TW450827B - Mixed-resistance structured packing, exchange tower containing said packing and method for assembling same, process for cryogenic air separation by using same, method and system for reducing HETP - Google Patents

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Description

450827 五、發明說明（1) -- 本發明涉及一種混合阻力規整填料和在交換塔中裝配 這種填料的方法。混合阻力規整填料在交換塔中具有特殊 的用途’特別是在低溫空氣分離工藝，儘管也可以用於其 它使用規整填料的熱傳和/或質傳工藝^ ' 在這裡，術語”塔"是指蒸餾或分餾塔或區，即液相和汽相 逆流接觸以分離流體混合物的塔或區，例如，過汽相和液 相在安裝在塔内的填料元件或一組垂直間隔的盤或板上接 觸。. 術語"塔段”（或"段"）是指塔中填滿了塔直徑的區域。 特殊段或區域的頂部或底部分別以液體或蒸汽分佛器結 束。 術語"填料"是指用作塔的内構件的具有預定尺寸、形 狀和結構的實心或中空體，用於向液體提供表面積，當兩 相逆流流動時在液一汽界面上發生質傳。兩類廣義的填料 是"亂堆填料"和”規整填料"。 裹匕堆填料”是指這樣的填料：各個元件相互之間或相 對於塔轴沒有特定取向。亂堆填料是小的中空結構，單位 體積具有大的表面積’以無序的方式裝入塔中。 規整填料"是指這樣的填料：各個元件相互之間或相 對於塔軸具有特定取向。規整填料通常由網形鐵或編織金 屬絲網製成，層狀或盤曲狀堆積β 在如蒸館或直接接觸冷卻的過程中，使用規整填料以 促進逆流流動的液體和蒸汽物流之間的熱傳和質傳是有利 的。與亂堆填料或塔板相比’規整填料的熱傳和質傳效率
4g〇82 7 五、發明說明（2) ' ' -- 高，壓降低。與亂堆填料相比，其性能更具可預測性。 空氣的低溫分離是使液體和蒸汽逆流通過蒸餾塔實現 的β混合物的汽相上升，其易揮發組分（例如氮）的濃度不 斷升高，混合物的液相下降，不易揮發組分（如氧）的濃度 不斷增大》可以使用各種填料或塔板以使混合物液氣相接 觸，從而實現相間質傳。
有許多通過低溫蒸餾分離空氣將其分離成組分（即氮 氣、氧氣、氩氣等）的方法。典型的低溫空氣分離裝置1〇 杀意地示於圖1 〇高壓進料空氣被輸入到高壓塔2的底部。 在高壓塔内，空氣被分離成富含氮的蒸汽和富含氧的液 體。昌含氧的液體3被從高壓塔2輸送.到低壓塔4 ^富含氮 的蒸汽5通過一個冷凝器6，在其中被冷凝’而防止氧在冷 凝器中沸騰’向低壓塔提供再沸蒸汽。富含氮的液體7 一 部分以物流8採出，一部分以物流9輸送到低壓塔作為液體 回流。在低壓塔中，進料（3，9)通過低溫蒸餾被分離成富 氧和富氮組分。規整填料11可以用於實現要分離的氧和氮 的液相和氣相的接觸。富氮組分以蒸汽丨2除去，富氧組分 以蒸汽1 3除去。另外，富氧組分可以從再沸器/冷凝器6周 圍的塔釜中的一位置以液體除去。廢蒸汽14也可以從低壓 塔中除去。低壓塔可以分為多段。例如，在圖1中，以示 例的方式表示有三個這樣的填料段11。 最常用的規整填料包括垂直堆放的金屬或塑料箔的波 紋板（或波紋絲網布）。這些箔具有各種形式的孔和/或粗 糙的表面特性以改進熱傳和質傳效率《這種填料的例子公
4508^7 五、發明說明（3) _ ~~- — 開在US 4296050 (Meier)中。在現有技術中，還已知絲網 型，料能高效分散液體’具有良好的質傳性能，但與大多 數箔型填料相比，絲網塑填料更貴。 規整填料的分離性能通常以理論等板高度（ΗΕΤρ)來衡 量。術語’’ ΗΕΤΡ"是指達到相當於一塊理論塔板所實現的組 f變化所需的填料高度。術語”理論塔板”是指使排出的蒸 汽和液雜物流達到平衡的蒸汽和液體的接觸過程。對於具 體的分離’特定填料的HETP越低，填料的效率越高，這是 因為所使用的填料的高度随HETP下降》 當所有其它結構和工藝因素保持不變時，規整填料蒸 餾塔的效率取決於其直徑。當在不同規模下進行等效分& 時’直徑從小的幾分之一米增加到幾米，開始時HETP升 高，然後不變。這可以結合兩個因素來解釋—規整填料塔 的流動特徵和混合特徵。 關於流動特徵，即使進入塔中填料段的原始液體和蒸 汽分佈是高度均勻的，當液體和蒸汽逆流通過填料段接 時，其分佈會變化，導致了塔橫載面上液體對蒸汽比率 (L/V)的變動此外，已知在塔壁上的液體流量大，因 此，降低了 Λ近塔壁的環形區域的填料上的液體負荷。儘 管蒸汽流量也不完全均勾，但與液體的流量相比，在填料 内更均勻一些。 ' 因此，在圖2所示的典型圓柱形填料塔的橫截面上L/v 比率通常有規則地變化。參看圖2，在典型的圓柱形填料 塔22中’塔内壁40與填料之間存在一個良篆义㈣，填料
45082 7 五、發明說明（4) 放置在平行的虛線16 (代表圓柱形填料層的邊界）之間。 塔軸由虛線1 5表示。虛線1 7表示理論或理想條件下的"標 準4八比率，在塔的橫截面上L/v比率不發生變化。實線 18示意地表示典型的圓柱形填料塔橫載面上的非均勻l/v 比率（相對於標準值）。靠近塔内壁時，L/v比率高得多， 這是因為過量的液想沿塔内壁向下流動（由圖2中環形空間 19上方線18的陡峭斜線段所示）。 根據填料、要分離的混合物、和工藝條件的具體情 沉’圖2中線18所示的實際L/V比率的總體形式可能會發生 相當大的變動。 而且已知’不均勻分佈可能引起塔分離效率的下降， 除非在塔内重復混合液相和汽相減輕了分佈不均β對如低 溫空氣分離這種密封的分離過程特別是這樣。 — 關於混合特徵，高長徑比（l/d)(如約5-20)的小直徑 塔可以使蒸汽流和逆流的液體流在塔截面上、在較小的範 圍内反復混合’與i/d小得多（如約0. 5-5. 0)的大直徑塔相 比，更好地平衡L/V比率變化的影響。由於這一原因，與 理想情況相比，在大直徑塔中’分離效率的下降要更嚴 重，導致了 HETP的升高。 大交換塔中HETP升高是很大的經濟負擔，這時因备塔 作為其中部分的系統的總高度增加了。希望減少大直徑塔 中HETP的升高，從分離效率的觀點來看，使這些塔可以連 到小直徑塔的性能。 現有技術沒有認識到或提出這種特殊的問題。現有技
第8頁 4§082? 五'發明說明（5) 術已認識到過量邊壁液流量的有害影響，並試圖減少這種 影響，例如使用常規的壁刮（w a 11 w i p e r)。然而，儘管壁 刮可以減少局部的邊壁液流量，但是壁刮不能有效地使液 體返回到填料中。因此’即使在裝有壁刮的塔中，仍然存 在不利的L/V比率變化。在塔壁處蒸汽旁路的有害影響可 以通過在靠近塔壁的環形空間内使用限制元件來減 <，如 固體金屬刮或其它元件，公開在本申請人的美國申請No: 09/166373 中（Klotz 等）’其名稱為1’Devices to Minimize Vapor Bypass in Packed Column and Method of Assembly" 〇 US 5262095 (Bosqua in等）公開了對改進的填料邊緣 的應用，利用變形、狹縫（si i ts)、多孔塞（piUg)、填充 物、或特殊刮以促使液體離開塔壁反向流入填料中^ us 5441 793 (Suess)描述了在靠近塔壁的填料邊緣使用液體 改向器（re-director)元件。這種元件可以製成小波紋的 T形。US 5224351 (Jeannot等）描述了一種類似的邊緣 改進’是通過在塔壁附近折疊一些波紋邊緣實現的^ JJ S 5700403 (Billingham等）描述了形成特殊的波紋填料層， 其中靠近塔壁的規整填料層内的交替波紋元件被切短，故 而減少了導蜂液艘向邊壁流動的趨勢。5282365 (Victor等）描述了在塔壁上進行加熱，以蒸發來減少邊壁 流量。 雖然前四項專利中提出的填料和方法可以減少邊壁液 流量’但其相應的成本也高，因為生產技術是非常規的，
450827 五、發明說明（6) 安裝填料的勞動強度也高。第五項專利中提出的方法也是 高成本的’因為它需要额外的線路來引導塔外部的其它流 體，以蒸發蒸餾塔内的邊壁液體。 US 5100448 (Lockett等）公開了在塔的至少兩段上使 用不同填料密度的規整填料，相互之間上下直接相鄰，以 平衡液體負荷。類似地，在US 54 1 9 1 36 (McKeigue)中， 在相互之間上下直接相鄰的兩段中，規整填料的波紋角度 發生改變’以平衡液體負荷。儘管所報道的填料的這種結 構改進了低溫空氣分離的操作彈性，但沒有提出這裡所討 論的非均勻分佈問題’也沒有提出解決這些問題的方案或 建議。 希望有一種規整填料，通過改變傳統的規整填料可以 使非均勻分佈的影響最小，但不需要任何特殊的填料邊緣 的改動或在交換塔外部的任何附加設備或線路。 還需要一種規整填料’它們在如空氣分離的低溫應用或其 它熱傳和/或質傳應用中具有高的性能特性。特別是需要 減少在這些應用中使用的大直徑塔中HETP的升高，從分離 效率來看，使這些塔的性能接近於小直徑塔。 還需要一交換塔，整個塔内的總液汽比（L/ν)相對於 標準液汽比（排除了邊壁效應）的偏差盡可能小，從而改進 質傳性能。 還需要一種具有規整填料的交換塔，儘管塔内的絕對 液體和蒸汽流量不能保持恆定，但塔内的L / v比率基本上 保持恆定。
五、發明說明（7) 還希望平衡在交換塔的橫截面上的L/v比率，使大直 徑塔的熱傳和/或質傳效率接近小直徑塔β 本發明提供了一種混合阻力規整填料層，它可以用在 交換塔的一段或多段上，用於在一種工藝中，如低溫空氣 分離的第一相和第二相之間進行熱量和/或質量傳遞。本 發明還提供了一種在交換塔内組裝這種混合阻力規整填料 層的方法。本發明的另一方面是一種在交換塔内降低 ΗΕΤΡ(理論等板高度）的方法和系統。
鹿合阻力規整填料可以用在交換塔的一段或多段的— 層或多層内。在這樣一個混合阻力規整填料層内，低阻力 填料用在中芯，高阻力填料用在圍繞中芯的外環。這樣迫 使更多的蒸汽流向交換塔的中間，而流向塔壁的較少，因 此，抵消了在交換塔内液體的非均勻分佈。通過 :方法以平衡L/V比率（液汽比），⑼基本上較低的_來 看’使大直徑塔在性能上接近於小直徑塔。
在一種方案中，混合阻力 填料阻力的第一規整填料；通 向相鄰的第二規整填料，具有 填料阻力的第二規整填料。 規整填料層包括：具有第一 常與第一規整填料在水平方 不同於第一規整填料的第二 在-個變例中’第二規整填料具有一個基本 :規整填料外周邊的内周邊和大於該其内；：第 :二規整填料的内周邊基本上緊貼第一規 ：：。 邊。在另一變例中，第一規整填料的外周邊和第二^
45r 五、發明說明（8) 料的内周邊基本上呈環形。 在另一變例中，第一和第二規整填料包括至少一塊波 紋板。在又一變例中，第一和第二規整填料包括多塊由箔 狀材料製成的平行放置的波紋板’每塊板具有至少一個以 一定角度設置的並與相鄰板上的至少一個波紋成交叉關系 的波紋。第一和第二規整填料之間的阻力差別可以取決於 波紋的角度差別。例如，在第一規整填料内至少一個波紋 的角度不同於第二規整填料内至少一個波紋的角度。 在再一變例中’第一和第二規整填料之間的阻力差別 取決於第一和第二規整填料的表面積密度（surface area density)的差別。例如，第二規整填料的表面積密度可以 高於第一規整填料的表面積密度》 本發明的另一方案是一種混合阻力規整填料層，包 括：具有外周邊的基本上為圓形的中芯，中芯包括具有第 一填料阻力的第一規整填料；通常在水平方向上與中芯的 外周邊相鄰的外環，外環包括具有不同於第一填料阻力的 第二填料阻力的第二規整填料。 本發明的另一方面是一種用於第一相和第二相之間進 行熱量和/或質量傳遞的交換塔，該交換塔具有至少一層 上述任何方案或變例中描述的混合阻力規整填料。 本發明的再一方面是一種低溫空氣分離方法，包括使 蒸汽和液體在至少一個包含至少一個質傳區的蒸館塔内逆 流接觸，其中液汽接觸是通過直少一層上述任何方案或^ 例中描述的混合阻力規整填料之上完成。 ^
第12頁 η 82 7 五、發明說明（9^ ' " ---- 填料還包括—種在交換塔内組裝一廣混合阻力規整 步驟方法。第-步是提供一個交換塔。第二= 括/ JL 士混合阻力規整填料，該混合阻力規整填料層包 填料右Ϊ第-填料阻力的第—規整填料常與第-規整 不同於^平方向相鄰的第二規整填料’第二規整填料具有 阻規整填料的第二填料阻力。最後一步是將昆合 Ρ力規整填料層裝入交換塔中^ 谁〜明的另一方面是一種降低用於在液體和蒸汽之間 仃，，、量和/或質量傳遞中的交換塔的HETP(理論等板高 ς)的方法’交換塔具有至少一層規整填料，該規整填料 ^具有一個中芯和通常在水平方向上與中芯相鄰的外環。 該方法包括如下步驟：引導交換塔内的至少一部分蒸汽離 開外環f引導至少一部分蒸汽流向中芯。在降低HETP方法 的^個變例中’該部分蒸汽的量是：使交換塔橫截面上的 液汽比率基本保持恆定。 本發明的另一方面是一種降低用於在液體和蒸汽之間 進行熱量和/或質量傳遞的交換塔的HETP的系統，交換塔 具有至少一規整填料層，該規整填料層具有一個中芯和通 常在水平方向上與中芯相鄰的外環。該系統包括：引導交 換塔内的至少一部分蒸汽離開外環的元件；引導至少一部 分蒸汽流向中芯的元件。在該系統的一個變例中，該部分 蒸汽的量是：使交換塔橫截面上的液汽比率基本保持值 定。 本發明的再一方面是交換塔中的填充段，包括：第一
第13頁
450827 五、發明說明（10) 層混合阻力規整填料（如任何上述方案或變例所述）；位3 第一層混合阻力規整填料下方的第二層混合阻力規整填廢 (如任何上述方案或變例所述），其中第二層相射於第 旋轉一定角度》該角度可以在約0。至約9 〇。之間。 以下參照附圖，通過實施例對本發明進行描述’其 中： 圖1是空氣分離裝置的示意圖； 圖2描述了使用傳統規整填料的典型圓柱形蒸顧塔内 的L / V比率非均勻性； 圖3是交換塔内混合阻力規整填料層的平面示意圖； 圖4A是傳統規整填料元件的透視圈； 圖4B是在傳統規整填料中相鄰元件成交叉設置的示意 固， 圖4C是描述在填料塔中使用壁刮的示意圖； 圖5Α是描述規整填料以砗塊狀設置的平面示意圖，該 圖是在一定高度上沿圖5Β中線5Α-5Α的剖示圖。 圖5Β是蒸餾塔内的蒸汽和液體分佈器之間的規整填料 以多層設置的正視示意圖； 圖6是描述雙塔空氣分離裝置的低壓塔内的液難和蒸 汽流動的示意圖； ' 圖7是描述傳統雙塔空氣分離裝置的低壓塔内的液# 和蒸汽流動的另一示意圖； 圓8是說明在蒸汽分佈平衡或未平衡的兩個平行
4§Q827 五、發明說明（11) 液想非均勻分佈和混合效果的圖表。 為了便於討論’使用圖4A_5B中所示的傳統規整填料 元件、碑塊和層對本發明進行描述和下面的討論。然而， 本發明也可以與其它類型的規整填料一起應用，包括但不 限於本申請受讓人的如下美國專利申請中所公開的填料類' 型 _ Sunder 的名稱為"Horizontal Structured Packing" 的No· 09/008691 ; Sunder 的名稱為"Stackable S t r u c t u r e d P a c k i n g w i t h C ο n t r ο 11 e d S y m m e t r*^ 的 Ν ο · 08/918175 ; Sunder 的名稱為"Structured Packing^^No. 08/647495 。 參看圖3 *參照填料塔2 2的一塔段内的規整填料層2 〇 來討論本發明’在圖3所示結構中，該層包括高阻力填對 24 (用” Α"表示）和低阻力填料26 (用"Β"表示）。（在下面 所討論的和圖4Α至5Β中所描述的，”層”通常由多”塊"填料 元件或固定在一起以填充塔橫截面的片製成如圖3所 示’高阻力填料（"Α")位於外環28,低阻力填料（”Β”）位於 中芯30。 ”環”是定義為由平面内的兩個同心圓所包圍的平面部 分。在圖3所示方案中’術語”外環"28是由塔22的基本上 為環形的内壁40和限定"中芯"30的周邊的同心圓42所包圍 的平面部分。 在圈3中，儘管中芯3〇和外環28之間的邊界被描繪成 圓42，由於製造的原因’這一邊界實際上呈鋸齒狀，具有
第15頁
450827 五、發明說明（12) 一 一系列粗略組成近似於圓42的直線。圖3所示層的分區方 式僅僅是一個例子，許多其它的變例是可能的，這取決於 塔的直徑和填料的尺寸。 本發明不限於圖3所示的結構，也不限於只使用兩種 不同阻力的填料。本領域熟練技術人員知道，可以使用其 它結構’也可以使用多於兩種具有不同阻力的填料。 如圖3所示，外環28和中芯30的相對尺寸由圓42(即中 芯的周邊）的直徑所決定。對於給定尺寸的塔22，與圖3所 示相比’如果中芯30相對較大（即圓42具有較大的直徑）， 則與圖3所示相比，其外環28相對較小。與此相反，與圖3 所示相比，如果中芯相對較小（即圓42具有較小的直徑）， 則與圖3所示相比，其外環相對較大。本領域熟練技術人 員知道’各種變例都是可能的，圓42的直徑可以從接近於 零的下限至接近於内壁40直徑的上限範圍内變動。
I 在具有圓形内壁40的填料塔22内，儘管優選方案使用 了圓形中芯3 〇 ’但其它組合方式也是可能的〇例如，塔2 2 的内壁40和/或中芯30的周邊4 2的形狀可以是非圓形的。 在這些情況下外環"28的幾何形狀可能不是上面定義的 ”環形"。事實上’外環的幾何形狀具有由内壁4 0限定的外 周邊和由中芯的外周邊42限定的外周邊。 參看圖3所示方案’本發明是這樣起作用的：通過引 導外環中汽流類似地減少來抵消填料外環28中液流的缺 乏·»這可以通過混合阻力來完成：段内一些或所有層的外 環具有較高阻力填料24 ’而中芯30具有較低阻力填料26，
第16頁 450827 五、發明說明（13) 其中阻力主要是指相對於蒸汽流的阻力。 通過改變中芯3 0和外環2 8之間的一個或多個如下變量 可以獲得混合阻力-波紋角度、表面積密度、表面紋理 (texture)、穿孔、填料種類，或可以改變填料阻力特徵 的其它變量。 通過引導使外環28中的汽流較少，而使流向中芯3〇的 汽流較多’在整個塔22内的總液汽比（L/v)與標準值的偏 差較小’因此’從所需HE TP來看，改進了質傳性能。對於 工業塔’儘管外環中的阻力增加了’但降低高度可以降低 總壓降。由於平衡了液汽比率比（L/v)，至少在某種程度 上降低了大型工業塔的HETP。因此，可以使塔段的高度較 低，從而降低系統的總成本。 Λ 使用規整填料的傳統技術已描述在許多涉及規整填料 的專利文獻中，US 4296050 (Meier)描述了 一種波紋規整 填料及其應用。一種傳統的基礎規整填料元件32示於圖4A 中。每一填料元件由起波紋的薄金屬落或其它合適材料製 成。填充了傳統規整填料的蒸餾塔22示於圖5A和㈤ 典型的規整填料採用了垂直取向的波紋填^片 二 件，如圈4A所示，其中波紋與垂直方向成—角户 70 ^ 料片是這樣設置的：使其波紋方向與相鄰填料2。每一填 向相反’如圖4 B所示。（實線表示一塊填料、Η 的波紋方 穴叮月的波紋太 向，虛線表示相鄰填料片的波紋方向。）當希士 乃 y备蛮直放罾用於 蒸餾塔中時，波紋與水平方向形成一角廋r 外，元件或片上可以有表面紋理、洞或其它 、匕札、凹坑、凹
450827 五、發明說明（14) 槽、或增強基本元件性能的其它特徵。 使用這種基本填料元件，通過組裝這些元件製成規整 填料”碑"34 (每塊碑通常大約有4〇 _5〇個元件），使得相 鄰元件的波紋呈圖4B所示的交叉方式設置。（用於固定元 件的裝置未示出。）當磚放置在圓柱形塔内時，靠近壁的 碑的邊緣是粗糙的，呈鋸齒形，產生縫隙。為減少液體旁 路’通常使用如圖4C所示的刮36。 ，規整填料碑34通常組裝成填料塔38塔段中的層（48， 48 ) ’如圖5A和5B所示。@5A是平面圖，表明了在圖5B中 ，面5 A-5 A所在高度上十二塊磚的布置。圖5B表明了填料 =中規，填料的整體布置的正視圈，在液體分佈器44與蒸 汽分佈器46之間的塔段内，有多層（48，〇,），相鄰填料 層（48’48 )(每層約8英寸高）相對旋轉成直角（即9〇β ^ 在最常用的設置中，也可以使用其它旋轉方式（例如，相 鄰層旋轉到0 °至9(Γ之間的角度）β 本發明改進了傳統填料的布置，將在下面討論在4 統填料中，同一高度處的磚以（例如’圖5A所示）由相同白 π件32(例如圖4Α所示）組成β本發明根據碑塊的位置 基本元件’如圓3所示。位於外賴的 阻力的元件組成，位於中芯3〇的由能书 供較低蒸；α阻力的元件組成。 阻力差別可以是表面積密 常用m2/m3 (填料佔據的體積） 位雜積規整填料的規整填料表 度差別所致，表面積密度通 表不。Γ表面積密度"指單 面積。）因此，相對於中芯
450827 五、發明說明（15) 3:的填料的表面積密度，外環28中的填料的表面積密度 作為-種選擇，當保持外環28和中怒3〇 相同時，相對於中芯30内的填料的波紋角度可以在外： 28内使用波紋角度較小的填料。此外，可以組合其它表面 特徵以使外環與中芯填料不$。這些特徵包括紋理、洞或 =凹：、凹#、波紋形狀、波浪、或能單獨地或與其它 特徵一起組合實現外環與中芯蒸汽阻力改變的其它元 内的熟練技術人員來說，這些概念的其它變化或 JI : 的。例如，改變包括在一層内相鄰的幾個環 中，用兩種以上的阻力’或僅在一些層使用混合阻力而 不疋在填充段的所有層中估用 一 用 通用技術可以應用於 =與或氣相）逆流流動的、具有上文所述的系統非 的任何熱傳和質傳塔中。本發明不限於蒸館或低 溫洛餾應用。 本發明通過下面的分析$一步r尤明。##本發明具有 你松ί ^應用’為了便於分析討論’下面的分析參照傳統 。二氣为離設備中的氬氣和氧氣分離進行。 下面提供L/V比率不平衡結果和本發明的修正效果的計算 方=。分離實例是圖！所示的傳統雙塔 分 低壓塔4的底部。 用於計算的假設條件示於圖6。此外，下列參數也是 ^ =的.氬/氧混合物；25psig 塊理論塔板；標準 V 1. 4。首先計算均勻流動條件下的理想分離。然後， 第19頁 450827 五、發明說明（16) ' -- 將塔分成兩個具有相同面積的平行塔，每一平行塔内具有 不同L/V比率’比較這些分離結果。在真實的塔内°發生、某 種程度的混合，現合程度作為變量進行研究，為〇至3的中 間混合。 ， 特定混合方式的-個實例如圖7所示。（其它混合方式 也可以類似地獲得。）圖7提供了一個相對流動的實例，假 設只有液體非均句分佈’帶有令間混合。液體的相對流量 分配如圖的上部分所示，蒸汽的相對流量分配如圖中下部 分所示。 通過給出兩個平行塔内L/v比率再平衡的效果，來計 算本發明的結果，儘管採用了不同的絕對流量。在這些計 算中所使用的參數是：Ar/02兩组分，25 psU，L/V14 ’ 在塔頂液體中Ar為7%，在塔釜為〇 5%虹，託塊理論塔 板。計鼻結果示於圖8 ’並列於下表中。 凡成相同分離的相應填料塔高度計算結果 非均勾L非均L非均l非均 UV非均UV非均L&V非均 分佈〇混合1混合2混合〇混合1混合2混合 Ο + /-%
〇 1.0000 1.0000 1.0000 !〇〇〇〇 1.0000 l.OOOO 61.0539 1.0000 10 15 0 1. 2880 1. 0452 1.0003 1.0003 〇 !·2400 1.0928 1.0015 1.0005 0 1.2650 1.0030
第20頁 450827 I [XT發明說明（π) [ 從這些計算結果可以看出：理想塔的相對ΗΕΤΡ為1。 這一結果在圖8中是兩個平行塔的非均勻分佈為0的情況 中間混合的數目對這一計算沒有影響《但當兩個塔中液體 非均勻分佈相對於平均值設定為（2. 6%、5%、10%、和15% 時，總的ΗΕΤΡ增高β圖8中的結果表明，液體非均勻分佈 的程度增加’相對ΗΕΤΡ升高。而申間混合減輕了這一效 果，但不能消除這種效果。與此相反，使蒸汽不均勻分佈 達到平衡，以恢復兩個平行塔中的L/V比率就能實,際消除 這一問題。例如，如果液體非均勻分佈為（5%，jjetP升高 到相對值1. 2 8 8。中間混合為1僅使該值減小到1 〇 4 5 ^ &
而’如果為了使兩個塔内的L/V比率為1 · 4，按相同比例引 導平衡蒸汽流量，則即使沒有混合，HETP也變回到 1，0003。類似地，液體非均勻分佈為（15%，此時即使中 混合為2，相對HETP也升高到1.265。通過使蒸汽流平β 恢復L/V比率，ΗΕΤΡ下降到1, 〇〇3。 机 計算結果表明，即使絕對的液體和蒸汽流 忮定’但維持蒸餾塔内L/V比率接近常數是报：保持
:結=表明，中間混合減輕了非均句分佈的影響汁 種輔助手段，可以改進塔的性能 制本發明提出一 ^ 應當注意，上述計算作為例子是在幾個 行的。如果改變特定的混合物，或工藝條件 佈和混合方式，結果也顯示相同的定二趨 特定假設下進 ’或非均勻分 ，儘管在定量
450827
五 '發明說明（ΐδ) 液體和氣體或蒸汽逆流流動的 的應用性。可用於低；或非低 作為接觸元件的任何熱傳和/ 方面會有變化。因此 接觸塔中，本發明具 溫蒸餾，以及使用規 或質傳操作。 本發明只疋對已有傳統規整填料進行了改變不需 在塔内對填料進行任何特殊的邊緣改進，或塔外部的任 附加裝置或循環回路。此外，不必設法消除液流的變化， 通過引導類似的汽流變化使L/ν比率的變化最小，以抵消 這種變化。 在一層中使用混合阻力，使塔的中芯和外環之間的阻 力不同，這一概念在現有技術中還沒有提出過。通常是在 ι個填充段内使用相同的填料。現有技術中在填料塔内完 全分開的填充段内使用不同的填料，可以通過改變表面 積、波紋角度或其它方法來實現。（例wUS5】〇〇448 (Lockett等）），但這在結構布置和目的方面，完全不同於 本發明。現有技術中這種布置的目的是在蒸餾塔的不同段 間均勻得到液泛，而本發明的目的是在塔的橫截面内使 /V比率平衡，使大塔的質傳和/或熱傳效率接近於小塔。 ，明的各方案以參照特定的實施例進行了描述。然而， 知當理解，在不脫離申請專利範圍所限定的本發明喲精神 ^範圍的條件下，可以對這些方案和實施例作出變動和改 第22頁 450827 修正 _紐881 盤3 五、發明說明（18) 方面會有變化。因此，在有液體和氣體或蒸汽逆流流動的 接觸塔中，本發明具有廣泛的應用性。可用於低溫或非低 溫蒸餾，以及使用規整填料作為接觸元件的任何埶傳和/ 或質傳操作。 本發明只是對已有傳統規整填料進行了改變，不需要 在塔内對填料進行任何特殊的邊緣改進，或塔外部的任何 附加裝置或循環回路。此外，不必設法消除液流的變化， 通過引導類似的汽流變化使L/V比率的變化最小，以抵消 這種變化。 ' 在一層中使用混合阻力’使塔的中芯和外環之間的阻 力不同，這一概念在現有技術中還沒有提出過。通常是在 整個填充段内使用相同的填料。現有技術中在填料塔内完 全分開的填充段内使用不同的填料，可以通過改變表面 積、波紋角度或其它方法來實現。（例如US5100448 (Lockett等）），但這在結構布置和目的方面，完全不同於 本發明。現有技術令這種布置的目的是在蒸館塔的不同段 間均勻得到溢流，而本發明的目的是在塔的橫截面内使 L/V比率平衡，使大塔的質傳和/或熱傳效率接近於小塔。 本發明的各方案以參照特定的實施例進行了描述。然而， 應f理解’在不脫離申請專利範圍所限定的本發明的精神 和範圍的條件下，可以對這些方案和實施例作出變動和改 進。 UChenlin\1999ll〇3\pATENTU,R]1〇27a Ptc 第22頁 2001.01.1&022 45082 7 Ί0年/月}曰 _案號 88122053 圖式簡單說明 主要元件的圖號說明 2.. 高壓塔 4..低壓塔 1 0 ..低溫空氣分離裝置 2 4 .·高阻力填料 2 8..外環 3 0..中芯 34.. 磚 36..刮 44.. 液體分佈器 修正 6.. 冷凝器 11..規整填料 22, 38..填料塔 2 6 .·低阻力填料 32.. 規整填料 40.. 塔内壁 42..圓 48，48’ ..填料層
2001.01.18.023

Claims (1)

  1. 450827 六、申請專利範团 1. 一種混合阻力規整填料層，包括： 第 具有第一填料阻力的第一規整填料；和 通常與第一規整填料水平相鄰的第二規整填料 規整填料具有不同於第一填料阻力的第二填料阻力 中2,如申請專利範圍第1項的混合阻力規整填料層 第一規整填料具有外周邊； 邊的ϋί填料具有一個基本上等於第-規整填料外周 邊的内周邊和大於其内周邊的外周邊；和 周邊第二規整填料的内周邊基本上緊貼第-規整填料的外 如申凊專利範谓第2項的混合阻力規整填料層' 上呈環：規整填料的外周邊和第二規整填料的内周邊基本 4· 一種混合阻力規整填料層，包括 :有外周邊的基本上為環形的中&，該中芯包括 第一填料阻力的第一規整填料；和 、有 有不中芯的外周邊水平相鄰的外環，該外環包括具 ' Γ ί料阻力的第二填料阻力的第二規整填料： 笛0請專利範圍第1項的混合阻力規整填料層，其 中，第-和第二規整填料包括至少一塊波紋板。 、 t如申請專利範圍第1項的混合阻力規整填料層’ :置整填料包括多塊由落狀材料製成的平行 放置的波紋板’每塊板具有至少一個以 ： 第23頁 460827 六、申請專利範圍 相鄰板上的至少一個波紋成交叉關系的波紋。 7. 如申請專利範圍第6項的混合阻力規整填料層，其 中，第一規整填料内至少一個波紋的角度大於第二規整填 料内至少一個波紋的角度。 8. 如申請專利範圍第1項的混合阻力規整填料層，其 中’第二規整填料的表面積密度大於第一規整填料的表面 積密度。 9. 一種用於在第一相和第二相之間進行熱量和/或質 量交換的交換塔’交換塔具有至少一層如申請專利範園第 1項的混合阻力規整填料。 1 0. —種低溫空氣分離方法，包括使蒸汽和液體在至 少一個包含至少一個質傳區的蒸餾塔内逆流接觸，其中液 汽接觸是建立在至少一層如申請專利範圍第1項的混合阻 力規整填料上的。 11· 一種在交換塔内組裝一層混合阻力規整填料的方 法，包括下以步驟： 提供一個交換塔； 提供一層混合阻力規整填料 > 該混合阻力規整填料層 包括： ' Β 具有第一填料阻力的第一規整填料；和 通常與第一規整填料在水平方向相鄰的第二規整填 料’第一規整填料具有不同於第一填料阻力的第二填料阻 力；和 將混合阻力規整填料層裝入交換塔中。
    第24頁 ^§0827 六、申請專利範圍 1 2. —種降低用於在液體和蒸汽之間進行熱量和/或質 量傳遞的交換塔的HETP (理論等板高度）的方法，交換塔具 有至少一層規整填料，該規整填料層具有一個中芯和通常 在水平方向上與中芯相鄰的外環，該方法包括如下步驟： 引導交換塔内的至少一部分蒸汽離開外環；和 引導至少一部分蒸汽流向中芯。 13. 如申請專利範圍第12項的降低HETP的方法，其 中’所述部分蒸汽的量是：使交換塔橫截面上的液汽比率 基本保持怪定。 14. 一種降低用於在液體和蒸汽之間進行熱量和/或質 量傳遞的交換塔的ΗΕΤΡ的系統，交換塔具有至少一層規整 填料’該規整填料層具有一個中芯和通常在水平方向上與 中芯相鄰的外環，該系統包括： 引導交換塔内的至少一部分蒸汽離開外環的元件；和 引導至少一部分蒸汽流向中芯的元件。 15. 如申請專利範圍第14項的系統，其中，所述部分 蒸汽的量是··使交換塔橫裁面上的液汽比率基本保持值刀 定。 16，一種交換塔中的填料段，包括： 第一層如申請專利範圍第丨項的混合阻力規整填 和 ， 位於第一層混合阻力規整填料下方的第二層如 利== 合阻力規整，真料，其中第二層相對於第 一層旋轉一定角度》 不
    450827 六、申請專利範圍 1 7.如申請專利範圍第1 6項的填料段，其中所述角度 在約0 °至90 °之間。
    第26頁
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