CN101116804B - 一体化反应分离设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种一体化反应分离设备，主要由环管和分离组件构成，环管与分离组件形成一个循环反应回路，该设备结构紧凑，集催化反应、催化剂分离和物料换热为一体，特别是可保证细颗粒如纳米级或微米级催化剂与反应物料高效分离并循环使用，而且具有良好的物料混合和换热效果，适用于强吸热或放热的固-液、固-液-液和部分气-液-固的多相反应体系。

Description

一体化反应分离设备

技术领域

本发明涉及一种化工设备，更具体地说涉及一种催化反应、产物与催化剂分离和物料换热构成的一体化设备。

背景技术

在石油化工生产领域，有许多化学反应过程不仅使用固体催化剂，而且反应的同时伴有强的放热。为了使反应***避免热点产生而保持温度均匀，采用催化剂悬浮在液体中的操作方式能够获得较为满意的效果。由于液体的传热系数较大，催化剂在液体中的悬浮操作方式易于回收热量；这种方式使用的催化剂粒度较小，因此不必对催化剂造粒加工，也不会存在显著的催化剂内表面利用率问题，有利于高活性催化剂的应用，特别是对于催化剂需频繁更换和再生的场合，操作起来较为方便。反应器中的浆液可通过流体的循环流动进行混合和搅拌，使固体催化剂微粒充分悬浮，强化了传热和传质。这种操作方式已广泛地应用于加氢、氧化、氯化和聚合等反应过程。但这种操作方式所面临的最大困难之一是固体催化剂和液体的分离问题，特别是催化剂颗粒非常小时困难更为严重。实际上，对于大多催化反应过程，一方面催化剂颗粒需要循环使用，另一方面要使催化剂颗粒与反应液完全分离以确保后续操作步骤的安全和所获产品的质量。

传统的浆态床反应器多采用搅拌方式使催化剂悬浮，工业装置由于受到搅拌功率的限制，对于微细颗粒，因浆液的湍动程度不够高会使催化剂在反应器壁上黏附，影响了换热效果；此外，这类反应器内物料存在着较大返混，对要求原料多点进料的反应***或要求很高转化率的一些场合，单个浆态床反应器难以满足要求。一般工业操作过程是将催化反应和催化剂分离单独设置，但这造成装置***较为庞大。

在烯烃聚合领域，环管反应器已得到了广泛的应用。这类反应器具有单位体积传热面积大、物料流动和混合状况好、设备效率高等优点。专利US6239235、US4121029、EP0891990和WO2004024782对环管反应器在烯烃聚合中的应用进行了较为详细的描述。

尽管将细微的催化剂颗粒直接用于反应过程有许多优点，但将其从反应液中充分分离出来，一直是一项较为困难的工作。

US5534149提出了蒽醌法制造过氧化氢的加氢过程中，含贵金属钯的钯/炭催化剂与反应液的分离方法。该方法采用的是膜分离元件，膜的支撑体是由炭、陶瓷或金属材料制成，孔径为5-100μm；膜是由α-氧化铝、氧化锆、氧化硅的混合物制成，孔径为1-10μm；并用不含催化剂的工作液或溶剂对膜进行周期性反冲洗。该方法采用一端封闭的过滤方式，这种操作方式极易造成膜表面的浓差极化，而且膜污染也易发生。

EP0571762与US5534149的反应体系相同，采用的是陶瓷或聚烯烃微滤膜，并以错流的方式将钯/炭催化剂与反应液进行分离，膜材料是α-氧化铝，孔径为0.1-3μm，这种操作方式表现出过滤元件的过滤性能逐渐下降，这是因为金属烧结管和膜的污染不可避免，仅靠反冲是不够的，还需定期对过滤元件进行再生。

可以看出，上述的现有技术都是仅仅考虑了催化剂的过滤问题，没有将反应设备、过滤设备和移热设备作一体化考虑。

CN1394672A涉及一种非均相悬浮态纳米催化反应的催化剂膜分离方法，催化剂分离过程与催化反应过程组合在一起，用泵连续抽取反应釜内的物料送入平均孔径为2～200纳米的无机膜管中且不断循环于反应釜与无机膜管之间，利用无机膜的筛分原理，液相产品不断地透过膜管被分离，悬浮态催化剂截留在膜管内并随循环物料重新返回反应釜中循环使用。该方法中反应设备和分离没有耦合成一体化设备，流程较长。

CN2576324Y涉及一体式悬浮床无机膜反应器。该反应器是将若干个无机膜管和膜管支撑架组成的无机膜分离组件以一定的排列方式设置在反应釜内，膜管的一端通过封板封闭，另一端与滤液出口管相通。膜管选取陶瓷、金属材料或它们的复合材料膜。膜管在釜内依支架的结构有竖直固定，竖直旋转或水平旋转等多种排列方式。这种一体化方式在膜管和支架出现问题时，整个装置需要停下来进行维修，另外膜管破裂时难以及时发现。

发明内容

针对现有流程和装置存在的一些不足，本发明的目的是提供一种集催化反应、催化剂分离和物料换热为一体的，特别适合细颗粒催化剂的一体化反应分离设备。

本发明提供的一体化反应分离设备，其特征在于该设备包括环管1和分离组件2，环管1与分离组件2形成一个循环回路，环管1上设置循环泵3，提供能量使反应物料在环管1和分离组件2形成的回路内循环，其中环管1上设有原料加入口4、催化剂加入口5、物料卸出口6、换热***7，环管1的上部设有液体收集平衡器8和平衡气体管9；分离组件2内由过滤管10和壳体11构成，过滤管个数由分离过程所需要的过滤面积确定，过滤管的设置使反应物料以错流的方式进行固液分离，反应物料在其中分离出产物，产物由出口12排出，提浓后的浆液继续在环管内循环，分离组件2设有反冲洗***13，对过滤管10进行反向冲洗以恢复过滤通量。

本发明提供的一体化反应分离设备，将反应、传热、物料混合和催化剂分离在一个设备中进行，操作方便、流程简单、结构紧凑，特别适用于强吸热或放热的固-液、固-液-液和部分气-液-固的多相反应。该设备具有良好的物料混合和换热效果，反应效率高，细颗粒催化剂不易粘壁，且与反应物料的分离效率高。

本发明提供的一体化反应分离设备，可以用于酮的氨肟化反应或醛的氨肟化反应，例如用于环己酮的氨肟化生产环己酮肟的反应。

附图说明

图1为由一组环管和分离组件构成的一体化反应分离设备的示意图。图中，1-环管、2-分离组件、3-循环泵、4-原料加入口、5-催化剂加入口、6-物料卸出口、7-换热***，8-液体收集平衡器、9-平衡气体管、10-过滤管、11-壳体、12-产物出口、13-反冲洗***。

图2为由两组环管和分离组件串联构成的一体化反应分离设备的示意图。图中，1-13的标记同图1，14-原料补充口，15-催化剂补充口，16-产品出口。

图3为环管与并联的两个分离组件F₁、F₂构成的一体化反应分离设备的示意图。

图4为分离组件中过滤管为陶瓷膜管时，反应物料的进出料示意图。图中，20-待分离的浆料、21-产物清液汇集处、22-清液出口、23-提浓后的浆液出口、24-密封材料、11-分离组件壳体。

图5为分离组件中过滤管为金属烧结管时，反应物料的进出料示意图。图中标记同图4。

图6为陶瓷膜分离组件的剖面图。图中，31-流道、32-过滤管。

图7为金属膜管或金属烧结管构成的分离组件剖面图。图中，33-流道、34-过滤管厚度。

具体实施方式

本发明提供的一体化反应分离设备，在环管1内发生主要的催化反应过程，环管1包括上、下水平段和垂直段，上、下水平段限定了上部和下部水平反应物料流动的区域，每段借助一个平滑的弯头或弯管与相邻段连接，环管1的直径和长度(包括上、下水平段和垂直段的段数等)取决于具体反应的生产能力、反应停留时间和对产率的要求，环管可由钢、钛金属、镍金属或其它合金加工得到。

环管1上的循环泵3，提供能量使反应物料在环管1内循环，循环泵3可以设置在环管1的适当位置，循环泵一般为轴流泵，内置在环管内，使料液在环管内高速循环，提高了传热、传质效果，而且，在循环泵的作用下，反应物料作高速循环运动，保证了物料的剧烈湍动，而且减少了固体催化剂微粒在反应器壁面上的黏附；良好的混合使环管内形成较均匀的催化剂浓度，催化剂颗粒不会沉降，不易粘壁，可以维持比一般釜式反应器高的催化剂浓度。

在环管1上，设置有原料加入口4，所说的加入口4可以在环管的不同位置设置，在环管不同位置处，可设置一个或多个原料加入口；在环管1的下水平段设有物料卸出口6，一般将物料卸出口6设置在催化剂加入口5之前、环管中物料流体转为向上流动的最后点的邻近区域，以便使新鲜催化剂于第一次通过排放点之前，能在反应器中滞留尽可能长的时间。催化剂加入口5可以单独设置，当然催化剂也可以从原料加入口4和反应原料一起加入。

在环管1上所说的换热***7优选为夹套的形式，以放热反应为例，环管和外夹套构成了同轴的双管热交换器，在外夹套中的冷却剂流体流过夹套与环管中的反应物料进行热量交换；冷却剂在夹套的环行空间围绕着环管外表面流动并与表面相接触，移出环管内的反应热。

环管1的上部设有液体收集平衡器8和平衡气体管9，液体收集平衡器8对设备实施反冲洗操作时的多余液体进行收集和保证***的安全，设置平衡气体管9来通过气体压力来保证***压力的平衡。

本发明提供的一体化反应分离设备中，环管1与分离组件2的连接方式不限，通常是通过法兰连接而构成一个环行整体，并用合适的密封材料进行密封，这样就提供了一个连续的物流通道；由于没有空隙体积，该设备的反应效率较传统的浆态床反应器的效率要高。

本发明提供的一体化反应分离设备，分离组件2由过滤管10和壳体11组成，在分离组件2中也有一定量的催化反应发生。过滤管通常是无机膜管或金属烧结管，其根数取决于分离通量和总处理量。

所说的无机膜管选自陶瓷膜管、金属膜管、玻璃膜管或分子筛碳膜管，膜的孔径从4nm-50μm。陶瓷膜管的材质可以是氧化铝、氧化锆、氧化钛或氧化硅，单根陶瓷膜管具有多个直径为3-10mm流道；金属膜管的材质可以是不锈钢、镍金属、钛金属或其它合金，一般为一个流道。

所说的金属烧结管是金属粉末(或金属纤维)经高温烧结制成的多孔金属管，可用不锈钢、其它金属或合金制成，孔径从0.5μm-200μm。

产物过滤清液不断从过滤管表面经径向透过，进入透过侧，而固体微细颗粒被拦截并沉积在过滤管的表面上，尽管高速流动的浆料使得过滤管表面的沉积层很薄，但还是会影响过滤通量，此外一些极细的微粒还可堵塞过滤管的微孔，这些均可引起过滤管的污染，使得过滤通量和选择性下降，从而降低过滤器的生产效率，缩短过滤管的寿命。因此，设置反冲洗***13，利用过滤清液、溶剂或反应原料周期性反冲可使过滤通量维持在一个相对较为稳定的范围。定期反冲保证过滤稳定连续地进行，过滤周期和快速反冲的时间取决于具体的反应特性以及反应温度、压力、浆料的浓度和循环量等参数。对于采用快速反冲时过滤通量还无法恢复的膜污染情况，可采用化学方法对过滤管进行彻底再生。

所说的分离组件可以有多个，它们以串联、并联或串并联方式组合在一起与环管连接。由于设备在运行一定时间后，分离组件中过滤管的污染不可能完全避免，而并联的连接方式方便于分离组件之间地切换，保证了运转的连续性，因此优选并联(参见图3)或串并联的方式。密封材料的选取应考虑其热稳定性、化学相容性以及与膜材料之间热膨胀系数的匹配性，以避免物料的泄漏。

所说的一体化反应分离设备，也可以由两组或两组以上的环管和分离组件串联构成(参见图2)。

本发明提供的一体化反应分离设备，反应物料在循环泵的作用下快速循环不仅使得催化剂在液相中充分悬浮并快速混合，发生催化反应，可有效的防止固体催化剂在过滤管表面沉积；较高的循环速度也满足了错流过滤时过滤管表面流速要求，减弱了过滤管表面的浓差极化现象。

下面结合附图1-附图7来说明本发明提供的一体化反应分离设备的一种操作流程，但并不因此限定本发明的内容。

图1为由一组环管和分离组件构成的一体化反应分离设备的示意图。反应原料从原料加入口4、催化剂从催化剂加入口5加入环管1中，通过循环泵3使其强制循环，反应混合物的流动应维持足够高的速度以保持固体的悬浮，反应物料沿预先确定的方向流动(例如沿图中环管内所示的箭头方向流动)反应物料浆液流过分离组件2，在过滤管10中发生错流过滤，产物过滤清液依靠压力差从过滤管10的径向流出，经出口12排出，而经过滤管提浓后的浆液在环管1内继续循环使用，通过反冲***13对膜进行再生。

图2为由两组环管和分离组件串联构成的一体化反应分离设备的示意图。结构原理和图1基本相同，可在相同条件或不同条件下进行操作。它们的区别在于第一反应器出口清液12在压差的作用下引入第二反应器继续反应，原料补充通过14加入，催化剂可通过14或15加入，产品经16流出反应器，13为反冲***。

图3为环管与并联的两个分离组件构成的设备的示意图。其结构和操作基本与图1相同，所不同的是采用两组分离组件F₁和F₂并联的方式操作。如果分离组件需化学再生时，可通过F₁和F₂切换的操作方式。

图4和图5分别为分离组件中过滤管为陶瓷膜管和金属烧结管时，反应物料的进出料示意图，从图中可以看到，待分离的浆料20经分配后进入过滤管，在压力差推动下，错流过滤，产物清液从过滤管流出并在21处汇集后从出口22流出，提浓后的浆液经出口23流出继续在设备中运转。图中，采用密封材料24进行密封以防止浆料向产物清液侧泄漏。11是分离组件外壳。

图6和图7分别为图4和图5在A-A和B-B处的剖面示意图。图6中分离组件内装有19根分离管，每根分离管有19个通道的一种情况，图中31为流道，32为过滤管，分离组件的管子数目、通道数目和尺寸不受上述限制，可根据需要选定；图7中分离组件内有19根管子，图中33为流道，34为过滤管的厚度，分离组件中的管子数目、通道数目和尺寸不受上述限定，可依据实际分离要求选定。

Claims (10)

1.一种用于固-液、固-液-液和部分气-液-固的多相反应的一体化反应分离设备，其特征在于该设备包括环管(1)和分离组件(2)，环管(1)与分离组件(2)形成一个循环回路，环管(1)上设置循环泵(3)，提供能量使反应物料在环管(1)和分离组件(2)形成的回路内循环，其中环管(1)上设有原料加入口(4)、固体催化剂加入口(5)、物料卸出口(6)、换热***(7)，环管(1)的上部设有液体收集平衡器(8)和平衡气体管(9)，环管长度和换热面积视反应条件而定；分离组件(2)由过滤管(10)和壳体(11)构成，过滤管个数由分离过程所需要的过滤面积确定，过滤管(10)的设置使反应物料以错流的方式进行固液分离，反应物料在其中分离出产物，产物由出口(12)排出，提浓后的浆液继续在环管内循环，分离组件(2)设有反冲洗***(13)，对过滤管(10)进行反向冲洗以恢复过滤通量，其中所说的过滤管(10)选自膜的孔径为4nm-50μm的无机膜管，或者选自孔径为0.5μm-200μm的金属烧结管。

2.按照权利要求1的设备，其中所说的循环泵(3)为轴流泵。

3.按照权利要求1的设备，其中所说的原料加入口(4)在环管(1)的不同位置处设置一个或多个。

4.按照权利要求1的设备，其中所说的换热***(7)为夹套的形式，冷却剂或供热流体在夹套中与反应物料进行热交换。

5.按照权利要求1的设备，其中所说的无机膜管选自陶瓷膜管、金属膜管或分子筛碳膜管。

6.按照权利要求5的设备，其中所说的陶瓷膜管，单根具有多个直径为3-10mm的流道。

7.按照权利要求5的设备，其中所说的金属膜管为一个流道。

8.按照权利要求1的设备，其特征在于采用至少两组环管和分离组件串联而成。

9.按照权利要求1的设备，其特征在于有多组分离组件以串联、并联或串并联的方式连接。

10.按照权利要求1的设备，其特征在于多组分离组件以并联方式连接，切换操作。

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