一種滲透汽化與精餾耦合的系統(tǒng)及其用途
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種滲透汽化與精餾耦合的系統(tǒng)。本發(fā)明還公開(kāi)了一種使用滲透汽化與精餾耦合法進(jìn)行有機(jī)溶劑脫水的方法，特別適合于與水易形成共沸物的有機(jī)溶劑深度脫水，屬于分離【技術(shù)領(lǐng)域】。包括如下工藝流程：首先將含水有機(jī)溶劑(含水量一般大于其共沸組成含水量)進(jìn)入滲透汽化膜分離器初步脫水，打破共沸，再進(jìn)入精餾塔深度脫水，塔頂含水組分返回至膜分離器再次脫水，塔釜得到無(wú)水成品。本發(fā)明提供的工藝和方法得到的有機(jī)溶劑含水量在0.01wt.％-1wt.％，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明過(guò)程工藝簡(jiǎn)單，設(shè)備投資少，能耗低，產(chǎn)品質(zhì)量高，解決了各種精餾以及其他化學(xué)手段等難以實(shí)現(xiàn)的生產(chǎn)極低水分的自機(jī)溶劑的問(wèn)題。
【專利說(shuō)明】一種滲透汽化與精餾耦合的系統(tǒng)及其用途
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬精細(xì)化工領(lǐng)域，尤其涉及一種滲透汽化與精餾耦合的系統(tǒng)及其用途。
【背景技術(shù)】
[0002]有機(jī)溶劑廣泛應(yīng)用于石化、能源、生物制藥、精細(xì)化工等行業(yè)，有機(jī)溶劑脫水是其生產(chǎn)和回收中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。其中，含水量較低的有機(jī)溶劑，由于其應(yīng)用越來(lái)越廣泛且制備工藝及其復(fù)雜，一直以來(lái)都成為科研以及工業(yè)生產(chǎn)中的關(guān)注焦點(diǎn)。
[0003]許多有機(jī)溶劑能夠與水形成共沸混合物，采用普通精餾很難脫水至高純產(chǎn)品。傳統(tǒng)的共沸精餾、吸附等脫水技術(shù)存在著很大的缺點(diǎn)，如:(1)采用共沸精餾手段，引入第三組分，大量使用有毒、有害溶劑，對(duì)環(huán)境及產(chǎn)品質(zhì)量造成了極大影響，同時(shí)增大了投資和運(yùn)行成本；(2)采用吸附方法，產(chǎn)生大量廢液、廢渣，對(duì)排放提出了極高要求，同時(shí)難以滿足極低水分的要求。
[0004]采用滲透汽化膜進(jìn)行有機(jī)溶劑脫水是一種新型的分離技術(shù)，但是使用膜直接將原料脫水至非常低的水平時(shí)(如< 0.1wt.% )，膜的滲透通量降低，此時(shí)需要較高的原料側(cè)溫度以及較低的真空側(cè)壓力保持過(guò)程推動(dòng)力，能耗隨之增加。此外，滲透汽化膜在進(jìn)行深度脫水時(shí)需要較大的膜面積，增大了投資成本。當(dāng)自機(jī)溶劑含水量低于共沸組成且對(duì)應(yīng)氣液平衡曲線有較大差異時(shí)，采用精餾塔進(jìn)行分離，在塔釜同樣可以獲得含水量極低的有機(jī)溶劑。因此，采用滲透汽化-精餾耦合操作工藝對(duì)有機(jī)溶劑進(jìn)行脫水，盡管增大了過(guò)程能耗，但降低了膜投資費(fèi)用，有望獲得操作費(fèi)用的最優(yōu)化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]發(fā)明目的:本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供針對(duì)有機(jī)溶劑深度脫水的工藝，提出一種使用滲透汽化與精餾耦合進(jìn)行脫水的方法。本工藝將含水有機(jī)溶劑首先通過(guò)滲透汽化膜分離器進(jìn)行初步脫水，打破共沸平衡，然后將滲透液和滲余液分別進(jìn)精餾塔一及精餾塔二，兩個(gè)塔頂餾出物重新返回至膜分離器脫水，塔釜分別得到廢水和高純有機(jī)溶劑成品。
[0006]技術(shù)方案:為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下:一種滲透汽化與精餾耦合的系統(tǒng)，包括原料罐、原料泵、預(yù)熱器、滲透汽化膜分離器、第一精餾塔和第二精餾塔，所述原料罐、原料泵、預(yù)熱器和滲透汽化膜分離器依次相連，所述滲透汽化膜分離器滲透?jìng)?cè)連接有第一精餾塔，所述滲透汽化膜分離器滲余側(cè)連接有第二精餾塔。
[0007]其中，上述第二精餾塔頂部和第一精餾塔頂部分別與原料罐相連。
[0008]其中，上述滲透汽化膜分離器由若干個(gè)膜分離器串聯(lián)、并聯(lián)或兩種方式組合構(gòu)成，以達(dá)到不同的處理要求和生產(chǎn)能力。上述的與膜滲透?jìng)?cè)相連的第一精餾塔采用常壓操作，與膜滲余側(cè)相連的第二精餾塔采用常壓或正壓操作。與滲透?jìng)?cè)相連的第一精餾塔可以根據(jù)滲透液含水量選擇性使用。
[0009]其中，上述膜分離器所使用的分離膜為分子篩膜、殼聚糖膜、無(wú)定形二氧化硅膜、PVA膜、或海藻酸鈉膜中的一種。上述的膜分離器和精餾塔聯(lián)合使用，比傳統(tǒng)的透水膜分離器減少了膜面積的使用，比傳統(tǒng)的精餾塔脫水設(shè)備減少了塔高以及塔板數(shù)。上述的經(jīng)膜分離器初步脫水的料液可以經(jīng)冷卻或冷凝后再進(jìn)入精餾塔分離，即膜分離與精餾分離單獨(dú)操作；或者膜分離器直接與精餾塔耦合，料液不經(jīng)冷卻或冷凝直接以液相或氣相進(jìn)入精餾塔分離。
[0010]其中，上述滲透汽化膜分離器滲透?jìng)?cè)還連接冷凝器和真空機(jī)組，以獲得足夠的水滲透分壓差。
[0011]其中，上述預(yù)熱器和滲透汽化膜分離器之間還連接有蒸發(fā)器。
[0012]所述的系統(tǒng)用于滲透汽化與精餾耦合的有機(jī)溶劑脫水方法，包括以下步驟:
[0013]I)將含水的有機(jī)溶劑加入原料罐中，經(jīng)加熱后料液以液體或蒸汽形式進(jìn)入滲透汽化膜分離器進(jìn)行初步脫水得至滲透液和滲余液；
[0014]2)滲透液進(jìn)入第一精餾塔，塔頂回收其中少量有機(jī)溶劑并返回原料罐，塔釜得到廢水排放；
[0015]3)滲余液為低于共沸含水量的有機(jī)溶劑，進(jìn)入第二精餾塔；
[0016]4)水組分與有機(jī).溶劑形成的共沸物在第二精餾塔塔頂富集并采出，返同至原料罐再次脫水；
[0017]5)第二精餾塔塔釜得到高純有機(jī)溶劑產(chǎn)品。
[0018]其中，上述步驟I)中的含水的有機(jī)溶劑初始含水量大于水的共沸組成。經(jīng)過(guò)滲透汽化與精餾耦合法脫水后的成品含水量為0.0lwt.% -1wt.%。
[0019]其中，上述有機(jī)溶劑為異丙醇、乙腈、丁酮或四氫呋喃。上述的有機(jī)溶劑料液可以以液相或者氣相的形式進(jìn)入膜分離器進(jìn)行脫水。
[0020]有益效果:與傳統(tǒng)工藝相比，本發(fā)明采用上述的滲透汽化與精餾耦合的系統(tǒng)通過(guò)滲透汽化-精餾耦合脫水，可以降低設(shè)備投資、減少設(shè)備占地面積、節(jié)約能耗和成本、保護(hù)環(huán)境并能使原料充分利用，減少了廢液回收或排放的步驟。傳統(tǒng)精餾工藝通過(guò)加入夾帶劑進(jìn)行精餾過(guò)程實(shí)現(xiàn)脫水或利用吸附劑選擇吸附法實(shí)現(xiàn)脫水，過(guò)程操作復(fù)雜，能耗高，收率低，而單獨(dú)使用滲透汽化膜分離器脫水到極低含水量需要較大膜面積，成本較高。滲透汽化膜分離器與精餾耦合可一步脫水至合格產(chǎn)品，操作簡(jiǎn)便，回收率高；不添加任何第三組分即實(shí)現(xiàn)原料中水與有機(jī)溶劑的分離，環(huán)境友好。以高純丁酮回收為例，滲透汽化膜分離與精餾耦合回收率可達(dá)98%以上，與傳統(tǒng)精餾工藝相比能耗降低55%以上；而與單獨(dú)使用滲透汽化膜分離方法相比成本可降低15%以上。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0021]圖1為實(shí)施例1、2采用的滲透汽化與精餾耦合的系統(tǒng)；
[0022]其中I是原料罐，2是原料泵，3是預(yù)熱器，4是蒸發(fā)器，5是滲透汽化膜分離器，6是滲透液冷凝器，7是真空泵，8是第一精餾塔(與滲透?jìng)?cè)連接)，9是第二精餾塔(與滲余側(cè)連接)；
[0023]圖2為實(shí)施例3使用的滲透汽化與精餾耦合的系統(tǒng)；
[0024]圖3為實(shí)施例4使用的滲透汽化與精餾耦合的系統(tǒng)。
【具體實(shí)施方式】[0025]實(shí)施例1:
[0026]見(jiàn)圖1，一種滲透汽化與精餾耦合的系統(tǒng)，包括原料罐1、原料泵2、預(yù)熱器3、滲透汽化膜分離器5、第一精餾塔8和第二精餾塔9，所述原料罐1、原料泵2、預(yù)熱器3和滲透汽化膜分離器5依次相連，所述滲透汽化膜分離器5滲透?jìng)?cè)連接有第一精餾塔8，所述滲透汽化膜分離器5滲余側(cè)連接有第二精餾塔9。第二精餾塔9頂部和第一精餾塔8頂部分別與原料罐I相連。滲透汽化膜分離器5由4個(gè)NaA型膜分離器串聯(lián)而成，滲透汽化膜分離器5滲透?jìng)?cè)還連接冷凝器6和真空機(jī)組7，以獲得足夠的水滲透分壓差。預(yù)熱器3和滲透汽化膜分離器5之間還連接有蒸發(fā)器4。
[0027]采用上述系統(tǒng)進(jìn)行的滲透汽化-精餾耦合工藝用于乙腈/水混合溶液脫水，其步驟如下:
[0028]含水20wt.%、流量為500kg/h的乙腈溶液，從原料罐I中經(jīng)原料泵2輸送至預(yù)熱器3，經(jīng)產(chǎn)品蒸汽預(yù)熱后進(jìn)入蒸發(fā)器4，料液被加熱到120°C以上以蒸汽形式進(jìn)入到由4個(gè)NaA分子篩膜膜分離器串聯(lián)構(gòu)成的滲透汽化膜分離器5進(jìn)行脫水分離。膜的滲余側(cè)壓力控制在表壓200-250kPa，滲透?jìng)?cè)絕壓3000-5000Pa。含水98wt.%的滲透液經(jīng)冷凝后進(jìn)入第一精餾塔8，塔頂?shù)玫胶s20wt.%的乙腈溶液返回至原料罐1，塔釜得到含水量99.82wt.%的廢水，進(jìn)入廢水處理裝置。經(jīng)膜分離器脫水后，滲余側(cè)料液含水量降到lwt.%以下，不經(jīng)冷凝以氣相形式直接送入第二精餾塔9，回收余熱。第二精餾塔9操作壓力為180-220kPa，在塔頂?shù)玫胶考s15wt.%的乙腈溶液，返回至原料罐1，塔釜得到高純乙腈溶劑，含水量為0.0lwt.%，收率在98%以上。
[0029]實(shí)施例2:
[0030]見(jiàn)圖1，采用實(shí)施例1的系統(tǒng)滲透汽化-精餾耦合工藝用于丁酮/水混合溶液脫水，其步驟如下:
[0031]含水Ilwt.%、流量為500kg/h的丁酮溶液，從原料罐I中經(jīng)原料泵2輸送至預(yù)熱器3，經(jīng)產(chǎn)品蒸汽預(yù)熱后進(jìn)入蒸發(fā)器4，料液被加熱到135°C以上以蒸汽形式進(jìn)入到由7個(gè)T型分子篩膜分離器串聯(lián)構(gòu)成的滲透汽化膜分離器5進(jìn)行脫水分離。膜的滲余側(cè)壓力控制在表壓150-200kPa，滲透?jìng)?cè)絕壓3000-5000Pa。含水92.5wt.%的滲透液經(jīng)冷凝后進(jìn)入精餾塔8，塔頂?shù)玫胶s15wt.%的丁酮溶液返回至原料罐1，塔釜得到含水量99.8wt.%的廢水，進(jìn)入廢水處理裝置。經(jīng)膜分離器脫水后，滲余側(cè)料液含水量降到0.5wt.%以下，不經(jīng)冷凝直接以蒸汽形式送入精餾塔9，回收余熱。精餾塔9操作壓力為120-150kPa，在塔頂?shù)玫胶考s8wt.%的丁酮溶液，返回至原料罐1，塔釜得到高純丁酮溶劑，含水量為0.0lwt.%，收率在98%以上。
[0032]實(shí)施例3
[0033]見(jiàn)圖2，一種滲透汽化與精餾耦合的系統(tǒng)，包括原料罐1、原料泵2、預(yù)熱器3、滲透汽化膜分離器4、第一精餾塔7和第二精餾塔8，所述原料罐1、原料泵2、預(yù)熱器3和滲透汽化膜分離器4依次相連，所述滲透汽化膜分離器4滲透?jìng)?cè)連接有第一精餾塔7，所述滲透汽化膜分離器4滲余側(cè)連接有第二精餾塔8。第二精餾塔8頂部和第一精餾塔7頂部分別與原料罐I相連。滲透汽化膜分離器4由12個(gè)PVA膜分離器串聯(lián)構(gòu)成的。滲透汽化膜分離器4滲透?jìng)?cè)還連接冷凝器5和真空機(jī)組6，以獲得足夠的水滲透分壓差。
[0034]采用上述系統(tǒng)進(jìn)行的滲透汽化-精餾耦合工藝用于異丙醇/水混合溶液脫水，其步驟如下:
[0035]含水15wt.%、流量為500kg/h的異丙醇溶液，從原料罐I中經(jīng)原料泵2輸送加熱器3，料液被加熱到90°C以液體形式進(jìn)入到由12個(gè)PVA膜分離器串聯(lián)構(gòu)成的滲透汽化膜分離器4進(jìn)行脫水分離。膜的滲余側(cè)壓力控制在表壓150-200kPa，滲透?jìng)?cè)絕壓4000-6000Pa。含水85wt.%的滲透液經(jīng)冷凝后進(jìn)入第一精餾塔7，塔頂?shù)玫胶s20wt.%的異丙醇溶液返回至原料罐1，塔釜得到含水量99.52wt.%的廢水，進(jìn)入廢水處理裝置。經(jīng)膜分離器脫水后，滲余側(cè)料液含水量降到0.5wt.%以下，不經(jīng)冷凝直接送入第二精餾塔8，回收余熱，在塔頂?shù)玫胶考s12wt.%的異丙醇溶液，返回至原料罐1，塔釜得到高純異丙醇溶劑，含水量為0.02wt.%，收率在98%以上。
[0036]實(shí)施例4
[0037]見(jiàn)圖3，一種滲透汽化與精餾耦合的系統(tǒng)，包括原料罐1、原料泵2、預(yù)熱器3、滲透汽化膜分離器5、第一精餾塔9和第二精餾塔10，所述原料罐1、原料泵2、預(yù)熱器3和滲透汽化膜分離器5依次相連，所述滲透汽化膜分離器5滲透?jìng)?cè)連接有第一精餾塔8，所述滲透汽化膜分離器5滲余側(cè)連接有第二精餾塔10。第二精餾塔10頂部和第一精餾塔9頂部分別與原料罐I相連。滲透汽化膜分離器5由8個(gè)NaA型分子篩膜分離器串聯(lián)構(gòu)成的。滲透汽化膜分離器5滲透?jìng)?cè)還連接第一冷凝器6和真空機(jī)組7，以獲得足夠的水滲透分壓差。預(yù)熱器3和滲透汽化膜分離器5之間還連接有蒸發(fā)器4。在預(yù)熱器3和第二精餾塔10中間還連接有第二冷凝器8。
[0038]采用上述系統(tǒng)的滲透汽化-精餾耦合工藝用于四氫呋喃/水混合溶液脫水，其步驟如下:
[0039]含水1wt.%、流量為1000kg/h的四氫呋喃溶液，從原料罐I中經(jīng)原料泵2輸送至預(yù)熱器3，經(jīng)產(chǎn)品蒸汽預(yù)熱后進(jìn)入蒸發(fā)器4，料液被加熱到90°C以上以蒸汽形式進(jìn)入到由8個(gè)NaA型分子篩膜分離器串聯(lián)構(gòu)成的滲透汽化膜分離器5進(jìn)行脫水分離。膜的滲余側(cè)壓力控制在表壓150-200kPa，滲透?jìng)?cè)絕壓3000-5000Pa。含水95wt.%的滲透液經(jīng)冷凝后進(jìn)入精餾塔9，塔頂?shù)玫胶s1wt.%的四氫呋喃溶液返回至原料罐1，塔釜得到含水量99.92wt.%的廢水，進(jìn)入廢水處理裝置。經(jīng)膜分離器脫水后，滲余側(cè)料液含水量降到0.2wt.%以下，經(jīng)預(yù)熱器3、冷凝器8冷凝后，以液相形式送入精餾塔10，在塔頂?shù)玫胶考s5wt.%的四氫呋喃溶液，返回至原料罐1，塔釜得到高純四氫呋喃溶劑，含水量為
0.0lwt%，收率在98%以上。
【權(quán)利要求】
1.一種滲透汽化與精餾耦合的系統(tǒng)，其特征在于，包括原料罐、原料泵、預(yù)熱器、滲透汽化膜分離器、第一精餾塔和第二精餾塔，所述原料罐、原料泵、預(yù)熱器和滲透汽化膜分離器依次相連，所述滲透汽化膜分離器滲透?jìng)?cè)連接有第一精餾塔，所述滲透汽化膜分離器滲余側(cè)連接有第二精餾塔。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種滲透汽化與精餾耦合的系統(tǒng)，其特征在于，所述第二精餾塔頂部和第一精餾塔頂部分別與原料罐相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種滲透汽化與精餾耦合的系統(tǒng)，其特征在于，所述滲透汽化膜分離器由若干個(gè)膜分離器串聯(lián)、并聯(lián)或兩種方式組合構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種滲透汽化與精餾耦合的系統(tǒng)，其特征在于，所述膜分離器所使用的分離膜為分子篩膜、殼聚糖膜、無(wú)定形一氧化硅膜、PVA膜、或海藻酸鈉膜中的一種。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種滲透汽化與精餾耦合的系統(tǒng)，其特征在于，所述滲透汽化膜分離器滲透?jìng)?cè)還連接冷凝器和真空機(jī)組。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種滲透汽化與精餾耦合的系統(tǒng)，其特征在于，所述預(yù)熱器和滲透汽化膜分離器之間還連接有蒸發(fā)器。
7.權(quán)利要求1?6所述的系統(tǒng)用于滲透汽化與精餾耦合的有機(jī)溶劑脫水方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)將含水的有機(jī)溶劑加入原料罐中，經(jīng)加熱后料液以掖體或蒸汽形式進(jìn)入滲透汽化膜分離器進(jìn)行初步脫水得到滲透液和滲余液； 2)滲透液進(jìn)入第一精餾塔，塔頂回收其中少量有機(jī)溶劑并返回原料罐，塔釜得到廢水排放； 3)滲余液為低于共沸含水量的有機(jī)溶劑，進(jìn)入第二精餾塔； 4)水組分與有機(jī)溶劑形成的共沸物在第二精餾塔塔頂富集并采出，返回至原料罐再次脫水； 5)第二精餾塔塔釜得到高純有機(jī)溶劑產(chǎn)品。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的滲透汽化與精餾耦合的有機(jī)溶劑脫水方法，其特征在于，所述步驟I)中的含水的有機(jī)溶劑初始含水量大于水的共沸組成。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的滲透汽化與精餾耦合的有機(jī)溶劑脫水方法，其特征在于，所述有機(jī)溶劑為異丙醇、乙腈、丁酮或四氫呋喃。
【文檔編號(hào)】B01D61/36GK104027996SQ201310737889
【公開(kāi)日】2014年9月10日 申請(qǐng)日期:2013年12月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月27日
【發(fā)明者】顧學(xué)紅, 仲超, 余從立, 慶祖森 申請(qǐng)人:江蘇九天高科技股份有限公司