CN104587945A - 一种催化精馏塔塔内规整催化填料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种催化精馏塔塔内规整催化填料及其制备方法，规整催化填料由催化填料单元构成，催化填料单元由组件I、组件II构成；组件I是由绢丝布或尼龙布或涤纶布缝合而成的催化剂布包，组件I与组件II分别交替、反方向倾斜排放，束成筒状，形成本发明的高效催化精馏填料单元。催化剂布包与波纹填料反方向倾斜排放，可延长反应物在催化剂包的停留时间，有利于反应进行，增加催化剂的利用率，减少催化剂用量，通过调节催化剂布包的倾斜角度，可改变催化填料中反应物的反应停留时间。而组件I与组件II交替放置，能增大汽液传质过程，使汽液反复在催化剂与波纹网之间交替流动，促进分离与反应的耦合作用。

Description

一种催化精馏塔塔内规整催化填料及其制备方法

技术领域

本发明属于催化精馏技术领域，具体涉及一种催化精馏塔塔内规整催化填料及其制备方法，还涉及传质与分离过程的优化与强化。

背景技术

催化精馏塔是一种将反应和分离耦合在一起的化工设备，所以塔内反应段填料必须同时具备催化反应功能和汽液两相传质功能。反应物在反应段经催化剂催化反应后，生成的产物及时从反应体系分离出来，打破反应平衡限制，推动反应向正方向进行，显著提高反应转化率。催化精馏塔内反应段填料的结构对反应转化率、分离效果起到至关重要的作用，其要求催化填料在保证汽液两相充分混合接触的同时，还能确保反应物与催化剂之间有反应必要的接触时间及空间，且可人为调控。理论上接触时间与空间较大有利用反应的进行。目前工业生产中固体催化剂大都使用小颗粒状的离子交换树脂、分子筛或固体超强酸，该类型催化剂具有比表面积大、回收再生容易等优点。但固体催化剂颗粒较小，若直接放置在塔盘上，会造成塔内压降大，容易液泛。另外，受固体催化剂自身条件的影响，无法制成规整形状以降低流体在其表面上的流动阻力。因此，如何强化反应段内汽液传质，使催化剂与反应物接触时间及空间可控，降低塔内压降，简便操作等问题已成为新型高效催化填料的研究热点。

美国专利US4215011提出了将催化剂分装入由合成专用布制成的长条形的小布袋中，并用不绣钢波纹丝网裹住，卷成圆柱体。反应过程中，反应物进入布袋与催化剂接触从而使反应发生。这种结构增大了流体的湍动程度，而且为汽液传质提供了场所。但该方法卷曲层与层之间存在较大的缝隙，汽液两相流动时难以避免沟流和短路现象，使催化剂利用率较低。

中国专利CN101024259A和CN102824890A均提出将催化剂捆扎包做成平板状，与规整填料竖直交替放置的方法，但该法中催化剂捆扎包采用平板状，接触面积较小，不利于催化剂与反应物之间的传递，催化剂利用率较低。催化剂与反应物的接触时间通过调整催化剂的量来调节，可控性较低，无法综合催化剂用量与塔压降等因素。专利CN103752253A中将催化剂填料片与规整填料片交替周向分布在填料盘内，该法中波纹填料与催化剂装填区域间隔面积较大，容易造成汽相流径在边缘区域的短路，使汽液相接触不均匀。专利CN103691387A与CN103721666A及以上所述专利中，均为将催化剂捆扎包竖直放置。捆扎包内的催化剂颗粒小，液体流动阻力大。如图1所示，当塔内喷淋下来的液体流经催化剂包表面时，大部分流体在重力的作用下沿布袋的表面向下流动，而实际进入催化剂包内的参与反应的流体则比较少。另外，外表面上的流体会通过径向扩散向包内传质。因为径向扩散的传质推动力较小，包内生成的反应物向外扩散的速率也比较慢，所以整个催化剂包的催化剂利用效率低。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的不足，提出一种应用广泛，成本低廉，制作简单，高效的催化精馏塔塔内规整催化填料及其制备方法。

为了实现本发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种催化精馏塔塔内规整催化填料，由催化填料单元构成，每个催化填料单元由组件I和组件II构成，组件I与组件II交替、反方向倾斜排放并束成筒状而形成催化填料单元；组件I是由绢丝布或尼龙布或涤纶布或其他材质缝合而成的催化剂布包，布包内填充离子交换树脂、分子筛、固体超强酸等固体颗粒催化剂，布包内填充的固体催化剂占布包体积的70%~90%，布包尺寸为长45~100mm，宽9~16mm；组件II为规整波纹填料，可为：板波纹填料，丝网波纹填料、孔板波纹填料、压延孔板波纹填料、蜂窝填料等规整填料。

催化填料单元中，催化剂布包的倾斜角度可综合反应接触时间及塔内压降等因素调节；每个催化填料单元可根据不同塔径加工为相应大小的圆柱体形状的催化填料；每一催化填料单元内组件I与组件II之间交替排放，组件I的水平倾斜角度为45°至60°。

精馏塔内放置多层或多块催化填料单元时，上下两个催化填料单元之间组件I与组件II均交错排列，且倾斜角度相反；或上下两个催化填料单元之间沿催化剂包布置方向相互垂直排列，使汽液两相在塔内交错流动；总体形成在横向和纵向上组件I、组件II均交替、交叉排放的结构。

本发明的有益效果在于：

1．组件I（催化剂布包）与组件II（波纹填料）交替排放，增大汽液传质过程，汽液两相在催化剂布包与波纹网之间交替流动，催化填料的空间利用率高，催化剂用量少；每个催化填料单元内与催化填料单元之间，组件I与组件II交替放置；因为催化剂布包有倾斜角度，当液体沿着催化剂布包表面流动时（流体在催化剂包内外流动的示意图如图2所示），进入催化剂包内的流体L可分为3部分：1是催化剂布包顶部进入的量L₁；2是催化剂包外L’液体通过径向扩散进入包内的量L₂；3是催化剂包外L’液体受重力作用，渗透进入催化剂包内的量L₃；这3部分液体L₁、L₂和L₃构成了催化剂包内的持液量；因此，在同样条件下，本发明的催化剂布包的持液量更大；持液量可通过调整催化剂布包的倾斜角度来实现，使反应物与催化剂的接触时间变长；

2．催化剂布包内反应生成的产物离开催化剂包时也有两种形式：1）通过径向扩散向包外传质；2）在重力作用下向下流动直至移出包外；因为催化剂布包具有一定的倾斜角度，产物移出催化剂包体系所需的路径更短，催化剂包内外物质传质的效率更高，促使反应物与生成物不断被分离，反应进行的更加彻底，因此，催化剂包的催化效率高。

附图说明

图1是现有技术中催化剂布包内的液体流向示意图；

图2是本发明催化剂布包内的液体流向示意图；

图3是本发明催化填料的横截面图；

图4是本发明催化填料的主视图；

图5是本发明催化填料多单元塔内放置的纵截面图；

图中标号说明：

1—规整波纹网填料（组件II）；2—催化剂颗粒；3—填料紧箍片；

4—催化剂捆扎布包（组件I）。

具体实施方式

本发明用下列实施例来进一步说明本发明，但本发明的保护范围并不限于下列实施例。

实施例1

选取塔内径为300 mm的催化精馏塔，催化填料的直径为300 mm，参见附图3，本催化填料由多片催化剂捆扎包（组件I）与规整波纹填料（组件II）交替排列而成，其中催化剂捆扎包（组件I）制作如下：首先将一块300 mm×220 mm的尼龙布对折成300 mm×110 mm的大布包，用含60°的直角三角板在大布包上画一组水平倾斜角为60°的平行线，两平行线之间的水平间隔为10 mm，用缝纫机沿线缝合，形成一组小催化剂布包，内填充阳离子交换树脂NKC-9，占小催化剂布包总体积的90%，用缝纫机封口，形成一个催化剂捆扎包（组件I）；采用同样的方法，可缝制出长度不同的催化剂布包片；

如图4所示，每片催化剂布包与每片丝网波纹填料反方向倾斜交替排放，直至规整催化填料充满塔盘，然后用不锈钢紧箍片固定成型，形成规整催化填料；该规整催化填料可加大反应物在催化剂包的停留时间，有利于反应的进行，增加催化剂的利用效率；每片催化剂布包内的催化剂小包的倾斜角度在缝合时确定，简单易操作。

所述催化填料单元在塔内放置时，如图5所示，塔内每个催化填料单元堆放时与上下两个单元倾斜角度相反，且组件I、II交替，使汽液两相在塔内以之字状流动，总体形成轴向、径向组件I、II交替、交叉排放，这样均衡了塔内压降，有效避免了汽液短路，增加了接触时间以及塔的分离效率。

实施例2

选取塔内径为300 mm的催化精馏塔，催化填料的直径为300 mm，参见附图3，本催化填料由多片催化剂捆扎包（组件I）与规整波纹填料（组件II）交替排列而成，其中催化剂捆扎包（组件I）制作如下：首先将一块300 mm×220 mm的绢丝布对折成300 mm×110 mm的大布包，用含60°的直角三角板在大布包上画一组水平倾斜角为60°的平行线，两平行线之间的水平间隔为10 mm，用缝纫机沿线缝合，形成一组小催化剂布包，内填充固体超强酸，占小催化剂布包总体积的70%，用缝纫机封口，形成一个催化剂捆扎包（组件I）；采用同样的方法，可缝制出长度不同的催化剂布包片；

如图4所示，每片催化剂布包与每片板波纹填料反方向倾斜交替排放，直至规整催化填料充满塔盘，然后用不锈钢紧箍片固定成型，形成规整催化填料；该规整催化填料可加大反应物在催化剂包的停留时间，有利于反应的进行，增加催化剂的利用效率；每片催化剂布包内的催化剂小包的倾斜角度在缝合时确定，简单易操作。

所述催化填料单元在塔内放置时，如图5所示，塔内每个催化填料单元堆放时与上下两个单元倾斜角度相反，且组件I、II交替，使汽液两相在塔内以之字状流动，总体形成轴向、径向组件I、II交替、交叉排放，这样均衡了塔内压降，有效避免了汽液短路，增加了接触时间以及塔的分离效率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (5)

1.一种催化精馏塔塔内规整催化填料，其特征在于：所述的规整催化填料由催化填料单元构成，每个催化填料单元由组件I与组件II构成，组件I与组件II交替、反方向倾斜排放并束成筒状而形成催化填料单元；所述的组件I为催化剂布包，组件II为规整波纹填料。

2.根据权利要求1所述的催化精馏塔塔内规整催化填料，其特征在于：所述的催化剂布包内充固体催化剂颗粒，采用绢丝布、尼龙布、涤纶布缝合制成，布包内填充的固体催化剂占布包体积的70%~90%，布包尺寸为长45~120mm，宽9~16mm。

3.根据权利要求1所述的催化精馏塔塔内规整催化填料，其特征在于：所述的规整催化填料形状为圆柱体，且其直径能根据不同塔径进行调整改变。

4.根据权利要求1所述的催化精馏塔塔内规整催化填料，其特征在于：在每个催化填料单元中组件I与组件II交替排放，组件I的水平倾斜角度为45°~60°。

5.根据权利要求1所述的催化精馏塔塔内规整催化填料，其特征在于：在精馏塔内放置多层催化填料单元时，上下两个催化填料单元之间组件I与组件II均交错排列，且倾斜角度相反；或上下两个催化填料单元之间沿催化剂布包放置方向相互垂直排列；总体形成在横向和纵向上组件I、II均交替、交叉排放的结构。