Показано, что система и способ, в котором механическое устройство высокой скорости сдвига введено в процесс получения уксусного ангидрида в качестве реакторного устройства, позволяет снизить ограничения на массоперенос и тем самым улучшить процесс. Система для получения уксусного ангидрида включает стадию перемешивания катализатора и уксусной кислоты с помощью устройства высокой скорости сдвига.

[0001] Способ получения уксусного ангидрида с использованием по меньшей мере одного устройства высокой скорости сдвига, содержащего по меньшей мере один набор ротор-статор вырабатывания номинальной окружной скорости не менее 5 м/с, при этом способ включает прокачивание раствора уксусной кислоты под давлением, превышающим атмосферное, образование эмульсии, содержащей капельки катализатора в сжатом растворе уксусной кислоты со средним диаметром указанных капелек менее 5 мкм, введение эмульсии в печной реактор в условиях, подходящих для получения кетена, конденсирование уксусной кислоты, воды и катализатора, нейтрализованного аммиаком в охладителе, из которого выводят газы, содержащие кетен, введение кетенсодержащих газов из охладителя в реактор, в котором получают уксусный ангидрид посредством контакта кетенсодержащих газов с уксусной кислотой.

[0002] Способ по п.1, в котором номинальная окружная скорость указанного устройства высокой скорости сдвига составляет по меньшей мере 23 м/с.

[0003] Способ по п.1, в котором указанное устройство высокой скорости сдвига вырабатывает локальное давление на конце лопатки ротора, составляющее по меньшей мере 1000 МПа.

[0004] Способ по п.1, в котором указанный сжатый водный раствор находится под давлением, составляющим по меньшей мере 203 кПа.

[0005] Способ по п.1, в котором образование указанной эмульсии осуществляют посредством введения указанных капелек катализатора и сжатого водного раствора по меньшей мере в одно устройство высокой скорости сдвига.

[0006] Способ по п.1, в котором образование указанной эмульсии осуществляют посредством обработки указанных пузырьков газообразного окислителя и сжатого водного раствора со скоростью сдвига более 20000 с-1.

[0007] Способ по п.1, в котором средний диаметр указанных капелек катализатора составляет менее 1,5 мкм.

[0008] Способ по п.1, в котором в реакторе осуществляют пиролиз уксусной кислоты.

[0009] Способ по п.8, в котором в реакторе поддерживают температуру не более 750 °С.

[0010] Способ по п.8, в котором в реакторе устанавливают давление, равное приблизительно давлению окружающей среды.

[0011] Способ по п.1, в котором эмульсию перед введением в реактор охлаждают.

[0012] Способ по п.1, в котором неиспользованные реагенты рециркулируют по меньшей мере через одно устройство высокой скорости сдвига.

[0013] Способ по п.1, в котором используют катализатор, содержащий жидкость, несмешиваемую с уксусной кислотой.

[0014] Система получения уксусного ангидрида, включающая насос, расположенный перед входным отверстием диспергируемого жидкого катализатора, по меньшей мере одно устройство высокой скорости сдвига, связанное текучей средой с выходным отверстием насоса, выполненное с возможностью получения эмульсии жидкого катализатора в уксусной кислоте со средним диаметром капелек катализатора в эмульсии менее 5 мкм, и пиролизный реактор, связанный текучей средой с выходным отверстием по меньшей мере одного устройства высокой скорости сдвига и выполненный с возможностью образования кетена посредством термического распада уксусной кислоты.

[0015] Система по п.14, в которой по меньшей мере одно устройство высокой скорости сдвига содержит по меньшей мере один генератор сдвига, установленный с возможностью вырабатывания окружной скорости по меньшей мере 5 м/с.

[0016] Система по п.15, в которой номинальная окружная скорость по меньшей мере одного указанного устройства высокой скорости сдвига составляет по меньшей мере 23 м/с.

[0017] Система по п.15, в которой по меньшей мере одно устройство высокой скорости сдвига вырабатывает локальное давление на конце лопатки, составляющее по меньшей мере 1000 МПа.

[0018] Система по п.15, в которой по меньшей мере одно устройство высокой скорости сдвига выполнено с возможностью вырабатывания скорости сдвига более 20000 с-1.

[0019] Система по п.15, в которой расход энергии по меньшей мере одного устройства высокой скорости сдвига составляет по меньшей мере 1000 Вт/м3.

[0020] Система по п.14, в которой по меньшей мере одно устройство высокой скорости сдвига выполнено с возможностью образования эмульсии со средним диаметром капелек менее 1,5 мкм.

[0021] Система по п.14, которая дополнительно содержит по меньшей мере один элемент теплопередачи, связанный текучей средой с реактором.

[0022] Система по п.20, в которой элемент теплопередачи содержит охладитель, выполненный с возможностью конденсирования уксусной кислоты, воды и нейтрализованного аммиаком катализатора из газов, содержащих кетен.

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее раскрытие, в общем, относится к производству уксусного ангидрида и, более конкретно, к устройству и способам улучшения производства уксусного ангидрида. Точнее говоря, раскрытие относится к снижению ограничений на массоперенос в устройстве и способах получения уксусного ангидрида.

Сведения о предшествующем уровне техники

Уксусный ангидрид - это промышленный химический реагент, широко используемый в органическом синтезе. Более того, он используется в больших количествах, например, при получении ацетата целлюлозы, а также в других процессах ацетилирования, значимых с коммерческой точки зрения.

В промышленном масштабе его обычно получают при реакции кетена и уксусной кислоты. Традиционные способы получения уксусного ангидрида раскрыты в патентах США № №4115444, 4252983, 4333885, 4519956, 4563309 и 5488143.

В патенте США № 7199263 описывается способ для совместного получения уксусного ангидрида и ацетата. Общеизвестно получение уксусного ангидрида по кетеновому способу. Способ включает термическое разложение уксусного ангидрида при высоких температурах с использованием, например, катализатора дегидратации - триэтилфосфата, предназначенного для получения кетена (1), который далее реагирует с избытком уксусной кислоты, давая уксусный ангидрид (2):

Реакцию (1) проводят при низком давлении и повышенной температуре, обычно при температуре более 700 °С. Катализатор в потоке продукта можно нейтрализовать аммиаком. Хотя способ широко используется, он является капиталоемким. Для эффективного получения уксусного ангидрида воду, образующуюся в реакции (1), удаляют, а уксусную кислоту регенерируют. Из-за большого количества образующейся воды, 1 моль воды на 1 моль кетена, регенерация слабой кислоты требует больших энергозатрат. Соответственно, в промышленности существует необходимость в улучшенных способах получения уксусного ангидрида, посредством которых можно было бы повысить степень удаления воды и регенерации кислоты, что тем самым делает получение уксусного ангидрида более пригодным с коммерческой точки зрения.

Сущность изобретения

Раскрывается система и способ для ускорения получения уксусного ангидрида. Раскрываемый способ с высокой скоростью сдвига снижает ограничения на массоперенос, улучшая тем самым условия реакции, такие как скорость реакции, температура, давление, время и/или выход продукта.

В соответствии с отдельными вариантами осуществления настоящего раскрытия обеспечивается способ, который делает возможным увеличение скорости получения уксусного ангидрида посредством обеспечения более оптимальных условий по времени, температуре и давлению по сравнению с традиционно используемыми условиями.

В способе используется устройство высокой скорости сдвига для обеспечения улучшенных условий по времени, температуре и давлению, что приводит к ускорению химических реакций между реагентами. Эти и другие варианты осуществления, особенности и преимущества станут очевидны при рассмотрении следующего подробного описания и чертежей.

Перечень фигур, чертежей и иных материалов

Для более подробного описания предпочтительного варианта осуществления настоящего изобретения дается ссылка на прилагаемые чертежи, на которых

фиг. 1 - вид в разрезе устройства высокой скорости сдвига, предназначенного для получения уксусного ангидрида;

фиг. 2 - схема технологического процесса согласно варианту осуществления настоящего раскрытия для системы получения уксусного ангидрида с высокой скоростью сдвига.

Сведения, подтверждающие возможность осуществленият изобретенияОбщие сведения

В системе и способе применяется внешнее механическое устройство для обеспечения быстрого контакта и перемешивания химических ингредиентов в регулируемой среде реактора/мешалки. Устройство с высокой скоростью сдвига снижает ограничения на массоперенос в реакции и таким образом повышает суммарную скорость реакции.

Протекание химических реакций, в которых участвуют жидкости, газы, твердые вещества, зависит от кинетических закономерностей, включая время, температуру и давление, определяющих скорость реакций. В тех случаях, когда желательно, чтобы реагировали два или более исходных материалов, находящихся в различных фазах (например, твердое вещество и жидкость; жидкость и газ; твердое вещество, газ и жидкость), одним из ограничивающих факторов, регулирующих скорость реакции, является продолжительность контакта реагентов. В случае гетерогенно катализируемых реакций имеется дополнительный фактор, ограничивающий скорость, заключающийся в удалении прореагировавших продуктов с поверхности катализатора, которые не позволяют катализатору катализировать реакцию оставшихся реагентов.

В традиционных реакторах продолжительность контакта реагентов и/или катализатора часто регулируют перемешиванием, которое обеспечивает контакт между двумя или более реагентами, участвующими в химической реакции. Реактор в сборе, который содержит внешний смеситель с высокой скоростью сдвига, дает возможность снизить ограничения на массоперенос и тем самым позволяет реакции подойти к кинетическим ограничениям более близко. При ускорении реакции возможно снижение продолжительности обработки, что тем самым повышает достигаемую пропускную способность. В качестве альтернативы, в том случае, когда выход текущего продукта находится на приемлемом уровне, уменьшение требуемой продолжительности обработки позволяет проводить реакцию при пониженных температурах и/или давлениях, чем в традиционных процессах.

Устройство с высокой скоростью сдвига

Устройства с высокой скоростью сдвига (HSD), такие как мешалка или мельница с высокой скоростью сдвига, обычно подразделяют на три класса на основе их способности перемешивать текучие среды. Перемешивание -это процесс сокращения размера неоднородных веществ или частиц внутри текучей среды. Одной из мер степени или тщательности перемешивания является плотность энергии на единицу объема, которую создает перемешивающее устройство для разрыва частиц текучей среды. Классы отличаются по плотности передаваемой энергии. Существует три класса промышленных мешалок с достаточной плотностью энергии для образования равномерных смесей или эмульсий с размером частиц или пузырьков в диапазоне от 0 до 50 мкм.

Клапанные системы гомогенизации, как правило, относятся к группе высокоэнергетических устройств. Обрабатываемая текучая среда прокачивается под очень высоким давлением через клапан с узким зазором в среду с пониженным давлением. Перепады давления вдоль клапана и возникающие в результате турбулентность и кавитации разрушают любые частицы в текучей среде. Эти клапанные системы наиболее широко применяются при гомогенизации молока и могут давать частицы со средним размером в диапазоне от 0,01 до 1 мкм. На другом конце спектра находятся перемешивающие системы с высокой скоростью сдвига, относящиеся к группе низкоэнергетических устройств. У этих систем обычно имеются лопастные мешалки и жидкостные роторы, которые вращаются с высокой скоростью в резервуаре с обрабатываемой текучей средой, которой во многих наиболее применяемых приложениях является пищевой продукт. Эти системы обычно используют в тех случаях, когда у обрабатываемой текучей среды допустимый средний размер частиц, капелек или пузырьков превышает 20 мкм.

Между низкоэнергетическими смесителями с высокой скоростью сдвига и клапанными системами гомогенизации, в показателях плотности энергии перемешивания, передаваемой текучей среде, находятся коллоидные мельницы, которые относятся к группе устройств с промежуточной энергией.

Типовая конструкция коллоидной мельницы включает конический или дисковый ротор, который отделен от дополнительного статора с жидкостным охлаждением посредством точно регулируемого зазора между ротором и статором, величина которого обычно составляет от 0,025 до 10,0 мм. Роторы обычно приводятся в движение электроприводом через непосредственный привод или ленточный механизм. Во многих коллоидных мельницах с надлежащей настройкой достигаемый средний размер частиц или пузырьков в обрабатываемой текучей среде составляет от 0,01 до 25 мкм. Такие возможности делают коллоидные мельницы пригодными для различных приложений, включая обработку коллоида и водомасляной эмульсии, например, обработку, которая требуется для составления косметических средств, майонеза, кремниевой/серебряной амальгамы и для перемешивания кровельной мастики.

Теперь, что касается фиг. 1, на ней представлена принципиальная схема устройства 200 высокой скорости сдвига. Устройство 200 высокой скорости сдвига содержит по меньшей мере один набор ротор-статор. Наборы ротор-статор могут, в частности, называться генераторами 220, 230, 240 или ступенями. Устройство 200 с высокой скоростью сдвига содержит по меньшей мере два генератора и наиболее предпочтительно устройство высокой скорости сдвига содержит по меньшей мере три генератора.

Первый генератор 220 включает в себя ротор 222 и статор 227. Второй генератор 230 содержит ротор 223 и статор 228, а третий генератор содержит ротор 224 и статор 229. В каждом генераторе 220, 230, 240 ротор приводится в движение входным валом 250. Генераторы 220, 230, 240 вращаются вокруг оси 260 в направлении вращения 265. Статор 227 неподвижно соединен со стенкой 255 устройства высокой скорости сдвига.

В генераторах между ротором и статором имеются зазоры. Первый генератор 220 содержит первый сдвиговый зазор 225, второй генератор 230 содержит второй сдвиговый зазор 235, а третий генератор 240 содержит третий сдвиговый зазор 245. Ширина зазоров 225, 235, 245 составляет от 0,025 мм (0,01 дюйм) до 10,0 мм (0,4 дюйм). В качестве альтернативы, в процессе применяется устройство 200 высокой скорости сдвига, в котором ширина зазоров 225, 235, 245 составляет от 0,5 мм (0,02 дюйма) до 2,5 мм (0,1 дюйма). В отдельных случаях ширина сдвигового зазора поддерживается около значения 1,5 мм (0,06 дюйма). В качестве альтернативы, зазоры 225, 235, 245 в генераторах 220, 230, 240 различаются между собой. В отдельных случаях зазор 225 первого генератора 220 больше зазора 235 второго генератора 230, который, в свою очередь, больше зазора 245 третьего генератора 240.

Кроме того, ширина зазоров 225, 235 и 245 обуславливает режим грубый, средний, тонкий и очень тонкий. Роторы 222, 223 и 224 и статоры 227, 228 и 229 могут иметь зубчатую конструкцию. Каждый генератор может содержать два или более двух наборов ротор-статор зубцов, известных в данной области техники. Роторы 222, 223 и 224 могут содержать несколько роторных зубцов, расположенных на одной окружности каждого ротора. Статоры 227, 228 и 229 могут содержать несколько статорных зубцов, расположенных на одной окружности каждого статора. В вариантах осуществления внутренний диаметр ротора составляет около 11,8 см. В вариантах осуществления наружный диаметр статора составляет около 15,4 см. В дополнительных вариантах осуществления наружный диаметр ротора может составлять около 60 мм, а статора - около 64 мм. В качестве альтернативы, ротор и статор могут иметь переменные диаметры, что позволяет изменять окружную скорость и давление сдвига. В отдельных вариантах осуществления каждая из трех ступеней подключена к высокодисперсному генератору с зазором, составляющим от 0,025 мм до 3 мм. Когда питающий поток 205, содержащий твердые частицы, проходит через устройство 200 высокой скорости сдвига, то вначале подбирают подходящую ширину зазора с целью надлежащего снижения размера частиц и повышения площади их поверхности. В вариантах осуществления увеличение площади поверхности катализатора путем сдвигового деформирования или диспергирования частиц оказывается полезным.

В устройство 200 высокой скорости сдвига подается реакционная смесь, содержащая питающий поток 205. Питающий поток 205 содержит эмульсию диспергируемой и непрерывной фаз. Термин "эмульсия" относится к сжиженной смеси, которая содержит два различимых вещества (или "фазы"), которые неохотно смешиваются или растворяются друг в друге. Большинство эмульсий содержат "непрерывную" фазу (или "матрицу"), которая удерживает внутри себя дискретные капли, пузыри и/или частицы другой фазы или вещества. Эмульсии могут быть очень вязкими, такими как суспензии или пасты, или могут представлять собой пены, в которых очень маленькие пузырьки газа суспендированы в жидкости. Используемый в этом документе термин "эмульсии" охватывает непрерывные фазы, содержащие пузырьки газа, непрерывные фазы, содержащие частицы (например, частицы твердого катализатора), непрерывные фазы, содержащие капли жидкости, которая по существу нерастворима в непрерывной фазе, и их комбинации.

Питающий поток 205 может включать измельченный компонент твердого катализатора. Питающий поток 205 прокачивается через генераторы 220, 230, 240, для того чтобы образовалась дисперсия 210 продукта. Роторы 222, 223, 224 каждого генератора вращаются с высокой скоростью относительно неподвижных статоров 227, 228, 229. Роторы за счет вращения прокачивают текучую среду, например, питающий поток 205, между наружной поверхностью ротора 222 и внутренней поверхностью статора 227, создавая локальное состояние с высокой скоростью сдвига. Зазоры 225, 235, 245 генерируют высокие сдвиговые усилия, которые способствуют переработке питающего потока 205. Большие сдвиговые усилия между ротором и статором предназначены для переработки питающего потока 205 с целью создания дисперсии 210 продукта. Каждый генератор 220, 230, 240 устройства 200 высокой скорости сдвига имеет взаимозаменяемые наборы ротор-статор для обеспечения узкого распределения по желаемым размерам пузырьков, если питающий поток 205 содержит газ, или по размером капелек, если питающий поток 205 содержит жидкость, в дисперсии 210 продукта.

Получаемая дисперсия 210 частиц газа или пузырьков в жидкости содержит эмульсии. В вариантах осуществления получаемая дисперсия 210 может содержать дисперсию газа, жидкости или твердого вещества в непрерывной фазе, несмешиваемых или нерастворимых в предыдущем состоянии. Средний размер частиц или пузырьков газа в дисперсии продукта 210 составляет 1,5 мкм, предпочтительно, пузырьки имеют субмикронный диаметр. В отдельных случаях средний размер пузырьков составляет от 0,1 до 1,0 мкм. В качестве альтернативы, средний размер пузырьков составляет менее 400 нм (0,4 мкм) и наиболее предпочтительно менее 100 нм (0,1 мкм).

Окружная скорость - это скорость (м/с), связанная с концом одного или нескольких вращающихся элементов, которые передают энергию реагентам. Окружная скорость вращающегося элемента представляет собой расстояние на окружности, проходимое концом лопатки ротора за единицу времени, и обычно определяется по формуле V (м/с) = π*D*n, где V - окружная скорость, D - диаметр ротора, измеряемый в метрах, a n - частота вращения ротора, измеряемая количеством оборотов в секунду. Таким образом, окружная скорость является функцией диаметра и частоты вращения ротора. Кроме того, окружная скорость может быть рассчитана путем умножения окружного расстояния, описываемого концом роторной лопаткой, 2 πR, где R - радиус ротора (измеряемый, например, в метрах), на частоту вращения (измеряемую, например, количеством оборотов в минуту, об/мин).

В случае коллоидных мельниц окружная скорость составляет более 23 м/с (4500 футов/мин) и может превышать 40 м/с (7900 футов/мин). С целью данного раскрытия термин "высокая скорость сдвига" относится к механическим роторно-статорным устройствам, таким как мельницы или мешалки, которые способны выдавать окружную скорость более 5 м/с (1000 футов/мин) и для которых требуется внешняя силовая установка с механическим приводом, подающая энергию в поток реагентов. Устройство с высокой скоростью сдвига сочетает в себе высокую окружную скорость с очень малым сдвиговым зазором, при этом сила трения оказывает существенное воздействие на обрабатываемый материал. Соответственно, во время работы устройства на конце лопатки мешалки со скоростью сдвига возникают локальное давление от 1000 МПа (145000 фунтов/кв. дюйм) до 1050 МПа (152300 фунтов/кв. дюйм) и повышенные температуры. В отдельных вариантах осуществления локальное давление составляет, по меньшей мере, 1034 МПа (150000 фунтов/кв. дюйм). Локальное давление, кроме того, зависит от значений окружной скорости, вязкости текучей среды и роторно-статорного зазора во время работы.

Приблизительную величину энергии, подводимой к текучей среде (кВт/(л*мин), можно оценить измерением мощности двигателя (кВт) и количеством выходящей текучей среды (л/мин). В вариантах осуществления расход энергии устройства высокой скорости сдвига составляет более 1000 Вт/м ³ . В вариантах осуществления расход энергии составляет от 3000 Вт/м ³ до 7500 Вт/м ³ . Устройство 200 высокой скорости сдвига сочетает в себе высокую окружную скорость с очень малым сдвиговым зазором, что оказывает значительное сдвиговое усилие на материал. Величина сдвига, как правило, зависит от вязкости текучей среды. Скорость сдвига, генерируемая в устройстве 200 высокой скорости сдвига, может превышать 20000 с ^-1 . В вариантах осуществления генерируемая скорость сдвига находится в диапазоне от 20000 с ^-1 до 100000 с ^-1 .

Устройство 200 с высокой скоростью сдвига вырабатывает эмульсию газа, которая при атмосферном давлении способна оставаться в диспергированном состоянии в течение, по меньшей мере, 15 мин. С целью данного раскрытия эмульсия частиц или пузырьков газа, диаметр которых составляет менее 1,5 мкм, в диспергированной фазе дисперсии 210 продукта может содержать микропену. Не стремясь ограничиться теорией, в химии эмульсий известно, что субмикронные частицы или пузырьки, диспергированные в жидкости, претерпевают движение в основном за счет эффектов броуновского движения. Пузырьки в эмульсии получаемой дисперсии 210, которая создается устройством 200 высокой скорости сдвига, могут обладать большей подвижностью через пограничные слои частиц твердого катализатора, облегчая и ускоряя тем самым каталитическую реакцию за счет улучшенного переноса реагентов.

Ротор настраивают так, чтобы он вращался со скоростью, соизмеримой с диаметром ротора и желаемой окружной скоростью, как описывалось выше. За счет введения устройства 200 высокой скорости сдвига снижается сопротивление переносу так, что скорость реакции повышается по меньшей мере на 5%. В качестве альтернативы, устройство 200 высокой скорости сдвига включает коллоидную мельницу с высокой скоростью сдвига, которая служит в качестве реактора с увеличенной скоростью (ARR). Реактор с увеличенной скоростью содержит одноступенчатую камеру диспергирования. Реактор с увеличенной скоростью содержит встроенную в линию многоступенчатую камеру диспергирования, содержащую по меньшей мере 2 ступени.

Выбор устройства 200 высокой скорости сдвига зависит от требований по пропускной способности и желаемого размера частиц или пузырьков в выходящей дисперсии 210. В отдельных случаях устройство 200 высокой скорости сдвига включает реактор Dispax Reacto ® фирмы IKA ® Works, Inc. Wilmington, NC и реактор фирмы APV North America, Inc. Wilmington, MA. Например, модель DR 2000/4 включает в себя ременный привод, 4М генератор, уплотняющее кольцо из ПТФЭ, санитарный зажим для впускного фланца размером 1, "санитарный зажим для выпускного фланца 3/4", имеет мощность 2 л.с, частоту вращения выходного вала 7900 об/мин, пропускную способность (для воды) от 300 до приблизительно 700 л/ч (в зависимости от генератора), окружную скорость от 9,4 м/с до около 41 м/с (около 1850 футов/мин до около 8070 футов/мин). Доступно несколько альтернативных моделей с различными входными/выходными соединениями, мощностью, номинальной окружной скоростью, частотой вращения выходного вала и номинальной скоростью потока.

Не стремясь ограничиться частной теорией, предполагают, что уровень или степень перемешивания с высокой скоростью сдвига достаточны для повышения скорости массопереноса и могут давать локальные неидеальные условия, обеспечивающие протекание таких реакций, которых по-другому нельзя ожидать, исходя из предварительных оценок свободной энергии Гиббса. Локализованные неидеальные условия, которые, как полагают, возникают внутри устройства высокой скорости сдвига, приводят к повышенным температурам и давлениям, при этом полагают, что наиболее существенное увеличение происходит в значениях локального давления. Увеличение значений давления и температуры внутри устройства высокой скорости сдвига является мгновенным и локальным, и эти параметры возвращаются в основное или среднее состояние системы после выхода потока из устройства высокой скорости сдвига. В некоторых случаях перемешивающее устройство высокой скорости сдвига вызывает кавитацию с интенсивностью, достаточной для диссоциации одного или нескольких реагентов на свободные радикалы, которые могут ускорять химическую реакцию или способствовать протеканию реакции при менее жестких условиях, которые могли бы потребоваться в иных способах. Кавитация может также повышать скорость способов переноса за счет порождения локальной турбулентности и микроциркуляции жидкости (акустический поток). Обзор по применению явления кавитации в приложениях по химической/физической обработке дается в работе Gogate et al., "Cavitation: A technology on the horizon," Current Science 91 (No. 1):35-46 (2006). Перемешивающее устройство высокой скорости сдвига в отдельных вариантах осуществления настоящей системы и способов работает, как полагают, в кавитационных условиях, достаточных для диссоциации уксусной кислоты на свободные радикалы, подвергающиеся воздействию катализатора с образованием кетена, из которого далее образуется соответствующий продукт - уксусный ангидрид.

Описание системы с высокой скоростью сдвига и способа получения уксусного ангидрида

Далее описывается способ и система с высокой скоростью сдвига для получения уксусного ангидрида со ссылкой на фиг. 2, которая представляет собой технологическую схему примерной системы 100 с высокой скоростью сдвига, которая включает в себя устройство 40 высокой скорости сдвига. На фиг. 2 показаны основные компоненты системы 100 с высокой скоростью сдвига, включая насос 5, устройство 40 высокой скорости сдвига (HSD) и реактор 10 для получения кетена. Устройство 40 высокой скорости сдвига располагается между насосом 5 и реактором 10. Система 100 с высокой скоростью сдвига может, кроме того, содержать охладитель 50 и реактор 60 для получения уксусного ангидрида.

Насос 5 используют для обеспечения регулируемого потока через устройство 40 высокой скорости сдвига и систему 100 получения уксусного ангидрида с высокой скоростью сдвига. Входной поток 21 насоса - это жидкость, содержащая уксусную кислоту, которая поступает в насос 5. Насос 5 повышает давление входного потока 21 насоса до значения более 203 кПа (около 2 атм); в качестве альтернативы, входной поток 21 нагнетается под давлением более 304 кПа (около 3 атм). Кроме того, насос 5 может повышать давление во всей системе 100 с высокой скоростью сдвига (HSS). Таким образом, HSS 100 сочетает в себе высокую скорость сдвига с давлением, улучшая тщательное перемешивание реагентов. Предпочтительно все контактирующие детали насоса 5 изготовлены из нержавеющей стали, например, из нержавеющей стали марки 316. Насосом 5 может быть любой подходящий насос, например, насос для повышения давления Dayton, модель 2Р372Е, Dayton Electric Co (Niles, IL).

Сжатая жидкая уксусная кислота выходит из насоса 5 через выходной поток 12 насоса. Выходной поток 12 насоса связан текучей средой с входным потоком 13 HSD. В отдельных случаях, диспергируемый жидкий поток 22, содержащий жидкий катализатор, поступает во входной поток 13 HSD. Диспергируемый поток 22 реагентов содержит катализатор дегидратации жидкости. Можно применять любой подходящий катализатор дегидратации, известный специалистам в данной области техники. В отдельных случаях катализатор в диспергируемом потоке 22 реагентов содержит такой катализатор дегидратации, как триэтилфосфат. В альтернативных вариантах осуществления диспергируемый поток 22 реагентов с жидким катализатором содержит такой катализатор дегидратации, как диаммонийфосфат.

Входной поток 13 HSD, содержащий смесь диспергируемого жидкого потока 22 и сжатого выходного потока 12 насоса, может инициировать реакцию (1). В отдельных случаях выходной поток 12 насоса и диспергируемый жидкий поток 22 поступают раздельно во входной поток 13 HSD. Входной поток 13 HSD подает диспергируемый поток 22 реагентов и выходной потока 12 насоса в HSD 40.

Устройство 40 с высокой скоростью сдвига предназначено для тщательного перемешивания сжатого жидкого раствора уксусной кислоты, содержащее выходной поток 12 насоса, с жидким катализатором, содержащимся в диспергируемом потоке 22 реагентов. Система может иметь несколько устройств 40 высокой скорости сдвига, расположенных последовательно или параллельно, что известно специалисту в данной области техники. Как обсуждалось выше более подробно, устройство 40 высокой скорости сдвига представляет собой механическое устройство, в котором используется, например, роторно-статорная перемешивающая головка с неподвижным зазором между статором и ротором. HSD 40 сочетает в себе высокую окружную скорость с очень малым сдвиговым зазором, оказывая значительный сдвиг на обрабатываемый материал. Величина сдвига будет зависеть от вязкости текучей среды.

Эмульсия катализатора и уксусной кислоты образуется в устройстве 40 высокой скорости сдвига. Как описывалось выше термин "эмульсия" охватывает непрерывные фазы, содержащие пузырьки газа, непрерывные фазы, содержащие частицы (например, частицы твердого катализатора), непрерывные фазы, содержащие капли текучей среды, которая по существу нерастворима в непрерывной фазе, и их комбинации. В отдельных случаях эмульсия содержит жидкую уксусную кислоту в качестве непрерывной фазы и катализатор в качестве диспергируемой фазы.

Полученная в результате эмульсия содержит микрокапельки или капельки субмикронного размера. В вариантах осуществления средний размер капелек в образующейся эмульсии составляет менее 1,5 мкм, предпочтительно, средние значения диаметра капелек находятся в диапазоне от около 0,4 мкм (400 нм) до около 1,5 мкм. В отдельных случаях перемешивание с высокой скоростью сдвига дает гидрокапельки, которые при атмосферном давлении способны оставаться в диспергированном состоянии в течение 15 минут. Обработка большим сдвиговым усилием катализатора и уксусной кислоты в эмульсии может инициировать реакцию (1). В отдельных вариантах осуществления большая часть реакции протекает внутри HSD 40.

HSD 40 связан текучей средой с реактором 10. Выходной поток 18 из устройства высокой скорости сдвига (HSD), содержит эмульсию капелек микронного и/или субмикронного размера, как обсуждалось выше. Выходной поток 18 HSD связан текучей средой с входным потоком 19 реактора. Выходной поток из HSD, и входной поток 19 в реактор, могут представлять собой одинаковые потоки. В отдельных примерах выходной поток 18 из HSD, может дополнительно обрабатываться перед поступлением во входной поток 19 реактора. В качестве альтернативы, выходной поток 18 из HSD, может рециркулироваться через HSD 40 перед поступлением во входной поток 19 реактора.

Входной поток 19 реактора связан текучей средой с реактором 10. Входной поток 19 реактора поступает в реактор 10, в котором происходит дополнительное образование кетена по реакции (1). Реактором 10 может являться любой реактор, подходящий для пиролиза уксусной кислоты при высоких температурах с образованием кетена. Реактор 10 работает почти при атмосферном давлении. Кроме того, реактор 10 можно использовать для охлаждения текучей среды устройства 40 высокой скорости сдвига, в которой протекает реакция (1).

Трубы реактора 10 для пиролиза уксусной кислоты изготавливают из сплавов, не содержащих никеля, например, феррохромного сплава, хромаллюминиевого сплава, поскольку никель способствует образованию сажи и кокса и реагирует с оксидом углерода, давая очень токсичный металлокарбонил. Эффективность коксования отображается потерей эффективности. При обычных рабочих условиях конверсия составляет около 85-88%, при этом селективность в отношении кетена составляет 90-95 мол.%. Кроме того, гетерогенные процессы, в которых используется неподвижный или суспензионный слой такого катализатора, такого как производные фосфорной кислоты или фосфаты, применяют при пониженныхтемпературах, чтобы избежать деактивации и коксования катализатора, а также коксования реактора. В вариантах осуществления за счет применения способа и системы HSS 100 повышаются конверсия или эффективность, либо оба этих параметра.

Количество теплоты реакции (1) составляет приблизительно 147 кДж/моль. Для получения кетена с оптимальными выходами требуется температура около 680-750 °С. При низком давлении повышается выход, но не эффективность пиролиза уксусной кислоты. В вариантах осуществления способ, включающий устройство 40 высокой скорости сдвига для перемешивания реагентов, позволяет использовать пониженные температуры в реакторе 10 при проведении пиролиза. Реакционная смесь, содержащаяся в реакторе 10, дает кетен и выводится из реактора в потоке 16 кетенового продукта.

Важной стадией в способе является удаление воды конденсацией до образования уксусного ангидрида. Поток 16 кетенового продукта обрабатывается с целью превращения в уксусный ангидрид. Поток 16 кетенового продукта, содержащий воду, поступает в охладитель 50. Охладитель 50 конденсирует воду и уксусную кислоту из горячих печных газов потока 16 кетенового продукта. Катализатор, например, триэтилфосфат, нейтрализуют в газах потока 16 кетенового продукта аммиаком. Технологический конденсат 51 из охладителя 50 содержит в основном уксусную кислоту, воду, уксусный ангидрид и нелетучие соединения, включающие фосфорсодержащий катализатор (например, фосфаты аммония) и уголь, образующийся при коксовании печи и разложении кетена. Технологический конденсат 51 может рециркулировать через HSS 100. Кроме того, отделенный продукт может быть дополнительно очищен, рециркулирован или использован каким-либо иным образом.

Несконденсированный выходной поток 52 от охладителя 50 подается в ангидридный реактор 60. В реакторе 60 кетен реагирует с дополнительным потоком 61 уксусной кислоты с образованием потока 62 сырого (непереработанного) жидкого уксусного ангидрида по реакции (2). В вариантах осуществления использование HSS 100, которая включает перемешивание реагентов при помощи устройства 40 высокой скорости сдвига, позволяет понизить температуру и/или давление в реакторе 10 в сравнении со значениями ранее доступных процессов. Способ включает введение устройства 40 высокой скорости сдвига в установленный процесс. Введение HSD 40 позволяет улучшить рабочие условия, такие как температуру, давление, скорость и производительность HSS 100, по сравнению со способом или системой, работающей без устройства 40 высокой скорости сдвига.

В некоторых вариантах осуществления способа применение усиленного перемешивания реагентов устройством 40 высокой скорости сдвига дает возможность повысить конверсию уксусной кислоты в кетен. Кроме того, усиленное перемешивание реагентов дает возможность увеличить пропускную способность системы 100 с высокой скоростью сдвига для обрабатываемого потока. В отдельных примерах устройство 40 высокой скорости сдвига вводят в установившийся процесс, обеспечивая тем самым увеличение производительности (т.е. более высокую пропускную способность).

В вариантах осуществления способ или система данного раскрытия позволяет сконструировать мелкомасштабный и/или менее капиталоемкий способ, для которого можно выбирать реактор 10 с пониженными значениями рабочей температуры и/или давления в сравнении с предыдущими возможностями без введения устройства 40 высокой скорости сдвига. В вариантах осуществления раскрытый способ снижает эксплуатационные расходы и повышает производительность существующего процесса. В качестве альтернативы раскрытый способ позволяет снизить эксплуатационные расходы на проектирование новых процессов. К возможным преимуществам настоящего раскрытия относятся (но перечень этим не ограничивается) более быстрое время цикла, повышенная пропускная способность, сниженные эксплуатационные и/или капитальные расходы благодаря возможности конструирования меньших реакторов, более эффективное использование катализатора и/или работа кетенового реактора при пониженных температуре и/или давлении. Несмотря на то, что показаны и описаны предпочтительные варианты осуществления изобретения, специалист в данной области техники может осуществить их модификации, не отклоняясь от сути и идей изобретения. Варианты осуществления, описанные в данном документе, приведены лишь в качестве примера и не предназначены для ограничения. Многие вариации и модификации изобретения, раскрытого в этом документе, являются возможными и находятся в пределах объема изобретения. В тех случаях, где числовые диапазоны и пределы заданы определенно, следует понимать, что такие определенные диапазоны и пределы включают повторяющиеся диапазоны и пределы схожей величины, попадающей в пределы определенно заданных диапазонов и пределов (например, диапазон от 1 до 10 включает 2, 3, 4 и т.д; значения более 0,10 включают0,11, 0,12, 0,13 и т.д.). Использование термина "необязательно" по отношению к какому-либо элементу формулы изобретения означает, что элемент предмета является требуемым или, в качестве альтернативы, не является требуемым. Предполагается, что обе альтернативы находятся в пределах объем формулы изобретения. Следует понимать, что использование более широких терминов, таких как содержит, включает, имеет и т.д, обеспечивает поддержку для более узких терминов, таких как состоит из, состоящий в основном из, состоящий, по существу, из и т.п.

Соответственно, объем охраны не ограничивается вышеизложенным описанием, а только ограничивается следующей формулой изобретения, при этом объем охраны включает все эквиваленты предмета формулы изобретения. Каждый и любой пункт формулы изобретения включается в описание в виде варианта осуществления настоящего изобретения. Таким образом, формула изобретения является дополнительным описанием и дополнением к предпочтительным вариантам осуществления настоящего изобретения. Обсуждение ссылки в описании родственного уровня техники не является допущением того, что она является предшествующем уровни техники для настоящего изобретения, в особенности это касается ссылки, изданной позже даты приоритета данной заявки. Раскрытия всех патентов, патентных заявок и изданий, цитированных в этом документе, включаются посредством ссылок, в пределах даваемых ими примерных, процедурных или других деталей, дополняющих детали, изложенные в этом документе.