TWI486209B - 熱傳或質傳方法、及其設備及將規整填料安裝於該設備中之方法 - Google Patents

熱傳或質傳方法、及其設備及將規整填料安裝於該設備中之方法 Download PDF

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史瓦明納坦 桑德
派翠克 亞蘭 哈頓
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Description

熱傳或質傳方法、及其設備及將規整填料安裝於該設備中之方法
本發明一般關於規整填料。規整填料在熱及/或質量交換塔中有特定的應用，尤其是於低溫空氣分離程序中，但是其也可用於其他應用，例如熱交換器，舉例來說。
該措辭“塔”用於本文時意指蒸餾或分餾塔或區，亦即液相或蒸氣相逆向接觸以引起流體混合物分離的塔或區，例如藉由使該蒸氣相和液相於安裝於該塔內的填充元件上或一系列垂直間隔開的盤或板上接觸。
分段壁塔係一熱耦合蒸餾塔的系統。在分段壁塔中，有至少一分段壁座落於該塔的內部空間中。該分段壁一般是垂直的。該分段壁的任一側上可能發生二不同質傳分離作用，舉例來說。
該措辭“填料”意指在兩相逆流流動的期間提供讓液體能於液體-蒸氣界面處熱傳及/或質傳的表面積而作為塔內部構造物之預定大小、外形和構型的實心或中空體。填料之二廣泛類型是“無規”及“規整”。
“無規填料”意指個別組件相對於彼此或相對於 該塔軸沒有指定取向的填料。無規填料傳統是每單位體積具有大表面積的小中空構造，其係隨便裝填於塔中。
“規整填料”意指個別組件相對於彼此或相對於該塔軸具有指定取向的填料。規整填料通常係由分層堆疊的薄金屬箔層製成。
在例如蒸餾的程序中，有益的是使用規整填料以促成逆流的液流和蒸氣流之間的熱傳及/或質傳。規整填料，當與無規填料或盤比較時，配合較低壓降提供較佳效率的益處給熱傳及/或質傳。其也具有比無規填料更能預測的效能。
規整填料的分離效能經常以理論等板高度(height equivalent to a theoretical plate；HETP)表示，其係達成組成變化的填料高度，該組成變化等同於理論板所達成的組成變化。該措辭“理論板”意指氣相和液相之間的接觸程序以致於既成的氣流和液流處於平衡狀態。用於特定分離的特定填料的HETP越小，該填料越有效率，因為正在使用中的填料床的高度隨著HETP而降低。
空氣的低溫分離係經由使逆流接觸的液體和蒸氣通過蒸餾塔進行。該混合物的蒸氣相隨著更具揮發性組分(例如，氮)越來越高的濃度上升，而該混合物的液相隨著較不具揮發性組分(例如，氧)越來越高的濃度下降。多種不同填料或盤均可用以使該混合物的液相或氣相接觸以完成該等相之間的質傳。
有許多經由低溫蒸餾將空氣分離成其組分(亦即 氮、氧、氬等等)的程序。圖1以圖解方式顯示典型的低溫空氣分離單元10。把高(或較高)壓體入空氣1，經常於2至10巴(200至1000 kPa)的壓力，饋入高(或較高)壓蒸餾塔2的基部。於該高壓塔2內，把空氣分離成富含氮的塔頂蒸氣及富含氧的底部液體。經過適當壓降(沒顯示)之後，經常從1.1至2絕對巴(110至200 kPa)的壓力，從該高壓蒸餾塔2將該富含氧的底部液流3饋入低(或較低)壓蒸餾塔4。使富含氮的蒸氣流5通入冷凝器6，使其在那裡凝結以供再沸至該低壓塔4。該富含氮的液流7部分藉由物流8以回流的方式返回該高壓塔2的頂部，而且部分以液體回流的方式藉由物流9供入該低壓塔4的頂部。
低壓塔4由下方段11，其中置放著規整填料20，及置放著規整填料21的上方較窄段12組成。包含規整填料22的獨立低壓塔13，亦稱作輔助或側臂塔，係供用於生產富含氬的流14。
在該低壓塔4中，該等物流3和9係經由低溫蒸餾分離成富含氧和富含氮的組分。規整填料21和20可用以使被分開的氧和氮的液相和氣相接觸。該富含氮的塔頂組分以蒸氣流16的方式排出。該富含氮的底部組分以液流17的方式排出。該富含氧的組分也可以從貯槽環繞的再沸器/冷凝器6中的位置以蒸氣的方式排出。廢棄流15也從該低壓蒸餾塔4排出。
饋入流18從低壓塔4的下方段11和上方段12之間的中間點排出而且通往塔13。在塔13的上方部裝備一冷 凝器25以產生來自該饋入流18的回流。此饋入流與來自冷凝器25的回流逆流流動通過規整填料22創造富含氬的塔頂蒸氣流14及富含氧的底部液流19，該富含氧的底部液流19以回流的方式返回該低壓塔4的規整填料20上方和規整填料21下方。
圖2顯示將空氣低溫蒸餾以提供氮、氧和氬的替代方案，其中使用分開的低壓塔替代圖1中用於氫生產的獨立塔13。此方案係描述於，舉例來說，美國專利第6,240,744號(Agrawal等人)。與圖1方案的共同特徵具有相同參考編號。在此方案中，於低壓塔4的下端離開該規整填料20頂部的蒸氣流分成兩個部分，其第一部分上升至該規整填料21而且第二部分上升至該規整填料22，該規整填料22藉由分段壁23與該規整填料21分開而且藉由末端壁部24與該低壓塔4的上方部分開。在此圖式中，該分段壁係以安裝於該低壓塔4中央的平直模壁(flat wall)的方式顯示，例如沿著該塔4的直徑將其分成兩個半圓截面的等大小段；然而，如同美國專利第6,240,744號中說明的，把規整填料22與規整填料21分開的許多其他方案也可以。如圖1描述的把該進入規整填料21的蒸氣部分分成富含氮的塔頂蒸氣流和富含氧的底部液流。該進入規整填料22的蒸氣部分分成富含氬的塔頂蒸氣流14和富含氧的底部液體，如圖1的塔13所述，但是不需要提供塔13的額外花費和複雜化。再者，利用圖2的方案不需要配合圖1所描繪的變窄部分改造低壓塔4以作為從塔4抽出蒸氣使其通往塔13的補償，以便保持塔4的質傳效能，但是該 上方段中的蒸氣流量卻比下方段11縮減。
US2010/0096249(Kovak)描述放入盤或規整填料的分段交換塔。此文件揭露藉由弦壁(chord wall)將塔分成兩個區段(同時考慮同等區段和不等區段)而且也藉著於該圓柱塔中心相交的徑向壁(radial wall)將該塔分成三個區段。
其他關於低溫蒸餾空氣時所用的塔之構造的先前技藝包括：US5,339,648(Lockett等人)、US5,946,942(Wong等人)、EP1162423(Messer AGS GmbH)、US2006/0005574(Glatthaar等人)、US7,357,378(Zone等人)、US6,250,106(Agrawal等人)、US2006/0260926(Kovak)及US5,669,236(Billingham等人)。
發明人已知的先前技藝無一仔細考慮獲得截面非圓形但是具有含至少一對收斂壁或壁部件的截面的塔，例如其截面包括至少一邊角或角度者，例如分段塔，之最佳結果所需的規整填料的特質。先前技藝改換成簡單討論分區或分段壁塔中的任何規整或無規填料及/或盤的一般用途。
規整填料在本發明中定義為已經打齒孔、附有溝紋並產生皺摺以符合其預期用途的特定需求之薄金屬或塑膠箔層。圖3中顯示一典型規整填料的示意圖，其中顯示經由沿著摺疊線45摺疊而產生皺摺的箔層40，而且該箔層40具有條紋的圖案，也就是說，呈水平條紋形式下陷及/或高起的區域50，舉例來說經由浮雕該箔層40形成，以及齒孔或貫穿孔55的圖案。該等齒孔55及由高起/下陷區50所形成的紋 理協助液體/蒸氣擴散到箔層40的表面，因此改善該填料的熱傳和質傳效率。通常，該等齒孔佔據的箔層表面積係約5%至約20%。通常，該溝紋可呈水平條紋形式，或為呈交叉關係的細凹槽形式之雙向表面紋理。
在塔中的規整填料層內，有多重箔層係呈垂直取向(也就是說，該箔層平面與該塔軸實質上平行)，而且相鄰箔層的皺摺呈橫斷取向(也就是說，若第一箔層的皺摺的走向從左下往右上，則相鄰箔層將朝使其皺摺從右下往左上的方向)。這樣的方案係描繪於US4,296,050(Meier)的圖3。為了改善流動特性，方便的是旋轉規整填料的連續層，通常相對於下方層繞著該塔軸旋轉約90°的角度。這樣的方案係顯示於US4,296,050(Meier)的圖4中。然而，各旋轉將提高穿過包含該填料的塔的壓降。
EP1036590(Sunder等人)描述數個填料參數的最適範圍，例如約350至約800 m2 /m3 的表面積密度、從約35至約65°的皺摺角度(亦即當該填充元件在該塔中係垂直的時介於該皺摺的水平軸和縱軸之間的角度)，而且齒孔的開口面積約5至約20%。分段壁塔或非圓筒形塔的用途在此文件中並沒有討論。
US5,876,638(Sunder等人)及US5,901,575(Sunder)也有討論規整填料的發展。
本發明的目的在於提供一經優化以供用於截面 不全為圓形的塔，也就是說，截面具有至少一對收斂壁或壁部件的塔，例如該區劃在該塔內創造出至少一邊角或角度的分段壁塔，之規整填料。特別是，本發明的目的在於提供一經優化以供用於此低溫蒸餾設備，特別是用於空氣組分分離的設備，中的塔之規整填料。
因此，在第一方面，本發明提供一種用於熱傳或質傳程序之設備，其包含具有至少一對收斂壁或壁部件的塔或分段塔及，在被至少一對收斂壁或壁部件限制或設於其間的塔或分段塔至少一區內，具有至少約50°的皺摺角度的規整填料。
在第二方面，本發明提供一種熱傳及/或質傳之方法，其包含把一或更多流體供應給具有至少一對收斂壁或壁部件的塔或塔區段而且該塔或塔區段，在被至少一對收斂壁或壁部件限制或設於其間的塔或分段塔至少一區內，含有具有至少約50°皺摺角度的規整填料使該一或更多流體接觸該規整填料以便引起熱傳及/或質傳。
在本發明的上下文中，塔區段係藉由與該塔的縱軸共延伸而實質佈置的至少一分段壁與該塔剩餘部分完全分開的塔部分。也就是說，在該塔具有垂直配置的縱軸的情形中，如通常使用情形，該或各塔區段係藉由使實質垂直壁存於該塔內把該塔的一部分與剩餘部分完全分開而創造出來，如此以防存於該塔區段中的流體與存於該塔剩餘部分中的流體經過該分段壁延伸的垂直距離發生混合。
發明人相信至少一對收斂壁或壁部件存在，而 且特別是一角度或邊角存在於一塔或塔區段的截面中限制了該塔內的流體於接近該塔或塔區段壁的邊緣帶的混合，造成使用經優化用於圓筒形塔中的規整填料之塔內的質傳及/或熱傳效率降低。本發明藉由使用經優化用於具有至少一對收斂壁或壁部件的塔或塔區段中的規整填料提供節省成本和提高質傳效率方面的益處，其優化以前並不需要考慮。
在第三方面中，本發明提供一種將用於熱傳或質傳程序的設備升級之方法，該設備包含一塔或塔區段，其截面包含至少一對收斂壁或壁部件，而且該塔或塔區段含有具有小於約50°的皺摺角度的規整填料，該方法包含下列步驟：從被該至少一對收斂壁或壁部件限制或設於其間的塔或塔區段至少一區除去具有小於約50°的皺摺角度的規整填料，及以具有至少約50°的皺摺角度的規整填料替代該具有小於約50°的皺摺角度的規整填料。
較佳地，該規整填料具有約50°或更大的皺摺角度具有約55°或更大的皺摺角度。
在第四方面中，本發明提供一種將規整填料安裝於用於熱傳及/或質傳程序的設備中之方法，該設備包含具有至少一對收斂壁或壁部件的塔或塔區段，該方法包含下列步驟：提供具有至少約50°的皺摺角度的規整填料，及將該規整填料安裝於被至少一對收斂壁或壁部件限制或設於其間的塔 或塔區段至少一區。
下列較佳特徵在合適之處適用於本發明的所有方面，並且可加以合併。
該措辭“至少一對收斂壁或壁部件”描述塔壁或部分塔壁相互越來越緊密靠近的情勢。該等壁或部分壁不一定由於其聚合的結果而彼此相交或接觸，但是可能彼此相交或接觸以於該塔的截面中形成一角度或邊角。
適當地，該規整填料係橫過該塔或塔區段的整個截面積使用，而且不僅用於被至少一對收斂壁或壁部件限制或設於其間的區帶。
較佳地，本發明使用的規整填料的皺摺角度係介於約50°與約70°之間，更佳地介於約55°與約65°之間，而且最佳約60°。
較佳地，該塔或塔區段的截面中包含至少一小於或等於約120°的內角，更佳地小於或等於約100°，例如小於或等於約90°。咸相信於該邊緣區帶內的混合的混亂狀態隨著存於該塔或塔區段截面中的角度尖銳度提高，而且因此在該角度越尖銳的情形本發明獲得的益處越大。
適當地，該塔或塔區段截面可為包括一邊角或角度的不規則截面，或可為一不規則或規則多邊形，或可為弦與圓或其他修成圓形的形狀相交造成一或更多角度或邊角所形成的圖形。舉例來說，該塔或塔區段可為六角形、五角形、方形、矩形、三角形、半圓形、局部圓形或四分之一圓形截面。再者，預期存於該截面中的角度越尖銳，本發明的 優點將會越大。
該塔或塔區段可包含一、二、三、四、五、六或更多角度或邊角。預期本發明的益處將會隨著能使混合陷入混亂的存在角度數目而增大。較佳地，該等角度的至少其一，而且更佳地全部，係約120°或更小，例如約100°或更小，更佳地約90°或更小，例如約70°或更小。
較佳地，本發明適用於藉由於該塔內裝備至少一分段壁所形成的塔區段，該塔區段與該塔外壁的至少一處接觸。較佳地，被分段的塔具有圓的截面，而且如此形成的塔區段的至少其一具有包含至少一角度或邊角的非圓形截面。適當地，該塔可藉由適當數目的分段壁分成多於二區段，例如三、四、五、六、十或二十區段，該等分段壁可彼此相交及/或與該塔壁相交形成所需數目的區段。該等分段壁可彼此相同或可採不同形態，而且可個別於該分段塔的截面內形成直線或曲線。該等分段壁可為相同長度或不同長度，而且所形成的區段可為規則或不規則形狀或多邊形，而且可為彼此相同或不同的截面及/或截面積。這些參數可依據該分段塔預期的用途來挑選。
然而，較佳地，該塔係藉由單一分段壁分成二區段。在此情形中此分段的塔具有圓形截面，較佳地該分段壁係一弦壁(chord wall)。在被分段的塔之截面不是圓形的情形中，該塔較佳藉由橫過該塔的截面延伸的分段壁分段使該分段壁的各端於不同處和該塔壁相交。在任一案例中，該等塔區段的截面積可根據通過各塔區段的流體所需流量挑選。 適當地，在通過各區段的流量相等的情形中，該等塔區段具有同等截面積，而且，在此案例中，在已經分段的塔具有圓形截面的情形中，該等塔區段具有半圓形截面。
較佳地，該規整填料具有約350至約800 m2 /m3 的表面密度。較佳地，該規整填料的溝紋係呈水平條紋狀。較佳地，該等齒孔的開口面積係在約5至約20%的範圍中。
較佳地，在該塔具有圓形截面的情形中該塔的尺寸係直徑大於約0.5 m，例如直徑大於或等於約0.9 m，更佳地直徑大於或等於約1 m，或在該截面具有另一形狀的情形中該塔的尺寸係大於等效截面積(也就是說，分別為大於約0.196 m2 、大於或等於約0.64 m2 及大於或等於約0.79 m2 )。
較佳地，關於圓形截面的塔的最大塔直徑係約15 m，例如約10 m、約9 m、約8 m、約7 m、約6 m、約5 m或約4 m。再者，在該塔截面具有另一形狀的情形，最大塔尺寸係對應的最大截面積，也就是說，分別為約177 m2 、約78.5 m2 、約63.6 m2 、約50.3 m2 、約38.5 m2 、約28.3 m2 、約19.6 m2 或約12.6 m2 。
較佳地，本發明適用於低溫分離程序，例如低溫空氣分離(低溫蒸餾)程序，其包括，但不限於，將空氣分離成富含氮、富含氧及富含氬的流。因此，其可適用於將空氣低溫分離富含氮-及富含氧-的流。適當地，本發明適用於將空氣低溫分離成富含氧-及富含氬-流。
1‧‧‧高壓饋入空氣
2‧‧‧高壓蒸餾塔
3‧‧‧富含氧的底部液流
4‧‧‧低壓蒸餾塔
5‧‧‧富含氮的蒸氣流
6‧‧‧冷凝器
7‧‧‧富含氮的液流
8‧‧‧物流
9‧‧‧物流
10‧‧‧低溫空氣分離單元
11‧‧‧下方段
12‧‧‧上方較窄段
13‧‧‧獨立低壓塔
14‧‧‧富含氬的流
15‧‧‧廢棄流
16‧‧‧富含氮的塔頂組分
17‧‧‧富含氮的底部組分
18‧‧‧饋入流
19‧‧‧富含氧的底部液流
20‧‧‧規整填料
21‧‧‧規整填料
22‧‧‧規整填料
23‧‧‧分段壁
24‧‧‧末端壁部
25‧‧‧冷凝器
40‧‧‧皺摺的箔層
45‧‧‧摺疊線
50‧‧‧高起/下陷區
55‧‧‧齒孔
當關聯附圖閱讀時，前述的彙總，以及上述示範具體實施例的詳細描述，較易於了解。關於本發明的例示性具體實施例的用途，已經顯示於本發明的示範具體實施例的圖式中；然而，本發明不限於所揭示的指定方法及設備。 在這些圖式中：圖1顯示用於將空氣低溫蒸餾的已知佈置的示意圖；圖2顯示用於將空氣低溫蒸餾的已知佈置的示意圖，其中使用了分段壁(分區)塔；圖3顯示規整填料的示意圖；圖4顯示當置於塔中時於規整填料中皺摺的縱軸的示意圖；圖5顯示於(a)具有圓形截面的塔，及(b)具有半圓形截面的塔之規整填料的外觀的平面視圖；圖6至15舉例說明本發明適用的塔佈置實例的平面視圖；圖16顯示當從HETP的角度來看用於具有圓形截面的塔及具有半圓形截面的塔時先前技藝的規整填料所獲得的結果；圖17顯示當從壓降的角度來看用於具有圓形截面的塔及具有半圓形截面的塔時先前技藝的規整填料所獲得的結果；圖18顯示當用於具有圓形截面的塔及具有半圓形截面的塔時根據本發明的規整填料所獲得的結果；及圖19顯示當用於具有圓形截面的塔及具有半圓形截面的塔時從根據本發明的規整填料之壓降的角度來看所獲得的結 果。
本發明適用於在塔的平面視圖中有至少一對收斂壁或壁部件的塔，例如在一或更多分段壁創造出角度或邊角的情形中，或在其截面不完全被修成圓形而是換成具有至少一角度或邊角的情形中。發明人相信從分離效率的角度來看所有這樣的塔均能獲得本發明的益處。
當為特定塔設計最適規整填料時，技術純熟的人士知道測定最佳的所有參數時使用了許多“折衷”。舉例來說，質傳效率和壓降就45°的皺摺而言比就60°的皺摺而言更高，而作業生產力就45°而言比60°皺摺角度更低；這些效應必須予以平衡使所挑選的填料顯出特定塔可接受的質傳效率、壓降及作業生產力。
當通過一塔中的規整填料時，流體主要沿著該箔層中的皺摺所形成的通道流動。於這些通道中流動的這個流體的一部分與於相鄰交叉通道中流動的流體混合，該等相鄰交叉通道係如以上的說明依橫越的對角方向。也由於該箔層中存在開口，使某些流體與流過相鄰通道的流體混合。依這些方式混合的流體對於矯正可能於蒸餾塔截面內演變的任何組成不均衡是重要的，而且是該塔的分離效率的重要因子。從圖4可見得對於在各層規整填料中行進的流體而言45°角提供比60°角於該塔內更長的側面距離，而且因此這樣供給來自獨立通道的流體在各層規整填料中發生的混合較大的面 積。
EP1036590教導用於圓筒形塔的35°至65°最適皺摺角度。於此範圍內使用具有約45°皺摺角度的填料以提供參數例如上述質傳效率、壓降及作業生產力的折衷給特定圓筒形塔是常見的產業慣例。
發明人知道沒有先前技藝討論過用於有至少一對收斂壁或壁部件的非圓筒形塔或分段塔的規整填料之優化，或揭示或暗示用於有至少一對收斂壁或壁部件的非圓筒形塔或分段塔的規整填料之最佳參數與習用的圓筒形塔不同。然而，發明人意外發現分段塔或有至少一對收斂壁或壁部件的塔之最佳填料與圓形截面塔不同。咸相信此差異係基於對此二型的塔而言該塔中的流體於以下說明的“邊緣區帶”的混合情形差異。
發明人意外發現約60°皺摺角度應用於該截面具有至少一對收斂壁或壁部件的塔或塔區段中能提供與相同填料用於圓筒形塔中相同的分離效率。然而，具有約45°皺摺角度的填料用於該截面具有至少一對收斂壁或壁部件的塔或塔區段中造成比相同填料用於圓筒形塔中下降許多的分離效率。
在一圓筒形塔中，流體可於接近該塔壁的環形區帶內任意流動。該邊緣區帶是離該塔壁的側向距離，其中該規整填料中的皺摺通道將終止於該壁而非於該上方層或下方層中的規整填料。其係計算為(該規整填料的層高度)/(tan[皺摺角度])。此規整填料的典型層高為約200 mm，而且約200 mm的環形邊緣區帶可能存在45°的皺摺角度，在該邊緣區帶內可能發生混合。然而，在存在至少一對收斂壁或壁部件的塔或塔區段中，流體傾向不累積於該等壁或壁部件聚合的區域中，所以在這些區域中的流體徹底混合及組成平衡不會發生。結果，從分離效率的觀點塔效能與等效圓筒形塔相比削弱了。
不欲受理論所束縛，發明人提出一可能的解釋是60°皺摺角度填料的分離效率的維持係由於當使用皺摺角度約60°的規整填料時所形成之接近該塔或塔區段的壁的邊緣區帶與皺摺角度約45°的規整填料觀察到的相比較小的結果。結果，明顯降低或完全避免由於該等壁或壁部件聚合的塔區域中的流體混合不足引起組成不均衡現象的預期增加，所以與於圓筒形塔中使用相同填料相比能保持分離效率。
因此，用於截面具有至少一對收斂壁或壁部件的塔或塔區段中的最佳規整填料皺摺角度與先前技藝中用於圓筒形塔的角度不同。發明人知道的先前技藝當中無一討論過於不同截面的塔中的規整填料效能的任何可能差異，但是該蒸餾工業中已經廣泛使用分段塔超過50年。
對於具有至少一對收斂壁或壁部件的塔或分段塔而言相對於更常用的約45°角分離效率不會於約60°的皺摺角度下降的發現能獲得60°皺摺角度填料的作業生產力較高的優點-亦即此塔的“折衷”意想不到地移向支持約60°的皺摺角度。這在例如圖2描繪的系統中特別有益，其中使用一分段塔，因為利用本發明可獲得此系統的較高作業生產力及成 本效益而不需要在與習用的45°皺摺角度規整填料聯合使用時給該分段塔高度增加30至50%以補償該塔較不足的質傳特性。
本發明適用的塔之實例係顯示於圖6至15。技術純熟之士明白這些僅為實例，而且本發明同樣適用的其他塔截面或分段壁塔的佈置也可以。
圖6顯示己經藉由多數相交的分段壁分成各自具有方形截面的許多塔區帶的塔之平面視圖。圖7顯示己經藉由多數相交的分段壁分成各自具有六邊形截面的許多塔區帶的塔之平面視圖。由此明白其他嵌成棋盤形的多邊形塔區帶截面的佈置也可使用。同樣地，由此明白使用具有多邊形截面的單塔將會獲得本發明的益處。預期使用方形或矩形截面塔，例如圖6所示者，將使本發明的益處比六邊形塔例如例如圖7所示者更大，因為對於該方形或矩形塔而言該等塔壁之間所形成的角度更尖銳，所以預期該等角度的效應在創造流體混合減少的邊緣區帶時較大。該塔或塔區段的截面越接近圓形，將獲得越少本發明的益處。
圖8顯示二分段壁架在該塔的圓形截面的半徑上以便將該截面面積的四分之一與剩餘的四分之三切開的塔之平面視圖。該塔的截面中央處形成90°的角度或邊角，而且於該等分段壁與該塔圓周的交點處該等分段壁與該塔壁的切線正交於該交點處。預料如此形成的二塔區段均能獲得本發明的益處。在較小的區段中，預期該二分段壁之間的角度和各分段壁與該圓形塔壁之間的角度將顯著局限流體混合。類 似地，在較大區段中各分段壁與該圓形塔壁之間形成的角度將顯著降低塔混合；於該塔的中心處該二分段壁接合處的回流角度也可能影響流體混合，但是預期這比該圓形塔壁的銳角處觀察到的程度小許多。
再者，由此明白該二分段壁之間形成一較大或較小角度的其他二分段壁佈置也可行。
圖9顯示分段壁是該塔圓形截面的弦之塔把該塔截面積分成二不等部分。角度或邊角係形成於該分段壁的各端，其中該分段壁的末端與該塔的圓周相交。預期該塔的二區段將獲得本發明的優點，但是較小的區段將獲得較大程度的優點，因為預期該圓形塔壁與該分段壁之間形成的角度越尖銳，接近這些邊角的遲緩流體混合作用就越顯著。
圖10顯示具有二分段壁的塔，該二分段壁是該塔圓形截面的弦，該二分段壁在此案例中彼此平行放置以於該塔內界定出三區：二扇形及介於橫過該塔中心的扇形之間的區域，該區域的截面接近矩形。再者，角度或邊角係形成於該等弦與該塔的圓周相交之處。預期本發明的益處對於該二扇形區段而言較大，其於該分段壁與該圓形塔壁之間的接合處形成比中央區段更尖銳的角度，但是預期所有三區域均從本發明得到一些益處。
圖11顯示具有三分段壁的塔，該三分段壁是該塔圓形截面的弦，而且該三分段壁各自與相鄰分段壁相交於其與該該塔的圓周相交之處使其於該塔的中央界定出一三角形截面的塔區域。角度或邊角係形成於各相交點。由此明白 當與該圓周相交時該等壁不一定彼此相交的替代方案(也就是說，可形形成許多扇形，其分段壁彼此不相交)也可行，而且可裝備多於三分段壁，其均為連至該塔圓周的弦。預期此塔的所有區段均可能獲得本發明的益處。
圖12顯示該等分段壁與該塔壁不相交但是於該塔內界定出一三角形截面區域的塔。同樣地，圖13顯示該等分段壁於該塔內圍成一方形截面區域但是該等分段壁無一與該塔壁相交或接觸的佈置。由此明白可裝備更多壁以圍成具有不同多邊形截面的區域。再者，該等分段壁中之其一或更多可與該塔的圓周相交，而且該等壁可能具有不同長度，因此造成不規則多邊形截面的中央區域。預期由該塔區段所形成的二區域內將獲得本發明的益處，因為流體混合將受到外側區段中的收斂壁與經由與該內側區段相交所形成的角度二者限制，但是該益處對於該內側區段而言將大於該外側區段。預期圖12中的三角形中央區域所獲得的益處比圖13中的方形內側區域所獲得的益處更大，這起因於在前者案例中該塔的角度較尖銳。
圖14顯示分段壁圍成具有圓形截面的區域之塔，其分段壁接觸到該塔的圓周。因此，該分段壁及該塔圓周聚合以於該分段壁與該塔圓周間的接觸點形成角度。由此明白該分段壁不一定圍成圓形區域而是可能形成任何一般修成圓形的形狀。由此也明白該分段壁不一定接觸到該塔壁，但是必須被佈置成使該分段壁的至少一部分及該塔的至少一部分聚合。預期在此案例中僅有外側塔區段將獲得本發明的 益處，因為該內側塔區段具有圓形截面，而由該塔壁與該分段壁之間的接觸所形成的銳角將會對於該外側塔截面中的流體混合具有限制性效應。
圖15顯示三分段壁從該塔中央徑向延伸到該圓形塔壁的塔，由此將該圓筒形塔切分成三相等弧段。預期由於各弧段的邊角所造成的受限流體混合使所有弧段均能獲得本發明的益處。
實施例
根據先前技藝的規整填料與根據本發明的規整填料的效能比較係於一低溫蒸餾設備中進行，該設備包括具有D-形截面的塔或具有圓形截面的塔以供氬與氧的分離。關於具有圓形截面的塔，大約20層填料，其中各層填料係大約210 mm的高度及900 mm的直徑，係於90°取向在低溫蒸餾塔內部相互往上堆疊。關於具有D-形截面的塔，大約20層填料，其中各層填料係大約210 mm的高度並且具有900 x 450 mm的半圓面積，係於90°取向在低溫蒸餾塔內部相互往上堆疊。所有比較均在總量內回流(total internal reflux)的情形之下於0.4巴表壓(40 kPa壓力計)下進行。藉由測量進入和離開該塔的液流和蒸氣流的組成以確認該質傳效率及壓降來研究氬/氧二元混合物的分離作用。所用的二規整填料與圖3所示的一般型一致，具有水平條紋、約10%的齒孔開口面積，而且各自具有大約500 m2 /m3 的表面積。該等規整填料的不同之處在於其皺摺角度，其在先前技藝填料(填料A)的案例中是 45°而且在根據本發明的填料(填料B)的案例中是60°。用HETP及通過二填料測到的力學壓降的方式表示效能，其二者均被表示成Kv ，經密度修正的超臨界氣體速度，的函數，其係定義為：Kv =U[(ρv /ρL -ρv )0.5 ]，其中U=以m/s表示之塔中蒸氣相的超臨界速度；ρv =以kg/m3 表示之塔中蒸氣相的密度；而且ρL =以kg/m3 表示之塔中液相的密度。為了比較所用的二不同形式的塔中的填料之效能，將HETP、Kv 及壓降的值標準化。
圖16及17顯示在圓形截面塔和半圓形截面塔中先前技藝的規整填料A所獲得的結果。圓形截面塔顯示二數據組(圓形和三角形數據點)而且半圓形截面塔顯示一數據組(菱形數據點)。從圖16可見到就此填料於半圓形截面塔中與於圓形截面塔中相比，該HETP值比較高大約30至50%(視Kv 而定)，而且因此分離效率較低。曲線於大約1.35的標準化Kv 下開始收斂，於該點處二曲線開始顯示HETP隨著越來越大的Kv 陡峭提升，後者的觀察暗示對於兩個所用的塔而言作業生產力類似。圖17顯示填料A的壓降在所用的二類型塔中類似。此外，二塔的負荷點(loading point)，其在此案例中定義為壓降增加隨著越來越增大的Kv 而變得更迅速之處的Kv ，係類似於1.05的Kv 。
圖18及19顯示根據本發明的規整填料B所獲得的結果。同樣地，圓形截面塔顯示二數據組(在此案例中，圓形和菱形數據點)而且半圓形截面塔顯示一數據組(三角形 數據點)。從圖18可見到具有60°皺摺角度的規整填料B(比起先前技藝填料A的45°)意想不到地沒顯示該半圓形截面塔與該圓形截面塔相比(與圖16相比)的顯著HETP提升。事實上，關於該半圓形塔的數據點一般該圓形截面塔的二組數據點之間。如同圖16，所有數據組的HETP隨著於類似值處的Kv 增加開始迅速提升，所以可再一次推論該填料的作業生產力就所用的二塔類型而言類似。圖19顯示，類似於圖17，在所用的二塔類型中該填料的壓降及該填料的負荷點類似。
表1中從相對HETP及相對作業生產力的觀點表示該二塔類型中的二填料之效能總體比較。在HETP於較高的Kv 處迅速提升之前，這些相對HETP代表沿著圖16和18的曲線較平坦部分的HETP。相對作業生產力係於該等HETP開始收斂處的Kv 下評估。
由此，可見到填料A的作業生產力於該半圓形及圓形截面塔二者中類似。填料B的作業生產力於該半圓形及圓形截面塔二者中也類似，但是比填料A更高。較高皺摺角度的規整填料B也提供該半圓形及圓形截面塔二者中類似 的分離效率，而填料A於該半圓形截面塔中失去分離效率。因此，若該相對HETP與填料A相同，於半圓形塔中使用填料B將可使用比預期更低的塔高度，因此使用填料B比使用填料A提供更有成本效益的高度對比作業生產力的折衷。
儘管本發明已經引用一較佳具體實施例描述過，但是由此明白在本發明的範疇以內的多種不同修飾均可行。
在此說明書中，除非另行指明，否則此單字‘或’係依照符合所陳述條件之任一或二者時返回真值的運算子之意思使用，與僅需符合該等條件之一的運算子‘異-或’相反。此單子‘包含’係依照‘包括’的意思使用而非意指‘由...組成’。在此以引用的方式將所有以上被認可的先前技藝教旨併入以供參考。
40‧‧‧皺摺的箔層
45‧‧‧摺疊線
50‧‧‧高起/下陷區
55‧‧‧齒孔

Claims (23)

  1. 一種用於熱傳或質傳程序之設備，其包含具有至少一對收斂壁(converging wall)或壁部件的塔或分段塔(divided column)及，在被至少一對收斂壁或壁部件限制的塔或分段塔至少一區內，具有至少約50°的皺摺角度的規整填料。
  2. 如申請專利範圍第1項之設備，其中該塔截面或分段塔截面包含至少一邊角(corner)或角度(angle)。
  3. 如申請專利範圍第2項之設備，其中該至少一邊角或角度係小於或等於約120°的一內角。
  4. 如申請專利範圍第1項之設備，其中該規整填料的皺摺角度係約55°至約65°。
  5. 如申請專利範圍第1項之設備，其中該規整填料的皺摺角度係約60°。
  6. 如申請專利範圍第1項之設備，其中該塔或分段塔係藉由於該塔內裝備至少一分段壁而於具有圓形截面的塔內形成一塔區段(column division)，該塔區段將該塔的截面分成至少二區段使該分段壁與該塔壁聚合以形成至少一邊角。
  7. 如申請專利範圍第1項之設備，其中在該塔具有圓形截面 的情形中該塔的尺寸係其直徑大於約0.5m，或在該截面具有另一形狀的情形中該塔的尺寸係大於等效截面積。
  8. 如申請專利範圍第1項之設備，其中該質傳程序係將空氣分成富含氮-、富含氧-及富含氬-流的低溫分離程序。
  9. 一種熱傳及/或質傳之方法，其包含把一或更多流體供應給具有至少一對收斂壁或壁部件的塔或塔區段而且該塔或塔區段，在被至少一對收斂壁或壁部件限制的塔或塔區段至少一區內，含有具有至少約50°皺摺角度的規整填料使該一或更多流體接觸該規整填料以便引起熱傳及/或質傳。
  10. 如申請專利範圍第9項之方法，其中該塔截面或塔區段截面包含至少一邊角或角度。
  11. 如申請專利範圍第10項之方法，其中該至少一邊角或角度係小於或等於約120°的內角。
  12. 如申請專利範圍第9項之方法，其中該規整填料的皺摺角度係約55°至約65°。
  13. 如申請專利範圍第9項之方法，其中該規整填料的皺摺角度係約60°。
  14. 如申請專利範圍第9項之方法，其中該塔或塔區段係藉由於該塔內裝備至少一分段壁而於具有圓形截面的塔內形成一塔區段，該塔區段將該塔的截面分成至少二區段使該分段壁與該塔壁聚合以形成至少一邊角。
  15. 如申請專利範圍第9項之方法，其中在該塔具有圓形截面的情形中該塔的尺寸係其直徑大於約0.5m，或在該截面具有另一形狀的情形中該塔的尺寸係大於等效截面積。
  16. 如申請專利範圍第9項之方法，其中該質傳程序係將空氣分成富含氮-、富含氧-及富含氬-流的低溫分離程序。
  17. 一種將規整填料安裝於用於熱傳及/或質傳程序的設備中之方法，該設備包含具有至少一對收斂壁或壁部件的塔或塔區段，該方法包含下列步驟：提供具有至少約50°的皺摺角度的規整填料，及將該規整填料安裝於被至少一對收斂壁或壁部件限制的塔或塔區段至少一區中。
  18. 如申請專利範圍第17項之方法，其中該規整填料的皺摺角度係約55°至約65°。
  19. 如申請專利範圍第18項之方法，其中該規整填料的皺摺角度係60°。
  20. 如申請專利範圍第17項之方法，其中該至少一對收斂壁或壁部件朝小於或等於約120°的內角聚合。
  21. 如申請專利範圍第17項之方法，其中該塔或塔區段係藉由於該塔內裝備至少一分段壁而於具有圓形截面的塔內形成一塔區段，該塔區段將該塔的截面分成至少二區段使該分段壁與該塔壁聚合以形成至少一邊角。
  22. 如申請專利範圍第17項之方法，其中在該塔具有圓形截面的情形中該塔的尺寸係其直徑大於約0.5m，或在該截面具有另一形狀的情形中該塔的尺寸係大於等效截面積。
  23. 如申請專利範圍第17項之方法，其中該質傳程序係將空氣分成富含氮-、富含氧-及富含氬-流的低溫分離程序。
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