[发明专利]隔板式精馏塔的气体分配结构及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种化学工程中隔板精馏塔隔板两侧气体流量分配和控制系统，尤其涉及一种气液传质用的高操作弹性、稳健型气流分配和流量控制方法。

背景技术

工业上精馏工艺过程是高耗能的操作单元，因而世界各个国家的工程师和研究人员都在研究多组分物系如何低成本、低能耗分离的问题，广泛而深入地探究了各种不同工艺、设备和操作模式，特别是以隔板精馏为代表的热耦合精馏，成功实现了众多工业化装置，1985年以来，BASF公司、UOP公司、Kohn-Glitch公司、Linde公司、Kellogg公司、Kyowa Yuka公司、Sunitomo重工等公司已经开始使用隔板式精馏塔，主要的应用领域包括三组分分离、多组分分离、反应精馏、萃取精馏、共沸精馏等。由于隔板式精馏塔对于多组分分离和特殊精馏具有低能耗、低投资的巨大经济优势，经济效益十分显著，引起世界各国专业技术人员和学者的广泛关注。

隔板式精馏塔由于其结构和工艺的复杂性，产生了更多的操作自由度，节能和获取高纯度的产品并非易事，需要系统内部变量的可控性更强，致使隔板式精馏塔隔的控制问题成为了阻碍其工业应用的一个主要因素，特别是将进入隔板塔底部的上升气体在隔板两侧进行分配，这个分配值影响精馏过程中的产品纯度和能耗，适当的气体分配值不仅可以降低隔板塔的能耗，还可以大幅度地提高精馏产品的纯度，两侧的气流流量如何分配及有效控制问题成为业界关注的焦点。相对于普通的精馏塔，隔板式精馏塔需要同时调节隔板上端下降到隔板两侧的液体和塔底上升到隔板两侧的气体。由于气体在隔板两侧分配调节涉及复杂的水力学计算、操作参数的动态模拟、气液两相流场的分析等一系列计算过程，因而，隔板两侧气体的分配调控存在非常高的难度。

目前，普遍采用气体在隔板两侧自由分配的方式，自由分配的比值是由隔板塔内部构件(如填料高度、塔板层数、流动通道面积等)和塔内的操作工况决定的，塔底的上升气体将遵循左右两侧压降相等的规律自动地分配到隔板两侧。由于进料组成和状态的变化以及液体的分配比例等都会成为影响气体分配的重要因素，因而在隔板两侧自动分配的气体流量比值常常不能达到隔板塔最优的操作状况。

气体分配调控的另外一种方案是设计特殊的内构件来改变隔板两侧压降构成来调节气相分配的目的，或者是将隔壁偏心放置。例如，在隔板的底部安装一块可以移动位置的挡板，通过该挡板的位置变化来改变隔板两侧的流通面积，从而改变气相分配比，利用内构件或将隔壁偏心放置来改变隔板两侧压降，不但其操作弹性较小、灵敏度低，而且由于挡板移动导致的机械磨损，使得设备不能长周期稳定运行。

2012年3月5日公布的PCT/US2011/056079专利文献中公开了一种隔板分馏塔及其气液流量控制方法，如图1所示，该隔板分馏塔包括塔身100、气相收集及分配结构200和液相采集及分配结构300，其中，气相收集及分配主要是通过塔外带有调节阀56a、56b和流量计58a、58b的旁路气相管道54a、54b，结合自动控制实现气体的分配与控制。该技术方案主要缺陷在于：首先，由于气相引出和气相再次进入塔内均需要在塔内设置气相再分布装置，所以增加了塔高和内件的复杂程度；其次，对于生产处理能力较大的隔板塔，旁路气相管道54a、54b的直径会很大，相关部件安装和检修不方便；再次，对于带有调节阀56a、56b和流量计58a、58b的旁路气相管道54a、54b，不仅增加了塔高，气体流动压降的特性也将变得十分复杂，压降过大会导致隔板120下面的降液管48液泛，系统将不能正常工作；最后，调节阀56a、56b的尺寸随着装置规模而变化，投资将变得十分昂贵，更为重要的是，现有技术中的阀门类型里，几乎没有一种阀门可以在较低阻力降范围内灵敏和准确地调控气相流量。