多組份流體的蒸餾流程和由低溫空氣分離流程生產(chǎn)富氬流的流程的制作方法

專利名稱：多組份流體的蒸餾流程和由低溫空氣分離流程生產(chǎn)富氬流的流程的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過蒸餾把多組份進(jìn)料分離為至少三個(gè)流至少一種富含揮發(fā)度最高的組份，至少一種富含揮發(fā)性最低的組份和至少一種富含具有中等揮發(fā)度的組份。分離是采用蒸餾塔實(shí)現(xiàn)的，該塔有一個(gè)回收中等揮發(fā)度組份的分隔區(qū)。本發(fā)明還涉及由低溫空氣分離流程生產(chǎn)富氬流的流程，該生產(chǎn)流程在主蒸餾內(nèi)采用一個(gè)分隔區(qū)以便使攜氬流精餾并使其富含氬。
從空氣中回收氬的傳統(tǒng)方法是采用雙塔蒸餾系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有一個(gè)較高壓力塔和一個(gè)較低壓力塔，以及一個(gè)聯(lián)接于較低壓力塔側(cè)臂精餾塔，較低壓力塔與再沸騰器/冷凝器是熱聯(lián)通的。氧產(chǎn)品從較低壓力塔的底部取出，而從較低壓力塔的頂部至少取出一個(gè)富氮流。由較低壓力塔的再沸騰器提供的蒸氣通過塔的底部區(qū)域上升，之后被分為兩部分。第一部分繼續(xù)沿較低壓力塔升入上面的中間蒸餾區(qū)。第二部分從較低壓力塔取出并通至側(cè)臂塔。通常這部分含有5％-15％之間的氬，微量的氮和平衡量的氧，這部分在側(cè)臂塔中精餾以便產(chǎn)生基本上不含氧的富氬流。典型情況是，這種通常被稱之為粗氬的富氬流從側(cè)臂塔的頂部取出，其中氧的含量由幾個(gè)ppm到3摩爾％。在側(cè)臂塔中的精餾是通過提供一個(gè)通過冷凝器的液體回流得到的，該冷凝器位于側(cè)臂塔的頂部。壓力塔底部的蒸氣流速來說，流到較低壓力塔中間區(qū)域的蒸氣流速必然降低。通常必須采取一些措施以便保持中間區(qū)域適當(dāng)?shù)馁|(zhì)量轉(zhuǎn)移性能，例如減小塔中間區(qū)域的直徑以便保持適當(dāng)?shù)恼魵馑俣群?或減小裝填密度以便保持適當(dāng)?shù)囊后w裝載。
一般來說，只要采用側(cè)精餾塔或側(cè)線冷提塔，在主塔(即較低壓力塔)的中間蒸餾區(qū)的蒸氣和液體流速相對該蒸餾區(qū)下面和/或蒸餾區(qū)上面的流速都會(huì)降低。
作為一種方法，在文獻(xiàn)中曾提出過隔離壁塔的方法以便更好地利用給定塔的直徑，從而降低投資費(fèi)用。隔離壁塔在一個(gè)單一塔殼內(nèi)包括多個(gè)標(biāo)高相等的蒸餾區(qū)。在美國專利2471134(Wright賴特)中公開了一個(gè)采用隔離壁塔的早期例子。賴特表示了如何采用隔離壁由單一蒸餾塔產(chǎn)生三種產(chǎn)品。在賴特的專利中，隔離形成一個(gè)分離區(qū)，該區(qū)的頂部和底部與主蒸餾塔相通。Lestak和Collins在["AdvancedDistillation Saves Eneigg and Capital",Chemical Engineering,Pages 72-76 July 1997]中進(jìn)一步討論了賴特公開的隔離壁塔。Christian,Skogestad和Lien在["Partitioned PellyukArrangements for Quaternary separations",Distillation andAdsorption 97,Institution of Chemical Engineers Series No.142,Papes 745-746,1997]中公開了隔離壁塔的進(jìn)一步應(yīng)用。
在文章"Multicom ponent Distillation theoy and practice"[Page 198,figure Ⅵ-4e,Published by MOSCOW Chemie 1983]中作者Petluyuk和Cerifimow公開了一種隔離壁塔的結(jié)構(gòu)，其中隔離壁是園柱形的，且形成一個(gè)環(huán)形分離區(qū)，該區(qū)的頂部和底部與主蒸餾塔相通。
美國專利5946942(Wong等人)公開了如何把隔離壁原理應(yīng)用于空氣分離。Wong公開了一種裝置，其中較低壓力塔包括一個(gè)環(huán)形內(nèi)壁。在較低壓力塔的環(huán)形內(nèi)壁和外殼之間所包含的區(qū)域構(gòu)成產(chǎn)生氬產(chǎn)品的區(qū)域。這種氬回收隔離壁塔的缺點(diǎn)源于所用裝置的幾何形狀，下面對此進(jìn)行說明。
Wong所講述的氬精餾區(qū)的橫截面的幾何形狀是環(huán)形的。在環(huán)形區(qū)的頂部，上升的蒸氣必被收集并被取出。如果使用單一出口管，那么園環(huán)最遠(yuǎn)處的蒸氣必須比最近處的蒸氣通過遠(yuǎn)得多的距離。這就導(dǎo)致在下面的分離區(qū)內(nèi)蒸氣流分布不良現(xiàn)象。同樣，液體分布不良現(xiàn)象也是人們所關(guān)心的問題，特別是如果下面分離區(qū)采用裝填方式(Packing)更是這樣。采取一些措施有可能減小分布不良現(xiàn)象，例如采用多個(gè)出口和入口管道，但其結(jié)果是設(shè)計(jì)更復(fù)雜，成本更高。而且，采用環(huán)形幾何形狀產(chǎn)生相當(dāng)大的壁表面面積。當(dāng)采用裝填(Packing)時(shí)，不鼓勵(lì)用大的壁表面面積，這是因?yàn)橐后w趨于遷移到壁處，從而導(dǎo)致液體流動(dòng)的分布不良現(xiàn)象。
人們希望有一種利用隔離壁概念的流程，它能使在蒸餾塔的氬區(qū)中蒸氣和液體的分布不良現(xiàn)象減至最小。
人們也希望有一種利用隔離壁概念的流程，它能使在回收在富含中等揮發(fā)度組份的任何分隔區(qū)中蒸氣和液體的分布不良現(xiàn)象減至最小。
人們還希望有一種分離多組份液體的流程，它能克服現(xiàn)有技術(shù)的困難和缺點(diǎn)，以便提供更好、更多的優(yōu)異結(jié)果。
本發(fā)明是一種把至少包含三種組份的多組份流體蒸餾為至少三個(gè)流的流程，每一組份都有不同的揮發(fā)度。這里有本發(fā)明的幾個(gè)實(shí)施例和這些實(shí)施例的幾個(gè)修正案。
本發(fā)明的第一個(gè)實(shí)施例是把至少包含三種組份的多組份流體蒸餾為至少三個(gè)流的流程，每個(gè)組份都有不同的揮發(fā)度。該流程采用至少有一個(gè)蒸餾塔的蒸餾塔系統(tǒng)，該塔內(nèi)至少設(shè)置一個(gè)第一蒸餾區(qū)和一個(gè)第二蒸餾區(qū)。該流程包括多個(gè)步驟。第一個(gè)步驟是在第一蒸餾區(qū)和第二蒸餾區(qū)之間提供一個(gè)中間蒸餾區(qū)。第二個(gè)步驟是在鄰近中間蒸餾區(qū)處提供一個(gè)分隔區(qū)。分隔區(qū)有一個(gè)垂直分離部件并在鄰近垂直分離部件處有一個(gè)終端分離部件。垂直和終端分離部件使分隔區(qū)與中間蒸餾區(qū)隔開，且分隔區(qū)的等效直徑(De)至少是分隔區(qū)理想直徑(Di)的60％。第三個(gè)步驟是把多組份流體送進(jìn)蒸餾塔系統(tǒng)，其中流體流的第一部分流入中間蒸餾區(qū)，流體流的第二部分流入分隔區(qū)。第四個(gè)步驟是從分隔區(qū)取出一個(gè)側(cè)線餾分，所述側(cè)線餾分是富含最高揮發(fā)度和最低揮發(fā)度之間的一個(gè)中等揮發(fā)度組份的。
第二個(gè)實(shí)施例類似于第一個(gè)實(shí)施例，但包括兩個(gè)附加的步驟。第一個(gè)附加步驟是從中間蒸餾區(qū)上面的至少一個(gè)蒸餾區(qū)以上的一個(gè)位置取出富含揮發(fā)度最高的組份流。第二個(gè)附加步驟是從中間蒸餾區(qū)下面的至少一個(gè)蒸餾區(qū)以下的一個(gè)位置取出富含揮發(fā)度最低的另一個(gè)組份流。
另外，第一個(gè)實(shí)施例有許多修正案，例如，在一個(gè)修正案中，流體流是從中間蒸餾區(qū)下面的蒸餾區(qū)下面上升的蒸氣。在該修正案的一個(gè)修正中，分隔區(qū)有一個(gè)頂部和一個(gè)底部，且液體在鄰近分隔區(qū)頂部的一個(gè)位置送進(jìn)分隔區(qū)。在該修正的一個(gè)修正中，液體是通過至少部分冷凝離開該分隔區(qū)的至少部分蒸氣而產(chǎn)生的。
在第一實(shí)施例的另一個(gè)修正案中，流體流是從中間蒸餾區(qū)上面的蒸餾區(qū)下降的液體。在該修正案的一個(gè)修正中，分隔區(qū)有一個(gè)頂部和一個(gè)底部，并且蒸氣在鄰近分隔區(qū)底部的一個(gè)位置被送進(jìn)分隔區(qū)。在該修正的一個(gè)修正中，蒸氣是通過至少部分汽化離開分隔區(qū)的至少部分液體而產(chǎn)生的。
在第一實(shí)施例的另一個(gè)修正案中，垂直分離部件是園柱形的。在再另一個(gè)修正案中，垂直分離部件包括聯(lián)接于第一蒸餾塔園筒形壁的一個(gè)垂直壁。
在第一實(shí)施例的另一個(gè)修正案中，側(cè)線餾分被轉(zhuǎn)送到至少另一個(gè)蒸餾塔。
本發(fā)明可用于蒸餾至少包含三種組份的各種多組份流體。例如，多組份流體可以是從由氮/氧/氬混合物、苯/甲苯/二甲苯混合物，氮/一氧化碳/甲烷混合物，由C1到C5醇的三組份或更多組份的組合，和碳?xì)浠衔锘旌衔锼M成的組中選出的，所述碳?xì)浠衔锘旌衔锸菑挠晌焱?己烷-庚烷，異戊烷-戊烷-己烷，丁烷-異戊烷-戊烷，異丁烷-n-丁烷-汽油和從C1-C6碳?xì)浠衔锘駽4異構(gòu)物的三組份或更多組份的組合組成的組中選出的。
作為另一個(gè)例子，多組份流體可以是空氣，而至少三組份是揮發(fā)度最高的氮，揮發(fā)度最低的氧和介于最高揮發(fā)度和最低揮發(fā)度之間的中等揮發(fā)度的氬。
本發(fā)明的第三個(gè)實(shí)施例是把空氣蒸餾為至少三個(gè)流的流程。該流程采用至少有一個(gè)蒸餾塔的蒸餾塔系統(tǒng)，塔中設(shè)置至少一個(gè)第一蒸餾區(qū)和一個(gè)第二蒸餾區(qū)。流程包括多個(gè)步驟。第一個(gè)步驟是在第一蒸餾區(qū)和第二蒸餾區(qū)之間設(shè)置一個(gè)中間蒸餾區(qū)。第二個(gè)步驟是在鄰近中間蒸餾區(qū)處提供一個(gè)分隔區(qū)。分隔區(qū)有一個(gè)垂直分離部件和在鄰近垂直分離部件處的一個(gè)終端分離部件。垂直和終端分離部件使分隔區(qū)與中間蒸餾區(qū)隔開，且分隔區(qū)的等效直徑(De)至少是分隔區(qū)理想直徑(Di)的約60％。第三個(gè)步驟是把空氣流送進(jìn)蒸餾塔系統(tǒng)，其中流體流的第一部分流入中間蒸餾區(qū)，流體流的第二部分流入分隔區(qū)。第四個(gè)步驟是從分隔區(qū)取出富氬流。
第三個(gè)實(shí)施例有許多修正案。在一個(gè)修正案中，流體流是從中間蒸餾區(qū)下面的蒸餾區(qū)下面上升的蒸汽。在該修正案的一個(gè)修正中，分隔區(qū)有一個(gè)頂部和一個(gè)底部，且液體是在鄰近分隔區(qū)頂部的一個(gè)位置送進(jìn)分隔區(qū)的。在該修正的一個(gè)修正中，液體是通過至少部分冷凝離開分隔區(qū)的至少部分蒸氣而產(chǎn)生的。
在第三個(gè)實(shí)施例的另一個(gè)修正案中，流體是從中間蒸餾區(qū)上面的蒸餾區(qū)下降的液體。在該修正案的一個(gè)修正中，分隔區(qū)有一個(gè)頂部和一個(gè)底部，且蒸氣是在鄰近分隔區(qū)底部的一個(gè)位置送進(jìn)分隔區(qū)的。在該修正的一個(gè)修正中，蒸氣是通過至少部分汽化離開分隔區(qū)的一部分液體而產(chǎn)生的。
在第三個(gè)實(shí)施例的另一個(gè)修正案中，垂直分離部件是園柱形的。在再一個(gè)修正案中，垂直分離部件包括聯(lián)接于第一蒸餾塔園筒形壁的一個(gè)垂直壁。
在第三實(shí)施例的另一個(gè)修正案中，富氬流的氧含量低于約60莫爾％。
在另一個(gè)修正案中，富氬流被轉(zhuǎn)送到至少另一個(gè)蒸餾塔。在再一個(gè)修正案中，富氬流被轉(zhuǎn)送到一個(gè)吸附分離系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一個(gè)方面是一個(gè)空氣分離單元，該單元可采用上面討論的任何實(shí)施例或修正案的流程。例如，本發(fā)明包括一個(gè)低溫空氣分離單元，該單元采用第一實(shí)施例或第三實(shí)施例的流程。
本發(fā)明也包括一種把至少包含三種組份的多組份流體蒸餾為至少三個(gè)流的蒸餾塔系統(tǒng)，每個(gè)組份都有不同的揮發(fā)度。該蒸餾塔系統(tǒng)包括有第一蒸餾區(qū)和第二蒸餾的蒸餾塔；在蒸餾塔中的第一蒸餾區(qū)和第二蒸餾區(qū)之間設(shè)置的中間蒸餾區(qū)；和在蒸餾塔中鄰近中間蒸餾區(qū)處設(shè)置的分隔區(qū)。分隔區(qū)有一個(gè)垂直分離部件和鄰近垂直分離部件的終端分離部件，其中垂直和終端分離部件使分隔區(qū)與中間蒸餾區(qū)隔開，且分隔區(qū)的等效直徑(De)至少是分隔區(qū)理想直徑(Di)的60％。
本發(fā)明還包括蒸餾塔系統(tǒng)的幾個(gè)修正案。在一個(gè)修正案中，垂直分離部件是園柱形的。在另一個(gè)修正案中，垂直分離部件包括聯(lián)接于蒸餾塔園筒形壁的一個(gè)垂直壁。
附圖簡述

圖1是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的示意圖；圖2A是本發(fā)明所采用蒸餾塔中分隔區(qū)的立體示意圖；圖2B是本發(fā)明所采用的一個(gè)塔中的分隔區(qū)的示意俯視圖；圖3說明不同類型分隔區(qū)幾何形狀的俯視圖；圖4說明附加類型分隔區(qū)幾何形狀的俯視圖；圖5是本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的示意圖；圖6是本發(fā)明再一個(gè)實(shí)施例的示意圖；圖7是本發(fā)明用于分離器組份混合物的一個(gè)實(shí)施例的示意圖；圖8是本發(fā)明用于分離器組份混合物的另一個(gè)實(shí)施例的示意圖。
本發(fā)明是一種用于在一種至少有一個(gè)蒸餾塔的蒸餾系統(tǒng)中分離多組份進(jìn)料的流程，該流程從塔頂產(chǎn)生至少一種富含揮發(fā)度最高的組份流，從塔底產(chǎn)生至少一種富含揮發(fā)度最低的組份流，并從塔內(nèi)的分隔區(qū)產(chǎn)生至少一種富含中等揮發(fā)度的組份流。該流程包括以下步驟a)來自至少一個(gè)塔的流體流至少被分為兩部分；b)步驟a)的第一部分流入至少一個(gè)蒸餾塔的中間蒸餾區(qū)；c)步驟a)的第二部分流入至少一個(gè)蒸餾塔的分隔區(qū)，所述分隔區(qū)包括一個(gè)垂直分離部件和一個(gè)終端分離部件，以便在除所述分隔區(qū)入口之外的所有位置使所述分隔區(qū)與中間蒸餾區(qū)隔開；d)所述第二部分流經(jīng)分隔區(qū)并作為富含中等揮發(fā)度組份流從終端分離部件中的出口或垂直分離部件中的出口從所述分隔區(qū)排出；e)分隔區(qū)的等效直徑至少是分隔區(qū)理想直徑的60％，其中等效直徑定義為垂直分離部件所圍往的流動(dòng)橫截面積除以垂直分離部件形成的周長所得商的四倍，而理想直徑是一個(gè)園的直徑，該園的流動(dòng)橫截面積與垂直分離部件所圍住的流動(dòng)橫截面積相等。
本發(fā)明也是一個(gè)在至少包括一個(gè)蒸餾塔的蒸餾系統(tǒng)中進(jìn)行低溫空氣分離的流程，該流程至少從塔頂產(chǎn)生一個(gè)富氮流，從塔底產(chǎn)生一個(gè)氧產(chǎn)品流，從塔中的分隔區(qū)產(chǎn)生一個(gè)富氬流。該流程包括以下步驟a)從該至少一個(gè)蒸餾塔中而來的流體流至少被分為兩部分。
b)步驟a)的第一部分流入該至少一個(gè)蒸餾塔的中間蒸餾區(qū)。
c)步驟a)的第二部分流入該至少一個(gè)蒸餾塔的分隔區(qū)，所述分隔區(qū)包括一個(gè)垂直分離部件和一個(gè)終端分離部件，以便使所述分隔區(qū)可在除所述分隔區(qū)入口的以外的所有位置與中間蒸餾區(qū)隔開；d)所述的第二部分流經(jīng)分隔區(qū)并通過1多終端分離部件的出口或者垂直分離部件的出口作為富氬流從所述分隔區(qū)排出；e)分隔區(qū)的等效直徑至少是分隔區(qū)理想直徑的60％，其中等效直徑定義為垂直分離部件所圍住的流動(dòng)橫截面積除以垂直分離部件形成周長所得商的四倍，理想直徑是一個(gè)園的直徑，該園的流動(dòng)橫截面積與垂直分離部件所圍住的流動(dòng)橫截面積相等。
為了說明等效直徑的概念和進(jìn)一步敘述本發(fā)明，在圖1(它說明流程)中表示出一個(gè)基于空氣分離的例子，圖2A和2B說明分隔區(qū)的幾何形狀。為說明起見，多組份進(jìn)料包括揮發(fā)度最高的氮，揮發(fā)度最低的氧和中等揮發(fā)度的氬。
在圖1中，不含重組份(如水和二氧化碳)并被冷卻到一個(gè)適當(dāng)溫度的壓縮空氣進(jìn)料流作為流101被引到較高壓力塔103的底部。該空氣進(jìn)料流的壓力一般高于3.5個(gè)大氣壓而低于24個(gè)大氣壓，優(yōu)選范圍為5-10個(gè)大氣壓。到達(dá)較高壓力塔的進(jìn)料被蒸餾為塔頂?shù)妮^高壓力氮蒸氣流105和塔底的粗液氧流115。氮蒸氣流105在再沸騰器/冷凝器113中被冷凝以便產(chǎn)生流體流107，之后該流體流107被分為兩個(gè)流109和111。流109作為回流，流回到較高壓力塔，流111最終通過閥112降壓并作為回流117被導(dǎo)入較低壓力塔121的頂部。雖然沒有畫出(為了簡單)，但較低壓力塔的回流111常通過與原先引入較低壓力塔121的另一個(gè)流的間接熱交換而被冷卻。粗液氧流115受到任何選擇次數(shù)的間接熱交換，在通過閥116降壓之后最終作為流119被引入較低壓力塔。
送進(jìn)較低壓力塔121的進(jìn)料被蒸餾為塔頂?shù)妮^低壓力氮蒸氣流151和塔底的氧流153。蒸氣流133從較低壓力塔的底部蒸餾區(qū)123流出，可含3％-25％的氬，但典型情況是含5％-15％的氬。流133被分為兩部分第一部分135和第二部分137。
第一部分135流入中間蒸餾區(qū)127。第二部分137流入分隔區(qū)125，分隔區(qū)包括一個(gè)垂直分離部件129和一個(gè)終端分離部件131以便使分隔區(qū)125與中間蒸餾區(qū)127隔開。蒸氣流137通過分隔區(qū)125上升并被精餾以便產(chǎn)生富氬流139。流139在換熱器147中至少部分被冷凝以便產(chǎn)生流141。之后流141被分為兩個(gè)流143和145。流143作為回流流回分隔區(qū)125；流145由蒸餾系統(tǒng)排出。換熱器147的致冷是在粗液氧流115通過閥116降壓之后通過部分汽化粗液氧流115提供的。
理想情況是，中間區(qū)127需要約20-25級分離。如果分隔區(qū)125包括相似級數(shù)的分離，那么在富氬流中氧的含量通常為10摩爾％，但可在3摩爾％和60摩爾％之間的范圍。富氬流的這種純度足以使它從蒸餾塔中泄出而不太多地增加氧的損失。事實(shí)上，這種“氬泄出”(Argon-rejection)模式的工作將增加蒸餾系統(tǒng)的氧回收，這是因?yàn)楦綦x塔使在較低壓力塔底部的蒸餾區(qū)123中的氧-氬分離更容易。
圖2A和2B表示分隔區(qū)的一種可能結(jié)構(gòu)。參考圖2A，垂直分離部件129包括一個(gè)垂直板和與分隔區(qū)125接觸的塔壁部分。當(dāng)從頂部觀看(圖2B)時(shí)，垂直板形成長度為L的一條線，而與分隔區(qū)相接觸的那部分塔壁形成一個(gè)長度為C的弧。當(dāng)從頂部觀看(圖2B)時(shí)，終端分離部件132的面積為A。富氬蒸氣流139和分隔區(qū)的回流143(到分隔區(qū)的)表示為通過蒸氣出口管道138和導(dǎo)管142離開/進(jìn)入塔。另外，這些流可以通過終端分離部件131而進(jìn)入/離開。
在圖2B中，垂直分離部件所包圍的流動(dòng)橫截面積表示為陰影區(qū)并標(biāo)記為A。垂直分離部件所形成的周長為垂直板的投影長度L加上沿塔壁的投影長度C。等效直徑(De)是在流體流動(dòng)中通用的術(shù)語并被定義為流動(dòng)橫截面積除以周長所得商的四倍。例如
De=4A/(L+C)等效直徑提供了一個(gè)“園度”的量度。理想情況是，希望分隔區(qū)的俯視圖(圖2B)是園的。這種幾何形狀趨向使從分隔區(qū)的務(wù)個(gè)位置到出口嘴(蒸氣出口管道138)的蒸氣流路更一致，因而減小了蒸氣流動(dòng)的分布不良現(xiàn)象。除此之外，園形幾何形狀的周長最短，因而最適合于減少液體沿壁向下的流動(dòng)。如果分隔區(qū)的俯視圖(圖2B)是園的，且投影面積是A，那么理想直徑將是Di=(4A/π)1/2按照本發(fā)明，等效直徑與理想直徑之比必須大于0.6。
富氬流139的蒸氣出口管道138的橫截面積典型地是橫截面積A的10％。應(yīng)該注意的是，為了清楚起見，圖2中表示的蒸氣出口管道比按比例的小。
圖3和圖4說明不同類型的分隔區(qū)幾何形狀的俯視圖，圖3和圖4按出口管道的橫截面積的尺寸比例畫出，管道面積表示為黑色實(shí)園，其面積等于分隔區(qū)橫截面積的10％，分隔區(qū)橫截面積用交叉線陰影表示。圖3相應(yīng)于一個(gè)分隔區(qū)，其橫截面積是塔的總橫截面積的25％。圖4相應(yīng)于一個(gè)分隔區(qū)，其橫截面積為塔的總橫截面積的50％。實(shí)施本發(fā)明所要求的橫截面積典型地在圖3和圖4所表示的范圍內(nèi)。
圖3(a)表示位于塔橫截面中心的圓柱形分隔區(qū)。圖3(b)表示位于偏離塔中心的同樣的圓柱形分隔區(qū)。圖3(c)表示包圍在一根弦和塔壁之間的一個(gè)分隔區(qū)。圖3(d)、3(e)和3(f)分別表示一個(gè)餡餅形、一個(gè)等邊三角形和一個(gè)正方形。圖3(g)表示包圍在兩根弦之間的分隔區(qū)。最后，圖3(h)表示美國專利5946942(Wong等人)講述的現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)。
圖注中也表示出了每種結(jié)構(gòu)的等效直徑與理想直徑之比(De/Di)。對于圖3(a)-3(f)表示的結(jié)構(gòu)，交叉線陰影面積的大部分在嘴(蒸氣出口管道)的一個(gè)管道直徑之內(nèi)。在圖3(g)中，交叉線陰影面積的大部分區(qū)域在嘴(蒸氣出口管道)兩個(gè)管道直徑內(nèi)。對于圖3(h)講述的現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)，可以看出有兩個(gè)特點(diǎn)。第一，它不可能使嘴投影到交叉線陰影截面上。第二，蒸氣元素離開交叉線陰影區(qū)域所必須通過的路程長度變化相當(dāng)大。
正如原來所指出的那樣，圖3反映出相當(dāng)小的分隔區(qū)(即塔的總截面積的25％)。圖4表示分隔區(qū)占塔的總橫截面積50％情況下的相同結(jié)構(gòu)。這里圖4(a)-4(g)說明交叉線陰影區(qū)的大部分區(qū)域在嘴(蒸氣出口管道)的兩個(gè)管道直徑之內(nèi)。同樣，圖4(h)中的現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)遇到對圖3(h)討論過的同樣限制。
在圖3(a)-3(g)和圖4(a)-4(g)表示的結(jié)構(gòu)中，一些圖形說明與主蒸餾塔外壁接觸的分隔區(qū)的一些部分。這使得可以從中間蒸餾區(qū)輸進(jìn)中間進(jìn)料和/或取出中間產(chǎn)品而不必穿過或者說通過分隔區(qū)。
在討論圖1的實(shí)施例中，應(yīng)該注意的是；富氬流139的氧含量可能相當(dāng)高，因而可能不適合于提交給客戶。可以通過把分隔區(qū)在塔內(nèi)向上擴(kuò)展到中間區(qū)127終端之外的位置來增加富氬流的純度。這就增加了分隔區(qū)的分離級數(shù)因而能夠生產(chǎn)出純度更高的氬流。在一定情況下需要把分隔區(qū)一直擴(kuò)展到蒸餾塔121的頂部，因此終端分離部件可能成為塔121頭部的一部分。在另外一些情況下也可能需要使用圖5表示的實(shí)施例。
正如圖5所表示的那樣，在該流程中已經(jīng)附加了一個(gè)蒸餾塔541。該塔接收富氬流139作為進(jìn)料，并從其頂部產(chǎn)生脫氧流545。流545在換熱器147中至少部分被冷凝以便形成流549，之后流549被分為兩部分551和553。流553是最終的氬產(chǎn)品，但可能含有氧和氮，因此可以實(shí)施進(jìn)一步純化步驟。流551作為回流流回到塔541，通過塔向下流，從塔底流出，如果需要的話，在泵543中進(jìn)行泵送，然后作為流143回流到分隔區(qū)125。塔541可提供寬范圍的分離級。典型情況是采用20-200級分離，這取決于所要求的流545的氧含量。
另外，人們可以采用蒸餾以外的方法來進(jìn)一步純化富氬流139。例如，可以使富氬流從流程中排出并通到去除氧、氮或二者的吸附分離系統(tǒng)(未示出)。這種吸附分離可以在單床或多床中進(jìn)行并可在冷、溫或甚至熱的溫度下進(jìn)行。氧也可以通過催化氧化步驟去除。薄膜分離方案也可以代替蒸餾純化。也可以聯(lián)合采用蒸餾和上述三種另外方法之一的組合來進(jìn)一步純化富氬流139。
在所進(jìn)行的討論中，分隔區(qū)125接收蒸氣流137作為底部進(jìn)料。如圖6所示，也可以使分隔區(qū)接收液體作為頂部進(jìn)料。在圖6中，不含重組份(如水和二氧化碳)并被冷卻到一個(gè)適當(dāng)溫度的壓縮空氣進(jìn)料流作為流101被引到較高壓力塔103的底部。進(jìn)料空氣流的壓力一般高于3.5個(gè)大氣壓而低于24個(gè)大氣壓，優(yōu)選范圍5-10個(gè)大氣壓。到較高壓力塔的進(jìn)料被蒸餾為塔頂?shù)妮^高壓力的氮蒸氣流105和塔底的粗液氧流115。氮流105在再沸騰冷凝器113中被冷凝以便產(chǎn)生液體流107之后，液體流107被分為兩個(gè)流109和111。流109作為回流流回到較高壓力塔；流111作為回流117最終被導(dǎo)至較低壓力塔121的頂部。粗液氧流115受到任何選擇次數(shù)的間接熱交換并最終作為流119被引到較底壓力塔。
到達(dá)較低壓力塔121的進(jìn)料被蒸餾為塔頂?shù)妮^低壓力的氮蒸氣流151和塔底的氧流153。液體流633流出較低壓力塔頂部的蒸餾區(qū)623并被分為兩個(gè)流；第一部分635和第二部分637。第一部分635流入中間蒸餾區(qū)127。第二部分637流入分隔區(qū)125，分隔區(qū)125包括一個(gè)垂直分離部件129和一個(gè)終端分離部件131以便使分隔區(qū)和中間蒸餾區(qū)127隔開。液體流637通過分隔區(qū)125下降并被蒸餾以便產(chǎn)生富氬流639。流639在換熱器147中至少部分被汽化以便產(chǎn)生流641，之后流641被分為兩個(gè)流，643和645。流643作為蒸出流(boilup)回流到分隔區(qū)125，富氬流645由蒸餾系統(tǒng)中排出，換熱器147的熱輸入由冷卻粗液氧流115來提供。在這種工作模式中，流637基本上不含氧，且由分隔區(qū)完成氮-氬分離。
在圖1和圖5中，換熱器147的致冷是由部分汽化粗液氧流115得到的。本專業(yè)的技術(shù)人員會(huì)明白，在換熱器147中有適當(dāng)溫度推動(dòng)力的任何液體流都可以成為粗液氧流的替代流。這種流的例子包括冷凝的空氣流或液氮流。
在圖1,5和6中，氧產(chǎn)品流153作為蒸氣流表示為從較低壓力塔121中取出的流。但是本發(fā)明不限于這樣一種工作方式。本專業(yè)的技術(shù)人員會(huì)明白，氧產(chǎn)品流153可以作為液體流從較低壓力塔中取出，被泵送到更高的壓力，然后被汽化并被加熱。以這種方式產(chǎn)生的氣態(tài)氧也可以提交給最終用戶之前進(jìn)行有選擇的壓縮。這種技術(shù)通常被稱之為泵浦-Lox(Pumped-Lox)。為了方便泵送氧流的汽化，一個(gè)通用的方法是壓縮一種適當(dāng)?shù)臍怏w，冷卻它，然后再通過與液氧的間接熱交換來冷凝它。用于此目的氣體的例子包括進(jìn)料空氣和從空氣分離單元循環(huán)回來的氮蒸氣。當(dāng)空氣用于此目的時(shí)，冷凝的高壓空氣用作送到較高壓力塔103、較低壓力塔121或二者的進(jìn)料。
在本發(fā)明中也可以以類似于粗液氧的方式來使用冷凝的空氣。例如，可以冷卻冷凝空氣以便為圖6中的換熱器147提供熱輸入。同樣，在冷卻和/或適當(dāng)降壓之后，冷凝的空氣也可以用于提供圖1和圖5中換熱器147的致冷。與冷凝的空氣一樣，也可從比較高壓力塔中取出任何液體流并用于圖1,5和6中的換熱器147。
在圖6中，換熱器147的熱輸入由冷卻粗液氧來提供。如上所述，也可以冷卻其他適當(dāng)?shù)臒崃黧w。另外，可以在圖6的換熱器147中冷凝一種流體以便提供熱輸入。這種流體的例子包括來自較高壓力塔的部分蒸氣氮或者部分蒸氣空氣。
在圖1,5和6中沒有對任何蒸餾區(qū)的質(zhì)量交換裝置的性質(zhì)作說明。本專業(yè)的技術(shù)人員會(huì)明白，單獨(dú)使用或聯(lián)合使用的篩盤、泡罩塔盤、浮閥塔板、無規(guī)則裝填或結(jié)構(gòu)裝填都適用于本發(fā)明。
圖1,5和6的實(shí)施例說明本發(fā)明應(yīng)用于雙塔蒸餾系統(tǒng)的情況。本專業(yè)的技術(shù)人員會(huì)明白，為清楚起見在這些圖中表示的雙塔蒸餾流程已被簡化。雙塔系統(tǒng)常常有其他進(jìn)料。例如，1)為了致冷可使進(jìn)料空氣流的一部分膨脹并送進(jìn)較低壓力塔121；2)可以從較低壓力塔取出多種氧產(chǎn)品；3)可以從較低壓力塔121中的進(jìn)料流119上面的位置或者從較高壓力塔103取出另一個(gè)富氮流。
雖然雙塔結(jié)構(gòu)對于從空氣中回收氧和氬是最通用的，但是本發(fā)明不限于這樣一些結(jié)構(gòu)。例如對于從空氣中回收氧有單塔流程。為了產(chǎn)生富氬流可以容易地把分隔區(qū)結(jié)合進(jìn)這樣一些流程，在這種情況下本發(fā)明也是適用的。
在圖1,5和6中換熱器147表示在較低壓力塔121之外。但是也可以把換熱器147安置在較低壓力塔121之內(nèi)，在某些情況下這樣更可取一些。
本發(fā)明可以用于分離包含三種組份以上的多組份進(jìn)料。在圖7和圖8中表示了兩個(gè)例子并將在下面對它們進(jìn)行敘述。
圖7表示一個(gè)分離四組份混合物的例子。組份A的揮發(fā)度最高；組份D的揮發(fā)度最低；組份B和C具有中等揮發(fā)度。多組份進(jìn)料709被引入蒸餾塔701，蒸餾塔701有一個(gè)冷凝器702，一個(gè)再沸騰器704，一個(gè)中間蒸餾區(qū)705和一個(gè)分隔區(qū)703。富含揮發(fā)度最高組份A流作為流715從塔701的頂部取出。在該例中，流715還包含一種中等揮發(fā)度的組份B。富含揮發(fā)度最低組份D的流711從塔701的底部取出。富含中等揮發(fā)度組份C的流713從分隔區(qū)703產(chǎn)生。該流的一部分在再沸騰器706中被汽化并作為蒸出流(boilup)回流到分隔區(qū)。接著流715被輸進(jìn)下游蒸餾塔707，蒸餾塔707有一個(gè)冷凝器708和一個(gè)再沸騰器710。塔707從其塔頂產(chǎn)生一個(gè)富含組份A的流體作為流719，從塔底產(chǎn)生一個(gè)富含組份B的流體作為流717。
圖8表示另一個(gè)分離四組份混合物的例子。組份A的揮發(fā)度最高；組份D的揮發(fā)度最低；組份B和C具有中等揮發(fā)度。多組份進(jìn)料809被引到蒸餾塔801，蒸餾塔801有一個(gè)冷凝器802，一個(gè)再沸騰器804，一個(gè)中間蒸餾區(qū)805和一個(gè)分隔區(qū)803。富含揮發(fā)度最高組份A的流作為流815從塔801的頂部取出。富含揮發(fā)度最低組份D的流作為流811從塔801的底部取出。在該例中，流811也含有中等揮發(fā)度的組份C。富含中等揮發(fā)度組份B的流813從分隔區(qū)803產(chǎn)生，該流的一部分在冷凝器806中被冷凝并作為回流流回到分隔區(qū)803。之后流811被輸進(jìn)下游蒸餾塔807，塔807有一個(gè)冷凝器808和一個(gè)再沸騰器810。塔807從其塔頂產(chǎn)生富含組份C的流體作為流819，而富含組份D的流體則從塔底產(chǎn)生作為流817。
圖7和圖8表示的結(jié)構(gòu)也可應(yīng)用于包含四組份以上的進(jìn)料流，這對本專業(yè)的技術(shù)人員是顯而易見的。
雖然這里所做的說明是參考一定的特定實(shí)施例進(jìn)行的。但本發(fā)明決不限于所表示的細(xì)節(jié)。更正確地說，在不離開本發(fā)明的精神的情況下，在權(quán)利要求書的范圍內(nèi)和權(quán)利要求書的相當(dāng)內(nèi)容范圍內(nèi)可對這些細(xì)節(jié)做各種修正。
權(quán)利要求
1．一種流程，該流程把包含至少三種組份的多組份流體蒸餾為至少三個(gè)流，每種組份都有不同的揮發(fā)度，所述流程采用一個(gè)蒸餾塔系統(tǒng)，該系統(tǒng)至少有一個(gè)第一蒸餾塔，在塔內(nèi)至少設(shè)置一個(gè)第一蒸餾區(qū)和一個(gè)第二蒸餾區(qū)，該流程包括以下步驟在第一蒸餾區(qū)和第二蒸餾區(qū)之間提供一個(gè)中間蒸餾區(qū)；在鄰近中間蒸餾區(qū)處提供一個(gè)分隔區(qū)，所述分隔區(qū)有一個(gè)垂直分離部件和一個(gè)鄰近垂直分離部件的終端分離部件，其中，垂直和終端分離部件使分隔區(qū)與中間蒸餾區(qū)隔開，且分隔區(qū)的等效直徑(De)至少是分隔區(qū)理想直徑(Di)的約60％；把多組份流體輸進(jìn)蒸餾塔系統(tǒng)，其中，流體流的第一部分流入中間蒸餾區(qū)，流體流的第二部分流入分隔區(qū)；從分隔區(qū)取出一個(gè)側(cè)線餾分，所述側(cè)線餾分富含一種揮發(fā)度介于最高和最低之間的中等揮發(fā)度的組份。
2．權(quán)利要求1的流程，其中，多組份流體是空氣，該至少三組份是揮發(fā)度最高的氮，揮發(fā)度最低的氧和揮發(fā)度介于最高揮發(fā)度和最低揮發(fā)度之間的中等揮發(fā)度的氬。
3．一種流程，該流程用于把空氣流蒸餾為至少三個(gè)流，所述流程采用至少有一個(gè)第一蒸餾塔的蒸餾塔系統(tǒng)，塔內(nèi)至少設(shè)置一個(gè)第一蒸餾區(qū)和一個(gè)第二蒸餾區(qū)，該流程包括以下步驟在第一蒸餾區(qū)和第二蒸餾區(qū)之間提供一個(gè)中間蒸餾區(qū)；在鄰近中間區(qū)處提供一個(gè)分隔區(qū)，所述分隔區(qū)有一個(gè)垂直分離部件和一個(gè)鄰近垂直分離部件的終端分離部件，其中，垂直和終端分離部件使分隔區(qū)與中間蒸餾區(qū)隔開，且分隔區(qū)的等效直徑(De)至少是分隔區(qū)理想直徑(Di)的約60％；把空氣流輸進(jìn)蒸餾塔系統(tǒng)，其中，流體流的第一部分流入中間蒸餾區(qū)，流體流的第二部分流入分隔區(qū)；從分隔區(qū)取出富氬流。
4.權(quán)利要求1或3的流程，其中，流體流是從中間蒸餾區(qū)下面的蒸餾區(qū)下面上升的一種蒸氣。
5.權(quán)利要求4的流程，其中，分隔區(qū)有一個(gè)頂部和一個(gè)底部，且液體是在鄰近分隔區(qū)頂部的一個(gè)位置輸進(jìn)分隔區(qū)的。
6.權(quán)利要求5的流程，其中，液體是通過至少部分冷凝至少部分離開分隔區(qū)的蒸氣而產(chǎn)生的。
7.權(quán)利要求1或3的流程，其中，流體流是從中間蒸餾區(qū)上面的一個(gè)蒸餾區(qū)下降的液體。
8.權(quán)利要求7的流程，其中，分隔區(qū)有一個(gè)頂部和一個(gè)底部，且蒸氣是在鄰近分隔區(qū)底部的一個(gè)位置輸進(jìn)分隔區(qū)的。
9.權(quán)利要求8的流程，其中，蒸氣是通過至少部分汽化部分離開分隔區(qū)的液體而產(chǎn)生的。
10.權(quán)利要求1或3的流程，其中，垂直分離部件是園柱形的。
11.權(quán)利要求1或3的流程，其中，垂直分離部件包括一個(gè)聯(lián)接于第一蒸餾塔園筒形壁的垂直壁。
12.權(quán)利要求3的流程，其中，富氬流中的氧含量低于60摩爾％。
13.權(quán)利要求3的流程，其中，富氬流被轉(zhuǎn)送到至少另一個(gè)蒸餾塔。
14.一種低溫空氣分離單元，該單元采用權(quán)利要求1的流程。
15.一種低溫空氣分離單元，該單元采用權(quán)利要求11的流程。
16.權(quán)利要求1的流程，其中，側(cè)線餾分被轉(zhuǎn)送到至少另一個(gè)蒸餾塔。
17.權(quán)利要求1的流程，該流程包括以下更進(jìn)一步的步驟從中間蒸餾區(qū)上面的至少一個(gè)蒸餾區(qū)上面的一個(gè)位置取出一個(gè)富含揮發(fā)度最高的組份流；從中間蒸餾區(qū)下面的至少一個(gè)蒸餾區(qū)下面的一個(gè)位置取出另一個(gè)富含揮發(fā)度最低的組份流。
18.權(quán)利要求1的流程，其中，多組份流是從由氮/氧/氬混合物，苯/甲苯/二甲苯混合物，氮/一氧化碳/甲烷混合物，C1-C5醇三組份或更多組份的組合和碳?xì)浠衔锘旌衔锼M成的組中選出的，所述碳?xì)浠衔锘旌衔锸菑挠晌焱?己烷-庚烷，異戊烷-戊烷-己烷，丁烷-異戊烷-戊烷，異丁烷-n-丁烷-汽油，C1-C6碳?xì)浠衔锘駽4異構(gòu)物組成的三組份或更多組份的組合所組成的組中選出的。
19.一種蒸餾塔系統(tǒng)，該系統(tǒng)用于把包含至少三種組份的多組份流體蒸餾為至少三個(gè)流，每種組份都有不同的揮發(fā)度，該系統(tǒng)包括一個(gè)蒸餾塔，該塔有一個(gè)第一蒸餾區(qū)和一個(gè)第二蒸餾區(qū)；一個(gè)中間蒸餾區(qū)，該區(qū)設(shè)置在蒸餾塔內(nèi)第一蒸餾區(qū)和第二蒸餾區(qū)之間；一個(gè)分隔區(qū)，該分隔區(qū)設(shè)在鄰近蒸餾塔內(nèi)中間蒸餾區(qū)處，所述分隔區(qū)有一個(gè)垂直分離部件和一個(gè)鄰近垂直分離部件的終端分離部件，其中，垂直和終端分離部件使分隔區(qū)和中間蒸餾區(qū)隔開，且分隔區(qū)的等效直徑(De)至少是分隔區(qū)理想直徑(Di)的約60％。
20.權(quán)利要求19的蒸餾塔系統(tǒng)，其中，垂直分離部件是園柱形的。
21.權(quán)利要求19的蒸餾塔系統(tǒng)，其中，垂直分離部件包括一個(gè)聯(lián)接于蒸餾塔園筒形壁的垂直壁。
22.權(quán)利要求3的流程，其中，富氬流被轉(zhuǎn)送到一個(gè)吸附分離系統(tǒng)。
全文摘要
一種通過蒸餾把一種多組份進(jìn)料分離為至少一個(gè)富含揮發(fā)度最高的組份流,一個(gè)富含揮發(fā)度最低的組份流和一個(gè)富含具有中等揮發(fā)度組份流的流程。在一個(gè)實(shí)施例中,該流程通過低溫空氣分離流程產(chǎn)生一個(gè)富氬流。蒸餾系統(tǒng)至少包括一個(gè)蒸餾塔,該塔從其頂部產(chǎn)生一個(gè)富氮流,從其塔底產(chǎn)生一個(gè)氧產(chǎn)品,并從分隔區(qū)產(chǎn)生一個(gè)富氬流。分隔區(qū)的幾何形狀使蒸氣和液體的分布不良現(xiàn)象減至最小。
文檔編號F25J3/04GK1300930SQ0013495
公開日2001年6月27日 申請日期2000年12月13日 優(yōu)先權(quán)日1999年12月13日
發(fā)明者R·阿格拉沃爾, D·M·赫爾龍, J·S·喬 申請人:氣體產(chǎn)品與化學(xué)公司