Procedimiento y dispositivo para la preparación de acetato de vinilo.

Procedimiento para la preparación de acetato de vinilo (VAM) mediante reacción de etileno con ácido acético yoxígeno en un reactor con haz de tubos en un proceso continuo en fase gaseosa,

catalizado heterogéneamente,caracterizado porque para la catálisis se emplea un catalizador de alto rendimiento con un rendimiento de espaciotiempode más que 700 g de VAM / l de catalizador x hora, y porque el reactor con haz de tubos comprende unostubos con una relación del área de la superficie interna de la envoltura al volumen de ≥ 130 m-1.

Procedimiento y dispositivo para la preparación de acetato de vinilo El invento se refiere a un procedimiento para la preparación de acetato de vinilo en un proceso continuo en fase gaseosa, catalizado heterogéneamente, mediante reacción de etileno con ácido acético y oxígeno en un reactor con haz de tubos.

El acetato de vinilo (VAM) se prepara en un procedimiento continuo mediando devolución de la corriente de producto purificada (sistema de gas en circuito) . En este caso, en un proceso en fase gaseosa, catalizado heterogéneamente, el etileno reacciona con ácido acético y oxígeno en presencia catalizadores de lecho fijo, que por lo general contienen sales de paladio y de metales alcalinos sobre un material de soporte, y que adicionalmente pueden estar dopados todavía con oro, rodio o cadmio.

Los eductos (productos de partida) etileno, oxígeno y ácido acético se convierten químicamente en una reacción exotérmica (VAM: ΔBH°299 = - 176 kJ/mol) , por lo general a una presión de 1 a 30 bares y a una temperatura de 130 °C hasta 200 °C, en un reactor de lecho fijo con tubos para dar acetato de vinilo: C2H4 + CH3COOH + ½ O2 !∀ CH3COOCH=CH2 + H2O

La principal reacción secundaria es la oxidación total del etileno para dar CO2: C2H4 + 3 O2 !∀ 2 CO2 + 2 H2O ¡ El calor de formación es en este caso de ΔBH°299 = - 1.324 kJ/mol ! El grado de conversión del etileno se sitúa aproximadamente en un 10 %, el grado de conversión del ácido acético se sitúa en un 20 hasta 30 % y el grado de conversión del oxígeno es de hasta 90 %.

En el caso de la preparación de acetato de vinilo, una mezcla gaseosa, que se compone predominantemente de etileno, dióxido de carbono, etano, nitrógeno y oxígeno, se conduce en circuito cerrado. La corriente gaseosa se reúne delante del reactorde lecho fijo con tubos con los reaccionantes ácido acético, etileno y oxígeno, y se lleva a la temperatura de reacción mediante intercambiadores de calor que se hacen funcionar con un vapor de calefacción. El enriquecimiento del gas en circuito con ácido acético se efectúa usualmente por medio de un aparato saturador de ácido acético o un aparato evaporador de ácido acético, calentados con un vapor de calefacción.

Después de la reacción, los productos de reacción y el ácido acético que no ha reaccionado son separados por condensación desde el gas en circuito y son aportados a la elaboración. El producto que no se ha separado por condensación se separa por lavado en un aparato lavador que se hace funcionar con ácido acético. El gas en circuito o una cantidad parcial de éste, antes de que se le reúna de nuevo con los eductos, se purifica con respecto del dióxido de carbono formado. Los productos separados por condensación acetato de vinilo y agua, así como el ácido acético que no ha reaccionado, se separan unos de otros en un proceso de destilación de múltiples etapas, que se hace funcionar usualmente con un vapor de calefacción. Las etapas usuales de destilación son una deshidratación (eventualmente también una deshidratación previa) , una destilación del azeótropo, una columna para purificación del VAM, un tratamiento del residuo, así como una separación de las sustancias que hierven a bajas temperaturas y de las sustancias que hierven a altas temperaturas.

La temperatura de reacción en el reactor de lecho fijo con haz de tubos, por lo general de 130 °C hasta 200 °C, se ajusta mediante una refrigeración del agua en ebullición a una presión de 1 hasta 10 bares. En este caso, el vapor de agua, el denominado vapor propio, se forma por lo general con una temperatura de 120 °C hasta 185 °C, a una presión de 1 hasta 10 bares, de manera preferida a 2, 5 hasta 5 bares. La actividad que disminuye durante el período de tiempo de funcionamiento de un catalizador, se compensa mediante elevación de la temperatura de reacción, es decir de la presión de funcionamiento del sistema de refrigeración del agua en ebullición. En este caso es válido, para el tratamiento moderado del catalizador, con el fin de alcanzar un período de tiempo de funcionamiento lo más largo que sea posible, así como de optimizar la selectividad para el etileno, mediante minimización de la formación de CO2, realizar la reacción para dar el acetato de vinilo durante un período de tiempo lo más largo que sea posible con una temperatura de reacción lo más baja que sea posible.

Por lo general, los reactores con haces de tubos de lecho fijo se componen de varios millares, usualmente de 2.000 a 6.000 tubos cilíndricos, empaquetados densamente y dispuestos verticalmente. Para el empleo a gran escala técnica se emplean para esto unos tubos con una longitud de 5 a 6 m y un diámetro interno de 33 mm a 40 mm. La relación de envoltura / volumen es por regla general de 100 a 120 m-1.

Un problema en el caso de la preparación de acetato de vinilo en un proceso en fase gaseosa catalizado heterogéneamente, en particular en el caso de unos catalizadores cada vez más potentes, lo constituye el calor de reacción puesto en libertad. El procedimiento está caracterizado, en efecto, por una exotermia manifiesta, no tanto en el caso de la reacción principal como en el caso de la reacción secundaria de oxidación del etileno. Incluso en el caso de unos buenos valores de la selectividad para el etileno (> 92 %) , en el caso de una relación molar de VAM : CO2 de aproximadamente 7 : 1, a causa del alto calor de formación del CO2, ¡ la mitad del calor de reacción procede de esta reacción secundaria !. Incluso en el caso de unos catalizadores para la preparación de VAM mejorados

constantemente en lo que respecta al rendimiento de espacio-tiempo (STY) , por ello no se puede mejorar nunca al mismo tiempo también la selectividad para el etileno SE de tal manera que como resultado del aumento del STY se redujese también la tonalidad térmica (entalpía) total.

En el estado de la técnica se procedió hasta ahora comprimiendo en mayor grado con unos compresores más potentes del gas en circuito, para que aumentase la velocidad de circulación del gas en circuito, y se optimizase la evacuación axial del calor. En este caso, son desventajosas las más altas presiones diferenciales en todos los equipos para el gas en circuito así como la alta velocidad del gas en circuito, más difícil de controlar. Para los habituales catalizadores para la preparación de VAM, cuyo STY se sitúa entre 400 y 700 g de VAM / l de catalizador, tales medidas técnicas, con todas las desventajas mencionadas, resultaron suficientes.

En el caso de unos catalizadores de alto rendimiento para la preparación de VAM, cuyo STY se sitúa manifiestamente por encima de 700 g de VAM / l de catalizador x h, el calor de reacción formado es manifiestamente más alto, con la consecuencia de que la evacuación del calor en el medio de refrigeración mezcla de vapor y agua, incluso con las medidas técnicas antes mencionadas para el aumento de la velocidad del gas en circuito, transcurre demasiado lentamente. Como consecuencia de ello, no sólo se llega crecientemente en el reactor a unas elevaciones locales de la temperatura (puntos calientes, en inglés "hot spots") y con ello a una consiguiente disminución de la selectividad para el etileno, sino que se llega también a unos acortados períodos de tiempo de funcionamiento del catalizador y en total a una formación más alta de productos secundarios.

A partir del documento EP 1033167 A2 se conoce un reactor con haz de tubos con un diámetro interno escalonado, teniendo los tubos, en la zona de la entrada de la mezcla de reacción, un diámetro más pequeño que en la zona de la salida de la mezcla de reacción. Se desaconseja una disminución general del diámetro de los tubos de un reactor con haz de tubos, puesto que con ello aumentarían los costes de fabricación del reactor (más tubos) y aumentaría el gasto para su relleno.

El documento de solicitud de patente alemana DE 199 14 066 A1 divulga un procedimiento para la preparación de acetato de vinilo (VAM) en un reactor individual y no en un reactor con haz de tubos.

El documento de solicitud de patente internacional WO 2006/042659 A1 no se refiere a ningún reactor con haz de tubos rellenado con un catalizador, sino que divulga un procedimiento para la preparación de acetato de vinilo (VAM) en un reactor con paredes, estando las paredes revestidas con un catalizador.

El invento se basó en la misión de mejorar el procedimiento para la preparación de acetato de vinilo mediante reacción de etileno con ácido acético y oxígeno en un proceso continuo en fase gaseosa, catalizado heterogéneamente, en el sentido de que se puedan emplear unos catalizadores de alto rendimiento con un... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento para la preparación de acetato de vinilo (VAM) mediante reacción de etileno con ácido acético y oxígeno en un reactor con haz de tubos en un proceso continuo en fase gaseosa, catalizado heterogéneamente,

caracterizado porque para la catálisis se emplea un catalizador de alto rendimiento con un rendimiento de espaciotiempo de más que 700 g de VAM / l de catalizador x hora, y porque el reactor con haz de tubos comprende unos tubos con una relación del área de la superficie interna de la envoltura al volumen de ≥ 130 m-1.

2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la relación del área de la superficie interna 10 de la envoltura al volumen es de 130 a 160 m-1.

3. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, caracterizado porque el reactor con haz de tubos comprende unos tubos con una longitud de 4 metros a 7 metros.

4. Procedimiento de acuerdo con las reivindicaciones 1 hasta 3, caracterizado porque los espacios intermedios en el reactor con haz de tubos son atravesados, para realizar la refrigeración, por una mezcla de agua y vapor de agua como medio de intercambio de calor.