專(zhuān)利名稱(chēng)：使用不同密度填料的深冷分餾系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及應(yīng)用一或多個(gè)分餾柱的深冷空氣分離，其中至少一個(gè)柱內(nèi)使用結(jié)構(gòu)填料(structured packing)。
將流體混合物如空氣分餾成為富含有關(guān)組分的兩個(gè)或多個(gè)部分，一般是使用一個(gè)或多個(gè)分餾柱，柱內(nèi)使用塔盤(pán)或無(wú)規(guī)填充的填料作為傳質(zhì)元件。
近來(lái)的發(fā)展是使用結(jié)構(gòu)填料作為分餾柱的傳質(zhì)元件，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)填料比塔盤(pán)的壓力降小，并且比無(wú)規(guī)填料更能預(yù)見(jiàn)其性能。
然而，在多于一段的柱中，特別在其一段的水力負(fù)荷與其他段水力負(fù)荷顯著不同的場(chǎng)合，存在的問(wèn)題是由于水力負(fù)荷的變化而引致一段或多段比其他段更接近于泛液狀態(tài)。這使該柱的操作帶來(lái)重大的局限性，并且與無(wú)泛液或其他問(wèn)題的危險(xiǎn)時(shí)所能達(dá)到的物料流量變化相比，物料流量變化幅度顯著下降。雖然可以借助于變化每段柱的內(nèi)徑來(lái)對(duì)付這一問(wèn)題，但此辦法成本很高。
因此，本發(fā)明目的是為空氣深冷分離提供方法和設(shè)備，即采用內(nèi)含結(jié)構(gòu)填料的分餾柱，從而與已知系統(tǒng)相比，具改進(jìn)的操作靈活性。
本發(fā)明的一個(gè)方面是空氣分離裝置，包括至少一個(gè)分餾柱，并具有將進(jìn)料空氣送入以及將產(chǎn)品送出該裝置的設(shè)備，所述分餾柱至少其一具有多個(gè)柱段并具有傳質(zhì)元件，在至少其二柱段中的傳質(zhì)元件是結(jié)構(gòu)填料，其中在第一柱段的結(jié)構(gòu)填料的填料密度與該柱的第二柱段中結(jié)構(gòu)填料的填料密度有所不同。
本發(fā)明的另一個(gè)方面是含至少二個(gè)具不同揮發(fā)性的組分的混合物的分離方法，其中組分之一是氧，分離后成為富含具較第二組分更高揮發(fā)性的第一組分的第一部分，以及富含第二組分的第二部分，該方法包括將該混合物送入一個(gè)分餾柱，該柱具多個(gè)柱段和所具有的傳質(zhì)元件在至少二個(gè)柱段是結(jié)構(gòu)填料，其中第一柱段的結(jié)構(gòu)填料的填料密度與第二柱段中結(jié)構(gòu)填料的填料密度有所不同;還包括從該柱中取出至少一些該第一部分和至少一些該第二部分。
此處所用“柱”一詞是指一個(gè)蒸餾或分餾區(qū)，即一個(gè)接觸柱或區(qū)，其中的液相與汽相逆流接觸，使流體混合物分離，例如，使汽相與液相在該柱內(nèi)的填料元件上或豎向隔開(kāi)安裝的多個(gè)塔盤(pán)或塔板上進(jìn)行接觸。關(guān)于分餾柱的進(jìn)一步敘述請(qǐng)見(jiàn)Chemical Engineers′Handbook，F(xiàn)ifth Edition，edited by R.H.Perry and C.H.Chilton，Mc Gr a w-Hill Book Company，New York，Section 13，“Distillation”B.D.Smith，et al.，page 13-3 The Continuous Distillation Process.此處所用“雙柱”一詞是指一種高壓分餾柱，其上部是與下部的低壓柱處于熱交換關(guān)系。關(guān)于雙柱的進(jìn)一步敘述，請(qǐng)見(jiàn)“The Separation of Gases”，Oxford University Press，1949，Chapter Ⅶ，Commercial Air Separation此處所用“氬柱”是指在柱中上流的蒸汽通過(guò)與下流的液體逆流接觸而逐漸富含氬，并從該柱取出氬產(chǎn)品。
此處所用“HETP”是指所產(chǎn)生的組成變化相當(dāng)于一個(gè)理論板達(dá)到的組成變化時(shí)的填料高度。
此處所用“理論板”是指蒸汽與液體相接觸后使得出去的蒸汽與液體流處于平衡的接觸過(guò)程。
此處所用“結(jié)構(gòu)填料”是指在填料中，其個(gè)別元件相對(duì)于其他元件以及相對(duì)于該柱的軸心是呈特定方向取向的。結(jié)構(gòu)填料的實(shí)例見(jiàn)之于US2047444的Stedman填料，見(jiàn)之于Ellis等，Trans.Instn.Chem.Engrs.，41，1963的Goodloe填料，還有近來(lái)研制的結(jié)構(gòu)填料如Huber的US4186159、Meier的US4296050、Lockett等的US4929399中所披露者。
此處所用“柱段”是指該柱中，填裝了該柱直徑的一個(gè)區(qū)段。當(dāng)蒸汽或液體從該柱取出或進(jìn)入該柱時(shí)，一個(gè)特定區(qū)的頂或底結(jié)束。
此處所用“填料密度”是指單位體積填料中，可用的表面面積。
此處所用“正常設(shè)計(jì)點(diǎn)的泛液百分率”是指在設(shè)計(jì)點(diǎn)即正常操作條件的該蒸汽水力負(fù)荷乘以100，再除以在泛液點(diǎn)該蒸汽的水力負(fù)荷，泛液點(diǎn)即該柱開(kāi)始泛液并且該柱不可能在高于該點(diǎn)的條件操作。
此處所用“不同填料密度”是指一個(gè)填料密度與參比填料密度相比其差異為每立方米至少50平方米。
此處所用“負(fù)荷下限(turndown limit)”是指蒸汽水力負(fù)荷再低就使分離效率顯著變差的數(shù)值乘以100，再除以設(shè)計(jì)點(diǎn)的蒸汽水力負(fù)荷。


圖1是按本發(fā)明實(shí)施方案之一的空氣分離裝置簡(jiǎn)化示意圖，其中包括一雙柱，其低壓柱與高壓柱處于熱交換關(guān)系，還有一個(gè)氬柱，其中該低壓柱有4個(gè)柱段，其中至少二個(gè)柱段使用不同密度的結(jié)構(gòu)填料。
圖2示出圖1中4個(gè)段在正常設(shè)計(jì)點(diǎn)的泛液百分率以及蒸汽水力負(fù)荷。
圖3示出一個(gè)柱中4個(gè)段在正常設(shè)計(jì)點(diǎn)的泛液百分率以及蒸汽水力負(fù)荷。
圖4是具給定填料密度(例如500米2/米3)的結(jié)構(gòu)填料簡(jiǎn)化圖，其中a、b、c表示分開(kāi)的填料元件。
圖5是填料密度比圖4所示者更大的結(jié)構(gòu)填料簡(jiǎn)化圖，其中a、b、c表示分開(kāi)的填料元件。
參照附圖1，高壓進(jìn)料空氣1送入柱2，這是雙柱系統(tǒng)的高壓柱。在柱2內(nèi)，進(jìn)料空氣經(jīng)深冷分餾而分離，成為富氮蒸汽和富氧液體。富氧液體3從柱2取出，送入氬柱頂部冷凝器20，在其中至少有部分汽化，同時(shí)使氬柱頂部蒸汽冷凝，然后成為蒸汽流21和液流23而進(jìn)入柱4，柱4是雙柱系統(tǒng)的低壓柱。富氮的蒸汽5進(jìn)入冷凝器6，通過(guò)熱交換而冷凝，同時(shí)使柱底部沸騰。所得富氮液流7一部分作為液流8進(jìn)入柱2作為其回流液體，一部分作為液流9進(jìn)入柱4作為回流液體。低壓進(jìn)料空氣22亦可送入柱4。在柱4中，進(jìn)料流通過(guò)深冷分餾成為富氮和富氧部分。
富氮部分作為料流10從柱4取出，并回收作為產(chǎn)品氮。富氧部分作為料流11從柱4取出，并回收作為產(chǎn)品氧。從柱4排出廢料流12作為控制手段。料流13主要含氧和氬，從柱4的中間部分放出，送入氬柱14，通過(guò)深冷分餾成為富氬部分和富氧部分。富氬部分于柱頂冷凝器20處冷凝，一部分成料流15從柱14取出，成為氬粗產(chǎn)品。富氧部分從柱14取出，成為料流16而送入柱4。
如圖1所示，柱4分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4段。段Ⅰ由料流11和13的取料點(diǎn)所限定;段Ⅱ由13取料點(diǎn)和料流21和23的進(jìn)料點(diǎn)所限定;段Ⅲ由21和23進(jìn)料點(diǎn)和料流12取料點(diǎn)所限定;段Ⅳ由料流12和10的取料點(diǎn)所限定。在實(shí)施本發(fā)明時(shí)，使用具有至少2段的分餾柱。一般，柱中最多段數(shù)為約8段。
由于在柱4送入并取出物料流，也由于流體組成的變化，各段的水力負(fù)荷顯著不同。蒸汽水力負(fù)荷可以由下式表達(dá)CV＝MG/ρAT×[ρG/(ρL-ρG)]0.5其中MG＝蒸汽流量(磅/秒)，ρG＝蒸汽密度(磅/立方英尺)，
ρG＝液體密度(磅/立方英尺)，AT＝橫截面積(平方英尺)，CV＝容量因數(shù)(英尺/秒)。
液體水力負(fù)荷可由式ML/ρLAT表示，其中ML＝液體流量(磅/秒)。
由于柱內(nèi)各段的水力負(fù)荷可有很大變化，于是有一個(gè)操作極限，因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)該柱時(shí)要按照最容易發(fā)生泛液的那一段來(lái)設(shè)計(jì)，以確保柱操作時(shí)沒(méi)有一段發(fā)生泛液。一段，最易發(fā)生泛液的柱段的正常設(shè)計(jì)點(diǎn)是按達(dá)到泛液的約80%來(lái)操作，而其他段就在更低的百分率條件下操作。
本發(fā)明處理并解決此一問(wèn)題是借助于采用不同密度的結(jié)構(gòu)填料應(yīng)用于一個(gè)柱中的至少2段，使該柱中第1段的結(jié)構(gòu)填料密度要不同于該柱第2段的結(jié)構(gòu)填料密度。不言自明，所述柱的第1段可以是指該柱的任一段。本發(fā)明中特別有用的結(jié)構(gòu)填料其密度范圍為250-1000平方米/立方米。應(yīng)用這樣的結(jié)構(gòu)填料之后，使得每一柱段的設(shè)計(jì)點(diǎn)都是優(yōu)選在50-95%泛液百分率范圍內(nèi)。本發(fā)明要涉及的是柱的操作范圍，或負(fù)荷變化范圍。由于柱的進(jìn)料和出料以及組成變化，每一柱段都具有不同的蒸汽和液體負(fù)荷，即水力負(fù)荷。利用不同密度的填料，就可以使整個(gè)柱采用給定的柱直徑，同時(shí)使各柱段都在合適的負(fù)荷范圍內(nèi)。
按本發(fā)明的優(yōu)選方案之一，在至少一個(gè)較高的柱段中的結(jié)構(gòu)填料密度應(yīng)大于至少一個(gè)較低柱段中的填料密度。在一本發(fā)明優(yōu)選方案中，在最低柱段中的結(jié)構(gòu)填料密度是小于高于該最低段的至少一個(gè)柱段中的填料密度。在本發(fā)明另一優(yōu)選方案中，最低柱段中的填料密度小于700平方米/立方米。
在本發(fā)明范圍內(nèi)，一個(gè)柱段之內(nèi)的結(jié)構(gòu)填料密度也是可以變化的。
本發(fā)明還處理和解決另一個(gè)問(wèn)題，即氧是要分離的組分之一的場(chǎng)合，例如分離含氧、氮的混合物或分離含氧、氬的混合物。結(jié)構(gòu)填料的一種優(yōu)選結(jié)構(gòu)材料是鋁，因?yàn)樗杀镜?。然而，由于個(gè)別結(jié)構(gòu)填料元件的截面很薄，在氧濃度大于21%的環(huán)境中，鋁制結(jié)構(gòu)填料出現(xiàn)易燃性的問(wèn)題。因此，在此情況下建議使用銅制的結(jié)構(gòu)填料(Bennett等的US4813988)。本申請(qǐng)人發(fā)現(xiàn)，通過(guò)填料元件和多個(gè)填料元件的燃燒試驗(yàn)得知，若是在深冷分餾柱的溫度和其他工藝條件下點(diǎn)火，可以抑制燃燒。雖然不擬局限于任何理論，相鄰密集排布的箔制元件由于在發(fā)生點(diǎn)火時(shí)有利于發(fā)散熱量，從而可抑制燃燒。制造結(jié)構(gòu)填料的材料中，鋁含量可以在50-99.99%范圍。這樣，使用了鋁制的變化密度的結(jié)構(gòu)填料之后，可以安全高效地進(jìn)行空氣深冷分離，并可改進(jìn)分餾柱的操作范圍，使總成本降低。
由以下非限定性實(shí)例闡明本發(fā)明實(shí)例將類(lèi)似于圖1所示的空氣分離裝置付諸操作。其設(shè)計(jì)點(diǎn)生產(chǎn)量是190噸氧/天。該裝置在該雙柱系統(tǒng)的低壓柱中采用鋁制結(jié)構(gòu)填料。
柱段Ⅰ中的填料具給定的密度，如圖4所示，柱段Ⅱ中的填料密度大于柱段Ⅰ的填料密度，如圖5所示。柱段Ⅰ中密度為500平方米/立方米，柱段Ⅱ中為700平方米/立方米。柱段Ⅲ中為350平方米/立方米，柱段Ⅳ中為500平方米/立方米。柱段Ⅲ中為350平方米/立方米，柱段Ⅳ中為500平方米/立方米。分餾柱的內(nèi)徑各段相同，為52.5英寸。
圖2是在其設(shè)計(jì)點(diǎn)的泛液百分率以及其容量因數(shù)?？梢钥吹?，各段的泛液百分率都在65-80%范圍，所有段的容量因數(shù)都超過(guò)0.06英尺/秒，低于這個(gè)值將使HETP大至不可接受的程度。此外，該裝置的負(fù)荷下限低達(dá)67%，不超此限可成功操作。
在Bennett等的US4836836中描述了分離氬和氧所必需的HETP值。本發(fā)明本方案中如圖1所示上柱的柱段Ⅰ就是用于分離含氬和氧的混合物，并由于這項(xiàng)分離是很困難的，在段Ⅰ中需要的理論板數(shù)很多。該美國(guó)專(zhuān)利指出，若填料的HETP達(dá)到7.6-8.2英寸，則使用填料柱要比使用塔盤(pán)時(shí)的投資額高很多。原因是采用塔盤(pán)的HETP要小于7.6-8.2英寸。該專(zhuān)利還指出，當(dāng)HETP約為7.0英寸，使用填料與塔盤(pán)相比投資并不高，因此，在柱段Ⅰ采用HETP遠(yuǎn)低于7.6-8.2英寸的結(jié)構(gòu)填料對(duì)于投資的經(jīng)濟(jì)性是必需的。從該先有技術(shù)還可知，為了給柱段Ⅰ選擇適當(dāng)?shù)奶盍厦芏龋瑧?yīng)選擇HETP遠(yuǎn)低于7.6-8.2英寸的那些。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，在直徑12英寸的實(shí)驗(yàn)室柱中，申請(qǐng)人發(fā)現(xiàn)在深冷分餾氧-氬混合物時(shí)，使用密度500平方米/立方米的結(jié)構(gòu)填料時(shí)其HETP為7.4-8.0英寸范圍，使用密度700平方米/立方米的填料時(shí)，HETP為5.6-6.3英寸范圍。通常在從實(shí)驗(yàn)室規(guī)模轉(zhuǎn)到工業(yè)規(guī)模時(shí)，按一般接受的15%HETP增加計(jì)，計(jì)算得知在柱段Ⅰ使用的填料密度應(yīng)至少為700平方米/立方米。
對(duì)于多類(lèi)結(jié)構(gòu)填料而言，在低于某一CV最小值情況下HETP迅速增大。US4836836示出一典型實(shí)例，當(dāng)CV下降至低于約0.06英尺/秒，HETP迅速增大。在低于某一CV臨界最低值時(shí)分離效率變差的原因還不清楚?？赡苁怯捎谡羝牧鳒p小，進(jìn)一步減小傳質(zhì)系數(shù)，或者還可有其他解釋。無(wú)論如何，必須保持CV值在一個(gè)最小值約0.06英尺/秒以上，以避免性能下降的危險(xiǎn)。現(xiàn)在，一個(gè)空氣分離裝置必須不僅在其設(shè)計(jì)點(diǎn)操作，還要在操作下限條件操作。在本發(fā)明的實(shí)施中，如圖2所匯總，在不同柱段使用了不同密度的結(jié)構(gòu)填料，具體是在柱Ⅰ使用密度500平方米/立方米的填料，并在至少一個(gè)較高柱段使用密度更高的填料，其性能得到改進(jìn)。由于柱段Ⅰ的較低密度填料的水力容量較高，分餾柱直徑是根據(jù)柱段Ⅳ來(lái)確定的。在該設(shè)計(jì)點(diǎn)柱段Ⅱ的CV是0.09英尺/秒。負(fù)荷下限是由柱段Ⅱ所限定，但該負(fù)荷下限值為正常設(shè)計(jì)點(diǎn)的0.06/0.09×100%＝67%。這是可接受的數(shù)值，因?yàn)樗掀溆嘌b置部件的正常負(fù)荷下限范圍。
若圖1所示裝置的操作是在柱段Ⅰ使用密度為700平方米/立方米的填料的情況下進(jìn)行，則計(jì)算所得結(jié)果如圖3所示。這時(shí)，分餾柱容量由柱段Ⅰ所限定，在設(shè)計(jì)點(diǎn)是保持80%泛液，分餾柱直徑必須加大至58.5英寸。由于直徑加大，在柱段Ⅱ中，在設(shè)計(jì)點(diǎn)的CV下降至0.07英尺/秒。柱段Ⅱ仍然限定著負(fù)荷下限，但這時(shí)的負(fù)荷下限值為正常設(shè)計(jì)負(fù)荷的0.06/0.07×100%＝86%，因?yàn)楫?dāng)CV下降至低于0.06英尺/秒，在柱段Ⅱ會(huì)發(fā)生HETP過(guò)大的危險(xiǎn)。負(fù)荷下限值只有86%，使裝置的操作范圍大大受限。
由于本發(fā)明在一個(gè)分餾柱的不同柱段采用不同的填料密度，因而帶來(lái)益處。在每一柱段選擇填料密度取決于對(duì)泛液、負(fù)荷下限、HETP以及柱直徑的綜合考慮。借助于在最低柱段采用較低密度的結(jié)構(gòu)填料，所述到的操作范圍要大于先有技術(shù)中所提出者。
雖然本發(fā)明結(jié)合具體方案作了詳細(xì)說(shuō)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將可了解，在本發(fā)明權(quán)利要求書(shū)的精神和范圍內(nèi)，還可有若干其他方案。
權(quán)利要求
1.一種空氣分離裝置，其中包括至少一個(gè)分餾柱，以及將進(jìn)料空氣送入該裝置的設(shè)備，以及將產(chǎn)品送出該裝置的設(shè)備，所述分餾柱的至少其一具有多個(gè)柱段，在至少其中2個(gè)柱段中具有結(jié)構(gòu)填料(structu-red packing)作為傳質(zhì)元件，其中所述分餾柱的第1柱段中結(jié)構(gòu)填料的填料密度不同于所述分餾柱的第2柱段中結(jié)構(gòu)填料的填料密度。
2.按權(quán)利要求1的空氣分離裝置，其中所述分餾柱的各段內(nèi)徑都是相同的。
3.按權(quán)利要求1的空氣分離裝置，其中所述第2柱段是高于所述第1柱段，并且該第2柱段中結(jié)構(gòu)填料的填料密度不同于并且大于所述第1段中結(jié)構(gòu)填料的填料密度。
4.按權(quán)利要求3的空氣分離裝置，其中所述第1柱段是該分餾柱的最低的柱段。
5.按權(quán)利要求1的空氣分離裝置，其中該柱的所述最低柱段的填料密度是小于700平方米/立方米。
6.按權(quán)利要求4的空氣分離裝置，其中該柱的所述最低柱段的填料密度是小于700平方米/立方米。
7.按權(quán)利要求1的空氣分離裝置，其中所述結(jié)構(gòu)填料包含鋁。
8.按權(quán)利要求4的空氣分離裝置，其中所述結(jié)構(gòu)填料包含鋁。
9.按權(quán)利要求5的空氣分離裝置，其中所述結(jié)構(gòu)填料包含鋁。
10.按權(quán)利要6的空氣分離裝置，其中所述結(jié)構(gòu)填料包含鋁。
11.按權(quán)利要求1的空氣分離裝置，其中的一個(gè)柱段中含有具不同填料密度的結(jié)構(gòu)填料。
12.按權(quán)利要求1的空氣分離裝置，其中該分餾柱具有2至8個(gè)柱段。
13.按權(quán)利要求1的空氣分離裝置，其中所述結(jié)構(gòu)填料的填料密度在250-1000平方米/立方米范圍。
14.按權(quán)利要求1的空氣分離裝置，其中包括多個(gè)分餾柱。
15.按權(quán)利要求14的空氣分離裝置，其中包括一個(gè)雙分餾柱。
16.按權(quán)利要求15的空氣分離裝置，其中還包括一個(gè)氬分餾柱。
17.一種將含有至少二個(gè)具不同揮發(fā)性的組分并且該組分之一是氧的混合物進(jìn)行分離的方法，分離后成為第1部分和第2部分，所述第1部分中富含具較高揮發(fā)性的第1組分，第2部分中富含具較低揮發(fā)性的第2組分，所述方法包括將該混合物送入一個(gè)具有多個(gè)柱段并具有傳質(zhì)元件的分餾柱，在其中至少二個(gè)柱段中的傳質(zhì)元件是結(jié)構(gòu)填料，在該柱的第1柱段中結(jié)構(gòu)填料的填料密度不同于該柱第2個(gè)柱段中結(jié)構(gòu)填料的填料密度;還包括從該分餾柱中取出至少一些該第1部分和至少一些該第2部分。
18.按權(quán)利要求17的方法，其中所述混合物包含氮和氧。
19.按權(quán)利要求17的方法，其中所述混合物包含氧和氬。
20.按權(quán)利要求17的方法，其中所述填料密度是經(jīng)過(guò)選擇，使得每一柱段在正常設(shè)計(jì)點(diǎn)的泛液百分率在50-95%范圍內(nèi)。
21.按權(quán)利要求17的方法，其中所述第2柱段是高于所述第1柱段，并且第2柱段中結(jié)構(gòu)填料的填料密度是不同于并且大于第1柱段中結(jié)構(gòu)填料的填料密度。
22.按權(quán)利要求18的方法，其中所述第1柱段是該分餾柱中最低的柱段。
23.按權(quán)利要求17的方法，其中所述分餾柱的最低柱段中的填料密度為小于700平方米/立方米。
24.按權(quán)利要求22的方法，其中所述分餾柱的最低柱段中的填料密度為小于700平方米/立方米。
25.按權(quán)利要求17的方法，其中所述結(jié)構(gòu)填料包含鋁。
26.按權(quán)利要求22的方法，其中所述結(jié)構(gòu)填料包含鋁。
27.按權(quán)利要求23的方法，其中所述結(jié)構(gòu)填料包含鋁。
28.按權(quán)利要求24的方法，其中所述結(jié)構(gòu)填料包含鋁。
全文摘要
一種深冷分餾系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用一個(gè)多柱段的分餾柱，其中在該分餾柱的至少二個(gè)柱段中使用具不同填料密度的結(jié)構(gòu)填料。
文檔編號(hào)F25J3/04GK1063756SQ9110500
公開(kāi)日1992年8月19日 申請(qǐng)日期1991年7月19日 優(yōu)先權(quán)日1990年7月20日
發(fā)明者M·J·洛基特, R·A·維克托, R·扎維爾盧察, K·麥基爾羅伊, S·L·庫(kù)珀 申請(qǐng)人:聯(lián)合碳化工業(yè)氣體技術(shù)公司