專利名稱：一種反應(yīng)蒸餾設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種反應(yīng)蒸餾設(shè)備，特別是適合于在反應(yīng)物料泡點溫度下進行的液固催化反應(yīng)的催化蒸餾塔。
傳統(tǒng)的固體催化劑催化的化工生產(chǎn)過程，液相反應(yīng)物料在反應(yīng)器中固體催化劑的作用下進行催化反應(yīng)，反應(yīng)后的物料進入下游設(shè)備，進行產(chǎn)品分離，例如反應(yīng)產(chǎn)物進入精餾塔中，塔頂產(chǎn)物或塔底產(chǎn)物作為最終產(chǎn)品或作為進一步精制的原料。這樣，不僅工藝流程長、設(shè)備投資大、操作費用高，而且常常因為化學(xué)平衡的限制或串聯(lián)反應(yīng)等，限制了反應(yīng)產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化率和目標(biāo)產(chǎn)物的收率。
為了克服傳統(tǒng)的化工生產(chǎn)過程的不足，人們開發(fā)了反應(yīng)器與分離裝置結(jié)合在一個設(shè)備中同時進行的反應(yīng)蒸餾技術(shù)。由于反應(yīng)與產(chǎn)品分離在一個設(shè)備中同時進行，生成的產(chǎn)品不斷移出反應(yīng)區(qū)，破壞反應(yīng)平衡，提高反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率；而且反應(yīng)是在反應(yīng)物的泡點溫度下進行，反應(yīng)熱由反應(yīng)物料汽化吸收，不僅控制了反應(yīng)溫度，而且反應(yīng)熱用于產(chǎn)品分離。反應(yīng)蒸餾技術(shù)具有縮短工藝流程，減少設(shè)備投資，降低操作費用的優(yōu)點。最初的反應(yīng)蒸餾技術(shù)僅用于均相反應(yīng)蒸餾過程，隨后又開發(fā)成功了非均相反應(yīng)蒸餾技術(shù)——催化蒸餾技術(shù)，使反應(yīng)蒸餾技術(shù)的使用范圍更廣。但是，催化蒸餾技術(shù)的關(guān)鍵是催化蒸餾塔中催化劑的裝填結(jié)構(gòu)，不僅使塔內(nèi)向上流動的汽相物料和向下流動的液相物料對流穿過反應(yīng)段，而且能夠滿足反應(yīng)和產(chǎn)品分離的要求。
文獻報道了多種催化劑裝填結(jié)構(gòu)，如USP3,434,534是把催化劑裝填在反應(yīng)段分離塔盤的降液管中，由于降液管中催化劑的裝填量受到限制，工業(yè)化難以實施。USP4,471,154將催化劑裝在一定形狀的袋子中，然后置于反應(yīng)段的分餾塔盤上，由于在塔盤上催化劑占了一定的空間，影響了分離，為了增加催化劑的裝填量，該結(jié)構(gòu)的塔盤溢流堰較高，因而塔盤的壓力降較大，難以穩(wěn)定操作；類似的結(jié)構(gòu)如中國專利ZL89104742，ZL90103696。而USP4,215,011披露的催化劑的裝填方法是把催化劑包裝在玻璃絲布特制的袋子中，并卷成捆，然后裝在塔的中部反應(yīng)段，催化劑的包裝結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
本發(fā)明的目的是提供一種新型的催化蒸餾塔，催化劑裝在分餾塔盤上，液相物料錯流流過裝有催化劑的分餾塔盤，并在催化劑的作用下進行反應(yīng)，同時在塔盤上與汽相物料進行熱質(zhì)傳遞。
本發(fā)明催化蒸餾塔至少包括一個反應(yīng)段，其特征在于反應(yīng)段除了包括降液管、溢流堰和受液盤以外，在分餾塔盤上還設(shè)有汽升管，汽升管的頂部可以裝有熱、質(zhì)傳遞元件，所述的汽升管與汽升管之間、汽升管與降液管、溢流堰或塔體之間圍成的自由空間是催化劑裝填區(qū)，液相反應(yīng)物料向上或向下流動穿過催化劑床層，并在催化劑作用下進行反應(yīng)，反應(yīng)后的液相物料在汽升管頂部與汽相物料進行熱、質(zhì)傳遞。多次的反應(yīng)、分離，直至達到要求的轉(zhuǎn)化率為止。由于反應(yīng)與分離同時進行，破壞反應(yīng)平衡，提高反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率；同時反應(yīng)是在泡點溫度下進行的，反應(yīng)熱由部分反應(yīng)物料汽化吸收，反應(yīng)熱用于產(chǎn)品的分離，節(jié)省了能耗。本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)中催化反應(yīng)蒸餾塔壓力降大的缺點，增加了操作穩(wěn)定性，而且不用將催化劑進行復(fù)雜的包裝，便于裝卸。


圖1、4、5均為本發(fā)明蒸餾塔結(jié)構(gòu)及流程示意圖，圖2、3為氣升管分布示意圖。
下面結(jié)合附圖1，對本發(fā)明催化蒸餾塔的特征進一步說明。
催化反應(yīng)蒸餾塔(1)分為三部分上部的精餾段、下部的提餾段和中部的反應(yīng)段。上部的精餾段至少設(shè)有一塊分餾塔盤(2)，或至少相當(dāng)于一塊分餾塔盤的分離能力的一段填料；下部提餾段至少設(shè)有一塊分餾塔盤(4)，或相當(dāng)于一塊分餾塔盤分離能力的一段填料；中部反應(yīng)段的特點包括至少兩個重疊設(shè)置的裝填催化劑的分餾塔盤(3、23)。該分餾塔盤(23)包括受液盤(11)、降液管(5、6)、汽升管(8)、分餾元件(9)、催化劑裝填區(qū)(7)、溢流堰(12)和催化劑的支撐板(10)。
汽升管(8)數(shù)量依據(jù)塔內(nèi)汽相負荷量確定，其面積為塔截面積的3～90％，汽升管的截面形狀可以是圓形、長方形、正方形、三角形或其它加工的形狀。汽升管的排列如附圖2的三角形排列或如附圖3的條形排列。排列方式取決于對反應(yīng)與分離均有利。在圖1所示汽升管(8)的頂部的分餾元件(9)為篩孔，也可以根據(jù)需要設(shè)為浮閥、帽、舌形噴射等結(jié)構(gòu)，或裝填一定高度的填料。
汽升管(8)高矮取決于催化劑的裝填量，催化劑裝填量越大，汽升管越高，一般為100～4000mm。
溢流堰(12)應(yīng)高于汽升管(8)，使汽升管頂部有一定厚度的液層，以便進行熱、質(zhì)傳遞。一般情況下溢流堰(12)比汽升管(8)高出10～100mm。
含有反應(yīng)物的物料經(jīng)管線(21)進入反應(yīng)段塔盤上。來自于精餾段的液相物料經(jīng)降液管(35)流到反應(yīng)段最上的塔盤(3)中，向上流動穿過催化劑床層，并在催化劑的作用下進行催化反應(yīng)。反應(yīng)后的液相物料在汽升管頂部與汽相物料在分離元件的作用下進行熱、質(zhì)傳遞，熱、質(zhì)傳遞后的液相物料經(jīng)降液管(36，6)流到分餾塔盤(23)上，再向上流過催化劑床層(7)，并在催化劑的作用下進行反應(yīng)；熱、質(zhì)傳遞后的汽相物料直接流到上部的分離塔盤。如此交替進行反應(yīng)、分離的過程，直到達到要求的轉(zhuǎn)化率為止。進入精餾段的汽相物料經(jīng)分離后從塔頂經(jīng)管線(13)、冷凝器(14)冷凝后，一部分經(jīng)管線(15)回流到塔頂，另一部分作為輕質(zhì)產(chǎn)品經(jīng)管線(16)出裝置。流至提餾段的液相物料經(jīng)分離后從塔底經(jīng)管線(17)出塔，一部分經(jīng)再沸器(18)汽化后的汽相經(jīng)管線(19)返回塔底，另一部分作為重質(zhì)產(chǎn)品經(jīng)管線(20)出裝置。
除了以上的實施方式以外，本發(fā)明還有其它的實施方式，下面結(jié)合附圖4對本發(fā)明催化蒸餾塔的特征進一步說明。
催化反應(yīng)蒸餾塔(1)分為三部分上部的精餾段、下部的提餾段和中部的反應(yīng)段。上部的精餾段至少設(shè)有一塊分餾塔盤(2)，或至少相當(dāng)于一塊塔盤分離能力的一段填料；下部提餾段至少設(shè)有一塊分餾塔盤(4)，或相當(dāng)于一塊分餾塔盤分離能力的填料；中部反應(yīng)段的特征包括至少兩個重疊設(shè)置的裝填催化劑的分餾塔盤(3、23)。該分餾塔盤包括受液盤(11)、降液管(5、6)、汽升管(8)、分餾元件(9)、催化劑裝填區(qū)(7)、隔板(13)和催化劑的支撐板(10)。
汽升管(8)的數(shù)量根據(jù)塔內(nèi)汽相負荷量確定，其面積占塔截面及3～90％；汽升管(8)的頂部的分餾元件(9)為篩孔，也可以根據(jù)需要設(shè)為浮閥、帽、舌形噴射等結(jié)構(gòu)，或裝填一定高度的填料。
含有反應(yīng)物的物料經(jīng)管線(21)進入反應(yīng)段塔盤上。來自于精餾段的液相物料經(jīng)降液管(35)流到反應(yīng)段最上的塔盤(3)中，經(jīng)催化反應(yīng)和熱、質(zhì)傳遞后，又通過降液管(36，5)流到下一層塔盤(23)中，隔板(13)為一密封板，來自降液管(5)的液體向下流動穿過催化劑床層，并在催化劑的作用下進行催化反應(yīng)。反應(yīng)后的液相物料流到其下部的受液盤(11)上，汽升管(8)與受液盤(11)間有一定的空隙，塔內(nèi)向上流動的汽相物料在汽升管內(nèi)流速較快，使管內(nèi)形成負壓，將受液盤(11)上的液相物料吸進汽升管中，并帶到汽升管的頂部，在頂部的分餾元件(9)作用下進行熱、質(zhì)傳遞，這樣在催化劑裝填區(qū)(7)中的液相物料在氣升管內(nèi)負壓的吸引下是向下流動穿過催化劑床層的。熱、質(zhì)傳遞后的液相物料流到隔板(13)上，再經(jīng)降液管(6)流到下一層分餾塔盤中熱、質(zhì)傳遞后的汽相物料直接進入到上一層分離塔盤上。如此交替進行反應(yīng)、分離的過程，直至達到要求的轉(zhuǎn)化率為止。進入精餾段的汽相物料經(jīng)分離后從塔頂經(jīng)管線(13)、冷凝器(14)冷凝后一部分經(jīng)管線(15)回流至塔頂，另一部分作為輕質(zhì)產(chǎn)品經(jīng)管線(16)出裝置。流至提餾段的液相物料經(jīng)分離后從塔底經(jīng)管線(17)，再沸器(18)汽化后的汽相經(jīng)管線(19)返回塔底，另一部分作為重質(zhì)產(chǎn)品經(jīng)管線(20)出裝置。
本發(fā)明還有一種實施方式，下面結(jié)合附圖5對本發(fā)明催化蒸餾塔的特征進一步說明，附圖5所示的催化蒸餾塔結(jié)構(gòu)與附圖4類似，其主要區(qū)別是取消了隔板(13)。這種結(jié)構(gòu)特別適合汽相中富含反應(yīng)物，而在液相中反應(yīng)物含量較低或難以實現(xiàn)從汽相向液相傳質(zhì)時的情況。應(yīng)用這種結(jié)構(gòu)時，來自于精餾段的液相物料經(jīng)降液管(35)流到反應(yīng)段最上的塔盤(3)中，經(jīng)催化反應(yīng)和熱、質(zhì)傳遞以后，又通過降液管(36，5)流到下一層塔盤(23)中，液相物料在此與汽升管(8)頂部熱、質(zhì)傳遞后的液相物料混合后，其中一部分經(jīng)溢流堰流至降液管(6)，而另一部分向下流動穿過催化劑床層，同時在催化劑的作用下進行催化反應(yīng)。反應(yīng)后的液相物料流到其下部的受液盤(11)上，汽升管(8)與受液盤(11)間有一定的空隙，塔內(nèi)向上流動的汽相物料在汽升管內(nèi)流速較快，使管內(nèi)形成負壓，將受液盤(11)的液相物料吸進汽升管中，并帶到汽升管的頂部，在頂部的分餾元件(9)作用下進行熱、質(zhì)傳遞。熱、質(zhì)傳遞后的液相物料與上一層塔盤(3)來的液相物料混合后，一部分在氣升管中的負壓吸引下向下穿過催化劑裝填區(qū)(7)，并在催化劑作用下繼續(xù)反應(yīng)，另一部分經(jīng)降液管(6)流到下一層分離塔盤中；熱、質(zhì)傳遞后的汽相物料直接進入到上一層分離塔盤上。如此交替進行反應(yīng)、分離的過程，直至達到要求的轉(zhuǎn)化率為止。這種結(jié)構(gòu)的特點是取消了隔板(13)，能夠使部分液相物料在塔盤上進行多次循環(huán)熱、質(zhì)傳遞，即流過催化床層的液相物料包括來自于上層塔盤的液相物料和該塔盤的液相物料，當(dāng)穿過催化劑床層的液相物料中某一反應(yīng)物的濃度降低后，特別是汽相中富含該反應(yīng)物，且難以實現(xiàn)從汽相向液相的傳質(zhì)時，經(jīng)過該塔盤汽升管頂部的熱、質(zhì)傳遞，增加了該組分的含量，部分物料再返回催化劑床層中，不僅增加了該反應(yīng)物在液相物料中的含量，而且增加了反應(yīng)物在催化劑床層中的停留時間，有利于催化反應(yīng)的進行。
附圖1、附圖4和附圖5所示的實施方式中涉及了催化劑支撐板，一般情況下催化劑的支撐板為開孔板或格柵，當(dāng)支撐板的孔徑大于催化劑的粒徑時，在支撐板上設(shè)置催化劑攔網(wǎng)。
反應(yīng)物料在催化蒸餾塔中同時進行反應(yīng)與產(chǎn)品分離，特別對于平衡反應(yīng)，由于產(chǎn)品被不斷移出反應(yīng)區(qū)，破壞反應(yīng)平衡，能使反應(yīng)進行到完全，為了使反應(yīng)達到要求，催化蒸餾塔的反應(yīng)段的催化劑床層數(shù)多、催化劑裝填量大。但是，催化蒸餾技術(shù)關(guān)鍵是催化劑的裝填型式，無論開發(fā)的催化蒸餾技術(shù)的催化劑裝填結(jié)構(gòu)怎樣簡單，與一般固定床反應(yīng)器比，其結(jié)構(gòu)也要復(fù)雜的多。因此為了降低催化蒸餾塔的催化劑裝填量，在催化蒸餾塔前設(shè)一預(yù)反應(yīng)器，該預(yù)反應(yīng)器可以采用列管固定床反應(yīng)器、絕熱外循環(huán)反應(yīng)器、膨脹床反應(yīng)器或混相床反應(yīng)器。反應(yīng)物料在預(yù)反應(yīng)器中達到一定轉(zhuǎn)化率后，進入催化蒸餾塔中進一步進行反應(yīng)和分離，使反應(yīng)物的總轉(zhuǎn)化率達到要求的值為止。
本發(fā)明的催化蒸餾設(shè)備適合于C4～C8的叔烯烴與C1～C4的脂肪醇反應(yīng)合成相應(yīng)的醚類產(chǎn)品，也適合于C2～C8烴類餾分選擇加氫脫除雙烯烴與炔烴、石油烴的加氫脫硫反應(yīng)、芳烴烷基化反應(yīng)、異構(gòu)化反應(yīng)、醇與酸的酯化反應(yīng)、皂化反應(yīng)、烯烴水合反應(yīng)以及其它類似的反應(yīng)。
實施例1將本發(fā)明說明書附圖1的催化蒸餾塔用于混合碳四中的異丁烯與甲醇反應(yīng)甲基叔丁基醚(MTBE)的生產(chǎn)時，異丁烯的轉(zhuǎn)化達99.6％，未反應(yīng)碳四可用于生產(chǎn)1-丁烯或其它化工產(chǎn)品的原料。
操作條件及結(jié)果碳四中異丁烯含量，％(m/m)，21％甲醇與異丁烯的摩爾比，1.1∶1.0催化蒸餾塔塔頂壓力，MPa，0.8催化蒸餾塔塔底壓力，MPa，0.86催化蒸餾塔塔頂溫度，℃，62催化蒸餾塔塔底溫度，℃，139空速，h-1，1.8催化蒸餾塔反應(yīng)段床層數(shù)，層，32
催化蒸餾塔塔頂未反應(yīng)碳四中的異丁烯，％(m/m)，0.1％催化蒸餾塔塔底MTBE產(chǎn)品純度，％(m/m)，98.4％異丁烯的轉(zhuǎn)化率，％(m/m)，99.6％實施例2將本發(fā)明說明書附圖4的催化蒸餾塔用于混合碳四中的異丁烯與甲醇反應(yīng)甲基叔丁基醚(MTBE)的生產(chǎn)時，且催化蒸餾塔前設(shè)一預(yù)反應(yīng)器，異丁烯的轉(zhuǎn)化達99.8％，未反應(yīng)碳四可用于生產(chǎn)1-丁烯或其它化工產(chǎn)品的原料。
操作條件及結(jié)果碳四中異丁烯含量，％(m/m)，21％甲醇與異丁烯的摩爾比，1.1∶1.0預(yù)反應(yīng)器的出口溫度，℃，69.3預(yù)反應(yīng)器的操作壓力，MPa，0.9預(yù)反應(yīng)器中異丁烯的轉(zhuǎn)化率，％(m/m)，92.4％催化蒸餾塔塔頂壓力，MPa，0.8催化蒸餾塔塔底壓力，MPa，0.86催化蒸餾塔塔頂溫度，℃，62催化蒸餾塔塔底溫度，℃，139空速，h-1，3.4催化蒸餾塔反應(yīng)段床層數(shù)，層，14催化蒸餾塔塔頂未反應(yīng)碳四中的異丁烯，％(m/m)，0.08％催化蒸餾塔塔底MTBE產(chǎn)品純度，％(m/m)，98.6％異丁烯的轉(zhuǎn)化率，％(m/m)，99.8％實施例3將本發(fā)明說明書附圖5的催化蒸餾塔用于混合碳五中的叔戊烯與甲醇反應(yīng)甲基叔戊基醚(TAME)時，催化蒸餾塔前設(shè)一預(yù)反應(yīng)器，叔戊烯的轉(zhuǎn)化率達95％。
操作條件及結(jié)果碳五中叔戊烯含量，％(m/m)，27％甲醇與叔戊烯的摩爾比，1.2∶1.0預(yù)反應(yīng)器的出口溫度，℃，72.3預(yù)反應(yīng)器的操作壓力，MPa，0.55預(yù)反應(yīng)器中叔戊烯的轉(zhuǎn)化率，％(m/m)，68.2％催化蒸餾塔塔頂壓力，MPa，0.4催化蒸餾塔塔底壓力，MPa，0.46催化蒸餾塔塔頂溫度，℃，68催化蒸餾塔塔底溫度，℃，137空速，h-1，2.2催化蒸餾塔反應(yīng)段床層數(shù)，層，16催化蒸餾塔塔頂未反應(yīng)碳五中的叔戊烯，％(m/m)，1.8％催化蒸餾塔塔底TAME產(chǎn)品純度，％(m/m)，98.2％叔戊烯的轉(zhuǎn)化率，％(m/m)，95.04％
權(quán)利要求
1.一種催化反應(yīng)蒸餾塔至少包括一個反應(yīng)段，其特征在于反應(yīng)段除了包括降液管、溢流堰和受液盤以外，在分餾塔盤上還設(shè)有汽升管，所述的汽升管與汽升管之間、汽升管與降液管、溢流堰或塔體之間圍成的自由空間是催化劑裝填區(qū)，液相反應(yīng)物料向上或向下流動穿過催化劑床層，并在催化劑作用下進行反應(yīng)，反應(yīng)后的液相物料在汽升管頂部與汽相物料進行熱、質(zhì)傳遞。
2.按權(quán)利要求1的催化反應(yīng)蒸餾塔，所述汽升管的頂部設(shè)有分離元件，可以是常規(guī)的篩孔、浮閥、帽、舌形口等，或裝填一定高度的填料。
3.按權(quán)利要求1的催化反應(yīng)蒸餾塔，所述汽升管的數(shù)量依據(jù)塔內(nèi)的汽相負荷量而定，汽升管的截面積至少為一個塔盤截面積3％～90％。
4.按權(quán)利要求1的催化反應(yīng)蒸餾塔，所述汽升管的高度為100～4000mm。
5.按權(quán)利要求1、2、3或4所述的催化反應(yīng)蒸餾塔，其中溢流堰比汽升管的頂部還高出10～100mm，汽升管底部與受液盤之間是封閉的，液相反應(yīng)物料向上流動穿過催化劑床層，并在催化劑作用下進行反應(yīng)，反應(yīng)后的液相物料在汽升管頂部與汽相物料進行熱、質(zhì)傳遞。
6.按權(quán)利要求1、2、3或4所述的催化反應(yīng)蒸餾塔，其中汽升管底部與受液盤之間有一定的間隙，催化劑裝填區(qū)上部有隔板與降液管、溢流堰連接起來，液相反應(yīng)物料向下流動穿過催化劑床層，并在催化劑的作用下進行反應(yīng)，反應(yīng)后的液相物料進入汽升管，并在汽升管頂部與汽相物料進行熱、質(zhì)傳遞，然后流到隔板上，經(jīng)溢流堰、降液管流到下一層塔盤上。
7.按權(quán)利要求1、2、3或4所述的催化反應(yīng)蒸餾塔，其中汽升管底部與受液盤之間有一定的間隙，液相反應(yīng)物料與該塔盤汽升管頂部熱、質(zhì)傳遞后的液相物料混合后，一部分液相物料經(jīng)溢流堰、降液管流到下一層塔盤上；另一部分液相物料向下流動穿過催化劑床層，并在催化劑的作用下進行反應(yīng)，反應(yīng)后的液相物料進入汽升管，并在汽升管頂部與汽相物料進行熱、質(zhì)傳遞。
8.按權(quán)利要求1、2、3或4所述的催化反應(yīng)蒸餾塔，用于C4～C8的叔烯烴與C1～C4脂肪醇的反應(yīng)，或C2～C8烴類的選擇加氫脫除雙烯烴和炔烴、石油烴的加氫脫硫反應(yīng)、芳烴烷基化反應(yīng)、異構(gòu)化反應(yīng)、醇與酸的酯化反應(yīng)或烯烴水合反應(yīng)等。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種反應(yīng)蒸餾設(shè)備,特別是適合于在反應(yīng)物料泡點溫度下進行的液固催化反應(yīng)的催化蒸餾塔。它克服了現(xiàn)有技術(shù)中催化反應(yīng)蒸餾塔壓力降大的缺點,增加了操作穩(wěn)定性,而且不用將催化劑進行復(fù)雜的包裝,便于裝卸。這種催化蒸餾塔的催化劑裝填在反應(yīng)段的分餾塔盤上,塔盤上設(shè)置了汽升管,汽升管之間的自由空間中裝填催化劑,液相反應(yīng)物料穿過催化劑床層,并在催化劑作用下進行反應(yīng),反應(yīng)后的液相物料在汽升管頂部與汽相物料進行熱、質(zhì)傳遞。
文檔編號B01D3/14GK1386560SQ0111495
公開日2002年12月25日 申請日期2001年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2001年5月18日
發(fā)明者郝興仁, 楊宗仁, 王偉, 李艷青, 呂愛梅 申請人:中國石化集團齊魯石油化工公司