CN101614465B

CN101614465B - 一种板翅式热耦合精馏装置

Info

Publication number: CN101614465B
Application number: CN2009101006589A
Authority: CN
Inventors: 俞兴华; 周智勇; 韩一松; 顾燕新
Original assignee: Hangzhou Hangyang Co Ltd
Current assignee: Hang Yang Group Co ltd
Priority date: 2009-07-16
Filing date: 2009-07-16
Publication date: 2011-11-09
Anticipated expiration: 2029-07-16
Also published as: CN101614465A

Abstract

一种板翅式热耦合精馏装置，它主要由精馏板束、液体分配装置和气体分配装置组成，所述的精馏板束由隔板、翅片及封条构成；在相邻的两隔板之间设置有翅片、封条并组成一个夹层，所述的夹层形成一个供向下流动的液体和向上流动的气体的流体通道；相邻布置的两流体通道分别为上塔流体通道和下塔流体通道，且它们被一层隔一层地叠置在一起；该装置把低温空气精馏分离领域中的上塔下段和下塔上段热耦合在一体，取消了传统的主冷凝蒸发器，降低下塔工作压力，降低了空气压缩机能耗。

Description

一种板翅式热耦合精馏装置

发明领域

本发明涉及的是一种应用于上塔下塔连接的内部热耦合板翅式精馏装置，属于低温空气分离领域的精馏技术。

背景技术

在低温空气分离过程中，精馏过程操作显著地影响着其能量消耗，能耗占运行成本80％以上。随着全球范围内的能源危机和日益高涨的环保需求，如何提高精馏过程的生产效率、降低过程的能耗已经引起各国关注。当前精馏的研究主要包括两个方面：精馏模式的创新和精馏设备的设计。精馏模式的创新将在理论上指导精馏设备开发与设计。迄今为止，低温空分流程按精馏模式来分可分为单级精馏塔流程和双级精馏塔流程。

图1所示为低温空气分离流程中的单级精馏塔流程，图中所示的有：一单级精馏塔的塔体11，一冷凝蒸发器12，一过冷器13，一节流阀14等。所述的流程是在工业生产中普遍使用的蒸汽再压缩精馏模式基础上演变而来。蒸汽再压缩精馏模式特点是通过压缩机压缩精馏塔顶部气体产品，提高气体热量的等级使之足以用于塔底的再沸过程。单级精馏塔流程只能制取一种纯产品，提取率低，经济效果差，仅用于某些小型空分装置和制取液态产品的装置。

图2所示为低温空气分离流程中的双级精馏塔流程，图中所示的有：上塔21，下塔22，主冷凝蒸发器23，过冷器24和节流阀25等。现在低温空气分离行业广泛采用这种精馏流程，它克服了单级精馏塔流程只可以制取一种纯产品、提取率低和经济效果差的缺点。

当前降低低温空气精馏分离能耗越来越受到行业的重视，精馏过程降低能耗就是要减少有效能的损失，而有效能损失是由下列不可逆过程引起的：(1)流体流动的压力降-压差推动力；(2)不同温度物流间的传热或不同温度物流的混合-温差推动力：(3)相浓度不平衡物流间的传质或不同浓度物流的混合-浓度差推动力。其中减小温差推动力主要体现在减小上下塔之间主冷凝蒸发器(简称主冷)的换热平均温差。因此许多高效换热器应运而生。例如，热虹吸式冷凝蒸发器、强制循环式冷凝蒸发器、双沸腾型冷凝蒸发器(专利号为ZL00226629.6)和膜式冷凝蒸发器等。主冷的换热平均温差对能耗的影响很大，特别是大型全低压空分设备更为显著，主冷温差降低0.1℃，下塔顶部的压力降低～4.2kPa。在空分设备的设计中，小型空分的主冷温差一般为3℃，大中型空分采用浸浴式结构的主冷温差一般为1.3℃～2℃，采用膜式结构的主冷温差可降低到0.5℃～0.8℃。大中型空分膜式主冷比浸浴式主冷的温差降低0.8℃～1.2℃，下塔顶部压力可降低33.6kPa～50.4kPa，这样空气压机能耗可降低3.3％～5.1％。这对大型空分设备而言，节能是十分可观的。但是，随着主冷最小传热温差接近极限，传统的双级精馏塔能耗下降空间已经不大。许多专家对精馏过程进行热力学评价分析，发现内部热耦合精馏技术是迄今为止提出的节能精馏技术中节能最有效的方式。

把内部热耦合精馏节能原理引入低温空气分离领域，开发适合低温空气分离的内部热耦合精馏流程和内部热耦合精馏设备，将会突破现有的节能技术瓶颈。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种采用热耦合精馏装置流程，把下塔的顶部和上塔的底部热耦合在一起，从而取消主冷凝蒸发器，使下塔顶部温度小于上塔底部温度，从而大大降低下塔压力，减少不可逆损失的板翅式热耦合精馏装置。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的，它主要由精馏板束、液体分配装置和气体分配装置组成，所述的精馏板束由隔板、翅片及封条构成；在相邻的两隔板之间设置有翅片、封条并组成一个夹层，所述的夹层形成一个供向下流动的液体和向上流动的气体的流体通道；相邻布置的两流体通道分别为上塔流体通道和下塔流体通道，且它们被一层隔一层地叠置在一起。

所述的上塔流体通道上部翅片间距大于下部翅片间距；而所述的下塔流体通道的上部翅片间距小于下部翅片间距；所述的翅片高度为8-50mm，厚度为0.1-0.2mm，翅片形式为平直型、混合型、多孔型或波浪型中的一种。

所述的液体分配装置包括一被分为液体通道和气体通道的分配流体通道；所述的供液体通过的液体通道内的翅片上开设有均匀分布的孔，在该带有所述孔的翅片下方设置有倾斜的封条，以及设置有一过桥区与流体通道相连通。

所述的液体通道内水平设置有两种或多种打孔平直翅片，上部的打孔平直翅片的开孔面积比下部打孔平直翅片的开孔面积大；所述的气体通道于所述过桥区相连通，并在气体通道内设置有倒流片；所述的气体通道的侧面设置有用于将气体导流集中收集后引出的气体出口。

所述的气体分配装置包括有一从侧面进入并通过一导流片引入气体的分配气体通道，其后分别设置有气液导向块和过桥区，并与所述的流体通道相连通。

所述的气液导向块是一个横截面为梯形的长条块。

本发明打破低温空气分离双级精馏塔流程中下塔顶部温度必须大于上塔底部温度的限制，从而降低下塔工作压力，减小空气压缩机能耗，降低低温空气精馏分离的不可逆损失；它具有结构合理紧凑，使用方便、可靠，能耗大大降低等特点。

附图说明

图1为低温空气分离流程中的单级精馏塔流程。

图2为低温空气分离流程中的双级精馏塔流程。

图3为本发明中采用的热耦合低温空气精馏分离流程。

图4为本发明中精馏板束的结构示意图。

图5为本发明精馏板束中上塔流体通道的剖面图。

图6为本发明精馏板束中下塔流体通道的剖面图。

图7为本发明中的液体分配装置的结构示意图。

图8为本发明中的气体分配装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作详细的介绍：

本发明中热耦合精馏装置流程的精馏计算：所述精馏计算数学模型采用平衡级精馏模型；该精馏模型采用理论级(板)假设和全混级假设，在计算中使用的基本方程组有相平衡方程式、物料衡算方程式、热量衡算方程式和组分的摩尔分数加和方程式。使用该模型假设的精馏塔称为理论精馏塔，算出的平衡级数就是精馏塔的理论塔板数。

热耦合精馏装置流程的计算和常规精馏流程不同只是在热耦合的平衡级输入或输出了额外热量。这功能在现有商业化流程模拟软件中都可以实施，如ASPEN、VMGSim、PRO/II和HYSYS等。下面基于HYSYS流程模拟软件进行简单说明。空气低温精馏分离的状态方程采用P-R(Peng-Robinson)方程，然后对氮-氧-氩三元物系的二元相互系数进行修正，接着按照常规情况建立精馏模型，不同的是在下塔上部同上塔下部热耦合的平衡级上输出热量，在上塔下部同下塔上部热耦合的平衡级上相应输入热量，然后通过HYSYS的电子表格功能关联上下塔热耦合部分的温差关系，就可以进行计算了。

本发明所述的板翅式热耦合精馏装置是在板翅式换热器基础上发展而来，但是在板翅式换热器基础上增加了精馏功能；板翅式热耦合精馏装置的基本单元是，隔板、翅片和封条等组成；在相邻两隔板之间放置翅片，封条等组成一个夹层，称为流体通道。流体通道中有向下流动的液体和向上流动的气体，液体和气体在流体通道的流动过程进行传热传质，单个流体通道就相当于常规的一个精馏通道。上塔流体通道和下塔流体通道一层隔一层叠置起来，通过钎焊成一个整体组成精馏板束，精馏板束配以必要的气液分配装置、接管、封头、支承等就组成了板翅式热耦合精馏装置。

本发明中隔板、翅片和封条的作用：隔板作用是把上塔物流和下塔物流分割开，并提供一次换热面积。翅片作用是不断改变上升气体和下降液体流动方向提高流体通道内的传质效率、提供二次换热面积和提高精馏装置的强度和承压能力。封条作用是分割和封闭通道。

本发明中所述的翅片布置方式：同一个流体通道中采用同种翅片形式时翅片的间距是变化的，或同一个流体通道中同时采用几种形式的翅片，甚至一个流体通道中叠置了两层或多层翅片。本发明所述的板翅式热耦合精馏装置的外形：呈矩形。

图3所示，本发明主要是在图2所示结构的基础上，把传统低温空气精馏分离流程中的上塔下段和下塔上段热耦合在一起，从而取消了主冷凝蒸发器；图中所示的有：上塔31，下塔32，板翅式热耦合精馏装置33，过冷器34、节流阀35，等。所述的板翅式热耦合精馏装置33主要由精馏板束、液体分配装置和气体分配装置组成，所述的精馏板束由隔板、翅片及封条构成；在相邻的两隔板之间设置有翅片、封条并组成一个夹层，所述的夹层形成一个供向下流动的液体和向上流动的气体的流体通道；相邻布置的两流体通道分别为上塔流体通道和下塔流体通道，且它们被一层隔一层地叠置在一起。

所述的气液导向块是一个横截面为梯形的长条块。

图4是本发明中的一个精馏板束，精馏板束是板翅式热耦合精馏装置的核心部分。它包括有封条41、翅片42、隔板43、上塔流体通道中的上升蒸汽44，上塔流体通道中的下降液体45、下塔流体通道中的上升蒸汽46，下塔流体通道中的下降液体47。下塔流体通道把热量传给上塔流体通道，而每一个流体通道中又进行着汽液之间的精馏传质传热。

图5是本发明中精馏板束上塔流体通道的一个翅片剖面图，该流体通道上部翅片间距比下部翅片间距大，也就是上塔流体通道的水力半径随高度上升是增大的，这样可以保证流体通道内有一个好的精馏传质效果。上塔流体通道从下塔流体通道中吸收热量，上升蒸汽量随流体通道上升而增大，下降液体量随流体通道下降而减少。为了控制操作气速在流体通道泛点气速的一个合理百分比(常规一般取泛点气速的70％)，增大了随流体上升通道的水力半径。此外，由于间距连续变化的翅片在生产上很难实现，而且不同等间距翅片阶梯布置在性能上也可以很好替代，流体通道的水力半径不是连续变化而是阶梯式变化。

图6是本发明中精馏板束下塔流体通道的一个翅片剖面图，它和图5所示情况正好相反。

图7是本发明中的液体分配装置。流体通道71被一分为二，分为液体通道72和气体通道73。液体通道71的设计是：液体从顶部引入翅片间距中，翅片上开有均匀分布的圆孔，液体从小孔流出流到倾斜密封条74上，通过倾斜密封条后液体由点状分布变为线状分布，然后液体通过过桥区75后以膜状进入流体通道71。液体通道实际上就是水平放置的打孔翅片，但是该通道一般放置两种打孔尺寸的翅片，上部翅片上的孔要小一些，下部翅片上的孔要大一些。上部翅片开孔小一些是出于以下考虑，液体从液体通道顶部一端引入，从而液体在通道顶部存在水平流动，这样同一水平方向的液体存在压差，液体分配就不均匀，如果让液体从上往下连续通过几道阻力较大的小孔，同一水平方向的液体压力就会比较均匀。所以上部翅片作用可以概括为均衡液体压力。下部翅片开孔较大是为了减小小孔出流速度，防止液体流到倾斜密封条74上产生飞溅，这样液体分配较均匀的同时还可以减少从过桥区75中上升气体对液体的夹带。气体通道76的设计是：气体通过流体通道进入过桥区75，然后进入气体通道73。气体通道73中设置导流片把气体导流集中收集从侧面引出；气体通道的设计和常规板翅式换热器中气体出口通道设计基本相同。

图8是本发明中的气体分配装置。气体从气体分配器侧面通过导流片进入气体通道81，然后通过气液导向块82的导向进入过桥区83，接着进入流体通道

。液体从流体通道84向下流动，一部分直接进入过桥区83，另一部分通过气液导向块85后再进入过桥区83。两股液体汇合后从过桥区83进入液体通道，最好在底部汇合后排出本装置。所述的气液导向块82是一个横截面为梯形的长条块，作用是防止液体掉入气体通道，和改变气体和液体的流动方向。

Claims

1.一种板翅式热耦合精馏装置，它主要由精馏板束、液体分配装置和气体分配装置组成，其特征在于所述的精馏板束由隔板、翅片及封条构成；在相邻的两隔板之间设置有翅片、封条并组成一个夹层，所述的夹层形成一个供向下流动的液体和向上流动的气体的流体通道；相邻布置的两流体通道分别为上塔流体通道和下塔流体通道，且它们被一层隔一层地叠置在一起；所述的液体分配装置包括一被分为液体通道和气体通道的分配流体通道；所述的供液体通过的液体通道内的翅片上开设有均匀分布的孔，在该带有所述孔的翅片下方设置有倾斜的封条，以及设置有一过桥区与流体通道相连通；所述的液体通道内的翅片为水平设置的多种打孔平直翅片，上部的打孔平直翅片的开孔面积比下部打孔平直翅片的开孔面积大；所述的气体通道与所述过桥区相连通，并在气体通道内设置有导流片；所述的气体通道的侧面设置有用于将气体导流集中收集后引出的气体出口；所述的气体分配装置包括有一从侧面进入并通过一导流片引入气体的分配气体通道，其后分别设置有气液导向块和过桥区，并与所述的流体通道相连通。