专利名称：用于低温空气分离系统的主冷凝器的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及低温空气分离，且更特定地涉及使用双塔的低温 空气分离。
背景技术：
使用带有高通量管同时有效地运行的向下流动主冷凝器的低温空 气分离系统可能具有一个或多个缺点。 一个缺点是与多孔涂层相关的高 成本。另外，任何非均匀的多孔涂层将导致沸腾性能的变化。发明内容本发明的一个方面是用于运行低温空气分离设备的方法，该低温空气分离设备具有高压 塔、低压塔和具有多个管的主冷凝器，其中所述的管的每个具有带槽的 外表面和结构化的内表面，所述的方法包括使氮蒸气从高压塔通到主冷 凝器的上部部分，使氧液体从低压塔的分离部分流到主冷凝器的管的上 部部分，使氮蒸气沿主冷凝器向下通过而与管的外表面接触，使氧液体 沿主冷凝器的管以与向下流动的氮蒸气具有换热关系向下通过，其中向 下流动的氧液体的至少 一些而非全部蒸发，且将氧蒸气和氧液体以/人 0.05到10的范围内的液体与蒸气的质量流量比从主冷凝器回收。本发明的另一个方面是向下流动冷凝器，特别地适合作为双塔低温空气分离设备的主冷凝 器，向下流动冷凝器具有多个管，其中所述的管的每个具有带槽的外表 面和结构4b的内表面。如在此所使用，术语"分离部分，，意味着塔的包含了塔盘和/或填料 且位于主冷凝器上方的部分。如在此所使用，术语"增强表面，，意味着提供了比普通表面更高的 每单位表面积传热的特殊表面几何形状。如在此所使用，术语"塔，，意味着蒸馏或分镏塔或区，即接触塔或 区，其中液体相和蒸气相逆流地接触以实现流体混合物的分离，例如通3过使蒸气相和液体相在 一 系列安装在塔内的垂直地分开的塔盘或塔板 上，和/或在例如结构化的或随机的填料的填料元件上接触。术语双塔用 于意味着高压塔使其上端与低压塔的下端成换热关系。蒸气和液体的接触分离过程取决于成分的蒸气压的差异。高蒸气压 (或更挥发的或低沸点的)成分将趋向于集中在蒸气相中，而低蒸气压 (或更不挥发的或高沸点的)成分将趋向于集中在液体相中。部分冷凝 是分离过程，由此蒸气混合物的冷却可以用于将挥发性成分(多个成分) 集中在蒸汽相内，且因此将更不挥发的成分(多个成分)集中在液体相 中。精馏或连续蒸馏是这样的分离过程，它将如通过逆流处理蒸气相和 液体相而获4寻的相继的部分蒸发和冷,疑组合。蒸气相和液体相的逆流接 触一般是绝热的，且可以包括两个相之间的积分(分级)接触或微分(连 续)接触。利用精馏原理来分离混合物的分离过程装置经常可互换地称为精馏塔、蒸馏塔或分馏塔。低温精馏是至少部分地在150开氏度(K) 或以下的温度进行的精馏过程。
图1是本发明的低温空气分离系统的 一个优选实施例的简化代表性 示意图。图2是双增强管的一个实施例的部分剖视图，该管可以使用在本发 明的实践中。图3和图4每个以高度放大的侧视示了优选的结构化沸腾表 面，在本发明的实践中该沸腾表面可以用作向下流动主冷凝器的管的内 表面。目前，这些表面商业上制造在管的外表面上。
具体实施方式
本发明包括限定了双增强管表面的新颖的换热器及其在双塔低温 空气分离设备内用作主冷凝器。管的特征在于具有增强沸腾表面和增强 冷凝表面。增强冷凝表面对于管长度的至少部分包括槽。增强沸腾表面 是结构化表面。结构化沸腾表面是由金属加工形成的增强沸腾表面，以 在换热表面上形成成核位置，换热表面的特征在于捕获了蒸气且初始化 了低壁过热下的沸腾的多个腔。将参考附图更完全地描述本发明。现在参考图1，图中示出了双塔低温空气分离设备的部分示意图，双塔低温空气分离设备具有高压塔30
和低压塔31 ，且图中示出了也称为冷凝器/再沐腾器的主冷凝器32在低 压塔内的放置。本发明的主冷凝器(多个主冷凝器)可以是壳和管型的 换热器，或是铜焊的铝换热器类型。主冷凝器/再沸腾器将高压塔和低压 塔热联接。 一般地具有从45至300磅每平方英寸绝对压力(psia)范围 内的压力的氮蒸气在管路10内从高压塔30通到主冷凝器或多个主冷凝 器的上部部分，其中当氮蒸气和氧液体两个流体向下流过主冷凝器(多 个主冷凝器)时，氮蒸气与管内的氧液体换热。 一般地具有从1至100 磅每平方英寸表压(psig)范围内的压力的氧液体部分地蒸发且作为结 果的氧蒸气和剩余的氧液体从主冷凝器(多个主冷凝器)回收，如分别 以流动箭头34和33示出。氮蒸气由于向下流动通过主冷凝器而完全地 冷凝且作为结果的氮液体在管路11内从主冷凝器回收，且当回流到高 压塔和低压塔时分别在管路35和36内通过。
在低压塔31内，沿塔下降通过填料12或塔盘(未示出)的氧液体 收集在收集器/分配器13内。开口的冒口 14从收集器箱的底面向上延伸， 使在主冷凝器内生成的氧蒸气通过塔向上流动。来自收集器的氧液体流 过分配器管15且收集在单独的模块的分配器部分16内。来自流动分配 器部分的氧液体流过单独的管，在此处它部分地蒸发。这些通道具有增 强的沸腾表面，即结构化的内表面，这显著地增加了液体湿润沸腾侧的 表面的能力且降低了实现湿润所需的液体流动的量。未蒸发的液体17 收集在塔的底部且在管路38内作为产品从塔回收。产品沸腾器泵18用 于升高氧的压力到希望的产品压力。如果希望，则流38的部分40可以 通过阀41且再循环到主冷凝器(多个主冷凝器)。在主冷凝器管或蒸 发通道的出口处液体与蒸气的质量流量比(L/V)的范围从0.05至10， 且优选地在从0.2至2.0的范围内。
每个冷凝器/再沸腾器32包括多个纵向定向的管，在主冷凝器是壳 和管型的换热器情况下，纵向定向的管通常使用焊接接附到顶部管板和 底部管板。管板在图1中未示出。每个管具有内表面和外表面。每个管 的外表面带槽，即其具有多个沿管的长度(优选地在整个长度上)走向 的槽，以增强冷凝换热。氮蒸气向下流过管且在其经过管的长度时冷凝， 优选地完全冷凝。作为结果的冷凝物，即氮液体从壳侧的底部出口回收。 氮液体在管路11内通到冷凝器/沸腾器32外，且通入高压塔的上部部分内，且也作为回流液体通入^氐压^荅的上部部分内以^at4氐温精馏。为简
化，在图1中仅示出了从冷凝器/再沸腾器32到管路11的连接之一。如
果希望，则氮液体的部分可以作为产品氮取回。
每个管的内表面具有增强的或结构化的沸腾表面，其特征在于多个
腔或凹陷，它们的深度一般地在从0.5至2.0毫米的范围内。这样的腔 的两个例子在图3和图4中以截面示出。带有凹入腔的增强的沸腾表面 通过在腔内捕获蒸气而运行，以初始化低管壁过热下的沸腾，管壁过热 限定为管壁表面温度和待蒸发的流体的饱和温度之间的温度差异。氧液 体沿管的内表面向下流动而与前述的向下流动的冷凝中的氮蒸气同向 间接换热。当氧液体沿管的增强沸腾内表面向下流动时，向下流动的氧 液体的部分沸腾或蒸发，如在图l中由箭头G示出，而在图1中以箭头 L示出的剩余的液体收集在上部塔的贮池内，如以液体池17示出。从管 的内表面沸腾的氧蒸气作为蒸气向上流通过上部塔而向上流动以用于 低温精馏。如果希望，氧蒸气的部分可以作为产品气态氧而取回。如果 希望，剩余的氧液体17的部分可以作为产品液体氧而取回。替代地， 剩余的氧液体17再循环到管，以保证管的沸腾表面保持湿润，因此避 免了沸腾到干燥情况，干燥情况是无效的且当液体包括液体氧时也是危 险的。为再循环流动，氧液体17从上部i荅31回收且由液体再循环泵18 泵送。
典型地，在本发明的实践中，管将具有在从15至25毫米的范围内 的内径。图2图示了双增强管以与本发明一起使用，该双增强管具有带 槽的外表面45和结构化的内表面46。冷凝器将典型地包含从大约300 至800个这样的管。冷凝器也可以包含一个或多个不具有这样的双增强 表面的特征的其他的管。图3和图4示出了与本发明一起使用的结构化 沸腾表面的两个典型实施例的侧—见图。在图3中示出的表面商业上已知 为GEWA表面。腔的形状称为双凹入腔且非常有效地捕获蒸气。在图4 中示出的表面是典型的WolvermeTurbo-B 管。鳍部首先形成在表面上 且它们通过冷加工修改以给出腔的希望的形状。
虽然本发明已参考某优选实施例详细描述，但本领域一般技术人员 将认识到，在权利要求书的精神和范围内存在本发明的其他实施例。
权利要求
1.一种用于运行低温空气分离设备的方法，该低温空气分离设备具有高压塔、低压塔和具有多个管的主冷凝器，其中所述的管的每个具有带槽的外表面和结构化的内表面，所述的方法包括使氮蒸气从高压塔通到主冷凝器的上部部分，使氧液体从低压塔的分离部分流到主冷凝器的管的上部部分，使氮蒸气沿主冷凝器向下通过而与管的外表面接触，使氧液体沿主冷凝器的管以与向下流动的氮蒸气具有换热关系向下通过，其中向下流动的氧液体的至少一些而非全部蒸发，且将氧蒸气和氧液体以从0.05到10的范围内的液体与蒸气的质量流量比从主冷凝器回收。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中液体与蒸气的质量流量比在从 0.2至2.0的范围内。
3. 根据权利要求1所述的方法，其中主冷凝器是壳和管换热器。
4. 根据权利要求1所述的方法，其中主冷凝器是铜焊的铝换热器。
5. 根据权利要求1所述的方法，其中主冷凝器包括多个冷凝器模块。
6. —种向下流动冷凝器，特别地适合作为双塔低温空气分离设备的 主冷凝器，向下流动冷凝器具有多个管，其中所述的管的每个具有带槽 的外表面和结构化的内表面。
7. 根据权利要求6所述的冷凝器，具有从300到800个管。
8. 根据权利要求6所述的冷凝器，其中结构化的内表面具有深度在 从0.5至2.0毫米的范围内的腔。
9. 根据权利要求6所述的冷凝器，其中管的内径在从15至25毫米 的范围内。
全文摘要
一种低温空气分离系统，具有主冷凝器(32)，主冷凝器(32)包括多个具有带槽的外冷凝表面和具有结构化内沸腾表面的管，向下流动的氮蒸气(10)在外冷凝表面上冷凝，向下流动的氧液体在结构化内沸腾表面上蒸发。主冷凝器(32)可以用作位于低压塔(31)内的冷凝器/再沸腾器以冷凝来自高压塔(30)的氮蒸气且部分地蒸发来自低压塔(31)的氧液体。
文档编号F25J3/04GK101258374SQ200680032321
公开日2008年9月3日 申请日期2006年8月2日 优先权日2005年8月4日
发明者M·J·洛克特, V·S·查克拉瓦蒂 申请人:普莱克斯技术有限公司