[发明专利]一种内部热耦合蒸馏塔的塔器及其控制工艺

说明书

技术领域

本发明是一种内部热耦合蒸馏塔的塔器及其控制工艺。

背景技术

内部热耦合蒸馏塔的研究始于上世纪70年代末，主要目的是根据热力学第二定律解决混合物分离操作的高耗能性这一长期困扰人们的难题。虽然在理论上早已证明，借助于精馏段与提馏段之间的热耦合作用可以使得内部热耦合蒸馏塔具有非常高的热力学效率，例如外部回流比和外部回热比均可以为零(即打破了最小回流比和最小回热比的限制)，但由于这种热耦合作用难以在蒸馏塔的设计中实现，故这种高效的内部热耦合蒸馏塔至今也没有在化工过程中得到应用。英国在2005提出了一种塔板内部传热式内部热耦合蒸馏塔。日本在这一问题作过多年的尝试，从1995年至2007年先后开发了同心圆柱式和多同心圆柱捆绑式内部热耦合蒸馏塔。虽然后者在日本丸善石化株式会社内应用获得成功，但因为其结构异常复杂且造价昂贵，很难在实际过程中加以应用和推广。欧盟在2005年开发了一种热交换屏(Heat transfer panel：HTP)式内部热耦合蒸馏塔，并试图在石油化学工业中进行应用，但至今没有确定性的进展。概括地讲，以上四种内部热耦合蒸馏塔的塔器具有下述特点。

1.塔板内部传热式内部热耦合蒸馏塔。虽然概念非常新颖，但却难以保证足够的传热面积。

2.HTP式内部热耦合蒸馏塔。比塔板内部传热结构有着较大的传热面积，但仍然难以满足分离操作的需要。

3.同心圆柱式内部热耦合蒸馏塔。结构较为简单，但仍难以保证足够的传热面积。

4.多同心圆柱捆绑式内部热耦合蒸馏塔。虽然比同心圆柱传热结构具有更大的传热面积，但其结构却非常复杂且造价昂贵，难以在实际过程中得到应用和推广。

发明内容

针对内部热耦合蒸馏塔在化工过程中难以实现这一问题，本发明提供一种新型的内部热耦合蒸馏塔的塔器，它仅利用三个外部热交换器近似精馏段与提馏段之间的热耦合作用，既巧妙地回避了内部热耦合结构难以实现这一问题，又保证了内部热耦合蒸馏塔具有很高的热力学效率。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：本发明包括通过管道相互连接的精馏段、提馏段、预处理器、压缩机和节流阀。所述的预处理器为预热器或预冷器。进料的预处理器与提馏段的第一块塔板相连，提馏段塔顶通过压缩机与精馏段底部相连，精馏段底部通过节流阀与提馏段的顶部相连。本发明在精馏段与提馏段之间仅利用三个外部换热器实现蒸馏塔的精馏段与提馏段之间的热耦合，三个换热器分别是顶部换热器、中部换热器和底部换热器。

所述三个外部换热器的有以下两种连接方式：

连接方式1：用3个外部换热器来实现精馏段和提馏段之间的热耦合，3个外部换热器分别安装在精馏段和提馏段的顶部、中部和底部。其中顶部换热器安装在精馏段的第一块塔板和提馏段的第一块塔板之间；中部换热器安装在精馏段的中部和提馏段的中部之间，其具体的位置需要根据具体的分离物系及分离要求来确定，以实现最大幅度的节能；底部换热器安装在精馏段的最后一块塔板和提馏段的最后一块塔板之间。

连接方式2：用3个外部换热器来实现精馏段和提馏段之间的热耦合，3个外部换热器分别安装在精馏段和提馏段的顶部、中部和底部。其中顶部换热器安装在精馏段的顶部出料和提馏段的第一块塔板之间；中部换热器安装在精馏段的顶部出料和提馏段的中部塔板之间，其安装在提馏段的具体位置需要根据具体的分离物系及分离要求来确定，以实现最大幅度的节能；底部换热器安装在压缩机的出料管道和提馏段的最后一块塔板之间。

蒸馏塔的精馏段塔顶和提馏段塔底的产品浓度可以分别采用蒸馏塔的塔顶出料流量和进料的预处理器的作动媒体的流量作为操作变量进行控制，并采用精馏段内两块塔板之间的温差和提馏段的灵敏板的温度作为被控变量，其中所述精馏段的两块特定塔板中，第一块为靠近精馏段底部的灵敏板，第二块为精馏段顶部的第1～第3块塔板中的任一块；精馏段和提馏段的灵敏板可以根据奇异值分解法(SVD)找到；

当蒸馏塔塔顶产品浓度未达到指标时，减小塔顶出料流量使精馏段内两块特定塔板之间的温差减小从而提升塔顶产品(轻组分)浓度至要求的指标；

当蒸馏塔塔顶产品浓度超过指标时，增大塔顶出料流量使精馏段内两块特定塔板之间的温差增大从而降低塔顶产品浓度至要求的指标；

当蒸馏塔塔底产品浓度未达到指标时，调整预处理器的作动媒体的流量(当预处理器为预热器时增大作动媒体的流量，当预处理器为预冷器时减小作动媒体的流量)使提馏段的灵敏板的温度上升从而使塔底产品浓度增大至要求的指标；