Способ извлечения акрилонитрила, метакрилонитрила или цианида водорода

Настоящее изобретение относится к способу извлечения акрилонитрила, метакрилонитрила или цианида водорода, полученных из потока реактора реакции аммоксидирования пропана, пропилена или изобутилена, который предусматривает пропускание потока реактора через абсорбционную колонну, колонну извлечения и колонну головной фракции. При этом способ предусматривает установление такого режима работы колонны головной фракции, который препятствует образованию водной фазы выше питательной тарелки колонны головной фракции. Способ позволяет снизить нежелательную полимеризацию цианида водорода, что существенно снизит или исключит засорение колонны головной фракции. 11 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Краткое изложение изобретения

Настоящее изобретение направлено на усовершенствование способа производства акрилонитрила или метакрилонитрила. В частности, настоящее изобретение направлено на усовершенствование обработки головной фракции или разделение HCN в колонне головной фракции в процессе извлечения акрилонитрила и метакрилонитрила. Автор изобретения обнаружил ранее неизвестную зависимость между образованием нежелательного полимерного HCN в колонне головной фракции и образованием водной второй жидкой фазы в колонне головной фракции над питательной тарелкой. Настоящее изобретение направлено на предотвращение образования водной фазы в колонне головной фракции над питательной тарелкой, так как наличие этой водной фазы вызывает образование нежелательного и вредного полимерного HCN. Известные ранее технические решения были направлены на снижение давления в колонне головной фракции, что приводит к снижению рабочих температур и заметному снижению скоростей полимеризации HCN. Настоящее изобретение направлено на разрушение механизма HCN полимеризации, который протекает как ионная полимеризация в водной фазе. За счет использования настоящего изобретения, может быть снижена нежелательная полимеризация HCN, причем засорение (забивание) колонны головной фракции может быть существенно снижено или исключено, при этом может быть достигнут повышенный выпуск желательных продуктов.

Область применения изобретения

Настоящее изобретение имеет отношение к созданию усовершенствованного способа производства акрилонитрила или метакрилонитрила. В частности, настоящее изобретение направлено на улучшение извлечения и разделения цианида водорода в колонне, используемой при производстве акрилонитрила или метакрилонитрила.

Извлечение акрилонитрила и/или метакрилонитрила, полученных при помощи аммоксидирования пропана, пропилена или изобутилена в промышленном масштабе, производят за счет гашения потока реактора водой, с последующим пропусканием газового потока, содержащего полученные за счет гашения акрилонитрил или метакрилонитрил, а также HCN в виде побочного продукта, в абсорбер, где вода и газы входят в контакт в противотоке, чтобы извлечь главным образом весь акрилонитрил или метакрилонитрил. Водный поток, который содержит HCN и акрилонитрил или метакрилонитрил, затем пропускают через ряд колонн дистилляции и объединенные с ними декантаторы для разделения и очистки продукта в виде акрилонитрила или метакрилонитрила от потока пара, который содержит главным образом весь HCN.

Типичные системы извлечения и очистки, которые используют в ходе получения акрилонитрила или метакрилонитрила, описаны в патентах США 4234510 и 3885928. Краткое изложение изобретения

Первой задачей настоящего изобретения является создание усовершенствованного способа извлечения и отделения побочного продукта HCN при производстве акрилонитрила или метакрилонитрила.

Другой задачей настоящего изобретения является создание усовершенствованного способа извлечения акрилонитрила, метакрилонитрила или HCN, полученных из потока реактора реакции аммоксидирования пропана, пропилена или изобутилена, который предусматривает пропускание потока реактора через абсорбционную колонну, колонну извлечения и колонну головной фракции, причем усовершенствование заключается в том, что колонна головной фракции работает таким образом, что подавляется образование водной фазы выше питательной тарелки колонны головной фракции.

Дополнительной задачей настоящего изобретения является создание усовершенствованного способа извлечения акрилонитрила, метакрилонитрила или HCN, полученных из потока реактора реакции аммоксидирования пропана, пропилена или изобутилена за счет такого режима работы колонны головной фракции, который тормозит образование водной фазы выше питательной тарелки колонны головной фракции, так что увеличивается коэффициент орошения; причем используют боковой декантатор для расщепления и удаления водной фазы из колонны; при этом используют более холодный питающий поток для усиления отгонки легких фракций в колонне; причем используют увеличенное число тарелок отгонки легких фракций; при этом используют промежуточный конденсатор над питающим потоком в дополнение к конденсатору верхнего погона; переохлаждение потока орошения; повышение производительностей ребойлера и конденсатора верхнего погона для повышения расходов орошения; контроль рабочего давления для сдвига равновесия между двумя жидкими фазами; а также другие способы, известные специалистам, которые позволяют повысить производительность ребойлера и связанную с этим эффективность отгонки в колонне головной фракции. Увеличение орошения цианида водорода или концентрации цианида водорода выше питательной тарелки также может быть обеспечено за счет более высоких уровней производства HCN для устранения второй жидкой фазы. Любое повышение эффективности тарелки позволяет также повысить эффективность отгонки и полезно для устранения нежелательной второй жидкой фазы.

Еще одной задачей настоящего изобретения является создание усовершенствованного способа извлечения акрилонитрила, метакрилонитрила или HCN, полученных из потока реактора реакции аммоксидирования пропана, пропилена или изобутилена, который предусматривает пропускание потока реактора через абсорбционную колонну, колонну извлечения и колонну головной фракции, причем усовершенствование заключается в том, что подают избыток HCN в колонну головной фракции, либо создают такой режим работы реактора аммоксидирования, который создает более высокую концентрацию HCN по отношению к другим продуктам, либо производят повторное введение HCN в колонну головной фракции, чтобы обеспечить такую работу колонны головной фракции, которая снижает или устраняет образование нежелательной водной фазы.

Указанные ранее и другие преимущества и характеристики изобретения будут более ясны из последующего детального описания, данного в качестве примера, не имеющего ограничительного характера, а также из формулы изобретения, в которой специально выделены особые комбинации средств, позволяющих обеспечить такие преимущества и характеристики изобретения. В соответствии с настоящим изобретением, преимущества и характеристики изобретения могут быть обеспечены за счет способа, который предусматривает транспортирование потока реактора, полученного в ходе аммоксидирования пропана, пропилена или изобутилена, в колонну гашения, в которой горячие отходящие газы охлаждаются за счет контакта с разбрызгиваемой водой, после чего охлажденный верхний погон потока реактора поступает в абсорбционную колонну, в которой HCN и сырой акрилонитрил или метакрилонитрил абсорбируются в воде, а затем водный раствор, который содержит HCN и акрилонитрил или метакрилонитрил, плюс другие примеси, поступает в первую дистилляционную колонну (колонну извлечения), в которой существенная порция воды и примесей удаляется в виде жидкого кубового продукта, в то время как HCN, вода, незначительная доля примесей и акрилонитрил или метакрилонитрил отводятся в виде парового потока верхнего погона. Этот паровой поток верхнего погона дополнительно охлаждается с использованием теплообменника и направляется в декантатор для отделения и конденсации жидкостей, которые возвращают в процесс извлечения, в то время как остальной паровой поток направляют в факел, печь для сжигания отходов или в другое средство удаления отходов. Органический поток направляют в колонну головной фракции для отделения HCN от акрилонитрила.

В соответствии с первым предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, способ применяют к потоку реактора, который получен в результате аммоксидирования пропана или пропилена, аммиака и кислорода, чтобы получить акрилонитрил.

В соответствии с другим предпочтительньм вариантом осуществления настоящего изобретения, поток реактора получают за счет реакции пропана, пропилена, аммиака и воздуха в реакторе с псевдоожиженным слоем, в контакте с псевдоожиженньм слоем катализатора. Для осуществления настоящего изобретения может быть использован обычный псевдоожиженный слой катализатора аммоксидирования. Например, псевдоожиженный слой катализатора, который описан в патентах США 3642930 и 5093299 может быть использован для осуществления настоящего изобретения.

Краткое описание чертежей

На чертеже схематично показан процесс производства акрилонитрила с использованием усовершенствованной колонны извлечения и разделения HCN.

Подробное описание изобретения

Далее будет описан подробно со ссылкой на чертеж процесс извлечения и очистки акрилонитрила и метакрилонитрила в соответствии с настоящим изобретением. Поток реактора 11, полученный за счет аммоксидирования пропана, пропилена или изобутилена, аммиака и содержащего кислород газа в реакторе с псевдоожиженньм слоем (не показан), при контакте с псевдоожиженным слоем катализатора аммоксидирования, транспортируется по линии передачи 11 в колонну гашения 10, в которой горячие отходящие газы охлаждаются за счет контакта с разбрызгиваемой водой 14. Охлажденный отходящий газ, который содержит желательный продукт (акрилонитрил или метакрилонитрил, ацетонитрил и HCN), затем направляют по линии 12 к основанию абсорбционной колонны 20, в которой продукты абсорбируются в воде, которая поступает в абсорбционную колонну 20 сверху по линии 24. Не поглощенные газы выходят из абсорбционной колонны 20 через расположенную сверху трубу 22. Водный поток, который содержит желательный продукт, затем пропускают по линии 23 из основания абсорбционной колонны 20 в верхнюю часть первой дистилляционной колонны 30 (колонны извлечения) для дальнейшей очистки продукта. Продукт извлекают из верхней части колонны извлечения 30 и направляют на вторую дистилляционную колонну 40 (колонну головной фракции) 40 по линии 32, в то время как воду и другие примеси удаляют из колонны извлечения 30 по линии 33. В колонне головной фракции 40 HCN образует верхний погон и удаляется из колонны по линии 42, затем охлаждается в конденсаторе 80 верхнего погона, а полученный материал направляется по линии 41 в сборник орошающей фракции 50. Жидкость орошения из сборника орошающей фракции 50 возвращается в верхнюю часть колонны головной фракции 40 по линии 53. Материал паровой фазы удаляется из сборника орошающей фракции 50 по линии 52 и охлаждается в конденсаторе 90 продукта в виде HCN.

Существенной рабочей проблемой, с которой встречаются при извлечении и очистке продуктов в процессе производства акрилонитрила и метакрилонитрила, является образование полимерного HCN в колонне головной фракции, которую иногда называют HCN колонной (40). В частности, полимерный HCN образуется на тарелках и в интервалах в колонне головной фракции выше питающего ввода (где линия 32 входит в колонну 40). Твердый, полимерный HCN засоряет тарелки ректификационной колонны, перегородки сливных отверстий, сливные патрубки и т.п., а также нарушает гидравлический баланс поверхностей раздела жидкость/пар в колонне головной фракции. Полимеризация повышает падение давления в колонне, а соответствующее повышение температур в колонне дополнительно увеличивает образование полимера. Наличие такого полимера со временем может потребовать длительной и дорогостоящей остановки секции очистки продукта, чтобы провести операцию чистки колонны.

Недостаточно ясное понимание специалистами указанного явления в прошлом приводило к снижению рабочего давления и, следовательно, температуры колонны головной фракции, в результате чего снижается скорость реакции полимеризации, приводящей к образованию забивающего материала. Автор изобретения обнаружил, что механизм полимеризации зависит от наличия второй жидкости, а именно водной фазы, в колонне головной фракции. Эта водная фаза создает условия, приводящие к ионной полимеризации HCN с образованием твердого полимерного HCN. Полимерный HCN осаждается и блокирует активные зоны, а также сливные патрубки тарелок колонны и при слипании забивает интервалы колонны. Обнаружение этого неизвестного ранее и неожиданного механизма позволило организовать работу таких дистилляционных колонн с существенно сниженными скоростями HCN полимеризации и, в результате, с пониженным засорением. Такое улучшение работы может быть обеспечено за счет выбора такого режима работы колонны головной фракции, при котором снижается или исключается образование указанной водной фазы.

Так как образование водного слоя ранее не оценивали как потенциальный источник HCN полимеризации, то в настоящее время неизвестны попытки снижения образования этого водного слоя. Технологии снижения образования этого водного слоя включают в себя (но без ограничения) увеличение коэффициента орошения; использование бокового декантатора для расщепления водной фазы и ее удаления из колонны; использование более холодного питающего потока для увеличения эффективности отгонки колонны; увеличение числа отгоночных тарелок; использование промежуточного конденсатора выше питающего ввода в дополнение к конденсатору верхнего погона; переохлаждение потока орошения; увеличение производительностей конденсаторов ребойлера и верхнего погона для увеличения расходов орошения; контроль рабочего давления для сдвига равновесия между двумя жидкими фазами, а также способы, которые позволяют повысить производительность ребойлера и связанную с этим эффективность отгонки колонны головной фракции. Увеличение орошения цианида водорода или концентрации цианида водорода выше питательной тарелки также может быть достигнуто за счет работы секции реактора процесса с более высоким весовым процентным содержанием HCN в продукте реактора, а также за счет увеличения процентного содержания HCN в питающем потоке колонны головной фракции, что приводит к снижению или исключению второй жидкой фазы. Любое повышение эффективности тарелки приводит также к повышению эффективности отгонки и способствует устранению нежелательной второй жидкой фазы.

Реакцию аммоксидирования преимущественно проводят в реакторе с псевдоожиженным слоем, однако могут быть использованы реакторы и других типов, такие как реакторы с линией транспортирования. Реакторы с псевдоожиженным слоем для производства акрилонитрила уже хорошо известны. Например, конструкция такого подходящего реактора описана в патенте США №3230246.

Условия протекания реакции аммоксидирования также хорошо известны и приведены, например, в патентах США 5093299; 4863891; 4767878 и 4503001. Обычно процесс аммоксидирования осуществляют за счет ввода в контакт пропана, пропилена или изобутилена в присутствии аммиака и кислорода, при наличии псевдоожиженного слоя катализатора при повышенной температуре, чтобы получить акрилонитрил или метакрилонитрил. Может быть использован любой источник кислорода, однако по экономическим соображениям преимущественно используют воздух. Типичное молярное отношение кислорода к олефину в питающем потоке должно лежать в диапазоне от 0.5:1 до 4:1, а преимущественно от 1:1 до 3:1. Молярное отношение аммиака к олефину в питающем потоке может варьировать в диапазоне от 0.5:1 до 5:1. В действительности нет верхнего предела для отношения аммиак-олефин, но по экономическим соображениям нет причины для повышения этого отношения свыше 5:1.

Реакцию проводят при температуре в диапазоне ориентировочно от 260 до 600°С, преимущественно в диапазоне от 310 до 500°С, а еще лучше от 350 до 480°С. Продолжительность контакта, хотя и не является критической, обычно лежит в диапазоне от 0.1 до 50 сек, а преимущественно составляет от 1 до 15 сек.

В дополнение к катализатору, раскрытому в патенте США №3642930, могут быть использованы и другие катализаторы, подходящие для осуществления настоящего изобретения, например, раскрытые в патенте США №5093299.

В абсорбционной колонне, колонне извлечения и в колонне головной фракции поддерживаются давления соответственно от 5 до 7 psig (фунт на квадратный дюйм) и от 1 до 4.5 psig, и температуры от 80°F до 110°F и от 155°F до 170°F.

ПРИМЕРЫ

Имитации процесса ASPENPLUS ® для колонны головной фракции были использованы для идентификации рабочих условий, которые позволяют удалять водную фазу на тарелках выше местоположения питающего ввода колонны. Была выбрана температура питающего потока колонны и задана эффективность тарелки. Затем для каждого случая производили регулировку коэффициента орошения колонны головной фракции до тех пор, пока не будет образовываться водная третья фаза на тарелках выше местоположения ввода питания в колонну. Приемлемой чистотой продукта считали наличие в составе верхнего погона менее 50 ppm (частей на миллион) акрилонитрила, а в составе кубового потока менее 100 ppm HCN.

Во всех примерах питающий поток колонны головной фракции имеет номинальный состав, содержащий 83 вес.% акрилонитрила, 10 вес.% HCN и 7 вес.% воды, причем этот поток вводят в колонну головной фракции со скоростью 40,000 фунтов в час, при давлении 30 psia. Колонна головной фракции имеет 64 тарелки, ребойлер и конденсатор верхнего погона. Эффективность тарелки в этой имитации составляла 60%. Во всех примерах тарелки пронумерованы начиная с верхней тарелки колонны головной фракции.

Пример 1

Основной поток вводился в колонну у тарелки номер 25. При температуре питающего потока 100°F третья водная фаза была устранена при коэффициенте орошения 4.95, при этом продукт верхнего погона и кубовый продукт все еще имеют характеристики, которые поддерживаются в заданных пределах. При коэффициентах орошения ниже 4.95 образуется нежелательный водный слой.

Пример 2

Местоположение основного потока питания сдвинули на 5 тарелок, к тарелке номер 20. При температуре питающего потока 100°F третья водная фаза была устранена при коэффициенте орошения 4.3, при этом продукт верхнего погона и кубовый продукт все еще имеют характеристики, которые поддерживаются в заданных пределах. Таким образом, введение пяти дополнительных тарелок отгонки позволяет снизить коэффициент орошения, необходимый для устранения нежелательной водной фазы, с 4.95 в Примере 1 до 4.3 в данном случае.

Пример 3

Основной поток питания при температуре 80°F вводили в колонну у тарелки 25. При такой более низкой температуре потока питания, третья водная фаза была устранена при коэффициенте орошения 4.24 вместо 4.95 для Примера 1, при этом продукт верхнего погона и кубовый продукт все еще имеют характеристики, которые поддерживаются в заданных пределах.

Пример 4

Первичный поток был разделен на 2 части: 75% питающего потока вводили на тарелку номер 20, а 25% питающего потока вводили на тарелку номер 25. Поддерживали температуру 100°F в обеих частях питающего потока. Третья водная фаза была устранена при коэффициенте орошения 4.1, при этом продукт верхнего погона и кубовый продукт все еще имеют характеристики, которые поддерживаются в заданных пределах. Этот коэффициент орошения является более благоприятным по сравнению с коэффициентом орошения 4.95 для Примера 1 или 4.3 для Примера 2.

Пример 5

Первичный поток питания при температуре 100°F вводили в колонну у тарелки 25. Промежуточный конденсатор тарелки отводит весь материал жидкой фазы из тарелки 20, охлаждает этот материал до 60°F и возвращает охлажденный жидкий материал на тарелку 21. Третья водная фаза была устранена при коэффициенте орошения 4.6, при этом продукт верхнего погона и кубовый продукт все еще имеют характеристики, которые поддерживаются в заданных пределах.

Пример 6

Первичный поток питания при температуре 100°F вводили в колонну у тарелки 25. Суммарно 400 фунтов в час 99.8 вес.% HCN при температуре 80°F подавали на тарелку 20. Третья водная фаза была устранена при коэффициенте орошения 4.3, при этом продукт верхнего погона и кубовый продукт все еще имеют характеристики, которые поддерживаются в заданных пределах. Следует иметь в виду, что добавка чистого HCN может быть произведена в любом месте в секции колонны головной фракции между верхней тарелкой и питательной тарелкой. Работа промышленной установки с настройкой реактора на получение более высокого процентного содержания HCN в потоке продукта реактора, что приводит к получению более высокого процентного содержания HCN в питающих потоках колонны головной фракции, является аналогом данного примера.

Пример 7

Первичный поток питания при температуре 100°F вводили в колонну у тарелки 25. Двухфазный боковой декантатор, который может работать при температурах ниже температуры окружающей среды, отводит весь материал жидкой фазы из тарелки 24, декантирует водную фазу из органической фазы и возвращает материал органической фазы на тарелку 25. Третья водная фаза была устранена при коэффициенте орошения 4.8, при этом продукт верхнего погона и кубовый продукт все еще имеют характеристики, которые поддерживаются в заданных пределах.

Следует также иметь в виду, что комбинации различных средств для снижения или исключения образования нежелательной водной фазы могут привести к оптимальному решению при специфических ограничениях. Однако специалисты легко поймут, что различные модификации настоящего изобретения, которые могут быть предложены в результате осмысления приведенного описания, не выходят за рамки формулы изобретения.

1. Способ извлечения акрилонитрила, метакрилонитрила или цианида водорода, полученных из потока реактора реакции аммоксидирования пропана, пропилена или изобутилена, который предусматривает пропускание потока реактора через абсорбционную колонну, колонну извлечения и колонну головной фракции, отличающийся тем, что он предусматривает установление режима работы колонны головной фракции, который препятствует образованию водной фазы выше питательной тарелки колонны головной фракции.

2. Способ по п.1, в котором указанный режим работы колонны головной фракции предусматривает увеличение коэффициента орошения колонны головной фракции до величины, при которой водная фаза не образуется выше питательной тарелки.

3. Способ по п.2, в котором указанный режим работы колонны головной фракции предусматривает увеличение подвода цианида водорода к этой колонне для достижения условий, эквивалентных более высокому коэффициенту орошения.

4. Способ по п.3, в котором указанный подвод осуществляют за счет рециркуляции очищенного HCN в колонну головной фракции.

5. Способ по п.3, в котором указанный подвод осуществляют за счет работы реактора аммоксидирования в режиме, который позволяет получать поток реактора с более высокими концентрациями HCN.

6. Способ по п.1, в котором указанный режим работы колонны головной фракции предусматривает использование бокового декантатора для удаления водного материала из этой колонны.

7. Способ по п.1, в котором указанный режим работы колонны головной фракции предусматривает увеличение числа тарелок отгонки этой колонны.

8. Способ по п.1, в котором указанный режим работы колонны головной фракции предусматривает увеличение производительности ребойлера этой колонны.

9. Способ по п.1, в котором указанный режим работы колонны головной фракции предусматривает использование промежуточного конденсатора выше питательной тарелки и ниже конденсатора орошения этой колонны.

10. Способ по п.1, в котором указанный режим работы колонны головной фракции предусматривает охлаждение питающего потока этой колонны до такой температуры, чтобы водная фаза не образовывалась выше питательной тарелки.

11. Способ по п.1, в котором указанный режим работы колонны головной фракции предусматривает переохлаждение потока орошения этой колонны.

12. Способ по п.1, в котором указанный режим работы колонны головной фракции предусматривает снижение рабочего давления этой колонны так, чтобы при снижении давления уменьшалась область второй жидкой фазы.