CN113474956B - 用于热和物质交换的设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于物质传递与直接热交换的设备(100)，该设备由具有至少两个矩形截面实心金属板(300)的单一堆叠体构成，至少在该设备的第一物质传递与直接热交换区域(A，C，D)中，每个板通过一组中空金属塔(200)与相邻的板分隔，这组中空金属塔对齐并且具有带有至少两个平行表面的多边形截面，通道平行于给定的方向并且彼此接续，每组中的塔各自与这组两侧的两个金属板相接触，一组中的至少一些塔包含用于交换热和物质的器件(230)。

Description

用于热和物质交换的设备
本发明涉及一种用于尤其在气体与液体之间进行直接热交换和物质传递的设备。
如今，用于直接热交换和物质传递的设备被用于多种多样的工艺中。例如，物质传递塔允许实施洗涤过程、混合过程、冷却过程、加热过程、或蒸馏过程。所有这些过程都是基于单一基本原理，即，至少两种流体之间直接接触。这两种流体优选地是气体和液体，但也可以是两种液体或两种气体。
因此，这样的塔包括至少一种直接热交换与物质传递介质，两种流体反向或同向穿过该介质并且在该介质中发生这两种流体之间的物质传递和直接热交换。
在蒸馏过程中，气态或两相进料流被送到直接热交换与物质传递塔，此塔的底部被加热和/或顶部被冷却，以便在塔中建立对于送到塔中的流的一系列相继的冷凝和汽化步骤。这产生了在塔中上升而变得富含进料流中至少一种较轻组分的气体流，其与在重力作用下在塔中下降而变得富含进料流中至少一种较重组分的液体流逆流。
在洗涤过程中，气态或两相进料流被送到直接热交换与物质传递塔，此塔的顶部也被供应液体，该液体选择性地吸收进料流的一种或多种组分。这产生了在塔中上升而耗尽(多种)被选择性吸收的组分的气体流，其与在塔中下降而变得富含被选择性吸收的组分的液体流逆流。
在使用两个相混合(称为混合过程)时产生的热量进行的精馏过程中，液态进料流被送到塔顶部，气态进料流被送到底部，将该过程的产物从塔的中间抽出，如FR2143986、FR2584803、和按CPC F25J3/0446和F25J3/04466分类的其他专利中描述的。
通常，直接热交换与物质传递设备是通过将一起分组为块而形成结构化填料的波纹薄片布置在柱形外壳内来制造的。由于塔的尺寸以及填料的制造和安装的复杂性，该方法可能缓慢且昂贵。此外，当使用的流体处于低温时，铝是适合于制造填料、或甚至塔外壳的物质。
由于结构化填料需要整条生产线，因此不可能使这些填料精确地适应它们必须执行的热和/或物质交换。
例如，仅能获得某些密度、某些波纹角度和某些褶皱高度。此外，填料体积庞大且难以储存。
还已知通过形成由穿孔翅片分隔的矩形板的堆叠体、然后将该堆叠体钎焊而形成具有多个通路的本体，来生产热交换器本体。
这种类型的本体随后用于在流体之间间接地传递热，具有翅片的通路中的流体将其热穿过一个板传递至一个具有翅片的相邻通路、或穿过多个板传递至多个具有翅片的相邻通路。
在这种情况下，这两种流体之间没有物质传递。ALPEMA标准“The standards ofthe brazed aluminium plate-fin heat exchanger manufacturers′association[钎焊铝板翅式热交换器制造商协会标准]”描述了这些用于在两种或更多种流体之间进行间接热交换的、由钎焊铝制成的间接热交换器。
这种钎焊是在板与翅片之间建立金属结合的永久性组装过程。
虽然这种类型的本体经常用作间接热交换器，但是它从未在工业规模上用于在低于0℃的温度下分离流体。铝是非常适合于这种制造方法的材料。
在现有技术中，低温空气分离单元通常包括钎焊板式热交换器，其尤其形成该低温空气分离单元的主热交换管线、和使中压塔和低压塔处于热交换关系的汽化器-冷凝器。在其中进行物质交换的这两个蒸馏塔没有被并入构成这些钎焊板式热交换器的钎焊基体中。
专利EP0767352提出将分凝功能结合到这些钎焊基体中，即在其中同时进行间接热交换和物质交换以及直接热交换的区域。
专利US 6295839提出将蒸馏功能和间接热交换功能结合到钎焊基体中，但没有描述如何设计此类钎焊基体(也称为“芯”)来获得可以钎焊且具有承受操作压力所必需的机械强度的解决方案。
Bruinsma O.S.L.等人在Chem Eng Res Des(2012)的科学出版物“Thestructured heat integrated distillation column[结构化的热集成蒸馏塔]”将如在ALPEMA文献“钎焊铝板翅式热交换器制造商协会标准”中描述的由钎焊铝制成的热交换器的常规波纹的性能与基体中的钎焊交叉波纹状填料进行比较。在交叉波纹状填料的情况下，为了确保机械强度，在两个波纹片之间钎焊之前***1mm的穿孔分隔片，以将整体钎焊。常规波纹的效率很差，其HETP(理论塔板高度)为约1.4米。交叉波纹状填料的效率较好，其HETP在0.2至0.4米之间。
然而，如果期望提高填料的效率，则必需增加其密度，典型地超过1000m2/m3或甚至1500m2/m3，以使HETP小于100mm。为此，波纹的高度将从8-9mm变为3-4mm，并且必须将分隔片的数量加倍。
本发明旨在提出一种直接热交换与物质传递设备，该设备是有效的(例如能使得HETP小于100mm)、可以承受压力、容易以低成本制造、并且在优选实施例中可以将间接热交换并入其中。
特别地，该设备的元件可以容易地且商业上低成本地以多种多样的尺寸和几何形状获得。因此容易使元件适应设备的特定操作条件，例如所涉及流体的压力、温度和组成。
该设备的元件可以预先购买并储存并且以各种方式组合来以减少的制造时间产生完美适合客户需求的设备。
本发明的第一目的是将用于尤其在上升的气体与在重力作用下下降的液体之间的物质传递和直接热交换的机械强度功能和接触表面功能分开。因此，此接触表面的大部分在承受设备的压力的机械能力上没有起到重要作用。这使得在钎焊的情况下可以不必增加分隔片的数量，而同时可以使用典型地大于750m2/m3或甚至1000m2/m3的高密度的堆叠式或随机填料。
本发明的另一目的是生产对于相同量的设备物质而言特别耐压的设备。具体地，使用多个填料塔可以更好地控制压力推力，并减少所需的物质量。通过使用多个并联的填料塔，减小了所述塔的液压直径。
现在，具有给定填料的小液压直径(几厘米)塔显著地比直径在1米至10米之间的典型工业塔更高效。
如果将直径为一米的塔分成一千个并联的塔，则这些塔的液压直径除以1000的平方根，因此变为32cm。
本发明的另一目的是提出一种在单一板组件中组合有多种功能的设备。
根据本发明的另一主题，提供了一种直接热交换与物质传递设备，该设备由以下构成：多个塔；至少两个、优选地至少三个矩形截面实心金属板的单一堆叠体，这些板基本上都具有相同的形状和尺寸并且平行于确定的方向，至少在该设备的第一直接热交换与物质传递区域中，每个板通过一组中空金属塔与相邻的板分隔，这组中空金属塔对齐并且其截面是多边形的并且具有至少两个平行表面，该截面优选地为矩形或甚至方形，通道平行于该确定的方向并且彼此接续，可选地，该设备的所有塔均彼此平行，每组中的塔各自与这组两侧的两个金属板相接触，一组或甚至每组中的至少一些塔、或甚至一组中的所有塔包含物质与热交换器件，例如填料，比如随机或结构化的金属填料。
根据其他可选的方面：
·这些板通过钎焊或粘合剂粘接而紧固至这些塔上。
·这些塔通过钎焊或粘合剂粘接被紧固。
·这些板、这些塔、以及可选地该物质与热交换器件均由i)相同的金属；或ii)相同的合金；或iii)具有相同主金属的合金形成。应了解的是，这些板和/或塔可以具有例如钎焊材料的涂层。板和/或塔的材料是被该涂层覆盖的材料。该涂层可以在板或塔之间变化。
·这些板和/或这些塔、和/或该直接和/或间接热交换与物质传递器件是由以下金属之一制成：铝、不锈钢、镍、铜、或钛。
·塔的截面的边缘的最小尺寸大于2cm、并且优选地大于4cm。
·板的长度至少等于1m、优选地至少等于2m、或甚至至少等于4m。
·该第一区域构成该设备的一部分，这部分是由该堆叠体的宽度和厚度以及该堆叠体的一部分长度界定。
·该设备包括用于对至少该第一区域的塔中的至少三分之二、优选地全部塔供应相同流体的器件。
·该设备包括用于从至少第一区域的塔中的至少三分之二、优选地全部塔收集该相同流体的器件。
·该堆叠体包括第二区域，该第二区域是间接热交换区域、由该设备的一部分构成，该部分是由该堆叠体的宽度和厚度和该堆叠体的一部分长度界定，该设备包括：用于对两个板之间的两个通路中的一个通路供应来自该第一区域的流体的器件、以及用于对该第二区域的其余通路供应生热流体或制冷流体以允许与该流体间接热交换的器件。
·该设备包括第二直接热交换区域，该第二直接热交换区域构成该设备的一部分，这部分是由该堆叠体的宽度和厚度以及该堆叠体的一部分长度界定；并且包括用于对区域的塔中的至少三分之二、优选地全部塔供应相同流体的器件、和/或用于从区域的塔中的至少三分之二、优选地全部塔收集该相同流体的器件。
根据本发明的另一主题，提供了一种在低于0℃的温度下使用、例如通过蒸馏或通过洗涤进行分离的设备，该设备包括：如上所述的热与物质交换设备，其被定向成使得在使用中，被引入塔中的液体在重力作用下在每个塔中流动；用于将包含至少两种组分的待分离流体送至交换本体的器件；用于从该设备的至少一端提取至少一种富含待分离流体的其中一种组分的已分离流体的器件；以及用于使该交换设备隔热的器件、例如容装该交换设备的隔热腔室。
该分离设备可以包括：被设计成在不同压力下操作的两个区域；用于将包含至少两种组分的待分离流体送至交换本体的器件，其连接至第一区域；以及用于从设备的至少一端提取至少一种富含待分离流体的其中一种组分的已分离流体的器件，其连接至第二区域，该第二区域被设计成在低于第一区域的压力的压力下操作。
本发明可以包括一种使用上述设备来分离气体混合物、例如空气的方法。
使用多个包含允许直接热与物质传递的器件的塔，而这些塔全部或基本上全部被供应相同的流体流，使得可以进行流体的分离和/或混合，例如洗涤和/或蒸馏。
填料的接触表面比容装它们的通道的表面大得多。这些填料在承受压力方面不起作用，因为它们未机械连接至通道的壁。
对于大气压下的空气气体混合物，填料的HETP优选地小于100mm。
其他特征、细节和优点将在阅读下文关于以下附图以指示方式给出的详细描述后变得更加清楚：
·图1是根据本发明制造的物质和/或热交换设备的示意性透视图；
·图2是根据本发明的物质和/或热交换设备的水平截面部分视图；
·图3是根据本发明的设备的两个物质和/或热交换塔的水平截面的部分视图；
·图4示出了根据本发明的物质与热交换设备的内部的截面；
·图5展示了根据本发明的设备的某个区域的塔的替代性布置；
·图6展示了构造设备的某个区域的塔的多种不同方式；
·图7展示了根据本发明的设备。
在说明书的其余部分，将不加区分地使用术语“直接和/或间接热交换与物质传递器件”和“交换器件”。类似地，将不加区分地使用术语“直接和/或间接热交换与物质传递交换设备”和“设备”。竖直方向对应于根据本发明的设备在此设备处于功能位置(即，可以发生直接和/或间接热和物质交换的位置)时的主延伸方向。
因此，图1展示了根据本发明的直接和间接热交换与物质传递设备100，通过钎焊组装方法，该设备包括三个直接交换与物质传递区域A、C和D，并且结合了间接热交换区域B用于蒸发器-冷凝器类型的间接热交换。此设备包括多个(至少两个、或甚至至少三个)、优选地至少十个具有矩形截面的平坦板300、以及多个直接热交换与物质传递塔200。平坦板300的形状相同，并且尺寸相同。这些板可以是实心的，即，没有穿孔。
现在，即使板包括多个局部穿孔以允许流体从一个通路流到相邻通路，或者以平衡液体的分布或气体侧的压降，也可以将板视为实心。该设备呈平行六面体块的形式，其具有矩形或甚至方形的截面。设备的长度是板沿着X轴的长度。其宽度是板沿着Z轴的宽度，并且其厚度取决于板的数量以及物质和/或热交换塔沿Y轴的尺寸。
在用作物质与热交换器件时，这些板300被布置成其长度沿着X轴竖直，并且其宽度沿着Z轴水平。
根据在此所示的示例，该设备包括五个平坦板300和八十个塔200。形成堆叠体的一部分的第六平坦板300通常必须覆盖由设备的长度及其宽度限定的表面。为了更好地理解设备的构造，此板未示出。
板300的长度至少等于1m、优选地至少等于2m、或甚至至少等于3m。
这些塔布置在三个区域A、C、D中，每个区域包括布置成五行1、2、3、4、5的二十个塔，每行包括四个塔。塔200均具有相同构造，即使它们的尺寸可以不同。在这种情况下，六十个塔各自具有相同的方形截面。塔可以全都具有相同的矩形截面或仅相同的截面。
这些塔优选地是容易商购的塔，并且可以大量地低成本地以与其在设备中的作用相对应的尺寸和几何形状来订购。这使得可以使设备标准化从而简化其制造并降低其成本，并且如果客户的需求更具体，还可以更精确地确定其他设备的尺寸。在Y方向上，这些塔典型地具有几厘米、即在2cm至10cm之间的尺寸。在Z方向上，这个尺寸典型地也是几厘米、或甚至几分米。
单一区域A、C、D的塔具有相同的长度从而形成具有二十个塔200的平行六面体块。
在B区段中，为了确保蒸发器-冷凝器类型的间接热交换，可以使用间隔片301来划分堆叠体并使用如ALPEMA描述的常规交换波纹。在设备中布置汽化器-冷凝器的优点除了组合多种功能之外，还通过确保区域A的液体回流并且通过冷凝驱动此通路中的气体流动，或通过部分汽化来自区域C的液体以确保区域C和D中的气体流上升来确保区域C和D的再沸，来确保流在各个通路(由片300分隔)中的某种均匀分布。区段B中的通路数量优选地为至少两个通路，以在区域A的由片300确定的每个通路上方具有进行冷凝的区域B中通路以便对区域A供应液体，并且在区域C的每个通路下方具有进行汽化的区域B中通路以便对区域C供应气体。
应理解的是，这些区域可以根据它们必须具有的功能而具有不同的长度，并且根据区域的长度来选择塔的长度。
塔的壁优选是实心的，使得流体不能穿过其。
每个区段中的塔的数量可以彼此不同。塔不一定具有方形截面，而是可以具有矩形或甚至多边形的截面，例如三角形或具有两个平行边的多边形形状，例如八边形。
每个塔200夹在两个平坦板300之间、与这两个板接触，因此优点是具有带有两个平行壁的截面。应理解的是，可以在图1右侧和左侧的塔表面(在平面(X，Z)内)上布置平坦板500以关闭设备，这些板未展示出以便看到设备的内部结构。
替代性地，可以增大位于设备外侧上的平坦板300的厚度，从而使设备更加鲁棒。
一对相邻板300之间的每个空间包含具有沿着Z轴接触的四个塔200的对齐体208。
可选地还存在杆400以在设备100的前部和后部关闭板300之间的空间，但是这些杆将阻止看到塔200并且因此在此未示出。
然而，可设想到的是，不存在杆400，并且通过塔本身或通过比如胶水等另一手段来确保密封。
在这个图中，由于每个塔具有相同的截面，并且每个区域包括相同数量的塔，因此很容易将一行中的每个塔200布置在上方区域的塔的直接下方。
每个塔与一个其他塔接触(在位于一行的末尾时)、或者是与两个其他塔接触。
下文给出的对其中之一的描述经必要修改后适用于图1展示的设备100的所有构成塔200。
根据在此展示的示例，设备100被示为处于其操作位置。“操作位置”被理解为是指设备100可以使用的位置。每个塔200具有平行于物质和/或热交换设备100的主延伸方向X的主延伸轴线。当设备100处于竖直位置、即其操作位置时，此主延伸轴线X是竖直轴线。应当理解，这仅是本发明的一个示例性实施例，并且在不脱离本发明的背景的情况下，设备100和此设备100的构成塔200可以具有不同的形状。Y轴代表设备的堆叠，这取决于堆叠的板300的数量和塔200的尺寸。Z轴代表设备的宽度，其对应于板300的宽度。
该设备可选地包括由侧向杆400构成的封闭器件，这些侧向杆以密封方式连接至板的边缘。
此类设备100被配置成允许两种流体之间进行至少一种物质传递和一种间接热交换。
因此，例如，设备可以被配置成允许在设备中沿第一方向循环的液体与该设备中沿第二方向循环的气体之间进行物质和热交换。应理解的是，在不脱离本发明的背景的情况下，根据本发明的设备100可以实现两种流体之间任何其他的交换物质和热的过程。例如，设备100可以被配置用于实施洗涤过程和/或蒸馏过程。
该设备可以允许在沿着设备的轴线上升的气相与因为重力而下降的液相之间发生接触以进行热和物质交换。
该设备还可以通过板与侧向杆之间的钎焊机械连接而包含操作压力。
在任何情况下，根据本发明的设备100包括用于第一流体的至少一个入口、例如液体入口，以及用于第二流体的至少一个入口、例如气体入口，这些流体入口在本文所描述的附图中未示出。
每个塔200包括围成了空间204的四个壁202，该空间的两端是开放的以允许流体在长度方向上穿过塔。没有流体可以穿过这四个壁。
塔包含用于传递质量和热的器件。该器件可以是结构化或随机的填料。
填料应理解为是指可以获得供液相与气相之间接触的显著接触表面并因此改善液相与气相之间的交换的任何类型的结构。
此填料的接触表面大于由塔200的内壁构成的接触表面，优选地大得多。
具有特定形状(例如环形、螺旋形等)的单个元件的无序不规则堆叠体被称为随机填料。借助于这些单个元件发生热交换和/或物质交换。这些单个元件可以由金属、陶瓷、塑料或类似材料制成。“Packed Bed Columns[填料床塔]”(N.Kolev，Elsevier，2006，pp 154-161)描述了用于随机填料的示例性单个元件。
随机填料在传递效率、低压降和安装简单性方面具有优势。随机填料包括例如拉西环、鲍尔环、珠粒、螺旋棱柱形填料。当然可想到其他类型的填料，例如实施起来更复杂的结构化填料、或金属泡沫。
特别推荐使用随机填料，因为可以随意获得商购填料源，这些填料可以被选择为具有非常特殊的特性，或者可以针对标准化设备大量低成本地购买。这些填料容易商购，并且可以大量低成本地以与其在设备中的作用相对应的尺寸和几何形状来订购。这使得可以使设备标准化从而简化其制造并降低其成本，并且如果客户的需求更具体，还可以更精确地确定其他设备的尺寸。
优选地，塔被填料完全填充。
板、塔以及传质传热器件优选地由金属、例如铝或钛制成。填料可以由不锈钢或与氧气更相容的材料(例如铜、镍、
Figure BDA0003219386150000091
等)制成。
每对相邻板中的板与这对板之间的塔毗邻，并且这对板之间的空间中的塔彼此毗邻。
优选地，这些塔未涂覆有钎焊物质，但它们可以。被称为分隔片300的片通常在两侧涂覆有钎焊料。
优选地，两个相邻板之间的空间的宽度基本上等于交换塔的小尺寸之一，使得每个塔甚至在钎焊操作之前接触两个相邻板。
区域C的每个塔可以与相邻板300接触、通过分布或分隔器件220与相邻区域D的塔分隔。
优选地，如图所示，分布器件是在两个板300之间对齐体208的这四个塔共用的。相比之下，分布器件布置在两个板300之间的空间中并且不与板交叉。
一旦板、预填充了填料的塔、以及分布器件就位后，将设备放置在处于惰性或还原气氛下的炉中并进行钎焊以将塔和分布器件紧固至板上。
选择炉的温度，使得这些塔各自紧固至两个板的相对侧，并且这足以使设备随后形成块。
相比之下，填料不会受到钎焊操作的负面影响，使得可以通过在塔的填料上的一系列冷凝和汽化步骤来分离被引入塔中的流体。同样，这些塔没有钎焊至彼此上。
该设备在钎焊期间经受的最高温度低于板的熔点(板被认为与其钎焊涂层分离)、低于塔的熔点、并且优选地低于物质与热交换器件的熔点。
钎焊在板与塔以及与板接触的分布器件之间产生金属结合。使用具有多边形截面的塔可以使得与板具有共用的大接触表面，并且因此该设备具有更好的内聚力。
塔在钎焊步骤之前不需要彼此附接，这显著地简化了设备的制造。
这些优选地是孤立的塔，每一个塔都独立于其他的塔。选择其尺寸和用于将流体引入塔中的器件来限制气体或液体朝向板的流入。
分布器件也通过钎焊操作被紧固至板上，并且在钎焊操作之前不紧固至塔或板上。
优选地将待分离或混合的流体引入到每个塔中，并且该设备包括用于将一部分流体引入区域A、C或D之一的每个塔、优选地引入区域D的下部中的器件。
待分离或混合的流体仅被送入塔中，而不与板直接接触。
接下来，待分离的流体变得富含其最轻组分，从而穿过每个塔的填料上升并从一个区域的塔流向上方的一个区域。
如下文将更详细地描述，每个塔200包括至少一个***壁202，其界定了所讨论的塔200的内部体积。
更具体地，每个***壁202包括至少一个外表面211、和内表面212，该***壁经由该至少一个外面与另一塔200(即，与该另一塔的***壁的外表面)并置，该内表面例如在图2中可见、界定了这个内部体积。至少一个物质与热交换器件230-也在图2中示出-布置在该内部体积中。
有利地，在每个塔200中布置至少一个物质与热交换器件，这些交换器件各自被接纳在所讨论的塔200的隔室204中，每个隔室204在顶部至少部分地由至少一个分布装置220界定。这些分布装置220被配置用于确保至少第一流体、有利地第一流体和第二流体在一个或多个物质和/或热交换器件上的均匀分布。应理解的是，这种均匀化可以促进在这些交换器件中发生的物质和热交换。
根据图1所示的示例，设备100包括三个分布装置220，从而将设备划分为四个区域。应理解的是，这仅是本发明的一个特定的示例性实施例，本实施例不以任何方式限制本发明。
这四个区域可以在不同的压力下操作和/或具有不同的功能。例如，区域A在6巴下操作，区域C和D在1.4巴的压力下操作。
有利地，布置在设备100中的元件在允许将塔200彼此紧固的钎焊操作期间被钎焊在一起。换言之，物质和/或热交换设备100在单一步骤中完全组装。
在钎焊之后，如果设备必须在相对于环境温度而言非常低或非常高的温度下操作，则可以对其涂覆隔热物。另外，该设备可以设置在隔热的腔室内。
参见图2和图3，现在将更详细地描述根据本发明的设备的包含物质和/或热交换器件的示例***换塔及其在该设备中的布置。图2和图3部分地展示了水平截面，即包含图1的塔200的主延伸轴线X的平面上截取的截面。
图2展示了本发明的示例性实施例，其中示出了设备的某个区域的二十个塔。塔200之间以及塔与板之间的空间的尺寸被放大以更好地理解每个塔200是单个的并且在钎焊之前既不附接到相邻的板也不附接到邻接的塔。板300的尺寸也被放大，因为它通常约为1mm，而方形管202具有厘米级尺寸和几毫米的厚度，这取决于在炉中钎焊的阶段期间在高温下的机械压缩强度方面以及在使用设备期间承受压力的机械能力方面的要求。
在此示例中，设备被划分为一系列区域，但该设备在绝对意义上可以仅包括单一区域，在这种情况下，塔的长度实际上是板的长度。
在设备包括多个区域的最可能情况下，塔的长度至多等于该区域在板的长度方向上的范围的长度。
可以看到，在每对板300之间，将具有带有四个壁202的四个方形截面塔200的对齐体，壁的长度可以等于板的长度或等于板的长度的一部分。
图3示出了图2中的区域在钎焊过程之后的一部分。可以看到，塔200夹在两个涂覆有钎焊材料的板300之间。塔200的壁202中的两个相反壁各自连接到相对的板300。另外两个相反的壁202与一个或多个相邻塔的壁和关闭杆的壁毗邻。塔的内部204包含至少一个促进物质与热交换的器件，例如随机填料。
图1、图2、和图3主要描述了一种用于通过钎焊来组装设备的方法。还可以使用另一组装方法或组装方法的组合(比如钎焊、铆接、粘合剂粘接或焊接)来产生这样的设备。通过举例，可以通过钎焊单独产生区段B，并通过焊接将其连接至同样是通过焊接产生的区段A、C和D。
图4示出了根据本发明的能够用于例如蒸馏空气的设备的截面。该截面对应于基于图1中的A-A线的截面，即使图4中的示例在两个板之间使用的塔的行数比图1中的四行多得多。板300的堆叠方向是进入页面中(Y轴)。
对于区域A、C、D中的每一个区域，二十八个塔200在相同的两个相邻板之间的空间中对齐，区域B不包含塔200。对于板堆叠体中的每对板也是如此。对应于中压塔的区域A经由其底端被供应，使得待分离的经冷却气体混合物(在这种情况下为空气)被送到区域A中的每个塔200。空气在塔中上升，随着它穿过每个塔内部204中的随机填料而变得富含氮并耗尽氧。在不脱离本发明的情况下，可以不对一小部分塔供应空气。接下来，气体经由分布器件220进入区域B中。通过分布器件向区域B供应从区域C下降的液态氧。区域B包括用于氧汽化和氮冷凝的交替通路，每个通路用于汽化或冷凝，并且热量行进穿过界定了通路的板300。
由分布器件220分布的液态氮滴回到区域A的塔中以用作回流。
气态氧上升到区域C中。区域C也从上方被供应来自区域A的下部的富氧液体。来自冷凝器B的冷凝氮也被送至区域D上方的分布器件220。
被送至区域D和C的液体在这些区域中通过蒸馏分离，从而产生从区域D的塔200中抽出的富氮气体和从区域C的塔200中获取的富氧液体。
图5示出了，塔200在板300的长度方向上不必具有与区域的范围相同的长度。所展示的区域可以是区域A、C或D之一。
在这种情况下，塔200的长度等于该区域在竖直方向上的尺寸的一半。通过在方形截面塔200组的两侧安装矩形截面塔206，使顶部的塔200与下方的塔偏离。
这允许在区域内获得更大的液体和气体搅动，因为液体和气体在穿过该区域时不停留在单一塔中。
图6展示了塔200的可能的替代性构造。如图4所示，塔可以由具有方形截面的彼此并排铺放的管形成。还可以使用具有矩形截面的管来形成塔。另一种可能性是将多个开放结构并置以形成塔，每个塔的壁属于两个不同的长形元件。
因此，在图6a中，塔由具有C形截面的元件200C形成，其中元件的截面的两端接触相邻元件的截面的两端。
在图6b中，塔由具有H形截面的元件200H形成，其中元件的截面的两端接触相邻元件的截面的两端。
在图6c中，具有C形截面的元件200C’被布置成使得元件的底部接触旁边元件的末端。
可以设想在必须接触的元件部分上布置钎焊材料，以便在基体的钎焊期间将塔加强。
因此，一组中空塔由一组元件构成，每个元件形成两个中空塔的一部分。
图7示出了图1的处于使用状态的设备，面704是堆叠体的最后一个板(因此在平面XZ中)。
空气经由管道600进入盖住了块100的下表面的半柱体700中。空气在所有塔200中上升，压力和流量被选择为可以在半柱体中不使用特殊器件的情况下供应所有塔以使空气更容易地分布。富氧液体从区域A下降到半柱体700的底部。该液体通过管道800被送至区域D。富氮液体从区域A的顶部经由管道808被送到区域D的顶部。
可以是气体或液体的富氧产物经由管道806抽出。
富氮气态产物从区域D的所有塔200到达盖住了块100的顶表面的半柱体702，并经由管道804抽出。
流体入口和出口位于与分布器件220齐平的位置，该分布器件允许通过半柱体将流体分布到每一行塔中的每个塔上，或允许收集来自每一行塔中的每个塔的流体。分布器件220位于每个板的任一侧并且不允许流体从板的一侧流到另一侧。
为了使设备隔热，该设备可以容装在含有珍珠岩的常规冷箱中，或者固体隔热物质可以涂覆该设备的壁，在这种情况下，不需要腔室来封闭隔热物质。

Claims (45)

1.一种直接热交换与物质传递设备（100），该直接热交换与物质传递设备由以下构成：多个塔（200）；至少两个矩形截面实心金属板（300）的单一堆叠体，这些板基本上都具有相同的形状和尺寸并且平行于确定的方向，至少在该直接热交换与物质传递设备的第一直接热交换与物质传递区域（A，C，D）中，每个板通过一组中空金属塔（200）与相邻的板分隔，这组中空金属塔对齐并且其截面是多边形的并且具有至少两个平行表面，通道平行于该确定的方向并且彼此接续，每组中的塔各自与该组两侧的两个金属板相接触，一组中的至少一些塔包含物质与热交换器件（230）。
2.如权利要求1所述的直接热交换与物质传递设备，其中该直接热交换与物质传递设备的所有塔均彼此平行。
3.如权利要求1所述的直接热交换与物质传递设备，其中每组中的至少一些塔包含物质与热交换器件（230）。
4.如权利要求1所述的直接热交换与物质传递设备，其中一组中的所有塔包含物质与热交换器件（230）。
5.如权利要求1所述的直接热交换与物质传递设备，其中所述物质与热交换器件（230）为填料。
6.如权利要求5所述的直接热交换与物质传递设备，其中所述填料为随机或结构化的金属填料。
7.如权利要求1所述的直接热交换与物质传递设备，其中所述至少两个矩形截面实心金属板（300）的单一堆叠体是至少三个矩形截面实心金属板（300）的单一堆叠体。
8.如权利要求1所述的直接热交换与物质传递设备，其中所述截面为矩形。
9.如权利要求8所述的直接热交换与物质传递设备，其中所述截面为方形。
10.如权利要求1所述的直接热交换与物质传递设备，其中，这些板（300）通过钎焊或粘合剂粘接被紧固至这些塔（200）上。
11.如权利要求1所述的直接热交换与物质传递设备，其中，这些板（300）和这些塔（200）均由相同的金属形成。
12.如权利要求11所述的直接热交换与物质传递设备，其中，这些板（300）、这些塔（200）、以及该物质与热交换器件（230）均由相同的金属形成。
13.如权利要求10所述的直接热交换与物质传递设备，其中，这些板（300）和这些塔（200）均由相同的金属形成。
14.如权利要求13所述的直接热交换与物质传递设备，其中，这些板（300）、这些塔（200）、以及该物质与热交换器件（230）均由相同的金属形成。
15.如权利要求11所述的直接热交换与物质传递设备，其中，所述相同的金属为相同的合金。
16.如权利要求1所述的直接热交换与物质传递设备，其中，这些板（300）和这些塔（200）均由具有相同主金属的合金形成。
17.如权利要求16所述的直接热交换与物质传递设备，其中，这些板（300）、这些塔（200）、以及该物质与热交换器件（230）均由具有相同主金属的合金形成。
18.如权利要求10所述的直接热交换与物质传递设备，其中，这些板（300）、这些塔（200）均由具有相同主金属的合金形成。
19.如权利要求18所述的直接热交换与物质传递设备，其中，这些板（300）、这些塔（200）、以及该物质与热交换器件（230）均由具有相同主金属的合金形成。
20.如权利要求1所述的直接热交换与物质传递设备，其中，这些板（300）和/或这些塔（200）、和/或该物质与热交换器件（230）是由以下金属之一制成：铝、不锈钢、镍、铜、或钛。
21.如权利要求7所述的直接热交换与物质传递设备，其中，这些板（300）和/或这些塔（200）、和/或该物质与热交换器件（230）是由以下金属之一制成：铝、不锈钢、镍、铜、或钛。
22.如权利要求1-21之一所述的直接热交换与物质传递设备，其中，塔（200）的截面的边缘的最小尺寸大于2 cm。
23.如权利要求22所述的直接热交换与物质传递设备，其中，塔（200）的截面的边缘的最小尺寸大于4 cm。
24.如权利要求1-21之一所述的直接热交换与物质传递设备，其中，板（300）的长度至少等于1 m。
25.如权利要求24所述的直接热交换与物质传递设备，其中，板（300）的长度至少等于2m。
26.如权利要求25所述的直接热交换与物质传递设备，其中，板（300）的长度至少等于4m。
27.如权利要求1-21之一所述的直接热交换与物质传递设备，其中，该第一直接热交换与物质传递区域（A，C，D）构成该直接热交换与物质传递设备的一部分，该部分由该堆叠体的宽度和厚度以及该堆叠体的一部分长度界定。
28.如权利要求27所述的直接热交换与物质传递设备，其中，该第一直接热交换与物质传递区域（A，C，D）构成该直接热交换与物质传递设备的一部分，该部分由该堆叠体的宽度和厚度以及该堆叠体的一部分长度界定。
29.如权利要求24所述的直接热交换与物质传递设备，其中，该第一直接热交换与物质传递区域（A，C，D）构成该直接热交换与物质传递设备的一部分，该部分由该堆叠体的宽度和厚度以及该堆叠体的一部分长度界定。
30.如权利要求1-21之一所述的直接热交换与物质传递设备，包括用于对至少该第一直接热交换与物质传递区域（A，C，D）的这些塔（200）中的至少三分之二供应相同流体的器件。
31.如权利要求27所述的直接热交换与物质传递设备，包括用于对至少该第一直接热交换与物质传递区域（A，C，D）的这些塔（200）中的至少三分之二供应相同流体的器件。
32.如权利要求24所述的直接热交换与物质传递设备，包括用于对至少该第一直接热交换与物质传递区域（A，C，D）的这些塔（200）中的至少三分之二供应相同流体的器件。
33.如权利要求27所述的直接热交换与物质传递设备，包括用于对至少该第一直接热交换与物质传递区域（A，C，D）的这些塔（200）中的至少三分之二供应相同流体的器件。
34.如权利要求30所述的直接热交换与物质传递设备，包括用于对至少该第一直接热交换与物质传递区域（A，C，D）的这些塔（200）中的全部塔供应相同流体的器件。
35.如权利要求30所述的直接热交换与物质传递设备，包括用于从至少第一直接热交换与物质传递区域（A，C，D）的这些塔（200）中的至少三分之二收集该相同流体的器件。
36.如权利要求34所述的直接热交换与物质传递设备，包括用于从至少第一直接热交换与物质传递区域（A，C，D）的这些塔（200）中的全部塔收集该相同流体的器件。
37.如权利要求27所述的直接热交换与物质传递设备，包括用于对至少该第一直接热交换与物质传递区域（A，C，D）的这些塔（200）中的至少三分之二供应相同流体的器件，其中，该堆叠体包括第二区域（B），该第二区域是间接热交换区域、由该直接热交换与物质传递设备的一部分构成，该部分由该堆叠体的宽度和厚度和该堆叠体的一部分长度界定，该直接热交换与物质传递设备包括：用于对两个板之间的两个通路中的一个通路供应来自该第一直接热交换与物质传递区域（A，C）的流体的器件、以及用于对该第二区域的其余通路供应生热流体或制冷流体以允许与该生热流体或制冷流体间接热交换的器件。
38.如权利要求27所述的直接热交换与物质传递设备，包括用于从至少第一直接热交换与物质传递区域（A，C，D）的这些塔（200）中的至少三分之二收集该相同流体的器件，其中，该堆叠体包括第二区域（B），该第二区域是间接热交换区域、由该直接热交换与物质传递设备的一部分构成，该部分由该堆叠体的宽度和厚度和该堆叠体的一部分长度界定，该直接热交换与物质传递设备包括：用于对两个板之间的两个通路中的一个通路供应来自该第一直接热交换与物质传递区域（A，C）的流体的器件、以及用于对该第二区域的其余通路供应生热流体或制冷流体以允许与该生热流体或制冷流体间接热交换的器件。
39.如权利要求27所述的直接热交换与物质传递设备，包括用于对至少该第一直接热交换与物质传递区域（A，C，D）的这些塔（200）中的至少三分之二供应相同流体的器件，该直接热交换与物质传递设备包括第二直接热交换区域（B），该第二直接热交换区域构成该直接热交换与物质传递设备的一部分，该部分由该堆叠体的宽度和厚度以及该堆叠体的一部分长度界定；并且包括用于对区域（A，C，D）的塔（200）中的至少三分之二供应相同流体的器件、和/或用于从区域的塔中的至少三分之二收集该相同流体的器件。
40.如权利要求39所述的直接热交换与物质传递设备，该直接热交换与物质传递设备包括用于对区域（A，C，D）的塔（200）中的全部塔供应相同流体的器件、和/或用于从区域的塔中的全部塔收集该相同流体的器件。
41.如权利要求27所述的直接热交换与物质传递设备，包括用于从至少第一直接热交换与物质传递区域（A，C，D）的这些塔（200）中的至少三分之二收集该相同流体的器件，该直接热交换与物质传递设备包括第二直接热交换区域（B），该第二直接热交换区域构成该直接热交换与物质传递设备的一部分，该部分由该堆叠体的宽度和厚度以及该堆叠体的一部分长度界定；并且包括用于对区域（A，C，D）的塔（200）中的至少三分之二供应相同流体的器件、和/或用于从区域的塔中的至少三分之二收集该相同流体的器件。
42.如权利要求41所述的直接热交换与物质传递设备，该直接热交换与物质传递设备包括用于对区域（A，C，D）的塔（200）中的全部塔供应相同流体的器件、和/或用于从区域的塔中的全部塔收集该相同流体的器件。
43.一种在低于0℃的温度下使用的用于进行分离的设备，该用于进行分离的设备包括：如权利要求1-42之一所述的直接热交换与物质传递设备，所述直接热交换与物质传递设备被定向成使得在使用中，被引入塔（200）中的液体在重力作用下在每个塔中流动；用于将包含至少两种组分的待分离流体送至交换本体的器件；用于从该用于进行分离的设备的至少一端提取至少一种富含待分离流体的其中一种组分的已分离流体的器件；以及用于使该直接热交换与物质传递设备隔热的器件。
44.如权利要求43所述的用于进行分离的设备，所述用于进行分离的设备通过蒸馏或通过洗涤进行分离。
45.如权利要求43所述的用于进行分离的设备，其中所述使该直接热交换与物质传递设备隔热的器件为容装该直接热交换与物质传递设备的隔热腔室。
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