專利名稱：利用無(wú)規(guī)填料深冷分離空氣的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及深冷溫度(使空氣處于液態(tài)下的足夠低的溫度)下蒸餾分離空氣為其成分(主要是氮、氧和氫)的技術(shù)。
半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，空氣的深冷分離是空氣分成的主要工業(yè)來(lái)源，而且空氣成分日益成為重要的工業(yè)產(chǎn)品。例如，今日的煉鋼業(yè)有賴于用這種分離法獲得的、以管道輸送的氧的數(shù)量。
所說(shuō)的分離作用發(fā)生在一個(gè)或多個(gè)含液-氣接觸結(jié)構(gòu)的園柱形塔中，其中液體向下流過(guò)所說(shuō)的結(jié)構(gòu)，而氣態(tài)蒸氣向上通過(guò)所說(shuō)結(jié)構(gòu)，與液體呈對(duì)流方式接觸。一種類型的這種接觸結(jié)構(gòu)叫作填料，填料有迷宮式表面，液體以液膜形式在所說(shuō)表面上流動(dòng)，而且有足夠的間隙使上升的蒸氣容易通過(guò)，與流動(dòng)的液體相接觸。有兩大類填料(1)規(guī)則或有序的填料和(2)無(wú)規(guī)填料。前者由設(shè)計(jì)確定，一般是由金屬板制成的峰窩狀結(jié)構(gòu)。無(wú)規(guī)填料是一些松散的材料，如玻璃球、陶瓷環(huán)或能夠堆積或裝入所說(shuō)塔中的有一定形狀的金屬片。
另外一種液-氣接觸結(jié)構(gòu)叫作塔盤，一系列塔盤在塔中一個(gè)處于另一個(gè)之上形成液體的淺池，上升的氣體通過(guò)液體池時(shí)鼓泡。
據(jù)證明，雖然填料不論是有序填料還是無(wú)規(guī)填料均可用于深冷空氣分離和其它蒸餾過(guò)程，但是直到八十年代后填料，尤其是有序填料才變成人們優(yōu)選的接觸結(jié)構(gòu)。人們知道，填料的有益性能在于與采用塔盤相比，使用填料時(shí)壓縮原料空氣使之進(jìn)入蒸餾柱中所需的能量較少。這是因?yàn)榕c在填料表面液膜上通過(guò)相比，當(dāng)上升的氣體受迫通過(guò)塔盤上的許多液池鼓泡時(shí)，在塔頂和塔底之間必須有更大的壓力差。而且電能花費(fèi)大約是深冷空氣分離設(shè)備總操作成本的三分之一，所以即使電能成本僅僅減少%或2%都是有意義的。
盡管人們知道采用有序填料節(jié)省操作費(fèi)用，但是這種節(jié)省被所說(shuō)填料的附加投資費(fèi)用所抵消。此外，塔盤設(shè)計(jì)已經(jīng)得到高度發(fā)展，以致能得出精確而可預(yù)期的結(jié)果。但是，到七十年代和八十年代早期，情況發(fā)生變化了。
由于歐佩克議定書(shū)的作用和環(huán)境投資費(fèi)用負(fù)擔(dān)的結(jié)果，發(fā)電成本急劇增加。與此同時(shí)，或許由于受到電能成本費(fèi)用增加的刺激，在采用許多巨大蒸餾設(shè)備的石化工業(yè)和煉油工業(yè)中，開(kāi)發(fā)和工業(yè)規(guī)模地采用了更有效、更便宜的有序填料。隨后，深冷空氣分離中也工業(yè)規(guī)模地使用了這種填料。
雖然在有序填料上有許多改進(jìn)，但是與塔盤相比投資費(fèi)用仍然較高。另一方面，無(wú)規(guī)填料比有序填料便宜，而且與有序填料相似，和塔盤相比在較低的壓力降下操作，但是對(duì)于空氣分離來(lái)說(shuō)在性能上有一系列缺點(diǎn)。主要缺點(diǎn)是當(dāng)無(wú)規(guī)填料段或床深度達(dá)到空氣分離所需的正常值時(shí)，下降的液體在塔的整個(gè)截面上缺乏均勻的流動(dòng)性。這個(gè)問(wèn)題源于這樣一點(diǎn)，即經(jīng)濟(jì)上可行的空氣分離系統(tǒng)需要精確控制操作，以便實(shí)現(xiàn)氧、氮和氬的幾乎完全的分離，因?yàn)樗鼈兊姆悬c(diǎn)處于相當(dāng)窄的溫度范圍內(nèi)(標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下其沸點(diǎn)分別為-360°F、-383°F和-368°F)。
因此，本發(fā)明目的在于提供一種使用無(wú)規(guī)填料作為液-氣接觸結(jié)構(gòu)的深冷空氣分離法。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種深冷空氣分離用蒸餾塔，其中交替設(shè)有無(wú)規(guī)填料段和有序填料段。
上述目的和其它目的是這樣達(dá)到的一種深冷空氣分離用蒸餾塔，至少包括一組相鄰的液-氣接觸段，其中該組的靠上方段包含有序填料，而靠下方段包含無(wú)規(guī)填料。
一種深冷空氣分離方法，包括在具有靠上方的有序填料段和相鄰的靠下方的無(wú)規(guī)填料段的塔中，使下降的空氣中液體成分與上升的空氣中氣體成分接觸。
本申請(qǐng)使用的術(shù)語(yǔ)“塔”，指蒸餾或分餾塔或區(qū)，即接觸塔或接觸區(qū)，其中液相和氣相對(duì)流接觸以實(shí)現(xiàn)液體混合物的分離，例如通過(guò)所說(shuō)的氣相和液相在所說(shuō)塔中安裝的一系列垂直相間的塔盤或塔板上接觸，或者在充填在塔中的填料上接觸的方式分離。有關(guān)蒸餾塔的詳細(xì)討論，參見(jiàn)<化學(xué)工程師手冊(cè)>，第五版，R.H.Perry和C.H.Chilton編，紐約McGraw-Hill圖書(shū)公司;第十三節(jié)，B.D.Smith等人撰寫(xiě)的“蒸餾”，第13-3頁(yè)，“連續(xù)蒸餾過(guò)程”。本文所用的術(shù)語(yǔ)“雙塔”，指較高壓力的塔上端與較低壓力塔的下端按熱交換關(guān)系相連。有關(guān)雙塔的詳細(xì)討論，參見(jiàn)Ruheman編<氣體分離>，牛津大學(xué)出版社，1949年，第Ⅶ章，“空氣的工業(yè)分離”。
本文使用的術(shù)語(yǔ)“氬塔”，指這樣一種塔，其中向上流動(dòng)的氣體通過(guò)與向下流動(dòng)的液體相對(duì)流動(dòng)而逐漸地富含氬，并從此塔放出氬產(chǎn)品。
本文使用的術(shù)語(yǔ)“間接熱交換”，指使兩種液流在互相沒(méi)有實(shí)體接觸或互相混合的條件下進(jìn)行熱交換。
本文使用的術(shù)語(yǔ)“蒸氣-液體接觸元件”，指在兩相對(duì)流流動(dòng)期間，在液-氣界面上有利于傳質(zhì)或成分分離的。在塔內(nèi)使用的任何裝置。
本文使用的術(shù)語(yǔ)“塔盤”，指其上具有開(kāi)孔、流體入口和出口的大體上平的板，液體能夠穿過(guò)此板流動(dòng)，同時(shí)蒸氣穿過(guò)所說(shuō)的開(kāi)孔上升，以便實(shí)現(xiàn)此兩相間的傳質(zhì)。
本文使用的術(shù)語(yǔ)“填料”，指在塔內(nèi)部使用，具有預(yù)定的構(gòu)型、形狀和尺寸的任何固體或空心體，其作用在于提供液體表面區(qū)域，以便在所說(shuō)兩相對(duì)流流動(dòng)期間在液-氣界面上實(shí)現(xiàn)傳質(zhì)。
本文使用的術(shù)語(yǔ)“無(wú)規(guī)填料”，指單個(gè)填料互相之間或相對(duì)于塔的軸線沒(méi)有任何特定取向的填料。
本文使用的術(shù)語(yǔ)“有序填料”，指單個(gè)填料之間或相對(duì)于塔的軸線具有特定取向的填料。
本文使用的術(shù)語(yǔ)“理論級(jí)”，指在向上流動(dòng)的蒸氣和向下流動(dòng)進(jìn)入某級(jí)的液體之間使這些物流處于平衡下的理想接觸。
附

圖1是可以實(shí)施本發(fā)明的一種普通的空氣分離設(shè)備的代表性簡(jiǎn)化示意圖，其中包括一種傳統(tǒng)的雙塔系統(tǒng)，此系統(tǒng)有按熱交換關(guān)系連結(jié)的低壓塔和高壓塔，還有一個(gè)氬塔或側(cè)臂塔。
附圖2剖視說(shuō)明本發(fā)明的塔結(jié)構(gòu)，也可以用作如附圖1作為塔14示意說(shuō)明的那種粗氬塔的液-氣接觸結(jié)構(gòu)。
附圖3是圖2中所示的液體分布器26和26′的三維結(jié)構(gòu)圖以下參照附圖1-3詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的方法和設(shè)備。
參看圖1，較高壓力下的原料空氣1被送入系一種雙塔系統(tǒng)較高壓力塔的塔2之中，原料空氣在塔2中被深冷蒸餾分離成富氮?dú)怏w和富氧液體。富氧液體3從塔2送入氬塔的頂部冷凝器20中，至少有一部分被冷凝的氬塔頂蒸氯所汽化，然后作為蒸氣流21和液流23被送入塔4(系雙塔系統(tǒng)的較低壓力塔)中。富氮蒸氣5被送入冷凝器6中，通過(guò)與沸騰塔4底熱交換而冷凝。形成的富氮液體7被分成兩部分，一部分8作為回流液被送入塔2中，另一部分9作為回流液被送入塔4之中。也可以將較低壓力的原料空氣22送入塔4中。原料空氣在塔4中被深冷蒸餾分離成富氮部分和富氧部分。
富氮的部分作為物流10從塔4放出，回收作為產(chǎn)品氮。富氧的部分作為物流11從塔4放出，回收作為產(chǎn)品氧。廢物料流12從塔4放出用于控制目的。主要含氧和氬的物流13由塔4的中間位置放出再通入氬塔14之中，在其中被深冷分離成富氬部分和富氧部分。富氬的蒸氣在氬柱頂部冷凝器20被冷凝，一部分作為物流15從塔14中除去，回收作為粗氬產(chǎn)品。富氧的部分從塔14放出，作為物流16返送回塔4之中。
圖2中表示出塔的一部分，其中設(shè)有有序填料段24，其下方的無(wú)規(guī)填料段25和與另一組有序和無(wú)規(guī)填料段(分別為24和25)之間的液體分布器(或再分布器)26。另一個(gè)液體分布器26′直接設(shè)在所說(shuō)的兩組有序和無(wú)規(guī)填料段上方。填料段的這種順序排列，可以在傳質(zhì)-傳熱系統(tǒng)中，尤其是深冷空氣分離的蒸餾或精餾用系統(tǒng)中采用大量無(wú)規(guī)填料。所說(shuō)系統(tǒng)的總效率和性能與全部采用有序填料時(shí)基本相同，但是因?yàn)榕c有序填料相比無(wú)規(guī)填料本身更便宜而且裝填更經(jīng)濟(jì)而顯著節(jié)省投資費(fèi)用。
若將圖2所示的結(jié)構(gòu)，更改成采用無(wú)規(guī)填料段代替那二個(gè)有序填料段25，并且增設(shè)兩個(gè)液體分布器，以便使每個(gè)填料段之間有一個(gè)液體分布器，即在每段之間有一個(gè)液體分布器，構(gòu)成一連串相當(dāng)短的無(wú)規(guī)填料段，這種方案較差。
采用本發(fā)明時(shí)，與例如圖1所代表的普通設(shè)備中的雙塔相比，最好使用直徑較小的氬柱。之所以優(yōu)選較小直徑的氬柱，是因?yàn)楫?dāng)用增大直徑的方法擴(kuò)大無(wú)規(guī)填料段時(shí)，其性能的損失一般比有序填料段更大。舉例來(lái)說(shuō)，我們證明在大約3英尺直徑的塔中，可以采用大約15個(gè)理論級(jí)的無(wú)規(guī)填料而不會(huì)有明顯的液體不均勻分布。從大約15個(gè)理論級(jí)開(kāi)始，理論級(jí)數(shù)越小，就可以在比直徑3英尺大得更多的空氣分離塔中全部使用無(wú)規(guī)填料。因此，圖2說(shuō)明作為普通的粗氬塔(例如圖1中的塔14)中的液-氣接觸系統(tǒng)使用本發(fā)明時(shí)，理論級(jí)數(shù)大約為50。
若兩段無(wú)規(guī)填料25各有15個(gè)理論級(jí)，那么利用無(wú)規(guī)填料可以完成一半以上的蒸餾，即50理論級(jí)中的30級(jí)。這說(shuō)明，氬塔的投資費(fèi)用得以顯著節(jié)省。當(dāng)然，既然低壓頭損失是按本發(fā)明得有序填料和無(wú)規(guī)填料相結(jié)合時(shí)所固有的屬性(與每理論級(jí)塔板約為0.07-0.08psia相比，從大約0.01至大約0.02psia)，所以操作成本與全部采用有序填料時(shí)相同。而且，由于采用有序填料時(shí)壓頭損失小，所以為了(1)回收更多的氬或(2)獲得高純度氬，可以采用大于50個(gè)理論級(jí)數(shù)。
本發(fā)明不限于任何特定類型的有序填料，但是優(yōu)選使用授予Meir的第4296050號(hào)美國(guó)專利中所述的那種。同樣，本發(fā)明也不限于任何具體類型的無(wú)規(guī)填料?？梢允褂玫奶盍项愋桶U爾環(huán)、Interlox環(huán)、Nutter環(huán)和拉希環(huán)，其尺寸應(yīng)小于1 1/2 英寸，優(yōu)選約定1/4-1英寸的。優(yōu)選無(wú)規(guī)填料的表面積/體積密度比，約150-50英尺2/英尺3，而且還優(yōu)選堆積下空隙容積約90-98%的所說(shuō)填料。滿足這些要求而且是我們優(yōu)選的市售填料，是5/8英寸大小的Nutter環(huán)。
圖3表明一種適于本發(fā)明使用的普通孔板分布器?？装?7在每平方英尺塔流面積上至少有六個(gè)孔28，優(yōu)選至少每平方英尺九個(gè)孔的。氣體豎井29提供氣體的上流通道，這些通道總共占塔橫截面的大約10%。利用液滴護(hù)板30阻止流體旁流。圖2中塔頂液體分布器26′可以不要液滴護(hù)板。所說(shuō)的孔板27應(yīng)當(dāng)大體水平。
本技術(shù)領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員會(huì)應(yīng)該知道，本發(fā)明還包括一些上面未提到而且屬于后附權(quán)利要求范圍內(nèi)的本發(fā)明的其它具體方案。
權(quán)利要求
1.一種深冷空氣分離方法，包括使在塔中下降的液體空氣成分與上升的氣體空氣成分接觸，所說(shuō)的塔至少有一段無(wú)規(guī)填料和一段相鄰且處于其上方的有序填料。
2.權(quán)利要求2的方法，其中所說(shuō)的相鄰的無(wú)規(guī)填料段和有序填料段處于氬塔之中。
3.權(quán)利要求2的方法，其中至少有兩組無(wú)規(guī)填料段和有序填料段，而且液體在所說(shuō)的填料段組之間再分布。
4.一種深冷空氣分離用的傳質(zhì)/傳熱塔，其中至少包括一組相鄰的兩個(gè)填料段，該組的下填料段包含無(wú)規(guī)填料，而上段包含有序填料。
5.一種深冷空氣分離設(shè)備用氬塔，至少包括一組兩個(gè)相鄰的上段和下段，所說(shuō)的下段含無(wú)規(guī)填料，而所說(shuō)的上段含有序填料。
6.權(quán)利要求5的氬塔，其中至少有兩組被液體再分布裝置隔開(kāi)的無(wú)規(guī)填料段和有序填料段。
7.權(quán)利要求5的氬塔，其中所說(shuō)的液體再分布裝置具有孔板，在每平方英尺塔流面積的孔板上至少有六個(gè)開(kāi)孔。
8.權(quán)利要求5的氬塔，其中所說(shuō)的那組相鄰的填料段，其直徑小于大約三英尺。
全文摘要
一種深冷空氣分離系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用無(wú)規(guī)填料段和其上方的有序填料段，而且在數(shù)組無(wú)規(guī)填料段和有序填料段之間再分布液體。
文檔編號(hào)B01D3/00GK1078798SQ9310369
公開(kāi)日1993年11月24日 申請(qǐng)日期1993年3月30日 優(yōu)先權(quán)日1992年3月31日
發(fā)明者張海理, M·J·洛凱特, R·A·維克托 申請(qǐng)人:普拉塞爾持術(shù)有限公司