(12) O PIS PATENTOW Y

Transkrypt

1 R Z E C Z P O SP O L IT A P O L S K A Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (12) O PIS PATENTOW Y (21 ) Numer zgłoszenia: (22) Data zgłoszenia: (19) PL (11) (13) B1 (51) Int.Cl.7: C07C 11/02 C07C 1/24 B0 1J 19/24 (54)Laboratoryjna aparatura do wytwarzania alkenów (43) Zgłoszenie ogłoszono: (73) Uprawniony z patentu: BUP 07/97 Akademia Świętokrzyska im.jana Kochanowskiego, Kielce, PL (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 05/01 (72)Twórcy wynalazku: Piotr Słomkiewicz, Warszawa, PL PL B1 ( 5 7 ) 1. Laboratoryjna aparatura do wytwarzania alkenów z alkoholi pracująca w sposób ciągły, wykorzystująca katalityczną reakcję odwodnienia wybranych alkoholi na katalizatorze wykonanym na bazie tlenku glinowego, składająca się z dwóch odparowalników alkoholu w gazie nośnym połączonych przez system zaworów elektromagnetycznych z dwoma reaktorami naprzemiennie pracującymi w cyklu reakcja odwodnienia alkoholu - regeneracja katalizatora, znam ienna tym, że pierwszy odparowalnik (7) jest połączony przez pierwszy zawór elektromagnetyczny (11) z pierwszym reaktorem (15) i pierwszy odparowalnik (7) jest połączony przez drugi zawór elektromagnetyczny (14) z drugim reaktorem (16), a drugi odparowalnik (8) jest połączony przez trzeci zawór elektromagnetyczny (12) z pierwszym reaktorem (15) i dragi odparowalnik (8) jest połączony przez czwarty zawór elektromagnetyczny (14) z drugim reaktorem (16). 2. Laboratoryjna aparatura do wytwarzania alkenów z alkoholi, pracująca w sposób ciągły, wykorzystująca katalityczną reakcję odwodnienia wybranych alkoholi na katalizatorze wykonanym na bazie tlenku glinowego, składająca się z dwóch odparowalników alkoholu w gazie nośnym połączonych przez system zaworów elektromagnetycznych z dwom a reaktorami naprzemiennie pracującymi w cyklu reakcja odwodnienia alkoholu - regeneracja katalizatora, znam ien n a tym, że w reaktorach (15) i (16) na osłonie grzejnika wewnętrznego (40) są zamontowane naprzemiennie radiatory o otworach perforacyjnych położonych na okręgu o m niejszej średnicy w pobliżu grzejnika wewnętrznego (43) i radiatory o otworach perforacyjnych położonych na okręgu o większej średnicy (44) w pobliżu wewnętrznej powierzchni ścianki rury reaktora fig.1

2 Laboratoryjna aparatura do wytwarzania alkenów Zastrzeżenia patentowe 1. Laboratoryjna aparatura do wytwarzania alkenów z alkoholi pracująca w sposób ciągły, wykorzystująca katalityczną reakcję odwodnienia wybranych alkoholi na katalizatorze wykonanym na bazie tlenku glinowego, składająca się z dwóch odparowalników alkoholu w gazie nośnym połączonych przez system zaworów elektromagnetycznych z dwoma reaktorami naprzemiennie pracującymi w cyklu reakcja odwodnienia alkoholu - regeneracja katalizatora, znamienna tym, że pierwszy odparowalnik (7) jest połączony przez pierwszy zawór elektromagnetyczny (11) z pierwszym reaktorem (15) i pierwszy odparowalnik (7) jest połączony przez drugi zawór elektromagnetyczny (14) z drugim reaktorem (16), a drugi odparowalnik (8) jest połączony przez trzeci zawór elektromagnetyczny (12) z pierwszym reaktorem (15) i drugi odparowalnik (8) jest połączony przez czwarty zawór elektromagnetyczny (14) z drugim reaktorem (16). 2. Laboratoryjna aparatura do wytwarzania alkenów z alkoholi, pracująca w sposób ciągły, wykorzystująca katalityczną reakcję odwodnienia wybranych alkoholi na katalizatorze wykonanym na bazie tlenku glinowego, składająca się z dwóch odparowalników alkoholu w gazie nośnym połączonych przez system zaworów elektromagnetycznych z dwoma reaktorami naprzemiennie pracującymi w cyklu reakcja odwodnienia alkoholu - regeneracja katalizatora, znamienna tym, że w reaktorach (15) i (16) na osłonie grzejnika wewnętrznego (40) są zamontowane naprzemiennie radiatory o otworach perforacyjnych położonych na okręgu o mniejszej średnicy w pobliżu grzejnika wewnętrznego (43) i radiatory o otworach perforacyjnych położonych na okręgu o większej średnicy (44) w pobliżu wewnętrznej powierzchni ścianki rury reaktora. 3. Laboratoryjna aparatura do wytwarzania alkenów z alkoholi według zastrz. 2, znamienna tym, że pomiędzy wewnętrzną płaszczyzną rury reaktora (36), a zewnętrzną krawędzią radiatorów (43) i (44) znajdujących się w jego wnętrzu, jest umieszczony sprężysty pierścień (45). * * * Przedmiotem wynalazku jest laboratoryjna aparatura do wytwarzania alkenów z alkoholi wykorzystująca katalityczną reakcję odwodnienia wybranych alkoholi na katalizatorze wykonanym na bazie tlenku glinowego. Aktualnie znane i w literaturze przedmiotowej opisane są metody otrzymywania w skali laboratoryjnej alkenów o dużym stopniu czystości, które polegają na termicznym rozkładzie odpowiedniego eteru. Także w fachowej literaturze istnieje wiele prac opisujących reakcje katalitycznego odwodnienia różnych alkoholi do alkenów. Jako katalizatory tych reakcji stosuje się tlenki metali (między innymi tlenek glinowy) oraz glinokrzemiany, jednak najbardziej rozpowszechnionym katalizatorem reakcji odwodnienia alkoholi jest Al2O3. Katalizator, tlenek glinowy, zwykle wymaga okresowej regeneracji, bowiem obniża się jego aktywność podczas długotrwałego przebiegu procesu dehydratacji alkoholu. Spowodowane jest to jego uwadnianiem oraz osadzaniem się na jego powierzchni wysokocząsteczkowych związków węgla tzw. koksu wskutek termicznego rozkładu powstającego alkenu. Badania kinetyki reakcji syntezy eterów z alkenów i alkoholi na katalizatorach z kwasowych żywic jonowymiennych wymagają stosowania alkenów o wysokim stopniu czystości. Do tych badań są wykorzystywane alkeny gazowe (np. propen, 1-buten, cis-2-buten, trans-2-buten, metylopropen) oraz ciekłe (np. 2-metylo-1-buten, 2-metylo-2-buten, 2-metylo-1-penten i in.). W przypadku używania do badań alkenów gazowych jest możliwe wykorzystanie alkenów technicznych dostarczanych w butlach ciśnieniowych, jednak stosowanie alkenów w butlach o wysokiej czysto-

3 ści, np. dostarczanych przez firmę Mathewson, znacznie podwyższa koszty badań. Wytwarzanie ciekłych alkenów z odpowiednich alkoholi jest konieczne w dwóch przypadkach, gdy konieczny do badań alken jest znacznie droższy niż alkohol, z którego można go otrzymać oraz gdy w katalogu odczynników brak jest potrzebnego alkenu, a jest alkohol, z którego można otrzymać alken (np. 2-metylo-2-heksen i 2-metylo-2-heksanol w katalogu Aldrich). Celem wynalazku jest skonstruowanie aparatury, która wytwarza alken, ze znaczną wydajnością, o dużym stopniu czystości, możliwością długotrwałej i nieprzerwanej pracy, wykorzystując reakcję odwodnienia alkoholi na tlenku glinowym. Istota wynalazku polega na zastosowaniu dwóch, naprzemiennie pracujących reaktorów, z tlenkiem glinowym jako katalizatorem, które pracują na zmianę w cyklu: reakcja odwodnienia - regeneracja katalizatora, w ten sposób w jednym reaktorze wytwarza się alken, w drugim zaś w tym samym czasie katalizator może być regenerowany. W każdym z tych rurowych reaktorów zastosowano podwójny system grzejników na zewnątrz rury i wewnątrz wzdłuż jej osi. W wynalazku zastosowano montowane naprzemiennie radiatory o otworach perforacyjnych położonych na okręgu o mniejszej średnicy w pobliżu grzejnika wewnętrznego i radiatory o otworach perforacyjnych położonych na okręgu o większej średnicy w pobliżu wewnętrznej ścianki rury reaktora. Radiatory zamontowane na wewnętrznych grzejnikach reaktorów tworzą przegrody dzieląc przestrzeń reakcyjną na szereg przedziałów o kształcie walca, a gazowe reagenty przepływają przez otwory wykonane w radiatorach. Laboratoryjna aparatura do wytwarzania alkenów z alkoholi, pracująca w sposób ciągły, wykorzystująca katalityczną reakcję odwodnienia wybranych alkoholi na katalizatorze wykonanym na bazie tlenku glinowego, składająca się z dwóch odparowalników alkoholu w gazie nośnym połączonych przez system zaworów elektromagnetycznych z dwoma reaktorami naprzemiennie pracującymi w cyklu reakcja odwodnienia alkoholu - regeneracja katalizatora, według wynalazku, charakteryzuje się tym, że pierwszy odparowalnik jest połączony przez pierwszy zawór elektromagnetyczny z pierwszym reaktorem i pierwszy odparowalnik jest połączony przez drugi zawór elektromagnetyczny z drugim reaktorem, a drugi odparowalnik jest połączony przez trzeci zawór elektromagnetyczny z pierwszym reaktorem i drugi odparowalnik jest połączony przez czwarty zawór elektromagnetyczny z drugim reaktorem. Laboratoryjna aparatura do wytwarzania alkenów z alkoholi, pracująca w sposób ciągły, wykorzystująca katalityczną reakcję odwodnienia wybranych alkoholi na katalizatorze wykonanym na bazie tlenku glinowego, składająca się z dwóch odparowalników alkoholu w gazie nośnym połączonych przez system zaworów elektromagnetycznych z dwoma reaktorami naprzemiennie pracującymi w cyklu reakcja odwodnienia alkoholu - regeneracja katalizatora, według wynalazku, charakteryzuje się tym, że w obu reaktorach na osłonie grzejnika wewnętrznego są zamontowane naprzemiennie radiatory o otworach perforacyjnych położonych na okręgu o mniejszej średnicy w pobliżu grzejnika wewnętrznego i radiatory o otworach perforacyjnych położonych na okręgu o większej średnicy w pobliżu wewnętrznej powierzchni ścianki rury reaktora. Korzystnie jest także pomiędzy wewnętrzną płaszczyzną rury reaktora, a zewnętrzną krawędzią radiatorów znajdujących się w jego wnętrzu, umieścić sprężysty pierścień. Zaletą laboratoryjnej aparatury do wytwarzania alkenów z alkoholi według wynalazku, jest możliwość otrzymywania różnych alkenów (eten, propen, buten-1, metylopropen) w zależności od rodzaju użytego alkoholu. Walorem wynalazku jest to, że zastosowano dwa niezależnie pracujące reaktory zasilane z dwóch niezależnych zbiorników do odparowywania alkoholu w gazie nośnym. Alkohol w postaci par, z pierwszego zbiornika może zasilać pierwszy z reaktorów w celu prowadzenia reakcji wytwarzania alkenu. W drugim reaktorze po zakończonej regeneracji katalizatora, można rozpocząć reakcję wytwarzania alkenu, w takich samych warunkach, jak w pierwszym reaktorze, zasilając drugi reaktor alkoholem odparowywanym z drugiego zbiornika. W chwili, gdy drugi reaktor zaczyna normalną pracę, zastępując dotychczas pracujący, przełączenie pracujących reaktorów nie powoduje zakłócenia objawiającego się chwilową zmianą wielkości stężenia alkenu na wyjściu aparatury. Walorem wynalazku jest także to, że zastosowane radiatory w reaktorach polepszając transport ciepła w złożu katalizatora, umożliwiają znaczne zwiększenie wydajności reakcji

4 dehydratacji alkoholi (reakcje dehydratacji alkoholi są endotermiczne), oraz znaczne skrócenie czasu regeneracji złoża katalizatora, w porównaniu z czasem pracy katalizatora w reakcji wytwarzania alkenu, co umożliwia naprzemienną pracę obu reaktorów i pozwala na zachowanie warunku stabilnego stężenia alkenu na wyjściu aparatury w czasie. Wymuszenie przepływu reagentów przez otwory w radiatorach poprzez uszczelnienie ich krawędzi sprawia, że zlikwidowane zostają efekty kanalikowania i przebicia złoża oraz przesypywanie się katalizatora pod wpływem strumienia gazu, a zaletą tego rozwiązania jest likwidacja gradientów stężeń w złożu i w rezultacie stabilniejsza praca reaktorów. Aparatura tego rodzaju jest przydatna w laboratorium, na przykład przy prowadzeniu badań nad reakcjami katalitycznej syntezy eterów z alkenów i alkoholi. Przedmiot wynalazku w przykładzie realizacji jest odtworzony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat laboratoryjnej aparatury do wytwarzania alkenów z alkoholi, fig. 2 przedstawia schemat reaktora, fig. 3 przedstawia schemat radiatora o otworach perforacyjnych położonych na okręgu o mniejszej średnicy w pobliżu grzejnika wewnętrznego, a fig.4 przedstawia schemat radiatora o otworach perforacyjnych położonych na okręgu o większej średnicy w pobliżu wewnętrznej powierzchni ścianki rury reaktora. W skład dwóch jednakowych układów do odparowywania alkoholu w gazie nośnym wchodzą elektromagnetyczne zawory odcinające 1 i 2, zawory iglicowe 3 i 4 służące do regulacji wielkości przepływu obu strumieni gazu, fleometry zwężkowe 5 i 6 wskazujące ich wielkość. Gazy nośne są doprowadzane do zbiorników 7 i 8 z alkoholem, gdzie nasycają się jego parami. Zbiorniki do odparowywania alkoholu 7 i 8, nazywane odparowalnikami, to naczynia wykonane ze stali kwasoodpornej, elektrycznie ogrzewane i termostatowane. Zmieniając temperaturę odparowalnika zmienia się stężenie par alkoholu w gazie nośnym, a zmieniając wielkość przepływu gazu nośnego przy pomocy zaworów iglicowych 3 i 4 można regulować wielkość obciążenia katalizatora parami alkoholu, czyli sterować wydajnością reakcji syntezy alkenu. Na przewodach wlotowych do odparowalników 7 i 8 umieszczone są zbiorniki bezpieczeństwa 9 i 10. Chronią one poprzedzające je urządzenia do regulacji strumienia gazu nośnego przed ewentualnym zalaniem ich ciekłym alkoholem w przypadku awarii. Oba strumienie gazu nośnego nasycone parami alkoholu przepływają ogrzewanymi przewodami przez system czterech elektromagnetycznych zaworów 11, 12, 13, 14 do dwóch reaktorów 15 i 16 wypełnionych A l2o 3, na którym przebiega katalityczne odwodnienie alkoholu. Z odparowalnika 7 można zasilać reaktor 15 przez zawór elektromagnetyczny 11 lub reaktor 16 przez zawór elektromagnetyczny 14, a z odparowalnika 8 można zasilać reaktor 15 przez zawór elektromagnetyczny 12 lub reaktor 16 przez zawór elektromagnetyczny 14. Odłączenie odparowalnika 7 od reaktorów (zawory elektromagnetyczne 11 i 14 zamknięte) wymaga zamknięcia zaworu elektromagnetycznego 1, aby nie następował wzrost ciśnienia w odparowalniku 7 i analogicznie odłączenie odparowalnika 8 od reaktorów (zawory elektromagnetyczne 12 i 14 zamknięte) wymaga zamknięcia zaworu elektromagnetycznego 2. Nieprzereagowany alkohol, woda oraz alken stanowią mieszaninę poreakcyjną. Z reaktora 15 lub 16 przez zawory elektromagnetyczne 17 lub 18 jest ona kierowana do odbieralnika 19. Odbieralnik 19 służy do wstępnego wydzielenia z mieszaniny poreakcyjnej reagentów ciekłych lub łatwo krzepnących, jak w przypadku wytwarzania izobutenu z alkoholu tert-butylowego (alkohol ten krzepnie w temperaturze 25 C). Odbieralnik 19 jest ogrzewany elektrycznie i termostatowany powyżej temperatury krzepnięcia alkoholu tert-butylowego, chroniąc przed zatkaniem stałym alkoholem chłodnicę 21. Zawór 20 służy do opróżniania odbieralnika 19. W chłodnicy 21 woda i inne alkohole zostają skroplone i zebrane w zbiorniku kondensatu 22 z zaworem spustowym 23, natomiast alken kieruje się do kolumn wypełnionych żelem krzemionkowym 24, węglem aktywnym 25 i sitami molekularnymi 26 celem jego osuszenia i oczyszczenia. Katalizator w reaktorze wymaga okresowej regeneracji. Wówczas zasilanie reaktora (15 lub 16) alkoholem zostaje odłączone, zamyka się zawory elektromagnetyczne (11, 12 lub 13, 14) oraz zamyka się wylot reaktora zamykając zawory elektromagnetyczne (17 lub 18) łączące reaktory z pozostałą częścią aparatury. Przez złoże katalizatora ogrzane do temperatury 300 C w celu usunięcia zaabsorbowanej wody, przepuszcza się gaz obojętny otwierając zawór elektromagnetyczny 27 (reaktor 15) lub 28 (reaktor 16). Przepływ gazu obojętnego reguluje się zaworem iglicowym 29,

5 a wielkość przepływu odczytuje się na rotametrze 30. Gazy poregeneracyjne opuszczają reaktor 15 przez otwarty zawór elektromagnetyczny 31, a reaktor 16 przez otwarty zawór elektromagnetyczny 32. Otwarcie zaworu elektromagnetycznego 33 pozwala dodawać tlen do strumienia gazu obojętnego w celu wypalania koksu na powierzchni katalizatora. Przepływ tlenu zmienia się przy pomocy zaworu iglicowego 34, a jego wielkość odczytuje się na rotametrze 35. Zastosowanie zaworów elektromagnetycznych w opisywanej aparaturze do otrzymywania alkenów pozwala uprościć sterowanie funkcjami poszczególnych urządzeń i uniknąć pomyłek. Rurowy reaktor (15 lub 16) składa się z rury 36 z przyspawanymi kołnierzami, do których przez uszczelki z gumy silikonowej 37, przykręcone są pokrywy 38 i 39. W pokrywie 38 jest zamocowana osłona grzejnika wewnętrznego 40. Grzejnik zewnętrzny 41 umieszczono na płaszczyźnie bocznej rury reaktora. Także w płaszczyźnie bocznej wykonano nagwintowane otwory, w które wkręca się przyłącza gazowe 42. Na osłonę grzejnika wewnętrznego 40 są nałożone radiatory 43 i 44, ułatwiają one transport ciepła do wnętrza złoża katalizatora, a zarazem przeciwdziałają przemieszczaniu się katalizatora wewnątrz rury reaktora 36. Radiator 43 ma otwory w pobliżu grzejnika wewnętrznego, a radiator 44 ma otwory w pobliżu powierzchni wewnętrznej rury reaktora 36. Przepływ gazów przez reaktor przy naprzemiennym ułożeniu radiatorów 43 i 44 powoduje zawirowanie strumienia gazów i polepsza kontakt fazy gazowej ze stałym katalizatorem. Szczelinę pomiędzy wewnętrzną płaszczyzną rury reaktora 36, a zewnętrzną krawędzią radiatora (43 lub 44) uszczelnia stalowy sprężysty pierścień 45 wymuszając w ten sposób przepływ gazów przez otwory w radiatorach 43 i 44.

6 fig. 3 fig. 4

7 fig. 2

8 fig. 1 Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 60 egz. Cena 2,00 zł.