УТИЛИЗАЦИЯ ТЕПЛА РЕАКЦИИ УКСУСНОЙ КИСЛОТЫ В ДРУГИХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ
UTILISATION OF ACETIC ACID REACTION HEAT IN OTHER PROCESSING INSTALLATIONS

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к совмещенным способам и системам для получения уксусной кислоты и винилацетатных мономеров.
ВВОДНАЯ ИНФОРМАЦИЯ
Важным способом для получения уксусной кислоты является карбонилирование алкильного спирта, в особенности, метанола и его реакционно-способных производных моноокисью углерода в жидкой реакционной среде. Такие реакции карбонилирования, как правило, проводят в присутствии катализатора, например, металлического катализатора металла группы VIII, такого как родий и иридий, галогенсодержащего промотора катализатора, например метилйодида, и воды. Патент США 3769329 описывает использование катализатора карбонилирования на основе родия, растворенного или иным образом диспергированного в жидкой среде или нанесенного на инертный носитель, вместе с галогенсодержащим промотором катализатора, в качестве примера которого указан метилйодид. Понятно, однако, что различные каталитические системы, в особенности, включавшие металлы группы VIII, могут быть использованы для получения уксусной кислоты карбонилированием метанола. Как правило, реакцию карбонилирования проводят с катализатором, растворенным в жидкой реакционной среде, через которую непрерывно барботируют газообразную моноокись углерода. Патент США 3769329 указывает, что вода может быть добавлена к реакционной среде для того, чтобы оказать благоприятное влияние на скорость реакции, и обычно используют концентрации воды между примерно 14% мас. и примерно 15% мас. Этот способ иногда называют "высоководным" способом карбонилирования.
Альтернативой способу высоководного карбонилирования является способ "низководного" карбонилирования, описанный в патентах США 5001259, 5025908 и 5144068. В низководном способе карбонилирования могут быть использованы концентрации воды ниже 14% мас. Применение низкой концентрации воды упрощает последующую переработку желаемой карбоновой кислоты в ее ледяную форму. Чем больше воды в реакционном потоке, тем больше эксплуатационные расходы на удаление воды из товарной уксусной кислоты и тем больше капитальные затраты на оборудование извлечения и очистки. Эффективность, достигаемая при работе при очень низких концентрациях воды, делает привлекательной работу при самой низкой концентрации воды, какая возможна. Однако при снижении реакторной воды для минимизации эксплуатационных и фиксированных расходов более трудно сохранить приемлемо высокие скорости образования уксусной кислоты при хорошей стабильности катализатора, поскольку скорость реакции снижается, с уменьшением реакторной воды, как объяснено в патенте США 5026908.
Другие способы получения уксусной кислоты включают каталитическое окисление этилена. Известны многочисленные способы каталитического окисления этилена в уксусную кислоту (см., например, патенты США 6605739, 3792087 и 3970697).
Винилацетат является хорошо известным промышленным химическим продуктом. В практике известно получение винилацетата из этилена, кислорода и уксусной кислоты с использованием обычных винилацетатных катализаторов. Винилацетат обычно используют как сырье для таких винильных смол, как поливинилацетат.
Исторически винилацетат главным образом производили парофазной реакцией этилена, уксусной кислоты и кислорода с использованием цинк-ацетатного катализатора. Позднее винилацетат стали часто производить парофазной реакцией этилена, уксусной кислоты и кислорода с каталитическими системами на основе палладия. Например, известно получение винилацетата реакцией этилена, кислорода и уксусной кислоты с использованием катализатора, включающего палладий и золото, нанесенные на носитель, как описано в патенте США 6303537. Для других примеров способа см. патенты США 3190912, 3637819, 3650896, 4370492, 4902823 и 5185308.
Обычно уксусную кислоту и винилацетат производят независимо друг от друга. Иными словами, винилацетат часто получают из этилена, где первый способ включает реакцию этилена для образования уксусной кислоты с последующим вторым способом реакции смеси уксусной кислоты и этилена с образованием винилацетата.
Однако известны некоторые способы в различной степени совместить производство двух продуктов. Например, патент США 6180821 описывает получение уксусной кислоты и/или винилацетата из этилена или этана с использованием первой реакционной зоны с катализатором, активным для окисления этилена до уксусной кислоты и/или активным для окисления этана в уксусную кислоту, этилен и моноокись углерода, и второй реакционной зоны, содержащей катализатор, активный для получения винилацетата. Патент указывает, что преимуществом совмещенного способа является то, что тепло продукта первой реакционной зоны уменьшает необходимость подогревать питание второй реакционной зоны. Патент США 4188490 относится к способу каталитического окисления для получения смесей уксусной кислоты и винилацетата, включающему стадию контактирования исходной смеси, содержащей этилен, кислород и воду в виде пара, с каталитической композицией для получения смеси уксусной кислоты и винилацетата. Каталитическая система включает металлический палладий на цинк-оксидном носителе, обработанной в присутствии серного модификатора. Способ требует последующей стадии фракционной дистилляции для отделения уксусной кислоты от винилацетата.
Патенты США 6420595 и 6605739 описывают дополнительные совмещенные способы для получения уксусной кислоты и винилацетата.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Данное изобретение относится к совмещенным способам и системам для получения винилацетата и уксусной кислоты, где часть тепла, выделившегося во время получения уксусной кислоты, доставляется или передается способу и системе получения винилацетата и/или очистки для того, чтобы способствовать получению и/или очистке товарного винилацетата. Описанные здесь способ и система используются в сочетании с любым из различных известных способов получения уксусной кислоты и винилацетата. Например, описанные здесь способы и системы используются в способах и системах, в которых уксусную кислоту получают карбонилированием или каталитическим окислением этилена и/или этана. Далее, описанные здесь способы и системы используются в способах и системах, в которых винилацетат получают реакцией уксусной кислоты и этилена в присутствии активного катализатора любого типа.
Тепло, выделившееся во время получения уксусной кислоты, может быть передано системам получения и/или очистки винилацетата с помощью любой подходящей системы переноса тепла. Тепло может быть доставлено к системам получения и/или очистки винилацетата в разные точки в зависимости от конкретной конфигурации систем, к которым применяют описанные здесь способы и системы. Типичные схемы включают передачу тепла реакции для предварительного подогрева питания перед этерификацией. Альтернативно тепло может быть перенесено к различным компонентам секции очистки винилацетата, таким как питание колонны азеотропа винилацетата и потокам ребойлеров для колонны легких фракций винилацетата и колонны доочистки. Альтернативно описанные здесь способы и системы могут быть использованы для того, чтобы распределить тепло среди между более чем одним местом в способе получения винилацетата.
Описанные здесь способы и системы являются полезными для обеспечения экономии затрат и энергии в способах получения винилацетата.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Чертеж представляет схему, изображающую реализацию типичных осуществлений способов и систем, описанных здесь.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Описанные здесь способ и системы представляют совмещенные системы для получения уксусной кислоты и винилацетата. Более конкретно способы и системы совмещают по использованию тепла, высвобождаемого во время получения уксусной кислоты, между получением уксусной кислоты и получением и очисткой винилацетата. Способы и системы добиваются существенной экономии затрат и энергии в получении и очистке винилацетата рациональным использованием энергии, терявшейся в обычных способах и системах.
Получение уксусной кислоты карбонилированием или каталитическим окислением этилена и/или этана является экзотермическим способом. Обычно значительная часть тепла реакции, выделенного при получении уксусной кислоты, рассеивалась, тем самым, теряя полученную энергию.
Чертеж является схематичным представлением типичных осуществлений описанных здесь совмещенных способов и систем. В изображенных системах уксусную кислоту получают карбонилированием, хотя понятно, что уксусная кислота может быть получена по другим механизмам реакции, таким как окисление этилена и/или этана. Обращаясь к чертежу, непрерывные потоки алкильного спирта и/или его реакционно-способных производных и моноокиси углерода подают соответственно по линиям 1 и 2 в перемешиваемый реактор 3 или другой подходящий реактор, содержащий реакционную жидкость, включающую раствор каталитической системы на основе родия в уксусной кислоте, галогенный промотор, сопромотор/стабилизатор, воду, непрореагировавший алкильный спирт и/или его реакционно-способные производные и моноокись углерода, и примеси, такие как ацетальдегид и другие PRC's, и высшие алкилйодиды. Реактор 3 поддерживают при температурах и давлениях, обычно используемых при получении уксусной кислоты. Газы, образовавшиеся в реакторе 3, выводят по линии 4 и посылают на очистку отходящих газов для выделения компонентов, пригодных для возврата в реактор. Реакционную жидкость непрерывно выводят из реактора 3 по линии 5 и подают в аппарат однократного испарения, где за счет снижения давления часть уксусной кислоты и низкокипящих соединений переходит в пар, оставляя более тяжелые компоненты каталитической системы в конденсированной фазе.
Способ однократного испарения обеспечивает частичное охлаждение продуктов реакции и отделяет сырую уксусную кислоту от катализатора. В изображенном осуществлении охлажденный конденсат испарителя однократного испарения направляют по линии рецикла 7 в реактор 3, тогда как пары из испарителя однократного испарения 6 подают по линии 8 в колонну легких фракций или "разделитель", где большую часть низкокипящих компонентов, включающих метилйодид, метилацетат и ацетальдегид, и часть воды выводят в виде верхнего погона. Колонну 9 поддерживают при температурах и давлениях, известных обычных для очистки уксусной кислоты. Конденсат из испарителя однократного испарения 6 может быть охлажден такими обычными средствами, как теплообменник с охлаждающей водой. Альтернативно конденсат из испарителя 6 может быть испарен во втором испарителе однократного испарения (не показан), где конденсат охлаждают обычными способами, такими как охлаждение в ребристых конденсаторах воздушного охлаждения, перед возвратом в реактор 3. Второй испаритель однократного испарения может поддерживаться при обычных температурах и давлениях.
Во время обычной работы экзотермическая реакция, происходящая в реакторе 3, выделяет больше тепла, чем тратится при однократном испарении и других стадиях переработки, описанных выше. Обычно это избыточное тепло расходуют на таких технологических стадиях, как вывод потока непосредственно из реактора и проход его через ряд теплообменников для съема избыточного тепла. После прохождения через теплообменники охлажденный поток возвращают в реактор. Поток, отбираемый из реактора, часто называют циркуляционным потоком реактора. Эти обычные способы приводят в результате к потере тепловой энергии, удаленной с циркуляционным потоком.
Описанные здесь способы и системы предлагают средство для эффективной утилизации избыточной тепловой энергии, высвобождающейся во время получения уксусной кислоты. Обращаясь к чертежу, в одном осуществлении в соответствии с описанными здесь способами и системами используют цикл парового конденсата, чтобы извлечь по меньшей мере часть тепла реакции, выделяемой в реакторе 3, и продуктивно использовать эту тепловую энергию в сочетании с системой получения и очистки винилацетата. Подробно типичная циркуляционная петля конденсата в соответствии с изобретением будет описана здесь далее. Однако для того, чтобы представить использование циркуляционной петли конденсата ясно, сначала будет описана система очистки уксусной кислоты и типичная система получения и очистки винилацетата.
Жидкую сырую водную уксусную кислоту выводят из колонны легких фракций 9 по линии 10 и направляют в систему извлечения уксусной кислоты 14, детали которой не показаны. Кубовую фракцию, включающую некоторую часть уксусной кислоты и более высококипящие компоненты, выводят из колонны легких фракций 9 по линии 11 и возвращают по рециклу в реакторное отделение. Поток дистиллатного пара из колонны легких фракций конденсируют и подают по линии 12 на дальнейшую переработку в соответствии с множеством известных дополнительных технологических операций, и затем часть этого потока, содержащего метилйод, метилацетат и некоторое количество уксусной кислоты, возвращают в цикл в реактор или в отделение очистки.
Извлеченную уксусную кислоту 16 затем направляют на установку получения винилацетата, включающую реактор 32. Поток уксусной кислоты 16 объединяют с потоком рецикла 20, образуя поток уксусной кислоты 22. Поток этилена 24, поток, содержащий кислород, поток аргона, содержащий кислород 26, и поток уксусной кислоты 22 добавляют к потоку рецикла этилена 28, образуя поток этилен/уксусная кислота/кислород 30, который подают в реактор 32. Реактор 32 поддерживают при обычных температурах и давлениях, используемых при получении винилацетата. Выходящим из реактора 32 является поток 34, который проходит через скрубберный блок 36. Из скрубберного блока 36 выходят два потока: богатый этиленом поток 38 и поток 40, содержащий винилацетат и уксусную кислоту. Богатый этиленом поток 38 разделяют на потоки 42 и 44. Поток 44 дополнительно делят на отдувочный газ 46 и поток 48, который может быть направлен в блок удаления двуокиси углерода 50. Отдувочный газ 46 удаляют. Поток очищенной двуокиси углерода 52, и свободный от двуокиси углерода поток очищенного этилена 54 выводят из блока удаления двуокиси углерода 50. Поток очищенной двуокиси углерода 52 удаляют. Свободный от двуокиси углерода богатый этиленом очищенный поток 54 добавляют к потоку 42, образуя поток рецикла 28.
Поток винилацетата-мономера и уксусной кислоты 40 направляют на установку очистки винилацетата. На установке очистки поток 40 подают в колонну азеотропной дистилляции 56, где винилацетат и воду удаляют в виде азеотропа дистиллатным потоком 58, а уксусную кислоту и тяжелые органические побочные продукты удаляют из колонны 56 в виде кубового продукта 60. Колонна 56 может поддерживаться при обычных температурах и давлениях. Воду в дистиллатном потоке 58 отделяют от винилацетата в дистиллатном потоке 58 в декантаторе 62 и поток продуктового винилацетата 64 выводят из декантатора 62. Поток продуктового винилацетата 64 затем направляют в колонну легких фракций 66 для дополнительной очистки продуктового винилацетата. Колонна 66 может поддерживаться при обычных температурах и давлениях. Легкие фракции выводят с верха колонны легких фракций в потоке 68, а продуктовый винилацетат выводят из куба колонны легких фракций 66 в виде потока 70. В изображенном осуществлении в комбинации с колонной легких фракций 66 показан ребойлер 72. Ребойлер 72 может поддерживаться при обычных температурах и давлениях.
На стадии конечной очистки поток продуктового винилацетата 70 направляют в колонну доочистки 74 для удаления дополнительных легких фракций в потоке 76 и получения потока очищенного товарного винилацетата 78. В изображенном осуществлении с колонной доочистки 74 показан ребойлер 80. Ребойлер 80 может поддерживаться при обычных температурах и давлениях.
2
2
Как упомянуто выше, типичный циркуляционный цикл конденсата, предусмотренный в целях отвода и рационального использования тепла реакции получения уксусной кислоты, изображена на чертеже. Реакторный цикл циркуляции конденсата может быть использован, чтобы снять основную часть тепла реакции направлением потока горячего реакционного раствора 3А сначала через теплообменник 3В для переноса тепла к потоку парового конденсата 103. Поток парового конденсата 1-3 направляют в испарительный сосуд низкого давления 100. В одном осуществлении испарительный сосуд низкого давления 100 поддерживают при температуре от примерно 150°С до примерно 160°С и под давлением от примерно 4,0 кг/см до примерно 5,3 кг/см. Испарительный сосуд низкого давления 100 может быть использован для генерирования водяного пара, необходимого в других точках способа. Как правило, лишь небольшой процент тепла реакции используют для получения таким образом водяного пара. Например, в одном осуществлении для получения водяного пара в испарительном сосуде 100 используют только около 5% тепла реакции.
В соответствии с одним осуществлением описанных здесь способов и систем тепло, выделившееся при получении уксусной кислоты, остающееся в потоке конденсата испарительного сосуда низкого давления 100, может быть передано в различные точки в системах получения и очистки винилацетата для содействия способам получения и очистки винилацетата. Определенные типовые осуществления описанных здесь способов и систем схематично показаны на чертеже.
В одном осуществлении по меньшей мере часть тепла реакции получения уксусной кислоты переносят к питанию азеотропной колонны в отделении очистки винилацетата. В одном варианте этого осуществления тепло переносят от парового конденсата из испарительного сосуда низкого давления 100, как изображено на чертеже. Тепло переносят от конденсата, как изображено линией А, к питанию колонны азеотропа винилацетата 40. Как отмечено выше, тепло может быть отобрано от конденсата любым устройством, таким как кожухотрубный теплообменник или другие стандартные конструкции Ассоциации производителей трубчатых теплообменников или другое теплообменное оборудование. После доставки тепла к питанию азеотропной колонны 40 конденсат возвращают в атмосферный испарительный сосуд 101 как поток А1.
Альтернативно тепло может быть передано от горячего парового конденсата из пароиспарительного сосуда низкого давления 100 к ребойлеру 72 колонны легких фракций 66. Тепло также может быть отведено от конденсата любым устройством, таким как кожухотрубный теплообменник или другое теплообменное оборудование и передано к ребойлеру 72, как изображено линией В на чертеже. Конденсат после доставки тепла в 72 возвращают в атмосферный испарительный сосуд 101 как поток В1.
В другом осуществлении тепло может быть передано любыми подходящими средствами, такими как теплообменное оборудование, от горячего парового конденсата из пароиспарительного сосуда низкого давления 100 к ребойлеру 80, используемому в связке с колонной доочистки 74, как изображено линией С на чертеже.
После доставки тепла к ребойлеру 80 конденсат возвращают в атмосферный испарительный сосуд 101 как поток С1.
В еще одном осуществлении тепло может быть передано от конденсата из испарительного сосуда 100 любыми подходящими средствами, такими как теплообменное оборудование, для предварительного подогрева питания уксусной кислоты 22, как изображено линией D на чертеже. После доставки тепла к питанию уксусной кислоты конденсат возвращают в атмосферный испарительный сосуд 101 как поток D1.
Дополнительно, как упомянуто выше, тепло реакции получения уксусной кислоты может быть передано одновременно в более чем одну точку внутри систем получения и очистки винилацетата. Например, в одном осуществлении по меньшей мере часть тепла реакции получения уксусной кислоты может быть передана и распределена между ребойлером 72 колонны легких фракций 66 и ребойлером 80 колонны доочистки 74. В другом осуществлении по меньшей мере часть тепла реакции может быть передана и распределена между ребойлером 80 колонны доочистки 74 и питанием уксусной кислотой 22.
2
2
В одном осуществлении атмосферный испарительный сосуд 101 поддерживают при температуре от примерно 110°С до примерно 125°С и давлении от примерно 0,5 кг/см до примерно 2,0 кг/см. Эта более низкая температура в сосуде 101 дает возможность охладить возврат потоков конденсата, изображенных как A1-D1, и направить в теплообменник 3В по линии 102 при более низкой температуре. Более низкая температура позволяет иметь меньше теплообменник 3В, тем самым снижая капитальные затраты на значительную сумму, особенно, если теплообменник 3В изготовлен из хрома.
Атмосферный испарительный сосуд 101 может быть также использован для получения и охлаждения конденсата непосредственно из испарительного сосуда 100 при необходимости. Например, если установка получения винилацетата не работает, испарительный сосуд 101 может быть использован для обеспечения дополнительного охлаждения конденсата из испарительного сосуда 100 до направления конденсата в теплообменник 3В.
Конечно, понятно, что атмосферный испарительный сосуд 101 может быть исключен из определенных осуществлений в соответствии с изображенными на чертеже способами и системами. Отсутствие атмосферного испарительного сосуда 101 будет требовать большей охлаждающей способности в теплообменниках 3А и 3В.
Понятно, что компоненты системы в изображенных на чертеже и описанных иным образом способах и системах являются только примерами и что дополнительные, меньшие и/или отличные компоненты системы могут быть введены в соответствии с описанными здесь способами и системами. Понятно также, что описанные здесь способы и системы могут быть использованы для совмещения систем для получения химических продуктов, отличных от уксусной кислоты и винилацетата.
Описанные здесь способы и системы способны обеспечить значительную экономию затрат и энергии по сравнению с обычными способами и системами для получения уксусной кислоты и винилацетата. Описанные здесь способы и системы способны обеспечить экономию энергии по меньшей мере 285 ккал на кг получаемого винилацетата.
Все патенты и публикации, указанные здесь, тем самым введены ссылкой во всей их полноте.
Хотя настоящее изобретение и его преимущества были описаны подробно, следует понимать, что различные изменения, замещения и вариации могут быть сделаны без отклонения от сущности и объема изобретения, как оно определено в следующей формуле изобретения.