[發明專利]一種強化低溫精餾分離的旋轉磁場裝置及精餾塔

有效

• 申請號: 202010437220.6
• 申請日: 2020-05-21
• 公開（公告）號: CN111729337B
• 公開（公告）日: 2022-02-11
• 發明（設計）人: 植曉琴;顧陳杰;張晗陽;邱利民
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: B01D3/14
• 分類號: B01D3/14
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 顏果

本發明涉及一種強化低溫精餾分離的旋轉磁場裝置及精餾塔，屬于低溫精餾空氣分離技術領域。包括：均勻設置在填料層周圍的三組鐵芯，所有鐵芯上纏繞有方向相同的金屬線圈；金屬線圈內通入正弦型交流電，同一個鐵芯組的兩個金屬線圈所通交流電的電流方向相反，且相鄰鐵芯組所通的交流電的相位相差120°。通過在填料層周圍配置三對交流電繞組，在填料內實現單向旋轉磁場，對填料內部工質中的氧組分施加旋轉的磁力矩，強化填料表面的氣液逆流降膜傳質過程。

技術領域

本發明涉及低溫精餾空氣分離技術領域，具體地說，涉及一種強化低溫精餾分離的旋轉磁場裝置及精餾塔。

背景技術

中國是目前全世界唯一擁有聯合國產業分類中全部工業門類的國家，其中工業氣體是支撐冶金、化工、電子、生物、醫藥、食品和航空航天等諸多工業領域的重要基礎材料，工業氣體的生產是中國實體制造業的支柱產業之一。2017年，我國的工業氣體市場規模已達1200億元，年均復合增長率達到10.16％。但是，我國工業氣體生產所需單位能耗仍然高于發達國家水平，高能耗、高成本成為工業氣體行業發展中亟待解決的問題。

目前，低溫精餾法在大規模制取高純氧、氮和氬產品中應用最為廣泛，具有技術成熟、產品純度高和產量大等優點。低溫精餾制備工業氣體的原理是利用工質沸點的差異進行相際傳熱傳質，通過塔內回流實現連續多次的部分蒸發和部分冷凝，達到空氣各組分分離的目的。自從20世紀80年代Sulzer公司的Mellapak規整填料引入空分設備后，規整填料塔因其優異的性能在低溫精餾過程中逐漸取代傳統板式塔，推動了低溫空分領域的技術變革。規整填料通過規則的幾何排布和堆砌規定了氣液流路，板片波紋結構又使其擁有很高的比表面積和空隙率，因而規整填料具有更低的壓降、更高的效率和容量，能顯著降低精餾塔的體積和空分機組的能耗，可實現輔塔全精餾無氫制氬。

精餾塔是低溫空分的核心，其能耗占空分機組總能耗的30～40％。即使當前規整填料已成熟應用于低溫空分，精餾塔內的流動與傳質過程仍然占據整個空分流程的絕大部分有效能損失，壓降和傳質的有效能損失分別約占總損失的15％和55％。因此低溫精餾填料塔仍有很大的性能提升空間，尤其在強化氣液相間傳質方面。

目前，改善精餾分離性能的設計優化主要集中在填料本身和相關塔內件上。公布號為CN108479685A的中國專利公開了一種規整填料固定壁流圈，對壁流圈增設舌片使填料與塔壁貼合更緊密，有效抑制壁流作用。公布號為CN110449113A的中國專利公開了一種高效規整填料，將填料進出口改為豎直流道以減小填料單元交界阻力，同時增大開孔率增加潤濕性。但是隨著填料塔安裝設計技術日漸成熟，優化部件對精餾傳質效率的提升已經十分有限。因此，從低溫精餾機理上進行優化分離性能的改進很有必要。

發明內容

本發明的目的是提供一種強化低溫精餾分離的旋轉磁場裝置及精餾塔，可加速液膜表面溫度和濃度的更新，強化填料內的氣液界面傳熱傳質過程。

為了實現上述目的，第一方面，本發明提供的強化低溫精餾分離的旋轉磁場裝置包括均勻設置在填料層周圍的三組鐵芯，所有鐵芯上纏繞有方向相同的金屬線圈；

所述金屬線圈內通入正弦型交流電，同一個鐵芯組的兩個金屬線圈所通交流電的電流方向相反，且相鄰鐵芯組所通的交流電的相位相差120°。

空氣分離的對象主要是氧和氮。氧是空氣中唯一具有順磁性的成分，而液氧是目前已發現的順磁性最高的純液體。標準狀態下，氧氣的磁化率為具有抗磁性的氮氣的300倍。利用氧的磁性強化精餾填料內的熱質傳遞過程，氧在變化磁場中會受到磁力矩的作用，該作用會使氧的磁矩朝向外磁場方向旋轉，使每個氧分子都能隨外磁場旋轉產生渦旋擾動，強化氣液界面濃度更新，進而提升傳質效率。上述技術方案中，通過在填料層周圍配置三對交流電繞組，在填料內實現單向旋轉磁場，對填料內部工質中的氧組分施加旋轉的磁力矩，強化填料表面的氣液逆流降膜傳質過程。

可選地，在一個實施例中，所述的鐵芯安裝在精餾塔的塔壁內，鐵芯靠近所述填料層的一端為棱臺形。可以避免纏繞的金屬線圈脫落。