CN102485305B - 一种用于叔丁醇催化精馏脱水的催化剂填装结构及工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于叔丁醇催化精馏脱水制异丁烯的催化剂填装结构及工艺，该催化剂填装结构包括：垂直均匀地置于反应段筒体内的多个反应器、蒸汽挡板和液体分布器，这些组件构成一层催化剂层，催化剂散装填在反应器中，蒸汽挡板搭在塔内壁焊接的支架上，反应器固定在蒸汽挡板上，液体分布器由反应器顶端延伸至反应器底部通过与反应器数目相同的通道与各反应器底部连通，反应器下部侧壁处开有小孔，便于及时将生成的低叔丁醇的水相移出，保证与催化剂接触的是富含叔丁醇的有机相。采用本发明所述催化剂填装结构及工艺，能够有效地避免在塔内形成液-液分层现象，增大液体在催化剂上的停留时间，减少催化剂填装量，降低装置能耗。

Description

一种用于叔丁醇催化精馏脱水的催化剂填装结构及工艺

技术领域

本发明涉及一种催化精馏的催化剂填装结构及工艺，具体涉及叔丁醇催化精馏脱水制异丁烯的催化剂填装结构及工艺。

背景技术

叔丁醇脱水反应是强吸热反应，该方法副反应少，产品质量高，投资省，是获取高纯度异丁烯的重要途径。叔丁醇脱水制异丁烯的专利很多，US3665048采用固定床工艺，氧化铝为催化剂，反应在汽相中进行，CN200710049954.1采用间歇釜式反应器生产异丁烯，CN1609082A介绍了一种由叔丁醇制备异丁烯的方法，采用固定床反应器，反应在液相中进行。US4208540介绍了由混合碳四水合生成叔丁醇，叔丁醇脱水生产异丁烯的方法，叔丁醇脱水采用釜式反应器或流化床反应器。采用汽相工艺进行叔丁醇脱水反应，反应温度在220℃以上，能耗很高，且叔丁醇选择性不好。采用固定床、釜式反应器等的叔丁醇液相脱水反应，叔丁醇的一次转化率非常低，由于反应受热力学平衡控制，且存在液-液平衡，叔丁醇-水-异丁烯体系容易分成富含叔丁醇的有机相和低叔丁醇的水相，会导致传质效果进一步下降。US5849971采用催化精馏工艺生产异丁烯，克服了反应的热力学平衡控制，叔丁醇转化率大幅提高，该专利的另一特点是塔顶采用分凝器，汽相采出异丁烯产品，因此对塔内的液相分层现象也有抑制，有利于反应的进行。该专利对催化剂的填装结构没有提及，但是由于采用异丁烯的汽相采出方式，汽相产物在后续的处理过程中需要深冷冷凝或者需要一台压缩机加压后用水冷凝，投资和能耗非常大。

催化精馏的催化剂目前主要有两大装填结构，一类是拟填料式装填结构，一类是拟固定床式填装结构。

拟填料式填装结构的典型代表是CDTech公司的专利US4302356，催化剂捆扎包结构将催化剂颗粒装入玻璃纤维制成的小袋中，袋口封住，用具有一定空间的不锈钢波纹丝网覆盖，再卷成螺旋状。在安装时相邻两层催化剂结构的波纹丝网走向错开。这种填装结构的优点是塔内床层空隙率大，压降小，有利于精馏过程；缺点是催化剂装填量少，催化剂利用率较低，不能充分利用催化剂的表面积。

拟固定床填装结构又可分为把催化剂放在塔板上和降液管中两种。催化剂放在塔板上的代表是专利EP0461855，提出了一种复合塔板填装结构，特点是催化精馏段分割为若干个催化反应区和分馏区，且交错排列，在催化反应区，催化剂粒子散装在塔板上，装催化剂的塔板中央留有气相通道。缺点是气相与催化剂直接接触，导致塔板压降大，催化精馏塔处理量小。

US5454913对催化剂放入降液管中的填装模式进行改进，降液管的底端不再封死，而是用与降液管同样材料做的连接管接起来，并通过装卸口引出塔外，这样催化剂装卸方便。US5308451将整块塔板设计成气液传质区和降液管区，降液管为长槽型，槽底部开孔并铺上丝网后装填催化剂，槽口覆以丝网防止催化剂流失。CN2314840Y也属于降液管式填装结构。催化剂填装在降液管中，优点是催化剂的填装量大，装卸方便，有利于反应进行，气相不与催化剂接触，有利于保护催化剂和降低压降，但缺点是液体在降液管中与催化剂接触进行催化反应，从降液管出来的液体进入塔板，并在塔板上进行传质分离，催化剂只对反应有利，而对传质分离基本没有起到作用。

目前几乎所有的催化精馏装置中从精馏段下来的液体都是从催化剂的上方进入催化剂，通过重力作用流经催化剂，这样就使得液相在催化剂上的停留时间较短，不利于反应的进行，因此需要装填大量的催化剂，装卸不便，投资较大。

文献US5776320将液体引入催化剂的底部，然后从下自上穿过催化剂层，该文献认为这种做法的好处是对于放热反应来说，液体向上流经催化剂层有利于反应热生成的气相溢出，但是由于叔丁醇脱水反应是强吸热反应，而且随着叔丁醇的不断转化，水的生成，就会出现分层现象，形成富含叔丁醇的有机相和低叔丁醇的水相，密度大的水相会逐渐占据整个反应器，由于催化剂对水的吸附作用更强，大量水的存在会让反应停止。另外由于叔丁醇脱水是强吸热反应，反应热也不能及时的补充。因此，该专利公开的催化剂填装结构不适合叔丁醇脱水反应。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于叔丁醇催化精馏脱水制异丁烯的催化剂填装结构及利用该催化剂填装结构进行的叔丁醇脱水制异丁烯的工艺，采用本发明所述催化剂填装结构及工艺，能够有效地避免在塔内形成液-液分层现象，增大液体在催化剂上的停留时间，反应需要的热能够及时供给，促进反应的进行，提高叔丁醇转化率，同时由于液相采出异丁烯产品，能够有效降低能耗。

一种用于叔丁醇催化精馏脱水制异丁烯的催化剂填装结构，所述的催化剂填装结构置于催化精馏塔的反应段筒体中，该催化剂填装结构包括：蒸汽挡板、液体分布器、垂直均匀地置于反应段筒体内的多个反应器，这些组件构成一层催化剂层，反应器下部和上部装有不锈钢丝网，催化剂散装填在反应器的两层不锈钢丝网中，蒸汽挡板搭在塔内壁焊接的支架上，反应器固定在蒸汽挡板上，液体分布器由反应器顶端延伸至反应器底部通过与反应器数目相同的通道与各反应器底部连通，其特征在于所述的反应器下部侧壁处开有小孔。

所述的反应器为圆柱形，顶端敞开，底端为一筛板，筛板开孔率为10％～80％。反应器直径为催化精馏塔反应段塔径的0.05～0.3倍。每组催化剂层的反应器数目为2～50个。反应器下部和上部的不锈钢丝网为10～100目。

所述的蒸汽挡板为可拆卸结构，与塔壁接触的两端的形状与塔内壁弧线吻合并密封连接，与反应器接触的部位与反应器外径相吻合并密封连接。上下两层蒸汽挡板的位置相互错开，使蒸汽按照折流形式向上流动。

相邻的两块蒸汽挡板的距离为反应器高度的0.1～0.3倍，每层催化剂层之间的距离为反应器高度的0.2～1.0倍。反应器的上下部不锈钢丝网的距离为反应器高度的0.3～0.8倍。

所述的反应器下部侧壁处的小孔，位于反应器下部不锈钢丝网的下方，小孔中心距反应器底端的距离为整个反应器高度的0.02～0.2倍，所述的小孔直径为反应器直径的0.02～0.1倍。开孔处罩有丝网，以防破碎的催化剂将孔堵住。小孔的作用是便于及时将生成的低叔丁醇的水相移出，保证与催化剂接触的是富含叔丁醇的有机相。

为了增强传质效果，可在蒸汽挡板及反应器间放置填料。

一种利用本发明所述催化剂填装结构进行叔丁醇催化精馏脱水制异丁烯的工艺，包括，液相首先由反应段上部进入，经由液体分布器进入反应器底部，自反应器底部自下而上穿过催化剂进行反应，然后从反应器顶端溢出，一部分生成的低浓度叔丁醇的水相从反应器下部侧壁处的小孔流出，汽相通过液体收集器经蒸汽挡板重新分布，沿轴向向上和径向流动，与反应器外壁强化传热，将反应热及时供给，保证反应的快速进行，同时汽液在反应器外部和蒸汽挡板之间进行传质，向下流动的液体由液体收集器收集后加入下一个催化剂层或者进入提留段。

本发明所述的叔丁醇催化精馏脱水制异丁烯的工艺采用加压操作，压力为0.2MPa～0.5MPa，塔顶冷凝器为全凝器，液相采出异丁烯产品。

当需要填装较多的催化剂时，可以垂直加设一组或多组催化剂层，从上层催化剂层流下的液相由液体收集器收集后再由下层液体分布器送入下层反应器底部。

本发明具有如下优点：

采用催化精馏工艺，叔丁醇的一次转化率高。应用本发明所述的催化剂填装结构，液体从催化剂底部进入，反应器下部侧壁处开有小孔，催化剂可以被富含叔丁醇的有机相完全润湿，反应物停留时间延长，有利于催化反应的进行，可以减少催化剂的填装量；同时可以减轻催化剂之间由于重力作用造成的挤压；气相不与催化剂接触，可以减少对催化剂的损坏，降低催化精馏塔的塔压降；反应段设置蒸汽挡板，可以强化传热效果，由于叔丁醇脱水是强吸热反应，反应热可以及时供给。

附图说明

图1为本发明催化精馏塔的结构示意图。

图2为本发明催化剂填装结构的一种结构示意图。

图3为本发明催化剂填装结构的操作示意图。

图4为本发明催化剂填装结构的另一种结构示意图。

图5、图6为实施例的蒸汽挡板排布图。

图1～6中a-精馏段，b-反应段，c-提馏段，d-塔顶冷却回流和轻组分出料系统，e-塔釜再沸器和重组分出料系统，1-催化精馏塔反应段筒体，2-液体进料管线，3-不锈钢丝网，4-反应器，5-催化剂层，6-蒸汽挡板，7-反应器下部小孔，8-液体分布器，9-液体收集器，10-汽相

具体实施方式

下面结合附图，详细介绍本发明的内容。

图2为本发明的催化精馏塔中反应段b的催化剂填装结构一种具体实施方式。它由若干个反应器4垂直、均匀的置于不同的蒸汽挡板6上，反应器4的上部和下部装有不锈钢丝网3，催化剂散装填在两层不锈钢丝网中。液体分布器8由反应器顶端延伸至反应器4底部通过与反应器数目相同的通道与各反应器底部连通，蒸汽挡板6搭在塔内壁焊接的支架上，上下两层蒸汽挡板的位置相互错开，使蒸汽按照双折流形式向上流动。在反应器的下部侧壁处开有小孔7，位置在反应器下部不锈钢丝网的下方。

图3和图4为本发明的催化剂填装组件的操作示意图。从精馏段a下来的液体经液体进料管线2通过液体分布器8从反应器底部进入，自下往上流动充满整个反应器，催化剂被液体托起处于悬浮状态，反应后的溶液由顶端溢出，一部分生成的低浓度叔丁醇的水相由反应器下部小孔7流出；上升汽相10通过液体收集器9经蒸汽挡板6重新分布，沿轴向向上和径向流动，与反应器外壁强化传热，将反应热及时供给，保证反应的快速进行；同时汽液在反应器外部和蒸汽挡板之间进行传质。向下流动的液体由液体收集器9收集后加入下一个催化剂层或者进入提留段c。

实施例

本实施例的叔丁醇催化精馏脱水制异丁烯的过程在包含如图2所示的催化剂填装结构的催化精馏塔内进行。催化精馏塔内径为200mm，塔的精馏段填装1500mm的规整填料，塔的提留段填装1500mm的规整填料，反应器内填装大孔强酸性阳离子树脂作为催化剂。所采用的催化剂填装结构的各项参数见表1。反应器及蒸汽挡板排布图见图5和图6。流量为10kg/h的含水15％的叔丁醇原料从进料口导入进行脱水反应，操作压力0.39MPa。叔丁醇的一次转化率为95％～98％。

表1

Claims (13)

1.一种用于叔丁醇催化精馏脱水制异丁烯的催化剂填装结构，所述的催化剂填装结构置于催化精馏塔的反应段筒体中，该催化剂填装结构包括：蒸汽挡板、液体分布器、垂直均匀地置于反应段筒体内的多个反应器，这些组件构成一层催化剂层，反应器下部和上部装有不锈钢丝网，催化剂散装填在反应器的两层不锈钢丝网中，蒸汽挡板搭在塔内壁焊接的支架上，反应器固定在蒸汽挡板上，其特征在于液体分布器由反应器顶端延伸至反应器底部通过与反应器数目相同的通道与各反应器底部连通，所述的反应器下部侧壁处开有小孔；所述的蒸汽挡板为可拆卸结构，与塔壁接触的两端的形状与塔内壁弧线吻合并密封连接，与反应器接触的部位与反应器外径相吻合并密封连接；上下两层蒸汽挡板的位置相互错开，使蒸汽按照折流形式向上流动。

2.根据权利要求1所述的催化剂填装结构，其特征在于所述的反应器下部侧壁处的小孔位于反应器下部不锈钢丝网的下方。

3.根据权利要求1或2所述的催化剂填装结构，其特征在于所述的反应器下部侧壁处的小孔中心距反应器底端的距离为整个反应器高度的0.02～0.2倍。

4.根据权利要求1或2所述的催化剂填装结构，其特征在于所述的反应器下部侧壁处的小孔直径为反应器直径的0.02～0.1倍。

5.根据权利要求1所述的催化剂填装结构，其特征在于所述的反应器为圆柱形，顶端敞开，底端为一筛板，筛板开孔率为10%～80%。

6.根据权利要求1所述的催化剂填装结构，其特征在于反应器直径为催化精馏塔反应段塔径的0.05～0.3倍。

7.根据权利要求1所述的催化剂填装结构，其特征在于每组催化剂层的反应器数目为2～50个。

8.根据权利要求1所述的催化剂填装结构，其特征在于反应器下部和上部的不锈钢丝网为10～100目，反应器的上下部不锈钢丝网的距离为反应器高度的0.3～0.8倍。

9.根据权利要求1所述的催化剂填装结构，其特征在于相邻的两块蒸汽挡板的距离为反应器高度的0.1～0.3倍。

10.根据权利要求1所述的催化剂填装结构，其特征在于每层催化剂层之间的距离为反应器高度的0.2～1.0倍。

11.一种利用如权利要求1所述的催化剂填装结构进行叔丁醇催化精馏脱水制异丁烯的工艺，包括，液相首先由反应段上部进入，经由液体分布器进入反应器底部，自反应器底部自下而上穿过催化剂进行反应，然后从反应器顶端溢出，一部分生成的低浓度叔丁醇的水相从下部侧壁处的小孔流出，汽相通过液体收集器经蒸汽挡板重新分布，沿轴向向上和径向流动，向下流动的液体由液体收集器收集后加入下一个催化剂层或者进入提留段。

12.根据权利要求11所述的叔丁醇催化精馏脱水制异丁烯的工艺，其特征在于采用加压操作，压力为0.2MPa～0.5MPa，塔顶冷凝器为全凝器，液相采出异丁烯产品。

13.根据权利要求11所述的叔丁醇催化精馏脱水制异丁烯的工艺，其特征在于垂直加设一组或多组催化剂层，从上层催化剂层流下的液相由液体收集器收集后再由下层液体分布器送入下层反应器底部。

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