專利名稱：使用交叉波紋規(guī)整填料塔分離氣體混合物的分離方法
使用交叉波玟規(guī)整填料塔分離氣體混合物的分離方法 本發(fā)明涉及一種使用交叉波紋規(guī)整填料塔分離氣體混合物的分離方法。
用于分離一氧化碳和氫的混合物的傳統(tǒng)裝置僅包括具有板的塔，而新 一代的這類裝置使用不具有改良/修改界面的交叉波紋規(guī)整填料塔的技術(shù)
(EP-A-0 837 031 )。由于以下事實(shí)，在這些裝置中填料的使用仍然棘手， 即，對分離效率、可濕性和發(fā)泡性能等具有影響的物理特性與空氣的物理 特性不具有可比性。這些規(guī)整填料在界面上具有局部壓降，這可能是待分 離混合物的可能的發(fā)泡源。發(fā)泡的存在妨礙了各種待生產(chǎn)的產(chǎn)品的正確的 分離運(yùn)行。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于防止在專門用于混合物分離的部分中有泡沫生成。 可以控制可能的泡沫生成的參數(shù)之一可由下列無量綱數(shù)概括得到S = t m/cr，其中t是^/汽界面上的剪切應(yīng)力(kgm—Y2) ， m是在填料上流過 的液體膜厚度(m)以及a是液/汽界面上的表面張力(kgS-2)。因此，如 專利US-A-5644932所述，該參數(shù)使氣體在液體上形成的剪切應(yīng)力與液體 的表面張力相關(guān)聯(lián)?？磥?，在本發(fā)明的應(yīng)用中，這個因子/系數(shù)S的值的范 圍應(yīng)當(dāng)介于50 x l(T6和7000 x 10-6之間，優(yōu)選是介于150 x 1()-6和1500 x 10_6之間。
該參數(shù)可以通過幾種方式進(jìn)行調(diào)節(jié)
通過調(diào)節(jié)填料的幾何參數(shù)(在同一區(qū)段之內(nèi)或在兩個不同的區(qū)段之 間)，也就是說
。通道相對于水平方向的傾斜角度5 (優(yōu)選是介于30°和70°之
間)；
。波紋的彎折角度Y (優(yōu)選是介于40。和150。之間)；。至少在填料中心區(qū)域的填料密度(優(yōu)選是介于300m2/m3和 10001112/1113之間);
。填料的開孔率(優(yōu)選是介于3%和20%之間)； 。填料的孔的直徑(優(yōu)選是介于lmm和4mm之間)；以及 。波紋在從其中波紋相對于垂直方向傾斜一給定角度的中心區(qū)域到 其中波玟相對于垂直方向傾斜一較小角度、或者甚至是垂直的邊緣區(qū)域的 曲率半徑(優(yōu)選是介于0.5mm和3mm之間)；
通過逐漸改變通道的傾斜角度，如專利WO 97/16247所述，以使所 述通道在所述角度的高、低末端越來越垂直。
在這些運(yùn)行范圍(通過調(diào)節(jié)一個或多個前文提到的參數(shù)而運(yùn)行)內(nèi)工 作的主要優(yōu)點(diǎn)在于分離能力的優(yōu)化，或更特別地在于對于給定分離能力的 塔直徑的減小。因此，通過這些調(diào)節(jié)手段可以大大地減少塔的投資費(fèi)用， 從而大大減少冷箱的投資費(fèi)用。低溫設(shè)備的總體減小也容許在啟動和轉(zhuǎn)換 階段中提高設(shè)備的靈活性，這是第二個優(yōu)點(diǎn)。
根據(jù)本發(fā)明的一個主題，提供了一種氣體的低溫分離方法，所述氣體 的主要成分包括選自下列組中的一組的至少兩種成分i)氫、 一氧化碳、 氮和甲烷；ii)氮、氧、氬；以及iii) 二氧化碳、氫、氮、氧、氬，該方 法使用至少 一個具有交叉波紋規(guī)整填料的蒸餾塔和/或至少一個具有交叉 波紋規(guī)整填料的吸收塔，其中至少一個區(qū)段用于下降的液體和上升的氣體 之間的熱量和/或質(zhì)量交換，其特征在于，該區(qū)段的參數(shù)S介于50xi(^和 70000 x 10_6之間，其中S-Tm/(J， t是液/汽界面上的剪切應(yīng)力 (kgm-V2) , m是在填料上流過的液膜厚度(m)以及a是'l汽界面上的 表面張力(kgS-2)。
根據(jù)該方法的其他特征
-在所述用于熱量和/或質(zhì)量交換的區(qū)段中的至少一個填料體包括中 心區(qū)域和下部區(qū)域和可選的上部區(qū)域，所述下部區(qū)域和可選的上部區(qū)域相 對于中心區(qū)域被改良/修改為使得其中液體的上升阻力相對于中心區(qū)域的 上升阻力而減??；-所述氣體的主要成分包括氫、 一氧化碳、曱烷以及可選的氮；
-所述氣體的主要成分包括氫、 一氧化碳和可選的甲烷以及氮；
畫填料在以下條件下操作，即，進(jìn)氣量F介于0.2-2.5 (]\加-2)0.5之間， 其中F-(PvVgasf5，并且/或者填料中的以L/dm"h為單位的液體流率可從 50變化至高達(dá)600L/dm2/h;
-所述氣體的主要成分包括選自下列組的至少兩種成分氫， 一氧化 碳，氮和甲烷，其中，該區(qū)段中的參數(shù)S介于50xlO"和7000xl(^之間， 更特別地介于150 x 10_6和1500 x 10_6之間；
-所述氣體的主要成分包括選自下列組的至少兩種成分氮、氧、氬， 如前述權(quán)利要求1-5中的任一項權(quán)利要求所述，其中，該區(qū)段中的參數(shù)S 介于500 x 10-6和70000 x l(T6之間;
-在用于熱量和/或質(zhì)量交換的區(qū)段中的至少一個填料體包括中心區(qū) 域和下部區(qū)域，所述下部區(qū)域相對于中心區(qū)域被改良為使得其中液體上升 的阻力相對于中心區(qū)域中的上升阻力減小；
-塔的內(nèi)徑隨著進(jìn)氣量和用于待分離氣體的進(jìn)液量而從一個區(qū)段至另 一個區(qū)段變化；
-填料的密度至少在一個中心區(qū)域為300m2/m3至1000m2/m3; -填料的至少一個特征在同一區(qū)段中變化，所述特征選自下列組 o填料密度；
o o o o
傾斜角度
彎折角度 曲率半徑 開孔率，
以及
-填料的至少一個特征從一個區(qū)段至另一個區(qū)段變化，所述特征選自
下列組
o填料密度； o傾斜角度 o彎折角度
5o 曲率半徑；以及 o開孔率。
本發(fā)明將參照附圖更詳細(xì)地加以描述，其中，圖l示出根據(jù)本發(fā)明的 甲烷洗滌/滌氣過程，圖2示出根據(jù)本發(fā)明的部分冷凝過程，圖3示意性地 示出波紋軸(axe des ondes )上的波紋的視圖，圖4是波紋片(lamelle ondul&)的示意性俯視圖，圖5示出根據(jù)本發(fā)明的用于分離二氧化碳的方 法，以及圖6示出根據(jù)本發(fā)明的空氣分離方法。
在甲烷洗滌系統(tǒng)(

圖1)中，通過塔KOl內(nèi)的液態(tài)甲烷對受壓并冷卻 至-180'C的合成氣進(jìn)行洗滌，所述塔K01在高壓(介于12和50bara之間) 和盡可能低的溫度下運(yùn)行， 一氧化碳被羈留在塔的底部而在頂部生成氬。
塔K01具有至少一個如WO 97/16247所描述的填料體。使用具有改良 界面的這種填料尤其有利，因為與其他氣體相比具有很低壓降的氫允許在 很高的進(jìn)氣量下運(yùn)行而不會明顯降低分離效率。具有改良界面的填料段之 間的界面處的較小突變可使運(yùn)行的參數(shù)S更穩(wěn)定，降低了在兩個填料體之 間的界面上發(fā)泡的風(fēng)險，并使塔在穩(wěn)定的狀態(tài)和更可靠的轉(zhuǎn)換下運(yùn)行。
溶解的氫隨后排入中壓閃蒸塔K02。 CO/CH4的二元混合物隨后在低 壓蒸餾塔K03中分離。在頂部生成氣態(tài)CO，在底部生成的液態(tài)甲烷被泵 送并再循環(huán)以用于KOl中的洗滌操作。
在CO循環(huán)中產(chǎn)生制冷能力。
其他塔K02、 K03也可容納具有改良或未經(jīng)改良的界面的交叉波紋規(guī) 整填料。
所有塔都在因子S介于50 x 10"和3000 x 10_6之間，更特別地介于150 x 10_6和1500 x 10-6之間的情況下運(yùn)行。
在帶有部分冷凝的系統(tǒng)(圖2)中，在Kll中通過來自B01的液態(tài) CO洗滌去除其甲烷的合成氣被冷卻至可能的最低溫度，所述最低溫度受 CO的固化溫度所限；在B02中冷凝的液體主要是CO。
閃蒸塔K12和K13分別除去在K11的底部液體(富含甲烷)中和在 來自罐B02的液體(富含CO)中溶解的氫。
6來自塔K12和K13的液體隨后流入蒸餾塔K14中，在所述蒸餾塔K14 中進(jìn)行CO/CH4的分離。在該CO/CH4分離塔(K14)——該分離塔具有 至少兩個在截然不同的回流下運(yùn)行的填料區(qū)段一一中，使用具有不同密度 和/或傾斜角度的填料區(qū)段可以優(yōu)化整個塔的參數(shù)S。
其他塔K02、 K03也可容納具有改良或未經(jīng)改良的界面的交叉波紋規(guī) 整填料。
通過氫在渦輪機(jī)中的膨脹獲得制冷能力。
在有氮存在的特別情況下，可在CO/CH4塔的下游添加N2/CO分離塔。 所有塔都在因子S介于50 x 10-6和7000 x 10_6之間，更特別地介于150 x 10-6和1500 x 10"之間的情況下運(yùn)行。
下面是甲烷洗滌塔的因子S的計算示例。
在密度為650m2/m3的規(guī)整填料中，不純的/含雜質(zhì)的氫的線性壓降為 1.2mbar/m:
￡>t AP 0.0062"! lon W ft W -120 r = 0.186
4 AL4 m /w —
在上升的氫中，(溫度為)93K的液態(tài)甲烷的層流液膜厚度為:
3卞J
ll/3
3-0.00021，/ .0.0052紐/
''3 -9.8〗，，
0.000117m
對于(溫度為)93K的液態(tài)甲烷，表面張力a=0.018N/m
T m 0.186 Wo扁U7w
S-l^U-—附Ar,-= 1209*10—6
<7 0駕W/ /附
ReL<2000的下降液膜/降膜中層流條件的驗證
4.r 4'0.0052，/ Rei=^" =- ' " =99
/附* $
7
3，，
o
6
o
6
4
i
p符號表
t 汽/液界面處的剪切應(yīng)力(N/m2)
cj 液體的表面張力(N/m)
Y 交換表面區(qū)域每單位寬度的液體質(zhì)量流量(kg/m/s)
H l 氣體的動力粘度(kg/m/s )
Pl 液體的密度(kg/m3)
Pv 蒸汽的密度(kg/m3) Dh 規(guī)整填料通道的水力直徑(m )
△ P/AL氣體在垂直方向上的線性壓降(N/m3) m 液膜的厚度(m )
g 重力常數(shù)(9.81m/s2)
S 無量綱參數(shù)，表征汽/液界面處的內(nèi)力和外力
ReL下降液膜的雷諾數(shù)(無量綱)
圖3示出具有高H、彎折角Y的波紋的填料片(lamelle de garnissage )。
圖4所示是薄片1，具有傾斜的平行波紋，其中波峰2用粗線示出， 波谷3用細(xì)線示出。
波紋的傾度由波峰2與中心區(qū)域C的下邊緣4之間形成的角度5限定。 上部區(qū)域S從元件的上邊緣4a延伸到中心區(qū)域C的上限，而下部區(qū)域I 從該元件的下邊緣延伸到中心區(qū)域C的下限,每個區(qū)域S、I都具有高度h，。 波峰和邊緣4之間形成的角度為,但也可以取其他值。
圖5示出根據(jù)本發(fā)明通過蒸餾分離二氧化碳的工藝。混合有氮、氧和 氬的二氧化碳流1在交換器3中冷卻，在具有塔頂冷凝器和塔底再沸器的 蒸餾塔5中分離，將來自塔5的底部液體7送入具有塔頂冷凝器和塔底再 沸器的塔9中。在塔9的頂部生成流11，并在底部生成流13。流13是富 含二氧化碳的液體產(chǎn)品，流ll中含有氮、氬和氧。EP-A-503910中詳細(xì)描 述了該工藝。專利申請US 60/890233、 US 11/695422、 US 11/695446、 US 11/695455和US 11/695471給出了可以按照本發(fā)明的方法運(yùn)行的裝置的其 他示例。
8圖6示出了按照本發(fā)明的方法運(yùn)行的雙塔式空氣分離塔。其他類型的 塔也能夠按照本發(fā)明運(yùn)行，例如單塔、混合塔、三塔、氬分離塔等。
經(jīng)冷卻、壓縮和凈化的空氣601被送到與低壓塔609熱連接的中壓塔 605的底部。來自該中壓塔的回流607和603被送入低壓塔。從低壓塔抽 出富含氧的流613和富含氮的流611。
權(quán)利要求
1.一種氣體的低溫分離方法，所述氣體的主要成分包括選自下列組中的一組的至少兩種成分i)氫、一氧化碳、氮和甲烷；ii)氮、氧、氬；以及iii)二氧化碳、氫、氮、氧、氬，該方法使用至少一個具有交叉波紋規(guī)整填料的蒸餾塔(K02、K03、505、509、605、609)和/或至少一個具有交叉波紋規(guī)整填料的吸收塔(K01)，其中至少一個區(qū)段用于下降的液體和上升的氣體之間的熱量和/或質(zhì)量交換，其特征在于該區(qū)段的參數(shù)S介于50×10-6和70000×10-6之間，其中S＝τm/σ，τ是液/汽界面處的剪切應(yīng)力(kgm-1s-2)，m是在填料上流過的液膜厚度(m)以及σ是液/汽界面處的表面張力(kgs-2)。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在所述用于熱量和/或質(zhì) 量交換的區(qū)段中的至少一個填料體包括中心區(qū)域(C)和下部區(qū)域(I)和 可選的上部區(qū)域(S)，所述下部區(qū)域和可選的上部區(qū)域相對于中心區(qū)域被 改良為使得其中液體的上升阻力相對于中心區(qū)域中的上升阻力減小。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的蒸餾方法，其特征在于，所述氣體的主 要成分包括氫、 一氧化碳以及可選的曱烷和氮。
4. 如上述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，填料在以下條件 下操作，即，進(jìn)氣量F介于0.2-2.5 (NUT2)0'5之間，其中F = ( p vvgas)0'5，并 且/或者填料中的以L/dm2/h為單位的液體流率可從50變化至600L/dm2/h。
5. 如上述權(quán)利要求之一所述的氣體分離方法，所述氣體的主要成分 包括選自下列組的至少兩種成分氫， 一氧化碳，氮和甲烷，其中，所述 區(qū)段中的參數(shù)S介于50 x i(T6和7000 x 10_6之間，更特別地介于150 x l(T6 和1500 x l()-6之間。
6. 如前述權(quán)利要求l-5之一所述的氣體分離方法，所述氣體的主要 成分包括選自下列組的至少兩種成分氮、氧、氬，其中，所述區(qū)段中的 參數(shù)S介于500 x l(T6和70000 x 106之間。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種氣體的低溫分離方法，所述氣體的主要成分包括選自下列組的至少兩種成分氫、一氧化碳、氮和甲烷，該方法使用至少一個具有交叉波紋規(guī)整填料的蒸餾塔(K02/K03)和/或至少一個具有交叉波紋規(guī)整填料的吸收塔(K01)，其中至少一個區(qū)段用于下降的液體和上升的氣體之間的熱量和/或物質(zhì)交換，所述區(qū)段的參數(shù)S的范圍介于50×10^-6和70000×10^-6之間，更特別地介于150×10^-6和1500×10^-6之間，其中S＝T*m/σ，T是液/汽界面處的剪切應(yīng)力(kgm^-1s^-2)，m是在填料上流動的液膜厚度(m)以及σ是液/汽界面處的表面張力(kgs^-2)。
文檔編號F25J3/02GK101636627SQ200880002380
公開日2010年1月27日 申請日期2008年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月16日
發(fā)明者F·勒克萊爾, M·科爾伯格 申請人:喬治洛德方法研究和開發(fā)液化空氣有限公司