专利名称：减少填料塔中蒸汽旁路的装置及其装配方法
技术领域：
本发明涉及在，用于液体和蒸汽之间交换热量和/或质量的填料塔中使蒸汽旁路最小。本发明特别适用于利用蒸馏的低温空气分离过程，虽然本发明也可以用于其它使用填料(例如无规则或结构填料)的传热和/或传质过程。本发明还涉及为最小化蒸汽旁路而引入限制元件的填料塔的装配方法。
此处所使用的术语“塔”是指蒸馏或分馏的塔或区域，即在该塔或区域内汽液两相逆流接触，从而实现分离流体混合物，例如使汽液两相在塔内的填料元件上接触。
术语“填料”指的是用作塔的内构件并具有预定的尺寸、形状和结构的实心和中空体，在汽液两相逆流过程中，该“填料”为液体提供表面积，从而在汽液界面进行传质。填料的两个广义的分类为“无规则填料”和“结构填料”。
“无规则填料”指的是各个构件之间或相对塔轴没有特定取向关系的填料。无规则填料随机装入塔中，是具有大的单位体积表面积的小而中空结构。
“结构填料”指的是各个构件之间或相对塔轴有特定取向关系的填料。结构填料通常由层状或旋绕状堆放的网形铁或编织的丝网制成。尽管如此，其它的结构材料如金属板也可以使用。
此处所使用的术语“填料芯柱”(或“芯柱”)指的是一个或多个填料层，其中每层由一个或多个单独的填料段组成。
低温空气分离是通过使液体和蒸汽逆流接触通过蒸馏塔而进行的。混合物的汽相上升，其中易挥发组分(如氮)的浓度不断增大，而混合物的液相下降，其中难挥发组分(如氧)的浓度不断增大。可以使用各种填料或塔板，使混合物的汽液两相相互接触，以实现相间传质。
在蒸馏塔中使用结构填料为标准操作，它具有许多优点，其中压降较低是很重要的。在蒸馏塔中汽液逆流流动，在填料和塔壁之间通常有一个环隙。
填料蒸馏塔的性能对沿着塔壁通过环隙的蒸汽旁路可能会很敏感，这取决于塔的操作条件。在顶部产品纯度很高的塔段如高压塔、低压塔的顶盖段或空气分离装置中的纯氢塔，蒸汽旁路的影响尤其明显。例如在一个典型的高压塔内，1％的蒸汽旁路就可以使氮气产品中的氧浓度从1ppm增大到2100ppm(其中ppm指百万分之一。PPb指十亿分之一)。在实际中，尽管全部蒸汽旁路不会发生，但造成返混的部分旁路还是会发生的。旁路通过的蒸汽与馏出的蒸汽的混合减小了旁路蒸汽对塔性能的影响，但不会消除其有害影向。
塔径对于沿着塔壁旁路的可能性有很大的影响。小直径的塔更易受到蒸汽旁路的影响，这是因为对于固定的间隙尺寸，因靠近塔壁的环面积的百分数对固定的间隙大小来说随着塔径的减小而增大。在典型的填料到塔壁的距离为4.5毫米(mm)时，
图1中环面积的百分数对塔径的曲线说明了这一点。如图所示，相对于200毫米(mm)的塔，400毫米(mm)的塔具有的环面积百分数大约是它的一半，而1000毫米(mm)的塔具有的环面积百分数大约是它的1/5。
通过分析和实验，本发明者已经发现，使蒸汽旁路最小或消除蒸汽旁路对蒸馏塔中的传质性能具有很大影响。对于要求高纯度顶部产品(例如测得的杂质以ppm或PPb表示)的塔，如高压塔或使氧和氩与氮分离的低压塔中的顶盖塔段，这一点是很重量的。另一个例子是从氧中分离氮时达到很低的氧杂质量(ppm)的蒸馏塔。
在小填料塔中，已有技术在最小化蒸汽旁路方面不是很有效。这是由于在确定填料芯柱的几何形状时，不仅要考虑性能因素，还要考虑成本、易于制造和易于安装等。
针对小直径柱填料，某供应商的标准产品配有网状刮片。为了易于安装，该供应商还提供了一个可选用的环绕填料芯柱的3毫米金属带。使用网状刮片的主要目的是为了从塔壁上去液体。网状刮片可以通过蒸汽旁路，而且3mm的带增大了填料边缘与塔壁之间的环隙面积，这两者可能会增大沿着塔壁的蒸汽旁路。
在现场安装的大直径塔中，其中柱填料是不现实的，同一供应商建议在填料和塔壁之间留有间隙，致使液体不能达到塔壁并从塔壁流下。虽然可以减小液体旁路，但形成蒸汽旁路通道，而蒸汽旁路对超高纯度的应用是很有害的。
其它供应商在他们的填料芯柱上使用各种装置以减小或消除在塔壁上的液体流。但本发明者已经发现，通过堵塞小直径塔中的环隙面积致使塔中的蒸汽旁路最小，可以达到较大的性能优点。该优点是已有技术达不到的，已有技术并来意识到要消除蒸汽旁路。
现有技术装置的环隙(结构填料和塔壁之间)间距的目的是为了减小或消除塔壁上的液体流，而不是为了消除蒸汽旁路。在现有技术中并未意识到要使蒸汽旁路最小。甚至其中使用固体刮片时，其目的也是为了从塔壁上除去液体，而不是为了使蒸汽旁路最小。
例如US 5 464 573公开了一种壁刮片(wall wiper)，该壁刮片用来从塔内壁上向中心收集并引导液体，为了通过液体收集一分布装置进行液体的收集和分布。没有提到蒸汽旁路或想要使蒸汽旁路最小。
在使用填料的蒸馏塔(及其它交换塔)中，为了改善塔的传质性能，需要有一种部件来大幅度地最小化或消除蒸汽旁路。
其次，在具有适合低温应用的、极好的性能特征的蒸馏塔中，如用于空气分离和用于其它传热和/或传质过程，需要有一种部件大幅度地最小化或消除蒸汽旁路。
此外，还需要有一种用于在流动的液体物流和流动的蒸汽物流之间交换热量和/或质量的装置的装配方法，该装置克服了现有技术的许多困难和缺点，达到了更好和更优异的结果。
本发明是一种用于在流动的液体物流和流动的蒸汽物流之间交换热量和/或质量的装置。本发明还包括该装置的各种实施方案的装配方法。
在第1个实施方案中，该装置包括(1)一个基本上为圆柱状的、具有内壁的塔段；(2)一个设在塔段内部的填料芯柱，该填料芯柱的外表面与塔段的内壁之间有间隙；(3)用于使塔段内壁与填料芯柱外表面之间的间隙内的蒸汽物流的流量最小的限制部件。
在第2个实施方案中，限制部件为至少一个沿着填料芯柱外表面周边设置的固体刮片(solid wiper)。该固体刮片的内侧周边部位安装在填料芯柱的外表面上，外侧周边部位紧贴塔段内壁。该固体刮片优选由金属制造。
在第3个实施方案中，限制部件也是至少一个沿着填料芯柱外表面周边设置的固体刮片。但在这一实施方案中，该固体刮片的内侧周边部位紧贴填料芯柱的外表面，外侧周边部位则安装在塔段内壁上。在这一实施方案中，该固体刮片也是优选由金属制造。
在第4个实施方案中，限制部件为至少一个沿着填料芯柱外表面周边设置的垫圈。该垫圈的内侧周边部位安装在填料芯柱的外表面上，外侧周边部位紧贴塔段内壁。该垫圈优选由疏松的泡沫类材料如Gore-tex(为Gore Associates商标)制造。
在第5个实施方案中，限制部件也是至少一个沿着填料芯柱外表面周边设置的垫圈。但在这一实施方案中，该垫圈的内侧周边部位紧贴填料芯柱的外表面，外侧周边部位安装在塔段内壁上。与前一实施方案相同，该垫圈的优选材料为Gore-tex。
本发明的第6个实施方案是一种用于在流动的液体物流和流动的蒸汽物流之间交换热量和/或质量的装置，该装置包括(1)一个基本上为圆柱状的、具有内壁的塔段；(2)一个设在塔段内部的基本上为圆柱状的填料芯柱，其中基本上为圆柱状的填料芯柱的外径与基本上为圆柱状的塔段的内径基本上相等。
本发明的第7个实施方案是一种用于在流动的液体物流和流动的蒸汽物流之间交换热量和/或质量的装置，该装置包括(1)一个基本上为圆柱状的、具有内壁的塔段；(2)一个设在塔段内部的填料芯柱，该填料芯柱的外表面与塔段的内壁之间有间隙；(3)在塔段内壁与填料芯柱外表面之间的间隙内提供不漏蒸汽的密封的部件。
第8个实施方案是一种用于在逆流流动的液体和蒸汽之间交换热量和/或质量的装置，该装置包括(1)一个基本上为圆柱状的、具有内壁的塔段，液体在塔段的一端进入，蒸汽在塔段上相对的另一端进入；(2)一个设在塔段内部的填料芯柱，该填料芯柱的外表面与塔段的内壁之间有间隙，因此在塔段的内壁和填料芯柱的外表面之间是一个环隙；(3)用于引导蒸汽离开塔段内壁从环隙向内朝填料芯柱流动的部件。
第9个实施方案是一种用于在流动的液体物流和流动的蒸汽物流之间交换热量和/或质量的交换塔的改进，该交换塔有一个基本上为圆柱状的、具有内壁的塔段，一个设在塔段内部的填料芯柱，该填料芯柱的外表面与塔段的内壁之间有间隙。改进之处包括限制部件，该限制元件用于使塔段内壁与填料芯柱外表面之间的间隙内的蒸汽物流的流量最小。
本发明的另一方面是一种用于低温空气分离的方法，该方法包括在至少一个蒸馏塔中使汽液逆流接触，该蒸馏塔中含有至少一个质量和/或热量传递区域，该方法具有至少一个如上述实施方案1、6、7或8中的装置。
本发明还包括上述装置的各种实施方案的装配方法。在一个实施方案中，用于在流动的液体物流和流动的蒸汽物流之间交换热量和/或质量的装置的装配方法包括下列步骤。第一步是提供一个基本上为圆柱状的、具有内壁的塔段。下一步是在塔段内部设置一个填料芯柱，该填料芯柱的外表面与塔的内壁之间有间隙。最后一步是设置限制部件，用来使塔段内壁与填料芯柱外表面之间的间隙内的蒸汽物流的流量最小。
用于在流动的液体物流和流动的蒸汽物流之间交换热量和/或质量的装置的装配方法的再一个实施方案包括下列步骤。第一步是提供一个基本上为圆柱状的、具有内壁的塔段。第二步是在塔段内部设置一个基本上为圆柱状的填料芯柱，其中基本上为圆柱状的填料芯柱的外径与基本上为圆柱状的塔段的内壁直径基本上相等。
用于在流动的液体物流和流动的蒸汽物流之间交换热量和/或质量的装置的装配方法的再一个实施方案包括下列步骤。第一步是提供一个基本上为圆柱状的、具有内壁的塔段，液体在塔段的一端进入，蒸汽在塔段上相对的另一端进入。下一步是在塔段内部设置一个填料芯柱，该填料芯柱的外表面与塔段的内壁之间有间隙，因此在塔段的内壁和填料柱的外表面之间是一个环隙。最后一步是设置用于引导蒸汽离开塔段内壁从环隙向内朝填料芯柱流动的部件。
下面将参照附图通过实施例描述本发明的实施方案，其中图1是一条曲线，说明了在填料塔中环隙面积的百分数％与塔径(mm)的函数关系，假定在填料和塔壁之间有4.5毫米(mm)的间隙或环隙；图2为用于本发明的一个实施方案中的固体刮片的示意性的透视图；图3为塔内的填料芯柱的俯视示意图，其中在塔内壁和填料之间的环隙内设有固体刮片(如图2所示的固体刮)；图4为用于填料塔的塔壁和填料之间的环隙内的固体刮片的侧视示意图，比如图3中的固体刮片；图5为填料塔的塔壁和填料之间的垫圈的侧视示意图；图6为在以截面表示的塔段内部有两个固体刮片的结构填料柱剖面图。
本发明的基础是填料交换塔性能上的惊人的和意想不到的改进，这一改进是由于最小化或消除了塔内壁和塔内填料之间的间隙内的蒸汽旁路而带来的。
这一惊人的和意想不到的性能结果是通过堵塞环隙或使环隙最小(或消除环隙)来实现的。对于直径相对较小的使用填料芯柱的塔(例如直径小于2米的塔及典型的直径小于1米的塔)来说，使其环隙最小是尤其重要的。使蒸汽旁路最小改进了塔的传质性能，对于空气分离装置中生产高纯度蒸汽产品的塔来说尤其明显。
用于堵塞环隙的一种部件为固体刮片22，如图2所示。如图3和4所示，将固体刮片安装在填料塔中，其中固体刮片堵塞了在填料28的外表面和塔壁26内侧之间的环隙32。固体刮片可以固定在填料上、塔壁上或与二者均固定。
固体刮片22有一个内侧部位36和一个外侧部位34，如图2所示。其内侧部位可以安装在填料28的外表面上，此时其外侧部位紧贴塔26的内壁。相反，其外侧部位也可以安装在塔的内壁上，此时其内侧部位则紧贴填料的外表面。在另一种供选择的方案中，固体刮片的内侧部位可以安装在填料的外表面上，同时固体刮片的外侧部位也可以安装在塔的内壁上。
固体刮片22优选由金属制造。如图2所示，固体刮片可以有许多切口24，以便容易围绕填料28弯曲固体刮片，如图3所示。尽管这些切口会造成少许蒸汽旁路，但这些切口设计简单，并且提供了一种围绕填料安装固体刮片的比较经济的方法。尽管如此，设计一种不带切口的固体刮片，使其与填料周围紧密配合并基本上覆盖环隙32，这也是可能的。但这种设计可能更昂贵，安装起来可能会更困难。
尽管图4只显示了位于一个水平或高度上的固体刮片22，但另外的固体刮片(22′)可以安装在环隙32内相互间隔的不同高度上，如图6所示。
图5表示的是本发明的另一种实施方案，其中使用垫圈30(而不是固体刮片22)来堵塞填料28和塔壁26之间的环隙32。与带有固体刮片时相同，可以有多个垫圈安装在每个填料芯柱的周边上，每个垫圈处于不同的水平或高度上。
垫圈30可以由能够在蒸馏操作及热循环中承受低温的任何材料制成。一种这样的材料为Gore-tex，这是一种公知的垫圈材料，是一种疏松的泡沫类材料。(Gore-tex是Gore Associates商标。)垫圈30的内侧部位40安装在填料28的外表面上，其外侧部位38紧贴塔26的内壁。可供选择地，垫圈的外侧部位也可以安装在塔的内壁上，此时垫圈的内侧部位则紧贴填料的外表面。在另一种供选择的方案中，垫圈的内侧部位可以安装在填料的外表面上，同时垫圈的外侧部位也可以安装在塔的内壁上。
另一种供选择的方案是通过使填料的外径基本上等于塔壁的内径，从而基本上最小化或消除在塔壁26和填料28之间的间隙32。这样就不需要使用固体刮片22或垫圈30来阻止蒸汽旁路了。
本发明的优点已经在一个200毫米(mm)直径的蒸馏塔中得到证实。相对于一个类似的不带固体金属刮片的200mm填料塔，在塔内使用固体金属刮片总会使HETP(分离的理论当量塔板高度)降低大约5％-15％。在生产纯蒸汽产品的条件下，HETP的降低具有特别重要的意义。这一证实还表明当填料和塔壁之间的距离从5mm降低到3mm时，500m2/m3填料密度的HETP大约降低10％。
权利要求
1.一种用于在流动的液体物流和流动的蒸汽物流之间交换热量和/或质量的装置，该装置包括一个基本上为圆柱状的、具有内壁的塔段；设在塔段内部的填料芯柱，该填料芯柱的外表面与塔段的内壁之间有间隙；用于使塔段内壁与填料芯柱外表面之间的间隙内的蒸汽物流的流量最小的限制部件。
2.如权利要求1的装置，其中限制部件为至少一个沿着填料芯柱外表面周边设置的固体刮片，该固体刮片的内侧周边部位安装在填料芯柱的外表面上，外侧周边部位紧贴塔段内壁。
3.如权利要求1的装置，其中限制部件为至少一个沿着填料芯柱外表面周边设置的固体刮片，该固体刮片的内侧周边部位紧贴填料芯柱的外表面，外侧周边部位安装在塔段内壁上。
4.如权利要求1的装置，其中限制部件为至少一个沿着填料芯柱外表面周边设置的垫圈，该垫圈的内侧周边部位安装在填料芯柱的外表面上，外侧周边部位紧贴塔段内壁。
5.如权利要求1的装置，其中限制部件为至少一个沿着填料芯柱外表面周边设置的垫圈，该垫圈的内侧周边部位紧贴填料芯柱的外表面，外侧周边部位安装在塔段内壁上。
6.如权利要求2的装置，其中固体刮片由金属制造。
7.如权利要求3的装置，其中固体刮片由金属制造。
8.如权利要求4的装置，其中垫圈由疏松的泡沫类材料制造。
9.如权利要求5的装置，其中垫圈由疏松的泡沫类材料制造。
10.一种用于在流动的液体物流和流动的蒸汽物流之间交换热量和/或质量的装置，该装置包括一个基本上为圆柱状的、具有内壁的塔段；设在塔段内部的基本上为圆柱状的填料芯柱，其中基本上为圆柱状的填料芯柱的外径与基本上为圆柱状的塔段的内壁直径基本上相等。
11.一种用于低温空气分离的方法，该方法包括在至少一个蒸馏塔中使汽液逆流接触，该蒸馏塔含有至少一个传质和/或传热区域，该方法具有至少一个如权利要求1的装置。
12.一种用于低温空气分离的方法，该方法包括在至少一个蒸馏塔中使汽液逆流接触，该蒸馏塔含有至少一个传质和/或传热区域，该方法具有至少一个如权利要求10的装置。
13.一种用于在流动的液体物流和流动的蒸汽物流之间交换热量和/或质量的装置的装配方法，该方法包括如下步骤提供一个基本上为圆柱状的、具有内壁的塔段；在塔段内部设置填料芯柱，该填料芯柱的外表面与塔的内壁之间有间隙；和设置限制部件，该限制部件用来使塔段内壁与填料芯柱外表面之间的间隙内的蒸汽物流的流量最小。
14.一种用于在流动的液体物流和流动的蒸汽物流之间交换热量和/或质量的装置的装配方法，该方法包括如下步骤提供一个基本上为圆柱状的、具有内壁的塔段；在塔段内部设置基本上为圆柱状的填料芯柱，其中基本上为圆柱状的填料芯柱的外径与基本上为圆柱状的塔段的内壁直径基本上相等。
15.一种用于在流动的液体物流和流动的蒸汽物流之间交换热量和/或质量的装置，该装置包括一个基本上为圆柱状的、具有内壁的塔段；设在塔段内部的填料芯柱，该填料芯柱的外表面与塔段的内壁之间有间隙；用于在塔段内壁与填料芯柱外表面之间的间隙内提供不漏蒸汽的密封件。
16.一种用于在逆流流动的液体和蒸汽之间交换热量和/或质量的装置，该装置包括一个基本上为圆柱状的、具有内壁的塔段，液体在塔段的一端进入，蒸汽在塔段上相对的另一端进入；设在塔段内部的填料芯柱，该填料芯柱的外表面与塔段的内壁之间有间隙，因此在塔段的内壁和填料芯柱的外表面之间是一个环隙；用于引导蒸汽离开塔段内壁从环隙向内朝填料芯柱流动的元件。
17.在一种用于在流动的液体物流和流动的蒸汽物流之间交换热量和/或质量的交换塔中，该交换塔有一个基本上为圆柱状的、具有内壁的塔段，和一个设在塔段内部的填料芯柱，该填料芯柱的外表面与塔段的内壁之间有间隙，其改进之处包括限制部件，该限制部件用于使塔段内壁与填料芯柱外表面之间的间隙内的蒸汽物流的流量最小。
18.一种用于低温空气分离的方法，该方法包括在至少一个蒸馏塔中使汽液逆流接触，该蒸馏塔含有至少一个传质和/或传热区域，该方法具有至少一个如权利要求15的装置。
19.一种用于低温空气分离的方法，该方法包括在至少一个蒸馏塔中使汽液逆流接触，该蒸馏塔含有至少一个传质和/或传热区域，该方法具有至少一个如权利要求16的装置。
20.一种用于在流动的液体物流和流动的蒸汽物流之间交换热量和/或质量的装置的装配方法，该方法包括如下步骤提供一个基本上为圆柱状的、具有内壁的塔段，液体在塔段的一端进入，蒸汽在塔段上相对的另一端进入；在塔段内部设置一个填料芯柱，该填料芯柱的外表面与塔段的内壁之间有间隙，因此在塔段的内壁和填料芯柱的外表面之间是一个环隙；设置用于引导蒸汽离开塔段内壁从环隙向内朝填料芯柱流动的部件。
全文摘要
本发明涉及一种用于在流动的液体物流和流动的蒸汽物流之间交换热量和/或质量的装置,该装置包括一个基本上为圆柱状的、具有内壁的塔段,和一个设在塔段内部的填料芯柱。该填料芯柱的外表面与塔段的内壁之间有间隙。该装置还包括用于使塔段内壁与填料芯柱外表面之间的间隙内的蒸汽物流的流量最小的限制部件。
文档编号F25J3/04GK1253028SQ9912054
公开日2000年5月17日 申请日期1999年9月30日 优先权日1998年10月5日
发明者H·C·科洛茨, P·A·阿姆斯特龙, F·T·切伊诺, G·A·梅斯基, F·J·里斯卡, S·森德, F·G·乔伊斯 申请人:气体产品与化学公司