[发明专利]一种空气分离的方法和装置

说明书

本发明涉及应用一或多个分馏柱的深冷空气分离，其中至少一个柱内使用结构填料(structured packing)。

将流体混合物如空气分馏成为富含有关组分的两个或多个部分，一般是使用一个或多个分馏柱，柱内使用塔盘或无规填充的填料作为传质元件。

近来的发展是使用结构填料作为分馏柱的传质元件，因为结构填料比塔盘的压力降小，并且比无规填料更能预见其性能。

然而，在多于一段的柱中，特别在其一段的水力负荷与其他段水力负荷显著不同的场合，存在的问题是由于水力负荷的变化而引致一段或多段比其他段更接近于泛液状态。这使该柱的操作带来重大的局限性，并且与无泛液或其他问题的危险时所能达到的物料流量变化相比，物料流量变化幅度显著下降。虽然可以借助于变化每段柱的内径来对付这一问题，但此办法成本很高。

因此，本发明目的是为空气深冷分离提供方法和设备，即采用内含结构填料的分馏柱，从而与已知系统相比，具改进的操作灵活性。

本发明的一个方面是：

空气分离装置，包括至少一个分馏柱，并具有将进料空气送入以及将产品送出该装置的设备，所述分馏柱至少其一具有多个柱段并具有传质元件，在至少其二柱段中的传质元件是结构填料，其特征在于，在第一柱段的结构填料的填料密度与该柱的第二柱段中结构填料的填料密度有所不同。

本发明的另一个方面是：

含至少二个具不同挥发性的组分的混合物的分离方法，其中组分之一是氧，分离后成为富含具较第二组分更高挥发性的第一组分的第一部分，以及富含第二组分的第二部分，该方法包括将该混合物送入一个分馏柱，该柱具多个柱段和所具有的传质元件在至少二个柱段是结构填料，其特征在于，其中第一柱段的结构填料的填料密度与第二柱段中结构填料的填料密度有所不同；还包括从该柱中取出至少一些该第一部分和至少一些该第二部分。

此处所用“柱”一词是指一个蒸馏或分馏区，即一个接触柱或区，其中的液相与汽相逆流接触，使流体混合物分离，例如，使汽相与液相在该柱内的填料元件上或竖向隔开安装的多个塔盘或塔板上进行接触。关于分馏柱的进一步叙述请见：ChemicalEngineers’Handbook,Fifth Edition,edited by R.H.Perry andC.H.Chilton,McGraw-Hill Book Company,New York,Section13,“Distillation”B.D.Smith,et al.,page 13-3 TheContinuous Distillation Process.此处所用“双柱”一词是指一种高压分馏柱，其上部是与下部的低压柱处于热交换关系。关于双柱的进一步叙述，请见：“The Separationof Gases”,OxfordUniversity Press,1949,Chapter Ⅶ,Commercial AirSeparation.

此处所用“氩柱”是指在柱中上流的蒸汽通过与下流的液体逆流接触而逐渐富含氩，并从该柱取出氩产品。

此处所用“HETP”是指所产生的组成变化相当于一个理论板达到的组成变化时的填料高度。

此处所用“理论板”是指蒸汽与液体相接触后使得出去的蒸汽与液体流处于平衡的接触过程。

此处所用“结构填料”是指在填料中，其个别元件相对于其他元件以及相对于该柱的轴心是呈特定方向取向的。结构填料的实例见之于US2047444的Stedman填料，见之于Ellis等，Trans.Instn.Chem.Engrs.,41,1963的Goodloe填料，还有近来研制的结构填料如Huber的US4186159、Meicr的US4296050、Lockett等的US4929399中所披露者。

此处所用“柱段”是指该柱中，填装了该柱直径的一个区段。当蒸汽或液体从该柱取出或进入该柱时，一个特定区的顶或底结束。

此处所用“填料密度”是指单位体积填料中，可用的表面面积。

此处所用“正常设计点的泛液百分率”是指在设计点即正常操作条件的该蒸汽水力负荷乘以100，再除以在泛液点该蒸汽的水力负荷，泛液点即该柱开始泛液并且该柱不可能在高于该点的条件操作。

此处所用“不同填料密度”是指一个填料密度与参比填料密度相比其差异为每立方米至少50平方米。

此处所用“负荷下限(turndown limit)”是指蒸汽水力负荷再低就使分离效率显著变差的数值乘以100，再除以设计点的蒸汽水力负荷。