DE60224164T2

DE60224164T2 - Verfahren zur herstellung von alkylaromatischen verbindungen

Info

Publication number: DE60224164T2
Application number: DE60224164T
Authority: DE
Inventors: Shiou-Shan Winchester CHEN; Shyh-Yuan H. Newton HWANG
Original assignee: ExxonMobil Chemical Patents Inc; Stone and Webster Inc
Current assignee: ExxonMobil Chemical Patents Inc; TEn Process Technology Inc
Priority date: 2001-02-07
Filing date: 2002-02-06
Publication date: 2008-12-04
Anticipated expiration: 2022-02-07
Also published as: EP1358141B8; DE60224164D1; EP1358141B1; EP1358141A1; US7923590B2; ES2298350T3; WO2002062734A1; ATE381525T1; US20080262279A1; US20040220438A1; US7411101B2; ES2628745T3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Verbesserungen bei der Herstellung von alkylaromatischen Verbindungen, insbesondere Cumol und Ethylbenzol, unter Verwendung von Alkylierung und Transalkylierung in einer Kombinationskonfiguration, um erhebliche Verbesserungen der Verfahrenseffizienzen zu erzielen.
Hintergrund der Erfindung
Cumol und Herstellung von Cumol
Cumol ist eine aromatische Verbindung. Bei Umgebungsbedingungen ist es eine klare Flüssigkeit. Cumol von hoher Reinheit wird herkömmlich aus Propylen und Benzol hergestellt. Cumol wird heute hauptsächlich als ein Einsatzmaterial bei der Herstellung der Produkte Phenol und Aceton verwendet, die zwei wichtige Petrochemikalien mit vielen Verwendungen in der chemischen und der Polymerindustrie sind. 1998 betrug die weltweite Herstellung von Cumol etwa 7 Millionen Tonnen Cumol wurde erstmals während des 2. Weltkrieges als Benzin für die Luftfahrt in großen Mengen synthetisiert. Es hat eine hohe Verbrennungswärme und eine hohe Octanzahl, aber es ist heute als Kraftstoff wirtschaftlich nicht mehr wettbewerbsfähig. Sein Vorkommen in Benzin ist nunmehr als unvermeidbares untergeordnetes Reaktionsprodukt von Raffinerieverfahren wie katalytische Reformierung und Dampfcracken zufällig.
Die Herstellung von Cumol wurde viele Jahre als ein eher herkömmliches und routinemäßiges Geschäft angesehen, aber unlängst hat sie aus zwei Gründen für beachtliche Aufregung gesorgt. Erstens ist die Nachfrage nach Phenol zur Herstellung von Polycarbonaten durch die breiter werdenden Anwendungen von Polycarbonaten in der Elektro-, Gesundheitspflege- und Automobilindustrie schnell gestiegen. Zweitens hat die erfolgreiche Entwicklung und Kommerzialisierung der Zeolith-basierten Alkylierungstechnologie zur Isopropylierung von Benzol zu Cumol die älteren Verfahren obsolet gemacht, die auf fester Phosphorsäure und Aluminiumchlorid basierten. Innerhalb eines Zeitraumes von nur 2 Jahren während 1996 bis 1998 wurde mehr als die Hälfte der weltweiten Cumolkapazität auf die neuen Zeolithtechnologien umgestellt.
Neue Zeolith-basierte Cumoltechnologien, die von Mobil/Badger, Dow/Kellogg und UOP entwickelt wurden, führen die Alkylierung von Benzol und Propylen in flüssiger Phase in der Gegenwart eines festen sauren Zeolithkatalysators durch. Ein von CDTech entwickeltes Verfahren erzielt die Alkylierung von Benzol und Propylen in gemischten Phasen in einer katalytischen Destillationskolonne, die sowohl mit Destillationsvorrichtungen als auch Ballen von Zeolithkatalysatoren gepackt ist. 1 ist eine vereinfachte Wiedergabe der Zeolithbasierten Cumoltechnologien. Alle diese Zeolith-basierten Cumoltechnologien verwenden eine getrennte Transalkylierungszone, die parallel mit der Alkylierungszone betrieben wird, um eine Mischung von Benzol und den Polyisopropylbenzolalkylierungsnebenprodukten umzusetzen, um in Gegenwart eines festen sauren Katalysators zusätzliches Cumol in flüssiger Phase zu bilden. Eine Trennzone wird verwendet, um das nicht umgesetzte Benzol und Polyisopropylbenzole zur Rückführung zu gewinnen und das gewünschte Cumolprodukt zu isolieren.
Ethylbenzol und Herstellung von Ethylbenzol
Ethylbenzol ist eine Gebrauchschemikalie, die derzeit hauptsächlich für die Herstellung von Styrol verwendet wird. 1998 betrug die weltweite Herstellung von Ethylbenzol etwa 19 Million Tonnen. Ethylbenzol kann durch eine Reihe von verschiedenen chemischen Verfahren hergestellt werden, aber die derzeitige kommerzielle Ethylbenzolproduktion wird durch Zeolith-basierte Technologien dominiert. Das erste Ethylbenzolverfahren auf Basis von Zeolith, das gemeinsam von Mobil und Badger in den frühen 1980ern entwickelt wurde, verwendet eine Kombination von Dampfphasenalkylierung von Benzol mit Ethylen und Dampfphasentransalkylierung von einer Mischung aus Benzol und Polyethylbenzol. Sowohl die Alkylierungs- als auch die Transalkylierungsschritte werden in Gegenwart von festen sauren ZSM-5-Katalysatoren durchgeführt.
Viele Flüssigphasenethylbenzoltechnologien auf Basis von Zeolith wurden in den späten 1980ern und in den 1990ern durch UOP/Lummus und Mobil/Badger entwickelt. Die Alkylierung von Benzol mit Ethylen und Transalkylierung von Mischungen aus Benzol und Polyethylbenzolen werden in flüssiger Phase in Gegenwart eines festen sauren Zeolithkatalysators durchgeführt. Katalysatoren, die für die Alkylierung von Benzol mit Ethylen und die Transalkylierung von Benzol und Polyethylbenzolen in einer zumindest teilweise flüssigen Phase verwendet werden können, schließen Zeolith β, Zeolith Y, ZSM-5, PSH-3, ITQ-2, ZSM-12, MCM-22, MCM-36, MCM-49, MCM-56, MCM-58, MCM-68, Faujasit, Mordenit, poröse kristalline Magnesiumsilicate und Wolfram-modifiziertes Zirkoniumdioxid ein.
Verfahren zur Herstellung von Ethylbenzol über Zeolithen mit intermediärer Porengröße sind in US-A-3 751 504 (Keown), US-A-4 547 605 (Kresge) und US-A-4 016 218 (Haag) beschrieben. US-A-4 169 111 (Wight) und US-A-4 459 426 (Inwood) offenbaren die Herstellung von Ethylbenzol über Zeolithen mit großer Porengröße wie Zeolith Y. Ein Verfahren zur Herstellung von Ethylbenzol über Zeolith ZSM-12 ist in US-A-3 755 483 (Burress) beschrieben. Flüssigphasensynthese von Ethylbenzol mit Zeolith β ist in US-A-4 891 458 beschrieben.
Um die Bildung von Polyalkylaromaten und anderen ungewünschten Verunreinigungen (z. B. Oligomeren des Olefins) zu minimieren, arbeitet die Herstellung von Alkylaromaten wie Ethylbenzol und Cumol typischerweise mit relativ hohen (überschüssigen) molaren Verhältnissen von Aromat (z. B. Benzol) zu Olefin (z. B. Ethylen oder Propylen) in dem Alkylierungsreaktoreinsatzmaterial. Zeolith-basierte alkylaromatische Verfahren arbeiten im Allgemeinen bei molaren Einsatzmaterialverhältnissen von Aromat zu Olefin von drei oder mehr, während Verfahren auf Basis von Aluminiumchlorid häufig bei molaren Verhältnissen von Aromat zu Olefin von drei und weniger arbeiten. In beiden Fällen werden jedoch Polyalkylaromate mit ausreichend hohen Niveaus erzeugt, dass es unerschwinglich teuer wäre, sie einfach als Nebenprodukte mit geringem Wert zu entsorgen. Stattdessen werden diese polyalkylierten Aromaten in der Regel weiter mit Einsatzmaterialaromaten umgesetzt, um über Transalkylierungsreaktionen weiteres Monoalkylat zu bilden.
Im Falle des oben erwähnten Dampfphasenethylbenzolverfahrens von Mobil/Badger kann die Transalkylierungsreaktion in dem Alkylierungsreaktor oder in einem getrennten Transalkylierungsreaktor stattfinden. US-A-5 902 917 (Collins) und US-A-6 096 935 (Schulz) beschreiben Verfahren zur Herstellung von Alkylaromaten, bei denen ein Einsatzmaterial zuerst in eine Transalkylierungszone eingespeist wird und der gesamte Ausfluss aus der Transalkylierungszone anschließend zusammen mit einem Olefinalkylierungsmittel direkt in eine Alkylierungszone kaskadiert wird.
US-A-5 003 119 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Alkylbenzolen, bei dem ein Einsatzmaterial aus frischem und zurückgeführtem Benzol und frischem Olefin in Gegenwart eines Alkylierungskatalysators umgesetzt werden, der mindestens zwei Reaktionsstufen aufweist.
Konventionell sind relativ hohe molare Verhältnisse von Aromat (z. B. Benzol) zu Olefin (z. B. Ethylen oder Propylen) kommerziell erfolgreich bei der Herstellung von Alkylaromaten (z. B. Ethylbenzol oder Cumol) verwendet worden, um die Bildung von Polyalkylaromaten und anderen ungewünschten Verunreinigun gen (z. B. Oligomeren des Olefins) zu minimieren. Der Nachteil der Verwendung von hohen molaren Verhältnissen von Aromat zu Olefin besteht jedoch darin, das die Rückführung und anschließende Zirkulation (Wiederverwendung) der nicht umgesetzten Aromaten sehr erhebliche Mengen an Energie verbraucht, was die Produktionskosten der gewünschten Alkylaromaten erhöht.
Die Rückführung und Zirkulation von großen Mengen an nicht umgesetzten Aromaten erfordert auch Trennausrüstung mit größerer Kapazität (gewöhnlich Destillationskolonnen) und größere Pumpen, was beides die Kapitalkosten der Anlage und somit auch die Produktionskosten erhöht.
Es ist daher von entscheidendem Interesse, die Menge an überschüssigen Aromaten zu minimieren, die verwendet wird und zurückgeführt und anschließend zirkuliert werden muss, um die Herstellungskosten zu minimieren. Es ist heute bei der Herstellung von hoch wettbewerbsfähigen Gebrauchschemikalien (z. B. Ethylbenzol und Cumol), die global hergestellt und gehandelt werden, und zu einer Zeit, zu der die Energiekosten hoch sind, von noch größerer Bedeutung. Eine geringe Zirkulation von Aromaten führt zu geringerem Energieverbrauch, geringeren Kapitalinvestitionen und somit einer effizienteren Anlage. Dies wiederum ermöglicht einem Hersteller, sich selbst als ein Hersteller mit geringen Kosten in einer vorteilhaften (wettbewerbsfähigen) Marktposition zu etablieren.
Wegen dieser Nachteile und Einschränkungen der Verfahren des Stands der Technik ist es erwünscht, verbesserte Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung von alkylaromatischen Verbindungen bereitzustellen. In dieser Erfindung werden zwei Reaktionskonfigurationen bereitgestellt, die verglichen mit den Verfahren des Stands der Technik erwiesenermaßen die Gesamtaromatenzirkulation bei allen Aromat-zu-Olefin-Verhältnissen erheblich verringern.
Aufgaben der Erfindung
Demgemäß liegt eine allgemeine Aufgabe dieser Erfindung darin, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von alkylaromatischen Verbindungen, insbesondere Cumol und Ethylbenzol, bereitzustellen.
Eine Hauptaufgabe dieser Erfindung liegt spezieller darin, ein Verfahren zur Herstellung von alkylaromatischen Verbindungen unter Verwendung von weniger Zirkulation von Aromaten als in konventionellen Verfahren bereitzustellen.
Es ist eine weitere Hauptaufgabe dieser Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von alkylaromatischen Verbindungen bereitzustellen, das eine relativ geringe Zirkulation von Aromaten verwendet, ohne die Herstellung von ungewünschten Nebenprodukten, insbesondere Polyalkylaromaten zu steigern.
Eine spezielle Aufgabe dieser Erfindung ist, ein Verfahren zur Herstellung von alkylaromatischen Verbindungen bereitzustellen, das eine Reaktionszone oder -stufe, die allgemein Alkylierung und Transalkylierung umfasst, in Kombination zusammen mit einer Trennzone oder -stufe verwendet.
Eine weitere spezielle Aufgabe dieser Erfindung ist, ein Verfahren unter Verwendung einer Reaktionszone zur Herstellung von alkylaromatischen Verbindungen bereitzustellen, die eine kombinierte Alkylierungs-Transalkylierungseinheit umfasst.
Eine weitere spezielle Aufgabe dieser Erfindung ist, alkylaromatische Verbindungen wie Cumol und Ethylbenzol unter Verwendung des hier beschriebenen Verfahrens herzustellen.
Andere Aufgaben und Vortele der vorliegenden Erfindung werden teilweise naheliegen und teilweise hiernach erscheinen. Die Erfindung umfasst demnach, ohne darauf beschränkt zu sein, Verfahren und zugehörige Vorrichtungen, die die vielen Schritte und verschiedenen Komponenten und das Verhältnis und die Reihenfolge von einem/einer oder mehreren solcher Schritte und Komponenten in Bezug auf die jeweils anderen einbeziehen, wie durch die folgende Beschreibung und die beiliegenden Zeichnungen veranschaulicht wird. Verschiedene Modifikationen und Abwandlungen der hier beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen sind Fachleuten offensichtlich und alle diese Modifikationen und Abwandlungen werden als innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung angesehen.
Zusammenfassung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein wie in den beiliegenden Ansprüchen definiertes Verfahren bereitgestellt.
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Verbesserungen von Alkylierungs- und Transalkylierungsverfahren bei der Herstellung von alkylaromatischen Verbindungen, beispielsweise Cumol und Ethylbenzol, unter Verwendung eines Reaktionsabschnitts und eines Trennabschnitts. Erfindungsgemäß wird eine neue Reaktorkonfiguration für den Reaktionsabschnitt bereitgestellt. Die in dieser Erfindung bereitgestellte Konfiguration des Reaktionsabschnitts erfordert erheblich weniger Gesamtaromatendestillation und -zirkulation (Rückführung), als dies die herkömmlichen Konfigurationen von sowohl parallelen Alkylierungs-/Transalkylierungsreaktoren als auch der in US-A-5 902 917 (Collins) und US-A-6 096 935 (Schulz) beschriebenen Transalkylator-Alkylator-Kaskadenkonfiguration tun, selbst wenn sie mit dem gleichen molaren Verhältnis von Aromaten zu Olefin im Alkylatoreinsatzmaterial betrieben wird, wodurch die Kapital- und Gebrauchskosten der Herstellung der gewünschten Alkylaromaten verringert werden.
Bei dem erfindungsgemäßen verbesserten Verfahren zur Herstellung von Alkylaromaten umfasst der Reaktionsabschnitt eine neue kombinierte Alkylierungs-Transalkylierungszone. Drei bzw. mehrere getrennte Einsatzmaterialien, die im Wesentlichen aus frischen und zurückgeführten Aromaten, frischem Olefin und zurückgeführten Polyalkylaromaten bestehen, oder ein oder mehrere zumindest teilweise kombinierte Einsatzmaterialien von Aromaten, Olefin und/oder Polyalkylaromaten werden zu einer kombinierte Alkylierungs-Transalkylierungszone geleitet, in der die Komponenten in Gegenwart von Katalysator umgesetzt werden. Der Ausfluss aus der kombinierten Reaktionszone wird in eine Trennzone geleitet, in der nicht umgesetzte Aromaten und Polyalkylaromaten gewonnen und zurückgeführt werden und das gewünschte alkylaromatische Produkt, beispielsweise Cumol oder Ethylbenzol, isoliert wird.
Die Reaktion wird im Wesentlichen adiabatisch in zumindest teilweise flüssiger Phase bei Temperaturen zwischen etwa 66°C (150°F) und 482°C (900°F) und Drücken zwischen etwa 1034 kPag/1135 kPa (150 psig) und 13790 kPag/13891 kPa (2000 psig) über einem oder mehreren Betten von geeignetem/geeigneten Alkylierungs-Transalkylierungskatalysator(en) durchgeführt, der/die mindestens ein festes saures Oxid umfasst/umfassen, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Zeolith β, Zeolith Y, ZSM-5, PSH-3, ITQ-2, ZSM-12, MCM-22, MCM-36, MCM-49, MCM-56, MCM-58, MCM-68, Faujasit, Mordenit, porösen kristallinen Magnesiumsilicaten und Wolfram modifiziertem Zirkoniumdioxid. Es wurde gefunden, dass die Reaktion von Aromaten und Olefin zur Erzeugung von Monoalkylaromaten und Polyalkylaromaten und die Reaktion von Aromaten und Polyalkylaromaten zur Erzeugung von zusätzlichen Monoalkylaromaten in dieser Umgebung gleichzeitig über mindestens einem Katalysatorbett stattfindet.
Die kombinierte Alkylierungs-Transalkylierungsreaktionszone kann in einem oder mehreren Gefäßen untergebracht sein. Das molare Gesamtverhältnis von Aromaten zu Olefin, die in die kombinierte Reaktionszone eingespeist werden, liegt zwischen etwa 1:1 und 20:1. Das in die kombinierte Reaktionszone eingespeiste Olefin wird im Wesentlichen vollständig umgesetzt. Das Gesamtgewichtsverhältnis von Aromaten zu Polyalkylaromaten, die in die kombinierte Reaktionszone eingespeist werden, liegt zwischen etwa 0,2:1 und 20:1.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Darstellung eines ersten Verfahrens des Stands der Technik, wie oben erläutert, zur Herstellung von alkylaromatischen Verbindungen, bei dem getrennte Alkylierungs- und Transalkylierungsreaktoren in konventioneller paralleler Weise konfiguriert sind.
2 ist eine schematische Darstellung eines zweiten Verfahrens des Stands der Technik, wie oben erläutert, zur Herstellung von alkylaromatischen Verbindungen, nämlich eine kaskadierte Konfiguration, in der der gesamte Ausfluss aus der Transalkylierungszone zusammen mit einem Olefin direkt in eine Alkylierungszone kaskadiert wird.
3 ist eine schematische Darstellung einer Vergleichsausführungsform, die nicht erfindungsgemäß ist, bei der der Reaktionsabschnitt eine Alkylierungszone und eine Transalkylierungszone umfasst, die konfiguriert sind, um sie in Reihe zu betreiben.
4 ist eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem der Reaktionsabschnitt eine kombinierte Alkylierungs-Transalkylierungszone umfasst.
5 ist ein Diagramm, das die Gesamtbenzolzirkulation für die Herstellung von Cumol bei variierenden Alkylatoreinsatzmaterialverhältnissen von Benzol und Propylen für die Reaktorkonfigurationen des Standes der Technik von 1 und 2 mit der für die Reaktorkonfigurationen von 3 und 4 vergleicht.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Die Neuheit der vorliegenden Erfindung kann am besten verstanden, indem diese mit zwei wichtigen Ansätzen zur Herstellung von alkylaromatischen Verbindungen des Stands der Technik verglichen wird.
Ein erster bekannter konventioneller Ansatz zur Herstellung von alkylaromatischen Verbindungen, bei dem getrennte Alkylierungs- und Transalkylierungsreaktoren verwendet und in paralleler Weise betrieben werden, ist schematisch in 1 veranschaulicht. Wie in 1 gezeigt, kann frisches Aromateneinsatzmaterial über Leitung 100 in die Trennzone 120, über Leitung 101 in die Alkylierungszone 140 oder über Leitung 102 in die Transalkylierungszone 130 in das Verfahren eintreten. Ein Teil des aus der Trennzone 120 gewonnenen aromatischen Einsatzmaterials wird über Leitung 105 zur Alkylierungszone 140 geleitet. Ein zweiter Teil des in der Trennzone 120 gewonnenen aromatischen Einsatzmaterials wird über Leitung 106 zur Transalkylierungszone 130 geleitet. Frisches Olefineinsatzmaterial wird über Leitung 103 in die Alkylierungszone 140 eingebracht, und der Ausfluss aus der Alkylierungszone 140 wird über Leitung 107 zur Trennzone 120 geleitet. Das in der Trennzone 120 gewonnene Polyalkylaromatenprodukt wird über Leitung 108 zum Transalkylator 130 geleitet. Der Ausfluss aus der Transalkylierungszone 130 wird über Leitung 109 zur Trennzone 120 geleitet.
Ein zweiter bekannter konventioneller Ansatz zur Herstellung von alkylaromatischen Verbindungen unter Verwendung eines Kaskadenverfahrens, wie in US-A-5 902 917 (Collins und US-A-6 096 935 (Schulz) beschrieben, wird schematisch in 2 veranschaulicht. Wie in 2 gezeigt, kann frisches Aromateneinsatzmaterial entweder über Leitung 200 in die Trennzone 220, über Leitung 201 in die Transalkylierungszone 230 oder über Leitung 202 in die Alkylierungszone 240 in das Verfahren eintreten. Ein erster Teil des aus der Trennzone 220 gewonnenen aromatischen Einsatzmaterials wird über Leitung 203 zur Transalkylierungszone 230 geleitet. Ein zweiter Teil des aus der Trennzone 220 gewonnenen aromatischen Einsatzmaterials wird über Leitung 206 in die Alkylierungszone 240 eingebracht. Das aus der Trennzone 220 gewonnene polyalkylaromatische Produkt wird über Leitung 204 zur Transalkylierungszone 230 geleitet. Der Ausfluss aus der Transalkylierungszone 230 wird über Leitung 205 zur Alkylierungszone 240 geleitet. Das frische Olefineinsatzmaterial des Verfahrens wird über Leitung 207 in die Alkylierungszone 240 eingebracht, während der Ausfluss aus der Alkylierungszone 240 über Leitung 208 zur Trennzone 220 geleitet wird.
Eine Vergleichsausführungsform, die nicht erfindungsgemäß ist, bei der der Reaktionsabschnitt eine Alkylierungszone und eine Transalkylierungszone umfasst, die konfiguriert sind, um in Reihe betrieben zu werden, wird schematisch in 3 veranschaulicht. Wie in 3 gezeigt, kann frisches Aromateneinsatzmaterial 300 entweder über Leitung 301 in die Trennzone 320, über Leitung 302 in die Alkylierungszone 340 oder alternativ über Leitung 305 in die Transalkylierungszone 330 in das Verfahren eintreten. Das aus der Trennzone 320 gewonnene aromatische Produkt in Form von zurückgeführten Aromaten wird über Leitung 303 in die Alkylierungszone 340 eingebracht, und das frische Olefineinsatzmaterial tritt über Leitung 304 in die Alkylierungszone 340 in das Verfahren ein. Der Ausfluss aus der Alkylierungszone 340 wird über Leitung 306 zur Transalkylierungszone 330 geleitet. Das in Trennzone 320 gewonnene polyalkylaromatische Produkt wird über Leitung 307 in die Transalkylierungszone 330 eingebracht. Der Ausfluss aus der Transalkylierungszone 330 wird über Leitung 308 zur Trennzone 320 geleitet. Das monoalkylierte Produkt wird über Leitung 321 aus der Trennzone 320 entfernt.
Wie in 3 ersichtlich, beinhaltet diese Vergleichsausführungsform, die nicht erfindungsgemäß ist, die folgenden Verfahrensschritte, bei denen

(a) eine Reaktionsmischung, die frische und zurückgeführte Aromaten und frisches Olefin umfasst, durch zwei oder mehrere individuelle Komponenteneinsatzmaterialien oder einen oder mehrere zumindest teilweise kombinierte Einsatzmaterialien in eine Alkylierungszone eingebracht wird, wobei das molare Verhältnis von Aromaten zu Olefin in der Mischung 1:1 übersteigt und die Alkylierungszone geeignete(n) Alkylierungskatalysator(en) einschließt,
(b) die Aromaten/Olefin-Mischung unter ausreichenden Alkylierungsbedingungen mit dem/den Alkylierungskatalysator(en) in Kontakt gebracht wird, um im Wesentlichen alle Olefine in der Mischung zu monoalkylierten Aromaten und polyalkylierten Aromaten umzusetzen, um einen Ausfluss aus der Alkylierungszone zu erzeugen, der monoalkylierte und polyalkylierte Aromaten und nicht umgesetzte Aromaten umfasst,
(c) ein Einsatzmaterial in die Transalkylierungszone eingebracht wird, das den Ausfluss aus der Alkylierungszone, rückgeführte Polyalkylaromaten und möglicherweise zusätzliche Aromaten umfasst, wobei die Transalkylierungszone einen geeigneten Transalkylierungskatalysator einschließt,
(d) das Einsatzmaterial der Transalkylierungszone unter ausreichenden Transalkylierungsbedingungen mit dem Transalkylierungskatalysator in Kontakt gebracht wird, um mindestens ein Teil der Aromaten und der polyalkylierten Aromaten in dem Einsatzmaterial zu zusätzlichen monoalkylierten Aromaten umzusetzen, um einen Ausfluss aus der Transalkylierungszone zu er zeugen, der die gewünschten monoalkylierten Aromaten und die nicht umgesetzten Aromaten und polyalkylierten Aromaten umfasst, und
(e) der Ausfluss aus der Transalkylierungszone in eine Trennzone eingebracht wird, in der das gewünschte monoalkylierte Aromatenprodukt isoliert und gewonnen wird und die nicht umgesetzten Aromaten und polyalkylierten Aromaten gewonnen und zurückgeführt werden.

Der Alkylierungsschritt dieser Vergleichsausführungsform kann in zumindest teilweise flüssiger Phase bei Temperaturen zwischen etwa 66°C (150°F) und 482°C (900°F) und bei Drücken zwischen etwa 1034 kPag/1135 kPa (150 psig) und 13790 kPag/13891 kPa (2000 psig) über einem oder mehreren Betten von brauchbarem/brauchbaren Alkylierungskatalysator(en) durchgeführt werden, der/die mindestens ein festes saures Oxid umfasst/umfassen, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Zeolith β, Zeolith Y, ZSM-5, PSH-3, ITQ-2, ZSM-12, MCM-22, MCM-36, MCM-49, MCM-56, MCM-58, MCM-68, Faujasit, Mordenit, porösen kristallinen Magnesiumsilicaten und Wolframmodifiziertem Zirkoniumdioxid. Das molare Gesamtverhältnis von Aromaten zu Olefin, die in die Alkylierungszone eingespeist werden, kann zwischen etwa 1:1 und 20:1 liegen. Das in die Alkylierungszone eingespeiste Olefin wird im Wesentlichen vollständig mit dem Aromateneinsatzmaterial umgesetzt. Die Alkylierungszone kann in einem oder mehreren Gefäßen untergebracht sein. Jedes Alkylierungsgefäß kann ein oder mehrere Katalysatorbetten aufweisen, die die gleichen oder verschiedene Alkylierungskatalysatoren oder Katalysatormischungen enthalten. Ein Teil des Gesamtausflusses aus der Alkylierungszone kann zu Temperatursteuerungszwecken mit oder ohne Kühlung zurück zu einigen oder den gesamten Alkylierungskatalysatorbetten geführt werden.
Zeolith β-Katalysator ist in US-A-3 308 069 und der erneut erteilten RE-28 341 beschrieben. Verschiedene Versionen von Zeolith Y sind in US-A-3 130 007 , US-A-3 293 192 , US-A-3 449 070 und US-A-3 442 795 beschrieben. ZSM-5 ist detailliert in US-A-3 702 886 und der erneut erteilten RE-29 948 beschrieben. ZSM-12 ist in US-A-3 832 449 beschrieben. PSH-3 ist in US-A-4 439 409 offenbart. ITQ-2 ist in US-A-6 231 751 offenbart.
MCM-22-Katalysator und seine Verwendung zum Katalysieren der Synthese von Alkylaromaten sind in US-A-4 954 325 , US-A-4 992 606 , US-A-5 077 445 und US-A-5 334 795 beschrieben. MCM-36 und seine Verwendung bei der Synthese von Alkylaromaten sind in US-A-5 250 277 , US-A-5 292 698 und US-A-5 258 565 beschrieben. MCM-49 und seine Verwendung bei der Synthese von Alkylaromaten sind in US-A-5 236 557 , US-A-5 493 065 und US-A-5 371 310 beschrieben. MCM-56 und seine Verwendung zum Katalysieren der Synthese von Alkylaromaten sind in US-A-5 362 697 , US-A-5 535 54 , US-A-5 557 024 und US-A-6 051 521 beschrieben. MCM-58 und seine Verwendung zur Herstellung von Alkylaromaten sind in US-A-5 437 855 und US-A-5 569 805 beschrieben. MCM-68 und seine Verwendung zur Herstellung von Alkylaromaten sind in US-A-6 049 018 beschrieben. Die Verwendung von Wolfram-modifiziertem Zirkoniumdioxid zum Katalysieren der Synthese von Alkylaromaten ist in US-A-5 563 311 beschrieben.
Der Transalkylierungsschritt dieser Vergleichsausführungsform wird in zumindest teilweise flüssiger Phase bei Temperaturen zwischen etwa 66°C (150°F) und 482°C (900°F) und Drücken zwischen etwa 1034 und 13790 kPag/1135 und 13891 kPa (150 und 2000 psig) über einem oder mehreren Betten von Transalkylierungskatalysator(en) durchgeführt, der/die mindestens ein festes saures Oxid umfasst/umfassen, das ausgeählt ist aus der Gruppe bestehend aus Zeolith β, Zeolith Y, ZSM-5, PSH-3, ITQ-2, ZSM-12, MCM-22, MCM-36, MCM-49, MCM-56, MCM-58, MCM-68, Faujasit, Mordenit, porösen kristallinen Magnesiumsilicaten und Wofram-modifiziertem Zirkoniumdioxid. Das Gesamtgewichtsverhältnis von Aromaten zu Polyalkylaromaten, die in die Transalkylierungszone eingespeist werden, kann zwischen etwa 0,2:1 und 20:1 liegen. Die Transalkylierungszone kann entweder in einem oder mehreren getrennten Gefäßen oder alternativ in demselben Gefäß oder denselben Gefäßen untergebracht sein, in denen die Alkylierungszone untergebracht ist. Die Transalkylierungszone kann ein oder mehrere Katalysatorbetten aufweisen, die dieselben oder verschiedene Transalkylierungskatalysatoren oder -katalysatormischungen enthalten.
Das erfindungsgemäße Verfahren, bei dem der Reaktionsabschnitt eine kombinierte Alkylierungs-Transalkylierungszone umfasst, wird schematisch in 4 veranschaulicht. Wie in 4 gezeigt, kann frisches Aromateneinsatzmaterial 400 entweder über Leitung 401 in Trennzone 420 oder über Leitung 402 in die kombinierte Reaktionszone 450 in das Verfahren eintreten. Die aus der Trennzone 420 gewonnenen Aromaten werden über Leitung 403 als zurückgeführte Aromaten in die kombinierte Reaktionszone 450 eingebracht und das frische Olefineinsatzmaterial tritt über Leitung 405 in die kombinierte Reaktionszone 450 ein. Das in der Trennzone 420 gewonnene polyalkylaromatische Produkt wird über Leitung 404 in die kombinierte Reaktionszone 450 eingebracht. Der Ausfluss aus der kombinierten Reaktionszone 450 wird über Leitung 406 zur Trennzone 420 geleitet. Das monoalkylierte Produkt wird über Leitung 421 in der Trennzone 420 entfernt.
Wie in 4 ersichtlich, beinhaltet das erfindungsgemäße Verfahren die folgenden Verfahrensschritte, bei denen

(a) eine Reaktionsmischung, die frische und zurückgeführte Aromaten, frisches Olefin und zurückgeführte Polyalkylaromaten umfasst, durch drei oder mehrere individuelle Komponenteneinsatzmaterialien oder einen oder mehrere zumindest teilweise kombinierte Einsatzmaterialien in eine kombinierte Reaktionszone eingebracht wird, wobei das molare Verhältnis von Aromaten zu Olefin in der Mischung 1:1 übersteigt und das Ge wichtsverhältnis von Aromaten zu zurückgeführten Polyalkylaromaten 0,2:1 übersteigt und die kombinierte Reaktionszone einen geeigneten Katalysator oder eine geeignete Katalysatormischung einschließt, der/die sowohl die Alkylierung als auch Transalkylierung katalysieren kann,
(b) die Reaktionsmischung unter ausreichenden Reaktionsbedingungen mit dem/den Katalysator(en) in Kontakt gebracht wird, um im Wesentlichen die gesamten Olefine in der Reaktionsmischung zu monoalkylierten Aromaten und polyalkylierten Aromaten umzusetzen und um die Aromaten und Polyalkylaromaten in der Reaktionsmischung umzusetzen, um zusätzliche Monoalkylaromaten zu erzeugen, um einen Ausfluss aus der kombinierten Reaktionszone zu erzeugen, der monoalkylierte Aromaten, polyalkylierte Aromaten und nicht umgesetzte Aromaten umfasst, wobei die Menge an Polyalkylaromaten in dem Ausfluss in etwa dieselbe ist wie im Gesamteinsatzmaterial der Reaktionszone, und
(c) der Reaktionszonenausfluss in eine Trennzone eingebracht wird, in der das gewünschte monoalkylierte Aromatenprodukt isoliert und gewonnen wird und die nicht umgesetzten Aromaten und polyalkylierten Aromaten gewonnen und zurückgeführt werden.

Der kombinierte Reaktionsschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens kann in zumindest teilweise flüssiger Phase bei Temperaturen zwischen etwa 66°C (150°F) und 482°C (900°F) und Drücken zwischen etwa 1034 kPag/1135 kPa (150 psig) und 13790 kPag/13891 kPa (2000 psig) über einem oder mehreren Betten von geeignetem/geeigneten Katalysator(en) durchgeführt werden, der/die mindestens ein festes saures Oxid enthält/enthalten, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Zeolith β, Zeolith Y, ZSM-5, PSH-3, ITQ-2, ZSM-12, MCM-22, MCM-36, MCM-49, MCM-56, MCM-58, MCM-68, Faujasit, Mordenit, porösen kristalli nen Magnesiumsilicaten und Wofram-modifiziertem Zirkoniumdioxid. Es wird angenommen, dass die Reaktion von Aromaten und Olefin zur Erzeugung der Monoalkylaromaten und Polyalkylaromaten und die Reaktion von Aromaten und Polyalkylaromaten zur Erzeugung von zusätzlichen Monoalkylaromaten gleichzeitig über mindestens einem Katalysatorbett stattfinden.
Die kombinierte Reaktionszone des erfindungsgemäßen Verfahrens kann in einem oder mehreren Gefäßen untergebracht sein. Jedes Reaktionsgefäß kann ein oder mehrere Katalysatorbetten der gleichen oder verschieden Katalysatoren oder Mischungen von geeigneten Katalysatoren umfassen. Olefineinsatzmaterial wird in mindestens eines der Katalysatorbetten, aber nicht notwendigerweise in jedes der Betten eingebracht, wenn es mehr als eines gibt. Ein Teil des Gesamtausflusses aus der kombinierten Reaktionszone kann zu Temperatursteuerungszwecken mit oder ohne Kühlung zu einigen oder allen Katalysatorbetten zurückgeführt werden.
Eine Abwandlung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann frische und zurückgeführte Aromaten, Rückführungsausfluss und zurückgeführte Polyalkylaromaten (aber nicht das Olefineinsatzmaterial) aufweisen, die in das erste einer Vielzahl von aufeinanderfolgenden Katalysatorbetten eingebracht werden. In einer solchen Ausführungsform kann das Olefineinsatzmaterial anschließend in einige oder alle der stromabwärts befindlichen Katalysatorbetten eingebracht werden.
Das molare Gesamtverhältnis von Aromaten zu Olefin, die in die Reaktionszone eingespeist werden, übersteigt 1:1, liegt vorzugsweise zwischen etwa 1:1 und 20:1 und beträgt insbesondere etwa 2:1. Das in die Reaktionszone eingespeiste Olefin wird im Wesentlichen vollständig umgesetzt. Das Gesamtgewichtsverhältnis von Aromaten zu Polyalkylaromaten, die in die Alkylierungszone eingespeist werden, übersteigt 0,2:1, liegt vorzugsweise zwischen etwa 0,2:1 und 20:1 und beträgt insbesondere etwa 2:1.
Die folgenden Beispiele veranschaulichen die Durchführung und Vorteile der vorliegenden Erfindung weiter.
Beispiel 1
Für die Herstellung von Cumol wurden Computersimulationen durchgeführt, um die erforderliche Gesamtbenzolzirkulation bei verschiedenen molaren Verhältnissen von Benzol zu Propylen im Alkylatoreinsatzmaterial zu bestimmen. Die folgenden vier Reaktorkonfigurationen wurden betrachtet: (1) die konventionelle Konfiguration mit parallelem Alkylator- und Transalkylatorreaktor (1); (2) die Transalkylator-Alkylator-Kaskadenkonfiguration, die in US-A-5 902 917 (Collins) und US-A-6 096 935 (Schulz) bereitgestellt wird (2); (3) die Vergleichskonfiguration, die nicht erfindungsgemäß ist – Alkylator und Transalkylator in Reihenkonfiguration (3) und (4) die erfindungsgemäße Konfiguration – kombinierte Alkylierungs-/Transalkylierungszone (4).
Das Gewichtsverhältnis von Benzol zu Polyisopropylbenzolen in dem Transalkylatoreinsatzmaterial betrug in den ersten zwei oben betrachteten Reaktorkonfigurationen 2. Wie in 5 gezeigt, benötigen die Vergleichsreaktorkonfigurationen (veranschaulicht in 3) und die erfindungsgemäße Reaktorkonfiguration (veranschaulicht in 4) erheblich weniger Benzolzirkulation als entweder die konventionelle parallele Alkylator-Transalkylatorkonfiguration (parallele ALK und TRA – gepunktete Linie) oder die kaskadierte Transalkylator-Alkylatorkonfiguration (kaskadierte TRA-ALK – durchgezogene Linie), wodurch die Überlegenheit der erfindungsgemäßen Reaktorausführungsformen (ALK-TRA in Reihenkonfiguration – gestrichelte Linie) und (kombinierte ALK/TRA-Konfiguration – Punkte in Fettdruck) bestätigt wird.
Beispiel 2
Ein Alkylierungsreaktor und Transalkylierungsreaktor wurden in einer Reihenkonfiguration gemäß 3 (vergleichend zur Erfindung) konfiguriert. Ein Katalysator vom Typ MCM-22, bereitgestellt von ExxonMobil Chemical Company (identifiziert als MC-1124), wurde in den Alkylierungsreaktor gegeben. Die Menge des in den Reaktor gegebenen Katalysators betrug 60 g. Ein Einsatzmaterial, das 30 g Propylen pro Stunde (0,71 mol/h) und 110 g Benzol pro Stunde (1,41 mol/h) umfasste, wurde in den Alkylierungsreaktor eingebracht. Die Einlasstemperature des Alkylierungsreaktors wurde bei 128°C (262°F) gehalten. Die Auslasstemperatur des Alkylierungsreaktors wurde bei etwa 140°C (284°F) gehalten, indem ein Teil des Alkylierungsreaktorausflusses in den Einlass des Alkylierungsreaktor zurückgeführt wird. Der Druck des Alkylierungsreaktors wurde bei etwa 2652 kPa (370 psig) gehalten.
Ein weiterer Katalysator vom Typ MCM-22, der von ExxonMobil Chemical Company bereitgestellt wurde (identifiziert als MC-1122), wurde in den Transalkylierungsreaktor gegeben. Die Menge des in den Reaktor gegebenen Katalysators betrug 15 g. Ein Einsatzmaterial, das 17 g pro Stunde Alyklatorausfluss aus dem obigen Alkylierungsreaktor und 4 g pro Stunde aus dem Alkylatorausfluss gewonnene Diisopropylbenzole umfasst, wurde in den Transalkylierungsreaktor eingebracht. Es wurde kein frisches Benzol in die Transalkylatorzone eingespeist. Die Einlasstemperatur des Transalkylierungsreaktors wurde bei 160°C (320°F) gehalten, und der Druck des Transalkylierungsreaktors wurde bei etwa 2652 kPa (370 psig) gehalten. Ein Vergleich von Diisopropylbenzolen in dem Alkylatorausfluss, den gewonnenen Diisopropylbenzolen und dem Transalkylatorausfluss, wie unten in Tabelle 1 angegeben, zeigt, dass im Wesentlichen das gesamte in dem Alkylator erzeugte Diisopropylbenzolnebenprodukt in dem Transalkylator zu monoalkylaromatischer Verbindung umgesetzt wurde. TABELLE 1

Verbindung Alkylatorausfluss, g/h gewonnenes DIPB, g/h Transalkylatorausfluss, g/h

Benzol 8,4 0,0 7,4

Cumol 6,9 0,0 9,3

Diisopropylbenzole 1,3 4,0 4,0
Beispiel 3
Ein kombinierter Alkylierungs-Transalkylierungsreaktor wurde gemäß 4 der vorliegenden Erfindung konfiguriert. Ein Katalysator vom Typ MCM-22, bereitgestellt von ExxonMobil Chemical Company (identifiziert als MC-1571), wurde in den kombinierten Reaktor gegeben. Die Menge des in den kombinierten Reaktor hinzugegebenen Katalysators betrug 60 g. Ein Einsatzmaterial, das 30 g Propylen pro Stunde (0,71 mol/h), 101 g Benzol pro Stunde (1,29 mol/h) und 59 g pro Stunde an zurückgeführten Diisopropylbenzolen umfasst, wurde in den kombinierten Reaktor eingebracht. Die zurückgeführten Diisopropylbenzole wiesen eine Reinheit von etwa 93% auf. Die Einlasstemperatur des kombinierten Reaktors wurde bei 171°C (365°F) gehalten. Die Auslasstemperatur des kombinierten Reaktors wurde bei 183°C (361°F) gehalten, indem ein Teil des Ausflusses des kombinierten Reaktors zu dem Einlass des kombinierten Reaktors zurückgeführt wird. Der Druck des kombinierten Reaktors wurde bei etwa 2652 kPa (370 psig) gehalten. Ein Vergleich des unten in Tabelle 2 angegebenen Einsatzmaterials und Ausflusses des kombinierten Reaktors zeigt, dass der kombinierte Reaktor 78 g Cumol pro Stunde (0,65 mol/h) erzeugte, ohne im Wesentlichen irgendein zusätzliches Diisopropylbenzolnebenprodukt in diesem Experiment zu erzeugen. TABELLE 2

Verbindung Einsatzmaterial, g/h Ausfluss, g/h

Propylen 30 0

Benzol 101 51

Cumol 0 78

Diisopropylbenzole 55 55

Andere 4 6

Claims

Verfahren zur Herstellung eines monoalkylierten aromatischen Produkts in einer kombinierter Reaktorzone, bei dem in den folgenden Verfahrensschritten (a) eine Reaktionsmischung, die frische und zurückgeführte Aromaten, frisches Olefin und zurückgeführte Polyalkylaromaten umfasst, durch drei oder mehrere individuelle Komponenteneinsatzmaterialien oder ein oder mehrere zumindest teilweise kombinierte Einsatzmaterialien in die kombinierte Reaktionszone eingebracht wird, wobei das molare Verhältnis von Aromaten zu Olefin in der Mischung 1:1 übersteigt und das Gewichtsverhältnis von Aromaten zu zurückgeführten Polyalkylaromaten 0,2:1 übersteigt und die kombinierte Reaktionszone einen geeigneten Katalysator oder eine geeignete Katalysatormischung einschließt, der/die sowohl die Alkylierung als auch die Transalkylierung katalysieren kann, (b) die Reaktionsmischung unter ausreichenden Reaktionsbedingungen mit dem/den Katalysator(en) in Kontakt gebracht wird, um im Wesentlichen die gesamten Olefine in der Reaktionsmischung zu monoalkylierten Aromaten und polyalkylierten Aromaten umzusetzen und um die Aromaten und Polyalkylaromaten in der Reaktionsmischung umzusetzen, um zusätzliche Monoalkylaromaten zu erzeugen, um einen Ausfluss aus der kombinierten Reaktionszone zu erzeugen, der monoalkylierte Aromaten, polyalkylierte Aromaten und nicht umgesetzte Aromaten umfasst, und (c) der Reaktionszonenausfluss in eine Trennzone eingebracht wird, in der das gewünschte monoalkylierte Aromatenprodukt isoliert und gewonnen wird und die nicht umge setzten Aromaten und polyalkylierten Aromaten gewonnen und zurückgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Reaktion in Schritt (b) in zumindest teilweise flüssiger Phase bei Temperaturen zwischen 66°C (150°F) und 482°C (900°F) und Drücken zwischen 1034 kPag/1135 kPa (150 psig) und 13790 kPag/13891 kPa (2000 psig) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Katalysator oder die Katalysatormischung mindestens ein festes saures Oxid ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Zeolith β, Zeolith Y, ZSM-5, PSH-3, ITQ-2, ZSM-12, MCM-22, MCM-36, MCM-49, MCM-56, MCM-58, MCM-68, Faujasit, Mordenit, porösen kristallinen Magnesiumsilicaten, Wofram-modifiziertem Zirkoniumdioxid und Mischungen davon umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das molare Gesamtverhältnis von Aromaten zu Olefin, die in die Reaktionszone eingespeist werden, zwischen 1:1 und 20:1 liegt und das von in die Reaktionszone eingespeisten Aromaten zu Polyalkylaromaten zwischen 0,2:1 und 20:1 liegt, so dass das in die Reaktionszone eingespeiste Olefin im Wesentlichen vollständig mit dem Aromateneinsatzmaterial umgesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Aromaten Benzol sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Olefin ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Ethylen und Propylen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Monoalkylaromaten ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Ethylbenzol und Cumol.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Polyalkylaromaten ausgewählt sind aus Polyethylbenzol und Polyisopropylbenzol.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Menge an Polyalkylaromaten in dem Ausfluss etwa dieselbe wie in dem Gesamteinsatzmaterial der Reaktionszone ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem im Wesentlichen kein zusätzliches Polyalkylaromatennebenprodukt erzeugt wird.