CN107362562A - 在催化蒸馏塔中分布气体和液体的新型装置 - Google Patents

在催化蒸馏塔中分布气体和液体的新型装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了在催化蒸馏塔中分布气体和液体的新型装置。本发明描述了供应使用液体物流作为反应物流的反应性蒸馏塔的催化区的装置，反应区中的液体流是上升流类型并且在反应区中气体不与液体相遇。

Description

在催化蒸馏塔中分布气体和液体的新型装置
技术领域
本发明的目的是改进反应性蒸馏塔中所用的接触构件（means）。术语“接触构件”意在表示用于在催化区内分布气态和液态流体的任何元件。术语“催化区板”用于表示接触构件和催化床的支承元件的集合（ensemble）。
反应性蒸馏，也称作催化蒸馏，由通过蒸馏进行分离、然后在被称作反应性蒸馏塔的同一设备中进行化学反应构成。特别对平衡反应（例如A + B ↔ C + D）（其因此不完全）指出这一操作。因此，如果在反应过程中取出成分之一，该平衡会朝形成该成分的方向移动，由此提高反应转化率。
在下文中，术语“反应塔”或“催化塔”可互换使用。
在反应性蒸馏塔的一个实施方案中，其作为串联的催化区和蒸馏区形成（关于反应塔的一般配置，见图1）。
在本发明中，气体和液体仅在蒸馏区中相遇，且催化区仅涉及液体。因此，该气体必须绕过催化区而不与液体发生任何接触。在下文中，使用本领域技术人员公知的术语“绕过（bypass）”表示避开（circumvention）。
本发明中所述的接触构件的新型布置与现有技术的区别在于在催化区上游提供分布液体的中央收集器，这意味着其可接受液体流量的大变动而不溢出催化区。
附图说明
图1是催化蒸馏塔的图示，其可用于直观显示交替的蒸馏区和反应区。塔可包括与多个蒸馏区交替的多个反应区。
图2代表根据本发明的反应塔板的图解视图。图2显示位于该塔中心的由圆柱形或平行六面体形(3)然后管形(4)元件构成的液体供应区，其向位于催化区底部的分布区(5)供应液体。
液体以上升流模式经过催化区(8)，然后经由堰(12)从所述区域排出。
该液体经过专用外周区(6)在下游蒸馏区再汇合。
如图2bis中可以看出，气体在通过实心垂直壁与液体的外周区(6)完全隔开的专用外周区(7)中移动，这是经过催化区水平面（level）的一段催化塔，以能够直观显示专用于液体的外周区部分(6)和专用于气体的外周区部分(7)。
图2bis是能够直观显示专用于气体的外周区(7)和专用于液体的外周区(6)的顶视图。
图3代表本发明的一个变体，其中气体不再经由专用外周区(7)移动，而是经由穿过催化区(8)的孔(9)的阵列移动。
图3bis是能够直观显示专用于液体的外周区(6)的顶视图。
图4代表本发明的另一变体，其中液体不再经由专用外周区(6)，而是经由穿过催化区(8)并穿插在排列好的气体旁路孔(9)之间的孔(10)的阵列从催化区中排出。
这些变体相互兼容的事实意味着它们可组合。例如，本发明的范围包括使用气体孔阵列(9)并继续经由专用外周区(6)排出液体，或经由孔阵列(10)排出液体并同时借助专用外周区(7)使气体绕过催化区(8)。
背景技术
反应塔领域中的现有技术基本以文献FR 2 737 132为代表。该文描述了反应塔的一般布置，更特别描述了液体在催化区中依循的路径。其没有提到可适应液体和/或气体流量的大变动的任何装置。
专利FR 2 737 132中描述的接触构件可概括如下：
催化区(C)被两个蒸馏区(B)包围，来自蒸馏的蒸气以基本不与催化剂接触的方式自底向上移动，且液体借助锥形然后圆柱形并将液体带到催化区下方的中央收集器从上蒸馏区(5)移向位于催化区下方的基本中心区。
该液体然后经由径向导管型构件在所述催化区(8)下方径向移动以将其引入液体分布区。
从这一分布区，该液体以上行或上升流方向移动经过催化区中的催化剂，然后经由至少一个液体溢流构件在下蒸馏区回收该液体。
催化区顶上存在一定的液体层，其确保供往溢流构件。
对催化区的液体供应具有降低的灵活性，因为在中央收集器中建立液位，并且如果超过该液位，液体会侵入催化区。
在下文中，术语“上升流”和“下降流”通常用于分别指示向上或向下的液体流。
发明内容
本发明可以被定义为由交替的催化区(8)和蒸馏区构成的反应性蒸馏塔，其中在各催化区(8)，经由包含第一圆柱部分(3)，接着第二管形部分(4) （其将液体带入位于催化区(8)下方的液体分布区(5)）的中央液体收集器在所述区域上游引入液体。
这一液体分布区(5)通常具有与所述催化区(8)相同的横截面，该液体然后以上升流模式经过催化区并经由毗邻塔壁的外周区(6)或经由穿过催化区的孔系统(10)从所述催化区中排出。
来自下游蒸馏区的气体经由专用外周区(7)或经由在液体堰(12)的上水平面上方排出的垂直孔(9)的阵列绕过催化区(8)。
中央收集器(3)配有溢流装置，其高度H被定义为跨过板(15)和催化床(8)的液体压降的函数。
当气体经由孔(9)的阵列绕过催化区(8)时，每单位催化区横截面的孔(9)数量为1至20个孔/平方米，优选2至15个孔/平方米。
当借助穿插在气体孔(9)的阵列之间的孔(10)的阵列从催化区(8)中排出液体时，液体排出孔(10)的数量为20至200个孔/平方米，优选100至150个孔/平方米。
气体绕过催化区(8)和排出液体的各种可能性可以组合在一起，即：
·根据图3，液体经由专用外周区(6)排出且气体经由孔(9)的阵列绕过催化区。
·液体经由孔(10)的阵列排出且气体经由专用外周区(7)绕过催化区。
·根据图4，液体经由孔(10)的阵列排出且气体经由孔(9)的阵列绕过催化区。
发明详述
根据本发明的反应塔的配置基于两个概念：
1) 液体以上升流模式经过催化区，和
2) 气体绕过催化区并经专用外周区或经孔移动，并由此在催化区的水平面处遇到液体。
液相和气相之间的接触仅在围绕催化区的蒸馏区发生。这些蒸馏区在此不进一步详细描述，因为它们与现有技术的那些基本没有差别。
更确切地，本发明可以被定义为由交替的催化区(8)和蒸馏区(B)构成的反应性蒸馏塔。各催化区因此被上游蒸馏区和下游蒸馏区围绕。
如图1中所示的蒸馏区和催化区的一般布置与现有技术没有差别。
在本发明中，各催化区仅用于与液相的反应，且经过催化层的所述液相流是上升流。
说明书的剩余部分参照根据本发明的图2给出。
来自上游蒸馏区的液体在中央液体收集器(3)中回收，所述收集器包括第一圆柱形或平行六面体部分(3)，接着第二管形部分(4)，其将液体供往由所述催化区的底部(13)限定的位于催化区(8)下方的液体分布区(5)。
该液体随后经过筛板(15)，其产生一定的压降，这在中央收集器(3)的溢流装置的尺寸中计入考虑。
催化床可以直接由筛板(15)支承或由刚好位于筛板(15)上方的具有小压降的第二筛板支承（一个变体，未显示在图2中）。
根据图2中所示的本发明的一个变体，该液体随后以上升流模式经过催化区(8)并通过经侧壁(12)溢流（这意味着可以限定上液层(11)）而从所述催化区中排出。此壁(12)在下文中被称作堰。
液体经由毗邻塔壁的专用外周区(6)转移到下游蒸馏区。
根据图4中所示的本发明的另一变体，该液体作为上升流经过催化区(8)并通过溢流到孔(10)中而从所述催化区中排出。孔(10)的开放上端的水平面意味着可以限定上液层(11)。液体随后经由孔(10)转移到下游蒸馏区。
如图3中可以看出，来自下游蒸馏区的气体经由专用外周区(7)或经由在液体堰(12)的上水平面上方排出的垂直孔(9)的阵列绕过催化区(8)。
中央收集器(3)配有溢流装置，其高度H被定义为跨过支承催化床的下方板(15)和催化床本身(8)的液体压降的函数。H是液层(11)的溢流位和中央收集器(3)的溢流装置的顶部之间的最大液体高度。这种溢流装置可以由两个横截面不同的元件构成，具有最小横截面的元件位于另一个上方。
根据图3中所示的本发明的第一个变体，气体不经由专用外周区(7)，而是经由穿过催化区(8)并在堰(12)的水平面上方的水平面排出的孔(9)的系统绕过催化区。用于供气体通过的孔(9)优选为正方形或三角形图案。
每单位催化区横截面的孔(9)数量优选为1至20个孔/平方米，更优选2至15个孔/平方米。
这意味着可以以基本均匀的方式向上游蒸馏区的底部供应气体。
根据本发明的蒸馏塔的另一变体，在经过催化区(8)后，液体经过通过实心壁与气体专用外周区(7)（当所述外周区用于使气体通过时）隔开的专用外周区(6)返回到下游蒸馏区。在图2bis的顶视图中可以看见一方面专用于气体的外周区(7)和另一方面专用于液体的外周区(6)的分区。
根据本发明的另一变体，液体经由穿插在排列好的气体孔(9)（当存在该气体孔阵列时）之间的孔(10)的阵列从催化区(8)中排出。具有用于气体绕过的孔(9)的阵列和用于排出液体的孔(10)的阵列的这一变体显示在图4中。
在这一变体中，用于液体返回的孔(10)优选为正方形或三角形图案。
每单位催化区横截面的孔(10)数量优选为20至200个孔/平方米，更优选100至150个孔/平方米。
这意味着液体可以以基本均匀的方式分布到下蒸馏区的顶部。
孔(10)中的液体流是下降流并可用于将液体送回位于催化区下方的蒸馏区上游。
在这种情况下，在下游蒸馏水平面优选使用填料作为气体和液体之间的接触器。
本发明的范围包括组合不同变体，即：
·根据图3，液体经由专用外周区(6)排出且气体经由孔(9)的阵列绕过催化区。
·液体经由孔(10)的阵列排出且气体经由专用外周区(7)绕过催化区。
·根据图4，液体经由孔(10)的阵列排出且气体经由孔(9)的阵列绕过催化区。
具体实施方式
实施例1基于具有正常容量的现有技术塔。
实施例2基于具有正常容量的根据本发明的塔。
实施例3基于110%容量的现有技术塔。
实施例4基于110%容量的根据本发明的塔。
因此应该在正常容量运行下的1和2之间以及超负荷10%运行下的3和4之间进行比较。
根据本发明的塔具有配有溢流装置的中央收集器(3)，溢流装置的高度H被定义为跨过板(15)和催化床(8)的液体压降的函数，高度H精确地定义为液层(11)的溢流位和中央收集器(3)的溢流装置的高度之间的最大液体高度。
该塔的主要尺寸如下：
两个板之间，即收集器板和被称作蒸馏板的板之间的总高度：2.5米
直径：1.20米
一个催化床的高度：0.5米
高度H：0.65米
液体经外周区(6)排出
气体经专用外周区(7)绕过
该反应塔用于含烯烃（1-丁烯、顺式-2-丁烯、反式-2-丁烯、异丁烯）和链烷烃（正丁烷、异丁烷）的C4馏分的醚化方法。
这一反应塔包括5个反应性多联体（doublets）。术语“多联体”是指上方分布器板、下游催化床和在催化床下游的相邻蒸馏区的组装件。一个多联体对应于用于蒸馏的一个理论塔板。
该塔包括33个理论塔板，包括再沸器（传统上为板33）和冷凝器（传统上为板1）。
将进料引入板24，且催化床位于理论塔板5和6、7和8、9和10、11和12、和13和14之间。
塔顶压力保持在790 kPa，温度在塔顶为67.2℃，在再沸器处为152℃。
反应性蒸馏塔的进料具有下表1中给出的组成
表1: 催化塔的进料的组成。
催化塔的性能取决于其操作容量和所用接触构件的类型。
实施例基于已在类似工业案例的基础上计算的数字模拟。
使用ProII模拟软件进行模拟。
醚化反应的反应动力学基于“Kinetics and mechanism of ethyl tert-butylether liquid-phase synthesis, Françoisse, O.. Chemical Engineering andProcessing: Process Intensification 第30卷，第3期 (1991) ISSN: 0255-2701Online ISSN: 1873-3204”中公开的研究。
实施例1和3对应于使用根据现有技术的催化蒸馏接触构件的情况，
·实施例1在100%的操作容量下。标注尺寸的（dimensioning）多联体的储器（reservoir）3因此充满，但没有溢流；
·实施例3超负荷（负荷的110%）。
该计算表明塔中的最高多联体，即多联体1在100%下的运行过程中具有最高液体流量，其随后在110%超负荷的实施例3中“溢流”。
实施例2和4用根据本发明的图2的接触构件进行，
·实施例2在100%的操作容量下。标注尺寸的多联体的储器(3)因此充满，但没有溢流；
·实施例4在进料的超负荷（110%）下
该计算表明塔中的最高多联体，即多联体1在经由根据本发明的装置进入上储器(3)的内部液体的10%流量下工作。
结果的比较显示在下表2中：
表2: 使用根据现有技术或根据本发明的接触构件的催化塔之间的模拟结果。
在超负荷运行的情况下，即通过比较实施例3和4，根据本发明的塔的优点尤其明显。
实际上，在110%方案下的根据现有技术的情况中（实施例3），溢流的不存在不允许过量液体流过。这随后造成超压和该塔的分离能力降低。塔底产物被夹带向塔顶，以在转化率方面损害该运行。
由于分离和转化率的损失，乙醇也从塔底损失。由于更多地从塔顶分离的反应产物ETBE，提取流量总体上提高。该运行在这种情况下不令人满意。
在110%方案下的根据本发明的情况中（实施例4)，容量的增加造成仅限于几kPa的超压。这种再加热（reheating）造成催化转化率的极轻微升高。转化率的这种升高补偿经由根据本发明的装置的催化剂的液体绕过。
此外，在多联体超负荷运行时，根据本发明的接触构件可用于保持该塔的轻质/重质分离。该塔的塔顶流出物中的ETBE没有增加，观察到总体上与在未超负荷运行的情况中相同的塔顶和塔底分布。
考虑在正常容量运行下的实施例1和2，可能错误地断定本发明没有提供改进。但是，实际上，100%运行是正常状况，通常超出到110%或甚至120%。因此，总体上，根据本发明的装置提供更好的运行安全性。

Claims (7)

1.由交替的催化区(8)和蒸馏区(B)构成的反应性蒸馏塔，其中在各催化区(8)，经由包括第一圆柱形或平行六面体部分(3)，接着是第二管形部分(4)的中央液体收集器在所述区域上游引入液体，所述第二管形部分(4)将液体带入位于催化区(8)下方并具有与所述催化区相同的横截面的液体分布区(5)，所述液体然后以上升流模式经过催化区并经由毗邻塔壁的外周区(6)或经由穿过催化区的孔(10)的系统从所述催化区中排出，气体经由专用外周区(7)或经由在液体堰(12)的上水平面上方排出的垂直孔(9)的阵列绕过催化区(C)，中央收集器(3)配有溢流装置，其高度H精确地定义为液层(11)的堰的水平面和中央收集器(3)的溢流装置的顶部之间的最大液体高度，其具有0.2米至2米，优选0.3米至1米的值。
2.如权利要求1中所述的反应性蒸馏塔，其中液体经由专用外周区(6)排出，且气体经由孔(9)的阵列绕过催化区。
3.如权利要求1中所述的反应性蒸馏塔，其中液体经由孔(10)的阵列排出，且气体经由孔(9)的阵列绕过催化区。
4.如权利要求1中所述的反应性蒸馏塔，其中每单位催化区横截面的允许气体绕过催化区的孔(9)数量为1至20个孔/平方米。
5.如权利要求1中所述的反应性蒸馏塔，其中液体经由孔(10)的阵列从催化区中排出，且气体经由专用外周区(7)绕过催化区。
6.如权利要求1中所述的反应性蒸馏塔，其中液体经由孔(10)的阵列从催化区中排出，且气体经由孔(9)的第二阵列绕过催化区，孔(10)的阵列穿插在气体孔(9)的阵列之间。
7.如权利要求6中所述的反应性蒸馏塔，其中液体排出孔(10)的数量为20至200个孔/平方米，优选100至150个孔/平方米。
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