РЕАКТОР ДЛЯ ЖИДКОФАЗНОГО СИНТЕЗА ИЗОПРЕНА
REACTOR FOR LIQUID-PHASE SYNTHESIS OF ISOPRENE

Изобретение относится к области нефтехимии, точнее к устройствам, используемым в производстве мономеров для синтетического каучука. Более конкретно изобретение относится к реакционным аппаратам, применяемым для синтеза изопрена из изобутилена и формальдегида или веществ (полупродуктов), являющихся их источниками.
Известен реакционный вертикальный аппарат для синтеза изопрена разложением полупродуктов, получаемых жидкофазным взаимодействием изобутилена и формальдегида при кислотном катализе в присутствии воды [RU 2164909 С2, 10.04.2001]. Такой аппарат содержит в нижней части обогреваемую через межтрубное пространство кожухотрубчатую реакционную зону и расположенную над ней барботажно-реакционную зону, соединенную с трубным пространством кожухотрубчатой зоны. Полупродукты подают возможно через распределительное устройство в нижнюю часть кожухотрубчатой зоны и/или в барботажно-реакционную зону, которая содержит возможно массообменные устройства и/или массообменную насадку. Однако в известном аппарате не проводят синтез изопрена непосредственно из изобутилена и формальдегида и требуется предварительный реактор для синтеза полупродуктов. Кроме того, в таком аппарате не обеспечивается достаточно однородное распределение реагентов во всем объеме, что приводит к появлению застойных зон и создает условия для снижения конверсии реагентов и повышенного образования побочных продуктов.
Известен аппарат для синтеза изопрена жидкофазным взаимодействием изобутилена с формальдегидом и возможно веществ, являющихся их источниками, в присутствии кислого катализатора и воды в вертикальной реакционной зоне [RU 2203878 С2, 10.05.2003]. Реакционная зона соединена снизу с обогреваемым через межтрубное пространство многотрубчатым кипятильником, трубки которого непосредственно сообщаются с реакционной зоной. Формальдегид, изобутилен, триметилкарбинол и возможно реакционную смесь из предварительного реактора синтеза полупродуктов подают в аппарат двумя или несколькими потоками на разные уровни реакционной зоны, которая содержит возможно массообменные устройства и/или массообменную насадку. Часть изобутилена, триметилкарбинола и возможно реакционную смесь из предварительного реактора подают в соединенный с реакционной зоной кипятильник. Однако в таком аппарате не осуществляют ввод формальдегида в кипятильник, что не позволяет достаточно эффективно использовать реакционный объем нижней части аппарата и кипятильника. В этом аппарате также не обеспечивается достаточно однородное распределение реагентов во всем объеме, что приводит к появлению застойных зон.
Наиболее близким к предлагаемому является известный реактор для одностадийного жидкофазного синтеза изопрена из изобутилена и формальдегида или веществ, являющихся их источниками, например, триметилкарбинола или диметилдиоксана, в присутствии водного раствора кислотного катализатора [RU 42185 U1, 27.11.2004 - прототип]. Реактор представляет собой вертикальный полый аппарат. Внутри аппарата расположен обогреваемый паром через межтрубное пространство кожухотрубный теплообменник, разделяющий объем аппарата на верхнюю и нижнюю части, соединенные как минимум одной выносной циркуляционной трубой для самотечной или принудительной циркуляции реакционной массы. Сырье подают в верхнюю и нижнюю части аппарата через распределительные устройства.
Недостатками данного реактора является осуществление синтеза изопрена в одной реакционной зоне и недостаточно однородное распределение сырья в реакционном объеме, что приводит к появлению застойных зон и создает условия для снижения конверсии реагентов и повышенного образования побочных продуктов. Еще одним недостатком является недостаточно эффективное использование реакционного объема, что приводит к повышению металлоемкости аппарата.
Задачей изобретения является разработка реактора (реакционного аппарата) для синтеза изопрена, в котором устранены указанные недостатки прототипа.
Указанная задача решается при использовании предлагаемого реактора для жидкофазного синтеза изопрена из сырья, включающего изобутилен и формальдегид и/или вещества, являющиеся их источниками, например, триметилкарбинол (ТМК) и 4,4-диметил-1,3-диоксан (ДМД), в присутствии водного раствора кислотного катализатора. Реактор представляет собой колонный аппарат (вертикальный аппарат цилиндрической формы) с расположенной внутри него обогреваемой паром через межтрубное пространство кожухотрубной теплообменной частью, разделяющей объем аппарата на верхнюю и нижнюю части, соединенные как минимум одной выносной циркуляционной трубой для самотечной или принудительной циркуляции реакционной массы. В реакторе имеются как минимум три реакционные зоны, определяемые местами ввода сырья в реактор через распределительные устройства. В верхней части реактора расположены распределительные устройства для всего потока реакционной массы выше мест ввода сырья, причем расстояние между местом ввода сырья и распределительным устройством всего потока составляет как минимум 0,1 м, предпочтительно 0,5-2,0 м.
Как вариант, реактор снабжен средствами ввода сырья на разные уровни верхней части и в нижнюю часть.
Как вариант, в реакторе в качестве распределительных устройств для всего потока реакционной массы используют одно или более устройств, выбранных из распределительных решеток, ситчатых тарелок, желобчатых перфорированных распределителей.
Как вариант, в верхней части реактора на разных уровнях расположены массообменные устройства и/или массообменная насадка, например, кольца Рашига.
Как вариант, массообменная насадка расположена выше распределительных устройств для всего потока реакционной массы или непосредственно на этих распределительных устройствах.
Существенное отличие предлагаемого реактора от прототипа состоит в том, что в аппарате имеются как минимум три реакционные зоны, определяемые местами ввода сырья. В частности, количество реакционных зон может составлять от 3 до 7. Реактор снабжен средствами ввода сырья в каждую реакционную зону через распределительные устройства. Эти устройства для распределения сырья могут представлять собой, например, барботеры с патрубками с прорезями, кольцевые коллекторы с форсунками, трубки с отверстиями, параллельно установленные на центральной трубе.
Другое существенное отличие заключается в том, что в верхней части реактора выше мест ввода сырья расположены распределительные устройства для всего потока реакционной массы. В качестве распределительных устройств для всего потока могут использоваться, например, распределительные решетки, ситчатые тарелки, желобчатые перфорированные распределители.
Еще одно существенное отличие состоит в том, что расстояние между местом ввода сырья и распределительным устройством для всего потока реакционной массы составляет как минимум 0,1 м, предпочтительно 0,5-2,0 м.
Нами установлено, что в предлагаемом реакторе образование изопрена начинается и интенсивно происходит вблизи места ввода сырья в реактор, то есть вблизи каждого места ввода сырья существует соответствующая реакционная зона. Реакционные зоны имеются в верхней части (не менее двух зон) и в нижней части аппарата, куда предусмотрена подача сырья. Наличие в реакторе средств подачи сырья в каждую реакционную зону, выполненных с возможностью регулирования каждой подачи, позволяет более гибко управлять процессом синтеза изопрена, не допуская возникновения таких нежелательных явлений как перегрев, проскок реагентов, появление застойных зон, и тем самым обеспечить более эффективное использование реакционного объема.
Дополнительное смешивание компонентов сырья вместе со всем потоком реакционной массы при указанном расстоянии между местом ввода сырья и распределительным устройством всего потока обеспечивает существенно более равномерное распределение реагентов в реакционном объеме по сравнению с аналогичными аппаратами, что позволяет значительно улучшить массообмен и исключить появление застойных зон.
Схематическое изображение исполнения реактора жидкофазного синтеза изопрена с тремя реакционными зонами согласно изобретению представлено на чертеже, где обозначено: 1 - реактор (колонный аппарат), 2 - массообменная насадка, 3 - распределительные устройства для всего потока реакционной массы, 4 - кожухотрубная теплообменная часть реактора, 5 - выносная циркуляционная труба, соединяющая верхнюю и нижнюю части реактора, 6 - циркуляционный насос, А - расстояние между местом ввода сырья и распределительным устройством для всего потока реакционной массы.
Предлагаемый реактор работает следующим образом. Исходное сырье (изобутилен и формальдегид, возможно ТМК, ДМД) возможно смешивают с водным раствором кислотного катализатора и подают в реактор (1) через распределительные устройства в три реакционные зоны: в зону, которая находится в нижней части реактора, и в две зоны, которые находятся на разных уровнях в верхней части реактора. Движение реакционной массы в реакторе происходит снизу вверх. Реакционная масса с верхней части реактора поступает по циркуляционной трубе (5) в нижнюю часть реактора. Циркуляционная труба (5) оборудована циркуляционным насосом (6) для принудительной циркуляции реакционной массы. В верхней части реактора весь поток реакционной массы проходит через распределительные устройства (3), расположенные как минимум на 0,1 м выше мест ввода сырья (расстояние А). В межтрубное пространство кожухотрубной части реактора (4) подают водяной пар для подвода тепла, необходимого для поддержания заданной температуры и осуществления синтеза изопрена. В верхней части реактора на разных уровнях для улучшения массообмена расположена массообменная насадка (2). В реакторе в условиях процесса (температура 150-200°С, давление 6-17 атм) происходит образование изопрена. Газовый поток продуктов реакции, содержащих изопрен, и части воды выводят с верха реактора с последующим его разделением и выделением изопрена.
Предлагаемый реактор обеспечивает возможность более гибкого управления процессом синтеза изопрена при пониженном образовании побочных продуктов, а также повысить эффективность использования реакционного объема, снизить металлоемкость и тем самым уменьшить капитальные и эксплуатационные затраты.