CN117940726A - 空气分离装置用氩塔及空气分离装置 - Google Patents

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Abstract

本申请的目的是提供一种在不降低蒸馏性能的情况下降低蒸馏塔的塔高度的空气分离装置用氩塔。采用空气分离装置用氩塔(11)，其具有上部区段和下部区段，所述上部区段和所述下部区段在同一个区段内均具有相等的床长度，所述上部区段的长度为总床长度的72％以下，上部床长度为下部床长度的1.25倍以上。

Description

空气分离装置用氩塔及空气分离装置
技术领域
本申请涉及一种空气分离装置用氩塔及空气分离装置。
背景技术
一般的空气分离装置具备高压蒸馏塔、低压蒸馏塔、氩塔作为蒸馏塔。在工业采集氩时，利用将使用规则填充物的规则填充塔作为氩塔采用的空气分离装置，并将压缩空气作为原料，将从低压塔的中段侧切的进料(氩纯度为10％左右、氧纯度为90％左右、氮纯度为100ppm左右)在氩塔中精馏。由此，得到高纯度的产品氩。一般地，氩塔塔顶的氩浓度为98％至99.999％以上(氧纯度为1ppm左右)。
通常，出于防止蒸馏塔内的下降液的偏流并维持蒸馏性能的目的，在铅直方向上每隔规定的长度对填充物进行划分。将该划分出的各区间的填充物称为床，将其长度称为床长度。
应予说明，在蒸馏塔内，在划分的床之间设置有用于对下降液进行再混合及再分配的液体分配器和收集器(以下，称为“内置件(内部インターナル)”(internal))。
例如，在专利文献1中公开有床数为七个且这些床的床长度全部相等的氩塔。
另外，在专利文献2中公开有一种氩塔，该氩塔为了防止性能降低，在铅直方向上层叠的床中最下层的床的床长度较短，其他床的床长度相等。
专利文献1：日本专利第6257656号公报
专利文献2：日本特开第2000-337766号公报
然而，在专利文献1或2中，没有公开涉及氩塔的塔高度降低的技术。
发明内容
因此，本发明的课题在于提供一种空气分离装置用氩塔，其在不降低蒸馏性能的情况下降低蒸馏塔的塔高度。另外，本发明的课题在于提供一种空气分离装置，其能够在不降低蒸馏性能的情况下实现小型化。
本发明提供以下的空气分离装置用氩塔和空气分离装置。
(1)一种空气分离装置用氩塔，其为在具备高压塔、低压塔和氩塔的空气分离装置中使用且利用规则填充物的规则填充塔，并且为将从所述低压塔的中段所供给的流体作为原料而得到产品氩的氩塔，所述空气分离装置用氩塔具有上部区段和下部区段，所述上部区段和所述下部区段在同一个区段内均具有相等的床长度，所述上部区段的长度为总床长度的72％以下，上部床长度为下部床长度的1.25倍以上。
(2)根据(1)所述的空气分离装置用氩塔，其中，所述上部区段的床数为一个以上，所述下部区段的床数为两个以上。
(3)根据(1)或(2)所述的空气分离装置用氩塔，其中，产品氩中的氧浓度为10ppm以下。
(4)根据(1)至(3)中任一项所述的空气分离装置用氩塔，其中，所述空气分离装置用氩塔在铅直方向上被分割为两部分以上。
(5)一种空气分离装置，具备(1)至(4)中任一项所述的空气分离装置用氩塔。
本发明的空气分离装置用氩塔能够在不降低蒸馏性能的情况下降低蒸馏塔的塔高度。
另外，本发明的空气分离装置能够在不降低蒸馏性能的情况下实现小型化。
附图说明
图1是本发明的一实施方式的空气分离装置用氩塔的截面图。
图2是本发明的一实施方式的空气分离装置用氩塔的截面图。
图3是作为本发明的比较例的空气分离装置用氩塔的截面图。
图4是作为应用本发明的一实施方式的空气分离装置的示意图。
图5是作为应用本发明的另一实施方式的空气分离装置的示意图。
图6是示出实验例的模拟结果的图。
图7是示出实验例的模拟结果的图。
具体实施方式
在以下的说明中所例示的图的尺寸等为一例，本发明并非限定于此，能够在不变更其主旨的范围内适当变更来实施。
<空气分离装置用氩塔>
首先，参照附图对作为应用本发明的一实施方式的空气分离装置用氩塔的结构进行说明。图1中所示的(B)是作为本发明的第一实施方式的空气分离装置用氩塔11的截面图。
如图1的(B)所示，本实施方式的空气分离装置用氩塔(以下，也简称为“氩塔”)11用于具备高压塔、低压塔和氩塔的空气分离装置。具体地，本实施方式的氩塔11是使用规则填充物(床)的规则填充塔，是通过使气液在塔内逆流接触，从而将从低压塔的中段侧切的进料作为原料而得到产品氩的蒸馏塔。
在氩塔11的塔内设置有位于上侧的三个床2u、位于下侧的三个床2l、以及位于各床之间的内置件5。即，本实施方式的氩塔11的床总数为六个。另外，在氩塔11的塔内，在轴向(铅直方向)上交替地层叠有各床和内置件5。
床2u、2l是物质移动操作用的液体与气体的接触用介质。床2u、2l只要是促进气液接触的介质就没有特别限定。作为床2u、2l，可以应用已知的床。例如，可以使用日本特开第2016-59888号公报所公开的将多张由金属薄板构成的片材层叠而成的规则填充物。
内置件5被构造为具有液体分配器3和收集器4。另外，在内置件5中，收集器4位于液体分配器3的上方。
液体分配器3具有在将液体再次混合而使液体组成均匀的基础上进行分配的功能。由此，能够将从位于液体分配器3的上方的床的底部所下降的液体(以下，也简称为“下降液体”)再次均匀地分配至位于该液体分配器3的下方的床。作为液体分配器3，只要能够对液体进行集液及再混合，其构造没有特别的限定，例如，可应用日本特开第2011-206681号公报所公开的具有多个分散孔的液体分配器。
收集器4具有如下功能：即在液体分配器3的上方收集从氩塔11内的各床的底部流下的液体，并使朝向各床的底部上升的气体(以下，也简称为“上升气体”)通气。作为收集器4，只要起到上述的功能，其构造没有特别的限定。
接着，以下对本实施方式的氩塔11的操作进行说明。
首先，在图1的(B)所示的氩塔11中，主要包含氧和氩的气体被供给至氩塔11的塔底部，并成为在塔内上升的上升气体。
上升气体被省略图示的塔顶冷凝器液化，作为回流液流下至位于最上部的床2u，并与上升气体连续地进行气液接触而进行蒸馏。从床的底部流下的液体在由收集器4收集后，由液体分配器3均匀地分配而在各床2u、2l流下，在由收集器4收集后，重新由液体分配器3再次均匀地分配，并且流下至位于下方的床2l、2u。
在本实施方式的氩塔11中，氩以满足产品规格的浓度在塔顶部浓缩，含有氩的富氧液体作为侧进料从塔底部被送回低压塔。
在本实施方式的氩塔11中，产品氩中的氧浓度优选为10ppm以下。
另外，图1中所示的(A)是示出以往技术(上述的专利文献1)的氩塔结构的截面图。
如图1的(A)所示，在以往的氩塔111的塔内设置有位于上侧的四个床2u、位于下侧的三个床2l、以及位于各床之间的内置件5。即，以往的氩塔111的床总数为七个。另外，在氩塔111的塔内，在轴向(铅直方向)上交替地层叠有各床和内置件5。
另外，在以往的氩塔111中，床2u(1A)和床2l(1A)的床长度(氩塔在轴向上的床的长度)全部相等。
通过这样的结构，在以往的氩塔111中，在维持蒸馏性能的同时抑制蒸馏塔的高度。
与此相对，如图1的(B)所示，在本实施方式的氩塔11的塔内设置有位于上侧的三个床2u和位于下侧的三个床2l。即，本实施方式的氩塔11的床总数为六个。
应予说明，在本实施方式的氩塔11中，床2u彼此的床长度相等，床2l彼此的床长度也相等。
另外，在本实施方式的氩塔11中，床2u的床长度比床2l的床长度长。
进而，在本实施方式的氩塔11中，内置件5的总数为五个，比以往的氩塔111少一个。
通过这样的结构，在本实施方式的氩塔11中，与以往的氩塔111相比，能够在不降低蒸馏性能的情况下，通过削减一个内置件5的设置空间的影响，进一步抑制蒸馏塔的高度。
此处，图1的(A)中所示的虚线和图1的(B)中所示的虚线示出在以往的氩塔111中从下起第三段的床的上部的位置，将该虚线的上部定义为上部区段，将该虚线的下部定义为下部区段。即，在本发明中，以以往的氩塔111的位于从下起第三段的床的上端为基准，将比该基准靠上侧定义为上部区段，将比该基准靠下侧定义为下部区段。
另外，将位于上部区段的床定义为上部床2u，将位于下部区段的床定义为下部床2l。
进而，将氩塔内的床长度之和定义为“总床长度”，将位于上部区段的上部床2u的床长度之和定义为“上部区段长度”，将位于下部区段的下部床2l的床度之和定义为“下部区段长度”。
即，本实施方式的氩塔11由上部区段和下部区段构成，上部区段和下部区段在同一个区段内均具有相等的床长度，上部区段的床数为三个，下部区段的床数为三个。
应予说明，本实施方式的氩塔11的下部区段的位置(高度)与以往的氩塔111的下部区段的位置(高度)相同。另外，本实施方式的氩塔11的下部区段的床数及以往的氩塔111的下部区段的床数均为三个。即，本实施方式的氩塔11与以往的氩塔111的下部床2l的床长度以及下部区段长度均相等。另一方面，本实施方式的氩塔11与以往的氩塔111的上部床2u的床长度以及上部区段长度均不同(都是氩塔11中的较长)。
另外，本实施方式的氩塔11的上部区段长度为总床长度的72％以下，上部床长度为下部床长度的1.25倍以上。
如在后述的实施例中说明的那样，由于氩塔11的上部区段长度为总床长度的72％以下，上部床长度为下部床长度的1.25倍以上，由此能够在不降低蒸馏性能的情况下削减床总数，能够减少伴随床的内置件的总数，并且能够通过抑制上部区段长度的增加来实现抑制了蒸馏塔的高度的氩塔。
(变形例1)
接着，对上述的本实施方式的氩塔11的变形例进行说明。
图1中所示的(C)是示出作为本实施方式的变形例的氩塔12的结构的截面图。此处，图1的(C)中所示的虚线是在图1的(A)中所示的以往的氩塔111中定义从下起第三段床的上方的位置。
如图1的(C)所示，在作为本实施方式的变形例的氩塔12中，两个床2u(1C)位于塔内的上方，三个床2l(1C)位于下方。即，氩塔12的床总数为五个。
在氩塔12中，床2u(1C)的床长度彼此相等，床2l(1C)的床长度彼此相等。
另外，在氩塔12中，床2u(1C)的床长度比床2l(1C)的床长度长。
进而，氩塔12的内置件5的总数为四个，比上述的氩塔11少一个。
通过这样的结构，作为本实施方式的变形例的氩塔12与上述的氩塔11相比，能够在不降低蒸馏性能的情况下进一步抑制蒸馏塔的高度。
即，氩塔12由上部区段和下部区段构成，上部区段和下部区段在同一个区段内均具有相等的床长度，上部区段的床数为两个，下部区段的床数为三个。
应予说明，变形例的氩塔12的下部区段的位置(高度)与以往的氩塔111和上述实施方式的氩塔11的下部区段的位置(高度)相同。另外，变形例的氩塔12、上述实施方式的氩塔11、以及以往的氩塔111的下部区段的床数均为三个。即，变形例的氩塔12、上述实施方式的氩塔11以及以往的氩塔111的下部床2l的床长度和下部区段长度均相等。另一方面，变形例的氩塔12、上述实施方式的氩塔11以及以往的氩塔111的上部床2u的床长度和上部区段长度均不同。
另外，氩塔12的上部区段长度为总床长度的72％以下。
进而，氩塔12的上部床长度为下部床长度的1.25倍以上。
(变形例2～4)
图2中所示的(A)～(C)是示出作为本实施方式的变形例的氩塔结构的截面图。此处，图2的(A)～(C)中所示的虚线是在图1的(A)所示的以往的氩塔111中定义从下起第二段床的上方的位置。
如图2的(A)～(C)所示，在作为本实施方式的变形例的氩塔21、22、23中，在塔内的上方分别存在二～四个床2u(2A)～2u(2C)，在下方均存在两个床2l。即，氩塔21、22、23的床总数为四～六个。
在氩塔21、22、23中，各床2u(2A)～2u(2C)的床长度彼此相等，各床2l(2A)～2l(2C)的床长度彼此相等。
另外，在氩塔21、22、23中，床2u(2A)～2u(2C)的床长度分别比床2l(2A)～2l(2C)的床长度长。
进而，氩塔21、22、23的内置件5的总数分别为五、四、三个，比上述以往的氩塔111的内置件5的总数(六个)少。
通过这样的结构，作为本实施方式的变形例的氩塔21、22、23与以往的氩塔111相比，能够在不降低蒸馏性能的情况下进一步抑制塔高度。
即，氩塔21、22、23由上部区段和下部区段构成，在上部区段和下部区段中，在同一个区段内均具有相等的床长度，上部区段的床数为二～四个，下部区段的床数为两个。
应予说明，变形例的氩塔21、22、23的下部区段的位置(高度)与以往的氩塔111的下部区段的位置(高度)相同。另外，变形例的氩塔21、22、23与以往的氩塔111的下部区段的床数均为两个。即，变形例的氩塔21、22、23与以往的氩塔111的下部床2l的床长度和下部区段长度均相等。另一方面，变形例的氩塔21、22、23与以往的氩塔111的上部床2u的床长度和上部区段长度均不同。
另外，氩塔21、22、23的上部区段长度为总床长度的72％以下。
进而，氩塔21、22、23的上部床长度为下部床长度的1.25倍以上。
如以上说明的那样，根据本实施方式的氩塔11，由上部区段和下部区段构成，上部区段和下部区段在同一个区段内均具有相等的床长度，上部区段的床数为三个，下部区段的床数为三个，上部区段长度为总床长度的72％以下，上部床长度为下部床长度的1.25倍以上。通过这样的结构，能够抑制上部区段长度的增加，并且与以往的氩塔111的内置件5的总数(六个)相比，能够将内置件5的总数减少一个。从而，本实施方式的氩塔11与以往的氩塔111(床总数为七个，床长度全部相等)相比时，能够在不降低蒸馏性能的情况下进一步抑制蒸馏塔的高度。
同样地，根据作为本实施方式的变形例的氩塔12、21～23，与上述氩塔11同样地，与以往技术的氩塔111相比，能够在不降低蒸馏性能的情况下进一步抑制蒸馏塔的高度。
<空气分离装置>
图4是示出作为应用本发明的一个实施方式的空气分离装置100的结构的示意图。
如图4所示，本实施方式的空气分离装置100在冷箱(保冷箱)150的内侧具备在任意位置被分割为两部分的氩塔10、高压蒸馏塔(高压塔)20、低压蒸馏塔(低压塔)30以及高纯度氩蒸馏塔40。
根据本实施方式的空气分离装置100，通过应用上述实施方式的氩塔11作为氩塔10，能够抑制蒸馏塔的高度，能够在不降低蒸馏性能的情况下实现冷箱150的紧凑化(即，装置整体的小型化)。
应予说明，本发明的技术范围并不限定于上述实施方式，在不脱离本发明的主旨的范围内能够进行各种变更。例如，在上述实施方式的空气分离装置100中，根据冷箱150的形状，可以不分割氩塔11而使用，也可以将氩塔11分割为两部分以上而使用。此时的分割位置并不限定于上部区段与下部区段的边界。
另外，在上述实施方式的氩塔11、12和氩塔22、23中，虽然以构成上部区段的上部床2u的数量为二～三个的情况为一例进行了说明，但并不限定于此。即，在构成下部区段的下部床2l的数量为两个或三个时，构成上部区段的上部床2u的数量也可以是一个。
另外，在氩塔中并不限定于从塔顶采集产品，如图5所示，在具备在上部区段的上部101进行分离的区段的氩塔的情况下，也可以从塔的中途采集产品。在该情况下，一个氩塔可以不具备上部区段和在其上部进行分离的区段101这两者。设置有上部区段的氩塔与包含有在上部101进行分离的区段的氩塔也可以不同。
进而，在图4所示的例子中，虽然将来自氩塔11的上部区段的产品氩进一步导入高纯度氩塔中，但根据氩塔下部区段的氮组成，未必需要设置高纯度氩塔。如果氩塔下部区段的氮组成为500ppm以下，优选为50ppm以下，进一步优选为1ppm以下，则不需要设置高纯度氩塔。
实施例
以下，虽然通过验证试验具体地说明本发明，但本发明并不受以下记载的限定。
(比较例1～3)
图3中所示的(A)～(C)是示出作为本发明的比较例的氩塔的结构的截面图。此处，图3的(A)～(C)中所示的虚线是在图1的(A)中所示的以往的氩塔111中定义从下起第一段床的上方的位置。
如图3的(A)～(C)所示，在比较例的氩塔31、32、33中，在塔内的上方分别存在二～四个床2u，在下方均存在一个床2l。即，氩塔31、32、33的床总数为三～五个。
在氩塔31、32、33中，各床2u(3A)～2u(3C)的床长度彼此相等，各床2l(3A)～2l(3C)的床长度均与以往的氩塔111的床2l(1A)的床长度相等。
另外，在氩塔31、32、33中，床2u(3A)～2u(3C)的床长度分别比床2l(3A)～2l(3C)的床长度长。
进而，氩塔31、32、33的内置件5的总数分别为四、三、二个，比上述以往的氩塔111的内置件5的总数(六个)少。
即，比较例的氩塔31、32、33由上部区段和下部区段构成，在上部区段和下部区段中，在同一个区段内均具有相等的床长度，上部区段的床数分别为二～四个，下部区段的床数均为一个。
(验证试验1)
在图1～图3中，在将上部床数从四个削减为两个(从各图的(A)到(C))的情况下，内置件5的总数减少，因此能够抑制氩塔的塔高度。另一方面，在削减上部床数的情况下，为了补偿蒸馏性能的降低，需要在上部区段额外地填充床，因此填充长度变长。因此，在图1～图3中，在将上部床数从四个削减为两个(从各图的(A)到(C))的情况下，验证上部区段长度相对于总床长度的比例与追加床长度的比例之间的关系。
例如，如图1所示，根据氩塔内的气液的流动状态(塔截面中的气液的流量分布)计算蒸馏性能。例如，如果增加床长度，则成为考虑了液体集中于塔壁这样的偏流倾向的流量分布，使用此时的局部的气液比来进行蒸馏性能的计算。另一方面，在分配器中，假定进行完全的液体混合，计算床数削减所带来的影响。此处，使用上述模型，针对三个条件，研究床长度对蒸馏性能的影响。将各条件的填充形态示出于图1～图3中。
对于床2u或者床2l在铅直方向的长度，分别将上部床长度设为hu，将下部床长度设为hl。另外，将上部区段长度设为HU，将下部区段长度设为Hl。
图1是下部床数为三个的氩塔，图2是下部床数为两个的氩塔，图3是下部床数为一个的氩塔，下部床长度hl全部相同。另外，在各图中，存在(A)～(C)这三种情况。
对于各图中所示的(A)的氩塔(图1(A)：下部床数为三个和上部床数为四个，图2(A)：下部床数为两个和上部床数为四个，图3(A)：下部床数为一个和上部床数为四个)，计算出在塔顶满足浓度规格(氧1ppm)的上部区段长度HUA、以及在各图中将上部床从四个床(A)设为两个床(C)时满足同样的塔顶氧浓度规格的上部区段长度HUC。应予说明，被供给至下部区段的原料组成在所有条件下相同。
在图6中，纵轴表示将各图中的(A)和(C)的区段长度差设为分子，并且分母为图1中的(A)和(C)的区段长度差时的比值，由以下的式(1)进行定义。
(HUC-HUA)图i/(HUC-HUA)图1…(1)
此处，在式(1)中，i＝1～3，下标A、C表示图1～图3中的(A)和(C)。
在图6中，横轴表示各图中的(C)的上部区段长度相对于总床长度(上部区段长度与下部区段长度之和)的比例，由以下的式(2)进行定义。
HUC图i/(HUC+HLC)图i…(2)
此处，在式(2)中，i＝1～3。
如图6所示，若增大上部区段长度相对于总床长度之比，则在从图2设为图3(将下部床数设为一个，将上部床数从四个设为两个)的情况下，与从图1设为图2的情况相比，追加床长度比增加(蒸馏性能降低)，由此上部区段长度变长。但是，在上部区段长度相对于总床长度之比为72％以下时，上部区段长度不会变长。即，观察到在上部区段长度相对于总床长度之比为72％以下时，能够在不降低蒸馏性能的情况下削减床数。
(验证试验2)
在上部区段长度为总床长度的72％以下的、氩逐渐被浓缩的区域中，观察到上部床长度hu相对于下部床长度hl之比也存在最佳值。
在图1和图2中，验证将上部床数从三个削减为两个(从各图的(B)到(C))时的、总床长度的比例与上部床长度hu相对于下部床长度hl的比例之间的关系。
图7示出在上部区段长度相对于总床长度之比为72％以下的图1、图2中，削减了床数的(B)和(C)的总床长度与上部床长度相对于下部床长度的关系。
在图7中，横轴表示各图中的(B)或(C)中的上部床长度/下部床长度，由以下的式(3)进行定义。
h图i的uB或uC/h图i的lB或lC…(3)
纵轴表示将各图中的(A)的总床长度设为分母，将(B)或(C)的总床长度设为分子时的比值.由以下的式(4)进行定义。
(HUB或UC+HLB或LC)图i/(HU+HL)A图i…(4)
此处，在式(4)中，i＝1～2。
即使如图7中的图1(B)所示那样上部床长度为下部床长度的1.25倍以上，而且即使如图2(C)所示那样上部床长度为下部床长度的2.5倍以上，总床长度比也大致接近1。即，表示即使上部床长度为下部床长度的1.25倍以上，也能在不降低蒸馏性能的情况下削减床数。
附图标记说明
2u、2u(1A)、2u(1B)、2u(1C)、2u(2A)、2u(2B)、2u(2C)、2u(3A)、2u(3B)、2u(3C)：上部床
2l、2l(1A)、2l(1B)、2l(1C)、2l(2A)、2l(2B)、2l(2C)、2l(3A)、2l(3B)、2l(3C)：下部床
3：液体分配器
4：收集器
5：内置件
10、11、12、21、22、23、31、32、33、111：空气分离装置用氩塔(氩塔)
20：高压蒸馏塔(高压塔)
30：低压蒸馏塔(低压塔)
40：高纯度氩蒸馏塔
100：空气分离装置
150：冷箱(保冷箱)

Claims (5)

1.一种空气分离装置用氩塔，其为在具备高压塔、低压塔和氩塔的空气分离装置中使用且利用规则填充物的规则填充塔，并且为将从所述低压塔的中段所供给的流体作为原料而得到产品氩的氩塔，
所述空气分离装置用氩塔具有上部区段和下部区段，
所述上部区段和所述下部区段在同一个区段内均具有相等的床长度，
所述上部区段的长度为总床长度的72％以下，
上部床长度为下部床长度的1.25倍以上。
2.根据权利要求1所述的空气分离装置用氩塔，其中，
所述上部区段的床数为一个以上，
所述下部区段的床数为两个以上。
3.根据权利要求1或2所述的空气分离装置用氩塔，其中，
产品氩中的氧浓度为10ppm以下。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的空气分离装置用氩塔，其中，
所述空气分离装置用氩塔在铅直方向上被分割为两部分以上。
5.一种空气分离装置，具备权利要求1至4中任一项所述的空气分离装置用氩塔。
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