分隔壁精馏塔节能技术的专利分析

江 涵，李正杰，范 丽，王义刚

(国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心材料部，北京100190)

一、引言

随着能源供给日趋紧张，消费量逐年增长，工业节能问题受到了广泛关注。2013年能源消费总量37.5亿吨标准煤，工业耗能占到总能耗的70%以上，然而，全年工业生产总值不足国内生产总值(GDP)的40%，能量的消耗与产出严重失衡。据统计，化工过程中40% ～70%的能耗用于工业分离，传统的精馏能耗占分离过程的95%。传统的精馏设备已经不能满足节能发展的需要，存在设备耗能大、投资大等缺陷，尤其对于多组分物系的分离，往往需要多塔，设备维护成本很高。近年来，分隔壁精馏塔节能技术成为了国内外研发人员的关注的热点。

分隔壁精馏塔(Dividing Wall Column)是热耦合精馏塔的一种特殊结构，是在传统精馏塔中间位置放置一块竖直的分隔壁，使单塔实现多塔的功能，对于给定的物料，比常规精馏塔需要更小的回流比，操作容量大，节能最高可达到60%以上，可省设备投资30%，尤其对多组分物系分离具有巨大优势。国外分隔壁精馏塔的研究始于50年代初，1985年以来BASF、BP、Sumitomo重工等公司纷纷将分隔壁精馏塔成功投入使用，目前，世界各地有100多座分隔壁精馏塔在使用中，而且这一应用数字每年还在稳定增长。国内在2000后开始对该技术进行研究，目前已有相当数量的高校和研究机构申请了相关专利。

二、分隔壁精馏塔技术

(一)分隔壁精馏塔的结构

图1(a)为三组分离的分隔壁精馏塔，精馏塔被分隔壁分成6个部分，公共精馏区1、公共提馏区6及由分隔壁分开的相互平行的进料段和侧线产品采出段，其中进料段和侧线产品出料段又可分为精馏段2、3和提馏段4、5。区2、4一般被称为预分馏段或副塔，整个1、3、5、6区被称为主塔。含ABC三种物料混合物从分隔壁精馏塔进料段的中间位置进入到塔内。在预分馏段，组分A，B向塔上方移动，组分B、C向塔下方移动。在公共精馏区完成A、B的分离，纯组分A从塔顶采出，公共提馏区完成B、C的分离。纯组分C从塔釜出，纯组分B从塔中间出。

图1(b)是传统的三组分离精馏过程，需要两个塔，两个再沸器，两个冷凝器和两个回流设备。相比之下，完成同样的分离任务，分隔壁精馏塔可以节省一座精馏塔，一个再沸器、一个冷凝器以及一个塔顶回流设备，显著降低设备总投资和耗能。

图1 (a)分隔壁精馏塔的结构

图1 (b)常规三组分分离精馏塔结构

(二)分隔壁精馏塔的发展现状

1.分隔壁的研究。分隔壁精馏塔的分隔壁一般以无应力方式焊入塔内，作业比较复杂，使得多组分分离的分隔壁精馏塔的使用至今仍受到限制。1999年，Kaibel.G(US5914012A)发明了一种可拆卸的分隔壁，其与薄条带、导流板和分隔板构成，分隔壁安装在导轨上，可降低安装次数。2004年德国Helmut Jansen(US6770173B1)开发了一种带插入块的分隔壁，使分隔壁可以灵活安装和拆卸。当系统中分隔壁两侧温差大于5℃时，分隔壁优选绝热制造。2012年，方静(CN102657949A)，提出现有的隔壁塔建立在完全热耦合塔模型的基础上，忽略了跨壁传热的耦合作用，故以跨壁传热过程为优化方向研究了如何提高隔壁塔热力学效率降低能耗和排放。

2.分隔壁精馏塔的应用。分隔壁精馏塔可广泛应用于石油、化工、医药、光伏、环境等领域，用于高纯度分离多组分混合物，还可用于萃取分离、反应分离等复杂的分离工艺中。目前，分离三组分混合物的分隔壁精馏塔技术已近成熟，分离四组分及其以上组分混合物的应用成为新的研究热点，耦合的分隔壁精馏塔的结构也趋于复杂。

萃取分隔壁精馏塔。2004年，Heida.B(WO2004 052492A1)研究发现，在萃取分隔壁塔中分隔壁延伸到分隔壁塔的顶部，可以将最优化量的溶剂引入每个分隔壁分开的塔内部区域，显著降低能源消耗。2007年，裘兆蓉(CN101028987A)提出用分隔壁萃取精馏分离丙烯与丙烷的新工艺，将分隔壁延伸至分隔壁塔的塔顶中心，萃取剂循环使用，与常规四塔工艺相比，完成相同的分离任务需要较小回流比和较少理论塔板数，产品收率为95.7%，节约能耗达32.5%，设备节省50%。2010年，Kaibel.G(EP2266674A1)研究了用分隔壁精馏塔从C4烃馏分中萃取蒸馏分离粗粗1，3丁二烯的方法，图2(a)表示常规的从C4烃馏分中分离粗1，3丁二烯的萃取蒸馏塔结构，图2(b)表示三塔整合至同一塔中的分隔壁精馏塔，相比之下，可显著降低塔设备投资。

图2 (a)现有技术分离C4烃馏分中分离粗1，3丁二烯

图2 (b)分隔壁精馏塔分离C4烃馏分中的粗1，3丁二烯

反应分隔壁精馏塔。2009年，孙兰义(CN10135 7887A)，利用反应分隔壁精馏塔合成乙酸乙酯，分隔壁右侧底部封闭，原料乙醇与乙酸由塔釜上部空间加入塔内，在反应段及塔釜下部，乙醇与乙酸在催化剂酸性阳离子交换树脂作用下发生酯化反应，侧线提馏段底部得到高纯度乙酸乙酯，产品质量分数达99%以上，乙酸转化率99.99%。2010年，Kaibel.G(WO2010097318A1)研究了制备碱金属甲醇盐和甲醇/水混合物的蒸馏后处理方法，将图3(a)的两塔工艺耦改成图3(b)的反应分隔壁精馏塔，降低了能耗。分隔壁精馏塔左边区域(75)完成碱金属与甲醇的反应，产物碱金属甲醇盐从其底部取出，反应中形成的甲醇/水混合物以蒸汽形式进入(73)上端，在右边区域(77)实现甲醇与水的分离，纯的甲醇从塔顶采出，经过冷凝由(37)循环提供给左边区域(75)作为反应物料。

图3 (a)现有技术中碱金属甲醇制取工艺

图3 (b)制取碱金属甲醇的反应隔板精馏塔

其它类型精馏塔。2013年，Deeptanshu Dwivedi等研究了四组分Petlyuk塔的控制结构，用于分离甲醇、乙醇、丙二醇、丁醇四组分物系。图4(a)为四组分热耦合精馏塔的六塔结构，图4(b)上述结构耦合后等价的分隔壁精馏塔。

图4 (a)四组分热耦合精馏塔

图4 (b)四组分隔壁精馏塔

2013年，王二强(CN103304357A)研究了一个具有较多隔板的隔板塔如图5所示，用于制备甲基萘和工业苊的工艺流程，以煤焦油中洗油为原料，塔顶采出萘油，侧线(104)采出甲基萘，侧线(106)采出中质洗油，侧线(107)采出苊馏分，塔釜(110)采出重质洗油。与传统工艺相比，产品纯度和收率有了很大提高。

图5 多隔板的隔板塔

随着分隔壁技术和控制技术的发展，分隔壁精馏塔越来越多地用于多组分物系分离中，分隔壁设置的结构也趋于复杂化。为了进一步降低设备成本和节约能耗，研究人员尝试着将不同工艺的塔设备进行耦合，该技术未来将有很广阔的发展前景。

三、分隔壁精馏塔的专利技术分析

(一)专利检索

随着分隔壁精馏塔在节能设计方面的出色的表现，各大石油公司和高校纷纷申请了相关专利以对其技术成果进行保护。笔者对中国专利数据库CNABS和EPODOC数据库对中文和外文专利进行检索。

分隔壁精馏塔技术在IPC国际专利分类体系(IPC，International Patent Classification)中没有专门的分类号，一般按蒸馏工艺和分离的物质分类，涉及的分类号范围比较广，主要涉及的分类号:B01D3/00-B01D3/40，C07C7/04-C07C7/08，C07C，C07D，C02F1/04，C02F103。采用IPC分类号检索时需要加上关键词限定，“分隔壁”可扩展的词有:“隔板”、“隔壁”、“隔墙”、“隔离壁”、“间壁”，但检出的噪音较大，需大量浏览来排除不相关文献。

笔者还查阅了CPC联合专利分类体系(CPC，Cooperative Patent Classification)和ECLA欧洲专利分类体系(ECLA，European Classification)，发现它们的分类体系中均有分隔壁精馏塔专用的分类号。在CPC中分类号为B01D3/141，在ECLA中分类号为B01D3/14A，L01D3/14A。因此，笔者用EPOQUE系统在EPODOC数据库(欧洲专利文献数据库)中分别采用了CPC分类号和ECLA分类号进行检索，此外，采用关键词和IPC分类号在该数据库中进行补充检索，得到了比较全面数据，并对该专利数据进行统计，深入分析了该专利技术的发展现状。

(二)全球申请分布

截至2014年4月8日，分隔壁精馏塔领域全球专利申请总量为1424件，提交的申请主要分布在美国、欧专局、中国、日本、德国、韩国、澳大利亚、加拿大。图6列出了1990年至2013年分隔壁精馏塔技术的专利在全球申请分布。

图6 全球申请分布

分隔壁精馏塔技术最早于1933年由美国的Eric W Luster因裂解气的分离提出，在50年至80年代得到初步发展，早期申请量比较少，申请人主要是美国和德国的石油公司，研究方向主要是分隔壁精馏塔塔内结构和控制方法。从图6中可以看出，在1990年至1995年进入了缓慢发展阶段，在该阶段的申请还是以欧洲和美国为主，亚洲进入的国家主要是日本。在1994年，中国有了首个该技术的专利申请。1996年至2003年该领域专利申请进入了高速发展阶段。从1996年起，随着各大石油公司将战略重心转到亚太市场，中国、日本和韩国的相关申请量总体呈逐年增加的趋势，2003年为申请量的最高峰，达到了年106篇。2004年以后，由于受到高能源价格和利率提升的影响，发达国家纷纷将目光投入到技术商业化中，专利申请量开始下滑，德国和加拿大的申请量下降的尤为明显。中国经济增长强劲，逐渐成为各国在亚洲市场的战略重心。2005年国内以裘兆蓉、叶青为代表的一批研究人员，开始了国内分隔壁精馏塔技术的创新研究，使得该技术在中国的申请量一直保持稳步发展中。在该阶段，日本和韩国的申请量也有所上升。由于专利申请公开的滞后性，2012年至2013年的部分专利申请尚未公开，年申请量相对较少。

(三)全球主要申请人

在分隔壁精馏塔技术领域中，前十位申请人几乎都是跨国石化企业，从图7可以看出，德国在该领域中处于比较重要的地位。德国巴斯夫公司(BASF)排名第1位，其向各国的专利申请总量达到706件，占总申请量的50%，德国拜耳材料科技有限公司(BAYER)和MONTZ公司申请数量分别为33件和23件，分别排名第8、9位;其次是美国，美国环球油品(UOP LLC)、美国空气化工产品公司(AIR PROD＆CHEM)、普莱克斯公司(PRAXAIR)、埃克森美孚公司(EXXON MOBIL)，陶氏(DOW)公司申请量分别占排名的第2，3，5，6，10位;韩国在该技术方面起步比日本晚，但韩国LG化学公司每年的申请量都在递增，以54件的总申请量排名第4位;日本住友重机械工业株式会社(SUMITOMO HEAVY INDUSTRIES)申请量为35件，排名第6位。

图7 全球主要申请人

占据第一位的巴斯夫公司，从80年代开始就研究分隔壁精馏塔，技术一直处于世界领先地位，目前已拥有超过100座分隔壁精馏塔。作为世界500强企业中排名最高的化工企业，巴斯夫一直注重对分隔壁精馏塔的研究与创新，不断在主要市场国申请专利，在营销战略上，在稳定欧洲国家市场的基础上，不断拓展北美、亚洲(重点是中国)市场。

(四)中国申请趋势分布

从CNABS数据库和EPODOC数据库统计的结果分析，中国共有分隔壁精馏塔的专利214篇。由图8可以看出，中国在该技术上起步较晚，从1994开始有跨国公司向中国的分隔壁精馏塔的申请，直到2004年，国内出现了自主研发的分隔壁精馏塔的申请，至今经历了十年的发展，分隔壁精馏塔技术受到越来越多国内研究人员的重视，国内高校和科研院所也逐渐成为该领域申请的主力军。

图8 中国专利申请趋势分布

图9 中国专利申请人国别分布

图9为中国专利申请人国别分布，由图9可以直观地看出，在分隔壁精馏塔领域，德国是向中国提交申请最多的国家，共有88件，占中国申请总量的41%，其中75%为巴斯夫公司的申请。中国是巴斯夫全球第三大市场，仅次于德国和美国，1993年以来巴斯夫开始对华规模投资，1996年起巴斯夫每年都有该领域申请进入中国。日本和韩国的企业也很看重中国市场，进入中国的PCT申请呈上升趋势。近十年中国内申请人提交的申请量增长很快，共达到79件，占国内总量的37%，可见国内研发的潜力很大。

(五)重要中国申请人

表1显示了国内重要申请人排序。从表中可以看出，分隔壁精馏塔相关专利的中国申请人主要集中在国内研究所、高校和石化企业。国内高校对分隔壁精馏塔技术研究比较深入的学者有裘兆蓉和叶青，中国科学院大学的王二强也是相当有实力的申请人。中国石油大学、天津大学等高校的申请数量也在不断更新。申请专利最多的企业是中石油化工股份有限公司，随着研究人员对于分隔壁精馏塔技术的不断创新，预期中国申请量还有大幅增长。

表1 国内主要申请人

四、总结与展望

(一)分隔壁精馏塔技术是当前市场竞争的热点

能源短缺、原料价格上涨是当前各国面临的主要问题，分隔壁精馏塔技术的节能效果是显而易见的，由各国的申请量可以看出，该技术是当前市场竞争的热点。近几年，各大跨国石油公司的分隔壁精馏塔技术都很注重进入中国市场，国内对于该技术的研究起步比较晚，但是后劲十足，应当发挥自身优势对自主科研项目积极申请专利保护。

(二)分隔壁精馏塔未来发展方向

在过去的50年里，国外对塔内元件构造和分隔壁控制技术研究比较深入，近几年的专利申请多是保护具体的三组分物系的应用及其工艺设备。对于四组分及以上物系的分离、不同类型的塔设备之间的耦合以及分隔壁精馏塔与其它节能工艺或设备的结合，将是未来发展的方向。

(三)对于国内申请人专利申请的建议

首先，国外分隔壁精馏塔技术研究比较深入，国内的研究应当基于国外已有研究成果上进行拓展，避免重复劳动，积极探索分隔壁精馏塔可应用的新领域、更节能的耦合工艺。

其次，应当重视PCT(Patent Cooperation Treaty)申请。据上述数据分析，国内申请人在分隔壁精馏塔领域的专利几乎没有PCT申请。然而，韩国在该领域的研究也比较晚，但是韩国申请人比较注重国外的知识产权保护，每年向各主要国家尤其是向中国提交的申请量呈上升趋势，这对于跨国公司抢占国外市场提供了很大的技术保障。因此，国内申请人应当增强自信，加强研究成果的知识产权保护力度，争取提高在全球的竞争优势。

［1］岳金彩，闫 飞，邹 亮，等.精馏过程节能技术［J］.节能技术，2008，(1).

［2］裘兆蓉，叶 青，李成益，等.国内外分隔壁精馏塔现状与发展趋势［J］.江苏工业学院学报，2005，(1).

［3］汤文境，叶 青，裘兆荣，等.分隔壁精馏塔［J］.精馏，2009，(2).

［4］Deeptanshu Dwivedi，Halvorsen I J.，Sigurd Skogestad，Control structure selection four-product petlyuk column［J］.Chemical Engineering and Processing，Process Intensification 67(2013):49～59.

［5］Eric W Luster.Apparatus for Practionating Cracked Products［P］，US:1915681.1933-06-27.