蒸餾方法及蒸餾塔的製作方法

2023-09-18 16:24:45 3

專利名稱：蒸餾方法及蒸餾塔的製作方法
技術領域：
本發明涉及在包含結構填料的蒸餾塔中蒸餾化合物的方法及設備。具體而言，本發明涉及這樣的方法和設備，該設備中混合物組分具有接近的相對揮發度，如從氧分離氬。尤其涉及在多層結構填料床中進行蒸餾，並且最下層填料床的高度小於其相鄰上層填料床高度的方法和設備。
通過將含兩種組分的氣態混合物通入蒸餾塔的底部區域，這兩種組分可在蒸餾塔中彼此分離。氣態混合物的通入引起形成上升的混合物蒸氣相。上升的蒸氣相在塔頂冷凝產生回流，從而引起形成下降的混合物液相。液相下降時與上升的蒸氣相在氣-液傳質裝置如結構的或無規則填料體系中接觸。由於這種接觸，上升蒸氣相中富集高揮發度組分，而液相富集低揮發度組分。
隨組分的相對揮發度趨於一致，組分是沸點接近的組分，蒸餾會更困難。為完成這樣的蒸餾，與不涉及分離具有這樣接近沸點的組分的蒸餾所需填料高度相比，需使用更高高度的填料。這類沸點接近的組分例子有氬和氧、乙苯和苯乙烯，等等。
對無規則填料或結構填料的填充塔，對具體蒸餾所需的填料高度可通過試驗確定。該高度基於等板高度即HETP。理論塔板數或段數可用參考需分離的具體混合物的氣-液平衡曲線的已知方式確定。然後在塔中填充充分量的填料，使與該蒸餾所需的理論塔板或段數相等。
本發明人已經發現在這樣的計算中必須使用安全係數，尤其在蒸餾沸點接近的組分時，因為蒸餾塔不會精確按照由理論計算和對特定填料的試驗數據設想的相同方式操作。具體而言，如果使用多層填料床，並且所有的床層等高，則最下層床的性能是所有床層中最差的。這樣蒸餾塔會更高，並因此使用的填料比最初根據理論計算和試驗數據所設想的更多。
正如下面將討論的，本發明人已經發現蒸餾沸點接近的組分的方法，可通過比現有技術更接近理論計算的塔設計進行。
本發明提供一種將混合物通入填料塔的蒸餾方法。所述混合物包括高揮發度和低揮發度組分。填料塔的操作應使高揮發度組分和低揮發度組分在所述填料塔中的相對揮發度在約1.05-1.8範圍。通過形成該混合物的上升和下降的氣相和液相，使氣相和液相在結構填料中接觸，可在填料塔中蒸餾該混合物，結構填料在填料床中的排列為所述填料床的最下層高度為其相鄰上層高度的約50-80％，該填料塔內的填料總高度至少約為6米。
本發明第二方面提供蒸餾包含高揮發度和低揮發度組分的混合物的蒸餾塔。該蒸餾塔包括一塔體(column shell)，其上有接受所述氣體混合物的塔底進口，排放塔頂餾出物的塔頂出口以及將回流流體通入所述蒸餾塔的塔頂進口。結構填料置於蒸餾塔內，接觸該混合物的上升蒸氣相和下降液相，使上升蒸氣相富集高揮發度組分，液相下降時富集低揮發度組分。結構填料在填料床中的排列為，最下層的填料床高度為其相鄰上層填料床高度的約50-80％，蒸餾塔中填料床總高度至少約為6米。
本發明任一方面中，最下層填料床高度約為其相鄰上層填料床高度的80％。使用三層以上的所述填料床進行蒸餾，所述最下層床之上的各填料床層可以等高。而且，高揮發度組分是氬，低揮發度組分是氧。這種情況下，蒸餾塔是氬塔，可用於與雙塔式空氣分離裝置的低壓塔連接。
本發明人已經發現當採用這樣的方法或用上述蒸餾塔進行蒸餾時，塔以更理想的方式運作，因為最下層床不易於發生液體分布不良。因此塔的設計不必過于謹慎，可使用比現有技術領域更少的填料。降低塔的填料高度可達到更低的製造費用。
以權利要求書來結束說明書，各權利要求分別指出申請人認為是其發明的主體，相信，當結合參考附圖時能更好地理解本發明。


圖1是氬-氧分離的McCabe-Thiele圖；圖2是實施本發明方法的塔的示意圖。
參考圖1，是眾所周知的McCabe-Thiele圖，用於說明氬-氧分離。儘管未說明，實際上含氬-氧的混合物可從雙塔蒸餾裝置的低壓塔取出。含有約10％(摩爾)氬的混合物可通入氬塔。
沿X軸繪出液體中氬的摩爾分數，沿Y軸繪出蒸氣中氬的摩爾分數。操作線的斜率代表塔中液體與蒸氣的比值，平衡線代表平衡時存在的混合物液相和氣相的組成。液體在塔內下降時(在圖的右上角開始並向左移動)，由圖可決定需要多少理論段來進行蒸餾。在所說明的情況，在塔頂製得含98％氬的混合物。因此一塊理論段或塔板可定義為液體離開該段時，出現與該液體平衡的流出蒸氣。
理論上，只要蒸餾塔含有理論段數，如McCabe-Thiele圖中所示，就能達到特定要求的蒸餾。本發明人已經發現這是不可能的，因為液體濃度可以在塔的徑向變化。這樣的變化稱作液體分布不良。通常結構填料的排列應使一部分填料片與相鄰填料片成90°取向，使這樣的液體分布不良作用最小。在任何填料塔(使用無規則填料或結構填料)中，當床層總高度超過填料製造商建議的預定值時，使用液體收集器和再分布器，以混合床層間的液體。一般這樣的再分布器利用在各位置上的孔，達到將液體均勻噴射到填料床頂部。即使有這樣的中間混合，根據所使用的分布系統，實際上液體中組分濃度在塔的一側高於另一側。液體分布不良的影響在最下層床發生時特別明顯，因為它會引起操作線的斜率向平衡線移動，使傳質分離的驅動力在填料床兩端趨於零，這又會使最下床層中有效的段幾乎沒有，並因此影響產量和/或產品純度。
本發明人還已經發現，塔操作在組分間的相對揮發度在約1.05-1.8範圍，塔的填料高度約為6米或更高，液體分布不良的作用會明顯影響塔的性能。在用於和空氣分離裝置相連的氬塔中發現這樣的操作情況，該裝置中，輸入的含氬-氧混合物含有約20％氬或更少，在40塊或更多理論段精餾，製得塔頂餾出物，含有至少約90％，更好的約98％的氬。
本發明人發現如果填料的最下層床的大小為在其上的相鄰床層高度的約50-80％，這樣的床層中液體分布不良的可能性較小。在這方面，尤其選擇在其上相鄰床層高度的約80％。如果這樣，不必將塔設計成具有和現有技術中相同程度的安全係數，因此需要的總填料量較小。
參考圖2，說明本發明的塔1。塔1有塔體10，塔體10包含填料床12、14和N+1的床，其中床N和N+1僅代表這層和上一層的填料床以進行特定的蒸餾。填料床層間插入液體收集器和分布器16。氣態原料18來自如氬氧分離情況下的低壓塔，氣態原料進入蒸餾塔10，產生上升的混合物蒸氣相。在塔頂，蒸氣含有大於98％(體積)濃度的高揮發度組分，例如氬。取出該蒸氣作為塔頂餾出物20，塔頂蒸氣20冷凝後分成產品流22和回到塔1的回流24。
為用本發明的床12實施本發明方法，最下層床大小應為在床層12上的相鄰床14高度的約50-80％。床12的大小最好為床14的約80％。塔1中，在床12上使用多層床，即床14、N、N+1等。床14等各自有相同數量的段。因此床12可擁有15個段，在氬氧分離情況其中的床14和其餘的床宜有約20個理論段或更多。
儘管參考氬塔描述本發明，但是對本發明領域的技術人員來說，本發明不受這一分離的限制，如已討論的本發明具有更大的適用範圍。而且，本發明領域的技術人員可以理解，在不偏離本發明精神和範圍下可以對其進行各種修改、增加和刪除。
權利要求
1.一種蒸餾方法，包括將混合物通入填料塔，氣態混合物包括高揮發度組分和低揮發度組分；操作該填料塔，使高揮發度組分和低揮發度組分在所述填料塔內的相對揮發度在約1.05-1.8範圍；通過使所述混合物形成上升和下降的氣相和液相，使所述氣相和液相在結構填料中接觸來蒸餾所述混合物，所述結構填料在填料塔內的排列為所述最下層填料床高度為其上相鄰填料床高度的約50-80％，所述蒸餾塔內填料總高度至少約為6米。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於所述填料床的最下層床的高度約為其上相鄰填料床層高度的80％。
3.如權利要求1所述的方法，其特徵在於使用三層以上的所述填料床進行所述的蒸餾，在所述最下層床之上的填料床具有相同的高度。
4.如權利要求l所述的方法，其特徵在於高揮發度組分是氬，所述低揮發度組分是氧。
5.一種用於蒸餾包含高揮發度組分和低揮發度組分的混合物的蒸餾塔，所述蒸餾塔包括塔體，其上有接受所述混合物的塔底進口，排放塔頂餾出物的塔頂出口以及將回流流體通入所述蒸餾塔塔頂的進口；置於蒸餾塔內的結構填料，用於接觸該混合物的上升蒸氣相和下降液相，使所述上升蒸氣相富集高揮發度組分，液相下降時富集低揮發度組分；結構填料在填料床中的排列為，填料床最下層床高度為其上相鄰層填料床高度的約50-80％，蒸餾塔中填料床總高度至少約為6米。
6.如權利要求5所述的蒸餾塔，其特徵在於所述填料床的最下層床的高度約為其上相鄰層填料床高度的80％。
7.如權利要求5所述的蒸餾塔，其特徵在於使用三層以上的所述填料床進行所述的蒸餾，在所述最下層床之上的填料床層具有相同的高度。
8.如權利要求5所述的蒸餾塔，其特徵在於所述蒸餾塔是氬塔，可用於連接雙塔空氣分離裝置的低壓塔。
全文摘要
一種蒸餾方法及蒸餾塔,將氣態混合物通入填料塔底部,填料塔有多層使用結構填料的填料床。氣態混合物包括高和低揮發度的組分。操作該塔使高和低揮發度組分在塔中的相對揮發度在1.05—1.8範圍。為緩解塔內最下床層中的液體分布不良的影響,最下床層高度為其上相鄰床層高度的約50—80%,塔內填料總高度至少約為6米。
文檔編號F25J3/04GK1274613SQ0010887
公開日2000年11月29日 申請日期2000年5月19日 優先權日1999年5月21日
發明者M·H·迪安, R·W·波特霍弗, R·M·託羅古德, R·克裡希納穆爾蒂 申請人:波克股份有限公司