CN105289018A - 用于有机溶剂脱水的mvr-蒸汽渗透耦合装置及工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于有机溶剂脱水的MVR-蒸汽渗透耦合工艺，属于节能和分离技术领域。包括如下步骤：原料液经进料泵加压后依次送入预热器、蒸发器、过热器加热汽化为过热蒸汽，再进入膜装置进行分离，分离后的产品蒸汽经压缩机加压，制得高品质的有机溶剂产品蒸汽，此高温高压产品蒸汽进入预热器与原料液充分换热，然后经冷却器进一步冷却后进入产品罐，制得高纯有机溶剂。与现有技术相比，本发明充分利用工艺中产品蒸汽潜热，提高了系统内能量利用率，实现了热量的集成利用，平均节能40～50％，综合经济效益评价表明，采用该工艺年费用节约20～30％。本发明适用多种有机溶剂脱水制备高纯有机溶剂，适用范围广，操作方便，生产过程洁净无污染。

Description

用于有机溶剂脱水的MVR-蒸汽渗透耦合装置及工艺方法

技术领域

本发明涉及属于节能和分离技术领域，具体涉及一种将热泵技术(MVR)应用于蒸汽渗透技术的有机溶剂脱水耦合装置及工艺方法。

背景技术

有机溶剂在现代工业生产中发挥着越来越重要的作用，主要应用于新能源、石油化工、精细化工、医药、电子工业等领域。有机溶剂脱水是有机溶剂生产和回收过程中一个关键环节，许多有机溶剂能够与水形成共沸或近沸混合物，采用传统分离技术生产高纯有机溶剂，能耗大，运行成本高。渗透汽化技术用于有机溶剂脱水具有明显的节能与经济优势，已经开始被广泛应用。蒸汽渗透技术是在渗透汽化技术基础上发展起来的一种新型膜分离技术，与渗透汽化过程相比，蒸汽渗透过程不存在相变，避免了温差极化现象，在膜内分离过程中能耗损失小；蒸汽进料，减小浓差极化，传质系数显著提高；对膜的污染小，延长了膜的使用寿命，该技术可以显著提高膜渗透通量和分离系数，易于制得高纯有机溶剂产品。但是，蒸汽渗透需要高于料液沸点进料，较之渗透汽化过程能耗更高。

发明内容

本发明的目的是针对蒸汽渗透过程能耗高的问题，提供一种热泵技术和蒸汽渗透过程耦合的工艺，用于有机溶剂脱水生产高纯有机溶剂。本发明采用热泵将分离过程中产生的二次蒸汽压缩，制得高品质的有机溶剂产品蒸汽，再将此高温高压产品蒸汽与原料液进行换热，充分利用分离后物料的潜热，以达到大幅度节能的效果。

本发明技术方案的设计思路：MVR是利用工艺自身产生的二次蒸汽及其能量，经蒸汽压缩机压缩做功，提升二次蒸汽的压力、温度及焓值。将MVR技术应用于蒸汽渗透工艺中，能够减小有机溶剂脱水过程的能耗，提高分离过程的能量利用率。

本发明采用的技术方案是：一种用于有机溶剂脱水的MVR-蒸汽渗透耦合装置，包括依次连接的预热器、蒸发器、过热器、膜装置、渗透液冷凝器、渗透液收集罐和真空泵，其中所述的膜装置通过管道依次与压缩机、预热器、产品冷却器、产品罐连接，其中蒸发器、膜装置、渗透液冷凝器和真空泵组成膜分离系统，压缩机、预热器和过热器组成热泵系统，从而膜分离系统实现有机溶剂脱水，而热泵系统将膜装置分离的有机溶剂产品进一步压缩做功提升产品蒸汽的压力、温度及焓值，将产品蒸汽更多的热量传递给原料液，提高换热效率，降低膜分离系统中蒸汽耗量及产品冷却水用量。

根据本发明所述的装置，优选所述的压缩机与过热器之间通过管道连接，且所述过热器经管道与产品冷却器连接，从而压缩后的产品蒸汽一部分进入预热器与原料液换热，一部分进入过热器与原料蒸汽换热，换热后的产品合流进入产品冷却器进行冷却，进一步降低能耗。

本发明还提供了一种用于有机溶剂脱水的MVR-蒸汽渗透耦合工艺方法，该方法包括：由预热器加热后的原料直接进入蒸发器，被汽化为有机溶剂蒸汽，再由过热器过热，过热至高于原料液沸点后，进入膜装置进行分离，在真空泵作用下水蒸气透过膜被渗透液冷凝器冷凝，产品蒸汽进入压缩机，经压缩机压缩后的产品蒸汽进入预热器与原料液换热，再进入冷却器进行冷却得到目的产品。

根据本发明所述的方法，优选工艺方案为：经压缩机压缩后的产品蒸汽一部分进入预热器与原料液换热，一部分进入过热器与原料蒸汽换热，换热后的产品合流进入冷却器进行冷却，进一步降低能耗。

所述的压缩机优选为离心压缩机或罗茨风机。

所述有机溶剂为醇类、醚类、酮类或芳香族化合物等有机物。

本发明还进一步提供了一种用于有机溶剂脱水的精馏-MVR-蒸汽渗透耦合工艺方法，该方法包括：将原料先进入精馏塔脱去一部分水分，再进入蒸汽渗透装置进一步脱水，经膜装置分离后的产品蒸汽通过压缩机压缩后，与进入精馏塔前的原料进行换热，再进入冷却器冷却降温得到有机溶剂产品。

本发明的优点在于：采用热泵和蒸汽渗透耦合工艺进行有机溶剂脱水，充分利用工艺中产品蒸汽潜热，提高了系统内能量利用率，实现了热量的集成利用。与现有技术相比，该发明工艺节能效果明显，平均节能40～50％，综合经济效益评价表明，采用该工艺年费用节约20～30％。本发明适用多种有机溶剂脱水制备高纯有机溶剂，适用范围广，操作方便，生产过程洁净无污染。

附图说明

图1为本发明实施例1、2中的有机溶剂脱水装置图，

图2为实施例3中的有机溶剂脱水装置图。

图中标记说明：1、原料罐；2、进料泵；3、预热器；4、蒸发器；5、过热器；6、膜装置；7、压缩机；8、冷却器；9、产品罐；10、渗透液冷凝器；11、渗透液收集罐；12、真空泵。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步描述。

如图1所示，本发明一种用于有机溶剂脱水的MVR-蒸汽渗透耦合装置的工作原理如下：

原料液从原料罐1经进料泵2加压后依次送入预热器3、蒸发器4、过热器5加热汽化为过热蒸汽，再进入膜装置6进行分离，膜装置的渗透侧由真空泵维持负压，溶剂中的水分子在跨膜压差的作用下透过膜进入冷凝器10冷凝，再进入渗透液收集罐11；经膜分离后的产品蒸汽经压缩机7加压，制得高品质的有机溶剂产品蒸汽，此高温高压产品蒸汽进入预热器3与原料液充分换热，然后经冷却器8进一步冷却后进入产品罐9，制得高纯有机溶剂。

所述MVR系统是指从膜装置6出来的产品蒸汽经压缩机7压缩，制得的高品质的有机溶剂产品蒸汽，再进入产品预热器3，与原料液换热。

所述蒸汽渗透工艺是指由预热器3加热后的原料直接进入蒸发器4，被汽化为有机溶剂蒸汽，再由过热器5过热后进入膜装置6进行分离，在真空泵作用下水蒸气透过膜被渗透液冷凝器10冷凝，产品蒸汽进入压缩机7。

所述的膜装置6由膜组件与分离膜组成，膜组件可通过串联、并联或混联的方式构成，膜组件可采用多种形式，如管式、卷式、平板式等形式，膜组件数由原料液的处理量及处理要求决定，以达到不同的生产能力。所采用的分离膜是指对水有选择透过性的无机膜、有机膜、混合基质膜等。

实施例一

见图1，MVR-蒸汽渗透耦合工艺用于乙醇脱水，其步骤如下：

流量为420kg/h、含水10wt.％的乙醇溶液，从原料罐1中经进料泵2加压后进入预热器3，与产品蒸汽进行换热后温度升至106℃，此时原料部分汽化，汽化分率为0.56，接着进入蒸发器完全蒸发为乙醇蒸汽。乙醇蒸汽经过热器5过热至130℃后进入膜装置6进行乙醇脱水。该膜装置由8个管式NaA分子筛膜组件串联构成，总装填膜面积为60m²。经膜装置6分离后得到99.9wt.％的乙醇产品蒸汽，该蒸汽经压缩机7压缩后获得温度为185℃，压力为5MPa(A)的高品质乙醇蒸汽，进入预热器3与原料液进行换热，产品蒸汽全部液化，温度为123℃，然后经冷却器8冷却后进入产品罐。膜装置6由真空泵12控制渗透液侧压力为3KPa(A)，渗透液经冷凝器10冷凝后进入渗透液收集罐。测得渗透液质量流量为41.8kg/h，乙醇含量低于0.5wt.％。

与相同操作条件下的蒸汽渗透工艺相比，本实施例节能45.9％，饱和蒸汽耗量减少57％，循环冷却水用量减少64％。综合经济效益评价表明，采用MVR-蒸汽渗透耦合工艺，年总费用节约25％。

实施例二

见图1，MVR-蒸汽渗透耦合工艺用于乙腈脱水，其步骤如下：

流量为500kg/h、含水5wt.％的乙腈溶液，从原料罐1中经进料泵2加压后进入预热器3，与产品蒸汽进行换热后温度升至109℃，此时原料部分汽化，汽化分率为0.62，接着进入蒸发器完全蒸发为乙腈蒸汽。乙腈蒸汽经过热器5过热至130℃后进入膜装置6进行乙腈脱水。该膜装置由8个管式NaA分子筛膜组件串联构成，总装填膜面积为68m²。经膜装置6分离后得到99.9wt.％的乙腈产品蒸汽，该蒸汽经压缩机7压缩后获得温度为204℃，压力为5MPa(A)的高品质乙腈蒸汽，进入预热器3与原料液进行换热，产品蒸汽全部液化，温度为139℃，然后经冷却器8冷却后进入产品罐。膜装置6由真空泵12控制渗透液侧压力为3KPa(A)，渗透液经冷凝器10冷凝后进入渗透液收集罐。测得渗透液质量流量为24.6kg/h，乙腈含量低于0.5wt.％。

与相同操作条件下的蒸汽渗透工艺相比，本实施例节能48.7％，饱和蒸汽耗量减少63.7％，循环冷却水用量减少59.5％。

实施例三

见图2，MVR-蒸汽渗透耦合工艺用于异丙醇脱水，其步骤如下：

流量为800kg/h、含水6wt.％的异丙醇溶液，从原料罐1中经进料泵2加压后进入预热器3，与产品蒸汽进行换热后温度升至109℃，此时原料部分汽化，汽化分率为0.46，接着进入蒸发器完全蒸发为异丙醇蒸汽。异丙醇蒸汽经过热器5过热至130℃后进入膜装置6进行异丙醇脱水。该膜装置由10个管式NaA分子筛膜组件串联构成，总装填膜面积为80m²。经膜装置6分离后得到99.9wt.％的异丙醇产品蒸汽，该蒸汽经压缩机7压缩后获得温度为170℃，压力为5MPa(A)的高品质异丙醇蒸汽，一部分流量为673kg/h的异丙醇产品蒸汽送入预热器与原料液进行换热，产品蒸汽温度降为110℃，一部分流量为80kg/h的异丙醇产品蒸汽送入过热器，产品蒸汽温度降为125℃，换热后的异丙醇产品合流进入产品冷却器，产品温度降为40℃后进入产品罐。膜装置6由真空泵12控制渗透液侧压力为3KPa(A)，渗透液经冷凝器10冷凝后进入渗透液收集罐。测得渗透液质量流量为47.5kg/h，异丙醇含量低于0.5wt％。

与相同操作条件下的蒸汽渗透工艺相比，本实施例节能49.4％，饱和蒸汽耗量减少56.3％，循环冷却水用量减少64.6％。

Claims (7)

1.一种用于有机溶剂脱水的MVR-蒸汽渗透耦合装置，其特征在于：包括依次连接的预热器(3)、蒸发器(4)、过热器(5)、膜装置(6)、渗透液冷凝器(10)、渗透液收集罐(11)和真空泵(12)，其中所述的膜装置通过管道依次与压缩机(7)、预热器(3)、产品冷却器(8)、产品罐(9)连接，其中蒸发器(4)、膜装置(6)、渗透液冷凝器(10)和真空泵(12)组成膜分离系统，压缩机(7)、预热器(3)和过热器(5)组成热泵系统，从而膜分离系统实现有机溶剂脱水，而热泵系统将膜装置(6)分离的有机溶剂产品进一步压缩做功提升产品蒸汽的压力、温度及焓值，进入预热器与原料液换热，提高换热效率，降低膜分离系统中蒸汽耗量及产品冷却水用量。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：压缩机(7)与过热器(5)之间通过管道连接，且所述过热器(5)经管道与产品冷却器(8)连接，从而压缩后的产品蒸汽一部分进入预热器(3)与原料液换热，一部分进入过热器与原料蒸汽换热，换热后的产品合流进入产品冷却器(8)进行冷却，进一步降低能耗。

3.一种用于有机溶剂脱水的MVR-蒸汽渗透耦合工艺方法，其特征在于：由预热器(3)加热后的原料直接进入蒸发器(4)，被汽化为有机溶剂蒸汽，再由过热器(5)过热，过热至高于原料液沸点后，进入膜装置(6)进行分离，在真空泵作用下水蒸气透过膜经渗透液冷凝器(10)冷凝，产品蒸汽进入压缩机(7)，经压缩机(7)压缩后的产品蒸汽进入预热器(3)与原料液换热，再进入产品冷却器(8)进行冷却得到目的产品。

4.根据权利要求3所述的用于有机溶剂脱水的MVR-蒸汽渗透耦合工艺方法，其特征在于：经压缩机(7)压缩后的产品蒸汽一部分进入预热器(3)与原料液换热，一部分进入过热器(5)与原料蒸汽换热，换热后的产品合流进入产品冷却器进行冷却，进一步降低能耗。

5.根据权利要求3或4所述的用于有机溶剂脱水的MVR-蒸汽渗透耦合工艺方法，其特征在于：压缩机为离心压缩机或罗茨风机。

6.根据权利要求3或4所述的一种用于有机溶剂脱水的MVR-蒸汽渗透耦合工艺方法，其特征在于：所述有机溶剂为醇类、醚类、酮类或芳香族化合物。

7.一种用于有机溶剂脱水的精馏-MVR-蒸汽渗透耦合工艺方法，其特征在于：将原料先进入精馏塔脱去一部分水分，再进入蒸汽渗透装置进一步脱水，经膜装置分离后的产品蒸汽通过压缩机压缩后，与进入精馏塔前的原料进行换热，再进入冷却器冷却降温得到有机溶剂产品。