RU2811786C2

RU2811786C2 - Method for distillation of crude composition in rectification plant including indirect heat pump

Info

Publication number: RU2811786C2
Application number: RU2022103281A
Authority: RU
Inventors: Лоран ЦУБЕР; Линь Фэн НИ
Original assignee: Зульцер Мэнэджмент Аг
Priority date: 2019-07-22
Filing date: 2020-07-06
Publication date: 2024-01-17

Abstract

FIELD: distillation; rectification.

SUBSTANCE: present invention relates to a method for purifying a crude composition, including rectifying the crude composition in a distillation unit, including a distillation column in which there is an upper condenser for condensing the head fraction and a reboiler for evaporating the bottom fraction, and the difference between the temperature of the head fraction and the temperature of the bottom fraction is not more than 20°. The heat pump operates between the upper condenser and the reboiler, while the heat pump is completely separated from the process to eliminate any contamination, while the heat pump is an indirect heat pump, which uses water or methanol as the refrigerant wherein the indirect heat pump includes an expansion valve and a compressor, wherein the heat pump includes an end condenser that is located upstream of the compressor, wherein the tube space of the first upper condenser is connected to the second condenser through an inlet pipe, and the second condenser is connected with the pipe space of the first upper condenser via an outlet pipe. The invention also relates to a rectification plant.

EFFECT: reduction in energy consumption at the installation boundary.

13 cl, 1 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к способу очистки сырой композиции, включающему дистилляцию или ректификацию сырой композиции в ректификационной установке, включающей тепловой насос, функционирующий между верхним конденсатором и ребойлером ректификационной установки.The present invention relates to a method for purifying a crude composition, comprising distilling or rectifying the crude composition in a distillation unit including a heat pump operating between an overhead condenser and a reboiler of the distillation unit.

Ректификация является хорошо известным способом разделения компонентов жидкой смеси посредством селективного испарения и конденсации, основанным на использовании разной летучести компонентов смеси. Ректификация широко используется, например, в химической и нефтехимической промышленности. В ходе ректификации жидкую фракцию, собирающуюся в нижнем резервуаре ректификационной колонны, непрерывно выпаривают в ребойлере, тогда как паровую фракцию, собирающуюся в верхней части ректификационной колонны, непрерывно конденсируют в конденсаторе.Rectification is a well-known method for separating the components of a liquid mixture through selective evaporation and condensation, based on the use of different volatilities of the mixture components. Rectification is widely used, for example, in the chemical and petrochemical industries. During rectification, the liquid fraction collected in the lower tank of the distillation column is continuously evaporated in the reboiler, while the vapor fraction collected in the upper part of the distillation column is continuously condensed in the condenser.

Для снижения энергопотребления этого способа, т.е., для улучшения энергетического баланса процесса, иногда можно использовать тепловой насос прямого действия. В такой конфигурации часть тепла, выделяющегося в конденсаторе при конденсации паровой головной фракции, используют для испарения жидкой нижней фракции в ребойлере. Это может быть осуществлено путем отведения паровой головной фракции, подачей ее в компрессор, в котором она сжимается, и подачей из компрессора в ребойлер, в котором сжатая паровая головная фракция конденсируется, отдавая тепло нижней фракции, которая, тем самым, испаряется. Однако, главным недостатком этого процесса является то, что паровая головная фракция должна пройти через компрессор, что может привести к некоторому загрязнению паровой головной фракции, т.е., отделенного продукта процесса ректификации. Однако, для множества веществ, которые очищают при помощи ректификации, для последующего использования этих веществ требуется очень высокая степень чистоты. Например, силаны, такие как метилхлорсиланы, такие как метилтрихлорсилан, используемые в процессах полимеризации, должны быть чрезвычайно чистыми, поскольку в противном случае страдает качество.To reduce the energy consumption of this method, i.e., to improve the energy balance of the process, a direct heat pump can sometimes be used. In this configuration, part of the heat generated in the condenser during condensation of the steam overhead fraction is used to evaporate the liquid bottom fraction in the reboiler. This can be accomplished by withdrawing the steam overhead, feeding it into a compressor where it is compressed, and passing it from the compressor to a reboiler where the compressed steam overhead is condensed, transferring heat to the bottoms, which thereby evaporates. However, the main disadvantage of this process is that the steam overhead must pass through the compressor, which may result in some contamination of the steam overhead, ie the separated product of the distillation process. However, for many substances that are purified by rectification, a very high degree of purity is required for subsequent use of these substances. For example, silanes such as methylchlorosilanes, such as methyltrichlorosilane, used in polymerization processes must be extremely pure, otherwise quality suffers.

Для преодоления этого недостатка было предложено использовать тепловой насос косвенного действия. Тепловой насос косвенного действия может быть применен таким же образом, как и в холодильных установках, и в качестве хладагента может быть использован аммиак или другие химические соединения. Однако, обычно используемые хладагенты являются дорогостоящими, особенно, если принимать во внимание большое количество оборудования, требующегося в крупных промышленных системах, таких как ректификационные установки. Кроме этого, энтальпия испарения обычно используемых хладагентов низкая, и поэтому приходится применять довольно большой массовых расход. Другой конкретной задачей является реализация такого теплового насоса косвенного действия для процессов ректификации рентабельным образом при том, что разность между кубовой температурой и температурой верха ректификационной колонны, т.е., разность между точкой росы головной фракции и температурой кипения нижней фракции, имеет критическое значение и должна быть довольно небольшой, что имеет место в случае ректификации силанов, таких как метилхлорсиланы, такие как метилтрихлорсилан.To overcome this disadvantage, it was proposed to use an indirect heat pump. An indirect heat pump can be used in the same way as in refrigeration units, and ammonia or other chemical compounds can be used as the refrigerant. However, the refrigerants commonly used are expensive, especially considering the large amount of equipment required in large industrial systems such as distillation plants. In addition, the enthalpy of vaporization of commonly used refrigerants is low, and therefore a fairly large mass flow has to be used. Another specific objective is to implement such an indirect heat pump for distillation processes in a cost-effective manner, given that the difference between the bottom temperature and the temperature of the top of the distillation column, i.e., the difference between the dew point of the head fraction and the boiling point of the bottom fraction, is critical and should be quite small, which is the case for the rectification of silanes such as methylchlorosilanes, such as methyltrichlorosilane.

В виду этого целью, лежащей в основе настоящего изобретения, является обеспечение способа очистки сырой композиции посредством ректификации, характеризующегося сниженным энергопотреблением на границе установки, путем использования теплового насоса между конденсатором паровой головной фракции и ребойлером нижней фракции, для осуществления которого требуется ректификационная установка со сравнимо низкими капитальными затратами, и который особенно хорошо подходит для процесса ректификации, в котором разность между кубовой температурой и температурой верха ректификационной колонны довольно небольшая, например, как при ректификации силанов, таких как метилхлорсиланы, такие как метилтрихлорсилан, но который, тем не менее, позволяет получить продукт ректификации очень высокой степени чистоты.In view of this, the object underlying the present invention is to provide a process for purifying a crude composition by rectification, characterized by reduced energy consumption at the plant boundary, by using a heat pump between the overhead steam condenser and the bottoms reboiler, which requires a distillation unit with comparatively low capital costs, and which is particularly well suited to distillation processes in which the difference between the bottom temperature and the top temperature of the distillation column is quite small, for example, as in the distillation of silanes such as methylchlorosilanes, such as methyltrichlorosilane, but which nevertheless allows rectification product of very high purity.

В соответствии с настоящим изобретением, эта цель достигнута путем обеспечения способа очистки сырой композиции, включающего ректификацию сырой композиции в ректификационной установке, включающей ректификационную колонну, в которой имеется первый (верхний) конденсатор, предназначенный для конденсации головной фракции, и ребойлер для испарения нижней фракции, при этом, разность между температурой головной фракции и температурой нижней фракции составляет, самое большее, 20°С, при этом, тепловой насос функционирует между первым (верхним) конденсатором и ребойлером, при этом, тепловой насос является тепловым насосом косвенного действия, в котором в качестве хладагента используется вода или метанол, при этом, тепловой насос косвенного действия включает расширительный клапан и компрессор, при этом, тепловой насос включает второй (предпочтительно, концевой) конденсатор, который расположен выше по потоку относительно компрессора.In accordance with the present invention, this object is achieved by providing a method for purifying a crude composition, comprising rectifying the crude composition in a distillation unit including a distillation column in which there is a first (upper) condenser for condensing the overhead fraction, and a reboiler for evaporating the bottom fraction, in this case, the difference between the temperature of the head fraction and the temperature of the bottom fraction is at most 20°C, while the heat pump operates between the first (upper) condenser and the reboiler, while the heat pump is an indirect heat pump, in which Water or methanol is used as a refrigerant, while the indirect heat pump includes an expansion valve and a compressor, while the heat pump includes a second (preferably end) condenser, which is located upstream of the compressor.

Это решение основывается на неожиданном обнаружении того, что при функционировании теплового насоса косвенного действия между верхним конденсатором и ребойлером ректификационной установки, и при использовании воды или метанола в качестве хладагента в тепловом насосе косвенного действия, обеспечивается способ очистки сырой композиции, характеризующийся существенно уменьшенным энергопотреблением, который особенно хорошо подходит для процесса ректификации, в котором разность между кубовой температурой и температурой верха ректификационной колонны довольно небольшая, как при ректификации силанов, таких как метилхлорсиланы, такие как метилтрихлорсилан, и который позволяет получить продукт ректификации очень высокой степени чистоты, поскольку контакт между потоками процесса ректификации, такими как паровая головная фракция, и текучими средами, такими как хладагент, теплового насоса отсутствует. Следовательно, в отличие от использования теплового насоса прямого действия, загрязнение парового головного продукта в компрессоре теплового насоса надежно исключается, так как тепловой насос косвенного действия работает не с паровым головным продуктом, а с отличным от него хладагентом, а именно, с водой или метанолом. Поскольку и вода, и метанол, характеризуются сравнительно высокой энтальпией испарения, достаточно довольно небольшого массового расхода в тепловом насосе, поэтому может быть использован сравнительно компактный и рентабельный тепловой насос.This solution is based on the unexpected discovery that by operating an indirect heat pump between the overhead condenser and the reboiler of the fractionator, and by using water or methanol as the refrigerant in the indirect heat pump, a crude composition purification process is provided with substantially reduced energy consumption, which particularly well suited for distillation processes in which the difference between the bottom temperature and the top temperature of the distillation column is quite small, as in the distillation of silanes such as methylchlorosilanes, such as methyltrichlorosilane, and which produces a distillation product of very high purity, since the contact between the process streams rectification, such as steam overhead, and fluids such as refrigerant, the heat pump is absent. Therefore, in contrast to the use of a direct-acting heat pump, contamination of the steam head product in the heat pump compressor is reliably eliminated, since the indirect heat pump does not work with the steam head product, but with a refrigerant different from it, namely water or methanol. Since both water and methanol have a relatively high enthalpy of vaporization, a fairly low mass flow rate in the heat pump is sufficient, so a relatively compact and cost-effective heat pump can be used.

По той же причине тепловой насос косвенного действия, функционирующий с водой или метанолом, особенно хорошо подходит для использования при очистке путем ректификации сырой смеси, в которой разность между температурой головной фракции и температурой нижней фракции составляет, самое большее, 20°С. Следовательно, способ, соответствующий настоящему изобретению, особенно хорошо подходит для очистки сырой композиции, которая в качестве подлежащего очистке компонента содержит силан, такой как метилхлорсиланы, такой как, в частности, метилтрихлорсилан. Кроме этого, концевой конденсатор обеспечивает необходимое дополнительное охлаждение для отведения избытка энергии, являющегося результатом собственной эффективности теплового насоса. В известном уровне техники концевой конденсатор, если он есть, обычно располагают ниже по потоку относительно компрессора с целью увеличения средней разности температур относительно хладагента и, тем самым, уменьшения необходимой площади поверхности концевого конденсатора. Однако, в соответствии с настоящим изобретением было обнаружено, что более экономичным является размещение концевого конденсатора выше по потоку относительно компрессора, а не ниже компрессора, как обычно. Даже если размещаемый выше по потоку концевой конденсатор должен иметь большую площадь поверхности, расход паров, подлежащих сжатию в концевом конденсаторе, значительно меньше, поэтому эксплуатационные издержки и, следовательно, общие издержки ректификационной установки сокращаются.For the same reason, an indirect heat pump operating with water or methanol is particularly well suited for use in purification by rectification of a crude mixture in which the difference between the temperature of the head fraction and the temperature of the bottom fraction is at most 20°C. Therefore, the method according to the present invention is particularly well suited for the purification of a crude composition which contains a silane, such as methylchlorosilanes, such as in particular methyltrichlorosilane, as the component to be purified. In addition, the end condenser provides the necessary additional cooling to remove excess energy resulting from the heat pump's own efficiency. In the prior art, the end condenser, if present, is typically located downstream of the compressor in order to increase the average temperature difference relative to the refrigerant and thereby reduce the required end condenser surface area. However, in accordance with the present invention, it has been found that it is more economical to place the end capacitor upstream of the compressor, rather than downstream of the compressor, as is usual. Even though the upstream end condenser must have a larger surface area, the flow rate of vapor to be compressed in the end condenser is significantly less, so operating costs and therefore overall costs of the distillation unit are reduced.

В соответствии с настоящим изобретением, термин тепловой насос косвенного действия означает тепловой насос, в котором используется хладагент, не получаемый из процесса ректификации, т.е., тепловой насос, в котором в качестве хладагента не используют фракцию, получаемую в процессе ректификации, такую как паровая головная фракция.According to the present invention, the term indirect heat pump means a heat pump that uses a refrigerant not obtained from the rectification process, i.e., a heat pump that does not use a fraction obtained from the rectification process as the refrigerant, such as steam head fraction.

Кроме этого, в соответствии с настоящим изобретением, термин концевой конденсатор означает конденсатор, установленный с целью дополнения конденсирующей способности после (верхнего) конденсатора или после горячей стороны ребойлера. Иногда в литературе его называют «вторичный конденсатор». Его размер и производительность, как правило, меньше, чем у первичного (верхнего) конденсатора. Его производительностью можно управлять с целью регулирования или «конечной настройки» давления в системе. В соответствии с настоящим изобретением, функцией концевого конденсатора по большей части является отведение энергии, вводимой в систему компрессорами. Для проведения четкого различия между верхним конденсатором и концевым конденсатором верхний конденсатор также именуется первым конденсатором или первым верхним конденсатором, тогда как концевой конденсатор также именуется вторым конденсатором.In addition, in accordance with the present invention, the term end condenser means a condenser installed for the purpose of supplementing the condensing capacity after the (upper) condenser or after the hot side of the reboiler. Sometimes in the literature it is called a “secondary capacitor”. Its size and capacity are generally smaller than that of the primary (top) capacitor. Its performance can be controlled to regulate or “tune” the pressure in the system. In accordance with the present invention, the function of the end capacitor is largely to remove the energy introduced into the system by the compressors. To make a clear distinction between the top capacitor and the end capacitor, the top capacitor is also referred to as the first capacitor or the first top capacitor, while the end capacitor is also referred to as the second capacitor.

В соответствии с настоящим изобретением, тепловой насос косвенного действия функционирует с водой или метанолом в качестве хладагента. Предпочтительно, хладагент состоит из воды или метанола, т.е., не содержит каких-либо других веществ за исключением следов абсорбированного газа.According to the present invention, an indirect heat pump operates with water or methanol as a refrigerant. Preferably, the refrigerant consists of water or methanol, i.e., does not contain any other substances except traces of absorbed gas.

Предпочтительно, тепловой насос косвенного действия функционирует с водой. Преимущество этого заключается в том, что вода нетоксична и пригодна для использования в процессах ректификации, проводимых при температуре в диапазоне от 75 до 200°С.Preferably, the indirect heat pump operates with water. The advantage of this is that the water is non-toxic and suitable for use in rectification processes carried out at temperatures ranging from 75 to 200°C.

В способе, соответствующем настоящему изобретению, требуется большое число теоретических ступеней, поэтому он должен быть реализован в длинной ректификационной колонне. Следовательно, исходя из падения давления в колонне и задачи разделения как таковой, требуется большая разность температур между верхом и кубом ректификационной колонны. Однако, в соответствии с настоящим изобретением неожиданно было обнаружено, что данный способ особенно хорошо подходит для процессов ректификации, в которых разность между температурой головной фракции и температурой нижней фракции ректификационной колонны составляет, самое большее, 20°С, более предпочтительно, самое большее, 15°С, наиболее предпочтительно, самое большее, 10°С.The process according to the present invention requires a large number of theoretical stages, so it must be implemented in a long distillation column. Therefore, based on the pressure drop in the column and the separation task itself, a large temperature difference between the top and bottom of the distillation column is required. However, in accordance with the present invention, it has surprisingly been found that this method is particularly well suited for distillation processes in which the difference between the temperature of the head fraction and the temperature of the bottom fraction of the distillation column is at most 20°C, more preferably at most 15 °C, most preferably at most 10 °C.

В частности, настоящее изобретение может быть использовано в процессах ректификации, где температура нижней фракции или кубовой фракции составляет, соответственно, от 80°С до 150°С, более предпочтительно, от 85°С до 105°С, еще более предпочтительно, от 90°С до 100°С.In particular, the present invention can be used in distillation processes where the temperature of the bottoms or bottoms is, respectively, from 80°C to 150°C, more preferably from 85°C to 105°C, even more preferably from 90 °C to 100°C.

В развитие идеи настоящего изобретения предполагается, что в ходе процесса температура головной фракции составляет, по меньшей мере, от 65°С до 130°С, более предпочтительно, от 75°С до 95°С, еще более предпочтительно, от 80°С до 90°С.In furtherance of the present invention, it is contemplated that during the process the temperature of the overhead fraction is at least from 65°C to 130°C, more preferably from 75°C to 95°C, even more preferably from 80°C to 90°C.

Как указано выше, способ настоящего изобретения особенно хорошо подходит и поэтому, предпочтительно, используется для очистки силанов, более предпочтительно, для очистки метилхлорсиланов, наиболее предпочтительно, для очистки метилтрихлорсилана. При дистилляции метилтрихлорсилана требуется очень высокая степень чистоты, а рабочие температуры лежат в описанном выше диапазоне.As stated above, the process of the present invention is particularly well suited and therefore preferably used for the purification of silanes, more preferably for the purification of methylchlorosilanes, most preferably for the purification of methyltrichlorosilane. The distillation of methyltrichlorosilane requires a very high degree of purity and operating temperatures are within the range described above.

Для простоты соединения теплового насоса косвенного действия с ректификационными устройствами, в частности, является предпочтительным, чтобы, по меньшей мере, один из, более предпочтительно, и верхний конденсатор, и ребойлер представляли собой кожухотрубные аппараты. Это обеспечивает простое соединение теплового насоса косвенного действия с верхним конденсатором и ребойлером, например, путем обеспечения функционирования трубного пространства верхнего конденсатора и межтрубного пространства ребойлера с хладагентом теплового насоса косвенного действия, тогда как межтрубное пространство верхнего конденсатора функционирует с паровой головной фракцией ректификационной колонны, и трубное пространство ребойлера функционирует с нижней фракцией ректификационной колонны.For ease of coupling of the indirect heat pump with distillation devices, it is particularly preferred that at least one of, more preferably both, the upper condenser and the reboiler are shell-and-tube units. This provides a simple connection of the indirect heat pump to the overhead condenser and reboiler, for example by allowing the overhead condenser tube space and the reboiler annulus to function with the indirect heat pump refrigerant, while the overhead condenser annulus functions with the distillation column vapor overhead and the tube space The reboiler space operates with the bottom fraction of the distillation column.

Хорошие результаты получают, в частности, когда верхний конденсатор представляет собой кожухотрубный испаритель с падающей пленкой. На технологической стороне испарителя с падающей пленкой парообразная головная фракция ректификационной колонны конденсируется, тогда как на вспомогательной стороне жидкий теплоноситель (вода или метанол) испаряется. Таким образом, верхний конденсатор также является испарителем. Использование испарителя с падающей пленкой дает возможность функционирования при меньшей разности температур на трубах, чем в обычном термосифонном испарителе. Однако, капитальные затраты на испаритель с падающей пленкой и, следовательно, общие капиталовложения немного увеличиваются. Вместе с тем, издержки на сжатие и, следовательно, эксплуатационные издержки при этом значительно уменьшаются, так что в целом применение испарителя с падающей пленкой позволяет снизить общие издержки ректификационной установки, используемой в способе, соответствующем настоящему изобретению. Предпочтительно, в ходе процесса средняя разность температур между межтрубным пространством и трубным пространством испарителя с падающей пленкой составляет от 2°С до 25°С, более предпочтительно, от 5°С до 12°С.Good results are obtained, in particular, when the upper condenser is a shell-and-tube falling film evaporator. On the process side of the falling film evaporator, the vapor head fraction of the distillation column condenses, while on the auxiliary side, the heat transfer fluid (water or methanol) evaporates. Thus, the upper condenser is also an evaporator. The use of a falling film evaporator makes it possible to operate at a lower temperature difference across the pipes than in a conventional thermosiphon evaporator. However, the capital cost of the falling film evaporator and therefore the overall capital investment increases slightly. However, the compression costs and therefore the operating costs are significantly reduced, so that in general the use of a falling film evaporator reduces the overall costs of the distillation unit used in the method according to the present invention. Preferably, during the process, the average temperature difference between the shell space and the tube space of the falling film evaporator is from 2°C to 25°C, more preferably from 5°C to 12°C.

Точно также, является особенно предпочтительным, чтобы ребойлер в нижней части колонны представлял собой кожухотрубный испаритель с падающей пленкой. Предпочтительно, в ходе процесса средняя разность температур между межтрубным пространством и трубным пространством ребойлера составляет от 2°С до 25°С, более предпочтительно, от 5°С до 12°С.Likewise, it is particularly preferred that the reboiler at the bottom of the column is a falling film shell and tube evaporator. Preferably, during the process, the average temperature difference between the shell side and the reboiler tube space is from 2°C to 25°C, more preferably from 5°C to 12°C.

Предпочтительно, тепловой насос косвенного действия включает паровой трубопровод, который соединяет трубное пространство верхнего конденсатора и межтрубное пространство ребойлера, и трубопровод конденсата, который соединяет межтрубное пространство ребойлера и трубное пространство верхнего конденсатора, при этом, на паровом трубопроводе имеется компрессор, а на трубопроводе конденсата установлен расширительный клапан.Preferably, the indirect heat pump includes a steam pipeline that connects the tubular space of the upper condenser and the annulus of the reboiler, and a condensate pipeline that connects the annulus of the reboiler and the tubular space of the upper condenser, wherein a compressor is installed on the steam pipeline and a compressor is mounted on the condensate pipeline. expansion valve.

В соответствии с другим, особенно предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, компрессор теплового насоса косвенного действия включает один или более турбовентиляторов. Преимущественно, применение одного или нескольких турбовентиляторов позволяет значительно уменьшить издержки на сжатие, поскольку они намного дешевле, чем обычно используемые турбокомпрессоры. В зависимости от отношения давлений, определяемого как давление ниже по потоку относительно компрессора, деленное на давление выше по потоку относительно компрессора, последовательно может быть установлено два, три или более турбовентиляторов. Таким образом, компрессор включает, предпочтительно, от 1 до 5, более предпочтительно, от 2 до 4 турбовентиляторов, установленных последовательно.According to another particularly preferred embodiment of the present invention, the indirect heat pump compressor includes one or more turbofans. Advantageously, the use of one or more turbofans can significantly reduce compression costs since they are much cheaper than conventional turbochargers. Depending on the pressure ratio, defined as the pressure downstream of the compressor divided by the pressure upstream of the compressor, two, three or more turbofans may be installed in series. Thus, the compressor preferably includes 1 to 5, more preferably 2 to 4 turbofans arranged in series.

В соответствии с настоящим изобретением, тепловой насос включает второй конденсатор, предпочтительно, концевой конденсатор, который расположен выше по потоку относительно компрессора. Предпочтительно, концевой конденсатор расположен последовательно с верхним конденсатором.In accordance with the present invention, the heat pump includes a second condenser, preferably a terminal condenser, which is located upstream of the compressor. Preferably, the end capacitor is located in series with the top capacitor.

В развитие идеи настоящего изобретения предполагается, что ректификационная установка включает впускной трубопровод и выпускной трубопровод, при этом, впускной трубопровод соединяет трубное пространство верхнего конденсатора с концевым конденсатором, и выпускной трубопровод соединяет концевой конденсатор с трубным пространством конденсатора, таким образом, оставшийся пар поступает в концевой конденсатор и конденсируется, а конденсат возвращается в верхний конденсатор.Developing the idea of the present invention, it is assumed that the distillation unit includes an inlet duct and an outlet duct, wherein the inlet duct connects the top condenser tube space to the end condenser, and the outlet line connects the end condenser to the condenser tube space, so that the remaining steam enters the end condenser. condenser and condenses, and the condensate returns to the upper condenser.

В соответствии с другим особенно предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, небольшие капли воды или метанола разбрызгивают или инжектируют, соответственно, в пар, проходящий через компрессор, с целью снижения температуры пара после сжатия. Сжатие ведет к перегреванию пара ниже по потоку относительно компрессора, что создает трудности для ребойлера, в частности, если в качестве ребойлера используют испаритель с падающей пленкой, который не обладает достаточной эффективностью для охлаждения перегретого пара. Более низкая температура пара также является предпочтительной потому, что стоимость компрессора увеличивается, если он предназначен для большей проектной температуры. Следовательно, является предпочтительным разбрызгивать или инжектировать, соответственно, в сжатый пар воду или метанол, соответственно. Температура жидкости, воды или метанола, соответственно, должна быть равна или близка к ее температуре кипения. Жидкая вода или метанол, соответственно, которую разбрызгивают или инжектируют, затем, в перегретом паре, имеющем более высокую температуру, испаряется и, тем самым, охлаждает перегретый пар. При работе ребойлера, выполненного в форме испарителя с падающей пленкой, с паром, температура которого близка к точке росы, теплообмен увеличивается. Особенно предпочтительно, в этом варианте осуществления изобретения компрессор включает один или более турбовентиляторов.According to another particularly preferred embodiment of the present invention, small drops of water or methanol are sprayed or injected, respectively, into the steam passing through the compressor to reduce the temperature of the steam after compression. Compression causes superheating of the steam downstream of the compressor, which creates difficulties for the reboiler, particularly if the reboiler is a falling film evaporator, which is not efficient enough to cool the superheated steam. A lower steam temperature is also preferred because the cost of the compressor increases if it is designed for a higher design temperature. Therefore, it is preferable to spray or inject water or methanol, respectively, into the compressed steam. The temperature of the liquid, water or methanol, respectively, must be equal to or close to its boiling point. Liquid water or methanol, respectively, which is sprayed or injected, then evaporates in the superheated steam having a higher temperature and thereby cools the superheated steam. When a reboiler, designed in the form of a falling film evaporator, operates with steam whose temperature is close to the dew point, heat transfer increases. Particularly preferably, in this embodiment of the invention the compressor includes one or more turbofans.

При запуске процесса является предпочтительным использовать в ребойлере пар для испарения нижней фракции ректификационной колонны. В частности, может быть использован пар из внешнего источника, и установка может быть разогрета до пуска компрессора. В случае возникновения проблемы с компрессором, также возможно функционирование ректификационной установки при нагревании ребойлера паром. Конденсация может быть, по меньшей мере частично, обеспечена концевым конденсатором. При наличии дополнительного проектного ресурса в концевом конденсаторе, можно даже полностью конденсировать верхнюю паровую фракцию, когда компрессор не работает, например, в случае технического обслуживания.When starting the process, it is preferable to use steam in the reboiler to evaporate the bottom fraction of the distillation column. In particular, steam from an external source can be used and the installation can be preheated before starting the compressor. In case of a problem with the compressor, it is also possible to operate the distillation unit while heating the reboiler with steam. Condensation may be provided, at least in part, by an end capacitor. With additional design capacity in the end condenser, it is even possible to completely condense the upper vapor fraction when the compressor is not running, for example in case of maintenance.

В другом аспекте настоящим изобретением обеспечивается ректификационная установка, включающая ректификационную колонну, верхний конденсатор для конденсации головной фракции, ребойлер для испарения нижней фракции и тепловой насос, функционирующий между верхним конденсатором и ребойлером, при этом, тепловой насос представляет собой тепловой насос косвенного действия, который включает расширительный клапан и компрессор, при этом, тепловой насос включает концевой конденсатор, который расположен выше по потоку относительно компрессора, впускной трубопровод, который соединяет верхний конденсатор с концевым конденсатором, и выпускной трубопровод, который соединяет концевой конденсатор с верхним конденсатором.In another aspect, the present invention provides a distillation unit including a distillation column, an overhead condenser for condensing an overhead, a reboiler for evaporating a bottoms, and a heat pump operating between the overhead condenser and the reboiler, wherein the heat pump is an indirect heat pump that includes an expansion valve and a compressor, wherein the heat pump includes an end condenser that is located upstream of the compressor, an inlet pipe that connects the upper condenser to the end condenser, and an outlet pipe that connects the end condenser to the upper condenser.

Является предпочтительным, чтобы компрессор включал один или более турбовентиляторов, более предпочтительно, от 1 до 5, наиболее предпочтительно, от 2 до 4 турбовентиляторов, установленных последовательно.It is preferred that the compressor includes one or more turbofans, more preferably 1 to 5, most preferably 2 to 4 turbofans arranged in series.

Кроме этого, является предпочтительным, чтобы верхний конденсатор представлял собой кожухотрубный испаритель с падающей пленкой со вспомогательным паром теплового насоса в трубном пространстве, и ребойлер для испарения нижней фракции представлял собой кожухотрубный испаритель с падающей пленкой со вспомогательным паром теплового насоса в межтрубном пространстве.In addition, it is preferable that the upper condenser is a shell-and-tube falling film evaporator with heat pump auxiliary steam in the tube space, and the bottoms evaporation reboiler is a shell-and-tube falling film evaporator with heat pump auxiliary steam in the annulus.

Далее настоящее изобретение поясняется более подробно со ссылкой на чертеж, который является лишь иллюстрацией одного из вариантов осуществления настоящего изобретения и не носит ограничительный характер.The present invention is explained in more detail below with reference to the drawing, which is merely an illustration of one embodiment of the present invention and is not intended to be limiting.

На фиг. 1 схематично показана ректификационная установка для способа очистки сырой композиции в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения.In fig. 1 is a schematic illustration of a distillation unit for a crude composition purification process in accordance with one embodiment of the present invention.

На единственной фиг. 1 представлена схема ректификационной установки 10 для способа очистки сырой композиции в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения, в частности, для очистки силана, такого как метилхлорсилан, такого как метилтрихлорсилан.In the only fig. 1 is a diagram of a distillation unit 10 for a method for purifying a crude composition in accordance with one embodiment of the present invention, in particular for purifying a silane such as methylchlorosilane, such as methyltrichlorosilane.

Ректификационная установка 10 включает ректификационную колонну 12, ребойлер 14, верхний конденсатор 16 пара и тепловой насос 18 косвенного действия. Ректификационная колонна 12 включает сырьевой трубопровод 19 для подачи сырой силановой смеси в ректификационную колонну 12, верхний трубопровод 20, соединяющий верхнюю часть 22 ректификационной колонны 12 с верхним конденсатором 16 пара, а также нижний трубопровод 24, соединяющий куб 26 ректификационной колонны 12 с ребойлером 14. И ребойлер 14, и верхний конденсатор 16 пара являются кожухотрубными аппаратами с падающей пленкой.Distillation unit 10 includes a distillation column 12, a reboiler 14, an overhead steam condenser 16 and an indirect heat pump 18. The distillation column 12 includes a raw material pipeline 19 for supplying the crude silane mixture to the distillation column 12, an upper pipeline 20 connecting the upper part 22 of the distillation column 12 with the upper steam condenser 16, and a lower pipeline 24 connecting the cube 26 of the distillation column 12 with the reboiler 14. Both the reboiler 14 and the upper steam condenser 16 are falling-film shell-and-tube apparatuses.

В тепловом насосе 18 косвенного действия имеется паровой трубопровод 28, который соединяет трубное пространство верхнего конденсатора 16 пара с межтрубным пространством ребойлера 14, и трубопровод 30 конденсата, который соединяет межтрубное пространство ребойлера 14 с трубным пространством верхнего конденсатора 16 пара. Компрессор 32 расположен на паровом трубопроводе 28, тогда как сборный резервуар 34 и расширительный клапан 36 расположены на трубопроводе 30 конденсата. Компрессор 32 включает два турбовентилятора, установленных последовательно. В сборном резервуаре 34 имеется трубопровод 44 для подачи подпиточного потока и продувочный трубопровод 46. Кроме этого, тепловой насос 18 косвенного действия включает впускной трубопровод 38, концевой конденсатор 40 и выпускной трубопровод 42. Впускной трубопровод 38 соединяет трубное пространство верхнего конденсатора 16 пара с концевым конденсатором 40, а выпускной трубопровод 42 соединяет концевой конденсатор 40 с трубным пространством верхнего конденсатора 16 пара.The indirect heat pump 18 has a steam line 28 that connects the tube space of the upper steam condenser 16 with the annulus of the reboiler 14, and a condensate line 30 that connects the annulus of the reboiler 14 with the tube space of the upper steam condenser 16. The compressor 32 is located on the steam line 28, while the collection tank 34 and expansion valve 36 are located on the condensate line 30. The compressor 32 includes two turbofans installed in series. The collection tank 34 has a make-up flow line 44 and a blowdown line 46. In addition, the indirect heat pump 18 includes an inlet line 38, an end condenser 40 and an outlet line 42. The inlet line 38 connects the tube space of the upper steam condenser 16 with the end condenser 40, and the exhaust pipe 42 connects the end condenser 40 with the pipe space of the upper steam condenser 16.

Во время работы ректификационной установки сырую смесь, содержащую метилтрихлорсилан, подают по сырьевому трубопроводу 19 в ректификационную колонну 12, где проводят ее дистилляцию. Головная фракция, т.е. пар, поступает по верхнему трубопроводу 20 в качестве теплопритока в межтрубное пространство верхнего конденсатора 16 пара. Поскольку точка росы пара головной фракции выше, чем температура кипения жидкой нижней фракции, подаваемой насосом по нижнему трубопроводу 24 из куба ректификационной колонны 12 в ребойлер 14, возможен косвенный теплообмен между паром головной фракции в верхнем конденсаторе 16 и жидкостью нижней фракции в ребойлере 14 и, тем самым, испарение жидкости нижней фракции с использованием тепла пара головной фракции. Вода, являющаяся хладагентом теплового насоса 18, испаряется в трубном пространстве верхнего конденсатора 16, поскольку температура кипения воды ниже, чем точка росы пара в верхнем трубопроводе 20, поступающего из верхней части 22 ректификационной колонны 12. Следовательно, вода испаряется в трубном пространстве верхнего конденсатора 16. Циркуляцию жидкости в трубном пространстве обеспечивают при помощи насоса, отбирающего жидкость из нижней части трубного пространства и подающего ее на верх труб. Образующийся при этом пар поступает по паровому трубопроводу 28 в компрессор 32. Большая часть пара всасывается в компрессор 32. В компрессоре 32 пар сжимается до давления, которое соответствует температуре точки росы, достаточно большой для обеспечения его конденсации в межтрубном пространстве ребойлера 14. Степень сжатия, определяемая как давление ниже по потоку относительно компрессора, деленное на давление выше по потоку относительно компрессора, в этом случае составляет от 1,70 до 3,20, предпочтительно, от 2,10 до 2,70. Эта степень сжатия значительно меньше, чем в случае, когда в качестве хладагента вместо воды используют метанол при той же разности температур в теплообменниках. Ребойлер 14 и верхний конденсатор 16 пара имеют одинаковую абсолютную производительность. Поскольку эффективность компрессора 32 меньше 100%, нет необходимости в сжатии всего пара, образующегося в верхнем конденсаторе 16 пара. Часть энергии обеспечивается за счет неэффективности компрессора 32 и поступает с потоком пара по паровому трубопроводу 28. Для преобразования некоторого количества физической теплоты в скрытую теплоту и облегчения теплообмена в межтрубном пространстве ребойлера в компрессор инжектируют воду. Оставшийся пар удаляют в концевом конденсаторе 40.During operation of the distillation unit, the crude mixture containing methyltrichlorosilane is fed through the feed pipeline 19 into the distillation column 12, where it is distilled. The main fraction, i.e. steam enters through the upper pipeline 20 as heat influx into the annulus of the upper steam condenser 16. Since the dew point of the steam of the head fraction is higher than the boiling point of the liquid lower fraction supplied by the pump through the lower pipeline 24 from the bottom of the distillation column 12 to the reboiler 14, indirect heat exchange is possible between the steam of the head fraction in the upper condenser 16 and the liquid of the lower fraction in the reboiler 14 and, thereby, the evaporation of the liquid of the lower fraction using the heat of the vapor of the head fraction. Water, which is the refrigerant of the heat pump 18, evaporates in the tube space of the upper condenser 16 because the boiling point of water is lower than the dew point of the steam in the upper conduit 20 coming from the upper part 22 of the distillation column 12. Therefore, water evaporates in the tube space of the upper condenser 16 The circulation of liquid in the pipe space is ensured using a pump that takes liquid from the bottom of the pipe space and supplies it to the top of the pipes. The resulting steam flows through the steam line 28 into the compressor 32. Most of the steam is sucked into the compressor 32. In the compressor 32, the steam is compressed to a pressure that corresponds to the dew point temperature, high enough to ensure its condensation in the annulus of the reboiler 14. The compression ratio, defined as the downstream pressure of the compressor divided by the upstream pressure of the compressor, in this case being from 1.70 to 3.20, preferably from 2.10 to 2.70. This compression ratio is significantly less than when methanol is used as a refrigerant instead of water at the same temperature difference in the heat exchangers. Reboiler 14 and upper steam condenser 16 have the same absolute capacity. Since the efficiency of the compressor 32 is less than 100%, it is not necessary to compress all the steam generated in the upper steam condenser 16. Some of the energy is provided by the inefficiency of compressor 32 and is supplied with the steam flow through steam line 28. Water is injected into the compressor to convert some sensible heat to latent heat and facilitate heat exchange in the reboiler annulus. The remaining steam is removed in the end capacitor 40.

Сжатый пар подают насосом в межтрубное пространство ребойлера 14. И ребойлер 14, и верхний конденсатор 16 представляют собой кожухотрубные аппараты с падающей пленкой. Средняя разность температур между межтрубным пространством и трубным пространством верхнего конденсатора 16 пара, с одной стороны, и средняя разность температур между межтрубным пространством и трубным пространством ребойлера 14, с другой стороны, составляет от 2°С до 25°С, предпочтительно, от 5°С до 12°С. В ребойлере 14 тепло передается от пара, проходящего в межтрубном пространстве ребойлера 14, к жидкости нижней фракции, проходящей по трубному пространству ребойлера 14, при этом, пар конденсируется, а жидкость нижней фракции испаряется. В трубном пространстве циркуляцию жидкости куба 26 ректификационной колонны организуют при помощи насоса по трубопроводу 24 в верхнюю часть труб ребойлера 14. Конденсат в межтрубном пространстве собирается в сборном резервуаре 34. Из него жидкость насосом подают по трубопроводу 30 конденсата, через расширительный клапан 36 в трубное пространство верхнего конденсатора 16 пара. Поскольку давление в трубном пространстве верхнего конденсатора 16 пара меньше атмосферного, можно ожидать просачивания некоторого количества воздуха, и концевой конденсатор 40 нужно продувать через продувочный трубопровод 41 при помощи вакуумного агрегата. Потерянный хладагент компенсируют при помощи подпиточного потока 44, подаваемого в сборный резервуар 34. Инертные газы - главным образом, просачивающийся воздух - входящие в состав пара, откачиваемого по паровой линии 28, которые имеют давление ниже атмосферного, не конденсируются в межтрубном пространстве ребойлера 14. Следовательно, их нужно продувать из сборного резервуара 34 по продувочному трубопроводу 46.The compressed steam is pumped into the annulus of the reboiler 14. Both the reboiler 14 and the upper condenser 16 are shell-and-tube devices with falling film. The average temperature difference between the annulus and the tube space of the upper steam condenser 16, on the one hand, and the average temperature difference between the annulus and the tube space of the reboiler 14, on the other hand, is from 2°C to 25°C, preferably from 5°C From up to 12°C. In reboiler 14, heat is transferred from steam passing in the annulus of reboiler 14 to the bottom liquid passing through the pipe space of reboiler 14, while the steam condenses and the bottom liquid evaporates. In the pipe space, the circulation of the liquid of the distillation column cube 26 is organized using a pump through pipeline 24 into the upper part of the reboiler pipes 14. The condensate in the inter-tube space is collected in a collection tank 34. From it, the liquid is pumped through the condensate pipeline 30, through the expansion valve 36 into the pipe space upper condenser 16 pairs. Since the pressure in the tube space of the upper steam condenser 16 is less than atmospheric pressure, some air leakage can be expected, and the end condenser 40 must be purged through the purge line 41 using a vacuum unit. The lost refrigerant is compensated by the make-up stream 44 supplied to the collection tank 34. The inert gases - mainly leakage air - included in the steam pumped through the steam line 28, which are at subatmospheric pressure, do not condense in the annulus of the reboiler 14. Consequently , they need to be purged from the collection tank 34 through the purge pipeline 46.

Список номеров позиций на чертежеList of drawing item numbers

10 Ректификационная установка10 Distillation unit

12 Ректификационная колонна12 Distillation column

14 Ребойлер/испаритель (с падающей пленкой)14 Reboiler/evaporator (falling film)

16 Верхний конденсатор пара/ кожухотрубный испаритель с падающей пленкой16 Top Steam Condenser/Shell and Tube Falling Film Evaporator

18 Тепловой насос косвенного действия18 Indirect heat pump

19 Сырьевой трубопровод19 Raw material pipeline

20 Верхний трубопровод20 Upper pipeline

22 Верхняя часть ректификационной колонны22 Upper part of the distillation column

24 Нижний трубопровод24 Lower pipeline

26 Куб26 Cube

28 Паровой трубопровод28 Steam pipeline

30 Трубопровод конденсата30 Condensate pipeline

32 Компрессор/турбовентилятор32 Compressor/turbofan

34 Сборный резервуар34 Collection tank

36 Расширительный клапан36 Expansion valve

38 Впускной трубопровод38 Inlet pipe

40 Концевой конденсатор40 End capacitor

41 Продувочный трубопровод к вакуумному агрегату41 Purge line to the vacuum unit

42 Выпускной трубопровод42 Exhaust pipe

44 Подпиточный поток44 Make-up flow

46 Продувочный трубопровод46 Purge line

Claims

1. A method for purifying a crude composition, including rectification of the crude composition in a distillation unit (10), including a distillation column (12) having a first upper condenser (16) for condensation of the head fraction and a reboiler (14) for evaporation of the lower fraction, and the difference between the temperature head fraction and the temperature of the bottom fraction is at most 20°C, and the heat pump (18) operates between the first upper condenser (16) and the reboiler (14), and the heat pump (18) is an indirect heat pump (18) and is configured to operate using water or methanol as a refrigerant, wherein the indirect heat pump (18) includes an expansion valve (36) and a compressor (32), wherein the heat pump (18) includes a second condenser (40), which is located above downstream relative to the compressor (32), while the pipe space of the first upper condenser (16) is connected to the second condenser (40) through the inlet pipeline (38), and the second condenser (40) is connected to the pipe space of the first upper condenser (16) through the outlet pipeline (42).

2. The method according to claim 1, wherein the difference between the temperature of the head fraction and the temperature of the bottom fraction is at most 15°C, preferably at most 10°C.

3. The method according to claim 1 or 2, in which the temperature of the bottom fraction is from 80°C to 150°C, preferably from 85°C to 105°C, more preferably from 90°C to 100°C.

4. The method according to any of the preceding claims, wherein the temperature of the overhead fraction is from 65°C to 130°C, preferably from 75°C to 95°C, more preferably from 80°C to 90°C.

5. The method according to claim 1, wherein the crude composition contains silane, preferably methylchlorosilane, more preferably methyltrichlorosilane, as the component to be purified.

6. A method according to any one of the preceding claims, wherein the first upper condenser (16) is a falling film shell-and-tube evaporator (16).

7. A method according to any one of the preceding claims, wherein the reboiler (14) is a falling film shell-and-tube evaporator (14).

8. The method as claimed in any one of the preceding claims, wherein the indirect heat pump (18) includes a steam line (28) that connects the tube space of the upper condenser (16) and the annulus of the reboiler (14), and a condensate line (30) that connects the inter-tube space of the reboiler (14) and the pipe space of the upper condenser (16), with a compressor (32) installed on the steam pipeline (28), and an expansion valve (36) installed on the condensate pipeline (30).

9. A method according to any of the preceding claims, wherein the compressor (32) includes one or more turbofans.

10. A method as claimed in any one of the preceding claims, wherein the compressor (32) includes one or more turbofans and small drops of water or methanol are sprayed into the steam passing through the turbofan (32) to reduce the temperature of the superheated steam (32).

11. Distillation unit (10), including a distillation column (12), including a first upper condenser (16) for condensing the head fraction, a reboiler (14) for evaporating the bottom fraction, and a heat pump (18) operating between the first upper condenser (16) and a reboiler (14), wherein the heat pump (18) is an indirect heat pump (18) that includes an expansion valve (36) and a compressor (32), wherein the heat pump (18) includes a second condenser (40) that is located upstream of the compressor (32), an inlet conduit (38) connecting the first overhead condenser (16) to the second condenser (40), and an outlet conduit (42) connecting the second condenser (40) to the first overhead condenser (16).

12. Installation according to claim 11, in which the compressor (32) includes one or more turbofans.

13. The apparatus of claim 11 or 12, wherein the first overhead condenser (16) is a falling film shell and tube evaporator (16) and the reboiler (14) is another falling film shell and tube evaporator (14).