КОЛОННА С РАЗДЕЛИТЕЛЬНЫМИ ВНУТРЕННИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ СМЕСИ УГЛЕВОДОРОДОВ И/ИЛИ ПРОИЗВОДНЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ ПУТЕМ ЭКСТРАКЦИОННОЙ ДИСТИЛЛЯЦИИ С СЕЛЕКТИВНЫМ РАСТВОРИТЕЛЕМ
COLUMN WITH SEPARATING INTERNAL ELEMENTS FOR SEPARATION OF MIXTURE OF HYDROCARBONS AND/OR DERIVATIVES OF HYDROCARBONS BY WAY OF EXTRACTION DISTILLATION WITH SELECTIVE SOLVENT

Настоящее изобретение касается колонны с разделительными внутренними элементами для разделения смеси углеводородов и/или производных углеводородов путем экстракционной дистилляции с селективным растворителем, а также способа с применением колонны.
Из US 2,129,684 известна экстракционная дистилляционная колонна, в которую горизонтально подается растворитель, а поток флегмы вертикально стекает сверху вниз. Экстракционная дистилляция в колонне известна также из документов RU 2315028 C1, RU 2319684 С9, SU 485588 A3, FR 2606291 А и US 2610141 А.
Раскрывающий экстракционную дистилляцию документ DE 102010011014 А1 можно рассматривать в качестве наиболее близкого аналога к заявленному изобретению. Экстракционные дистилляционные колонны служат для разделения смесей углеводородов и/или производных углеводородов с применением селективного растворителя, которые повышает различия в летучести между компонентами подлежащей разделению смеси. Подлежащую разделению смесь и селективный растворитель проводят через разделительные внутренние элементы колонны противотоком, причем селективный растворитель нагружается теми компонентами подлежащей разделению смеси, к которым он обладает более высокой аффинностью, и его выводят из нижней части колонны как нагруженный селективный растворитель, а те компоненты подлежащей разделению смеси, аффинность селективного растворителя к которым ниже, напротив, остаются в паровой фазе, и их отводят как верхний поток, который полностью или частично конденсируется с получением конденсата, частично отводимого в виде потока продукта, а в остальном снова подаваемого в колонну в виде обратного потока.
Для эффективной эксплуатации колонны требуется, чтобы обратный поток равномерно перемешивался с селективным растворителем и растворялся в нем, так чтобы получался однофазный жидкий раствор однородного состава.
4
В случае известных колонн, без предварительного перемешивания селективного растворителя и обратного потока согласно изобретению, то есть с раздельной их подачей, колонна существенно теряет в эффективности, поскольку взаимное растворение и гомогенизация обеих жидкостей происходит по меньшей мере частично в верхней области разделительных внутренних элементов, и они таким образом неспособны выполнять собственно задачу по разделению. Так, например, для колонны диаметром 4,70 м при экстракционной дистилляции для выделения 1,3-бутадиена из смеси (отсечки) С и использовании в качестве селективного растворителя N-метилпирролидона потеря эффективности может составлять до 60%.
Для решения вышеуказанной проблемы предлагалось, например, располагать два распределителя жидкости друг над другом и подавать в каждый из них в каждом случае по одному из подлежащих смешиванию потоков жидкости. Хотя это и позволяет добиться частичного повышения эффективности колонны, но при этом приходится мириться с увеличением ее конструктивной высоты.
Задача изобретения, напротив, состояла в том, чтобы представить колонну для экстракционной дистилляции, обеспечивающую отличное смешивание обратного потока и селективного растворителя без необходимости мириться с потерями эффективности или дополнительной конструктивной высотой.
Эту задачу решают посредством колонны с разделительными внутренними элементами для разделения смеси углеводородов и/или производных углеводородов путем экстракционной дистилляции с применение селективного растворителя, с подачей селективного растворителя в верхней части колонны и подачей подлежащей разделению смеси углеводородов и/или производных углеводородов ниже подачи селективного растворителя, причем в колонне селективный растворитель нагружается теми компонентами подлежащей разделению смеси, к которым он обладает более высокой аффинностью, и его выводят из нижней части колонны как нагруженный селективный растворитель, а те компоненты подлежащей разделению смеси, аффинность селективного растворителя к которым ниже, напротив, остаются в паровой фазе, и их отводят как верхний поток, который полностью или частично конденсируется с получением конденсата, частично отводимого в виде потока продукта, а в остальном снова подаваемого в колонну в виде обратного потока, и колонна отличается тем, что
- В области колонны выше разделительных внутренних элементов предусмотрена первая, по существу горизонтальная, подающая труба для подачи селективного растворителя,
- причем первая, по существу горизонтальная подающая труба имеет сужение поперечного сечения до самого узкого места, а после сужения поперечного сечения снова расширяется, и причем
- для подачи обратного потока предусмотрена вторая подающая труба, которая входит в первую, по существу горизонтальную подающую трубу в области самого узкого места.
Специалист в области экстракционной дистилляции не стал бы использовать устройство для подмешивания обратного потока в селективный растворитель в вышеописанной форме, которое использует эффект Вентури, в частности, из опасений, что несущий поток (в данном случае поток селективного растворителя) может всасывать газ, причем возможно было бы образование газовых подушек (газовых подпоров), которые могли бы отрицательно сказываться на равномерном распределении жидкости по сечению колонны.
Неожиданным образом, однако, оказалось, что в области самого узкого места (на самом узком участке) поперечного сечения первой, по существу горизонтальной, подающей трубы устанавливается динамическое равновесие, которое по существу можно описать следующим образом:
Подсасывающее действие жидкой струи селективного растворителя, который поступает через первую, по существу горизонтальную, подающую трубу, устраняется, как только через вторую подающую трубу, которая открывается в первую, по существу горизонтальную, подающую трубу в области максимального сужения ее поперечного сечения(самого узкого места), подсасывается некоторое определенное количество газа; во второй подающей трубе скапливается некоторый столб жидкости, который, однако, очень скоро вновь разрушается, поскольку как только во второй подающей трубе формируется небольшой столб жидкости, снова возникает подсасывающее действие. Уже всосавшийся газ полностью растворяется в жидкости ниже по потоку самого узкого места поперечного сечения ввиду высокого уровня турбулентности.
Согласно изобретению можно применять любую известную колонну для экстракционной дистилляции. Предпочтительны колонны в масштабах мировой шкалы, поскольку в случае большого диаметра колонны, в частности, более 0,5 м или же более 1,5 м, растворение обратного потока в селективном растворителе и их гомогенизация с увеличением диаметра колонны становятся сложнее. Разделительные внутренние элементы могут представлять собой, в частности, тарелки или пакеты. В случае пакетов над ними обязательны распределители жидкости.
Предпочтительно, чтобы над разделительными внутренними элементами в колонне располагался распределитель жидкости.
В случае применения тарелок в качестве разделительных внутренних элементов дополнительный распределитель жидкости над ними не требуется так строго; возможно также, чтобы его роль исполняли самые верхние тарелки; при этом, однако, они более не могут исполнять собственно задачу разделения.
Распределитель жидкости равномерно распределяет жидкость по сечению колонны и обладает такими элементами, что пар направляется по колонне вверх отдельно от жидкости. В качестве распределителей жидкости можно применять, например, распределители с желобами коробчатого сечения, распределители с перфорированными тарелками, распределители с воронками или распределители с трубками.
Обратный поток предпочтительно подают на разделительные внутренние элементы, в частности, тарелки, чтобы вымыть растворитель из восходящего пара.
Смешивание обоих потоков жидкости тем сложнее, чем выше различия в плотности и вязкости. В частности, это справедливо для различий в плотности, приблизительно превышающих 3-5%, и различий в вязкости, превышающих приблизительно 50%.
3
3
Проблему представляет собой, например, смешивание так называемого рафината 1, то есть смеси, которая содержит в основном бутаны и бутены, с N-метилпирролидоном и 8,3 масс.-% воды как селективным растворителем, так как обе жидкости существенно различаются как по плотности (N-МП/вода 1,014 кг/м в сравнении с рафинатом 1-572 кг/м), так и по вязкости (N-МП/вода 1,179 мПа⋅с в сравнении с рафинатом 1 0,14 мПа⋅с).
Благодаря особому конструктивному исполнению первой, по существу горизонтальной, подающей трубы, имеющей сужение поперечного сечения до самого узкого места и последующее расширение, используется известный эффект Вентури, то есть перетяжка вызывает местное повышение скорости, благодаря чему через вторую подающую трубу, которая располагается в области максимального сужения поперечного сечения, то есть перетяжки, засасывается второй поток жидкости, причем для этого не требуется подающий насос или статическое давление. Таким образом, благодаря использованию эффекта Вентури появляется возможность хорошего перемешивания потоков жидкости без применения подвижных деталей, а также без увеличения конструктивной высоты, которая могла бы потребоваться для формирования статического давления.
В данном случае первая подающая труба должна располагаться в колонне по существу горизонтально, причем подразумевается, что эта формулировка охватывает незначительные отклонения от горизонтального положения, составляющие до 5 градусов или же до 10 градусов и обусловленные особенностями изготовления и монтажа.
Предпочтительно, чтобы отношение поперечного сечения первой, по существу горизонтальной, подающей трубы до сужения поперечного сечения, к поперечному сечению первой горизонтальной подающей трубы в месте максимального сужения поперечного сечения было выбрано таким образом, чтобы давление в первой, по существу горизонтальной подающей трубе в месте максимального сужения поперечного сечения было ниже, чем давление вне первой, по существу горизонтальной, подающей трубы в непосредственной близости от места максимального сужения поперечного сечения места максимального сужения поперечного сечения(самого узкого мета).
Кроме того, предпочтительно выбирать диаметр первой, по существу горизонтальной, подающей трубы до сужения поперечного сечения таким образом, чтобы скорость потока в первой, по существу горизонтальной, подающей трубе до сужения поперечного сечения находилась в пределах от 0,1 до 5,0 м/с, предпочтительно - в пределах от 0,3 до 1,5 м/с.
Геометрические параметры первой, по существу горизонтальной подающей трубы предпочтительно выбирать таким образом, чтобы сужение (уменьшение) поперечного сечения простиралось на длину, превышающую диаметр первой, по существу горизонтальной подающей трубы, до 4 раз, предпочтительно до 3 раз, и чтобы расширение после точки максимального сужения поперечного сечения простиралось на длину, составляющую от 0,1 диаметра первой, по существу горизонтальной, подающей трубы до величины, в 15 раз превышающей диаметр первой, по существу горизонтальной, подающей трубы.
Эта особая конструкция первой, по существу горизонтальной, подающей трубы должна минимизировать ее длину, так чтобы затраты на установку ее были по возможности низки.
В предпочтительном варианте исполнения вторая подающая труба, которая в области максимального сужения поперечного сечения открывается в первую, по существу горизонтальную, подающую трубу, погружается в нее, предпочтительно до глубины, составляющей от 0,1 до 0,8 от диаметра второй подающей трубы, предпочтительно - до глубины погружения, составляющей от 0,15 до 0,75 от диаметра второй подающей трубы.
Благодаря этому предпочтительному исполнению второй подающей трубы добиваются дополнительного улучшения перемешивания по сечению первой, по существу горизонтальной, подающей трубы. Далее предпочтительно, чтобы вторая подающая труба, погруженная в первую, по существу горизонтальную трубу, завершалась скосом с углом установки относительно продольной оси второй трубы в пределах от 4° до 65°.
Благодаря этому дальнейшему предпочтительному конструктивному исполнению удается добиться дополнительного улучшения перемешивания по сечению первой, по существу горизонтальной, подающей трубы благодаря усилению отрывающего (отделяющего) вихря на конце второй подающей трубы, а также добиться в целом более интенсивного засасывания.
В улучшенном варианте конструктивного исполнения в первой, по существу горизонтальной, подающей трубе, после места максимального сужения поперечного сечения, по существу перпендикулярно ее продольной оси размещен по существу плоский статический смесительный элемент, который частично блокирует ее поперечное сечение.
Предусмотренный в настоящем примере статический смесительный элемент должен иметь в основном (по существу) плоскую форму, то есть его размер в продольном направлении первой, по существу горизонтальной, подающей трубы, должен быть пренебрежимо мал по сравнению с обоими другими его размерами.
По существу плоский статический смесительный элемент должен частично блокировать поперечное сечение первой, по существу горизонтальной, подающей трубы, предпочтительно на величину в пределах от 5% до 50% этого сечения.
Предпочтительно, чтобы расстояние от по существу плоского статического смесительного элемента до точки минимального поперечного сечения первой, по существу горизонтальной, подающей трубы (самого узкого места) как минимум вдвое превышало диаметр этой трубы в месте минимального поперечного сечения.
Предпочтительно, чтобы статический смесительный элемент располагался по сечению первой, по существу горизонтальной, подающей трубы эксцентрически, причем он прилегал бы к ее внутренней стенке или был изготовлен так что находился бы вблизи ее стенки, в верхней части первой, по существу горизонтальной подающей трубы, однако все же на некотором расстоянии от внутренней стенки трубы.
Предпочтительно, чтобы статический смесительный элемент, эксцентрически расположенный в первой, по существу горизонтальной, подающей трубе, был изготовлен в форме кольца.
Еще в одной предпочтительной форме исполнения статический смесительный элемент, эксцентрически расположенный в первой, по существу горизонтальной, подающей трубе, выполнен в форме кольца, открытого кверху, которое предпочтительно закреплено на внутренней стенке в ее верхней части с помощью перемычек.
Предметом изобретения также является способ разделения смеси углеводородов и/или производных углеводородов путем экстракционной дистилляции с применение селективного растворителя в колонне, с подачей селективного растворителя в верхней части колонны и подачей подлежащей разделению смеси углеводородов и/или производных углеводородов ниже подачи селективного растворителя, причем в колонне селективный растворитель нагружается теми компонентами подлежащей разделению смеси, к которой он обладает более высокой аффинностью, и его выводят из нижней части колонны как нагруженный селективный растворитель, а те компоненты подлежащей разделению смеси углеводородов и/или производных углеводородов, аффинность селективного растворителя к которым ниже, напротив, остаются в паровой фазе, и их отводят как верхний поток, который полностью или частично конденсируется с получением конденсата, частично отводимого в виде потока продукта, а в остальном снова подаваемого в колонну в виде обратного потока, и способ отличается тем, что
- селективный растворитель подают по первой, по существу горизонтальной, подающей трубе в верхнюю часть колонны, выше разделительных внутренних элементов, причем первая, по существу горизонтальная подающая труба характеризуется сужением поперечного сечения до самого узкого места, а после сужения поперечного сечения снова расширяется, и причем
- через вторую подающую трубу, которая входит в первую, по существу горизонтальную подающую трубу в самом узком месте, подают обратный поток.
4
Способ согласно изобретению предпочтительно представляет собой экстракционную дистилляцию смеси 4-атомных углеводородов (С) для получения бутанов и/или бутенов и/или 1,3-бутадиена, с применением селективного растворителя, выбранного из группы, которую образуют N-метилпирролидон или его смеси с водой, диметилформамид и ацетонитрил, или же экстракционную дистилляцию содержащих ароматические соединения смесей в целях получения бензола, и/или толуола, и/или ксилола.
Ниже дано более подробное объяснение изобретения на основании рисунков, а также примеров исполнения.
На рисунках показаны:
Фигура 1 схематическое изображение предпочтительной формы исполнения колонны согласно изобретению,
Фигура 2 схематическое изображение предпочтительной формы исполнения первой подающей трубы, расположенной в колонне по существу горизонтально, в области самого узкого места поперечного сечения в первой, по существу горизонтальной подающей трубе, а также со статическим смесительным элементом ниже по потоку точки максимального сужениям поперечного сечения в первой, по существу горизонтальной, подающей трубе, а также
Фигуры 3A и 3B примеры предпочтительных форм исполнения статических смесительных элементов.
На фигуре 1 показана предпочтительная форма исполнения колонны К согласно изобретению для осуществления экстракционной дистилляции смеси углеводородов и/или производных углеводородов 1 путем проведения противотоком с экстракционным растворителем 2 по разделительным внутренним элементам Е, с распределителем жидкости F выше этих элементов, причем в колонне K селективный растворитель 2 нагружается теми компонентами подлежащей разделению смеси 1, к которым он обладает более высокой аффинностью, и его выводят из нижней части колонны как нагруженный селективный растворитель 3, а те компоненты подлежащей разделению смеси, аффинность селективного растворителя 2 к которым ниже, напротив, остаются в паровой фазе, и их отводят как верхний поток 4, который полностью или частично конденсируется с получением конденсата 5, частично отводимого в виде потока продукта 6, а в остальном снова подаваемого в колонну K в виде обратного потока 7.
Селективный растворитель 2 вводят в колонну через по существу горизонтальную подающую трубу R1 выше внутренних элементов Е и распределителя жидкости F. По существу горизонтальная подающая труба R1 обладает геометрическими характеристиками, которые обеспечивают эффект Вентури, то есть подающая труба R1 имеет сужение поперечного сечения до самого узкого места, после чего оно снова увеличивается, причем в области максимального сужения поперечного сечения из второй подающей трубы R2 всасывается обратный поток 7, причем для этого не требуется подающий насос или статическое давление.
Схематическое изображение на фигуре 2 демонстрирует существенный для изобретения элемент подмешивания обратного потока 7 к селективному растворителю 2: селективный растворитель 2 подают по первой подающей трубе R1, которая характеризуется сужением поперечного сечения до самого узкого места V, а затем поперечное сечение вновь увеличивается. В области максимального сужения V поперечного сечения располагается вторая подающая труба R2, через которую вводят обратный поток 7 и подмешивают его в поток 2 селективного растворителя. В представленном предпочтительном варианте исполнения добиваются дополнительного улучшения качества перемешивания, разместив в этих целях ниже по потоку места максимального сужения V поперечного сечения и перпендикулярно главному направлению потока по первой подающей трубе R1 статический смеситель M.
Предпочтительные геометрические формы статических смесителей M представлены на фигурах 3A и 3B: в форме открытого в направлении вверх кольца, которое прилегает к нижней внутренней стенке трубы R1, на фигуре 3A либо же, соответственно, в форме эксцентрически расположенного кольца, которое также прилегает к нижней внутренней стенке трубы R1, а от верхней внутренней стенки находится на некотором расстоянии и закреплено на ней перемычками, на фигуре 3B.
Примеры исполнения:
3
3
В колонну для экстракционной дистилляции К с внутренним диаметром 5,33 м подают выше разделительных внутренних элементов Е поток селективного растворителя 2, содержащий смесь N-метилпирролидона с водой с плотностью 1013,7 кг/м и вязкостью 1,179 мПа⋅с, массовым потоком в 417 т/ч. Обратный поток, массовым потоком 22 т/ч, содержит смесь бутанов и бутенов плотностью 572,1 кг/м и вязкостью в 0,14 мПа⋅с.
Контрольный пример:
max
av
Для сравнения в колонне для экстракционной дистилляции К над разделительными внутренними элементами %: размещен обычный распределитель жидкости с перфорированными тарелками. В плоскости отверстий для выхода жидкости из распределителя жидкости степень смешения X/X, определенная так, как изложено ниже, составляет 6,8.
max
av
В данном случае, когда приведена степень смешения, через X обозначена максимальная величина массовой доли потока 7 в области измерений, через X, соответственно, обозначена средняя величина массовой доли потока 7 в области измерений, то есть величина, которая может обнаружиться во всей области измерений при идеальном перемешивании.
max
av
Степень смешивания определяют соотношением X/X. Соответственно, при идеальном перемешивании она равна 1.
min
av
Аналогично определяется отношение X/X, то есть отношение минимального значения в области измерений к среднему значению в области измерений, в каждом случае - для массовой доли потока 7.
Примеры согласно изобретению:
Пример 1:
Перемешивающее устройство выше разделительных внутренних элементов Е представляет собой предусмотрена первую, по существу горизонтально расположенную подающую трубу R1, характеризующуюся сужением поперечного сечения до самого узкого места V, после которого снова следует расширение. В области максимального сужения V поперечного сечения V в эту трубу открывается вторая подающая труба R2, частично погружается в первую, по существу горизонтальную, подающую трубу R1, и конец у нее скошен.
Конкретные размеры следующие:
- Диаметр первой, по существу горизонтальной, подающей трубы R1 - 304,8 мм,
- Сужение поперечного сечения первой, по существу горизонтальной, подающей трубы R1 происходит на протяжении отрезка в 150 мм в ее продольном направлении,
- Область максимального сужения V поперечного сечения: на протяжении отрезка 75 мм в продольном направлении первой, по существу горизонтальной, подающей трубы R1,
- Диаметр первой, по существу горизонтальной, подающей трубы R1 в самом узком месте V - 130 мм,
- после чего на протяжении отрезка первой, по существу горизонтальной, подающей трубы R1 длиной 480 мм следует расширение до исходного диаметра в 304,8 мм.
В области максимального сужения V поперечного сечения в первую, по существу горизонтальную, подающую трубу R1 погружается вторая подающая труба R2 внутренним диаметром 50,8 мм, причем глубина погружения составляет 49,2 со стороны, расположенной выше по потоку, либо же, соответственно, 29,2 мм со стороны, располагающейся ниже по потоку, то есть вторая подающая труба R2 скошена.
В области измерений, которая определена как поперечное сечение первой, по существу горизонтальной, подающей трубы R1 на удалении в 2 м ниже по потоку от направленного вниз по потоку конца самого узкого места V сужения поперечного сечения (место максимального сужения), получены следующие данные для показателя степени смешения:
max
av
X/X равно 1,09 и
min
av
X/X равно 0,85.
Пример 2:
Конфигурация в примере 2 соответствует конфигурации в примере 1, причем, однако, дополнительно ниже по потоку подающих труб R1 и R2 расположен статический смесительный элемент М, в соответствии со схематическим изображением на фигуре 3B - в форме эксцентрически размещенного кольца из стального листа толщиной 4 мм, наружным диаметром 260 мм и внутренним диаметром 200 мм, который прилегает к нижней внутренней стенке первой, по существу горизонтальной, подающей трубы R1 и закреплен на ее верхней внутренней стенке двумя перемычками.
max
av
min
av
В этом случае степень смешивания получается равной 1,02 для X/X либо же, соответственно, 0,99 для X/X.
Список условных обозначений
Потоки веществ:
1 Смесь углеводородов и/или производных углеводородов
2 Селективный растворитель
3 Нагруженный селективный растворитель
4 Верхний поток
5 Конденсат
6 Поток продукта
7 Обратный поток
Оборудование и его части
K Колонна
Е Разделительные внутренние элементы
F Распределитель жидкости
R1 Первая, по существу горизонтальная, подающая труба
R2 Вторая подающая труба
V Место максимального сужения поперечного сечения