ES2316966T3 - Metodo para mejorar el funcionemiento de un proceso de fabricacion. - Google Patents

Metodo para mejorar el funcionemiento de un proceso de fabricacion. Download PDF

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Abstract

Un método para mejorar el funcionamiento de un proceso existente de elaboración de óxido de etileno, dicho método comprende: cargar una primera alimentación del reactor, que tiene una primera concentración de dióxido de carbono, en un sistema de reacción de epoxidación que comprende un reactor de epoxidación que contiene un primer volumen de un catalizador de epoxidación de alta actividad; producir por dicho sistema de reacción de epoxidación una primera corriente efluente del reactor de epoxidación; cargar al menos una parte de dicha corriente efluente del reactor de epoxidación a un absorbente de óxido de etileno utilizado para separar dicha primera corriente efluente del reactor de epoxidación en una primera corriente de reciclado, que tiene una segunda concentración de dióxido de carbono, y una primera corriente de óxido de etileno; dividir dicha primera corriente de reciclado en una primera parte dividida y una primera parte remanente; proporcionar un sistema de eliminación de dióxido de carbono que incluye un absorbente de dióxido de carbono y un regenerador de disolvente, en donde dicho absorbente de dióxido de carbono prevé recibir un gas de alimentación que contiene dióxido de carbono y poner en contacto dicho gas de alimentación que contiene dióxido de carbono con un disolvente pobre para producir un disolvente rico y una corriente gaseosa exenta de dióxido de carbono, y en donde dicho regenerador de disolvente prevé recibir dicho disolvente rico y separar del mismo el dióxido de carbono y producir dicho disolvente pobre y una corriente gaseosa de dióxido de carbono; cargar al menos una parte de dicha primera parte remanente en dicho sistema de eliminación de dióxido de carbono como dicho gas de alimentación que contiene dióxido de carbono para producir como dicha corriente gaseosa exenta de dióxido de carbono una segunda corriente de reciclado, que tiene una tercera concentración de dióxido de carbono, y para producir como dicha corriente gaseosa de dióxido de carbono una primera corriente de descarga de dióxido de carbono; combinar al menos una parte de dicha primera parte dividida y al menos una parte de dicha segunda corriente de reciclado con oxígeno y etileno para formar de esta manera dicha primera alimentación del reactor; extraer de dicho reactor de epoxidación al menos una parte de dicho primer volumen de catalizador de epoxidación de alta actividad y reemplazarlo con una carga de reemplazo de un segundo volumen de un catalizador de epoxidación de alta selectividad para proporcionar un sistema modificado de reacción de epoxidación; cargar una segunda alimentación del reactor, que contiene una cuarta concentración de dióxido de carbono que es menor que dicha primera concentración de dióxido de carbono, a dicho sistema modificado de reacción de epoxidación con dicha carga de reemplazo; producir a partir de dicho sistema modificado de reacción de epoxidación una segunda corriente efluente del reactor de epoxidación; cargar al menos una parte de dicha segunda corriente efluente del reactor de epoxidación a dicho absorbente de óxido de etileno utilizado para separar dicha segunda corriente efluente del reactor de epoxidación en una tercera corriente de reciclado, que tiene una quinta concentración de dióxido de carbono, y una segunda corriente de óxido de etileno; dividir dicha tercera corriente de reciclado en una segunda parte dividida, de haber alguna, y una segunda parte remanente; cargar al menos una parte de dicha segunda parte remanente a dicho sistema de eliminación de dióxido de carbono como dicha corriente gaseosa de alimentación que contiene dióxido de carbono para producir como dicha corriente gaseosa exenta de dióxido de carbono una cuarta corriente de reciclado, que contiene una sexta concentración de dióxido de carbono, y para producir como dicha corriente gaseosa de dióxido de carbono una segunda corriente de descarga de dióxido de carbono; y combinar al menos una parte de dicha segunda parte dividida, de existir, en al menos una parte de dicha cuarta corriente de reciclado con oxígeno y etileno para formar así dicha segunda alimentación del reactor.

Description

Método para mejorar el funcionamiento de un proceso de fabricación.
La presente invención se refiere a una mejora en el funcionamiento de un proceso existente de elaboración de óxido de etileno, modificando el sistema de reacción.
Con anterioridad al descubrimiento de catalizadores de epoxidación de etileno de alta selectividad utilizados para la oxidación parcial de etileno a óxido de etileno e, incluso en algunos casos después del descubrimiento de los catalizadores de alta selectividad, los sistemas de procesos de elaboración de óxido de etileno estaban diseñados para el uso de catalizadores de epoxidación de etileno de alta actividad. El uso de catalizadores de epoxidación de etileno de alta actividad requería temperaturas de reacción más bajas para lograr una determinada producción de óxido de etileno.
En los últimos años se han desarrollado nuevos catalizadores altamente selectivos que brindan ventajas de selectividad frente a los catalizadores de epoxidación de etileno de alta actividad desarrollados anteriormente. Tales catalizadores de alta selectividad son conocidos a través de las Patentes Estadounidenses 4.761.394 y 4.766.105. No obstante, debido a su menor actividad, los catalizadores de alta selectividad emplean temperaturas de reacción más altas para un determinado rendimiento de óxido de etileno.
Un típico sistema de elaboración de óxido de etileno, en general, comprende un sistema de reacción de epoxidación, un sistema de recuperación de óxido de etileno, y un sistema de eliminación de dióxido de carbono. Estos sistemas están operativamente conectados uno con el otro de modo que proporcionen la oxidación parcial del etileno con oxígeno para producir óxido de etileno y la recuperación del producto de óxido de etileno. El dióxido de carbono es un subproducto no deseado de la reacción de epoxidación y normalmente es eliminado del sistema de elaboración de óxido de etileno a una velocidad que se aproxima a su producción a los efectos de evitar su acumulación en el sistema.
El documento EP-A-0557833 describe la preparación de óxido de etileno por oxidación de etileno con oxígeno en presencia de al menos dos catalizadores de plata de diferentes selectividad y actividad los cuales se emplean en una carga de catalizador combinada mediante la cual la mezcla de reacción se pone en contacto con catalizadores de plata que son cada vez más activos y cada vez menos selectivos al pasar a través del reactor.
Normalmente, los sistemas de elaboración de óxido de etileno están diseñados teniendo en cuenta un cierto tipo de catalizador de epoxidación y, antes de la llegada de los catalizadores de alta selectividad, muchos sistemas de elaboración de etileno estaban diseñados para el uso de catalizadores de epoxidación de alta actividad. Como se utiliza en la presente memoria con referencia a la selectividad de un catalizador, el término "selectividad", S_{w}, significa el porcentaje (%) en moles del óxido de etileno deseado que se forma en relación al total de etileno convertido a una determinada velocidad de trabajo, w, para un catalizador, definiéndose la velocidad de trabajo como la cantidad de óxido de etileno producida por unidad de volumen de catalizador (por ej. kg por m^{3}) por hora. Como se utiliza en la presente memoria con referencia a la actividad de un catalizador, el término "actividad", T_{w}, significa la temperatura requerida para alcanzar una determinada velocidad de trabajo. Por lo tanto, un catalizador de epoxidación de alta actividad es un catalizador que emplea una temperatura de reacción más baja para un determinado rendimiento de óxido de etileno por cantidad de catalizador de epoxidación en comparación con un catalizador de epoxidación alternativo. Y un catalizador de epoxidación de alta selectividad es un catalizador que, para una temperatura determinada, proporciona un mayor porcentaje de una alimentación convertida a producto de óxido de etileno, que un catalizador de epoxidación alternativo.
Con el desarrollo de catalizadores de alta selectividad, se ha hallado que en muchas circunstancias puede haber diversas ventajas económicas y operativas por la utilización de tales catalizadores de alta selectividad en la elaboración de óxido de etileno, en lugar de catalizadores de alta actividad. En los sistemas convencionales de elaboración de óxido de etileno diseñados para utilizar catalizadores de oxidación de etileno de alta actividad puede haber grandes ventajas en reemplazar el catalizador de alta actividad por un catalizador de oxidación de etileno de alta selectividad. Pero, dadas las diferencias en las características de ambos tipos de catalizadores, el diseño de un sistema de elaboración de óxido de etileno que utiliza el catalizador de alta actividad puede ser tal que impida el simple reemplazo del catalizador de alta actividad por un catalizador de alta selectividad. Dado que el catalizador de alta actividad normalmente emplea una temperatura de reacción más baja que el catalizador de alta selectividad, el sistema de reacción a menudo está diseñado para temperaturas y presiones de funcionamiento más bajas. Asimismo, la cantidad de subproducto de dióxido de carbono producido en una reacción de epoxidación que utiliza un catalizador de alta actividad, a diferencia de uno que utiliza un catalizador de alta selectividad, tiende a ser considerablemente mayor. Esto tiene como resultado mayores concentraciones de dióxido de carbono en la alimentación del reactor de epoxidación y en la corriente efluente del reactor de epoxidación. Estas diferencias en la concentración de dióxido de carbono pueden tener un impacto en el diseño y el funcionamiento del sistema de eliminación de dióxido de carbono así como en la reacción de epoxidación y el sistema de reacción.
En consecuencia, en los sistemas de procesos de elaboración de óxido de etileno diseñados para el uso de catalizadores de epoxidación de alta actividad es necesario proporcionar el reemplazo del catalizador de alta actividad por un catalizador de alta selectividad a los efectos de aprovechar las ventajas de tales catalizadores.
Otros aspectos, objetos, y varias ventajas de la invención resultarán evidentes a la luz de la siguiente descripción.
De conformidad con la invención, se proporciona un método para mejorar el funcionamiento de un proceso existente de elaboración de óxido de etileno, dicho método comprende:
cargar una primera alimentación del reactor, que tiene una primera concentración de dióxido de carbono, en un sistema de reacción de epoxidación que comprende un reactor de epoxidación que contiene un primer volumen de un catalizador de epoxidación de alta actividad;
producir por dicho sistema de reacción de epoxidación una primera corriente efluente del reactor de epoxidación;
cargar al menos una parte de dicha primera corriente efluente del reactor de epoxidación en un absorbente de óxido de etileno utilizado para separar dicha primera corriente efluente del reactor de epoxidación en una primera corriente de reciclado, que tiene una segunda concentración de dióxido de carbono, y una primera corriente de óxido de etileno;
dividir dicha primera corriente de reciclado en una primera parte dividida y una primera parte remanente;
proporcionar un sistema de eliminación de dióxido de carbono que incluye un absorbente de dióxido de carbono y un regenerador de disolvente, en donde dicho absorbente de dióxido de carbono recibe un gas de alimentación que contiene dióxido de carbono y poner en contacto dicho gas de alimentación que contiene dióxido de carbono con un disolvente pobre para producir un disolvente rico y una corriente gaseosa exenta de dióxido de carbono, y en donde dicho regenerador de disolvente recibe dicho disolvente rico y separar del mismo el dióxido de carbono y producir dicho disolvente pobre y una corriente gaseosa de dióxido de carbono;
cargar al menos una parte de dicha primera parte remanente a dicho sistema de eliminación de dióxido de carbono como dicho gas de alimentación que contiene dióxido de carbono para producir como dicha corriente gaseosa exenta de dióxido de carbono una segunda corriente de reciclado, que tiene una tercera concentración de dióxido de carbono, y para producir como dicha corriente gaseosa de dióxido de carbono una primera corriente de descarga de dióxido de carbono;
combinar al menos una parte de dicha primera parte dividida y al menos una parte de dicha segunda corriente de reciclado con oxígeno y etileno para formar de esta manera dicha primera alimentación del reactor;
extraer de dicho reactor de epoxidación al menos una parte de dicho primer volumen de catalizador de epoxidación de alta actividad y reemplazarlo con una carga de reemplazo de un segundo volumen de un catalizador de epoxidación de alta selectividad para proporcionar un sistema modificado de reacción de epoxidación;
cargar una segunda alimentación de reactor, que tiene una cuarta concentración de dióxido de carbono que es menor que dicha primera concentración de dióxido de carbono, a dicho sistema modificado de reacción de epoxidación con dicha carga de reemplazo;
producir a través de dicho sistema modificado de reacción de epoxidación una segunda corriente efluente del reactor de epoxidación;
cargar al menos una parte de dicha segunda corriente efluente del reactor de epoxidación a dicho absorbente de óxido de etileno utilizado para separar dicha segunda corriente efluente del reactor de epoxidación en una tercera corriente de reciclado, que tiene una quinta concentración de dióxido de carbono, y una segunda corriente de óxido de etileno;
dividir dicha tercera corriente de reciclado en una segunda parte dividida, de haber alguna, y una segunda parte remanente;
cargar al menos una parte de dicha segunda parte remanente a dicho sistema de eliminación de dióxido de carbono como dicha corriente gaseosa que contiene dióxido de carbono para producir como dicha corriente gaseosa exenta de dióxido de carbono una cuarta corriente de reciclado, que tiene una sexta concentración de dióxido de carbono, y para producir como dicha corriente gaseosa de dióxido de carbono una segunda corriente de descarga de dióxido de carbono; y
combinar al menos una parte de dicha segunda parte dividida, de existir, en al menos una parte de dicha cuarta corriente de reciclado con oxígeno y etileno para formar así dicha segunda alimentación del reactor.
La invención también proporciona un proceso para elaborar óxido de etileno, que comprende elaborar óxido de etileno realizando un proceso de elaboración de óxido de etileno que ha sido mejorado por el método de la invención.
La Fig. 1 es una representación esquemática de un sistema de proceso de elaboración de óxido de etileno; y
la Fig. 2 es una representación esquemática del sistema de proceso de elaboración de óxido de etileno de la Fig. 1 con un sistema modificado de reacción de epoxidación.
La Fig. 3 demuestra la mejora en la vida y selectividad catalíticas de un catalizador de alta selectividad con gráficas de selectividad catalítica ("S", en %), a una determinada velocidad de trabajo, en función de la producción acumulativa de óxido de etileno ("P", en kton/m^{3}) para el uso de un catalizador de epoxidación de alta selectividad ("I") en condiciones de una concentración de dióxido de carbono relativamente baja en la alimentación de epoxidación en comparación con el uso convencional de un catalizador de epoxidación de alta selectividad ("II") y el uso convencional de un catalizador de alta actividad ("III");
la Fig. 4 demuestra la mejora en la vida catalítica y la temperatura de reacción con gráficas de temperatura refrigerante de reacción ("T", en ºC) en función de la producción acumulativa de óxido de etileno ("P", en kton/m^{3}) para el uso de un catalizador de epoxidación de alta selectividad ("I")en condiciones de una concentración de dióxido de carbono relativamente baja en la alimentación de epoxidación en comparación con el uso convencional de un catalizador de epoxidación de alta selectividad ("II") y al uso convencional de un catalizador de alta actividad ("III"); y
la Fig. 5 presenta gráficas de la concentración de dióxido de carbono en la entrada al reactor ("CO_{2}", en % molar) en función de la producción acumulativa de óxido de etileno ("P", en kton/m^{3}) correspondiente a los valores de selectividad y temperatura refrigerante del reactor presentados en la Fig. 3 y en la Fig. 4.
El método de la invención contempla mejorar el funcionamiento de un sistema existente de elaboración de óxido de etileno que ha sido diseñado para utilizar catalizadores de epoxidación que son altamente activos pero generalmente menos selectivos que algunos de los catalizadores de epoxidación altamente selectivos recientemente desarrollados. En el sistema de elaboración de óxido de etileno del método de la invención, el reactor de epoxidación contiene un primer volumen de catalizador de epoxidación de alta actividad. Este primer volumen de catalizador de epoxidación de alta actividad es reemplazado, total o parcialmente, por un segundo volumen de catalizador de alta selectividad.
Aunque este catalizador de alta selectividad proporciona un aumento del rendimiento de óxido de etileno para una determinada alimentación de etileno con una producción reducida de subproducto de dióxido de carbono, el catalizador de mayor selectividad es menos activo que el catalizador de alta actividad, requiriendo por lo tanto una temperatura del reactor más alta. Estas temperaturas más altas del reactor de epoxidación normalmente no pueden lograrse con el equipo de reactor de epoxidación existente, debido a diversas limitaciones mecánicas de los sistemas que utilizan el catalizador de alta actividad.
Se ha hallado, no obstante, que en el uso de catalizadores de epoxidación de alta selectividad en la elaboración de óxido de etileno mediante la oxidación parcial de etileno con oxígeno a una conversión o velocidad de trabajo constante, la concentración de dióxido de carbono de la alimentación del reactor de epoxidación afecta a la selectividad del catalizador y, reduciendo la concentración de dióxido de carbono de la alimentación del reactor de epoxidación, pueden lograrse reducciones significativas en la temperatura del reactor, permitiendo de este modo aprovechar las ventajas proporcionadas por el reemplazo del catalizador de alta actividad por el catalizador de alta selectividad. También se ha descubierto que pueden lograrse grandes mejoras en la vida útil del catalizador, reduciendo la concentración de dióxido de carbono de la alimentación del reactor de epoxidación.
Por lo tanto, el método de la invención puede incluir, además de la eliminación de al menos una parte del primer volumen de catalizador de alta actividad del reactor de epoxidación y el reemplazo de la misma por un segundo volumen de catalizador de alta selectividad para dar un sistema modificado de reacción de epoxidación, modificaciones en el funcionamiento o equipo, o ambos, del sistema de eliminación de dióxido de carbono para proporcionar la capacidad de eliminar dióxido de carbono del sistema de proceso de elaboración de óxido de etileno de modo que proporcione la menor concentración requerida de dióxido de carbono en la alimentación del reactor de epoxidación.
Tras reemplazar el catalizador de alta actividad del sistema de reacción de epoxidación por un catalizador de alta selectividad, es importante que la concentración de dióxido de carbono de la alimentación del reactor, que comprende etileno, oxígeno y dióxido de carbono, se mantenga en una concentración baja o al menos reducida de, por ejemplo, menos de 3 por ciento molar sobre el total de moles de etileno, oxígeno y dióxido de carbono de la alimentación del reactor. Para mejores resultados, sin embargo, la concentración de dióxido de carbono de la alimentación del reactor al sistema de reacción de epoxidación que contiene un catalizador de alta selectividad debería ser inferior a 2 por ciento molar, preferiblemente inferior a 1,5 por ciento molar, más preferiblemente inferior a 1,25 por ciento molar, y lo más preferiblemente inferior a 1 por ciento molar basado en el total de moles de etileno, oxígeno y dióxido de carbono de la alimentación del reactor. Aunque lo más deseable es que la concentración de dióxido de carbono en la alimentación al reactor de epoxidación que contiene un catalizador de alta selectividad sea lo más baja posible, puede haber un límite inferior práctico, y por lo tanto, tal límite inferior puede ser 0,1 por ciento molar del etileno, oxígeno y dióxido de carbono de la alimentación del reactor pero, más probablemente, el límite inferior sea 0,2 por ciento molar o 0,3 por ciento molar.
Para recuperar el óxido de etileno como un producto, la corriente efluente del reactor de epoxidación se carga a un absorbente de óxido de etileno utilizado para separar el óxido de etileno de la corriente efluente del reactor de epoxidación y para producir una corriente de producto de óxido de etileno que comprende óxido de etileno, y una corriente gaseosa de reciclado que comprende etileno sin reaccionar, oxígeno sin reaccionar, dióxido de carbono y compuestos inertes. El producto de óxido de etileno también puede incluir subproductos de reacción tales como, por ejemplo, ácidos carboxílicos (ácidos orgánicos), aldehídos, monóxido de carbono, e hidrocarburos de mayor peso molecular.
Es un aspecto importante de la invención que la concentración de dióxido de carbono de la corriente efluente del reactor de epoxidación que proviene del reactor de epoxidación después del reemplazo del catalizador de alta actividad por el catalizador de alta selectividad, sea significativamente inferior a la concentración de dióxido de carbono antes de dicho reemplazo. La concentración reducida de dióxido de carbono de la corriente efluente del reactor de epoxidación puede ser el resultado de varios factores, incluyendo, por ejemplo, un funcionamiento modificado del sistema de eliminación de dióxido de carbono y una menor producción de subproducto de dióxido de carbono resultante de la menor temperatura del reactor de epoxidación debido a la menor concentración de dióxido de carbono de la alimentación del reactor de epoxidación del proceso de la invención. La corriente gaseosa de reciclado del absorbente de óxido de etileno después de cambiar el catalizador de alta actividad del reactor de epoxidación por un catalizador de alta selectividad, tendrá una concentración inferior a 5 por ciento molar de la corriente gaseosa de reciclado. Aunque es mejor que esta concentración de dióxido de carbono sea lo más baja posible, la concentración de dióxido de carbono de la corriente gaseosa de reciclado después de cambiar el catalizador del reactor de epoxidación por un catalizador de alta selectividad puede estar generalmente en el intervalo de 1 por ciento molar a 5 por ciento molar y, más específicamente, puede variar de 2 a 4 por ciento molar.
Para eliminar dióxido de carbono del sistema del proceso de elaboración de óxido de etileno, puede dividirse la corriente gaseosa de reciclado en una parte dividida y una parte remanente, reciclándose nuevamente la parte dividida, si la hay, de la corriente gaseosa de reciclado al reactor de epoxidación y cargándose la parte remanente de la corriente gaseosa de reciclado en el sistema de eliminación de dióxido de carbono.
La parte de la corriente gaseosa de reciclado reciclada al reactor de epoxidación en relación a la parte remanente de la corriente de reciclado que es cargada en el sistema de eliminación de dióxido de carbono depende de numerosos factores, incluyendo, por ejemplo, la cantidad de subproducto de dióxido de carbono producido en la reacción de epoxidación y la eficiencia de recuperación de dióxido de carbono por el sistema de eliminación de dióxido de carbono. Después de cambiar el catalizador de epoxidación del reactor de epoxidación de catalizador de alta actividad a catalizador de alta selectividad, el método de la invención requiere la reducción de la concentración de dióxido de carbono de la corriente gaseosa de reciclado que crea de ese modo una fuerza impulsora de baja concentración para la separación de dióxido de carbono por el sistema de eliminación de dióxido de carbono. Por lo tanto, la relación entre la parte de corriente gaseosa de reciclado y la parte remanente se reduce debido a la necesidad de cargar más alimentación en el sistema de eliminación de dióxido de carbono después del cambio de catalizador. En consecuencia, después del cambio de catalizador la relación entre la parte remanente de la corriente de reciclado cargada en el absorbente de dióxido de carbono y el total de la corriente de reciclado producida por el absorbente de óxido de etileno puede estar generalmente en el intervalo de 0,3 ascendente hasta 1, pero preferiblemente de 0,4 a 1 y, lo más preferiblemente de 0,5 a 1.
La velocidad más alta a la cual se carga la parte remanente de la corriente gaseosa de reciclado en el absorbente de dióxido de carbono puede requerir una serie de cambios estructurales en el absorbente de dióxido de carbono del sistema de eliminación de dióxido de carbono, tal como, por ejemplo, modificar la estructura interna del absorbente de dióxido de carbono de modo que proporcione una mayor superficie específica de contacto para poner en contacto el disolvente pobre y la alimentación que contiene dióxido de carbono. Por ejemplo, dentro de la zona de contacto definida por el absorbente de dióxido de carbono puede haber un material de empaquetamiento de superficie específica alta de modo que la cantidad de superficie específica de contacto dentro del absorbente de dióxido de carbono después del cambio del catalizador de epoxidación de la reacción de epoxidación de un catalizador de alta actividad a un catalizador de alta selectividad, sea mayor que antes de dicho cambio. Una alternativa al cambio del diseño interno del absorbente de dióxido de carbono existente es proporcionar uno o más absorbentes de dióxido de carbono adicionales, conectados operativamente en paralelo con el absorbente existente y capaces de recibir como una alimentación gaseosa que contiene dióxido de carbono a la parte remanente de la corriente gaseosa de reciclado.
El sistema de eliminación de dióxido de carbono es un sistema de extracción de disolvente que incluye un absorbente de dióxido de carbono y un regenerador de disolvente. Se carga un disolvente pobre en el absorbente de dióxido de carbono y se pone en contacto con la parte remanente de corriente gaseosa de reciclado cargada al mismo. El absorbente de dióxido de carbono produce un disolvente rico en dióxido de carbono y una corriente gaseosa exenta de dióxido de carbono. La corriente gaseosa exenta de dióxido de carbono se recicla nuevamente al reactor de epoxidación donde se combina con la parte dividida de la corriente gaseosa de reciclado, el oxígeno y el etileno para proporcionar la alimentación del reactor de epoxidación.
Aunque algunos sistemas de eliminación de dióxido de carbono de los sistemas existentes de procesos de elaboración de óxido de etileno pueden ser capaces de manejar las mayores demandas resultantes de la modificación del sistema de reacción de epoxidación cambiando el catalizador de alta actividad por un catalizador de alta selectividad, muchos de los sistemas de eliminación de dióxido de carbono no pueden hacerlo. Generalmente, como se indica anteriormente en la presente memoria, cuando se modifica la reacción de epoxidación reemplazando el catalizador de alta actividad por un catalizador de alta selectividad, es necesario reducir la concentración de dióxido de carbono en la alimentación del reactor para lograr las mayores ventajas de utilizar el catalizador de alta selectividad. Esto requiere una menor concentración de dióxido de carbono en la corriente de reciclado del proceso proporcionando de este modo una menor diferencia de concentración entre la alimentación al sistema de eliminación de dióxido de carbono y el disolvente de extracción, lo cual dificulta más la extracción del dióxido de carbono de la corriente de reciclado.
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En los sistemas de eliminación de dióxido de carbono el disolvente de absorción utilizado puede ser una disolución acuosa de un carbonato de metal alcalino, por ejemplo, carbonato de sodio y carbonato de potasio. El método de la invención contempla modificar el disolvente utilizado en el sistema de eliminación de dióxido de carbono de la invención proporcionando una concentración de un activador o catalizador en el disolvente pobre del mismo. Tal activador o catalizador modifica las características de transferencia de masa del disolvente de modo que mejore la absorción y la desorción de dióxido de carbono de la parte remanente del reciclado gaseoso cargado al sistema de eliminación de dióxido de carbono. El metavanadato de potasio es un ejemplo de un activador adecuado que puede utilizarse como aditivo al disolvente del sistema de eliminación de dióxido de carbono.
Modificando el funcionamiento o la estructura del sistema de eliminación de dióxido de carbono se obtiene una menor concentración de dióxido de carbono en la alimentación del reactor de epoxidación del método de la invención. La concentración de dióxido de carbono de la corriente gaseosa exenta de dióxido de carbono después del reemplazo del catalizador de alta actividad del reactor de epoxidación por el catalizador de alta selectividad puede ser inferior a 2 por ciento molar de la corriente total; no obstante, es un aspecto importante del método de la invención que la concentración de dióxido de carbono sea lo más baja posible, preferentemente inferior a 1,5 por ciento molar y, más preferiblemente, inferior a 1 por ciento molar. Un intervalo típico para la concentración de dióxido de carbono es de 0,1 por ciento molar a 2 por ciento molar, o de 0,15 a 1,75 por ciento molar, o de 0,2 a 1,5 por ciento molar.
La siguiente Tabla 1 presenta: concentraciones ejemplares de dióxido de carbono (porcentaje molar) de las distintas corrientes del proceso del sistema de proceso de elaboración de óxido de etileno antes y después de eliminar el catalizador de alta actividad y reemplazarlo por un catalizador de alta selectividad.
TABLA 1 Concentraciones Ejemplares de Dióxido de Carbono (porcentaje molar) de Distintas Corrientes del Proceso de Elaboración de Oxido de Etileno Antes y Después del Cambio de Catalizador
1
Tanto el catalizador de alta actividad como el catalizador de alta selectividad a los que se hace referencia en la presente memoria son catalizadores a base de plata soportados, pero los dos catalizadores, como se indicó anteriormente, tienen diferentes características de comportamiento catalítico.
El material de los catalizadores a base de plata soportados puede seleccionarse de una amplia gama de materiales porosos de soporte, especialmente aquellos que se consideran inertes en presencia de alimentaciones, productos y condiciones de reacción de óxido de etileno. Tales materiales pueden ser naturales o artificiales, y pueden incluir óxidos de aluminio, magnesia, zirconia, sílice, carburo de silicio, arcillas, piedra pómez, zeolitas y carbón. La alúmina alfa es un material preferido para utilizar como principal ingrediente del soporte poroso.
El material de soporte es poroso y preferiblemente tiene una superficie específica, medida con el método B.E.T., inferior a 20 m^{2}/g y más especialmente de 0,05 a 20 m^{2}/g. Preferiblemente la superficie específica B.E.T. del soporte está en el intervalo de 0,1 a 10, más preferiblemente de 0,1 a 3,0 m^{2}/g. El método B.E.T. para medir la superficie específica ha sido descrito en detalle por Brunauer, Emmet y Teller en J.Am.Chem.Soc. 60 (1938) 309-316.
El catalizador a base de plata soportado altamente selectivo de la invención puede ser uno que tenga una selectividad inicial de al menos 85%, preferiblemente al menos 86% y, lo más preferiblemente, al menos 87%. Por otra parte, la selectividad inicial del catalizador a base de plata soportado altamente activo de la invención es tal que tiene una selectividad inicial que es menor que la selectividad inicial del catalizador a base de plata soportado altamente selectivo y, más específicamente, la selectividad inicial del catalizador a base de plata soportado altamente activo puede ser inferior a 85%. Se reconoce, no obstante, que desde un punto de vista práctico el catalizador altamente activo tendrá cierta selectividad mínima. Se considera que este valor de selectividad mínimo no es inferior a 78%.
El término selectividad inicial al que hace referencia la presente memoria significa la selectividad de un determinado catalizador cuando está recién añadido y sin usar. Esto reconoce que un catalizador puede perder actividad con el uso. La selectividad inicial de un determinado catalizador se determina midiendo la selectividad del catalizador utilizando un procedimiento de prueba estándar. En este procedimiento de prueba estándar, se coloca un catalizador triturado (tamaño de partícula 1,27-1,81 mm, es decir la fracción del tamiz de malla 14-20) dentro del tubo en U de acero inoxidable de 6,35 mm (1/4 de pulgada) de diámetro de un microreactor que se hace funcionar bajo ciertas condiciones específicas de proceso. Se introduce una alimentación estándar de 30 por ciento molar de etileno, 7 por ciento molar de dióxido de carbono y 8,5 por ciento molar de oxígeno y 54,5 por ciento molar de nitrógeno en el microreactor a una presión de 1447 kPa de calibre (210 psig) y a una velocidad tal que provea una velocidad del gas horaria en estado gas de 3300 hr^{-1}. La selectividad, Sw, y la actividad, Tw, se determinan para una velocidad de trabajo de 200 kg de producción de óxido de etileno por hora por metro cúbico de catalizador. La selectividad se presenta en términos de porcentaje molar, y la actividad se presenta en términos de temperatura en grados centígrados.
Además de las diferencias en los comportamientos catalíticos medidos entre los catalizadores altamente activos y los altamente selectivos, también puede haber diferencias en los tipos y cantidades de los compuestos de promotores catalíticos utilizados en los dos catalizadores. Una diferencia es que los catalizadores de alta selectividad de la invención pueden incluir un componente promotor de renio, mientras que, por otra parte, los catalizadores de alta actividad contienen, de tenerla, una cantidad insignificante o no promotora de un componente de renio. Asimismo, además del componente de renio, los catalizadores de alta selectividad pueden contener adicionalmente una cantidad promotora de un promotor de metal alcalino u otro promotor de metal, o ambos. En las Patentes Estadounidenses 4.761.394 y 4.766.105 se describen detalladamente catalizadores de alta selectividad adecuados.
Por lo tanto, los catalizadores de alta selectividad pueden comprender un material de soporte, una cantidad catalíticamente efectiva de plata, una cantidad promotora de renio y, opcionalmente, una cantidad promotora de uno o más metales alcalinos y, opcionalmente una cantidad promotora de uno o más metales promotores adicionales. La cantidad de plata en el catalizador de alta selectividad puede estar en el intervalo desde una cantidad catalíticamente eficaz en ascenso hasta 40 por ciento por peso del catalizador total. Preferiblemente, la cantidad de plata puede variar de 1 a 30 por ciento por peso basado en el peso total del catalizador y, lo más preferiblemente, de 5 a 20 por ciento por peso.
La cantidad de renio en el catalizador de alta selectividad es una cantidad promotora que generalmente varía de una cantidad promotora en ascenso hasta 20 micromoles de renio por gramo de catalizador. La cantidad preferida de renio en el catalizador de alta selectividad varía de 0,1 micromoles por gramo a 10 micromoles por gramo, más preferiblemente de 0,2 micromoles por gramo a 5 micromoles por gramo de catalizador total, o, alternativamente expuesto, de 19 partes por millón a 1860 partes por millón, preferiblemente de 37 partes por millón a 930 partes por millón por peso de catalizador total.
La cantidad de metal alcalino en el catalizador de alta selectividad, si la hay, es una cantidad promotora, que generalmente varía de una cantidad promotora en ascenso a 4000 partes por millón por peso del catalizador total (ppmw). Preferiblemente, la cantidad de metal alcalino, cuando está presente, está en el intervalo de 10 a 3000 ppmw, más preferiblemente, de 15 a 2000 ppmw y, aún más preferiblemente, de 20 a 1500 ppmw.
El promotor de metal adicional opcional del catalizador de alta selectividad puede seleccionarse del grupo de metales consistentes en azufre, molibdeno, tungsteno, cromo, y mezclas de dos o más de los mismos. La cantidad de promotores de metal adicionales en los catalizadores de alta selectividad, si los hay, generalmente está en el intervalo de 0,1 a 10 milimoles por kilogramo de catalizador total, y, preferentemente, de 0,2 a 5 milimoles por kilogramo de catalizador total.
En cuanto al catalizador de alta actividad, además de ser diferente del catalizador de alta selectividad en cuanto a exhibir una menor selectividad como se describe anteriormente, normalmente no contiene un promotor de renio, pero puede contener uno o más promotores de metal alcalino. Por lo tanto, el catalizador de alta actividad preferentemente puede comprender un material de soporte, una cantidad catalíticamente eficaz de plata y una cantidad promotora de metal alcalino, pero excluyendo una cantidad promotora de renio. Por lo tanto, el catalizador de alta actividad también puede consistir esencialmente en una cantidad catalíticamente efectiva de plata, una cantidad promotora de metal alcalino y un material de soporte. En la Patente Estadounidense 5.380.697 se describen ejemplos de catalizadores de alta actividad adecuados.
El componente de plata puede estar presente en el catalizador de alta actividad en el intervalo de una cantidad catalíticamente eficaz a 40 por ciento en peso basado en el peso total del catalizador. No obstante, preferiblemente la plata está presente en el intervalo de 1 a 30 por ciento en peso y, lo más preferiblemente, de 5 a 20 por ciento en peso.
El componente de metal alcalino puede estar presente en el catalizador de alta actividad en el intervalo de una cantidad promotora en ascenso hasta 4000 ppmw. Preferiblemente, el metal alcalino está presente en el intervalo de 10 a 3000 ppmw y, más preferiblemente, de 15 a 2000 ppmw.
Las condiciones adecuadas de reacción de epoxidación del método de la invención pueden incluir una temperatura de reacción en el intervalo de 180ºC a 320ºC, pero se reconoce que el método de la invención permite el funcionamiento de la zona del reactor de epoxidación a temperaturas inferiores sin pérdida de selectividad en el catalizador de alta actividad. De hecho, la menor temperatura de reacción operativa proporcionada por el proceso de la invención tiene como resultado la mejora de la vida del catalizador de alta actividad y, por lo tanto, una mejora en la eficiencia económica del proceso de elaboración de óxido de etileno. Un intervalo más preferido para la temperatura del reactor es de 190ºC a 310ºC y, lo más preferido, es de 200ºC a 300ºC. La presión de reacción preferida es desde la atmosférica en ascenso hasta 35 bar. La velocidad espacial horaria en estado gaseoso está en el intervalo de 1500 hr^{-1} a 10.000 hr^{-1}.
Haciendo referencia ahora a la Fig. 1, donde se presenta una representación esquemática de un típico sistema 10 de proceso de elaboración de óxido de etileno, que incluye un sistema 12 de reacción de epoxidación, un sistema 14 de recuperación de óxido de etileno o un absorbente de óxido de etileno, y un sistema 16 de eliminación de dióxido de carbono. El sistema 12 de reacción de epoxidación incluye un reactor 18 de epoxidación, que proporciona medios para poner en contacto una corriente de alimentación que contiene oxígeno, etileno y dióxido de carbono con un catalizador de epoxidación en condiciones adecuadas de reacción de epoxidación para de este modo producir óxido de etileno. El reactor 18 de epoxidación define una zona de reacción de epoxidación y contiene un primer volumen de catalizador de epoxidación de alta actividad.
El sistema 16 de eliminación de dióxido de carbono incluye un absorbente 20 de dióxido de carbono y un regenerador 22 de disolvente. El absorbente 20 de dióxido de carbono define una zona de absorción de dióxido de carbono y proporciona medios para recibir una alimentación gaseosa que contiene dióxido de carbono con un disolvente pobre de modo que produzca un disolvente rico, que contenga dióxido de carbono, y una corriente gaseosa exenta de dióxido de carbono. El regenerador 22 de disolvente define una zona de regeneración de disolvente y proporciona medios para separar el dióxido de carbono del disolvente rico de modo que se produzca una corriente de dióxido de carbono y el disolvente pobre, que se utiliza como una alimentación al absorbente 20 de dióxido de carbono.
En el funcionamiento de un sistema de proceso de elaboración de óxido de etileno 10 que está diseñado para utilizar un catalizador de epoxidación de alta actividad, se carga una primera alimentación del reactor, que tiene una primera concentración de dióxido de carbono, en el reactor 18 de epoxidación a través del conducto 24 en donde dentro del reactor 18 de epoxidación la primera alimentación del reactor se pone en contacto, en condiciones adecuadas de reacción de epoxidación, con el catalizador de epoxidación de alta actividad.
Se produce una primera corriente efluente del reactor de epoxidación desde el reactor 18 de epoxidación del sistema 12 de reacción de epoxidación y se carga al absorbente 14 de óxido de etileno a través del conducto 26. El absorbente 14 de óxido de etileno define una zona de absorción de óxido de etileno y proporciona medios para poner en contacto un disolvente de absorción, tal como agua, con la primera corriente efluente del reactor de epoxidación y para producir una primera corriente de reciclado y una primera corriente de óxido de etileno. El disolvente de absorción se introduce en el absorbente 14 de óxido de etileno a través del conducto 28, en donde dentro el absorbente 14 de óxido de etileno se pone en contacto con la primera corriente efluente del reactor de epoxidación. Una primera corriente de óxido de etileno, que comprende el disolvente de absorción y el óxido de etileno, pasa desde el absorbente 14 de óxido de etileno a través del conducto 30 y una primera corriente de reciclado, que tiene una segunda concentración de dióxido de carbono, pasa desde el absorbente 14 de óxido de etileno a través del conducto 32 al compresor de reciclado 34. Además del dióxido de carbono contenido en la primera corriente de reciclado también puede comprender etileno, oxígeno y componentes inertes.
El compresor 34 de reciclado define una zona de compresión y proporciona medios para comprimir la primera corriente de reciclado. La descarga de la primera corriente de reciclado comprimida pasa desde el compresor 34 de reciclado a través del conducto 36. Una primera parte dividida de la primera corriente de reciclado comprimida pasa por el conducto 38 y luego por el conducto 40 donde se combina con oxígeno introducido por el conducto 42 y etileno introducido por el conducto 44.
La parte remanente de la primera corriente de reciclado comprimida se carga en el absorbente 20 de dióxido de carbono del sistema 16 de eliminación de dióxido de carbono a través del conducto 46 como la alimentación gaseosa que contiene dióxido de carbono. A través del conducto 48, como la corriente gaseosa exenta de dióxido de carbono, es una segunda corriente de reciclado, que tiene una tercera concentración de dióxido de carbono. La segunda corriente de reciclado pasa al conducto 40 en donde se combina adicionalmente con la primera parte dividida de la primera corriente de reciclado comprimida, el oxígeno y el etileno respectivamente introducidos dentro del conducto 40 a través de los conductos 38, 42 y 44. La combinación de estas corrientes forma la primera alimentación del reactor cargada al reactor 18 de epoxidación a través del conducto 24. Una primera corriente de descarga de dióxido de carbono, que comprende dióxido de carbono, se produce como la corriente de dióxido de carbono proveniente del regenerador 22 de disolvente del sistema de eliminación de dióxido de carbono 16 a través del conducto 50.
Haciendo referencia ahora a la Fig. 2, que ilustra un sistema 100 típico de elaboración de óxido de etileno, modificado de acuerdo con la presente invención. Para mejorar el funcionamiento del sistema 10 del proceso de elaboración de óxido de etileno de la Fig. 1, se modifica el sistema 12 de reacción de epoxidación del mismo eliminando al menos una parte del primer volumen de catalizador de alta actividad que contiene el reactor de epoxidación 18 y reemplazándolo por un segundo volumen de un catalizador de alta selectividad para dar un sistema 112 modificado de reacción de epoxidación con un reactor 118 modificado de epoxidación, ambos como se muestra en la Fig. 2. A los efectos de efectuar este reemplazo de catalizadores, se detiene la primera alimentación del reactor al reactor 18 de epoxidación, de modo que se permita la eliminación del catalizador y su reemplazo.
Después de la eliminación del catalizador de alta actividad del reactor 18 de epoxidación y el reemplazo del mismo por un catalizador de alta selectividad, se carga una segunda alimentación del reactor, que tiene una cuarta concentración de dióxido de carbono, al reactor 118 de epoxidación del sistema 112 modificado de reacción de epoxidación a través del conducto 124. Dentro del reactor 118 de epoxidación la segunda alimentación del reactor se pone en contacto, en condiciones adecuadas de reacción de epoxidación, con el catalizador de epoxidación de alta selectividad.
Se produce una segunda corriente efluente del reactor de epoxidación desde el reactor 118 de epoxidación del sistema 112 modificado de reacción de epoxidación y se carga al absorbente 114 de óxido de etileno a través del conducto 126. El absorbente 114 de óxido de etileno define una zona de absorción de óxido de etileno y proporciona medios para poner en contacto un disolvente de absorción, tal como agua, con la segunda corriente efluente del reactor de epoxidación y para dar una tercera corriente de reciclado y una segunda corriente de óxido de etileno. El disolvente de absorción se introduce en el absorbente 114 de óxido de etileno a través del conducto 128 donde dentro el absorbente 114 de óxido de etileno se pone en contacto con la segunda corriente efluente del reactor de epoxidación. Una segunda corriente de óxido de etileno, que comprende el disolvente de absorción y el óxido de etileno, pasa desde el absorbente 114 de óxido de etileno a través del conducto 130 y una tercera corriente de reciclado, que tiene una quinta concentración de dióxido de carbono, pasa desde el absorbente 114 de óxido de etileno a través del conducto 132 al compresor 134 de reciclado. Además del dióxido de carbono contenido en la tercera corriente de reciclado, también puede comprender etileno, oxígeno y compuestos inertes.
El compresor 134 de reciclado define una zona de compresión y proporciona medios para comprimir la tercera corriente de reciclado. La descarga de la tercera corriente de reciclado comprimida pasa a través del conducto 136. Una segunda parte dividida, si la hay, de la tercera corriente de reciclado comprimida pasa por el conducto 138 y luego por el conducto 140 en donde se combina con oxígeno introducido por el conducto 142 y etileno introducido por el conducto 144.
La parte remanente de la tercera corriente de reciclado comprimida se carga al absorbente 120 de dióxido de carbono del sistema 116 de eliminación de dióxido de carbono a través del conducto 146 como la alimentación gaseosa que contiene dióxido de carbono. A través del conducto 148, se produce como la corriente gaseosa exenta de dióxido de carbono una cuarta corriente de reciclado, que tiene una sexta concentración de dióxido de carbono. La cuarta corriente de reciclado pasa a través del conducto 140 donde se combina adicionalmente con la segunda parte dividida de la tercera corriente de reciclado comprimida, el oxígeno y el etileno respectivamente introducidos dentro del conducto 140 a través de los conductos 138, 142 y 144. La combinación de estas corrientes forma la segunda alimentación del reactor cargada al reactor 118 de epoxidación a través del conducto 124. Se produce una segunda corriente de descarga de dióxido de carbono, que comprende dióxido de carbono, como la corriente de dióxido de carbono proveniente del regenerador 122 de disolvente del sistema 116 de eliminación de dióxido de carbono a través del conducto 150.
El óxido de etileno producido por el método mejorado puede convertirse en 1,2-etanodiol, un éter de 1,2-etanodiol o una etanolamina. Dado que la presente invención conduce a un proceso más atractivo para la elaboración de óxido de etileno, concurrentemente conduce a un proceso más atractivo que comprende elaborar óxido de etileno de conformidad con la invención y el uso subsiguiente del óxido de etileno obtenido en la elaboración de 1,2-etanodiol, éter de 1,2-etanodiol, y/o etanolamina.
La conversión en 1,2-etanodiol o éter de 1,2-etanodiol puede comprender, por ejemplo, hacer reaccionar el óxido de etileno con agua, utilizando convenientemente un catalizador ácido o básico. Por ejemplo, para hacer predominantemente 1,2-etanodiol y menos éter de 1,2-etanodiol, puede hacerse reaccionar el óxido de etileno con un exceso molar de agua diez veces mayor, en una reacción de fase líquida en presencia de un catalizador ácido, por ej. 0,5-1,0 por ciento en peso de ácido sulfúrico, basado en el total de la mezcla de reacción, a 50-70ºC a 1 bar absoluta, o en una reacción en fase gaseosa a 130-240ºC y 20-40 bar absoluta, preferiblemente en ausencia de un catalizador. Si se reduce la proporción de agua, se aumenta la proporción de éteres de 1,2-etanodiol en la mezcla de reacción. Los éteres de 1,2-etanodiol producidos de este modo pueden ser un di-éter, un tri-éter, un tetra-éter o un éter subsiguiente. Pueden prepararse éteres de 1,2-etanodiol alternativos convirtiendo el óxido de etileno con un alcohol, en particular un alcohol primario, tal como metanol o etanol, reemplazando al menos una parte del agua por el alcohol.
La conversión en la etanolamina puede comprender, por ejemplo, hacer reaccionar el óxido de etileno con amoníaco. Puede utilizarse amoníaco anhidro o acuoso, aunque normalmente se usa amoníaco anhidro para favorecer la producción de monoetanolamina. Para métodos aplicables en la conversión del óxido de etileno en la etanolamina, puede hacerse referencia por ejemplo a US-A-4845296.
El 1,2-etanodiol y el éter de 1,2-etanodiol pueden utilizarse en una gran variedad de aplicaciones industriales, por ejemplo en las áreas de alimentación, bebidas, tabaco, cosméticos, polímeros termoplásticos, sistemas de resina curable, detergentes, sistemas de transferencia térmica, etc. La etanolamina puede utilizarse, por ejemplo, en el tratamiento ("endulzamiento") del gas natural.
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El propósito de los siguientes Ejemplos 1 y 2 es ilustrar ciertas ventajas del uso de un catalizador de alta selectividad en condiciones de una concentración de dióxido de carbono relativamente baja en la alimentación de epoxidación. El propósito del siguiente Ejemplo 3 es ilustrar ciertas ventajas de la presente invención y no pretende limitar indebidamente el alcance de la invención.
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Ejemplo 1
Se probó un catalizador de alta selectividad, que contenía plata y cantidades promotoras de renio, litio, cesio y azufre sobre alúmina alfa, en la elaboración de óxido de etileno a partir de etileno y oxígeno. Para esto, se cargó una muestra de catalizador triturado en un tubo reactor de acero inoxidable en forma de U. El tubo se sumergió en un baño de metal derretido (calor medio) a 180ºC, y los extremos del tubo se conectaron a un sistema de flujo gaseoso. Una mezcla de gas pasó a través del lecho de catalizador, en una operación de "una pasada". El peso del catalizador utilizado y la velocidad de entrada de flujo de gas se ajustaron para dar una velocidad espacial horaria de 3300 N1/(1.h). La presión del gas de entrada fue 1550 kPa absoluta.
La composición de la mezcla de gas se ajustó a 30 por ciento en volumen de etileno, 8 por ciento en volumen de oxígeno, 1 por ciento en volumen de dióxido de carbono, 2,5 partes por millón por volumen (ppmv) de cloruro de etilo, y nitrógeno para completar.
La temperatura del lecho de catalizador se elevó a una velocidad de 10ºC por hora hasta 225ºC y luego se ajustó la temperatura de modo que se lograra una conversión de oxígeno de 40 por ciento molar. La concentración de cloruro de etilo en la mezcla de gas se ajustó a 2,5 ppmv de modo que se obtuvo una selectividad óptima de formación de óxido de etileno. La actividad del catalizador se expresa como la temperatura a la cual se logra una conversión de 40 por ciento molar de oxígeno (T40); la selectividad es la selectividad a la temperatura T40. Durante la pasada el catalizador fue sometido a degradación, y para mantener una conversión constante de 40 por ciento molar de oxígeno la temperatura se aumentó gradualmente. Los resultados se proporcionan en la Tabla 2.
En tres pruebas comparativas similares, la concentración de dióxido de carbono en la mezcla de gas fue de 5 a 7 por ciento de volumen, en lugar de 1 por ciento de volumen. El resultado promedio de las tres pruebas comparativas también se proporciona en la Tabla 2.
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TABLA 2
2
Los resultados de la Tabla 2 muestran claramente que una menor concentración de dióxido de carbono en la alimentación del reactor de epoxidación mejora el comportamiento de un catalizador de alta selectividad, con respecto a su actividad, selectividad y vida catalítica.
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Ejemplo 2
Este ejemplo calculado presenta datos generados por un modelo patentado para predecir el comportamiento de un catalizador de epoxidación de alta selectividad en condiciones operativas de una velocidad espacial horaria de 4700 GSHV, una presión de 21,7 bar g, y una velocidad de trabajo de 184 kg/m^{3}/h para una alimentación del reactor que contiene 25 por ciento molar de etileno y 8 por ciento molar de oxígeno. El modelo se basa en la correlación de datos reales de comportamiento catalítico recogidos de numerosas fuentes tales como datos de actividad de microreactor, datos de planta piloto y otras fuentes de datos de comportamiento catalítico.
La Fig. 3 presenta la selectividad de un catalizador de epoxidación de alta selectividad en función de la edad del catalizador basada en la producción acumulativa de óxido de etileno en kton/m^{3} para las correspondientes concentraciones de alimentación de dióxido de carbono presentadas en la Fig. 5. Las gráficas muestran que existe una fuerte relación entre la vida catalítica y la concentración de dióxido de carbono en la alimentación y entre la selectividad y la concentración de dióxido de carbono en la alimentación. Como se muestra en la Fig. 3, la velocidad de disminución de la selectividad del catalizador cuando procesa una alimentación que tiene una concentración de dióxido de carbono inferior a 1 por ciento molar (curva marcada "I") es significativamente más baja que la velocidad de disminución de la selectividad del catalizador cuando se procesa una alimentación con una concentración de dióxido de carbono más convencional superior a 4 por ciento molar (curva marcada "II"). También se destaca que la selectividad inicial del catalizador de alta selectividad es superior para el caso en el cual la alimentación tiene una concentración de dióxido de carbono inferior a 1 por ciento molar frente a una alimentación con una concentración de dióxido de carbono superior a 4 por ciento molar. Estos datos demuestran las grandes ventajas en cuanto a selectividad y vida de un catalizador de epoxidación de alta selectividad que pueden obtenerse procesando una alimentación del reactor de epoxidación con una baja concentración de dióxido de carbono. Otros datos comparativos se refieren al uso de un catalizador de alta actividad empleado a una concentración de dióxido de carbono superior a 4 por ciento molar
(curva marcada "III").
La Fig. 4 presenta la temperatura del refrigerante del reactor en función de la edad del catalizador utilizado en la reacción de epoxidación para las correspondientes concentraciones de dióxido de carbono en la alimentación presentadas en la Fig. 5. La temperatura del refrigerante del reactor se aproxima a la temperatura de reacción. Como demuestran los datos, el catalizador de epoxidación del método de la invención que procesa una alimentación del reactor de epoxidación que tiene una baja concentración de dióxido de carbono inferior a 1 por ciento molar (curva marcada "I") pierde su actividad a una velocidad significativamente más baja que el catalizador de epoxidación del método convencional que procesa una alimentación del reactor de epoxidación que tiene una concentración de dióxido de carbono considerablemente superior a la del método de la invención (curva marcada "II"). Estos datos muestran que la estabilidad del catalizador de epoxidación de alta selectividad en términos de la velocidad de disminución de la actividad del catalizador se mejora significativamente con el método de la invención que incluye el procesamiento de una alimentación de epoxidación con una concentración muy baja de dióxido de carbono. Otros datos comparativos se refieren al uso de un catalizador de alta actividad empleado a una concentración de dióxido de carbono superior a 4 por ciento molar
(curva marcada "III").
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Ejemplo 3
Este ejemplo calculado presenta información seleccionada relativa a las concentraciones de dióxido de carbono de varias corrientes para el funcionamiento de un hipotético sistema de proceso de elaboración de óxido de etileno de 800 toneladas por día, que utiliza un catalizador de epoxidación de alta actividad, y para el funcionamiento del mismo sistema de proceso después de que dicho catalizador de epoxidación de alta actividad ha sido reemplazado por un catalizador de epoxidación de alta selectividad. También se presentan relaciones entre la cantidad de alimentación cargada al sistema de proceso después del cambio de catalizador y antes del cambio de catalizador, y se presenta la relación entre la producción de óxido de etileno después del cambio de catalizador y antes del cambio de catalizador. Los datos presentados se basan en la producción de un modelo de proceso patentado del sistema hipotético de proceso de elaboración de óxido de etileno. En los cálculos para el sistema de proceso que utiliza el catalizador de alta selectividad, se supone que se carga el 100 por cien de la corriente de reciclado del absorbente de óxido de etileno al sistema de eliminación de dióxido de carbono, y para el sistema de proceso que utiliza el catalizador de alta actividad, se supone que se carga el 25 por ciento de la corriente de reciclado del absorbente de óxido de etileno al sistema de eliminación de dióxido de carbono.
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(Tabla pasa a página siguiente)
TABLA 3 Concentraciones de Dióxido de Carbono de Distintas Corrientes Antes y Después del Cambio de Catalizador (los números entre paréntesis se refieren a los números correspondientes en la Fig. 1 y la Fig. 2)
3
TABLA 4 Relación de Ciertas Velocidades de Corriente de Alimentación y Producto Respecto a Tales Velocidades Antes del Cambio de Catalizador (los números entre paréntesis se refieren a los números correspondientes en la Fig. 1 y la Fig. 2)
4
Los datos presentados en las Tablas 3 y 4 anteriores muestran que el método de la invención proporciona una mejora significativa en la eficiencia del sistema de elaboración de óxido de etileno. Para una determinada producción de óxido de etileno hay una gran reducción de la cantidad de alimentación consumida en su elaboración. El consumo de la alimentación de etileno se reduce en 7,9 por ciento y el consumo de alimentación de oxígeno se reduce en 24,2 por ciento. Estas reducciones en el consumo de alimentación proporcionan enormes ventajas económicas derivadas del método de la invención.
Aunque la presente invención se ha descrito en términos de la realización actualmente preferida, los expertos en la materia pueden efectuar variaciones y modificaciones razonables. Tales variaciones están dentro del alcance de la invención descrita y las reivindicaciones adjuntas.

Claims (14)

  1. \global\parskip0.900000\baselineskip
    1. Un método para mejorar el funcionamiento de un proceso existente de elaboración de óxido de etileno, dicho método comprende:
    cargar una primera alimentación del reactor, que tiene una primera concentración de dióxido de carbono, en un sistema de reacción de epoxidación que comprende un reactor de epoxidación que contiene un primer volumen de un catalizador de epoxidación de alta actividad;
    producir por dicho sistema de reacción de epoxidación una primera corriente efluente del reactor de epoxidación;
    cargar al menos una parte de dicha corriente efluente del reactor de epoxidación a un absorbente de óxido de etileno utilizado para separar dicha primera corriente efluente del reactor de epoxidación en una primera corriente de reciclado, que tiene una segunda concentración de dióxido de carbono, y una primera corriente de óxido de etileno;
    dividir dicha primera corriente de reciclado en una primera parte dividida y una primera parte remanente;
    proporcionar un sistema de eliminación de dióxido de carbono que incluye un absorbente de dióxido de carbono y un regenerador de disolvente, en donde dicho absorbente de dióxido de carbono prevé recibir un gas de alimentación que contiene dióxido de carbono y poner en contacto dicho gas de alimentación que contiene dióxido de carbono con un disolvente pobre para producir un disolvente rico y una corriente gaseosa exenta de dióxido de carbono, y en donde dicho regenerador de disolvente prevé recibir dicho disolvente rico y separar del mismo el dióxido de carbono y producir dicho disolvente pobre y una corriente gaseosa de dióxido de carbono;
    cargar al menos una parte de dicha primera parte remanente en dicho sistema de eliminación de dióxido de carbono como dicho gas de alimentación que contiene dióxido de carbono para producir como dicha corriente gaseosa exenta de dióxido de carbono una segunda corriente de reciclado, que tiene una tercera concentración de dióxido de carbono, y para producir como dicha corriente gaseosa de dióxido de carbono una primera corriente de descarga de dióxido de carbono;
    combinar al menos una parte de dicha primera parte dividida y al menos una parte de dicha segunda corriente de reciclado con oxígeno y etileno para formar de esta manera dicha primera alimentación del reactor;
    extraer de dicho reactor de epoxidación al menos una parte de dicho primer volumen de catalizador de epoxidación de alta actividad y reemplazarlo con una carga de reemplazo de un segundo volumen de un catalizador de epoxidación de alta selectividad para proporcionar un sistema modificado de reacción de epoxidación;
    cargar una segunda alimentación del reactor, que contiene una cuarta concentración de dióxido de carbono que es menor que dicha primera concentración de dióxido de carbono, a dicho sistema modificado de reacción de epoxidación con dicha carga de reemplazo;
    producir a partir de dicho sistema modificado de reacción de epoxidación una segunda corriente efluente del reactor de epoxidación;
    cargar al menos una parte de dicha segunda corriente efluente del reactor de epoxidación a dicho absorbente de óxido de etileno utilizado para separar dicha segunda corriente efluente del reactor de epoxidación en una tercera corriente de reciclado, que tiene una quinta concentración de dióxido de carbono, y una segunda corriente de óxido de etileno;
    dividir dicha tercera corriente de reciclado en una segunda parte dividida, de haber alguna, y una segunda parte remanente;
    cargar al menos una parte de dicha segunda parte remanente a dicho sistema de eliminación de dióxido de carbono como dicha corriente gaseosa de alimentación que contiene dióxido de carbono para producir como dicha corriente gaseosa exenta de dióxido de carbono una cuarta corriente de reciclado, que contiene una sexta concentración de dióxido de carbono, y para producir como dicha corriente gaseosa de dióxido de carbono una segunda corriente de descarga de dióxido de carbono; y
    combinar al menos una parte de dicha segunda parte dividida, de existir, en al menos una parte de dicha cuarta corriente de reciclado con oxígeno y etileno para formar así dicha segunda alimentación del reactor.
  2. 2. Un método según se expone en la reivindicación 1, en donde la cuarta concentración de dióxido de carbono es inferior a 3 por ciento molar, en base al total de moles de etileno, oxígeno y dióxido de carbono en la alimentación del reactor.
  3. 3. Un método según se expone en la reivindicación 2, en donde la cuarta concentración de dióxido de carbono está en el intervalo de 0,1 a menos de 2 por ciento molar, basado en el total de moles de etileno, oxígeno y dióxido de carbono en la alimentación del reactor.
    \global\parskip1.000000\baselineskip
  4. 4. Un método según se expone en la reivindicación 3, en donde la cuarta concentración de dióxido de carbono está en el intervalo de 0,2 a menos de 1,5 por ciento molar, basado en el total de moles de etileno, oxígeno y dióxido de carbono en la alimentación del reactor.
  5. 5. Un método según se expone en cualquiera de las reivindicaciones 1-4, en donde el catalizador de epoxidación de alta selectividad es un catalizador a base de plata que incluye un componente promotor de renio, y el catalizador de alta actividad es un catalizador a base de plata que no contiene un componente promotor de renio, o contiene una cantidad no promotora de un componente de renio.
  6. 6. Un método según se expone en la reivindicación 5, en donde el catalizador de epoxidación de alta selectividad comprende una alúmina alfa como material de soporte, la cantidad de plata está en el intervalo de 1 a 40 por ciento en peso, y la cantidad de renio está en el intervalo de 0,1 a 10 micromoles por gramo, basado en el peso total del catalizador; y en donde el catalizador de alta actividad comprende una alúmina alfa como material de soporte, y la cantidad de plata está en el intervalo de 1 a 40 por ciento en peso.
  7. 7. Un método según se expone en cualquiera de las reivindicaciones 1-6, en donde dicho disolvente pobre comprende una disolución acuosa de carbonato de metal alcalino.
  8. 8. Un método según se expone en la reivindicación 7, que comprende además agregar un activador a dicha disolución acuosa de carbonato de metal alcalino.
  9. 9. Un método según se expone en la reivindicación 8, que además comprende: proporcionar un segundo absorbente de dióxido de carbono conectado operativamente en paralelo con dicho absorbente de dióxido de carbono en donde dicho segundo absorbente de dióxido de carbono es capaz de recibir al menos una parte de dicha segunda parte remanente y poner en contacto la misma con dicho disolvente pobre para así proporcionar al menos una parte de dicha cuarta corriente de reciclado.
  10. 10. Un método según se expone en la reivindicación 8, que comprende además: modificar la estructura interna de dicho absorbente de dióxido de carbono para proporcionar de este modo una mayor transferencia de masa y un mayor número de bandejas teóricas y para mejorar la recuperación de dióxido de carbono de dicha al menos una parte de dicha segunda parte dividida.
  11. 11. Un método según se expone en la reivindicación 8, que comprende además: hacer funcionar dicho absorbente de dióxido de carbono de modo que proporcione una cuarta concentración de dióxido de carbono inferior a dicha primera concentración de dióxido de carbono.
  12. 12. Un método según se expone en cualquiera de las reivindicaciones 1-11, en donde dicha primera alimentación del reactor comprende etileno y oxígeno, además de una concentración de dióxido de carbono, y dicha segunda alimentación del reactor comprende etileno y oxígeno, además de una concentración de dióxido de carbono.
  13. 13. Un proceso para elaborar óxido de etileno, que comprende elaborar óxido de etileno haciendo funcionar un proceso de elaboración de óxido de etileno que ha sido mejorado por un método según se expone en cualquiera de las reivindicaciones 1-12.
  14. 14. Un método para elaborar 1,2-etanodiol o un éter de 1,2-etanodiol que comprende:
    -
    obtener óxido de etileno mediante un proceso para elaborar óxido de etileno según se expone en la reivindicación 13, y
    -
    convertir óxido de etileno en 1,2-etanodiol o éter de 1,2-etanodiol.
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