專利名稱：用于降低蒸餾塔高度的結(jié)構(gòu)填料系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的來(lái)說(shuō)涉及用于蒸餾塔的結(jié)構(gòu)填料，特別是在低溫空氣分離裝置的操作中從單個(gè)氬塔制備高純度氬氣。
結(jié)構(gòu)填料確實(shí)有遜色于塔盤(pán)的缺陷。填充塔的生產(chǎn)費(fèi)用通常比盤(pán)式塔高。此外，雖然每個(gè)理論級(jí)的填料高度可以與盤(pán)式塔相當(dāng)，其收集和分布液體所需的其它高度意味著含商品結(jié)構(gòu)填料的工業(yè)用塔比盤(pán)式塔要高。增加蒸餾塔的高度具體對(duì)于空氣分離來(lái)說(shuō)有幾個(gè)缺點(diǎn)。例如泄漏到低溫系統(tǒng)的熱隨塔填充高度增加而增加，這需要以更多的能耗進(jìn)行更多的制冷來(lái)克服。此外，如果低壓塔填充高度太高，液體從高壓塔到低壓塔的傳送可能需要液體泵或蒸汽提升，這使工藝增加了復(fù)雜性和效率低下。蒸汽提升是用于描述通常為蒸汽的低密度流與通常為液體的高密度流的組合的術(shù)語(yǔ)，其用于降低平均流體密度從而降低將該流體傳送到更高水平時(shí)源于靜水壓頭的壓降。
因?yàn)檫@些原因，與化學(xué)工業(yè)中其它典型工業(yè)分離相比，低溫空氣分離裝置使用非常低的盤(pán)式距和低的理論等板高度(HETP)填料。HETP是通常用于表征填充蒸餾塔的術(shù)語(yǔ)，在常規(guī)意義上來(lái)說(shuō)此中所用較低HETP表示在一定的填料高度上進(jìn)行了更多的傳質(zhì)。
氬氣濃度在約98％(摩爾)或以下的粗氬通過(guò)空氣的低溫精餾制備。氬氣中含有小于1％的空氣。通?？諝馔ㄟ^(guò)使用雙塔系統(tǒng)分離成氧氣和氮?dú)?，所述雙塔系統(tǒng)包括一低壓塔和一與其存在熱交換關(guān)系的高壓塔。氬氣的沸點(diǎn)在氮?dú)夂脱鯕庵g但接近于氧氣并且傾向于在低壓塔的較下區(qū)域濃縮。在低壓塔中氬氣濃縮達(dá)到最大之處或附近，導(dǎo)出一股流體并送到氬塔中精餾成粗氬產(chǎn)品。在原料流中氬氣濃度一般為7-15％，從而通過(guò)氬塔系統(tǒng)可獲得氬的有效回收。氬塔原料流的其余部分包含氧氣和氮?dú)狻?br> 在氬塔中，原料通過(guò)低溫精餾分離。不易揮發(fā)的組分氧氣被汽提離開(kāi)上升的蒸汽，氬氣濃縮在塔的頂部。在氬塔原料中存在的氮?dú)庖矊⒃谒捻敳繚饪s，因?yàn)榈獨(dú)獗葰鍤夂脱鯕飧讚]發(fā)。離開(kāi)塔頂?shù)拇謿瀹a(chǎn)品一般包含95-98％的氬氣。其余部分基本上是氧氣和氮?dú)?。粗產(chǎn)品送去進(jìn)一步處理以生產(chǎn)高純氬或精煉氬。通過(guò)將粗氬流與氫氣混合并將混合物通過(guò)催化氫化裝置使氫和氧反應(yīng)生成水而將氧氣去除。然后將流體通過(guò)干燥器去除水分。去除氧氣還有其它方法。氧氣去除后，通過(guò)低溫蒸餾將氮?dú)鈴臍辶髦腥コ?。得到的高純度氬或精煉氬的氧和氮濃度通常均低?ppm，適合于工業(yè)用途。
從氬塔系統(tǒng)生產(chǎn)精煉氬的基建費(fèi)用和操作費(fèi)用是相當(dāng)大的。但是，如果在氬塔提供足夠的平衡級(jí)，也可以直接生產(chǎn)基本無(wú)氧的氬。通常，在生產(chǎn)粗產(chǎn)品的氬塔中配有的平衡級(jí)數(shù)目為40-50。為了只通過(guò)蒸餾滿足氧氣濃度的技術(shù)指標(biāo)，該數(shù)目必須提高到150或以上。
通過(guò)氬塔的擴(kuò)展進(jìn)行近乎無(wú)氧的氬氣的生產(chǎn)具有一些明顯的優(yōu)點(diǎn)。主要是它不需要另外的下游的單元操作以及相伴的硬件和控制系統(tǒng)。但是，包含大量的平衡級(jí)意味著需要非常高的塔。目前，如果需要生產(chǎn)近乎無(wú)氧的氬氣，則將另一塔與常規(guī)氬氣生產(chǎn)裝置中的粗氬塔串聯(lián)。稱為超級(jí)(superstaged)塔的所述第二塔必須產(chǎn)生100左右的分離平衡級(jí)，粗氬塔產(chǎn)生約50的分離平衡級(jí)。從粗氬塔的頂部導(dǎo)出蒸汽并導(dǎo)入超級(jí)塔的底部。來(lái)自超級(jí)塔底部的液體泵入到粗氬塔的頂部。將所述塔分流具有明顯的經(jīng)濟(jì)上的缺陷并且使用單塔進(jìn)行同樣的工作自然可得到經(jīng)濟(jì)上的節(jié)約。但是，現(xiàn)實(shí)是就省略粗氬塔時(shí)伴隨著建造和聳立較高塔所需的費(fèi)用來(lái)看，在常規(guī)結(jié)構(gòu)填料的情況下分流所述塔的附加費(fèi)用是合理的。
因此，本發(fā)明的一個(gè)目標(biāo)是提供一種結(jié)構(gòu)填料塊，它可用于塔中而使生產(chǎn)時(shí)所述塔可用于指定的分離，其塔高小于使用常規(guī)結(jié)構(gòu)填料作為塔填充物時(shí)所需的塔高。
本發(fā)明的另一方面是包含一定高度的由眾多塊組成的填料的塔，所述塊具有大于600m2/m3小于1500m2/m3的面積密度并且包括許多具有大于45度小于70度波紋角的垂直朝向的結(jié)構(gòu)填料板，所述塊至少具有下面的一項(xiàng)(1)低于8英寸的高度，和(2)填料板，其底區(qū)的結(jié)構(gòu)不同于該板的其它區(qū)域，從而使底區(qū)蒸汽流動(dòng)的阻力低于其余區(qū)域的蒸汽流動(dòng)阻力。
本發(fā)明的再一方面為具有大于600m2/m3小于1500m2/m3的面積密度并且包括許多具有大于45度小于70度波紋角的垂直朝向的結(jié)構(gòu)填料板的塊，所述塊至少具有下面的一項(xiàng)(1)低于8英寸的高度，和(2)填料板，其底區(qū)的結(jié)構(gòu)不同于該板的其它區(qū)域，從而使底區(qū)蒸汽流動(dòng)的阻力低于其余區(qū)域蒸汽流動(dòng)的阻力。
此中所用的術(shù)語(yǔ)“塔”是指蒸餾或分餾塔或區(qū)，即接觸塔或區(qū)，其中液相和汽相逆流接觸而導(dǎo)致流體混合物的分離，例如通過(guò)在填料件上汽相和液相的接觸而分離。有關(guān)蒸餾塔的進(jìn)一步討論可參見(jiàn)紐約McGraw-Hill Book Company出版R.H.Perry和C.H.Chilton編輯的化學(xué)工程師手冊(cè)，第五版，B.D.Smith等人寫(xiě)的13部分“蒸餾”的13-3頁(yè)連續(xù)蒸餾法。蒸汽和液體接觸分離過(guò)程取決于組分蒸汽壓的差異。高蒸汽壓組分(或易揮發(fā)或低沸點(diǎn))組分將會(huì)濃縮在汽相中，而低蒸汽壓(或難揮發(fā)或高沸點(diǎn))組分會(huì)濃縮在液相中。蒸餾是液體混合物加熱可用于在汽相中濃縮易揮發(fā)組分而使難揮發(fā)組分在液相中濃縮的分離方法。部分冷凝是汽體混合物的冷卻可用于在汽相中濃縮易揮發(fā)組分并依此在液相中濃縮難揮發(fā)組分的分離方法。精餾或連續(xù)蒸餾是通過(guò)汽相和液相的逆流處理獲得的組合連續(xù)部分汽化和冷凝的分離方法。汽相和液相的逆流接觸可以絕熱或非絕熱并且可包括在相間積分(分級(jí))或微分(連續(xù))接觸。利用精餾的原理分離混合物的分離處理裝置通常可互相交換地稱為精餾塔、蒸餾塔或分餾塔。低溫精餾是至少部分在低于150°K的溫度下進(jìn)行的精餾。
此中所用的術(shù)語(yǔ)“填料”是指用作塔內(nèi)件的預(yù)定結(jié)構(gòu)、尺寸和形狀的固體或中空體，提供液體表面區(qū)域用于在兩相的逆流流動(dòng)中在液-汽界面的傳質(zhì)。
此中所用的術(shù)語(yǔ)“結(jié)構(gòu)填料”是指對(duì)角橫波紋填料，其中各個(gè)組件具有相互對(duì)應(yīng)和與塔軸對(duì)應(yīng)的特定朝向。
此中所用的術(shù)語(yǔ)塔的“上部分”和“下部分”分別是指在塔的中點(diǎn)上方和下方的部分。
此中所用的術(shù)語(yǔ)“波紋”是指在填料板上峰式或槽式的折疊。
此中所用的術(shù)語(yǔ)“波紋角”是指結(jié)構(gòu)填料相應(yīng)于垂直方向的波紋的角度。
此中所用的術(shù)語(yǔ)“面積密度”是指每單位填料體積的填料表面積。
圖2是堆砌在塔內(nèi)的結(jié)構(gòu)填料塊的示意圖。
圖3A和3B分別顯示可用于本發(fā)明的實(shí)踐中的填料板的正面圖和側(cè)面圖，所述填料板具有55度的波紋角并在填料板的底區(qū)和頂區(qū)整平了波紋。
圖4A和4B分別顯示可用于本發(fā)明的實(shí)踐中的填料板的正面圖和側(cè)面圖，所述填料板具有65度的波紋角并在填料板的底區(qū)和頂區(qū)具有更陡的波紋。
圖5是實(shí)施本發(fā)明方法的一種優(yōu)選布置的示意圖。
已知通過(guò)使用具有高面積密度的結(jié)構(gòu)填料件可降低蒸餾塔如低溫空氣分離塔的高度。但是，高面積密度存在缺點(diǎn)。一個(gè)是較高的液體持留。對(duì)于一定的液體通量來(lái)說(shuō)，在填料上的液體持留率隨填料面積密度以0.85次方增加。在擴(kuò)展的氬塔中高液體持留率尤其是個(gè)問(wèn)題。氬氣是空氣中的微量組分。即使隨空氣輸入的每個(gè)氬分子在氬塔內(nèi)俘獲，在氬塔具有完滿的液體存量前也需要幾個(gè)小時(shí)時(shí)間，并通常需要一天以上的時(shí)間。高面積密度的另一個(gè)問(wèn)題是較低的容量。增加比面積降低了通道尺寸并增加了氣體的壓降。必須增加塔徑來(lái)提供所需的流動(dòng)能力。
在本發(fā)明的實(shí)施中，結(jié)構(gòu)填料件具有大于600m2/m3小于1500m2/m3的面積密度并優(yōu)選具有大于800m2/m3小于1000m2/m3的面積密度。通過(guò)連同限定面積密度一起使用波紋角大于45度但小于70度(優(yōu)選47到55度)的結(jié)構(gòu)填料，本發(fā)明在基本避免所述缺點(diǎn)的同時(shí)保留了許多較高面積密度結(jié)構(gòu)填料的優(yōu)點(diǎn)。

圖1、3A和4A說(shuō)明了具有本發(fā)明限定的波紋角的結(jié)構(gòu)填料板。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，本發(fā)明使用低于8英寸并優(yōu)選低于6英寸的非尋常短高度的塊。通常結(jié)構(gòu)填料板具有至少8英寸的高度。本發(fā)明的短塊高度提供了增高的汽液混合頻率以及液體膜的更頻繁更新。重要的考慮因素是每個(gè)理論塔板的混合程度而非每英尺填料高度的混合程度。因此，具有低HETP的填料應(yīng)使用比較大HETP的填料短的塊高。低于8英寸的塊高有益于獲得低HETP。可在安裝前將兩個(gè)或多個(gè)填料塊固定一起以便于安裝。
在本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施方案中，結(jié)構(gòu)填料板的底區(qū)在結(jié)構(gòu)上與其余部分不同從而當(dāng)結(jié)構(gòu)填料板制成塊時(shí)在底區(qū)對(duì)蒸汽流的阻力低于其余部分。這種底部的改變用于補(bǔ)償隨高面積密度出現(xiàn)的容量降低。并不必須在構(gòu)成塊的每個(gè)板上的底區(qū)均進(jìn)行結(jié)構(gòu)的改變。圖3A、3B、4A和4B提供顯示了底區(qū)和其它區(qū)域的結(jié)構(gòu)填料板，其中底區(qū)10可至多構(gòu)成填料板低端的10％、優(yōu)選至多5％、最優(yōu)選至多2.5％，填料板的其余部分包括其余區(qū)域11。在圖3A、3B、4A和4B所示的填料板中，說(shuō)明了由中區(qū)12和頂區(qū)13構(gòu)成的其它區(qū)域。如果需要，頂區(qū)可具有與底區(qū)相似的結(jié)構(gòu)，在這種情況下只有所述其余部分的中區(qū)的結(jié)構(gòu)與底區(qū)不同。適用底區(qū)結(jié)構(gòu)改變的例子包括降低波紋高度、更陡峭的波紋和更大的分級(jí)開(kāi)口區(qū)。
最優(yōu)選本發(fā)明使用高度小于8英寸的塊和底區(qū)的結(jié)構(gòu)與其余部分不同的填料板，底區(qū)結(jié)構(gòu)的不同使得在底區(qū)對(duì)蒸汽流動(dòng)的阻力小于其余區(qū)域?qū)φ羝鲃?dòng)的阻力。
本發(fā)明方法的一個(gè)特別優(yōu)選實(shí)施方案以簡(jiǎn)要形式說(shuō)明于圖5。在該系統(tǒng)中，在單個(gè)塔中生產(chǎn)高純度氬，所述單塔從雙塔低溫空氣分離裝置的低壓塔接收原料流。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)填充組件可在整個(gè)氬塔使用或只在氬塔的一部分使用。所述填充組件也可在低壓塔和/或高壓塔的全部或一部分使用。
現(xiàn)在參照?qǐng)D5，原料空氣53送入到高壓塔50，在此通過(guò)低溫精餾分離成富氮蒸汽和富氧液體。富氮蒸汽作為流54送入到主冷凝器55，在那里通過(guò)與低壓塔51的底部液體間接換熱而冷凝。得到的富氮液體56作為回流液57送入到塔50以及作為回流液58送入塔51。富氧液體以流59的形式送入到氬冷凝器60，在那里被至少部分汽化，然后如以所示的流61送入到塔51。在塔51內(nèi)，各種原料通過(guò)低溫精餾分離成產(chǎn)品氮(以流62的形式回收)和產(chǎn)品氧(以流63的形式回收)。側(cè)流64(約7-20％(摩爾)的氬，其余主要為氧)從塔51送到超級(jí)氬塔52，在那里分離成富氬流體和富氧流體。富氧流體以流70的形式從塔52的底部導(dǎo)出、通過(guò)液體泵71并然后以流65的形式送入到塔51。富氬流體在全部或部分地在冷凝器60中處理后以流66的形式作為高純度氬(氬濃度至少98％(摩爾)，含氧量低于5ppm)回收。超級(jí)氬塔52一般具有180以下的平衡級(jí)，通常具有150-180個(gè)平衡級(jí)。
雖然參照某些優(yōu)選的實(shí)施方案對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)承認(rèn)在本發(fā)明權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)還存在本發(fā)明其它的實(shí)施方案。
權(quán)利要求
1.一種操作精餾塔的方法，包括(A)將包括較易揮發(fā)組分和較難揮發(fā)組分的原料混合物送入到塔中，所述塔包含由一定高度的眾多塊組成的填料，所述塊具有大于600m2/m3并且小于1500m2/m3的面積密度并且包括許多具有大于45度并且小于70度波紋角的垂直朝向的結(jié)構(gòu)填料板，所述塊至少具有下面的一項(xiàng)(1)低于8英寸的高度，和(2)填料板，其底區(qū)的結(jié)構(gòu)不同于該板的其它區(qū)域，從而使底區(qū)蒸汽流動(dòng)的阻力低于其余區(qū)域蒸汽流動(dòng)的阻力；(B)在所述塔內(nèi)進(jìn)行精餾，其中蒸汽向上流動(dòng)通過(guò)所述塊，液體向下流動(dòng)通過(guò)所述塊，依此所述較易揮發(fā)組分在上流蒸汽中濃縮，所述較難揮發(fā)組分在下流液體中濃縮；和(C)從所述塔的上部導(dǎo)出第一種流體，所述第一種流體具有超過(guò)原料混合物的較易揮發(fā)組分濃度，從所述塔的下部導(dǎo)出第二種流體，所述第二種流體具有超過(guò)原料混合物的較難揮發(fā)組分濃度。
2.權(quán)利要求1的方法，其中所述精餾是低溫精餾，并且其中所述易揮發(fā)組分是氬，難揮發(fā)組分是氧，原料混合物包含7-20％(摩爾)的氬，第一種流體具有至少98％(摩爾)的氬濃度。
3.權(quán)利要求1的方法，其中所述精餾是低溫精餾，并且其中所述易揮發(fā)組分是氮，難揮發(fā)組分是氧。
4.權(quán)利要求1的方法，其中所述塊具有低于8英寸的高度，并且至少一些填料板的底區(qū)在結(jié)構(gòu)上不同于該板的其余區(qū)域從而使底區(qū)的蒸汽流動(dòng)阻力低于其它區(qū)域的蒸汽流動(dòng)阻力。
5.包含一定高度的由眾多塊組成的塔，所述塊具有大于600m2/m3并且小于1500m2/m3的面積密度并且包括許多具有大于45度并且小于70度波紋角的垂直朝向的結(jié)構(gòu)填料板，所述塊至少具有下面的一項(xiàng)(1)低于8英寸的高度，和(2)填料板，其底區(qū)的結(jié)構(gòu)不同于該板的其它區(qū)域，從而使底區(qū)蒸汽流動(dòng)阻力低于其余區(qū)域的蒸汽流動(dòng)阻力。
6.權(quán)利要求5的塔，其中所述塊的高度小于8英寸并且至少一些所述填料板的底區(qū)在結(jié)構(gòu)上不同于該板的其余區(qū)域從而使底區(qū)的蒸汽流動(dòng)阻力低于其它區(qū)域的蒸汽流動(dòng)阻力。
7.具有大于600m2/m3并且小于1500m2/m3的面積密度并且包括許多具有大于45度并且小于70度波紋角的垂直朝向的結(jié)構(gòu)填料板的塊，所述塊至少具有下面的一項(xiàng)(1)低于8英寸的高度，和(2)填料板，其底區(qū)的結(jié)構(gòu)不同于該板的其它區(qū)域，從而使底區(qū)蒸汽流動(dòng)的阻力低于其余區(qū)域的蒸汽流動(dòng)阻力。
8.權(quán)利要求7的塊，其中所述填料板具有47-55度的波紋角。
9.權(quán)利要求7的塊，具有大于800m2/m3至小于1000m2/m3范圍的面積密度。
10.權(quán)利要求7的塊，具有低于6英寸的高度。
11.權(quán)利要求7的塊，具有低于8英寸的高度并且其中至少一些所述填料板的底區(qū)在結(jié)構(gòu)上不同于該板的其余區(qū)域從而使底區(qū)的蒸汽流動(dòng)阻力低于其它區(qū)域的蒸汽流動(dòng)阻力。
全文摘要
一種尤其用于通過(guò)空氣低溫精餾生產(chǎn)產(chǎn)品、特別是高純度氬的系統(tǒng),包括具有所限定的中等面積密度、限定的尖波紋角以及至少一種限定的短的塊高和限定的填料結(jié)構(gòu)變化的結(jié)構(gòu)填料配置。
文檔編號(hào)B01J19/32GK1347754SQ01141138
公開(kāi)日2002年5月8日 申請(qǐng)日期2001年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2000年10月6日
發(fā)明者M·J·洛克特, J·F·比林哈姆 申請(qǐng)人:普萊克斯技術(shù)有限公司