CN114432726B - 一种热耦合精馏塔 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种热耦合精馏塔。所述精馏塔，以进料位置为分割点，进料位置以上为精馏段，精馏段由若干个精馏塔段和若干个换热塔段相互拼接组装构成；进料位置以下为提馏段，提馏段由若干个提馏塔段和换热塔段相互拼接组装而成。本发明的热耦合精馏塔，取消了两塔之间多个换热器并联操作所带来的换热器控制方案复杂、精馏塔操作自由度较多的问题，简化了精馏塔的操作。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型的热量耦合式精馏塔。
背景技术
炼厂是能源生产单位同时也是能量消耗大户，而精馏过程在炼厂能耗中占据着相当大的比重。
目前，炼厂和化工厂精馏过程主要采用的是传统塔器进行物料的分离，理论上要获得N个产品则需要建设N-1个精馏塔，相应的投资和能耗较大。因此为了减少投资和过程能耗，开发新型的精馏设备是最佳选择。其中，热耦合精馏塔相比较于传统精馏塔可以极大地降低能耗，是典型的新型节能精馏设备。
传统精馏塔是以塔进料位置为分割点，将塔体分为两个部分，进料位置下方的提馏段和进料位置上方的精馏段。精馏段的作用在于利用塔顶气相冷却后所携带的冷量将塔底上升气相中的重组分物质冷凝为液相，液相返回塔底，实现轻组分的提纯。提馏段的作用在于利用塔底再沸器加热后的返塔气相对进料物料进行多级加热，将原料中的轻组分物质汽化并进入塔顶。从而实现被分离物料轻重组分的彻底分离过程。在分离过程中，由于需要将原料由常温加热至汽化温度，因此，精馏分离过程所需要的能量消耗巨大。常规精馏塔在运行过程中精馏段温度低于提馏段温度；塔顶压力高于塔底压力。
热耦合精馏塔是完全热耦合精馏塔的一种特殊形式，将塔顶气相进行压缩、升温后对提馏段物料进行加热，从而实现塔底再沸器的热量节约，从而实现节能。
CN201110151035.1公开了一种热耦合精馏塔，主要涉及超纯三氯氢硅采用全热耦合精馏的生产装置和工艺方法。采用全热耦合精馏的生产工艺，通过两个全热耦合精馏塔的串联，使高纯三氯氢硅原料液在经过两次全热耦合之后，在二次塔的侧线实现三氯氢硅超纯浓度的提取，而原料液中的轻重杂质组分则分别从两塔的主塔塔顶和塔釜馏出。本发明的优点在于全热耦合精馏塔内，由一道间壁分为预分馏区和主塔区，两个区之间的气相与液相流股形成了能量耦合，节省了对外部能量的需求，减少了冷凝器和再沸器数量。
CN201010213860.5公开了一种热耦合精馏塔的控制方法，该发明提供的控制系统及方法能够很好地处理高纯热耦合节能精馏的强非线性特征，具有高效的在线运算速度，并具有非常好的伺服跟踪控制效果。
CN201310009641.9 公开了一种热耦合精馏塔，该发明的优点在于集合了压差能量耦合技术以及全热耦合精馏塔的优点，在一个系统中安排全热耦合精馏塔的个数以及相关的操作参数，在得到高纯度产品的同时大幅度降低能耗。
从以上专利文献中可以看出：目前热耦合精馏塔的开发设计主要针对两塔式热量耦合过程，这一设计方式的在运行过程中要求精馏段和提馏段的高度相同，塔顶为进料口和塔顶产品出料口，塔底为液相产品出口；这就导致此精馏塔对进料原料的组成具有较大的限制，精馏塔运行时对原料波动非常敏感。同时，精馏段的塔板和提馏段的塔板需要逐层对应换热，以达到能效的最大化，但同时也带来各个换热器之间控制方法的复杂化问题，不利于塔的稳定运行。
发明内容
针对现有热耦合精馏塔结构设计不够优化和控制方案复杂等问题，本发明提供了一种新型的热耦合精馏塔，可以解决精馏塔对原料组分要求高的问题，简化精馏塔的控制。
本发明的热耦合精馏塔，具体发明内容为：
一种热耦合精馏塔，以进料位置为分割点，进料位置以上为精馏段，精馏段由若干个精馏塔段和若干个换热塔段相互拼接组装构成；进料位置以下为提馏段，提馏段由若干个提馏塔段和换热塔段相互拼接组装而成；
所述精馏塔的塔顶设置气相出口管线，塔顶侧壁设置液体回流入口；精馏塔下部塔壁设置气体入口；
所述的换热塔段采用列管式结构，换热管水平布置，管内走气相，管外走液相；
换热塔段水平两端设置封头，两个封头分别设置气体接口；
相邻两个换热塔段的气体接口通过管线连通；最下端换热塔段的气体入口与精馏塔下部侧壁设置气体入口为同一入口；
每个所述精馏塔段或提馏塔段均包括一层以上的塔盘，塔盘的一侧设置降液管；在每个精馏塔段/提馏塔段的下方设置液体分配器；
最上方换热塔段的气体出口（接口）与该换热塔段及其上方精馏塔段之间塔壁的气体入口连通。
进一步，所述的热耦合精馏塔（精馏塔段/提馏塔段）为板式塔、填料塔或浮阀塔，优选浮阀塔。
进一步，构成精馏段的精馏塔段和换热塔段间隔设置，自上而下，第一层为精馏塔段，第二层为换热塔段，第三层为精馏塔段，…，以此类推，直至进料位置。同样，构成提馏段的提馏塔段和换热塔段间隔设置。自下而上，第一层为换热塔段，第二层为提馏塔段，第三层为换热塔段，…，以此类推，直至进料位置。
进一步，精馏塔下部塔壁气体入口高于塔底再沸气返塔入口。
进一步，所述精馏塔的塔顶气相出口管线分为两路，一路经冷却器后与塔顶分液罐相连通，分液罐的液体出口分别与塔顶产品管线和塔顶液相回流管线连通；另一路经过气体压缩机和加热器后与塔下部塔壁气体入口连通。压缩机和加热器构成了气体控制系统。其中压缩机的压缩比控制为1~16，优选为5~12,。气相加热后温度与塔底温度相差10~30℃，优选控制为10~25℃，具体数值由待分离物系计算决定。
进一步，所述的液体分配器由液体分布管和导流管组成。导流管一端焊接固定于降液管侧面底部位置，导流管另一端与液体分布管连接。导流管与水平方向夹角为-10~0°，优选-5~-2°，便于进入降液管中的液体在重力作用下进入导流管内，导流管管径根据进入降液管的液相量进行计算确定。液体分布管数为5~50根，优选为5~30根；液体分布管直径为5~30mm，优选为5~20mm。液体分布管管垂直于塔壁且沿径向排列，每根液体分布管底部均匀设置若干液体分散口，分散口直径沿液体流动方向逐渐增加。每个导流管下部液体分散口数目根据导流管长度和塔内液相负荷计算确定。
进一步，所述换热塔段采用列管式设计，管内走气相，管外走液相。换热管可以是光滑直管、扭曲管、翅片管、高通量涂覆管中的一种或几种组合，优选为高通量涂覆管。换热管直径一般为5~30mm，优选为5~15mm。换热管数量由所分离物料分离过程所需热量计算确定；塔径为D，换热管水平布置，排列方式可以是三角形排列、正方形排列等，优选为三角形排列；换热管长度为0.1D~0.8D，优选为0.4D~0.8D。
本发明热耦合精馏塔，还提供了精馏塔段、提馏塔段、换热塔段的安装方法。具体安装方法为：所述的精馏塔采用预先分段制备，再分精馏段和提馏段分别组装，最后于现场将精馏段及提馏段组装为一个热耦合精馏塔。
安装时，提馏段段由塔底向塔顶逐级安装，提馏段段与塔底封头之间采用法兰、螺栓进行紧固；由下往上计算，第一层为换热塔段，第二层为提馏塔段，第三层为换热塔段。以此类推，直至安装至提馏段结束，组成提馏段。提馏塔段和换热塔段之间采用密封焊接形式进行固定。精馏段由塔顶向塔底逐级安装，精馏段与塔顶封头之间段采用法兰、螺栓进行紧固，由上往下计算，第一层为精馏塔段，第二层为换热塔段，第三层为精馏塔段。以此类推，直至安装至精馏段结束，组成精馏段。精馏段及提馏段采用法兰、螺栓进行紧固，并最终组成热耦合精馏塔。
本发明热耦合精馏塔中，液体分配器、精馏塔段、提馏塔段安装设计尺寸根据实际物料特性可以适当调整。
本发明新型热耦合精馏塔与现有技术相比具有如下优点：
1、采用串联方式的相互拼接而成的热耦合精馏塔，取消了两塔之间多个换热器并联操作所带来的换热器控制方案复杂、精馏塔操作自由度较多的问题，简化了精馏塔的操作。
2、在两个塔板段之间增加换热段，由于换热管束的布置，极大地提高了塔盘在操作运行过程中的操作上限（塔盘的雾沫夹带限）。在精馏塔设计时可以降低塔盘之间间距，有传统塔盘间距600mm减少至300~400mm，减少设备投资。
3、本发明热耦合精馏塔采用多个精馏塔段、提馏塔段和换热段相互拼装组合而成，对于各种不同物性的原料组成具有很强的适应能力。
附图说明
图1是本发明新型热耦合精馏塔结构示意图。
图2是换热段换热管排列示意图。
图3为液体分配器的结构示意图。
其中图1各数字标记分别对应：1-进料管线，2-塔顶气相管线，3-塔顶进冷却器气相，4-塔顶进压缩机气相，5-塔顶冷凝液，6-塔顶产品，7-塔顶液相回流，8-压缩后气相，9-加热后气相，10-塔底产品管线，11-精馏塔段，12-降液管，13-液体分配器，14-精馏段换热塔段，15-精馏段提馏段换热塔段连接管线，16-提馏段换热塔段；17-换热塔段连接管线，18-气体接口，19-再沸器气体返塔接口，20-气体返塔接口，21-回流液返塔接口，22-提馏塔段；A-热耦合精馏塔，B-塔底再沸器，C-塔顶冷却器，D-塔顶分液罐，E-压缩机，F-加热器。
其中图3中数字标记分别对应为：3-1塔壁，3-2降液管，3-3液相分配管，3-4连通管。
具体实施方式
结合图1对本发明热耦合精馏塔进行详细说明。
如图1所示，本发明的热耦合精馏塔，以进料位置为分割点，进料位置以上为精馏段，精馏段由若干个精馏塔段11和若干个精馏段换热塔段14相互拼接组装构成；进料位置以下为提馏段，提馏段由若干个提馏塔段22和提馏段换热塔段16相互拼接组装而成。所述精馏塔的塔顶设置气相出口管线2，塔顶侧壁设置液体回流入口21；精馏塔下部塔壁设置气体入口18。
精馏段换热塔段14和提馏段换热塔段16均采用列管式结构。换热管水平布置，管内走气相，管外走液相。换热塔段水平两端设置封头，两个封头分别设置气体接口。
相邻两个换热塔段的气体接口通过管线连通。如，靠近进料位置的精馏段换热塔段14和提馏段换热塔段16的气体接口通过精馏段提馏段换热塔段连接管线15连接，相邻的两个提馏段换热塔段16的气体接口通过换热塔段连接管线17连通。最下端换热塔段的气体入口18与精馏塔下部侧壁设置气体入口18为同一入口。
每个精馏塔段/提馏塔段均包括一层以上的塔盘，具体塔盘层数根据待分离物系确定。塔盘的一侧设置降液管12。在每个精馏塔段/提馏塔段的下方均设置液体分配器13。
最上方换热塔段的气体出口（接口）与该换热塔段及其上方精馏塔段之间塔壁的气体入口20连通。
本发明的热耦合精馏塔还包括气体控制系统。气体控制系统包括压缩机E和加热器F。塔顶气相出口管线2通过管线依次连接压缩机E、加热器F和塔壁气体入口18。
结合图1，本发明的热耦合精馏塔的工作过程如下：待分离物料经进料管线1进热耦合精馏塔A进料口，与来自精馏段的液相混合后进入塔内降液管12后经液体分配器13，经过分配后的液相在重力作用下向塔底运行。在提馏段换热塔段16上液体与气体之间相互换热，轻组分被气化向塔顶运行，重组分经后提馏段换热塔段16继续流向下一层塔盘。液体经过在塔盘上的多次传质和在换热段的多次换热后流向塔釜，一部分进入再沸器B中被加热汽化返回热耦合精馏塔A，一部分作为塔底产品经塔底产品管线10出装置。返回塔内的气相经过多级换热、多级传质后气相进入热耦合精馏塔塔顶。塔顶气相2被分为两部分：一部分作为气相产品3进入塔顶冷却器后成为液相产品5，液相产品5进入塔顶分液罐中D，一部分作为塔顶产品经塔顶产品管线6出装置，一部分作为塔顶液相回流经塔顶液相回流管线7返回热耦合精馏塔。塔顶气相第二部分4进入气相压缩机E，升压后气相8经过加热器F加热后成为满足热负荷要求的热源9。热源9经塔壁气体入口18，依次经过提馏段换热塔段16、提馏段换热塔段连接管线17、精馏段/提馏段换热塔段连接管线15、精馏段换热塔段14，最终作为塔顶产品出装置。
实施例1
混合原料AB进入分壁精馏塔进料侧，在加热状态下轻组分汽化上升（A/B混合物），重组分以液相形式下降（A/B混合物）。塔顶一部分气相物质经过冷却器C后进入分液罐D，一部分作为塔顶产品A出装置，一部分返回塔内作为回流液相。塔顶第二部分气相经压缩机E、加热器F后作为塔底热源之一进入塔底第一层提馏段换热塔段，并对液相进行加热汽化；换热后气相经提馏段换热塔段之间连接管线进入下一层提馏段换热塔段继续对液相加热，依次进行，气相温度逐渐降低至塔顶温度，换热塔段内气相与塔顶气相混合作为产品出装置。液相在塔内从上到下，经过塔盘传质及换热塔段换热后被多级汽化，最终在塔釜获得产品B。
Claims (13)
1.一种热耦合精馏塔，以进料位置为分割点，进料位置以上为精馏段，精馏段由若干个精馏塔段和若干个换热塔段相互拼接组装构成；进料位置以下为提馏段，提馏段由若干个提馏塔段和若干个换热塔段相互拼接组装而成；
所述精馏塔的塔顶设置气相出口管线，塔顶侧壁设置液体回流入口；精馏塔下部塔壁设置气体入口；
所述的换热塔段采用列管式结构，换热管水平布置，管内走气相，管外走液相；换热塔段水平两端设置封头，两个封头分别设置气体接口；
相邻两个换热塔段的气体接口通过管线连通；最下端换热塔段的气体入口与精馏塔下部塔壁设置的气体入口为同一入口；
每个所述精馏塔段或提馏塔段均包括一层以上的塔盘，塔盘的一侧设置降液管；在每个精馏塔段/提馏塔段的下方设置液体分配器；
最上方换热塔段的气体接口与该换热塔段及其上方精馏塔段之间塔壁的气体入口连通。
2.根据权利要求1所述的热耦合精馏塔，其特征在于，所述的精馏塔为板式塔、填料塔或浮阀塔。
3.根据权利要求1所述的热耦合精馏塔，其特征在于，构成精馏段的精馏塔段和换热塔段间隔设置；同样，构成提馏段的提馏塔段和换热塔段间隔设置。
4.根据权利要求1所述的热耦合精馏塔，其特征在于，精馏塔下部塔壁气体入口高于塔底再沸器气体返塔接口。
5.根据权利要求1所述的热耦合精馏塔，其特征在于，所述精馏塔的塔顶气相出口管线分为两路，一路经冷却器后与塔顶分液罐相连通，另一路经过气体压缩机和加热器后与精馏塔下部塔壁气体入口连通。
6.根据权利要求1所述的热耦合精馏塔，其特征在于，所述的液体分配器由液体分布管和导流管组成，导流管一端焊接固定于降液管侧面底部位置，导流管另一端与液体分布管连接。
7.根据权利要求6所述的热耦合精馏塔，其特征在于，所述的导流管与水平方向夹角为-10~0°。
8.根据权利要求6所述的热耦合精馏塔，其特征在于，所述的液体分布管垂直于塔壁且沿径向排列，每根液体分布管底部均匀设置若干液体分散口，分散口直径沿液体流动方向逐渐增加。
9.根据权利要求1所述的热耦合精馏塔，其特征在于，所述的换热管为光滑直管、扭曲管、翅片管、高通量涂覆管中的一种或几种的组合。
10.根据权利要求1或9所述的热耦合精馏塔，其特征在于，所述换热管的长度为0.1D~0.8D，D为热耦合精馏塔的内径。
11.根据权利要求9所述的热耦合精馏塔，其特征在于，所述的换热管为高通量涂覆管。
12.根据权利要求5所述的热耦合精馏塔，其特征在于，所述压缩机的压缩比控制为1~16，气相加热后温度与塔底温度相差10~30℃。
13.一种热耦合精馏方法，其中应用了权利要求1-12任一所述的热耦合精馏塔。
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