專利名稱：低溫精餾塔的操作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及將空氣分離為各種組分的空氣低溫精餾，并且特別適用于以更好的性能對低溫精餾塔進(jìn)行精餾操作。
在超出設(shè)計的能力下運行空分裝置以從中生產(chǎn)額外的產(chǎn)品是很理想的，只要這種超負(fù)荷運行能經(jīng)濟地進(jìn)行。
空分裝置的大部分單元可以被設(shè)計或改造來接受提高了的流量，例如上游鼓風(fēng)機能夠被用于提高壓縮機的能力；只要換熱器能承受提高了的壓降，換熱器就可以在增加了的流量下運行；只要能避免吸附劑顆粒的流態(tài)化，空氣預(yù)凈化器的能力也能通過在升高的壓差下操作而得以提高。但是，更為困難的是提高空分裝置精餾塔的能力，因為精餾塔的能力受制于液泛現(xiàn)象。加工設(shè)備里存在垂直逆向的雙相流，只要流體的流速超過了設(shè)備的能力時，設(shè)備中就隨時發(fā)生液泛。在填料塔和塔板塔中達(dá)到液泛的特征都是壓降的急速提高、分離能力的喪失以及操作的不穩(wěn)定。當(dāng)試圖將空分裝置的能力提高至超過設(shè)計的能力時，精餾塔內(nèi)液泡的發(fā)生是通常所遇到的限制瓶頸。
一般來說，業(yè)已非常明確證實的一點是，精餾塔的能力可以通過改變塔壓而被提高。升高精餾塔的壓力能提高蒸汽的密度從而使蒸汽的質(zhì)量流速提高。但是，升高其壓力，使相對揮發(fā)度降低，結(jié)果使精餾分離更加困難。蒸汽質(zhì)量流速能力的提高，對填料塔和塔板塔分別是塔操作壓力的0.4和0.5次方。
這種解決液泛問題方法的缺點是，塔操作壓力的提高基本上轉(zhuǎn)化成為主空氣壓縮機的出口壓力升高以及用電成本的升高。對于雙塔裝置的前塔，即低壓塔，升高壓力的方法特別不利，由于氧氣和氮氣兩者蒸汽壓/溫度關(guān)系的差別，在通常的情況下，壓力升高傳到冷凝器和再沸器時，一定會是塔壓升高的三倍。
解決此問題的辦法是提高通過塔的流速，使其盡量超過設(shè)計值，但絕不能達(dá)到液泛點。典型的填料塔是按液泛點的80％左右設(shè)計的。但不幸的是，采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的填料塔時，流速只能提高到比設(shè)計值稍高一點之處，因為壓降波動會如此之大，導(dǎo)致塔的操作變得不穩(wěn)定。
因此，本發(fā)明的一個目的是提供用于低溫精餾塔，以進(jìn)行空氣組分分離的方法，該方法在避免液泛的同時，可使其操作能力提高。
此公開內(nèi)容一經(jīng)本領(lǐng)域的技術(shù)人員閱讀，本發(fā)明要達(dá)到的上述目的和其他的目的即顯而易見，本發(fā)明是一種操作低溫精餾塔的方法，該方法包括(A)使含有一種較易揮發(fā)空氣組分與一種較難揮發(fā)空氣組分的混合物通入一個塔，該塔包括具有底部、中部和頂部的填料板的一定高度的填料，該填料板每塊在底部的結(jié)構(gòu)與中部的結(jié)構(gòu)不同，而和頂部的結(jié)構(gòu)相同；(B)在該塔中進(jìn)行低溫精餾，其中，蒸汽向上流過一定高度的填料板，液體向下流過該高度的填料板，由此，該較易揮發(fā)組分濃縮在向上流動的蒸汽里，該較難揮發(fā)組分濃縮在向下流動的液體里；(C)使向上流過該填料高度的氣體在塔里以一定的流速通過，以便在塔內(nèi)達(dá)到每英尺的填料高度有至少0.7英寸水柱的壓降；(D)將較易揮發(fā)的組分從塔的上部抽出，同時將較難揮發(fā)的組分從塔的下部抽出。
在此所用的名稱“塔”，是指一種蒸餾或分餾塔或蒸餾或分餾區(qū)，即液相和汽相在其中逆流接觸以實現(xiàn)流體混合物分離的接觸塔或接觸區(qū)，例如，將液相和汽相在填料單元上接觸。對蒸餾塔的進(jìn)一步討論，請參由紐約McGraw-Hill Book Company公司出版，由R.H.Perry和C.H.Chilton編輯的化學(xué)工程師手冊第五版，由B.D.Smith等撰寫的第13部分第13-3頁“連續(xù)蒸餾方法”。汽液接觸分離的工藝方法依靠的是各組分蒸汽壓的不同。蒸汽壓高的組分(即較易揮發(fā)或低沸點的組分)將傾向于濃縮在汽相，而蒸汽壓低的組分(即較難揮發(fā)或高沸點的組分)將傾向于濃縮在液相。蒸餾就是采用加熱液體混合物，使較易揮發(fā)組分濃縮在汽相，較難揮發(fā)組分濃縮在液相的分離方法。部分冷凝就是采用冷卻蒸汽混合物，使較易揮發(fā)組分濃縮在汽相，較難揮發(fā)組分濃縮在液相的分離方法。而精餾或連續(xù)蒸餾則是通過汽液相逆流處理，將所獲的連續(xù)的部分氣化和部分冷凝相結(jié)合的分離方法。該蒸汽和液體兩相逆流接觸可以是絕熱的或非絕熱的，而且可以包括相之間的積分式(分段的)或微分式(連續(xù)的)的接觸。采用精餾原理分離混合物的分離工藝裝置，?？杀换Q地稱為精餾塔、蒸餾塔或分餾塔等。低溫精餾是至少有一部分在低于150°K的溫度下進(jìn)行的精餾過程。
本發(fā)明所用的術(shù)語“填料”，是指任何預(yù)先被確定了結(jié)構(gòu)、尺寸和形狀的實心或空心物體，該物體被用作塔的內(nèi)部元件，以向液體提供兩相逆流時在汽液界面能進(jìn)行傳質(zhì)的表面。
本發(fā)明所用的術(shù)語“結(jié)構(gòu)填料”，是指沿對角線走向的橫向波紋填料，該填料中的各單元之間及每個單元與塔的軸線之間有特定的取向。
本發(fā)明所用的名稱“塔的上部”和“塔的下部”，分別是指塔的中點以上和以下的部分。


圖1是可能被用來實施本發(fā)明的低溫精餾裝置的流程示意圖。
圖2A和2B分別描繪了可用于實施本發(fā)明結(jié)構(gòu)填料板的一個實施方案的透視圖和側(cè)面圖，其中填料板底部和頂部的波紋皺褶高度被降至零。
圖3A和3B分別描繪了可用于實施本發(fā)明時結(jié)構(gòu)填料板實施方案的結(jié)構(gòu)透視圖和側(cè)面圖，其中填料板底部和頂部的波紋皺褶高度與中部的波紋皺褶高度相比有所降低，但不等于零。
圖4A和4B分別描繪了另一種實施本發(fā)明時可用的結(jié)構(gòu)填料板實施方案結(jié)構(gòu)的透視圖和側(cè)面圖，其中填料板底部和頂部的波紋比中部的波紋按更陡的角度形成皺褶。
人們已經(jīng)知道，通過使填料板底部板間氣或汽流阻力小于較高部位板間氣的阻力，橫向波紋結(jié)構(gòu)填料的水力學(xué)能力可以被提高。本發(fā)明包括一種發(fā)現(xiàn)，即在塔中采用其底部結(jié)構(gòu)與中部結(jié)構(gòu)不同而和頂部結(jié)構(gòu)相同的結(jié)構(gòu)填料板時，同時使該塔在壓降為每英尺高填料超過0.7英寸水柱的條件下運行，該塔就可以在高于設(shè)計點的負(fù)荷操作，此時，塔的傳質(zhì)性能得到了改進(jìn)，并且操作穩(wěn)定同時避免液泛。
依據(jù)附圖本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)敘述。圖1描述了一種可在其中實施本發(fā)明的低溫精餾裝置實施方案。所述的該特定裝置包括一個雙塔系統(tǒng)和一個氬側(cè)塔。
參照圖1，物流1即主要包含氮、氧和氬的空氣進(jìn)料，通常在壓縮機2中被壓縮，其壓縮熱通過冷卻器3被冷卻。壓縮過的進(jìn)料空氣再通過凈化器4，除去水蒸汽、二氧化碳和烴類等高沸點雜質(zhì)，該凈化器通常是變溫或變壓吸附型的凈化器。然后，干凈的壓縮進(jìn)料空氣5在主換熱器6中與返回的物流間接換熱而被冷卻。在圖1所描述的實施方案中，進(jìn)料空氣5的第一部分7通過鼓風(fēng)壓縮機8被進(jìn)一步壓縮，進(jìn)料空氣的第二部分9通過鼓風(fēng)壓縮機10被進(jìn)一步壓縮，所得的被進(jìn)一步壓縮的兩個部分11和12及其余的壓縮進(jìn)料空氣50，再通過主換熱器6冷卻以產(chǎn)生被壓縮的干凈和冷卻的進(jìn)料空氣，該進(jìn)料空氣分別為51、52和53三股。為了產(chǎn)生下游低溫精餾所需的冷凍量，物流52通過透平膨脹機55透平膨脹形成流體54，然后通入低壓塔24。而進(jìn)料空氣51和53均通入高壓塔21。
在高壓塔21中，進(jìn)料空氣經(jīng)低溫精餾被分離成富氮的蒸汽和富氧的液體。富氮的蒸汽流22通入主冷凝器23，在此通過與低壓塔24塔底液間接換熱被冷凝形成富氮液25。部分的富氮液25以流體26返回到高壓塔21作為回流，富氮液25的另一部分以流體27在換熱器6中過冷后通入低壓塔24作為回流。從高壓塔21下部流出的是富氧液28，其中分出的一股物流56進(jìn)氬塔塔頂冷凝器29經(jīng)與富氬蒸汽間接換熱后汽化，然后形成的富氧流體30，如圖所示，從頂部冷凝器29出來進(jìn)入低壓塔24。另一股富氧液57直接流入低壓塔24。
一股包含氧和氬的流體31從低壓塔24流出進(jìn)入氬塔32，在此經(jīng)低溫精餾被分成富氬蒸汽和富氧液，富氧流體33返回到低壓塔24，富氬蒸汽34進(jìn)入塔頂冷凝器29，在此經(jīng)與前述的汽化富氧液體之間的間接換熱而被冷凝下來。所得富氬液體35返回氬塔32作為其回流。從氬塔32的上部出來的富氬流體36，以蒸汽和/或液體混合物的形式，作為產(chǎn)品被回收。
低壓塔24在低于高壓塔21的壓力下操作，在低壓塔24中各種原料進(jìn)塔后經(jīng)低溫精餾被分離成富氮流體和富氧流體。富氮流體從低壓塔24上部以汽流37抽出，流經(jīng)主換熱器6加熱后被回收，成為氮產(chǎn)品38。從低壓塔24上部抽出的一股廢料58，通過換熱器6加熱后成為流體59從系統(tǒng)中排出。富氧流體從低壓塔24的下部以汽態(tài)和/或液態(tài)抽出。如果以液態(tài)抽出，則富氧液體可以用泵加至高壓后汽化，汽化既可在分離產(chǎn)品蒸發(fā)器中進(jìn)行也可在主換熱器6中進(jìn)行，然后作為高壓氧產(chǎn)品回收。在圖1所描述的實施方案中，富氧流體39是從低壓塔24抽出的液流，經(jīng)液體泵60加到高壓，再通過主換熱器6汽化，然后作為產(chǎn)品40被回收。一部分液氧61可以在液態(tài)下被回收。
至少有一個塔包含垂直堆放的多個結(jié)構(gòu)填料層或填料方塊。每一層或每一方塊都包含垂直取向的結(jié)構(gòu)填料板，其波紋與垂直軸線成一定角度。安放填料板時要使一片板的波紋和與其相鄰的另一片的波紋方向相反。各填料層的高度通常為6到12英寸。為了加強混合作用，相鄰的填料層圍繞著垂直軸線交替地排列。塔的全部填料床包含多個填料層，填料層數(shù)取決于實現(xiàn)分離所要求的填料總高度。填料波紋的特征在于其皺褶的高度。波紋的形狀可以是尖的(鋸齒)，也可以是圓的(正弦)。填料板在波紋的高峰和低谷處的接觸點上相互接觸。
一個或多個塔包含一定高度的填料，其高度至少要貫穿部分塔高，優(yōu)選的是，要貫穿全部塔高，在此，每塊填料板的底部結(jié)構(gòu)都與其中部的結(jié)構(gòu)不同，而與上部的結(jié)構(gòu)相同。圖2、圖3和圖4描述了這種填料的三個實施例。在本發(fā)明的實施中，底部結(jié)構(gòu)占填料板高度下部最高達(dá)40％，但典型的是，底部結(jié)構(gòu)占填料板高度下部的10％，更典型的是，底部結(jié)構(gòu)占填料板高度下部的5％。在本發(fā)明的實施中，頂部結(jié)構(gòu)占填料板高度上部最高達(dá)40％，但典型的是，頂部結(jié)構(gòu)占填料板高度上部的10％，更典型的是，頂部結(jié)構(gòu)占填料板高度上部的5％。在本發(fā)明的實施中，如圖2、圖3和圖4所示，最優(yōu)選的是，填料板底部的尺寸與其頂部的尺寸一樣，以使填料板以其垂直中點為對稱。也就是說，在本發(fā)明的實施中，最優(yōu)選的是，填料板的上部是其下部的鏡象。這樣的安排有以下的優(yōu)點因為其頂部與底部是對等的，填料塊可以顛倒放置，而塔的能力不會受損失。這就消除了在填料安裝時搞錯方向的可能性。
在塔內(nèi)填料板是垂直放置的，并以橫跨塔直徑的方向互相連接，形成填料方?jīng)Q或填料層。另一方塊或另一層這樣的填料放在第一層的頂上，以此方式，一直放到用填料將塔填滿為止。在本發(fā)明的實施中，最優(yōu)選的是，每個方塊填料的頂邊都處于同一水平面上，使得每方塊填料具有一個平坦的頂部。
在實驗過程中，已注意到傳統(tǒng)的填料在比正常的壓降設(shè)計點0.7英寸水柱高的壓降下操作時，運行不穩(wěn)定，在此時，任何汽流速率的波動及塔壓降的波動，都會引起塔的液泛趨勢。此時塔的操作非常困難，需要特別精心以避免液泛。與此相反，應(yīng)當(dāng)相信，采用本發(fā)明，在每英尺高度填料0.7英寸水柱壓降下操作是穩(wěn)定的。小的汽流速率波動對塔的操作沒有影響，而且該塔有可能在高達(dá)每英尺高度填料3英寸水柱的壓降下進(jìn)行操作；而采用傳統(tǒng)的填料，即使非常精心，也不可能在超過每英尺高度填料2英寸水柱的壓降下操作。
低溫空氣分離的特點在于如氧-氬體系的低相對揮發(fā)度和接近最低回流比下的操作。為了避免濃度恒定區(qū)域的出現(xiàn)和分離效果的下降，必須始終將L和V的比值，即液體和蒸汽摩爾流速之比，保持在設(shè)計值。為了保持每一階段的L/V比例，蒸汽流速的波動必須要用等量的液體流速變化與之協(xié)調(diào)。但是當(dāng)蒸汽流速變化引起液體滯流量劇烈變化時，在每一階段要建立新的液體流速時會有滯后現(xiàn)象發(fā)生，因為液體的下行量中一定會有一部分用于升高或降低每一段的液體滯留量。于是L/V比會變得偏離設(shè)計值，結(jié)果使分離效果變差。預(yù)期，傳統(tǒng)填料的液體滯留量隨蒸汽流速變化而產(chǎn)生的變化要比本發(fā)明填料的相應(yīng)變化大得多。故此，裝有本發(fā)明類型填料的塔的操作會更加穩(wěn)定，并易于控制。
在空氣分離裝置的蒸餾塔中，各段與段之間，甚至在某段的全部區(qū)域內(nèi)，蒸汽流速(以及液體流速)都會不同。其結(jié)果是，即使在負(fù)荷最高的一個或多個方塊填料上壓降超過了每英尺高度填料0.7英寸水柱的壓降，塔的總壓降或某段填料的壓降還可能低于此值。也就是說，是局部的壓降而不是總壓降在決定著塔的穩(wěn)定性，這一點在本發(fā)明中是重要的。
現(xiàn)在，通過實施本發(fā)明，人們就可以在高于設(shè)計點的條件下操作低溫精餾塔，以分離空氣的各組分，而同時避免液泛。雖然，已用一些優(yōu)選的實施方案為參考，對本發(fā)明進(jìn)行了詳述，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)意識到，還會有其他的實施方案仍包括在本發(fā)明權(quán)利要求的精神實質(zhì)和范圍之中。
權(quán)利要求
1．一種操作低溫精餾塔的方法，該方法包括(A)將一種含有一個較易揮發(fā)的空氣組分與一個較難揮發(fā)的空氣組分的混合物通入一個塔，該塔內(nèi)裝有一定高度的填料，該填料包括具有底部、中部和頂部的填料板，每塊填料板在底部的結(jié)構(gòu)與填料板在中部的結(jié)構(gòu)不同，而和填料板在頂部的結(jié)構(gòu)相同；(B)在該塔中進(jìn)行低溫精餾，其中，蒸汽向上流過該高度的填料板，同時，液體向下流過該高度的填料板，由此，該較易揮發(fā)組分濃縮在向上流動的蒸汽里，該較難揮發(fā)組分濃縮在向下流動的液體里；(C)使向上流過填料的蒸汽在塔內(nèi)以一定的流速通過，以便在塔內(nèi)達(dá)到每英尺高度填料有至少0.7英寸水柱的壓降；和(D)將較易揮發(fā)的組分從塔的上部抽出，將較難揮發(fā)的組分從塔的下部抽出。
2．權(quán)利要求1的方法，其中的較易揮發(fā)的組分是氮，而較難揮發(fā)的組分是氧。
3．權(quán)利要求1的方法，其中的較易揮發(fā)的組分是氬，而較難揮發(fā)的組分是氧。
4．權(quán)利要求1方法，其中所述的結(jié)構(gòu)差別包括每塊填料板底部和頂部的波紋皺褶高度比每塊填料板中部的波紋皺褶高度低。
5．權(quán)利要求4方法，其中每塊填料板底部和頂部的波紋皺褶高度等于零。
6．權(quán)利要求1的方法，其中所述的結(jié)構(gòu)差別包括每塊填料板底部和頂部的波紋與每塊填料板中部的波紋相比具有一個更陡的角度。
7．權(quán)利要求1的方法，其中每塊板的底部占每塊板高度下部最高達(dá)40％。
8．權(quán)利要求1的方法，其中每塊板的頂部占每塊板高度上部最高達(dá)40％。
9．權(quán)利要求1的方法，其中每塊板的底部的尺寸與其頂部的尺寸一樣，以使填料板以其垂直中點為對稱。
10．權(quán)利要求的1方法，其中的填料板按一個或多個方塊排列，以形成一種填料高度，而且，其中每一方塊填料板中各填料塊的頂邊都處于同一水平面上，使得每塊填料具有一個平坦的頂部。
全文摘要
一種操作低溫精餾塔以通過低溫精餾分離空氣各組分的方法,其中,向上流過塔的蒸汽以通過每英尺高度的填料所產(chǎn)生的塔內(nèi)壓降至少為0.7英寸水柱的流速,流經(jīng)具有規(guī)定結(jié)構(gòu)的填料板,所述結(jié)構(gòu)的底部結(jié)構(gòu)與中部結(jié)構(gòu)不同,而與頂部結(jié)構(gòu)相同。該塔可以在其設(shè)計負(fù)荷之上操作,且不發(fā)生液泛。
文檔編號B01J19/32GK1322933SQ0110494
公開日2001年11月21日 申請日期2001年2月23日 優(yōu)先權(quán)日2000年2月23日
發(fā)明者J·F·比林哈姆, D·M·賽勒爾, M·J·洛克特 申請人:普萊克斯技術(shù)有限公司