CN103237580B - 低能蒸馏系统和方法 - Google Patents

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Abstract

用于分离多组分流体进料的至少两种组分的蒸馏系统，其包含：汽提段，该汽提段包含：(i)入口以接收含有至少两种组分的流体进料，(ii)与汽提段内流体的更具挥发性部分流体连通的压缩机以提供输出进料，和(iii)再沸器以接收加热流体并与汽提段内流体的较不挥发部分流体连通。蒸馏系统还包含与汽提段垂直排列并置于汽提段以下的精馏段，所述精馏段用于接收来自压缩机的输出进料并进一步包含：(i)冷凝器，其用于接收冷却流体并与来自压缩机的输出进料的更具挥发性部分流体连通，所述冷凝器包含出口以从输出进料的更具挥发性部分中除去至少一种组分，和(ii)出口以使来自压缩机的输出进料的较不挥发部分再循环返回汽提段中。在下部精馏段与上部汽提段之间提供热管以将热能从精馏段传送至汽提段，并由此改进该蒸馏的有效能效率。

Description

低能蒸馏系统和方法
技术领域
本发明公开的主题涉及高能效蒸馏系统和方法，其包括用于石油化学精炼操作等中的高能效蒸馏系统和方法。
背景技术
精炼和化学装置消耗大量能量。在典型精炼厂中，约10%的原油能量含量在将原油精炼成各种最终产物中被耗费。送入大量能量以使液体和半液体进料接近它们的沸点以进行蒸气-液体平衡分离。需要较少能量的蒸馏技术会显著改进精炼厂和化学工厂的总能量效率。
在常规蒸馏中，不回收在蒸馏塔顶部冷凝器处的废热。这产生非常低的能量效率(小于10%的有效能效率)。先前公开了热联合蒸馏塔(HIDiC)，但目前未商业化。一般性描述了壳管式构型或具有两个同心塔板的蒸馏塔，其中精馏段在汽提段内部。由于学术文献中提出的HIDiC构型通常使用精馏段和汽提段的侧向布置，障碍包括复杂的传热配置和对双并排塔的需要，这是提高操作步调的热联合所需要的。这类配置对改型现有塔而言可能是不实际的。
图1描述了常规蒸馏操作1000。位于塔1020顶部的冷凝器1010从富蒸气工艺料流1030中除去热以产生富含较高挥发性(“较轻”)产物的液体产物料流1040。冷凝器还产生回流料流1050，其用于改进蒸气-液体分级分离方法的质量。不回收在冷凝器除去的热，而是排放到冷却水或空气中，由此产生低能量效率的蒸馏。蒸馏塔中的第二定律动力学效率(SecondLaw Thermodynamic Efficiency)，也称有效能效率(exergy efficiency)通常为小于10%。有效能效率定义相对于以相同的输入进料开始并产生相同的产物料流而执行相同操作的动力学理想系统，该系统如何有效。
如在图1中可见，精馏段1060近似垂直地位于常规蒸馏塔中的汽提段1070以上。
图1所示塔还具有再沸器1080，其接收富含较不挥发(“较重”)组分的进料，其中热用于将更具挥发性组分蒸发。将在热输入以后保留的较重液体产物从塔1090中取出，同时使一些较重气化产物1100再循环返回塔中以改进分离的质量。
图2描述了J.of Chem.Tech.and Biotech.，78:241-248(2003)所述的HIDiC单元操作2000，通过引用将其全部并入本文中。不同于其中精馏段1060位于汽提段1070以上的图1的蒸馏塔，图2中的精馏段和汽提段2060和2030分别位于侧向位置，其中另外提供从精馏段至汽提段的热传递。压缩机2010用于将来自离开汽提段2030的料流2020的蒸气压缩，所述汽提段2030为由进料2040以下的面积限定的段。压缩在精馏段2060中产生较高温度，所述精馏段2060通常为图2右侧所示塔2080。阀2090用于控制离开精馏段底部的料流2100流入极接近进料的位置。第二塔2080的上部得到富蒸气料流2110，将其送入冷凝器2120中，得到低挥发性产物2130，和回流料流2140，其返回精馏段2060中。
当热从精馏段2060传递至汽提段2030中时，产生料流2100，所述料流2100提供在精馏与汽提段之间的液体回流功能。提供液体回流功能的料流2100的“回流比”基于精馏段底部中的液位通过阀2090的近似控制而由塔热平衡设置。
另一提出的HIDiC操作3000描述于图3中，其从Z.Olujic等人，Energy31：3083-3096(2006)中取得，并通过引用将其并入本文中。
图3阐述了具有位于精馏段外部的汽提段的同心塔板设计，其中传热板3030放入塔板之间。侧向热传递在两个平行或同心塔之间进行，所述塔可通过例如被外部汽提段3020围绕的内部精馏段3010提供。
来自美国专利No.4,234,391(通过引用将其全部并入本文中)的图4描述了概念设计4000，其中热管4010将热从精馏段4040传递至被隔板4020分开的汽提段4030中。热管处于横向位置，如图4所示。这类HIDiC设计目前未商业化。
因此，仍需要且想要改进蒸馏操作的能量效率，特别是在精炼厂和化学工厂内。还仍需要可容易地改型现有蒸馏塔基础结构的HIDiC设计。
发明概述
本公开主题的一个方面提供用于分离多组分流体进料的至少两种组分的蒸馏系统。该系统包含汽提段，其包含：(i)入口以接收含有至少两种组分的流体进料，(ii)与汽提段内流体的更具挥发性部分流体连通的压缩机以提供输出进料，和(iii)再沸器以接收加热流体并与汽提段内流体的较不挥发部分流体连通。蒸馏系统还包含与汽提段垂直排列并置于汽提段以下的精馏段，所述精馏段用于接收来自压缩机的输出进料并进一步包含：(i)冷凝器，其用于接收冷却流体并与来自压缩机的输出进料的更具挥发性部分流体连通，所述冷凝器包含出口以从输出进料的更具挥发性部分中除去至少一种组分，和(ii)出口以使来自压缩机的输出进料的较不挥发部分再循环返回汽提段中。
本公开主题的另一方面提供用于分离多组分流体进料的至少两种组分的蒸馏方法。该方法包括将含有至少两种组分的流体进料引入汽提段中，所述汽提段包含：(i)入口以接收流体进料，(ii)与汽提段内流体的更具挥发性部分流体连通的压缩机以提供输出进料，和(iii)再沸器以接收加热流体并与汽提段内流体的较不挥发部分流体连通。蒸馏方法还包括将来自压缩机的输出进料送入精馏段中，所述精馏段与汽提段垂直排列并置于汽提段以下，精馏段包含：(i)冷凝器以接收冷却流体并与来自压缩机的输出进料的更具挥发性部分流体连通，冷凝器包含出口以从输出进料的更具挥发性部分中除去至少一种组分，和(ii)出口以使来自压缩机的输出进料的较不挥发部分再循环至汽提段中。
附图简述
现在连同附图描述本发明，其中：
图1为具有位于汽提段以上的精馏段的常规蒸馏塔的示意图，其中不回收在冷凝器处除去的能量。
图2为常规HIDiC概念的示意图。
图3为具有从内部精馏段至外部汽提段的热传递的同心HIDiC设计的示意图。
图4为在横向位置具有热管以使热从精馏段传递至汽提段的HIDiC设计的示意图。
图5为本公开主题的蒸馏系统的典型实施方案的示意图。
图6为本公开主题的蒸馏系统的另一典型实施方案的示意图。
发明详述
提供以下定义用于阐述而不是限制。
有效能效率定义相对于动力学理想系统，分离如何有效。各料流的有效能为它可产生的功的理论最大量，其通过使它通过一系列可逆步骤以使它与周围环境平衡而测定。产物相对于输入进料的有效能含量的提高表示所需功的最小量。有效能效率定义为该最小量的功除以进行分离实际耗费的总有效能的比。
如本文所用，术语“以工业规模生产”指生产流程，其中最终产物经延长的时间(例如经至少一星期，或一个月，或一年)连续(装置维护所需的停机除外)产生，其中预期由最终产物的销售或分布产生收入。工业规模生产不同于实验室或中试装置设置，所述实验室或中试装置设置通常保持有限的实验或研究期间，并进行用于研究且不预期由最终产物的销售或分布而产生收入。
根据本公开主题，提供用于分离多组分流体进料的至少两种组分的蒸馏系统。该蒸馏系统包含汽提段，其包含：(i)入口以接收含有至少两种组分的流体进料，(ii)与汽提段内流体的更具挥发性部分流体连通的压缩机以提供输出进料，和(iii)再沸器以接收加热流体并与汽提段内流体的较不挥发部分流体连通。蒸馏系统还包含与汽提段垂直排列并置于汽提段以下的精馏段，所述精馏段用于接收来自压缩机的输出进料并进一步包含：(i)冷凝器，其用于接收冷却流体并与来自压缩机的输出进料的更具挥发性部分流体连通，所述冷凝器包含出口以从输出进料的更具挥发性部分中除去至少一种组分，和(ii)出口以使来自压缩机的输出进料的较不挥发部分再循环返回汽提段中。
根据本公开主题的另一方面，提供用于分离多组分流体进料的至少两种组分的蒸馏方法。蒸馏方法包括将含有至少两种组分的流体进料引入汽提段中，所述汽提段包含：(i)入口以接收流体进料，(ii)与汽提段内流体的更具挥发性部分流体连通的压缩机以提供输出进料，和(iii)再沸器以接收加热流体并与汽提段内流体的较不挥发部分流体连通。蒸馏方法还包括将来自压缩机的输出进料送入精馏段中，所述精馏段与汽提段垂直排列并置于汽提段以下，精馏段包含：(i)冷凝器以接收冷却流体并与来自压缩机的输出进料的更具挥发性部分流体连通，冷凝器包含出口以从输出进料的更具挥发性部分中除去至少一种组分，和(ii)出口以使来自压缩机的输出进料的较不挥发部分再循环至汽提段中。
本文所公开的方法和系统相互联合描述以理解和实现。
为描述而不限制，参考图5的实施方案，其中汽提段5250和精馏段5500包含在单一、至少部分封闭的结构5010中。将多组分液体进料5100在接近进料组合物沸点的温度下在蒸馏塔5010的进料塔板或阶段5120以上引入。在优选实施方案中，蒸馏系统的进料主要是烃，但任何多组分进料可使用本发明公开的方法和系统分离。
当将进料引入塔中时，富含较不挥发组分的液体部分向下流过塔，且富含进料的更具挥发性组分的气体部分向上流向气体压缩机5150。提供隔板5200以防止富含进料的较重组分的液体部分进一步向下通过塔行进至精馏段5500中。进料与隔板之间的段构成蒸馏塔的汽提或汽提段5250。
具有蒸汽或其它加热流体来源的再沸器5300将热输入塔中并得到富含较不挥发(“较重”)产物的底部产物5350和料流5400，所述料流5400返回汽提段5250中。
将离开压缩机5150的经压缩蒸气5450送入精馏段5500的底部。气体的压缩产生精馏段5500中与汽提段5250相比更高的温度，其由在隔板5200以下塔的段组成。因此，在一个实施方案中，精馏段5500在比汽提段5250更高的平均温度下操作。
在该具体实施方案中，将液体组分5600从塔的底部取出并在进料5100中引入汽提段5250中或借助例如节流阀或泵5650引至进料塔板5120。冷凝器5700提供于精馏段的顶部，其接收冷却水的供应并得到富含较轻产物的产物5750，和回流料流5800，将所述回流料流5800再送入塔的精馏段中。离开冷凝器的组合物可包含，或主要由进料5100的轻质低沸点组分组成。
在一个实施方案中，衍生自本公开主题的方法和系统的最终产物以工业规模生产。
如上所述，精馏段5500在比汽提段5250更高的温度下操作。具有接近垂直地位于精馏段5500以上的汽提段5250容许使用一个或多个热管5850以将热从精馏段5500传送至汽提段5250并降低再沸器上的热负荷。因此，在本公开主题的一个实施方案中，该系统包含至少一个热管，所述热管在至少一部分精馏段与至少一部分汽提段之间连通以将热从精馏段传送至汽提段。
冷凝器5700以及再沸器5300的热负荷显著降低并实现显著更高的能量效率。基本上精馏塔中的液体回流不仅通过冷凝器处任何热脱除性，而且通过热从精馏段至汽提段的热传递产生。
如图5所示，热管5850可基本垂直于精馏段的底部取向，以借助重力将热管5800内部的冷凝物送至精馏段。系统5000可进一步具有位于热管的至少一端的至少一个中空蒸馏塔板5900、5950。或者，如图5所示，系统可包含例如位于热管两端的两个中空蒸馏塔板5900、5950。中空蒸馏塔板5900、5950可进一步具有翼片(未显示)以提高通向和来自热管的传热面积。
热管内部的冷凝物通过重力返回在底部的更热的精馏段5500中。与芯驱动热管(例如图4所示热管)相比，重力驱动热管具有更大的运输能力。
应当指出图5中汇总的特征是根据仅一个非限定性实施方案的。例如，仅用于清楚了解，仅一个热管显示于图5中。在其它实施方案中，提供从蒸馏操作的几个或所有阶段(例如塔板)，更特别是从精馏段的阶段至汽提段的塔板的多个热管。此外，多个热管可甚至用于单套塔板之间。一个或多个热管的使用适当地在本发明的范围内。
压缩机5150提供的压缩产生精馏段5500中更高的温度。热借助一个或多个热管从精馏段5500传递至汽提段5250中。该热传递降低和/或消除冷凝器处排放的热。此外，汽提段5250底部再沸器5300的热负荷降低，因此产生有效能效率的总改进(例如至多且超过50%)。
精馏段5950中的热管充当中间冷凝器，其中汽提段5900中的热管充当中间再沸器。热管5850内部的工作流体在汽提段5900中冷凝并在精馏段5950中蒸发，其将热从精馏段传递至汽提段。当该热传递发生时，汽提段内的工艺液体(被蒸馏材料)蒸发且精馏段中的工艺蒸气冷凝。基于图5或图6所示典型实施方案的设计，当热管工作流体在从较热精馏段进入较冷汽提段中冷凝时，形成提供液体回流功能的料流，且工作流体借助重力流回精馏段中。热管热传递的量通过热管的设计，包括工作流体的选择、温差、工作流体压力水平，物理布局，包括传热部分的表面积和重力驱动力而设置。热管设计决定中间冷凝器产生的回流和中间再沸器产生的蒸发的量。
尽管仅为了方便，根据塔板蒸馏塔描述了本公开主题，它同样适用于填充塔。例如，由于在涉及蒸馏单元的故障排除的情况下的压降考虑，可优选填充塔。如果热管安装在塔的内部，则填充塔还可提供更多的能力以补偿损失的面积。具有较低压降的填充精馏段还容许较低的压缩比用于压缩顶部汽提段以向精馏段进料。热管可用于例如将热从精馏塔的不同段传递至汽提塔的相应段。相应段为在精馏段中间冷凝器与汽提段中间再沸器之间保持相同Δ温度的段。这意指上部中间冷凝器会将热传递至上部中间再沸器，且下部中间冷凝器会将热传递至下部中间再沸器，如图6中的系统6000所示。根据一个非限定性实施方案，这些热管可具有换热器，所述换热器具有在热管两端放射状延伸的翼片。
本公开主题，例如图5或图6所示实施方案，提供更实际的塔构型，其中不同于常规蒸馏，精馏段垂直位于汽提段以下。从精馏段6500至汽提段6250的热传送可使用一个或多个热管实现，且热几乎以轴向传送。垂直构型容许重力使热管中的冷凝物从汽提段返回下面的精馏段中。热联合在单个塔中实现，使得更容易地改型现有塔并降低第二塔所需的区分区。图6阐述使用热虹吸管取向的外部热管的本发明实施方案，其具有蒸气立管6851和液体返回管6852，其容许热管工作流体分离并帮助避免溢流。立管6851和返回管6852在操作上连接在内部传热表面6853上。内部传热表面6853可以为中空蒸馏塔板，其为促进热传递而不限制精馏塔能力的板或框架型构型结构填充物，或任何其它合适传热装置。相同概念也可用外部热管实现，所述外部热管与逆流蒸气和液体料流单一连接，条件是热管尺寸适当以避免溢流。
本公开主题的系统和方法的操作条件可由本领域技术人员确定。其它理解可例如由Internal heat integration-the key to an energy-conservingdistillation column.Z.Olujic,F.Fakhri,A de Rijke,F de Graauw and PJJansens，J of Chemical Technology and Biotechnology，78，第241-248页(在线2003)；Internal versus External Heat Integration.Operational andEconomic Analysis.J.P.Schmal，H.J.Van Der Kooi，A.De.Rijke，Z.Olujic and P.J.Jansens，Trans IChemE，Part A，Chemical EngineeringResearch and Design，2006，84，第374-380页；A new approach to thedesign of internally heat integrated tray distillation columns.M.Gadalla，Z.Olujic，A.de Rijke and J.P.Jansens,European Symposium onComputer Aided Process Engineering，15：805-810；A thermo-hydraulicapproach to conceptual design of an internally heat-integrated distillationcolumn(i-HIDiC),M.Gadalla,L.Jimenez,Z.Olujic and P.J.Jansens,Computers and Chemical Engineering(2006),doi:10.1016/j.compchemeng.2006.11.006；和Conceptual design of an internally heat integratedpropylene-propane splitter,Z.Olujic，L.Sun，A.de Rijke，P.J.Jansens，Energy31(2006)3083-3096得到。通过引用将这些参考文献各自的全部内部并入本文中。
本发明不限于本文所述具体实施方案的范围。事实上，除本文所述那些外，本发明的各种改进会由本领域技术人员从先前说明书和附图中获悉。这类改进意欲属于所附权利要求书的范围内。
应当进一步理解所有值为近似值，并用于描述。
专利、专利申请、公开、产物描述和协议引用在整个本申请中，通过引用将其各自关于所有目的的公开内容全部并入本文中。

Claims (15)

1.用于分离多组分流体进料的至少两种组分的蒸馏塔，其包含：
(a)汽提段，其具有：
(i)入口以接收流体进料，和(ii)与汽提段下部流体连通的再沸器以接收来自汽提段的流体的较不挥发部分；
(b)压缩机，其入口与汽提段顶部连接，其出口与精馏段底部连接，以接收并压缩来自汽提段的流体的更具挥发性部分；和
(c)在其底部与压缩机的输出连接的精馏段，所述精馏段包含：
(i)冷凝器，其在精馏段的顶部与流体出口流体连通以接收来自压缩机的输出的更具挥发性部分，和
(ii)出口以使来自压缩机的输出的较不挥发部分再循环至汽提段，
其特征在于在单一垂直塔中该精馏段与汽提段垂直排列并置于汽提段以下，并且至少一个热管(5850、6851)在精馏段和汽提段之间垂直延伸以将热从精馏段传递至汽提段。
2.根据权利要求1的蒸馏塔，其中热管构造成含有工作流体，该工作流体在从精馏段到汽提段中冷凝，从而将热从精馏段传递到汽提段。
3.根据权利要求1或2的蒸馏塔，其中热管在重力下将热管内部的冷凝物送至精馏段。
4.根据权利要求1的蒸馏塔，其中至少一个中空蒸馏塔板(5900、5950)位于热管的至少一端以提高用于热传递的传递表面积。
5.根据权利要求1的蒸馏塔，其中热管在塔的封闭结构内从精馏段延伸到汽提段。
6.根据权利要求5的蒸馏塔，其中热管在至少一部分精馏段与至少一部分汽提段之间连通。
7.根据权利要求1的蒸馏塔，其中热管包含连接至精馏段(6500)和汽提段(6250)中各自的内部热传递表面(6853)的蒸气立管(6851)和独立的液体返回管(6852)。
8.根据权利要求7的蒸馏塔，其中内部热传递表面为中空蒸馏塔板、或板结构填充物、或框架型构型结构填充物的一种。
9.在根据权利要求1的蒸馏塔中分离多组分流体进料的至少两种组分的方法，其通过：
(a)将含有至少两种不同挥发性的组分的流体进料引入塔的汽提段中；(b)将来自汽提段的输出进料送至压缩机并将压缩机输出送至精馏段，
(c)从精馏段的顶部除去压缩机输出的更具挥发性部分，
(d)将来自压缩机的输出的较不挥发部分再循环到汽提段的底部，其特征在于在单一垂直塔中所述精馏段与汽提段垂直排列并置于汽提段以下，并且通过至少一个在精馏段和汽提段之间垂直延伸的热管(5850、6851)将热从精馏段传递至汽提段。
10.根据权利要求9的方法，其中热管构造成含有工作流体，该工作流体在从精馏段到汽提段中冷凝，从而将热从精馏段传递到汽提段。
11.根据权利要求9或10的方法，其中热管(5850)在塔的封闭结构内从精馏段延伸到汽提段。
12.根据权利要求9或10的方法，其中热管(5850)在至少一部分精馏段与至少一部分汽提段之间连通。
13.根据权利要求9或10的方法，其中至少一个中空蒸馏塔板(5900、5950)位于热管的至少一端以提高用于热传递的传递表面积。
14.根据权利要求9或10的方法，其中热管是外部的并用于热虹吸取向中，其中蒸气立管(6851)和液体返回管(6852)在操作上连接在精馏段(6500)和汽提段(6250)中的内部热传递表面(6853)上。
15.根据权利要求13的方法，其中内部热传递表面为中空蒸馏塔板、或板结构填充物、或框架型构型结构填充物的一种。
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