Производство уксусной кислоты окислением н-бутенов

В последние годы в промышленности осуществлено окисление н-бутенов в уксусную кислоту. Процесс разработан фирмой Вауег и отличается высокой селективностью. Селективность окисления достигается путем ослабления центральной связи бутеновой цепочки при превращении смеси н-бутенов во втор-бутилацетат. При окислительном крекинге втор-бутилацетата образуется три молекулы уксусной кислоты, одна из которых возвращается в цикл для образования ацетата:

[CH₂=CHCH₂CH₃]

                    +CH₃COOH → CH₃CH₂CHCH₃ + 2O₂ → 3CH₃COOH

[CH₃CH=CHCH₃]                                       I

                                                                  OCOCH₃

Сырьем для такого процесса служит смесь н-бутенов.

Из фракции С₄ газов пиролиза извлекают (обычно экстракцией) бутадиен и 2-метилпропен. Остаток состоит из н-бутенов (~80%) и н-бутана (20%). При непосредственном окислении этой фракции получается сложная смесь продуктов, содержащая много смолистых веществ. Превращение же н-бутенов во втор-бутилацетат создает условия для преимущественного образования уксусной кислоты.

Бутен-1 реагирует с уксусной кислотой быстрее, чем бутен-2, поэтому последний составляет основную массу н-бутенов, возвращаемых в цикл. Для ускорения процесса присоединения к олефину уксусной кислоты ее берут в полуторном избытке.

Схема производства уксусной кислоты через втор-бутилацетат показана на рис. 1.1.

Процесс состоит из трех стадий: образования втор-бутилацетата, окислительного крекинга втор-бутилацетата, дистилляции продуктов реакции.

Первая стадия — присоединение уксусной кислоты к н-бу-тенам проводится в жидкой фазе в реакторе 1 с мешалкой при 110°С и 1,5 — 2 МПа. Катализатор (анионообменная смола).

1-реактор; 2, 8',,14,,20- газосепараторы; 3 — центрифуга; 4 — колонна с фильтрующей насадкой; 5 — ректификационная колонна; 6 — циркуляционный насос; 6' — сырьевой насос стадии окисления; 7,,12 — теплообменники; 8 — реактор окислительного крекинга; 8' — сепаратор реактора; 9 — котел-утилизатор; 10 — скруббер; 11 — печь; 13 — компрессор; 15 — колонна азеотропной дистилляции; 16,,17 — отстойники; 18 — испаритель; 19 — колонна выделения муравьиной кислоты; 21 — колонна товарной уксусной кислоты.

Рисунок 1.3 Схема производства уксусной кислоты окислением н-бутенов вводится в реактор в виде 20 %-ной суспензии в продуктах реакции этой стадии

 

Концентрация катализатора поддерживается на уровне 10 % (масс.), что достигается рециркуляцией с добавлением свежего катализатора. Продукты реакции после снижения давления до 0,7 МПа и разделения в газосепараторе 2 поступают на центрифугу 3, где происходит отделение катализатора, и, пройдя через колонну с фильтрующей насадкой 4, поступают в ректификационную колонну 5 (давление 0,5 МПа). В колонне 5 отгоняются непрореагировавшие углеводороды С₄, а снизу отбирается смесь втор-бутилацетата и уксусной кислоты, направляемая на окислительный крекинг.

Сырьем для окислительного крекинга являются: смесь втор-бутилацетата и уксусной кислоты с первой стадии, смесь непревращенного втор-бутилацетата и промежуточных продуктов (верхний погон после азеотропной дистилляции) (см. ниже). Эта смесь вместе с рециркулирующим потоком через теплообменник 7 подается в реактор 8 окислительного крекинга, представляющий собой безнасадочную колонну, имеющую в верхней части сепаратор 8'. Воздух нагнетается компрессором 13 через сопла в нижнюю часть реактора 8. Окислительный крекинг проводят без катализатора при 200°С и 6 МПа. Так как отношение циркулирующее сырье: свежее сырье выше 100: 1, температура в реакторе повышается за счет тепла реакции не более чем на 10 °С.

Продукты реакции из реактора 5 поступают в сепаратор. 8'. Несконденсировавшийся газ из сепаратора 8' проходит котел-утилизатор 9 и после снижения давления поступает в скруббер 10, орошаемый уксусной кислотой для извлечения продуктов реакции. Отходящий газ из скруббера- 10 сжигается в печи 11 (температура 400 °С), а горячие топочные газы используются для нагрева в теплообменнике 12 отработанного газа и для привода воздушного компрессора 13 (за счет энергии, получаемой при расширении отработанного газа).

Жидкие продукты реакции из сепаратора 8', инжектируемые воздухом, подаваемым в реактор 8, частично возвращаются в цикл. Основной поток продуктов реакции охлаждается в теплообменнике 7 и после дросселирования поступает в сепаратор 14 для отделения растворенных газов.

Сырая уксусная кислота по выходе из сепаратора 14 смешивается с уксусной кислотой из скруббера 10 и поступает в колонну азеотропной перегонки 15. Сверху из колонны 15 отводится азео-тропная смесь вгор-бутилацетата — вода совместно с летучими продуктами, поступающая после конденсации в отстойники 16 и 17. Непрореагировавший втор-бутилацетат и летучие продукты из отстойника 17 возвращаются в реактор 8, а водная фаза в колонну 15. Выходящая снизу из колонны 15 уксусная кислота отгоняется в испарителе 18 от присутствующих в небольшом количестве высококипящих примесей и поступает для удаления муравьиной кислоты в ректификационную колонну 19. Муравьиная кислота по возможности используется или сжигается в печи 11.

Окончательная очистки уксусной кислоты производится в ректификационной колонне 21, кубовый остаток которой возвращают в испаритель 18. Часть уксусной кислоты из колонны 19 без окончательной очистки направляют в скруббер 10 для промывки реакционных газов и в реактор 1 для связывания н-бутенов во втор-бутилацетат.

Товарная уксусная кислота содержит 99,7 % основного продукта и очень мало примесей (0,01 % муравьиной кислоты, 0,0003 % ацетальдегида 0,0001 % железа и серы). На 1 т товарной уксусной кислоты расходуется 1,260 т бутан-бутеновой фракции с содержанием 84,4 % н-бутенов. Выход уксусной кислоты за проход составляет 44 % от пропущенных н-бутенов.

Окислением н-бутепов в последние годы в промышленности стали получать малеиновый ангидрид, который раньше получался исключительно окислением бензола. Малеиновый ангидрид широко используется в производстве полимеров, фармацевтических препаратов, присадок, сельскохозяйственных химикатов и т. д.

Окисление осуществляют в газовой фазе на твердом ванадий-фосфорсодержащем катализаторе, промотированном, добавками меди, лития и др.

Выход малеинового ангидрида составляет 55 % (мол.).

 

1.3.4 Производство уксусной кислоты окислением парафинов С₄-С₈ в кислоты

Одним из промышленных методов синтеза низкомолекулярных монокарбоновых кислот с преимущественным выходом уксусной кислоты является метод жидкофазного окисления индивидуальных углеводородов С₄-С₈ или их технических смесей под давлением. Впервые промышленное окисление н-бутана в растворе уксусной кислоты осуществлено в США фирмой Celanese.

Окисление проводится в реакторе из нержавеющей стали О₂ воздуха в присутствии солей кобальта или марганца. Основной продукт реакции – уксусная кислота, побочные продукты – муравьиная и пропионовая кислоты, метиловый и этиловый спирты, метилэтиленкетон, этилацетат, ацетон. На 1 тону уксусной кислоты расходуется 752-875 кг бутана, причём уксусная кислота составляет 80-90% от всех кислородсодержащих продуктов реакции.

Очевидно, что при использовании бензиновых фракций продукты окисления будут представлены еще более широкой гаммой веществ.

Полное разделение продуктов окисления бензиновых фракций представляет собой сложную задачу из-за наличия ряда бинарных и тройных азеотропов. Однако подавляющее большинство нейтральных кислородсодержащих продуктов образуете водой азеотролы, кипящие нижеТ_кип наиболее низкокипящей муравьиной кислоты. Поэтому отделение этой части оксидата от водного раствора кислот реализуется сравнительно легко. Нейтральные кислородсодержащие продукты возвращаются на повторное окисление и превращаются в низкомолекулярные кислоты. По этому принципу в Англии в 1961 г. был реализован процесс получения уксусной кислоты жидкофазным окислением бензиновой фракции С₅—С₈ (рисунок 1.4.).

Окисление проводится в реакторе 1 из нержавеющей стали в интервале температур 160—190 °С и при давлении 4,8 МПа без катализатора или в присутствии солей кобальта, меди, магния, ванадия. Воздух подается в нижнюю часть реактора в таком количестве, чтобы содержание кислорода в отдувочном газе составляло не более 4% (об.). Пары продуктов реакции и непрореагировавшие углеводороды поступают совместно с отработанным воздухом в конденсационную систему 2—4, приспособленную для утилизации теплоты. Отсюда жидкий конденсат возвращается в зону реакции. Отработанный воздух поступает в турбодетандер 5, где охлаждается до — 60 °С. Полученный холод используют на установке. Оксидат из реактора поступает в ректификационную колонну 7, в которой отделяются нейтральные кислородсодержащие продукты, возвращаемые на доокисление в реактор 1. На колонне 8 происходит отделение воды и кислот С₁—С₄, а тяжелый кубовый остаток, пройдя блок выделения янтарной кислоты 9, поступает на повторное окисление. Вода от кислот отгоняется с помощью азеотропной перегонки (блок 10). Товарные муравьиная, уксусная и пропионовля кислоты выделяются с применением азеотропной и обычной ректификации (блоки 11—13). Суммарный выход кислот С₁—С₃ и янтарной кислоты в расчете па превращенный бензин находится на уровне 100—110%, причем выход уксусной кислоты составляет 60—75% от товарной продукции и зависит от технологии проведения процесса и используемого для окисления сырья.

 

 

1 — реактор окисления;2 — котел-утилизатор;3 — водяной холодильник конденсатор;4-воздушный холодильник-конденсатор;5 турбодетандер; 6 — сепараторы;7-колонна отгонки легких продуктов;8 — колонна отделения водно-кислотной фракции;9 — блок выделения янтарной кислоты;10—ректификационный блок осушки; 11 — 13 — ректификационные блоки выделения муравьиной, уксусной и пропионовой кислот;I — фракция углеводородов С₅ —С₈; II— воздух; III — вода; IV — вторичный пар;V — отработанный воздух на сжигание;VI — возвратный конденсат;VII — возвратный кубовый продукт;VIII — янтарная кислота;IX—муравьиная кислота; X — уксусная кислота;XI — пропионовая кислота.

Рисунок 1.4. Схема окисления бензина в жидкой фазе в кислоты С₁—С₃