本发明专利技术公开了梯度磁场辅助低温精馏空气分离方法及装置，其中方法包括使上升的气态空气和下降的液态空气在塔中接触，进行传质换热，且在液态空气与气态空气的传质换热区域设置能对氧分子产生作用力的梯度磁场，继而从塔上部引出富集的氮气，从塔下部引出富集的氧气。本发明专利技术梯度磁场辅助低温精馏空气分离方法及装置，同时利用了氧氮沸点与磁化率差异，以获得高品质氧氮液体和气体产品。相比于传统低温精馏分离，本发明专利技术分离效率高、能耗低；相比于磁致空气分离，本发明专利技术彻底解决了其富氧程度低、难于大型化的缺点，拓宽了磁致分离的潜在应用领域。
【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了梯度磁场辅助低温精馏空气分离方法及装置，其中方法包括使上升的气态空气和下降的液态空气在塔中接触，进行传质换热，且在液态空气与气态空气的传质换热区域设置能对氧分子产生作用力的梯度磁场，继而从塔上部引出富集的氮气，从塔下部引出富集的氧气。本专利技术梯度磁场辅助低温精馏空气分离方法及装置，同时利用了氧氮沸点与磁化率差异，以获得高品质氧氮液体和气体产品。相比于传统低温精馏分离，本专利技术分离效率高、能耗低；相比于磁致空气分离，本专利技术彻底解决了其富氧程度低、难于大型化的缺点，拓宽了磁致分离的潜在应用领域。【专利说明】梯度磁场辅助低温精馏空气分离方法及装置
本专利技术涉及空气分离，尤其涉及梯度磁场辅助低温精馏空气分离方法及装置。
技术介绍
工业气体是现代工业的“血液”，其应用遍及钢铁、冶金、化工、造船、汽车、医药、食品、电子、石油、航空航天等诸多重要领域。随着经济快速发展，工业气体的需求激增。据美国空气产品公司(APCI)预测:截至2015年全球工业气体市场年增长9%，达到960亿美元；亚洲市场年增长14%，而中国增长将高达19%。然而，工业气体生产中高能耗、高成本问题已成为制约工业气体行业乃至相关产业快速发展的突出瓶颈。工业气体大都来自空气分离，其中氧、氮、氩的需求量最大。空气分离的方法主要有低温精馏法、变压吸附法(PSA)、薄膜分离法、化学吸收法等多种。低温精馏法历史悠久，技术相对成熟，气体产品纯度高、成本低，特别适合大规模生产。目前，低温空气分离设备的单套制氧能力已超过120，000m3/h。随着氧气用途的拓展，在一定范围和使用条件下，变压吸附法和薄膜分离法已成为低温法空气分离的强劲对手，但在生产能力、产品种类、气体纯度、单位成本等方面，与低温法相比仍有较大差距。因此，低温精馏是目前乃至可以预见的未来，最有效且经济性最好的大规模生产氧、氮、氩气液产品的方法。近年来，煤化工、石油化工、金属冶炼等行业不断推动着空分成套装备向着大型化、节能化和智能化方向发展。低温精馏是空气分离的核心，它利用工质的沸点差异，通过连续多次部分蒸发和部分冷凝过程达到气体分离的目的。精馏塔的能耗约占空分系统总能耗的20%，因此提高低温精馏效率是实现高效节能的重要关键。精馏塔有单级精馏塔和双级精馏塔两种主要形式；塔内结构主要有筛板塔和规整填料塔两种类型。筛板塔因其结构简单、便于制造、易于放大、塔板效率较高，率先在空分精馏塔中获得广泛采用。迄今为止，低温精馏领域最大的变革归功于规整填料推广应用。规整填料是一种在塔内按均匀集合形状分布、整齐堆砌的填料。由于规定了气液流路，避免了筛板塔的沟流和壁流现象。近年来，国内外研究主要集中在规整填料塔结构、新型填料、气液相反混特性、内构件设计与填料匹配等方面。低温精馏效率的提升很大程度上得益于空分流程设计、设计制造技术和控制技术的不断改进。然而，在低温精馏过程本身乃至精馏塔原理革新方面却停滞不前，在一定程度上限制了空分技术的快速发展。除利用沸点差异实现低温精馏分离外，磁化率的差异也是可资利用的重要特性。氧气是顺磁性气体，其正磁化率为常见气体中最大。标准状态下，氧气的磁化率绝对值约为氮气的300倍；而氮气是逆磁性气体,磁化率较低且为负值,其磁化率大小基本不随温度而改变。氧氮混合物在梯度磁场中将受到方向相反的磁场力作用，因而呈现出相反的磁致流动行为，这为利用梯度磁场作用实现空气分离提供了理论依据。部分学者从上世纪80年代开始探索磁场驱动富集氧气、进而实现空气分离的可行性。Ohara等率先开展了利用超导高磁分离装置从空气中富集氧气的实验研究。他们在金属容器内填充金属丝，空气中的氧分子受到金属丝表面附近梯度磁场的吸引，留在容器内从而实现富氧。实验表明，容器中氧气浓度最高增加了 0.4%。吴平等在ZL200510086240.9中提出了采用两块永磁铁异极相对，利用其围成的磁场空间实现连续富氧的方法。磁场空间边界处指向空间内部的场强梯度起到了拦截氧气的作用，而逆磁性的氮气可以自由溢出磁场空间，这样在磁场空间内实现了氧气的连续富集。针对该富氧装置，他们进行了蒙特卡洛直接模拟并设计了实验，实验中单级氧气富集程度达到了 0.65%，模拟结果与实验结果吻合较好。王喜魁等在ZL200820010636.4和ZL200820010635.X中提出了两种小型带钢毛的高梯度磁场聚氧装置，利用含铬不锈钢毛扩大磁力范围和增强磁场强度。由于常温下氧气的磁化力仍然比较微弱，且分离过程中很容易形成气体湍流，现有报道的梯度磁场空气分离装置单级最高富氧浓度均不超过1%，显然，现阶段单纯依靠梯度磁场的作用，在室温条件下实现空气直接分离并不现实。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提供一种高效率、低能耗的梯度磁场辅助低温精馏空气分离方法。—种梯度磁场辅助低温精馏空气分离方法，包括使上升的气态空气和下降的液态空气在塔中接触，进行传质换热，继而从塔上部引出富集的氮气，从塔下部引出富集的氧气，在所述液态空气与气态空气的传质换热区域设有能对氧分子产生作用力的梯度磁场。氧气是顺磁性气体，其磁化率绝对值约为氮气的300倍，参加精馏的氧将受到朝向磁场强度增大方向的磁化力。同时，由于顺磁性气体遵从居里定律(磁化率与热力学温度成反比)，低温下氧气的磁化率将大幅提高，磁致分离的作用将显著提升；相反地，氮气只具有相当微弱的逆磁性，且磁化率大小与温度无关，精馏过程中氮气的传质行为基本不受磁场的影响。所述塔为板式塔，板式塔内设有若干具有鼓泡装置的塔板，所述传质换热区域位于塔板的上方，所述梯度磁场沿塔身高度方向分布在传质换热区域中。所述板式塔包括筛板塔、泡罩塔、浮阀塔等形式。所述鼓泡装置为筛孔、泡罩或者浮阀。当液态空气从塔板上流过、气态空气穿出鼓泡装置与液态空气进行传质和换热时，相较与氧，低沸点的氮在气态空气中富集，相较于氮，高沸点的氧在液态空气中富集，梯度磁场对氧分子有吸引力，且越靠近塔板的上表面，磁场强度越大，此时液态空气的中下层的氧分子浓度变大，每块塔板的富氧能力都得到了提高，所需理论塔板数相应减少。所述塔为填料塔，填料塔内设有若干个填料单元，所述填料单元包括若干填料片，填料片的表面为所述传质换热区域。当液态空气和气态空气在填料片表面进行传热和传质时，相较与氧，低沸点的氮在气态空气中富集，相较于氮，高沸点的氧在液态空气中富集，梯度磁场对氧分子有吸引力，且越靠近填料的表面，磁场强度越大，液态空气靠近填料单元表面区域的氧分子浓度变大。本专利技术还提供了一种可以实现所述梯度磁场辅助低温精馏空气分离方法的装置。一种梯度磁场辅助低温精馏空气分离装置，包括塔，所述塔的内部设有用于气态空气和液态空气进行接触传质换热的传质换热区，所述传质换热区设有能对氧分子产生作用力的梯度磁场。作为优选，所述塔为板式塔，所述板式塔包括塔体以及设置在塔体内的若干塔板，每块塔板的上表面均有相对设置的进口堰和溢流堰，进口堰和溢流堰将塔板的上侧空间依次分隔成进液区、传质换热区、出液区三个部分，每块塔板的传质换热区内均设有用于产生梯度磁场的导磁介质，所述导磁介质的一端与塔板连接，另一端伸入传质换热区。导磁介质与塔板可以是活动连接或者固定连接。所述塔板与传质换热区对应的部位设有若干鼓泡本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种梯度磁场辅助低温精馏空气分离方法，包括使上升的气态空气和下降的液态空气在塔中接触，进行传质换热，继而从塔上部引出富集的氮气，从塔下部引出富集的氧气，其特征在于，在所述液态空气与气态空气的传质换热区域设有能对氧分子产生作用力的梯度磁场。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：邱利民，包士然，张金辉，张小斌，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33
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