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ES2314467T3 - Proceso para la hidrogenacion de olefinas. - Google Patents

Proceso para la hidrogenacion de olefinas. Download PDF

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ES2314467T3 ES04798281T ES04798281T ES2314467T3 ES 2314467 T3 ES2314467 T3 ES 2314467T3 ES 04798281 T ES04798281 T ES 04798281T ES 04798281 T ES04798281 T ES 04798281T ES 2314467 T3 ES2314467 T3 ES 2314467T3
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reaction
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Isto Eilos
Antti Pyhalahti
Matti Nurminen
Veli-Matti Purola
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Neste Oyj
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Abstract

Proceso para la hidrogenación de olefinas, caracterizado en que el proceso comprende la hidrogenación de un stock de alimentación que comprende más del 90% en peso de olefinas, y más del 50% en peso de di-isobutileno y/o triisobutileno y opcionalmente iso-butileno y n-butileno y codímeros de iso-butileno y n-butileno, realizado en un reactor de hidrogenación que comprende al menos dos etapas de reacción, en donde el stock de alimentación se hidrogena en la primera etapa de reacción equipada con un circuito de enfriamiento y que comprende un opcional primer lecho del catalizador que comprende un catalizador de hidrogenación o absorbente o material inerte y un segundo lecho del catalizador de hidrogenación a una temperatura de 100-150ºC, si se utiliza un catalizador de níquel y 130-200ºC para los catalizadores de metales nobles, y el efluente de la primera etapa de reacción se hidrogena en la etapa de reacción final que comprende uno o más lechos del catalizador de hidrogenación y opcionalmente equipado con un circuito de enfriamiento a una temperatura de 150-250ºC y el reactor se opera con no más de 40% de moles de exceso de hidrógeno, el proceso se opera de modo de goteo o flujo de pulsos en una reactor de tres fases con un lecho del catalizador fijo y al menos un catalizador del mismo o diferente tipo se utiliza en cada etapa, el catalizador que tiene diferente tamaño de partícula y/o opcionalmente diferente forma en al menos dos etapas, el diámetro del recipiente(s) del reactor antes del reactor final es el mismo o no más del 50% mayor que aquel del recipiente del reactor final y los rangos de presión están entre 20 y 70 bares.

Description

Proceso para la hidrogenación de olefinas.
La presente invención se relaciona con un proceso para la hidrogenación de olefinas y particularmente con un proceso para la hidrogenación de isoocteno.
Estado del arte
Varios métodos se conocen en el oficio previo para la producción de isooctano y para la dimerización del isobuteno. Un proceso para la fabricación del isooctano a partir de un stock de alimentación de hidrocarburos que contiene isobuteno se revela en FI 106955. Por consiguiente el stock de alimentación de hidrocarburos se pone en contacto con un catalizador ácido, preferiblemente una resina de intercambio iónico catiónico, en la presencia de un compuesto oxigenado a condiciones en donde al menos parte del isobuteno se dimeriza en diisobuteno, que luego se separa e hidrogena a isooctano.
US 6,329,561 enseña un método para producir isooctano de alta pureza, útil como componente de la mezcla de gasolina, a partir de diisobuteno o isooctano contaminado con cantidades menores de impurezas oxigenadas. Este método comprende la conversión de las impurezas oxigenadas a condiciones de temperatura y presión elevada en ya sea un proceso de una-etapa o de dos etapas, sobre un catalizador de hidrogenación, a hidrocarburo y agua y la recuperación de la corriente purificada de diisobuteno o isooctano.
Usualmente el producto obtenido a partir de una unidad de dimerización de buteno contiene como impurezas 0.1-5% en peso de impurezas oxigenadas tales como éteres, alcoholes, cetonas y similares y cantidades menores de azufre que contienen los compuestos. Estas impurezas ocasionan la utilidad del producto, isooctano, como componente de la mezcla de gasolina.
GB 1044771 revela un método para extraer los compuestos de azufre a partir de un stock de alimentación de hidrocarburos, mediante la hidrogenación del azufre que contiene los compuestos presentes en el stock de alimentación con gas de hidrogenación sobre un catalizador de hidrodesulfurización, tal como un catalizador de molibdeno soportado en alúmina, cuyo stock de alimentación de hidrocarburos y/o gas de hidrogenación contiene olefinas o/y óxido de carbono. Este método comprende el paso de una mezcla de hidrocarburos en la forma de vapor con el gas de hidrogenación sobre el catalizador de hidrodesulfurización para convertir el azufre presente en sulfuro de hidrógeno y extraer el sulfuro de hidrógeno.
WO 2004/033399 revela un proceso para la simultánea hidrogenación de olefinas y degradación de impurezas oxigenadas y compuestos de azufre por hidrogenólisis. Se utilizó un stock de alimentación que contiene 80-97% en peso de olefinas C8, 3-20% en peso de olefinas C12, 0.1-7% en peso de olefinas C9, C10, C11 y más pesadas > C12, y opcionalmente cantidades menores de olefinas C6-C7 más ligeras.
Los catalizadores de hidrogenación apropiados fueron catalizadores de metal noble y níquel sobre un soporte de óxido de aluminio y metales preferibles fueron platino y paladio, se prefiere particularmente el platino.
En el proceso el stock de alimentación se hidrogenó en dos etapas. En la primera etapa, la parte principal de olefinas C8 se convirtió pero la conversión de las olefinas más pesadas, las impurezas oxigenadas y los compuestos de azufre fue más bien baja. En la segunda etapa las olefinas C8, olefinas C12 remanentes y otras olefinas más pesadas, impurezas oxigenadas y compuestos de azufre reactantes.
En la primera etapa la corriente del producto, opcionalmente, se distribuyó con el fin de diluir la alimentación de la olefina concentrada, y por consiguiente el calor de reacción se extrajo con seguridad a partir de la saturación de dobles enlaces.
La temperatura de reacción en la primera etapa fue 150-230ºC y el rango de presión fue 20-70 bares. En la segunda etapa una temperatura de reacción más alta se aplicó en el reactor que en la primera etapa. La temperatura fue 190-260ºC y el rango de presión fue 20-70 bares. En el inicio de este proceso la reacción es vigorosa y en el final de la reacción es muy lenta. Cuando un catalizador muy activo, tal como un catalizador de metal noble costoso, que tiene un cierto tamaño de partículas, se utiliza en el proceso, la formación rápida del coque tiene lugar particularmente en el inicio del proceso, lo que resulta en la desactivación del catalizador.
EP 0323032 revela un proceso para la conversión de hidrocarburos olefínicos C2-C4, en donde un lecho fluidizado de las partículas del catalizador se mantienen en una etapa de reacción primaria en un lecho del reactor turbulento mantenido bajo condiciones efectivas para convertir un eteno primario que contiene una corriente olefínica de alimentación, pasando vapor caliente al stock de alimentación hacia arriba a través del lecho del catalizador fluidizado a condiciones suficientes para convertir olefinas sustancialmente a olefinas de rango intermedio y aromáticos en el rango C5-C9; la recuperación del efluente de la etapa primaria, incluyendo una corriente líquida que contiene una cantidad principal de hidrocarburos C5+; poniéndose en contacto con una corriente de alimentación olefínica secundaria que comprende olefinas C3-C4 en un etapa secundaria del reactor catalítico con una serie de reactores fijos del lecho del catalizador que contienen un catalizador a condiciones de oligomerización de modo destilado bajo una alta presión; mezclando al menos una porción del efluente líquido de la etapa primaria que contiene hidrocarburos aromáticos con al menos una corriente caliente inter-reactor que contiene parcialmente olefinas de mejor calidad en la etapa secundaria, por consiguiente apagando de la citada corriente inter-reactor; y co-reaccionando la citada corriente mezclada que contiene parcialmente olefinas de mejor calidad e hidrocarburos intermedios de la etapa primaria en al menos un reactor de la etapa secundaria para proporcionar producto de hidrocarburos en el rango destilado.
EP 118436 revela un proceso mejorado para la dimerización selectiva del isobuteno presente en un refinado I C4 a diisobutileno. El proceso comprende las etapas de hidroisomerización del refinado I C4 en las condiciones de hidroisomerización, posterior eliminación del 2-buteno y n-butano por destilación fraccional, segunda hidroisomerización opcional, y posterior dimerización selectiva sobre un catalizador ácido de parte del producto que contiene isobuteno y la tercera hidroisomerización de parte del producto que contiene isobuteno.
US 5,019,357 enseña un sistema de reactor catalítico semi-continuo de multi-etapas para la conversión de stock de alimentación de gasolina olefínica ligera que comprende olefinas C1-C4, con un catalizador de oligomerización de zeolite de poro medio de forma selectiva. La oligomerización se realiza en un reactor de etapa primaria en la presencia de un catalizador de oligomerización a condiciones de oligomerización, seguido por la oligomerización en una etapa secundaria en un reactor catalítico de modo destilado en la presencia de un catalizador de oligomerización a temperatura elevada y a alta presión, incluyendo los medios para interrumpir periódicamente el flujo del efluente primario al reactor de la etapa secundaria.
A partir del estado del oficio, se puede ver que los flujos de gas/líquido internos varían en gran medida en las secciones del reactor. Es difícil obtener buen funcionamiento en el reactor en cada sección del reactor debido a los diferentes requisitos hidráulicos.
Ninguna de las anteriores publicaciones del oficio, enseña un proceso simple y efectivo para la simultánea hidrogenación de olefinas y eliminación de impurezas oxigenadas y compuestos que contienen azufre y, por tanto, se puede ver que existe una evidente necesidad de dicho proceso.
Objeto de la invención
Un objeto de la invención es un proceso para la hidrogenación de olefinas.
Otro objeto de la invención es proporcionar la configuración del reactor para la hidrogenación de olefinas.
Aún otro objeto de la invención es proporcionar un proceso mejorado para la hidrogenación de olefinas, en donde las desventajas y problemas relacionados con los procesos de acuerdo con el estado del oficio se puede evitar o al menos reducir significantemente.
Aún otro objeto de la invención es proporcionar un proceso para la hidrogenación del isoocteno.
Los rasgos característicos del proceso y la configuración del reactor de acuerdo con la invención se proporcionan en las reivindicaciones.
Resumen de la invención
El proceso de acuerdo con la invención para la hidrogenación de olefinas comprende la hidrogenación, que se realiza en un reactor de hidrogenación que comprende al menos dos etapas, en donde un stock de alimentación que comprende al menos 90% en peso de olefinas, se hidrogena en un reactor de tres fases con un lecho del catalizador fijo, que opera en modo de goteo o flujo de pulsos y se utiliza al menos un catalizador del mismo o diferente tipo en cada etapa, el catalizador que tiene diferente tamaño de partículas en al menos dos etapas y/o opcionalmente diferentes formas en al menos dos etapas.
El stock de alimentación comprende usualmente a partir de 0 a 80% en peso y preferiblemente a partir de 0 a 20% en peso de olefinas C4 a C7, a partir de 0 a 99% en peso, preferiblemente a partir de 80 a 99% en peso de olefinas C8, y a partir de 0 a 30% en peso, preferiblemente a partir de 0 a 10% en peso de olefinas más pesadas que las olefinas
C8.
Descripción detallada de la invención
Se ha encontrado sorprendentemente, que las deficiencias y problemas relacionados con los procesos de acuerdo con el estado del oficio se pueden evitar o al menos disminuir significantemente, utilizando el proceso de acuerdo con la invención. El proceso de acuerdo con la invención comprende hidrogenación de un stock de alimentación que comprende más del 90% en peso de olefinas, realizado en un reactor de hidrogenación que comprende al menos dos etapas de reacción, en donde el stock de alimentación se hidrogena en una primera etapa de reacción equipada con un circuito de enfriamiento y que comprende un primer y un segundo lecho del catalizador opcional, y el efluente a partir de la primera etapa de reacción se hidrogena en la etapa de reacción final que comprende uno o más lechos del catalizador y opcionalmente equipado con un circuito de enfriamiento, el hidrógeno se alimenta a la primera etapa de reacción o a la etapa de reacción final o a ambas etapas de reacción, el proceso se opera en modo de goteo o flujo de pulsos en un reactor de tres fases con un lecho del catalizador fijo y se utiliza al menos un catalizador del mismo o diferente tipo en cada etapa, el catalizador que tiene diferentes tamaños de partículas y/o opcionalmente diferentes formas en al menos dos etapas.
El tamaño de partículas significa aquí distribución del tamaño de partículas, que se mide por ejemplo por métodos de tamiz, métodos de difracción láser u otros métodos conocidos en el oficio. Un catalizador que tiene un tamaño de partículas deseado y opcionalmente la forma deseada se puede fabricar y utilizar.
La forma de las partículas del catalizador puede variar y usualmente se utilizan extruidos, tabletas, partículas esféricas y ovaladas.
La configuración del reactor para la hidrogenación de olefinas de acuerdo con la invención comprende un reactor de hidrogenación que opera en modo de goteo o flujo de pulsos en un reactor de tres fases con un lecho del catalizador fijo y que comprende al menos dos etapas de reacción, en donde la primera etapa de reacción se equipa con un circuito de enfriamiento y que comprende un primer y un opcional segundo lecho del catalizador, y la etapa de reacción final comprende uno o más lechos del catalizador y es opcionalmente equipado con un circuito de enfriamiento, y se utiliza al menos un catalizador del mismo o diferente tipo en cada etapa, el catalizador que tiene diferente tamaño de partículas y/u opcionalmente diferentes formas en al menos dos etapas.
El stock de alimentación comprende usualmente de 0 a 80% en peso y preferiblemente de 0 a 20% en peso de olefinas C4 a C7, de 0 a 99% en peso, preferiblemente de 80 a 99% en peso de olefinas C8, y de 0 a 30% en peso, preferiblemente de 0 a 10% en peso de olefinas más pesadas que las olefinas C8. El stock de alimentación es una mezcla de olefinas que se puede obtener a partir de una unidad de dimerización de butano, sin embargo el origen del stock de alimentación no se limita.
El stock de alimentación comprende más del 50% en peso de di-isobutileno y tri-isobutileno. El stock de alimentación comprende no más del 30% en peso de otras olefinas. Opcionalmente el stock de alimentación comprende iso-butileno y n-butileno, así como codímeros del iso-butileno y n-butileno.
El proceso comprende la hidrogenación, que se realiza en un reactor de hidrogenación que comprende al menos dos etapas. En la primera etapa del proceso la hidrogenación del stock de alimentación, tal como dímeros del iso-butileno, se realiza. La primera etapa de reacción comprende un primer y un opcional segundo lecho del catalizador, y se equipa con un circuito de enfriamiento. En la primera etapa usualmente más del 50% en peso y preferiblemente más del 80% en peso de los dímeros de iso-butileno se hidrogenan.
En la etapa de reacción final, se realiza la hidrogenación de los componentes que reaccionan lentamente del stock de alimentación, tales como los trímeros del isobutileno. La etapa de reacción final comprende uno o más lechos del catalizador y opcionalmente se equipa con un circuito de enfriamiento o en la etapa final puede no tener circuito de enfriamiento o es al menos 30% más pequeño que aquel en la primera etapa.
El reactor de hidrogenación consiste de dos o más etapas de reacción. Opcionalmente las etapas de reacción se pueden dividir en dos reactores o más recipientes. La reacción tiene lugar en estado de goteo o flujo de pulsos donde la gasolina es la fase continua o semi-continua y los flujos líquidos cerca de las superficies del catalizador.
Cada etapa de reacción comprende al menos un lecho del catalizador y el lecho del catalizador consiste de una o múltiples capas del catalizador y preferiblemente la cantidad de lechos del catalizador en cada etapa de reacción es de una a tres. Los lechos del catalizador pueden estar en el mismo recipiente del reactor o los lechos del catalizador pueden estar en diferentes recipientes del reactor.
La reacción de hidrogenación es una reacción exotérmica y por lo tanto cada etapa de reacción se puede opcionalmente enfriar. En la primera etapa de reacción, donde la mayoría de las reacciones de hidrogenación tienen lugar, el enfriamiento se realiza preferiblemente reciclando el enfriado, cuya configuración, da la mejor posibilidad de evitar la formación de coque en el catalizador. Si el enfriamiento del reactor intermedio, entre los lechos del catalizador se utiliza, el flujo de reciclaje se puede disminuir o eliminar. Preferiblemente el enfriamiento del reactor de hidrogenación se logra con un sistema de enfriamiento localizado entre los múltiples lechos del catalizador. En la etapa de reacción final, el calor liberado de la reacción es usualmente bajo y por lo tanto normalmente no se requiere enfriamiento. El stock de alimentación se puede opcionalmente diluir utilizando corrientes del proceso.
La relación de flujos líquidos y gas y las velocidades de flujo difiere considerablemente en las etapas de reacción. La relación altura/diámetro del lecho del catalizador afecta la distribución líquido/gas en este. Si un catalizador que tiene el mismo tamaño de partículas se utiliza en los lechos del catalizador, los requisitos hidráulicos óptimos de las relaciones diámetro/altura en las etapas de reacción deberían variar sustancialmente y los regímenes de flujo en las diferentes secciones del reactor podrían no ser óptimos. Esto conduciría a la exigencia de partes del reactor que tengan un diámetro diferente. Por esta razón es necesario utilizar un catalizador o catalizadores con diferentes tamaños de partículas en diferentes lechos del catalizador. Esto resulta en que las alturas del lecho del catalizador se pueden hacer más pequeñas y por consiguiente la distribución líquido/gas a través del lecho del catalizador será más uniforme. Además, la distribución uniforme da una posibilidad para reducir al mínimo el consumo de hidrógeno.
De acuerdo con la invención el tamaño de partículas del catalizador en cada lecho del catalizador en cada etapa de reacción, se selecciona sobre bases hidrodinámicas para que la relación altura/diámetro del lecho catalizador sea entre 1 y 20 y el régimen del flujo del fluido para la velocidad de alimentación diseñada es goteo o flujo en pulsos y la caída de presión del lecho es óptima. En la primera etapa de reacción preferiblemente el tamaño de partículas del catalizador es mayor que el tamaño de partículas del catalizador en la etapa de reacción final. En la etapa final la cinética de la reacción a favor del tamaño más pequeño de partículas del catalizador y un catalizador de alta actividad. La diferencia en el diámetro del reactor de la primera etapa y de la etapa final se minimiza utilizando un catalizador o catalizadores con diferentes tamaños de partículas. Usualmente el tamaño de partículas del catalizador oscila entre 1 y 10 mm.
Figuras
La invención se ilustra con los siguientes ejemplos, que presentan las modalidades preferidas representadas en las adjuntas figuras 1, 2, 3 y 4, con las preferibles configuraciones del reactor. Las combinaciones y variaciones de estos ejemplos forman también posibles modalidades de la invención así como modalidades donde los catalizadores en diferentes etapas de reacción, se localizan en recipientes separados.
En la figura 1 un caso básico se describe, donde la corriente de olefina 1, corriente de hidrógeno 2 y corriente de reciclado 3 se mezclan juntas y alimentan en la primera etapa de reacción 100a del reactor de hidrogenación 100. El orden de mezclado de las corrientes 1, 2 y 3 puede diferir a partir del que se muestra en la figura 1, o todas las corrientes 1, 2 y 3 se pueden alimentar directamente a la etapa de reacción 100a y mezclar dentro de esta. La primera etapa de reacción 100a consiste de lechos del catalizador 10 y 20. La fase líquida de la primera etapa de reacción 100a, el efluente 13, en parte se alimenta al enfriador 40 vía la línea 8 y en parte pasa por el enfriador 40. Parte del efluente 13 se distribuyó como corriente de reciclado 3 a la primera etapa de reacción 100a alimentada para controlar la elevación de la temperatura en los lechos del catalizador 10 y 20 y el resto se alimenta como corriente 12 a la segunda etapa de reacción(final) 100b. El efluente de gas 6 de la primera etapa de reacción 100a, que contiene trazas de la fase líquida, directamente se alimenta a la segunda etapa de reacción 100b a través de los agujeros o tubería(s) entre las etapas de reacción 100a y 100b.
La porción del efluente líquido 13, la corriente 12, y el efluente de gas 6 a partir de la etapa de reacción 100a se alimentan a la etapa de reacción 100b que contiene el lecho del catalizador 30. El efluente gaseoso del reactor 5 y efluente líquido 4 se separan uno del otro en el fondo de la etapa de reacción 100b. Ambas corrientes 4 y 5 se alimentan de una manera convencional a procedimientos conocidos en el oficio para la purificación del producto y separación del hidrógeno.
En la figura 2 se describe una configuración particularmente preferible, en donde se logra la máxima conversión de olefina, alimentando hidrógeno fresco 2 en la etapa de reacción final 100b. La corriente de olefina 1, el flujo gaseoso que contiene hidrógeno sin consumir a partir de la etapa de reacción final 100b como corriente 7 y corriente de reciclado 3 se mezclan juntas y alimentan en la primera etapa de reacción 100a del reactor de hidrogenación 100. El orden de mezclado de las corrientes 1, 7 y 3 puede diferir a partir del que se muestra en la figura 2 o todas las corrientes 1, 7 y 3 se pueden alimentar directamente a la etapa de reacción 100a y mezclar dentro de esta. La primera etapa de reacción 100a consiste de lechos del catalizador 10 y 20. La fase líquida de la primera etapa de reacción 100a, el efluente 13, en parte se alimenta al enfriador 40 vía la línea 8 y en parte pasa por el enfriador 40. Parte del efluente 13 se distribuye como corriente de reciclado 3 a la primera etapa de reacción 100a alimentada para controlar la elevación de la temperatura en los lechos del catalizador 10 y 20 y el resto se alimenta como corriente 12 a la segunda etapa de reacción 100b. El producto hidrogenado se toma en fase líquida, la corriente 4, a partir del fondo de la etapa de reacción final 100b y el flujo gaseoso, que contiene hidrógeno sin consumir a partir de la etapa de reacción final 100b, se conduce como corriente 7 a la primera etapa de reacción 100a alimentada. El producto líquido de la primera etapa de reacción 100a, la corriente 13 y el producto gaseoso 5 se separan uno del otro en el fondo de la parte de la primera etapa de reacción 100a. Ambas corrientes 4 y 5 se alimentan de una manera convencional a opcionales procedimientos de purificación del producto y separación del hidrógeno conocidos en el oficio.
Opcionalmente parte del hidrógeno fresco (corriente 2) se alimenta en la primera etapa de reacción 100a (no se muestra en la figura). La presión que opera en la etapa de reacción final 100b es más alta que aquella de la primera etapa de reacción 100a. La diferencia de presión necesaria se puede mantener por la altura del líquido o utilizando una bomba de recirculación.
En la figura 3, se presenta un proceso alternativo a partir del descrito en la figura 1, en donde el lecho del catalizador 10 a partir de la primera etapa de reacción 100a, se instala en un recipiente separado 101 antes del recipiente del reactor 100. La corriente de olefina 1 y corriente de hidrógeno 2a se mezclan juntas y alimentan al lecho del catalizador 10 en el recipiente 101. El efluente a partir del recipiente 101 como corriente 16, corriente de reciclado 3 y corriente de hidrógeno 2b se mezclan juntas y se alimentan en la primera etapa de reacción 100a del reactor de hidrogenación 100. El orden de mezclado de las corrientes 16 y 3, puede diferir del que se muestra en la figura 3 o las corrientes 16 y 3 se pueden alimentar directamente a la etapa de reacción 100a y mezclar dentro de esta. La primera etapa de reacción 100a consiste del lecho del catalizador 20. La fase líquida de la primera etapa de reacción 100a, el efluente 13, en parte se alimenta al enfriador 40 vía la línea 8 y en parte pasa por el enfriador 40. Parte del efluente 13 se distribuye como corriente de reciclado 3 a la primera etapa de reacción 100a alimentada para controlar la elevación de la temperatura en el lecho del catalizador 20 y el resto se alimenta como corriente 12 a la segunda etapa de reacción 100b. El efluente de gas 6 de la primera etapa de reacción 100a que contiene trazas de la fase líquida, se alimenta directamente a la segunda etapa de reacción 100b a través de agujeros o tubería(s) entre las etapas de reacción 100a y 100b.
La porción del efluente líquido 13, la corriente 12, y el efluente de gas 6 a partir de la etapa de reacción 100a se alimenta a la etapa de reacción 100b que contiene el lecho del catalizador 30. El efluente gaseoso del reactor 5 y el efluente líquido 4 se separan uno del otro en el fondo de la etapa de reacción 100b. Ambas corrientes 4 y 5 se alimentan de una manera convencional a opcionales procedimientos de purificación del producto y separación del hidrógeno conocidos en el oficio.
El uso del reactor de hidrogenación 101 separado, resulta en que el tamaño del reactor 101 y el lecho del catalizador 10 son más pequeños, que la corriente de reciclado 3 no se circula a través de este. La corriente de hidrógeno fresca 2a preferiblemente se mezcla con la corriente alimentada 1 antes del lecho del catalizador 10 o la corriente de hidrógeno se puede mezclar con la corriente 2b con el reactor 100 alimentada, la corriente 14 (no se muestra en la figura). Una alternativa es que se alimente parte del hidrógeno fresco vía la línea 2a y el resto vía la línea 2b.
En la figura 4 un proceso alternativo a partir del descrito en la figura 2, se presenta. El lecho del catalizador 10a de la primera etapa de reacción se instala en un recipiente separado, el reactor 101, antes del recipiente del reactor 100. La corriente de olefina 1 y la corriente de hidrógeno 2b se mezclan juntas y se alimentan al lecho del catalizador 10a en el reactor 101. El efluente a partir del reactor 101, como corriente 16, flujo gaseoso que contiene hidrógeno sin consumir a partir de la etapa de reacción final 100b, como corriente 7, y la corriente de reciclado 3 se mezclan juntas y se alimentan en la primera etapa de reacción 100a del reactor de hidrogenación 100. El orden de mezclado de las corrientes 16, 7 y 3 puede diferir del que se muestra en la figura 4 o todas las corrientes 16, 7 y 3 se pueden alimentar directamente a la etapa de reacción 100a y mezclar dentro de esta. La primera etapa de reacción 100a consiste de lechos del catalizador 10b y 20. La fase líquida de la primera etapa de reacción 100a, el efluente 13, en parte se alimenta al enfriador 40 vía la línea 8 y en parte pasa por el enfriador 40. Parte del efluente 13 se distribuye como corriente de reciclado 3 a la primera etapa de reacción 100a alimentada para controlar la elevación de la temperatura en los lechos del catalizador 10b y 20 y el resto se alimenta como corriente 12 a la segunda etapa de reacción 100b. El producto hidrogenado se toma en la fase líquida, la corriente 4, a partir del fondo de la etapa de reacción final 100b y el flujo gaseoso, que contiene hidrógeno sin consumir a partir de la etapa de reacción final 100b se conduce como corriente 7 a la primera etapa de reacción 100a alimentada. El producto líquido de la primera etapa de reacción 100a, la corriente 13, y producto gaseoso 5 se separan uno del otro en el fondo parte de la primera etapa de reacción 100a. Ambas corrientes 4 y 5 se alimentan de una manera convencional a opcionales procedimientos de purificación del producto y separación del hidrógeno, conocidos en el oficio.
Opcionalmente parte del hidrógeno fresco (corriente 2a) se alimenta en la primera etapa de reacción 100a (no se muestra en la figura). La presión que opera en la etapa de reacción final 100b es más alta que aquella en la primera etapa de reacción 100a. La diferencia de presión necesaria se puede mantener por altura del líquido o utilizando una bomba de recirculación.
Esto resulta en que el tamaño del reactor 101 y el lecho del catalizador 10a es más pequeño, que la corriente de reciclado 3 no se circula a través de este. Preferiblemente parte de la corriente de hidrógeno fresco se mezcla con la corriente de alimentación 1 antes del lecho del catalizador 10a vía la línea 2b. Una alternativa es que se alimente todo el hidrógeno fresco a la etapa de reacción 100b como corriente 2a (no se muestra en la figura).
Lechos del catalizador
La altura y diámetro de los lechos del catalizador se seleccionan de la cinética de la reacción y óptimo flujo líquido/gaseoso o patrón y caída de presión. Los lechos del catalizador pueden consistir de una o más capas de diferentes materiales de absorción sólidos, y/o uno o diferentes catalizadores de hidrogenación. Las capas del catalizador en los lechos pueden diferir uno del otro por tamaño de partículas o forma o actividad o sitios activos del material. Partículas inertes se pueden utilizar arriba y debajo de cada lecho para mejorar la distribución de fluidos.
Si los lechos del catalizador se localizan en diferentes recipientes del reactor, el diámetro del reactor puede variar entre los lechos del catalizador en las etapas de reacción. Preferiblemente al menos un lecho del catalizador de la primera etapa de reacción se instala en un recipiente separado antes del reactor de hidrogenación. El diámetro del recipiente del reactor antes del reactor final (que contiene el lecho del catalizador 20 en las figuras 1 y 2) es el mismo o no más del 50% y preferiblemente no más del 20% mayor que aquel del recipiente del reactor final (que contiene el lecho del catalizador 30 en las figuras 1 y 2). Preferiblemente todas las etapas de reacción se localizan en el mismo alojamiento.
Lecho del catalizador 10
Este lecho es opcional y su principal función operacional es atrapar las impurezas contenidas en la alimentación, perjudiciales al catalizador de hidrogenación, por ejemplo, los compuestos de azufre de los ácidos inorgánicos que posiblemente se originan a partir del catalizador del proceso de dimerización del isobutileno precedente de la etapa de hidrogenación. El primer lecho del catalizador 10 se protege por la adsorción alcalina o material de absorción lo que significa que las partículas del catalizador de la capa(s) en este lecho son usualmente tanto alcalinas, por ejemplo partículas de alúmina, como este lecho del catalizador puede comprender un catalizador de hidrogenación que tiene más baja actividad, o un catalizador menos activo como se utiliza en el lecho 20 o un absorbente, tal como partículas de carbón activado se pueden utilizar. El tamaño y forma de partículas para el catalizador en las capas de este lecho se puede seleccionar libremente.
Cada lecho del catalizador, particularmente el lecho del catalizador 10, puede tener diferentes capas de diferentes catalizadores o combinaciones catalizador/ adsorbente/material inerte.
Lecho del catalizador 20
El tamaño de partículas del catalizador de hidrogenación en este lecho se selecciona sobre una base hidrodinámica que es tan grande como sea práctica y el tamaño de partículas del catalizador para este lecho es usualmente 1 ... 10 mm, preferiblemente 2.... 5 mm.
En la etapa de reacción que utiliza el lecho del catalizador 20 usualmente, la parte principal del iso-octeno se hidrogena. Los catalizadores apropiados son catalizadores basados en níquel, particularmente en el rango de temperatura de reacción más bajo y metal noble (platino, paladio o combinaciones de estos) basados en catalizadores en el rango de temperatura de reacción más alto. La temperatura del proceso depende del tipo de catalizador utilizado y el grado de actividad del catalizador. Es 100-150ºC si se utiliza un catalizador de níquel, y 130-200ºC para un catalizador de metal noble (catalizador Pt, Pd o Pd/Pt). La desactivación del catalizador durante el funcionamiento se puede compensar, elevando la temperatura del proceso.
En las modalidades alternativas del proceso, en donde no hay lecho del catalizador 10 en el reactor de hidrogenación 100, el material del lecho de protección para atrapar las partículas e impurezas de alimentación y/o corriente de hidrógeno se puede utilizar sobre la superficie de la capa del catalizador del lecho del catalizador 20. Los materiales del lecho de protección son disponibles comercialmente, tales como Norton Macro Trap^{TM} usualmente que contiene un material altamente macroporoso o similar. El tamaño de partículas del material del lecho de protección es mayor que aquel tamaño de partículas del catalizador y la altura de la capa del material del lecho de protección es usualmente a partir de 0.1 m a 1 m.
Lecho del catalizador 30
En el lecho del catalizador final, la hidrogenación de los componentes que reaccionan lentamente del stock de alimentación, tales como el isoocteno residual, trímeros del iso-butileno, tetrámeros del iso-butileno, oxigenantes y componentes de azufre tienen lugar. Esta etapa de reacción requiere la mayoría del catalizador activo de hidrogenación y presión parcial de hidrógeno alta y/o la hidrogenación se puede llevar a una más alta temperatura que la de los anteriores lechos del catalizador. A causa del bajo contenido de olefina y bajo producción de calor comparado con el lecho del catalizador 20, este lecho no requiere enfriamiento de circulación. A causa de la carga de líquido más baja, el catalizador se puede seleccionar que tenga un tamaño de partículas más pequeño que en los anteriores lechos del catalizador, que usualmente están en 1-3 mm. En esta etapa, la temperatura del proceso es 150ºC-250ºC. En términos de temperatura las mismas circunstancias aplican a esta etapa como en el lecho 20. Es preferible utilizar una baja concentración de hidrógeno y olefina en la etapa final.
El tamaño de partículas del catalizador utilizado en este lecho es más pequeño que o igual al tamaño de partículas utilizadas en el lecho 20. Equivalente tamaño de partículas en los lechos del catalizador 20 y 30 podrían necesitar una menor área seccional cruzada en el lecho 30 que en el lecho 20.
Es preferible en algunos casos que todas las capas del catalizador y los lechos tienen diferentes catalizadores y actividades del catalizador, pero el mismo catalizador también se puede utilizar.
Los rangos de presión usualmente están entre 20 y 70 bares en el proceso.
Modo de operación del reactor
El reactor de hidrogenación se diseña para funcionar en goteo o estado pulsante donde la fase gaseosa es continua o semi-continua y los flujos de la fase líquida a lo largo de las superficies sólidas, principalmente superficies del catalizador, mojándolas eficientemente.
Este modo de operación asegura que el hidrógeno gaseoso tiene acceso al volumen completo del reactor y una excelente velocidad de transferencia de masa tanto entre el líquido y la fase gaseosa y líquido y fase sólida se logra. En el modo de operación donde el líquido es de fase continua, es necesario mantener un alto exceso de hidrógeno con el fin de garantizar que el hidrógeno no se agote completamente en ninguna parte del reactor. El reactor se opera con no más del 40% de moles de exceso de hidrógeno y sin que se necesite compresor de gas circulante, preferiblemente el exceso de hidrógeno es menor del 20%.
Tanto más del 50% v/v del hidrógeno fresco se introduce a la primera etapa de reacción del reactor de hidrogenación como más del 50% v/v del hidrógeno se introduce a la etapa de reacción final del reactor de hidrogenación.
Cuando la fase gaseosa es continua o semi-continua, este exceso de hidrógeno se puede reducir significantemente.
A condición que la temperatura en la presión del reactor este a o por debajo del punto de ebullición del hidrocarburo que se hidrogena, la fase gaseosa existente, necesariamente contiene algún otro material además de los hidrocarburos citados, en este caso hidrógeno. Esto implica que cuando el hidrógeno se consume dentro del reactor, fluye hacia dicha región, siempre y cuando exista una fase gaseosa continua presente. Por otra parte, dado que la fase líquida (incluyendo el hidrógeno disuelto) está en equilibrio vapor-líquido con la fase gaseosa, el incremento de la temperatura se limita eficientemente por la evaporación del líquido. De tal manera que el sistema permanece en la región de temperatura deseada con muy poco control externo y se evita cualquier sobrecalentamiento del catalizador.
Un reactor que opera exclusivamente en fase líquida o gaseosa no tiene similares, propiedades de auto control inherentes. A causa de la excelente velocidad de transferencia de masa en el proceso de acuerdo con la invención, el reactor se puede operar con un pequeño exceso de hidrógeno. Por esto no hay necesidad de recircular el hidrógeno y de este modo la inversión del compresor que recicle el hidrógeno se puede eliminar.
Ventajas de la invención
El proceso de acuerdo con la invención tiene otras varias ventajas. Cuando un producto obtenido a partir de la dimerización, que contiene menos del 15% en peso de trímeros y tetrámeros del isobutileno y menos del 5% en peso de oxigenantes, se utiliza como stock de alimentación en el proceso de hidrogenación de acuerdo con la invención, se logra una alta conversión de olefina a una relativamente baja presión y temperatura de operación. La hidrogenación para la saturación de olefina y producto de alta pureza (baja cantidad de oxigenantes) descrita en la presente invención se puede aplicar para la hidrogenación de un producto a partir de la dimerización del isobutileno con catalizadores ácidos. Esto también se puede apreciar a partir de los ejemplos presentados a continuación. Cuando un stock de alimentación que contiene más del 90% en peso de olefinas se utiliza, el proceso es muy efectivo.
De acuerdo con la invención, la hidrogenación de la alimentación de isoocteno, mencionada anteriormente se puede lograr con un pequeño exceso de hidrógeno. La evaporación del isoocteno/isooctano es tan baja en la temperatura y presión de operación seleccionada, que el reactor se puede operar en estado de goteo o flujo de pulsos.
Con la invención la eficiencia hidrodinámica y cinética de la reacción del volumen del reactor y tamaño del reactor se pueden ajustar por separado en las diferentes etapas dando juntas el estado óptimo para la hidrogenación. La hidrogenación con lecho de goteo necesita menos volumen del reactor que la hidrogenación en un reactor de verdadera fase líquida o gaseosa. El presente diseño también es más eficiente que el tradicional reactor de lecho de goteo donde el gas es como la fase discontinua y el líquido es como la fase continua.
Las velocidades de flujo a través de diferentes lechos del catalizador del reactor pueden ser significantemente diferentes. Utilizando diferentes tamaños de partículas en diferentes lechos del catalizador, es posible mantener el régimen de flujo correcto en todos ellos sin otras mediciones más complicadas.
La cantidad de catalizador necesaria para la hidrogenación es más pequeña que aquella en los procesos convencionales.
La excelente transferencia de masa dentro del reactor hace posible operar la hidrogenación con la relación hidrógeno/olefina más pequeña posible. El actual compresor de circulación de hidrógeno a partir de la salida, generalmente no se necesita.
La conversión de hidrogenación se puede mejorar, introduciendo hidrógeno fresco a la etapa final de hidrogenación y conduciendo producto gaseoso a partir de la etapa final de hidrogenación a la primera etapa como se puede ver a partir de la opcional modalidad presentada en la figura 2.
El sobrecalentamiento de las partículas del catalizador se evita, el cual es un posible incidente en un reactor de fase gaseosa.
La temperatura de reacción se puede controlar ajustando la presión, por lo cual el enfriamiento evaporatorio tiene lugar.
El concepto del reactor propuesto, trae beneficios económicos debido al diseño compacto, especialmente en los costos de la inversión pero también en los costos de operación.
Cuando las etapas de reacción están en el mismo recipiente, la diferencia de presión se minimiza porque la diferencia de presión no es necesaria para el control de la presión.
El proceso de acuerdo con la invención incluye un concepto de reactor en donde todas las etapas se pueden realizar en el mismo alojamiento porque las dimensiones del lecho del catalizador son ajustables como resultado de la variación del tamaño de partículas del catalizador en cada lecho, que puede comprender varias capas. También los hidráulicos y la transferencia de masa son ajustables.
Al variar el sitio de alimentación de hidrógeno la presión parcial de hidrógeno se puede plantear en la etapa de reacción final.
La invención se ilustra con más detalle en los siguientes ejemplos, como se supone, los cuales no tienen la intención de limitar el alcance de la invención.
Ejemplos
Los ejemplos 1 y 4 representan procesos convencionales, en los ejemplos 2 y 5 el diámetro y los catalizadores son los mismos en ambas etapas y en los ejemplos 3 y 6 el tamaño de partícula de los catalizadores en las etapas son diferentes.
Una alimentación fresca que comprende 50000 kg/h de una mezcla de olefinas, que tiene un contenido de olefina C8 del 93.3% en peso y contenido de olefina C12 del 5.8% en peso y alimentación de hidrógeno fresco de 975 kg/h se utilizan en todos los ejemplos. El mismo peso del catalizador se utiliza en el primer reactor en los ejemplos 1-3 y en el segundo reactor en los ejemplos 1-3, y el mismo peso del catalizador se utiliza en el primer reactor en los ejemplos 4-6 y en el segundo reactor en los ejemplos 4-6, respectivamente.
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Ejemplo 1
Se realiza la hidrogenación de la mezcla de alimentación mencionada anteriormente. En todas las etapas se utiliza un catalizador que comprende Pt/Alúmina. La presión es 3200 kPa (abs) después de la segunda etapa. El contenido de olefina final es 1.7% en peso. Los parámetros del proceso se proporcionan en la siguiente Tabla 1.
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TABLA 1
1
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Ejemplo 2
Se realiza la hidrogenación de la mezcla de alimentación mencionada anteriormente. En todas las etapas se utiliza un catalizador que comprende Pt/Alúmina. La presión es 3200 kPa (abs) después de la segunda etapa. El contenido de olefina final es 2.5% en peso. Los parámetros del proceso se proporcionan en la siguiente Tabla 2.
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TABLA 2
2
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Ejemplo 3
Se realiza la hidrogenación de la mezcla de alimentación mencionada anteriormente. En todas las etapas se utiliza un catalizador que comprende Pt/Alúmina. La presión es 3200 kPa (abs) después de la segunda etapa. El contenido de olefina final es 1.9% en peso. Los parámetros del proceso se proporcionan en la siguiente Tabla 3.
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TABLA 3
3
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Ejemplo 4
Se realiza la hidrogenación de la mezcla de alimentación mencionada anteriormente. En todas las etapas se utiliza un catalizador que comprende Ni/Alúmina. La presión es 3200 kPa (abs) después de la segunda etapa. El contenido de olefina final es 1.7% en peso. Los parámetros del proceso se proporcionan en la siguiente Tabla 4.
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TABLA 4
4
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Ejemplo 5
Se realiza la hidrogenación de la mezcla de alimentación mencionada anteriormente. En todas las etapas se utiliza un catalizador que comprende Ni/Alúmina. La presión es 3200 kPa (abs) después de la segunda etapa. El contenido de olefina final es 2.3% en peso. Los parámetros del proceso se proporcionan en la siguiente Tabla 5.
TABLA 5
5
Ejemplo 6
Se realiza la hidrogenación de la mezcla de alimentación mencionada anteriormente. En todas las etapas se utiliza un catalizador que comprende Ni/Alúmina. La presión es 3200 kPa (abs) después de la segunda etapa. El contenido de olefina final es 1.7% en peso. Los parámetros del proceso se proporcionan en la siguiente Tabla 6.
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TABLA 6
6
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Referencias citadas en la descripción
Esta lista de referencias citadas por el aspirante es solamente para conveniencia del lector. No forma parte del documento de la patente Europea. Aún cuando se ha tenido gran cuidado en recopilar las referencias, los errores u omisiones no se pueden excluir y la EPO desconoce toda responsabilidad a este respecto.
Documentos de patentes citadas en la descripción
\bullet FI 106955 [0002]
\bullet US 6329561 B [0003]
\bullet GB 1044771 A [0005]
\bullet WO 2004033399 A [0006]
\bullet EP 0323032 A [0011]
\bullet EP 118436 A [0012]
\bullet US 5019357 A [0013]

Claims (16)

1. Proceso para la hidrogenación de olefinas, caracterizado en que el proceso comprende la hidrogenación de un stock de alimentación que comprende más del 90% en peso de olefinas, y más del 50% en peso de di-isobutileno y/o tri-isobutileno y opcionalmente iso-butileno y n-butileno y codímeros de iso-butileno y n-butileno, realizado en un reactor de hidrogenación que comprende al menos dos etapas de reacción, en donde el stock de alimentación se hidrogena en la primera etapa de reacción equipada con un circuito de enfriamiento y que comprende un opcional primer lecho del catalizador que comprende un catalizador de hidrogenación o absorbente o material inerte y un segundo lecho del catalizador de hidrogenación a una temperatura de 100-150ºC, si se utiliza un catalizador de níquel y 130-200ºC para los catalizadores de metales nobles, y el efluente de la primera etapa de reacción se hidrogena en la etapa de reacción final que comprende uno o más lechos del catalizador de hidrogenación y opcionalmente equipado con un circuito de enfriamiento a una temperatura de 150-250ºC y el reactor se opera con no más de 40% de moles de exceso de hidrógeno, el proceso se opera de modo de goteo o flujo de pulsos en una reactor de tres fases con un lecho del catalizador fijo y al menos un catalizador del mismo o diferente tipo se utiliza en cada etapa, el catalizador que tiene diferente tamaño de partícula y/o opcionalmente diferente forma en al menos dos etapas, el diámetro del recipiente(s) del reactor antes del reactor final es el mismo o no más del 50% mayor que aquel del recipiente del reactor final y los rangos de presión están entre 20 y 70 bares.
2. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado en que al menos un lecho del catalizador de la primera etapa de reacción se instala en un recipiente separado antes del reactor de hidrogenación.
3. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, caracterizado en que el hidrógeno se alimenta a la primera etapa de reacción o a la etapa de reacción final o a las dos etapas de reacción.
4. El proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-3, caracterizado en que el stock de alimentación comprende de 0 a 20% en peso de olefinas C4 a C7, de 80 a 99% en peso de olefinas C8 y de 0 a 10% en peso de las olefinas más pesadas que las olefinas C8.
5. El proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-4, caracterizado en que en la primera etapa de reacción de hidrogenación de los dímeros del iso-butileno, se realiza en un reactor equipado con un circuito de enfriamiento, y en la segunda etapa de hidrogenación de trímeros de iso-butileno, se realiza con un circuito de enfriamiento opcional, cada etapa de reacción que consiste de uno o múltiples lechos del catalizador y la cantidad de capas por sección de lecho es de uno a tres.
6. El proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-5, caracterizado en que el diámetro del recipiente del reactor(s) antes del reactor final es el mismo o no más del 20% mayor que aquel del recipiente del reactor final.
7. El proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-6, caracterizado en que los lechos del catalizador están en el mismo recipiente del reactor.
8. El proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-6, caracterizado en que los lechos del catalizador están en diferentes recipientes del reactor.
9. El proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-8, caracterizado en que el enfriamiento del reactor se logra con un sistema de enfriamiento localizado entre los múltiples lechos del catalizador.
10. El proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-9, caracterizado en que en diferentes lechos del catalizador, se utilizan diferentes catalizadores.
11. El proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-10, caracterizado en que el primer lecho del catalizador del reactor se protege por adsorción alcalina o material absorción.
12. El proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 7-11, caracterizado en que el exceso de hidrógeno es menor del 20% y sin que se necesite compresor de gas circulante.
13. El proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-12, caracterizado en que más del 50% v/v del hidrógeno fresco se introduce a la primera etapa de reacción del reactor de hidrogenación.
14. El proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 3-13, caracterizado en que más del 50% v/v del hidrógeno se introduce a la etapa de reacción final del reactor de hidrogenación.
15. El proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-14, caracterizado en que el isooctano se hidrogena.
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16. Una configuración del reactor para la hidrogenación de olefinas, caracterizada en que la configuración del reactor comprende un reactor de hidrogenación que opera en modo de goteo o flujo de pulsos en un reactor de tres fases con un lecho del catalizador fijo y que comprende al menos dos etapas de reacción, en donde la primera etapa de reacción se equipa con un circuito de enfriamiento y que comprende un primer y un opcional segundo lecho del catalizador, y la etapa de reacción final comprende uno o más lechos del catalizador y opcionalmente se equipa con un circuito de enfriamiento, y se utiliza al menos un catalizador del mismo o diferente tipo en cada etapa, el catalizador que tiene diferente tamaño de partículas o/y opcionalmente diferente forma en al menos dos etapas.
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