КАТАЛИТИЧЕСКАЯ ДИСТИЛЛЯЦИОННАЯ СТРУКТУРА Российский патент 2001 года по МПК B01F3/04 B01J10/00 B01J12/00 B01J31/08 B01J35/02 B01J35/04 

Описание предшествующего уровня
Техническая область изобретения
Изобретение в целом относится к структуре, которая выполняет двойную функцию - катализатора реакции и поверхности массообмена для дистилляции. Более точно, изобретение относится к неподвижной дистилляционной форме, которая содержит частицы твердого катализатора.

Смежная область
Параллельное проведение реакции и выделения продуктов из смеси реагирующих веществ уже применялось на практике в течение некоторого времени, и в этой области были достигнуты определенные успехи. Примеры параллельного применения реакции и дистилляции впервые описаны в патентах США NN: (этерификация) 4232177; 4307254; 4336407; 4504687; 4918243; 4978807; (димеризация) 4242530; (гидрирование) 4982022; (разложение) 4447668; (ароматическое алкилирование) 4950834 и 5019669.

Было разработано несколько различных каталитических дистилляционных структур. Например, в патентах США NN 4302356 и 4443559 описывается каталитическая дистилляционная структура, в которой катализатор в форме твердых частиц помещен внутри карманов на матерчатой ленте, свитой вместе с демистерной проволокой, а в патенте США 4731229 впервые описывается насадка с гофрированными элементами и лентообразным каталитическим элементом. Позднее высокоэффективная насадка была модифицирована для внесения в нее катализатора, как описывается в патенте США N 5073236. В последнем каждую структуру, содержащую две параллельных газопроницаемых пластины и помещенный между ними катализатор, располагают вертикально внутри колонны непосредственно рядом с другой парой пластин, содержащих катализатор. В некоторых случаях плотная упаковка пластин, содержащих катализатор, при помещении в колонку может играть роль плотного слоя катализатора и, таким образом, увеличивать время сверх того, что необходимо для данной реакции. Преимуществом данного изобретения является то, что в некоторых вариантах выполнения внутри колонны может быть получена большая подвижность потоков жидкости или газа. Еще одно преимущество этого изобретения заключается в том, что каталитическая дистилляционная структура обеспечивает лучшие показатели дистилляционного разделения по сравнению с характеристиками предыдущих структур. Особенность данного изобретения состоит также в том, что в предложенных структурах может применяться меньшее количество каталитического материала.

Краткое описание изобретения
Данное изобретение обеспечивает более универсальную систему разделения из, по меньшей мере, одной пары соседних элементов, содержащих катализатор, с промежуточным элементом, включающим инертный элемент. Например, промежуточным элементом может являться плоская пластина (газопроницаемая или твердая), элемент, подобный содержащему катализатор элементу и содержащий инертные частицы, или элемент, аналогичный содержащему катализатор элементу, но пустой. Изменением количества промежуточных элементов в колонне можно обеспечить нужный объем катализатора при использовании стандартного содержащего катализатор элемента. В одном из вариантов выполнения каталитические элементы могут быть размещены раздельно для того, чтобы обеспечить свободное пространство между некоторыми или всеми структурами.

В том случае, когда в поперечном сечении колонны требуется наличие постоянных характеристик потока, промежуточные элементы могут быть идентичны содержащим катализатор элементам, в которых каталитический материал замещен инертной насадкой аналогичного размера и формы. Кроме того, катализатор или другой наполнитель может быть просто удален для получения альтернативных характеристик потока.

Краткое описание чертежей
Фиг. 1 представляет собой вид сверху части поперечного сечения структуры, на котором показаны содержащие катализатор элементы и промежуточные элементы по данному изобретению.

Фиг. 2 представляет собой вид сбоку одного каталитического элемента, изображенного на фиг.1.

Фиг. 3 представляет собой поперечное сечение одного пакетного элемента данного изобретения.

Фиг. 4 показывает пакетный элемент данного изобретения, содержащий материал в форме частиц.

На фиг. 5 показана структура, содержащая множество каталитических элементов, расположенных отдельно друг от друга.

На фиг. 6 показано множество каталитических элементов, из которых только в одной паре соседние элементы расположены раздельно друг от друга.

На фиг. 7 показано множество пакетов, каждый из которых соединен и соприкасается с любой соседней пакетной единицей.

Фиг. 8 представляет собой часть вида сбоку реакционной дистилляционной колонны со структурой, соответствующей данному изобретению.

Описание предпочтительного выполнения изобретения
Каталитическая структура по данному изобретению содержит, по меньшей мере, два каталитических элемента одной или более конфигураций:
A. установленные отдельно
B. соединенные с инертным элементом, выбранным из группы, включающей следующий перечень элементов:
1. паковочный элемент
2. некаталитический элемент
3. плоская пластина (газопроницаемая или непроницаемая)
Предпочтительно каталитическая структура будет содержать множество каталитических элементов в конфигурации, описанной выше. Например, в одном предпочтительном варианте выполнения, как показано на фиг. 6, каталитическая структура включает две группы соединенных каталитических элементов, разделенных пространством. В другом предпочтительном варианте выполнения, как показано на фиг. 5, множество каталитических элементов в структуре разделены в пространстве таким образом, что нет соединенных каталитических элементов, и соседние каталитические элементы не соприкасаются друг с другом. Эти две конфигурации являются преимуществом по сравнению со структурой, описанной в патенте США 5073236, так как они дают возможность обеспечить большее открытое пространство внутри каталитической структуры. Во многих вариантах выполнения плотные структуры, включающие соединенные каталитические элементы, были бы барьером и, в сущности, их действие больше похоже на действие плотного слоя частиц катализатора с более высокими перепадами давления в заполненной колонне.

Каталитическая структура, представленная на фиг. 7, однако, обеспечивает плотную упаковку, но с важным отличием от предыдущих вариантов. Некоторые из изображенных пакетов не содержат какого бы то ни было материала и/или содержат частицы инертного материала. Свободные паковки являются менее плотными и обеспечивают прекрасные показатели дистилляции ввиду наличия открытого пространства и поверхностей. Инертные элементы представляют собой паковки, заполненные инертным материалом, частицы которого могут иметь такие же, большие или меньшие, размеры по сравнению с частицами каталитического материала. Инертные элементы обеспечивают во всем такие же гидравлические характеристики, как и каталитические элементы, но уменьшают каталитические реакции, которые в каталитической дистилляции, называемой также реакционной дистилляцией (reactive distillation) (см. патент США 5019669), часто являются обратными реакциями. Следовательно, более высокая степень каталитической дистилляции может достигаться при помощи разбавления (уменьшения количества) реакционных элементов при сохранении количества дистилляционных элементов. Другими словами, внедрением инертных элементов между каталитическими элементами получают структуру с усиленным фракционным разделением, в то время как в системе, включающей колонну с множеством каталитических структур, в целом сохраняется движущая сила реакции.

Разбавление объема катализатора, присутствующего в любой данной колонне, может быть незначительно получено динамической природной каталитической дистилляции и улучшенными дистилляционными характеристиками, описанными выше.

Каталитические и некаталитические элементы соединяют для получения структуры, как правило, пластическими или металлическими слоями на верхних или нижних концах каждой группы элементов. Там, где необходимо, между элементами, которые должны быть разделены, помещают прокладку в форме рамы.

Термин "пакеты" в данном описании используют для обозначения гофрированных листов, соединенных для получения емкостей для частиц каталитического материала или частиц инертного материала. Гофрированные листы могут быть соединены сваркой или сплетением, гофрированием и сгибанием. Гофрированные листы располагают параллельно оси и оставляют открытыми каналы между листами для распределения и фракционной дистилляции потоков газа или жидкости.

Гофрированные складки и каналы и карманы для частиц материала на каждом листе располагают наклонно относительно основной оси, при этом они располагаются в противоположном направлении относительно гофрированных складок соседнего листа.

Для подробного описания предпочтительных вариантов выполнения приводятся приложенные рисунки, на которых для удобства чтения подобные компоненты приведены под подобными номерами.

На фиг. 1 показан ряд сверху каталитической структуры 10 по данному изобретению, которая содержит множество каталитических элементов 12, расположенных в ряд вдоль общей оси, причем каждый отделен от другого некаталитическим листом 14, который может быть проницаемым или непроницаемым. Элементы объединены при помощи обруча 16. На фиг. 2 показан каталитический элемент, включающий два слоя 18 и 20 газопроницаемой проволочной сетки, места соединения которых располагаются на одинаковом расстоянии друг от друга для получения пакетов 22, в которых могут помещать частицы катализатора и которые могут использоваться и пустыми, как описано далее. Соединение может осуществляться сплетением двух слоев в точках 13. Конкретное выполнение включает способ двойного плетения, в котором отверстие сплетено двойным плетением с выделением пакетов плетением. Дополнительно пакеты сплетают по диагонали относительно поверхности элемента, как показано на фиг. 3. Элементы имеют вид, подобный гофрированному контуру рыбы (см. фиг. 3 и 4).

На фиг. 7 представлен вид нескольких катализаторсодержащих элементов 12, разделенных инертным пространством 24. В этом предпочтительном варианте выполнения каждый каталитический элемент 12 отделяется некаталитичесхой дистилляционной структурой 24, которая может либо представлять собой пустую пакетную структуру, показанную на фиг. 3, либо могут заполняться материалом в виде частиц 26, как показано на фиг. 4. Пакетные элементы, содержащие материал в виде частиц, могут содержать либо каталитический материал в виде частиц, либо инертный материал в виде частиц. Элементы, как показано, являются одними и теми же и отличаются только природой материала в виде частиц. На фиг. 6 показан аналогичный вид структуры, где все пакетные элементы являются каталитическими элементами 12, где группы соприкасающихся каталитических элементов разделены в пространстве 28 таким образом, что по всей каталитической структуре каталитические элементы являются не соприкасающимися.

На фиг. 5 показан узел каталитической дистилляционной структуры, готовый для монтажа в реакторе типа дистилляционной колонны. Каталитические элементы 10, как показано, разделены элементами открытого пространства и в целом объединены обручем 16. Все элементы, объединенные обручем 16, вертикально помещают внутри колонны.

На фиг. 8 показан реактор в виде дистилляционной колонны 100, содержащий узел каталитической дистилляционной структуры 10, строение которого показано на фиг. 7. Предпочтительно элементы, содержащие горизонтально уложенный катализатор, располагают вместе таким образом, что пакеты одного элемента находятся под углом 90^o к паковкам следующего элемента, независимо от того, отсутствует ли в нем материал в виде частиц, заполнен ли он каталитическим материалом или заполнен инертным материалом так, что жидкие потоки текут по каналам под углом к вертикальной оси колонны. Эта особенность показана на фиг. 8, где наклонные линии на верхней и нижней частях означают складки листов.

Структура 10 работает как структурированная насадка для фракционной дистилляции потоков жидкости или газа и одновременно обеспечивает каталитическое взаимодействие потоков жидкости или газа. В типичной установке множество структур 10 располагают внутри колонны одна на другую на подходящей несущей структуре. Каждый вертикальный ряд структур устанавливают так, что его листы 18 и 20 параллельны другим листам в этом же ряду и располагаются под углом 90^o относительно плоскости листов в вертикально прилежащем ряду. Это относительное ориентирование трех вертикально установленных рядов листов показано на фиг. 8. Структура 10 особенно применима для жидкофазных реакций, продукты которых можно разделять дистилляцией, при контакте газа с жидкостью при движении их противотоком в жидкофазных каталитических системах. В процессе работы один или более потоков загружают в колонну 100 с жидкостью, стекающей через структуру 10, а парообразные потоки проходят вверх через структуру 10. Жидкий поток течет по каналам 32 вдоль поверхности листов 18 и 20 и через слой катализатора 30 и инертный слой в элементе 24. В верхней части структуры 10 могут применяться распределители жидкости для предпочтительного направления потоков жидкости, как описано, либо в каналы 32, либо на слой катализатора 30.

Слой катализатора 30 образует каталитическую реакционную зону для каталитического взаимодействия нисходящих потоков жидкости. Одновременно паровая фаза, образованная посредством фракционной дистилляции жидких потоков, предпочтительно поступает вверх через каналы 32 для смешения с нисходящими потоками жидкости. Процесс массообмена между жидкой и паровой фазами осуществляется, главным образом, на поверхности листов 18 и 20, а также на катализаторе.

Смешение жидкой и паровой фаз происходит в каналах 32 при соприкосновении восходящего пара с нисходящей жидкостью. Жидкая фаза проходит через проницаемые элементы 18 и 20 из каналов на слой катализатора 22 для каталитической реакции или в инертный слой элемента 24 для дальнейшего разделения. Продукт реакции подобным же образом проходит из слоя катализатора в каналы, где протекает основная фракционная дистилляция.

Следует учитывать, что при необходимости в колонну можно помещать большее количество узлов на различных высотах. Дополнительно узел или узлы можно укреплять любым из эффективных способов. Например, узлы могут укрепляться и разделяться инертной насадкой для дистилляции, такой как кольца Рашига, или аналогичной.

Группа изобретений относится к катализаторам. Патентуется каталитическая дистилляционная структура (10), имеющая множество гофрированных вертикально расположенных содержащих катализатор элементов, разделенных инертными промежуточными элементами. Каждый из содержащих катализатор элементов имеет два слоя газопроницаемого материала, такого как проволочная сетка, соединенных в местах, расположенных на равном расстоянии друг от друга, для образования единого листа, имеющего карманы, расположенные на поверхности. Катализатор в виде частиц помещают внутри карманов. Катализатор, помещенный в карманах, обеспечивает зону реакции, где могут осуществляться каталитические реакции, а газопроницаемые листы обеспечивают наличие поверхностей массообмена для проведения фракционной дистилляции. Промежуточные элементы дают возможность варьировать плотность катализатора и его загрузку. Также патентуется содержащий вышеуказанную структуру реактор для параллельного проведения реакций и разделения продуктов и реагирующих веществ. 2 с. и 18 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Каталитическая дистилляционная структура для размещения в реакторе типа дистилляционной колонны, включающая множество заполненных катализаторов в виде частиц и встроенных вдоль оси каталитических элементов, каждый из которых включает первый и второй слои газопроницаемого материала, соединенные вместе для образования листа, отличающаяся тем, что в листе выполнено множество карманов, внутри которых находится катализатор, а структура содержит инертный промежуточный элемент, размещенный между по меньшей мере, двумя соседними из указанного множества каталитических элементов. 2. Каталитическая дистилляционная структура по п.1, в которой указанный инертный промежуточный элемент включает открытое пространство. 3. Каталитическая дистилляционная структура по п.1, в которой указанный инертный промежуточный элемент включает плоский элемент конструкции. 4. Каталитическая дистилляционная структура по п.3, в которой указанный плоский элемент конструкции является газопроницаемым. 5. Каталитическая дистилляционная структура по п.3, в которой указанный плоский элемент конструкции является газонепроницаемым. 6. Каталитическая дистилляционная структура по п.1, в которой указанный инертный промежуточный элемент включает гофрированный лист, включающий третий и четвертый слой газопроницаемого материала, соединенные вместе с интервалами для образования множества пустых карманов, расположенных на указанном листе. 7. Каталитическая дистилляционная структура по п.6, в которой указанный проницаемый материал включает проволочную сетку. 8. Каталитическая дистилляционная структура по п.1, в которой часть из указанных карманов содержит инертный материал в виде частиц, помещенный в них. 9. Каталитическая дистилляционная структура по п.1, в которой указанные карманы расположены по диагонали указанного листа. 10. Каталитическая дистилляционная структура по п.1, в которой указанным газопроницаемым материалом является сплетенная проволочная сетка. 11. Каталитическая дистилляционная структура по п.1, в которой указанные инертные промежуточные элементы включают единственный лист проволочной сетки. 12. Каталитическая дистилляционная структура по п.1, в которой указанный инертный промежуточный элемент расположен между каждым из указанного множества каталитических элементов. 13. Каталитическая дистилляционная структура по п.12, в которой указанный инертный промежуточный элемент включает открытое пространство. 14. Каталитическая дистилляционная структура по п.12, в которой указанный инертный промежуточный элемент включает плоский элемент конструкции. 15. Каталитическая дистилляционная структура по п.14, в которой указанный плоский элемент конструкции является газопроницаемым. 16. Каталитическая дистилляционная структура по п.14, в которой указанный плоский элемент конструкции является газонепроницаемым. 17. Каталитическая дистилляционная структура по п.12, в которой указанный инертный промежуточный элемент включает лист, включающий третий и четвертый слой газопроницаемого материала, соединенные вместе с интервалом для образования множества карманов, расположенных на указанном листе. 18. Каталитическая дистилляционная структура по п.18, в которой часть из указанных карманов являются пустыми. 19. Каталитическая дистилляционная структура по п.17, в которой часть из указанных карманов содержит инертный материал в виде частиц, помещенный в них. 20. Реактор в виде дистилляционной колонны для параллельного проведения реакций и разделения продуктов и реагирующих веществ, включающий вертикально расположенную емкость, размещенную в нем каталитическую дистилляционную структуру со множеством заполненных катализатором в виде частиц и выстроенных вдоль общей оси каталитических элементов каждый из которых включает первый и второй слои газопроницаемого материала, соединенные вместе для образования листа, отличающийся тем, что в листе выполнено множество карманов, внутри которых находится катализатор, а структура содержит инертный промежуточный элемент, размещенный между, по меньшей мере, двумя соседними из указанного множества каталитических элементов.