CN113230682A - 一种双隔离壁反应精馏结构及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双隔离壁反应精馏结构及设计方法，该结构能同时适用于最不利相对挥发度排序下的放热或吸热四元可逆反应。常规反应精馏结构虽克服了不利动力学特性导致的反应物无法紧密接触问题，但仍存在两个明显缺陷，一是均需后接一到两个常规精馏塔来确保反应操作和分离操作有效性，二是反应区间和分离区间物质与能量耦合欠缺。本发明通过引入隔离壁技术，提出了基于带有外部环流的反应精馏结构的双隔离壁反应精馏结构。该结构实现了将多塔合并为一塔，促进反应与分离区间物质能量充分耦合，大幅度降低操作能耗的有利效果。

Description

一种双隔离壁反应精馏结构及设计方法

技术领域

本发明属于化工***工程领域，涉及反应精馏技术与隔离壁技术结合应用。

背景技术

反应精馏技术是精简化工工艺流程的有效手段之一，是一种通过添加催化剂的方式，将反应操作耦合到分离设备中来实现降低设备成本的一种应用广泛的过程强化技术。反应精馏包含以反促离和以离促反两种类别：以反促离表示在混合物系中添加其他物质，通过发生化学反应来提高待分离物质的相对挥发度的操作，以此提升分离效率；以离促反表示用分离过程促进反应操作，通过移除生成物破坏可逆反应平衡促进反应正向进行，以此来提高反应转化率和收率。该技术由于提高了能源利用率而迎合了解决当下日益严峻的能源不足问题的现状，人们先后针对均相体系和非均相体系探索了诸多依托反应精馏技术的可行性分析、模型、优化方法等系列基础性研究。

隔离壁技术作为蒸馏过程的关键技术，成为促进物质耦合与能量耦合的关键过程强化手段，同时隔板的引入还在不同程度上优化了塔系自身结构所导致的返混情形。基于这些不可替代的优势，越来越多的研究人员从数学模型、具体反应体系或某些结构问题等方面开展研究。但直到现在，隔离壁的应用虽然增加了结构设计的自由度，为塔系优化带来无限可能，但技术缺陷导致该技术的应用对塔段分布、气液相分离比等参数均带来微妙且关键的影响，因此在实际工业生产中因无法把握其稳态性能和动态可控性而未被广泛采纳应用。

目前提出了带有外部环流的反应精馏塔和双反应段反应精馏塔，用来克服MURRV条件下四元可逆反应反应物接触问题，但仍未能避免需后接一到两个常规塔来保证反应和分离操作有效进行的明显缺陷，多塔结构带来的较高操作能耗也是亟待解决的问题。

发明内容

本发明研究了在MURRV条件下，同时适用于分离放热和吸热四元可逆反应的双隔离壁反应精馏结构。常规带有外部循环的反应精馏结构(ER-RDC)，虽然解决了不利的动力学物系导致的反应物无法紧密接触问题，提高了反应物转化率和选择性，但仍存在两个明显缺陷，一是需后接多个常规精馏塔(CDC)才能实现有效反应分离操作的明显缺陷，二是反应段位置受反应热效应影响，三是物质与能量耦合受限。上述缺陷不仅带来较高的操作能耗，也给实际应用带来复杂性，考虑到ER-RDC的外部环流能够有效利用反应热力学特性改善***整体性能，因此基于该结构发明新的结构。

为解决上述问题，本发明的技术方案包含以下步骤：

步骤1：通过物质传递策略，在ER-RDC+CDC结构原液相侧线物流基础上增加一条气相回流，通过物质传递原理实现连接物流处隔离壁两侧的塔板间进行物质能量耦合的效果。之后将连接物流塔板上下的塔塔壳等效成两块水平隔离壁，从而形成单塔结构。

步骤2：通过侧线物流反应物浓度限制策略，将步骤1中形成的单塔结构中两块隔离壁错位移动，其中塔顶隔离壁向左移动，塔底隔离壁向右移动，之后两块隔离壁均进行反向延伸，之间形成一块重合区域，这块重合区域起到预分离作用，实现限制未转化反应物进入反应塔中摩尔分数的功能。

步骤3：通过协调隔板分割配置策略，将步骤2中的右侧隔板位置由塔底右侧调整至中部右侧，调整次重生成物采出位置由塔底移动至右侧中部。此时塔底形成公共提馏段，减少一个再沸器，以最重反应物B为主要组分的混合物通过塔底外部环流结构回流至塔顶反应段进行二次反应。

本发明所具有的优势如下所示：

1.解决了常规带有外部环流的反应精馏塔在分离四元可逆反应时需后接一到两个常规精馏塔的明显缺陷。

2.针对发放热反应和吸热反应都适用，克服了反应热对反应段位置的影响。

3.推动反应区间和分离区间物质与能量耦合，提高热力学效率，大幅度降低操作能耗。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为分离四元放热可逆反应的常规反应精馏结构。

图2为分离四元吸热可逆反应的常规反应精馏结构。

图3为分离四元可逆反应的双隔离壁反应精馏结构。

图4为分离四元理想放热可逆反应的常规反应精馏塔和双隔离壁反应精馏塔。

图5为分离四元理想放热可逆反应的常规反应精馏塔和双隔离壁反应精馏塔的塔板温度分布。

图6为分离四元理想放热可逆反应的常规反应精馏塔和双隔离壁反应精馏塔的液相浓度分布。

图7为分离四元理想吸热可逆反应的常规反应精馏塔和双隔离壁反应精馏塔。

图8为分离四元理想吸热可逆反应的常规反应精馏塔和双隔离壁反应精馏塔的塔板温度分布。

图9为分离四元理想吸热可逆反应的常规反应精馏塔和双隔离壁反应精馏塔的液相浓度分布。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加直观清晰，本发明以四元理想可逆反应为例，分别研究MURRV条件下的放热反应和吸热反应结构与性能，参照附图进行具体解释说明。

图1为分离四元放热可逆反应的常规反应精馏结构，其反应段置于塔底(含再沸器)；图2为分离四元吸热可逆反应的常规反应精馏结构，其反应段置于塔顶(含再沸器)。一塔和二塔中间为液相物流。

图3为双隔离壁反应精馏结构设计方法得出的结构模型。反应段位于塔壳内左侧塔顶。除反应段外，其余部分均称为分离区域。外部环流结构由精馏塔塔底引出，经精馏塔塔壳左侧外部连接至精馏塔左侧塔顶；两块隔离壁位于塔内，平行于左右塔壳方向，其中一块与塔顶相连，连接处位于塔顶中部偏左位置，且与反应段右侧相连，其跨越塔板级数大于反应段塔板级数，称为左隔离壁。另一块不与塔壳相连，位于左隔离壁右侧、塔内中部偏右位置，称为右隔离壁。两块隔离壁中间形成重合区域，左侧隔离右侧、右隔离壁上部公共区域称为公共精馏段，右隔离壁下部区域称为公共提馏段。一个冷凝器在塔壳外与反应段顶部塔顶相连，称为左冷凝器；另一个冷凝器在左隔离壁连接处右侧的塔壳外与塔顶相连，称为右冷凝器。再沸器在塔壳外塔底相连。

反应物A和反应物B通过反应段进料，生成物C通过精馏塔右侧塔顶出料，生成物D通过右侧塔壳侧线出料。A和B在反应段反应后，以A为主要组分的混合物向塔顶积累，经左冷凝器回流至反应段进行二次反应；以B、C、D为主要组分的混合物向塔底方向积累，其中以B为主要组分的混合物至塔底后经外部环流结构回流至反应段进行二次反应，以C和D为主要组分的混合物通过分离区域进行分离。调整气相分离比(这里定义气相分离比为从公共提馏段到隔离壁左侧的气相物流比例)和液相分离比(这里定义液相分离比为从公共精馏段到右隔离壁左侧的液相物流比例)，使以C为主的气相混合组分经重合区域进入公共精馏段并通过精馏塔右侧塔顶采出，使以D为主的液相混合组分进入右隔离壁右侧并通过侧线采出。

实施例一

图4为基于理想四元放热可逆反应的常规反应精馏塔(a)和双隔离壁反应精馏塔(b)。

对于常规反应精馏塔，进入二塔的液相物流中组分A和B的摩尔分数均为5％，组分C和D的摩尔分数均为95％(由于一塔出料板与二塔进料板存在物质传递，因此两塔板组分组成完全一致)。外部环流流量为0.0038kmol/s，其中组分B和D的摩尔分数均为0％，组分A的摩尔分数为99.83％，组分C的摩尔分数为0.17％。总冷凝器热负荷为-4424.75kW，总再沸器热负荷为4174.17kW。

对于双隔离壁反应精馏塔，公共精馏段塔板数为19级，公共提馏段塔板数为17级。其中：

左侧塔体第37级塔板处液相物流中组分A摩尔分数为0.95％，组分B摩尔分数为19.78％，组分C摩尔分数为42.94％，组分D摩尔分数为36.33％；气相物流中组分A摩尔分数为2.48％，组分B摩尔分数为7.31％，组分C摩尔分数为63.23％，组分D摩尔分数为26.98％，呈现出轻组分向塔顶积累，重组分向塔底积累的趋势。第37级塔板与常规反应精馏塔一塔出料板相比，左侧隔离壁改变了进入右侧塔体的混合物中各组分摩尔分数，组分A减少(保证大量未转化组分A通过塔顶回流至反应段)，组分B增加(保证大量未转化组分B通过塔底经外部环流结构回流至反应段)。

双隔离壁重合区域顶部液相物流中组分A摩尔分数为1.06％，组分B摩尔分数为3.58％，组分C摩尔分数为52.43％，组分D摩尔分数为42.93％；气相物流中组分A摩尔分数为2.50％，组分B摩尔分数为1.17％，组分C摩尔分数为68.37％，组分D摩尔分数为27.96％。由气液相关系可以得出，经过两隔离壁间重合区域的预分离和通过循环物流将反应区间与分离区间耦合，轻组分向分离区域塔顶积累，重组分向分离区域塔底积累。

双隔离壁重合区域底部液相物流中组分A摩尔分数为0％，组分B摩尔分数为24.53％，组分C摩尔分数为0.08％，组分D摩尔分数为75.39％；气相物流中组分A摩尔分数为0％，组分B摩尔分数为14.01％，组分C摩尔分数为0.18％，组分D摩尔分数为85.81％。综合隔离壁重合区域顶部和顶部气液相组分组成可得，右侧隔离壁进一步促进混合组分的分离。

双隔离壁反应精馏塔总冷凝器热负荷为-2248.11kW，相较于常规反应精馏塔降低49.19％；总再沸器热负荷为1997.20kW，相较于常规反应精馏塔降低52.15％。

图5为常规反应精馏塔(a)和双隔离壁反应精馏塔(b)塔板温度。可以得出，双隔离壁反应精馏塔左右两侧塔板温度基本相近，即能量耦合效果明显。

图6为常规反应精馏塔一塔(a)和双隔离壁反应精馏塔左侧通路(b)液相浓度分布。可以看出，常规反应精馏塔存在严重返混；双隔离壁反应精馏塔在公共精馏段以上部分，组分C存在轻微返混，但程度很小(基本可忽略)，这是由于左侧隔离壁作用下组分A的迅速下降趋势造成的，符合理想条件下预期效果。

实施例二

图7为基于理想四元吸热可逆反应的常规反应精馏塔(a)和双隔离壁反应精馏塔(b)。

对于常规反应精馏塔，进入二塔的液相物流中组分A和B的摩尔分数均为5％，组分C和D的摩尔分数均为95％(由于一塔出料板与二塔进料板存在物质传递，因此两塔板组分组成完全一致)。外部环流流量为0.0013kmol/s，其中组分A和C的摩尔分数均为0％，组分B的摩尔分数为99.34％，组分D的摩尔分数为0.66％。总冷凝器热负荷为-3584.52kW，总再沸器热负荷为3835.10kW。

对于双隔离壁反应精馏塔，公共精馏段塔板数为23级，公共提馏段塔板数为14级。其中：

左侧塔体第39级塔板处液相物流中组分A摩尔分数为1.08％，组分B摩尔分数为13.94％，组分C摩尔分数为48.22％，组分D摩尔分数为36.76％；气相物流中组分A摩尔分数为2.49％，组分B摩尔分数为5.15％，组分C摩尔分数为66.87％，组分D摩尔分数为25.49％。第39级塔板与常规反应精馏塔一塔出料板相比，左侧隔离壁改变了进入右侧塔体的混合物中各组分摩尔分数，组分A减少(保证大量未转化组分A通过塔顶回流至反应段)，组分B增加(保证大量未转化组分B通过塔底经外部环流结构回流至反应段)。

双隔离壁重合区域顶部液相物流中组分A摩尔分数为1.15％，组分B摩尔分数为3.23％，组分C摩尔分数为54.49％，组分D摩尔分数为41.13％；气相物流中组分A摩尔分数为2.51％，组分B摩尔分数为1.24％，组分C摩尔分数为69.89％，组分D摩尔分数为26.36％。由气液相关系可以得出，经过两隔离壁间重合区域的预分离和通过循环物流将反应区间与分离区间耦合，轻组分向分离区域塔顶积累，重组分向分离区域塔底积累。

双隔离壁重合区域底部液相物流中组分A摩尔分数为0％，组分B摩尔分数为17.64％，组分C摩尔分数为0.07％，组分D摩尔分数为82.29％；气相物流中组分A摩尔分数为0％，组分B摩尔分数为9.69％，组分C摩尔分数为0.15％，组分D摩尔分数为90.16％。综合隔离壁重合区域顶部和顶部气液相组分组成可得，右侧隔离壁进一步促进混合组分的分离。

双隔离壁反应精馏塔总冷凝器热负荷为-1703.88kW，相较于常规反应精馏塔降低52.47％；总再沸器热负荷为1954.71kW，相较于常规反应精馏塔降低49.03％。

图8为常规反应精馏塔(a)和双隔离壁反应精馏塔(b)塔板温度。可以得出，双隔离壁反应精馏塔左右两侧塔板温度基本相近，即能量耦合效果明显。

图9为常规反应精馏塔一塔(a)和双隔离壁反应精馏塔左侧通路(b)液相浓度分布。可以看出，常规反应精馏塔存在严重返混；双隔离壁反应精馏塔在公共精馏段以上部分，组分C存在轻微返混，但程度很小(基本可忽略)，这是由于左侧隔离壁作用下组分A的迅速下降趋势造成的，符合理想条件下预期效果。

由于理想可逆反应不受温度、压力等因素限制，因此具有普适性。

最后应当说明的是，以上所述案例仅用以解释说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，只要不脱离本发明涉及技术方案的实质和范围，本领域技术人员可以在权利要求范围内对方案进行简单修改或替换。

Claims (9)

1.一种双隔离壁反应精馏结构，其特征在于：该双隔离壁反应精馏结构为精馏塔，该精馏塔具有一个反应段，一条外部环流结构，一个塔壳，两个冷凝器，一个再沸器和两块隔离壁；

反应段位于塔壳内左侧塔顶；除反应段外，其余部分为分离区域；外部环流结构由精馏塔塔底引出，经精馏塔塔壳左侧外部连接至精馏塔左侧塔顶；两块隔离壁位于塔内，平行于左右塔壳方向，其中一块隔离壁与塔顶相连，连接处位于塔顶中部偏左位置，且与反应段右侧相连，其跨越塔板级数大于反应段塔板级数，称为左隔离壁；另一块隔离壁不与塔壳相连，位于左隔离壁右侧、塔内中部偏右位置，称为右隔离壁；两块隔离壁中间形成重合区域，左侧隔离右侧、右隔离壁上部公共区域称为公共精馏段，右隔离壁下部区域称为公共提馏段；一个冷凝器在塔壳外与反应段顶部塔顶相连，称为左冷凝器；另一个冷凝器在左隔离壁连接处右侧的塔壳外与塔顶相连，称为右冷凝器；再沸器在塔壳外塔底相连。

2.根据权利要求1所述的一种双隔离壁反应精馏结构，其特征在于：反应物A和反应物B通过反应段进料，生成物C通过精馏塔右侧塔顶出料，生成物D通过右侧塔壳侧线出料；A和B在反应段反应后，以A为主要组分的混合物向塔顶积累，经左冷凝器回流至反应段进行二次反应；以B、C、D为主要组分的混合物向塔底方向积累，其中以B为主要组分的混合物至塔底后经外部环流结构回流至反应段进行二次反应，以C和D为主要组分的混合物通过分离区域进行分离；调整气相分离比和液相分离比，使以C为主的气相混合组分经重合区域进入公共精馏段并通过精馏塔右侧塔顶采出，使以D为主的液相混合组分进入右隔离壁右侧并通过侧线采出；

该双隔离壁反应精馏塔对放热反应和吸热反应均适用，且隔离壁促进了反应区间和分离区间的功能优化和耦合效果。

3.根据权利要求2所述的一种双隔离壁反应精馏结构，其特征在于：反应物A和反应物B的相对挥发度分别为最轻和最重，生成物C和生成物D的相对挥发度分别为次轻和次重。

4.根据权利要求1所述的一种双隔离壁反应精馏结构，其特征在于：两块隔离壁一块置于精馏塔左侧塔顶，一块置于精馏塔右侧中部，且两块隔离壁中间形成重叠区域。

5.根据权利要求1所述的一种双隔离壁反应精馏结构，其特征在于：塔顶液相组分提取所带来的降低分离操作要求的正向影响，大于反应段置于塔顶带来的不利的热量整合，对放热反应和吸热反应均适用。

6.利用权利要求1-5进行的一种双隔离壁反应精馏结构设计方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤1：通过物质传递策略将反应精馏结构的反应塔和分离塔合并成一个塔体，重合塔体部分等效成两块隔离壁；

步骤2：通过侧线物流反应物浓度限制策略，调整两块隔离壁位置，限制未转化反应物进入分离区间的浓度；

步骤3：通过协调隔离壁分割配置策略，调整右侧隔离壁位置，深化反应与分离区间物质能量耦合程度；调整次重生成物D采出位置，降低操作能耗。

7.根据权利要求6中的一种双隔离壁反应精馏结构设计方法，其特征在于：步骤1的具体实施如下：通过物质传递策略，在原液相侧线物流基础上增加一条气相回流，将连接物流处隔壁两侧塔板间进行物质能量耦合，并将两塔连接物流处上下塔壳等效出两块水平隔离壁，形成单塔结构。

8.根据权利要求6中的一种双隔离壁反应精馏结构设计方法，其特征在于：步骤2的具体实施如下：通过侧线物流反应物浓度限制策略，将原塔顶隔离壁在塔内向左侧移动，原塔底隔离壁在塔内向右侧移动，随后两块隔离壁进行反向延伸，之间形成重合区域。

9.根据权利要求6中的一种双隔离壁反应精馏结构设计方法，其特征在于：通过协调隔离壁分割配置策略，调整右侧隔离壁位置由塔顶右侧至中部右侧，依托该结构改变循环物流的气液相分离比，从而改变进入分离区间的组分浓度；调整次重生成物采出位置由塔底移动至右侧中部，降低操作能耗。

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