CN112933647B - 气相分配控制装置以及应用该装置的隔板精馏塔 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气相分配控制装置以及应用该装置的隔板精馏塔。该装置设置于隔板精馏塔的隔板下方，包括：填料层，其用于脱除来自公共提馏段的返塔气相中的液体；分配层，其位于填料层上方，该分配层中设有气相通道，该气相通道的两个独立入口根据预设的气相分配比、通过气相分配机构设置为开口尺寸可调节；该气相通道的两个相应的独立出口与通往隔板两侧的升气通道连通。本发明克服了气相分配控制不够准确、气相分配比调节范围较小的缺点。

Description

气相分配控制装置以及应用该装置的隔板精馏塔

技术领域

本发明涉及化工精馏领域，特别涉及一种隔板精馏塔的气相分配控制装置。

背景技术

目前，炼厂和化工厂精馏过程主要采用的是传统塔器进行物料的分离，理论上要获得N个产品则需要建设N-1个精馏塔，相应的投资和能耗较大。因此为了减少投资和过程能耗，开发新型的精馏设备是最佳选择。其中，隔板精馏塔（DWC）相比较于传统精馏塔可以极大地降低能耗、减少投资，是典型的新型节能精馏设备。

隔板精馏塔是在传统精馏塔中段设置一沿轴向延伸的竖直设置的隔板，该隔板将塔内空间分割为四部分：隔板左侧（进料区）、隔板右侧（出料区）、隔板顶端上侧（公共精馏段）和隔板底端下侧（公共提馏段）。隔板精馏塔对于多组分精馏有着巨大的优势。由于DWC中无返混现象，可比常规精馏塔节能20%~50%，同时由于减少一个塔和一个再沸器，可节约投资30%左右。

现有技术中例如US2011139604A1公开了一种隔板精馏塔，该塔塔内隔板采用了非对称形式，以进料和塔中出料为非对称点对隔板进行调整，使得进料侧进料口下端空间增加，同时使出料端下侧空间减小，达到平衡塔内气液相负荷的目的。

现有技术中例如CN102631791A公开了一种隔板精馏塔的控制方法，该发明申请公开了一种分壁精馏塔的控制方法，采用四个控制回路，分别为：塔顶馏出物组成控制回路，通过塔顶馏出物组分浓度控制塔顶回流量；侧线馏出物组成控制回路，通过侧线馏出物组分浓度控制侧线流量；塔釜馏出物组成控制回路，通过塔釜馏出物组分浓度控制塔釜热负荷；预分馏段顶部气相组成控制回路，通过预分馏段顶部气相重组分浓度控制分壁精馏塔内部的分液比。该控制回路均优选为PID控制回路。该方案的控制方法，可以在进料流量或者进料组分含量发生变化时，实现全塔的平稳控制，保证产品质量，并确保全塔能耗处于最优范围。

从本质上来看，现有的隔板精馏塔仍未能彻底解决以下两个问题：（1）隔板精馏塔塔内隔板两侧气相分配始终存在控制不够准确、气相分配比调节范围较小的问题，造成隔板两侧出现气液相传质效果变差，分离效果不佳；（2）隔板两侧气液相负荷、组分浓度、热量需求不尽相同，隔板段存在热量返混现象，导致隔板精馏塔产品纯度无法进一步提高。

因此，亟需一种气相分配控制装置以及应用该装置的隔板精馏塔，从而更精确地控制隔板两侧的气相分配以及最大限度避免热量返混、进一步提高产品纯度。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种气相分配控制装置以及应用该装置的隔板精馏塔，从而克服控制不够准确、气相分配比调节范围较小的缺点。

为实现上述目的，根据本发明的第一方面，本发明提供了一种气相分配控制装置，该装置设置于隔板精馏塔的隔板下方，包括：填料层，其用于脱除来自公共提馏段的返塔气相中的液体；分配层，其位于填料层上方，该分配层中设有气相通道，该气相通道的两个独立入口根据预设的气相分配比、通过气相分配机构设置为开口尺寸可调节；该气相通道的两个相应的独立出口与通往隔板两侧的升气通道连通。

进一步，上述技术方案中，气相分配机构可包括：中空圆环，其外径与隔板精馏塔的塔身内径相适配并固定在所述填料层上方。该中空圆环包含弧长相等的四段，分别为L1、L2、L3以及L4段。L1和L3段底部设有入口镂空部，L2和L4段上部设有出口镂空部；铁球，其数量为两个，该两个铁球与中空圆环内壁间隙配合并可在中空圆环内自由滑动，铁球的位置变化使得气相通道入口的开口尺寸可调节。

进一步，上述技术方案中，气相分配机构可包括：中空圆环，其外径与隔板精馏塔的塔身内径相适配并固定在所述填料层上方。该中空圆环包含弧长相等的四段，分别为L1、L2、L3以及L4段。L1和L2段底部设有入口镂空部，L3和L4段上部设有出口镂空部；铁球，其数量为一个，该铁球与中空圆环内壁间隙配合并可在中空圆环内自由滑动，铁球的位置变化使得气相通道入口的开口尺寸可调节。

进一步，上述技术方案中，气相分配机构还可包括电磁分配控制部件，该电磁分配控制部件具体包含：弧形轨道，其沿隔板精馏塔塔身外部周向设置并与中空圆环处在同一水平面上；电磁控制器，其根据预设的气相分配比数据接收指令驱动电磁铁沿弧形轨道移动，移动的电磁铁在吸引力的作用下带动铁球移动至需要的位置。

进一步，上述技术方案中，铁球可以为空心设置。

进一步，上述技术方案中，分配层与填料层之间可通过钢板分隔开，该钢板位于中空圆环的中间位置，且采用密封焊接方式与中空圆环连接。

进一步，上述技术方案中，填料层底部设填料格栅，填料格栅的开孔率可以为5%~15%。

进一步，上述技术方案中，升气通道的横截面积可以为隔板精馏塔横截面积的0.1至0.4倍，升气通道横截面的形状可以为矩形、正方形或圆形。

根据本发明的第二方面，本发明提供了一种隔板精馏塔，其应用前述气相分配控制装置，隔板精馏塔的隔板位于塔身内部中段，且竖直设置并沿塔身轴线延伸，隔板将塔内空间分隔为位于隔板上部的公共精馏段、位于隔板左侧的进料段、位于隔板右侧的出料段以及位于隔板下部的公共提馏段；隔板为多层中空设置。中空部分可填充惰性气体或绝热材料。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

（1）气相分配控制采用电磁式分配调节方式，通过电脑控制***将信号传递给气相分配控制装置，可以实现热耦合精馏塔塔内气体的单独灵活分配和控制问题，提高热耦合精馏塔隔板两侧气液两相负荷控制精度，提高产品的分离效果，简化隔板精馏塔的控制问题。

（2）热耦合精馏塔中间隔板采用绝热式设计，防止隔板左右两侧进行热量传递。在实际运行过程中，针对不同物料，物性不同，隔板左右两侧的操作参数不同，实现预分离段和侧线产品段的相对独立操作，有效控制热量返混现象，有效提高中间产品纯度。

上述说明仅为本发明技术方案的概述，为了能够更清楚地了解本发明的技术手段并可依据说明书的内容予以实施，同时为了使本发明的上述和其他目的、技术特征以及优点更加易懂，以下列举一个或多个优选实施例，并配合附图详细说明如下。

附图说明

图1是本发明隔板精馏塔的结构示意图。

图2是本发明隔板精馏塔隔板处横截面示意图（示出隔板的分层结构）。

图3是本发明隔板精馏塔中气相分配控制装置的结构示意图。

图4是本发明气相分配控制装置气相通道入口示意图（中空圆环仰视）。

图5是本发明气相分配控制装置气相通道出口示意图（中空圆环俯视）。

图6是本发明气相分配控制装置中电磁分配控制部件的结构示意图。

主要附图标记说明：

T-隔板精馏塔，T1-公共精馏段，T2-进料段，T3-出料段，T4-公共提馏段；C1-塔顶冷凝器，G1-中段缓冲罐，G2-塔顶分液罐，H1-进料侧中段回流加热器，H2-出料侧中段回流加热器，P1-中段回流泵，H3-再沸器；

1-待处理原料，2-塔顶气相，3-冷凝后液体，4-塔顶产品，5-塔顶回流液，6-中段采出，7-进料侧中段回流液体，8-出料侧中段回流液体，9-侧线产品，10-隔板段进公共提馏段液相，11-塔底液相，12-塔底产品，13-返塔气相；

20-塔壁，21-第一绝热层，22-第二绝热层，23-中空层；

30-气相分配控制装置，31-升气通道，32-分配层内中间隔板，33-铁球（33A和33B），34-填料格栅，35-填料层，36-中空圆环，37-钢板；

S1-第一入口区，S2-第二入口区，S3-第三入口区，S4-第四入口区；E1-第一出口区，E2-第二出口区。

40-电磁分配控制部件，41-轨道，42-电磁控制器，43-电脑。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其他明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其他元件或其他组成部分。

在本文中，为了描述的方便，可以使用空间相对术语，诸如“下面”、“下方”、“下”、“上面”、“上方”、“上”等，来描述一个元件或特征与另一元件或特征在附图中的关系。应理解的是，空间相对术语旨在包含除了在图中所绘的方向之外物件在使用或操作中的不同方向。例如，如果在图中的物件被翻转，则被描述为在其他元件或特征“下方”或“下”的元件将取向在所述元件或特征的“上方”。因此，示范性术语“下方”可以包含下方和上方两个方向。物件也可以有其他取向（旋转90度或其他取向）且应对本文使用的空间相对术语作出相应的解释。

在本文中，术语“第一”、“第二”等是用以区别两个不同的元件或部位，并不是用以限定特定的位置或相对关系。换言之，在一些实施例中，术语“第一”、“第二”等也可以彼此互换。

如图1所示，本发明的隔板精馏塔T，在塔中设置一块沿塔身轴线延伸的竖直隔板（如图1中塔身中央的竖线），该竖直隔板将塔内空间分隔为四个部分：即隔板上部公共精馏段T1、隔板左侧进料段T2、隔板右侧出料段T3和隔板下部公共提馏段T4。待处理原料1进入隔板精馏塔进料段T2，进料液体进行初步分离，塔顶气相2经塔顶冷凝器C1冷却，冷凝后的液体3进入塔顶分液罐G2，一部分液体（即塔顶回流液5）返回至塔顶，另一部分液体作为塔顶产品4出装置。塔顶回流液5经公共精馏段T1后在隔板上侧收液盘中进行收集，收集后的液体为中段采出6，进入中段缓冲罐G1、并经中段回流泵P1和中段回流加热器（包括进料侧中段回流加热器H1和出料侧中段回流加热器H2）分别控制回流温度后进入隔板两侧，进入隔板两侧的液相分别为进料侧中段回流液体7和出料侧中段回流液体8，最终在出料侧T3形成侧向产品9。隔板下部设置气相分配控制装置30，在电脑控制***作用下对上升气相进行气相流量分配。气相上升，隔板段进公共提馏段液相10向下，液体经公共提馏段T4后则流向塔底获得塔底液相11并最终形成塔底液相产品12。经过塔底再沸器H3的液体转变为气相，返塔气相13经过公共提馏段T4后经由本发明的气相分配控制装置30底部的填料格栅进入该气相分配控制装置30。气相经由该装置完成精确的控制分配后进入隔板两侧，完成整个气体分配的控制过程。

如图1、3所示，本发明的气相分配控制装置30设置于隔板精馏塔T的隔板下方，包括下部的填料层35和上部的分配层。填料层内部填料可以采用常规的具有气液分离作用的填料形式，如丝网填料、散堆填料或规整波纹板填料等的一种或多种，优选而非限制性地，采用丝网填料，填料层高度可以根据隔板精馏塔T以及实际应用情况进行设置，一般可以为10~50mm，优选为10~40mm。填料层35用于脱除来自公共提馏段的返塔气相中的液体。填料层35下部设有填料格栅34，填料格栅34的开孔率为5%~20%，优选为5%~15%，用于支撑填料和气相通道。分配层位于填料层35上方，分配层中设有气相通道，该气相通道的两个独立入口根据预设的气相分配比、通过气相分配机构设置为开口尺寸可调节。该气相通道的两个相应的独立出口与通往隔板两侧的升气通道31连通。

进一步如图3-5所示，该气相分配机构进一步包括设于分配层中的中空圆环36和铁球33。中空圆环36的外径与隔板精馏塔T的塔身内径相适配并固定在填料层35的上方。如图4所示，中空圆环36包含弧长相等的四段，分别为L1、L2、L3以及L4段，L1和L3段底部设有入口镂空部（图4中无填充部分）。如图5所示，L2和L4段上部设有出口镂空部（图5中无填充部分）。镂空部可以采用在中空圆环上做切除的方式，具体地，可以采用如下两个切除方案，方案1：如图4所示，将中空圆环的L1、L3段的底端切除（作为气相进入的分配入口），切除长度优选采用L1、L3段底端的整段切除，如果圆环弧形周长为L，那么L1、L3段的切除长度均为L/4；如图5所示，中空圆环L2、L4段顶端切除（作为气相分配出口），切除长度可以为L/8至L/4，优选地，可以在靠近圆心侧切除，切除长度为L/5。如图4所示，铁球33设置在L1、L3圆环段内中心处，铁球33直径略小于中空圆环内径（共两个铁球，分别标记为33A和33B），即铁球与中空圆环为间隙配合，铁球33A可以在L1圆环段内自由滚动，铁球33A将圆环段L1开口面积分割为两部分（分别标记为S1和S2），铁球33B在L3圆环段内滚动，铁球33B将圆环段L3开口面积分割为两部分（分别标记为S3和S4），进入S1+S3和S2+S4的气相量的比值为进入隔板两侧气相分配比。本发明的气相分配控制装置安装时，分配层内的中间隔板32位于L1、L3弧长中点的连线上（即铁球33A和33B初始位置的两球心连线），且与隔板精馏塔T内的前述隔板位于同一平面内。铁球的位置变化使得所述气相通道入口的开口尺寸可调节，随着两个铁球的分别移动，可精确控制进入S1+S3和S2+S4的气相量的比值。方案2（图中未示出）：将中空圆环的L1、L2段底端切除（作为气相进入的分配入口），切除长度为L/2；将中空圆环的L3、L4段的顶端切除（作为气相分配出口），优选靠近圆心侧切除，切除长度为2L/5，在L1与L2段连接处设置一个铁球，该一个铁球将中空圆环L1+L2段的开口面积切分割为两部分，该一个铁球的位置变化同样可以使得气相通道入口的开口尺寸可调节，进入该两部分开口的气相量的比值为进入隔板两侧气相分配比。以上两个开口切除方案均为示例性的方案，以该设计思路为前提的变更方案均在本发明的保护范围以内。铁球33可以为实心或者空心设计，优选采用空心设计。

如图6所示，为了实现根据需要将前述铁球33的位置进行精确的控制，本发明的气相分配机构还包括电磁分配控制部件，该电磁分配控制部件具体包含：弧形轨道41和电磁控制器42，弧形轨道41沿隔板精馏塔T的塔身外部周向设置并与中空圆环36处在同一水平面上。电磁控制器42根据预设的气相分配比数据接收指令驱动电磁铁沿弧形轨道41移动，移动的电磁铁在吸引力的作用下带动铁球33移动至需要的位置。

进一步如图3所示，分配层与填料层之间通过钢板37分隔开，该钢板37位于中空圆环36的中间位置，且采用密封焊接方式与中空圆环36连接。这种设置是为了保证上升的气相仅能从中空圆环下端切口（即前述气相分配入口）进入分配层，也仅能从中空圆环上端切口（即前述气相分配出口）进入隔板两侧的升气通道31。

进一步如图3所示，优选而非限制性地，升气通道31的横截面积为隔板精馏塔T横截面积的0.1至0.4倍，升气通道31的横截面形状可以为矩形、正方形或圆形。

在本发明的气相分配控制装置内，上升气体进入分配层中空圆环36底部开口（气体入口），通过电脑43（参见图6）控制***控制中空圆环内部铁球33所处位置，即控制气体进入的入口面积（入口面积大小决定所进入气体流量大小）。铁球33的位置由电脑43控制塔外壁所设置的电磁铁沿着塔外壁移动位置决定。经过铁球33分割后的气体经由中空圆环上部开口（气体出口）分别进入分配层内中间隔板32两侧的分配层内腔，再经由升气通道31进入隔板精馏塔T的隔板两侧，完成气体分配控制过程。本发明的气相分配控制装置可以独立灵活调节塔内隔板两侧的气体分配比，达到理想的产品分离效果。

本发明的隔板精馏塔T可以是板式塔、填料塔，优选为板式塔。隔板精馏塔T中，隔板位于塔内部中间位置，径向位置控制范围为0.1~0.8D(D为塔身直径)，优选采用0.4~0.6D。隔板的高度控制范围为0.1~0.8L(L为塔高度)，优选为0.4~0.6L。进一步如图2所示，隔板精馏塔T的塔内壁20设置绝热层，内部填充绝热材料，防止热量通过塔壁进行传递。绝热层厚度为1~10mm，优选为3~6mm。塔内壁绝热层可采用硅酸铝耐火纤维或者真空隔热板，优选为真空隔热板。隔板为多层中空设计，包括第一绝热层21、第二绝热层22以及中间的中空层23。中空层23内部可以填充绝热材料或惰性气体，防止热量通过隔板进行传递。多层隔板的层数可以为1~5层，优选为2~3层。中间隔板内填充的绝热材料可以为硅酸铝耐火纤维。当隔板内为3层或者5层绝热层时，最中间一层空间可以填充惰性气体，惰性气体可以采用氮气、氩气、甲烷等，优选为氮气。

实施例

组分包含A、B和C的待处理原料1进入隔板精馏塔T进料段T2，进料液体进行初步分离，轻组分上升重组分下降。塔内气相物质经过公共精馏段T1成为塔顶气相2，塔顶气相2经过塔顶冷凝器C1后成为液相并进入塔顶分离罐G2，一部分液相作为塔顶产品4出装置（主要组分为A，含有微量的组分B），一部分液相作为塔顶回流液5返回隔板精馏塔T的塔顶。塔顶回流液5经过公共精馏段T1后进入中段缓冲罐G1，在中段回流泵P1、进料侧中段回流加热器H1和出料侧中段回流加热器H2作用下分成两路物流，一路为进料侧中段回流液体7，一路出料侧中段回流液体8（隔板左右两侧温度差可以控制为15~30℃）。经过隔板右侧传质后获得中间侧线产品9并出装置（主要组分为B，含有微量的组分A和C）。隔板两侧液相10进入公共提馏段，最终进入隔板精馏塔T的塔底。塔底液相11分为两部分，一部分作为塔底产品12出装置（主要组分为C，含有微量的组分B），一部分经过塔底再沸器H3汽化后作为返塔气相13返回隔板精馏塔T。返塔气相13经过公共提馏段后由本发明的气相分配控制装置对气相进行分配，控制进入隔板左右两侧气相流量（隔板右侧气量与左侧气量比范围可控制为0:1~8）。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。针对上述示例性实施方案所做的任何简单修改、等同变化与修饰，都应落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种气相分配控制装置，其特征在于，该装置设置于隔板精馏塔的隔板下方，包括：

填料层，其用于脱除来自公共提馏段的返塔气相中的液体；

分配层，其位于所述填料层上方，该分配层中设有气相通道，该气相通道的两个独立入口根据预设的气相分配比、通过气相分配机构设置为开口尺寸可调节；该气相通道的两个相应的独立出口与通往所述隔板两侧的升气通道连通；

所述气相分配机构包括：

中空圆环，其外径与所述隔板精馏塔的塔身内径相适配并固定在所述填料层上方；该中空圆环包含弧长相等的四段，分别为L1、L2、L3以及L4段；所述L1和L3段底部设有入口镂空部，L2和L4段上部设有出口镂空部；

铁球，其数量为两个，该两个铁球与所述中空圆环内壁间隙配合并可在中空圆环内自由滑动，铁球的位置变化使得所述气相通道入口的开口尺寸可调节。

2.一种气相分配控制装置，其特征在于，该装置设置于隔板精馏塔的隔板下方，包括：

填料层，其用于脱除来自公共提馏段的返塔气相中的液体；

分配层，其位于所述填料层上方，该分配层中设有气相通道，该气相通道的两个独立入口根据预设的气相分配比、通过气相分配机构设置为开口尺寸可调节；该气相通道的两个相应的独立出口与通往所述隔板两侧的升气通道连通；

所述气相分配机构包括：

中空圆环，其外径与所述隔板精馏塔的塔身内径相适配并固定在所述填料层上方；该中空圆环包含弧长相等的四段，分别为L1、L2、L3以及L4段；所述L1和L2段底部设有入口镂空部，L3和L4段上部设有出口镂空部；

铁球，其数量为一个，该铁球与所述中空圆环内壁间隙配合并可在中空圆环内自由滑动，铁球的位置变化使得所述气相通道入口的开口尺寸可调节。

3.根据权利要求1或2所述的气相分配控制装置，其特征在于，所述气相分配机构还包括电磁分配控制部件，该电磁分配控制部件具体包含：

弧形轨道，其沿隔板精馏塔塔身外部周向设置并与所述中空圆环处在同一水平面上；

电磁控制器，其根据所述预设的气相分配比数据接收指令驱动电磁铁沿所述弧形轨道移动，移动的所述电磁铁在吸引力的作用下带动所述铁球移动至需要的位置。

4.根据权利要求3所述的气相分配控制装置，其特征在于，所述铁球为空心设置。

5.根据权利要求1或2所述的气相分配控制装置，其特征在于，所述分配层与填料层之间通过钢板分隔开，该钢板位于所述中空圆环的中间位置，且采用密封焊接方式与所述中空圆环连接。

6.根据权利要求1或2所述的气相分配控制装置，其特征在于，所述填料层底部设填料格栅，所述填料格栅的开孔率为5%~15%。

7.根据权利要求1或2所述的气相分配控制装置，其特征在于，所述升气通道的横截面积为所述隔板精馏塔横截面积的0.1至0.4倍，所述升气通道横截面的形状为矩形、正方形或圆形。

8.一种隔板精馏塔，其特征在于，应用如权利要求1至7中任意一项所述的气相分配控制装置，所述隔板精馏塔的隔板位于塔身内部中段，且竖直设置并沿所述塔身轴线延伸，所述隔板将塔内空间分隔为位于隔板上部的公共精馏段、位于隔板左侧的进料段、位于隔板右侧的出料段以及位于隔板下部的公共提馏段；所述隔板为多层中空设置。

9.根据权利要求8所述的隔板精馏塔，其特征在于，隔板中空部分填充惰性气体或绝热材料。

Images