CN107051368A - 盘式组装的袋装催化精馏填料 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种盘式组装的袋装催化精馏填料，其结构包括组件A和组件B的两种组件：组件A是缝合而成的长方形催化剂包，其内填充催化剂颗粒；组件B是规整填料片；组件B的规整填料片与组件A的催化剂包平行紧密叠放，并卷曲呈盘式螺旋结构，然后用箍紧片固定，形成催化精馏填料。本发明催化剂包缝合尺寸可调，且催化剂装填密度可控，调整催化剂含量，提高催化剂利用率。组件A和组件B交替放置，规整填料片改善流体流动，保证气液两相均匀分布，使反应物和生成物不断被分离至塔顶和塔底，促进传质过程，提高反应速率。催化精馏填料结构呈盘式螺旋结构，催化剂包和规整填料片间隔排列，改善气液两相径向分布，同时可降低压降。
Description
技术领域
本发明是一种盘式组装的袋装催化精馏填料，属于化工行业催化精馏技术范畴，特别涉及催化精馏塔内的过程优化和强化。
背景技术
催化精馏过程是催化反应和精馏过程的高度耦合，是将催化剂引入精馏塔，固体催化剂在催化精馏工艺中既作为催化剂加速化学反应，又作为填料或塔内件提供传质表面，所以塔内填料必须同时具备催化和气液传质两项功能。原料在塔内经催化反应后得到生成物可以被连续移出，推动反应继续进行，使得催化精馏过程具有更高的生产能力。催化精馏填料结构是直接影响催化精馏过程效率的重要因素，因此，填料不仅要保证塔内气液两相充分混合，还要求使反应物和催化剂的接触时间区间范围大且可控。
近年来，催化精馏填料的研究与专利发明主要集中在提高催化剂装填量，保证汽液、液固良好的传质效率，以及降低塔内压降三个技术方面。中国专利CN201510942019.2中，福州大学开发了一种高效催化精馏塔塔内催化剂捆扎包填料包括催化剂包链和规整波纹填料片,所述催化剂包链是由复数个具有中空结构的催化剂包串联而成,所述催化剂包内装有固体催化剂颗粒,所述催化剂包链与规整波纹填料片紧密贴合盘旋后由紧箍片固定成型。这种结构对于传统的捆扎包结构进行了有效的改进，但催化剂包内中空结构增加了填料加工难度，降低了催化剂装填量，且塔内压降需进一步降低。中国专利CN201410049831.8中，天津大学开发了一种盘式螺旋自分布催化精馏结构，在结构内设置有两种间隔排列的催化剂组件：组件A是填料片外包裹丝网、内填充催化剂，形状为长方体、拱形或多边形，要求是多个组件A形成环状结构的周向排布；组件B是外包丝网内置催化剂颗粒的长方体催化剂包，并扭转成螺旋状，催化剂包外需放置带孔的隔板,多个组件B形成环状结构的周向排布。此结构两组件都含催化剂颗粒，提高了催化剂装填量，增加了汽液传质面积。但因流动阻力较大，塔内压降较高。中国专利CN201310689147.1中，天津大学开发了一种圆形排布的催化精馏填料，填料层内设置有两种组件：将填料片叠放在一起，外面包裹一层丝网，内填充催化剂，将丝网缝合起来，定义为组件1；组件2为规整填料片；组件1与组件2叠放并卷曲，然后用箍紧片固定，形成催化精馏填料。此结构，可减少塔内压降，但催化剂装填量较少，塔内停留时间较短。
发明内容
为解决现有反应精馏技术中催化精馏填料难以同时满足反应过程与分离过程的要求，以及加工工艺复杂的问题。本发明的目的在于提供一种高效的盘式组装的袋装催化精馏填料，简化催化精馏填料加工及安装工艺，并通过改变填料内部催化剂包与规整填料的组合方式，提高填料对于反应过程与分离过程两者的适配度，代替传统的捆扎包式催化精馏填料，强化催化精馏过程，改善径向分布，提高催化剂利用率，降低催化精馏塔内压降，从而强化催化精馏塔反应效果。
本发明是这样实现的：
一种盘式组装的袋装催化精馏填料，其结构包括组件A和组件B的两种组件：组件A是缝合而成的长方形催化剂包，其内填充催化剂颗粒；组件B是规整填料片；组件B的规整填料片与组件A的催化剂包平行紧密叠放，并卷曲呈盘式螺旋结构，然后用箍紧片固定，形成催化精馏填料。
所述的组件A是由绢丝布、尼龙布、涤纶布或玻璃纤维布缝合而成的催化剂包；对于腐蚀性催化反应过程，可使用抗腐蚀材料缝合催化剂包。
所述的组件A的缝合尺寸可根据催化剂颗粒大小及颗粒装填情况而定，相邻缝合线之间的缝合尺寸可以为10-200mm。
所述的组件B可为开窗导流填料片、金属丝网填料、丝网波纹填料、刺孔波纹调料、孔波波纹填料片、压延孔板波纹填料或蜂窝填料片的规整填料片。
所述的组件A和组件B的数量比为1:1至1:100。
所述的组件B中规整填料片与催化剂包叠放方式包括以下三种情况：
1.组件B为1片规整填料片，平行叠放于催化剂包之下。
2.组件B为多片规整填料片，置于催化剂包上下层，上下层数平均分配。
3.组件B为多片规整填料片，置于催化剂包上下层，催化剂包下层较催化剂包上层多一片。
所述的组件A与组件B等高。
塔内反应段放置多层填料盘时，上下填料盘可旋转180°安装。
本发明专利的优点有：
1.催化剂包缝合尺寸可调，且催化剂装填密度可控，调整催化剂含量，控制反应物和催化剂间的接触时间，提高催化剂利用率。
2.组件A和组件B交替放置，规整填料片改善流体流动，保证气液两相均匀分布，使反应物和生成物不断被分离至塔顶和塔底，促进传质过程，提高反应速率。
3.催化精馏填料结构呈盘式螺旋结构，催化剂包和规整填料片间隔排列，改善气液两相径向分布，同时可降低压降。
4.组件B中规整填料的片数可根据不同工艺需求调整，从而提高填料对于反应过程与分离工程的适配度，综合反应接触时间及塔内压降多因素，增加反应通量，降低塔内压降。
附图说明
图1是本发明催化精馏填料中组件B含有2片填料片的俯视图；
图2是本发明催化精馏填料中组件B含有2片填料片的剖面图；
图3是本发明催化精馏填料中组件B含有5片填料片的剖面图；
其中：1-催化剂包，2-规整填料片，3-塔壁。
具体实施方式
结合图1和图2对本发明进行说明：
本发明为一种盘式组装的袋装催化精馏填料，采用催化剂包和催化精馏规整填料相结合的方式组装，催化剂包和规整填料平行紧密叠放，其中规整填料数量可根据实际实验需求确定，实验过程对于塔内压降及气液传质要求较高，需增加规整填料数量，有效的改善了普通捆扎包式催化精馏填料径向分布不均，以及塔内压降大的问题，开窗导流填料改善气液流通通道，从而增加气液两相接触面积，增强该催化精馏填料的传质效率；当对于催化反应过程要求较高时，可适当减少规整填料片数量，增加催化剂包填充密度。
图1为本发明填料的俯视图，将组件A和组件B平行紧密叠放后，卷曲呈盘式螺旋结构填充在精馏塔内，用箍紧片将填料盘箍紧并固定。置于塔内反应段；反应段内填料盘数量可根据实验要求，反应停留时间等因素综合决定，多层填料盘之间可旋转180°安装。上下填料盘可采用不同数量的催化剂包与规整填料组合方式。
在催化精馏塔内，液相从组件A和组件B中向下流动，液体在径向上在两组件内部反复流动，液相在组件A中进行传质过程。液相在两种组件中交替流动，促进了反应的进行和物系的分离。气相从填料盘中上升，在组件A中与液相进行传质，最终达到塔顶，收获轻相，塔底收获重相。
以下结合具体实施例进行进一步说明：
实施例1：
以稀醋酸在NKC-9的作用下合成醋酸甲酯过程中，催化剂包选择耐腐蚀材料缝制而成，催化剂粒径为1mm，催化剂包的相邻缝合线之间的缝合尺寸为20mm。此催化精馏过程速率由表面反应速率控制，催化剂包与规整填料片的数量比为1:1，催化精馏填料中组件B采用开窗导流填料，填料片平行叠放于催化剂包之下，并卷曲成型。塔径DN1000，上下填料盘安装时无需旋转。反应段设8盘填料。使用本发明催化精馏填料与使用普通捆扎包式催化精馏填料相比，径向分布均匀，塔内压降降低12.8％，反应转化率高达99.8％以上，醋酸甲酯的纯度提高16％。
实施例2：
在氯硅烷反歧化反应精馏装置中，催化剂包选用尼龙布缝制而成，催化剂选择反歧化催化剂SA66，催化剂包的相邻缝合线之间的缝合尺寸为50mm。此催化精馏过程对于反应过程与精馏过程的耦合度要求较高，为提高每盘填料持液量，催化剂包与规整填料的数量比选择1：2，催化精馏填料中的组件B采用开窗导流填料，填料片于催化剂包上下两层平均分配，与催化剂包平行叠放并卷曲成型，如附图1和2所示。塔径DN1200，上下填料盘安装时无需旋转，反应段设10盘填料，使用本发明催化精馏填料，氯硅烷反歧化反应精馏过程成功工业化运行，且与使用普通捆扎包式催化精馏填料对比，操作稳定，STC循环温度稳定在30℃，且DCS转化率超过98.7％，达到节能高效的生产效果。
实施例3：
在生产MTBE(甲基叔丁基醚)装置中，催化剂包选择尼龙布缝制而成，催化剂粒径为0.5mm，催化剂包的相邻缝合线之间的缝合尺寸为15mm。此催化精馏过程为反应速率与气液两相间传质速率共用控制，催化剂包与规整填料的数量比选择1：5，催化精馏填料中的组件B采用开窗导流填料，填料片于催化包下层数量较上层数量多一片，与催化剂包平行叠放并卷曲成型，如附图3所示。塔径DN800，上下填料盘安装时旋转90°。反应段设10盘填料，其中为了使塔内气液两相更均匀分布，第五盘与第六盘填料之间设25cm高的普通规程填料。使用本发明催化精馏填料与使用普通捆扎包式催化精馏填料对比，塔内压降降低24.6％，甲醇含量减少12.3％，C4混合物减少17.9％，丁二烯体积分数减少11.7％，二甲醚体积分数减少9.5％-16.7％，其它杂质减少5％-20％，MTBE含量提高1.82个百分点。
实施例4：
在合成ETBE(乙基叔丁基醚)的催化填料塔中，催化剂包选择玻璃纤维布缝制而成，催化剂为小粒径沸石分子筛，催化剂包的相邻缝合线之间的缝合尺寸为50mm。此催化精馏过程为反应速率与气液两相间传质速率共用控制，催化剂包与规整填料的数量比选择1：4和1：10两种情况，催化精馏填料中的组件B采用开窗导流填料，填料片于催化包上下两层平均分配，与催化剂包平行叠放并卷曲成型。塔径DN600，反应段内设6盘填料，为提高反应精馏段顶部与底部局部气液两相更加均匀，第1和第6盘填料中催化剂包与规整填料的数量比为1：10，第2至第5盘填料中催化剂包与规整填料片的数量比为1：4，在第3盘和第4盘填料间放置40cm高的金属孔板波纹填料，以使反应段内气液分布更加均匀。填料盘上下安装时旋转90°。使用本发明的催化精馏填料与使用普通捆扎包式催化精馏填料对比，催化剂使用量降低12.8％，异丁烯的转化率提高至86.3％，塔内总压降降低15.6％。
实例5：
在C4馏分催化加氢工艺的催化填料塔中，催化剂包选择尼龙布缝制而成，为减小催化剂装填堆密度，催化剂包的相邻缝合线之间的缝合尺寸为100mm。此催化精馏过程中对于催化精馏塔内压降要求较为严格，且气液两相间传质速率较慢，为合理降低塔内压降，提高全塔效率，催化剂包与规整填料的数量比选择1：20，催化精馏填料中的组件B采用开窗导流填料，填料片于催化包上下两层平均分配，与催化剂包平行叠放并卷曲成型。塔径DN800，反应段内设10盘填料，上下填料盘安装时旋转180°，在第3盘和第4盘填料间放置40cm高的金属孔板波纹填料，以使反应段内气液分布更加均匀。使用本发明的催化精馏填料与使用普通捆扎包式催化精馏填料对比，通过改善塔内压降，防止局部温度过高，影响反应速率及催化剂寿命，使催化剂使用量降低12.8％，反应转化率提高至94.3％，塔内总压降降低15.6％。
实例6：
在合成乙二醇正丁醚装置中，催化剂包选择绢丝布缝制而成，催化剂选用三氟化硼乙醚络合物，催化剂包的相邻缝合线之间的缝合尺寸为200mm。此催化精馏过程中气液两相间传质速率较慢，为匹配催化剂包尺寸，提高反应精馏段效率，催化剂包与规整填料的数量比选择1：100，催化精馏填料中的组件B采用开窗导流填料，填料片于催化包上下两层平均分配，与催化剂包平行叠放并卷曲成型。塔径DN1200，反应段设15盘填料层，上下填料盘安装时无需旋转。使用本发明催化精馏填料与使用普通捆扎包式催化精馏填料对比，物料径向分布均匀，环氧乙烷在反应段的转化率提高至98.2％，乙二醇单甲醚选择性和收率提高11.4％～23.7％。
Claims (10)
1.一种盘式组装的袋装催化精馏填料，其特征是包括组件A和组件B的两种组件：组件A是缝合而成的长方形催化剂包，其内填充催化剂颗粒；组件B是规整填料片；组件B的规整填料片与组件A的催化剂包平行紧密叠放，并卷曲呈盘式螺旋结构，然后用箍紧片固定，形成催化精馏填料。
2.如权利要求1所述的催化精馏填料；其特征是所述的组件A是由绢丝布、尼龙布、涤纶布或玻璃纤维布缝合而成的催化剂包。
3.如权利要求1所述的催化精馏填料；其特征是所述的组件A相邻缝合线之间的缝合尺寸为10-200mm。
4.如权利要求1所述的催化精馏填料；其特征是所述的组件B为开窗导流填料片、金属丝网填料、丝网波纹填料、刺孔波纹调料、孔波波纹填料片、压延孔板波纹填料或蜂窝填料片的规整填料片。
5.如权利要求1所述的催化精馏填料；其特征是所述的组件A和组件B的数量比为1:1至1:100。
6.如权利要求1所述的催化精馏填料；其特征是组件B为1片规整填料片，平行叠放于催化剂包之下。
7.如权利要求1所述的催化精馏填料；其特征是组件B为多片规整填料片，置于催化剂包上下层，上下层数平均分配。
8.如权利要求1所述的催化精馏填料；其特征是组件B为多片规整填料片，置于催化剂包上下层，催化剂包下层比催化剂包上层多一片。
9.如权利要求1所述的催化精馏填料；其特征是所述的组件A与组件B等高。
10.如权利要求1所述的催化精馏填料；其特征是塔内反应段放置多层填料盘时，上下填料盘旋转180°安装。
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