CN101980775A - 具有热交换和/或物料交换填料的塔 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有填料的塔，该填料用于下降液体和上升气体之间的热和/或物料交换，该塔包括至少一个交换部段(5，9，10，11)，所述交换部段位于两个分布器之间或者包括至少两个并至多二十个叠置的部分，该交换部段包括下部部分(9A，10A，11A)和位于该下部部分上方的另一部分(5B，9B，10B，11B)，至少一个交换部段(9，10，11)的下部填料部分(9A，10A，11A)包括至少一个这样的填料模块，该填料模块与相同交换部段的另一填料部分(9B，10B，11B)的至少一个填料模块相比具有较少的传质单元数。

Description

具有热交换和/或物料交换填料的塔

本发明涉及一种具有交换填料的塔，该交换填料用于下降的液体和上升的气体之间的热和/或物料交换，该塔包括至少一个交换部段，所述交换部段包括若干叠置的填料部分，所述填料部分被限定在两个液体分布器之间，或者被限定在流体入口或出口和液体分布器之间或者在第一流体入口或出口和第二流体入口或出口之间，或者包括彼此叠置的、优选地直接叠置在彼此之上的最少2个填料模块并最多20个填料模块，该交换部段包括下部部分和在该下部部分上方的另一部分。本发明的塔尤其适用于空气蒸馏塔。

这里所指的填料为用于使下降液体与上升气体彼此密切接触从而能够进行热和/或物料交换的设备。

填料部分各由至少一个填料模块或“单元(pack)”构成。这些模块可以为散装类型，也就是说每个模块由一定量的离散颗粒构成，但优选为通常所说的规整类型。该(规整)类型尤其包括：

(1)交叉波纹填料，通常由波纹状条带构成，所述条带包括交替的平行波纹，每个波纹布置在竖直的总平面中并彼此抵靠，所述波纹从一个条带到下一个条带以相反的方向倾斜地向下延伸。一般在这些交叉波纹类型的填料中设有通常为约10％的穿孔率。

GB-A-1 004 046公开了交叉波纹类型的填料，CA-A-1 095 827提出了对这种类型填料的改进，所述改进通过添加致密的小直径穿孔以允许液体恰好通过交叉波纹条带来实现。

这种填料通常由扁平产品制成，即由条带形式的金属板制成。所述条带首先被弯曲(或弯成曲线)以形成一种条带形式的波纹板，其中波纹相对于条带的轴线倾斜。然后将弯曲的条带切割成部分，之后翻转每一个交替的条带将它们堆叠成模块或“单元”。

(2)通风填料(garnissage àventilateur)，其中每个模块包括多个导流板，所述导流板限定一组固定的通风机的水平层，所述通风机用于搅动上升气体。

这些通风填料为对塔中的上升气体具有三维效应的结构。通过使气体产生多重旋转，向该气体内引入大量湍流，所产生的搅动改善了该气体与下降液体的热和/或物料交换。

这种填料单元的示例在WO-A-86/06 296、WO-A-90/10 497和EP-A-0845 293中描述。

本发明的目的是降低填料类型的热和/或物料交换塔的成本。

为此目的，本发明的主题为具有上面所提到的类型的填料的塔，其特征在于，至少一个交换部段的下部填料部分包括至少一个这样的填料模块，该填料模块与相同交换部段的另一填料部分的至少一个填料模块相比具有较低的传质单元数。

如本领域所公知的，填料模块的气相传质单元数(NTU)为模块高度(HM)除以气相传质单元高度(HTU)的商值。HTU通常用于表征填料的固有效率，并通过如下关系式与该相同填料的理论板当量高度(HETP)相关联：

$\mathrm{HETP}=\mathrm{HTU}\·\frac{m\·V/L-1}{\ln (m\·V/L)}$

其中L为液体的摩尔流量(mol/s)，

V为蒸气的摩尔流量(mol/s)，

m为表示蒸气中的摩尔分数随液体中的摩尔分数变化的图表中的平衡线的斜率。

填料模块的HTU并从而NTU在某种程度上取决于被蒸馏的流体和蒸馏条件。然而，当本文比较两个填料模块的NTU时，总是意味着在相同的蒸馏条件下对这两个模块进行考虑。另外，为了简化，本文中将气相传质单元数称为传质单元数。

根据本发明的填料塔可具有下列特征中的一个或多个特征(单独考虑或以任何技术上可行的组合考虑)：

-所述下部部分的所述模块在如下因素中的至少一个方面不同于相同交换部段的所述其它部分的所述模块：

●其固有/本征密度；

●其结构；

●如果填料为交叉波纹类型的规整(具有一定结构的)填料，其通路相对于水平面的倾斜角度；

●其在塔的横截面上的平均密度；和

●其高度；

-所述因素为平均密度，并且所述下部部分仅占据塔的横截面的一部分，并位于从所述下部部分上方的部分所射出的液体射流的下方；

-所述填料部分为规整填料的部分；

-所述下部填料部分为交叉波纹填料的部分，而另一填料部分为通风填料的部分；

-所述下部填料部分为密度较低的交叉波纹填料部分，而另一填料部分为密度较高的交叉波纹填料部分，填料模块相对于彼此绕塔的竖直中心轴线角向偏移，尤其偏移90°；

-所述下部填料部分由单一填料模块构成；

-所述单一模块与相同交换部段的另一部分的模块相比具有较低的高度；

-在每个交换部段中，所述填料模块直接在彼此之上堆叠或者在插入形成间隔件的元件的情况下堆叠；

-所述塔为双空气蒸馏塔的低压塔或富氩空气气体混合物分离塔；

-所述塔包括一个位于另一个之上的至少两个部段和限定在这两个部段之间的空间，其中至少上部部段具有下部部分，该下部部分包括至少一个这样的填料模块，该填料模块与相同交换部段的另一填料部分的至少一个填料模块相比具有较少的传质单元数，所述空间既不容纳分布器也不容纳用于来自外部的流体的入口；

-所述一个位于另一个之上的两个部段各包括至少2个模块、优选地至少4个模块、或甚至至少5个模块；

-所述部段容纳在流体入口或出口和液体分布器之间，该部段可能地(在需要时)包括至少2个部分并至多20个部分，这些部分在彼此之上叠置、优选地直接在彼此之上叠置。

-所述部段容纳在第一流体入口或出口和第二流体入口或出口之间，该部段可能地包括至少2个部分并至多20个部分，这些部分在彼此之上叠置、优选地直接在彼此之上叠置。

本发明的另一个主题为使用上面所描述的塔分离空气气体的方法，其中所述塔在低于4bar abs的压力下运行。

可能地，所述塔在低于2bar abs的压力下运行，并且/或者构成双塔的低压塔或被供给富氩空气气体流的氩分离塔。

现参照附图对本发明的一示例性实施例进行描述，其中，图1是根据本发明的双空气蒸馏塔的示意性轴向横截面图，图2是描述根据现有技术的塔和根据本发明的塔的压力降和传质单元高度的变化的图表。

图中所描述的具有竖直中心轴线X-X的双空气蒸馏塔1除了其填料构造以外为传统设计。因此该蒸馏塔由中压塔2和在中压塔2之上的低压塔3构成。主蒸发器-冷凝器V使塔2的顶部蒸气(几乎为纯氮)与塔3的底部液体(几乎为纯氧)处于热交换关系。

塔2包括顶部液体分布器4和位于该分布器下方的单一空气蒸馏部段5。

塔3包括：顶部液体分布器6；位于分布器6和供给管线12之间的上部蒸馏部段9；中间蒸馏部段10，该中间蒸馏部段包括位于部段9下方的至少2个模块并至多20个模块；和下部蒸馏部段11，该下部蒸馏部段包括至少2个模块并至多20个模块，并位于部段10和提取部21之间。分布器7使部段9和部段10分开。

在操作过程中，被压缩到通常绝对压力为5bar量级的中压的待蒸馏的空气被引入塔2的底部。在该塔的底部收集的“富液”(富氧空气)经由管线12被抽出，在膨胀阀13中膨胀至绝对压力为1.2bar量级的低压，并被引入塔3内。

在塔2顶部的由液态氮构成的“贫液”经由管线14被抽出，在膨胀阀15中膨胀至低压，并被引入分布器6内。在蒸发器-冷凝器V中冷凝的过量液态氮落入分布器4内，该分布器将所述过量液态氮分布在蒸馏部段5中。在蒸馏部段5中，入流空气上升并与回流的液态氮进行热交换和物料交换，并且氧含量逐渐变得贫乏。

在塔3中，上升的气体为气态氧，其与回流液体进行热交换和物料交换。分布器6将液态氮分布在蒸馏部段9中。

每个液体分布器4、6和7具有外围槽16和若干具有U形横截面的平行槽17，所述平行槽在各端部通向槽16。在槽16之间具有用于上升气体通过的平行通路18，这些平行通路由水平的上壁19封闭。恰好在该壁下方具有成排的开口20。槽17的底部是穿孔的，因此在这些槽中的每一个的下方限定了大量竖直的液体射流。

双塔1还包括至少一个产品出口，诸如用于从塔2的底部抽取气态氧并位于部段11紧下方的管线21，以及用于抽取从塔3的顶部导出的残留气体(不纯的氮)的管线22。塔2底部中的空气入口管线用23标记。

可在部段10和11之间和/或在部分11A下方包括空气入口25和/或分布器。

蒸馏部段5、9、10和11中的每一个由具有一定结构的填料模块堆构成。下部模块构成所述部段的下部部分9A、10A和11A，而其它模块形成所述部段的主要部分。模块直接在彼此顶部上堆叠或者在插入形成间隔件的元件的情况下堆叠。

低压塔3的每个下部部分9A、10A和11A由填料模块或“单元”构成，所述填料模块或“单元”更具体地设计成将其从下方接收的气体均匀地分布在塔的整个横截面上，而每个其它部分的模块更具体地设计成在此液体和上升气体之间进行高效的物料交换和/或热交换。

因此可给出下面的示例：

(1)下部部分9A可以是与另一部分9B相同的种类，但具有较低的固有密度(金属的m²数/m³)。因此可在较低成本下执行气体分配功能，因为所使用的金属量较少。

(2)下部部分10A可以是与另一部分10B不同的种类，即从蒸馏角度来说可具有较低的效率，并且成本较低。特别地，下部部分可为交叉波纹类型，尤其具有低密度或较大的通路相对于水平面的倾斜角，而主要部分10B密度较大/更致密或具有较小的通路倾斜角。

(3)下部部分11A可以是这样的填料模块，其高度比上部部分11B的模块的高度小。因此，降低了塔的高度，而不会显著损害蒸馏的总效率，因为上部部分完全没有受影响。

这些不同的选择可彼此结合。另外，在情形(1)和(2)中，下部部分可由多于一个填料模块构成。

部分9A、10A和11A可被另一部分代替，该另一部分的传质单元数通过以在此说明书中所描述的不同方式修改所述部分而较少。

在上面的每个情形中，下部部分的每个模块与另一部分的每个模块相比具有较少的传质单元数。

具体地：

-情形(1)：对于给定高度的模块，降低固有密度使传质单元数减少。

-情形(2)：通过定义，较低的蒸馏效率对应较低的传质单元数。对于相同的密度，其通路相对于水平面具有较大倾斜角的填料具有较少的传质单元数。

-情形(3)：降低模块的高度使该模块的传质单元数减少。

-情形(4)：省去模块的部分活性部段使其传质单元数减少。

在附图所描述的示例中，中压塔2的蒸馏部段的上部部分是根据EP-A-1186843的交叉波纹填料的单一模块。

部段5的上部部分5A是不连续的。该上部部分由若干平行的条带构成，所述条带中的每一个位于分布器4的相应的槽17的下方。另一部分5B是由交叉波纹填料模块堆构成的主要部分。部段5中的各模块相对于彼此绕轴线X-X角向偏移90°。

部段11的部分11B是由交叉波纹填料模块堆构成的主要部分，部分11B的密度大于下部部分11A的密度。部段11中的各模块相对于彼此绕轴线X-X角向偏移90°。部分11B起分布器的作用，因此在部段10和11之间不需要其它的分布器。

部段10的下部部分10A是由通风类型的填料模块堆构成的主要部分。这些模块相对于彼此绕轴线X-X角向偏移90°。

部段9的部分9B是由交叉波纹填料模块堆构成的主要部分，部分9B具有与下部部分9A相同的密度，但与下部部分9A相比具有较高的高度。部段11的各模块也相对于彼此绕轴线X-X角向偏移90°。

还可设想一部段的上部部分与该部段的下部部分之外的一部分相比具有较少或较多的传质单元数。该上部部分可在如下因素中的至少一个方面不同于相同交换部段的下部部分之外的所述其它部分：

●其固有密度；

●其结构；

●如果填料为交叉波纹类型的规整填料，其通路相对于水平面的倾斜角度；

●其在塔的横截面上的平均密度；和

●其高度。

应当理解，上部部分的这些选择也可应用到根据本发明的那些塔之外的塔中。

情况通常为，当叠置的部分的数量超过一给定数量时，必须插入分布器以将这些部分分成两个部段，以便允许较好地分配，如可从EP-A-1186843的部段10和11所见的那样，即使这两个部段之间不存在流体入口。

对于附图中所描述的情形，可看到，对于两个具有五部分的部段，所需的仅为减少上部部段的下部部分的传质单元数，以便改进蒸馏。在这种情况下，则不需要在这两个部段之间装配分布器，从而可降低塔的高度。

在图2中，图表显示出根据现有技术的测试1和测试2的填料性能。在这些示例中，每个交换部段仅由具有相同传质单元数的部分构成，测试1中的部分与用于测试2的部分相比具有较高的传质单元数。对于对应于本发明的测试3，除了下部部分之外，所有塔部段部分具有与测试1中的部分所使用的传质单元数相同的传质单元数。下部部分与上部部分相比具有较少的传质单元数，该下部部分的传质单元数与用于测试2的部分的传质单元数相等。

可指出，对于具有根据本发明的填料的塔(测试3)和根据现有技术的塔(测试1)，每传质单元的高度基本上相同。与之相比，可看到用于测试2的塔具有较高的高度。

无论液泛率(泛点率，taux d’engorgement)如何，根据本发明的塔的压力降与用于测试1的塔的压力降相比总是低10％的量级，因此大大节省了能量。

Claims (14)

1.一种具有交换填料的塔，该交换填料用于下降液体和上升气体之间的热交换和/或物料交换，所述塔包括至少一个交换部段(5，9，10，11)，所述交换部段位于两个分布器之间或者包括叠置的、优选地直接叠置在彼此之上的至少2个部分并至多20个部分，该交换部段包括下部部分(9A，10A，11A)和位于该下部部分上方的另一部分(9B，10B，11B)，所述塔特征在于，至少一个交换部段(9，10，11)的下部填料部分(9A，10A，11A)包括至少一个这样的填料模块，该填料模块与相同交换部段的所述另一填料部分(9B，10B，11B)的至少一个填料模块相比具有较少的传质单元数。

2.根据权利要求1所述的塔，其特征在于，所述下部部分(9A，10A，11A)的所述模块在如下因素中的至少一个方面不同于相同交换部段的所述另一部分(9B，10B，11B)的所述模块：

-其固有密度；

-其结构；

-如果所述填料为交叉波纹类型的规整填料，其通路相对于水平面的倾斜角度；

-其在所述塔的横截面上的平均密度；和

-其高度。

3.根据权利要求2所述的塔，其特征在于，所述因素为平均密度，并且所述下部部分仅占据所述塔的横截面的一部分。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的塔，其特征在于，所述填料部分(9A，9B，10A，10B，11A，11B)为规整填料的部分。

5.根据权利要求4所述的塔，其特征在于，所述下部填料部分(9A)是密度较低的交叉波纹填料部分，而另一填料部分是密度较高的交叉波纹填料部分，所述填料部分在需要时相对于彼此绕所述塔的竖直中心轴线(X-X)角向偏移，尤其偏移90°。

6.根据权利要求1至5中的任一项所述的塔，其特征在于，所述下部填料部分(5A，9A，10A，11B)由单一填料模块构成。

7.根据一起考虑权利要求2和6所述的塔，其特征在于，所述单一模块(11A)与相同交换部段(11)的另一部分(11B)的模块相比具有较低的高度。

8.根据权利要求1至7中的任一项所述的塔，其特征在于，在每个交换部段(5，10，11)中，所述填料模块直接在彼此之上堆叠或者通过插入形成为间隔件的元件堆叠。

9.根据权利要求1至8中的任一项所述的塔，其特征在于，所述塔为空气蒸馏双塔(1)的低压塔(3)或富氩气体混合物分离塔。

10.根据权利要求1至9中的任一项所述的塔，其特征在于，所述塔包括一个位于另一个之上的至少两个部段(10，11)和限定在这两个部段之间的空间，其中至少所述上部部段(10)具有下部部分(10A)，该下部部分包括至少一个这样的填料模块，该填料模块与相同交换部段的另一填料部分(10B)的至少一个填料模块相比具有较少的传质单元数，所述空间既不容纳分布器也不容纳用于来自外部的流体的入口。

11.根据前述权利要求中的任一项所述的塔，其特征在于，所述部段容纳在流体入口或出口和液体分布器之间。

12.根据前述权利要求中的任一项所述的塔，其特征在于，所述部段容纳在第一流体入口或出口和第二流体入口或出口之间。

13.一种使用根据前述权利要求中的任一项所述的塔分离空气的方法，其中所述塔在低于4bar abs的压力下运行。

14.根据权利要求13所述的分离空气的方法，其特征在于，所述塔在低于2bar abs的压力下运行，并构成双塔的低压塔或被供给富氩气体流的氩分离塔。

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