專利名稱：低溫精餾塔操作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及空氣低溫精餾，以便分離空氣為其組分，尤其適用于在提高精餾生產(chǎn)能力情況下操作低溫精餾塔。
希望一個空氣分離廠，在超過該廠設(shè)計能力之外進行操作，以便從該廠生產(chǎn)更多產(chǎn)品，若這種提高生產(chǎn)能力的操作可以經(jīng)濟地進行的話。
為了接受提高的流速，可以設(shè)計或改變空氣分離廠大部分組件。例如，上流風(fēng)機可以用于提高壓縮機能力。熱交換器可以在增加流速條件下操作，方法是簡單地接受提高的壓降?？諝忸A(yù)凈化器的生產(chǎn)能力也可以提高，方法是在避免吸附劑顆粒流化條件下，提高壓降操作。然而，更困難的是提高空氣分離廠蒸餾塔的生產(chǎn)能力，因為其生產(chǎn)能力受液泛現(xiàn)象限制。無論何時存在垂直逆流兩相流動，且流速超過設(shè)備生產(chǎn)能力時，液泛總要出現(xiàn)在工藝設(shè)備中。在填料塔和盤式塔中，達到液泛的特征是壓降迅速增加、分離性能下降和操作不穩(wěn)定。精餾塔開始液泛，通常是試圖增加空氣分離廠生產(chǎn)能力超過其設(shè)計能力時，遇到的限制性障礙。
一般公認，改變塔的壓力可以增加蒸餾塔的生產(chǎn)能力。提高壓力增加蒸氣密度，使蒸氣質(zhì)量流速增加。然而，提高壓力會降低相對揮發(fā)度，因此使精餾分離更困難。對填料塔和盤式塔，蒸氣質(zhì)量流速生產(chǎn)能力分別按其操作壓力的0.4或0.5次方增加。
這樣解決液泛問題的缺點是，塔操作壓力的提高轉(zhuǎn)變?yōu)?，實際提高了主空氣壓縮機的排料壓力和增加動力費用。壓力提高對復(fù)式塔的上塔(或較低壓力塔)特別不利，因為，由于氧和氮在蒸氣壓力/溫度關(guān)系上的差別，壓力上的任何提高，當(dāng)其通過主冷凝器/再沸騰器傳遞時都必須典型地乘以三。
解決這個問題的方法是，提高通過塔的流速超過設(shè)計點但不到液泛點。典型填料塔設(shè)計在液泛點的80％左右。不幸的是，由于采用常規(guī)填料塔壓力降波動大會使塔不穩(wěn)定，因而流速提高只能稍微超過設(shè)計點。
因此，本發(fā)明的目的就是提供一種方法，用于在提高生產(chǎn)能力的情況下操作低溫精餾塔以分離空氣組分，同時避免液泛。
通過閱讀本公開說明書，本發(fā)明要達到的上述和其它目的，對本領(lǐng)域技術(shù)熟練人員會變得顯而易見，本發(fā)明是用于操作低溫精餾塔的一種方法，它包括(A)使包含易揮發(fā)空氣組分和難揮發(fā)空氣組分的混合物通入一個塔，該塔裝有一高度的填料，該填料包括填料板，填料板下部與其上部結(jié)構(gòu)不同；(B)塔內(nèi)進行低溫精餾，其中蒸氣向上流過填料板高度，而液體向下流過填料板高度，由此易揮發(fā)組分在上流蒸氣中濃縮，而難揮發(fā)組分在下流液體中濃縮；(C)使上流蒸氣以一種流速向上通過塔內(nèi)填料高度，以使塔內(nèi)壓降為至少每英尺填料高度0.7英寸水柱；和(D)從塔上部引出易揮發(fā)組分，而從塔下部引出難揮發(fā)組分。
本文使用的術(shù)語“塔”意味著一個蒸餾或分餾的段或區(qū)，即其中液相和蒸氣相逆流接觸，例如，經(jīng)蒸氣相和液相在填料元件上接觸，實現(xiàn)流體混合物分離的接觸段或區(qū)。為進一步討論蒸餾塔，請參見R.H.佩里(R.H.Perry)和C.H.奇爾頓(C.H.Chilton)主編，紐約(New York)麥格勞-希爾圖書公司(McGraw-Hill Book Company)出版的化學(xué)工程師手冊(Chemical Engineers’Handbook)，第四版，第13節(jié)，由B.D.斯密思等人(B.D.Smith，et al.，)編寫的“蒸餾”，第13-3頁連續(xù)蒸餾工藝。蒸氣和液體接觸分離工藝取決于組分蒸氣壓的差別。高蒸氣壓(或易揮發(fā)或低沸點)組分傾向于在蒸氣相濃縮，而低蒸氣壓(或難揮發(fā)或高沸點)組分則傾向于在液相濃縮。蒸餾分離工藝，是靠液體混合物的加熱可以用于在蒸氣相濃縮易揮發(fā)組分，并因此在液相濃縮難揮發(fā)組分。部分冷凝分離工藝，是靠蒸氣混合物的冷卻可以用于在蒸氣相濃縮易揮發(fā)組分，并因此在液相濃縮難揮發(fā)組分。精餾或連續(xù)蒸餾分離工藝，是把逆流處理蒸氣相和液相所達到的連續(xù)部分蒸發(fā)和冷凝結(jié)合起來。蒸氣相和液相的逆流接觸可以是絕熱的或不絕熱的，且可以包括積分(多級)的或微分(連續(xù))的相間接觸。利用精餾原理分離混合物的分離工藝裝置，往往可互換稱作精餾塔、蒸餾塔或分餾塔。低溫精餾，是至少部分在溫度低于150°K條件下進行的精餾。
如本支所用術(shù)語“填料”，意味著預(yù)先設(shè)定尺寸和形狀為塔內(nèi)使用的任何實心或空心物體，對液體提供在兩相逆流過程液體-蒸氣界面上可進行傳質(zhì)的表面面積。
如本文所用術(shù)語“結(jié)構(gòu)填料”，意味著斜橫波紋填料，其中單個填料彼此間以及相對于塔的軸均有特殊取向。
如本文所用術(shù)語塔或填料板的“上部”和“下部”，意味著分別在塔或填料板中點以上和以下的那些塔或填料板區(qū)段。


圖1示意表示可以用于實施本發(fā)明的一個低溫精餾系統(tǒng)。
圖2A和2B分別以透視和側(cè)視圖，描繪實施本發(fā)明有用的一個結(jié)構(gòu)填料板實施方案，其中填料板下部卷曲高度減小至零。
圖3A和3B分別以透視和側(cè)視圖，描繪實施本發(fā)明有用的另一個結(jié)構(gòu)填料板實施方案，其中填料板下部卷曲高度減小但不到零。
圖4A和4B分別以透視和側(cè)視圖，描繪實施本發(fā)明有用的另一個結(jié)構(gòu)填料板實施方案，其中填料板下部卷曲高度與上部一樣，但下部波紋角度比上部更陡。
圖5A和5B分別以透視和側(cè)視圖，描繪實施本發(fā)明有用的另一個結(jié)構(gòu)填料板及其排列實施方案。
圖6A和6B分別以透視和側(cè)視圖，描繪實施本發(fā)明有用的另一個結(jié)構(gòu)填料板及其排列實施方案。
圖7、8和9為實施本發(fā)明可得到優(yōu)點的圖解表示。
已知，可以增加橫波紋結(jié)構(gòu)填料液壓能力的方法包括，使填料板之間氣體或蒸氣流動阻力，在板的下部要小于板的上部。本發(fā)明包括發(fā)現(xiàn)，在塔中采用板下部與板上部結(jié)構(gòu)不同的結(jié)構(gòu)填料板，且該塔操作壓降超過每英尺填料高度0.7英寸水柱時，這種塔可以在超過塔設(shè)計點操作，同時傳質(zhì)性能和塔的穩(wěn)定性獲得改進，而液泛也可避免。
本發(fā)明將參照附圖進行詳細闡述。圖1描繪可以實施本發(fā)明的一個低溫精餾系統(tǒng)實施方案。圖1描繪的特殊系統(tǒng)包括一個復(fù)式塔，和一個氬側(cè)裝塔。
現(xiàn)在參照圖1，基本包含氮、氧和氬的給料空氣1，在壓縮機2中壓縮并經(jīng)過冷卻器3冷卻壓縮熱。加壓給料空氣然后經(jīng)過凈化器4，除去高沸點雜質(zhì)如水蒸汽、二氧化碳和碳氫化合物，凈化器4是典型的變溫或變壓吸附凈化器。清潔的壓縮給料空氣5然后冷卻，方法是在主熱交換器6中與返回流體進行間接熱交換。在圖1描繪的實施方案中，給料空氣5的第一部分7經(jīng)過增壓器壓縮機8再壓縮，第二部分9經(jīng)過增壓器壓縮機10再壓縮，且獲得的再壓縮給料空氣部分11和12，以及其余壓縮給料空氣部分50，經(jīng)過主熱交換器6冷卻，以制備壓縮、清潔和冷卻的給料空氣，分別以流體51、52和53表示。流體52經(jīng)過急劇膨脹器55，急劇膨脹形成流體54，產(chǎn)生用于隨后低溫精餾的冷凍作用，然后進入較低壓力塔24。流體51和53各自進入較高壓力塔21。
在較高壓力塔21內(nèi)，給料空氣經(jīng)低溫精餾分離成富氮蒸氣和富氧液體。以流體22表示的富氮蒸氣進入主冷凝器23冷凝，其方法是與較低壓力塔24底部液體進行間接熱交換，以生成富氮液體25。富氮液體25的一部分26返回到較高壓力塔21作為回流，而富氮液體25的另一部分27在熱交換器6中再冷卻，然后進入較低壓力塔24作為回流。富氧液體從較高壓力塔下部出來，以流體28表示，且其一部分56進入氬塔頂部冷凝器29蒸發(fā)，其方法是與富氬蒸氣進行間接熱交換，得到的富氧流體以流體30表示，從頂部冷凝器29出來，進入較低壓力塔24。富氧液體的另一部分57直接進入較低壓力塔24。
包含氧和氬的流體31由較低壓力塔24出來，進入氬塔32，經(jīng)低溫精餾分離成為富氬蒸氣和富氧液體。富氧液體以流體33表示，返回較低壓力塔24。富氬蒸氣以流體34表示進入冷凝器29冷凝，其方法是與蒸發(fā)如上所述富氧液體進行間接熱交換。獲得的富氬液體以流體35表示，返回到氬塔32作為回流。富氬流體以蒸氣和/或液體形式，從氬塔32上部回收，作為制品氬以流體36表示。
較低壓力塔24，操作壓力低于較高壓力塔21。在較低壓力塔24內(nèi)，進入該塔的各種給料，經(jīng)低溫精餾分離成富氮流體和富氧流體。富氮流體作為蒸氣流體37從較低壓力塔上部引出，經(jīng)過主熱交換器6溫?zé)幔⒆鳛橹破返?8回收。廢流體58從較低壓力塔24上部引出，經(jīng)過熱交換器6溫?zé)岵⒁粤黧w59表示從系統(tǒng)除去。富氧流體以蒸氣和/或液體形式，從較低壓力塔下部引出。若作為液體引出，富氧液體可以用泵打到較高壓力，或在一個單獨產(chǎn)品沸騰器中或在主熱交換器6中蒸發(fā)，然后作為高壓制品氧回收。圖1描繪的實施方案中，富氧流體作為液態(tài)流體39從較低壓力塔24引出，經(jīng)液體泵60打到較高壓力，經(jīng)過主熱交換器6蒸發(fā)作為制品氧40回收。一部分液態(tài)氧61可以作為液體回收。
至少一個塔裝有許多垂直堆積結(jié)構(gòu)填料層或塊。每一層或塊都包含垂直走向結(jié)構(gòu)填料板，填料板波紋與垂直軸成一角度。將板排列成相鄰板的波紋方向相反。層高度通常是6-12英寸。相鄰的層環(huán)繞著垂直軸以增強混合。塔的完整填料床包括多層填料，層數(shù)由完成分離所要求填料高度決定。填料波紋的特征在于卷曲的高度。波紋譜型可以是尖銳的(鋸齒形)或園的(正弦波形)。填料板彼此沿著波紋的峰和谷在接觸點接觸。
一個或多個塔，至少部分塔高，優(yōu)選整個塔高裝有一高度填料，其中填料板下部結(jié)構(gòu)與填料板上部結(jié)構(gòu)不同。圖2、3和4描繪了改型是在填料板下部的這種填料板三個例子。另外，改型可以是在填料板上部，而下部不做改型。在本發(fā)明一個特別優(yōu)選實施方案中，填料板交替排列成一塊下部改型板挨著一塊上部改型板。這種填料如圖5和6所示。
填料板在塔內(nèi)垂直取向，穿過塔徑彼此相鄰構(gòu)成填料板塊或?qū)?，另一個這樣的填料板塊或?qū)臃旁谇耙粚禹斏?，如此沿塔向上用填料充滿塔。
為了證明本發(fā)明的優(yōu)越性，圖7、8和9記錄了實施本發(fā)明所進行試驗的結(jié)果，其中數(shù)據(jù)點用圓圈表示，以及為便于比較，也記錄了實施常規(guī)方法所進行試驗的結(jié)果，其中數(shù)據(jù)點用叉表示。蒸餾試驗是在12英寸直徑塔內(nèi)進行的。每個填料層高度約10英寸，且采用10層填料。蒸餾混合物包含氧和氬，蒸餾是在全回流和22磅/平方英寸絕對壓力條件下操作。試驗了兩組填料。第一組是沒有任何改型的常規(guī)結(jié)構(gòu)填料。第二組是圖2A和2B描繪的，除每個板下部卷曲高度為零的平板區(qū)之外，是一樣的填料。該平板區(qū)高度為0.375英寸。兩種填料比表面積為約700m2/m3，且具有一樣的卷曲尺寸，結(jié)構(gòu)材料，表面構(gòu)造和孔隙。
圖7表示壓降對以液泛點餾分蒸氣流速表示的蒸氣流速作圖。常規(guī)結(jié)構(gòu)填料和下部有改型的結(jié)構(gòu)填料，兩者獲得的結(jié)果如圖7所示。兩種類型填料壓降對液泛餾分作圖，遵循同樣的關(guān)系。對兩種類型填料，典型控制方案典型設(shè)計點，應(yīng)當(dāng)是液泛點的80％，它相當(dāng)于每英尺高度0.6-0.7英寸水柱的壓降。
然而，我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了，兩種類型填料當(dāng)它們在超過每英尺高度0.7英寸水柱的壓降下操作時，兩者之間行為上存在明顯差別。這些差別在于a)傳質(zhì)性能和b)塔的穩(wěn)定性。這些差別的一個結(jié)果是，當(dāng)采用常規(guī)結(jié)構(gòu)填料時，很難在超過典型設(shè)計點之外操作填料低溫分離塔，而采用下部與上部結(jié)構(gòu)不同的結(jié)構(gòu)填料時，則很容易在超過設(shè)計點之外操作這種塔。
圖8表示歸一化HEPT對常規(guī)結(jié)構(gòu)填料和上述結(jié)構(gòu)填料兩者塔壓降作圖。HEPT(等效理論塔板高度)是歸一化的，即每次HEPT測量值，用每英尺填料高度0.7英寸水柱的設(shè)計點壓降下常規(guī)結(jié)構(gòu)填料的HEPT除。兩組填料之間存在明顯差別。常規(guī)結(jié)構(gòu)填料的HEPT，當(dāng)壓降增加超過每英尺0.5英寸水柱時增加，且壓降超過每英尺1.0英寸水柱時增加迅速。相反，本發(fā)明限定的填料，甚至塔壓降達到每英尺填料高度2英寸水柱時，其HETP連續(xù)下降，且在壓降甚至達每英尺填料高度2.6英寸水柱時，保持低于常規(guī)填料設(shè)計點值。應(yīng)當(dāng)注意到，壓力梯度大于每英尺填料高度0.5英寸水柱時，常規(guī)結(jié)構(gòu)填料傳質(zhì)性能的惡化以前經(jīng)常報道過。
在上述試驗過程中注意到，當(dāng)操作壓降大于每英尺0.7英寸水柱的通常設(shè)計點壓降時，常規(guī)填料表現(xiàn)出不穩(wěn)定的行為，蒸氣流速和塔壓降的任何波動都導(dǎo)致塔液泛傾向。塔很難操作，并需要極其小心避免液泛。相反，本發(fā)明在操作壓降大于每英尺填料高度0.7英寸水柱時，穩(wěn)定性經(jīng)受住了考驗。蒸氣流速小的波動對塔的可操作性沒有影響。壓降高達每英尺填料高度3英寸水柱，塔仍可以操作，而常規(guī)填料在超過每英尺填料高度2英寸水柱時，甚至極其小心的操作也是不可能的。
為了獲得關(guān)于兩種填料不同行為更清楚的觀察，進行了一系列新的試驗，以測定隨氣體速度變化液體滯留(或液體無效部分)量的變化。塔直徑為4英尺，且填料高度為104英寸。用鼓風(fēng)機將空氣向上吹過填料，而使液體Isopar-M向下流過填料。采用一個仔細校正過的，每平方英寸有18個噴淋點的液體分配器，以保證液體均勻分布到填料上。改變空氣流速以后，根據(jù)填料下積液池液位變化，測量填料上液體滯留量的變化。例如，空氣流速增加，因填料中液體滯留量增加，使積液池液位降低。Isopar-M的表面張力為26dynes/cm左右，對模擬較低壓力塔和氬塔中表面張力為6-16dynes/cm的低溫液體的行為，是比水更具代表性的液體。
結(jié)果如圖9所示。這些試驗，液體流速為每平方英尺塔截面2-7加倫?？v坐標(biāo)是同一液體流速下，有空氣流動的液體滯留量和無空氣流動的液體滯留量之差。橫坐標(biāo)是填料床壓降，它隨空氣和液體流速改變而變化。給出兩組結(jié)果-一組常規(guī)結(jié)構(gòu)填料，和一組填料除了如圖2A和2B所示在每塊底部有改型之外是一樣的。每一組填料的比表面積為700m2/m3左右。在壓降大于每英尺填料高度0.3英寸水柱時，兩種填料結(jié)果存在明顯差別。常規(guī)結(jié)構(gòu)填料，在給定壓降下，因空氣向上流過填料，存在一個大的液體滯留量。相反，每塊底部氣流阻力減小的填料，因空氣流動造成的液體滯留量較小。兩條曲線的斜率也是重要的。對常規(guī)填料，空氣流動一個小的變化，因壓降引起液體滯留量的變化是大的。本發(fā)明填料，空氣流動和壓降的同樣變化，造成液體滯留量的變化要小得多。這些結(jié)果，與這兩種填料在上述低溫蒸餾試驗所見到的穩(wěn)定性差別是一致的。
人們可以思考，為什么隨蒸氣流速變化，液體滯留量只有小變化的填料，比液體滯留量變化大得多的填料，塔能達到更穩(wěn)定和更容易的控制。不希望制約于任何理論，據(jù)信由于蒸氣滯留量小，蒸氣流速小的增加或減小會迅速通過塔傳遞，以致塔中所有平衡級適應(yīng)新的蒸氣流速?？諝夥蛛x其特征在于相對揮發(fā)度低，如氧-氬系統(tǒng)，以及操作回流比接近最小。為了避免濃度尖滅(pinches)和分離作用降低，需要使液體對蒸氣的摩爾流速比L/V經(jīng)常保持在設(shè)計值。蒸氣流速的波動必須與液體流速的等效變化相匹配，以保持各級所要求的L/V比。然而，當(dāng)液體滯留量隨蒸氣流速改變而變化明顯時，在各級建立新的液體流速就會滯后，因為向下流過塔的液體必須部分地用于增加或減小各級液體滯留量。于是，L/V偏離設(shè)計值，隨后分離性能惡化。我們發(fā)現(xiàn)，常規(guī)結(jié)構(gòu)填料隨蒸氣流速變化液體滯留量變化，比各塊底部降低蒸氣流動阻力的填料大得多。正是由于這種原因，裝有后一種填料的塔更穩(wěn)定和更容易控制。
有可能各塊結(jié)構(gòu)填料底部，起類似于雙流蒸餾塔盤的作用。后者，蒸氣和液體兩者逆流通過塔盤板同一開孔。眾所周知，雙流蒸餾塔盤在高蒸氣流速下，經(jīng)受液體和蒸氣的不良分布，且因此蒸餾塔盤效率降低。常規(guī)結(jié)構(gòu)填料塊的底部作用類似。各塊底部有改型的結(jié)構(gòu)填料，顯示出消除那個區(qū)域里的過量液體滯留量，以致液體和蒸氣可以無阻礙地逆流流動，而沒有不穩(wěn)定性問題。
空氣分離廠蒸餾塔內(nèi)蒸氣流速(以及液體流速)逐段變化，且變化甚至貫穿一個給定段。因此，整個填料或給定段填料，塔壓降可以小于每英尺填料高度0.7英寸水柱，雖然對最高裝填塊壓降可以超過該值。正是局部壓力梯度，而不是整體壓力梯度，決定塔的穩(wěn)定性，并且在本發(fā)明中是重要的。
如今，實施本發(fā)明，人們可以在高于塔的設(shè)計點，操作低溫精餾塔分離空氣組分，同時避免液泛。盡管本發(fā)明已參照某些優(yōu)選實施方案進行了詳細說明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員會認識到，在權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)存在本發(fā)明的其它實施方案。
權(quán)利要求
1.一種用于操作低溫精餾塔的方法，包括(A)將含有空氣易揮發(fā)組分和空氣難揮發(fā)組分的混合物通入一個塔，該塔裝有一高度的填料，該填料包括下部與上部結(jié)構(gòu)不同的填料板；(B)塔內(nèi)進行低溫精餾，其中蒸氣向上流過填料板高度，而液體向下流過填料板高度，由此易揮發(fā)組分在上流蒸氣中富集，而難揮發(fā)組分在下流液體中富集；(C)使上流蒸氣以一種速度向上流過塔內(nèi)填料高度，以使塔內(nèi)壓降為至少每英尺填料高度0.7英寸水柱；和(D)從塔上部引出易揮發(fā)組分，從塔下部引出難揮發(fā)組分。
2.權(quán)利要求1的方法，其中易揮發(fā)組分是氮，難揮發(fā)組分是氧。
3.權(quán)利要求1的方法，其中易揮發(fā)組分是氬，難揮發(fā)組分是氧。
4.權(quán)利要求1的方法，其中結(jié)構(gòu)上的差別包括各填料板下部卷曲高度比各填料板上部卷曲高度降低。
5.權(quán)利要求4的方法，其中各填料板下部卷曲高度為零。
6.權(quán)利要求1的方法，其中結(jié)構(gòu)上的差別包括各填料板下部波紋比各填料板上部波紋角度更陡。
7.權(quán)利要求1的方法，其中相鄰板分別依次交替在下部和在上部有改型。
全文摘要
一種用于操作低溫精餾塔的方法,利用低溫精餾分離空氣組分,該塔可以在大于其設(shè)計能力下操作而不發(fā)生液泛,其方法包括使蒸氣以一種流速向上通過該塔,在塔內(nèi)通過其上部和下部結(jié)構(gòu)不同的限定結(jié)構(gòu)填料板高度,產(chǎn)生每英尺填料高度至少0.7英寸水柱的壓降。
文檔編號B01J19/32GK1251897SQ99111838
公開日2000年5月3日 申請日期1999年7月30日 優(yōu)先權(quán)日1998年10月21日
發(fā)明者J·F·比林哈姆, D·M·塞勒, M·J·洛克特 申請人:普拉塞爾技術(shù)有限公司