專利名稱：一種內(nèi)部熱耦合蒸餾塔的塔器及其控制工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種內(nèi)部熱耦合蒸餾塔的塔器及其控制工藝。
背景技術(shù)：
內(nèi)部熱耦合蒸餾塔的研究始于上世紀(jì)70年代末，主要目的是根據(jù)熱力學(xué) 第二定律解決混合物分離操作的高耗能性這一長(zhǎng)期困擾人們的難題。雖然在 理論上早已證明，借助于精餾段與提餾段之間的熱耦合作用可以使得內(nèi)部熱 耦合蒸餾塔具有非常高的熱力學(xué)效率，例如外部回流比和外部回?zé)岜染梢?為零(即打破了最小回流比和最小回?zé)岜鹊南拗?，但由于這種熱耦合作用難以 在蒸餾塔的設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)，故這種高效的內(nèi)部熱耦合蒸餾塔至今也沒有在化工 過程中得到應(yīng)用。英國(guó)在2005提出了一種塔板內(nèi)部傳熱式內(nèi)部熱耦合蒸餾塔。 日本在這一問題作過多年的嘗試，從1995年至2007年先后開發(fā)了同心圓柱 式和多同心圓柱捆綁式內(nèi)部熱耦合蒸餾塔。雖然后者在日本丸善石化株式會(huì) 社內(nèi)應(yīng)用獲得成功，但因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)異常復(fù)雜且造價(jià)昂貴，很難在實(shí)際過程中 加以應(yīng)用和推廣。歐盟在2005年開發(fā)了一種熱交換屏(Heat transfer panel: HTP) 式內(nèi)部熱耦合蒸餾塔，并試圖在石油化學(xué)工業(yè)中進(jìn)行應(yīng)用，但至今沒有確定 性的進(jìn)展。概括地講，以上四種內(nèi)部熱耦合蒸餾塔的塔器具有下述特點(diǎn)。
1. 塔板內(nèi)部傳熱式內(nèi)部熱耦合蒸餾塔。雖然概念非常新穎，但卻難以保證足 夠的傳熱面積。
2. HTP式內(nèi)部熱耦合蒸餾塔。比塔板內(nèi)部傳熱結(jié)構(gòu)有著較大的傳熱面積，但 仍然難以滿足分離操作的需要。
3. 同心圓柱式內(nèi)部熱耦合蒸餾塔。結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，但仍難以保證足夠的傳熱 面積。
4. 多同心圓柱捆綁式內(nèi)部熱耦合蒸餾塔。雖然比同心圓柱傳熱結(jié)構(gòu)具有更大 的傳熱面積，但其結(jié)構(gòu)卻非常復(fù)雜且造價(jià)昂貴，難以在實(shí)際過程中得到應(yīng) 用和推廣
發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)內(nèi)部熱耦合蒸餾塔在化工過程中難以實(shí)現(xiàn)這一問題，本發(fā)明提供一 種新型的內(nèi)部熱耦合蒸餾塔的塔器，它僅利用三個(gè)外部熱交換器近似精餾段 與提餾段之間的熱耦合作用，既巧妙地回避了內(nèi)部熱耦合結(jié)構(gòu)難以實(shí)現(xiàn)這一 問題，又保證了內(nèi)部熱耦合蒸餾塔具有很高的熱力學(xué)效率。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取了如下技術(shù)方案本發(fā)明包括通過管道 相互連接的精餾段、提餾段、預(yù)處理器、壓縮機(jī)和節(jié)流閥。所述的預(yù)處理器 為預(yù)熱器或預(yù)冷器。進(jìn)料的預(yù)處理器與提餾段的第一塊塔板相連，提餾段塔 頂通過壓縮機(jī)與精餾段底部相連，精餾段底部通過節(jié)流閥與提餾段的頂部相 連。本發(fā)明在精餾段與提餾段之間僅利用三個(gè)外部換熱器實(shí)現(xiàn)蒸餾塔的精餾 段與提餾段之間的熱耦合，三個(gè)換熱器分別是頂部換熱器、中部換熱器和底 部換熱器。
所述三個(gè)外部換熱器的有以下兩種連接方式-
連接方式l:用3個(gè)外部換熱器來實(shí)現(xiàn)精餾段和提餾段之間的熱耦合，3 個(gè)外部換熱器分別安裝在精餾段和提餾段的頂部、中部和底部。其中頂部換 熱器安裝在精餾段的第一塊塔板和提餾段的第一塊塔板之間；中部換熱器安 裝在精餾段的中部和提餾段的中部之間，其具體的位置需要根據(jù)具體的分離 物系及分離要求來確定，以實(shí)現(xiàn)最大幅度的節(jié)能；底部換熱器安裝在精餾段 的最后一塊塔板和提餾段的最后一塊塔板之間。
連接方式2:用3個(gè)外部換熱器來實(shí)現(xiàn)精餾段和提餾段之間的熱耦合，3 個(gè)外部換熱器分別安裝在精餾段和提餾段的頂部、中部和底部。其中頂部換 熱器安裝在精餾段的頂部出料和提餾段的第一塊塔板之間；中部換熱器安裝 在精餾段的頂部出料和提餾段的中部塔板之間，其安裝在提餾段的具體位置 需要根據(jù)具體的分離物系及分離要求來確定，以實(shí)現(xiàn)最大幅度的節(jié)能；底部 換熱器安裝在壓縮機(jī)的出料管道和提餾段的最后一塊塔板之間。
蒸餾塔的精餾段塔頂和提餾段塔底的產(chǎn)品濃度可以分別采用蒸餾塔的塔 頂出料流量和進(jìn)料的預(yù)處理器的作動(dòng)媒體的流量作為操作變量進(jìn)行控制，并 采用精餾段內(nèi)兩塊塔板之間的溫差和提餾段的靈敏板的溫度作為被控變量， 其中所述精餾段的兩塊特定塔板中，第一塊為靠近精餾段底部的靈敏板，第二塊為精餾段頂部的第1 第3塊塔板中的任一塊；精餾段和提餾段的靈敏板 可以根據(jù)奇異值分解法(SVD)找到；
當(dāng)蒸餾塔塔頂產(chǎn)品濃度未達(dá)到指標(biāo)時(shí)，減小塔頂出料流量使精餾段內(nèi)兩 塊特定塔板之間的溫差減小從而提升塔頂產(chǎn)品(輕組分)濃度至要求的指標(biāo);
當(dāng)蒸餾塔塔頂產(chǎn)品濃度超過指標(biāo)時(shí)，增大塔頂出料流量使精餾段內(nèi)兩塊 特定塔板之間的溫差增大從而降低塔頂產(chǎn)品濃度至要求的指標(biāo)；
當(dāng)蒸餾塔塔底產(chǎn)品濃度未達(dá)到指標(biāo)時(shí)，調(diào)整預(yù)處理器的作動(dòng)媒體的流量 (當(dāng)預(yù)處理器為預(yù)熱器時(shí)增大作動(dòng)媒體的流量，當(dāng)預(yù)處理器為預(yù)冷器時(shí)減小 作動(dòng)媒體的流量)使提餾段的靈敏板的溫度上升從而使塔底產(chǎn)品濃度增大至 要求的指標(biāo)；
當(dāng)蒸餾塔塔底產(chǎn)品濃度超過指標(biāo)時(shí)，調(diào)整預(yù)處理器的作動(dòng)媒體的流量(當(dāng) 預(yù)處理器為預(yù)熱器時(shí)減小作動(dòng)媒體的流量，當(dāng)預(yù)處理器為預(yù)冷器時(shí)增大作動(dòng) 媒體的流量)使提餾段的靈敏板的溫度下降從而使塔底產(chǎn)品濃度減小至要求 的指標(biāo)。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明將換熱器設(shè)置在精餾段和提餾段的外面， 回避了精餾段和提餾段之間的內(nèi)部熱耦合難以實(shí)現(xiàn)的問題，使換熱器的面積 不再受到蒸餾塔工藝的限制，因而能夠保證足夠的換熱面積；由于在精餾段 頂部與提餾段底部均設(shè)置有換熱器，因而能夠改善內(nèi)部熱耦合蒸餾塔的操作 彈性、動(dòng)態(tài)特性和可控性。


圖1為普通內(nèi)部熱耦合蒸餾塔的基本結(jié)構(gòu)；
圖2為本發(fā)明提供的新型內(nèi)部熱耦合蒸餾塔的塔器；
圖3為本發(fā)明提供的新型內(nèi)部熱耦合蒸餾塔的塔器；
圖4為分離乙烯/乙烷的常規(guī)蒸餾塔的塔器；
圖5為分離乙烯/乙垸的普通內(nèi)部熱耦合蒸餾塔的塔器；
圖6為本發(fā)明實(shí)施后得到的分離乙烯/乙垸的新型內(nèi)部熱耦合蒸餾塔的塔器；
圖7為分離苯/甲苯的常規(guī)蒸餾塔的塔器；
圖8為分離苯/甲苯的普通內(nèi)部熱耦合蒸餾塔的塔器；圖9為本發(fā)明實(shí)施后得到的分離苯/甲苯的新型內(nèi)部熱耦合蒸餾塔的塔器； 圖10為本發(fā)明所提供的分離苯/甲苯的內(nèi)部熱耦合蒸餾塔的基本控制方案；
圖中1、精餾段；2、提餾段；3、壓縮機(jī)；4、進(jìn)料的預(yù)處理器；5、節(jié) 流閥；6、精餾段的第一塊塔板；7、精餾段的最后一塊塔板；8、提餾段的第 一塊塔板；9、提餾段的最后一塊塔板；10、熱耦合區(qū)域；11、頂部的冷凝 器；12、進(jìn)料板；13、再沸器。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的一個(gè)中心思想是提供一種新穎且實(shí)用的內(nèi)部熱耦合蒸餾塔的塔 器。它僅利用三個(gè)外部熱交換器近似精餾段與提餾段之間的熱耦合作用的理 論數(shù)學(xué)模型。 一個(gè)外部換熱器進(jìn)行精餾段頂部與提餾段頂部之間的熱量交換， 以此實(shí)現(xiàn)內(nèi)部熱耦合蒸餾塔的無外部回流操作。 一個(gè)外部換熱器進(jìn)行精餾段 底部與提餾段底部之間的熱量交換，借以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部熱耦合蒸餾塔的無外部回 熱操作。 一個(gè)外部換熱器進(jìn)行精餾段中部與提餾段中部之間的熱量交換，借 以實(shí)現(xiàn)精餾段與提餾段之間的熱耦合作用。 實(shí)施例l:
本發(fā)明技術(shù)方案1實(shí)施后得到的內(nèi)部熱耦合蒸餾塔的塔器的連接方式是-進(jìn)料通過管道進(jìn)入預(yù)處理器，經(jīng)過預(yù)處理后通過管道進(jìn)入進(jìn)料板，即提餾段 的第一塊塔板；提餾段塔頂通過管道與壓縮機(jī)的一端相連；壓縮機(jī)的另一端 與精餾段底部相連；精餾段底部與節(jié)流閥的一端相連；節(jié)流閥的另一端與提 餾段的頂部相連；精餾段與提餾段之間連接3個(gè)換熱器，它們分別是頂部換 熱器、中部換熱器和底部換熱器；頂部換熱器的一端連接到精餾段的第一塊 塔板，另一端連接到提餾段的第一塊塔板；中部換熱器的一端連接到精餾段 的中部塔板，另一端連接到提餾段的中部塔板，具體的連接位置要根據(jù)具體 的分離物系及分離要求來確定，所述的中部塔板就是設(shè)置在第一塊塔板和底 部換熱器所在的塔板之間的塔板。底部換熱器的一端連接到精餾段的最后一 塊塔板，另一端連接到提餾段的最后一塊塔板。如圖2所示，al和bl之間連 接的是頂部換熱器；a2和b2之間連接的是中部換熱器；a3和b3之間連接的 是底部換熱器。實(shí)施例2:
本發(fā)明技術(shù)方案2實(shí)施后得到的內(nèi)部熱耦合蒸餾塔的塔器的連接方式是: 進(jìn)料通過管道進(jìn)入預(yù)處理器，經(jīng)過預(yù)處理后通過管道進(jìn)入進(jìn)料板，即提餾段 的第一塊塔板；提餾段塔頂通過管道與壓縮機(jī)的一端相連；壓縮機(jī)的另一端 與精餾段底部相連；精餾段底部與節(jié)流閥的一端相連；節(jié)流閥的另一端與提 餾段的頂部相連；精餾段與提餾段之間連接3個(gè)換熱器，它們分別是頂部換 熱器、中部換熱器和底部換熱器；頂部換熱器的一端連接到精餾段的頂部出 料，另一端連接到提餾段的第一塊塔板；中部換熱器的一端連接到精餾段的 頂部出料，另一端連接到提餾段的中部，其在提餾段的具體的連接位置要根 據(jù)具體的分離物系及分離要求來確定；底部換熱器的一端連接到壓縮機(jī)的出 料管道，另一端連接到提餾段的最后一塊塔板。如圖3所示，al和bl之間連 接的是頂部換熱器；a2和b2之間連接的是中部換熱器；c是底部換熱器。
本發(fā)明塔頂沒有冷凝器和塔底沒有再沸器，它們完全由外部換熱器所代 替；在進(jìn)料的管線上增加進(jìn)料的預(yù)處理器，以平衡精餾段與提餾段的熱負(fù)荷， 實(shí)現(xiàn)二者最大限度的熱耦合，節(jié)省能量。
本發(fā)明提出了一種雙溫差控制系統(tǒng)，即蒸餾塔的塔頂和塔底的產(chǎn)品濃度 可以分別采用蒸餾塔的塔頂出料流量和進(jìn)料的預(yù)處理器的作動(dòng)媒體的流量作 為操作變量進(jìn)行控制，并采用精餾段內(nèi)兩塊特定塔板之間的溫差和提餾段的 靈敏板的溫度作為被控變量，所述精餾段的兩塊特定塔板中，第一塊為靠近 精餾段底部的靈敏板，第二塊為從靈敏板以上精餾段頂部的第1 3塊塔板中 的任意一塊；精餾段和提餾段的靈敏板可以根據(jù)奇異值分解法(SVD)找到。 當(dāng)蒸餾塔塔頂產(chǎn)品濃度未達(dá)到指標(biāo)時(shí)，減小塔頂出料流量使精餾段內(nèi)兩塊特 定塔板之間的溫差減小從而提升塔頂產(chǎn)品(輕組分)濃度至要求的指標(biāo)；當(dāng) 蒸餾塔塔頂產(chǎn)品質(zhì)量超過指標(biāo)時(shí)，增大塔頂出料流量使精餾段內(nèi)兩塊特定塔 板之間的溫差增大從而降低塔頂產(chǎn)品濃度至要求的指標(biāo)。當(dāng)蒸餾塔塔底產(chǎn)品 濃度未達(dá)到指標(biāo)時(shí)，調(diào)整預(yù)處理器的作動(dòng)媒體的流量(當(dāng)預(yù)處理器為預(yù)熱器 時(shí)增大作動(dòng)媒體的流量，當(dāng)預(yù)處理器為預(yù)冷器時(shí)減小作動(dòng)媒體的流量)使提 餾段的靈敏板的溫度上升從而使塔底產(chǎn)品濃度增大至要求的指標(biāo)；當(dāng)蒸餾塔塔底產(chǎn)品濃度超過指標(biāo)時(shí)，調(diào)整預(yù)處理器的作動(dòng)媒體的流量(當(dāng)預(yù)處理器為 預(yù)熱器時(shí)減小作動(dòng)媒體的流量，當(dāng)預(yù)處理器為預(yù)冷器時(shí)增大作動(dòng)媒體的流量) 使提餾段的靈敏板的溫度下降從而使塔底產(chǎn)品濃度減小至要求的指標(biāo)。
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清晰明白，以下結(jié)合兩個(gè)具體 實(shí)施例子，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
例1:利用本發(fā)明實(shí)施后得到的內(nèi)部熱耦合蒸餾塔的塔器分離乙烯/乙垸
二元混合物。 一個(gè)進(jìn)料流量為988.034kmol/h、摩爾組成為83/17的乙烯/乙烷 二元混合物分離成99.5 mol。/。的乙烯和99.9 molQ/。的乙烷兩股物料。并與常規(guī) 蒸餾塔進(jìn)行比較。
圖4為分離乙烯/乙烷的常規(guī)蒸餾塔的塔器，塔的總塔板數(shù)為93塊，塔高 68.028 m，塔徑2.253 m。進(jìn)料流量F=988.034 kmol/h,進(jìn)料位置為第58塊塔 板，即圖中12所示的位置。分離后，塔頂出料為乙烯，產(chǎn)品的液相摩爾濃度 為99.5mo1。/。，頂部出料的流量為824.042 kmol/h;底部出料為乙烷，產(chǎn)品的 液相摩爾濃度為99.9 mol%，底部出料流量為163.992 kmol/h。當(dāng)達(dá)到了產(chǎn)品 純度要求時(shí)，冷凝器(圖中位置ll)負(fù)荷為8191.93 kW，再沸器負(fù)荷(圖中 位置13)為5567.47kW。常規(guī)蒸餾塔的設(shè)備費(fèi)用為2.10904X 106$，操作費(fèi) 用為3.27406X106$， TAC (年均總投資)為3.97708X 106$。
圖5為本發(fā)明提供的分離乙烯/乙烷的普通內(nèi)部熱耦合蒸餾塔的塔器。蒸 餾塔的精餾段和提餾段的塔板數(shù)不同，精餾段塔板數(shù)為54塊，提餾段塔板數(shù) 為44塊，塔高為71.6855 m，塔徑為2.36436 m，進(jìn)料的預(yù)處理器是部分冷凝 器。
由于蒸餾塔的精餾段有54塊塔板，而提餾段僅有44塊塔板，因此可釆 取上對(duì)齊型的耦合方式，即蒸餾塔的精餾段第1~44塊塔板與整個(gè)提餾段之間 進(jìn)行熱量交換，熱耦合區(qū)域(圖中10所示的區(qū)域)共有44個(gè)外部換熱器， 每個(gè)換熱器的換熱面積為10 m2。蒸餾塔的精餾段頂部壓力為1977.46 kPa，提 餾段的頂部壓力為600kPa。進(jìn)料流量為988.034 kmol/h的乙烯/乙垸混合物經(jīng) 過內(nèi)部熱耦合蒸餾塔的塔器的分離后，蒸餾塔的塔頂出料是流量為824.042 kmol/h、濃度為99.5mol。/。的乙烯，塔底出料是流量為163.992 kmol/h、濃度
9為99.9mol。/。的乙烷。產(chǎn)品濃度均符合分離要求，冷凝器的負(fù)荷為0.667 MW， 壓縮機(jī)做功為0.072 MW。與常規(guī)蒸餾塔相比約節(jié)省了89.2%的能量。此時(shí)， 內(nèi)部熱耦合蒸餾塔的操作費(fèi)用為0.254175X106$，設(shè)備費(fèi)用為2.97745X106$ 以及TAC為1.361477 X106$。
圖6為本發(fā)明實(shí)施后得到的分離乙烯/乙垸新型的內(nèi)部熱耦合蒸餾塔的塔 器。該結(jié)構(gòu)在圖5所示的結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，僅用3個(gè)換熱器代替圖5中熱耦合 區(qū)域的44個(gè)外部換熱器，每個(gè)換熱器的換熱面積為166.844 m2。其它的設(shè)計(jì) 參數(shù)，如塔板數(shù)和壓力均保持不變，即蒸餾塔的精餾段塔板數(shù)為54塊，提餾 段塔板數(shù)為44塊，塔高為71.6855 m，進(jìn)料的預(yù)處理器是部分冷凝器，蒸餾 塔的精餾段頂部壓力為1977.46 kPa，提餾段的頂部壓力為600 kPa。塔徑變?yōu)?2.49465 m。
3個(gè)換熱器的兩端連接的位置頂部換熱器的al連接在蒸餾塔精餾段的
第1塊塔板處，bl連接在提餾段第1塊(即蒸餾塔的第55塊)塔板處；中部
換熱器的a2連接在蒸餾塔精餾段的第1塊塔板處，b2連接在提餾段的第13 塊(即蒸餾塔的第67塊)塔板處；底部換熱器的c連接在壓縮機(jī)的出料和提 餾段的最后l塊(即蒸餾塔的第98塊)塔板之間。圖中熱耦合區(qū)域的箭頭表 示熱量傳遞的方向。
進(jìn)料流量為988.034 kmol/h的乙烯/乙烷混合物經(jīng)過內(nèi)部熱耦合蒸餾塔的 塔器分離后，蒸餾塔的塔頂出料是流量為824.04 kmol/h、濃度為99.5 0101%的 乙烯，塔底出料是流量為163.994 kmol/h、濃度為99.9 mol。/。的乙烷。產(chǎn)品濃 度均符合分離要求，冷凝器的負(fù)荷為0.68MW，壓縮機(jī)做功為0.08MW。與 常規(guī)蒸餾塔相比約節(jié)省了 88.8%的能量。
內(nèi)部熱耦合蒸餾塔的操作費(fèi)用為0.262037X 106$，設(shè)備費(fèi)用為2.616879 X 106$以及TAC為1.134 33 X 106$。比常規(guī)蒸餾塔以及圖5所示的多換熱器結(jié) 構(gòu)的TAC都要低，可見新型內(nèi)部熱耦合蒸餾塔的塔器雖然相比于常規(guī)蒸餾塔 增加了一定的設(shè)備投資，但由于節(jié)省了能耗，顯著降低了操作費(fèi)用，所以總 體上節(jié)省了投資，并且所增加的那部分設(shè)備投資回收時(shí)間僅需0.169年，即 62天的時(shí)間。例2:利用本發(fā)明實(shí)施后得到的內(nèi)部熱耦合蒸餾塔的塔器分離苯/甲苯二
元混合物。 一個(gè)等摩爾組成的苯和甲苯二元混合物分離成99.5 moiy。的苯和 99.5 11101%的甲苯兩股物料。
圖7為分離苯/甲苯的常規(guī)蒸餾塔，該塔有40塊塔板，塔高29.26 m，塔 徑1.994 m，進(jìn)料位置為第21塊塔板，進(jìn)料板以上為精餾段，進(jìn)料板以下為 提餾段。進(jìn)料F=500 kmol/h，經(jīng)分離后塔頂出料為250kmol/h，苯的濃度為 99.5mol%，塔底出料為250kmol/h，甲苯的濃度為99.5 mol%，達(dá)到了產(chǎn)品分 離的要求。此時(shí)，塔頂冷凝器的回流比為1.42414，冷凝器負(fù)荷為5.05 MW， 塔底再沸器的負(fù)荷為5.05MW。操作費(fèi)用為1.4472X10、，設(shè)備費(fèi)用為1.21797 X10^以及TAC為1.85319X106$。
圖8為本發(fā)明所提供的分離苯/甲苯的普通內(nèi)部熱耦合蒸餾塔的塔器。蒸 餾塔的精餾段和提餾段的塔板數(shù)均為16塊，塔高為23.4075 m，塔徑為1.80923 m，進(jìn)料的預(yù)處理器是預(yù)熱器。蒸餾塔的整個(gè)精餾段與整個(gè)提餾段之間進(jìn)行熱 量交換，熱耦合區(qū)域(圖中10所示的區(qū)域)共有16個(gè)外部換熱器，每個(gè)換 熱器的換熱面積為10 m2。蒸餾塔的精餾段頂部壓力為718.853 kPa，提餾段的 頂部壓力為10L3 kPa。
進(jìn)料流量為500kmol/h的苯/甲苯混合物經(jīng)過內(nèi)部熱耦合蒸餾塔的塔器分 離后，蒸餾塔的塔頂出料是流量為250kmol/h、濃度為99.5moP/。的苯，塔底 出料是流量為250kmol/h、濃度為99.5molM的甲苯。產(chǎn)品濃度均符合分離要 求，再沸器的負(fù)荷為2.0835 MW，壓縮機(jī)的軸功為0.256MW。與常規(guī)蒸餾塔 相比約節(jié)省了43.5%的能量。塔的操作費(fèi)用為0.148299X1063，設(shè)備費(fèi)用為 1.218619X1()6S以及TAC為0.554504X 106$。
圖9為本發(fā)明實(shí)施后得到的分離苯/甲苯的新型內(nèi)部熱耦合蒸餾塔的塔器 的設(shè)計(jì)。該結(jié)構(gòu)在圖9所示的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，僅用3個(gè)外部換熱器代替圖9中 熱耦合區(qū)域的16個(gè)外部換熱器，每個(gè)換熱器的換熱面積為51.0509 m2。其它 的設(shè)計(jì)參數(shù)，如塔板數(shù)和壓力均保持不變，即蒸餾塔的精餾段和提餾段的塔 板數(shù)均為為16塊，塔高為23.4075 m,進(jìn)料的預(yù)處理器是再沸器，蒸餾塔的 精餾段頂部壓力為718.853 kPa，提餾段的頂部壓力為101.3 kPa。塔徑變?yōu)?.8077 m。
3個(gè)換熱器的兩端連接的位置頂部換熱器的al連接在蒸餾塔精餾段的 第1塊塔板處，bl連接在提餾段第1塊(即蒸餾塔的第17塊)塔板處；中部 換熱器的a2連接在蒸餾塔精餾段的第1塊塔板處，b2連接在提餾段的第16 塊(即蒸餾塔的第32塊)塔板處；底部換熱器的c連接在壓縮機(jī)的出料和提 餾段的最后l塊(即蒸餾塔的第32塊)塔板之間。圖中熱耦合區(qū)域的箭頭表 示熱量傳遞的方向。
進(jìn)料流量為500kmol/h的苯/甲苯混合物經(jīng)過內(nèi)部熱耦合蒸餾塔的塔器分 離后，蒸餾塔的塔頂出料是流量為250kmol/h、濃度為99.5 moin/。的苯，塔底 出料是流量為250kmol/h、濃度為99.5moP/。的甲苯。產(chǎn)品濃度均符合分離要 求，再沸器的負(fù)荷為2.0835 MW，壓縮機(jī)的軸功為0.255 MW。與常規(guī)蒸餾塔 相比約節(jié)省了43.6%的能量。
內(nèi)部熱耦合蒸餾塔的操作費(fèi)用為0.147991 X 106$,設(shè)備費(fèi)用為0.979574 X 106$以及TAC為0.474516X 106$。比常規(guī)蒸餾塔以及圖9所示的多換熱器 結(jié)構(gòu)的TAC都要低，可見新型內(nèi)部熱耦合蒸餾塔的塔器相比于常規(guī)蒸餾塔不 僅節(jié)省了能耗，顯著降低了操作費(fèi)用，而且減少了一定的設(shè)備投資。
圖10為本發(fā)明所提供的分離苯/甲苯的內(nèi)部熱耦合蒸餾塔的塔器的基本控 制方案。圖中，l為蒸餾塔的精餾段；2為蒸餾塔的提餾段；3為壓縮機(jī)；4 為進(jìn)料的冷凝器；5為節(jié)流閥；10所示的虛線部分為熱耦合區(qū)域，熱耦合區(qū) 域的箭頭為熱量傳遞的方向。圖中，TC為溫度控制器，TT為溫度檢測(cè)器； Gj為補(bǔ)償器。
溫度檢測(cè)器連接的位置a連接在精餾段的第6塊塔板處，b連接在精餾 段的第18塊塔板處，c連接在提餾段的第1塊塔板處，即內(nèi)部熱耦合蒸餾塔 的第25塊塔板處，d連接在提餾段的第9塊塔板處，即內(nèi)部熱耦合蒸餾塔的 第33塊塔板處。
通過以上所述的兩個(gè)具體實(shí)施例子，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果 作了進(jìn)一步的說明。應(yīng)當(dāng)指出的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例子而 已，它們并不用于限制本發(fā)明。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種內(nèi)部熱耦合蒸餾塔的塔器，包括通過管道相互連接的精餾段、提餾段、預(yù)處理器、壓縮機(jī)和節(jié)流閥；其中進(jìn)料的預(yù)處理器與提餾段的第一塊塔板相連；提餾段頂部通過壓縮機(jī)與精餾段底部相連；精餾段底部通過節(jié)流閥與提餾段的頂部相連；其特征在于還包括連接在精餾段與提餾段之間的三個(gè)換熱器，三個(gè)換熱器分別是頂部換熱器、中部換熱器和底部換熱器；頂部換熱器的一端連接在精餾段的第一塊塔板，另一端連接在提餾段的第一塊塔板；中部換熱器的一端連接在精餾段的中部塔板，另一端連接在提餾段的中部塔板；底部換熱器的一端連接在精餾段的最后一塊塔板，另一端連接在提餾段的最后一塊塔板；三個(gè)換熱器的另一種連接方式為頂部換熱器的一端連接在精餾段的頂部出料，另一端連接在提餾段的第一塊塔板；中部換熱器的一端連接在精餾段的頂部出料，另一端連接在提餾段的中部塔板；底部換熱器的一端連接在壓縮機(jī)的出料管道，另一端連接在提餾段的最后一塊塔板。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種內(nèi)部熱耦合蒸餾塔的塔器，其特征在于當(dāng)精 餾段的塔板數(shù)大于提餾段的塔板數(shù)時(shí)，底部換熱器一端連接在提餾段底部的 最后一塊塔板，另一端連接在與提餾段底部的最后一塊塔板的塔板數(shù)相對(duì)應(yīng) 的精餾段的塔板，此時(shí)位于底部換熱器和頂部換熱器之間的精餾段的塔板數(shù) 與整個(gè)提餾段的塔板數(shù)相等；當(dāng)提餾段的塔板數(shù)大于精餾段的塔板數(shù)時(shí)，底部換熱器一端連接在精餾 段底部的最后一塊塔板，另一端連接在與精餾段底部的最后一塊塔板的塔板 數(shù)相對(duì)應(yīng)的提餾段的塔板，此時(shí)位于底部換熱器和頂部換熱器之間的提餾段 的塔板數(shù)與整個(gè)精餾段的塔板數(shù)相等。
3、 一種權(quán)利要求l中所述的內(nèi)部熱耦合蒸餾塔的塔器的控制工藝，其特征在于蒸餾塔的精餾段塔頂和提餾段塔底的產(chǎn)品濃度分別采用蒸餾塔的塔頂出 料流量和提餾段進(jìn)料的預(yù)處理器的作動(dòng)媒體的流量作為操作變量進(jìn)行控制， 并采用精餾段內(nèi)兩塊特定塔板之間的溫差和提餾段的靈敏板的溫度作為被控 變量；所述精餾段的兩塊特定塔板中，第一塊為靠近精餾段底部的靈敏板，第 二塊為精餾段頂部的第一塊塔板到第三塊塔板中的任意一塊；精餾段和提餾 段的靈敏板根據(jù)奇異值分解法找到；當(dāng)蒸餾塔塔頂產(chǎn)品濃度未達(dá)到指標(biāo)時(shí)，減小塔頂出料流量使精餾段內(nèi)兩 塊特定塔板之間的溫差減小從而提升塔頂產(chǎn)品濃度至要求的指標(biāo)；當(dāng)蒸餾塔塔頂產(chǎn)品濃度超過指標(biāo)時(shí)，增大塔頂出料流量使精餾段內(nèi)兩塊 特定塔板之間的溫差增大從而降低塔頂產(chǎn)品濃度至要求的指標(biāo)；當(dāng)蒸餾塔塔底產(chǎn)品濃度未達(dá)到指標(biāo)時(shí)，調(diào)整預(yù)處理器的作動(dòng)媒體的流量， 調(diào)整方法為當(dāng)預(yù)處理器為預(yù)熱器時(shí)增大作動(dòng)媒體的流量，當(dāng)預(yù)處理器為預(yù) 冷器時(shí)減小作動(dòng)媒體的流量；使提餾段的靈敏板的溫度上升從而使塔底產(chǎn)品 濃度增大至要求的指標(biāo)；當(dāng)蒸餾塔塔底產(chǎn)品濃度超過指標(biāo)時(shí)，調(diào)整預(yù)處理器的作動(dòng)媒體的流量， 調(diào)整方法為當(dāng)預(yù)處理器為預(yù)熱器時(shí)減小作動(dòng)媒體的流量，當(dāng)預(yù)處理器為預(yù) 冷器時(shí)增大作動(dòng)媒體的流量；使提餾段的靈敏板的溫度下降從而使塔底產(chǎn)品 濃度減小至要求的指標(biāo)。
全文摘要
本發(fā)明是一種內(nèi)部熱耦合蒸餾塔的塔器及其控制工藝，該塔器僅利用三個(gè)外部換熱器實(shí)現(xiàn)精餾段與提餾段之間的熱耦合，一個(gè)外部換熱器進(jìn)行精餾段頂部與提餾段頂部之間的熱量交換，以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部熱耦合蒸餾塔的無外部回流操作。一個(gè)外部換熱器進(jìn)行精餾段底部與提餾段底部之間的熱量交換，借以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部熱耦合蒸餾塔的無外部回?zé)岵僮?。一個(gè)外部換熱器進(jìn)行精餾段中部與提餾段中部之間的熱量交換，借以實(shí)現(xiàn)精餾段與提餾段之間的熱耦合作用。本發(fā)明將換熱器設(shè)置在精餾段和提餾段外面，使換熱器的面積不再受到蒸餾塔工藝的限制，因而能夠保證足夠的換熱面積。由于在精餾段頂部與提餾段底部設(shè)置有換熱器，因而改善了蒸餾塔的操作彈性、動(dòng)態(tài)特性和可控性。
文檔編號(hào)B01D3/14GK101596372SQ200910087709
公開日2009年12月9日 申請(qǐng)日期2009年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月19日
發(fā)明者張星星, 武國(guó)松, 蕓 王, 王韶鋒, 陳海勝, 黃克謹(jǐn) 申請(qǐng)人:北京化工大學(xué)