专利名称：一种用于传热或传质过程的设备的制作方法
技术领域：
本发明大体涉及规整填料(structured packing)。规整填料在热和/或物质交换塔中尤其是在低温空气分离过程中具有特定应用，但它可用于诸如热交换器的其它应用中。
背景技术：
如文中所用的用语“塔”是指蒸馏或分馏塔或区，S卩，其中液相和气相对流地接触以例如通过气相和液相在填充元件上或在安装于塔内的一系列竖直隔开的塔盘或板上的接触而实现流体混合物的分离的塔或区。分隔壁塔 是热耦合蒸馏塔系统。在分隔壁塔中，至少一个分隔壁位于塔的内部空间中。分隔壁一般是竖直的。例如，两次不同的传质分离可发生在分隔壁的任一侧。用语“填料”是指预定尺寸、形状和构型的实心或中空体，其在塔内部用于为液体提供表面积，以允许在两相的对流流动期间在液体-蒸汽界面处的传热和/或传质。填料的两种广义类别为“随机”和“规整”。“随机填料”是指其中单独的部件相对于彼此或相对于塔轴线不具有具体取向的填料。随机填料通常是随机装载到塔中的、每单位体积带有大表面积的小的中空结构。“规整填料”是指其中单独的部件相对于彼此或相对于塔轴线具有具体取向的填料。规整填料通常由堆叠成层的薄金属箔制成。在诸如蒸馏的过程中，有利的是使用规整填料来促进对流的液体流和蒸汽流之间的传热和/或传质。当与随机填料或塔盘相比时，规整填料提供了传热和/或传质效率更高且压降更低的益处。它还具有比随机填料更可预测的性能。规整填料的分离性能常常以相当于理论板的高度(HETP)的方式给出，其是实现与由理论板实现的组分改变相当的组分改变的填料高度。用语“理论板”是指气相与液相之间使得现有气态流和液体流达到平衡的接触过程。用于特定分离的特定填料的HETP越小，填料就越有效，因为所使用的填料床的高度随HETP减小。通过使对流接触的液体和蒸汽通过蒸馏塔来执行空气的低温分离。混合物的气相随着更易挥发的成分(例如，氮)的浓度不断升高而上行，而混合物的液相随着不易挥发的成分(例如，氧)的浓度不断升高而下行。各种填料或塔盘可用于使混合物的液相和气相接触，以完成各相之间的传质。存在通过低温蒸馏成其成分(即，氮、氧、氩等)而分离空气的许多工艺。典型的低温空气分离单元10在图1中示意性地示出。高(或更高)压力的供给空气1，典型地处于从2 bar至10 bar (200至1000 kPa)的压力，被供给到高(或更高)压蒸馏塔2的基部中。在高压塔2内，空气被分离成氮增浓的塔顶蒸汽和氧增浓的底部液体。氧增浓的底部液体流3在典型地减至从1.1 bar至2 bar (110至200 kPa绝对值)的适当减压(未示出)后从高压蒸馏塔2供给到低(更低)压蒸馏塔4中。氮增浓的蒸汽流5被传送到冷凝器6中，在此其冷凝以向低压塔4提供再沸。氮增浓的液体流7作为回流经由流8部分地返回高压塔2的顶部，并且作为液体回流经由流9部分地供给到低压塔4的顶部中。低压塔4由安置规整填料20的下部区段11和安置规整填料21的上部较窄区段12组成。包括规整填料22的分开的低压塔13，也称为辅助或侧臂塔，供以氩增浓流14的产生。在低压塔4中，流3和9通过低温蒸馏而分离成富氧和富氮成分。规整填料21和20可用于与待分离的氧和氮的液相和气相接触。富氮塔顶成分作为蒸汽流16被去除。富氧底部成分作为液体流17被去除。备选地，可将富氧成分作为蒸汽从包围再沸器/冷凝器6的贮槽中的位置去除。废物流16也从低压蒸馏塔4去除。供给流18从低压塔4的下部区段11和上部区段12之间的中间点去除且被传送到塔13。冷凝器25设在塔13的上部中以从供给流18生成回流。与来自冷凝器25的回流对流流动的该供给流通过规整填料22形成了氩增浓的塔顶蒸汽流14、以及作为回流在规整填料20上方及规整填料21下方返回低压塔4的氧增浓底部液体流19。图2显示了用于空气的低温蒸馏以提供氮、氧和氩的备选布置，其中，使用分隔低压塔代替图1中用于氩生产的分开的塔13。例如，在美国专利N0.6，240，744 (Agrawal等)中描述了这种布置。与图1中的布置共同的特征具有相同的参考标号。在该布置中，在低压塔4的下端离开规整填料20的顶部的蒸汽流被分隔成两部分，其中第一部分上升到规整填料21，并且第二部分上升到通过分隔壁23与规整填料21分隔且通过端壁24与低压塔4的上部分隔的规整填料22。图中，分隔壁显示为平壁，其居中地安装在低压塔4中，以便沿其直径将塔4分隔成两个尺寸相等的半圆形截面的区段；然而，如美国专利N0.6，240，744中介绍的，用于将规整填料22与规整填料21分离的许多其它布置是可能的。进入规整填料21的蒸汽部分如图1所述被分离成富氮塔顶蒸汽流和富氧底部液体流。进入规整填料22的蒸汽部分被分离成氩增浓塔顶蒸汽流14和氧增浓底部液体，如针对图1中的塔13所述，但不需要提供第二塔13的另外的花费和复杂性。此外，利用图2的布置，不需要通过图1中所示的收窄来使低压塔4适合于补偿从塔4提取蒸汽传送到·塔13，以便尽管上部区段12中的蒸汽流与下部区段11相比减小也维持塔4的传质性能。US2010/0096249 (Kovak)描述了一种分隔交换塔，塔盘或规整填料安置于其中。该文献公开了通过弦壁将塔分隔成两个区段(设想相等和不等两种分隔)、以及还借助在柱形塔的中心相交的径向壁将塔分隔成三个区段。涉及用于空气的低温蒸馏的塔的结构的其它现有技术包括:US5，339，648(Lockett 等)、US5, 946，942 (Wong 等)、EP1162423 (Messer AGS GmbH)、US2006/0005574(Glatthaar 等)、US7, 357，378 (Zone 等)、US6,250，106 (Agrawal 等)、US2006/0260926(Kovak)和 US5, 669, 236 (BiIlingham 等)。发明人已知的现有技术无一详细地考虑了在截面非圆形而是具有包括至少一对会聚壁或壁部的截面的塔(例如在它们的截面中包括至少一个转角或角度的那些，诸如分隔塔)中获得最佳结果所需的规整填料的性质。而是，现有技术简单地论述了任何规整或随机填料和/或塔盘在分段或分隔壁塔中的一般使用。规整填料在本发明中定义为已穿孔、开槽和形成波纹以满足对其预期应用的具体要求的薄金属或塑料箔。典型的规整填料的图示在图3中示出，其中示出了箔40，该箔40通过沿折线45折叠而形成波纹，且其具有槽图案，即，例如通过压印箔40而形成的水平条纹形式的凹陷和/或凸起区域50，以及穿孔或通孔的图案55。穿孔55和由凸起/凹陷区域50形成的纹理有助于液体/蒸汽在箔40的表面上扩展，从而提高填料的传热和传质效率。典型地，穿孔所占据的箔的表面积为从约5%至约20%。典型地，槽可处于水平条纹或者呈交叉关系的细凹槽形式的双向表面纹理的形式。在塔中的一层规整填料内，多个箔竖直地取向(也就是说，箔的平面大致平行于塔的轴线)，相邻箔使它们的波纹横向地取向(也就是说，如果第一箔使其波纹从左下方延伸到右上方，则相邻箔将取向成使得其波纹从右下方延伸到左上方)。这种布置在US4, 296，050 (Meier)的图3中示出。通常使规整填料的连续层相对于下方的层绕塔轴线旋转约90°角，以便改善流特性。这种布置在US4，296，050 (Meier)的图4中示出。然而，每次旋转均增加了通过包括填料的塔的压降。EP1036590 (Sunder等)描述了若干填料参数的最佳范围，例如从约350m2/m3至约800m2/m3的表面积密度、从约35°至约65°的波纹角(corrugation angle)(即，当填料元件在塔中竖直时，在波纹的水平轴线和纵向轴线之间的角度)、以及从约5%至约20%的穿孔开口区域。该文献中未论述分隔壁塔或非柱形塔的使用。US5, 876，638 (Sunder 等)和 US5, 901, 575 (Sunder)也论述了规整填料的开发。
实用新型内容本发明的一个目标是提供一种规整填料，其被优化以用于在截面不完全是圆形的塔、即截面具有至少一对会聚壁或壁部的塔(例如其中分区(division)在塔内形成至少一个转角或角度的分隔壁塔)中使用。特定地，本发明的一个目标是提供一种规整填料，其被优化以用于在低温蒸馏设备、特别是用于分离空气成分的设备中的这种塔中使用。因此，在第一方面，本发明提供了一种用于传热或传质过程的设备，该设备包括具有至少一对会聚壁或壁部的塔或分隔塔，在至少该塔或分隔塔的由至少一对会聚壁或壁部界定或位于其间的区域内，包括具有 至少约50°的波纹角的规整填料。在第二方面，本发明提供了一种传热和/或传质的方法，该方法包括向具有至少一对会聚壁或壁部的塔或分隔塔供应一种或多种流体，且其在至少该塔或分隔塔的由至少一对会聚壁或壁部界定或位于其间的区域内包含具有至少约50°的波纹角的规整填料，使得一种或多种流体与规整填料接触，以便实现传热和/或传质。在本发明的上下文中，塔分区是通过大致布置成与塔的纵向轴线共延的至少一个分隔壁与塔的其余部分物理分离的塔的一部分。即，在塔具有其竖直定位的纵向轴线的情况下，在使用中与平常一样，该塔分区或每个塔分区通过塔内将塔体积的一部分与其余部分物理隔离的大致竖直壁的存在而形成，例如以防止塔分区中存在的流体与塔的其余部分中存在的流体在分隔壁延伸的竖直距离上混合。本发明人认为，塔或塔分区的截面中存在至少一对会聚壁或壁部且特别是存在角度或转角限制了在接近塔或塔分隔壁的边缘区中塔内流体的混合，从而导致塔内的降低的传质和/或传热效率，在该塔中使用针对在柱形塔中使用而进行了优化的规整填料。本发明通过使用规整填料而在成本节省和提高的传质效率方面提供了益处，规整填料针对在具有至少一对会聚壁或壁部的塔或塔分区中使用而进行了优化，该优化在以前不被认为是必要的。[0027]在第三方面，本发明提供了一种升级用于传热或传质过程的设备的方法，该设备包括塔或塔分区，塔或塔分区的截面包括至少一对会聚壁或壁部且其包含具有小于约50°的波纹角的规整填料，该方法包括以下步骤:从至少塔或塔分区的由至少一对会聚壁或壁部界定或位于其间的区域移除具有小于约50°的波纹角的规整填料；以及，用具有至少约50°的波纹角的规整填料替换具有小于约50°的波纹角的规整填料。优选地，具有约50°或以上的波纹角的规整填料具有约55°或以上的波纹角。在第四方面，本发明提供了一种将规整填料安装在用于传热和/或传质过程的设备中的方法，该设备包括具有至少一对会聚壁或壁部的塔或塔分区，该方法包括以下步骤:提供具有至少约50°的波纹角的规整填料；以及，将所述规整填料安装在至少塔或塔分区的由至少一对会聚壁或壁部界定或位于其间的区域中。以下优选特征在适宜的情况下适用于本发明的所有方面，并且可结合。用语“至少一对会聚壁或壁部”描述了其中塔壁或塔壁的一部渐趋靠近地彼此接近的情形。壁或壁的部分无需由于它们的会聚而彼此相交或接触，但可彼此相交或接触而在塔的截面中形成角度或转角。适当地，规整填料在所述塔或塔分区的整个截面区域内使用，而不仅仅在由至少一对会聚壁或壁部界定或位于其间的区域中使用。优选地，用于本发明中的规整填料的波纹角介于约50°与约70°之间，更优选介于约55°与约65°之间，且最优选为约60°。优选地，塔或塔分区在其截面中包括至少一个内角，其小于或等于约120°，更优选小于或等于约100°，例如小于或等于约90°。认为对边缘区内的混合的破坏随着在塔或塔分区的截面中存在的一个或更多角度的锐度而增加，且因此对于一个或多个角度更尖锐的本发明而言获得 更大的益处。适当地，塔或塔分区截面可以是包括转角或角度的不规则截面，或者可以是不规则或规则多边形，或者可以是通过弦与圆或其它圆形形状相交从而导致一个或更多角度或转角而形成的图形。例如，塔或塔分区可具有六边形、五边形、正方形、矩形、三角形、半圆形、部分圆形、或者四分之一圆形截面。同样预计，该截面中存在的一个或更多角度越尖锐，本发明的益处就将越大。塔或塔分区可包括一个、两个、三个、四个、五个、六个或更多角度或转角。预计本发明的益处将随着所存在的能够破坏混合的角度的数量而增加。优选地，至少一个且更优选地所有角度为约120°或以下，例如约100°或以下，更优选约90°或以下，例如约70°或以下。优选地，本发明适用于通过在塔内提供至少一个分隔壁而形成的塔分区，该分隔壁在至少一个位置与塔的外壁接触。优选地，待分隔的塔具有圆形截面，并且这样形成的塔的分区中的至少一个具有非圆形截面，其包括至少一个角度或转角。适当地，该塔可通过适当数量的分隔壁分隔成多于两个分区，例如三个、四个、五个、六个、十个或二十个分区，分隔壁可彼此相交和/或与塔壁相交而形成所需数量的分区。分隔壁可彼此相同或可采取不同形式，并且可在待分隔的塔的截面内单独形成直线或曲线。分隔壁可为相同或不同的长度，并且所形成的分区可以是规则或不规则的形状或多边形，并且可具有彼此相同或不同的截面和/或截面区域。这些参数可以根据分隔塔的预期用途来选择。[0038]然而，优选地，该塔由单个分隔壁分隔成两个分区。在已被分隔的塔具有圆形截面的情况下，优选地，分隔壁为弦壁。在待分隔的塔截面为非圆形的情况下，塔优选地由分隔壁分隔，该分隔壁跨塔的截面延伸，使得分隔壁的每一端在不同位置与塔壁相交。在任一情况下，可根据通过各塔分区的所需流体流来选择塔分区的截面积。适当地，在通过各分区的流相等的情况下，塔分区具有相等的截面积，并且在此情形中，在已被分隔的塔具有圆形截面的情况下，塔分区具有半圆形截面。优选地，规整填料具有从约350m2/m3至约800m2/m3的表面密度。优选地，规整填料的槽处于水平条纹的形式。优选地，穿孔的开口区域在从约5%至约20%的范围内。优选地，在塔具有圆形截面的情况下，塔尺寸直径大于约0.5m，例如直径大于或等于约0.9m，更优选地直径大于或等于约lm，或者，在截面具有另一形状的情况下，大于相当的截面积(即，分别大于约0.196m2，大于或等于约0.64m2，且大于或等于约0.79m2)。优选地，对于圆形截面的塔而言，最大塔直径为约15m,例如约10m、约9m、约8m、约7m、约6m、约5m、或者约4m。同样，在塔截面具有另一形状的情况下，最大塔尺寸具有对应的最大截面积，即，分别为约177m2、约78.5m2、约63.6m2、约50.3m2、约38.5m2、约28.3m2、约19.6m2、或者约 12.6m2。优选地，本发明适用于低温分离过程，例如低温空气分离(低温蒸馏)过程，其包括但不限于空气分离成氮增浓流、氧增浓流和氩增浓流。因此，它可适用于将空气低温分离成氮增浓流和氧增浓流。适当地，本发明适用于将空气低温分离成氮增浓流和氩增浓流。
当结合附图阅读时，会更好地理解前面的概括及以下对示例性实施例的详细描述。出于说明本发明的实施例的目的，在附图中示出本发明的示例性实施例；然而，本发明不限于所公开的具体方法和器械。在附图中:图1显示了用于空气 的低温蒸馏的已知布置的示意图；图2显示了用于空气的低温蒸馏的已知布置的示意图，其中使用分隔壁(分段)塔；图3显示了规整填料的示意图；图4显示了当置于塔中时在规整填料中的波纹的纵向轴线的示意图；图5显示了(a)在具有圆形截面的塔中和(b)在具有半圆形截面的塔中的规整填料的外观的平面图；图6至图15示出了本发明适用的塔布置的示例的平面图；图16显示了现有技术规整填料当用于具有圆形截面的塔和具有半圆形截面的塔中时在HETP方面获得的结果；图17显示了现有技术规整填料当用于具有圆形截面的塔和具有半圆形截面的塔中时在压降方面获得的结果；图18显示了根据本发明的规整填料当用于具有圆形截面的塔和具有半圆形截面的塔中时所获得的结果；并且图19显示了根据本发明的规整填料当用于具有圆形截面的塔和具有半圆形截面的塔中时在压降方面获得的结果。
具体实施方式
本发明适用于以下塔:在塔的平面图中，例如在一个或更多分隔壁形成角度或转角的情况下，或者例如在截面不完全是圆形而是具有至少一个角度或转角的情况下，存在至少一对会聚壁或壁部。本发明人认为，对于所有此类塔均获得在分离效率方面的本发明的优点。当设计用于特定塔的最佳规整填料时，技术人员意识到在确定最佳总体参数时使用一些“折衷”。例如，发现传质效率和压降对于45°的波纹角比对于60°的波纹角更高，而操作容量(operating capacity)对于45°比对于60°的波纹角更低；必须平衡这些效果，以便所选填料对于特定塔发挥可接受的传质效率、压降和操作容量。当通过塔中的规整填料时，流体主要沿由箔中的波纹形成的通道流动。该流体在这些通道中流动的部分与如上所述在位于横向对角线方向上的相邻交叉通道中流动的流体混合。而且，由于箔中存在孔洞，因而一些流体与流经相邻通道的流体混合。在这些路线中混合的流体对于纠正在蒸馏塔的截面内可能发生的任何组分不平衡而言很重要，并且是塔的分离效率中的重要因素。从图4可见，45°角在塔内提供了用于流体在规整填料的每一层中行进的、比60°角更长的侧向距离，并且因此，这提供了用于在规整填料的每一层内发生来自分开通道的流体的混合的更大面积。EP1036590教导了用于柱形塔的35° -65°的最佳波纹角。在该范围内，普遍的工业实践是使用带有约45°波纹角的填料来提供如上文针对特定柱形塔所述的诸如传质效率、压降和操作容量的参数的折衷。本发明人意识到，没有现有技术论述了用于其中存在至少一对会聚壁或壁部的非柱形塔或分隔塔的规整填料的优化，或者公开或暗示了用于在存在至少一对会聚壁或壁部的非柱形塔或分隔塔中使用的规整填料的最佳参数与用于常规柱形塔的那些不同。然而，本发明人惊奇地发现，用于分隔塔或其中存在至少一对会聚壁或壁部的塔的最佳填料不同于用于圆形截面塔的填料。 认为该差异归因于对于这两种塔而言塔中的流体在以下介绍的“边缘区”的混合表现的差异。本发明人惊奇地发现，在截面具有至少一对会聚壁或壁部的塔或塔分区中约60°的波纹角的使用提供了与在柱形塔中相同填料的使用相同的分离效率。然而，在其中截面具有至少一对会聚壁或壁部的塔或塔分区中使用具有约45°的波纹角的填料导致与在柱形塔中使用的相同填料相比分离效率的明显减低。在柱形塔中，流体可在接近塔壁的环形边缘区内自由流动。边缘区是距塔壁的侧向距离，其中，规整填料中的波纹通道将在壁处终止而不是在该层上方或该层下方的规整填料处终止。它被计算为(规整填料的层高)/(tan[波纹角])。这种规整填料的典型层高为约200 m，并且在45°的波纹角下，将存在其内可发生混合的约200 mm的环形边缘区。然而，在其中存在至少一对会聚壁或壁部的塔或塔分区中，流体代之以趋于在壁或壁部会聚的区域中聚集，并且因此，在这些区域中不会发生流体的彻底混合和组分平衡。结果，与相当的柱形塔相比，分离效率方面的塔性能减弱。在不希望受理论约束的情况下，本发明人的一个可能解释是，对于60°波纹角填料维持分离效率是由于:与对于具有约45°波纹角的规整填料所观察到的边缘区相比，在使用具有约60°波纹角的规整填料时形成的接近塔或塔分区的壁的更小边缘区。结果，归因于液体在壁或壁部会聚的塔区域中的不良混合的组分不平衡的预计增加显著减少或完全避免，且因此，与在柱形塔中使用相同填料相比，维持了分离效率。因此，用于在其中截面具有至少一对会聚壁或壁部的塔或塔分区中使用的最佳规整填料波纹角不同于现有技术柱形塔中的角度。本发明人所知的现有技术无一论述了不同截面的塔中的规整填料的性能的任何可能差异，尽管在蒸馏行业中已普遍使用分隔塔超过50年。相对于更普遍使用的约45°角而言，具有至少一对会聚壁或壁部的塔或分隔塔在约60°的波纹角下分离效率不降低，这一发现容许获得60°波纹角填料的更高操作容量的优点，即，对该塔的“折衷”意外转变为倾向于约60°的波纹角。这在诸如使用分隔塔的图2中所示的系统中特别有益，因为可通过本发明获得这种系统的更高操作容量和成本效益，而不需要将分隔塔的高度增加30%-50%以补偿该塔在与常规的45°波纹角规整填料结合使用时的较差传质特性。本发明所适用的塔的示例在图6至图15中示出。技术人员将会了解，这些仅仅是示例，并且可能有本发明将同样适用的其它塔截面或分隔壁塔布置。图6在平面图中显示了已被多个相交的分隔壁分隔成各自带有正方形截面的一些塔区的塔。图7在平面图中显示了已被多个相交的分隔壁分隔成各自带有六边形截面的一些塔区的塔。将会了解，可使用镶嵌的多边形塔区截面的其它布置。同样，将会了解，通过使用具有多边形截面的单个塔，将获得本发明的益处。预计本发明的益处对于使用正方形或矩形截面塔(例如图6中所示的那些)将大于对于六边形塔(例如图7中所示的那些)，因为在塔壁之间形成的角度对于正方形或矩形塔而言更尖锐，且因此预计角度在形成其中流体混合减少的边缘区中的作用更大。塔或塔分区的截面越接近圆形，将获得的本发明的益处就越小。图8在平面 图中显示了其中两个分隔壁均跨越塔的圆形截面的半径以便将截面的四分之一区域与其余四分之三分隔的塔。90°的角度或转角形成于塔截面的中间，并且在分隔壁与塔圆周的相交处，分隔壁垂直于塔壁在相交点处的切线。预期在这样形成的两个塔分区中均会获得本发明的益处。在较小分区中，预计两个分隔壁之间和各分隔壁与圆形塔壁之间的角度显著地限制流体混合。类似地，预计在较大分区中的各分隔壁和圆形塔壁之间形成的角度显著地减少塔混合；两个分隔壁在塔中心处的接合部处的优角也可影响流体混合，但预计其影响比在圆形塔壁处的锐角下观察到的小得多。同样，将会了解，两个分隔壁的其它布置是可能的，其中更大或更小的角度形成于两个分隔壁之间。图9显示了其中作为塔的圆形截面的弦的分隔壁将塔截面区域分割成两个不等部分的塔。角度或转角形成于分隔壁的各端，在此分隔壁与塔的圆周相交。预计在塔的两个分区中均会获得本发明的优点，但对于更小的分区而言将获得更大程度的优点，因为预计在圆形塔壁与分隔壁之间形成的更尖锐角度在这些转角附近更显著地延迟流体混合。图10显示了具有作为塔的圆形截面的弦的两个分隔壁的塔，分隔壁在此情形中被彼此平行地安置而在塔内限定三个区域:两个扇区和扇区之间的区域，该区域与塔的中心相交，其截面接近矩形。同样，在弦与塔的圆周相交处形成角度或转角。预计本发明的益处对于两个扇区分区而言比中心分区更大，两个扇区分区具有在分隔壁与圆形塔壁之间的接合部形成的更尖锐角度，虽然预计所有三个区域均在一定程度上受益于本发明。图11显示了具有三个分隔壁的塔，这三个分隔壁是塔的圆形截面的弦，且均在它们与塔的圆周相交处与相邻的分隔壁相交，使得它们在塔的中心限定三角形截面的塔区域。角度或转角形成于各相交点处。将会了解，其中壁在与圆周相交时无需彼此相交(即，可形成其分隔壁不彼此相交的一些扇区)的备选布置是可能的，并且可提供作为塔的圆周的弦的多于三个分隔壁。预计该塔的所有分区均会获得本发明的益处。图12显示了其中分隔壁不与塔壁相交而是在塔内限定三角形截面区域的塔。类似地，图13显示了其中分隔壁在塔内包封正方形截面区域而没有任何分隔壁与塔壁相交或接触的布置。将会了解，可提供更多的壁来包封具有不同多边形截面的区域。而且，分隔壁中的一个或更多可与塔的圆周相交，并且壁可具有不同长度，从而形成不规则多边形截面的中心区域。预计在由塔分区形成的两个区域内均会获得本发明的益处，因为流体混合将既受外分区中的会聚壁又受由内分区的相交壁形成的角度限制，但该益处对于内分区而言将比外分区更大。预计由图12中的三角形中心区域获得的益处大于由图13中的正方形内部区域获得的益处，这归因于前一情形中塔的更尖锐角度。图14显示了其中分隔壁包封具有圆形截面的区域的塔，分隔壁与塔的圆周接触。因此，分隔壁与塔圆周会聚而在分隔壁与塔圆周之间的接触点形成角度。将会了解，分隔壁无需包封圆形区域，而是可形成任何大体圆形的形状。还将了解，分隔壁无需与塔壁接触，但必须布置成使得分隔壁的至少一部分与塔壁的至少一部分会聚。在这种情形下，预计将仅在外塔分区中获得本发明的益处，因为内塔分区具有圆形截面，而通过塔壁与分隔壁之间的接触所形成的锐角将对外塔区段中的流体混合有限制作用。图15显示了其中三个分隔壁从塔的中心径向延伸至圆形塔壁从而将柱形塔分隔成三个相等节段的塔。预计由于在各节段的转角中导致的受限流体混合，所有节段均会获得本发明的益处。
示例。 在用于使氩与氧分离的、包括带有半圆形截面的塔或带有圆形截面的塔的低温蒸馏设备中，进行根据现有技术的规整填料与根据本发明的规整填料的性能对比。对于带有圆形截面的塔，大约20层填料，其中每层填料大约高度为210mm且直径为900mm，以90°取向在低温蒸馏塔内堆叠在彼此的顶部上。对于带有半圆形截面的塔，大约20层填料，其中每层填料大约高度为210mm且具有900X450mm的半圆形区域，以90°取向在低温蒸懼塔内堆叠在彼此的顶部上。以0.4 barg (40kPa表压)的塔压力在全部内部回流下进行所有对t匕。通过测量进入及离开塔的液体流和蒸汽流的组分而研究氩/氧的二元混合物的分离，以确定传质效率和压降。所使用的两种规整填料与图3中所示的一般类型一致，带有水平条纹，穿孔的开口区域为约10%，且各自具有大约500m2/m3的表面积。规整填料在它们的波纹角方面不同，其在现有技术填料(填料A)的情形中为45°，而在根据本发明的填料(填料B)的情形中为60°。以HETP和测定的通过两种填料的动态压降的方式表达性能，两者均表达为修正密度的表观气体速率的函数Kv，其定义为:Kv = U[(Pv/Pf Pv)°_5]，其中，U=以m/s计的塔中的气相的表观速率；PV=以kg/m3计的塔中的气相的密度；并且P f以kg/m3计的液相的密度。已将HETP、Kv和压降的值归一化，以便比较在所使用的两种不同形式的塔中的填料的性能。现有技术规整填料A在圆形截面的塔和半圆形截面的塔中所获得的结果在图16和图17中示出。对于圆形截面塔示出两个数据集(圆形和三角形数据点)，而对于半圆形截面塔示出一个数据集(偏菱形数据点)。从图16可看到，与圆形截面的塔相比，对于半圆形截面塔中的该填料而言，HETP值高30%-50%左右(取决于Kv)，且因此分离效率更低。曲线在1.35左右的归一化的Kv开始会聚，在该点两曲线开始显示HETP随着Kv增大而急剧增大，后一现象意味着操作容量对于所使用的两种塔而言是相似的。图17显示填料A的压降在所使用的两种塔中相似。此外，两塔的负载点在1.05的Kv处相似，其在此情形中定义为压降增大随着Kv的进一步递增而变得更快处的Kv。根据本发明的规整填料B所获得的结果在图18和图19中示出。同样，对于圆形截面塔示出两个数据集(在此情形中，圆形和偏菱形数据点)，且对于半圆形截面塔示出一个数据集(三角形数据点)。从图18可看到，带有60°波纹角的规整填料B(与现有技术填料A的45°相比)意外地未显示半圆形截面塔相比圆形截面塔在HETP方面的显著增大(与图16相比)。事实上，半圆形塔的数据点大体位于圆形截面塔的两组数据点之间。至于图16，所有数据集的HETP以相似值在Kv增大时快速增大，因此同样可以推断，填料的操作容量对于所使用的两类塔而言相似。与图17相似，图19显示，在所使用的两类塔中填料的压降和填料的负载点相似。两类塔中的两种填料的性能的整体对比在表I中以相对HETP和相对操作容量的方式提供。相对HETP代表沿图16和图18中的曲线在HETP在较高Kv下快速增大之前的较平部分的HETP。相对操作容量在HETP开始会聚的Kv处评估。表I
权利要求1.一种用于传热或传质过程的设备，包括具有至少一对会聚壁或壁部的塔或分隔塔，在至少所述塔或分隔塔的由至少一对会聚壁或壁部界定的区域内包括具有至少约50°的波纹角 的规整填料。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述塔截面或分隔塔截面包括至少一个转角。
3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述至少一个转角或角度是小于或等于约120°的内角。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述规整填料的波纹角为从约55°至约65。。
5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述规整填料的波纹角为约60°。
6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述塔或分隔塔是通过在具有圆形截面的塔内提供至少一个分隔壁而在所述塔内形成的塔分区，所述分隔壁将所述塔的截面分隔成至少两个分区，使得所述分隔壁与所述塔的壁会聚而形成至少一个转角。
7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，在所述塔具有圆形截面的情况下，所述塔尺寸直径大于约0.5m，或者，在所述截面具有另一形状的情况下，所述塔尺寸大于相当的截面积。
8.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述传质过程是其中空气被分离成氮增浓流、氧增浓流和氩增浓流的低温分离过程。
专利摘要本实用新型涉及规整填料。一种用于传热或传质过程的设备，包括具有至少一对会聚壁或壁部的塔或分隔塔，在至少该塔或分隔塔的由至少一对会聚壁或壁部界定的区域内，包括具有至少约50°的波纹角的规整填料；一种适用于该设备的传热和/或传质的方法；以及一种将规整填料安装在相关设备中的方法。
文档编号B01D3/00GK203140017SQ20132010156
公开日2013年8月21日 申请日期2013年3月6日 优先权日2012年3月6日
发明者J.威尔逊, S.森德, P.A.霍顿 申请人:气体产品与化学公司