CN1121265C - 混合阻力规整填料 - Google Patents

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Abstract

混合阻力规整填料层包括：具有第一填料阻力的第一规整填料；和通常与第一规整填料水平相邻的第二规整填料，第二规整填料具有不同于第一填料阻力的第二填料阻力。在如低温空气分离过程中，混合阻力规整填料层用于交换塔中，进行第一相与第二相之间的热量和/或质量交换。在交换塔内及过程中，混合规整填料层在降低HETP(理论等板高度)方面的用途。还提供了一种在交换塔内组装混合阻力规整填料层的方法。

Description

混合阻力规整填料
本发明涉及一种混合阻力规整填料和在交换塔中装配这种填料的方法。混合阻力规整填料在交换塔中具有特殊的用途，特别是在低温空气分离工艺，尽管也可以用于其它使用规整填料的传热和/或传质工艺。
在这里，术语“塔”是指蒸馏或分馏塔或区，即液相和汽相逆流接触以分离流体混合物的塔或区，例如，过汽相和液相在安装在塔内的填料元件或一组垂直间隔的盘或板上接触。
术语“塔段”(或“段”)是指塔中填满了塔直径的区域。特殊段或区域的顶部或底部分别以液体或蒸汽分布器结束。
术语“填料”是指用作塔的内构件的具有预定尺寸、形状和结构的实心或中空体，用于向液体提供表面积，当两相逆流流动时在液一汽界面上发生传质。两类广义的填料是“乱堆填料”和“规整填料”。
“乱堆填料”是指这样的填料：各个元件相互之间或相对于塔轴没有特定取向。乱堆填料是小的中空结构，单位体积具有大的表面积，以无序的方式装入塔中。
“规整填料”是指这样的填料：各个元件相互之间或相对于塔轴具有特定取向。规整填料通常由网形铁或编织金属丝网制成，层状或盘曲状堆积。
在如蒸馏或直接接触冷却的过程中，使用规整填料以促进逆流流动的液体和蒸汽物流之间的传热和传质是有利的。与乱堆填料或塔板相比，规整填料的传热和传质效率高，压降低。与乱堆填料相比，其性能更具可预测性。
空气的低温分离是使液体和蒸汽逆流通过蒸馏塔实现的。混合物的汽相上升，其易挥发组分(例如氮)的浓度不断升高，混合物的液相下降，不易挥发组分(如氧)的浓度不断增大。可以使用各种填料或塔板以使混合物液气相接触，从而实现相间传质。
有许多通过低温蒸馏分离空气将其分离成组分(即氮气、氧气、氩气等)的方法。典型的低温空气分离装置10示意地示于图1。高压进料空气被输入到高压塔2的底部。在高压塔内，空气被分离成富含氮的蒸汽和富含氧的液体。富含氧的液体3被从高压塔2输送到低压塔4。富含氮的蒸汽5通过一个冷凝器6，在其中被冷凝，而防止氧在冷凝器中沸腾，向低压塔提供再沸蒸汽。富含氮的液体7一部分以物流8采出，一部分以物流9输送到低压塔作为液体回流。在低压塔中，进料(3，9)通过低温蒸馏被分离成富氧和富氮组分。规整填料11可以用于实现要分离的氧和氮的液相和气相的接触。富氮组分以蒸汽12除去，富氧组分以蒸汽13除去。另外，富氧组分可以从再沸器/冷凝器6周围的塔釜中的一位置以液体除去。废蒸汽14也可以从低压塔中除去。低压塔可以分为多段。例如，在图1中，以示例的方式表示有三个这样的填料段11。
最常用的规整填料包括垂直堆放的金属或塑料箔的波纹板(或波纹丝网布)。这些箔具有各种形式的孔和/或粗糙的表面特性以改进传热和传质效率。这种填料的例子公开在US 4296050(Meier)中。在现有技术中，还已知丝网型填料能高效分散液体，具有良好的传质性能，但与大多数箔型填料相比，丝网型填料更贵。
规整填料的分离性能通常以理论等板高度(HETP)来衡量。术语“HETP”是指达到相当于一块理论塔板所实现的组成变化所需的填料高度。术语“理论塔板”是指使排出的蒸汽和液体物流达到平衡的蒸汽和液体的接触过程。对于具体的分离，特定填料的HETP越低，填料的效率越高，这是因为所使用的填料的高度随HETP下降。
当所有其它结构和工艺因素保持不变时，规整填料蒸馏塔的效率取决于其直径。当在不同规模下进行等效分离时，直径从小的几分之一米增加到几米，开始时HETP升高，然后不变。这可以结合两个因素来解释—规整填料塔的流动特征和混合特征。
关于流动特征，即使进入塔中填料段的原始液体和蒸汽分布是高度均匀的，当液体和蒸汽逆流通过填料段接触时，其分布会变化，导致了塔横截面上液体对蒸汽比率(L/V)的变动。此外，已知在塔壁上的液体流量大，因此，降低了靠近塔壁的环形区域的填料上的液体负荷。尽管蒸汽流量也不完全均匀，但与液体的流量相比，在填料内更均匀一些。
因此，在图2所示的典型圆柱形填料塔的横截面上L/V比率通常有规则地变化。参看图2，在典型的圆柱形填料塔22中，塔内壁40与填料之间存在一个环形空间19，填料放置在平行的虚线16(代表圆柱形填料层的边界)之间。塔轴由虚线15表示。虚线17表示理论或理想条件下的“标准”L/V比率，在塔的横截面上L/V比率不发生变化。实线18示意地表示典型的圆柱形填料塔横截面上的非均匀L/V比率(相对于标准值)。靠近塔内壁时，L/V比率高得多，这是因为过量的液体沿塔内壁向下流动(由图2中环形空间19上方线18的陡峭斜线段所示)。
根据填料、要分离的混合物、和工艺条件的具体情况，图2中线18所示的实际L/V比率的总体形式可能会发生相当大的变动。
而且已知，不均匀分布可能引起塔分离效率的下降，除非在塔内重复混合液相和汽相减轻了分布不均。对如低温空气分离这种密封的分离过程特别是这样。
关于混合特征，高长径比(l/d)(如约5-20)的小直径塔可以使蒸汽流和逆流的液体流在塔截面上、在较小的范围内反复混合，与l/d小得多(如约0.5-5.0)的大直径塔相比，更好地平衡L/V比率变化的影响。由于这一原因，与理想情况相比，在大直径塔中，分离效率的下降要更严重，导致了HETP的升高。
大交换塔中HETP升高是很大的经济负担，这时因为塔作为其中部分的***的总高度增加了。希望减少大直径塔中HETP的升高，从分离效能上而言，这样的交换塔接近于小直径的交换塔的效能。
现有技术没有认识到或提出这种特殊的问题。现有技术已认识到过量边壁液流量的有害影响，并试图减少这种影响，例如使用常规的壁刮(wall wiper)。然而，尽管壁刮可以减少局部的边壁液流量，但是壁刮不能有效地使液体返回到填料中。因此，即使在装有壁刮的塔中，仍然存在不利的L/V比率变化。在塔壁处蒸汽旁路的有害影响可以通过在靠近塔壁的环形空间内使用限制元件来减少，如固体金属刮或其它元件，公开在本申请人的美国申请No.09/166373中(Klotz等)，其名称为“Devices to Minimize Vapor Bypass in PackedColumn and Method of Assembly”。
US 5262095(Bosquain等)公开了对改进的填料边缘的应用，利用变形、狭缝(slits)、多孔塞(plug)、填充物、或特殊刮以促使液体离开塔壁反向流入填料中。US 5441793(Suess)描述了在靠近塔壁的填料边缘使用液体改向器(re-director)元件。这种元件可以制成小波纹的“L”形。US 5224351(Jeannot等)描述了一种类似的边的改进方案，其中对塔壁附近的部分波纹进行折叠。US5700403(Billingham等)描述了形成特殊的波纹填料层，其中靠近塔壁的规整填料层内的交替波纹元件被切短，从而减少了导致液体向边壁流动的趋势。US5282365(Victor等)描述了在塔壁上进行加热，以蒸发来减少边壁流量。
虽然前四项专利中提出的填料和方法可以减少边壁液流量，但其相应的成本也高，因为生产技术是非常规的，安装填料的劳动强度也高。第五项专利中提出的方法也是高成本的，因为它需要额外的线路来引导塔外部的其它流体，以蒸发蒸馏塔内的边壁液体。
US 5100448(Lockett等)公开了在塔的至少两段上使用不同填料密度的规整填料，相互之间上下直接相邻，以平衡液体负荷。类似地，在US 5419136(Mckeigue)中，在相互之间上下直接相邻的两段中，规整填料的波纹角度发生改变，以平衡液体负荷。尽管所报道的填料的这种结构改进了低温空气分离的操作弹性，但没有提出这里所讨论的非均匀分布问题，也没有提出解决这些问题的方案或建议。
希望有一种规整填料，通过改变传统的规整填料可以使非均匀分布的影响最小，但不需要任何特殊的填料边缘的改动或在交换塔外部的任何附加设备或线路。
还需要一种规整填料，它们在如空气分离的低温应用或其它传热和/或传质应用中具有高的性能特性。特别是需要减少在这些应用中使用的大直径塔中HETP的升高，从分离效率来看，使这些塔的性能接近于小直径塔。
还需要一交换塔，整个塔内的总液汽比(L/V)相对于标准液汽比(排除了边壁效应)的偏差尽可能小，从而改进传质性能。
还需要一种具有规整填料的交换塔，尽管塔内的绝对液体和蒸汽流量不能保持恒定，但塔内的L/V比率基本上保持恒定。
还希望平衡在交换塔的横截面上的L/V比率，使大直径塔的传热和/或传质效率接近小直径塔。
本发明提供了一种混合阻力规整填料层，它可以用在交换塔的一段或多段上，用于在一种工艺中，如低温空气分离的第一相和第二相之间进行热量和/或质量传递。本发明还提供了一种在交换塔内组装这种混合阻力规整填料层的方法。本发明的另一方面是一种在交换塔内降低HETP(理论等板高度)的方法和***。
混合阻力规整填料可以用在交换塔的一段或多段的一层或多层内。在这样一个混合阻力规整填料层内，低阻力填料用在中芯，高阻力填料用在围绕中芯的外环。这样迫使更多的蒸汽流向交换塔的中间，而流向塔壁的较少，因此，抵消了在交换塔内液体的非均匀分布。通过使用本发明方法以平衡L/V比率(液汽比)，从基本上较低的HETP来看，使大直径塔在性能上接近于小直径塔。
在一种方案中，混合阻力规整填料层包括：具有第一填料阻力的第一规整填料；通常与第一规整填料在水平方向相邻的第二规整填料，具有不同于第一规整填料的第二填料阻力的第二规整填料。
在一个变例中，第二规整填料具有一个基本上等于第一规整填料外周边的内周边和大于该其内周边的外周边。第二规整填料的内周边基本上紧贴第一规整填料的外周边。在另一变例中，第一规整填料的外周边和第二规整填料的内周边基本上呈环形。
在另一变例中，第一和第二规整填料包括至少一块波纹板。在又一变例中，第一和第二规整填料包括多块由箔状材料制成的平行放置的波纹板，每块板具有至少一个以一定角度设置的并与相邻板上的至少一个波纹成交叉关系的波纹。第一和第二规整填料之间的阻力差别可以取决于波纹的角度差别。例如，在第一规整填料内至少一个波纹的角度不同于第二规整填料内至少一个波纹的角度。
在再一变例中，第一和第二规整填料之间的阻力差别取决于第一和第二规整填料的表面积密度(surface area density)的差别。例如，第二规整填料的表面积密度可以高于第一规整填料的表面积密度。
本发明的另一方案是一种混合阻力规整填料层，包括：具有外周边的基本上为圆形的中芯，中芯包括具有第一填料阻力的第一规整填料；通常在水平方向上与中芯的外周边相邻的外环，外环包括具有不同于第一填料阻力的第二填料阻力的第二规整填料。
本发明的另一方面是一种用于第一相和第二相之间进行热量和/或质量传递的交换塔，该交换塔具有至少一层上述任何方案或变例中描述的混合阻力规整填料。
本发明的再一方面是一种低温空气分离方法，包括使蒸汽和液体在至少一个包含至少一个传质区的蒸馏塔内逆流接触，其中液汽接触是通过至少一层上述任何方案或变例中描述的混合阻力规整填料之上完成。
本发明还包括一种在交换塔内组装一层混合阻力规整填料的多步骤方法。第一步是提供一个交换塔。第二步是提供一层混合阻力规整填料，该混合阻力规整填料层包括：具有第一填料阻力的第一规整填料；通常与第一规整填料在水平方向相邻的第二规整填料，第二规整填料具有不同于第一规整填料的第二填料阻力。最后一步是将混合阻力规整填料层装入交换塔中。
本发明的另一方面是一种降低用于在液体和蒸汽之间进行热量和/或质量传递中的交换塔的HETP(理论等板高度)的方法，交换塔具有至少一层规整填料，该规整填料层具有一个中芯和通常在水平方向上与中芯相邻的外环。该方法包括如下步骤：引导交换塔内的至少一部分蒸汽离开外环；引导至少一部分蒸汽流向中芯。在降低HETP方法的一个变例中，该部分蒸汽的量是：使交换塔横截面上的液汽比率基本保持恒定。
本发明的另一方面是一种降低用于在液体和蒸汽之间进行热量和/或质量传递的交换塔的HETP的***，交换塔具有至少一规整填料层，该规整填料层具有一个中芯和通常在水平方向上与中芯相邻的外环。该***包括：引导交换塔内的至少一部分蒸汽离开外环的元件；引导至少一部分蒸汽流向中芯的元件。在该***的一个变例中，该部分蒸汽的量是：使交换塔横截面上的液汽比率基本保持恒定。
本发明的再一方面是交换塔中的填充段，包括：第一层混合阻力规整填料(如任何上述方案或变例所述)；位于第一层混合阻力规整填料下方的第二层混合阻力规整填料(如任何上述方案或变例所述)，其中第二层相对于第一层旋转一定角度。该角度可以在约0°至约90°之间。
以下参照附图，通过实施例对本发明进行描述，其中：
图1是空气分离装置的示意图；
图2描述了使用传统规整填料的典型圆柱形蒸馏塔内的L/V比率非均匀性；
图3是交换塔内混合阻力规整填料层的平面示意图；
图4A是传统规整填料元件的透视图；
图4B是在传统规整填料中相邻元件成交叉设置的示意图；
图4C是描述在填料塔中使用壁刮的示意图；
图5A是描述规整填料以砖块状设置的平面示意图，该图是在一定高度上沿图5B中线5A-5A的剖示图。
图5B是蒸馏塔内的蒸汽和液体分布器之间的规整填料以多层设置的正视示意图；
图6是描述双塔空气分离装置的低压塔内的液体和蒸汽流动的示意图；
图7是描述传统双塔空气分离装置的低压塔内的液体和蒸汽流动的另一示意图；
图8是说明在蒸汽分布平衡或未平衡的两个平行塔上液体非均匀分布和混合效果的图表。
为了便于讨论，使用图4A-5B中所示的传统规整填料元件、砖块和层对本发明进行描述和下面的讨论。然而，本发明也可以与其它类型的规整填料一起应用，包括但不限于本申请受让人的如下美国专利申请中所公开的填料类型：Sunder的名称为“HorizontalStructured Packing”的No.09/008691；Sunder的名称为“Stackable Structured Packing with Controlled Symmetry”的No.08/918175；Sunder的名称为“Structured Packing”的No.08/647495。
参看图3，参照填料塔22的一塔段内的规整填料层20来讨论本发明，在图3所示结构中，该层包括高阻力填料24(用“A”表示)和低阻力填料26(用“B”表示)。(在下面所讨论的和图4A至5B中所描述的，“层”通常由多“块”填料元件或固定在一起以填充塔横截面的片制成。)如图3所示，高阻力填料(“A”)位于外环28，低阻力填料(“B”)位于中芯30。
“环”是定义为由平面内的两个同心圆所包围的平面部分。在图3所示方案中，术语“外环”28是由塔22的基本上为环形的内壁40和限定“中芯”30的周边的同心圆42所包围的平面部分。
在图3中，尽管中芯30和外环28之间的边界被描绘成圆42，由于制造的原因，这一边界实际上呈锯齿状，具有一系列粗略组成近似于圆42的直线。图3所示层的分区方式仅仅是一个例子，许多其它的变例是可能的，这取决于塔的直径和填料的尺寸。
本发明不限于图3所示的结构，也不限于只使用两种不同阻力的填料。本领域熟练技术人员知道，可以使用其它结构，也可以使用多于两种具有不同阻力的填料。
如图3所示，外环28和中芯30的相对尺寸由圆42(即中芯的周边)的直径所决定。对于给定尺寸的塔22，与图3所示相比，如果中芯30相对较大(即圆42具有较大的直径)，则与图3所示相比，其外环28相对较小。与此相反，与图3所示相比，如果中芯相对较小(即圆42具有较小的直径)，则与图3所示相比，其外环相对较大。本领域熟练技术人员知道，各种变例都是可能的，圆42的直径可以从接近于零的下限至接近于内壁40直径的上限范围内变动。
在具有圆形内壁40的填料塔22内，尽管优选方案使用了圆形中芯30，但其它组合方式也是可能的。例如，塔22的内壁40和/或中芯30的周边42的形状可以是非圆形的。在这些情况下，“外环”28的几何形状可能不是上面定义的“环形”。事实上，外环的几何形状具有由内壁40限定的外周边和由中芯30的外周边42限定的外周边。
参看图3所示方案，本发明是这样起作用的：通过引导外环中汽流类似地减少来抵消填料外环28中液流的缺乏。这可以通过混合阻力来完成：段内一些或所有层的外环具有较高阻力填料24，而中芯30具有较低阻力填料26，其中阻力主要是指相对于蒸汽流的阻力。
通过改变中芯30和外环28之间的一个或多个如下变量可以获得混合阻力一波纹角度、表面积密度、表面纹理(texture)、穿孔、填料种类，或可以改变填料阻力特征的其它变量。
通过引导使外环28中的汽流较少，而使流向中芯30的汽流较多，在整个塔22内的总液汽比(L/V)与标准值的偏差较小，因此，从所需HETP来看，改进了传质性能。对于工业塔，尽管外环中的阻力增加了，但降低高度可以降低总压降。由于平衡了液汽比率比(L/V)，至少在某种程度上降低了大型工业塔的HETP。因此，可以使塔段的高度较低，从而降低***的总成本。
使用规整填料的传统技术已描述在许多涉及规整填料的专利文献中，US 4296050(Meier)描述了一种波纹规整填料及其应用。一种传统的基础规整填料元件32示于图4A中。每一填料元件由起波纹的薄金属箔或其它合适材料制成。填充了传统规整填料的蒸馏塔22示于图5A和5B中。
典型的规整填料采用了垂直取向的波纹填料片或元件，如图4A所示，其中波纹与垂直方向成一角度。每一填料片是这样设置的：使其波纹方向与相邻填料片的波纹方向相反，如图4B所示。(实线表示一块填料片的波纹方向，虚线表示相邻填料片的波纹方向。)当垂直放置用于蒸馏塔中时，波纹与水平方向形成一角度(α)。除起波纹外，元件或片上可以有表面纹理、洞或其它孔、凹坑、凹槽、或增强基本元件性能的其它特征。
使用这种基本填料元件，通过组装这些元件制成规整填料“砖”34(每块砖通常大约有40-50个元件)，使得相邻元件的波纹呈图4B所示的交叉方式设置。(用于固定元件的装置未示出。)当砖放置在圆柱形塔内时，靠近壁的砖的边缘是粗糙的，呈锯齿形，产生缝隙。为减少液体旁路，通常使用如图4C所示的刮36。
规整填料砖34通常组装成填料塔38塔段中的层(48，48′)，如图5A和5B所示。图5A是平面图，表明了在图5B中截面5A-5A所在高度上十二块砖的布置。图5B表明了填料塔中规整填料的整体布置的正视图，在液体分布器44与蒸汽分布器46之间的塔段内，有多层(48，48′)，相邻填料层(48，48′)(每层约8英寸高)相对旋转成直角(即90°)。在最常用的设置中，也可以使用其它旋转方式(例如，相邻层旋转到0°至90°之间的角度)。
本发明改进了传统填料的布置，将在下面讨论。在传统填料中，同一高度处的砖34(例如，图5A所示)由相同的元件32(例如图4A所示)组成。本发明根据砖块的位置，使用至少两种不同的基本元件，如图3所示。位于外环28的由能提供较高蒸汽阻力的元件组成，位于中芯30的由能提供较低蒸汽阻力的元件组成。
阻力差别可以是表面积密度差别所致，表面积密度通常用m2/m3(填料占据的体积)表示。(“表面积密度”指单位体积规整填料的规整填料表面积。)因此，相对于中芯30内的填料的表面积密度，外环28中的填料的表面积密度更高。
作为一种选择，当保持外环28和中芯30中表面积密度相同时，相对于中芯30内的填料的波纹角度，可以在外环28内使用波纹角度较小的填料。此外，可以组合其它表面特征以使外环与中芯填料不同。这些特征包括纹理、洞或孔、凹坑、凹槽、波纹形状、波浪、或能单独地或与其它特征一起组合实现外环与中芯蒸汽阻力改变的其它元件。
对本领域内的熟练技术人员来说，这些概念的其它变化或引伸是很明显的。例如，改变包括在一层内相邻的几个环中使用两种以上的阻力，或仅在一些层使用混合阻力，而不是在填充段的所有层中使用。这一通用技术可以应用于液体与蒸汽(或气相)逆流流动的、具有上文所述的***非均匀分布的任何传热和传质塔中。本发明不限于蒸馏或低温蒸馏应用。
本发明通过下面的分析进一步说明。尽管本发明具有更广泛的应用，为了便于分析讨论，下面的分析参照传统双塔空气分离设备中的氩气和氧气分离进行。
下面提供L/V比率不平衡结果和本发明的修正效果的计算方法。分离实例是图1所示的传统双塔空气分离设备10的低压塔4的底部。
用于计算的假设条件示于图6。此外，下列参数也是假设的：氩/氧混合物；25psig；25块理论塔板；标准L/V＝1.4。首先计算均匀流动条件下的理想分离。然后，将塔分成两个具有相同面积的平行塔，每一平行塔内具有不同L/V比率，比较这些分离结果。在真实的塔内发生某种程度的混合，混合程度作为变量进行研究，为0至3的中间混合。
特定混合方式的一个实例如图7所示。(其它混合方式也可以类似地获得。)图7提供了一个相对流动的实例，假设只有液体非均匀分布，带有中间混合。液体的相对流量分配如图的上部分所示，蒸汽的相对流量分配如图中下部分所示。
通过给出两个平行塔内L/V比率再平衡的效果，来计算本发明的结果，尽管采用了不同的绝对流量。在这些计算中所使用的参数是：Ar/O2两组分，25psia，L/V1.4，在塔顶液体中Ar为7％，在塔釜为0.5％Ar，25块理论塔板。计算结果示于图8，并列于下表中。
完成相同分离的相应填料塔高度计算结果
非均匀分布+/-％ 非均0混合 L非均1混合 L非均2混合 L&V非均0混合 L&V非均1混合 L&V非均2混合
0.0 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000
2.6 1.0539 1.0000
5.0 1.2880 1.0452 1.0003 1.0003
10.0 1.2400 1.0928 1.0015 1.0005
15.0 1.2650 1.0030
从这些计算结果可以看出：理想塔的相对HETP为1。这一结果在图8中是两个平行塔的非均匀分布为0的情况。中间混合的数目对这一计算没有影响。但当两个塔中液体非均匀分布相对于平均值设定为±2.6％、5％、10％、和15％时，总的HETP增高。图8中的结果表明，液体非均匀分布的程度增加，相对HETP升高。而中间混合减轻了这一效果，但不能消除这种效果。与此相反，使蒸汽不均匀分布达到平衡，以恢复两个平行塔中的L/V比率就能实际消除这一问题。例如，如果液体非均匀分布为±5％，HETP升高到相对值1.288。中间混合为1仅使该值减小到1.045。然而，如果为了使两个塔内的L/V比率为1.4，按相同比例引导平衡蒸汽流量，则即使没有混合，HETP也变回到1.0003。类似地，液体非均匀分布为±15％，此时即使中间混合为2，相对HETP也升高到1.265。通过使蒸汽流平衡，恢复L/V比率，HETP下降到1.003。
计算结果表明，即使绝对的液体和蒸汽流量不能保持恒定，但维持蒸馏塔内L/V比率接近常数是很重要的。计算结果还表明，中间混合减轻了非均匀分布的影响。但是，当塔径增加时，混合的增加受到限制，本发明提出一种辅助手段，可以改进塔的性能。
应当注意，上述计算作为例子是在几个特定假设下进行的。如果改变特定的混合物，或工艺条件，或非均匀分布和混合方式，结果也显示相同的定性趋势，尽管在定量方面会有变化。因此，在有液体和气体或蒸汽逆流流动的接触塔中，本发明具有广泛的应用性。可用于低温或非低温蒸馏，以及使用规整填料作为接触元件的任何传热和/或传质操作。
本发明只是对已有传统规整填料进行了改变，不需要在塔内对填料进行任何特殊的边缘改进，或塔外部的任何附加装置或循环回路。此外，不必设法消除液流的变化，通过引导类似的汽流变化使L/V比率的变化最小，以抵消这种变化。
在一层中使用混合阻力，使塔的中芯和外环之间的阻力不同，这一概念在现有技术中还没有提出过。通常是在整个填充段内使用相同的填料。现有技术中在填料塔内完全分开的填充段内使用不同的填料，可以通过改变表面积、波纹角度或其它方法来实现。(例如US5100448(Lockett等))，但这在结构布置和目的方面，完全不同于本发明。现有技术中这种布置的目的是在蒸馏塔的不同段间均匀得到液泛，而本发明的目的是在塔的横截面内使L/V比率平衡，使大塔的传质和/或传热效率接近于小塔。
本发明的各方案以参照特定的实施例进行了描述。然而，应当理解，在不脱离权利要求书所限定的本发明的精神和范围的条件下，可以对这些方案和实施例作出变动和改进。

Claims (17)

1.一种混合阻力规整填料，包括多个交换塔填料层，每个填料层包括：
具有外周边的中芯，该中芯包括具有第一填料阻力的第一规整填料；和
与中芯的外周边水平相邻的外环，该外环包括具有高于第一填料阻力的第二填料阻力的第二规整填料；
其中在所有这些层中，流向交换塔中间的蒸汽增加，而流向交换塔壁的蒸汽减少。
2.权利要求1的混合阻力规整填料，其中
第一规整填料具有外周边；
第二规整填料具有一个等于第一规整填料外周边的内周边和大于其内周边的外周边；和
第二规整填料的内周边紧贴第一规整填料的外周边。
3.权利要求2的混合阻力规整填料，其中，第一规整填料的外周边和第二规整填料的内周边基本上呈环形。
4.权利要求1的混合阻力规整填料，其中所述中芯为环形的。
5.权利要求1的混合阻力规整填料，其中，第一和第二规整填料包括至少一块波纹板。
6.权利要求1的混合阻力规整填料，其中，第一和第二规整填料包括多块由箔状材料制成的平行放置的波纹板，每块板具有至少一个以一定角度设置的与相邻板上的至少一个波纹成交叉关系的波纹。
7.权利要求6的混合阻力规整填料，其中，第一规整填料内至少一个波纹的角度大于第二规整填料内至少一个波纹的角度。
8.权利要求1的混合阻力规整填料，其中，第二规整填料的表面积密度大于第一规整填料的表面积密度。
9.一种用于在第一相和第二相之间进行热量和/或质量交换的交换塔，交换塔具有权利要求I的混合阻力规整填料。
10.一种低温空气分离方法，包括使蒸汽和液体在至少一个包含至少一个传质区的蒸馏塔内逆流接触，其中液汽接触是建立在权利要求1的混合阻力规整填料上的。
11.一种在交换塔内组装混合阻力规整填料的方法，包括下以步骤：
提供一个交换塔；
提供多层混合阻力规整填料，该多层混合阻力规整填料的每层包括：
具有外周边的中芯，该中芯包括具有第一填料阻力的第一规整填料；和
与中芯的外周边水平相邻的外环，该外环包括具有高于第一填料阻力的第二填料阻力的第二规整填料；和
将多层混合阻力规整填料装入交换塔中。
12.一种降低用于在液体和蒸汽之间进行热量和/或质量传递的交换塔的HETP，即理论等板高度的方法，交换塔具有多层规整填料，该规整填料的每层具有一个中芯和在水平方向上与中芯相邻的外环，该方法包括如下步骤：
引导交换塔内的每层中的至少一部分蒸汽离开外环；和
引导交换塔内的每层中的至少一部分蒸汽流向中芯。
13.权利要求12的降低HETP的方法，其中，所述部分蒸汽的量是：使交换塔横截面上的液汽比率基本保持恒定。
14.一种用于进行液体和蒸汽之间热量和/或质量交换的交换塔，该交换塔具有多层规整填料，该多层规整填料的每层具有一个中芯和在水平方向上与中芯相邻的外环，该***包括：
引导交换塔内的每层的至少一部分蒸汽离开外环的元件；和
引导交换塔内的每层的至少一部分蒸汽流向中芯的元件。
15.权利要求14的交换塔，其中，所述部分蒸汽的量是；使交换塔横截面上的液汽比率基本保持恒定。
16.一种交换塔中的填料段，包括：
权利要求1的多层混合阻力规整填料的第一层；和
位于第一层混合阻力规整填料下方的权利要求1的多层混合阻力规整填料的第二层，其中第二层相对于第一层旋转一定角度。
17.权利要求16的填料段，其中所述角度在0°至90°之间。
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