一种强化低温精馏分离的旋转磁场装置及精馏塔的制作方法

本发明涉及低温精馏空气分离技术领域，具体地说，涉及一种强化低温精馏分离的旋转磁场装置及精馏塔。

背景技术：

中国是目前全世界唯一拥有联合国产业分类中全部工业门类的国家，其中工业气体是支撑冶金、化工、电子、生物、医药、食品和航空航天等诸多工业领域的重要基础材料，工业气体的生产是中国实体制造业的支柱产业之一。2017年，我国的工业气体市场规模已达1200亿元，年均复合增长率达到10.16％。但是，我国工业气体生产所需单位能耗仍然高于发达国家水平，高能耗、高成本成为工业气体行业发展中亟待解决的问题。

目前，低温精馏法在大规模制取高纯氧、氮和氩产品中应用最为广泛，具有技术成熟、产品纯度高和产量大等优点。低温精馏制备工业气体的原理是利用工质沸点的差异进行相际传热传质，通过塔内回流实现连续多次的部分蒸发和部分冷凝，达到空气各组分分离的目的。自从20世纪80年代sulzer公司的mellapak规整填料引入空分设备后，规整填料塔因其优异的性能在低温精馏过程中逐渐取代传统板式塔，推动了低温空分领域的技术变革。规整填料通过规则的几何排布和堆砌规定了气液流路，板片波纹结构又使其拥有很高的比表面积和空隙率，因而规整填料具有更低的压降、更高的效率和容量，能显著降低精馏塔的体积和空分机组的能耗，可实现辅塔全精馏无氢制氩。

精馏塔是低温空分的核心，其能耗占空分机组总能耗的30～40％。即使当前规整填料已成熟应用于低温空分，精馏塔内的流动与传质过程仍然占据整个空分流程的绝大部分有效能损失，压降和传质的有效能损失分别约占总损失的15％和55％。因此低温精馏填料塔仍有很大的性能提升空间，尤其在强化气液相间传质方面。

目前，改善精馏分离性能的设计优化主要集中在填料本身和相关塔内件上。公布号为cn108479685a的中国专利公开了一种规整填料固定壁流圈，对壁流圈增设舌片使填料与塔壁贴合更紧密，有效抑制壁流作用。公布号为cn110449113a的中国专利公开了一种高效规整填料，将填料进出口改为竖直流道以减小填料单元交界阻力，同时增大开孔率增加润湿性。但是随着填料塔安装设计技术日渐成熟，优化部件对精馏传质效率的提升已经十分有限。因此，从低温精馏机理上进行优化分离性能的改进很有必要。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种强化低温精馏分离的旋转磁场装置及精馏塔，可加速液膜表面温度和浓度的更新，强化填料内的气液界面传热传质过程。

为了实现上述目的，第一方面，本发明提供的强化低温精馏分离的旋转磁场装置包括均匀设置在填料层周围的三组铁芯，所有铁芯上缠绕有方向相同的金属线圈；

所述金属线圈内通入正弦型交流电，同一个铁芯组的两个金属线圈所通交流电的电流方向相反，且相邻铁芯组所通的交流电的相位相差120°。

空气分离的对象主要是氧和氮。氧是空气中唯一具有顺磁性的成分，而液氧是目前已发现的顺磁性最高的纯液体。标准状态下，氧气的磁化率为具有抗磁性的氮气的300倍。利用氧的磁性强化精馏填料内的热质传递过程，氧在变化磁场中会受到磁力矩的作用，该作用会使氧的磁矩朝向外磁场方向旋转，使每个氧分子都能随外磁场旋转产生涡旋扰动，强化气液界面浓度更新，进而提升传质效率。上述技术方案中，通过在填料层周围配置三对交流电绕组，在填料内实现单向旋转磁场，对填料内部工质中的氧组分施加旋转的磁力矩，强化填料表面的气液逆流降膜传质过程。

可选地，在一个实施例中，所述的铁芯安装在精馏塔的塔壁内，铁芯靠近所述填料层的一端为棱台形。可以避免缠绕的金属线圈脱落。

可选地，在一个实施例中，所述的填料层的周围设有防壁流圈。可防止壁流液体流入铁芯的安装区域，造成液体滞留，影响旋转磁场装置的正常运行。

可选地，在一个实施例中，所述的防壁流圈沿所述填料层的顶部边缘和底部边缘设置。

可选地，在一个实施例中，所述的填料层为圆柱形，相邻的铁芯相对于填料层的中心相差60°，沿填料层直径相对的铁芯为同一组。

第二方面，本发明提供的精馏塔内具有填料层，并设有以上所述的强化低温精馏分离的旋转磁场装置。在所述精馏塔的塔壁上设有用于安装所述铁芯的凹槽。将铁芯安装在精馏塔塔壁内，体积小，不影响精馏塔原本的功能。

与现有技术相比，本发明的有益之处在于：

本发明采用三组交变电流线圈在填料内部构建旋转磁场，对填料内液体混合物中的氧组分施加旋转的磁力矩，能强化填料内液膜的表面浓度场和温度场更新，强化气液界面传热传质。

附图说明

图1为本发明实施例中旋转磁场装置配置在规整填料周围的结构示意图；

图2为本发明实施例中旋转磁场装置采用三相交流电产生旋转磁场的示意图；

图3为本发明实施例中各个铁芯线圈的交变电流相位图；

图4为本发明实施例中铁芯嵌入精馏塔塔壁的侧向剖面图；

图5是本发明实施例中铁芯嵌入精馏塔塔壁的俯视剖面图。

图中各附图标记为：001-塔壁，100-规整填料层，200-铁芯，201-金属线圈，300-防壁流圈，400-磁感线，500-磁场旋转方向。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

实施例

参见图1，本实施例中强化低温精馏分离的旋转磁场装置安装在精馏塔中，精馏塔内具有规整填料层100，旋转磁场装置包括设置在规整填料层100周围的三组铁芯200，所有铁芯200上缠绕有方向相同的金属线圈201。

参见图4和图5，在精馏塔的塔壁001上设有用于安装铁芯200的凹槽。将铁芯200安装在凹槽内，铁芯200的长度与凹槽的长度相当，体积小，不影响精馏塔原本的功能。铁芯200前端为四棱台形，避免缠绕的金属线圈201脱落。铁芯200前端的四棱台略小与凹槽面积。

在规整填料层100的周围设有防壁流圈300，防壁流圈300设置在规整填料层100和铁芯200之间，防止壁流液体流入铁芯200安装区域，即凹槽内，造成液体滞留，影响旋转磁场装置的正常运行。

六个铁芯200均匀布置在规整填料层100周围，相邻的铁芯相对于填料中心相差60°。金属线圈201缠绕在铁芯200上，所有铁芯200上金属线圈201的缠绕方向相同。所有金属线圈201均通入正弦型交流电。

如图2所示，将正对的金属线圈201看作一个线圈组，图中u1和u2为线圈组u，v1和v2为线圈组v，w1和w2为线圈组w，同一个线圈组的两个金属线圈201所通交流电的电流方向相反。图3显示了线圈组u、线圈组v和线圈组w的正弦交变电流的相位。如图3所示，相邻线圈组所通的交流电的相位相差120°。三对线圈组在图3所示交变电流激励下，产生的磁感线400在中心填料区域矢量相加，形成单向旋转的磁场，磁场旋转方向500为绕规整填料层100的柱体方向。铁芯200起到增强磁场强度的作用。

低温精馏空气分离过程中，氧氮混合液体在规整填料层100内降膜流下，三对金属线圈201通过交流电在填料区域产生单向旋转的磁场。规整填料层100内流下的低温液体内的氧组分随着磁场的旋转方向进行偏转，每一个氧分子都成为液膜内部的扰动源，加速了液膜表面的浓度场和温度场更新，强化了填料内氧氮热质的传递过程。