在低温下操作的用于气体的分离或液化的设备的制作方法

本发明涉及一种在低温下操作的用于气体的分离或液化的设备，尤其涉及一种用于通过低温蒸馏分离空气的设备。

随着蒸馏塔填料性能质量的进步，所述塔的直径越来越小。相反，将过程中的液体和气体输送到塔入口/出口的管道的尺寸并未减小。

因此，冷箱的空间占用(footprint)越来越受到管道而不是受到塔本身的限制。另外，该管道还产生压降，因此对分离能量消耗的增加做出了贡献。

因此，重要的是，开发一种适用于管道的设计，该设计可以减少气体(例如空气)的比分离能和/或减少冷箱的空间占用。

在用于在低温下分离流体的设备中，通过弯头发生管道方向的改变。它们可能有几种设计，但是当管道的直径太大(>40英寸或101.6厘米)时，在技术上需要插入斜接弯头(mitredbend)，因为圆形弯头在一定尺寸以上在经济上不可行。

斜接弯头通过焊接以精确的角度切割的直管的多个扇形段(sector)，最终获得所需的角度而形成。

这些扇形段由围绕其公共轴接合的复曲区段(toricsegment)构成。

这些类型的弯头的缺点是它们的空间占用。这是因为，为了减小与方向变化有关的压降，已知的做法是增加弯头的曲率。但是，这样的空间占用对于在冷箱中的装置而言太大。建议坚持大于或等于1、通常大于或等于1.5d的曲率半径r与管道直径d的比率。

r/d小于1也是可能的，但这将对压降不利。

叶片弯头(vanebend)具有满足减少例如空气的气体的比分离能量和/或减少冷箱的空间占用的目标的潜力。

根据本发明的一个主题，提供了一种用于在低温下分离或液化气体的设备，该设备包括隔离的腔室，该腔室包括至少一个在低温下操作的前部元件，其为蒸馏塔，并且还包括用于输送来自或流向该元件的流体的管道，该管道的直径为d，包括用于改变流体流动方向的弯头，其特征在于：i)该弯头不包括曲率，或者包括曲率半径r与所述管道直径d的比小于(0.5d+x)/d的曲率，其中x等于0或者大于0且小于0.5d，ii)在该弯头内设置异形导流叶片(profileddeflectorvane)，其凹面朝向弯头中心，形成多个平行的弯曲通道。

根据本发明的其他任选方面：

-该设备包括至少两个沿弯头的二等分线(bisector)彼此平行对齐的叶片；

-该设备包括至少五个沿弯头的二等分线彼此平行对齐的叶片；

-弯头形成直角；

-流体是待分离的气态空气，通过管道输送到蒸馏塔；

-流体是来自蒸馏塔的气态氮；

-管道的直径大于101.6厘米；

-至少一个叶片伸出弯头；

-弯头位于所述元件和腔室的壁之间；

-曲率半径r与管道的直径d之比小于1，优选小于0.7；

-r/d比大于0.5；

-弯头的空间占用小于1.5d，优选小于1.2d。

将参考附图更详细地描述本发明。

图1示出了从外部观察的根据本发明的弯头。

图2示出了根据本发明的弯头。

图3表示根据现有技术的弯头。

图4表示根据本发明的弯头的横截面。

图5显示了无叶片弯头中流体的以m/s计的速度。

图6示出了根据本发明的具有叶片的弯头中的速度。

图7示出了根据本发明的腔室。

图1表示旨在成为用于在低温下分离或液化气体的设备的一部分的弯头的视图，该设备包括隔离的腔室。在该腔室中具有至少一个在低温下运行的前部元件，其为蒸馏塔，以及用于输送来自或流向该元件的流体的管道。该管道包括用于改变流体的流动方向的弯头1，如图1所示，该管道不具有曲率，或者其包括曲率半径r与直径d之比为(0.5d+x)/d的曲率，其中x小于0.5d.

对于90°的弯头，该比应小于1，优选小于0.7。

在弯头内设置异形导流叶片3，其凹面朝向弯头的中心c，以在其中形成多个基本平行的弯曲通道。在管道中输送的流体(液体或气体)通过沿着异型叶片之间的弯曲通道流动来改变流动方向。

在弯头中具有叶片的栅格，其作用是通过将进入弯头的气体或液体料流转动90°来改变其方向。这些优选由薄金属片制成的叶片3将根据用于确定空气动力学状况(aerodynamicprofile)以获得所需的气体料流均匀偏转的已知方法来计算。它们使(液体或气体)流体料流偏转，并将它们在弯头出口方向输送返回。它们显著降低了弯头上游的静压，同时减少了在弯头内的脱离(detachment)。

叶片3具有新月形的形状，其具有对称的中央平面和在弯头的平面中的直线母线(generatrix)，这些叶片将其凹面转向弯头的中心并且优选沿着弯头的二等分线对齐。

叶片3优选以彼此相等的距离设置。

在叶片3之间定界的通道均具有相同的宽度。

图1示出了至少一些叶片可以通过将它们滑入弯头1中形成的弯曲狭缝中来安装，从而使得叶片的末端保持在弯头的末端。

叶片可以完全处于弯头内。然而，如果叶片的末端在外面，则由于待焊接的部位更容易接近以安装叶片而有利于制造。

弯头由其中一个连接到在低温下工作的前部元件的两个斜接区段(mitredsegment)5、7组成。该元件可以是蒸馏塔。

区段5、7的直径，以及因此通向该元件的管道的直径，可以具有任何尺寸，但是当该直径超过40’即101.6cm时，本发明提供额外的优点。

图2在弯头1的分解图中显示了弯头内的六个叶片。

与斜接弯头相反，本发明的叶片弯头[图4]由于它们不具有曲率半径而不必遵守大于或等于1的r/d比。这是因为，仅考虑中性纤维，其由两个区段组成，而对于斜接弯头，其由定义弯曲的几个小区段组成(图3)。在显示现有技术的图3的示例中，在管道的末端之间有两个小区段，由于曲率半径等于d，因此r/d比率为1。可以看到，弯头的空间占用为1.5d，这意味着必须将冷箱设计为包含该空间，以便在地面上容纳距离为1.5d的弯头的弯曲。

在图4的情况下，根据本发明，在这种情况下由两个斜接区段5、7组成的弯头1包含十一个叶片3，这些叶片3具有新月形的轮廓，具有对称的中央平面和垂直于弯头的平面的直线母线。这些叶片的凹面朝向弯头的中心c，并且优选沿着弯头的二等分线对齐。

由于叶片的存在，可以将弯头的弯曲减小到最小，因此弯头形成直角。

通过向类似于图3的具有曲率半径d和管道直径d的结构添加叶片，还可以想象根据本发明的具有曲率半径的弯头。

在这种情况下，d/d比小于(0.5d+x)/d，其中x为0或小于0.5d，通常约为0.1d。

构造弯头所需的距离用x表示。

因此，可以看出，在这种情况下，弯头的空间占用限于1d+x。

弯头可以例如从双塔的中压塔或低压塔接收气态氮，以通过低温蒸馏分离空气。对于涉及低压塔的情况，弯头通常位于低压塔的顶部和包含该塔的腔室的壁之间。因此，减小弯头的尺寸使得可以将壁设置成更靠近塔，从而减小腔室的尺寸。

使用这种叶片弯头的优点之一是，由于其更好的紧凑性(在相同的管道尺寸下)可以节省空间。

此外，叶片弯头的设计对压降产生了积极影响。

叶片弯头的单一压降系数(singularpressuredropcoefficient)比斜接弯头低约60％。这意味着叶片弯头产生比斜接弯头低60％的压降。

然后，压降方面的这些节省可以通过两种不同的方式来显示：

·减少管道，即分离能量不变，但体积较小，

·或直接减少分离能量。

最后，弯头内的弯曲叶片的存在具有稳定流体的作用，该流体被方向改变扰动，在下游更快。通过方程的数字求解(digitalsolving)进行的流体动力学研究可以使这种效果可视化。图5示出了在没有叶片的弯头中以m/s计的流体速度，图6示出了在根据本发明的具有叶片的弯头中的流体速度。

在这种情况下，显示了两个弯头，但是管道可以仅包含一个弯头。

管道的某些元件，特别是流量计装置，具有最小上游直线长度要求，以便能够正确操作。这是因为为了在流体通道部分中获得足够均匀化的速度分布以允许精确地测量流速，需要一定的长度。

叶片弯头的使用因此可以减小这些长度并改善管道的轮廓。

也可以在低温泵上游的用于液体的管道上设想这种类型的弯头，为此已知的是，降低泵上游的压降是必不可少的操作要素(净正吸入压头(netpositivesuctionhead))。

与围绕没有叶片的直径相同的管道的隔离的腔室相比，该隔离的腔室的至少一个尺寸减小了。

如果所述管线没有配备叶片，则由弯头中方向变化引起的流体压降小于在管线中在方向变化过程中产生的压降。

最后，叶片弯头具有实际的经济优势，因为它们使得可以节省能量或节省投资；它们的紧凑性和性能质量使得可以减小冷箱的尺寸。

图7示出了隔离的腔室8的局部视图，隔离的腔室8包括蒸馏塔9，其为用于空气分离的双塔的低压塔。低压氮气管道5包括使得可以将氮气垂直地朝向管道的底部传送的弯头1。叶片的使用使得可以减小腔室的尺寸，因为弯头占据较小的空间。