[实用新型]梯度磁场辅助低温精馏空气分离装置

说明书

技术领域

本发明涉及空气分离，尤其涉及一种梯度磁场辅助低温精馏空气分离装置。

背景技术

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。

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。

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。

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

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装置。

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。