longitud del lecho fijo de catalizador, preferiblemente a distancias que varían en de 0,2 a 1,5 m, a fin de comprobar el perfil de temperatura a lo largo de la longitud del lecho fijo de catalizador.
En el procedimiento de la invención, se hace reaccionar continuamente propeno con peróxido de hidrógeno en presencia de un catalizador de silicalita de titanio en el reactor de haz de tubos de la invención.
Una mezcla que comprende propeno y peróxido de hidrógeno se introduce continuamente en la entrada de los tubos de reacción y una mezcla de reacción que comprende óxido de propeno sale al final de los tubos de reacción. El propeno puede contener propano, preferiblemente con una relación molar de propano a propeno de 0,001 a 0,15 y más preferiblemente de 0,08 a 0,12. El peróxido de hidrógeno se puede usar como una solución acuosa, que contiene preferiblemente de 30 a 75% en peso peróxido de hidrógeno y lo más preferiblemente de 40 a 70% en peso.
La reacción se lleva a cabo preferiblemente en un disolvente metanólico para proporcionar una mezcla líquida que comprende propeno, peróxido de hidrógeno y metanol. El disolvente metanólico puede ser un metanol de calidad técnica, una corriente de disolvente recuperada en el tratamiento de la mezcla de reacción de epoxidación o una mezcla de ambos. El disolvente metanólico se usa preferiblemente en una relación en peso de 0,5 a 20 con relación a la cantidad de solución acuosa de peróxido de hidrógeno.
La reacción se lleva a cabo en presencia de un catalizador de silicalita de titanio que está dispuesto como un lecho fijo en los tubos de reacción. El catalizador de silicalita de titanio tiene preferiblemente una estructura cristalina MFI o MEL. Lo más preferiblemente, se usa un catalizador de silicalita de titanio 1 con estructura MFI como el conocido del documento EP 0 100 119 A1. El catalizador de silicalita de titanio se emplea preferiblemente como un catalizador conformado en la forma de gránulos, productos extruidos o cuerpos conformados. Para el procedimiento de formación el catalizador puede contener de 1 a 99% de un aglutinante o material portador, siendo adecuados todos los aglutinantes y materiales portadores que no reaccionen con peróxido de hidrógeno o con óxido de propeno bajo las condiciones de reacción empleadas para la epoxidación, prefiriéndose la sílice como un aglutinante. Productos extruidos con un diámetro de 1 a 5 mm se usan preferiblemente como catalizadores de lecho fijo.
El lecho fijo de catalizador preferiblemente se extiende a lo largo de más de 70% de la longitud de los tubos de reacción, más preferiblemente a lo largo de 90 a 98% de la longitud de los tubos de reacción. En una realización preferida, un relleno de material inerte está dispuesto en los tubos de reacción aguas arriba del lecho fijo de catalizador, preferiblemente con una longitud de 0,2 a 1,0 m. El material inerte puede estar conformado del mismo modo o en una conformación que difiera del catalizador de silicalita de titanio. Materiales inertes preferidos son cuentas de vidrio. El relleno de material inerte proporciona una distribución uniforme de flujo y una mezcladura de corrientes líquidas que se introducen separadamente en los tubos de reacción antes de que la mezcla que comprende propeno y peróxido de hidrógeno entre en el lecho fijo de catalizador.
La cantidad de catalizador empleada y la velocidad a la que la mezcla que comprende propeno y peróxido de hidrógeno se introduce en los tubos de reacción se eligen preferiblemente para proporcionar una conversión de peróxido de hidrógeno de más de 90%, preferiblemente al menos 95%, tras el paso de la mezcla a través de los tubos de reacción.
La reacción se lleva a cabo preferiblemente a una presión de al menos 1,9 MPa usando propeno en exceso con respecto al peróxido de hidrógeno. La presión es preferiblemente de 1,9 a 5,0 MPa, más preferiblemente de 2,1 a 3,6 MPa y lo más preferiblemente de 2,4 a 2,8 MPa. El propeno se usa preferiblemente en una relación molar de propeno a peróxido de hidrógeno de 1,1:1 a 30:1, más preferiblemente de 2:1 a 10:1 y lo más preferiblemente de 3:1 a 5:1. Usar un exceso de propeno a una presión alta proporciona velocidad de reacción y conversión de peróxido de hidrógeno altas y al mismo tiempo alta selectividad para óxido de propeno.
La mezcla que comprende propeno y peróxido de hidrógeno se hace pasar preferiblemente a través del lecho fijo de catalizador en modo de flujo descendente, preferiblemente con una velocidad superficial de 1 a 100 m/h, más preferiblemente de 5 a 50 m/h, lo más preferiblemente de 5 a 30 m/h. La velocidad superficial se define como la relación de caudal volumétrico/sección transversal del lecho de catalizador. Adicionalmente, se prefiere hacer pasar la mezcla de reacción a través del lecho de catalizador con una velocidad espacial horaria de líquido (LHSV) de 1 a 20 h-1, preferiblemente de 1,3 a 15 h-1. Se prefiere particularmente disponer los tubos de reacción paralelos verticalmente y hacer pasar una mezcla que comprende propeno, peróxido de hidrógeno y disolvente metanólico a través de los tubos de reacción en flujo descendente en modo percolador. Condiciones adecuadas para mantener el modo percolador durante la reacción de epoxidación se divulgan en el documento WO 02/085873 en la página 8 línea 23 a la página 9 línea 15. Lo más preferiblemente, la reacción de epoxidación se lleva a cabo con el lecho fijo de catalizador mantenido en un modo percolador a una presión cercana a la presión de vapor del propeno a la temperatura de reacción, usando un exceso de propeno que proporciona una mezcla que comprende propeno, peróxido de hidrógeno y disolvente metanólico, mezcla que comprende dos fases líquidas, una primera fase rica en propeno y una segunda fase rica en metanol y peróxido de hidrógeno.
La temperatura de reacción es preferiblemente de 20 a 80°C, más preferiblemente de 25 a 60°C. Se hace pasar medio de enfriamiento a través de la camisa de enfriamiento a fin de retirar el calor de reacción de la reacción de epoxidación. El medio de enfriamiento se alimenta al punto de alimentación para medio de enfriamiento cerca de la entrada de los tubos de reacción, una parte del medio de enfriamiento alimentado al punto de alimentación se retira en al menos un punto de retirada adicional y el resto sale en el punto de retirada cerca del final de los tubos de reacción. La temperatura y la cantidad de medio de enfriamiento alimentado al punto de alimentación para medio de enfriamiento y la fracción de medio de enfriamiento retirada en el al menos un punto de retirada adicional se ajustan para proporcionar una distribución de temperatura uniforme a lo largo de la longitud del lecho fijo de catalizador dentro de un tubo de reacción. Preferiblemente, la distribución de temperatura a lo largo de la longitud del lecho fijo de catalizador se ajusta para mantener la temperatura de reacción a lo largo de 70 a 98%, preferiblemente a lo largo de 80 a 95%, de la longitud del lecho fijo de catalizador dentro de un intervalo de menos de 5°C, preferiblemente dentro de un intervalo de 0,5 a 3°C. La temperatura del medio de enfriamiento alimentado al punto de alimentación se ajusta preferiblemente hasta un valor de 3 a 13°C menor que la temperatura máxima en el lecho fijo de catalizador. La fracción de medio de enfriamiento retirada en el al menos un punto de retirada adicional es preferiblemente de 10 a 70%, más preferiblemente de 30 a 55%, cuando el medio de enfriamiento se retira en el al menos un punto de retirada adicional. Cuando el reactor de haz de tubos tiene varios puntos de retirada adicionales para medio de enfriamiento, el medio de enfriamiento se puede retirar en solo uno o en varios puntos de retirada adicionales al mismo tiempo y el medio de enfriamiento se puede retirar en diferentes puntos de retirada adicionales durante el transcurso de la reacción.
El medio de enfriamiento es preferiblemente agua y más preferiblemente agua que se hace circular en un circuito de enfriamiento secundario. En un circuito de enfriamiento secundario, la temperatura del medio de enfriamiento se ajusta mediante enfriamiento con agua o aire como un refrigerante primario en un termointercambiador separado. Este termointercambiador separado también puede ser un enfriador de aire húmedo que usa evaporación de agua en aire para enfriar el medio de enfriamiento. El uso de un circuito de enfriamiento secundario permite ajustar la temperatura del medio de enfriamiento incluso cuando la temperatura del refrigerante primario cambie y permite el uso de agua purificada como medio de enfriamiento para reducir la corrosión de la camisa de enfriamiento y la pared externa de los tubos de reacción.
La alimentación del medio de enfriamiento a un punto de alimentación cerca de la entrada de los tubos de reacción y la retirada de medio de enfriamiento aguas abajo proporciona un enfriamiento en paralelo que proporciona una disminución en la termotransferencia a lo largo de la longitud de un tubo de reacción debido a la diferencia de temperatura decreciente entre el medio de enfriamiento y la mezcla de reacción dentro de los tubos de reacción, adaptándose a la disminución en el calor generado por la epoxidación a lo largo de la longitud de un tubo de reacción debido a la disminución en la concentración de peróxido de hidrógeno.
En comparación con el uso de un espacio de la camisa de enfriamiento con solo un punto de retirada para medio de enfriamiento, el procedimiento de la invención proporciona una distribución de temperatura más uniforme a lo largo de la longitud del lecho fijo de catalizador dentro de un tubo de reacción y evita la formación de un punto caliente cerca de la entrada al lecho de catalizador con una caída de temperatura significativa a lo largo del lecho fijo de catalizador aguas abajo del punto caliente.
En comparación con el uso de un espacio de la camisa de enfriamiento dividido en varias zonas y el uso de diferentes medios de enfriamiento o medios de enfriamiento de diferente temperatura según se describe en el documento WO 2005/068062, el procedimiento de la invención requiere menos equipo y puede usar un reactor con una construcción más simple. Cuando se usa un circuito de enfriamiento secundario, el procedimiento de la invención se puede hacer funcionar con una sola bomba de circulación y un solo enfriador o sistema de enfriamiento para enfriar el medio de enfriamiento del circuito de enfriamiento secundario con un refrigerante primario, mientras que el enfriamiento de la técnica anterior con diferentes medios de enfriamiento o medios de enfriamiento de diferente temperatura requiere bombas de circulación y termointercambiadores separados para refrigerante primario para cada zona de la camisa de enfriamiento dividida.
Preferiblemente, las pantallas se disponen en la camisa de enfriamiento transversalmente a los tubos de reacción a través de parte de la sección transversal de la camisa de enfriamiento, guiando el medio de enfriamiento transversalmente a los tubos de reacción, a fin de mejorar la termotransferencia desde los tubos de reacción hacia el medio de enfriamiento. Las pantallas tienen preferiblemente aberturas cerca de o adyacentes a la pared interna de la camisa de enfriamiento o un hueco entre la pantalla y la pared interna de la camisa de enfriamiento a fin de proporcionar un caudal mínimo dentro de todo el volumen de la camisa de enfriamiento y para evitar regiones de medio de enfriamiento estancado en recovecos entre la pantalla y la camisa de enfriamiento.
El catalizador de silicalita de titanio pierde gradualmente actividad catalítica durante la epoxidación continua de propeno con peróxido de hidrógeno y un catalizador de lecho fijo y, por lo tanto, la epoxidación continua se tiene que interrumpir de vez en cuando para reemplazar o regenerar el catalizador de silicalita de titanio. Durante este ciclo del catalizador de silicalita de titanio, la temperatura y la cantidad de medio de enfriamiento alimentado al punto de alimentación para medio de enfriamiento y la fracción de medio de enfriamiento retirada en el al menos un punto de retirada adicional se ajustan preferiblemente a la disminución de la actividad del catalizador. Preferiblemente, la temperatura de reacción se incrementa durante un ciclo del catalizador de silicalita de titanio a fin de mantener suficiente conversión de peróxido de hidrógeno a pesar de la disminución de la actividad del catalizador.
El medio de enfriamiento se puede retirar en el punto de retirada adicional a lo largo de todo el ciclo del catalizador de silicalita de titanio o durante parte de este ciclo. Preferiblemente, no se retira inicialmente medio de enfriamiento en el punto de retirada adicional hasta que la conversión de peróxido de hidrógeno disminuya hasta un valor elegido debido a la desactivación del catalizador, seguido por la retirada de una parte creciente del medio de enfriamiento en el punto de retirada adicional para mantener una conversión esencialmente constante de peróxido de hidrógeno. En este contexto, esencialmente constante tiene el significado de que la conversión de peróxido de hidrógeno varía en no más de 2% a una alimentación dada de peróxido de hidrógeno. Sin embargo, si la cantidad de peróxido de hidrógeno alimentada se cambia para alcanzar una velocidad de producción diferente, la conversión de peróxido de hidrógeno puede cambiar en un valor mayor de 2%, pero posteriormente se mantendrá dentro del 2% del nuevo valor. La retirada de medio de enfriamiento se puede incrementar continuamente o escalonadamente en etapas de hasta 10% de la cantidad de medio de enfriamiento alimentada. En una realización preferida, la retirada del medio de enfriamiento en el punto de retirada adicional se incrementa hasta que la fracción de medio de enfriamiento retirada en el punto de retirada adicional alcanza un valor elegido, y posteriormente la fracción de medio de enfriamiento retirada en el punto de retirada adicional se mantiene dentro de 0,8 a 1,2 veces el valor elegido y la temperatura del medio de enfriamiento se incrementa para mantener una conversión esencialmente constante de peróxido de hidrógeno. El valor elegido para la fracción de medio de enfriamiento es preferiblemente de 10 a 70%, más preferiblemente de 30 a 55%. La temperatura del medio de enfriamiento se puede incrementar continuamente o escalonadamente en etapas de hasta 2°C, a fin de mantener la conversión de peróxido de hidrógeno dentro de 90%, más preferiblemente dentro de 95% del valor elegido. Ajustar la fracción de medio de enfriamiento retirado en la retirada adicional durante un ciclo del catalizador de silicalita de titanio permite mantener un intervalo estrecho de temperatura de reacción dentro del lecho de catalizador incluso cuando la actividad del catalizador empiece a cambiar a lo largo de la longitud del lecho de catalizador debido a una desactivación desigual del catalizador a lo largo de la longitud del lecho de catalizador.
Cuando, debido a la desactivación del catalizador, la conversión de peróxido de hidrógeno caiga por debajo del nivel deseado o el aumento en la temperatura de reacción necesario para mantener la conversión deseada de peróxido de hidrógeno conduzca a un nivel no deseado de formación de subproductos, la epoxidación continua se interrumpe preferiblemente para reemplazar o regenerar el catalizador de silicalita de titanio. Preferiblemente, el catalizador se regenera dentro de los tubos de reacción. La regeneración dentro de los tubos de reacción se puede alcanzar mediante métodos conocidos de la técnica anterior, tales como hacer pasar una corriente gaseosa a una temperatura de 200 a 600°C a través del lecho fijo de catalizador, hacer pasar una corriente de disolvente a través del lecho de catalizador o hacer pasar una solución de peróxido de hidrógeno a través del lecho de catalizador en ausencia de propeno.
El catalizador de silicalita de titanio se regenera preferiblemente al hacer pasar un disolvente metanólico a través del lecho fijo de catalizador a una temperatura de 100 a 200°C durante un período de 0,5 a 48 horas, más preferiblemente de 20 a 36 horas y lo más preferiblemente de 20 a 24 horas. El disolvente metanólico usado para regenerar el catalizador comprende preferiblemente más de 90% de metanol y menos de 10% de agua y más preferiblemente más de 96% en peso de metanol y menos de 4% de agua. El disolvente metanólico es preferiblemente un metanol de calidad técnica, una corriente de disolvente recuperada en el tratamiento de la mezcla de reacción de epoxidación o una mezcla de ambos. El disolvente metanólico se hace pasar preferiblemente a través del lecho fijo de catalizador en modo de flujo descendente y lo más preferiblemente el caudal se ajusta para mantener un flujo percolador en el lecho fijo de catalizador. La regeneración se puede realizar a una temperatura constante o usando un programa de temperatura. El paso del disolvente metanólico a través del lecho fijo de catalizador se inicia preferiblemente a la temperatura de reacción de la reacción de epoxidación. A continuación, la temperatura se eleva hasta al menos 100°C y se mantiene a una temperatura de al menos 100°C durante el tiempo necesario para llevar a cabo la regeneración. Posteriormente, la temperatura se disminuye de nuevo hasta la temperatura usada para la epoxidación. Finalmente, el flujo de metanol se detiene o la epoxidación se reanuda al empezar a alimentar propeno y peróxido de hidrógeno al reactor de haz de tubos. En este programa de temperatura, el aumento y la disminución de la temperatura se realiza preferiblemente a una velocidad de 5 a 30°C/h. Durante la regeneración, la presión se ajusta para mantener la mayor parte del disolvente metanólico en estado líquido. La presión necesaria se puede alcanzar como la presión de vapor autógena al evaporar parte del disolvente metanólico o al suministrar un gas inerte tal como nitrógeno. Al menos una parte del disolvente que se hace pasar a través del lecho fijo de catalizador se puede reutilizar para regenerar el catalizador sin purificación previa. Preferiblemente, el disolvente metanólico se hace pasar a través del lecho fijo de catalizador sin reutilización durante un período de 2% a 70% del tiempo usado para la regeneración y posteriormente todo el disolvente metanólico que se hace pasar a través del lecho fijo de catalizador se devuelve a la regeneración, creando un bucle cerrado para lavar el catalizador con un disolvente metanólico durante el resto del tiempo de regeneración. Esto reduce la cantidad de metanol necesaria para regenerar el catalizador.
El óxido de propeno formado mediante la epoxidación de propeno se puede separar de la mezcla de reacción que sale al final de los tubos de reacción mediante cualquier método conocido de la técnica anterior.
Preferiblemente, la mezcla de reacción se somete a una reducción de presión y el vapor de propeno formado por la reducción de la presión se recomprime y se enfría para recuperar propeno mediante condensación. El vapor de propeno comprimido se alimenta preferiblemente a una columna de destilación de propeno y se separa en un producto superior que comprende propeno sin reaccionar y un producto inferior que contiene compuestos que tienen un punto de ebullición superior que el propeno, tales como óxido de propeno y disolvente metanólico. El producto superior que comprende propeno sin reaccionar se puede reciclar a la reacción de epoxidación. El producto inferior se puede combinar con la mezcla líquida que queda después de la reducción de la presión. La mezcla líquida que queda después de la reducción de la presión preferiblemente se separa mediante destilación en una columna de preseparación para proporcionar un producto superior que comprende óxido de propeno, metanol y propeno residual y un producto inferior que comprende metanol, agua y peróxido de hidrógeno sin reaccionar. La columna de preseparación preferiblemente se hace funcionar para proporcionar un producto superior que comprende de 20 a 60% del metanol contenido en la fase líquida de la última etapa de reducción de la presión. La columna de preseparación tiene preferiblemente de 5 a 20 estadios de separación teóricos en la sección de separación por arrastre y menos de 3 estadios de separación teóricos en una sección de rectificación y lo más preferiblemente se hace funcionar sin reflujo y sin una sección de rectificación para minimizar el tiempo de permanencia de óxido de propeno en la columna de preseparación. La columna de preseparación se hace funcionar preferiblemente a una presión de 0,16 a 0,3 MPa. El óxido de propeno y el metanol se condensan a partir del producto superior de la columna de preseparación y el propeno preferiblemente se separa por arrastre del condensado resultante en una columna de separación por arrastre de propeno que proporciona una corriente inferior que comprende óxido de propeno y metanol que está esencialmente libre de propeno.
Preferiblemente, el óxido de propeno se separa de la corriente inferior de la columna de separación por arrastre de propeno en una destilación extractiva usando agua como el disolvente de extracción. La destilación extractiva se realiza preferiblemente con alimentación adicional de un compuesto reactivo que contiene un grupo NH2 no sustituido y capaz de reaccionar con acetaldehído durante la destilación extractiva, según se describe en el documento WO 2004/048335. La destilación extractiva con un compuesto reactivo proporciona un óxido de propeno de alta pureza que contiene menos de 50 ppm de compuestos carbonílicos.
El metanol se puede recuperar del producto inferior de la columna de preseparación mediante destilación. Preferiblemente, el producto inferior de la columna de preseparación se somete a una hidrogenación catalítica con hidrógeno para retirar peróxido de hidrógeno sin reaccionar que queda de la etapa a), según se describe en el documento WO 03/093255, antes de que el metanol se separe mediante destilación. Esta hidrogenación catalítica reduce la cantidad de compuestos carbonílicos y acetales en el metanol separado mediante destilación, lo que es ventajoso cuando el metanol se recicla a la reacción de la etapa a). Preferiblemente, el producto inferior de la destilación extractiva se combina con el producto inferior de la columna de preseparación, preferiblemente antes de someterlo a hidrogenación, a fin de recuperar el metanol. Cuando se usa hidracina como el compuesto reactivo en la destilación extractiva, hacer pasar el producto inferior de la destilación extractiva a la hidrogenación catalítica convertirá hidracina e hidrazonas sin reaccionar formadas a partir de compuestos carbonílicos en amoníaco y aminas. El metanol recuperado se puede reciclar como disolvente a la reacción de epoxidación. Preferiblemente, el metanol recuperado o el producto inferior de la columna de preseparación, opcionalmente combinado con producto inferior de la destilación extractiva y preferiblemente después de una hidrogenación catalítica, se trata para retirar compuestos nitrogenados orgánicos según se describe en el documento WO 2004/048354, más preferiblemente al someterlo a un tratamiento ácido. Lo más preferiblemente, el metanol recuperado se hace pasar sobre un intercambiador catiónico en la forma hidrogenada antes de que se recicle a la reacción de epoxidación. La retirada de compuestos nitrogenados orgánicos, en particular aminas, evita la desactivación del catalizador de silicalita de titanio tras el reciclado de metanol. La Fig. 1 muestra un reactor de haz de tubos con un solo punto de retirada adicional para medio de enfriamiento, pantallas dispuestas en la camisa de enfriamiento y un medio de enfriamiento que circula en un circuito de enfriamiento secundario, que se usa preferiblemente para el procedimiento de la invención.
El reactor (1) de haz de tubos comprende una multitud de tubos (2) de reacción paralelos y una camisa (3) de enfriamiento que envuelve los tubos de reacción. La camisa de enfriamiento comprende chapas para tubos en la entrada (5) de los tubos de reacción y al final (7) de los tubos de reacción, que separan un espacio de entrada al reactor conectado a la entrada de todos los tubos de reacción paralelos de la camisa de enfriamiento y que separan un espacio de salida del reactor conectado al final de todos los tubos de reacción paralelos de la camisa de enfriamiento. La camisa de enfriamiento comprende además un punto (4) de alimentación para medio de enfriamiento cerca de la entrada (5) de los tubos de reacción, un punto (6) de retirada para medio de enfriamiento cerca del final (7) de los tubos de reacción y un punto (8) de retirada adicional para medio de enfriamiento aguas arriba del punto (6) de retirada para medio de enfriamiento cerca del final (7) de los tubos de reacción. La camisa de enfriamiento también comprende pantallas (9) dispuestas transversalmente a los tubos de reacción a través de parte de la sección transversal de la camisa de enfriamiento, pantallas que están escalonadas a lo largo de la longitud de los tubos de reacción para guiar medio de enfriamiento transversalmente a los tubos de reacción. Las pantallas tienen un hueco entre la pantalla y la pared interna de la camisa de enfriamiento para evitar regiones de medio de enfriamiento estancado. El medio de enfriamiento se hace circular con una bomba (10) de circulación en un circuito de enfriamiento secundario y se enfría con un termointercambiador (11) para refrigerante primario. Una mezcla (10) que comprende propeno y peróxido de hidrógeno se introduce continuamente a la entrada (5) de los tubos de reacción a través de un distribuidor (13) y una mezcla (14) de reacción que comprende óxido de propeno sale en la salida (7) de los tubos de reacción.
Lista de signos de referencia:
1 Reactor de haz de tubos
2 Tubos de reacción
3 Camisa de enfriamiento
4 Punto de alimentación para medio de enfriamiento
5 Entrada de los tubos de reacción
6 Punto de retirada para medio de enfriamiento
7 Final de los tubos de reacción
8 Punto de retirada adicional para medio de enfriamiento
9 Pantallas
10 Bomba de circulación
11 Termointercambiador para refrigerante primario
12 Mezcla que comprende propeno y peróxido de hidrógeno
13 Distribuidor
14 Mezcla de reacción que comprende óxido de propeno
Ejemplos
Se epoxidó propeno en un reactor de planta piloto que tenía un solo tubo de reacción vertical de 13,4 m de longitud envuelto por una camisa de enfriamiento. Una fila de sensores de temperatura se dispuso en el centro del tubo de reacción con una distancia de 0,5 m entre sensores de temperatura individuales. Un lecho fijo de catalizador de un catalizador de silicalita de titanio extruido con una longitud de 12,8 m se puso en el tubo de reacción, empezando a 0,6 m desde la entrada del tubo de reacción. La presión en el reactor se mantuvo a 26 MPa al introducir nitrógeno. Una mezcla que comprende 40% en peso de propeno, 11% en peso de una solución acuosa de peróxido de hidrógeno al 70% en peso y 49% en peso de metanol se alimentó a la parte superior del tubo de reacción y se hizo pasar a través del lecho fijo de catalizador en modo percolador. Se introdujeron 225 kg/h de agua de enfriamiento en la camisa de enfriamiento en un punto de alimentación cerca de la entrada del tubo de reacción y toda el agua de enfriamiento salía de la camisa de enfriamiento en un punto de retirada cerca del final del tubo de reacción. Después de que se alcanzara un estado estacionario, el perfil de temperatura A mostrado en la Fig. 2 (temperatura en °C frente a distancia a lo largo del tubo de reacción en m) se midió con los sensores de temperatura. Las temperaturas en el centro del lecho fijo de catalizador medidas desde 1,5 m aguas abajo del tubo de reacción hasta el final del tubo de reacción estaban dentro de un intervalo de 42,4 a 44,7°C con una diferencia máxima de 2,3°C.
Entonces, se continuó el experimento retirando 75 kg/h de agua de enfriamiento en un punto de retirada 3 m aguas abajo del tubo de reacción y los 150 kg/h restante en el punto de retirada cerca del final del tubo de reacción. Después de que se alcanzara un estado estacionario, el perfil de temperatura B mostrado en la Fig. 2 se midió con los sensores de temperatura. Las temperaturas en el centro del lecho fijo de catalizador medidas desde 1,5 m aguas abajo del tubo de reacción hasta el final del tubo de reacción estaban dentro de un intervalo de 42,7 a 43,7 °C con una diferencia máxima de 1,0°C.
El ejemplo demuestra que retirar parte del medio de enfriamiento en el punto de retirada adicional proporciona una distribución de temperatura más uniforme a lo largo de la longitud del lecho fijo de catalizador en comparación con retirar todo el medio de enfriamiento cerca del final del tubo de reacción.

Claims (13)

REIVINDICACIONES
1. Un procedimiento para la epoxidación de propeno al hacer reaccionar continuamente propeno con peróxido de hidrógeno en presencia de un catalizador de silicalita de titanio en un reactor (1) de haz de tubos que comprende una multitud de tubos (2) de reacción paralelos y una camisa (3) de enfriamiento que envuelve los tubos de reacción, teniendo dicha camisa de enfriamiento un punto (4) de alimentación para medio de enfriamiento cerca de la entrada (5) de los tubos de reacción y un punto (6) de retirada para medio de enfriamiento cerca del final (7) de los tubos de reacción, donde el catalizador se dispone como un lecho fijo en los tubos de reacción, una mezcla que comprende propeno y peróxido de hidrógeno se introduce continuamente en la entrada de los tubos de reacción y una mezcla de reacción que comprende óxido de propeno sale al final de los tubos de reacción, caracterizado por que la camisa de enfriamiento tiene al menos un punto (8) de retirada adicional para medio de enfriamiento aguas arriba del punto (6) de retirada para medio de enfriamiento cerca del final (7) de los tubos de reacción, se alimenta medio de enfriamiento al punto de alimentación para medio de enfriamiento, una parte del medio de enfriamiento alimentado a dicho punto de alimentación se retira en el al menos un punto de retirada adicional y el resto sale en el punto (6) de retirada cerca del final de los tubos de reacción.
2. El procedimiento según la reivindicación 1, en el que el al menos un punto de retirada adicional está situado a de 15 a 70% de la longitud de los tubos de reacción.
3. El procedimiento según la reivindicación 1 o 2, en el que de 10 a 70% del medio de enfriamiento alimentado se retira en el al menos un punto de retirada adicional.
4. El procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que el medio de enfriamiento es agua que circula en un circuito de enfriamiento secundario.
5. El procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que las pantallas (9) están dispuestas en la camisa de enfriamiento transversalmente a los tubos de reacción a través de parte de la sección transversal de la camisa de enfriamiento, guiando medio de enfriamiento transversalmente a los tubos de reacción, teniendo dichas pantallas aberturas cerca o adyacentes a la pared interna de la camisa de enfriamiento o un hueco entre la pantalla y la pared interna de la camisa de enfriamiento.
6. El procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que inicialmente no se retira medio de enfriamiento en el punto de retirada adicional hasta que la conversión de peróxido de hidrógeno disminuya hasta un valor elegido debido a la desactivación del catalizador, seguido por la retirada de una parte creciente del medio de enfriamiento en el punto de retirada adicional para mantener una conversión esencialmente constante de peróxido de hidrógeno.
7. El procedimiento según la reivindicación 6, en el que la retirada de medio de enfriamiento en el punto de retirada adicional se incrementa hasta que la fracción de medio de enfriamiento retirada en el punto de retirada adicional alcanza un valor elegido, y posteriormente la fracción de medio de enfriamiento retirada en el punto de retirada adicional se mantiene dentro de 0,8 a 1,2 veces el valor elegido y la temperatura del medio de enfriamiento se incrementa para mantener una conversión esencialmente constante de peróxido de hidrógeno.
8. El procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que los tubos de reacción paralelos se disponen verticalmente y una mezcla que comprende propeno, peróxido de hidrógeno y disolvente metanólico se hace pasar a través de los tubos de reacción en flujo descendente en modo percolador.
9. El procedimiento según la reivindicación 8, en el que la mezcla que comprende propeno, peróxido de hidrógeno y disolvente metanólico comprende dos fases líquidas, una primera fase rica en propeno y una segunda fase rica en metanol y peróxido de hidrógeno.
10. El procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en el que el propeno se hace reaccionar con peróxido de hidrógeno a una temperatura de 20 a 80°C y una presión de 1,9 a 5,0 MPa.
11. Un reactor (1) de haz de tubos para la epoxidación continua de propeno que comprende una multitud de tubos (2) de reacción paralelos y una camisa (3) de enfriamiento que envuelve los tubos de reacción, teniendo dicha camisa de enfriamiento un punto (4) de alimentación para medio de enfriamiento cerca de la entrada (5) de los tubos de reacción y un punto (6) de retirada para medio de enfriamiento cerca del final (7) de los tubos de reacción, caracterizado por que la camisa (3) de enfriamiento tiene al menos un punto (8) de retirada adicional para medio de enfriamiento aguas arriba del punto (6) de retirada para medio de enfriamiento cerca del final (7) de los tubos de reacción.
12. El reactor de haz de tubos según la reivindicación 11, caracterizado por que el al menos un punto de retirada adicional está situado a de 15 a 70% de la longitud de los tubos de reacción.
13. El reactor de haz de tubos según la reivindicación 11 o 12, caracterizado por que las pantallas (9) están dispuesta en la camisa de enfriamiento transversalmente a los tubos de reacción a través de parte de la sección transversal de la camisa de enfriamiento para guiar medio de enfriamiento transversalmente a los tubos de reacción, teniendo dichas pantallas aberturas cerca de o adyacentes a la pared interna de la camisa de enfriamiento o un hueco entre la pantalla y la pared interna de la camisa de enfriamiento.
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