CN214004476U - 一种渗透汽化膜分离精制nmp装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种渗透汽化膜分离精制NMP装置，包括原料处理单元、膜分离单元、渗透物处理单元和精馏单元，其中：所述的原料处理单元包括第一热交换设备、第一储罐和第二储罐；所述的第二储罐设有物料入口和物料出口；所述的膜分离单元设有物料入口、渗余物出口和渗透物出口；所述的第二储罐的物料入口与膜分离单元的渗余物出口连接；所述的第二储罐的物料出口与精馏单元连接；所述的膜分离单元的渗透物出口与渗透物处理单元连接。本发明的装置用于NMP分离精制过程工艺，相比较于传统的多塔精馏精制NMP的方法，NMP回收效率高，运行成本大幅降低；还可根据处理量大小及废NMP溶剂含水量的不同，选择间歇或连续脱水操作方式，切换灵活，方便操作。

Description

一种渗透汽化膜分离精制NMP装置

技术领域

本发明涉及高纯度NMP生产领域，具体涉及一种渗透汽化膜分离精制NMP装置。

背景技术

NMP是N～甲基吡咯烷酮的缩写。N～甲基吡咯烷酮(NMP)是一种有机溶剂，具有低毒性、高沸点、难挥发、强溶解性、化学性质稳定等诸多优势。高纯度的NMP产品广泛用在锂电池、碳纳米管导电浆料、液晶电子、半导体、绝缘材料等行业。随着锂电池行业的崛起和快速发展，高纯度NMP在动力电池、储能电池等领域的需求日益增多。在锂电池生产过程中，高纯度NMP极大地影响着涂布的质量、效果及锂电池能量密度的改善。在配料阶段，作为PVDF溶剂，在一定粘度范围内能保持稳定的浆料；在涂布阶段，作为浆料的主要液体载体，有非常好的润湿性和流动性；在涂布烘烤阶段，以稳定的速度从湿膜中挥发，形成孔径、分布均匀的多孔微电极结构。

NMP品质主要受纯度、水分和金属离子等关键指标影响。锂电池对NMP的纯度，尤其是水含量限制很严格，要求水含量小于0.02％，甚至更低。目前国产NMP中水的含量普遍大于0.03％，难以满足锂电池行业要求。而进口的NMP提纯后，其指标要求：色度要求小于10，纯度要求大于99.9％，水分含量要求不超过0.02％。目前，国内较少有文献报道相关提纯方面的内容，NMP的提纯研究有待进一步加强。

专利CN103351321A公布了一种NMP的连续节能生产方法，反应单元得到的NMP粗品，先经过常压塔分离部分水和一甲胺，得到的NMP粗品再进负压塔，脱水剩余的水分和低沸点物质，最后得到的不含水的NMP干品再进入精馏塔真空精馏，分离高沸点物质，得到纯度满足要求的精NMP成品。这种方法采用了三个精馏塔，为了除去水和一甲胺，NMP产品在整个精制过程中汽化了三次，虽然最后得到了NMP成品，但其能耗很高，操作复杂，运行成本高。在反复汽化和冷凝的过程中，NMP产品长时间在高温下操作，对其产品稳定性有一定的影响。

渗透汽化，包括蒸气渗透，是用于气(液)体混合物分离的一种新型的膜技术，在膜两侧组分压差的推动下，组分通过扩散透过膜层，在渗透侧汽化为蒸气。渗透汽化膜的效率高，单级能实现很高的分离度，而且能耗低，相比较于精馏过程能耗能节省1/2～2/3。同时过程简单，无需过多的配套处理，***可靠、稳定性高，在分离过程中不引入其他组分，属于环境友好技术。

发明内容

本发明的目的即在于解决现有NMP精制过程中能耗高、设备投资成本高的问题,提供一套渗透汽化膜分离精制NMP的节能装置，并基于此公开一种渗透汽化膜分离精制NMP的方法。

为实现此目的，本发明首先提供一套渗透汽化膜分离精制NMP装置，包括原料处理单元、膜分离单元、渗透物处理单元和精馏单元，其中：所述的原料处理单元包括第一热交换设备、第一储罐和第二储罐；其中所述的第二储罐设有物料入口和物料出口；所述的膜分离单元设有物料入口、渗余物出口和渗透物出口；所述的第二储罐的物料入口与膜分离单元的渗余物出口连接；所述的第二储罐的物料出口与精馏单元连接；所述的膜分离单元的渗透物出口与渗透物处理单元连接。

另一方面，本发明提供利用上述渗透汽化膜分离精制NMP装置的渗透汽化膜分离精制NMP的方法，包括：含水NMP原料以1200±100kg/批次的质量流率经预热后进入第一储罐，缓冲后的原料进入膜分离单元一次脱水，渗透物进入渗透物处理单元；一次脱水的渗余物进入第二储罐，继续循环输送到膜分离单元二次脱水，二次脱水的渗余物进入第一储罐，当检测到渗余物含水率符合产品要求时，经由第二储罐输送至精馏单元提纯，产出高纯度NMP产品。

本发明采用膜分离装置和精馏装置耦合回路的设计，相比较于传统的多塔精馏精制NMP的方法，本发明NMP回收效率高，运行成本大幅降低；膜分离脱水后的NMP粗品，再经过NMP精制塔脱去重组分，可得到高纯度的NMP成品；还可根据处理量大小及废NMP溶剂含水量的不同，灵活选择间歇或连续脱水操作方式，切换灵活，方便操作。

附图说明

图1是本发明渗透汽化膜分离精制NMP装置图；

图2是本发明对比例使用的NMP精制装置图，其中：

1、第一热交换设备；2、第一储罐；3、第二储罐；4、第一流体输送设备；5、第二热交换设备；6、第一膜分离组件；7、第二膜分离组件；8、渗透物处理设备；9、第三储罐；10、第二流体输送设备；11、第三流体输送设备；12、第一分离塔；13、第四热交换设备；14、第五热交换设备；15、第二分离塔；16、第六热交换设备；17、第七热交换设备。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

本发明所述的渗透汽化膜分离精制NMP装置，包括原料处理单元、膜分离单元、渗透物处理单元和精馏单元，待处理的含水NMP原料经过原料处理单元进入膜分离单元进行脱水，水分子透过分子筛膜形成渗透物，进入渗透物处理单元。分子尺寸较大的NMP则被分子筛膜截留，形成超低水含量的成品NMP，输送至精馏单元提纯采集形成产品。

现有技术中多采用精馏塔制备高纯度NMP产品，使用一般精馏方法制得的NMP产品纯度仍然不高。而为了得到纯度满足要求的NMP产品，往往需要多个精馏塔，虽然最后得到了NMP成品，但其能耗很高，操作复杂，运行成本高。而使用上述本发明的方法，先用分子筛膜对NMP进行脱水，再经精馏塔精制得到的NMP产品纯度高，且大大节约了能耗。

具体实施方式中，包括原料处理单元、膜分离单元、渗透物处理单元和精馏单元，其中：所述的原料处理单元包括第一热交换设备1、第一储罐2和第二储罐3；所述的膜分离单元包括第一膜分离组件6和第二膜分离组件7；所述的原料处理单元和膜分离单元之间还设有第一流体输送设备4和第二热交换设备5；所述的渗透物处理单元包括渗透物处理设备8、第三储罐9和第二流体输送设备10；所述的精馏单元设有第一分离塔12，第一分离塔12的塔顶连接第四热交换设备13，塔底连接第五热交换设备14；其中，所述的第二储罐3设有物料入口和物料出口；所述的膜分离单元设有物料入口、渗余物出口和渗透物出口；所述的第二储罐3的物料入口与膜分离单元的渗余物出口连接；所述的第二储罐3的物料出口与精馏单元连接，二者之间还设有第三流体输送设备11；所述的膜分离单元的渗透物出口与渗透物处理单元连接；所述的第二储罐3的物料出口还连接第一流体输送设备4。

上述本发明所述的渗透汽化膜分离精制NMP装置中：

所述的第一热交换设备1提供原料预热的场所。根据工艺需求，第一热交换设备1可以选择但不限于固定管板式列管换热器、浮头式列管换热器、U型管列管换热器、螺旋板式换热器、螺旋管缠绕换热器、板式换热器。

所述的第一储罐2用于含水NMP原料的缓冲存储。

所述的第二储罐3用于渗余物缓冲存储。

所述的第一流体输送设备4用于将含水原料物输送至膜分离单元，具体可选择但不限于离心泵、容积式泵。

所述的第二热交换设备5用于接收来自原料物处理单元的含水NMP原料，并对其进行热交换。第二热交换器5可以选择但不限于固定管板式列管换热器、浮头式列管换热器、U型管列管换热器、螺旋板式换热器、螺旋管缠绕换热器、板式换热器。

所述的膜分离单元用于实现NMP和水的高效分离。为实现该目的，所述的膜分离单元优选无机分子筛膜分离单元，由n(n是正整数)个分子筛膜组件组成。膜组件可以是单管程或多管程，单个膜组件面积可控于5平米到300平米。每套装置中设置的膜组件个数n根据分离目的确定；当n大于1时，根据物料情况、分离目标等，可将膜组件串联或并联。另一方面，从组件结构上，本发明可以采用但不限于恒温膜组件或折流板式膜组件等具体形式。本发明的具体实施方式中，分子筛膜组件的可具体举例但不限于板式、管式、中空纤维式或螺旋板式分子筛膜组件，优选管式分子筛膜组件。适用的分子筛类型包括LTA，SOD，FAU，MOR，FER，MFI，PHI，BEA，CHA，ERI，及其混晶分子筛膜，优选A型分子筛膜。

所述的渗透物处理设备8用于接收来自膜分离单元的渗透物，并对其进一步处理。该渗透物处理设备8可以选择但不限于真空机组、带蒸汽冷凝回收的真空机组。

所述的第三储罐9为渗透物缓冲罐，缓冲后由第二流体输送设备10输出。该第二流体输送设备10可举例但不限于离心泵、容积式泵。

所述的第三流体输送设备11用于将来自第二储罐3的含水量符合要求的成品NMP输送至精馏单元进一步提纯，具体可选择但不限于离心泵、容积式泵。

所述的第一分离塔12用于通过精馏实现NMP的精制提纯。第一分离塔12可以选择但不限于板式塔、填料塔。

所述的第四热交换设备13用于接收来自第一分离塔12的塔顶蒸汽，并对其进行热交换以获得高纯度NMP产品。第四热交换设备13可以选择但不限于固定管板式列管换热器、浮头式列管换热器、U型管列管换热器、螺旋板式换热器、螺旋管缠绕换热器、板式换热器。

所述的第五热交换设备14用于接收来自第一分离塔12的塔底物料高沸杂质，并对其进一步处理使其排出体系。第五热交换设备14可以选择但不限于固定管板式列管换热器、浮头式列管换热器、U型管列管换热器、螺旋板式换热器、螺旋管缠绕换热器、板式换热器。

在上述装置的结构描述中，对于本领域技术人员可以通过本领域现有技术确定的零部件未予以描述，这些零部件可举例但不限于：用于连接各个设备的管道、控制物料进出的阀门等。并且，结合上文描述，本领域技术人员可以在现有技术的指导下，根据设计需要及要求确定最为合适的设备选择及选型，毋庸赘述。

本发明另一方面提供一种渗透汽化膜分离精制NMP的方法，该方法利用上述本发明的装置进行NMP脱水提纯，包括如下步骤：

(1)含水量为1～20％的NMP原料，以1200±100kg/批次的质量流率经第一热交换设备1预热至120±10℃，进入第一储罐2缓冲，经第一流体输送设备4和第二热交换设备5以120±2℃温度输送进入第一膜分离组件6和第二膜分离组件7进行一次脱水，渗透物经渗透物处理设备8后进入第三储罐9，由第二流体输送设备10排出体系；

(2)一次脱水后的渗余物输送至第二储罐3，由第一流体输送设备4继续循环输送到膜分离单元进行二次脱水；二次脱水后的渗余物输送至第一储罐2，循环上述步骤；渗透物的累计质量流率为180±15kg/批次，其中总含水量大于99.5％；

(3)当检测到渗余物含水率满足产品要求，则经第二储罐3由第三流体输送设备11输送至第一分离塔12进一步提纯，第一分离塔12的理论塔板数为25±5块，塔底由第五热交换设备14提供上升蒸汽，第五热交换设备14的操作温度为160±10℃，塔顶连接第四热交换设备13，第四热交换设备13的操作温度为120℃，塔顶采出高纯度NMP产品，塔底采出高沸杂质。

下面以实施例对本发明的内容及效果做进一步说明，但不应理解为对本发明内容任意形式的限定。本实施例中，所述的方法中使用如附图1所示意的渗透汽化膜分离精制NMP装置，装置中各个设备的选用如下所述：

所述的第一热交换设备1选用固定管板式列管换热器。

所述的第一储罐2为第一缓冲罐。

所述的第二储罐3为第二缓冲罐。

所述的第一流体输送设备4选用离心泵。

所述的第二热交换设备5选用固定管板式列管换热器。

所述的第一膜分离组件6选用管式分子筛膜组件；分子筛膜选用A型分子筛膜。

所述的第二膜分离组件7选用管式分子筛膜组件；分子筛膜选用A型分子筛膜。

所述的渗透物处理设备8选用带蒸汽冷凝回收的真空机组。

所述的第三储罐9为渗透物缓冲罐。

所述的第二流体输送设备10选用离心泵。

所述的第三流体输送设备11选用离心泵。

所述的第一分离塔12选用填料塔。

所述的第四热交换设备13选用固定管板式列管换热器。

所述的第五热交换设备14选用固定管板式列管换热器。

结合上述装置实施的一种渗透汽化膜分离精制NMP方法包括如下步骤：

(1)来自锂电池生产车间涂布工段的废溶剂NMP原料，含水量为15％，还含有少量烷酮类高沸点杂质，以1200kg/批次的质量流率经固定管板式列管换热器1预热至120℃，进入第一缓冲罐2缓冲，经离心泵4和固定管板式列管换热器5以120℃的温度输送进入管式分子筛膜组件6和管式分子筛膜组件7(所选择的分子筛膜的膜面积总计为72m²)进行一次脱水，渗透物经带蒸汽冷凝回收的真空机组8处理后进入渗透物缓冲罐9，由离心泵10排出体系；

(2)一次脱水后的渗余物输送至第二缓冲罐3，由离心泵4继续循环输送到膜分离单元进行二次脱水，二次脱水后的渗余物进入第一缓冲罐2，循环上述步骤；渗透物的累计质量流率为180kg/批次，其中总含水量大于99.5％；

(3)当检测到渗余物含水率满足小于200ppm，则经第二缓冲罐3由离心泵11输送至填料塔12在负压下进一步提纯，填料塔12的理论塔板数为25块，塔底由固定管板式列管换热器14提供上升蒸汽，固定管板式列管换热器14的操作温度为160℃，塔顶配置有固定管板式列管换热器13，固定管板式列管换热器13的操作温度为120℃，塔顶采出高纯度NMP产品，其含水小于200ppm，NMP纯度高于99.9％，塔底采出高沸杂质。

经过本装置处理，得到的渗透物中NMP质量浓度小于0.5％，整个工艺NMP回收率＞99.9％。同时，每吨NMP产品的蒸汽消耗约为0.35吨。

对比例1

现有技术中，NMP精制中的脱水处理多采用精馏塔，因此，提供一种如附图2所示的NMP精制装置。

其中，将本发明所述的膜分离单元替换为精馏脱水单元，第二分离塔15为脱水精馏塔，用于实现NMP原料的脱水，选用填料塔。第六热交换设备和第七热交换设备均选用固定管板式列管换热器。其他设备选择均与上文实施例选用相同。

结合上述装置实施的NMP精制方法包括如下步骤：

(1)来自锂电池生产车间涂布工段的废溶剂NMP原料，含水量为15％，还含有少量烷酮类高沸点杂质，以1200kg/批次的质量流率经固定管板式列管换热器1预热至120℃，进入第一缓冲罐2缓冲，经离心泵4和固定管板式列管换热器5以120℃的温度输送进入填料塔15进行脱水；

(2)填料塔15的理论塔板数为25块，塔底由固定管板式列管换热器17提供上升蒸汽，固定管板式列管换热器17的操作温度为120℃，塔顶配置有固定管板式列管换热器16，固定管板式列管换热器16的操作温度为40℃，塔顶采出脱水后的NMP原料；

(3)当检测到NMP原料含水率满足小于200ppm，则经第二缓冲罐3由离心泵11输送至填料塔12在负压下进一步提纯，填料塔12的理论塔板数为25块，塔底由固定管板式列管换热器14提供上升蒸汽，固定管板式列管换热器14的操作温度为160℃，塔顶配置有固定管板式列管换热器13，固定管板式列管换热器13的操作温度为120℃，塔顶采出高纯度NMP产品，其含水小于200ppm，NMP纯度高于99.9％，塔底采出高沸杂质。

经过本装置处理，NMP产品也能满足含水率及纯度要求，但是其蒸气能耗为0.85～0.9吨/吨产品，能耗远远高于本发明提供的渗透汽化膜分离精制NMP的方法及装置。

Claims (9)

1.一种渗透汽化膜分离精制NMP装置，其特征在于，包括原料处理单元、膜分离单元、渗透物处理单元和精馏单元，其中：所述的原料处理单元包括第一热交换设备(1)、第一储罐(2)和第二储罐(3)；

其中所述的第二储罐(3)设有物料入口和物料出口；所述的膜分离单元设有物料入口、渗余物出口和渗透物出口；所述的第二储罐(3)的物料入口与膜分离单元的渗余物出口连接；所述的第二储罐(3)的物料出口与精馏单元连接；

所述的膜分离单元的渗透物出口与渗透物处理单元连接。

2.根据权利要求1所述的一种渗透汽化膜分离精制NMP装置，其特征在于，所述的原料处理单元和膜分离单元之间设有第一流体输送设备(4)和第二热交换设备(5)。

3.根据权利要求1所述的一种渗透汽化膜分离精制NMP装置，其特征在于，所述的膜分离单元包括第一膜分离组件(6)和第二膜分离组件(7)。

4.根据权利要求1所述的一种渗透汽化膜分离精制NMP装置，其特征在于，所述的渗余物处理单元包括渗透物处理设备(8)、第三储罐(9)和第二流体输送设备(10)。

5.根据权利要求1所述的一种渗透汽化膜分离精制NMP装置，其特征在于，所述的第二储罐(3)和精馏单元之间设有第三流体输送设备(11)。

6.根据权利要求1所述的一种渗透汽化膜分离精制NMP装置，其特征在于，所述的精馏单元设有分离塔(12)。

7.根据权利要求6所述的一种渗透汽化膜分离精制NMP装置，其特征在于，所述的分离塔(12)的塔顶连接第四热交换设备(13)，塔底连接第五热交换设备(14)。

8.根据权利要求6所述的一种渗透汽化膜分离精制NMP装置，其特征在于，所述的第二储罐(3)的物料出口还连接第一流体输送设备(4)。

9.根据权利要求1所述的一种渗透汽化膜分离精制NMP装置，其特征在于，包括原料处理单元、膜分离单元、渗透物处理单元和精馏单元，其中：所述的原料处理单元包括第一热交换设备(1)、第一储罐(2)和第二储罐(3)；所述的膜分离单元包括第一膜分离组件(6)和第二膜分离组件(7)；所述的原料处理单元和膜分离单元之间还设有第一流体输送设备(4)和第二热交换设备(5)；所述的渗透物处理单元包括渗透物处理设备(8)、第三储罐(9)和第二流体输送设备(10)；所述的精馏单元设有分离塔(12)，分离塔(12)的塔顶连接第四热交换设备(13)，塔底连接第五热交换设备(14)；

其中，所述的第二储罐(3)设有物料入口和物料出口；所述的膜分离单元设有物料入口、渗余物出口和渗透物出口；所述的第二储罐(3)的物料入口与膜分离单元的渗余物出口连接；所述的第二储罐(3)的物料出口与精馏单元连接，二者之间还设有第三流体输送设备(11)；所述的膜分离单元的渗透物出口与渗透物处理单元连接；

所述的第二储罐(3)的物料出口还连接第一流体输送设备(4)。

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