梯度磁场辅助低温精馏空气分离方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了梯度磁场辅助低温精馏空气分离方法及装置，其中方法包括使上升的气态空气和下降的液态空气在塔中接触，进行传质换热，且在液态空气与气态空气的传质换热区域设置能对氧分子产生作用力的梯度磁场，继而从塔上部引出富集的氮气，从塔下部引出富集的氧气。本发明梯度磁场辅助低温精馏空气分离方法及装置，同时利用了氧氮沸点与磁化率差异，以获得高品质氧氮液体和气体产品。相比于传统低温精馏分离，本发明分离效率高、能耗低；相比于磁致空气分离，本发明彻底解决了其富氧程度低、难于大型化的缺点，拓宽了磁致分离的潜在应用领域。
【专利说明】梯度磁场辅助低温精馏空气分离方法及装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及空气分离，尤其涉及梯度磁场辅助低温精馏空气分离方法及装置。
【背景技术】
[0002]工业气体是现代工业的“血液”，其应用遍及钢铁、冶金、化工、造船、汽车、医药、食品、电子、石油、航空航天等诸多重要领域。随着经济快速发展，工业气体的需求激增。据美国空气产品公司(APCI)预测:截至2015年全球工业气体市场年增长9%，达到960亿美元；亚洲市场年增长14%，而中国增长将高达19%。然而，工业气体生产中高能耗、高成本问题已成为制约工业气体行业乃至相关产业快速发展的突出瓶颈。
[0003]工业气体大都来自空气分离，其中氧、氮、氩的需求量最大。空气分离的方法主要有低温精馏法、变压吸附法(PSA)、薄膜分离法、化学吸收法等多种。低温精馏法历史悠久，技术相对成熟，气体产品纯度高、成本低，特别适合大规模生产。目前，低温空气分离设备的单套制氧能力已超过120，000m3/h。随着氧气用途的拓展，在一定范围和使用条件下，变压吸附法和薄膜分离法已成为低温法空气分离的强劲对手，但在生产能力、产品种类、气体纯度、单位成本等方面，与低温法相比仍有较大差距。因此，低温精馏是目前乃至可以预见的未来，最有效且经济性最好的大规模生产氧、氮、氩气液产品的方法。近年来，煤化工、石油化工、金属冶炼等行业不断推动着空分成套装备向着大型化、节能化和智能化方向发展。
[0004]低温精馏是空气分离的核心，它利用工质的沸点差异，通过连续多次部分蒸发和部分冷凝过程达到气体分离的目的。精馏塔的能耗约占空分系统总能耗的20%，因此提高低温精馏效率是实现高效节能的重要关键。精馏塔有单级精馏塔和双级精馏塔两种主要形式；塔内结构主要有筛板塔和规整填料塔两种类型。筛板塔因其结构简单、便于制造、易于放大、塔板效率较高，率先在空分精馏塔中获得广泛采用。迄今为止，低温精馏领域最大的变革归功于规整填料推广应用。规整填料是一种在塔内按均匀集合形状分布、整齐堆砌的填料。由于规定了气液流路，避免了筛板塔的沟流和壁流现象。近年来，国内外研究主要集中在规整填料塔结构、新型填料、气液相反混特性、内构件设计与填料匹配等方面。低温精馏效率的提升很大程度上得益于空分流程设计、设计制造技术和控制技术的不断改进。然而，在低温精馏过程本身乃至精馏塔原理革新方面却停滞不前，在一定程度上限制了空分技术的快速发展。
[0005]除利用沸点差异实现低温精馏分离外，磁化率的差异也是可资利用的重要特性。氧气是顺磁性气体，其正磁化率为常见气体中最大。标准状态下，氧气的磁化率绝对值约为氮气的300倍；而氮气是逆磁性气体,磁化率较低且为负值,其磁化率大小基本不随温度而改变。氧氮混合物在梯度磁场中将受到方向相反的磁场力作用，因而呈现出相反的磁致流动行为，这为利用梯度磁场作用实现空气分离提供了理论依据。部分学者从上世纪80年代开始探索磁场驱动富集氧气、进而实现空气分离的可行性。Ohara等率先开展了利用超导高磁分离装置从空气中富集氧气的实验研究。他们在金属容器内填充金属丝，空气中的氧分子受到金属丝表面附近梯度磁场的吸引，留在容器内从而实现富氧。实验表明，容器中氧气浓度最高增加了 0.4%。吴平等在ZL200510086240.9中提出了采用两块永磁铁异极相对，利用其围成的磁场空间实现连续富氧的方法。磁场空间边界处指向空间内部的场强梯度起到了拦截氧气的作用，而逆磁性的氮气可以自由溢出磁场空间，这样在磁场空间内实现了氧气的连续富集。针对该富氧装置，他们进行了蒙特卡洛直接模拟并设计了实验，实验中单级氧气富集程度达到了 0.65%，模拟结果与实验结果吻合较好。王喜魁等在ZL200820010636.4和ZL200820010635.X中提出了两种小型带钢毛的高梯度磁场聚氧装置，利用含铬不锈钢毛扩大磁力范围和增强磁场强度。由于常温下氧气的磁化力仍然比较微弱，且分离过程中很容易形成气体湍流，现有报道的梯度磁场空气分离装置单级最高富氧浓度均不超过1%，显然，现阶段单纯依靠梯度磁场的作用，在室温条件下实现空气直接分离并不现实。
【发明内容】
[0006]针对上述问题，本发明提供一种高效率、低能耗的梯度磁场辅助低温精馏空气分离方法。
[0007]—种梯度磁场辅助低温精馏空气分离方法，包括使上升的气态空气和下降的液态空气在塔中接触，进行传质换热，继而从塔上部引出富集的氮气，从塔下部引出富集的氧气，在所述液态空气与气态空气的传质换热区域设有能对氧分子产生作用力的梯度磁场。
[0008]氧气是顺磁性气体，其磁化率绝对值约为氮气的300倍，参加精馏的氧将受到朝向磁场强度增大方向的磁化力。同时，由于顺磁性气体遵从居里定律(磁化率与热力学温度成反比)，低温下氧气的磁化率将大幅提高，磁致分离的作用将显著提升；相反地，氮气只具有相当微弱的逆磁性，且磁化率大小与温度无关，精馏过程中氮气的传质行为基本不受磁场的影响。
[0009]所述塔为板式塔，板式塔内设有若干具有鼓泡装置的塔板，所述传质换热区域位于塔板的上方，所述梯度磁场沿塔身高度方向分布在传质换热区域中。
[0010]所述板式塔包括筛板塔、泡罩塔、浮阀塔等形式。所述鼓泡装置为筛孔、泡罩或者浮阀。
[0011]当液态空气从塔板上流过、气态空气穿出鼓泡装置与液态空气进行传质和换热时，相较与氧，低沸点的氮在气态空气中富集，相较于氮，高沸点的氧在液态空气中富集，梯度磁场对氧分子有吸引力，且越靠近塔板的上表面，磁场强度越大，此时液态空气的中下层的氧分子浓度变大，每块塔板的富氧能力都得到了提高，所需理论塔板数相应减少。
[0012]所述塔为填料塔，填料塔内设有若干个填料单元，所述填料单元包括若干填料片，填料片的表面为所述传质换热区域。
[0013]当液态空气和气态空气在填料片表面进行传热和传质时，相较与氧，低沸点的氮在气态空气中富集，相较于氮，高沸点的氧在液态空气中富集，梯度磁场对氧分子有吸引力，且越靠近填料的表面，磁场强度越大，液态空气靠近填料单元表面区域的氧分子浓度变大。
[0014]本发明还提供了一种可以实现所述梯度磁场辅助低温精馏空气分离方法的装置。
[0015]一种梯度磁场辅助低温精馏空气分离装置，包括塔，所述塔的内部设有用于气态空气和液态空气进行接触传质换热的传质换热区，所述传质换热区设有能对氧分子产生作用力的梯度磁场。
[0016]作为优选，所述塔为板式塔，所述板式塔包括塔体以及设置在塔体内的若干塔板，每块塔板的上表面均有相对设置的进口堰和溢流堰，进口堰和溢流堰将塔板的上侧空间依次分隔成进液区、传质换热区、出液区三个部分，每块塔板的传质换热区内均设有用于产生梯度磁场的导磁介质，所述导磁介质的一端与塔板连接，另一端伸入传质换热区。导磁介质与塔板可以是活动连接或者固定连接。
[0017]所述塔板与传质换热区对应的部位设有若干鼓泡装置。所述鼓泡装置为筛孔、泡罩或者浮阀等形式。
[0018]所述塔板与出液区对应的部分设有朝向下层塔板进液区延伸的降液管。
[0019]作为优选，所述导磁介质与塔板连接的一端为连接端，每块塔板还设有与连接端相配合的磁体，所述磁体设置在塔板下表面或者嵌入在塔板内部。
[0020]装置没有设置磁体时，则装置运行前先将导磁介质进行磁化使之产生梯度磁场，或者所述导磁介质直接由磁性材料制作。
[0021]作为优选，所述导磁介质为若干相互平行的不锈钢毛，各不锈钢毛与塔板呈角度范围为45。?90。。
[0022]不锈钢毛是高梯度磁分离中常用的磁介质，其原理是不锈钢的磁导率非常大，因此在背景磁场环境中磁感线将被拉向钢毛内部，从而在不锈钢表面磁场强度迅速降低，形成很高的磁场梯度，在100微米的不锈钢毛表面，这一梯度可以达到40000T/m。不锈钢毛与塔板呈一定的角度放置能以起到导流的作用，在实际的装置中相邻钢毛的距离可以根据流体分配情况和流动阻力的大小来进行设计。
[0023]作为优选，所述导磁介质为若干相互平行的永磁翅片，每个永磁翅片朝向溢流堰的一侧为弧形，且永磁翅片底部开设有若干过液孔。
[0024]永磁翅片朝向溢流堰的一侧为弧形，这种结构可以起到一定的导流作用，液态空气中的氧由于磁场力的吸引沿着永磁翅片表面向下扩散，从而使得永磁翅片周围区域由上到下氧浓度逐渐升高，永磁翅片底部开设有若干过液孔，这能使氧浓度较高的底部液体可以沿着小孔流向溢流堰。
[0025]作为优选，相邻的两个永磁翅片同级相对。相邻的翅片可以同极也可以异极相对，但同极相对所形成的磁场梯度会更高。
[0026]为了避免上层富氮液体和下层富氧液体在溢流时的再混合、实现液态空气中氧通过导磁介质的连续富集、提高降液到下一层塔板的液体氧气中的氧浓度，作为优选，所述传质换热区邻近溢流堰的一侧还设有溢流隔板，所述溢流隔板的高度大于溢流堰的高度，溢流隔板的底部开设有连通口。
[0027]液态空气底部的富氧液体将向着溢流隔板方向流动，接着通过溢流隔板底部开设的连通口，流入溢流隔板与溢流堰之间的区域，然后向上漫过溢流堰，流向下一层塔板。
[0028]作为优选，所述塔为填料塔，所述填料塔包括塔体以及设置在塔体内的若干个填料单元，所述填料单元包括若干填料片，所述填料片的表面带有磁性，所述磁性填料片产生能够对氧分子施加作用力的梯度磁场。
[0029]作为优选，所述填料单元的磁性可以通过在填料内部掺杂磁性微粒或者在填料表面镀磁性波纹来获得。也可以通过整体选用导磁或永磁材料的方式来使填料带磁。[0030]本发明的梯度磁场辅助低温精馏空气分离方法及装置，同时利用了氧氮沸点与磁化率差异，可以获得高品质氧氮液体和气体产品。相比于传统低温精馏分离，本发明分离效率高、能耗低；相比于磁致空气分离，本发明彻底解决了其富氧程度低、难于大型化的缺点，拓宽了磁致分离的潜在应用领域。
【专利附图】
【附图说明】
[0031]图1是安装有五块塔板的板式塔的结构示意图；
[0032]图2是图1塔板部分的结构示意图；
[0033]图3是精馏分离过程的温度-摩尔分数图；
[0034]图4是设有不锈钢毛塔板的立体图；
[0035]图5是图4中B-B剖视图；
[0036]图6是均匀背景磁场下的不锈钢钢毛内外磁场分布图；
[0037]图7是设有永磁翅片塔板的立体图；
[0038]图8是图7中A-A剖视图；
[0039]图9是图8中I部分的局部放大图；
[0040]图10是内部添加了磁性颗粒的填料片的结构示意图；
[0041]图11是表面镀有磁性波纹的填料片的结构示意图。
[0042]各附图标记为；
[0043]1.磁感线，2.导磁介质，3.液态空气，4.溢流隔板，5.溢流堰，6.导流板，7.磁体，
8.降液管，9.进口堰，10.永磁翅片，11.不锈钢毛，12.筛孔，13.过液孔，14.连通口，15.塔板，16.塔体。
【具体实施方式】
[0044]一种梯度磁场辅助低温精馏空气分离方法，包括使上升的气态空气和下降的液态空气在塔中接触，进行传质换热，在液态空气与气态空气的传质换热区域设有能对氧分子产生作用力的梯度磁场，继而从塔上部引出富集的氮气，从塔下部引出富集的氧气。
[0045]塔为板式塔，板式塔内设有若干具有鼓泡装置的塔板，传质换热区域位于塔板的上方，梯度磁场沿塔身高度方向分布在传质换热区域中。塔不但可以为板式塔，还可以为填料塔，填料塔内设有若干个填料单元，填料单元包括若干填料片，填料片的表面为传质换热区域，梯度磁场设置在传质换热区域内。
[0046]如图1、2所示，实现上述梯度磁场辅助低温精馏空气分离方法的一种梯度磁场辅助低温精馏空气分离装置，包括板式塔，板式塔包括塔体以及水平设置在塔体内的五块塔板15，五块塔板从下往上依次为第一塔板，第二塔板，第三塔板，第四塔板，第五塔板。
[0047]如图2所示，每块塔板15的上表面均有相对设置的进口堰9和溢流堰5，进口堰和溢流堰将塔板的上侧空间依次分隔成进液区、传质换热区、出液区三个部分，每块塔板的传质换热区内均设有用于产生梯度磁场的导磁介质2，导磁介质的一端与塔板15连接，另一端伸入换热区，塔板与出液区对应的部分设有朝向下层塔板进液区延伸的降液管8，传质换热区邻近溢流堰5的一侧还设有溢流隔板4，溢流隔板4的高度大于溢流堰5的高度，溢流隔板的底部开设有连通口 14。[0048]塔板与换热区对应的部位设有若干鼓泡装置，本实施例鼓泡装置为筛孔12，鼓泡装置还可以为泡罩或浮阀等其他形式。需要指出的是，相邻两个塔板的进口堰和溢流堰的位置设置相反，且降液管8为近垂直于塔板设置。
[0049]工作时，液态空气3由上层的塔板经降液管8向下流动，气态空气由塔板下方通过塔板上的筛孔12向上流动，在塔板上液体与气体相接触，完成传热和传质。当气态空气以气泡形式穿过液态空气层时，把热量传给每块塔板上的液态空气，传热的结果使得液态空气层中少量的氮组分蒸发，而气态空气中少量的氧组分冷凝，于是气态空气中富集了氮，而液态空气中富集了氧。
[0050]如图3所示，为精馏分离过程的温度-摩尔分数图，图中的L和V分别代表了图1中相应塔板上方液态空气层和该液态空气层上方气态空气的状态点，图中下方的曲线为饱和液相线(泡点线)，上方的曲线为饱和气相线(露点线)。理想情况下，在传统精馏分离中，塔板上液态空气的状态点(LB’，LI’，L2’，L3’，L4’，L5’，L6’)位于泡点线上，液态空气上方的气态空气的状态点(VB，，VI’，V2’，V3’，V4’，V5’，VD’)位于露点线上。对于一个理论塔板，接触的液态空气和气态空气之间达到了完全的热平衡和相平衡，从塔板液层离开的气态空气的温度(例如点V3)应与该塔板上液态空气的温度相同(点L3)，塔板上液态空气的组成(例如点L3)应与下层塔板液态空气上方的气态空气的组成相同(点V2)。
[0051]本发明在该塔板上增加了能产生梯度磁场的导磁介质2，由于在导磁介质周围存在梯度很高的磁场区域，氧在该区域内会受到很强的朝向介质表面的磁化力，流经塔板的液态空气会发生浓度分层，使得底部的氧浓度升高，表面氧浓度下降。理想情况下，液态空气层上方的气态空气与液态空气表层呈相平衡，而全部液态空气层中的平均氧浓度已经高于相应温度下的饱和液体浓度。如图1所示，添加了磁场的第一塔板、第二塔板、第三塔板、第四塔板、第五塔板分别对应的液相点L1、L2、L3、L4、L5均落在了相平衡曲线以左，这代表着在磁场的作用下，塔板上的液态空气已经实际成为了过饱和溶液。从图2中可以直观地看出:相比于未施加磁场的情况，每块塔板的富氧能力都得到了提高，所需理论塔板数相应减少。
[0052]液态空气层表面的富氮液体中的部分氮分子可以通过上流的气态空气直接带走；而通过设置的溢流隔板4和连通口 14，液态空气底部的富氧液体将向着溢流隔板4方向流动，接着通过溢流隔板底部开设的连通口，流入溢流隔板与溢流堰之间的区域，然后向上漫过溢流堰4，通过降液管流向下一层塔板。这样设置，避免了上层富氮液体和下层富氧液体在溢流时的再混合，从而在保证塔板持液量的前提下实现了液态空气中的氧通过磁性介质的连续富集，提高了降液到下一层塔板的液态空气中的氧浓度。
[0053]为了使氧更好的富集，如图1所示，塔板上还可以设置导流板6，液态空气层底部的富氧液体将沿着导流板流向着溢流堰方向，导流板能进一步减缓上层富氮液体和下层富氧液体在溢流时的再混合。
[0054]如图4、5所示，导磁介质为若干相互平行的不锈钢毛11，各不锈钢毛与塔板呈角度范围为80°。如图6所示，不锈钢毛是高梯度磁分离中常用的磁介质，其原理是不锈钢的磁导率非常大，因此在背景磁场环境中磁感线I将被拉向钢毛内部，从而在不锈钢表面磁场强度迅速降低，形成很高的磁场梯度。
[0055]装置在使用前先将不锈钢毛磁化，使之产生梯度磁场。除了在使用前进行磁化，还可以在装置中设置磁体，这样就不需要额外的磁化，使用更加方便，如图1所示，不锈钢毛与塔板连接的一端为连接端，每块塔板还设有与连接端相配合的磁体7，磁体设置在塔板15下表面或者嵌入在塔板内部。
[0056]如图7、8所示，导磁介质还可以为若干相互平行的永磁翅片10，每个永磁翅片朝向溢流堰的一侧为弧形，且永磁翅片底部开设有若干过液孔13。如图9所示，相邻的两个永磁翅片同级相对。
[0057]实现上述梯度磁场辅助低温精馏空气分离方法的另一种梯度磁场辅助低温精馏空气分离装置，包括填料塔，填料塔包括塔体以及设置在塔体内的若干个填料单元，填料单元包括若干填料片，填料片的表面带有磁性，磁性的填料片产生对氧分子产生作用力的梯度磁场。
[0058]填料片表面的梯度磁场使得氧分子更容易聚集在填料片表面上的液膜中向下流动，与传统填料片相比，这种带有磁性的填料片分离效率更高，分离能耗也更低。
[0059]如图10所示，是内部添加了磁性颗粒的填料片的结构示意图。如图11所示，是表面镀有磁性波纹的填料片的结构示意图，相比于直接导磁的填料片，表面镀有磁性波纹的填料片具有一定的扰流作用，可以增强传质，同时表面的微结构增大了梯度磁场的有效作用面积，有利于氧在填料片表面的聚集和流动。
[0060]对于填料单元,还可以通过选用导磁材料,如钢，使整个填料单元带磁来施加梯度磁场的作用。
【权利要求】
1.一种梯度磁场辅助低温精馏空气分离方法，包括使上升的气态空气和下降的液态空气在塔中接触，进行传质换热，继而从塔上部引出富集的氮气，从塔下部引出富集的氧气，其特征在于，在所述液态空气与气态空气的传质换热区域设有能对氧分子产生作用力的梯度磁场。
2.根据权利要求1所述的梯度磁场辅助低温精馏空气分离方法，所述塔为板式塔，板式塔内设有若干具有鼓泡装置的塔板，所述传质换热区域位于塔板的上方，所述梯度磁场沿塔身高度方向分布在传质换热区域中。
3.根据权利要求1所述的梯度磁场辅助低温精馏空气分离方法，其特征在于，所述塔为填料塔，填料塔内设有若干个填料单元，所述填料单元包括若干填料片，填料片的表面为所述传质换热区域。
4.一种梯度磁场辅助低温精馏空气分离装置，包括塔，所述塔的内部设有用于气态空气和液态空气进行接触传质换热的传质换热区，其特征在于，所述传质换热区设有能对氧分子产生作用力的梯度磁场。
5.如权利要求4所述的梯度磁场辅助低温精馏空气分离装置，其特征在于，所述塔为板式塔，板式塔包括塔体以及设置在塔体内的若干塔板，每块塔板的上表面均有相对设置的进口堰和溢流堰，进口堰和溢流堰将塔板的上侧空间依次分隔成进液区、传质换热区、出液区三个部分，每块塔板的传质换热区内均设有用于产生梯度磁场的导磁介质，所述导磁介质的一端与塔板连接，另一端伸入传质换热区。
6.如权利要求5所述的梯度磁场辅助低温精馏空气分离装置，其特征在于，所述导磁介质与塔板连接的一端为连接端，每块塔板还设有与连接端相配合的磁体，所述磁体设置在塔板下表面或者嵌入在塔板内部。
7.如权利要求5所述的梯度磁场辅助低温精馏空气分离装置，其特征在于，所述导磁介质为若干相互平行的不锈钢毛，各不锈钢毛与塔板呈角度范围为45°?90°。
8.如权利要求5所述的梯度磁场辅助低温精馏空气分离装置，其特征在于，所述导磁介质为若干相互平行的永磁翅片，每个永磁翅片朝向溢流堰的一侧为弧形，且永磁翅片底部开设有若干过液孔。
9.若权利要求5任一项所述的梯度磁场辅助低温精馏空气分离装置，其特征在于，所述传质换热区邻近溢流堰的一侧还设有溢流隔板，所述溢流隔板的高度大于溢流堰的高度，溢流隔板的底部开设有连通口。
10.如权利要求4所述的梯度磁场辅助低温精馏空气分离装置，其特征在于，所述塔为填料塔，填料塔包括塔体以及设置在塔体内的若干个填料单元，所述填料单元包括若干填料片，填料片的表面带有磁性，磁性的填料片产生对氧分子产生作用力的梯度磁场。
【文档编号】F25J3/04GK103884153SQ201410111337
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2014年3月24日 优先权日:2014年3月24日
【发明者】邱利民, 包士然, 张金辉, 张小斌 申请人:浙江大学