使用交叉波纹规整填料塔分离气体混合物的分离方法

摘要

本发明涉及一种气体的低温分离方法，所述气体的主要成分包括选自下列组的至少两种成分：氢、一氧化碳、氮和甲烷，该方法使用至少一个具有交叉波纹规整填料的蒸馏塔(K02/K03)和/或至少一个具有交叉波纹规整填料的吸收塔(K01)，其中至少一个区段用于下降的液体和上升的气体之间的热量和/或物质交换，所述区段的参数S的范围介于50×10

说明书

本发明涉及一种使用交叉波纹规整填料塔分离气体混合物的分离方 法。

用于分离一氧化碳和氢的混合物的传统装置仅包括具有板的塔，而新 一代的这类装置使用不具有改良/修改界面的交叉波纹规整填料塔的技术 (EP-A-0 837 031)。由于以下事实，在这些装置中填料的使用仍然棘手， 即，对分离效率、可湿性和发泡性能等具有影响的物理特性与空气的物理 特性不具有可比性。这些规整填料在界面上具有局部压降，这可能是待分 离混合物的可能的发泡源。发泡的存在妨碍了各种待生产的产品的正确的 分离运行。

本发明的优点在于防止在专门用于混合物分离的部分中有泡沫生成。 可以控制可能的泡沫生成的参数之一可由下列无量纲数概括得到：S＝τ m/σ，其中τ是液/汽界面上的剪切应力(kgm^-1s^-2)，m是在填料上流过 的液体膜厚度(m)以及σ是液/汽界面上的表面张力(kgs^-2)。因此，如 专利US-A-5644932所述，该参数使气体在液体上形成的剪切应力与液体 的表面张力相关联。看来，在本发明的应用中，这个因子/系数S的值的范 围应当介于50×10^-6和7000×10^-6之间，优选是介于150×10^-6和1500× 10^-6之间。

该参数可以通过几种方式进行调节：

●通过调节填料的几何参数(在同一区段之内或在两个不同的区段之 间)，也就是说：

○通道相对于水平方向的倾斜角度δ(优选是介于30°和70°之 间)；

○波纹的弯折角度γ(优选是介于40°和150°之间)；

○至少在填料中心区域的填料密度(优选是介于300m²/m³和 1000m²/m³之间)；

○填料的开孔率(优选是介于3％和20％之间)；

○填料的孔的直径(优选是介于1mm和4mm之间)；以及

○波纹在从其中波纹相对于垂直方向倾斜一给定角度的中心区域到 其中波纹相对于垂直方向倾斜一较小角度、或者甚至是垂直的边缘区域的 曲率半径(优选是介于0.5mm和3mm之间)；

●通过逐渐改变通道的倾斜角度，如专利WO 97/16247所述，以使所 述通道在所述角度的高、低末端越来越垂直。

在这些运行范围(通过调节一个或多个前文提到的参数而运行)内工 作的主要优点在于分离能力的优化，或更特别地在于对于给定分离能力的 塔直径的减小。因此，通过这些调节手段可以大大地减少塔的投资费用， 从而大大减少冷箱的投资费用。低温设备的总体减小也容许在启动和转换 阶段中提高设备的灵活性，这是第二个优点。

根据本发明的一个主题，提供了一种气体的低温分离方法，所述气体 的主要成分包括选自下列组中的一组的至少两种成分：i)氢、一氧化碳、 氮和甲烷；ii)氮、氧、氩；以及iii)二氧化碳、氢、氮、氧、氩，该方 法使用至少一个具有交叉波纹规整填料的蒸馏塔和/或至少一个具有交叉 波纹规整填料的吸收塔，其中至少一个区段用于下降的液体和上升的气体 之间的热量和/或质量交换，其特征在于，该区段的参数S介于50×10^-6和 70000×10^-6之间，其中S＝τm/σ，τ是液/汽界面上的剪切应力 (kgm^-1s^-2)，m是在填料上流过的液膜厚度(m)以及σ是液/汽界面上的 表面张力(kgs^-2)。

根据该方法的其他特征：

-在所述用于热量和/或质量交换的区段中的至少一个填料体包括中 心区域和下部区域和可选的上部区域，所述下部区域和可选的上部区域相 对于中心区域被改良/修改为使得其中液体的上升阻力相对于中心区域的 上升阻力而减小；

-所述气体的主要成分包括氢、一氧化碳、甲烷以及可选的氮；

-所述气体的主要成分包括氢、一氧化碳和可选的甲烷以及氮；

-填料在以下条件下操作，即，进气量F介于0.2-2.5(Nm^-2)^0.5之间， 其中F＝(ρ_vv_gas)^0.5，并且/或者填料中的以L/dm₂/h为单位的液体流率可从 50变化至高达600L/dm²/h；

-所述气体的主要成分包括选自下列组的至少两种成分：氢，一氧化 碳，氮和甲烷，其中，该区段中的参数S介于50×10^-6和7000×10^-6之间， 更特别地介于150×10^-6和1500×10^-6之间；

-所述气体的主要成分包括选自下列组的至少两种成分：氮、氧、氩， 如前述权利要求1-5中的任一项权利要求所述，其中，该区段中的参数S 介于500×10^-6和70000×10^-6之间；

-在用于热量和/或质量交换的区段中的至少一个填料体包括中心区 域和下部区域，所述下部区域相对于中心区域被改良为使得其中液体上升 的阻力相对于中心区域中的上升阻力减小；

-塔的内径随着进气量和用于待分离气体的进液量而从一个区段至另 一个区段变化；

-填料的密度至少在一个中心区域为300m²/m³至1000m²/m³；

-填料的至少一个特征在同一区段中变化，所述特征选自下列组：

○填料密度；

○倾斜角度；

○弯折角度；

○曲率半径；以及

○开孔率，

-填料的至少一个特征从一个区段至另一个区段变化，所述特征选自 下列组：

○填料密度；

○倾斜角度；

○弯折角度；

○曲率半径；以及

○开孔率。

本发明将参照附图更详细地加以描述，其中，图1示出根据本发明的 甲烷洗涤/涤气过程，图2示出根据本发明的部分冷凝过程，图3示意性地 示出波纹轴(axe des ondes)上的波纹的视图，图4是波纹片(lamelle ondulée)的示意性俯视图，图5示出根据本发明的用于分离二氧化碳的方 法，以及图6示出根据本发明的空气分离方法。

在甲烷洗涤系统(图1)中，通过塔K01内的液态甲烷对受压并冷却 至-180℃的合成气进行洗涤，所述塔K01在高压(介于12和50bara之间) 和尽可能低的温度下运行，一氧化碳被羁留在塔的底部而在顶部生成氢。

塔K01具有至少一个如WO 97/16247所描述的填料体。使用具有改良 界面的这种填料尤其有利，因为与其他气体相比具有很低压降的氢允许在 很高的进气量下运行而不会明显降低分离效率。具有改良界面的填料段之 间的界面处的较小突变可使运行的参数S更稳定，降低了在两个填料体之 间的界面上发泡的风险，并使塔在稳定的状态和更可靠的转换下运行。

溶解的氢随后排入中压闪蒸塔K02。CO/CH₄的二元混合物随后在低 压蒸馏塔K03中分离。在顶部生成气态CO，在底部生成的液态甲烷被泵 送并再循环以用于K01中的洗涤操作。

在CO循环中产生制冷能力。

其他塔K02、K03也可容纳具有改良或未经改良的界面的交叉波纹规 整填料。

所有塔都在因子S介于50×10^-6和3000×10^-6之间，更特别地介于150 ×10^-6和1500×10^-6之间的情况下运行。

在带有部分冷凝的系统(图2)中，在K11中通过来自B01的液态 CO洗涤去除其甲烷的合成气被冷却至可能的最低温度，所述最低温度受 CO的固化温度所限；在B02中冷凝的液体主要是CO。

闪蒸塔K12和K13分别除去在K11的底部液体(富含甲烷)中和在 来自罐B02的液体(富含CO)中溶解的氢。

来自塔K12和K13的液体随后流入蒸馏塔K14中，在所述蒸馏塔K14 中进行CO/CH₄的分离。在该CO/CH₄分离塔(K14)——该分离塔具有 至少两个在截然不同的回流下运行的填料区段——中，使用具有不同密度 和/或倾斜角度的填料区段可以优化整个塔的参数S。

其他塔K02、K03也可容纳具有改良或未经改良的界面的交叉波纹规 整填料。

通过氢在涡轮机中的膨胀获得制冷能力。

在有氮存在的特别情况下，可在CO/CH₄塔的下游添加N₂/CO分离塔。

所有塔都在因子S介于50×10^-6和7000×10^-6之间，更特别地介于150 ×10^-6和1500×10^-6之间的情况下运行。

下面是甲烷洗涤塔的因子S的计算示例。

在密度为650m²/m³的规整填料中，不纯的/含杂质的氢的线性压降为 1.2mbar/m：

$\tau =\frac{D_h}{4}·\frac{\mathrm{\Delta P}}{\mathrm{\Delta L}}=\frac{0.0062m}{4}·120\frac{N}{m^3}=0.186\frac{N}{m^2}$

在上升的氢中，(温度为)93K的液态甲烷的层流液膜厚度为：

$m={\left[\frac{3·{\mu }_L·\Gamma }{{\rho }_L·({\rho }_L-{\rho }_V)·g}\right]}^{1/3}={\left[\frac{3·0.00021\mathrm{kg}/m·s·0.0052\mathrm{kg}/m·s}{460\mathrm{kg}/m^3·(460\mathrm{kg}/m^3-7.7\mathrm{kg}/m^3)·9.81m/s^2}\right]}^{1/3}=0.000117m$

对于(温度为)93K的液态甲烷，表面张力σ＝0.018N/m

$S=\frac{\tau ·m}{\sigma }=\frac{0.186N/m^2·0.000117m}{0.018N/m}=1209*{10}^{-6}$

Re_L＜2000的下降液膜/降膜中层流条件的验证：

$R{e}_L=\frac{4·\Gamma }{{\mu }_L}=\frac{4·0.0052\mathrm{kg}/m·s}{0.00021\mathrm{kg}/m·s}=99$

符号表

τ       汽/液界面处的剪切应力(N/m²)

σ       液体的表面张力(N/m)

γ       交换表面区域每单位宽度的液体质量流量(kg/m/s)

μ_L      气体的动力粘度(kg/m/s)

ρ_L      液体的密度(kg/m³)

ρ_V      蒸汽的密度(kg/m³)

D_h       规整填料通道的水力直径(m)

ΔP/ΔL  气体在垂直方向上的线性压降(N/m³)

m        液膜的厚度(m)

g        重力常数(9.81m/s²)

S        无量纲参数，表征汽/液界面处的内力和外力

Re_L      下降液膜的雷诺数(无量纲)

图3示出具有高H、弯折角γ的波纹的填料片(lamelle de garnissage)。

图4所示是薄片1，具有倾斜的平行波纹，其中波峰2用粗线示出， 波谷3用细线示出。

波纹的倾度由波峰2与中心区域C的下边缘4之间形成的角度δ限定。 上部区域S从元件的上边缘4a延伸到中心区域C的上限，而下部区域I 从该元件的下边缘延伸到中心区域C的下限，每个区域S、I都具有高度h’。 波峰和边缘4之间形成的角度为δ₁＝90°，但也可以取其他值。

图5示出根据本发明通过蒸馏分离二氧化碳的工艺。混合有氮、氧和 氩的二氧化碳流1在交换器3中冷却，在具有塔顶冷凝器和塔底再沸器的 蒸馏塔5中分离。将来自塔5的底部液体7送入具有塔顶冷凝器和塔底再 沸器的塔9中。在塔9的顶部生成流11，并在底部生成流13。流13是富 含二氧化碳的液体产品，流11中含有氮、氩和氧。EP-A-503910中详细描 述了该工艺。专利申请US 60/890233、US 11/695422、US 11/695446、US 11/695455和US 11/695471给出了可以按照本发明的方法运行的装置的其 他示例。

图6示出了按照本发明的方法运行的双塔式空气分离塔。其他类型的 塔也能够按照本发明运行，例如单塔、混合塔、三塔、氩分离塔等。

经冷却、压缩和净化的空气601被送到与低压塔609热连接的中压塔 605的底部。来自该中压塔的回流607和603被送入低压塔。从低压塔抽 出富含氧的流613和富含氮的流611。