专利名称：一种反应蒸馏设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种反应蒸馏设备，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蒸馏塔。
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串联反应等，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，人们开发了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，生成的产品不断移出反应区，破坏反应平衡，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——催化蒸馏技术，使反应蒸馏技术的使用范围更广。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，而且能够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是把催化剂装填在反应段分离塔盘的降液管中，由于降液管中催化剂的装填量受到限制，工业化难以实施。USP4,471,154将催化剂装在一定形状的袋子中，然后置于反应段的分馏塔盘上，由于在塔盘上催化剂占了一定的空间，影响了分离，为了增加催化剂的装填量，该结构的塔盘溢流堰较高，因而塔盘的压力降较大，难以稳定操作；类似的结构如中国专利ZL89104742，ZL90103696。而USP4,215,011披露的催化剂的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，催化剂的包装结构复杂。
本发明的目的是提供一种新型的催化蒸馏塔，催化剂装在分馏塔盘上，液相物料错流流过装有催化剂的分馏塔盘，并在催化剂的作用下进行反应，同时在塔盘上与汽相物料进行热质传递。
本发明催化蒸馏塔至少包括一个反应段，其特征在于反应段除了包括降液管、溢流堰和受液盘以外，在分馏塔盘上还设有汽升管，汽升管的顶部可以装有热、质传递元件，所述的汽升管与汽升管之间、汽升管与降液管、溢流堰或塔体之间围成的自由空间是催化剂装填区，液相反应物料向上或向下流动穿过催化剂床层，并在催化剂作用下进行反应，反应后的液相物料在汽升管顶部与汽相物料进行热、质传递。多次的反应、分离，直至达到要求的转化率为止。由于反应与分离同时进行，破坏反应平衡，提高反应物的转化率；同时反应是在泡点温度下进行的，反应热由部分反应物料汽化吸收，反应热用于产品的分离，节省了能耗。本发明克服了现有技术中催化反应蒸馏塔压力降大的缺点，增加了操作稳定性，而且不用将催化剂进行复杂的包装，便于装卸。
图1、4、5均为本发明蒸馏塔结构及流程示意图，图2、3为气升管分布示意图。
下面结合附图1，对本发明催化蒸馏塔的特征进一步说明。
催化反应蒸馏塔(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馏塔盘(2)，或至少相当于一块分馏塔盘的分离能力的一段填料；下部提馏段至少设有一块分馏塔盘(4)，或相当于一块分馏塔盘分离能力的一段填料；中部反应段的特点包括至少两个重叠设置的装填催化剂的分馏塔盘(3、23)。该分馏塔盘(23)包括受液盘(11)、降液管(5、6)、汽升管(8)、分馏元件(9)、催化剂装填区(7)、溢流堰(12)和催化剂的支撑板(10)。
汽升管(8)数量依据塔内汽相负荷量确定，其面积为塔截面积的3～90％，汽升管的截面形状可以是圆形、长方形、正方形、三角形或其它加工的形状。汽升管的排列如附图2的三角形排列或如附图3的条形排列。排列方式取决于对反应与分离均有利。在图1所示汽升管(8)的顶部的分馏元件(9)为筛孔，也可以根据需要设为浮阀、帽、舌形喷射等结构，或装填一定高度的填料。
汽升管(8)高矮取决于催化剂的装填量，催化剂装填量越大，汽升管越高，一般为100～4000mm。
溢流堰(12)应高于汽升管(8)，使汽升管顶部有一定厚度的液层，以便进行热、质传递。一般情况下溢流堰(12)比汽升管(8)高出10～100mm。
含有反应物的物料经管线(21)进入反应段塔盘上。来自于精馏段的液相物料经降液管(35)流到反应段最上的塔盘(3)中，向上流动穿过催化剂床层，并在催化剂的作用下进行催化反应。反应后的液相物料在汽升管顶部与汽相物料在分离元件的作用下进行热、质传递，热、质传递后的液相物料经降液管(36，6)流到分馏塔盘(23)上，再向上流过催化剂床层(7)，并在催化剂的作用下进行反应；热、质传递后的汽相物料直接流到上部的分离塔盘。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(13)、冷凝器(14)冷凝后，一部分经管线(15)回流到塔顶，另一部分作为轻质产品经管线(16)出装置。流至提馏段的液相物料经分离后从塔底经管线(17)出塔，一部分经再沸器(18)汽化后的汽相经管线(19)返回塔底，另一部分作为重质产品经管线(20)出装置。
除了以上的实施方式以外，本发明还有其它的实施方式，下面结合附图4对本发明催化蒸馏塔的特征进一步说明。
催化反应蒸馏塔(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馏塔盘(2)，或至少相当于一块塔盘分离能力的一段填料；下部提馏段至少设有一块分馏塔盘(4)，或相当于一块分馏塔盘分离能力的填料；中部反应段的特征包括至少两个重叠设置的装填催化剂的分馏塔盘(3、23)。该分馏塔盘包括受液盘(11)、降液管(5、6)、汽升管(8)、分馏元件(9)、催化剂装填区(7)、隔板(13)和催化剂的支撑板(10)。
汽升管(8)的数量根据塔内汽相负荷量确定，其面积占塔截面及3～90％；汽升管(8)的顶部的分馏元件(9)为筛孔，也可以根据需要设为浮阀、帽、舌形喷射等结构，或装填一定高度的填料。
含有反应物的物料经管线(21)进入反应段塔盘上。来自于精馏段的液相物料经降液管(35)流到反应段最上的塔盘(3)中，经催化反应和热、质传递后，又通过降液管(36，5)流到下一层塔盘(23)中，隔板(13)为一密封板，来自降液管(5)的液体向下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受液盘(11)上，汽升管(8)与受液盘(11)间有一定的空隙，塔内向上流动的汽相物料在汽升管内流速较快，使管内形成负压，将受液盘(11)上的液相物料吸进汽升管中，并带到汽升管的顶部，在顶部的分馏元件(9)作用下进行热、质传递，这样在催化剂装填区(7)中的液相物料在气升管内负压的吸引下是向下流动穿过催化剂床层的。热、质传递后的液相物料流到隔板(13)上，再经降液管(6)流到下一层分馏塔盘中热、质传递后的汽相物料直接进入到上一层分离塔盘上。如此交替进行反应、分离的过程，直至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(13)、冷凝器(14)冷凝后一部分经管线(15)回流至塔顶，另一部分作为轻质产品经管线(16)出装置。流至提馏段的液相物料经分离后从塔底经管线(17)，再沸器(18)汽化后的汽相经管线(19)返回塔底，另一部分作为重质产品经管线(20)出装置。
本发明还有一种实施方式，下面结合附图5对本发明催化蒸馏塔的特征进一步说明，附图5所示的催化蒸馏塔结构与附图4类似，其主要区别是取消了隔板(13)。这种结构特别适合汽相中富含反应物，而在液相中反应物含量较低或难以实现从汽相向液相传质时的情况。应用这种结构时，来自于精馏段的液相物料经降液管(35)流到反应段最上的塔盘(3)中，经催化反应和热、质传递以后，又通过降液管(36，5)流到下一层塔盘(23)中，液相物料在此与汽升管(8)顶部热、质传递后的液相物料混合后，其中一部分经溢流堰流至降液管(6)，而另一部分向下流动穿过催化剂床层，同时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受液盘(11)上，汽升管(8)与受液盘(11)间有一定的空隙，塔内向上流动的汽相物料在汽升管内流速较快，使管内形成负压，将受液盘(11)的液相物料吸进汽升管中，并带到汽升管的顶部，在顶部的分馏元件(9)作用下进行热、质传递。热、质传递后的液相物料与上一层塔盘(3)来的液相物料混合后，一部分在气升管中的负压吸引下向下穿过催化剂装填区(7)，并在催化剂作用下继续反应，另一部分经降液管(6)流到下一层分离塔盘中；热、质传递后的汽相物料直接进入到上一层分离塔盘上。如此交替进行反应、分离的过程，直至达到要求的转化率为止。这种结构的特点是取消了隔板(13)，能够使部分液相物料在塔盘上进行多次循环热、质传递，即流过催化床层的液相物料包括来自于上层塔盘的液相物料和该塔盘的液相物料，当穿过催化剂床层的液相物料中某一反应物的浓度降低后，特别是汽相中富含该反应物，且难以实现从汽相向液相的传质时，经过该塔盘汽升管顶部的热、质传递，增加了该组分的含量，部分物料再返回催化剂床层中，不仅增加了该反应物在液相物料中的含量，而且增加了反应物在催化剂床层中的停留时间，有利于催化反应的进行。
附图1、附图4和附图5所示的实施方式中涉及了催化剂支撑板，一般情况下催化剂的支撑板为开孔板或格栅，当支撑板的孔径大于催化剂的粒径时，在支撑板上设置催化剂拦网。
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，其结构也要复杂的多。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，进入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。
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烃类馏分选择加氢脱除双烯烃与炔烃、石油烃的加氢脱硫反应、芳烃烷基化反应、异构化反应、醇与酸的酯化反应、皂化反应、烯烃水合反应以及其它类似的反应。
实施例1将本发明说明书附图1的催化蒸馏塔用于混合碳四中的异丁烯与甲醇反应甲基叔丁基醚(MTBE)的生产时，异丁烯的转化达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催化蒸馏塔塔底温度，℃，139空速，h-1，1.8催化蒸馏塔反应段床层数，层，32
催化蒸馏塔塔顶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将本发明说明书附图4的催化蒸馏塔用于混合碳四中的异丁烯与甲醇反应甲基叔丁基醚(MTBE)的生产时，且催化蒸馏塔前设一预反应器，异丁烯的转化达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预反应器的出口温度，℃，69.3预反应器的操作压力，MPa，0.9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催化蒸馏塔塔底温度，℃，139空速，h-1，3.4催化蒸馏塔反应段床层数，层，14催化蒸馏塔塔顶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％实施例3将本发明说明书附图5的催化蒸馏塔用于混合碳五中的叔戊烯与甲醇反应甲基叔戊基醚(TAME)时，催化蒸馏塔前设一预反应器，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预反应器的出口温度，℃，72.3预反应器的操作压力，MPa，0.55预反应器中叔戊烯的转化率，％(m/m)，68.2％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催化蒸馏塔塔底温度，℃，137空速，h-1，2.2催化蒸馏塔反应段床层数，层，16催化蒸馏塔塔顶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％
权利要求
1.一种催化反应蒸馏塔至少包括一个反应段，其特征在于反应段除了包括降液管、溢流堰和受液盘以外，在分馏塔盘上还设有汽升管，所述的汽升管与汽升管之间、汽升管与降液管、溢流堰或塔体之间围成的自由空间是催化剂装填区，液相反应物料向上或向下流动穿过催化剂床层，并在催化剂作用下进行反应，反应后的液相物料在汽升管顶部与汽相物料进行热、质传递。
2.按权利要求1的催化反应蒸馏塔，所述汽升管的顶部设有分离元件，可以是常规的筛孔、浮阀、帽、舌形口等，或装填一定高度的填料。
3.按权利要求1的催化反应蒸馏塔，所述汽升管的数量依据塔内的汽相负荷量而定，汽升管的截面积至少为一个塔盘截面积3％～90％。
4.按权利要求1的催化反应蒸馏塔，所述汽升管的高度为100～4000mm。
5.按权利要求1、2、3或4所述的催化反应蒸馏塔，其中溢流堰比汽升管的顶部还高出10～100mm，汽升管底部与受液盘之间是封闭的，液相反应物料向上流动穿过催化剂床层，并在催化剂作用下进行反应，反应后的液相物料在汽升管顶部与汽相物料进行热、质传递。
6.按权利要求1、2、3或4所述的催化反应蒸馏塔，其中汽升管底部与受液盘之间有一定的间隙，催化剂装填区上部有隔板与降液管、溢流堰连接起来，液相反应物料向下流动穿过催化剂床层，并在催化剂的作用下进行反应，反应后的液相物料进入汽升管，并在汽升管顶部与汽相物料进行热、质传递，然后流到隔板上，经溢流堰、降液管流到下一层塔盘上。
7.按权利要求1、2、3或4所述的催化反应蒸馏塔，其中汽升管底部与受液盘之间有一定的间隙，液相反应物料与该塔盘汽升管顶部热、质传递后的液相物料混合后，一部分液相物料经溢流堰、降液管流到下一层塔盘上；另一部分液相物料向下流动穿过催化剂床层，并在催化剂的作用下进行反应，反应后的液相物料进入汽升管，并在汽升管顶部与汽相物料进行热、质传递。
8.按权利要求1、2、3或4所述的催化反应蒸馏塔，用于C4～C8的叔烯烃与C1～C4脂肪醇的反应，或C2～C8烃类的选择加氢脱除双烯烃和炔烃、石油烃的加氢脱硫反应、芳烃烷基化反应、异构化反应、醇与酸的酯化反应或烯烃水合反应等。
全文摘要
本发明涉及一种反应蒸馏设备,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蒸馏塔。它克服了现有技术中催化反应蒸馏塔压力降大的缺点,增加了操作稳定性,而且不用将催化剂进行复杂的包装,便于装卸。这种催化蒸馏塔的催化剂装填在反应段的分馏塔盘上,塔盘上设置了汽升管,汽升管之间的自由空间中装填催化剂,液相反应物料穿过催化剂床层,并在催化剂作用下进行反应,反应后的液相物料在汽升管顶部与汽相物料进行热、质传递。
文档编号B01D3/14GK1386560SQ0111495
公开日2002年12月25日 申请日期2001年5月18日 优先权日2001年5月18日
发明者郝兴仁, 杨宗仁, 王伟, 李艳青, 吕爱梅 申请人:中国石化集团齐鲁石油化工公司