СПОСОБЫ И СИСТЕМЫ РЕЦИРКУЛЯЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ВОДЫ В ПРОИЗВОДСТВЕ ЭТИЛЕНГЛИКОЛЯ
METHODS AND SYSTEMS FOR RECYCLING PROCESS WATER IN PRODUCTION OF ETHYLENE GLYCOL

Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится к способам и системам рециркуляции технологической воды в производстве этиленгликоля.
Уровень техники
Этиленгликоль является ценным промышленным соединением, которое широко используется в качестве исходного материала для производства полиэфирных волокон и полиэтилентерефталатных (ПЭТ) смол. Он также находит применение в автомобильных антифризах и гидравлических тормозных жидкостях, противообледенителях самолетов, а также в фармацевтических продуктах.
Этиленгликоль, как правило, получают из этиленоксида, который, в свою очередь, получают посредством окисления этилена, катализируемого серебром. Более конкретно, этилен и кислород пропускают через катализатор эпоксидирования на основе серебра, как правило, под давлением 10-30 бар и при температуре 200-300°C, для производства потока продукта, содержащего этиленоксид, диоксид углерода, этилен, кислород и воду. В одном хорошо известном способе этиленоксид затем подвергают взаимодействию с большим избытком воды в некаталитическом процессе с получением потока продукта гликоля, содержащего около 90% масс. моноэтиленгликоля (МЭГ), причем остаток представляет собой преимущественно диэтиленгликоль (ДЭГ), некоторое количество триэтиленгликоля (ТЭГ) и небольшое количество высших гомологов. В другом хорошо известном способе этиленоксид подвергают взаимодействию с диоксидом углерода в присутствии катализатора с получением этиленкарбоната, который затем гидролизуют с получением этиленгликоля. Реакция через этиленкарбонат значительно улучшает селективность превращения этиленоксида в моноэтиленгликоль.
В последние несколько десятилетий многие усилия были направлены на разработку упрощенных процессов и оборудования для производства алкиленгликолей из алкиленов, в частности, этиленгликоля из этилена. Например, в GB2107712 описан способ получения моноэтиленгликоля, в котором газы из реактора этиленоксида подаются непосредственно в реактор, где этиленоксид превращается в этиленкарбонат или в смесь этиленгликоля и этиленкарбоната.
В ЕР0776890 описан способ, в котором газы из реактора этиленоксида подаются в абсорбер, где абсорбирующий раствор в основном содержит этиленкарбонат и этиленгликоль. Этиленоксид в абсорбирующем растворе подается в реактор карбоксилирования и имеет возможность взаимодействовать с диоксидом углерода в присутствии катализатора карбоксилирования. Затем этиленкарбонат в абсорбирующем растворе подается с добавлением воды в реактор гидролиза и подвергается гидролизу в присутствии катализатора гидролиза.
В EP2178815 описан способ реактивной абсорбции с получением моноэтиленгликоля, в котором газы из реактора с этиленоксидом подаются в реакционный абсорбер, при этом этиленоксид контактирует с водным ненасыщенным абсорбентом в присутствии одного или большего количества катализаторов карбоксилирования и гидролиза, и при этом большая часть этиленоксида превращается в абсорбере в этиленкарбонат или этиленгликоль.
В каждом из этих случаев производятся значительные объемы технологической воды. Часто с экономической точки зрения желательно повторно использовать как можно большую часть технологической воды, например, посредством рециркуляции технологической воды в абсорбер этиленоксида или в реакционный абсорбер (например, для использования в качестве ненасыщенного абсорбента). Такая рециркуляция обеспечивает преимущество, состоящее в том, что она не только снижает производственные затраты, потому что уменьшается необходимое количество свежей воды, подаваемой в процесс, но также может снизить затраты, связанные с удалением технологической воды в виде отходов. Кроме того, повторное использование является желательным, поскольку очистка значительных объемов технологической воды может также вызвать экологические проблемы и/или проблемы удаления отходов.
Однако технологическая вода часто содержит различные примеси, которые часто являются результатом образования побочных продуктов в процессе производства этиленоксида, этиленкарбоната и/или этиленгликоля. Например, поток верхнего погона, выходящий из абсорбера этиленоксида или реактивного абсорбера, как правило, содержит, в дополнение к воде, углеводородные примеси, например, формальдегид, ацетальдегид и т.д. Кроме того, примеси органических хлоридов также можно обнаружить в технологической воде из-за использования в реакции эпоксидирования органических хлоридных замедлителей.
Если технологическую воду возвращают для повторного использования в абсорбер этиленоксида или реакционный абсорбер без предварительного удаления по меньшей мере части этих примесей, то со временем примеси накапливаются и оказывают вредное воздействие на общее качество полученного продукта гликоля и/или приводят к уменьшению эффективности катализатора.
В Патенте США № 6184423 на имя Zo-Chun Jen раскрыт способ удаления кислых примесей из технологической воды на установке этиленгликоля с использованием анионных смол для адсорбции муравьиной кислоты и уксусной кислоты из технологической воды. Однако удаление примесей из потока технологической воды без использования таких смол было бы выгодным с точки зрения затрат. Кроме того, только кислые примеси могут быть удалены с использованием таких смол.
Следовательно, авторы данного изобретения стремились получить усовершенствованные способы и системы производства этиленкарбоната и/или этиленгликоля. В частности, авторы данного изобретения стремились получить процессы и системы, которые уменьшают количество примесей в водном технологическом потоке таким образом, что он может быть повторно использован в производстве этиленкарбоната и/или этиленгликоля, а также стремились снизить потребление энергии, связанное с таким повторным использованием.
Сущность изобретения
Соответственно, в одном аспекте предложен способ производства этиленкарбоната и/или этиленгликоля, включающий в себя:
a) подачу потока верхнего погона абсорбера, выходящего из абсорбера, в парожидкостной сепаратор с получением потока водного кубового остатка и потока рециркулирующего газа;
b) подачу водного технологического потока, содержащего одну или большее количество примесей, в дистиллятор с получением потока верхнего погона примесей и очищенного водного технологического потока;
c) подачу по меньшей мере части очищенного водного технологического потока и потока продукта этиленоксида в абсорбер; и
d) приведение в контакт потока продукта этиленоксида с очищенным водным технологическим потоком в абсорбере в присутствии одного или большего количества катализаторов карбоксилирования и гидролиза с получением потока насыщенного абсорбента, содержащего этиленкарбонат и/или этиленгликоль.
Кроме того, в соответствии с другим аспектом, предложена реакционная система для производства этиленкарбоната и/или этиленгликоля, при этом указанная реакционная система содержит:
абсорбер, содержащий один или большее количество катализаторов карбоксилирования и гидролиза, по меньшей мере два впускных отверстия и по меньшей мере два выпускных отверстия, причем первое впускное отверстие абсорбера находится в жидкостном соединении с выпускным отверстием реактора этиленоксида;
парожидкостный сепаратор, содержащий впускное отверстие и выпускное отверстие, причем впускное отверстие парожидкостного сепаратора находится в жидкостном соединении с первым выпускным отверстием абсорбера; и
дистиллятор, содержащий впускное отверстие и выпускное отверстие, причем впускное отверстие дистиллятора находится в жидкостном соединении с выпускным отверстием парожидкостного сепаратора, а выпускное отверстие дистиллятора находится в жидкостном соединении со вторым впускным отверстием абсорбера.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 и 2 схематически проиллюстрированы типовые, но неограничивающие варианты осуществления данного раскрытия изобретения.
Подробное описание изобретения
В данном документе описаны способы и системы производства этиленкарбоната и/или этиленгликоля. Посредством использования описанных в данном документе способов и систем можно уменьшить количество примесей, присутствующих в водном технологическом потоке, таким образом позволяя повторно использовать всю или практически всю технологическую воду, образующуюся при производстве этиленгликоля. Более конкретно, когда водный технологический поток, содержащий одну или большее количество примесей, подается в дистиллятор в соответствии с данным раскрытием, в дистилляторе головным погоном отгоняется и выводится из процесса большая часть примесей, присутствующих в водном технологическом потоке, при этом вода и ценный продукт гликоль возвращается в процесс в качестве очищенного водного технологического потока.
Соответственно, раскрытые в данном документе системы и способы обеспечивают преимущество, заключающееся в том, что объем сточных вод, образующихся при производстве этиленкарбоната и/или этиленгликоля, может быть уменьшен, а также в том, что при данном способе примеси не могут накапливаться и оказывать вредное воздействие на качество полученного продукта гликоля. Кроме того, посредством выполнения этих способов на установке по производству этиленгликоля можно значительно уменьшить количество требуемой свежей воды, уменьшить количество производимых сточных вод и снизить уменьшение эффективности катализатора, причем все это снижает производственные затраты.
Способ производства этиленгликоля и/или этиленкарбоната посредством эпоксидирования этилена и реактивной абсорбции этиленоксида был подробно описан, в частности, в WO2009021830, WO2009140318, WO2009140319, раскрытие которых включено в данный документ посредством ссылки.
Как правило, процесс эпоксидирования включает в себя взаимодействие, в реакторе этиленоксида, этилена с кислородом в присутствии катализатора эпоксидирования с образованием этиленоксида. В такой реакции кислород может подаваться в виде кислорода или воздуха, но предпочтительно его подавать в виде кислорода. Балластный газ, например, метан или азот, как правило, подается для обеспечения работы при высоких уровнях кислорода, без образования воспламеняющейся смеси. Замедлитель, например, монохлорэтан (этилхлорид), винилхлорид или дихлорэтан, может подаваться для управления эксплуатационными характеристиками катализатора этиленоксида.
Реактор этиленоксида, как правило, представляет собой многотрубный реактор с неподвижным слоем катализатора. Катализатор эпоксидирования, предпочтительно, содержит серебро и, необязательно, промотирующие металлы, осажденные на материал носителя, например оксид алюминия. Реакцию эпоксидирования, предпочтительно, проводят под давлением, составляющем более чем 1 МПа и менее чем 3 МПа и при температурах, составляющих более чем 200°С и менее чем 300°С. Поток продукта этиленоксида, выходящий из реактора этиленоксида, предпочтительно, охлаждают в одном или в большем количестве охладителей, предпочтительно, с образованием пара при одном или большем количестве уровней температур.
Поток продукта этиленоксида из реактора этиленоксида, который, как правило, содержит этиленоксид, непрореагировавшие реагенты (т.е. этилен и кислород), диоксид углерода и воду, затем поступает в абсорбер, в котором он контактирует непосредственно с ненасыщенным абсорбентом. Как правило, ненасыщенный абсорбент содержит по меньшей мере 20% масс. воды, и предпочтительно содержит от 20% масс. до 80% масс. воды. Ненасыщенный абсорбент может также содержать этиленгликоль.
В абсорбере поток продукта этиленоксида контактирует непосредственно с ненасыщенным абсорбентом в присутствии одного или большего количества катализаторов карбоксилирования и гидролиза. Если это происходит в присутствии только одного катализатора, то катализатор должен промотировать карбоксилирование и гидролиз. Если это происходит в присутствии двух или большего количества катализаторов, то каждый катализатор может промотировать карбоксилирование или гидролиз или может промотировать обе реакции (при условии, что по меньшей мере один катализатор промотирует карбоксилирование и по меньшей мере один катализатор промотирует гидролиз). Предпочтительно, поток продукта этиленоксида контактирует с ненасыщенным абсорбентом в присутствии по меньшей мере двух катализаторов, включая первый катализатор, который промотирует карбоксилирование, и второй катализатор, который промотирует гидролиз. Соответственно, абсорбер может быть видом реактивного абсорбера, описанного в WO2009021830 или в совместно рассматриваемой заявке PCT/EP2015/071534.
Предпочтительно, один или большее количество катализаторов карбоксилирования и гидролиза является/являются гомогенными, а ненасыщенный абсорбент содержит один или большее количество катализаторов. Гомогенные катализаторы, которые, как известно, промотируют карбоксилирование, включают в себя галогениды щелочных металлов, например, иодид калия и бромид калия, и галогенированные соли органического фосфония или аммония, например, иодид трибутилметилфосфония, иодид тетрабутилфосфония, иодид трифенилметилфосфония, бромид трифенилпропилфосфония, хлорид трифенилбензилфосфония, бромид тетраэтиламмония, бромид тетраметиламмония, бромид бензилтриэтиламмония, бромид тетрабутиламмония и иодид трибутилметиламмония. Предпочтительные гомогенные катализаторы, которые, как известно, промотируют карбоксилирование, включают в себя иодиды щелочных металлов, например, иодид калия, и галогенированные органические фосфониевые или аммониевые соли, например, иодид трибутилметилфосфония, иодид тетрабутилфосфония, иодид трифенилметилфосфония и иодид трибутилметиламмония.
Гомогенные катализаторы, которые, как известно, промотируют гидролиз, включают в себя основные соли щелочных металлов, например, карбонат калия, гидроксид калия и бикарбонат калия, или металаты щелочных металлов, например, молибдат калия. Предпочтительные гомогенные каталитические системы содержат комбинацию иодида калия и карбоната калия, и комбинацию иодида калия и молибдата калия.
В другом варианте осуществления изобретения один или большее количество катализаторов карбоксилирования и гидролиза является/являются гетерогенными, причем гетерогенный(е) катализатор(ы) содержится/содержатся в вертикально установленных одна над другой тарелках. Гетерогенные катализаторы, промотирующие карбоксилирование, включают в себя галогениды четвертичного аммония и четвертичного фосфония, иммобилизованные на диоксиде кремния, галогениды четвертичного аммония и четвертичного фосфония, связанные с нерастворимыми полистирольными гранулами, и соли металлов, например, соли цинка, иммобилизованные на твердых носителях, содержащих четвертичные аммониевые или четвертичные фосфониевые группы, например, на ионообменных смолах, содержащих четвертичные аммониевые или четвертичные фосфониевые группы. Гетерогенные катализаторы, промотирующие гидролиз, включают в себя металлы, иммобилизованные на твердых носителях, например молибдаты, ванадаты или вольфраматы, иммобилизованные на ионообменных смолах, содержащих четвертичные аммониевые или четвертичные фосфониевые группы, или основные анионы, например, бикарбонатные ионы, иммобилизованные на твердых носителях, например, бикарбонат, иммобилизованный на ионообменных смолах, содержащих четвертичные аммониевые или четвертичные фосфониевые группы.
Температура в абсорбере, предпочтительно, составляет от 50°C до 160°C, предпочтительно от 80°C до 150°C, более предпочтительно от 80°C до 120°C. Такая температура выше, чем температура в абсорбере при обычном способе и она необходима для промотирования реакций карбоксилирования и гидролиза. Температура выше, чем 160°C не является предпочтительной, поскольку это может снизить селективность превращения этиленоксида в этиленгликоль. Как поток продукта этиленоксида, так и ненасыщенный абсорбент, предпочтительно, подаются в абсорбер при температурах в диапазоне от 50°C до 160°C.
Давление в абсорбере составляет от 1 до 4 МПа, предпочтительно, от 2 до 3 МПа. Предпочтительным давлением является компромиссное значение между более низкими давлениями, которые требуют менее дорогостоящего оборудования (например, оборудования с более тонкими стенками) и более высокими давлениями, при которых повышается абсорбция и снижается объемный расход газа, таким образом уменьшается размер оборудования и трубопроводов.
По меньшей мере 50% этиленоксида, поступающего в абсорбер, превращается в абсорбере. Предпочтительно по меньшей мере 60%, более предпочтительно по меньшей мере 70%, еще более предпочтительно по меньшей мере 80%, наиболее предпочтительно по меньшей мере 90% этиленоксида, поступающего в абсорбер, превращается в абсорбере. Этиленоксид может подвергаться карбоксилированию с получением этиленкарбоната. Этиленоксид может подвергаться гидролизу с получением этиленгликоля. Кроме того, этиленкарбонат, произведенный из этиленоксида, может подвергаться гидролизу с получением этиленгликоля.
Поток продукта этиленоксида, подаваемый в абсорбер, содержит диоксид углерода. Однако возможно, что поток продукта этиленоксида может содержать недостаточно диоксида углерода для достижения желаемых уровней карбоксилирования. Необязательно, в абсорбер подается дополнительный источник диоксида углерода, например, рециркулят диоксида углерода из завершающего реактора, диоксид углерода с установки извлечения диоксида углерода или, при запуске, диоксид углерода из внешнего источника.
Из абсорбера выходит поток «насыщенного абсорбента», предпочтительно, посредством отведения жидкости с низа абсорбера. Поток насыщенного абсорбента будет содержать этиленкарбонат и/или этиленгликоль и любой оставшийся этиленоксид, если он присутствует, в зависимости от условий, собранной установки и катализатора в абсорбере. Кроме того, когда один или большее количество катализаторов карбоксилирования и гидролиза является/являются гомогенными, поток насыщенного абсорбента дополнительно будет содержать один или большее количество катализаторов карбоксилирования и гидролиза.
Необязательно, часть или весь поток насыщенного абсорбента подается в один или в большее количество завершающих реакторов (например, для обеспечения дальнейшего превращения любого количества этиленоксида и/или этиленкарбоната, которое не было превращено в этиленгликоль в абсорбере). Подходящие завершающие реакторы могут включать в себя: реактор карбоксилирования, реактор гидролиза, реактор карбоксилирования и гидролиза и комбинацию вышеуказанных. Подача в один или в большее количество завершающих реакторов является предпочтительной, если значительное количество (например, по меньшей мере 1%) этиленоксида или этиленкарбоната не превращается в этиленгликоль в абсорбере. Чтобы максимизировать превращение этиленоксида в абсорбере, в сборнике (секция низа) абсорбера можно использовать распыляющие сопла, чтобы диспергировать диоксид углерода и промотировать карбоксилирование. Необязательно, в подходящий для гидролиза завершающий реактор может быть введен пар.
Диоксид углерода может быть произведен в одном или в большем количестве завершающих реакторов и, при желании, может быть выделен из одного или большего количества потока(ов) продукта из завершающих реакторов, поскольку он выходит из одного или из большего количества завершающих реакторов и, необязательно, возвращается для повторного использования в абсорбер.
Температура в одном или в большем количестве завершающих реакторов, как правило, составляет от 100°C до 200°C, предпочтительно от 100°C до 180°C. Давление в одном или в большем количестве завершающих реакторов, как правило, составляет от 0,1 до 3 МПа.
Поток насыщенного абсорбента или поток продукта завершающего реактора, необязательно, подается в испарительную емкость или в колонну отгонки легких фракций. Легкие фракции удаляются в испарительной емкости или в колонне отгонки легких фракций. (Легкие фракции представляют собой газы, например, этилен, а также балластные газы, например, метан). Необязательно, при желании, мгновенное превращение в пар может быть достигнуто в завершающем реакторе (например, в реакторе для гидролиза) таким образом, что может не потребоваться отдельная испарительная емкость, и поэтому количество оборудования, используемого в процессе, сокращается.
Необязательно, испарительная емкость может быть установлена непосредственно после абсорбера таким образом, что поток насыщенного абсорбента из выпускного отверстия абсорбера поступает непосредственно в испарительную емкость. Когда имеется по меньшей мере один завершающий реактор, испарительная емкость может быть установлена после одного или большего количества всех завершающих реакторов таким образом, что поток продукта завершающего реактора из указанных завершающих реакторов поступает в испарительную емкость. Когда имеется более чем один завершающий реактор, испарительная емкость может быть установлена между завершающими реакторами таким образом, что поток насыщенного абсорбента из абсорбера поступает по меньшей мере в один завершающий реактор, затем поток продукта завершающего реактора поступает в испарительную емкость, а затем поток из испарительной емкости поступает по меньшей мере в другой завершающий реактор. Мгновенное превращение в пар может происходить под давлением от 0,01 до 2 МПа, предпочтительно от 0,1 до 1 МПа, наиболее предпочтительно от 0,1 до 0,5 МПа.
Поток насыщенного абсорбента из абсорбера или поток продукта завершающего реактора из одного или большего количества завершающих реакторов или другой поток продукта, содержащий этиленгликоль, подается в дегидратор в качестве сырьевого потока дегидратора. Сырьевой поток дегидратора, предпочтительно, содержит очень мало этиленоксида или этиленкарбоната, то есть большая часть этиленоксида или этиленкарбоната была превращена в этиленгликоль перед подачей в дегидратор в абсорбере либо в завершающем реакторе. Предпочтительно, молярное соотношение этиленгликоля к этиленоксиду и этиленкарбонату (объединенное) в сырьевом потоке дегидратора составляет более чем 90:10, более предпочтительно более чем 95:5, еще более предпочтительно более чем 99:1 и наиболее предпочтительно 999:1. Целесообразно, чтобы сырьевой поток дегидратора мог содержать 10 частей на млн (ppm) или менее этиленкарбоната.
Дегидратор, предпочтительно, представляет собой одну или большее количество колонн, включая, по меньшей мере, одну вакуумную колонну, предпочтительно работающую под давлением менее 0,05 МПа, более предпочтительно менее чем 0,025 МПа и наиболее предпочтительно около 0,0125 МПа.
Поток верхнего погона дегидратора, который, как правило, содержит воду и одну или большее количество примесей, выходит из дегидратора, как правило, сверху или вблизи верха дегидратора. Весь поток верхнего погона дегидратора или его часть затем подается в абсорбер, дистиллятор или в комбинированное устройство вышеуказанных. Например, весь поток верхнего погона дегидратора или его часть может быть объединена с очищенным водным технологическим потоком и подаваться в абсорбер, может быть объединена с потоком водного кубового остатка из парожидкостного сепаратора и подаваться в дистиллятор в качестве водного технологического потока, или может подаваться в комбинированное устройство вышеуказанных. Кроме того, при желании часть потока верхнего погона дегидратора, необязательно, может быть объединена с потоком верхнего погона примесей из парожидкостного сепаратора и удалена в виде отходов.
Поток с низа дегидратора, содержащий преимущественно МЭГ, выходит из дегидратора, как правило, снизу или вблизи низа дегидратора и, необязательно, подается в сепаратор (например, испаритель или сплиттер) и/или в устройство для очистки гликоля (например, колонну для очистки гликоля) для удаления примесей. При использовании сепаратора поток продукта гликоля выходит из сепаратора, как правило, сверху или вблизи его верха, и, необязательно, дополнительно подается в устройство для очистки гликоля. Кроме того, горячий технологический поток (например, поток рециркулирующего катализатора или поток абсорбента гликоля) выходит из сепаратора, как правило, снизу или вблизи низа сепаратора, и, необязательно, возвращается в абсорбер для повторного использования. В тех вариантах осуществления изобретения, где один или большее количество используемых катализаторов карбоксилирования и гидролиза является/являются гомогенными катализаторами, один или большее количество гомогенных катализаторов могут быть отделены от потока с низа дегидратора в сепараторе в качестве потока рециркулирующего катализатора и возвращены для повторного использования в абсорбер. Аналогичным образом, в тех вариантах осуществления изобретения, в которых один или большее количество используемых катализаторов карбоксилирования и гидролиза является/являются гетерогенными катализаторами, поток абсорбента гликоля может быть отведен из сепаратора и возвращен для повторного использования в абсорбер.
Соответственно, горячий технологический поток, например, поток рециркулирующего катализатора или поток абсорбента гликоля, может быть отведен из сепаратора, охлажден и объединен с очищенным водным технологическим потоком, прежде чем будет возвращен для повторного использования в абсорбер. При желании все тепло или часть тепла, удаляемого из горячего технологического потока, может быть извлечено и использовано посредством интеграции технологического тепла для обеспечения требуемой тепловой энергии, необходимой в других частях процесса, как описано ниже.
Газы, которые не абсорбировались в абсорбере, удаляются сверху или вблизи верха абсорбера и конденсируются с получением потока верхнего погона абсорбера, который подается в парожидкостный сепаратор, например, сепараторный сосуд, испарительную емкость и т.д. Поток рециркулирующего газа, который, как правило, содержит непрореагировавшие реагенты (например, этилен и кислород), балластный газ (например, метан), диоксид углерода и т.д., выходит из парожидкостного сепаратора, как правило, сверху или вблизи его верха. Необязательно, по меньшей мере часть потока рециркулирующего газа, выходящего из парожидкостного сепаратора, подается в колонну абсорбции диоксида углерода, где углекислый газ по меньшей мере частично абсорбируется потоком рециркулирующего абсорбента, и/или в один или большее количество защитных слоев, где галогенсодержащие примеси по меньшей мере частично могут быть абсорбированы абсорбентом для очистки, прежде чем будет возвращены в реактор этиленоксида Соответственно, один или большее количество защитных слоев могут представлять собой виды защитных слоев, описанных в совместно рассматриваемых заявках EP15200254.9, EP15200267.1, EP15200272.1 и EP15200275.4, раскрытие которых включено в данный документ посредством ссылки.
Поток водного кубового остатка, который, как правило, содержит воду, одну или большее количество примесей и, необязательно, гликоли, выходит из парожидкостного сепаратора, как правило, снизу или вблизи его низа, а затем по меньшей мере часть потока водного кубового остатка подается в дистиллятор в качестве водного технологического потока. Необязательно, при желании, часть потока водного кубового остатка может байпасировать дистиллятор и может быть объединена с очищенным водным технологическим потоком, выходящим из дистиллятора и подаваемым в абсорбер.
В соответствии с данным раскрытием водный технологический поток, содержащий одну или большее количество примесей, подается в дистиллятор. Как упоминалось выше, водный технологический поток, подаваемый в дистиллятор, содержит по меньшей мере часть потока водного кубового остатка, выходящего из парожидкостного сепаратора, по меньшей мере часть потока верхнего погона дегидратора, выходящего из дегидратора, или их комбинацию. Посредством подачи водного технологического потока в дистиллятор количество одного или большего количества примесей, присутствующих в нем, уменьшается посредством перегонки.
Как правило, водный технологический поток, подаваемый в дистиллятор, содержит значительное количество воды (т.е. количество воды, составляющее более чем или равное 88% масс., например, от около 89,5 до 99% масс. по отношению к общей массе водного технологического потока) и незначительное количество одной или большего количества примесей (т.е. общее количество примесей составляет менее чем 0,6% масс., например, от около 0,1 до 0,5% масс. или от 0,2 до 0,4% масс. по отношению к общей массе водного технологического потока). Необязательно, водный технологический поток дополнительно содержит гликоли (например, моноэтиленгликоль («МЭГ»)) в количестве до 12% масс. например, от около 0,5 до 10% масс. относительно общей массы водного технологического потока.
Примеры одного или большего количества примесей, которые могут быть обнаружены в водном технологическом потоке, включают в себя, но не обязательно ограничены ими: углеводородные и хлорированные углеводородные примеси, например, альдегиды, спирты, ацетали, циклические ацетали, простые эфиры, циклические простые эфиры и сложные эфиры, например, формальдегид, ацетальдегид, гликолевый альдегид, пропиональдегид, 2,3-эпокси-1,4-диоксан, 1,4-диоксан, 1,3-диоксолан, 2-метил-1,3-диоксолан, 2-метоксиэтанол, этанол, 2-этоксиэтанол, 2-гидроксиметил-1,3-диоксолан, 2,2'-бис-1,3-диоксолан, 2-хлорметил-1,3-диоксолан, гидроксиацетон, 2-хлорэтанол, гликоляты, формиаты, лактаты, ацетаты, пропионаты и комбинацию вышеуказанных.
Необязательно, перед подачей в дистиллятор, по меньшей мере часть водного технологического потока, по меньшей мере часть потока водного кубового остатка, выходящего из парожидкостного сепаратора, или по меньшей мере часть потока верхнего погона дегидратора, выходящего из дегидратора, могут подаваться в устройство нагрева, например, подогреватель, и/или в испарительную емкость для извлечения легких фракций (например, этилена и метана), которые, предпочтительно, возвращают для повторного использования в реактор этиленоксида после компримирования. Например, в одном из вариантов осуществления изобретения поток водного кубового остатка, выходящий из парожидкостного сепаратора, и поток верхнего погона дегидратора, выходящий из дегидратора, оба потока подаются в подогреватель, затем поток водного кубового остатка подается в испарительную емкость, при этом поток верхнего погона дегидратора байпасирует испарительную емкость, а затем оба потока объединяются с образованием водного технологического потока, подаваемого в дистиллятор. На практике давление в испарительной емкости должно быть выше, чем давление в дистилляторе. Следовательно, мгновенное превращение в пар, как правило, происходит при давлении, составляющем от 100 кПа до 270 кПа, или от 130 кПа до 220 кПа, или от 170 кПа до 210 кПа. Предпочтительно, тепловая энергия, необходимая для нагрева водного технологического потока (или потока водного кубового остатка, или потока верхнего погона дегидратора), обеспечивается посредством теплообмена с горячим технологическим потоком, например, посредством теплообмена с потоком рециркулирующего катализатора или с потоком абсорбента гликоля.
В дистилляторе водный технологический поток перегоняется и разделяется на поток примесей, который, как правило, конденсируется и выходит в виде потока верхнего погона примесей, и очищенный водный технологический поток, который, предпочтительно, выходит снизу или вблизи низа дистиллятора. Очищенный водный технологический поток содержит воду, необязательно, гликоли и уменьшенное количество одной или большего количества примесей по сравнению с общим количеством примесей, присутствующих в водном технологическом потоке, подаваемом в дистиллятор. Так, например, если водный технологический поток, подаваемый в дистиллятор, содержит общее количество примесей, составляющее 0,3% масс., то очищенный водный технологический поток, выходящий из дистиллятора, будет содержать менее чем 0,3% масс. примесей.
Очищенный водный технологический поток, выходящий из дистиллятора, подается в абсорбер (например, для образования ненасыщенного абсорбента). При необходимости в абсорбер также может подаваться свежая вода.
Дистиллятор, подходящий для использования в данном изобретении, может включать в себя любой дистиллятор, известный в данной области техники, для разделения и/или удаления примеси из водного технологического потока. Более конкретно, подходящий дистиллятор включает в себя любое устройство, которое отделяет воду, по меньшей мере, от части примесей, присутствующих в водном технологическом потоке, исходя из их различий в летучести, посредством превращения в пар и последующей конденсации. Соответственно, дистиллятор может отделять воду и по меньшей мере часть примесей, присутствующих в водном технологическом потоке, с использованием одной или большего количества ступеней равновесия в системе «жидкость-пар».
Cпециалисту в данной области техники следует иметь в виду, что конструкция и работа дистиллятора могут зависеть, по меньшей мере частично, от типа и концентрации примесей, присутствующих в водном технологическом потоке, а также от желаемой композиции (например, желаемой чистоты) очищенного водного технологического потока. В некоторых случаях, например, при подаче бинарного компонента, для определения числа ступеней равновесия, чтобы достигнуть желаемого разделения, могут использоваться аналитические методы, например, метод Маккейба-Тиле или уравнение Фенске. Для многокомпонентного сырьевого потока могут использоваться имитационные модели как для проектирования (например, для определения числа ступеней равновесия, необходимых для того, чтобы достигнуть желаемого разделения), так и для работы (например, для определения оптимальных рабочих условий). Кроме того, как только число ступеней равновесия определено, специалист в данной области техники может использовать известные способы проектирования, чтобы легко определить число ступеней разделения (например, фактическое число тарелок или высоту насадки), которое может быть использовано для достижения желаемого разделения. Как правило, дистиллятор, подходящий для использования в данном раскрытии, может работать таким образом, чтобы количество ступеней разделения находилось в интервале между 5 и 13, более характерное количество ступеней разделения находится в интервале между 8 и 12.
Дистиллятор может содержать перегонные тарелки (тарелки), насадку или комбинацию перегонных тарелок и насадки. Примеры подходящих видов перегонных тарелок включают в себя любые виды тарелок, обычно встречающихся в ректификационных колоннах, например, среди прочих: ситчатые тарелки, колпачковые тарелки или клапанные тарелки. Расстояние между любыми тарелками может быть, по существу, одинаковым или, в альтернативном варианте, расстояние между любыми тарелками может варьироваться. В любой конфигурации расстояние между любыми тарелками может быть оптимизировано с возможностью обеспечения наилучшего отделения примесей от водного технологического потока и/или для предотвращения увлечения среды между тарелками. Кроме того, в вариантах осуществления изобретения, использующих насадку, материал насадки может быть неупорядоченной насадкой навалом, например, металлические или керамические кольца Рашига, кольца Полла или кольца Bialecki. Материал насадки также может быть структурированной насадкой из металлического листа.
В вариантах осуществления изобретения, в которых используется насадка, общая требуемая высота насадки для обеспечения необходимого числа ступеней разделения может быть определена посредством умножения числа расчетных ступеней равновесия на высоту, эквивалентную теоретической тарелке, или ВЭТТ, для этой насадки. ВЭТТ - это значение высоты насадки, которое даст такое же разделение, что и ступень равновесия. Как известно специалистам в данной области техники, ВЭТТ может варьироваться в зависимости от вида выбранной насадки. В некоторых вариантах осуществления изобретения общая высота насадки может быть разделена на одну или большее количество зон с перераспределителями пара и жидкости между зонами, например, для обеспечения ограничений по высоте из-за структурной целостности насадки. В некоторых вариантах осуществления изобретения насадка может обеспечить преимущество, заключающееся в более низком перепаде давления по сравнению с тарелками, хотя следует также учитывать разницу в стоимости, обусловленную выбором тарелок, а не насадки.
Рабочие условия внутри дистиллятора можно регулировать в соответствии с условиями работы. Например, дистиллятор может работать в широком диапазоне давлений, начало диапазона от давления ниже атмосферного (т.е. под вакуумом), к почти атмосферному, до давления выше атмосферного. На практике общее рабочее давление дистиллятора может быть выбрано в процессе проектирования системы, хотя существует определенная гибкость для регулирования давления в процессе нормальной работы. Расчетное рабочее давление может находиться в диапазоне от около 60 килопаскаль (кПа) до около 220 кПа, предпочтительно от около 80 кПа до около 180 кПа и более предпочтительно от около 120 кПа до около 160 кПа.
Дистиллятор также может работать в широком диапазоне температур. На практике рабочая температура может быть выбрана в процессе проектировании системы, хотя в процессе работы температура может значительно колебаться. В некоторых вариантах осуществления изобретения в дистилляторе может присутствовать перепад температуры, с самой низкой температурой в верхней части и самой высокой температурой в нижней части. Этот перепад может быть постепенным изменением в целом по колонне и/или в различных секциях колонны или может быть резким изменением температуры. Например, при рабочем давлении, составляющем 150 кПа, рабочая температура дистиллятора может находиться в диапазоне от около 110°C до около 113°C. Специалист в данной области техники легко оценит по достоинству, что рабочая температура и давление в дистилляторе, а также состав водного технологического потока, подаваемого в дистиллятор, являются взаимозависимыми.
Тепловая энергия, необходимая для работы дистиллятора, может подаваться посредством устройства нагрева, установленного внутри или снаружи дистиллятора. Например, в предпочтительном варианте осуществления изобретения может использоваться ребойлер. Необязательно, ребойлер может нагреваться паром или, в альтернативном варианте, ребойлер может нагреваться посредством тепловой интеграции с горячим технологическим потоком, например, с потоком рециркулирующего катализатора или с потоком абсорбента гликоля.
Предпочтительно, эффективность удаления одной или большего количества примесей из водного технологического потока составляет более чем 98%, более предпочтительно более чем 99% и наиболее предпочтительно более чем 99,5%. Кроме того, предпочтительно, очищенный водный технологический поток содержит менее чем 0,1% масс. примесей, более предпочтительно менее чем 0,06% масс. примесей, еще более предпочтительно менее чем 0,05% масс. примесей, относительно общей массы очищенного водного технологического потока.
Соответственно, когда водный технологический поток содержит формальдегид, эффективность удаления формальдегида из водного технологического потока предпочтительно составляет более чем 30%, более предпочтительно более чем 35% и наиболее предпочтительно более чем 39%. Аналогично, когда водный технологический поток содержит 2-хлорэтанол, эффективность удаления 2-хлорэтанола из водного технологического потока предпочтительно составляет более чем 40%, более предпочтительно более чем 45% и наиболее предпочтительно более чем 50%. Также, когда водный технологический поток содержит одну или большее количество примесей, выбранных из: ацетальдегида, 2-хлорметил-1,3-диоксолана, 2-метил-1,3-диоксолана и 1,4-диоксана, эффективность удаления одного или большего количества этих примесей из водного технологического потока предпочтительно составляет более чем 98%, более предпочтительно более чем 99% и наиболее предпочтительно 100%.
Кроме того, предпочтительно, очищенный водный технологический поток содержит менее чем 0,005% масс. формальдегида, более предпочтительно менее чем 0,003% масс. формальдегида, еще более предпочтительно менее чем 0,002% масс. формальдегида, относительно общей массы очищенного водного технологического потока. Аналогично, очищенный водный технологический поток, предпочтительно, содержит менее чем 0,002% масс. одной или большего количества примесей, выбранных из: ацетальдегида, 2-хлорметил-1,3-диоксолана 2-метил-1,3-диоксолана, 2-хлорэтанола и 1,4-диоксана, более предпочтительно менее чем 0,001% масс., еще более предпочтительно 0% масс., относительно общей массы очищенного водного технологического потока.
С использованием описанных в данном документе систем и способов можно уменьшить количество примесей, присутствующих в водном технологическом потоке, что позволяет, таким образом, повторно использовать всю или практически всю технологическую воду, образующуюся в процессе производства этиленгликоля. Раскрытые в данном документе системы и способы обеспечивают преимущество, заключающееся в том, что объем сточных вод, образующихся при производстве этиленгликоля, может быть уменьшен, а также в том, что при данном способе примеси не могут накапливаться и оказывать вредное воздействие на качество полученного продукта гликоля. Кроме того, посредством выполнения этих способов на установке по производству этиленгликоля можно значительно уменьшить количество требуемой свежей воды, уменьшить количество производимых сточных вод и снизить уменьшение эффективности катализатора, причем все это снижает производственные затраты.
Теперь делается ссылка на фиг. 1-2, на которых проиллюстрированы схематические изображения реакционной системы производства этиленкарбоната и/или этиленгликоля, в соответствии с вариантом осуществления данного изобретения. Специалист в данной области техники должен понимать, что в виде принципиальных схем эти фигуры не показывают все необходимые впускные отверстия, выпускные отверстия, рециркулирующие потоки и т.д., которые могут присутствовать в реакционной системе. Кроме того, следует иметь в виду, что на фигурах в данном документе элементы могут быть добавлены, заменены и/или устранены таким образом, чтобы обеспечить любое количество дополнительных вариантов осуществления изобретения, а последовательность, в которой различные сырьевые компоненты и/или потоки вводятся в процесс и их соответствующие точки введения, а также присоединения потока, может отличаться от изображенной. Кроме того, следует иметь в виду, что пропорция и относительный масштаб элементов, предложенных на фигуре, предназначены для иллюстрации вариантов осуществления изобретения по данному раскрытию и не должны пониматься в ограничивающем смысле.
Реакционная система включает в себя реактор этиленоксида (2), который содержит катализатор эпоксидирования. Сырьевой газ эпоксидирования (1) подается в реактор этиленоксида (2) через один или большее количество впускных отверстий и, как правило, содержит этилен, кислород, балластный газ (например, метан или азот) и замедлитель реакции (например, монохлорэтан, винилхлорид или дихлорэтан). В реакторе этиленоксида (2) этилен подвергается взаимодействию с кислородом в присутствии катализатора эпоксидирования с получением потока продукта этиленоксида (4). Поток продукта этиленоксида (4) выходит из реактора этиленоксида (2) через выпускное отверстие, например, через выпускное отверстие (3), которое находится в жидкостном соединении с первым впускным отверстием абсорбера (6), например, с впускным отверстием (5).
В абсорбере (6) поток продукта этиленоксида контактирует непосредственно с ненасыщенным абсорбентом в присутствии одного или большего количества катализаторов карбоксилирования и гидролиза. По меньшей мере часть и, предпочтительно, по существу, весь этиленоксид в потоке продукта этиленоксида абсорбируется ненасыщенным абсорбентом. Поток (8) насыщенного абсорбента, содержащий этиленкарбонат и/или этиленгликоль, выходит из абсорбера (6) через первое выпускное отверстие, например, через выпускное отверстие (7), при этом любые газы, не абсорбированные в абсорбере (6), выходят через второе выпускное отверстие, например, через выпускное отверстие (9), и конденсируются с получением потока (10) верхнего погона абсорбера.
Поток (10) верхнего погона абсорбера подается в парожидкостный сепаратор (12) (например, в сепараторный сосуд, испарительную емкость и т.д.) через впускное отверстие, например, через впускное отверстие (11), с получением потока (13) рециркулирующего газа и потока (15) водного кубового остатка. Как правило, по меньшей мере часть потока рециркулирующего газа (13) возвращается для повторного использования в реактор этиленоксида (2), необязательно, после подачи в колонну абсорбции диоксида углерода и/или в один или большее количество защитных слоев (не показаны).
Поток водного кубового остатка (15) выходит из парожидкостного сепаратора (12) через выпускное отверстие, например, через выпускное отверстие (14), и подается в качестве водного технологического потока (17) в дистиллятор (19) через впускное отверстие, например, через впускное отверстие (18), которое, как правило, расположено вблизи верхней средней части колонны. Необязательно, любая часть потока водного кубового остатка (15), которая байпасирует дистиллятор (19), может быть объединена с очищенным водным технологическим потоком (21) по линии (16) и подана в абсорбер (6) через второе впускное отверстие, например, через впускное отверстие (23).
Тепловая энергия, необходимая для работы дистиллятора (19), может подаваться посредством любого подходящего устройства нагрева, например, ребойлера, и предпочтительно нагревается с использованием тепловой интеграции с горячим технологическим потоком, например, с потоком рециркулирующего катализатора или с потоком абсорбента гликоля. Например, как проиллюстрировано на фиг. 2, тепловая энергия, необходимая для работы дистиллятора (19), подается посредством ребойлера (44), который нагревается посредством тепловой интеграции с горячим технологическим потоком (43), выходящим из сепаратора (39).
Необязательно, как проиллюстрировано на фиг. 2, перед подачей в дистиллятор (19), водный технологический поток (17) может подаваться в устройство нагрева, например, в подогреватель (36), а затем в испарительную емкость (37) для извлечения легких фракций (например, этилена и метана) в виде потока легких фракций (38), который, предпочтительно, возвращается для повторного использования в реактор этиленоксида (2) после компримирования. Предпочтительно, подогреватель (36) аналогичным образом нагревается посредством тепловой интеграции с горячим технологическим потоком (43), выходящим из сепаратора (39).
Поток (22) верхнего погона примесей выходит в или вблизи верхней части дистиллятора (19) и, как правило, удаляется в виде отходов. Очищенный водный технологический поток (21) выходит из дистиллятора (19) через выпускное отверстие, например, через выпускное отверстие (20), расположенное, предпочтительно, в или вблизи нижней части дистиллятора (19), и подается в абсорбер (6) через впускное отверстие (23) для рециркуляции в качестве ненасыщенного абсорбента. При необходимости может подаваться подпиточная вода (24).
Поток (8) насыщенного абсорбента, содержащий этиленкарбонат и/или этиленгликоль, необязательно, подается в один или в большее количество завершающих реакторов, например, в реактор гидролиза (26), через впускное отверстие, например, через впускное отверстие (25) (например, для обеспечения дальнейшего превращения любого количества этиленоксида и/или этиленкарбоната, которое не было превращено в абсорбере этиленоксида). Поток продукта завершающего реактора (28) выходит из одного или из большего количества завершающих реакторов, например, из реактора гидролиза (26), через выпускное отверстие, например, через выпускное отверстие (27), и подается в дегидратор (30) в качестве сырьевого потока дегидратора через впускное отверстие, например, через впускное отверстие (29). В дегидраторе (30) из сырьевого потока дегидратора удаляется вода с получением потока (31) с низа дегидратора, содержащего преимущественно МЭГ, и потока верхнего погона дегидратора (33).
Поток (33) верхнего погона дегидратора выходит из дегидратора (30) через выпускное отверстие, например, через выпускное отверстие (32). Необязательно, весь поток (33) верхнего погона дегидратора или его часть может быть объединена с очищенным водным технологическим потоком (21) по линии (35) и подаваться в абсорбер (6) через впускное отверстие (23). Аналогично, весь поток (33) верхнего погона дегидратора или его часть, необязательно, может быть объединена с потоком (15) водного кубового остатка и подаваться в качестве водного технологического потока (17) в дистиллятор (19) через впускное отверстие (18). Кроме того, весь поток (33) верхнего погона дегидратора или его часть, необязательно, может быть объединена с потоком (22) верхнего погона примесей по линии (34) и удаляться в виде сточных вод.
Поток с низа дегидратора (31) выходит из дегидратора (30), как правило, снизу или вблизи низа дегидратора (30) и, необязательно, подается в устройство для очистки гликоля (не показано) для отделения гликолей и удаления примесей. Как проиллюстрировано на фиг. 2, поток с низа дегидратора (31), необязательно, может подаваться в сепаратор (39). Поток (41) продукта гликоля выходит из сепаратора (39) через выпускное отверстие, например, через выпускное отверстие (40), и, необязательно, подается в устройство для очистки гликоля (не показано) для удаления примесей. Кроме того, горячий технологический поток (43), например, поток рециркулирующего катализатора или поток абсорбента гликоля, выходит из сепаратора (39) через выпускное отверстие, например, через выпускное отверстие (42), и, предпочтительно, охлаждается и возвращается для повторного использования в абсорбер (6) через впускное отверстие (23). Как упоминалось выше, тепловая энергия, необходимая для ребойлера (44) и подогревателя (36), предпочтительно, подается посредством тепловой интеграции с горячим технологическим потоком (43), например, с потоком рециркулирующего катализатора или с потоком абсорбента гликоля, выходящим из сепаратора (39).