CN111629801B - 用于模拟移动床分离单元的分散和收集装置 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种模拟移动床分离单元的流体分散和收集装置，该单元包括N个板，这N个板自身划分为子午线嵌板，装置使得有可能针对流体的每个部分维持近似相同的停留时间。

Description

用于模拟移动床分离单元的分散和收集装置

技术领域

本发明涉及一种用于在模拟移动床（缩写为SMB）中分离二甲苯的方法中引入和收集流体的装置以及使用所述方法的单元，更特别是大直径（D > 4 m）且具有许多分离级的单元，其中在两个级之间注入或抽取产物。

根据本发明的装置具有遵守停留时间这一区别性特征，该停留时间对于进入到分散通道中、穿过床且经由与分散通道对称的收集通道而排放的所有流体粒子来说或多或少是相等的。

背景技术

用于通过模拟移动床（在本文的剩余部分中缩写为SMB）进行分离的当前技术所使用的单元具有一定数目的共同特征：

-一连串吸附剂床，“泵循环（pump-around）”流在这些吸附剂床内流动。该泵循环流总体上代表传入的原料流量的若干次数（近似地在1.5次与6次之间）。

-系统，其用于注入原料和溶剂以及用于抽取流出物（被称为提取物和萃余物），

-收集和重新分散系统，其用于从一个床传递到下一个床。

在用于通过模拟移动床吸附进行分离的方法中，总体上存在位于一个或两个吸附塔中的多个床。位于每个床之间的是通过管线供应的分散器-混合器-提取器或“DME”嵌板（panel），所述管线通常具有“分散/提取蜘蛛形件”的形状。位于两个连续床之间的每个DME嵌板借助于一个或两个管线或网络而连接到外部，所述管线或网络通向阀，该阀接连地将每一个床置于与进入到吸附区段中或离开吸附区段的每一个料流的连通中。顺序地实施该操作，并且将结束时返回到初始床的时间称为循环时间，其为方法的重要元素。

例如，专利US2985589明确表明，每一个注入或抽取网络经由单一管线连接到阀，该阀接连地连接原料、提取物、溶剂、然后是萃余物。这种进行方式的缺点是极大地降低了方法的性能，这是因为每个料流因此受到共同管线的内容物的污染。因此，安装冲洗系统是必不可少的。

若干专利解释了如何实施这些冲洗操作，尤其是专利FR275188、FR2772634、FR2870751。

冲洗操作总体上被证实为在投入（附加的阀和管线）方面以及还有在操作成本（产量、生产力）方面是昂贵的。

“分散/提取蜘蛛形件”构成了吸附剂床内的障碍物，其干扰床中的流动。专利WO09133254示出了如何最小化障碍物对床中的流体动力学的影响。

Augier等人在2008（Separation and Purification Technology 63，第466至474页）的论文中评估了障碍物的成本。

发明内容

本发明可被定义为一种用于模拟移动床分离单元的分散和收集系统/装置，所述单元的直径大于4米，优先地大于7米，该单元包括被划分为由板N支撑的N个吸附剂床的至少一个分离塔，每个板N自身被划分为子午线嵌板，即，被划分为互相平行且邻接以便确保完全覆盖所述床的横截面的嵌板，并且每个嵌板由分散通道（4）馈送。

经由收集通道（8）发生从所述嵌板抽取流出物，包围每个嵌板的分散通道和收集通道的高度遍及该嵌板的整个长度而线性地变化，并且使得流体的每个部分在床中的入口速度从该嵌板的入口区段到该嵌板的其出口区段保持相同，并且使得在该嵌板的长度的任一点处截取的分散通道和收集通道的高度之和保持恒定。出于明晰通道的各种尺寸的目的，长度指代通道的对应于将通道的入口与其出口分离的距离的尺寸，通道的宽度指代垂直于长度的水平尺寸，并且高度指代垂直于长度的竖直尺寸。

更具体地，分散通道的高度从入口到出口线性地减小，并且收集通道的高度从入口到出口线性地增加。

在对应于嵌板长度上的标准点M的每个横坐标x处，分散通道和收集通道的高度之和是恒定的。

根据本发明的分散和收集系统使用在塔外部的周边导管（10），该周边导管使得有可能将板N的各种收集通道连接到板N+1的各种分散板，所述导管使得有可能实施原料和溶剂的注入以及萃余物和提取物的抽取。

在根据本发明的用于SMB分离单元的分散和收集系统的第一变型（在图2中所示）中，通过接连地划分为源自导管（10）的两个料流以便供应两个邻近嵌板的入口（14）来发生遍及床N的各个嵌板的流体分散，并且还通过两个两个地组合两个邻近嵌板的出口（13）从而馈送床N+1的导管（10）来发生从床N收集流出物。

在根据本发明的用于SMB分离单元的分散和收集系统的第二变型（在图3中所示）中，从直接供应每个嵌板的各个入口（14）的分散歧管（15）来发生遍及板N的各个嵌板的流体分散，并且借助于从每个嵌板的出口（13）回收流出物的收集歧管（16）而以相同方式直接发生从所述床N收集流出物。

本发明还涉及一种使用根据本发明的分散和收集装置的方法，在该方法中，借助于入口导管（14）将板N处的传入的流体引入到所述板N的每个嵌板中，每个入口（14）供应分散通道（4），该分散通道的高度在所述通道的入口处最大且在所述通道的出口处最小，流体的每个部分供应紧接地位于分散通道下方的颗粒床的一部分，并且流体的所述部分离开颗粒床以便进入到紧接地位于颗粒床下方的收集通道（8）中，所述收集通道在出口处具有其最大高度且在入口处具有其最小高度，出口流出物然后通过外周边导管（10）被回收，并且经由床N+1的入口（14）被重新引入到所述床N+1的分散通道中。

本装置特别应用于用于在模拟移动床中分离二甲苯的方法，该模拟移动床利用一定数目的床来操作，该数目在4与24之间且优先地在8与12之间。

附图说明

图1示出了3个接连的板的侧视图，这些板自上而下被标示为N-1；N和N+1。其使得有可能清楚地可视化分散通道（4）和收集通道（8），所述分散通道和收集通道关于彼此对称并通过壁（11）分离，其中流体从收集通道（8）的出口（7）返回到床N+1中的分散通道的入口（10）。

图2对应于沿着图1的线A-A的横截面。因此，其使得有可能可视化板并将该板划分为子午线嵌板以及还有通过元件（13）收集流体且通过元件（14）分散所述流体。通过元件（13）进行的收集被组合到两个料流中，然后在必要时进一步组合。类似地，可以通过若干次划分为源自导管（10）的两个主料流来实施通过元件（14）进行的分散。

图3示出了分散/收集系统的变型，其中由各个嵌板上的导管（13）收集的所有料流以歧管形式被吸取到单个导管（10）中，之后通过导管（14）以歧管形式重新分散到每个嵌板中。

图4是由数字模拟产生的可视化。其是嵌板沿着与图1的切割平面相同的切割平面的横截面图。进入分散通道中的入口是经由左上边缘。吸附剂床是在由点线描绘的两个格栅之间的区。收集通道的出口是经由右下边缘。灰度范围指代流体在床（M1）中的平均内部存留期（average internal age），其以秒为单位。

具体实施方式

本发明涉及一种可以适用于模拟移动床单元的装置，该装置使得有可能：

-确保完全地收集“泵循环”料流，以便免除冲洗操作；

-使床内的障碍物减到最少。“泵循环”是由本领域技术人员用来标示在整个塔中循环的流的术语。

在模拟移动床单元中，完全地收集“泵循环”料流是极为重要的问题，这是因为其使得有可能消除冲洗操作。

本发明中所描述的技术使用补偿收集区和分散区内的停留时间以便最小化差异（即，在单元中循环的流体随所述流体的起始点和结束点而变化的停留时间差）的原理。

此外，通过在收集区和分散区中以相同速度而非以相同通道高度工作来最小化床间体积。还通过堆叠床来最小化塔的总空间要求。因此，不存在特定的床间体积管理。

在导管（3）中收集源自床N-1（1）的流。

通过导管（2）的网络来实施注入或抽取。

分散通道（4）确保床N（在图1中由（6）标示）中的流通过格栅（5）均一地分散。

由收集通道（8）通过下格栅（7）来收集流。

在经由网络（9）注入或抽取之后，在导管（10）中收集所有的流以便将其重新注入到紧接地位于床N下方的床N+1中。

分离板（11）将收集通道与分散通道（4）分离。重要的是通过本领域技术人员所已知的任何手段来确保分离板（11）的平整度。例如，可将分离板（11）牢固地附接到下格栅（5）和上格栅（7）。

还有可能使用遍及嵌板的整个宽度延伸的拉杆，所述拉杆联结到梁或板，所述梁或板遍及收集通道和分散通道的高度来界定所述嵌板。

在分散通道（4）的入口处的高度由最大可允许排放速度限定，以免扰乱床的供应。通常，最大可允许排放速度在0.1 m/s与5 m/s之间，理想地在0.5 m/s与2.5 m/s之间。

分散通道（4）的横截面线性地减小，以便保证遍及通道的整个长度而几乎均一的速度，该速度等于该最大排放速度。速度的这种恒定性源自以下事实：流体的流量始终与入口横截面成比例，这在通道的每个入口横截面上都如此。

因此，分散通道的高度剖面是线性的，以便确保该比例性。

收集通道（8）和分散通道（4）从紧接地位于床N上方的分散通道（4）与紧接地位于床N下方的收集通道（8）相关联的意义上说是互补的。离开收集通道（8）的料流然后借助于导管（10）被发送到床N+1的分散通道中，该导管可以在图2中看到。

该导管（10）近似地遵循单元的圆柱形周界以便其处于适当位置以进入到床N+1的分散通道中。网络被确定尺寸使得最大排放速度不超过某个最大速度，一般地取在4 m/s与6 m/s之间（出于振动的原因）。

在子午线嵌板（12）中组织分散和收集。子午线嵌板被理解为意指以下事实：嵌板互相平行且邻接，以便确保完全覆盖单元的横截面。覆盖单元的横截面的嵌板的数目在2与12之间变化，优先地在4与8之间变化。

板优选地被组织在横截面为恒定的嵌板中。调节流量以便在床内具有相同速度。

导管（10）的外网络也被设计成既在构型1（图2）中又在构型2（图3）中以相同的停留时间（等值停留时间）操作。

构型1对应于离开每个嵌板的料流两个两个地组合。

构型2对应于离开每个嵌板的所有料流直接组合。

图2和图3中代表了这两个构型，图2和图3对应于沿着图1的A-A的横截面。

“网络”停留时间用于标示流体粒子从其离开塔的出口点到其进入塔中的入口点所花费的停留时间，并且这对于每一个嵌板都如此。

有可能在以下两者之间进行区分：

-收集侧网络停留时间，其为流体粒子从其自任何嵌板离开塔的出口点（13）到注入和抽取点（9）的停留时间，

-分散侧网络停留时间，其为流体粒子从注入和抽取点（9）到其进入塔中朝向任何嵌板的入口点（14）的停留时间。

在构型1中，以这样的方式组织网络（10）使得所有流体粒子具有：

-网络内的从每个嵌板的出口点（13）到全局性注入或抽取点（9）的相同的收集侧网络停留时间。也就是说，自任何嵌板离开塔的每个流体粒子花费相同的时间在网络内行进从其离开塔的出口点（13）到注入/抽取点（9）的距离。

-网络内的从全局性注入或抽取点（9）到每个嵌板（14）的入口点的相同的分散侧网络停留时间。也就是说，每个流体粒子花费相同的时间在网络内行进从注入/抽取点（9）到其进入塔中朝向任何嵌板的入口点（14）的距离。

可借助于1至6个出口（相应地入口）点来产生每个嵌板的出口（13）和每个嵌板的入口（14）。

导管（10）的外网络可以在收集区与分散区之间具有补偿的停留时间，如图3中所示，图3代表构型2中的图1的横截面A-A。

在构型2中，网络停留时间单独地在收集侧网络停留时间与分散侧网络停留时间之间不相同。换句话说，在构型2中，除了每个嵌板所固有的停留时间去同步之外，流体在嵌板之间也被去同步。各个嵌板的入口处的停留时间去同步对性能没有影响，这是因为：由于供应和收集通道的逆几何形状，性能通过由收集网络执行的相反去同步而得到补偿。

以这样的方式组织外网络（10）使得所有流体粒子从嵌板的出口点（13）到嵌板的入口点（14）均具有相同的停留时间，但取决于在全局性注入或抽取点（9）之前的停留时间（收集侧网络停留时间）与在总注入或抽取点（9）之后直至进入塔中的入口点（14）的停留时间（分散侧网络停留时间）之间的嵌板而以不同方式分散。

可借助于自入口点&至入口点来产生每个嵌板的入口（14）。

可借助于自1至6个出口点来产生每个嵌板的出口（13）。

根据本发明的示例

将直径为10米的模拟移动床吸附单元（或吸附器）划分为横截面等效的6个子午线嵌板，并且根据图1中所呈现的本发明的原理来供应。

每个床具有0.77米的高度。

分散通道（4）在最高点处（即，在流体的入口（14）处）具有19 cm的高度。然后，通道的高度随与入口壁（14）的距离而线性地减小。收集通道（8）与分散通道（4）严格地对称。其高度从图1中嵌板的左侧到右侧而增加。

利用计算流体力学软件FLUENT18.0所实施的模拟表明：入口区（3）与出口区（13）之间的停留时间的补偿原理正确地操作。该令人满意的操作由图4来图示。

图4是由该数字模拟产生的可视化。其为嵌板沿着图1的切割平面的横截面图。进入分散通道中的入口（14）是经由左上边缘。吸附剂床（6）是在由点线描绘的两个格栅（5）和（7）之间的区。离开收集通道的出口（13）是经由右下边缘。

图4示出了在包括分散通道、吸附剂床和收集通道的整个系统的任一点处的停留时间（或内部平均存留期，即，明显的流体粒子从入口到出口所流逝的时间）的映射。

在图中底部处所代表的灰度格栅指示了总停留时间在由黑色代表的0秒与由白色代表的大约28.3秒之间的变化。因此，在点（14）处刚好进入分散通道（4）的流体粒子具有接近0秒的停留时间，并且收集通道的起点被示为黑色，然后是深灰色。

相反地，当流体粒子在点（13）处的右下处离开收集通道（7）时，其停留时间为大约28.3秒，收集通道的终点被示为极浅灰色，然后是白色。

在床中，等值停留时间线（相同的停留时间的线）非为水平的。在床内的同一竖直侧上，在左侧靠近塔入口重新进入到床中的流体粒子在分散区中具有极短的停留时间，因此相比于在右侧重新进入到床中的粒子具有仍然较高的总停留时间，在右侧重新进入到床中的粒子在分散通道中具有较长的停留时间。然而，所有流体粒子在床中的停留时间均相同。

模拟表明，在出口处，在分散通道（4）中产生的停留时间差已通过以收集通道（8）中的停留时间变化来补偿它们而得到了弥补。停留时间剖面几乎垂直于出口通道和入口通道中的流动方向。

计算示出了大约2 s²的极小散布，其等效于大约2 mm的理论板当量高度。这在停留时间的均一性方面是优异的结果。

在Augier等人在2008年的论文中，找到了为吸附单元技术所特有的大约一厘米的HETP（理论板当量高度）。

可参考所引用的论文的第473页图9，其代表针对床内的各种液体表观速度的HETP。回顾在不存在吸附的情况下对应于不同技术的两种构型的曲线。估计值在12 cm与20cm之间。

因此，本发明关于可以归因于流体动力学的散布而具有5至10的比率的增益，本领域技术人员知道该增益直接影响方法的性能。

Claims (7)

1.一种用于模拟移动床分离单元的分散和收集装置，所述单元的直径大于4米，所述单元包括被划分为N个吸附剂床的至少一个塔，每个床被划分为子午线嵌板，即，被划分为互相平行且邻接以便确保完全覆盖所述床的横截面的嵌板，所述分散和收集装置包括分散通道（4）和收集通道（8），并且每个嵌板由分散通道（4）馈送，并且经由收集通道（8）发生从所述嵌板抽取流出物，其特征在于，包围每个嵌板的所述分散通道（4）和所述收集通道（8）的高度遍及所述嵌板的整个长度而线性地变化，并且使得流体的每个部分在所述床中的入口速度从所述嵌板的入口区段到所述嵌板的其出口区段保持相同，并且使得在所述嵌板的长度的任一点处截取的所述分散通道和所述收集通道的高度之和保持恒定。

2.根据权利要求1所述的用于模拟移动床分离单元的分散和收集装置，其包括外周边导管，其中，借助于在所述塔外部的周边导管，来进行所述流体从板N传递到下一个板N+1，并且所述周边导管使得有可能将所述板N的各种收集通道连接到所述板N+1的各种分散板，所述导管使得有可能实施原料和溶剂的注入以及提取物和萃余物的抽取。

3.根据权利要求2所述的用于模拟移动床分离单元的分散和收集装置，其中，通过接连地划分为源自所述外周边导管（10）的两个料流以便供应邻近嵌板的一组两个入口（14）来发生遍及各个嵌板分散所述流体，并且还通过两个两个地组合两个邻近嵌板的所述出口（13）从而馈送所述床N+1的所述外周边导管（10）来发生从所述床N收集所述流出物。

4.根据权利要求1所述的用于模拟移动床分离单元的分散和收集装置，其包括分散歧管（15）和收集歧管（16），其中，从直接供应每个嵌板的各个入口（14）的分散歧管（15）来发生遍及各个嵌板分散所述流体，并且借助于从每个嵌板的所述出口（13）回收所述流出物的收集歧管（16）而以相同方式直接发生从所述床N收集所述流出物。

5.一种使用根据权利要求1至4中任一项所述的分散和收集装置的方法，其中，借助于入口导管将传入的流体引入到所述板N的每个嵌板中，每个入口（14）供应分散通道（4），所述分散通道的高度在所述通道的入口处最大且在所述通道的出口处最小，流体的每个部分供应紧接地位于所述分散通道下方的颗粒床的一部分，并且流体的所述部分离开所述颗粒床以便进入到紧接地位于所述颗粒床下方的所述收集通道（8）中，所述收集通道在所述出口处具有其最大高度，出口流出物然后通过外周边导管（10）被回收，并且经由所述床N+1的所述入口（14）被重新引入到所述床N+1的所述分散通道中，所述方法的特征在于：对于流体的每个部分来说，流体的每个部分从所述板N的所述入口到所述板N的所述出口所花费的停留时间相同，并且外周边导管（10）不向该停留时间增加任何散布。

6.一种分散和收集装置对用于在模拟移动床中分离二甲苯的方法的应用，其特征在于，所述分散和收集装置是根据权利要求1所述的分散和收集装置，所述模拟移动床利用一数目的床来操作，所述数目在4与24之间。

7.根据权利要求6所述的应用，所述床的数目在8与12之间。

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