專利名稱：低溫分離空氣的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種低溫分離空氣的裝置及方法，該裝置包括一根經(jīng)壓縮機(jī)和凈化裝置通過主熱交換器通向蒸餾系統(tǒng)的輸入管道和從蒸餾系統(tǒng)通過向主熱交換器的產(chǎn)品管道，上述蒸餾系統(tǒng)至少有一個(gè)精餾塔，至少一個(gè)精餾塔的至少部分區(qū)域充填了有序填料。
很多類似的空分裝置及其有關(guān)的方法已是公知的。例如EP-A-0241817中公開的單塔空分裝置、EP-A-0316768中公開的雙塔空分裝置或EP-A-0377117中所公開的帶有制取氬的部件的空分裝置。此外，在EP-A-0377117的說明書中還披露了在空分裝置的一個(gè)精餾塔和精氬塔中填裝了一種有序填料。
在EP-A-0321163中也描述了一種裝有有序填料的空分裝置，其中，兩級空分裝置的低壓塔的至少部分區(qū)段裝有填料。與僅用常規(guī)的精餾塔板的塔相比這種方法減少了壓降，因此，在相同的產(chǎn)品技術(shù)條件下其操作壓力較低，從而降低了能耗，但卻提高了精餾塔的制造費(fèi)用。
據(jù)此，本發(fā)明的任務(wù)是以本說明書開始部分所提到的方法為基礎(chǔ)進(jìn)行改進(jìn)，以使其在經(jīng)濟(jì)上比上述工藝更有利，尤其是設(shè)備費(fèi)用較低。
解決上述任務(wù)的技術(shù)方案是裝填在精餾塔的部分區(qū)段內(nèi)的填料由相互平行排列的折疊薄片組成，折疊的薄片由箔狀材料制成，其上開有孔，相鄰的薄片總是相接觸的，而且兩折邊之間的首先大體具有光滑表面。
上述“光滑”的概念(折邊除外)是指在薄片表面不存在精糙不平的情況，實(shí)際上指的是不存在對薄片表面上流動液體的流動產(chǎn)生值得重視的影響的凸起和壓紋(此處指的是液態(tài)空氣或空氣組分中的任一液化混合物)，特別是不能出現(xiàn)紋路深度明顯超過箔厚度的溝紋或壓紋。可取的是在任何情況下允許的不平度的偏差小于箔厚度，最好比箔厚度略小一點(diǎn)，制造薄片的箔厚度通常小于1mm，最好約為0.1-0.2mm。
在本發(fā)明的空分裝置所用的光滑填料也可以存在對傳技作用無重要影響的較小的粗糙不平部分，這種粗糙不平部分例如可以由制造工藝而引起。
此處，薄片表面的光滑性能是十分重要的，它不應(yīng)因薄片上有孔而受到影響。例如可以通過鉆、切割或銑削加工出上述孔，孔在薄片表面呈均勻分布或非均勻分布，孔的比例例如可為5%至40%，最好約為15%至20%。
本發(fā)明的空分裝置中所使用的填料的比表面積通常為350m2/m3至750m2/m3。在某些應(yīng)用中采用比表面積高至1200m2/m3或更高的填料是有利的。在此應(yīng)著重提出的是本發(fā)明應(yīng)用于德國專利申請P……(內(nèi)部文檔號H 92/30＝H 1929)中的方法和裝置尤其有利?？梢詫⒈∑郫B成較尖銳的邊的形狀(折疊成鋸齒狀)，或者也可以折疊成不太尖銳的邊的形狀(波紋形)，還可以折疊成其它形狀。
從許多公開的文獻(xiàn)中得知，通常用薄片組成的有序填料其部特征與本發(fā)明使用的填料相似。但是，用于其他目的(例如用于碳?xì)浠衔锏姆蛛x)公知的是由沖孔的金屬箔折疊而成的傳質(zhì)部件。在較早的公開文獻(xiàn)中曾探討了薄片的表面結(jié)構(gòu)(例如DE-C-2722424或DE-B-2722556)，可是只提到一種對于在薄片表面上液體分布特別重要的薄片表面精細(xì)結(jié)構(gòu)(溝紋)。
一段時(shí)間以來，人們已開始在低溫技術(shù)中特別是在空氣分離中使用至今主要用于其它分離目的填料，但只是將公知填料一成不變地用于空氣分離技術(shù)中，在EP-A-0321163歐洲專利申請公開說明書中甚至提到填料的特殊結(jié)構(gòu)形狀與空氣分離無關(guān)。
本發(fā)明開發(fā)了一種專門適用于空氣分離的填料。在一個(gè)昂貴的試驗(yàn)裝置上進(jìn)行工業(yè)空氣分離的條件下獲得的大量測試數(shù)據(jù)證明，在空氣精餾時(shí)，精細(xì)溝紋的分布作用的常規(guī)技術(shù)方案是不能用的。與預(yù)料的相反，光滑有孔的填料不比相同性質(zhì)溝紋填料的分離作用差，出乎人們意料的是這種填料的分離效果甚至更佳。
與溝紋填料相比，采用本發(fā)明的填料除制造費(fèi)用低以外，還降低了填裝了這種填料的精餾塔(一個(gè)或幾個(gè))的高度，或者在同樣的高度下提高了產(chǎn)品的純度和/或增加了產(chǎn)量，因此降低了整個(gè)空分裝置的費(fèi)用。
填料薄片最好由金屬板材制成?？扇〉氖莾?yōu)先選用基本為鋁的金屬板材，例如選用鋁合金或基本上為純鋁的板材。除鋁以外還可用銅合金板材制造薄片。在第二種變型中，薄片主要由銅制成。
通常，本發(fā)明所用的填料或者在高氧濃縮方法中所用的其它填料也可用塑料例如PTFE聚四氟乙烯制成。此外，也可用陶瓷或玻璃材料例如非金屬氧化物或金屬氧化物和非金屬氧化物的混合物或者涂上一層上述材料而制成這類填料，因?yàn)樗鼈儾灰兹肌?br> 若本發(fā)明的空分裝置的蒸餾系統(tǒng)具有一個(gè)雙塔即高壓塔和低壓塔則很有利。在這種情況下，可取的是在本發(fā)明的空分裝置中的低壓塔的部分區(qū)段內(nèi)裝填料，尤其是在該部分區(qū)段內(nèi)或在部分區(qū)段之一內(nèi)裝填具有光滑表面的填料。
如果蒸餾系統(tǒng)具有一個(gè)粗氬塔，本發(fā)明特別會帶來好處。在一般情況下，粗氬塔通過至少一根氬輸送管道與雙級塔的低壓塔相連接，當(dāng)然粗氬塔也可與用于氮氧分離的單級塔連接。
本發(fā)明的這類空氣分離裝置中，如果在粗氬塔的至少一部分區(qū)段中裝填填料或者甚至在粗氬塔的大部分區(qū)段裝置填填料是有利的。最好，在其中至少部分地使用如權(quán)利要求1特征部分所述的光滑填料。
在雙塔空氣分離的情況下，也可在高壓塔的至少一部分區(qū)段設(shè)置填料。此處最好也使用或只用光滑填料。
此外，本發(fā)明還涉及一種按權(quán)利要求13-23所述的低溫分離空氣的方法，上面所描述的空分裝置按照該方法進(jìn)行工作。
下面將結(jié)合附圖，用本發(fā)明的實(shí)施例，對本發(fā)明作更詳細(xì)的說明。圖1所示的裝置和方法根據(jù)說明為兩級精餾;但本發(fā)明也能用于一級空氣分離方法，同樣也能用于兩級以上的精餾方法。應(yīng)著重指出的是也可用于同一時(shí)間段內(nèi)的德國專利申請P……(內(nèi)部文檔號H 92/30＝H 1929)的說明收中的具體例子。


圖1為一種雙塔空氣分離裝置;
圖2為本發(fā)明在一個(gè)空氣分離塔中使用的光滑填料。
在圖1所示的裝置中，經(jīng)凈化的空氣1(壓力為4至20巴，最好是5至12巴)在熱交換器2中被產(chǎn)品流冷卻至約為露點(diǎn)溫度，然后被送入兩級精餾裝置的高壓塔3中。高壓塔3經(jīng)過一個(gè)共同的冷凝器-蒸發(fā)器4與低壓塔5進(jìn)行熱交換。
從高壓塔3抽取塔釜液體6和氮?dú)?，在逆流換熱器8中過冷，然而經(jīng)節(jié)流送入低壓塔5。從低壓塔抽取氧氣9，氮?dú)?0和不純氮11。抽取的產(chǎn)品也可以至少部分地呈液體狀態(tài)。為清楚起見，在方法流程圖中對此沒有圖示出來。
在圖1的方法和裝置中的低壓塔5具有下列段A 純氮段(在不純氮管道11的上面);
B 不純氮段(在不純氮管道11和塔釜液體管道b之間);
E 氧氣段(在塔釜液體管道6的入口下面);
這些段的每一段可部分地功全部使用本發(fā)明的光滑填料。個(gè)別段也能用其他填料部件、精餾板或板和填料的組合。
在高壓塔3中可選擇地或補(bǔ)充地部分或全部通過光滑填料進(jìn)行傳質(zhì)。
權(quán)利要求1中所述的填料也可用于空氣分離裝置的其他塔，例如用于制取氬的塔中。
圖2示出了光滑填料實(shí)施例中的一段填料，它可用于本發(fā)明的空氣分離裝置。
圖中示出三層。為了清楚地看出立體結(jié)構(gòu)，在遮蔽處用陰影線表示。陰影線的意思是無溝紋或類似的精細(xì)結(jié)構(gòu)。
折疊的薄片101，102，103最好排列成折邊的走向(例如104，105)斜向塔軸(垂直線)。間隔開的薄片101，103總是具有同樣的方向。處于兩者之間的薄片102設(shè)置成使其折邊的走向與其相鄰薄片成一角度，最好垂直。
兩折邊(例如104和105之間的薄片表面是光滑的，既無溝紋也無壓紋。因?yàn)榧庸ら_口(孔106)或因?yàn)槠渌?例如加工工藝)，薄片101，102，104也可存在對液體流動影響不重要的不平處。
權(quán)利要求
1.空氣分離裝置，該裝置包括一根經(jīng)壓縮機(jī)和凈化裝置通過一個(gè)主熱交換器通向蒸餾系統(tǒng)的輸入管道，蒸餾系統(tǒng)至少一個(gè)精餾塔以及從蒸餾系統(tǒng)通向主熱交換器的產(chǎn)品管道，其中至少一個(gè)精餾塔的至少部分區(qū)段裝填了有序填料，其特征在于上述填料由彼此平行排列的折疊薄片組成，薄片由箔狀材料制成，其上開有孔，相鄰的薄片總是相接觸的；兩折邊之間的薄片大體具有光滑表面。
2.如權(quán)利要求1所述的空分裝置，其特征在于上述薄片是由金屬板材制成。
3.如權(quán)利要求2所述的空分裝置，其特征在于上述金屬板材基本上由鋁構(gòu)成。
4.如權(quán)利要求2或3所述的空分裝置，其特征在于金屬板材含有銅。
5.如權(quán)利要求2-4中任一項(xiàng)所述的空分裝置，其特征在于金屬板材基本上由銅構(gòu)成。
6.如權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的空分裝置，其特征在于上述蒸餾系統(tǒng)包括一個(gè)由高壓塔和低壓塔組成的雙級塔。
7.如權(quán)利要求6所述的空分裝置，其特征在于在低壓塔的至少部分區(qū)段內(nèi)裝有填料。
8.如權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的空分裝置，其特征在于蒸餾系統(tǒng)有一個(gè)粗氬塔。
9.如權(quán)利要求8所述的空分裝置，其特征在于用至少一根粗氬輸送管道將粗氬塔與低壓塔相連。
10.如權(quán)利要求8或9所述的空分裝置，其特征在于在粗氬塔的至少部分區(qū)段內(nèi)裝有填料。
11.如權(quán)利要求10所述的空分裝置，其特征在于粗氬塔的大部分區(qū)段內(nèi)裝有填料。
12.如權(quán)利要求5-11所述的空分裝置，其特征在于在高壓塔的至少部分區(qū)段內(nèi)裝有填料。
13.低溫分離空分的方法，將經(jīng)凈化和冷卻的空氣送入至少有一個(gè)精餾塔的蒸餾系統(tǒng)中，在該塔中空氣的汽相和液相之間經(jīng)逆流傳質(zhì)而分離，其中至少在一個(gè)精餾塔的至少部分區(qū)段內(nèi)通過填料進(jìn)行傳質(zhì)，其特征在于至少在一個(gè)精餾塔的至少部分區(qū)段內(nèi)通過填料進(jìn)行傳質(zhì)，上述填料由彼此平行排列的折疊薄片組成，薄片由箔狀材料制成，其上開有孔，相鄰的薄片總是相接觸的，兩折邊之間的薄片大體具有光滑表面。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于薄片由金屬板材制成。
15.如權(quán)利要求13或14所述的方法，其特征在于金屬板材基本上由鋁構(gòu)成。
16.如權(quán)利要求14或15所述的方法，其特征在于金屬板材含有銅。
17.如權(quán)利要求14-16中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于金屬板材基本上由銅構(gòu)成。
18.如權(quán)利要求13-17中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于蒸餾系統(tǒng)具有一個(gè)由高壓塔和低壓塔組成的雙級塔。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于在低壓塔的至少部分區(qū)段內(nèi)通過填料進(jìn)行傳質(zhì)，該填料由彼此平行排列的折疊薄片組成，薄片由箔狀材料制成，其上開有孔，相鄰薄片總是接觸的，兩折邊之間的薄片大體具有光滑表面。
20.如權(quán)利要求13-19中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于從低壓塔中抽取含氬氧流，使之在粗氬塔中分離成粗氬和剩余餾分。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于在粗氬塔的部分區(qū)段內(nèi)通過填料進(jìn)行傳質(zhì)，該填料是由彼此平行設(shè)置的折疊薄片組成，薄片由箔狀材料制造，其上開有孔，相鄰薄片總是相接觸的，兩折邊之間的薄片大體具有光滑表面。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于在粗氬塔的大部分區(qū)段內(nèi)通過填料進(jìn)行傳質(zhì)。
23.如權(quán)利要求18-22中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于在高壓塔的至少部分區(qū)段內(nèi)通過填料進(jìn)行傳質(zhì)，該填料由相互平行設(shè)置的折疊薄片組成，薄片由箔狀材料制造，其上開有孔，相鄰薄片總是相接觸的，兩折邊之間的薄片大體具有光滑表面。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種空分裝置，它包括一根經(jīng)壓縮機(jī)和凈化裝置通過一個(gè)主熱交換器通向蒸餾系統(tǒng)的輸入管道。此外，還包括從蒸餾系統(tǒng)通向主熱交換器的產(chǎn)品管道。蒸餾系統(tǒng)的至少一個(gè)精餾塔的至少部分區(qū)段裝填了有序填料，該填料由彼此平行排列的折疊薄片組成，薄片由箔狀材料制成，其上開有孔，相鄰的薄片總是相接觸的，兩折邊之間的薄片大體具有光滑表面。
文檔編號F25J3/04GK1105750SQ9310440
公開日1995年7月26日 申請日期1993年3月20日 優(yōu)先權(quán)日1992年3月20日
發(fā)明者安東·莫爾, 赫爾穆特·克賴斯 申請人:林德股份公司