專利名稱：板式反應精餾塔內導流槽狀催化劑規整填裝組件的制作方法
技術領域：
本發明專利涉及一種用于板式催化反應精餾塔中的新型導流槽狀催化劑規整填裝 組件。
背景技術：
催化精餾是將催化反應和精餾分離集于同一設備中進行的化工操作過程，與傳統工 藝相比，具有邊反應邊分離、打破化學平衡的限制、提高轉化率、節約能耗等顯著的優 點，因此這一領域的研究一直頗受重視。上世紀八十年代，國外公司成功地將催化精餾 技術應用在甲基叔丁基醚(MTBE)的大規模工業化生產上。近年來，反應精餾由均相反 應發展至非均相反應，并在醚化、烷基化、酯化、脫水和水解等化工工藝過程中有著廣 泛的應用前景。非均相反應中使用的固體催化劑既可以加速蒸餾塔內的反應，同時又可 以為氣液兩相傳質提供表面，其作用類似于填料，因此能大大提高精餾分離的效率。催 化劑裝填方式則直接影響塔內床層的催化劑效率和氣液傳質效率。由于催化劑的粒度一 般很小(離子交換樹脂的粒度在0.3 3.0mm，分子篩的粒度在5mm以下)，并且，受強 度的限制，催化劑尚難以制成任意形狀和尺寸，因此反應段催化劑床層必須以特殊方式 裝填。目前，催化劑的裝填方式已經成為催化精餾技術研究的核心課題之一。美國專利US4471154將催化劑顆粒直接堆放在塔板上，床層空隙率很小，壓降大， 易造成催化劑的機械損傷；US4242530則是將催化劑裝入玻璃纖維制成的小袋中，用不 銹鋼波紋絲網覆蓋，再巻成圓柱體，形成捆扎包，但由于催化劑被一層玻璃布包著，且 緊密纏繞成圓柱狀，因此催化精餾過程中催化劑包內的傳質效率很低，反應產物不易從 催化劑包中擴散出來，催化效率不高；美國Koch公司推出的一種稱為Katamax的新型催 化劑填充方式，是將催化劑裝入兩片波紋絲網構成的夾層中，然后捆成磚狀再裝入塔中， 其傳質過程和常規的規整填料一樣，但主要應用于填料塔中，且加工成本較高，催化劑 更換較難，特別是當其中的某一部分損壞時就要更換整塊填料，操作不夠靈活。此外， 也有將催化劑裝填在降液管底部的報道，由于降液管底部空間有限，裝填量很小，催化 劑在塔板液流方向上的分布也極不均勻，且影響液流，故實用性很差。總之，現有的催化劑裝填技術，大都無法同時滿足以下三個條件①足夠的用于氣液兩相流動的通道；②良好的傳質性能，反應物可以傳遞到催化劑內部的活性中心進行 反應，同時產物可以從中傳遞出來；③便于制作加工，便于催化劑的裝填和更換。正因 為如此，現有的催化劑裝填技術尚難以應用于大規模的工業生產。到目前為止，也沒有 比較完善的催化劑裝填技術出現，特別是在板式塔上規整地分布和裝填固體催化劑的技 術更是難以見諸報道。本發明的目的即在于開發板式反應精餾塔上催化劑規整裝填的集 成技術。發明內容為了解決現有的催化劑裝填方式中的諸多不足，本發明推出了一款可用于板式塔內 反應精餾的導流槽狀催化劑規整填裝組件。該組件采用插片式蜂箱結構，不僅提供了較 大的床層空隙率，較好地改善了催化劑效率和氣液傳質效率，而且滿足加工方便、拆卸 容易的要求。本發明的技術方案如下一種板式反應精餾塔內導流槽狀催化劑規整填裝組件，它是安裝在板式反應精餾塔 反應段的塔板上的組件，它有一個金屬桿(棒)構成的支撐框架，支撐框架的水平面的 形狀與塔板的氣液傳質區形狀(即塔的圓截面扣除降液管和溢流區后剩余的部分)相匹配，支撐框架高40-160mm (即與該塔板在運行時的液面高度相適應)，支撐框架的底面 下有固定腿，固定腿的高度與該塔板上的泡罩或浮閥運行時的高度相匹配，支撐框架的 頂面跨相對的兩根金屬桿和底面跨相對的兩根金屬桿分別沿著塔板上的液流方向，以類 似于地球儀的經線排布方式，均勻地焊接多組金屬片，每組金屬片由兩條金屬片組成， 金屬片寬5-15mm，金屬片直立焊接，每組內兩條金屬片的平均間距為x， x的大小與催 化劑插片的厚度相適應，約10-30mm，相鄰兩組金屬片的距離為y， y的距離用以導流 塔板上的液相和氣相的流道， 一般為x的l-4倍，頂面焊接的金屬片與底面焊接的金屬 片上下對稱，形成催化劑插片卡槽。所述的催化劑插片是多個由金屬絲網構成的橫截面 為菱形的四棱柱體、橫截面為梭子形的六棱柱體或橫截面為橢圓形的橢圓柱體頭尾相連 的內裝催化劑的催化劑插片，第一個柱體的頭部和最后一個柱體的尾部、以及每隔2-4 個柱體都有兩條長于柱體高度的金屬壓條和墊片條從金屬絲網兩側通過螺釘將絲網夾 緊，墊片條的厚度是使兩金屬壓條加兩墊片條的厚度相當于催化劑插片的厚度，金屬壓 條上下兩端伸出柱體的部分可以在催化劑插片插入支撐框架的催化劑插片卡槽、裝配時 向外彎成U形掛鉤，掛扣在頂面和底面的金屬片上，以固定金屬絲網柱體，形成板式反應精餾塔內導流槽狀催化劑規整填裝組件。上述的板式反應精餾塔內導流槽狀催化劑規整填裝組件，所述的支撐框架的底面可 以有平行于溢流堰方向的加強筋。上述的板式反應精餾塔內導流槽狀催化劑規整填裝組件，所述的支撐框架可以有垂 直的加強筋。上述的板式反應精餾塔內導流槽狀催化劑規整填裝組件，所述的支撐框架可以有 4-8個固定腿。上述的板式反應精餾塔內導流槽狀催化劑規整填裝組件，所述的固定腿下端可以有 螺紋，通過螺帽固定在塔板上。因為催化劑粒徑一般在0.3~3.0mm，上述的板式反應精餾塔內導流槽狀催化劑規整 填裝組件，所述的金屬絲網是20-100目的金屬絲網，優選的是40-80目的金屬絲網。上述的板式反應精餾塔內導流槽狀催化劑規整填裝組件，所述的催化劑插片最厚處 的厚度為8-25mm，優選的為10-20mm，可以提供充足的氣液接觸表面，使反應物和生成 物不需要長距離的擴散就可以從催化劑中自由出入，保證了內部催化劑的充分利用。上述的板式反應精餾塔內導流槽狀催化劑規整填裝組件，所述的催化劑插片中，？顯 催化劑的填裝量為整個催化劑插片內空間的50-100%。上述的板式反應精餾塔內導流槽狀催化劑規整填裝組件，對于塔徑小于1000mm的 塔，采用整體式結構；塔徑大于800mm時，可采用分立式組裝結構，即將組件的結構 在垂直方向縱橫劃分為4塊或4塊以上，每塊單獨制作后，再組合安裝在塔板上，塔徑 越大，劃分的塊數越多，每塊的邊長控制在800mm以下以減輕對組件支撐框架的強度 要求。本發明的有益效果是采用了較薄的四菱柱(或六角柱、橢圓柱、長方體等形狀) 為結構單元的催化劑袋形插片，保證了在液流方向上的整個流道中都布滿催化劑,有效提 高了催化效率及傳質效率；采用了導流槽式整體規整布局，為塔板流體提供了均勻的流 道，維持了塔板流體平穩的流動狀況，改善了普通板式塔中流體在塔板近壁處停滯嚴重 的問題，提高了分離效率；采用了插片式蜂箱結構，安裝簡便，操作靈活；采用上懸空 的支撐結構，保證了氣相上升的暢通，不至引入過高的板壓降。因此，這種構件既能解 決反應精餾中催化劑效率較低的問題，又能提高板式塔的分離效率，且結構簡單，便于 加工制作、安裝維護，具有大規模工業應用的前景。
圖l是棱柱形催化劑插片單元的軸側圖l.為金屬絲網片，2.為金屬壓條，3.為墊片 條，4.為螺孔。圖2為幾種形狀的催化劑插片單元的橫截面圖圖2(1)、圖2(2)、圖2(3)分別為橢圓 柱形、六棱柱形、四棱柱形柱體的橫截面圖。a為柱體橫截面的寬度，即催化劑插片的 寬度，6為金屬壓條的寬度，c為柱體橫截面的長度。其中箭頭所指為液流方向。圖3是支撐框架圖6.催化劑插片卡槽，7.流道，8.固定腿，9.加強筋，/ 為支撐框 架總高度，/z/為支撐框架頂面與底面的間距，即催化劑插片的高度，^為固定腿的高度。 x為催化劑插片空間的間距，y為流道寬度。圖4是催化劑插片與支撐框架的裝配圖，其中箭頭所指為塔板上的液流方向。圖5是催化劑絲網在裝載封口前的折疊圖。圖6是催化劑插片金屬壓條的加載圖2為金屬壓條，3為墊片條，4為螺孔，5為彎 曲成的U形掛鉤。其中6a為催化劑插片的俯視圖；6b為金屬壓條與墊片條；6c為6b的金 屬壓條伸出部分被彎曲成U形。圖7是組件固定在塔板上之后，塔的圓截面的俯視圖6.卡槽，7.流道，9.加強筋， IO.降液管投影區，ll.塔板上氣液傳質區域，12.溢流區，13.塔板，14.固定腿的焊接點。 其中箭頭所指為液流方向。
具體實施方式
實施例l.板式反應精餾塔內導流槽狀催化劑規整填裝組件示例 一種板式反應精餾塔內導流槽狀催化劑規整填裝組件，它是安裝在板式反應精餾塔 反應段的塔板上的組件，它有一個直徑為5mm不銹鋼桿構成的支撐框架，支撐框架的水 平面的形狀為兩對邊為直線，其距離為210ran，另一組兩對邊為弧線的，其中心距離為 300mm，與塔板的氣液傳質區形狀相匹配，如圖3所示，支撐框架高120mm，其中催化 劑插片槽的高度為95mm (即與該塔板在運行時的液面高度相適應)，支撐框架的底面 下有固定腿8，固定腿8高25mm,其高度與該塔板上的泡罩或浮閥運行時的高度相匹配， 支撐框架的頂面跨相對的兩根直金屬桿和底面跨相對的兩根直金屬桿分別沿著塔板上 的液流方向，以類似于地球儀的經線排布方式，均勻地焊接多組金屬片，每組金屬片由 兩條金屬片組成，金屬片寬8mm，金屬片直立焊接，每組內兩條金屬片的平均間距為x，x的大小與催化劑插片的厚度相適應，約17mm，相鄰兩組金屬片的距離為y， y的距離 用以導流塔板上的液相和氣相的流道7， 一般為x的l-4倍，頂面焊接的金屬片與底面 焊接的金屬片上下對稱，形成催化劑插片卡槽6，催化劑插片是多個由60目的不銹鋼絲 網1構成的橫截面為菱形的四棱柱體，如圖2(3)，柱體以對角線頭尾相連，內裝催化 劑，催化劑插片的菱形四棱體的寬度a為15mm，菱形的長對角線c長45mm，第一個 柱體的頭部和最后一個柱體的尾部、以及每隔2個柱體都有兩條長130mm的金屬壓條 2和墊片條3從金屬絲網兩側通過螺釘將絲網夾緊，兩金屬壓條加上兩墊片條和兩片絲 網的總厚度為15mm，金屬壓條2上下兩端伸出柱體的部分可以在催化劑插片插入支撐 框架的催化劑插片卡槽6、裝配時向外彎成U形掛鉤，掛扣在頂面和底面的金屬片上， 以固定金屬絲網柱體，形成板式反應精餾塔內導流槽狀催化劑規整填裝組件。支撐框架 的底面有三根平行于溢流堰方向的加強筋，在頂面和底面的兩弧線的中點有加強筋，加 強筋下延伸出固定腿8，因此共有六條固定腿8。催化劑插片的加工方法如下先將整塊不銹鋼絲網沿長度方向折疊成鋸齒狀，如圖5，取兩塊折好的絲網片l，用 不銹鋼絲在最窄處沿折線縫合起來，形成一排鄰接的上、下端開口的四棱柱，構成催化 劑插片。催化劑插片的上、下兩個底面再用另兩片長條狀、和插片最寬處等寬度的絲網 片縫合，作為底和蓋；每隔2 5個單元留一段距離b約5-10mm，從兩側各加墊片3、不銹 鋼金屬壓條2，如圖6所示，金屬壓條2上開2個孔，用2個螺絲固定，金屬壓條2上下兩端 都要比絲網高度/2/長出10-20mm，長出的部分在裝配時折疊成U形掛鉤5，掛扣在支撐架 上，起到固定和補強作用。實施例2:酯化反應生產醋酸丁酯一座年產高純度醋酸丁酯100噸的反應精餾塔，其內徑為300mm，塔高6.5m。上部 精餾段和下部提餾段的高度均為2.0m，分別裝入工業常規規整波紋填料。中部催化反應 段高度為2.5m，有10塊篩孔塔板，板間距為250mm，溢流堰高35mm，塔板上安裝導流 槽狀催化劑規整填裝組件。催化劑插片的填裝單元采用橢圓柱體，長軸48mm，短軸 16mm，插片高度為110mm，底部距塔板高度為20mm;卡槽寬度為18mm，平均流道寬 度為26mm。催化劑采用平均粒徑為0.5 1.0mm的強酸性離子樹脂，絲網為60目不銹鋼 材質。濕催化劑的填裝體積占整個插片空間的80%。原料醋酸和正丁醇按l:l.l的比例加入配料槽，混合均勻，經流量計連續進入預熱器， 從反應精餾段頂部進入反應精餾塔系統。在反應精餾塔內，由于塔板上方的自由空間有所減少，清液層高度比普通精餾塔高出約5%，板上液體流速加快，塔板壓降增大約8%， 氣液傳質充分。大部分催化劑組件被浸沒在清液層和泡沫層中，在劇烈的氣液接觸中充 分的發揮催化作用。插片單元內部的催化劑在氣液帶動下有一定的運動能力和空間，使 所有催化劑都能發生作用。呈弧形導流槽狀排布的催化劑插片，使得液流在塔板上的流 動更加通暢和有序；同時，在普通精餾塔中存在的、塔板兩側扇形區內的流體滯留現象， 幾乎不復存在，大大提高了塔板的分離效率。酯化反應生成的水以三元共沸物(水-正丁醇-醋酸丁酯)的形式蒸發進入塔頂，使 得反應段幾乎不受化學的平衡限制。未反應的原料進入提餾段后，重新被汽化而進入反 應段進行反應，使得醋酸在塔底的濃度不斷降低，產品在塔底的濃度不斷提高。反應的 同時進行分離，及時的從產物中分離水，打破化學平衡的限制，最終從塔底得到濃度96% 以上的粗酯。本實施例與現有先催化反應后精餾分離的傳統工藝相比，醋酸的一次轉化率由68% 提高到90%以上，轉化率提高20%以上，大大提高了生產效率，實現了在反應精餾塔內 催化反應和精餾分離的一體化。在經濟效益方面，單塔能耗降低30%以上，設備投資減 少40%左右，生產能力提高了1.5倍，醋酸丁酯的綜合單位生產成本下降了 25%。實施例3:酯交換反應生產生物柴油一座年產脂肪酸甲酯80噸的反應精餾模擬塔，其內徑為250mm，塔高6.0m。上部精 餾段和下部提餾段的高度均為1.5m，分別裝入工業常規填料鮑爾環。中部催化反應段高 度為3.0m，有12塊篩孔塔板，板間距250mm，溢流堰高40mm，塔板上安裝導流槽狀催 化劑規整填裝組件。催化劑插片的填裝單元釆用四棱柱體，寬a為13mm，長c為30mm， 插片高度h,為120mm，固定腿高度為18mm;卡槽寬度為15mm，流道寬度25mm。催化 劑采用平均粒徑約為1.0mm的負載型強堿性氧化鋯(Zr02)分子篩，絲網為40目不銹鋼 材質。濕催化劑的填裝體積占整個插片空間的85%。原料甲醇通過加熱器汽化后，從催化反應段底部進入塔內；原料大豆油(配制成70% 的甲醇溶液)經加熱器加熱后從催化劑反應段頂部進入塔內。汽液兩相進入塔內反應段 后，在規整填裝的催化劑作用下邊反應邊精餾，兩者相互促進，大大提高了反應和分離 的效率，最終在塔頂餾出的粗脂肪酸甲酯產品含量為89%左右。本實施例與現有兩步法 (先反應后分離)相比，具有產品稍加提純即可使用，年產量大，設備相對簡單，設備 投資額遠遠小于"兩步法"等優點。可實現大豆油的一次轉化率達到90%以上，極大地提高了原料的利用率；生產時間僅相當于兩步法的50%左右，大大提高了生產效率。且由 于系統的反應和分離在一個塔內進行，連續化操作，裝置的生產能力提高一倍以上，節 約能耗30%以上。
權利要求
1.一種板式反應精餾塔內導流槽狀催化劑規整填裝組件，它是安裝在板式反應精餾塔反應段的塔板上的組件，其特征是它有一個金屬桿構成的支撐框架，支撐框架的水平面的形狀與塔板的氣液傳質區形狀相匹配，支撐框架高40-160mm，支撐框架的底面下有固定腿(8)，固定腿(8)的高度與該塔板上的泡罩或浮閥運行時的高度相匹配，支撐框架的頂面跨相對的兩根金屬桿和底面跨相對的兩根金屬桿分別沿著塔板上的液流方向，以類似于地球儀的經線排布方式，均勻地焊接多組金屬片，每組金屬片由兩條金屬片組成，金屬片寬5-15mm，金屬片直立焊接，每組內兩條金屬片的平均間距為x，x的大小與催化劑插片的厚度相適應，約10-30mm，相鄰兩組金屬片的距離為y，y的距離用以導流塔板上的液相和氣相的流道，一般為x的1-4倍，頂面焊接的金屬片與底面焊接的金屬片上下對稱，形成催化劑插片卡槽(6)，所述的催化劑插片是多個由金屬絲網構成的橫截面為菱形的四棱柱體、橫截面為梭子形的六棱柱體或橫截面為橢圓形的橢圓柱體頭尾相連的內裝催化劑的催化劑插片，第一個柱體的頭部和最后一個柱體的尾部、以及每隔2-4個柱體都有兩條長于柱體高度的金屬壓條(2)和墊片條(3)從金屬絲網兩側通過螺釘將絲網夾緊，墊片條(3)的厚度是使兩金屬壓條加兩墊片條和兩片絲網的厚度相當于催化劑插片的厚度，金屬壓條(3)上下兩端伸出柱體的部分可以在催化劑插片插入支撐框架的催化劑插片卡槽(6)、裝配時向外彎成U形掛鉤，掛扣在頂面和底面的金屬片上，以固定金屬絲網柱體，形成板式反應精餾塔內導流槽狀催化劑規整填裝組件。
2. 根據權利要求1所述的板式反應精餾塔內導流槽狀催化劑規整填裝組件，其特征 是所述的支撐框架的底面有平行于溢流堰方向的加強筋(9)。
3. 根據權利要求1所述的板式反應精餾塔內導流槽狀催化劑規整填裝組件，其特征 是所述的支撐框架有垂直的加強筋(9)。
4. 根據權利要求1所述的板式反應精餾塔內導流槽狀催化劑規整填裝組件，其特征 是所述的支撐框架有4-8個固定腿(8)。
5. 根據權利要求1所述的板式反應精餾塔內導流槽狀催化劑規整填裝組件，其特征是所述的固定腿(8)下端有螺紋，通過螺帽固定在塔板上。
6. 根據權利要求1所述的板式反應精餾塔內導流槽狀催化劑規整填裝組件，其特征是所述的金屬絲網是20-100目的金屬絲網。
7. 根據權利要求1所述的板式反應精餾塔內導流槽狀催化劑規整填裝組件，其特征 是所述的催化劑插片最厚處的厚度為8-25mm，
8. 根據權利要求1所述的板式反應精餾塔內導流槽狀催化劑規整填裝組件，其特征 是所述的催化劑插片中，濕催化劑的填裝量為整個催化劑插片內空間的50-100%。
9. 根據權利要求1所述的板式反應精餾塔內導流槽狀催化劑規整填裝組件，其特征 是對于塔徑小于1000mm的塔，釆用整體式結構；塔徑大于800mm時，可采用分立 式組裝結構，即將組件的結構在垂直方向縱橫劃分為4塊或4塊以上，每塊單獨制作后， 再組合安裝在塔板上，塔徑越大，劃分的塊數越多，每塊的邊長控制在800mm以下， 以減輕對組件支撐框架的強度要求。
全文摘要
一種板式反應精餾塔內導流槽狀催化劑規整填裝組件，它有支撐框架，底面下有固定腿，支撐框架的頂面和底面分別沿著塔板上的液流方向均勻地焊接多組金屬片，形成催化劑插片卡槽，相鄰兩組金屬片的距離為導流塔板上的液相和氣相的流道，催化劑插片是多個由金屬絲網構成的橫截面為菱形的四棱柱體、橫截面為梭子形的六棱柱體或橫截面為橢圓形的橢圓柱體頭尾相連的內裝催化劑的催化劑插片，有金屬壓條和墊片條從金屬絲網兩側通過螺釘將絲網夾緊，掛扣在頂面和底面的金屬片上，以固定插片，形成板式反應精餾塔內導流槽狀催化劑規整填裝組件。本組件既解決反應精餾中催化劑效率低的問題，又提高板式塔的分離效率，且結構簡單，便于加工制作、安裝維護。
文檔編號B01D3/14GK101274146SQ20071019189
公開日2008年10月1日 申請日期2007年12月24日 優先權日2007年12月24日
發明者吳有庭, 政 周, 宋萬通, 張志炳, 雍學峰 申請人:南京大學