低溫精餾塔操作方法

2023-04-22 20:49:56

專利名稱：低溫精餾塔操作方法
技術領域：
本發明一般涉及空氣低溫精餾，以便分離空氣為其組分，尤其適用於在提高精餾生產能力情況下操作低溫精餾塔。
希望一個空氣分離廠，在超過該廠設計能力之外進行操作，以便從該廠生產更多產品，若這種提高生產能力的操作可以經濟地進行的話。
為了接受提高的流速，可以設計或改變空氣分離廠大部分組件。例如，上流風機可以用於提高壓縮機能力。熱交換器可以在增加流速條件下操作，方法是簡單地接受提高的壓降。空氣預淨化器的生產能力也可以提高，方法是在避免吸附劑顆粒流化條件下，提高壓降操作。然而，更困難的是提高空氣分離廠蒸餾塔的生產能力，因為其生產能力受液泛現象限制。無論何時存在垂直逆流兩相流動，且流速超過設備生產能力時，液泛總要出現在工藝設備中。在填料塔和盤式塔中，達到液泛的特徵是壓降迅速增加、分離性能下降和操作不穩定。精餾塔開始液泛，通常是試圖增加空氣分離廠生產能力超過其設計能力時，遇到的限制性障礙。
一般公認，改變塔的壓力可以增加蒸餾塔的生產能力。提高壓力增加蒸氣密度，使蒸氣質量流速增加。然而，提高壓力會降低相對揮發度，因此使精餾分離更困難。對填料塔和盤式塔，蒸氣質量流速生產能力分別按其操作壓力的0.4或0.5次方增加。
這樣解決液泛問題的缺點是，塔操作壓力的提高轉變為，實際提高了主空氣壓縮機的排料壓力和增加動力費用。壓力提高對複式塔的上塔(或較低壓力塔)特別不利，因為，由於氧和氮在蒸氣壓力/溫度關係上的差別，壓力上的任何提高，當其通過主冷凝器/再沸騰器傳遞時都必須典型地乘以三。
解決這個問題的方法是，提高通過塔的流速超過設計點但不到液泛點。典型填料塔設計在液泛點的80％左右。不幸的是，由於採用常規填料塔壓力降波動大會使塔不穩定，因而流速提高只能稍微超過設計點。
因此，本發明的目的就是提供一種方法，用於在提高生產能力的情況下操作低溫精餾塔以分離空氣組分，同時避免液泛。
通過閱讀本公開說明書，本發明要達到的上述和其它目的，對本領域技術熟練人員會變得顯而易見，本發明是用於操作低溫精餾塔的一種方法，它包括(A)使包含易揮發空氣組分和難揮發空氣組分的混合物通入一個塔，該塔裝有一高度的填料，該填料包括填料板，填料板下部與其上部結構不同；(B)塔內進行低溫精餾，其中蒸氣向上流過填料板高度，而液體向下流過填料板高度，由此易揮發組分在上流蒸氣中濃縮，而難揮發組分在下流液體中濃縮；(C)使上流蒸氣以一種流速向上通過塔內填料高度，以使塔內壓降為至少每英尺填料高度0.7英寸水柱；和(D)從塔上部引出易揮發組分，而從塔下部引出難揮發組分。
本文使用的術語「塔」意味著一個蒸餾或分餾的段或區，即其中液相和蒸氣相逆流接觸，例如，經蒸氣相和液相在填料元件上接觸，實現流體混合物分離的接觸段或區。為進一步討論蒸餾塔，請參見R.H.佩裡(R.H.Perry)和C.H.奇爾頓(C.H.Chilton)主編，紐約(New York)麥格勞-希爾圖書公司(McGraw-Hill Book Company)出版的化學工程師手冊(Chemical Engineers』Handbook)，第四版，第13節，由B.D.斯密思等人(B.D.Smith，et al.，)編寫的「蒸餾」，第13-3頁連續蒸餾工藝。蒸氣和液體接觸分離工藝取決於組分蒸氣壓的差別。高蒸氣壓(或易揮發或低沸點)組分傾向於在蒸氣相濃縮，而低蒸氣壓(或難揮發或高沸點)組分則傾向於在液相濃縮。蒸餾分離工藝，是靠液體混合物的加熱可以用於在蒸氣相濃縮易揮發組分，並因此在液相濃縮難揮發組分。部分冷凝分離工藝，是靠蒸氣混合物的冷卻可以用於在蒸氣相濃縮易揮發組分，並因此在液相濃縮難揮發組分。精餾或連續蒸餾分離工藝，是把逆流處理蒸氣相和液相所達到的連續部分蒸發和冷凝結合起來。蒸氣相和液相的逆流接觸可以是絕熱的或不絕熱的，且可以包括積分(多級)的或微分(連續)的相間接觸。利用精餾原理分離混合物的分離工藝裝置，往往可互換稱作精餾塔、蒸餾塔或分餾塔。低溫精餾，是至少部分在溫度低於150°K條件下進行的精餾。
如本支所用術語「填料」，意味著預先設定尺寸和形狀為塔內使用的任何實心或空心物體，對液體提供在兩相逆流過程液體-蒸氣界面上可進行傳質的表面面積。
如本文所用術語「結構填料」，意味著斜橫波紋填料，其中單個填料彼此間以及相對於塔的軸均有特殊取向。
如本文所用術語塔或填料板的「上部」和「下部」，意味著分別在塔或填料板中點以上和以下的那些塔或填料板區段。


圖1示意表示可以用於實施本發明的一個低溫精餾系統。
圖2A和2B分別以透視和側視圖，描繪實施本發明有用的一個結構填料板實施方案，其中填料板下部捲曲高度減小至零。
圖3A和3B分別以透視和側視圖，描繪實施本發明有用的另一個結構填料板實施方案，其中填料板下部捲曲高度減小但不到零。
圖4A和4B分別以透視和側視圖，描繪實施本發明有用的另一個結構填料板實施方案，其中填料板下部捲曲高度與上部一樣，但下部波紋角度比上部更陡。
圖5A和5B分別以透視和側視圖，描繪實施本發明有用的另一個結構填料板及其排列實施方案。
圖6A和6B分別以透視和側視圖，描繪實施本發明有用的另一個結構填料板及其排列實施方案。
圖7、8和9為實施本發明可得到優點的圖解表示。
已知，可以增加橫波紋結構填料液壓能力的方法包括，使填料板之間氣體或蒸氣流動阻力，在板的下部要小於板的上部。本發明包括發現，在塔中採用板下部與板上部結構不同的結構填料板，且該塔操作壓降超過每英尺填料高度0.7英寸水柱時，這種塔可以在超過塔設計點操作，同時傳質性能和塔的穩定性獲得改進，而液泛也可避免。
本發明將參照附圖進行詳細闡述。圖1描繪可以實施本發明的一個低溫精餾系統實施方案。圖1描繪的特殊系統包括一個複式塔，和一個氬側裝塔。
現在參照圖1，基本包含氮、氧和氬的給料空氣1，在壓縮機2中壓縮並經過冷卻器3冷卻壓縮熱。加壓給料空氣然後經過淨化器4，除去高沸點雜質如水蒸汽、二氧化碳和碳氫化合物，淨化器4是典型的變溫或變壓吸附淨化器。清潔的壓縮給料空氣5然後冷卻，方法是在主熱交換器6中與返回流體進行間接熱交換。在圖1描繪的實施方案中，給料空氣5的第一部分7經過增壓器壓縮機8再壓縮，第二部分9經過增壓器壓縮機10再壓縮，且獲得的再壓縮給料空氣部分11和12，以及其餘壓縮給料空氣部分50，經過主熱交換器6冷卻，以製備壓縮、清潔和冷卻的給料空氣，分別以流體51、52和53表示。流體52經過急劇膨脹器55，急劇膨脹形成流體54，產生用於隨後低溫精餾的冷凍作用，然後進入較低壓力塔24。流體51和53各自進入較高壓力塔21。
在較高壓力塔21內，給料空氣經低溫精餾分離成富氮蒸氣和富氧液體。以流體22表示的富氮蒸氣進入主冷凝器23冷凝，其方法是與較低壓力塔24底部液體進行間接熱交換，以生成富氮液體25。富氮液體25的一部分26返回到較高壓力塔21作為回流，而富氮液體25的另一部分27在熱交換器6中再冷卻，然後進入較低壓力塔24作為回流。富氧液體從較高壓力塔下部出來，以流體28表示，且其一部分56進入氬塔頂部冷凝器29蒸發，其方法是與富氬蒸氣進行間接熱交換，得到的富氧流體以流體30表示，從頂部冷凝器29出來，進入較低壓力塔24。富氧液體的另一部分57直接進入較低壓力塔24。
包含氧和氬的流體31由較低壓力塔24出來，進入氬塔32，經低溫精餾分離成為富氬蒸氣和富氧液體。富氧液體以流體33表示，返回較低壓力塔24。富氬蒸氣以流體34表示進入冷凝器29冷凝，其方法是與蒸發如上所述富氧液體進行間接熱交換。獲得的富氬液體以流體35表示，返回到氬塔32作為回流。富氬流體以蒸氣和/或液體形式，從氬塔32上部回收，作為製品氬以流體36表示。
較低壓力塔24，操作壓力低於較高壓力塔21。在較低壓力塔24內，進入該塔的各種給料，經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體37從較低壓力塔上部引出，經過主熱交換器6溫熱，並作為製品氮38回收。廢流體58從較低壓力塔24上部引出，經過熱交換器6溫熱並以流體59表示從系統除去。富氧流體以蒸氣和/或液體形式，從較低壓力塔下部引出。若作為液體引出，富氧液體可以用泵打到較高壓力，或在一個單獨產品沸騰器中或在主熱交換器6中蒸發，然後作為高壓製品氧回收。圖1描繪的實施方案中，富氧流體作為液態流體39從較低壓力塔24引出，經液體泵60打到較高壓力，經過主熱交換器6蒸發作為製品氧40回收。一部分液態氧61可以作為液體回收。
至少一個塔裝有許多垂直堆積結構填料層或塊。每一層或塊都包含垂直走向結構填料板，填料板波紋與垂直軸成一角度。將板排列成相鄰板的波紋方向相反。層高度通常是6-12英寸。相鄰的層環繞著垂直軸以增強混合。塔的完整填料床包括多層填料，層數由完成分離所要求填料高度決定。填料波紋的特徵在於捲曲的高度。波紋譜型可以是尖銳的(鋸齒形)或園的(正弦波形)。填料板彼此沿著波紋的峰和谷在接觸點接觸。
一個或多個塔，至少部分塔高，優選整個塔高裝有一高度填料，其中填料板下部結構與填料板上部結構不同。圖2、3和4描繪了改型是在填料板下部的這種填料板三個例子。另外，改型可以是在填料板上部，而下部不做改型。在本發明一個特別優選實施方案中，填料板交替排列成一塊下部改型板挨著一塊上部改型板。這種填料如圖5和6所示。
填料板在塔內垂直取向，穿過塔徑彼此相鄰構成填料板塊或層，另一個這樣的填料板塊或層放在前一層頂上，如此沿塔向上用填料充滿塔。
為了證明本發明的優越性，圖7、8和9記錄了實施本發明所進行試驗的結果，其中數據點用圓圈表示，以及為便於比較，也記錄了實施常規方法所進行試驗的結果，其中數據點用叉表示。蒸餾試驗是在12英寸直徑塔內進行的。每個填料層高度約10英寸，且採用10層填料。蒸餾混合物包含氧和氬，蒸餾是在全回流和22磅/平方英寸絕對壓力條件下操作。試驗了兩組填料。第一組是沒有任何改型的常規結構填料。第二組是圖2A和2B描繪的，除每個板下部捲曲高度為零的平板區之外，是一樣的填料。該平板區高度為0.375英寸。兩種填料比表面積為約700m2/m3，且具有一樣的捲曲尺寸，結構材料，表面構造和孔隙。
圖7表示壓降對以液泛點餾分蒸氣流速表示的蒸氣流速作圖。常規結構填料和下部有改型的結構填料，兩者獲得的結果如圖7所示。兩種類型填料壓降對液泛餾分作圖，遵循同樣的關係。對兩種類型填料，典型控制方案典型設計點，應當是液泛點的80％，它相當於每英尺高度0.6-0.7英寸水柱的壓降。
然而，我們已經發現了，兩種類型填料當它們在超過每英尺高度0.7英寸水柱的壓降下操作時，兩者之間行為上存在明顯差別。這些差別在於a)傳質性能和b)塔的穩定性。這些差別的一個結果是，當採用常規結構填料時，很難在超過典型設計點之外操作填料低溫分離塔，而採用下部與上部結構不同的結構填料時，則很容易在超過設計點之外操作這種塔。
圖8表示歸一化HEPT對常規結構填料和上述結構填料兩者塔壓降作圖。HEPT(等效理論塔板高度)是歸一化的，即每次HEPT測量值，用每英尺填料高度0.7英寸水柱的設計點壓降下常規結構填料的HEPT除。兩組填料之間存在明顯差別。常規結構填料的HEPT，當壓降增加超過每英尺0.5英寸水柱時增加，且壓降超過每英尺1.0英寸水柱時增加迅速。相反，本發明限定的填料，甚至塔壓降達到每英尺填料高度2英寸水柱時，其HETP連續下降，且在壓降甚至達每英尺填料高度2.6英寸水柱時，保持低於常規填料設計點值。應當注意到，壓力梯度大於每英尺填料高度0.5英寸水柱時，常規結構填料傳質性能的惡化以前經常報導過。
在上述試驗過程中注意到，當操作壓降大於每英尺0.7英寸水柱的通常設計點壓降時，常規填料表現出不穩定的行為，蒸氣流速和塔壓降的任何波動都導致塔液泛傾向。塔很難操作，並需要極其小心避免液泛。相反，本發明在操作壓降大於每英尺填料高度0.7英寸水柱時，穩定性經受住了考驗。蒸氣流速小的波動對塔的可操作性沒有影響。壓降高達每英尺填料高度3英寸水柱，塔仍可以操作，而常規填料在超過每英尺填料高度2英寸水柱時，甚至極其小心的操作也是不可能的。
為了獲得關於兩種填料不同行為更清楚的觀察，進行了一系列新的試驗，以測定隨氣體速度變化液體滯留(或液體無效部分)量的變化。塔直徑為4英尺，且填料高度為104英寸。用鼓風機將空氣向上吹過填料，而使液體Isopar-M向下流過填料。採用一個仔細校正過的，每平方英寸有18個噴淋點的液體分配器，以保證液體均勻分布到填料上。改變空氣流速以後，根據填料下積液池液位變化，測量填料上液體滯留量的變化。例如，空氣流速增加，因填料中液體滯留量增加，使積液池液位降低。Isopar-M的表面張力為26dynes/cm左右，對模擬較低壓力塔和氬塔中表面張力為6-16dynes/cm的低溫液體的行為，是比水更具代表性的液體。
結果如圖9所示。這些試驗，液體流速為每平方英尺塔截面2-7加倫。縱坐標是同一液體流速下，有空氣流動的液體滯留量和無空氣流動的液體滯留量之差。橫坐標是填料床壓降，它隨空氣和液體流速改變而變化。給出兩組結果-一組常規結構填料，和一組填料除了如圖2A和2B所示在每塊底部有改型之外是一樣的。每一組填料的比表面積為700m2/m3左右。在壓降大於每英尺填料高度0.3英寸水柱時，兩種填料結果存在明顯差別。常規結構填料，在給定壓降下，因空氣向上流過填料，存在一個大的液體滯留量。相反，每塊底部氣流阻力減小的填料，因空氣流動造成的液體滯留量較小。兩條曲線的斜率也是重要的。對常規填料，空氣流動一個小的變化，因壓降引起液體滯留量的變化是大的。本發明填料，空氣流動和壓降的同樣變化，造成液體滯留量的變化要小得多。這些結果，與這兩種填料在上述低溫蒸餾試驗所見到的穩定性差別是一致的。
人們可以思考，為什麼隨蒸氣流速變化，液體滯留量只有小變化的填料，比液體滯留量變化大得多的填料，塔能達到更穩定和更容易的控制。不希望制約於任何理論，據信由於蒸氣滯留量小，蒸氣流速小的增加或減小會迅速通過塔傳遞，以致塔中所有平衡級適應新的蒸氣流速。空氣分離其特徵在於相對揮發度低，如氧-氬系統，以及操作回流比接近最小。為了避免濃度尖滅(pinches)和分離作用降低，需要使液體對蒸氣的摩爾流速比L/V經常保持在設計值。蒸氣流速的波動必須與液體流速的等效變化相匹配，以保持各級所要求的L/V比。然而，當液體滯留量隨蒸氣流速改變而變化明顯時，在各級建立新的液體流速就會滯後，因為向下流過塔的液體必須部分地用於增加或減小各級液體滯留量。於是，L/V偏離設計值，隨後分離性能惡化。我們發現，常規結構填料隨蒸氣流速變化液體滯留量變化，比各塊底部降低蒸氣流動阻力的填料大得多。正是由於這種原因，裝有後一種填料的塔更穩定和更容易控制。
有可能各塊結構填料底部，起類似於雙流蒸餾塔盤的作用。後者，蒸氣和液體兩者逆流通過塔盤板同一開孔。眾所周知，雙流蒸餾塔盤在高蒸氣流速下，經受液體和蒸氣的不良分布，且因此蒸餾塔盤效率降低。常規結構填料塊的底部作用類似。各塊底部有改型的結構填料，顯示出消除那個區域裡的過量液體滯留量，以致液體和蒸氣可以無阻礙地逆流流動，而沒有不穩定性問題。
空氣分離廠蒸餾塔內蒸氣流速(以及液體流速)逐段變化，且變化甚至貫穿一個給定段。因此，整個填料或給定段填料，塔壓降可以小於每英尺填料高度0.7英寸水柱，雖然對最高裝填塊壓降可以超過該值。正是局部壓力梯度，而不是整體壓力梯度，決定塔的穩定性，並且在本發明中是重要的。
如今，實施本發明，人們可以在高於塔的設計點，操作低溫精餾塔分離空氣組分，同時避免液泛。儘管本發明已參照某些優選實施方案進行了詳細說明，但本領域技術人員會認識到，在權利要求的精神和範圍內存在本發明的其它實施方案。
權利要求
1.一種用於操作低溫精餾塔的方法，包括(A)將含有空氣易揮發組分和空氣難揮發組分的混合物通入一個塔，該塔裝有一高度的填料，該填料包括下部與上部結構不同的填料板；(B)塔內進行低溫精餾，其中蒸氣向上流過填料板高度，而液體向下流過填料板高度，由此易揮發組分在上流蒸氣中富集，而難揮發組分在下流液體中富集；(C)使上流蒸氣以一種速度向上流過塔內填料高度，以使塔內壓降為至少每英尺填料高度0.7英寸水柱；和(D)從塔上部引出易揮發組分，從塔下部引出難揮發組分。
2.權利要求1的方法，其中易揮發組分是氮，難揮發組分是氧。
3.權利要求1的方法，其中易揮發組分是氬，難揮發組分是氧。
4.權利要求1的方法，其中結構上的差別包括各填料板下部捲曲高度比各填料板上部捲曲高度降低。
5.權利要求4的方法，其中各填料板下部捲曲高度為零。
6.權利要求1的方法，其中結構上的差別包括各填料板下部波紋比各填料板上部波紋角度更陡。
7.權利要求1的方法，其中相鄰板分別依次交替在下部和在上部有改型。
全文摘要
一種用於操作低溫精餾塔的方法,利用低溫精餾分離空氣組分,該塔可以在大於其設計能力下操作而不發生液泛,其方法包括使蒸氣以一種流速向上通過該塔,在塔內通過其上部和下部結構不同的限定結構填料板高度,產生每英尺填料高度至少0.7英寸水柱的壓降。
文檔編號B01J19/32GK1251897SQ99111838
公開日2000年5月3日 申請日期1999年7月30日 優先權日1998年10月21日
發明者J·F·比林哈姆, D·M·塞勒, M·J·洛克特 申請人:普拉塞爾技術有限公司