最優波紋規整填料的制作方法

            文檔序號:4986983閱讀:661來源:國知局
            專利名稱:最優波紋規整填料的制作方法
            技術領域
            本發明涉及一種波紋規整填料以及在交換塔中安裝這種填料以提供最優性能的方法。規整填料在交換塔中具有特殊用途,特別是在低溫空氣分離過程,盡管也可以用于其它使用規整填料的傳熱和/或傳質過程。
            在這里,術語“塔”是指蒸餾或分餾塔或區域,即液相和蒸汽相逆流接觸以分離流體混合物的塔或區域,例如,通過蒸汽相和液相在安裝在塔內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”)是指塔中充滿塔直徑的區域。特定段或區域的頂部或底部分別以液體和蒸汽分布器終止。
            術語“填料”是指用作塔的內構件的具有預定尺寸、形狀和結構的實心或中空體,用于向液體提供表面積,當兩相逆流流動時在液-汽界面上發生傳質。兩類廣義的填料是“亂堆填料”和“規整填料”。
            “亂堆填料”是指這樣的填料各個元件相互之間或相對于塔軸沒有特定取向。亂堆填料是小而中空的結構,每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于塔軸具有特定的取向。規整填料通常由薄金屬箔、網形鐵(expanded metal)或編織金屬絲網制成,以層狀或作為螺旋形線圈(spiral windings)堆積。
            術語“表面積密度”是指單位體積規整填料的表面積,通常以m2/m3填料占據的體積表示。
            在如蒸餾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傳熱和傳質是有利的。與亂堆填料或塔板相比,規整填料的傳熱和傳質效率高,壓降低。與亂堆填料相比,其性能更具可預測性。
            空氣的低溫分離是通過使液體和蒸汽逆流通過蒸餾塔實現的。混合物的蒸汽相上升,其易揮發組分(例如氮)的濃度不斷升高,混合物的液體相下降,不易揮發組分(如氧)的濃度不斷升高。可以使用各種填料或塔板以使混合物的液相和氣相接觸,從而實現相間傳質。
            有許多種低溫蒸餾分離空氣的方法以將其分離成組分(即氮氣、氧氣、氬氣等)。典型的低溫空氣分離裝置10示意地示如

            圖1。高壓進料空氣1被輸入到高壓塔2的底部。在高壓塔內,空氣被分離成富含氮的蒸汽和富含氧的液體。富含氧的液體3被從高壓塔2輸送到低壓塔4。富含氮的蒸汽5被通入冷凝器6,在其中被冷凝,而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采出,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)通過低溫蒸餾分離成富氧和富氮組分。規整填料11可以用于使要分離的氧和氮的液相和氣相進行接觸。富氮組分以蒸汽12除去,富氧組分以蒸汽13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。廢物流14也可以從低壓塔中除去。低壓塔可被分為多段。例如,在圖1中,有三個這樣的帶規整填料11的段。
            最常用的規整填料包括垂直堆放的金屬箔或塑料箔的波紋板(或波紋絲網布)。這些箔具有各種形式的孔和/或表面紋理特性以提高傳熱和傳質效率。這種填料的例子公開在US 4296050(Meier)中。在現有技術中,還已知絲網型填料有助于有效地分布液體,并具有良好的傳質性能,但與大多數箔型填料相比,絲網型填料更貴。
            規整填料的分離性能通常以理論等板高度(HETP)來衡量。術語“HETP”是指達到相當于一塊理論塔板所實現的組成變化所需的填料高度。術語“理論塔”是指使排出的蒸汽和液體物流達到平衡的蒸汽和液體的接觸過程。對于具體的分離,特定填料的HETP越低,填料的效率越高,因為使用具有該HETP的填料的高度下降。
            US 4836836(Bennett等)公開了在低溫蒸餾中使用規整填料的情況,與使用蒸餾塔板相比,在能量上是有益的。該專利技術可以用于空氣分離設備的所有塔段,盡管用于分離氬氣和氧氣的塔段是最有效的。
            US 5613374(Rohde等)公開了使用表面積密度高于1000m2/m3的填料,以優化使用至少一個精餾塔的空氣低溫分離。可購得的最常用的規整填料的表面積密度為125-750m2/m3,Rohde等認為優選為1000-1500m2/m3。盡管這種高表面積密度的規整填料具有高傳質效率、降低蒸餾塔高度的優點,但是,也有幾種缺點。首先,表面積的提高導致了填料成本的提高。其次,高表面積密度使壓降升高,導致了容量下降,從而大大增加了用于分離的蒸餾塔的直徑,使系統的成本進一步增加。最后,塔的直徑增大,以及表面積密度的升高,嚴重地限制了蒸餾塔在停車(turndown)狀態下的操作能力,因為在停車過程中沒有足夠的液體以保持大填料表面積的潤濕。使設備停下來同時不降低其效率的能力對現代蒸餾設備是很重要的。
            US 5100448(Lockett等)公開了在直徑恒定的一個蒸餾塔內使用可變表而積密度的填料。塔內不同段可以處于蒸汽和液體速度方面非常不同的負荷條件下,特別是當塔段之間有蒸汽或液體的采出或輸入時更是如此。如果用于所有塔段內的填料的表面積密度都相同,則相對于每一段的最大容量,塔的負荷是不均勻的。因此,在停車狀態下運行設備的能力受到了嚴重限制。建議的補救措施是改變在塔的不同段內(或在一個段內)填料的表面積密度,同時保持直徑恒定,以在塔內獲得均勻的負荷。其目的不是優化填料,而是在塔內獲得均勻的負荷。此外,如果塔的直徑在段之間發生改變,這種情況是經常遇到的,則不必按Lockett等人的說明去做。
            US 5419136(McKeigue)公開了一種類似于Lockett等人的技術。McKeigue指出,在恒定直徑的塔內填充多段填料會遇到同樣的問題,如果在所有段內使用同樣的填料,則塔的負荷明顯不同。在這種情況下,塔在停車狀態下的操作能力將受到限制,這一點與Lockett等人相同。McKeigue的補救措施是在段內和/或一段的后續段內改變“卷曲角度”。[McKeigue定義的術語“卷曲角度”是波紋與垂直方向形成的角度。在本發明中,與申請人的“波紋角度”(∝)具有簡單的關系,其中波紋角度是相對水平方向度量的。因此,在McKeigue專利中“卷曲角度”等于90°-∝。]McKeigue的目的是在塔內獲得均勻的負荷,不是優化填料。此外,如果塔的直徑在不同段之間發生改變,這種情況是經常遇到的,則不必按McKeigue的說明去做。
            US 5644932(Dunbobbin等)公開了在蒸餾塔中的兩個填料段內使用兩種不同的波紋角度和“卷曲角度”(申請人稱“坡口(included)角度),在段間具有不同的蒸汽和液體流量。Dunbobbin等人之后的發展類似于Lockett等和McKeigue所描述的情況,即,設置兩段填料,使每段填料的水力負荷容量接近相等。為了這一目的,引入了一個新的無量綱參數“s”,定義為蒸汽-液體界面應力,并且是用液體表面張力除以液膜厚度。參數“s”必須被維持在窄范圍內。然而,據稱很寬范圍的波紋角度和坡口角度能得到窄范圍的“s”。
            孔已被用于提高規整填料的效率。例如Meier(US 4296050)和Huber(US 4186159)都指出,它們填料元件上的孔的直徑約為4mm。大多數制造商使用具有4-5mm孔的規整填料。孔占元件或板總表面積的量不超過5-20%。此外,相對于垂直方向,波紋的設置角度為15°至60°,或相對于水平方向為30°-75°(即∝=30°至75°)。
            US 4950430(Chen等)公開了使用1-2mm的孔,為了相對于Meier和Huber提高效率,在孔的間距上有限制。例如,孔間距不超過5mm,孔占元件或板總表面積的量不超過20%。在其優選的形式中,孔是圓孔,但非圓孔也可以使用,包括卵形孔、長方形孔、橢圓形孔以及三角形孔、矩形孔、窄縫形孔等。
            US 5730000(Sunder等)和5876638(Sunder等)公開了一種波紋規整填料元件,優選具有多個貫通元件的孔。元件的開孔面積占元件總面積的5-20%,優選為8-12%。元件的表面積密度優選為250-1500m2/m3,特別優選為500-1000m2/m3。孔是圓形的,其直徑為1-5mm,優選為2-4mm。此外,填料上的孔可以是非圓形的,但其“等效直徑”(表面積乘以4除以周長的計算值)要在所述圓形孔的直徑范圍內。波紋角度(∝)在20-70°的范圍內,優選30°-60°,特別優選45°。這些專利指出使用細凹槽形式的雙向表面紋理,凹槽以交叉關系施于填料元件上的波紋表面上。
            PCT/EP 93/00622(WO 93/19335)(Kreis)公開了一種波紋規整填料,其表面積密度在350-750m2/m3范圍內,在某些應用中,表面積密度高達1200m2/m3或更高。波紋元件上的孔可以是洞、縫或槽。孔占元件或板總表面積的5-40%,優選15-20%。
            不同的表面紋理也已用于提高規整填料的效率。例如,US5454988(Maeda)公開了一種填料元件,該元件具有在薄片狀基材的表面上形成的連續、相鄰接的、蜿蜒的凹/凸通道。現有技術中公開了多種表面紋理的其它例子,如EP 0337150Al(Lockett)。
            與現有技術不同,本發明的目的是通過同時改變多個獨立參數(例如,至少四個參數)優化蒸餾設備的填料段,以減小系統的總成本,而不拘泥于如高度或負荷的單個標準。
            需要一種規整填料,它具有用于低溫應用的高性能特征,如用于空氣分離,以及其它傳熱和/或傳質應用。
            進一步需要一種波紋型規整填料,它在低溫蒸餾中是最優的,特別是用于分離和純化空氣組分-如氧氣、氮氣和氬氣。
            更進一步需要一種波紋型規整填料,它能克服現有技術中的許多困難和缺點,提供更好和更有利的結果。
            更進一步需要一種最優的規整填料設計,它以最優方式操作,使空氣分離方法更加有效和/或單位量所生產產品的成本更低。
            更進一步需要一種更有效的空氣分離方法,它使用最優的規整填料,這種填料與現有技術相比,更加緊湊和有效。
            進一步需要一種在交換塔中安裝規整填料的方法,該方法與現有技術相比提供了更好的性能,并且該方法還克服了現有技術中的許多困難和缺點,以提供更好和更有利的結果。
            本發明是一種最優的規整填料,它可以用于在一種方法,如低溫空氣分離中的第一相和第二相之間進行傳熱和/或傳質的交換塔的一段或多段中。本發明還涉及一種在交換塔中安裝這種填料以提供最優性能的方法。此外,本發明還包括其中汽-液接觸或液-液接觸是由至少一種本發明所述類型的規整填料來完成的方法。
            在一個方案中,規整填料的表面積密度為約350m2/m3至約800m2/m3,并包括以垂直平行關系設置的多個波紋板。每塊板具有至少一個孔,以及多個規則間隔的、基本平行設置的波紋,波紋與相鄰板上的波紋成十字交叉關系。孔的等效直徑小于約4毫米,但大于約2毫米。波紋相對于水平方向的波紋角度(∝)為約35°至約65°。每個波紋,當接近具有大致為三角形的橫截面時,具有坡口角度(β)為約80°至約110°,坡口角度由波紋兩側限定。
            在一種變例中,規整填料還包括施于至少一塊波紋板的至少一部分表面上的表面紋理。表面紋理可以是水平條紋方式的。另外,表面紋理可以是成十字交叉關系的細槽形雙向表面紋理。
            在另一變例中,孔在每塊板上產生的開孔面積占板總面積的約5%至約20%。優選地,孔在每塊板上產生的開孔面積占板總面積的約8%至約12%。
            在再一變例中,波紋的根部(root)半徑(r)在約0.1毫米至約3.0毫米的范圍內。優選地,波紋的根部半徑在約0.3毫米至約1.0毫米的范圍內。
            在另一方案中,規整填料的表面積密度在約500m2/m3到675m2/m3范圍內,并包括多塊成垂直平行關系設置的波紋板。每塊板有至少一個孔,以及多個規則間隔的、基本平行的波紋,波紋與相鄰板上的波紋成十字交叉關系設置。孔的等效直徑小于約4毫米,但大于約2毫米。波紋相對于水平方向的波紋角度(∝)在約40°至約60°之間。每一波紋,當基本上呈三角形橫截面時,其坡口角度(β)在約90°至約100°之間,坡口角度由波紋的兩側所限定。
            在一種變例中,規整填料還包括施于至少一塊波紋板的至少一部分表面上的表面紋理。表而紋理可以是水平條紋方式的。另外,表面紋理可以是成十字交叉關系的細槽形的雙方表面紋理。
            在另一變例中,孔在每塊板上產生的開孔面積占板總面積的約5%至約20%。優選地,孔在每塊板上產生的開孔面積占板總面積的約8%至約12%。
            在再一變例中,波紋的根部(root)半徑(r)在約0.1毫米至約3.0毫米的范圍內。優選地,根部半徑在約0.3毫米至約1.0毫米的范圍內。
            另一方面,本發明是一種用于在第一相和第二相之間進行傳熱和/或傳質的交換塔,交換塔具有至少一種如上所述的任何一種方案或變例的規整填料。
            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含有至少一個傳質區的蒸餾塔中進行逆流接觸,其中液-汽接觸是在至少一種如上所述的任何一種方案或變例的規整填料上進行的。
            本發明的另一方面是在兩種液體之間進行質量和/或熱量交換的方法,包括使所述液體在至少一個交換塔中接觸,其中液-液接觸是在至少一種如上所述的任何一種方案或變例的規整填料上進行的。在本發明這一方面的一個變例中,液體在交換塔內是并流的。在另一變例中,液體在交換塔內是逆流的。
            本發明的另一方面是一種交換塔內的填料段,包括第一層規整填料;位于第一層規整填料下方的第二層規整填料,其中第二層相對于第一層旋轉一個角度。第一層和第二層中的規整填料可以是如上所述的任何一種方案或變例的規整填料。在本發明這一方面的一個變例中,角度在約0°至90°之間。
            本發明還包括一種在交換塔內安裝規整填料的多步驟方法。第一步是提供一個交換塔。第二步是提供一種表面積密度為約350m2/m3至約800m2/m3的規整填料,該規整填料包括多塊以垂直平行關系設置的波紋板,每塊板具有至少一個孔以及多個規則間隔的、基本上平行的波紋,波紋與相鄰板上的波紋成十字交叉關系設置,其中孔的等效直徑小于約4毫米,但大于約2毫米,波紋相對于水平方向的波紋角度(∝)在約35°至約65°之間,每一波紋,當基本上呈三角形橫截面時,其坡口角度(β)在約80°至約110°之間,坡口角度由波紋的兩側所限定。最后一步是在交換塔內安裝規整填料。
            安裝方法的另一方案類似于上面描述的方法,除了第二步使用上述第二方案(“另一方案”)中所述的規整填料,而不是第一方案(“一種方案”)中的規整填料。
            下面將參照附圖通過實施例來描述本發明,其中圖1是空氣分離設備的示意圖;圖2是傳統規整填料元件的透視圖;圖2A是沿圖2中線2A-2A的元件剖視圖;圖3是描述傳統規整填料中相鄰元件成十字設置的示意圖;圖4是描述在填料塔中使用壁刮(wiper)的示意圖;圖5A是在沿圖5B中線5A-5A截面的一定高度上的規整填料磚設置的平面示意圖;圖5B是在蒸餾塔的段中蒸汽和液體分布器之間的多層規整填料的設置高度示意圖;圖6是描述本發明規整填料與市場上購得的規整填料的性能比較曲線,是在圖中所注釋條件下,以理論塔板高度(HETP)與蒸汽速度(KV)的關系表示;圖7是描述本發明規整填料與市場上購得的規整填料的另一個性能比較的曲線,是在圖中所注釋條件下,以壓降(dP/ft)與蒸汽速度(KV)的關系表示。
            分離如空氣的混合物的低溫方法的成本取決于所用接觸裝置的效率。蒸餾塔板已用了八十年以上,在最近的十五年中,引入了規整填料,并且其應用呈上升趨勢,這是因為它具有相對于塔板來說壓降低得多的優點。盡管在這段時間內,可以利用各種類型的填料,但許多可以從市場上購得的填料不是最優的,因為這些塔板是開發用來分離具有不同物理和傳遞性質的烴類混合物的。
            使用規整填料的傳統技術描述在各種涉及規整填料的專利中,如US 4296050(Meier)公開了波紋規整填料及其應用。基礎的傳統規整填料元件20如圖2所示。每一填料元件由薄金屬箔或其它合適的波紋材料制成。填充了傳統規整填料的蒸餾塔40如圖5A和5B所示。
            典型的規整填料使用如圖2所示的垂直取向波紋填料片或元件20,其中波紋與水平方向以一定角度(∝)排列。每一元件都這樣設置相鄰填料片上的波紋方向相反,如圖3所示。(實線表示一個填料元件上的波紋,虛線表示相鄰填料片上的波紋)。當垂直放置用在蒸餾塔中時,波紋與水平方向成一定角度(∝)。除形成波紋外,元件或片上可以有表面紋理30(如橫向或水平條紋)、洞或孔28、凹坑、槽、或能增強基本元件20性能的其它特征。如剖示圖2A所示,波紋形成波狀。波紋的兩個交替的斜側形成一夾角(β),稱之為“坡口角度”。盡管在折上存在有限的曲率半徑(“根部半徑”)(r),波紋的波接近三角形是最常用的,這一點如圖2A所示。根部半徑(r)在0.1至3.0毫米之間是優選的,特別優選的根部半徑是0.3至1.0毫米。
            使用最基本的填料元件20,通過組裝元件形成規整填料“磚”24(通常是每塊磚有約40至50個元件),因此,相鄰元件上的波紋以十字交叉方式排列,如圖3所示。(用于固定元件的裝置未示出)。當磚24放置在圓柱形塔22內時,靠近壁的磚邊緣粗糙并有缺口,產生縫隙。為了減少液體旁路,通常使用圖4所示的壁刮26。
            如圖5A和5B所示,規整填料磚24通常在蒸餾塔40的塔段上組裝成層(48,48′)。圖5A是平面圖,以在圖5B的5A-5A剖面來表示約十二塊磚24在一定高度上的設置。圖5B示出了規整填料塔40整體設置的高度示意圖,在液體分布器44和蒸汽分布器46之間的一個塔段上,該塔具有多個層(48,48′),其中后續的填料層(48,48′)(每層約8英寸高)旋轉,相互之間成直角(好90°)。這是最常見的設置,但是也可以使用其它放置方式(例如,后續層旋轉角度為約0°至約90°)。
            本發明通過同時改變至少四個限定波紋規整填料的幾何結構和性能的參數進行,不同于現有技術中所指出的一次改變一個物理參數或計算參數。本發明中改變的參數是表面積密度(A)、波紋角度(∝)、坡口角度(β)、孔徑(等效直徑),以及表面增強特征,如孔間距和表面紋理。而在現有技術中單獨討論這些特征時,沒有認識到或說明坡口角度β的重要性(除在Dunbobbin等的專利中通過參數“s”調整負荷的間接方法外)。事實上,在現有技術中通常是調整A和∝來計算規整填料的傳質和壓降特征,而沒有特別考慮坡口角度β的作用,在本發明中,這是一關鍵參數。
            此外,上面確定的這些參數的范圍對優化本發明規整填料是令人驚訝和意外的。這是因為結合這些參數的效果是復雜并且沒有完全預見的。因為在這些參數之間有著強的相互作用,它們決定了蒸汽和液體的流動特征,從而決定了規整填料的最終性能。本發明的令人驚訝和意外的結果是通過大量的實驗工作和理論模擬工作才確定的。
            對于低溫應用,按照本發明,坡口角度β的最優范圍大于90度。這是特別令人驚訝的,因為大多數用于低溫空氣分離的市售填料的坡口角度β都小于90度。此外,與Rohde等人所說明的相反,最優表面積密度遠小于1000-1500m2/m3。所以,通過本發明可以大量節約材料成本。
            按照本發明,當上面確定的四個參數在如下范圍內時,通過使用具有表面增強特征—如孔和表面紋理—的波紋填料,可以獲得低溫應用中的最優性能。對于表面積密度(A),優選范圍是350-800m2/m3,最優選的范圍是500-675m2/m3。對于波紋角度(∝),優選的范圍是35-65度,最優選的范圍是40-60度。對于坡口角度(β),優選的范圍是80-110度,最優選的范圍是90-100度。對于孔,優選的等效直徑大于2毫米,但小于4毫米。(等效直徑以四乘以孔面積除以孔的周長來計算)。在優選的方案中,孔是圓形的。但也可以使用各種形狀的孔,包括但不限于卵形、長方形、橢圓形孔、淚滴形孔、窄縫形孔、三角形孔、矩形孔,以及其它多邊形孔。
            與現有技術所指出的有限方法相比,本發明可以以許多不同的方式應用,以使蒸餾分離和純化系統的總成本最低。這是通過在上面提出的優選范圍內改變四個獨立參數實現的。例如,可以使蒸餾塔的高度最小、或限制其最大直徑、或使其體積和/或重量最小。當獲得如Lockett等人和McKeigue所指出的含有多個填料段的恒定直徑的塔不是本發明的特定目的時,這些結果可以通過同時改變至少四個上面討論的參數來獲得。本領域中的技術人員可以認識到本發明也可用于其它應用,如提取或吸收。
            此外,當試圖使蒸餾塔系統的成本最小時,應當考慮其制造成本。因此,有利地是改變所有四個參數,或者保持幾個參數不變,而僅改變一個或二個或三個參數。例如,在所有參數處于恒定值時,可以生產所有填料。另外,改變一個參數,如表面積密度A或波紋角度∝,同時保持其它參數不變,可以生產不同的填料。此外,對于每個蒸餾塔段,還可以變化四個參數,即表面積密度A、波紋角度∝、坡口角度β和孔徑(等效直徑),同時保持表面紋理不變。在優化性能時,還可以改進表面紋理以提高總的適應性。
            通過本發明所得到的結果是令人驚訝和意外的,在優選范圍內結合四個參數能導致比現有技術更優的解決方案。正如下面討論的實施例所指出,所得到的結果是(1)傳質和每個理論級的壓降改進了15%,對生產能力沒有任何影響;(2)在維持填料段的總高度和直徑不變,保持傳質和壓降性能在同一水平的同時,材料成本節約了35%。這些改進的數量級(即性能提高15%和材料成本節約35%)是令人驚訝和意外的。本領域的技術人員也許能預見到在性能上有些許改進和/或在材料成本上有些許節約(幾個百分點),但本發明所得到的結果遠遠超出了這些預見。換句話說,就是本領域技術人員所預見到的東西遠少于本發明實際上得到的結果。
            下面討論的實施例用于說明本發明的可能的應用。其它一些實施例是本領域技術人員可以預見的。實施例1說明本發明填料的性能超過了“Mellapak 500Y”填料,這種填料是用于空氣分離工業的最主要規整填料。(“Mellapak 500Y”是Sulzer Chemtech的商品名)。基于實驗室的結果,傳質和每個理論級的壓降提高了15%,對生產能力沒有任何影響。
            實施例2說明了按本發明所說范圍外側設計的規整填料與按本發明優化的規整填料的比較結果。該實施例說明了在被優化的填料的優選范圍外側的高表面積密度填料的性能與本發明所說的優選范圍內側的填料性能比較的意外結果。該實施例表明,在維持了填料段的部高度和直徑不變,保持傳質和壓降性能在同一水平的同時,材料成本節約了35%。該實施例還表明,相對于現有技術中Rohde等人所說明的(用于低溫空氣分離的規整填料的最優表面積密度遠高于現有技術),水發明具有意想不到的效果。Rohde等人指出表面積密度高于1000m2/m3是最優的,而現有技本填料在125-700m2/m3之間。Rohde等人還指出如果低壓塔為1000m2/m3,特別是750m2/m3,則氬氣塔可以是700-900m2/m3,特別750m2/m3。與此相反,本發明證明,表面積為800m2/m3的填料在最優范圍之外,最優范圍僅520m2/m3,很明顯,本發明得到了令人意外的效果。
            實施例1圖6和下表說明,與Mellapak 500Y相比,如何按本發明的說明同時改變四個參數以得到用于低溫空氣分離的最優規整填料,Mellapak500Y是工業上最常用的規整填料。低溫試驗在實驗室蒸餾塔中進行。有8層填料,其直徑和高度都接近8英寸,在塔內一層在另一層的上方,其中后續層相對旋轉90°。所有填料段的直徑約8英寸,總高度約65英寸。塔用于在30psia的壓力和全回流的條件下分離氬-氧雙組分混合物。使得塔內的液汽流量比,即L/V比率,等于1。在不同流動條件下達到穩定狀態后,對每種填料如下進行數據簡化。由塔頂和塔底的混合物組成計算出所獲得的總分離效果。這些數據被轉化為所獲得的理論級數。由于所使用的總高度為65英寸,可獲得理論塔板高度(HETP)的值。這一數據是相對蒸汽速度Kv提出的,其定義如下Kv=Uv[ρv/(ρl-ρv)]0.5其中,Uv=填料段內蒸汽相的空塔速度ρv=蒸汽相的密度ρl=液體相的密度如圖6和下表所示,在維持每英尺填料的壓降相同的條件下,在0.14-0.22英尺/秒的寬操作范圍的Kv下,本發明填料在傳質性能上提高了15%(降低HETP)。如果應用到工業蒸餾塔上,這將導致在傳質和每個理論級的壓降上改進15%,同時維持塔的生產能力。換一種說法,這意味著使用與現有技術相同的直徑時,本發明的填料段只需要85%的高度。在此同時,填料段的壓降相應減少15%,因為所使用的高度與現有技術相比下降了。填料之間力學上的差別(以及類似性)如下所述。四種參數以令人意外的方式結合,與現有技術相比,產生了15%的改進。填料類型 Mellapak 500Y本發明表面積密度,m2/m3500 635波紋角度∝,度 48 57坡口角度β,度 75 97孔徑,mm 42.4開孔面積,% 10 10表面紋理 橫向條紋 橫向條紋相對生產能力 1.0 1.0相對dP/ft1.0 1.0相對dP/級1.0 0.85相對HETP 1.0 0.85
            實施例2本實施例說明了另一令人驚訝和意外的結果。如前面所述,Rohde等人指出,對于用于低溫空氣分離的規整填料高表面積密度是最優的。申請人已發現,高表面積密度的填料與表面積密度低得多的填料在性能是相當的,在大大節約材料的基礎上不會損害性能。基于在實施例1所述的蒸餾塔體系中所進行的大量試驗,得出了下表所示的評價。
            在18psia的壓力和0.175英尺/秒的Kv下,比較兩種填料在分離氬/氧雙組分混合物時的性能。現有技術填料被認為在本發明所說的優選范圍的極限上,因此,選擇最高表面積密度為800m2/m3。為了使合理的壓降為每英尺0.32英寸水柱,還選擇最大波紋角度(∝)為65度,最小坡口角度(β)為80度。現有技術的填料具有4毫米的孔,開孔面積為10%。按照本發明,通過使用表面積密度僅為520m2/m3、其它參數如下表所示的填料,其性能是相當的。兩個具有相同直徑和高度的包括這兩種填料并在這些條件下操作的蒸餾塔產生相同的傳質和壓降結果。但因為金屬使用量減少了35%,大大降低了填料段的重量和整個系統的成本。這是非常意外的結果。此外,高表面積密度的填料的停車能力十分低下,這是已知的,對于當前的空氣分離設備來說,良好的停車能力是一個重要的要求。除前面所述的重量和成本優點外,如本發明所指出的,有比例的使用較低的表面積密度,能大大改進停車能力。填料類型現有技術 本發明表面積密度,m2/m3800520波紋角度∝,度 65 46坡口角度β,度 80 93孔徑,mm4 2.4開孔面積,%10 10表面紋理橫向條紋 橫向條紋HETP,英寸 5.80 5.80dP/ft,英寸水柱 0.32 0.32進一步說,如果現有技術的實施例用95度的坡口角度(β)取代80度,即從本發明優選范圍的邊緣向其范圍的中部移動,仍然可以找到表面積密度僅為600m2/m3的等效填料,相對于現有技術,它仍然是一種很大的節約,并保持了大部分停車優點。
            上述實施例還說明了使用具有在本發明優選范圍內的參數的波紋規整填料的效果。這些實施例不是排它或限制性的。盡管這些實施例涉及接近常壓的氬/氧分離,但是本發明可以用于在寬壓力范圍內操作的所有低溫系統。本發明在空氣分離設備的所有蒸餾塔段中特別有用。這包括但不限于所謂的高壓塔、低壓塔、粗氬塔和純氬塔。
            這些概念的其它變動和延伸對本領域技術人員來說是顯而易見的。例如,變動包括提取和吸收。這一技術可以用于任何蒸汽(或氣相)與液體逆流接觸的傳熱和傳質交換塔。本發明也不限于蒸餾或低溫蒸餾應用。
            本發明的各種方案已特別參照上述實施例進行了描述。然而,應當理解,在不脫離本發明和所附權利要求書的精神和范圍的前提下,可以對這些方案和實施例進行變動和改進。
            權利要求
            1.一種表面積密度約350m2/m3至約800m2/m3的規整填料,包括以垂直平行關系設置的多個波紋板,每塊板具有至少一個孔,以及多個規則間隔的、基本平行的波紋,波紋設置成與相鄰板上的波紋成十字交叉關系,其中孔的等效直徑小于約4毫米,但大于約2毫米,波紋相對于水平方向的波紋角度(∝)為約35°至約65°,每個波紋,當接近具有基本上為三角形的橫截面時,具有為約80°至約110°的坡口角度(β),坡口角度由波紋兩側所限定。
            2.一種表面積密度約500m2/m3至約675m2/m3的規整填料,包括以垂直平行關系設置的多個波紋板,每塊板具有至少一個孔,以及多個規則間隔的、基本平行的波紋,波紋設置成與相鄰板上的波紋成十字交叉關系,其中孔的等效直徑小于約4毫米,但大于約2毫米,波紋相對于水平方向的波紋角度(∝)為約40°至約60°,每個波紋,當接近具有基本上為三角形的橫截面時,具有為約90°至約100°的坡口角度(β),坡口角度由波紋兩側所限定。
            3.權利要求1的規整填料,進一步包括施于至少一塊波紋板的至少一部分表面上的表面紋理。
            4.權利要求3的規整填料,其中表面紋理是水平條紋。
            5.權利要求3的規整填料,其中表面紋理是成十字交叉關系的細槽形的雙向表面紋理。
            6.權利要求1的規整填料,其中孔在每塊板上產生的開孔面積占板總面積的約5%至約20%。
            7.權利要求1的規整填料,其中孔在每塊板上產生的開孔面積占板總面積的約8%至約12%。
            8.權利要求2的規整填料,其中孔在每塊板上產生的開孔面積占板總面積的約5%至約20%。
            9.權利要求2的規整填料,其中孔在每塊板上產生的開孔面積占板總面積的約8%至約12%。
            10.權利要求1的規整填料,其中根部半徑(r)在約0.1毫米至約3.0毫米的范圍內。
            11.權利要求1的規整填料,其中根部半徑(r)在約0.3毫米至約1.0毫米的范圍內。
            12.用于在第一相與第二相之間進行質量和/或熱量交換的交換塔,該交換塔具有至少一種如權利要求1所述的規整填料。
            13.一種低溫空氣分離方法,包括使蒸汽與液體在至少一個蒸餾塔中逆流接觸,該蒸餾塔包括至少一個傳質區,其中液-汽接觸是采用至少一種權利要求1所述的規整填料來完成的。
            14.在兩種液體之間交換質量和/或熱量的方法,包括使所述液體在至少一個交換塔內接觸,其中液-液接觸是采用至少一種權利要求1所述的規整填料來完成的。
            15.權利要求14的方法,其中所述液體在交換塔內并流流動。
            16.權利要求14的方法,其中所述液體在交換塔內逆流流動。
            17.一種交換塔內的填料段,包括第一層權利要求1所述的規整填料;和位于第一層規整填料下方的第二層權利要求1的規整填料,其中第二層相對第一層旋轉一個角度。
            18.權利要求17的填料段,其中角度為約0°至約90°之間。
            19.在交換塔內安裝規整填料的方法,包括以下步驟提供一個交換塔;提供一種表面積密度為約350m2/m3至約800m2/m3的規整填料,該規整填料包括多塊以垂直平行關系設置的波紋板,每塊板具有至少一個孔以及多個規則間隔的、基本上平行的波紋,波紋與相鄰板上的波紋成十字交叉關系設置,其中孔的等效直徑小于約4毫米,但大于約2毫米,波紋相對于水平方向的波紋角度(∝)在約35°至約65°之間,每一波紋,當接近基本上為三角形的橫截面時,其坡口角度(β)在約80°至約110°之間,坡口角度由波紋的兩側所限定;在交換塔內安裝規整填料。
            20.在交換塔內安裝規整填料的方法,包括以下步驟提供一個交換塔;提供一種表面積密度為約500m2/m3至約675m2/m3的規整填料,該規整填料包括多塊以垂直平行關系設置的波紋板,每塊板具有至少一個孔以及多個規則間隔的、基本上平行的波紋,波紋與相鄰板上的波紋成十字交叉關系設置,其中孔的等效直徑小于約4毫米,但大于約2毫米,波紋相對于水平方向的波紋角度(∝)在約40°至約60°之間,每一波紋,當接近基本上為三角形的橫截面時,其坡口角度(β)在約90°至約100°之間,坡口角度由波紋的兩側所限定;在交換塔內安裝規整填料。
            全文摘要
            一種規整填料,其表面積密度為約500m
            文檔編號B01J10/00GK1266740SQ0010416
            公開日2000年9月20日 申請日期2000年3月15日 優先權日1999年3月15日
            發明者S·森德, H·C·克洛茨, G·A·梅斯基 申請人:氣體產品與化學公司
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