CN105457324B - 隔板精馏塔 - Google Patents

Abstract

公开了一种隔板精馏塔，其包括：塔体；直立地设置在塔体内的隔板，该隔板的上沿和下沿之间限定了隔板段；和设置在该隔板段内的液体分布器，其特征在于所述液体分布器仅固定到塔体上而并未固定到隔板上。通过使用本发明的隔板精馏塔，能够最小化乃至避免常规隔板精馏塔中所存在的问题，即由制造工艺造成的隔板的制造缺陷和/或隔板在操作条件下的变形所导致的液体在传质元件上的不当分布。

Description

隔板精馏塔

技术领域

本发明涉及精馏塔，更具体地涉及适用于分离包含至少三种沸点不同的组分的混合物的隔板精馏塔(DWC)。

背景技术

精馏是在石化、化学和炼油工业中用于分离挥发性化合物的已充分开发的单元操作。在常规精馏塔中，通常将进料分离成两股产物流：塔顶产物(即轻产物)和塔底产物(即重产物)。但有时期望将包含多种组分或成分的进料分离成三个组分部分或馏分。当所述组分馏分具有差异较大的沸点时，如本领域已知的那样，能够通过使用串联的两个或更多个精馏塔来容易地实现分离。然而，采用多个塔需要使用相应数量的再沸器、冷凝器和控制设备以及将这两个或更多个塔串联互连的管路。因此，在一组精馏塔中实施分离不仅需要相当大的装置和设备支出，而且还需要相当大的能量输入。因此，这种多级精馏工艺的操作成本较高。

为了节省多组分料流的分离费用，现有技术中已经提出使用具有大致直立地(vertically)设置在塔内的隔板的单塔来实现三种组分馏分的分离。这种设备通常称作隔板精馏塔(Divided Wall Column，DWC)。用于精馏塔的隔板或Petlyuk构造最初是由Petlyuk等在大约60多年前提出的。如授予R.O.Wright的美国专利2,471,134号的公开内容所证实地，DWC已经被用于分离烃混合物。近来，由于更加深刻地认识到在某些情况下DWC能够提供超过常规精馏塔的益处，因而DWC的使用已逐渐推广开来。

迄今为止，已经开发出了适用于各种应用的诸多DWC。根据隔板沿隔板精馏塔的纵轴在塔中所处的位置，现有的DWC可大致分为三类。

在第一类DWC中，隔板位于塔的精馏段(即上部)中，将该精馏段分隔成两个隔开的区，使得能够使用单塔获得至少两种塔顶(顶部)产物和一种塔底产物。这类DWC的实例可参见例如美国专利5,755,933号，其通过引用并入本文。

在第二类DWC中，隔板位于塔的中部，将该塔的内部空间分割成四个区：隔板之下的汽提区、隔板之上的精馏区、隔板一侧的预分馏区和隔板另一侧的主分馏区。多组分进料被供给到预分馏区中，从精馏区取出塔顶(顶部)产物，从汽提区取出塔底产物，并从主分馏区取出中间(中部)产物。这类DWC的实例可参见例如美国专利2,471,134、4,230,533、6,551,465、7,649,108和7,521,576号和美国专利申请公开2003/0230476号，其各自通过引用并入本文。

在第三类DWC中，隔板位于塔的汽提段(即下部)中，将该汽提段分隔成两个隔开的区，使得能够使用单塔获得至少一种塔顶(顶部)产物和两种塔底产物。这类DWC的实例可参见例如美国专利5,755,933号和中国专利203494195U号，其各自通过引用并入本文。

在各类DWC中，通常在一个或多个区中设置传质元件(例如塔盘和填料)以实现分离过程。此外，为了支撑所述传质元件或进一步提高分离性能，还会设置一些塔内件，例如集液器、环形槽(ring channel)、气/液分布器和支撑元件，尤其是设置在隔板所处的段(即隔板段)中。这种塔内件通常通过使其一端固定到塔壁上且另一端固定到隔板上来安装，以实现牢靠的固定。然而，这种塔内件构造可能会造成一些问题。例如，由于隔板的制造缺陷和/或隔板在操作过程中在高温和/或高应力下的变形，固定到隔板上的塔内件可能会发生错位(misalignment)。而塔内件(例如气/液分布器)的这种错位可能会造成蒸汽或液体物料在传质元件(例如精馏塔盘和/或填料)上的分布不当(misdistribution)，进而导致塔的总体分离性能劣化。

因此，仍需要能够避免现有技术中存在的上述缺陷的新型隔板精馏塔。

发明内容

本发明的目的是提供能够将包含至少三种沸点不同的组分的进料分离成至少三种产物的隔板精馏塔，其能够最小化乃至避免隔板的任何制造缺陷和任何变形对该塔的总体性能的影响。

本发明的上述目的可通过使设置在塔的隔板段内的塔内件(例如液体分布器)与隔板脱离开(decouple)来实现，由此使得隔板的任何制造缺陷和任何变形对所述塔内件的排列(alignment)影响很小或者没有影响，而这对于所述塔的功能和分离性能是非常重要的。

在一方面，本发明提供了隔板精馏塔，其包括：

塔体(column shell)；

直立地设置在塔体内的隔板，该隔板的上沿和下沿之间限定了隔板段；和

设置在该隔板段内的液体分布器，其特征在于：

所述液体分布器仅固定到塔体上而并未固定到隔板上。

在本发明的隔板精馏塔中，通过使液体分布器与隔板脱离开，使得隔板的任何制造缺陷和隔板在高温和/或高应力下的任何变形对所述液体分布器的排列影响很小或者没有影响，进而对蒸汽和/或液体在隔板段内的分布影响很小或者没有影响，从而使所述塔即使在长期操作期间也能维持稳定的性能。

附图说明

基于结合附图进行的以下详细描述，本发明的其他目的和优点将变得显而易见，所述附图是以对本发明的某些实施方式进行举例说明的方式给出的。

图1是依照本发明一实施方式的隔板精馏塔的示意图。

图2是图1所示塔的局部放大图，示意性地显示了其隔板段。

图3是图2所示隔板段的横截面图，示意性地显示了液体分布器在该隔板段内的布置。

图4是常规隔板精馏塔的横截面图，示意性地显示了液体分布器在其隔板段内的布置。

图5是常规隔板精馏塔的横截面图，示意性地显示了隔板的变形，其中为清楚起见省略了液体分布器。

具体实施方式

如上所述，本发明涉及对现有DWC的改进，其中使设置在隔板段内的塔内件与隔板脱离开，从而最小化乃至避免了隔板的任何制造缺陷和任何变形对所述塔内件的排列的影响。

在一方面，本发明提供了隔板精馏塔，其包括：

塔体；

直立地设置在塔体内的隔板，该隔板的上沿和下沿之间限定了隔板段；和

设置在该隔板段内的液体分布器，其特征在于：

所述液体分布器仅固定到塔体上而并未固定到隔板上。

在本发明的某些实施方式中，所述塔包括以相互平行的方式设置在隔板段内的多个液体分布器。对本发明所用的液体分布器没有特别限制，即适合用在精馏塔中的任何液体分布器都能够用于本发明的隔板精馏塔中。特别地，所述液体分布器可选自气体分布器、液体分布器及它们的组合。优选地，所述液体分布器包括液体分布器。

在本发明的隔板精馏塔中，对隔板在塔体内的纵向位置没有特别限制，即该隔板能够位于沿所述塔体的纵轴的任意位置。在本发明的优选实施方式中，所述塔可以包括一个或多个隔板，各自独立地以如下方式中的一种设置在所述塔体内：i)设置在塔体的上部并与塔体的侧壁和顶部相连；ii)设置在塔体的中部并与塔体的侧壁相连；和iii)设置在塔体的下部并与塔体的侧壁和底部相连。在本发明进一步优选的实施方式中，所述塔可以具有前文所述三类DWC中任一类的结构。在本发明最优选的实施方式中，所述塔具有前文所述的第二类隔板精馏塔的结构。在一具体的实施方式中，所述隔板设置在塔体的中部，将该塔体的内部空间分割成四个区：位于隔板段之下的汽提区、位于隔板段之上的精馏区；位于隔板段内隔板一侧的预分馏区(pre-fractionation)、和位于隔板段内隔板另一侧的主分馏区(main fractionation)，其中所述液体分布器设置在预分馏区和/或主分馏区内。

在本发明的隔板精馏塔中，所述隔板段被隔板分隔成至少两个区，其中各个区的横截面积可以相同或不同。在一优选的实施方式中，所述隔板段被分隔成两个具有相同横截面积的区。在另一优选实施方式中，所述隔板段被分隔成两个具有不同横截面积的区。

在本发明的某些优选实施方式中，所述塔配备有至少一个再沸器和/或至少一个冷凝器。所述再沸器可以是化学工业中常见的任意类型，包括但不限于：降膜蒸发器、强制循环蒸发器、池沸腾(罐)蒸发器(pool boiling(kettle)evaporator)、自然循环蒸发器等。所述冷凝器可以是化学工业中常用的任意类型，包括但不限于：并流和逆流(逆行(knockback))冷凝器。

在本发明的某些优选实施方式中，所述塔可配备有化学工业中常用的任意传质元件。实例包括但不限于：筛板塔盘、浮阀塔盘、泡罩塔盘，以及规整填料和无规填料。在本发明进一步优选的实施方式中，所述塔在隔板段内进一步设置有包括规整填料的传质元件。

在本发明的某些优选实施方式中，所述塔可以进一步包括设置在隔板段内的不同于液体分布器的塔内件，且所述塔内件优选仅固定到塔体上而并未固定到隔板上。所述塔内件可以是精馏塔中常用的任意类型，包括但不限于：集液器、环形槽和填料支架。

在本发明的隔板精馏塔中，所述液体分布器和/或其它塔内件，如果存在的话，可以现有技术中惯用的任意方式固定到塔体上，包括但不限于焊接、螺栓连接和/或铆接。

本发明的隔板精馏塔适用于能够在现有的隔板精馏塔中实施的任何分离过程，例如US 7,521,576B、US 7,649,108B、US 20030230476A、CN 203494195U和CN 101429089A中描述的分离过程，其各自通过引用并入本文。例如，本发明的隔板精馏塔适用于分离由苯胺/甲醛缩合物的光气化得到的包含2，2′-二异氰酸根合二苯基甲烷、2，4′-二异氰酸根合二苯基甲烷和4，4′-二异氰酸根合二苯基甲烷的混合物；由TDI制备过程得到的包含甲苯二异氰酸酯(TDI)、TDI-残余物、可水解的氯化物和邻二氯苯的混合物；以及由苯乙烯制备过程得到的包含甲苯、乙苯和苯乙烯的混合物。

图1示意性地显示了依照本发明一实施方式的隔板精馏塔，其包括塔体1、再沸器2、冷凝器3、传质元件4和在塔体1中部垂直延伸的基本上不透过液体的隔板5。塔体1的内部空间被隔板5分割成四个不同的操作区，即位于隔板一侧的预分馏区6、位于隔板之上的精馏区7、位于隔板4另一侧的主分馏区8和位于隔板之下的汽提区9，其中预分馏区6与主分馏区8一起构成了隔板段。多组分供料流S1引入预分馏区6中，通常引入其中部，然后经由在四个所述操作区内的传质分离成三股产物流，即自精馏区7取出的轻产物流S2、自主分馏区8取出的中间产物(即侧线馏出产物)流S3、和自汽提区9取出的重产物流S4。如箭头所示，离开汽提区9的蒸汽和离开精馏区7的液体流入预分馏区6和主分馏区8，与彼此以及可能存在的任何其他料流接触，以实现传质。并且，离开预分馏区6和主分馏区8的蒸汽进入精馏区7，而离开预分馏区6和主分馏区8的液体进入汽提区9(未示出)。

从图1能够看出，各操作区均配备有用于促进分离的传质元件4。传质元件4的类型和/或设计在四个操作区之间可以不同，例如在位于隔板段内的预分馏区6和主分馏区8之间可以不同。例如，在塔盘的情况下，不同操作区中塔盘的类型、尺寸和间隔可以不同。而且，在填料的情况下，不同操作区中填料的形状、尺寸、孔隙度和装填密度可以不同。此外，塔内的各操作区可以包括一种或多种类型的传质元件，例如选自筛板塔盘、浮阀塔盘、泡罩塔盘、规整填料和无规填料中的任意一种、或者任意两种或更多种的组合。

从图1中还能够看出，隔板基本上位于隔板段的中央，使得预分馏区6和主分馏区8具有基本上相同的横截面积。然而，本领域技术人员能够认识到，取决于目标应用，也可以选择不同横截面积的预分馏区6和主分馏区8。隔板的长度取决于工艺条件和所用传质元件的性质，并且是领域技术人员容易确定的。例如，隔板的长度可以为在塔体内确立的传质区总长度的大约1/4至大约2/3。

图2示意性地显示了如图1中所示的隔板精馏塔的隔板段。可以看出，集液器10和液体分布器11设置在布置于隔板段内的两个传质元件4之间的空间中。可以理解，来自上方的传质元件4的液体收集在集液器10中，然后被液体分布器11再次分布到下方的传质元件4上。任选地，该隔板段内还可设置有其他塔内件(未示出)以促进分离，例如环形槽、传质元件4的支撑元件等。

图3示意性地显示了如图2中所示的隔板段在液体分布器11平面处的横截面。可以看出，多个液体分布器11以与隔板5基本平行的方式设置在隔板段内，液体分布器11的两端都固定到设置在塔体1上的夹具或焊入部件12上。液体分布器11与夹具或焊入部件12之间的固定可以选自焊接、螺栓连接和/或铆接。可以理解，由于液体分布器11与隔板5脱离开，因此由隔板制造工艺造成的隔板5的任何制造缺陷以及隔板5在操作过程中于高温和/或高应力下的任何变形对液体分布器11的排列基本上没有影响，因而对液体分布器11在下方的传质元件4上形成的液体分布也基本上没有影响。

图4示意性地显示了常规隔板精馏塔的隔板段在液体分布器11平面处的横截面，可以看出，多个液体分布器11以彼此基本平行但与隔板5垂直的方式设置在隔板段内，液体分布器11的一端固定到设置在塔体1上的夹具或焊入部件12上，而液体分布器11的另一端则固定到设置在隔板5上的夹具或焊入部件12上。

图5示意性地显示了常规隔板精馏塔的隔板段在液体分布器11平面处的横截面，其中隔板5发生了变形。为清楚起见从图5中略去了液体分布器11。可以看出由于隔板5的变形，设置在隔板5上的夹具或焊入部件12的位置和取向发生了变化，进而会造成液体分布器11(未示出)的错位。而且，可以理解，液体分布器11的错位会导致液体物料在下方的传质元件4上的分布不当，并最终造成隔板精馏塔的总体分离性能的损失。

实施例

以下实施例仅为举例说明的目的而提供，因而不应解释为限制性的。

实施例1

使用如图1-3中所例示的依照本发明一实施方式的隔板精馏塔进行蒸馏。使用比表面积为500m²/m³的织物填料(fabric packings)作为隔板精馏塔中的传质元件4。将40wt％的液体引入预分馏区6，以及60wt％的液体引入主分馏区8。精馏区7和汽提区9各自具有8个理论级；预分馏区6在上部具有12个理论级，且在下部具有14个理论级；而主分馏区8在上部具有16个理论级，且在下部具有14个理论级，其中所谓在上部和在下部的理论级在此处或下文中均分别表示在预分馏区6中供料流S1供料位置以上和以下的理论分离级数，或者在主分馏区8中侧线馏出物S3取出位置以上和以下的理论分离级数。顶压(headpressure)为6毫巴。塔顶馏出物取出位置处的回流比为56∶1，而侧线馏出物取出位置处的回流比则为3.7∶1。

将12.5kg/h由3.0wt％2，2′-MDI、50.0wt％2，4′-MDI和47.0wt％4，4′-MDI组成的供料流S1在从预分馏区顶部起往下第13级处供给到隔板精馏塔的预分馏区6内。从隔板精馏塔中取出三股产物流：0.6kg/h的顶部料流S2，由56.4wt％2，2′-MDI、43.5wt％2，4′-MDI和0.1wt％4，4′-MDI组成；5.5kg/h的侧线馏出物S3，由0.1wt％2，2′-MDI、97.5wt％2，4′-MDI和2.4wt％4，4′-MDI组成；和6.4kg/h的底部料流S4，其具有90wt％4，4′-MDI和10wt％2，4′-MDI的异构体纯度。侧线馏出物S3是在主分馏区8中自上往下第16分离级之后取出的。

该蒸馏工艺持续了48个月，在此期间得到的产物的组成和塔的总分离能力(separation capacity)保持稳定。

对比例1

按照与实施例1中所述相同的方式进行蒸馏，只是使用具有图4中例示的液体分布器布置的隔板精馏塔替代实施例1中所用的具有图3中例示的液体分布器布置的隔板精馏塔。

将12.5kg/h由3.0wt％2，2′-MDI、50.0wt％2，4′-MDI和47.0wt％4，4′-MDI组成的供料流S1在从预分馏区顶部起往下第13级处供给到隔板精馏塔的预分馏区6内。在该操作的最开始时，从隔板精馏塔中取出的三股产物流具有与实施例1中得到的基本上相同的组成。此后不久，由所得产物的组成变化观察到塔分离性能的劣化，其中顶部料流S2的组成改变为55.5Wt％2，2′-MDI、44.4wt％2，4′-MDI和0.1wt％4，4′-MDI；侧线馏出物S3的组成改变为0.2wt％2，2′-MDI、97.1wt％2，4′-MDI和2.7wt％4，4′-MDI；且底部料流S4的组成改变为89.5wt％4，4′-MDI和10.5wt％2，4′-MDI。为了满足产品规格的要求，将塔顶馏出物取出位置处的回流比提高了30％，侧线馏出物取出位置处的回流比也提高了30％。由于回流比的提高，供料流的供料速率不得不从12.5kg/h降低到8-9kg/h，这意味着塔的总分离能力损失了约30％。

尽管前文为了举例说明的目的已经对本发明进行了详细描述，但应当理解这些细节只是为了这一目的提供的，在不脱离本发明精髓和范围的情况下本领域技术人员能够对本发明作出各种改变，而本发明仅由所附的权利要求限定。

Claims (7)

1.隔板精馏塔，其包括：

塔体；

直立地设置在塔体内的隔板，该隔板的上沿和下沿之间限定了隔板段；和

设置在该隔板段内的多个液体分布器，其特征在于：

所述多个液体分布器仅固定到塔体上而并未固定到隔板上，以相互平行的方式布置，

设置在隔板段内的塔内件，该塔内件不同于所述液体分布器，并且仅固定到塔体上而并未固定到隔板上。

2.权利要求1中的隔板精馏塔，其特征在于所述隔板以如下方式中的一种或多种方式设置：

i)设置在塔体的上部并与塔体的侧壁和顶部相连；

ii)设置在塔体的中部并与塔体的侧壁相连；和

iii)设置在塔体的下部并与塔体的侧壁和底部相连。

3.权利要求1-2中任一项的隔板精馏塔，其特征在于所述隔板设置在塔体的中部，将该塔体的内部空间分割成四个区：位于隔板段之下的汽提区、位于隔板段之上的精馏区、位于隔板段内隔板一侧的预分馏区、和位于隔板段内隔板另一侧的主分馏区，其中所述液体分布器设置在预分馏区和/或主分馏区内。

4.权利要求3中任一项的隔板精馏塔，其特征在于所述隔板精馏塔进一步设置有传质元件，该传质元件选自塔盘和填料。

5.权利要求4中任一项的隔板精馏塔，其特征在于所述隔板精馏塔在隔板段内进一步设置有包括规整填料的传质元件。

6.权利要求1的隔板精馏塔，其特征在于所述塔内件选自集液器、环形槽、填料支撑或它们的任意组合。

7.权利要求6中的隔板精馏塔，其特征在于所述液体分布器和/或塔内件，如果存在塔内件的话，通过焊接、螺栓连接和/或铆接固定到塔体上。