专利名称：一种催化反应蒸馏设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种催化反应蒸馏设备，特别是适合于在反应物料泡点温度下进行的液固催化反应的催化反应蒸馏设备。
传统的固体催化剂催化的化工生产过程，液相反应物料在反应器中固体催化剂的作用下进行催化反应，反应后的物料进入下游设备，进行产品分离，例如反应产物进入精馏塔中，塔顶产物或塔底产物作为最终产品或作为进一步精制的原料。这样，不仅工艺流程长、设备投资大、操作费用高，而且常常因为化学平衡的限制或联串反应等，限制了反应产物的转化率和目标产物的收率。
为了克服传统的化工生产过程的不足，产生了将反应器与分离装置结合在一个设备中同时进行的反应蒸馏技术。由于反应与产品分离在一个设备中同时进行，生产的产品不断移出反应区，破坏反应的平衡，提高反应物的转化率；而且反应是在反应物的泡点温度下进行，反应热由反应物料汽化吸收，不仅控制了反应温度，而且反应热用于产品的分离。反应蒸馏技术具有缩短工艺流程，减少设备投资，降低操作费用的优点。最初的反应蒸馏技术仅用于均相反应蒸馏过程，随后又开发成功了非均相反应蒸馏技术一催化蒸馏技术，使反应蒸馏技术的适用范围更广。但是，催化蒸馏技术的关键是催化蒸馏塔中催化剂的装填结构，不仅使塔内向上流动的汽相物料和向下流动的液相物料对流穿过反应段，而且能满足反应和产品分离的要求。
文献报道了多种催化剂装填结构，如USP3,434,534是把催化剂装在反应段分馏塔盘的降液管中，USP4,471,154披露的结构是将催化剂装在一定形状的袋子中，然后置于反应段的塔盘上；USP4,215,011发明的催化剂装填方法，是把催化剂包装在玻璃丝布特制的袋子中，并卷成捆，然后装在塔的中部反应段。
本发明的目的是提供一种催化反应蒸馏设备，液相物料径向穿过催化剂床层，并在催化剂的作用下进行催化反应。
本发明的催化蒸馏塔包括精馏段、反应段和提馏段，反应段由重叠设置的催化剂床层和床层间分离塔盘组成，催化剂床层中设有通道，可使塔内汽、液相物料对流穿过催化剂床层。塔内向下流动的液相物料与塔内向上流动的汽相物料在反应段催化剂床层间的塔盘上进行热、质传递，热、质传递后的液相物料径向流过催化剂床层，并在催化剂的作用下进行催化反应。而汽相物料经通道穿过催化剂床层流到其上部的床层间塔盘上。如此交替进行产品分离和催化反应，直至达到要求的转化率为止。由于产物不断移出反应区，破坏反应的平衡，提高了反应物的转化率；同时，反应在反应物料泡点下进行，反应热由反应物料汽化吸收，反应热用于产品分离，节省了能耗。
附
图1～附图3为本发明催化反应蒸馏设备示意图下面结合附图1，对本发明的催化反应蒸馏设备做详细说明。
催化反应蒸馏设备(1)分为三部分上部的精馏段、下部的提馏段和中部的反应段。上部的精馏段至少设有一块分离塔盘(2)，或至少相当于一块分离塔盘的分离能力的一段填料。下部的提馏段至少设有一块分离塔盘(11)，或至少相当于一块分离塔盘的分离能力的一段填料。中部反应段的特征包括至少两个重叠设置的催化剂床层(6，16)和床层间至少一块分离塔盘(3)。催化剂床层隔板(5)和塔体构成的弓形区域为该床层上部的分离塔盘(3)的降液管(4)，催化剂床层(16)(或反应段的其他床层)中由隔板(5)、催化剂的支撑板(9)、挡板(8)及催化剂拦栅(7)构成催化剂装填区，催化剂既可直接散装在催化剂装填区内，也可包裹成一定的形状做成构件放入装填区。催化剂床层中设有通道(10)，以使塔内的汽、液相物料对流绕过催化剂床层。隔板(5)为一开孔板或网状材料(但以催化剂装填区的上表面为界，隔板的上部没有开孔或缝隙，下部开孔或开有缝隙也可以是网状材料)，开孔率或缝隙率一般为5％～80％(以整个隔板的面积计)，以使来自塔盘(3)的液相物料经降液管(4)径向流至床层(16)的催化剂装填区，为了调节液流与催化剂的接触状况，开孔区域的上部和下部的开孔率可以不同。催化剂支撑板(9)为一平板，主要目的是支撑装填区的催化剂和流经装填区的液相物料。挡板(8)为一开孔板，孔的大小允许液体流过，而不允许催化剂漏出挡板的开孔率或缝隙率一般为5％80％(面积)，或者将孔隙设计的较大，在挡板(8)的内侧增设催化剂拦网，拦网允许液体流过，而不允许催化剂漏出。拦栅(7)为一开孔板或为金属丝网，以限制催化剂在装填区内，需要时也可以去掉催化剂拦栅。
含有反应物的物料经管线(20)进入反应段相邻催化剂床层间的塔盘上。来自于精馏段的液相物料经降液管流到反应段最上的催化剂床层(6)中，径向流动穿过催化剂床层，并在催化剂的作用下进行催化反应。反应后的液相物料流到其下部的分离塔盘(3)上，并与汽相物料在塔盘(3)上进行热、质传递，热、质传递后的液相物料经降液管(4)流到催化剂床层(16)中，径向流过催化剂床层(16)，并在催化剂的作用下进行反应；反应后的物料经通道(10)流到其下部的分离塔盘上。热、质传递后的汽相物料经设在催化剂床层(6)的通道穿过催化剂床层，并流到该催化剂床层上部的分离塔盘。如此交替进行反应、分离的过程，直到达到要求的转化率为止。进入精馏段的汽相物料经分离后从塔顶经管线(12)、冷凝器(13)冷凝后，一部分经管线(14)回流至塔顶，另一部分作为轻质产品经管线(15)出装置。流至提馏段的液相物料经分离后从塔底经管线(21)放出，其中一部分经再沸器(22)汽化后的汽相经管线(23)返回塔底，另一部分作为重质产品经管线(24)出装置。
下面结合附图2，对本发明的催化反应蒸馏设备做详细说明。
催化反应蒸馏设备(1)分为三部分上部的精馏段、下部的提馏段和中部的反应段。上部的精馏段至少设有一块分离塔盘(2)，或至少相当于一块分离塔盘的分离能力的一段填料。下部的提馏段至少设有一块分离塔盘(11)，或至少相当于一块分离塔盘的分离能力的一段填料。中部反应段的特征包括至少两个重叠设置的催化剂床层(6，16)和床层间至少一块分离塔盘(3)。催化剂床层(6)包括至少两个催化剂装填区(6a，6b)、至少一个降液管(4)、至少两个通道(10a，1ob)和催化剂支撑板(9)及拦栅(7a，7b)。隔板(5a)、挡板(8a)、拦栅(7a)和支撑板(9)构成催化剂装填区(6a)，而隔板(5b)、挡板(8b)、拦栅(7b)和支撑板(9)构成催化剂装填区(6b)，需要时也可以去掉催化剂拦栅。挡板(8a)和塔体构成的弓形为通道(10a)，挡板(8b)和塔体构成的弓形为通道(10b)，以使塔内的汽、液相物料对流绕过催化剂床层。隔板(5a，5b)在催化剂装填区的上表面以下为一开孔板或网状材料，挡板(8a，8b)为一开孔板或网状材料，开孔的尺寸允许液体流过而不允许催化剂漏出，并能使液相物料均匀地流过催化剂床层。隔板、挡板的开孔率或缝隙率一般为5％80％(面积)。如果开孔较大，可以在催化剂装填区的内侧增设催化剂拦网，以便保证催化剂不漏出。催化剂支撑板(9)为一平板，主要目的是支撑装填区的催化剂和流经装填区的液相物料。
含有反应物的物料经管线(20)进入反应段相邻催化剂床层间的塔盘上。来自于精馏段的液相物料经降液管(4)流到反应段最上的催化剂床层(6a，6b)中，径向流动穿过催化剂床层，并在催化剂的作用下进行催化反应。反应后的液相物料流到其下部的分离塔盘(3)上，并与汽相物料在塔盘(3)上进行热、质传递，热、质传递后的液相物料经降液管流到催化剂床层(16a，16b)中，径向流过催化剂床层，并在催化剂的作用下进行反应；热、质传递后的汽相物料经设在催化剂床层的通道(10a，10b)穿过催化剂床层，并流到该催化剂床层上部的分离塔盘。如此交替进行反应、分离的过程，直到达到要求的转化率为止。进入精馏段的汽相物料经分离后从塔顶经管线(12)、冷凝器(13)冷凝后，一部分经管线(14)回流至塔顶，另一部分作为轻质产品经管线(15)出装置。流至提馏段的液相物料经分离后从塔底经管线(21)放出，其中一部分经再沸器(22)汽化后的汽相经管线(23)返回塔底，另一部分作为重质产品经管线(24)出装置。
下面结合附图3，对本发明的催化反应蒸馏设备做详细说明。
催化反应蒸馏设备(1)分为三部分上部的精馏段、下部的提馏段和中部的反应段。上部的精馏段至少设有一块分离塔盘(2)，或至少相当于一块分离塔盘的分离能力的一段填料。下部的提馏段至少设有一块分离塔盘(11)，或至少相当于一块分离塔盘的分离能力的一段填料。中部反应段的特征包括至少两个重叠设置的催化剂床层(6，16)和床层间至少一块分离塔盘(3)。催化剂床层(6)包括至少两个催化剂装填区(6a，6b)、至少两个降液管(4a，4b)、至少一个通道(10)和至少两块催化剂支撑板(9a，9b)及拦栅(7a，7b)。隔板(5a)、挡板(8a)和支撑板(9a)及拦栅(7a)构成催化剂装填区(6a)，而隔板(5b)、挡板(8b)和支撑板(9b)及拦栅(7 b)构成催化剂装填区(6b)，需要时也可以去掉催化剂拦栅。隔板(5a)和塔体构成的弓形为降液管(4a)，而隔板(5b)和塔体构成的弓形为降液管(4b)，以使塔内的汽、液相物料对流绕过催化剂床层。隔板(5a，5b)在催化剂装填区的上表面以下为一开孔板或网状材料，挡板(8a，8b)为一开孔板或网状材料，开孔的尺寸允许液体流过而不允许催化剂漏出，并能使液相物料均匀地流过催化剂床层。隔板、挡板的开孔率或缝隙率一般为5％～80％(面积)。如果开孔较大，可以在催化剂装填区的内侧增设催化剂拦网，以便保证催化剂不漏出。催化剂支撑板(9a，9b)为一平板，主要目的是支撑装填区的催化剂和流经装填区的液相物料。
含有反应物的物料经管线(20)进入反应段相邻催化剂床层间的塔盘上。来自于精馏段的液相物料经降液管(4a，4b)流到反应段最上的催化剂床层(6a，6b)中，径向流动穿过催化剂床层，并在催化剂的作用下进行催化反应。反应后的液相物料流到其下部的分离塔盘(3)上，并与汽相物料在塔盘(3)上进行热、质传递，热、质传递后的液相物料经降液管流到催化剂床层(16a，16b)中，径向流过催化剂床层，并在催化剂的作用下进行反应；热、质传递后的汽相物料经设在催化剂床层的通道(10)穿过催化剂床层，并流到该催化剂床层上部的分离塔盘。如此交替进行反应、分离的过程，直到达到要求的转化率为止。进入精馏段的汽相物料经分离后从塔顶经管线(12)、冷凝器(13)冷凝后，一部分经管线(14)回流至塔顶，另一部分作为轻质产品经管线(15)出装置。流至提馏段的液相物料经分离后从塔底经管线(21)放出，其中一部分经再沸器(22)汽化后的汽相经管线(23)返回塔底，另一部分作为重质产品经管线(24)出装置。
反应物料在催化蒸馏塔中同时进行反应与产品分离，特别对于平衡反应，由于产品被不断移出反应区，破坏反应平衡，能使反应进行到完全，为了使反应达到要求，催化蒸馏塔的反应段的催化剂床层数多、催化剂装填量大。但是，催化蒸馏技术关键是催化剂的装填型式，无论开发的催化蒸馏技术的催化剂装填结构怎样简单，与一般固定床反应器比结构复杂的多。因此，为了降低催化蒸馏塔的催化剂装填量，在催化蒸馏塔前设一预反应器，该预反应器可以采用列管固定床反应器、绝热外循环反应器、膨胀床反应器或混相床反应器。反应物料在预反应器中达到一定转化率后，进到催化蒸馏塔中进一步进行反应和分离，使反应物的总转化率达到要求的值为止。
结合图4，说明预反应器与催化蒸馏串联的工艺流程。
预反应器与本发明的催化蒸馏塔串联的工艺流程中包括预反应器(33)和催化蒸馏塔(1)，预反应器(33)可采用混相反应器，催化蒸馏塔(1)为本发明的催化蒸馏塔的装填结构。两种反应物料(31，32)混合，并预热到能引发反应的温度后，进到预反应器中，在预反应器中的催化剂作用下进行反应，反应热使反应物物料的温度逐渐升高，当温度升高到操作压力下反应物料的泡点温度时，反应热由部分物料汽化吸收，而使反应温度稳定。当反应物达到一定的转化率时，流出预反应器，经管线(20)进到催化蒸馏塔中。进到催化蒸馏塔中的反应物料进一步进行反应和产品分离，未反应的轻质物流经精馏段分离后从塔顶经管线(12)、冷凝器(13)冷凝后，一部分经管线(14)回流至塔顶，另一部分作为轻质产品经管线(15)出装置。生成的重质产品经提馏段分离后从塔底经管线(21)放出，其中一部分经再沸器(22)汽化后经管线(23)返回塔底，另一部分作为重质产品经管线(24)出装置。
本发明的催化蒸馏设备适合于C4～C8的叔烯烃与C1～C4的脂肪醇反应合成相应的醚类产品，也适合于C2～C8烃类馏份选择加氢脱除双烯烃与炔烃、醇与酸的酯化反应、皂化反应、烯烃水合反应以及其他类似的反应。
本发明的催化蒸馏设备，由于可以使液相物流径向流动通过催化剂床层，减小了流动阻力，可以增加催化剂装填区中催化剂的装填高度，并可通过调节降液管的开孔率，增加每单位高度催化剂装填区中流过的液体量，增加了反应效率。
下面通过实施例对本发明做进一步说明实施例1将本发明附图1所示的催化蒸馏塔用于混合碳四中的异丁烯与甲醇反应生产甲基叔丁基醚(MTBE)时，异丁烯的转化率达99.6％，未反应碳四可用于生产1-丁烯或其它化工产品的原料。
操作条件及结果碳四中异丁烯含量，％(m/m)，21％甲醇与异丁烯的摩尔比，1.1∶1.0催化蒸馏塔塔顶压力，MPa，0.8催化蒸馏塔塔底压力，MPa，0.86催化蒸馏塔塔顶温度，℃，62催化蒸馏塔塔釜温度，℃，139空速，h-1，1.8催化蒸馏塔反应段床层数，层，18催化蒸馏塔塔顶出料中未反应碳四中的异丁烯，％(m/m)，0.1％催化蒸馏塔塔底MTBE产品纯度％(m/m)，98.4％异丁烯的转化率，％(m/m)，99.6％实施例2.
将本发明附图2所示的催化蒸馏塔用于以混合碳五中叔戊烯与甲醇反应合成甲基叔戊基醚(TAME)时，叔戊烯的转化率达95％。
操作条件及结果碳五中叔戊烯含量，％(m/m)，27％甲醇与叔戊烯的摩尔比，1.2∶1.0催化蒸馏塔塔顶压力，MPa，0.4催化蒸馏塔塔底压力，MPa，0.46催化蒸馏塔塔顶温度，℃，68催化蒸馏塔塔釜温度，℃，137空速，h-1，2.2
催化蒸馏塔反应段床层数，层，12催化蒸馏塔塔顶出料中未反应碳五中的叔戊烯，％(m/m)，1.8％催化蒸馏塔塔底TAME产品纯度％(m/m)，98.2％叔戊烯的转化率，％(m/m)，95.04％实施例3将本发明附图4所示的预反应器与催化蒸馏塔串联的设备用于混合碳四中的异丁烯与甲醇反应生产甲基叔丁基醚(MTBE)时，异丁烯的转化率达99.8％，未反应碳四可用于生产1-丁烯或其它化工产品的原料。
操作条件及结果碳四中异丁烯含量，％(m/m)，21％甲醇与异丁烯的摩尔比，1.1∶1.0预反应器的操作压力，MPa，0.9预反应器的出口温度，℃，69.3预反应器中异丁烯的转化率，％(m/m)，92.4％催化蒸馏塔塔顶压力，MPa，0.8催化蒸馏塔塔底压力，MPa，0.86催化蒸馏塔塔顶温度，℃，62催化蒸馏塔塔釜温度，℃，139空速，h-1，3.4催化蒸馏塔反应段床层数，层，8催化蒸馏塔塔顶流出物未反应碳四中的异丁烯，％(m/m)，0.08％催化蒸馏塔塔底MTBE产品纯度％(m/m)，98.6％异丁烯的转化率，％(m/m)，99.8％
权利要求
1.一种催化反应蒸馏设备，包括精馏段、反应段和提馏段，反应段由重叠的催化剂床层和分离塔盘组成，其特征是催化剂床层由降液管、催化剂装填区和汽液相通道组成，催化剂装填区由下部的支撑板(9、9a或9b)、以及周边的隔板(5、5a或5b)和档板(8、8a或8b)构成，其中隔板与隔板之间或隔板与塔体之间构成降液管，档板与档板之间或档板与塔体之间构成汽液相通道，隔板和档板上至少有一部分区域是开孔或开有缝隙的，使液相反应物料径向流过催化剂床层，并在催化剂的作用下进行催化反应。
2.按照权利要求1所述设备，其中催化剂装填区的上表面有拦栅(7、7a或7b)。
3.按照权利要求1或2所述设备，其中隔板在催化剂装填区上表面以下的区域是开孔或开有缝隙的，也可以是网状材料，其开孔率或缝隙率以隔板面积计为5％～80％。
4.按照权利要求1或2所述设备，其中催化剂床层的挡板是开孔率或缝隙率以面积计为5％～80％的板或网状材料。
5.按照权力要求1或2所述设备，其中催化剂床层的支撑板为不开任何尺寸孔的板，并与塔体密封。
6.按照权利要求1或2所述设备，其特征在于催化剂直接装填在所述的催化剂装填区内。
7.按照权力要求1或2所述设备，其中催化剂床层内有一个催化剂装填区、一个降液管和一个汽液相通道。
8.按照权力要求1或2所述设备，其中催化剂床层内有至少两个催化剂装填区、一个降液管和至少两个汽液相通道。
9.按照权力要求1或2所述设备，其中催化剂床层内有至少两个催化剂装填区、至少两个降液管和一个汽液相通道。
10.按照权利要求1或2所述设备，其中催化蒸馏塔的反应段的催化剂床层数为2～20个。
11.按照权力要求1或2所述设备，其中反应段中两个相邻的催化剂床层间至少设一块分离塔盘。
12.按照权力要求1或2所述设备，其特征在于所述的设备与固定床预反应器串联使用。
13.权利要求1所述设备的用途，包括C4～C8的叔烯烃与C1～C4脂肪醇的醚化反应、C2～C8烃类馏份选择加氢脱除双烯烃和炔烃、醇与酸的酯化反应、烯烃水合反应、皂化反应以及其他类似的汽固相反应。
全文摘要
本发明涉及一种催化反应蒸馏设备,包括:精馏段、反应段和提馏段。反应段由重叠的催化剂床层和分离塔盘组成,催化剂床层由降液管、催化剂装填区和汽液相通道组成,催化剂装填区由上部的拦栅(7、7a或7b)、下部的支撑板(9、9a或9b)、以及周边的隔板(5、5a或5b)和档板(8、8a或8b)构成,其中隔板与隔板之间或隔板与塔体之间构成降液管,档板与档板之间或档板与塔体之间构成汽液相通道,隔板和档板上至少有一部分区域是开孔或开有缝隙的,使液相反应物料径向流过催化剂床层,并在催化剂的作用下进行催化反应,增加了反应效率。
文档编号B01J8/04GK1345617SQ0012390
公开日2002年4月24日 申请日期2000年9月22日 优先权日2000年9月22日
发明者郝兴仁, 杨宗仁, 高步良, 王伟, 吕爱梅 申请人:中国石化集团齐鲁石油化工公司