CN109180440B - 萃取催化反应塔 - Google Patents
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Abstract
萃取催化反应塔，包括反应塔，反应塔内件包括：除沫器、分布器、填料组件；反应塔内的最上端设有除沫器、其下设有分布器；分布器下装填多段填料组件，且各段填料组件之间都设有再分布器；填料组件与相邻的分布器、再分布器连通；填料组件是多功能膜组件或多功能模块组件；反应塔顶部设有气相出口、底部设有出料口，反应塔底部侧壁设置进料口，最下方的填料组件位置在反应塔侧壁设置脱水排水口，反应塔最上部分布器连通反应塔侧壁上设置的第一回流进液口。本发明可解决传统设备应用过程中工艺复杂、时间长、效率低下，无法一次性实现脱水、聚合、催化过程的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及精细化工产业的催化反应设备领域，具体为萃取催化反应塔。
背景技术
DMMn产品是世界公认的环保型油品添加剂，但其生产方法相当复杂，需要首先生产三聚甲醛、甲缩醛、二甲醚等，还要利用浓缩、萃取、精馏、烘干等技术，取得较纯净的原料或半成品，方能最终得到合格的DMMn成品。传统设备应用过程中工艺复杂、时间长、效率低下，因此急需一种能够高效脱水、聚合、催化的反应设备。
发明内容
为了克服上述技术的缺陷和不足，本发明提供一种萃取催化反应塔，解决传统设备应用过程中工艺复杂、时间长、效率低下，无法一次性实现脱水、聚合、催化过程的技术问题。
本发明采用以下技术方案：
萃取催化反应塔，包括反应塔，所述反应塔内件包括：除沫器、分布器、填料组件；所述反应塔内的最上端设有除沫器、其下设有分布器；所述分布器下装填多段填料组件，且各段所述填料组件之间都设有再分布器；所述填料组件与相邻的所述分布器、所述再分布器连通；
所述填料组件是多功能膜组件或多功能模块组件；
所述多功能膜组件或多功能模块组件包括多个竖向设置的上下贯通的列管排列成列管床由管板固定，所述列管周身开有多个小孔，所述列管内插入烧制成的上下贯通的功能管，所述功能管内表面复合烧制而成的功能膜，所述功能管内填充填料；
所述列管与功能管之间的缝隙的上下端设置密封材料密封固定；所述填料组件与相邻的所述分布器、所述再分布器通过所述功能管连通构成反应通道；所述填料组件、所述再分布器与所述反应塔侧壁之间构成脱水流道；
所述反应塔顶部设有气相出口、底部设有出料口，所述反应塔底部侧壁设置进料口，最下方的所述填料组件位置在反应塔侧壁设置脱水排水口，所述反应塔最上部分布器连通所述反应塔侧壁上设置的第一回流进液口；
最底层所述管板是封闭的接水板，底层以上的各所述管板是通过降液管连通，最高层所述管板上开有抽真空口，并连接外部抽真空系统，把各段所述列管外的、由降液管连通的所有空间抽成负压。
位于所述反应塔中部的再分布器连通所述反应塔侧壁上设置的第二回流进液口。
所述小孔的直径为1-50mm。
所述功能管选用陶瓷材料烧结制成；所述功能膜选用陶瓷类材料、硅藻土类材料、ZSM-5、SAPO-34或沸石分子筛中的任意一种与所述功能管内表面复合烧制制成。
所述多功能膜组件内填充的所述填料为圆柱状的不锈钢波纹丝网的规整填料。
所述除沫器、分布器、再分布器内部都是由不锈钢波纹丝网所构成；所述分布器、再分布器均设有多个连通所述功能管的导流口。
所述多功能模块组件内填充的所述填料是催化剂模块；所述模块催化剂包括催化剂、金属丝网、金属丝网波纹板，所述模块催化剂由所述的金属丝网、金属丝网波纹板间隔平行设置，两片所述金属丝网之间承装所述的催化剂颗粒形成催化剂层，且该催化剂层内的所述催化剂颗粒被所述的金属丝网波纹板隔开放置；所述的模块催化剂内的所述催化剂层间隔设置。
所述除沫器、再分布器内部均为不锈钢波纹丝网排列而成，所述再分布器均设有多个连通所述功能管的导流口；所述分布器为不锈钢钢板构成并设有多个连通所述功能管的导流口。
所述密封材料选用聚四氟密封垫或金属缠绕垫、防腐橡胶垫。
本发明有以下积极有益效果：
本发明的萃取催化反应塔，可以实现在单一设备中一次性实现脱水、聚合、催化过程，大大缩短了工艺时间，减少工艺复杂性，在合成DMMn产品时，效果显著。
附图说明
图1是多功能膜合成三聚甲醛及DMMn的装置的反应流程图；
图2是图1中的催化反应塔的结构示意图；
图3是图2中的催化反应塔的填料组件的横断面剖视结构示意图；
图4是图2中的催化反应塔中单个列管的纵断面结构示意图；
图5是管状功能膜组件的列管功能管厚度断面结构示意图；
图6是一步法合成DMMn的装置的反应流程图；
图7是图6中的催化反应塔的结构示意图；
图8是图7中的催化反应塔的填料组件的横断面剖视结构示意图；
图9是模块催化剂的断面结构示意图；
图10是催化反应塔的纵向截面的结构示意图。
附图编号：1-甲缩醛氧化反应器，2-反应塔，211-第一回流进液口，212-气相出口，213-进料口，214-出料口，215-脱水排水口，216-第二回流进液口，23- 填料组件，25-多功能膜组件，251-列管，252-小孔，253-功能管，254-填料，255- 功能膜，26-再分布器，27-管板，28-分布器，29-多功能模块组件，4-分馏塔， 5-废热锅炉，6-换热器，7-冷凝器，8-冷凝罐，9-回流泵，10-再沸器，12-多段固定床反应塔，13-成品分馏塔，14-混合器，15-成品分馏塔的冷凝器，16-成品分馏塔的回流罐，17-成品分馏塔的回流泵，18-多段固定床反应塔重沸器，19-成品分馏塔的重沸器，20-除沫器，31-甲醛水溶液蒸发器，32-回流罐，40-模块催化剂，401-催化剂层，402-金属丝网，403-金属丝网波纹板，50-降液管。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
以下实施例仅是为清楚说明本发明所作的举例，而并非对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在下述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动，而这些属于本发明精神所引出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
参见各附图，萃取催化反应塔，包括反应塔2，所述反应塔2内件包括：除沫器20、分布器28、填料组件23；所述反应塔21内的最上端设有除沫器20、其下设有分布器28；所述分布器28下装填多段填料组件23，且各段所述填料组件23之间都设有再分布器26；所述填料组件23与相邻的所述分布器28、所述再分布器26连通；
所述填料组件23是多功能膜组件25或多功能模块组件29；
参见图2、3、4、5，所述多功能膜组件25或多功能模块组件29包括多个竖向设置的上下贯通的列管251排列成列管床由管板27固定，所述列管251周身开有多个小孔252，所述列管251内插入烧制成的上下贯通的功能管253，所述功能管253内表面复合烧制而成的功能膜255，所述功能管253内填充填料 254；
所述列管251与功能管253之间的缝隙的上下端设置密封材料密封固定；所述填料组件23与相邻的所述分布器28、所述再分布器26通过所述功能管253 连通构成反应通道；所述填料组件23、所述再分布器26与所述反应塔2侧壁之间构成脱水流道；
参见图1、6，所述反应塔2顶部设有气相出口212、底部设有出料口214，所述反应塔2底部侧壁设置进料口213，最下方的所述填料组件23位置在反应塔2侧壁设置脱水排水口215，所述反应塔2最上部分布器连通所述反应塔2侧壁上设置的第一回流进液口211；
最底层所述管板27是封闭的接水板，底层以上的各所述管板27是通过降液管50连通，最高层所述管板27上开有抽真空口，并连接外部抽真空系统，把各段所述列管251外的、由降液管50连通的所有空间抽成负压。
位于所述反应塔2中部的再分布器26连通所述反应塔侧壁上设置的第二回流进液口216。
所述小孔252的直径为1-50mm。
所述功能管253选用陶瓷材料烧结制成；所述功能膜255选用陶瓷类材料、硅藻土类材料、ZSM-5、SAPO-34或沸石分子筛中的任意一种与所述功能管253 内表面复合烧制制成。
所述多功能膜组件25内填充的所述填料254为圆柱状的不锈钢波纹丝网的规整填料。
所述除沫器20、分布器28、再分布器26内部都是由不锈钢波纹丝网所构成；所述分布器28、再分布器26均设有多个连通所述功能管253的导流口。
参见图7、8、9，所述多功能模块组件29内填充的所述填料254是催化剂模块40；所述模块催化剂40包括催化剂、金属丝网402、金属丝网波纹板403，所述模块催化剂40由所述的金属丝网402、金属丝网波纹板403间隔平行设置，两片所述金属丝网402之间承装所述的催化剂颗粒形成催化剂层401，且该催化剂层401内的所述催化剂颗粒被所述的金属丝网波纹板403隔开放置；所述的模块催化剂40内的所述催化剂层401间隔设置。
所述除沫器20、再分布器26内部均为不锈钢波纹丝网排列而成，所述再分布器26均设有多个连通所述功能管253的导流口；所述分布器28为不锈钢钢板构成并设有多个连通所述功能管253的导流口。
所述密封材料选用聚四氟密封垫或金属缠绕垫、防腐橡胶垫。
所述列管251与功能管253之间的缝隙的上下端设置密封材料密封固定，所述密封材料选用聚四氟密封垫或金属缠绕垫、防腐橡胶垫；密封材料的固定方式有多种常规固定方式可选，本发明中可使用螺栓紧固件紧固固定。
本发明的工作原理如下：
列管251内部连通分布器28、再分布器26，形成竖向的气相和萃取通道，而列管251外部和反应塔2内壁之间形成水通道。
萃取液从塔顶部的第一回流进液口211进入后，经分布器28流入填料组件 23的列管251内，由列管251内的填料254打散。
氧化气经塔底部的进料口213的进入后，经最下方的再分布器26进入列管 251内部上升，经功能膜255内部的填料254内的萃取液萃取、并与功能膜255 发生脱水反应，水由于渗透压从小孔252内向列管251外渗出，向下汇聚在最下方的管板27上，经脱水排水口215流出，未反应完的气体继续上升、重复反应；上部反应脱出的水从漏水的管板27上流至最底部的封闭管板27上；气体经多次萃取、脱水后经塔顶的除沫器20再次细化后从气相出口212排出。反应后的萃取相由出料口214排出。
应用实施例一
本装置在一种多功能膜合成三聚甲醛及DMMn方法中的应用：
其步骤一，由甲缩醛原料与空气加热混合后，进入甲缩醛氧化反应器1，在铁钼催化剂作用下，发生氧化反应，生成氧化产物排出后经换热器6换热，导入多功能膜的萃取脱水催化反应塔2的进料口213，经内置再分布器26进入萃取脱水催化反应塔2内，发生物理催化化学反应，并在第一回流进液口211进入的萃取剂的萃取作用下，生成的、并脱水的三聚甲醛的萃取相由出料口214 排出，而剩余气体在塔内继续上行至反应塔气相出口212，剩余气体一部分经处理排空，另一部分返回甲缩醛氧化反应器1循环利用。
其步骤二，由萃取脱水催化反应塔2产生的、由出料口214排出的三聚甲醛萃取相导入分馏塔4的进口，萃取相在分馏塔4再沸器10的加热作用下，其气相(萃取剂)经出口导入冷凝器7、冷凝罐8、回流泵9分两路：一路回流到分馏塔4内，另一路返回至萃取脱水催化反应塔2进液口211循环利用，分馏塔4塔底出口排出得到精制的、高纯的三聚甲醛中间产品。
其步骤三，由步骤二得到的高纯三聚甲醛在混合器14中与高纯甲缩醛以一定比例充分混合，导入多段固定床反应塔12中，在树脂催化剂的作用下，发生连续聚合化学反应，生产DMMn初品，并经成品分馏塔13分馏得到DMM3-6 最终产品。成品分馏塔13中的气相排出后经成品分馏塔的冷凝器15、成品分馏塔的回流罐16、成品分馏塔的回流泵17回流到多段固定床反应塔12内。
多功能膜合成三聚甲醛及DMMn的方法，概括来讲包括以下步骤：
(1)氧化反应；
(2)聚合反应；
(3)萃取反应；
(4)分馏；
(5)合成DMMn。
本专利应用在步骤(2)和(3)的聚合与萃取反应中时，所述催化反应塔2 (CTC塔)，内部装填有集脱水、催化于一身的多功能膜组件25，这种组件由功能膜255、功能管253烧制成如钢管状的几何体插入支撑材料制成的列管253 内，功能膜255的材质是具有催化合成三聚甲醛功能的材料所组成，具体为陶瓷类、硅藻土类、ZSM-5、SAPO-34、沸石分子筛等，其中ZSM-5、SAPO-34、沸石分子筛制成功能膜后，不仅具有脱水功能，而且本身更是具有高超的催化功能，其结构、形状如图3、4、5；在本实施例一中功能膜255选用的材质是 ZSM-5，它所形成的分子内孔为1-5×10-1nm，功能管253由陶瓷75烧制成陶瓷管，其中Al2O3含量控制在75％以上，其余组分按常规，陶瓷75为现有材料，可以外购；列管为金属管。而催化反应塔2则由塔内件、多功能膜组件25所组成，塔内件包括：除沫器20、再分布器26、填料组件23及固定多功能膜组件 25的管板27。多功能膜组件25的排列如同列管床，功能管253插入列管251 中，列管251周身开有直径数量若干的小孔252，以便所脱出的水及时离开物料体系而被排出；列管251与功能管253之间用密封材料如密封垫密封固定，物料互不串通，并且功能管253的内外两侧的压力不等，内侧正压，相对于外侧存有渗透压，有利于所脱之水从功能管253渗出、经列管251上的小孔252排出。塔内填料组件23按段装填，其装填量为N段，1≦N≦100，每段高度1-3m；每段装填功能管253为M根，1≦M≦5000；每根管径为D，5≦D≦200cm，每段之间都设有再分布器26，塔上部的第一回流进液口211即萃取剂进口之上设有除沫器20，其作用是把通往气相出口212的萃取剂回收干净；每根功能管253的管体内装满如圆柱状几何体的不锈钢波纹丝网规整填料。
应用实施例二
本装置在一步法合成DMMn的方法中的应用：
其步骤一，首先在甲醛水溶液蒸发器31中将5-99％的甲醛水溶液汽化。
其步骤二，脱水、聚合、合成，物理化学反应同时发生：由催化反应塔2 进料口213所导入的步骤一产生的气相物料，首先由下分布器导入多功能模块组件29的功能管253的管程，在塔中的填料组件23的催化脱水协同作用下，发生聚合反应生成三聚甲醛水溶液，然后随着气流继续上行，一边脱水，一边被迎面而来的、由第二回流进液口216、第一回流进液口211分别加入的、并由中分布器和上分布器28分布的甲缩醛(以下简称M1)、聚二甲氧基二甲醚(以下简称M2)所吸收，并在多功能模块组件29的模块催化剂40的继续作用下，持续进行合成DMMn的化学反应，由于DMMn密度大，而逐步下行最终落入塔底，但同时在功能膜脱水的功能的作用下，将从脱水排水口215不断排出所脱之水，下行的甲醛、三聚甲醛的浓度会越来越高，而上行的气流中甲醛、三聚甲醛的浓度会越来越低，并且上行到相邻的再分布器26时继续与迎面而来的吸收剂即M1、M2传质传热，继续上行来到相邻的第二段多功能模块组件29的功能管253的管程内，再次进行物理化学反应即边脱甲醛水溶液中的水，边将甲醛聚合成三聚甲醛，边合成DMMn，这样周而复始，直到气相组分中的甲醛、三聚甲醛反应彻底，反应剩余的气相在塔内继续上行至除沫器20后，把雾沫夹带中的三聚甲醛脱除干净，再由气相出口212排出，这部分气相组分，主要成分是甲缩醛M1，再依次经冷凝器7、回流罐32、回流泵9，再回流到第二进液口216继续反应，循环利用；而DMMn产品由塔的出料口214排出、导入成品分馏塔13中，而在脱水催化反应塔2的壳程中，在其负压、功能膜脱水的双重功能作用下，所脱之水即甲醛水溶液中的水由脱水口215排出塔外。
其步骤三，成品分馏：参见图6，步骤二中得到的DMMn初品由成品分馏塔13的进口导入到成品分馏塔13后，在成品分馏塔的再沸器10的加热状态下进行分馏，得到气相和液相；气相为吸收剂M2，气相经排气口排出且进入到成品分馏塔的冷凝器15中进行冷凝，冷凝后得到的液态的M2，依次流经成品分馏塔的回流罐16、成品分馏塔的回流泵17后分为两路，一路回流至成品分馏塔 13中，一路返回至脱水催化反应塔2中循环利用；成品分馏塔13底液相为高纯度DMMn成品，由排出口排出并由成品罐采集。
一步法合成DMMn的装置反应步骤可概括为：
(1)甲醛水溶液汽化；
(2)脱水、聚合、合成，物理化学反应同时发生；
(3)分馏反应。
本发明的催化反应塔2在一步法合成DMMn的反应中的工作过程为：首先步骤(1)得到的气体由进料口213进入，进入多功能模块组件29中功能管253 的管程，在本实施例二中功能膜255选用的材质为ZSM-5，所形成的分子内孔径为2-3x10-1nm，功能管253由陶瓷75烧制成陶瓷管，其中Al2O3含量为75％，其余组分按常规，陶瓷75为现有材料，可以外购；列管为金属管。多功能模块组件29内催化剂模块40中的催化剂颗粒选用D006树脂催化剂，在催化反应塔 2中的填料组件23的催化功能和脱水功能协同作用下，发生聚合反应生成三聚甲醛水溶液，然后随着氧化气流继续上行而被迎面而来的萃取剂所萃取逐渐落入塔底，但同时在填料组件23脱水的功能的作用下，三聚甲醛的浓度会越来越高，而上行的氧化气流中三聚甲醛的浓度会越来越低，并且上行到相邻的再分布器26时与迎面而来的萃取剂中未反应的甲醛组分传质传热，继续上行来到相邻的第二段填料组件23的管程内，继续进行物理化学反应，这样周而复始，直到氧化组分中的甲醛反应彻底，反应剩余气体在塔内继续上行至除沫器20后，把雾沫夹带的萃取剂脱除干净，再由气相出口212排出；而三聚甲醛的萃取相经催化反应塔2出料口214进入到成品分馏塔13中，而在壳程中在其负压、功能膜脱水的双重功能作用下，所脱之水由脱水口215排出塔外。
脱水催化反应塔2的设计如下：多功能模块组件29，其装填量为3段，每段高度1m；每段装填功能管253为5根；每根管径为5cm，每段之间都设有再分布器26，塔最上端第一回流进液口211即萃取剂进口之上设有除沫器20，每根功能管253的管体内装有如同专利CN211621189748.5模块催化剂40；除沫器 20、再分布器26，其材质都是由不锈钢波纹丝网所构成。
脱水催化反应塔2的操作条件设计如下：
催化操作条件为：塔顶温度70-90℃、0.1MPa，塔釜温度80-100℃、0.2MPa，由2E口加入甲缩醛228g(三倍摩尔甲醛的量)；
脱水操作条件为：功能管253的外侧套有列管251，周身开有直径数量若干的小孔252，方便所脱出的水及时排出系统之外，并且控制操作压力为： -0.03Mpa；脱出40g甲醛水溶液的水，从脱水口215排出；
合成DMMn:在模块催化剂40的作用下，1摩尔的甲醛与1摩尔的甲缩醛生成了106.0g的聚二甲氧基二甲醚(M2)由出料口214排出，并导入到成品分馏塔13中，并经蒸馏，气相经过冷凝器7、回流泵9，由第一回流进液口211再次进入脱水催化反应塔2继续反应。
由步骤二得到的DMMn初品进入成品分馏塔13后，在成品分馏塔13的再沸器10的加热状态下进行分馏，得到气相和液相；气相为吸收剂M2，气相经排气口排出且进入到冷凝器7中进行冷凝，冷凝后得到的液态的M2，依次流经回流罐32、回流泵9后分为两路，一路回流至成品分馏塔13中，一路由脱水催化反应塔2第一回流口进液口211，返回至脱水催化反应塔2中循环利用；成品分馏塔13底出口液相为高纯度DMMn成品，由排出口排出并由成品罐采集。
Claims (8)
1.萃取催化反应塔，包括反应塔(2)，所述反应塔(2)内件包括：除沫器(20)、分布器(28)、填料组件(23)；其特征在于，所述反应塔(2)内的最上端设有除沫器(20)、其下设有分布器(28)；所述分布器(28)下装填多段填料组件(23)，且各段所述填料组件(23)之间都设有再分布器(26)；所述填料组件(23)与相邻的所述分布器(28)、所述再分布器(26)连通；
所述填料组件(23)是多功能膜组件(25)或多功能模块组件(29)；
所述多功能膜组件(25)或多功能模块组件(29)包括多个竖向设置的上下贯通的列管(251)排列成列管床由管板(27)固定，所述列管(251)周身开有多个小孔(252)，所述列管(251)内插入烧制成的上下贯通的功能管(253)，所述功能管(253)内表面复合烧制而成的功能膜(255)，所述功能管(253)内填充填料(254)；
所述列管(251)与功能管(253)之间的缝隙的上下端设置密封材料密封固定；所述填料组件(23)与相邻的所述分布器(28)、所述再分布器(26)通过所述功能管(253)连通构成反应通道；所述填料组件(23)、所述再分布器(26)与所述反应塔(2)侧壁之间构成脱水流道；
所述反应塔(2)顶部设有气相出口(212)、底部设有出料口(214)，所述反应塔(2)底部侧壁设置进料口(213)，最下方的所述填料组件(23)位置在反应塔(2)侧壁设置脱水排水口(215)，所述反应塔(2)最上部分布器连通所述反应塔(2)侧壁上设置的第一回流进液口(211)；
最底层所述管板(27)是封闭的接水板，底层以上的各所述管板(27)是通过降液管(50)连通，最高层所述管板(27)上开有抽真空口，并连接外部抽真空系统，把各段所述列管(251)外的、由降液管(50)连通的所有空间抽成负压；
所述功能管(253)选用陶瓷材料烧结制成；所述功能膜(255)选用陶瓷类材料、硅藻土类材料、ZSM-5、SAPO-34或沸石分子筛中的任意一种与所述功能管(253)内表面复合烧制制成。
2.如权利要求1所述的萃取催化反应塔，其特征在于，位于所述反应塔(2)中部的再分布器(26)连通所述反应塔侧壁上设置的第二回流进液口(216)。
3.如权利要求1所述的萃取催化反应塔，其特征在于，所述小孔(252)的直径为1-50mm。
4.如权利要求1所述的萃取催化反应塔，其特征在于，所述多功能膜组件(25)内填充的所述填料(254)为圆柱状的不锈钢波纹丝网的规整填料。
5.如权利要求1所述的萃取催化反应塔，其特征在于，所述除沫器(20)、分布器(28)、再分布器(26)内部都是由不锈钢波纹丝网所构成；所述分布器(28)、再分布器(26)均设有多个连通所述功能管(253)的导流口。
6.如权利要求1所述的萃取催化反应塔，其特征在于，所述多功能模块组件(29)内填充的所述填料(254)是催化剂模块(40)；所述模块催化剂(40)包括催化剂、金属丝网(402)、金属丝网波纹板(403)，所述模块催化剂(40)由所述的金属丝网(402)、金属丝网波纹板(403)间隔平行设置，两片所述金属丝网(402)之间承装所述的催化剂颗粒形成催化剂层(401)，且该催化剂层(401)内的所述催化剂颗粒被所述的金属丝网波纹板(403)隔开放置；所述的模块催化剂(40)内的所述催化剂层(401)间隔设置。
7.如权利要求6所述的萃取催化反应塔，其特征在于，所述除沫器(20)、再分布器(26)内部均为不锈钢波纹丝网排列而成，所述再分布器(26)均设有多个连通所述功能管(253)的导流口；所述分布器(28)为不锈钢钢板构成并设有多个连通所述功能管(253)的导流口。
8.如权利要求1所述的萃取催化反应塔，其特征在于，所述密封材料选用聚四氟密封垫或金属缠绕垫、防腐橡胶垫。
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