CN110180205B - 一种新型内部能量集成的精馏塔系统配套装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种新型的内部能量集成的精馏塔系统，包括原料预热器、塔顶冷凝器、开车加热器、塔底换热器、精馏塔、压缩机、塔顶回流罐、塔底缓冲罐、回流泵、塔底采出泵、塔底节流阀，其中能量集成精馏塔由N个塔节同轴密封连接而成，N≥1；塔节内形成互相气密分隔的提馏段和精馏段；本精馏塔装置采用了复合型耦合结构，使得精馏段和提馏段耦合在一起，强化了传质和传热的效果，降低了理论设计的精馏塔高度，节省了成本，降液管和管束之间，增加了精馏段和提馏段的换热面积，强化了换热效果、节省能耗，操作简单，安全可靠。

Description

一种新型内部能量集成的精馏塔系统配套装置及方法
技术领域
本发明专利涉及一种新型内部能量集成的精馏塔，属于石油、化工技术领域。
背景技术
精馏技术是化工领域中应用最为广泛的单元操作，虽有许多优点，但同时也是工业过程中能耗和投资较高的部分，在化工等行业中，其能耗占全过程总能耗的一半以上。常规的精馏塔都是从塔顶冷凝器取走热量，同时向塔釜再沸器供给热量，通常塔顶冷凝器取走的热量是塔釜再沸器加入热量的90％左右，能量利用很不合理，普通精馏装置耗能耗极大。内部热集成精馏塔(InternallyHeat IntegratedDistillationColumn，简称HIDiC)是近年来国际上研究活跃的新型精馏技术，它结合了热泵精馏和透热精馏节能的特点。HIDiC是根据精馏过程同时要消耗加热量和冷凝量的特点，通过压缩机和节流阀将精馏塔的精馏段与提馏段进行热量的集成。提馏段塔顶蒸汽经压缩机加压升温后进入精馏段塔底部，精馏段塔底回流液经节流阀减压后回到提馏段塔顶部。HIDiC的两塔段对应的换热塔板间通过塔壁或换热板进行热量交换，使精馏段蒸汽在上升过程中不断冷凝，提馏段回流液在回流过程中不断蒸发，这样精馏段的冷凝器和提馏段再沸器的热负荷会大幅减小，甚至为零。
发明内容
本发明的目的是解决现有精馏分离沸点相近、运行费用高、能耗较大以及如何把高压精馏段和常压提馏段耦合在一起等问题，提供一种新型的内部能量集成的精馏塔以及方法。
本发明通过以下的技术方案加以实现：
本发明专利的优点为：
本内部能量集成的精馏塔塔节采用了复合型耦合结构，使得精馏段和提馏段耦合在一起，强化了传质和传热的效果，降低了理论设计的精馏塔高度，节省了成本，降液管和管束之间，增加了精馏段和提馏段的换热面积，节省能耗。与此同时，每个理论级的塔节用法兰连接，便与组装，操作较为简洁，方便精馏塔内部结构的优化和冷模热模实验的检测。
内部能量集成精馏塔节将外塔盘板(提馏段塔盘板)加厚，分成上下两块板，形成内部空间，筛孔用圆管代替，外塔盘的上下两块板、降液管、筛孔管以及塔壁满焊后形成封闭的空间，上下两块板中间嵌入精馏段塔盘，保证每个塔节之间有两个不相连通的空间，即加压的精馏段空间和常压的提馏段空间，使得精馏和段提馏段保持一定的压差和温差，有利于稳态传质和传热。
内部能量集成精馏塔节巧妙的将精馏段的塔盘嵌入提馏段塔盘板中，形成了内塔盘和外塔盘的组合结构，使提馏段的筛孔(圆管)、提馏段塔盘板的上下表面和提馏段降液管都成为传热面，能够有效的将精馏段的热量传入提馏段，实现了逐板传热的目标。进料与精馏塔底部出来的物料一起进入提馏段顶部，提馏段的液体与精馏段温度较高的汽体在每个塔节进行热交换，提馏段液体中的轻组分受热挥发，精馏段汽体中的重组分预冷凝结，每个塔节都能够实现传质、传热。
该内部能量集成的精馏塔系统与现有技术相比，本发明与普通精馏相比，只需增设一套热泵系统，通过消耗少量的电能，即可回收塔顶蒸汽的冷凝潜热，有效提高热量利用效率，降低了塔釜热公用工程和塔顶冷公用工程消耗，达到节能降耗的目的。本发明不需要更多的塔器设备投资，通过精馏塔提馏段和精馏段偶合在一起，之间由于操作压力不同而实现热交换，系统相对简单，投资较小。
本发明通过设置开车加热器为精馏塔开车，通过导热油系统提供热量，通过在塔顶冷却器旁设置旁通，提高了系统的操作弹性将塔顶蒸汽潜热进行充分利用。
这种结构一方面将精馏段塔顶蒸汽的余热充分利用回收；另一方面两塔段间的透热使得各塔板的传质推动力被一定程度的平均化，提高了精馏塔的热力学效率。因此该技术具有极大的节能效率，与常规蒸馏塔相比节省的能耗可达 30％～60％，这是迄今所知节能幅度最大、最先进的精馏技术。
附图说明
图1为本发明内部能量集成的精馏塔结构示意图；
图2是本发明内部能量集成精馏塔塔节结构示意图；
图1中F1-进料；E1-原料预热器；E2-塔顶冷凝器；E3-开车加热器；E4-塔底换热器；T-能量集成精馏塔；T1～T4-精馏塔塔节；C1-压缩机；V1-塔顶回流罐；V2-塔底缓冲罐；P1-回流泵；P2-塔底采出泵；LV3塔底节流阀；LV1回流控制阀；LV2塔底液位控制阀。
图2中，1-提馏段外塔盘；2-外降液管；3-塔壁；4-进料挡板；5-内塔板筛孔；6-液相进口；7-气相进口；8-塔节下部法兰；9-塔节上部法兰；10-外塔盘筛孔；11-气相出口；12-溢流堰；13-精馏段内塔盘；14-内降液管；15-液相出口。
具体实施方式
本发明的内部能量集成的精馏塔适用于所有的内部能量集成的精馏塔和内部热集成过程。下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案进行详细说明，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
一种新型的内部能量集成的精馏塔系统，包括原料预热器、塔顶冷凝器、开车加热器、塔底换热器、精馏塔(能量集成式)、压缩机、塔顶回流罐、塔底缓冲罐、回流泵、塔底采出泵、塔底节流阀，其中能量集成精馏塔由N(N≥1) 个塔节同轴密封连接而成。
精馏塔(能量集成式)的N(N≥1)个塔节连接关系为：相邻塔节之间通过法兰密封同轴连接，相邻塔节的气相出口11通过管道连接上一塔节的气相进口7，相邻塔节液相出口15通过管道密封连接下一塔节的液相进口6。
进料管通F1过原料预热器E1连接精馏塔顶部塔节进料口，第一塔节T1(塔顶塔节以下算第一)的气相出口11通过塔顶冷凝器E2连接塔顶回流罐V1入口，塔顶回流罐V1出口通过回流泵P1连接第一塔节T1的液相进口6。
所述精馏塔顶部塔节汽相出口通过管道与压缩机C1入口密闭连接，压缩机出口与第N塔节(T4)的气相进口7密封连接；第N塔节(T4)的液相出口15 通过塔底换热器E4连接塔底缓冲罐V2入口，塔底缓冲罐V2出口通过塔底节流阀LV3连接原料预热器E1。
所述塔底换热器E4壳程入口与精馏段塔底物料紧密连接，塔底换热器壳程出口与塔底缓冲罐入口通过管道连接，管程入口与精馏塔塔底密闭连接，管程出口与精馏塔下部的另一侧汽相口连接。
所述塔底缓冲罐V2底部液相出料口与塔底节流阀LV3连接，塔底节流阀出口与原料预热器E1壳程入口连接，所述塔顶冷凝器E2管程入口与精馏塔第一塔节的气相出口11紧密连接，塔顶冷凝器E2管程出口与塔顶回流罐V1入口通过管道连接，通过回流泵P1一部分打入塔内，一部分作为塔顶采出。
进料管道通过原料预热器与精馏塔塔底物料进行热量交换，换热后一起打入内部能量集成的精馏塔顶部塔节的进料口。开车加热器E3壳程与外源导热油管道连接，由导热油辅助加热，缓慢升温，开车加热器管程与内部能量集成精馏塔塔釜密闭连接，实现换热。
本申请中所述精馏塔(能量集成式)塔节的结构为：包括塔节塔壁3，塔壁两侧端部制有连接法兰8和9，在塔壁两侧设置上提馏段外塔盘1和下提馏段外塔盘，上、下提馏段外塔盘均布外塔盘筛孔10，上、下提馏段外塔盘筛孔之间密封连通连接换热管，在上、下提馏段外塔盘之间连通有外降液管2，上提馏段外塔盘1和下提馏段外塔盘与换热管之间形成相对于塔壁的密封结构，形成提馏段。在塔壁中部的换热管直接的空隙内之间共同水平同轴安装一精馏段内塔盘 13，精馏段内塔盘均布内塔板筛孔5，在精馏段内塔盘一侧设置内降液管14，在精馏段内塔盘上部的塔壁侧壁制有气相出口11和液相进口6，在精馏段内塔盘下部的塔壁侧壁制有气相进口7和液相出口15。液相进口内部设置进料挡板4，防止气体溢出，在精馏段内塔盘设置溢流堰12，溢流堰维持板上液层及使液体均匀溢出。
所述内部能量集成的精馏塔塔节采用内部封闭的形式，提馏段在内,精馏段在外部，精馏段和提馏段内部不串压。所述的精馏段包括内塔盘、进料挡板、液相进口、液相出口、气相进口、气相出口、内降液管。所述的塔节提馏段包括外塔盘，换热列管、外降液管、溢流堰。所述的塔盘根据分离要求开孔率不同，换热列管公称直径不同，换热列管形式可以是圆筒形或者环形波纹管的形式。
图2为本发明装置中内部热集成塔塔节结构示意图，内部能量集成的精馏塔塔节采用了复合型耦合结构，巧妙的将精馏段的塔盘嵌入提馏段塔盘板中，形成了内塔盘和外塔盘的组合结构，使提馏段的筛孔(换热管圆管)、提馏段塔盘板的上下表面和提馏段降液管都成为传热面，能够有效的将精馏段的热量传入提馏段，实现了逐板传热的目标。进料与精馏塔底部出来的物料一起进入提馏段顶部，提馏段的液体与精馏段温度较高的汽体在每个塔节进行热交换，提馏段液体中的轻组分受热挥发，精馏段汽体中的重组分预冷凝结，每个塔节都能够实现传质、传热。
其中，精馏塔段为外塔段，提馏塔段为内塔段。精馏塔段的操作压力和温度高于提馏塔段的操作压力和温度，因此两塔段间存在内部热交换，热量经换热从精馏塔段传递给提馏塔段，经两塔段间的内部热集成，可以减小精馏塔段所需的塔顶冷凝负荷和提馏塔段所需的塔釜热负荷。
本内部能量集成精馏塔的精馏操作方法为，压缩机的操作压缩比为3-6，用于提供充足热量满足内部能量集成的精馏塔精馏段和提馏段的换热要求，工作温度为130-160℃。所述的精馏塔提馏段工作压力为lbar，提馏段工作压力为3-8bar，精馏塔回流比为0.6-2。
通过如下具体装置实现分离流程为：进料(F1)与精馏塔塔底物料进行热量交换后一起打入内部能量集成的精馏塔提馏段第一块塔节(T1)的顶部，所述精馏塔(T)塔顶汽相口通过管道与压缩机(Cl)入口密闭连接。所述的开车加热器 (E3)壳程与外源导热油管道连接，由导热油辅助加热，缓慢升温，管程与内部能量集成精馏塔(T)塔釜密闭连接。所述塔底换热器(E4)壳程入口与精馏段塔底物料紧密连接，壳程出口与塔底缓冲罐(V2)入口通过管道连接，管程入口与精馏塔(T)塔底密闭连接，管程出口与精馏塔(T)下部的另一侧汽相口连接。所述塔底缓冲罐(V2)底部液相出料口与塔底节流阀(LV3)连接，塔底节流阀(LV3)出口与原料预热器(El)壳程入口连接，预热器所述塔顶冷凝器(E2)管程入口与内部能量集成的精馏塔(T)第一块塔节(T)的气相出口紧密连接，管程出口与塔顶回流罐(V1)入口通过管道连接，通过回流泵(P1)一部分打入塔内，一部分作为塔顶采出。
内部能量集成的精馏塔系统启动时，由导热油系统加热开车加热器(E3)，为精馏塔(T)提供热能，精馏塔(T)塔顶有蒸汽产生后，先放空一会，然后升压，开启压缩机(C1)，经压缩机压缩后，出口蒸汽的压力、温度升高，蒸汽进入精馏塔精馏段换热，之后从精馏段塔顶经塔顶冷凝器(E2)蒸汽冷凝为液体，之后经回流泵(P1)先打全回流。然后内部能量集成精馏塔系统打入进料建液位到 40％，系统整体预热升温，先打开放空阀，当提馏段温度温度和梯度稳定后关掉放空，系统缓慢升压，直到精馏塔精馏段压力稳定，温度温度和梯度稳定达到要求，关闭辅助升温系统和导热油系统，旁通掉塔顶冷凝器(E2)，由塔内自身的温度差传热分离，系统稳定后塔顶和塔底采出物料，收集产品。
在提馏段(常压段)，待分离物料A通过进料挡板进入提馏段外塔盘1，与塔釜加热上升的气相接触传质传热后液相经过外降液管2下降至下一块塔盘的外塔盘，在液体下降过程中，外降液管与精馏段完成换热。经多级传质和热量交换后，重组分从塔底采出。汽相沿着提馏段管束(筛孔)逐级上升到塔顶，汽相经压缩机加压升温后进入精馏段底部汽相入口。
在精馏段(加压段)，压缩气体由气相进口7进入到精馏段，气相上升过程中与提馏段外降液管、提馏段管束交换热量，上升经过精馏段内塔盘13，与精馏段液相在筛孔塔盘上进行质量传递和热量传递，沿着精馏段汽相出口11到上一层塔板的精馏段汽相入口直到精馏段顶部，汽相经塔顶冷凝器冷凝后轻组分部分回流部分采出。每层塔节中的液相沿着内降液管14下降进入到下一节塔节的液相进口6，经内塔盘13进行质量传递和热量传递，然后沿内降液管下降14由液相出口15进入到下一节塔节的液相进口直到精馏段底部采出与进料混合进入提馏段顶部。
实施例1
精馏塔分离BTX物系苯和甲苯，采用本发明所述流程，内部能量集成的精馏塔提馏段顶部进料，特征为苯和甲苯进料质量流量100kg/hr，甲苯进料质量流量100kg/hr，饱和液体进料，进料压力为1bar，精馏段理论板数为10块，工作压力4bar，提馏段工作压力为1bar，工作压力为1bar，进料位置为内部能量集成精馏塔提馏段第一块塔板，回流比1.16，塔顶气体温度为90℃，经压缩后，其压力为4bar，压缩机出口温度为145℃。装置启动时，塔底换热器热负荷 17.35KW/hr，压缩机功率10.5kw，塔顶蒸汽冷凝潜热13.99KW。每个理论板交换的热通量为730.86kcal/hr.m2.k在相同分离效果下，稳定情况下，过程只有压缩机消耗电能，即可将塔顶蒸汽冷凝潜热回收，节省能量31.34KW。塔顶采出苯产品量为90kg/hr，产品纯度为99.4％，塔底采出甲苯产品量为100kg/hr，产品纯度为99.3％。
实施例2
整体流程与实施例1相同，但不同之处在于:苯和甲苯进料质量流量1000 kg/hr，甲苯进料质量流量1000kg/hr，饱和液体进料，进料压力为1bar，精馏段理论板数为10块，工作压力5bar，提馏段工作压力为1bar，工作压力为1bar，进料位置为内部能量集成精馏塔提馏段第一块塔板，回流比0.986，塔顶气体温度为90℃，经压缩后，其压力为5bar，压缩机出口温度为155℃。装置启动时，塔底换热器热负荷145KW/hr，压缩机功率105.2kw，塔顶蒸汽冷凝潜热120.6KW。每个理论板交换的热通量为730.86kcal/hr.m2.k在相同分离效果下，稳定情况下，过程只有压缩机消耗电能，即可将塔顶蒸汽冷凝潜热回收，节省能量265KW。塔顶采出苯产品量为1000kg/hr，产品纯度为99.5％，塔底采出甲苯产品量为 1000kg/hr，产品纯度为99.4％。

Claims (9)

1.一种新型的内部能量集成的精馏塔系统，其特征在于：包括原料预热器、塔顶冷凝器、开车加热器、塔底换热器、精馏塔、压缩机、塔顶回流罐、塔底缓冲罐、回流泵、塔底采出泵、塔底节流阀，其中能量集成精馏塔由N个塔节同轴密封连接而成，N≥1；
精馏塔的N个塔节连接关系为：相邻塔节之间通过法兰密封同轴连接，相邻塔节的气相出口通过管道连接上一塔节的气相进口，相邻塔节液相出口通过管道密封连接下一塔节的液相进口；塔节内形成互相气密分隔的提馏段和精馏段；
进料管通过原料预热器连接精馏塔顶部塔节进料口，第一塔节的气相出口通过塔顶冷凝器连接塔顶回流罐入口，塔顶回流罐出口通过回流泵连接第一塔节T1的液相进口；
所述精馏塔顶部塔节汽相出口通过管道与压缩机入口密闭连接，压缩机出口与第N塔节的气相进口密封连接；第N塔节的液相出口通过塔底换热器连接塔底缓冲罐入口，塔底缓冲罐出口通过塔底节流阀连接原料预热器；
所述塔节的结构为：包括塔节塔壁，塔壁两侧端部制有连接法兰，在塔壁两侧设置上提馏段外塔盘和下提馏段外塔盘，上、下提馏段外塔盘均布外塔盘筛孔，上、下提馏段外塔盘筛孔之间密封连通连接换热管，在上、下提馏段外塔盘之间连通有外降液管，上提馏段外塔盘和下提馏段外塔盘与换热管之间形成相对于塔壁的密封结构，形成提馏段；
在塔壁中部的换热管直接的空隙内之间共同水平同轴安装一精馏段内塔盘，精馏段内塔盘均布内塔板筛孔，在精馏段内塔盘一侧设置内降液管，在精馏段内塔盘上部的塔壁侧壁制有气相出口和液相进口，在精馏段内塔盘下部的塔壁侧壁制有气相进口和液相出口，形成精馏段。
2.根据权利要求1所述的新型的内部能量集成的精馏塔系统，其特征在于：所述塔底换热器壳程入口与精馏段塔底物料紧密连接，塔底换热器壳程出口与塔底缓冲罐入口通过管道连接，管程入口与精馏塔塔底密闭连接，管程出口与精馏塔下部的另一侧汽相口连接。
3.根据权利要求1所述的新型的内部能量集成的精馏塔系统，其特征在于：所述塔底缓冲罐底部液相出料口与塔底节流阀连接，塔底节流阀出口与原料预热器壳程入口连接，所述塔顶冷凝器管程入口与精馏塔第一塔节的气相出口紧密连接，塔顶冷凝器管程出口与塔顶回流罐入口通过管道连接。
4.根据权利要求1所述的新型的内部能量集成的精馏塔系统，其特征在于： 液相进口内部设置进料挡板。
5.根据权利要求1所述的新型的内部能量集成的精馏塔系统，其特征在于：在精馏段内塔盘设置溢流堰。
6.根据权利要求1所述的新型的内部能量集成的精馏塔系统，其特征在于：所述内部能量集成的精馏塔塔节采用内部封闭的形式，提馏段在内，精馏段在外部，精馏段和提馏段内部不串压。
7.根据权利要求1所述的新型的内部能量集成的精馏塔系统，其特征在于：
所述的提馏段具有板式塔结构，换热列管可采用圆筒形或者环形波纹管的形式。
8.根据权利要求1所述的新型的内部能量集成的精馏塔系统，其特征在于：所述的压缩机的操作压缩比为3-6，用于提供充足热量满足内部能量集成的精馏塔精馏段和提馏段的换热要求，工作温度为130-160℃。
9.根据权利要求1所述的新型的内部能量集成的精馏塔系统，其特征在于：所述的精馏塔提馏段工作压力为lbar，提馏段工作压力为3-8bar，精馏塔回流比为0. 6-2。
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