CN112742057A - 一种内部能量集成的精馏装置和利用其进行精馏的方法 - Google Patents
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Abstract
一种内部能量集成的精馏装置，包括内外双层塔体的精馏塔，外层塔体为提馏段，内层塔体为精馏段，设置于外层塔体上部的进料口Ⅰ外接进料预热器，外层塔体底部设置液体出口Ⅰ，其分别连接塔底出料管和通过再沸器后连接进料口Ⅴ；外层塔体顶部设置气体出口Ⅰ，顺次外接压缩机入口过热器和压缩机，与内层塔体底部的进料口Ⅱ连接；内层塔体顶部设置气体出口Ⅱ，顺次外接压缩机入口过热器和进料预热器后分别连接塔顶出料管和内层塔体顶部的进料口Ⅲ；内层塔体的底部设置液体出口Ⅱ，依次通过再沸器和节流阀后连接进料口Ⅰ；外层塔体内顶部气体出口Ⅰ的下方设置丝网冷凝板；所述外层塔体和内层塔体内部均设置间隔分布的液体分布装置和填料层。利用本发明的装置进行精馏减小了精馏过程的有效能损失，降低分离能耗。
Description
技术领域
本发明涉及一种精馏装置，具体地说是涉及一种内部能量集成的精馏装置，属于精馏技术领域。
背景技术
精馏是应用最为广泛、技术最为成熟的化工分离技术。主要原因是精馏分离过程通常只需要提供能量分离剂，即热量和冷量，便可得到高纯度产品，且操作简单，对各种浓度混合液的分离均可容易实现。但精馏过程以热能为唯一分离剂，需要消耗大量的高温热量，同时输出大量低温热量，故其能耗高、热力学效率极低，在整个工艺流程中以及整个化工行业中是能量最为集中、能耗最大的过程。因此，研究开发新型精馏节能技术，有着极大的理论和现实意义，将对整个流程工业的节能减排做出重大贡献。
内部热集成精馏是一种新型的精馏节能技术，它根据精馏过程同时要消耗加热量和冷凝量的特点，将精馏塔的精馏段与提馏段进行热量的集成，通过一定的压力调整，实现精馏段与提馏段的热量交换，可同时节省精馏段的冷凝量和提馏段的加热量，具有极大的节能效率，是迄今为止所提出的精馏节能技术中节能效果最好的新型精馏技术。
专利201010507301.5公开了一种内部热集成节能精馏装置及其装配方法，精馏塔段为内塔段，提留塔段为外塔段，精馏塔结构简单，便于两塔段的连接、组装与拆卸。在精馏塔段换热管外设置翅片式换热原件，增加内、外两塔段的热交换面积。但是，该专利并没有考虑精馏塔精馏段与提馏段的换热流程，存在热量未充分利用的情况，同时，没有考虑到提馏段气体进入压缩机带液影响压缩机正常运行和寿命的情况。此外，气液两相并没有在塔段内充分接触，可能存在沟流、偏流、壁流的现象，精馏塔的分离效率较低，同时影响内外塔段间的传热效果。
发明内容
针对目前精馏装置精馏塔内部的热量未充分利用，提馏段气体进入压缩机带液影响压缩机正常运行和寿命以及精馏塔的分离效率较低的问题，本发明提出了一种内部能量集成的精馏装置，其充分优化了精馏塔内部的换热流程，充分提高热量利用率，解决了气体进入压缩机带液影响压缩机正常运行和寿命的情况，同时强化了气液两相在塔内的接触，提高了精馏塔的分离效率。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：
一种内部能量集成的精馏装置，其包括一个内外双层塔体的精馏塔，外层塔体为提馏段，内层塔体为精馏段，设置于外层塔体上部的进料口Ⅰ外接进料预热器，外层塔体底部设置液体出口Ⅰ，其分别连接塔底出料管和通过再沸器后连接进料口Ⅴ，外层塔体的顶部还设置气体出口Ⅰ，其顺次外接压缩机入口过热器和压缩机，与内层塔体底部设置的进料口Ⅱ连接；所述内层塔体顶部设置气体出口Ⅱ，其顺次外接压缩机入口过热器和进料预热器后分别连接塔顶出料管和内层塔体顶部的进料口Ⅲ；内层塔体的底部设置液体出口Ⅱ，依次通过再沸器和节流阀后连接进料口Ⅰ；所述外层塔体内顶部气体出口Ⅰ的下方设置丝网冷凝板；所述外层塔体和内层塔体内部均设置间隔分布的液体分布装置和填料层。
进一步的，所述气体出口Ⅱ与进料口Ⅲ间还设置一个辅助冷凝器。
进一步的，所述液体出口Ⅰ除了连接塔底出料管外，还通过辅助再沸器连接至外层塔体底部设置的进料口Ⅳ。
进一步的，所述辅助再沸器作为装置开工时使用，为精馏塔的外层塔体提供再沸热量，装置正常运行后，外层塔体的再沸热量主要由再沸器提供，不足部分由辅助再沸器提供。开工再沸器的热源为导热油或蒸汽。若再沸器可以提供精馏塔的外层塔体所需再沸热量，则可以不使用辅助再沸器。
进一步的，所述的液体分布装置设置于每层填料层上方10~30cm，包括若干液体分布器单元，现有技术中各种形式的液体分布装置均可用于上述装置，包括但不限于管式、槽式、盘式、冲击式、喷嘴式、宝塔式、莲蓬式和组合式液体分布器，其中组合式液体分布器包括但不限于管槽式、孔槽式和槽盘式等，优选为组合式液体分布器，其兼具集液、布液和布气的功能，将精馏塔内的气相和液相均匀分布，强化了填料层内气液的有效接触，避免填料层发生沟流、偏流、壁流现象，减少和防止填料层的放大效应，从而减少塔高和塔径，降低造价或操作费用，提高了精馏塔的分离效率。
进一步的，所述丝网冷凝板为人字形丝网挡板，由若干层截面为人字形的长条单板组成。当带有雾沫的气相以一定速度上升通过人字形丝网挡板时，由于雾沫上升的惯性作用，雾沫与丝网的细丝相碰撞而被附着在细丝表面上，细丝表面上雾沫的扩散、雾沫的重力沉降，使雾沫形成较大的液滴沿着细丝流至下层人字形丝网挡板，从而进一步分离出气相中的液滴。经过多层人字形丝网挡板后，气相中雾沫的携带量大幅降低，在进入压缩机入口过热器时，避免了压缩机入口气体带液，另因为压缩机入口过热器进一步提高了气体的温度，也一定程度上减少其中的液体，避免影响压缩机正常运行和寿命。
进一步的，所述压缩机用于将外层塔体的塔顶气相提压升温，为内层塔体提供再沸热量。
进一步的，所述再沸器为精馏塔的外层塔体提供再沸热量，再沸热源为精馏塔的内层塔体塔底液相。
进一步的，所述节流阀用于将离开再沸器的内层塔体塔底液相减温减压，然后与经过进料预热器加热后的进料混合，进入精馏塔的外层塔体上部。
进一步的，所述内层塔体的塔壁为光滑壁面，优选塔壁附有涂层材料，该涂层材料具有适当的熔点、较低的硬度以及较高的导热系数，优选地，选自银、铜、铝、锌、铅、镍和铬中的至少一种；进行精馏操作时，内层塔体操作压力和操作温度均高于外层塔体，热量通过内层塔体的塔壁向外层塔体传递，以上设计有利于壁面的传热。
进一步的，填料层内为散堆填料或规整填料，填料层高度为30~80cm，外层塔体和内层塔体的直径以及填料层数具体由进料量和分离效率决定，且内层塔体和外层塔体的填料层数可以相同或不同。
本发明的内部能量集成的精馏装置，适用于所有物系的精馏分离，尤其适用于同系物、近沸点物系等利用常规分离装置较难分离的物系。
本发明第二方面的技术目的是提供一种利用上述精馏装置进行精馏的方法，包括以下步骤：进料经进料预热器加热后，通过进料口Ⅰ进入精馏塔的外层塔体进行气液交换，外层塔体的塔顶气相经顶部的丝网冷凝板进一步分离出液相后，由气体出口Ⅰ经压缩机入口过热器进入压缩机升压，然后由进料口Ⅱ进入内层塔体的底部，为内层塔体提供再沸热量；外层塔体的塔底液相由液体出口Ⅰ出料，一部分由塔底出料管出料，另一部分经再沸器加热后返回进料口Ⅴ；内层塔体的塔顶气相由气体出口Ⅱ分别经压缩机入口过热器和进料预热器换热后，一部分由塔顶出料管作为塔顶出料，另一部分由进料口Ⅲ返回内层塔体顶部；内层塔体的塔底液相由液体出口Ⅱ出料，依次连接再沸器和节流阀后连接进料口Ⅰ，由进料口Ⅰ返回外层塔体顶部。
进一步的，内层塔体塔顶气相经压缩机入口过热器和进料预热器换热后，由进料口Ⅲ返回内层塔体前，先经辅助冷凝器冷却。所述辅助冷凝器进一步降低返回内层塔体的液相温度，若内层塔体塔顶液相经过压缩机入口过热器和进料预热器换热后，温度满足回塔温度，则可以不使用辅助冷凝器。
进一步的，内层塔体的塔底液相经再沸器冷却后，还需通过节流阀减压减温为饱和液相后再进入外层塔体顶部。
进一步的，开工阶段，外层塔体的塔底液相部分还经辅助再沸器后由进料口Ⅳ返回外层塔体底部，为外层塔体提供不足的再沸热量。
与现有技术相比较，本发明具有以下有益效果：
（1）本发明的内部能量集成的精馏装置，其精馏塔具有外层塔体和内层塔体的套塔结构，内层塔体的操作温度和压力高于外层塔体，使得热量可以通过内层塔体的塔壁从内层塔体向外层塔体传递，内层塔体的气相被不断冷凝，外层塔体的液相不断气化，从而减小了精馏过程的有效能损失，降低分离能耗。
（2）本发明的内部能量集成精馏装置，其精馏塔内层塔体塔顶气相用于加热进入压缩机入口的气体和精馏塔的进料，塔底液体用于加热精馏塔外层塔体塔底的液体，作为再沸热量使其汽化，从而充分优化了精馏塔内部的换热流程，充分提高热量利用率，同时精馏分离的再沸负荷和冷凝负荷降低，大幅降低了精馏过程的能耗。
（3）本发明的内部能量集成精馏装置，其精馏塔通过设置特殊的人字形丝网挡板结构和压缩机入口过热器，解决了气体进入压缩机带液影响压缩机正常运行和寿命的情况。
（4）本发明的内部能量集成精馏装置，其精馏塔设置的液体分布装置，强化了气液两相在塔内的接触，提高了精馏塔的分离效率。
附图说明
图1是实施例1中内部能量集成的精馏装置的结构示意图；
其中，1.外层塔体，2.内层塔体，3.进料预热器，4.进料口Ⅰ，5.液体出口Ⅰ，6.气体出口Ⅰ，7.压缩机入口过热器，8.压缩机，9.进料口Ⅱ，10.气体出口Ⅱ，11.塔顶出料管，12.辅助冷凝器，13.进料口Ⅲ，14.液体出口Ⅱ，15.塔底出料管， 16.再沸器，17.节流阀，18.丝网冷凝板，19.液体分布装置，20.填料层，21.辅助再沸器，22.进料口Ⅳ，23.进料口Ⅴ。
具体实施方式
下面结合具体附图对本发明的内部能量集成的精馏装置做更详细的说明。本发明的装置适用于所有物系的精馏分离，实施例仅对本发明加以说明，并不因此限制本装置的适用范围。
实施例1
本实施例公开了一种内部能量集成的精馏装置：
所述精馏装置包括一个内外双层塔体的精馏塔，外层塔体1为提馏段，内层塔体2为精馏段，设置于外层塔体1上部的进料口Ⅰ4外接进料预热器3，外层塔体1的底部设置液体出口Ⅰ5，其一部分分别连接塔底出料管15和通过再沸器16连接设于外层塔体1底部的进料口Ⅴ23，另一部分连接通过辅助再沸器21连接设于外层塔体1底部的进料口Ⅳ22；外层塔体1的顶部还设置气体出口Ⅰ6，其顺次外接压缩机入口过热器7和压缩机8，与内层塔体2底部设置的进料口Ⅱ9连接；所述内层塔体2的顶部设置气体出口Ⅱ10，其顺次外接压缩机入口过热器7和进料预热器3后分别连接塔顶出料管11和经过辅助冷凝器12后连接内层塔体2顶部的进料口Ⅲ13；内层塔体2的底部设置液体出口Ⅱ14，依次通过再沸器16和节流阀17后连接进料口Ⅰ4；所述外层塔体1内顶部气体出口Ⅰ6的下方设置丝网冷凝板18；所述外层塔体1和内层塔体2内部均设置间隔分布的液体分布装置19和填料层20。
上述装置中，所述液体分布装置19设置于每层填料层20上方20cm，为管槽式液体分布器，将精馏塔内的气相和液相均匀分布，强化填料层20内气液的有效接触，提高精馏塔的分离效率。所述丝网冷凝板18为若干层人字形丝网挡板组成，将气相中夹带的雾沫阻挡冷凝变成液滴回流，防止其跟随气相进入压缩机入口过热器7对其造成影响。所述内层塔体2的塔壁为光滑壁面，上涂有铜涂层。
实施例2
本实施例公开了利用实施例1的装置进行精馏的方法：
进料经进料预热器3加热后，通过进料口Ⅰ4进入精馏塔的外层塔体1进行气液交换，外层塔体1的塔顶气相经顶部的丝网冷凝板18进一步分离出液相后，由气体出口Ⅰ6经压缩机入口过热器7进入压缩机8升压，然后由进料口Ⅱ9进入内层塔体2的底部，为内层塔体2提供再沸热量；外层塔体1的塔底液相一部分经液体出口Ⅰ5由塔底出料管15出料和经再沸器16后由进料口Ⅴ23返回外层塔体1底部，为外层塔体1提供再沸热量，一部分经辅助再沸器21后由进料口Ⅳ22返回外层塔体1底部，为外层塔体1提供不足的再沸热量；内层塔体2的塔顶气相由气体出口Ⅱ10分别经压缩机入口过热器7和进料预热器3换热后，一部分经由塔顶出料管11作为塔顶出料，另一部分经辅助冷凝器12冷却后由进料口Ⅲ13返回内层塔体2顶部；内层塔体2的塔底液相由液体出口Ⅱ14出料，经再沸器16冷却后，通过节流阀17减压减温为饱和液相后由进料口Ⅰ4返回外层塔体1顶部。液体分布装置19和填料层20使内层塔体2和外层塔体1内的流体均匀，有利于热量的传导，增强换热，提高精馏效率。
实施例3
本实施例提供了一种利用实施例2的方法进行精馏的具体过程参数及结果：
精馏塔进料为苯-甲苯物系，进料量为2000kg/h，进料组成为50%（wt%）苯和50%（wt%）甲苯，常温进料，经进料预热器预热3后，进料热状况为泡点进料。精馏塔的内层塔体2和外层塔体1内均设置10层填料层20，外层塔体1操作压力为1atm，操作温度为91℃，内层塔体2操作压力为3atm，操作温度为120℃，压缩机8的压缩比为3。塔顶出料管11的采出量为1000kg/h，组成为99.5%（wt%）苯和0.5%（wt%）甲苯；塔底出料管15的采出量为1000kg/h，组成为0.5%（wt%）苯和99.5%（wt%）甲苯。能耗见表1。
实施例4
本实施例提供了现有技术中常规精馏塔的进行精馏的具体过程参数及结果：
常规精馏塔处理与实施例3相同组成和进料量的苯-甲苯物系，进料热状况为泡点进料。精馏塔操作压力为1atm，操作温度80℃。塔顶出料为1000kg/h，组成为99.5%（wt%）苯和0.5%（wt%）甲苯；塔底出料为1000kg/h，组成为0.5%（wt%）苯和99.5%（wt%）甲苯。能耗见表1。
表1
从表1可以看出，处理相同的进料，获得相同的塔顶塔底产物，与常规精馏装置相比，本发明精馏装置冷凝冷却负荷降低69.7%，再沸负荷降低81.6%，考虑到本发明精馏装置增加的压缩机负荷，总体能耗降低64.5%。由此看出，本发明的内部能量集成精馏装置可以大幅降低精馏分离过程的能耗，为工业的节能减排做出重大贡献。
Claims (11)
1.一种内部能量集成的精馏装置，其特征在于，其包括一个内外双层塔体的精馏塔，外层塔体为提馏段，内层塔体为精馏段，设置于外层塔体上部的进料口Ⅰ外接进料预热器，外层塔体底部设置液体出口Ⅰ，其分别连接塔底出料管和通过再沸器后连接进料口Ⅴ，外层塔体的顶部还设置气体出口Ⅰ，其顺次外接压缩机入口过热器和压缩机，与内层塔体底部设置的进料口Ⅱ连接；所述内层塔体顶部设置气体出口Ⅱ，其顺次外接压缩机入口过热器和进料预热器后分别连接塔顶出料管和内层塔体顶部的进料口Ⅲ；内层塔体的底部设置液体出口Ⅱ，依次通过再沸器和节流阀后连接进料口Ⅰ；所述外层塔体内顶部气体出口Ⅰ的下方设置丝网冷凝板；所述外层塔体和内层塔体内部均设置间隔分布的液体分布装置和填料层。
2.根据权利要求1所述的精馏装置，其特征在于，所述气体出口Ⅱ与进料口Ⅲ间还设置一个辅助冷凝器。
3.根据权利要求1所述的精馏装置，其特征在于，所述液体出口Ⅰ除了连接塔底出料管外，还通过辅助再沸器连接至外层塔体底部设置的进料口Ⅳ。
4.根据权利要求1所述的精馏装置，其特征在于，所述的液体分布装置设置于每层填料层上方10~30cm，包括若干液体分布器单元。
5.根据权利要求1所述的精馏装置，其特征在于，所述丝网冷凝板为人字形丝网挡板，由若干层截面为人字形的长条单板组成。
6.根据权利要求1所述的精馏装置，其特征在于，所述内层塔体的塔壁为光滑壁面，塔壁附有涂层材料，所述涂层材料选自银、铜、铝、锌、铅、镍和铬中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的精馏装置，其特征在于，填料层内为散堆填料或规整填料，填料层高度为30~80cm。
8.利用权利要求1-7任意一项所述的精馏装置进行精馏的方法，包括以下步骤：进料经进料预热器加热后，通过进料口Ⅰ进入精馏塔的外层塔体进行气液交换，外层塔体的塔顶气相经顶部的丝网冷凝板进一步分离出液相后，由气体出口Ⅰ经压缩机入口过热器进入压缩机升压，然后由进料口Ⅱ进入内层塔体的底部，为内层塔体提供再沸热量；外层塔体的塔底液相由液体出口Ⅰ出料，一部分由塔底出料管出料，另一部分经再沸器加热后返回进料口Ⅴ；内层塔体的塔顶气相由气体出口Ⅱ分别经压缩机入口过热器和进料预热器换热后，一部分由塔顶出料管作为塔顶出料，另一部分由进料口Ⅲ返回内层塔体顶部；内层塔体的塔底液相由液体出口Ⅱ出料，依次连接再沸器和节流阀后连接进料口Ⅰ，由进料口Ⅰ返回外层塔体顶部。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，内层塔体塔顶气相经压缩机入口过热器和进料预热器换热后，由进料口Ⅲ返回内层塔体前，先经辅助冷凝器冷却。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，内层塔体的塔底液相经再沸器冷却后，还需通过节流阀减压减温为饱和液相后再进入外层塔体顶部。
11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，开工阶段，外层塔体的塔底液相部分还经辅助再沸器后由进料口Ⅳ返回外层塔体底部。
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