DE69323285T2 - Compliance with the coke bond with phosphoric acid triamide - Google Patents
Compliance with the coke bond with phosphoric acid triamideInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Antibelagsbildungs(Antifouling)-Verfahren zur Behandlung von Wärmeübertragungs-Oberflächen, die verschiedene Kohlenwasserstoff-Ausgangsmaterialien erwärmen oder abkühlen, häufig in Gegenwart von Wasserdampf, unter Bedingungen, welche die Koksbildung auf den Oberflächen begünstigen. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf ein Verfahren zur Verhinderung der Koksbildung auf Wärmeübertragungs-Oberflächen, die zum Erwärmen oder Abkühlen eines Erdöl-Ausgangsmaterials unter Koksbildungs-Bedingungen verwendet werden.The invention relates to an antifouling process for treating heat transfer surfaces which heat or cool various hydrocarbon feedstocks, often in the presence of steam, under conditions which promote coke formation on the surfaces. The invention particularly relates to a process for preventing coke formation on heat transfer surfaces used to heat or cool a petroleum feedstock under coke forming conditions.
Die Herstellung von Ethylen ist verbunden mit der Verwendung von Pyrolyse- oder Crack-Öfen zur Herstellung von Ethylen aus verschiedenen gasförmigen und flüssigen Erdöl-Ausgangsmaterialien. Typische gasförmige Ausangsma terialien umfassen Ethan, Propan, Butan und Mischungen davon. Typische Ausgangsmaterialien umfassen Naphthas, Kerosin und Atmosphären/Vakuum- Gasöl. Wenn gasförmige oder flüssige Kohlenwasserstoff-Ausgangsmaterialien in Gegenwart von Wasserdampf pyrolysiert werden, erhält man beträchtliche Mengen von Ethylen und anderen nützlichen ungesättigten Verbindungen. Wasserdampf wird verwendet, um die Crackungs-Reaktion von ungesättigten Ausgangsmaterialien zu ungesättigten Produkten zu steuern. Die Abstrom-Produkte werden in stromabwärts gelegenen Kolonnen abgekühlt und fraktioniert und dann weiter umgesetzt oder verarbeitet, je nach Bedarf.The production of ethylene involves the use of pyrolysis or cracking furnaces to produce ethylene from various gaseous and liquid petroleum feedstocks. Typical gaseous output Materials include ethane, propane, butane and mixtures thereof. Typical feedstocks include naphthas, kerosene and atmospheric/vacuum gas oil. When gaseous or liquid hydrocarbon feedstocks are pyrolyzed in the presence of steam, significant amounts of ethylene and other useful unsaturated compounds are obtained. Steam is used to control the cracking reaction of unsaturated feedstocks to unsaturated products. The effluent products are cooled and fractionated in downstream columns and then further reacted or processed as required.
Die Belagsbildung (Fouling) auf Crackofen-Rohrschlangen, Transfer-Leitungs- Austauschern (TLE) und anderen Wärmeübertragungs-Oberflächen tritt auf als Folge einer Koksbildung und einer Polymerabscheidung. Das Problem der Bildung von Ablagerungen (Fouling) ist eine der hauptsächlichen Betriebsbeschränkungen, die beim Betrieb einer Ethylenanlage auftreten. Je nach Abscheidungsrate müssen Ethylenöfen periodisch für die Reinigung abgeschaltet werden. Außer für die periodische Reinigung sind machmal auch Störungs- Abschaltungen erforderlich wegen gefährlicher Druckanstiege oder Temperaturanstiege, die aus der Anreicherung von Ablagerungen in den Ofenrohrschlangen und TLE resultieren. Reinigungsarbeitsgänge werden entweder mechanisch oder durch Hindurchleiten von Wasserdampf und/oder Luft durch die Rohrschlangen durchgeführt, um die Koks-Anreicherung zu oxidieren und abzubrennen.Fouling on cracking furnace coils, transfer line exchangers (TLEs), and other heat transfer surfaces occurs as a result of coke formation and polymer deposition. The problem of fouling is one of the major operational limitations encountered in the operation of an ethylene plant. Depending on the rate of deposition, ethylene furnaces must be shut down periodically for cleaning. In addition to periodic cleaning, emergency shutdowns are sometimes required due to dangerous pressure rises or temperature rises resulting from the buildup of deposits in the furnace coils and TLEs. Cleaning operations are performed either mechanically or by passing steam and/or air through the coils to oxidize and burn off the coke buildup.
Eine Haupteinschränkung der Ethylenofen-Betriebsdauer ist die Koksbildung in der Strahlungszone bzw. -abschnitt und in den Transfer-Leitungs-Austauschern (TLE). Normalerweise wird der Koks entfernt durch Einleiten von Wasserdampf und/oder Luft in die Einheit, wodurch die kohlenstoffhaltigen Ablagerungen verbrannt werden. Da Koks ein guter Wärmeisolator ist, muß die Ofenfeuerung allmählich erhöht werden, um eine ausreichende Wärmeübertragung zu erzielen, um den gewünschten Umwandlungsgrad aufrechtzuerhalten. Höhere Temperaturen verkürzen die Lebensdauer der Rohrleitungen und der Er satz von Rohren ist sehr teuer. Außerdem verkleinert die Koksbildung die wirksame Querschnittsfläche des Prozeßgases, wodurch der Druckabfall innerhalb des Ofens und der TLE erhöht wird. Während der Koksentfernung geht nicht nur wertvolle Produktionszeit verloren, sondern durch den Druckanstieg, der aus der Koksbildung resultiert, wird auch die Ethylenausbeute in nachteiliger Weise beeinflußt. Die Betriebsdauer von Ethylenöfen liegt im Durchschnitt bei einer Woche bis 4 Monaten, was zum Teil von der Rate der Belagsbildung auf den Ofen-Rohrleitungen und TLE abhängig ist. Diese Belagsbildungsrate ist ihrerseits von der Art des Ausgangsmaterials sowie von dem Ofenaufbau und von Betriebsparametern abhängig. Im allgemeinen führen jedoch schwerere Ausgangsmaterialien und schärfere Crackungs-Bedingungen zu einer erhöhten Bildung von Ablagerungen in dem Ofen und auf den TLE. Ein Verfahren oder ein Additiv, mit dem die Betriebsdauer erhöht werden kann, würde zu weniger Produktionsverlusttagen für die Entkokung und zu geringeren Wartungskosten führen.A major limitation on ethylene furnace operating life is coke formation in the radiant zone or section and in the transfer line exchangers (TLE). Coke is normally removed by introducing steam and/or air into the unit, which burns off the carbonaceous deposits. Since coke is a good thermal insulator, furnace firing must be gradually increased to achieve sufficient heat transfer to maintain the desired level of conversion. Higher temperatures shorten the life of the piping and the The use of tubes is very expensive. In addition, coke formation reduces the effective cross-sectional area of the process gas, increasing the pressure drop within the furnace and TLE. Not only is valuable production time lost during coke removal, but the pressure increase resulting from coke formation also adversely affects ethylene yield. The operating life of ethylene furnaces averages from one week to four months, depending in part on the rate of fouling on the furnace piping and TLE. This fouling rate in turn depends on the type of feedstock, as well as on the furnace design and operating parameters. In general, however, heavier feedstocks and more severe cracking conditions lead to increased deposit formation in the furnace and on the TLE. A process or additive that can increase the operating life would result in fewer production days lost to decoking and lower maintenance costs.
In den letzten 20 Jahren wurden beträchtliche Anstrengungen unternommen, um Phosphor in zahlreichen Formen als Koksinhibitor zu entwickeln (vgl. US- Patente 3 531 394 Koszman; Phosphorsäure); 4 105 540 (Weinland; Phosphat- und Phosphitmono- und -diester); 4 542 253 und 4 842 716; (Kaplan et al., Aminkomplexe von Phosphat, Phosphit, Thiophosphat- und Thiophosphitmono- und -diestern); 4 835 332 (Kisalus; Triphenylphosphin) und 4 900 426 (Kisalus; Triphenylphosphinoxid). Im Vergleich zu anderen Additiven auf Element-Basis arbeiten viele dieser Antibelagsbildner auf Phosphorbasis extrem gut bezüglich der Unterdrückung der Koksbildung sowohl bei Labor-Stimulationen als auch bei der Anwendung in der Industrie, einige führen jedoch zu nachteiligen Nebenwirkungen, die einen längeren Gebrauch in vielen Situationen verhindern, beispielsweise zur Korrosion beitragen, das Katalysator- Leistungsvermögen beeinträchtigen oder dgl.Considerable efforts have been made over the last 20 years to develop phosphorus in numerous forms as a coke inhibitor (see US patents 3,531,394 Koszman; phosphoric acid); 4,105,540 (Weinland; phosphate and phosphite mono- and diesters); 4,542,253 and 4,842,716; (Kaplan et al., amine complexes of phosphate, phosphite, thiophosphate and thiophosphite mono- and diesters); 4,835,332 (Kisalus; triphenylphosphine) and 4,900,426 (Kisalus; triphenylphosphine oxide). Compared to other element-based additives, many of these phosphorus-based antifouling agents work extremely well in suppressing coke formation in both laboratory stimulation and industrial applications, but some result in adverse side effects that prevent prolonged use in many situations, such as contributing to corrosion, affecting catalyst performance, etc.
Die Konvektionszonen-Korrosion ist ein Problem bei vielen Antikoksbildungs- Zusätzen des Standes der Technik auf Phosphorbasis. Entlang des Weges der Konvektionszonen-Rohrleitung ändern sich die Bedingungen ständig. In der Regel werden erhitzer Wasserdampf und ein erhitzter Kohlenwasserstoff in den Abschnitt getrennt eingeführt und dann vor dem Eintritt in die Strahlungszonte gut miteinander gemischt. Während der zahlreichen Durchgänge, welche die Ströme erfahren, getrennt voneinander oder gemischt, können Temperaturen, Drucke und Zusammensetzungen vorliegen, welche die Umwandlung von Antibelagsbildnern in nachteilige korrosive Nebenprodukte verstärken. Ein Produkt, das ein ausgezeichnetes Koksbildungsunterdrückungsmittel ist, kann auch ein extrem korrosives Produkt sein, wenn es sich in der Konvektionszonte anreichert.Convection zone corrosion is a problem with many of the state of the art phosphorus-based anti-coke additives. Along the path of the convection zone pipeline, conditions are constantly changing. Typically, heated steam and a heated hydrocarbon are introduced into the section separately and then mixed well before entering the radiant zone. During the numerous passes the streams experience, separately or mixed, temperatures, pressures and compositions may exist which enhance the conversion of anti-coke additives to detrimental corrosive byproducts. A product that is an excellent coke suppressant may also be an extremely corrosive product if it accumulates in the convection zone.
Wenn die Additive einmal die Konvektions-, Strahlungs- und TLE-Zonen passiert haben, unterliegen sie den Abkühlungs-Bedingungen des Abstroms. Bei einer sehr vereinfachten Sicht konzentrieren sich schwere Produkte in dem primären Fraktionator, in dem Wasserabkühlungsturm und in dem kaustischen Turm und/oder in den Kompressorausscheidungstrommeln, während die leichteren Komponenten in Kolonnen stromabwärts von den Kompressoren fraktioniert werden. Die Anreicherung von Koksinhibitoren und ihren gecrackten Nebenprodukten wird hauptsächlich durch ihre physikalischen Eigenschaften bestimmt. Kurz zusammengefaßt werden Inhibitor-Nebenprodukte mit hohen Siedepunkten früh in dem Fraktionierungsprozeß kondensiert, während leichtere Nebenprodukte bis zu den späteren Stufen gelangen.Once the additives have passed through the convection, radiation and TLE zones, they are subjected to the cooling conditions of the effluent. In a very simplified view, heavy products concentrate in the primary fractionator, in the water cooling tower and in the caustic tower and/or in the compressor separation drums, while the lighter components are fractionated in columns downstream of the compressors. The enrichment of coke inhibitors and their cracked byproducts is mainly determined by their physical properties. In brief, inhibitor byproducts with high boiling points are condensed early in the fractionation process, while lighter byproducts are carried to the later stages.
Die Anreicherung von Antibelagsbildnern und/oder ihren Nebenprodukten in dem Strahlungs- und TLE-Koks, in dem primären Fraktionator oder in dem Wasserabkühlungsturm ist größtenteils akzeptabel. Diese Abschnitte verarbeiten und sammeln viele andere schwere Produkte, die sehr unrein sind und daher haben Spurenmengen eines Additivs im allgemeinen keinen signifikanten Einfluß.The buildup of antifouling agents and/or their byproducts in the radiant and TLE coke, in the primary fractionator or in the water cooling tower is mostly acceptable. These sections process and collect many other heavy products which are very impure and therefore trace amounts of an additive generally do not have a significant effect.
Dagegen können Additive und/oder Nebenprodukte, welche die kaustischen Turm- und Kompressor-Zonen passieren, ein signifikantes Problem darstellen. Nach diesen Zonen wird die Reinigung zu einem wichtigen Punkt, da bei der stromabwärts gelegenen Fraktionierung im allgemeinen die ungesättigten Produkte in hochreine Chemikalien aufgetrennt werden. Die Anwesenheit von Phosphor enthaltenden Produkten, welche das Leistungsvermögen der für die Verarbeitung dieser leichteren Komponenten verwendeten Katalysatoren in nachteiliger Weise beeinflussen könnte, ist nicht akzeptabel.In contrast, additives and/or byproducts passing through the caustic tower and compressor zones can pose a significant problem. After these zones, purification becomes an important issue since downstream fractionation generally separates the unsaturated products into high purity chemicals. The presence of phosphorus-containing products, which could adversely affect the performance of the catalysts used to process these lighter components, is unacceptable.
Viele Phosphor enthaltende Produkte sind gute Liganden und können das Katalysator-Leistungsvermögen in nachteiliger Weise beeinflussen. Das Phosphor-Nebenprodukt, das von größter Bedeutung ist, ist das Phosphin (PH&sub3;). Dieses Nebenprodukt hat einen extrem niedrigen Siedepunkt (-88ºC). Es hat nämlich im Prinzip den gleichen Siedepunkt wie Acetylen (-84ºC), ein Kohlenwasserstoff-Nebenprodukt, das häufig katalytisch hydriert wird zu dem erwünschteren Ethylen.Many phosphorus-containing products are good ligands and can adversely affect catalyst performance. The phosphorus byproduct of most concern is phosphine (PH3). This byproduct has an extremely low boiling point (-88ºC). In fact, it has essentially the same boiling point as acetylene (-84ºC), a hydrocarbon byproduct that is often catalytically hydrogenated to the more desirable ethylene.
Daher besteht weiterhin ein Bedarf für ein Antiverkokungs-Additiv auf Phosphorbasis für Cracköfen, das im wesentlichen frei von einem Beitrag zur Korrosion und zur Bildung von den Katalysator beeinträchtigenden Nebenprodukten ist.Therefore, there remains a need for a phosphorus-based anticoking additive for cracking furnaces that is substantially free from contributing to corrosion and the formation of catalyst-impacting by-products.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein neues Antiverkokungs-Additiv auf Phosphor-Basis für Crack-Öfen zu finden, das im wesentlichen frei davon ist, zur Korrosion beizutragen und Nebenprodukte zu bilden, die den Katalysator beeinträchtigen.The aim of the present invention is therefore to find a new phosphorus-based anti-coking additive for cracking furnaces which is substantially free from contributing to corrosion and forming by-products which degrade the catalyst.
Es wurde überraschend gefunden, daß das obengenannte Ziel erfindungsgemäß erreicht werden kann durch Verwendung spezifischer Phosphorsäuretriamide der nachstehend angegebenen Formel (I) als Antibelagsbildner und als Koksunterdrückungsmittel bei verschiedenen Hochtemperatur-Anwendungen einschließlich der Wasserdampf-Crack-Ofen zur Behandlung von Wärmeübertragungs/Wärmeübergangs-Oberflächen, die zum Erhitzen oder Kühlen eines Erdöl-Ausgangsmaterials unter Koksbildungs-Bedingungen verwendet werden.It has surprisingly been found that the above-mentioned object can be achieved according to the invention by using specific phosphoric acid triamides of the formula (I) given below as anti-scale formers and as a coke suppressant in various high temperature applications including steam cracking furnaces for treating heat transfer/heat transfer surfaces used to heat or cool a petroleum feedstock under coke forming conditions.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Verhinderung der Koksbildung auf Wärmeübertragungs/Wärmeübergangs-Oberflächen, die zum Erhitzen oder Abkühlen eines Erdöl-Ausgangsmaterials unter Koksbildungs-Bedingungen verwendet werden, das umfaßtThe present invention provides a method for preventing coke formation on heat transfer/heat transfer surfaces used for heating or cooling a petroleum feedstock under coke forming conditions, which comprises
das Inkontaktbringen der Wärmeübertragungs/Wärmeübergangs-Oberflächen mit einer wirksamen Menge eines Phosphorsäuretriamids der Formel contacting the heat transfer/heat transfer surfaces with an effective amount of a phosphoric triamide of the formula
worin bedeuten:where:
X ein Chalcogen, vorzugsweise Schwefel und insbesondere Sauerstoff, undX is a chalcogen, preferably sulphur and in particular oxygen, and
R¹ bis R³ jeweils einen Aminorest der Formel: R¹ to R³ each represent an amino radical of the formula:
worin R&sup4; für Hydrocarbyl und R&sup5; für Wasserstoff oder Hydrocarbyl stehen undwherein R⁴ is hydrocarbyl and R⁵ is hydrogen or hydrocarbyl and
R&sup4; und R&sup5; zusammengenommen einen heterocyclischen Rest bilden können und vorzugsweise bilden.R⁴ and R⁵ taken together can form a heterocyclic radical and preferably do.
Die Wärmeübertragungs/Wärmeübergangs-Oberflächen können mit dem Inhibitor auf mehrere verschiedene Weisen in Kontakt gebracht werden, beispielsweise durch Vorbehandeln der Wärmeübertragungs/Wärmeübergangs- Oberflächen vor dem Erhitzen oder Abkühlen des Erdöl-Ausgangsmaterials unter kontinuierlicher oder intermittierender Zugabe einer Spurenmenge des Additivs zu dem Erdöl-Ausgangsmaterial, während es erhitzt oder abgekühlt wird, durch Zugabe des Phosphorsäuretriamids zu dem Wasserdampf-Ausgangsmaterial, das dann mit dem Erdöl-Ausgangsmaterial gemischt wird, zu dem Erdöl-Ausgangsmaterial selbst oder zu einem Beschickungsgemisch aus dem Erdöl-Ausgangsmaterial und Wasserdampf.The heat transfer surfaces can be contacted with the inhibitor in a number of different ways, for example, by pretreating the heat transfer surfaces prior to heating or cooling the petroleum feedstock, by continuously or intermittently adding a trace amount of the additive to the petroleum feedstock while it is being heated or cooled, by adding the phosphoric triamide to the steam feedstock which is then mixed with the petroleum feedstock, to the petroleum feedstock itself, or to a feed mixture of the petroleum feedstock and steam.
Wenn das Erdöl-Ausgangsmaterial, das erhitzt oder abgekühlt wird, mit dem Phosphorsäuretriamid behandelt wird, wird das Additiv vorzugsweise in einer Menge von 0,1 bis 1000 ppm, bezogen auf den elementaren Phosphor in dem Additiv, insbesondere von 1 bis 100 ppm, bezogen auf das Gewicht des Erdöl- Ausgangsmaterials, zugegeben.When the petroleum feedstock which is heated or cooled is treated with the phosphoric triamide, the additive is preferably added in an amount of 0.1 to 1000 ppm based on the elemental phosphorus in the additive, especially 1 to 100 ppm based on the weight of the petroleum feedstock.
R&sup4; und R&sup5; in der obengenannten Phosphorsäuretriamid-Formel stehen vorzugsweise jeweils für Alkyl, Aryl, Alkylaryl oder Arylalkyl, wobei das Phosphorsäuretriamid vorzugsweise 3 bis 48 Kohlenstoffatome aufweist, und wobei R&sup4; und R&sup5; jeweils besonders bevorzugt 1 bis 15, speziell 1 bis 8 Kohlenstoffatome aufweisen. Besonders bevorzugt weist jeder heterocyclische Rest 4 bis 12 Kohlenstoffatome auf und wird ausgewählt aus der Gruppe Pyrrolyl, Pyrrolinyl, Pyrrolidinyl, Dihydropyridinyl, Tetrahydropyridinyl, Piperidino, Azepinyl, Indolyl, Isoindolinyl, Indolinyl und Carbazolyl.R⁴ and R⁵ in the above-mentioned phosphoric triamide formula are preferably each alkyl, aryl, alkylaryl or arylalkyl, the phosphoric triamide preferably having 3 to 48 carbon atoms, and R⁴ and R⁵ each particularly preferably having 1 to 15, especially 1 to 8 carbon atoms. Each heterocyclic radical particularly preferably has 4 to 12 carbon atoms and is selected from the group consisting of pyrrolyl, pyrrolinyl, pyrrolidinyl, dihydropyridinyl, tetrahydropyridinyl, piperidino, azepinyl, indolyl, isoindolinyl, indolinyl and carbazolyl.
Ein besonders bevorzugtes Phosphorsäuretriamid umfaßt Tripiperidinophosphinoxid.A particularly preferred phosphoric triamide comprises tripiperidinophosphine oxide.
Gemäß weiteren bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung:According to further preferred embodiments of the invention:
umfaßt das Erdöl-Ausgangsmaterial Ethan, Propan, Butan, Naphtha, Kerosin, Gasöl oder eine Kombination davon;the petroleum feedstock includes ethane, propane, butane, naphtha, kerosene, gas oil or a combination thereof;
umfassen die Wärmeübertragungs/Wärmeübergangs-Oberflächen Crackofen- Rohrschlangen oder Übertragungsleitungs-Austauscher; undthe heat transfer/heat transfer surfaces comprise cracking furnace coils or transfer line exchangers; and
werden die Wärmeübertragungs/Wärmeübergangs-Oberflächen mit dem Phosphorsäuretriamid vorbehandelt, bevor das Erdöl-Ausgangsmaterial erhitzt oder abgekühlt wird.the heat transfer/heat transfer surfaces are pretreated with the phosphoric triamide before the petroleum feedstock is heated or cooled.
Andere bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens umfassen:Other preferred embodiments of the method according to the invention include:
Die Zugabe des Phosphorsäuretriamids zu einem Erdöl-Ausgangsmaterial und das Hindurchleiten der resultierenden Mischung durch die Konvektions- und Strahlungs-Zonen bzw. -Abschnitte eines Crack-Ofens;Adding the phosphoric triamide to a petroleum feedstock and passing the resulting mixture through the convection and radiant zones or sections of a cracking furnace;
zusätzlich die Fraktionierung des Ofenabstroms und die katalytische Behandlung einer Fraktion desselben;in addition, the fractionation of the furnace effluent and the catalytic treatment of a fraction thereof;
die Zugabe des Phosphorsäuretriamids zu einem Erdöl-Ausgangsmaterial oder einem Ethylen-Ofen-Abstrom stromaufwärts (vor) einem Transfer-Leitungs-Austauscher; undadding the phosphoric triamide to a petroleum feedstock or an ethylene furnace effluent upstream of a transfer line exchanger; and
das Hindurchführen des Abstroms aus dem Crackofen, der das Phosphorsäuretriamid enthält, durch den Transfer-Leitungs-Austauscher;passing the effluent from the cracking furnace containing the phosphoric triamide through the transfer line exchanger;
die weitere Fraktionierung des Ofenabstroms und die katalytische Behandlung einer Fraktion desselben;the further fractionation of the furnace effluent and the catalytic treatment of a fraction thereof;
die Zugabe des Phosphorsäuretriamids zu Wasserdampf;the addition of phosphoric triamide to steam;
das Mischen des Wasserdampfes mit einem Erdöl-Ausgangsmaterial undmixing the steam with a petroleum feedstock and
das Hindurchführen der das Phosphorsäuretriamid enthaltenden Mischung von Ausgangsmaterial und Wasserdampf durch einen Crackofen; undpassing the mixture of starting material and steam containing the phosphoric triamide through a cracking furnace; and
die Zugabe des Phosphorsäuretriamids zu einer Mischung von Wasserdampf und Erdöl-Ausgangsmaterial; undadding the phosphoric triamide to a mixture of steam and petroleum feedstock; and
das Hindurchführen der resultierenden Mischung durch einen Crackofen. Die Phosphorsäuretriamid-Derivate der oben angegebenen allgemeinen Formel (I), die erfindungsgemäß verwendet werden, sind bereits bekannt aus US- A-3 433 623 und EP-A-0 165 507, und sie werden darin beschrieben als Additive zur Bekämpfung (Kontrolle) von Unkräutern bzw. als Phosphor-Dotierungsmittel für die Verwendung bei der Hetstellung von integrierten Schaltungen. In beiden Dokumenten sind jedoch keine anderen Anwendungszwecke für diese Phosphorsäuretriamide beschrieben. Insbesondere ist ihre Verwendung als Antibelagsbildner und als Koksbildungs-Unterdrückungsmittel bei verschiedenen Hochtemperatur-Anwendungen darin nicht erwähnt.passing the resulting mixture through a cracking furnace. The phosphoric triamide derivatives of the above general formula (I) used according to the invention are already known from US-A-3 433 623 and EP-A-0 165 507, and they are described therein as additives for controlling weeds and as phosphorus dopants for use in the manufacture of integrated circuits, respectively. However, no other applications for these phosphoric triamides are described in either document. In particular, their use as anti-scale agents and as coke formation suppressants in various high-temperature applications is not mentioned therein.
Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung wird die Koksbildung definiert als eine Anreicherung von Koks oder Koksvorläufern auf den Wärmeübertragungs/Wärmeübergangs-Oberflächen, einschließlich der Konvektions-Rohrschlangen, Strahlungsofen-Rohrschlangen, Transfer-Leitungs-Wärmeaustauschern, Kühltürmen oder dgl. Es sind bereits andere Phosphor enthaltende Verbindungen in verschiedenen Patenten und anderen Druckschriften als wirksame Koksbildungs-Inhibitoren beschrieben. Keine der Phosphor- Verbindungen ergibt jedoch die gleiche Leistungsfähigkeit wie die erfindungsgemäß verwendeten Phosphorsäuretriamide. Das Leistungsvermögen basiert nicht nur auf der Fähigkeit des Antiverkokungsmittels, die Koksbildung zu unterdrücken und zu verhindern, sondern es ist, was ebenso wichtig ist, im wesentlichen frei davon, irgendwelche schädlichen Nebenwirkungen hervorzurufen, die mit vielen der Additive des Standes der Technik verbunden sind, beispielsweise zur Korrosion beizutragen oder das Leistungsvermögen des Katalysators zu beeinträchtigen.For the purposes of the present invention, coke formation is defined as an accumulation of coke or coke precursors on the heat transfer surfaces, including the convection coils, radiant furnace coils, transfer line heat exchangers, cooling towers, or the like. Other phosphorus-containing compounds have been described in various patents and other publications as effective coke formation inhibitors. However, none of the phosphorus compounds provide the same performance as the phosphoric triamides used in the present invention. The performance is based not only on the ability of the anticoking agent to suppress and prevent coke formation, but, just as importantly, it is essentially free from causing any of the deleterious side effects associated with many of the prior art additives, such as contributing to corrosion or impairing catalyst performance.
Der hier verwendete Ausdruck "Erdöl-Ausgangsmaterial" bezieht sich auf irgendeinen Kohlenwasserstoff, der allgemein an den Wärmeübertragungs/- Wärmeübergangs-Oberflächen erhitzt oder abgekühlt wird, unabhängig vom Grad der vorhergehenden Bearbeitung und insbesondere dann, wenn er in Verbindung mit einem Ethylen- oder anderen Crackofen verwendet wird, bezieht er sich auf den Kohlenwasserstoff vor der Verarbeitung sowie den Kohlenwasserstoff während und nach der Verarbeitung in dem Ofen selbst, in dem TLE, in der Abkühlungszone und dgl. Das Ausgangsmaterial kann Ethan, Propan, Butan, Kerosin, Naphtha, Gasöl und Kombinationen davon enthalten.The term "petroleum feedstock" as used herein refers to any hydrocarbon which is heated or cooled at the heat transfer/heat transfer surfaces generally, regardless of the degree of prior processing, and particularly when used in connection with an ethylene or other cracking furnace, it refers to the hydrocarbon before processing as well as the hydrocarbon during and after processing in the furnace itself, in the TLE, in the cooling zone, and the like. The feedstock may include ethane, propane, butane, kerosene, naphtha, gas oil, and combinations thereof.
Die Fig. 1 zeigt ein Diagramm, in dem die Koksbildungsraten, die durch Inhibierung mit Tripiperidinophosphinoxid erhalten wurden, über einen typischen Crackofen-Betriebstemperatur-Bereich gemäß der vorliegenden Erfindung angegeben sind.Figure 1 shows a graph showing the coke formation rates obtained by inhibition with tripiperidinophosphine oxide over a typical cracking furnace operating temperature range according to the present invention.
Der erfindungsgemäß verwendete Verkokungs(Koksbildungs)-Inhibitor ist eine Verbindung auf Phosphorbasis, die vorzugsweise im wesentlichen nichtkorrosiv ist und vorzugsweise im wesentlichen frei von einer Phosphinbildung unter den allgemeinen Bedingungen für die Kohlenwasserstoff-Crackung ist. Das erfindungsgemäß verwendete Antiverkokungsmittel hat die folgende allgemeinen Formel: The coking (coke formation) inhibitor used in the present invention is a phosphorus-based compound which is preferably substantially non-corrosive and preferably substantially free from phosphine formation under general hydrocarbon cracking conditions. The anticoking agent used in the present invention has the following general formula:
worin bedeuten:where:
X ein Chalcogen, vorzugsweise Schwefel und insbesondere Sauerstoff, undX is a chalcogen, preferably sulphur and in particular oxygen, and
R¹ bis R³ jeweils unabhängig voneinander einen Aminorest der Formel: R&sup4; R¹ to R³ each independently represent an amino radical of the formula: R&sup4;
worin jedes R&sup4; unabhängig steht für Hydrocarbyl, beispielsweise Alkyl, Aryl, Alkylaryl oder Arylalkyl, und jedes R&sup5; unabhängig steht für Wasserstoff oder Hydrocarbyl und R&sup4; und R&sup5; zusammengenommen einen heterocyclischen Rest, beispielsweise Pyrrolyl, Pyrrolinyl, Pyrrolidinyl, Piperidino, Dihydropyridinyl, Tetrahydropyridinyl, Azepinyl, Indolyl, Indolinyl, Isoindolinyl und Carbazolyl, bilden können und vorzugsweise bilden.wherein each R⁴ independently represents hydrocarbyl, for example alkyl, aryl, alkylaryl or arylalkyl, and each R⁵ independently represents hydrogen or hydrocarbyl and R⁴ and R⁵ taken together can form, and preferably do form, a heterocyclic radical, for example pyrrolyl, pyrrolinyl, pyrrolidinyl, piperidino, dihydropyridinyl, tetrahydropyridinyl, azepinyl, indolyl, indolinyl, isoindolinyl and carbazolyl.
Diese Klasse von Stickstoff enthaltenden Phosphor-Verbindungen werden hier allgemein als Phosphorsäuretriamide bezeichnet, manchmal auch bekannt unter der Bezeichnung Phosphoramide oder Triaminophosphinoxide oder -sulfide.This class of nitrogen-containing phosphorus compounds are referred to here generally as phosphoric triamides, sometimes also known as phosphoramides or triaminophosphine oxides or sulfides.
Das Phosphorsäuretriamid enthält vorzugsweise 3 bis 48 Kohlenstoffatome und besonders bevorzugt 12 bis 24 Kohlenstoffatome. Jede Hydrocarbylgruppe R&sup4; und R&sup5; (falls sie nicht einen heterocyclischen Aminorest bilden) enthält vorzugsweise 1 bis 15 Kohlenstoffatome. Jeder heterocyclische Aminorest (falls R&sup4; und R&sup5; zusammengenommen einen heterocyclischen Rest bilden) enthält vorzugsweise 4 bis 12 Kohlenstoffatome. Wenn die Anzahl der Kohlenstoffatome in den Aminoresten übermäßig groß ist, ist die Wirtschaftlichkeit des Additivs weniger günstig, das Additiv kann seine Flüchtigkeit und Mischbarkeit zum geeigneten Vermischen mit dem zu behandelnden Erdöl-Ausgangsmaterial oder die gewünschte Stabilität verlieren. Die Hydrocarbylgruppen können durch ein Heteroatom, beispielsweise ein Chalcogen- oder Stickstoffatom, substituiert sein oder ein solches enthalten, dies ist im allgemeinen jedoch weniger bevorzugt wegen der dabei auftretenden Instabilität, die durch das Heteroatom hervorgerufen wird. In einigen Situationen, in denen das Heteroatom beispielsweise Löslichkeit in Wasserdampf oder Wasser verleiht, kann die Anwesenheit eines Heteroatoms nützlich sein, insbesondere dann, wenn sich das Heteroatom in einem terminalen Abschnitt der Hydrocarbylgruppe befindet, die in einem Abstand von dem Aminorest angeordnet ist, so daß eine Abspaltung oder eine andere Reaktion des Heteroatoms den Triaminophosphin-Rest im wesentlichen intakt läßt für die Antiverkokungs- Wirksamkeit.The phosphoric triamide preferably contains 3 to 48 carbon atoms, and more preferably 12 to 24 carbon atoms. Each hydrocarbyl group R⁴ and R⁵ (if they do not form a heterocyclic amino group) preferably contains 1 to 15 carbon atoms. Each heterocyclic amino group (if R⁴ and R⁵ taken together form a heterocyclic group) preferably contains 4 to 12 carbon atoms. If the number of carbon atoms in the amino groups is excessively large, the economics of the additive are less favorable, the additive may lose its volatility and miscibility for proper mixing with the petroleum feedstock to be treated, or the desired stability. The hydrocarbyl groups may be substituted by or contain a heteroatom, for example a chalcogen or nitrogen atom, this is generally however, less preferred because of the inherent instability caused by the heteroatom. In some situations where the heteroatom imparts, for example, solubility in steam or water, the presence of a heteroatom may be useful, particularly when the heteroatom is located in a terminal portion of the hydrocarbyl group spaced from the amino moiety such that cleavage or other reaction of the heteroatom leaves the triaminophosphine moiety substantially intact for anticoking effectiveness.
Die Hydrocarbylgruppen können in jedem Aminorest gleich oder verschieden sein, beispielsweise dann, wenn das Phosphorsäuretriamid aus einer Mischung von unterschiedlichen Aminen gebildet worden ist und/oder mit unterschiedlichen Aminen stufenweise umgesetzt worden ist. In vielen Fällen ist es nicht erforderlich, daß das Phosphorsäuretriamid vollständig rein ist, und ein Reaktionsprodukt, das erhalten wird unter Verwendung von Isomeren oder Mischungen von Aminen, die wirtschaftlicher verfügbar sein können als die reinen Amine, ist im allgemeinen geeignet.The hydrocarbyl groups in each amino residue may be the same or different, for example when the phosphoric triamide has been formed from a mixture of different amines and/or has been reacted with different amines in stages. In many cases it is not necessary for the phosphoric triamide to be completely pure and a reaction product obtained using isomers or mixtures of amines, which may be more economically available than the pure amines, is generally suitable.
Zu spezifischen repräsentativen Beispielen für die Antiverkokungsadditive gehören Tripiperidinophosphinoxid, Hexamethylphosphoramid, Hexaoctylphosphoramid und Hexaphenylphosphoramid. Phosphorsäuretriamide, in denen die Aminoreste cyclische Gruppen sind, insbesondere Piperidino- und Pyrrolidinylreste sind bevorzugt aufgrund ihrer Nicht-Korrosivität und weil sie im wesentlichen frei von einer Phosphinbildung sind sowie wegen der Unterdrückung der Koksbildung. Aus Gründen der Klarheit und der Bequemlichkeit und nicht als Beschränkung wird als Antiverkokungsmittel hier allgemein das bevorzugte Tripiperidinophosphinoxid (TPyPO) genannt, wobei jedoch klar ist, daß dieses nur ein Beispiel für die erfindungsgemäß verwendeten Phosphorsäuretriamide ist.Specific representative examples of the anticoking additives include tripiperidinophosphine oxide, hexamethylphosphoramide, hexaoctylphosphoramide and hexaphenylphosphoramide. Phosphoric triamides in which the amino radicals are cyclic groups, particularly piperidino and pyrrolidinyl radicals, are preferred because of their non-corrosiveness and because they are substantially free of phosphine formation, as well as because of the suppression of coke formation. For the sake of clarity and convenience, and not by way of limitation, the preferred anticoking agent is generally referred to herein as tripiperidinophosphine oxide (TPyPO), it being understood, however, that this is only one example of the phosphoric triamides used in the present invention.
Die Phosphorsäuretriamide werden nach ansich bekannten Verfahren hergestellt und sind in einigen Fällen im Handel erhältlich. Im allgemeinen können die Phosphorsäuretriamide hergestellt werden durch Umsetzung von Phosphoroxyhalogenid wie Phosphoroxybromid oder Phosphoroxychlorid mit einem Überschuß an dem gewünschten Amin wie Piperidin in einem geeigneten Lösungsmittel, z. B. einem schweren aromatischen Naphtha, Toluol und Benzol, unter Entwicklung des entsprechenden Halogenwasserstoffs: Andere Basen, die weniger nucloephil sind (z. B. Pyridin) können ebenfalls eingearbeitet werden, um die gewünschte Umwandlung zu bewirken. Alternativ kann das Phosphorsäuretriamid hergestellt werden aus dem entsprechenden Phosphortriamid, das oxidiert oder sulfuriert wird. In einigen Fällen kann es möglich sein, Phosphortriamid in das entsprechende Phosphorsäuretriamid in situ in dem Crackofen wirksam umzuwandeln gemäß der vorliegenden Erfindung.The phosphoric triamides are prepared by methods known per se and in some cases are commercially available. In general, the phosphoric triamides can be prepared by reacting phosphorus oxyhalide such as phosphorus oxybromide or phosphorus oxychloride with an excess of the desired amine such as piperidine in a suitable solvent, e.g. a heavy aromatic naphtha, toluene and benzene, to evolve the corresponding hydrogen halide. Other bases which are less nucleophilic (e.g. pyridine) can also be incorporated to effect the desired conversion. Alternatively, the phosphoric triamide can be prepared from the corresponding phosphorus triamide which is oxidized or sulfurized. In some cases it may be possible to effectively convert phosphorus triamide to the corresponding phosphorus triamide in situ in the cracking furnace according to the present invention.
Das TPyPO wird dazu verwendet, die Koksbildung auf Wärmeübertragungs/Wärmeübergangs-Oberflächen, die meistens zum Erhitzen, manchmal aber auch zum Abkühlen von Erdöl-Ausgangsmaterialien unter Koksbildungs- Bedingungen verwendet werden, zu verhindern durch Behandeln der Oberflächen mit einer wirksamen Menge TPyPO. Die Oberfläche kann wirksam behandelt werden, beispielsweise durch Einführen des TPyPO in das Erdöl- Ausgangsmaterial, bevor das Ausgangsmaterial mit den Wärmeübertragungs/Wärmeübergangs-Oberflächen in Kontakt kommt.The TPyPO is used to prevent coke formation on heat transfer surfaces, most commonly used for heating, but sometimes also for cooling, petroleum feedstocks under coke forming conditions, by treating the surfaces with an effective amount of TPyPO. The surface can be effectively treated, for example, by introducing the TPyPO into the petroleum feedstock before the feedstock comes into contact with the heat transfer surfaces.
Im allgemeinen kann das TPyPO in einer Menge verwendet werden, die wirksam ist zur Erzielung der gewünschten Verhinderung der Koksbildung, in der Regel in einer Menge von mindestens 0,1 Gewichts-ppm in dem Kohlenwasserstoff, vorzugsweise von mindestens 1 ppm, bezogen auf elementaren Phosphor. Es wird in der Regel kein zusätzlicher Vorteil erzielt, wenn das TPyPO in einer verhältnismäßig hohen Konzentration verwendet wird, und die Wirtschaftlichkeit ist weniger günstig. Vorzugsweise wird das TPyPO in einer Menge von 0,1 bis 1000 ppm, besonders bevorzugt von 1 bis 100 ppm, bezo gen auf das Gewicht des Kohlenwasserstoffs und berechnet auf Basis von elementarem Phosphor, verwendet.Generally, the TPyPO can be used in an amount effective to achieve the desired coke prevention, typically in an amount of at least 0.1 ppm by weight in the hydrocarbon, preferably at least 1 ppm, based on elemental phosphorus. No additional benefit is generally obtained if the TPyPO is used in a relatively high concentration, and the economics are less favorable. Preferably, the TPyPO is used in an amount of from 0.1 to 1000 ppm, more preferably from 1 to 100 ppm, based on based on the weight of the hydrocarbon and calculated on the basis of elemental phosphorus.
Die Zugabe zu dem Erdöl-Ausgangsmaterial erfolgt vorzugsweise kontinuierlich, es ist aber auch möglich, die Erdöl-Ausgangsmaterial-Behandlung auf einer intermittierenden Basis durchzuführen, je nach Verkokungs-Inhibierung, die bei der speziellen Anwendung erwünscht ist. Wenn beispielsweise eine Abschaltung der Wärmeübertragungs-Vorrichtung zur Durchführung einer Wartung geplant ist aus anderen Gründen als der Anreicherung von Koksablagerungen, kann die kontinuierliche Zugabe von TPyPO zu dem Erdöl- Ausgangsmaterial vor der Abschaltung beendet werden. Das Antiverkokungsmittel kann aber auch in dem Erdöl-Ausgangsmaterial verwendet werden nach der Entstehung eines Druckabfalls innerhalb der Wärmeübertragungs- Vorrichtung, die ein Anzeichen für eine darin erfolgte Koksbildung ist.The addition to the petroleum feedstock is preferably continuous, but it is also possible to carry out the petroleum feedstock treatment on an intermittent basis depending on the coking inhibition desired in the particular application. For example, if a shutdown of the heat transfer device is planned to perform maintenance for reasons other than the accumulation of coke deposits, the continuous addition of TPyPO to the petroleum feedstock can be terminated prior to the shutdown. However, the anticoking agent can also be used in the petroleum feedstock after the development of a pressure drop within the heat transfer device indicative of coke formation therein.
Es ist auch möglich, die Wärmeübertragungs/Wärmeübergangs-Oberflächen zu behandeln, bevor sie mit dem Erdöl-Ausgangsmaterial in Kontakt kommen, beispielsweise durch Verwendung von TPyPO als Vorbehandlung oder als Behandlung zwischen Produktions-Durchläufen. Als Vorbehandlung kann das TPyPO durch die Wärmeübertragungs-Vorrichtung, vorzugsweise in einem geeigneten Verdünnungsmittel, im Kreislauf geführt werden. Die Wärmeübertragungs-Vorrichtung kann auch mit der TPyPO-Lösung gefüllt und für eine Zeitspanne damit imprägniert werden zur Bildung eines Schutzfilms auf den Wärmeübertragungs/Wärmeübergangs-Oberflächen. In entsprechender Weise kann das Erdöl-Ausgangsmaterial mit einer verhältnismäßig hohen Anfangsrate von beispielsweise 0,5 bis 2,0 Gew.-% zu Beginn eines Durchlaufs versetzt werden und nach einer Zeitspanne von beispielsweise 1 bis 24 h kann die Menge auf die kontinuierlichen Dosiswerte, wie sie weiter oben angegeben sind, herabgesetzt werden.It is also possible to treat the heat transfer surfaces before they come into contact with the petroleum feedstock, for example by using TPyPO as a pretreatment or as a treatment between production runs. As a pretreatment, the TPyPO can be circulated through the heat transfer device, preferably in a suitable diluent. The heat transfer device can also be filled with the TPyPO solution and impregnated with it for a period of time to form a protective film on the heat transfer surfaces. Similarly, the petroleum feedstock may be added at a relatively high initial rate of, for example, 0.5 to 2.0 wt.% at the beginning of a run and after a period of, for example, 1 to 24 hours the amount may be reduced to the continuous dose levels as set out above.
Wenn das Erdöl-Ausgangsmaterial, das erhitzt oder abgekühlt wird, auf einer im allgemeinen kontinuierlichen Basis behandelt wird, wird das TPyPO vor zugsweise in Form einer Lösung zu einem Master-Batch zugegeben. Die Art der Vermischung des TPyPO mit dem Ausgangsmaterial ist nicht besonders kritisch und ein Behälter mit einem Rührer ist alles, was erforderlich ist. Am zweckmäßigsten wird jedoch ein Master-Batch von TPyPO in einem geeigneten Lösungsmittel, beispielsweise in einem aliphatischen oder aromatischen Kohlenwasserstoff, zu einem Strom des Ausgangsmaterials zudosiert und damit durch Turbulenz in der Behandlungs-Vorrichtung innig durchmischt. Das TPyPO kann auch einem Wasserdampf- oder Wasserstrom zugesetzt werden, der in den Erdöl-Ausgangsmaterial-Strom injiziert oder anderweitig eingeführt wird, oder das TPyPO kann einem gemischten Strom aus dem Erdöl- Ausgangsmaterial und Wasserdampf oder Wasser zugegeben werden.When the petroleum feedstock that is heated or cooled is treated on a generally continuous basis, the TPyPO is preferably in the form of a solution to a master batch. The manner of mixing the TPyPO with the feedstock is not particularly critical and a vessel with an agitator is all that is required. Most conveniently, however, a master batch of TPyPO in a suitable solvent, such as an aliphatic or aromatic hydrocarbon, is metered into a feedstock stream and intimately mixed therewith by turbulence in the treatment device. The TPyPO may also be added to a steam or water stream injected or otherwise introduced into the petroleum feedstock stream, or the TPyPO may be added to a mixed stream of the petroleum feedstock and steam or water.
Das TPyPO sollte dem Ausgangsmaterial stromaufwärts von den zu behandelnden Wärmeübertragungs/Wärmeübergangs-Oberflächen zugesetzt werden. Die TPyPO-Zugabe sollte ausreichend stromaufwärts durchgeführt werden, um ein ausreichendes Vermischen und Dispergieren des Additivs in dem Ausgangsmaterial zu erlauben, vorzugsweise jedoch nicht zu weit stromaufwärts, um eine signifikante Zersetzung oder einen signifikanten Abbau des TPyPO zu vermeiden oder zu minimieren, bevor es die zu behandelnden Oberflächen erreicht hat.The TPyPO should be added to the feedstock upstream of the heat transfer/heat transition surfaces to be treated. The TPyPO addition should be carried out sufficiently upstream to allow sufficient mixing and dispersion of the additive in the feedstock, but preferably not too far upstream to avoid or minimize significant degradation or degradation of the TPyPO before it reaches the surfaces to be treated.
Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele erläutert.The invention is illustrated by the following examples.
In den folgenden Beispielen wurden verschiedene Phosphor-Verbindungen bewertet und miteinander verglichen in bezug auf ihre Verkokungs(Koksbildungs)-Inhibierung, ihre Korrosivität und ihre Phosphin-Bildung. Die verwendeten Additive haben die in der Tabelle 1 angegeben Bezeichnungen.In the following examples, various phosphorus compounds were evaluated and compared with each other in terms of their coking (coke formation) inhibition, their corrosiveness and their phosphine formation. The additives used have the names given in Table 1.
Additiv aktive KomponenteAdditive active component
A TripiperidinophosphinoxidA Tripiperidinophosphine oxide
B Amin-neutralisierter Thiophosphatmono/diester*B Amine-neutralized thiophosphate mono/diester*
C O,O,O-TriphenylphosphatC O,O,O-triphenyl phosphate
D Amin-neutralisierter Phosphatmono/diester*D Amine-neutralized phosphate mono/diester*
E Diphenylphosphinsäure**E Diphenylphosphinic acid**
F TriphenylphosphinF Triphenylphosphin
Boran-Tributylphosphin-KomplexBorane-tributylphosphine complex
H TriphenylphosphinoxidH Triphenylphosphine oxide
* Die Alkyl-Gruppen waren C&sub6;-C&sub1;&sub0;-Paraffine; neutralisiert mit Morpholin* The alkyl groups were C₆-C₁₀-paraffins; neutralized with morpholine
** neutralisiert mit Morpholin.** neutralized with morpholine.
Zur Bestimmung der Verkokungsunterdrückungsdaten wurde ein Labor- Reaktor verwendet um die Bedingungen zu simulieren, wie sie in einem typischen Ethylenofen angewendet werden. Der Reaktor ist in US-AA 835 332 beschrieben. Alle Gewichts- und Prozentangaben sind, wenn nichts anderes angegeben ist, auf das Gewicht bezogen.To determine coking suppression data, a laboratory reactor was used to simulate the conditions used in a typical ethylene furnace. The reactor is described in US-AA 835 332. All weights and percentages are by weight unless otherwise stated.
Tripiperidinophosphinoxid (TPyPO) wurde bewertet in bezug auf die Koksbildungs- bzw. Verkokungsunterdrückung bei einer Konzentration von 200 ppm und 500 ppm in n-Hexan. Das Hexan wurde dem Test-Reaktor mit einer Geschwindigkeit von 38 bis 40 g/h zugeführt mit einer Wasserdampf-Verdünnung von 0,5 kg/kg Hexan und einem V/F&sub0;-Wert von 41 bis 43l.s/mol, worin V das äquivalente Reaktor-Volumen (inl) und F&sub0; die anfängliche molare Strömungsrate von Hexan (in mol/s) darstellen. Die in der Fig. 1 dargestellten Ergebnisse zeigen, daß das Additiv A die asymptotische Verkokungsrate über einen Temperatur-Bereich oberhalb von etwa 770ºC verminderte. Dieses Leistungsvermögen ist vergleichbar mit dem Leistungsvermögen anderer Additive auf Phosphorbasis, wie sie in US-A-4 842 716, 4 835 332 und 4 900 426 beschrieben sind.Tripiperidinophosphine oxide (TPyPO) was evaluated for coke suppression at a concentration of 200 ppm and 500 ppm in n-hexane. The hexane was fed to the test reactor at a rate of 38 to 40 g/h with a steam dilution of 0.5 kg/kg hexane and a V/F₀ of 41 to 43 l.s/mol, where V is the equivalent reactor volume (in l) and F₀ is the initial molar flow rate of hexane (in mol/s). The results shown in Figure 1 show that Additive A reduced the asymptotic coke rate over a temperature range above about 770°C. This performance is comparable to the performance of other additives at Phosphorus-based phosphorus-based pigments as described in US-A-4,842,716, 4,835,332 and 4,900,426.
Zur Bestimmung der Abbau-Eigenschaften verschiedener Additive überlange Zeiträume hinweg wurde eine Hochtemperatur-Achsenbuchse verwendet. Zur Beschleunigung der Korrosionseffekte wurde das Additiv A in einer Konzentration von 5% in schwerem aromatischem Naphtha verwendet und es wurden weitere (andere) Additive mit einem äquivalenten Phosphor-Gehalt verwendet. Das Additiv wurde zusammen mit einem Kohlenwasserstoff, einer äquivalenten Menge Wasser und vorher gewogenen Coupons aus Kohlenstoffstahl in einen Behälter aus einer hochlegierten Legierung gegeben. Der Inhalt wurde kontinuierlich in Rotation versetzt bei Temperaturen, die repräsentativ sind für eine typische Konvektionszone eines Ethylenofens; das Mischen stellte sicher, daß die Coupons sowohl der flüssigen Phase als auch der Gasphase (bestehend aus Wasser und dem Kohlenwasserstoff) ausgesetzt waren. Das Einwirkenlassen einer hohen Temperatur für längere Zeiträume auf die Additive erlaubte die potentielle Zersetzung (Abbau) zu schädlichen Nebenprodukten. Dieses Verfahren simulierte im wesentlichen ein Szenarium eines ungünstigen Falles, bei dem eine ziemlich hohe Konzentration eines Additivs in der Konvektionszone vorliegt mit einer eventuellen Anreicherung/Abbau (beispielsweise durch Thermolyse, Hydrolyse, Disproportionierung und dgl.) von Nebenprodukten, die korrosiv sein können oder nicht. Außerdem braucht das Auftreten einer Korrosion nicht das direkte Ergebnis eines Abbaus zu sein, sondern kann auch eine Eigenschaft des Additivs selbst sein.A high temperature axle bushing was used to determine the degradation properties of various additives over long periods of time. To accelerate the corrosion effects, Additive A was used at a concentration of 5% in heavy aromatic naphtha and other additives with an equivalent phosphorus content were used. The additive was placed in a high alloy vessel along with a hydrocarbon, an equivalent amount of water and pre-weighed carbon steel coupons. The contents were continuously rotated at temperatures representative of a typical convection zone of an ethylene furnace; mixing ensured that the coupons were exposed to both the liquid phase and the gas phase (consisting of water and the hydrocarbon). Exposing the additives to high temperature for long periods of time allowed for potential degradation to harmful byproducts. This method essentially simulated a worst case scenario, where there is a fairly high concentration of an additive in the convection zone with possible accumulation/degradation (e.g. by thermolysis, hydrolysis, disproportionation, etc.) of by-products, which may or may not be corrosive. Moreover, the occurrence of corrosion may not be the direct result of degradation, but may also be a property of the additive itself.
In der Tabelle 2 werden die Testdaten für das Additiv A verglichen mit drei anderen Verbindungen, von denen zwei mit einem Amin neutralisierte Phosphatester, die mit Alkylgruppen mono- und disubstituiert waren, d. h. bekannte Verkokungsunterdrückungsmittel mit einer aggressiven Korrosivität darstellten. Wie daraus zu ersehen, wies das Tripiperidinophosphinoxid (A) ein ausge zeichnetes Leistungsvermögen auf. Das war bei den anderen Verbindungen auf Phosphorbasis nicht der Fall.In Table 2, the test data for additive A are compared with three other compounds, two of which were amine-neutralized phosphate esters mono- and disubstituted with alkyl groups, ie known coking suppressants with an aggressive corrosivity. As can be seen, the tripiperidinophosphine oxide (A) showed an excellent recorded performance. This was not the case with the other phosphorus-based compounds.
Additiv Gewichtsverlust (mg)Additive weight loss (mg)
A(TPyPO) 9,2A(TPyPO) 9.2
B 90B90
C 115C115
D 120D120
1,61.6
Es wurde eine Laboreinheit konstruiert, welche die dynamischen (d. h. erosiven und korrosiven) Zustände einer typischen Konvektionszone eines Ethylenofens simulierte. Eine Korrosion tritt wahrscheinlicher auf an den oder in der Nähe der Biegungen/Krümmungen der Konvektionszonen wegen der hohen Erosion als Folge der Geschwindigkeit des Beschickungsstromes. Wasserdampf, der in einem Behälter erzeugt wurde, wurde mit dem Kohlenwasserstoff (Hexan und Toluol in einem Gewichtsprozent-Verhältnis 50 : 50) aus einem zweiten Behälter (Wasserdampf : Kohlenwasserstoff-Gewichtsverhältnis 0,5- 0,6) gemischt. Das Erhitzen auf die gewünschte Temperatur erfolgte durch Hindurchführung der Mischung durch zwei voneinander unabhängige Öfen, die bei den angegebenen Temperaturen (100 bis 600ºC) gehalten wurden. Beide Öfen wurden überwacht und kontrolliert mittels zweier getrennter Temperatur- Kontrolleinrichtungen. Die vorher gewogenen Korrosions-Coupons, hergestellt aus Kohlenstoffstahl, wurden an den Biegungen innerhalb der Ofen-Rohrschlange angeordnet. Der Coupon A wurde in dem Verfahrensstrom angeordnet, d. h. dem erosiven und korrosiven Charakter des Verfahrensstromes ausgesetzt stromaufwärts und bei einer niedrigeren Temperatur (oberhalb 100ºC), bezogen auf den Coupon B, der stromabwärts bei einer höheren Temperatur (weniger als 600ºC) angeordnet wurde. Zur Aufzeichnung der Temperatur beider Coupons sowie beider Ofenzonen wurden Thermoelemente verwendet.A laboratory unit was constructed which simulated the dynamic (i.e. erosive and corrosive) conditions of a typical convection zone of an ethylene furnace. Corrosion is more likely to occur at or near the bends/curvatures of the convection zones because of the high erosion resulting from the velocity of the feed stream. Steam generated in one vessel was mixed with the hydrocarbon (hexane and toluene in a 50:50 weight percent ratio) from a second vessel (steam:hydrocarbon weight ratio 0.5-0.6). Heating to the desired temperature was accomplished by passing the mixture through two independent furnaces maintained at the specified temperatures (100 to 600ºC). Both furnaces were monitored and controlled by two separate temperature controllers. The pre-weighed corrosion coupons, made of carbon steel, were placed at the bends inside the furnace coil. Coupon A was placed in the process stream, ie exposed to the erosive and corrosive character of the process stream upstream and at a lower temperature (above 100ºC) relative to coupon B which was placed downstream at a higher temperature. (less than 600ºC). Thermocouples were used to record the temperature of both coupons and both oven zones.
Die Additive wurden der Kohlenwasserstoff-Beschickung zugesetzt und unter identischen Bedingungen in gleicher Weise wie eine Blindprobe (ohne Additiv) getestet. Der Gewichtsverlust des Coupons für mehrere Additive ist in der Tabelle 3 angegeben. Tripiperidinophosphinoxid (A) in einer Konzentration von 2,4 Gew.-% in dem Kohlenwasserstoff ergab ausgezeichnete Ergebnisse, verglichen mit den getesteten anderen Verbindungen mit einem äquivalenten Phosphorgehalt. Tabelle 3 The additives were added to the hydrocarbon feed and tested under identical conditions in the same manner as a blank (without additive). The coupon weight loss for several additives is given in Table 3. Tripiperidine phosphine oxide (A) at a concentration of 2.4 wt.% in the hydrocarbon gave excellent results compared to the other compounds tested with an equivalent phosphorus content. Table 3
Zur Bestimmung der Neigung verschiedener Produkte auf Phosphorbasis zur Bildung von PH&sub3;, einem bekannten Katalysatorgift, wurden Additive in der in Beispiel 3 beschriebenen Vorrichtung bewertet. Das Additiv A wurde in einer Menge von 5 Gew.-% in dem Kohlenstoff verwendet und alle anderen Additive wurden bei einem äquivalenten Phosphor-Gehalt verwendet. Um die geeignete Crack-Temperatur zu erreichen, wurde eine Strahlungszone (750 bis 950ºC) unmittelbar nach der Konvektionszone angeordnet. Um einen typischen Ethylenofen-Abkühlungsprozeß stromabwärts genauer zu simulieren, wurden die Abstromgase durch mehrere, bei niedrigen Temperaturen (0 bis -78ºC) gehal tene Behälter, einen kaustischen Wäscher und einen Trockner, der 3Å- Molekularsiebe enthielt, geführt.To determine the tendency of various phosphorus-based products to form PH3, a known catalyst poison, additives were evaluated in the apparatus described in Example 3. Additive A was used at 5 wt.% in the carbon and all other additives were used at an equivalent phosphorus content. To achieve the appropriate cracking temperature, a radiant zone (750 to 950°C) was placed immediately after the convection zone. To more accurately simulate a typical ethylene furnace downstream cooling process, the effluent gases were passed through several low temperature (0 to -78°C) maintained quench zones. containers, a caustic washer and a dryer containing 3Å molecular sieves.
Die in der nachfolgenden Tabelle 4 angegeben Phosphinbildungswerte sind Relativ-Werte (der Wert für das Additiv F = 100) und sie wurden bestimmt durch den kolorimetrischen Wert, der von einem Gasdetektor abgelesen wurde, der stromabwärts aller Kondensatoren (Kühler) angeordnet war. Ein niedriger Wert zeigt eine geringe PH&sub3;-Bildung an, während höhere Werte größere PH&sub3;-Mengen anzeigen. Als eine weitere Bestätigung, daß PH&sub3; gebildetwurde durch die Chemikalien auf Phosphorbasis wurde der gecrackte Gasabstrom durch deuteriertes Chloroform bei niedrigen Temperaturen (-78ºC) hindurchgeleitet und durch ³¹PNMR bei -60ºC analysiert. Das erhaltene Spektrum stimmte mit dem Spektrum von PH&sub3; aus der Literatur (-234 ppm, Quartett mit JPH192 Hz) überein.The phosphine formation values given in Table 4 below are relative values (the value for the additive F = 100) and they were determined by the colorimetric value read from a gas detector placed downstream of all condensers (coolers). A low value indicates low PH3 formation, while higher values indicate higher amounts of PH3. As a further confirmation that PH3 was formed by the phosphorus-based chemicals, the cracked gas effluent was passed through deuterated chloroform at low temperatures (-78ºC) and analyzed by 31PNMR at -60ºC. The spectrum obtained was consistent with the spectrum of PH3 from the literature (-234 ppm, quartet with JPH192 Hz).
Additiv PH&sub3;-BildungsrateAdditive PH₃ formation rate
A(TPyPO) 4,7A(TPyPO) 4.7
F 100F100
G > 250G > 250
H 20H20
Aus den obigen Daten ist zu ersehen, daß das Tripiperidinophosphinoxid in bezug auf die Koksbildungsunterdrückung ebenso wirksam war wie die Additive auf Phosphorbasis des Standes der Technik, daß es jedoch im wesentlichen frei war von einem Beitrag zur Korrosion und zur Bildung von Phosphin. Daraus ist ferner zu ersehen, daß die anderen bewerteten Additive auf Phosphorbasis unter den Verkokungs-Bedingungen entweder zur Korrosion beitrugen oder Phosphin bildeten.From the above data it can be seen that the tripiperidinophosphine oxide was as effective as the prior art phosphorus-based additives in suppressing coke formation, but was essentially free of contributing to corrosion and producing phosphine. It can also be seen that the other phosphorus-based additives evaluated either contributed to corrosion or produced phosphine under coking conditions.
Die vorstehende Beschreibung der Erfindung dient nur der Erläuterung und Erklärung derselben und ist in keiner Weise beschränkend zu verstehen. Es sind verschiedene Änderungen in bezug auf die Materialien, Vorrichtungen, Stufen, Verfahrensmaßnahmen und speziellen Teile und Bestandteile für den Fachmann auf diesem Gebiet ohne weiteres ersichtlich. Alle diese Änderungen liegen innerhalb des Rahmens der Erfindung, wie er durch die nachstehenden Patentansprüche gegeben ist.The foregoing description of the invention is for the purpose of illustration and explanation only and is not to be taken as limiting in any way. Various changes in materials, apparatus, steps, procedures and specific parts and components will be readily apparent to those skilled in the art. All such changes are within the scope of the invention as defined by the following claims.
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