一體化反應分離設備的製作方法

2023-10-04 01:08:04

專利名稱：一體化反應分離設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種化工設備，更具體地說涉及一種催化反應、產物與催化劑 分離和物料換熱構成的一體化設備。
背景技術：
在石油化工生產領域，有許多化學反應過程不僅使用固體催化劑，而且反 應的同時伴有強的放熱。為了使反應系統避免熱點產生而保持溫度均勻，採用 催化劑懸浮在液體中的操作方式能夠獲得較為滿意的效果。由於液體的傳熱係數較大，催化劑在液體中的懸浮操作方式易於回收熱量；這種方式使用的催化 劑粒度較小，因此不必對催化劑造粒加工，也不會存在顯著的催化劑內表面利 用率問題，有利於高活性催化劑的應用，特別是對於催化劑需頻繁更換和再生 的場合，操作起來較為方便。反應器中的漿液可通過流體的循環流動進行混合 和攪拌，使固體催化劑微粒充分懸浮，強化了傳熱和傳質。這種操作方式已廣 泛地應用於加氫、氧化、氯化和聚合等反應過程。但這種操作方式所面臨的最 大困難之一是固體催化劑和液體的分離問題，特別是催化劑顆粒非常小時困難 更為嚴重。實際上，對於大多催化反應過程， 一方面催化劑顆粒需要循環使用， 另一方面要使催化劑顆粒與反應液完全分離以確保後續操作步驟的安全和所獲 產品的質量。傳統的漿態床反應器多採用攪拌方式使催化劑懸浮，工業裝置由於受到攪 拌功率的限制，對於微細顆粒，因漿液的湍動程度不夠高會使催化劑在反應器 壁上教附，影響了換熱效果；此外，這類反應器內物料存在著較大返混，對要 求原料多點進料的反應系統或要求很高轉化率的一些場合，單個漿態床反應器 難以滿足要求。 一般工業操作過程是將催化反應和催化劑分離單獨設置，但這 造成裝置系統較為龐大。在烯烴聚合領域，環管反應器已得到了廣泛的應用。這類反應器具有單位 體積傳熱面積大、物料流動和混合狀況好、設備效率高等優點。專利US6239235、 US4121029、 EP0891990和WO2004024782對環管反應器在烯烴聚合中的應用進
行了較為詳細的描述。儘管將細微的催化劑顆粒直接用於反應過程有許多優點，但將其從反應液 中充分分離出來， 一直是一項較為困難的工作。US5534149提出了蒽醌法製造過氧化氫的加氫過程中，含貴金屬鈀的鈀/炭 催化劑與反應液的分離方法。該方法採用的是膜分離元件，膜的支撐體是由炭、 陶瓷或金屬材料製成，孔徑為5-100|Lim;膜是由a-氧化鋁、氧化鋯、氧化矽的 混合物製成，孔徑為1-lOpm;並用不含催化劑的工作液或溶劑對膜進行周期性 反衝洗。該方法採用一端封閉的過濾方式，這種操作方式極易造成膜表面的濃 差極化，而且膜汙染也易發生。EP0571762與US5534149的反應體系相同，採用的是陶瓷或聚烯烴微濾膜， 並以錯流的方式將鈀/炭催化劑與反應液進行分離，膜材料是a-氧化鋁，孔徑 為0. 1-3,,這種操作方式表現出過濾元件的過濾性能逐漸下降，這是因為金 屬燒結管和膜的汙染不可避免，僅靠反衝是不夠的，還需定期對過濾元件進行 再生。可以看出，上述的現有技術都是僅僅考慮了催化劑的過濾問題，沒有將反應 設備、過濾設備和移熱設備作一體化考慮。CN1394672A涉及一種非均相懸浮態納米催化反應的催化劑膜分離方法，催 化劑分離過程與催化反應過程組合在一起，用泵連續抽取反應釜內的物料送入 平均孔徑為2 ~ 200納米的無機膜管中且不斷循環於反應釜與無機膜管之間，利 用無機膜的篩分原理，液相產品不斷地透過膜管被分離，懸浮態催化劑截留在 膜管內並隨循環物料重新返回反應釜中循環使用。該方法中反應設備和分離沒 有耦合成一體化設備，流程較長。CN2576324Y涉及一體式懸浮床無機膜反應器。該反應器是將若干個無機膜 管和膜管支撐架組成的無機膜分離組件以一定的排列方式設置在反應釜內，膜 管的一端通過封板封閉，另一端與濾液出口管相通。膜管選取陶瓷、金屬材料 或它們的複合材料膜。膜管在釜內依支架的結構有豎直固定，豎直旋轉或水平 旋轉等多種排列方式。這種一體化方式在膜管和支架出現問題時，整個裝置需 要停下來進行維修，另外膜管破裂時難以及時發現
發明內容
針對現有流程和裝置存在的一些不足，本發明的目的是提供一種集催化反 應、催化劑分離和物料換熱為一體的，特別適會細顆粒催化劑的一體化反應分 離設備。本發明提供的一體化反應分離設備，其特徵在於該設備包括環管1和分離組件2,環管1與分離組件2形成一個循環迴路，環管1上設置循環泵3,提供能 量使反應物料在環管1和分離組件2形成的迴路內循環，其中環管1上設有原 料加入口 4、催化劑加入口 5、物料卸出口 6、換熱系統7，環管1的上部設有 液體收集平衡器8和平衡氣體管9;分離組件2內由過濾管10和殼體11構成， 過濾管個數由分離過程所需要的過濾面積確定，過濾管的設置使反應物料以錯 流的方式進行固液分離，反應物料在其中分離出產物，產物由出口 12排出，提 濃後的漿液繼續在環管內循環，分離組件2設有反沖洗系統13,對過濾管10 進行反向沖洗以恢復過濾通量。本發明提供的一體化反應分離設備，將反應、傳熱、物料混合和催化劑分 離在一個設備中進行，操作方便、流程簡單、結構緊湊，特別適用於強吸熱或 放熱的固-液、固-液-液和部分氣-液-固的多相反應。該設備具有良好的 物料混合和換熱效果，反應效率高，細顆粒催化劑不易粘壁，且與反應物料的 分離效率高。本發明提供的 一體化反應分離設備，可以用於酮的氨肟化反應或醛的氨肟 化反應，例如用於環己酮的氨將化生產環己酮肝的反應。


圖1為由一組環管和分離組件構成的一體化反應分離設備的示意圖。圖中， l-環管、2-分離組件、3-循環泵、4-原料加入口、 5-催化劑加入口、 6-物料卸 出口、 7-換熱系統，8-液體收集平衡器、9-平衡氣體管、10-過濾管、11-殼體、 12-產物出口、 13-反衝洗系統。圖2為由兩組環管和分離組件串聯構成的一體化反應分離設備的示意圖。 圖中，1-13的標記同圖1， 14-原料補充口， 15-催化劑補充口， 16-產品出口。
圖3為環管與並聯的兩個分離組件Fi、 F2構成的一體化反應分離設備的示意圖。圖4為分離組件中過濾管為陶瓷膜管時，反應物抖的進出料^意圖。困中， 20-待分離的漿料、21-產物清液匯集處、22-清液出口、 23-提濃後的漿液出口、 24-密封材料、11-分離組件殼體。圖5為分離組件中過濾管為金屬燒結管時，反應物料的進出料示意圖。圖 中標記同圖4。圖6為陶瓷膜分離組件的剖面圖。圖中，31-流道、32-過濾管。圖7為金屬膜管或金屬燒結管構成的分離組件剖面圖。圖中，33-流道、34-過濾管厚度。
具體實施方式
本發明提供的一體化反應分離設備，在環管1內發生主要的催化反應過程， 環管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應 物料流動的區域，每段藉助一個平滑的彎頭或彎管與相鄰段連接，環管l的直 徑和長度(包括上、下水平段和垂直段的段數等)取決於具體反應的生產能力、 反應停留時間和對產率的要求，環管可由鋼、鈦金屬、鎳金屬或其它合金加工 得到。環管1上的循環泵3,提供能量使反應物料在環管1內循環，循環泵3可 以設置在環管1的適當位置，循環泵一般為軸流泵，內置在環管內，使料液在 環管內高速循環，提高了傳熱、傳質效果，而且，在循環泵的作用下，反應物 料作高速循環運動，保證了物料的劇烈湍動，而且減少了固體催化劑微粒在反 應器壁面上的黏附；良好的混合使環管內形成較均勻的催化劑濃度，催化劑顆 粒不會沉降，不易粘壁，可以維持比一般釜式反應器高的催化劑濃度。在環管1上，設置有原料加入口 4,所說的加入口 4可以在環管的不同位 置設置，在環管不同位置處，可設置一個或多個原料加入口；在環管l的下水 平段設有物料卸出口 6， 一般將物料卸出口 6設置在催化劑加入口 5之前、環 管中物料流體轉為向上流動的最後點的鄰近區域，以便使新鮮催化劑於第一次 通過排放點之前，能在反應器中滯留儘可能長的時間。催化劑加入口5可以單
獨i殳置，當然催化劑也可以從原料加入口 4和反應原料一起加入。在環管l上所說的換熱系統7優選為夾套的形式，以放熱反應為例，環管 和外夾套構成了同軸的雙管熱交換器，在外夾套中的冷卻劑流體流過夾套與環 管中的反應物料進行熱量交換；冷卻劑在夾套的環行空間圍繞著環管外表面流 動並與表面相接觸，移出環管內的反應熱。環管1的上部設有液體收集平衡器8和平衡氣體管9,液體收集平衡器8 對設備實施反衝洗操作時的多餘液體進行收集和保證系統的安全，設置平衡氣 體管9來通過氣體壓力來保證系統壓力的平衡。本發明提供的一體化反應分離設備中，環管1與分離組件2的連接方式不 限，通常是通過法蘭連接而構成一個環行整體，並用合適的密封材料進行密封， 這樣就提供了一個連續的物流通道；由於沒有空隙體積，該設備的反應效率較 傳統的漿態床反應器的效率要高。本發明提供的一體化反應分離設備，分離組件2由過濾管10和殼體11組 成，在分離組件2中也有一定量的催化反應發生。過濾管通常是無機膜管或金 屬燒結管，其根數取決於分離通量和總處理量。所說的無機膜管選自陶瓷膜管、金屬膜管、玻璃膜管或分子篩碳膜管，膜 的孔徑從4nm-50pm。陶覺膜管的材質可以是氧化鋁、氧化鋯、氧化鈦或氧化矽， 單根陶瓷膜管具有多個直徑為3-10 mm流道；金屬膜管的材質可以是不鏽鋼、 鎳金屬、鈦金屬或其它合金， 一般為一個流道。所說的金屬燒結管是金屬粉末(或金屬纖維)經高溫燒結製成的多孔金屬 管，可用不鏽鋼、其它金屬或合金製成，孔徑從0. 5,-200|iim。產物過濾清液不斷從過濾管表面經徑向透過，進入透過側，而固體微細顆 粒被攔截並沉積在過濾管的表面上，儘管高速流動的漿料使得過濾管表面的沉 積層很薄，但還是會影響過濾通量，此外一些極細的微粒還可堵塞過濾管的微 孔，這些均可引起過濾管的汙染，使得過濾通量和選擇性下降，從而降低過濾 器的生產效率，縮短過濾管的壽命。因此，設置反衝洗系統n,利用過濾清液、 溶劑或反應原料周期性反衝可使過濾通量維持在一個相對較為穩定的範圍。定 期反沖保證過濾穩定連續地進行，過濾周期和快速反衝的時間取決於具體的反 應特性以及反應溫度、壓力、漿料的濃度和循環量等參數。對於採用快速反沖200610089038.6說明書第6/7頁時過濾通量還無法恢復的膜汙染情況，可採用化學方法對過濾管進行徹底再生。所說的分離組件可以有多個，它們以串聯、並聯或串並聯方式組合在 一起 與環管連接。由於設備在運行一定時間後，分離組件中過濾管的汙染不可能完 全避免，而並聯的連接方式方便於分離組件之間地切換，保證了運轉的連續性， 因此優選並聯(參見圖3)或串並聯的方式。密封材料的選取應考慮其熱穩定 性、化學相容性以及與膜材料之間熱膨脹係數的匹配性，以避免物料的洩漏。所說的 一體化反應分離設備，也可以由兩組或兩組以上的環管和分離組件串聯構成(參見圖2)。本發明提供的一體化反應分離設備，反應物料在循環泵的作用下快速循環 不僅使得催化劑在液相中充分懸浮並快速混合，發生催化反應，可有效的防止 固體催化劑在過濾管表面沉積；較高的循環速度也滿足了錯流過濾時過濾管表 面流速要求，減弱了過濾管表面的濃差極化現象。下面結合附圖1-附圖7來說明本發明提供的一體化反應分離設備的一種操 作流程，但並不因此限定本發明的內容。圖1為由一組環管和分離組件構成的一體化反應分離設備的示意圖。反應 原料從原料加入口 4、催化劑從催化劑加入口 5加入環管1中，通過循環泵3 使其強制循環，反應混合物的流動應維持足夠高的速度以保持固體的懸浮，反 應物料沿預先確定的方向流動(例如沿圖中環管內所示的箭頭方向流動)反應物 料漿液流過分離組件2，在過濾管10中發生錯流過濾，產物過濾清液依靠壓力 差從過濾管10的徑向流出，經出口12排出，而經過濾管提濃後的漿液在環管 l內繼續循環使用，通過反衝系統13對膜進行再生。圖2為由兩組環管和分離組件串聯構成的一體化反應分離設備的示意圖。 結構原理和圖l基本相同，可在相同條件或不同條件下進行操作。它們的區別 在於第一反應器出口清液12在壓差的作用下引入第二反應器繼續反應，原料補 充通過14加入，催化劑可通過14或15加入，產品經16流出反應器，13為反 沖系統。圖3為環管與並聯的兩個分離組件構成的設備的示意圖。其結構和操作基 本與圖l相同，所不同的是採用兩組分離組件Fi和F2並聯的方式操作。如果分離組件需化學再生時，可通過F,和F2切換的操:作方式。圖4和圖5分別為分離組件中過濾管為陶瓷膜管和金屬燒結管時，反應物
料的進出料示意圖，從圖中可以看到，待分離的漿料20經分配後進入過濾管， 在壓力差推動下，錯流過濾，產物清液從過濾管流出並在21處匯集後從出口 22流出，提濃後的漿液經出口 23流出繼續在設備中運轉。圖中，採用密封材 料24進行密封以防止漿料向產物清液側洩漏。11是分離組件外殼。圖6和圖7分別為圖4和圖5在A-A和B-B處的剖面示意圖。圖6中分離 組件內裝有19根分離管，每根分離管有19個通道的一種情況，圖中31為流道, 32為過濾管，分離組件的管子數目、通道數目和尺寸不受上述限制，可根據需 要選定；圖7中分離組件內有19根管子，圖中33為流道，34為過濾管的厚度， 分離組件中的管子數目、通道數目和尺寸不受上述限定，可依據實際分離要求 選定。
權利要求
1.一種一體化反應分離設備，其特徵在於該設備包括環管(1)和分離組件(2)，環管(1)與分離組件(2)形成一個循環迴路，環管1上設置循環泵(3)，提供能量使反應物料在環管(1)和分離組件(2)形成的迴路內循環，其中環管1上設有原料加入口(4)、催化劑加入口(5)、物料卸出口(6)、換熱系統(7)，環管(1)的上部設有液體收集平衡器(8)和平衡氣體管(9)，環管長度和換熱面積視反應條件而定；分離組件(2)由過濾管(10)和殼體(11)構成，過濾管個數由分離過程所需要的過濾面積確定，過濾管的設置使反應物料以錯流的方式進行固液分離，反應物料在其中分離出產物，產物由出口(12)排出，提濃後的漿液繼續在環管內循環，分離組件(2)設有反衝洗系統(13)，對過濾管(10)進行反向衝洗以恢復過濾通量。
2. 按照權利要求1的設備，其中所說的循環泵(3 )為軸流泵。
3. 按照權利要求1的設備，其中所說的原料加入口 ( 4 )在環管(1 )的 不同位置處設置一個或多個。
4. 按照權利要求1的設備，其中所說的換熱系統(7 )為夾套的形式， 冷卻劑或供熱流體在夾套中與反應物料進行熱交換。
5. 按照權利要求1的設備，其中所說的過濾管(10 )為無機膜管或金屬燒結管。
6. 按照權利要求5的設備，其中所說的無機膜管選自陶瓷膜管、金屬膜 管、玻璃膜管或分子篩碳膜管。
7. 按照權利要求6的設備，其中所說的陶瓷膜管或金屬模管中，膜的孔 徑從4nm-50(nm。
8. 按照權利要求6的設備，其中所說的陶瓷膜管，單根具有多個直徑為 3-10 mm的流道。
9. 按照權利要求6的設備，其中所說的金屬膜管為一個流道。
10. 按照權利要求5的設備，其中所說的金屬燒結管用金屬粉末或金屬纖 維經高溫燒結製成的，孔徑從0. 5|iim -200jLim。
11. 按照權利要求1的設備，其特徵在於採用至少兩組環管和分離組件串 聯而成。
12. 按照權利要求1的設備，其特徵在於有多組分離組件以串聯、並聯或 串並聯的方式連接。
13. 按照權利要求l的設備，其特徵在於多組分離組件以並聯方式連接，切換操作。
14. 權利要求l-13之一的一體化反應分離設備用於酮的氨肝化反應或醛 的氨肝化反應。
15. 權利要求14的一體化反應分離設備用於環己酮的氨將化反應。
全文摘要
本發明提供了一種一體化反應分離設備，主要由環管和分離組件構成，環管與分離組件形成一個循環反應迴路，該設備結構緊湊，集催化反應、催化劑分離和物料換熱為一體，特別是可保證細顆粒如納米級或微米級催化劑與反應物料高效分離並循環使用，而且具有良好的物料混合和換熱效果，適用於強吸熱或放熱的固-液、固-液-液和部分氣-液-固的多相反應體系。
文檔編號B01J19/24GK101116804SQ200610089038
公開日2008年2月6日 申請日期2006年7月31日 優先權日2006年7月31日
發明者巍 吳, 李永祥, 閔恩澤 申請人:中國石油化工股份有限公司;中國石油化工股份有限公司石油化工科學研究院