一种内部热集成节能精馏装置及其装配方法 技术领域 本发明涉及精馏技术领域和精馏塔系统， 特别地， 涉及一种内部热集成节能精馏 装置及其装配方法。
背景技术 精馏是当代应用最广的一种工业分离方法， 已经广泛应用于化工、 石油、 食品、 轻 工等工业部门。虽然科技的发展， 新型分离技术已经开始了工业应用， 但在一定的时期内， 精馏技术的统治地位还不能被动摇。
精馏分离技术成熟、 容易工业化， 但缺点是耗能很大。传统的精馏分离， 输入能耗 占工业总能耗的 23％以上， 这在能源日益紧缺的 21 世纪是不可忽视的。
按照热力学第二定律， 节能的关键是节省有效能。其关键在于减小过程的不可逆 性。过程的不可逆性是由于过程存在推动力， 推动力越大， 则不可逆性也越大。对于精馏过 程节能， 增设中间冷凝器和中间再沸器被证明是一种减小操作线与平衡线之间的距离， 从 而达到节能效果的简单、 有效的方法。
虽然可以通过设置多个中间冷凝器和中间再沸器来达到很好的节能效果， 但在工 程上不宜采用太多的中间冷凝器、 再沸器， 一方面是因为它大大增加了流程的复杂程度， 另 一方面是因为由此带来的节能效益不足以补偿增加的设备投资。 这就极大地限制了中间冷 却器和中间再沸器的节能潜力。 按照理想可逆精馏的思路， 设计一种新型的塔内构件， 使精 馏塔系统中高温精馏塔段和低温提馏塔段进行内部热交换。通过间壁式换热， 使热量从高 温精馏塔段传向低温提馏塔段。不仅可以达到多个中间冷凝器和中间再沸器的节能效果， 而且不会增加太多的设备投资。
要想实现上述精馏过程， 就必须解决塔段间的的连接、 组装与密封等问题。
发明内容 本发明针对上述精馏过程能耗较高的问题和如何解决精馏过程中高温精馏塔段 和低温提馏塔段的连接、 组装与密封等问题， 提出了一种低能耗， 新型的节能精馏装置及其 装配方法。
本发明通过下述技术方案加以实现。
本发明的一种内部热集成节能精馏装置及其装配方法， 该装置包括精馏塔段、 提 馏塔段、 换热元件， 精馏塔段顶部筒体， 提馏塔段塔体， 塔顶管板， 填料腔， 塔底管板， 精馏塔 段上部塔体， 精馏塔段中部塔体， 精馏塔段下部塔体， 精馏塔段底部筒体。其中 ： 精馏塔段 2 为内塔段， 提馏塔段 9 为外塔段 ； 精馏塔段中部塔体 40 为倒截锥形构型 ； 塔底管板 34 的上 端面开有截锥形凹槽 28。
所述截锥形凹槽 28 的底端面上开有矩形环状凹槽 33。
所述填料腔 25 位于塔顶管板 23 的下方。
本发明装置的装配方法， 其特征是精馏塔段上部塔体 39、 精馏塔段中部塔体 40、
精馏塔段下部塔体 41、 换热元件 15、 筋板 26、 支撑板 27 相互连接成一个整体， 即精馏塔段一 体化部件 42。
本发明装置的装配方法， 其特征是具体组装方法如下 ：
a) 把密封垫片 30 置于矩形环状凹槽 33 内， 将精馏塔段填料层支撑板 31 置于精馏 塔段下部塔体 41 内的支撑位置， 然后将精馏塔段一体化部件 42 从上而下沿塔底管板 34 上 的截锥形凹槽 28 穿过管孔 35 ； 将垫片 36 套过精馏塔段下部塔体 41 ； 然后将紧固件 37 自下 而上沿精馏塔段下部塔体 41 底部外周面上的螺纹 38 旋入。
b) 将塔底管板 34 置于连接件 18d 之上 ； 将提馏塔段填料层支撑板 43 固定在提馏 塔段塔体 20 底部的塔壁上 ； 然后， 将提馏塔段塔体 20 自上而下套过精馏塔段一体化部件 42， 使用连接件紧固件 17 对连接件 (18c 和 18d) 进行紧固。
c) 分别将精馏塔段填料层 2(b) 和提馏塔段填料层 9(b) 置入精馏塔段和提馏塔段 中； 接着， 再将提馏塔段液体分布器 45 置于提馏塔段填料层 9(b) 的上部。
d) 将塔顶管板 23 置于连接件 18b 之上， 使精馏塔段上部塔体 39 由下而上依次穿 过填料腔 25 的管孔和塔顶管板 23 的管孔 ； 然后， 将密封填料 24 置于精馏塔段上部塔体 39 和填料腔 25 之间的环隙中， 再将填料压盖 22 由环隙的上部压入密封填料 24 上部， 使用填 料压盖紧固件 21 将填料压盖 22 与塔顶管板 23 进行紧固连接 ； 将精馏塔段顶部筒体 16 自 上而下置于塔顶管板 23 和填料压盖 22 上部 ； 使用连接件紧固件 17 对连接件 18a 和 18b 进 行紧固。 本发明的内部热集成节能精馏装置及其装配方法广泛适用于所有内部热集成塔 或塔段间内部热集成过程中的内、 外两塔段的连接、 装配与组合。
本发明的优点在于 ：
1) 采用本发明的技术与构件， 在保证内、 外两塔段密封效果的情况下， 结构简单， 便于两塔段的连接、 组装与拆卸。
2) 本发明在精馏塔段换热管外设置翅片式换热元件， 以充分利用空间， 增加内、 外 两塔段的热交换面积， 而且利用高效的散装或规整填料， 可以大幅度的提高气液两相间的 传质面积， 提高了内、 外两塔段的传质效果。
3) 内、 外塔体之间设计了有效的密封结构， 既可以保证内外塔之间的密封， 又可适 应内、 外塔体温度不同导致的膨胀程差变化。
附图说明 图 1A ： 为本发明装置中内部热集成塔塔体结构示意图 ；
图 1B ： 为图 1A 装置中 T 处局部放大示意图 ；
图 1C ： 为图 1A 装置中 B 处局部放大示意图 ；
图 2A ： 为本发明装置中精馏塔段塔体总体结构主视图 ；
图 2B ： 为本发明装置中精馏塔段塔体总体结构俯视图 ；
图3： 为本发明内部热集成精馏塔所属流程示意图 ；
其中， 1- 精馏塔段气相进料管， 2(a)- 精馏塔段顶部空间， 2(b)- 精馏塔段填料层， 2(c)- 精馏塔段底部空间， 2- 精馏塔段， 3- 精馏塔段塔顶蒸汽出口管， 4- 冷凝器， 5- 精馏塔 段塔顶冷凝液回流管， 6- 精馏塔段塔顶产品采出管线， 7- 精馏塔段塔底液体出口管， 8- 提
馏塔段液相进料管， 9(a)- 提馏塔段顶部空间， 9(b)- 提馏塔段填料层， 9(c)- 提馏塔段底部 空间， 9- 提馏塔段， 10- 提馏塔段塔底液体出口管， 11- 再沸器， 12- 提馏塔段塔底蒸汽入口 管， 13- 提馏塔段塔底产品采出管线， 14- 提馏塔段塔顶蒸汽出口管， 15- 换热元件， 16- 精馏 塔段顶部筒体， 17- 连接件紧固件， 18- 连接件， 19- 密封垫片， 20- 提馏塔段塔体， 21- 填料 压盖紧固件， 22- 填料压盖， 23- 塔顶管板， 24- 密封填料， 25- 填料腔， 26- 筋板， 27- 支撑板， 28- 截锥形凹槽， 29- 支撑面， 30- 密封垫片， 31- 精馏塔段填料层支撑板， 32- 矩形环状凸起， 33- 矩形环状凹槽， 34- 塔底管板， 35- 管孔， 36- 垫片， 37- 紧固件， 38- 螺纹， 39- 精馏塔段上 部塔体， 40- 精馏塔段中部塔体， 41- 精馏塔段下部塔体， 42- 精馏塔段一体化部件， 43- 提馏 塔段填料层支撑板， 44- 精馏塔段底部筒体， 45- 提馏塔段液体分布器。 具体实施方式
本发明的内部热集成节能精馏装置及其装配方法广泛适用于所有内部热集成塔 或塔段间内部热集成过程。下面以图 3 流程所示的内部热集成精馏塔中精馏塔段和提馏塔 段的连接、 装配与组合为例来说明本发明装置的装配方法， 但并不因此限制本发明装置及 其装配方法的使用范围。
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
图 1A 为本发明装置中内部热集成塔塔体结构示意图， 图 3 为内部热集成塔所属流 程示意图 ； 如图 3 所示的流程， 它是将普通精馏塔分割为精馏塔段和提馏塔段两个塔段 ； 精 馏塔段和提馏塔段位于一个主塔体内， 被换热部件隔开， 结构示意图见图 1A、 图 1B 和图 1C。
其中 ： 精馏塔段为内塔段， 提馏塔段为外塔段 ； 精馏塔段的操作压力和温度高于 提馏塔段的操作压力和温度， 因此两塔段间存在内部热交换， 热量经换热部件从精馏塔段 传递给提馏塔段， 经两塔段间的内部热集成， 可以减小精馏塔段所需的塔顶冷凝负荷和提 馏塔段所需的塔釜热负荷。
如图 3 所示的流程， 精馏塔段 2 的气相进料 V1 沿精馏塔段气相进料管 1 进入精馏 塔段 2 的底部， 上升蒸汽沿精馏塔段 2 经精馏塔段塔顶蒸汽出口管 3 进入冷凝器 4 ； 上升蒸 气经冷凝器 4 冷凝后形成冷凝液 ； 出冷凝器 4 的冷凝液一部分沿精馏塔段塔顶产品采出管 线 6 作为塔顶产品 D1 采出， 另一部分沿精馏塔段塔顶冷凝液回流管 5 进入精馏塔段 2 的顶 部； 精馏塔段塔底液体 L1 沿精馏塔段塔底液体出口管 7 采出。提馏塔段 9 的液相进料 L1 沿提馏塔段液相进料管 8 进入提馏塔段 9， 下降液体沿提馏塔段 9 进入提馏塔段塔底液体 出口管 10 ； 出提馏塔段塔底液体出口管 10 的液体一部分经提馏塔段塔底产品采出管线 13 作为提馏塔段塔底产品 B2 采出， 另一部分液体进入再沸器 11 ； 这部分液体经再沸器 11 加 热后形成饱和蒸汽 ； 出再沸器 11 的饱和蒸汽沿提馏塔段塔底蒸汽入口管 12 进入提馏塔段 9 的底部 ； 提馏塔段塔顶蒸汽 V2 沿提馏塔段塔顶蒸汽出口管 14 采出。
下面结合其它附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图 1A 为本发明装置中内部热集成塔塔体结构示意图。精馏塔段顶部筒体 16 与连 接件 18a、 提馏塔段塔体 20 与连接件 (18b、 18c)、 精馏塔段底部筒体 44 与连接件 18d 可采 用焊接、 粘接、 铆接等方式进行连接。图 1B 为图 1A 装置中 T 处局部放大示意图。填料压盖 22 位于精馏塔段顶部空间 2(a) 的底部， 塔顶管板 23 和填料腔 25 之间。塔顶管板 23 位于 连接件 18a 和连接件 18b 之间。填料腔 25 位于塔顶管板 23 的下方。图 1C 为图 1A 装置中B 处局部放大示意图。截锥形凹槽 28 位于塔底管板 34 的上端面， 支撑面 29 位于截锥形凹 槽 28 的底端面。矩形环状凸起 32 位于支撑板 27 的下端面。矩形环状凹槽 33 位于截锥形 凹槽 28 的底端面。图 2A 和图 2B 为本发明装置中精馏塔段塔体总体结构示意图。精馏塔 段中部塔体 40 为倒截锥形构型， 其上端面与精馏塔段上部塔体 39 的下端面进行连接， 其下 端面与精馏塔段下部塔体 41 的上端面进行连接。 精馏塔段上部塔体 39、 精馏塔段中部塔体 40、 精馏塔段下部塔体 41、 换热元件 15、 筋板 26、 支撑板 27 相互连接成一个整体， 即精馏塔 段一体化部件 42。筋板 26 位于精馏塔段下部塔体 41 外周面和支撑板 27 的上部。矩形环 状凸起 32 位于支撑板 27 的下端面。精馏塔段下部塔体 41 的底部外周面上设有螺纹 38。 紧固件 37 位于精馏塔段下部塔体 41 底部外周面， 与精馏塔段下部塔体 41 通过螺纹 38 进 行连接。垫片 36 位于精馏塔段下部塔体 41 底部外周面外侧， 处于紧固件 37 上端面和塔底 管板 34 下端面之间。
在天津大学内部热集成节能精馏塔实验装置上， 进行了本发明内部热集成节能精 馏装置及其装配方法的性能测试。具体操作如下 ：
首先， 把密封垫片 30 置于矩形环状凹槽 33 内， 将精馏塔段填料层支撑板 31 置于 精馏塔段下部塔体 41 内的支撑位置， 然后将精馏塔段一体化部件 42 从上而下沿塔底管板 34 上的截锥形凹槽 28 穿过管孔 35 ； 将垫片 36 套过精馏塔段下部塔体 41 ； 然后将紧固件 37 自下而上沿精馏塔段下部塔体 41 底部外周面上的螺纹 38 旋入。 其次， 将塔底管板 34 置于连接件 18d 之上 ； 将提馏塔段填料层支撑板 43 固定在提 馏塔段塔体 20 底部的塔壁上 ； 然后， 将提馏塔段塔体 20 自上而下套过精馏塔段一体化部件 42， 使用连接件紧固件 17 对连接件 (18c 和 18d) 进行紧固。
然后， 分别将精馏塔段填料层 2(b) 和提馏塔段填料层 9(b) 置入精馏塔段和提馏 塔段中 ； 接着， 再将提馏塔段液体分布器 45 置于提馏塔段填料层 9(b) 的上部。
最后， 将塔顶管板 23 置于连接件 18b 之上， 使精馏塔段上部塔体 39 由下而上依次 穿过填料腔 25 的管孔和塔顶管板 23 的管孔 ； 然后， 将密封填料 24 置于精馏塔段上部塔体 39 和填料腔 25 之间的环隙中， 再将填料压盖 22 由环隙的上部压入密封填料 24 上部， 使用 填料压盖紧固件 21 将填料压盖 22 与塔顶管板 23 进行紧固连接 ； 将精馏塔段顶部筒体 16 自上而下置于塔顶管板 23 和填料压盖 22 上部 ； 使用连接件紧固件 17 对连接件 18a 和 18b 进行紧固。
本发明的技术和装置广泛适用于所有的精馏分离过程， 为了更好地说明本发明在 精馏领域的节能优势， 下面选取两个实施例对本发明加以说明， 但并不因此限制本技术和 装置的适用范围。
实施例一
精馏塔段为苯 - 甲苯物系分离， 提馏塔段为甲醇 - 水物系分离， 采用本发明所述 流程， 如图 3 所示。精馏塔段塔底气相进料量 1000kg/h， 进料组成 ： 苯， 80％ (wt％ )， 甲苯， 20％ (wt％ )， 进料热状况为饱和蒸汽进料。 精馏塔段理论板数为 20 块， 操作压力为 1.5atm。 精馏塔段塔顶产品采出量为 645.0kg/h， 采出产品纯度控制在 99.9％ (wt％ ) 以上 ； 精馏塔 段和提馏塔段内部总热交换量为 187.9kW。提馏塔段塔顶液相进料量 1000kg/h， 进料组成 ： 甲醇， 30％ (wt％ )， 水， 70％ (wt％ )， 进料热状况为饱和液体进料。 提馏塔段理论板数为 20 块， 操作压力为常压。提馏塔段塔底产品采出量为 575.2kg/h， 采出产品纯度控制在 99.9％
(wt％ ) 以上。该过程主要公用工程能量消耗如表 1 所示。
表 1 公用工程能耗
为便于说明本发明在节能增效方面的技术优势， 将本发明所述技术和装置与两个 常规精馏塔段 T′ 1 和 T′ 2 进行比较。T′ 1 塔和 T′ 2 塔流程中进料流量、 组成和进料热 状况均与本发明相同， T′ 1 塔和 T′ 2 塔理论板数均为 20 块， T′ 1 塔操作压力为 1.5atm， T′ 2 塔操作压力为常压。此外， T′ 1 塔和 T′ 2 塔的采出产品流量和组成要求均与本发明 相同。T′ 1 塔和 T′ 2 塔作为与本发明实施例一进行对比的对比例。
用于与实施例一对比的对比例的公用工程能耗如表 2 所示。
表 2 公用工程能耗
将本发明实施例一的能耗结果与对比例的能耗结果进行对比， 对比结果如表 3 所 表 3 公用工程能耗结果对比示。
由表 3 的公用工程能耗结果对比数据， 可以看出， 实施例一中精馏塔段冷凝负荷 节省了 54.5％， 提馏塔段热负荷节省了 97.5％。因此， 采用本发明内部热集成节能精馏装 置及其装配方法， 可大幅度减小过程的公用工程消耗， 实现节能增效的目的。
实施例二
精馏塔段为环己烷 - 庚烷物系分离， 提馏塔段为甲醇 - 乙醇物系分离， 采用本发 明所述流程， 如图 3 所示。精馏塔段塔底气相进料量 1000kg/h， 进料组成 ： 环己烷， 85 ％ (wt％ )， 庚烷， 15％ (wt％ )， 进料热状况为饱和蒸汽进料。精馏塔段理论板数为 20 块， 操 作压力为 1.5atm。精馏塔段塔顶产品采出量为 600.0kg/h， 采出产品纯度控制在 99.5 ％ (wt％ ) 以上 ； 精馏塔段和提馏塔段内部总热交换量为 216.9kW。提馏塔段塔顶液相进料量 1000kg/h， 进料组成 ： 甲醇， 30％ (wt％ )， 乙醇， 70％ (wt％ )， 进料热状况为饱和液体进料。 提馏塔段理论板数为 20 块， 操作压力为常压。 提馏塔段塔底产品采出量为 175.0kg/h， 采出 产品纯度控制在 99.5％ (wt％ ) 以上。该过程主要公用工程能量消耗如表 4 所示。
表 4 公用工程能耗
为便于说明本发明在节能增效方面的技术优势， 将本发明所述技术和装置与两个 常规精馏塔段 T′ 1 和 T′ 2 进行比较。T′ 1 塔和 T′ 2 塔流程中进料流量、 组成和进料热 状况均与本发明相同， T′ 1 塔和 T′ 2 塔理论板数均为 20 块， T′ 1 塔操作压力为 1.5atm， T′ 2 塔操作压力为常压。此外， T′ 1 塔和 T′ 2 塔的采出产品流量和组成要求均与本发明 相同。T′ 1 塔和 T′ 2 塔作为与本发明实施例二进行对比的对比例。
用于与实施例二对比的对比例的公用工程能耗如表 5 所示。
表 5 公用工程能耗
将本发明实施例二的能耗结果与对比例的能耗结果进行对比， 对比结果如表 6 所 表 6 公用工程能耗结果对比示。
由表 6 的公用工程能耗结果对比数据， 可以看出， 实施例二中精馏塔段冷凝负荷 节省了 56.1％， 提馏塔段热负荷节省了 100.0％。因此， 采用本发明内部热集成节能精馏装 置及其装配方法， 可大幅度减小过程的公用工程消耗， 实现节能增效的目的。