JP2013543496A - 改善されたeoプロセス制御 - Google Patents
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Abstract
Description
従って、1,2−ジオール、1,2−ジオールエーテル、1,2−カルボナート及びアルカノールアミンはオレフィンのエポキシ化及び形成されたオレフィンオキシドを水、アルコール、二酸化炭素又はアミンを用いて転化することを含む多段階プロセスによって製造することができる。
・装置のEO除去及び/又はCO2除去セクションからEO反応器に戻される塔頂流の冷却を上げる。
・CO2吸収材(absorber)を通すリサイクルガスの流れ減少
・EO及びCO2吸収材のより低い温度での運転
・固定したEO生産量でガス時間空間速度を上昇させて、EO反応器内での水分濃度勾配の増加を減少させる
・触媒の単位容量当たりの負荷即ちEO生産量を低下させてEO反応器内で形成されるH2Oの量を減少させる
・所与のEO生産速度で触媒床内に産生される水の量を減少するようにより選択性の高い触媒を使用する
・H2O分圧を低下させるように反応器の運転圧力を減少させる
・水の蒸気圧を上げるように所要の温度より高い温度で反応器を運転する
ことが含まれる。
水分濃度が、触媒活性全体に対して少ししか影響がないことは直感的に理解できることではなく、また最適「Q」ファクターは主として温度の関数であり、従って、多くのオペレータは水分濃度から「Q」ファクターを替える理由を見出すことができない。H2O吸着を補てんするために、「Q」ファクターを水分濃度に比例して変動させようとするが、多くの場合において、この変動は間違った方向にある。「Q」ファクターはUS 7,193,094に教示されており、当該特許は参照により本明細書に組込まれる。しかし、’094特許において、モデレータ濃度は主に反応器温度の関数である。本発明は「Q」ファクターの適切な制御は、触媒床において明らかな水分濃度シフトが起きた場合にはいつでもモデレータ濃度の再最適化を必要とすることを明らかにした。
以下のステップにEO反応管の触媒床内の複数の位置において、ガス相における水の分圧並びに各軸方向位置の水の蒸気圧を計算するのに必要な方法論をすべて記載する。最終的に、各軸方向位置におけるガス相内の水分濃度が選択性の低下を増加させるか否かを決定できるように、水の分圧対水の蒸気圧の比が計算される。
触媒を充填した管内の軸方向のガス温度プロフィールは、EO反応器の選定された管に配置される熱電対を用いて直接測定することができる。多くの場合、EO反応器内の5−20の管が、反応器の長さ方向に設置された触媒床内熱電対シースを有している。各熱電対シースは一般的に、その長さ方向に5−10の既知の温度指示位置を有している。これらEO反応器内の選ばれた数の管に配置された熱電対から、EO反応器内の残る管におけるガス温度の推定ができる。
過冷却された冷却剤が反応器に供給されたり、反応器が過酷な条件で運転されている場合、ガス温度と冷却剤温度により大きな差異が起こり得る。水冷されている反応器の触媒床についてガス温度を近似するためには、1メーターを超える距離で冷却剤温度に一定の補正を与えることができる。反応器出口における冷却剤温度と出口ガス温度の差により、反応器生成ガスが著しく冷却される前に出口ガス温度(「OGT」)が測定されれば、近い近似が与えられる。
補正=242.9℃−236.4℃=6.5℃
1.33m 触媒=235.0℃+6.5℃=241.5℃
2.33m 触媒=235.2℃+6.5℃=241.7℃
3.57m 触媒=235.4℃+6.5℃=241.9℃
11.33m 触媒=236.4℃+6.5℃=242.9℃
最大補正=OGT−11.33mにおける冷却剤温度=250℃−238.0℃=12℃
ほとんどの場合、触媒床の入口近くから床の出口まで、触媒温度の直線的な増加を推定することによって、触媒床全体にわたる軸方向のガス温度プロフィールに対する良好な近似が得られる。ガス温度プロフィールは以下の式で概算することができる:
ガス温度(z)=冷却剤温度(z)+(最大補正)×((z−z加熱)/(L−z加熱)
式中、
ガス温度(z)は床の入口から測った軸方向距離zにおける触媒床内のガスの温度である。
冷却剤温度(z)は位置zにおける冷却剤の温度である。
最大補正は上記に記載されたとおりである。
z加熱は入口ガスを冷却剤温度まで上げるのに必要な管の長さである。代表的にはおよそ1mである。
Lは触媒床の長さである。
a.触媒床内のガスの圧力は、触媒床内のH2O蒸気の分圧を計算することが所望されるそれぞれの位置において、測定もしくは推定しなければならない。
圧力(z)=入口圧力+(出口圧力−入口圧力)×(z/L)
式中、
1.圧力(z)は触媒床内の位置zにおける圧力である。
2.入口圧力は反応器入口で測定した絶対圧である。
3.出口圧力は反応器出口で測定した絶対圧である。
4.Zは触媒床入口からの距離である。
5.Lは触媒床の全長である。
a.ステップBで決定された軸方向の圧力プロフィールを以て、反応器に入りおよび反応器を出ていくガス相中の水分濃度を与えることにより、軸方向の水の分圧プロフィールは下記の式に従って計算することができる。
PPH2O(z)は触媒床入口からの距離zにおけるガス相の水の分圧であり、
[H2O入口]は触媒床入口におけるガス中の水のモル分率であり、
[H2O入口]は、周知のKarl Fischer Titration法(ASTM E203−08)を含む多くの分析手法により測定することができ、あるいはプロセスに関する知識及びプロセスの温度、圧力、及び流量の測定値をベースに計算することができる。
ここで:
[CO2出口]は反応器出口のCO2モル分率であり、
[CO2入口]は反応器入口のCO2モル分率である。
a.触媒床内における各軸方向位置の水の蒸気圧は下記の相関を用いて計算することができる。
蒸気圧に対するガス相の水分圧の比はステップC及びDの結果から直接計算できる。
ここで、
PPH2O(z)は触媒床の入口からの距離zにおける水の分圧であり、
VPH2O(z)は触媒床の入口からの距離zにおける水の蒸気圧である。
本発明のエポキシ化プロセスは多くの方法により実施することが可能であるが、ガス相で実施することが好ましい。即ち、供給原料は、一般的には固体材料として充填床に存在する触媒と、ガス相で接触する。一般的には、このプロセスは連続法として実施される。
この実施例に関する計算を実施するのに必要なパラメータを表1に掲げた。注:ステップA−Eは装置の運転ステップであり、運転データを付随させる。ステップFは触媒の失活分析である。
この実施例に使用したEO装置(装置Wと呼ぶ)は複数の熱電対を複数の反応管に有しており、触媒温度プロフィールの直接的および詳細な測定を可能としている。反応管の入り口から2.1、6.6、10.4,12.3及び12.8メーターの位置で測定された温度を比較に使用した。触媒試料はこの位置で採取されている。この実施例で使用した触媒はアルミナに担持された高濃度の銀触媒であり、銀含有量は約27重量%であり、セシウム、リチウム、タングステン及びレニウムを含む促進剤を含有している。
反応器入口及び出口のガス圧力を測定し、上記ステップBに概説した手法により、軸方向に5点(触媒床の入口からの距離、2.1、6.6、10.4、12.3及び12.8メーター)の圧力を計算した。
・入口の水モル分率をカールフィッシャー滴定法により直接測定して得、入口の水モル分率のプロセス計算により確認した。ASTM E203−08参照。
・出口の直接測定はできなかったので反応の化学量論とCO2濃度の測定値を用いて、上記ステップCにおいて解説したように、反応器出口における水モル分率を決定した。
・軸方向のH2O分圧プロフィールを、ステップCに記載したように、軸方向の温度と圧力プロフィール並びに入口及び出口の水モル分率を用いて計算した。
軸方向H2O蒸気圧プロフィールを、上記ステップDに記載したように、軸方向温度プロフィール及び蒸気圧の相関を用いて計算した。
軸方向H2O分圧プロフィールの結果を軸方向H2O蒸気圧プロフィールの結果で割って、触媒床におけるH2O分圧とH2O蒸気圧の比の軸方法のプロフィールを得た。
反応管入口からの距離2.1、6.6、10.4、12.3及び12.8メータ−における試料につき、X線光電子分光法を用いて、下記のようにセシウムの相対表面濃度を決定した。マイクロ反応器性能試験を各試料につき実施して、下記のように選択性の違いを各試料について決定した。
セシウムの相対表面濃度の計算
反応器における運転後、触媒上に残存するセシウム(もしくは任意の他の促進剤)の表面濃度を決定するための方法を以下のステップにより詳細に記載する。
i.反応器を停止後、触媒を除去し、触媒床を占めていた試料の正確な軸方向位置(即ち入口からの距離)を明示した試料に区分けしなければならない。
ii.区分された複数の試料を、粉砕し、均質にしてから少量のサブサンプルを取る。
iii.次いで、サブサンプルをX線光電子分光法(XPS)により分析して、粉砕触媒表面上のセシウムの平均濃度を決定する。
iv. X線光電子分光分析はVG ESCALAB mkII X線光電子分光計で実施した。非単色化Al kα(1484.6 eV)。
1.反応器内の各軸方向位置から採った試料を粉砕して、1−5gをマイクロ反応器に充填した。
2.各試料をマイクロ反応器内で、商業装置で触媒が使用されたのと同様の平均的な条件において試験した。
3.当該運転条件下における、エチレンからエチレンオキシドへの転化選択性を決定した。
実施例2は種々の触媒における、水分濃度の変化による、最適モデレータ濃度に対する影響を示す。
この実施例に関する計算を実施するのに必要なパラメータを表3に掲げた。注:ステップA−Eは装置の運転ステップであり、運転データを付随させる。ステップFは触媒の失活分析である。
この実施例に使用したEO装置(装置Xと呼ぶ)は水冷反応器を使用し、ならびに触媒床中、触媒床出口まで1.5mの位置の触媒温度を表す出口ガス温度の測定器を備えている。従って、1.5、2.7、5,10.2及び10.8メーターの位置における触媒温度は、反応器について測定した出口ガス温度と同じと推定した。この実施例で使用した触媒はアルミナに担持された銀触媒であり、銀含有量は約13重量%であり、セシウム、リチウム、タングステン及びレニウムを含む促進剤を含有した。
反応器の入口及び出口のガス圧力を測定し、上記ステップBに概説した手法により、軸方向に5点(触媒床の入口からの距離、1.5、2.7、5、10.2及び10.8メーター)の圧力を計算した。
・入口の水モル分率をカールフィッシャー滴定法により直接測定して得、入口の水モル分率のプロセス計算により確認した。ASTME203−8参照。
・出口の直接測定はできなかったので反応の化学量論とCO2濃度の測定値を用いて、上記CステップCにおいて解説したように、反応器出口における水モル分率を決定した。
・軸方向のH2O分圧プロフィールを、ステップCに記載したように、軸方向の温度と圧力プロフィール並びに入口及び出口の水モル分率を用いて計算した。
軸方向H2O蒸気圧プロフィールを、上記ステップDに記載したように、軸方向温度プロフィール及び蒸気圧の相関を用いて計算した。
軸方向H2O分圧プロフィールの結果を軸方向H2O蒸気圧プロフィールの結果で割って、触媒床におけるH2O分圧とH2O蒸気圧の比の軸方法のプロフィールを得た。
反応管入口からの距離1.5、2.7、5、10.2及び10.8メータ−における触媒につき、X線光電子分光法を用いて、下記のようにセシウムの相対表面濃度を決定した。マイクロ反応器性能試験を各試料につき実施して、下記のように選択性の違いを各試料について決定した。
実施例1において行ったものと同様の分析を、実施例3の使用済み触媒試料について実施した。実施例3の結果を表4および図2に示す。
この実施例に関する計算を実施するのに必要なパラメータを表5に掲げた。注:ステップA−Eは装置の運転ステップであり、運転データを付随させる。ステップFは触媒の失活分析である。
この実施例に使用したEO装置(装置Yと呼ぶ)は灯油冷却反応器を使用しており、出口ガス温度の測定、冷却剤温度測定を有し、触媒と冷却剤温度とのピーク温度差が得られる。この装置はまた、過冷却された灯油を反応器のボトムに戻して、反応器出口のガス温度を低下させている。このケースの触媒床内のガス温度の軸方向プロフィールを概算するために、反応管の入り口から1mにおけるガス温度は装置内で測定された冷却剤の温度267℃に等しいと推定した。次いで、反応管の入り口から11.3mの位置に16.5℃のピーク温度差(PTD)があると推定した。以下の直線関係の補間を使って、触媒床における1mから11.3mの間の種々の位置のガス温度を推定した。
(11.3(m)−1(m))
例えば、
ガス温度(3.4m)=267.3+16.5×(3.4−1)/(11.3−1)
=271℃
反応器について、入口及び出口ガス圧力を測定し、上記ステップ2に概説した手法を用いて5つの軸方法位置(触媒床入口から3.4、4.6、8.2、及び12.5メーター)のそれぞれについて圧力を計算した。
・入口の水モル分率をカールフィッシャー滴定法により直接測定して得、入口の水モル分率のプロセス計算により確認した。ASTME203−8参照。
・出口の直接測定はできなかったので反応の化学量論とCO2濃度の測定値を用いて、上記CステップCにおいて解説したように、反応器出口における水モル分率を決定した。
・軸方向のH2O分圧プロフィールを、ステップCに記載したように、軸方向の温度と圧力プロフィール並びに入口及び出口の水モル分率を用いて計算した。
軸方向H2O蒸気圧プロフィールを、上記ステップDに記載したように、軸方向温度プロフィール及び蒸気圧の相関を用いて計算した。
軸方向H2O分圧プロフィールの結果を軸方向H2O蒸気圧プロフィールの結果で割って、触媒床におけるH2O分圧とH2O蒸気圧の比の軸方法のプロフィールを得た。
反応管入口からの距離3.4、4.6、8.2、及び12.5メータ−における触媒につき、X線光電子分光法を用いて、下記のようにセシウムの相対表面濃度を決定した。マイクロ反応器性能試験を各試料につき実施して、下記のように選択性の違いを各試料について決定した。
セシウムの相対表面濃度の計算
実施例1において行ったものと同様の分析を、実施例4の使用済み触媒試料について実施した。実施例の結果を表6および図3に示す。
Claims (15)
- オレフィンオキシドを製造するための方法であって、オレフィンおよび酸素を含む供給原料を、反応管に充填された銀含有触媒を含む触媒床の存在下で反応させることを含み、触媒床のいずれの位置の水分の存在も、水の分圧(PPH2O)を水の蒸気圧(VPH2O)で割った比が0.006未満であるように制御される、方法。
- 触媒床の長さの少なくとも50%にわたって、水の分圧(PPH2O)を水の蒸気圧(VPH2O)で割った比が0.004未満である、請求項1に記載の方法。
- 触媒床の全長にわたって、水の分圧(PPH2O)を水の蒸気圧(VPH2O)で割った比が0.004未満である、請求項1に記載の方法。
- オレフィンがエチレンであり、並びに、複数のEO反応管を含むEO反応器、EO除去セクション、CO2吸収セクション、及びCO2除去セクションを含む、請求項1に記載の方法。
- 触媒がセシウム促進剤を含む、請求項4に記載の方法。
- 触媒がレニウム促進剤も含む、請求項5に記載の方法。
- EO反応器内の水の存在が、下記:
a)EO反応器に戻される、装置のEO除去セクション及び/又はCO2除去セクションからの塔頂流の冷却を増加するステップ;
b)CO2吸収セクションに通すリサイクルガス流を減量するステップ;
c)EO及びCO2吸収セクションをより近い温度で運転するステップ;
d)一定のEO生産量におけるガス時間空間速度を増加してEO反応器内の水分濃度勾配の増加を減少させるステップ;
e)単位触媒体積当たりのEO生産量を減少して、EO反応器内で形成されるH2O量を減少させるステップ;及び
f)反応器を所要温度より高い温度で運転してEO反応管内の水の蒸気圧を上げるステップ
の1つ以上を用いて制御される、請求項6に記載の方法。 - 触媒が、銀及びセシウムに加え、リチウム、カリウム及びこれらの化合物から選択される共促進剤を含む、請求項5に記載の方法。
- 触媒が、銀、セシウム、レニウム又はこれらの化合物に加え、1つ以上の、リチウム、タングステン、モリブデン、クロム、硫黄、りん、ほう素、及びこれらの化合物から選択されるレニウムの共促進剤を含む、請求項6に記載の方法。
- C1からC8有機ハロゲン化物からなる群から選択されるモデレータを含む、請求項1の方法。
- オレフィンオキシドの製造運転の間、水分濃度が下がるとモデレータの濃度がより高く調節される、請求項10の方法。
- オレフィンオキシドの製造運転の間、入口の水分濃度の変動が0.4%を超えた場合、モデレータの濃度を最適化し直す、請求項11の方法。
- オレフィンオキシドの製造運転の間、出口の水分濃度の変動が0.4%を超えた場合、モデレータの濃度を最適化し直す、請求項11の方法。
- オレフィンオキシドを1,2−ジオール、1,2−ジオールエーテル、1,2−カルボナート又はアルカノールアミンに転化することを含む、1,2−ジオール、1,2−ジオールエーテル又はアルカノールアミンを製造するためにオレフィンオキシドを使用する方法であって、オレフィンオキシドは請求項1に記載の方法により得られるものである、方法。
- オレフィンオキシドがエチレンオキシドであり、並びにエチレンオキシドが水と反応させられてエチレングリコールが形成される、請求項14の方法。
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