低温精馏塔操作方法

专利名称：低温精馏塔操作方法
技术领域：
本发明一般涉及空气低温精馏，以便分离空气为其组分，尤其适用于在提高精馏生产能力情况下操作低温精馏塔。
希望一个空气分离厂，在超过该厂设计能力之外进行操作，以便从该厂生产更多产品，若这种提高生产能力的操作可以经济地进行的话。
为了接受提高的流速，可以设计或改变空气分离厂大部分组件。例如，上流风机可以用于提高压缩机能力。热交换器可以在增加流速条件下操作，方法是简单地接受提高的压降。空气预净化器的生产能力也可以提高，方法是在避免吸附剂颗粒流化条件下，提高压降操作。然而，更困难的是提高空气分离厂蒸馏塔的生产能力，因为其生产能力受液泛现象限制。无论何时存在垂直逆流两相流动，且流速超过设备生产能力时，液泛总要出现在工艺设备中。在填料塔和盘式塔中，达到液泛的特征是压降迅速增加、分离性能下降和操作不稳定。精馏塔开始液泛，通常是试图增加空气分离厂生产能力超过其设计能力时，遇到的限制性障碍。
一般公认，改变塔的压力可以增加蒸馏塔的生产能力。提高压力增加蒸气密度，使蒸气质量流速增加。然而，提高压力会降低相对挥发度，因此使精馏分离更困难。对填料塔和盘式塔，蒸气质量流速生产能力分别按其操作压力的0.4或0.5次方增加。
这样解决液泛问题的缺点是，塔操作压力的提高转变为，实际提高了主空气压缩机的排料压力和增加动力费用。压力提高对复式塔的上塔(或较低压力塔)特别不利，因为，由于氧和氮在蒸气压力/温度关系上的差别，压力上的任何提高，当其通过主冷凝器/再沸腾器传递时都必须典型地乘以三。
解决这个问题的方法是，提高通过塔的流速超过设计点但不到液泛点。典型填料塔设计在液泛点的80％左右。不幸的是，由于采用常规填料塔压力降波动大会使塔不稳定，因而流速提高只能稍微超过设计点。
因此，本发明的目的就是提供一种方法，用于在提高生产能力的情况下操作低温精馏塔以分离空气组分，同时避免液泛。
通过阅读本公开说明书，本发明要达到的上述和其它目的，对本领域技术熟练人员会变得显而易见，本发明是用于操作低温精馏塔的一种方法，它包括(A)使包含易挥发空气组分和难挥发空气组分的混合物通入一个塔，该塔装有一高度的填料，该填料包括填料板，填料板下部与其上部结构不同；(B)塔内进行低温精馏，其中蒸气向上流过填料板高度，而液体向下流过填料板高度，由此易挥发组分在上流蒸气中浓缩，而难挥发组分在下流液体中浓缩；(C)使上流蒸气以一种流速向上通过塔内填料高度，以使塔内压降为至少每英尺填料高度0.7英寸水柱；和(D)从塔上部引出易挥发组分，而从塔下部引出难挥发组分。
本文使用的术语“塔”意味着一个蒸馏或分馏的段或区，即其中液相和蒸气相逆流接触，例如，经蒸气相和液相在填料元件上接触，实现流体混合物分离的接触段或区。为进一步讨论蒸馏塔，请参见R.H.佩里(R.H.Perry)和C.H.奇尔顿(C.H.Chilton)主编，纽约(New York)麦格劳-希尔图书公司(McGraw-Hill Book Company)出版的化学工程师手册(Chemical Engineers’Handbook)，第四版，第13节，由B.D.斯密思等人(B.D.Smith，et al.，)编写的“蒸馏”，第13-3页连续蒸馏工艺。蒸气和液体接触分离工艺取决于组分蒸气压的差别。高蒸气压(或易挥发或低沸点)组分倾向于在蒸气相浓缩，而低蒸气压(或难挥发或高沸点)组分则倾向于在液相浓缩。蒸馏分离工艺，是靠液体混合物的加热可以用于在蒸气相浓缩易挥发组分，并因此在液相浓缩难挥发组分。部分冷凝分离工艺，是靠蒸气混合物的冷却可以用于在蒸气相浓缩易挥发组分，并因此在液相浓缩难挥发组分。精馏或连续蒸馏分离工艺，是把逆流处理蒸气相和液相所达到的连续部分蒸发和冷凝结合起来。蒸气相和液相的逆流接触可以是绝热的或不绝热的，且可以包括积分(多级)的或微分(连续)的相间接触。利用精馏原理分离混合物的分离工艺装置，往往可互换称作精馏塔、蒸馏塔或分馏塔。低温精馏，是至少部分在温度低于150°K条件下进行的精馏。
如本支所用术语“填料”，意味着预先设定尺寸和形状为塔内使用的任何实心或空心物体，对液体提供在两相逆流过程液体-蒸气界面上可进行传质的表面面积。
如本文所用术语“结构填料”，意味着斜横波纹填料，其中单个填料彼此间以及相对于塔的轴均有特殊取向。
如本文所用术语塔或填料板的“上部”和“下部”，意味着分别在塔或填料板中点以上和以下的那些塔或填料板区段。


图1示意表示可以用于实施本发明的一个低温精馏系统。
图2A和2B分别以透视和侧视图，描绘实施本发明有用的一个结构填料板实施方案，其中填料板下部卷曲高度减小至零。
图3A和3B分别以透视和侧视图，描绘实施本发明有用的另一个结构填料板实施方案，其中填料板下部卷曲高度减小但不到零。
图4A和4B分别以透视和侧视图，描绘实施本发明有用的另一个结构填料板实施方案，其中填料板下部卷曲高度与上部一样，但下部波纹角度比上部更陡。
图5A和5B分别以透视和侧视图，描绘实施本发明有用的另一个结构填料板及其排列实施方案。
图6A和6B分别以透视和侧视图，描绘实施本发明有用的另一个结构填料板及其排列实施方案。
图7、8和9为实施本发明可得到优点的图解表示。
已知，可以增加横波纹结构填料液压能力的方法包括，使填料板之间气体或蒸气流动阻力，在板的下部要小于板的上部。本发明包括发现，在塔中采用板下部与板上部结构不同的结构填料板，且该塔操作压降超过每英尺填料高度0.7英寸水柱时，这种塔可以在超过塔设计点操作，同时传质性能和塔的稳定性获得改进，而液泛也可避免。
本发明将参照附图进行详细阐述。图1描绘可以实施本发明的一个低温精馏系统实施方案。图1描绘的特殊系统包括一个复式塔，和一个氩侧装塔。
现在参照图1，基本包含氮、氧和氩的给料空气1，在压缩机2中压缩并经过冷却器3冷却压缩热。加压给料空气然后经过净化器4，除去高沸点杂质如水蒸汽、二氧化碳和碳氢化合物，净化器4是典型的变温或变压吸附净化器。清洁的压缩给料空气5然后冷却，方法是在主热交换器6中与返回流体进行间接热交换。在图1描绘的实施方案中，给料空气5的第一部分7经过增压器压缩机8再压缩，第二部分9经过增压器压缩机10再压缩，且获得的再压缩给料空气部分11和12，以及其余压缩给料空气部分50，经过主热交换器6冷却，以制备压缩、清洁和冷却的给料空气，分别以流体51、52和53表示。流体52经过急剧膨胀器55，急剧膨胀形成流体54，产生用于随后低温精馏的冷冻作用，然后进入较低压力塔24。流体51和53各自进入较高压力塔21。
在较高压力塔21内，给料空气经低温精馏分离成富氮蒸气和富氧液体。以流体22表示的富氮蒸气进入主冷凝器23冷凝，其方法是与较低压力塔24底部液体进行间接热交换，以生成富氮液体25。富氮液体25的一部分26返回到较高压力塔21作为回流，而富氮液体25的另一部分27在热交换器6中再冷却，然后进入较低压力塔24作为回流。富氧液体从较高压力塔下部出来，以流体28表示，且其一部分56进入氩塔顶部冷凝器29蒸发，其方法是与富氩蒸气进行间接热交换，得到的富氧流体以流体30表示，从顶部冷凝器29出来，进入较低压力塔24。富氧液体的另一部分57直接进入较低压力塔24。
包含氧和氩的流体31由较低压力塔24出来，进入氩塔32，经低温精馏分离成为富氩蒸气和富氧液体。富氧液体以流体33表示，返回较低压力塔24。富氩蒸气以流体34表示进入冷凝器29冷凝，其方法是与蒸发如上所述富氧液体进行间接热交换。获得的富氩液体以流体35表示，返回到氩塔32作为回流。富氩流体以蒸气和/或液体形式，从氩塔32上部回收，作为制品氩以流体36表示。
较低压力塔24，操作压力低于较高压力塔21。在较低压力塔24内，进入该塔的各种给料，经低温精馏分离成富氮流体和富氧流体。富氮流体作为蒸气流体37从较低压力塔上部引出，经过主热交换器6温热，并作为制品氮38回收。废流体58从较低压力塔24上部引出，经过热交换器6温热并以流体59表示从系统除去。富氧流体以蒸气和/或液体形式，从较低压力塔下部引出。若作为液体引出，富氧液体可以用泵打到较高压力，或在一个单独产品沸腾器中或在主热交换器6中蒸发，然后作为高压制品氧回收。图1描绘的实施方案中，富氧流体作为液态流体39从较低压力塔24引出，经液体泵60打到较高压力，经过主热交换器6蒸发作为制品氧40回收。一部分液态氧61可以作为液体回收。
至少一个塔装有许多垂直堆积结构填料层或块。每一层或块都包含垂直走向结构填料板，填料板波纹与垂直轴成一角度。将板排列成相邻板的波纹方向相反。层高度通常是6-12英寸。相邻的层环绕着垂直轴以增强混合。塔的完整填料床包括多层填料，层数由完成分离所要求填料高度决定。填料波纹的特征在于卷曲的高度。波纹谱型可以是尖锐的(锯齿形)或园的(正弦波形)。填料板彼此沿着波纹的峰和谷在接触点接触。
一个或多个塔，至少部分塔高，优选整个塔高装有一高度填料，其中填料板下部结构与填料板上部结构不同。图2、3和4描绘了改型是在填料板下部的这种填料板三个例子。另外，改型可以是在填料板上部，而下部不做改型。在本发明一个特别优选实施方案中，填料板交替排列成一块下部改型板挨着一块上部改型板。这种填料如图5和6所示。
填料板在塔内垂直取向，穿过塔径彼此相邻构成填料板块或层，另一个这样的填料板块或层放在前一层顶上，如此沿塔向上用填料充满塔。
为了证明本发明的优越性，图7、8和9记录了实施本发明所进行试验的结果，其中数据点用圆圈表示，以及为便于比较，也记录了实施常规方法所进行试验的结果，其中数据点用叉表示。蒸馏试验是在12英寸直径塔内进行的。每个填料层高度约10英寸，且采用10层填料。蒸馏混合物包含氧和氩，蒸馏是在全回流和22磅/平方英寸绝对压力条件下操作。试验了两组填料。第一组是没有任何改型的常规结构填料。第二组是图2A和2B描绘的，除每个板下部卷曲高度为零的平板区之外，是一样的填料。该平板区高度为0.375英寸。两种填料比表面积为约700m2/m3，且具有一样的卷曲尺寸，结构材料，表面构造和孔隙。
图7表示压降对以液泛点馏分蒸气流速表示的蒸气流速作图。常规结构填料和下部有改型的结构填料，两者获得的结果如图7所示。两种类型填料压降对液泛馏分作图，遵循同样的关系。对两种类型填料，典型控制方案典型设计点，应当是液泛点的80％，它相当于每英尺高度0.6-0.7英寸水柱的压降。
然而，我们已经发现了，两种类型填料当它们在超过每英尺高度0.7英寸水柱的压降下操作时，两者之间行为上存在明显差别。这些差别在于a)传质性能和b)塔的稳定性。这些差别的一个结果是，当采用常规结构填料时，很难在超过典型设计点之外操作填料低温分离塔，而采用下部与上部结构不同的结构填料时，则很容易在超过设计点之外操作这种塔。
图8表示归一化HEPT对常规结构填料和上述结构填料两者塔压降作图。HEPT(等效理论塔板高度)是归一化的，即每次HEPT测量值，用每英尺填料高度0.7英寸水柱的设计点压降下常规结构填料的HEPT除。两组填料之间存在明显差别。常规结构填料的HEPT，当压降增加超过每英尺0.5英寸水柱时增加，且压降超过每英尺1.0英寸水柱时增加迅速。相反，本发明限定的填料，甚至塔压降达到每英尺填料高度2英寸水柱时，其HETP连续下降，且在压降甚至达每英尺填料高度2.6英寸水柱时，保持低于常规填料设计点值。应当注意到，压力梯度大于每英尺填料高度0.5英寸水柱时，常规结构填料传质性能的恶化以前经常报道过。
在上述试验过程中注意到，当操作压降大于每英尺0.7英寸水柱的通常设计点压降时，常规填料表现出不稳定的行为，蒸气流速和塔压降的任何波动都导致塔液泛倾向。塔很难操作，并需要极其小心避免液泛。相反，本发明在操作压降大于每英尺填料高度0.7英寸水柱时，稳定性经受住了考验。蒸气流速小的波动对塔的可操作性没有影响。压降高达每英尺填料高度3英寸水柱，塔仍可以操作，而常规填料在超过每英尺填料高度2英寸水柱时，甚至极其小心的操作也是不可能的。
为了获得关于两种填料不同行为更清楚的观察，进行了一系列新的试验，以测定随气体速度变化液体滞留(或液体无效部分)量的变化。塔直径为4英尺，且填料高度为104英寸。用鼓风机将空气向上吹过填料，而使液体Isopar-M向下流过填料。采用一个仔细校正过的，每平方英寸有18个喷淋点的液体分配器，以保证液体均匀分布到填料上。改变空气流速以后，根据填料下积液池液位变化，测量填料上液体滞留量的变化。例如，空气流速增加，因填料中液体滞留量增加，使积液池液位降低。Isopar-M的表面张力为26dynes/cm左右，对模拟较低压力塔和氩塔中表面张力为6-16dynes/cm的低温液体的行为，是比水更具代表性的液体。
结果如图9所示。这些试验，液体流速为每平方英尺塔截面2-7加伦。纵坐标是同一液体流速下，有空气流动的液体滞留量和无空气流动的液体滞留量之差。横坐标是填料床压降，它随空气和液体流速改变而变化。给出两组结果-一组常规结构填料，和一组填料除了如图2A和2B所示在每块底部有改型之外是一样的。每一组填料的比表面积为700m2/m3左右。在压降大于每英尺填料高度0.3英寸水柱时，两种填料结果存在明显差别。常规结构填料，在给定压降下，因空气向上流过填料，存在一个大的液体滞留量。相反，每块底部气流阻力减小的填料，因空气流动造成的液体滞留量较小。两条曲线的斜率也是重要的。对常规填料，空气流动一个小的变化，因压降引起液体滞留量的变化是大的。本发明填料，空气流动和压降的同样变化，造成液体滞留量的变化要小得多。这些结果，与这两种填料在上述低温蒸馏试验所见到的稳定性差别是一致的。
人们可以思考，为什么随蒸气流速变化，液体滞留量只有小变化的填料，比液体滞留量变化大得多的填料，塔能达到更稳定和更容易的控制。不希望制约于任何理论，据信由于蒸气滞留量小，蒸气流速小的增加或减小会迅速通过塔传递，以致塔中所有平衡级适应新的蒸气流速。空气分离其特征在于相对挥发度低，如氧-氩系统，以及操作回流比接近最小。为了避免浓度尖灭(pinches)和分离作用降低，需要使液体对蒸气的摩尔流速比L/V经常保持在设计值。蒸气流速的波动必须与液体流速的等效变化相匹配，以保持各级所要求的L/V比。然而，当液体滞留量随蒸气流速改变而变化明显时，在各级建立新的液体流速就会滞后，因为向下流过塔的液体必须部分地用于增加或减小各级液体滞留量。于是，L/V偏离设计值，随后分离性能恶化。我们发现，常规结构填料随蒸气流速变化液体滞留量变化，比各块底部降低蒸气流动阻力的填料大得多。正是由于这种原因，装有后一种填料的塔更稳定和更容易控制。
有可能各块结构填料底部，起类似于双流蒸馏塔盘的作用。后者，蒸气和液体两者逆流通过塔盘板同一开孔。众所周知，双流蒸馏塔盘在高蒸气流速下，经受液体和蒸气的不良分布，且因此蒸馏塔盘效率降低。常规结构填料块的底部作用类似。各块底部有改型的结构填料，显示出消除那个区域里的过量液体滞留量，以致液体和蒸气可以无阻碍地逆流流动，而没有不稳定性问题。
空气分离厂蒸馏塔内蒸气流速(以及液体流速)逐段变化，且变化甚至贯穿一个给定段。因此，整个填料或给定段填料，塔压降可以小于每英尺填料高度0.7英寸水柱，虽然对最高装填块压降可以超过该值。正是局部压力梯度，而不是整体压力梯度，决定塔的稳定性，并且在本发明中是重要的。
如今，实施本发明，人们可以在高于塔的设计点，操作低温精馏塔分离空气组分，同时避免液泛。尽管本发明已参照某些优选实施方案进行了详细说明，但本领域技术人员会认识到，在权利要求的精神和范围内存在本发明的其它实施方案。
权利要求
1.一种用于操作低温精馏塔的方法，包括(A)将含有空气易挥发组分和空气难挥发组分的混合物通入一个塔，该塔装有一高度的填料，该填料包括下部与上部结构不同的填料板；(B)塔内进行低温精馏，其中蒸气向上流过填料板高度，而液体向下流过填料板高度，由此易挥发组分在上流蒸气中富集，而难挥发组分在下流液体中富集；(C)使上流蒸气以一种速度向上流过塔内填料高度，以使塔内压降为至少每英尺填料高度0.7英寸水柱；和(D)从塔上部引出易挥发组分，从塔下部引出难挥发组分。
2.权利要求1的方法，其中易挥发组分是氮，难挥发组分是氧。
3.权利要求1的方法，其中易挥发组分是氩，难挥发组分是氧。
4.权利要求1的方法，其中结构上的差别包括各填料板下部卷曲高度比各填料板上部卷曲高度降低。
5.权利要求4的方法，其中各填料板下部卷曲高度为零。
6.权利要求1的方法，其中结构上的差别包括各填料板下部波纹比各填料板上部波纹角度更陡。
7.权利要求1的方法，其中相邻板分别依次交替在下部和在上部有改型。
全文摘要
一种用于操作低温精馏塔的方法,利用低温精馏分离空气组分,该塔可以在大于其设计能力下操作而不发生液泛,其方法包括使蒸气以一种流速向上通过该塔,在塔内通过其上部和下部结构不同的限定结构填料板高度,产生每英尺填料高度至少0.7英寸水柱的压降。
文档编号B01J19/32GK1251897SQ99111838
公开日2000年5月3日 申请日期1999年7月30日 优先权日1998年10月21日
发明者J·F·比林哈姆, D·M·塞勒, M·J·洛克特 申请人:普拉塞尔技术有限公司