[发明专利]改进型填料塔蒸馏系统

说明书

本发明涉及使用有规则填料或无规则填料作为塔内汽液接触元件的蒸馏塔。

通常，人们采用一个或多个蒸馏塔来将液体混合物（如空气）蒸馏为富含各个单独混合物组分的两个或多个部分，所说的塔采用塔盘作为塔内件或传质元件。近来，由于填料具有比塔盘更低的压降，因而在蒸馏塔中作为传质元件的填料已得到增加的应用。填料可以是有规则填料，或者是无规则填料。有规则填料是特别优选的，这是因为它比无规则填料具有更可预测的性能。

虽然在蒸馏塔的操作中填料比习用塔盘更具优势，但有实验表明填料塔的分离效率比理论预计值有显著降低。申请人认为这些分离性能方面的不足是由于在给定的填料段内沿塔壁流动时液体走旁路的结果。液体在填料塔中阻力最小的路径就是沿塔壁向下。壁液体比流经填料内曲折路径的本体液体在塔内的停留时间短许多。壁液体与本体蒸气之间的传质将少于本体液体和本体蒸气之间的相应的传质。因此，当壁液体沿蒸馏塔的塔壁向下流动时，壁液体相对于本体液体而言将含有更多的低沸点组分或较易挥发组分。例如，在普通的低温氧气厂中，塔段位于主冷凝器之上，它用于分离氧气和氩气的二元混合物，所使用的塔为具有有规则填料的塔，在填料上方为含有液体的分布器，所说的液体包含约10～20%的氩气，剩下的主要为氧气。液体以均匀的方式从分布器流向第一填料单元。在这种情况下一个单元为10英寸高具有波纹片的有规则填料层，波纹片与塔轴呈45°角。一些这种高氩含量的液体通过这些波纹片转向塔壁。该壁液体以相对快速运动且具有最小表面面积的层流流动。这些状况导致传质效率不良。另一方面，本体液体扩散为薄的且有大表面面积的缓慢运动的膜，这是有效传质的理想情况。结果，邻近第一单元底部的壁液体将含有比离开填料的本体液体更多的氩气（低沸点组分）。在紧接着的下一个单元中，一部分壁液体流回填料中。在剩余的壁液体和本体蒸气间发生一些传质，而氩气浓度稍低的一些液体被加于壁流动中。相对本体液体而言，壁液体的量随其下降而增加。另外，邻近第二单元底部的壁液体将比离开填料的本体液体含有更多的氩气。该过程连续通过下面的单元至填料段的底部。在这一高度上，将比较本体液体而言具有很大氩气浓度的壁液体与离开填料的本体液体混合在一起。与本体液体相比该混合物的氩气浓度升高了。因此该段的表观分离较差。

在现有技术中已有一些已知方法用来改进填料塔内液体的分布不良现象。例如，业已提出在较短的填料塔段间使用液体再分布器或塔盘以收集和混合壁液体与本体液体。但是，基本投资和操作费用是很大的。壁液体与本体液体的进一步混合表示一种热力学不可逆性。进而，由于需要附加的床支撑物、收集壁液体并将其与本体液体混合的收集塔盘，和经收集塔盘进料并向下一个填料床提供液体均匀流动的分布器，就需增加成本。此外，需要追加塔高，其费用包括附加的焊接、塔材料、绝缘材料，梯子及平台等。最终影响地基。当塔太高时，还要考虑厂内的液体输送。除了基本投资外，还存在与再分布有关的操作困难。具体说来，再分布器增加了汽相压降，这须通过额外的进料压力来克服。而且再分布器并不增加塔的传质的潜在能力。从基本的观点出发，再分布器的作用是混合含有相对高浓度的低沸点成分的液体（壁液体）与含有相对低浓度的低沸点成分的本体液体。然后混合后的液体在下一个填料段进行进一步的蒸馏以减少液体中低沸点成分的浓度。在再分布器中进行的液体混合代表一种热力学不可逆性且具有可定量的操作困难。综合该操作困难和实际使用上的缺点以及前面所述的液体再分布的操作困难为发展另一种处理壁流动的方法提供了基本动机。

相应地，本发明的目的是提供一种改进型填料塔蒸馏系统，它能克服由壁流动引起的液体分布不良的问题而无需借助于在填料塔段间设置的以收集并混合壁液体与本体液体的液体再分布器或塔盘。

本发明达到了上述目的和其它目的，这在阅读了此公开内容后对本领域的技术人员将是显而易见的，本发明的一个方面是：

一个具有塔壁和含有包含填料的传质元件的蒸馏塔，其特征在于该塔具有在塔壁上提供外部热量的部件。

本发明的另一个方面是：

一种进行蒸馏的方法，该方法包含提供一个具有塔壁的蒸馏塔，使塔中的蒸气和液体逆流通过包含填料的传质元件并在塔壁的内表面上形成液体，其特征是在塔壁上提供外部热量，其热量足以汽化至少一部分形成于塔壁内表面上的液体。