一种催化蒸馏塔反应段结构

摘要

一种催化蒸馏塔反应段结构，反应段由交替设置的催化剂盘和分离塔盘组成，催化剂盘由若干竖直隔板分隔成降液区、催化剂装填区和汽相通道；催化剂装填区由位于底部的水平挡板、底部水平挡板上面的水平支撑板、若干竖直隔板及部分塔壁之间的半封闭空间构成；部分竖直隔板和相近的塔壁之间构成两个降液区，另外的部分竖直隔板和相近的塔壁之间或竖直隔板之间构成汽相通道。催化剂装填在竖直隔板、部分塔壁和支撑板围成的半封闭空间中，底部挡板和支撑板之间的空间通过降液区与催化剂床层上面的分离塔盘相通，并通过支撑板上的开孔或缝隙与催化剂床层相通。

说明书

技术领域

本发明涉及一种可以同时进行催化反应和蒸馏分离的催化蒸馏塔反应段结构，即催化剂在催化蒸馏塔中的装填方式。

背景技术

催化蒸馏技术是将催化反应过程和产物分离过程在一座催化蒸馏塔中同时进行的一种化工技术，在反应进行的同时实现产物与反应物的分离，具有设备少、投资省、流程简化、能耗低、反应转化率高、能够打破化学平衡限制、反应热利用效率高、操作控制方便等优点。

催化蒸馏塔一般包括上部的精馏段、中部的反应段、下部的提馏段三个部分。其中反应段的结构，即催化剂在催化蒸馏塔中的装填方式是催化蒸馏技术的关键。

美国专利4443559提出将催化剂颗粒装入用玻璃纤维缝制的小口袋里，用有一定开口空间的不锈钢丝网覆盖支撑，再卷成具有一层不锈钢丝网、一层装有催化剂的小口袋的捆束型圆柱体催化蒸馏构件。这种构件由于横截面上的孔隙率相差较大，即催化剂部分的孔隙率比丝网部分的孔隙率要小很多，而丝网本身对流体的再分布能力很差，因此容易造成沟流、影响传质与催化效果，特别是对于塔径较大的催化蒸馏塔，影响更大。

美国专利4439350，4536373公开的催化蒸馏接触构件，是由多孔金属或塑料板制成的长方形多孔封闭容器和固定、支撑该容器的夹具组成，催化剂装填在长方形多孔封闭容器内。该接触构件平行安置于蒸馏塔筛板上，筛板上装有溢流堰，使板上的液面维持一定的高度，以完全浸没接触容器。当进入塔内的物料在塔板上通过对流、扩散与容器中的催化剂接触反应，又与通过筛板筛孔上升的蒸汽进行汽液传质，达到反应与蒸馏同时进行的目的。但这种装填方式的催化剂装填量小，容易引起偏流。

美国专利4471154提出将催化剂安置在板式塔的塔板上，构成催化蒸馏构件，在塔板上的催化剂呈流化状态。这种方式理论上使催化剂在整个反应区分布均匀，汽液固接触良好，催化剂的利用率高，但对催化剂的要求高，即每粒催化剂的大小、重量均需相同，否则容易造成局部阻力大，引起偏流。另外催化剂层的孔隙率小、阻力大，成为催化蒸馏过程中提高负荷的一大瓶颈，且催化剂之间的磨损严重。

美国专利5262012提出将催化剂以散装填料的形式装填。例如将粒状催化剂与惰性填充介质瓷球、玻璃珠、中空多孔球体或柱体等混合装入塔中直立的桶式容器内，形成反应区内的催化蒸馏构件。其不足是，催化剂是实心的，故粒度不能太大，否则不能充分利用催化剂，但催化剂粒度太小又容易与填料分层，损害该构件发挥其催化反应-蒸馏分离的协同功能，另外这种构件也容易在床层中产生沟流，影响其传质与反应效果。

中国专利1299703提出，将催化剂制成具有中心孔道的颗粒、用连接件将催化剂颗粒连接成串并均匀地放入规整填料的汽液自由通道中形成催化蒸馏构件。这种构件具有催化剂在反应段分布均匀、床层空隙率大、塔压降小和催化剂利用率高的特点。但由于催化剂制作麻烦，且形成的连接件在填料通道中的固定也很困难。

中国专利1299704提出了一种将尺寸、构型和堆积密度均相似的催化剂和蒸馏填料混合堆积在金属规整填料中形成催化蒸馏构件。这种构件传质效率高、催化剂利用率较好、产物选择性好，但对催化剂的强度要求高，对催化剂和填料的制作技术要求也较高，床层空隙率较小、塔压降大，汽液通量小，并且在操作过程中催化剂和填料易分层，从而造成局部阻力大而影响汽液通量。

中国专利1042664公开了一种催化蒸馏设备，将反应段分为若干个床层，两个床层间设一分馏塔盘，催化剂以散装的形式直接装填于反应段的催化剂床层中，反应物直接与催化剂接触，有利于反应的进行，提高了催化剂的效率，而且催化剂的装填量大。但液相物料由上而下流过催化剂床层，难以保证催化剂始终浸没在液体中，影响了催化剂的效率。另外，如果反应生成汽相产物或部分液相物料因吸收反应热而汽化，向下流动的液相物料使这部分汽相物料在催化剂床层中的停留时间延长，降低了催化剂床层的滞液量，对反应不利；同时这部分汽相物料可能与液相物料一起向下流出催化剂床层，也可能向上鼓泡离开催化剂床层，使反应状态难以稳定。

中国专利1345617公开了一种催化蒸馏设备，反应段由重叠的催化剂床层和分离塔盘组成，催化剂床层由降液区、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、下部的支撑板、以及周边的隔板和挡板构成，其中隔板与隔板之间或隔板与塔体之间构成降液区，挡板与挡板之间或挡板与塔体之间构成汽液相通道，隔板和挡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。但液相物料在径向流过催化剂床层时，容易从催化剂装填区上部的拦栅溢出并经催化剂床层上面进入汽液相通道，而不经过催化剂床层，这就影响了催化剂的反应效率；在塔径较大的催化蒸馏塔中，催化剂床层的径向尺寸较大，液相物料流过催化剂床层的阻力增大，也会加剧这种影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种催化蒸馏塔反应段结构，以改进背景技术中提及的缺陷。

为实现上述目的，本发明提供的催化蒸馏塔反应段结构，该反应段结构位于催化蒸馏塔的内部，其主要组成为：

设置有催化剂盘和分离塔盘，且每两个催化剂盘之间设置有至少一层分离塔盘；

每一催化剂盘由若干竖直隔板分隔成降液区、催化剂装填区和汽相通道；

催化剂装填区由位于底部的水平挡板、以及该水平挡板上方的水平支撑板、若干竖直隔板及催化蒸馏塔的部分塔壁之间的半封闭空间构成；

支撑板上至少有一部分区域有开孔或缝隙；

竖直隔板和相近的塔壁之间构成两个降液区，竖直隔板之间构成汽相通道；

底部的水平挡板和水平支撑板之间的空间通过降液区与催化剂床层上方的分离塔盘相通，并通过水平支撑板上的开孔或缝隙与催化剂床层相通；

竖直隔板之一与相近的塔壁之间构成通向下一层分离塔盘的第一降液区，其上缘高度低于其它隔板且高于催化剂床层；与其相对的另一竖直隔板与相近的塔壁之间构成液相物料由上一层分离塔盘流向该催化剂盘的第二降液区；液相物料由上一层分离塔盘依次经第二降液区、底部挡板和支撑板之间的空间、催化剂床层和降液区一进入下面的分离塔盘。

本发明由于液相物料由下而上流过催化剂，液相物料流动的线速度基本不变，因而需要克服的阻力基本不变。这就避免了采用液相物料沿径向流过催化剂床层的催化剂装填方式时存在的塔径越大、液相物料流动阻力越大的问题。同时，液相物料由下而上流过催化剂也可以保证催化剂始终浸没在液相物料中，在催化剂床层中由反应生成的或因反应放热造成的部分汽相物料与液相物料同向向上流动，可以尽快离开催化剂床层，不会明显降低催化剂床层的滞液量，催化剂床层中的物料流动状态也很稳定，有利于催化反应的进行。

附图说明

图1为本发明的一种实施方案的剖面示意图；

图2、3、4为本发明的三种实施方案的俯视图。

具体实施方式

本发明的催化蒸馏塔反应段结构，也就是催化剂在催化蒸馏塔中的装填方式，其包括：

1)反应段由催化剂盘和分离塔盘组成，每两个催化剂盘之间设置一层或多层分离塔盘；

2)催化剂盘由若干竖直隔板分隔成降液区、催化剂装填区和汽相通道；催化剂装填区由位于底部的水平挡板、底部水平挡板上面的水平支撑板、若干竖直隔板及部分塔壁之间的半封闭空间构成，支撑板上至少有一部分区域有开孔或缝隙；部分竖直隔板和相近的塔壁之间构成两个降液区，另外的部分竖直隔板和相近的塔壁之间或竖直隔板之间构成汽相通道；

3)催化剂装填在竖直隔板、部分塔壁和支撑板围成的半封闭空间中，底部挡板和支撑板之间的空间通过降液区与催化剂床层上面的分离塔盘相通，并通过支撑板上的开孔或缝隙与催化剂床层相通；

4)竖直隔板之一与相近的塔壁之间构成通向下一层分离塔盘的第一降液区，其上缘高度低于其它隔板，但高于催化剂床层；与其相对的另一竖直隔板与相近的塔壁之间构成液相物料由上一层分离塔盘流向该催化剂盘的第二降液区；液相物料由上一层分离塔盘依次经第二降液区、底部挡板和支撑板之间的空间、催化剂床层和降液区一进入下面的分离塔盘。

下面结合附图对本发明的催化蒸馏塔反应段结构作详细的说明。

请结合图1，本发明中，催化蒸馏塔反应段由交替设置的催化剂盘和分离塔盘组成，共设置5-25个催化剂盘，优选的方案是设置10-20个催化剂盘。每个催化剂盘的催化剂装填量可以相同，也可以不同。其中每两个催化剂盘之间设置1-5层分离塔盘2，一种优选的方案是反应段上部每两个催化剂盘之间设置1-2层分离塔盘，反应段下部每两个催化剂盘之间设置2-5层分离塔盘。

催化剂盘由降液区8、9、催化剂装填区和汽相通道组成。催化剂装填区由底部挡板5、底部挡板5上方的水平支撑板6、四周的竖直隔板3、4、12及部分塔壁1之间的半封闭空间构成(其结构可参照图2)。支撑板6上至少有一部分区域有开孔或缝隙，其开孔率或缝隙率一般为10-90％(面积)，其上可覆盖一层或多层金属网以避免催化剂掉落到底部当板上，四周的竖直隔板3、4、12外侧和相近的塔壁1之间构成两个弓形降液区8、9(实线箭头所示)和两个弓形汽相通道11(虚线箭头所示)(可结合参照图2)。

催化剂7装填在四周的竖直隔板3、4、12、部分塔壁和支撑板6围成的箱形空间中(可结合参照图2)，在催化剂上部设置一层或多层金属网10，以避免催化剂随液相物料流入下一层蒸馏塔盘，也可以在金属网上面再设置拦栅。底部挡板5和支撑板6之间的空间通过第二降液区8与催化剂床层上面的分离塔盘2相通，并通过支撑板上的开孔或缝隙与催化剂床层相通。

四周的竖直隔板之一4与塔壁之间构成通向下一层分离塔盘的第一降液区9，其上缘高度低于其它竖直隔板但高于催化剂床层，以使液相物料流过催化剂后越过该竖直隔板4通过第一降液区9进入下一层分离塔盘。与其相对的另一竖直隔板3与塔壁之间构成液相物料由上一层分离塔盘流向该催化剂盘的第二降液区8。

为了避免停车检修或更换催化剂时，催化剂床层中积攒液相物料，可在与相近塔壁之间构成通向下一层分离塔盘的第一降液区9的较低隔板4上开一个或几个小孔，开孔位置低于支撑板6、略高于底部挡板5。开孔尺寸应使正常操作条件下从小孔流过的液相物料占流经催化剂液相物料的5％以下。

在实际操作中，液相物料由上一层分离塔盘2依次经第二降液区8、底部挡板5和支撑板6之间的空间进入催化剂床层进行反应(液相物料的流向如图1中实线箭头所示方向)，反应后的液相物料越过较低的隔板4经第一降液区9进入下面的分离塔盘2，反应生成的或因反应放热造成的部分汽相物料从催化剂床层中向上鼓泡逸出后与从下面的分离塔盘流出并经催化剂盘的汽相通道向上流动的汽相物料混合一起进入上一层分离塔盘，与液相物料进行传热、传质(汽相物料的流向如图1中虚线箭头所示方向)。

催化剂装填区由底部的水平挡板、底部挡板上面的水平支撑板、四周的竖直隔板及部分塔壁之间的半封闭空间构成时，其俯视图参见图2。催化剂装填区也可以由两两相接的四周竖直隔板与底部的水平挡板、底部挡板上面的水平支撑板之间的半封闭空间构成，而不利用塔壁，其俯视图参见图3。

还可以将汽相通道设置于催化剂盘的中部，汽相通道由几块竖直隔板13之间的空间构成，其俯视图参见图4。

在生产能力较大即塔径较大的催化蒸馏塔中，与塔径较小的催化蒸馏塔相比，催化剂床层的高度基本不变，而水平方向的尺寸增大。采用本发明的反应段结构，由于液相物料由下而上流过催化剂，液相物料流动的线速度基本不变，因而需要克服的阻力基本不变。这就避免了采用液相物料沿径向流过催化剂床层的催化剂装填方式时存在的塔径越大、液相物料流动阻力越大的问题。同时，液相物料由下而上流过催化剂也可以保证催化剂始终浸没在液相物料中，在催化剂床层中由反应生成的或因反应放热造成的部分汽相物料与液相物料同向向上流动，可以尽快离开催化剂床层，不会明显降低催化剂床层的滞液量，催化剂床层中的物料流动状态也很稳定，有利于催化反应的进行。

本发明的反应段结构适用于甲醇脱水制二甲醚、乙醇脱水制乙醚、乙醇脱水制乙烯、C₄～C₅叔烯烃与C₁～C₂脂肪醇制相应的醚类、醇酸酯化反应，以及其他类似的可采用催化蒸馏工艺的反应。

实施例1

按本发明附图1和附图2所示的反应段结构方案用于甲醇脱水制二甲醚，催化蒸馏塔由精馏段、反应段、提馏段组成，反应段中每两个催化剂盘之间设置1层分离塔盘，甲醇转化率达97％，二甲醚选择性达99.99％，二甲醚产品纯度达99.9％，未反应甲醇与反应生成的水一起从塔釜排出，经回收后循环反应。

操作条件：

催化蒸馏塔反应段催化剂床层数，15

催化蒸馏塔塔顶压力，2.0MPa

甲醇体积空速，1.0h^-1

催化蒸馏塔回流比，2.5