CN113577813A - 一种能源梯级利用的精馏系统与精馏工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种能源梯级利用的精馏系统与精馏工艺，其工艺包括精馏塔底再沸工序、精馏塔顶物料冷却工序；精馏塔底再沸工序热量由制冷剂直接提供；精馏塔顶物料冷却工序的塔顶物料由制冷剂直接冷却；制冷剂的热量由热水直接提供。本发明适用于各种结构、各种规格的精馏设备，能确保最大程度的降低能耗，保证物料精馏效果。同时能够通过换热形式的转换提高工艺操作安全性。

Description

一种能源梯级利用的精馏系统与精馏工艺
技术领域
本发明涉及一种能源梯级利用的精馏系统与精馏工艺。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
传统物料精馏装置，普遍采用热水直接对精馏塔底部再沸器内液态物料进行加热汽化，蒸汽再对热水进行加热升温，而精馏塔顶部的气态物料再通过冷凝器进行冷凝回流，冷凝器中采用冷水作为冷媒，而冷水再由制冷机组提供。中间采出的气态物料经过换热器升温外送，热源仍采用热水，蒸汽再对热水进行加热升温。
发明人研究发现，传统物料精馏装置一方面需要消耗大量的蒸汽，同时也需要消耗冷量，同时增加的附属转动设备也消耗电能。再沸器为列管式，物料与热水在再沸器列管中换热，存在热水进入列管中与物料发生化学反应进而腐蚀设备的可能性，危险程度较高。塔顶冷凝器为列管式，物料与冷水在冷凝器列管中换热，存在冷水进入列管中与物料发生化学反应进而腐蚀设备的可能性，危险程度较高。因而，传统物料精馏装置存在能耗高，工艺操作复杂，安全系数低的缺点。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明的目的是提供一种能源梯级利用的精馏系统与精馏工艺，适用于各种结构、各种规格的精馏设备，能确保最大程度的降低能耗，保证物料精馏效果。同时能够通过换热形式的转换提高工艺操作安全性。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
一方面，一种能源梯级利用的精馏工艺，包括精馏塔底再沸工序、精馏塔顶物料冷却工序；
精馏塔底再沸工序热量由制冷剂直接提供；
精馏塔顶物料冷却工序的塔顶物料由制冷剂直接冷却；
制冷剂的热量由热水直接提供。
水的换热速率较慢，塔顶物料需要冷却，塔底再沸出料需要加热，水换热前后温差变化不明显，因而塔顶冷却水经过换热后，虽然能够吸收热量，但是其吸收热量较低，难以直接用于塔底再沸出料的加热，只能直接利用热水对塔底再沸出料进行加热。而水热对塔底再沸出料加热后，又由于水的换热速率较慢，使得换热后的热水温度仍然较高，难以直接作为塔顶物料的冷却水，仍然需要冷却剂进一步对换热降温后的热水进行冷却，从而浪费能源。本发明通过制冷剂直接作为精馏塔各出料口的换热介质，换热量更多，换热速率较快，在换热前后能够产生更为明显的温差，从而能够实现对精馏塔各出口的物料进行换热，从而实现能量梯级利用，能够避免进一步换热导致的能量损失。同时与水相比，制冷剂的化学稳定性更高，从而避免设备腐蚀，提高生产的安全性。
为了更好的实现能量梯级利用，另一方面，一种能源梯级利用的精馏系统，包括精馏塔，精馏塔塔顶物料出口连接物料冷凝器，精馏塔塔底设置再沸器；
物料冷凝器内的冷却剂、物料加热器内的加热剂及再沸器内的加热剂均为制冷剂，
包括制冷剂汽化器和制冷机，一部分制冷剂依次进入制冷剂汽化器和再沸器，另一部分制冷机依次进入物料冷凝器、制冷机和再沸器；制冷剂汽化器的热源为热水。
本发明的有益效果为：
本发明直接以制冷剂作为精馏塔底再沸工序和精馏塔顶物料冷却工序的换热介质，能够实现能量梯级利用，同时能够进行分层布置，流程简单，占地面积小，自动调节简单，设备运行费用低，能够最大程度降低能耗，给企业带来了经济效益。
本发明在换热设备内，物料与制冷剂换热，避免物料中进水后发生反应腐蚀设备的风险，给企业带来了安全效益。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例工艺流程示意图；
1、精馏塔，2、再沸器，3、物料冷凝器，4、物料加热器，5、制冷剂储罐，6、制冷剂汽化器，7、制冷机组，8、热水罐，9、热水泵，10、塔进料管，11、塔顶出气管，12、回流管，13、塔中出气管，14、再沸器出气管，15、再沸器进料管，16、物料冷凝器出气管，17、制冷机组进气管，18、制冷机组出气管，19、液态制冷剂管，20、制冷剂汽化器出口管，21、液态制冷剂管，22、热水泵出口管，23、热水管，24、热水回水管。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
鉴于现有精馏工艺存在能耗高、安全性低等问题，本发明提出了一种能源梯级利用的精馏系统与精馏工艺。
本发明的一种典型实施方式，提供了一种能源梯级利用的精馏工艺，包括精馏塔底再沸工序、精馏塔顶物料冷却工序；
精馏塔底再沸工序热量由制冷剂直接提供；
精馏塔顶物料冷却工序的塔顶物料有制冷剂直接冷却；
制冷剂的热量由热水直接提供。
本发明通过制冷剂直接作为精馏塔各出料口的换热介质，换热量更多，换热速率较快，在换热前后能够产生更为明显的温差，从而能够实现对精馏塔各出口的物料进行换热，从而实现能量梯级利用，能够避免进一步换热导致的能量损失。同时与水相比，制冷剂的化学稳定性更高，从而避免设备腐蚀，提高生产的安全性。
该实施方式的一些实施例中，一部分制冷剂由热水加热；另一部分制冷剂与塔顶物料进行换热，换热后的制冷剂经过制冷机压缩，压缩后的制冷剂与热水加热后的制冷剂用于对精馏塔底再沸工序进行加热。不仅能够更好的利于热水能量，而且对于系统产生的余热能够充分利用。
由于热水加热后的制冷剂温度与制冷机压缩后的制冷剂温度不同，为了满足不同汽化温度，在一种或多种实施例中，将压缩后的制冷剂与热水加热后的制冷剂混合后调节混合后制冷剂的温度，然后用于对精馏塔底再沸工序进行加热。例如再沸工序内物料所需的汽化温度为50℃时，制冷机组出口制冷剂温度70℃，制冷剂汽化器出口温度35℃，调节不同来源制冷剂的比例，是其合并后的温度为50℃。
在一种或多种实施例中，制冷机组出口制冷剂流量18.0～20.0t/h，制冷剂汽化器出口制冷剂流量31.0～32.0t/h，两处制冷剂合并后流量达到49.0～52.0t/h。不仅能够满足再沸工序内物料所需的汽化温度，而且能够满足再沸工序内物料汽化所需的制冷剂流量。
该实施方式的一些实施例中，包括塔中出口物料加热工序，热水先对制冷剂进行加热，将加热制冷剂后的热水作为塔中出口物料加热工序的热源。实现对热水内能量的梯级利用。
该实施方式的一些实施例中，精馏塔顶物料冷却工序中，温度30～40℃、压力1.0～1.5MPa的液态制冷剂由物料冷凝器底部两侧进入，在物料冷凝器壳程闪蒸后，气态制冷剂压力0.30～0.60MPa、温度3～8℃。满足物料冷凝器所需冷量。
该实施方式的一些实施例中，精馏塔内的塔顶重组份利用压差回至储存系统，制冷剂储液罐内的制冷剂利用液位差将制冷剂送至制冷剂汽化器。有利于降低动力消耗。
该实施方式的一些实施例中，热水来源于蒸汽合成炉。蒸汽合成炉的副产热水可以用于对制冷剂进行加热。
该实施方式中，其简要流程为：制冷机组对0.5MPa的气态制冷剂压缩至1.2MPa，与制冷剂汽化器出来的气态制冷剂一起送至再沸器对物料加热汽化，制冷剂被物料冷却液化，然后自流至制冷剂贮罐，从制冷剂贮罐自流至制冷剂汽化器进行循环使用。制冷剂贮罐中一部分液态制冷剂利用压差进入物料冷凝器进行闪蒸汽化吸热，将气态物料冷凝，气态制冷剂进入制冷机组进行压缩，循环使用。再沸器中汽化后的气态物料进入精馏塔，在塔内气相和液相逆流接触传质换热，然后高纯度的气态物料在塔体中间侧采出后经过换热器利用热水升温后外送。合成炉副产的热量进入热水罐中，由热水泵将热水输送至制冷剂汽化器对制冷剂进行汽化，换热后的热水再进入物料加热器对物料升温，实现热水的二次利用。通过能源梯级利用汽化工艺，可达到节能和物料纯化目的。
该实施方式的一些实施例中，所述制冷剂为氟利昂。
本发明的另一种实施方式，提供了一种能源梯级利用的精馏系统，包括精馏塔，精馏塔塔顶物料出口连接物料冷凝器，精馏塔塔底设置再沸器；
物料冷凝器内的冷却剂及再沸器内的加热剂均为制冷剂；
包括制冷剂汽化器和制冷机，一部分制冷剂依次进入制冷剂汽化器和再沸器，另一部分制冷机依次进入物料冷凝器、制冷机和再沸器；制冷剂汽化器的热源为热水。
该实施方式的一些实施例中，物料冷凝器为管式换热器，制冷剂走壳程。
该实施方式的一些实施例中，制冷剂汽化器为管式换热器，制冷剂走管程，热水走壳程。
该实施方式的一些实施例中，精馏塔塔中物料出口连接物料加热器，制冷剂汽化器的热水出口连接物料加热器的热水进口。对塔中的出料进行加热，以满足后续工艺的要求，同时增加热水的利用效率。
在一种或多种实施例中，热水储罐位于物料加热器的下方。能够利用压差将换热后的热水靠自身重力流回至热水储罐。
该实施方式的一些实施例中，物料冷凝器、制冷机、再沸器和制冷剂储罐的安装位置依次下降。不仅有利于各装置的分层布置，减少占地，而且有利于减少动力消耗。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本发明的技术方案。
实施例1
一种能源梯级利用的精馏系统，如图1所示，包括精馏塔1、制冷剂储罐5和热水罐8。
精馏塔1的塔进料管10设置在中上部。精馏塔1的塔顶物料出口通过塔顶出气管11连接物料冷凝器3，物料冷凝器3的物料液相出口通过回流管12与精馏塔1塔顶连接，物料冷凝器3的物料气相出口通过物料冷凝器出气管16连接下一工艺。精馏塔1的塔中物料出口通过塔中出气管13连接物料加热器4。精馏塔1的塔底通过再沸器出气管14、再沸器2、再沸器进料管15连通，形成塔底物料循环。
制冷剂储罐5的出口通过液态制冷剂管21和制冷剂汽化器6的制冷剂进口管分别连接物料冷凝器3的制冷剂进口和制冷剂汽化器6的制冷剂进口。物料冷凝器3的制冷剂出口通过制冷机组进气管17连接制冷机组7。制冷剂汽化器6的制冷剂出口通过制冷剂汽化器出口管20与制冷机组7出口的制冷机组出气管18一同连接再沸器2的热源进口。再沸器2的热源出口通过液态制冷剂管19与制冷剂储罐5的进口连接。
热水罐8的出口连接热水泵9，热水泵9的出口通过热水泵出口管22连接制冷剂汽化器6的热水进口，制冷剂汽化器6的热水出口通过热水管23连接物料加热器4的热水进口，物料加热器4的热水出口通过热水回水管24连接热水罐8的进口。
制冷机组对气态制冷剂压缩后，与制冷剂汽化器出来的气态制冷剂一起送至再沸器对物料加热汽化，制冷剂被物料冷却液化，然后自流至制冷剂贮罐，从制冷剂贮罐自流至制冷剂汽化器进行循环使用。制冷剂贮罐中一部分液态制冷剂利用压差进入物料冷凝器进行闪蒸汽化吸热，将气态物料冷凝，气态制冷剂进入制冷机组进行压缩，循环使用。再沸器中汽化后的气态物料进入精馏塔，在塔内气相和液相逆流接触传质换热，然后高纯度的气态物料在塔体中间侧采出后经过物料加热器利用热水升温后外送。合成炉副产的热量进入热水罐中，由热水泵将热水输送至制冷剂汽化器对制冷剂进行汽化，换热后的热水再进入物料加热器对物料升温，实现热水的二次利用。通过能源梯级利用汽化工艺，可达到节能和物料纯化目的。
利用制冷机组的压缩热对液态物料进行汽化，实现了设备压缩热量的回收利用；利用液态制冷剂的闪蒸吸热原理对气态物料进行液化，避免了冷量的使用；利用合成炉副产热量对液态制冷剂进行升温汽化，杜绝了蒸汽的使用；利用制冷剂汽化器的出口热源对物料加热器进行加热升温，实现的了热源的二次利用，杜绝了蒸汽的使用；利用液位差和压差将物料精馏塔内物料送至物料储存系统，制冷剂储液罐内的制冷剂利用液位差将制冷剂送至制冷剂汽化器，避免了使用运转设备输送物料，从而降低动力消耗。
制冷机组出口制冷剂温度70℃，制冷剂汽化器出口温度35℃，两处制冷剂合并后温度50℃，满足再沸器内物料所需的汽化温度。
制冷机组出口制冷剂流量19t/h，制冷剂汽化器出口制冷剂流量31.5t/h，两处制冷剂合并后流量达到50.5t/h，满足再沸器内物料汽化所需的制冷剂流量。
温度35℃、压力1.2MPa的液态制冷剂由物料冷凝器底部两侧进入，在物料冷凝器壳程闪蒸后，气态制冷剂压力0.45MPa、温度5℃，满足物料冷凝器所需冷量。
合成炉副产90℃热水由热水输送泵送至制冷剂汽化器壳程内，与管程的制冷剂换热，将液态制冷剂汽化，换热后的部分热水(70℃)回至热水罐内，部分热水进入物料加热器内加热物料，换热后的热水(60℃)再回至热水罐内。
精馏塔内的塔顶重组份利用压差回至储存系统，制冷剂储液罐内的制冷剂利用液位差将制冷剂送至制冷剂汽化器，降低动力消耗。
物料汽化器内物料与制冷剂换热，物料冷凝器汇总物料与制冷剂换热，避免物料中进水后发生反应腐蚀设备的风险。
该实施例中对氯气进行精馏，塔顶为低纯度氯气，塔中为高纯度氯气，塔底为液氯。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种能源梯级利用的精馏工艺，其特征是，包括精馏塔底再沸工序、精馏塔顶物料冷却工序；
精馏塔底再沸工序热量由制冷剂直接提供；
精馏塔顶物料冷却工序的塔顶物料有制冷剂直接冷却；
制冷剂的热量由热水直接提供。
2.如权利要求1所述的能源梯级利用的精馏工艺，其特征是，一部分制冷剂由热水加热；另一部分制冷剂与塔顶物料进行换热，换热后的制冷剂经过制冷机压缩，压缩后的制冷剂与热水加热后的制冷剂用于对精馏塔底再沸工序进行加热。
3.如权利要求2所述的能源梯级利用的精馏工艺，其特征是，将压缩后的制冷剂与热水加热后的制冷剂混合后调节混合后制冷剂的温度，然后用于对精馏塔底再沸工序进行加热。
4.如权利要求3所述的能源梯级利用的精馏工艺，其特征是，制冷机组出口制冷剂流量18.0～20.0t/h，制冷剂汽化器出口制冷剂流量31.0～32.0t/h，两处制冷剂合并后流量达到49.0～52.0t/h。
5.如权利要求1所述的能源梯级利用的精馏工艺，其特征是，包括塔中出口物料加热工序，热水先对制冷剂进行加热，将加热制冷剂后的热水作为塔中出口物料加热工序的热源。
6.如权利要求1所述的能源梯级利用的精馏工艺，其特征是，精馏塔顶物料冷却工序中，温度30～40℃、压力1.0～1.5MPa的液态制冷剂由物料冷凝器底部两侧进入，在物料冷凝器壳程闪蒸后，气态制冷剂压力0.30～0.60MPa、温度3～8℃。
7.一种能源梯级利用的精馏系统，其特征是，包括精馏塔，精馏塔塔顶物料出口连接物料冷凝器，精馏塔塔底设置再沸器；
物料冷凝器内的冷却剂及再沸器内的加热剂均为制冷剂；
包括制冷剂汽化器和制冷机，一部分制冷剂依次进入制冷剂汽化器和再沸器，另一部分制冷机依次进入物料冷凝器、制冷机和再沸器；制冷剂汽化器的热源为热水。
8.如权利要求7所述的能源梯级利用的精馏系统，其特征是，馏塔塔中物料出口连接物料加热器，制冷剂汽化器的热水出口连接物料加热器的热水进口。
9.如权利要求8所述的能源梯级利用的精馏系统，其特征是，热水储罐位于物料加热器的下方。
10.如权利要求7所述的能源梯级利用的精馏系统，其特征是，物料冷凝器、制冷机、再沸器和制冷剂储罐的安装位置依次下降。
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