CN102596347A - 节能蒸馏塔组件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种组合两种用于蒸馏工艺的蒸馏塔的蒸馏塔组件。该蒸馏塔组件的特征在于：具有一个流入口、三个流出口和内分隔壁的分隔壁塔(DWC)与具有两个流入口和两个流出口的通用蒸馏塔彼此顺序连接，且所述DWC的两个流出口的物流被引入到所述通用蒸馏塔的两个流入口。所述蒸馏塔组件改善了基于两个蒸馏塔的现有工艺设备，使得该蒸馏塔组件可以被容易地安装、具有优异的节能效果，且可以用于分离压力差和实用温差很大的情形中。

Description

节能蒸馏塔组件
对相关申请的交叉参考
本申请要求于2009年7月20号提交的韩国专利申请No.2009-0066008的优先权和利益，该专利申请的公开内容以引用的方式全部纳入本说明书。
技术领域
本发明涉及一种组合两种用于蒸馏工艺的蒸馏塔的蒸馏塔组件。
背景技术
例如原油等多种原材料通常由许多化合物的混合物组成。这些原材料本身很少在工业上使用，而通常在分离成各个化合物后使用。用于分离混合物的代表性化工方法是蒸馏方法。
蒸馏方法一般包括将混合物分离成两种组分：高沸点组分和低沸点组分，因此使用比待分离混合物中的组分的数目(n)少一个的数目(n-1)的蒸馏塔。即，为了分离在一般蒸馏工业领域中的三组分混合物，必须使用至少两个蒸馏塔。大多数实际工艺也使用两个蒸馏塔的串联结构。
分离三组分混合物的通用蒸馏工艺如图1所示。
该工艺是在第一塔11中分离最低沸点组分D以及在第二塔21中分离中沸点组分S和高沸点组分B的双塔法。在这样的方法中，通常发生中沸点组分S在第一塔的下端区域再次混合的现象。
于2003年11月19日公开的韩国专利申请公开No.10-2003-0088211(KR10-2003-0088211)中通过实施例的方式公开了使用两个串联塔分离三组分混合物的方法。该专利文献公开了运行两个蒸馏塔来提纯正丁醇的方法。相关的技术可以参考该方法，且KR 10-2003-0088211的公开内容通过引用的方式全部纳入本说明书。
在上述方法中，尽管产物的组成可以容易地进行控制，但在第一蒸馏塔中发生中沸点物质的再混合过程。这作为降低蒸馏塔中热力学效率的主要因素，因此导致了额外不必要的能量消耗。
为了改善这种蒸馏塔的缺限，已经提出一种分隔壁塔(DWC)。该DWC具备通过在主塔中安装分隔壁而使初分离器和主分离器一起被整合到主塔中的结构。具备这种结构的DWC有将两个蒸馏塔整合到一个蒸馏塔中的巨大优势，使得投资费用可以得到显著节省。即，由于使用分隔壁使两个蒸馏塔整合到一个蒸馏塔中，DWC根本上消除了由使用两个通用蒸馏塔时发生的中沸点组分的再混合而导致的能量效率降低的问题。一般而言，已经知道相比于通用的蒸馏塔，DWC具有约30％(最大60％)的节能效果和20％～30％的投资费用节省效果。由于DWC需要小空间和具备改善产率/纯度的巨大效果，所以DWC经常应用于新蒸馏塔同时也用于改进现有的蒸馏塔。如果分离压力差和实用温差(utility temperature difference)不是很大，则DWC可以应用于任何三组分或更多组分体系的分离。由于这些，DWC具有很广泛的技术应用。
特别地，DWC在以下条件下显示出性能的出色改善：(1)当有相对多的中沸点组分时，(2)当需要对中沸点组分进行高纯分离时，(3)当产物标准和相对的挥发度分布均匀时。用于使主蒸馏部分和初蒸馏部分分隔开的分隔壁段的内部结构设计、分隔壁段中传热特性和理论板当量高度(HETP)的预测、用于预测分离特征的计算机模拟技术以及运行和控制性能的保证等是重要的技术问题。
蒸馏工艺需要韩国工业能源总消耗量的19％和全国能源总消耗量的11％。这是一个巨大的量，相当于16,700,000TOE所用能量的量和14,600,000TC(基于重油)CO2排放量。石化工业需要韩国国家能源总消耗量(基于2003为16.4×107TOE)的24％。石化工业的能源总消耗量的50％是由分离工艺引起的，而分离工艺的能源总消耗量的85％是由蒸馏工艺引起的。
蒸馏工艺是这种有代表性的能源密集型工艺，以致于在美国需要国家能源总消耗量的5.4％，在英国需要国家能源总消耗量的13％。
在石化工业中的能量费用在销售额中总计约为7％，显著地超过了相应工业的平均利润率即2％～4％的范围，因此成为经营管理的相当大的负担。另外，世界范围内多国已经签订了气候变化框架公约(Framework Convention onClimate Change)，各个国家的碳排放权利已成为一项议题。因此，能量费用节省的问题已经和CO2排放减少的问题直接联系起来。
在这种情况下，在蒸馏工艺中发展节能技术的必要性非常高。尽管急切地需要节省能源，但相对于其他领域，由于高昂的设备投资费用，引入新的工艺非常困难。也就是说，由于蒸馏工艺是一种设备费用非常高的加工工业，所以即使当开发出一种新的节能设备时也难以得到引入蒸馏工艺的经济可行性。在这一方面，最好的措施仅仅是对相关领域中之前已安装的设备的运行方法进行最优化。
由于这个原因，急需开发出一种能够轻松且经济地取代现有设备的节能蒸馏设备。
如上所描述，相对于现有通用的蒸馏塔，DWC在节能效果和节省设备投资效果方面具有相对优势。因此，通过用DWC取代现有的通用蒸馏塔来获得所需的节能效果是可能的。
然而，即使当用于各种化学品的分离工艺以DWC进行简单取代后，能量实际上没有节省。特别地，当分离压力差和实用温差很大时，DWC的节能效果可能非常微小，或者实际上可能出现负面效果。
总之，能够取代现有蒸馏设备的节能蒸馏设备必须满足以下要求：(1)高的节能效果，(2)经济地取代现有工艺而无需较大改变的可能性，(3)即使当分离压力差和实用温差很大时的适用性也很大，等等。
发明内容
因此，本申请人通过将DWC和通用蒸馏塔的排列顺序和物流等适当地组合而旨在提出一种新型的蒸馏塔组件。该蒸馏塔组件改进了基于两个蒸馏塔的现有工艺设备，因此具有如下优势：可以容易地安装，具有高节能效果，以及可以应用于分离压力差和实用温差很大的情形中。
本发明的一个方面提供了蒸馏塔组件，其特征在于：具有一个流入口、三个流出口和内分隔壁的分隔壁塔(DWC)与具有两个流入口和两个流出口的通用蒸馏塔(typical distillation column)彼此顺序连接；所述DWC的两个流出口的物流被引入到所述通用蒸馏塔的两个流入口。
在所述蒸馏塔组件中，从DWC引入到通用蒸馏塔中的两个物流可以分别是中沸点物流和高沸点物流。
在所述蒸馏塔组件中，从DWC引入到通用蒸馏塔中的两个物流可以分别是中沸点物流和低沸点物流。
本发明的另一个方面提供了一种将三种或多于三种组分的混合物供给所述蒸馏塔组件，并使上述混合物进行分配(assort)和蒸馏成三种馏分的方法。
有益效果
根据本发明，所述蒸馏塔组件改进了基于两个蒸馏塔的现有工艺设备，使得该蒸馏塔组件可以被容易地安装，具有高节能效果，并且可以应用于分离压力差和实用温差很大的情形中。
附图说明
通过参考附图详细描述其示例性实施方案，本发明的上述和其它目的、特征和优点对于本领域普通技术人员将变得更显而易见，其中：
图1显示了分离三种或多于三种组分的混合物的常规蒸馏工艺；
图2显示了分隔壁塔(DWC)的结构，该分隔壁塔是本发明的一个组件。
图3显示了本发明的实施例1和对比例1的设计；
图4显示了本发明的实施例2和对比例2的设计；
图5显示了本发明的实施例1和对比例1的结果；
图6显示了本发明的实施例2和对比例2的结果。
具体实施方式
在下文中，将详细描述本发明的示例性实施方案。然而，本发明不限于下面公开的实施方案，而可以以多种方式实施。对下面的实施方案进行描述以使本领域普通技术人员能够具体化和实施本发明。
尽管用语第一和第二等可以用来描述不同的部件，但这些部件不受这些用语限制。这些用语仅用于使一个部件与另一个部件区分开。例如，在不偏离示例性实施方案的范围的情况下，第一部件可以称为第二部件，并且类似地，第二部件可以称为第一部件。用语“和/或”包括相关所列项目中一种或多种的任何和所有组合。
应理解的是，当一个部件被称为与另一个部件“连接”或“结合”时，它可以直接与另一个部件连接或结合或者可以存在中间部件。相比之下，当一个部件被称为与另一个部件“直接连接”或“直接结合”，不存在中间部件。
此处所用的用辞是仅用于描述具体实施方案的目的，而不是用来限制示例性实施方案。除非上下文另外清楚地指明，否则单数形式“一个”、“一种”和“所述”意在同样包括复数形式。应进一步理解的是，用语“包含”、“由…组成”、“包括”和/或“含有”当在此处被使用时详列其说明的特征、整体、步骤、操作、部件、组件和/或群组的存在，但并不排除其一种或多种其它特征、整体、步骤、操作、部件、组件和/或群组的存在或加入。
参照附图，以下将详细描述本发明的示例性实施方案。为了帮助理解本发明，对附图的整个描述中相同的附图标记指相同的部件，并且对相同部件的描述将不再重复。
本发明涉及蒸馏塔组件，其特征在于：
具有一个流入口、三个流出口和内分隔壁的分隔壁塔(DWC)与具有两个流入口和两个流出口的通用蒸馏塔彼此顺序连接；和，
所述DWC的两个流出口的物流被引入到所述通用蒸馏塔的两个流入口。
在本发明中，所述DWC具有一个流入口和三个流出口。
作为本发明的一个组件的DWC的结构如图2所示。
所述DWC一般可以如下分成六个区域。
塔顶区域100指的是主塔没有分隔壁的上部区域。
上进料区域200指的是其一面被分隔壁隔开且位于流入物质(原料)流的上方的子区域。
上流出区域300指的是其一面被分隔壁隔开且位于流出物质流的上方的子区域。
下进料区域400指的是其一面被分隔壁隔开且位于流入物质流的下方的子区域。
下流出区域500指的是其一面被分隔壁隔开且位于流出物质流的下方的子区域。
塔底区域600指的是主塔没有分隔壁的下部区域。
三种或多于三种组分的混合物燃料F流入到中间段NR1中，在该中间段NR1处上进料区域与下进料区域接触。在上述组分中，低沸点组分D从塔顶区域流出，高沸点组分B从塔底区域流出，中沸点组分S从中间段NR2流出，在该中间段NR2处上流出区域与下流出区域接触。
如上所述，提供一个混合物燃料流入口物流和包括低沸点组分物流、中沸点组分物流以及高沸点组分物流的三个流出口物流。
可以使用常规的DWC作为所述的DWC而没有限制。没有对常规的DWC进行描述，这是因为对于本领域普通技术人员(下文中缩写为“PHOSITA”)来说是清楚的。如果需要，常规DWC可以是指由本申请人于2008年12月18日向韩国知识产权局(KIPO)提交的韩国专利申请公开No.10-2008-0129049(KR 10-2008-0129049)所公开的DWC，且该专利申请的公开内容通过引用的方式全部纳入本说明书。
在本发明中，所述通用蒸馏塔具有两个流入口和两个流出口。如图1所示，已经广泛使用的常规的通用蒸馏塔具有一个流入口和两个流出口。然而，本发明的通用蒸馏塔和常规的通用蒸馏塔的区别在于它是改进的，从而具有两个流入口和两个流出口。在这一方面，应该理解的是，术语“通用蒸馏塔”用来指一种与常规的通用蒸馏塔不等同但不同于DWC的蒸馏塔。
在本发明中，所述DWC和所述通用蒸馏塔顺序连接，且任意选自DWC的三个流出口物流中的两个流出口物流被引入到通用蒸馏塔的两个流入口。
由于所述两个流出口物流任意选自三个流出口物流，所以存在包括以下的三种情形：低沸点物流和中沸点物流被引入到通用蒸馏塔的情形(第一种情形)，低沸点物流和高沸点物流被引入到通用蒸馏塔的情形(第二种情形)，以及中沸点物流和高沸点物流被引入到通用蒸馏塔的情形(第三种情形)。
特别地，被引入到通用蒸馏塔的两个流出口物流可以由PHOSITA考虑到相对挥发度分布等进行适当地选择。具体地，当低沸点物质和其它物质的挥发度差别很大时，中沸点和高沸点物流而不是低沸点物流优选被引入到通用蒸馏塔中。当高沸点物质和其它物质的挥发度差别很大时，低沸点和中间沸点物流而不是高沸点物流优选被引入到通用蒸馏塔中。
从DWC引入到通用蒸馏塔中的两个物流被分别引入到通用蒸馏塔中而彼此没有混合。如果两个流入口物流彼此再次混合，则要耗费额外的能源来分离被混合的物流。出于这个原因，这种混合不是优选的。
另外，PHOSITA通过与通用蒸馏塔中的混合物浓度比较并确定各物流的混合物浓度，可以将从DWC中引入到通用蒸馏塔中的两个物流分别引入到适当的段中。换言之，以稳定状态运行的蒸馏塔根据各段的位置具有恒定的混合物浓度分布。这在确定各物流被引入的段的位置时可以被考虑到。从热力学观点来看，被引入物流的浓度优选与该物流被引入的段的位置处的浓度相似。
特别地，在蒸馏塔中，根据段位置的混合物浓度分布又受到物质要被蒸馏的段的位置影响。就这一点而言，PHOSITA可以用试错法来确定这种段位置。
另外，本发明涉及一种将三种或多于三种组分的混合物供给所述蒸馏塔组件并使该混合物进行分配和蒸馏成三种馏分的方法。
以下通过参照实施例将更详细地描述本发明。本发明的实施例仅用于详细描述本发明，而不是用来限制本发明的保护范围。
实施例1和对比例1：直接顺序的例子
通过以本发明的蒸馏塔组件(实施例1)取代常规工艺(对比例1)来进行蒸馏塔的性能测试，所述常规工艺是在第一塔中分离低沸点组分和在第二塔中再分离其它组分，即中沸点和高沸点组分。
允许仅通过在第一塔中安装分隔壁和在第二塔中增加一个引入管来对常规工艺进行简单改进。
本发明实施例1和对比例1的设计(concept)示于图3中。
在该工艺中，粗2-乙基己醇(2-EH)用作待蒸馏的物质，蒸馏后的2-EH在实施例1和对比例1中均表现出99wt％的高纯度含量。其结果如图5所示。各质量流率的单位是吨/小时。
能量消耗量示于下面表1中。
表1
Figure BDA0000144788530000071
实施例2和对比例2：间接顺序的例子
通过以本发明的蒸馏塔组件(实施例2)取代常规工艺(对比例2)来进行蒸馏塔的性能测试，所述常规工艺是在第一塔中分离高沸点组分和在第二塔中再分离其它组分，即低沸点和中间沸点组分。
允许仅通过在第一塔中安装分隔壁和在第二塔中增加一个引入管对常规工艺进行简单改进。
本发明实施例2和对比例2的设计示于图4中。
在该工艺中，粗2-EH用作待蒸馏的物质，蒸馏后的2-EH在实施例2和对比例2中均表现出99wt％的高纯度含量。其结果如图6所示。各质量流率的单位是吨/小时。
能量消耗量示于下面表2中。
表2
Figure BDA0000144788530000081
尽管节能量根据或者使用直接顺序型或者使用间接顺序型，显示出一些差异，但从表1和表2可以看出，使用本发明的蒸馏塔组件取代常规工艺改善了节能率。

Claims (4)

1.一种蒸馏塔组件，其特征在于：
具有一个流入口、三个流出口和内分隔壁的分隔壁塔(DWC)与具有两个流入口和两个流出口的通用蒸馏塔彼此顺序连接；和
所述DWC的两个流出口的物流被引入到所述通用蒸馏塔的两个流入口。
2.根据权利要求1所述的蒸馏塔组件，其中，所述从DWC引入到通用蒸馏塔中的两个物流分别是中沸点物流和高沸点物流。
3.根据权利要求1所述的蒸馏塔组件，其中，所述从DWC引入到通用蒸馏塔中的两个物流分别是中沸点物流和低沸点物流。
4.一种将三种或多于三种组分的混合物供给权利要求1～3中任何一项所述的蒸馏塔组件并使上述混合物进行分配和蒸馏成三种馏分的方法。
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