CN108351164A - 填充塔 - Google Patents

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Abstract

一种即使降低气液接触部的高度也能够得到充分的蒸馏性能的填充塔，该填充塔在筒状体(16)内具有气液接触部(17、18)，在最上部具有液体分配器(19)，该填充塔利用所述气液接触部而使下降液体和上升气体彼此接触，其中，运转压力处于200kPaG～1500kPaG的范围，相对挥发度处于1.9～3.1的范围，所述气液接触部在上下方向上分割为至少两部分而形成有多个气液接触部，在上下的气液接触部之间的至少1个部位设有气体分散器(20)，该气体分散器(20)用于使自下部的气液接触部朝向上部的气液接触部上升的上升气体的浓度均匀地分散。

Description

填充塔
技术领域
本发明涉及一种填充塔，尤其是涉及一种适于空气液化分离装置中的蒸馏操作的填充塔。
背景技术
图15是表示通过深冷分离而自作为原料的空气中提取氮的氮制造装置的基本结构的系统图。该氮制造装置100包括蒸馏塔101，在蒸馏塔101中，自塔内的上方起依次配置有上部液体分配器102、上部气液接触部103、中间部液体分配器104、下部气液接触部105，在上部气液接触部103、下部气液接触部105中通常使用规整填料。
在使用该氮制造装置100来提取700kPaG(计示压，以下均相同)的氮气作为产品的情况下，利用空气压缩机106将作为原料的空气压缩到760kPaG。利用后冷却器107将由于压缩空气而产生的压缩热除去，将压缩空气冷却至40℃。接着，利用交替地使用2台吸附器的前处理单元108，将空气所包含的二氧化碳、水、烃吸附而除去，从而得到纯化空气。
将经过了前处理单元108的纯化空气自纯化空气路径109向冷箱110导入，利用主换热器111将纯化空气冷却至露点附近的﹣165℃。冷却后的纯化空气通过气体导入路径112向蒸馏塔101的下部导入，成为蒸馏塔101的上升气体。将通过蒸馏塔101内的蒸馏操作而向塔上部分离出的氮气向塔顶部的气体导出路径113抽出，将一部分氮气向冷凝路径114分流从而导入冷凝器115。
另一方面，在蒸馏塔101的底部，通过蒸馏来将富氧化的液态空气分离，并向液体导出路径116抽出，利用液态空气减压阀117将压力下降到300kPaG，在焦耳-汤姆孙效应的作用下温度降低到﹣180℃。将该低温液态空气导入到所述冷凝器115而与所述氮气进行换热，从而将氮气液化，并且使全部的低温液态空气气化从而成为低温空气。被冷凝器115液化了的液态氮通过液体导入路径118而导入蒸馏塔101的上部从而成为蒸馏塔101的下降液体。
被冷凝器115气化了的低温空气通过低温空气路径119而导入主换热器111，与纯化空气进行换热而以被加热至-140℃的中间温度状态自主换热器111的中间部向涡轮机入口路径120抽出。中间温度状态的低温空气被导入到膨胀涡轮机121，通过绝热膨胀而膨胀到30kPaG，温度降低到-170℃。在膨胀涡轮机121中温度降低了的低温空气通过涡轮机出口路径122再次导入主换热器111，与纯化空气进行换热而将纯化空气冷却，从而在被充分地加热到比纯化空气低几℃的温度后，通过废气路径123而自冷箱110导出。
另外，自蒸馏塔101向所述气体导出路径113导出的所述氮气的残留部分导入主换热器111，和所述低温空气同样地，与纯化空气进行换热而被充分地加热到比纯化空气低几℃的温度后，通过产品氮气路径124而自冷箱110导出，作为产品氮气而被提取。像这样地提取压力为700kPaG的产品氮气的情况下，所述蒸馏塔101以730kPaG的较高的压力运转。
在所述蒸馏塔101中，自冷凝器115经过液体导入路径118而导入至蒸馏塔101的液态氮在被上部液体分配器102沿着填充塔101的剖面方向均匀地分配后朝向上部气液接触部103流下。自上部气液接触部103的下端向下方流下的下降液体在被中间部液体分配器104再次沿着填充塔101的剖面方向均匀地分配后朝向下部气液接触部105流下。由此，谋求下降液体的流量、组成的均匀化，该下降液体在与上升气体气液接触的同时在上部气液接触部103和下部气液接触部105内流下。
另外，有时像图16所示的蒸馏塔131那样采用在一个气液接触部132的上方配置有一个液体分配器133的结构，但是，广泛使用将气液接触部上下分割为多个的填充塔，例如，如图17所示，在上下分割为两部分的气液接触部135、136的各气液接触部135、136的上方分别设有上部液体分配器137和中间部液体分配器138的填充塔139(例如，参照专利文献1。)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2000-337766号公报
发明内容
发明要解决的问题
已知如下情况：在以较低的压力运转的填充塔中，例如，在像空气液化分离装置中的粗氩塔那样的以10kPaG～50kPaG的压力运转的填充塔中，相对挥发度为1.4～1.5，较小，蒸馏中的操作线和平衡线处于彼此较近的状态。因此，若产生稍微的液体偏流，则由于操作线和平衡线彼此接近而使得蒸馏性能(分离性能)降低。因此，为了防止下降液体的偏流，如图17所示，每隔一定间隔地设置有中间部液体分配器。
另一方面，在以较高的压力运转的填充塔的情况下，例如，在所述氮制造装置的情况下，相对挥发度为1.9～3.1，即，对于运转压力为200kPaG～1500kPaG的情况下的蒸馏而言，操作线与平衡线分离得较远，液体偏流对蒸馏性能降低直接造成的影响变小，尽管如此，当使用填充塔时，即使设置中间部液体分配器，有时蒸馏性能也会降低。
现状是，单纯地通过增高填充塔的气液接触部，并使原料空气量增大来应对该问题，而没有开发出针对该问题的恰当的应对措施。但是，原料空气量的增大导致空气压缩机中的消耗动力增加，另外，在增高气液接触部的情况下，不仅是蒸馏塔，冷箱也变大，因此会产生装置的成本增高的问题。
这样的问题不仅在氮制造装置中产生，还在也一并提取氧、氩的复式精馏型空气分离装置的高压塔(下部塔)中产生。
因此，本发明的目的在于，对于以较高的压力运转的填充塔而言，提供一种即使不增高气液接触部、不使空气量增大也能使蒸馏性能难以降低的填充塔。
用于解决问题的方案
为了达成上述目的，本发明的填充塔在筒状体内具有气液接触部，在最上部具有液体分配器，该填充塔利用所述气液接触部而使下降液体和上升气体彼此接触，该填充塔的特征在于，运转压力处于200kPaG～1500kPaG的范围，相对挥发度处于1.9～3.1的范围，所述气液接触部在上下方向上分割为至少两部分而形成有多个气液接触部，在上下的气液接触部之间的至少1个部位设有气体分散器，该气体分散器用于使自下部的气液接触部朝向上部的气液接触部上升的上升气体的浓度均匀地分散。
另外，本发明的填充塔的特征在于，比位于最上部的所述气体分散器靠上侧的气液接触部的高度的合计设定为整个气液接触部的高度的0.5倍以上的高度。
另外，本发明的填充塔的特征在于，至少设置1个用于对所述下降液体进行再次分配的中间部液体分配器，另外，在设有中间部液体分配器的情况下，比位于最上部的所述气体分散器靠上侧的气液接触部的高度的合计设定为整个气液接触部的高度的0.5倍以上的高度。
此外，本发明的填充塔的特征在于，所述气体分散器与所述中间部液体分配器形成为一体。另外，本发明的填充塔的特征在于，所述气液接触部是所述下降液体随着下降而偏流的构造。
发明的效果
采用本发明的填充塔，能够利用气体分散器使朝向气液接触部上升的上升气体分散。由此，能够使上升气体的组成均匀化，并且还能够使上升气体的流量均等化。因此，能够抑制蒸馏效率和气液接触效率的降低，因此能够降低气液接触部的高度，减少气液的导入量。
附图说明
图1是表示本发明的填充塔的第1形态例的说明图。
图2是表示气体分散器的一个例子的概略剖视图。
图3是表示气体分散器的一个例子的概略仰视图。
图4是表示本发明的填充塔的第2形态例的说明图。
图5是第1形态例所对应的仿真模型。
图6是未设置气体分散器和中间部液体分配器的现有例的仿真模型。
图7是表示根据图5和图6的仿真模型而得到的、液体偏流率和性能降低率之间的关系的图。
图8是第2形态例所对应的仿真模型。
图9是在上部气液接触部和下部气液接触部之间设置有中间部液体分配器的填充塔所对应的仿真模型。
图10是表示根据图8和图9的仿真模型而得到的、液体偏流率和性能降低率之间的关系的图。
图11是表示根据图8和图9的仿真模型而得到的、运转压力和性能降低率之间的关系的图。
图12是表示根据图8的仿真模型而得到的、上部气液接触部模型以及中部气液接触部模型的合计高度相对于气液接触部模型的整体高度的比例和性能降低率之间的关系的图。
图13是表示根据图5的仿真模型而得到的、上部气液接触部模型以及中部气液接触部模型的合计高度相对于气液接触部模型的整体高度的比例和性能降低率之间的关系的图。
图14是在上部气液接触部和下部气液接触部之间设有中间部液体分配器和气体分散器的仿真模型。
图15是表示氮制造装置的基本结构的系统图。
图16是表示在一个气液接触部的上方配置有一个液体分配器的蒸馏塔的一个例子的说明图。
图17是表示在上下分割为两部分的气液接触部的各气液接触部的上方分别设有上部液体分配器和中间部液体分配器的填充塔的一个例子的说明图。
具体实施方式
图1表示本发明的填充塔的第1形态例。该填充塔11是在筒状体16内设有气液接触部的填充塔，在筒状体16的底部具有气体导入部12和液体导出部13，并且在筒状体16的顶部具有气体导出部14和液体导入部15，筒状体16内的气液接触部在上下方向上被分割形成为上部气液接触部17和下部气液接触部18，在上部气液接触部17的上方设有用于使自液体导入部15导入的液体朝向上部气液接触部17均等地流下的液体分配器19，并且在上部气液接触部17和下部气液接触部18之间设有用于使自所述下部气液接触部18朝向所述上部气液接触部17上升的上升气体的浓度均匀地分散的气体分散器20。
利用下部气液接触部18对自所述气体导入部12导入的上升气体进行蒸馏操作，将上升气体导入气体分散器20使其分散，之后，将其导入上部气液接触部17并进行蒸馏操作，自气体导出部14导出。另一方面，利用液体分配器19分配自液体导入部15导入的下降液体，将下降液体依次导入上部气液接触部17、下部气液接触部18。该导入的液体随着下降而偏流，自液体导出部13导出。
图2是表示气体分散器20的一个例子的概略剖视图，图3是表示气体分散器20的一个例子的概略仰视图。在该气体分散器20中，自下部气液接触部18上升来的上升气体通过多个通路21，在折回部22受到阻力，从而使浓度在水平方向上均匀。自气体分散器20向上部气液接触部17流入的上升气体的流量，以具有取决于在上部气液接触部17中流下的下降液体的偏流的分布的方式导入。另外，自上部气液接触部17流下的下降液体自折回部22之上向液体接收部23流下，自底孔24朝向下部气液接触部18流下。
图4表示本发明的填充塔的第2形态例。另外，在以下的说明中，对与所述第1形态例所示的填充塔的结构要素相同的结构要素标注相同的附图标记并省略详细的说明。
对于该填充塔31而言，将筒状体32内的气液接触部在上下方向上分割成三部分而形成上部气液接触部33a和中部气液接触部33b、以及下部气液接触部34，在上部气液接触部33a的上方设有上部液体分配器35a，在上部气液接触部33a和中部气液接触部33b之间设有中间部液体分配器35b，并且在中部气液接触部33b和下部气液接触部34之间设有气体分散器36。
利用下部气液接触部34对自所述气体导入部12导入到填充塔31的下部上升气体进行蒸馏操作，将上升气体导入气体分散器36使其分散，之后，将其依次导入中部气液接触部33b、上部气液接触部33a而进行蒸馏操作，自气体导出部14导出。另一方面，利用上部液体分配器35a对自液体导入部15导入的下降液体进行分配，将下降液体导入上部气液接触部33a，之后，利用中间部液体分配器35b对其再次进行分配。之后，将下降液体依次导入中部气液接触部33b、下部气液接触部34而对其进行蒸馏操作。
以下，说明对用于确认在上下的气液接触部之间设置有气体分散器的效果进行仿真而得到的结果。另外，在各仿真模型中，下降液体用实线表示，上升气体用虚线表示。
图5是如所述形态例1所示地在上部气液接触部17和下部气液接触部18之间设有气体分散器20的仿真模型。要导入各填充塔模型41、42的下降液体在利用液体分配器模型43以任意的比率自填充塔最上部导入后，到达各填充塔模型41、42的最下部。另外，在将导入各填充塔模型41、42的全部下降液体量设为LF，并且将液体分配器模型43中的下降液体量的调整量设为δF时，导入第1填充塔模型41的下降液体量LF1成为LF/2+δF，导入第2填充塔模型42的下降液体量LF2成为LF/2-δF，δF/LF成为液体偏流率。
在该仿真模型中，在上部气液接触部模型44和下部气液接触部模型45之间设有相当于气体分散器20的气体分散器模型46。图6是如所述图16所示的未设置气体分散器和中间部液体分配器的现有例的仿真模型。
在图5所示的仿真模型中，自气体导入部47导入的原料空气分别导入各填充塔模型41、42而成为上升气体，利用下部气液接触部模型45分别对其进行蒸馏操作。之后，在将上升气体导入气体分散器模型46而进行上升气体组成的均匀化后，将其导入上部气液接触部模型44而进行蒸馏操作，使其分别上升到各填充塔模型41、42的最上部。
自液体导入部48导入的下降液体在利用液体分配器模型43以任意的比率导入后，分别下降到各填充塔模型的最下部而没有在中间部对流量、组成进行校正。
在图6所示的仿真模型中，自气体导入部51导入的原料空气分别导入各填充塔模型52、53而成为上升气体，上升气体被导入下部气液接触部模型54，接着被导入上部气液接触部模型55。该上升气体分别上升到各填充塔模型52、53的最上部而没有对流量、组成进行校正。对于自液体导入部56导入的下降液体而言，与图5所示的仿真模型同样地，在利用液体分配器模型57以任意的比率导入各填充塔模型52、53的最上部后，分别下降到各填充塔模型52、53的最下部而没有对流量、组成进行校正。
将使用图5和图6所示的各仿真模型而计算出相对于液体偏流率(δF/LF)而言的性能降低率的结果表示在图7中。图6所示的现有例模型的性能降低率6A以液体偏流率1％为分界急剧地变大。其原因在于，各填充塔模型52、53中的上升气体组成的差异变得显著。另一方面，设置气体分散器模型46而使上升气体组成均匀化了的图5所示的第1形态例模型的性能降低率5A直到液体偏流率5％为止都是平缓的变化，并且直到液体偏流率2％为止基本不产生性能降低。其结果显示了：通过设置气体分散器而进行上升气体组成的均匀化，能够有效地抑制性能降低。
图8是如所述第2形态例所示那样的仿真模型，将气液接触部在上下方向上分割形成为上部气液接触部33a和中部气液接触部33b、以及下部气液接触部34，在上部气液接触部33a的上方设有上部液体分配器35a，在上部气液接触部33a和中部气液接触部33b之间设有中间部液体分配器35b，并且在中部气液接触部33b和下部气液接触部34之间设有气体分散器36。
在该仿真模型中，自气体导入部61导入的原料空气分别被导入到各填充塔模型62、63的下部而成为上升气体，利用下部气液接触部模型64分别对其进行蒸馏操作，之后，导入气体分散器模型65而进行上升气体组成的均匀化，之后，经过中部气液接触部模型66b和上部气液接触部模型66a而上升至各填充塔模型62、63的最上部。
另一方面，自液体导入部67导入的下降液体利用上部液体分配器模型68a以任意的比率分别导入各填充塔模型62、63的上部，利用上部气液接触部模型66a进行蒸馏操作，之后，在中间部液体分配器模型68b中，使其组成均匀化，之后，与上部液体分配器模型68a同样地按比率分配而导入中部气液接触部模型66b，直接导入下部气液接触部64而下降至各填充塔模型62、63的最下部。
图9是如图17的现有例所示那样在上下分割为两部分而形成的上部气液接触部135和下部气液接触部136之间设置有中间部液体分配器138的填充塔139的仿真模型。
在该仿真模型中，自气体导入部71导入的原料空气分别被导入到各填充塔模型72、73而成为上升气体，分别利用下部气液接触部模型74进行蒸馏操作，之后，直接经过上部气液接触部模型75从而上升至填充塔模型72、73的最上部而没有校正其流量、组成。
另一方面，自液体导入部76导入的下降液体利用上部液体分配器模型77以任意的比率分别被导入到各填充塔模型72、73，利用上部气液接触部模型75进行蒸馏操作，之后，在中间部液体分配器模型78中，使其组成均匀化，之后，与上部液体分配器模型77同样地被按比率分配而导入下部气液接触部模型74，下降至各填充塔模型72、73的最下部。
将使用图8和图9所示的各仿真模型而计算出的相对于液体偏流率而言的性能降低率的结果表示在图10中。未设置气体分散器而设置有中间部液体分配器的图9所示的仿真模型中的性能降低率9A相对于液体偏流率的增加而平缓地变化，与所述图7所示的现有例模型的性能降低率6A相比在蒸馏性能降低率的抑制这一方面具有一定的效果，但是如图8所示的仿真模型中的性能降低率8A所示，显示了如下情况：通过同时使用中间部液体分配器和气体分散器，能够得到更好的抑制效果。
另外，将在使用图8和图9所示的各仿真模型、并将液体偏流率设为3％的条件下计算出的相对于运转压力而言的性能降低率的结果表示在图11中。可知如下内容：对于未设置气体分散器的图9所示的仿真模型中的性能降低率9B而言，当运转压力成为200kPaG以上，由于上升气体的偏流而导致上升气体组成的差异变大，从而使得性能降低率显著增大。与此相对地，对于设置有气体分散器的图8所示的仿真模型中的性能降低率8B而言，在运转压力为200kPaG～1500kPaG的运转压力范围内，即，在相对挥发度为1.9～3.1的范围内能够抑制蒸馏性能的降低。
另外，将使用图8所示的仿真模型来讨论设置气体分散器的位置和性能降低率之间的关系而得的结果表示在图12中。在图8中，将上部气液接触部模型66a的高度设为H1A，将中部气液接触部模型66b的高度设为H1B，将下部气液接触部模型64的高度设为H2，使气液接触部模型的整体高度(H1A+H1B+H2)和上部气液接触部模型66a的高度H1A固定不变，使下部气液接触部模型64的高度H2减小，也就是说，在不改变整体高度的前提下使气体分散器65向下方偏移，计算出该情况下的性能降低率8C。将其结果表示在图12中。
根据该结果可知，通过将上部气液接触部模型66a和中部气液接触部模型66b的合计高度设定为气液接触部模型的整体高度的0.5倍以上、尤其是0.7倍以上，能够使性能降低抑制效果较高。另外，虽然计算了使气液接触部模型的整体高度(H1A+H1B+H2)和上部气液接触部模型66a的高度H1A固定不变的情况下的性能降低率，但是，无论是使哪个部位的长度固定不变，都能得到本申请发明的效果。例如，也可以使气液接触部模型的整体高度(H1A+H1B+H2)和中部气液接触部模型66b的高度H1B固定不变而计算性能降低率。
另外，使用图5所示的仿真模型，同样地将上部气液接触部模型44的高度设为H1，将下部气液接触部模型45的高度设为H2，使气液接触部模型的整体高度(H1+H2)固定不变，并使下部气液接触部模型45的高度H2减小，也就是说，在不改变气液接触部模型的整体高度的前提下使气体分散器46向下方偏移，计算出该情况下的性能降低率5A。如图13所示，可知：在该结果中也是，通过将上部气液接触部模型44的高度H1设定为气液接触部整体的高度的0.5倍以上、优选为0.7倍以上的比例，能够使性能降低抑制效果较高。另外，虽然计算了使气液接触部模型的整体高度(H1+H2)固定不变的情况下的性能降低率，但是，无论是使哪个部位的长度固定不变，都能得到本申请发明的效果。
图14是在上部气液接触部81和下部气液接触部82之间设置有中间部液体分配器83和气体分散器84的仿真模型。像这样地，在中间部液体分配器83和气体分散器84设于相同的位置的情况下，能够设置将液体分配功能和气体分散功能形成为一体的液体分配·气体分散器。将该结果表示于图12的黑三角标记(使H1B为0)，在(H1A+H1B)相对于(H1A+H1B+H2)的比例为0.7的情况下，能够得到与图8所示的仿真模型同等的结果。
另外，本发明中的一个气液接触部是指在下降液体的导入部或者导出部和上升气体的导入部或者导出部之间具有气液接触部的部分，在筒状体的内部具有多个气液导入部、气液导出部的填充塔的情况下，对于各气液接触部都能够适用本发明。另外，气体分散器的构造是任意的。
附图标记说明
11 填充塔；12 气体导入部；13 液体导出部；14 气体导出部；15 液体导入部；16筒状体；17 上部气液接触部；18 下部气液接触部；19 液体分配器；20 气体分散器；21 通路；22 折回部；23 液体接收部；24 底孔；31 填充塔；32 筒状体；33a 上部气液接触部；33b中部气液接触部；34 下部气液接触部；35a 上部液体分配器；35b 中间部液体分配器；36气体分散器；41、42 填充塔模型；43 液体分配器模型；44 上部气液接触部模型；45 下部气液接触部模型；46 气体分散器模型；47 气体导入部；48 液体导入部；51 气体导入部；52、53 填充塔模型；54 下部气液接触部模型；55 上部气液接触部模型；56 液体导入部；57 液体分配器模型；61 气体导入部；62、63 填充塔模型；64 下部气液接触部模型；65 气体分散器模型；66a 上部气液接触部模型；66b 中部气液接触部模型；67 液体导入部；68a 上部液体分配器模型；68b 中间部液体分配器模型；71 气体导入部；72、73 填充塔模型；74 下部气液接触部模型；75 上部气液接触部模型；76 液体导入部；77 上部液体分配器模型；78中间部液体分配器模型；81 上部气液接触部；82 下部气液接触部；83 中间部液体分配器；84 气体分散器；100 氮制造装置；101 蒸馏塔；102 上部液体分配器；103 上部气液接触部；104 中间部液体分配器；105 下部气液接触部；106 空气压缩机；107 后冷却器；108 前处理单元；109 纯化空气路径；110 冷箱；111 主换热器；112 气体导入路径；113 气体导出路径；114 冷凝路径；115 冷凝器；116 液体导出路径；117 液态空气减压阀；118 液体导入路径；119 低温空气路径；120 涡轮机入口路径；121 膨胀涡轮机；122 涡轮机出口路径；123 废气路径；124 产品氮气路径；131 蒸馏塔；132 气液接触部；133 液体分配器；135、136 气液接触部；137 上部液体分配器；138 中间部液体分配器；139 填充塔。

Claims (7)

1.一种填充塔，该填充塔在筒状体内具有气液接触部，在最上部具有液体分配器，该填充塔利用所述气液接触部而使下降液体和上升气体彼此接触，该填充塔的特征在于，运转压力处于200kPaG～1500kPaG的范围，相对挥发度处于1.9～3.1的范围，所述气液接触部在上下方向上分割为至少两部分而形成有多个气液接触部，在上下的气液接触部之间的至少1个部位设有气体分散器，该气体分散器用于使自下部的气液接触部朝向上部的气液接触部上升的上升气体的浓度均匀地分散。
2.根据权利要求1所述的填充塔，其特征在于，
比位于最上部的所述气体分散器靠上侧的气液接触部的高度的合计设定为整个气液接触部的高度的0.5倍以上的高度。
3.根据权利要求1所述的填充塔，其特征在于，
至少设有1个用于对所述下降液体进行再次分配的中间部液体分配器。
4.根据权利要求3所述的填充塔，其特征在于，
比位于最上部的所述气体分散器靠上侧的气液接触部的高度的合计设定为整个气液接触部的高度的0.5倍以上的高度。
5.根据权利要求3所述的填充塔，其特征在于，
所述气体分散器与所述中间部液体分配器形成为一体。
6.根据权利要求4所述的填充塔，其特征在于，
所述气体分散器与所述中间部液体分配器形成为一体。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的填充塔，其特征在于，
所述气液接触部是所述下降液体随着下降而偏流的构造。
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