CN106187717B - 热集成变压精馏分离甲基叔丁基醚与甲醇共沸物的方法 - Google Patents

热集成变压精馏分离甲基叔丁基醚与甲醇共沸物的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种热集成变压精馏分离甲基叔丁基醚‑甲醇共沸物的方法。该装置主要包括：加压塔HT、常压塔LT、再沸器H1、回流罐D1、回流罐D2、冷凝器H2、换热器H3、阀门V1和V2、加压泵P1、P2和P3。本发明解决了该共沸体系普通精馏难以分离的难题，采用完全热集成变压精馏，具有能耗低、产品纯度高、回收率高的优点。

Description

热集成变压精馏分离甲基叔丁基醚与甲醇共沸物的方法
【技术领域】
本发明属于化工行业的分离纯化领域，具体涉及一种完全热集成变压精馏分离甲基叔丁基醚与甲醇共沸体系的方法，尤其适用于分离随着压力变化，共沸组成变化较大，即压敏性较强的甲基叔丁基醚与甲醇二元共沸体系。
【背景技术】
甲基叔丁基醚是一种无色、透明、高辛烷值的液体，是生产无铅、高辛烷值、含氧汽油的理想调合组份，作为汽油添加剂已经在全世界范围内普遍使用。它不仅能有效提高汽油辛烷值，而且还能改善汽车性能，降低排气中CO含量，同时降低汽油生产成本，被称为20世纪80年代“第三代石油化学品”。甲醇是一种无色易挥发液体，用于制造甲醛和农药等，并用作有机物的萃取剂和酒精的变性剂等。
甲基叔丁基醚通常是由甲醇与异丁烯在磺化离子交换树脂的催化作用下合成的，在反应过程中，生成物甲基叔丁基醚和原料甲醇形成甲醇质量分数14.3％的混合物，二者会形成难以分离的二元共沸物，常压下共沸点为51.4℃,共沸组成甲基叔丁基醚质量分数为85.5％，甲醇质量分数14.5％，对于该共沸物的分离能够降低生产成本，具有重要的经济效益。
由于甲基叔丁基醚与甲醇混合物易形成共沸物，普通精馏难以实现分离，所以要用特殊的分离方法来分离两者的混合物。专利(CN104370708A)公开了一种纯化和生产甲基叔丁基醚粗产品的方法，该方法将含有甲基叔丁基醚的溶液在蒸馏塔中进行蒸馏分离，在进行蒸馏分离前，将含有甲基叔丁基醚的溶液中能够被氧化的硫化物氧化，含有甲基叔丁基醚的物流从侧线采出。该方法主要目的是为含有杂质的甲基叔丁基醚进行脱硫处理，并未对共沸物的具体纯化方式作出明确规定。
专利(CN103980096A)公开了一种加盐萃取精馏分离甲基叔丁基醚与二氯甲烷的方法及其生产设备，该方法分离甲基叔丁基醚与二氯甲烷，分离后分别得到质量含量≥99.88％的二氯甲烷和质量含量≥99.50％甲基叔丁基醚。该方法运用加盐萃取的方法来分离共沸物，相较于变压精馏，萃取精馏引入第三种物质，使得分离过程趋于复杂。
专利(CN102942475A)公开了一种变压精馏分离乙酸乙酯和乙醇共沸物的方法及其生产设备，该方法运用连续变压精馏的方式，新鲜物料先进入高压塔，经一次精馏后高压塔塔底物料进入低压塔进行二次精馏，低压塔塔顶物料循环入高压塔，在两个塔顶得到纯的乙酸乙酯和乙醇。该方法未能实现热量的有效集成，费用较高，未实现工业应用。
专利(CN105001056A)公开了一种变压精馏分离异丁醇与正庚烷共沸体系的方法及装置，该方法将新鲜物料先引入常压塔，经一次精馏，塔底采出进入加压塔，加压塔塔底物流循环至低压塔，在两个塔顶分别得到纯的异丁醇和正庚烷。该方法未能实现热量的有效集成，费用较高，未实现工业应用。
专利(CN102992985A)公开了一种三塔变压精馏热集成分离回收丁酮的方法及装置，该方法将新鲜物料先进入脱水塔，经一次精馏，塔顶馏出物进入丁酮产品塔，在丁酮产品塔塔底得到丁酮产品，塔顶物流进入脱轻塔，进行其它轻组分的脱除，脱轻塔塔底物流循环回脱水塔，过程中实现脱水塔和丁酮产品塔的热集成。该方法原料液中主要组分水-丁酮属于二元非均相共沸物，且原料液除水和丁酮外还含有其它的轻组分；所能得到的丁酮纯度最高仅为99.6wt％，且丁酮回收率仅为90％左右，分离效果低于本申请方法。
本发明采用完全热集成连续变压精馏的方法，无需引入第三组分，节约成本的同时，实现共沸物的高纯度分离。具体地讲，本发明利用甲基叔丁基醚-甲醇共沸物共沸组成随压力改变而产生变化的特性，采用加压塔和常压塔双塔连续精馏的方式，在分离出高纯度的甲基叔丁基醚和甲醇产品的同时，通过完全热集成实现能耗的大幅降低。本发明的方法尤其适合甲基叔丁基醚质量分数占65％-85％的甲基叔丁基醚-甲醇共沸物系。通过完全热集成的方式，将加压塔塔顶气相物流的潜热能够满足常压塔塔底液体再沸，实现了工艺中热量的回收，节省了能耗；热集成后的气相甲基叔丁基醚-甲醇共沸物完全冷凝，高纯度的甲醇完全再沸，节省了一套再沸器，降低了设备成本。
【发明内容】
[要解决的技术问题]
针对目前传统变压精馏工艺特点以及甲基叔丁基醚-甲醇体系随压力变化呈现出不同共沸行为的问题，本发明的目的是提供所述装置分离甲基叔丁基醚-甲醇共沸体系的方法。
本发明的目的是提供一种热集成变压精馏分离甲基叔丁基醚与甲醇共沸物的分离装置。
本发明的另一个目的是提供使用所述装置热集成变压精馏分离甲基叔丁基醚与甲醇共沸物的方法。
本发明的另一个目的是提供所述装置在分离甲基叔丁基醚与甲醇共沸物体系中的用途。
[技术方案]
本发明是通过下述技术方案实现的。
一种完全热集成变压精馏分离甲基叔丁基醚与甲醇共沸体系的方法，其特征在于用于分离甲基叔丁基醚与甲醇共沸体系的装置主要包含以下部分：
加压塔(HT)、常压塔(LT)、换热器(H3)、回流罐(D1)、回流罐(D2)、再沸器(H1)、冷凝器(H2)、加压泵(P1)、加压泵(P2)、加压泵(P3)、阀门(V1)、阀门(V2)；其中加压泵(P1)连接加压塔(HT)进料口，再沸器(H1)连接在加压塔(HT)塔底，冷凝器(H2)和回流罐(D2)连接在常压塔(LT)塔顶，回流罐(D2)的出口依次与阀门(V2)、加压泵(P2)与加压塔(HT)相连，加压塔(HT)气相出口物流与换热器(H3)的热物流进口相连，换热器(H3)的热物流出口与回流罐(D1)、加压泵(P3)连接在加压塔(HT)塔顶，常压塔(LT)塔底与换热器(H3)冷物流进口相连，换热器(H3)冷物流出口与常压塔(LT)相连；
该方法主要包括以下步骤：
(1)包含甲基叔丁基醚与甲醇的混合物经加压泵(P1)加压后进入加压塔(HT)，加压塔(HT)塔底一部分物料进入塔底再沸器(H1)，再沸后进入加压塔(HT)，另一部分物料则作为高纯度甲基叔丁基醚产品采出；
(2)在加压塔(HT)内，甲基叔丁基醚和甲醇共沸物以气相的形式从塔顶气相出口进入换热器(H3)热物流入口进行换热，换热后通过进入回流罐(D1)，回流罐(D1)中的物料一部分利用加压泵(P3)输送至加压塔(HT)内进行回流，另一部分物料经阀门(V1)输送至常压塔(LT)内进行二次精馏；
(3)常压塔(LT)塔顶蒸汽经过冷凝器(H2)冷凝、汇集至回流罐(D2)，一部分物料输送至常压塔(LT)内进行回流，另一部分物料利用加压泵(P2)加压后进入加压塔(HT)进行循环精馏，常压塔(LT)塔底一部分物料作为高纯度甲醇产品采出，另一部分物料进入换热器(H3)，经换热汽化后进入常压塔(LT)；
(4)在换热器(H3)内实现完全热集成，来自加压塔(HT)塔顶的气相甲基叔丁基醚和甲醇共沸物与来自常压塔(LT)塔底的高纯度甲醇液体进行换热，气相甲基叔丁基醚和甲醇共沸物得以冷凝，高纯度甲醇液体得以气化。
根据本发明的另一优选实施方式，其特征在于，加压塔(HT)操作压力为4－8atm，理论塔板数为24－35块，进料板位置为17－25块，循环物流进料板位置为15－20块；常压塔(LT)操作压力为1atm，理论板数为10－18块，进料板位置为8－10块。
根据本发明的另一优选实施方式，其特征在于：加压塔(HT)塔顶温度为95.2～121.9℃，塔底温度为106.7～132.2℃，常压塔(LT)塔顶温度为51.1～51.6℃，塔底温度为65.9～66.7℃。
根据本发明的另一优选实施方式，其特征在于：经过换热器(H3)实现热集成后，全部汽化后的高纯度甲醇温度为61－71℃，全部冷凝的甲基叔丁基醚-甲醇共沸物温度为100.2—112.5℃。。
根据本发明的另一优选实施方式，其特征在于：加压塔(HT)回流比为2.5－3.5；常压塔(LT)回流比为2.5－3.5。
根据本发明的另一优选实施方式，其特征在于：待分离的甲基叔丁基醚与甲醇体系中甲基叔丁基醚的质量分数为60％～78％。
根据本发明的另一优选实施方式，其特征在于：分离后甲醇的质量分数为99.75％～99.99％，甲醇的回收率为99.75％～99.92％，甲基叔丁基醚的质量分数为99.81％～99.98％，甲基叔丁基醚的回收率为99.81％～99.99％。
本发明克服了现有技术的缺点，提出了一种完全热集成变压精馏分离甲基叔丁基醚-甲醇共沸物的方法。本发明利用甲基叔丁基醚-甲醇共沸物共沸组成随压力改变而产生变化的特性，采用加压塔和常压塔双塔连续变压精馏的方式，分离出高纯度的甲基叔丁基醚和甲醇，利用热集成实现能耗大幅降低。该方法解决了目前技术中工艺复杂、能耗大、引入杂质的问题，提高了产品的纯度和产品收率。
本发明提供了一种分离甲基叔丁基醚质量分数占65％-85％的甲基叔丁基醚-甲醇共沸物系的方法。
本发明的完全热集成变压精馏分离甲基叔丁基醚-甲醇的方法具体描述如下：甲基叔丁基醚与甲醇混合物通过管路1经加压泵P1加压后进入加压塔(HT)进行一次精馏，在加压塔(HT)内，甲基叔丁基醚与甲醇混合物经过多级汽液传质，绝大部分甲基叔丁基醚与部分甲醇形成最低共沸物以气相形式从塔顶气相出口管路2馏出，而高纯度的甲基叔丁基醚则作为塔底产品采出。在常压塔(LT)内，甲基叔丁基醚与甲醇混合液通过多级的气液传质，绝大部分甲基叔丁基醚与部分甲醇形成最低共沸物以气相形式从塔顶气相出口管路10馏出，经冷凝器H2冷凝后一部分物流回流至常压塔(LT)，另一部分物流经管路7，经加压泵P2加压后循环回加压塔(HT)，而高纯度的甲醇则作为塔底产品采出。由于加压塔(HT)塔顶馏出的甲基叔丁基醚与甲醇共沸物蒸汽具有很高的潜热，因此可将这部分潜热用于常压塔(LT)塔底部分高纯度甲醇液体再沸，从而实现热集成。在换热器H3中，来自加压塔(HT)塔顶的气相甲基叔丁基醚与甲醇共沸物与来自常压塔(LT)塔底的部分高纯度甲醇液体进行换热，气相甲基叔丁基醚与甲醇共沸物全部冷凝，而高纯度甲醇液体全部汽化后由管路9通入常压塔(LT)，冷凝后的甲基叔丁基醚与甲醇共沸物经管路3进入回流罐D1，回流罐D1中的物料，一部分经加压泵P3加压后回流至加压塔(HT)，一部分经过阀门V1进入常压塔(LT)进行二次精馏。
本发明中，加压塔(HT)操作压力为5atm，常压塔(LT)操作压力为1atm；加压塔(HT)理论塔板数为29块，进料板位置为17～22块，循环物流进料板位置为15～20块，加压塔(HT)回流比为2.7～3.5，常压塔(LT)理论板数为16块，进料板位置为8～11块，常压塔(LT)回流比为2.8～3.5；经过换热器H3完全热集成后，全部汽化后的高纯度甲醇温度为66.70℃，全部冷凝的甲基叔丁基醚-甲醇共沸物温度为103.4℃。
使用该方法分离后甲醇的质量分数可达99.75％～99.98％，甲醇的回收率为99.75％～99.92％，甲基叔丁基醚的质量分数可达99.81％～99.99％，甲基叔丁基醚的回收率为99.81％～99.96％。
[有益效果]
本发明与现有的技术相比，主要有以下有益效果：
(1)采用变压精馏的方式，产品未引入杂质，纯度得到提高。
(2)工艺实现完全热集成，加压塔塔顶气相物流的潜热能够满足常压塔塔底液体再沸，大幅降低能耗。
(3)甲基叔丁基醚和甲醇回收率提高。
(4)热集成后的液相甲醇共沸物完全再沸，节省了一套再沸器，降低了设备成本。
【附图说明】
图1是完全热集成变压精馏分离甲基叔丁基醚-甲醇的方法示意图，其中：
HT-加压塔；LT-常压塔；D1，D2-回流罐；P1，P2，P3-加压泵；H1-再沸器；H2-冷凝器；H3-换热器；V1，V2-阀门；数字代表各管路物流。
【具体实施方式】
以下结合附图进一步说明，并非限制本发明所涉及的范围。
实施例1：
进料温度为25℃，流量为1000kg/h，压力为5.5atm(绝压)，进料中含甲基叔丁基醚60％，含甲醇40％。加压塔(HT)操作压力4atm(绝压)，理论板数为29，新鲜物流进料板为22，循环物流进料板为20，塔顶温度为95.2℃，塔底温度为106.7℃；常压塔(LT)操作压力为1atm(绝压)，理论板数为14，进料板为10，塔顶温度为51.1℃，塔底温度为65.9℃；分离后得到甲基叔丁基醚产品质量分数为99.75％，收率为99.81％，甲醇纯度为99.92％，收率为99.90％。
为了对比热集成的能耗优势，将采用热集成技术与未采用热集成能耗数据比较列于表一。
表一甲基叔丁基醚含量60％时能耗数据对比列表
实施例2：
进料温度为25℃，流量为980kg/h，压力为5.5atm(绝压)，进料中含甲基叔丁基醚65％，含甲醇35％。加压塔(HT)操作压力5atm(绝压)，理论板数为24，新鲜物流进料板为17，循环物流进料板为15，塔顶温度为103.4℃，塔底温度为110.2℃；常压塔(LT)操作压力为1atm(绝压)，理论板数为14，进料板为8，塔顶温度为51.4℃，塔底温度为66.2℃；分离后得到甲基叔丁基醚产品质量分数为99.98％，收率为99.90％，甲醇纯度为99.75％，收率99.75％。
为了对比热集成的能耗优势，将采用热集成技术与未采用热集成能耗数据比较列于表二。
表二甲基叔丁基醚含量65％时能耗数据对比列表
实施例3：
进料温度为25℃，流量为780kg/h，压力为6.5atm(绝压)，进料中含甲基叔丁基醚70％，含甲醇30％。加压塔(HT)操作压力6atm(绝压)，理论板数为30，新鲜物流进料板为23，循环物流进料板为18，塔顶温度为113.9℃，塔底温度为119.5℃；常压塔(LT)操作压力为1atm(绝压)，理论板数为12，进料板为9，塔顶温度为51.4℃，塔底温度为66.4℃；分离后得到甲基叔丁基醚产品质量分数为99.98％，收率为99.99％，甲醇纯度为99.97％，收率为99.92％。
为了对比热集成的能耗优势，将采用热集成技术与未采用热集成能耗数据比较列于表三。
表三甲基叔丁基醚含量70％时能耗数据对比列表
实施例4：
进料温度为25℃，流量为1100kg/h，压力为7.5atm(绝压)，进料中含甲基叔丁基醚75％，含甲醇25％。加压塔(HT)操作压力7atm(绝压)，理论板数为33，新鲜物流进料板为23，循环物流进料板为18，塔顶温度为118.5℃，塔底温度为124.2℃；常压塔(LT)操作压力为1atm(绝压)，理论板数为16，进料板为9，塔顶温度为51.5℃，塔底温度为66.6℃；分离后得到甲基叔丁基醚产品质量分数为99.98％，收率为99.94％，甲醇纯度为99.93％，收率为99.91％。
为了对比热集成的能耗优势，将采用热集成技术与未采用热集成能耗数据比较列于表四。
表四甲基叔丁基醚含量75％时能耗数据对比列表
实施例5：
进料温度为25℃，流量为1230kg/h，压力为8.5atm(绝压)，进料中含甲基叔丁基醚78％，含甲醇22％。加压塔(HT)操作压力8atm(绝压)，理论板数为35，新鲜物流进料板为25，循环物流进料板为20，塔顶温度为121.9℃，塔底温度为132.2℃；常压塔(LT)操作压力为1atm(绝压)，理论板数为18，进料板为10，塔顶温度为51.6℃，塔底温度为66.7℃；分离后得到甲基叔丁基醚产品质量分数为99.97％，收率为99.95％，甲醇纯度为99.90％，收率为99.91％。
为了对比热集成的能耗优势，将采用热集成技术与未采用热集成能耗数据比较列于表五。
表五甲基叔丁基醚含量78％时能耗数据对比列表
通过上述实施例和表格可以看出，本发明的方法不仅能够有效的进行甲基叔丁基醚和甲醇的分离，获得纯度和收率均超过目前现有技术水平的效果，本发明还通过能够完全实现热集成的分离装置，将能量消耗降低至原有水平的一半以下，由此大大超出了本领域技术人员的预期，获得了现有技术所达不到的水平。

Claims (3)

1.热集成变压精馏分离甲基叔丁基醚与甲醇共沸物的方法，其特征在于用于分离甲基叔丁基醚与甲醇共沸体系的装置主要包含以下部分：
加压塔(HT)、常压塔(LT)、换热器(H3)、回流罐(D1)、回流罐(D2)、再沸器(H1)、冷凝器(H2)、加压泵(P1)、加压泵(P2)、加压泵(P3)；其中加压泵(P1)连接加压塔(HT)进料口，再沸器(H1)连接在加压塔(HT)塔底，冷凝器(H2)和回流罐(D2)连接在常压塔(LT)塔顶，回流罐(D2)的出口依次与、加压泵(P2)与加压塔(HT)相连，加压塔(HT)气相出口物流与换热器(H3)的热物流进口相连，换热器(H3)的热物流出口与回流罐(D1)、加压泵(P3)连接在加压塔(HT)塔顶，常压塔(LT)塔底与换热器(H3)冷物流进口相连，换热器(H3)冷物流出口与常压塔(LT)相连；
该方法主要包括以下步骤：
(1)包含甲基叔丁基醚与甲醇的混合物经加压泵(P1)加压后进入加压塔(HT)，加压塔(HT)塔底一部分物料进入塔底再沸器(H1)，再沸后进入加压塔(HT)，另一部分物料则作为高纯度甲基叔丁基醚产品采出；
(2)在加压塔(HT)内，甲基叔丁基醚和甲醇共沸物以气相的形式从塔顶气相出口进入换热器(H3)热物流入口进行换热，换热后通过进入回流罐(D1)，回流罐(D1)中的物料一部分利用加压泵(P3)输送至加压塔(HT)内进行回流，另一部分物料输送至常压塔(LT)内进行二次精馏；
(3)常压塔(LT)塔顶蒸汽经过冷凝器(H2)冷凝、汇集至回流罐(D2)，一部分物料输送至常压塔(LT)内进行回流，另一部分物料利用加压泵(P2)加压后进入加压塔(HT)进行循环精馏，常压塔(LT)塔底一部分物料作为高纯度甲醇产品采出，另一部分物料进入换热器(H3)，经换热汽化后进入常压塔(LT)；
(4)在换热器(H3)内实现完全热集成，来自加压塔(HT)塔顶的气相甲基叔丁基醚和甲醇共沸物与来自常压塔(LT)塔底的高纯度甲醇液体进行换热，气相甲基叔丁基醚和甲醇共沸物得以冷凝，高纯度甲醇液体得以气化；
其中加压塔(HT)操作压力为4－8atm，塔顶温度为95.2～121.9℃，塔底温度为106.7～132.2℃；
常压塔(LT)操作压力为1atm；塔顶温度为51.1～51.6℃，塔底温度为65.9～66.7℃；
加压塔(HT)回流比为2.5－3.5；常压塔(LT)回流比为2.5－3.5；
分离后甲醇的质量分数为99.75％～99.99％，甲醇的回收率为99.75％～99.92％，甲基叔丁基醚的质量分数为99.81％～99.98％，甲基叔丁基醚的回收率为99.81％～99.99％；待分离的甲基叔丁基醚与甲醇体系中甲基叔丁基醚的质量分数为65％～85％。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，加压塔(HT)理论塔板数为24－35块，进料板位置为17－25块，循环物流进料板位置为15－20块；常压塔(LT)理论板数为10－18块，进料板位置为8－10块。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：经过换热器(H3)实现热集成后，全部汽化后的高纯度甲醇温度为61－71℃，全部冷凝的甲基叔丁基醚-甲醇共沸物温度为100.2—112.5℃。
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