專利名稱：蒸餾方法及蒸餾塔的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在包含結(jié)構(gòu)填料的蒸餾塔中蒸餾化合物的方法及設(shè)備。具體而言，本發(fā)明涉及這樣的方法和設(shè)備，該設(shè)備中混合物組分具有接近的相對(duì)揮發(fā)度，如從氧分離氬。尤其涉及在多層結(jié)構(gòu)填料床中進(jìn)行蒸餾，并且最下層填料床的高度小于其相鄰上層填料床高度的方法和設(shè)備。
通過(guò)將含兩種組分的氣態(tài)混合物通入蒸餾塔的底部區(qū)域，這兩種組分可在蒸餾塔中彼此分離。氣態(tài)混合物的通入引起形成上升的混合物蒸氣相。上升的蒸氣相在塔頂冷凝產(chǎn)生回流，從而引起形成下降的混合物液相。液相下降時(shí)與上升的蒸氣相在氣-液傳質(zhì)裝置如結(jié)構(gòu)的或無(wú)規(guī)則填料體系中接觸。由于這種接觸，上升蒸氣相中富集高揮發(fā)度組分，而液相富集低揮發(fā)度組分。
隨組分的相對(duì)揮發(fā)度趨于一致，組分是沸點(diǎn)接近的組分，蒸餾會(huì)更困難。為完成這樣的蒸餾，與不涉及分離具有這樣接近沸點(diǎn)的組分的蒸餾所需填料高度相比，需使用更高高度的填料。這類沸點(diǎn)接近的組分例子有氬和氧、乙苯和苯乙烯，等等。
對(duì)無(wú)規(guī)則填料或結(jié)構(gòu)填料的填充塔，對(duì)具體蒸餾所需的填料高度可通過(guò)試驗(yàn)確定。該高度基于等板高度即HETP。理論塔板數(shù)或段數(shù)可用參考需分離的具體混合物的氣-液平衡曲線的已知方式確定。然后在塔中填充充分量的填料，使與該蒸餾所需的理論塔板或段數(shù)相等。
本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在這樣的計(jì)算中必須使用安全系數(shù)，尤其在蒸餾沸點(diǎn)接近的組分時(shí)，因?yàn)檎麴s塔不會(huì)精確按照由理論計(jì)算和對(duì)特定填料的試驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)想的相同方式操作。具體而言，如果使用多層填料床，并且所有的床層等高，則最下層床的性能是所有床層中最差的。這樣蒸餾塔會(huì)更高，并因此使用的填料比最初根據(jù)理論計(jì)算和試驗(yàn)數(shù)據(jù)所設(shè)想的更多。
正如下面將討論的，本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)蒸餾沸點(diǎn)接近的組分的方法，可通過(guò)比現(xiàn)有技術(shù)更接近理論計(jì)算的塔設(shè)計(jì)進(jìn)行。
本發(fā)明提供一種將混合物通入填料塔的蒸餾方法。所述混合物包括高揮發(fā)度和低揮發(fā)度組分。填料塔的操作應(yīng)使高揮發(fā)度組分和低揮發(fā)度組分在所述填料塔中的相對(duì)揮發(fā)度在約1.05-1.8范圍。通過(guò)形成該混合物的上升和下降的氣相和液相，使氣相和液相在結(jié)構(gòu)填料中接觸，可在填料塔中蒸餾該混合物，結(jié)構(gòu)填料在填料床中的排列為所述填料床的最下層高度為其相鄰上層高度的約50-80％，該填料塔內(nèi)的填料總高度至少約為6米。
本發(fā)明第二方面提供蒸餾包含高揮發(fā)度和低揮發(fā)度組分的混合物的蒸餾塔。該蒸餾塔包括一塔體(column shell)，其上有接受所述氣體混合物的塔底進(jìn)口，排放塔頂餾出物的塔頂出口以及將回流流體通入所述蒸餾塔的塔頂進(jìn)口。結(jié)構(gòu)填料置于蒸餾塔內(nèi)，接觸該混合物的上升蒸氣相和下降液相，使上升蒸氣相富集高揮發(fā)度組分，液相下降時(shí)富集低揮發(fā)度組分。結(jié)構(gòu)填料在填料床中的排列為，最下層的填料床高度為其相鄰上層填料床高度的約50-80％，蒸餾塔中填料床總高度至少約為6米。
本發(fā)明任一方面中，最下層填料床高度約為其相鄰上層填料床高度的80％。使用三層以上的所述填料床進(jìn)行蒸餾，所述最下層床之上的各填料床層可以等高。而且，高揮發(fā)度組分是氬，低揮發(fā)度組分是氧。這種情況下，蒸餾塔是氬塔，可用于與雙塔式空氣分離裝置的低壓塔連接。
本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)當(dāng)采用這樣的方法或用上述蒸餾塔進(jìn)行蒸餾時(shí)，塔以更理想的方式運(yùn)作，因?yàn)樽钕聦哟膊灰子诎l(fā)生液體分布不良。因此塔的設(shè)計(jì)不必過(guò)于謹(jǐn)慎，可使用比現(xiàn)有技術(shù)領(lǐng)域更少的填料。降低塔的填料高度可達(dá)到更低的制造費(fèi)用。
以權(quán)利要求書(shū)來(lái)結(jié)束說(shuō)明書(shū)，各權(quán)利要求分別指出申請(qǐng)人認(rèn)為是其發(fā)明的主體，相信，當(dāng)結(jié)合參考附圖時(shí)能更好地理解本發(fā)明。


圖1是氬-氧分離的McCabe-Thiele圖；圖2是實(shí)施本發(fā)明方法的塔的示意圖。
參考圖1，是眾所周知的McCabe-Thiele圖，用于說(shuō)明氬-氧分離。盡管未說(shuō)明，實(shí)際上含氬-氧的混合物可從雙塔蒸餾裝置的低壓塔取出。含有約10％(摩爾)氬的混合物可通入氬塔。
沿X軸繪出液體中氬的摩爾分?jǐn)?shù)，沿Y軸繪出蒸氣中氬的摩爾分?jǐn)?shù)。操作線的斜率代表塔中液體與蒸氣的比值，平衡線代表平衡時(shí)存在的混合物液相和氣相的組成。液體在塔內(nèi)下降時(shí)(在圖的右上角開(kāi)始并向左移動(dòng))，由圖可決定需要多少理論段來(lái)進(jìn)行蒸餾。在所說(shuō)明的情況，在塔頂制得含98％氬的混合物。因此一塊理論段或塔板可定義為液體離開(kāi)該段時(shí)，出現(xiàn)與該液體平衡的流出蒸氣。
理論上，只要蒸餾塔含有理論段數(shù)，如McCabe-Thiele圖中所示，就能達(dá)到特定要求的蒸餾。本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這是不可能的，因?yàn)橐后w濃度可以在塔的徑向變化。這樣的變化稱作液體分布不良。通常結(jié)構(gòu)填料的排列應(yīng)使一部分填料片與相鄰填料片成90°取向，使這樣的液體分布不良作用最小。在任何填料塔(使用無(wú)規(guī)則填料或結(jié)構(gòu)填料)中，當(dāng)床層總高度超過(guò)填料制造商建議的預(yù)定值時(shí)，使用液體收集器和再分布器，以混合床層間的液體。一般這樣的再分布器利用在各位置上的孔，達(dá)到將液體均勻噴射到填料床頂部。即使有這樣的中間混合，根據(jù)所使用的分布系統(tǒng)，實(shí)際上液體中組分濃度在塔的一側(cè)高于另一側(cè)。液體分布不良的影響在最下層床發(fā)生時(shí)特別明顯，因?yàn)樗鼤?huì)引起操作線的斜率向平衡線移動(dòng)，使傳質(zhì)分離的驅(qū)動(dòng)力在填料床兩端趨于零，這又會(huì)使最下床層中有效的段幾乎沒(méi)有，并因此影響產(chǎn)量和/或產(chǎn)品純度。
本發(fā)明人還已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，塔操作在組分間的相對(duì)揮發(fā)度在約1.05-1.8范圍，塔的填料高度約為6米或更高，液體分布不良的作用會(huì)明顯影響塔的性能。在用于和空氣分離裝置相連的氬塔中發(fā)現(xiàn)這樣的操作情況，該裝置中，輸入的含氬-氧混合物含有約20％氬或更少，在40塊或更多理論段精餾，制得塔頂餾出物，含有至少約90％，更好的約98％的氬。
本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)如果填料的最下層床的大小為在其上的相鄰床層高度的約50-80％，這樣的床層中液體分布不良的可能性較小。在這方面，尤其選擇在其上相鄰床層高度的約80％。如果這樣，不必將塔設(shè)計(jì)成具有和現(xiàn)有技術(shù)中相同程度的安全系數(shù)，因此需要的總填料量較小。
參考圖2，說(shuō)明本發(fā)明的塔1。塔1有塔體10，塔體10包含填料床12、14和N+1的床，其中床N和N+1僅代表這層和上一層的填料床以進(jìn)行特定的蒸餾。填料床層間插入液體收集器和分布器16。氣態(tài)原料18來(lái)自如氬氧分離情況下的低壓塔，氣態(tài)原料進(jìn)入蒸餾塔10，產(chǎn)生上升的混合物蒸氣相。在塔頂，蒸氣含有大于98％(體積)濃度的高揮發(fā)度組分，例如氬。取出該蒸氣作為塔頂餾出物20，塔頂蒸氣20冷凝后分成產(chǎn)品流22和回到塔1的回流24。
為用本發(fā)明的床12實(shí)施本發(fā)明方法，最下層床大小應(yīng)為在床層12上的相鄰床14高度的約50-80％。床12的大小最好為床14的約80％。塔1中，在床12上使用多層床，即床14、N、N+1等。床14等各自有相同數(shù)量的段。因此床12可擁有15個(gè)段，在氬氧分離情況其中的床14和其余的床宜有約20個(gè)理論段或更多。
盡管參考?xì)逅枋霰景l(fā)明，但是對(duì)本發(fā)明領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，本發(fā)明不受這一分離的限制，如已討論的本發(fā)明具有更大的適用范圍。而且，本發(fā)明領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，在不偏離本發(fā)明精神和范圍下可以對(duì)其進(jìn)行各種修改、增加和刪除。
權(quán)利要求
1.一種蒸餾方法，包括將混合物通入填料塔，氣態(tài)混合物包括高揮發(fā)度組分和低揮發(fā)度組分；操作該填料塔，使高揮發(fā)度組分和低揮發(fā)度組分在所述填料塔內(nèi)的相對(duì)揮發(fā)度在約1.05-1.8范圍；通過(guò)使所述混合物形成上升和下降的氣相和液相，使所述氣相和液相在結(jié)構(gòu)填料中接觸來(lái)蒸餾所述混合物，所述結(jié)構(gòu)填料在填料塔內(nèi)的排列為所述最下層填料床高度為其上相鄰填料床高度的約50-80％，所述蒸餾塔內(nèi)填料總高度至少約為6米。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述填料床的最下層床的高度約為其上相鄰填料床層高度的80％。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于使用三層以上的所述填料床進(jìn)行所述的蒸餾，在所述最下層床之上的填料床具有相同的高度。
4.如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于高揮發(fā)度組分是氬，所述低揮發(fā)度組分是氧。
5.一種用于蒸餾包含高揮發(fā)度組分和低揮發(fā)度組分的混合物的蒸餾塔，所述蒸餾塔包括塔體，其上有接受所述混合物的塔底進(jìn)口，排放塔頂餾出物的塔頂出口以及將回流流體通入所述蒸餾塔塔頂?shù)倪M(jìn)口；置于蒸餾塔內(nèi)的結(jié)構(gòu)填料，用于接觸該混合物的上升蒸氣相和下降液相，使所述上升蒸氣相富集高揮發(fā)度組分，液相下降時(shí)富集低揮發(fā)度組分；結(jié)構(gòu)填料在填料床中的排列為，填料床最下層床高度為其上相鄰層填料床高度的約50-80％，蒸餾塔中填料床總高度至少約為6米。
6.如權(quán)利要求5所述的蒸餾塔，其特征在于所述填料床的最下層床的高度約為其上相鄰層填料床高度的80％。
7.如權(quán)利要求5所述的蒸餾塔，其特征在于使用三層以上的所述填料床進(jìn)行所述的蒸餾，在所述最下層床之上的填料床層具有相同的高度。
8.如權(quán)利要求5所述的蒸餾塔，其特征在于所述蒸餾塔是氬塔，可用于連接雙塔空氣分離裝置的低壓塔。
全文摘要
一種蒸餾方法及蒸餾塔,將氣態(tài)混合物通入填料塔底部,填料塔有多層使用結(jié)構(gòu)填料的填料床。氣態(tài)混合物包括高和低揮發(fā)度的組分。操作該塔使高和低揮發(fā)度組分在塔中的相對(duì)揮發(fā)度在1.05—1.8范圍。為緩解塔內(nèi)最下床層中的液體分布不良的影響,最下床層高度為其上相鄰床層高度的約50—80%,塔內(nèi)填料總高度至少約為6米。
文檔編號(hào)F25J3/04GK1274613SQ0010887
公開(kāi)日2000年11月29日 申請(qǐng)日期2000年5月19日 優(yōu)先權(quán)日1999年5月21日
發(fā)明者M·H·迪安, R·W·波特霍弗, R·M·托羅古德, R·克里希納穆?tīng)柕?申請(qǐng)人:波克股份有限公司