CN112074587B - 用于催化蒸馏的结构填料 - Google Patents

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Abstract

一种催化蒸馏结构，其可以包括具有至少两个格栅的刚性框架，具有安装至所述格栅的多个水平的流体可渗透的管，以在多个水平的流体可渗透的管之间形成多个流体通道。另外，每个水平的流体可渗透的管可以具有六边多边形的轮廓。此外，催化蒸馏结构可以包括连接多个水平的流体可渗透的管的竖直对齐的管的多个竖直板或丝。此外，多个竖直板或丝从一个竖直对齐的管的拐角连接到相邻的竖直对齐的管的拐角。

Description

用于催化蒸馏的结构填料
技术领域
本文的实施方案总体上涉及一种可以执行反应催化剂和用于蒸馏的传质表面的双重功能的蒸馏结构。更具体地，本文的实施方案涉及一种可以容纳固体颗粒催化剂的固定蒸馏结构。本文提供的蒸馏结构填料可以执行双重功能：既提供用于催化反应的催化剂，又提供用于蒸馏的传质表面积。
背景技术
催化蒸馏是反应蒸馏的一个分支，其结合了蒸馏和催化工艺以选择性地分离溶液中的混合物。催化蒸馏的主要功能是使催化有机反应(例如汽油的精制)的收率最大化。另外，用于催化蒸馏的催化剂由不同的物质组成并且填充到不同的物体上。例如，不同的物质可以是高反应性的，其可以显著加快反应速度，使其成为有效的催化剂。典型地，在蒸馏塔中，催化剂所填充的形状形成几何布置以提供一定区域中的间隔(即催化剂床)，在其中反应物和催化剂接触以形成产物。该间隔是为了确保催化剂在塔内扩散。在催化蒸馏塔内，液体反应物在加热的同时被催化。结果，产物立即开始蒸发并与初始溶液分离。通过同时催化和加热反应物，新形成的产物迅速沸腾出系统。
同时发生的反应及产物与反应物的分离已经实践了一些时间，其优点已被认识到。使用同时发生的反应和蒸馏的实施例已经在如下的美国专利中公开，即No.(醚化)4,232,177；4,307,254；4,336,407；4,504,687；4,918,243；以及4,978,807；(二聚)4,242,530；(水合)4,982,022；(离解)4,447,668；和(芳烃烷基化)4,950,834及5,019,669，以及分配给催化蒸馏技术和/或Lummus技术的其他最近的专利，其全部教导通过引用并入本文。
已经提出了几种不同的催化蒸馏结构。参见例如美国专利No.4,302,356和4,443,559，其中颗粒催化剂被容纳在用去雾器丝缠绕的布带上的袋中，以形成催化蒸馏结构，以及美国专利No.4,731,229，其公开了一种具有波纹元件和带子的填料以形成催化剂构件(其全部教导通过引用并入本文)。美国专利No.5,073,236和5,730,843公开了已经改进了的容纳催化剂的高效填料，其全部教导通过引用并入本文。
美国专利No.5,730,843公开了一种接触结构，其包括刚性构架，该刚性构架包括至少两个基本竖直的重复格栅，以及多个安装到格栅上的基本水平的菱形管，以在各管之间形成流体通道。
发明内容
提供发明内容以介绍下文在具体实施方式中进一步描述的构思选择。此发明内容并不旨在确定要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不是旨在用于限制要求保护的主题的范围。
一方面，本文公开的实施方案涉及一种催化蒸馏结构，其可以包括具有至少两个格栅的刚性框架，具有安装至所述格栅的多个水平的流体可渗透的管，以在所述多个水平的流体可渗透的管之间形成多个流体通道。另外，每个水平的流体可渗透的管可以具有六边多边形的轮廓。此外，催化蒸馏结构可以包括连接多个水平的流体可渗透的管的竖直对齐的管的多个竖直板或丝。此外，多个竖直板或丝从一个竖直对齐的管的拐角连接到相邻的竖直对齐的管的拐角。
一方面，本文公开的实施方案涉及一种用于同时进行反应并将产物与反应物分离的蒸馏塔反应器，该蒸馏塔反应器可以包括竖直设置的容器和设置在竖直设置的容器中的一个或多个催化蒸馏结构。另外，催化蒸馏结构可以包括：具有至少两个格栅的刚性框架，具有多个安装至所述格栅的水平的流体可渗透的管，以在所述多个水平的流体可渗透的管之间形成多个流体通道。每个水平的流体可渗透的管可以具有六边多边形的轮廓。此外，催化蒸馏结构可以包括连接多个水平的流体可渗透的管的竖直对齐的管的多个竖直板或丝。此外，多个竖直板或丝从一个竖直对齐的管的拐角连接到相邻的竖直对齐的管的拐角。
本文实施方案的一个优点在于，可以在蒸馏塔内获得更大的流体流动性。另一个优点是，与现有技术中公开的那些结构相比，根据本文一些实施方案的催化蒸馏结构可以提供更好的蒸馏特性。从以下描述和所附权利要求书，其他方面和优点将是明显的。
附图说明
图1示出了根据本公开内容的一个或多个实施方案的填充结构的示意性横截面，其示出了含有催化剂的元件和空间关系。
图2A至图2H示出了根据本公开内容的一个或多个实施方案的填充结构的示意性横截面，其示出了含有催化剂的元件和空间关系。
图3示出了通过图1的空间关系表示的填充结构的轴侧图。
图4示出了根据本公开内容的一个或多个实施方案的用于填充结构的刚性框架的轴侧图。
图5示出了根据本公开内容的一个或多个实施方案的位于蒸馏塔反应器中的填充结构的示意图。
具体实施方式
下面参考附图详细描述本公开内容的实施方案。为了一致性，各个附图中的同样元件可以由同样的附图标记表示。此外，在下面的详细描述中，阐述了许多具体细节以便提供对所要求保护的主题的更透彻的理解。然而，对于本领域的普通技术人员明显的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践所描述的实施方案。在其他情况下，没有详细描述公知特征，以避免不必要地使本发明复杂化。
一方面，本文公开的实施方案涉及一种用于催化蒸馏的结构填料。如本文所使用的，术语“联接”或“联接至”或“连接”或“连接至”可以指示建立直接或间接连接，并且不限于任何一种，除非明确地如此提及。在可能的情况下，在附图中将同样或相同的附图标记用于标识共同或相同的元件。附图不一定按比例绘制，并且为了清楚起见，附图中的某些特征和某些视图可以按比例放大显示。
根据本文的实施方案，催化蒸馏结构是包括布置在格栅中的多个水平的流体可渗透的管的设备，催化蒸馏结构可以包括在竖直相邻的管之间的液体转移连接件(例如，丝)，且在多个格栅内的以一定布局布置的管可以容纳在构架或构架壳体(即，刚性框架)内。构架内水平的流体可渗透的管的布置和形状显著降低了复杂性和设计，同时改善了催化剂装载量、分离性能和催化蒸馏结构的水力性能中的一项或多项。水平的流体可渗透的管安装在整个格栅上，以引导并创建用于催化蒸馏结构中流体的流动通道。如本文所用，流体可以指液体、气体和/或其混合物。另外，可以使用板来连接在构架内竖直对齐的水平的流体可渗透的管。此外，经由板连接的竖直对齐的管可以包括第一组，该第一组可以与经由板连接的竖直对齐的管的第二组相邻地偏移。
常规的催化蒸馏结构典型地具有催化剂装载量较小的管，以增强常规的催化蒸馏结构的水力性能。常规的催化蒸馏结构可以包括广泛布局和布置的提供用于催化剂装载的小区域的流体可渗透的管，具有大量焊缝且需要大量流体可渗透的管。在一些情况下，流体可渗透的管创建湍流路径用于在常规催化蒸馏结构内流体行进，并且可以包括复杂的弯头或定向变化。由于更多的部件、组件和焊缝，这种常规的催化蒸馏结构不但重量较重，而且制造起来还更加昂贵。因此，对于本领域的普通技术人员明显的是，本公开内容中的一个或多个实施方案可以用于克服这样的挑战并提供优于常规催化蒸馏结构的额外优点。
与美国专利No.5,730,843的菱形结构相反，根据本文的实施方案的催化蒸馏结构包括可以便于优良的液体和/或蒸气流动特性的形状和结构。本文公开的催化蒸馏结构包括接触结构，接触结构包括竖直板。每个竖直板包括多个水平的流体可渗透的管。各个流体可渗透的管之间的竖直连接可以便于液体在竖直相邻的水平管之间的转移，从而提供液体流以保持催化剂或在润湿时沉积在每个水平管内。
竖直板可以彼此相邻地间隔开，其中管竖直地偏移以提供格栅，该格栅具有对板的有效填充和曲折的蒸气路径(相邻板之间的敞开空间)。各个竖直相邻的流体可渗透的管之间的竖直连接可以是坚固连接，或者可以是将管互连的多条丝或纤维。单个板的管之间的竖直连接应由便于竖直相邻的管之间流体连通而不允许液体从管底部自由下落的材料形成，因为液滴的自由下落可能会导致夹带并降低结构的性能属性。
管的构造可以使得液体流被引导到容纳在管内的催化剂颗粒。在一些实施方案中，由于向下穿过板的液体输送(traffic)，因此容易发生催化剂的润湿。在其他实施方案中，可以通过管的外部形状来增强或改变催化剂的润湿。在其他实施方案中，已经发现液体输送和蒸气输送可以通过高度填充的格栅来定线，其中与上述现有技术的菱形管相比，管的形状允许用于增强水力性能、增加催化剂装载量以及改善结构的整体性能。
在一个或多个实施方案中，本发明的结构填料可以包括沿着每个竖直板安装的六角形管，这些板并排组装以形成新的结构填料。与常规的催化蒸馏结构相比，六角形管可以在水平的流体可渗透的管中容置更多的催化剂，以在不损害水力性能的情况下提高催化剂的装载量，部分由于水平的流体可渗透的管具有六边多边形的轮廓，其中板连接竖直对齐的水平的流体可渗透的管。所得的结构在用于催化蒸馏结构的相邻水平的流体可渗透的管之间可以具有平滑的过渡。
另外，催化蒸馏结构可以包括易于弯曲成形状的组件(例如，由扁平网片制成的水平的流体可渗透的管)，因此不需要焊接或需要最小限度的焊接，可以放宽控制公差并改善制造(即降低成本并缩短制造时间)。此外，用于催化蒸馏结构的结构填料可能需要更少的水平的流体可渗透的管。总体而言，催化蒸馏结构的结构填料可以最小化产品工程、与可渗透管制造相关的风险，减少组装时间、减少硬件成本、减少重量和封装。另外，催化蒸馏结构的结构填料可以具有更平滑的流动路径、提高的催化剂装载量、更好的分离性能以及更大的水力性能，并且可以灵活地改变通过板连接的六边多边形的水平的流体可渗透的管的几何形状。此外，根据本公开内容的实施方案，可以将催化蒸馏结构直接连接至蒸馏塔反应器(例如竖直设置的容器或类似结构)，而不需要额外的管和焊缝以同时进行反应和产物与反应物的分离，从而降低了成本并改善这种催化蒸馏系统的性能。
参考图1至3，本文的实施方案包括填充结构1，该填充结构1具有关于多个水平的流体可渗透的管2如何布置用于催化蒸馏结构的空间关系。在一些实施方案中，多个水平的流体可渗透的管2可以在填充结构1中竖直对齐。另外，还可以设想，竖直对齐的管2可以通过多个板或丝3连接，以便于在竖直相邻的板之间的流体连通。另外，该结构包括所述竖直对齐的管2的多个相邻的行。此外，多个水平的流体可渗透的管2的空间关系创建曲折的流动路径4。催化蒸馏结构的流动路径、催化剂装载量、分离性能和水力性能可以由催化蒸馏结构中管的空间关系决定。
转向图1，图1示出了填充结构1的示意性前视图，其中多个水平的流体可渗透的管2具有空间关系。本领域的技术人员将理解，尽管示出了十二个水平的流体可渗透的管2，但这仅出于示例目的，并且可以使用任何数量的水平的流体可渗透的管2。相邻的竖直对齐的水平的流体可渗透的管通过多个板或丝3连接以彼此相隔距离h。进一步设想，多个水平的流体可渗透的管2被成形为具有六边多边形的轮廓。例如，六边多边形可以是六角形a，六角形a在六角形的四个拐角中具有第一角度(β)，并且在六角形的两个拐角中具有第二角度(α)。第二角度(α)可以在六角形的最底部拐角和最顶部拐角，使得多个板或丝3在多个水平的流体可渗透的管2的第二角度(α)的拐角处连接。进一步设想第一角度(β)可以大于第二角度(α)。例如，第一角度(β)可以具有130°度的值，而第二角度(α)可以具有100°度的值，使得内角(β，α)的总和等于720°度。尽管给出了特定值，但是角度(β，α)的值仅出于示例目的，并且角度(β，α)的值可以是任何值，而不脱离本公开内容的范围。另外，六角形可以具有不同长度的边。在一些实施方案中，六角形可以包括第一长度(a)的四个边和第二长度(t)的两个边。此外，第一长度(a)可以比第二长度(t)长。第二角度(α)可以在第一长度的两个边所创建的拐角中。第一角度(β)可以在由处于第一长度的边中的一个和第二长度的边中的一个所创建的拐角中。另外，处于第二长度(t)的两边也可以平行于多个板或丝3。进一步设想，多个水平的流体可渗透的管2的轮廓可以沿着X轴和Y轴对称。
仍然参考图1，水平的流体可渗透的管2可以被对齐成竖直相邻的行(A至E)。例如，竖直相邻的行(A至E)可以分为第一组(行A、C和E)和第二组(行B和D)。第一组(行A、C和E)具有多个水平的流体可渗透的管2a、2c、2e，以在相应的行内竖直对齐，并且行A、C和E可以对齐，使得在第一组(行A、C和E)中，水平的流体可渗透的管2a、2c、2e从一行到另一行水平对齐。另外，第二组(行B和D)具有多个水平的流体可渗透的管2b、2d，以在相应的行内竖直对齐，并且行B和D可以对齐，使得水平的流体可渗透的管2b、2d在第一组(行B和D)中从一行到另一行水平对齐。尽管图1示出了五个行，每个行中有两个或三个水平的流体可渗透的管，但本领域技术人员将理解，填充结构1如何不限于具有两个或三个水平的流体可渗透的管的五个行，并且可以是行内具有任意数量的水平的流体可渗透的管的任意数量的行。
如图1进一步所示，填充结构1在空间上布置成使得相邻行(A、C、E和B、D)的水平的流体可渗透的管2a至2e偏移以允许各个列中的一部分管交叠(overlap，或称为重叠)但不接触。交叠为流体提供了曲折的流动路径4，从而提供了更多的机会使流体与结构的管接触。如上所述，在每行(A至E)内相邻的竖直对齐的水平的流体可渗透的管通过多个板或丝3连接以彼此相隔距离h。另外，相邻的竖直对齐的水平的流体可渗透的管(2a至2e)的一行(A至E)中的多个板或丝3与相邻的竖直对齐的水平的流体可渗透的管(2a至2e)的相邻行(A至E)中的多个板或丝3隔开距离d。对于行(A至E)之间的所有多个板或丝3，距离d可以是恒定的，使得相邻的竖直对齐的水平的流体可渗透的管(2a至2e)的所有行(A至E)之间的曲折流动路径4是相同的。本领域的技术人员将理解水平的流体可渗透的管2的几何形状或尺寸以及多个板或丝3的高度h如何操控流动路径4的宽度。
在一些实施方案中，多个水平的流体可渗透的管(2a至2e)中的任何数量可以容纳催化剂30，而其他管(2a至2e)可以为空的。在一些情况下，多个水平的流体可渗透的管(2a至2e)可以全部具有催化剂30或者为空的。另外，尽管多个水平的流体可渗透的管(2a至2e)中的一些容纳催化剂30或者为空的，但多个水平的流体可渗透的管(2a至2e)中的任何数量也可以包括惰性组分(未示出)或其任何组合。惰性组分在本领域中是指很少或没有参与减少化学反应的活化能的颗粒。
在一个或多个实施方案中，填充结构1中最紧收缩处的用于蒸气和液体流动的敞开区域的分数由水平的流体可渗透的管(2a至2e)和曲折流动路径4的尺寸给出。例如，对于给定的板间距离d，在最高催化剂密度下，曲折流动路径4的宽度w可以基本恒定。进一步设想，如果需要较低的催化剂密度，则增加竖直对齐的水平的流体可渗透的管(2a至2e)的间隔(即，增加多个板或丝3的高度h)。因此，曲折流动路径4的宽度w被改变，使得多个水平的流体可渗透的管(2a至2e)彼此进一步分开，同时仍与多个板或丝3相隔距离d。可选地，可通过惰性填料或空管降低催化剂密度。因此，通过结合结构构造和填充结构1中的管装载，提供了高度适应性的装置以使种类繁多的流体接触。
本领域技术人员将理解，如图1所示，填充结构1如何最小化在发生气-液交换之前维持良好的液体-催化剂接触并在液体和催化剂之间提供非常短的接触时间所需要的催化蒸馏结构上的水力负载。在发生气-液交换之前，维持良好的液体-催化剂接触并在液体与催化剂之间提供非常短的接触时间，可以在低于溢流点的水力负载范围内和较宽的操作条件下(例如回流比)为催化剂提供更有效的利用。另外，填充结构1还可以具有与理论板(HETP)等效的低高度，以便为平衡受限系统提供更大的驱动力。
在催化蒸馏使用中，将同时存在液相和气相。在一些实施方案中，液体将接触多个水平的流体可渗透的管2并形成薄膜。另外，液体将通过吸附到多个水平的流体可渗透的管2中的催化剂30或其他填充剂上而被一定程度上吸收到多个水平的流体可渗透的管2中。尽管填充结构1用作蒸馏结构，但是在多个水平的流体可渗透的管2中颗粒材料的存在以及液体对其的毛细管吸引将提供与常规方法不同的环境。在常规方法中，液体以及气体沿着穿过通道的阻力最小的路径。然而，由于塔中的液体部分通过管处理，因此对于低阻力敞开通道的竞争较少，因此产生的背压要比常规方法中预期的低。
参考图2A至2H，相对于图1，图2A至2H示出了填充结构1内的可选空间关系以及管的可选几何形状。具体地，图2A至2H示出了多个水平的流体可渗透的管2的可选几何形状的轮廓和空间关系，以为填充结构1内的流体创建曲折流动路径4。图2A示出了多个水平的流体可渗透的管2成形为具有五边多边形(即五角形)的轮廓。例如，管2可以具有垂直于板或丝3的顶部表面17、平行于板或丝3的两个侧表面18以及两个成角度的表面19，使得两个成角度的表面19创建点20。另外，板或丝3可以将竖直对齐的管2从一个管的顶部表面17连接到竖直相邻的管的点20。
图2B示出了多个水平的流体可渗透的管2成形为具有圆柱体的轮廓。例如，管2可以具有平行于板或丝3的两个侧表面21以及连接在两个侧表面21之间的两个弯曲表面22。另外，板或丝3可以将竖直对齐的管2从一个管的弯曲表面22连接到竖直相邻的管的弯曲表面22。
图2C示出了多个水平的流体可渗透的管2成形为具有弧形多边形的轮廓。例如，弧形多边形可以是圆形、卵形或椭圆形。另外，板或丝3可以将竖直对齐的管2从一个管的切点连接到竖直相邻的管的切点。
图2D示出了多个水平的流体可渗透的管2成形为具有四边多边形(即正方形或菱形)的轮廓。图2D的空间关系的非限制性实例在美国专利No.5,730,843中描述，其全部教导通过引用并入本文。另外，板或丝3可以将竖直对齐的管2从一个管的顶部拐角23连接到竖直相邻的管的底部24拐角。
图2E示出了多个水平的流体可渗透的管2成形为具有饼形的轮廓。例如，管2可以具有一个圆形表面25和两个线形表面26。两个线形表面26各自具有连接到一个圆形表面25的第一端27和连接在一起以在第一端27下方创建点28的第二端。另外，板或丝3可以将竖直对齐的管2从一个管的圆形表面25连接到竖直相邻的管的点28。
图2F示出了多个水平的流体可渗透的管2成形为具有心形的轮廓。例如，管2可以具有对称或对称且在顶部点31和底部点32处连接以创建心形的两个圆形表面29。进一步设想，两个圆形表面29实际上可以是线形的，以创建更方形的心形。另外，板或丝3可以将竖直对齐的管2从一个管的顶部点31连接到竖直相邻的管的底部点32。
图2G示出了多个水平的流体可渗透的管2成形为具有箭头或矛的轮廓。例如，管2可以是朝下的箭头(如图2G所示)或朝上的箭头(未示出)。另外，板或丝3可将竖直对齐的管2从一个管的尖端连接到竖直相邻的管的内部拐角34。
图2H示出了多个水平的流体可渗透的管2成形为具有类似泪珠形状的轮廓。例如，泪珠是四周弧形的，其中单个切点为拐角节点35。另外，板或丝3可以将竖直对齐的管2从一个管的拐角节点35连接到竖直相邻的管的切点。进一步设想，参考图1至2H，多个水平的流体可渗透的管2的轮廓不限于在相应填充结构1内的所有管2的一个轮廓。本领域的技术人员将理解，图1至2H中描述的轮廓可如何彼此结合使用以具有包括多个具有不同轮廓的管的填充结构，而不脱离本公开内容的范围。
在一些实施方案中，参考图1至2H，可移除一个或多个管2以留下敞开空间(未示出)。所述敞开空间可以允许横向通道的连接并且至少为气体提供曲折通道，例如间隙通道。朝上的插入符号表示气体的流动(例如，向上流动的气体)。另外，如朝下的插入符号所示，液体可流过并穿过管2和其中的材料(例如，向下流动的液体)。插入符号的数量仅出于示例目的而示出，并且液体和气体的流动路径可以流到插入符号外部，而不脱离本公开内容。此外，液体可流过并穿过板或丝3。由于管2可以容纳颗粒形式的催化剂材料30，因此进一步设想到，每个容纳颗粒催化剂材料的管2的端部可以被密封，例如通过卷接(crimping，或称为卷边)、插入的端盖或焊接。另外，一些管2可以没有任何颗粒材料和/或容纳惰性颗粒材料。例如，空隙填料的密度可能较小，并具有大量的敞开空间和表面，从而提供优异的蒸馏特性。惰性元件是填充有惰性微粒材料的填料，该惰性微粒材料的尺寸可以与催化剂颗粒材料相同、比其更小或更大。在一些情况下，惰性元件允许与催化元件相同的所有水力特性，但也可以减少催化反应，在催化蒸馏中，催化反应也称为反应性蒸馏，通常是可逆反应。反应性蒸馏的非限制性实例在美国专利No.5,019,669中描述，其全部教导通过引用并入本文。因此，通过稀释反应性元素但保持蒸馏元素，可以获得催化蒸馏的更高程度的分离状况。换句话说，通过将惰性元素分散在给定的填充结构中的催化元素之间，可以强调分级分离；而在包括一个具有多个催化填充结构的塔的整个系统(见图5)中，可以维持反应力。
参考图3，在轴侧图中示出了填充结构1(如图1所示)的多个水平的流体可渗透的管2，未示出刚性框架(见图4)，其中填充结构1可以是已安装的。尽管图3示出了具有图1中描述的轮廓的多个水平的流体可渗透的管2，但是该轮廓可以是图1至2H中描述的任何轮廓(仅出于简化目的图2A至2H未在轴侧图中示出)。多个水平的流体可渗透的管2中的每一个可在所述管2的第一端6处具有开口5。进一步设想，所述管2可在与第一端6相对的第二端(未示出)处具有第二开口(未示出)。另外，所述管2在水平面P中水平地延伸一定长度。进一步如图3所示，多个板或丝3也可以在水平面P中水平地延伸以与多个水平的流体可渗透的管2一致。此外，多个水平的流体可渗透的管2被示出为处于相邻的行中(如图1所示)，以竖直对齐并通过相邻行中的多个板或丝3连接。在一些实施方案中，相邻的行可以以距离d并排对齐(如图1所示)。尽管图3示出了二十个相邻的行，但是本公开内容不限于二十个竖直对齐的行，并且可以具有一个或多个竖直对齐的行。进一步设想，水平的流体可渗透的管2可以由选自丝网材料、任何可渗透材料或其组合的一组材料制成。此外，丝网材料可以选自金属、碳纤维、塑料、玻璃或复合材料。进一步可以设想，水平的流体可渗透的管2可以仅具有由丝网制成的一部分和由不可渗透材料制成的另一部分。另外，多个板或丝3也可以由丝网材料、任何可渗透材料或不可渗透材料制成。
图1至3中的水平的可渗透管2示出为具有管的横截面形状的具体定向。例如，示出了图2H中的泪珠形状，其中，该泪珠的成角度的端部朝上，并且该泪珠的弧形部分朝下定向。本文的实施方案还构想倒置所公开的管形状。例如，管可以具有泪珠形状，其中，泪珠的成角度的端部朝下，并且泪珠的弧形部分朝上定向。
此外，尽管图1至3的填充结构被示出为具有竖直定向，但是在本文中可以构想，填充结构可以相对于竖直方向成一定角度设置。换句话说，结构的定向可以导致向上但相对于竖直方向成角度的蒸气通道4，并且板或丝3可以在管2之间提供向下但相对于竖直方向成角度的液体通道。另外，蒸馏塔内填充结构的连续竖直部分可以以相反的角度定向，从而形成用于塔内蒸汽和液体输送的Z字形图案。
在一个或多个实施方案中，图4示出了刚性框架7，填充结构(如图1至3中所描述的1)可以被安装或附着在刚性框架7中。刚性框架7可以包括至少两个格栅8A、8B，它们由一个或多个支撑杆9间隔开。另外，例如通过焊接、卷接、机械紧固件或者联接以固定或可移除地附接将支撑杆9各自紧固到两个格栅8A、8B上。支撑杆9在水平面P(与图3相同)中水平地延伸一定长度。进一步设想，将格栅8A、8B紧固在一起还可以包括使用螺杆和螺母或螺栓(未示出)。此外，格栅8A、8B可以具有多个开口10。在一些实施例方案中，支撑杆9可以附着在多个开口10中。图4的所得结构是刚性且高性能的构架，支撑本发明的至少一种其他结构，以及100至200磅的负荷。刚性框架7可以由选自金属、碳纤维、塑料、复合材料或任何承载负荷的材料的材料制成。
如所描述的，填充结构(1)可以被安装或附着到刚性框架7上。多个水平的流体可渗透的管(2)可以被安装到格栅8A、8B上。例如，所述管(2)的第一端(6)可以被焊接、卷接或联接以固定或可移除地附接到第一格栅8A上，此外，所述管(2)的第二端可以被焊接、卷接或联接以固定或可移除地附接到第二格栅8B上。另外，支撑杆9和管(2)可具有相似的长度，以等距离地隔开格栅8A、8B。此外，多个板(3)也可以被焊接、卷接或联接以固定或可移除地附接到格栅8A、8B上。还可以设想，管(2)可以定位在刚性框架7中，使得管(2)的开口与格栅8A、8B的开口10对齐。在一些实施方案中，开口10具有与管(2)的几何形状大致相同的尺寸和构造，使得当格栅8A、8B通过支撑杆9紧固在一起时，管(2)被牢固地保持并束缚在开口10中。
参考图5，在一个或多个实施方案中，图5示出了位于蒸馏塔反应器12中的一个或多个催化蒸馏结构11。催化蒸馏结构11可以包括如图1至4所示的具有多个水平的流体可渗透的管(2)的填充结构(1)和刚性框架(7)。另外，可以通过本领域已知的焊接、卷接、粘合剂或机械紧固件将催化蒸馏结构11固定或可移除地附接到蒸馏塔反应器12上。另外，可以用任何有效方式将催化蒸馏结构11支撑在蒸馏塔反应器12中。例如，催化蒸馏结构11可以由诸如Rashig环等的惰性蒸馏填料(未示出)支撑和分离。进一步如图5所示，蒸馏塔反应器12可以具有经由流动管线(由箭头表示)附接至蒸馏塔反应器12的一个或多个再沸器13、冷凝器14和进料罐15。在一些实施方案中，再沸器13可具有经由流动管线附接在其中的一个或多个分离器16。
尽管图5仅示出了蒸馏塔反应器12中的一个催化蒸馏结构11，但是本领域的技术人员将理解，本公开内容不限于仅一个催化蒸馏结构11，而是可以具有额外的催化蒸馏结构，而不脱离本公开内容的范围。另外，多个催化蒸馏结构11可以具有相同或不同的填充结构(在图1至2H中描述的构造)。还将理解，可以将多于一个的催化蒸馏结构11在不同高度处放置在蒸馏塔反应器12中。在一些实施方案中，多个催化蒸馏结构11可以在蒸馏塔反应器12中竖直和横向排列。此外，从进料罐15到蒸馏塔反应器12的流动管线示出为在蒸馏塔反应器12中的催化蒸馏结构11的上方；然而，本公开内容不限于这种布置，因为流动管线可以在催化蒸馏结构11的上方、下方、处或之间。本领域技术人员将理解如何将蒸馏塔反应器12附接至其他蒸馏塔反应器。进一步设想，考虑到催化蒸馏的动态性质和上述改善的蒸馏特性，存在于蒸馏塔反应器12中的一定体积催化剂的稀释可能是不显著的。在一些情况下，装载到丝网中的催化剂的体积将取决于其对溶胀的反应。
如以上关于图1和图3所述，图3示出了包括六角形管的结构的3D示意图，并且图1示出了该结构的示意性横截面。六角形管由可渗透流体(液体和/或气体)的材料，优选丝网制成。六角形管的全部或至少一部分可容置催化剂材料，从而促进结构填料上的催化反应。另一方面，包括六角形管表面以及容置的催化剂表面在内的竖直板的所有表面可以促进传质以及用于蒸馏工艺的气相与液相之间的相互作用。如图所示，竖直板组装成并排堆叠在一起，以使相邻板的六角形管偏移而不会接触，从而形成用于流体的通道(图1中示出的4)。通常使用每个六角形管来容置催化剂，但不一定所有管都需要容纳催化剂。每个六角形管的尺寸通常相同，并且形状沿竖直和水平两个轴线对称。并且，可以调节边的长度(例如a和t)以及诸如α和β的角度以操控六角形管的尺寸，以控制结构填料中的催化剂装载量。可以调节沿每个板每一定高度的六角形管的数量、沿每个板的相邻管之间的连接线的长度(h)和相邻板之间的距离(d)以及六角形管的尺寸来操控流动通道(4)的宽度，这可能会影响或控制结构填料的流体动力学性能或水力性能。与美国专利5,730,843中报道的结构填料相比，本文的实施方案具有以下一项或多项优点：
·每个六角形管比菱形管可容置更多的催化剂，这可以在特定体积的结构填料中提高催化剂的装载量，而不会损害水力性能或流体动力学性能。
·六角形管在相邻边之间的过渡比菱形管更平滑。这意味着六角形管相对容易从扁平网片弯曲，从而便于该结构填料的制造工艺。这也导致流体在催化蒸馏工艺中沿流动通道行进的过渡更加平滑，从而提高了结构填料的水力性能。
·相对于US 5,730,843的菱形管，本文的六角形管可提供每单位体积增加的质量装载量。在一些实施方案中，每单位体积的质量装载量的增加将在10％至50％的范围内。此外，可以增加装载量(每单位体积的质量)而没有明显的流体动力学影响。
·结构填料可能更具成本效益，可能需要更少的板和更少的焊缝，同时仍能达到相同的性能。
·新的结构填料设计具有灵活性，可以通过改变六角形管的尺寸以及六角形管沿每个板的布置来实现在催化剂装载量、分离性能和水力性能方面所需的催化蒸馏性能。
·在目前的六角形设计中，可以调整边a和t的长度以及角度β和α，以操控六角形管的尺寸。
总而言之，本文的实施方案针对特别用于反应性蒸馏或催化蒸馏工艺的新型结构填料。然而，在催化剂材料的存在下，新型结构通常可用于液体/液体、气体/液体或气体/气体并流或逆流流动。
尽管已经针对有限数量的实施方案描述了本公开内容，但是受益于本公开内容的本领域技术人员将理解，可以设计出不脱离本文所述的本公开内容的范围的其他实施方案。因此，本公开内容的范围应仅由所附权利要求书限制。因此，本公开内容的范围应仅由所附权利要求书限制。

Claims (22)

1.一种催化蒸馏结构，包括：
具有至少两个格栅的刚性框架；
多个水平的流体可渗透的管，所述多个水平的流体可渗透的管安装至所述格栅，以在所述多个水平的流体可渗透的管之间形成多个流体通道，其中每个水平的流体可渗透的管具有六边多边形的轮廓；和
多个竖直板或丝，所述多个竖直板或丝连接所述多个水平的流体可渗透的管的竖直对齐的管，其中所述多个竖直板或丝从一个竖直对齐的管的拐角连接到相邻的竖直对齐的管的拐角。
2.根据权利要求1所述的催化蒸馏结构，进一步包括第一组竖直对齐的管和第二组竖直对齐的管，其中所述第一组包括在所述第一组内排列成平行、相邻和竖直对齐的列的多个所述水平的流体可渗透的管，并且所述第二组包括在所述第二组内排列成平行、相邻和竖直对齐的列的多个所述水平的流体可渗透的管。
3.根据权利要求2所述的催化蒸馏结构，其中所述第一组竖直对齐的管与所述第二组竖直对齐的管偏移，从而所述第一组的所述水平的流体可渗透的管与所述第二组的水平的流体可渗透的管交叠，而没有接触所述第二组的水平的流体可渗透的管或板，从而形成曲折的流体通道。
4.根据权利要求3所述的催化蒸馏结构，其中所述多个竖直板或丝的高度均匀地隔开所述第一组和所述第二组中的所述水平的流体可渗透的管。
5.根据权利要求4所述的催化蒸馏结构，其中所述第一组和所述第二组相隔一定距离并排堆叠。
6.根据权利要求3所述的催化蒸馏结构，进一步包括六边多边形的几何形状，其在所述六边多边形的四个拐角中形成第一角度，在所述六边多边形的两个拐角中形成第二角度，其中所述第一角度大于所述第二角度。
7.根据权利要求6所述的催化蒸馏结构，其中所述第二角度在由所述多个竖直板或丝连接的竖直对齐的管的拐角中。
8.根据权利要求7所述的催化蒸馏结构，其中所述六边多边形包括第一长度的两个边和第二长度的四个边。
9.根据权利要求8所述的催化蒸馏结构，其中所述第一角度在所述第一长度的一个边和所述第二长度的一个边的连接处的拐角处，并且所述第二角度在所述第二长度的两个边的连接处的拐角处。
10.根据权利要求9所述的催化蒸馏结构，其中所述第二长度大于所述第一长度。
11.根据权利要求9所述的催化蒸馏结构，其中所述第二长度小于所述第一长度。
12.根据权利要求1所述的催化蒸馏结构，其中所述多个水平的流体可渗透的管和所述多个竖直板或丝由诸如丝网的相同的材料制成。
13.根据权利要求1所述的催化蒸馏结构，进一步包括至少一个支撑杆，用于将所述至少两个格栅刚性地保持在与每个所述格栅相隔一定距离处。
14.根据权利要求1所述的催化蒸馏结构，其中所述多个水平的流体可渗透的管中的每一个在所述管的第一端和第二端处具有开口。
15.根据权利要求1所述的催化蒸馏结构，其中所述格栅包括多个开口。
16.根据权利要求15所述的催化蒸馏结构，其中所述格栅的所述多个开口的轮廓等于所述多个水平的流体可渗透的管的轮廓。
17.根据权利要求16所述的催化蒸馏结构，其中所述多个水平的流体可渗透的管被定位在所述格栅的所述多个开口中。
18.根据权利要求1所述的催化蒸馏结构，其中所述六边多边形是六角形，并且所述多个竖直板或丝将所述竖直对齐的管从一个竖直对齐的管的六角形的顶部拐角连接到相邻的竖直对齐的管的六角形的底部拐角。
19.一种用于同时进行反应并从反应物中分离出产物的蒸馏塔反应器，包括：
竖直设置的容器；
设置在所述竖直设置的容器中的一个或多个催化蒸馏结构，其包括：
具有至少两个格栅的刚性框架；
多个水平的流体可渗透的管，所述多个水平的流体可渗透的管安装至所述格栅，以在所述多个水平的流体可渗透的管之间形成多个流体通道，其中每个水平的流体可渗透的管具有六边多边形的轮廓；和
多个竖直板或丝，所述多个竖直板或丝连接所述多个水平的流体可渗透的管的竖直对齐的管，其中所述多个竖直板或丝从一个竖直对齐的管的拐角连接到相邻的竖直对齐的管的拐角。
20.根据权利要求19所述的蒸馏塔反应器，进一步包括经由流动管线连接到所述竖直设置的容器的一个或多个再沸器、冷凝器、进料罐或分离器。
21.根据权利要求20所述的蒸馏塔反应器，其中来自所述进料罐的流动管线在所述一个或多个催化蒸馏结构处、上方或下方连接到所述竖直设置的容器。
22.根据权利要求19所述的蒸馏塔反应器，其中所述刚性框架通过焊接、卷接、粘合剂或机械紧固件可移除地附接到所述竖直设置的容器上。
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