利用无规填料深冷分离空气制造技术

一种深冷空气分离系统，该系统采用无规填料段和其上方的有序填料段，而且在数组无规填料段和有序填料段之间再分布液体。（*该技术在2013年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及深冷温度(使空气处于液态下的足够低的温度)下蒸馏分离空气为其成分(主要是氮、氧和氢)的技术。半个多世纪以来，空气的深冷分离是空气分成的主要工业来源，而且空气成分日益成为重要的工业产品。例如，今日的炼钢业有赖于用这种分离法获得的、以管道输送的氧的数量。所说的分离作用发生在一个或多个含液-气接触结构的园柱形塔中，其中液体向下流过所说的结构，而气态蒸气向上通过所说结构，与液体呈对流方式接触。一种类型的这种接触结构叫作填料，填料有迷宫式表面，液体以液膜形式在所说表面上流动，而且有足够的间隙使上升的蒸气容易通过，与流动的液体相接触。有两大类填料(1)规则或有序的填料和(2)无规填料。前者由设计确定，一般是由金属板制成的峰窝状结构。无规填料是一些松散的材料，如玻璃球、陶瓷环或能够堆积或装入所说塔中的有一定形状的金属片。另外一种液-气接触结构叫作塔盘，一系列塔盘在塔中一个处于另一个之上形成液体的浅池，上升的气体通过液体池时鼓泡。据证明，虽然填料不论是有序填料还是无规填料均可用于深冷空气分离和其它蒸馏过程，但是直到八十年代后填料，尤其是有序填料才变成人们优选的接触结构。人们知道，填料的有益性能在于与采用塔盘相比，使用填料时压缩原料空气使之进入蒸馏柱中所需的能量较少。这是因为与在填料表面液膜上通过相比，当上升的气体受迫通过塔盘上的许多液池鼓泡时，在塔顶和塔底之间必须有更大的压力差。而且电能花费大约是深冷空气分离设备总操作成本的三分之一，所以即使电能成本仅仅减少%或2%都是有意义的。尽管人们知道采用有序填料节省操作费用，但是这种节省被所说填料的附加投资费用所抵消。此外，塔盘设计已经得到高度发展，以致能得出精确而可预期的结果。但是，到七十年代和八十年代早期，情况发生变化了。由于欧佩克议定书的作用和环境投资费用负担的结果，发电成本急剧增加。与此同时，或许由于受到电能成本费用增加的刺激，在采用许多巨大蒸馏设备的石化工业和炼油工业中，开发和工业规模地采用了更有效、更便宜的有序填料。随后，深冷空气分离中也工业规模地使用了这种填料。虽然在有序填料上有许多改进，但是与塔盘相比投资费用仍然较高。另一方面，无规填料比有序填料便宜，而且与有序填料相似，和塔盘相比在较低的压力降下操作，但是对于空气分离来说在性能上有一系列缺点。主要缺点是当无规填料段或床深度达到空气分离所需的正常值时，下降的液体在塔的整个截面上缺乏均匀的流动性。这个问题源于这样一点，即经济上可行的空气分离系统需要精确控制操作，以便实现氧、氮和氩的几乎完全的分离，因为它们的沸点处于相当窄的温度范围内(标准大气压下其沸点分别为-360°F、-383°F和-368°F)。因此，本专利技术目的在于提供一种使用无规填料作为液-气接触结构的深冷空气分离法。本专利技术的另一目的在于提供一种深冷空气分离用蒸馏塔，其中交替设有无规填料段和有序填料段。上述目的和其它目的是这样达到的一种深冷空气分离用蒸馏塔，至少包括一组相邻的液-气接触段，其中该组的靠上方段包含有序填料，而靠下方段包含无规填料。一种深冷空气分离方法，包括在具有靠上方的有序填料段和相邻的靠下方的无规填料段的塔中，使下降的空气中液体成分与上升的空气中气体成分接触。本申请使用的术语“塔”，指蒸馏或分馏塔或区，即接触塔或接触区，其中液相和气相对流接触以实现液体混合物的分离，例如通过所说的气相和液相在所说塔中安装的一系列垂直相间的塔盘或塔板上接触，或者在充填在塔中的填料上接触的方式分离。有关蒸馏塔的详细讨论，参见<化学工程师手册>，第五版，R.H.Perry和C.H.Chilton编，纽约McGraw-Hill图书公司;第十三节，B.D.Smith等人撰写的“蒸馏”，第13-3页，“连续蒸馏过程”。本文所用的术语“双塔”，指较高压力的塔上端与较低压力塔的下端按热交换关系相连。有关双塔的详细讨论，参见Ruheman编<气体分离>，牛津大学出版社，1949年，第Ⅶ章，“空气的工业分离”。本文使用的术语“氩塔”，指这样一种塔，其中向上流动的气体通过与向下流动的液体相对流动而逐渐地富含氩，并从此塔放出氩产品。本文使用的术语“间接热交换”，指使两种液流在互相没有实体接触或互相混合的条件下进行热交换。本文使用的术语“蒸气-液体接触元件”，指在两相对流流动期间，在液-气界面上有利于传质或成分分离的。在塔内使用的任何装置。本文使用的术语“塔盘”，指其上具有开孔、流体入口和出口的大体上平的板，液体能够穿过此板流动，同时蒸气穿过所说的开孔上升，以便实现此两相间的传质。本文使用的术语“填料”，指在塔内部使用，具有预定的构型、形状和尺寸的任何固体或空心体，其作用在于提供液体表面区域，以便在所说两相对流流动期间在液-气界面上实现传质。本文使用的术语“无规填料”，指单个填料互相之间或相对于塔的轴线没有任何特定取向的填料。本文使用的术语“有序填料”，指单个填料之间或相对于塔的轴线具有特定取向的填料。本文使用的术语“理论级”，指在向上流动的蒸气和向下流动进入某级的液体之间使这些物流处于平衡下的理想接触。附附图说明图1是可以实施本专利技术的一种普通的空气分离设备的代表性简化示意图，其中包括一种传统的双塔系统，此系统有按热交换关系连结的低压塔和高压塔，还有一个氩塔或侧臂塔。附图2剖视说明本专利技术的塔结构，也可以用作如附图1作为塔14示意说明的那种粗氩塔的液-气接触结构。附图3是图2中所示的液体分布器26和26′的三维结构图以下参照附图1-3详细说明本专利技术的方法和设备。参看图1，较高压力下的原料空气1被送入系一种双塔系统较高压力塔的塔2之中，原料空气在塔2中被深冷蒸馏分离成富氮气体和富氧液体。富氧液体3从塔2送入氩塔的顶部冷凝器20中，至少有一部分被冷凝的氩塔顶蒸氯所汽化，然后作为蒸气流21和液流23被送入塔4(系双塔系统的较低压力塔)中。富氮蒸气5被送入冷凝器6中，通过与沸腾塔4底热交换而冷凝。形成的富氮液体7被分成两部分，一部分8作为回流液被送入塔2中，另一部分9作为回流液被送入塔4之中。也可以将较低压力的原料空气22送入塔4中。原料空气在塔4中被深冷蒸馏分离成富氮部分和富氧部分。富氮的部分作为物流10从塔4放出，回收作为产品氮。富氧的部分作为物流11从塔4放出，回收作为产品氧。废物料流12从塔4放出用于控制目的。主要含氧和氩的物流13由塔4的中间位置放出再通入氩塔14之中，在其中被深冷分离成富氩部分和富氧部分。富氩的蒸气在氩柱顶部冷凝器20被冷凝，一部分作为物流15从塔14中除去，回收作为粗氩产品。富氧的部分从塔14放出，作为物流16返送回塔4之中。图2中表示出塔的一部分，其中设有有序填料段24，其下方的无规填料段25和与另一组有序和无规填料段(分别为24和25)之间的液体分布器(或再分布器)26。另一个液体分布器26′直接设在所说的两组有序和无规填料段上方。填料段的这种顺序排列，可以在传质-传热系统中，尤其是深冷空气分离的蒸馏或精馏用系统中采用大量无规填料。所说系统的总效率和性能与全部采用有序填料时基本相同，但是因为与有序填料相比无规填料本身更便宜而且装填更经济而显著节省投资费用。若将图2所示的结本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种深冷空气分离方法，包括使在塔中下降的液体空气成分与上升的气体空气成分接触，所说的塔至少有一段无规填料和一段相邻且处于其上方的有序填料。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：张海理，MJ洛凯特，RA维克托，
申请(专利权)人：普拉塞尔持术有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]