本发明属于石油化工领域精馏-精馏技术领域，具体涉及一种超声波泡罩塔精馏装置及方法。
背景技术：
泡罩塔是进行精馏的一种塔式汽液接触装置,它是大型炼化企业的龙头装置，泡罩塔广泛用于精馏和气体吸收，其投资占比较大，也是化工工艺中能量消耗较大的过程，其运行状况对整体装置的效益具有举足轻重的作用。塔内装有多层水平塔板，板上有若干个供蒸气(或气体)通过的短管，其上各覆盖底缘有齿缝或小槽的泡罩，并装有溢流管。操作时，液体由塔的上部连续进入，经溢流管逐板下降，并在各板上积存液层，形成液封；蒸汽(或气体)则由塔底进入，经由泡罩底缘上的齿缝或小槽分散成为小气泡，与液体充分接触，并穿过液层而达液面，然后升入上一层塔板。其基本原理是将液体混合物多次部分气化和部分冷凝,利用其中各组份挥发度不同(相对挥发度，α)的特性，实现分离目的的单元操作。在实际生产中塔内由于受传质时间和机械制造及安装的限制，不能达到气液平衡状态，即塔板上升蒸汽中所含的低沸点组分较相平衡时蒸汽中所含的低沸点浓度要低，故实际塔板数要大于理论塔板数，理论塔板数与实际塔板数的比值，称为塔板效率。泡罩塔板的优点是操作弹性较大，塔板不易堵塞；缺点是结构复杂、造价高，板上液层厚，塔板压降大，尤其是塔板效率较低，导致生产能力低或产品纯度不高。
在精馏操作过程中，为了提高泡罩塔目的产品的纯度，同时减少非目的产品的含量，在原料性质、原料投料量和回流比等各项工艺条件不变的情况下，提高现有塔板效率的方法主要有以下几类：(1)更换高效的塔盘；(2)更换高效的塔填料；(3)增加塔盘数量和塔高(4)改变塔结构等。
以上所有措施都必须进行装置停产改造，不仅大幅增加装置的改造投资和设备投资，还需要将装置停产，增加开停车费用和物耗能耗，造成经济效益流失。对于此类改造，生产装置还必须进行全面的经济效益评价和风险安全评估，可谓是“劳民伤财”。
如何在不改变塔主体结构和增加少量设备投资的情况下，对其进行工艺技术指标提升，是当前多数精馏生产装置面临的问题。塔效率作为衡量精馏装置技术水平的主要指标，塔效率越高，装置的目标产物纯度越高，装置的经济技术性越好。在当今传统能源日趋减少(环境污染问题越来越受到人们的重视的时候！具有节能效果的可减少回流量的精馏塔，在节省能源消耗，减少环境污染，降低生产成本方面都有重要的现实意义。
技术实现要素：
本发明解决的关键问题在于如何将超声波有效且均匀的传导到塔盘上，针对这一目的，本发明提供一种超声波泡罩塔精馏装置，采用合适的角度将超声波有效且均匀的传递到塔盘上，利用超声波的微射流作用，大幅增加气液界面，强化气液相物料在塔盘上的传热和传质，达到提高塔板效率的作用，适用于简单的纯度不高物料分离操作，本发明还提供一种采用该装置的方法。
本发明所述的超声波泡罩塔精馏装置，包括泡罩塔，泡罩塔内包括多个塔盘和泡罩，还包括超声波发生器，在泡罩塔外壁上对应其中一个塔盘的位置设置一个分布器，分布器通过超声波换能器与超声波发生器相连；超声波换能器与分布器的夹角为45°-135°。
塔内所有物料在所有塔盘上进行气液接触，下行的液相物料与塔下方上升的气相物料在塔盘接触发生逆向传热传质，同时在其中一个塔盘上经历超声波作用，强化气液相物料在塔盘上的传热和传质，提高分离产品的纯度，本发明超声波换能器与分布器的夹角为45°-135°，通过采用合适的角度将超声波有效且均匀的传递到塔盘上，利用超声波的微射流作用，大幅增加气液界面，强化气液相物料在塔盘上的传热和传质，达到提高塔板效率的作用，发明人经研究发现，当超声波换能器与分布器的夹角为小于45°或大于135°时，超声波的反射效应大幅增加，将导致能量衰减严重，不利于超声波微射流效应的作用。超声波换能器与分布器的夹角为45°-135°，优选75°-105°。
本发明所述的超声波泡罩塔精馏装置适用于简单的纯度不高物料分离操作。
其中：
超声波换能器为圆柱形或圆锥形，超声波换能器的端面为平面或曲面。
分布器的厚度为1～90mm。优选厚度在15～50mm。
超声波换能器与超声波发生器的连接方式为焊接或法兰连接。
每个分布器与其对应的超声波换能器之间设有冷却器。每个分布器与其对应的超声波换能器之间设有冷却器。为了避免泡罩塔的热传导损坏换能器，在换能器与分布器之间可安装冷却器，该冷却器可以是翅片结构，也可以是其他构型，其作用为降低泡罩塔塔盘对换能器的热传导，以防止换能器过热，降低其效能。
分布器为金属材质，具有较高的刚性要求；分布器的材质适宜于超声波的传导，不易衰减，可以是铝、铁、镍、铜、铬其中的一种或是几种的合金钢，优选为铁。
分布器可以是平面或曲面结构。分布器外表面优选为曲面结构。
分布器与塔壁保证无缝硬性连接，可用法兰压紧式连接或焊接，焊接材料的材质应该与分布器的金属材质相同。
超声波发生器可安装在防爆控制柜内，超声波发生器与换能器相连接、换能器是磁致伸缩换能器、压电陶瓷换能器，超声波换能器可公知的各种类型。
对于工业适用的可靠稳定的超声波发生器与换能器，最大的输出功率只能达到4kw左右，实际应用中，能长周期稳定运行的额定功率只有3kw左右，要延长超声波作用时间的场合，可设置多组超声波工作，可以获得理想的提高效率的效果。
一种采用所述的超声波泡罩塔精馏装置的蒸馏方法，将原料送入泡罩塔内进行蒸馏分离，塔内下行的液相物料与上升的气相物料在塔盘上接触进行逆向传热传质，超声波发生器将电能通过超声波换能器转换为机械能的超声波，然后通过分布器释放给泡罩塔内塔盘上的物料以强化传热和传质，加速泡罩塔内轻重组分的分离，提高分离产品的纯度。
超声波发生器将电能通过换能器转换为超声波的机械能，通过分布器释放给泡罩塔内物料的超声波能量较为均匀。释放的超声波能量以均匀的声强传播，超声波的声强为0.01-0.5w/cm2，优选0.05～0.4w/cm2。
通过分布器释放的超声波与泡罩塔内塔盘上的物料流向呈45°-135°。
超声波作用频率为10khz～200khz。
本发明设置1套超声波发生器与1个泡罩塔塔盘相连接，通过超声波的强化作用可加速塔板气液相物料传热和传质的进行，可加速泡罩塔内物料轻重组分的分离，从而提高塔板效率，达到提高目标产物的纯度的目的。
本发明所述的装置和方法比较适合于石油烃类分离。
本发明利用超声波的微射流作用以及其微射流所伴随着机械效应用于石油化工精馏，微射流作用就是存在于液体中的分子在声波的作用下振动，当声压达到一定值时发生喷射的动力学过程。微射流作用一般包括3个步骤：微射流的形成、延伸和终止。这些微射流在超声波纵向传播形成的负压区生长，而在正压区迅速终止，从而在交替正负压强下受到压缩和拉伸。
本发明主要利用超声波的机械效应，其产生的微射流可有效消除液相的层流效应，减少均相界面的浓度梯度，极大地强化气液传质过程，提高传质单元效率。将超声波技术与泡罩精馏技术结合，形成超声波与泡罩塔的组合装置，能够使传统泡罩塔的塔板效率显著提高5～20％，可产生多个有益效果：其一，塔板效率提高，可增加泡罩塔产品的纯度，增加经济效益；其二，塔板效率提高，可增加泡罩塔的操作弹性，即提高塔的负荷至上限或减少塔的负荷至下限，仍然可以保证产品的质量，增加操作的安全性；其三，塔板效率提高，在保证产品的纯度不变的情况下，该塔的回流比可下调，从而减少能耗，具有良好的社会效益。
本发明不改变传统泡罩塔的精馏模式，仅对现有泡罩塔进行简易设备改造，在泡罩塔外适当的位置增加超声波发生装置和传导装置，并传送一定频率的声波，就可以实现连续的超声波精馏过程，不产生额外的三废，属于“绿色环保工艺”，对社会的发展而言可节省钢材资源，延长地球资源的使用年限；对企业的发展而言，可以节约装置的投资，减少污染排放，提高产品质量，改善经营管理模式，降低生产劳动强度，增加生产的安全性。该方法及装置便于安装，内部结构简单，可用于石油烃类精馏的场合，也适用于化工厂物料精馏分离的场合，尤其适合炼油厂的石油加工处理。
本发明具有以下优点：
(1)本发明所述的装置一种能够产生均匀声强的超声波泡罩塔精馏装置，采用合适的角度将超声波有效且均匀的传递到塔盘上，利用超声波的微射流作用，大幅增加气液界面，强化气液相物料在塔盘上的传热和传质，达到提高塔板效率的作用
(2)本发明在一定超声波声强的作用下，可以延长超声波的作用时间。超声波泡罩塔内部结构设计合理，便于制造，便于安装，便于检维修。超声波发生器结构独立，可通过固定架连接在精馏工艺操作的各种场合，接入方式简单，应用灵活。在某汽油精馏中试装置上，采用本发明装置及工艺，进行了精馏塔的对比精馏评价实验，与不添加超声波泡罩塔装置的对比试验，试验过程采用，超声波频率20khz，超声波声强0.2w/cm2。超声波泡罩塔的效果比较：未加载超声波的泡罩塔装置的塔顶汽油产品干点为178℃±3，不符合出厂标准；相同工艺条件下，加载超声波泡罩塔塔顶(采用本发明所述的装置和工艺)的塔顶目标产物油产品干点为171℃±3，符合出厂标准。
(3)与现有技术相比，本发明的超声波泡罩塔的塔板效率更高，塔板效率提高2～15％。
(4)本发明可用于石油的精馏分离过程中，也可用于其他烃类的分离工艺中，尤其适合气液两相塔内物料的加工处理。
(5)本发明所述的超声波泡罩塔精馏装置适用于简单的纯度不高物料分离操作。
附图说明
图1是本发明所述的超声波泡罩塔精馏装置的结构示意图；
图2是本发明所述的超声波泡罩塔精馏装置的纵刨面结构示意图；
图中：1-超声波换能器，2-冷却器，3-分布器，4-泡罩塔外壁，5-液相物料，6-泡罩，7-塔盘，8-气相物料，9-超声波发生器，10-降液口。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
一种超声波泡罩塔精馏装置，如图1和图2所示，包括泡罩塔，泡罩塔内包括多个塔盘7和泡罩6，还包括超声波发生器9，在泡罩塔外壁4上对应其中一个塔盘7的位置设置一个分布器3，分布器3通过超声波换能器1与超声波发生器9相连；超声波换能器1与分布器3的夹角为45°-135°。每个分布器3与其对应的超声波换能器1之间设有冷却器2。
所述的采用超声波蒸馏装置的蒸馏方法，将原料送入泡罩塔内进行蒸馏分离，塔内下行的液相物料5与上升的气相物料8在塔盘7上接触进行逆向传热传质，同时在其中一个塔盘7上经历超声波作用，超声波发生器9将电能通过超声波换能器1转换为机械能的超声波，然后通过分布器3释放给泡罩塔内塔盘7上的物料以强化传热和传质，加速泡罩塔内轻重组分的分离，提高分离产品的纯度，塔盘一般设置一个缺口为降液口10，泡罩塔内部分液相由降液口10进入下一层塔盘7。
实施例2
为了对比分布器的效果，在某汽油精馏中试装置上进行实验验证，脱除某种汽油中的重组分，分别采用普通泡罩塔(未加载超声波)、加载超声波但不接分布器和采用本发明实施例1装置和工艺下进行了实验评价。试验分别进行2小时、工艺条件为：精馏塔塔板数量40块，回流比3.5，试验过程采用的分布器为碳钢结构，厚度为10mm，分布器为曲面，分布器面积为0.2m2，分布器采用法兰压紧方式与塔盘连接，超声波频率20khz，换能器与分布器的夹角为90°，超声波声强0.2w/cm2。
采用普通泡罩塔(未加载超声波)，塔顶目标产物：汽油产品干点为178℃±3，塔板效率约为80％，汽油中的重组分较多；
相同工艺条件下，加载超声波但不接分布器的泡罩精馏塔，塔顶目标产物：汽油产品干点为176℃±3，塔板分离效果变化不大，塔板效率约为82％，塔板效率提高，但不明显，汽油中的重组分减少；
相同工艺条件下，采用本发明实施例1装置和工艺的泡罩塔塔顶目标产物：汽油产品干点为171℃±3，汽油产品干点降幅明显，汽油中的重组分大幅减少，塔板效率约为85％，塔板分离效果较好。
中试试验效果显示，本发明的超声波泡罩塔装置具有提高塔板效率的效果，尤其是在接入分布器之后，能够明显提高塔板效率，从而提高塔的分离效果。
实施例3
为了对比超声波换能器与分布器的不同夹角对精馏塔分离的效果，在某汽油精馏中试装置上进行实验验证，脱除某种汽油中的重组分，分别采用普通泡罩塔(未加载超声波)、加载超声波夹角45°(采用本发明实施例1装置，唯一的不同在于超声波换能器与分布器的夹角为45°)和加载超声波夹角90°(采用本发明实施例1装置，唯一的不同在于超声波换能器与分布器的夹角为90°)工艺下进行了实验评价。试验分别进行2小时、工艺条件为：精馏塔塔板数量40块，回流比3.5，试验过程采用的分布器为碳钢结构，厚度为10mm，分布器为曲面，分布器面积为0.2m2，分布器采用法兰压紧方式与塔盘连接，超声波频率20khz，超声波声强0.2w/cm2。
采用普通泡罩塔(未加载超声波)，塔顶目标产物：汽油产品干点为178℃±3，塔板效率约为80％，汽油中的重组分较多；
相同工艺条件下，加载超声波夹角45°的泡罩精馏塔，塔顶目标产物：汽油产品干点为176℃±3，塔板分离效果变化不大，塔板效率约为82％，塔板效率提高，但不明显，汽油中的重组分减少；
相同工艺条件下，采用本发明加载超声波夹角90°的泡罩塔塔顶目标产物：汽油产品干点为171℃±3，汽油产品干点降幅明显，汽油中的重组分大幅减少，塔板效率约为85％，塔板分离效果较好。
中试试验效果显示，本发明的超声波泡罩塔装置具有提高塔板效率的效果，尤其是在超声波换能器与分布器的夹角在90°左右，能够明显提高塔板效率，从而提高塔的分离效果。
实施例4
本发明的超声波泡罩塔精馏工艺及装置的分布器不同材质效果对比实施方案。
为了对比分布器的不同材质效果，在某汽油精馏中试装置上进行实验验证，脱除某种汽油中的重组分，采用本发明实施例1装置和方法，分别在不锈钢分布器和碳钢分布器2种条件下进行了实验评价。试验分别进行2小时、工艺条件为：精馏塔塔板数量40块，回流比3.2，试验过程采用的分布器厚度为15mm，分布器为曲面，分布器面积为0.2m2，分布器采用法兰压紧方式与塔盘连接，超声波频率20khz，换能器与分布器的夹角为90°，超声波声强0.2w/cm2。
不锈钢分布器的泡罩精馏塔，塔顶目标产物：汽油产品干点为180℃±3，塔板效率约为79％，汽油中的重组分较多；
相同工艺条件下，碳钢分布器的泡罩精馏塔，塔顶目标产物：汽油产品干点为171℃±3，汽油产品干点降幅明显，汽油中的重组分大幅减少，塔板效率约为85％，塔板分离效果较好。
本发明的超声波泡罩塔装置，中试试验效果显示，具有碳钢材质分布器的泡罩塔塔板效率更高，分离效果更好。
实施例5
本发明的超声波泡罩塔精馏工艺及装置的分布器不同厚度对比实施方案。
为了对比分布器的不同厚度对塔板分离效果影响，在某汽油精馏中试装置上进行实验验证，脱除某种汽油中的重组分，分别在5mm分布器和25mm分布器2种条件下进行了实验评价。试验分别进行2小时、工艺条件为：精馏塔塔板数量40块，回流比3.2，试验过程采用的分布器材质为碳钢，分布器为曲面，分布器面积为0.2m2，分布器采用法兰压紧方式与塔盘连接，超声波频率20khz，换能器与分布器的夹角为90°，超声波声强0.2w/cm2。
5mm分布器的泡罩精馏塔，塔顶目标产物：汽油产品干点为183℃±3，塔板效率约为75％，汽油中的重组分较多；
相同工艺条件下，25mm分布器的泡罩精馏塔，塔顶目标产物：汽油产品干点为170℃±3，汽油产品干点降幅明显，汽油中的重组分大幅减少，塔板效率约为86％，塔板分离效果较好。
本发明的超声波泡罩塔装置，中试试验效果显示，具有更高厚度分布器的泡罩塔塔板效率更高，分离效果更好。