DE69417556T2 - Katalytische destillationsstruktur - Google Patents

Katalytische destillationsstruktur

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Description

    HINTERGRUND DER ERFINDUNG Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft allgemein eine Struktur, die die doppelte Funktion eines Reaktionskatalysators und einer Stoffübergangsoberfläche zur Destillation erfüllt. Insbesondere betrifft die Erfindung eine feste Destillationsstruktur, die einen festen teilchenförmigen Katalysator enthält.
    • Verwandter Stand der Technik
  • Die gleichzeitige Reaktion und Trennung von Produkten von den Reaktanten ist für einige Zeit praktiziert und die Vorteile erkannt worden. Beispiele der Anwendung einer gleichzeitigen Reaktion und Destillation sind offenbart in den US-Patenten der Nrn.: (Veretherung) 4,232,177, 4,307,254, 4,336,407, 4,504,687, 4,918,243, und 4,978,8- 07, (Dimerisierung) 4,242,530, (Hydrierung) 4,982,022, (Dissoziation) 4,447,668 und (aromatische Alkylierung) 4,950,834 und 5,019,669.
  • Zahlreiche verschiedene katalytische Destillationsstrukturen sind vorgeschlagen worden (siehe beispielsweise die US-Patente der Nrn. 4,302,356 und 4,443,559, in denen ein teilchenförmiger Katalysator in Taschen auf einem Tuchgürtel enthalten ist, der mit Draht als Tropfenabscheider verwunden ist, um eine katalytische Destillationsstruktur zu bilden, und das US-Patent Nr. 4,731,229, das eine Packung mit gewellten Elementen und Katalysatorelemente in Form eines Bandes offenbart. In jüngerer Zeit wurden diese hocheffizienten Packungen modifiziert, so daß sie Katalysatoren enthalten, wie in dem US-Patent 5,073,236 offenbart. In letzterem ist jede der Strukturen, die zwei parallele, gaspermeable Platten mit Katalysator zwischen diesen aufweisen, vertikal in einer Säule direkt neben einem weiteren Plattenpaar, welches Katalysator enthält, angeordnet. Die dichte Packung der Platten, die den Katalysator enthalten, kann bei Anordnung in der Säule in einigen Fällen ein zu dichtes Katalysatorbett darstellen und somit die Verweilzeit über das zum Erhalt einer Reaktion notwendige hinaus zu verlängern. Es ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, daß eine größere Mobilität von Fluiden innerhalb der Säulen oder Kolonnen in einigen der Ausführungsformen erhalten werden kann. Es ist ein weiterer Vorteil, daß die katalytische Destillationsstruktur eine bessere Destillationscharakteristik als viele der früheren bietet. Es ist ein Merkmal der vorliegenden Erfindung, daß weniger katalytisches Material mit den vorliegenden Strukturen verwendet werden kann.
    • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung stellt ein vielseitiger verwendbares System zur Verfügung, indem sie mindestens ein Paar benachbarter Elemente, die Katalysator enthalten, mit einem Abstandhalterelement trennt, das ein inertes Element aufweist. Beispielsweise kann es sich bei dem Abstandhalterelement um eine flache Platte (gaspermeabel oder fest), ein dem Katalysator enthaltenden Element ähnliches Element, das inerte Partikel enthält, oder ein dem Katalysater enthaltenden Element ähnliches Element, nur in leerem Zustand, handeln. Durch Variieren der Anzahl der Abstandhalterelemente kann das gewünschte Volumen an Katalysator in der Säule oder Kolonne angeordnet werden, während ein standardisiertes, Katalysator enthaltendes Element verwendet wird. Gemäß einer Ausführungsform können die katalytischen Elemente voneinander beabstandet angeordnet werden, um mehr Leervolumen zwischen einigen oder allen der Strukturen zu ermöglichen.
  • Falls beständige bzw. konstante Strömungseigenschaften sind über den Durchmesser der Säule hinweg erwünscht sind, können die Abstandhalterelemente identisch mit den das teilchenförmige Katalysatormaterial des Katalysators enthaltenden Elementen sein, wobei dieses durch eine inerte Packung ähnlicher Größe und Form ersetzt wurde. Zusätzlich kann der Katalysator oder ein anderes Packungsmaterial einfach weggelassen werden, um alternative Strömungseigenschaften zur Verfügung zu stellen.
  • Somit wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine katalytische Destillationsstruktur zur Anordnung in einem Destillationskolonnenreaktor bereitgestellt, umfassend:
  • a) eine Vielzahl von katalytischen Elementen, die entlang einer gemeinsamen Achse angeordnet sind und jeweils umfassen:
  • (i) eine erste und eine zweite Schicht aus einem gaspermeablen Material, die in Abständen so miteinander verbunden sind, daß sie eine Bahn mit einer darauf angeordneten Vielzahl von Taschen bilden, und
  • (ii) einen in den Taschen angeordneten teilchenförmigen Katalysator und
  • b) ein inertes Abstandhalterelement, das zwischen mindestens zwei benachbarten Elementen der Vielzahl der katalytischen Elementen angeordnet ist, wobei das inerte Abstandhalterelement eine gewellte Bahn umfaßt, die eine dritte und vierte Schicht aus einem gaspermeablen Drahtnetzmaterial umfaßt, die zur Bildung einer Vielzahl leerer Taschen verbunden sind.
    • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Fig. 1 ist eine Seitenansicht eines in Fig. 2 gezeigten katalytischen Elements.
  • Fig. 2 ist ein Querschnitt eines Packungselements der Erfindung.
  • Fig. 3 ist ein Packungselement gemäß der vorliegenden Erfindung, welches teilchenförmiges Material enthält.
  • Fig. 4 zeigt eine Vielzahl von Packungen, die jeweils die benachbarte Packungseinheit berühren und zu dieser benachbart sind.
  • Fig. 5 ist eine teilweise Seitenansicht einer Reaktionsdestillationskolonne mit darin angeordneten Strukturen gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Für eine genauere Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen wird der Leser auf die angeführten Abbildungen hingewiesen, in denen gleiche Komponenten mit gleichen Bezugszahlen bezeichnet sind zur Vereinfachung der Bezugnahme.
  • Fig. 2 läßt sich entnehmen, daß ein katalytisches Element zwei Schichten 18 und 20 aus einem gaspermeablen Drahtnetz enthält, die in regelmäßigen voneinander beabstandeten Intervallen miteinander verbunden sind, um Taschen 22 zu bilden, in denen ein teilchenförmiger Katalysator über mindestens einen Teil der Taschen 22 angeordnet ist. Die Verbindung kann durch Zusammenweben der zwei Schichten an den Verbindungen 13 bewirkt werden. Eine spezielle Ausführungsform umfaßt ein Verfahren vom Typ des Doppelwebens, bei dem das Netz als Doppelnetz gewoben wird, wobei die Taschen ein integraler Bestandteil der Gewebebindung sind. Weiterhin sind die Taschen diagonal über die Oberfläche des Elements eingewebt, wie in Fig. 1 gezeigt. Das Aussehen der Elemente ist das eines gewellten Fischgratmusters. Die Elemente werden von der Bindung 13 aneinander gehalten.
  • In Fig. 4 ist eine Ansicht mehrerer der Katalysator enthaltenden Elemente 12 gezeigt, die von inerten Abstandhalterelementen 24 getrennt werden. Bei dieser Ausführungsform ist jedes katalytische Element 12 mittels einer nicht-katalytischen Destillationsstruktur 24 getrennt, die entweder die Struktur mit leeren Taschen der Fig. 2 darstellen kann oder ein Teil der Taschen kann mit am teilchenförmigen Material 26 gefüllt sein, wie in Fig. 3. Die das teilchenförmige Material enthaltenden Elemente mit Taschen können katalytisches oder inertes teilchenförmiges Material enthalten. Die Elemente sind scheinbar gleich und unterscheiden sich nur hinsichtlich der Natur des teilchenförmigen Materials.
  • Die in Fig. 4 gezeigte katalytische Struktur stellt eine dichtere Packung zur Verfügung, jedoch mit einem wesentlichen Unterschied zum Stand der Technik. Einige der gezeigten Packungen sind frei von jeglichem teilchenförmigen Material oder enthalten inertes teilchenförmiges Material. Die leeren Packungen sind weniger dicht und stellen ausgezeichnete Destillationseigenschaften mit einer großen Menge an Leervolumen und Oberfläche zur Verfügung. Die inerten Elemente sind mit inertem teilchenförmigen Material gefüllte Packungen, das von derselben Größe, kleiner oder größer als das katalytische teilchenförmige Material sein kann. Die inerten Elemente gestatten insgesamt dieselben hydraulischen Eigenschaften der katalytischen Elemente, verringern jedoch die katalytischen Reaktionen, die bei der katalytischen Destillation auch als reaktive Destillation bezeichnet werden (US-Patent Nr. 5,019,669) und die häufig reversible Reaktionen darstellen. Somit kann durch Verdünnen der reaktiven Elemente, jedoch Beibehalten der Destillationselemente, ein höheres Maß des Trennungsaspekts der katalytischen Destillation erzielt werden. In anderen Worten wird durch Dispergieren der inerten Elemente zwischen die katalytischen Elemente in einer vorgegebenen Struktur die fraktionierte Trennung betont, während im Gesamtsystem mit einer Vielzahl der katalytischen Strukturen die Antriebskraft der Reaktion erhalten bleibt.
  • Die Verdünnung des in jeder vorgegebenen Säule oder Kolonne vorhandenen Katalysatorvolumens kann insignifikant sein bei der dynamischen Natur der katalytischen Destillation und den verbesserten Destillationseigenschaften, wie oben beschrieben.
  • Die katalytischen und nicht-katalytischen Elemente werden zur Bildung einer Struktur zusammengebunden, üblicherweise mit Hilfe von Plastik- oder Metallbändern, am oberen und unteren Ende jeder Gruppe von Elementen. Wo Abstände gewünscht werden, wird ein Abstandhalter in Form eines Rahmens zwischen den Elementen, die beabstandet werden sollen, angeordnet.
  • Der Ausdruck "Packung" wird verwendet, um die gewählten Bahnen zu beschreiben, die zur Bildung von Behältern für teilchenförmiges katalytisches Material und teilchenförmiges inertes Material verbunden sind. Die gewellten Bahnen können mittels Schweißen oder Verweben, Crimpen und Biegen verbunden werden. Die gewellten Bahnen sind parallel zu einer gemeinsamen Achse angeordnet und stellen offene Kanäle zwischen den Bahnen für die Verteilung die fraktionierte Destillation von Fluidströmen dar.
  • Die Wellungen sowie die Kanäle und Taschen teilchenförmigen Materials auf jeder Bahn sind in einer Neigung zur gemeinsamen Achse angeordnet, wobei sie gegenläufig zu den Wellungen einer benachbarten Bahn sind.
  • Unter Bezugnahme auf Fig. 5 wird ein Destillationskolonnenreaktor 100 gezeigt, der ein Bündel katalytischer Destillationsstrukturen 10 des in Fig. 4 gezeigten Typs enthält. Vorzugsweise sind die horizontal mit Taschen versehenen, Katalysator enthaltenden Elemente zusammen so angeordnet, daß die Taschen eines Elements sich in einem Winkel von 90º zu den Taschen des nächsten, benachbarten Taschenelements befinden, gleichgültig ob leer (kein teilchenförmiges Material), gefüllt mit teilchenförmigem Katalysator oder gefüllt mit inertem Material, so daß Fluidströme entlang den Kanälen in Winkeln zur senkrechten Achse der Kolonne strömen. Dieses Merkmal ist in Fig. 5 veranschaulicht, worin die schrägen Linien in den oberen und unteren Turmabschnitten die Rücken der Bahnen darstellen.
  • Die Struktur 10 funktioniert als strukturierte Packung für eine fraktionierte Destillation von Fluidströmen und gleichzeitig sorgt sie für die katalytische Reaktion der Fluidströme. Bei einer typischen Installation wird eine Vielzahl von Strukturen 10 in der Kolonne auf einer geeigneten Trägerstruktur aufeinander gestapelt. Jede vertikale Reihe an Strukturen ist mit ihren Bahnen 18 und 20 parallel zu anderen Bahnen in derselben Reihe und in einem Winkel von 90º relativ zu der Ebene der Bahnen in einer vertikal benachbarten Reihe angeordnet. Diese relative Orientierung der drei vertikal beabstandeten Reihen von Bahnen ist in Fig. 5 veranschaulicht. Die Struktur 10 weist besondere Anwendbarkeit bei Flüssigphasenreaktionen mit mittels Destillation trennbaren Produkten und gegenläufigem Gas-/Flüssigkeitskontakt in der flüssigen Phase bei heterogenen Katalysatorsystem auf. Im Betrieb wird die Kolonne 100 mit einem oder mehreren Fluidströmen beschickt, wobei Flüssigkeit durch die Struktur 10 absteigt und Dampfströme durch die Struktur aufsteigen. Die Flüssigströme verlaufen in den Kanälen 32 entlang der Oberfläche der Bahnen 18 und 20 sowie durch das Katalysatorbett 30 und das inerte Bett in Element 24. Am oberen Ende der Struktur 10 können Flüssigkeitsverteiler verwendet werden, um vorzugsweise die Flüssigkeitsströme je nach Wunsch entweder in die Kanäle 32 oder das Katalysatorbett 30 zu leiten.
  • Das Katalysatorbett 30 bildet eine katalytische Reaktionszone für die katalytische Umsetzung der absteigenden Flüssigkeitsströme. Gleichzeitig wird eine Dampfphase mittels fraktionierter Destillation der Flüssigkeitsströme gebildet und strömt vorzugsweise durch die Kanäle zum Mischen mit den absteigenden Flüssigkeitsströmen hinauf. Ein Massenübertrag zwischen der Flüssigkeit und der Dampfphase tritt im wesentlichen an den Oberfläche der Bahnen 18 und 20 wie auch auf dem Katalysator auf.
  • Das Mischen von Flüssig- und Dampfphase tritt in den Kanälen 32 auf, wenn aufsteigende Dämpfe die absteigende Flüssigkeit kontaktieren. Die Flüssigkeitsphase tritt durch die permeablen Elemente 18 und 20 von den Kanälen in das Katalysatorbett 22 zur katalytischen Umsetzung oder in die inerten Betten des Elements 24 zur weiteren Trennung hindurch. Die Reaktionsprodukte treten gleichermaßen aus dem Katalysatorbett in die Kanäle ein, wo eine primäre fraktionierte Destillation abläuft.
  • Es ist ersichtlich, daß mehr als ein Bündel in der Säule an verschiedenen Höhen je nach Wunsch angeordnet werden können. Zusätzlich kann/können das Bündel oder die Bündel in der Kolonne auf jede wirksame Weise geträgert sein. Beispielsweise können die Bündel von inerten Destillationspackungen wie Rashig-Ringen oder dergleichen geträgert und getrennt werden.

Claims (9)

1. Katalytische Destillationsstruktur (10) zur Anordnung in einem Destillationskolonnenreaktor, umfassend:
a) eine Vielzahl von katalytischen Elementen (12), die entlang einer gemeinsamen Achse angeordnet sind und jeweils umfassen:
(i) eine erste (18) und eine zweite (20) Schicht aus einem gaspermeablen Material, die in Abständen so miteinander verbunden sind, daß sie eine Bahn mit einer darauf angeordneten Vielzahl von Taschen (22) bilden, und
(ii) einen in den Taschen angeordneten teilchenförmigen Katalysator und
b) ein inertes Abstandhalterelement (24), das zwischen mindestens zwei benachbarten Elementen der Vielzahl an katalytischen Elementen angeordnet ist, wobei das inerte Abstandhalterelement eine gewellte Bahn umfaßt, die eine dritte und vierte Schicht aus einem gaspermeablen Drahtnetzmaterial umfaßt, die zur Bildung einer Vielzahl leerer Taschen verbunden sind.
2. Katalytische Destillationsstruktur gemäß Anspruch 1, bei der das gaspermeable Material der katalytischen Elemente ein Drahtnetz umfaßt.
3. Katalytische Destillationsstruktur gemäß Anspruch 2, bei der das gaspermeable Material ein gewebtes Drahtnetz ist.
4. Katalytische Destillationsstruktur gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der ein Teil der leeren Taschen ein inertes teilchenförmiges Material (26) darin angeordnet aufweisen.
5. Katalytische Destillationsstruktur gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der ein Teil der Taschen leer sind.
6. Katalytische Destillationsstruktur gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der das inerte Abstandhalterelement ein Leervolumen umfaßt.
7. Katalytische Destillationsstruktur gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der das inerte Abstandhalterelement zwischen jedem der Vielzahl der katalytischen Elemente angeordnet ist.
8. Katalytische Destillationsstruktur gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Taschen diagonal über die Bahn hinweg angeordnet sind.
9. Destillationskolonnenreaktor (100) zur gleichzeitigen Durchführung von Reaktionen und Trennung der Produkte von Reaktanden, umfassend:
(a) einen senkrecht angeordneten Behälter, und
(b) eine katalytische Destillationsstruktur (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8.
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