一种深冷分馏系统，该系统采用一个多柱段的分馏柱，其中在该分馏柱的至少二个柱段中使用具不同填料密度的结构填料。（*该技术在2011年保护过期，可自由使用*）
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及应用一或多个分馏柱的深冷空气分离，其中至少一个柱内使用结构填料(structured packing)。将流体混合物如空气分馏成为富含有关组分的两个或多个部分，一般是使用一个或多个分馏柱，柱内使用塔盘或无规填充的填料作为传质元件。近来的发展是使用结构填料作为分馏柱的传质元件，因为结构填料比塔盘的压力降小，并且比无规填料更能预见其性能。然而，在多于一段的柱中，特别在其一段的水力负荷与其他段水力负荷显著不同的场合，存在的问题是由于水力负荷的变化而引致一段或多段比其他段更接近于泛液状态。这使该柱的操作带来重大的局限性，并且与无泛液或其他问题的危险时所能达到的物料流量变化相比，物料流量变化幅度显著下降。虽然可以借助于变化每段柱的内径来对付这一问题，但此办法成本很高。因此，本专利技术目的是为空气深冷分离提供方法和设备，即采用内含结构填料的分馏柱，从而与已知系统相比，具改进的操作灵活性。本专利技术的一个方面是空气分离装置，包括至少一个分馏柱，并具有将进料空气送入以及将产品送出该装置的设备，所述分馏柱至少其一具有多个柱段并具有传质元件，在至少其二柱段中的传质元件是结构填料，其中在第一柱段的结构填料的填料密度与该柱的第二柱段中结构填料的填料密度有所不同。本专利技术的另一个方面是含至少二个具不同挥发性的组分的混合物的分离方法，其中组分之一是氧，分离后成为富含具较第二组分更高挥发性的第一组分的第一部分，以及富含第二组分的第二部分，该方法包括将该混合物送入一个分馏柱，该柱具多个柱段和所具有的传质元件在至少二个柱段是结构填料，其中第一柱段的结构填料的填料密度与第二柱段中结构填料的填料密度有所不同;还包括从该柱中取出至少一些该第一部分和至少一些该第二部分。此处所用“柱”一词是指一个蒸馏或分馏区，即一个接触柱或区，其中的液相与汽相逆流接触，使流体混合物分离，例如，使汽相与液相在该柱内的填料元件上或竖向隔开安装的多个塔盘或塔板上进行接触。关于分馏柱的进一步叙述请见Chemical Engineers′Handbook，Fifth Edition，edited by R.H.Perry and C.H.Chilton，Mc Gr a w-Hill Book Company，New York，Section 13，“Distillation”B.D.Smith，et al.，page 13-3 The Continuous Distillation Process.此处所用“双柱”一词是指一种高压分馏柱，其上部是与下部的低压柱处于热交换关系。关于双柱的进一步叙述，请见“The Separation of Gases”，Oxford University Press，1949，Chapter Ⅶ，Commercial Air Separation此处所用“氩柱”是指在柱中上流的蒸汽通过与下流的液体逆流接触而逐渐富含氩，并从该柱取出氩产品。此处所用“HETP”是指所产生的组成变化相当于一个理论板达到的组成变化时的填料高度。此处所用“理论板”是指蒸汽与液体相接触后使得出去的蒸汽与液体流处于平衡的接触过程。此处所用“结构填料”是指在填料中，其个别元件相对于其他元件以及相对于该柱的轴心是呈特定方向取向的。结构填料的实例见之于US2047444的Stedman填料，见之于Ellis等，Trans.Instn.Chem.Engrs.，41，1963的Goodloe填料，还有近来研制的结构填料如Huber的US4186159、Meier的US4296050、Lockett等的US4929399中所披露者。此处所用“柱段”是指该柱中，填装了该柱直径的一个区段。当蒸汽或液体从该柱取出或进入该柱时，一个特定区的顶或底结束。此处所用“填料密度”是指单位体积填料中，可用的表面面积。此处所用“正常设计点的泛液百分率”是指在设计点即正常操作条件的该蒸汽水力负荷乘以100，再除以在泛液点该蒸汽的水力负荷，泛液点即该柱开始泛液并且该柱不可能在高于该点的条件操作。此处所用“不同填料密度”是指一个填料密度与参比填料密度相比其差异为每立方米至少50平方米。此处所用“负荷下限(turndown limit)”是指蒸汽水力负荷再低就使分离效率显著变差的数值乘以100，再除以设计点的蒸汽水力负荷。附图说明图1是按本专利技术实施方案之一的空气分离装置简化示意图，其中包括一双柱，其低压柱与高压柱处于热交换关系，还有一个氩柱，其中该低压柱有4个柱段，其中至少二个柱段使用不同密度的结构填料。图2示出图1中4个段在正常设计点的泛液百分率以及蒸汽水力负荷。图3示出一个柱中4个段在正常设计点的泛液百分率以及蒸汽水力负荷。图4是具给定填料密度(例如500米2/米3)的结构填料简化图，其中a、b、c表示分开的填料元件。图5是填料密度比图4所示者更大的结构填料简化图，其中a、b、c表示分开的填料元件。参照附图1，高压进料空气1送入柱2，这是双柱系统的高压柱。在柱2内，进料空气经深冷分馏而分离，成为富氮蒸汽和富氧液体。富氧液体3从柱2取出，送入氩柱顶部冷凝器20，在其中至少有部分汽化，同时使氩柱顶部蒸汽冷凝，然后成为蒸汽流21和液流23而进入柱4，柱4是双柱系统的低压柱。富氮的蒸汽5进入冷凝器6，通过热交换而冷凝，同时使柱底部沸腾。所得富氮液流7一部分作为液流8进入柱2作为其回流液体，一部分作为液流9进入柱4作为回流液体。低压进料空气22亦可送入柱4。在柱4中，进料流通过深冷分馏成为富氮和富氧部分。富氮部分作为料流10从柱4取出，并回收作为产品氮。富氧部分作为料流11从柱4取出，并回收作为产品氧。从柱4排出废料流12作为控制手段。料流13主要含氧和氩，从柱4的中间部分放出，送入氩柱14，通过深冷分馏成为富氩部分和富氧部分。富氩部分于柱顶冷凝器20处冷凝，一部分成料流15从柱14取出，成为氩粗产品。富氧部分从柱14取出，成为料流16而送入柱4。如图1所示，柱4分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4段。段Ⅰ由料流11和13的取料点所限定;段Ⅱ由13取料点和料流21和23的进料点所限定;段Ⅲ由21和23进料点和料流12取料点所限定;段Ⅳ由料流12和10的取料点所限定。在实施本专利技术时，使用具有至少2段的分馏柱。一般，柱中最多段数为约8段。由于在柱4送入并取出物料流，也由于流体组成的变化，各段的水力负荷显著不同。蒸汽水力负荷可以由下式表达CV＝MG/ρAT×0.5其中MG＝蒸汽流量(磅/秒)，ρG＝蒸汽密度(磅/立方英尺)，ρG＝液体密度(磅/立方英尺)，AT＝横截面积(平方英尺)，CV＝容量因数(英尺/秒)。液体水力负荷可由式ML/ρLAT表示，其中ML＝液体流量(磅/秒)。由于柱内各段的水力负荷可有很大变化，于是有一个操作极限，因为在设计该柱时要按照最容易发生泛液的那一段来设计，以确保柱操作时没有一段发生泛液。一段，最易发生泛液的柱段的正常设计点是按达到泛液的约80%来操作，而其他段就在更低的百分率条件下操作。本专利技术处理并解决此一问题是借助于采用不同密度的结构填料应用于一个柱中的至少2段，使该柱中第1段的结构填料密度要不同于该柱第2段的结构填料密度。本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种空气分离装置，其中包括至少一个分馏柱，以及将进料空气送入该装置的设备，以及将产品送出该装置的设备，所述分离馏柱的至少其一具有多个柱段，在至少其中２个柱段中具有结构填料（ｓｔｒｕｃｔｕ－ｒｅｄｐａｃｋｉｎｇ）作为传质元件，其中所述分馏柱的第１柱段中结构填料的填料密度不同于所述分馏柱的第２柱段中结构填料的填料密度。
【技术特征摘要】
...
【专利技术属性】
技术研发人员：MJ洛基特，RA维克托，R扎维尔卢察，K麦基尔罗伊，SL库珀，
申请(专利权)人：联合碳化工业气体技术公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]
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