CN104524800B - 一种具有换热塔板的热耦合喷射并流塔 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有换热塔板的热耦合喷射并流塔，包括塔体和多层连续传质塔板，塔体包括内塔和外塔，每层连续传质塔板包括设置有升气孔的塔板、帽罩和降液系统；所述内塔和外塔之间通过内塔的外壁隔离形成精馏段和提馏段；所述精馏段的塔板是与提馏段通过换热入口和换热出口相连通的换热塔板，换热塔板的换热入口和换热出口位于提馏段降液系统之外的传质区。该塔有效利用提馏段和精馏段的温差在内塔塔壁处进行换热、回收热量，并通过换热塔板增大了换热面积，有效减少了散热量，强化了提馏段对精馏段的热量传递，从而达到节能降耗的目的，因此具有很大的经济效益和应用前景。

Description

一种具有换热塔板的热耦合喷射并流塔

技术领域

本发明涉及一种气液传质设备，尤其是一种具有换热塔板的热耦合喷射并流塔，用于化工、炼油、石化、环保等领域的传质过程。

背景技术

在石油化工过程中，精馏过程是应用最为广泛的单元操作之一，也是石油化工领域中能耗最大的操作单元。在传统的精馏塔中，引入精馏塔再沸器的热量通过精馏塔之后由冷凝器处排出，大部分的能量损失在塔的压降和通过换热器的温差上，而只有部分能量被用来减少精馏塔产品的熵，其热力学效率一般只有5～10％，能量损失十分巨大。因此，开发并使用新型节能设备会带来巨大的经济效益和社会效益。

精馏塔内部热耦合技术是一种理想节能方法。从20世纪末起，内部热耦合精馏塔的研究逐渐开展和深入。2005年，英国开发出一种塔板内部传热式内部热耦合精馏塔，欧盟开发出一种热交换屏(Heattransferpanel，简称HTP)式内部热耦合精馏塔，但是，由于塔内部热耦合传热面积较小，因而未获得应用性进展。从1995年至2007年，日本先后开发了同心圆柱式和多同心圆柱捆绑式热耦合精馏塔；但是，同心圆柱式热耦合精馏塔结构较为简单，但仍未解决原有的内部热耦合传热面积小的问题，多同心圆柱捆绑式内部热耦合蒸馏塔虽然具有更大的传热面积，但结构复杂，成本很高，难以在实际中推广应用。

2009年，中国专利CN200910087709.9设计了一种内部热耦合蒸馏塔，通过三个外部换热器实现精馏段与提馏段之间的热耦合，一个外部换热器进行精馏段顶部与提馏段顶部之间的热量交换，从而实现了内部热耦合蒸馏塔的无外部回热操作；但是，该内部热耦合蒸馏塔包括有四个外部换热器和两个塔体，设备体积大、成本高。

中国专利CN201010195101.0公开了一种液体并流复合塔，实现了塔板上液体呈同方向流动，增加了有效传质面积。其结构如图1所示，液体并流复合塔包括圆柱形塔体1和设置在塔体1内的多层连续传质塔板。塔体1分为圆柱形内塔8和环形外塔9，内塔8套装在外塔9内，内塔结构如图2所示；内塔中的塔板Ⅰ与内塔横截面相应，且平行设置，外塔中也平行设置有与外塔横截面相应的环形塔板Ⅱ。在外塔9的塔板和内塔8的塔板上均设置有升气孔，升气孔上方设置帽罩。所述内塔和外塔中分别设置有使每层塔板上的液体呈同方向流动的降液系统。

该专利产品消除了传统塔板上的液体滞留区，增加了有效传质面积，增大了处理能力，提高了塔板的传质效率。但是，该液体并流复合塔的热量均由塔底的再沸器提供，能耗高，热量利用率低，而且为了达到较好的精馏效果，塔高通常较高，安装施工难度大，不易维护检修。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种传质面积大、塔板效率高、热量利用率高、能耗小的热耦合喷射并流塔。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种具有换热塔板的热耦合喷射并流塔，包括塔体和多层连续传质塔板，塔体包括内塔和外塔，每层连续传质塔板包括设置有升气孔的塔板、帽罩和降液系统；所述内塔和外塔之间通过内塔的外壁隔离形成精馏段和提馏段；当内塔是精馏段时，外塔为提馏段；当内塔为提馏段时，外塔为精馏段；所述精馏段的塔板是与提馏段通过换热入口和换热出口相连通的换热塔板，换热塔板的换热入口和换热出口位于提馏段降液系统之外的传质区。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述换热塔板是中空的双层塔板或者塔板表面设置有传热管的单层塔板；所述换热管为直管、弯管、盘管或螺旋盘管。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述换热塔板的换热入口和换热出口位于不同的传质区。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述换热塔板的换热出口低于换热入口。

本发明技术方案的进一步改进在于：当换热塔板为双层塔板时，升气孔贯穿换热塔板但不与换热塔板的内部连通；当换热塔板为设有传热管的单层塔板时，传热管避开升气孔。

本发明技术方案的进一步改进在于：提馏段顶部为原料入口，提馏段底部的液相出口与再沸器相连通，再沸器的液体出口连通重组分采出管道，再沸器的气体出口连通提馏段底部的气体入口；提馏段顶部气体出口通过管道与精馏段底部的气体入口相连，精馏段顶部的气体出口与冷凝器相连通，冷凝器的出口一方面与轻组分采出管道直接相连，另一方面通过回流泵与精馏段顶部的液体入口相连通；精馏段底部的液体出口通过管道连通提馏段顶部的原料入口。

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

本发明提供了一种具有换热塔板的热耦合喷射并流塔，该塔将精馏段和提馏段设置为内塔外塔套装的形式，有效利用提馏段和精馏段的温差在内塔塔壁处进行换热、回收热量，并通过换热塔板增大了换热面积，有效减少了散热量，强化了提馏段对精馏段的热量传递，从而达到节能降耗的目的。与常规的精馏装置能耗相比可节能20％以上，可以极大地节省操作费用，因此具有很大的经济效益和应用前景。同时，由于精馏段和提馏段为同心圆柱型，可大大减小塔高，易于安装维护和生产操作。

本发明塔体采用内外套塔的结构，通过外部管道的设置，将原料液由提馏段顶部进料，经传质换热后，到达提馏段底部的液相经再沸器进一步加热后采出，再沸器中分离出的气体作为提馏段的气相使用；到达提馏段顶部的气相被送入精馏段底部，经多层塔板传质传热后，到达精馏段顶部的气相中轻组分的纯度很高、经冷凝器冷凝后获得高纯度的轻组分；其中一部分高纯度的轻组分在回流泵的作用下作为液相重新从进入精馏塔塔顶，经过传热传质后从精馏塔底排出、并经管道重新回到提馏段顶部作为提馏段的回流液相。这样就实现了原料液的精馏，重组分和轻组分经过足够数量的塔板传质分离，塔顶采出轻组分和塔底采出重组分的纯度都很高，分离效果好。

本发明的精馏段塔板为换热塔板，提馏段的高温气相进入换热塔板、对在精馏段塔板上流动的液相料液进行加热，显著增大了换热面积，提高了热量的利用率。所述换热塔板的换热入口和换热出口均位于提馏段降液系统之外的传质区，但换热入口和换热出口不在同一个传质区，有效避免由于冷热气体返混而导致换热塔板内的气体温度降低；所述换热出口低于换热入口，便于换热塔板内部的冷凝液及时流出，换热塔板内部的气体保持高温，有效保证了换热塔板的换热效果。换热塔板是中空的双层塔板或表面设置有传热管的单层塔板，且传热管可选择直管、弯管、盘管或螺旋盘管等多种形式，适用范围非常广。

附图说明

图1是中国专利CN201010195101.0公开的液体并流复合塔结构示意图；

图2是中国专利CN201010195101.0液体并流复合塔中的内塔结构示意图；

图3是内塔为精馏段、外塔为提馏段时的物料流向示意图；

图4是内塔为提馏段、外塔为精馏段时的物料流向示意图；

其中，1、塔体，2、塔板Ⅰ，31、降液板Ⅰ，32、降液板Ⅱ，33、降液挡板，34、中心降液管，35、液体流出通道，36、中间受液盘，38、环形受液盘，39、导流管，4、溢流堰，5、帽罩，6、降液通道，7、进口堰，8、内塔，9、外塔，14、再沸器，15、冷凝器，16、储液罐，17、回流泵，18、原料液进液管道，19、重组分采出管道，20、轻组分采出管道。

图3、图4中的实心箭头表示液体流向，空心箭头表示气体流向。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做进一步详细说明：

一种热耦合喷射并流塔，包括圆柱形塔体1；塔体1包括圆柱形的内塔8和环形的外塔9，内塔8套装在外塔9内；内塔8与外塔9之间通过内塔8的外壁隔离成精馏段和提馏段。当以内塔8为精馏段时，外塔9即为提馏段；当以内塔8为提馏段时，外塔9即为精馏段。在塔底设置有为塔体提供热量的再沸器14，再沸器14与提馏段底部相连通；在精馏段的塔顶设置有冷凝器15和回流泵17。

所述外塔9的结构与中国专利CN201010195101.0中的外塔结构相同。外塔9内平行设置有多组环形塔板，在环形塔板上设置有多个升气孔，帽罩5位于升气孔上方。外塔降液系统包括环绕于内塔外壁的四套降液管，这四套降液管将外塔平均分隔为对称的四个传质区。每套降液管包括溢流堰4、平行设置的折流式的降液板Ⅰ31和降液板Ⅱ32，降液板Ⅰ31和降液板Ⅱ32之间形成的通道为降液通道6，降液通道6的上端设置有垂直于环形塔板的溢流堰4；降液板Ⅰ31的上端与位于上层环形塔板上的另一降液管的溢流堰4相连接，其下端与环形塔板和塔体固定密封连接；降液板Ⅱ32的上端与上层环形塔板上的另一降液管的降液板Ⅰ31下端相连接，其下端与环形塔板之间设置有液体流出通道35。

所述内塔8的结构与中国专利CN201010195101.0中的内塔结构相同。内塔8内平行设置有多组圆形塔板，在圆形塔板上设置有多个升气孔，帽罩5设置于升气孔上方。内塔8的降液系统包括穿越塔板Ⅰ中心的中心降液管34、中间受液盘36、降液挡板33、导流管39和环形受液盘38；中间受液盘36和中心降液管34均设置成圆形，中间受液盘36位于中心降液管34的下方，中心降液管34的直径小于中间受液盘36的直径，中间受液盘36的周边、垂直于中间受液盘36的上方交替设置有降液挡板33和导流管39；导流管39为上开口型槽钢，导流管39的底部高度高于中间受液盘36；中心降液管34位于塔板Ⅰ上方的位置相应设置有中心溢流堰；环形受液盘38位于下一层塔板的圆周上，呈平板型；导流管的出口对应落在环形受液盘38内。

所述精馏段的塔板为换热塔板，换热塔板通过换热入口和换热出口与提馏段相连通。换热塔板的换热入口和换热出口位于提馏段降液系统之外的传质区，且换热塔板的换热入口和换热出口位于不同的传质区，以免发生冷热气体返混。所述换热出口低于换热入口，便于冷凝液流出。

所述换热塔板可选用中空的双层塔板，升气孔贯穿换热塔板但不与换热塔板的内部连通；所述换热塔板还可选用设置有传热管的单层塔板，传热管通过管壁与单层塔板相接触，传热管的位置避开升气孔。所述换热管可选用直管、弯管、盘管或螺旋盘管等多种布置方式。

在精馏过程中，提馏段的高温气体通过换热入口进入换热塔板内部，通过热传导作用对在精馏段塔板上流动的液相料液进行加热；换热后的气体温度降低、或冷凝为液体，通过换热出口流回提馏段重新进行加热。本发明的应用过程为：

(1)当内塔为精馏段、外塔为提馏段时，其物料走向如图3所示：

原料液由外塔顶部的原料入口进入提馏段、并向下运动，由再沸器提供的气相由塔底向上运动，下降的液相与上升的气相在每一块环形塔板处进行部分气化和部分冷凝，轻组分(低沸点物质)逐渐气化进入气相，重组分(高沸点物质)存留在液相中；经过多块环形塔板的传质传热，到达外塔塔底的液相中重组分的含量很高，经再沸器进一步加热后由塔釜的重组分采出管道采出，经再沸器产生的气体经气体出口进入外塔底部的气体入口；而到达外塔顶部的气相中轻组分的含量较高，经管道被送入内塔底部的气体入口，进行精馏。

在内塔中，来自提馏段的气相向上运动、再经过多块圆形塔板的传质换热，达到内塔顶部的气相中低沸点物质的含量更高，经内塔顶部的气体出口进入冷凝器进行冷凝，所得冷凝液进入储液罐暂存；储液罐内的冷凝液为高纯度的轻组分，一部分冷凝液由经由管道进入轻组分采出管道，另一部分冷凝液在回流泵作用下被送回内塔顶部、作为液相向塔底方向运动，与上升气相完成传质传热，然后由内塔底部的液体出口流出、经管道被重新送回外塔顶部的原料入口，从而完成提馏段的传质和传热。

(2)当内塔为提馏段、外塔为精馏段时，其物料走向如图4所示：

原料液由内塔顶部原料入口进入提馏段、并向下运动，由再沸器提供的气相由塔底向上运动，下降的液相与气相在每一块圆形塔板处进行部分气化和部分冷凝，轻组分(低沸点物质)逐渐气化进入气相，重组分(高沸点物质)存留在液相中；经过多块圆形塔板的传质传热，到达内塔塔底的液相中重组分的含量很高，经再沸器进一步加热后由塔釜的重组分采出管道采出，经再沸器而产生的气体经气体出口进入外塔底部的气体入口；而到达内塔顶部的气相中轻组分的含量较高，经管道被送入外塔底部的气体入口，进行精馏。

在外塔中，来自提馏段的气相向上运动、再经过多块环形塔板的传质换热，达到外塔顶部的气相中低沸点物质的含量更高，经外塔部的气体出口进入冷凝器进行冷凝，所得冷凝液进入储液罐暂存；储液罐内的冷凝液为高纯度的轻组分，一部分冷凝液经由管道进入轻组分采出管道，另一部分冷凝液在回流泵作用下被送回外塔顶部、作为液相向塔底方向运动，与上升气相完成传质和传热，然后由外塔底部的液体出口流出、经管道被重新送回内塔顶部的原料入口，从而完成提馏段的传质和传热。

以分离二甲基亚砜(DMSO)和水为例，对比本发明热耦合喷射并流塔与常规精馏塔的能量消耗。待精馏的原料液为含二甲基亚砜79.64wt％的二甲基亚砜-水混合物，进料量均为989.532kg/h，塔顶废水采出量为185.42kg，塔底二甲基亚砜采出量为800.52kg，采出的二甲基亚砜质量分数为98.23％。精馏过程中，塔的操作压力为12kPa，塔顶温度为49.46℃，塔底温度为115.44℃。

使用两种精馏塔的精馏能耗如表1所示。

表1热耦合喷射并流塔与常规精馏塔分离DMSO-水的精馏能耗

	热耦合喷射并流塔	常规精馏塔
			冷负荷(kW/h)	203.26	257.72
热负荷(kW/h)	21.34	24.03
			总能耗(kW/h)	224.6	281.75kW

由表1中数据可以看出，本发明热耦合喷射并流塔的热负荷、冷负荷均明显低于常规精馏塔。与常规精馏塔相比，本发明热耦合喷射并流塔的总能耗降低了57.15kW/h，节能幅度达到20％以上，节能效果十分显著。

Claims (4)

1.一种具有换热塔板的热耦合喷射并流塔，包括塔体（1）和多层连续传质塔板，塔体（1）包括内塔（8）和外塔（9），每层连续传质塔板包括设置有升气孔的塔板、帽罩（5）和降液系统，其特征在于：所述内塔（8）和外塔（9）之间通过内塔（8）的外壁隔离形成精馏段和提馏段；当内塔（8）是精馏段时，外塔（9）为提馏段；当内塔（8）为提馏段时，外塔（9）为精馏段；所述精馏段的塔板为与提馏段通过换热入口和换热出口相连通的换热塔板，换热塔板的换热入口和换热出口位于提馏段降液系统之外的传质区；所述换热塔板是中空的双层塔板或者塔板表面设置有传热管的单层塔板；所述传热管为直管、弯管、盘管；所述换热塔板的换热入口和换热出口位于不同的传质区。

2.根据权利要求1所述的一种具有换热塔板的热耦合喷射并流塔，其特征在于：所述换热塔板的换热出口低于换热入口。

3.根据权利要求1所述的一种具有换热塔板的热耦合喷射并流塔，其特征在于：当换热塔板为双层塔板时，升气孔贯穿换热塔板但不与换热塔板的内部连通；当换热塔板为设有传热管的单层塔板时，传热管避开升气孔。

4.根据权利要求1所述的一种具有换热塔板的热耦合喷射并流塔，其特征在于：提馏段顶部为原料入口，提馏段底部的液相出口与再沸器（14）相连通，再沸器（14）的液体出口连通重组分采出管道（19），再沸器（14）的气体出口连通提馏段底部的气体入口；提馏段顶部气相出口通过管道与精馏段底部的气体入口相连，精馏段顶部的气体出口与冷凝器（15）相连通，冷凝器（15）的出口一方面与轻组分采出管道（20）直接相连，另一方面通过回流泵（17）与精馏段顶部的液体入口相连通；精馏段底部的液体出口通过管道连通提馏段顶部的原料入口。