CN109475788A - 使用n个塔串联用于模拟移动床分离方法的新颖周边分布或收集系统 - Google Patents

使用n个塔串联用于模拟移动床分离方法的新颖周边分布或收集系统 Download PDF

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Abstract

本发明描述了用于分布进入流体或用于收集离开塔的流体的装置，所述塔形成在模拟的移动床模拟方法中使用的串联的一组N个塔的部分。本发明使得非常精确地减小每个塔中的非选择性容积同时确保流的良好同步性成为可能。

Description

使用N个塔串联用于模拟移动床分离方法的新颖周边分布或 收集系统
技术领域
本发明涉及一种用于分布及收集在具有采用流体在被称为颗粒介质的固态粒子的介质中的流动的N个塔串联的系统内的所述流体的新颖装置。
背景技术
N个塔串联的系统已知为N个不同或堆叠塔的串接（即，布置于共同外壳内）。每个塔容纳其中主要流体流动的颗粒介质的床。N个塔经由适当时可用于注入/混合或抽出二级流体的导管网络连接在一起，这些可能的注入及抽出发生在塔之间。N个塔串联操作意味着离开一个塔的流体进入至下一塔中。
发明内容
本发明涉及一种用于分布进入至串联的塔中的流体以便将流体分布于整个颗粒床区段上的装置。
本发明还涉及一种可用于跨塔的整个区段在床的底部收集主要流体以便将流体供应至可用于将所述流体传送至下一塔的塔间导管的装置。
本发明主要由位于塔的顶部的分布区域或位于塔的底部的收集区域的布置组成。
本发明可用于以有利方式均等流体在所谓非选择性的两个区域（即，在颗粒介质外部，无论床的顶部的分布区域及床的底部的收集区域的构成如何）之间的塔中的停留时间的分布，同时基本上最小化被称为非选择性的区域的容积。
实际上，本发明涉及模拟移动床（SMB）分离工艺，其中床内及注入/收集网络内的所有流体粒子的同步性是尤其关键的，以便确保该工艺所需的高等级纯度及产率。在下文中此将简称为“流体同步性”。
术语“流体同步性”意味着如果将塔的区段精神上划分成并行移动的多个流体通道，则每一流体通道自其进入至塔中至其排出必须（只要有可能）具有相同停留时间。
此外，非选择性区域的容积的任何增大就相同性能等级而言诱发单元中的“环泵”流动速率的非所需增大。
附图说明
该组图描绘向下流模式，但如下文将解释，向上流模式的情况也由本发明涵盖且将关于流完全对称。
图1表示具有流体的轴向流动的整个塔的图解视图，其中其流体分布装置在顶部处并且其收集装置在底部处。
图1a为允许查看收集导管（8）的放置的俯视图。
图1bis表示根据本发明的塔的变体，其中到床中的注入通过供应分布通道的周边导管的网络进行。
图2表示根据本发明的在具有收集网络的径向流体流变体中的塔的图解视图。
图2a为显示收集导管（8）的放置的俯视图。
图2bis表示根据本发明的在具有供应网络的径向流体流变体中的塔的图解视图。
图3表示本发明的塔的底部的更详细视图且显示尺寸参数Hsup、Hfond和将一个塔连接至下一塔的导管的直径Dc。
图4是根据现有技术的表示在可用于使用挡板（9）调平非选择性区域的停留时间的构造中的整个塔的图解视图。
具体实施方式
现有技术的查阅
现有技术提供关于待用于多级塔的分布器（即，由沿基本上竖直轴线设置的多个板构成，每个板支撑颗粒状固体的床）的尺寸的专有技术（know-how）。
专利EP 0074815及US 2006/0108274 A1特别地提供在多级塔的模拟移动床吸附的情况下使用的分布/混合装置的实例。那些装置实施收集来自上游床的主要流体，混合主要流体与二级流体及朝向下游床重分布混合物的连续功能。
那些专利描述将塔的区段划分为径向扇区或面板。
现有技术还教导在分布系统中确保良好同步性以便获得关于分离的所需效能的重要性。
特别地，专利FR 2933000提出将停留时间补偿组件（即挡板）添加至非选择性区域，恰好在塔的入口处的分布器板之前或恰好在其之后。
由Silva M, Rodrigues A和Mota J公布在2016年1月的AIChE Journal，第62卷，n°1中的文献“Effect of dead volumes on the performance of an industrial-scalesimulated moving bed parex unit or p-Xylene purification”强调减小非选择性容积的重要性，因为增大这些容积会导致纯度的降低和解吸剂的消耗量的增加。
操作具有N个塔串联的系统的模拟移动床确保注入及收集以及混合保证发生在网络中的两个塔之间的单一点处。因此，本领域技术人员应了解，冲洗问题可以此方式解决，其最小化未能由环泵流冲洗的容积。
本发明的简单描述
本发明可定义为一种用于在包含颗粒状固体的床的塔中分布流体的装置，所述固体为吸附剂固体，所述塔形成串联操作的N个塔的组件的部分。N值通常是在4至24范围内，优选地在6至15范围内。
此装置尤其适用于模拟移动床分离工艺，因为其可用于大大减小所谓非选择性的容积，如形成本申请的部分的比较实例中将说明。
在文本的其余部分中，术语“进入流体”将用于表示进入塔的流体，且术语“流出流体”将用于表示自塔排出的流体。
使用本装置的工艺通常利用多个串联塔（每个塔使用根据本发明的装置）作为用于引入进入流体的装置或作为用于收集流出流体的装置。为此原因，文本将涉及用于分布进入流体或用于收集流出流体的装置，且有时更简言之，其将涉及分布或收集装置。
构成N个塔系列的塔可具有在颗粒床内的轴向或径向流体流。
作为用于导入进入流体的装置，或作为用于收集流出流体的装置的N个塔的任何系列（每个塔具有根据本发明的装置）被包括在本发明的范围内。
更精确地，在具有吸附剂颗粒状固体的床的塔（所述塔形成串联设置的一系列N个塔的部分）中用于进入流体的分布或用于收集流出流体的装置可被定义为其中在塔的水平高度处进入的流体的分布是通过始于单个基本上中心供应导管的多个均匀分布的周边导管（2）进行，或实际上流出流体的收集是通过均匀分布在塔区段上方且合并至单个基本上中心导管中的周边导管（8）进行的装置。在用于注入进入流体或用于收集流出流体的通道中的吞吐量速度在1至6 m/s范围内，且周边导管（2）或（8）的数量在4和20之间，优选地在6和12之间。
在其中在系列的每个塔中的流体流为轴向的变体中，每个塔的主要尺寸如下：
- 在1至15 m范围内，优选地在7至12 m范围内的直径，
- 在0.2至1.5 m范围内，优选地在0.4至1 m范围内的颗粒床的高度。
在其中每个塔中的流体流为自周边朝向中心的径向的变体中，每个塔的主要尺寸如下：
- 在3与15 m之间的直径，
- 允许在1至200 m2范围内，优选地在20至80 m2范围内的区段被开发的高度，所述区段经计算为具有为颗粒床高度的高度且具有为包括在进入收集器的半径与中心收集器的半径之间的任何半径的半径的圆柱体的区段，
- 在0.2和1.5 m之间，且优选地在0.4和1 m之间的颗粒床的厚度。
更精确地，本发明可因此定义为一种在具有颗粒状固体的床的一个或多个塔中用于分布进入流体或用于收集流出流体的装置，在该装置中：
- 流体通过围绕单个基本上中心供应导管均匀分布的多个周边导管分布，周边导管的数量在4和20之间，优选地在6和12之间，
- 或者实际上流出流体通过均匀分布于塔的区段上方且合并至单个基本上中心导管中的周边导管收集，周边导管的数量在4和20之间，优选地在6和12之间。
本装置具有对使用串联设置的多个塔的模拟移动床分离工艺的特定应用。串联塔的数量N为从4至24，优选地从6至15。
根据在图1及图1a中所示的第一变体，可如下描述使用根据本发明的收集装置的模拟移动床工艺：
流体在颗粒状固体的床内部的移动为轴向的，且到床中的注入通过基本上以塔的竖直轴线为中心的导管（2）进行，该导管供应水平分布通道（3），颗粒状固体的床（5）然后穿过筛网（4）自所述分布通道（3）供应且流体以基本上竖直方向流动穿过颗粒床（5），流体然后经由周边导管（8）在始于收集通道（7）的筛网（6）下方被收集，且全部流被收集于基本上以塔的竖直轴线为中心的单个抽空导管（9）中，流体排出至周边导管（8）中的吞吐量速度在1至6m/s范围内。
根据图1bis中所示的第二变体，可如下描述使用根据本发明的分布装置的模拟移动床工艺：
流体在颗粒状固体的床内部的移动为轴向的，且通过供应分布通道（3）的周边导管（2）的网络将流体引入至床中，然后穿过筛网（4），流体以基本上竖直方向在颗粒床（5）内部流动，流出流体通过基本上以塔的竖直轴线为中心的单个导管（11）自收集通道（7）收集，流体进入周边导管（2）的吞吐量速度在1至6 m/s范围内。
轴向流动的方向可是自顶部竖直或自底部竖直。处于向下流模式的收集装置则与处于向上流模式的分布装置相同。
根据图2及图2a中所示的第三变体，可如下描述使用根据本发明的分布装置的工艺：
流体在颗粒状固体床内部的移动为径向的，该流体经由中心通道（2）在塔的中心处被引入，然后自中心穿过颗粒床（5）朝向周边，该流体在该周边处被收集于周边区域（7）中，该周边区域使液体经由周边导管（8）朝向基本上以塔的轴线为中心的抽空导管（9），流体在周边导管（8）中被排出的吞吐量速度在1至6 m/s范围内。
根据在图2bis中所展示的第四变体，可如下描述使用根据本发明的分布装置的工艺：
流体在颗粒状固体床内部的移动为径向的，流体自被划分成多个周边导管（8）的中心导管（1）引入至颗粒床中以用于供应颗粒床（5），流体自周边穿过所述床朝向中心，在该中心处将该流体收集于中心通道（7）中，然后经由基本上以塔的竖直轴线为中心的导管（11）抽空，流体进入周边导管（8）的吞吐量速度在1至6 m/s范围内。
使用根据本发明的装置的模拟移动床分离工艺可使得待分离的给料为含有7至9个碳原子的芳族化合物的任何混合物。
使用根据本发明的装置的模拟移动床分离工艺可使得待分离的给料为正烷烃与异烷烃的混合物。
使用根据本发明的装置的模拟移动床分离工艺可使得待分离的给料为正烯烃与异烯烃的混合物。
使用根据本发明的装置的模拟移动床分离工艺可使得穿过所述装置的主要流体具有在600至950 kg/m3范围内的密度及在0.1至0.6 cPo范围内的黏度。
本发明的详细描述
待由本发明解决的技术问题为限制串联操作的N个塔的系统的非选择性区域中的停留时间的差异，这种差异对分离性能具有不利影响，同时最小化所述非选择性区域的容积（为简单起见，下文称为“非选择性容积”），其针对与不具有非选择性区域的系统相同的性能等级导致“环泵”流量的非所需增大。
本发明是关于可用于确保在塔的完整区段的规模上的分布/收集系统中的良好流体同步性，且在以足够的方式利用分布及收集导管网络的同时还产生较低非选择性容积的系统。术语“同步性”意味着每个进入流体元件具有与其他进入元件大致相同的在塔中的停留时间的事实。这意味着停留时间的分布为具有尽可能减小的标准偏差的高斯（Gaussian）曲线。实际上，假定如果停留时间离散度为相对于平均值加10%或减10%，则同步性为适当的。
根据本发明的塔可根据两种流动模式经组织：
- 轴向模式，其中颗粒床内部的流动基本上沿塔的竖直轴线从上到下或从下到上进行。
- 径向模式，其中颗粒床内部的流动基本上自周边朝向塔的中心或自塔的中心朝向周边进行。
取决于流动模式，塔的尺寸如下：
- 对于轴向模式，直径在1和15 m之间，优选地在7和12 m之间。颗粒床的高度在0.2和1.5 m之间，优选地在0.4和1 m之间。
- 对于径向模式，直径在3和15 m之间，允许开发在1至200 m2范围内，优选地在20至80 m2范围内的区段的高度。颗粒床的区段被定义为高度为颗粒床的高度且半径为在对应于进入收集器的圆柱体半径与对应于中心收集器的圆柱体半径之间的范围内的任何半径的圆柱体的区段。颗粒床的区段因此随自进入收集器至排出收集器的半径而变化。颗粒床的厚度在0.2和1.5 m之间，优选地在0.4和1 m之间。
注入及收集以及混合在网络（1）中的两个塔之间的单一点处进行。
根据图1中所示的第一实施例，床处于轴向模式，且到床中的注射通过基本上以塔的竖直轴线为中心的导管（2）进行，其经由喷口进给水平通道分布（3）。
颗粒床（5）然后从分布通道（3）穿过筛网（4）进给。
流体以基本上竖直方向流动穿过颗粒床（5）。
流体然后被收集于筛网（6）下方的收集通道（7）中。
全部流通过周边收集导管（8）的网络收集。
如图1a的俯视图中所示，因为用于回收自收集通道（7）排出的流体的点（8）在所述通道的周边处，所以收集被称为周边。
根据图1bis中所示的第二实施例，床处于轴向模式，且到床中的注射通过供应分布通道（3）的周边导管的网络进行。收集通过以自收集通道收集流的塔为中心的单个导管（11）进行。
塔可以两种方式被串接：
任何塔都具有根据本发明的分布系统，或它们都具有根据本发明的收集系统。还有可能以交替方式串接塔，即，一个塔具有根据本发明的收集系统，且下一塔具有根据本发明的分布系统。本发明的上下文充分涵盖串接具备根据本发明的分布或收集系统的塔。
注入及收集通道的高度尺寸设计成使得任何点处的吞吐量速度不超出在1至8 m/s范围内的标定速度。
导管的数量将在4和20之间，优选地在6和12之间。导管区段尺寸将设计成确保在1至8 m/s范围内的流体速度。
根据图2中所示的第三实施例，床以径向模式操作，且到床中的注射通过竖直导管（2）或通过基本上定位在塔的中心处的环形管进行。液体在床（5）中自中心朝向床的周边径向地流动，且被收集于周边区域（7）中。整个流通过位于周边的将流出流体带至抽空导管（9）的导管（8）的网络收集。
根据图2bis中所示的第四实施例，床以径向模式操作，且到床中的注射通过周边导管的网络进行。液体在床（5）中自周边径向地流动至塔的中心且被收集于中心通道（7）中。经由中空的导管或经由基本上定位在塔的中心处且回收自中心通道（7）流出的流出流体的环形管（11）收集全部流。
根据现有技术及根据本发明的实例
此对比实例的目的在于提供3种情况下的非选择性容积及离散度容积的值：
a）现有技术，不具有对停留时间的补偿，
b）现有技术，如图4中可见，具有使用挡板（9）的对现有技术的补偿，
c）本发明。
考虑直径为2 m的包含1 m高的颗粒床的塔。具有725 kg/m3的密度及0.2 cP的黏度的流体流发生在具有2 cm/s的表面速度的塔内部。此表面速度是跨假定为自由的塔的区段被计算的。
为在不补偿停留时间的情况下标定此塔的尺寸，根据在不具有图4中的挡板（9）的情况下的图4的布局（其对应于现有技术解决方案），本领域技术人员将确定在分布及收集通道中及在分布及收集导管中的最大速度，及此速度将用以标定所述通道及所述导管的尺寸。在此实例中，使用5 m/s的最大速度。通道的所得高度为3.2 cm；导管直径为12.6 cm。
a）对于在不补偿停留时间的情况下标定尺寸，结果为0.21 m3的非选择性容积（分布及收集）及9.4 s2的离散度。
专利FR 2933000中所示的现有技术解释如何标定挡板的尺寸以便调平停留时间分布。环形区段（在挡板的边缘与塔的壁之间的液体通路）与塔的整个区段之间的比率被选择例如以等同于本专利的实例的比率，即8.3%。挡板（9）因此具有1.91 m的直径Lc。在具有挡板的情况下，如可在图4中看出，存在上收集通道（7）及下通道（10）。上通道所需的高度为0.21 cm且下通道为3.2 cm。
b）根据现有技术在使用挡板（9）补偿停留时间的情况下标定尺寸的情况下，非选择性容积（分布及收集）为0.22 m3及离散度为3.1 s2。
c）在本发明的情况下，对于上通道，我们使用与现有技术中相同的尺寸标定准则。使用5 m/s的最大速度准则标定尺寸的8个周边收集导管（8）的直径为4.5 cm。
在根据本发明标定尺寸的情况下，这导致0.13 m3的非选择性容积（分布及收集）及3.2 s2的离散度。
因此，本发明可节省40%的非选择性容积同时关于停留时间的离散度维持实质性增益。应注意，针对等效离散度的非选择性容积的减小为维持模拟移动床分离工艺的性能的基本元素。
非选择性区域的容积（m<sup>3</sup>） 非选择性区域的离散度（s<sup>2</sup>）
a）根据现有技术标定尺寸，没有补偿 0.21 9.4
b）根据现有技术标定尺寸，有补偿 0.22 3.1
c）根据本发明标定尺寸 0.13 3.2

Claims (10)

1.一种用于分布进入塔的流体的装置，所述塔具有吸附剂颗粒状固体的床，所述塔形成串联设置的一系列N个塔的部分，在该装置中，在塔的水平高度处进入的流体的分布通过均匀地分布在塔的周边处、连接至单个基本上中心的供应导管（1）的多个周边导管（2）来进行，每个周边导管（2）供应下游为筛网（4）的分布通道（3），流体在颗粒床（5）内部以基本上竖直方向流动，排出的流体通过基本上以塔的竖直轴线为中心的单个导管（11）从收集通道（7）收集，流体进入周边导管（2）的吞吐量速度在1至6 m/s范围内，并且塔中的流体流为轴向的，即，沿着塔的竖直轴线，串联的塔的数量N在4至24的范围内，并且优选地在6至15的范围内，并且周边导管（2）的数量在4和20之间，优选地在6和12之间。
2.如权利要求1所述的用于分布进入流体或用于收集从具有吸附剂颗粒状固体的床的塔排出的流体的装置，其中每个塔的主要尺寸如下：
- 在1至15 m范围内，优选地在7至12 m范围内的直径，
- 在0.2至1.5 m范围内，优选地在0.4至1 m范围内的颗粒床的高度。
3.一种用于分布进入具有吸附剂颗粒状固体的床的塔的流体的装置，所述塔形成串联设置的一系列N个塔的部分，在该装置中，在塔的水平高度处进入的流体的分布通过均匀地分布在塔的周边处、连接至单个基本上中心的供应导管（1）的多个周边导管（2）来进行，每个周边导管（2）供应下游为筛网（4）的分布通道（3），流体在颗粒床（5）内部以径向方向从周边朝向塔的中心流动，并且流体进入周边导管（2）的吞吐量速度在1至6 m/s的范围内，并且串联的塔的数量N在4至24的范围内，并且优选地在6至15的范围内，并且周边导管（2）的数量在4和20之间，优选地在6和12之间。
4.如权利要求3所述的用于分布进入具有吸附剂颗粒状固体的床的塔的流体的装置，其中对于流体在塔内部的径向流动，每个塔的主要尺寸如下：
- 在3和15 m之间的直径，
- 允许开发在1至200 m2的范围内，优选地在20至80 m2的范围内的区段的高度，所述区段被计算为具有为颗粒床的高度的高度且具有为包括在进入收集器的半径与中心收集器的半径之间的任何半径的半径的圆柱体的区段，
- 在0.2和1.5 m之间，并且优选地在0.4和1 m之间的颗粒床的厚度。
5.一种使用如权利要求1所述的分布装置的模拟移动床工艺，其中流体通过基本上以塔的竖直轴线为中心的导管（1）被引入到床中，所述导管被划分成均匀地分布在塔的周边处的多个周边导管（2），每个导管（2）供应水平分布通道（3），并且颗粒状固体的床（5）然后从所述分布通道（3）穿过筛网（4）供给，流体以基本上竖直方向流动穿过颗粒床（5），流体然后通过收集通道（7）在筛网（6）下方被收集，整个流被收集至基本上以塔的竖直轴线为中心的单个抽空导管（11）中，流体从周边导管（8）排出的吞吐量速度在1至6 m/s的范围内。
6.一种使用如权利要求3所述的分布或收集装置的工艺，其中流体从被划分成均匀地分布在塔的周边处的多个周边导管（2）的中心导管（1）被引入到颗粒床中，并且允许进给颗粒床（5），流体从周边朝向中心穿过所述床，流体在该中心处被收集在中心通道（7）中并且然后经由基本上以塔的竖直轴线为中心的导管（11）抽空，流体进入周边导管（2）的吞吐量速度在1至6 m/s的范围内。
7.一种使用如权利要求1或权利要求3所述的装置的模拟移动床分离工艺，其中待分离的给料为含有7至9个碳原子的芳族化合物的任何混合物。
8.一种使用如权利要求1或权利要求3所述的装置的模拟移动床分离工艺，其中待分离的给料为正烷烃与异烷烃的混合物。
9.一种使用如权利要求1或权利要求3所述的装置的模拟移动床分离工艺，其中待分离的给料为正烯烃与异烯烃的混合物。
10.一种使用如权利要求1或权利要求3所述的装置的模拟移动床分离工艺，其中穿过所述装置的主要流体具有在600至950 kg/m3的范围内的密度和在0.1至0.6 cPo范围内的黏度。
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