專利名稱：減少填料塔中蒸汽旁路的裝置及其裝配方法
技術領域：
本發(fā)明涉及在，用于液體和蒸汽之間交換熱量和/或質量的填料塔中使蒸汽旁路最小。本發(fā)明特別適用于利用蒸餾的低溫空氣分離過程，雖然本發(fā)明也可以用于其它使用填料(例如無規(guī)則或結構填料)的傳熱和/或傳質過程。本發(fā)明還涉及為最小化蒸汽旁路而引入限制元件的填料塔的裝配方法。
此處所使用的術語“塔”是指蒸餾或分餾的塔或區(qū)域，即在該塔或區(qū)域內汽液兩相逆流接觸，從而實現(xiàn)分離流體混合物，例如使汽液兩相在塔內的填料元件上接觸。
術語“填料”指的是用作塔的內構件并具有預定的尺寸、形狀和結構的實心和中空體，在汽液兩相逆流過程中，該“填料”為液體提供表面積，從而在汽液界面進行傳質。填料的兩個廣義的分類為“無規(guī)則填料”和“結構填料”。
“無規(guī)則填料”指的是各個構件之間或相對塔軸沒有特定取向關系的填料。無規(guī)則填料隨機裝入塔中，是具有大的單位體積表面積的小而中空結構。
“結構填料”指的是各個構件之間或相對塔軸有特定取向關系的填料。結構填料通常由層狀或旋繞狀堆放的網(wǎng)形鐵或編織的絲網(wǎng)制成。盡管如此，其它的結構材料如金屬板也可以使用。
此處所使用的術語“填料芯柱”(或“芯柱”)指的是一個或多個填料層，其中每層由一個或多個單獨的填料段組成。
低溫空氣分離是通過使液體和蒸汽逆流接觸通過蒸餾塔而進行的?；旌衔锏钠嗌仙渲幸讚]發(fā)組分(如氮)的濃度不斷增大，而混合物的液相下降，其中難揮發(fā)組分(如氧)的濃度不斷增大。可以使用各種填料或塔板，使混合物的汽液兩相相互接觸，以實現(xiàn)相間傳質。
在蒸餾塔中使用結構填料為標準操作，它具有許多優(yōu)點，其中壓降較低是很重要的。在蒸餾塔中汽液逆流流動，在填料和塔壁之間通常有一個環(huán)隙。
填料蒸餾塔的性能對沿著塔壁通過環(huán)隙的蒸汽旁路可能會很敏感，這取決于塔的操作條件。在頂部產(chǎn)品純度很高的塔段如高壓塔、低壓塔的頂蓋段或空氣分離裝置中的純氫塔，蒸汽旁路的影響尤其明顯。例如在一個典型的高壓塔內，1％的蒸汽旁路就可以使氮氣產(chǎn)品中的氧濃度從1ppm增大到2100ppm(其中ppm指百萬分之一。PPb指十億分之一)。在實際中，盡管全部蒸汽旁路不會發(fā)生，但造成返混的部分旁路還是會發(fā)生的。旁路通過的蒸汽與餾出的蒸汽的混合減小了旁路蒸汽對塔性能的影響，但不會消除其有害影向。
塔徑對于沿著塔壁旁路的可能性有很大的影響。小直徑的塔更易受到蒸汽旁路的影響，這是因為對于固定的間隙尺寸，因靠近塔壁的環(huán)面積的百分數(shù)對固定的間隙大小來說隨著塔徑的減小而增大。在典型的填料到塔壁的距離為4.5毫米(mm)時，

圖1中環(huán)面積的百分數(shù)對塔徑的曲線說明了這一點。如圖所示，相對于200毫米(mm)的塔，400毫米(mm)的塔具有的環(huán)面積百分數(shù)大約是它的一半，而1000毫米(mm)的塔具有的環(huán)面積百分數(shù)大約是它的1/5。
通過分析和實驗，本發(fā)明者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，使蒸汽旁路最小或消除蒸汽旁路對蒸餾塔中的傳質性能具有很大影響。對于要求高純度頂部產(chǎn)品(例如測得的雜質以ppm或PPb表示)的塔，如高壓塔或使氧和氬與氮分離的低壓塔中的頂蓋塔段，這一點是很重量的。另一個例子是從氧中分離氮時達到很低的氧雜質量(ppm)的蒸餾塔。
在小填料塔中，已有技術在最小化蒸汽旁路方面不是很有效。這是由于在確定填料芯柱的幾何形狀時，不僅要考慮性能因素，還要考慮成本、易于制造和易于安裝等。
針對小直徑柱填料，某供應商的標準產(chǎn)品配有網(wǎng)狀刮片。為了易于安裝，該供應商還提供了一個可選用的環(huán)繞填料芯柱的3毫米金屬帶。使用網(wǎng)狀刮片的主要目的是為了從塔壁上去液體。網(wǎng)狀刮片可以通過蒸汽旁路，而且3mm的帶增大了填料邊緣與塔壁之間的環(huán)隙面積，這兩者可能會增大沿著塔壁的蒸汽旁路。
在現(xiàn)場安裝的大直徑塔中，其中柱填料是不現(xiàn)實的，同一供應商建議在填料和塔壁之間留有間隙，致使液體不能達到塔壁并從塔壁流下。雖然可以減小液體旁路，但形成蒸汽旁路通道，而蒸汽旁路對超高純度的應用是很有害的。
其它供應商在他們的填料芯柱上使用各種裝置以減小或消除在塔壁上的液體流。但本發(fā)明者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過堵塞小直徑塔中的環(huán)隙面積致使塔中的蒸汽旁路最小，可以達到較大的性能優(yōu)點。該優(yōu)點是已有技術達不到的，已有技術并來意識到要消除蒸汽旁路。
現(xiàn)有技術裝置的環(huán)隙(結構填料和塔壁之間)間距的目的是為了減小或消除塔壁上的液體流，而不是為了消除蒸汽旁路。在現(xiàn)有技術中并未意識到要使蒸汽旁路最小。甚至其中使用固體刮片時，其目的也是為了從塔壁上除去液體，而不是為了使蒸汽旁路最小。
例如US 5 464 573公開了一種壁刮片(wall wiper)，該壁刮片用來從塔內壁上向中心收集并引導液體，為了通過液體收集一分布裝置進行液體的收集和分布。沒有提到蒸汽旁路或想要使蒸汽旁路最小。
在使用填料的蒸餾塔(及其它交換塔)中，為了改善塔的傳質性能，需要有一種部件來大幅度地最小化或消除蒸汽旁路。
其次，在具有適合低溫應用的、極好的性能特征的蒸餾塔中，如用于空氣分離和用于其它傳熱和/或傳質過程，需要有一種部件大幅度地最小化或消除蒸汽旁路。
此外，還需要有一種用于在流動的液體物流和流動的蒸汽物流之間交換熱量和/或質量的裝置的裝配方法，該裝置克服了現(xiàn)有技術的許多困難和缺點，達到了更好和更優(yōu)異的結果。
本發(fā)明是一種用于在流動的液體物流和流動的蒸汽物流之間交換熱量和/或質量的裝置。本發(fā)明還包括該裝置的各種實施方案的裝配方法。
在第1個實施方案中，該裝置包括(1)一個基本上為圓柱狀的、具有內壁的塔段；(2)一個設在塔段內部的填料芯柱，該填料芯柱的外表面與塔段的內壁之間有間隙；(3)用于使塔段內壁與填料芯柱外表面之間的間隙內的蒸汽物流的流量最小的限制部件。
在第2個實施方案中，限制部件為至少一個沿著填料芯柱外表面周邊設置的固體刮片(solid wiper)。該固體刮片的內側周邊部位安裝在填料芯柱的外表面上，外側周邊部位緊貼塔段內壁。該固體刮片優(yōu)選由金屬制造。
在第3個實施方案中，限制部件也是至少一個沿著填料芯柱外表面周邊設置的固體刮片。但在這一實施方案中，該固體刮片的內側周邊部位緊貼填料芯柱的外表面，外側周邊部位則安裝在塔段內壁上。在這一實施方案中，該固體刮片也是優(yōu)選由金屬制造。
在第4個實施方案中，限制部件為至少一個沿著填料芯柱外表面周邊設置的墊圈。該墊圈的內側周邊部位安裝在填料芯柱的外表面上，外側周邊部位緊貼塔段內壁。該墊圈優(yōu)選由疏松的泡沫類材料如Gore-tex(為Gore Associates商標)制造。
在第5個實施方案中，限制部件也是至少一個沿著填料芯柱外表面周邊設置的墊圈。但在這一實施方案中，該墊圈的內側周邊部位緊貼填料芯柱的外表面，外側周邊部位安裝在塔段內壁上。與前一實施方案相同，該墊圈的優(yōu)選材料為Gore-tex。
本發(fā)明的第6個實施方案是一種用于在流動的液體物流和流動的蒸汽物流之間交換熱量和/或質量的裝置，該裝置包括(1)一個基本上為圓柱狀的、具有內壁的塔段；(2)一個設在塔段內部的基本上為圓柱狀的填料芯柱，其中基本上為圓柱狀的填料芯柱的外徑與基本上為圓柱狀的塔段的內徑基本上相等。
本發(fā)明的第7個實施方案是一種用于在流動的液體物流和流動的蒸汽物流之間交換熱量和/或質量的裝置，該裝置包括(1)一個基本上為圓柱狀的、具有內壁的塔段；(2)一個設在塔段內部的填料芯柱，該填料芯柱的外表面與塔段的內壁之間有間隙；(3)在塔段內壁與填料芯柱外表面之間的間隙內提供不漏蒸汽的密封的部件。
第8個實施方案是一種用于在逆流流動的液體和蒸汽之間交換熱量和/或質量的裝置，該裝置包括(1)一個基本上為圓柱狀的、具有內壁的塔段，液體在塔段的一端進入，蒸汽在塔段上相對的另一端進入；(2)一個設在塔段內部的填料芯柱，該填料芯柱的外表面與塔段的內壁之間有間隙，因此在塔段的內壁和填料芯柱的外表面之間是一個環(huán)隙；(3)用于引導蒸汽離開塔段內壁從環(huán)隙向內朝填料芯柱流動的部件。
第9個實施方案是一種用于在流動的液體物流和流動的蒸汽物流之間交換熱量和/或質量的交換塔的改進，該交換塔有一個基本上為圓柱狀的、具有內壁的塔段，一個設在塔段內部的填料芯柱，該填料芯柱的外表面與塔段的內壁之間有間隙。改進之處包括限制部件，該限制元件用于使塔段內壁與填料芯柱外表面之間的間隙內的蒸汽物流的流量最小。
本發(fā)明的另一方面是一種用于低溫空氣分離的方法，該方法包括在至少一個蒸餾塔中使汽液逆流接觸，該蒸餾塔中含有至少一個質量和/或熱量傳遞區(qū)域，該方法具有至少一個如上述實施方案1、6、7或8中的裝置。
本發(fā)明還包括上述裝置的各種實施方案的裝配方法。在一個實施方案中，用于在流動的液體物流和流動的蒸汽物流之間交換熱量和/或質量的裝置的裝配方法包括下列步驟。第一步是提供一個基本上為圓柱狀的、具有內壁的塔段。下一步是在塔段內部設置一個填料芯柱，該填料芯柱的外表面與塔的內壁之間有間隙。最后一步是設置限制部件，用來使塔段內壁與填料芯柱外表面之間的間隙內的蒸汽物流的流量最小。
用于在流動的液體物流和流動的蒸汽物流之間交換熱量和/或質量的裝置的裝配方法的再一個實施方案包括下列步驟。第一步是提供一個基本上為圓柱狀的、具有內壁的塔段。第二步是在塔段內部設置一個基本上為圓柱狀的填料芯柱，其中基本上為圓柱狀的填料芯柱的外徑與基本上為圓柱狀的塔段的內壁直徑基本上相等。
用于在流動的液體物流和流動的蒸汽物流之間交換熱量和/或質量的裝置的裝配方法的再一個實施方案包括下列步驟。第一步是提供一個基本上為圓柱狀的、具有內壁的塔段，液體在塔段的一端進入，蒸汽在塔段上相對的另一端進入。下一步是在塔段內部設置一個填料芯柱，該填料芯柱的外表面與塔段的內壁之間有間隙，因此在塔段的內壁和填料柱的外表面之間是一個環(huán)隙。最后一步是設置用于引導蒸汽離開塔段內壁從環(huán)隙向內朝填料芯柱流動的部件。
下面將參照附圖通過實施例描述本發(fā)明的實施方案，其中圖1是一條曲線，說明了在填料塔中環(huán)隙面積的百分數(shù)％與塔徑(mm)的函數(shù)關系，假定在填料和塔壁之間有4.5毫米(mm)的間隙或環(huán)隙；圖2為用于本發(fā)明的一個實施方案中的固體刮片的示意性的透視圖；圖3為塔內的填料芯柱的俯視示意圖，其中在塔內壁和填料之間的環(huán)隙內設有固體刮片(如圖2所示的固體刮)；圖4為用于填料塔的塔壁和填料之間的環(huán)隙內的固體刮片的側視示意圖，比如圖3中的固體刮片；圖5為填料塔的塔壁和填料之間的墊圈的側視示意圖；圖6為在以截面表示的塔段內部有兩個固體刮片的結構填料柱剖面圖。
本發(fā)明的基礎是填料交換塔性能上的驚人的和意想不到的改進，這一改進是由于最小化或消除了塔內壁和塔內填料之間的間隙內的蒸汽旁路而帶來的。
這一驚人的和意想不到的性能結果是通過堵塞環(huán)隙或使環(huán)隙最小(或消除環(huán)隙)來實現(xiàn)的。對于直徑相對較小的使用填料芯柱的塔(例如直徑小于2米的塔及典型的直徑小于1米的塔)來說，使其環(huán)隙最小是尤其重要的。使蒸汽旁路最小改進了塔的傳質性能，對于空氣分離裝置中生產(chǎn)高純度蒸汽產(chǎn)品的塔來說尤其明顯。
用于堵塞環(huán)隙的一種部件為固體刮片22，如圖2所示。如圖3和4所示，將固體刮片安裝在填料塔中，其中固體刮片堵塞了在填料28的外表面和塔壁26內側之間的環(huán)隙32。固體刮片可以固定在填料上、塔壁上或與二者均固定。
固體刮片22有一個內側部位36和一個外側部位34，如圖2所示。其內側部位可以安裝在填料28的外表面上，此時其外側部位緊貼塔26的內壁。相反，其外側部位也可以安裝在塔的內壁上，此時其內側部位則緊貼填料的外表面。在另一種供選擇的方案中，固體刮片的內側部位可以安裝在填料的外表面上，同時固體刮片的外側部位也可以安裝在塔的內壁上。
固體刮片22優(yōu)選由金屬制造。如圖2所示，固體刮片可以有許多切口24，以便容易圍繞填料28彎曲固體刮片，如圖3所示。盡管這些切口會造成少許蒸汽旁路，但這些切口設計簡單，并且提供了一種圍繞填料安裝固體刮片的比較經(jīng)濟的方法。盡管如此，設計一種不帶切口的固體刮片，使其與填料周圍緊密配合并基本上覆蓋環(huán)隙32，這也是可能的。但這種設計可能更昂貴，安裝起來可能會更困難。
盡管圖4只顯示了位于一個水平或高度上的固體刮片22，但另外的固體刮片(22′)可以安裝在環(huán)隙32內相互間隔的不同高度上，如圖6所示。
圖5表示的是本發(fā)明的另一種實施方案，其中使用墊圈30(而不是固體刮片22)來堵塞填料28和塔壁26之間的環(huán)隙32。與帶有固體刮片時相同，可以有多個墊圈安裝在每個填料芯柱的周邊上，每個墊圈處于不同的水平或高度上。
墊圈30可以由能夠在蒸餾操作及熱循環(huán)中承受低溫的任何材料制成。一種這樣的材料為Gore-tex，這是一種公知的墊圈材料，是一種疏松的泡沫類材料。(Gore-tex是Gore Associates商標。)墊圈30的內側部位40安裝在填料28的外表面上，其外側部位38緊貼塔26的內壁?？晒┻x擇地，墊圈的外側部位也可以安裝在塔的內壁上，此時墊圈的內側部位則緊貼填料的外表面。在另一種供選擇的方案中，墊圈的內側部位可以安裝在填料的外表面上，同時墊圈的外側部位也可以安裝在塔的內壁上。
另一種供選擇的方案是通過使填料的外徑基本上等于塔壁的內徑，從而基本上最小化或消除在塔壁26和填料28之間的間隙32。這樣就不需要使用固體刮片22或墊圈30來阻止蒸汽旁路了。
本發(fā)明的優(yōu)點已經(jīng)在一個200毫米(mm)直徑的蒸餾塔中得到證實。相對于一個類似的不帶固體金屬刮片的200mm填料塔，在塔內使用固體金屬刮片總會使HETP(分離的理論當量塔板高度)降低大約5％-15％。在生產(chǎn)純蒸汽產(chǎn)品的條件下，HETP的降低具有特別重要的意義。這一證實還表明當填料和塔壁之間的距離從5mm降低到3mm時，500m2/m3填料密度的HETP大約降低10％。
權利要求
1.一種用于在流動的液體物流和流動的蒸汽物流之間交換熱量和/或質量的裝置，該裝置包括一個基本上為圓柱狀的、具有內壁的塔段；設在塔段內部的填料芯柱，該填料芯柱的外表面與塔段的內壁之間有間隙；用于使塔段內壁與填料芯柱外表面之間的間隙內的蒸汽物流的流量最小的限制部件。
2.如權利要求1的裝置，其中限制部件為至少一個沿著填料芯柱外表面周邊設置的固體刮片，該固體刮片的內側周邊部位安裝在填料芯柱的外表面上，外側周邊部位緊貼塔段內壁。
3.如權利要求1的裝置，其中限制部件為至少一個沿著填料芯柱外表面周邊設置的固體刮片，該固體刮片的內側周邊部位緊貼填料芯柱的外表面，外側周邊部位安裝在塔段內壁上。
4.如權利要求1的裝置，其中限制部件為至少一個沿著填料芯柱外表面周邊設置的墊圈，該墊圈的內側周邊部位安裝在填料芯柱的外表面上，外側周邊部位緊貼塔段內壁。
5.如權利要求1的裝置，其中限制部件為至少一個沿著填料芯柱外表面周邊設置的墊圈，該墊圈的內側周邊部位緊貼填料芯柱的外表面，外側周邊部位安裝在塔段內壁上。
6.如權利要求2的裝置，其中固體刮片由金屬制造。
7.如權利要求3的裝置，其中固體刮片由金屬制造。
8.如權利要求4的裝置，其中墊圈由疏松的泡沫類材料制造。
9.如權利要求5的裝置，其中墊圈由疏松的泡沫類材料制造。
10.一種用于在流動的液體物流和流動的蒸汽物流之間交換熱量和/或質量的裝置，該裝置包括一個基本上為圓柱狀的、具有內壁的塔段；設在塔段內部的基本上為圓柱狀的填料芯柱，其中基本上為圓柱狀的填料芯柱的外徑與基本上為圓柱狀的塔段的內壁直徑基本上相等。
11.一種用于低溫空氣分離的方法，該方法包括在至少一個蒸餾塔中使汽液逆流接觸，該蒸餾塔含有至少一個傳質和/或傳熱區(qū)域，該方法具有至少一個如權利要求1的裝置。
12.一種用于低溫空氣分離的方法，該方法包括在至少一個蒸餾塔中使汽液逆流接觸，該蒸餾塔含有至少一個傳質和/或傳熱區(qū)域，該方法具有至少一個如權利要求10的裝置。
13.一種用于在流動的液體物流和流動的蒸汽物流之間交換熱量和/或質量的裝置的裝配方法，該方法包括如下步驟提供一個基本上為圓柱狀的、具有內壁的塔段；在塔段內部設置填料芯柱，該填料芯柱的外表面與塔的內壁之間有間隙；和設置限制部件，該限制部件用來使塔段內壁與填料芯柱外表面之間的間隙內的蒸汽物流的流量最小。
14.一種用于在流動的液體物流和流動的蒸汽物流之間交換熱量和/或質量的裝置的裝配方法，該方法包括如下步驟提供一個基本上為圓柱狀的、具有內壁的塔段；在塔段內部設置基本上為圓柱狀的填料芯柱，其中基本上為圓柱狀的填料芯柱的外徑與基本上為圓柱狀的塔段的內壁直徑基本上相等。
15.一種用于在流動的液體物流和流動的蒸汽物流之間交換熱量和/或質量的裝置，該裝置包括一個基本上為圓柱狀的、具有內壁的塔段；設在塔段內部的填料芯柱，該填料芯柱的外表面與塔段的內壁之間有間隙；用于在塔段內壁與填料芯柱外表面之間的間隙內提供不漏蒸汽的密封件。
16.一種用于在逆流流動的液體和蒸汽之間交換熱量和/或質量的裝置，該裝置包括一個基本上為圓柱狀的、具有內壁的塔段，液體在塔段的一端進入，蒸汽在塔段上相對的另一端進入；設在塔段內部的填料芯柱，該填料芯柱的外表面與塔段的內壁之間有間隙，因此在塔段的內壁和填料芯柱的外表面之間是一個環(huán)隙；用于引導蒸汽離開塔段內壁從環(huán)隙向內朝填料芯柱流動的元件。
17.在一種用于在流動的液體物流和流動的蒸汽物流之間交換熱量和/或質量的交換塔中，該交換塔有一個基本上為圓柱狀的、具有內壁的塔段，和一個設在塔段內部的填料芯柱，該填料芯柱的外表面與塔段的內壁之間有間隙，其改進之處包括限制部件，該限制部件用于使塔段內壁與填料芯柱外表面之間的間隙內的蒸汽物流的流量最小。
18.一種用于低溫空氣分離的方法，該方法包括在至少一個蒸餾塔中使汽液逆流接觸，該蒸餾塔含有至少一個傳質和/或傳熱區(qū)域，該方法具有至少一個如權利要求15的裝置。
19.一種用于低溫空氣分離的方法，該方法包括在至少一個蒸餾塔中使汽液逆流接觸，該蒸餾塔含有至少一個傳質和/或傳熱區(qū)域，該方法具有至少一個如權利要求16的裝置。
20.一種用于在流動的液體物流和流動的蒸汽物流之間交換熱量和/或質量的裝置的裝配方法，該方法包括如下步驟提供一個基本上為圓柱狀的、具有內壁的塔段，液體在塔段的一端進入，蒸汽在塔段上相對的另一端進入；在塔段內部設置一個填料芯柱，該填料芯柱的外表面與塔段的內壁之間有間隙，因此在塔段的內壁和填料芯柱的外表面之間是一個環(huán)隙；設置用于引導蒸汽離開塔段內壁從環(huán)隙向內朝填料芯柱流動的部件。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于在流動的液體物流和流動的蒸汽物流之間交換熱量和/或質量的裝置,該裝置包括一個基本上為圓柱狀的、具有內壁的塔段,和一個設在塔段內部的填料芯柱。該填料芯柱的外表面與塔段的內壁之間有間隙。該裝置還包括用于使塔段內壁與填料芯柱外表面之間的間隙內的蒸汽物流的流量最小的限制部件。
文檔編號F25J3/04GK1253028SQ9912054
公開日2000年5月17日 申請日期1999年9月30日 優(yōu)先權日1998年10月5日
發(fā)明者H·C·科洛茨, P·A·阿姆斯特龍, F·T·切伊諾, G·A·梅斯基, F·J·里斯卡, S·森德, F·G·喬伊斯 申請人:氣體產(chǎn)品與化學公司