專利名稱：一種催化反應蒸餾設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種催化反應蒸餾設備，特別是適合于在反應物料泡點溫度下進行的液固催化反應的催化反應蒸餾設備。
傳統(tǒng)的固體催化劑催化的化工生產(chǎn)過程，液相反應物料在反應器中固體催化劑的作用下進行催化反應，反應后的物料進入下游設備，進行產(chǎn)品分離，例如反應產(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、設備投資大、操作費用高，而且常常因為化學平衡的限制或聯(lián)串反應等，限制了反應產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化率和目標產(chǎn)物的收率。
為了克服傳統(tǒng)的化工生產(chǎn)過程的不足，產(chǎn)生了將反應器與分離裝置結(jié)合在一個設備中同時進行的反應蒸餾技術。由于反應與產(chǎn)品分離在一個設備中同時進行，生產(chǎn)的產(chǎn)品不斷移出反應區(qū)，破壞反應的平衡，提高反應物的轉(zhuǎn)化率；而且反應是在反應物的泡點溫度下進行，反應熱由反應物料汽化吸收，不僅控制了反應溫度，而且反應熱用于產(chǎn)品的分離。反應蒸餾技術具有縮短工藝流程，減少設備投資，降低操作費用的優(yōu)點。最初的反應蒸餾技術僅用于均相反應蒸餾過程，隨后又開發(fā)成功了非均相反應蒸餾技術一催化蒸餾技術，使反應蒸餾技術的適用范圍更廣。但是，催化蒸餾技術的關鍵是催化蒸餾塔中催化劑的裝填結(jié)構，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段，而且能滿足反應和產(chǎn)品分離的要求。
文獻報道了多種催化劑裝填結(jié)構，如USP3,434,534是把催化劑裝在反應段分餾塔盤的降液管中，USP4,471,154披露的結(jié)構是將催化劑裝在一定形狀的袋子中，然后置于反應段的塔盤上；USP4,215,011發(fā)明的催化劑裝填方法，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段。
本發(fā)明的目的是提供一種催化反應蒸餾設備，液相物料徑向穿過催化劑床層，并在催化劑的作用下進行催化反應。
本發(fā)明的催化蒸餾塔包括精餾段、反應段和提餾段，反應段由重疊設置的催化劑床層和床層間分離塔盤組成，催化劑床層中設有通道，可使塔內(nèi)汽、液相物料對流穿過催化劑床層。塔內(nèi)向下流動的液相物料與塔內(nèi)向上流動的汽相物料在反應段催化劑床層間的塔盤上進行熱、質(zhì)傳遞，熱、質(zhì)傳遞后的液相物料徑向流過催化劑床層，并在催化劑的作用下進行催化反應。而汽相物料經(jīng)通道穿過催化劑床層流到其上部的床層間塔盤上。如此交替進行產(chǎn)品分離和催化反應，直至達到要求的轉(zhuǎn)化率為止。由于產(chǎn)物不斷移出反應區(qū)，破壞反應的平衡，提高了反應物的轉(zhuǎn)化率；同時，反應在反應物料泡點下進行，反應熱由反應物料汽化吸收，反應熱用于產(chǎn)品分離，節(jié)省了能耗。
附

圖1～附圖3為本發(fā)明催化反應蒸餾設備示意圖下面結(jié)合附圖1，對本發(fā)明的催化反應蒸餾設備做詳細說明。
催化反應蒸餾設備(1)分為三部分上部的精餾段、下部的提餾段和中部的反應段。上部的精餾段至少設有一塊分離塔盤(2)，或至少相當于一塊分離塔盤的分離能力的一段填料。下部的提餾段至少設有一塊分離塔盤(11)，或至少相當于一塊分離塔盤的分離能力的一段填料。中部反應段的特征包括至少兩個重疊設置的催化劑床層(6，16)和床層間至少一塊分離塔盤(3)。催化劑床層隔板(5)和塔體構成的弓形區(qū)域為該床層上部的分離塔盤(3)的降液管(4)，催化劑床層(16)(或反應段的其他床層)中由隔板(5)、催化劑的支撐板(9)、擋板(8)及催化劑攔柵(7)構成催化劑裝填區(qū)，催化劑既可直接散裝在催化劑裝填區(qū)內(nèi)，也可包裹成一定的形狀做成構件放入裝填區(qū)。催化劑床層中設有通道(10)，以使塔內(nèi)的汽、液相物料對流繞過催化劑床層。隔板(5)為一開孔板或網(wǎng)狀材料(但以催化劑裝填區(qū)的上表面為界，隔板的上部沒有開孔或縫隙，下部開孔或開有縫隙也可以是網(wǎng)狀材料)，開孔率或縫隙率一般為5％～80％(以整個隔板的面積計)，以使來自塔盤(3)的液相物料經(jīng)降液管(4)徑向流至床層(16)的催化劑裝填區(qū)，為了調(diào)節(jié)液流與催化劑的接觸狀況，開孔區(qū)域的上部和下部的開孔率可以不同。催化劑支撐板(9)為一平板，主要目的是支撐裝填區(qū)的催化劑和流經(jīng)裝填區(qū)的液相物料。擋板(8)為一開孔板，孔的大小允許液體流過，而不允許催化劑漏出擋板的開孔率或縫隙率一般為5％80％(面積)，或者將孔隙設計的較大，在擋板(8)的內(nèi)側(cè)增設催化劑攔網(wǎng)，攔網(wǎng)允許液體流過，而不允許催化劑漏出。攔柵(7)為一開孔板或為金屬絲網(wǎng)，以限制催化劑在裝填區(qū)內(nèi)，需要時也可以去掉催化劑攔柵。
含有反應物的物料經(jīng)管線(20)進入反應段相鄰催化劑床層間的塔盤上。來自于精餾段的液相物料經(jīng)降液管流到反應段最上的催化劑床層(6)中，徑向流動穿過催化劑床層，并在催化劑的作用下進行催化反應。反應后的液相物料流到其下部的分離塔盤(3)上，并與汽相物料在塔盤(3)上進行熱、質(zhì)傳遞，熱、質(zhì)傳遞后的液相物料經(jīng)降液管(4)流到催化劑床層(16)中，徑向流過催化劑床層(16)，并在催化劑的作用下進行反應；反應后的物料經(jīng)通道(10)流到其下部的分離塔盤上。熱、質(zhì)傳遞后的汽相物料經(jīng)設在催化劑床層(6)的通道穿過催化劑床層，并流到該催化劑床層上部的分離塔盤。如此交替進行反應、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(12)、冷凝器(13)冷凝后，一部分經(jīng)管線(14)回流至塔頂，另一部分作為輕質(zhì)產(chǎn)品經(jīng)管線(15)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(21)放出，其中一部分經(jīng)再沸器(22)汽化后的汽相經(jīng)管線(23)返回塔底，另一部分作為重質(zhì)產(chǎn)品經(jīng)管線(24)出裝置。
下面結(jié)合附圖2，對本發(fā)明的催化反應蒸餾設備做詳細說明。
催化反應蒸餾設備(1)分為三部分上部的精餾段、下部的提餾段和中部的反應段。上部的精餾段至少設有一塊分離塔盤(2)，或至少相當于一塊分離塔盤的分離能力的一段填料。下部的提餾段至少設有一塊分離塔盤(11)，或至少相當于一塊分離塔盤的分離能力的一段填料。中部反應段的特征包括至少兩個重疊設置的催化劑床層(6，16)和床層間至少一塊分離塔盤(3)。催化劑床層(6)包括至少兩個催化劑裝填區(qū)(6a，6b)、至少一個降液管(4)、至少兩個通道(10a，1ob)和催化劑支撐板(9)及攔柵(7a，7b)。隔板(5a)、擋板(8a)、攔柵(7a)和支撐板(9)構成催化劑裝填區(qū)(6a)，而隔板(5b)、擋板(8b)、攔柵(7b)和支撐板(9)構成催化劑裝填區(qū)(6b)，需要時也可以去掉催化劑攔柵。擋板(8a)和塔體構成的弓形為通道(10a)，擋板(8b)和塔體構成的弓形為通道(10b)，以使塔內(nèi)的汽、液相物料對流繞過催化劑床層。隔板(5a，5b)在催化劑裝填區(qū)的上表面以下為一開孔板或網(wǎng)狀材料，擋板(8a，8b)為一開孔板或網(wǎng)狀材料，開孔的尺寸允許液體流過而不允許催化劑漏出，并能使液相物料均勻地流過催化劑床層。隔板、擋板的開孔率或縫隙率一般為5％80％(面積)。如果開孔較大，可以在催化劑裝填區(qū)的內(nèi)側(cè)增設催化劑攔網(wǎng)，以便保證催化劑不漏出。催化劑支撐板(9)為一平板，主要目的是支撐裝填區(qū)的催化劑和流經(jīng)裝填區(qū)的液相物料。
含有反應物的物料經(jīng)管線(20)進入反應段相鄰催化劑床層間的塔盤上。來自于精餾段的液相物料經(jīng)降液管(4)流到反應段最上的催化劑床層(6a，6b)中，徑向流動穿過催化劑床層，并在催化劑的作用下進行催化反應。反應后的液相物料流到其下部的分離塔盤(3)上，并與汽相物料在塔盤(3)上進行熱、質(zhì)傳遞，熱、質(zhì)傳遞后的液相物料經(jīng)降液管流到催化劑床層(16a，16b)中，徑向流過催化劑床層，并在催化劑的作用下進行反應；熱、質(zhì)傳遞后的汽相物料經(jīng)設在催化劑床層的通道(10a，10b)穿過催化劑床層，并流到該催化劑床層上部的分離塔盤。如此交替進行反應、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(12)、冷凝器(13)冷凝后，一部分經(jīng)管線(14)回流至塔頂，另一部分作為輕質(zhì)產(chǎn)品經(jīng)管線(15)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(21)放出，其中一部分經(jīng)再沸器(22)汽化后的汽相經(jīng)管線(23)返回塔底，另一部分作為重質(zhì)產(chǎn)品經(jīng)管線(24)出裝置。
下面結(jié)合附圖3，對本發(fā)明的催化反應蒸餾設備做詳細說明。
催化反應蒸餾設備(1)分為三部分上部的精餾段、下部的提餾段和中部的反應段。上部的精餾段至少設有一塊分離塔盤(2)，或至少相當于一塊分離塔盤的分離能力的一段填料。下部的提餾段至少設有一塊分離塔盤(11)，或至少相當于一塊分離塔盤的分離能力的一段填料。中部反應段的特征包括至少兩個重疊設置的催化劑床層(6，16)和床層間至少一塊分離塔盤(3)。催化劑床層(6)包括至少兩個催化劑裝填區(qū)(6a，6b)、至少兩個降液管(4a，4b)、至少一個通道(10)和至少兩塊催化劑支撐板(9a，9b)及攔柵(7a，7b)。隔板(5a)、擋板(8a)和支撐板(9a)及攔柵(7a)構成催化劑裝填區(qū)(6a)，而隔板(5b)、擋板(8b)和支撐板(9b)及攔柵(7 b)構成催化劑裝填區(qū)(6b)，需要時也可以去掉催化劑攔柵。隔板(5a)和塔體構成的弓形為降液管(4a)，而隔板(5b)和塔體構成的弓形為降液管(4b)，以使塔內(nèi)的汽、液相物料對流繞過催化劑床層。隔板(5a，5b)在催化劑裝填區(qū)的上表面以下為一開孔板或網(wǎng)狀材料，擋板(8a，8b)為一開孔板或網(wǎng)狀材料，開孔的尺寸允許液體流過而不允許催化劑漏出，并能使液相物料均勻地流過催化劑床層。隔板、擋板的開孔率或縫隙率一般為5％～80％(面積)。如果開孔較大，可以在催化劑裝填區(qū)的內(nèi)側(cè)增設催化劑攔網(wǎng)，以便保證催化劑不漏出。催化劑支撐板(9a，9b)為一平板，主要目的是支撐裝填區(qū)的催化劑和流經(jīng)裝填區(qū)的液相物料。
含有反應物的物料經(jīng)管線(20)進入反應段相鄰催化劑床層間的塔盤上。來自于精餾段的液相物料經(jīng)降液管(4a，4b)流到反應段最上的催化劑床層(6a，6b)中，徑向流動穿過催化劑床層，并在催化劑的作用下進行催化反應。反應后的液相物料流到其下部的分離塔盤(3)上，并與汽相物料在塔盤(3)上進行熱、質(zhì)傳遞，熱、質(zhì)傳遞后的液相物料經(jīng)降液管流到催化劑床層(16a，16b)中，徑向流過催化劑床層，并在催化劑的作用下進行反應；熱、質(zhì)傳遞后的汽相物料經(jīng)設在催化劑床層的通道(10)穿過催化劑床層，并流到該催化劑床層上部的分離塔盤。如此交替進行反應、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(12)、冷凝器(13)冷凝后，一部分經(jīng)管線(14)回流至塔頂，另一部分作為輕質(zhì)產(chǎn)品經(jīng)管線(15)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(21)放出，其中一部分經(jīng)再沸器(22)汽化后的汽相經(jīng)管線(23)返回塔底，另一部分作為重質(zhì)產(chǎn)品經(jīng)管線(24)出裝置。
反應物料在催化蒸餾塔中同時進行反應與產(chǎn)品分離，特別對于平衡反應，由于產(chǎn)品被不斷移出反應區(qū)，破壞反應平衡，能使反應進行到完全，為了使反應達到要求，催化蒸餾塔的反應段的催化劑床層數(shù)多、催化劑裝填量大。但是，催化蒸餾技術關鍵是催化劑的裝填型式，無論開發(fā)的催化蒸餾技術的催化劑裝填結(jié)構怎樣簡單，與一般固定床反應器比結(jié)構復雜的多。因此，為了降低催化蒸餾塔的催化劑裝填量，在催化蒸餾塔前設一預反應器，該預反應器可以采用列管固定床反應器、絕熱外循環(huán)反應器、膨脹床反應器或混相床反應器。反應物料在預反應器中達到一定轉(zhuǎn)化率后，進到催化蒸餾塔中進一步進行反應和分離，使反應物的總轉(zhuǎn)化率達到要求的值為止。
結(jié)合圖4，說明預反應器與催化蒸餾串聯(lián)的工藝流程。
預反應器與本發(fā)明的催化蒸餾塔串聯(lián)的工藝流程中包括預反應器(33)和催化蒸餾塔(1)，預反應器(33)可采用混相反應器，催化蒸餾塔(1)為本發(fā)明的催化蒸餾塔的裝填結(jié)構。兩種反應物料(31，32)混合，并預熱到能引發(fā)反應的溫度后，進到預反應器中，在預反應器中的催化劑作用下進行反應，反應熱使反應物物料的溫度逐漸升高，當溫度升高到操作壓力下反應物料的泡點溫度時，反應熱由部分物料汽化吸收，而使反應溫度穩(wěn)定。當反應物達到一定的轉(zhuǎn)化率時，流出預反應器，經(jīng)管線(20)進到催化蒸餾塔中。進到催化蒸餾塔中的反應物料進一步進行反應和產(chǎn)品分離，未反應的輕質(zhì)物流經(jīng)精餾段分離后從塔頂經(jīng)管線(12)、冷凝器(13)冷凝后，一部分經(jīng)管線(14)回流至塔頂，另一部分作為輕質(zhì)產(chǎn)品經(jīng)管線(15)出裝置。生成的重質(zhì)產(chǎn)品經(jīng)提餾段分離后從塔底經(jīng)管線(21)放出，其中一部分經(jīng)再沸器(22)汽化后經(jīng)管線(23)返回塔底，另一部分作為重質(zhì)產(chǎn)品經(jīng)管線(24)出裝置。
本發(fā)明的催化蒸餾設備適合于C4～C8的叔烯烴與C1～C4的脂肪醇反應合成相應的醚類產(chǎn)品，也適合于C2～C8烴類餾份選擇加氫脫除雙烯烴與炔烴、醇與酸的酯化反應、皂化反應、烯烴水合反應以及其他類似的反應。
本發(fā)明的催化蒸餾設備，由于可以使液相物流徑向流動通過催化劑床層，減小了流動阻力，可以增加催化劑裝填區(qū)中催化劑的裝填高度，并可通過調(diào)節(jié)降液管的開孔率，增加每單位高度催化劑裝填區(qū)中流過的液體量，增加了反應效率。
下面通過實施例對本發(fā)明做進一步說明實施例1將本發(fā)明附圖1所示的催化蒸餾塔用于混合碳四中的異丁烯與甲醇反應生產(chǎn)甲基叔丁基醚(MTBE)時，異丁烯的轉(zhuǎn)化率達99.6％，未反應碳四可用于生產(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催化蒸餾塔塔釜溫度，℃，139空速，h-1，1.8催化蒸餾塔反應段床層數(shù)，層，18催化蒸餾塔塔頂出料中未反應碳四中的異丁烯，％(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)明附圖2所示的催化蒸餾塔用于以混合碳五中叔戊烯與甲醇反應合成甲基叔戊基醚(TAME)時，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催化蒸餾塔塔釜溫度，℃，137空速，h-1，2.2
催化蒸餾塔反應段床層數(shù)，層，12催化蒸餾塔塔頂出料中未反應碳五中的叔戊烯，％(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％實施例3將本發(fā)明附圖4所示的預反應器與催化蒸餾塔串聯(lián)的設備用于混合碳四中的異丁烯與甲醇反應生產(chǎn)甲基叔丁基醚(MTBE)時，異丁烯的轉(zhuǎn)化率達99.8％，未反應碳四可用于生產(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預反應器的操作壓力，MPa，0.9預反應器的出口溫度，℃，69.3預反應器中異丁烯的轉(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催化蒸餾塔塔釜溫度，℃，139空速，h-1，3.4催化蒸餾塔反應段床層數(shù)，層，8催化蒸餾塔塔頂流出物未反應碳四中的異丁烯，％(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％
權利要求
1.一種催化反應蒸餾設備，包括精餾段、反應段和提餾段，反應段由重疊的催化劑床層和分離塔盤組成，其特征是催化劑床層由降液管、催化劑裝填區(qū)和汽液相通道組成，催化劑裝填區(qū)由下部的支撐板(9、9a或9b)、以及周邊的隔板(5、5a或5b)和檔板(8、8a或8b)構成，其中隔板與隔板之間或隔板與塔體之間構成降液管，檔板與檔板之間或檔板與塔體之間構成汽液相通道，隔板和檔板上至少有一部分區(qū)域是開孔或開有縫隙的，使液相反應物料徑向流過催化劑床層，并在催化劑的作用下進行催化反應。
2.按照權利要求1所述設備，其中催化劑裝填區(qū)的上表面有攔柵(7、7a或7b)。
3.按照權利要求1或2所述設備，其中隔板在催化劑裝填區(qū)上表面以下的區(qū)域是開孔或開有縫隙的，也可以是網(wǎng)狀材料，其開孔率或縫隙率以隔板面積計為5％～80％。
4.按照權利要求1或2所述設備，其中催化劑床層的擋板是開孔率或縫隙率以面積計為5％～80％的板或網(wǎng)狀材料。
5.按照權力要求1或2所述設備，其中催化劑床層的支撐板為不開任何尺寸孔的板，并與塔體密封。
6.按照權利要求1或2所述設備，其特征在于催化劑直接裝填在所述的催化劑裝填區(qū)內(nèi)。
7.按照權力要求1或2所述設備，其中催化劑床層內(nèi)有一個催化劑裝填區(qū)、一個降液管和一個汽液相通道。
8.按照權力要求1或2所述設備，其中催化劑床層內(nèi)有至少兩個催化劑裝填區(qū)、一個降液管和至少兩個汽液相通道。
9.按照權力要求1或2所述設備，其中催化劑床層內(nèi)有至少兩個催化劑裝填區(qū)、至少兩個降液管和一個汽液相通道。
10.按照權利要求1或2所述設備，其中催化蒸餾塔的反應段的催化劑床層數(shù)為2～20個。
11.按照權力要求1或2所述設備，其中反應段中兩個相鄰的催化劑床層間至少設一塊分離塔盤。
12.按照權力要求1或2所述設備，其特征在于所述的設備與固定床預反應器串聯(lián)使用。
13.權利要求1所述設備的用途，包括C4～C8的叔烯烴與C1～C4脂肪醇的醚化反應、C2～C8烴類餾份選擇加氫脫除雙烯烴和炔烴、醇與酸的酯化反應、烯烴水合反應、皂化反應以及其他類似的汽固相反應。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種催化反應蒸餾設備,包括:精餾段、反應段和提餾段。反應段由重疊的催化劑床層和分離塔盤組成,催化劑床層由降液管、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(7、7a或7b)、下部的支撐板(9、9a或9b)、以及周邊的隔板(5、5a或5b)和檔板(8、8a或8b)構成,其中隔板與隔板之間或隔板與塔體之間構成降液管,檔板與檔板之間或檔板與塔體之間構成汽液相通道,隔板和檔板上至少有一部分區(qū)域是開孔或開有縫隙的,使液相反應物料徑向流過催化劑床層,并在催化劑的作用下進行催化反應,增加了反應效率。
文檔編號B01J8/04GK1345617SQ0012390
公開日2002年4月24日 申請日期2000年9月22日 優(yōu)先權日2000年9月22日
發(fā)明者郝興仁, 楊宗仁, 高步良, 王偉, 呂愛梅 申請人:中國石化集團齊魯石油化工公司