專利名稱：一種高效的催化蒸餾塔構(gòu)件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高效的催化蒸餾塔構(gòu)件。更確切地說，本發(fā)明涉及一種適用于液-固二相或氣-液-固三相反應(yīng)體系的高效催化蒸餾塔構(gòu)件。
在許多領(lǐng)域如化工、石油化工和環(huán)保領(lǐng)域，存在著許多可采用液-固二相或氣-液-固三相反應(yīng)體系處理的對(duì)象，其中一種氣體和/或一種液體作為反應(yīng)原料，它或它們?cè)谝环N固體催化劑上接觸反應(yīng)，生成目的產(chǎn)物。
這種液-固二相或氣-液一固三相反應(yīng)體系尤其適用于采用催化蒸餾法進(jìn)行。催化蒸餾技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一種新的化學(xué)反應(yīng)工程方法，它將催化反應(yīng)過程和蒸餾分離過程合為一體，在同一個(gè)催化蒸餾塔反應(yīng)器中同時(shí)進(jìn)行反應(yīng)和分離的操作。該過程可以不斷地將反應(yīng)活性點(diǎn)上即時(shí)生成的反應(yīng)產(chǎn)物轉(zhuǎn)移離開反應(yīng)區(qū)，使反應(yīng)平衡向生成目的產(chǎn)物的方向移動(dòng)，反應(yīng)熱也可以同時(shí)用來作為蒸餾過程所需的汽化熱。因此催化蒸餾技術(shù)具有反應(yīng)物料轉(zhuǎn)化率高、產(chǎn)物選擇性好、產(chǎn)品純度高、能耗低、易操作、投資省等一系列優(yōu)點(diǎn)。催化蒸餾技術(shù)首先在甲基叔丁基醚(MTBE)的生產(chǎn)上應(yīng)用成功，并已應(yīng)用于許多其它領(lǐng)域。
催化蒸餾技術(shù)的關(guān)鍵在于催化蒸餾塔中的催化蒸餾構(gòu)件的構(gòu)成方式。所謂的催化蒸餾構(gòu)件的構(gòu)成方式涉及構(gòu)件內(nèi)所用的催化劑和/或其構(gòu)型、填料的構(gòu)型、催化劑與填料的裝填方式等因素。對(duì)催化蒸餾構(gòu)件的構(gòu)成方式已開展了許多工作，目前已見報(bào)道的基本上可以分成填料塔和板式塔兩大類，其中涉及到液-固二相和氣-液-固三相反應(yīng)體系的催化蒸餾構(gòu)件的文獻(xiàn)例如有美國專利4471154提出將催化劑放在板式塔的塔板上構(gòu)成催化蒸餾構(gòu)件，催化劑在塔板上呈流化狀態(tài)。這種構(gòu)件的構(gòu)成方式可使整個(gè)反應(yīng)區(qū)催化劑分布均勻，氣液固接觸良好，催化劑利用率高；但床層空隙率較小，操作通量受限制，反應(yīng)段的阻力過大。
美國專利4443559提出將催化劑顆粒裝填在用玻璃布縫制的布帶的小口袋里，用有一定開口空間的不銹鋼絲網(wǎng)覆蓋支撐，再卷成具有一層鋼絲網(wǎng)、一層布袋的捆束型圓柱體催化蒸餾構(gòu)件。這種構(gòu)件屬填料塔類型，它的構(gòu)成形式使催化劑在空間分布均勻，并留有足夠的氣液相流動(dòng)通道和接觸面積。此構(gòu)件已為合成MTBE的催化蒸餾所采用，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化。但這種方案將催化劑顆粒裝在袋類容器內(nèi)，顆粒與顆粒之間互相碰觸，使一部分催化劑表面積不易于與反應(yīng)物料接觸。因此，催化劑表面的利用率有待提高；另外，這種方案將催化蒸餾塔的反應(yīng)段制成其空隙率較一般填料塔小的特殊塔構(gòu)型，而反應(yīng)段的上方和下方則仍然是普通的填料或塔板，因而整個(gè)催化蒸餾塔的設(shè)計(jì)、制造就比較復(fù)雜、技術(shù)要求高，而且填料裝卸很麻煩。
美國專利5262012提出將催化劑按散裝填料的形式裝填，例如，將粒狀催化劑與惰性填充介質(zhì)如瓷球、玻璃珠、中空多孔球體或柱體等混合裝入塔中直立的桶式容器內(nèi)，形成反應(yīng)區(qū)內(nèi)的催化蒸餾構(gòu)件。這種構(gòu)件屬于填料塔類型。它的不足是，催化劑是實(shí)心的，故粒度不能太大，否則不能充分利用催化劑，但催化劑粒度太小又使它易于在操作中與填料分層，使催化劑與填料分配不均勻，損害了該構(gòu)件發(fā)揮其催化反應(yīng)-蒸餾分離的協(xié)同功能；催化劑顆粒之間、催化劑顆粒與填料顆粒碰觸的那部分表面不能得到充分利用；另外這種構(gòu)件形式也易于在床層中產(chǎn)生溝流，這也妨礙了該構(gòu)件發(fā)揮其正常的催化蒸餾功能。
另外，中國專利1042664提出將催化蒸餾塔反應(yīng)段分為若干個(gè)催化劑床層，每個(gè)床層由多個(gè)相互平行地垂直排列的、由兩片波紋板平行夾持催化劑而形成的三明治型組件對(duì)構(gòu)成，相鄰組件對(duì)之間的床層空間留作氣相通道，使上行的氣體穿過床層和分離塔盤。這種催化蒸餾構(gòu)件具有催化劑裝卸方便，反應(yīng)物料與催化劑能直接接觸的優(yōu)點(diǎn)，可減小擴(kuò)散對(duì)反應(yīng)速率的影響。但由于氣液兩相分別穿過反應(yīng)段中各自的通道，不易發(fā)生氣-液兩相間的傳質(zhì)，故它不適宜于氣相和液相均是反應(yīng)物料的氣-液-固三相反應(yīng)體系，雖保證了床層有足夠的空隙率，但催化劑在床層中的分布并不均勻，沒有催化劑的那部分床層空間不能得到有效利用，故用于二相反應(yīng)體系中時(shí)也有較大的缺陷。另外，它還存在著由于催化劑顆粒相互碰觸而使催化劑顆粒表面得不到充分利用的缺點(diǎn)。
綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)中的催化蒸餾塔構(gòu)件-無論是填料塔類型還是板式塔類型-均存在各自的缺點(diǎn)，它們難于同時(shí)滿足以下兩方面的要求，即既能使催化蒸餾塔反應(yīng)段床層中空隙率很大，使液-固二相或氣-液-固三相充分傳質(zhì)、降低壓降，又能使催化劑總是均勻地分布在整個(gè)床層中，從而充分利用催化劑顆粒的表面積與反應(yīng)物料之間的接觸、提高催化劑的利用效率。
本發(fā)明的目的因此是提供一種高效催化蒸餾塔構(gòu)件，它克服了現(xiàn)有技術(shù)中已知的催化蒸餾塔構(gòu)件的缺陷，既能使反應(yīng)段床層具有很大的空隙率，又能使催化劑均勻地分布在整個(gè)床層中。
按本發(fā)明的高效催化蒸餾塔構(gòu)件包括一種催化劑和一種能支承催化劑并進(jìn)行傳質(zhì)的規(guī)整填料，其特征在于，將催化劑制成具有中心孔道的顆粒，用一種連接件穿過各催化劑顆粒的中心孔道，以使它們連接成串，構(gòu)成催化劑顆粒連接串單元；將催化劑顆粒連接串單元放入并固定在規(guī)整填料中的氣液自由通道內(nèi)，形成催化蒸餾塔構(gòu)件；這樣構(gòu)成的催化蒸餾塔構(gòu)件應(yīng)滿足其分離效率≥0.5塊理論板/米測定塔的要求；附

圖1為按本發(fā)明的催化蒸餾塔構(gòu)件中使用的催化劑顆粒的常用構(gòu)型示意圖；附圖2為按本發(fā)明的催化蒸餾塔構(gòu)件中使用的催化劑顆粒連接串單元的常見形式示意圖；附圖3為按本發(fā)明的催化蒸餾塔構(gòu)件中使用的一種優(yōu)選的、可支承催化劑的規(guī)整填料的構(gòu)型和催化劑在其中的排布方式示意圖；附圖4為按本發(fā)明的催化蒸餾塔構(gòu)件單元和由多層塔構(gòu)件單元形成的塔構(gòu)件的示意圖。
在本發(fā)明范圍內(nèi)，任何可用于液-固二相或氣-液-固三相反應(yīng)的催化劑均可用作按本發(fā)明的塔構(gòu)件中的催化劑，但須將它制成具有中心孔道的顆粒，優(yōu)選具有異型外表面的顆粒。制成有異型外表面的顆粒的目的是為了盡量增大催化劑顆粒與氣體-和/或液體物料接觸的面積。參見圖1，常見的催化劑顆粒包括具有中心孔道的三葉草型、圓環(huán)型、圓柱型、球型、長方體形、正方體型、多面體型、圓臺(tái)型等，優(yōu)選具有異型外表面的三葉草型或圓柱體型。催化劑顆粒的尺寸大小隨具體選用的催化劑顆粒構(gòu)型而定，只要滿足使其密度≥1g/cm3即可，優(yōu)選為φ3-10mm的顆粒尺寸。
本發(fā)明中采用的催化劑顆粒連接件可為剛性的或具有一定撓性的，例如可由不同規(guī)格的金屬絲如不銹鋼絲、陶瓷細(xì)棒或其它適用的材料如塑料、纖維和其它復(fù)合材料的條、繩等制成具有細(xì)長條狀的絲、棒、條、繩等。它通過催化劑顆粒上的中心孔道將催化劑顆粒連接成串，形成催化劑顆粒連接串單元；這樣的催化劑顆粒連接串單元可具有圖2所示的構(gòu)型，如單串的、雙串的、多串的、螺旋狀的、多面體的、多邊形的和環(huán)狀的構(gòu)型等。
按本發(fā)明的、能支承催化劑并進(jìn)行傳質(zhì)的規(guī)整填料包括任何構(gòu)型的、滿足下述條件的規(guī)整填料，即只要它能夠?qū)⑸鲜龅拇呋瘎╊w粒連接串單元穩(wěn)固且均勻地支承在規(guī)整填料提供的氣液通道的自由空間內(nèi)、且支承了催化劑顆粒連接串單元后能夠提供≥0.5塊理論板/米測定塔高的分離效率即可。所用術(shù)語“支承”意為將上述催化劑顆粒連接串單元定位地懸掛、支撐或堆放于規(guī)整填料提供的氣液自由通道中，使其位置相對(duì)固定，在氣液通道內(nèi)不能有顯著位移，這樣構(gòu)成催化蒸餾塔構(gòu)件單元。催化劑的裝填量和床層空隙率要取決于具體的反應(yīng)體系、所用催化劑種類和性能以及規(guī)整填料的分離效率等因素。對(duì)于液-固二相傳質(zhì)和反應(yīng)的體系，床層空隙率可相對(duì)低一點(diǎn)，例如≥60％；對(duì)于氣-液-固三相傳質(zhì)和反應(yīng)的體系，則要求床層空隙率較大，例如≥80％；床層中催化劑的裝填分率可通過簡單試驗(yàn)求取，即逐步增加催化劑的裝填分率，直到催化蒸餾體系不再導(dǎo)致反應(yīng)原料的轉(zhuǎn)化率的相應(yīng)增加為止，在實(shí)用中略為增加一點(diǎn)催化劑的量作為備用余量。對(duì)液-固二相體系而言，床層中催化劑的裝填分率一般為15-70％，而對(duì)氣-液-固三相體系而言，床層中催化劑的裝填分率一般為5-50％。
按本發(fā)明的塔構(gòu)件可分成多個(gè)塔構(gòu)件層，每層塔構(gòu)件層可由一個(gè)或多個(gè)上述塔構(gòu)件單元組成，具體根據(jù)塔徑大小和方便制造和裝卸的原則決定。相鄰兩層既可相鄰層疊放置，又可用別的裝置如氣/液收集再分配器分隔放置，構(gòu)成反應(yīng)段。相鄰兩層塔構(gòu)件層的位置關(guān)系是，應(yīng)使兩層的氣液自由通道的橫截面在水平方向上盡量錯(cuò)位。所說反應(yīng)段床層是指反應(yīng)段中由包含了催化劑的塔構(gòu)件單元構(gòu)成的、同時(shí)具有反應(yīng)和分離功能的那部分床層。
按照本發(fā)明，填料或由催化劑連接串聯(lián)單元和規(guī)整填料構(gòu)成的反應(yīng)段床層的理論板數(shù)通過蒸餾試驗(yàn)測定。將待測物系放入蒸餾塔中，蒸餾塔主要由塔身、塔釜再沸器和塔頂冷凝器組成。測定用物系可以選用苯-甲苯、苯-四氯化碳等二元物系。測定開始時(shí)，首先將測定用物系一次投入塔釜中，調(diào)節(jié)再沸器的加熱量，在常壓下以全回流方式操作約一個(gè)半小時(shí)，待汽一液兩相達(dá)到平衡后，測定塔頂和塔釜的汽液相組成，然后采用圖解法(麥凱勃-蒂利法)或捷算法(芬斯克方程)計(jì)算求得待測物系的理論塔板數(shù)，再除以待測物系(填料或床層)高度，商值即為該填料或床層的每米理論板數(shù)。
附圖3示意說明了按本發(fā)明催化蒸餾塔構(gòu)件中使用的、可支承催化劑并進(jìn)行傳質(zhì)的規(guī)整填料的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案和催化劑在該規(guī)整填料中的排布方式，其中規(guī)整填料為不銹鋼壓延波紋板，波紋板的波峰高為mm；波距為4-150mm；波紋方向與垂直軸有一個(gè)0-45°，優(yōu)選15-30的傾角；將催化劑顆粒連接串單元制成雙串的形式，且沿波紋方向支承在波谷之內(nèi)，它們既可放置于每一個(gè)波谷內(nèi)，也可每隔一個(gè)或多個(gè)波谷放置一個(gè)催化劑顆粒連接串單元；如圖3(a,b)所示，由眾多這樣支承了催化劑顆粒連接串單元的波紋板平行排列，構(gòu)成其橫截面類似蜂窩狀的催化蒸餾塔構(gòu)件單元。對(duì)于較小的塔，一個(gè)這樣的塔構(gòu)件單元即可作為一個(gè)塔構(gòu)件層，如圖4a所示；對(duì)于較大的塔，可將這樣的塔構(gòu)件單元制成圖4b所示形狀，由多個(gè)這種單元相鄰鋪碼，構(gòu)成一個(gè)塔構(gòu)件層；再由一個(gè)或多個(gè)這樣的塔構(gòu)件層相鄰層疊或間隔層疊，構(gòu)成催化蒸餾塔構(gòu)件，如圖4(c,d,e)所示。
按本發(fā)明的催化蒸餾塔構(gòu)件用于塔的反應(yīng)段中，塔中的其它段如提餾段和，若存在，精餾段中的填料可用常規(guī)填料，包括散裝填料和規(guī)整填料，優(yōu)選使用與反應(yīng)段中所用相同的規(guī)整填料，只要它的分離效率滿足≥1塊理論板/米測定塔即可。按本發(fā)明的催化蒸餾塔構(gòu)件能保證催化劑均勻地分布在催化蒸餾塔反應(yīng)段的床層空間中，裝填量和裝填密度可以調(diào)節(jié)，能與反應(yīng)物料充分接觸，催化劑利用效率高，裝量較少，節(jié)省催化劑用量、減小塔徑、節(jié)約投資；此外，它的床層空隙率大，能發(fā)生充分的傳質(zhì)和分離，物料通量大，床層阻力較小，可明顯提高處理能力，同時(shí)適用于液-固二相和氣-液-固三相反應(yīng)體系的催化蒸餾過程，產(chǎn)品質(zhì)量好，操作彈性大；此外還具有塔構(gòu)件和催化劑易裝填和更換等優(yōu)點(diǎn)。
以下實(shí)施例用于較詳細(xì)地解釋本發(fā)明，但這并不意味著對(duì)本發(fā)明范圍的任何限制。在得知本發(fā)明申請(qǐng)的公開內(nèi)容后，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員能對(duì)本發(fā)明的技術(shù)解決方案作出改變或改進(jìn)，但這些改變和改進(jìn)均不超出后附權(quán)利要求限定的本發(fā)明實(shí)質(zhì)內(nèi)容的范圍。
在其它條件相同時(shí)，若采用在波紋板規(guī)整填料中散裝堆積催化劑顆粒-蒸餾填料而構(gòu)成的催化蒸餾塔構(gòu)件-其中將催化劑制成為φ4×4mm的圓柱型顆粒，蒸餾填料為φ4mm的不銹鋼θ型壓延環(huán)，兩者混合物均勻后裝填在波紋板規(guī)整填料的自由通道中，則需要一個(gè)塔徑為φ4200mm的塔才能滿足生產(chǎn)要求，而且床層壓降較大，很難使ΔP≤0.2MPa。
權(quán)利要求
1．一種催化蒸餾塔構(gòu)件，包括一種催化劑和一種能支承催化劑并進(jìn)行傳質(zhì)的規(guī)整填料，其特征在于，將催化劑制成具有中心孔道的顆粒，用一種連接件穿過各催化劑顆粒的中心孔道，以使它們連接成串，構(gòu)成催化劑顆粒連接串單元；將催化劑顆粒連接串單元放入規(guī)整填料中的氣液自由通道內(nèi)，形成催化蒸餾塔構(gòu)件；這樣構(gòu)成的催化蒸餾塔構(gòu)件應(yīng)滿足其分離效率≥0.5塊理論板/米測定塔。
2．按權(quán)利要求1的塔構(gòu)件，其特征在于，所說的催化劑顆粒的密度為≥1g/cm3。
3．按照權(quán)利要求1的塔構(gòu)件，其特征在于，所說具有中心孔道的催化劑顆粒為具有中心孔道的三葉草型、圓環(huán)型、圓柱體型、球型、長方體型、正方體型、多面體型或圓臺(tái)型顆粒。
4．按權(quán)利要求3的塔構(gòu)件，其特征在于，所說具有中心孔道的催化劑顆粒為圓柱體型和三葉草型顆粒。
5．按權(quán)利要求1的塔構(gòu)件，其特征在于，所說的連接件為剛性的或具有一定撓性的。
6．按權(quán)利要求5的塔構(gòu)件，其特征在于，連接件由選自金屬、陶瓷、塑料、纖維和其它復(fù)合材料的細(xì)長條狀絲、棒、條、繩制成。
7．按權(quán)利要求1的塔構(gòu)件，其特征在于，將催化劑顆粒連接串單元制成單串的、雙串的、多串的、螺旋狀的、多面體的、多邊形的或環(huán)狀的構(gòu)型。
8．按權(quán)利要求1的塔構(gòu)件，其特征在于，能支承催化劑并進(jìn)行傳質(zhì)的規(guī)整填料為金屬波紋板規(guī)整填料，其波峰高為4-100mm，波距為4-150mm，波紋方向與垂直軸呈一個(gè)0-45°的傾角。
9．按權(quán)利要求8的塔構(gòu)件，其特征在于，所說金屬波紋板規(guī)整填料是不銹鋼壓延波紋板規(guī)整填料，其波峰高為11.7mm，波距為15mm，波紋方向與垂直軸呈一個(gè)42.5°的傾角。
10．按權(quán)利要求1-9中任一項(xiàng)的方法，其特征在于，對(duì)于液-固二相反應(yīng)體系，反應(yīng)段床層中的催化劑裝填分率為15-70％，床層空隙率為≥60％；對(duì)于氣-液-固三相反應(yīng)體系，反應(yīng)段床層中的催化劑裝填率為5-50％，床層空隙率為≥80％。
全文摘要
公開了一種高效的催化蒸餾塔構(gòu)件,它包括一種催化劑和一種能支承催化劑的規(guī)整填料,其特征在于,將催化劑制成具有中心孔道的顆粒,用一種連接件將催化劑顆粒連接成串,將它均勻地放入規(guī)整填料的氣液自由通道中,構(gòu)成按本發(fā)明的催化蒸餾塔構(gòu)件。按本發(fā)明的塔構(gòu)件具有同時(shí)使催化劑分布均勻和床層空隙率大的特點(diǎn),使催化劑利用率高、床層通量大、塔徑較小、塔壓降較小、便于塔的裝卸和操作。
文檔編號(hào)B01D3/14GK1299703SQ9912479
公開日2001年6月20日 申請(qǐng)日期1999年12月10日 優(yōu)先權(quán)日1999年12月10日
發(fā)明者張吉瑞, 藍(lán)仁水 申請(qǐng)人:張吉瑞, 藍(lán)仁水