TWI538725B - 用於蒸餾分離三種或更多種成分的混合物的方法和設備 - Google Patents
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Description
本發明涉及三種或更多種成分的混合物的精餾或蒸餾,即涉及一種將給定混合物蒸餾分離為其組成部分的方法,而且還涉及一種通過適當聯接蒸餾塔來執行此方法的設備。
蒸餾方法常用於化學加工技術中,以便熱分離具有不同相對揮發性和/或相互可溶性材料的混合物。
各種方法變化形式都可以用來連續蒸餾分離多成分的混合物。
在最簡單的情況下,將由低沸點部分和高沸點部分組成的進料混合物分離成它的兩個部分,即低沸點頂部餾分和高沸點底部餾分。在這種情況下,將需要分離的混合物引入蒸餾塔的底部和頂部之間。進料口將塔分成精餾段(rectifying section)和汽提段(stripping section)。在底部將高沸點餾分從塔中移除。使用安裝在底部區域的加熱工具(例如,自然迴圈蒸發器(natural circulation evaporator))使部分濃縮物蒸發。低沸物在塔的內部呈蒸
氣形式上升,自塔的頂部離開並在冷凝器中冷凝。使部分濃縮物再迴圈回到塔內且向下與上升的蒸氣逆流地流動(回流)。
然而,在分離由兩種以上部分的多成分混合物組成的進料混合物的情況下,必須使用數個常規的蒸餾塔。
第1圖示出了用於分離包含低沸物A(low boiler)、中沸物(medium boiler)B和高沸物C(high boiler)的三成分混合物ABC的可能工具。
其中,11示出了a-途徑,12示出了使材料通過預分離進行傳遞的聯接,13示出了使材料通過前置塔進行傳遞的聯接,且14示出了一種常規的隔離壁塔(dividing wall column)。
在a-途徑11的情況下,低沸物A在第一塔中作為頂部產物移除。底部餾分是中沸物B和高沸物C組成的混合物,該混合物在下游塔(downstream column)中被分離成兩種純的材料B和C。
在使材料通過預分離進行傳遞的聯接(a/c-途徑)12的情況下,以使頂部產物不含高沸物C且底部產物不含低沸物A的方式實現第一塔中的分離。因此,實現低沸物A與高沸物C的分離。在頂部餾分以及底部餾分中都存在中沸物B。兩種餾分AB和BC被分離成純的產物A、B和C,其中每一種餾分在獨立的下游塔中進行分離。變化形式12因此需要三個分離步驟。
在c-途徑(未示出)的情況下,C在第一塔中作為純的底部產物移除且混合物AB作為頂部產物(通常是蒸氣形式)傳遞到第二塔中。
原則上,在分離三種成分的混合物時,合適途徑(a-途徑、c-途徑、a/c途徑)的選擇取決於輸入的組成。
當低沸物A的含量高時,a-途徑較佳。相比之下,當高沸物C的含量高時,應該較佳選擇c-途徑。
當中沸物B的比例高時,優先選擇a/c途徑。
在使材料通過前置塔進行傳遞的聯接13的情況下,將兩個塔聯接以便允許材料傳遞(因此為雙倍聯接以便允許材料傳遞;Petlyuk構造)。
兩個或更多個蒸餾塔聯接的一種替代方式是隔離壁塔,即通過沿塔的縱向方向安置一個垂直隔離壁來防止液體流和蒸氣流在塔的區段中橫向混合的塔。在這種塔的情況下,垂直的隔離壁因此沿塔高度的部分延伸且將橫截面分成隔離壁的左側和右側兩個區段。
第1圖編號14示出了一種常規的隔離壁塔,其中高沸物作為底部物排出,中沸物通過側流出料口(takeoff)排出,且低沸物通過頂部流排出。
使用這種塔例如可能在單獨的塔中將三種成分的混合物分離成它的三種純成分部分,為此通常需要兩個常規塔。
沿塔的縱向方向安置的隔離壁將塔的內部分成進料段、移除段、上方合併塔段(精餾段)和下方合併塔段(汽提段)。
需要分離的混合物的進料口一般位於進料段的上方區域與下方區域之間的進料段的中心區域(隔離壁左側)中。在
進料段的上方區域與下方區域之間還可能提供一個或多個另外入口。
在移除段--隔離壁右側--在上方區域與下方區域之間安置一個或多個側流出料口。在移除段的下方區域與最下方區域之間還可能提供另外側流出料口。
WO 2009092682 A1公開了一種蒸餾處理1,5,9-環十二碳三烯(CDT)的方法,而且還公開了一種執行此方法的設備。從對由丁二烯三聚物(trimerisation of butadiene)所獲得的粗CDT進行蒸餾處理的方法開始來實現此目標。隔離壁塔用於蒸餾分離以多成分混合物形式形成的粗CDT。可由金屬片組成或由兩個或更多個個別金屬片接合在一起組成的隔離壁,將塔沿它的中間段縱向分成進料段和移除段。關於可以在隔離壁塔中使用的分離內部構件而言,散裝填料(random packings)以及結構化填料(structured packings)或分離盤(separating trays)都是適用的。可能配置呈鬆散插入區段形式的隔離壁。
US 6884324 B2公開了一種具有兩個蒸餾階段來濃縮鄰苯二甲酸酐(phthalic anhydride,PA)的塔,其中在第一個蒸餾階段中實現對粗PA中的低沸物的蒸餾性移除,且在第二個蒸餾階段中自純的PA移除高沸物,其中兩個蒸餾階段相互並排安置,且通過垂直安置的壁相互完全隔開,其中第一蒸餾階段的底部與第二蒸餾階段的底部相聯接。第一蒸餾階段的底部可通過溢流管(overflow tube)與第二蒸餾階段的底部相聯接。同樣地,第一蒸
餾階段的底部可通過泵與第二蒸餾階段的底部相聯接。
因此,在先前技術中已知使用兩個或更多個蒸餾塔在裝配中執行不同的分離功能,或使用一個隔離壁塔來分離多成分的混合物。
將會需要使整個蒸餾裝配的能量消耗最小化。在檢查僅僅個別的分離功能時,此目標遭遇到障礙。
最多可以考慮使用能允許較低壓力降且因此使可用能(exergy)損失最小化而分離性能較高的新內部構件,以及一種優化的控制系統(程式控制)。
另一種可能的選擇是蒸氣壓縮,然而由於它的資本成本高而且使用純可用能(電力),因此只在需要分離的多成分混合物的材料具有足夠高的絕熱指數時才具有成本效益,足夠高的絕熱指數將會允許在壓縮時以相對較低的支出產生大的溫度變化。
如果在考慮中的生產現場可以利用低價值的廢熱,則使用此廢熱作為蒸餾的加熱介質通常較佳於使用純可用能(電力)的蒸氣壓縮。
通過諸如進行聯接以便允許熱傳遞(通過熱交換器的整合加熱系統)的措施提供多種選擇,由此可以減少特定的能量使用。
US 2012048719 A1公開了一種在蒸餾設備中熱分離矽烷混合物(包含選自烷基氯矽烷(alkylchlorosilane)和氫氯矽
烷(hydrogen chlorosilane)的矽烷)的方法,其中用於加熱蒸餾設備的至少部分熱量是從另一蒸餾設備的蒸氣傳遞的,而且其中獲得雜質水準不超過百萬分之200的矽烷產物。
此方法的不足之處在於如果在需要分離的材料混合物中不存在固有的溫度差距,則有必要進行壓力分級。另外,當加熱側與產物側之間的溫度差異較小時,可能需要具有大表面積的中間熱交換器。
基於運行成本和資本成本,使用前文描述的隔離壁塔與兩個塔的常規串聯聯接相比可實現總計節約約30%。因此,隔離壁塔通常較佳於常規的蒸餾塔互連。
然而,隔離壁塔通常必須構建成具有比它們欲替代的相應個別設備要大的尺寸。隔離壁塔的總高度因此至少對應於個別設備之一的總高度,且最多為個別設備總高度的總和。
視水力負荷(hydraulic loading)而定,隔離壁塔的直徑至少等於個別設備的最小直徑,且最多等於個別設備的較大直徑。
視分離功能(多成分的混合物)而定,可能導致極端的總高度、大的塔直徑且因此導致高資本成本,這是不利的。
本發明的目標是因這組問題而產生。
本發明的目標是通過一種蒸餾分離三種或更多種成分的混合物的方法而實現,其中該混合物包含至少一種低沸物、
至少一種中沸物和至少一種高沸物,其中將該三種或更多種成分的混合物進料到一第一塔中,藉由該第一塔將該至少一種高沸物作為底部餾分移除且將頂部餾分進料到一第二塔中,其中在該第二塔中,通過一側流出料口移除該至少一種中沸物,且該至少一種低沸物作為頂部餾分移除,而且將來自該第二塔的底部出料流以回流形式進料回該第一塔中,其中兩個蒸餾塔都具有垂直的隔離壁。
此目標還通過一種用於蒸餾分離三種或更多種成分的混合物的設備而實現,其包含兩個相互耦合以便允許材料傳遞的蒸餾塔,其中第一蒸餾塔的蒸氣係連通連接(communicatively connected)至第二蒸餾塔的底部,且該第二蒸餾塔的底部出料流係連通連接至該第一蒸餾塔的回流段,其中兩個蒸餾塔都具有垂直的隔離壁,其中該第二塔具有一個或多個位於頂部出料口下方和底部出料口上方的側流出料口。
本發明提供蒸餾塔的相互聯接以便允許材料傳遞。另外,每一個蒸餾塔中都併入垂直的隔離壁。
進行聯接以便允許材料傳遞可實現使兩個塔的理論板數量增加。因此,如果使用兩個相同構造的塔,理論板的數量則將加倍。
進行聯接以便允許材料傳遞是通過每個塔在空間上獨立的位置處與相應的另一塔具有至少兩個聯接來實現。
被聯接以便允許材料傳遞的兩個如此的塔就能量需
求而言等同於單個隔離壁塔。由此可以實現大的能量節約,然而其中與新獲得的常規單隔離壁塔相比,導致較低的資本成本,這是因為在改進的情況下,先前存在的常規蒸餾塔可以轉化成隔離壁塔,且彼此互連,這樣兩次提到的具備隔離壁的蒸餾塔執行先前技術中的隔離壁塔的功能。
被聯接以便允許材料傳遞的塔各自可配備有專用的蒸發器和/或冷凝器。
低沸物餾分和高沸物餾分可以從不同的塔移除。塔的操作壓力以維持規定的流動方向的方式加以調節。也可能使第一塔的底部流在蒸發器中部分或完全蒸發,且隨後將其以雙相形式(biphasic form)或以氣態流和液態流的形式進料到第二塔中。
三種或更多種成分的混合物優選是包含氯矽烷的混合物或包含甲基氯矽烷(methylchlorosilanes)的混合物。
較佳來自TCS合成或MCS合成(TCS=三氯矽烷、MCS=甲基氯矽烷)或來自多晶矽沉積的混合物。
較佳由包含TCS、STC、DCS的氯矽烷以及痕量(traces)的其他雜質(甲基氯矽烷、烴、高沸物)組成的混合物,它是通過市售的冶金級矽與氯化氫在流化床反應器中在350℃至400℃下反應獲得的。
在用於生產多晶矽的裝配(assemblage)中,TCS是以粗矽烷形式由冶金級矽和HCl或由冶金級矽與STC/H2(STC=四氯化矽)在流化床反應器(fluidized-bed reactor)中產生的。然後,
粗矽烷通過蒸餾/純化來純化而形成TCS。多晶矽是由經純化的TCS沉積的,尤其經其而形成STC。STC的後續使用(例如,通過氫化形成三氯矽烷或通過燃燒產生精細分割的二氧化矽或矽酸酯)是常見的。
在由氯矽烷(尤其是TCS)和氫的混合物沉積多晶矽的過程中,除了STC,還形成一部分高沸點氯矽烷。術語「高沸點氯矽烷」在此處描述由矽、氯、可選的氫、氧和碳組成的且具有高於STC沸點(在1013百帕下為57℃)的沸點的化合物。較佳係二矽烷HnCl6-nSi2(n=0-4)和較佳具有2至4個Si原子的較高級寡聚(氯)矽烷,以及二矽氧烷HnCl6-nSi2O(n=0-4)和較佳具有2至4個Si原子的較高級矽氧烷,包括環狀寡聚矽氧烷以及它們的甲基衍生物。
Müller-Rochow方法的殘留物(高沸物)主要是四氯二甲基二矽烷(tetrachlorodimethyldisilane)、三氯三甲基二矽烷(trichlorotrimethyldisilane)和二氯四甲基二矽烷(dichloro trimethylsilane),即一般組成為Me6-xClxSi2的甲基氯二矽烷。這些可以在至少300℃的溫度下用冶金級矽和HCl來處理。在此方法中形成TCS和STC。
來自多晶矽沉積(西門子法(Siemens process))的排氣中的高沸物主要是一般組成為H6-xClxSi2的氯二矽烷(chlorodisilanes),且根據具體情況可以是氯二矽氧烷H6-xClxSi2O。另外,排氣包含TCS、STC和DCS。
下文借助於附圖來說明本發明及其與先前技術相比的差異。
11、12、13、14‧‧‧途徑
A‧‧‧低沸物
B‧‧‧中沸物
B2、D1、D2、F、M‧‧‧材料流
C‧‧‧高沸物
K1、K2‧‧‧塔
TWK1‧‧‧第一蒸餾塔
TWK2‧‧‧第二蒸餾塔
第1圖示出了根據先前技術的兩個或更多個塔以及隔離壁塔的互連。
第2圖示出了根據本發明的具備隔離壁的兩個塔的互連。
第3圖示出了由具有蒸發器和冷凝器的汽提塔組成的蒸餾塔以及具有蒸發器和冷凝器的第二蒸餾塔的常規互連。
第4圖示出了如在實施例中使用的根據本發明的具有蒸發器和冷凝器的隔離壁串聯塔(tandem column)。
第2圖示出了根據本發明通過聯接兩個現有蒸餾塔TWK1和TWK2形成的隔離壁塔。本發明使現有的蒸餾塔聯接以便允許材料傳遞,即一個塔的蒸氣直接被進料到第二塔的塔底,並且以回流形式向第一塔提供另一塔的底部出料流。在轉換的情況下,兩個個別設備都配備有必要的隔離壁、內部構件和側流出料口。
第2圖的設計與第1圖中的隔離壁塔14在能量上相等(energetically equivalent)。與新的投資相比,可以用減少的資本支出來進行轉換。
蒸餾塔較佳配備有不同類型的分離板,諸如分離盤
(例如,篩盤(sieve trays)、固定閥(fixed valves))、散裝填料(填料體)或結構化填料。
內部是分離性能以及蒸餾塔上的壓力下降的關鍵性決定因素。
該蒸餾塔較佳具有1至200個理論板,其中理論板的數量必然取決於需要分離的起始混合物的品質/污染程度、對於目標產物規定的純度要求以及多成分混合物的個別成分的相對揮發性(就重要成分而言)。
蒸餾塔較佳在-1至+10巴的排氣壓力和-20℃至+200℃的沸騰溫度範圍內進行操作。
關於由兩個或更多個個別設備組成的蒸餾裝配,考慮到經濟方面,排氣壓力可相互獨立地來選擇。
該蒸餾塔/個別設備還較佳配備有一個或多個蒸發器系統用來供應熱能。
在常規的蒸發器系統中,在個別設備的塔體上通過聯接器/轉接器而凸緣(flange)連接一個或多個熱發生器。
就加工技術的角度來說,熱發生器也可以設計成多種形式--然而較佳係設計成自然迴圈(natural circulation)蒸發器。
塔體較佳配備有另一連接用於第二蒸發器系統。
如果兩個蒸餾塔如第2圖中相互聯接,則第一塔的至少一個蒸氣管直接經凸緣連接到第二塔的塔體。
塔體上的現有凸緣連接如果存在即可用於此。如果此連接不存在,則必須對其進行改裝。
蒸氣管較佳設計成雙管。這樣可以借助於裝配中另一塔的底部出料流來加熱。這樣可以避免在蒸氣管中冷凝。
第二塔的底部出料流用於第一塔的回流。為此目的,例如第一塔的回流泵可以連接至第二塔的底部出料口,只要泵係適用的即可。
用於蒸發較佳的操作材料是各種壓力和溫度等級的水蒸氣和/或熱油。
各種操作材料的選擇主要根據經濟方面以及可用性來決定。
較佳係該蒸餾塔/個別設備另外配備有一個或多個冷凝系統用來冷凝蒸氣,從而為各自的塔供應回流量。
在第一冷凝階段中,將由具有低沸點的成分和/或惰性氣體組成的不可冷凝蒸氣部分進料到另一冷凝階段和/或另一處理/其他用途(較佳為洗滌器系統)。
用於冷凝的較佳操作材料是各種壓力和溫度等級的冷卻水和/或冷卻鹽水。
各種操作材料的選擇主要根據經濟方面以及可用性來決定。
以隔離壁串聯塔的形式進行操作在兩個塔之一上需要一個或較佳兩個或更多個側流出料口,當目標產物是純的中沸
物B時,目標產物由此離開。
應該根據熱力學設計來選擇在塔體圓周和高度上的準確位置。如果根據此熱設計,出料口位於兩個塔之間,則目標產物可以從一個塔的「隔離壁右側」的回流線離開。
第3圖示出了由包括蒸發器和冷凝器的汽提塔以及包括蒸發器和冷凝器的精餾塔組成的常規蒸餾配置。
材料流F是由具有低沸物餾分、中沸物餾分和高沸物餾分的含氯矽烷混合物組成。
在塔K1中,通過材料流D1移除低沸物餾分。
將材料流B1進料到第二塔K2中,其中高沸物餾分通過材料流B2離開且其中目標產物(中沸物餾分)通過材料流D2離開。
表1示出了根據比較實施例的各子流中個別成分的質量分率(mass fraction)。
C1至C3是痕量雜質,諸如甲基氯矽烷、烴和摻雜劑化合物。
第4圖示出了根據本發明的蒸餾塔的較佳實施態樣,其包含設計成隔離壁塔的包括蒸發器的第一蒸餾塔TWK1,以及同樣設計成隔離壁塔的包括冷凝器的第二蒸餾塔TWK2。
材料流F是由具有低沸物餾分、中沸物餾分和高沸物餾分的含氯矽烷混合物組成。在塔TWK1中,通過材料流B移除高沸物餾分(包含C1)。在第二塔TWK2中,低沸物餾分(包含DCS和C3)通過材料流D離開且目標產物(包含TCS的中沸物餾分)通過材料流M離開。
表2示出了根據實施例的各子流中個別成分的質量分率。
借助於第4圖可以看出,與比較實施例相比,節省了蒸發器和冷凝器。
B、D、F、M‧‧‧材料流
TWK1‧‧‧第一蒸餾塔
TWK2‧‧‧第二蒸餾塔
Claims (10)
- 一種蒸餾分離三種或更多種成分的混合物的方法,該混合物包含至少一種低沸物(low boiler)、至少一種中沸物(medium boiler)和至少一種高沸物(high boiler),其中將該三種或更多種成分的混合物進料到一第一塔中,藉由該第一塔將該至少一種高沸物作為底部餾分(fraction)移除且將頂部餾分進料到一第二塔中,其中在該第二塔中,通過一側流出料口(sidestream takeoff)移除該至少一種中沸物,且該至少一種低沸物作為頂部餾分移除,而且將來自該第二塔的底部出料流以回流形式進料回該第一塔中,其中兩個蒸餾塔都具有垂直的隔離壁。
- 如請求項1的方法,其中該等塔在-1至+10巴的排氣壓力(offgas pressure)和-20至+200℃的沸騰溫度範圍內進行操作。
- 如請求項1或2的方法,其中該等塔包含一個或多個蒸發器系統,該蒸發器系統使用具各種壓力和溫度等級的水蒸氣或熱油作為操作材料。
- 如請求項1或2的方法,其中該等塔包含一個或多個冷凝系統,該冷凝系統使用具各種壓力和溫度等級的冷卻水或冷卻鹽水作為操作材料。
- 如請求項1或2的方法,其中在第一冷凝階段中,將不可冷凝的頂部流成分進料到另一冷凝階段和/或洗滌器系統(scrubber system)。
- 如請求項1或2的方法,其中該三種或更多種成分的混合物包含氯矽烷作為該中沸物。
- 一種用於蒸餾分離三種或更多種成分的混合物的設備,其包含兩個相互耦合以便允許材料傳遞的蒸餾塔,其中第一蒸餾塔的蒸氣係連通連接(communicatively connected)至第二蒸餾塔的底部,且該第二蒸餾塔的底部出料流係連通連接至該第一蒸餾塔的回流段,其中兩個蒸餾塔都具有垂直的隔離壁,其中該第二塔具有一個或多個位於頂部出料口下方和底部出料口上方的側流出料口。
- 如請求項7的設備,其中兩個塔都具有1至200個理論板(theoretical plate)。
- 如請求項7或8的設備,其中至少該第一蒸餾塔包含一個或多個用於蒸發液體底部流的蒸發器系統,該蒸發器系統在每一種情況下都以凸緣(flange)連接至塔體。
- 如請求項7或8的設備,其中至少該第二蒸餾塔包含一個或多個用於冷凝蒸氣流的冷凝系統。
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