可控汽相分配比的分离四组分混合物的隔板塔

摘要

本发明涉及一种可控汽相分配比的分离四组分混合物的隔板塔，包括公共精馏段和公共提馏段，其中公共精馏段位于塔顶，塔顶接第一冷凝器，公共提馏段位于塔底，塔底接第一再沸器；其特征在于在公共精馏段和公共提馏段之间被第一隔板、第二隔板及第三隔板沿塔径方向分割为三个区域，包括预分馏段、主塔段一和主塔段二，所述预分馏段由第一隔板、第三隔板和隔板塔外壁包围而成，设有进料口；主塔段一由第二隔板、第三隔板和隔板塔外壁包围而成，主塔段一塔底密封，接第二再沸器；主塔段二由第一隔板、第二隔板和隔板塔外壁包围而成，主塔段二塔顶密封，接第二冷凝器。

权利要求

1.一种可控汽相分配比的分离四组分混合物的隔板塔，包括公共精馏段和公共提馏段，其中公共精馏段位于塔顶，塔顶接第一冷凝器，公共提馏段位于塔底，塔底接第一再沸器；其特征在于在公共精馏段和公共提馏段之间被第一隔板、第二隔板及第三隔板沿塔径方向分割为三个区域，包括预分馏段、主塔段一和主塔段二，所述预分馏段由第一隔板、第三隔板和隔板塔外壁包围而成，设有进料口；主塔段一由第二隔板、第三隔板和隔板塔外壁包围而成，主塔段一塔底密封，接第二再沸器；主塔段二由第一隔板、第二隔板和隔板塔外壁包围而成，主塔段二塔顶密封，接第二冷凝器。

2.根据权利要求1所述的可控汽相分配比的分离四组分混合物的隔板塔，其特征在于第一隔板与第二隔板的夹角和第二隔板与第三隔板的夹角均为50-150°。

3.根据权利要求1所述的可控汽相分配比的分离四组分混合物的隔板塔，其特征在于第一隔板与第三隔板的夹角为120-220°。

说明书

可控汽相分配比的分离四组分混合物的隔板塔

技术领域

[0001] 本发明涉及化工石油精馏分离领域，具体为一种可控汽相分配比的分离四组分混合物的隔板塔。

背景技术

[0002] 在炼油、煤化工、石化、精细化工等行业的分离过程中，精馏能耗占整个过程能耗的50-70％，存在着热力学效率低、能耗高、投资费用高等关键问题，因此使用先进的过程强化技术来降低能耗、降低碳排放极其重要。隔壁精馏塔是对传统的多塔工艺进行升级改造，能够大幅度(30％-55％)降低能耗和设备投资，实现化工行业的绿色制造和碳减排。目前国内外对于使用隔板塔分离三组分混合物的研究已经相对成熟，越来越多的眼光投入到利用隔板塔分离四组分混合物，进一步提高隔板塔的节能应用。

[0003] 分离三组分的隔板塔是在塔内部放置一块竖直隔板，分为预分馏段、公共精馏段、主塔段、公共提馏段。公共精馏段的下降液相在隔板顶部的两侧按照一定的比例进行分配(分配的比值称为液相分配比)，分别进入预分馏塔和主塔；公共提馏段的上升汽相在隔板底部的两侧按照一定的比例进行分配(分配的比值称为汽相分配比)，分别进入预分馏塔和主塔；预分馏塔和主塔内的气液相进行逆向接触，实现传质分离过程。隔板塔的汽相分配比和液相分配比的取值对精馏过程的产品纯度和能耗有着显著的影响。目前工业上通过液相的流量控制能够很好地实现隔板塔的液相分配控制，但汽相分配控制比较复杂，多是通过隔板塔内部构件和汽相的流通截面积决定。

[0004] 传统分离四组分混合物是将三塔串联，轻组分、中间组分一、中间组分二依次分别从三塔的塔顶分离出，重组分从第三个塔的塔底分离出。此流程不仅存在着严重的返混问题，而且塔设备数多需要三套再沸器冷凝器，因此分离能耗高、设备投资高、占地面积大。

[0005] 从Kaibel隔板塔(Kaibel D I G.Distillation columns with vertical partitions[J].Chemical Engineering&Technology,1987,10(1):92–98.)的塔结构可以看出，Kaibel隔板塔分离中间组分B、C的主塔段是竖直对接的，因此主塔段需要较高的高度；另外Kaibel隔板塔无法实现灵活独立的汽相分配比的控制，需要对塔内件进行详细设计，通过调节隔板两侧的压降实现工艺要求的汽相分配比。

发明内容

[0006] 针对传统三塔流程分离四组分混合物能耗高、设备费高、占地面积大，以及Kaibel隔板塔汽相分配比控制难度大、主塔段高等问题，本发明拟解决的技术问题是，提供一种可控汽相分配比的分离四组分混合物的隔板塔。该隔板塔不仅解决了传统三塔流程分离四组分混合物时能耗高、设备费用高、占地面积大的问题，还显著降低了Kaibel塔结构的总高度,克服了塔顶回流液体与塔底上升气体不能实现独立控制的缺点。

[0007] 本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：提供一种可控汽相分配比的分离四组分 混合物的隔板塔，包括公共精馏段和公共提馏段，其中公共精馏段位于塔顶，塔顶接第一冷凝器，公共提馏段位于塔底，塔底接第一再沸器；其特征在于在公共精馏段和公共提馏段之间被第一隔板、第二隔板及第三隔板沿塔径方向分割为三个区域，包括预分馏段、主塔段一和主塔段二，所述预分馏段由第一隔板、第三隔板和隔板塔外壁包围而成，设有进料口；主塔段一由第二隔板、第三隔板和隔板塔外壁包围而成，主塔段一塔底密封，接第二再沸器；主塔段二由第一隔板、第二隔板和隔板塔外壁包围而成，主塔段二塔顶密封，接第二冷凝器。

[0008] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：

[0009] 本发明隔板塔结构简单、操作灵活、经济实用，适用于分离多种四组分混合物物系，可以针对混合物中不同组分的量调整分隔板的角度以实现混合物中不同组分的分离，且分离效果显著，在相同的分离任务下，本发明的隔板塔与传统分离四组分的三塔流程相比较，能耗节省可达20％左右。

[0010] 隔板塔能耗的高低对汽相分配比的取值比较敏感，常规隔板塔需要专门配置一台汽相分配器，但目前隔板塔汽相分配器的研究应用相对不成熟，而本发明的隔板塔直接利用内部结构特点，通过主塔段二顶部冷凝器冷却介质的用量有效地控制隔板两侧的汽相分配比，通过设置不同的隔板结构，克服了以往隔板塔(DWC)汽相分配比难以控制的问题。

[0011] Kaibel隔板塔的主塔段对中间组分B、C的分离，是将分离B、C的主塔段竖直对接，而本发明则是将分离B、C的主塔段平行放置(即主塔段一与主塔段二在竖直方向平行)，使得主塔段一和主塔段二在径向共用隔板的主塔段，如此便会有效降低主塔段的塔高，因此与Kaibel隔板塔相比较，当使本发明主塔段高度与Kaibel隔板塔主塔段高度相等时，能够显著提高各组分的产品质量。

附图说明

[0012] 图1是本发明可控汽相分配比的分离四组分混合物的隔板塔一种实施例的结构示意图；

[0013] 图2是本发明可控汽相分配比的分离四组分混合物的隔板塔一种实施例隔板塔内三块隔板的连接结构示意图；

[0014] 图3是本发明可控汽相分配比的分离四组分混合物的隔板塔一种实施例预分馏段Ⅰ、主塔段一Ⅲ和主塔段二Ⅳ的上横截面的结构示意图；

[0015] 图4是本发明可控汽相分配比的分离四组分混合物的隔板塔一种实施例预分馏段Ⅰ、主塔段一Ⅲ和主塔段二Ⅳ的下横截面的结构示意图；

[0016] 图中，Ⅰ-预分馏段，Ⅱ-公共精馏段，Ⅲ-主塔段一，Ⅳ-主塔段二，Ⅴ-公共提馏段，C-101第一冷凝器，C-102第二冷凝器，R-101第一再沸器，R-102第二再沸器，1-第一隔板，2-第二隔板，3-第三隔板，α为第一隔板1与第三隔板3的夹角，β为第一隔板1与第二隔板2的夹角，γ为第二隔板2与第三隔板3的夹角。

具体实施方式

[0017] 下面结合实施例及附图进一步介绍本发明，但并不以此作为对本申请权利要求保护范 围的限定。

[0018] 本发明可控汽相分配比的分离四组分混合物的隔板塔(简称隔板塔，参见图1-4)包括公共精馏段Ⅱ和公共提馏段Ⅴ，其中公共精馏段Ⅱ位于塔顶，塔顶接第一冷凝器C-101，公共提馏段Ⅴ位于塔底，塔底接第一再沸器R-101；其特征在于在公共精馏段II和公共提馏段V之间被三块隔板沿塔径方向分割为三个区域，包括预分馏段Ⅰ、主塔段一Ⅲ和主塔段二Ⅳ，所述预分馏段Ⅰ由第一隔板1、第三隔板3和隔板塔外壁包围而成，设有进料口；主塔段一Ⅲ由第二隔板2、第三隔板3和隔板塔外壁包围而成，主塔段一Ⅲ塔底密封，接第二再沸器R-102；主塔段二Ⅳ由第一隔板1、第二隔板2和隔板塔外壁包围而成，主塔段二Ⅳ塔顶密封，接第二冷凝器C-102。

[0019] 本发明隔板塔的进一步特征在于第一隔板1与第二隔板2的夹角β和第二隔板2与第三隔板3的夹角γ均为50-150°。

[0020] 本发明隔板塔的进一步特征在于第一隔板1与第三隔板3的夹角α为120-220°。

[0021] 在图3和图4中，第一隔板1与第三隔板3的夹角为α，第一隔板1与第二隔板2的夹角为β，第二隔板2与第三隔板3的夹角为γ，且α+β+γ＝360°，第一隔板1、第二隔板2和隔板塔外壁包围而成的是主塔段二Ⅳ，第二隔板2、第三隔板3和隔板塔外壁包围而成的是主塔段一Ⅲ，第一隔板1、第三隔板3和隔板塔外壁包围而成的是预分馏段Ⅰ。在图3中主塔段二Ⅳ顶部密封，在图4中主塔段一Ⅲ底部密封。

[0022] 本发明隔板塔的分离四组分混合物的分离过程是：定义四组分的相对挥发度大小为α A<αB<αC<αD；含有A、B、C、D四组分的混合物从预分馏段的进料口进入隔板塔内，在预分馏段Ⅰ实现AB与CD组分的清晰分离；AB组分经公共精馏段Ⅱ和主塔段一Ⅲ实现A组分与B组分的清晰分离；CD组分经公共提馏段Ⅴ和主塔段二Ⅳ实现C组分与D组分的清晰分离，最终在公共精馏段Ⅱ顶部得到轻组分A、主塔段一Ⅲ的塔釜得到中间组分B、主塔段二Ⅳ的塔顶得到中间组分C、公共提馏段Ⅴ底部得到重组分D。

[0023] 本发明隔板塔根据中间组分含量的多少来调整预分馏段Ⅰ、主塔段一Ⅲ和主塔段二Ⅳ的横截面，而横截面积通过改变三块隔板之间的夹角α、β、γ进行调整，隔板塔理论板数与具体的处理物系有关。

[0024] 本发明通过控制主塔段二Ⅳ塔顶冷凝器的冷凝量控制主塔段二Ⅳ的操作压力，使主塔段二Ⅳ塔顶的操作压力略微大于公共精馏段Ⅱ塔顶的操作压力，即通过憋压调节汽相在主塔段二Ⅳ和预分馏段Ⅰ之间的分配，实现汽相分配比的控制。

[0025] 液相分配比的控制与常规隔板塔的液相控制相同。

[0026] 本发明隔板塔属于多隔板多区域隔板塔，不仅能够得到高纯度产品，显著降低分离能耗、设备投资、占地面积，同时也能够在一定程度上灵活控制汽相分配比。

[0027] 实施例1

[0028] 本实施例可控汽相分配比的分离四组分混合物的隔板塔包括公共精馏段Ⅱ和公共提馏段Ⅴ，其中公共精馏段Ⅱ位于塔顶，塔顶接第一冷凝器C-101，公共提馏段Ⅴ位于塔底，塔 底接第一再沸器R-101；其特征在于在公共精馏段II和公共提馏段V之间被三块隔板沿塔径方向分割为三个区域，包括预分馏段Ⅰ、主塔段一Ⅲ和主塔段二Ⅳ，所述预分馏段Ⅰ由第一隔板1、第三隔板3和隔板塔外壁包围而成，设有进料口；主塔段一Ⅲ由第二隔板2、第三隔板3和隔板塔外壁包围而成，主塔段一Ⅲ塔底密封，接第二再沸器R-102；主塔段二Ⅳ由第一隔板1、第二隔板2和隔板塔外壁包围而成，主塔段二Ⅳ塔顶密封，接第二冷凝器C-102。

[0029] 本实施例具体隔板塔结构及参数如下所述：隔板塔预分馏段Ⅰ有30块理论板，主塔段一Ⅲ和主塔段段二Ⅳ各有20块理论板，公共精馏段Ⅱ有8块理论板，公共提馏段Ⅴ有15块理论板；操作压力为101.325kP。第一隔板1与第三隔板3的夹角α为200°，第一隔板1与第二隔板2的夹角β为70°，第二隔板2与第三隔板3的夹角γ为90°。

[0030] 本实施例以分离戊烷、己烷、庚烷、辛烷的四组分混合物为例进行介绍。

[0031] 具体实施工艺路线如下所述：戊烷、己烷、庚烷、辛烷的四组分混合物从预分馏段Ⅰ的第9块理论板进入塔内，在预分馏段Ⅰ内进行戊烷、己烷和庚烷、辛烷的清晰分离。戊烷、己烷进入公共精馏段Ⅱ和主塔段一Ⅲ继续进行分离，在公共精馏段塔顶得到产品质量分数>99.5％的戊烷；部分戊烷通过塔顶冷凝器C-101再次回流到隔板塔内，在公共精馏段Ⅱ底部按照一定的比例分配到预分馏段Ⅰ和主塔段一Ⅲ，其中主塔段一Ⅲ的上升汽相由主塔段一Ⅲ的塔釜再沸器R-102提供，最后在主塔段一Ⅲ的塔釜得到产品质量分数>99.5％的己烷。
庚烷、辛烷进入公共提馏段Ⅱ和主塔段二Ⅳ继续进行分离，在公共提馏段Ⅴ塔釜得到产品质量>99.5％的辛烷；公共提馏段Ⅴ的上升蒸汽在公共提馏段Ⅴ顶部分配到预分馏段Ⅰ和主塔段二Ⅳ，其中主塔段二Ⅳ内的下降液相是由主塔段二Ⅳ塔顶的冷凝器C-102冷凝产品庚烷回流提供，最后在主塔段二Ⅳ的塔顶得到产品质量分数>99.5％的庚烷；公共提馏段Ⅴ在隔板两侧的汽相分配比例通过调节主塔段二Ⅳ顶部冷凝器C-102的冷却介质用量来控制。

[0032] 本实施例中待分离的戊烷、己烷、庚烷、辛烷的四组分混合物的进料量为40kmol/h，戊烷、己烷、庚烷、辛烷的摩尔比为1:1:1:1。己烷、庚烷、辛烷采出量均为10kmol/h；塔顶回流比7.2，液相分配比为0.51(液相分配比指的是进入预分馏段的液相比例)，汽相分配比为0.68(汽相分配比指的是进入预分馏段的汽相比例)。

[0033] 主塔段二塔顶冷凝器的冷凝水(7bar的28℃冷凝水)用量为40300kg/h，实现汽相分配比为0.68。

[0034] 在Kaibel隔板塔与实施例1的隔板塔具有相同的理论板的条件下，实施例1隔板塔的分离效果明显优于Kaibel隔板塔，两者具体分离效果对比见表1。

[0035] 传统分离四组分混合物是将三塔串联，轻组分、中间组分一、中间组分二依次分别从三塔的塔顶分离出，重组分从第三个塔的塔底分离出。采用传统三塔流程分离四组分混合物，第一塔共有23块理论板，第9块板进料；第二塔共有26块理论板，第12块板进料；第三塔共有28块理论板，第13块板进料；三塔的操作压力均为101.325kP。

[0036] 在进料量和进料摩尔组成不变的条件下，以再沸器负荷最低为目标值，与优化后的传统 三塔流程分离四组分混合物相比，能耗结果列于表2，结果显示实施例1的隔板塔节省能耗高达18％。

[0037] 表1：实施例1的隔板塔与Kaibel隔板塔的分离效果比较

[0038]产品纯度(质量％) 戊烷 己烷 庚烷 辛烷
Kaibel隔板塔 0.976 0.966 0.974 0.982
实施例1隔板塔 0.999 1 1 0.999

[0039] 表2：实施例1的隔板塔与传统三塔流程的能耗比较

[0040]

[0041] 实施例2

[0042] 本实施例隔板塔的结构同实施例1，所需分离的四组分混合物仍为戊烷、己烷、庚烷、辛烷混合物。不同之处在于本实施例中隔板塔的第一隔板1与第三隔板3的夹角α为180°，第一隔板1与第二隔板2的夹角β为50°，第二隔板2与第三隔板3的夹角γ为130°。

[0043] 待分离的戊烷、己烷、庚烷、辛烷四组分混合物的进料量为50kmol/h，戊烷、己烷、庚烷、辛烷的摩尔比为1:2:1:1。己烷采出量为20kmol/h，庚烷、辛烷采出量均为10kmol/h；塔顶回流比7.2，液相分配比为0.381，汽相分配比为0.8；主塔段二塔顶冷凝器的冷凝水(7bar的28度冷凝水)用量为32500kg/h，实现汽相分配比为0.8；在Kaibel隔板塔与本发明隔板塔具有相同的理论板的条件下，实施例2的隔板塔的分离效果明显优于Kaibel隔板塔，两者分离效果对比见表3。

[0044] 采用传统三塔流程分离四组分混合物，进料量和进料摩尔组成不变，以再沸器负荷最低为目标值，进行进料位置与理论板的优化后，结果如下：第一塔共有28块理论板，第10块板进料，回流比为5.2；第二塔共有24块理论板，第11块板进料，回流比为4；第三塔共有
26块理论板，第13块板进料，回流比为4；三塔的操作压力均为101.325kP。为便于比较，能耗结果也列于表4。与优化后的传统三塔流程分离四组分混合物相比，本实施例的隔板塔结构节省能耗高达18.6％。

[0045] 表3：实施例2的隔板塔与Kaibel隔板塔的分离效果比较

[0046]

[0047]

[0048] 表4：实施例2的隔板塔与传统三塔流程的能耗比较

[0049]

[0050] 实施例3

[0051] 本实施例隔板塔的结构同实施例1，所需分离的四组分混合物仍为戊烷、己烷、庚烷、辛烷混合物。不同之处在于本实施例中隔板塔的第一隔板1与第三隔板3的夹角α为190°，第一隔板1与第二隔板2的夹角β为50°，第二隔板2与第三隔板3的夹角γ为120°。

[0052] 待分离的戊烷、己烷、庚烷、辛烷四组分混合物的进料量为60kmol/h，戊烷、己烷、庚烷、辛烷的摩尔比为1:2:2:1。己烷、庚烷采出量均为20kmol/h，辛烷采出量为10kmol/h；塔顶回流比7.2，液相分配比为0.43，汽相分配比为0.78；主塔段二塔顶冷凝器的冷凝水(7bar的28度冷凝水)用量为30400kg/h，实现汽相分配比为0.78；在Kaibel隔板塔与本实施例隔板塔具有相同的理论板的条件下，本实施例隔板塔的分离效果明显优于Kaibel隔板塔，两者分离效果对比见表5。

[0053] 采用传统三塔流程分离四组分混合物，进料量和进料摩尔组成不变，以再沸器负荷最低为目标值，进行进料位置与理论板的优化后，结果如下：第一塔共有23块理论板，第9块板进料，回流比为5.2；第二塔共有28块理论板，第12块板进料，回流比为4；第三塔共有26块理论板，第13块板进料，回流比为4；三塔的操作压力均为101.325kP。为便于比较，能耗结果也列于表6。与优化后的传统三塔流程分离四组分混合物相比，本实施例的隔板塔节省能耗可达到9.6％。

[0054] 表5：实施例3的隔板塔与Kaibel隔板塔的分离效果比较

[0055]产品纯度(质量％) 戊烷 己烷 庚烷 辛烷
Kaibel隔板塔 0.976 0.983 0.976 0.982
实施例3的隔板塔 1 1 0.999 0.999

[0056] 表6：实施例3的隔板塔与传统三塔流程的能耗比较

[0057]

[0058]

[0059] 上述三个实施例表明：本发明隔板塔可实现四组分混合物的高纯度分离；可通过主塔段二Ⅳ塔顶冷凝器冷却介质的冷凝量控制汽相分配比；中间组分含量不同，对应不同的隔板夹角；在Kaibel隔板塔与本发明隔板塔具有相同的理论板的条件下，本发明隔板塔的分离效果明显优于Kaibel隔板塔；与传统三塔流程分离四组分混合物相比，本发明的隔板塔结构节省能耗显著，需要注意的是，这里所述能耗对比是在传统三塔进行优化、本发明隔板塔未优化的基础上进行的数据对比，故实施例1与实施例2可节省18％以上，实施例3可节省9.6％，当本发明隔板塔进行优化选择时，能耗节省可以进一步特高，根据相关工艺条件，能耗节省可以提高到20％左右。

[0060] 本发明未述及之处适用于现有技术。