CN101219400A - 催化剂网盒及催化剂填装结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种催化剂网盒及催化剂填装结构。催化剂网盒是在丝网和平板制成的带有防溢流挡板的封闭式网盒内设置有催化剂颗粒；网盒的四周由平板围成并且高于网盒的上截面，网盒的上下截面由丝网或带孔的平板制成。催化剂填装构件是催化剂层上下层交错排列于塔内，相邻层的催化剂网盒排列方式为平行交错式，上下两层的催化剂网盒不在同一轴线上重合。本发明合理有效地将催化剂分布于塔内，利用液体本身的重力势能使液体在催化剂床层至上而下均匀地穿过流动，由于液体横向扩散到催化剂表面而使催化剂表面更新缓慢的问题；与其他依靠扩散使液体到达催化剂颗粒表面的同类装置相比，能更充分地利用催化剂颗粒的表面积，提高了催化剂的利用率。

Description

催化剂网盒及催化剂填装结构

                                技术领域

本发明涉及化工领域中催化反应精馏塔内件，更确切地讲是一种催化剂网盒及催化剂填装结构。

                                背景技术

催化反应精馏是化工工业中应用日渐广泛的一种将反应与分离耦合在同一设备中的化工单元操作。在催化反应精馏塔内既要为催化反应提供充足的催化活性，同时还要为传质分离提供充足的汽、液接触表面积。目前，由于树脂成型技术的限制，无法将树脂制成任意形状。工业上普遍使用的催化剂为粒度较小的球形催化剂颗粒，但将粒度较小的催化剂小球直接堆放在催化精馏塔内会使塔的压降过大，流体不能顺利流过床层，从而使塔的能耗增加。为了有效地控制反应区反应物与产物的内扩散和床层阻力过大等问题，开发新型的催化填料已成为当今研究催化反应精馏技术的热门课题。

美国专利4215011提出将催化剂颗粒装填于用玻璃布缝制的布袋中，再用丝网波纹片作为支撑架覆盖在布袋上，将其卷成具有一层丝网、一层布袋的捆束状圆柱体催化剂填装构件。这种构件的优点是催化剂在塔内分布均匀，床层空隙率较大、阻力小，具有一定的分离能力。但这种构件中的布袋是垂直排布在催化精馏塔内，所以液体只能通过横向扩散到达催化剂颗粒表面，然后再通过扩散离开催化剂布袋到达气、液传质界面，形成了“传质控制”。因此，该构件对于催化剂的利用率较低，不能充分利用催化剂颗粒的表面积。

中国专利1065412和欧洲专利0428265分别提出将催化剂颗粒装填于两块相同丝网波纹片的中间，即用两块相同的丝网波纹片将催化剂颗粒夹在中间作为波纹板填料中的一块板，然后再将这些夹有催化剂颗粒的波纹板组成波纹板规整填料。这种构件的优点是具有和板波纹丝网填料相当的传质分离能力，但同样也存在催化剂利用率低的问题。

中国专利1234293提出将催化剂颗粒直接装填于催化精馏塔中，该催化精馏塔由多孔气液通道和通道固定框架组成，多孔气液通道垂直、均匀地置于反应精馏塔体内，相邻通道之间隔板的位置互相错开。这种催化剂填装方式的优点是气液通过催化剂床层能进行充分接触，催化剂的利用率较高。但由于部分气体要通过粒度较小的催化剂颗粒床层，所以存在床层阻力较大、催化精馏塔处理能力小的缺点。

中国专利1266736提出催化精馏塔的催化剂填装构件由多个精馏构件单元重叠堆积组成，精馏构件单元包括两个上下“互补”的小单元，小单元包括相间组合的一个或一个以上的规整填料元件和一个或一个以上的催化剂元件。该构件的优点是消除了液体沟流和短路现象，催化剂颗粒的利用率较高，但同样也存在催化剂床层阻力大、催化精馏塔处理量小的缺点。

                                发明内容

本发明的目的是提供一种装填于催化精馏塔内的大通量高效率的液体穿流式催化剂填装构件，它相对于现有的催化填料更具有优势。它是根据一种无溢流液体穿流结构的分离原理结合液相催化反应原理制成的规整填料形式的带有防止溢流挡板的催化剂网盒组合构件。其最主要的特点是：(1)合理有效地将催化剂分布于塔内，配合催化剂网盒上方的防溢流挡板，利用液体本身的重力势能使液体在催化剂床层至上而下均匀地穿过流动，避免了由于液体横向扩散到催化剂表面而使催化剂表面更新缓慢的问题；(2)催化剂网盒间存在一定的距离，即设置了大量的气相通道，在气相通道中放置传质元件(如分离塔板或分离填料等)，在保证催化剂效率不变的前提下正是由于气相通道的存在，才使得床层压降大幅度降低。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明的催化剂网盒，是在丝网和平板制成的带有防溢流挡板的封闭式网盒内设置有催化剂颗粒；网盒的四周由平板围成并且高于网盒的上截面，网盒的上下截面由丝网或带孔的平板制成。

所述的催化剂网盒的宽度为0.01～0.5m，催化剂网盒的长度为0.05～10m，催化剂网盒的厚度为0.001～0.5m。

所述的催化剂网盒上的防溢流挡板高度为催化剂网盒上下截面距离的0.1～10倍。

所述的催化剂网盒所述的催化剂网盒的上下截面为10～100目的不锈钢丝网或开孔率为10％～80％的带孔钢板、带孔塑料板或多孔陶瓷、多孔碳化硅材料制成。

由本发明的催化剂网盒构成的催化剂填装构件，是由催化剂网盒按层排列为催化剂层，上下层交错排列于塔内，相邻层的催化剂网盒排列方式为平行交错式，使上下两层的催化剂网盒不在同一轴线上重合。

所述的催化剂层的层与层之间的距离为每个催化剂网盒厚度的0.1～10倍。

所述的催化剂层的催化剂网盒之间的的距离为层与层间催化剂网盒距离的0.1～10倍。

所述的催化剂层的每个催化剂网盒与塔壁接触的两端的形状与塔内壁的弧形曲线相吻合。

所述的催化剂层的层与层之间、同一层上网盒与网盒之间设置有精馏填料或精馏塔板。

所述催化剂层由塔内壁焊接的三角支架支撑。

上述所有的限制条件和数据是由下面的因素决定的：

催化剂填装构件可以根据不同的操作要求，在塔内采用不同填装方式。包括每一层上催化剂网盒的数量不同、催化剂网盒的宽度不同、催化剂网盒的高度不同、溢流挡板的高度不同、同一层上催化剂网盒间的距离不同、层与层催化剂网盒之间的间距不同。

催化剂网盒数由塔的内径和要求的催化剂填装量共同决定。

催化剂网盒的其宽度与厚度的具体距离由塔内径、塔的处理量和催化剂的填装量共同决定；而长度由沿塔径向截面园的弦长所决定，如果塔的直径过大，可采用分块组合的形式。

所述的催化剂填装构件，其每个催化剂网盒与塔壁接触的两端的形状由塔内壁的弧形曲线所决定，每个催化剂网盒因其与塔内壁接触的位置不同，所以网盒两端的弧形曲线有所不同。

所述的催化剂填装构件，其层与层之间的距离的大小是压降的决定性因素之一。如果操作条件要求气相流量较大，可以通过增加气相通道同时增加每层催化剂网盒间的高度来满足对催化剂装填量和工艺操作的要求。同一层上催化剂网盒之间的的距离的大小是压降的另一决定性因素。具体距离视实际操作要求而定。

所述的的催化剂网盒，其上的防溢流挡板高度由催化剂网盒内所填装的催化剂的量和压力降所决定。当填装的催化剂量和气相压力降增大时，要求防溢流挡板的高度要相应增加，以提高通过催化剂网盒的流体流动的推动力。

本发明的独特优势如下：

1、本发明的催化剂填装构件，为了避免让气相与催化剂颗粒接触造成床层压降过大，把气液固三相分为液固反应区与汽液分离区，使层与层之间、同一层上网盒与网盒之间具有一定的间隙，这些特点使得整个床层的压降大幅度降低，有效地提高了催化精馏塔的处理能力。

2、本发明的催化剂网盒的排列结构为一种无溢流流体穿流的结构，由于在催化剂网盒之间放置的传质元件，使其具有与其它同类催化填料相比具有较高的传质分离能力。

3、本发明的催化剂网盒上方的溢流挡板把从上层催化剂网盒流下的液体收集在一起，利用液体自身的重力使液体均匀顺利地通过催化剂网盒，使液体在催化剂颗粒中呈准湍流的状态，与其他依靠扩散使液体到达催化剂颗粒表面的同类装置相比，本发明能更充分地利用催化剂颗粒的表面积，提高了催化剂的利用率。

4、本发明的催化剂填装构件，可以在其催化剂网盒的层与层之间、同一层上网盒与网盒之间加入精馏填料或精馏塔板来增加催化剂填装构件的传质分离能力。

5、本发明的催化剂填装构件，其催化剂网盒对从该催化剂网盒上方穿流通过的液体有良好的分布作用，即催化剂网盒的下部具有和液体分布器一样的功能。这使得下层的传质分离元件能更高效地发挥其传质分离的作用。

                                附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为图1的A-A截面俯视图。

图3为图1的B-B截面俯视图。

图4为图1中单个催化剂网盒的C-C截面横向示意图。

图5为气、液在装有本发明的催化剂填装构件的塔内的流动示意图。

图6为在每层催化剂网盒间设置规整填料的示意图。

图7为在每层催化剂网盒间设置分离塔板的示意图。

图8为在同一层上催化剂网盒之间设置规整填料的示意图。

图9为在同一层上催化剂网盒之间设置分离塔板的示意图。

图10为催化剂网盒分块组合式填装方式的示意图。

                                具体实施方式

由附图对本发明作进一步的详细说明：

由图1可见，本发明所提及的催化剂填装构件按照液体无溢流且穿流通过催化剂的流动形式构成的催化剂网盒2，在催化精馏塔的催化精馏段内排列组成。催化剂网盒之间的具体距离由处理量和催化剂填装量所决定。

由图2和图3可见，本发明所提及的催化剂填装构件整体结构，其相邻层的催化剂网盒排列方式为平行交错式，即每相邻层之间的催化剂网盒交错叉开且保证上下两层的催化剂网盒不在同一轴线上完全重合。每个催化剂网盒因其与塔内壁接触的位置不同，所以网盒两端的弧形曲线有所不同。

由图4可见，本发明所提及的催化剂网盒的上、下截面4由10～100目的不锈钢丝网、开孔率为10％～80％的带孔钢板、带孔塑料板或多孔介质(如陶瓷、多孔碳化硅)等材料制成，催化剂网盒的四周由平板制成，其中侧面挡板可制成带有不同形状缺口6也可不带缺口的防溢流挡板3，正是由于防溢流挡板的设计，由上至下流动的大量液体，被收集在催化剂网盒上截面上方，利用液体自身的重力，液体可以顺利地穿流通过催化剂网盒，能够充分的利用催化剂的表面。所说的不同形状的缺口可以是倒三角型亦可以是半圆型等。网盒内填装催化剂颗粒5，其根据所处理的物系不同而选用不同的催化剂颗粒。

由图5可见，填装了本发明所述的催化剂填装构件的催化精馏塔内，气、液流动的情况，在塔内大量的液体7都是穿过催化剂网盒2而垂直向下流动的。在塔内气体8是沿着催化剂网盒之间的空隙向上流动，正是由于这些空隙的存在，上升的气体才可以顺利的通过催化精馏段，床层阻力小，不易液泛，操作弹性大。

由图6、图7、图8、图9可见，为了增加本发明所述的催化剂填装构件的分离能力，在每层催化剂网盒之间增设规整填料9或分离塔板10，亦可以在同一层的催化剂网盒之间增设规整填料9或分离塔板10。规整填料包括波纹板填料、丝网波纹填料、多孔介质规整填料等。分离塔板包括穿流塔板、浮阀塔板、筛板等。

由图10可见，为了使本发明所述的催化剂填装构件应用于大塔径的催化精馏塔，可采用分块组合式的填装方式。塔径过大时，由于单个催化剂网盒的长度过长，导致安装过程中不易将催化剂网盒装入塔内，可将过长的催化剂网盒分割制成几个小的网盒，网盒两端设有螺孔，将若干小网盒放入塔内后再用螺栓将其连接成完整的催化剂网盒。

本发明的催化剂填装结构广泛适用于所有液相反应的催化精馏过程，为了更好的说明本发明在催化精馏方面的优势，根据上面所叙述的装置和结构，仅仅选取其中三个应用实例加以说明，但并不因此限制本催化剂填装结构的适用范围。

例1：本发明的催化剂填装结构应用于处理生产PTA和PVA等流程中产生的副产物醋酸甲酯的催化精馏水解过程。本过程采用的催化剂填装结构为如图8所示，即在同一层的催化剂网盒之间设置精馏分离规整填料的形式。在内径为100mm的催化精馏塔内填装600mm高本发明所述的催化剂填装构件作为催化精馏塔的反应精馏段，塔的下部填装400mm高的规整填料作为催化精馏塔的提馏段。催化剂网盒内填装强酸性阳离子交换树脂。流量为696g/h的醋酸甲酯和流量为702g/h的纯水从催化剂填装构件的顶部加入，测得塔釜产物中醋酸甲酯的转化率为97％～99％。该过程中采用的催化剂填装结构如表1。

                   表1催化剂填装构件的结构

结构名称	单位	值
			1层催化剂网盒的数量2层催化剂网盒的数量1层每个催化剂网盒的长度2层每个催化剂网盒的长度催化剂网盒的宽度催化剂网盒的高度规整填料的高度防溢流挡板的高度每层催化剂网盒间的高度同层催化剂网盒间的距离丝网的孔数	个个mmmmmmmmmmmmmmmm目	5463.8/95/100/95/63.884/99.6/99.6/841.57.512.57.52.5830

例2：本发明的催化剂填装结构应用于轻汽油醚化的研究。本过程采用的催化剂填装结构为如图6所示，即在催化剂网盒之间设置精馏分离规整填料的形式。本研究在内径为50mm的催化精馏塔内填装1400mm高本发明所述的催化剂填装构件作为催化精馏塔的反应精馏段，塔的下部填装600mm高的规整填料作为催化精馏塔的提馏段。催化剂网盒内填装强酸性阳离子交换树脂。流量为246g/h的轻汽油和流量为395g/h的甲醇分别从催化剂填装构件的上部和下部加入，测得醚化轻汽油中醚含量达到14.3％～26.3％。该过程中采用的催化剂填装结构如表2。

            表2催化剂填装构件的结构

结构名称	单位	值
			1层催化剂网盒的数量2层催化剂网盒的数量1层每个催化剂网盒的长度2层每个催化剂网盒的长度催化剂网盒的宽度	个个mmmmmm	3240/50/4048.9/48.910

催化剂网盒的高度规整填料的高度防溢流挡板的高度每层催化剂网盒间的高度同层催化剂网盒间的距离丝网的孔数

mmmmmmmmmm目

52.52.52.51030

例3：为了说明本发明在塔径过大时的分块组合式填装形式，将本发明的催化剂填装结构应用于内径为3000mm的催化精馏塔内，该塔用于处理生产PTA和PVA等流程中产生的副产物醋酸甲酯的催化精馏水解过程。本过程采用的催化剂填装结构为如图8所示，为了便于安装，将较长的催化剂网盒分成几段制造，每段两端设有安装组合的螺孔，在塔内用螺栓将每段催化剂网盒安装组合在一起，如图10所示，组合在一起后形状与小塔径内的填装结构相同。在塔内填装高500mm高本发明所述的催化剂填装构件作为催化精馏塔的反应精馏段，塔的下部填装500mm高的规整填料作为催化精馏塔的提馏段。催化剂网盒内填装强酸性阳离子交换树脂。流量为15794g/h的醋酸甲酯和流量为18294g/h的纯水从催化剂填装构件的顶部加入，测得塔釜产物中醋酸甲酯的转化率为64％～88％。该过程中采用的催化剂填装结构如表3。

结构名称	单位	值
			1层催化剂网盒的数量2层催化剂网盒的数量1层每个催化剂网盒的长度2层每个催化剂网盒的长度催化剂网盒的宽度催化剂网盒的高度规整填料的高度防溢流挡板的高度每层催化剂网盒间的高度同层催化剂网盒间的距离丝网的孔数	个个mmmmmmmmmmmmmmmm目	652220/2730/2960/2960/2730/22201884/2829/3000/2829/188430080180100258530

Claims (10)

1.一种催化剂网盒，其特征是在丝网和平板制成的带有防溢流挡板的封闭式网盒内设置有催化剂颗粒；网盒的四周由平板围成并且高于网盒的上截面，网盒的上下截面由丝网或带孔的平板制成。

2.如权利要求1所述的催化剂网盒，其特征是所述的催化剂网盒的宽度为0.01～0.5m，催化剂网盒的长度为0.05～10m，催化剂网盒的厚度为0.001～0.5m

3.如权利要求1所述的催化剂网盒，其特征是所述的催化剂网盒上的防溢流挡板高度为催化剂网盒上下截面距离的0.1～10倍。

4.如权利要求1所述的催化剂网盒，其特征是所述的催化剂网盒所述的催化剂网盒的上下截面为10～100目的不锈钢丝网或开孔率为10％～80％的带孔钢板、带孔塑料板或多孔陶瓷、多孔碳化硅材料制成。

5.由权利要求1的催化剂网盒构成的催化剂填装构件，其特征是催化剂网盒按层排列为催化剂层，上下层交错排列于塔内，相邻层的催化剂网盒排列方式为平行交错式，使上下两层的催化剂网盒不在同一轴线上重合。

6.如权利要求5所述的催化剂填装构件，其特征是所述的催化剂层的层与层之间的距离为每个催化剂网盒厚度的0.1～10倍。

7.如权利要求5所述的催化剂填装构件，其特征是所述的催化剂层的催化剂网盒之间的的距离为层与层间催化剂网盒距离的0.1～10倍。

8.如权利要求5所述的催化剂填装构件，其特征是所述的催化剂层的每个催化剂网盒与塔壁接触的两端的形状与塔内壁的弧形曲线相吻合。

9.如权利要求5所述的催化剂填装构件，其特征是所述的催化剂层的层与层之间、同一层上网盒与网盒之间设置有精馏填料或精馏塔板。

10.如权利要求5所述的催化剂填装构件，其特征是所述催化剂层由塔内壁焊接的三角支架支撑。

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