УСТАНОВКА ДЛЯ ОДНОСТАДИЙНОГО ЖИДКОФАЗНОГО СИНТЕЗА ИЗОПРЕНА

Настоящая полезная модель относится к устройствам, используемым в области производства мономеров для синтетического каучука, в частности, касается конструкции аппарата для проведения синтеза изопрена одностадийным методом в жидкой фазе из изобутилена и формальдегида или веществ, являющихся источниками изобутилена и формальдегида, например, триметилкарбинола (ТМК) или ди-метилдиоксана (ДМД), в присутствии водного раствора кислоты - катализатора.
Известно несколько вариантов конструкции реакторов, предназначенных для проведения одностадийного синтеза изопрена в две ступени. Так, известен реакторный блок для одностадийного синтеза изопрена, состоящий из двух последовательно соединенных однотипных кожухотрубных аппаратов, имеющих каждый по 7 трубок, с внутренней циркуляцией водной фазы в обоих аппаратах. В обоих аппаратах под нижней трубной решеткой установлены распределители специальной конструкции, имеющие по периметру шесть отверстий напротив каждой из 6 трубок. Напротив 7-ой трубки, расположенной в центре, отверстия нет, что создает внутреннюю циркуляцию водного слоя. В верху второго реактора имеется сепара-ционная зона, в которой разделяются и выводятся из системы газообразные и жидкие продукты реакции [Авт. свид. СССР №1216940, БИ,, №8, 1983]. Основным недостатком указанной конструкции является нерациональное использование объема реактора, поскольку по части труб поток поднимается, а по части опускается, а межтрубное пространство практически не используется, что приводит к большой металлоемкости конструкции. Кроме того конструкция второго реактора не обеспечивает эффективного отвода изопрена из зоны реакции, о чем свидетельствует
высокий выход продуктов его полимеризации, составляющий примерно 30% в расчете на 1 кг мономера.
Известна также установка для одностадийного синтеза изопрена, включающая один или несколько полых аппаратов, установленных последовательно или параллельно (I реакционная зона) и тарельчатую колонну с выносным кипятильником (II реакционная зона). Взамен полых аппаратов в I реакционной зоне могут быть использованы кожухотрубные аппараты или аппараты со встроенными конструкциями (тарелками, решетками, трубками, насадками), а во II реакционной зоне кроме тарельчатой колонны могут использоваться другие аппараты с высокоразвитой поверхностью теплообмена, например, трубчатый аппарат или его сочетание с колонным или емкостньм [пат. РФ №2085552, опубл. БИ, №21, 1997]. Недостатком этой конструкции является большая металлоемкость, низкая производительность контактной аппаратуры и неэффективность отвода изопрена из зоны реакции.
Известен также аппарат для жидкофазного синтеза изопрена, включающий два последовательно соединенных аппарата - эрлифтную и кожухотрубную колонны с размещенньми в нижней части каждой колонны распределительными устройствами. Эрлифтная колонна (узел синтеза предшественников изопрена) содержит подъемную секцию в виде трубного пучка, межтрубное пространство которого выполняет функцию опускной секции. Кожухотрубная колонна (узел получения изопрена) снабжена наружным циркуляционным контуром, соединяющим верхнюю сепарационную и нижнюю реакционную зоны [Пат. РФ №2061538, опубл. БИ, №6, 1989]. Однако этой конструкции присущ общий недостаток всех трубчатых аппаратов, используемых в качестве устройств для осуществления реакций с образованием газов. Во втором реакторе, благодаря переходу изобутилена и изопрена в газовую фазу, соотношение газовой и жидких фаз резко меняется от минимального на входе в трубу до максимального на выходе. А поскольку химическая реакция
протекает исключительно в жидкой фазе, эффективность использования реакционного пространства снижается по мере подъема реакционной смеси по высоте трубки.
Известна также конструкция реакторного блока, включающего два последовательно соединенных аппарата - эрлифтную колонну и кожухотрубную колонну с наружным циркуляционным контуром, соединяющим верхнюю сепарационную и нижнюю реакционную зоны, с размещенными в нижней части колонн распределительными устройствами, и снабженную установленными на внутренней поверхности труб II реактора на одинаковой высоте кольцевыми сужениями, предназначенными для увеличения фактического времени пребывания реагентов в реакционном объеме [пат. РФ 2096076, опубл. БИ, №32, 1994]. Эта конструкция частично устраняет общий недостаток трубчатых реакторов - резкое изменение соотношения газовой и жидких фаз по высоте трубки. Достигнутый эффект основан на том, что на участках трубы, расположенных выше сужения, несколько возрастает плотность движущейся смеси. Однако установка кольцевых сужений не может устранить других недостатков этой конструкции, таких как значительная металлоемкость, сложность управления процессом, неизбежные потери изопрена вследствие неэффективности вывода его из реакционной среды и т.д.
Наиболее близкой по своей технической сущности к предлагаемой конструкции является конструкция установки для жидкофазного синтеза изопрена в одну ступень, состоящая из вертикально установленного полого реактора, соединенного в едином блоке с параллельно или соосно установленным ниже кожухотрубным теплообменником, предназначенным для нагрева реакционной массы и переработки части сырья. В межтрубное пространство теплообменника подается пар, а через трубы циркулирует реакционная масса. Внизу цилиндрической части реактора на одной оси с осью трубы, соединяющей реактор с верхней частью теплообменника,
установлено распределительное устройство, предназначенное для ввода основной части сырья. Аналогичное по конструкции распределительное устройство установлено в нижней части теплообменника (под трубной решеткой) на одной оси с осью трубы, соединяющей этот аппарат с реактором (над верхней трубной решеткой). От самой нижней точки сферической части реактора отходит вторая труба, соединяющая реактор с нижней зоной теплообменника, расположенной ниже трубной решетки, а от самой верхней точки реактора отходит труба, предназначенная для отвода контактного газа в сепаратор [пат. РФ №32706, опубл. 27.09.2003 - прототип]. Эта конструкция обеспечивает хорошее перемешивание реакционной массы и что не менее важно - эффективный отвод изопрена в токе изобутилена из зоны реакции, однако принципиальным недостатком ее является наличие в ее составе выносного теплообменника, что приводит к увеличению металлоемкости установки (затраты на изготовление тяжелых фланцев и корпуса кожухотрубного теплообменника), а главное связано с неизбежными теплопотерями. Из-за наличия последних приходится предварительно нагревать сырье до температуры реакции или перегревать его на 5-7°С выше этой температуры. Поскольку сырье поступает в реактор вместе с водным раствором кислоты-катализатора, эта операция неизбежно приводит к потерям сырья на образование дополнительных количеств побочных продуктов и создает условия для смолообразования..
Задача, на решение которой направлено предлагаемая модель, состоит в разработке упрощенной конструкции установки жидкофазного синтеза изопрена из изобутилена и формальдегида, позволяющей осуществление синтеза в одной реакционной зоне (в одну ступень), и обеспечивающей сочетание интенсивного подвода тепла, эффективного перемешивания реакционной массы и энергичного отвода из зоны реакции ее продуктов при минимально необходимом времени контактирования реагентов и при условии достаточно высокой производительности реакторного устройства и снижения металлоемкости установки. Указанная задача
была решена при использовании предлагаемой установки для синтеза изопрена в одну ступень, состоящей из вертикально установленного полого реактора 1, в который встроен кожухотрубный теплообменник 2, предназначенный для подвода тепла, необходимого для протекания реакции, и одной или двух циркуляционных труб 3, соединяющих верхнюю и нижнюю части реактора (рис.1), диаметр которых не менее чем в пять раз превышает диаметр трубок теплообменника 2. Корпус полого реактора 1 является одновременно обечайкой теплообменника 2. Соотношение объемов верхней и нижней частей пустотелого реактора 1, разделенных встроенным теплообменником 2, составляет величину не менее 2-2.5. Циркуляция реакционной массы осуществляется в трубках теплообменника за счет разности плотностей газа и жидкости. Для интенсификации перемешивания может быть использована принудительная циркуляция с помощью насоса 4. Обе части реактора содержат распределительные устройства 5, предназначенные для подвода сырья.
Распределительные устройства 5 представляют собой систему трубок с отверстиями диаметром 2-5 мм, параллельно установленных на центральной (подпитывающей) трубе. Площадь распределительных устройств, рассчитанная по их габаритным размерам, составляет не более 25% сечения сосудов, в которых они установлены.
Установка для жидкофазного синтеза изопрена из изобутилена и формальдегида в одну ступень (рис.1) работает следующим образом. Исходное сырье смешивается с водным раствором кислоты-катализатора и при 70-90°С в виде гомогенной смеси через распределительное устройство 5 подается в полый реактор 1, нагретый до температуры реакции с помощью высокотемпературного пара, подаваемого в межтрубное пространство теплообменника 2. В реакторе 1 и в теплообменнике 2 поддерживают давление, достаточное для пребывания реагентов в жидкой фазе, но ниже давления насыщенных паров воды при температуре реакции, не допуская тем самым вскипания воды. В условиях реакции при температуре 150-200°С и давлении
6-17 атм дегидратация ТМК и образование изопрена в гомогенной среде протекают с большой скоростью и газовые потоки изобутилена и изопрена эффективно перемешивают реакционную массу в реакторе 1 и выносят из верхней части 1 органические продукты и часть воды (в виде жидкости) через верхний штуцер в сепаратор. Еще лучшее перемешивание достигается при принудительной циркуляции реакционной массы с помощью насоса, установленного на линии подачи смеси по выносной трубе в реактор 1.
Преимущества предлагаемой установки состоят в следующем. Поскольку движение реакционной массы происходит снизу-вверх, трубки теплообменника 2 постоянно находятся под заливом, что в значительной мере предотвращает коррозию стенок трубок и исключает соприкосновение продуктов реакции с нагретой поверхностью металла. Благодаря значительной разности в плотности воды и углеводородов, находящихся в газовой фазе, подъем реакционной массы внутри трубок существенно ускоряется и соответственно увеличивается кратность ее циркуляции. Поскольку реакционная среда постоянно находится в жидкой фазе, потери изопрена, непрерывно удаляемого из реакционного объема в потоке изобутилена, сводятся к минимуму. Благодаря интенсивной циркуляции водного раствора катализатора, во всех точках реактора поддерживается практически постоянная температура. Перепад температур между верхней и нижней частями реактора не превышает 1°С.
Снижение металлоемкости реакторного блока, по сравнению с установкой прототипом, достигается в предлагаемой установке за счет упрощения конструкции - исключения фланцевых соединений и использования корпуса реактора в качестве обечайки теплообменника.