本发明涉及传质塔，并且更具体地讲，涉及在此类传质塔(诸如低温空气分离设备中的蒸馏塔)中采用的多程蒸气-液体接触塔盘与下导管组件。
背景技术：
在用于例如在空气分离设备的蒸馏塔中从至少两种成分的混合物中选择性地分离至少一种组分的传质领域中，向上流动的蒸气或气体流通常在基本上水平对齐的接触塔盘上与大体向下流动的液体流接触。在传统蒸馏工艺中，这种接触允许向上流动的蒸气或气体流选择性地富集混合物的较轻组分，即，具有相对较高挥发性的那些组分，而大体向下流动的液体流会选择性地富集相对较低挥发性的较重组分。传统上已将多种类型的气体-液体接触塔盘用于上述传质操作，以实现相应气相与液相之间的紧密接触。各种类型的接触塔盘共同的特征是下面的段落中简要描述的下导管、堰和有效面积。
传统蒸气-液体接触塔盘中含有孔口的塔盘板的面积通常被称为接触塔盘的“有效面积”，因为在塔盘中的孔口上方发生了蒸气-液体相互作用。一般来讲，塔盘的液体与蒸气处理容量受限于塔盘的可用有效面积以及下导管的面积。如果下行液体或上行蒸气的量超过塔盘容量，则会发生塔盘的液泛，因为夹带的液体无法从相关联的蒸气流充分脱离或者蒸气无法从液体流脱离。
还在大多数蒸气-液体接触塔盘上使用堰以使液体聚集在塔盘的顶表面上，从而增强与通过塔盘板的孔口鼓入的蒸气的相互作用。塔盘上的蒸气与液体相互作用有利地使泡沫累积在塔盘上。由于液相在泡沫中保持基本上连续，因此蒸气与液体相互作用仍然存在于泡沫中并产生更大的传质效率。
传统上将下导管与蒸气-液体接触塔盘结合提供，以提供液体穿过其中从一个塔盘排放到下层塔盘的通路。在单程塔盘中，在竖直相邻的塔盘的相对两端处提供下导管，因此液体在进入下导管以通入下一个下部塔盘之前必须完全流过一个塔盘。然后下部塔盘上的液体以相反方向流过塔盘并进入另一个下导管。当液体穿过含有蒸气-液体接触塔盘的塔部分下行时，重复这种来回流动模式。在许多双程塔盘中，下行液体被分成以相反方向在每个接触塔盘上行进的两个流。通常在交替塔盘上提供中心下导管，同时在竖直相邻的塔盘的相对两端布置双端下导管，从而提供双程流动模式。最后，还已利用了多程接触塔盘，所述多程接触塔盘通常被构造成包括多个弦形下导管以减少堰负荷。
高压蒸馏系统通常需要高液体流量接触塔盘。例如，在极高液体流量下操作的接触塔盘必须具有较大的液体处理容量，继而需要接触塔盘上的下导管的适当尺寸和取向。换句话讲，高液体流量蒸馏系统中这些相之间的给定组分的传质效率在很大程度上由接触塔盘上的下导管的构型决定。
w.k.lewis于1936年所做的著名经典研究中发现，通过使未混合的蒸气与沿相同方向跨越每个连续塔盘的液体流接触(例2)，可以使蒸气-液体接触塔盘的传质效率最大化。例2被称为平行流，如本文所用，平行流是指在竖直相邻或连续的塔盘上的液体流，而非在单个塔盘上的液体流。lewis的例2确保无论传质发生在给定塔盘的何处，在该塔盘上传质的驱动力几乎相同。因此，当使用根据lewis的例2操作的塔盘时，效率可以得到大幅提高。
授予monkelbaan等人的美国专利5,223,183提出了一种具有至少一个中心下导管但没有侧面下导管的平行流塔盘。每个塔盘的下导管都与其他塔盘上的下导管对齐，使得一个塔盘上的下导管位于上面塔盘上的那些下导管的正下方。一个下导管的出口正好位于另一个下导管的入口上方。位于每个下导管上方的一对倾斜的液体偏转导流板连接竖直相邻的下导管的出口和入口，并且提供十字交叉的液体流动路径。下导管导流板防止液体从上面塔盘进入每个下导管，并且限定液体向塔盘板上流动的方向。导流板的倾斜表面还给予下行液体一个水平动量，这往往会将存在于塔盘上的液体和泡沫推向塔盘的这一部分或区域的出口下导管的入口。
授予monkelbaan等人的美国专利5,318,732提出了又一种平行流多下导管型接触塔盘，它通过提供无孔蒸馏塔板来增加塔盘容量，无孔蒸馏塔板和附接到蒸馏塔板外端的竖直入口堰一起从下导管入口开口向外延伸跨越塔盘板表面。除了由下导管侧壁的向上延伸部分形成的传统入口堰之外，入口堰还可充当前堰使用。此外，蒸馏塔板有助于减少收聚；但它们也减小了塔板的有效面积。
授予xu等人的美国专利7,204,427提出了更进一步的平行流多下导管型接触塔盘。在所公开的实施方案中，侧面下导管结合到具有中心导流板的平行流多下导管塔盘中，并且下导管具有将液体引导到下面塔板上的倾斜侧壁。倾斜侧壁还提供下部下导管入口上方的附加体积以减少该入口处的收聚，而无需授予monkelbaan等人的美国专利5,318,732中所公开的类型的蒸馏塔板。
需要通过将lewis例2平行流模式和多程塔盘构型的特征和益处相结合来提高总体传质效率的改进的高容量接触塔盘。
技术实现要素：
本发明的特征可在于一种用于传质塔的多程下导管塔盘，该多程下导管塔盘包括：(i)具有塔盘表面的环形塔盘；(ii)附接到塔盘的环形支撑环；(iii)环形塔盘的塔盘表面上的至少四个传质塔板，并且所述至少四个传质塔板中的每一个具有贯穿塔盘表面的多个孔口，并且其中每个传质塔板被设置成与至少两个其他传质塔板相邻，并被构造成提供穿过孔口的上行蒸气与塔盘表面上的横越液体之间的接触；以及(iv)多个下导管，所述多个下导管被构造用于从传质塔板收集和排放液体。所述多个下导管包括设置在环形塔盘的中心轴线附近的一个或多个中心下导管以及设置在环形支撑环附近且与中心轴线间隔开的两个或更多个周边下导管，其中下导管中的每一个限定下行液体流的通道。
所述至少四个传质塔板中的至少两个被构造成将横越液体排放到所述两个或更多个周边下导管中，并且所述至少四个传质塔板中的至少两个被构造成将横越液体排放到所述一个或多个中心下导管中。此外，横越所述至少四个传质塔板中的每一个的液体流与在至少两个相邻传质区段中横越的液体流处于相反方向。
多程下导管塔盘可为筛板塔盘，其中传质塔板中的孔口是多个孔。任选地，孔口还可包括设置在塔盘表面中的多个蒸气引导狭槽以促进液体跨越传质塔板的移动。或者，多程下导管塔盘可为阀塔盘，其中孔口是多个开口，开口上方设置有可动阀或固定阀结构。
多程下导管塔盘还优选地包括以下特征：(1)多个液体通道结构或溜槽，所述多个液体通道结构或溜槽设置在塔盘表面上在每个下导管附近，并且被构造用于接收下行液体并将下行液体分散到传质塔板中的一个或多个；(2)多个堰，所述多个堰设置在每个下导管附近并且被构造成阻碍横越液体流到达下导管；(3)设置在塔盘表面上的液体接收盘；(4)穿孔导流板，该穿孔导流板设置在液体接收盘上并且被构造成改善液体向传质区域的分布；(5)一个或多个气泡形成结构，所述一个或多个气泡形成结构设置在塔盘表面上介于液体接收盘与一个或多个传质塔板之间；以及(6)一个或多个分隔板，所述一个或多个分隔板设置在塔盘表面上并且被构造成将塔盘表面划分为分立传质塔板。
本发明的特征还可在于一种传质塔，该传质塔包括：具有圆柱形壁的塔，该圆柱形壁具有内表面和外表面；以及多个上述多程下导管塔盘，所述多个上述多程下导管塔盘附接到圆柱形壁的内表面且以堆叠取向布置在塔内，并且其中液体流在塔中的相邻多程下导管塔盘的竖直连续传质塔板的平行式流动路径中，使得当液体穿过塔中的连续多程下导管塔盘下行时，下行液体沿蛇形或半圆形流动路径继续向下穿过塔。
本发明的特征还可在于一种用于传质塔中的液体-蒸气接触的方法，该方法包括以下步骤：(a)将下行液体引导到以堆叠取向布置在传质塔内的多个下导管塔盘，每个下导管塔盘包括被构造用于从传质塔板收集和排放液体的多个下导管；以及下导管塔盘的表面上的至少四个传质塔板，贯穿塔盘表面上的传质塔板具有多个孔口；(b)将上行蒸气穿过传质塔引导到所述多个下导管塔盘并且穿过贯穿塔盘表面上的所述至少四个传质塔板的所述多个孔口；以及(c)使穿过孔口的上行蒸气与塔盘表面上的传质塔板上的下行液体接触。用于传质塔中的液体-蒸气接触的上述方法的特征还在于液体流在传质塔中的相邻下导管塔盘的竖直连续传质塔板中的平行式流动路径中，并且其中当液体穿过传质塔中的连续下导管塔盘下行时，下行液体沿蛇形或半圆形流动路径继续向下穿过传质塔。
在传质塔中的每个塔盘内，所述多个下导管包括设置在环形基部的中心轴线附近的一个或多个中心下导管以及设置在下导管塔盘的周边边缘附近且与中心轴线间隔开的两个或更多个周边下导管。另外，横越多程下导管塔盘表面上的传质塔板中的每一个的液体流与横越相同塔盘表面上的相邻传质区段的液体流处于相反方向。
附图说明
虽然本说明书的结论是申请人视为发明内容且明确地指出发明主题的权利要求书，但相信本发明在结合附图考虑时将得到更好的理解，其中：
图1是根据本发明的用于传质塔的多程下导管塔盘的图形视图；
图2是图1的用于传质塔的多程下导管塔盘的俯视平面图；
图3是图2的用于传质塔的多程下导管塔盘的剖视图；并且
图4a至图4k示出了根据本发明的在用于传质塔的多程下导管塔盘上的传质塔板的替代实施方案中使用的固定阀、可动阀、笼形阀、泡罩设备、定向阀和蒸气引导狭槽的示例。
具体实施方式
现在转到附图，示出了用于传质塔的多程下导管塔盘10的实施方案。多程下导管塔盘10包括具有环形边缘11、顶部塔盘表面12和底部塔盘表面14的铝或不锈钢的环形塔盘。环形支撑环15附接到塔盘的环形边缘11以有利于连接到传质塔(未示出)的内壁。在图示实施方案的上部塔盘表面12上，有四个传质塔板22,24,26,28，每个传质塔板具有延伸穿过塔盘10的多个孔口29，从而允许蒸气从底部塔盘表面14的下面上行到顶部塔盘表面12上方，蒸气在此与传质塔板上的任何横越液体相互作用。图示实施方案中的四个传质塔板22,24,26,28设置在环形塔盘的单独象限中，使得每个传质塔板被设置成与至少两个其他传质塔板相邻。多程下导管塔盘10还包括中心下导管30，该中心下导管沿环形塔盘10的中心轴线31设置在两个传质塔板之间，并且被构造用于将横越两个相邻传质塔板的液体收集和排放到下层塔盘(未示出)。
多程下导管塔盘10还包括两个沿周边设置的下导管32,34，所述两个沿周边设置的下导管与中心轴线25间隔开，并且设置在环形支撑环15附近。沿周边设置的下导管32,34各自被构造成在传质塔板之一附近且与传质塔板之一流体连通。从图中可以看出，第一沿周边设置的下导管32设置在传质塔板22附近，而第二沿周边设置的下导管34设置在传质塔板24附近。与居中设置的下导管30一样，沿周边设置的下导管32,34中的每一个被构造用于将横越相邻传质塔板的液体收集和排放到下层塔盘(未示出)。在图示实施方案中，中心下导管30包括一对横向侧壁31和至少一个端壁33，所述至少一个端壁连接横向侧壁31以限定离开多程下导管塔盘10的下行液体流的中心通道35。同样，周边下导管32,34各自也包括一对横向侧壁36和至少一个端壁38，所述至少一个端壁连接横向侧壁36以限定下行液体流的周边通道39。
设置在上部或顶部塔盘表面12上的是多个堰40，所述多个堰设置在每个下导管30,32,34附近，并且其尺寸和构造被设定为阻碍横越液体流从传质塔板22,24,26,28到达相关联的下导管30,32,34。多程下导管塔盘10中的每一个还可包括设置在上部或顶部塔盘表面12上的一个或多个分隔板45a,45b，所述一个或多个分隔板被定位和构造为将顶部塔盘表面12划分或分成分立传质塔板。例如，分隔板45a之一划分传质区域22和传质区域28，而其他分隔板45b划分传质区域24和传质区域26。
多个液体通道结构或溜槽50,52,54设置在上部或顶部塔盘表面12上在每个下导管30,32,34附近。液体通道结构或溜槽50,52,54被构造用于从塔盘10上方引导下行液体并且将下行液体分散到传质塔板22,24,26,28中的一个或多个。在设置在上部或顶部塔盘表面12上的液体接收盘60中接收沿溜槽50下行的液体流。液体的第一部分从液体接收盘60经过气泡形成结构65朝向沿周边设置的下导管32流动到传质塔板22，而液体的第二部分沿相反方向从液体接收盘60经过气泡形成结构65朝向沿周边设置的下导管34流动到传质塔板24。
对于设置在每个沿周边设置的下导管32,34附近的液体通道结构或溜槽52,54而言，下行液体沿溜槽52向下流动到设置在上部或顶部塔盘表面12上的液体接收盘62中，并且被引导经过气泡形成结构65朝向居中设置的下导管30到达传质塔板28。类似地，沿溜槽54向下流动的下行液体被接收在也设置在上部或顶部塔盘表面12上的液体接收盘64中，并且被引导经过气泡形成结构65也朝向居中设置的下导管30到达传质塔板26。
所示液体通道结构或溜槽50,52,54中的每一个优选地构造有从上部或顶部塔盘表面12竖直地延伸的一对横向侧壁56，以及端壁58，该端壁连接横向侧壁以限定将下行液体输送到塔盘10且更具体地输送到相关联的液体接收盘60,62,64的斜坡。
虽然未示出，多程下导管塔盘10还可包括设置在液体接收盘60,62,64上的一个或多个穿孔导流板。穿孔导流板被构造和布置在液体接收盘60,62,64的指定位置处以减缓下行液体并且改善所接收的液体向传质区域的分布。
多程下导管塔盘10的优选实施方案是筛板塔盘，其中传质塔板中的孔口包括多个小孔29。或者，如图4a至图4g所示，多程下导管塔盘可为阀塔盘，其中传质塔板中的每一个中的孔口还包括多个开口，且具有设置在开口上方的可动阀72、设置在开口上方的固定阀74、笼形阀76。更进一步，多程下导管塔盘可为泡罩塔盘，该泡罩塔盘具有设置在传质塔板上的开口70上方的如图4h和图4i所示的多个泡罩式设备78。
任选地，四个传质塔板22,24,26,28中的一些孔口还包括如图4j和图4k所示的蒸气引导狭槽80或定向阀82，它们被取向为促进液体跨越传质塔板向对应下导管的移动。例如，传质塔板22中的蒸气引导狭槽80被取向为促进液体朝向沿周边设置的下导管32的移动(箭头a的方向)。类似地，传质塔板24中的蒸气引导狭槽80被取向为促进液体以相反方向朝向沿周边设置的下导管34的移动(箭头b的方向)。传质塔板26,28中的任何蒸气引导狭槽80被取向为促进液体朝向居中设置的下导管30的移动(分别沿箭头c和箭头d的方向)。
在采用或不采用蒸气引导狭槽80的情况下，上述塔盘流动模式被设计为使得横越四个传质塔板22,24,26,28中的每一个的液体流与两个相邻传质区段中横越的液体流处于相反方向。例如，传质塔板22中的液体朝向沿周边设置的下导管32的移动(箭头a的方向)与传质塔板24中的液体的移动(箭头b的方向)相反并且与传质塔板28中的液体的移动(箭头d的方向)相反。类似地，传质塔板24中的液体朝向沿周边设置的下导管34的移动(箭头b的方向)与传质塔板22中的液体的移动(箭头a的方向)相反并且与传质塔板26中的液体的移动(箭头c的方向)相反。同样，传质塔板26中的液体朝向居中设置的下导管30的移动(箭头c的方向)与传质塔板24中的液体的移动(箭头b的方向)相反并且与传质塔板28中的液体的移动(箭头d的方向)相反。最后，传质塔板28中的液体朝向居中设置的下导管30的移动(箭头d的方向)与传质塔板26中的液体的移动(箭头c的方向)相反并且与传质塔板22中的液体的移动(箭头a的方向)相反。
上述多程下导管塔盘特别适用于传质塔，其中多个塔盘以堆叠取向布置在传质塔内。当以竖直对齐的方式布置使得中心下导管、周边下导管以及相邻塔盘的相应传质塔板和溜槽竖直对齐时，该布置方式实现了lewis例2型平行流布置方式。换句话讲，跨越连续塔盘(即，上方和下方)中的四个传质塔板中的每一个的液体流处于相同方向。本发明有利地将连续或相邻的塔盘之间的平行流布置方式连同给定塔盘上的多程流动布置方式结合在一起。因此，与传统塔盘设计相比，具有竖直对齐的上述多程塔盘的塔的传质效率大大提高，原因在于更短的平均流动路径(对于类似尺寸的塔而言)、减少的堰负荷以及给定塔盘中的所有传质塔板上或竖直对齐的传质塔板上传质的均匀驱动力。
气体-蒸气传质塔的实施方案包括具有圆柱形壁的塔，该圆柱形壁具有内表面，并且多个上述多程下导管塔盘附接到圆柱形壁的内表面。所述多个多程下导管塔盘竖直对齐，并且优选地经由多个连杆(未示出)连接到竖直相邻的塔盘以向塔内件提供结构稳定性。
横越第一塔盘上的传质塔板中的每一个的液体流相对于该第一塔盘上的其他传质塔板而言处于多程流动布置方式，并且相对于设置在第一塔盘上方和/或下方的塔中的相邻塔盘的竖直连续传质塔板而言也在平行式流动路径中。当液体穿过塔中的连续塔盘下行时，下行液体也沿蛇形或半圆形流动路径继续向下穿过塔。
虽然已通过参照优选实施方案和与其相关联的操作方法描述了本发明，但是应当理解，在不脱离所附权利要求书描述的本发明的实质和范围的情况下，可对本发明所公开的多程下导管塔盘和相关联的方法进行多种添加、改变和省略。