CN113209657B

CN113209657B - 抑制四元级联副反应的双隔壁反应塔及其工艺

Info

Publication number: CN113209657B
Application number: CN202110501779.5A
Authority: CN
Inventors: 陈鼎; 黄克谨; 陈海胜; 苑杨; 钱行
Original assignee: Beijing University of Chemical Technology
Current assignee: Beijing University of Chemical Technology
Priority date: 2021-05-08
Filing date: 2021-05-08
Publication date: 2022-06-21
Anticipated expiration: 2041-05-08
Also published as: CN113209657A

Abstract

本发明公开了抑制四元级联副反应的双隔壁反应塔及其工艺，对于反应类型为主反应为

副反应为

的四元级联反应体系进行反应和分离，其中反应物A和B分别是最轻和较重的组分，主产物C和副产物D是较轻和最重的组分，应用双隔壁反应塔对其进行反应和分离。该工艺将传统反应精馏塔序列的一个反应精馏塔与两个常规精馏塔集成在一个塔中，并用两个隔板将塔分割为七分部分，将各部分之间的物质能量充分耦合。利用本发明可以在获得高纯度主产物的同时，极大提高选择性，有效的避免了返混现象的发生，从而减小了操作能耗，节约大量塔器，从而减小了设备费用，具有很高的经济性能。

Description

抑制四元级联副反应的双隔壁反应塔及其工艺

技术领域

本发明属于化学反应与分离技术领域，尤其涉及一种使用双隔壁反应塔对四元级联副反应物系进行反应和分离的工艺。

背景技术

作为一种经典节能技术，反应精馏塔将反应操作与蒸馏操作有机结合，将反应和分离过程变的连续，推动了反应的平衡向右移动，并充分利用两种过程的热量与物质耦合，提高反应体系的反应速率转化率，节省了大量的反应能耗和设备投资，但是在具体应用时却受到到体系内各组分挥发度排序的限制。对于包含四种组分的反应体系，中国台湾的余政清等人根据其体系内物质挥发度排序，将其分为六种类型。一是产物为最轻和最重，反应物居于两者之间；二是反应物为最轻和较轻，产物为较重和最重；三是反应为较重和最重，产物为较轻和最轻；四是反应物为最轻和较重，产物为较轻和最重；五是反应物为较轻和最重，产物为最轻和较重；六是反应物为最轻和最重，产物居于两者之间。当反应精馏塔用于第四种带副反应的反应类型且主反应的产物处于较轻位置、副产物处于最重位置时，余政清等人给出一种常规反应精馏塔的工艺，将反应段安排在反应精馏塔下半部分，最轻的反应物从塔底进料，较重的反应物从塔顶进料，且将塔底出料全部再沸回流，反应物从塔顶采出。这种结构由于塔顶是唯一的出口，且轻质反应物的挥发度高于较轻主产物，因此主产物的采出会带出部分未反应完全的轻质产物以及少量的副产物，从而降低产物的纯度。为了得到高纯度的产物，余政清等人通过在单塔内一系列加压加热的手段虽然达到了反应与分离的得到高纯度产物的目的但是该过程的能耗极为高昂，降低了反应精馏塔的经济性能，显然不能作为一种常规手段用于对上述缺陷的改进。常规的解决方式需要在其后接两个常规蒸馏塔组成的传统反应精馏塔序列才能得到高质量的产物，并利用外部环流将未反应物以及副反应产物回流至反应精馏塔，这种解决方式带来了两大问题：一是多塔结构带来了能耗和设备投资增加，二是在常规精馏塔内存在着物质的返混现象进一步造成额外的能量消耗。这两点严重降低了使用反应精馏塔的经济性能。传统反应精馏塔序列的多塔体系之间存在着较大的物质与能量耦合的可能性。

发明内容

本发明为了使得反应精馏塔在得到高纯度主产物的同时尽可能的提升该过程的的经济性能，基于对传统反应精馏塔序列的改进，给出了一种双隔壁反应精馏塔结构及其工艺，他将一个反应精馏塔和两个常规精馏塔集约在一个塔内，并用两个隔板分隔来，增强了各部分之间的物质和能量耦合，提高系统的转化率、选择性，节约能耗和以及减少设备投资。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

抑制四元级联副反应的双隔壁反应塔，对于反应类型为主反应为

副反应为

的四元级联反应体系进行反应和分离，其中反应物A和B分别是最轻和较重的组分，主产物C和副产物D是较轻和最重的组分，应用双隔壁反应精馏塔对其进行反应和分离。双隔壁反应精馏塔是一个单塔结构，单塔的内部竖直放置两块平行交错的隔板，第一块隔板在单塔内的左半部分并连接塔底，第二块隔板在单塔内的右半部分的中间区域放置。第一块隔板的上端位置高于第二块隔板下端位置。塔体被两块隔板分为七个部分：反应区、分离区、预精馏区、预提馏区、公共精馏区、公共提馏区和侧线采出区。

每块隔板左右两侧的板数都一致。

反应区的下半部分的每块塔板放置催化剂，构成反应段。

塔内的每块隔离壁上方都有一个液相分离器。

塔的外部装备两个再沸器、一个冷凝器以及三个缓冲罐。反应区下方经过第一个缓冲罐用管道连接反应区的底部与第一个再沸器，第一个再沸器再通过一条管道连接至反应区的底部。公共提馏区下方经过第二个缓冲罐用管道连接公共提馏区的底部与第二个再沸器，第二个再沸器通过一条管道连接至公共提馏区的底部，再引出另一条管道连接至反应区反应段的上部，构成外部环流。

公共精馏区上方经过第三个缓冲罐用管道连接公共精馏区的顶部与冷凝器。冷凝器再通过管道连接至公共精馏区的顶部，再引出另一条管道连接至反应区底部的第一个缓冲罐，构成外部环流。

由于两种反应物的挥发度不同，反应物A由于挥发度最高进入蒸馏塔后将成为汽相上升再塔顶聚集，反应物B挥发度较低进入塔内将成为液相下降，为了使两种反应物充分接触，最轻反应物A从反应区底部的第一缓冲罐进料，较重反应物B从反应区反应段的上部进料。在反应段充分接触后生成较轻主产物C与最重的副产物D，与未反应完全的反应物A和反应物B四种物质的部分进入汽相后上升，最轻的反应物A和部分的主产物C 继续上升进入预精馏区，其余的物质进入液相下降进入预提馏区。进入预精馏区的反应物A和主产物C到达顶部之后，反应物A继续上升从塔顶采出，经过外部环流至与反应物A的进料物流合并进料。主产物C则下降进入侧线采出区。进入预提馏区的反应物B、副产物D和部分的主产物C到达底部之后，BD继续下降从塔底采出，经过外部环流至反应物B的进料物流合并进料。剩余的主产物C则成为上升蒸汽进入侧线采出区。上下两股主产物C物流在侧线采出区汇聚并在最大浓度处采出得到高纯度的主产物C。

以上技术方案可以获得有以下的收益效果：

本发明双隔壁反应精馏塔结构的反应工艺，与传统反应精馏塔序列结构的反应工艺相比，将三个塔器集约在单塔内，减少了一个再沸器和两个冷凝器，节约了大量的设备投资；最大程度的将各部分之间的物质和能量耦合起来，而且避免了返混现象的发生，从而减小了操作能耗；副产物的外部回流至反应段，可以抑制副反应的进行，从而提高体系的选择性。综合以上，双隔壁反应精馏塔结构的反应工艺在得到高纯度主产物的同时，提升了该过程的的经济性能。

附图说明

图1为传统反应精馏塔序列结构反应分离过程的的示意图；

图1中为I传统反应精馏塔；II为第一个常规蒸馏塔；III为第二个常规精馏塔。

图2为本发明双隔壁反应精馏塔的反应工艺的的示意图：

图2中1为反应区；2为分离区；3为预精馏区；4为预提馏区；5为公共精馏区；6为公共提馏区；7为侧线采出区；8为第一个缓冲罐；9为第二个缓冲罐；10为第三个缓冲罐；11为第一个再沸器；12为第二个再沸器；13为冷凝器；14为第一块隔板；15为第二块隔板。

具体实施方式

本发明的一个中心思想在于提供一种新颖且实用的双隔壁反应精馏塔的结构及其工艺。

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰明白，以下结合具体的实施例子，并参照附图，对本发明做进一步的详细说明。

实例：利用本发明的双隔壁反应精馏塔结构对主反应为

副反应为

的理想反应物系进行反应和分离。

初始条件为反应物A与B的进料流量都为12.6mol/s，在塔其内进行反应和分离的过程，对工艺的要求为主产物的纯度为95％，且四种物质的相对挥发度为A：C：B：D＝8：4：2：1。相同的条件与要求下与常规反应精馏塔序列进行对比。

图1为使用常规反应精馏塔序列经济性能最优的工艺，该结构中三个塔的的板数分别为29块、30块、19块，塔径分别为2.672m、1.325m和 1.099m。反应段为塔I的第9～29段。反应物A从塔I的底部进料，反应物B从塔I的第9块塔板进料。两股进料流量都为12.6mol/s。常规精馏塔的塔顶压力都为2bar，压降为0.0068bar。

A与B在塔I内经过充分接触并反应后生成较轻的主产物C与最重的副产物D，将产物C和D以及部分未反应的反应物A和B从塔顶采出进入后续的常规塔进行分离，较重反应物B和最重的副产物D从塔II的底部采出，经过外部环流从C1的第9块板进料，继续参与反应以及抑制副反应。最轻的反应物A从塔III的塔顶采出，经过外部环流至塔I的塔底进料，继续参与反应。最后从塔III的塔底采出95％的较轻主产物C。

三座塔的回流比分别为4.61、0.76、11.42，再沸器功率分别为5360.46kw、1401.95kw、742.74kw，总的能量费用为1533.57$/年，设备费用为1618.44$/ 年，总TAC为3152.01$/年。

图2为使用双隔壁反应精馏塔经济性能最优的工艺，该结构为单塔结构，塔器被两块隔板分割为7部分。每块隔板左右两侧的塔板数相同。反应区1总板数为20；分离区2总板数为9；预精馏区3总板数为5；预提馏区4总板数为19；公共精馏区5总板数为9；公共提馏区6总板数为10；侧线采出区7总板数为26。隔板14的液相分离比为0.76，隔板15的液相分离比为0.79。最轻反应物A从反应区1的底部进料，较重反应物B从反应区1的顶部进料。两股进料流量都为12.6mol/s。塔顶压力为2bar，压降为0.0068bar。

A与B在反应区充分接触后生成较轻主产物C与最重的副产物D，与未反应完全的A和B四种物质的部分进入汽相后上升，最轻的A和部分的C继续上升进入预精馏区3，其余的物质进入液相下降进入预提馏区4。进入预精馏区3的A和C到达顶部之后，A继续上升经过公共精馏区5 从塔顶采出，经过外部环流至与A的进料物流合并进料。C则下降进入侧线采出区7。进入预提馏区4的B、D和部分的C到达底部之后，BD继续下降经过公共提留区6从塔底采出，经过外部环流至B的进料物流合并进料。剩余的C则成为上升蒸汽进入侧线采出区7。上下两股C物流在侧线采出区7汇聚并在最大浓度处采出得到95％的主产物C。

该塔的回流比为12.885，再沸器功率分别为4388.32kw、943.76kw，总的能量费用为1089.30$/年，设备费用为1233.30$/年，总TAC为2322.59$/ 年。

相比传统的反应精馏塔序列工艺，使用双隔壁反应精馏塔的工艺节约了26.31％的TAC，其中包括28.97％的能量费用和23.77％的设备投资费用。

通过以上的例子对被发明的目的、技术方案和有益效果做了进一步的说明。

Claims

1.抑制四元级联副反应的双隔壁反应塔，其特征在于：该双隔壁反应塔是一个单塔结构，单塔的内部竖直放置两块平行交错的隔板，第一块隔板在单塔内的左半部分并连接塔底，第二块隔板在单塔内的右半部分的中间区域放置，其两端不与塔壳相连；第一块隔板的上端位置高于第二块隔板下端位置；塔体被两块隔板分为七个部分：反应区、分离区、预精馏区、预提馏区、公共精馏区、公共提馏区和侧线采出区；其中，反应区位于第一块隔板的左侧，两块隔板中间形成的重合区域即为预提馏区；第一块隔板的右侧、第二块隔板下部的公共区域为公共提馏区，第二块隔板的右侧为侧线采出区，第二块隔板的上部为公共精馏区；塔的外部装备两个再沸器、一个冷凝器以及三个缓冲罐；反应区下方经过第一个缓冲罐用管道连接第一个再沸器，第一个再沸器再通过一条管道连接至反应区的底部；公共提馏区下方经过第二个缓冲罐用管道连接第二个再沸器，第二个再沸器再通过一条管道连接至公共提馏区的底部，公共提馏区的下方再引出另一条管道连接至反应区的上部，构成外部环流I；

公共精馏区上方经过冷凝器用管道连接第三个缓冲罐，第三个缓冲罐再通过管道连接至公共精馏区的顶部，第三个缓冲罐再引出另一条管道连接至反应区底部的第一个缓冲罐，构成外部环流II。

2.根据权利要求1所述的抑制四元级联副反应的双隔壁反应塔，其特征在于：每块隔板左右两侧的板数都一致。

3.根据权利要求1所述的抑制四元级联副反应的双隔壁反应塔，其特征在于：反应区的下半部分的每块塔板放置催化剂，构成反应段。

4.根据权利要求1所述的抑制四元级联副反应的双隔壁反应塔，其特征在于：塔内的每块隔板上方都有一个液相分离器。

5.利用权利要求1-4任一所述抑制四元级联副反应的双隔壁反应塔进行的反应工艺，其特征在于：抑制四元级联副反应的双隔壁反应塔，对于反应类型为主反应为

的四元级联副反应体系进行反应和分离，其中反应物A和B分别是最轻和较重的组分，主产物C和副产物D是较轻和最重的组分，应用双隔壁反应塔对其进行反应和分离；由于两种反应物的挥发度不同，反应物A由于挥发度最高进入反应塔后将成为汽相上升在塔顶聚集，反应物B挥发度较低进入塔内将成为液相下降，为了使两种反应物充分接触，最轻反应物A从反应区底部的第一缓冲罐进料，较重反应物B从反应区的上部进料；在反应区充分接触后生成较轻主产物C与最重的副产物D，与未反应完全的反应物A和反应物B四种物质的一部分进入汽相后上升，最轻的反应物A和部分的主产物C继续上升进入预精馏区，其余的物质进入液相下降进入预提馏区；进入预精馏区的反应物A和主产物C到达顶部之后，反应物A继续上升从塔顶采出，经过外部环流II至与反应物A的进料物流合并进料；主产物C则下降进入侧线采出区；进入预提馏区的反应物B、副产物D和部分的主产物C到达底部之后，BD继续下降从塔底采出，经过外部环流I至反应物B的进料物流合并进料；剩余的主产物C则成为上升蒸汽进入侧线采出区；上下两股主产物C物流在侧线采出区汇聚并在最大浓度处采出得到高纯度的主产物C。