CN112675564A - 一种无气相分割的分离四产品的隔板精馏塔 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无气相分割的四产品隔板精馏塔，装置包含两块竖直隔板：第一隔板I‑与第二隔板‑II，14个塔段以及第一冷凝器、第一再沸器、第二再沸器、第三再沸器。两块竖直隔板延伸至塔壳底部，两块竖直隔板沿塔径方向将塔壳下侧分割为三个独立的区域：第一区域由第一隔板、塔外壁包围而成，包含塔段9，10，6xx；第二区域由第一隔板、第二隔板与塔外壁包围而成，包含塔段8、4x、5x与6x；第三区域由第二隔板与塔外壁包围而成，包含塔段2、3、4、5、6。三个区域之间有液相流股的交换。原料自塔段9与塔段10中间位置进入，塔顶产品从第一冷凝器采出，第一中间产品从塔段2与3之间采出，第二中间产品自两个位置采出：塔段4与塔段5之间，塔段4x与塔段5x之间，塔底产品从第一再沸器、第二再沸器、第三再沸器采出。

Description

一种无气相分割的分离四产品的隔板精馏塔

技术领域

本发明涉及化工分离过程强化领域，具体为一种无气相分割的分离四产品的隔板精馏塔。

背景技术

精馏广泛应用于化工产品的分离过程，但是精馏过程存在能耗高、热力学效率低、设备投资高的特点。针对多组分混合物分离为三个产品，隔板精馏塔因能消除中间组分的“返混”而实现降低设备投资与能耗，近年来受到广泛关注，隔板精馏塔的典型特征为在隔板两侧存在气相分割与液相分割，三产品的隔板精馏塔中具有一块隔板，已经成功工业应用。将隔板精馏塔推广至四产品的高效分离(称之为四产品隔板精馏塔)成为隔板塔进一步发展的趋势。

针对多组分混合物分离为四个产品，传统的精馏序列需要三个精馏塔，分别在各个精馏塔中实现产品的有效切割，但是传统精馏序列存在中间组分的“返混”而存在能耗高、设备投资高的特点。全热耦合形式的四产品隔板精馏塔能够最大限度降低四产品隔板精馏塔分离过程的能耗，但全热耦合形式的四产品隔板精馏塔存在三块隔板，与之相对应三个气相分割与三个液相分割，在隔板精馏塔中液相流股在隔板两侧的分配可以实现精准调节，气相在隔板两侧的流股分配由隔板的位置与隔板两侧的流动阻力共同决定，在操作过程中为不可调节参数。多个气相分割的不可调控增加了精馏装置的控制难度，降低了设备的稳定性，成为制约具有多块隔板的四产品隔板精馏塔工业应用的“瓶颈”。虽然气相分割的调控装置已有部分发明，如专利ZL201310689401.8，ZL201510086163.0，ZL201610927107.X，WO2017200179A1，但是目前尚未有报道的工业应用装置。

发明内容

针对四产品分离，为了解决传统精馏序列能耗高、投资大的缺点，以及全热耦合形式的四产品隔板精馏塔中气相分割数量多且难以调控的问题，本发明拟解决的技术问题是，提供一种无气相分割的四产品隔板精馏塔。该隔板精馏塔能够不仅能够有效降低多产品分离过程的高能耗、高投资问题，而且消除了不可调控的气相分割，增加了设备操作的稳定性，降低了过程的控制难度，在设备内部存在两块隔板，显著降低了设备内部结构的复杂程度。

本发明为解决上述问题所采用的技术方案为：

以四产品全热耦合塔基准结构代替传统的三塔精馏分离序列，并通过将中间塔的部分分离任务移到预分塔中，以此得到简化形式的四产品全热耦合精馏塔，此简化形式的四产品全热耦合精馏塔由主塔、中间塔、预分塔组成，具有一个冷凝器与一个再沸器。

在中间塔增加与主塔塔段4、5、6相平行的塔段4x、5x、6x与第二再沸器，并将气液相耦合流股以液相流股代替，实现主塔与中间塔相连接的气相分割消除，在中间塔中增加的平行塔段4x、5x、6x与主塔段塔4、5、6中气相流量/液相流量相同。

通过在预分塔中增加与主塔塔段6、中间塔塔段6x相平行的塔段6xx与第三再沸器并将气液相耦合流股以液相流股代替，实现主塔与预分塔相连接的气相分割消除，在预分塔中增加的平行塔段6xx与主塔塔段6、中间塔塔段6x气相流量/液相流量相同。

将增加塔段的主塔、中间塔、预分塔通过在塔壳中设置隔板集成为无气相分割的四产品隔板精馏塔。

本发明具有以下有益效果：

本发明将四产品的精馏分离通过设置两块竖直隔板在一个塔壳中实现，相对于传统三塔分离序列，能耗降低50％左右。针对不同的分离物系，可通过调整两个竖直隔板在径向上方向的位置与竖直隔板长度实现四产品的有效分离。

本发明中两块竖直隔板的底部延伸至塔壳的底部并与塔壳密封，通过增加平行塔段，以易于调节的液相分割代替工业装置中难以控制的气相分割，通过液相分割的调节四产品隔板精馏塔能耗与产品纯度，易于稳定操作与控制。

本发明中塔底的产品从三个再沸器中采出，通过改变第一再沸器、第二再沸器、第三再沸器的加热量，可以实现具有不同产品纯度的塔底产品采出。

附图说明

图1是本发明无气相分割的分离四产品的隔板精馏塔一种实施例的结构示意图。

图2是本发明无气相分割的分离四产品的隔板精馏塔的技术方案实施图。

图3是本发明无气相分割的分离四产品的隔板精馏塔的两块隔板在径向上的相对位置示意图。

图4是全热耦合形式的四产品隔板精馏塔形式。

图中，C-101-第一冷凝器，R101-第一再沸器，R102-第二再沸器，R103-第三再沸器，I-第一隔板，II-第二隔板

具体实施方式

下面结合具体实施例及附图进一步介绍本发明，但是并不以此作为本申请专利要求保护范围的限定。

本发明无气相分割的分离四产品的隔板精馏塔包括包含两块竖直隔板：第一隔板与第二隔板，14个塔段以及第一冷凝器、第一再沸器、第二再沸器、第三再沸器。两块竖直隔板延伸至塔壳底部，两块竖直隔板沿塔径方向将塔壳下侧分割为三个独立的区域：第一区域由第一隔板、塔外壁包围而成，包含塔段9，10，6xx；第二区域由第一隔板、第二隔板与塔外壁包围而成，包含塔段8、4x、5x与6x；第三区域由第二隔板与塔外壁包围而成，包含塔段2、3、4、5、6。三个区域之间有液相流股的交换。原料自塔段9与塔段10中间位置进入，塔顶产品从第一冷凝器采出，第一中间产品从塔段2与3之间采出，第二中间产品自两个位置采出：塔段4与塔段5之间，塔段4x与塔段5x之间，塔底产品从第一再沸器、第二再沸器、第三再沸器采出。

本发明中第一隔板距离中心距的范围为0-d/2，第二隔板距离中心距的范围为0-d/2，两块隔板的距离范围为0-d，第一隔板与第二隔板的位置与分离物系，进料组成、进料热状态有关。

本发明中所述第一隔板在第二隔板的左侧，两块隔板的底部延伸至塔壳底部并与塔壳密封，且第一隔板的长度小于第二隔板。

本发明中分离四产品的分离过程是：根据分离原料的组分切割分为塔顶产品、第一中间产品、第二中间产品、塔底产品，产品的平均相对挥发度定义为α₁＞α₂＞α₂＞α₄。原料自塔段9和塔段10之间进入，经塔段9与塔段10实现第一中间产品与塔底产品的非清晰分割，塔段9的顶部流股组成为塔顶产品、第一中间产品、第二中间产品，塔段10的底部流股由第二中间产品与塔底产品组成，塔段10的底部液相流股分为分支为三股液相流股：第一部分自塔段6xx顶部进入后塔底产品自第一再沸器得到，第二部分经塔段5x与塔段6x之间进入第二区域，在塔段5x与塔段6x中实现第二中间产品与塔底产品之间的清晰分割，塔底产品自第二再沸器得到，第二中间产品自塔段5x顶部得到，第三部分经塔段5与塔段6之间进入第三区域，在塔段5与塔段6中实现第二中间产品与塔底产品之间的清晰分割，塔底产品自第三再沸器得到，第二中间产品自塔段5顶部得到；塔段9的顶部流股经塔段7与塔段8实现塔顶产品与第二中间产品的非清晰分割，塔段7的顶部流股组成主要为塔顶产品与第一中间产品，塔段8的底部流股主要为第一中间产品与第二中间产品，塔段8的底部液相流股分支为两股液相流股：第一部分自塔段4x顶部进入后在塔段4x底部得到第二中间产品，第二部分经塔段3与塔段4之间进入第三区域，在塔段3与塔段4之间实现第一中间产品与第二中间产品之间的清晰分割，在塔段3的顶部得到第一中间产品，在塔段4的底部得到第二中间产品；塔段7的顶部流股经塔段1与塔段2实现塔顶产品与第一中间产品的清晰分割，塔顶产品在塔段1的顶部经第一冷凝器冷凝后得到，第一中间产品自塔段2的底部得到。

本发明中第二中间产品由两个位置得到，分别为：塔段4x与5x之间，塔段4与5之间，两个产品流股的比例与分离物系、进料组成有关。

本发明中14个塔段中包含的理论板数与塔段高度与具体的分离物系、进料组成、进料热状态有关。

本发明中涉及的液相流股分割是通过液相抽出装置进行液体分支后再返回塔内的方式实现液相流股的分割。

本发明属于分离四产品的无气相分割的隔板精馏塔，不仅能实现高纯度产品的分离，不存在难以控制的气相分割，而且降低了过程能耗与设备投资。

实施例1

本实施例中无气相分割的四产品隔板精馏塔结构及参数如下：

表1实施例1中的无气相分割的四产品隔板精馏塔结构参数

实施例中的分离原料为2-甲基戊烷、苯、甲苯、对二甲苯组成的混合物，进料的质量组成分别为0.25∶0.25∶0.25∶0.25，进料的压力为3bar，进料温度为37℃，进料量为31730KG/hr，塔的操作压力为1bar。

本实施例中无气相分割的四产品隔板精馏塔塔径2000mm，第一隔板距离中心距离为300mm，第二隔板距离中心距离为450mm，第一隔板与第二隔板间距为150mm。

实施例1中具体工艺路线如下：

2-甲基戊烷、苯、甲苯、对二甲苯混合物自塔段9和塔段10之间进入，经塔段9与塔段10实现苯与对二甲苯的非清晰分割，塔段9的顶部流股组成为2-甲基戊烷、苯、甲苯，塔段10的底部流股由甲苯与对二甲苯组成，塔段10的底部液相流股分为分支为三股液相流股：第一部分自塔段6xx顶部进入后在第一再沸器得到质量分数＞96％对二甲苯产品，第二部分经塔段5x与塔段6x之间进入第二区域，在塔段5x与塔段6x中实现甲苯与对二甲苯的清晰分割，质量分数＞96％对二甲苯产品由第二再沸器得到，质量分数＞96％的甲苯产品自塔段5x顶部得到，第三部分经塔段5与塔段6之间进入第三区域，在塔段5与塔段6中实现甲苯与对二甲苯的清晰分割，质量分数＞96％对二甲苯产品由第三再沸器得到，质量分数＞96％的甲苯产品自塔段5顶部得到；塔段9的顶部流股经塔段7与塔段8实现2-甲基戊烷与甲苯的非清晰分割，塔段7的顶部流股组成主要为2-甲基戊烷与苯，塔段8的底部流股主要为苯与甲苯，塔段8的底部液相流股分支为两股液相流股：第一部分自塔段4x顶部进入后在塔段4x底部得到质量分数＞96％甲苯产品，第二部分经塔段3与塔段4之间进入第三区域，在塔段3与塔段4之间实现苯与二甲苯的清晰分割，在塔段3的顶部得到质量分数＞96％苯产品，在塔段4的底部得到质量分数＞96％甲苯产品；塔段7的顶部流股经塔段1与塔段2实现2-甲基戊烷与苯的清晰分割，质量分数＞96％2-甲基戊烷产品在塔段1的顶部经第一冷凝器冷凝后得到，质量分数＞96％苯产品自塔段2的底部得到。

传统分离四产品混合物为三塔串联精馏序列，质量分数＞96％的2-甲基戊烷产品，苯产品，甲苯产品依次从三个塔的塔顶取出。第一塔共有50块理论板，在32块进料；第二塔具有28块理论板，在15块进料；第三塔具有30块理论板，在17块进料，三塔的操作压力均为1bar。

分离四产品混合物的高效节能形式为全热耦合形式，如图4所示，其中存在三块独立的隔板，对应三个气相分割与三个液相分割，共有12个塔段，其中各段的理论塔级数如表2所示。

表2全热耦合形式的四产品隔板精馏塔结构参数

在进料条件与分离要求相同的情况下，无气相分割的四产品隔板精馏塔、全热耦合形式的四产品隔板精馏塔，传统三塔精馏序列的能耗对比列于表3。结果显示，本发明无气相分割的四产品隔板精馏塔相对于传统三塔序列而言，再沸器负荷的节能达48％，冷凝器负荷节能达57％，相对于全热耦合形式的四产品隔板精馏塔而言能耗仅增加5.8％，但是由于消除了难以调控的气相分割且塔内仅有两块隔板，内部结构复杂程度显著降低，综合性能优于全热耦合形式的四产品隔板精馏塔。

表3实施例1的隔板塔与全热耦合形式的四产品隔板精馏塔、传统三塔序列能耗对比

Claims (9)

1.本发明涉及一种无气相分割的四产品隔板精馏塔，装置包含两块竖直隔板：第一隔板与第二隔板，14个塔段以及第一冷凝器、第一再沸器、第二再沸器、第三再沸器。两块竖直隔板延伸至塔壳底部，两块竖直隔板沿塔径方向将塔壳下侧分割为三个独立的区域：第一区域由第一隔板、塔外壁包围而成，包含塔段9，10，6xx；第二区域由第一隔板、第二隔板与塔外壁包围而成，包含塔段8、4x、5x与6x；第三区域由第二隔板与塔外壁包围而成，包含塔段2、3、4、5、6。三个区域之间有液相流股的交换。原料自塔段9与塔段10中间位置进入，塔顶产品从第一冷凝器采出，第一中间产品从塔段2与3之间采出，第二中间产品自两个位置采出：塔段4与塔段5之间，塔段4x与塔段5x之间，塔底产品从第一再沸器、第二再沸器、第三再沸器采出。

2.根据权利要求1所述的无气相分割的分离四产品的隔板精馏塔，其特征在于第一隔板中心距的范围为0-d/2。

3.根据权利要求1所述的无气相分割的分离四产品的隔板精馏塔，其特征在于第二隔板中心距的范围为0-d/2。

4.根据权利要求1所述的无气相分割的分离四产品的隔板精馏塔，其特征在于第一隔板在第二隔板的左侧，且两块隔板的距离范围为0-d。

5.根据权利要求1所述的无气相分割的分离四产品的隔板精馏塔，其特征在于塔壳中存在两块竖直隔板，两块竖直隔板延伸至塔壳底部，两块隔板的顶部与塔壳顶部的距离大于0，第一隔板的长度小于第二隔板，两块隔板的长度与位置由分离物系与分离要求决定。

6.如权利要求1中所述的无气相分割的分离四产品的隔板精馏塔，其特征在于无气相分割，但是隔板塔中存在五个液相分割，两块竖直隔板的顶部及隔板中间位置存在液相分割，且其中的第四液相分割与第五液相分割液相流股的取出位置相同。

7.如权利要求1中所述的无气相分割的分离四产品的隔板精馏塔，其分离过程不限于将四组分混合物分离为四个产品且各个产品中含有一个主要成分，而是包含将多组分混合物按照分离要求分离为四个产品。

8.如权利要求6中所述的无气相分割的分离四产品的隔板精馏塔，其中的多个液相分割是通过将上层塔板上的流出液体利用流体输送装置抽出后，使用液相分配器实现液相流股的比例分配，再利用流体输送装置将所分配的液相流体返回至相应区域，从而实现液相分割的调节。

9.如权利要求1中所述的无气相分割的分离四产品的隔板精馏塔，从第一再沸器、第二再沸器、第三再沸器采出的三个塔底产品组成可以不同。

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