一种NMP间歇精馏设备及工艺

技术领域

本发明涉及NMP回收液提纯技术领域，特别涉及一种NMP间歇精馏设备及工艺。

背景技术

精馏利用液体混合物中各组分挥发度的差别，使液体混合物部分汽化并随之使蒸气部分冷凝，从而实现其所含组分的分离。精馏按操作方式不同可以分为连续精馏和间歇精馏，间歇精馏就是将待处理的物料一次加入到精馏塔的塔釜中，然后加热进行精馏，直到塔釜或塔顶产品符合要求为止，不合格物料排出，排出物料后，再加入新一批物料进行精馏，其精馏塔没有精馏段和提馏段之分。间歇精馏操作时，釜液经间接加热至沸腾，釜中产生的蒸汽上升到精馏塔内，在此进行热的交换和质的交换，塔内上升的蒸汽从塔顶引至冷凝器，冷凝器所得冷凝液的一部分再引至塔顶的塔板，作为回流。若需要获得不同沸点范围的馏出液时，应设立若干个储罐，按沸点不同，分别收集。间歇精馏通常进行到釜中液体达到指定组成为止，因此，间歇精馏与连续精馏相比，具有特点：间歇精馏是间断进料，因而塔釜、塔顶不能连续出料；出料的浓度随时间而变；间歇精馏具有生产能力较小，但建设投资少，不需要精密昂贵的控制仪表等特点，适用于小型生产。

1-甲基-2-吡咯烷酮(简称NMP)是一种重要的化工溶剂，具有毒性小、沸点高、溶解力强、选择性好及稳定性好的特点。1-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)在锂电池制造中大量被应用。目前，锂电池行业NMP的回收方法主要有多种，应用最多的是通过连续精馏含NMP的混合液，可有效去除水等杂质。

业内普遍不采用间歇精馏回收NMP的原因在于：NMP在中性条件下比较稳定，但在酸性或碱性条件下易开环形成酸和其它产物，并且氧气、水分和温度都对NMP的分解都有影响，间歇精馏料液在精馏塔釜的停留时间较长，如果间歇精馏料液长时间处于高温状态，则会造成NMP废液中NMP和原料中溶解氧进行反应，造成产品回收率下降，影响NMP废液提纯量；而能够实现连续精馏的设备不仅结构众多，体积庞大，而且设备投资较大。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种NMP间歇精馏设备及工艺，旨在解决现有的NMP回收设备结构复杂、NMP回收提纯量少的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案一为：一种NMP间歇精馏设备，包括间歇精馏塔、刮板降膜蒸发再沸器、再沸器泵、塔顶冷凝器、塔顶真空冷凝器、原料及中间产物输送泵、水接收罐、中间产物接收罐、产品接收罐及回流控制器；

间歇精馏塔的顶部连接所述塔顶冷凝器，所述塔顶冷凝器的一路出口连接塔顶真空冷凝器，另一路出口连接回流控制器；

回流控制器的一路出口连接所述间歇精馏塔，另一路出口分别连接水接收罐、中间产物接收罐及产品接收罐；

原料及中间产物输送泵分别连接间歇精馏塔、中间产物接收罐及原料进料管；

再沸器泵分别连接所述间歇精馏塔与刮板降膜蒸发再沸器，所述再沸器泵为气液混合泵，所述再沸器泵具有用于通入氮气的进气口；

刮板降膜蒸发再沸器连接间歇精馏塔。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案二为：一种NMP间歇精馏工艺，基于上述NMP间歇精馏设备。

在一实施例中，NMP间歇精馏工艺包括前处理阶段和精馏阶段，所述前处理阶段包括如下步骤：

利用原料及中间产物输送泵将NMP废液输送至间歇精馏塔中；

向间歇精馏塔通入氮气以置换间歇精馏塔中的空气；

开启间歇精馏塔的真空系统，维持塔顶压力8～9KPa，开启塔釜的夹套加热系统，塔顶进行全回流；

待间歇精馏塔塔釜内NMP废液的温度达到泡点温度以下0℃-6℃时进行脱氧处理，脱氧处理过程为，再沸器泵抽出间歇精馏塔中的NMP废液并往NMP废液中混入氮气后，将NMP废液输送回间歇精馏塔塔釜；

脱氧处理完成后，关闭再沸器泵的进气口以及再沸器泵与间歇精馏塔的通路，开启再沸器泵与刮板降膜蒸发再沸器的通路，以对NMP废液进行加热蒸发处理；

在加热过程中，刮板降膜蒸发再沸器将NMP废液蒸发，气相部分进入间歇精馏塔塔柱，未气化部分的液相进入间歇精馏塔塔釜；

待间歇精馏塔塔釜温度达到设定温度以及间歇精馏塔回流温度稳定，进行精馏阶段，所述精馏阶段包括如下步骤：

打开回流控制器与水接收罐的通路，维持间歇精馏塔塔顶压力不变，调节回流比和加热功率，进行水分采出；

关闭回流控制器与水接收罐的通路，打开回流控制器与中间产物接收罐的通路，调节回流比、加热功率及间歇精馏塔塔顶压力，进行中间产物的采出；

关闭回流控制器与中间产物接收罐的通路，打开回流控制器与产品接收罐的通路，维持间歇精馏塔塔顶压力不变，调节回流比和加热功率，进行NMP产品的采出。

本发明的有益效果在于：NMP间歇精馏设备中，利用气液混合泵作为再沸器泵配合间歇精馏塔的真空环境，可以在间歇精馏开始前对原料进行脱氧(液相溶解的氧气会造成NMP的水解和氧化，所以间歇精馏能否达到良好的收率及纯度，液相除氧格外重要)，利于减少副反应的产生，改善NMP的氧化分解，提高NMP回收提纯量；采用刮板降膜蒸发再沸器作为再沸器，物料在刮板降膜蒸发再沸器的停留时间短，副反应发生的概率得以降低，从而更大程度地改善NMP的氧化分解，提高NMP回收提纯量；本NMP间歇精馏设备整体部件少，投入资金成本低，整体构造简单，适用于小型撬装化设计。

NMP间歇精馏工艺，整合了原来连续精馏的预处理、脱水、精制及重组分处理等工序，集成在一套设备内，同一NMP间歇精馏设备能够对NMP废液进行不同阶段的处理，利于简化NMP提纯流程，提高NMP的回收提纯量。本NMP间歇精馏工艺简单实用，能很好的针对锂电池行业的小型生产企业NMP废液提纯量少，废液中NMP含量不稳定等特点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明实施例一的NMP间歇精馏设备的结构简化示意图。

附图标号说明：

1、间歇精馏塔；2、刮板降膜蒸发再沸器；3、塔顶冷凝器；4、塔顶真空冷凝器；5、再沸器泵；6、水输送泵；7、原料及中间产物输送泵；8、产品输送泵；9、水接收罐；10、中间产物接收罐；11、产品接收罐；12、回流控制器；

S1、第一管道；S2、第二管道；S3、第三管道；S4、第四管道；S41、分支管道；S5、第五管道；S6、第六管道；S7、第七管道；S8、第八管道；S9、第九管道；S10、第十管道；S11、第十一管道；S12、第十二管道；S13、第十三管道；S14、第十四管道；S15、第十五管道；S16、第十六管道；S17、第十七管道；S18、第十八管道；S19、第十九管道；S20、第二十管道；S21、第二十一管道；S22、第二十二管道。

具体实施方式

本发明目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示诸如上、下、左、右、前、后……，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态如附图所示下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

另外，若全文中出现的“和/或”的含义为，包括三个并列的方案，以“和/或”为例，包括方案，或方案，或和同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

实施例一

请参照图1，本发明的实施例一为：一种NMP间歇精馏设备，包括间歇精馏塔1、刮板降膜蒸发再沸器2、再沸器泵5、塔顶冷凝器3、塔顶真空冷凝器4、水输送泵6、原料及中间产物输送泵7、产品输送泵8、水接收罐9、中间产物接收罐10、产品接收罐11及回流控制器12；刮板降膜蒸发再沸器2可以处理带微小固态颗粒物的NMP废料，相比于现有技术中常用的釜式再沸器和热虹吸再沸器，刮板降膜蒸发再沸器2长时间使用也不会堵塞，利于NMP间歇精馏设备长时间稳定运行。

间歇精馏塔1的顶部通过第八管道S8连接所述塔顶冷凝器3，所述塔顶冷凝器3的一路出口通过第十二管道S12连接塔顶真空冷凝器4，另一路出口通过第九管道S9连接连接回流控制器12；塔顶真空冷凝器4通过第十三管道S13连接回流控制器12，通过第十四管道S14连接外界、水接收罐9、中间产物接收罐10或产品接收罐11；

回流控制器12的一路出口通过第十管道S10连接所述间歇精馏塔1，另一路出口通过第十一管道S11分别连接水接收罐9、中间产物接收罐10及产品接收罐11；

原料及中间产物输送泵7分别连接间歇精馏塔1、中间产物接收罐10及原料进料管(即第一管道S1)，NMP废液通入第一管道S1以进入NMP间歇精馏设备；原料及中间产物输送泵7通过第二管道S2连接所述间歇精馏塔1，通过第十九管道S19连接所述中间产物接收罐10，所述中间产物接收罐10通过第十八管道S18连接所述第一管道S1；

再沸器泵5通过第三管道S3连接所述间歇精馏塔，通过第四管道S4连接刮板降膜蒸发再沸器2，所述再沸器泵5为气液混合泵，所述再沸器泵5具有用于通入氮气的进气口，容易理解的，所述进气口并不是只能用于氮气的进气，还可以用于其他惰性气体的进气，例如氩气、氦气等，用氩气、氦气取代氮气来进行解析除氧是本领域惯用手段的直接置换；另外，所述气液混合泵可以是涡压泵、离式螺旋微气泡泵等，具体种类不做限定。所述第四管道S4连接有分支管道S41，所述再沸器泵5通过所述分支管道S41直接连接所述间歇精馏塔1；容易理解的，气液混合泵可以起充氮脱氧、混合物料及改善传热的作用。

刮板降膜蒸发再沸器2的顶部通过第七管道S7连接间歇精馏塔1，刮板降膜蒸发再沸器2的底部通过第六管道S6连接间歇精馏塔1，刮板降膜蒸发再沸器2的底部还连接有第五管道S5，所述第五管道S5用于排出残渣；

水接收罐9的底部通过第十五管道S15连接水输送泵6，水输送泵6通过第十六管道S16连接水接收罐9的顶部，通过第十七管道S17向外排出水；

产品接收罐11的底部通过第二十管道S20连接产品输送泵8，产品输送泵8通过第二十一管道S21连接产品接收罐11的顶部，通过第二十二管道S22向外输出NMP产品。

间歇精馏塔1中的填料优选为BX500丝网填料或与之性能相当的丝网填料，填料高度为3m～6m，填料共一层。区别于目前连续精馏塔中填料为多层，单塔填料高度为6m～10m，本NMP间歇精馏设备中间歇精馏塔1体积更小，更利于NMP间歇精馏设备小型化。

本实施例还提供一种NMP间歇精馏工艺，基于上述NMP间歇精馏设备。

在一实施例中，包括前处理阶段和精馏阶段，所述前处理阶段包括如下步骤：

利用原料及中间产物输送泵将NMP废液(原料)输送至间歇精馏塔中；

向间歇精馏塔通入氮气以置换间歇精馏塔中的空气；

开启间歇精馏塔的真空系统，维持塔顶压力8～9KPa，开启塔釜的夹套加热系统，塔顶进行全回流；

待间歇精馏塔塔釜内NMP废液的温度达到泡点温度以下0℃-6℃时进行脱氧处理，脱氧处理过程为，再沸器泵抽出间歇精馏塔中的NMP废液并往NMP废液中混入氮气后，将NMP废液输送回间歇精馏塔塔釜；优选的，脱氧处理过程循环至少两次；

脱氧处理完成后，关闭再沸器泵的进气口以及再沸器泵与间歇精馏塔的通路，开启再沸器泵与刮板降膜蒸发再沸器的通路，以对NMP废液进行加热蒸发处理；

在加热过程中，刮板降膜蒸发再沸器将NMP废液蒸发，气相部分进入间歇精馏塔塔柱，未气化部分的液相进入间歇精馏塔塔釜；

待间歇精馏塔塔釜温度达到设定温度以及间歇精馏塔回流温度稳定，进行精馏阶段，所述精馏阶段包括如下步骤：

打开回流控制器与水接收罐的通路，维持间歇精馏塔塔顶压力不变，调节回流比和加热功率，进行水分采出；此时，夹套加热系统的加热功率为满负荷，间歇精馏塔塔顶压力为8～9kpa，间歇精馏塔塔顶回流比调制为0.1～0.3。

关闭回流控制器与水接收罐的通路，打开回流控制器与中间产物接收罐的通路，调节回流比、加热功率及间歇精馏塔塔顶压力，进行中间产物的采出；此时，夹套加热系统的加热功率为满负荷的30％～40％，间歇精馏塔塔顶压力从8～9kpa降低到2～3kpa，间歇精馏塔塔顶回流比调制为0.2～0.4。

关闭回流控制器与中间产物接收罐的通路，打开回流控制器与产品接收罐的通路，维持间歇精馏塔塔顶压力不变，调节回流比和加热功率，进行NMP产品的采出；此时，夹套加热系统的加热功率为满负荷的30％～40％，间歇精馏塔塔顶压力维持2～3kpa不变，间歇精馏塔塔顶回流比调制为0.5～1.2。

在实际实施本NMP间歇精馏工艺时，在所述精馏阶段中，采出的中间产物可通入原料进料管，以作为下一次实施NMP间歇精馏工艺时的部分原料。

相比于现有连续生产工艺中，精馏塔塔釜温度保持在120℃左右，本间歇精馏塔塔釜控制温度低，大约在104℃左右，因此，副反应发生概率低，利于提高NMP产品提纯量。

本实施例还提供一实施案例来让阅者更充分地理解本技术方案：本案例中，NMP废液每批次700kg，原料成分：NMP含量560kg、水含量138.32kg、重组分含量1.68kg；间歇精馏塔直径350mm，填料层3500mm，采用金属丝网填料。

700kg的NMP废液经原料及中间产物输送泵加入间歇精馏塔，然后打开间歇精馏塔的氮气管道的接口，置换间歇精馏塔中的空气，打开间歇精馏塔的真空系统，将间歇精馏塔塔顶的压力控制到8kpa，打开间歇精馏塔塔釜的夹套加热系统，加热功率约为150kw，塔顶采用全回流。在正式进行精馏作业前，需要对NMP废液进行脱氧。NMP废液脱氧后，可以降低NMP废液的溶解氧，从而减少了高温下副反应的产生。待间歇精馏塔塔釜的温度达到51℃，稳定间歇精馏塔塔釜温度不变，再沸器泵属于磁力气液混合泵(涡压泵)，在泵的入口通入少量的氮气，氮气由于泵内的加压混合，氮气与NMP废液充分溶解，所以无需搅拌器即可以混合氮气到NMP废液中，随后在间歇精馏塔塔釜中，由于釜内压力降低且NMP废液在再沸器泵的作用下不停地循环而上下混流，所以接近泡点的NMP废液的溶解的气体(包括氧气)被解析出来，待氮气通入完成后，停止通入氮气，NMP废液在再沸器泵的循环工况下，稳定一定的时间，让溶解在NMP废液的溶解氧充分解析。然后重复上述过程两次，可以认为NMP废液中的溶解氧脱除完成，该除氧过程的原理可以认为是真空除氧和解析除氧。除氧完成后，控制间歇精馏塔塔釜温度继续上升，直到塔釜温度为56.2℃，间歇精馏塔塔顶也建立了稳定的回流，此阶段耗时大约35分钟。

打开回流控制器与水接收罐的通路，准备开始进行水分采出。间歇精馏塔塔顶稳定回流比保持0.2不变，随着水的逐步采出，塔釜的温度逐渐升高，随着水的采出越来越多，NMP在气相浓度越来越高，由于NMP的汽化潜热低于水的汽化潜热，间歇精馏塔塔内气相流量也越来越高，过高的加热负荷造成间歇精馏塔的气相流量越来越大，待塔釜温度升至85℃，回流比调制为0.1，加热功率在6分钟的时间内从150kw降为110kw，待塔釜温度升至100℃，此阶段耗时大约45分钟。

关闭回流控制器与水接收罐的通路，打开回流控制器与中间产物接收罐的通路，准备开始中间产物的采出。调整加热负荷为40kw，调节回流比为0.3，通过调节降低塔顶冷凝器的压力来控制塔釜的温度稳定在104℃，直到塔顶冷凝器的压力降到3kpa。随后，控制回流比来控制塔釜的温度稳定在104℃，塔顶冷凝器物料的含水量小于0.001，此阶段耗时大约40分钟。中间产物接收罐的物料含水量约为40％，可以在下一批次的精馏作业中重新打回间歇精馏塔釜内，再次提纯。

关闭回流控制器与中间产物接收罐的通路，打开回流控制器与产品接收罐的通路，准备开始NMP产品的采出。在3分钟的时间内调整加热负荷为40kw，回流比控制为0.7，持续采出，直到间歇精馏塔塔釜的持液量大约为10kg，完成单次的精馏作业。塔釜的剩余残料装桶外送处理。此阶段耗时大约3小时5分钟。

本批次完成后，其中各接收罐及塔釜残液及填料持液物料的组成见表1。

表1间歇精馏后各组分含量及组成

下面介绍一下本技术方案的特点：

1.间歇精馏的特点在于物料的停留时间较长，如果长时间物料处于高温状态，可能会造成NMP废液中NMP和原料中溶解氧进行反应，造成产品收率下降。需要在间歇精馏开始前对NMP废液进行脱氧，减少副反应的产生，本技术方案采用磁力气液混合泵(涡压泵)，该泵既具有小流量、高扬程的特点，又具有磁力泵无泄漏的优势，气液混合泵的吸入口吸入氮气，高速旋转的泵叶轮将NMP废液与氮气混合搅拌，由于泵内的加压混合，氮气充分溶解在废液里，所以无需搅拌器即可以得到混合废液，随后在精馏塔釜中，由于釜内的物料在泵的作用下不停的循环而上下混流，接近泡点的NMP废液的溶解气体被解析出来，从而减少了高温下副反应的产生。另一方面，磁力气液混合泵(涡压泵)可以用作刮板降膜蒸发再沸器的进料泵和间歇精馏塔塔底釜的混合泵，塔釜物料的混合优化了传热，可以不另设塔釜搅拌器。总的来说，NMP废液脱氧减低了NMP的氧化分解，产品提纯量可以提高3～5％。

2.由于NMP废液中含有微量固形物，为防止微量固形物在再沸器等设备部件上累积，采用刮板降膜蒸发再沸器作为再沸器，最大液相含固率可以达到15％，而釜式等其它形式的再沸器在处理塔釜的剩余残料可能会出现堵塞等现象。另外，刮板式降膜蒸发器有传热效率高，总传热系数为1750～7000W/(m2.℃)，物料在刮板降膜蒸发再沸器的停留时间短，副反应发生的概率低。

3.间歇精馏塔采用的BX500的金属丝网填料。BX500金属丝网填料具有单位理论板压低，持液量小，填料容易润湿等特性，效果比较理想。

4.间歇精馏整合了原来连续精馏的预处理、脱水、精制及重组分处理等工序，按照间歇精馏的阶段分为全回流升温阶段、脱水阶段、产品精制阶段，但同一套设备在实施不同的处理阶段时，加热功率是不一样的。脱水阶段的加热功率大，精制阶段的加热功率小。

5.间歇精馏塔塔釜控制温度低，副反应发生概率低。

上述仅为本发明的可选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。