專利名稱：大氣氣體分離法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在含一個或多個柱的蒸餾柱體系中低溫分離大氣氣體混合物的方法，更具體地說，本發(fā)明涉及這樣一種方法，即通過使用結(jié)構(gòu)填料使混合物的下降液體和上升氣體相接觸而有效地達(dá)到大氣氣體混合物組份間的分離的方法。
大氣氣體混合物，即存在于空氣中的氣體混合物或空氣本身如氮?dú)?、氧氣、氬氣等，是在最佳化的制造所需要的大氣氣體組份的各種低溫蒸餾體系中被分離的。典型的做法是，通過使用一種低溫蒸餾柱體系，先在其中將空氣進(jìn)行壓縮和純化，然后冷至其露點(diǎn)或接近其露點(diǎn)的低溫，從而將作為大氣氣體混合物的空氣精煉成其各種組份。冷卻過的空氣被引入至一蒸餾柱，真正的分離是在此中進(jìn)行的。引入蒸餾柱時，揮發(fā)性較高的組份如氮?dú)?，在揮發(fā)性較低的組份如氧氣之前沸騰，形成一個上升氣體相。將部分上升氣體相進(jìn)行冷凝使其在柱中回流，從而形成一個下降液體相。下降液體相經(jīng)由種種眾所周知的接觸單元而與上升氣體進(jìn)行接觸，因而使較低揮發(fā)性組份在液體相中變得更濃，而使較高揮發(fā)性組份在上升氣體相中變得更濃。
蒸餾柱體系可以是單柱的，以產(chǎn)生氣體氮產(chǎn)物;或是包含一系列柱的，以進(jìn)一步精煉空氣而獲得產(chǎn)物氮?dú)?，氧氣和氬氣，也可使用更多的柱以進(jìn)一步進(jìn)行分離而獲得空氣的其它組份。
用于使混合物的下降液體與上升氣體相接觸的液氣接觸單元可由各種填料，盤，板等充當(dāng)。結(jié)構(gòu)填料由于其低的壓降特性而成為通用的大氣氣體混合物低溫分離中的液-氣接觸單元，實現(xiàn)這種低的壓降特性的好處在于能量費(fèi)用較低，產(chǎn)量較高等。結(jié)構(gòu)填料的缺點(diǎn)是，與常規(guī)的板和盤相比，其基建投資較高。
在已有文獻(xiàn)中，一種長久固有的觀點(diǎn)是，在高壓范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)填料的性能會變差，正如下面將要討論的，本發(fā)明者發(fā)現(xiàn)，當(dāng)被分離的混合物為一大氣氣體的混合物時，結(jié)構(gòu)填料的性能會隨壓力的升高而提高，這個事實可應(yīng)用于制造先前認(rèn)為該使用的體積較低的結(jié)構(gòu)填料。具有較高生產(chǎn)能力的柱而使用體積比減少結(jié)構(gòu)填料的體積將會減少涉及制造蒸餾柱的基建費(fèi)用。
本發(fā)明涉及在含至少一個蒸餾柱的蒸餾柱體系中低溫分離大氣氣體混合物的方法，按該方法，在至少一個蒸餾柱中形成大氣氣體混合物的下降液體和上升氣體相。通過包含于至少一個蒸餾柱的至少一個段內(nèi)的結(jié)構(gòu)填料使混合物下降液體和上升氣體相接觸，應(yīng)予指出，在此處和在權(quán)利要求中所用的術(shù)語，即蒸餾柱的“段”，是指位于柱的一個進(jìn)口和一個出口或兩個進(jìn)口或兩個出口之間的蒸餾柱的一個區(qū)域。蒸餾柱的段包含兩個或多個以文獻(xiàn)中眾所周知的方式定向排列成彼此互成直角的結(jié)構(gòu)填料單元及相關(guān)的硬件如支撐板和液體分配器。作為兩相通過結(jié)構(gòu)填料的結(jié)果，下降的液相在通過結(jié)構(gòu)填料時，其所含混合物中的較低揮發(fā)性組份變得愈來愈濃，而上升的氣相在通過結(jié)構(gòu)填料時，其所含混合物中的較高揮發(fā)性組份則變得愈來愈濃。這種根據(jù)其揮發(fā)性以進(jìn)行組份的分離可達(dá)到低溫分離的目的。低溫蒸餾柱是這樣進(jìn)行的，即至少一段的壓力大于約2絕對巴，且流動參數(shù)在約0.01～0.1的范圍內(nèi)或大于約0.1。流動參數(shù)ψ為CL除以CV的商，其中CV為上升蒸氣相的蒸氣速率，CL為下降液體相的液體速率。操作低溫蒸餾柱體系，使蒸氣速率小于臨界蒸氣速率，而大于最小蒸氣速率;臨界蒸氣速率是指在該速率時至少有一個蒸餾柱段發(fā)生溢流的速率。
作為本發(fā)明的一個方面，結(jié)構(gòu)填料由比面積在約100m2/m3至約450m2/m3范圍內(nèi)的波紋狀金屬片構(gòu)成，其流動槽定向排列成約30°-約45°角。在這一點(diǎn)上，此處和權(quán)利要求中的流動槽的取向是相對于柱軸而言的，后者在大部分結(jié)構(gòu)填料裝置中是垂直的。對于這種填料而言，最小蒸氣速率，當(dāng)ψ在范圍內(nèi)(約0.01-0.1)時，約為exp[-0.0485(lnψ)2-0.595lnψ-3.176-0.00169A]，當(dāng)ψ大于0.1時，約為0.054e-0.00169Aψ-0.372，其中A為所述結(jié)構(gòu)填料的比面積。
作為本發(fā)明的另一個方面，結(jié)構(gòu)填料由比面積在約450m2/m3-約1000m2/m3范圍內(nèi)的波紋狀金屬片構(gòu)成，其流動槽定向排列成約30°-約45°角。對于這種填料而言，最小蒸氣速率，當(dāng)ψ在所述范圍內(nèi)(約0.01-0.1)時，約為exp[-0.0485(lnψ)2-0.595lnψ-3.748-0.000421A]，當(dāng)ψ大于0.1時，約為0.0305e-0.000421Aψ-0.372，其中A為所述結(jié)構(gòu)填料的比面積。
作為本發(fā)明的又一個方面，結(jié)構(gòu)填料由比面積在約170m2/m3-約250m2/m3范圍內(nèi)的波紋狀金屬片構(gòu)成，其流動槽定向排列成約30°或更小角。對于這種結(jié)構(gòu)填料而言，最小蒸氣速率，當(dāng)ψ在所述范圍內(nèi)(約0.01-0.1)時，約為exp[-0.0485(lnψ)2-0.595lnψ-2.788-0.00236A]，當(dāng)ψ大于0.1時，約為0.0795e-0.00236Aψ-0.372，其中A為所述結(jié)構(gòu)填料的比面積。
作為本發(fā)明的另一個方面，結(jié)構(gòu)填料由比面積在約250m2/m3-約1000m2/m3范圍內(nèi)的波紋狀金屬片構(gòu)成，其流動槽定向排列成約30°或更小角。對于這種結(jié)構(gòu)填料而言，最小蒸氣速率，當(dāng)ψ在所述范圍內(nèi)(約0.01-0.1)時，約為exp[-0.0485(lnψ)2-0.595lnψ-3.156-0.000893A]，當(dāng)ψ大于0.1時，約為0.05515e-0.00236Aψ-0.372，其中A為所述結(jié)構(gòu)填料的比面積。
本發(fā)明的還有一個方面是提供一種用含至少一個柱的蒸餾柱體系低溫分離大氣氣體混合物的方法，其中至少一個蒸餾柱是在約3.5絕對巴-約7.5絕對巴范圍內(nèi)的壓力下操作的。在該至少一個蒸餾柱中有大氣氣體混合物的下降液體和上升氣體相形成。通過包含于至少一個蒸餾柱中的至少一個段內(nèi)的具有填充密度約為750m2/m3以及流動槽定向排列成約45°角的結(jié)構(gòu)填料使混合物的下降液體和上升氣體在其中進(jìn)行接觸。由于接觸，下降液體相在下降通過結(jié)構(gòu)填料時，其所含混合物較低揮發(fā)性組份的濃度會變得愈來愈濃，而上升氣體相在上升通過結(jié)構(gòu)填料時，其所含混合物較高揮發(fā)性組份的濃度會變得愈來愈濃，由此達(dá)到有效的低溫分離。大氣氣體混合物的液體和氣體相要通過這樣高度的結(jié)構(gòu)填料以進(jìn)行接觸，那就是使液體和氣體相分別含預(yù)定濃度的混合物的較低和較高揮發(fā)性組份，而這一結(jié)構(gòu)填料的高度約等于獲得預(yù)定濃度的較低和較高揮發(fā)性組份的理論段數(shù)與下列和之乘積0.181與至少一個柱內(nèi)的壓力×(-0.00864)之和。
本發(fā)明還有一個方面是，至少一個蒸餾柱可在約7.5-約20絕對巴范圍內(nèi)的壓力下操作，在這種情況下，大氣氣體混合物將要通過與之接觸的結(jié)構(gòu)填料的高度約等于獲得預(yù)定濃度的較低和較高揮發(fā)性組份的所需理論段數(shù)與0.116的乘積。
已有的文獻(xiàn)認(rèn)為結(jié)構(gòu)填料的性能在較高壓力下會降低，本案申請人發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)填料的性能視所分離的混合物而定。就混合物為一大氣氣體混合物而言，發(fā)現(xiàn)蒸餾柱中結(jié)構(gòu)填料的性能實際上能隨壓力的升高而提高。例如，對于密度為750m2/m3的結(jié)構(gòu)填料，已有文獻(xiàn)數(shù)據(jù)指出在由式exp[-4.064-0.595lnψ-0.0485(lnψ)2]給出的操作包絡(luò)線(envelope)上有個上限。已有文獻(xiàn)中認(rèn)為，若任一蒸餾柱段在高于上述該上限下操作，該段將溢流。當(dāng)壓力約為2巴或更小時可獲得上述上限。已有文獻(xiàn)指出，高于約2巴時，性能會被破壞，且不能獲得該上限。
申請人發(fā)現(xiàn)對于由波紋狀金屬片制成的且其填充密度例如為750m2/m3的結(jié)構(gòu)填料，當(dāng)被分離的混合物含大氣氣體且當(dāng)壓力高于約2巴時，上述已有文獻(xiàn)的上限并不是這種結(jié)構(gòu)填料的操作包絡(luò)線的界限。
在此處和在權(quán)利要求書中所用的蒸氣速率CV是密度法的表面氣體速度，該氣體速度是表面氣體速度與(氣體密度/液體密度-氣體密度)的平方根的乘積。表面速度是通過柱的基于質(zhì)量流動速率的平均速度。因此，若在高于2巴下操作柱，且被分離的混合物為一大氣氣體混合物時，通過柱的質(zhì)量流動速度會遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于已有文獻(xiàn)所認(rèn)為者?；蛘撸瑢τ谝粋€柱所需的某一給定的質(zhì)量流動速率，可將柱設(shè)計成具有細(xì)得多的橫截面，因而在該面積內(nèi)就會有比與根據(jù)本技術(shù)領(lǐng)域中的已有學(xué)說所預(yù)料的較高的表面速度。柱的較細(xì)橫截面的結(jié)果是，使用比規(guī)定使用體積較小的結(jié)構(gòu)填料。因此，可在制造需要指定性能的蒸餾柱中實現(xiàn)費(fèi)用的節(jié)省。進(jìn)一步要指出的是，在較高壓力下，不僅可將柱造得細(xì)些，而且可以造得比已有文獻(xiàn)所想象的更短些。這是因為HETP即等板高度隨柱壓升高而下降的原因。因此，本發(fā)明打算在大氣氣體混合物所需的結(jié)構(gòu)填料的體積中作一種二維節(jié)省。
必須指出的是，在此處和在權(quán)利要求中所用的所有高度都以米表示，所有速率如液體和蒸氣速率都以米/秒表示。另外，所有壓力都以絕對巴表示，所有比面積都以米2/米3表示。進(jìn)一步要指出的是，盡管許多實驗都是用Sulzer兄弟有限公司(Sulzer Brothers Limited)供應(yīng)的結(jié)構(gòu)填料進(jìn)行的，本發(fā)明對于得自其它制造商的結(jié)構(gòu)填料有同樣的可適用性。
在與以權(quán)利要求作為其結(jié)束的說明書清楚地指出申請人視作其發(fā)明的題材的同時，再結(jié)合下述附圖相信定將使本發(fā)明得到更好的理解。


圖1為使用來自Sulzer兄弟有限公司的MELLAPAK 750.Y填料的Souders圖，該圖表示了已有文獻(xiàn)中的性能包絡(luò)線相對于使用于本發(fā)明中的性能包絡(luò)線。
圖2為按本發(fā)明設(shè)計的蒸餾柱體系。
參照圖1，曲線1代表在小于或等于約2巴的壓力下已有文獻(xiàn)中的使用MELLAPAK 750. Y填料(來自Sulzer兄弟有限公司，CH-8401，Winterthur，瑞士)的Souders圖。這種結(jié)構(gòu)填料及在本專利中提及的任何結(jié)構(gòu)填料均由波紋狀金屬片構(gòu)成。這種填料的比面積約750m2/m3，且含其流動槽定向排列成45°角。沿此曲線，對于某一給定的液體速率，蒸氣速度是固定的。若蒸氣速率增加至高于該曲線中所給定的值，填料應(yīng)處于溢流狀態(tài)。那就是，填料中的上升蒸氣相帶走相當(dāng)數(shù)量的下降液體相，或在極端情況下，上升蒸氣相將阻止液體相下降通過填料，這根曲線的近似方程式，當(dāng)ψ在約0.01-約0.1的范圍內(nèi)時，為Cv＝exp[-4.064-0.595lnψ-0.0485(lnψ)2]，當(dāng)ψ大于0.1時，為CV＝0.02233ψ-0.037。如上所述，ψ等于CL/CV，為了舉例起見，曲線2和3分別代表按本發(fā)明的在4和6巴操作壓力下分離一大氣氣體混合物時的750.Y結(jié)構(gòu)填料的Souders圖。后兩根曲線明顯地表明，結(jié)構(gòu)填料的性能已隨壓力的升高而提高。曲線2的近似方程式，當(dāng)ψ在約0.01-約0.1的范圍內(nèi)時，為Cv＝exp[-3.885-0.595lnψ-0.0485(lnψ)2]，當(dāng)ψ大于0.1時，為CV＝0.0266ψ-0.372。同樣地，曲線3的近似方程式，當(dāng)ψ在約0.01-約0.1的范圍內(nèi)時，為Cv＝exp[-3.753-0.595lnψ-0.0485(lnψ)2]，當(dāng)ψ大于0.1時，為CV＝0.03033ψ-0.372。
上述諸曲線意味著，若在至少2巴下操作類似的填料，且被分離的混合物為大氣氣體之一時，作為最低極限可沿曲線1加以操作。而作為最高極限可在填料或柱是溢流時的臨界蒸氣速率下加以操作。該臨界蒸氣速率可由實驗確定，且在操作實踐中根據(jù)所用的柱對照而取一個接近于溢流狀態(tài)時的值，典型地，臨界蒸氣速率約為溢流時的實際蒸氣速率的80%。然而，若在4巴下操作填料或柱，如上所討論過的類型的填料的臨界蒸氣速率的上限為曲線2，若在6巴下操作填料，則為曲線3。又，這些結(jié)果是當(dāng)被分離的混合物為一大氣氣體混合物，填料由波紋狀金屬片制成，且流動槽呈45°角時獲得的。因此，可將柱設(shè)計成在比已有文獻(xiàn)中的柱更大的生產(chǎn)量下操作，或設(shè)計成比用已有文獻(xiàn)設(shè)計更小體積的結(jié)構(gòu)填料進(jìn)行操作。
申請人已發(fā)現(xiàn)了除750.Y結(jié)構(gòu)填料以外的，具有其它填充密度和其它流動槽角度的其它結(jié)構(gòu)填料(由波紋狀金屬片制成，在高于2絕對巴下操作，用于大氣氣體的分離)的類似改進(jìn)。例如，比面積在約100m2/m3-約450m2/m3范圍內(nèi)，流動槽以約30°-45°角定向排列的結(jié)構(gòu)填料。在最低極限，柱可被操作成使通過這種填料的蒸氣速率，當(dāng)ψ在約0.01-0.1的范圍內(nèi)時，約為exp[-0.0485(lnψ)2-0.595lnψ-3.176-0.00169A]，當(dāng)ψ大于0.1時，約為0.054e-0.00169Aψ-0.372。對于比面積在約450m2/m3-約1000m2/m3范圍內(nèi)，且流動槽以約30°-45°角定向排列的結(jié)構(gòu)填料，柱可被操作于使通過這種填料的最小蒸氣速率，當(dāng)ψ在上述范圍內(nèi)(約0.01-0.1)時，約為exp[-0.0485(lnψ)2-0.595lnψ-3.748-0.000421A]，而當(dāng)ψ大于0.1時，約為0.0305e-0.000421Aψ-0.372。對于比面積在約170m2/m3-約250m2/m3的范圍內(nèi)，且流動槽以約30°或更小角定向排列的結(jié)構(gòu)填料，可予接受的最小蒸氣速率，當(dāng)ψ在上述范圍內(nèi)(約0.01-0.1)時，約為exp[-0.0485(lnψ)2-0.595lnψ-2.788-0.00236A]，而當(dāng)ψ大于0.1時，約為0.0305e-0.00236Aψ-0.372。最后，對于比面積在約250m2/m3-約1000m2/m3的范圍內(nèi)，且流動槽以約30°或更小角定向排列的結(jié)構(gòu)填料，可使柱的最小蒸氣速率處于，當(dāng)ψ在上述范圍內(nèi)(約0.01-0.1)時，約為exp[-0.0485(lnψ)2-0.595lnψ-3.156-0.000893A]，而當(dāng)ψ大于0.1時，約為0.0551e-0.000893Aψ-0.372。在所有上述量中，A為以m2/m3表示的填料的比面積。
除有關(guān)液體和蒸氣速率性能外，申請人還發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)填料的分離性能也隨柱壓的升高而提高，在約3.5巴-7.5巴范圍內(nèi)的壓力下，750.Y填料的HETP(等板高度)約為0.181加上-0.00864與壓力的乘積。對于在約7.5-約20巴范圍內(nèi)的壓力下，發(fā)現(xiàn)HETP約為0.116米。因此，對于某一給定的分離，所需的理論段數(shù)乘以上述HETP值將等于所需的填料高度。在已有文獻(xiàn)中，HETP被認(rèn)為是隨壓力的升高而提高的。而從本發(fā)明可以看出HETP隨壓力的升高而減小，然后趨平而達(dá)一常數(shù);該處待分離的混合物為一含大氣氣體混合物的混合物。
參照圖2，所示的是個蒸餾柱體系10。然而，應(yīng)明白的是，本發(fā)明同樣可使用于其它類型的蒸餾柱體系，例如，生產(chǎn)氮?dú)夂脱鯕猱a(chǎn)物的含高壓和低壓柱的雙柱體系，用于生產(chǎn)氬氣的三柱體系等。
在蒸餾柱體系10中，在壓縮器11中壓縮進(jìn)入的空氣，由壓縮器11產(chǎn)生的壓縮熱被后面的冷卻器12帶走。隨后空氣被送入預(yù)純化單元14，該單元可由兩個或多個相位有差別的吸收床組成，以吸收二氧化碳，水和烴。所得的空氣流16在主要熱交換器分段18和20中冷至其露點(diǎn)或接近其露點(diǎn)，并被分開成兩股次空氣流22和24。將次空氣流22引至蒸餾柱26的底部，進(jìn)行精煉。次空氣流24在再冷卻器27中低溫冷卻，然后以液體形式引入蒸餾柱26的合適的中間段。
通過引入次空氣流22，蒸餾柱26中產(chǎn)生上升蒸氣相。通過移走氮?dú)馑斄?8，并在頂冷凝器30中冷凝氮?dú)馑斄?8以獲得一回流流32，從而產(chǎn)生下降液體相。一部分回流流32回到蒸餾柱26中，從蒸餾柱26中抽出柱底流34，通過Joule-Thompson(J-T)閥36膨脹至低溫和低壓。然后，膨脹過的柱底流34進(jìn)入頂冷凝器30以冷凝氮?dú)馑斄?8。在再冷卻器27中局部加熱含高純度氮?dú)獾漠a(chǎn)物流38(加熱至蒸餾柱操作溫度和主要熱交換器冷端之間的某一溫度)，然后在主要熱交換器段18和20中全面加熱之。在再冷卻器27中局部加熱用參考號碼40表示的蒸發(fā)了的柱底流，然后在主要熱交換器段18和20中加以充分加熱。
正如所有的低溫空氣分離車間那樣，向車間內(nèi)的熱滲漏需要致冷，在本實施例中，將流40分成兩股分流42和44，分流44在主要熱交換器的段20中進(jìn)行局部加熱，然后將其與分流42合并。然后使合并后的流進(jìn)入渦輪膨脹器46中。流48從合并后的，進(jìn)入渦輪膨脹器46中的流中抽出并在Joule-Thompson(J-T)閥50中膨脹。流48經(jīng)膨脹后與從渦輪膨脹器46排氣口排出的膨脹過的流合并，獲得致冷流52，在再冷卻器27中將致冷流52進(jìn)行局部加熱，并在主要熱交換器的分段18和20中充分加熱之，以降低進(jìn)料空氣的焓。
下表為蒸餾柱體系10的一個可能操作的計算實施例。
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蒸餾柱26使用標(biāo)記為Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ的三段結(jié)構(gòu)填料。在該實施例中，使用密度為750m2/m3的填料以形成這些段，這種填料可為來自Sulzer兄弟有限公司的750.Y。在此設(shè)計中，段Ⅰ約含27個理論段，段Ⅱ約含26個理論段，及階段Ⅲ含約6個理論段，下表為按本發(fā)明的各段性能和CL的計算值，及填料高度。
下表為按已有文獻(xiàn)的以CV為溢流極限而設(shè)計的蒸餾柱26的柱性能。
若將上述兩張表相比，按段與段相比較，蒸餾柱中的最大蒸氣速率，即在溢流時的蒸氣速率，按本發(fā)明操作時高于已有文獻(xiàn)值。同樣地，在每段蒸餾柱中，按本發(fā)明操作時的蒸餾柱中的HETP小于已有文獻(xiàn)值。如前所述，在可使給定體積的結(jié)構(gòu)填料有更大的生產(chǎn)量或在對于某一給定柱性能的結(jié)構(gòu)填料的體積有所減少中體會到這些優(yōu)點(diǎn)，這里，應(yīng)適當(dāng)?shù)刈⒁獾缴媳碇邪ā癈V設(shè)計”和“%溢流”這二欄的內(nèi)容，給出這些數(shù)據(jù)是因為蒸餾柱通常是不在溢流下操作的，更確切地說，通常將它們設(shè)計成并操作于接近溢流的基準(zhǔn)，該處的CV約為溢流的80%。同樣應(yīng)提及的是“L”和“V”二項為液體和蒸氣的平均體積流動速率。
設(shè)定如圖1所要求性能，下表概括了與按已有文獻(xiàn)法操作的蒸餾柱26相比，操作按本發(fā)明設(shè)計的蒸餾柱26時可能的結(jié)構(gòu)填料體積的節(jié)省。
相對與已有文獻(xiàn) 正如從上表可以看出的，大約一半的填料需用于按本發(fā)明操作和設(shè)計的柱，優(yōu)于按已有文獻(xiàn)操作和設(shè)計的同樣的柱。
盡管本發(fā)明已經(jīng)用優(yōu)選的實施例加以描述，但須明白的是，由那些本技術(shù)領(lǐng)域中的技術(shù)熟練者對其所作的多種增加，省略和改變都不偏離本發(fā)明的領(lǐng)域和范圍。
權(quán)利要求
1.一種在含至少一個蒸餾柱的蒸餾柱體系中低溫分離大氣氣體混合物的方法，其特征在于，所述方法包含在所述的至少一個蒸餾柱中形成所述大氣氣體的所述混合物的下降液體相和上升氣體相；在包含于所述的至少一個蒸餾柱的至少一個段中的結(jié)構(gòu)填料中使所述混合物的所述下降液體相和上升氣體相接觸，使所述混合物的較低揮發(fā)性組份在所述下降液體相中于其下降通過所述結(jié)構(gòu)填料時變得愈來愈濃，所述混合物的較高揮發(fā)性組份在所述氣體相中于其上升通過所述結(jié)構(gòu)填料時變得愈來愈濃；所述的結(jié)構(gòu)填料由比面積在約100m2/m3-約450m2/m3范圍內(nèi)的波紋狀金屬片構(gòu)成，且其流動槽定向排列成約30°-45°角；和操作柱，使至少一個段的壓力大于約2巴；使等于CL/CV的流動參數(shù)ψ在約0.01-約0.1的范圍內(nèi)或大于0.1，其中CV為上升氣體相的蒸氣速率和CL為下降液體相的液體速率；使蒸氣速率小于在所述蒸餾柱的所述至少一個段呈溢流時的臨界蒸氣速率而大于一個最小蒸氣速率，該最小蒸氣速率，當(dāng)ψ在所述范圍(約0.01-0.1)內(nèi)時，約等于exp[-0.0485(lnψ)2-0.595lnψ-3.176-0.00169A]，當(dāng)ψ大于0.1時，則約等于0.054e-0.00169Aψ-0.372，式中A為所述結(jié)構(gòu)填料的比面積。
2.一種在含至少一個蒸餾柱的蒸餾柱體系中低溫分離大氣氣體混合物的方法，其特征在于，所述方法包含在所述的至少一個蒸餾柱中形成所述大氣氣體的所述混合物的下降液體相和上升氣體相;在包含于所述的至少一個蒸餾柱的至少一個段中的結(jié)構(gòu)填料中使所述混合物的所述下降液體相和上升氣體相接觸，使所述混合物的較低揮發(fā)性組份在所述下降液體相中于其下降通過所述結(jié)構(gòu)填料時變得愈來愈濃，所述混合物的較高揮發(fā)性組份在所述氣體相中于其上升通過所述結(jié)構(gòu)填料時變得愈來愈濃;所述的結(jié)構(gòu)填料由比面積在約450m2/m3-約1000m2/m3范圍內(nèi)的波紋狀金屬片構(gòu)成，其流動槽定向排列成約30°-45°角;和操作柱，使至少一個段的壓力大于約2巴;使等于CL/Cv的流動參數(shù)ψ在約0.01-約0.1的范圍內(nèi)或大于0.1，其中Cv為上升氣體相的蒸氣速率和CL為下降液體相的液體速率;使蒸氣速率小于在所述蒸餾柱的所述至少一個段呈溢流時的臨界蒸氣速率而大于一個最小蒸氣速率，該最小蒸氣速率，當(dāng)ψ在所述范圍(約0.01-0.1)時，約等于exp[-0.0485(lnψ)2-0.595lnψ-3.748-0.000421A]，當(dāng)ψ大于0.1時，則約等于0.0305e-0.000421ψ-0.372，式中A為所述結(jié)構(gòu)填料的比面積，
3.一種在含至少一個蒸餾柱的蒸餾柱體系中低溫分離大氣氣體混合物的方法，其特征在于，所述方法包含在所述的至少一個蒸餾柱中形成所述大氣氣體的所述混合物的下降液體相和上升氣體相;在包含于所述的至少一個蒸餾柱的至少一個段中的結(jié)構(gòu)填料中使所述混合物的所述下降液體相和上升氣體相接觸，使所述混合物的較低揮發(fā)性組份在所述下降液體相中于其下降通過所述結(jié)構(gòu)填料時變得愈來愈濃，所述混合物的較高揮發(fā)性組份在所述氣體相中于其上升通過所述結(jié)構(gòu)填料時變得愈來愈濃;所述的結(jié)構(gòu)填料由比面積在約170m2/m3-約250m2/m3范圍內(nèi)的波紋狀金屬片構(gòu)成，其流動槽定向排列成約30°或更小角;和操作柱，使至少一個段的壓力大于約2巴;使等于CL/CV的流動參數(shù)ψ在約0.01-約0.1的范圍內(nèi)或大于0.1，其中CV為上升氣體相的蒸氣速率和CL為下降液體相的液體速率;使蒸氣速率小于在所述蒸餾柱的所述至少一個段呈溢流時的臨界蒸氣速率而大于一個最小蒸氣速率，該最小蒸氣速率，當(dāng)ψ在所述范圍(約0.01-0.1)內(nèi)時，約為exp[-0.0485(lnψ)2-0.595lnψ-2.788-0.00236A]，當(dāng)ψ大于0.1時，則約等于0.0796e-0.00236Aψ-0.372，式中A為所述結(jié)構(gòu)填料的比面積。
4.一種在含至少一個蒸餾柱的蒸餾柱體系中低溫分離大氣氣體混合物的方法，其特征在于，所述方法包含在所述的至少一個蒸餾柱中形成所述大氣氣體的所述混合物的下降液體相和上升氣體相;在包含于所述的至少一個蒸餾柱的至少一個段中的結(jié)構(gòu)填料中使所述混合物的所述下降液體相和上升氣體相接觸，使所述混合物的較低揮發(fā)性組份在所述下降液體相中于其下降通過所述結(jié)構(gòu)填料時變得愈來愈濃，所述混合物的較高揮發(fā)性組份在所述氣體相中于其上升通過所述結(jié)構(gòu)填料時變得愈來愈濃;所述的結(jié)構(gòu)填料由比面積在約250m2/m3-約1000m2/m3范圍內(nèi)的波紋狀金屬片構(gòu)成，其流動槽定向排列成約30°或更小角;和操作柱，使至少一個段的壓力大于2巴;使等于CL/CV的流動參數(shù)ψ在約0.01-約0.1的范圍內(nèi)或大于0.1，其中CV為上升氣體相的蒸氣速率和CL為下降液體相的液體速率;使蒸氣速率小于在所述蒸餾柱的所述至少一個段呈溢流時的臨界蒸氣速率而大于一個最小蒸氣速率，該最小蒸氣速率，當(dāng)ψ在所述范圍(約0.01-0.1)內(nèi)時，約等于exp[-0.0485(lnψ)2-0.595lnψ-3.156-0.000893A]，當(dāng)ψ大于0.1時，則約等于0.05515e-0.000893Aψ-0.372，式中A為所述結(jié)構(gòu)填料的比面積。
5.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)填料的填充密度約為750m2/m3，且含以約45°角定向排列的流動槽;所述的至少一個段的壓力為約4巴;和所述臨界蒸氣速率，當(dāng)ψ在所述范圍(約0.01-0.1)內(nèi)時約等于exp[-0.0485(lnψ)2-0.595lnψ-3.885]，當(dāng)ψ大于0.1時則約等于0.0266ψ-0.372
6.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)填料的填充密度約為750m2/m3，且含以約45°角定向排列的流動槽;所述的至少一個段的壓力為約6巴;和所述臨界蒸氣速率，當(dāng)ψ在所述范圍(約0.01-0.1)內(nèi)時約等于exp[-0.0485(lnψ)2-0.595lnψ-3.753]，當(dāng)ψ大于0.1時則約等于0.03033ψ-0.372
7.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)填料的填充密度約為750m2/m3，且含以約45°角定向排列的流動槽;所述的壓力在約3.5巴-約7.5巴的范圍內(nèi);和在所述蒸餾柱的所述至少一個段中，讓所述混合物的所述液體相和氣體相穿過某一高度的所述結(jié)構(gòu)填料而進(jìn)行接觸，使所述液體相和氣體相所含所述混合物的較低和較高揮發(fā)性組份分別達(dá)到預(yù)定的所述較低和較高揮發(fā)性組份濃度，所述結(jié)構(gòu)填料的高度近似等于獲得所述預(yù)定濃度的所述較低和較高揮發(fā)性組份所需的理論段和一個量的乘積，該量等于0.181加上[所述壓力×(-0.00864)]之和。
8.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)填料的填充密度約為750m2/m3，且含以約45°角定向排列的流動槽;所述的壓力在約7.5巴-約20巴的范圍內(nèi);和在所述蒸餾柱的所述至少一個段中，讓所述混合物的所述液體相和氣體相穿過某一高度的所述結(jié)構(gòu)填料而進(jìn)行接觸，使所述液體相和氣體相所含所述混合物的較低和較高揮發(fā)性組份分別達(dá)到預(yù)定的所述較低和較高揮發(fā)性組份濃度，所述結(jié)構(gòu)填料的高度近似等于獲得所述預(yù)定濃度的所述較低和較高揮發(fā)性組份所需的理論段和0.116的乘積。
9.一種在含至少一個蒸餾柱的蒸餾柱體系中低溫分離大氣氣體混合物的方法，其特征在于，所述方法包含在約3.5巴-約7.5巴范圍內(nèi)的壓力下操作所述蒸餾柱;在所述的至少一個蒸餾柱中形成所述大氣氣體的所述混合物的下降液體相和上升氣體相，和在包含于所述的至少一個蒸餾柱的至少一個段中的結(jié)構(gòu)填料中使所述混合物的所述下降液體相和上升氣體相接觸，所述結(jié)構(gòu)填料的填充密度約為750m2/m3，且具有以約45°角定向排列的流動槽，使所述混合物的較低揮發(fā)性組份在所述下降液體相中于其下降通過所述結(jié)構(gòu)填料時變得愈來愈濃，所述混合物的較高揮發(fā)性組份在所述氣體相中于其上升通過所述結(jié)構(gòu)填料時變得愈來愈濃;讓所述大氣氣體混合物的所述液體相和氣體相穿過某一高度的所述結(jié)構(gòu)填料而進(jìn)行接觸，使所述液體相和氣體相所含所述混合物的較低和較高揮發(fā)性組份分別達(dá)到預(yù)定的濃度，所述結(jié)構(gòu)填料的以米表示的高度近似等于獲得所述預(yù)定濃度的所述較低和較高揮發(fā)性組份所需的理論段數(shù)與一個量的乘積，該量等于0.181加上[所述壓力×(-0.00864)]之和。
10.一種在含至少一個蒸餾柱的蒸餾柱體系中低溫分離大氣氣體混合物的方法，其特征在于，所述方法包含在約7.5巴-約20巴范圍內(nèi)的壓力下操作所述蒸餾柱;在所述的至少一個蒸餾柱中形成所述大氣氣體的所述混合物的下降液體相和上升氣體相;和在包含于所述的至少一個蒸餾柱的至少一個段中的結(jié)構(gòu)填料中使所述混合物的所述下降液體相和上升氣體相接觸，所述結(jié)構(gòu)填料的填充密度約為750m2/m3，且具有以約45°角定向排列的流動槽，使所述混合物的較低揮發(fā)性組份在所述下降液體相中于其下降通過所述結(jié)構(gòu)填料時變得愈來愈濃，所述混合物的較高揮發(fā)性組份在所述氣體相中于其上升通過所述結(jié)構(gòu)填料時變得愈來愈濃，由此達(dá)到有效的所述低溫分離;讓所述大氣氣體混合物的所述液體相和氣體相穿過某一高度的所述結(jié)構(gòu)填料而進(jìn)行接觸，使所述液體相和氣體相所含所述混合物的較低和較高揮發(fā)性組份分別達(dá)到預(yù)定的濃度，所述結(jié)構(gòu)填料的以米表示的高度近似等于獲得所述預(yù)定濃度的所述較低和較高揮發(fā)性組份所需的理論段數(shù)和0.116的乘積。
全文摘要
一種在含至少一個蒸餾柱的蒸餾柱體系中低溫分離大氣氣體混合物的方法，按該方法，待分離的大氣氣體的混合物的液體相和氣體相逆向地通過結(jié)構(gòu)填料。將柱操作于大于2巴的壓力下和在蒸氣相的某一蒸氣速率下，該蒸氣速率小于柱呈溢流時的臨界蒸氣速率而且它隨液體相的液體速率而變化。根據(jù)由實驗測得的以填料體積或柱生產(chǎn)量表面的最大柱使用度數(shù)據(jù)來確定最小和柱呈溢流時的臨界蒸氣速率。此外，以HETP表示的分離性能隨壓力的升高而提高，因此，使用比已有文獻(xiàn)值小的結(jié)構(gòu)填料高度便可做到特定的分離。
文檔編號B01D3/16GK1109965SQ9510180
公開日1995年10月11日 申請日期1995年2月11日 優(yōu)先權(quán)日1994年3月11日
發(fā)明者K·姆凱格, R·克里希納穆爾蒂 申請人:波克股份有限公司