一种管壳式主动型气相分配器

技术领域

本发明专利涉及一种管壳式主动型气相分配器，属于石油、化工分离技术领域。

背景技术

精馏技术广泛应用于化工、医药、精细化工等行业，投资和能耗较高。精馏占到分离过程的90％以上，而热力学效率仅在5～20％的范围内。为了提高精馏效率，实现能源的可持续利用，深入探索和研究精馏技术对我国化工发展具有重要的意义。而隔壁塔作为一种新型的内部热耦合的精馏塔，对于三组分或者以上组分物系的分离具有低耗能低成本的潜力，传统的隔壁塔分为三个部分，底部是公共的提馏段，上部是公共的精馏段，中间部分为主塔和预分馏塔。传统的隔壁塔主塔和预分馏塔之间用隔板分为两个部分，隔板作为传热壁面，提高了精馏塔内部热量的利用率，提高了精馏的效率。

隔壁塔的应用前景广阔，但在设计时也存在局限性，隔壁塔的汽液相分配尤其是气相分配器的设计和控制是难点。隔壁塔气液相分配器的优化设计使得塔内汽液分配更加合理有效，有利于精馏过程节省能耗。目前，在工业应用和研究设计中，隔壁塔主塔和预分馏塔之间用隔板分为两个部分，全塔压力串通，该结构限制了其性能，汽液的分配过程依靠隔壁塔内部结构和全塔的压力自适应调节，气相的分配比较困难，分配比的范围窄而且不灵活，适应进料波动的调整周期较长，不利于压敏性物系的分离，减弱了隔壁塔工业应用中的节能和经济性。

CN108126366A公开了一种隔壁塔气体调节的装置及控制方法。该装置利用了科恩达原理，塔内的一股气体经风机输送后在凸型流道内运动，气体流速不同使得腔体内部形成负压区，公共提馏段的气体根据负压程度的不同进入主塔和预分馏塔进行调节。该装置在隔壁塔两侧布置了两台风机，增加了成本，此外风机的出口风量依靠风机的频率来调节，风机出入口有公共区，调整过程中对整个塔体的影响较大，稳定性较差，在调节过程中对风机的要求较高。

CN106823439A公开了一种隔壁塔气体调节的装置及控制方法。装置引用了科恩达原理，该发明利用流体流动形成的压力差来分配气相，经过公共提馏段的气体的分配与再分配的两次过程，对隔壁塔两侧的气相负荷进行调节，适应波动的调整周期较长，分配比的范围窄而且不灵活，气体分配比范围仅在0.5～1.0之间，工业应用受到限制。

发明内容

本发明的目的是解决现有公开的隔壁塔气相分配困难，气相负荷不易调控，调节范围小而且无法实现隔壁塔两侧压力的分程调控，传统板式隔壁塔换热面积有限，无法灵活调节换热面积等一系列问题，提供一种新型的管壳式主动型气相分配器。

本发明的技术方案：

一种管壳式主动型气相分配器，采用管壳式柱状同轴密封结构，通过外部法兰同轴安装在隔壁塔隔壁段和提馏段之间，壳程与主塔内部空间连通，管程与预分塔内部空间连通；

管壳式主动型气相分配器的管程和壳程具有板式塔结构，包括预分塔外塔盘、主塔内塔盘、固定管板、主塔气相分配管、预分塔气相分配管、外降液管、内降液管、预分塔液相分配管、管程气液相进出口、溢流堰、受液盘和液封槽；预分塔外塔盘固定于壳程顶部，与分配器的圆形内壁和预分塔气相分配管间密封焊接；主塔内塔盘焊接在分配器的圆形内壁面，位于分配器壳程空间中部；固定管板固定于壳程底部，与分配器的圆形内壁和预分塔气相分配管底端密封焊接；主塔气相分配管穿过内塔盘，固定于分配器内塔盘与底部固定挡板之间；预分塔气相分配管焊接在分配器外塔盘与底部固定挡板之间；外降液管与外塔盘、固定管板和分配器的圆形内壁焊接，与管程空间连通；内降液管与内塔盘、固定管板和分配器的圆形内壁焊接，与壳程空间连通；预分塔液相分配管与圆柱形外壁垂直焊接并与外降液管连通；液封槽位于外降液管底部并与圆柱形外壁垂直焊接；主动型气相分配器通过嵌套在内的主塔内塔盘、预分塔外塔盘和固定管板将其固定；

主动型气相分配器气相流动方式如下：塔底上升的气相分成两部分进入主动型气相分配器，一股经分配器入口进入到壳程主塔，从主塔气相分配管外侧圆孔进入到圆管内部，在分配管内上升至主塔分配器壳程出口进入主塔的气相入口；塔底另外一股气相经预分塔管程上升至预分塔分配管顶部，气体穿过管壁的圆孔上升至预分塔；

主动型气相分配器液相流动方式如下：分配器壳程液相入口与上一级主塔液体出口连接，液体溢流过进料挡板，液体在内塔盘上与壳程分配管的气相接触后，经过溢流堰进入到内降液管，经液相出口到达提馏段；分配器管程液相来自于上一级预分塔液体溢流管线，流体经受液盘后与管程分配管壁面圆孔逸出的气体接触，分配的液体通过液相分配管进入到分配器外降液管，经降液管底部经液封槽后到达提馏段。

主塔气相分配管在内塔盘以下侧面管壁开孔，内塔盘以上管壁未开孔，上部圆管端口敞开；

预分塔气相分配管外塔盘以上侧面管壁开孔，上部圆管端口封闭，外塔盘以下至底部固定管板的管壁未开孔。

该管壳式主动型气相分配器通过内外塔盘上的开孔率和主预分塔分配管的液位的协同作用来调节主预分塔的气相。

该管壳式主动型气相分配器壳程主塔的气相负荷通过液位来调节，液位通过壳程内塔盘上部与提馏段气相的压力差来串级调控；当气相负荷不变，分配器壳程内塔盘下部液位降低时，气相通过主塔气相分配管外侧圆形气孔进入到管束内部，经过主塔气相分配管束上升的气量较大，此时主塔气相分配侧的压差逐渐减小；当气相负荷不变，分配器壳程内塔盘下部液位升高时，气相通过主塔气相分配管外侧圆形气孔进入到管束内部，经过主塔气相分配管束上升的气量较少，此时主塔气相分配侧的压差逐渐增加。

该管壳式主动型气相分配器管程预分塔的气相负荷通过液位来调节，液位通过管程外塔盘汽液接触层上部与提馏段气相的压力差来串级调控；当气相负荷不变，分配器管程顶部外塔盘上部液位降低时，气相通过预分馏塔气相分配管内侧圆形气孔进入到管束外部，经过预分馏塔气相分配管束上升的气量较大，此时预分馏塔气相分配侧的压差逐渐减小；当气相负荷不变，分配器管程顶部外塔盘上部液位升高时，气相通过预分馏塔气相分配管内侧圆形气孔进入到管束外部，经过预分馏塔气相分配管束上升的气量较少，此时预分馏塔气相分配侧的压差逐渐增加。

所述的管壳式主动型气相分配器分配比为0.05～1，压力为0.05～2.5MPa，外径为100～5000mm。

本发明的有益效果：与传统的隔壁塔气相分配装置相比，该主动型气相分配器通过内外塔盘上的开孔率和主预分馏塔分配器分配管的液位的协同作用来调节主预分馏塔的气相负荷，增大了气相分配的均匀程度和气相分配比的调节范围，气体分配比的可调节区间为0.05～1。

附图说明

图1为本发明一种管壳式主动型气相分配器的装置的结构以及控制示意图；

图2(a)是本发明一种管壳式主动型气相分配器的装置外塔盘结构示意图；

图2(b)是本发明一种管壳式主动型气相分配器的装置内塔盘结构示意图；

图3(a)是本发明一种管壳式主动型气相分配器的装置管程气相分配管平面展开示意图；

图3(b)是本发明一种管壳式主动型气相分配器的装置壳程气相分配管平面展开示意图；

图1中，A-分配器预分馏塔溢流管；B-分配器预分馏塔外塔盘筛孔；C-壳程液体进料挡板；D-分配器主塔内塔盘筛孔；E-分配器上部法兰；F-壳程液体溢流堰；H-分配器主塔溢流管；I-分配器下部法兰；J-液封槽；V1-分配器主塔气体进口；V2-分配器主塔气体出口；L1-分配器主塔液体进料口；L2-分配器主塔液体出料口；L3-分配器预分馏塔分配管液体出口；L4-分配器预分馏塔分配管液体入口；G1-分配器预分馏塔分配管；G2-分配器主塔分配管；T1-分配器预分馏塔外塔盘；T2-分配器主塔内塔盘；

PI101-分配器预分馏塔压差指示表；PIC101-分配器预分馏塔压差控制表；PI102-分配器主塔压差指示表；PIC102-分配器主塔压差控制表；LI101-分配器预分馏塔液位指示表；LIC101-分配器预分馏塔液位控制表；LI102-分配器主塔液位指示表；LIC102-分配器主塔液位控制表。

图2(a)中，T1-1-分配器预分馏塔外塔盘降液管；T1-2-分配器预分馏塔外塔盘筛孔；T1-3-分配器预分馏塔外塔盘受液盘。

图2(b)中，T2-1-分配器内塔盘换热板；T2-2-分配器内塔盘主塔筛孔；T2-3-分配器内塔盘降液管；T2-4-分配器内塔盘预分馏塔筛孔。

图3(a)中，G1-1-分配器预分馏塔分配管圆孔；G1-2-分配器预分馏塔分配管上部开孔区；G1-3-分配器预分馏塔分配管未开孔区；G1-4-分配器预分馏塔分配管顶密封口。

图3(b)中，G2-1-分配器主塔分配开孔区；G2-2-分配器预分馏塔分配管上部未开孔区；G2-3-分配器主塔分配管圆孔。

具体实施方式

本发明的一种管壳式主动型气相分配器的装置适用于热集成管壳式隔壁塔的气相分配过程，下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案进行详细说明，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

一种管壳式主动型气相分配器系统，包括预分馏塔外塔盘、主塔内塔盘、受液盘、预分馏塔气相分配管、主塔气相分配管、主塔分配器液相分配管、预分馏塔分配器液相分配管、进料挡板、主塔分配器降液管、主塔气液管、液封槽等部分。

本发明的管壳式主动型气相分配器通过以下装置连接运行：分配器下端通过密封法兰I与隔壁塔公共提馏段同轴密封连接，塔底再沸器的气相经公共提馏段分成两部分，一股气相经入口V1进入到壳程主塔，从主塔气相分配管G2外侧圆孔进入到圆管内部，在分配管内上升至上端圆管出口处(G2分配管上部壁面未开孔)，与来自上一级塔节的液相在内塔盘T2上相互接触，通过主塔分配器壳程出口管线V2上升至上一级主塔的气相入口处。来自于公共提馏段的另外一股气相经预分馏塔管程分配器上升管G1至顶部，在外塔盘T1与上一级预分馏塔的液相接触，分配管G1顶部密封，气体穿过壁面的圆孔上升至上一级预分馏塔的管程。

本发明所述管壳式主动型气相分配器液相入口管线L1与上一级主塔液体出口管线连接，液体溢流过进料挡板C，液体在内塔盘G2上与壳程分配管G2的气相接触后，经过溢流堰F进入到溢流管，经分配器液体出口管线L2与下一级公共提馏段或者塔釜连接。

本发明所述管壳式主动型气相分配器外塔盘T1的液相来自于上一级预分馏塔液体溢流管线，流体经受液区T1-3后与管程分配管G2壁面圆孔逸出的气体接触，分配的液体通过液体分配管线L3与管线L4连接，进入到分配器降液管A，在降液管底部经液封槽J后至下一级公共提馏段或者塔釜，液封槽J形成密封结构，汽液之间不串压。

本发明所述的管壳式气相分配器系统的主动型调节，管程预分馏塔的气相负荷通过液位来调节，液位通过管程上部外塔盘汽液接触层上部与公共提馏段的气相压力差PIC101与液位控制LIC101串级调控。当气相负荷不变，分配器管程顶部外塔盘上部液位LI101降低时，气相通过预分馏塔气相分配管内侧圆形气孔进入到管束外部(管束顶部封闭)，经过预分馏塔气相分配管束上升的气量较大，此时预分馏塔气相分配侧的压差PI101逐渐减小；当气相负荷不变，分配器管程顶部外塔盘上部液位LI101升高时，气相通过预分馏塔气相分配管内侧圆形气孔进入到管束外部，经过预分馏塔气相分配管束上升的气量较少，此时预分馏塔气相分配侧的压差PI101逐渐增加。

本发明所述的管壳式气相分配器系统的主动型调节，壳程主塔的气相负荷通过液位来调节，液位通过壳程内塔盘上部与公共提馏段气相的压差控PIC102与液位控制LIC102串级来调控。当气相负荷不变，分配器壳程内塔盘下部液位LI102降低时，气相通过主塔气相分配管外侧圆形气孔进入到管束内部，经过主塔气相分配管束上升的气量较大，此时主塔气相分配侧的压差PI102逐渐减小；当气相负荷不变，分配器壳程内塔盘下部液位LI102升高时，气相通过主塔气相分配管外侧圆形气孔进入到管束内部，经过主塔气相分配管束上升的气量较少，此时主塔气相分配侧的压差PI102逐渐增加。

本发明所述的管壳式主动型气相分配器具有管壳式耦合结构，通过嵌套在内的内塔盘和外塔盘将其固定，分配器壳程和管程采用封闭式结构，内部之间不相互串压，分配器主预分馏塔侧气液相有各自的通道，壳程和管程降液管底部利用液封结构，避免了气相直接经降液管流通。分配器降液管形式可以是管式结构，也可以是管板式结构，固定的圆管或者长板成为传热壁面，增大了传热面积。主预分馏塔分配器内的管束可以是光滑的圆管或者波纹管，管束的数量可以由开孔率来调节，管束的壁面成为传热面，增大了管程和壳程的换热的面积，提高了换热的灵敏度。主预分馏塔分配器液相分配管的管壁气相通道包含多种样式，包含相同孔径的圆孔、不用孔径的圆孔、缝隙、其它形状或者组合形式的结构。该管壳式主动型气相分配器通过内外塔盘上的开孔率和主预分馏塔分配器分配管的液位的协同作用来调节主预分馏塔的气相，增大了气相分配的均匀程度和分配比调节范围，气体分配比的可调节区间为0.05～1。该管壳式主动型气相分配器可实现主塔和预分馏塔侧不同压力的调节，压力调节灵活，有利于三或以上多组分物系的分离。

实施例1

新型分配器外径为200mm，分配器材质为不锈钢，预分馏塔外塔盘开孔数为60，主塔内塔盘开孔数为80，分配器预分馏塔分配管6mm，分配器主塔分配管8mm，分配器上下法兰面的间距为620mm，内塔盘至下法兰面的间距为240mm，外塔盘上下间距为400mm，上部外塔盘至上部法兰间距为175mm，内塔盘进料挡板高度为35mm，溢流堰高度为25mm，分配器主塔分配管总高度为220mm，分配器主塔分配管开孔区高度为200mm，分配器主塔降液管长度为215mm，分配器主塔分配管管径为8mm。分配器预分馏塔分配管总高度为525mm,分配器预分馏塔分配管开孔区高度为126mm,分配器预分馏塔降液管高度为545mm，液封槽距下法兰面的距离为16mm，分配器预分馏塔分配管管径为6mm，壳程气相入口的位置为内塔盘距离外塔盘下端面1/4的位置，壳程液相入口位置为内塔盘上端面，壳程液相出口位置为内塔盘距离外塔盘下端面1/8的位置，新型分配器分配比的调节范围为0.05～1。

实施例2

新型分配器外径为200mm，分配器材质为不锈钢，分配器预分馏塔分配管6mm，分配器主塔分配管8mm，预分馏塔外塔盘孔径6mm开孔数为60，主塔内塔盘孔径8mm开孔数为80，壁厚为1.5mm，内外塔盘的厚度为2mm，其它设备尺寸与实例1中的参数一致。再沸器热负荷为35KW，当分配器预分馏塔液位LI101调整为30mm，新型分配器预分馏塔压力指示表PI101为120KPa，分配器预分馏塔气相分配比为0.75；当分配器主塔液位LI102调整为90mm，新型分配器主塔压力表PI102为180KPa，分配器主塔气相分配比为0.5。

实施例3

新型分配器外径为300mm，分配器材质为不锈钢，分配器预分馏塔分配管8mm，分配器主塔分配管8mm，预分馏塔外塔盘孔径8mm开孔数为85，主塔内塔盘孔径8mm开孔数为75，壁厚为2mm，内外塔盘的厚度为2mm，其它设备尺寸与实例1中的参数一致。再沸器热负荷为35KW，当分配器预分馏塔液位LI101调整为35mm，新型分配器预分馏塔压力指示表PI101为50KPa，分配器预分馏塔气相分配比为0.8；当分配器主塔液位LI102调整为150mm，新型分配器主塔压力表PI102为230KPa，分配器主塔气相分配比为0.25。