CN112245955A - 用于在包括间接热泵的精馏设备中蒸馏粗组分的工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于提纯粗组分的工艺，其包括所述粗组分在精馏设备中的精馏，所述精馏设备包括精馏塔，所述精馏塔包括用于冷凝头部馏分的顶部冷凝器和用于蒸发底部馏分的再沸器，其中所述头部馏分的温度与所述底部馏分的温度之间的差为最多20°C，其中热泵在所述顶部冷凝器和所述再沸器之间操作，其中所述热泵与所述工艺完全分离以防止任何污染，并且其中所述热泵是间接热泵并且以水或甲醇作为制冷剂来操作。

Description

用于在包括间接热泵的精馏设备中蒸馏粗组分的工艺

技术领域

本发明涉及一种用于提纯粗组分的工艺，其包括粗组分在精馏设备中的蒸馏或精馏，所述精馏设备包括在精馏设备的顶部冷凝器和再沸器之间操作的热泵。

背景技术

精馏是借助于选择性沸腾和冷凝从液体混合物分离成分的众所周知的工艺，其基于利用混合物的成分的挥发性的差异。精馏被广泛用于例如化学和石油化学工业中。在精馏期间，在精馏塔（rectification column）的贮槽处收集的液体馏分在再沸器中连续蒸发，而在精馏塔的头部处收集的蒸汽馏分在冷凝器中连续冷凝。

为了减少所述工艺的能量消耗，即，为了改善所述工艺的能量平衡，有时可以使用直接热泵。在此布置中，在蒸汽头部馏分的冷凝期间在冷凝器中产生的热的一部分用于蒸发再沸器中的液体贮槽馏分。这可以通过以下步骤实现：取出蒸汽头部馏分，将其引至压缩机，其在压缩机中被压缩，并且然后将其从压缩机引至再沸器，经压缩的蒸汽头部馏分在再沸器中通过将热传递到贮槽馏分而冷凝，其从而被蒸发。然而，此工艺具有如下主要缺点：蒸汽头部馏分必须进入压缩机，这可能导致蒸汽头部馏分（即，精馏工艺的分离产物）的轻微污染。然而，对于通过精馏提纯的多个物质，针对所述物质的后续施用需要非常高程度的纯度。例如，硅烷（例如甲基氯硅烷（methylchlorosilane），例如甲基三氯硅烷（methyltrichlorosilane））用于聚合工艺中并且需要非常纯净，因为否则会导致质量问题。

为了避免此类缺点，已经提出使用间接热泵。此间接热泵可以按与在制冷单元中发现的类似方式使用，并且可以与氨或其它化学物质一起作为制冷剂操作。然而，常用的制冷剂是昂贵的，尤其是考虑到在大型工业系统（例如精馏设备）中所需的大量库存。此外，常用制冷剂的蒸发焓相当低，这就是为什么必须使用相当大质量流率的原因。另一个特别挑战是针对精馏工艺经济地实现此间接热泵，而精馏塔的底部温度和头部温度之间的差（即，头部馏分的露点和底部馏分的沸点之间的差）很关键并且必须相当低，例如在硅烷（例如甲基氯硅烷，例如甲基三氯硅烷）的精馏的情况下。

发明内容

鉴于此，本发明的目的是提供一种借助于精馏来提纯粗组分的工艺，其通过在蒸汽头部馏分冷凝器和贮槽馏分再沸器之间利用热泵而在电池极限方面具有减少的能量需求，其需要具有相当低投资成本并且特别适于精馏工艺的精馏设备，其中，精馏塔的底部温度和头部温度之间的差例如在硅烷（例如甲基氯硅烷，例如甲基三氯硅烷）的精馏中相当低，但是仍然导致具有非常高程度的纯度的精馏产物。

根据本发明，此目的通过提供一种用于提纯粗组分的工艺来满足，其包括所述粗组分在精馏设备中的精馏，所述精馏设备包括精馏塔，所述精馏塔包括用于冷凝头部馏分的顶部冷凝器和用于蒸发底部馏分的再沸器，其中所述头部馏分的温度与所述底部馏分的温度之间的差为最多20°C，并且其中热泵在所述顶部冷凝器和所述再沸器之间操作，其中所述热泵是间接热泵并且以水或甲醇作为制冷剂来操作。

此解决方案基于如下令人惊讶的发现：通过在精馏设备的顶部冷凝器和再沸器之间操作间接热泵，并且通过在间接热泵中使用水或甲醇作为制冷剂，提供一种用于提纯粗组分的工艺，其具有显著减少的能量消耗，这特别适于精馏工艺，其中，精馏塔的底部温度和头部温度之间的差例如在硅烷（例如甲基氯硅烷，例如甲基三氯硅烷）的精馏中相当低，并且这允许获得具有非常高程度的纯度的精馏产物，因为在精馏工艺流（例如蒸汽头部馏分）和热泵的流体（例如制冷剂）之间无接触。因此，与使用直接热泵不同，可靠地避免热泵的压缩机中的蒸汽头部产物的污染，因为间接热泵不通过蒸汽头部产物、而是通过不同制冷剂（即，通过水或甲醇）操作。由于水和甲醇两者都具有相当高的蒸发焓，因此相当低质量流率在热泵中便足够，因此可以使用相当紧凑且成本有效的热泵。由于相同原因，通过水或甲醇操作的间接热泵特别适用于在精馏工艺中提纯粗混合物，其中，头部馏分的温度与底部馏分的温度之间的差为最多20°C。因此，根据本发明的工艺特别适于提纯粗组分，其包括硅烷（例如甲基氯硅烷，例如特别是甲基三氯硅烷）作为待提纯的成分。

根据本发明，术语间接热泵意味着热泵，其中使用制冷剂，所述制冷剂并不源自精馏工艺（即，热泵），其中不使用在精馏工艺中获得的馏分（例如蒸汽头部馏分）作为制冷剂。

根据本发明，间接热泵以水或甲醇作为制冷剂来操作。制冷剂优选地由水或甲醇组成，即，并不包含任何其它物质，除了微量的所吸收的气体。

优选地，间接热泵通过水来操作。这是有利的，因为水无毒，并且此外适用于以75至200°C的范围内的温度操作的精馏。

根据本发明的工艺需要大量理论阶段，并且因此必须在长精馏塔中实现。因此，塔中的压力降和分离任务暗示精馏塔的顶部和底部之间的大温度差。然而，在本发明中已经令人惊奇地发现，此工艺特别适于精馏塔的头部馏分的温度和底部馏分的温度之间的差为最多20°C、更优选地最多15°C、并且最优选地最多10°C的精馏。

特别地，本发明适用于精馏，其中底部馏分或贮槽馏分的温度分别为80°C至150°C、更优选地85°C至105°C、并且甚至更优选地90至100°C。

根据本发明的构思的进一步扩展提出，在所述工艺期间，头部馏分的温度为至少65°C至130°C、更优选地75°C至95°C、并且甚至更优选地80至90°C。

如上文所指示的，本发明的工艺特别合适，并且因此优选地用于提纯硅烷、更优选地用于提纯甲基氯硅烷、并且最优选地用于提纯甲基三氯硅烷。甲基三氯硅烷的蒸馏需要非常高的纯度，并且操作温度在上述范围内。

为了容易地使间接热泵与精馏设备联接，特别优选地，顶部冷凝器和再沸器中的至少一者、并且更优选地两者是管壳式装置。这允许简单地使间接热泵与顶部冷凝器和再沸器联接，例如通过借助于间接热泵的制冷剂操作顶部冷凝器的管侧以及再沸器的壳侧，而借助于精馏塔的蒸汽头部馏分来操作顶部冷凝器的壳侧，并且借助于精馏塔的底部馏分来操作再沸器的管侧。

当顶部冷凝器是管壳式降膜蒸发器时，特别地获得良好结果。在降膜蒸发器的工艺侧上，精馏的头部馏分的蒸汽被冷凝，而在实用侧上，热传递液体（水或甲醇）被蒸发。因此，顶部冷凝器也是蒸发器。降膜蒸发器的使用允许跨越管以比常规热虹吸管蒸发器更低的温度差来操作。然而，降膜蒸发器的投资成本、并且随之资本支出稍微增加。然而，从而显著减少压缩成本、并且随之操作成本，使得在总体上，降膜蒸发器的使用减少在根据本发明的工艺中使用的精馏设备的总成本。优选地，在所述工艺期间，降膜蒸发器的壳侧和管侧之间的平均温度差在2°C和25°C之间、并且更优选地在5°C和12°C之间。

与之类似，特别优选地，精馏塔的底部处的再沸器为管壳式降膜蒸发器。优选地，在所述工艺期间，再沸器的壳侧和管侧之间的平均温度差在2°C和25°C之间、并且更优选地在5°C和12°C之间。

优选地，间接热泵包括连接顶部冷凝器的管侧与再沸器的壳侧的蒸汽管线以及连接再沸器的壳侧与顶部冷凝器的管侧的冷凝物管线，其中蒸汽管线包括压缩机，并且冷凝物管线包括膨胀阀。

根据本发明的另一特别优选的实施例，间接热泵的压缩机包括一个或更多个涡轮风扇。有利地，使用一个或更多个涡轮风扇允许显著减少压缩机成本，因为其比常用的涡轮压缩机便宜得多。根据限定为压缩机下游的压力除以涡轮风扇的压缩机上游的压力的压力比，两个、三个或更多个涡轮风扇可以串联安装。因此，优选地，压缩机包括1至5个、并且更优选地2至4个串联的涡轮风扇。

根据本发明的另一特别优选的实施例，热泵包括修整冷凝器（trim condenser），其优选地位于压缩机的上游并且与顶部冷凝器串联。修整冷凝器的使用是优选的，因为热泵在精馏中的能量平衡通常需要额外冷却来去除由热泵固有效率导致的多余能量。在现有技术中，如果存在，修整冷凝器通常安装在压缩机的下游，以便增加关于制冷剂的平均温度差，并且从而降低修整冷凝器的所需表面面积。然而，在本发明中已经发现，更经济地是将修整冷凝器放置在压缩机的上游，而非像往常一样在压缩机的下游。即使针对上游布置需要修整冷凝器的较大表面，待在修整冷凝器中压缩的蒸汽的流率也显著较小，使得减少精馏设备的操作成本、并且因此总成本。

在本发明的构思的进一步扩展中提出，精馏设备包括入口管线和出口管线，其中所述入口管线连接顶部冷凝器的管侧与修整冷凝器，并且所述出口管线连接修整冷凝器与冷凝器的管侧，使得剩余蒸汽被送到修整冷凝器并且在其中冷凝，并且冷凝物被送回到顶部冷凝器。

根据本发明的另一特别优选的实施例，水或甲醇的小液滴被分别喷洒或喷射到流过压缩机的蒸汽中，以便在压缩之后降低蒸汽的温度。压缩导致压缩机的下游的蒸汽的过度加热，对于再沸器，这是问题，特别是如果在使用降膜蒸发器作为再沸器的情况下，这对于冷却过度加热的蒸汽不是非常有效。同样优选地，在较低温度下运行蒸汽，因为在针对较高设计温度来工程设计压缩机时，压缩机的成本增加。因此，优选地，分别将水或甲醇分别喷洒或喷射到经压缩的蒸汽中。水或甲醇的液体温度分别应该优选地处于或接近于其沸点。然后，分别喷洒或喷射的液体水或甲醇将在较高温度的过度加热的蒸汽中蒸发，并且从而使蒸汽降温。当通过接近于其露点的蒸汽操作实施为降膜蒸发器的再沸器时，改善热传递。特别优选地，在此实施例中，压缩机包括一个或更多个涡轮风扇。

在所述工艺的启动期间，有利地，在再沸器中使用蒸气来蒸发精馏塔的底部馏分。特别地，可以使用外部蒸气，并且可以在启动压缩机之前加热设备。在压缩机出现问题的情况下，还可以通过加热再沸器的蒸气来操作精馏设备。冷凝可以由修整冷凝器至少部分地确保。通过修整冷凝器中的额外设计储备，甚至可以在压缩机未操作时（例如在维护的情况下）完全冷凝顶部蒸汽。

本发明的另一方面是一种精馏设备，其包括精馏塔、用于冷凝头部馏分的顶部冷凝器、用于蒸发底部馏分的再沸器和在顶部冷凝器和再沸器之间操作的热泵，其中所述热泵是间接热泵，其包括膨胀阀和压缩机，其中所述压缩机包括一个或更多个涡轮风扇。

优选地，压缩机包括1至5个、并且更优选地2至4个串联的涡轮风扇。

优选地，热泵包括位于压缩机的上游的修整冷凝器、连接顶部冷凝器与修整冷凝器的入口管线以及连接修整冷凝器与顶部冷凝器的出口管线。

此外，优选地，顶部冷凝器是管壳式降膜蒸发器，其中热泵的实用流在其管侧上，并且用于蒸发底部馏分的再沸器是管壳式降膜蒸发器，其中热泵的实用流在其壳侧上。

附图说明

随后，参考附图更详细地解释本发明，附图仅说明本发明的实施例，但决不是限制性的。

图1 示意性地示出根据本发明的一个实施例的用于提纯粗组分的工艺的精馏设备。

具体实施方式

唯一的图1示意性地示出根据本发明的一个实施例的用于提纯粗组分（例如特别是用于提纯硅烷（例如甲基氯硅烷，例如甲基三氯硅烷））的工艺的精馏设备10的方案。

精馏设备10包括精馏塔12、再沸器14、顶部蒸汽冷凝器16和间接热泵18。精馏塔12包括用于将粗硅烷混合物馈送到精馏塔12中的馈送管线19、连接精馏塔12的头部22与顶部蒸汽冷凝器16的头部管线20以及连接精馏塔12的贮槽26与再沸器14的底部管线24。再沸器14和顶部蒸汽冷凝器16两者都是管壳式降膜装置。

间接热泵18包括连接顶部蒸汽冷凝器16的管侧与再沸器14的壳侧的蒸汽管线28以及连接再沸器14的壳侧与顶部蒸汽16的管侧的冷凝物管线30。当压缩机32布置在蒸汽管线28中时，收集器皿34和膨胀阀36布置在冷凝物管线30中。压缩机32包括两个串联布置的涡轮风扇。收集器皿34包括用于馈送补充流的管线44和排出管线46。另外，间接热泵18包括入口管线38、修整冷凝器40和出口管线42。入口管线38连接顶部蒸汽冷凝器16的管侧与修整冷凝器40，并且出口管线42连接修整冷凝器40与顶部蒸汽冷凝器16的管侧。

在精馏设备的操作期间，包括甲基三氯硅烷的粗混合物经由馈送管线19馈送到精馏塔12中，其在精馏塔12处被蒸馏。头部馏分（即，蒸汽）经由头部管线20作为热输入进入到顶部蒸汽冷凝器16的壳侧中。由于头部馏分的蒸汽的露点高于在底部管线24中从精馏塔12的贮槽泵送到再沸器14中的贮槽馏分的液体的沸点，因此顶部冷凝器16中的头部馏分的蒸汽和再沸器14中的底部馏分的液体之间的间接热传递是可能的，从而通过利用头部馏分的蒸汽的热来蒸发底部馏分的液体。水（作为热泵18的制冷剂）在顶部冷凝器16的管侧中蒸发，因为水的沸点低于来自精馏塔12的头部22的头部管线20中的蒸汽的露点。因此，水在顶部冷凝器16的管侧中蒸发。由在管侧的底部处引入液体并且使其循环回到管的顶部的泵确保管侧上的液体循环。如此形成的蒸汽流过蒸汽管线28到达压缩机32。大部分蒸汽被吸入到压缩机32中。压缩机32以对应于露点温度的压力压缩蒸汽，所述露点温度足够高以允许其在再沸器14的壳侧上的冷凝。在此情况下，压缩比（其限定为压缩机下游的压力除以压缩机上游的压力）在1.70和3.20之间，并且优选地在2.10和2.70之间。当选择甲醇替代水作为制冷剂并且在热交换器中使用相同温度差时，压缩比稍微较小。再沸器14和顶部蒸汽冷凝器16具有大致相同的绝对负荷。由于压缩机32的效率低于100%，因此不需要压缩在顶部蒸汽冷凝器16中产生的所有蒸汽。能量的一部分由压缩机32的低效率提供，并且然后携带在流过蒸汽管线28的蒸汽中。为了将一些显热转化为潜热并且使再沸器的壳侧上的热交换更容易，将水喷射到压缩机32中。在修整冷凝器40中去除剩余蒸汽。

将经压缩的蒸汽泵送到再沸器14的壳侧中。再沸器14和顶部冷凝器16两者都是管壳式降膜装置。顶部蒸汽冷凝器16的壳侧和管侧之间的平均温度差（一方面）以及再沸器14的壳侧和管侧之间的平均温度差（另一方面）在2°C和25°C之间、并且优选地在5°C和12°C之间。在再沸器14中，热从在再沸器14的壳侧中流动的蒸汽传递到在再沸器14的管侧中流动的贮槽馏分的液体，由此蒸汽冷凝，并且贮槽馏分的液体蒸发。在管侧上，精馏贮槽26的液体通过泵循环通过管线24到达再沸器14中的管的顶部。壳侧上的冷凝物收集在收集器皿34中。液体从那里泵送通过冷凝物管线30并且通过膨胀阀36到达顶部蒸汽冷凝器16的管侧中。由于顶部蒸汽冷凝器16的管侧上的压力低于大气压力，因此必须预期一些空气泄漏，并且修整冷凝器40必须通过管线41排出到真空单元。从而，损失的制冷剂由馈送到收集器皿34中的补充流44补偿。包括在泵送通过蒸汽管线28的蒸汽中并且低于大气压力的惰性气体（主要是空气泄漏）将不在再沸器14的壳侧中冷凝。因此，其需要经由排出管线46从收集器皿34排出。

附图标记列表

10 精馏设备

12 精馏塔

14 再沸器/（降膜）蒸发器

16 顶部蒸汽冷凝器/ 管壳式降膜蒸发器

18 间接热泵

19 馈送管线

20 头部管线

22 精馏塔的头部

24 底部管线

26 贮槽

28 蒸汽管线

30 冷凝物管线

32 压缩机/涡轮风扇

34 收集器皿

36 膨胀阀

38 入口管线

40 修整冷凝器

41 去往真空单元的排出管线

42 出口管线

44 补充流

46 排出管线

Claims (15)

1.一种用于提纯粗组分的工艺，其包括所述粗组分在精馏设备(10)中的精馏，所述精馏设备(10)包括精馏塔(12)，所述精馏塔(12)包括用于冷凝头部馏分的顶部冷凝器(16)和用于蒸发底部馏分的再沸器(14)，其中，所述头部馏分的温度与所述底部馏分的温度之间的差为最多20°C，其中，热泵(18)在所述顶部冷凝器(16)和所述再沸器(14)之间操作，并且其中，所述热泵(18)是间接热泵(18)并且以水或甲醇作为制冷剂来操作。

2.根据权利要求1所述的工艺，其中，所述头部馏分的温度与所述底部馏分的温度之间的差为最多15°C、并且优选地最多10°C。

3.根据权利要求1或2所述的工艺，其中，所述底部馏分的温度为80°C至150°C、优选地85°C至105°C、并且更优选地90至100°C。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的工艺，其中，所述头部馏分的温度为65°C至130°C、优选地75°C至95°C、并且更优选地80至90°C。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的工艺，其中，所述粗组分包括硅烷、优选地甲基氯硅烷、并且更优选地甲基三氯硅烷作为待提纯的成分。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的工艺，其中，所述顶部冷凝器(16)是管壳式降膜蒸发器(16)。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的工艺，其中，所述再沸器(14)是管壳式降膜蒸发器(14)。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的工艺，其中，所述间接热泵(18)包括连接所述顶部冷凝器(16)的管侧与所述再沸器(14)的壳侧的蒸汽管线(28)以及连接所述再沸器(14)的壳侧与所述顶部冷凝器(16)的管侧的冷凝物管线(30)，其中，所述蒸汽管线(28)包括压缩机(32)，并且所述冷凝物管线(30)包括膨胀阀(36)。

9.根据前述权利要求中的任一项所述的工艺，其中，所述压缩机(32)包括一个或更多个涡轮风扇(32)。

10.根据前述权利要求中的任一项所述的工艺，其中，所述热泵(18)包括修整冷凝器(40)，所述修整冷凝器(40)位于所述压缩机(32)的上游。

11.根据权利要求10所述的工艺，其中，入口管线(38)连接所述顶部冷凝器(16)的管侧与所述修整冷凝器(40)，并且出口管线(42)连接所述修整冷凝器(40)与所述顶部冷凝器(16)的管侧，使得剩余蒸汽被送到所述修整冷凝器(40)并且在其中冷凝，并且冷凝物被送回到所述顶部冷凝器(16)。

12.根据前述权利要求中的任一项所述的工艺，其中，所述压缩机(32)包括一个或更多个涡轮风扇，并且水或甲醇的小液滴被喷洒到流过所述涡轮风扇(32)的蒸汽中，以便使所述蒸汽(32)降温。

13.一种精馏设备(10)，其包括精馏塔(12)，所述精馏塔(12)包括用于冷凝头部馏分的顶部冷凝器(16)、用于蒸发底部馏分的再沸器(14)以及在所述顶部冷凝器(16)和所述再沸器(14)之间操作的热泵(18)，其中，所述热泵(18)是间接热泵(18)，其包括膨胀阀(36)和压缩机(32)，其中，所述压缩机(32)包括一个或更多个涡轮风扇(32)。

14.根据权利要求13所述的精馏设备，其中，所述热泵(18)包括位于所述压缩机(32)的上游的修整冷凝器(40)、连接所述顶部冷凝器(16)与所述修整冷凝器(40)的入口管线(38)以及连接所述修整冷凝器(40)与所述顶部冷凝器(16)的出口管线(42)。

15.根据权利要求13或14所述的精馏设备，其中，所述顶部冷凝器(16)是管壳式降膜蒸发器(16)，并且所述再沸器(14)是另一管壳式降膜蒸发器(14)。

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