CN113521787A - 基于多个管道的蒸馏分离设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种蒸馏分离设备，所述设备包括上下设置的上部换热器和下部换热器以及位于上部换热器和下部换热器之间的气液分布器，其中上部换热器被冷却并产生气液分相，下部换热器被加热并产生气液分相。所述蒸馏分离设备提供了合理的分离，同时又降低投资成本，节约能耗。如果需要以液相形式得到轻组分，则可在上部换热器上设置全冷凝器。

Description

基于多个管道的蒸馏分离设备

技术领域

本发明涉及一种蒸馏分离设备。特别地，本发明涉及基于换热器结构的新型蒸馏分离设备。

背景技术

工业上通常使用蒸馏塔和闪蒸罐来分离液体组合物。两者都是利用液体组合物中各组分的挥发性不同来将轻组分富集在气相中，将重组分富集在液相中。闪蒸罐分离效率低，蒸馏塔相当于多个闪蒸罐的串联从而提高分离效率。

当使用蒸馏塔进行分离时，装在塔顶的冷凝器为全塔提供冷却，而装在塔底的再沸器为全塔提供加热。这并非热力学最优换热状态，导致的能耗较高。此外，蒸馏塔的设备投资较大，而且需要很大的空间。

另一方面，如果使用闪蒸罐进行分离，则分离效果不够理想。

因此，本领域需要一种成本较低、能耗较低、分离效率较高的蒸馏分离设备。

发明内容

针对以上蒸馏塔和闪蒸罐的问题，本发明的目的是提供一种蒸馏分离设备，其提供了合理的分离，同时又降低投资成本，节约能耗。

上述目的通过本发明的蒸馏分离设备实现，所述设备包括上下设置的上部换热器和下部换热器以及位于上部换热器和下部换热器之间的气液分布器。

所述换热器可为管壳式换热器，特别地，其可为常规的管壳式换热器，例如固定管板式换热器、浮头式换热器等。

所述管壳式换热器包括壳体、换热管，管程入口和管程出口。所述换热管安装在壳体中，并且固定在管板上。换热管外可设置有翅片，以增大换热面积。换热管内可设置有填充物。填充物一方面可以促进管内流体形成湍流，另一方面可以扩大传热面积，提高传热效率。填充物的种类是本领域所已知的并且没有特别的限制，例如螺旋线、螺旋片、纽带、错开纽带、静态混合器、带缺口的插入带等。

在本发明的蒸馏分离设备中，待分离物料在上部换热器中被冷却并分离出轻组分，在下部换热器中被加热并分离出重组分。

在本发明蒸馏分离设备的换热器中，待分离物质在换热管内流动，若待分离物质为液相则优选沿管内壁呈膜状流动，而冷却或加热介质在管间流动。所述管壳式换热器可为逆流换热器，即待分离物料的流动方向与加热或冷却介质的流动方向相反。

在换热器的管程内，液相向下流动，而气相向上流动。特别地，本系统的进料在上部和下部换热器之间的气液分布器处；在上部换热器中，待分离物质液相在重力作用下由上至下运动，而气相在密度差作用下由下至上运动；同样，在下部换热器中，待分离的液相物质由上至下运动，而气相由下至上运动。在本发明的一个实施方案中，在上部换热器中，冷却介质由上侧导入该换热器中，从下侧导出，待分离介质液相由上至下运动，在气相上升过程中，待分离物质不断冷却，从而使得其中的重组分冷凝成液体，并且沿管壁以液膜形式向下运动，经过气液分布器并与进料的液相混合后进入到下部换热器，而轻组分最终在顶部取出；在下部换热器中，加热介质由下侧导入该换热器中，从上侧导出，待分离介质液相由上至下运动，在下降过程中，待分离物质被不断加热，从而使得其中的轻组分进入气相，并且沿管向上运动，经过气液分布器并与进料的气相混合后到达上部换热器，而重组分最终在底部取出。

在本发明蒸馏分离设备的换热器中，各换热管是独立存在的，不相互连通，一个管子无法工作不影响其他管子物料的流通。因此，本发明的蒸馏分离设备适用于易于堵塞的液体组合物。

换热管的数量取决于待分离液体组合物的类型以及处理量，而管长度取决于所需的理论塔板数。本领域技术人员可以根据具体需要来选择合适的换热管数量和理论塔板数。

换热介质可为任何常规的换热介质，例如冷却水，导热油，蒸汽等。

在本发明的蒸馏分离设备中，待分离物质的进料口为上下两段之间结合处。可以根据对轻重组分的分离要求，设计不同长度的上段和下段，上下段也可以根据不同负荷选择不同的直径，此时中间使用变径连接。

在上部换热器中，轻组分在上升过程中不断被冷却，这相当于在上部换热器中存在多个中间冷凝器，因此所需的冷却介质的温度无需那么低。如本领域所公知的那样，冷却介质温度的升高使得获得该冷却温度的成本降低。

在传统精馏塔中，回流量是由塔顶冷凝器冷凝轻组分后提供的，而本发明则是由上部换热器在冷却过程中形成的向下流动的液体(我们也将其称为内回流)提供的。在本发明的蒸馏分离设备中，回流量是通过冷却介质的冷却量来间接控制的。

在本发明的蒸馏分离设备中，如果需要以液相形式得到轻组分，则可在上部换热器上增加全冷凝器段。此时，在上部换热器和全冷凝器之间也安装气液分布器。在本发明的一个实施方案中，可以存在一个或多个上部换热器，并使用不同温度的冷却介质以降低运行成本。当存在多个上部换热器时，从下方换热器出来的轻组分进入其上方的换热器中，在其中被进一步冷却和分离。

在下部换热器中，重组分在下降过程中不断被加热，这相当于在下部换热器中存在多个中间再沸器，这大大降低了所用加热介质所需的温度。如本领域所公知的那样，加热介质所需温度的降低使得获得该温度的加热介质的成本大大降低。因此，在本发明蒸馏分离设备的下部换热器中，可以省却常规蒸馏分离设备中的再沸器，这又节约了设备成本和操作成本。

在本发明的一个实施方案中，可以存在一个或多个下部换热器，并使用不同温度的加热介质以降低运行成本。当存在多个下部换热器时，从上方换热器出来的重组分进入其下方的换热器中，在其中被进一步加热和分离。

在本发明的蒸馏分离设备中，在换热器之间设置有气液分布器。合适的分布器可为任何常规的分布器，例如槽式、盘式、槽盘式、管式和喷射式气液分布器等。气液分布器使得液体组分向下，均匀地分布到下部换热器的管中，并且使得气体组分向上，均匀地分布到上部换热器的管中。

在本发明的一个优选实施方案中，本发明的采用了一体化设计。相对于精馏/加热/冷却分别由不同设备实现的常规精馏塔而言，采用一体化设计的本发明蒸馏分离设备的压降要小得多。特别适于真空精馏，而且避免了使用各种连接管道。就本发明而言，“一体化设计”是指整个蒸馏设备本质上可设计为一个圆筒，上部冷却，下部加热，二者之间集成有气液分布器。

本发明的蒸馏分离设备可用作预蒸馏塔，用于在蒸馏之前进行预蒸馏，从而降低蒸馏能量成本。

本发明还涉及所述蒸馏分离设备用于分离易于堵塞的液体混合物、用于真空精馏或在蒸馏之前进行预蒸馏的用途。

此外，本发明还涉及一种分离液体混合物的方法，其中使用本发明的蒸馏分离设备。

附图说明

图1是本发明蒸馏分离设备的一个实施方案的示意图，其中1为上部换热器，2为下部换热器，3为气液分布器，4为待分离物质的进料口，a为上部换热器的冷却介质入口，b为上部换热器的冷却介质出口，c为下部换热器的加热介质出口，d为下部换热器的加热介质入口，5为重组分(液相)取出口，6为轻组分(气相)取出口。

图2是本发明蒸馏分离设备的另一个实施方案的示意图，其中1为上部换热器，2为下部换热器，3为气液分布器，4为待分离物质的进料口，a为上部换热器的冷却介质入口，b为上部换热器的冷却介质出口，c为下部换热器的加热介质出口，d为下部换热器的加热介质入口，5为重组分(液相)取出口，6为轻组分(液相)取出口，7为全冷凝器，8为气液分布器，9为不凝气出口。

详述

下文将结合图1详细地描述本发明。

将待分离的物质从进料口4供入蒸馏分离设备中。

在上部换热器1中，冷却水或其他冷却介质从冷却介质入口a中进入壳侧，温度较低，在向下流动过程中不断吸收气相中的热量，温度逐渐上升，再从冷却介质出口b中流出。最终得到的轻组分气体从管侧轻组分取出口6取出。在轻组分上升的过程中，冷却水不断冷却轻组分，并且冷凝的重组分向下流动。下降的重组分进入气液分布器3中，然后进入下部换热器2中。

在上部换热器1中，轻组分在上升过程中不断被冷却，这相当于在上部换热器中存在多个中间冷凝器，这降低了所用冷却介质的要求，允许使用的冷却介质温位更高，节约了能源费用。

在上部换热器1中，在冷却过程中形成的向下流动的液体提供了内回流。回流量是通过冷却量来间接控制的。

在下部换热器2中，导热油或其他加热介质从加热介质入口d进入壳侧，温度较高，在向上流动过程中热量不断释放，温度逐渐降低，再从加热介质出口c中流出。在重组分向下流动的过程中，加热介质不断加热重组分，并且蒸出的轻组分气体向上运动。上升的轻组分进入气液分布器3中，然后进入上部换热器1中。最终得到的重组分液体从管侧重组分出口5取出。

在下部换热器2中，重组分在下降过程中不断被加热，这相当于在下部换热器中存在多个中间再沸器，这大大降低了所用加热介质的要求，允许使用的加热介质温位更低，节约了能源费用，而且对于热敏物质的分离更有优势。

通过在本发明的上部和下部换热器中分别使用冷却和加热介质，可以使得过程中换热的

最大化。

如果需要的轻组分不是气相而是液相，则可以增加全冷凝器，将轻组分气相冷却为液相，如果操作在真空条件下，系统中可能存在不凝气体，可以在上部引出。这示意在图2中。图2是本发明蒸馏分离设备的另一个实施方案的示意图，其中下面两段和图1相同，不同之处在于在上部换热器1之上增加了一个全冷凝器7。来自上部换热器1的轻组分气相在全冷凝器7中冷却为液相，从轻组分取出口6中取出，不凝气从全冷凝器7上部的不凝气出口9引出。

本发明的蒸馏分离设备具有如下优点：

1.与常规精馏塔相比，成本更低；

2.与常规闪蒸罐相比，分离效率更高；

3.在本发明蒸馏分离设备的下部换热器中，允许使用的加热介质温位更低，节约了能源费用，而且对于热敏物质的分离更有优势；

4.在本发明蒸馏分离设备的上部换热器中，允许使用的冷却介质温位更高，节约了能源费用；

5.本发明的蒸馏分离设备采用了一体化设计，相对于精馏/加热/冷却分别由不同设备实现的常规精馏塔而言，压降要小得多，特别适于真空精馏；

6.本发明的蒸馏分离设备适用于易于堵塞的液体组合物；

7.本发明的蒸馏分离设备可用作预蒸馏塔，用于在蒸馏之前进行预蒸馏，从而降低蒸馏能量成本。

实施例

通过以下实施例进一步阐述本发明。

实施例1

对于C₁₂脂肪醇和C₂₀脂肪醇的分离，具体设计如图2所示。进料速率5kmol/h，进料组成为质量分数13.5％的C₁₂脂肪醇和86.5％的C₂₀脂肪醇，设备总长度5.5m，其中上段1.5米；中段和下段各自2米；上段为全冷凝器，不具备分离能力，中段和下段分别相当于4块理论板，换热管直径50mm，每段各有30根换热管。当塔顶压力为5mbar，回流比为0.2时，与常规精馏塔(包括冷凝器和再沸器)相比，冷却所需的能量成本降低22％，加热所需的能量成本降低20％。在轻组分取出口6得到质量稳定的液体C₁₂脂肪醇(质量分数99.01％)，在重组分取出口5得到质量稳定的C₂₀脂肪醇(质量分数99.9％)。

结果比较：

	精馏塔	换热器
			塔压降	3mbar	1mbar
冷却量	23kW	18kW
			加热量	140kW	112kW
设备	塔高3m+两个换热器	5.5m(一体化设计)

Claims (16)

1.一种蒸馏分离设备，所述设备包括上下设置的上部换热器、下部换热器以及位于上部换热器和下部换热器之间的气液分布器。

2.根据权利要求1所述的蒸馏分离设备，其中待分离物料在上部换热器中被冷却并分离出轻组分，在下部换热器中被加热并分离出重组分。

3.根据权利要求1或2所述的蒸馏分离设备，其中所述换热器为管壳式换热器。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的蒸馏分离设备，其中换热器中的各换热管是独立存在的，不相互连通。

5.根据权利要求4所述的蒸馏分离设备，其中管道内添加填充物以增加传热传质效率。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的蒸馏分离设备，其中待分离物质在管内流动，而冷却或加热介质在管间流动。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的蒸馏分离设备，其中在换热器的管程内，液相向下流动，而气相向上流动。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的蒸馏分离设备，其中如果需要以液相形式得到轻组分，则在上部换热器上增加全冷凝器。

9.根据权利要求8所述的蒸馏分离设备，其中在上部换热器和全冷凝器之间存在气液分布器。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的蒸馏分离设备，其采用一体化设计以降低压降。

11.根据权利要求1-10中任一项所述的蒸馏分离设备，其中上部换热器和下部换热器可以采用不同的直径，并且在上部换热器和下部换热器之间采用变径连接。

12.根据权利要求1-10中任一项所述的蒸馏分离设备的用途，其用于分离含热敏物质的液体组合物。

13.根据权利要求1-10中任一项所述的蒸馏分离设备的用途，其用于分离易于堵塞的液体组合物。

14.根据权利要求1-10中任一项所述的蒸馏分离设备的用途，其用于真空精馏。

15.根据权利要求1-10中任一项所述的蒸馏分离设备的用途，其用于在蒸馏之前进行预蒸馏。

16.一种分离液体组合物的方法，其中使用根据权利要求1-10中任一项所述的蒸馏分离设备。

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