CN113797578B - 用于共沸混合溶液分离的精馏设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于共沸混合溶液分离的精馏设备，包括：塔盘，其数量为多个且分层设置在精馏复合塔中；毛细精馏管束，其贯穿设置于多层塔盘中，该毛细精馏管束顶部连接至精馏复合塔的塔顶冷凝器，该毛细精馏管束底部连接至精馏复合塔的塔底再沸器。本发明还公开了一种精馏方法，使得极性弱的轻组分在毛细精馏管束内气化上升，极性强的重组分在毛细力的作用下留在液相中，进而改变共沸混合溶液中共沸物的气液平衡。本发明的设备和方法无需加入第三方溶剂即可实现共沸体系分离，突破共沸溶液体下的共沸点，同时对原料的适用面较广，分离能耗更低。

Description

用于共沸混合溶液分离的精馏设备及方法

技术领域

本发明涉及化工产品的混合物分离技术领域，特别涉及一种用于共沸混合溶液分离的精馏设备及方法。

背景技术

精馏过程是分离液体混合物的典型操作，是过程工业中应用最广泛的分离操作。常规精馏操作利用液体混合物中各组分的相对挥发度差异，通过热量传递的方法，使混合物形成气液两相系统，并相互接触进行传热传质，实现混合物的分离。因此，组分间相对挥发度差别愈大，系统愈容易分离。

传统的精馏操作通常在精馏塔中进行，气液两相通过逆流接触，进行相际传热传质。液相中的易挥发组分进入气相，气相中的难挥发组分转入液相，于是在塔顶可得到几乎纯的易挥发组分，塔底可得到几乎纯的难挥发组分。料液从塔的中部加入，进料口以上的塔段，把上升蒸汽中易挥发组分进一步增浓，称为精馏段；进料口以下的塔段，从下降液体中提取易挥发组分，称为提馏段。从塔顶引出的蒸汽经冷凝，一部分凝液作为回流液从塔顶返回精馏塔，其余馏出液即为塔顶产品。塔底引出的液体经再沸器部分气化，蒸气沿塔上升，余下的液体作为塔底产品。

但部分溶液组分按特定比例混合后，由于溶液组分饱和蒸汽压与拉乌尔定律发生偏差，极易形成共沸物，即相对挥发度接近于1，加热至沸腾后，气相中两种物质的比例和液相中两种物质的比例一致。采用前述传统精馏操作分离共沸物能耗极大，目前工业上普遍采用恒沸精馏和萃取精馏的方法，即在共沸物溶液中加入第三组分，提高待分离组分间的相对挥发度。

传统的恒沸精馏和萃取精馏均需加入第三方溶剂，因此对第三方溶剂的要求较高，使用体系受限较多，恒沸精馏要求新形成的恒沸液沸点低，且为非均相混合物，便于用分层法分离，萃取精馏要求萃取剂可显著改变原组分间的相对挥发度，且沸点远高于原溶液各组分。

例如中国专利申请CN109851499A公开了一种利用共沸精馏分离醋酸乙烯酯中苯的方法及其装置。采用甲醇、水、乙醇、丙醇、丁醇中的任一种或多种混合物作为共沸剂，经共沸精馏来分离醋酸乙烯酯中的苯；使醋酸乙烯酯中的苯含量降到1ppm以下。采用的分离系统结构简单，分离塔均为常压塔，操作费用低，安全环保。该方法可将从微量到常量级别的杂质苯都能够有效脱除。

现有技术中还包括不使用共沸剂的分离方法，例如中国专利申请CN107970632A公开了一种共沸精馏分离装置，配备包括冷凝管和分相部的冷凝分相单元，在不加入共沸剂的情况下，实现二元共沸混合物的分离，即能够将正己醇和水形成的二元共沸混合物分离，针对性强，且回收的正己醇可作为原料再次利用。但该方法要求混合溶液需在冷凝状温度下为非均相混合物，对原料的限制较大，且分离效果差。

再比如，中国专利申请CN103007564A公开了一种利用毛细力作用实现溶液精馏的方法，借助毛细管在水相中存在的表面张力现象加速溶液的毛细冷凝与分离，但该设备仅利用毛细力为推动力加速塔顶冷凝器内气相冷凝及分离，对提升塔顶、塔底产品质量并无效果。

现有的共沸分离方法通常需加入第三方溶剂导致分离体系受限，以及传统精馏方法无法改变共沸体系溶液间相对挥发度，导致共沸分离效率低。因此，亟需一种不使用第三方溶剂即可实现共沸体系分离，且对原料适用面广，分离能耗低的精馏设备和精馏方法，从而有效解决上述现有技术中存在的问题。

公开于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，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种精馏设备，该设备利用毛细金属管件对共沸体系溶液中不同极性组分的作用力不同的特点，改变共沸物的气液平衡，突破共沸溶液体下的共沸点，无需加入第三方溶剂即可实现共沸体系分离，同时对原料的适用面较广，分离能耗更低。

本发明的另一目的在于提供一种使用前述精馏设备对共沸混合溶液进行分离的方法。

为实现上述目的，根据本发明的第一方面，本发明提供了一种用于共沸混合溶液分离的精馏设备，包括：塔盘，其数量为多个且分层设置在精馏复合塔中；毛细精馏管束，其贯穿设置于多层塔盘中，该毛细精馏管束顶部连接至精馏复合塔的塔顶冷凝器，该毛细精馏管束底部连接至精馏复合塔的塔底再沸器。

进一步，上述技术方案中，毛细精馏管束可由多根毛细金属管件组成，多根毛细金属管件可均匀布设于精馏复合塔的塔体内且沿塔体轴线延伸。

进一步，上述技术方案中，多根毛细金属管件可自精馏复合塔中心呈放射环状分布且均与塔盘垂直设置。

进一步，上述技术方案中，毛细精馏管束相对于塔盘为封闭状态，毛细精馏管束的进料口位于精馏复合塔的中部。进料口与毛细精馏管束的每根毛细金属管件均处于连通状态。

进一步，上述技术方案中，毛细金属管件可采用中空的不锈钢管件。

进一步，上述技术方案中，不锈钢管件中可充填波浪状、刺状或凸起状的破泡片。

进一步，上述技术方案中，进料口处的来料为加热至泡点的共沸混合溶液。

进一步，上述技术方案中，塔顶冷凝器可采用风冷或水冷方式降温。塔底再沸器可采用低压蒸汽、中压蒸汽或导热油等进行换热。

进一步，上述技术方案中，塔盘可以采用筛板塔盘、泡罩塔盘或填料塔盘等。

为实现上述另一目的，根据本发明的第二方面，本发明提供了一种用于共沸混合溶液分离的精馏方法，包括如下步骤：将共沸混合溶液自进料口输送至毛细精馏管束内；极性弱的轻组分在毛细精馏管束内气化上升，极性强的重组分在毛细力的作用下留在液相中，进而改变共沸混合溶液中共沸物的气液平衡；气化上升的轻组分经精馏复合塔的塔顶冷凝后自上而下进入塔盘，留在液相中的重组分经塔底再沸后自下而上进入塔盘，气液两相在塔盘上进行传热传质，进而完成精馏过程。

进一步，上述技术方案中，共沸混合溶液的进料输送至毛细精馏管束的中部。

进一步，上述技术方案中，极性弱的轻组分在毛细精馏管束内气化上升的过程中可进行破泡步骤，防止上升的气泡过大堵塞毛细精馏管束。

进一步，上述技术方案中，毛细精馏管束贯穿各层的塔盘，将塔盘的精馏段镶嵌在提馏段内，通过毛细精馏管束的外壁进行传热。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明的用于共沸混合溶液精馏的设备和方法可将毛细精馏与常规精馏相耦合，利用轻重组分间毛细力的差异进行初步分离，得到偏离共沸溶液组成的塔顶出料和塔底出料，再循环至常规塔盘进行分离，得到纯度高的轻、重组分；另外，该设备和方法充分利用毛细管束的导热性质，耦合毛细精馏区域、常规精馏区域的提馏段和精馏段，将精馏塔结构由传统的上段为精馏段、下段为提馏段优化为精馏段镶嵌在提馏段内，通过毛细精馏管束外壁进行传热，实现待分离气液相间的传热，可有效提高设备整体的热量利用效率。

上述说明仅为本发明技术方案的概述，为了能够更清楚地了解本发明的技术手段并可依据说明书的内容予以实施，同时为了使本发明的上述和其他目的、技术特征以及优点更加易懂，以下列举一个或多个优选实施例，并配合附图详细说明如下。

附图说明

图1是本发明用于共沸混合溶液分离的精馏设备的结构示意图。

图2是本发明精馏设备中精馏复合塔的横截面剖视示意图。

图3是本发明精馏设备中毛细精馏管的结构示意图。

图4是本发明精馏设备中精馏复合塔的精馏段示意图（示出毛细精馏段及该段产出的中间产品）。

图5是本发明精馏设备中精馏复合塔的提馏段示意图（示出各层塔盘以及该段产出的最终产品）。

主要附图标记说明：

1-精馏复合塔，2-毛细精馏管束，21-破泡片，3-提馏段塔盘，4-塔顶冷凝器，5-塔顶回流泵，6-塔底循环泵，7-塔底再沸器；

A-共沸混合溶液，B-塔顶最终产品，C-塔底最终产品，B’-塔顶中间产品，C’-塔底中间产品。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其他明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其他元件或其他组成部分。

在本文中，为了描述的方便，可以使用空间相对术语，诸如“下面”、“下方”、“下”、“上面”、“上方”、“上”等，来描述一个元件或特征与另一元件或特征在附图中的关系。应理解的是，空间相对术语旨在包含除了在图中所绘的方向之外物件在使用或操作中的不同方向。例如，如果在图中的物件被翻转，则被描述为在其他元件或特征“下方”或“下”的元件将取向在所述元件或特征的“上方”。因此，示范性术语“下方”可以包含下方和上方两个方向。物件也可以有其他取向（旋转90度或其他取向）且应对本文使用的空间相对术语作出相应的解释。

在本文中，术语“第一”、“第二”等是用以区别两个不同的元件或部位，并不是用以限定特定的位置或相对关系。换言之，在一些实施例中，术语“第一”、“第二”等也可以彼此互换。

如图1所示，本发明提供了一种借助毛细吸附力实现共沸混合溶液A分离的精馏设备和精馏方法，该精馏设备为一个精馏复合塔1，包括塔盘（即本发明的提馏段塔盘3）和毛细精馏管束2，塔盘的数量为多个且分层设置在精馏复合塔1中。毛细精馏管束2贯穿设置于多层塔盘中，毛细精馏管束2顶部连接至精馏复合塔的塔顶冷凝器4，毛细精馏管束2底部连接至精馏复合塔1的塔底再沸器7。具体地，精馏复合塔1由上至下依次为塔顶冷凝区、塔体和塔底再沸区，毛细精馏管束2和提馏段塔盘3设置在塔体内，毛细精馏管束2均匀排布于塔体内，塔盘3由上至下环布于毛细精馏管束周围。毛细精馏区域的塔顶出料连接至塔顶冷凝器4，塔顶冷凝后的物料作为提馏段塔盘3的液相进料连接塔体内。毛细精馏区域的塔底出料连接至再沸器7，再沸后的气相出料全部返回至塔体内作为提馏段塔盘3的气相进料。

进一步如图1、2所示，毛细精馏管束2由多根毛细金属管件组成，这些毛细金属管件均匀布设于精馏复合塔1的塔体内且沿塔体轴线延伸。如图2所示，多根毛细金属管件自精馏复合塔中心呈放射环状分布且均与各层塔盘3垂直设置。优选而非限制性地，毛细金属管件采用中空的不锈钢管件。毛细精馏管束2相对于塔盘为封闭状态，毛细精馏管束2的外壁与塔盘3内的气液相物质仅存在传热过程（即在毛细金属管件中不发生传质）。毛细精馏管束2的进料口位于精馏复合塔1的中部。为使物料均匀输送至毛细金属管件内，进料口与毛细精馏管束2的每根毛细金属管件均处于连通状态。

进一步如图3所示，优选而非限制性地，不锈钢管件中充填破泡片21，可避免毛细精馏管束2内上升的气泡过大堵塞管件，导致管束压降过大。破泡片21可采用波浪状、刺状或凸起状的破泡片，只要能有效刺破上升的大气泡即可。

进一步地，本发明毛细精馏管束2进料口处的来料为加热至泡点的共沸混合溶液。塔顶冷凝器4可采用采用风冷或水冷方式进行降温。塔底再沸器7可采用低压蒸汽、中压蒸汽或导热油进行换热。塔盘3可采用筛板塔盘、泡罩塔盘或填料塔盘。

本发明的精馏复合塔1内分布排列的数段毛细精馏管束2构成毛细精馏段，在此区域内，共沸混合溶液A进入毛细精馏管束2后在毛细作用力及重力共同作用下实现产品初分，即在毛细力的作用下，共沸混合溶液A中极性较弱的轻组分在管壁上的吸附力较弱，容易气化上升，共沸混合溶液A中极性较强的重组分在管壁上的吸附力较强，随管中的液相下降，从而在此区域内打破共沸体系的溶液组成。毛细精馏管束2的区域为本发明的精馏区域（参考图4），而精馏复合塔1内自上而下分布的数层塔盘3构成提馏区域（参考图5），在此区域内，已经在本发明精馏区域突破共沸点组成的气、液相进行传质、传热，可进一步提高溶液的提浓效果。

进一步如图1、4和5所示，本发明的用于共沸混合溶液分离的精馏方法，采用本发明的精馏设备，即，毛细精馏管束2贯穿精馏复合塔1各层的塔盘3，将塔盘的精馏段镶嵌在提馏段内。该方法包括如下步骤：首先，将共沸混合溶液A自进料口输送至毛细精馏管束2内；然后，共沸混合溶液A进入毛细精馏管束2后，极性较弱的轻组分在毛细精馏管束2内气化上升，得到塔顶中间产品B’，极性较强的重组分在毛细力的作用下（即吸附在管壁上）从而留在液相中，得到塔底中间产品C’，用这种方式改变共沸混合溶液A中共沸物的气液平衡。最后，气化上升的轻组分（即塔顶中间产品B’）经精馏复合塔1的塔顶冷凝后自上而下进入塔盘3，留在液相中的重组分（即塔底中间产品C’）经塔底再沸后自下而上进入塔盘，气液两相在塔盘3上进行传热传质，进而完成整个精馏过程。本发明针对现有共沸分离方法需加入第三方溶剂导致分离体系受限，以及传统精馏方法无法改变共沸体系溶液间相对挥发度，导致共沸分离效率低等问题，利用毛细金属管束对共沸体系溶液中不同极性组分的作用力不同来突破共沸溶液体下的共沸点。本发明中的“极性”的强弱差异是指由于溶液中组分的分子组成以及基团结构的不同使得不同组分在管壁上的吸附能力不同。即，强极性重组分在毛细力作用下（也即管壁吸附能力）留在液相中，弱极性轻组分气化后进入塔顶，进而改变共沸物的气液平衡，突破共沸溶液体下的共沸点，无需加入第三方溶剂即可实现共沸体系分离，同时对物料的适用面广，分离能耗低。

进一步地，为了保证分离效率，共沸混合溶液A的进料输送至毛细精馏管束2的中部，使得上升气相和下降液相都有足够的行程。优选而非限制性地，为防止上升的气泡过大堵塞毛细精馏管束2，极性弱的轻组分在毛细精馏管束内气化上升的过程中可进行破泡步骤。进一步地，精馏复合塔1内的压力为0.1MPa至10MPa；精馏复合塔内的温度为20℃至600℃。

本发明的共沸混合溶液加热至泡点后作为毛细精馏复合塔进料自塔中进入毛细精馏管束，极性较弱的轻组分在毛细力作用下上升至毛细精馏区域塔顶，塔顶中间产品B’全部进入塔顶冷凝器，塔顶冷凝器出料采用泵（即塔顶回流泵5）加压后循环至塔体顶部。极性较强的重组分进入毛细精馏区域塔底，塔底中间产品C’全部进入塔底再沸器，塔底再沸器出料采用塔底循环泵6加压后循环至塔体底部。塔顶中间产品B’和塔底中间产品C’的气液两相在塔盘上进行传热传质，塔顶最终产品B自塔顶采出作为轻产品出塔体，塔底最终产品C自塔底采出作为重产品出塔体。本发明的设备和方法适用于轻组分极性较弱、重组分极性较强的共沸混合溶液的精馏。

实施例

乙酸乙酯-乙醇共沸溶液在泡点状态下进入毛细精馏管束2，极性较弱的乙酸乙酯气化后向上，通过毛细精馏管束2进入塔顶冷凝器4，冷凝后的较高浓度轻组分乙酸乙酯-乙醇溶液经塔顶回流泵5加压后循环至精馏复合塔1的塔体内，自提馏段塔盘3自上而下流入；极性较强的乙醇在毛细力作用下保留在液相中，并在重力作用下向毛细精馏管束2下端移动，通过塔底循环泵6加压后进入塔底再沸器7，气化后的较低浓度的乙酸乙酯-乙醇混合蒸汽循环至提馏段塔盘3底部，在提馏段塔盘3上完成常规的传热传质，最后在提馏段塔盘3顶部得到高浓度的乙酸乙酯产品，在提馏段塔盘3底部得到高浓度的乙醇产品。在上述实施例中，毛细精馏管束2采用不锈钢材质，提馏段塔盘3采用筛板塔，塔顶冷凝器温度为45℃，塔底再沸器温度为100℃，压力为0.16MPa。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。针对上述示例性实施方案所做的任何简单修改、等同变化与修饰，都应落入本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种用于共沸混合溶液分离的精馏设备，其特征在于，包括：

塔盘，其数量为多个且分层设置在精馏复合塔中；

毛细精馏管束，其贯穿设置于多层所述塔盘中，毛细精馏管束由多根毛细金属管件组成，所述多根毛细金属管件均匀布设于所述精馏复合塔的塔体内且沿所述塔体轴线延伸，多根毛细金属管件自所述精馏复合塔中心呈放射环状分布且均与所述塔盘垂直设置，该毛细精馏管束顶部连接至所述精馏复合塔的塔顶冷凝器，该毛细精馏管束底部连接至所述精馏复合塔的塔底再沸器；所述毛细精馏管束相对于所述塔盘为封闭状态，所述毛细精馏管束的进料口位于所述精馏复合塔的中部，进料口与所述毛细精馏管束的每根毛细金属管件均处于连通状态；进料口处的来料为加热至泡点的共沸混合溶液。

2.根据权利要求1所述的用于共沸混合溶液分离的精馏设备，其特征在于，所述毛细金属管件为中空的不锈钢管件。

3.根据权利要求2所述的用于共沸混合溶液分离的精馏设备，其特征在于，所述不锈钢管件中充填波浪状、刺状或凸起状的破泡片。

4.根据权利要求1所述的用于共沸混合溶液分离的精馏设备，其特征在于，所述塔顶冷凝器采用风冷或水冷方式降温。

5.根据权利要求1所述的用于共沸混合溶液分离的精馏设备，其特征在于，所述塔底再沸器采用低压蒸汽、中压蒸汽或导热油进行换热。

6.根据权利要求1所述的用于共沸混合溶液分离的精馏设备，其特征在于，所述塔盘采用筛板塔盘、泡罩塔盘或填料塔盘。

7.一种用于共沸混合溶液分离的精馏方法，利用权利要求1至6中任意一项所述的精馏设备，其特征在于，包括如下步骤：

将共沸混合溶液自进料口输送至毛细精馏管束内；

极性弱的轻组分在所述毛细精馏管束内气化上升，极性强的重组分在毛细力的作用下留在液相中，进而改变所述共沸混合溶液中共沸物的气液平衡；

气化上升的所述轻组分经精馏复合塔的塔顶冷凝后自上而下进入塔盘，留在液相中的所述重组分经塔底再沸后自下而上进入塔盘，气液两相在所述塔盘上进行传热传质，进而完成精馏过程。

8.根据权利要求7所述的用于共沸混合溶液分离的精馏方法，其特征在于，所述共沸混合溶液的进料输送至所述毛细精馏管束的中部。

9.根据权利要求7所述的用于共沸混合溶液分离的精馏方法，其特征在于，在所述极性弱的轻组分在毛细精馏管束内气化上升的过程中进行破泡，防止上升的气泡过大堵塞所述毛细精馏管束。

10.根据权利要求7所述的用于共沸混合溶液分离的精馏方法，其特征在于，所述毛细精馏管束贯穿各层的所述塔盘，将所述塔盘的精馏段镶嵌在提馏段内，通过所述毛细精馏管束的外壁进行传热。

11.根据权利要求7所述的用于共沸混合溶液分离的精馏方法，其特征在于，精馏过程中所述精馏复合塔内的压力为0.1MPa至10MPa；所述精馏复合塔内的温度为20℃至600℃。

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