Способ алкилирования бензола и алкилатор для его осуществления

Изобретение относится к получению мономеров, используемых в производстве высокомолекулярных соединении, конкретно к алкилированию бензола низшими олефинами в алкилаторе. Способ осуществляют в три этапа: на первом смешивают жидкие углеводороды: осушенный бензол, полиалкилбензолы и возвратный бензол, на втором - в смесь жидких углеводородов вводят этилен или другие олефины, на третьем - каталитический комплекс на основе хлористого алюминия, причем на всех трех этапах обеспечивают движение потока в турбулентном режиме в алкилаторе, оснащенном статическими средствами турбулизации. Алкилатор включает вертикальный цилиндрический пустотелый корпус с нижним расположением патрубков для ввода компонентов, в том числе через гребенку, и верхним расположением патрубков для отвода реакционной массы и газообразных продуктов. Корпус выполнен из конфузорных, диффузорных и цилиндрических элементов, соосно связанных между собой. Патрубки ввода исходных компонентов расположены вдоль оси корпуса, причем патрубки ввода олефинов и каталитического комплекса разнесены между собой и от патрубков ввода жидких углеводородов не менее чем на две секции турбулизации. Технический результат - повышение выхода алкилбензола за счет непрерывного осуществления процесса в малогабаритном оборудовании. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области получения мономеров, используемых в производстве высокомолекулярных соединений, а именно к способу алкилирования бензола в предлагаемом алкилаторе. Изобретение также относится к устройствам для осуществления процесса алкилирования бензола.

Известен способ непрерывной растворной сополимеризации (пат. RU №2141873, кл. С 08 F 2/06, В 01 J 19/18, 27.11.99, Бюл. №33), включающий растворение в углеводородном растворителе мономеров, водорода и компонентов каталитического комплекса, подачу раствора газожидкостной смеси, содержащей мономер, растворитель и водород, в нижнюю часть реактора, снабженного мешалкой, подачу растворов компонентов каталитического комплекса в реактор, сополимеризацию при повышенных давлении и температуре. Приготовление газожидкостной смеси мономеров, водорода, растворителя и раздельное растворение компонентов каталитического комплекса в растворителе осуществляют в потоке при турбулентном смешении в трубчатых насадках, соответствующих входных штуцерах реактора, при скоростях движения потока не менее 3±2 м/с для газожидкостной смеси и не менее 0,3 м/с для компонентов каталитического комплекса.

Однако недостатком данного способа является сложность реализации процесса алкилирования бензола с получением этилбензола, это связано с тем, что при возможности обеспечения смешения газожидкостной смеси за счет турбулентного движения потока стабильный процесс алкилирования обеспечить сложно. Сложности обусловлены перемешиванием в реакторе большого объема при высоких скоростях реакции алкилирования.

Наиболее близким, по сути, является известный способ алкилирования бензола (А.П.Крючков. Общая технология синтетических каучуков. М.: Химия, 1969, с.235-240), основанный на смешении жидких углеводородов: осушенного бензола, возвратного бензола, полиалкилбензола с этиленом или другими олефинами и каталитическим комплексом на основе хлористого алюминия, который подают в нижнюю часть реактора через соответствующие патрубки или через гребенку. В реакторе они смешиваются с помощью барботажа этилена и взаимодействуют при повышенном давлении и температуре с выделением тепла. Реакционная масса отводится через верхний патрубок корпуса алкилата.

Описанный способ имеет низкую конверсию основного продукта ввиду слабого перемешивания взаимодействующих сред.

Известен реактор-смеситель для непрерывной растворной сополимеризации (пат. RU №2141873, кл. С 08 F 2/06, В 01 J 19/18, 27.11.99, Бюл. №33), содержащий корпус с мешалкой и технологические патрубки ввода исходных компонентов и отвода раствора сополимера, причем патрубки снабжены трубчатыми насадками, выполненными из расширяющихся и сужающихся усеченных конусов при соотношении диаметров конфузора и диффузора 1:1,3-5 и углов наклона образующих конусов к оси насадки 15-70°.

Реактор-смеситель описанной конструкции предназначен для смешения отдельных компонентов, но не подходит для процесса алкилирования бензола.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является алкилатор (А.П.Крючков. Общая технология синтетических каучуков. М.: Химия, 1969, с.235-240), который выполнен из пустотелой, вертикальной стальной колонны с рубашками обогрева. В нижней части колонны выполнены патрубки для ввода исходных компонентов, часть из них может предварительно вводится в гребенку, соединенную с патрубком колонны. В верхней части колонны патрубки отвода реакционной массы и газообразных продуктов. Корпус колонны выполняют из кислотостойкой стали, например «Хостелой», или внутри колонны выкладывают кислотостойкую футеровку, или покрывают кислотоупорной эмалью.

Однако полимеризатор объемный, имеет большие размеры и массу, требует большой фундамент и этажерку для обслуживания.

Задачей является разработка способа и устройства-алкилатора, позволяющего непрерывно осуществлять процесс алкилирования бензола с повышенным выходом этилбензола и использовать в процессе оборудование малого размера и массы.

Поставленная задача решается использованием способа алкилирования бензола, включающего смешение осушенного бензола, полиалкилбензолов, возвратного бензола, этилена или других олефинов и суспензии каталитического комплекса, при этом процесс осуществляют в три этапа: на первом смешивают жидкие углеводороды - осушенный бензол, полиалкилбензол, возвратный бензол, на втором - в смесь жидких углеводородов вводят этилен, на третьем - каталитический комплекс, причем на всех трех этапах обеспечивают движение потока в турбулентном режиме в алкилаторе, оснащенном статическими средствами турбулизации.

Заявляемый способ осуществляют в алкилаторе, содержащем вертикальный цилиндрический пустотельный корпус из кислостойкой стали, или с антикоррозионной защитой и нижним, относительно корпуса, расположением патрубков ввода компонентов, в т.ч. через гребенку, и верхним расположением патрубков отвода реакционной массы и газообразных продуктов, при этом корпус, оснащенный статическими средствами турбулизации, выполнен из конфузорных, диффузорных и цилиндрических элементов, соосно связанных между собой, а патрубки ввода исходных компонентов расположены вдоль оси корпуса, причем патрубки ввода этилена и каталитического комплекса разнесены между собой и от патрубков ввода жидких углеводородов не менее чем на две секции турбулизации. В алкилаторе, как минимум, в одном цилиндрическом элементе секции турбулизации, находящемся по ходу потока, после патрубка подачи этилена выполнена насадка из пористого материала.

Отличительными признаками заявляемого способа алкилирования бензола является то, что процесс осуществляют в три этапа: на первом смешивают жидкие углеводороды - осушенный бензол, полиалкилбензолы и возвратный бензол, на втором - в смесь жидких углеводородов вводят этилен, на третьем - каталитический комплекс, причем на всех трех этапах обеспечивают движение потока в турбулентном режиме в алкилаторе, оснащенном статическими средствами турбулизации.

Отличительными признаками заявляемого алкилатора является то, что корпус, оснащенный статическими средствами турбулизации, выполнен из конфузорных, диффузорных и цилиндрических элементов, соосно связанных между собой, а патрубки ввода исходных компонентов расположены вдоль оси корпуса, причем патрубки ввода этилена и каталитического комплекса разнесены между собой и от патрубков ввода жидких углеводородов не менее чем на две секции турбулизации. В алкилаторе, как минимум, в одном цилиндрическом элементе секции турбулизации, находящемся по ходу потока, после патрубка подачи этилена выполнена насадка из пористого материала.

Процесс алкилирования бензола заключается во взаимодействии бензола с этиленом или другими олефинами в присутствии каталитического комплекса при повышенных температуре и давлении и во многом определяется интенсивностью смешения взаимодействующих сред.

Интенсивное взаимодействие технологических сред обеспечивает турбулентное движение, которое с учетом особенностей химической активности сред возможно в устройствах со статическими средствами турбулизации. Сочетание конфузор-диффузорных (сходящихся и расходящихся усеченных конусов) и цилиндрического элементов образуют секцию турбулизации. Наибольший диаметр имеет цилиндрический элемент, наименьший - в месте сочленения конфузора и диффузора. Углы наклона образующихся усеченых конусов 15-85° относительно оси секции турбулизации. Выбор диаметров конфузора и диффузора и длины секции турбулизации обусловлен обеспечением турбулентного движения при заданной скорости потока.

Элементы секции турбулизации, соосно жестко связываясь друг с другом, составляют корпус алкилатора, образуя внутри корпуса статические средства турбулизации.

Поток, двигаясь через сужающиеся и расширяющиеся диаметры секции турбулизации, подвергается последовательно сжатию и расширению, способен при определенных скоростях (выше числа Re 2500) образовывать вихри, обеспечивая турбулизацию потока. Это приводит к полному и быстрому смешению жидкостей, газов и суспензий. Полнота протекания обеспечивается на 1-12 секциях турбулизации в зависимости от характеристик взаимодействующих сред.

Особенность процесса алкилирования в данном способе заключается в том, что его необходимо осуществлять поэтапно. В начале смешать жидкие углеводороды: осушенный бензол, возвратный бензол и полиалкилбензолы. Затем в поток жидких углеводородов, движущийся в турбулентном режиме, вводят газообразный этилен. За счет турбулизации потока газообразный этилен быстро распределяют и растворяют в жидких углеводородах, как минимум, на двух секциях турбулизации.

И последняя операция - введение каталитического комплекса в турбулентный поток смеси жидких углеводородов и этилена. Равномерное распределение каталитического комплекса по объему технологического потока и постоянное обновление среды вокруг катализатора приводит к быстрому и полному протеканию химического взаимодействия - алкилированию бензола.

Использование заявляемой конструкции алкилатора, оснащенного статическими средствами турбулизации, и последовательное разнесение вдоль оси корпуса технологических патрубков введения жидких углеводов (либо одновременно, либо последовательно), этилена и каталитического комплекса, и последующее продолжение турбулентного движения обеспечивает ряд преимуществ:

- повышают выход конечного продукта;

- алкилатор не объемный, малой массы, не требует фундамента и устанавливается на любой высоте и пространственном положении.

В литературе не найдено использование совокупности признаков способа алкилирования бензола и алкилатора для его осуществления, что говорит о соответствии критериям патентоспособности.

На фиг.1 изображен продольный разрез алкилатора. Алкилатор содержит цилиндрический корпус 1 со статическими средствами турбулизации, образованными конфузорными 2, диффузорными 3 и цилиндрическими 4 элементами, которые вместе составляют секцию турбулизации. Корпус 1 имеет две теплообменные рубашки: для подогрева 5 и отвода тепла 6, технологические патрубки для подачи осушенного бензола 7, полиалкилбензолов 8, возвратного бензола 9, этилена 10, каталитического комплекса 11 и отвода реакционной массы 12. Возможен вариант, когда патрубки 8 и 9 размещены в одной секции турбулизации. В секции турбулизации после патрубка подачи этилена 10 выполнена насадка из пористого материала 13.

Алкилатор работает следующим образом. Осушенный бензол через патрубок 7 подают во внутреннюю полость корпуса 1 алкилатора, и на секции турбулизации поток приобретает турбулентное движение, и в него вводят через патрубок 8 полиалкилбензол, который быстро и равномерно смешивают с осушенным бензолом в турбулентном потоке. Затем на следующей секции турбулизации через патрубок 9 вводят возвратный бензол и вновь осуществляют быстрое и равномерное смешение жидких углеводородов. Возможен вариант, когда введение полиалкилбензолов и возвратного бензола проводят одновременно в одной секции турбулизации.

В турбулентный поток смеси жидких углеводородов через патрубок 10 вводят определенное количество этилена, который, как минимум, на двух секциях турбулизации смешивают и растворяют в объеме смеси жидких углеводородов, при этом в одной из секций поток этилена дополнительно разбивают на насадке из пористого материала. Затем через патрубок 11 вводят каталитический комплекс. В результате интенсивного турбулентного смешения каталитический комплекс быстро и равномерно распределяют в технологическом потоке, и начинается реакция алкилирования бензола с выделением тепла, для чего часть тепла отводится через стенку корпуса в теплообменную рубашку 6. Полученная реакционная масса через патрубок 12 отводится на дальнейшие операции.

Заявляемый способ алкилирования бензола осуществляют в заявляемом алкилаторе.

Пример 1

В алкилатор, корпус которого выполнен из стеклянной трубки диаметром 20 мм и длиной 1300 мм с выполненными в нем одиннадцатью статическими средствами турбулизации и рубашками нагрева и охлаждения, подают с помощью центробежного насоса производительностью 200 кг/час заранее смешанные углеводороды под давлением 0,13 МПа в соотношении:

Осушенный бензол	50 м.ч.
Полиалкилбензолы	8 м.ч.
Возвратный бензол	42 м.ч.

Внутренняя поверхность корпуса представляет собой поверхность с чередованием диаметров разного размера, наибольший 20 мм, наименьший 15 мм, как показано на чертеже.

Температура смеси жидких углеводородов 80°С. Через патрубок в турбулентный поток вводят газообразный этилен под давлением 0,14 МПа в соотношении к объему жидких углеводородов как 5:1.

После введения этилена в следующей секции турбулизации по ходу движения потока укреплена насадка из крупнопористого стекла с порозностью 0,85.

После перемещения смеси жидких углеводородов и этилена еще в 2-х секциях турбулизации в поток вводят под давлением 0,15 МПа стандартный каталитический комплекс Густавсона, состоящий из хлористого алюминия, хлорэтила, соляной кислоты и этилбензола. Каталитичесикй комплекс подают специально футерованным насосом в соотношении 1:10 к массе жидких углеводородов при температуре 65°С.

Затем технологический поток дополнительно турбулизируют в корпусе алкилатора на семи статических средствах турбулизации и полученную реакционную массу с температурой 102°С охлаждают, нейтрализуют и анализируют.

Состав реакционной массы по хроматографическому анализу, мас.%:

Этилбензол	47,8
Полиалкилбензолы	6,5
Бензол	45,7

Пример 2 (сравнительный)

В алкилатор, корпус которого представляет вертикально установленную стеклянную трубу неизменного диаметра размером 80 мм с рубашкой обогрева и длиной 1500 мм, снизу вводят через патрубок смесь жидких углеводородов с температурой 80°С под давлением 0,13 МПа. Производительность центробежного насоса 200 кг/час. На расстоянии 75 мм выше патрубка ввода жидких углеводородов внутри корпуса укреплена кольцевая трубка с отверстиями и патрубком для равномерной подачи этилена по сечению корпуса. Этилен под давлением 0,15 МПа через патрубок и кольцо, в соотношении 5:1 к объему жидких углеводородов барботируют в поток. Выше патрубка этилена через 100 мм на корпусе установлен патрубок подачи суспензии каталитического комплекса, который специальным футерованным насосом закачивают во внутрь корпуса в соотношении 1:10 к объему жидких углеводородов при температуре 65°С. В результате барботажа протекает перемешивание технологических сред и начинается реакция алкилирования.

После протекания химического взаимодействия реакционная масса имеет температуру 94°С, и далее ее подвергают охлаждению и нейтрализации.

Состав реакционной массы:

Этилбензол	38,2
Полиалкилбензолы	8,4
Бензол	53,4

Пример 3. Условия, как в примере 1.

В качестве олефина использовали пропилен (ГОСТ 25043-87), подаваемый при температуре 100°С в соотношении к объему жидких углеводородов как 5,5:1.

Состав реакционной массы по хроматографическому анализу, мас.%.

Изопропилбензол	32,4
Полиалкилбензолы	9,8
Бензол	57,8

Из приведенных примеров видно, что турбулизация технологических сред и поэтапная подача исходных компонентов обеспечивает увеличение выхода этилбензола.

Алкилатор прост в изготовлении, небольшой по размерам и массе, его можно устанавливать в любом пространственном положении, он не требует фундаментов и этажерки для обслуживания.

1. Способ алкилирования бензола, включающий смешение осушенного бензола, полиалкилбензолов, возвратного бензола, этилена или других олефинов и суспензии каталитического комплекса, отличающийся тем, что процесс осуществляют в три этапа: на первом смешивают жидкие углеводороды: - осушенный бензол, полиалкилбензолы и возвратный бензол, на втором в смесь жидких углеводородов вводят этилен или другие олефины, на третьем - каталитический комплекс, причем на всех трех этапах обеспечивают движение потока в турбулентном режиме в алкилаторе, оснащенном статическими средствами турбулизации.

2. Алкилатор, содержащий вертикальный цилиндрический пустотелый корпус из кислотостойкой стали или с антикоррозийной защитой и нижним относительно корпуса расположением патрубков ввода компонентов, в том числе через гребенку, и верхним расположением патрубков отвода реакционной массы и газообразных продуктов, отличающийся тем, что корпус, оснащенный статическими средствами турбулизации, выполнен из конфузорных, диффузорных и цилиндрических элементов, соосно связанных между собой, а патрубки ввода исходных компонентов расположены вдоль оси корпуса, причем патрубки ввода этилена и каталитического комплекса разнесены между собой и от патрубков ввода жидких углеводородов не менее чем на две секции турбулизации.

3. Алкилатор по п.2, отличающийся тем, что как минимум в одном цилиндрическом элементе секции турбулизации, находящемся по ходу потока, после патрубка подачи этилена выполнена насадка из пористого материала.