專利名稱：用于化學處理塔的液相催化劑裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及化學處理塔；更準確地說，本發明涉及用于增強液相塔效力的改進的催化劑裝置。
蒸餾塔用來從多組分液流中分離選擇的組分。通常，這樣的氣液接觸塔使用蒸餾塔板，填充物或它們的結合。近年來，已有一種趨勢，就是在絕大多數板式塔的設計中，用篩板和浮閥塔板來替代所謂的“泡罩”，并且為了對液流中組分起改進的分離作用，與蒸餾塔板相結合使用無規的(堆積)或結構填充物的通用填充塔。
在塔中成功的分餾取決于液相和氣相間緊密的接觸。有些汽液接觸裝置如塔板具有相當高的壓降和相當大的液體滯留量這樣的特點。另一類汽液接觸裝置即有結構的高效填充物對于某些應用而言也已常用。因為這樣的填充物壓降低，液體滯留量少，所以，它是能效率高的。然而，正是這些性能不時地使裝有結構填充物的塔難以以穩定的、始終如一的方式進行操作。而且，許多應用只需使用塔板。
常用的分餾塔板有兩種構型橫流塔板和逆流塔板。這些塔板通常是由有許多孔的實心板組成，并安裝在塔內的支承環上。在橫流塔板的情況下，汽流上升通過這些孔，并與通過塔板的“活性”區橫穿過塔板的液體接觸。正是在該區域，汽-液發生混合和分餾。借助上述塔板的垂直通道，該液體被導引至塔板上。該通道被稱為進口降液管。液體橫穿過塔板，并通過被稱為出口降液管的類似的通道排出。在催化蒸餾的情況下，這些降液管設置在液體體積足以進行液相化學反應的位置。降液管的位置確定了液體的流動方式。如果有兩個進口降液管，并且，在每塊塔板上液體分成兩股液流，那么就稱之為雙通塔板。如果只有一個進口降液管，并且在塔板的另一側只有一個出口降液管，那么就稱之為單通塔板。對于雙通或多通，該塔板經常被稱為多通塔板。隨著所需的(設計)液體速率的增加，通道數通常也增加。然而，正是塔板的活性區域，它是極為重要的。
對于汽-液接觸，并不是所有的塔板區域都是活性的。例如，進口降液管下面的區域通常是實心區。為了獲得更多的汽/液接觸的塔板的區域，通常降液管為傾斜的。塔板的汽/液最大處理量通常隨活性區域或冒泡區域的增加而增加。然而，為了增加冒泡區域，能將這些降液管傾斜到什么程度，這有一定的限制，否則的活通道將變得太小。這將阻礙液體的流動，和/或阻礙保留在液體中的或在降液管中產生的汽的分離，使得液體返回到降液管中，因此，過早地限制了塔板正常的汽/液最大處理量。
為了增加冒泡區域并隨后增加汽/液處理量，在設計上采用的變化是使用多降液管(MD)的塔板。通常有許多箱形的垂直通道，以對稱方式安裝在塔板上，以將液體引至和引離塔板。這些降液管并不一直延伸至下面的塔板，而是留有一預定的距離而差點兒延伸至下面的塔板；該距離是這樣來限定的，其使得形成足夠的空間而使得進入出口降液管液體中保留的汽流分離。將順序的兩個塔板間的降液管旋轉90°。這些箱的底部是實心的，只是一些切口在所說塔板出口降液管中間將液體導引至下面塔板的冒泡區域。
汽/液接觸技術談及了許多性能問題。例如可參見若干現有技術的專利，這些專利包括，US3，959，419，US4，604，247和US4，597，916，每個都轉讓給了該發明的受讓人，和授予MitsubishiJukogyoKabushikiKakshaofTokyo，Japan的US4，603，022。另一參考文獻可參見轉讓給UnionCarbideCorporation的US4，4999，035，該專利提出了帶有改進進口冒泡裝置的氣-液接觸塔板。上述橫流型的塔板顯示，在塔板進口處帶有激發泡罩活性的改進裝置，該裝置包含有彼此隔開的、基本上垂直向上延伸并橫向至液體流道的無孔壁狀元件。據說，該結構型能促進比簡單的孔板裝置獲得的板面更大的表面的活性。這可通過提供連接促進汽流上升通過的降液管區域的上升區域而部分實現。
轉讓給ShellOilCompany的US4，550，000提出了在塔中豎向疊加的塔板間媒質(relationship)中用于液-氣接觸的裝置。該裝置中，在給定的塔板中用作氣體通路的孔很少被從下一個上部塔板的排液裝置來的液體所阻礙。這可通過固定在塔板上在降液管以下并用于驅散下降液流的多孔罩來提供。這些進展改進了現有技術結構范圍內塔板的效率。同樣地，轉讓給NipponKayakuKabushikiKaishaofTokyo，Japan的US4，543，219提出了擋板塔板的塔。其中，披露了高氣-液接觸效率和低壓力損失的操作參數。在塔板處理塔中，在說明高效汽/液接觸的必要性時，這些參考文獻是有用的。還有另一個氣-液接觸裝置的例子是授予給CarlT.Chuany等人的并轉讓給AtomicEnergyofAacadaLimited的US4，504，426。該參考文獻同樣提出了在改進分餾效率和改進降液管-塔板設計中的許多優點。塔板的多孔區域延伸到降液管下面，并占0-25%以下的多孔區域。
最近使用的蒸餾塔是與化學反應一道的同步分餾或分段分餾。根據化學工業中熟知的勒夏忒列原理，通過改變反應物和產物的平衡，可改進化學反應動力學。例如，在US3，629，478和US3，634，534中的機械設計說明了在降液管中帶催化劑的蒸餾塔反應器。在產生氣相產物的放熱反應的情況下，在入口至降液管處的汽流分離間隙可能更大大地過載。使整個塔不能實現預期的蒸餾作用。因此，一種操作上要考慮的問題是，將降液管中產生的氣體以及從塔板帶來的氣體排空。當要使塔的操作效率最大時，必須要考慮這些問題。
還是根據勒夏忒列原理，通過從反應混合物中取出產物，能將化學反應的平衡從原料組分向產物方向移動。在許多場合，通過隨后的蒸餾從殘留物料中取出產物。本發明使反應和生產在同一反應器中完成，使得化學反應更完全并降低了投資成本。在放熱反應的情況下，反應熱可直接地應用至產物的回收步驟。在轉讓給本發明的受讓人的共同美國專利申請US08/132，059中，在氣相中蒸餾和化學反應一起發生。在本發明中，反應步驟是在化學處理塔不連續截面的液相中發生。
因而，提供一種使用液相催化反應而增強蒸餾作用的方法和裝置是有利的。本發明提供了這樣的裝置，其中，催化劑被放置在化學處理塔的液相反應區。從該區域引出汽流，使化學反應完全在液相中進行。另外，液相催化反應給該方法的設計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條件。
本發明涉及化學處理塔和在其中使用的催化劑裝置。更準確地說，本發明的一方面包括用于這類處理塔的改進的催化劑裝置，其中，液流向下穿過無規或結構填充物，和/或橫穿處理塔塔板。在這樣的塔中，汽流向上流動以與下降的液體進行相互作用和傳質。本發明的改進之處在于，將催化劑介質放置在化學處理塔的液相區域，借此，促進了只在其液相區中的液體組分的化學反應。
另一方面，本發明涉及在其中使用催化劑介質的這類改進的處理塔裝置，其中液流向下穿過無規或結構填充物，和/或橫穿處理塔塔板，而汽流向上流動以與下降的液體進行相互作用和傳質。改進之處在于含有連接該塔、用于支承只在塔的液相區中的催化劑介質的裝置。催化劑介質只設置在塔的液相區域中有利于向下流過該塔的液體和催化劑介質的相互作用，并促進其中液體成分的化學反應。可以通過至少一個通過延伸穿過塔的連接元件固定在塔壁上的支撐格柵而將催化劑介質支承在塔中，以在其中存留催化劑介質。在一個實施方案中，提供了夾在塔中的催化劑介質當中的第二支撐格柵。
另一方面，上述的本發明包括通常設置在塔的下部、以使催化劑介質固定在其中主要是液流不從此處通過汽流的塔的下部的支撐格柵。本發明的再一方面是，催化劑介質被固定在塔的中部，所有的汽流在該催化劑介質的上面或下面流動，但不穿過催化劑介質。本發明的還有一個方面是，支撐格柵通常將催化劑介質固定在塔的上部，只使液體從此流過，其中沒有汽流通過。
本發明的再有一個方面是，提供了在處理塔中利用催化劑介質的改進的方法。該改進的方法包括在其中主要是液體的塔的區域設置催化劑介質的一些步驟，和基本上不讓汽流流過催化劑介質的步驟，由此，產物的反應步驟主要限定在液相內進行。
為了更完全的理解本發明和本發明的進一步的目的和優點，必須參考下面的說明書以及附圖，其中
圖1為帶有不同切開的截面的填充塔的透視圖在討論化學處理塔時作為參考，用于說明各種各樣的塔的內部結構。
圖2是說明本發明原理的一個實施方案的一部分化學處理塔的側視截面圖。
圖3是圖2化學處理塔的簡圖。
圖4是圖3化學處理塔的另一實施方案的簡圖。
圖5是圖3化學處理塔的又一實施方案的簡圖。
首先，參考圖1，圖1顯示了一個用于顯示塔的內部、不同的部位的舉例性的填充交換塔或柱的透視圖。圖1的交換塔10僅用作參考，并不說明本發明的液相催化劑裝置。圖1中所顯示的是具有在其中設置的許多填充床層14和塔板的圓柱塔12。為了有利于進入塔12的內部，同樣也建造了許多入孔16。另外還提供了側線物料取出管線20，液體側線進料管線18和側線汽流進料管線或再沸器回流管線32。在塔12的頂部提供回流返回管線34。
在操作中，通過回流返回管線34和側線物料進料管線18，將液體13送入塔10中。液體13向下流經該塔，并最終在側線物料取出管線20處或在底部物料取出管線20處或在底部物料取出管線30處離開該塔。在其向下流動中，當液體13通過塔板和填充床時，液體13消耗了一些從其中蒸發的物質，并富集或將從蒸氣流中冷凝的這些物質加至其中。如圖1中所示，汽流15向上通過塔12。
仍參考圖1，為了清楚起見，將交換塔10概念性地切成兩半。在該說明中，塔10包括設置在塔12頂上的頂部管線26的汽流出口和設置在圍繞連接再沸器(沒畫出)的底部物料取出管線30的塔下部的下部裙板28。所示的再沸器返回通道32設置在裙板28上方，以使得汽流向上通過塔板和/或填充床層14而循環。通過回流管線34在塔上部23提供冷凝器的回流，其中，回流通過穿過上部填充床38的液體分布器36而進行分布。可以看出，上部填充床38為結構填充床。為了說明起見，顯示了上部填充床38以下交換塔10的區域，該區域包括設置在承載上部填充床38的支撐格柵41以下的集液板40。同樣，將用于使液體13再分布的液體分布器42設置在其下。第二類分布器42A顯示在分割線43下面，并設置在床層14的之上。帶分割線43的塔10表明，塔內部的布置只是示意性的，并提供作為其中各種元件安排的參考。
仍參考圖1，其中還顯示了用作說明的一對塔板裝置。在許多場合，處理塔只含填充物、塔板、或填充物和塔板的組合。然而，本說明是討論整個塔的組合和塔的操作。板式塔通常含有許多圖1所示的塔板48。在許多場合，塔板48為浮閥塔板或篩板。這樣的塔板包含有多孔或切口結構的板。所顯示的切口塔板只是為了說明可以使用其它式樣的塔板。汽流和液體在塔板處或沿塔板進行接觸，在某些裝置中，在逆流流動下，可使汽-液流過同一通路。汽-液流動最好達到穩定的水平。在利用下面將要詳細描述的降液管時，利用相當低的流速使上升汽流與下降液體混合，可以達到該穩定性。在一些實施方案中沒有使用降液管，當各自的壓力交替改變時，汽流和液體用同一通路。
在本說明中，顯示了橫流塔板48和49以及降液管53和69。塔板48是顯示常規的多孔或切口表面50的常規設計。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中的孔可以是簡單的穿孔或定向的導流葉片(flowvanes)。腐蝕同樣是填充塔中各元件所要考慮的問題，而且，在許多場合，塔內部材料的選擇、設計和構造就是這些所考慮問題的結果。如圖1所示的處理塔的構造同樣詳細地描述在題為“PackedColumnInternals”的文章中(GcllertChen，ChemicalEngineering，1984年3月5日)。在此引入此文作為參考。
現在參考圖2，在塔12的下部100顯示了只有液體的反應區99。塔12的下部100含有根據本發明的原理的催化劑的特殊反應區。在反應區99中，催化劑介質能促進塔12內液體組分的化學反應，該化學反應可基本上限定在液相內進行。顯示的區域100帶有底部物料取出管線30，在該區域之上放置液體，以穿過催化劑介質102。催化劑介質102被設置在小的催化劑支撐載體104之間，該支撐載體被夾在大的催化劑支撐載體106之間。這些催化劑支撐載體是工業上熟知的，一種例子為具有不同直徑的氧化鋁球。提供上部的催化劑支撐格柵108，以使催化劑102的上部固定；而下部的催化劑介質支撐格柵設置在底部物料取出管線30之上。催化劑支撐格柵通常由切口的、金屬格柵材料構成，并且本領域技術熟練人員能容易地設計。該支撐格柵110通常借助常規的連接方法如焊接而連接至塔12，并且可以橫跨整個塔的直徑，以存留催化劑介質102。通過將催化劑介質102夾在支撐格柵108和110之間，該催化劑介質被限制在它們之間，以與向下流過這里的液體13相互作用。因此，汽流的引入是在上部液面112之上進行的，汽流的進入例如可以是通過圖1所示的再沸器返回管線32等來提供的。然而，按照這樣的方式，在塔12的該下部區域只提供液體，以提供上述的、只有液體的特殊的催化反應區。因此，該催化反應將在不引入任何蒸汽的、特殊的反應區內進行。
圖2的構型具有許多優點。例如，在用于與液體相互作用而被設置的催化劑量的設計上，具有很大的靈活性。催化劑用量的大小并不像常規的“只有液體”區如降液管那樣，受有限的尺寸的限制。在圖2的構型中，催化劑可以成堆地、橫跨塔12整個截面上設置，其中能提供用于在只有液相相互作用的更大體積的催化劑。根據所需性能的設計標準，可以選擇設置在塔12該區域中的催化劑的用量和種類。這樣的性能指標通常包括液體時空速(LHSV)和壓降這樣的參數。此外，通過加熱或冷卻液體，和/或改變通過反應區99的液體的流速，該構型提供了更精確的對反應的控制，以得到使塔12最有效的進行操作所需的精確的參數。鑒于催化劑不占據任何與通汽流用的機械裝置的截面面積相同的部分這樣的事實，因此其機械設計并不復雜。在這一方面，通過清除任何汽流區中存在的催化劑，該塔的處理容量更不會受到限制。另一優點是易于裝卸催化劑。與限制在填充結構中或連接與板式裝置的催化劑的裝卸相比，在催化劑整個設置在孤立液體區域中時，保護載體更易進入，并且塔的這個區域的操作將被簡化。
現在參考圖3，4和5，所列的這三個簡圖是根據本發明的原理，可供選擇的裝置，這些裝置借助所選擇的只有液體反應器99進行液相反應，同時進行傳質。這三個圖顯示出了在根據本發明原理的處理塔12所選擇的區中只有液體的反應區99的位置。例如，在圖3中，塔12以類似于圖2所示的結構構成，其中，反應區99整個地設置在塔12的下部100中。在上部輸入管線120處再引入液體98的閉合回路中簡要說明了底部液流取出管線30。如由常規處理塔塔板組成的塔板124代表性的顯示一樣，塔12的上部122隨后進行液體98和汽流97的逆流流動。如圖1中所述種類的所必需的汽流和液體排出通道沒有畫出，這是這三個特定簡圖的特點。然而在圖3和圖5中，畫出了設置在塔12頂上、用于從中排出汽流97的排氣管197。當然還需要其它的排出管，而且，在這樣的塔12中，本領域技術熟練人員還可設計功能體系。
現在參考圖4。該圖示出了帶有設置在塔上部130中的反應區99的塔12。區域130中的催化劑設置在汽流97用的頂部汽流排出管132的之上。汽流97是氣相產物，它能送至頂部冷凝器(未畫出)。在該構型中，可取出汽流97，只使液體98填滿區域130。在這點上，由于汽流97優選是不通過塔板133，因此，塔板133優選是實心結構(由粗實線表示)，而不是多孔結構。物料取出管線30也可如圖3所示那樣設置在塔的下部，以從中取出液體。如上所述，塔12的下部134隨后進行汽流97和液體98的逆流流動，其中，塔板138是多孔的，并且可以是圖1所示的那種。在圖4中，明顯的設計優點是，使用塔12的上部130用于液體98(如從冷凝器來的回流)在其中通過催化劑102向下流動，并且不提供任何要被排出的汽流97的區域。根據本發明的原理，這樣的設計排除了反應區99中存在的汽流97。
現在參考圖5，圖5示出了一處理塔，其中，包含只有液體的催化劑區域140的反應區99設置在塔12的中部。設置在區域140中的催化劑102固定在汽流排出管142之上，而在汽流輸入管144的之下。按照這樣的方式，汽流97能在催化劑區140的下面取出并在上面注入，以基本上防止汽流97通過催化劑102。如上所述，在汽流排出管142的上方使用實心塔板143。該塔板143(由粗實線表示)阻止了汽流97穿過該板而進入反應區99。隨后可以在區域150和160中使用常規的處理塔塔板138，并根據本發明的原理，在塔12的這些區中進行逆流汽/液相互作用。如上所述，為了簡明起見，在三個簡圖說明中均沒示出從塔12引入或取出汽流97和液體98所需的設備。
值得注意的是，在此所述的本發明的原理是，在只存在液體的塔的各個部位設置只有液體的反應區。關于那一點，為了輸送并均勻分布通過此處的液體，液體進料管線169，裝置170等等將是必需的。因此，為了說明起見，在圖3、4和5的每一個中都示出了分布器裝置170。在每個圖中，分布器裝置170置于反應區99中催化劑102的上方。在圖3、4和5的每一個中都是通過進料管線169將液體98送至塔12中。在圖中，進料管線169緊接著地設置在分布器裝置170的上方。在圖3和圖5中，液體98從上面的塔板傳送至分布器裝置170。必須注意的是，在此所示的在塔12的汽/液部位中塔板等的特定的簡要說明只是為了說明。
據信，根據前面的說明，本發明的操作和結構將是很清楚的。然而，在此所示的或描述的方法和裝置是優選的形式，在不脫離下面權利要求限定的本發明的精神和范圍的情況下，很顯然，可以作出種改變和改進。
權利要求
1.一種使用催化劑介質的、改進的處理塔裝置，其中，液體向下通過至少一個第一降液管而流至第一塔板上，并穿過塔板的活性區，在由此流到至少一個第二降液管之前汽流向上通過此處，以與該液體進行相互作用并傳質，其中改進之處包括具有連接該塔、用于支承只在塔的液相區中的催化劑介質的裝置，以有利于通過所述的塔向下流動的液體組分間的相互作用，并通過所述催化劑介質促進所述成分的化學反應。
2.如權利要求1所述的裝置，其中所述的催化劑支承裝置包含至少一個固定在所述塔上并延伸穿過該塔的支撐格柵，以在所述的塔中存留催化劑介質。
3.如權利要求2所述的裝置，包括一對彼此隔開的并固定在所述塔上的支撐格柵，所述的催化劑介質被夾在它們中間。
4.如權利要求2所述的裝置，其中所述的支撐格柵通常設置在所述塔的下部，以在所述塔的下部固定所述的催化劑介質，所述的下部中主要是液體，氣流不從此通過，因此，所述的反應基本上被限制在液相中進行。
5.如權利要求4所述的裝置，其中所述的處理塔由許多設置在其中的、有利于液體橫穿該塔板的液體流動和汽流穿過該塔板向上流動的塔板構成，其中所述的催化劑介質設置在所述塔的所述下部區域，而且是設置在所說塔板的下面。
6.如權利要求2所述的裝置，其中所說的支撐格柵通常設置在所述塔的中部，以將所述的催化劑介質固定在所述塔的所述的中部，所述的中部中主要是液體而不從此通過汽流，因此，所述的反應基本上被限制在所述的液相內進行。
7.如權利要求2所述的裝置，其中所述的支撐格柵通常設置在所述塔的上部，以將所述的催化劑介質固定在所述塔的所述的上部，所述的上部中主要是液體而不從此通過氣流，因此，所述的反應基本上被限制在所述的液相內進行。
8.一種使用催化劑介質的、用于處理塔以促進液體組分進行化學反應的、改進的催化劑介質裝置，所述的塔是這種類型的，其中液體向下流動與向上流動的用于與所說液體相互作用并傳質的汽流接觸，其中改進之處包括具有將所述催化劑介質固定在主要是液流體而不從此通過汽流的所述塔的區域內的裝置，由此使所述的液體組分的化學反應基本被限制在液相內進行。
9.如權利要求8所述的催化劑介質裝置，其中所述的處理塔由許多設置在其中的、有利于液體橫穿該塔板的液體流動和汽流穿過該塔板向上流動的塔板構成，其中所述的催化劑介質設置在離開所說塔板的所述塔的區域內。
10.如權利要求8所述的催化劑介質裝置，其中所述的催化劑介質固定裝置包含有至少一個固定在所說塔上并延伸穿過該塔的支撐格柵，以存留所述的催化劑介質。
11.如權利要求10所述的催化劑介質裝置，其中所述的支撐格柵通常設置在所述塔的下部，以在所述塔的所述的下部固定所述的催化劑介質，所說的下部中主要是液體，而不從此通過汽流，因此，所述的反應基本上被限制在液相內進行。
12.如權利要求10所述的催化劑介質裝置，其中所述的支撐格柵通常被設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劑介質，所述的中部中主要是液體，而不從此通過汽流，因此，所述的反應基本上被限制在液相內進行。
13.如權利要求10所述的催化劑介質裝置，其中所述的支撐格柵通常被設置在所述塔的上部，以在所述塔的所述的上部固定所述的催化劑介質，所述的上部中主要是液體，而不從此通過汽流，因此，所述的反應基本上被限制在液相內進行。
14.一種在處理塔中使用催化劑介質并利用催化劑介質以促進液體組分化學反應的改進的方法，所述的塔是這種類型的其中液體向下流動與向上流動的用于與所說液體相互作用并傳質的汽流接觸，其中改進之處包括下述步驟將所述催化劑介質設置在主要是液體的區域內，基本上不讓汽流經過所述催化劑介質，以及在所述催化劑存在下所述液體組分間進行化學反應。
15.如權利要求14所述的方法，還包括用許多設置在其中以有利于液體橫穿塔板的流動和汽流穿過塔板向上流動的塔板構成所述處理塔的步驟，以及將所述催化劑介質固定在離開所述塔內的所述塔板的一個區域內的步驟。
16.如權利要求15所述的方法，還包括提供將第一和第二支撐格柵固定在所述塔上的步驟，以及將所述催化劑介質安裝在所述的支撐格柵之間的步驟。
全文摘要
用于汽/液接觸塔的改進的催化劑裝置。用于促進化學反應的催化劑介質基本上固定在塔的液相中，如在塔的下部以改進傳質效率。與先前處理塔裝置所不同的是，其中，在汽相或混合相中，蒸餾和化學反應一起發生，本發明基本上將反應步驟控制在液相內。按照這樣的方式，該反應很少成為塔中汽流的障礙，并促進原料組分更好的混合和擴散。
文檔編號B01J19/32GK1112853SQ9510226
公開日1995年12月6日 申請日期1995年3月3日 優先權日1994年3月4日
發明者約瑟夫·查爾斯·金特里 申請人:戈里特斯奇公司