CN114682172B - 催化蒸馏反应器及其内构件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种反应器内构件，其包括：催化剂层，其由多个催化剂串组排列形成，每一个催化剂串组包括：轴杆，其沿水平方向设置；一个或多个丝网容器，其能够拆卸地穿设在轴杆上，丝网容器能够绕轴杆转动；以及填充物，其装填在丝网容器中，填充物包括催化剂；以及支架组件，其用于将催化剂层安装在反应器内。本发明还公开了一种催化蒸馏反应器，其包括：反应器本体，其上部设有液体进口，下部设有气体进口；以及至少一个反应器内构件，其安装在反应器本体中。本发明的催化蒸馏反应器及其内构件通过能够转动的丝网容器，使得反应区具有良好的气液分布效果，并且有利于气液反应物与催化剂表面的充分接触，避免催化反应不均匀引起的沟流等现象。
Description
技术领域
本发明涉及催化蒸馏设备技术领域，特别涉及一种气液固三相催化蒸馏反应器及其内构件。
背景技术
催化蒸馏技术是将催化反应与精馏分离有机的耦合在同一台设备中，使其同时完成催化反应与精馏分离的双重功能。催化蒸馏技术的关键在于催化蒸馏塔中的催化蒸馏构件的构成方式，包括催化蒸馏构件中所用到的催化剂、填料的构型、催化剂与填料的装填方式等因素。对于气液固三相混合接触式的装填方法，属于应用范围较大的装填方式，可以应用于各种类型的催化反应。对于工业上应用广泛的一些催化剂，如果直接装入催化剂精馏塔内，因堆积密度高会直接导致空隙率过小、压降过大，致使传质效率下降，无法提供气相反应产物上升的足够空间。因此很多时候催化剂都要经过包装、处理形成内构元件装入催化蒸馏塔内。
专利文献US4443559提出了一种由催化剂元件和弹性元件构成的催化蒸馏塔内件，将催化剂颗粒装入多层丝网构成的元件内，因丝网本身对流体的再分布能力很差，反应物不容易进出，因此容易造成沟流，影响传质和催化效果。专利文献US5275790和US5262012分别提出将多孔惰性小球与催化剂均匀混合后装入不同结构的网状或者多孔壁金属箱中，由金属箱构成催化蒸馏塔内件，这种构件也容易在床层产生沟流，影响传质和反应效果。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的之一在于，提供一种催化蒸馏反应器及其内构件，从而改善现有催化蒸馏反应器的反应不均匀及催化剂床层易产生沟流的问题。
为实现上述目的，根据本发明的第一方面，本发明提供了一种反应器内构件，其包括：催化剂层，其由多个催化剂串组排列形成，每一个催化剂串组包括：轴杆，其沿水平方向设置；一个或多个丝网容器，其能够拆卸地穿设在轴杆上，丝网容器能够绕轴杆转动；以及填充物，其装填在丝网容器中，填充物包括催化剂；以及支架组件，其用于将催化剂层安装在反应器内。
进一步，上述技术方案中，丝网容器为旋转对称结构。
进一步，上述技术方案中，丝网容器垂直于轴杆的截面为圆形、正多边形、星形、花形或凸轮形。
进一步，上述技术方案中，填充物在丝网容器内的填充率为20%~80%。
进一步，上述技术方案中，丝网容器的当量直径为10mm~100mm。
进一步，上述技术方案中，丝网容器通过轴承安装在轴杆上，轴承的动摩擦系数小于或等于0.2。
进一步，上述技术方案中，催化剂为实心催化剂或多孔催化剂；催化剂的粒径为φ1~φ15mm。
进一步，上述技术方案中，填充物还包括惰性填料。
进一步，上述技术方案中，丝网容器由金属丝或非金属丝制成。
进一步，上述技术方案中，丝网容器的网孔尺寸小于填充物的尺寸。
进一步，上述技术方案中，支架组件包括：网板，其设置在催化剂层的下方；以及支撑板，其将轴杆支撑在网板上。
进一步，上述技术方案中，反应器内构件还包括：分布板，其设置在催化剂层的上方，分布板设有多个第一变径孔道和多个第二变径孔道，第一变径孔道的直径由下向上逐渐减小，第二变径孔道的直径由下向上逐渐增大。
进一步，上述技术方案中，第一变径孔道和第二变径孔道的小端直径为φ1mm~φ25mm，第一变径孔道的夹角为20~70°，第二变径孔道的夹角为20~70°。
根据本发明的第二方面，本发明提供了一种催化蒸馏反应器，其包括：反应器本体，其上部设有液体进口，下部设有气体进口；以及至少一个如上述技术方案中任意一项的反应器内构件，其安装在反应器本体中。
进一步，上述技术方案中，当反应器内构件为多个时，多个反应器内构件整体安装在反应器本体内或逐层安装在反应器本体内。
进一步，上述技术方案中，当反应器内构件为多个时，相邻两层反应器内构件的丝网容器交错分布。
进一步，上述技术方案中，液相反应物和气相反应物逆流且分别由轴杆的两侧进入丝网容器，从而驱动丝网容器绕轴杆摆动或转动。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1. 本发明的催化蒸馏反应器及其内构件通过能够转动的丝网容器，使得反应区具有良好的气液分布效果，并且有利于气液反应物与催化剂表面的充分接触，避免催化反应不均匀引起的沟流等不良传质现象。
2. 本发明的反应器内构件实现气液两相的返混，能够利用气相反应物的动能，使得反应区压降小、流通量大，不易引发液泛。
3. 本发明的催化蒸馏反应器中，液相和气相反应物同时从轴杆的左右两侧逆流进入丝网容器，促使丝网容器摆动或转动实现填充物的自翻动，进而增大催化剂层的空隙率。
4. 网板和分布板能够起到固定丝网容器的作用，同时具有传质分离功能。
5. 丝网容器能够拆卸地穿设在轴杆上，方便更换填充物。
上述说明仅为本发明技术方案的概述，为了能够更清楚地了解本发明的技术手段并可依据说明书的内容予以实施，同时为了使本发明的上述和其他目的、技术特征以及优点更加易懂，以下列举一个或多个优选实施例，并配合附图详细说明如下。
附图说明
图1是根据本发明的一实施方式的催化蒸馏反应器的轴向剖视局部示意图。
图2是根据本发明的一实施方式的催化蒸馏反应器的径向剖视示意图。
图3是根据本发明的一实施方式的丝网容器的剖视示意图。
图4是根据本发明的另一实施方式的丝网容器的剖视示意图。
图5是根据本发明的一实施方式的催化剂串组的剖视示意图。
图6是根据本发明的另一实施方式的催化剂串组的剖视示意图。
主要附图标记说明：
10-反应器本体，20-催化剂层，21a、21b-催化剂串组，211-轴杆，212-丝网容器，212a-圆柱丝网容器，212b-棱柱丝网容器，213-填充物，214-轴承，31-网板，32-支撑板，40-分布板，41-第一变径孔道，42-第二变径孔道。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其他明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其他元件或其他组成部分。
在本文中，为了描述的方便，可以使用空间相对术语，诸如“下面”、“下方”、“下”、“上面”、“上方”、“上”等，来描述一个元件或特征与另一元件或特征在附图中的关系。应理解的是，空间相对术语旨在包含除了在图中所绘的方向之外物件在使用或操作中的不同方向。例如，如果在图中的物件被翻转，则被描述为在其他元件或特征“下方”或“下”的元件将取向在元件或特征的“上方”。因此，示范性术语“下方”可以包含下方和上方两个方向。物件也可以有其他取向（旋转90度或其他取向）且应对本文使用的空间相对术语作出相应的解释。
在本文中，术语“第一”、“第二”等是用以区别两个不同的元件或部位，并不是用以限定特定的位置或相对关系。换言之，在一些实施例中，术语“第一”、“第二”等也可以彼此互换。
如图1至图6所示，根据本发明具体实施方式的反应器内构件用于催化蒸馏反应器。反应器内构件包括催化剂层20和将其安装在反应器内的支架组件。催化剂层20由多个催化剂串组排列形成。示例性地，如图5所示，催化剂串组21a可以包括轴杆211和一个丝网容器212。可替换地，如图6所示，催化剂串组21b可以包括轴杆211和三个丝网容器212。应了解的是，本发明并不以此为限，每个轴杆211上穿设丝网容器212的数量并不以此为限，本领域技术人员可以根据实际需要选择。轴杆211沿水平方向设置，丝网容器212能够拆卸地穿设在轴杆211上并且能够绕轴杆211转动，丝网容器212中装填有填充物213，填充物213包括催化剂。当如图5和图2所示，一个轴杆211上仅穿设一个丝网容器212时，丝网容器的布置更加灵活；当一个轴杆上穿设多个丝网容器时，同一排的丝网容器可以共用一个轴杆，催化剂串组排列形成的催化剂层的结构更简单。
进一步地，在本发明的一个或多个示例性实施方式中，丝网容器212为旋转对称结构。进一步地，在本发明的一个或多个示例性实施方式中，丝网容器垂直于轴杆211的截面可以为圆形，即圆柱丝网容器212a（如图3所示）；丝网容器垂直于轴杆211的截面可以为正五边形，即棱柱丝网容器212b（如图4所示）。应了解的是，本发明并不以此为限，丝网容器垂直于轴杆211的截面可以为圆形、正多边形、星形、花形或凸轮形。
进一步地，在本发明的一个或多个示例性实施方式中，填充物213在丝网容器内可以装满，也可以选择填充率为20%~80%。进一步地，在本发明的一个或多个示例性实施方式中，丝网容器212的当量直径为10mm~100mm。进一步地，在本发明的一个或多个示例性实施方式中，丝网容器212通过轴承214安装在轴杆211上，轴承214的动摩擦系数小于或等于0.2，从而能够实现丝网容器212在气液两相的作用下摆动或转动。
进一步地，在本发明的一个或多个示例性实施方式中，填充物213可以为任何用于催化蒸馏反应的、任意形状的催化剂，催化剂颗粒可以为实心催化剂或多孔催化剂。优选而非限制性地，所用的催化剂为球型、圆柱型、三叶草型、多面体型或十字圆柱型等。催化剂的颗粒尺寸大小可以随具体选用的催化剂颗粒构型而定，粒径可以为φ1~φ15mm。进一步地，在本发明的一个或多个示例性实施方式中，填充物213也可以为催化剂颗粒与惰性填料的混合物，惰性填料应与催化剂颗粒的外形相似、尺寸相近。
进一步地，在本发明的一个或多个示例性实施方式中，丝网容器212由金属丝或非金属丝制成，其强度需能够支撑填充物213，确保装填后丝网容器212不变形。进一步地，在本发明的一个或多个示例性实施方式中，丝网容器212的网孔尺寸略小于填充物213的尺寸，在保证填充物213不会漏出的条件下，丝网容器212的网孔尽可能大。
进一步地，在本发明的一个或多个示例性实施方式中，支架组件可以包括网板31和支撑板32。网板31设置在催化剂层20的下方；支撑板32将轴杆211支撑并固定在网板31上。网板31为具有一定强度的网格支架。
进一步地，在本发明的一个或多个示例性实施方式中，反应器内构件还包括分布板40，如图1所示。分布板40设置在催化剂层20的上方，分布板设有多个第一变径孔道41和多个第二变径孔道42，第一变径孔道41的直径由下向上逐渐减小，第二变径孔道42的直径由下向上逐渐增大。进一步地，在本发明的一个或多个示例性实施方式中，第一变径孔道41和第二变径孔道42的小端直径为φ1mm~φ25mm，第一变径孔道41的夹角为20~70°，第二变径孔道42的夹角为20~70°。第一变径孔道41形成由下向上的气相通道，第二变径孔道42形成由上向下的液相通道。由上方而来的液相经分布板40的导流，进入丝网容器212中；由下方而来的气相经分布板40（下层反应器内构件的分布板）的导向，也进入丝网容器212中。气相和液相逆流且分别由轴杆211的两侧进入丝网容器212，从而驱动丝网容器212绕轴杆摆动或转动，相应地，丝网容器212内的填充物213实现了自翻动。若丝网容器212中填充物213未装满，填充物213还能够在丝网容器212中再分布。
结合图1所示，根据本发明具体实施方式的催化蒸馏反应器包括反应器本体10和至少一个本发明的反应器内构件。反应器本体10上部设有液体进口，下部设有气体进口（图中未示出），气液两相在反应器内构件中逆流接触反应。
进一步地，在本发明的一个或多个示例性实施方式中，当反应器内构件为多个时，多个反应器内构件可以制作成捆扎包，作为整体安装在反应器本体10内；多个反应器内构件也可以逐层安装在反应器本体内10，本发明并不以此为限。
进一步地，在本发明的一个或多个示例性实施方式中，当反应器内构件为多个时，相邻两层反应器内构件的丝网容器212可以交错分布。
进一步地，在本发明的一个或多个示例性实施方式中，液相反应物和气相反应物逆流且分别由轴杆211的两侧进入丝网容器212，从而驱动丝网容器212绕轴杆211摆动或转动。
下面以具体实施例的方式更详细地说明本发明的催化蒸馏反应器及其内构件，应了解的是，实施例仅为示例性的，本发明并不以此为限。
实施例1
参考图1、2和图5所示，本实施例将本发明所提供的反应器内构件用于合成甲基叔丁基醚（MTBE）的催化蒸馏反应器内。本实施例中，每个轴杆211上穿设一个丝网容器，反应器内构件的排列方式参考图1和图2所示，反应器本体10中共设置三层反应器内构件，每层排列三十四个催化剂串组，相邻催化剂串组之间留有约10mm的空隙，催化剂层20上方设置分布板40，相邻的上下两层反应器内构件排列方式相同。丝网容器212选用直径为50mm的圆柱丝网容器，丝网容器212通过轴承214安装在轴杆211上，并实现沿轴向的固定以及沿周向的转动。丝网容器212中装填有催化剂和惰性填料的混合物，填充物213的填充率为70%。催化剂为D005-II磺酸树脂，粒度约0.8±0.4mm，比表面积为70m2·g-1，孔径为25~50nm，惰性填料为三角螺旋不锈钢丝网填料，催化剂与惰性填料的体积比约为3。将甲醇加热至70℃，以300kg/h的流速从反应器本体的上部加入催化蒸馏反应器，同时将含有50wt%异丁烯的正丁烯与异丁烯的混合物以650kg/h从反应器本体的下部加入催化蒸馏反应器。设定操作压力为0.4MPag，催化蒸馏反应器塔顶可产生C4烯烃混合物，催化蒸馏反应器塔底产出MTBE和甲醇的混合物，异丁烯转化率为86%，未发生液泛。
实施例2
参考图1、2和图5所示，本实施例将本发明所提供的反应器内构件用于合成甲基叔丁基醚（MTBE）的催化蒸馏反应器内。本实施例中，每个轴杆211上穿设一个丝网容器，反应器内构件的排列方式参考图1和图2所示，反应器本体10中共设置三层反应器内构件，每层排列三十四个催化剂串组，相邻催化剂串组之间留有约10mm的空隙，催化剂层20上方设置分布板40，相邻的上下两层反应器内构件排列方式相同。丝网容器212选用直径为60mm的圆柱丝网容器，丝网容器212通过轴承214安装在轴杆211上，并实现沿轴向的固定以及沿周向的转动。丝网容器212中装填有催化剂和惰性填料的混合物，填充物213的填充率为75%。催化剂为NKC-9磺酸树脂，粒度约0.8±0.4mm，比表面积为76m2·g-1，孔径为25~50nm，惰性填料为三角螺旋不锈钢丝网填料，催化剂与惰性填料的体积比约为5。将甲醇加热至60℃，以400kg/h的流速从反应器本体的上部加入催化蒸馏反应器，同时将含有50wt%异丁烯的正丁烯与异丁烯的混合物以900kg/h从反应器本体的下部加入催化蒸馏反应器。设定操作压力为0.6MPag，催化蒸馏反应器塔顶可产生C4烯烃混合物，催化蒸馏反应器塔底产出MTBE和甲醇的混合物，异丁烯转化率为90%，未发生液泛。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。针对上述示例性实施方案所做的任何简单修改、等同变化与修饰，都应落入本发明的保护范围。
Claims (17)
1.一种反应器内构件，其特征在于，包括：
催化剂层，其由多个催化剂串组排列形成，每一个所述催化剂串组包括：
轴杆，其沿水平方向设置；
一个或多个丝网容器，其能够拆卸地穿设在所述轴杆上，所述丝网容器能够绕所述轴杆转动；以及
填充物，其装填在所述丝网容器中，所述填充物包括催化剂；以及
支架组件，其用于将所述催化剂层安装在反应器内。
2.根据权利要求1所述的反应器内构件，其特征在于，所述丝网容器为旋转对称结构。
3.根据权利要求2所述的反应器内构件，其特征在于，所述丝网容器垂直于所述轴杆的截面为圆形、正多边形、星形、花形或凸轮形。
4.根据权利要求1所述的反应器内构件，其特征在于，所述填充物在所述丝网容器内的填充率为20%~80%。
5.根据权利要求1所述的反应器内构件，其特征在于，所述丝网容器的当量直径为10mm~100mm。
6.根据权利要求1所述的反应器内构件，其特征在于，所述丝网容器通过轴承安装在所述轴杆上，所述轴承的动摩擦系数小于或等于0.2。
7.根据权利要求1所述的反应器内构件，其特征在于，所述催化剂为实心催化剂或多孔催化剂；所述催化剂的粒径为φ1~φ15mm。
8.根据权利要求1所述的反应器内构件，其特征在于，所述填充物还包括惰性填料。
9.根据权利要求1所述的反应器内构件，其特征在于，所述丝网容器由金属丝或非金属丝制成。
10.根据权利要求1所述的反应器内构件，其特征在于，所述丝网容器的网孔尺寸小于所述填充物的尺寸。
11. 根据权利要求1所述的反应器内构件，其特征在于，所述支架组件包括：
网板，其设置在所述催化剂层的下方；以及
支撑板，其将所述轴杆支撑在所述网板上。
12.根据权利要求1所述的反应器内构件，其特征在于，还包括：
分布板，其设置在所述催化剂层的上方，所述分布板设有多个第一变径孔道和多个第二变径孔道，所述第一变径孔道的直径由下向上逐渐减小，所述第二变径孔道的直径由下向上逐渐增大。
13.根据权利要求12所述的反应器内构件，其特征在于，所述第一变径孔道和第二变径孔道的小端直径为φ1mm~φ25mm，所述第一变径孔道的夹角为20~70°，所述第二变径孔道的夹角为20~70°。
14. 一种催化蒸馏反应器，其特征在于，包括：
反应器本体，其上部设有液体进口，下部设有气体进口；以及
至少一个如权利要求1~13中任意一项所述的反应器内构件，其安装在所述反应器本体中。
15.根据权利要求14所述的催化蒸馏反应器，其特征在于，当所述反应器内构件为多个时，多个所述反应器内构件整体安装在所述反应器本体内或逐层安装在所述反应器本体内。
16.根据权利要求14所述的催化蒸馏反应器，其特征在于，当所述反应器内构件为多个时，相邻两层所述反应器内构件的所述丝网容器交错分布。
17.根据权利要求14所述的催化蒸馏反应器，其特征在于，液相反应物和气相反应物逆流且分别由所述轴杆的两侧进入所述丝网容器，从而驱动所述丝网容器绕所述轴杆摆动或转动。
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