CN102452924B - 醋酸脱水塔分离醋酸和水的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种醋酸脱水塔分离醋酸和水的方法，主要解决现有技术中醋酸脱水过程能耗高以及设备制造成本高的问题。本发明通过采用对醋酸脱水塔加压的方式进行精馏脱水，热泵循环中采用水作为换热介质，醋酸脱水塔塔顶出料冷凝释放的热量通过闭式热泵流程中的换热介质吸收，换热介质吸收塔顶出料的能量后经过压缩机压缩后温度升高，该高温的过热蒸汽先经脱过热器脱过热后形成饱和蒸汽，再通入塔釜再沸器与塔底出料换热；在塔釜换热后的蒸汽经节流减压后进入气液分离罐，分离后的液相进入塔顶冷凝器换热，分离后的气相与塔顶冷凝器出口的气体混合后一起进入压缩机，用于再次与塔釜换热的技术方案较好地解决了该问题，可应用于分离醋酸和水的工业生产中。
Description
技术领域
本发明涉及一种醋酸脱水塔分离醋酸和水的方法。
背景技术
在对二甲苯氧化生产对苯二甲酸的过程中，通常使用醋酸作为有机溶剂。氧化过程中生成的大量水稀释了醋酸溶剂，而反应需要合适浓度的醋酸溶剂。为了保证溶剂中醋酸的浓度，通常使用醋酸脱水塔分离出溶剂中多余的水。随着生产规模的扩大，醋酸脱水塔的操作费用日益高涨。
常规的直接精馏脱水由于在醋酸低浓度时相对挥发度较小的缘故，通常采用增加塔板数以及增大回流比的方法降低塔顶出料中醋酸的浓度，导致能耗指标高的同时还使装置投资成本上升。工程上出于经济性考虑，一般塔顶醋酸浓度要求低于0.8重量％，塔顶出料作为废水排出。
文献GB1576787公开了采用共沸精馏的方法分离醋酸和水。此方法采用两塔串联，第一个塔以醋酸酯类为共沸剂，塔顶出料为醋酸的水溶液，其中醋酸浓度小于0.1重量％，醋酸酯类约为5重量％，水溶液还含有少量副产物醋酸甲酯。第二个塔回收水中的醋酸酯类共沸剂，返回一塔。应用此方法的蒸汽消耗一般是简单精馏的60％。塔顶浓度可以控制在0.1重量％。此方法较简单精馏大幅降低了能耗，也回收了更多的醋酸。但是二塔回收后的废水中仍会含有微量醋酸酯类，而醋酸酯类的价格较高，因此共沸剂消耗抵消了醋酸消耗；且醋酸酯类为易燃介质，工程应用时，也需要增加安全设施的费用。
热泵精馏作为一种能有效提高精馏热效率的节能技术，已广泛应用于各种化工生产过程中。但是，热泵中的换热介质水进入冷凝器时可能存在气液两相，会引起设备损耗，操作费用增加。此外，热泵系统中过热蒸汽的存在也会降低再沸器的换热效率，增大再沸器换热面积，而再沸器的材质为钛钢，换热面积的增大必然会导致设备材料费用的增加。
总之，现有技术中存在醋酸脱水过程能耗高、设备制造成本高、操作费用高的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有技术中存在醋酸脱水过程能耗高、设备制造成本高、操作费用高的问题，提供一种新的醋酸脱水塔分离醋酸和水的方法。该方法具有能耗低，设备制造成本低，操作费用低的特点。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：一种醋酸脱水塔分离醋酸和水的方法，包括以下步骤：
a)醋酸水溶液1从中部进入醋酸脱水塔2，经精馏分离后，塔顶得到气相物流3，塔釜得到液相物流7；物流3经冷凝器4换热冷凝后，分为物流5和物流6，物流5作为塔顶产品出料进入后续流程，物流6返回醋酸脱水塔2顶部；物流7经再沸器8换热后，分为物流9和物流10，物流9返回醋酸脱水塔2底部，物流10作为塔釜产品出料进入后续流程；
b)换热介质在冷凝器4与气相物流3换热后进入压缩机11压缩升温；升温后的换热介质进入脱过热器13脱过热；脱过热的换热介质进入再沸器8与塔釜液相物流7换热后经节流减压设备12减压；减压后的换热介质进入气液分离罐14，气液分离后，得到液相物流15和气相物流16；气相物流16进入压缩机11；液相物流15进入塔顶冷凝器4再次与气相物流3换热；其中，所述换热介质为水。
上述技术方案中，醋酸脱水塔2的操作条件：塔板数优选范围为60～120块，更选范围为80～100块；塔釜温度优选范围为105～160℃，更优选范围为110～150℃；塔顶温度优选范围为100～135℃，更优选范围为100～125℃；操作压力优选范围为0.1～0.4MPa，更优选范围为0.1～0.25MPa；物流6与物流5的重量比优选范围为0.5～10，更优选范围为2～4；物流9与物流10的重量比优选范围为1～17，更优选范围为4～9。冷凝器4的操作条件：管程操作压力优选范围为0.1～0.4MPa，更优选范围为0.1～0.25MPa；操作温度优选范围为100～135℃，更优选范围100～125℃。壳程操作压力优选范围为0.1～0.3MPa，更优选范围为0.1～0.25MPa；操作温度优选范围为100～125℃，更优选范围为100～120℃。脱过热器13的操作条件：管程操作压力优选范围为0.1～0.4MPa，更优选范围为0.1～0.3MPa；操作温度优选范围为100～160℃，更优选范围为100～150℃；壳程操作压力优选范围为0.1～0.8MPa，更优选范围为0.15～0.8MPa；操作温度优选范围为100～400℃，更优选范围为110～400℃。再沸器8的操作条件：管程操作压力优选范围为0.1～0.4MPa，更优选范围为0.1～0.25MPa；操作温度优选范围为105～160℃，更优选范围为110～150℃。壳程操作压力优选范围为0.15～0.8MPa，更优选范围操作为0.25～0.7MPa；温度优选范围为110～400℃，更优选范围为130～400℃。气液分离罐14的操作条件：操作压力优选范围为0.1～0.3MPa，更优选范围为0.1～0.25MPa；操作温度优选范围为100～125℃，更优选范围为100～120℃。以重量百分比计，醋酸水溶液1中醋酸的含量为20～80％，水的含量为20～80％。换热介质水优选方案为走冷凝器4、脱过热器13和再沸器8的壳程，物流3优选方案为走冷凝器4的管程，物流7优选方案为走再沸器8的管程。
本发明方法中，换热介质水在冷凝器4与气相物流3换热后，得到的水蒸汽的温度优选范围为100～125℃，压力优选范围为0.1～0.3MPa。水蒸汽经压缩机压缩升温后，温度优选范围为110～400℃，压力优选范围为0.15～0.8MPa。升温后的水蒸汽进入脱过热器脱过热后，得到饱和蒸汽。该换热过程可用于加热循环水以生产较低品位的副产蒸汽，或用于预热其它的工艺物流。饱和蒸汽温度优选范围为140～200℃，压力优选范围为0.15～0.8MPa。饱和蒸汽进入再沸器8给塔釜液相物流7加热后，温度优选范围为110～180℃，压力优选范围为0.1～0.8MPa。在再沸器8中换热的水蒸汽进入节流减压设备12减压后，温度优选范围为95～125℃，压力优选范围为0.1～0.3MPa。减压后，换热介质进入气液分离罐，经气液分离后，液相水的温度优选范围为95～100℃，水蒸汽的温度优选范围为100～125℃。
本发明方法在醋酸常规精馏脱水塔生产装置的基础上，通过对醋酸脱水塔进行加压操作，并增设一套闭式热泵循环系统；以水作为换热介质，从较低温位的塔顶冷凝器取热，经压缩机压缩后提高能量品位；高品位的蒸汽通过脱过热器换热后转化为饱和蒸汽；该饱和蒸汽用于塔釜再沸器供热，达到了节能降耗的目的。同时，由于过热蒸汽的传热系数较饱和蒸汽要小很多，过热蒸汽为汽相传热，而饱和蒸汽可以迅速冷凝，在蒸汽侧形成液膜，大大增加传热速率，减少换热面积，对于使用价格昂贵的钛材管再沸器这点尤为重要。高品位的蒸汽通过脱过热器换热后转化为饱和蒸汽，该饱和蒸汽用于塔釜再沸器供热，避免了过热蒸汽直接进入再沸器，提高了换热效率，减少了换热面积，从而减少了再沸器制造中钛材的用量，而增加的脱过热换热器为碳钢设备，从而可以降低设备制造成本。本发明方法中，换热介质在再沸器与塔釜物流换热后，经过气液分离罐分离气液相，仅仅是将得到的液相再次用于塔顶冷凝器换热，避免了气液两相同时进入冷凝器而引起设备损耗，提高了塔顶冷凝器的稳定性，减少了操作费用。采用本发明方法，与常规直接精馏脱水工艺流程相比，能耗下降50～80％；同时，在热泵循环流程中增加了脱过热器后，传热效率可提高10～20％，从而再沸器制造费用降低了10～20％；在热泵循环流程中增加了气液分离罐后，装置操作稳定性提高，取得了较好的技术效果。
附图说明
图1为本发明工艺流程示意图。
图1中，1为醋酸水溶液进料，2为醋酸脱水塔，3为塔顶气相出料，4为塔顶冷凝器，5为塔顶产品出料，6为塔顶回流流股，7为塔底液相出料，8为再沸器，9为塔底回流流股，10为浓醋酸产品出料，11为压缩机，12为节流减压设备，13为脱过热器，14为气液分离罐，15为出气液分离罐的液相换热介质，16为出气液分离罐的气相换热介质，17为脱过热器换热介质。
图1中，对于工艺物料流程，原料稀醋酸水溶液1从中部进入醋酸脱水塔2，经常规简单精馏分离后，塔顶得到气相物流3，塔釜得到液相物流7。物流3经冷凝器4换热冷凝后，分为物流5和物流6。物流5为醋酸含量≤1重量％的水溶液，它作为塔顶产品出料进入后续流程。物流6返回醋酸脱水塔2顶部。物流7经再沸器8换热后，分为物流9和物流10。物流9返回醋酸脱水塔2底部。物流10为醋酸含量为90～95重量％的醋酸水溶液，它作为塔釜产品出料进入后续流程。
对于热泵循环流程，以水作为换热介质。换热介质水在冷凝器4与气相物流3换热后汽化为水蒸汽，水蒸汽进入压缩机11压缩升温。升温后的水蒸汽进入脱过热器13与物流17换热；其中，物流17为循环水或其它需要预热的工艺物流。物流17经过脱过热器13换热后产生副产蒸汽或被预热，同时使热泵循环中的水蒸汽变为饱和蒸汽。得到的饱和蒸汽进入再沸器8与塔釜液相物流7换热。在再沸器8中换热后的水蒸汽进入节流减压设备12(如孔板、阀门)减压后，送至气液分离罐14。经气液分离后，液相15进入塔顶冷凝器4再次与气相物流3换热，气相16与塔顶冷凝器4出口的气体混合后进入压缩机11压缩升温，升温后的水蒸汽再次进入再沸器8与塔釜液相物流7换热。即醋酸脱水塔塔顶出料冷凝释放的热量通过闭式热泵流程中的换热介质吸收，换热介质吸收塔顶出料的能量后经过压缩机压缩后温度升高，用于塔再沸器与塔底出料换热；气液分离罐用于分离经节流减压后的换热介质；脱过热器用于使换热介质变为饱和蒸汽，并将其热量用以生产低品位的副产蒸汽，或预热其它工艺物流。
下面通过实施例对本发明作进一步阐述。
具体实施方式
【对比例1】
稀醋酸水溶液采用常规精馏的方式进行脱水，无热泵循环流程。进料稀醋酸水溶液中醋酸浓度为38质量％，醋酸脱水塔塔底出料中醋酸浓度大于94质量％，塔顶出料中醋酸浓度小于0.1质量％。
醋酸脱水塔的操作条件为：塔板数为89块，塔釜温度为131℃，塔顶温度为99.5℃，塔顶操作压力为0.11MPa，塔釜操作压力为0.19MPa，塔顶冷凝器回流比为3.2，塔釜再沸器回流比为6.3。
冷凝器4的操作条件为：管程操作压力为0.11MPa，操作温度为99.5℃；壳程操作压力0.55MPa，入口温度33℃，出口温度43℃。
再沸器8的操作条件为：管程操作压力为0.19MPa，操作温度为131℃；壳程操作压力为0.4MPa，操作温度为143℃。
能量消耗情况见表1。
【实施例1】
采用图1所示流程，醋酸水溶液1(其中醋酸浓度为38质量％)从中部进入醋酸脱水塔2，经精馏分离后，塔顶得到气相物流3，塔釜得到液相物流7；物流3经冷凝器4换热冷凝后，分为物流5和物流6，物流5作为塔顶产品出料进入后续流程，物流6返回醋酸脱水塔2顶部；物流7经再沸器8换热后，分为物流9和物流10，物流9返回2底部，物流10作为塔釜产品出料进入后续流程。醋酸脱水塔塔底出料中醋酸浓度大于94质量％，塔顶出料中醋酸浓度小于0.1质量％。
换热介质水在冷凝器4与气相物流3换热后汽化为水蒸汽，水蒸汽进入压缩机11压缩升温，升温后的水蒸汽经过脱过热器13换热后进入再沸器8与塔釜液相物流7换热。在再沸器8中换热后的水蒸汽经阀门12减压后，送至气液分离罐14。经气液分离后，液相15进入塔顶冷凝器4再次与气相物流3换热，气相16与塔顶冷凝器4出口的气体混合后进入压缩机11压缩升温，升温后的水蒸汽再次进入再沸器8与塔釜液相物流7换热。
其中，醋酸醋酸脱水塔2的操作条件：塔板数为89块，塔釜温度为139℃，塔顶温度为111℃，塔顶操作压力为0.16MPa，塔釜操作压力为0.24MPa，物流6与物流5的重量比为3.4，物流9与物流10的重量比为6.5。
冷凝器4的操作条件为：管程操作压力为0.16MPa，操作温度为111℃；壳程操作压力0.1MPa，操作温度为100℃。
再沸器8的操作条件为：管程操作压力为0.24MPa，操作温度为139℃；壳程操作压力为0.6MPa，入口温度159℃，出口温度159℃。
脱过热器13的操作条件为：管程操作压力为0.3MPa，操作温度为133℃；壳程操作压力0.6MPa，操作温度为159～363℃。
气液分离罐14的操作条件：操作压力为0.1MPa，操作温度为100℃。
与无气液分离罐的热泵循环工艺相比，本发明方法增加气液分离罐后，冷凝器操作状态更稳定。当物流中存在气相时，气相部分的进入会引起冷凝器的震动，损耗设备；当气相部分被分离后，纯液相物流的进入可以使冷凝器操作稳定，从而提高装置的使用寿命，减少操作费用。
能量消耗情况见表1，传热效率及设备成本见表2。
【对比例2】
同【实施例1】，只是没有脱过热器和气液分离罐，其余操作条件不变。即换热介质水在冷凝器4与气相物流3换热后汽化为水蒸汽，水蒸汽进入压缩机11压缩升温，升温后的水蒸汽进入再沸器8与塔釜液相物流7换热；在再沸器8中换热后的水蒸汽进入阀门12减压后，回流至冷凝器4再次与塔顶气相物流3换热。
换热介质经阀门12减压后，由于气相随同液相直接进入冷凝器，引起了冷凝器的震动，影响了冷凝器的使用寿命，使操作费用增加。
传热效率及设备成本见表2。
表1
注：蒸汽耗量数值为负表示对外输出蒸汽。
从表1可以看出，与加压精馏相比，每生产1吨浓醋酸-水溶液，本发明方法增加热泵循环流程后节约能耗64.4％。
表2
从表2可以看出，与无脱过热器的热泵循环工艺相比，本发明方法再沸器的传热效率提高了22％，换热面积减少了18％，从而再沸器的制造成本降低了18％。
Claims (5)
1.一种醋酸脱水塔分离醋酸和水的方法，包括以下步骤：
a)醋酸水溶液(1)从中部进入醋酸脱水塔(2)，经精馏分离后，塔顶得到醋酸脱水塔塔顶气相物流(3)，塔釜得到醋酸脱水塔塔釜液相物流(7)；醋酸脱水塔塔顶气相物流(3)经冷凝器(4)换热冷凝后，分为醋酸脱水塔塔顶第一物流(5)和醋酸脱水塔塔顶第二物流(6)，醋酸脱水塔塔顶第一物流(5)作为塔顶产品出料进入后续流程，醋酸脱水塔塔顶第二物流(6)返回醋酸脱水塔(2)顶部；醋酸脱水塔塔釜液相物流(7)经再沸器(8)换热后，分为醋酸脱水塔塔釜第一物流(9)和醋酸脱水塔塔釜第二物流(10)，醋酸脱水塔塔釜第一物流(9)返回醋酸脱水塔(2)底部，醋酸脱水塔塔釜第二物流(10)作为塔釜产品出料进入后续流程；
b)换热介质在冷凝器(4)与醋酸脱水塔塔顶气相物流(3)换热后进入压缩机(11)压缩升温；升温后的换热介质进入脱过热器(13)脱过热；脱过热的换热介质进入再沸器(8)与醋酸脱水塔塔釜液相物流(7)换热后经节流减压设备(12)减压；减压后的换热介质进入气液分离罐(14)，气液分离后，得到气液分离罐液相物流(15)和气液分离罐气相物流(16)；气液分离罐气相物流(16)进入压缩机(11)；气液分离罐液相物流(15)进入塔顶冷凝器(4)再次与醋酸脱水塔塔顶气相物流(3)换热；其中，所述换热介质为水；
醋酸脱水塔(2)的操作条件：塔板数为60～120块，塔釜温度为105～160℃，塔顶温度为100～135℃，操作压力为0.1～0.4MPa，醋酸脱水塔塔顶第二物流(6)与醋酸脱水塔塔顶第一物流(5)的重量比为0.5～10，醋酸脱水塔塔釜第一物流(9)与醋酸脱水塔塔釜第二物流(10)的重量比为1～17；
冷凝器(4)的操作条件：管程操作压力为0.1～0.4MPa，操作温度为100～135℃；壳程操作压力0.1～0.3MPa，操作温度为100～125℃；
脱过热器(13)的操作条件：管程操作压力为0.1～0.4MPa，操作温度为100～160℃；壳程操作压力0.1～0.8MPa，操作温度为100～400℃；
再沸器(8)的操作条件：管程操作压力为0.1～0.4MPa，操作温度为105～160℃；壳程操作压力为0.15～0.8MPa，操作温度为110～400℃；
气液分离罐(14)的操作条件：操作压力为0.1～0.3MPa，操作温度为100～125℃。
2.根据权利要求1所述的醋酸脱水塔分离醋酸和水的方法，其特征在于醋酸脱水塔(2)的操作条件：塔板数为80～100块，塔釜温度为110～150℃，塔顶温度为100～125℃，操作压力为0.1～0.25MPa，醋酸脱水塔塔顶第二物流(6)与醋酸脱水塔塔顶第一物流(5)的重量比为2～4，醋酸脱水塔塔釜第一物流(9)与醋酸脱水塔塔釜第二物流(10)的重量比为4～9；
冷凝器(4)的操作条件：管程操作压力为0.1～0.25MPa，操作温度为100～125℃；壳程操作压力0.1～0.25MPa，操作温度为100～120℃；
脱过热器(13)的操作条件：管程操作压力为0.1～0.3MPa，操作温度为100～150℃；壳程操作压力0.15～0.8MPa，操作温度为110～400℃；
再沸器(8)的操作条件：管程操作压力为0.1～0.25MPa，操作温度为110～150℃；壳程操作压力为0.25～0.7MPa，操作温度为130～400℃；
气液分离罐(14)的操作条件：操作压力为0.1～0.25MPa，操作温度为100～120℃。
3.根据权利要求1所述的醋酸脱水塔分离醋酸和水的方法，其特征在于以重量百分比计，醋酸水溶液(1)中醋酸的含量为20～80％，水的含量为20～80％。
4.根据权利要求1所述的醋酸脱水塔分离醋酸和水的方法，其特征在于换热介质走冷凝器(4)、脱过热器(13)和再沸器(8)的壳程，醋酸脱水塔塔顶气相物流(3)走冷凝器(4)的管程，醋酸脱水塔塔釜液相物流(7)走再沸器(8)的管程。
5.根据权利要求1所述的醋酸脱水塔分离醋酸和水的方法，其特征在于节流减压设备选自孔板或阀门。
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| C53 | Correction of patent for invention or patent application | ||
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