《国内外分隔壁精馏塔现状与发展趋势.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《国内外分隔壁精馏塔现状与发展趋势.pdf（4页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、第17卷 第1期 2005年3月 江 苏 工 业 学 院 学 报 JOURNAL OF J IANGSU POL YTECHNIC UNIVERSITY Vol117 No11 Mar12005 文章编号: 1005 - 8893 (2005) 01 - 0058 - 04 国内外分隔壁精馏塔现状与发展趋势 裘兆蓉1,叶 青1,李成益2 (1 1 江苏工业学院 化学工程系,江苏 常州213016 ; 21 扬子石油化工股份有限公司 计划部,江苏 南京210048) 摘要:分隔壁精馏塔(DWC)在工厂已有20年历史。BASF有40台DWC应用,前景看好。DWC可省投资30 % ,节能30 %。
2、在石油化工领域内已有33篇美国专利, 5篇中国专利。对DWC从原理、结构、节能和关键技术等方面进行了综述。同时介绍 了DWC的应用现状及其可能的应用领域,对DWC的应用前景进行了展望。 关键词:分隔壁式精馏塔;关键技术;应用 中图分类号: TE 624 文献标识码:A 1 DWC的特点 精馏是化工中首选的分离过程,虽然有许多优 点,但是能耗特别大,为节能,国内外已研制出一 些节能型耦合精馏塔:像反应与精馏耦合的塔1; 精馏与其他分离过程耦合的塔(吸附-精馏耦合、 结晶-精馏耦合2等 ) ; 精馏-精馏耦合的塔:热 耦精馏塔(Petlyuk Column) ;内部热耦合精馏塔 (ITCDIC)
3、3 ;分隔壁精馏塔(Dividing wall col2 umn简称DWC) 4 ,5) 。 国内已有高校研究并有文章关于节能型的精馏 耦合塔,但尚未发现DWC研究机构和应用单位。 DWC是在精馏塔内部设一垂直隔板,将精馏塔分 成上段、下段、及由隔板分开的精馏进料段及中间 采出段四部分。由于DWC与热耦精馏分离的原理 及计算方法是一致的, DWC在热力学上等同于一 个Petlyuk塔,比传统的两塔系统节约了30 %的投 资费用。因此有人把DWC归为耦精馏塔的特例, 但因DWC比热耦精馏塔少一台精馏塔及相应管 路,因此投资及占地面积比热耦精馏塔少68。 DWC与热耦精馏分离及其传统精塔的流程比较
4、见 表1。 表1 单塔或多塔组合分离多组分表39 Table 1 Separating three components by distillation can be done in a variety of arrangements with one or two towers39 流程 传统精馏塔 分离3组分 热耦精馏塔 分离3组分 内部热耦精馏 塔分离3组分 分隔壁蒸馏塔 分离3组分 设备 2个塔、2个 重沸器、2个 冷凝器、2个 回流分配器 2个塔、1个 再沸器、1个 冷凝器、1个 回流分配器 4个塔、2台 压缩机、2台 热交换器 1个塔、1个 再沸器、1个 冷凝器、1个 回流分配器
5、投资100 %85 %120 %70 % 能耗100 %70 %52 %70 % DWC分离3组分混合物时,只需1个精馏塔 就可得到3个纯组分,这就节省了1个精馏塔及其 附属设备,如再沸器、冷凝器、塔顶回流泵及管 道。虽然DWC比原有2塔流程的每个精馏塔大, 但总的设备投资会降低许多。 DWC是热力学上最理想的系统结构,在分离 3组分混合物时,用相同的理论板数,完成同样的 分离任务,采用DWC比传统的两塔流程需更少的 再沸热量和冷凝量, Lestak9指出,对于某些给定 的物料,分隔壁式精馏塔和常规精馏塔相比需更小 的回流比,故操作容量增大,节能最高可达到 60 %以上,可能省设备投资30 %
6、。DWC能广泛地 应用于石油精制、石油化工、化学品及气体精制。 在DWC中,物料在再沸器中只被加热1次, 收稿日期: 2004 - 08 - 28 基金项目:江苏省自然科学基金资助(BK2001093 ; BK2004035) 作者简介:裘兆蓉(1945 - ) ,女,浙江嵊州崇仁人,教授,院学术带头人,硕士、博士生导师。 它在高温区的停留时间相应较短。故该塔型既适于 多组分物系中轻组分为热敏物系的分离,又适于重 组分为热敏物系的分离,同时还适于挥发度居中的 热敏物系的分离。 DWC所采出的中间产品的纯度比普通精馏塔 侧线出料的纯度大,因此,当希望得到高纯度的中 间产品时,应先考虑使用DWC。
7、 若分离A、B和C 3个组分,且相对挥发度依 次递增时,进料混合物中组分B的量最多时,采 用DWC的分离效果将最好,且能耗最小。采用 DWC具有的节能优势最明显。 由于采用DWC时,分离3组分混合物是在1 个塔内完成的,故整个分离过程的压力不能改变。 当需要改变压力时,只能用常规的双塔精馏流程。 2 DWC的关键技术 211 分隔壁的位置 在DWC中分离3组分混合物时,在精馏塔中 设置1块垂直的隔板-分隔壁,分隔壁的长度、放 置的位置及离精馏塔的上、下部的距离都会影响此 塔的分离效果。 分离3组分混合物时,若将分隔壁向精馏塔的 底部延长,则可有效的阻止轻组分从分隔壁下部进 入该塔的中间出料一侧
8、,但中间组分从下端进入中 间出料一侧也变得困难起来。这样会使更多的中间 组分从分隔壁的上端进入中间出料一侧或者需要增 加塔的下部(分隔壁下部的提馏段)的分离能力来 分离中间组分和重组分。同样的,若将分隔壁向精 馏塔的上部延伸,阻止了重组分从分隔壁的上端进 入中间出料一则,但同时也增加了中间组分从上端 进入中间出料一侧的困难。 212 经过分隔壁两边的汽液相流量分配 采用DWC分离3组分混合物时,从塔底上升 的蒸汽在分隔壁两侧分为两部分,若蒸汽在分隔壁 的两侧分配量不相等时,根据进料及中间出料情 况,在某种情况下具有热力学优势。要想使分隔壁 两侧的汽相流量不相等,一般有两种方法: 分隔 壁不放置
9、在塔的中间; 通过内部设置使分隔壁一 侧的压降大于另一侧。控制分隔壁两侧的汽相流量 主要通过两侧的压降完成的,要使两边的压降不同 可以通过设计一些特殊可控制大小的节气阀来实 现,或者使分隔壁两侧的结构不同9。不管采用 哪种方法都需要非常精确的压降关联式。 分隔壁两侧的液体流量分布成为此类塔设计及 优化操作的一个关健。一般在分隔壁的上方可设计 一个流量分配器来控制液体流量;在分隔壁的下方 可设计一个流量分配器来控制气体流量使进入隔板 两侧的流量不同,从而达到所需的中间产品、塔顶 及塔釜的分离要求。 3 国外的应用与研究 311 国外的现状 Eric W. Luster于1933年因裂解气分离已提
10、出 DWC的概念,并报有美国专利US 191568110。 国外的DWC研究自能源危机后开始活跃。在 能源危机前的科技条件下,由于两个精馏塔的控制 条件被并到了1个DWC中,塔的控制条件增加 了,控制回路增加及机械加工等问题, DWC无法 实现大生产。现在科技已高度发达。DWC回路控 制及机械加工已不成为问题。但精馏的节能却成为 相当严重的问题。故而,国外的DWC研究自能源 危机后益越活跃。 1985年以来, BASF公司、Kellogg公司、Ky2 owa Yuka公司、Sumitomo重工等几大公司已开始 使用DWC。世界上已有40座以上DWC进行了商 业运行。大部分属于德国的BASF公司
11、。主要用于 分离中间产物含量高的3元混合物。Kellogg公司 也和BP公司合作设计建造DWC11。其中一座用 于改进一条原先间歇操作的烷基重整流程,中间产 物为航空汽油,塔顶产物和塔釜产物返回汽油贮 槽。改进后塔的操作能力增加了一倍,中间产物的 产量比原先简单的中间采出流程增加了50 %。 Sumitomo重工设计了至少6座DWC11,其中和 Kyowa Yuka公司合作开发了乙酸乙酯的装置,乙 酸乙酯为中间产物,其纯度可达99199 % ,塔顶为 低沸点的不纯物如乙醛等,塔底为高沸点的不纯物 如巴豆醛等。Sumitomo重工认为:采用了单塔流 程后除了减小了设备体积,还节约了30 %40
12、% 的设备费用和能量。Linde AG公司刚为南非的 Sosol公司建造了世界上最大的分隔壁式精馏 塔12,塔高107 m ,直径5 m。Krupp公司为Ve2 ba Oel公司设计的塔能将苯从热解汽油中分离出 来。另一个相似的塔是为Cherron公司设计的,不 久将投入生产。当然,以上的研究都报了专利。 国外除了已工业化的应用DWC外,对DWC 95裘兆蓉等 1 国内外分隔壁精馏塔现状与发展趋势 w w w . b z f x w . c o m 的结构也进行了广泛的研究。现在的DWC设备已 从一开始将隔板焊在塔上发展到可移动的隔板,对 大直径的塔,垂直隔板可变为特殊设计的易于安装 的人孔大
13、小的部件。还有适用于特殊需要的偏离中 心位置的垂直隔板。对塔的安装方式、塔板放置位 置及角度等方面都有专利报道1317。 采用DWC分离各类物系的研究也在不断深 入1825, UOP公司设计分隔壁式精馏塔已应用 于新的UOP合成直链烷基苯的路线中,节约了该 过程中分离部分9 %的能量。Kellogg公司开发了 抽提蒸馏与分隔壁式塔器技术相结合的工艺,从重 整生成油或加氢热解汽油回收苯。它取消了汽提 塔。精馏、汽提和溶剂回收均在一座分隔壁式精馏 塔中进行。投资比常规抽提蒸馏装置节减20 %。 此外,还可采用分隔壁式精馏塔从C4馏分中分离 提纯1 , 3 -丁二烯、从C5以上的馏分中提纯含量 较高
14、的C6C8组分。此外,国外的DWC还用于 四氢呋喃、丁酮与丁二醇、丙烯与丁烯、丙烯与己 烯、环戊烷、环戊烯等物质合成过程的分离。在 US 6540907中, Towler等人还提出了FCC的石脑 油用DWC直接脱硫工艺。 就像催化精馏一样,不同的物料,不同的工艺 都可以申报专利。采用DWC分离各类物系,不同 的工艺等也都可以申报专利。经我们查阅得: 1976 2001年内,已公开的DWC美国专利仅有33篇; 而20012004年半中已申请的DWC美国专利就 已有31篇;其中近一年中申请的美国专利就占21 篇。发展势头很像当年的催化精镏, DWC的应用 面将越来越广。 312 国内的现状 国内仅
15、发现德国、瑞典、日本在中国申报隔离 壁精馏塔的专利4篇,其中2篇为应用发明专利, 另2篇是结构的发明专利。其中联邦德国莱沃库森 的拜尔公司的B 布拉迪等人于2004 - 01 - 14公开 的CN 1467202 ,引入了隔离壁精馏塔的提纯甲苯 二异氰酸酯混合物的方法,该专利自申请到公开仅 半年,是抢报的。联邦德国的希尔斯股份公司的H D 达尔等人发明了分隔壁塔分离对苯二甲酸二甲 酯(DMT)的工艺(CN 1169421 , 1998 - 01 - 07) 。另外,联邦德国巴斯福股份公司的G 卡贝尔 等人公开的CN 1177513 ,用于多组分混合物连续 分馏的分壁式蒸馏塔,是一种利用蒸馏将一
16、混合物 分离成3种或更多种组分的分壁式蒸馏塔。 曾有国外工程公司到扬子石油化工股份有限公 司等处推销过DWC产品。 到目前为止,在国内尚未发现DWC研究机构 和应用单位,也没发现DWC的研究文章。我国在 石油化工及天然气化工领域的能耗比国外大,占石 油化工及天然气化工能耗70 %80 %的老式精馏 操作是有过度耗能之嫌的。在扩大精馏生产或投资 新厂时应考虑应用DWC。 4 DWC的研究方向 411 基础研究 DWC的基础研究有以下几点:DWC的调节 与控制;DWC的设备加工基础研究;DWC计 算方法。 412 DWC的应用研究 凡分离3组分以上液体混合物时,都可考虑使 用DWC。 因此DWC应
17、用的系统很多。例如用在甲醇生 产中,采用合成氨联产甲醇技术降低生产成本,调 整产品结构。联醇生产的精馏大多采用主双塔精馏 流程。通过预精馏塔脱除轻馏分杂质,通过主精馏 塔脱除重馏分杂质,在主精馏塔顶部得到甲醇产 品。该流程的双精馏塔若为隔离壁精馏塔同样可以 实现分离要求,可通过计算或调节确定控制条件或 进出料位置,从侧线分离出甲醇产品,塔顶脱除轻 组分,塔釜脱除重组分。这样既可以节省投资成本 又可以节省能耗、简化流程。除此以外, DWC还 可望在以下领域内应用:环丁砜萃取法分离芳烃、 混合二甲苯分离制邻二甲苯生产流程、丙烯一步氧 化法制丙酮生产流程、直接法合成苯基氯硅烷生产 流程及其2 , 6
18、二甲基苯酚等生产流程中的分离部 分流程等等。 一旦采用隔离壁精馏塔分离技术,将会使分离 成本能耗得到明显降低,给化工生产分离带来新的 革命。 5 结束语 近几年来,国外对DWC技术的研究和应用都 十分重视。美国、德国、日本、英国等都有专门的 研究机构。而我国在这方面还没有进行研究,加快 这一技术的开发和工业化步伐,有自己的知识产 权,是推进我国炼油、石化及化工行业的一项重要 06江 苏 工 业 学 院 学 报 2005年 w w w . b z f x w . c o m 内容。 总之, DWC技术是具有独特作用的精馏。它 在化学工业中的应用越来越广泛,将取得的成果逐 步加以推广,必将创造极大
19、的经济效益。 参考文献: 1方志平 1 催化精馏技术在石油化工中的应用J 1 石油化工 J , 2004 , 33 (2) : 170 - 1761 2叶青,王车礼,裘兆蓉 1 精馏-熔融结晶耦合工艺J 1 江 苏石油化工学院学报, 2000 , 12 (3) : 46 - 491 3刘兴高,钱积新 1 内部热耦合精馏塔的初步设计(I)模型化 和操作分析J 1 化工学报, 2000 , 51 (3) : 421 - 4241 4 Abdul Mutalib M I , Smith R. Operation and Control of Dividing Wall Columns J .Tran
20、s Inst Chem Eng , Part A , Chem Eng Res Des , 1998 , 76 : 308 - 334. 5 Agrawal R.Multicomponent Distillation Columns with Partition and Multiple Reboilers and Condensers J .Ind Eng Chem Res , 2001 , 40 : 4 258 - 4 266. 6 Lestak F , Collins C. Advanced Distillation Saves Energy and Cap2 ital J . Chem
21、 Eng , 1997 , 104 (7) : 72 - 761 7 Michael A , Schultz , Douglas G Stewart.Reduce Costs with Di2 viding - Wall Columns J . CEP , 2002 , (5) : 64 - 711 8 Parkinson G.The Divide in Distillation J . Chem Eng , 1999 , 106 (4) : 32 - 351 9 Becker H.Partitioned Distillation Columns - Why , When , and How
22、J . Chem Eng , 2001 , 108 (1) : 68 - 741 10 Eric W Luster.Apparatus for Practionating Cracked Products P. US: 1915681 , 1933 - 06 - 271 11 Parkinson G. Drip and Drop in Column Internals J .Chem Eng , 2000 , 107 (7) : 27 - 311 12 Kaibel , Gerd , Stroezel. Dividing Wall Column for Continuous Fractiona
23、tion of Multicomponent Mixtures by Distillation P . US: 5914012 , 1999 - 06 - 221 13 Rust Harald , Kaibel , Gerd. Dividing Wall Column P.US: 20010052453 , 2001 - 12 - 201 14 Deibele Ludwig , Heinz Dieter.Process for the Mild Distillative Separation of Mixtures P.US: 20040020757 , 2004 - 02 - 051 15
24、Harris James W , Van Zile Charles P.Dividing Wall Column Control System P. US: 6551465 , 2003 - 04 - 221 16 Steacy Paul.Dividing Wall Column Fractionation Tray P . US: 6645350 , 2003 - 11 - 111 17 Meyer Gerald ,Kaibel Gerd , et al.Method and Device for Treating a c4 Fraction P.US: 20030181772 , 2003
25、 - 09 - 251 18 Muller Dirk , Wagner Paul.Preparation of trimethylolpropane P. US: 20030139631 , 2003 - 07 - 241 19 Bohner Gerd , Indler Klaus. Method and Device for Obtaining 1 , 3 Pure Butadiene from 1 , 3 Raw Butadiene by Distillation P. US: 20040045804 , 2004 - 03 - 111 20 Gall Martin , Kaibel Ge
26、rd , Krug Thomas.Method and Device for the Distillative Processing of 1 , 6 - Hexandiol , 1 , 5 - Penta2 diol and Caprolactone P. US: 20040040829 , 2004 - 03 - 041 21 Kaibel Gerd , Oost Carsten. Method and Device for Carrying Out the Distillative Separation of c5 + Cuts P. US: 20040011706 , 2004 - 0
27、1 - 221 22 Towler Gavin P , Schultz Michael A.Fractionation for Full Boil2 ing RangeGasoline Desulfurization P .US: 20030116474 , 2003 - 06 - 261 23 Schwab Peter , Breitscheidel Boris.Preparation of Propene and , if desired , 1 - butene P.US: 20020197190 , 2002 - 12 - 261 24 Kaibel Gerd , Weck Alexa
28、nder.Method for Distillative Separa2 tion of MixturesContaining Tetrahydrofuran ,g (g)- Butyro2 lactone and/or 1 , 4 - Butanediol P .US: 20030106786 , 2003 - 06 - 121 25 Ansmann Andreas , Henkelmann.Preparation of Higher Alpha , Beta - Unsaturated Alcohols P.US: 20020183565 , 2002 - 12 - 051 Status
29、and Development Trends of Dividing Wall Column at Home and Abroad QIU Zhao - rong1, YE Qing1, LI Cheng - yi2 (1. Department of Chemical Engineering , Jiangsu Polytechnic University , Changzhou 213016 , China ; 2. Yangzi Petrochemical Co. Ltd. , Nangjin 210048) Abstract : The dividing wall column (DW
30、C) has been in use in the production of the chemical industry for the last 20 years. DWC is now considered to bean accepted technology (some 40 columns in operation at BASF) and is expected to grow steadily in the number and variety of applications in industrial practice.Investment costs are cut by
31、30 % , operating costs by around 30 %.More then 33 patents in America and more then 5 patents in China were obtained in the Petrochemical Field.The principle , structure , energy - saving and key technology of DWC are reviewed.The applications and the possible applications areas of the DWC are intro2 duced and the future of applications prospect of the DWC is presented. Key words : dividing wall column ; key technology; application prospect 16裘兆蓉等 1 国内外分隔壁精馏塔现状与发展趋势