CN103272399B - 一种通过液相流率调节的隔板精馏方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种通过液相流率调节的隔板精馏方法及其装置，在隔板精馏塔的隔板上方设置有流量可调式收集再分布器。收集渠和分配盒之间的导液管设置为塔内导液管（7-1）和塔外导液管（7-2）、塔外导液管（7-2）在塔外经过流量控制器返回连接分配盒；塔外导液管（7-2）与水平面有向下的倾斜角度；塔内导液管（7-1）竖直安装，塔内导液管（7-1）出口直接连接分配盒。根据进入隔板两侧液体流量比，确定塔内导液管（7-1）和塔外导液管（7-2）的个数，再设定塔外流量控制器开合度。可以简便、稳定地实现对精馏塔气液负荷的有效控制，在精制化工原料时，无需使用汽相收集再分布器，节省设备投资，并保证隔板精馏塔的稳定运行。

Description

一种通过液相流率调节的隔板精馏方法及其装置

技术领域

本发明属于化工原料精制技术领域，利用隔板精馏塔对原料进行精制的方法及其装置。

背景技术

化工原料的精制技术一直是化工行业内的一个热门话题，比如多晶硅行业中的三氯氢硅、二氯二氢硅、硅烷；有机硅行业中的有机硅单体；甲醇、乙醇等基础化工原料和精细化工产品等。特别是二氯二氢硅、三氯氢硅、硅烷先进的精制技术长期被国外技术封锁，国内很多多晶硅企业的产品达不到电子级多晶硅的要求。

传统的精制方法是通过多级精馏，反复的脱轻脱重来获取高纯产品，这个过程回流比大、理论板数多，由此带来能耗费用高、工艺流程长、占地面积大等诸多缺点。为了降低能耗，国内外已研制出一些节能型精馏塔，提高精馏塔的热力学效率，降低能耗，比如热泵精馏、差压热耦合精馏、隔板精馏等。

然而国内外对于隔板精馏塔的研究较少，主要是由于隔板精馏塔难以稳定的操作及控制。隔板精馏是在精馏塔内部设置一垂直隔板，将精馏塔分成公共精馏段、公共提馏段、由隔板分开的精馏进料段和中间采出段四部分。由于隔板精馏塔能减少物料反混，比传统两塔串联流程节能最高可达60%，并且能够节约30%的设备投资，对分离3组分物系节能优势最明显。

隔板精馏塔中隔板两侧的汽液相流量分配是隔板精馏的关键技术。要使隔板两侧液相流量不相等，一般有两种方法：1、隔板不放置在塔中间；2、在隔板的上方设计一个流量分配器来控制液体流量。采用第一种方法，只能用于固定的分离工况，若操作条件发生变化，后续改造隔板塔的费用大，操作复杂。采用第二种方法具有明显的优势，可以根据实际工况灵活的调节隔板两侧液相流量分配比。

隔板两侧的汽相流量可以通过隔板两侧的压降来调节。精馏塔的压降包括三方面：1、干板压降，即板上无液层只有上升蒸汽时塔板压降，是本身性质决定的，操作中无法改变；2、液层压力降，即上升气体穿过板上液层时产生的压力降，塔内液相负荷对其影响，操作中进料、回流是影响因素；3、克服液体表面张力形成的压力降，主要和板上的物料组成有关。待精制的原料纯度为90%-99.5%，当用隔板精馏塔精制时，全塔的液相组成基本一致，尤其隔板两侧液相组成基本一致，这就能保证隔板两侧的上述影响因素1、3几乎一样，则隔板两侧汽相流量的分配可由隔板两侧液相负荷来调节，因此无需再使用汽相分布器来调节汽相流量。

国内专利CN102058992采用隔板吸附装置来精制氯硅烷；CN102068829采用隔板精馏塔对二氯二氢硅和四氯化硅反歧化反应精馏，这些专利中均未涉及用隔板精馏塔通过精馏法精制化工原料。此外CN102826553公开了一种采用隔板精馏塔分离氯硅烷混合物的方法，但此专利未考虑隔板两侧的汽液相流量分配问题，因此在工业应用中难以实现。

国外US5755933专利中指出，通过将隔板延伸到隔板精馏塔的底部或者顶部，通过再沸器和冷凝器来调节气体和液体的分配比，但这种方法改造后的精馏塔已经不是传统意义上的隔板精馏塔。US7267746专利中指出，通过分别检测塔顶回流液和塔底上升气体的温度来动态调节进入隔板两侧液体的分配比，此法操作复杂，设备较多。

发明内容

本发明提供了一种通过液相流率调节的隔板精馏方法及其装置，主要用来精制多晶硅行业中的三氯氢硅、二氯二氢硅、硅烷；有机硅行业中的有机硅单体；甲醇、乙醇等基础化工原料和精细化工产品等。采用规整填料，能大幅度降低生产能耗、减少设备投资、缩小占地面积。

一种通过液相流率调节的隔板精馏装置，包括公共精馏段填料（1）、液体收集再分布器（10）、隔板（11）、进料侧上端填料（12）、出料侧上端填料（13）、进料侧下端填料（14）、出料侧下端填料（15）、流量可调式收集再分布器（16）、公共提馏段填料（17）、支撑板（18）、气体分布器（19）、冷凝器（20）、回流罐（21）、再沸器（22）、集液器（23）；公共精馏段填料（1）下方设置流量可调式收集再分布器（16），流量可调式收集再分布器（16）下方设置隔板（11），隔板（11）两侧设置进料侧上端填料（12）、出料侧上端填料（13）、进料侧下端填料（14）、出料侧下端填料（15）；出料侧上端填料（13）下方设置集液器（23）；进料侧下端填料（14）和出料侧下端填料（15）下方设置公共提馏段填料（17），其下方设置气体分布器（19）；塔顶出口连接冷凝器（20），冷凝器（20）出口连接回流罐（21）；塔底出口连接再沸器（22）；每段填料上方设置液体收集再分布器（10），每段填料下方设置支撑板（18）。

本发明提出的精馏装置大部分与现有隔板精馏装置类似，主要不同技术为：在隔板精馏塔的隔板上方设置有流量可调式收集再分布器（16）。

所述的流量可调式收集再分布器（16）为：收集渠（5）和分配盒（9）之间的导液管设置为塔内导液管（7-1）和塔外导液管（7-2）、塔外导液管（7-2）在塔外经过流量控制器（8）返回连接分配盒（9）；塔外导液管（7-2）与水平面有向下的倾斜角度；塔内导液管（7-1）竖直安装，塔内导液管（7-1）出口直接连接分配盒（9）；分配盒（9）两侧固定在塔壁上。

塔外导液管（7-2）个数少于塔内导液管（7-1）个数。

塔外导液管（7-2）优选为2-4个。

本发明通过液相流率调节的隔板精馏的方法，根据进入隔板两侧液体流量比，确定塔内导液管（7-1）和塔外导液管（7-2）的个数，再设定塔外流量控制器（8）开合度。

精馏装置塔顶液体回流量与进料量的回流比优选为5-20；隔板精馏塔采用规整填料；隔板精馏塔共有60-220块理论塔板，公共精馏段有15-50块理论塔板，公共提馏段有15-50块理论塔板；每段隔板段有15-60块理论塔板。

采用流量可调式收集再分布器（16）的隔板精馏装置的操作方法，步骤如下：

（1）将原料混合物（101）经换热器预热后从隔板一侧的进料口通入隔板精馏塔；

（2）混合物在隔板的进料侧的进料侧上端填料（12）、出料侧上端填料（13）中进行预分离，在隔板的顶部富集轻组分，其汽相进入公共精馏段填料（1）后从塔顶出来，经过冷凝器（20）冷凝后进入回流罐（21），一部分采出（104），一部分从塔顶回流；隔板的底部富集重组分，其液相流入公共提馏段填料（17），从塔底得到富含重组分的产品（103），一部分塔底液体经过再沸器（22）后变成蒸汽再次进入塔中，蒸汽经过塔底放置的气体分布器（19）后，均匀的升入公共提馏段填料（17）中；

（3）隔板顶部的液相经过流量可调式收集再分布器（16）流入到隔板两侧的进料侧上端填料（12）、出料侧上端填料（13）中；隔板底部的汽相则会按照隔板两侧的压降比例分别进入到隔板两侧的进料侧下端填料（14）、出料侧下端填料（15）中；

（4）从隔板顶部得到的富轻组分液相经过流量可调式收集再分布器（16）后，一部分流入出料侧上端填料（13）中；从隔板底部得到的富重组分的汽相，按照隔板两侧的压降比例分配后，一部分上升到出料侧下端填料（15）中；经过集液器（23），将产品（102）采出。

本发明的一种隔板精馏塔，隔板（11）放置在塔的中间位置，在隔板（11）上方采用一种流量可调式收集再分布器（16）来调节隔板两侧的液相流率。对于化工行业中产品精制问题，原料的进料的浓度已经很高，隔板两侧的液相组成分布接近一致，因此可以调节隔板两侧液体流量比例来实现对隔板两侧气液负荷的有效控制，无需在隔板底部增加气相分布器，使装置稳定的运行。

本发明涉及的一种流量可调式收集再分布器的操作流程如下：

液体混合物从公共精馏段填料（1）流下来进入底板（4），然后汇入两侧的收集渠（5）中；汽相混合物从升气管（3）出来进入公共精馏段填料（1），升气帽（2）阻止液体流入升气管（3）；液体在收集渠（5）中富集，两侧收集渠（5）通过液相平衡管（6）相连；出料侧液体通过塔内导液管（7-1）直接流下进入分配盒（9）中；进料侧液体部分通过塔内导液管（7-1）直接流下进入分配盒（9）中，部分液体通过塔外导液管（7-2）流出至塔外，再经过塔外流量控制器（8）控制流量大小后流进分配盒（9）中，液体汇集于两侧的分配盒（9）中，再通过收集盒（9）底部的小孔流下，进入到下面的液体收集再分布器（10）；最后液体进入隔板（11）两侧的进料侧上端填料（12）、出料侧上端填料（13）中进行分离。这样便实现了对隔板两侧液体流量不同分配比的控制。

本发明的重点在于待精制的原料纯度为90%-99.5%，当用隔板精馏塔精制时，全塔的液相组成基本一致，尤其隔板两侧液相组成基本一致，因此从隔板下端上升进入到隔板两侧的汽相流量可由隔板两侧的液相负荷来调节控制，无需外加汽相收集再分布器来调节隔板两侧汽相流量，节省设备投资，并保证了隔板精馏塔的稳定运行，能够在工业上大规模应用。本发明主要用来精制多晶硅行业中的三氯氢硅、二氯二氢硅、硅烷；有机硅行业中的有机硅单体；甲醇、乙醇等基础化工原料及精细化工产品，待精制的原料纯度为90%-99.5%，当用隔板精馏塔精制时，全塔的液相组成基本一致，尤其隔板两侧液相组成基本一致，因此从隔板下端上升进入到隔板两侧的汽相流量可由隔板两侧的液相负荷来调节控制，无需外加汽相收集再分布器来调节隔板两侧汽相流量，节省设备投资，并保证了隔板精馏塔的稳定运行。

本发明的优点概况如下：

（1）、本发明采用热力学效率高的隔板精馏塔来精制原料，一个隔板精馏塔就能起到两个精馏塔的分离效果，减少设备投资，节约能耗，缩小占地面积。

（2）、本发明的一种液体流量可调的隔板收集再分布器，隔板放置中间，全部运用静设备，无需消耗额外的电、高压蒸汽等能量，可以简便、灵活的调节隔板两侧液体流量比例。

（3）、本发明采用隔板精馏来精制化工原料，隔板两侧汽相流量可由液相负荷调节，因此无需在隔板底部添加汽相流量分配器，保证了装置运行的稳定性，降低生产成本，能够实现工业化生产。

附图说明

图1：一种通过液相流率调节的隔板精馏方法及其装置的示意图。

图2：本发明的一种简便、稳定的流量可调式隔板收集再分布器结构示意图。

图3：本发明的一种简便、稳定的流量可调式隔板收集再分布器俯视图。

图4：进料侧收集渠底部的导液管结构示意简图。

具体实施方式

下面结合图1、图2、图3、图4对本发明做进一步的说明，说明性内容是为了理解本发明，发明内容的所有技术内容都适合本发明。

通过液相流率调节的隔板精馏装置，包括公共精馏段填料（1）、液体收集再分布器（10）、隔板（11）、进料侧上端填料（12）、出料侧上端填料（13）、进料侧下端填料（14）、出料侧下端填料（15）、流量可调式收集再分布器（16）、公共提馏段填料（17）、支撑板（18）、气体分布器（19）、冷凝器（20）、回流罐（21）、再沸器（22）、集液器（23）；公共精馏段填料（1）下方设置流量可调式收集再分布器（16），流量可调式收集再分布器（16）下方设置隔板（11），隔板（11）两侧设置进料侧上端填料（12）、出料侧上端填料（13）、进料侧下端填料（14）、出料侧下端填料（15）；出料侧上端填料（13）下方设置集液器（23）；进料侧下端填料（14）和出料侧下端填料（15）下方设置公共提馏段填料（17），其下方设置气体分布器（19）；塔顶出口连接冷凝器（20），冷凝器（20）出口连接回流罐（21）；塔底出口连接再沸器（22）；每段填料上方设置液体收集再分布器（10），每段填料下方设置支撑板（18）。

流量可调式收集再分布器（16）包括升气帽(2)、升气管（3）、底板（4）、收集渠（5）、液相平衡管（6）、塔内导液管（7-1）和塔外导液管（7-2）、塔外流量控制器（8）、分配盒（9）。

如图2所示，本发明中的一种流量可调式收集再分布器（16）的特征是公共提馏段填料（1）下方设置一个底板（4），底板（4）上方设置均匀分布的升气管（3），升气管（3）上方设置升气帽（2）；在底板（4）两侧各设置一个收集渠（5），收集渠（5）通过液相平衡管（6）连接；在两侧收集渠（5）下方设置有塔内导液管（7-1）和塔外导液管（7-2），将进料侧的塔外导液管（7-2）引出至塔外，塔外导液管（7-2）与水平面有倾斜角度，塔外导液管上设置有塔外流量控制器（8），塔外导液管（7-2）出口连接分配盒（9）；塔内导液管（7-1）竖直安装，塔内导液管（7-1）出口连接分配盒（9）；分配盒（9）两侧固定在塔壁上，其底部开设均匀大小的孔道；在分配盒（9）下方设置一个液体收集再分布器（10），其下方设置被隔板（11）隔开的进料侧上端填料（12）、出料侧上端填料（13）。

本发明的塔内导液管（7-1）和塔外导液管（7-2）的设计方法是：在两侧收集渠的底部开孔，孔下面接导液管。两侧开孔数量各为5-10个为宜，实际工况中，根据塔盘直径、塔内液体负荷等因素设计开孔个数、孔道大小以及塔外导液管（7-2）个数。

进料侧的塔外导液管（7-2）的个数一般小于塔内导液管（7-1）的个数，塔外导液管（7-2）优选个数以2-4个为宜。

本发明涉及的一种流量可调式收集再分布器的操作流程如下：

液体混合物从公共精馏段填料（1）流下来进入底板（4），然后汇入两侧的收集渠（5）中；汽相混合物从升气管（3）出来进入公共精馏段填料（1），升气帽（2）阻止液体流入升气管（3）；液体在收集渠（5）中富集，两侧收集渠（5）通过液相平衡管（6）相连；出料侧液体通过塔内导液管（7-1）直接流下进入分配盒（9）中；进料侧液体部分通过塔内导液管（7-1）直接流下进入分配盒（9）中，部分液体通过塔外导液管（7-2）流出至塔外，再经过塔外流量控制器（8）控制流量大小后流进分配盒（9）中，液体汇集于两侧的分配盒（9）中，再通过收集盒（9）底部的小孔流下，进入到下面的液体收集再分布器（10）；最后液体进入隔板（11）两侧的进料侧上端填料（12）、出料侧上端填料（13）中进行分离。这样便实现了对隔板两侧液体流量不同分配比的控制。

本发明的一种通过液相流率调节的隔板精馏方法，如图1，其特征步骤如下：

（1）将原料混合物（101）经换热器预热后从隔板一侧的进料口通入隔板精馏塔。

（2）混合物在隔板的进料侧的进料侧上端填料（12）、出料侧上端填料（13）中进行预分离，在隔板的顶部富集轻组分，其汽相进入公共精馏段填料（1）后从塔顶出来，经过冷凝器（20）冷凝后进入回流罐（21），一部分采出（104），一部分从塔顶回流；隔板的底部富集重组分，其液相流入公共提馏段填料（17），从塔底得到富含重组分的产品（103），一部分塔底液体经过再沸器（22）后变成蒸汽再次进入塔中，蒸汽经过塔底放置的气体分布器（19）后，均匀的升入公共提馏段填料（17）中。

（3）隔板顶部的液相则会按照本发明所提供的流量可调式收集再分布器（16）流入到隔板两侧的进料侧上端填料（12）、出料侧上端填料（13）中；隔板底部的汽相则会按照隔板两侧的压降比例分别进入到隔板两侧的进料侧下端填料（14）、出料侧下端填料（15）中。

（4）从隔板顶部得到的富轻组分液相经过本发明所提供的流量可调式收集再分布器（16）后，一部分流入出料侧上端填料（13）中；从隔板底部得到的富重组分的汽相，按照隔板两侧的压降比例分配后，一部分上升到出料侧下端填料（15）中。在隔板出料侧设置一个集液器（23），将高纯产品（102）采出。

下面举了2个关于流量调节的实例。

1）、使隔板两侧液体流量比为4：7。如图3的俯视图所示，两侧收集渠（5）底部均开7个孔，孔下面是导液管塔内导液管（7-1）和塔外导液管（7-2），将进料侧的3个塔外导液管（7-2）引出到塔外的流量控制器（8），塔内导液管（7-1）竖直安装。塔外流量控制器（8）设定流量为0（亦即全关），则两侧液体流量比为4：7。

2）、使隔板两侧液体流量比为5：7。如图3的俯视图所示，两侧收集渠（5）底部均开7个孔，孔下面是塔内导液管（7-1）或塔外导液管（7-2），将进料侧的3个塔外导液管（7-2）引出到塔外的流量控制器（8），塔内导液管（7-1）竖直安装。塔外流量控制器（8）设定流量为一个导液管的流量，则两侧液体流量比为5：7。

若是内置的流量调节装置，则进料侧收集渠（5）底部开4个孔，出料侧收集渠（5）底部开7个孔，则两侧液体流量比为4：7，其它情况的流量比例控制方法以此类推。

下面结合具体的实施对本发明作进一步说明。

实施例1：

4000吨/年三氯氢硅的精制，进料组成如下：氯硅烷混合物进料组成：三氯氢硅99wt%、二氯二氢硅0.5wt%、四氯化硅0.5wt%。

进料流量4吨/小时，回流量/进料量为6，塔顶温度62.7℃，塔顶压力为300kpa，全塔压降10kpa。

隔板精馏塔总共110块理论塔板，其中公共精馏段有30块理论塔板，公共提馏段有30块理论塔板，隔板段有50块理论塔板，进料位置位于第55块理论板处，出料位置位于第54块理论塔板处。隔板两侧的液相流量比为1:1.4，可以通过上述实例的方法设定塔外流量控制器实现，可将三氯氢硅精制到质量分数99.9999%以上。采用隔板精馏塔精制三氯氢硅和采用传统的两塔串联精馏工艺的热负荷见表1。

表1

名称	隔板精馏工艺	传统精馏工艺
			塔顶热负荷（M*KCAL/HR）	1.068	1.461
塔釜热负荷（M*KCAL/HR）	1.091	1.483

传统的双塔串联提纯三氯氢硅工艺中，冷却和加热总负荷为2.944M*KCAL/HR；采用本发明提供的隔板精馏提纯工艺，总负荷为2.159M*KCAL/HR，节约能耗26.6%。此外设备投资方面，可以少用一个再沸器和冷凝器，并且减少占地面积。

实施例2：

4000吨/年三氯氢硅的精制，进料组成如下：氯硅烷混合物进料组成：三氯氢硅95wt%、二氯二氢硅2.5wt%、四氯化硅2.5wt%。

进料流量4吨/小时，回流量/进料量为7，塔顶温度52.7℃，塔顶压力为300kpa，全塔压降10kpa。

隔板精馏塔总共110块理论塔板，其中公共精馏段有30块理论塔板，公共提馏段有30块理论塔板，隔板段有50块理论塔板，进料位置位于第55块理论板处，出料位置位于第54块理论塔板处。隔板两侧的液相流量比为1:1.33，可以通过上述实例的方法设定塔外流量控制器实现，可将三氯氢硅精制到质量分数99.9999%以上。采用隔板精馏塔精制三氯氢硅和采用传统的两塔串联精馏工艺的热负荷见表2。

表2

名称	隔板精馏工艺	传统精馏工艺
			塔顶热负荷（M*KCAL/HR）	1.176	1.640
塔釜热负荷（M*KCAL/HR）	1.198	1.661

传统的双塔串联提纯三氯氢硅工艺中，冷却和加热总负荷为3.301M*KCAL/HR；采用本发明提供的隔板精馏提纯工艺，总负荷为2.374M*KCAL/HR，节约能耗28%。此外设备投资方面，可以少用一个再沸器和冷凝器，并且减少占地面积。

以上对本发明的较佳实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (6)

1.一种通过液相流率调节的隔板精馏装置，其特征是在隔板精馏塔的隔板上方设置有流量可调式收集再分布器(16)；其特征流量可调式收集再分布器(16)为：收集渠(5)和分配盒(9)之间的导液管设置为塔内导液管(7-1)和塔外导液管(7-2)、塔外导液管(7-2)在塔外经过流量控制器(8)返回连接分配盒(9)；塔外导液管(7-2)与水平面有向下的倾斜角度；塔内导液管(7-1)竖直安装，塔内导液管(7-1)出口直接连接分配盒(9)；分配盒(9)两侧固定在塔壁上。

2.如权利要求1所述的装置，其特征是塔外导液管(7-2)个数少于塔内导液管(7-1)个数。

3.如权利要求1所述的装置，其特征是塔外导液管(7-2)为2-4个。

4.权利要求1的装置通过液相流率调节的隔板精馏的方法，其特征是：根据进入隔板两侧液体流量比，确定塔内导液管(7-1)和塔外导液管(7-2)的个数，再设定塔外流量控制器(8)开合度。

5.如权利要求4所述的的方法，其特征是：塔顶液体回流量与进料量的回流比为5-20；隔板精馏塔采用规整填料；隔板精馏塔共有60-220块理论塔板，公共精馏段有15-50块理论塔板，公共提馏段有15-50块理论塔板；每段隔板段有15-60块理论塔板。

6.如权利要求4所述的方法，其特征是步骤如下：

(1)将原料混合物(101)经换热器预热后从隔板一侧的进料口通入隔板精馏塔；

(2)混合物在隔板的进料侧的进料侧上端填料(12)、出料侧上端填料(13)中进行预分离，在隔板的顶部富集轻组分，其汽相进入公共精馏段填料(1)后从塔顶出来，经过冷凝器(20)冷凝后进入回流罐(21)，一部分采出(104)，一部分从塔顶回流；隔板的底部富集重组分，其液相流入公共提馏段填料(17)，从塔底得到富含重组分的产品(103)，一部分塔底液体经过再沸器(22)后变成蒸汽再次进入塔中，蒸汽经过塔底放置的气体分布器(19)后，均匀的升入公共提馏段填料(17)中；

(3)隔板顶部的液相经过流量可调式收集再分布器(16)流入到隔板两侧的进料侧上端填料(12)、出料侧上端填料(13)中；隔板底部的汽相则会按照隔板两侧的压降比例分别进入到隔板两侧的进料侧下端填料(14)、出料侧下端填料(15)中；

(4)从隔板顶部得到的富轻组分液相经过流量可调式收集再分布器(16)后，一部分流入出料侧上端填料(13)中；从隔板底部得到的富重组分的汽相，按照隔板两侧的压降比例分配后，一部分上升到出料侧下端填料(15)中；经过集液器(23)，将产品(102)采出。