CN112657223B - 一种用于甲酸生产过程的消除气相分割的反应隔壁精馏塔 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于甲酸生产过程的消除气相分配比的反应隔壁精馏塔，包括反应塔和主塔，反应塔顶连接第一冷凝器，塔釜连接第一再沸器；主塔塔顶连接第二冷凝器，塔釜连接第二再沸器。其特征在于整塔被隔板分割为两个区域，其中第一区域‑反应塔包含装载催化填料的反应段、中间分离段与提馏段，第二区域‑主塔包含精馏段与提馏段。两区域中间设置液相分配器，液相流股由第一区域的提馏段上部抽出后至第二区域的提馏段上部。反应塔和主塔的塔釜均采出甲酸和水。反应塔塔顶采出甲酸甲酯与少量水、甲醇的混合物，并与原料混合后进入第一区域的反应塔段，主塔的塔顶采出高纯度甲醇产品。

Description

一种用于甲酸生产过程的消除气相分割的反应隔壁精馏塔

技术领域

本发明涉及化工生产工艺及设备技术领域，具体为一种用于甲酸生产过程的消除气相分割的反应隔壁精馏塔。

背景技术

化工生产过程中，典型化工过程包含反应和分离过程，而精馏技术在分离过程中约占 70％，精馏过程的能耗通常占整个流程的一半以上。隔壁精馏塔由于消除了中间组分的“返混”效应从而降低了多产品分离过程的能耗与设备投资，实现了分离过程的强化。反应精馏将反应与分离过程耦合实现反应化率提高、设备能耗与投资降低。将上述两种过程强化方法耦合形成反应隔壁精馏塔以达到进一步过程强化的目标。甲酸作为重要工业产品广泛用于防腐、皮革以及医药领域，其主流生产工艺为甲酸甲酯在水解反应器中进行甲酸自催化反应，反应过程单程转化率只有30％左右，且过程水酯摩尔比为3.4∶1，使得后续甲酸-水变压共沸精馏过程能耗高。反应隔壁精馏可以在提高过程转化率的同时降低过程的能耗与设备投资。

反应隔壁精馏塔是在隔壁塔中加入一段催化剂填料，进行催化反应，同时实现反应和多步分离过程的耦合。在反应隔壁精馏塔的控制中，液相分割比可以使用流量控制，而气相分割比在设计时已经固定，在操作过程中根据隔板两侧的阻力自动调整，无法作为操纵变量。虽然专利ZL201310689401.8，ZL201510086163.0，ZL201610927107.X，WO2017200179A1 提出了针对气相分割的调控装置，但是其工业应用仍受限制。由于气相分割比对反应转化率、过程能耗、产品的纯度以及反应隔壁精馏塔的操作稳定性影响显著，如果不控制气相分割比会造成转化率波动大，无法使整个塔保持在最优的操作条件。为此我们提出了一种消除气相分割的隔壁精馏塔结构，通过在普通隔壁精馏塔预分馏塔段增加与公共提馏段平行的塔段，并增加一个再沸器，以液相单向耦合流股代替气液相双向耦合流股从而消除气相分割。通过控制调控液相分割使系统保持最优操作条件。

发明内容

针对上述中隔壁精馏塔无法控制气相分割的问题和反应精馏塔能耗高，单程转化率低的问题，本发明拟解决的技术问题是，提供一种消除气相分割的反应隔壁精馏塔，该精馏塔不仅解决了常规反应精馏塔与多步分离过程中单程转化率低、能耗高的问题，还解决了在隔壁精馏塔自动控制中气相分割比无法操纵的问题。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：

1.使用一种垂直隔板将精馏塔分为两个区域，连接进料流股的为反应塔，另一个区域为主塔。反应塔塔顶连接第一冷凝器C101，塔釜连接第一再沸器R103；主塔塔顶连接第二冷凝器C102，塔釜连接第二再沸器R104。

2.在反应塔中包含有催化剂的反应段，可以同时完成催化水解反应和组分分离的任务。相比与常规的反应隔壁精馏塔，本发明在反应塔侧增加了一个再沸器和塔段代替原本的气液相耦合流股，在反应塔与主塔之间仅有一个液相耦合流股相连接，从而消除了气相耦合流股。使用液相分割和两个再沸器的热负荷代替在隔壁精馏塔的实际过程不可操纵气相分割变量，从而保证产品高纯度和低能耗。

3.反应隔壁精馏塔的隔板向上延伸至塔壳顶部，反应塔和主塔上升蒸汽分别进入两个冷凝器，互不连通。

在这种结构的反应隔壁精馏塔中，甲酸甲酯和水进料先进入反应塔进行反应，水生成的甲酸属于重组分向下分布，甲酸甲酯沸点最低，属于轻组分在反应塔的上面分布。甲醇的沸点介于甲酸甲酯和水之间，在塔中部分布，通过在反应塔中部采出大量含有甲醇的液相流股进入主塔，反应塔塔釜采出部分甲酸与水的混合物。经过分离从主塔塔顶可以采出纯度较高的甲醇，剩余的水和甲酸从主塔塔釜采出。由于甲醇从反应塔中部进入主塔，反应塔甲醇含量降低，从而提高了反应段的单程转化率。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明反应隔壁精馏塔可以将反应和多步分离过程整合为单塔，提高转化率，节约能耗，降低设备投资，适用于甲酸甲酯水解反应精馏过程，由液相分割比等效代替气相分割比，在相同的分离任务要求下，与常规反应精馏塔加分离塔对比，本发明可提高单程转化率15％左右，降低能耗10％左右。

气相分割比对隔壁精馏塔产品质量和能耗的影响十分显著，但目前气相分割比在隔壁精馏塔设计时已经固定，无法作为操纵变量进行控制，这使得当进料组成改变时，隔壁精馏塔无法在最优操作条件下运行。在反应隔壁精馏塔塔中，气相分割比对反应转化率的影响更为显著。通过在常规隔壁精馏塔反应段与中间分离段下侧增加与公共提馏段具有相同塔板数的塔段，并增加一个再沸器，以液相单向流股取代气液相耦合流股。通过控制液相耦合流股流量和两个再沸器热负荷等操纵变量使系统保持最优操作条件。

附图说明

图1是本发明消除气相分割的反应隔壁精馏塔一种实施例的结构示意图；其中C101- 第一冷凝器，C102-第二冷凝器，R103-第一再沸器，R104-第二再沸器，L-液相耦合流股；

图2是本发明消除气相分割的反应隔壁精馏塔一种实施例的热耦合结构示意图；

图3是反应精馏塔和甲醇分离塔的常规甲酸生产流程；其中C105-RD塔冷凝器，C106-MA分离塔冷凝器，R107-RD塔再沸器，R108-MA分离塔再沸器；

图4是本发明消除气相分割的反应隔壁精馏塔实施例1的横截面示意图；其中D为塔横截面直径，L为隔板距塔壳水平距离；

具体实施方式

下面结合实施例及附图进一步介绍本发明，但并不以此作为对本申请权利要求保护范围的限定。

本发明消除气相分割的反应隔壁精馏塔包括反应塔和主塔，其中反应塔包含装载催化填料的反应段。反应塔塔顶连接第一冷凝器C101，塔釜连接第一再沸器R103；主塔塔顶连接第二冷凝器C102，塔釜连接第二再沸器R104。

本发明反应隔壁精馏塔的进一步特征在于反应塔与主塔之间只有液相分割而没有气相分割。反应塔液相耦合流股的下方塔板数与主塔液相耦合流股下方塔板数相同，反应塔和主塔塔釜采出产品组成可以不同。

实施例1

本实施例以本发明用于甲酸水解反应精馏通过一个反应隔壁精馏塔将甲酸甲酯水解为甲酸和甲醇，并分离出甲醇。其结构为整个精馏塔使用隔板分成两个区域，反应塔和主塔，塔顶和塔釜完全密封，反应塔塔顶连接一个冷凝器C101，反应塔塔釜连接一个再沸器R103，主塔塔顶连接一个冷凝器C102，主塔塔釜连接一个再沸器R104。反应塔包含装载催化填料的反应段，从反应塔塔顶采出返回进料，主塔塔顶采出高纯度甲醇，主塔和反应塔的塔釜采出甲酸和水的混合物。规定主塔塔顶采出甲醇产品纯度为0.9995。塔内的具体结构为反应塔有54块理论板，主塔有54块塔板，液相耦合流股从反应塔的43层塔板流向主塔的第43层塔板。反应塔塔顶的操作压力为4.5bar，主塔塔顶操作压力为1bar。反应塔的第2块塔板至第33块塔板为反应段，催化甲酸水解的反应并实现水解混合物甲酸甲酯、甲醇、水与甲酸的部分分离。甲酸甲酯和水从反应塔的第2块塔板进料。向下进入反应段，由于甲酸甲酯沸点最低，未反应的甲酸甲酯从塔顶采出，与进料混合。反应的产物和过量的水继续向下，一部分通过液相耦合流股计入主塔，另一部分从塔釜采出或进入再沸器R103。从反应塔进入主塔的液相耦合流股中，甲醇和少量的甲酸甲酯向上从塔顶采出，甲酸和水从塔釜采出。

与本发明无气相分割的反应隔壁精馏塔相对比的常规流程为反应精馏塔(RD塔)和甲醇分离塔(MA分离塔)流程，RD塔操作压力和反应段塔板数与无气相分割的反应隔壁精馏塔相同，总塔板数为43块，MA分离塔塔板数与无气相分割的反应隔壁精馏塔相同，进料板位置和进料组成一致。

本实施例1中，甲酸甲酯的进料流量为70kmol/h，水的进料流量为200kmol/h，反应塔塔顶采出量为11kmol/h，水酯比为2.5(水酯比为实际进入反应塔进料中水与甲酸甲酯的摩尔比)，常规反应精馏过程的单程转化率72.4％，消除气相分割的反应隔壁精馏塔过程的单程转化率为87.8％。

本实施例的液相耦合流股的摩尔流量为140kmol/h。

表1：实施例1中无气相分割的反应隔壁精馏塔与普通反应精馏塔和MA塔流股组成

表2：实施例1的无气相分割的反应隔壁精馏塔与普通反应精馏塔和MA塔双塔流程的能耗比较

消除气相分割的反应隔壁精馏塔的塔板布置采用反应塔和主塔塔截面积比。

表3：实施例1的无气相分割的反应隔壁精馏塔隔板位置

实施例2

实施例2中反应隔壁精馏塔的结构同实施例1，反应仍然为甲酸甲酯水解生成甲酸和甲醇，并分离出甲醇和甲酸-水混合物。与实施例1的不同之处在于本实施例将水的进料流量从200kmol/h变为250kmol/h，增加了水解反应的水酯比。增加水酯比可以提高水解反应的转化率，但是易造成甲酸产品中含有过多的水，导致甲酸产品后续分离过程能耗增加。本实施例展示了高水酯比情况下消除气相分割反应隔壁精馏塔的分离效果与节能效果。

本实施例的液相耦合流股的摩尔流量为165.9kmol/h，常规反应精馏过程的单程转化率为75.8％，消除气相分割的反应隔壁精馏过程的单程转化率为83.9％。

表4：实施例2无气相分割的反应隔壁精馏塔与普通反应精馏塔和MA塔流股组成

表5：实施例2的无气相分割的反应隔壁精馏塔与普通反应精馏塔和MA塔双塔流程的能耗比较

表6：实施例2的无气相分割的反应隔壁精馏塔塔板布置

实施例3

本实施例反应隔壁精馏塔的结构同实施例1，反应仍然为甲酸甲酯水解生成甲酸和甲醇，并分离出甲醇和甲酸-水混合物。与实施例1和实施例2的不同之处在于本实施例将水的进料流量从200kmol/h变为150kmol/h，降低了水解反应的水酯比。降低水酯比造成甲酸甲酯水解反应转化率降低，为了达到产品纯度要求需要更多能耗，本实施例展示了低水酯比下消除气相分割反应隔壁精馏塔的反应分离效果与节能效果。

本实施例液相耦合流股流量为106.4kmol/h，常规反应精馏过程的单程转化率为61.2％，消除气相分割的反应隔壁精馏过程的单程转化率为84.0％。

表7：实施例3无气相分割的反应隔壁精馏塔与普通反应精馏塔和MA塔流股组成

表8：实施例3的反应隔壁精馏塔与普通反应精馏塔和MA塔双塔流程的能耗比较

表9：实施例3的无气相分割的反应隔壁精馏塔反应塔和主塔塔截面积

上述三个实施例表明：本发明消除气相分割的反应隔壁精馏塔可以实现反应的同时分离生成产品，实现高反应转化率和高纯度分离。通过液相耦合流股流量和两个再沸器热负荷变化可以实现保持最优操作条件，本发明消除气相分割的反应隔壁精馏塔与普通反应精馏塔和分离塔流程相比，能够实现节省能耗6％-12％，单程转化率提高8％-23％。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (2)

1.一种用于甲酸生产过程的消除气相分割的反应隔壁精馏塔，其特征在于使用一种垂直隔板将精馏塔分为两个区域，连接进料流股的为反应塔，另一个区域为主塔，整体塔截面积为反应塔与主塔面积之和，隔板将塔板按圆形面积分割为反应塔和主塔，水解反应过程与反应水解液分离过程在消除气相分割的反应隔壁精馏塔中实现；反应塔中包含有催化剂的反应段，同时完成催化水解反应和组分分离，反应塔塔顶连接第一冷凝器，塔釜连接第一再沸器；主塔塔顶连接第二冷凝器，塔釜连接第二再沸器；消除气相分割的反应隔壁精馏塔使用易于调节的液相分割和两个再沸器的热负荷代替在常规反应隔壁精馏塔中的难以调控的气相分割，在反应塔与主塔之间仅有一个液相耦合流股相连接，反应隔壁精馏塔其隔板向上延伸至塔壳顶部，反应塔和主塔上升蒸汽分别进入两个冷凝器，互不连通；隔板分成的两个塔区域在不同的压力下操作，使得消除气相分割的反应隔壁精馏塔不仅易于操作，而且由于两个区域设计操作条件的灵活性使得反应与分离最优条件易于匹配，两个塔底产品组成可灵活调节。

2.根据权利要求1所述的一种用于甲酸生产过程的消除气相分割的反应隔壁精馏塔，其特征在于消除气相分割的反应隔壁精馏塔用于甲酸甲酯水解生产甲酸的过程，将传统多塔流程整合为消除气相分割的反应隔壁精馏塔。

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