专利名称：板式反应精馏塔内导流槽状催化剂规整填装组件的制作方法
技术领域：
本发明专利涉及一种用于板式催化反应精馏塔中的新型导流槽状催化剂规整填装 组件。
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、打破化学平衡的限制、提高转化率、节约能耗等显著的优 点，因此这一领域的研究一直颇受重视。上世纪八十年代，国外公司成功地将催化精馏 技术应用在甲基叔丁基醚(MTBE)的大规模工业化生产上。近年来，反应精馏由均相反 应发展至非均相反应，并在醚化、烷基化、酯化、脱水和水解等化工工艺过程中有着广 泛的应用前景。非均相反应中使用的固体催化剂既可以加速蒸馏塔内的反应，同时又可 以为气液两相传质提供表面，其作用类似于填料，因此能大大提高精馏分离的效率。催 化剂装填方式则直接影响塔内床层的催化剂效率和气液传质效率。由于催化剂的粒度一 般很小(离子交换树脂的粒度在0.3 3.0mm，分子筛的粒度在5mm以下)，并且，受强 度的限制，催化剂尚难以制成任意形状和尺寸，因此反应段催化剂床层必须以特殊方式 装填。目前，催化剂的装填方式已经成为催化精馏技术研究的核心课题之一。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，再巻成圆柱体，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。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足够的用于气液两相流动的通道；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板式反应精馏塔上催化剂规整装填的集 成技术。发明内容为了解决现有的催化剂装填方式中的诸多不足，本发明推出了一款可用于板式塔内 反应精馏的导流槽状催化剂规整填装组件。该组件采用插片式蜂箱结构，不仅提供了较 大的床层空隙率，较好地改善了催化剂效率和气液传质效率，而且满足加工方便、拆卸 容易的要求。本发明的技术方案如下一种板式反应精馏塔内导流槽状催化剂规整填装组件，它是安装在板式反应精馏塔 反应段的塔板上的组件，它有一个金属杆(棒)构成的支撑框架，支撑框架的水平面的 形状与塔板的气液传质区形状(即塔的圆截面扣除降液管和溢流区后剩余的部分)相匹配，支撑框架高40-160mm (即与该塔板在运行时的液面高度相适应)，支撑框架的底面 下有固定腿，固定腿的高度与该塔板上的泡罩或浮阀运行时的高度相匹配，支撑框架的 顶面跨相对的两根金属杆和底面跨相对的两根金属杆分别沿着塔板上的液流方向，以类 似于地球仪的经线排布方式，均匀地焊接多组金属片，每组金属片由两条金属片组成， 金属片宽5-15mm，金属片直立焊接，每组内两条金属片的平均间距为x， x的大小与催 化剂插片的厚度相适应，约10-30mm，相邻两组金属片的距离为y， y的距离用以导流 塔板上的液相和气相的流道， 一般为x的l-4倍，顶面焊接的金属片与底面焊接的金属 片上下对称，形成催化剂插片卡槽。所述的催化剂插片是多个由金属丝网构成的横截面 为菱形的四棱柱体、横截面为梭子形的六棱柱体或横截面为椭圆形的椭圆柱体头尾相连 的内装催化剂的催化剂插片，第一个柱体的头部和最后一个柱体的尾部、以及每隔2-4 个柱体都有两条长于柱体高度的金属压条和垫片条从金属丝网两侧通过螺钉将丝网夹 紧，垫片条的厚度是使两金属压条加两垫片条的厚度相当于催化剂插片的厚度，金属压 条上下两端伸出柱体的部分可以在催化剂插片插入支撑框架的催化剂插片卡槽、装配时 向外弯成U形挂钩，挂扣在顶面和底面的金属片上，以固定金属丝网柱体，形成板式反应精馏塔内导流槽状催化剂规整填装组件。上述的板式反应精馏塔内导流槽状催化剂规整填装组件，所述的支撑框架的底面可 以有平行于溢流堰方向的加强筋。上述的板式反应精馏塔内导流槽状催化剂规整填装组件，所述的支撑框架可以有垂 直的加强筋。上述的板式反应精馏塔内导流槽状催化剂规整填装组件，所述的支撑框架可以有 4-8个固定腿。上述的板式反应精馏塔内导流槽状催化剂规整填装组件，所述的固定腿下端可以有 螺纹，通过螺帽固定在塔板上。因为催化剂粒径一般在0.3~3.0mm，上述的板式反应精馏塔内导流槽状催化剂规整 填装组件，所述的金属丝网是20-100目的金属丝网，优选的是40-80目的金属丝网。上述的板式反应精馏塔内导流槽状催化剂规整填装组件，所述的催化剂插片最厚处 的厚度为8-25mm，优选的为10-20mm，可以提供充足的气液接触表面，使反应物和生成 物不需要长距离的扩散就可以从催化剂中自由出入，保证了内部催化剂的充分利用。上述的板式反应精馏塔内导流槽状催化剂规整填装组件，所述的催化剂插片中，？显 催化剂的填装量为整个催化剂插片内空间的50-100%。上述的板式反应精馏塔内导流槽状催化剂规整填装组件，对于塔径小于1000mm的 塔，采用整体式结构；塔径大于800mm时，可采用分立式组装结构，即将组件的结构 在垂直方向纵横划分为4块或4块以上，每块单独制作后，再组合安装在塔板上，塔径 越大，划分的块数越多，每块的边长控制在800mm以下以减轻对组件支撑框架的强度 要求。本发明的有益效果是采用了较薄的四菱柱(或六角柱、椭圆柱、长方体等形状) 为结构单元的催化剂袋形插片，保证了在液流方向上的整个流道中都布满催化剂,有效提 高了催化效率及传质效率；采用了导流槽式整体规整布局，为塔板流体提供了均匀的流 道，维持了塔板流体平稳的流动状况，改善了普通板式塔中流体在塔板近壁处停滞严重 的问题，提高了分离效率；采用了插片式蜂箱结构，安装简便，操作灵活；采用上悬空 的支撑结构，保证了气相上升的畅通，不至引入过高的板压降。因此，这种构件既能解 决反应精馏中催化剂效率较低的问题，又能提高板式塔的分离效率，且结构简单，便于 加工制作、安装维护，具有大规模工业应用的前景。
图l是棱柱形催化剂插片单元的轴侧图l.为金属丝网片，2.为金属压条，3.为垫片 条，4.为螺孔。图2为几种形状的催化剂插片单元的横截面图图2(1)、图2(2)、图2(3)分别为椭圆 柱形、六棱柱形、四棱柱形柱体的横截面图。a为柱体横截面的宽度，即催化剂插片的 宽度，6为金属压条的宽度，c为柱体横截面的长度。其中箭头所指为液流方向。图3是支撑框架图6.催化剂插片卡槽，7.流道，8.固定腿，9.加强筋，/ 为支撑框 架总高度，/z/为支撑框架顶面与底面的间距，即催化剂插片的高度，^为固定腿的高度。 x为催化剂插片空间的间距，y为流道宽度。图4是催化剂插片与支撑框架的装配图，其中箭头所指为塔板上的液流方向。图5是催化剂丝网在装载封口前的折叠图。图6是催化剂插片金属压条的加载图2为金属压条，3为垫片条，4为螺孔，5为弯 曲成的U形挂钩。其中6a为催化剂插片的俯视图；6b为金属压条与垫片条；6c为6b的金 属压条伸出部分被弯曲成U形。图7是组件固定在塔板上之后，塔的圆截面的俯视图6.卡槽，7.流道，9.加强筋， IO.降液管投影区，ll.塔板上气液传质区域，12.溢流区，13.塔板，14.固定腿的焊接点。 其中箭头所指为液流方向。
具体实施方式
实施例l.板式反应精馏塔内导流槽状催化剂规整填装组件示例 一种板式反应精馏塔内导流槽状催化剂规整填装组件，它是安装在板式反应精馏塔 反应段的塔板上的组件，它有一个直径为5mm不锈钢杆构成的支撑框架，支撑框架的水 平面的形状为两对边为直线，其距离为210ran，另一组两对边为弧线的，其中心距离为 300mm，与塔板的气液传质区形状相匹配，如图3所示，支撑框架高120mm，其中催化 剂插片槽的高度为95mm (即与该塔板在运行时的液面高度相适应)，支撑框架的底面 下有固定腿8，固定腿8高25mm,其高度与该塔板上的泡罩或浮阀运行时的高度相匹配， 支撑框架的顶面跨相对的两根直金属杆和底面跨相对的两根直金属杆分别沿着塔板上 的液流方向，以类似于地球仪的经线排布方式，均匀地焊接多组金属片，每组金属片由 两条金属片组成，金属片宽8mm，金属片直立焊接，每组内两条金属片的平均间距为x，x的大小与催化剂插片的厚度相适应，约17mm，相邻两组金属片的距离为y， y的距离 用以导流塔板上的液相和气相的流道7， 一般为x的l-4倍，顶面焊接的金属片与底面 焊接的金属片上下对称，形成催化剂插片卡槽6，催化剂插片是多个由60目的不锈钢丝 网1构成的横截面为菱形的四棱柱体，如图2(3)，柱体以对角线头尾相连，内装催化 剂，催化剂插片的菱形四棱体的宽度a为15mm，菱形的长对角线c长45mm，第一个 柱体的头部和最后一个柱体的尾部、以及每隔2个柱体都有两条长130mm的金属压条 2和垫片条3从金属丝网两侧通过螺钉将丝网夹紧，两金属压条加上两垫片条和两片丝 网的总厚度为15mm，金属压条2上下两端伸出柱体的部分可以在催化剂插片插入支撑 框架的催化剂插片卡槽6、装配时向外弯成U形挂钩，挂扣在顶面和底面的金属片上， 以固定金属丝网柱体，形成板式反应精馏塔内导流槽状催化剂规整填装组件。支撑框架 的底面有三根平行于溢流堰方向的加强筋，在顶面和底面的两弧线的中点有加强筋，加 强筋下延伸出固定腿8，因此共有六条固定腿8。催化剂插片的加工方法如下先将整块不锈钢丝网沿长度方向折叠成锯齿状，如图5，取两块折好的丝网片l，用 不锈钢丝在最窄处沿折线缝合起来，形成一排邻接的上、下端开口的四棱柱，构成催化 剂插片。催化剂插片的上、下两个底面再用另两片长条状、和插片最宽处等宽度的丝网 片缝合，作为底和盖；每隔2 5个单元留一段距离b约5-10mm，从两侧各加垫片3、不锈 钢金属压条2，如图6所示，金属压条2上开2个孔，用2个螺丝固定，金属压条2上下两端 都要比丝网高度/2/长出10-20mm，长出的部分在装配时折叠成U形挂钩5，挂扣在支撑架 上，起到固定和补强作用。实施例2:酯化反应生产醋酸丁酯一座年产高纯度醋酸丁酯100吨的反应精馏塔，其内径为300mm，塔高6.5m。上部 精馏段和下部提馏段的高度均为2.0m，分别装入工业常规规整波纹填料。中部催化反应 段高度为2.5m，有10块筛孔塔板，板间距为250mm，溢流堰高35mm，塔板上安装导流 槽状催化剂规整填装组件。催化剂插片的填装单元采用椭圆柱体，长轴48mm，短轴 16mm，插片高度为110mm，底部距塔板高度为20mm;卡槽宽度为18mm，平均流道宽 度为26mm。催化剂采用平均粒径为0.5 1.0mm的强酸性离子树脂，丝网为60目不锈钢 材质。湿催化剂的填装体积占整个插片空间的80%。原料醋酸和正丁醇按l:l.l的比例加入配料槽，混合均匀，经流量计连续进入预热器， 从反应精馏段顶部进入反应精馏塔系统。在反应精馏塔内，由于塔板上方的自由空间有所减少，清液层高度比普通精馏塔高出约5%，板上液体流速加快，塔板压降增大约8%， 气液传质充分。大部分催化剂组件被浸没在清液层和泡沫层中，在剧烈的气液接触中充 分的发挥催化作用。插片单元内部的催化剂在气液带动下有一定的运动能力和空间，使 所有催化剂都能发生作用。呈弧形导流槽状排布的催化剂插片，使得液流在塔板上的流 动更加通畅和有序；同时，在普通精馏塔中存在的、塔板两侧扇形区内的流体滞留现象， 几乎不复存在，大大提高了塔板的分离效率。酯化反应生成的水以三元共沸物(水-正丁醇-醋酸丁酯)的形式蒸发进入塔顶，使 得反应段几乎不受化学的平衡限制。未反应的原料进入提馏段后，重新被汽化而进入反 应段进行反应，使得醋酸在塔底的浓度不断降低，产品在塔底的浓度不断提高。反应的 同时进行分离，及时的从产物中分离水，打破化学平衡的限制，最终从塔底得到浓度96% 以上的粗酯。本实施例与现有先催化反应后精馏分离的传统工艺相比，醋酸的一次转化率由68% 提高到90%以上，转化率提高20%以上，大大提高了生产效率，实现了在反应精馏塔内 催化反应和精馏分离的一体化。在经济效益方面，单塔能耗降低30%以上，设备投资减 少40%左右，生产能力提高了1.5倍，醋酸丁酯的综合单位生产成本下降了 25%。实施例3:酯交换反应生产生物柴油一座年产脂肪酸甲酯80吨的反应精馏模拟塔，其内径为250mm，塔高6.0m。上部精 馏段和下部提馏段的高度均为1.5m，分别装入工业常规填料鲍尔环。中部催化反应段高 度为3.0m，有12块筛孔塔板，板间距250mm，溢流堰高40mm，塔板上安装导流槽状催 化剂规整填装组件。催化剂插片的填装单元釆用四棱柱体，宽a为13mm，长c为30mm， 插片高度h,为120mm，固定腿高度为18mm;卡槽宽度为15mm，流道宽度25mm。催化 剂采用平均粒径约为1.0mm的负载型强碱性氧化锆(Zr02)分子筛，丝网为40目不锈钢 材质。湿催化剂的填装体积占整个插片空间的85%。原料甲醇通过加热器汽化后，从催化反应段底部进入塔内；原料大豆油(配制成70% 的甲醇溶液)经加热器加热后从催化剂反应段顶部进入塔内。汽液两相进入塔内反应段 后，在规整填装的催化剂作用下边反应边精馏，两者相互促进，大大提高了反应和分离 的效率，最终在塔顶馏出的粗脂肪酸甲酯产品含量为89%左右。本实施例与现有两步法 (先反应后分离)相比，具有产品稍加提纯即可使用，年产量大，设备相对简单，设备 投资额远远小于"两步法"等优点。可实现大豆油的一次转化率达到90%以上，极大地提高了原料的利用率；生产时间仅相当于两步法的50%左右，大大提高了生产效率。且由 于系统的反应和分离在一个塔内进行，连续化操作，装置的生产能力提高一倍以上，节 约能耗30%以上。
权利要求
1.一种板式反应精馏塔内导流槽状催化剂规整填装组件，它是安装在板式反应精馏塔反应段的塔板上的组件，其特征是它有一个金属杆构成的支撑框架，支撑框架的水平面的形状与塔板的气液传质区形状相匹配，支撑框架高40-160mm，支撑框架的底面下有固定腿(8)，固定腿(8)的高度与该塔板上的泡罩或浮阀运行时的高度相匹配，支撑框架的顶面跨相对的两根金属杆和底面跨相对的两根金属杆分别沿着塔板上的液流方向，以类似于地球仪的经线排布方式，均匀地焊接多组金属片，每组金属片由两条金属片组成，金属片宽5-15mm，金属片直立焊接，每组内两条金属片的平均间距为x，x的大小与催化剂插片的厚度相适应，约10-30mm，相邻两组金属片的距离为y，y的距离用以导流塔板上的液相和气相的流道，一般为x的1-4倍，顶面焊接的金属片与底面焊接的金属片上下对称，形成催化剂插片卡槽(6)，所述的催化剂插片是多个由金属丝网构成的横截面为菱形的四棱柱体、横截面为梭子形的六棱柱体或横截面为椭圆形的椭圆柱体头尾相连的内装催化剂的催化剂插片，第一个柱体的头部和最后一个柱体的尾部、以及每隔2-4个柱体都有两条长于柱体高度的金属压条(2)和垫片条(3)从金属丝网两侧通过螺钉将丝网夹紧，垫片条(3)的厚度是使两金属压条加两垫片条和两片丝网的厚度相当于催化剂插片的厚度，金属压条(3)上下两端伸出柱体的部分可以在催化剂插片插入支撑框架的催化剂插片卡槽(6)、装配时向外弯成U形挂钩，挂扣在顶面和底面的金属片上，以固定金属丝网柱体，形成板式反应精馏塔内导流槽状催化剂规整填装组件。
2. 根据权利要求1所述的板式反应精馏塔内导流槽状催化剂规整填装组件，其特征 是所述的支撑框架的底面有平行于溢流堰方向的加强筋(9)。
3. 根据权利要求1所述的板式反应精馏塔内导流槽状催化剂规整填装组件，其特征 是所述的支撑框架有垂直的加强筋(9)。
4. 根据权利要求1所述的板式反应精馏塔内导流槽状催化剂规整填装组件，其特征 是所述的支撑框架有4-8个固定腿(8)。
5. 根据权利要求1所述的板式反应精馏塔内导流槽状催化剂规整填装组件，其特征是所述的固定腿(8)下端有螺纹，通过螺帽固定在塔板上。
6. 根据权利要求1所述的板式反应精馏塔内导流槽状催化剂规整填装组件，其特征是所述的金属丝网是20-100目的金属丝网。
7. 根据权利要求1所述的板式反应精馏塔内导流槽状催化剂规整填装组件，其特征 是所述的催化剂插片最厚处的厚度为8-25mm，
8. 根据权利要求1所述的板式反应精馏塔内导流槽状催化剂规整填装组件，其特征 是所述的催化剂插片中，湿催化剂的填装量为整个催化剂插片内空间的50-100%。
9. 根据权利要求1所述的板式反应精馏塔内导流槽状催化剂规整填装组件，其特征 是对于塔径小于1000mm的塔，釆用整体式结构；塔径大于800mm时，可采用分立 式组装结构，即将组件的结构在垂直方向纵横划分为4块或4块以上，每块单独制作后， 再组合安装在塔板上，塔径越大，划分的块数越多，每块的边长控制在800mm以下， 以减轻对组件支撑框架的强度要求。
全文摘要
一种板式反应精馏塔内导流槽状催化剂规整填装组件，它有支撑框架，底面下有固定腿，支撑框架的顶面和底面分别沿着塔板上的液流方向均匀地焊接多组金属片，形成催化剂插片卡槽，相邻两组金属片的距离为导流塔板上的液相和气相的流道，催化剂插片是多个由金属丝网构成的横截面为菱形的四棱柱体、横截面为梭子形的六棱柱体或横截面为椭圆形的椭圆柱体头尾相连的内装催化剂的催化剂插片，有金属压条和垫片条从金属丝网两侧通过螺钉将丝网夹紧，挂扣在顶面和底面的金属片上，以固定插片，形成板式反应精馏塔内导流槽状催化剂规整填装组件。本组件既解决反应精馏中催化剂效率低的问题，又提高板式塔的分离效率，且结构简单，便于加工制作、安装维护。
文档编号B01D3/14GK101274146SQ20071019189
公开日2008年10月1日 申请日期2007年12月24日 优先权日2007年12月24日
发明者吴有庭, 政 周, 宋万通, 张志炳, 雍学峰 申请人:南京大学