專利名稱：一種用于傳熱或傳質(zhì)過程的設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體涉及規(guī)整填料(structured packing)。規(guī)整填料在熱和/或物質(zhì)交換塔中尤其是在低溫空氣分離過程中具有特定應(yīng)用，但它可用于諸如熱交換器的其它應(yīng)用中。
背景技術(shù)：
如文中所用的用語“塔”是指蒸餾或分餾塔或區(qū)，S卩，其中液相和氣相對流地接觸以例如通過氣相和液相在填充元件上或在安裝于塔內(nèi)的一系列豎直隔開的塔盤或板上的接觸而實現(xiàn)流體混合物的分離的塔或區(qū)。分隔壁塔 是熱耦合蒸餾塔系統(tǒng)。在分隔壁塔中，至少一個分隔壁位于塔的內(nèi)部空間中。分隔壁一般是豎直的。例如，兩次不同的傳質(zhì)分離可發(fā)生在分隔壁的任一側(cè)。用語“填料”是指預(yù)定尺寸、形狀和構(gòu)型的實心或中空體，其在塔內(nèi)部用于為液體提供表面積，以允許在兩相的對流流動期間在液體-蒸汽界面處的傳熱和/或傳質(zhì)。填料的兩種廣義類別為“隨機”和“規(guī)整”?！半S機填料”是指其中單獨的部件相對于彼此或相對于塔軸線不具有具體取向的填料。隨機填料通常是隨機裝載到塔中的、每單位體積帶有大表面積的小的中空結(jié)構(gòu)?！耙?guī)整填料”是指其中單獨的部件相對于彼此或相對于塔軸線具有具體取向的填料。規(guī)整填料通常由堆疊成層的薄金屬箔制成。在諸如蒸餾的過程中，有利的是使用規(guī)整填料來促進對流的液體流和蒸汽流之間的傳熱和/或傳質(zhì)。當(dāng)與隨機填料或塔盤相比時，規(guī)整填料提供了傳熱和/或傳質(zhì)效率更高且壓降更低的益處。它還具有比隨機填料更可預(yù)測的性能。規(guī)整填料的分離性能常常以相當(dāng)于理論板的高度(HETP)的方式給出，其是實現(xiàn)與由理論板實現(xiàn)的組分改變相當(dāng)?shù)慕M分改變的填料高度。用語“理論板”是指氣相與液相之間使得現(xiàn)有氣態(tài)流和液體流達(dá)到平衡的接觸過程。用于特定分離的特定填料的HETP越小，填料就越有效，因為所使用的填料床的高度隨HETP減小。通過使對流接觸的液體和蒸汽通過蒸餾塔來執(zhí)行空氣的低溫分離?；旌衔锏臍庀嚯S著更易揮發(fā)的成分(例如，氮)的濃度不斷升高而上行，而混合物的液相隨著不易揮發(fā)的成分(例如，氧)的濃度不斷升高而下行。各種填料或塔盤可用于使混合物的液相和氣相接觸，以完成各相之間的傳質(zhì)。存在通過低溫蒸餾成其成分(即，氮、氧、氬等)而分離空氣的許多工藝。典型的低溫空氣分離單元10在圖1中示意性地示出。高(或更高)壓力的供給空氣1，典型地處于從2 bar至10 bar (200至1000 kPa)的壓力，被供給到高(或更高)壓蒸餾塔2的基部中。在高壓塔2內(nèi)，空氣被分離成氮增濃的塔頂蒸汽和氧增濃的底部液體。氧增濃的底部液體流3在典型地減至從1.1 bar至2 bar (110至200 kPa絕對值)的適當(dāng)減壓(未示出)后從高壓蒸餾塔2供給到低(更低)壓蒸餾塔4中。氮增濃的蒸汽流5被傳送到冷凝器6中，在此其冷凝以向低壓塔4提供再沸。氮增濃的液體流7作為回流經(jīng)由流8部分地返回高壓塔2的頂部，并且作為液體回流經(jīng)由流9部分地供給到低壓塔4的頂部中。低壓塔4由安置規(guī)整填料20的下部區(qū)段11和安置規(guī)整填料21的上部較窄區(qū)段12組成。包括規(guī)整填料22的分開的低壓塔13，也稱為輔助或側(cè)臂塔，供以氬增濃流14的產(chǎn)生。在低壓塔4中，流3和9通過低溫蒸餾而分離成富氧和富氮成分。規(guī)整填料21和20可用于與待分離的氧和氮的液相和氣相接觸。富氮塔頂成分作為蒸汽流16被去除。富氧底部成分作為液體流17被去除。備選地，可將富氧成分作為蒸汽從包圍再沸器/冷凝器6的貯槽中的位置去除。廢物流16也從低壓蒸餾塔4去除。供給流18從低壓塔4的下部區(qū)段11和上部區(qū)段12之間的中間點去除且被傳送到塔13。冷凝器25設(shè)在塔13的上部中以從供給流18生成回流。與來自冷凝器25的回流對流流動的該供給流通過規(guī)整填料22形成了氬增濃的塔頂蒸汽流14、以及作為回流在規(guī)整填料20上方及規(guī)整填料21下方返回低壓塔4的氧增濃底部液體流19。圖2顯示了用于空氣的低溫蒸餾以提供氮、氧和氬的備選布置，其中，使用分隔低壓塔代替圖1中用于氬生產(chǎn)的分開的塔13。例如，在美國專利N0.6，240，744 (Agrawal等)中描述了這種布置。與圖1中的布置共同的特征具有相同的參考標(biāo)號。在該布置中，在低壓塔4的下端離開規(guī)整填料20的頂部的蒸汽流被分隔成兩部分，其中第一部分上升到規(guī)整填料21，并且第二部分上升到通過分隔壁23與規(guī)整填料21分隔且通過端壁24與低壓塔4的上部分隔的規(guī)整填料22。圖中，分隔壁顯示為平壁，其居中地安裝在低壓塔4中，以便沿其直徑將塔4分隔成兩個尺寸相等的半圓形截面的區(qū)段；然而，如美國專利N0.6，240，744中介紹的，用于將規(guī)整填料22與規(guī)整填料21分離的許多其它布置是可能的。進入規(guī)整填料21的蒸汽部分如圖1所述被分離成富氮塔頂蒸汽流和富氧底部液體流。進入規(guī)整填料22的蒸汽部分被分離成氬增濃塔頂蒸汽流14和氧增濃底部液體，如針對圖1中的塔13所述，但不需要提供第二塔13的另外的花費和復(fù)雜性。此外，利用圖2的布置，不需要通過圖1中所示的收窄來使低壓塔4適合于補償從塔4提取蒸汽傳送到·塔13，以便盡管上部區(qū)段12中的蒸汽流與下部區(qū)段11相比減小也維持塔4的傳質(zhì)性能。US2010/0096249 (Kovak)描述了一種分隔交換塔，塔盤或規(guī)整填料安置于其中。該文獻公開了通過弦壁將塔分隔成兩個區(qū)段(設(shè)想相等和不等兩種分隔)、以及還借助在柱形塔的中心相交的徑向壁將塔分隔成三個區(qū)段。涉及用于空氣的低溫蒸餾的塔的結(jié)構(gòu)的其它現(xiàn)有技術(shù)包括:US5，339，648(Lockett 等)、US5, 946，942 (Wong 等)、EP1162423 (Messer AGS GmbH)、US2006/0005574(Glatthaar 等)、US7, 357，378 (Zone 等)、US6,250，106 (Agrawal 等)、US2006/0260926(Kovak)和 US5, 669, 236 (BiIlingham 等)。發(fā)明人已知的現(xiàn)有技術(shù)無一詳細(xì)地考慮了在截面非圓形而是具有包括至少一對會聚壁或壁部的截面的塔(例如在它們的截面中包括至少一個轉(zhuǎn)角或角度的那些，諸如分隔塔)中獲得最佳結(jié)果所需的規(guī)整填料的性質(zhì)。而是，現(xiàn)有技術(shù)簡單地論述了任何規(guī)整或隨機填料和/或塔盤在分段或分隔壁塔中的一般使用。規(guī)整填料在本發(fā)明中定義為已穿孔、開槽和形成波紋以滿足對其預(yù)期應(yīng)用的具體要求的薄金屬或塑料箔。典型的規(guī)整填料的圖示在圖3中示出，其中示出了箔40，該箔40通過沿折線45折疊而形成波紋，且其具有槽圖案，即，例如通過壓印箔40而形成的水平條紋形式的凹陷和/或凸起區(qū)域50，以及穿孔或通孔的圖案55。穿孔55和由凸起/凹陷區(qū)域50形成的紋理有助于液體/蒸汽在箔40的表面上擴展，從而提高填料的傳熱和傳質(zhì)效率。典型地，穿孔所占據(jù)的箔的表面積為從約5%至約20%。典型地，槽可處于水平條紋或者呈交叉關(guān)系的細(xì)凹槽形式的雙向表面紋理的形式。在塔中的一層規(guī)整填料內(nèi)，多個箔豎直地取向(也就是說，箔的平面大致平行于塔的軸線)，相鄰箔使它們的波紋橫向地取向(也就是說，如果第一箔使其波紋從左下方延伸到右上方，則相鄰箔將取向成使得其波紋從右下方延伸到左上方)。這種布置在US4, 296，050 (Meier)的圖3中示出。通常使規(guī)整填料的連續(xù)層相對于下方的層繞塔軸線旋轉(zhuǎn)約90°角，以便改善流特性。這種布置在US4，296，050 (Meier)的圖4中示出。然而，每次旋轉(zhuǎn)均增加了通過包括填料的塔的壓降。EP1036590 (Sunder等)描述了若干填料參數(shù)的最佳范圍，例如從約350m2/m3至約800m2/m3的表面積密度、從約35°至約65°的波紋角(corrugation angle)(即，當(dāng)填料元件在塔中豎直時，在波紋的水平軸線和縱向軸線之間的角度)、以及從約5%至約20%的穿孔開口區(qū)域。該文獻中未論述分隔壁塔或非柱形塔的使用。US5, 876，638 (Sunder 等)和 US5, 901, 575 (Sunder)也論述了規(guī)整填料的開發(fā)。
實用新型內(nèi)容本發(fā)明的一個目標(biāo)是提供一種規(guī)整填料，其被優(yōu)化以用于在截面不完全是圓形的塔、即截面具有至少一對會聚壁或壁部的塔(例如其中分區(qū)(division)在塔內(nèi)形成至少一個轉(zhuǎn)角或角度的分隔壁塔)中使用。特定地，本發(fā)明的一個目標(biāo)是提供一種規(guī)整填料，其被優(yōu)化以用于在低溫蒸餾設(shè)備、特別是用于分離空氣成分的設(shè)備中的這種塔中使用。因此，在第一方面，本發(fā)明提供了一種用于傳熱或傳質(zhì)過程的設(shè)備，該設(shè)備包括具有至少一對會聚壁或壁部的塔或分隔塔，在至少該塔或分隔塔的由至少一對會聚壁或壁部界定或位于其間的區(qū)域內(nèi)，包括具有 至少約50°的波紋角的規(guī)整填料。在第二方面，本發(fā)明提供了一種傳熱和/或傳質(zhì)的方法，該方法包括向具有至少一對會聚壁或壁部的塔或分隔塔供應(yīng)一種或多種流體，且其在至少該塔或分隔塔的由至少一對會聚壁或壁部界定或位于其間的區(qū)域內(nèi)包含具有至少約50°的波紋角的規(guī)整填料，使得一種或多種流體與規(guī)整填料接觸，以便實現(xiàn)傳熱和/或傳質(zhì)。在本發(fā)明的上下文中，塔分區(qū)是通過大致布置成與塔的縱向軸線共延的至少一個分隔壁與塔的其余部分物理分離的塔的一部分。即，在塔具有其豎直定位的縱向軸線的情況下，在使用中與平常一樣，該塔分區(qū)或每個塔分區(qū)通過塔內(nèi)將塔體積的一部分與其余部分物理隔離的大致豎直壁的存在而形成，例如以防止塔分區(qū)中存在的流體與塔的其余部分中存在的流體在分隔壁延伸的豎直距離上混合。本發(fā)明人認(rèn)為，塔或塔分區(qū)的截面中存在至少一對會聚壁或壁部且特別是存在角度或轉(zhuǎn)角限制了在接近塔或塔分隔壁的邊緣區(qū)中塔內(nèi)流體的混合，從而導(dǎo)致塔內(nèi)的降低的傳質(zhì)和/或傳熱效率，在該塔中使用針對在柱形塔中使用而進行了優(yōu)化的規(guī)整填料。本發(fā)明通過使用規(guī)整填料而在成本節(jié)省和提高的傳質(zhì)效率方面提供了益處，規(guī)整填料針對在具有至少一對會聚壁或壁部的塔或塔分區(qū)中使用而進行了優(yōu)化，該優(yōu)化在以前不被認(rèn)為是必要的。[0027]在第三方面，本發(fā)明提供了一種升級用于傳熱或傳質(zhì)過程的設(shè)備的方法，該設(shè)備包括塔或塔分區(qū)，塔或塔分區(qū)的截面包括至少一對會聚壁或壁部且其包含具有小于約50°的波紋角的規(guī)整填料，該方法包括以下步驟:從至少塔或塔分區(qū)的由至少一對會聚壁或壁部界定或位于其間的區(qū)域移除具有小于約50°的波紋角的規(guī)整填料；以及，用具有至少約50°的波紋角的規(guī)整填料替換具有小于約50°的波紋角的規(guī)整填料。優(yōu)選地，具有約50°或以上的波紋角的規(guī)整填料具有約55°或以上的波紋角。在第四方面，本發(fā)明提供了一種將規(guī)整填料安裝在用于傳熱和/或傳質(zhì)過程的設(shè)備中的方法，該設(shè)備包括具有至少一對會聚壁或壁部的塔或塔分區(qū)，該方法包括以下步驟:提供具有至少約50°的波紋角的規(guī)整填料；以及，將所述規(guī)整填料安裝在至少塔或塔分區(qū)的由至少一對會聚壁或壁部界定或位于其間的區(qū)域中。以下優(yōu)選特征在適宜的情況下適用于本發(fā)明的所有方面，并且可結(jié)合。用語“至少一對會聚壁或壁部”描述了其中塔壁或塔壁的一部漸趨靠近地彼此接近的情形。壁或壁的部分無需由于它們的會聚而彼此相交或接觸，但可彼此相交或接觸而在塔的截面中形成角度或轉(zhuǎn)角。適當(dāng)?shù)兀?guī)整填料在所述塔或塔分區(qū)的整個截面區(qū)域內(nèi)使用，而不僅僅在由至少一對會聚壁或壁部界定或位于其間的區(qū)域中使用。優(yōu)選地，用于本發(fā)明中的規(guī)整填料的波紋角介于約50°與約70°之間，更優(yōu)選介于約55°與約65°之間，且最優(yōu)選為約60°。優(yōu)選地，塔或塔分區(qū)在其截面中包括至少一個內(nèi)角，其小于或等于約120°，更優(yōu)選小于或等于約100°，例如小于或等于約90°。認(rèn)為對邊緣區(qū)內(nèi)的混合的破壞隨著在塔或塔分區(qū)的截面中存在的一個或更多角度的銳度而增加，且因此對于一個或多個角度更尖銳的本發(fā)明而言獲得 更大的益處。適當(dāng)?shù)兀蛩謪^(qū)截面可以是包括轉(zhuǎn)角或角度的不規(guī)則截面，或者可以是不規(guī)則或規(guī)則多邊形，或者可以是通過弦與圓或其它圓形形狀相交從而導(dǎo)致一個或更多角度或轉(zhuǎn)角而形成的圖形。例如，塔或塔分區(qū)可具有六邊形、五邊形、正方形、矩形、三角形、半圓形、部分圓形、或者四分之一圓形截面。同樣預(yù)計，該截面中存在的一個或更多角度越尖銳，本發(fā)明的益處就將越大。塔或塔分區(qū)可包括一個、兩個、三個、四個、五個、六個或更多角度或轉(zhuǎn)角。預(yù)計本發(fā)明的益處將隨著所存在的能夠破壞混合的角度的數(shù)量而增加。優(yōu)選地，至少一個且更優(yōu)選地所有角度為約120°或以下，例如約100°或以下，更優(yōu)選約90°或以下，例如約70°或以下。優(yōu)選地，本發(fā)明適用于通過在塔內(nèi)提供至少一個分隔壁而形成的塔分區(qū)，該分隔壁在至少一個位置與塔的外壁接觸。優(yōu)選地，待分隔的塔具有圓形截面，并且這樣形成的塔的分區(qū)中的至少一個具有非圓形截面，其包括至少一個角度或轉(zhuǎn)角。適當(dāng)?shù)?，該塔可通過適當(dāng)數(shù)量的分隔壁分隔成多于兩個分區(qū)，例如三個、四個、五個、六個、十個或二十個分區(qū)，分隔壁可彼此相交和/或與塔壁相交而形成所需數(shù)量的分區(qū)。分隔壁可彼此相同或可采取不同形式，并且可在待分隔的塔的截面內(nèi)單獨形成直線或曲線。分隔壁可為相同或不同的長度，并且所形成的分區(qū)可以是規(guī)則或不規(guī)則的形狀或多邊形，并且可具有彼此相同或不同的截面和/或截面區(qū)域。這些參數(shù)可以根據(jù)分隔塔的預(yù)期用途來選擇。[0038]然而，優(yōu)選地，該塔由單個分隔壁分隔成兩個分區(qū)。在已被分隔的塔具有圓形截面的情況下，優(yōu)選地，分隔壁為弦壁。在待分隔的塔截面為非圓形的情況下，塔優(yōu)選地由分隔壁分隔，該分隔壁跨塔的截面延伸，使得分隔壁的每一端在不同位置與塔壁相交。在任一情況下，可根據(jù)通過各塔分區(qū)的所需流體流來選擇塔分區(qū)的截面積。適當(dāng)?shù)?，在通過各分區(qū)的流相等的情況下，塔分區(qū)具有相等的截面積，并且在此情形中，在已被分隔的塔具有圓形截面的情況下，塔分區(qū)具有半圓形截面。優(yōu)選地，規(guī)整填料具有從約350m2/m3至約800m2/m3的表面密度。優(yōu)選地，規(guī)整填料的槽處于水平條紋的形式。優(yōu)選地，穿孔的開口區(qū)域在從約5%至約20%的范圍內(nèi)。優(yōu)選地，在塔具有圓形截面的情況下，塔尺寸直徑大于約0.5m，例如直徑大于或等于約0.9m，更優(yōu)選地直徑大于或等于約lm，或者，在截面具有另一形狀的情況下，大于相當(dāng)?shù)慕孛娣e(即，分別大于約0.196m2，大于或等于約0.64m2，且大于或等于約0.79m2)。優(yōu)選地，對于圓形截面的塔而言，最大塔直徑為約15m,例如約10m、約9m、約8m、約7m、約6m、約5m、或者約4m。同樣，在塔截面具有另一形狀的情況下，最大塔尺寸具有對應(yīng)的最大截面積，即，分別為約177m2、約78.5m2、約63.6m2、約50.3m2、約38.5m2、約28.3m2、約19.6m2、或者約 12.6m2。優(yōu)選地，本發(fā)明適用于低溫分離過程，例如低溫空氣分離(低溫蒸餾)過程，其包括但不限于空氣分離成氮增濃流、氧增濃流和氬增濃流。因此，它可適用于將空氣低溫分離成氮增濃流和氧增濃流。適當(dāng)?shù)兀景l(fā)明適用于將空氣低溫分離成氮增濃流和氬增濃流。

當(dāng)結(jié)合附圖閱讀時，會更好地理解前面的概括及以下對示例性實施例的詳細(xì)描述。出于說明本發(fā)明的實施例的目的，在附圖中示出本發(fā)明的示例性實施例；然而，本發(fā)明不限于所公開的具體方法和器械。在附圖中:圖1顯示了用于空氣 的低溫蒸餾的已知布置的示意圖；圖2顯示了用于空氣的低溫蒸餾的已知布置的示意圖，其中使用分隔壁(分段)塔；圖3顯示了規(guī)整填料的示意圖；圖4顯示了當(dāng)置于塔中時在規(guī)整填料中的波紋的縱向軸線的示意圖；圖5顯示了(a)在具有圓形截面的塔中和(b)在具有半圓形截面的塔中的規(guī)整填料的外觀的平面圖；圖6至圖15示出了本發(fā)明適用的塔布置的示例的平面圖；圖16顯示了現(xiàn)有技術(shù)規(guī)整填料當(dāng)用于具有圓形截面的塔和具有半圓形截面的塔中時在HETP方面獲得的結(jié)果；圖17顯示了現(xiàn)有技術(shù)規(guī)整填料當(dāng)用于具有圓形截面的塔和具有半圓形截面的塔中時在壓降方面獲得的結(jié)果；圖18顯示了根據(jù)本發(fā)明的規(guī)整填料當(dāng)用于具有圓形截面的塔和具有半圓形截面的塔中時所獲得的結(jié)果；并且圖19顯示了根據(jù)本發(fā)明的規(guī)整填料當(dāng)用于具有圓形截面的塔和具有半圓形截面的塔中時在壓降方面獲得的結(jié)果。
具體實施方式
本發(fā)明適用于以下塔:在塔的平面圖中，例如在一個或更多分隔壁形成角度或轉(zhuǎn)角的情況下，或者例如在截面不完全是圓形而是具有至少一個角度或轉(zhuǎn)角的情況下，存在至少一對會聚壁或壁部。本發(fā)明人認(rèn)為，對于所有此類塔均獲得在分離效率方面的本發(fā)明的優(yōu)點。當(dāng)設(shè)計用于特定塔的最佳規(guī)整填料時，技術(shù)人員意識到在確定最佳總體參數(shù)時使用一些“折衷”。例如，發(fā)現(xiàn)傳質(zhì)效率和壓降對于45°的波紋角比對于60°的波紋角更高，而操作容量(operating capacity)對于45°比對于60°的波紋角更低；必須平衡這些效果，以便所選填料對于特定塔發(fā)揮可接受的傳質(zhì)效率、壓降和操作容量。當(dāng)通過塔中的規(guī)整填料時，流體主要沿由箔中的波紋形成的通道流動。該流體在這些通道中流動的部分與如上所述在位于橫向?qū)蔷€方向上的相鄰交叉通道中流動的流體混合。而且，由于箔中存在孔洞，因而一些流體與流經(jīng)相鄰?fù)ǖ赖牧黧w混合。在這些路線中混合的流體對于糾正在蒸餾塔的截面內(nèi)可能發(fā)生的任何組分不平衡而言很重要，并且是塔的分離效率中的重要因素。從圖4可見，45°角在塔內(nèi)提供了用于流體在規(guī)整填料的每一層中行進的、比60°角更長的側(cè)向距離，并且因此，這提供了用于在規(guī)整填料的每一層內(nèi)發(fā)生來自分開通道的流體的混合的更大面積。EP1036590教導(dǎo)了用于柱形塔的35° -65°的最佳波紋角。在該范圍內(nèi)，普遍的工業(yè)實踐是使用帶有約45°波紋角的填料來提供如上文針對特定柱形塔所述的諸如傳質(zhì)效率、壓降和操作容量的參數(shù)的折衷。本發(fā)明人意識到，沒有現(xiàn)有技術(shù)論述了用于其中存在至少一對會聚壁或壁部的非柱形塔或分隔塔的規(guī)整填料的優(yōu)化，或者公開或暗示了用于在存在至少一對會聚壁或壁部的非柱形塔或分隔塔中使用的規(guī)整填料的最佳參數(shù)與用于常規(guī)柱形塔的那些不同。然而，本發(fā)明人驚奇地發(fā)現(xiàn)，用于分隔塔或其中存在至少一對會聚壁或壁部的塔的最佳填料不同于用于圓形截面塔的填料。 認(rèn)為該差異歸因于對于這兩種塔而言塔中的流體在以下介紹的“邊緣區(qū)”的混合表現(xiàn)的差異。本發(fā)明人驚奇地發(fā)現(xiàn)，在截面具有至少一對會聚壁或壁部的塔或塔分區(qū)中約60°的波紋角的使用提供了與在柱形塔中相同填料的使用相同的分離效率。然而，在其中截面具有至少一對會聚壁或壁部的塔或塔分區(qū)中使用具有約45°的波紋角的填料導(dǎo)致與在柱形塔中使用的相同填料相比分離效率的明顯減低。在柱形塔中，流體可在接近塔壁的環(huán)形邊緣區(qū)內(nèi)自由流動。邊緣區(qū)是距塔壁的側(cè)向距離，其中，規(guī)整填料中的波紋通道將在壁處終止而不是在該層上方或該層下方的規(guī)整填料處終止。它被計算為(規(guī)整填料的層高)/(tan[波紋角])。這種規(guī)整填料的典型層高為約200 m，并且在45°的波紋角下，將存在其內(nèi)可發(fā)生混合的約200 mm的環(huán)形邊緣區(qū)。然而，在其中存在至少一對會聚壁或壁部的塔或塔分區(qū)中，流體代之以趨于在壁或壁部會聚的區(qū)域中聚集，并且因此，在這些區(qū)域中不會發(fā)生流體的徹底混合和組分平衡。結(jié)果，與相當(dāng)?shù)闹嗡啾?，分離效率方面的塔性能減弱。在不希望受理論約束的情況下，本發(fā)明人的一個可能解釋是，對于60°波紋角填料維持分離效率是由于:與對于具有約45°波紋角的規(guī)整填料所觀察到的邊緣區(qū)相比，在使用具有約60°波紋角的規(guī)整填料時形成的接近塔或塔分區(qū)的壁的更小邊緣區(qū)。結(jié)果，歸因于液體在壁或壁部會聚的塔區(qū)域中的不良混合的組分不平衡的預(yù)計增加顯著減少或完全避免，且因此，與在柱形塔中使用相同填料相比，維持了分離效率。因此，用于在其中截面具有至少一對會聚壁或壁部的塔或塔分區(qū)中使用的最佳規(guī)整填料波紋角不同于現(xiàn)有技術(shù)柱形塔中的角度。本發(fā)明人所知的現(xiàn)有技術(shù)無一論述了不同截面的塔中的規(guī)整填料的性能的任何可能差異，盡管在蒸餾行業(yè)中已普遍使用分隔塔超過50年。相對于更普遍使用的約45°角而言，具有至少一對會聚壁或壁部的塔或分隔塔在約60°的波紋角下分離效率不降低，這一發(fā)現(xiàn)容許獲得60°波紋角填料的更高操作容量的優(yōu)點，即，對該塔的“折衷”意外轉(zhuǎn)變?yōu)閮A向于約60°的波紋角。這在諸如使用分隔塔的圖2中所示的系統(tǒng)中特別有益，因為可通過本發(fā)明獲得這種系統(tǒng)的更高操作容量和成本效益，而不需要將分隔塔的高度增加30%-50%以補償該塔在與常規(guī)的45°波紋角規(guī)整填料結(jié)合使用時的較差傳質(zhì)特性。本發(fā)明所適用的塔的示例在圖6至圖15中示出。技術(shù)人員將會了解，這些僅僅是示例，并且可能有本發(fā)明將同樣適用的其它塔截面或分隔壁塔布置。圖6在平面圖中顯示了已被多個相交的分隔壁分隔成各自帶有正方形截面的一些塔區(qū)的塔。圖7在平面圖中顯示了已被多個相交的分隔壁分隔成各自帶有六邊形截面的一些塔區(qū)的塔。將會了解，可使用鑲嵌的多邊形塔區(qū)截面的其它布置。同樣，將會了解，通過使用具有多邊形截面的單個塔，將獲得本發(fā)明的益處。預(yù)計本發(fā)明的益處對于使用正方形或矩形截面塔(例如圖6中所示的那些)將大于對于六邊形塔(例如圖7中所示的那些)，因為在塔壁之間形成的角度對于正方形或矩形塔而言更尖銳，且因此預(yù)計角度在形成其中流體混合減少的邊緣區(qū)中的作用更大。塔或塔分區(qū)的截面越接近圓形，將獲得的本發(fā)明的益處就越小。圖8在平面 圖中顯示了其中兩個分隔壁均跨越塔的圓形截面的半徑以便將截面的四分之一區(qū)域與其余四分之三分隔的塔。90°的角度或轉(zhuǎn)角形成于塔截面的中間，并且在分隔壁與塔圓周的相交處，分隔壁垂直于塔壁在相交點處的切線。預(yù)期在這樣形成的兩個塔分區(qū)中均會獲得本發(fā)明的益處。在較小分區(qū)中，預(yù)計兩個分隔壁之間和各分隔壁與圓形塔壁之間的角度顯著地限制流體混合。類似地，預(yù)計在較大分區(qū)中的各分隔壁和圓形塔壁之間形成的角度顯著地減少塔混合；兩個分隔壁在塔中心處的接合部處的優(yōu)角也可影響流體混合，但預(yù)計其影響比在圓形塔壁處的銳角下觀察到的小得多。同樣，將會了解，兩個分隔壁的其它布置是可能的，其中更大或更小的角度形成于兩個分隔壁之間。圖9顯示了其中作為塔的圓形截面的弦的分隔壁將塔截面區(qū)域分割成兩個不等部分的塔。角度或轉(zhuǎn)角形成于分隔壁的各端，在此分隔壁與塔的圓周相交。預(yù)計在塔的兩個分區(qū)中均會獲得本發(fā)明的優(yōu)點，但對于更小的分區(qū)而言將獲得更大程度的優(yōu)點，因為預(yù)計在圓形塔壁與分隔壁之間形成的更尖銳角度在這些轉(zhuǎn)角附近更顯著地延遲流體混合。圖10顯示了具有作為塔的圓形截面的弦的兩個分隔壁的塔，分隔壁在此情形中被彼此平行地安置而在塔內(nèi)限定三個區(qū)域:兩個扇區(qū)和扇區(qū)之間的區(qū)域，該區(qū)域與塔的中心相交，其截面接近矩形。同樣，在弦與塔的圓周相交處形成角度或轉(zhuǎn)角。預(yù)計本發(fā)明的益處對于兩個扇區(qū)分區(qū)而言比中心分區(qū)更大，兩個扇區(qū)分區(qū)具有在分隔壁與圓形塔壁之間的接合部形成的更尖銳角度，雖然預(yù)計所有三個區(qū)域均在一定程度上受益于本發(fā)明。圖11顯示了具有三個分隔壁的塔，這三個分隔壁是塔的圓形截面的弦，且均在它們與塔的圓周相交處與相鄰的分隔壁相交，使得它們在塔的中心限定三角形截面的塔區(qū)域。角度或轉(zhuǎn)角形成于各相交點處。將會了解，其中壁在與圓周相交時無需彼此相交(即，可形成其分隔壁不彼此相交的一些扇區(qū))的備選布置是可能的，并且可提供作為塔的圓周的弦的多于三個分隔壁。預(yù)計該塔的所有分區(qū)均會獲得本發(fā)明的益處。圖12顯示了其中分隔壁不與塔壁相交而是在塔內(nèi)限定三角形截面區(qū)域的塔。類似地，圖13顯示了其中分隔壁在塔內(nèi)包封正方形截面區(qū)域而沒有任何分隔壁與塔壁相交或接觸的布置。將會了解，可提供更多的壁來包封具有不同多邊形截面的區(qū)域。而且，分隔壁中的一個或更多可與塔的圓周相交，并且壁可具有不同長度，從而形成不規(guī)則多邊形截面的中心區(qū)域。預(yù)計在由塔分區(qū)形成的兩個區(qū)域內(nèi)均會獲得本發(fā)明的益處，因為流體混合將既受外分區(qū)中的會聚壁又受由內(nèi)分區(qū)的相交壁形成的角度限制，但該益處對于內(nèi)分區(qū)而言將比外分區(qū)更大。預(yù)計由圖12中的三角形中心區(qū)域獲得的益處大于由圖13中的正方形內(nèi)部區(qū)域獲得的益處，這歸因于前一情形中塔的更尖銳角度。圖14顯示了其中分隔壁包封具有圓形截面的區(qū)域的塔，分隔壁與塔的圓周接觸。因此，分隔壁與塔圓周會聚而在分隔壁與塔圓周之間的接觸點形成角度。將會了解，分隔壁無需包封圓形區(qū)域，而是可形成任何大體圓形的形狀。還將了解，分隔壁無需與塔壁接觸，但必須布置成使得分隔壁的至少一部分與塔壁的至少一部分會聚。在這種情形下，預(yù)計將僅在外塔分區(qū)中獲得本發(fā)明的益處，因為內(nèi)塔分區(qū)具有圓形截面，而通過塔壁與分隔壁之間的接觸所形成的銳角將對外塔區(qū)段中的流體混合有限制作用。圖15顯示了其中三個分隔壁從塔的中心徑向延伸至圓形塔壁從而將柱形塔分隔成三個相等節(jié)段的塔。預(yù)計由于在各節(jié)段的轉(zhuǎn)角中導(dǎo)致的受限流體混合，所有節(jié)段均會獲得本發(fā)明的益處。
示例。 在用于使氬與氧分離的、包括帶有半圓形截面的塔或帶有圓形截面的塔的低溫蒸餾設(shè)備中，進行根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的規(guī)整填料與根據(jù)本發(fā)明的規(guī)整填料的性能對比。對于帶有圓形截面的塔，大約20層填料，其中每層填料大約高度為210mm且直徑為900mm，以90°取向在低溫蒸餾塔內(nèi)堆疊在彼此的頂部上。對于帶有半圓形截面的塔，大約20層填料，其中每層填料大約高度為210mm且具有900X450mm的半圓形區(qū)域，以90°取向在低溫蒸懼塔內(nèi)堆疊在彼此的頂部上。以0.4 barg (40kPa表壓)的塔壓力在全部內(nèi)部回流下進行所有對t匕。通過測量進入及離開塔的液體流和蒸汽流的組分而研究氬/氧的二元混合物的分離，以確定傳質(zhì)效率和壓降。所使用的兩種規(guī)整填料與圖3中所示的一般類型一致，帶有水平條紋，穿孔的開口區(qū)域為約10%，且各自具有大約500m2/m3的表面積。規(guī)整填料在它們的波紋角方面不同，其在現(xiàn)有技術(shù)填料(填料A)的情形中為45°，而在根據(jù)本發(fā)明的填料(填料B)的情形中為60°。以HETP和測定的通過兩種填料的動態(tài)壓降的方式表達(dá)性能，兩者均表達(dá)為修正密度的表觀氣體速率的函數(shù)Kv，其定義為:Kv = U[(Pv/Pf Pv)°_5]，其中，U=以m/s計的塔中的氣相的表觀速率；PV=以kg/m3計的塔中的氣相的密度；并且P f以kg/m3計的液相的密度。已將HETP、Kv和壓降的值歸一化，以便比較在所使用的兩種不同形式的塔中的填料的性能。現(xiàn)有技術(shù)規(guī)整填料A在圓形截面的塔和半圓形截面的塔中所獲得的結(jié)果在圖16和圖17中示出。對于圓形截面塔示出兩個數(shù)據(jù)集(圓形和三角形數(shù)據(jù)點)，而對于半圓形截面塔示出一個數(shù)據(jù)集(偏菱形數(shù)據(jù)點)。從圖16可看到，與圓形截面的塔相比，對于半圓形截面塔中的該填料而言，HETP值高30%-50%左右(取決于Kv)，且因此分離效率更低。曲線在1.35左右的歸一化的Kv開始會聚，在該點兩曲線開始顯示HETP隨著Kv增大而急劇增大，后一現(xiàn)象意味著操作容量對于所使用的兩種塔而言是相似的。圖17顯示填料A的壓降在所使用的兩種塔中相似。此外，兩塔的負(fù)載點在1.05的Kv處相似，其在此情形中定義為壓降增大隨著Kv的進一步遞增而變得更快處的Kv。根據(jù)本發(fā)明的規(guī)整填料B所獲得的結(jié)果在圖18和圖19中示出。同樣，對于圓形截面塔示出兩個數(shù)據(jù)集(在此情形中，圓形和偏菱形數(shù)據(jù)點)，且對于半圓形截面塔示出一個數(shù)據(jù)集(三角形數(shù)據(jù)點)。從圖18可看到，帶有60°波紋角的規(guī)整填料B(與現(xiàn)有技術(shù)填料A的45°相比)意外地未顯示半圓形截面塔相比圓形截面塔在HETP方面的顯著增大(與圖16相比)。事實上，半圓形塔的數(shù)據(jù)點大體位于圓形截面塔的兩組數(shù)據(jù)點之間。至于圖16，所有數(shù)據(jù)集的HETP以相似值在Kv增大時快速增大，因此同樣可以推斷，填料的操作容量對于所使用的兩類塔而言相似。與圖17相似，圖19顯示，在所使用的兩類塔中填料的壓降和填料的負(fù)載點相似。兩類塔中的兩種填料的性能的整體對比在表I中以相對HETP和相對操作容量的方式提供。相對HETP代表沿圖16和圖18中的曲線在HETP在較高Kv下快速增大之前的較平部分的HETP。相對操作容量在HETP開始會聚的Kv處評估。表I
權(quán)利要求1.一種用于傳熱或傳質(zhì)過程的設(shè)備，包括具有至少一對會聚壁或壁部的塔或分隔塔，在至少所述塔或分隔塔的由至少一對會聚壁或壁部界定的區(qū)域內(nèi)包括具有至少約50°的波紋角 的規(guī)整填料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述塔截面或分隔塔截面包括至少一個轉(zhuǎn)角。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其特征在于，所述至少一個轉(zhuǎn)角或角度是小于或等于約120°的內(nèi)角。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述規(guī)整填料的波紋角為從約55°至約65。。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述規(guī)整填料的波紋角為約60°。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述塔或分隔塔是通過在具有圓形截面的塔內(nèi)提供至少一個分隔壁而在所述塔內(nèi)形成的塔分區(qū)，所述分隔壁將所述塔的截面分隔成至少兩個分區(qū)，使得所述分隔壁與所述塔的壁會聚而形成至少一個轉(zhuǎn)角。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，在所述塔具有圓形截面的情況下，所述塔尺寸直徑大于約0.5m，或者，在所述截面具有另一形狀的情況下，所述塔尺寸大于相當(dāng)?shù)慕孛娣e。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述傳質(zhì)過程是其中空氣被分離成氮增濃流、氧增濃流和氬增濃流的低溫分離過程。
專利摘要本實用新型涉及規(guī)整填料。一種用于傳熱或傳質(zhì)過程的設(shè)備，包括具有至少一對會聚壁或壁部的塔或分隔塔，在至少該塔或分隔塔的由至少一對會聚壁或壁部界定的區(qū)域內(nèi)，包括具有至少約50°的波紋角的規(guī)整填料；一種適用于該設(shè)備的傳熱和/或傳質(zhì)的方法；以及一種將規(guī)整填料安裝在相關(guān)設(shè)備中的方法。
文檔編號B01D3/00GK203140017SQ20132010156
公開日2013年8月21日 申請日期2013年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月6日
發(fā)明者J.威爾遜, S.森德, P.A.霍頓 申請人:氣體產(chǎn)品與化學(xué)公司