本發(fā)明屬于化工分離純化領(lǐng)域，特別是多元共沸混合物的分離，具體涉及一種熱集成三塔變壓精餾分離乙腈-甲醇-苯三元共沸物的方法，尤其適用于分離組成變化隨壓力變化較大的壓敏性較強的乙腈-甲醇-苯的三元共沸體系。
背景技術(shù)：
甲醇(CH3OH)、乙腈(CH3CN)和苯(C6H6)均是重要的有機化工產(chǎn)品。在某工業(yè)生產(chǎn)某頭孢類藥物時，會產(chǎn)生含有乙腈、甲醇和苯的混合物廢水，由于該三元體系之間，乙腈、甲醇和苯兩兩之間互相產(chǎn)生二元共沸物，該混合物的分離無法達到企業(yè)純度要求。因此，要用特殊分離方法來分離該三元混合物。常用的特殊精餾法有變壓精餾、萃取精餾、共沸精餾、精餾耦合技術(shù)等。其中，變壓精餾由于工藝簡單、不引入其他溶劑、熱集成性強等優(yōu)點而受到相關(guān)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。
文獻(宗麗麗.甲醇—乙腈—苯三元混合體系分離過程研究,河北工業(yè)大學(xué),2013.)和專利(201310140409.9)涉及一種分離甲醇、乙腈和苯三元混合物的工藝方法，工藝流程采用甲醇作為溶劑與原料混合物輸送到初分離塔進行初始分離，塔頂和塔底分別得到甲醇-苯和甲醇-乙腈混合物，兩混合物分別經(jīng)雙塔變壓精餾分離得到甲醇、苯產(chǎn)品及甲醇、乙腈產(chǎn)品。甲醇、乙腈和苯的產(chǎn)品純度均為0.9950。該方法實現(xiàn)了乙腈-甲醇-苯的有效分離，但是設(shè)備投資費用和操作費用較高，且為實現(xiàn)熱量之間的集成。
文獻(Zhu Z,Xu D,Liu X,et al.Separation of acetonitrile/methanol/benzene ternary azeotrope via triple column pressure-swing distillation[J].Separation and Purification Technology,2016,169:66-77.)涉及三塔變壓精餾的工藝優(yōu)化過程，同時相關(guān)專利(2015105946029)提供了一種三塔變壓精餾分離乙腈-甲醇-苯體系的工藝過程，實現(xiàn)了該體系的高效分離，乙腈、甲醇和苯產(chǎn)品的純度為0.9990，產(chǎn)品回收率為0.9950。該方法實現(xiàn)了三塔變壓精餾分離三元共沸物，但是未能實現(xiàn)三塔之間的熱量耦合。
專利(201410255777.2)涉及一種三塔熱集成精餾乙醇的工藝方法，該方法將精餾塔Ⅰ、Ⅱ塔釜物流與原料經(jīng)過一級預(yù)熱器進行換熱，精餾塔Ⅰ塔頂物流與原料進入二級預(yù)熱器進行換熱，精餾塔Ⅱ塔頂物流為精餾塔Ⅰ再沸器提供熱能，精餾塔Ⅲ塔頂物流和閃蒸罐Ⅰ蒸汽為精餾塔Ⅱ提供熱能。該方法合理利用多物流之間的能量關(guān)系，實現(xiàn)了三個精餾塔之間的熱量集成。
專利(201010283950.1)涉及一種精餾塔序列差壓塔段熱集成節(jié)能精餾裝置及方法，該裝置實現(xiàn)了第二個精餾塔精餾段和提餾段的熱集成，采用差壓塔段熱集成方式實現(xiàn)單塔最小的熱消耗。該方法只實現(xiàn)了單塔之間的熱量集成。
本發(fā)明采用部分熱集成變壓精餾的方法，具體地講，本發(fā)明采用乙腈-甲醇-苯三元共沸體系共沸組成隨壓力改變而產(chǎn)生變化的特性，研究其殘余曲線和精餾邊界與壓力之間的關(guān)系，采用高壓塔、常壓塔和高壓塔三塔變壓精餾的方式，在分離出乙腈、甲醇和苯產(chǎn)品的同時，通過部分熱集成方式實現(xiàn)能耗的大幅度降低。本發(fā)明的方法尤其適用于乙腈質(zhì)量分?jǐn)?shù)占0.2，甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)占0.7及苯質(zhì)量分?jǐn)?shù)占0.1的三元共沸體系。本發(fā)明無需添加其他溶劑，節(jié)約投資成本的同時合理利用高低壓塔之間物流的熱量關(guān)系，不僅保證了產(chǎn)品的高效分離同時也實現(xiàn)了工藝中熱量的回收利用。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
[要解決的技術(shù)問題]
本發(fā)明的目的是提出一種熱集成三塔變壓精餾分離乙腈-甲醇-苯三元共沸物的方法，實現(xiàn)乙腈、甲醇和苯的高效分離及回收利用，同時實現(xiàn)三個精餾塔之間的熱集成。
[技術(shù)方案]
本發(fā)明采用乙腈-甲醇-苯三原共沸體系共沸組成隨壓力改變而產(chǎn)生變化的特性，研究其殘余曲線和精餾邊界與壓力之間的關(guān)系，采用高壓塔、常壓塔和高壓塔三塔變壓精餾的方式，攻克多元共沸物因精餾邊界的存在而難以實現(xiàn)高效分離的瓶頸，在分離出乙腈、甲醇和苯產(chǎn)品的同時，通過部分熱集成方式實現(xiàn)能耗的大幅度降低。
本發(fā)明提供了一種分離進料質(zhì)量組成為甲醇0.7、乙腈0.2和苯0.1的乙腈-甲醇-苯三元共沸物的方法。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：
一種熱集成三塔變壓精餾分離乙腈-甲醇-苯三元共沸物的方法，其特征在于實現(xiàn)該方法的裝置包括如下組成部分：乙腈塔T1、甲醇塔T2、苯塔T3、回流罐D(zhuǎn)1、回流罐D(zhuǎn)2、回流罐D(zhuǎn)3、輔助冷凝器C1、冷凝器C2、再沸器H1、換熱器H2、換熱器H3、再沸器H4；回流罐D(zhuǎn)1、D2、D3分別在精餾塔T1、T2、T3塔頂，冷凝器C2在精餾塔T2塔頂，再沸器H1連接在乙腈塔T1塔底，再沸器H2連接在苯塔T3塔底；甲醇塔T2塔底經(jīng)管路9與換熱器H2冷物流進口連接，換熱器H2冷物流出口經(jīng)管路10連接到甲醇塔T2塔底；乙腈塔T1塔頂部分物流經(jīng)管路2與換熱器H2熱物流進口連接，換熱器H2熱物流出口經(jīng)管路3連接到回流罐D(zhuǎn)1；乙腈塔T1塔頂部分物流經(jīng)管路4與輔助冷凝器C1進口連接，輔助冷凝器冷物流出口經(jīng)管路5、6返回回流罐D(zhuǎn)1；甲醇塔T2塔底經(jīng)管路11與換熱器H3冷物流進口連接，換熱器H3冷物流出口經(jīng)管路12連接到甲醇塔T2塔底；苯塔T3塔頂部分物流經(jīng)管路13與換熱器H3熱物流進口連接，換熱器H3熱物流出口經(jīng)管路14連接到回流罐D(zhuǎn)3。
采用上述裝置進行部分熱集成三塔變壓精餾分離乙腈-甲醇-苯三元共沸物的方法，包括以下步驟：
(1)乙腈-甲醇-苯原料混合液F由加壓泵輸送進入乙腈塔T1，高純度乙腈產(chǎn)品B1自塔T1塔底流出；乙腈塔T1塔頂部分混合物以氣相的形式從塔頂氣相出口管路1餾出，然后一部分經(jīng)過管路2進入換熱器H3熱物流入口進行換熱，換熱后從換熱器熱物流出口經(jīng)管路3流出；乙腈塔T1塔頂部分混合物以氣相的形式物流經(jīng)管路4進入輔助冷凝器熱物流入口進行冷凝，后從冷凝器冷物流出口流出，經(jīng)管路5與管路3中物流混合后經(jīng)管路6返回回流罐D(zhuǎn)1；回流罐中部分液相回流入塔T1，部分液相物流作為進料F2輸送到甲醇塔T2；
(2)甲醇塔T2塔底部分物流以液相形式經(jīng)管路9進入換熱器H2冷物流入口，加熱全部汽化后經(jīng)管路10返回甲醇塔T2，部分物流以液相形式經(jīng)管路11進入換熱器H3冷物流入口，加熱全部汽化后經(jīng)管路12返回甲醇塔T2，部分高純度甲醇產(chǎn)品B2自塔T2塔底流出；甲醇塔T2塔頂蒸汽混合物經(jīng)冷凝器冷凝，部分回流入塔T2，部分物流作為進料F3輸送到苯塔T3；
(3)高純度苯產(chǎn)品B3自塔T3塔底流出，苯塔T3塔頂混合物以氣相的形式從塔頂氣相出口管路13餾出，然后進入換熱器H3熱物流入口進行換熱，換熱后從換熱器熱物流出口經(jīng)管路14流出返回回流罐D(zhuǎn)3；回流罐中部分液相回流入塔T3，部分液相物流減壓后循環(huán)返回到塔T1。
根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實施方式，其特征在于：進料溫度為25℃，進料流量為500-1500kg/h。
根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實施方式，其特征在于：塔T1的操作壓力為6atm；塔T2的操作壓力為1atm；塔T3的操作壓力為6atm。
根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實施方式，其特征在于：冷凝器節(jié)約能耗為21.31-25.30％，再沸器節(jié)約能耗為9.29-13.54％。
根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實施方式，其特征在于：使用該方法分離得到的乙腈產(chǎn)品的純度大于0.9995，回收率大于0.9980；甲醇產(chǎn)品的純度大于0.9995，回收率大于0.9990；苯產(chǎn)品的純度大于0.9995，回收率大于0.9980。
根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實施方式，其特征在于：塔T1理論板數(shù)為46-54塊板，混合物進料位置為36-40塊板，循環(huán)進料位置為16-25塊板，回流比為1.2-2.38，塔徑為470-820mm；塔T2理論板數(shù)為50-57塊板，進料位置為14-16塊板，回流比為1.95-2.94，塔徑為490-820mm；塔T3理論板數(shù)為14-15塊板，進料位置為3-4塊板，回流比為0.15-0.3，塔徑為200-440mm。
本發(fā)明實現(xiàn)的原理為：
原料混合物流F1與循環(huán)物流REC進入塔T1，在精餾塔T1內(nèi)部塔底經(jīng)再沸器加熱的組分汽化沿著塔體上升，與下降的液體相遇通過多級的汽液傳質(zhì)，逐漸達到汽液平衡；塔T1塔頂采出三元混合物作為下一塔的進料，塔底采出高純度乙腈產(chǎn)品；在不同壓力的精餾塔T2內(nèi)部，塔底經(jīng)再沸器加熱的組分汽化沿著塔體上升，與下降的液體相遇通過多級的汽液傳質(zhì)，逐漸達到汽液平衡，塔底采出高純度甲醇產(chǎn)品；甲醇塔T2塔頂混合物作為進料輸送到塔T3，在在不同壓力的精餾塔T3內(nèi)部，塔底經(jīng)再沸器加熱的組分汽化沿著塔體上升，與下降的液體相遇通過多級的汽液傳質(zhì)，逐漸達到汽液平衡，塔底采出高純度苯產(chǎn)品；塔T3塔頂采出的三元混合物物流REC滿足分離塔T1的分離要求，最終混合物流循環(huán)返回塔T1。由于乙腈塔和苯塔屬于高壓塔，甲醇塔屬于常壓塔，高壓塔塔頂餾出的混合物蒸汽具有很高的潛熱，于是可以將高壓塔潛熱用于常壓塔塔釜部分液相再沸。在換熱器H3中，苯塔T3塔頂混合物蒸汽與甲醇塔塔釜的部分高純度甲醇液體進行換熱，氣相混合物經(jīng)換熱后全部液化并返回回流罐D(zhuǎn)3，高純度甲醇液體換熱后全部汽化并返回甲醇塔T2內(nèi)部。在換熱器H2中，乙腈塔T1塔頂混合物蒸汽與甲醇塔塔釜的部分高純度甲醇液體進行換熱，氣相混合物經(jīng)換熱后全部液化，高純度甲醇液體換熱后全部汽化并返回甲醇塔T2內(nèi)部。乙腈塔塔頂混合物蒸汽與甲醇塔換熱后，剩余潛熱經(jīng)輔助冷凝器C1冷凝后全部液化下來。
[有益效果]
本發(fā)明與現(xiàn)有的技術(shù)相比，主要有以下有益效果：
(1)本發(fā)明分離乙腈-甲醇-苯三元共沸體系，乙腈和苯的回收率均大于0.9980，甲醇的回收率大于0.9990，避免了有機溶劑排入周圍環(huán)境對人身環(huán)境和自然環(huán)境造成的影響。
(2)采用熱集成三塔精餾方式，苯塔和乙腈塔塔頂氣相能滿足甲醇塔塔釜液體再沸，大大降低了能耗。
(3)另外未引入其他組分或添加溶劑，保證了產(chǎn)品質(zhì)量，減少了精餾處理量。
(4)乙腈、甲醇和苯的產(chǎn)品純度提高，均大于0.9995。
【附圖說明】
以下結(jié)合附圖和具體實施方式進一步說明本發(fā)明。
附圖為本發(fā)明的流程示意圖。
圖中：T1、T2、T3-精餾塔；H1、H4-再沸器；H2、H3-換熱器；C1-輔助冷凝器；C2-冷凝器；D1、D2、D3-回流罐；F、F1、F2、F3-進料物流；REC-循環(huán)物流；B1、B2、B3-產(chǎn)品物流；數(shù)字表示各物流。
【具體實施方式】
實施例1：
進料流率1000kg/h，溫度25℃，質(zhì)量組成：乙腈20％，甲醇70％，苯10％。塔T1有效理論板數(shù)為48塊，原料液由第39塊板引入，循環(huán)進料位置為第16塊板，操作壓力為6atm，回流比為2.38，塔徑約為710mm；塔T2有效理論板數(shù)為54塊，塔T1塔頂采出液由第14塊板引入，操作壓力為1atm，回流比為2.57，塔徑約為670mm；塔T3有效理論板數(shù)為15塊，塔T2塔頂采出液由第3塊板引入，操作壓力為6atm，回流比為0.2，塔徑約為370mm。分離處理后乙腈產(chǎn)品純度為0.9995，甲醇產(chǎn)品純度為0.9995，苯產(chǎn)品純度為0.9995，乙腈回收率為99.80％，甲醇回收率為99.99％，苯回收率為99.91％。
為了對比熱集成的能耗優(yōu)勢，將無熱集成技術(shù)與熱集成能耗數(shù)據(jù)比較列于表1。
表1能耗數(shù)據(jù)對比列表
實施例2：
進料流率1500kg/h，溫度25℃，質(zhì)量組成：乙腈20％，甲醇70％，苯10％。塔T1有效理論板數(shù)為54塊，原料液由第39塊板引入，循環(huán)進料位置為第25塊板，操作壓力為6atm，回流比為2.30，塔徑約為820mm；塔T2有效理論板數(shù)為57塊，塔T1塔頂采出液由第15塊板引入，操作壓力為1atm，回流比為2.94，塔徑約為820mm；塔T3有效理論板數(shù)為15塊，塔T2塔頂采出液由第4塊板引入，操作壓力為6atm，回流比為0.3，塔徑約為440mm。分離處理后乙腈產(chǎn)品純度為0.9995，甲醇產(chǎn)品純度為0.9995，苯產(chǎn)品純度為0.9995，乙腈回收率為99.80％，甲醇回收率為99.99％，苯回收率為99.91％。
為了對比熱集成的能耗優(yōu)勢，將無熱集成技術(shù)與熱集成能耗數(shù)據(jù)比較列于表2。
表2能耗數(shù)據(jù)對比列表
實施例3：
進料流率500kg/h，溫度30℃，質(zhì)量組成：乙腈20％，甲醇70％，苯10％。塔T1有效理論板數(shù)為46塊，原料液由第36塊板引入，循環(huán)進料位置為第18塊板，操作壓力為6atm，回流比為1.2，塔徑約為470mm；塔T2有效理論板數(shù)為50塊，塔T1塔頂采出液由第16塊板引入，操作壓力為1atm，回流比為1.95，塔徑約為490mm；塔T3有效理論板數(shù)為14塊，塔T2塔頂采出液由第4塊板引入，操作壓力為6atm，回流比為0.18，塔徑約為200mm。分離處理后乙腈產(chǎn)品純度為0.9995，甲醇產(chǎn)品純度為0.9995，苯產(chǎn)品純度為0.9995，乙腈回收率為99.80％，甲醇回收率為99.99％，苯回收率為99.92％。
為了對比熱集成的能耗優(yōu)勢，將無熱集成技術(shù)與熱集成能耗數(shù)據(jù)比較列于表3。
表3能耗數(shù)據(jù)對比列表
實施例4：
進料流率1200kg/h，溫度25℃，質(zhì)量組成：乙腈20％，甲醇70％，苯10％。塔T1有效理論板數(shù)為49塊，原料液由第39塊板引入，循環(huán)進料位置為第23塊板，操作壓力為6atm，回流比為1.95，塔徑約為730mm；塔T2有效理論板數(shù)為55塊，塔T1塔頂采出液由第15塊板引入，操作壓力為1atm，回流比為2.83，塔徑約為760mm；塔T3有效理論板數(shù)為15塊，塔T2塔頂采出液由第4塊板引入，操作壓力為6atm，回流比為0.2，塔徑約為400mm。分離處理后乙腈產(chǎn)品純度為0.9995，甲醇產(chǎn)品純度為0.9995，苯產(chǎn)品純度為0.9995，乙腈回收率為99.80％，甲醇回收率為99.99％，苯回收率為99.92％。
為了對比熱集成的能耗優(yōu)勢，將無熱集成技術(shù)與熱集成能耗數(shù)據(jù)比較列于表4。
表4能耗數(shù)據(jù)對比列表
實施例5：
進料流率800kg/h，溫度25℃，質(zhì)量組成：乙腈20％，甲醇70％，苯10％。塔T1有效理論板數(shù)為48塊，原料液由第40塊板引入，循環(huán)進料位置為第19塊板，操作壓力為6atm，回流比為1.73，塔徑約為590mm；塔T2有效理論板數(shù)為53塊，塔T1塔頂采出液由第16塊板引入，操作壓力為1atm，回流比為2.6，塔徑約為640mm；塔T3有效理論板數(shù)為15塊，塔T2塔頂采出液由第4塊板引入，操作壓力為6atm，回流比為0.15，塔徑約為340mm。分離處理后乙腈產(chǎn)品純度為0.9995，甲醇產(chǎn)品純度為0.9995，苯產(chǎn)品純度為0.9995，乙腈回收率為99.95％，甲醇回收率為99.99％，苯回收率為99.88％。
為了對比熱集成的能耗優(yōu)勢，將無熱集成技術(shù)與熱集成能耗數(shù)據(jù)比較列于表5。
表5能耗數(shù)據(jù)對比列表