PL198633B1

PL198633B1 - Reaktor do prowadzenia reakcji otrzymywania bisfenolu A

Info

Publication number: PL198633B1
Application number: PL349079A
Authority: PL
Inventors: Maciej Kiedik; Józef Kołt; Zofia Pokorska; Kazimierz Szymański; Ryszard Kościuk; Anna Rzodeczko; Stanisław Matyja; Teresa Rdesińska-Ćwik; Małgorzata Kałędkowska
Original assignee: Inst Ci & Eogon & Zdot Kiej Sy; Instytut Ciężkiej Syntezy Organicznej BLACHOWNIA; Petro Carbo Chem Spo & Lstrok; Petro Carbo Chem Społka Akcyjna
Priority date: 2001-08-07
Filing date: 2001-08-07
Publication date: 2008-07-31
Also published as: CZ20022673A3; RU2002121710A; CN1401618A; EP1284157A1; PL349079A1

Abstract

1. Reaktor do prowadzenia reakcji otrzymy- wania bisfenolu A z fenolu i acetonu wobec silnie kwa snego kationitu, zawieraj acego che- micznie zwi azany promotor reakcji w roli katali- zatora, przy przep lywie mieszaniny reakcyjnej w kierunku od do lu do góry przez z lo ze katali- zatora, w formie pionowego, cylindrycznego zbiornika ci snieniowego, znamienny tym, ze posiada cztery uk lady elementów filtracyjnych wprowadzonych przez kró cce w dennicach aparatu, z których dwa uk lady (2) i (3) znajduj a sie w warunkach prowadzenia reakcji w górnej po lowie z lo za katalizatora a pozosta le dwa uk lady (1) i (4) znajduj a si e przy dolnej i górnej dennicy aparatu. PL PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest reaktor do prowadzenia reakcji otrzymywania bisfenolu A, surowca do produkcji żywic epoksydowych i poliwęglanowych. Wynalazek dotyczy reaktora do otrzymywania bisfenolu A z fenolu i acetonu wobec silnie kwaśnego kationitu, zawierającego chemicznie związany promotor reakcji w roli katalizatora, przy przepływie w kierunku od dołu do góry mieszaniny reakcyjnej, otrzymanej przez zmieszanie fenolu i acetonu ze strumieniem cyrkulującej w układzie reakcyjnym mieszaniny reakcyjnej, odbieranej ze złoża katalizatora i zawracanej po jej schłodzeniu z powrotem do wsadu reaktora.

Zastosowanie wysoce aktywnych promotorów reakcji fenolu z acetonem, trwale związanych z silnie kwaśnym kationitem stosowanym jako katalizator w procesie otrzymywania bisfenolu A zwiększyło ponad 2,5-krotnie wydajność produktu uzyskiwanego z jednostki objętości kationitu. Równocześnie w podobnym stopniu wzrosły trudności w odebraniu zwiększonego ciepła reakcji ze złoża katalizatora bez szkodliwego przyrostu temperatury w reaktorze. Z patentu europejskiego EP 0754666 wiadomo, że korzystne warunki prowadzenia reakcji i mniejszy przyrost temperatury w złożu katalizatora uzyskać można stosując układ szeregowo połączonych dwu lub trzech reaktorów, z chłodzeniem mieszaniny reakcyjnej między reaktorami, zamiast jednego reaktora. Sposób ten zwiększa jednak znacznie koszt budowy i eksploatacji układu reakcyjnego. Głównym, powszechnie znanym sposobem odbioru ciepła reakcji fenolu z acetonem wydzielanego w złożu katalizatora jest stosowanie wielkiego (około 10:1) nadmiaru fenolu w mieszaninie reakcyjnej w stosunku do stechiometrycznego stosunku molowego fenol/aceton wynoszącego 2:1. Znany jest także z patentu US 5315042 sposób ograniczający przyrost stężenia bisfenolu A w mieszaninie reakcyjnej. Oba te sposoby, znane powodują zwiększenie zużycia energii niezbędnej do wydzielenia produktu z mieszaniny reakcyjnej. Znany jest również sposób odbioru ciepła reakcji fenolu z acetonem ze złoża katalizatora i tym samym zmniejszenia przyrostu w nim temperatury, poprzez zawrót części mieszaniny poreakcyjnej, po jej uprzednim schłodzeniu, z powrotem do mieszaniny wsadowej do reakcji.

Prowadzenie reakcji fenolu z acetonem przy przepływie mieszaniny reakcyjnej w kierunku od dołu do góry przez złoże katalizatora z promotorem reakcji, stwarza pewne trudności przy większych szybkościach przepływu mieszaniny reakcyjnej przez złoże katalizatora. W zależności od warunków prowadzenia reakcji i stopnia rozluźnienia złoża pod wpływem przepływającej mieszaniny reakcyjnej, górna warstwa złoża katalizatora może znajdować się na różnej wysokości w reaktorze. Stosowany zwykle w praktyce przemysłowej stosunek molowy fenolu do acetonu w mieszaninie wsadowej do reakcji wynoszący około 10:1 pozwala ograniczyć przyrost temperatury mieszaniny reakcyjnej w złożu katalizatora do około 20 K przy przyroście stężenia bisfenolu A w mieszaninie reakcyjnej o około 10% wagowych w czasie jednokrotnego przejścia mieszaniny reakcyjnej przez złoże katalizatora. Taki przyrost temperatury mieszaniny reakcyjnej w reaktorze uniemożliwia uzyskanie odpowiednio wysokiej selektywności reakcji.

Ocenia się, że wysoką selektywność reakcji fenolu z acetonem oraz zadawalającą żywotność promotora reakcji osiąga się, jeżeli przyrost temperatury w złożu katalizatora w reaktorze nie przekracza około 5 K a temperatura reakcji jest powoli podnoszona w miarę upływu czasu trwania cyklu pracy katalizatora, poczynając od temperatury nie wyższej niż 328 K.

Nieoczekiwanie stwierdzono, że znacznie lepszą selektywność reakcji fenolu z acetonem przy przepływie w kierunku od dołu do góry mieszaniny reakcyjnej przez złoże katalizatora w postaci silnie kwaśnego kationitu z chemicznie związanym promotorem reakcji, uzyskuje się w reaktorze, którego konstrukcja umożliwia kontrolowany odbiór ciepła reakcji przez odprowadzenie strumienia mieszaniny reakcyjnej z górnej połowy złoża oraz znad złoża katalizatora, przy czym stopień rozluźnienia złoża katalizatora jest regulowany wielkością strumienia mieszaniny reakcyjnej. W reaktorze o konstrukcji umożliwiającej taki odbiór ciepła reakcji uzyskuje się także przedłużenie okresu wysokiej aktywności promotora reakcji, oraz wyższy przyrost stężenia bisfenolu A w mieszaninie reakcyjnej bez nadmiernego przyrostu jej temperatury. Dzięki wyższemu stężeniu bisfenolu A w mieszaninie poreakcyjnej znacznemu obniżeniu ulega zużycie energii cieplnej niezbędnej do wydzielenia produktu finalnego.

Nowe rozwiązanie konstrukcyjne reaktora do otrzymywania bisfenolu A pozwala prowadzić proces w sposób bardziej korzystny niż w dotychczas znanych konstrukcjach reaktorów.

Istota wynalazku polega na tym, że reaktor w formie pionowego, ciśnieniowego zbiornika cylindrycznego, którego stosunek wysokości do średnicy wynosi od 2:1 do 5:1 posiada cztery układy elementów filtracyjnych wprowadzonych przez króćce w dennicach aparatu, z których dwa układy w waPL 198 633 B1 runkach prowadzenia reakcji znajdują się w górnej połowie złoża katalizatora a pozostałe dwa układy znajdują się przy dolnej i górnej dennicy aparatu. Korzystne jest, jeżeli elementami filtracyjnymi są szczelinowe dysze filtracyjne. Korzystne jest, jeżeli elementy filtracyjne znajdujące się w górnej połowie złoża katalizatora zabezpieczone są przed bocznym przemieszczeniem poprzez luźno je obejmujące tuleje, stanowiące węzły poziomej kratownicy, łączącej wszystkie tuleje i połączonej ze ścianami reaktora w wielu punktach rozmieszczonych równomiernie na jego obwodzie. Korzystne jest, jeżeli elementy filtracyjne są równomiernie rozmieszczone w przekrojach poziomych aparatu. Korzystne jest, jeżeli dwa układy szczelinowych dysz filtracyjnych znajdujących się w górnej połowie złoża katalizatora, składają się z dysz stanowiących części rur, wprowadzonych do reaktora przez króćce w dennicy aparatu, przy czym na każdej takiej rurze znajdują się dwie dysze, z których jedna znajduje się na końcu rury a druga w odległości do 2 m od pierwszej. Korzystne jest, jeżeli stosunek wysokości do średnicy reaktora wynosi od 2,5:1 do 3,5:1. Korzystne jest, jeżeli ilość dysz w układzie szczelinowych dysz filtracyjnych, znajdujących się w górnej połowie złoża katalizatora jest taka, że na 1 m² poziomego przekroju reaktora przypada co najmniej jedna dysza. Korzystne jest, jeżeli do złoża katalizatora dodany jest inertny materiał ziarnisty o ciężarze właściwym mniejszym od ciężaru właściwego katalizatora w warunkach reakcji a w szczególności mniejszym od ciężaru właściwego mieszaniny reakcyjnej, w ilości od 2% do 10% objętościowych złoża katalizatora.

Korzystne jest jeżeli do złoża katalizatora dodany jest słabo zasadowy anionit o ciężarze właściwym mniejszym od ciężaru właściwego katalizatora w warunkach reakcji, w ilości od 5% do 15% objętościowych złoża katalizatora.

Prowadzenie reakcji w reaktorze według wynalazku zapewnia lepszą selektywność reakcji fenolu z acetonem w kierunku bisfenolu A oraz wpływa na przedłużenie okresu utrzymywania się wysokiej aktywności promotora reakcji. Umożliwia również uzyskanie wyższego przyrostu stężenia bisfenolu A w mieszaninie reakcyjnej bez nadmiernego przyrostu temperatury w reaktorze, w porównaniu ze znanymi dotychczas sposobami prowadzenia reakcji i reaktorami.

Reaktor przedstawiony jest na rysunku. Figura 1 przedstawia budowę reaktora, w którym elementy filtracyjne jednego z układów znajdujących się w górnej połowie złoża katalizatora wprowadzone są przez króćce w dolnej dennicy reaktora a elementy filtracyjne drugiego układu wprowadzone są przez króćce w górnej dennicy reaktora. Figura 2 przedstawia budowę odmiany reaktora, w którym elementy filtracyjne obu układów wprowadzone są przez te same króćce w jednej dennicy reaktora. Umożliwia to uproszczenie konstrukcji oraz wyposażenia reaktora i tym samym zmniejszenie kosztów jego budowy i eksploatacji. Dla uproszczenia fig. 1 oraz fig. 2 przedstawiają tylko pojedyncze elementy filtracyjne każdego z czterech układów elementów filtracyjnych reaktora. Figura 3 przedstawia przekrój poprzeczny reaktora ujmujący kratownicę ze znajdującymi się w jej węzłach tulejami, obejmującymi luźno poszczególne elementy filtracyjne, w celu zabezpieczenia ich przed bocznym przemieszczaniem.

Reaktor o proporcjach wysokości do średnicy jak 3:1 posiada w dolnej dennicy układ dysz filtracyjnych 1 do dozowania mieszaniny surowców i zawrotowej mieszaniny reakcyjnej, układ dysz filtracyjnych 2 i 3 umieszczonych w górnej połowie złoża katalizatora, do odbioru cyrkulującej w układzie reakcyjnym mieszaniny reakcyjnej oraz układ dysz filtracyjnych 4 umieszczonych powyżej złoża katalizatora, do odbioru mieszaniny poreakcyjnej. Dysze filtracyjne 5 układów 2 i 3, zabezpieczone są przed bocznym przemieszczeniem poprzez luźno je obejmujące tuleje 6, stanowiące węzły poziomej kratownicy 7, łączącej wszystkie tuleje i połączonej ze ścianami reaktora 8 w wielu punktach rozmieszczonych na jego obwodzie.

Konstrukcja reaktora przewidziana jest do pracy ze złożem katalizatora z promotorem. Na złoże katalizatora może być wprowadzony dodatek inertnego materiału ziarnistego o ciężarze właściwym mniejszym od ciężaru właściwego katalizatora w warunkach reakcji, korzystnie o ciężarze właściwym mniejszym od ciężaru właściwego mieszaniny reakcyjnej, w ilości od 2% do 10% objętościowych złoża katalizatora, lub dodatek słabo zasadowego anionitu o ciężarze właściwym mniejszym od ciężaru właściwego katalizatora w warunkach reakcji, w ilości od 5% do 15% objętościowych złoża katalizatora. W ten sposób ogranicza się stopniowy spadek przepływu mieszaniny poreakcyjnej odbieranej z układu elementów filtracyjnych 4 oraz mieszaniny reakcyjnej odbieranej z układu elementów filtracyjnych 3 znajdujących się w złożu katalizatora, występujący w rezultacie gromadzenia się i upakowywania się cząstek pod-ziarna i pyłu kationitu wokół tych elementów. Reaktor może pracować wypełniony całkowicie mieszaniną reakcyjną, jak to przedstawia fig. 1, i znajdować się pod ciśnieniem wytwarzanym przez pompę wprowadzającą do reaktora od dołu mieszaninę reakcyjną cyrkulującą

PL 198 633 B1 w układzie reakcyjnym wraz z surowcami i wówczas układ górnych elementów filtracyjnych 4 znajduje się bezpośrednio pod górną dennicą reaktora. Reaktor może pracować również pod ciśnieniem poduszki azotowej i wówczas układ elementów filtracyjnych znajduje się bezpośrednio pod, utrzymywaną na stałym poziomie, powierzchnią mieszaniny reakcyjnej w górnej części reaktora, jak to przedstawia fig. 2.

W warunkach reakcji reaktor napełniony jest katalizatorem do poziomu 50 - 60% jego całkowitej wysokości oznaczonego na rysunku (fig. 1 i fig. 2) jako „poziom spoczynkowy”. W trakcie trwania procesu strumień surowców i mieszaniny reakcyjnej rozluźnia i podnosi złoże do poziomu oznaczonego jako „poziom ruchowy”. Na rysunku (fig. 1 i fig. 2) oznaczono również połowę złoża w stosunku do jego poziomu ruchowego. Elementy filtracyjne 2 i 3 umieszczone są w górnej połowie tego złoża. Konstrukcję reaktora, sposób jego wypełnienia i prowadzenia reakcji otrzymywania bisfenolu A przedstawia przykład.

P r z y k ł a d

Reaktor w formie pionowego, cylindrycznego zbiornika ciśnieniowego o średnicy 3200 mm i całkowitej wysokości 11000 mm posiada cztery układy elementów filtracyjnych w postaci szczelinowych dysz filtracyjnych o średnicy 108 mm i wysokości od 400 mm do 800 mm, wprowadzonych przez króćce w dennicach aparatu, tak jak przedstawia to rysunek, fig. 1. Układ 1 zawiera 9 dysz 5 o wysokości 400 mm, umieszczonych bezpośrednio nad dolną dennicą reaktora. Układ 2 zawiera 13 dysz 5 o wysokości 800 mm, umieszczonych na wysokości 4500 mm od dna reaktora, wprowadzonych przez króćce w dolnej dennicy reaktora. Układ 3 posiada 12 dysz 5 o wysokości 800 mm, umieszczonych na wysokości 5500 mm od dna reaktora i wprowadzonych przez króćce w górnej dennicy reaktora. Układ 4 posiada 9 dysz 5 o wysokości 800 mm, umieszczonych bezpośrednio pod górną dennicą reaktora.

Dysze filtracyjne układu 2 i układu 3 zabezpieczone są przed możliwością bocznego przemieszczania przy pomocy obejmujących je tulei 6, stanowiących węzły poziomych kratownic 7, umieszczonych na wysokości 4800 mm oraz 5800 mm i połączonych ze ścianą 8 reaktora.

Reaktor napełnia się całkowicie silnie kwaśnym kationitem Purolite CT 124, którego 17% grup sulfonowych została zobojętniona dimetylotiazolidyną w roli promotora. Kationit odwodnia się przez przemycie fenolem, aż do uzyskania zawartości wody w popłuczkach fenolowych poniżej 1,5% wagowych. W wyniku odwodnienia katalizatora następuje skurcz jego ziaren i złoże katalizatora w reaktorze uzyskuje wysokość 5500 mm w stanie spoczynkowym, to jest bez przepływu cieczy.

Do reaktora wprowadza się przy pomocy pompy, od dołu poprzez dysze 5 układu 1, strumień wsadu surowców, stanowiący mieszaninę fenolu z dodatkiem 5,5% wagowych acetonu w ilości 15000 kg/godzinę, zmieszany ze strumieniem cyrkulującej w układzie reakcyjnym mieszaniny reakcyjnej w ilości 55000 kg/godzinę. Łączny strumień wsadu do reaktora przepływający przez dysze 5 układu 1 wynosi 70000 kg/godzinę. Ze złoża katalizatora odbiera się w sposób ciągły strumień mieszaniny reakcyjnej w ilości 30000 kg/godzinę przez dysze 5 układu filtracyjnego 2 oraz strumień mieszaniny reakcyjnej w ilości 25000 kg/godzinę przez dysze 5 układu filtracyjnego 3. Oba te strumienie łączy się i schładza do temperatury 333 K a następnie po zmieszaniu ze wsadem surowców w ilości 15000 kg/godzinę, o temperaturze 328 K, zawraca się do reaktora poprzez dysze 5 układu 1. Z góry reaktora przez dysze 5 układu 4 odbiera się strumień mieszaniny poreakcyjnej w ilości 15000 kg/godzinę o temperaturze 339 K, zawierającej 12% wagowych bisfenolu A i 0,20% wagowych produktów ubocznych reakcji, w tym 0,15% wagowych izomeru o,p-bisfenolu A. Selektywność reakcji fenolu z acetonem wynosi ponad 98%.

Claims

1. Reaktor do prowadzenia reakcji otrzymywania bisfenolu A z fenolu i acetonu wobec silnie kwaśnego kationitu, zawierającego chemicznie związany promotor reakcji w roli katalizatora, przy przepływie mieszaniny reakcyjnej w kierunku od dołu do góry przez złoże katalizatora, w formie pionowego, cylindrycznego zbiornika ciśnieniowego, znamienny tym, że posiada cztery układy elementów filtracyjnych wprowadzonych przez króćce w dennicach aparatu, z których dwa układy (2) i (3) znajdują się w warunkach prowadzenia reakcji w górnej połowie złoża katalizatora a pozostałe dwa układy (1) i (4) znajdują się przy dolnej i górnej dennicy aparatu.

2. Reaktor według zastrz. 1, znamienny tym, że elementami filtracyjnymi są szczelinowe dysze filtracyjne (5).

PL 198 633 B1

3. Reaktor według zastrz. 1, znamienny tym, że elementy filtracyjne znajdujące się w górnej połowie złoża katalizatora zabezpieczone są przed bocznym przemieszczeniem poprzez luźno je obejmujące tuleje (6), stanowiące węzły poziomej kratownicy (7), łączącej wszystkie tuleje i połączonej ze ścianami reaktora (8) w wielu punktach rozmieszczonych na jego obwodzie.

4. Reaktor według zastrz. 1, znamienny tym, że elementy filtracyjne są równomiernie rozmieszczone w przekrojach poziomych aparatu.

5. Reaktor według zastrz. 2, znamienny tym, że dwa układy szczelinowych dysz filtracyjnych (5) znajdujących się w górnej połowie złoża katalizatora, składają się z dysz stanowiących części rur, wprowadzonych do reaktora przez króćce w dennicy aparatu, przy czym na każdej takiej rurze znajdują się dwie dysze, z których jedna znajduje się na końcu rury, a druga w odległości do 2 m od pierwszej.

6. Reaktor według zastrz. 1, znamienny tym, że stosunek jego wysokości do średnicy wynosi od 2,5:1 do 3,5:1.

7. Reaktor według zastrz. 1 i 2, znamienny tym, że ilość dysz (5) w układzie (2) i (3) jest taka, że na 1 m² poziomego przekroju reaktora przypada co najmniej jedna dysza.

8. Reaktor według zastrz. 1, znamienny tym, że posiada złoże katalizatora z dodatkiem inertnego materiału ziarnistego o ciężarze właściwym mniejszym od ciężaru właściwego katalizatora w warunkach reakcji, korzystnie o ciężarze właściwym mniejszym od ciężaru właściwego mieszaniny reakcyjnej, w ilości od 2% do 10% objętościowych złoża katalizatora.

9. Reaktor według zastrz. 1, znamienny tym, że posiada złoże katalizatora z dodatkiem słabo zasadowego anionitu o ciężarze właściwym mniejszym od ciężaru właściwego katalizatora w warunkach reakcji, w ilości od 5% do 15% objętościowych złoża katalizatora.