CN1931808A

CN1931808A - 用理论板辅助双温控制间歇精馏从正丙醇分离异丙醇的方法

Info

Publication number: CN1931808A
Application number: CN 200610016027
Authority: CN
Inventors: 白鹏; 宋爽
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2006-09-28
Filing date: 2006-09-28
Publication date: 2007-03-21
Anticipated expiration: 2026-09-28
Also published as: CN100418940C

Abstract

本发明提供一种用理论板辅助双温控制间歇精馏从正丙醇分离异丙醇的方法，该方法是在精馏塔中完成，该方法包括：加料、全回流到全采出过程切换、全采出到全回流过程切换、实验结束点判断过程。其中设定塔中部上升温度控制参数是利用所述的理论板图法计算进行设定。有益效果是该方法将传统的通过设定回流比值控制精馏塔的精馏过程改为即时设定塔中部温度控制精馏塔的全采出，以塔顶预先设定的产品采出温度辅以塔中部温度上升趋势控制精馏塔由全采出到全回流过程的切换。利用全回流时精馏塔的分离能力最高，提高产品收率，最大程度提纯产品。特别适用于精细化工和制药等行业中的规模小、溶剂用量大、周期间歇性的物料分离过程，也适用于醇类、醚类、芳香族及其衍生物物系。

Description

用理论板辅助双温控制间歇精馏从正丙醇分离异丙醇的方法

技术领域

本发明涉及一种属于间歇精馏由正丙醇分离异丙醇的技术，特别是用理论板计算双温控制塔中预设温度的用理论板辅助双温控制间歇精馏从正丙醇分离异丙醇的方法。

背景技术

精馏技术是现代传质理论在化学、化工过程工业分离领域中的一项关键共性技术，广泛应用于石油炼制、石油化工、化学工业、精细化学品、化肥工业、空气分离、原子能化工、环境保护、中药现代化和天然产物分离等产品和工业过程。在提高产品的纯度和收益率、降低生产过程的能耗和控制环境污染方面具有重要作用。传统的间歇精馏是部分回流操作，这种方式使得精馏塔的分离能力未得到充分发挥。因为对于给定的分离级数，部分回流时精馏塔的浓缩倍数低于全回流时的浓缩倍数。间歇精馏有两个不足：(1)处理量小，操作时间比较长；(2)各种参数持续变化，且随意性强，致使操作控制比较困难。现有优化操作策略均是在保持传统部分回流操作方式和设备流程的前提下对过程进行优化，这样就使优化操作仍然保留了传统部分回流方式的一些固有缺陷。例如，对间歇精馏影响比较突出的“飞轮效应”，在优化操作中只是得到一定程度的缓解，并无根本性改观。

白鹏等于1994年提出了双累积罐交替工作的“动态累积过程”的理论，使精馏操作更为方便，并且出料不占用时间。从已有的研究结果来看，循环操作同传统的操作方式相比有几个优势：①可获得最大分离能力，②对控制需要少，对扰动不敏感，操作安全。但是由于塔顶双累积罐是预先装备的，所以在交替工作时其体积是一定的。针对在精馏过程中整个塔内浓度变化，尤其是中后期浓度变化比较剧烈，所需要的累积罐体积应该有所改变，但是塔顶储罐不能做出瞬时调整，这仍然是动态累积方法的固有缺陷。其后也有提出用双温控制切换过程的方案，但仅以塔顶温度作为全采出控制点，以塔中温度上升情况作辅助，以便控制精馏塔进入全回流状态。但从目前的文献和报道中都没有对塔中如何辅助控制给予具体的描述，即使描述也仅仅是给出的经验数值，没有一个可依据的计算方法，而且仅用塔顶温度作为全采出控制点，不利于在稳定状态下采出产品。

发明内容

为解决上述技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种用理论板辅助双温控制间歇精馏从正丙醇分离异丙醇的方法，在双温控制中，用塔中和塔顶温度同时控制精馏塔进入全采出状态，而且对以往提出的用塔中温度升高控制时控制参数的设定方法进行修订，增加塔釜测温点，利用全回流时的实际和理论上的理论板数的对应关系进行塔中预设上升温度计算，将过去只单凭经验的设定方法优化为具体的计算方法，以利于准确控制精馏过程，提高产品的纯度和收率。

本发明是通过下述技术方案加以实现的：

本发明的一种用理论板辅助双温控制间歇精馏从正丙醇分离异丙醇的方法，该方法是在精馏塔中完成，所述的精馏塔包括有塔釜，塔釜之上为塔体，塔体内填充填料和塔内件，塔顶连接冷凝器，冷凝器与产品收集器相连，该方法包括以下过程：

①、加料

将正丙醇原料一次性加入所述塔釜中，在常压下加热塔釜进行蒸馏操作，根据正丙醇在常压下的汽液平衡关系设定正丙醇的塔顶温度在82.4℃左右，进行全回流操作；

②、全回流到全采出过程切换

设定与产品浓度对应的塔顶切换温度值为83℃，观察塔顶温度，当塔顶温度低于83℃时，观察塔中部温度，当塔中温度稳定不发生剧烈波动时，打开产品收集器与塔顶全回流的阀门，停止全回流操作，开始采出异丙醇；

③、全采出到全回流过程切换

观察塔中部温度，利用理论板辅助公式计算得到塔中上升温度的控制参数设定，当采出时塔中部温度上升达到第一个设定温度83.6℃时，关闭产品收集器与塔顶的连接阀门，停止采出异丙醇，全塔进入全回流状态，当塔顶温度低于满足采出产品浓度的开始预设的83℃时，继续上述②的做法进行全回流操作；

④、实验结束点判断

观察塔顶部温度，当塔顶部温度低于开始预设的温度值时，观察塔中部温度，当塔中部温度稳定不发生剧烈波动时，打开产品收集器与塔顶的连接阀门采出异丙醇操作，直到塔中温度上升到下一个设定温度84.0℃时，关闭产品收集器与塔顶的连接使全塔再次进入全回流操作，按上述③的全回流和批采的步骤，一直重复操作则得到异丙醇产品，直到塔顶部温度稳定后不能低于预设温度值83℃，即塔顶浓度不能满足需要时，停止加热，塔釜内为正丙醇；在采出过程中塔顶温度高于预设温度时不需要停止加热，当塔顶温度稳定时仍高于预设温度时才停止加热，结束实验。

所述的理论板图法计算进行设定塔中部上升温度控制参数是依照如下规律设定的：

首先，假定塔釜和塔顶都可以达到100％的纯度，那么其相应的对应温度就是这两种物质正丙醇和异丙醇的沸点，X_W、X_D分别为假定的纯正丙醇和异丙醇，以轻组分异丙醇为基准X_W＝0、X_D＝1，在计算中，选定选定X_W、X_D极其靠近各自端点，也就是极其接近纯组分的位置，以X_D对应点为基点向X_W画理论板，得到理论板数N，以理论板数为横坐标，理论板的温度t的梯度为纵坐标绘制N-t图，塔釜和塔顶对应的温度t_w、t_D分别为正丙醇和异丙醇的沸点，根据浓度与温度的线性关系，得到浓度变化ΔX_i和温度变化Δt_i的关系式为：

Δt_i＝(t_w-t_D)×ΔX_i/(X_D-X_W)

公式中：t_i＝t_D+Δt_i

Δt_i-温度差值

t_w-塔釜温度

t_D-塔顶温度

ΔX_i-浓度差值

X_D-塔顶浓度

X_W-塔釜浓度。

本发明的效果是与常规间歇精馏操作方式相比，该方法将传统的通过设定回流比值控制精馏塔的精馏过程改为即时设定塔中部温度控制精馏塔的全采出，以塔顶预先设定的产品采出温度辅以塔中部温度上升趋势控制精馏塔由全采出到全回流过程的切换。利用全回流时精馏塔的分离能力最高，最大程度提纯产品，在全采出时添加塔中温度监控点，根据温度变化控制塔内重组分的上升幅度，降低过多塔釜重组分上升对产品质量和全回流时间的影响，在提高产品收率的同时也提高了产品的浓度。与此同时，一次性采出大量轻组分产品，重组分上升，使塔身持液与气相组成保持一定的浓度差，可以在一定程度上减小飞轮效应。特别适用于精细化工和制药等行业中的规模小、溶剂用量大、周期间歇性的物料分离过程，也适用于醇类、醚类、芳香族及其衍生物物系。

附图说明

图1是本发明的装置及流程示意图；

图2是全回流状态下理论板图。

图中：

1、加热包 2、塔釜 3、7、11温度计

4、U形管 5，9、填料层 6、采样点

8、塔中测温段 10、产品收集器 12、电磁阀

13、冷凝器 14、控制元件 15、微机

具体实施方式

结合附图及实施例对本发明的用理论板辅助双温控制间歇精馏从正丙醇分离异丙醇的方法使用过程加以说明。

本发明的技术方案以控制精馏塔塔顶和塔中部温度(塔中指的是填料层的中点处)为技术手段，是基于以下原理：

由于精馏塔塔顶是轻组分的富集区，它的维持平衡能力最强，因为混入少量的重组分对于占大量的轻组分来说影响不会很大。当塔顶产品采出时，塔顶仍有大量的轻组分存在，塔顶温度会基本维持稳定，在此基础上进行全回流，上升到塔顶的蒸汽提浓，轻组分上升，重组分下降，达到汽液平衡后塔顶轻组分富集。但当塔顶产品采出超过一定量时，塔顶平衡被打破，塔顶温度有明显上升，说明塔顶的轻组分含量已经不多，此时再进行全回流，由于塔顶含有大量的重组分，因此需要很长的时间才能使塔顶再次达到平衡，而且即使再次达到平衡时塔顶轻组分的浓度也会很低。在塔中增设温度计监测塔釜重组分上升的情况，塔釜重组分上升先经过塔中，一旦塔釜有过多的重组分上升，塔中的温度势必就会突然上升，在此情况下就及时将精馏塔从全采出状态切换到全回流状态，这样就避免了塔釜过多重组分上升到塔顶对提浓塔顶轻组分的影响，可以有效的改进用塔顶控制或回流比控制的滞后情况。

本发明的用理论板辅助设定双温中塔中温度预设上升温度，塔顶塔中双温控制间歇精馏从正丙醇分离异丙醇方法，该方法是在精馏塔中完成，如图1所示，所述的精馏塔包括有塔釜2，塔釜2之上为塔体，塔体内填充有填料层5、填料层9的填料和塔内件，精馏塔的塔釜、塔中和塔顶均有温度计3、7、11，塔顶和塔中有取样口。塔顶连接冷凝器13，冷凝器13与产品收集器10相连，该方法包括以下过程：

①、加料

将正丙醇原料一次性加入所述塔釜2中，在常压下加热塔釜2进行蒸馏操作，根据正丙醇在常压下的汽液平衡关系设定正丙醇的塔顶温度在82.4℃左右，进行全回流操作；

②、全回流到全采出过程切换

设定与产品浓度对应的塔顶切换温度值为83℃，观察塔顶温度，当塔顶温度低于83℃时，观察塔中部温度，当塔中测温段8的温度稳定不发生剧烈波动时，通过开启电磁阀12切断产品收集器10与精馏塔顶的连接，停止全回流操作，开始采出异丙醇；

③、全采出到全回流过程切换

观察塔中塔中测温段8的温度，当采出时塔中部温度上升达到第一个设定温度83.6℃时，通过关闭电磁阀12打开产品收集器10与塔顶全回流的连接，停止采出异丙醇，塔中上升温度的控制参数设定，利用理论板辅助公式计算得到；并根据正丙醇的汽液平衡关系，上调塔顶部温度值后，继续上述②的做法进行全回流操作；

④、实验结束点判断

观察塔顶部温度，当塔顶部温度低于上调后的温度值时，观察塔中部温度，当塔中部温度稳定不发生剧烈波动时，开启电磁阀12切断产品收集器10与精镏塔顶的连接进行采出异丙醇操作，直到塔中温度上升到下一个设定温度84.6℃时，通过关闭电磁阀12打开产品收集器10与塔顶全回流的连接切换为全回流操作，按上述③的全回流和批采的步骤，一直重复操作则得到异丙醇产品，直到塔顶部温度不能低于预设温度值83℃，即塔顶浓度不能满足需要时，停止加热，塔釜内为正丙醇。

如图2所示，所述用理论板辅助计算公式设定塔中部上升温度控制参数是依照如下规律设定的：

Δt_i＝(t_w-t_D)×ΔX_i/(X_D-X_W)

公式中：t_i＝t_D+Δt_i

Δt_i-温度差值

t_w-塔釜温度

t_D-塔顶温度

ΔX_i-浓度差值

X_D-塔顶浓度

X_W-塔釜浓度。

全回流稳定后得到塔顶、塔中和塔釜温度分别为t₁、t₂、t₃，在理论板-温度梯度图(即N-t图)上找到对应的理论板位置，需要注意的是在精馏过程初期，塔顶轻组分浓度很高，不利于根据塔顶温度确定理论板位置，在此情况下可以以塔釜温度t对应的理论板N为基准，定为第N′块，然后从下至上依次定位，并标记为1′、2′、3′……N′，将实验所用塔的理论板数N′定位在N-t图上，这样每一块理论板对应了一个温度梯度。当所测得的塔中温度低于min{int[N′/2]}对应的温度时(min{int[N′/2]}指N′/2取整后的理论板所对应的温度梯度的最小值)，即t₂＜min(tint_[N′/2])，计算出之间的温度差值(温度差值由上述得公式求得)，此温度差值即设定为全塔采出时控制塔中需要上升的温度；当塔中温度高于min{int[N′/2]}对应的温度时，即t₂＞min(t_int[N′/2])，以塔中温度对应的塔板和下一块理论板之间的温度差值为控制温度。下次计算时，以塔顶温度对应的理论板为基准，依次再数N′块，当塔顶浓度接近100％时，以塔釜温度为基准确定理论板在N-t图中的具体位置，依照上述原则进行塔中控制温度的设定。设定时应该考虑在计算得到的控制温度的基础上降低0.2～0.3℃，以避免温度上冲导致实际达到的温度高于预设温度。

下面以实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

选用正丙醇—异丙醇(α＝1.79)二元混合物为实验物系。实验装置为内径50mm的玻璃塔，塔身分为三段，精馏塔上下各500mm的填料段由塔中测温段连接，塔中测温段有取样口和测温点。精馏塔所用填料为Ф3mm×3mm的不锈钢θ网环，填料层总高1000mm。塔头采用内回流，回流接产品接受罐。塔身用聚乙烯材料保温，塔釜为2000mL三口烧瓶，采用调压器控制的加热套加热，塔釜连接压差计，压力在1个大气压。精馏塔的塔釜、塔中和塔顶均有温度计，塔顶和塔中有取样口。

在塔釜中加入1000mL正丙醇—异丙醇混和溶液，异丙醇体积含量为40％，规定产品浓度为95％(wt)。打开电源，开始加热，设定塔顶产品满足采出的切换温度为83.0℃。当塔顶温度低于83.0℃时，开始观察塔中的温度，当塔中温度稳定在83.0℃时，打开继电器关闭储罐与塔顶全回流的阀门，停止全回流操作，采出产品，此时塔中温度开始波动上升。当塔中温度到达83.6℃时，切断继电器开关。塔顶有一个小幅度上升然后下降，塔中温度会有大幅度的上升然后也呈现下降趋势。当塔顶温度维持低于83.0℃时，仍继续观察塔中温度，当塔中温度稳定时，再次通过关闭电磁阀12开启塔顶与产品收集器10的连接采出产品，直到塔中温度再次上升到84.6℃且塔顶温度低于83.0℃的情况下，切断电磁阀开关，全塔进入全回流阶段。依次类推重复操作过程，其中打开电磁阀12使精馏塔进入全采出状态的切换点的塔中温度分别设为84.6℃85.1℃，85.6℃，86.6℃，87.9℃，90.1℃，94℃，当塔顶温度高于83.0℃时，切断电源开关，实验结束。本次实验一共采出产品386mL，产品浓度为95.7％，产品收率为92.3％，用时190min，。

实施例2

以乙醇—正丙醇(α＝1.17)二元混合物为例。在塔釜中加入1000mL乙醇—正丙醇混和溶液，乙醇体积含量为40％，合格产品浓度设为95％(wt)，对应的塔顶温度为80℃。方法和实例1相似，塔中控制温度分别设为80.2℃，80.5℃，81℃，81.2℃，81.5℃，82℃，82℃，82.5℃，83.7℃，85℃，87℃，90.5℃。共采出产品387mL产品浓度在95.7％，产品收率为89.7％，用时207min。

为了说明本实验方法优于传统的固定回流比操作，设计三个实验将相应的反映各操作优劣的参数加以比较。

将双温度控制法与传统的部分回流操作方式从以下三方面进行比较：(1)采出产品浓度；(2)采出产品的产量；(3)操作时间

1、产品浓度

为了比较两种控制的采出产品浓度的优劣，将第二和第三因素的差距尽量减小，选定固定回流比为10∶1，在此回流比下，两种操作的操作时间和产量是很接近的。

	固定回流比(10∶1)	双温控制
	固定回流比(10∶1)	双温控制	整个精馏耗费时间/min	198	190
产品百分浓度/％	92.83	95.71	整个精馏耗费时间/min	198	190
产品百分浓度/％	92.83	95.71	产量mL	380	386
异丙醇回收量mL	352.7	369.4	产量mL	380	386

2、产品采出量

为了使固定回流比采出的产品浓度与双温控制采出的产品浓度一样而且整个操作时间接近，选定固定回流比为20∶1，比较两种方法的产品采出量。

	固定回流比(20∶1)	双温控制
	固定回流比(20∶1)	双温控制	整个精馏耗费时间/min	188	190
产品百分浓度/％	96.53	95.71	整个精馏耗费时间/min	188	190
产品百分浓度/％	96.53	95.71	产量mL	268	386
异丙醇回收量mL	259.2	369.4	产量mL	268	386

3、操作时间

选定固定回流比为25∶1，在此回流比下，可以尽量使两种操作的产品浓度和产量接近。

	固定回流比(25∶1)	双温控制
	固定回流比(25∶1)	双温控制	全塔第一次进入稳定时间/min	56	50
整个精馏耗费时间/min	330	190	全塔第一次进入稳定时间/min	56	50
整个精馏耗费时间/min	330	190	产品百分浓度/％	94.25	95.71

产量mL	380	386
产量mL	380	386	异丙醇回收量mL	358.2	369.4

通过本发明的比较双温度控制法与传统的部分回流操作方式采出产品浓度、采出产品的产量和操作时间可以看出，使用双温度控制法可以得到高浓度、高收率的产品，同时还节省了操作时间，所以它是一种优于传统操作方式的新型精馏方法。

Claims

1、一种用理论板辅助双温控制间歇精馏从正丙醇分离异丙醇的方法，该方法是在精馏塔中完成，所述的精馏塔包括有塔釜，塔釜之上为塔体，塔体内填充填料和塔内件，塔顶连接冷凝器，冷凝器与产品收集器相连，该方法包括以下过程：

①、加料

②、全回流到全采出过程切换

③、全采出到全回流过程切换

④、实验结束点判断

2、根据权利要求1所述的方法，其特征是：用所述的理论板图法计算进行设定，设定塔中部上升温度控制参数是依照如下规律设定的：

首先，假定塔釜和塔顶都可以达到100％的纯度，那么其相应的对应温度就是这两种物质正丙醇和异丙醇的沸点，(X_W)、(X_D)分别为假定的纯正丙醇和异丙醇，以轻组分异丙醇为基准X_W＝0、X_D＝1，在计算中，选定(X_W)、(X_D)极其靠近各自端点，也就是极其接近纯组分的位置，以(X_D)对应点为基点向(X_W)画理论板，得到理论板数(N)，以理论板数为横坐标，理论板的温度(t)的梯度为纵坐标绘制(N-t)图，塔釜和塔顶对应的温度(t_W)、(t_D)分别为正丙醇和异丙醇的沸点，根据浓度与温度的线性关系，得到浓度变化(ΔX_i)和温度变化(Δt_i)的关系式为：

Δt_i＝(t_W-t_D)×ΔX_i/(X_D-X_W)

公式中：t_i＝t_D+Δt_i

Δt_i-温度差值

t_W-塔釜温度

t_D-塔顶温度

ΔX_i-浓度差值

X_D-塔顶浓度

X_W-塔釜浓度。