Дегидрирование этилбензола с получением стирола
Изобретение относится к каталитической смеси для катализа, реакторной системе и способу дегидрирования этилбензола с получением стирола. Реакторная система включает реакторную установку, в которой размещается каталитическая смесь, и индукционную катушку с возможностью генерирования переменного магнитного поля внутри реакторной установки при подключении к источнику питания. Каталитическая смесь включает частицы катализатора, находящиеся в тесном контакте с ферромагнитным материалом, причем смесь содержит либо частицы катализатора и ферромагнитные частицы, смешанные и обработанные для предоставления тел каталитической смеси, либо тела каталитических частиц, смешанных с телами ферромагнитного материала, причем наименьший внешний размер тел находится в порядке около 1-2 мм или более, или ферромагнитный материал включает одну или несколько ферромагнитных макроскопических подложек, чувствительных к индукционному нагреву, которые являются ферромагнетиками при температурах вплоть до верхнего предела заданного температурного интервала дегидрирования, причем одна или несколько подложек покрыты оксидом, и оксид импрегнирован частицами катализатора. Способ включает генерирование переменного магнитного поля внутри реакторной установки, при этом магнитное поле проходит через реакторную установку, нагрев каталитической смеси посредством индукции магнитного потока в материале, приведение реакционного потока, содержащего этилбензол, в контакт с частицами катализатора, нагрев реакционного потока внутри реактора посредством магнитного поля и предоставление реакционному потоку возможности взаимодействия для обеспечения потока стирольного продукта, подлежащего выводу из реактора. Изобретение обеспечивает простое и энергосберегающее дегидрирование этилбензола с получением стирола и при этом сохранение высокой стабильности каталитической смеси, точный контроль температуры реакции, увеличение термодинамического потенциала и уменьшение побочных реакций, таких как коксование каталитической смеси и/или крекинг реакционного потока. 3 н. и 14 з.п. ф-лы, 4 ил.
Настоящее изобретение относится к способу дегидрирования этилбензола с получением стирола. Более конкретно, способ включает индукционный нагрев каталитической смеси внутри реакторной установки. Кроме того, настоящее изобретение включает реакторную систему для дегидрирования этилбензола с получением стирола и каталитическую смесь для катализа дегидрирования этилбензола с получением стирола.
Существующий уровень техники в области промышленных процессов дегидрирования этилбензола представляет собой высокотемпературные процессы, обычно свыше 600°С, и во всех случаях также процессы при низком давлении. Это обусловлено тем фактом, что реакция дегидрирования С6Н5СН2СН3↔С6Н5СНСН2+Н2 является эндотермической, требующей около 125 кДж/моль, и включает образование молей продукта в большей степени, чем реагентов. Таким образом, как повышенная температура, так и низкое давление приводят к более высокой конверсии. Дегидрирование этилбензола обычно осуществляют с помощью пара в качестве разбавителя или без разбавителей. Дегидрирование этилбензола для производства стирола в существующем уровне техники для промышленных процессов проводят применением активированного катализатора оксида железа и с водой/паром в качестве газа-носителя (разбавителя) и подавителя углерода.
Одной из побочных реакций при дегидрировании является образование углерода, что приводит к дезактивации катализатора. Таким образом, при некоторых применениях могут быть необходимы повторяющиеся регенерации катализатора. Образование углерода является не только проблемой для катализатора. Также необходимо тщательно выбирать материал, применяемый для реактора дегидрирования и для трубопроводов, в основном, применяя чрезвычайно дорогостоящие сплавы, чтобы избежать агрессивного воздействия углерода, что приводит к критической форме коррозии, известной как металлическое запыливание.
Пар применяют в процессе дегидрирования в качестве теплоносителя. Пар необходимо получить энергоемким испарением и в процессе следует конденсировать еще раз. Тепло испарения нельзя полностью рекуперировать. В существующих процессах конверсии этилбензола с получением стирола к этилбензолу добавляют значительное количество пара, чтобы подавить образование углерода на катализаторе, разбавить газ, чтобы понизить парциальное давление этилбензола, чтобы способствовать равновесию и в конце концов предоставить тепло реакции посредством функционирования в качестве теплоносителя.
Следовательно, цель настоящего изобретения заключается в предоставлении способа, реакторной системы и каталитической смеси для дегидрирования этилбензола с получением стирола, где достигается сохранение высокой стабильности каталитической смеси.
Другая цель настоящего изобретения заключается в предоставлении способа, реакторной системы и каталитической смеси для дегидрирования этилбензола с получением стирола, которые являются простыми и энергосберегающими и которые в то же время способны сохранять высокую стабильность катализатора.
Также цель настоящего изобретения заключается в увеличении энергосбережения дегидрирования этилбензола с получением стирола.
Также цель настоящего изобретения заключается в предоставлении способа, реакторной системы и каталитической смеси, где точно контролируется температура реакции. Предпочтительно температура процесса является пониженной по сравнению с ранее известными реакциями; таким образом, увеличивается термодинамический потенциал, и уменьшаются побочные реакции, такие как коксование каталитической смеси и/или крекинг реакционного потока.
Настоящее изобретение решает одну или более упомянутых выше проблем.
Объект настоящего изобретения относится к реакторной системе для дегидрирования этилбензола с получением стирола в данном температурном интервале Т обеспечением контакта реакционного потока, содержащего этилбензол, с каталитической смесью. Реакторная система включает реакторную установку, расположенную для предоставления каталитической смеси, где каталитическая смесь, включающая каталитические частицы, находится в тесном контакте с ферромагнитным материалом, где каталитические частицы располагаются для катализа дегидрирования этилбензола с получением стирола. Кроме того, реакторная система содержит индукционную катушку, расположенную с возможностью энергоснабжения от источника питания, подающего переменный ток, и располагается так, чтобы генерировать переменное магнитное поле внутри реакторной установки при энергоснабжении от источника энергии, вследствие чего каталитическая смесь нагревается до температуры в температурном интервале Т посредством переменного магнитного поля.
В каталитической смеси частицы катализатора и ферромагнитный материал находятся в тесном контакте. Эффект частиц катализатора и ферромагнитного материала системы, находящихся в тесном контакте, заключается в том, что тепло, генерированное в ферромагнитном материале, проводится к каталитическим частицам или непосредственно или опосредованно через реакционный поток на короткое расстояние во время эксплуатации. Следовательно, нагрев внутри реакторной системы происходит на частицах катализатора или очень близко к ним. Таким образом, температура реакционного потока может быть ниже, когда реакционный поток достигает каталитической смеси, чем когда он покидает каталитическую смесь внутри реакторной системы. Это создает меньше проблем, связанных с крекингом и коксованием внутри реакторной системы.
Подразумевается, что термин "частицы катализатора, находящиеся в тесном контакте с ферромагнитным материалом" обозначает то, что частицы катализатора находятся в существенной близости к ферромагнитному материалу такой, как в физической смеси вместе с ферромагнитным материалом, в физическом контакте с ферромагнитным материалом или при нанесении на ферромагнитный материал, возможно посредством оксида.
Ключевой элемент, который рассматривает настоящее изобретение, представляет собой проблему подачи тепла, необходимого для проведения реакции дегидрирования. В традиционном процессе дегидрирования этилбензола с получением стирола это осуществляют применением пара в качестве газа-носителя. Реакцию часто проводят в двух или трех адиабатических каталитических слоях с повторным нагревом до температуры 600-650°С между слоями. Пар применяется в качестве газа-носителя, в качестве разбавителя и подавителя углерода. Посредством реакторной системы согласно изобретению представляется возможным дегидрировать этилбензол в стирол при значительно сниженном потреблении пара за счет того, что более нет необходимости в паре в качестве теплоносителя. Вместо этого тепло для эндотермической реакции дегидрирования обеспечивается индукционным нагревом. Точка Кюри ферромагнитного материала может находиться близко к верхнему пределу заданного температурного интервала Т, выше или намного выше него. Однако точка Кюри могла быть немного ниже, чем верхний предел заданного температурного интервала Т по той причине, что газообразный реакционный поток, поступающий в реакторную систему, может нагреваться до температуры выше точки Кюри перед поступлением в реакторную систему, обеспечивая, таким образом, верхний предел температурного интервала Т - в восходящей части реакторной установки -который выше, чем получаемый индукционным нагревом. Как применяется в этом описании, подразумевается, что термин "температурный интервал Т" обозначает желательный интервал температур, в основном до его верхнего предела, при котором должна протекать реакция дегидрирования внутри реакторной системы во время эксплуатации.
Предпочтительно коэрцитивность ферромагнитного
материала является высокой настолько, чтобы количество тепла, генерированное внутри ферромагнитного материала и рассеянное внешним полем при обращении направления магнетизации в каждом цикле магнетизации, являлось высоким.
Как применяется в этом описании, материал с "высокой магнитной коэрцитивностью", ВНС, рассматривается как "жесткий магнитный материал", имеющий коэрцитивность ВНС на уровне или выше около 20 кА/м, в то время как материал с "низкой магнитной коэрцитивностью", ВНС, рассматривается как "мягкий магнитный материал", имеющий коэрцитивность ВНС на уровне или ниже около 5 кА/м. Следует понимать, что термины "жесткий" и "мягкий" магнитные материалы относятся к магнитным свойствам материалов, а не к их механическим свойствам.
Следует отметить, что пар в некотором количестве все еще является существенным в процессе для подавления образования углерода на катализаторе. Однако посредством применения реакторной системы согласно изобретению отношение пара к углероду можно значительно уменьшить по сравнению с реакторной системой с применением пара в качестве теплоносителя.
Ферромагнитный материал предоставляет дополнительные преимущества, такие как:
Ферромагнитный материал поглощает большую долю магнитного поля, делая таким образом потребность в экранировании меньшей или даже лишней.
Нагрев ферромагнитного материала происходит относительно быстрее и с меньшими затратами, чем нагрев неферромагнитных материалов. Ферромагнитный материал имеет собственную или характеристическую максимальную температуру нагрева, а именно точку Кюри.
Следовательно, применение смеси катализаторов, которая является ферромагнитной, обеспечивает то, что эндотермическая химическая реакция не нагревается выше конкретной температуры, а именно точки Кюри.
Другое преимущество изобретения состоит в том, что температуру реакторной установки можно поддерживать более низкой, чем температура традиционно применяемого адиабатического реактора. Более низкая температура является предпочтительной для общего выхода и селективности процесса, и требуемые регенерации для удаления углерода будут менее частыми, так как снижаются побочные реакции, такие как коксование и крекинг. Количество пара можно понизить, так как его первоначальная функция в качестве теплоносителя более не существует. Пониженное количество пара, примененное в процессе, дополнительно улучшает экономичность процесса, и снижаются проблемы, связанные с транспортировкой калия, присутствующего в ранее известных процессах. Дополнительные преимущества включают возможность регулировки температуры на выходе, что увеличивает термодинамический потенциал для дегидрирования.
Индукционную катушку можно, например, поместить внутри реакторной установки или вокруг реакторной установки. Если индукционную катушку помещают внутри реакторной установки, предпочтительно, чтобы она размещалась по меньшей мере по существу рядом с внутренней стенкой (стенками) реакторной установки для того, чтобы окружать настолько много каталитической смеси, насколько возможно. В случаях, когда индукционную катушку помещают внутри реакторной установки, изгибы реакторной установки могут находиться в физическом контакте со смесью катализаторов. В этом случае, в дополнение к индукционному нагреву, каталитическая смесь может нагреваться непосредственно омическим/активным теплом из-за прохождения электрического тока через изгибы индукционной катушки. Реакторную установку изготавливают в основном из неферромагнитного материала.
В заключение, изобретение предоставляет реакторную систему, расположенную для проведения дегидрирования этилбензола с получением стирола с меньшими затратами и с лучшей селективностью, чем современные реакторные системы. Кроме того, время жизни катализатора будет увеличено из-за более низкой средней температуры эксплуатации внутри реакторной системы.
В одном варианте выполнения данным температурным интервалом Т является интервал между около 450°С и около 650°С или его поддиапазон. Предпочтительно точка Кюри ферромагнитного материала составляет выше 450°С, например, между 450°С и 650°С. В одном варианте выполнения точка Кюри ферромагнитного материала равна рабочей температуре по существу на верхнем пределе заданного температурного интервала Т реакции дегидрирования. Таким образом, гарантируется, что реакция дегидрирования не нагревается выше конкретной температуры, а именно точки Кюри. Таким образом, гарантируется, что реакция дегидрирования не будет выходить из-под контроля.
В одном варианте выполнения индукционная катушка помещается внутри реакторной установки или около реакторной установки. Катушку можно изготовить, например из фехраля.
В одном варианте выполнения частицы катализатора наносят на ферромагнитный материал.
В одном варианте выполнения ферромагнитный материал включает одну или несколько ферромагнитных макроскопических подложек, чувствительных к индукционному нагреву, причем одна или несколько ферромагнитных макроскопических подложек покрыты оксидом, а оксид импрегнирован частицами катализатора.
Оксид также можно импрегнировать ферромагнитными частицами. Таким образом, когда частицы катализатора подвергаются действию переменного магнитного поля, нагреваются как ферромагнитная макроскопическая подложка, так и ферромагнитные частицы, импрегнированные в оксид ферромагнитной макроскопической подложки. В то время как ферромагнитная макроскопическая подложка нагревает частицы катализатора изнутри, ферромагнитные частицы нагревают с внешней стороны оксида. Таким образом, достигается более высокая температура и/или более высокая скорость нагрева.
В данном описании подразумевается, что термин "макроскопическая подложка" обозначает макроскопический материал подложки в любой подходящей форме, обеспечивающей высокую площадь поверхности. Неограничивающими примерами являются металлические элементы, монолиты или минилиты. Макроскопическая подложка может иметь ряд каналов; в этом случае они могут быть элементом с прямыми каналами или поперечно гофрированными каналами. Материал макроскопической подложки может быть пористым, или макроскопическая подложка может быть твердой. Подразумевается, что слово "макроскопический" в "макроскопической подложке" указывает, что подложка является достаточно большой, чтобы быть видимой невооруженным глазом без увеличительных устройств.
В одном варианте выполнения частицы катализатора и порошок ферромагнитных частиц смешивают и обрабатывают с предоставлением тел каталитической смеси. Размер частиц находится в микрометрической шкале такой, чтобы характеристический размер катализатора и/или ферромагнитных частиц составлял более чем 0,1 мкм. Необходимо, чтобы размер частиц порошка ферромагнитного материала был достаточный, чтобы протекал ферромагнитный нагрев. Это описано, например, в "Magnetic multi-granule nanoclusters: A model system that exhibits universal size effect of magnetic coercivity", Ji Sung Lee и др., Научный Доклад, опубликованный 17 июля 2015 (см., например, Фиг. 1). Предпочтительно наименьший внешний размер тел составляет между около 2-3 мм и около 8 мм. Соотношение между частицами катализатора и ферромагнитными частицами может составлять, например, 1:1. Альтернативно, каталитическая смесь может включать больше ферромагнитных частиц, чем частиц катализатора, в зависимости от тел и условий реакции.
В одном варианте выполнения каталитическая смесь включает тела частиц катализатора, смешанных с телами ферромагнитного материала, причем наименьший внешний размер тел составляет примерно около 1-2 мм или более. Предпочтительно наименьший внешний размер тел составляет между около 2-3 мм и около 8 мм. Телами частиц катализатора являются, например, экструдаты или минилиты. Телами ферромагнитного материала могут быть, например, железные сферы.
В одном варианте выполнения каталитическая смесь имеет заданное соотношение между частицами катализатора и ферромагнитным материалом. В одном варианте выполнения заданным соотношением между частицами катализатора и ферромагнитным материалом является заданное ступенчатое соотношение, изменяющееся вдоль направления потока реактора. Таким образом, возможно контролировать температуру в различных зонах реактора. Можно применять реактор с радиальным потоком; в этом случае заданное соотношение изменяется вдоль радиального направления реактора. Альтернативно, можно применять реактор с аксиальным потоком. Когда каталитическая смесь имеет ступенчатое соотношение, возможно эксплуатировать реакторную систему так, чтобы температура увеличивалась вдоль направления потока, а именно над длиной слоя, увеличивая таким образом термодинамический потенциал для дегидрирования этилбензола. Следовательно, уменьшаются проблемы, связанные с транспортировкой калия, присутствующие в ранее известных процессах.
Другой объект изобретения относится к каталитической смеси, распределенной для катализа дегидрирования этилбензола в реакторе в данном температурном интервале Т при обеспечении контакта реакционного потока, содержащего этилбензол, с каталитической смесью, причем каталитическая смесь включает частицы катализатора в фактическом контакте с ферромагнитным материалом, в котором частицы катализатора распределены для катализа дегидрирования этилбензола с получением стирола. Каталитическая смесь может иметь заданное соотношение между частицами катализатора и ферромагнитным материалом.
В одном варианте выполнения точка Кюри ферромагнитного материала по существу равна рабочей температуре по существу на верхнем пределе заданного температурного интервала Т реакции дегидрирования. Альтернативно точка Кюри может быть немного ниже, чем верхний предел заданного температурного интервала Т, поскольку газообразный реакционный поток, поступающий в реакторную систему, можно нагреть до температуры выше точки Кюри до поступления в реакторную систему, таким образом обеспечивая верхний предел температурного интервала Т - в восходящей части реакторной установки - который выше, чем предел, получаемый индукционным нагревом.
В одном варианте выполнения ферромагнитный материал представляет собой сплав, содержащий железо, сплав, содержащий железо и хром, сплав, содержащий железо, хром и алюминий, сплав, содержащий железо и кобальт, сплав, содержащий железо, алюминий, никель и кобальт, или магнетит. В одном варианте выполнения частицы катализатора представляют собой носитель, импрегнированный оксидом железа и/или оксидом калия, необязательно промотированный оксидом церия и/или оксидом молибдена.
В одном варианте выполнения частицы катализатора наносят на ферромагнитный материал. Например, ферромагнитный материал включает одну или несколько ферромагнитных макроскопических подложек, подвергаемых индукционному нагреву, причем одна или несколько ферромагнитных макроскопических подложек покрыты оксидом, и оксид импрегнирован частицами катализатора.
Неограничивающими примерами ферромагнитных макроскопических подложек, покрытых оксидом, который в свою очередь импрегнирован частицами катализатора, являются
металлические элементы, монолиты или минилиты.
В одном варианте выполнения частицы катализатора и ферромагнитные частицы смешивают и обрабатывают с предоставлением тел каталитической смеси, причем тела имеют заданное соотношение между частицами катализатора и ферромагнитным материалом. В одном варианте выполнения каталитическая смесь включает тела частиц катализатора, смешанных с телами ферромагнитного материала. Такими телами могут быть, например, гранулы, экструдаты или минилиты.
В одном варианте выполнения каталитическая смесь имеет заданное соотношение между частицами катализатора и ферромагнитным материалом. Заданным отношением между частицами катализатора и ферромагнитным материалом может быть заданное ступенчатое соотношение, изменяющееся вдоль направления потока реактора. Таким образом, возможно контролировать температуру в различных зонах реактора. Можно применять реактор с радиальным потоком; в этом случае заданное соотношение варьируется вдоль радиального направления реактора. Альтернативно можно применять реактор с аксиальным потоком.
Другой объект изобретения относится к способу дегидрирования этилбензола в данном температурном интервале Т в реакторной системе, где реакторная система включает реакторную установку, расположенную для размещения каталитической смеси, и где каталитическая смесь, содержащая частицы катализатора, находится в тесном контакте с ферромагнитным материалом. Частицы катализатора располагаются для катализа дегидрирования этилбензола с получением стирола. Индукционная катушка размещается так, чтобы получать энергию от источника питания, подающего переменный ток, и располагается так, чтобы генерировать переменное магнитное поле внутри реакторной установки при энергоснабжении от источника питания, вследствие чего каталитическая смесь нагревается до температуры в данном температурном интервале Т посредством переменного магнитного поля. Способ включает стадии:
(i) генерирование переменного магнитного поля внутри реакторной установки при энергоснабжении от источника питания, подающего переменный ток, причем переменное магнитное поле проходит через реакторную установку, нагревая, таким образом, каталитическую смесь посредством индукции магнитного потока в материале;
(ii) приведение реакционного потока, содержащего этилбензол, в контакт с частицами катализатора;
(iii) нагрев указанного реакционного потока внутри указанного реактора посредством генерирования переменного магнитного поля; и
(iv) обеспечение взаимодействия реакционному потоку для обеспечения выхода потока стирольного продукта из реактора.
Подразумевается, что последовательность стадий (i)-(iv) не является ограниченной. Стадии (ii) и (iii) могут происходить одновременно, или стадию (iii) можно инициировать до стадии (ii) и/или они могут проходить в то же время, что и стадия (iv). Преимущества, которые поясняются по отношению к реакторной системе и каталитической смеси, также распространяются на способ дегидрирования этилбензола с получением стирола. Каталитическая смесь может иметь заданное соотношение между частицами катализатора и ферромагнитным материалом. В одном варианте выполнения температурным интервалом Т является интервал между около 450°С и около 650°С или их поддиапазон. В одном варианте выполнения реакционный поток предварительно нагревают в теплообменнике перед стадией (ii).
Точка Кюри ферромагнитного материала может быть равна или выше верхнего предела заданного температурного интервала Т реакции дегидрирования. Альтернативно, точка Кюри может быть немного ниже, чем верхний предел заданного температурного интервала Т, поскольку газообразный реакционный поток, поступающий в реакторную систему, можно нагреть выше точки Кюри перед поступлением в реакторную систему, обеспечивая, таким образом, верхний предел температурного интервала Т - в восходящей части реакторной установки - который выше, чем предел, получаемый при индукционном нагреве.
В одном варианте выполнения массовое соотношение между паром и этилбензолом в реакционном потоке представляет собой соотношение пара к этилбензолу между 0,5 и 1,5 (масс/масс). Таким образом, способ согласно изобретению предусматривает пониженное потребление пара и, таким образом, снижает затраты на производство по сравнению с соответствующим процессом дегидрирования, где тепло подается к процессу исключительно применением пара.
Краткое описание чертежей
Изобретение будет теперь объяснено более подробно со ссылкой на прилагаемые фигуры, где:
Фигура 1 показывает температурные профили реакторной установки, нагретой конвекционным/контактным и/или лучистым нагревом и индукционным нагревом соответственно;
Фигура 2 показывает температурные профили вдоль длины индукционно нагретой аксиальной реакторной установки согласно изобретению; и
Фигуры 3а и 3b показывают схематичные чертежи двух вариантов выполнения реакторной системы.
Подробное описание чертежей
Фигура 1 представляет собой график, показывающий температурные профили реакторной установки 10, нагретой конвекционным/контактным и/или лучистым нагревом и индукционным нагревом соответственно, во время эндотермической реакции внутри реакторной установки 10. Температурные профили на фигуре 1 указаны вместе со схематичным поперечным сечением через реакторную установку 10, имеющую стенки 12, удерживающие слой 14 катализатора с каталитической смесью для эндотермических реакций. В случае индукционного нагрева каталитическая смесь в слое 14 катализатора подвергается индукционному нагреву. Средства для нагрева реакторной установки 10 и/или слоя 14 катализатора не показаны. В случае конвекционного, контактного и/или лучистого нагрева средствами для нагрева могли быть, например, горелки; средствами для индукционного нагрева будут в основном электромагнит, например индукционная катушка. Температурная шкала указана на правой стороне фигуры 1. Реакторная установка 10 представляет собой реакторную установку с аксиальным потоком, и температурные профили, показанные на фигуре 1, указывают температуры в центре слоя катализатора внутри реакторной установки. Горизонтальная пунктирная линия указывает температуру, равную 550°С, в центре слоя катализатора как в случае конвекционного, контактного и/или лучистого нагрева (кривая 16), так и индукционного нагрева (кривая 17).
Пунктирная кривая 16 указывает температуры внутри реакторной установки, на стенках реакторной установки, а также внутри слоя 14 катализатора при нагреве конвекционным/контактным и/или лучистым нагревом, в то время как сплошная кривая 17 указывает температуры снаружи от реакторной установки, на стенках реакторной установки, а также внутри слоя 14 катализатора при нагреве конвекционным/контактным и/или лучистым нагревом и индукционным нагревом, соответственно.
Из фигуры 1 понятно, что в случае конвекционного/контактного и/или лучистого нагрева температура является более высокой за пределами стенки 12, чем внутри стенки 12, и что температура внутри слоя 14 катализатора является более низкой, чем у стенки 12. В центре слоя катализатора температура является самой низкой. Это происходит, потому что температура у источника тепла должна быть выше, чем в зоне реакции и из-за потери температуры через стенки и из-за эндотермической природы реакции внутри реакторной установки 10. Наоборот, температурный профиль, который показан кривой 17, показывает, что для индукционного нагрева температура выше на стенке 12 по сравнению с внешней поверхностью реакторной установки, в то время как температура внутри слоя катализатора увеличивается от стенки 12 к центру слоя 14 катализатора.
В основном, проведение эндотермических реакций ограничивается тем, насколько эффективно тепло может передаваться в реакционную зону слоя 14 катализатора. Традиционная теплопередача конвекцией/контактом/излучением может быть медленной и часто будет встречать большое сопротивление во многих конфигурациях. Кроме того, играют роль потери тепла внутри стенок реактора. В отличие от этого, когда тепло вносится внутри слоя 14 катализатора при индукционном воздействии, слой катализатора будет самой горячей частью реактора 10 в отличие от традиционного нагрева, где внешний источник тепла должен быть значительно горячее, чем внутренняя часть, чтобы иметь направляющий механизм для теплопереноса.
Реакционный поток, содержащий этилбензол и поступающий в реакторную установку, обычно предварительно нагрет посредством прохождения через теплообменник на линии подаваемого потока и поступает в слой катализатора при температуре около 500°С. Направление потока в реакторе с радиальным потоком может быть направлением с внешней стороны к центру реакторной установки или наоборот. Потоки нагреваются до температуры выше 600°С, и во время этого процесса протекает каталитическая конверсия этилбензола с получением стирола. Предполагая, что соотношение Н2О к этилбензолу равно 4, общее давление равно 1 бар и конверсия в состояние равновесия при 600°С, тогда 60% этилбензола будет преобразовано в стирол. Конверсия 1 тонны этилбензола с получением стирола требует 328 кВтч, и нагрев реакционной смеси будет требовать около 200 кВтч. Эффективный теплообменник на линии подаваемого потока будет значительно снижать это количество. Преобразованный газовый поток, выходящий из реакторной установки 110, может проходить через теплообменник на линии подаваемого потока и может дополнительно охлаждаться.
Описанный процесс можно также использовать для дегидрирования амиленов в изопрен.
Фигура 2 показывает температурные профили вдоль длины аксиальной реакторной установки с индукционным нагревом согласно изобретению. Фигура 2 показывает два различных температурных профиля: изотермический профиль I. и профиль II. с увеличивающейся температурой, вдоль аксиального направления реакторной установки. Реакционный поток достигает каталитической смеси на длине реактора L=0 и покидает каталитическую смесь на длине реактора L=1. В изотермическом профиле I. температура поддерживается постоянной по всей длине реактора. Это достигается посредством конструирования индукционной катушки и/или каталитической смеси соответственно. На температурном профиле II. температура повышается вдоль пути реакционного потока через реакторную установку. Преимущество заключается в том, что относительно низкая температура на входе (при L=0) понижает риск крекинга реакционного потока и в том, что высокая температура в направлении конца реакторной установки (L=l) обеспечивает улучшенное термодинамическое равновесие для реакции дегидрирования. В температурном профиле II. отмечено, что максимальной температурой реакционного потока является температура на выходе. Даже хотя фигура 2 показана для реакторной установки с аксиальным потоком, подобные профили подходят для реакторных установок с радиальным потоком вдоль пути реакционного потока через каталитическую смесь.
Фигуры 3а и 3b показывают схематичные чертежи пяти вариантов выполнения 100а и 100b реакторной системы. На фигурах 3а и 3b похожие элементы обозначаются одинаковыми ссылочными номеров.
Фигура 3а показывает вариант выполнения реакторной системы 100а для проведения дегидрирования этилбензола с получением стирола приведением реакционного потока, содержащего этилбензол, в контакт с каталитической смесью 120. Реакторная система 100а включает реакторную установку 110, выполненную с возможностью размещения каталитической смеси 120, содержащей частицы катализатора, находящиеся в тесном контакте с ферромагнитным материалом, причем частицы катализатора располагают для катализа дегидрирования этилбензола с получением стирола, и ферромагнитный материал является ферромагнитным по меньшей мере при температурах до около 500°С или 700°С.
Реагент вводят в реакторную установку 110 через входное отверстие 111, и продукты реакции, образованные на поверхности каталитической смеси 120, выводят через выходное отверстие 112.
Реакторная система 100а дополнительно включает индукционную катушку 150а, расположенную для энергоснабжения от источника питания 140, подающего переменный ток. Индукционная катушка 150а соединяется с источником питания 140 проводниками 152. Индукционная катушка 150а располагается так, чтобы генерировать переменное магнитное поле внутри реакторной установки 110 при энергоснабжении от источника питания 140. Следовательно, каталитическая смесь 120 нагревается до температуры в данном температурном интервале Т, подходящем для дегидрирования этилбензола, таком как между 450°С и около 650°С, посредством переменного магнитного поля.
Индукционная катушка 150а фигуры 3а располагается по существу рядом с внутренней поверхностью реакторной установки 110 и в физическом контакте с каталитической смесью 120. В этом случае в дополнение к индукционному нагреву, предоставленного магнитным полем, частицы катализатора 120 рядом с индукционной катушкой 150а дополнительно нагреваются непосредственно омическим/резистивным нагревом из-за прохождения электрического тока через обмотку индукционной катушки 150а. Индукционную катушку 150а можно разместить или внутри или снаружи от секции катализатора (не показано), поддерживающей каталитическую смесь 120 внутри реакторной установки 110. Индукционную катушку предпочтительно изготавливают из кантала.
Каталитическую смесь 120 можно разделить на участки (на фигурах не показано), где соотношение между каталитическим материалом и ферромагнитным материалом варьируется от одного участка до другого. На входе реакторной установки 110 скорость реакции является высокой, и требования к теплу очень большие; это можно восполнить содержанием относительно высокой доли ферромагнитного материала по сравнению с каталитическим материалом. Можно также разработать ферромагнитный материал для ограничения температуры посредством выбора ферромагнитного материала с точкой Кюри, близкой к желательной температуре реакции.
Размещение индукционной катушки 150а внутри реакторной установки 110 гарантирует, что тепло, полученное благодаря омическому резистивному нагреву индукционной катушки 150а, остается применимым для реакции дегидрирования. Однако наличие колебательного магнитного поля внутри реактора может вызвать проблемы, если материалы реакторной установки 110 являются магнитными с высокой коэрцитивностью с тем, что путем приведения могут быть достигнуты высокие температуры. Эту проблему можно преодолеть посредством заполнения внутренней части реакторной установки 110 материалами, способными отражать колебательное магнитное поле. Такие материалы могут, например, быть хорошими электрическими проводниками, такими как медь.
Альтернативно, материал реакторной установки 110 можно выбирать как материал с очень низкой коэрцитивностью. Альтернативно индукционную катушку 150 можно изогнуть в виде тороида.
Для получения слоя катализатора, подвергаемого индукции, можно использовать различные подходы. Один подход заключается в нанесении частиц катализатора на ферромагнитный материал. Например, ферромагнитный материал включает один или несколько ферромагнитных макроскопических подложек, чувствительных к индукционному нагреву. Одна или несколько ферромагнитных макроскопических подложек покрыты оксидом, и оксид импрегнирован частицами катализатора. Другой подход заключается в смешивании частиц катализатора и ферромагнитных частиц и обработке смеси с предоставлением тел каталитической смеси. Дополнительно или альтернативно каталитическая смесь включает тела частиц катализатора, смешанных с телами ферромагнитного материала, причем наименьший внешний размер тел составляет на уровне около 1-2 мм или более.
Частицы стирольного катализатора могут быть основаны на оксидах железа и оксидах калия наряду с оксидом (оксидами) другого металла (других металлов), таких как оксид церия и/или оксид молибдена, в качестве ускорителя (ускорителей). Частицы катализатора могут иметь определенное содержание магнетита, Fe3O4, который является ферромагнитным с точкой Кюри, равной 581°С. Это является типичной температурой внутри реактора для получения стирола. Можно нагревать магнетитовые кристаллы до температуры, равной 581°С. В случае, когда это не достаточно для получения допустимой конверсии, частицы катализатора можно смешать с ферромагнитным материалом с высокой коэрцитивностью и высокой точкой Кюри, таким как AlNiCo или Пермендюр.
Каталитическая смесь предпочтительно имеет заданное соотношение между частицами катализатора и ферромагнитным материалом. Это заданное соотношение может быть ранжированным отношением, изменяемым вдоль направления потока реактора.
В другом подходе ферромагнитные макроскопические подложки покрывают оксидом, импрегнированным каталитически активными частицами. Этот подход предлагает большую универсальность по сравнению с ферромагнитными наночастицами в катализаторе, так как не требуется, чтобы выбор каталитической активной фазы был ферромагнитным.
В дополнение к возможности переноса тепла непосредственно на частицы катализатора, индукционный нагрев предлагает быстрый механизм нагрева, который теоретически может сделать реакцию дегидрирования относительно быстрой.
Фигура 3b показывает другой вариант выполнения 100b реакторной системы для проведения дегидрирования этилбензола с получением стирола посредством приведения реакционного потока, содержащего этилбензол, в контакт с каталитической смесью 120. Реакторная установка 110 и ее входное и выходное отверстия 111, 112, каталитическая смесь 120, источник энергии 140 и его соединительные проводники 152 являются сходными с элементами варианта выполнения, показанного на фигуре 3а.
В варианте выполнения фигуры 3b индукционная катушка 150b изогнута или располагается вокруг внешней стороны реакторной установки 110.
В обоих вариантах выполнения, показанных на фигурах 3а-3b, каталитическая смесь может быть любой каталитической смесью согласно изобретению. Таким образом, каталитическая смесь может быть в виде каталитических частиц, нанесенных на ферромагнитный материал, например, в форме ферромагнитной макроскопической подложки, покрытых оксидом, где оксид пропитывают частицами катализатора, минилитов, монолита или тел, полученных из смеси частиц катализатора и ферромагнитных частиц. Таким образом, каталитическая смесь не ограничивается каталитической смесью, имеющей относительный размер по сравнению с реакторной системой, как показано на фигурах. Кроме того, когда каталитическая смесь включает множество макроскопических носителей, каталитическая смесь будет в основном уплотняться так, чтобы оставлять меньше места между макроскопическими подложками, чем показано на фигурах 3а и 3b. Кроме того, в двух вариантах выполнения, показанных на фигурах 3а и 3b, реакторная установка 110 изготовлена из неферромагнитного материала. В двух вариантах выполнения, показанных на фигурах 3а и 3b, источником энергии 140 является электронный генератор, расположенный для прохождения переменного тока высокой частоты (АС) через катушку, окружающую по меньшей мере часть каталитической смеси внутри реакторной системы.
Даже несмотря на то, что фигуры 3а и 3b показывают реактор с аксиальным или продольным потоком, реактор может представлять собой реактор с радиальным потоком.
Даже несмотря на то, что настоящее изобретение описано в связи с дегидрированием алканов, главным образом дегидрированием алканов в алкены и/или диены, следует отметить, что изобретение также применимо для дегидрирования других углеводородов. Хотя настоящее изобретение описано в связи с конкретными вариантами выполнения, его не следует интерпретировать, как ограниченное каким-либо образом представленными примерами. Объем настоящего изобретения установлен прилагаемым набором пунктов формулы изобретения. Применительно к формуле изобретения термины "содержащий" или "содержит" не исключает другие возможные элементы или стадии. Также упоминание ссылок, таких как "а" или "an" и т.д. не следует интерпретировать как включающие множество. Кроме того, отдельные отличительные признаки, упомянутые в различных пунктах формулы изобретения, могут возможно комбинироваться преимущественным образом, и упоминание этих отличительных признаков в различных пунктах формулы изобретения не исключает того, что комбинация отличительных признаков не является возможной и преимущественной.
1. Реакторная система для дегидрирования этилбензола с получением стирола в заданном температурном интервале Т путем приведения реакционного потока, содержащего этилбензол, в контакт с каталитической смесью, причем указанная реакторная система включает:
- реакторную установку, выполненную с возможностью размещения указанной каталитической смеси, причем указанная каталитическая смесь включает частицы катализатора, находящиеся в тесном контакте с ферромагнитным материалом, в котором указанные частицы катализатора распределены для катализа дегидрирования этилбензола с получением стирола,
- индукционную катушку, выполненную с возможностью питания от источника переменного тока и расположенную с возможностью генерирования переменного магнитного поля внутри реакторной установки при подключении к источнику питания, приводящему к нагреву каталитической смеси до температуры в указанном температурном интервале Т посредством указанного переменного магнитного поля, где указанная каталитическая смесь выбрана из следующего: каталитическая смесь, содержащая частицы катализатора и ферромагнитные частицы, смешанные и обработанные для предоставления тел каталитической смеси, каталитическая смесь, включающая тела каталитических частиц, смешанных с телами ферромагнитного материала, причем наименьший внешний размер тел находится в порядке около 1-2 мм или более, или указанный ферромагнитный материал включает одну или несколько ферромагнитных макроскопических подложек, чувствительных к индукционному нагреву, причем указанные одна или несколько ферромагнитных макроскопических подложек являются ферромагнетиками при температурах вплоть до верхнего предела заданного температурного интервала Т, причем указанные одна или несколько ферромагнитных макроскопических подложек покрыты оксидом, и причем оксид импрегнирован указанными частицами катализатора.
2. Реакторная система по п. 1, в которой заданным температурным интервалом Т является интервал между около 450°С и около 650°С или его поддиапазоном.
3. Реакторная система по п. 1, в которой точка Кюри ферромагнитного материала равна рабочей температуре по существу на верхнем пределе заданного температурного интервала Т реакции дегидрирования.
4. Реакторная система по п. 1, в которой точка Кюри ферромагнитного материала находится выше 450°С.
5. Реакторная система по п. 1, в которой индукционная катушка находится внутри реакторной установки или вокруг реакторной установки.
6. Реакторная система по любому из пп. 1-5, в которой каталитическая смесь имеет заданное соотношение между указанными частицами катализатора и указанным ферромагнитным материалом.
7. Реакторная система по п. 6, в которой заданное соотношение между указанными частицами катализатора и указанным ферромагнитным материалом представляет собой заданное ступенчатое соотношение, изменяющееся вдоль направления потока указанного реактора.
8. Каталитическая смесь, распределенная в реакторе для катализа дегидрирования этилбензола в заданном температурном интервале Т при приведении реакционного потока, содержащего этилбензол, в контакт с указанной каталитической смесью, причем указанная каталитическая смесь включает частицы катализатора, находящиеся в тесном контакте с ферромагнитным материалом, где каталитическая смесь выполнена для нагрева до температуры в указанном температурном интервале Т посредством переменного магнитного поля, где указанные частицы катализатора распределены для катализа дегидрирования этилбензола в стирол, причем указанная каталитическая смесь выбрана из следующего: каталитическая смесь, содержащая частицы катализатора и ферромагнитные частицы, смешанные и обработанные для предоставления тел каталитической смеси, каталитическая смесь, включающая тела каталитических частиц, смешанных с телами ферромагнитного материала, причем наименьший внешний размер тел находится в порядке около 1-2 мм или более, или указанный ферромагнитный материал включает одну или несколько ферромагнитных макроскопических подложек, чувствительных к индукционному нагреву, причем указанные одна или несколько ферромагнитных макроскопических подложек являются ферромагнетиками при температурах вплоть до верхнего предела заданного температурного интервала Т, причем указанные одна или несколько ферромагнитных макроскопических подложек покрыты оксидом, и причем оксид импрегнирован указанными частицами катализатора.
9. Каталитическая смесь по п. 8, в которой точка Кюри ферромагнитного материала по существу равна рабочей температуре по существу на верхнем пределе заданного температурного интервала Т реакции дегидрирования.
10. Каталитическая смесь по п. 8, в которой ферромагнитным материалом является сплав, содержащий железо, сплав, содержащий железо и хром, сплав, содержащий железо, хром и алюминий, сплав, содержащий железо и кобальт, сплав, содержащий железо, алюминий, никель и кобальт, или магнетит.
11. Каталитическая смесь по п. 8, в которой частицы катализатора включают носитель, импрегнированный оксидом железа и/или оксидом калия, необязательно промотированный оксидом церия и/или оксидом молибдена.
12. Каталитическая смесь по любому из пп. 8-11, в которой каталитическая смесь имеет заданное соотношение между указанными частицами катализатора и указанным ферромагнитным материалом.
13. Каталитическая смесь по п. 12, в которой заданным соотношением между указанными частицами катализатора и указанным ферромагнитным материалом является заданное ступенчатое соотношение, изменяющееся вдоль направления потока указанного реактора.
14. Способ дегидрирования этилбензола в заданном температурном интервале Т в реакторной системе, причем указанная реакторная система включает:
реакторную установку, выполненную с возможностью размещения каталитической смеси, причем указанная каталитическая смесь включает частицы катализатора, находящиеся в тесном контакте с ферромагнитным материалом, в котором указанные частицы катализатора распределены для катализа дегидрирования этилбензола с получением стирола, и индукционную катушку, выполненную с возможностью питания от источника переменного тока и расположенную с возможностью генерирования переменного магнитного поля внутри реакторной установки при подключении к источнику питания, приводящему к нагреву каталитической смеси до температуры в заданном температурном интервале Т посредством указанного переменного магнитного поля, причем указанный способ включает следующие стадии:
(i) генерирование переменного магнитного поля внутри реакторной установки при подключении к источнику переменного тока, при этом указанное переменное магнитное поле проходит через реакторную установку, нагревая таким образом каталитическую смесь посредством индукции магнитного потока в материале;
(ii) приведение реакционного потока, содержащего этилбензол, в контакт с указанными частицами катализатора;
(iii) нагрев указанного реакционного потока внутри указанного реактора посредством генерированного переменного магнитного поля; и
(iv) предоставление реакционному потоку возможности взаимодействия для обеспечения потока стирольного продукта, подлежащего выводу из реактора, причем указанная каталитическая смесь выбрана из следующего: каталитическая смесь, содержащая частицы катализатора и ферромагнитные частицы, смешанные и обработанные для предоставления тел каталитической смеси, каталитическая смесь, включающая тела каталитических частиц, смешанных с телами ферромагнитного материала, причем наименьший внешний размер тел находится в порядке около 1-2 мм или более, или указанный ферромагнитный материал включает одну или несколько ферромагнитных макроскопических подложек, чувствительных к индукционному нагреву, причем указанные одна или несколько ферромагнитных макроскопических подложек являются ферромагнетиками при температурах вплоть до верхнего предела заданного температурного интервала Т, причем указанные одна или несколько ферромагнитных макроскопических подложек покрыты оксидом, и причем оксид импрегнирован указанными частицами катализатора.
15. Способ по п. 14, в котором температурным интервалом Т является интервал между около 450°С и около 650°С или его поддиапазон.
16. Способ по п. 14, в котором реакционный поток предварительно нагревают в теплообменнике перед стадией (ii).
17. Способ по любому из пп. 14-16, в котором реакционный поток содержит пар и в котором массовое соотношение между паром и этилбензолом в реакционном потоке равно соотношению пар/этилбензол, находящемуся между 0,5 и 1,5 (мас./мас.).
