CN101745245B - 一种多级逆流式旋转床反应精馏装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多级逆流式旋转床反应精馏装置及其应用，该装置包括密闭的壳体，壳体中心设有一贯通各壳体段的转轴，转轴上串联装有两个以上转子，壳体上端面上设有进料口、回流液入口和气相出口，壳体下端设有釜液出口和气相入口，转子包括与转轴固定连接的旋转盘、与壳体固定连接的静止盘，旋转盘上沿径向间隔设有一组同心且直径各异的动填料环，各动填料环之间的环形间隙内有固定于静止盘上的静环；动填料环中填料包括催化剂填料或丝网填料，进料口位于与原料液喷头位置相对应的壳体上盖上；下层转子最内层动填料环内缘设有旋转布液器。本发明催化剂既起到催化反应的作用又增大相间传质面积；本发明提高了反应精馏过程的传质效率和分离效率。

Description

一种多级逆流式旋转床反应精馏装置及其应用

技术领域

本发明涉及一种气液接触设备，具体涉及一种多级逆流式旋转床反应精馏装置及其应用，可广泛应用于化工、石油化工、制药、轻工等行业的吸收、精馏、化学反应精馏、提纯和纳米材料制备等场合。

背景技术

反应精馏过程是将化学反应和精馏过程耦合起来在同一个设备内进行的一种化工操作过程，在化学工业领域中的应用也越来越广泛。反应精馏技术与传统的反应和精馏技术相比，具有显著的优点：(1)反应和精馏过程在一个设备内完成，投资少，操作费用低，节能；(2)反应和精馏同时进行，不仅改进了精馏性能，而且借助精馏的分离作用，提高了反应转化率和选择性。通过即时移走反应产物，能克服可逆反应的化学平衡转化率的限制，或提高串联或平行反应的选择性；(3)温度易于控制，避免出现“热点”问题；(4)缩短反应时间，提高生产能力。但由于反应精馏中伴有化学反应，分离和反应强烈的交互作用，使得该过程工程设计变得繁杂，影响因素很多，且现阶段所研究的反应精馏技术大多借鉴传统塔器形式，受常规重力场的限制，传质效率难以大幅度提高，使得反应精馏技术的应用有所限制。对反应精馏技术进行更深入的研究，开发以反应精馏技术为基础的新工艺，代替国内许多落后的生产工艺，开发具有自主知识产权的塔结构和催化剂构件已成为反应精馏技术发展的重要内容。

超重力技术是强化传递和多相反应过程的一项突破性技术。利用超重力环境下高度强化的传质过程和均匀的微观混合过程特性，可以将高达几十米的化工塔器设备用高不及两米的超重力机代替，因此超重力旋转床被誉为“化学工业的晶体管”。超重力旋转床克服了传统塔器设备的弊端，在比地球重力场大数百倍至数千倍的离心力作用下，液相在填料表面以液滴、液膜、液丝的形式速向外环流动，载体湿润面积增加，液体混合均匀，相界面积增加并快速更新使得相间传质速率比传统的塔器的提高1～3个数量级，导致了由液相控制的传质、传热和反应过程得到极大的强化，传质单元高度降低了1-2个数量级，并且显示出许多传统设备完全不具备的优点。

发明内容

本发明提出了一种将催化剂作为旋转床填料的多级逆流式旋转床反应精馏装置及其应用，催化剂作为旋转床填料既可起到催化反应的作用，又可增大相间传质面积；本发明的目的在于将超重力技术优势与反应精馏技术有机的结合，从而大幅度提高了反应精馏过程的传质效率和分离效率。

本发明采用的技术方案：

一种多级逆流式旋转床反应精馏装置，该旋转床反应精馏装置包括密闭的壳体，壳体中心设有一贯通各壳体段的转轴，所述转轴上串联装有两个以上转子，壳体上端面上设有进料口、回流液入口和气相出口，壳体下端设有釜液出口和气相入口，所述壳体沿轴向由上壳体段、下壳体段构成，所述转子包括与转轴固定连接的旋转盘，静止盘与壳体固定连接，旋转盘上沿径向间隔设有一组同心且直径各异的动填料环，动填料环壁为开孔结构，各动填料环之间的环形间隙内有固定于静止盘上的静环，静环为环壁开孔结构；所述动填料环中装有的填料包括一种催化剂填料和丝网填料，催化剂填料装于上层转子外圈及下层转子内圈的动填料环中，其他动填料环装以丝网填料，将整个转子结构等同于精馏段、反应精馏段和提馏段；所述上层转子催化剂填料环与丝网填料环间设有原料液喷头，最内层动填料环内缘设有回流液喷头；所述下层转子最内层动填料环内缘设有旋转布液器。

进一步，所述转轴上串联装有上下两个转子，分别位于上、下壳体段中。

进一步，所述转子为两个时，催化剂填料装于上层转子外圈及下层转子内圈的动填料环中，其他动填料环装以金属丝网填料，所述转子为两个以上时，催化剂填料装于中间的动填料环，金属丝网填料装于首末两端动填料环中。

进一步，所述催化剂填料为固体酸催化剂装于多孔介质材料做成的网袋中组成催化剂构件。

进一步，所述多孔介质有玻璃纤维、聚酯或尼龙丝、聚四氟乙烯编织物、棉花以及铝、铜、不锈钢等材料的丝网。

进一步，所述壳体上端面设有的进料口位于上层转子的催化剂填料环和丝网填料环之间，与所述的原料液喷头位置相对应。

进一步，所述动填料环中的金属丝网填料孔隙率一般在50％-99％，优选为90％-98％。所述静环环壁的开孔率一般在40％-95％。优选为60％-65％。

本发明的有益效果是：1、旋转床转子的气液接触原件是多组同心且直径各异、环壁为开孔结构的动填料环和静环，使得气液介质通过转子时增大了气相流通面积同时减小了气相流通阻力，液体不易产生液泛，实现了气液相通量的增大和气液介质的多级逆流接触；2、动填料圈中的填料分别采用催化剂填料和丝网填料，实现了超重力技术与反应精馏技术的结合，将旋转床转子结构的丝网填料环、催化剂填料环、丝网填料环对应于传统精馏塔的精馏段、反应精馏段、提馏段，旋转床代替了反应精馏塔，由此解决了传统塔器设备的弊端，使原料在高分散、强混合及界面快速更新的环境下以气-液、气-气的形式充分接触，极大的强化了反应过程和传质分离过程；3、催化剂填料和丝网填料的使用同时提高了反应接触面积，延长气液在转子内的反应时间，提高反应速度和传质效率；4、旋转布液器的使用，实现了对来自于集液盘的液体的均匀分布。

把本发明提供的多级逆流式旋转床反应精馏装置与分水器、再沸器、冷凝器联合起来组成旋转床反应精馏系统，就实现了超重力技术与反应精馏技术的有机结合，实现了超重力反应精馏过程；以反应精馏合成乙酸正丁酯作为一个应用体系进行研究，在此过程中，液体经历了数次反复的运动、粉碎过程，不但增加了传热、传质和反应接触面积，而且提高了催化剂的使用效率，极大的强化了传质和反应过程。整套系统与现有传统反应精馏塔器设备相比具有催化剂利用率高、传质效率大、原料转化率高，设备结构紧凑、体积小等特点。

附图说明

图1是多级逆流式旋转床反应精馏装置结构示意图；

图2圆筒型旋转布液器结构示意图；图3是图2的俯视图；

图4是旋转床反应精馏过程的系统流程图；

图中：1-转轴，2-轴封，3-底板，4-釜液出口，5-下壳体段，6-原料液喷头，7-进料口，8-回流液进口，9-气相出口，10-回流液喷头，11-动填料环上盖，12-催化剂填料，13-壳体上盖，14-上转子的静环，15-上壳体段，16-上转子、20-下转子，17-金属丝网填料，18-气相进口，19-下转子的静环，21-动填料环，22-旋转布液器，23-多级逆流式旋转床，24-再沸器，25-原料液流量计，26-原料罐，27-回流液流量计，28-原料泵，29-回流泵，30-分水器，31-冷凝器，32-开孔圆筒，33-斜槽。

具体实施方式

本发明的多级逆流旋转床反应精馏装置结构如图1所示，包括密闭的壳体，由壳体上盖13、上壳体段15、下壳体段5及底板3构成，壳体中部设有贯通上、下壳体段的转轴1，转轴与底板之间设有轴封2。转轴上串联装有两个以上转子，如图1所示串联装有两个转子16、20，分别位于上、下壳体段中，各转子沿径向间隔设置有一组同心且直径各异的动填料环21，动填料环壁均布开有通孔，动填料环装有填料，其中上层转子外两圈和下层转子内三圈装有催化剂填料12，上层转子内三圈和下层转子外一圈装有金属丝网填料17，各动填料环间隙内布有与壳体固定连接的静环，静环上均布开有通孔，其中下转子的静环19固定于下壳体段的顶部隔板上，上转子的静环14固定于壳体上盖13上。下转子最内层动填料环内缘设有旋转布液器22。壳体上盖上设有回流液进口8和回流液喷头10，上盖中部设有气相出口9，上壳体段上盖13相对于上层转子第二圈和第三层动填料环之间的位置设有原料液喷头4，壳体上盖表面相对于原料液喷头的位置设有进料口7，下壳体上设有釜液出口4和气相进口18。

上述下转子最内层动填料环内缘设置的旋转布液器用于液体均匀分布，如图2所示，本发明所述旋转布液器为圆筒型旋转布液器结构，在圆周上开孔圆筒32的内壁面带有斜槽33，斜槽在旋转过程中给流体施加轴向分力，有利于流体的轴向均匀分布。

本发明的反应精馏过程如图4、图1所示：将本发明多级逆流式旋转床反应精馏装置23与再沸器24、原料液流量计25、原料罐26、原料泵28、回流液流量计27、回流泵29分水器30、和冷凝器31组成多级逆流式旋转床反应精馏反应精馏系统。以乙酸、正丁醇为原料，催化反应精馏合成乙酸正丁酯。原料按一定配比混合加入到原料罐26预热到一定温度，通过原料泵28、原料流量计25，从上层转子第二圈与第三圈之间的进料口7进入旋转床23，经原料液喷头6均匀喷洒至上层转子，被转子高速旋转产生的巨大剪切力撕裂成微米至纳米级的液膜、液丝和液滴，同时以很高的径向速度打在各层催化剂填料表面，与催化剂充分接触并发生一次反应，再经过金属丝网填料层和静环完成表面更新和液体再分布，碰到静止的器壁后落下，从位于底部的釜液出口4流到再沸器24中，由再沸器上升的蒸汽主要为酯-醇-水共沸物和一部分乙酸，经气相进口18进入旋转床内，在压力作用下依次经过金属丝网填料层和催化剂层进入内腔，由于转子的高速旋转而与下降的液相充分接触，在催化剂层正丁醇蒸汽与乙酸又一次充分接触发生二次反应，使产物得到进一步精制，乙酸正丁酯-水混合蒸汽经金属丝网填料层继续上升并由中心气相出口9排出到冷凝器31，经冷凝后液体进入分水器30，有机相-水分层；水由分水器分出从而加快反应体系向右进行，有机相则通过回流泵29、回流液流量计27，经回流液进口8流至旋转床内，并由回流液喷头10均匀喷洒到上层转子，依次流经上层各填料层和静环，被上壳体收集，经集液盘后汇入下层转子入口，在旋转布液器22作用下，均匀分布到下层转子填料中，被下壳体收集，经釜液出口4流入再沸器。此过程中，少量的乙酸和丁醇再次被反应，产物得到又一次精制，最终在塔底得到粗酯产品。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但是本发明不限于所列出的实施例。

实施例1：在原料罐中加入酸醇比为1∶1.1的原料30L，其中乙酸量为190mol，预热至105-110℃，开启旋转床反应精馏装置，调节旋转床转速为700r/min，以15L/h混合进料至旋转床，由原料喷头均匀喷洒至上层转子，依次流经上下转子的催化剂层和金属丝网填料层，由釜液出口进入再沸器，实验过程中控制塔顶温度为95℃，以保证酯-醇-水共沸物经旋转床腔体，上升至分水器，控制再沸器温度为115℃左右，以保证再沸器中液体能被蒸发至旋转床内反应完全。过程中两种反应物在转子高速旋转形成的超重力环境下，在催化剂表面的气液、液液接触更彻底，提高了反应物的转化率；再沸器中的蒸汽经塔顶冷凝器冷凝至分水器中分层，以分水器出现回流液作为反应起点，待分水器液位稳定后，有机相以10L/h流量回流至旋转床内，使产物中少量的醇被进一步反应掉，产物得到进一步精制，水相则不断分出，促使反应向产物方向进行，体系以反应不再生成水(分水器水相液位不再上升或变化极小)作为反应终点，最终测得原料中乙酸转化率达到88.5％。

实施例2：如实施例1所述，其他条件保持不变，将旋转床转速变为800r/min，实验测得原料乙酸转化率为89％。

实施例3：如实施例1所述，其他条件保持不变，将旋转床转速变为600r/min，实验测得原料乙酸转化率为85％。

实施例4：如实施例1所述，其他条件保持不变，将旋转床转速变为900r/min，实验测得原料乙酸转化率为84.2％。

Claims (8)

1.一种多级逆流式旋转床反应精馏装置，该旋转床反应精馏装置包括密闭的壳体，壳体中心设有一贯通各壳体段的转轴，所述转轴上串联装有两个以上转子，其特征在于，壳体上端面上设有进料口、回流液入口和气相出口，壳体下端设有釜液出口和气相入口；所述壳体沿轴向由上壳体段、下壳体段构成，所述转子包括与转轴固定连接的旋转盘，静止盘与壳体固定连接，旋转盘上沿径向间隔设有一组同心且直径各异的动填料环，动填料环壁为开孔结构，各动填料环之间的环形间隙内有固定于静止盘上的静环，静环为环壁开孔结构；所述动填料环中装有的填料包括一种催化剂填料或丝网填料，催化剂填料装于上层转子外圈及下层转子内圈的动填料环中，其他动填料环装以丝网填料；所述上层转子催化剂填料环与丝网填料环间设有原料液喷头，最内层动填料环内缘设有回流液喷头；所述下层转子最内层动填料环内缘设有旋转布液器。

2.根据权利要求1所述的旋转床反应精馏装置，其特征在于，所述转轴上串联装有上下两个转子，分别位于上、下壳体段中。

3.根据权利要求1所述的旋转床反应精馏装置，其特征在于，所述催化剂填料为固体酸催化剂装于多孔介质材料做成的网袋中组成催化剂填料。

4.根据权利要求1所述的旋转床反应精馏装置，其特征在于，所述壳体上端面设有的进料口位于上层转子催化剂填料环与丝网填料环间，与所述的原料液喷头位置相对应。

5.根据权利要求1所述的旋转床反应精馏装置，其特征在于，所述动填料环中的金属丝网填料孔隙率在50％-99％。

6.根据权利要求1所述的旋转床反应精馏装置，其特征在于，所述静环环壁的开孔率在40％-95％。

7.根据权利要求1所述的旋转床反应精馏装置，其特征在于，所述旋转布液器是圆筒型旋转布液器结构。

8.根据权利要求1所述的旋转床反应精馏装置的应用，其特征在于，应用于化工、石油化工、制药、轻工行业的吸收、精馏、化学反应精馏、提纯和纳米材料制备。

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