HU176866B - Reactor and process for the partial oxydation of ethylene - Google Patents

Description

A találmány etilén részleges oxidálására szolgáló reaktorra, valamint a gázfázisban, oxigénnel lefolytatott oxidálási eljárásra vonatkozik.

Egyik ismert megoldás szerint az etilén-oxidot etilénből és oxigénből kiindulva az 1. ábra sémája szerint állítják elő. A reakció az 1 csőköteges reaktorban megy végbe, ahol a csövek belsejében katalizátor van elhelyezve. A reakcióhő eltávolítása végett a reaktorköpenyben — a 3 szivattyú segítségével — hőcserélő folyadékot cirkuláltatnak. Ez a folyadék a 2 hőcserélőben lehűl, és gőz keletkezik. Az elmondottak arra az esetre érvényesek, amikor a hőcserélő folyadékot folyékony állapotban tartják. Abban az esetben azonban, ha a hőcserélő folyadékot elpárologtatják, a 3 szivattyú alkalmazása kiküszöbölhető, és a gravitáció segítségével valósítható meg a cirkuláció. Ha hőcserélő folyadékként vizet alkalmaznak, a 2 hőcserélő is kiküszöbölhető, és a gőz közvetlenül az 1 reaktor köpenyében képződik.

A reaktort elhagyó gáz a 4 hőcserélő segítségével felmelegíti az ugyanebbe a reaktorba betáplált gázt; majd az 5 oszlopba kerül, ahol megfelelő oldószerben — általában, de nem szükségszerűen — vízben elnyelődik az etilén-oxid; a gázt az etilén-oxid abszorpciója után a 6 kompresszor segítségével visszavezetik a reakciózónába. A reagenseket — az etilént és az oxidálószert (levegő vagy oxigén) — a 7 és 8 vezetékeken keresztül táplálják be.

A reagensekkel együtt belépő inért gázok felgyülemlésének elkerülése végett a 9 vezetéken kismennyiségü gázt kieresztenek. Levegővel táplált üzemek esetében az etilént tartalmazó elszívott gázokat egy másik berendezésbe táplálják, amely analóg az előbb leírt berendezéssel; oxigénnel táplált üzemek esetében a folyamatba széndioxidos abszorpciót is beiktatnak. A 2 és 4 höcseré5 lök alapvető részét képezik a berendezésnek.

A 2 hőcserélőben a gőztermelés jelentős az üzemeltetés gazdaságossága szempontjából, mert a berendezés energiatermelésre használható. A 4 hőcserélőben visszanyert hőmennyiség is számottevő. Ezzel a hővel — amint 10 már említettük — a reaktorba betáplálandó gázt melegítik fel.

Meg kell említeni, hogy a 4 hőcserélő alkalmazása teszi lehetővé, hogy a reaktorba betáplált reagensek ma15 gas hőmérsékleten maradjanak, amíg a hőcserélőtől a reaktor beadagoló nyílásig vezető csőrészben haladnak. Ezért a betáplált gázkeverék O₂ tartalmának az adott hőmérséklethez tartozó gyúlékonysági határkoncentráció alatt kell lennie. Ez legtöbb esetben 7—8 tf% O₂ tar20 talmat jelent. Az előbbi, hagyományos eljárás szerint a reakcióelegyet magas hőmérsékleten táplálják be a reaktorba, hiszen azt a reaktort elhagyó reakcióelegy segítségével egy hőcserélőn keresztül előmelegítik. Ezzel az eljárással — mivel a reakció exoterm — a legnagyobb 25 mennyiségű gőzt tudják termelni a reakcióhő kihasználásával. A reaktorba ezzel a módszerrel betáplált keverék oxigéntartalma csak alacsony lehet, a robbanásveszély miatt. Ezért a kívánt oxigéntartalmú vegyület koncentrációja is kicsi a reaktort elhagyó elegyben. Ebből 30 következik, hogy nagy reaktorokra van szükség, nagy176866

176866 3 mennyiségű gázt kell cirkuláltatni és komprimálni, ezen kívül az oxigéntartalmú vegyület kinyerése is költséges.

Etilén-oxid előállítására — etilén gázfázisú oxidációjával — a gyakorlatban az előzőekben leírt módszer terjedt el. Ismeretes azonban az irodalomból erre a célra több eljárás, illetve berendezés is, melyek igazán elterjedni a gyakorlatban nem tudtak.

A 3.523.957. sz. amerikai egyesült államokbeli szabadalmi leírás például olyan eljárást ismertet, ahol az etilén-oxidot, szén-dioxidot és a nem reagált etilént hűtőzónába vezetik, aztán az etilén-oxidot abszorpcióval kinyerik belőle, majd folyadékkal elnyeletik, külön abszorpciós zónában, mielőtt a nem reagált etilént a reakciózónába visszavezetnék. Az abszorpciós folyadékot sztrippelő zónán vezetik át, ahol a szén-dioxidot sztrippelik. A megoldás lényege, hogy a sztrippelt abszorpciós folyadék egy részét a hűtőzónán vezetik át, a reakciózónával közvetlen hőcserélő kapcsolatban, így emelik az abszorpciós folyadék hőmérsékletét, a felmelegített abszorpciós folyadékot a hűtőzónából a sztrippelő zónához vezetik, és annak hőigényét részben az abszorpciós folyadék hőtartalmával fedezik. Ez a megoldás azonban nem küszöböli ki a szokásos eljárásoknál általában meglevő hátrányokat, mert az előmelegítés, reakció és hűtés itt is a berendezés különböző, egymástól elkülönített részeiben történik.

A Chemical Abstracts 78. P 125 151. sz. referátum ezüsttel katalizált két lépéses oxidációt ír le, ahol két reaktor alkalmazása szükséges. Az eljárási paraméterek szigorúak (az oxidáció első lépésében 290—300 °C hőmérsékleten az etilén 1,26—1,42 sec-ig tartózkodik a reaktorban, a második lépésben a hőmérséklet 260— 280 °C, időtartam 1 sec), emellett az eljárás a két reaktor alkalmazása miatt bonyolult.

Speciális katalizátort és kiindulóanyag összetételt is- 35 mértét a nevünkre engedélyezett 162.860. sz. magyar szabadalmi leírás, anélkül, hogy a reakció lefolytatásának egyéb körülményeit (előmelegítés, reagáltatás illetve hűtés) részletezné. Lényegében a katalizátornak a reakciózónában való elhelyezésére ad megoldást a 3.086.852. sz. amerikai egyesült államokbeli szabadalmi leírás is.

Felismertük, hogy az oxigén koncentrációja a reaktor beadagoló nyílásánál jelentősen megnövelhető, s ezzel együtt az ismert megoldások hátrányai — vagyis nagy reaktor szükségessége, nagy mennyiségű gáz cirkuláltatása és komprímálása, az oxigén-tartalmú vegyület költséges kinyerése — elkerülhetők, ha az etilén-oxigén elegy felmelegítését hőcserélőn keresztül egy — a gázeleggyel ellenáramban vezetett — a hűtőzónában visszanyert hővel felmelegített folyadék segítségével a reakciózónával egybeépített zónában végezzük. A reakciózóna csőköteg, melyben katalizátor töltet van, és az előmelegítő zónával és a hűtőzónával egybeépítve van kialakítva; vagyis a három zónát egyazon csőköteg részei alkotják.

A találmány szerinti berendezés lényege, hogy a reaktor csövei a reaktor hossztengelyére merőleges terelőlemezekkel előmelegítőzónára, reakciózónára és hűtőzónára vannak osztva, a hűtőzóna hűtésére és a visszanyert hő hasznosítására a berendezés folyadékot cirkuláltató szivattyút, a reakciózóna hűtésére folyadékot cirkuláltató szivattyút tartalmaz, és az előmelegítő zóna ínért töltettel, a reakciózóna katalizátor töltettel, a hűtőzóna pedig adott esetben inért töltettel töltött.

A találmány szerinti eljárás során előnyösen 180—

220 °C-ra előmelegített etilén és oxigén vagy oxigén-tar- 65 talmú gáz (az etilén-oxigén elegyben legfeljebb 20 tf%, előnyösen 10—20 tf% az oxigéntartalom) elegyét a fenti csőköteges reaktor katalizátorral töltött reakciózónájába vezetjük, majd a reakcióterméket a reakciózónából 5 eltávolítjuk és hűtőzónában 150 °C-os hőmérséklet alá hűtjük.

A találmány szerinti eljárás értelmében a betáplált gázelegy előmelegítését a reakciózónával egybeépített inért töltettel töltött csőköteges előmelegítő zónában 10 végezzük, a hűtőzónában visszanyert hőt pedig az előmelegítő zónában hasznosítjuk.

A csőkötegként kialakított reakciózóna mindig tartalmaz katalizátor töltetet, míg a hűtőzóna, mely ugyancsak csőkötegként van kialakítva, inért anyaggal töltött, 15 vagy nem tartalmaz töltetet.

Inért anyagként használhatunk önmagában ismert töltetidomokat (pl. különböző kerámiai anyagokból) így hengereket, golyókat, Raschig-gyűrűket vagy egyéb, más alakú testeket. A különböző zónákban levő töltet elő20 nyösen a zóna több mint 50%-át töltik ki.

A hűtő- és melegítőzónák tehát egyaránt csőköteg formájúak és a töltet-idomok legnagyobb mérete és a csövek belső átmérője közti arány legfeljebb 0,40, előnyösen 0,30—0,06 lehet.

A találmány szerinti berendezés és eljárás jobb megértését segíti elő a 2., 3. és 4. ábra, anélkül, hogy ezek a találmány korlátozását jelentenék.

A 2. ábrán a reaktor egy csöve látható. A reagensek fűtése a 12 zónában történik, a reakció a 4 zónában megy 30 végbe, a 11 zónában pedig a reakciótermékek hűtése történik. A 11 és 12 zónák általában inért anyaggal töltöttek, míg a katalizátort a 4 zóna tartalmazza.

A 3. ábrán látható, hogy a 7 etilén és 8 oxigén a 13 vezetéken keresztül az 1 reaktor csőkötegeibe jut, de a reakció előtt a 12 zónában felmelegítjük, a reakció után pedig all zónában lehűtjük a 18 folyadék segítségével, amelyet a 11 és 12 zónák között a 10 szivattyú cirkuláltat.

A reaktort a 14 vezetéken keresztül elhagyó gázokat 40 az 5 oszlopba betápláljuk, ahol az etilén-oxid a 15 folyadékban elnyelődik.

A folyadékban nem abszorbeálódott gázok fejtermékként elhagyják az 5 oszlopot, és részben a 9 vezetéken keresztül eltávolítjuk, részben pedig a 6 vezetéken ke45 resztül visszacirkuláltatjuk őket a betápláláshoz.

A reakció folyamán fejlődött hőt a 3 szivattyú segítségével cirkuláltatott 16 folyadék segítségével vonjuk el; ily módon 17 gőzt fejlesztve a 2 elpárologtató berends* zésben.

A reakcióhő eltávolítása történhet folyadék-cirkuláltatással vagy elpárologtatással, célszerűen közvetlenül a reaktorköpenyben elpárologtatott víz segítségével. így könnyen szabályozhatjuk a hőfejlődést és a reakció előrehaladását.

A 4. ábrán a készülék további kiviteli alakja látható. A 3. ábrán látható berendezésnél az 1 reaktor csőkötegekből áll. A csövek két végükkel a 19 illetve 20 lemezekhez csatlakoznak, amelyekhez a 21 és 22 fenekek peremezéssel vagy hegesztéssel vannak hozzáerősítve.

A csövek két vége megfelelő hosszúságban inért szilárd anyaggal, középső részük pedig katalizátorral van megtöltve. A katalizátor és az inért anyag megfelelő alakú» előnyösen henger, golyó vagy Raschig-gyűrű formájú lehet.

A köpennyel körülvett csőköteget a 23 és 24 terelő· lemezek hosszirányban különálló részre (12, 4,11) osztják, mely részekben a reagensek felmelegítése, a reakció és a reakciótermékek hűtése történik.

All hűtőzónában a töltet nem feltétlenül szükséges.

A berendezést a 18 cirkulációs kör egészíti ki, amelyben a 12 melegítőzóna és a 11 hűtőzóna között folyadék cirkulál. A cirkuláció a 10 szivattyú segítségével történik.

A reaktor 4 zónájának hűtését a 16 hűtő cirkulációs kör segíti elő, az ebben cirkuláló folyadék elvonja a hőt a 4 reakciózónából és azt a 2 elpárologtató berendezésben hasznosítja, 17 gőz előállításával. A 16 cirkulációs körben a cirkulációt a 3 szivattyú biztosítja.

A 16 cirkulációs körben illékony folyadék alkalmazásakor a 3 szivattyúra és a 2 elpárologtató berendezésre nincs szükség.

A 4. ábrán a berendezésnek egy olyan változata látható, ahol több hűtőzóna és több melegítőzóna található.

A következő példában bemutatjuk a találmány szerinti eljárást, anélkül, hogy a találmányt csak erre a példára korlátoznánk.

Példa

A 3. ábrán látható berendezésbe különböző időpontokban 3 elegyet tápláltunk. A betáplált elegyek összetétele, a reakciókörülmények és az elért eredmények a következő táblázatban láthatók:

A betáplált elegy komponensei	1. elegy	2, elegy	3. elegy
Etilén	20 térfogat %	22 térfogat %	22 térfogat %
Oxigén	8 „	15 „	18 »
Széndioxid	10 ,,	10 ,,	10 «
Nitrogén	37 „	32 „	30,2 „
Argon	25 „	21 ,,	21,8 „
Reakcióhőmérséklet (°C)	235	235	235
Hőmérséklet a reaktor bemeneti nyílásánál (°C)	180	45	45
Nyomás a reaktor bemeneti nyílásánál (atm)	20	22	22
Az etilén-oxid koncentrációja a reaktor kimeneti	2,8%	5,2%	6,9%
nyílásánál

Szabadalmi igénypontok

Claims (5)

1. Csőköteges reaktor etilén részleges oxidálására gázfázisban, azzal jellemezve, hogy a reaktor csövei a reaktor hossztengelyére merőleges terelőlemezekkel (23, 24) előmelegítőzónára (12), reakciózónára (4) és hűtőzónára (11) vannak osztva, a hűtőzóna (11) hűtésére és a visszanyert hő hasznosítására a berendezés folyadékot (18) církuláltató szivattyút (10), a reakciózóna (4) hűtésére folyadékot (16) cirkuláltató szivattyút (3) tartalmaz, és az előmelegítő zóna (12) inért töltettel, a reakciózóna (4) katalizátor töltettel, a hűtőzóna (44) pedig adott esetben inért töltettel töltött.

2. Az 1. igénypont szerinti csőköteges reaktor kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy a hűtőzónában (11) és az előmelegítő zónában az inért töltet fajlagos hézagtérfogata 0,5-nél kisebb.

3. Az 1. vagy 2. igénypont szerinti csőköteges reaktor kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy az inért töltet hengerekből, golyókból vagy Raschig gyűrűkből áll.

4. Az 1. vagy 2. igénypont szerinti csőköteges reaktor kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy az inért töltőanyag olyan töltetidomokból áll, amelyek legnagyobb mérete és a csőköteg csöveinek belső átmérője közötti arány 0,40-nél kisebb, előnyösen 0,06—0,36.

5. Eljárás etilén részleges oxidálására gázfázisban; oxigénnel, melynek során etilén és oxigén vagy oxigént tartalmazó gáz előmelegített elegyét az 1—4. igénypontok bármelyike szerinti csőköteges reaktor katalizátortöltettel töltött reakciózónájába vezetjük, majd a reakcióterméket a reakciózónából eltávolítjuk és a hűtőzónában 150 °C-os hőmérséklet alá hűtjük, azzal jellemezve, hogy legfeljebb 20 tf%, előnyösen 10—20 tf% oxigénkoncenírációjú elegyet táplálunk be az előmelegítőzónába és a reakcióelegyet a hűtőzónaként kialakított térben visszanyert hővel 180—220 °C-ra előmelegítjük.