專利名稱：一種催化蒸餾塔反應(yīng)段結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可以同時(shí)進(jìn)行催化反應(yīng)和蒸餾分離的催化蒸餾塔反 應(yīng)段結(jié)構(gòu)，即催化劑在催化蒸餾塔中的裝填方式。
背景技術(shù)：
催化蒸餾技術(shù)是將催化反應(yīng)過程和產(chǎn)物分離過程在一座催化蒸餾塔 中同時(shí)進(jìn)行的一種化工技術(shù)，在反應(yīng)進(jìn)行的同時(shí)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)物與反應(yīng)物的分 離，具有設(shè)備少、投資省、流程簡化、能耗低、反應(yīng)轉(zhuǎn)化率高、能夠打破 化學(xué)平衡限制、反應(yīng)熱利用效率高、操作控制方便等優(yōu)點(diǎn)。催化蒸餾塔一般包括上部的精餾段、中部的反應(yīng)段、下部的提餾段三 個(gè)部分。其中反應(yīng)段的結(jié)構(gòu)，即催化劑在催化蒸餾塔中的裝填方式是催化 蒸餾技術(shù)的關(guān)鍵。美國專利4443559提出將催化劑顆粒裝入用玻璃纖維縫制的小口袋 里，用有一定開口空間的不銹鋼絲網(wǎng)覆蓋支撐，再巻成具有一層不銹鋼絲 網(wǎng)、 一層裝有催化劑的小口袋的捆束型圓柱體催化蒸餾構(gòu)件。這種構(gòu)件由 于橫截面上的孔隙率相差較大，即催化劑部分的孔隙率比絲網(wǎng)部分的孔隙 率要小很多，而絲網(wǎng)本身對(duì)流體的再分布能力很差，因此容易造成溝流、 影響傳質(zhì)與催化效果，特別是對(duì)于塔徑較大的催化蒸餾塔，影響更大。美國專利4439350， 4536373公開的催化蒸餾接觸構(gòu)件，是由多孔金 屬或塑料板制成的長方形多孔封閉容器和固定、支撐該容器的夾具組成， 催化劑裝填在長方形多孔封閉容器內(nèi)。該接觸構(gòu)件平行安置于蒸餾塔篩板 上，篩板上裝有溢流堰，使板上的液面維持一定的高度，以完全浸沒接觸 容器。當(dāng)進(jìn)入塔內(nèi)的物料在塔板上通過對(duì)流、擴(kuò)散與容器中的催化劑接觸 反應(yīng)，又與通過篩板篩孔上升的蒸汽進(jìn)行汽液傳質(zhì)，達(dá)到反應(yīng)與蒸餾同時(shí) 進(jìn)行的目的。但這種裝填方式的催化劑裝填量小，容易引起偏流。美國專利4471154提出將催化劑安置在板式塔的塔板上，構(gòu)成催化蒸4 餾構(gòu)件，在塔板上的催化劑呈流化狀態(tài)。這種方式理論上使催化劑在整個(gè) 反應(yīng)區(qū)分布均勻，汽液固接觸良好，催化劑的利用率高，但對(duì)催化劑的要 求高，即每粒催化劑的大小、重量均需相同，否則容易造成局部阻力大， 引起偏流。另外催化劑層的孔隙率小、阻力大，成為催化蒸餾過程中提高 負(fù)荷的一大瓶頸，且催化劑之間的磨損嚴(yán)重。美國專利5262012提出將催化劑以散裝填料的形式裝填。例如將粒狀 催化劑與惰性填充介質(zhì)瓷球、玻璃珠、中空多孔球體或柱體等混合裝入塔 中直立的桶式容器內(nèi)，形成反應(yīng)區(qū)內(nèi)的催化蒸餾構(gòu)件。其不足是，催化劑 是實(shí)心的，故粒度不能太大，否則不能充分利用催化劑，但催化劑粒度太 小又容易與填料分層，損害該構(gòu)件發(fā)揮其催化反應(yīng)-蒸餾分離的協(xié)同功能， 另外這種構(gòu)件也容易在床層中產(chǎn)生溝流，影響其傳質(zhì)與反應(yīng)效果。中國專利1299703提出，將催化劑制成具有中心孔道的顆粒、用連接 件將催化劑顆粒連接成串并均勻地放入規(guī)整填料的汽液自由通道中形成 催化蒸餾構(gòu)件。這種構(gòu)件具有催化劑在反應(yīng)段分布均勻、床層空隙率大、 塔壓降小和催化劑利用率高的特點(diǎn)。但由于催化劑制作麻煩，且形成的連 接件在填料通道中的固定也很困難。中國專利1299704提出了一種將尺寸、構(gòu)型和堆積密度均相似的催化 劑和蒸餾填料混合堆積在金屬規(guī)整填料中形成催化蒸餾構(gòu)件。這種構(gòu)件傳質(zhì)效率高、催化劑利用率較好、產(chǎn)物選擇性好，但對(duì)催化劑的強(qiáng)度要求高， 對(duì)催化劑和填料的制作技術(shù)要求也較高，床層空隙率較小、塔壓降大，汽 液通量小，并且在操作過程中催化劑和填料易分層，從而造成局部阻力大 而影響汽液通量。中國專利1042664公開了一種催化蒸餾設(shè)備，將反應(yīng)段分為若干個(gè)床 層，兩個(gè)床層間設(shè)一分餾塔盤，催化劑以散裝的形式直接裝填于反應(yīng)段的 催化劑床層中，反應(yīng)物直接與催化劑接觸，有利于反應(yīng)的進(jìn)行，提高了催 化劑的效率，而且催化劑的裝填量大。但液相物料由上而下流過催化劑床 層，難以保證催化劑始終浸沒在液體中，影響了催化劑的效率。另外，如 果反應(yīng)生成汽相產(chǎn)物或部分液相物料因吸收反應(yīng)熱而汽化，向下流動(dòng)的液 相物料使這部分汽相物料在催化劑床層中的停留時(shí)間延長，降低了催化劑 床層的滯液量，對(duì)反應(yīng)不利；同時(shí)這部分汽相物料可能與液相物料一起向
下流出催化劑床層，也可能向上鼓泡離開催化劑床層，使反應(yīng)狀態(tài)難以穩(wěn) 定。中國專利1345617公開了一種催化蒸餾設(shè)備，反應(yīng)段由重疊的催化劑 床層和分離塔盤組成，催化劑床層由降液區(qū)、催化劑裝填區(qū)和汽液相通道 組成，催化劑裝填區(qū)由上部的攔柵、下部的支撐板、以及周邊的隔板和擋 板構(gòu)成，其中隔板與隔板之間或隔板與塔體之間構(gòu)成降液區(qū)，擋板與擋板之間或擋板與塔體之間構(gòu)成汽液相通道，隔板和擋板上至少有一部分區(qū)域 是開孔或開有縫隙的，使液相反應(yīng)物料徑向流過催化劑床層，并在催化劑 的作用下進(jìn)行催化反應(yīng)，增加了反應(yīng)效率。但液相物料在徑向流過催化劑 床層時(shí)，容易從催化劑裝填區(qū)上部的攔柵溢出并經(jīng)催化劑床層上面進(jìn)入汽 液相通道，而不經(jīng)過催化劑床層，這就影響了催化劑的反應(yīng)效率；在塔徑 較大的催化蒸餾塔中，催化劑床層的徑向尺寸較大，液相物料流過催化劑 床層的阻力增大，也會(huì)加劇這種影響。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種催化蒸餾塔反應(yīng)段結(jié)構(gòu)，以改進(jìn)背景技術(shù) 中提及的缺陷。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的催化蒸餾塔反應(yīng)段結(jié)構(gòu)，該反應(yīng)段結(jié) 構(gòu)位于催化蒸餾塔的內(nèi)部，其主要組成為設(shè)置有催化劑盤和分離塔盤，且每兩個(gè)催化劑盤之間設(shè)置有至少一層 分離塔盤；每一催化劑盤由若干豎直隔板分隔成降液區(qū)、催化劑裝填區(qū)和汽相通道；催化劑裝填區(qū)由位于底部的水平擋板、以及該水平擋板上方的水平支 撐板、若干豎直隔板及催化蒸餾塔的部分塔壁之間的半封閉空間構(gòu)成； 支撐板上至少有一部分區(qū)域有開孔或縫隙；豎直隔板和相近的塔壁之間構(gòu)成兩個(gè)降液區(qū)，豎直隔板之間構(gòu)成汽相 通道；底部的水平擋板和水平支撐板之間的空間通過降液區(qū)與催化劑床層 上方的分離塔盤相通，并通過水平支撐板上的開孔或縫隙與催化劑床層相 通；豎直隔板之一與相近的塔壁之間構(gòu)成通向下一層分離塔盤的第一降液區(qū)，其上緣高度低于其它隔板且高于催化劑床層；與其相對(duì)的另一豎直 隔板與相近的塔壁之間構(gòu)成液相物料由上一層分離塔盤流向該催化劑盤 的第二降液區(qū)；液相物料由上一層分離塔盤依次經(jīng)第二降液區(qū)、底部擋板 和支撐板之間的空間、催化劑床層和降液區(qū)一進(jìn)入下面的分離塔盤。本發(fā)明由于液相物料由下而上流過催化劑，液相物料流動(dòng)的線速度基 本不變，因而需要克服的阻力基本不變。這就避免了采用液相物料沿徑向 流過催化劑床層的催化劑裝填方式時(shí)存在的塔徑越大、液相物料流動(dòng)阻力 越大的問題。同時(shí)，液相物料由下而上流過催化劑也可以保證催化劑始終 浸沒在液相物料中，在催化劑床層中由反應(yīng)生成的或因反應(yīng)放熱造成的部 分汽相物料與液相物料同向向上流動(dòng)，可以盡快離開催化劑床層，不會(huì)明 顯降低催化劑床層的滯液量，催化劑床層中的物料流動(dòng)狀態(tài)也很穩(wěn)定，有 利于催化反應(yīng)的進(jìn)行。


圖1為本發(fā)明的一種實(shí)施方案的剖面示意圖； 圖2、 3、 4為本發(fā)明的三種實(shí)施方案的俯視圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明的催化蒸餾塔反應(yīng)段結(jié)構(gòu)，也就是催化劑在催化蒸餾塔中的裝 填方式，其包括1) 反應(yīng)段由催化劑盤和分離塔盤組成，每兩個(gè)催化劑盤之間設(shè)置一 層或多層分離塔盤；2) 催化劑盤由若干豎直隔板分隔成降液區(qū)、催化劑裝填區(qū)和汽相通 道；催化劑裝填區(qū)由位于底部的水平擋板、底部水平擋板上面的水平支撐 板、若干豎直隔板及部分塔壁之間的半封閉空間構(gòu)成，支撐板上至少有一 部分區(qū)域有開孔或縫隙；部分豎直隔板和相近的塔壁之間構(gòu)成兩個(gè)降液 區(qū)，另外的部分豎直隔板和相近的塔壁之間或豎直隔板之間構(gòu)成汽相通 道；
3) 催化劑裝填在豎直隔板、部分塔壁和支撐板圍成的半封閉空間中， 底部擋板和支撐板之間的空間通過降液區(qū)與催化劑床層上面的分離塔盤相通，并通過支撐板上的開孔或縫隙與催化劑床層相通；4) 豎直隔板之一與相近的塔壁之間構(gòu)成通向下一層分離塔盤的第一 降液區(qū)，其上緣高度低于其它隔板，但高于催化劑床層；與其相對(duì)的另一 豎直隔板與相近的塔壁之間構(gòu)成液相物料由上一層分離塔盤流向該催化 劑盤的第二降液區(qū)；液相物料由上一層分離塔盤依次經(jīng)第二降液區(qū)、底部 擋板和支撐板之間的空間、催化劑床層和降液區(qū)一進(jìn)入下面的分離塔盤。下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的催化蒸餾塔反應(yīng)段結(jié)構(gòu)作詳細(xì)的說明。 請(qǐng)結(jié)合圖1，本發(fā)明中，催化蒸餾塔反應(yīng)段由交替設(shè)置的催化劑盤和 分離塔盤組成，共設(shè)置5-25個(gè)催化劑盤，優(yōu)選的方案是設(shè)置10-20個(gè)催化 劑盤。每個(gè)催化劑盤的催化劑裝填量可以相同，也可以不同。其中每兩個(gè) 催化劑盤之間設(shè)置1-5層分離塔盤2， 一種優(yōu)選的方案是反應(yīng)段上部每兩 個(gè)催化劑盤之間設(shè)置l-2層分離塔盤，反應(yīng)段下部每兩個(gè)催化劑盤之間設(shè) 置2-5層分離塔盤。催化劑盤由降液區(qū)8、 9、催化劑裝填區(qū)和汽相通道組成。催化劑裝填 區(qū)由底部擋板5、底部擋板5上方的水平支撐板6、四周的豎直隔板3、 4、 12及部分塔壁1之間的半封閉空間構(gòu)成(其結(jié)構(gòu)可參照?qǐng)D2)。支撐板6 上至少有一部分區(qū)域有開孔或縫隙，其開孔率或縫隙率一般為10-90% (面 積)，其上可覆蓋一層或多層金屬網(wǎng)以避免催化劑掉落到底部當(dāng)板上，四 周的豎直隔板3、 4、 12外側(cè)和相近的塔壁1之間構(gòu)成兩個(gè)弓形降液區(qū)8、 9 (實(shí)線箭頭所示)和兩個(gè)弓形汽相通道ll (虛線箭頭所示)(可結(jié)合參照 圖2)。催化劑7裝填在四周的豎直隔板3、 4、 12、部分塔壁和支撐板6圍成 的箱形空間中(可結(jié)合參照?qǐng)D2)，在催化劑上部設(shè)置一層或多層金屬網(wǎng) 10，以避免催化劑隨液相物料流入下一層蒸餾塔盤，也可以在金屬網(wǎng)上面 再設(shè)置攔柵。底部擋板5和支撐板6之間的空間通過第二降液區(qū)8與催化 劑床層上面的分離塔盤2相通，并通過支撐板上的開孔或縫隙與催化劑床 層相通。四周的豎直隔板之一4與塔壁之間構(gòu)成通向下一層分離塔盤的第一降
液區(qū)9，其上緣高度低于其它豎直隔板但高于催化劑床層，以使液相物料 流過催化劑后越過該豎直隔板4通過第一降液區(qū)9進(jìn)入下一層分離塔盤。與其相對(duì)的另一豎直隔板3與塔壁之間構(gòu)成液相物料由上一層分離塔盤流 向該催化劑盤的第二降液區(qū)8。為了避免停車檢修或更換催化劑時(shí)，催化劑床層中積攢液相物料，可 在與相近塔壁之間構(gòu)成通向下一層分離塔盤的第一降液區(qū)9的較低隔板4 上開一個(gè)或幾個(gè)小孔，開孔位置低于支撐板6、略高于底部擋板5。開孔 尺寸應(yīng)使正常操作條件下從小孔流過的液相物料占流經(jīng)催化劑液相物料 的5%以下。在實(shí)際操作中，液相物料由上一層分離塔盤2依次經(jīng)第二降液區(qū)8、 底部擋板5和支撐板6之間的空間進(jìn)入催化劑床層進(jìn)行反應(yīng)(液相物料的 流向如圖1中實(shí)線箭頭所示方向)，反應(yīng)后的液相物料越過較低的隔板4 經(jīng)第一降液區(qū)9進(jìn)入下面的分離塔盤2，反應(yīng)生成的或因反應(yīng)放熱造成的 部分汽相物料從催化劑床層中向上鼓泡逸出后與從下面的分離塔盤流出 并經(jīng)催化劑盤的汽相通道向上流動(dòng)的汽相物料混合一起進(jìn)入上一層分離 塔盤，與液相物料進(jìn)行傳熱、傳質(zhì)(汽相物料的流向如圖1中虛線箭頭所 示方向)。催化劑裝填區(qū)由底部的水平擋板、底部擋板上面的水平支撐板、四周 的豎直隔板及部分塔壁之間的半封閉空間構(gòu)成時(shí)，其俯視圖參見圖2。催 化劑裝填區(qū)也可以由兩兩相接的四周豎直隔板與底部的水平擋板、底部擋 板上面的水平支撐板之間的半封閉空間構(gòu)成，而不利用塔壁，其俯視圖參 見圖3。還可以將汽相通道設(shè)置于催化劑盤的中部，汽相通道由幾塊豎直隔板 13之間的空間構(gòu)成，其俯視圖參見圖4。在生產(chǎn)能力較大即塔徑較大的催化蒸餾塔中，與塔徑較小的催化蒸餾 塔相比，催化劑床層的高度基本不變，而水平方向的尺寸增大。采用本發(fā) 明的反應(yīng)段結(jié)構(gòu)，由于液相物料由下而上流過催化劑，液相物料流動(dòng)的線 速度基本不變，因而需要克服的阻力基本不變。這就避免了采用液相物料 沿徑向流過催化劑床層的催化劑裝填方式時(shí)存在的塔徑越大、液相物料流 動(dòng)阻力越大的問題。同時(shí)，液相物料由下而上流過催化劑也可以保證催化劑始終浸沒在液相物料中，在催化劑床層中由反應(yīng)生成的或因反應(yīng)放熱造 成的部分汽相物料與液相物料同向向上流動(dòng)，可以盡快離開催化劑床層， 不會(huì)明顯降低催化劑床層的滯液量，催化劑床層中的物料流動(dòng)狀態(tài)也很穩(wěn) 定，有利于催化反應(yīng)的進(jìn)行。本發(fā)明的反應(yīng)段結(jié)構(gòu)適用于甲醇脫水制二甲醚、乙醇脫水制乙醚、乙 醇脫水制乙烯、C廣Cs叔烯烴與C廣C2脂肪醇制相應(yīng)的醚類、醇酸酯化反 應(yīng)，以及其他類似的可采用催化蒸餾工藝的反應(yīng)。實(shí)施例1按本發(fā)明附圖1和附圖2所示的反應(yīng)段結(jié)構(gòu)方案用于甲醇脫水制二甲 醚，催化蒸餾塔由精餾段、反應(yīng)段、提餾段組成，反應(yīng)段中每兩個(gè)催化劑盤之間設(shè)置l層分離塔盤，甲醇轉(zhuǎn)化率達(dá)97%， 二甲醚選擇性達(dá)99.99%， 二甲醚產(chǎn)品純度達(dá)99.9%，未反應(yīng)甲醇與反應(yīng)生成的水一起從塔釜排出， 經(jīng)回收后循環(huán)反應(yīng)。 操作條件催化蒸餾塔反應(yīng)段催化劑床層數(shù)，15 催化蒸餾塔塔頂壓力，2.0MPa 甲醇體積空速，1.0 h—' 催化蒸餾塔回流比，2.權(quán)利要求
1、一種催化蒸餾塔反應(yīng)段結(jié)構(gòu)，該反應(yīng)段結(jié)構(gòu)位于催化蒸餾塔的內(nèi)部，其主要組成為設(shè)置有催化劑盤和分離塔盤，且每兩個(gè)催化劑盤之間設(shè)置有至少一層分離塔盤；每一催化劑盤由若干豎直隔板分隔成降液區(qū)、催化劑裝填區(qū)和汽相通道；催化劑裝填區(qū)由位于底部的水平擋板、以及該水平擋板上方的水平支撐板、若干豎直隔板及催化蒸餾塔的部分塔壁之間的半封閉空間構(gòu)成；支撐板上至少有一部分區(qū)域有開孔或縫隙；豎直隔板和相近的塔壁之間構(gòu)成兩個(gè)降液區(qū)，豎直隔板之間構(gòu)成汽相通道；底部的水平擋板和水平支撐板之間的空間通過降液區(qū)與催化劑床層上方的分離塔盤相通，并通過水平支撐板上的開孔或縫隙與催化劑床層相通；豎直隔板之一與相近的塔壁之間構(gòu)成通向下一層分離塔盤的第一降液區(qū)，其上緣高度低于其它隔板且高于催化劑床層；與其相對(duì)的另一豎直隔板與相近的塔壁之間構(gòu)成液相物料由上一層分離塔盤流向該催化劑盤的第二降液區(qū)；液相物料由上一層分離塔盤依次經(jīng)第二降液區(qū)、底部擋板和支撐板之間的空間、催化劑床層和降液區(qū)一進(jìn)入下面的分離塔盤。
2、 如權(quán)利要求1所述的催化蒸餾塔反應(yīng)段結(jié)構(gòu)，其中，豎直隔板為 兩兩相接，催化劑裝填區(qū)由位于底部的水平擋板、底部擋板上面的支撐板、 四周的隔板之間的半封閉空間構(gòu)成，汽相通道由部分豎直隔板和相近的塔 壁之間的空間構(gòu)成。
3、 如權(quán)利要求1或2所述的催化蒸餾塔反應(yīng)段結(jié)構(gòu)，其中，反應(yīng)段 共設(shè)置5-25個(gè)催化劑盤。
4、 如權(quán)利要求1或2所述的催化蒸餾塔反應(yīng)段結(jié)構(gòu)，其中，反應(yīng)段 共設(shè)置10-20個(gè)催化劑盤。
5、如權(quán)利要求1或2所述的催化蒸餾塔反應(yīng)段結(jié)構(gòu)，其中，其中每兩個(gè)催化劑盤之間設(shè)置1-5層分離塔盤。
6、如權(quán)利要求5所述的催化蒸餾塔反應(yīng)段結(jié)構(gòu)，其中，反應(yīng)段上部每兩個(gè)催化劑盤之間設(shè)置l-2層分離塔盤，反應(yīng)段下部每兩個(gè)催化劑盤之 間設(shè)置2-5層分離塔盤。
全文摘要
一種催化蒸餾塔反應(yīng)段結(jié)構(gòu)，反應(yīng)段由交替設(shè)置的催化劑盤和分離塔盤組成，催化劑盤由若干豎直隔板分隔成降液區(qū)、催化劑裝填區(qū)和汽相通道；催化劑裝填區(qū)由位于底部的水平擋板、底部水平擋板上面的水平支撐板、若干豎直隔板及部分塔壁之間的半封閉空間構(gòu)成；部分豎直隔板和相近的塔壁之間構(gòu)成兩個(gè)降液區(qū)，另外的部分豎直隔板和相近的塔壁之間或豎直隔板之間構(gòu)成汽相通道。催化劑裝填在豎直隔板、部分塔壁和支撐板圍成的半封閉空間中，底部擋板和支撐板之間的空間通過降液區(qū)與催化劑床層上面的分離塔盤相通，并通過支撐板上的開孔或縫隙與催化劑床層相通。
文檔編號(hào)B01D3/18GK101391150SQ20081011997
公開日2009年3月25日 申請(qǐng)日期2008年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月20日
發(fā)明者劉中民, 孫新德, 安麗華, 朱書魁, 磊 許, 賈金明, 陳曙光 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所