专利名称：一种强酸性催化剂填料的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及化学工业技术领域，是用于催化和精馏分离过程中的一种强酸性催化剂填料。
背景技术：
自从上世纪七八十年代以来，国外成功开发了催化精馏技术并在甲基叔丁基醚生产中获得了应用。我国也于八十年代在齐鲁石化公司引进了采用催化精馏技术的甲基叔丁基醚的生产路线，国内对该技术的研究也随之发展起来。综观该技术的应用情况，其关键是催化剂的装填问题，美国专利US4215011、US4242530、US4302356提出将阳离子交换树脂颗粒装填在用玻璃布缝制布带上的众多小口袋里，再用有一定开孔空间的不锈钢丝网覆盖、支撑并卷成具有一层丝网、一层布袋的捆束状圆柱体催化剂构件。美国专利US4443559则提出一种由催化剂元件和弹性元件构成的精馏结构，其催化剂元件由多孔容器内装固体催化剂颗粒构成，弹性元件则是不锈钢网、尼龙网或高孔结构的网状聚氨酯等，由弹性元件将催化剂元件隔开组成填料结构。以上两种装填方法虽能提供较均匀的空间分布，但缺点是加工复杂，液体进入催化剂表面扩散路径较长、阻力较大致使催化剂利用率不高，且为了提高填料的空隙率保证汽液通道流畅需要以减小催化剂布袋或催化剂元件的数量为代价。中国专利CN2148602Y则提出将催化剂颗粒装在波纹状外壳内构成催化剂波纹板，再将催化剂波纹板组装成盘状填料。该种填料虽能保证汽液及液固充分接触，使传递阻力及轴向返混大大降低，但制作催化剂波纹板仍需要较大的劳动强度。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种强酸性催化剂填料，它以不锈钢波纹丝网和均相强酸性阳离子交换活性膜的组合作为催化剂填料，以提高催化剂填料的分离能力。
本实用新型采用的技术方案如下它是由数片不锈钢波纹丝网和数片均相强酸性阳离子交换活性膜逐片交替紧密叠合而成，其中丝网片波纹的方向与催化精馏塔轴线成一定的倾角，相邻两丝网片的波纹倾斜方向相反，整盘催化剂填料与催化精馏塔内径一致制成圆盘状。
丝网片波纹的方向与催化精馏塔轴线的倾角为0～45°。
不锈钢波纹丝网的目数为40～100目。
每盘催化剂填料的高度为小于100mm。
阳离子交换活性膜为均相磺酸型，材料为高压聚乙烯或聚丙烯或聚乙烯—聚丙烯共聚物或聚氯乙烯膜。
阳离子交换活性膜为高聚物致密膜或高聚物微孔膜。
每盘催化剂填料的空隙率可达70～85％。
每盘催化剂填料中活性膜所占的体积百分比为10～20％。
本实用新型与背景技术相比具有的有益效果它提供一种使催化和精馏两方面综合性能良好的强酸性催化剂填料，适用于工业生产中以强酸作为催化剂的反应系统且同时需要靠精馏的作用在反应时将反应物与产物分开的耦合过程。反应发生在阳离子交换膜的活性表面，而汽液分离则发生在离子交换膜表面和不锈钢波纹丝网的金属表面。由于反应物不需要经过长距离扩散，可以实现良好的反应效果，由于提供的汽液接触面较多，精馏的效率也可以达到最佳。
图1是催化剂填料的组成单元图；图2是数个单元组成盘状催化剂填料的俯视图；图3是图2相邻三盘盘状催化剂填料的A-A剖视图；图4是离子交换膜两表面的汽液流动方向图。
具体实施方式
图1是催化剂填料的组成单元图，1为两片波纹倾斜方向相反的不锈钢波纹丝网片，2为平整的阳离子交换膜片。
图2是数个单元组成盘状催化剂填料的俯视图，制作的方法是将图1中的阳离子交换膜2平整地夹在两片波纹倾斜方向相反的不锈钢波纹丝网片1中，以这种方式将波纹丝网片和阳离子交换膜逐片叠合起来形成一片丝网一片膜的夹心式结构。
图3是图2相邻三盘盘状催化剂填料的A-A剖视图，紧密相邻两盘催化剂填料的波纹面的排列方向成90°角。
图4是离子交换膜2两表面的汽液流动方向图。a为离子交换膜的后表面的流动方向，b为离子交换膜的前表面的流动方向。向上的箭头代表汽体流向，向下的箭头代表液体流向，两者成逆流流动。
催化剂填料的形状成圆盘状，波纹丝网和离子交换膜的长度沿中心向两侧逐渐减小(高度均相同)，逐片叠合成圆盘后用平整的不锈钢丝网或离子交换膜缠绕再捆扎即成。
催化剂填料波纹的齿形角为60°至90°之间，波峰的高度在3至5毫米之间变化。内径较小的精馏塔可选择较小的波峰高度。
本填料结构中所采用的催化剂为均相强酸性阳离子交换活性膜，活性膜的制作方法采用聚合物膜浸吸单体法制备，单体选用苯乙烯，并以二乙烯基苯为交联剂，过氧化苯甲酰为引发剂，在一定的温度和时间下在浸吸槽中制备底膜，底膜再通过二氯乙烷溶剂溶涨、硫酸磺化、水洗等过程即得均相磺酸阳膜。
本催化剂填料中制备均相强酸性阳离子交换膜所选用的高聚物膜可为致密膜，也可为微孔膜。选择微孔膜的优点是膜的表面积大，浸吸单体快而均匀，制备的活性膜性能好、强度高而酸含量大。高聚物膜可为高压聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯-聚丙烯共聚物或聚氯乙烯等。
所制备的活性膜，其湿态厚度一般为0.3-0.5mm为宜，酸交换当量一般可达1.6-3.4毫克当量/克干膜。
本催化剂填料中波纹丝网的波纹方向与塔轴之倾角一般取0°-45°，波峰的高度取3-5毫米。当催化剂填料的直径较大时，波峰高度可选择较大的数值，此时波纹的倾角一般也选择较大的数值。当精馏塔径很小时，为提高催化剂的装填量，波峰高度要适当降低，考虑到传质阻力的问题，此时波纹的倾角可选择较小一些。
本实用新型所采用的结构由于膜的阻挡作用和波纹的导流作用使液体均匀地沿波纹的方向在膜的表面流动，提高了液体在膜表面的停留时间使膜的表面最大限度得以利用，并且液体在沿膜表面流动时与上升的汽流稳定地逆向相接触，返混较小，传质效果较好。
本填料结构由于采用统一的波纹丝网将催化剂隔开，使催化剂在空间分布十分均匀。且通过调节波峰的高度可方便地调节填料的空隙率，一般可达较高的空隙率(70-85％)满足精馏分离的要求。催化剂活性膜的装填量则为催化剂填料的10-20％左右。
本填料结构由于采用波纹丝网作为催化剂的支撑材料，具有良好的弹性，活性膜催化剂在水中溶涨时会沿其表面的垂直方向伸展，基本不会造成整块填料尺寸的增大。且由于活性膜在使用时保持固定不动，减小了催化剂的磨损与破碎，可以提高催化剂的使用寿命。
本填料结构由于活性点在膜的表面，液体反应物无需通过长距离扩散即可在膜表面发生化学反应，反应结束同时由于直接和汽相接触即可完成精馏分离，因此本填料结构可以最大限度地使精馏和反应同时进行，传递阻力较小，可以很好地发挥催化精馏的优越性。
实施例催化剂填料结构催化剂填料内容参数波纹丝网目数 40波纹峰高mm3.0波纹方向与塔轴倾角0°盘高mm45盘径mm34离子交换膜厚度mm 0.3离子交换膜酸含量mmol/g干膜1.8离子交换膜装填量 13％填料空隙率70-75％填料等板高度mm90-120实施例1在内径为34mm的催化精馏塔内装填18盘该种类型催化剂填料(高810mm)。醋酸甲酯含量为76％(wt)的甲醇溶液以80g/h从催化剂填料底部加入，去离子水以100g/h从填料顶部加入，测得醋酸甲酯的水解转化率在98-99％之间变化。而不采用催化精馏塔操作，在固定床液固反应器内理论上最高的水解转化率在41％左右。
实施例2采用同样的催化精馏设备和催化剂填料，将纯的醋酸甲酯以80g/h从催化剂填料底部加入，去离子水以110g/h从填料顶部加入，测得醋酸甲酯的水解转化率在92-93％之间变化。而不采用催化精馏塔操作，在固定床液固反应器内理论上最高的水解转化率在53％左右。
由以上数据可以看出，采用本填料结构在催化剂装填量不大的情况下完全可以打破可逆反应平衡的限制获得很高的水解转化率，体现了催化精馏技术的优越性。
权利要求1.一种强酸性催化剂填料，其特征在于是由数片不锈钢波纹丝网和数片均相强酸性阳离子交换活性膜逐片交替紧密叠合而成，其中丝网片波纹的方向与催化精馏塔轴线成一定的倾角，相邻两丝网片的波纹倾斜方向相反，整盘催化剂填料与催化精馏塔内径一致制成圆盘状。
2.根据权利要求1所述的强酸性催化剂填料，其特征在于丝网片波纹的方向与催化精馏塔轴线的倾角为0～45°。
3.根据权利要求1所述的强酸性催化剂填料，其特征在于不锈钢波纹丝网的目数为40～100目。
4.根据权利要求1所述的强酸性催化剂填料，其特征在于每盘催化剂填料的高度为小于100mm。
5.根据权利要求1所述的强酸性催化剂填料，其特征在于阳离子交换活性膜为均相磺酸型，材料为高压聚乙烯或聚丙烯或聚乙烯—聚丙烯共聚物或聚氯乙烯膜。
6.根据权利要求1所述的强酸性催化剂填料，其特征在于阳离子交换活性膜为高聚物致密膜或高聚物微孔膜。
7.根据权利要求1所述的强酸性催化剂填料，其特征在于每盘催化剂填料的空隙率可达70～85％。
8.根据权利要求1所述的强酸性催化剂填料，其特征在于每盘催化剂填料中活性膜所占的体积百分比为10～20％。
专利摘要本实用新型公开了一种强酸性催化剂填料，是由数片不锈钢波纹丝网和数片均相强酸性阳离子交换活性膜逐片交替紧密叠合而成，其中丝网片波纹的方向与催化精馏塔轴线成一定的倾角，相邻两丝网片的波纹倾斜方向相反，整盘催化剂填料与催化精馏塔内径一致制成圆盘状。本实用新型提供一种使催化和精馏两方面综合性能良好的强酸性催化剂填料，适用于工业生产中以强酸作为催化剂的反应系统且同时需要靠精馏的作用在反应时将反应物与产物分开的耦合过程。反应发生在阳离子交换膜的活性表面，而汽液分离则发生在离子交换膜表面和不锈钢波纹丝网的金属表面。由于反应物不需要经过长距离扩散，可以实现良好的反应效果，由于提供的汽液接触面较多，精馏的效率也可以达到最佳。
文档编号B01J35/00GK2614079SQ0323010
公开日2004年5月5日 申请日期2003年4月3日 优先权日2003年4月3日
发明者王成习 申请人:浙江大学