專利名稱：具有高強度和高容量填料的低溫精餾系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及多組分混合物的精餾，具體涉及低溫精餾，以及使用結(jié)構(gòu)填料作為進行精餾的塔內(nèi)構(gòu)件。
將流體混合物例如空氣蒸餾成為兩種或多種富集各個混合物組分的餾份一般是使用一個或多個蒸餾或精餾塔進行的，它們應(yīng)用塔盤作為塔內(nèi)構(gòu)件或傳質(zhì)元件。由于結(jié)構(gòu)填料的壓力降比塔盤的壓力降低得多，所以最近使用結(jié)構(gòu)填料作為精餾塔的傳質(zhì)元件的趨勢日益增加。
雖然在蒸餾塔操作過程中結(jié)構(gòu)填料優(yōu)于常用塔盤，但填料的價格一般高于塔盤價格。為實現(xiàn)分離而需要的填料體積取決于填料高度和塔徑。塔徑是由填料的容量所確定的，或者等價地由液泛點所確定的，此時氣體或蒸汽和液體不再能有效地逆流接觸流動。
已經(jīng)開發(fā)了容量增加、在達到液泛條件之前能增加塔的生產(chǎn)能力的結(jié)構(gòu)填料，但是這樣的填料一般具有很差的機械強度的特征，因而使得填料易于受到損壞，這就需要綜合考慮到容量的增加了。
因此，本發(fā)明的一個目的就是提供使用結(jié)構(gòu)填料的精餾系統(tǒng)，這種結(jié)構(gòu)填料的容量高于迄今可購得的精餾裝置中使用的結(jié)構(gòu)填料的容量，它的機械強度也高于后者的機械強度。
本發(fā)明達到了上述目的和其它的目的，這些目的對于通過閱讀本發(fā)明的公開的本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易見的，本發(fā)明的一個方面是進行低溫度精餾的方法，該方法包括(A)將含有至少兩種組分的進料送入精餾塔中，兩種組分包括第一種易揮發(fā)的組分和第二種難揮發(fā)的組分；(B)在塔內(nèi)進行汽液體逆流接觸，該塔含有許多豎直堆疊的結(jié)構(gòu)填料組件，這些填料組件包括許多交替的第一和第二沿豎直方向?qū)墙徊娴牟y填料板，每個第一板在其底部都有變化，每個第二板在其頂部也都有變化；(C)從塔上部取出頂部流體，該頂部流體的第一種易揮發(fā)組分的濃度超過了在進料中的濃度；(D)從塔下部取出底部流體，該底部流體的第二種難揮發(fā)組分的濃度超過了在進料中的濃度。
本發(fā)明的另一個方面是-精餾塔，該塔包含將流體送入塔內(nèi)的裝置，將流體從塔的上部取出的裝置，將流體從塔的下部取出的裝置，和包含許多豎直堆疊的結(jié)構(gòu)填料組件，這些填料組件含有許多交替的第一和第二沿豎直方向?qū)墙徊娴牟y填料板，每個第一板其底部都有變化，每個第二板其頂部也都有變化。
本發(fā)明的再一個方面是結(jié)構(gòu)填料組件，它包含許多交替的第一和第二沿豎直方向?qū)墙徊娴牟y填料板，每個第一板其底部都有變化，每個第二板其頂部也都有變化。
本文所用的“塔”的術(shù)語其含義指的是蒸餾塔或精餾塔或蒸餾區(qū)或精餾區(qū)，也就是說接觸塔或接觸區(qū)，其中液相和汽相逆流接觸，例為通過汽相和液相在填料元件上的接觸，以實現(xiàn)流體混合物的分離。為了進一步討論蒸餾塔，請參看紐約McGraw-Hill圖書公司出版的，R.H.Perry和C.H.Chilton主編的化學(xué)工程師手冊，第五版，第13章，B.D.Smith等人的“蒸餾”，13-3頁，題名為“連續(xù)蒸餾過程”。蒸汽和液體接觸分離過程取決于各組分的蒸汽壓力差。高蒸汽壓(或易揮發(fā)的或低沸點的)組分將傾向于濃集在汽相中，而低蒸汽壓(難揮發(fā)的或高沸點的)組分將傾向于濃集在液相中。蒸餾是一種分離方法，憑借著可以使用液體混合物的加熱使易揮發(fā)組分濃集在汽相中，而使難揮發(fā)組分濃集在液相中。分凝也是分離方法，憑借著可以使用蒸汽混合物的冷卻使易揮發(fā)組分濃集在汽相中，而使難揮發(fā)組分濃集在液相中。精餾或連續(xù)蒸餾是將利用汽相和液相逆流處理而獲得的逐級部分蒸發(fā)和部分凝結(jié)合起來的分離方法。汽相和液相的逆流接觸可以是絕熱的，也可以是非絕熱的，逆流接觸可以包括兩相之間的積分(分段)接觸或微分(連續(xù))接觸。使用精餾原理來分離混合物的分離方法的裝置常?？上嗷ヌ娲胤Q作精餾塔、蒸餾塔或分餾塔。低溫精餾是至少部分地在低于150K溫度以下進行的精餾。
本文所用的術(shù)語“填料”的含義指的是作為塔內(nèi)構(gòu)件使用的用以提供液體表面積以使兩相逆流期間在液-汽界面進行傳質(zhì)的具有預(yù)定結(jié)構(gòu)、預(yù)定大小和預(yù)定形狀的任何實心體或空心體。
本文所用的術(shù)語“結(jié)構(gòu)填料”的含義指的是對角交叉-波紋填料，其中單個的構(gòu)件彼此之間和相對于塔的中軸線都是有特定的取向。
本文所用的術(shù)語塔的“上部”和“下部”其含義指的是分別在塔的中點的上方和下方的那些區(qū)段。
在本發(fā)明的實施中，每個組件或堆塊都具有三個區(qū)域頂部的變化區(qū)，頂部變化區(qū)下方的不變區(qū)，和不變區(qū)下方的變化區(qū)。組件或堆塊包含了許多交替的第一和第二沿豎直方向?qū)墙徊娴牟y填料板。每個第一板在頂部的變化區(qū)都有變化，每個第二板在底部變化區(qū)也都有變化。本文所用的術(shù)語“變化”其含義指的是填料幾何形狀的改變，幾何形狀的改變將降低與蒸汽穿過變化區(qū)有關(guān)的壓力降，并使液體通過填料的組件或堆塊或從填料的組件或堆塊流出時變得容易。


圖1是在本發(fā)明的實施中可以使用的一個低溫精餾系統(tǒng)的流程圖。
圖2說明了許多豎直堆疊的結(jié)構(gòu)填料組件這些組件在塔內(nèi)是定向排列的，其中組件的直徑與塔的直徑相同。在其它的情況下，組件建造成數(shù)段，數(shù)段放在一起就覆蓋了塔的截面。
圖3A和圖3B分別以透視圖和側(cè)視圖說明了用于本發(fā)明實施中的結(jié)構(gòu)填料板的一個實施方案。
圖4A和圖4B分別以透視圖和側(cè)視圖說明了用于本發(fā)明實施中的結(jié)構(gòu)填料板的另一個實施方案。
圖5-7各自以正視圖說明了在用于本發(fā)明實施中的填料板的其它實施方案。
圖8A和8B仍然分別以透視圖和側(cè)視圖說明了用于本發(fā)明實施中的結(jié)構(gòu)填料板的另一個實施方案。
下面將參照附圖詳細敘述本發(fā)明。圖1說明了精餾裝置的一個實施方案，其中使用本發(fā)明的高強度的結(jié)構(gòu)填料組件。圖1說明的特定系統(tǒng)是一個低溫空氣分離系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含了一個雙塔和一個側(cè)支氬塔。
現(xiàn)在參照圖1，主要含有氮氣、氧氣和氬氣的進料空氣1在壓縮機2中被壓縮，經(jīng)過冷卻器3冷卻壓縮熱。壓縮的進料空氣然后穿過純化器4清除掉高沸點的雜質(zhì)例如水蒸汽、二氧化碳和烴，純化器典型地是一個變溫或變壓吸附的純化器。凈化過的被壓縮的進料空氣5在初級熱交換器6中，利用與回流的間接熱交換進行冷卻。在圖1說明的實施方案中，進料空氣5的第一部分7經(jīng)過增壓壓縮機8進一步被壓縮，第二部分9經(jīng)過增壓壓縮機10進一步被壓縮，最終所得到的進一步被壓縮的進料空氣部分11和12以及余下的被壓縮的進料空氣部分50經(jīng)過初級熱交換器6被冷卻，以便分別在物流51、52和53中產(chǎn)生壓縮的、凈化的和冷卻的進料空氣。為了對隨后的低溫精餾產(chǎn)生致冷，物流52經(jīng)過渦輪膨脹機55進行渦輪膨脹，以形成物流54，然后送入低壓塔24。物流51和53各自作為進料流送入高壓塔21。
在高壓塔21內(nèi)，進料空氣被低溫精餾分離成富氮蒸汽和富氧液體。富氮蒸汽以物流22進入主冷凝器23，在主冷凝器23中，它通過與低壓塔24底部的液體的間接熱交換而被冷凝，以形成富氮液體25。富氮液體25的一部分26作為回流返回高壓塔21，富氮液體25的另一部分27在熱交換器6中進行過冷，然后作為回流進入低壓塔24。富氧液體以物流28從高壓塔21的下部出來，一部分56送入氬塔頂冷凝器29中，在塔頂冷凝器29中，富氧液體通過與富氬蒸汽的間接熱交換而被蒸發(fā)，所得到的富氧流體按物流30所示，由塔頂冷凝器29而進入低壓塔24。富氧液體的另一部分57直接送入低壓塔24中。
含有氧氣和氬氣的物流31由低壓塔24而進入氬塔32，在氬塔32中，它借低溫精餾分離成富氬蒸汽和富氧液體。富氧液體以物流33返回低壓塔24。富氬蒸汽以物流34送入塔頂冷凝器29中，在塔頂冷凝器29中，它通過與前述的蒸發(fā)的富氧液體的間接熱交換而被冷凝。所得的富氬液體以物流35作為回流返回到氬塔32。富氬流體不論是蒸汽還是液體都是以物流36作為產(chǎn)物氬從氬塔32的上部加以回收。
低壓塔24的操作壓力小于高壓塔29的操作壓力。在低壓塔24中，進入該塔的不同的進料被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37從低壓塔24上部取出，通過初級熱交換器6被加熱，作為產(chǎn)物氮38加以回收。廢物流58從低壓塔24的上部取出，通過熱交換器6被加熱，以物流59從系統(tǒng)中除去。富氧流體作為蒸汽和/或液體從低壓塔24的下部取出。如果作為液體取出，富氧液體可以用泵加壓到高壓，在作為高壓產(chǎn)物氧回收前，既可在另外的產(chǎn)物蒸沸器中蒸發(fā)，也可以在初級交換器6中進行蒸發(fā)。在圖1所述的實施方案中，富氧流體以液流39從低壓塔24中取出，通過液體泵加壓到高壓，通過初級熱交換器6被蒸發(fā)，回收產(chǎn)物氧40。液體氧的一部分61可以作為液體回收。
至少一個塔含有許多例如以圖2所說明的豎直堆疊的結(jié)構(gòu)填料堆塊或組件。每個這樣的堆塊或組件都含有與豎直中心線成一定角度的豎直定向結(jié)構(gòu)填料波紋板。板是這樣布置要使鄰近板的波紋方向倒反。填料分層安裝在塔內(nèi)，每層高度一般在6-12英寸之間。相鄰層繞著豎直軸旋轉(zhuǎn)，以增強混合效果。一個塔的完整的填料床將包含多層的填料，層數(shù)由完成分離所需要的填料高度所決定。分離塔也可以含有其它類型的結(jié)構(gòu)填料和/或塔盤。填料的波紋以卷曲高度為特征。波紋的輪廓可以是鮮明的(鋸齒形的)或圓滑的(正弦曲線形的)。填料板在接觸點沿著波峰和波谷彼此相接觸。
圖3A和圖3B說明了本發(fā)明的實施中可以使用的填料板的一個實施方案。在圖3A和圖3B中，示出了許多底部有變化的第一填料板100和頂部有變化的第二填料板101。在這種情況下，該變化是填料的卷曲高度減少到零，以使填料在變化處是平直的。這種填料的制作是將填料板在頂部或底部的小區(qū)域做成平直。底部平直的填料板由于制造方法而具有不規(guī)則的下邊，據(jù)信由這些填料板提供大量的滴液點這是有益的。第一填料板100頂部沒有變化，第二填料板底部沒有變化。所有填料板優(yōu)選地都是終止在它們的頂邊的平面A處，最優(yōu)選地終止在它們的底邊的另一平面B處，如果填料板是豎直方向的，則這樣的平面是水平的。第一填料板和第二填料板嚴(yán)格輪流交替，也就是說，除了端板外，第一填料板總是夾在第二填料板之間，第二填料板總是夾在第一填料板之間，這樣的做法是優(yōu)選的，應(yīng)該懂得，稍稍偏離嚴(yán)格輪流交替是許可的。也就是說，術(shù)語“交替”可以包括著第一填料板彼此鄰接和/或第二填料板彼此鄰接的一種或多種情況。
圖4A和圖4B說明了本發(fā)明實施中可以使用的填料板另一個實施方案。圖4A和圖4B所說明的填料板與圖3A和圖3B所說明的填料板的差別在于變化是卷曲高度減少，但沒有減少到零。
圖5，6和7各自說明了具有不同于前面討論的圖中所說明的填料板的變化了的一個有代表性的填料板的前視圖。圖5說明了具有包含槽口一種變化的填料板，圖6說明了具有變化的填料板，其中波紋處在傾斜升角，圖7說明了具有變化的填料板，這種變化是在板中有孔穴。
圖8A和圖8B說明了本發(fā)明的實施中可以使用的填料的另一個實施方案。圖8a說明了一種填料板，這種填料板相對于板平面切成一定的角度，但不是90°。利用圖8B所示的許多這樣板的側(cè)視圖更清楚地說明了這種情況。
每個組件中的填料板底部和頂部的這種變化降低了與蒸汽穿過填料組件或堆塊的變化處有關(guān)的壓力降，因此這使得液體進出組件或堆塊變得容易，抵消了可能的液泛，提供了容量的增加。變化板的交替改進了這種填料的機械強度，這種填料優(yōu)于在所有填料板底部作出變化板的本技術(shù)領(lǐng)域中所熟知的其它的高容量的填料。
雖然參照某些優(yōu)選的實施方案對本發(fā)明進行了詳細說明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會認(rèn)識到，還有本發(fā)明的其它實施方案符合本發(fā)明權(quán)利要求的精神和范圍。例如，雖然參照了低溫精餾，例如空氣精餾或者含有參照圖1討論的氧氣和氬氣的混合物精餾討論了本發(fā)明，但是應(yīng)該懂得可以應(yīng)用本發(fā)明進行其它的精餾過程，例如石油分餾，烴分離和醇蒸餾。填料板頂部和底部的變化對于所有的填料板不需要是相同類型的變化。頂部變化處所使用的變化可以不同于填料板底部變化處所使用的變化。
權(quán)利要求
1.進行低溫精餾的方法，包括(A)使至少包含兩種組分的進料進入塔內(nèi)，其中第一種組分是易揮發(fā)組分，第二種組分是難揮發(fā)組分；(B)在塔內(nèi)進行汽液逆流接觸，所述塔含有許多豎直堆疊的結(jié)構(gòu)填料組件，這些組件含有許多交替的第一和第二沿豎直方向?qū)墙徊娴牟y填料板，每個第一填料板在其底部有變化，每個第二填料板在其頂部有變化；(C)從塔的上部取出頂部流體；該頂部流體的第一種易揮發(fā)組分的濃度超過進料的濃度；(D)從塔的下部取出底部流體；該底部流體的第二種難揮發(fā)組分的濃度超過進料的濃度；
2.權(quán)利要求1的方法，其中進料的第一種易揮發(fā)組分是氮，第二種難揮發(fā)組分是氧。
3.權(quán)利要求1的方法，其中進料的第一種易揮發(fā)組分是氬，第二種難揮發(fā)組分是氧。
4.權(quán)利要求1的方法，其中組件的所有第一和第二填料板的底邊形成了第一水平面，組件的所有第一和第二填料板的頂邊形成了第二水平面。
5.權(quán)利要求1的方法，其中組件的所有第一和第二填料板的頂邊形成了水平面。
6.一個塔，該塔具有使流體流入塔內(nèi)的裝置，從塔的上部取出流體的裝置，從塔的下部取出流體的裝置，和含有許多豎直堆疊的結(jié)構(gòu)填料組件，這些組件含有交替的第一和第二沿豎直方向?qū)墙徊娴牟y填料板，每個第一填料板其底部有變化，每個第二填料板其頂部有變化。
7.權(quán)利要求6的方法，其中組件的所有第一和第二填料板的底邊形成了第一水平面，組件的所有第一和第二填料板的頂邊形成了第二水平面。
8.含有許多交替的第一和第二沿豎直方向的對角交叉的波紋填料板的結(jié)構(gòu)填料組件，每個第一填料板其底部有變化，每個第二填料板其頂部有變化。
9.權(quán)利要求8的組件，其中所有的第一和第二填料板的底邊形成了第一水平面，所有的第一和第二填料板的頂邊形成了第二水平面。
10.權(quán)利要求8的組件，其中所有的第一和第二填料板的頂邊形成了水平面。
全文摘要
低溫精餾系統(tǒng),填料組件,適于低溫精餾并具有填料板的塔,填料的頂邊和底邊交替有變化,頂邊和底邊優(yōu)選地終止在兩個平面上,其中容量和傳質(zhì)效率得到增強,機械強度也未受損害。
文檔編號F28F25/08GK1250673SQ99120550
公開日2000年4月19日 申請日期1999年9月30日 優(yōu)先權(quán)日1998年10月2日
發(fā)明者J·F·比林哈姆, M·J·洛克特 申請人:普拉塞爾技術(shù)有限公司