CN1576762A - 用于填充塔的壁流式再分配器 - Google Patents

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Abstract

一种用于在交换塔中收集和再分配的下行液体的装置，其中交换塔有一层结构填料，一个纵轴，一个横截面积，一个具有内周的内壁，该装置包括：一种放置在交换塔中结构填料层上面的壁流式收集器，壁流式收集器具有与内壁的内周接近的外径，并适于收集在交换塔内壁上或接近内壁处的至少一部分下行液体；一种放置在交换塔中的传输装置，用于将至少一部分由壁流式收集器收集的液体向纵轴传输跨越交换塔的横截面积的一个相当大的距离；和一种分配装置，用于从输装置向结构填料层分配至少一部分所收集的部分液体。

Description

用于填充塔的壁流式再分配器
技术领域
本发明涉及一种在用于热量和/或质量传递工艺的交换塔(exchangecolumn)中收集下行液流并将其再分配进入结构填料中的装置和方法。虽然该装置和方法可以应用于其它的热和/或质量传递工艺，但是该装置和方法特别应用于利用蒸馏进行低温空气分离的工艺。本发明还涉及在这种工艺所用的交换塔中组装用于收集和再分配下行液流进入结构填料中的装置的方法。
背景技术
此处所用的术语“塔”指的是蒸馏或分馏塔或区域，即一个塔或区域，其中液相和汽相逆流接触，从而使液体混合物分离，比如通过使汽相和液相在填料组元或一组安装在塔中并垂直间隔开的盘或板上相互接触。
术语“填料”指的是具有预定尺寸、形状和构形的实心体或空心体，该填料用作塔的内部零件提供表面积，用于液体在两相逆流时的液-汽界面上发生质量传递。填料的两种粗分类是“不规则的”和“结构化的”。
“不规则填料”指的是独立元件彼此之间或相对于塔的轴不具有特殊的取向。不规则填料是小的空心结构，每单位体积具有大的表面积，它们被随机装载到塔中。
“结构填料”指的是独立元件彼此之间以及相对于塔的轴都具有特定的取向。结构填料通常由被扩展的金属或金属线筛堆叠多层或螺旋缠绕而构成；但是也可以用其它的结构材料，如平金属片。
术语“孔”和“口”此处可交换使用，指的是液体可以穿过去的开口。尽管附图中示出的是圆孔，但是该孔可以具有其它的形状，包括规则的和不规则的形状。
气体的低温分离是通过使液体和蒸气从相反方向穿过分馏塔接触而进行的。气相混合物上升，较易挥发的组分(例如氮气)随气相聚集，同时液相混合物下降，不易挥发的组分(例如氧气)随液相不断聚集。
各种填料或盘可以用于使液相混合物和气相混合物接触，从而完成相之间的质量传递。用于蒸馏的填料的应用是标准的实践，具有许多优点，其中压降是重要的。但是，填充塔的性能完全取决于在填料中局部产生并保特向下的液流和向上的蒸气流之间的平衡。在填料中液体和蒸气的分布受这些液体进入填料中的最初状态的影响。
液体和蒸气进入填料中的最初状态通常由分配器形成。一个液体分配器置于填料上方，而一个蒸气分配器置于填料的下方，其中液体分配器的作用是使液体均匀地浇入填料，蒸气分配器的作用是在填料下方产生均匀的蒸气流。
由于在两相质量/热传递填充塔中液体的不均匀分布会导致差的质量/热传递效果，所以很久以前人们已经认识到这种不均匀分布的现象。液体的不均匀分布可能是由于：最初将液体不均匀地导向填料；不均匀分布的蒸气流，它通过蒸气/液体的剪切机制迫使液体分布不均匀；填料本身，它具有本来的“固有分布”，不管液体最初的状态如何，液体的分布都趋向于该“固有分布”。众所周知，液体倾向于在接近包含结构填料的塔的内壁处聚集，如美国专利No.6,288,818 B1(Buhlman)、美国专利No.6,513,795 B2(Sunder)以及公开文献中的众多出版物(例如，Stoter等，“Measurement andmodeling of liquiddistribution in structured packings”，Chem. Eng.J.(1993)53 55)中所述。
先有技术中的各种方法致力于处理液体在接近塔内壁处或塔内壁上的聚集。这些方法分为三类：A)试图使在壁上或接近壁处的液体改变方向返回至此处填料中的方法；B)试图重新收集在填料中和在壁上/接近壁处流动的液体，然后使其混合到一定程度后实行再分配的方法；C)其它方法。下面讨论这三类方法。
A类：局部重新引入液体
这种普通方法背后的理论是，可以将在壁上或沿着结构填料的外圆周流动的液体重新引入填料的周边，然后使其自然地流回到大部分的填料床。在这种方法中应用的绝大多数结构填料包括一个或多个“壁接触刷”材料(通常为金属箔或金属网)的短带，该短带折叠抵靠在塔内周和结构填料的周边上，以降低“液体和蒸气的分流”。
美国专利No.5,224,351(Jeannot等)公开了多种类型的壁接触刷，这些接触刷从填料的壁和壁区域上收集液体，并试图将其引入到相同的填料层或下面填料层的周边。这些方法具有如EP997189A1(Klotz等)所公开的声称具有降低蒸气分流的优点。但是，如美国专利No.6,286,818B1(Buhmann)中所教导的，这些传统设计仍然会导致液体在填料的壁上或接近壁的区域聚集。此外，必须在每一层应用“壁接触刷”，或者沿着填料床的高度方向非常频繁的应用“壁接触刷”。申请人相信，这种方法的无效在于这样一个事实，即从壁或接近壁区域重新引入填料中的液体在填料外圆周进入填料，它们很有可能会象流向塔中心那样再向壁/近壁区域流回。
也已经提出对于填料边的改进措施，作为用于使液体改向进入填料中的方法。在美国专利No.5,244,351(Jeannot等)中公开了用于折叠和剪切边区域的具体几何形状和用于制造这些形状的工具。由于用于每块结构填料的加工和特殊处理的成本提高，以及与独立的结构填料的片(或“块”)相关的组装费用的提高，其中边的改进要求必须使结构填料以特定的方位进行必要的组装，这种方法是不利的。此外，和“壁接触刷”的方法中相同，填料边改进方法依赖于在改向后倾向于流向塔横截面的中心的改向液流，但是液体实际上既可能流向壁也可能远离壁，并且倾向于在网中流向壁。
最后，如EP0684060B1中所公开的那样，从塔的内周向填料延伸入一个小距离的障碍物可以加入以使液流改向。这种方法也遭受了与前面所述的方法相同的缺点，将靠近壁区域液体重新引入，在该区域液体可以迅速重新聚集。
B类：液体收集器/再分配器
这类方法需要一种液体收集/混合/再分配装置，以在塔中处理所有的液流，同时试图使在塔中上升蒸气的分布的扰动最小化。该装置倾向于大并包括很多厚重零件，因此会导致很高的生产成本和与额外的塔高度相关的附加成本。
美国专利No.5,240,652(Taylor等)就是在填充塔中进行液体分配的一个“标准”方法的实施例。在“预分配器”中从填料的整个横截面捕获液体，该预分配器在槽中或桶中混和所有的液体，对液体进行稍微粗略的分配使其进入第二分配器，然后第二分配器分配所有液流，使其以高均匀度流入下面的填料。蒸气提升器渗透入预分配器和第二分配器。与从第二分配器跨越塔横截面获得均匀液流和调整预分配器所需的塔高度相关的成本是非常高的。此外，用于这种设计的生产和安装成本也是很高的。由于这么高的成本，所以这些分配器仅仅用在引入或抽取液流的填充部分的顶端，或用于截止非常高的填充部分，从而在高的填充部分的中间点处获得完全混合和再分配。
EP0782877B1(Billingham等)是标准液体分配器设计(美国专利No.5,240,652)的一种变形，其中在分配器上方悬挂障碍物以增强液体混合。
EP0684060B1是标准液体分配器设计的一种变形，其中跨越塔的横截面的浇灌孔的密度是不同的，用来降低由于填料的壁/近壁区域造成的不均匀分布。
美国专利No.5,464,573(Tokerud等)是标准液体分配器设计的一种替换，用于节约塔高度/成本。通过从填料直接捕获液体而避免了使用预分配器，填料通过每个槽上的叶片置于其上方。在一种实施方式中，用一个圆环捕获在壁上流动的液体。该圆环具有特征(如水平槽)以将液体导向液体分配器主体。
EP0879626A2(Hine等)是标准液体分配器设计的一种替换，用于节约塔高度/成本。通过在蒸气提升器顶部的一组小槽中部分混合捕获的液体而避免了使用预分配器。
美国专利No.5,132,055(Alleaume等)公开了一种液体分配器，该液体分配器也用作上面填料的支撑件。该分配器包括一个巨大的盘，该盘几乎延伸跨越整个塔横截面。该盘安装有用于蒸气流和填料支撑的坚固的反向槽。在盘底部的孔向下面的填料分配液体。该分配器密封到塔圆周上，这样塔内壁上的液体被其余从填料下行的液体捕获。没有预分配器和特殊装置用于混合其它捕获的液体和从壁上捕获的液体。
美国专利No.5,224,351(Jeannot等)公开了一种装置，该装置利用特殊的设备捕获从内壁或填充部分的填料圆周上流动的液体，从而使捕获的液体进入分配器的中心，进而使其与分配器中收集的大量液体进行较好的混合，其中填充部分如美国专利No.5,132,055中所描述的那样置于液体分配器的上方。
C类：其它方法
这些进行再分配的方法需要在主填料的两个较大部分之间使用不同类型或密度的填料。这些方法的缺点是它们没有具体解决与塔壁/填料周边相关的不均匀分布。
美国专利No.6,286,818B1(Buhlmann)公开了一种利用短段填料在填充部分再分配液体的装置，其中短段填料与其余填料部分不同。应用在短段中的填料指的是一种液体再分配的装置。美国专利No.6,513,795B2(Sunder)公开了一种利用“混合阻力结构填料”来校正液体不均匀分布的装置，该“混合阻力结构填料”包括具有低阻力并在塔中心流动的结构填料和具有高阻力并围绕中心在外环流动的填料。这两种方法都试图通过在塔中改变结构填料的特征来解决液体分布不均匀的问题，但是都没有提供特殊的设备来发挥在塔内壁上或填料的近壁区域中的液体的优势。
WO0166213A1也提出了用填料作为分配装置，该装置利用了液压溢流。当向上流动的蒸气作用在向下流动的液体上的液压剪切力平衡掉液体由于重力向下流动的趋势时，发生液压溢流。结果局部高液体密度达到在标准穿孔蒸馏盘上发现的液体泡沫的密度。该文献教导了在较低密度填料的两个较高部分之间使用短段高密度填料，以在高密度填料中产生局部溢流条件，从而在较低填充部分中使液体再分配地更加均匀。没有特殊的设备用于捕获在塔内壁或接近塔内壁处的液体。这种方法的缺点是当蒸气相穿过高密度(浸没)填料时向蒸气相引入了额外的压降。
这三类方法在下面的表中进行总结，该表包括每类方法的相关缺陷/缺点。
类别 描述 缺陷/缺点
A.局部再次引入液体 置于填料周边上的装置或填料特征，用于将液体再次引入填料。 液体被再次引入接近塔内壁的填料圆周处，液体很有可能在再分配后很快返回壁区域。
B.液体收集器/再分配器 这些装置捕获所有从填充部分流下的液体，并且以不同的程度将液体进行混合和再分配。 由于这些装置处理所有的液流，因此它们必定大而复杂，从而是昂贵的。
C.其它方法 不同类型/密度的填料作为其他主要填料部分的再分配器。 这种方法不能明确地处理与壁流相关的分布不均匀，因此不能解决导致填料中液体分布不均匀的主要机制。
发明内容
希望有一种装置和方法，用于在交换塔中收集和再分配下行液流，该装置和方法捕获在塔壁上或塔中结构填料区域的液体，并再分配该液体使其远离塔壁深深进入结构填料的内部。
还希望有一种装置和方法，用于在交换塔中收集和再分配下行液流，需要相对小的额外塔高和与之相关的成本。
还希望有一种装置和方法，用于在交换塔中收集和再分配下行液流，并且不会导致在塔中上升的蒸气显著增加的压降。
还希望有一种装置和方法，用于在交换塔中收集和再分配下行液流，并且能够与传统的垂下壁炉(holddown grate)/支撑壁炉设计形成一体。
还希望有一种装置和方法，用于在交换塔中收集和再分配下行液流，通过减轻液体分布不均匀的效果来降低由于填充塔中总体液体分布不均匀造成差性能的可能性。
还希望有一种新的、更加有效的装置和方法，用于在交换塔中收集和再分配下行液流。
还希望有一种装置和方法，用于在交换塔中收集和再分配下行液流，克服先有技术中的困难、问题、限制、缺陷和不足，以提供更好的、更有利的结果。
还希望有一种组装用于在交换塔中收集和再分配下行液流的装置的方法，比先有技术提供更好的液体分布，还能克服现有技术中的许多困难和缺陷，以提供更好的、更有利的结果。
还希望有一种装置和方法，用于在交换塔中收集和再分配下行液流，为低温应用表现出高的性能特征，例如用在气体分离和其它热和/或质量传递中的装置和方法。
还希望有一种更加有效的气体分离工艺，该工艺利用了一种收集和再分配液体的装置，这种装置比先有技术的更加有效。
本发明是在交换塔中收集下行液流并将其再分配进入交换塔中的一层结构填料中的装置和方法。本发明还包括用于组装这种装置的方法。
本发明有多种装置和它的改进的实施方式。在第一种实施方式中，用于在交换塔中收集和再分配下行液体的装置包括三个元件，其中交换塔有一个纵轴、一个横截面积、一个具有内周的内壁，交换塔包括至少一层结构填料，该结构填料的外表面与内壁的内周间隔开。第一种元件是一种放置在交换塔中结构填料层上面的壁流式收集器，该壁流式收集器具有与内壁的内周接近的外径，并适于收集在交换塔内壁上或接近内壁处的至少一部分下行液体。第二种元件是一种放置在交换塔中的传输装置，用于将至少一部分由壁流式收集器收集的液体向纵轴传输跨越交换塔的横截面积的一个相当大的距离。第三种元件是一种分配装置，用于从传输装置向结构填料层分配至少一部分所收集的部分液体。
装置的第一种实施方式有多种变形。在一种变形中，壁流式收集器固定地连接到交换塔的内壁上。在另一种变形中，壁流式收集器在交换塔内沿着纵轴能够在垂直方向上运动。
也是在另外一种变形中，传输装置包括一个盘，至少盘的一部分与壁流式收集器液体连通，盘跨越至少交换塔的横截面积的一部分而延伸，分配装置在盘中包括至少一个孔。在另外一种变形中，传输装置包括至少一个连接到壁流式收集器上的扩展接触刷，该扩展接触刷朝着纵轴方向穿过至少塔的横截面积的一部分。
在另外一种变形中，传输装置包括至少一个与壁流式收集器液体连通的槽，该槽延伸遍及交换塔横截面积的至少一部分，分配装置在每个槽中至少包括一个开口或溢流凹口。在这种变形中的变化中，该装置还包括接近交换塔内壁或结构填料外表面的至少一个接触刷，该接触刷放置在槽的上方，并适于将内壁上或接近内壁处的下行液体的至少一部分传输到槽中。
在第二种实施方式中，用于在交换塔中收集和再分配下行液流的装置包括两个元件，其中交换塔具有一个纵轴、一个横截面积、一个具有内周的内壁，该交换塔包括第一层结构填料和其上方的第二层结构填料，第一和第二层结构填料的每一层具有一个与内壁间隔开的外表面。第一种元件是一种放置在交换塔中的壁流式收集器，该壁流式收集器位于第一层结构填料的上方而位于第二层结构填料的下方，该壁流式收集器适于收集交换塔的内壁上或接近内壁处的至少一部分下行液体。第二元件是放置在交换塔中第一层结构填料和第二层结构填料之间的至少一个构件，每个构件适于支撑至少一部分第二层结构填料，和将至少一部分由壁流式收集器收集的液体向纵轴传输跨越交换塔的横截面积的一个相当大的距离。在这种实施方式的一种变形中，该构件是一个梁，该梁具有第一末端，与第一末端相对的第二末端，和介于第一末端和第二末端之间的细长通道，该细长通道与壁流式收集器液体连通。
该装置的第三种实施方式类似于第二种实施方式，但在每个构件中包括至少一个孔，用于从构件向结构填料层分配至少一部分所收集的液体。
用于在交换塔中收集和再分配下行液体的装置的第四种实施方式包括四个元件，其中交换塔具有一个纵轴，一个横截面积，一个具有内周的内壁，交换塔包括第一层结构填料和其上方的第二层结构填料，第一和第二层结构填料的每一层具有一个与内壁间隔开的外表面。第一元件是一种放置在交换塔中的壁流式收集器，该壁流式收集器位于第一层结构填料的上方而位于第二层结构填料的下方，壁流式收集器固定地连接到内壁上，并适于收集交换塔的内壁上或接近内壁处的至少一部分下行液体。第二种元件放置在交换塔中介于第一层结构填料和第二层结构填料之间的至少一个梁，每个梁适于支撑至少一部分第二层结构填料，并且每个梁具有第一末端，与第一末端相对的第二末端，和介于第一末端和第二末端之间的具有敞开顶部和底板的细长通道，该细长通道与壁流式收集器液体连通，并适于将至少一部分由壁流式收集器收集的液体向纵轴传输跨越交换塔的横截面积的一个相当大的距离。第三种元件是在每个梁的槽底板中具有至少一个孔，用于从梁的槽向结构填料层分配至少一部分所收集的液体。第四种元件是接近交换塔的内壁或结构填料的外表面处至少有一个接触刷，该接触刷位于梁的上方，并适于从内壁上或接近内壁处向梁的槽传输至少一部分下行液体。
用于在交换塔中收集和再分配下行液体的装置的第五种实施方式包括四个元件，其中交换塔具有一个纵轴，一个横截面积，一个具有内周的内壁，交换塔包括第一层结构填料和其上方的第二层结构填料，第一和第二层结构填料的每一层具有一个与内壁间隔开的外表面。第一种元件是一种放置在交换塔中的壁流式收集器，该壁流式收集器位于第一层结构填料的上方而位于第二层结构填料的下方，壁流式收集器在交换塔内沿着纵轴能够在垂直方向上运动，并适于收集交换塔的内壁上或接近内壁处的至少一部分下行液体。第二种元件是放置在交换塔中介于第一层结构填料和第二层结构填料之间的至少一个梁，每个梁适于支撑至少一部分第二层结构填料，并且每个梁具有第一末端，与第一末端相对的第二末端，和介于第一末端和第二末端之间的具有敞开顶部和底板的细长通道，该细长通道与壁流式收集器液体连通，并适于将至少一部分由壁流式收集器收集的液体向纵轴传输跨越交换塔的横截面积的一个相当大的距离。第三种元件是在每个梁的槽底板中具有至少一个孔，用于从梁的槽向结构填料层分配至少一部分所收集的液体。第四种元件是接近交换塔的内壁或结构填料的外表面处至少有一个接触刷，该接触刷位于梁的上方，并适于从内壁上或接近内壁处向梁的槽传输至少一部分下行液体。
本发明另一方面是用于在交换塔中的蒸气和下行液体之间交换热和/或质量的交换塔，其中交换塔具有一个纵轴，一个横截面积，一个具有内周的内壁。该交换塔包括一组内部零件，包括四种元件。第一种元件是至少一层结构填料，该结构填料具有与内壁的内周间隔开的外表面。第二种元件是一种位于结构填料上方的壁流式收集器，该壁流式收集器具有一个接近于内壁内周的外圆周，并且适于收集交换塔的内壁上或接近内壁处的至少一部分下行液体。第三种元件是一种传输装置，用于将至少一部分由壁流式收集器收集的液体向纵轴传输跨越交换塔的横截面积的一个相当大的距离。第四种元件是一种分配装置，用于从传输装置向结构填料层分配至少一部分所收集的部分液体。
用于在交换塔中收集下行液流并将其再分配至置于交换塔中的结构填料层中的方法包括多个步骤，其中交换塔具有一个纵轴，一个横截面积，一个具有内周的内壁。第一步是将液体引入到交换塔中的第一位置处。第二步是将一层结构填料定位在交换塔中的第一位置的下方，该结构填料层具有与内壁的内周间隔开的外表面。第三步是将壁流式收集器定位在交换塔中结构填料层的上方而在第一位置的下方，该壁流式收集器具有一个接近于内壁内周的外圆周，并且适于收集交换塔的内壁上或接近内壁处的至少一部分下行液体。第四步是将传输装置定位在交换塔中接近壁流式收集器的位置，该传输装置适于将至少一部分由壁流式收集器收集的液体向纵轴传输跨越交换塔的横截面积的一个相当大的距离。第五步是将内壁上或接近内壁处的下行液体的至少一部分收集在壁流式收集器中。第六步是将相当大一部分由壁流式收集器收集的液体向纵轴传输跨越交换塔的横截面积的一个相当大的距离。第七步是提供一种分配装置，用于从传输装置向结构填料层分配至少一部分所收集的部分液体。第八步是从传输装置向结构填料层分配至少一部分所收集的部分液体。
本发明的另一方面是一种用于低温空气分离的方法，该方法包括使下行的液流与上升的蒸气逆流在至少一个蒸馏塔中相接触，该蒸馏塔包括至少一个质量传输区域，其中至少由一层结构填料建立起液体--蒸气间的接触，至少一部分上行液流被收集，并由一种装置再分配至结构填料中，该装置如上面所讨论的任何一种实施例的装置或它们的变形。
组装用于在交换塔中收集下行液流并将其再分配至置于交换塔中的结构填料层中的装置的方法包括多个步骤，其中交换塔具有一个纵轴，一个横截面积，一个具有内周的内壁。第一步是提供一种交换塔。第二步是在交换塔中提供结构填料层，该结构填料层具有与内壁的内周间隔开的外表面。第三步是将壁流式收集器安装在交换塔中结构填料层的上方，该壁流式收集器具有一个接近于内壁内周的外圆周，并且适于收集交换塔的内壁上或接近内壁处的至少一部分下行液体。第四步是在交换塔中安装一种传输装置，用于将至少一部分由壁流式收集器收集的液体向纵轴传输跨越交换塔的横截面积的一个相当大的距离。第五步是安装一种分配装置，用于从传输装置向结构填料层分配至少一部分所收集的部分液体。
附图说明
下面参照附图，通过实施例来说明本发明：
图1A是本发明的第I种再分配器的一种实施方式的平面示意图；
图1B是图1A中所示的再分配器的部分透视示意图；
图2A-2E是用在本发明的第I种再分配器(如图1A和1B中所示的再分配器)中的组合槽/结构梁的横截面示意图；
图3A和3B是通过两种不同的方式连接到塔内壁上的本发明的壁流式收集器的横截面示意图；
图3C是本发明的一种实施方式的示意图，该实施方式应用了固定的壁流式收集器和连接到塔内壁上的弹性接触刷；
图4A是带有单独的接触刷的移动壁流式收集器这种实施方式的横截面示意图；
图4B是应用了两个弹性接触刷的移动壁流式收集器的另一种实施方式的横截面示意图；
图4C是应用了交错的双接触刷的移动壁流式收集器另一种实施方式的平面示意图；
图5A是第I种再分配器的另一种实施方式的平面示意图，其中液体输送槽连接到移动壁流式收集器上；
图5B是图5A中所示的第I种再分配器的侧视示意图；
图6A是第I种再分配器的另一种实施方式的平面示意图，该再分配器具有六角形槽的布置和移动壁流式收集器；
图6B是图6A中所示的第I种再分配器的侧视示意图；
图7A是本发明第II种再分配器的一种实施方式的平面示意图；
图7B是塔壁和图7A中所示的第II种再分配器的一部分的部分横截面侧视示意图；
图8是本发明的第II种再分配器的盖的饼形部分的平面图和两个横截面侧视图的示意图；
图9A是本发明第III种再分配器的部分平面示意图；
图9B是图9A中所示的第III种再分配器中应用的扩展接触刷的一种实施方式的横截面侧视示意图；
图10A和10B是可应用在本发明的第I种再分配器中的槽/支撑梁的两种变形的透视示意图。
具体实施方式
本发明解决了在交换塔的填充部分中收集从塔内壁和/或近壁区域流下的下行液体以及向塔的中心(即远离壁的位置)再分配该液体的需要。本发明完成了这种液体再分配，而不会导致高的生产成本和/或与额外的塔高度相关的显著增加的成本。
本发明的再分配器从塔内壁和临近塔壁区域的填料中除去液体，并将液体输送到比现有的接触刷设计更深入塔中心的位置。再分配器的高度相对合适--至多约100mm。虽然通过将在壁上流动的液体再分配至塔的中心，再分配器降低了塔中总的液体分布不均匀的现象，但是该再分配器并不想要达到标准液体分配器所能达到的均匀程度。本发明的再分配器并不收集所有的液流，而规定为在大约每十层结构填料之后被部署。
本发明的再分配器设计分为三类：
I.悬挂在壁流式收集器上的槽
    a.固定设计
    b.移动设计
II.悬挂在壁流式收集器上的穿孔盖
    a.固定设计
    b.移动设计
III.扩展接触刷
第I种再分配器包括一组连接到壁流式收集器上的槽。图1A和1B示出了这种再分配器10的一种实施方式。由壁流式收集器12在塔壁(未示出)上收集的液体流入槽14中，并被输送跨过塔的横截面，穿过孔16或溢出槽口而流出槽进入下面的结构填料(未示出)。支撑/压制梁18的装置与槽形成整体，以支撑和压制再分配器上面的和下面的结构填料。支撑/压制梁既可以作为槽，也可以作为结构支撑构件。图2A-2E中示出了这种组合槽/结构支撑梁22的
实施例。
固定的和移动的这两种设计指的是壁流式收集器12，该壁流式收集器既可以固定到塔壁上，也可以与结构填料部分一起“移动”，即如果填料发生移动则允许壁流式收集器移动。固定的壁流式收集器的一个实施例是一块角钢，该角钢使得壁流式收集器可以密封焊接到塔壁上。在塔内缘环绕的垂直唇缘可以捕获液体并将其导向任意的连接槽。
图3A-3C中示出了将固定的壁流式收集器12连接到塔壁24上的几种方法。当壁流式收集器被固定时，支撑/压制梁必须为至少一些相邻填充层的装载/运行负荷设定尺寸。
在图3A和3B中，壁流式收集器12通过点焊或密封焊26而连接到塔壁24上。在图3A中，壁流式收集器12的短内壁32通过密封焊28连接到底板36上。在图3C中，一个弹性接触刷38连接到壁24上，以将液体转移到壁流式收集器12中。
图4A-4C中示出了移动壁流式收集器12的一个实施例。在这种情况下，如果填料在负载下轻微移动，则允许再分配器随着结构填料在塔中上下运动。支撑/压制梁只是用于保持相邻填料层之间的距离，因此不需要和用于固定壁流式收集器中的支撑/压制梁一样大。
参照图4A-4C，移动壁流式收集器12’的主体可以是一块具有内部垂直唇缘形成短内壁32的角钢，除了角钢块不焊接到塔壁24上以外，其它的和固定壁流式收集器相同。可替换的，和连接到填料部分的壁接触刷类似，有一个或更多个弹性接触刷(38，38’)点焊或由铆钉44连接到角钢上，并与塔壁形成紧密连接。在一种实施方式中，两个弹性接触刷38’彼此重叠安装，这样它们的接头和缝隙彼此相对交错，如图4C所示，因此形成更加有效的液体密封。弹性接触刷并不焊接到塔壁上--仅仅靠摩擦力来限制它们的垂直运动。
在图5A-5B和图6A-6B中示出了移动壁流式收集器型的再分配器10的两种实施方式。在这两种实施方式中，槽连接到配备有一个或多个弹性接触刷38的壁流式收集器12’上。槽是槽/结构支撑梁22，它用于保持结构填料的相邻层之间的空间。
在图5A-5B中，应用了三个槽/结构支撑梁22的平行布置。两个额外的短支撑梁52放置在每一侧，并且平行于这三个槽/支撑梁用于加固，应用三个临时的塔54以用于提升和安装。槽的实际数目取决于多个因素，包括在壁上预期的液体聚集和塔中用于具体填料部分模式所需要的支撑点的数目。例如，在图5A中所示的实施方式中，有一组任意的液体输送槽56垂直于包括孔16的槽/结构支撑梁22。在这种实施方式中，存在用于上升的蒸气流的开口59。
在6A-6B中所示的再分配器10，槽/结构支撑梁22布置成六角形从而利用了现有的制造下部结构，这种结构适于处理大的、径向对称的装置，除了这点之外，与图5A-5B中的实施方式类似。可以提供用于提升和安装的孔62。
在这两种实施方式中(图5A-5B和图6A-6B)，在侧视图中示出了任意的间隔条57，用于将槽的下侧与结构填料(未示出)间隔开几毫米。这样的间隔减少了结构填料对穿过孔16的液流的阻碍。表1示出了用于再分配器10的孔的要求，这取决于塔的尺寸。
        表1.在再分配器*中用于最高25mm液位的孔的要求
      塔内周      孔的数目      孔的密度       孔直径
      (毫米)                  (每平方英尺)     (毫米)
        200           2           5.9            2.2
        900           15          2.19           3.6
        1500          26          1.37           4.5
        2500          64          1.21           4.8
        3400          109         1.12           5.0
        5200          254         1.11           5.0
*条件：收集在壁上总流量的10％；5加仑每分钟/平方英尺(gpm/ft2)的总液流量；氩气/氧气为50/50混和。
参照图7A-7B，第II种再分配器10包括一个穿孔的盘62，该盘如上所述的一样连接到固定的或移动的壁流式收集器(12，12’)上。可供选择的，壁流式收集器可以由两个槽钢圈63制成，两个槽钢圈直接焊接到塔内壁24的内周上，并夹入穿孔的盖中间。槽钢圈的总体高度可以很小(例如30mm)，因为可以选择在穿孔盖上的开口面积，这样在盖上不需要任何明显的泡沫。开口面积可以高达70％(例如在114mm中心上90mm的最密装填布置)。图7A示出了在第II种再分配器中的一种示例性开孔模式的平面图，而在图7B中示出了槽钢型的壁流式收集器除去盖的视图。
液体可以离开壁流式收集器，并以不连续的点或连续地溢出至穿孔盖的周边。如图7A所示，穿孔盖可以是具有任意边界64的圆形物或圆环。
参照图7A和7B，在盖62中的大穿孔66可以利用转塔式压力机制造以产生4-8mm高的凸缘68，该凸缘可以用作液流的障碍物。其它的小孔16(没有凸起)可以用于再分配上述从壁上和结构填料上捕获的液体。
如图7A-7B和图8所示，穿孔盖可以由分离的“饼形”部分构成。支撑塔(未示出)可以用于支撑再分配器，并保持结构填料上下之间的间距。转塔式压力机还可以利用转塔式压力机用于产生短(6mm)障碍物65，如图8所示。这些障碍物可以用于将液体从塔内壁导向塔的中心。
第III种再分配器包括壁流式收集器和从壁流式收集器到结构填料内部的凸起。和第I种与第II种再分配器相比，从第III种再分配器和壁流式收集器突出的凸起用作一个零件。这种想法的一种实施方式是一个具有比普通更长的开有口的腿的扩展接触刷，它穿入结构填料中大约50mm或更深而不是通常的12-25mm。
图9A-9B示出了另一种实施方式，其中每个凸起72利用转塔式冲压机形成为～6mm高的小槽。仍利用加肋工具产生障碍物74。以这种方式，与比普通的接触刷相比，能将在壁上捕获的液体输送到结构填料内部更深的地方。在整个塔横界面上，可利用一个短的间隔栅格(未示出)在塔的横截面上于再分配器上面和下面保持填料层之间的恒定距离。
组合上面支撑填料的功能和下面分配从壁区域捕获的液体到结构填料中的功能，可以节约成本，使用于上升的水蒸气的流量的面积最大化。这样的设计在第I种再分配器中是有用的。对槽或组合槽/结构支撑梁的进一步改进是相对于下面被浇灌结构填料提升槽的底面。这样做的好处是可以直接在槽的下面将反向流动的液体和气体进行更好的分离，并有助于液压溢流开始之前气体和液体的更高流动。在图10A和10B中示出了这种组合槽/结构支撑梁122的实施例。这些组合槽/结构支撑梁由几个薄金属的叠层板构成，这就允许用便宜的紧固件而不是焊接，如果用厚的梁则需要焊接。
本发明的再分配器的一些好处和优点是：
.捕获塔内壁或结构填料的壁区域的液体，并将液体再分配至填料内部深处，远离塔内壁。
.需要相对小的额外塔高度和与之相关的成本--这是仅仅需要处理塔周边液体而不是全部液体流量的结果。因此，所提出的再分配器不需要很高。
.需要较小的附加成本。由于再分配器的适当尺寸，比例如制造一个标准的液体分配器所需的材料和劳动力成本都低的多。另外，这些再分配器不需要非常均匀的液体分布，因为它们的主要功能允许在下面的结构填料中进行成分混合。
.在气相中不会导致显著的额外压降。
.可以与传统的垂下壁炉/支撑壁炉设计形成一体。
.提出导致在填充塔中的液体不均匀分布以及液体与填料周边/塔内壁交互作用的机制。
尽管在此参考一些具体实施方式来进行解释和说明，但是本发明并不想要局限在所示的细节中。更确切的说，在与权利要求相同的范围内，在不背离本发明的精神的情况下，在细节中可以做各种改进。

Claims (16)

1.一种用于在交换塔中收集和再分配下行液体的装置，其中交换塔有一个纵轴、一个横截面积、一个具有内周的内壁，交换塔包括至少一层结构填料，该结构填料的外表面与内壁的内周间隔开，该装置包括：
一种放置在交换塔中结构填料层上方的壁流式收集器，壁流式收集器具有与内壁的内周接近的外周，并适于收集在交换塔内壁上或接近内壁处的至少一部分下行液体；
一种放置在交换塔中的传输装置，用于将至少一部分由壁流式收集器收集的液体向纵轴传输跨越交换塔的横截面积的一个相当大的距离；
一种分配装置，用于从传输装置向结构填料层分配至少一部分所收集的部分液体。
2.一种如权利要求1所述的装置，其特征在于：
传输装置包括至少一个与壁流式收集器液体连通的槽，该槽延伸跨越交换塔的横截面积的至少一部分，和
分配装置在每个槽中包括至少一个孔或溢流凹口。
3.一种如权利要求2所述的装置，还至少包括一种接近于交换塔的内壁或结构填料的外表面的接触刷，该接触刷放置在槽的上方，并适于向槽中传输在内壁上或接近内壁处下行的液体的至少一部分。
4.一种如权利要求1所述的装置，其特征在于：
传输装置包括一个盘，至少盘的一部分与壁流式收集器液体连通，盘跨越至少交换塔的横截面积的一部分而延伸，和
分配装置在盘中包括至少一个孔。
5.一种如权利要求1所述的装置，其特征在于：
传输装置包括至少一个装附到壁流式收集器上的扩展接触刷，该扩展接触刷朝着纵轴方向穿过至少塔的横截面积的一部分。
6.一种如权利要求1所述的装置，其特征在于壁流式收集器固装到交换塔的内壁上。
7.一种如权利要求1所述的装置，其特征在于壁流式收集器在交换塔内沿着纵轴能够在垂直方向上运动。
8.一种用于在交换塔中收集和再分配下行液流的装置，其中交换塔具有一个纵轴、一个横截面积、一个具有内周的内壁，该交换塔包括第一层结构填料和其上方的第二层结构填料，第一和第二层结构填料的每一层具有一个与内壁间隔开的外表面，该装置包括：
一种放置在交换塔中的壁流式收集器，该壁流式收集器位于第一层结构填料的上方而位于第二层结构填料的下方，该壁流式收集器适于收集交换塔的内壁上或接近内壁处的至少一部分下行液体；和
放置在交换塔中第一层结构填料和第二层结构填料之间的至少一个构件，每个构件适于支撑至少一部分第二层结构填料，和将至少一部分由壁流式收集器收集的液体向纵轴传输跨越交换塔的横截面积的一个相当大的距离。
9.一种如权利要求8所述的装置，还包括：
在每个构件中至少有一个孔，用于从构件向结构填料层分配至少一部分所收集的液体。
10.一种如权利要求8所述的装置，其特征在于该构件是一个梁，该梁具有第一末端，与第一末端相对的第二末端，和介于第一末端和第二末端之间的延长通道，该延长通道与壁流式收集器液体连通。
11.一种在交换塔中用于收集和再分配下行液体的装置，其中交换塔具有一个纵轴，一个横截面积，一个具有内周的内壁，交换塔包括第一层结构填料和其上方的第二层结构填料，第一和第二层结构填料的每一层具有一个与内壁间隔开的外表面，该装置包括：
一种放置在交换塔中的壁流式收集器，该壁流式收集器位于第一层结构填料的上方而位于第二层结构填料的下方，壁流式收集器固装到内壁上，并适于收集交换塔的内壁上或接近内壁处的至少一部分下行液体；
放置在交换塔中介于第一层结构填料和第二层结构填料之间的至少一个梁，每个梁适于支撑至少一部分第二层结构填料，并且每个梁具有第一末端，与第一末端相对的第二末端，和介于第一末端和第二末端之间的具有敞开顶部和底板的延长通道，该延长通道与壁流式收集器液体连通，并适于将至少一部分由壁流式收集器收集的液体向纵轴传输跨越交换塔的横截面积的一个相当大的距离；
在每个梁的槽底板中具有至少一个孔，用于从梁的槽向结构填料层分配至少一部分所收集的液体；
接近交换塔的内壁或结构填料的外表面处至少有一个接触刷，该接触刷位于梁的上方，并适于从内壁上或接近内壁处向梁的槽传输至少一部分下行液体。
12.一种用于收集和再分配交换塔中的下行液体的装置，其中交换塔具有一个纵轴，一个横截面积，一个具有内周的内壁，交换塔包括第一层结构填料和其上方的第二层结构填料，第一和第二层结构填料的每一层具有一个与内壁间隔开的外表面，该装置包括：
一种放置在交换塔中的壁流式收集器，该壁流式收集器位于第一层结构填料的上方而位于第二层结构填料的下方，壁流式收集器在交换塔内沿着纵轴能够在垂直方向上运动，并适于收集交换塔的内壁上或接近内壁处的至少一部分下行液体；
放置在交换塔中介于第一层结构填料和第二层结构填料之间的至少一个梁，每个梁适于支撑至少一部分第二层结构填料，并且每个梁具有第一末端，与第一末端相对的第二末端，和介于第一末端和第二末端之间的具有敞开顶部和底板的延长通道，该延长通道与壁流式收集器液体连通，并适于将至少一部分由壁流式收集器收集的液体向纵轴传输跨越交换塔的横截面积的一个相当大的距离；
在每个梁的槽底板中具有至少一个孔，用于从梁的槽向结构填料层分配至少一部分所收集的液体；
接近交换塔的内壁或结构填料的外表面处至少有一个接触刷，该接触刷位于梁的上方，并适于从内壁上或接近内壁处向梁的槽传输至少一部分下行液体。
13.一种用于在交换塔中的蒸气和下行液体之间交换热和/或质量的交换塔，其中交换塔具有一个纵轴，一个横截面积，一个具有内周的内壁，该交换塔包括一组内部零件，包括：
至少一层结构填料，该结构填料具有与内壁的内周间隔开的外表面；
一种位于结构填料上方的壁流式收集器，该壁流式收集器具有一个接近于内壁的内周的外圆周，并且适于收集交换塔的内壁上或接近内壁处的至少一部分下行液体；
一种传输装置，用于将至少一部分由壁流式收集器收集的液体向纵轴传输跨越交换塔的横截面积的一个相当大的距离；
一种分配装置，用于从传输装置向结构填料层分配至少一部分所收集的部分液体。
14.一种用于在交换塔中收集下行液流并将其再分配至置于交换塔中的结构填料层中的方法，其中交换塔具有一个纵轴，一个横截面积，一个具有内周的内壁，该方法包括下列步骤：
将液体引入到交换塔中的第一位置处；将结构填料定位在交换塔中的第一位置的下方，该结构填料具有与内壁的内周间隔开的外表面；
将壁流式收集器定位在交换塔中结构填料层的上方而在第一位置的下方，该壁流式收集器具有一个接近于内壁内周的外圆周，并且适于收集交换塔的内壁上或接近内壁处的至少一部分下行液体；
将传输装置定位在交换塔中接近壁流式收集器的位置，该传输装置适于将至少一部分由壁流式收集器收集的液体向纵轴传输跨越交换塔的横截面积的一个相当大的距离；
将内壁上或接近内壁处的下行液体的至少一部分收集在壁流式收集器中；
将相当大一部分由壁流式收集器收集的液体向纵轴传输跨越交换塔的横截面积的一个相当大的距离；
提供一种用于从传输装置向结构填料层分配至少一部分所收集的部分液体的分配装置；
从传输装置向结构填料层分配至少一部分所收集的部分液体。
15.一种用于低温空气分离的方法，该方法包括使下行的液流与上升的蒸气逆流在至少一个蒸馏塔中相接触，该蒸馏塔包括至少一个质量传输区域，其中至少由一层结构填料建立起液体——蒸气间的接触，至少一部分上行液流被收集，并由一种如权利要求1所述的装置再分配至结构填料中。
16.一种组装用于在交换塔中收集下行液流并将其再分配至置于交换塔中的结构填料层中的装置的方法，其中交换塔具有一个纵轴，一个横截面积，一个具有内周的内壁，该方法包括下列步骤：
提供该交换塔；
在交换塔中提供结构填料层，该结构填料层具有与内壁的内周间隔开的外表面；
将壁流式收集器安装在交换塔中结构填料层的上方，该壁流式收集器具有一个接近于内壁内周的外圆周，并且适于收集交换塔的内壁上或接近内壁处的至少一部分下行液体；
在交换塔中安装一种传输装置，用于将至少一部分由壁流式收集器收集的液体向纵轴传输跨越交换塔的横截面积的一个相当大的距离；
安装一种分配装置，用于从传输装置向结构填料层分配至少一部分所收集的部分液体。
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