CN109745725A - 一种节能型精馏-膜法耦合分离有机共沸体系的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种节能型精馏‑膜法耦合分离有机共沸体系的方法，属于分离技术领域。该方法是将渗透汽化技术与精馏技术有机的结合，利用精馏技术首先将部分高沸点的有机溶剂分离出去。剩余的有机溶剂的蒸汽不予以冷凝，通过将这部分气体送入膜组件进行分离，在分离过程中使得冷凝的液体回流至膜表面发生渗透汽化过程。这两个工艺的复合减轻了整个流程操作热负荷和操作时间，减少了精馏塔操作能耗，也避免了有机溶剂长时间反复加热冷却引起的质量变差。同时渗透汽化过程操作温度范围适应强，可以根据精馏塔塔顶蒸汽温度进行合适的适应调节，无需额外加热，因此整个工艺能耗较低，预计比传统精馏与膜复合工艺节能约25％。
Description
技术领域
本发明涉及分离技术领域，具体涉及一种节能型精馏-膜法耦合分离有机共沸体系的方法。
背景技术
存在共沸组成的有机溶剂是工业上常见的生产废料，对这部分有机溶剂的回收利用大部分通过萃取精馏，变压精馏，恒沸精馏等手段，这种精馏的方法提纯浓度较低，能耗很高，极大地增加了生产成本。渗透汽化技术是一种常见的回收利用共沸有机溶剂技术，具有节能环保，绿色无污染，集成性好等优点。在本发明中，利用渗透汽化过程中需要吸热的特性，使渗透汽化过程中汽化吸热这一过程与精馏塔塔顶冷凝器需要放热的特性，充分利用渗透汽化过程中汽化需要吸热的过程，使得精馏塔塔顶的冷凝器关闭，通过膜表面气液接触换热的流量来调控整个生产过程，有效地节约了能耗，也分离回收了高浓度的有机溶剂。
发明内容
本发明是针对上述存在的技术问题提供一种节能型精馏-膜法耦合分离有机共沸体系的方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种节能型精馏-膜法耦合分离有机共沸体系的方法，该方法是将有机溶剂混合物1送入管道，低沸点有机溶剂浓度低于其在共沸物中的浓度，将混合物1送入精馏塔中分离，塔底得到高沸点溶剂，塔顶得到的气态混合物2输送膜组件进行换热分离，经膜组件分离后截留侧得到的混合物3继续送入精馏塔中进行进一步的分离，经膜组件分离后渗透侧获得的低沸点溶剂经真空泵后收集；
若低沸点有机溶剂浓度高于其在共沸物中的浓度，则将混合物1送入膜组件中进行分离，经膜组件分离后截留侧的混合物3送入精馏塔中进行进一步分离，在精馏塔的塔釜得到的高沸点溶剂，塔顶产生的混合物2进入膜组件进一步进行分离；膜组件渗透侧获得的低沸点溶剂经真空泵后收集。
本发明技术方案中：精馏塔塔顶不设置冷凝器。
本发明技术方案中：膜组件所使用的膜为管式膜，中空纤维膜，平板膜和卷式膜中的至少一种；
优选：膜组件所使用的是管式膜，所述的管式膜分离层为内涂层或外涂层；内涂层使用时，管式膜内径为2-70mm，进一步优选管式膜内径为7-30mm；外涂层使用时，管式膜间距为2mm-60mm，进一步优选管式膜间距为4-40mm；
优选：膜组件所使用的是中空纤维膜，其内径为0.2-3mm；进一步优选中空纤维膜内径为0.5-2mm；
优选：膜组件所使用是平板膜，其间距为2mm-50mm；进一步优选平板膜间距为7-30mm；
优选：膜组件使用的是卷式膜间距为2mm-30mm；进一步优选卷式膜间距为7-20mm。
本发明技术方案中：节能型精馏-膜法耦合分离有机共沸体系的方法经过膜组件冷凝后，回流到精馏塔中的混合物的液相分率是20-100％；优选：经过膜组件冷凝后，回流到精馏塔中的混合物的液相分率是50-99％。
本发明技术方案中：节能型精馏-膜法耦合分离有机共沸体系的方法在分离过程中，膜处理的量为混合物2质量流量的10％-95％；优选：在分离过程中，膜处理的量为混合物2质量流量的55％-90％。
本发明技术方案中：所述的共沸有机溶剂混合物为C2-C10的醇类，酯类，酮类，烷烃类，酯类，水之间行成的多元共沸体系。
优选：所述的共沸有机溶剂混合物为C2-C8的醇类，酯类，酮类，烷烃类，酯类，水之间行成的二元共沸体系。
本发明技术方案中：混合物(1)是存在共沸点的有机溶剂混合物并且高沸点溶剂在混合物中浓度为5-95wt％。
本发明技术方案中：膜组件的分离的温度为20～250℃，膜组件原料侧的压力范围为1-5atm，膜组件渗透侧的压力范围为300-15000Pa，优选：膜组件渗透侧的压力范围为2000-10000Pa。
本发明技术方案中：膜组件中液体膜面流速为0.001-0.5m/s，优选0.015-0.1m/s；气体膜面流速为0.05-0.5m/s，优选气体膜面流速为0.1-0.15m/s。
一种用于实现上述的节能型精馏-膜法耦合分离有机共沸体系的方法的装置，该装置包括精馏塔，膜组件，真空泵，有机溶剂混合物1的输出端分别和精馏塔的中部以及膜组件的截留侧相连，膜组件的截留侧与精馏塔的中部相连，膜组件的渗透侧与真空泵相连。
本发明技术方案中：精馏塔产生的混合物2进入组件的气体质量分数为100％
本发明技术方案中：气体从膜组件下方进入，在膜组件中冷凝，释放的热量，供渗透汽化潜热使用，同时冷凝液体与上升气体在膜组件内的空隙中换热，冷凝部分气体，换热分离后的液体回流入精馏塔中。
本发明技术方案中：所述的分离膜为硅橡胶聚合物膜或聚醚嵌段酰胺聚合物膜或沸石分子筛膜或石墨烯膜或氧化石墨烯膜。进一步优选：所述的膜组件所用的分离膜为聚二甲基硅氧烷膜，聚醚嵌段酰胺聚合物膜和沸石分子筛膜中的至少一种。
本发明技术方案中：精馏塔塔底得到的高沸点溶剂的质量分数≥97％，精馏塔塔顶的气体混合物的组成低于或等于共沸组成，膜组件渗透测获得的低沸点溶剂的质量分数≥97％
本发明的有益效果：
本发明将渗透汽化技术与精馏技术有机的结合，利用精馏技术首先将部分高沸点的有机溶剂分离出去。剩余的接近共沸组成的有机溶剂的蒸汽不予以冷凝，通过将这部分气体送入膜组件与外接冷凝器的过程中，使得精馏塔塔顶蒸汽进入膜组件后冷凝，冷凝的液体回流至膜表面发生渗透汽化过程。渗透汽化过程汇中从表面液体中攫取大量热量，使得液体温度降低。同时上升的蒸汽与这部分低温液体进行换热，从而在膜表面冷凝更多液体，直至达到一个平衡。平衡后的上升蒸汽部分被冷凝成液体回流至精馏塔内满足塔内的气液平衡，部分通过渗透汽化过程通过真空泵，在膜渗透侧被收集。这部分溶液是高纯度的低沸点溶剂，送入储液罐中进行储存。这两个工艺的复合减轻了整个流程操作热负荷和操作时间，减少了精馏塔操作能耗，也避免了有机溶剂长时间反复加热冷却引起的质量变差。同时渗透汽化过程操作温度范围适应强，可以根据精馏塔塔顶蒸汽温度进行合适的适应调节，无需额外加热，因此整个工艺能耗较低，预计比传统精馏与膜复合工艺节能约25％；并且不会引入第三种物质，绿色无污染，分离后的产品性能良好。
附图说明
图1为本发明的装置示意图。
A是精馏塔，B是膜，C是真空泵。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明的保护范围不限于此：
一种共沸有机溶剂膜法-精馏耦合分离节能回收装置，该装置包括精馏塔(A)，膜组件(B)，真空泵(C)，有机溶剂混合物1的输出端分别和精馏塔(A)的中部以及膜组件(B)的截留侧相连，膜组件(B)的截留侧与精馏塔(A)的中部相连，膜组件(B)的渗透侧与真空泵(C)相连。
实施例1：
一种节能型精馏-膜法耦合分离有机共沸体系的方法，包括下列步骤：将原料乙酸甲酯/甲醇共沸有机溶剂，其流量为16110kg/h，混合液温度为42.1℃。其中乙酸甲酯质量分数为88.8wt％高于其在共沸物中的浓度(共沸组成中乙酸甲酯浓度为82.5wt％)，输送到聚二甲基硅氧烷外涂层管式膜组件(B)中进行分离。其中外涂层管式膜的膜管间距为46mm，气体膜面流速为0.22m/s，液体的膜面流速为0.11m/s，原料侧压力为1.1atm，渗透侧压力控制在10000Pa，分离温度为56.3℃，膜处理量为混合物2质量流量的64％。分离后截留侧得到的混合物3到精馏塔(A)中进一步进行分离，混合物3中的液相分率为95％，乙酸甲酯的含量是22.19wt％，流量是3266.0kg/h。膜膜渗透侧得到的渗透液经过真空泵(C)后，得到流量为15453.5kg/h，乙酸甲酯质量分数为92.5wt％的溶剂。精馏塔(A)塔釜产出656.5kg/h的产品，其中甲醇的质量分数是92.3wt％，塔顶的气体产量是7664.7kg/h其中乙酸甲酯的含量是65.8wt％，输送到聚二甲基硅氧烷外涂层管式膜组件(B)中进行分离。
实施例2：
一种节能型精馏-膜法耦合分离有机共沸体系的方法，包括下列步骤：将原料水/异丁醇共沸有机溶剂，其流量为18133kg/h，混合液温度为33.3℃，水质量分数为31.8wt％低于其在共沸物中的浓度(共沸组成中水浓度为88.2wt％)，输送到精馏塔(A)中进行精馏。精馏塔塔釜产出12441.4kg/h的产品，其中异丁醇的质量分数99.85wt％，塔顶的气体产量是7588.9kg/h，其中水的含量是95.6wt％，输送到沸石分子筛中空纤维膜组件(B)中进行分离。其中中空纤维膜的内径为1.3mm，膜管间距为1.4mm，气体膜面流速为0.13m/s，液体的膜面流速为0.06m/s，原料侧压力为2.2atm。渗透侧压力控制在7500Pa，分离温度为98.3℃，膜处理量为混合物2质量流量的75％。分离后截留侧得到的混合物3到精馏塔(A)中进一步进行分离，混合物3中液相分率为93％，水的含量是53.73wt％，流量是1897.2kg/h。沸石分子筛中空纤维膜组件(B)的渗透侧得到的渗透液经过真空泵(C)后，得到流量为5691.6kg/h，水质量分数为99.69wt％的溶剂。
实施例3：
一种节能型精馏-膜法耦合分离有机共沸体系的方法，包括下列步骤：将原料乙酸甲酯/环己烷共沸有机溶剂，其流量为36040kg/h，混合液温度为29.3℃，乙酸甲酯浓度为78.4wt％,高于其在共沸物中的浓度(共沸组成中乙酸甲酯浓度为46wt％)，输送到聚醚嵌段酰胺聚合物平板膜组件(B)中进行分离。其中平板膜间距为21mm，气体膜面流速为0.13m/s，液体膜面流速为0.06m/s。原料侧压力为1.7atm。渗透侧压力控制在16500Pa，分离温度为46.3℃，膜的处理量为混合物2质量流量的72％。分离后截留侧得到的混合物3到精馏塔(A)中进一步进行分离，混合物3中的液相分率为85％，乙酸甲酯的含量是26.0wt％，流量是11968.7kg/h。聚醚嵌段酰胺聚合物平板膜组件(B)的渗透侧得到的渗透液经过真空泵(C)后，得到流量为30776.6kg/h，乙酸甲酯质量分数为91.5wt％的溶剂。精馏塔塔釜产出5263.4kg/h的产品，其中环己烷的质量分数是98.2wt％，塔顶的气体产量是6705.3kg/h其中乙酸甲酯的含量是45.0wt％，送到聚醚嵌段酰胺聚合物平板膜组件(B)中进行分离。
实施例4：
一种节能型精馏-膜法耦合分离有机共沸体系的方法，包括下列步骤：将原料氯仿/甲醇共沸有机溶剂，其流量为10399kg/h，混合液温度为22.1℃，氯仿质量分数为10.4wt％，低于其在共沸物中的浓度(共沸组成中氯仿浓度为87.4wt％)，输送到精馏塔(A)中进行精馏。精馏塔塔釜产出9459.4kg/h的产品，其中甲醇的质量分数是99.94wt％；塔顶的气体产量是2684.6kg/h其中氯仿的含量是87.4wt％。输送到聚二甲基硅氧烷卷式膜组件(B)中进行分离。其中卷式膜的间距为14mm，气体膜面流速为0.18m/s，液体膜面流速为0.09m/s。原料侧压力为3.1atm。渗透侧压力控制在5600Pa，分离温度为52.3℃，膜的处理量为混合物2质量流量的65％。分离后截留侧得到的混合物3到精馏塔(A)中进一步进行分离，混合物3中的液相分率为92％，氯仿的含量是80.733wt％，流量是1745.0kg/h。聚二甲基硅氧烷卷式膜组件(B)的膜渗透侧得到的渗透液经过真空泵(C)后，得到流量为939.6kg/h，氯仿质量分数为99.78wt％的溶剂。
实施例5：
一种节能型精馏-膜法耦合分离有机共沸体系的方法，包括下列步骤：将原料四氯化碳/乙醇共沸有机溶剂，其流量为14736kg/h，混合液温度为32.9℃，四氯化碳质量分数为89.2wt％高于其在共沸物中的浓度(共沸组成中四氯化碳浓度为72.5wt％)，输送到聚二甲基硅氧烷外涂层管式膜组件(B)中进行分离。其中管式膜的内径为25mm，膜管间距为37mm，气体膜面流速为0.12m/s，液体膜面流速为0.06m/s。原料侧压力为2.8atm渗透侧压力控制在4500Pa，分离温度52.1℃，膜的处理量为混合物2质量流量的85％。分离后截留侧得到的混合物3到精馏塔(A)中进一步进行分离，混合物3中的液相分率为89％，四氯化碳的含量是57.1wt％，流量是2506.2kg/h。聚二甲基硅氧烷外涂层管式膜组件(B)的渗透侧得到的渗透液经过真空泵(C)后，得到流量为14201.6kg/h，四氯化碳质量分数为99.22wt％的溶剂。精馏塔塔釜产出534.4kg/h的产品，其中乙醇的质量分数是98.5wt％，塔顶的气体产量是1971.8kg/h其中四氯化碳的含量是72.2wt％，输送到聚二甲基硅氧烷外涂层管式膜组件(B)中进行分离。
实施例6：
一种节能型精馏-膜法耦合分离有机共沸体系的方法，包括下列步骤：将原料乙醇/苯共沸有机溶剂，其流量为28076kg/h，混合液温度为45.5℃，乙醇质量分数为17.5wt％，低于其在共沸物中的浓度(共沸组成中乙醇浓度为32wt％)，输送到精馏塔(A)中进行精馏。精馏塔塔釜产出23209.1kg/h的产品，其中苯的质量分数是99.82wt％，塔顶的气体产量是23175.6kg/h其中乙醇的含量是32.0wt％，输送到聚二甲基硅氧烷卷式膜组件(B)中进行分离。其中卷式膜的间距为19mm，气体膜面流速为0.13m/s，液体膜面流速为0.07m/s。原料侧压力为2.5atm。渗透侧压力控制在11500Pa，分离温度为51.3℃，膜的处理量为混合物2质量流量的51％。分离后截留侧得到的混合物3到精馏塔(A)中进一步进行分离，混合物3中的液相分率为99％，乙醇的含量是14.39wt％，流量是18308.7kg/h。聚二甲基硅氧烷卷式膜组件(B)的渗透侧得到的渗透液经过真空泵(C)后，得到流量为4866.9kg/h，乙醇质量分数为98.25wt％的溶剂。
实施例7：
一种节能型精馏-膜法耦合分离有机共沸体系的方法，包括下列步骤：将原料水/正丁醇共沸有机溶剂，其流量为46452kg/h，混合液温度为23.4℃，质量分数为38.5wt％，高于其在共沸物中的浓度(共沸组成中水的浓度为37.5wt％)，输送到沸石分子筛中空纤维膜组件(B)中进行分离。其中中空纤维膜的内径为1.3mm，膜管间距为1.6mm，气体膜面流速为0.16m/s，液体膜面流速为0.08m/s。原料侧压力为1.6atm，渗透侧压力控制在6500Pa，分离温度为88.3℃，膜的处理量为混合物2质量流量的32％。分离后截留侧得到的混合物3到精馏塔(A)中进一步进行分离，其中液相分率为90％，水的含量是11.8wt％，流量是8321.1kg/h。沸石分子筛中空纤维膜组件(B)的渗透侧得到的渗透液经过真空泵(C)后，得到流量为19038.6kg/h，水质量分数为91.2wt％的溶液。精馏塔塔釜产出27413.4kg/h的产品，其中正丁醇的质量分数是98.1wt％，塔顶的气体产量是13043.5kg/h其中水的含量是32.5wt％，输送到沸石分子筛中空纤维膜组件(B)中进行分离。
实施例8：
一种节能型精馏-膜法耦合分离有机共沸体系的方法，包括下列步骤：将原料二氯乙烷/水共沸有机溶剂，其流量为31575kg/h，混合液温度为38.3℃，二氯乙烷质量分数为54.7wt％，低于其在共沸物中的浓度(共沸组成中二氯乙烷浓度为80.5wt％)，输送到精馏塔(A)中进行精馏。精馏塔塔釜产出14303.5kg/h的产品，其中水的质量分数是99.96wt％，塔顶的气体产量是25031.2kg/h其中二氯乙烷的含量是80.5wt％，输送到聚醚嵌段酰胺聚合物平板膜组件(B)中进行分离。其中平板膜间距为21mm，气体膜面流速为0.17m/s，液体膜面流速为0.08m/s。原料侧压力为2.1atm。渗透侧压力控制在15000Pa，分离温度为62.3℃，膜的处理量为混合物2质量流量的69％。分离后截留侧得到的混合物3到精馏塔(A)中进一步进行分离，混合物3中的液相分率为87％，二氯乙烷的含量是38.00wt％，流量是7759.7kg/h。聚醚嵌段酰胺聚合物平板膜组件(B)的渗透侧得到的渗透液经过真空泵(C)后，得到流量为17271.5kg/h，二氯乙烷质量分数为99.59wt％的溶剂。
实施例9：
一种节能型精馏-膜法耦合分离有机共沸体系的方法，包括下列步骤：将原料异丙醇/二氯乙烷共沸有机溶剂，其总流量为24643kg/h，混合液温度为46.7℃，质量分数为72.4wt％，高于其在共沸物中的浓度(共沸组成中异丙醇的浓度为43.5wt％)，输送到聚二甲基硅氧烷内涂层管式膜组件(B)中进行分离。其中内涂层管式膜的膜管间距为38mm，气体膜面流速为0.12m/s，液体膜面流速为0.07m/s。进料压力为3.4atm。渗透侧压力控制在12000Pa，分离温度为74.7℃，膜的处理量为混合物2的质量流量38％。分离后截留侧得到的混合物3到精馏塔(A)中进一步进行分离，混合物3中的液相分率为78％，异丙醇的含量是11.4wt％，流量是29109.9kg/h。聚二甲基硅氧烷内涂层管式膜组件(B)的渗透侧得到的渗透液经过真空泵(C)后，得到流量为17841.5kg/h，异丙醇质量分数为95.85wt％的溶剂。精馏塔塔釜产出46951.4kg/h的产品，其中正丁醇的质量分数是99.3wt％，塔顶的气体产量是6801.5kg/h其中异丙醇的含量是43.5wt％，输送到聚二甲基硅氧烷内涂层管式膜组件(B)中进行分离。
Claims (10)
1.一种节能型精馏-膜法耦合分离有机共沸体系的方法，其特征在于：该方法是将有机溶剂混合物1送入管道，低沸点有机溶剂浓度低于其在共沸物中的浓度，将混合物1送入精馏塔(A)中分离，塔底得到高沸点溶剂，塔顶得到的气态混合物2输送膜组件(B)进行换热分离，经膜组件(B)分离后截留侧得到的混合物3继续送入精馏塔(A)中进行进一步的分离，经膜组件(B)分离后渗透侧获得的低沸点溶剂经真空泵(C)后收集；
若低沸点有机溶剂浓度高于其在共沸物中的浓度，则将混合物1送入膜组件(B)中进行分离，经膜组件(B)分离后截留侧的混合物3送入精馏塔(A)中进行进一步分离，在精馏塔(A)的塔釜得到的高沸点溶剂，塔顶产生的混合物2进入膜组件(B)进一步进行分离；膜组件(B)渗透侧获得的低沸点溶剂经真空泵(C)后收集。
2.根据权利要求1所述的节能型精馏-膜法耦合分离有机共沸体系的方法，其特征在于：精馏塔(A)塔顶不设置冷凝器。
3.据权利要求1所述的节能型精馏-膜法耦合分离有机共沸体系的方法，其特征在于：膜组件(B)所使用的膜为管式膜，中空纤维膜，平板膜和卷式膜中的至少一种；
优选：膜组件(B)所使用的是管式膜，所述管式膜分离层为内涂层或外涂层；内涂层使用时，管式膜内径为2-70mm，进一步优选管式膜内径为7-30mm；外涂层使用时，管式膜间距为2mm-60mm，进一步优选管式膜间距为4-40mm；
优选：膜组件(B)所使用的是中空纤维膜，其内径为0.2-3mm；进一步优选中空纤维膜内径为0.5-2mm；
优选：膜组件(B)所使用是平板膜，其间距为2mm-50mm；进一步优选平板膜间距为7-30mm；
优选：膜组件(B)使用的是卷式膜间距为2mm-30mm；进一步优选卷式膜间距为7-20mm。
4.根据权利要求1所述的节能型精馏-膜法耦合分离有机共沸体系的方法，其特征在于：节能型精馏-膜法耦合分离有机共沸体系的方法经过膜组件(B)冷凝后，回流到精馏塔(A)中的混合物的液相分率是20-100％；优选：经过膜组件(B)冷凝后，回流到精馏塔(A)中的混合物的液相分率是50-99％。
5.根据权利要求1所述的节能型精馏-膜法耦合分离有机共沸体系的方法，其特征在于：节能型精馏-膜法耦合分离有机共沸体系的方法在分离过程中，膜处理的量为混合物2质量流量的10％-95％；优选：在分离过程中，膜处理的量为混合物2质量流量的55％-90％。
6.根据权利要求1所述的节能型精馏-膜法耦合分离有机共沸体系的方法，其特征在于：所述的共沸有机溶剂混合物为C2-C10的醇类，酯类，酮类，烷烃类，酯类，水之间行成的多元共沸体系。
优选：所述的共沸有机溶剂混合物为C2-C8的醇类，酯类，酮类，烷烃类，酯类，水之间行成的二元共沸体系。
7.根据权利要求1所述的节能型精馏-膜法耦合分离有机共沸体系的方法，其特征在于：混合物(1)是存在共沸点的有机溶剂混合物并且高沸点溶剂在混合物中浓度为5-95wt％。
8.根据权利要求1所述的节能型精馏-膜法耦合分离有机共沸体系的方法，其特征在于：膜组件(B)的分离的温度为20～250℃，膜组件(B)原料侧的压力范围为1-5atm，膜组件(B)渗透侧的压力范围为300-15000Pa，优选：膜组件(B)渗透侧的压力范围为2000-10000Pa。
9.根据权利要求1所述的节能型精馏-膜法耦合分离有机共沸体系的方法，其特征在于：膜组件(B)中液体膜面流速为0.001-0.5m/s，优选0.015-0.1m/s；气体膜面流速为0.05-0.5m/s，优选气体膜面流速为0.1-0.15m/s。
10.一种用于实现权利要求1所述的节能型精馏-膜法耦合分离有机共沸体系的方法的装置，其特征在于：该装置包括精馏塔(A)，膜组件(B)，真空泵(C)，有机溶剂混合物1的输出端分别和精馏塔(A)的中部以及膜组件(B)的截留侧相连，膜组件(B)的截留侧与精馏塔(A)的中部相连，膜组件(B)的渗透侧与真空泵(C)相连。
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