ES2301852T3 - Procedimiento para la preparacion de terc.-butanol mediante una rectificante reactiva. - Google Patents
Procedimiento para la preparacion de terc.-butanol mediante una rectificante reactiva. Download PDFInfo
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Abstract
Procedimiento para la preparación de butanol terciario (TBA) por reacción con agua de una corriente de hidrocarburos de C4 que contiene isobuteno, en presencia de un catalizador sólido de carácter ácido, caracterizado porque en una primera etapa se llevan a reacción la corriente de hidrocarburos de C4 que contiene isobuteno y el agua, mediando adición de TBA en uno o varios reactores, y la mezcla obtenida se alimenta por debajo de la zona de reacción a una columna de destilación reactiva.
Description
Procedimiento para la preparación de
terc.-butanol mediante una rectificación reactiva.
El invento se refiere a un procedimiento para la
preparación de terc.-butanol (TBA) a partir de mezclas que contiene
isobuteno, con ayuda de una rectificación reactiva.
El terc.-butanol (TBA) es un importante producto
preparado a gran escala técnica y se utiliza como disolvente y como
producto intermedio para la preparación del éster metílico de ácido
metacrílico. Es un compuesto precursor para la preparación de
peróxidos, tales como peroxicetales, perésteres o peróxidos de
dialquilo, que tienen por lo menos un grupo butilo terciario. Estos
compuestos se emplean como agentes de oxidación y como agentes
iniciadores para reacciones con radicales, tales como por ejemplo la
polimerización de olefinas o la reticulación de materiales
sintéticos. Como compuesto intermedio, el terc.-butanol sirve para
la obtención de isobuteno puro a partir de mezclas de isobuteno.
Además de esto, éste es un reactivo para la introducción de grupos
butilo terciarios. Sus sales de metales alcalinos son unas bases
fuertes, que encuentran utilización en muchas síntesis.
El TBA se puede preparar por oxidación de
isobutano o resulta como producto de acoplamiento en el caso de la
epoxidación de olefinas con peróxido de terc.-butilo. Tales
procedimientos trabajan habitualmente en la fase líquida y pueden
ser subdivididos en dos grupos: a) los procedimientos, en los cuales
la reacción se efectúa en una solución acuosa de un catalizador y
b) los procedimientos catalíticos heterogéneos, en los cuales se
emplean unos catalizadores sólidos, que son insolubles en la fase de
reacción.
Los procedimientos catalíticos homogéneos
utilizan como catalizadores ácido sulfúrico, heteropoliácidos, ácido
p-tolueno-sulfónico u otros ácidos
fuertes. Estos catalizadores que tienen una alta actividad forman
con el producto de reacción habitualmente una fase homogénea, por
lo que el catalizador no puede ser separado por medios mecánicos.
Si el butanol terciario se obtiene por destilación a partir de la
solución de reacción, se disminuye el rendimiento por
retrorreacción y por la formación de productos secundarios.
La hidratación de isobuteno para formar
terc.-butanol con ayuda de catalizadores ácidos sólidos, que no son
solubles ni en los eductos (productos de partida) ni en los
productos finales, tiene la ventaja de que la mezcla de reacción
está exenta de ácidos y se puede tratar sin pérdidas por
retrodesdoblamiento o por otras reacciones secundarias para dar
terc.-butanol. La reacción transcurre junto a la superficie del
catalizador. Para que tenga lugar una reacción, ambos partícipes en
la reacción deben estar al mismo tiempo junto al sitio activo del
catalizador. Esto es dificultado por el hecho de que el agua y el
isobuteno, o respectivamente una mezcla de hidrocarburos que
contiene isobuteno, no son miscibles entre sí. Con el fin de obtener
unos grados aceptables de conversión, se utilizan frecuentemente
unos disolventes, que hacen posible una mezcla homogénea de agua y
de una mezcla empleada (de materiales de partida) con isobuteno.
En el documento de patente alemana DE 30.31.702
se describe el metanol para esta finalidad como disolvente tanto
para el agua como también para el isobuteno, o respectivamente para
una mezcla de hidrocarburos que contiene isobuteno. Como productos
se obtienen uno junto a otro terc.-butanol y
metil-terc.-butil-éter. Aquí es desventajoso el
hecho de que el disolvente tiene que ser separado de nuevo, en una
unidad de separación adicional, con respecto del producto deseado,
y por lo tanto trae consigo unos costos adicionales de aparatos y
de funciona-
miento.
miento.
En el documento de patente europea EP 0.010.993
se emplean ácidos carboxílicos alifáticos con 1 a 6 átomos de C
como disolventes para ambos productos de partida. En tal caso, como
productos secundarios resultan los ésteres butílicos terciarios de
estos ácidos. Éstos se tienen que hidrolizar para formar
terc.-butanol y ácidos carboxílicos. También en este caso resulta
desventajoso el hecho de que el disolvente tiene que ser separado
de nuevo, en una unidad adicional de separación, con respecto del
producto deseado, y por lo tanto trae consigo unos costos
adicionales de aparatos y de funcionamiento.
En el documento de solicitud de patente
internacional WO 99/33775 se describe un procedimiento para la
preparación de terc.-butanol por reacción de una mezcla, que se
compone de agua, de terc.-butanol y de isobuteno, o respectivamente
de una mezcla de hidrocarburos que contiene isobuteno, en presencia
de una resina intercambiadora de cationes dentro de un reactor de
múltiples etapas en serie. La temperatura de reacción en los
reactores individuales está situada por debajo de 65ºC. Una parte
del producto intermedio procedente del primer reactor se devuelve a
la entrada en el mismo reactor. La tasa de circulación (la cantidad
de mezcla de productos intermedios, que se devuelve de nuevo al
primer reactor, como una relación con la mezcla empleada) es en este
caso de 1,8 a 10, y la proporción en peso de alcohol terc.-butílico
frente a la mezcla de hidrocarburos (suma de isobuteno y
eventualmente de otros hidrocarburos) a la entrada en el primer
reactor es de 0,5 a 3,5. La mezcla no devuelta procedente del
primer reactor atraviesa, sin alimentación intermedia de agua, otros
dos reactores en un paso directo. El producto bruto procedente del
último reactor es tratado por destilación. Eventualmente, se
devuelve al primer reactor una parte del terc.-butanol obtenido.
Resulta desventajoso en este procedimiento el pequeño rendimiento
de espacio y
tiempo.
tiempo.
En el documento DE 030.25.262 y en el documento
de patente de los EE.UU. US 6111148 se divulga un procedimiento
para la preparación de TBA a partir de isobuteno y agua, en el cual
el producto buscado, terc.-butanol, se emplea como agente
solubilizante entre el isobuteno y el agua. En tal caso, una mezcla
de isobuteno, o respectivamente una mezcla de hidrocarburos que
contiene isobuteno, de agua y de terc.-butanol se hace reaccionar,
en presencia de una resina intercambiadora de iones fuertemente
ácida en varios reactores conectados en serie, para formar el
terc.-butanol. La mezcla de reacción, que abandona el último
reactor, es destilada. Como producto de cabezas resulta una mezcla
a base de isobuteno que no ha reaccionado y eventualmente de
hidrocarburos inertes en las condiciones de reacción, procedentes
del educto. Como producto de colas se obtiene una solución acuosa de
terc.-butanol. Una parte de éste es devuelta al primer reactor.
Todos los procedimientos mencionados poseen la
desventaja de que a causa de la posición de equilibrio
termodinámico, no es posible una conversión química total de
isobuteno en TBA. Como consecuencia de esto, tampoco es posible
liberar totalmente del isobuteno a una fracción de hidrocarburos
C_{4} que contiene isobuteno, p. ej. el material refinado I.
Además, los procedimientos habituales tienen la desventaja de que la
reacción se tiene que llevar a cabo a bajas temperaturas, con el
fin de desplazar la posición de equilibrio en dirección al TBA.
Esto, sin embargo, tiene como consecuencia unas lentas velocidades
de reacción y por consiguiente unos grandes volúmenes de los
reactores.
reactores.
Para superar los equilibrios de reacción se ha
acreditado el concepto de la destilación reactiva en numerosas
reacciones técnicamente importantes. Se han de mencionar aquí unas
síntesis de éteres (de metil-terc.-butil-éter
(MTBE), etil-terc.-butil-éter (ETBE),
metil-terc. pentil-éter (TAME),
etil-terc.-pentil-éter (TAEE)), esterificaciones,
transesterificaciones, isomerizaciones, desdoblamientos de éteres o
deshidrataciones. El principio de la destilación reactiva se basa
en la destilación que transcurre paralelamente a la reacción. Los
productos de reacción se sacan selectivamente desde el recinto de
reacción y por consiguiente se eliminan desde el equilibrio.
En el documento US-A 5.258.560
se describe un procedimiento para la preparación de eteno, en el
cual una mezcla, que contiene por lo menos una isoolefina de
C_{4+} y un alcohol, se conduce a través de una zona de
destilación catalítica.
La preparación de alcoholes terciarios, en
particular del alcohol amílico terciario (terc.-pentanol) y del
alcohol butílico terciario mediante una destilación reactiva en
presencia de un intercambiador de iones de carácter ácido, se
describe en los documentos
EP-A-0.415.310 y DE 100.50.627. En
el documento EP-A-0.415.310 el
procedimiento se lleva a cabo en una columna de destilación reactiva
con estructuras tejidas enrolladas helicoidalmente. Por el
contrario, en el documento DE 100.50.627 se utilizan
empaquetamientos para múltiples finalidades preferentemente
provistos de estructuras, tal como son obtenibles en el comercio por
ejemplo como Katapak® de la entidad Sulzer AG o Montz Multipak de
la entidad Montz GMBH. El concepto de columna es igual en ambos
procedimientos, la parte de colas de la columna está rellena
exclusivamente con monturas internas de destilación, mientras que
la parte reforzadora está equipada preferiblemente de monturas
internas reactivas. Tanto en el documento
EP-A-0.415.310 como en el documento
DE 100.50.627 la mezcla de hidrocarburos de C_{4} se aporta por
debajo de la zona reactiva, mientras que por encima de la zona
reactiva el agua llega a la columna. Resulta desventajoso en este
modo de funcionamiento el hecho de que, en particular en el tramo
superior de la columna, sin el efecto solubilizante del alcohol
terciario se llega a desmezcladuras entre la fase orgánica y la
fase acuosa, lo cual limita decisivamente la eficacia de la
destilación y en particular de la reacción, con lo cual se
disminuye el rendimiento de espacio y tiempo en la columna de
destilación reactiva. Además, la velocidad de reacción se disminuye
mediante la hidratación de catalizador con agua, puesto que el
isobuteno, como compuesto no polar, solamente puede difundirse con
lentitud a través de la envoltura de
hidrato.
hidrato.
El documento DE 100.56.685 divulga un
procedimiento para la preparación de isobuteno a partir de una
corriente de C_{4} que contiene isobuteno y
n-buteno, en la cual primeramente, en una
destilación reactiva, se efectúa una conversión química en un
producto de transformación del isobuteno tal como MTBE, TBA o un
éster de un ácido carboxílico. Este producto de transformación es
purificado en una etapa de destilación y a continuación es
desdoblado de nuevo para formar isobuteno en una segunda destilación
reactiva. La aportación de la mezcla de hidrocarburos de C_{4}
que contiene isobuteno a la instalación de destilación reactiva se
efectúa en el caso de este procedimiento dentro del empaquetamiento
de catalizador.
Puesto que los procedimientos conocidos no son
satisfactorios en lo que se refiere al rendimiento de espacio y
tiempo en la columna de destilación reactiva y/o en lo que se
refiere a la selectividad y/o al contenido restante de isobuteno en
la fracción de C_{4} remanente, subsistía la misión de desarrollar
un procedimiento que se distinga por un más alto rendimiento de
espacio y tiempo, y por un grado de conversión casi total del
isobuteno.
Se encontró por fin que el rendimiento de
espacio y tiempo para la formación de TBA a partir de isobuteno y
agua, en presencia de un catalizador de carácter ácido en una
columna de destilación reactiva, y el grado de conversión del
isobuteno se pueden aumentar, y que el contenido de isobuteno en el
material destilado se pueden disminuir, cuando tanto la mezcla que
contiene isobuteno como también el agua se alimentan por debajo de
la zona de reacción.
En el documento EP 0.726.241 se divulga un
procedimiento para el desdoblamiento de TBA en isobuteno y agua, es
decir la reacción opuesta, mediante una destilación reactiva.
También en este caso la mezcla empleada es conducida por debajo de
la zona de reacción dentro de la columna de destilación reactiva. En
la zona reactiva se presenta una mezcla de TBA, isobuteno y agua,
que sin embargo no reacciona de retorno para formar TBA, sino que
se convierte casi totalmente en isobuteno y agua. De manera
sorprendente, este concepto de reactor se puede emplear también
para la formación de TBA a partir de agua e isobuteno.
Por consiguiente, es objeto del presente invento
un procedimiento para la preparación de butanol terciario (TBA) por
reacción con agua de una corriente de hidrocarburos de C_{4} que
contiene isobuteno, en presencia de un catalizador sólido de
carácter ácido, llevándose a reacción, en una primera etapa, la
corriente de hidrocarburos de C_{4} que contiene isobuteno y el
agua mediando adición de TBA, en uno o varios reactores, y la mezcla
obtenida se alimenta por debajo de la zona de reacción a una
columna de destilación reactiva.
En una variante del procedimiento, en la columna
de destilación reactiva se alimenta una mezcla a base de una
corriente de hidrocarburos de C_{4} que contiene isobuteno, de
agua y de TBA. Esta mezcla se puede obtener en un reactor
preliminar por reacción con agua de una corriente de hidrocarburos
de C_{4} que contiene isobuteno, y en presencia de un catalizador
sólido de carácter ácido.
De manera preferida, la reacción preliminar con
agua de una corriente de hidrocarburos de C_{4} que contiene
isobuteno, en presencia de un catalizador sólido de carácter ácido
hasta llegar a un grado de conversión del isobuteno de 65 a 97%
para dar terc.-butanol, y la mezcla así obtenida se alimenta a la
columna de destilación reactiva.
En el procedimiento conforme al invento es
esencial la aportación de la mezcla de reacción por debajo del
empaquetamiento de reacción. La aportación de agua y de una
corriente de hidrocarburos de C_{4} que contiene isobuteno en la
columna de destilación reactiva, puede efectuarse en el mismo sitio
o en diferentes sitios. P. ej. la aportación de agua puede
efectuarse por encima de la del hidrocarburo de C_{4}.
Un esquema de bloques de una instalación, en la
que se puede preparar TBA de acuerdo con el procedimiento conforme
al invento, se representa en la Figura 1. La mezcla de hidrocarburos
de C_{4} que contiene isobuteno, (1), es alimentada juntamente
con agua (2), que puede contener TBA como agente solubilizante, a
los reactores (3). Los reactores (3) se pueden componer de 1 a 5,
de manera preferida de 3 a 4 etapas. La mezcla previamente
reaccionada (5) se puede alimentar a la rectificación reactiva con
una opcional corriente de agua (4). La posición de alimentación
para la opcional corriente de agua (4) se efectúa en la parte de
colas de la columna de rectificación reactiva. De manera preferida,
la corriente de agua (4) es aportada a la misma altura de la
columna que la mezcla previamente reaccionada (5). En una forma de
realización especial del procedimiento, a la mezcla previamente
reaccionada (5), antes de la entrada en la columna de reacción, se
le puede aportar agua (4) adicional, lo cual puede conducir, por
encima de la concentración de saturación, también a una
desmezcladura en una fase orgánica y en una fase
acuosa.
acuosa.
Opcionalmente, puede suprimirse el reactor
preliminar, y la corriente (1) y el agua (2 o 4) se alimentan
directamente a la columna de destilación reactiva. Las posiciones
de afluencia se encuentran por debajo de la zona reactiva (6).
Entre la zona de afluencia y la zona de reacción se puede encontrar
una región de destilación. Por debajo de la zona reactiva se
encuentra una zona puramente de destilación, que sirve para la
separación del TBA y del agua eventualmente en exceso. El producto
de colas (10) contiene predominantemente TBA y agua, idealmente con
unas concentraciones de agua, que son menores que en el azeótropo de
agua y TBA. Opcionalmente, por encima de la zona reactiva, puede
seguir otra zona de destilación (8) con 0 a 10, preferiblemente con
0 a 6 etapas teóricas, con el fin de ajustar la concentración de
isobuteno en la zona de reacción. Como producto de cabezas (9) se
obtiene una mezcla de C_{4} con pequeños contenidos residuales de
isobuteno y de agua.
Las piezas componentes habituales tales como
bombas, compresores, válvulas y evaporadores no se representan en
el diagrama de conexiones en bloques, pero no obstante son piezas
componentes evidentes de una instalación.
De acuerdo con el procedimiento conforme al
invento, la reacción de isobuteno con agua para formar TBA se puede
llevar a cabo de manera preferida en dos etapas (véase la Figura 1).
La primera etapa implica la reacción del isobuteno existente en la
mezcla de C_{4} con agua, eventualmente mediando adición de TBA
como agente solubilizante, en uno o varios reactores, en el caso
ideal hasta que se ajuste el equilibrio termodinámico entre TBA,
agua e isobuteno en una solución homogénea. Los reactores de la
primera etapa pueden ser habituales reactores de lecho sólido fijo
con los mismos catalizadores, que se describen a continuación para
la segunda etapa. Los reactores se hacen funcionar de un modo usual
a 30 - 110ºC y 5 - 50 bares absolutos.
Unas composiciones típicas de las mezclas de
reacción así obtenidas se describen en los Ejemplos. Por regla
general, estas mezclas contienen por debajo de 20% en masa, en
particular por debajo de 15% en masa de isobuteno, que en la
siguiente segunda etapa, es decir en la columna de destilación
reactiva, se convierte químicamente en TBA de una manera muy
selectiva.
En la variante de procedimiento que trabaja con
un reactor preliminar, en el cual la corriente de sustancias que
contiene isobuteno se prepara por reacción con agua de una corriente
de hidrocarburos de C_{4} que contiene isobuteno, en presencia de
un catalizador de carácter ácido, esto puede efectuarse también con
un grado limitado de conversión de 65 a 97%. Se prefieren en este
contexto unos grados de conversión del isobuteno de 75 a 97%, en
particular de 80 a 96%, muy especialmente de 82 a 95%.
Esto es posible p. ej. haciendo reaccionar una
corriente de hidrocarburos de C_{4} que contiene isobuteno, en
varias etapas de reacción en presencia de un catalizador de lecho
sólido fijo de carácter ácido. En este caso los reactores están
conectados en serie y/o en paralelo entre sí. Los reactores
individuales se hacen funcionar en paso directo o en un modo de
funcionamiento de bucle. Como producto de reacción se obtiene a
partir del reactor preliminar, o del sistema de reactores
preliminares, una mezcla que, junto a las sustancias que no han
reaccionado, procedentes de la corriente de hidrocarburos de
C_{4}, tales como p. ej. isobutano, n-butano,
1-buteno y 2-buteno, también
contiene isobuteno, terc.-butanol y agua. Las concentraciones de
isobuteno, de terc.-butanol y de agua en tal caso se encuentran
próximas al equilibrio termodinámico a la respectiva temperatura en
la salida del reactor.
Como sustancias empleadas de partida del
procedimiento conforme al invento se pueden emplear unas mezclas de
hidrocarburos de C_{4} que contienen tanto isobuteno como también
butenos lineales, pero no contienen ningún derivado de acetileno y
contienen menos de 8000 ppm en masa de butadieno. Unas mezclas
técnicas, que pueden contener tanto isobuteno como también butenos
lineales, son por ejemplo fracciones de bencina ligera procedentes
de refinerías, fracciones de C_{4} procedentes de unidades de FCC
(craqueo catalítico fluidizado) o de craqueadores con vapor de
agua, mezclas procedentes de las síntesis de
Fischer-Tropsch, mezclas procedentes de una
deshidrogenación de butanos, mezclas de isomerización del esqueleto
de butenos lineales, y mezclas que se han formado por metátesis de
olefinas o por otros procesos técnicos.
Estas mezclas, después de la eliminación de los
compuestos múltiples veces insaturados, se pueden emplear en el
procedimiento conforme al invento. Por ejemplo, la obtención de una
apropiada mezcla de sustancias empleadas de partida a partir de la
fracción de C_{4} de un craqueador con vapor de agua, puede
efectuarse mediante extracción del butadieno o por su hidrogenación
selectiva para dar butenos lineales. Esta mezcla (material refinado
I o respectivamente de craqueo de C_{4} hidrogenado de manera
selectiva) se compone de n-butano, de isobutano, de
los tres butenos lineales y de isobuteno, y es un producto de
partida preferido para el procedimiento conforme al
invento.
invento.
Si la corriente de sustancias, que contiene
isobuteno, se alimenta junto con agua en la columna de destilación
reactiva por debajo del empaquetamiento reactivo, entonces los
hidrocarburos de C_{4} que hierven a una baja temperatura, suben
en forma de vapor hasta la zona de reacción y, a causa del azeótropo
mínimo de agua y de hidrocarburos de C_{4}, se transporta con el
producto de partida también una parte del agua en forma de vapor a
la zona de reacción. El TBA contenido eventualmente en la mezcla de
sustancias de partida empleadas y partes del agua quedan en la
parte de colas (parte inferior de la columna) y se sacan de un modo
regulado en el nivel.
Los hidrocarburos de C_{4}, contenidos en el
azeótropo, se componen, en el caso del empleo de una mezcla de
hidrocarburos de C_{4}, tal como p. ej. el material refinado I, a
base de isobuteno, isobutano, n-butano,
1-buteno y 2-butenos. El isobuteno y
el agua se convierten químicamente en la zona reactiva de la columna
en el TBA, que como producto de alto punto de ebullición afluye a
la parte de colas de la columna. Los demás componentes del
azeótropo no reaccionan con agua en las condiciones de reacción, y
son separados en la parte superior de la columna (parte de cabezas)
como un azeótropo que contiene agua.
En el caso ideal, la mezcla que se separa en la
parte de cabezas de la columna de destilación reactiva ya no
contiene nada o casi nada de isobuteno.
En otra variante de procedimiento, la mezcla
obtenida en la parte de cabezas de la columna de destilación
reactiva, es separada en una fase acuosa y en una fase orgánica, y
la fase acuosa es devuelta a la columna de destilación
reactiva.
Esta variante de procedimiento tiene la ventaja
de que el agua de reacción es conducida ampliamente en circuito y
que el producto de cabezas de la columna contiene solamente pequeñas
cantidades de agua.
Opcionalmente, una parte de la fase de material
destilado orgánico, o una parte del material destilado total, se
puede devolver a la columna de destilación reactiva.
La devolución de la fase acuosa de material
destilado puede efectuarse por encima y/o por debajo de la zona de
reacción, y la devolución de la fase de material destilado orgánico
puede efectuarse por encima de esta zona.
La columna de destilación reactiva contiene en
la columna reforzadora el catalizador, por debajo y por encima del
empaquetamiento de catalizador se encuentran unos platos de
separación o unos empaquetamientos de destilación. El catalizador o
bien está integrado en un empaquetamiento, por ejemplo KataMax®
(documento EP 0.428.265), KataPak® (documento EP 0.396.650) o
Multipak® (modelo de utilidad nº 298 7 007.3) o polimerizado sobre
cuerpos moldeados (documento US 5.244.929). De manera preferida, se
emplean unos empaquetamientos catalíticos con un alto contenido de
un catalizador, tales como p. ej. el Katapak-SP 12 o
de manera especialmente preferida el Katapak-SP
11.
Dentro del concepto genérico de la destilación
reactiva entran todas las medidas técnicas de procedimiento, en las
cuales se llevan a cabo simultáneamente una destilación y una
reacción. En los reactores descritos, esto se consigue mediante una
forma de realización especial de los empaquetamientos en una
columna. En el procedimiento conforme al invento es también posible
separar en el espacio estas zonas, sin renunciar a las ventajas de
una destilación
reactiva.
reactiva.
En una variante de procedimiento, la columna de
destilación reactiva está realizada como una columna de destilación
con uno o varios reactores situados en exterior, los cuales
contienen el catalizador y se hacen funcionar como corriente
secundaria.
El catalizador, tal como se muestra en la Figura
2, puede ser instalado total o parcialmente en reactores situados
en el exterior (11). De esta manera se puede emplear una mayor
cantidad del catalizador y se puede simplificar manifiestamente un
cambio de catalizador.
En una variante adicional, la columna de
destilación reactiva está realizada como una columna de destilación
con uno o varios reactores integrados en la parte de destilación,
los cuales contienen el catalizador.
Aquí, el catalizador, como se muestra en la
Figura 3, puede estar instalado total o parcialmente en reactores
integrados (12). Como un reactor integrado o como una etapa de
reacción integrada se ha de entender por ejemplo una carga a granel
de catalizador, que es recorrida solamente por una fase líquida y
por consiguiente hace posible un intenso contacto entre los
productos de partida y el catalizador. En el aspecto constructivo,
esto se puede realizar por ejemplo como en el caso del proceso
Catacol de la IFP, documento US 5.776.320 o también como una carga
a granel de catalizador en pozos o cubas de salida de un plato de
destilación. De esta manera, se puede emplear asimismo una mayor
cantidad de catalizador.
Como catalizador propiamente dicho se emplea en
ambas etapas del procedimiento un material sólido, que no es
soluble ni en la mezcla de sustancias de partida empleadas ni en la
mezcla de productos, con unos centros ácidos junto a su superficie.
El catalizador no debe entregar en las condiciones de reacción
ninguna sustancia de carácter ácido a la mezcla de productos,
puesto que esto conduciría a pérdidas de rendimiento.
Para la actividad de los catalizadores se
realiza que ellos, en las condiciones de reacción, dan lugar a la
reacción por adición de agua con isobuteno, pero apenas dan lugar a
la reacción por adición con butenos lineales. Además de esto, ellos
deben catalizar apenas la oligomerización de olefinas.
Un grupo de catalizadores ácidos, que se pueden
emplear en el procedimiento conforme al invento, lo constituyen
resinas sólidas intercambiadoras de iones con grupos de ácidos
sulfónicos. Apropiadas resinas intercambiadoras de iones son por
ejemplo las que se preparan por sulfonación de condensados de
fenoles y aldehídos o de cooligómeros de compuestos vinílicos
aromáticos. Ejemplos de compuestos vinílicos aromáticos para la
preparación de los cooligómeros son: estireno,
vinil-tolueno, vinil-naftaleno,
vinil-etil-benceno,
metil-estireno, vinil-clorobenceno,
vinil-xileno y divinil-benceno. En
particular los cooligómeros, que se forman por reacción de estireno
con divinil-benceno, se utilizan como etapa
precursora para la preparación de resinas intercambiadoras de iones
con grupos de ácidos sulfónicos. Las resinas se pueden preparar en
forma de gel, en forma macroporosa o en forma de esponja. Las
resinas fuertemente ácidas del tipo de estireno y compuesto
divinílico se venden, entre otros, con los siguientes nombres
comerciales: Duolite C20, Duolite C26, Amberlyst 15, Amberlyst 35,
Amberlite IR-120, Amberlite 200, Dowex 50, Lewatit
SPC 118, Lewatit SPC 108, Lewatit K2621, Lewatit K2629 y Lewatit
K2431.
Las propiedades de estas resinas, en particular
la superficie específica, la porosidad, la estabilidad, el
hinchamiento o respectivamente la contracción y la capacidad de
intercambio, se pueden hacer variar mediante el procedimiento de
preparación.
En el procedimiento conforme al invento, las
resinas intercambiadoras de iones se pueden emplear en su forma de
H. Se emplean de manera preferida unas resinas macroporosas, tales
como por ejemplo las Lewatit SCP 118, Lewatit SCP 108, Amberlyst 15
o Amberlyst 35, Lewatit K2621, Lewatit K2629 o Lewatit K2431. El
volumen de poros es de 0,3 a 0,9 ml/g, en particular de 0,5 a 0,9
ml/g. El tamaño de granos de la resina está situado entre 0,3 mm y
1,5 mm, en particular entre 0,5 mm y 1,0 mm. La distribución de
tamaños de granos se puede escoger más estrecha o más amplia. Así,
por ejemplo, se pueden emplear unas resinas intercambiadoras de
iones con un tamaño de granos muy uniforme (resinas monodispersas).
La capacidad de ácido del intercambiador de iones, referida a la
forma de suministro, es de 0,7 - 2,0 eq/l, en particular de 1,1 -
2,0 eq/l.
La separación por destilación en la
rectificación reactiva se lleva a cabo con monturas internas, que se
componen de platos, monturas internas rotatorias, o
empaquetamientos desordenados y/o desordenados.
En los casos de los platos de las columnas pasan
a emplearse los siguientes tipos:
- -
- Platos con perforaciones o rendijas en la placa de fondo.
- -
- Platos con gargantas o chimeneas, que están cubiertas por campanas, caperuzas o sombreretes.
- -
- Platos con perforaciones en la placa de fondo, que están cubiertos por válvulas movibles.
- -
- Platos con construcciones especiales.
En columnas con monturas internas rotatorias, el
material de reflujo es atomizado o bien a través de embudos
rotatorios, o es diseminado con ayuda de un rotor como una película
sobre una pared tubular calentada.
Las columnas utilizadas en el procedimiento
conforme al invento pueden ser cargas a granel desordenadas con
diferentes cuerpos de relleno. Ellas se pueden componer a base de
casi todos los materiales técnicos - acero, acero inoxidable,
cobre, carbono, loza, porcelana, vidrio, materiales sintéticos, etc.
- y en diferentes formas - esferas, anillos con superficies lisas o
perfiladas, anillos con puentes internos o perforaciones en las
paredes, anillos con redes de alambre, cuerpos en forma de sillas de
montar y espirales -.
Los empaquetamientos con una geometría regular
se pueden componer p. ej. a base de chapas o tejidos. Ejemplos de
tales empaquetamientos son empaquetamientos tejidos BX de Sulzer a
base de un metal o de un material sintético, empaquetamientos
laminares Mellapak de Sulzer a base de chapa metálica,
empaquetamientos de alto rendimiento, tales como MellapakPlus,
empaquetamientos estructurados de Sulzer (Optiflow), Montz (BSH) y
Kühni
(Rombopak).
(Rombopak).
Como columna de rectificación reactiva, en la
que se hace reaccionar el isobuteno y en la que se retira como
producto de colas una corriente rica en TBA, tiene un número de
etapas de separación de 2 a 60, en particular de 3 a 50. En tal
caso resultan de 5 a 58 etapas de separación en la parte de colas,
de 2 a 55 etapas de reacción en la zona de reacción y de 0 a 20
etapas de separación en la parte reforzadora por encima de la zona
de reacción. La posición de afluencia se encuentra situada por
debajo de la zona reactiva. El agua y la mezcla que ha reaccionado
previamente se introducen de manera preferida en la misma
posición.
La presión de funcionamiento de la columna de
destilación reactiva, medida junto a la parte de cabezas de la
columna, está situada entre 3 y 30 bares absolutos, en particular
entre 4 y 12 bares absolutos. La relación de reflujo está situada
en el intervalo de 0,5 a 40, en particular en el intervalo de 0,9 a
20.
La mezcla empleada de hidrocarburos de partida
puede ser alimentada juntamente con agua y con TBA opcional como
agente solubilizante a los reactores preliminares. Como
catalizadores se utilizan los mismos que en la columna de
destilación reactiva. De manera preferida, la reacción preliminar se
lleva a cabo en 2, 3, 4 ó 5 etapas. En tal caso resulta una mezcla
de TBA, agua, isobuteno y otros hidrocarburos.
El procedimiento conforme al invento se puede
llevar a cabo con una mezcla homogénea, es decir con una mezcla
saturada con agua, o con una mezcla heterogénea.
Si el procedimiento se realiza en dos etapas
(reacción preliminar y reacción en una columna de destilación
reactiva), en la parte de afluencia de la columna de destilación
reactiva puede estar contenida más cantidad de agua que la que se
consume para la conversión total del isobuteno todavía presente. Si
en la mezcla de reacción de la primera etapa está contenida
demasiada poca cantidad de agua, entonces se debería conducir agua
adicional a la columna de destilación reactiva.
En el procedimiento conforme al invento resulta
un material destilado, que preferiblemente contiene menos de 700,
en particular menos 450 ppm en masa de isobuteno, de manera muy
especial menos que 400 ppm en masa. A partir del material refinado
II, obtenido de esta manera, se pueden eliminar las trazas de
butadieno mediante una hidrogenación selectiva. Esta mezcla puede
ser separada por destilación en isobutano, 1-buteno
y una mezcla de 2-butenos y
n-butano, o en isobutano y una mezcla de butenos
lineales y n-butano.
En el caso del tratamiento de un material
destilado con menos de 450 ppm en masa de isobuteno, se puede
obtener un 1-buteno con menos de 1.000 ppm en masa
de isobuteno, que es un producto intermedio solicitado. Éste se
emplea por ejemplo como un comonómero en el caso de la preparación
de un polietileno (LLDPE o HDPE = polietileno de muy baja densidad
o de alta densidad) así como de copolímeros de etileno y propileno.
Éste encuentra empleo además como agente de alquilación y es una
sustancia de partida para la preparación de
butan-2-ol, óxido de buteno y
valeraldehído.
Una utilización adicional del material refinado
II, casi exento de isobuteno, que se ha preparado de acuerdo con el
invento, es la preparación de oligómeros de
n-buteno, en particular de acuerdo con el proceso
Octol.
Los hidrocarburos que quedan atrás a partir del
material refinado II después de una separación o respectivamente de
una reacción de los butenos lineales, se pueden tratar eventualmente
después de una hidrogenación (CSP) para dar isobutano y
n-butano.
El producto de colas, que contiene TBA, agua y
compuestos de alto punto de ebullición, tales como olefinas de
C_{8}, se puede utilizar directamente o se puede elaborar. De
acuerdo con procedimientos conocidos, a partir de esto se pueden
preparar TBA y un azeótropo de TBA y agua, o solamente TBA. Unas
calidades de TBA pobres en agua se pueden utilizar como componentes
de combustibles.
La ventaja del procedimiento conforme al invento
consiste en que, en comparación con procedimientos convencionales,
se puede conseguir un alto grado de conversión de isobuteno, sin que
sean necesarios grandes volúmenes del reactor. Esto es posible
solamente mediante las operaciones combinadas de separación de
sustancias y de reacción en la rectificación reactiva.
Los siguientes Ejemplos deben explicar el
invento sin restringir su amplitud de aplicación, que se establece
a partir de la memoria descriptiva y las reivindicaciones de esta
patente.
\vskip1.000000\baselineskip
La corriente de material refinado, empleada para
los ensayos, tenía la siguiente composición:
- n-Butano:
- 8,2%
- iso-Butano:
- 2,3%
- 1-Buteno:
- 29,8%
- 2-Buteno (cis + trans):
- 14,2%
- Isobuteno:
- 45,5%
El contenido de isobuteno en el material
refinado está situado típicamente en el intervalo de 35 hasta
55%.
\vskip1.000000\baselineskip
1^{er}
Ejemplo
(De acuerdo con el
invento)
La preparación de terc.-butanol se efectuó en
una instalación realizada según la Figura 1, habiéndose investigado
con fines de simplificación en primer lugar solamente la destilación
reactiva.
El diámetro de columna de la columna de
rectificación reactiva era en este caso de 80 mm. En la parte
inferior de la columna se habían realizado 10 platos de campanas de
laboratorio como parte de colas de destilación (7), por encima de
ella se encontraba la parte reactiva de la columna (6), que estaba
provista, a lo largo de una altura de 3.000 mm, de elementos
Katapak-SP 12 de la entidad Sulzer. La afluencia se
efectuaba por debajo de la parte de reacción de la columna y se
componía de una mezcla previamente reaccionada (5), así como de una
corriente de agua (4) adicional. Los números de las corrientes en la
siguiente tabla se correspondían con lo representado en la Figura
1. Los datos en tantos por ciento se han de leer como % en masa.
Como catalizador se empleaba el Amberlyst 35. La proporción de
catalizador en la zona reactiva era de 25% en volumen.
La presión de la columna de rectificación
reactiva era de 7 bares. La relación de reflujo estaba situada en
15.
\vskip1.000000\baselineskip
2º
Ejemplo
(De acuerdo con el
invento)
La preparación de terc.-butanol se efectuó en
una instalación realizada totalmente según la Figura 1.
Como reactores preliminares se utilizaron 3
reactores de laboratorio con Amberlyst 35. El agua de reacción se
añadía de un modo escalonado. El primer reactor tenía un volumen del
catalizador de 1 l y se hacía funcionar con un circuito externo de
3,0 kg/h a una temperatura de entrada de 60ºC. El caudal de
afluencia de material refinado I de nueva aportación (1) era de 1
kg/h, y la cantidad de agua de proceso era de 0,08 kg/h (2). El
segundo reactor tenía asimismo un volumen del catalizador de 1 l y
se hacía funcionar en un paso en una sola vez a una temperatura de
entrada de 55ºC. La cantidad de agua de proceso para el segundo
reactor era de 0,05 kg/h (2a). El tercer reactor tenía un volumen
del catalizador de 1 l y se hacía funcionar en un paso en una sola
vez a una temperatura de entrada de 55ºC. La cantidad de agua de
proceso para el tercer reactor era de 0,043 kg/h (2b). La presión
de la instalación se ajustaba a 11,6 bares a la entrada en el primer
reactor. Con el fin de obtener una suficiente cantidad de producto
para la subsiguiente destilación, el producto de los reactores se
reunía en primer lugar y luego se empleaba como corriente de
afluencia a la columna.
El diámetro de columna de la columna de
rectificación reactiva era en este caso de 80 mm. En la parte
inferior de la columna se habían realizado 15 platos de campanas de
laboratorio como parte de colas de destilación (7), por encima de
ella se situaba la parte reactiva de la columna (6), que estaba
provista a lo largo de una altura de 3.000 mm de elementos Katapak
SP 12 de la entidad Sulzer. La afluencia en la columna se efectuaba
por debajo de la parte de reacción de la columna y se componía de
una mezcla previamente reaccionada (5) sin ninguna corriente de
agua adicional (4). Los números de las corrientes en la siguiente
tabla se correspondían con lo representado en la Figura 1. Los
datos en tantos por ciento se pueden leer como % en masa. Como
catalizador se empleaba Amberlyst 35. La proporción del catalizador
en la zona reactiva era de 25% en volumen.
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
La presión de la columna de rectificación
reactiva fue de 7 bares. La relación de reflujo estaba situada en
15.
\vskip1.000000\baselineskip
3^{er}
Ejemplo
(De
comparación)
La preparación de terc.-butanol se efectuaba en
una instalación realizada según la Figura 1, con las condiciones
del Ejemplo 1, habiéndose modificado solamente la aportación de agua
y efectuándose ésta por encima de la parte de reacción. El grado de
conversión alcanzado era peor, como se puede reconocer en la
siguiente tabla con ayuda de las concentraciones de isobuteno en el
material destilado (9).
\vskip1.000000\baselineskip
Los Ejemplos demuestran que en el procedimiento
conforme al invento, en el que tanto la corriente que contiene
isobuteno como también eventualmente el agua se alimentan por debajo
de la zona reactiva, se obtiene un mayor grado de conversión del
isobuteno y por consiguiente un material destilado con menor
contenido de isobuteno, que en el caso de un procedimiento
habitual.
Claims (9)
1. Procedimiento para la preparación de butanol
terciario (TBA) por reacción con agua de una corriente de
hidrocarburos de C_{4} que contiene isobuteno, en presencia de un
catalizador sólido de carácter ácido,
caracterizado porque
en una primera etapa se llevan a reacción la
corriente de hidrocarburos de C_{4} que contiene isobuteno y el
agua, mediando adición de TBA en uno o varios reactores, y la mezcla
obtenida se alimenta por debajo de la zona de reacción a una
columna de destilación reactiva.
2. Procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 1,
caracterizado porque
se alimentan a la columna de destilación
reactiva una corriente de hidrocarburos de C_{4} que contiene
isobuteno, el agua y el terc.-butanol.
3. Procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 1 ó 2,
caracterizado porque
en primer lugar, una corriente de hidrocarburos
de C_{4} que contiene isobuteno, se hace reaccionar con agua en
presencia de un catalizador sólido de carácter ácido hasta llegar a
un grado de conversión del isobuteno de 65 a 97% en terc.-butanol y
la mezcla obtenida de esta manera se alimenta a la columna de
destilación reactiva.
4. Procedimiento de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 3,
caracterizado porque
la mezcla obtenida en la parte de cabezas de la
columna de destilación reactiva es separada en una fase acuosa y en
una fase orgánica, y la fase acuosa es devuelta a la columna de
destilación reactiva.
5. Procedimiento de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 4,
caracterizado porque
la columna de destilación reactiva está
realizada como una columna de destilación con uno o varios reactores
situados en el exterior, que contienen el catalizador y que se
hacen funcionar en una corriente secundaria.
6. Procedimiento de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 4,
caracterizado porque
la columna de destilación reactiva está
realizada como una columna de destilación con uno o varios reactores
integrados en la parte de destilación, los cuales contienen el
catalizador.
7. Procedimiento de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 6,
caracterizado porque
en la columna de destilación reactiva se
alimenta una mezcla homogénea, saturada con agua.
8. Procedimiento de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 6,
caracterizado porque
en la columna de destilación reactiva se
alimenta una mezcla heterogénea.
9. Procedimiento de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 8,
caracterizado porque
la alimentación de la corriente de hidrocarburos
de C_{4} que contiene isobuteno, y la del agua se efectúan en
diferentes sitios de la columna de destilación reactiva.
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