CN101596370A - 一种催化剂装填构件及其装填方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于催化精馏塔的催化剂装填构件及其装填方法，由催化剂篮和托架构成；催化剂篮由篮体、上盖和底托组成，上盖安装在篮体上端、底托安装在篮体下部，催化剂篮的底托至上盖之间篮体的高度为催化精馏塔内帽罩开孔部分高度的1.1－2倍，底托与下篮体的高度为催化精馏塔内降液管在塔板以上部分高度的1.1－2倍；托架为能与帽罩配装的框架式结构，催化剂篮底托置于托架上；用于催化精馏塔，实现了塔内流体的强制再分布，延长气液两相在催化剂床层的流动路径，增大反应区液体的持液量，保证了传质交换与催化效果，装填方法工艺简单，操作方便，效率提高，成本低廉，容易实施，也有助于催化剂作用的有效发挥。

Description

一种催化剂装填构件及其装填方法

技术领域

本发明涉及一种用于催化精馏塔的催化剂装填构件及其装填方法，国际专利分类号拟为Int.Cl.B01J 19/00(2006.01)。

背景技术

将化学反应与精馏分离结合起来同时进行的单元操作过程称为反应精馏过程。该过程可以不断地从系统中移出反应产物，反应放出的热量可同时被利用作为精馏所需的部分汽化潜热，因此与传统的化工过程相比，具有反应转化率高，选择性好，固定投资少，操作费用低等优点。自上世纪七十年代以来，使用非均相催化剂的催化精馏作为反应精馏的一个分支逐渐被确立起来。在这一过程中，经过一定加工的固体催化剂构成塔内填料，既起了催化作用，又有分离反应产物的作用。

催化精馏设备一般是由反应段和精馏段构成。反应段通常是把装有催化剂颗粒的“催化剂构件”搁置在塔内，使反应和分离同时进行。塔的类型可以是填料塔，也可以是板式塔。填料塔的催化剂构件除具有催化反应功能外，同时应具有一定的分离功能，而板式塔的催化剂构件只需具有催化反应的能力，分离则靠筛孔塔盘来完成。

可用于催化精馏塔的催化剂填料形式有很多。催化剂填料装入塔内时的基本要求是不但要有均匀的空间分布，保证气液相都能与催化剂充分接触并有足够的流动通道，还要防止气液相在流动过程中短路。从反应的角度来说，催化剂比表面积越大，对反应越有利，因而希望用细颗粒的催化剂，但细颗粒的催化剂堆放在塔内会导致压降增大，影响精馏操作。反之增大催化剂颗粒则又可能降低催化的效果。因此将二者统一起来，一直是人们研究目标。

美国专利US4471154提出一种将催化剂安置在板式塔的塔板上，构成催化精馏构件，在塔板上的催化剂层呈流化状态的催化剂填料的装填方法。这种装填方法理论上使催化剂在整个反应区分布均匀，气-液-固三相接触良好，催化剂的利用率高，但它对催化剂的要求高，即每粒催化剂的大小、重量均需相同，否则容易造成局部阻力过大，引起偏流；另外，其催化剂层的空隙率小，阻力大，成为催化精馏过程中提高负荷的一大瓶径，且催化剂之间的磨损严重。

美国专利US4443559提出一种将催化剂颗粒装入用玻璃纤维缝制的袋里，用有一定开口率的不锈钢丝网覆盖支撑，再卷成具有一层不锈钢丝网，一层装有催化剂的小口袋的捆束型圆柱体催化精馏构件的催化剂填料的装填方法。这种装填方法或构件由于横截面上的空隙率相差较大，即催化剂部分的空隙率比丝网部分的要小很多，而丝网本身对流体的再分布能力很差，因此容易造成沟流，影响精馏塔的传质交换与催化效果。

美国专利US5262012提出一种将催化剂按散装填料形式的装填方法，该方法将粒状催化剂与惰性填充介质瓷球、玻璃珠、中空多孔球体或柱体等混合装入塔中直立的桶式容器内，形成反应区内的催化精馏构件。这种方法或构件的不足是：催化剂是实心的，故粒度不能太大，否则不能充分利用催化剂，但催化剂粒度太小又易于与填料分层，损害了该构件发挥其催化反应-分离的协同功能；另外，这种构件也易于在精馏塔的床层中产生沟流，影响了其传质交换与反应效果。

中国专利CN1042664提出一种将催化精馏塔反应段分成若干个催化剂层，每个床层由多个相互平行地垂直排列、由两片波纹板平行夹持催化剂而形成的三明治型组件构成，相邻组件对之间的床层空间留作气相通道，使上行的气体穿过床层和分离塔盘的装填方法。这种催化精馏构件的催化剂装卸方便，反应物料与催化剂能直接接触，可减小扩散对反应速率的影响。但由于气、液两相分别穿过反应段中各自的通道，不易发生气液两相间的传质，故它不适宜于气、液均是反应物料的气-液-固三相体系，应用具有局限性。

中国专利CN1299703提出了一种将催化剂制成具有中心孔道的颗粒，用连接件将催化剂颗粒连接成串，将它均匀地放入规整填料的气液自由通道中形成催化精馏构件的装填方法。这种构件或装填方法具有催化剂在反应段分布均匀、床层空隙率大、塔压降小和催化剂利用率高的特点。但由于催化剂需要制成中心通道孔，制作麻烦，且所形成的连接件在填料通道中的固定也很困难，成本较高，使用不方便。

中国专利CN1299704提出了一种将尺寸、构型和堆积密度均相似的催化剂和精馏填料混堆在金属规整填料中形成催化精馏构件的装填方法。这种方法或构件传质效率高、催化剂利用率较好、产物选择性好，但对催化剂的强度要求较高，对催化剂和填料的制作技术要求高，成本加大，且在操作过程中催化剂和填料易分层，从而造成局部阻力大而影响气液的通量。

催化精馏填料要兼具反应和分离两种功能，它要同时满足以下三个方面的要求：1.气-液-固三相在催化剂表面充分的接触效果；2.高的催化活性；3.较好的精馏效果。因此要求催化精馏填料自身首先要有一定的几何形状，而且在塔内要以一定方法装填，以保证适宜的空隙率；选择适合的材质，以保证在运行过程中不变形、不破碎，而且能够负载催化活性物质。但从已检索到的文献看，催化精馏填料及装填方法都不能够很好地同时满足上述三个方面要求。

发明内容

本发明的目的在于设计一种催化剂装填构件及其装填方法，该催化剂装填构件用于催化精馏塔，能够实现塔内流体的强制再分布，延长气液两相在催化剂床层的流动路径，增大反应区液体的持液量，从而保证传质交换与催化效果；该催化剂装填构件的装填方法工艺简单，操作方便，效率提高，成本低廉，容易实施，也有助于催化剂作用的有效发挥。

本发明的催化剂装填构件，是用于安装在包括有塔板、降液管和帽罩的催化精馏塔内，由催化剂篮和托架构成；催化剂篮由篮体、上盖和底托组成，上盖安装在篮体上端、底托安装在篮体下部，催化剂篮的底托至上盖之间篮体的高度为催化精馏塔内帽罩开孔部分高度的1.1-2倍，底托与下篮体的高度为催化精馏塔内降液管在塔板以上部分高度的1.1-2倍；托架为能与帽罩配装的框架式结构，催化剂篮底托置于托架上，托架装配帽罩上。

催化剂装填构件形状为带上下盘状边缘的空心圆柱体、圆球形、棱球形、三叶草形、拉西环形、鲍尔环形以及不锈钢θ网环形状。

小直径催化精馏塔的催化剂装填方法是：先把篮体、上盖和底托组配为催化剂篮，再把催化剂篮和托架组配为催化剂装填构件，然后将催化剂装填在由催化剂篮的上盖、篮体和底托与塔壁围成的环形空间内，再把催化剂装填构件通过托架与塔板上的帽罩配装在一起，构成单节塔装填结构；

对直径大于60mm的大直径催化精馏塔，在由上盖、篮体和底托组成的催化剂篮的外围加一层丝网做成整体的催化剂袋，将催化剂装填在其中，使催化剂不与塔壁直接接触；再把催化剂装填构件通过托架与塔板上的帽罩配装在一起，构成单节塔结构；

依上述安装过程重复装填，即可完成催化剂在催化精馏塔内多节塔结构的整体装填。

发明的效果

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、使用本催化剂装填构件及装填方法把催化剂装入催化精馏塔，在运行过程中，可实现气-液-固三相的多次接触，从而延长气-液-固三相的接触时间，有利于反应的充分进行；

2、使用本催化剂装填构件及装填方法把催化剂装入催化精馏塔，在运行过程中，由于气相是通过帽罩孔横向通过填料层，可使气相穿过填料层的单程路径缩短，明显减小阻力，因此可相应降低塔板的压降；

3、本装填方法由于设计了特别的催化剂构件，因此装填方便，效率提高，成本低廉，容易实施，也有助于催化剂作用的有效发挥。

4、使用本催化剂装填构件及装填方法把催化剂装入催化精馏塔，与现有大部分催化精馏的不同在于，在运行过程中，它不仅在塔的整体结构上消除了一般催化精馏塔都存在的反应段、精馏段和提馏段的明显界限，而且在每一个塔节上都消除了反应和分离的界限，使每一层塔板和每一个构件都兼具反应和分离的功能，有效提高了催化精馏塔的效率。

附图说明

图1a.为催化剂篮的上盖形状结构示意图；

图1b.为催化剂篮的篮体形状结构示意图；

图1c.为催化剂篮的底托形状结构示意图；

图1d.为上盖a、篮体b和底托c装配结构示意图；

图1e.为催化剂篮的框架式托架形状结构示意图；

图1f.为催化剂装填构件结构示意图；

图2为催化精馏塔内塔板i、帽罩g和降液管h的垂直筛板结构示意图；

图3为催化剂装填构件、垂直筛板和催化剂安装于小直径催化精馏塔内的单节塔结构示意图；

图4为多节塔，使有多个装填催化剂k的单节塔通过法兰连接而成的结构示意图；

图5为催化剂装填构件应用在直径20～60mm的冷模塔中运行过程的示意图；

其中：L：为液相区域；G：为气相区域；L&G：为气液两相共存区；

图6为催化剂装填构件应用在直径大于φ60mm冷模塔中的一种装填结构正视示意图；

图7为催化剂装填构件应用在直径大于

60mm冷模塔中的一种装填结构俯视示意图。

具体实施方式

本催化剂装填构件(以下简称装填构件，参见图1、2)，用于安装在包括有塔板i、降液管h和帽罩g的催化精馏塔内，该装填构件f(图1f)由催化剂篮d(图1d)和托架e构成；催化剂篮由篮体b、上盖a和底托c组成，配装好的催化剂篮的底托c至上盖a之间篮体b的高度或长度为催化精馏塔内帽罩g开孔部分高度的1.1-2倍，底托c以下篮体b的高度或长度为催化精馏塔内降液管h在塔板i以上部分高度的1.1-2倍；托架e为框架式结构，并能与帽罩g配装。催化剂装填构件f是一个组配而成的单节结构或非组配的整体单节结构。装填构件f形状结构为带上下盘状边缘的空心圆柱体、圆球形、棱球形、三叶草形、拉西环形、鲍尔环形或不锈钢θ网环形状。

本装填构件的催化剂篮d所用材料为10-80目的丝网，或直径为φ1-10mm、开孔率大于15％的筛板，材质为不锈钢、铜、塑料或者陶瓷中的任一种。

应用本装填构件采用下述方法装填：先把篮体b和与之配装的上盖a和底托c组配为催化剂篮d，再把催化剂篮d及其托架e组配为装填构件f整体，然后将催化剂k装填在由所述催化剂篮d的上盖a、篮体b和底托c与塔壁围成的环形空间内，构成单节装填结构；填装催化剂k后，再把装填构件f通过托架e与塔板i上的帽罩g配装在一起，构成单节塔结构；依上述安装过程重复装填，即可完成催化剂k在催化精馏塔内多节塔结构的整体装填。

本发明所述帽罩g的形状结构适用于现有技术(参见中国专利CN1299703)。本发明在把催化剂k装填进催化剂篮d时，通过在催化剂中混装大空隙率填料来调节催化剂床层的空隙率，既能使反应床层保持必要的空隙率，又能使催化剂均匀地分布在整个反应段中，还能够在不改变设备的条件下调节催化剂加入量。

本发明的提出的一种新型的装填构件和催化剂的装填方法，其工作原理和特点如下(参见图5)：使用本发明装填构件及其装填方法，可使催化精馏塔内的气相G经塔板帽罩g的开孔从下层塔板i进入帽罩g内，然后沿水平方向喷出，横向进入填料层，与从上层塔节降下来的液相在催化剂k表面接触，并发生反应，之后气液两相分离，气相G穿过填料层继续上升至上层塔板，液相L从填料层流下进入塔板持液层。从图5所示的气相G走向可以看出，气相G穿过填料所经过路径的距离要比气相G从底部向上穿过填料层的距离要小得多，所以其阻力也就小得多，与相同形式相同高度的填料散堆装填方法相比，压降明显减小。更重要的是，采用本发明的装填方法装填催化剂，在精馏塔运转过程中，液相L在与气相G接触进入塔板持液层后，一部分经降液管进入下层塔节；由于帽罩g内气相G流动速度要比帽罩g外大得多，因此帽罩g内压力低于罩外，使持液层的大部分液相L经帽罩g底隙被吸入帽罩g内，在气相G的冲击下在帽罩g内变成气液混合物G&L，使气液两相充分混合，经帽罩g的开孔喷出后又进入填料层，实现气-液-固三相在填料层内再次充分接触，经过一定时间的接触后，气液两相分离，气相象继续上升进入上一层，液相又重新回到持液层，如此实现多次循环接触，就大幅度增加了气-液-固三相接触时间，可以在保证接触时间的条件下降低催化精馏塔的总高度。

现有的技术一般是将催化精馏塔分为三段：一个反应段、一个精馏段和一个提馏段，也就是说每个塔只有一个反应段，对于催化精馏塔的研究主要集中在整个精馏塔的反应段上。这种研究没有考虑其他段的作用，影响全塔效率的发挥。本发明提供一种新的装填构件和催化剂装填方法克服了现有技术中催化蒸馏塔构件的缺陷，能够实现流体的强制再分布，加长了气液两相在催化剂床层的流动路径，增大了反应区液体的持液量，从而保证了传质与催化效果。本发明的装填构件和催化剂装填方法在气-液、液-固、液-液-固、气-液-固催化反应中都可适用。

催化精馏塔内使用本发明提出的催化剂装填构件后，在运行过程中反应物料以气液混合物的形式经过帽罩孔进入催化剂层，提高了气液两相在催化剂表面的接触效果，效果远好于传统散堆装填方式形成的气液两相在催化剂层鼓泡接触的方式，使有效的气液接触面积大大增加，在反应过程中有利于气、液两相反应介质的相互传递。

本发明涉及CN1286540专利提出的垂直筛板塔技术。该技术提出了一种高效精馏塔的结构，其主要作用是高效分离，不具备催化功能。本发明在其基础上，把本发明提出具有催化剂构件功能的装填构件配装在其帽罩之上，这样，在充分发挥现有技术分离功能的同时，给精馏塔赋予了催化功能，使之成为一种新型的催化精馏塔。

本发明装填构件和装填方法既适用内径大于60mm的大直径冷模塔，也适用于内径小于60mm的小直径冷模塔。

本发明装填构件和装填方法适用的催化剂k可以是直径大于φ2×2的θ丝网环、直径大于φ2的圆球、棱球或空心球以及高度大于2mm的三叶草、四叶草等型催化剂载体中一种。

因为本发明所述的装填构件f可以脱离精馏塔单独拆装和更换，因此装填方便、灵活，效率高，而且催化剂床层单层厚度小，催化剂k在装填篮内的紧密程度可控，并具有操作稳定、催化剂磨损小、易于工业应用以及根据不同的催化精馏过程易于控制催化剂的用量等优点。

本发明的装填构件和催化剂装填方法，与散堆装填相比，填料层的压降明显减小。更重要的是，采用这种方法装填，在运转过程中，气-液-固三相在填料层内就能够实现多次循环接触，使三相接触时间大幅度增加。换言之，本发明可以多层垂直筛板催化精馏塔在同一层塔板上内实现反应分离同时进行，效率大为提高。

本发明未述及之处适用于现有技术。

下面给出本发明的具体实施例，但本发明不受实施例的限制。

实施例1

本发明装填构件和装填方法在小直径冷模塔上实施。

所选用的小直径冷模塔内径为φ48×8mm的有机玻璃材质，塔板间距100mm。垂直筛板帽罩为圆柱形帽罩，罩体高度45mm，内径φ16mm，帽罩上开孔φ2.5×50mm。塔板中心开圆孔，孔径为φ12mm，帽罩置于塔板中央，4个内径φ6mm的降液管均布于帽罩四周。使用本发明的催化剂构件f(装填结构参见图3)，催化剂是φ3×3mm的θ丝网环，装填高度为30mm以空气为气相，水为液相，建立冷模实验装置进行冷模试验，考察该装填方法的流体力学性能。

冷模实验结果表明：该小直径冷模塔的液流强度为24.88m³/m²h时，液泛气速为1990.45m³/m²h。

实施例2

本发明装填构件和装填方法在小直径冷模塔上实施。

所选用的小直径冷模塔内径为φ24×8mm有机玻璃材质，塔板间距100mm，垂直筛板帽罩为圆柱形帽罩，罩体高度35mm，内径φ12mm，帽罩上开孔φ1.5×40mm。塔板中心开圆孔，孔径为φ8mm，帽罩置于塔板中央，5个内径φ3mm的降液管均布于帽罩周围。使用本发明所述的催化剂构件f，构件内装填的催化剂是φ3mm球形催化剂，装填高度为20mm以空气为气相，水为液相，建立冷模实验装置进行冷模试验，考察该装填方法的流体力学性能。

冷模实验结果表明：该小直径冷模塔的液流强度为14.31m³/m²h时，液泛气速为413.76m³/m²h。

实施例3

本发明装填构件和装填方法在小直径冷模塔上实施。

所选用的小直径冷模塔内径为φ32×8mm有机玻璃材质，塔板间距100mm。垂直筛板帽罩为圆柱形帽罩，罩体高度45mm，内径φ12mm，帽罩上开孔φ2×40mm。塔板中心开圆孔，孔径为φ10mm，帽罩置于塔板中央，4个内径φ3mm的降液管均布于帽罩周围。使用本发明所述的催化剂构件f，构件内装填的催化剂是三叶草型催化剂，装填高度30mm。以空气为气相，水为液相，建立冷模实验装置进行冷模试验，考察该装填方法的流体力学性能。

冷模实验结果表明：该小直径冷模塔的液流强度为19.91m³/m²h时，液泛气速为905.87m³/m²h。

实施例4

本发明装填构件和装填方法应用于内径大于60mm的冷模塔。

本发明选用内径为φ800×12mm有机玻璃冷模塔，塔板间距500mm。垂直筛板帽罩的截面积为梯形，安装7个帽罩，罩底尺寸150×100mm，罩顶尺寸为75×60mm，罩体高度300mm，帽罩底隙高度20mm，帽罩上开孔φ8×30(装填结构如图6所示)。罩底相应的塔板开130×80mm的方孔，7个帽罩排布在塔板中部(具体排布方式参见图7)，在塔板上分布，采用弓形降液管，降液管高度60mm。使用的催化剂构件与小直径冷模塔的原理相同，构件内装填的催化剂是三叶草型催化剂载体作为填料。以空气为气相，水为液相，建立冷模实验装置进行冷模试验，考察该装填方法的流体力学性能。

冷模实验结果表明：该冷模塔的液流强度为276.53m³/m²h，液泛气速为22115.5m³/m²h。

Claims (2)

1.一种催化剂装填构件，其特征在于：由催化剂篮和托架构成；催化剂篮由篮体、上盖和底托组成，上盖安装在篮体上端、底托安装在篮体下部，催化剂篮的底托至上盖之间篮体的高度为催化精馏塔内帽罩开孔部分高度的1.1-2倍，底托与下篮体的高度为催化精馏塔内降液管在塔板以上部分高度的1.1-2倍；托架为能与帽罩配装的框架式结构，催化剂篮底托置于托架上。

2.根据权利要求1所述的一种催化剂装填构件的装填方法，其特征在于：小直径催化精馏塔的催化剂装填方法是：先把篮体、上盖和底托组配为催化剂篮，再把催化剂篮和托架组配为催化剂装填构件，然后将催化剂装填在由催化剂篮的上盖、篮体和底托与塔壁围成的环形空间内；或对直径大于60mm的大直径催化精馏塔，在由上盖、篮体和底托组成的催化剂篮的外围加一层丝网做成整体的催化剂袋，将催化剂装填在其中，使催化剂不与塔壁直接接触；

填装催化剂后，再把催化剂装填构件通过托架与塔板上的帽罩配装在一起，构成单节塔结构；

依上述安装过程重复装填，即可完成催化剂在催化精馏塔内多节塔结构的整体装填。

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