Способ олигомеризации алкенов
Владельцы патента RU 2405763:
КАТАЛИТИК ДИСТИЛЛЕЙШН ТЕКНОЛОДЖИЗ энд ЭКСОНМОБИЛ КЕМИКАЛ ПЭЙТЕНТС, ИНК. (US)
Изобретение относится к способу олигомеризации нормальных бутенов, включающему: (а) подачу водорода и потока смеси С4, содержащего диметиловый эфир, бутадиены, нормальные бутены и органические соединения серы, в первый реактор с дистилляционной колонной, содержащий слой катализатора гидрирования; (b) одновременно в указанном первом реакторе с дистилляционной колонной: (i) контактирование указанного потока смеси С4 и водорода с указанным катализатором гидрирования, и тем самым селективное гидрирование части указанных бутадиенов, и (ii) фракционирование полученной смеси диметилового эфира и смеси C4 в указанном слое катализатора гидрирования; (с) удаление части указанного диметилового эфира из указанного реактора с дистилляционной колонной как головного продукта; (d) удаление указанной смеси С4 из указанного реактора с дистилляционной колонной как кубового продукта, причем указанный кубовый продукт имеет более низкое содержание диметилового эфира и бутадиена; (е) подачу указанного кубового продукта в реактор с неподвижным слоем, содержащий хемосорбционный катализатор, который селективно адсорбирует органические соединения серы, тем самым удаляя часть указанных органических соединений серы; и (f) извлечение потока, выходящего из указанного реактора с неподвижным слоем, в качестве потока С4, содержащего нормальные бутены; (g) подачу выходящего потока во второй реактор с дистилляционной колонной, содержащий слой цеолитного катализатора ZSM-57; (h) контактирование в указанном втором реакторе с дистилляционной колонной указанных нормальных бутенов с указанным цеолитным катализатором ZSM-57 при температуре между 240 и 320°F и давлении между 300 и 400 ф/кв.д, тем самым приводя нормальные бутены в каталитическую реакцию с образованием олигомеров и одновременно разделением и извлечением указанных олигомеров. Применение настоящего способа позволяет повысить конверсию с повышенной селективностью, при этом работая в менее строгих условиях по температуре и давлению, чем способы предшествующего уровня техники. 12 з.п. ф-лы, 5 табл., 1 ил.
Предпосылки изобретения
Область техники
Настоящее изобретение относится к олигомеризации алкенов, например олигомеризации нормальных бутенов, для получения в основном октенов. Более конкретно, изобретение относится к олигомеризации бутена-1 и бутена-2, содержащихся в потоке смеси C4, который был обеднен изобутенами, таком как с установки МТБЭ или с установок очистки изобутена. Более конкретно, изобретение относится к олигомеризации бутенов на цеолитном катализаторе ZSM-57 в реакторе с дистилляционной колонной.
Родственный уровень техники
Поток смеси C4 с установки МТБЭ или с установки очистки изобутена, часто называемый рафинатным потоком, содержит разбавленные нормальные бутены, в частности бутен-1 и бутен-2. Эти потоки в прошлом димеризовали в трубчатых реакторах, содержащих такие катализаторы, как нанесенная фосфорная кислота (SPA) и цеолиты ZSM-22 и ZSM-57. Однако условия реакции были жесткими, например температура от 330°F до 482°F и избыточное давление от 1000 ф/кв.д. до 1215 ф/кв.д.
Кроме условий реакции катализаторы раньше имели короткий срок службы. SPA-катализатор давал всего около 333 тонн олигомеров на тонну катализатора и имел срок нормальной непрерывной эксплуатации 2-3 недели, после чего от катализатора нужно было отказываться. Цеолитные катализаторы имеют больший срок службы (3-4 месяца), но они теряют активность и должны регенерироваться автономно при существенных затратах.
Селективность вышеупомянутых катализаторов ниже идеальной. Желаемыми продуктами из бутенов являются октены, которые могут быть превращены в изонониловые спирты. Высшие олигомеры, такие как C12-олефины, полезны в той мере, в какой в них могут быть обнаружены полезные продукты, например тридециловый спирт или изопарафиновый растворитель.
Типичные результаты по селективности вышеуказанных катализаторов в трубчатых реакторах показаны ниже в таблице I:
| Таблица I | |||||
| Катализатор | SPA | ZSM-22 | ZSM-22 | ZSM-57 | ZSM-57 |
| @94%* | @50%* | @94%* | 50%* | ||
| Селективность, мол.% | |||||
| Парафин | <1 | 6 | 6 | <1 | <1 |
| C6-олефин | 1 | <1 | <1 | <1 | <1 |
| C7-олефин | 4 | <1 | <1 | <1 | <1 |
| C8-олефин | 45 | 50 | 70 | 78 | 88 |
| C9-олефин | 9 | 1,5 | <1 | 3 | <1 |
| C10-C11-олефин | 13 | 2 | <1 | 1 | <1 |
| C12-олефин | 22 | 27 | 18 | 10 | 7 |
| C12+-олефин | 4 | 13 | 5 | 7 | 2 |
| *Конверсия олефина за проход |
Наконец, следует отметить, что изобутены олигомеризовали на кислотных катализаторах из катионообменной смолы в реакторах с дистилляционной колонной в комбинации с реакторами с кипением, описанными в патентах США 4,242,530 и 5,003,124.
Настоящее изобретение дает более высокую конверсию за проход, чем в других процессах с повышенной селективностью. Следующее преимущество заключается в том, что настоящий способ работает в менее строгих условиях по температуре и давлению, чем предшествующие промышленные способы олигомеризации, использующие катализатор ZSM-57. Еще одним преимуществом является намного больший период эксплуатации до выгрузки катализатора для регенерации и потенциально больший срок службы катализатора. Особенностью настоящего изобретения является то, что катализатор может быть регенерирован и улучшен in situ, обеспечивая тем самым еще большую эффективность и экономию средств.
Суть изобретения
Кратко, настоящее изобретение представляет собой способ олигомеризации алкенов, включающий подачу алкенов в реактор с дистилляционной колонной, содержащий слой цеолитного катализатора ZSM-57, контактирование указанных алкенов с указанным цеолитным катализатором ZSM-57 в условиях олигомеризации, тем самым приводя указанные алкены в каталитическую реакцию с образованием олигомеров при одновременном разделении и извлечении указанных олигомеров. Предпочтительно алкены содержат линейные алкены, имеющие от 3 до 8 атомов углерода, такие как C4-алкены, предпочтительно н-бутены.
В предпочтительном варианте осуществления смешанные бутены, такие как рафинаты, могут быть легко олигомеризованы на цеолитном катализаторе ZSM-57 в реакторе с дистилляционной колонной при очень высокой селективности по октенам (>90 мол.%). Олигомеризация предпочтительно проводится в условиях, которые благоприятствуют димеризации по сравнению с образованием более длинноцепочечных олигомеров, предпочтительно при избыточных давлениях от 300 до 400 ф/кв.д. и температурах в интервале от 240 до 320°F с конверсиями до примерно 97 мол.%.
Чтобы использовать преимущества настоящего способа, смешанные бутены не должны содержать определенных компонентов, которые отравляют катализатор ZSM-57, таких как диметиловый эфир (ДМЭ), некоторые соединения серы, например диметилсульфид и бутадиен. Это требуется также для предшествующих некаталитических процессов перегонки, использующих ZSM-57. Все нежелательные материалы могут быть удалены обычным образом путем перегонки, хемосорбции серы и гидрирования бутадиена.
В случаях, когда слой, защищающий от серы, не выдерживал, и соединения серы отравляли катализатор ZSM-57, катализатор может быть регенерирован in situ путем промывки нормальным гептаном. Было найдено, что регенерация увеличивает активность катализатора.
Краткое описание чертежа
На чертеже показана упрощенная блок-схема предпочтительного варианта осуществления изобретения.
Описание предпочтительного варианта осуществления
Питание в настоящем процессе предпочтительно предварительно обрабатывают для удаления таких загрязнений, как ДМЭ, бутадиен и соединения серы. Допустимые уровни этих примесей следующие: ДМЭ <1 вес.ч./млн; сера, всего <1 вес.ч./млн, и 1,3-бутадиен <10 вес.ч./млн. ДМЭ можно удалить перегонкой, которую удобно объединить с селективным гидрированием 1,3-бутадиена в реакторе с дистилляционной колонной. В реакторе с дистилляционной колонной используется такой катализатор гидрирования, как палладий или никель, в мягких условиях. ДМЭ отбирается как головной продукт, а остаток отбирается как кубовый продукт. Соединения серы могут быть удалены хемосорбцией на восстановленных цельных никелевых катализаторах, таких как Sud-Chemie C46 или Engelhard D-4130.
Типичное питание в способе по настоящему изобретению содержит разбавленные нормальные бутены в потоке смеси C4, который типично был обеднен изобутеном. Ниже в таблице II перечислены компоненты такого типичного потока.
| Таблица II | |||
| Углеводороды, вес.% | Соединение серы, вес.ч./млн | ||
| Этан | 00,09 | H2S | 0,000 |
| Этилен | 00,00 | Карбонилсульфид | 0,401 |
| Пропан | 00,87 | Метилмеркаптан | 0,756 |
| Пропилен | 00,17 | Этилмеркаптан | 1,835 |
| Изобутан | 24,00 | Диметилсульфид | 1,178 |
| н-Бутан | 22,73 | Диметилдисульфид | 1,057 |
| Пропадиен | 00,00 | Метилэтилдисульфид | 1,925 |
| Бутен-1 | 20,08 | Диэтилдисульфид | 1,386 |
| Изобутен | 01,07 | Сера, всего | 8,538 |
| Транс-бутен-2 | 17,96 | ||
| Цис-бутен-2 | 11,71 | ||
| 1,3-Бутадиен | 0,04 | ||
| Изопентан | 01,16 | ||
| Пентен-1 | 00,06 | ||
| ДМЭ | 00,06 | ||
| Бутены, всего 50,81 |
Применение реактора с дистилляционной колонной известно. Катализатор помещают на тарелки или объединяют в дистилляционную схему и помещают в дистилляционную колонну. Селективное гидрирование диолефинов, таких как пропадиен и 1,3-бутадиен, в реакторе с дистилляционной колонной описано в патенте США 6,169,218, который введен сюда в виде ссылки. В настоящем изобретении фракционная перегонка проводится одновременно с селективным гидрированием 1,3-бутадиена для удаления примеси ДМЭ в виде головного продукта.
Катализатор, чтобы быть действенным, должен находиться в такой форме, чтобы обеспечивать контакт газа с жидкостью. Для этой цели имеется много форм каталитических структур, которые были описаны в разное время в патентах США 5,266,546, 4,731,229 и 5,073,236. Наиболее предпочтительная структура катализатора раскрыта в патенте США 5,730,843, который указан здесь в виде ссылки.
Считается, что в настоящих реакциях каталитическая перегонка выгодна, во-первых, потому что реакция протекает одновременно с перегонкой, начальные продукты реакции и другие компоненты потока удаляются из зоны реакции как можно быстрее, что снижает вероятность побочных реакций. Во-вторых, так как все компоненты кипят, температура реакции контролируется точкой кипения смеси при давлении системы. Теплота реакции просто создает большее кипение, но не увеличивает температуру при заданном давлении. В результате, регулируя давление системы, можно достичь существенного контроля над скоростью реакции и распределением продуктов. Также регулирование производительности (время пребывания = почасовая объемная скорость жидкости-1) дает дополнительный контроль над распределением продукта и, до некоторой степени, контроль над побочными реакциями, такими как олигомеризация. Следующим выигрышем, который эта реакция может получить от каталитической перегонки, является эффект промывки, который обеспечивается катализатору внутренней флегмой, снижая тем самым образование полимеров и коксование. Внутренняя флегма может меняться в диапазоне от 0,2 до 20 L/D (вес жидкости сразу под слоем катализатора/вес дистиллята) и дает превосходные результаты.
Обратимся теперь к чертежу, на котором показана упрощенная блок-схема предпочтительного осуществления изобретения. Поток смеси C4 подается вместе с водородом по подводящей линии 101 в первый реактор 10 с дистилляционной колонной, содержащий слой 12 катализатора гидрирования. В реакторе 10 с дистилляционной колонной бутадиены селективно гидрируются в бутены, и одновременно путем фракционной перегонки отделяется ДМЭ и удаляется как головной продукт по линии 102. Кубовый продукт, содержащий бутены и менее 10 вес.ч./млн бутадиена, удаляется по линии 103 и подается в реактор 20, содержащий слой 22 катализатора, который хемосорбирует соединения серы.
Поток, выходящий из реактора 20, содержащий менее 1 вес.ч./млн всех соединений серы, удаляется по линии 104 и подается, вместе с рециклом из линии 108, по линии 105 во второй реактор 30 с дистилляционной колонной, содержащий слой 32 цеолитного катализатора ZSM-57. Часть бутенов в потоке олигомеризуется до высших олефинов, предпочтительно октенов, в слое катализатора. Более высококипящие олигомеры и некоторые бутены удаляются как кубовые продукты по линии 107. Некоторые бутены могут отбираться как головной продукт и возвращаться как обратный поток (не показано) с продувкой из более легкого материала, отобранной по линии 106, чтобы предотвратить образование более легкого материала.
Кубовый продукт по линии 107 подается на бутаноотгонную колонну 40, где все C4 удаляются как головной продукт и возвращаются во второй реактор 30 с дистилляционной колонной для дальнейшего превращения. Целевые олигомеры удаляются из бутаноотгонной колонны как кубовый продукт по линии 109 для дальнейшего разделения.
Пример 1
Двадцать один фунт цеолитного катализатора ZSM-57 загружали в реактор с дистилляционной колонной, использующий каталитическую структуру, показанную в патенте США 5,730,843. Типичное питание, какое показано выше в таблице II, подавали в реактор после обработки для удаления ДМЭ, бутадиена и серы до допустимых уровней. Условия реактора и результаты показаны ниже в таблице III.
| Таблица III | |||||
| Часы работы | 392 | 640 | 742 | 804 | 888 |
| Питание, ф/ч | 20 | 20 | 20 | 20 | 30 |
| Флегма, ф/ч | 30 | 30 | 30 | 30 | 45 |
| Изб. давление, ф/кв.д. | 300 | 350 | 375 | 400 | 350 |
| Темп.°F | 245-255 | 271-286 | 274-289 | 293-313 | 299-317 |
| Конв. в восх. потоке, % | 66,68 | 93,88 | 97,03 | 98,23 | 86,88 |
| Селективность, вес.% | |||||
| C6-олефины | 0,1286 | 0,2083 | 0,1612 | 0,2108 | 0,0912 |
| C8-олефины | 96,6607 | 90,8567 | 92,8994 | 92,8113 | 93,3147 |
| C10-олефины | 0,2383 | 0,5438 | 0,2862 | 0,2564 | 0,2371 |
| C12-олефины | 2,9724 | 7,7808 | 6,4369 | 6,4651 | 6,2268 |
| C12+-олефины | 0,000 | 0,6104 | 0,2164 | 0,2564 | 0,1302 |
Пример 2
Катализатор был регенерирован in situ путем промывки нормальным гептаном в следующих условиях:
| Таблица IV | |
| Изб. давление, ф/кв.д. | 250 |
| Температура, °F | 460 |
| Подача н-гептана, ф/ч | 15 |
| н-Гептан, головной продукт, ф/ч | 10 |
| н-Гептан, кубовый продукт, ф/ч | 10 |
| Катализатор, ф | 21 |
| Почасовая объемная скорость | 1,4 |
| Время обработки, часы | 50 |
Подачи смеси C4 в реактор возобновлялась, и сравнение регенерированного и свежего катализатора показано ниже в таблице V.
| Таблица V | ||
| Катализатор | Свежий | Регенерированный |
| Подача, ф/ч | 20 | 20 |
| Флегма, ф/ч | 30 | 30 |
| Изб. давление, ф/кв.д. | 400 | 300 |
| Темп.°F | 293-313 | 220-230 |
| Конв. в восх. потоке, % | 98,23 | 99,95 |
| Селективность, вес.% | ||
| C6-олефины | 0,2108 | 0,1931 |
| C8-олефины | 92,8113 | 93,4661 |
| C10-олефины | 0,2564 | 0,5570 |
| C12-олефины | 6,4651 | 5,6407 |
| C12+-олефины | 0,2564 | 0,1481 |
| Константа активности, k | 0,4696 | 2,7807 |
| Производ. катализатора, г-моль/ч на ф кат. | 2,5342 | 3,5278 |
Неожиданно оказалось, что регенерированный катализатор вел себя лучше, чем свежий катализатор.
1. Способ олигомеризации нормальных бутенов, включающий
(a) подачу водорода и потока смеси C4, содержащего диметиловый эфир, бутадиены, нормальные бутены и органические соединения серы, в первый реактор с дистилляционной колонной, содержащий слой катализатора гидрирования;
(b) одновременно в указанном первом реакторе с дистилляционной колонной:
(i) контактирование указанного потока смеси C4 и водорода с указанным катализатором гидрирования, и тем самым селективное гидрирование части указанных бутадиенов, и
(ii) фракционирование полученной смеси диметилового эфира и смеси С4 в указанном слое катализатора гидрирования;
(c) удаление части указанного диметилового эфира из указанного реактора с дистилляционной колонной как головного продукта;
(d) удаление указанной смеси С4 из указанного реактора с дистилляционной колонной как кубового продукта, причем указанный кубовый продукт имеет более низкое содержание диметилового эфира и бутадиена;
(e) подачу указанного кубового продукта в реактор с неподвижным слоем, содержащий хемосорбционный катализатор, который селективно адсорбирует органические соединения серы, тем самым удаляя часть указанных органических соединений серы; и
(f) извлечение потока, выходящего из указанного реактора с неподвижным слоем, в качестве потока С4, содержащего нормальные бутены;
(g) подачу выходящего потока во второй реактор с дистилляционной колонной, содержащий слой цеолитного катализатора ZSM-57;
(h) контактирование в указанном втором реакторе с дистилляционной колонной указанных нормальных бутенов с указанным цеолитным катализатором ZSM-57 при температуре между 240 и 320°F и давлении между 300 и 400 ф/кв.д, тем самым приводя нормальные бутены в каталитическую реакцию с образованием олигомеров, и, одновременно, разделением и извлечением указанных олигомеров.
2. Способ по п.1, причем указанный кубовый продукт содержит менее 1 вес.ч./млн диметилового эфира и менее 10 вес.ч./млн бутадиенов, а указанный выходящий поток содержит менее 1 вес.ч./млн органических соединений серы.
3. Способ по п.1, причем указанный поток смеси С4 подается с процесса получения метилтретбутилового эфира или с установки очистки изобутена.
4. Способ по п.3, причем указанный поток смеси С4 содержит менее 10 мол.% изобутена.
5. Способ по п.1, включающий контактирование указанных нормальных бутенов путем перегонки с указанным цеолитным катализатором ZSM-57, тем самым приводя часть нормальных бутенов в каталитическую реакцию друг с другом с образованием октенов, при одновременном удалении указанных октенов из указанного второго реактора с дистилляционной колонной как кубовых продуктов.
6. Способ по п.5, где непрореагировавшие нормальные бутены отбирают из указанного реактора с дистилляционной колонной как головной продукт, а часть указанных нормальных бутенов возвращают в указанный второй реактор с дистилляционной колонной как обратный поток.
7. Способ по п.5, где указанный кубовый продукт из указанного второго реактора с дистилляционной колонной содержит непрореагировавшие нормальные бутены, и указанные непрореагировавшие нормальные бутены удаляют из указанного кубового продукта фракционной перегонкой и возвращают в указанный второй реактор с дистилляционной колонной.
8. Способ по п.1, где конверсия нормальных бутенов составляет более 65 мол.%, указанные олигомеры являются октенами, и селективность по указанным октенам превышает 90 мол.%.
9. Способ по п.1, где конверсия нормальных бутенов составляет более 90 мол.%, указанные олигомеры являются октенами, и селективность по указанным октенам превышает 90 мол.%.
10. Способ по п.1, где указанный выходящий поток содержит неудаленные органические соединения серы, указанный катализатор во время каталитического взаимодействия был отравлен органическими соединениями серы для снижения его активности и селективности, причем способ включает
этап прерывания подачи указанного потока С4;
промывание указанного цеолитного катализатора ZSM-57 нормальным гептаном; и
возобновление подачи указанного потока С4.
11. Способ по п.10, где указанное промывание проводят при примерно 460°F, примерно 250 ф/кв.д. изб. и при объемной скорости примерно 1,4 фунтов нормального гептана на фунт катализатора в течение приблизительно 50 ч.
12. Способ по п.1, где указанный катализатор промывают нормальным гептаном перед подачей указанного потока C4.
13. Способ по п.1, где почасовая объемная скорость во втором реакторе с дистилляционной колонной составляет от 1 до 1,5 фунтов потока С4 на фунт катализатора.
