CN109499086B - 真空套式多层精馏塔 - Google Patents

Abstract

本发明涉及化工精馏领域，具体涉及一种真空套式多层精馏塔，部件包括外层真空套塔、中层回流塔、内层填充塔，三者由外而内依次嵌套，形成一种蒸汽上下往复流动的多层精馏塔结构。还包括螺旋塔板柱，外观成螺旋状，放置在桶状精馏塔内配合使用，与精馏塔塔体内壁形成螺旋式腔体结构，是一种特殊形式的塔板结构。本发明的真空套式多层精馏塔与螺旋塔板柱组合使用，具有精馏产物纯度高、质量稳定、精馏速度稳定、小体积也可使精馏产物纯度很高、节省能源等特点。本发明的装置可根据不同的使用需求采用不同的组合方式，具有搭配灵活、适用性广等特点，能满足实验室和工业使用需求。

Description

真空套式多层精馏塔

技术领域

本发明涉及化工精馏领域，具体涉及真空套式多层精馏塔设备。

背景技术

精馏塔是进行精馏的一种塔式汽液接触装置。利用混合物中各组分具有不同的挥发度，即在同一温度下各组分的蒸汽压不同这一性质，使液相中的轻组分(低沸物)转移到气相中，而气相中的重组分(高沸物)转移到液相中，从而实现分离的目的。精馏塔也是石油化工生产中应用极为广泛的一种传质传热装置。

往往精馏塔为了达到更好的精馏效果，需要较长的蒸汽流动通路，所设计的精馏塔的高度一般都比较高，对于精馏塔径向方向的空间利用率不足。

发明专利申请公开CN 104353259 B中涉及一种组合式精馏柱，蒸汽在通过过程中，热量容易通过热传导散失，需要耗费的能源多，且容易受到外部环境温度影响，导致精馏过程中冷凝回流不稳定，影响精馏速度的稳定性和精馏效果。中间套管U形管液封不易倾斜倒出清洗，若加工大尺寸重质量的中间套管，无法做支撑结构。内层管中冷凝的液体受蒸汽上行影响，无法回流。

精馏塔精馏纯度一方面也取决于塔板数，塔板数越多，精馏纯度越高，如何在有限的空间内设置更多的塔板数是个技术难点。

发明内容

本发明为了解决现有的技术缺陷，提供一种真空套式多层精馏塔，具有精馏产物纯度高、质量稳定、精馏速度稳定、体积小等特点。

所述真空套式多层精馏塔，其结构包括外层真空套塔、中层回流塔、内层填充塔及螺旋塔板柱。

所述外层真空套塔，为本发明中组合式精馏塔最外层塔结构；

所述外层真空套塔，下端开口，采用球磨口、锥磨口或法兰结构与其他蒸汽来源装置连接，且连接方式不限于这几种；

所述外层真空套塔，塔壁面为双层结构，夹层为真空或半真空密封腔室，所述外层真空套塔夹层真空度范围，气压值为0.0001Pa~100Pa。这种设计方式可以减少热传导，主要靠热辐射耗散热量，在真空套式多层精馏塔内形成良好稳定的热耗散梯度，从而有效降低外界环境温度变化对精馏稳定性造成的影响；

所述外层真空套塔，上端开口，以保证中层回流塔能够从开口中放入；

所述外层真空套塔，上端设置有圆形端面，作为单独部件使用时，可以在圆形端面上通过法兰机构与其他部件连接密封。

所述中层回流塔，嵌套于外层真空套塔之内；

所述中层回流塔，上端外侧与外层真空套塔形成密封结构；

所述中层回流塔，上端中间有一开口，以保证内层填充塔能够从开口中嵌套放入；

所述中层回流塔，上端壁面开若干通孔，蒸汽通过通孔从中层回流塔上方；

所述中层回流塔，下端有一开口，且采用浅碗状结构盖在下端开口处，当液体盛满浅碗时，可形成液封封住下端开口，浅碗状的机构设计便于在实验室环境使用时进行清洗，只需将其倾斜便可将液封的残留液体倒出；

所述中层回流塔，上端设置有圆形端面，作为单独部件使用时，可以在圆形端面上通过法兰机构与其他部件连接密封。

所述内层填充塔，嵌套于中层回流塔之内；

所述内层填充塔，上端外侧与中层回流塔形成密封结构；

所述内层填充塔，上端中间有一开口，采用球磨口、锥磨口或法兰结构与其他蒸汽处理装置连接，连接方式不限于这几种，同时开口足够大，以保证螺旋塔板柱能够从开口放入；

所述内层填充塔，下端底部有一开口，回流的液体从该开口中流出；

所述内层填充塔，下端底部开口内侧壁有若干凸起结构，用于托住螺旋塔板柱，同时留有间隙防止螺旋塔板柱将下端开口封死；

所述内层填充塔，塔壁下端开若干孔，蒸汽通过这些开孔进入内层填充塔内部；

所述内层填充塔，上端设置有圆形端面，作为单独部件使用时，可以在圆形端面上通过法兰机构与其他部件连接密封。

所述外层真空套塔内层直径为中层回流塔直径的1.1~2.5倍，所述中层回流塔的直径为内层填充塔直径的1.1~2倍。

所述螺旋塔板柱，外观形状成螺旋结构，放置在桶状精馏塔内配合使用，与周边精馏塔塔体形成螺旋式腔体结构，蒸汽沿螺旋腔体螺旋上行通过，液体沿螺旋腔体螺旋下行流出。

所述螺旋塔板柱，有两种结构形式：

在圆柱体圆柱面上开螺旋槽；

在圆柱体圆柱面上螺旋缠绕一条或多条螺旋柱。

所述螺旋塔板柱，螺旋塔板柱下端设置锥形底座；

所述螺旋塔板柱，螺旋塔板柱上端设置圆环状结构便于安装吊起。

所述螺旋塔板柱，可与周围塔体做成一体结构。

所述螺旋塔板柱外螺旋结构缠绕的螺旋槽的断面为方形、矩形、圆形或其他不规则形状。

所述螺旋塔板柱外螺旋结构最外侧直径比圆柱塔体内壁直径小0~4cm。

所述螺旋塔板柱外螺旋结构的螺纹升角范围为5°~60°。

本发明部分实施方案的真空套式多层精馏塔，在外层真空套塔与中层回流塔间隙中，设置若干支撑点，以避免两者相对位置晃动，造成部件损伤；

本发明部分实施方案的真空套式多层精馏塔，在中层回流塔与内层填充塔的间隙中，设置若干支撑点，以避免两者相对位置晃动，造成部件损伤。

本发明任一实施方案的真空套式多层精馏塔，其特征在于，蒸汽从外层真空套塔底部的连接开口进入，沿外层真空套塔内壁与中层回流塔外壁的间隙向上流动，此过程中冷凝的液体沿着两侧壁面流下，中层回流塔外壁流下的液体进入浅碗结构，能够快速形成液封，封住中层回流塔底部，完成回流的液体最终从外层真空套塔底部开口流回，通过的蒸汽从中层回流塔上端开孔进入中层回流塔内部；

本发明任一实施方案的真空套式多层精馏塔，其特征在于，进入中层回流塔上端开孔的蒸汽，沿中层回流塔内壁与内层填充塔外壁的间隙向下流动，此过程中冷凝的液体也沿着两侧壁面流下，并进入浅碗流回，通过的蒸汽从内层填充塔底部开孔和底部侧边开孔进入内层填充塔；

本发明任一实施方案的真空套式多层精馏塔，其特征在于，进入内层填充塔的蒸汽，大部分从底部侧孔进入，底部直孔会有回流的液体流出，回流液体的流出和蒸汽的进入互不干扰，避免造成回流液体受蒸汽上行而无法流出的情况出现，这也是底部侧孔设计的意义所在；

本发明任一实施方案的真空套式多层精馏塔，其特征在于，进入内层填充塔的蒸汽，通过内层填充塔内壁与螺旋塔板柱所形成的螺旋状通道向上流动，极大延长了精馏通道长度和塔板数量，能够显著提升精馏纯度；

本发明任一实施方案的真空套式多层精馏塔，其特征在于，螺旋塔板柱的螺旋外沿与内层填充塔内壁的缝隙可以允许回流的液体以毛细现象的形式回流，回流过程中不会影响蒸汽上行。

本发明任一实施方案的真空套式多层精馏塔，其特征在于，通过内层填充塔的蒸汽最终从内层填充塔顶部的开口流出，进入下一精馏过程。

本发明所述的真空套式多层精馏塔与螺旋塔板柱配合使用能达到很高的精馏纯度，是一种优良的组合方式；

本发明部分实施方案中，真空套式多层精馏塔在内层填充塔中设置其他的塔板结构以实现不同的精馏效果；

本发明部分实施方案中，真空套式多层精馏塔在内层填充塔中添加填料以实现不同的精馏效果。

根据不同的使用场景，可以选择不同的材料来加工本发明所述的真空套式多层精馏塔，包括不锈钢、石英、玻璃，且不限于这几种材料。

根据不同的使用场景，真空套式多层精馏塔可以有不同的组合方式，外层真空套塔、中层回流塔、内层填充塔可单独成部件，通过法兰密封连接的方式组合嵌套使用；也可任意相邻两件一体成型后再与其他部件密封连接组合嵌套使用；也可三者一体成型使用，若为金属材质，可选用焊接工艺进行连接；螺旋塔板柱可与周围塔体做成一体。

在本发明任一实施方案中，所述精馏塔在本领域亦可称为精馏柱或精馏管。

附图说明

图1显示了本发明真空套式多层精馏塔与螺旋塔板柱配合使用的示意图。

图2显示了本发明螺旋塔板柱的两种结构形式。

图3显示了本发明真空套式多层精馏塔的外层真空套塔、中层回流塔、内层填充塔、螺旋塔板柱在分离状态下的示意图。

图4显示了本发明真空套式多层精馏塔与螺旋塔板柱在组合状态下蒸汽流动路线示意图。

图5显示了本发明真空套式多层精馏塔多种不同的整体成型组合方式示意图。

实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。下面具体的实施例只是对本发明的部分实施方式，本发明的保护范围不仅限于这些实施例，在本发明的前提下进行改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

实施例1

在实验室中，提纯二甲苯使用。在这种产量要求不高的情况下，真空套式多层精馏塔可以做的体积较小，采用玻璃材质加工，外层真空套塔4、中层回流塔3、内层填充塔2三部分一体成型，如图5左侧图所示。外层真空套塔4的真空层41抽真空，真空度 -0.06 MPa ~ -0.04MPa；底部采用球磨口球头42与蒸汽发生装置密封连接。中层回流塔3上方开左右对称的两个开孔31，用于蒸汽进入；在底部设置一个圆柱状连杆32与浅碗33连接，在底部构成可形成液封的结构。内层填充塔2上端采用球磨口球碗21与蒸汽处理装置连接；下端中间开一圆口24用于液体回流；下端侧壁开两个对称孔22用于蒸汽进入，在下端内壁上做三个凸起23用于支撑螺旋塔板柱1。螺旋塔板柱1中间为一根长直玻璃棒，侧边螺旋缠绕一根玻璃棒，底部成尖椎状与凸起23接触，顶部设置一个圆环，便于将其从内层填充塔中提出和放入。

沸腾蒸发的二甲苯蒸汽，携带少量杂质组份蒸汽，从外层真空套塔4下方入口进入；部分蒸汽从浅碗33的间隙直接进入中层回流塔3，部分蒸汽沿外层真空套塔4与中层回流塔3的间隙上行后从中层回流塔3上方开孔31进入中层回流塔3；中层回流塔内外壁面上冷凝的液体滴入浅碗33里，形成液封，之后蒸汽将只能通过中层回流塔3上方开孔31进入；蒸汽通过中层回流塔3与内层填充塔2的间隙向下流动，之后主要从内层填充塔2侧壁开口22进入，少量蒸汽从底部开口24进入；进入内层填充塔2的蒸汽沿螺旋通道上行，期间冷凝的液体沿缝隙向下流动，滴入浅碗33，溢出后流回蒸汽发生装置；蒸汽在行进过程中经过了多次冷凝，杂质组份会随着冷凝的液体流回蒸汽发生装置，而二甲苯蒸汽经过这种方式纯化后从真空套式多层精馏塔上端出口流出，达到高纯状态。

实施例2

工业中用于乙醇的提纯，因为产量需求大，设计体积较大，为了达到强度要求，加工材料选用不锈钢加工。真空套式多层精馏塔采用分体式结构，外层真空套塔4、中层回流塔3、内层填充塔2分别为独立的安装部件，如图3所示三个部件，安装方式采用法兰连接，在连接接触面上放置密封圈，在位置51处用螺栓压紧实现密封。

其余结构与精馏方式和原理与实施例1中雷同。

Claims (13)

1.一种真空套式多层精馏塔，其特征在于：其结构包括外层真空套塔、中层回流塔、内层填充塔，三者由外而内依次嵌套，并在三者上端相互形成密封结构，还包括螺旋塔板柱；

所述外层真空套塔，下端开口并设置连接结构与提供蒸汽的装置连接，塔壁面为双层结构，夹层为真空或半真空的密封腔室；

所述中层回流塔，在底部设置一个圆柱状连杆与浅碗连接，在底部构成可形成液封的浅碗状结构，靠近上端壁面处有若干开口以供蒸汽通过；

所述内层填充塔，下端中间开一圆口用于液体回流；下端侧壁开两个对称孔用于蒸汽进入，上端开口并设置连接结构与蒸汽收集处理装置连接；

所述螺旋塔板柱外观形状成螺旋结构，放置在桶状精馏塔内配合使用，与周边精馏塔塔体形成螺旋式腔体结构，蒸汽沿螺旋通道上行，期间冷凝的液体沿缝隙向下流动，滴入浅碗，溢出后流回蒸汽发生装置；所述螺旋塔板柱为在圆柱体圆柱面上开螺旋槽或是在圆柱体圆柱面上螺旋缠绕一条或多条螺旋柱；

其中，所述内层填充塔下端底部开口内侧壁有若干凸起结构，用于托住螺旋塔板柱，同时留有间隙防止螺旋塔板柱将下端开口封死。

2.根据权利要求1所述的真空套式多层精馏塔，其特征在于：所述真空套式多层精馏塔的塔体材料为碳化硅管体、碳钢管体、不锈钢管体、玻璃管体或石英管体。

3.根据权利要求1所述的真空套式多层精馏塔，其特征在于：所述外层真空套塔内层直径为中层回流塔直径的1.1~2.5倍，所述中层回流塔的直径为内层填充塔直径的1.1~2倍。

4.根据权利要求1所述的真空套式多层精馏塔，其特征在于：所述中层回流塔的内壁和外壁冷凝的液体都可进入浅碗结构，快速形成液封。

5.根据权利要求1所述的真空套式多层精馏塔，其特征在于：所述外层真空套塔、中层回流塔和内层填充塔都可采用分节式组装，即多个管节拼装连接而成。

6.根据权利要求1所述的真空套式多层精馏塔，其特征在于：所述外层真空套塔夹层真空度范围，气压值为0.0001Pa~100Pa。

7.根据权利要求1所述的真空套式多层精馏塔，其特征在于：所述外层真空套塔与中层回流塔的间隙中、所述中层回流塔与内层填充塔的间隙中、所述内层填充塔中间的空腔中，都可设置不同的塔板结构或填充不同的填料或两者结合使用。

8.根据权利要求1所述的真空套式多层精馏塔，其特征在于：所述螺旋塔板柱顶部可设置吊钩或吊环，用于安装或取出；所述螺旋塔板柱底部可设置底座，用于支撑螺旋塔板柱，不影响蒸汽上行进入和液体下行流出。

9.根据权利要求1所述的真空套式多层精馏塔，其特征在于：所述螺旋塔板柱材料为碳化硅、碳钢、不锈钢、玻璃或石英。

10.根据权利要求1所述的真空套式多层精馏塔，其特征在于：所述螺旋塔板柱外螺旋结构缠绕的螺旋槽的断面为方形、矩形、圆形或其他不规则形状。

11.根据权利要求1所述的真空套式多层精馏塔，其特征在于：所述螺旋塔板柱外螺旋结构最外侧直径比圆柱塔体内壁直径小0~4cm。

12.根据权利要求1所述的真空套式多层精馏塔，其特征在于：所述螺旋塔板柱外螺旋结构的螺纹升角范围为5°~60°。

13.根据权利要求1所述的真空套式多层精馏塔，所述螺旋塔板柱可与周围塔体做成一体。