專利名稱：一種用于叔丁醇催化精餾脫水的催化劑填裝結(jié)構(gòu)及工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種催化精餾的催化劑填裝結(jié)構(gòu)及工藝，具體涉及叔丁醇催化精餾脫水制異丁烯的催化劑填裝結(jié)構(gòu)及工藝。
背景技術(shù)：
叔丁醇脫水反應(yīng)是強(qiáng)吸熱反應(yīng)，該方法副反應(yīng)少，產(chǎn)品質(zhì)量高，投資省，是獲取高純度異丁烯的重要途徑。叔丁醇脫水制異丁烯的專利很多，US3665048采用固定床工藝，氧化鋁為催化劑，反應(yīng)在汽相中進(jìn)行，CN200710049954. 1采用間歇釜式反應(yīng)器生產(chǎn)異丁烯， CN1609082A介紹了一種由叔丁醇制備異丁烯的方法，采用固定床反應(yīng)器，反應(yīng)在液相中進(jìn)行。US4208540介紹了由混合碳四水合生成叔丁醇，叔丁醇脫水生產(chǎn)異丁烯的方法，叔丁醇脫水采用釜式反應(yīng)器或流化床反應(yīng)器。采用汽相工藝進(jìn)行叔丁醇脫水反應(yīng)，反應(yīng)溫度在 2200C以上，能耗很高，且叔丁醇選擇性不好。采用固定床、釜式反應(yīng)器等的叔丁醇液相脫水反應(yīng)，叔丁醇的一次轉(zhuǎn)化率非常低，由于反應(yīng)受熱力學(xué)平衡控制，且存在液-液平衡，叔丁醇-水-異丁烯體系容易分成富含叔丁醇的有機(jī)相和低叔丁醇的水相，會(huì)導(dǎo)致傳質(zhì)效果進(jìn)一步下降。US5849971采用催化精餾工藝生產(chǎn)異丁烯，克服了反應(yīng)的熱力學(xué)平衡控制，叔丁醇轉(zhuǎn)化率大幅提高，該專利的另一特點(diǎn)是塔頂采用分凝器，汽相采出異丁烯產(chǎn)品，因此對塔內(nèi)的液相分層現(xiàn)象也有抑制，有利于反應(yīng)的進(jìn)行。該專利對催化劑的填裝結(jié)構(gòu)沒有提及，但是由于采用異丁烯的汽相采出方式，汽相產(chǎn)物在后續(xù)的處理過程中需要深冷冷凝或者需要一臺(tái)壓縮機(jī)加壓后用水冷凝，投資和能耗非常大。催化精餾的催化劑目前主要有兩大裝填結(jié)構(gòu)，一類是擬填料式裝填結(jié)構(gòu)，一類是擬固定床式填裝結(jié)構(gòu)。擬填料式填裝結(jié)構(gòu)的典型代表是⑶Tech公司的專利US4302356，催化劑捆扎包結(jié)構(gòu)將催化劑顆粒裝入玻璃纖維制成的小袋中，袋口封住，用具有一定空間的不銹鋼波紋絲網(wǎng)覆蓋，再卷成螺旋狀。在安裝時(shí)相鄰兩層催化劑結(jié)構(gòu)的波紋絲網(wǎng)走向錯(cuò)開。這種填裝結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是塔內(nèi)床層空隙率大，壓降小，有利于精餾過程；缺點(diǎn)是催化劑裝填量少，催化劑利用率較低，不能充分利用催化劑的表面積。擬固定床填裝結(jié)構(gòu)又可分為把催化劑放在塔板上和降液管中兩種。催化劑放在塔板上的代表是專利EP0461855，提出了一種復(fù)合塔板填裝結(jié)構(gòu)，特點(diǎn)是催化精餾段分割為若干個(gè)催化反應(yīng)區(qū)和分餾區(qū)，且交錯(cuò)排列，在催化反應(yīng)區(qū)，催化劑粒子散裝在塔板上，裝催化劑的塔板中央留有氣相通道。缺點(diǎn)是氣相與催化劑直接接觸，導(dǎo)致塔板壓降大，催化精餾塔
處理量小。US5454913對催化劑放入降液管中的填裝模式進(jìn)行改進(jìn)，降液管的底端不再封死， 而是用與降液管同樣材料做的連接管接起來，并通過裝卸口引出塔外，這樣催化劑裝卸方便。US5308451將整塊塔板設(shè)計(jì)成氣液傳質(zhì)區(qū)和降液管區(qū)，降液管為長槽型，槽底部開孔并鋪上絲網(wǎng)后裝填催化劑，槽口覆以絲網(wǎng)防止催化劑流失。CN2314840Y也屬于降液管式填裝結(jié)構(gòu)。催化劑填裝在降液管中，優(yōu)點(diǎn)是催化劑的填裝量大，裝卸方便，有利于反應(yīng)進(jìn)行，氣相不與催化劑接觸，有利于保護(hù)催化劑和降低壓降，但缺點(diǎn)是液體在降液管中與催化劑接觸進(jìn)行催化反應(yīng)，從降液管出來的液體進(jìn)入塔板，并在塔板上進(jìn)行傳質(zhì)分離，催化劑只對反應(yīng)有利，而對傳質(zhì)分離基本沒有起到作用。目前幾乎所有的催化精餾裝置中從精餾段下來的液體都是從催化劑的上方進(jìn)入催化劑，通過重力作用流經(jīng)催化劑，這樣就使得液相在催化劑上的停留時(shí)間較短，不利于反應(yīng)的進(jìn)行，因此需要裝填大量的催化劑，裝卸不便，投資較大。文獻(xiàn)US5776320將液體引入催化劑的底部，然后從下自上穿過催化劑層，該文獻(xiàn)認(rèn)為這種做法的好處是對于放熱反應(yīng)來說，液體向上流經(jīng)催化劑層有利于反應(yīng)熱生成的氣相溢出，但是由于叔丁醇脫水反應(yīng)是強(qiáng)吸熱反應(yīng)，而且隨著叔丁醇的不斷轉(zhuǎn)化，水的生成， 就會(huì)出現(xiàn)分層現(xiàn)象，形成富含叔丁醇的有機(jī)相和低叔丁醇的水相，密度大的水相會(huì)逐漸占據(jù)整個(gè)反應(yīng)器，由于催化劑對水的吸附作用更強(qiáng)，大量水的存在會(huì)讓反應(yīng)停止。另外由于叔丁醇脫水是強(qiáng)吸熱反應(yīng)，反應(yīng)熱也不能及時(shí)的補(bǔ)充。因此，該專利公開的催化劑填裝結(jié)構(gòu)不適合叔丁醇脫水反應(yīng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于叔丁醇催化精餾脫水制異丁烯的催化劑填裝結(jié)構(gòu)及利用該催化劑填裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行的叔丁醇脫水制異丁烯的工藝，采用本發(fā)明所述催化劑填裝結(jié)構(gòu)及工藝，能夠有效地避免在塔內(nèi)形成液-液分層現(xiàn)象，增大液體在催化劑上的停留時(shí)間，反應(yīng)需要的熱能夠及時(shí)供給，促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行，提高叔丁醇轉(zhuǎn)化率，同時(shí)由于液相采出異丁烯產(chǎn)品，能夠有效降低能耗。一種用于叔丁醇催化精餾脫水制異丁烯的催化劑填裝結(jié)構(gòu)，所述的催化劑填裝結(jié)構(gòu)置于催化精餾塔的反應(yīng)段筒體中，該催化劑填裝結(jié)構(gòu)包括蒸汽擋板、液體分布器、垂直均勻地置于反應(yīng)段筒體內(nèi)的多個(gè)反應(yīng)器，這些組件構(gòu)成一層催化劑層，反應(yīng)器下部和上部裝有不銹鋼絲網(wǎng)，催化劑散裝填在反應(yīng)器的兩層不銹鋼絲網(wǎng)中，蒸汽擋板搭在塔內(nèi)壁焊接的支架上，反應(yīng)器固定在蒸汽擋板上，液體分布器由反應(yīng)器頂端延伸至反應(yīng)器底部通過與反應(yīng)器數(shù)目相同的通道與各反應(yīng)器底部連通，其特征在于所述的反應(yīng)器下部側(cè)壁處開有小孔。所述的反應(yīng)器為圓柱形，頂端敞開，底端為一篩板，篩板開孔率為10% 80%。反應(yīng)器直徑為催化精餾塔反應(yīng)段塔徑的0. 05 0. 3倍。每組催化劑層的反應(yīng)器數(shù)目為2 50個(gè)。反應(yīng)器下部和上部的不銹鋼絲網(wǎng)為10 100目。所述的蒸汽擋板為可拆卸結(jié)構(gòu)，與塔壁接觸的兩端的形狀與塔內(nèi)壁弧線吻合并密封連接，與反應(yīng)器接觸的部位與反應(yīng)器外徑相吻合并密封連接。上下兩層蒸汽擋板的位置相互錯(cuò)開，使蒸汽按照折流形式向上流動(dòng)。相鄰的兩塊蒸汽擋板的距離為反應(yīng)器高度的0. 1 0. 3倍，每層催化劑層之間的距離為反應(yīng)器高度的0. 2 1. 0倍。反應(yīng)器的上下部不銹鋼絲網(wǎng)的距離為反應(yīng)器高度的 0. 3 0. 8 倍。所述的反應(yīng)器下部側(cè)壁處的小孔，位于反應(yīng)器下部不銹鋼絲網(wǎng)的下方，小孔中心距反應(yīng)器底端的距離為整個(gè)反應(yīng)器高度的0. 02 0. 2倍，所述的小孔直徑為反應(yīng)器直徑的 0. 02 0. 1倍。開孔處罩有絲網(wǎng)，以防破碎的催化劑將孔堵住。小孔的作用是便于及時(shí)將生成的低叔丁醇的水相移出，保證與催化劑接觸的是富含叔丁醇的有機(jī)相。為了增強(qiáng)傳質(zhì)效果，可在蒸汽擋板及反應(yīng)器間放置填料。一種利用本發(fā)明所述催化劑填裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行叔丁醇催化精餾脫水制異丁烯的工藝， 包括，液相首先由反應(yīng)段上部進(jìn)入，經(jīng)由液體分布器進(jìn)入反應(yīng)器底部，自反應(yīng)器底部自下而上穿過催化劑進(jìn)行反應(yīng)，然后從反應(yīng)器頂端溢出，一部分生成的低濃度叔丁醇的水相從反應(yīng)器下部側(cè)壁處的小孔流出，汽相通過液體收集器經(jīng)蒸汽擋板重新分布，沿軸向向上和徑向流動(dòng)，與反應(yīng)器外壁強(qiáng)化傳熱，將反應(yīng)熱及時(shí)供給，保證反應(yīng)的快速進(jìn)行，同時(shí)汽液在反應(yīng)器外部和蒸汽擋板之間進(jìn)行傳質(zhì)，向下流動(dòng)的液體由液體收集器收集后加入下一個(gè)催化劑層或者進(jìn)入提留段。本發(fā)明所述的叔丁醇催化精餾脫水制異丁烯的工藝采用加壓操作，壓力為 0. 2MPa 0. 5MPa，塔頂冷凝器為全凝器，液相采出異丁烯產(chǎn)品。當(dāng)需要填裝較多的催化劑時(shí)，可以垂直加設(shè)一組或多組催化劑層，從上層催化劑層流下的液相由液體收集器收集后再由下層液體分布器送入下層反應(yīng)器底部。本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)采用催化精餾工藝，叔丁醇的一次轉(zhuǎn)化率高。應(yīng)用本發(fā)明所述的催化劑填裝結(jié)構(gòu)， 液體從催化劑底部進(jìn)入，反應(yīng)器下部側(cè)壁處開有小孔，催化劑可以被富含叔丁醇的有機(jī)相完全潤濕，反應(yīng)物停留時(shí)間延長，有利于催化反應(yīng)的進(jìn)行，可以減少催化劑的填裝量；同時(shí)可以減輕催化劑之間由于重力作用造成的擠壓；氣相不與催化劑接觸，可以減少對催化劑的損壞，降低催化精餾塔的塔壓降；反應(yīng)段設(shè)置蒸汽擋板，可以強(qiáng)化傳熱效果，由于叔丁醇脫水是強(qiáng)吸熱反應(yīng)，反應(yīng)熱可以及時(shí)供給。


圖1為本發(fā)明催化精餾塔的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明催化劑填裝結(jié)構(gòu)的一種結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明催化劑填裝結(jié)構(gòu)的操作示意圖。圖4為本發(fā)明催化劑填裝結(jié)構(gòu)的另一種結(jié)構(gòu)示意圖。圖5、圖6為實(shí)施例的蒸汽擋板排布圖。圖1 6中a_精餾段，b_反應(yīng)段，c_提餾段，d_塔頂冷卻回流和輕組分出料系統(tǒng)，e-塔釜再沸器和重組分出料系統(tǒng)，1-催化精餾塔反應(yīng)段筒體，2-液體進(jìn)料管線，3-不銹鋼絲網(wǎng)，4-反應(yīng)器，5-催化劑層，6-蒸汽擋板，7-反應(yīng)器下部小孔，8-液體分布器，9-液體收集器，10-汽相
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖，詳細(xì)介紹本發(fā)明的內(nèi)容。圖2為本發(fā)明的催化精餾塔中反應(yīng)段b的催化劑填裝結(jié)構(gòu)一種具體實(shí)施方式
。它由若干個(gè)反應(yīng)器4垂直、均勻的置于不同的蒸汽擋板6上，反應(yīng)器4的上部和下部裝有不銹鋼絲網(wǎng)3，催化劑散裝填在兩層不銹鋼絲網(wǎng)中。液體分布器8由反應(yīng)器頂端延伸至反應(yīng)器4 底部通過與反應(yīng)器數(shù)目相同的通道與各反應(yīng)器底部連通，蒸汽擋板6搭在塔內(nèi)壁焊接的支架上，上下兩層蒸汽擋板的位置相互錯(cuò)開，使蒸汽按照雙折流形式向上流動(dòng)。在反應(yīng)器的下
6部側(cè)壁處開有小孔7，位置在反應(yīng)器下部不銹鋼絲網(wǎng)的下方。 圖3和圖4為本發(fā)明的催化劑填裝組件的操作示意圖。從精餾段a下來的液體經(jīng)液體進(jìn)料管線2通過液體分布器8從反應(yīng)器底部進(jìn)入，自下往上流動(dòng)充滿整個(gè)反應(yīng)器，催化劑被液體托起處于懸浮狀態(tài)，反應(yīng)后的溶液由頂端溢出，一部分生成的低濃度叔丁醇的水相由反應(yīng)器下部小孔7流出；上升汽相10通過液體收集器9經(jīng)蒸汽擋板6重新分布，沿軸向向上和徑向流動(dòng)，與反應(yīng)器外壁強(qiáng)化傳熱，將反應(yīng)熱及時(shí)供給，保證反應(yīng)的快速進(jìn)行；同時(shí)汽液在反應(yīng)器外部和蒸汽擋板之間進(jìn)行傳質(zhì)。向下流動(dòng)的液體由液體收集器9收集后加入下一個(gè)催化劑層或者進(jìn)入提留段C。
實(shí)施例本實(shí)施例的叔丁醇催化精餾脫水制異丁烯的過程在包含如圖2所示的催化劑填裝結(jié)構(gòu)的催化精餾塔內(nèi)進(jìn)行。催化精餾塔內(nèi)徑為200mm，塔的精餾段填裝1500mm的規(guī)整填料，塔的提留段填裝1500mm的規(guī)整填料，反應(yīng)器內(nèi)填裝大孔強(qiáng)酸性陽離子樹脂作為催化劑。所采用的催化劑填裝結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)參數(shù)見表1。反應(yīng)器及蒸汽擋板排布圖見圖5和圖6。 流量為10kg/h的含水15%的叔丁醇原料從進(jìn)料口導(dǎo)入進(jìn)行脫水反應(yīng)，操作壓力0. 39MPa。 叔丁醇的一次轉(zhuǎn)化率為95% 98%。表 權(quán)利要求
1.一種用于叔丁醇催化精餾脫水制異丁烯的催化劑填裝結(jié)構(gòu)，所述的催化劑填裝結(jié)構(gòu)置于催化精餾塔的反應(yīng)段筒體中，該催化劑填裝結(jié)構(gòu)包括蒸汽擋板、液體分布器、垂直均勻地置于反應(yīng)段筒體內(nèi)的多個(gè)反應(yīng)器，這些組件構(gòu)成一層催化劑層，反應(yīng)器下部和上部裝有不銹鋼絲網(wǎng)，催化劑散裝填在反應(yīng)器的兩層不銹鋼絲網(wǎng)中，蒸汽擋板搭在塔內(nèi)壁焊接的支架上，反應(yīng)器固定在蒸汽擋板上，其特征在于液體分布器由反應(yīng)器頂端延伸至反應(yīng)器底部通過與反應(yīng)器數(shù)目相同的通道與各反應(yīng)器底部連通，所述的反應(yīng)器下部側(cè)壁處開有小孔。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的催化劑填裝結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的反應(yīng)器下部側(cè)壁處的小孔位于反應(yīng)器下部不銹鋼絲網(wǎng)的下方。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的催化劑填裝結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的反應(yīng)器下部側(cè)壁處的小孔中心距反應(yīng)器底端的距離為整個(gè)反應(yīng)器高度的0. 02 0. 2倍。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的催化劑填裝結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的反應(yīng)器下部側(cè)壁處的小孔直徑為反應(yīng)器直徑的0. 02 0. 1倍。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的催化劑填裝結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的反應(yīng)器為圓柱形，頂端敞開，底端為一篩板，篩板開孔率為10% 80%。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的催化劑填裝結(jié)構(gòu)，其特征在于反應(yīng)器直徑為催化精餾塔反應(yīng)段塔徑的0. 05 0. 3倍。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的催化劑填裝結(jié)構(gòu)，其特征在于每組催化劑層的反應(yīng)器數(shù)目為 2 50個(gè)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的催化劑填裝結(jié)構(gòu)，其特征在于反應(yīng)器下部和上部的不銹鋼絲網(wǎng)為10 100目，反應(yīng)器的上下部不銹鋼絲網(wǎng)的距離為反應(yīng)器高度的0. 3 0. 8倍。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的催化劑填裝結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的蒸汽擋板為可拆卸結(jié)構(gòu)，與塔壁接觸的兩端的形狀與塔內(nèi)壁弧線吻合并密封連接，與反應(yīng)器接觸的部位與反應(yīng)器外徑相吻合并密封連接。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或9所述的催化劑填裝結(jié)構(gòu)，其特征在于上下兩層蒸汽擋板的位置相互錯(cuò)開，使蒸汽按照折流形式向上流動(dòng)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1或9所述的催化劑填裝結(jié)構(gòu)，其特征在于相鄰的兩塊蒸汽擋板的距離為反應(yīng)器高度的0. 1 0. 3倍。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的催化劑填裝結(jié)構(gòu)，其特征在于每層催化劑層之間的距離為反應(yīng)器高度的0. 2 1. 0倍。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的催化劑填裝結(jié)構(gòu)，其特征在于在蒸汽擋板及反應(yīng)器間放置填料。
14.一種利用如權(quán)利要求1所述的催化劑填裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行叔丁醇催化精餾脫水制異丁烯的工藝，包括，液相首先由反應(yīng)段上部進(jìn)入，經(jīng)由液體分布器進(jìn)入反應(yīng)器底部，自反應(yīng)器底部自下而上穿過催化劑進(jìn)行反應(yīng)，然后從反應(yīng)器頂端溢出，一部分生成的低濃度叔丁醇的水相從下部側(cè)壁處的小孔流出，汽相通過液體收集器經(jīng)蒸汽擋板重新分布，沿軸向向上和徑向流動(dòng)，向下流動(dòng)的液體由液體收集器收集后加入下一個(gè)催化劑層或者進(jìn)入提留段。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的叔丁醇催化精餾脫水制異丁烯的工藝，其特征在于采用加壓操作，壓力為0. 2MPa 0. 5MPa，塔頂冷凝器為全凝器，液相采出異丁烯產(chǎn)品。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的叔丁醇催化精餾脫水制異丁烯的工藝，其特征在于可以垂直加設(shè)一組或多組催化劑層，從上層催化劑層流下的液相由液體收集器收集后再由下層液體分布器送入下層反應(yīng)器底部。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于叔丁醇催化精餾脫水制異丁烯的催化劑填裝結(jié)構(gòu)及工藝，該催化劑填裝結(jié)構(gòu)包括垂直均勻地置于反應(yīng)段筒體內(nèi)的多個(gè)反應(yīng)器、蒸汽擋板和液體分布器，這些組件構(gòu)成一層催化劑層，催化劑散裝填在反應(yīng)器中，蒸汽擋板搭在塔內(nèi)壁焊接的支架上，反應(yīng)器固定在蒸汽擋板上，液體分布器由反應(yīng)器頂端延伸至反應(yīng)器底部通過與反應(yīng)器數(shù)目相同的通道與各反應(yīng)器底部連通，反應(yīng)器下部側(cè)壁處開有小孔，便于及時(shí)將生成的低叔丁醇的水相移出，保證與催化劑接觸的是富含叔丁醇的有機(jī)相。采用本發(fā)明所述催化劑填裝結(jié)構(gòu)及工藝，能夠有效地避免在塔內(nèi)形成液-液分層現(xiàn)象，增大液體在催化劑上的停留時(shí)間，減少催化劑填裝量，降低裝置能耗。
文檔編號B01J8/02GK102485305SQ20101058025
公開日2012年6月6日 申請日期2010年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月3日
發(fā)明者任海鷗, 伏妍, 倪巖, 周金波, 孔祥冰, 宋邦勇, 張志喜, 李吉春, 李長明, 樊英杰, 王艷飛, 程中克, 茍文甲, 董炳利, 許江 申請人:中國石油天然氣股份有限公司