CN209378964U - 共沸催化反应塔 - Google Patents
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Abstract
共沸催化反应塔，包括反应塔，反应塔内顶端设有除沫器，除沫器下方包括位于上部的共沸脱水段和下部的催化段；共沸脱水段装有塔内件，塔内件为包括规整填料或塔板中的任意一种；列管床包括多根竖置的列管，列管内填充模块催化剂，列管外壁和反应塔内壁之间为加热液流道，列管床顶部和底部均设置封闭挡板将加热液通道上下端闭合，挡板上设有多个开口连通对应的列管两头开口；共沸脱水段流下的反应原料依次穿过多段催化段排出；反应塔顶部设有气相出口、底部设有出料口，反应塔侧壁上位于列管床底部和对侧顶部分别设置加热液进口、加热液出口，中部连通反应塔侧壁上的进料口。本实用新型可解决传统设备工艺复杂、时间长、分散、效率低的技术问题。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种三聚甲醛的合成装置，具体为共沸催化反应塔。
背景技术
三聚甲醛是重要的化工原料，应用非常广泛。目前工艺上比较成熟的合成技术路线是：以35-45％的甲醛水溶液为原料，以液体硫酸为催化剂合成三聚甲醛，这样就给合成三聚甲醛的工艺带来先天不足：三废排放多、生产环境差、流程长、投资大、生产设备腐蚀严重等问题，因此开发一种高效节能、清洁环保的新技术势在必行。
现存的合成方法为：35-45％含量的甲醛水溶液→减压浓缩→加热100℃→进入搪瓷反应釜→用2-10％硫酸催化→蒸发浓缩三聚甲醛水溶液→再萃取精制→烘干得到最终成品。传统设备应用过程中工艺复杂、时间长、效率低下，因此急需一种能够集共沸脱水、催化于一身，并能高效制取三聚甲醛的反应设备。
发明内容
为了克服上述技术的缺陷和不足，本实用新型提供一种共沸催化反应塔，解决传统设备应用过程中工艺复杂、时间长、设备分散、不能集成式地高效制取三聚甲醛的技术问题。
本实用新型采用以下的技术方案：
共沸催化反应塔，包括反应塔，所述反应塔内顶端设有除沫器，所述除沫器下方包括位于上部的共沸脱水段和下部的催化段，所述共沸脱水段的顶部从上至下依次设置分布器、格栅板；所述催化段的顶部从上至下依次设置分布器、格栅板，所述催化段的底部从上至下依次设有分布器、垫层、格栅板；所述共沸脱水段装有塔内件，所述塔内件为包括规整填料或塔板中的任意一种；所述塔内件选用包括规整填料，所述规整填料装填段数为N，且1≦N≦100，每段高度为1-3米，各段之间均设有分布器、格栅板，所述分布器在所述格栅板之上；或者所述塔内件选用包括塔板，所述塔板数为M，1≦M≦100；所述催化段包括列管床，所述催化段的段数为N，1≦N≦10，各段之间从上至下依次设有分布器、垫层、格栅板；
所述列管床包括多根竖置的列管，所述列管内填充模块催化剂，所述列管外壁和反应塔内壁之间为加热液流道，所述列管床的顶部和底部均设置封闭挡板将加热液通道上下端闭合，所述挡板上设有多个开口连通对应的列管两头开口；所述共沸脱水段流下的反应原料依次穿过多段所述催化段中的各所述分布器、垫层、格栅板、列管排出；
所述反应塔顶部设有气相出口、底部设有出料口，所述反应塔侧壁上位于所述列管床底部设置加热液进口、所述加热液进口对侧在所述反应塔侧壁上位于列管床顶部设置加热液出口，所述反应塔最上部的分布器连通其侧壁上设置的第一回流进液口、最下部的分布器连通其侧壁上设置的第二回流进液口，中部的所述塔内件上方的分布器连通所述反应塔侧壁上设置的进料口。
所述的垫层为石英砂或瓷球以不同颗粒度组合成的五层层状结构，所述五层层状结构即为五级级配：即最上层颗粒度接近于或略大于所述催化剂的颗粒度，最下层的颗粒度略大于所述格栅板的间隙尺度，之间三层从上至下，由小渐大、上下粒度衔接排列，每层厚度在5～15cm。
所述除沫器、分布器、格栅板，其材质都是不锈钢。
各段所述催化段上均设有加热液进口和加热液出口。
所述模块催化剂包括催化剂、金属丝网、金属丝网波纹板，所述模块催化剂由所述的金属丝网、金属丝网波纹板间隔平行设置，两片所述金属丝网之间承装所述的催化剂颗粒形成催化剂层，且该催化剂层内的所述催化剂颗粒被所述的金属丝网波纹板隔开放置；所述的模块催化剂内的所述催化剂层间隔设置。
所述催化剂颗粒为球状或珠状的强酸性树脂催化剂、耐高温强酸树脂催化剂或负载金属的超强酸树脂催化剂。
所述负载金属的种类为元素周期表的主族II和VIII族元素，负载量为所述树脂催化剂交换量的1-20％。
本实用新型有以下积极有益效果：
取代了现有设备中的多个分散式组件的连接，将多种功能集成在一个反应塔中，大大简化了生产工艺，缩短了反应时间，在高效制取三聚甲醛时效果显著。
甲醛水溶液与共沸剂混合后，在共沸脱水、提浓催化的协同作用下，生产高纯三聚甲醛产品，克服了现存水吸收技术、浓缩技术、硫酸催化技术、萃取烘干技术存在的缺陷和弊端，开创了一条工艺条件温和，工艺流程短，投资小，见效快，高效低耗，清洁环保诸多优势兼具的新技术工艺路线。
附图说明
图1共沸催化反应塔应用在合成三聚甲醛的方法中的流程图；
图2为单根列管横截面处模块催化剂的结构示意图。
附图编号：1-反应塔，101-气相出口，102-第一回流进液口，103-进料口，104-加热液进口，105-出料口，106-加热液出口，107-第二回流进液口，2-冷凝器一，3-冷凝罐一，4-聚结器，5-回流泵一，6-加热器，7-原料进料泵，8-成品精馏塔，9-重沸器，10-冷凝器二，11-冷凝罐二，12-回流泵二，13-除沫器，14-分布器，15-塔内件，16-列管床，17-列管，18-垫层，19-格栅板，40-模块催化剂，401-催化剂层，402-金属丝网，403-金属丝网波纹板。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做进一步说明。
以下实施例仅是为清楚说明本实用新型所作的举例，而并非对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在下述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动，而这些属于本实用新型精神所引出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之中。
参见图1，共沸催化反应塔，包括反应塔1，所述反应塔1内顶端设有除沫器13，所述除沫器13下方包括位于上部的共沸脱水段和下部的催化段，所述共沸脱水段的顶部从上至下依次设置分布器14、格栅板19；所述催化段的顶部从上至下依次设置分布器14、格栅板19，所述催化段的底部从上至下依次设有分布器14、垫层18、格栅板19；所述共沸脱水段装有塔内件15，所述塔内件15为包括规整填料或塔板中的任意一种；所述塔内件15选用包括规整填料，所述规整填料装填段数为N，且1≦N≦100，每段高度为1-3米，各段之间均设有分布器14、格栅板19，所述分布器14在所述格栅板19之上；或者所述塔内件15选用包括塔板，所述塔板数为M，1≦M≦100；所述催化段包括列管床16，所述催化段的段数为N，1≦N≦10，各段之间从上至下依次设有分布器14、垫层18、格栅板19；
所述列管床16包括多根竖置的列管17，所述列管17内填充模块催化剂40，所述列管17外壁和反应塔1内壁之间为加热液流道，所述列管床16的顶部和底部均设置封闭挡板将加热液通道上下端闭合，所述挡板上设有多个开口连通对应的列管17两头开口；所述共沸脱水段流下的反应原料依次穿过多段所述催化段中的各所述分布器14、垫层18、格栅板19、列管17排出；
所述反应塔1顶部设有气相出口101、底部设有出料口105，所述反应塔1侧壁上位于所述列管床16底部设置加热液进口104、所述加热液进口104对侧在所述反应塔1侧壁上位于列管床16顶部设置加热液出口106，所述反应塔1最上部的分布器14连通其侧壁上设置的第一回流进液口102、最下部的分布器14连通其侧壁上设置的第二回流进液口107，中部的所述塔内件15上方的分布器14连通所述反应塔1侧壁上设置的进料口103。
所述的垫层18为石英砂或瓷球以不同颗粒度组合成的五层层状结构，所述五层层状结构即为五级级配：即最上层颗粒度接近于或略大于所述催化剂的颗粒度，最下层的颗粒度略大于所述格栅板19的间隙尺度，之间三层从上至下，由小渐大、上下粒度衔接排列，每层厚度在5～15cm。
所述除沫器13、分布器14、格栅板19，其材质都是不锈钢。
各段所述催化段上均设有加热液进口104和加热液出口106。
参见图2，所述模块催化剂40包括催化剂、金属丝网402、金属丝网波纹板403，所述模块催化剂40由所述的金属丝网402、金属丝网波纹板403间隔平行设置，两片所述金属丝网402之间承装所述的催化剂颗粒形成催化剂层401，且该催化剂层401内的所述催化剂颗粒被所述的金属丝网波纹板403隔开放置；所述的模块催化剂40内的所述催化剂层401间隔设置。
所述催化剂颗粒为球状或珠状的强酸性树脂催化剂、耐高温强酸树脂催化剂或负载金属的超强酸树脂催化剂。
所述负载金属的种类为元素周期表的主族II和VIII族元素，负载量为所述树脂催化剂交换量的1-20％。
本实用新型反应的一般过程为，从共沸脱水段进料口103通入加热后的带有脱水剂的混合相原料，混合相进入反应塔1后分为两相，气相从气相出口101排出，液相经塔内件15下落至列管床16内参与催化反应，第一回流进液口102口进入的脱水剂液相在塔内件15内边脱水、边下落至列管床16内参与催化反应，第二回流进液口107进入的脱水剂液相在列管床16内参与催化反应，该催化反应过程中，由加热液进口104进入的加热液(如热水)在列管17***的加热液流道内循环，为反应提供必要的温度，催化反应结束后，液相产物自出料口105排出，气相产物经气相出口101再次排出。
以下为本实用新型共沸催化反应塔应用于合成三聚甲醛中的工作过程：
首先由进料泵7加热器6将甲醛水溶液和脱水剂混合加热后，从进料口103导入反应塔1共沸脱水段进行脱水，脱水的结果分为两相：气相(为水蒸气和脱水剂气体)上升进入蒸发段经气相出口101流出塔外，气相中的水汽和脱水剂蒸汽均经过冷凝器二2、冷凝罐二3冷凝，聚结器4分层后水被脱出，而脱水剂液体则经过回流泵一5后分为三路，其中一路从第二回流进液口107进入到列管床16中循环利用，一路返回共沸催化反应塔的共沸脱水段第一回流进液口102循环利用，一路至成品精馏塔8中；液相在重力的作用下，落入催化段，进入列管床16进行催化聚合反应，具体为剩余的未气化脱水剂(为二氯乙烷)会随着浓度增加的物料水溶液(为甲醛水溶液)继续下行，来到列管床16内，在催化剂的作用下进行催化聚合反应。此过程中，加热液(为热水)从加热液进口104进入，为聚合反应提供必要的温度，并从加热液出口106排出，生成的三聚甲醛水溶液从反应塔1底部的出料口105排出。
以下为使用共沸催化反应塔合成三聚甲醛的整体装置：
包括依次相连的原料进料泵7、加热器6、反应塔1、冷凝器一2、冷凝罐一3、回流泵一5及成品精馏塔8等，原料与脱水剂首先进入到加热器6中的管程内加热，然后进入到共沸催化反应塔共沸脱水段中进行脱水，脱水的结果分为两相：气相上升进入蒸发段而流出塔外；液相在重力的作用下，落入催化段而进入列管床16进行聚合反应。聚合产物导入到现有的市售成品精馏塔8，经精细分馏后得到产物三聚甲醛成品。
所述的共沸催化反应塔，其反应塔1的进料口103与加热器6相连接，气相出口101与冷凝器一2相连接；加热液进口104、加热液出口106则分别与热水泵和热水收集***相连接，第一回流进液口102与回流泵一5相连接，出料口105与成品精馏塔8相连接。
所述的成品精馏塔8，进料口与共沸催化反应塔的出料口105相连接；其气相出口依次连接有冷凝器二10、冷凝罐二11、回流泵二12；回流泵二12的泵出口分为两路，一路与成品精馏塔8回流口相连接，另一路与共沸催化反应塔的第一回流进液口102相连接；其出料口与采集或接收成品三聚甲醛的装置相连接。
上述技术方案中，所述的共沸催化反应塔，从原料进料泵7添加到其内的共沸脱水剂为二氯乙烷、苯、芳烃、环己烷中的任意一种，或两种及以上以任意比例混合而成的混合物。
上述技术方案中，所述的共沸催化反应塔，塔内的塔内件15若为规整填料，其装填段数为N，1≦N≦100，每段高度为1-3米；每段之间均设有分布器14、格栅板19；若为塔板，则理论板数为M，1≦M≦100，塔的最顶端设有除沫器13。
上述技术方案中，所述的共沸催化反应塔的催化段即列管床段，催化段的设计段数为N，1≦N≦10；每段之间均设有分布器14、垫层18、格栅板19，见图1。
上述技术方案中，所述除沫器13、分布器14、格栅板19，其材质都是不锈钢；
上述技术方案中，所述的垫层18为石英砂或瓷球。其作用是允许液相流体通过，而截留列管17内催化剂露出！
格栅板19起到支撑垫层18的作用。
上述技术方案中，所述的列管17内的催化剂为强酸性树脂催化剂、耐高温强酸树脂催化剂、负载金属的超强酸树脂催化剂；优选球状、珠状的耐高温强酸性树脂催化剂，或者催化剂活性成分为强酸性树脂催化剂、耐高温、负载金属的超强酸树脂催化剂的模块催化剂，所述模块催化剂40结构同专利201620189729.2中的模块催化剂结构。
上述负载金属的种类为元素周期表的主族II和VIII族元素，负载量为树脂催化剂交换量的1-20％；
上述技术方案中，所述的成品精馏塔8，为常规塔，可为市场所售。
所述的列管床16内催化反应温度为70-110℃，热水温度为80-120℃，并且热水路径是走壳程。
上述技术方案中，每段列管17管数为F，1≦F≦10x104；每根管径为E，2≦E≦30cm。
上述技术方案中，所述的脱水剂为纯苯、芳烃、二氯乙烷、环己烷中的任意一种，或两种及以上以任意比例混合而成的混合物。
实施例一
塔内件15为规整填料，装填2段，每段高度为2米；每段之间从上至下设有分布器14、格栅板19。
列管床16设置为一段，每段高1m，每段共3根列管17，列管17直径为5cm。
实施例二
塔内件15为塔板，高度为4米。
列管床16设置为两段，每段高1m，每段共3根列管17，列管17直径为5cm，每段之间从上至下设有分布器14、垫层18、格栅板19。
以上本申请未详述的结构均采用本行业成熟的现有结构。
上述实例只是为说明本实用新型的技术构思以及技术特点，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型的实质所做的等效变换或修饰，都应该涵盖在本实用新型的保护范围之内。
Claims (7)
1.共沸催化反应塔，包括反应塔(1)，其特征在于，所述反应塔(1)内顶端设有除沫器(13)，所述除沫器(13)下方包括位于上部的共沸脱水段和下部的催化段，所述共沸脱水段的顶部从上至下依次设置分布器(14)、格栅板(19)；所述催化段的顶部从上至下依次设置分布器(14)、格栅板(19)，所述催化段的底部从上至下依次设有分布器(14)、垫层(18)、格栅板(19)；所述共沸脱水段装有塔内件(15)，所述塔内件(15)为包括规整填料或塔板中的任意一种；所述塔内件(15)选用包括规整填料，所述规整填料装填段数为N，且1≦N≦100，每段高度为1-3米，各段之间均设有分布器(14)、格栅板(19)，所述分布器(14)在所述格栅板(19)之上；或者所述塔内件(15)选用包括塔板，所述塔板数为M，1≦M≦100；所述催化段包括列管床(16)，所述催化段的段数为N，1≦N≦10，各段之间从上至下依次设有分布器(14)、垫层(18)、格栅板(19)；
所述列管床(16)包括多根竖置的列管(17)，所述列管(17)内填充模块催化剂(40)，所述列管(17)外壁和反应塔(1)内壁之间为加热液流道，所述列管床(16)的顶部和底部均设置封闭挡板将加热液通道上下端闭合，所述挡板上设有多个开口连通对应的列管(17)两头开口；所述共沸脱水段流下的反应原料依次穿过多段所述催化段中的各所述分布器(14)、垫层(18)、格栅板(19)、列管(17)排出；
所述反应塔(1)顶部设有气相出口(101)、底部设有出料口(105)，所述反应塔(1)侧壁上位于所述列管床(16)底部设置加热液进口(104)、所述加热液进口(104)对侧在所述反应塔(1)侧壁上位于列管床(16)顶部设置加热液出口(106)，所述反应塔(1)最上部的分布器(14)连通其侧壁上设置的第一回流进液口(102)、最下部的分布器(14)连通其侧壁上设置的第二回流进液口(107)，中部的所述塔内件(15)上方的分布器(14)连通所述反应塔(1)侧壁上设置的进料口(103)。
2.如权利要求1所述的共沸催化反应塔，其特征在于，所述的垫层(18)为石英砂或瓷球以不同颗粒度组合成的五层层状结构，所述五层层状结构即为五级级配：即最上层颗粒度接近于或略大于所述催化剂的颗粒度，最下层的颗粒度略大于所述格栅板(19)的间隙尺度，之间三层从上至下，由小渐大、上下粒度衔接排列，每层厚度在5～15cm。
3.如权利要求1所述的共沸催化反应塔，其特征在于，所述除沫器(13)、分布器(14)、格栅板(19)，其材质都是不锈钢。
4.如权利要求1所述的共沸催化反应塔，其特征在于，各段所述催化段上均设有加热液进口(104)和加热液出口(106)。
5.如权利要求1所述的共沸催化反应塔，其特征在于，所述模块催化剂(40)包括催化剂、金属丝网(402)、金属丝网波纹板(403)，所述模块催化剂(40)由所述的金属丝网(402)、金属丝网波纹板(403)间隔平行设置，两片所述金属丝网(402)之间承装所述的催化剂颗粒形成催化剂层(401)，且该催化剂层(401)内的所述催化剂颗粒被所述的金属丝网波纹板(403)隔开放置；所述的模块催化剂(40)内的所述催化剂层(401)间隔设置。
6.如权利要求5所述的共沸催化反应塔，其特征在于，所述催化剂颗粒为球状或珠状的强酸性树脂催化剂、耐高温强酸树脂催化剂或负载金属的超强酸树脂催化剂。
7.如权利要求6所述的共沸催化反应塔，其特征在于，所述负载金属的种类为元素周期表的主族II和VIII族元素，负载量为所述树脂催化剂交换量的1-20％。
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