CN1112853A - 用于化学处理塔的液相催化剂装置 - Google Patents

Abstract

用于汽/液接触塔的改进的催化剂装置。用于 促进化学反应的催化剂介质基本上固定在塔的液相 中，如在塔的下部以改进传质效率。与先前处理塔装 置所不同的是，其中，在汽相或混合相中，蒸馏和化学 反应一起发生，本发明基本上将反应步骤控制在液相 内。按照这样的方式，该反应很少成为塔中汽流的障 碍，并促进原料组分更好的混合和扩散。

Description

本发明涉及化学处理塔；更准确地说，本发明涉及用于增强液相塔效力的改进的催化剂装置。

蒸馏塔用来从多组分液流中分离选择的组分。通常，这样的气液接触塔使用蒸馏塔板，填充物或它们的结合。近年来，已有一种趋势，就是在绝大多数板式塔的设计中，用筛板和浮阀塔板来替代所谓的“泡罩”，并且为了对液流中组分起改进的分离作用，与蒸馏塔板相结合使用无规的（堆积）或结构填充物的通用填充塔。

在塔中成功的分馏取决于液相和气相间紧密的接触。有些汽液接触装置如塔板具有相当高的压降和相当大的液体滞留量这样的特点。另一类汽液接触装置即有结构的高效填充物对于某些应用而言也已常用。因为这样的填充物压降低，液体滞留量少，所以，它是能效率高的。然而，正是这些性能不时地使装有结构填充物的塔难以以稳定的、始终如一的方式进行操作。而且，许多应用只需使用塔板。

常用的分馏塔板有两种构型：横流塔板和逆流塔板。这些塔板通常是由有许多孔的实心板组成，并安装在塔内的支承环上。在横流塔板的情况下，汽流上升通过这些孔，并与通过塔板的“活性”区横穿过塔板的液体接触。正是在该区域，汽-液发生混合和分馏。借助上述塔板的垂直通道，该液体被导引至塔板上。该通道被称为进口降液管。液体横穿过塔板，并通过被称为出口降液管的类似的通道排出。在催化蒸馏的情况下，这些降液管设置在液体体积足以进行液相化学反应的位置。降液管的位置确定了液体的流动方式。如果有两个进口降液管，并且，在每块塔板上液体分成两股液流，那么就称之为双通塔板。如果只有一个进口降液管，并且在塔板的另一侧只有一个出口降液管，那么就称之为单通塔板。对于双通或多通，该塔板经常被称为多通塔板。随着所需的（设计）液体速率的增加，通道数通常也增加。然而，正是塔板的活性区域，它是极为重要的。

对于汽-液接触，并不是所有的塔板区域都是活性的。例如，进口降液管下面的区域通常是实心区。为了获得更多的汽/液接触的塔板的区域，通常降液管为倾斜的。塔板的汽/液最大处理量通常随活性区域或冒泡区域的增加而增加。然而，为了增加冒泡区域，能将这些降液管倾斜到什么程度，这有一定的限制，否则的活通道将变得太小。这将阻碍液体的流动，和/或阻碍保留在液体中的或在降液管中产生的汽的分离，使得液体返回到降液管中，因此，过早地限制了塔板正常的汽/液最大处理量。

为了增加冒泡区域并随后增加汽/液处理量，在设计上采用的变化是使用多降液管（MD）的塔板。通常有许多箱形的垂直通道，以对称方式安装在塔板上，以将液体引至和引离塔板。这些降液管并不一直延伸至下面的塔板，而是留有一预定的距离而差点儿延伸至下面的塔板；该距离是这样来限定的，其使得形成足够的空间而使得进入出口降液管液体中保留的汽流分离。将顺序的两个塔板间的降液管旋转90°。这些箱的底部是实心的，只是一些切口在所说塔板出口降液管中间将液体导引至下面塔板的冒泡区域。

汽/液接触技术谈及了许多性能问题。例如可参见若干现有技术的专利，这些专利包括，US3，959，419，US4，604，247和US4，597，916，每个都转让给了该发明的受让人，和授予Mitsubishi    Jukogyo    Kabushiki    Kaksha    of    Tokyo，Japan的US4，603，022。另一参考文献可参见转让给Union    Carbide    Corporation的US4，4999，035，该专利提出了带有改进进口冒泡装置的气-液接触塔板。上述横流型的塔板显示，在塔板进口处带有激发泡罩活性的改进装置，该装置包含有彼此隔开的、基本上垂直向上延伸并横向至液体流道的无孔壁状元件。据说，该结构型能促进比简单的孔板装置获得的板面更大的表面的活性。这可通过提供连接促进汽流上升通过的降液管区域的上升区域而部分实现。

转让给Shell    Oil    Company的US4，550，000提出了在塔中竖向叠加的塔板间媒质（relationship）中用于液-气接触的装置。该装置中，在给定的塔板中用作气体通路的孔很少被从下一个上部塔板的排液装置来的液体所阻碍。这可通过固定在塔板上在降液管以下并用于驱散下降液流的多孔罩来提供。这些进展改进了现有技术结构范围内塔板的效率。同样地，转让给Nippon    Kayaku    Kabushiki    Kaisha    of    Tokyo，Japan的US4，543，219提出了挡板塔板的塔。其中，披露了高气-液接触效率和低压力损失的操作参数。在塔板处理塔中，在说明高效汽/液接触的必要性时，这些参考文献是有用的。还有另一个气-液接触装置的例子是授予给Carl    T.Chuany等人的并转让给Atomic    Energy    of    Aacada    Limited的US4，504，426。该参考文献同样提出了在改进分馏效率和改进降液管-塔板设计中的许多优点。塔板的多孔区域延伸到降液管下面，并占0-25%以下的多孔区域。

最近使用的蒸馏塔是与化学反应一道的同步分馏或分段分馏。根据化学工业中熟知的勒夏忒列原理，通过改变反应物和产物的平衡，可改进化学反应动力学。例如，在US3，629，478和US3，634，534中的机械设计说明了在降液管中带催化剂的蒸馏塔反应器。在产生气相产物的放热反应的情况下，在入口至降液管处的汽流分离间隙可能更大大地过载。使整个塔不能实现预期的蒸馏作用。因此，一种操作上要考虑的问题是，将降液管中产生的气体以及从塔板带来的气体排空。当要使塔的操作效率最大时，必须要考虑这些问题。

还是根据勒夏忒列原理，通过从反应混合物中取出产物，能将化学反应的平衡从原料组分向产物方向移动。在许多场合，通过随后的蒸馏从残留物料中取出产物。本发明使反应和生产在同一反应器中完成，使得化学反应更完全并降低了投资成本。在放热反应的情况下，反应热可直接地应用至产物的回收步骤。在转让给本发明的受让人的共同美国专利申请US08/132，059中，在气相中蒸馏和化学反应一起发生。在本发明中，反应步骤是在化学处理塔不连续截面的液相中发生。

因而，提供一种使用液相催化反应而增强蒸馏作用的方法和装置是有利的。本发明提供了这样的装置，其中，催化剂被放置在化学处理塔的液相反应区。从该区域引出汽流，使化学反应完全在液相中进行。另外，液相催化反应给该方法的设计者提供了更易防止某些共沸混合物形成的一套不同的操作条件。

本发明涉及化学处理塔和在其中使用的催化剂装置。更准确地说，本发明的一方面包括用于这类处理塔的改进的催化剂装置，其中，液流向下穿过无规或结构填充物，和/或横穿处理塔塔板。在这样的塔中，汽流向上流动以与下降的液体进行相互作用和传质。本发明的改进之处在于，将催化剂介质放置在化学处理塔的液相区域，借此，促进了只在其液相区中的液体组分的化学反应。

另一方面，本发明涉及在其中使用催化剂介质的这类改进的处理塔装置，其中液流向下穿过无规或结构填充物，和/或横穿处理塔塔板，而汽流向上流动以与下降的液体进行相互作用和传质。改进之处在于含有连接该塔、用于支承只在塔的液相区中的催化剂介质的装置。催化剂介质只设置在塔的液相区域中有利于向下流过该塔的液体和催化剂介质的相互作用，并促进其中液体成分的化学反应。可以通过至少一个通过延伸穿过塔的连接元件固定在塔壁上的支撑格栅而将催化剂介质支承在塔中，以在其中存留催化剂介质。在一个实施方案中，提供了夹在塔中的催化剂介质当中的第二支撑格栅。

另一方面，上述的本发明包括通常设置在塔的下部、以使催化剂介质固定在其中主要是液流不从此处通过汽流的塔的下部的支撑格栅。本发明的再一方面是，催化剂介质被固定在塔的中部，所有的汽流在该催化剂介质的上面或下面流动，但不穿过催化剂介质。本发明的还有一个方面是，支撑格栅通常将催化剂介质固定在塔的上部，只使液体从此流过，其中没有汽流通过。

本发明的再有一个方面是，提供了在处理塔中利用催化剂介质的改进的方法。该改进的方法包括在其中主要是液体的塔的区域设置催化剂介质的一些步骤，和基本上不让汽流流过催化剂介质的步骤，由此，产物的反应步骤主要限定在液相内进行。

为了更完全的理解本发明和本发明的进一步的目的和优点，必须参考下面的说明书以及附图，其中：

图1为带有不同切开的截面的填充塔的透视图：在讨论化学处理塔时作为参考，用于说明各种各样的塔的内部结构。

图2是说明本发明原理的一个实施方案的一部分化学处理塔的侧视截面图。

图3是图2化学处理塔的简图。

图4是图3化学处理塔的另一实施方案的简图。

图5是图3化学处理塔的又一实施方案的简图。

首先，参考图1，图1显示了一个用于显示塔的内部、不同的部位的举例性的填充交换塔或柱的透视图。图1的交换塔10仅用作参考，并不说明本发明的液相催化剂装置。图1中所显示的是具有在其中设置的许多填充床层14和塔板的圆柱塔12。为了有利于进入塔12的内部，同样也建造了许多入孔16。另外还提供了侧线物料取出管线20，液体侧线进料管线18和侧线汽流进料管线或再沸器回流管线32。在塔12的顶部提供回流返回管线34。

在操作中，通过回流返回管线34和侧线物料进料管线18，将液体13送入塔10中。液体13向下流经该塔，并最终在侧线物料取出管线20处或在底部物料取出管线20处或在底部物料取出管线30处离开该塔。在其向下流动中，当液体13通过塔板和填充床时，液体13消耗了一些从其中蒸发的物质，并富集或将从蒸气流中冷凝的这些物质加至其中。如图1中所示，汽流15向上通过塔12。

仍参考图1，为了清楚起见，将交换塔10概念性地切成两半。在该说明中，塔10包括设置在塔12顶上的顶部管线26的汽流出口和设置在围绕连接再沸器（没画出）的底部物料取出管线30的塔下部的下部裙板28。所示的再沸器返回通道32设置在裙板28上方，以使得汽流向上通过塔板和/或填充床层14而循环。通过回流管线34在塔上部23提供冷凝器的回流，其中，回流通过穿过上部填充床38的液体分布器36而进行分布。可以看出，上部填充床38为结构填充床。为了说明起见，显示了上部填充床38以下交换塔10的区域，该区域包括设置在承载上部填充床38的支撑格栅41以下的集液板40。同样，将用于使液体13再分布的液体分布器42设置在其下。第二类分布器42A显示在分割线43下面，并设置在床层14的之上。带分割线43的塔10表明，塔内部的布置只是示意性的，并提供作为其中各种元件安排的参考。

仍参考图1，其中还显示了用作说明的一对塔板装置。在许多场合，处理塔只含填充物、塔板、或填充物和塔板的组合。然而，本说明是讨论整个塔的组合和塔的操作。板式塔通常含有许多图1所示的塔板48。在许多场合，塔板48为浮阀塔板或筛板。这样的塔板包含有多孔或切口结构的板。所显示的切口塔板只是为了说明可以使用其它式样的塔板。汽流和液体在塔板处或沿塔板进行接触，在某些装置中，在逆流流动下，可使汽-液流过同一通路。汽-液流动最好达到稳定的水平。在利用下面将要详细描述的降液管时，利用相当低的流速使上升汽流与下降液体混合，可以达到该稳定性。在一些实施方案中没有使用降液管，当各自的压力交替改变时，汽流和液体用同一通路。

在本说明中，显示了横流塔板48和49以及降液管53和69。塔板48是显示常规的多孔或切口表面50的常规设计。然而，塔板49包括在降液管53下面的上升的入口截面51。在入口截面51中的孔可以是简单的穿孔或定向的导流叶片（flow    vanes）。腐蚀同样是填充塔中各元件所要考虑的问题，而且，在许多场合，塔内部材料的选择、设计和构造就是这些所考虑问题的结果。如图1所示的处理塔的构造同样详细地描述在题为“Packed    Column    Internals”的文章中（Gcllert    Chen，Chemical    Engineering，1984年3月5日）。在此引入此文作为参考。

现在参考图2，在塔12的下部100显示了只有液体的反应区99。塔12的下部100含有根据本发明的原理的催化剂的特殊反应区。在反应区99中，催化剂介质能促进塔12内液体组分的化学反应，该化学反应可基本上限定在液相内进行。显示的区域100带有底部物料取出管线30，在该区域之上放置液体，以穿过催化剂介质102。催化剂介质102被设置在小的催化剂支撑载体104之间，该支撑载体被夹在大的催化剂支撑载体106之间。这些催化剂支撑载体是工业上熟知的，一种例子为具有不同直径的氧化铝球。提供上部的催化剂支撑格栅108，以使催化剂102的上部固定；而下部的催化剂介质支撑格栅设置在底部物料取出管线30之上。催化剂支撑格栅通常由切口的、金属格栅材料构成，并且本领域技术熟练人员能容易地设计。该支撑格栅110通常借助常规的连接方法如焊接而连接至塔12，并且可以横跨整个塔的直径，以存留催化剂介质102。通过将催化剂介质102夹在支撑格栅108和110之间，该催化剂介质被限制在它们之间，以与向下流过这里的液体13相互作用。因此，汽流的引入是在上部液面112之上进行的，汽流的进入例如可以是通过图1所示的再沸器返回管线32等来提供的。然而，按照这样的方式，在塔12的该下部区域只提供液体，以提供上述的、只有液体的特殊的催化反应区。因此，该催化反应将在不引入任何蒸汽的、特殊的反应区内进行。

图2的构型具有许多优点。例如，在用于与液体相互作用而被设置的催化剂量的设计上，具有很大的灵活性。催化剂用量的大小并不像常规的“只有液体”区如降液管那样，受有限的尺寸的限制。在图2的构型中，催化剂可以成堆地、横跨塔12整个截面上设置，其中能提供用于在只有液相相互作用的更大体积的催化剂。根据所需性能的设计标准，可以选择设置在塔12该区域中的催化剂的用量和种类。这样的性能指标通常包括液体时空速（LHSV）和压降这样的参数。此外，通过加热或冷却液体，和/或改变通过反应区99的液体的流速，该构型提供了更精确的对反应的控制，以得到使塔12最有效的进行操作所需的精确的参数。鉴于催化剂不占据任何与通汽流用的机械装置的截面面积相同的部分这样的事实，因此其机械设计并不复杂。在这一方面，通过清除任何汽流区中存在的催化剂，该塔的处理容量更不会受到限制。另一优点是易于装卸催化剂。与限制在填充结构中或连接与板式装置的催化剂的装卸相比，在催化剂整个设置在孤立液体区域中时，保护载体更易进入，并且塔的这个区域的操作将被简化。

现在参考图3，4和5，所列的这三个简图是根据本发明的原理，可供选择的装置，这些装置借助所选择的只有液体反应器99进行液相反应，同时进行传质。这三个图显示出了在根据本发明原理的处理塔12所选择的区中只有液体的反应区99的位置。例如，在图3中，塔12以类似于图2所示的结构构成，其中，反应区99整个地设置在塔12的下部100中。在上部输入管线120处再引入液体98的闭合回路中简要说明了底部液流取出管线30。如由常规处理塔塔板组成的塔板124代表性的显示一样，塔12的上部122随后进行液体98和汽流97的逆流流动。如图1中所述种类的所必需的汽流和液体排出通道没有画出，这是这三个特定简图的特点。然而在图3和图5中，画出了设置在塔12顶上、用于从中排出汽流97的排气管197。当然还需要其它的排出管，而且，在这样的塔12中，本领域技术熟练人员还可设计功能体系。

现在参考图4。该图示出了带有设置在塔上部130中的反应区99的塔12。区域130中的催化剂设置在汽流97用的顶部汽流排出管132的之上。汽流97是气相产物，它能送至顶部冷凝器（未画出）。在该构型中，可取出汽流97，只使液体98填满区域130。在这点上，由于汽流97优选是不通过塔板133，因此，塔板133优选是实心结构（由粗实线表示），而不是多孔结构。物料取出管线30也可如图3所示那样设置在塔的下部，以从中取出液体。如上所述，塔12的下部134随后进行汽流97和液体98的逆流流动，其中，塔板138是多孔的，并且可以是图1所示的那种。在图4中，明显的设计优点是，使用塔12的上部130用于液体98（如从冷凝器来的回流）在其中通过催化剂102向下流动，并且不提供任何要被排出的汽流97的区域。根据本发明的原理，这样的设计排除了反应区99中存在的汽流97。

现在参考图5，图5示出了一处理塔，其中，包含只有液体的催化剂区域140的反应区99设置在塔12的中部。设置在区域140中的催化剂102固定在汽流排出管142之上，而在汽流输入管144的之下。按照这样的方式，汽流97能在催化剂区140的下面取出并在上面注入，以基本上防止汽流97通过催化剂102。如上所述，在汽流排出管142的上方使用实心塔板143。该塔板143（由粗实线表示）阻止了汽流97穿过该板而进入反应区99。随后可以在区域150和160中使用常规的处理塔塔板138，并根据本发明的原理，在塔12的这些区中进行逆流汽/液相互作用。如上所述，为了简明起见，在三个简图说明中均没示出从塔12引入或取出汽流97和液体98所需的设备。

值得注意的是，在此所述的本发明的原理是，在只存在液体的塔的各个部位设置只有液体的反应区。关于那一点，为了输送并均匀分布通过此处的液体，液体进料管线169，装置170等等将是必需的。因此，为了说明起见，在图3、4和5的每一个中都示出了分布器装置170。在每个图中，分布器装置170置于反应区99中催化剂102的上方。在图3、4和5的每一个中都是通过进料管线169将液体98送至塔12中。在图中，进料管线169紧接着地设置在分布器装置170的上方。在图3和图5中，液体98从上面的塔板传送至分布器装置170。必须注意的是，在此所示的在塔12的汽/液部位中塔板等的特定的简要说明只是为了说明。

据信，根据前面的说明，本发明的操作和结构将是很清楚的。然而，在此所示的或描述的方法和装置是优选的形式，在不脱离下面权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，很显然，可以作出种改变和改进。

Claims (16)

1、一种使用催化剂介质的、改进的处理塔装置，其中，液体向下通过至少一个第一降液管而流至第一塔板上，并穿过塔板的活性区，在由此流到至少一个第二降液管之前汽流向上通过此处，以与该液体进行相互作用并传质，其中改进之处包括：具有连接该塔、用于支承只在塔的液相区中的催化剂介质的装置，以有利于通过所述的塔向下流动的液体组分间的相互作用，并通过所述催化剂介质促进所述成分的化学反应。

2、如权利要求1所述的装置，其中所述的催化剂支承装置包含至少一个固定在所述塔上并延伸穿过该塔的支撑格栅，以在所述的塔中存留催化剂介质。

3、如权利要求2所述的装置，包括一对彼此隔开的并固定在所述塔上的支撑格栅，所述的催化剂介质被夹在它们中间。

4、如权利要求2所述的装置，其中所述的支撑格栅通常设置在所述塔的下部，以在所述塔的下部固定所述的催化剂介质，所述的下部中主要是液体，气流不从此通过，因此，所述的反应基本上被限制在液相中进行。

5、如权利要求4所述的装置，其中所述的处理塔由许多设置在其中的、有利于液体横穿该塔板的液体流动和汽流穿过该塔板向上流动的塔板构成，其中所述的催化剂介质设置在所述塔的所述下部区域，而且是设置在所说塔板的下面。

6、如权利要求2所述的装置，其中所说的支撑格栅通常设置在所述塔的中部，以将所述的催化剂介质固定在所述塔的所述的中部，所述的中部中主要是液体而不从此通过汽流，因此，所述的反应基本上被限制在所述的液相内进行。

7、如权利要求2所述的装置，其中所述的支撑格栅通常设置在所述塔的上部，以将所述的催化剂介质固定在所述塔的所述的上部，所述的上部中主要是液体而不从此通过气流，因此，所述的反应基本上被限制在所述的液相内进行。

8、一种使用催化剂介质的、用于处理塔以促进液体组分进行化学反应的、改进的催化剂介质装置，所述的塔是这种类型的，其中液体向下流动与向上流动的用于与所说液体相互作用并传质的汽流接触，其中改进之处包括：具有将所述催化剂介质固定在主要是液流体而不从此通过汽流的所述塔的区域内的装置，由此使所述的液体组分的化学反应基本被限制在液相内进行。

9、如权利要求8所述的催化剂介质装置，其中所述的处理塔由许多设置在其中的、有利于液体横穿该塔板的液体流动和汽流穿过该塔板向上流动的塔板构成，其中所述的催化剂介质设置在离开所说塔板的所述塔的区域内。

10、如权利要求8所述的催化剂介质装置，其中所述的催化剂介质固定装置包含有至少一个固定在所说塔上并延伸穿过该塔的支撑格栅，以存留所述的催化剂介质。

11、如权利要求10所述的催化剂介质装置，其中所述的支撑格栅通常设置在所述塔的下部，以在所述塔的所述的下部固定所述的催化剂介质，所说的下部中主要是液体，而不从此通过汽流，因此，所述的反应基本上被限制在液相内进行。

12、如权利要求10所述的催化剂介质装置，其中所述的支撑格栅通常被设置在所述塔的中部以在所述塔的所述的中部固定所述的催化剂介质，所述的中部中主要是液体，而不从此通过汽流，因此，所述的反应基本上被限制在液相内进行。

13、如权利要求10所述的催化剂介质装置，其中所述的支撑格栅通常被设置在所述塔的上部，以在所述塔的所述的上部固定所述的催化剂介质，所述的上部中主要是液体，而不从此通过汽流，因此，所述的反应基本上被限制在液相内进行。

14、一种在处理塔中使用催化剂介质并利用催化剂介质以促进液体组分化学反应的改进的方法，所述的塔是这种类型的：其中液体向下流动与向上流动的用于与所说液体相互作用并传质的汽流接触，其中改进之处包括下述步骤：将所述催化剂介质设置在主要是液体的区域内，基本上不让汽流经过所述催化剂介质，以及在所述催化剂存在下所述液体组分间进行化学反应。

15、如权利要求14所述的方法，还包括用许多设置在其中以有利于液体横穿塔板的流动和汽流穿过塔板向上流动的塔板构成所述处理塔的步骤，以及将所述催化剂介质固定在离开所述塔内的所述塔板的一个区域内的步骤。

16、如权利要求15所述的方法，还包括提供将第一和第二支撑格栅固定在所述塔上的步骤，以及将所述催化剂介质安装在所述的支撑格栅之间的步骤。

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