CN115532177A - 一种板式精馏塔装填固体催化剂的微沸腾床反应精馏装备 - Google Patents

一种板式精馏塔装填固体催化剂的微沸腾床反应精馏装备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种板式精馏塔装填固体催化剂的微沸腾床反应精馏装备，其主要包括精馏塔塔盘、设置在塔盘上的多个汽液接触元件、降液管、下沉式受液盘以及用于装填催化剂的微沸腾床反应器组件。其特征在于该组件可为倒平顶锥形金属筒体，筒体侧壁设置若干个交替外翻的楔形或长矩形孔，筒体顶部为开孔的小矩形，其宽度均小于催化剂颗粒粒径；筒体高度与溢流堰相等，筒体体积可根据催化剂总量及塔盘上反应器组件的排布来确定；该组件可将固体催化剂装填在筒体内部，催化剂分布均匀催化速率高，同时该组件可灵活调节且造价低廉，成本可显著降低。

Description

一种板式精馏塔装填固体催化剂的微沸腾床反应精馏装备
技术领域
本发明涉及一种催化精馏工艺的新型设备，具体地说，一种用于板式精馏塔装填固体催化剂的微沸腾床反应精馏装备。
背景技术
催化精馏是将催化反应和精馏分离集于同一设备中进行的化工操作过程，与传统工艺相比，具有边反应边分离，能够有效打破化学平衡的限制，促进反应向目的产物进行，从而提高转化率，节约能耗等显著优点。而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。目前，受强度的限制，催化剂尚难以制成任意形状和尺寸。工业上普遍使用的催化剂为粒度较小的球形催化剂颗粒(离子交换树脂的粒度在0.3～3.0mm，分子筛的粒度在5mm以下)，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US4443599提出将催化剂放入尼龙或聚酯等的编织物小袋中，再用丝网弹性体卷成捆扎包，形成一个圆柱体，然后将其放置在精馏塔内做填料，该结构装卸方便，而且强度很高，但其缺点是：(1)由于该催化剂是圆柱体，里面催化剂较厚，催化精馏过程中催化剂包内的传质阻力较大，降低了催化剂的催化效率；(2)催化剂包是圆柱形，相邻催化剂包之间存在较大的空隙，容易造成汽液分布不均，汽液接触、传质效果较差。
美国专利US4471154将催化剂颗粒直接堆放在塔板上，床层空隙率很小，压降大，易造成催化剂的机械损伤；US4242530则是将催化剂装入玻璃纤维制成的小袋中，用不锈钢波纹丝网覆盖,再卷成圆柱体，形成捆扎包，但由于催化剂被一层玻璃布包着，且紧密缠绕成圆柱状，因此催化精馏过程中催化剂包内的传质效率很低，反应产物不易从催化剂包中扩散出来，催化效率不高。美国Koch公司推出的一种称为Katamax的新型催化剂填充方式，是将催化剂装入两片波纹丝网构成的夹层中，然后捆成砖状再装入塔中，其传质过程和常规的规整填料一样，但主要应用于填料塔中，且加工成本较高，催化剂更换较难，特别是当其中的某一部分损坏时就要更换整块填料，操作不够灵活。此外，也有将催化剂装填在降液管底部的报道，由于降液管底部空间有限,装填量很小，催化剂在塔板液流方向上的分布也极不均匀，且影响液流，故实用性很差。
美国专利US5275790提出了将多孔惰性小球与催化剂均匀混合后装入不同结构的网状或者多孔壁金属箱子中，由金属箱构成催化蒸馏塔内件，试图在催化蒸馏塔内件中形成一定的自由空间，作为汽液两相流动的通道，但这类塔填料难以避免沟流和短路现象。中国专利101306256提出了一种高效传质的催化剂蒸馏塔内件，塔内件是一个多孔容器，它的内部装有催化剂性能的填充物，塔内件的上底高度低于侧壁，使催化剂上方积累一定高度的液体，该构件的优点在于反应物与催化剂表面充分接触，同时也能有效控制反应物在催化剂表面上的停留时间，催化剂颗粒的利用率较高，但也存在催化剂床层阻力大、催化精馏塔处理量小的缺点。
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。
总之，现有的催化剂装填技术，大都无法同时满足以下三个条件： (1)足够的用于汽液两相流动的通道；(2)良好的传质性能，反应物可以传递到催化剂内部的活性中心进行反应，同时产物可以从中传递出来；(3)便于制作加工，便于催化剂的装填和更换。正因为如此，现有的催化剂装填技术尚难以应用于大规模的工业生产。到目前为止，也没有比较完善的催化剂装填技术出现，特别是在板式塔上规整地分布和装填固体催化剂的技术更是难以见诸报道。本发明的目的即在于开发一种用于板式精馏塔内装填固体催化剂的微沸腾床反应精馏工艺及装备。
发明内容
针对上述问题的不足，本发明的目的是提供一种用于板式精馏塔装填固体催化剂的微沸腾床反应精馏装备
为了解决现有的催化剂填装方式中的诸多不足，本发明推出了一款用于板式精馏塔装填固体催化剂的微沸腾床反应精馏装备，在反应精馏过程中，下层塔盘的汽相通过汽液接触元件后，被破碎后与该层塔盘上的液相进行汽液传质；上层塔盘的液体经降液管和下沉式受液盘后，横向流过该层塔盘；斜向上的汽相流体和横向的液相流体由反应器组件的侧面矩形孔进入，使得催化剂颗粒呈微沸腾状态，有效增大了汽液传质空间和效率，有利于反应的及时分离，有效促进可逆催化反应的进行；此外，微沸腾床催化剂能够大幅降低流体阻力，消除外扩散对催化反应的影响，提高催化精馏过程中催化剂的利用率，加快催化速率。微沸腾床反应器组件的筒体形式和催化剂装填体积可以灵活调节，造价低廉，能够直接利用现有精馏塔盘进行布置和安装，有效降低设备改造成本，经济效益高。
这种新型结构催化填料结构简单合理，具有如下优点：
微沸腾床反应器组件的筒体形式和催化剂装填体积可以灵活调节，与传统催化剂包相比，制作方便，可直接利用现有塔板，容易实现批量生产，能够有效降低设备改造成本，经济效益高；
催化剂在金属筒内成微沸腾状态，有效增大了汽液传质空间和效率，有利于反应的及时分离，有效促进可逆催化反应的进行；
微沸腾床催化剂能够大幅降低流体阻力，消除外扩散对催化反应的影响，提高了催化剂的利用率，加快催化速率；
催化精馏塔内催化填料单元的合理放置，可使汽液分布均匀，具有良好的传质性能。
附图说明
图1为本发明的催化精馏塔盘断面结构图；1-溢流堰，2-喷射帽罩， 3-支持板，4-精馏塔塔盘，5-降液管，6-下沉式受液盘，7-升气管，8-金属筒体， 9-喷射浮阀；
图1
Figure BDA0003911057150000041
中表示汽相流动方向，
Figure BDA0003911057150000042
表示液相流动方向；
图2为本发明塔盘元件布置俯视图示意图；1-溢流堰，2-喷射帽罩， 8-金属筒体；
图3为微沸腾床反应器组件的俯视图；
图4为微沸腾床反应器组件侧壁的示意图；
图5为圆台形状的微沸腾床反应器组件；
图6为醋酸和甲醇反应精馏示意图，其中，9-精馏段，10-反应段， 11-提馏段。
具体实施方式
下面结合附图1-6，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
将本发明催化剂装填构件应用于醋酸和甲醇酯化反应合成醋酸甲酯的工艺的催化精馏装置中，装填构件中汽相流动通道、液相流动通道、催化剂填装结构纵向断面结构图如图1，装填构件高为200mm；塔盘元件布置俯视图示意图2示；微沸腾床反应器组件的俯视图如图3所示，催化剂装填构件均匀地固定在帽罩周围，催化剂填装装置内径50mm，一个帽罩周围平均安装6 个微沸腾床反应器组件；微沸腾床反应器组件侧壁的示意图如图4所示，筒体侧壁的长矩形孔宽0.5mm，长150mm；图5为圆台形状的微沸腾床反应器组件，其筒体形式和催化剂装填体积可以灵活调节，能够直接利用现有精馏塔盘进行布置和安装；图6为醋酸和甲醇反应精馏示意图，反应精馏段的上段为填装1200 mm的规整填料的精馏段，塔的下段为填装1300mm的规整填料的提馏段。
表1塔内件的结构参数
Figure BDA0003911057150000051

Claims (9)

1.一种板式精馏塔装填固体催化剂的微沸腾床反应精馏装备，其特征在于，其主要包括精馏塔塔盘、设置在塔盘上的多个汽液接触元件、降液管、下沉式受液盘以及用于装填催化剂的微沸腾床反应器组件，该组件可为倒平顶锥形金属筒体，筒体侧壁设置若干个交替外翻的楔形或长矩形孔，孔宽度小于催化剂颗粒粒径；筒体顶部为开孔的小矩形，矩形宽度小于催化剂颗粒粒径；筒体高度与溢流堰高度相等，筒体体积可根据催化剂总量及塔盘上反应器组件的排布来确定；固体催化剂装填在筒体内部，装填量为筒体体积的70～80％；微沸腾床反应器均匀地分布在汽液接触元件周围。
2.根据权利要求1所述的用于板式精馏塔装填固体催化剂的微沸腾床反应精馏装备，其特征在于：装填催化剂的微沸腾床反应器组件形状可为平顶锥形、圆柱形、圆弧柱状形或其它适应塔盘布置的型式。
3.根据权利要求1所述的用于板式精馏塔装填固体催化剂的微沸腾床反应精馏装备，其特征在于：所述的金属筒体侧壁为楔形或长矩形外翻式开孔，筒体顶部为开孔的小矩形，矩形宽度小于催化剂颗粒粒径。
4.根据权利要求1所述的用于板板式精馏塔装填固体催化剂的微沸腾床反应精馏装备，其特征在于：筒体顶部为开孔的小矩形，矩形宽度小于催化剂颗粒粒径。
5.根据权利要求1所述的用于板式精馏塔装填固体催化剂的微沸腾床反应精馏装备，其特征在于：所述的金属筒体的高度为20～800mm，筒体高度与溢流堰高度相等，内径50～100mm。
6.根据权利要求1所述的用于板式精馏塔装填固体催化剂的微沸腾床反应精馏装备，其特征在于：筒体体积可根据催化剂总量及塔盘上反应器组件的排布来确定。
7.根据权利要求1所述的用于板式精馏塔装填固体催化剂的微沸腾床反应精馏装备，其特征在于：固体催化剂装填在筒体内部，装填量为筒体体积的70～80％。
8.根据权利要求1所述的用于板式精馏塔装填固体催化剂的微沸腾床反应精馏装备，其特征在于：每层塔盘上的汽液接触元件周围装有金属筒体的数量为5～6。
9.根据权利要求1所述的用于板式精馏塔装填固体催化剂的微沸腾床反应精馏装备，其特征在于：微沸腾床反应器均匀地分布在汽液接触元件周围。
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