CN104203388B - 用于进行化学反应的反应性精馏塔 - Google Patents

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Abstract

一种用于进行化学反应的催化反应性精馏塔，其中一种起始物质为液相而一种产物为气相。所述塔包括反应区域，所述反应区域包括至少两个催化区段，每个区段具有进料通道和溢流井，所述溢流井同时充当用于下一区段的进料通道，使得来自每个区段的液体进入该区段的溢流井并且经由溢流井进入下一区段的下方部分，反应区域被设计成允许绕过剩余区段除去每个区段的气体产物。应用于苯的加氢异构化和链烷烃的异构化。

Description

用于进行化学反应的反应性精馏塔
技术领域
本发明涉及化学技术领域，特别涉及用于进行催化反应的反应器和反应性精馏塔。
背景技术
化学反应器为用于进行化学反应的装置。化学反应可以在催化剂上进行，特别是在催化剂的固定床上进行。在大量化学反应中，至少一种起始物质为液相，至少一种产物为气相。这种反应的实例包括链烷烃的异构化和苯的加氢异构化。
多数反应的主要问题是关于目标产物的低选择性或起始物质的低转化程度。某些反应需要使用数种催化剂并且通常使用用于每个反应的分离设备进行，在该情况下系统的整体尺寸和能量消耗巨大。
因此需要提供用于进行化学反应的改进的设备。
发明内容
本发明的目的是提供用于进行催化化学反应的设备，所述设备能够实现起始物质的最大转化并且改进目标产物的产量。目的是提供一种设备，所述设备优选能够易于修改从而适合大范围的过程，特别是炼油过程。
通过如下实现所述目的：提出一种用于在催化剂的固定床上进行化学反应的设备，其中至少一种起始物质为液相而至少一种产物为气相，所述设备包括反应区域，所述反应区域包括至少两个上下设置或同中心设置的催化区段，每个区段具有进料通道和溢流井，所述溢流井同时充当用于在液体流动方向上的下一区段的进料通道，使得来自每个区段的液体进入该区段的溢流井并且经由溢流井进入下一区段的下方部分，在液体流动方向上的最后区段的溢流井打开从而允许液相自由流出，而分配器位于在液体流动方向上的第一区段的进料井的上方从而将液相进料至在液体流动方向上的第一区段，所述设备被设计成允许绕过剩余区段除去每个区段的气体产物。
合意的是，至少一个溢流井/进料通道形成反应区域的外边缘的至少一部分。
合意的是，形成进料通道使得其中存在的液体形成液压密封，使得区段中存在的气相不能进入进料通道。
在本发明的多个实施方案中，区段的底部被制成封闭的。
至少一个反应区段可以具有在其底部处的在催化剂床下方的分配室并且可以被设计成允许递送气体通过该分配室。
合意的是，所述分配室应当包括用于混合液相和气相的设备，所述液相从进料通道进入所述分配室。
在本发明的一个实施方案中，所提出的设备为反应性精馏塔。
在本发明的一个实施方案中，所提出的设备为反应器。
所描述的设备本身可以为反应器或反应性精馏塔的单元。
在本发明的某些实施方案中，区段包括不同的催化剂。
还提出的是一种反应性精馏塔，所述反应性精馏塔包括至少一个反应区域，其中所述区域包括至少两个上下设置或同中心设置的催化区段，其中每个区段具有进料通道和溢流井，所述溢流井同时充当用于下一区段的进料通道，使得来自每个区段的液体进入该区段的溢流井并且经由溢流井进入下一区段的下方部分，在液体流动方向上的最后区段的溢流井打开从而允许液相自由流出，而分配器位于在液体流动方向上的第一区段的进料井的上方从而将液相进料至在液体流动方向上的第一区段，所述区域被设计成允许绕过剩余区段除去每个区段的气体产物。
在一个实施方案中，区段上下设置。
在优选的实施方案中，区段被形成为在中间或围绕外围具有溢流井，并且区段交替地在中间或围绕外围具有溢流井。
在优选的实施方案中，所有的外围溢流井形成反应区域的外边缘的一部分。
在优选的实施方案中，每个区段的气体产物绕过剩余区段通过一个或多个排气通道取出。
根据本发明的塔可以包括至少两个反应区段。在该情况下，所述区域可以通过质量传递设备分离。
在某些实施方案中，区域包括不同的催化剂，而每个区域的区段包括一种相同的催化剂。
根据本发明的塔可以包括至少三个反应区域，其中至少两个反应区域通过质量传递设备分离。
在一个实施方案中，根据本发明的塔包括三个反应区域，其中被设计成用于苯的加氢异构化的一个区域包括至少两个区段，而被设计成用于己烷和戊烷的异构化的另两个区域各自包括至少三个，优选四个或五个，和更优选六个区段。
在又一个实施方案中，区段同中心设置。在该情况下合意的是，塔包括至少两个反应区段。合意的是，在所述塔中，区段形成具有室的小室状结构使得反应区域的室上下设置并且形成用于使气相通过的通道。在某些实施方案中，区段的空的小室可以具有鳍片，使得用于使气相通过的通道具有鳍片。在多个实施方案中，空的小室可以包括质量传递设备。
本发明人发现能够借助于反应区域的所述布置改进目标产物产量/目标产物选择性。出人意料地，还发现使用根据本发明的反应区域能够减少热损失并且减少所需的催化剂量。
附图说明
图1：其中区段上下设置的反应区域的图。图1A显示了区域的全视图，而图1B显示了所述区域中的流的流动。
图2：其中区段同中心设置的反应区域的图。
图3：用于收集液体组分从而将液相引入第一区段的设备的变体形式。
图4：根据本发明的具有反应区域的反应器的图。
图5：具有上下设置的区段的反应区域的三维图。
图6：具有同中心区段的反应区域的三维图。
图7：具有同中心区段的数个区域的塔的一个区域(三维图)。7A-全视图，7B–横截面图。
图8：具有同中心区段的数个区域的塔的一个区域(横截面，变体形式)。
图9：根据本发明的具有反应区域的反应性精馏塔的图。
具体实施方式
现在描述的反应区域布置可以用在用于在催化剂的固定床上进行催化反应的具有气体反应产物的反应装置中，也可以用在用于反应性精馏的装置中。
根据本发明的催化(反应)区段为填充有催化剂的塔盘。
可以通过选择塔盘的合适的立体容积从而实现反应混合物在每个催化剂床中的不同的停留时间，所述停留时间直接与催化剂的体积成正比并且与原材料流的速度成反比。
可以使用固定网格或其它合适的设备固定催化剂。
催化剂的实例包括：负载在载体上的包含化学元素周期表的VIII族金属的催化剂，所述载体例如为活性氧化铝、β-沸石、五元环高硅沸石(ZSM-5型)和丝光沸石。所述载体可以用卤素(例如F和/或Cl)和其它元素进行改性。可以使用固体和/或负载的杂多酸作为催化剂。所述催化剂可以用Mn、Fe、卤素Cl和/或F和其它元素进行促进。
图1中示意性地显示了区段的上下布置。在图1A中，催化剂1设置在塔盘5中，上方区段的溢流井2与下方区段的进料通道3整体形成，而排气通道4在溢流井2内穿过。图1B显示了流的流动的图：液相1进入上方区段的进料通道，并且液相穿过液压密封进入上方区段的下方部分，穿过其中发生反应的催化剂床，并且经由溢流井流动至下方区段；在下方区段处经由液压密封进入该区段的下方部分，穿过其中发生反应的催化剂床，并且经由溢流井流动至下方区段，或者如果其为最终区段，则作为自由流2流动至下方设备。气相3(当存在时)进入排气通道，并且从最上方区段作为流5除去的气体反应产物4进入这些相同的通道。图5显示了所述区域的三维图。
图2显示了其中区段同中心设置的区域的布置，即区段与设备中心的距离以增加/减少的方式改变。
液体收集器1在装置的整个横截面上收集液体产物并且将液体产物引导至第一区段的进料通道12。
可以使用用于单独递送液体组分5的设备将额外的组分引入反应混合物(经由进料通道)。
反应混合物然后进入预混合室7，所述预混合室7通过液压密封13与溢流井分离，并且气体通过用于单独递送气体组分6的设备向下引入混合室，因此反应混合物被剧烈搅拌并且被气体饱和，然后良好搅拌的气液混合物从预混合室穿过支撑格栅14进入反应区段3。
催化剂填充物通过网格16紧固地固定在顶部处，所述网格16避免催化剂的夹带和磨损。
在反应区段的出口处，气体产物向上流动，而液体产物溢流进入溢流井/下一反应区段的进料通道12。
可以借助于外部排出设备8除去每个反应区段的产物。
借助于位于装置外部的阀，排水设备9允许排空反应区段并且液体在装置内部或外部向下排出，而无需拆除装置。
反应区段通过溢流井12连接，并且可以通过打开和关闭所述井改变液体产物流动通过反应区段的顺序。
使用所述区域布置，组分的流平行，这增加了进行反应的可靠性：在一个反应区段故障时，剩余区段继续操作。
图6中显示了区域的一个实施方案的三维图。
将反应设备设置在相同的水平处缩短了装置的整体高度，这减少了能量消耗(泵、蒸发热)、体积和结构成本并且在某些负载条件下减少了整体金属消耗：体积增加线性地取决于高度并且平方地取决于直径，而材料消耗线性地增加。
如果在区域中使用单种催化剂，则反应在数个平行操作的反应区段中进行。
如果在区域中使用不同的催化剂，则通过反应区段的溢流井的连接顺序确定流动通过这些催化剂的顺序。可以使用溢流的系统布置液体组分的流动的各种方案，即系统的催化剂可以以不同顺序进行操作。
在某些实施方案中，所有反应区域独立地递送和排出组分，同时维持相互连接。独立地递送气体组分能够调节每个催化剂体系的热力学和流体力学，尽管可能存在用于所有区段的通用气体进料器。独立地递送液体组分能够优化反应混合物的组成并且扩大进行的化学反应的范围。
原则上，减少液相在催化剂上的停留时间可以通过减少液相至(不希望的)后续产物的转化而增加目标产物的产量，然而最初产物的转化程度也同时降低。所提出的设备能够减少液相在催化剂上的停留时间，但是也减少从每个区段取出的气相目标产物在催化剂上的停留时间。因此已经能够增加目标产物产量/目标产物选择性。
出人意料地，还发现使用根据本发明的反应区域能够减少热损失并且减少所需的催化剂量。
催化剂的区段设置能够有效地利用在反应过程中在催化剂床中释放的热。更具体地，利用该热从而加热反应混合物、反应产物和装置的环境。首先通过减少使热损失至环境介质的表面实现所述效果，因为包含催化剂填充物的塔盘通过反应混合物、反应产物或溢流井或进料通道中包含的其它工作介质的层而部分或全部地与装置的壁分离。其次，当在区段中进行不同的反应时，区段可以这样布置使得在反应过程中在一个区段的催化剂床中释放的热将在相邻区段中被直接利用。实施例1中展示了该效果。
设备减少了完成的产品与未反应组分在催化剂上的竞争，因此理性地利用催化剂并且能够相比于非独立填充物的情况减少催化剂填充物的体积。
由于从反应区域中及时除去反应产物，并且由于未反应反应混合物和反应产物之间的竞争减少，发现能够减少进行特定反应所需的催化剂的体积。实施例2中展示了该效果。
此外，所述设备能够使用多组分最初混合物在放置在单个反应区域中的各种催化剂上进行反应。在该情况下，从反应区段中阶段性地除去反应产物，这能够避免反应产物与其它区段的催化剂的不希望的接触，同时液相维持在反应中。
所提出的设计也能够针对大范围的过程(包括炼油)修改设备，并且允许通过壁中的舱口装载和卸载催化剂，即其是技术有利的。工业装置中实施的反应区域的设计允许在每个反应区段中经由装置的壁中的装备进行装载和卸载，这相比于相似装置显著减少了制备操作所需的时间。所提出的设备的区别在于催化剂装载和卸载的容易性。
所提出的反应区域的布置可以应用于反应器。在该情况下，反应混合物从顶部进料至装置中并且进入上方反应区段。然后反应混合物阶梯地穿过所有区段并且从装置的下方部分排出。装备可以设置在装置的上方部分中用于排出气体反应产物。图4显示了反应器的图并且显示了反应器中的流的图：液相1进入上方区段的进料通道，液相经由液压密封进入上方区段的下方部分，穿过其中发生反应的催化剂床，并且经由溢流井溢流进入下方区段；在下方区段处经由液压密封进入该区段的下方部分，穿过其中发生反应的催化剂床，并且经由溢流井溢流进入下方区段，同时液相作为自由流2从最后区段流动至设置在下方的设备。气相3(当存在时)进入排气通道，并且从最上方区段作为流5取出的气体反应产物4进入这些相同的通道。
所提出的反应区域的布置可以用在用于反应性精馏的装置中。来自蒸馏室或质量传递区域的蒸汽/气体流从下方进入并且流动通过排气通道。液体流从顶部，特别是从塔顶或从质量传递设备进入反应区域，并且进料至上方反应区段的进料通道。然后液体流阶梯地穿过每个区段并且排出至装置的蒸馏室或下方质量传递区域，然后进入下方的反应区域或蒸馏室。图9显示了塔的图。
如果塔形成有数个同中心区段的区域，则区段可以被制成小室状，如图7和8中所示。
如图7中所示，区段的反应小室均匀分布在装置的横截面上并且与通过其外壁形成的传输通道优选以错列布置交替，其中一个区段的每个反应小室连接至另一个区段的两个小室。
在该情况下，排气(运气)通道通过数个区域的空的小室形成并且提供用于传输气体组分和液体组分。通道可以具有鳍片15(图8A)从而强化热传递和质量传递。传输通道允许蒸汽上升从而绕过反应设备而穿过，而没有显著的液压损失，允许液体产物向下取出，并且允许在上升的蒸汽和下降的液体之间进行质量传递；其它设备可以容易地在运输通道中设置和操作。额外的质量传递设备(例如填充物)可以位于运输通道中。
在所述实施方案中，合意的是设置允许热效应的特定催化剂；例如合意的是在与传输通道共同的具有最大壁面积的位置处设置具有放热效应的催化区段。
反应区段的小室与传输通道交替能够减少整个设备的液压阻力并且使液压阻力在装置的横截面上均衡。
正如任何本领域技术人员公知的，进行连续分馏的质量传递设备可以包括精馏板、非结构化质量传递填充物或结构化质量传递填充物。
用于收集液体组分的设备保证了液体产物被引入设备的所需面积，取决于液体组分首先被引入的位置。图3中显示了所述设备的布置的实例。图2中所示的用于收集液体组分的设备的实施方案包括一系列循序连接的导向元件4，所述导向元件4收集液体组分并且形成用于使气体组分通过的通道系统，所述设备由于大的通道面积而具有低的液压阻力。
进料通道中的液压密封这样布置使得从顶部下降的通道/井的壁延伸低于从底部延伸的液压密封壁的高度。
每个区段的气体产物可以绕过剩余区段通过排气通道而取出，所述排气通道可以穿过进料通道(溢流井)从而节省空间。在该情况下，蒸汽/气体流不与催化体系或反应混合物的液体流的任一者接触。归因于此，反应区域在稳定的流体力学条件下(没有泛液或滑塌)在关于液体和蒸汽/气体流的宽的输出极限内操作，并且也限制装置中的压差。
实施例1
在实验室单元(流动反应器)中的苯的加氢异构化
在测试中，将合适的催化剂装载在反应区域没有划分成区段的设备中和根据本发明的包括两个区段的区域的设备中。装置中放置的催化剂的体积为30cm3。以90ml/h的速度进料原始组分(苯)。装置中的压力为15kg/cm2(表压)。在反应器中借助于冷却水夹套维持200℃的温度。在反应过程中产生的一部分热通过加热反应混合物、反应产物和装置的操作环境而除去，而另一部分热通过加热装置的壁和损失至大气环境而耗散。通过冷却水(所述冷却水具有恒定的初始温度和恒定的流动速度)的最终温度计算从反应器的壁除去的热通量。对于对比设备的反应区域，通过反应器的壁的热通量为21.7W。对于根据本发明的反应区域，通过装置的壁的热通量为13.3W。
因此实现了热损失的减少。
实施例2
在实验室单元(流动反应器)中的戊烷的异构化。
当使用反应区域没有划分成区段的设备并且以60ml/h的速度进料初始组分(戊烷)时，需要装载30cm3的催化剂体积从而实现68％的转化程度。当使用根据本发明的由六个反应区段组成的反应区域进行实验时，需要装载26cm3的催化剂从而保证相同的转化值，其它条件相同。
实施例3
具有阶梯式选择性的多级反应。己烷的异构化。
在第一阶段中，通过使己烷和合适的催化剂接触形成甲基戊烷。然后将甲基戊烷转化成二甲基丁烷。二甲基丁烷和相同的催化剂之间的进一步接触造成裂解，形成更轻质的烃。炼油中的目标组分为二甲基丁烷。在根据本发明的反应区域中进行所述反应能够通过选择反应区段的尺寸及其数目从而实现二甲基丁烷的最大产量，其它条件与现有技术中已知的设备相同。

Claims (21)

1.一种用于在催化剂的固定床上进行化学反应的设备，其中至少一种起始物质为液相而至少一种产物为气相，所述设备包括反应区域，所述反应区域包括至少两个上下设置的催化区段，每个区段具有进料通道和溢流井，所述溢流井同时充当用于在液体流动方向上的下一区段的进料通道，使得来自每个区段的液体进入该区段的溢流井并且经由溢流井进入下一区段的下方部分，在液体流动方向上的最后区段的溢流井打开从而允许液相自由流出，而分配器位于在液体流动方向上的第一区段的进料井的上方从而将液相进料至在液体流动方向上的第一区段，所述设备被设计成允许绕过剩余区段除去每个区段的气体产物。
2.根据权利要求1所述的设备，其中至少一个溢流井/进料通道形成反应区域的外边缘的至少一部分。
3.根据权利要求1所述的设备，其中形成进料通道使得其中存在的液体形成液压密封，使得区段中存在的气相不能进入进料通道。
4.根据权利要求1所述的设备，其中区段的底部被制成封闭的。
5.根据权利要求1所述的设备，其中至少一个反应区域具有在其底部处的在催化剂床下方的分配室并且被设计成允许递送气体通过该分配室。
6.根据权利要求5所述的设备，其中所述分配室包括用于混合液相和气相的设备，所述液相从进料通道进入所述分配室。
7.根据权利要求1所述的设备，所述设备包括反应性精馏塔。
8.根据权利要求1所述的设备，所述设备包括反应器。
9.根据权利要求1所述的设备，所述设备包括反应器或反应性精馏塔的单元。
10.根据权利要求1所述的设备，其中区段包括不同的催化剂。
11.一种反应性精馏塔，所述反应性精馏塔包括至少一个反应区域，其中所述区域包括至少两个上下设置的催化区段，每个区段具有进料通道和溢流井，所述溢流井同时充当用于下一区段的进料通道，使得来自每个区段的液体进入该区段的溢流井并且经由溢流井进入下一区段的下方部分，在液体流动方向上的最后区段的溢流井打开从而允许液相自由流出，而分配器位于在液体流动方向上的第一区段的进料井的上方从而将液相进料至在液体流动方向上的第一区段，所述区域被设计成允许绕过剩余区段除去每个区段的气体产物。
12.根据权利要求11所述的塔，其中区段被形成为在中间或围绕外围具有溢流井，并且区段交替地在中间或围绕外围具有溢流井。
13.根据权利要求12所述的塔，其中所有的外围溢流井形成反应区域的外边缘的一部分。
14.根据权利要求11所述的塔，其中每个区段的气体产物绕过剩余区段通过一个或多个排气通道取出。
15.根据权利要求11-14任一项所述的塔，所述塔包括至少两个反应区域。
16.根据权利要求15所述的塔，其中所述区域通过质量传递设备分离。
17.根据权利要求15所述的塔，其中区域包括不同的催化剂，而每个区域的区段包括一种相同的催化剂。
18.根据权利要求15所述的塔，所述塔包括至少三个反应区域，其中至少两个反应区域通过质量传递设备分离。
19.根据权利要求18所述的塔，所述塔包括三个反应区域，其中被设计成用于苯的加氢异构化的一个区域包括至少两个区段，而被设计成用于己烷和戊烷的异构化的另两个区域各自包括至少三个区段。
20.根据权利要求19所述的塔，其中被设计成用于己烷和戊烷的异构化的两个区域各自包括四个或五个区段。
21.根据权利要求19所述的塔，其中被设计成用于己烷和戊烷的异构化的两个区域各自包括六个区段。
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