本发明属于石油化工领域精馏-精馏技术领域，具体涉及一种并联分布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，本发明提供一种并联分布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，超声波效应集中，适用于含有较多重组分的物料分离操作，本发明还提供一种采用该装置的方法。
本发明所述的并联分布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至少两个分布器，每个分布器与超声波换能器连接，一个分布器对应一个超声波换能器，超声波换能器与分布器的夹角为45°-135°，超声波换能器再与超声波发生器相连。
其中：
泡罩塔内部包括多个塔盘，在泡罩塔外壁上对应其中一个塔盘的位置设置至少两个分布器，每个分布器与超声波换能器连接，超声波换能器再与超声波发生器相连，超声波发生器与对应其中一个塔盘的位置设置的至少两个分布器相连，呈现并联分布。
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，同时所有物料在一个塔盘上经历超声波作用，自上而下形成温度、浓度的梯度分布，加速泡罩塔内轻重组分的分离，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°。
超声波通过曲面以向塔内部发射为主，减弱超声波向外的无效辐射。本发明优选对应每个塔盘设置的分布器为均布设置，分布器的中心线正对塔盘圆心，最终使辐射的超声波更均匀，满足超声波强化传热传质的声强要求，防止局部能量过于集中。
本发明所述的并联分布超声波泡罩塔精馏装置，对应其中一个塔盘的位置设置至少两个分布器，优于设置一个单独的分布器，超声波效应集中，适用于含有较多重组分的物料分离操作。
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。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。
一种采用所述的并联分布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，泡罩塔内部包括多个塔盘，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，在泡罩塔外壁上对应其中一个塔盘的位置设置至少两个分布器，每个分布器与超声波换能器连接，一个分布器对应一个超声波换能器，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，然后通过每个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。
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，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％。
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并联分布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。在不改动现有装置的前提下，增加简易的设备就可提高泡罩塔的塔板效率，增加产品纯度和产量，减少蒸馏塔的回流比，减少了操作费用，提高了装置的经济效益，简化了结构设计，便于制造、安装与检维修操作。
(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800kt/a重质油催化裂化装置，采用本发明装置及工艺处理重质原料，进行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，泡罩塔中的产品：柴油的馏程干点为368℃，产品中的重组分较多，泡罩塔板效率不够，导致产品不能满足出厂质量要求(柴油干点＜365℃)；相同工艺条件下，加载超声波泡罩塔塔板效率增加，目标产物：柴油的馏程干点为364℃，满足出厂质量指标，虽然干点只降低了4℃，但这解决了产品质量不达标的问题。
(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)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，同时所有物料在一个塔盘上经历超声波作用，自上而下形成温度、浓度的梯度分布，加速泡罩塔内轻重组分的分离，提高分离产品的纯度。
超声波通过曲面以向塔内部发射为主，减弱超声波向外的无效辐射。本发明优选对应每个塔盘设置的分布器为均布设置，分布器的中心线正对塔盘圆心，且相互之间具有相同的角度，最终使辐射的超声波更均匀，满足超声波强化传热传质的声强要求，防止局部能量过于集中。
(6)本发明所述的并联分布超声波泡罩塔精馏装置，对应其中一个塔盘的位置设置至少两个分布器，优于设置一个单独的分布器，超声波效应集中，适用于含有较多重组分的物料分离操作。
附图说明
图1是本发明所述的并联分布超声波泡罩塔精馏装置的结构示意图；
图2是本发明所述的并联分布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
一种并联分布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的位置设置三个分布器3，每个分布器3与超声波换能器1连接，一个分布器3对应一个超声波换能器1，超声波换能器1与分布器3的夹角为45°-135°，超声波换能器1再与超声波发生器9相连。超声波换能器1与超声波发生器9的连接方式为焊接或法兰连接。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。分布器3为金属材质，分布器3外表面为曲面结构。
分布器3均布设置，所有分布器3的中心线正对塔盘7圆心。其目的主要是换能器辐射的超声波进行二次分布，最终使辐射的超声波更均匀，满足超声波强化传热传质的声强要求，防止局部能量过于集中。
采用所述的超声波蒸馏装置的蒸馏工艺，将原料送入泡罩塔内进行蒸馏分离，泡罩塔内部包括多个塔盘7，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，在泡罩塔外壁4上对应其中一个塔盘7的位置设置三个分布器3，每个分布器3与超声波换能器1连接，一个分布器3对应一个超声波换能器1，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，然后通过每个分布器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
本发明在800kt/a重质油催化裂化装置的并联超声波泡罩塔的实施方案。
某炼油重质油催化裂化装置，2015年上半年柴油产品干点为365℃，可以满足标国v(柴油标准＜365℃)，2015年7月份增加了重油油浆时，原料性质变差，泡罩塔板效率不够，导致分馏塔的塔盘分离效果变差，产品中柴油的重组分增加，干点增至370℃，导致产品不能满足出厂质量要求(柴油干点＜365℃)，导致产品不合格。针对该精馏塔的特点，在泡罩塔盘上并联接入了3个超声波换能器与分布器，采用实施例1给出的并联分布超声波泡罩塔精馏装置及工艺，利用超声波的微射流作用，加强了塔盘内气液物料的传质传热。为了进行对比，分别在接入超声波前和接入超声波后进行了实验评价。试验分别进行68小时、工艺条件为：精馏塔塔板数量32块，试验过程采用的分布器为碳钢结构，厚度为30mm，分布器为曲面，分布器面积为4m2，分布器采用焊接方式与塔盘连接，试验过程采用超声波频率20khz，换能器与分布器的夹角为90°，超声波声强0.24w/cm2。
未加载超声波的泡罩塔装置，泡罩塔中的产品：柴油的馏程干点为368℃，产品中的重组分较多，泡罩塔板效率不够，导致产品不能满足出厂质量要求(柴油干点＜365℃)；相同工艺条件下，加载超声波泡罩塔塔板效率增加，目标产物：柴油的馏程干点为364℃，满足出厂质量指标。通过超声波的处理，可实现炼厂装置原料的灵活调整，既解决了生产难题，又保证了产品的质量。
实施例3
本发明在1400kt/a重质油催化裂化装置的并联超声波泡罩塔的实施方案。
某炼油重质油催化裂化装置，设计投料量为170吨/小时，2016年上半年按设计投料量柴油产品中多环芳烃含量为10.5％，多环芳烃是一类重要的环境和食品污染物，有相当部分具有致癌性，国标v柴油标准规定多环芳烃含量＜11％，2016年8月份增加装置投料量，小时增加15吨投料量，这导致分馏塔的塔盘分离效率下降，产品中柴油的多环芳烃增加，多环芳烃含量增至11.2％，未达标国v柴油多环芳烃含量＜11％的要求，导致产品不合格。针对该精馏塔的特点，在泡罩塔盘上并联接入了3个超声波换能器与分布器，采用实施例1给出的并联分布超声波泡罩塔精馏装置及工艺，利用超声波的微射流作用，加强了塔盘内气液物料的传质传热。为了进行对比，分别在接入超声波前和接入超声波后进行了实验评价。试验分别进行48小时、工艺条件为：精馏塔塔板数量45块，试验过程采用的分布器为碳钢结构，厚度为30mm，分布器为曲面，分布器面积为4m2，分布器采用焊接方式与塔盘连接，试验过程采用超声波频率20khz，换能器与分布器的夹角为90°，超声波声强0.24w/cm2。
未加载超声波的泡罩塔装置，泡罩塔中的目标产物：柴油的多环芳烃含量为11.2％，未达标国v柴油多环芳烃含量＜11％的要求)；相同工艺条件下，加载超声波泡罩塔塔顶目标产物：柴油的多环芳烃含量为10.8％，达标国v标准。通过超声波的处理，可实现炼厂装置操作的灵活调整，既提高了产品产量，又保证了产品的高标准，减少了柴油中的多环芳烃含量，有利于保护环境。