CN101239247A - 差压低能耗精馏方法及设备 - Google Patents

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本发明涉及差压低能耗精馏方法及设备，包括有常规分离塔段、降压分离塔段、主再沸器、回流储罐和压缩机，其中：在降压分离塔段和常规分离塔段之间设置有一个压缩机，降压分离塔段塔顶的汽相物料管连接到压缩机进口，压缩机出口管连接到常规分离塔段塔底的汽相进料管；常规分离塔段塔顶的汽相物料出口管连接到主再沸器热介质进口，热介质出口连接到常规分离塔段的回流罐；常规分离塔段塔底液相出口连接到降压分离塔顶的液相进口；降压分离塔段底部的液相物料出口管连接到主再沸器冷介质进口，冷介质出口连接到降压分离塔段的再沸蒸汽入口。本发明实现热偶精馏，匹配换热。基本用差压降温手段实现了最小的热消耗，甚至冷热负荷可以完全匹配，消耗为零。而实现该目的的手段仅仅是在设备中增加一台压缩机，该动力消耗相对于原有的热消耗小很多。

Description

差压低能耗精馏方法及设备
                                技术领域
本发明涉及精馏技术领域，特别是涉及一种适合高耗能精细化学品加工过程的差压低能耗精馏方法及设备。
                                背景技术
精馏是一种应用广泛的化工分离单元操作，但精馏过程能耗巨大，提高精馏过程的能量利用率始终是研究的热点。
近年来，热偶精馏由于既节能又节省设备投资引起了人们的广泛关注。最早的热偶精馏是50年前由Petlyuk提出的，研究发现热偶精馏比常规精馏过程节能至少30％以上，但受当时的技术条件所限而难以工业化。近年来，由于能源价格不断上涨，随着对节能要求的提高，且由于控制技术的提高，热偶精馏方面的研究又趋于活跃，一些大公司已将其中的分隔壁精馏塔工业化。对于某些给定的物料，分隔壁精馏塔和常规精馏流程相比需更小的回流比，故增大了操作容量。节能最高可达到60％以上，可省设备投资30％。分隔壁精馏塔能广泛地应用于石油精制、石油化工、化学品及气体精制。
现有的热偶精馏技术无论从流程还是设备来说，仍摆脱不了精馏过程中所需要的塔顶冷凝液体回流和塔釜再沸蒸汽上升操作的限制。无论是采用预分塔设计、中间侧线换热、侧线蒸馏流程还是侧线提馏流程，对于主精馏塔来说，由于塔顶温度要高于塔底温度，即塔顶物料冷凝后的温度要高于塔底物料再沸所要达到的温度，因而塔顶冷凝器和塔底再沸器之间不能简单地进行匹配换热，也就不能实现完全的热耦合。
若能通过各种手段实现在精馏过程中的完全热耦合，真正达到节能降耗、降低产品成本的目的，对于我国石油化工行业发展的推动作用则是相当巨大的。
                                发明内容
本发明通过对各种热偶精馏过程进行深入研究，以实现最小能耗为目的，提出一种新型热偶精馏过程-差压低能耗精馏方法及设备。
本发明的差压低能耗精馏设备，包括有常规分离塔段、降压分离塔段、主再沸器、回流储罐和压缩机，其中：在常规分离塔段和降压分离塔段之间设置有一个压缩机，降压分离塔段塔顶的汽相物料管连接到压缩机进口，压缩机出口管连接到常规分离塔段塔底的汽相进料管；常规分离塔段顶部的汽相物料出口管连接到主再沸器热介质进口，热介质出口连接到常规分离塔段的回流罐；常规分离塔段底部液相出口连接到降压分离塔段顶部的液相进口；降压分离塔段底部的液相物料出口管连接到主再沸器冷介质进口，冷介质出口连接到降压分离塔段的再沸蒸汽入口。
所述的降压分离塔段塔底设置有一台辅助再沸器。
所述的主再沸器和回流罐之间设置有辅助冷凝器。
本发明的差压低能耗精馏设备的操作方法是：
a)将普通的精馏塔分割为常规分离塔段和降压分离塔段，其中常规分离塔段与单塔精馏操作压力相同或者略高于单塔操作压力，降压分离塔段采用降压操作；
b)降压分离塔段采用降压操作，降压分离塔段塔顶蒸汽经过压缩机压缩达到常规分离塔段塔底要求后进入常规分离塔段；
c)降压分离塔段的降压操作使得其塔釜再沸物料的温度低于常规分离段塔顶物料的温度，利用该两股物料的匹配换热从而实现两个塔段之间的热耦合。
具体操作方法如下：经过常规分离塔段1分离后的塔底液相物料11在压差推动下进入降压分离塔段12顶部；降压分离塔段顶部出来的蒸汽13通过压缩机14加压后进入常规分离塔段底部作为上升蒸汽15；降压分离塔段塔底出来的液相16一部分可作为产品采出20，另一部分17与常规分离塔段塔顶出来的蒸汽2在主再沸器3中进行换热，形成降压分离塔段塔底所需的再沸蒸汽18，若冷凝负荷小于主再沸器负荷，需要同时开启辅助再沸器22；常规分离塔段塔顶蒸汽2经过换热后得到部分或全部冷凝液4，当冷凝负荷大于主再沸器负荷时，需开启该部分冷凝液4流经的辅助冷凝器5，得到常规分离塔段塔顶所需要的回流和采出的冷凝液6进入回流储罐7，从回流储罐中流出的冷凝液8一部分作为产品9采出，另一部分作为常规分离塔段的塔顶回流液体10。
所述的辅助冷凝器5和辅助再沸器22操作，运行稳定后，根据热量匹配可选择其一作为辅助能源设备，若流程设计中常规分离塔段塔顶冷凝和降压分离塔段塔底再沸蒸汽可以完全匹配的话，则两个辅助设备均无需开启。
本发明的独到之处在于：将普通的精馏塔分割为常规分离塔段和降压分离塔段，降压分离塔段塔顶的汽相物料管连接到压缩机进口，压缩机出口管连接到常规分离塔段塔底的汽相进料管；常规分离塔段塔顶的汽相物料出口管连接到主再沸器热介质进口，热介质出口连接到辅助冷凝器进口，辅助冷凝器出口连接到常规分离塔段的回流罐，回流罐出口一端液相采出，一端连接到常规分离塔段塔顶回流物料进口；常规分离塔段塔底液相出口连接到降压分离塔段塔顶的液相进口；降压分离塔段塔底的液相出口分为两个支路，一条支路与主再沸器的冷介质进口相连，冷介质出口端连接到降压分离塔段塔底的再沸液体进口，另一条支路连接出料管，也可根据需要连接一台辅助再沸器。
这一技术是将普通的精馏塔分割为常规分离和降压分离两个塔段，其中常规分离塔段的操作压力与单塔精馏操作压力相同或者略高于单塔操作压力，而降压分离塔段采用降压操作，降低塔底温度，从而能够利用常规精馏塔段塔顶冷凝的潜热来实现降压分离塔段塔底物料的再沸加热。降压分离塔段塔顶蒸汽经过压缩机压缩进入常规分离塔段，常规分离塔段塔底液体由压差推动进入降压分离塔段。降压分离塔段降压操作可以使得其塔釜再沸物料的温度低于常规分离塔段塔顶物料的温度，利用该两股物料的匹配换热从而实现两塔的热耦合，并利用辅助冷凝器和辅助再沸器实现整个精馏过程能耗的完全匹配，实现节能的目标。
与现有技术相比，本发明有以下优点：
[1]常规分离塔段塔顶冷凝的负荷可以与降压下降压分离塔段底再沸器的负荷相匹配，实现热偶精馏，匹配换热。
[2]与常规精馏不同，常规分离塔段顶上升蒸汽经过压缩后能够用于加热降压分离塔段塔底物料，满足塔底再沸的要求。
[3]热消耗是精馏操作中的主要能耗所在，本发明与现有技术相比，基本用差压降温手段实现了最小的热消耗，甚至冷热负荷可以完全匹配，消耗为零。而实现该目的的手段仅仅是在设备中增加一台压缩机，该动力消耗相对于原有的热消耗小很多。
[4]现有的精馏技术分离高耗能精细化学品时通常需要很高的精馏塔来实现很好的产品分离，本发明在实现低能耗的同时，可以降低塔高。
                                    附图说明
图1是差压低能耗精馏技术的流程示意图。
                                    具体实施方式
下面结合附图对本发明所提供的技术和设备进行进一步的说明。
本发明是通过如下技术方案实现的：
如图1所示，经过常规分离塔段1分离后的塔底液相物料在压差推动下进入降压分离塔段12顶部；降压分离塔段顶部出来的蒸汽13通过压缩机14加压后进入常规分离塔段底部作为上升蒸汽15；降压分离塔段塔底出来的液相16一部分可作为产品采出20，另一部分17与常规分离塔段塔顶出来的蒸汽2在主再沸器3中进行换热，形成降压分离塔段塔底所需的再沸蒸汽18，若冷凝负荷小于主再沸器负荷时，需要同时开启辅助再沸器22；常规分离塔段塔顶蒸汽2经过换热后得到部分或全部冷凝液4，当冷凝负荷大于主再沸器负荷时，需开启该部分冷凝液4流经的辅助冷凝器5，从而得到常规分离塔段塔顶所需要的回流和采出的冷凝液6进入回流储罐7，从回流储罐中流出的冷凝液8一部分作为产品9采出，另一部分作为常规分离塔段的塔顶回流液体10。
在操作过程中若降压分离塔段塔底物料再沸所需热量大于常规分离塔段塔顶冷凝所能提供的热量时，则需要同时开启辅助再沸器22，使得降压分离塔段塔底出来液相的一部分21与外部换热来满足降压分离塔段塔底上升蒸汽所需要的全部热量；而若在操作过程中降压分离塔段上升蒸汽所需热量小于常规分离塔段塔顶冷凝所能提供的热量，则需要同时开启辅助冷凝器5，使得常规分离塔段顶蒸汽经过主再沸器冷却后的物料4与外部换热来降低该股物料的温度，以降低至常规分离塔段塔顶所需回流液体的温度；因而，在实际操作达到稳定运行后，辅助冷凝器5和辅助再沸器22一般不会同时开启，根据热量匹配可选择其一作为辅助能源设备，若流程设计中常规分离塔段塔顶冷凝和降压分离塔段塔底再沸蒸汽可以完全匹配的话，则两个辅助设备均无需开启。
本发明的技术和设备广泛适用于所有的精馏过程，为了更好地说明本发明在节能降耗方面的优势，仅仅选取其中两个应用实例加以说明，但并不因此限制本技术和设备的适用范围。
用本发明方法用于丙稀-丙烷气体分离系统，与发明所述流程相同，其中常规分离塔段的理论板为145，降压分离塔段的理论塔板数是55。采用降压分离塔段进料，进料量为23375kg/hr，进料温度为40℃，进料摩尔组成为丙烷0.218，丙烯0.771，乙烷0.011。
常规分离塔段塔顶压力为1800kPa，塔底压力为2000kPa，塔顶温度为43.4℃；降压分离塔段塔顶压力为1100kPa，塔底压力为1200kPa，塔底温度为33.7℃。本实施例中常规分离塔段顶冷凝提供的热量要大于降压分离塔段底上升再沸蒸汽所需要的热量，开启辅助冷凝器使得通过主再沸器的冷凝流股再一次冷凝达到常规分离塔段顶液相回流要求。该过程中主要公共工程和压缩机能耗如表1。
                表1主要能量消耗
    设备名称     单位     能耗
    主再沸器辅助冷凝器压缩机     kJ/hrkJ/hrkJ/hr     (匹配换热)-6.081×1066.280×106
为说明本发明在节能降耗方面的优点，将本发明所述流程与现有的单塔分离流程进行比较。塔共计200块理论板，进料位置在第146块。进料组成与本发明相同，若想实现与本发明产品完全相同的分离要求，则塔顶温度为43.4℃，压力为1800kPa，塔底温度为58.7℃，压力为2100kPa。该对比例中主要公共工程能耗如表2所示。
                表2主要能量消耗
    设备名称     单位     能耗
    塔顶冷凝器塔釜再沸器     kJ/hrkJ/hr     -6.651×1076.693×107
由于精馏过程主要能耗集中在热量和动力消耗上，从计算结果可以看到，实施例需要的仅是压缩机的动力消耗为6.280×106kJ/hr，而对比例则需要热量消耗为6.693×107kJ/h，实施例与对比例相比较总能耗降低了90.62％，大幅度削减精馏塔操作过程中公用工程的消耗，真正实现了节能降耗的目的。
用本发明方法用于环己酮装置精制部分的脱轻塔(或称作初馏塔)，进料为经干燥塔脱水后的粗醇酮液(主要成分为环己酮和环己醇，其余为反应混合物中残留的原料环己烷，反应产生的少量轻组分及重组分)。
该分离系统与发明所述流程相同，其中常规分离塔段和降压分离塔段的理论塔板数均是26。采用降压分离塔段进料，进料量为255.2kmol/hr，进料温度为108.8℃。
常规分离塔段塔顶压力为53kPa，塔底压力为57kPa，塔顶温度为123.7℃；降压分离塔段塔顶压力为23kPa，塔底压力为27kPa，塔底温度为115℃。本实施例中常规分离塔段顶冷凝提供的热量要大于降压分离塔段底上升再沸蒸汽所需要的热量，开启辅助冷凝器使得通过主再沸器的冷凝流股再一次冷凝达到常规分离塔段顶液相回流要求。该过程中主要公共工程和压缩机能耗如表3。
            表3主要能量消耗
    设备名称     单位     能耗
    主再沸器辅助冷凝器压缩机     kJ/hrkJ/hrkJ/hr     (匹配换热)-3.926×1061.860×106
为说明本发明在节能降耗方面的优点，将本发明所述流程与现有的单塔分离流程进行比较。塔共计52块理论板，进料位置在第27块。进料组成与本发明相同，若想实现与本发明产品完全相同的分离要求，则塔顶温度为123.8℃，压力为53kPa，塔底温度为139.7℃，压力为61kPa。该对比例中主要公共工程能耗如表4所示。
                表4主要能量消耗
    设备名称     单位     能耗
    塔顶冷凝器塔釜再沸器     kJ/hrkJ/hr     -1.680×1071.622×107
由于精馏过程主要能耗集中在热量和动力消耗上，从计算结果可以看到，实施例需要的仅是压缩机的动力消耗为1.860×106kJ/hr，而对比例则需要热量消耗为1.622×107kJ/h，实施例与对比例相比较总能耗降低了88.53％，大幅度削减精馏塔操作过程中公用工程的消耗，真正实现了节能降耗的目的。
本发明也可通过如下技术方案实现的：
如图1所示，经过常规分离塔段1分离后塔底液相物料在压差推动下进入降压分离塔段12顶部；降压分离塔段顶部出来的蒸汽13通过压缩机14加压后进入常规分离塔段底部作为上升蒸汽15；降压分离塔段塔底出来的液相16一部分可作为产品采出20，另一部分17与常规分离塔段塔顶出来的蒸汽2在主再沸器3中进行换热，形成降压分离塔段塔底所需的再沸蒸汽18；常规分离塔段塔顶蒸汽2经过换热后得到冷凝液4，进入回流储罐7，从回流储罐中流出的冷凝液8一部分作为产品9采出，另一部分作为常规分离塔段的塔顶回流液体10。
在此操作过程中，常规分离塔段塔顶冷凝和降压分离塔段塔底再沸蒸汽可以在主再沸器中实现完全匹配。
本发明的技术和设备广泛适用于所有的精馏过程，为了更好地说明本发明在节能降耗方面的优势，再选取一个应用实例加以说明，但并不因此限制本技术和设备的适用范围。
用本发明方法用于丙稀-丙烷气体分离系统，与发明所述流程相同，其中常规分离塔段的理论板为145，降压分离塔段的理论塔板数是55。采用降压分离塔段进料，进料量为23375kg/hr，进料温度为10℃，进料摩尔组成为丙烷0.218，丙烯0.771，乙烷0.011。
常规分离塔段塔顶压力为1800kPa，塔底压力为2000kPa，塔顶温度为44.1℃；降压分离塔段塔顶压力为1100kPa，塔底压力为1200kPa，塔底温度为29.2℃。该流程可以实现常规分离塔段塔顶冷凝和降压分离塔段塔底再沸蒸汽可以在主再沸器中实现完全匹配，达到分离的要求。
本发明提出的差压低能耗精馏方法及设备，已通过较佳实施例子进行了描述，相关技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的结构和技术方法进行改动或适当变更与组合，来实现本发明技术。特别需要指出的是，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容中。

Claims (6)

1.一种差压低能耗精馏设备，包括有常规分离塔段、降压分离塔段、主再沸器、回流储罐和压缩机，其特征是：在降压分离塔段和常规分离塔段之间设置有一个压缩机，降压分离塔段塔顶的汽相物料管连接到压缩机进口，压缩机出口管连接到常规分离塔段塔底的汽相进料管；常规分离塔段塔顶的汽相物料出口管连接到主再沸器热介质进口，热介质出口连接到常规分离塔段的回流罐；常规精馏塔段塔底液相出口连接到降压分离塔段塔顶的液相进口；降压分离塔段底部的液相物料出口管连接到主再沸器冷介质进口，冷介质出口连接到降压分离塔段的再沸蒸汽入口。
2.如权利要求1所述的差压低能耗精馏设备，其特征是所述的降压分离塔段塔底设置有一台辅助再沸器。
3.如权利要求1所述的差压低能耗精馏设备，其特征是所述的主再沸器和回流储罐之间设置有辅助冷凝器。
4.由权利要求1、2或3所述的差压低能耗精馏设备的操作方法，其特征是：
a)将普通的精馏塔分割为常规分离塔段和降压分离塔段，其中常规分离塔段与单塔精馏操作压力相同或者略高于单塔操作压力，降压分离塔段采用降压操作；
b)降压分离塔段采用降压操作，降压分离塔段塔顶蒸汽经过压缩机压缩达到常规分离塔段塔底要求后进入常规分离塔段；
c)降压分离塔段的降压操作使得其塔釜再沸物料的温度低于常规分离段塔顶物料的温度，利用该两股物料的匹配换热从而实现两个塔段之间的热耦合。
5.如权利要求4所述的差压低能耗精馏设备的操作方法，其特征是具体操作方法如下：经过常规分离塔段(1)分离后的塔底液相物料(11)在压差推动下进入降压分离塔段(12)顶部；降压分离塔段顶部出来的蒸汽(13)通过压缩机(14)加压后进入常规分离塔段底部作为上升蒸汽(15)；降压分离塔段塔底出来的液相(16)一部分可作为产品采出(20)，另一部分(17)与常规分离塔段塔顶出来的蒸汽(2)在主再沸器(3)中进行换热，形成降压分离塔段塔底所需的再沸蒸汽(18)，若冷凝负荷小于主再沸器负荷时，需要同时开启辅助再沸器(22)；常规分离塔段塔顶蒸汽(2)经过换热后得到的部分或全部冷凝液(4)，当冷凝负荷大于主再沸器负荷时，需开启该部分冷凝液(4)流经的辅助冷凝器(5)，从而得到常规分离塔段塔顶所需要的回流和采出的冷凝液(6)进入回流储罐(7)，从回流储罐中流出的冷凝液(8)一部分作为产品(9)采出，另一部分作为常规分离塔段的塔顶回流液体(10)。
6.如权利要求5所述的差压低能耗精馏技术，其特征是所述的辅助冷凝器(5)和辅助再沸器(22)操作，运行稳定后，根据热量匹配可选择其一作为辅助能源设备，若流程设计中常规分离塔段塔顶冷凝和降压分离塔段塔底再沸蒸汽可以完全匹配的话，则两个辅助设备均无需开启。
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