Патент на изобретение №2281934

(54) СПОСОБ ВЫДЕЛЕНИЯ ДИМЕТИЛОВОГО ЭФИРА

(57) Реферат:

Изобретение относится к способам ректификационного разделения смесей органических веществ и может быть использовано в химической промышленности, в частности, для выделения диметилового эфира высокой степени чистоты из реакционных смесей синтеза диметилового эфира из оксида углерода, диоксида углерода и водорода или совместного синтеза диметилового эфира с метанолом, или дегидратации метанола. Сущность изобретения: диметиловый эфир выделяют из реакционной смеси ректификацией в колонне под давлением с отводом диметилового эфира. Из реакционной смеси перед подачей в ректификационную колонну удаляют растворенные газы в отпарной колонне. Давление в отпарной колонне поддерживают на уровне 7-41 ата. В качестве отпарной колонны используют тарельчатую или насадочную колонну. В насадочной колонне создают условия для осуществления режима инверсии фаз. Диметиловый эфир отводят в виде дистиллята и/или в виде верхнего бокового отбора без вывода или с выводом примесей над точкой ввода питания в колонну. Технический результат: снижение содержания диоксида углерода в готовом продукте, увеличение выхода метилового эфира. 4 з.п. ф-лы, 7 табл., 4 ил.

Изобретение относится к способам ректификационного разделения смесей органических веществ, и может быть использовано в химической промышленности, в частности, для выделения диметилового эфира высокой степени чистоты из реакционных смесей синтеза диметилового эфира из оксида углерода, диоксида углерода и водорода или совместного синтеза диметилового эфира с метанолом, или дегидратации метанола.

Известен способ выделения диметилового эфира из реакционной смеси синтеза метанола, в котором реакционную смесь подают в ректификационную колонну, работающую под давлением 7-12 ата. Из верха колонны отводят фракцию диметилового эфира, из куба колонны – реакционную смесь с содержанием диметилового эфира в качестве примеси. (Караваев М.М. Технология синтетического метанола. – М.: Химия, 1984, с.140).

Недостатком этого способа является то, что во фракции диметилового эфира содержится повышенное количество примесей (1-2%), включающих диоксид углерода, последующие члены гомологического ряда простых эфиров, альдегид, пентокарбонил железа, легкие углеводороды, присутствующие в исходной смеси в качестве микропримесей и имеющие зоны накопления по высоте колонны.

Наиболее близким техническим решением является усовершенствованный способ выделения диметилового эфира путем ректификации под давлением 6-11,5 бар, в соответствии с которым диметиловый эфир отбирают не от дистиллята, а в виде верхнего бокового отбора, а из укрепляющей части колонны над точкой ввода питания отводят фракцию легколетучих примесей и направляют в колонну предварительной ректификации. (Патент ЕПВ №0270852, МКИ С 07 С 43/04, 3.07.11.87, оп. 15.06.88, прототип).

Недостатком этого способа является то, что в выделяемый диметиловый эфир попадает повышенное количество диоксида углерода. Диоксид углерода создает кислую среду. При использовании диметилового эфира в качестве дизельного топлива или добавок к нему кислая среда вызывает коррозию узлов двигателя. Поэтому со стороны потребителей такого топлива выдвигается требование по ограничению содержания диоксида углерода не более 0.05 мас.%.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования способа выделения диметилового эфира, в котором благодаря предварительному удалению растворенных газов перед ректификацией получают диметиловый эфир с содержанием диоксида углерода менее 0.05 мас.%.

Поставленная задача решается тем, что в способе выделения диметилового эфира из реакционной смеси путем ректификации в колонне под давлением с отводом диметилового эфира, согласно изобретению, из реакционной смеси перед подачей в ректификационную колонну удаляют растворенные газы в отпарной колонне.

Давление в отпарной колонне поддерживают на уровне 7-41 ата.

В качестве отпарной колонны используют тарельчатую или насадочную колонну.

В насадочной колонне создают условия для осуществления режима инверсии фаз.

Диметиловый эфир отводят от дистиллята и/или в виде верхнего бокового отбора без вывода или с выводом примесей над точкой ввода питания в колонну.

В отличие от прототипа, где реакционную смесь узла синтеза подают непосредственно в колонну выделения диметилового эфира, в заявляемом способе продукты реакции предварительно подвергают термообработке в отпарной колонне для выделения растворенных газов, в том числе и диоксида углерода.

При проведении процесса обработки в отпарной колонне под давлением ниже 7 ата требуется применение хладагента высокого потенциала для конденсации диметилового эфира из растворенных газов, что затратно.

На верхний предел давления процесса обработки в отпарной колонне влияет давление, с которым целесообразно направить фракцию растворенных газов назад в технологический процесс. При этом следует учитывать, что повышение давления выше 41 ата при обработке в отпарной колонне ухудшает процесс отделения растворенных газов, т.е. увеличивает расход энергии.

В качестве отпарной колонны целесообразно использовать простую насадочную колонну, более подходящую для проведения процессов отпаривания.

Для достижения максимально возможной производительности и максимально возможной эффективности в насадочной колонне создают условия для осуществления режима инверсии фаз.

Диметиловый эфир отбирают от дистиллята колонны выделения диметилового эфира в случае, когда при обработке в отпарной колонне осуществляют глубокую очистку смеси от диоксида углерода; при более грубой очистке диоксид углерода попадает в дистиллят второй колонны и готовый продукт целесообразно отбирать в виде верхнего бокового отбора. При глубоком выделении диметилового эфира из сырца на второй колонне по высоте колонны могут накапливаться промежуточные примеси реакционной смеси, имеющие температуру кипения между диметиловым эфиром и метанолом или образующие азеотропные смеси с метанолом или водой. В таком случае для повышения чистоты выделяемого диметилового эфира имеет смысл организовать отбор загрязняющих примесей из мест их максимального скопления.

На фиг.1 показана схема осуществления способа в соответствии с прототипом. На фиг.2-3 – схемы осуществления предлагаемого способа.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.

Реакционную смесь синтеза диметилового эфира 1 подают в отпарную колонну 2, работающую под давлением 7-41 ата. В колонне выделяют основную массу растворенных газов. Из куба колонны 2 выводят реакционную смесь с остаточным содержанием диоксида углерода и растворенных газов и направляют в ректификационную колонну 12, работающую под давлением. Из верха ректификационной колонны 12 отводят остаточное содержание диоксида углерода и растворенных газов 17. Товарный диметиловый эфир 16 отбирают в виде бокового отбора или из верха колонны 12. Содержание диоксида углерода в готовом продукте при заданных условиях термообработки находится ниже 0.05 мас.%, что снижает коррозионную способность получаемого диметилового эфира до допустимого уровня. Из куба ректификационной 12 колонны выводят смесь 18 высококипящих компонентов исходной смеси и направляют на дальнейшую переработку.

Доказательством осуществления предлагаемого способа являются следующие примеры.

Пример 1 (сравнительный).

Реакционная смесь 1 совместного синтеза диметилового эфира и метанола (фиг.1) поступает в колонну ректификации 1, работающую под давлением 13 ата. Пары 3 верха колонны 2 поступают в конденсатор 4 первой ступени конденсации. Несконденсировавшийся поток 5 поступает в конденсатор 6 второй ступени конденсации, а несконденсировавшиеся газы с температурой 10°С выводят потоком 7. Дистиллят 8 и 9 обоих конденсаторов возвращают на верх колонны в качестве орошения 10. В виде верхнего бокового отбора 11 из колонны отбирают поток диметилового эфира. Из куба потоком 12 выводят остаточную воду и метанол. Колонну 2 обогревают глухим паром 13.

В табл.1 приведен материальный баланс схемы, который показывает сравнительно высокое содержание диоксида углерода в продуктовом диметиловом эфире – 1.51%. Содержание основного вещества в диметиловом эфире 98.35 мас.%.

Пример 2.

Исходную смесь 1 (фиг.2) совместного синтеза диметилового эфира и метанола подают в колонну 2, работающую под давлением 7 ата. Из верха колонны газообразный поток 3 поступает в первичный конденсатор 4 для выделения из него основной массы диметилового эфира, а затем потоком 5 в концевой конденсатор 6, из которого потоком 7 выводят из цикла фракцию растворенных газов. Температура паров 3, покидающих колонну 2, на входе в конденсатор 4 составляет 23,5°С, а на выходе из конденсатора (поток 5) – 10°C. На выходе из конденсатора 6 (поток 7) – 0°С. Сконденсировавшуюся жидкость 8 и 9 потоком 10 возвращают в колонну 2. Из низа колонны 2 выводят обедненную растворенными газами жидкость 11 и подают в колонну 12, работающую под давлением 11 ата. Пары 13 из верха колонны 12 (температура 45°С) поступают в конденсатор 14; дистиллят 15 возвращают вверх колонны в качестве флегмы. Товарный диметиловый эфир выводят в виде верхнего бокового отбора потоком 16. Из низа колонны 12 потоком 18 выводят высококипящие компоненты исходной смеси: метанол, воду, высшие спирты, и направляют на дальнейшее разделение.

Материальный баланс процесса приведен в табл.2. Из него видно, что содержание основного вещества в выделенном диметиловом эфире составляет 99.83 мас.%, количество диоксида углерода снижается в 36 раз, а количество остальных примесей (кроме метанола и воды) – более чем в 2 раза. Расход тепла в колонне 2 составляет 0.61 Гкал/ч, расход холода в конденсаторах 0.47 Гкал/ч.

Пример 3.

Способ осуществляют, как в примере 2 (фиг.2), но колонна 2 работает под давлением 14 ата, колонна 12 работает под давлением 13 ата с температурой вверху колонны 52,5°С и 154,3°С в кубе. Содержание диоксида углерода в готовом продукте при приведенном режиме термообработки в колонне 2 составляет 0.046 мас.%, что снижает коррозионную способность диметилового эфира до допустимого уровня.

Материальный баланс процесса приведен в табл.3. Он показывает, что содержание основного вещества в выделенном диметиловом эфире составляет 99.79 мас.%, количество диоксида углерода снижается в 33 раза, а количество остальных примесей (кроме метанола и воды) – в 2 раза.

Для охлаждения паров 3 в конденсаторе 4 с 47°С до 35°С можно использовать воду, для охлаждения потока 5 в конденсаторе 6 с температуры 35°С до 10°С необходим специальный хладагент с расходом холода 0.17 Гкал/ч. Для термообработки в куб необходимо подвести 0.9 Гкал/ч тепла. Повышение давления с 7 ата до 14 ата приводит к повышению расхода тепла (пример 2) и снижению расхода холода.

Пример 4.

В примере показано осуществление процесса удаления растворенных газов при повышенном давлении с целью подачи фракции инертных газов в процесс – на конверсию метана, работающую под повышенным давлением.

Исходное сырье 1 (фиг.2) подают в отпарную колонну 2, работающую под давлением 31 ата. Температура паров 3, покидающих колонну 2, составляет 78,5°С. Для их конденсации в конденсаторах 4 и 6 используют только оборотную воду. Фракцию инертных газов 7 под собственным давлением заворачивают в голову процесса – узел конверсии природного газа, работающий под давлением немного ниже 31 ата. Из низа колонны 2 выводят очищенную от диоксида углерода (до заданного уровня) реакционную смесь синтеза 11 и направляют в колонну 12, работающую аналогично примеру 2.

В рассматриваемом примере отсутствует потребность в холоде, однако расход тепла на термообработку в колонне 2 повышается с 0.9 Гкал/ч (пример 3) до 1.15 Гкал/ч. Качество выделяемого продукта (поток 16) остается на том же уровне. Материальный баланс процесса приведен в табл.4.

Пример 5.

Для удаления растворенных газов исходную смесь 1 (фиг.3) подают в отпарную колонну 2, работающую под давлением 41 ата. Пары 3, покидающие колонну 2 с температурой 83,5°С, охлаждаются в конденсаторах 4 и 6 до температуры 30°С. Повышенное давление исключает потребность в холоде и позволяет газовую фракцию 7 после конденсатора 6 под собственным давлением направить в узел конверсии метана, работающий под давлением, близким к давлению поступающего из магистрали природного газа. Температура низа колонны 2 составляет 140°С, аппарат обогревают глухим паром. Глубоко очищенную от диоксида углерода смесь потоком 11 (смотри материальный баланс – табл.5) из низа колонны 2 подают в колонну 12, работающую под давлением 16 ата. Повышенное давление в колонне 12 может поддерживаться в летнее время при недостаточной поверхности конденсатора 14. Пониженное давление в колонне 12 можно поддерживать в зимний период при низкой температуре охлаждающей воды. Понижение давления способствует облегчению процесса разделения и, следовательно, уменьшению расхода теплоносителя на процесс.

Пары, покидающие верх колонны, конденсируются в конденсаторе 14, часть дистиллята 15 потоком 16А направляют вверх колонны, другую часть потока 16 выводят из цикла в виде готового продукта. Выше точки ввода питания отбирают фракцию легколетучих примесей 19. Из куба колонны потоком 18 выводят фракцию высококипящих компонентов и направляют в колонну предварительной ректификации метанола 20 для выделения остаточного содержания легкокипящих примесей. В эту же колонну можно подавать фракцию легколетучих примесей 19.

В колонне предварительной ректификации метанола 20 из потока 18 отделяют примеси более летучие, чем метанол. Колонна работает под давлением 1.05-1.7 ата. Пары 21, покидающие верх колоны, конденсируются в конденсаторе 22. Образовавшийся дистиллят 23 частично возвращают вверх колоны потоком 25. От дистиллята отбирают фракцию легколетучих примесей 26 и выводят из цикла. Очищенную от легколетучих примесей водометанольную смесь 27 направляют в колонну основной ректификации метанола 34, работающую под атмосферным давлением. Пары 35, покидающие верх колонны, конденсируются в конденсаторе 40. Образовавшийся дистиллят частично потоком 37 направляют в колонну, частично выводят из агрегата. Выделяемый метанол, в зависимости от требований к его качеству, можно отбирать от дистиллята или в виде верхнего бокового отбора 41, как показано на фиг.3. В последнем случае от дистиллята отбирают предгон 38 и возвращают в колонну предварительной ректификации. В виде боковых отборов 42 и 43 отбирают фракции сопутствующих примесей. Из куба колонны потоком 39 выводят воду.

В примере показано, как увеличение степени очистки реакционной смеси от диоксида углерода в колонне 2 позволяет вести отбор готового продукта непосредственно от дистиллята колонны 12. Из примера видно, что увеличение степени выделения диметилового эфира в колонне 12 (снижение его содержания в потоке 18) ведет к накоплению примесей по высоте колонны 12. Это делает необходимым организацию отбора фракции примесей 19, чтобы уменьшить загрязнение товарного диметилового эфира (поток 16).

Пример 6.

В примере показано, как решается задача отвода диметилового эфира в виде дистиллята и в виде верхнего бокового отвода двух уровней качества. Исходную смесь 1 (фиг.4) подают в колонну 2, работающую под давлением, например, 7 ата. Из верха колонны газообразный поток 3 поступает на парциальную конденсацию в конденсатор 4 для выделения основной массы диметилового эфира, а затем потоком 5 в концевой конденсатор 6, из которого потоком 7 выводят из цикла фракцию растворенных газов. Температура паров 3, покидающих колонну 2, на входе в конденсатор 4 составляет 23,5°С, а на выходе из конденсатора (поток 5) +10°С. На выходе из конденсатора 6 (поток 7) – 0°С. Сконденсировавшуюся жидкость 8 и 9 потоком 10 возвращают в колонну 2 в качестве флегмы. Из низа колонны 2 выводят обедненную растворенными газами жидкость 11 и подают в колонну 12, работающую под давлением, например, 11 ата. Пары 13 из верха колонны 12 (температура 48°С) поступают в конденсатор 14, дистиллят 15 возвращают частично на орошение колонны 16а, а частично 16б выводят в качестве готового продукта. Товарный диметиловый эфир с меньшим содержанием диоксида углерода 16 отбирают в виде верхнего бокового отбора. Из низа колонны 12 потоком 18 выводят высококипящие компоненты исходной смеси и направляют на дальнейшее разделение.

Приведенные примеры (табл.7) показывают, что осуществление предлагаемого способа выделения диметилового эфира позволяет снизить содержание диоксида углерода в готовом продукте с 1.5 мас.% (по прототипу) ниже 0.05 мас.% и увеличить выход диметилового эфира.

Формула изобретения

1. Способ выделения диметилового эфира из реакционной смеси путем ректификации в колонне под давлением с отводом диметилового эфира, отличающийся тем, что из реакционной смеси перед подачей в ректификационную колонну удаляют растворенные газы в отпарной колонне.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что давление в отпарной колонне поддерживают на уровне 7-41 ата.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве отпарной колонны используют тарельчатую или насадочную колонну.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что в насадочной колонне создают условия для осуществления режима инверсии фаз.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что диметиловый эфир отводят в виде дистиллята и/или в виде верхнего бокового отбора без вывода или с выводом примесей над точкой ввода питания в колонну.

РИСУНКИ