TWI516300B - 具有混合器的液體分配器 - Google Patents

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Description

具有混合器的液體分配器
申請人的設備和方法關於用於混合及分配在用於熱和/或質傳程序之交換塔中下行的液體之裝置和方法。該設備和方法在利用蒸餾的低溫空氣分離程序方面具有特殊用途，但是該設備和方法也可用於其他使用填料(例如，不規則或結構填充物)的熱及/或質傳程序。申請人的方法也關於用於混合及分配在交換塔中下行之液體的裝置之裝配方法。
用於文中時，該措辭“塔”(或“交換塔”)意指蒸餾或分餾塔，即，使液相和蒸氣相逆流接觸以引起流體混合物的分離，例如藉由該蒸氣相和液相在填充元件(在“填充塔”中的)上的接觸或在安裝於該塔內之一連串垂直間隔開的盤或板上接觸，之塔。
空氣的低溫分離係於使液體和蒸氣混合物相互緊密接觸的蒸餾塔中進行。在各個蒸餾塔中，當該混合物的液相隨著較不具揮發性組分(例如，氧)越來越高的濃度而下行時該混合物的蒸氣相將隨著更具揮發性組分(例如，氧)越來越高的濃度而上升。多種不同裝置，例如，填充物或盤，均可用以使該混合物的液相和蒸氣相接觸以完成該等相之間的質傳。
有許多製程循環能用於將空氣低溫分離成其主要組 分，換言之氮、氧和氬。圖1中用示意圖顯示習稱為雙塔循環的典型製程。為求簡化此示意圖中僅顯示該等蒸餾塔及相關的低溫熱交換器。該雙塔循環包括一高壓塔10、一低壓塔12、一氬塔14、一主再沸冷凝器16、一過冷器18、一氬冷凝器20及一氬冷凝罐22。
把於絕對壓力4.5至5.5巴及接近其露點的高壓供入空氣供入該高壓塔10的底層。於該高壓塔10內，把空氣分成富氮蒸氣26及富氧液體28。使該富氧液體28於該過冷器18中過冷，讓壓力降至約絕對壓力1.2至1.4巴並且供入該氬冷凝罐22。使該富氮蒸氣26通入靠沸騰的氧將使其冷凝之主再沸冷凝器16中，該主再沸冷凝器提供蒸出物(boilup)至該低壓塔12。該經冷凝的富氮液體30部分作為該高壓塔10的回流32並且使後者於過冷器18中過冷之後部分作為該低壓塔12的回流34，並且讓其壓力降至約絕對壓力1.2至1.4巴。在該低壓塔12中，藉由低溫蒸餾把多種不同供料分離成富氧和富氮組分。
自該低壓塔12底部抽出氣態氧產物35，也被稱作GOX，並且自該低壓塔12抽出氣態氮產物36，也被稱作LPGAN，並且在被供至該工廠的其他部分之前經過該過冷器18暖化。也自該低壓塔12的中間位置抽出廢氣流38，經過該過冷器18暖化並且供至該工廠的其他部分。
自該低壓塔12的另一中間位置抽出蒸氣相側流40並且供至該氬塔14底部，等到沿該氬塔14向上流並且凝結之後，其將呈液流42返回，將其反供至該低壓塔12中。 給予該氬冷凝器20的冷卻作用係由該氬冷凝罐22中的流28之部分汽化提供，從那裡將其部分以蒸氣46形成及部分以液體48形式供至該低壓塔。把於該氬塔14頂部的部分蒸氣以粗製氬50，也稱作CGAR，形式抽出並且供至該工廠的其他部分以供進一步處理。
在各個蒸餾塔中，分離分一或多分段完成，例如該高壓塔10中的分段11，該低壓塔12中的分段13、15、17、19和21，及該氬塔14中的分段23和25。儘管不同類型的接觸裝置(例如盤或填充物)均可使用，但是在申請人討論的實施例中，該等接觸裝置均假設為由結構填充物製成並且以此形式顯示。
有許多裝置能用於將液體流均勻分配於填充塔的填充段。這樣的裝置曾在多個不同專利和參考書中揭露過。舉例來說，液體在具有多平行區的槽式分配器中收集並且流過穿孔陣列到該填物下方。該等液體槽可橫過該塔截面均勻佈置並且可經由一中央通道供入，該中央通道與該等槽垂直行進且其本身可涵蓋該塔直徑的主要部分。在大型塔中，該等液體槽也可通過一環形邊溝在塔壁附近連結，該環形邊溝可為用於將液壓梯度均等化的裝置。蒸氣於介於該等液體槽之間的平行區中之大體上矩形的升流管中流動。該等蒸氣區可具有安置於其上面的蓋子以防來自此分段上方的液體落下通過該等蒸氣區而不是把該液體導入收集此液體並且將其輸送至此塔分段下方之槽。這樣的分配器可被稱作煙囪式分配器。也有盤式分配器，其中蒸氣升 流管的截面可大體上為圓形而且液體繞於其四周並通過穿孔到達該填充物下方而流動。因此，有許多基本設計及根據該基本設計的許多變化例。
液體和蒸氣最初呈現於由這樣的分配器製成的塔中之填充物。液體分配器，其角色在於以液體實質均勻地注入該填充物，係設於該填充物上方，而蒸氣分配器，其角色在於在該填充物下方創造實質均均的蒸氣，係設於該填充物下方。除了該蒸氣分配器以外，液體集流器也被設於該填充物下方，其角色在於收集離開該填充物的液體並且使該液體再朝該塔向下。該液體集流器和該蒸氣分配器共通之處在於包含於相同裝置中，該裝置同時執行二角色。
傳統上，只有一些分配器有利用混合來處理，單獨或聯合液體流動分配。就其液體組成及流動分佈品質的觀點來看，尤其是就具有大於2米的直徑之空氣分離設備的大型低溫蒸餾塔而言，這些裝置並無法執行的很好，因為該等裝置無法供給流到填充塔的液體完全的混合(而是只有部分混合)及均勻的分配以達成如申請人的設備和方法的高分離效率。填充塔的可靠度也能由申請人的設備和方法獲得改善，其藉由使用過濾器來保護該填充塔以免受製造破片和操作破片所影響。
填充塔或質傳塔中曾使用過多種不同類型的裝置，關於在塔中下行的液體這樣的裝置在該塔中至少部分進行一或更多以下功能：收集、分配、再分配及混合。然而，因為多個不同理由，這些裝置無法完全混合該液體及因此無 法同時提供該液體的流量和組成的均一性。舉例來說，美國專利第5,158,713(Ghelfi等人)；美國專利第5,776,316號(Potthoff等人)；第5,752,538號(Billingham等人)；第5,935,389號(Hine等人)；及第7,114,709號(Ender等人)號中有揭示這樣的裝置。另外參見美國專利申請案第US 2009/0049864號(Kovak等人)號中揭示的液體集流器及再分配器。這些裝置的其他實例包括美國專利第5,240,652號(Taylor等人)；第5,897,748號(Kaibel)；第6,086,055號(Armstrong等人)；及第7,007,932號(Armstrong等人)中揭示的裝置。
申請人的設備和方法有多個不同方面，各方面有許多變化例。
有一方面是一種用於分配在填充塔的內在空間中下行的液流之設備。該設備包括一集流器、一混合器、一第一導管及一第二導管。該集流器具有多數配置於該填充塔的內在空間中並且適於收集至少一部分在該填充塔的內在空間中下行的液流之扇形區。該混合器係於該填充塔的內在空間中之集流器下方並與其垂直間隔開。該混合器具有多數配置於該填充塔的內在空間中並且適於接收並混合至少一部分靠該集流器收集到的液體之區。該第一導管具有與該集流器的第一扇形區流體連通之第一端及與該混合器的第一區流體連通之第二端。該第一導管適於接收並向下 傳遞至少一部分來自該集流器的第一扇形區之液體至該混合器的第一區。該第二導管具有與該集流器的第二扇形區流體連通之第一端及與該混合器的第二區流體連通之第二端。該第二導管適於接收並向下傳遞至少一部分來自該集流器的第二扇形區之液體至該混合器的第二區。該集流器的第一扇形區之幾何中心的至少其一係沿著圓周佈置於遠離該混合器的第一區之幾何中心中而且該集流器的第二扇形區之幾何中心係沿著圓周佈置於遠離該混合器的第二區之幾何中心。
在此設備之第一變化例中，該集流器的第一扇形區之幾何中心係沿著圓周佈置於遠離該混合器的第一區之幾何中心約60°至約180°，而且較佳地約120°至約180°，而且最佳地約180°。
在此設備之第一變化例中，該集流器的第二扇形區之幾何中心係沿著圓周佈置於遠離該混合器的第二區之幾何中心約60°至約180°，而且較佳地約120°至約180°，而且最佳地約180°。
在前三段中討論的任何設備之另一變化例中，該混合器的截面積佔據不大於該填充塔的內在空間的截面積之約25%，而且較佳地不大於約20%。
第二設備類似於第一設備或以上討論的任何變化例，但是包括一預分配器。該預分配器係配置於該填充塔的內在空間中並且適於接收至少一部分來自該混合器的混合液流並從該預分配器向外傳遞至少一部分接收到的混合 液流。
第三設備類似於第二設備或以上討論的任何變化例，但是包括一最終分配器。該最終分配器係揭示於該填充塔的內在空間中並且適於接收至少一部分來自該預分配器之經預分配的液流並將至少一部分接收到之經預分配的液流實質上均勻地傳遞於該填充塔的內在空間之至少一部分截面積上。
在此第三設備之變化例中，該預分配器包括多數適於向下傳遞至少部分經接收到的混合液流之通道。此外，該最終分配器包括多數適於傳遞至少部分經預分配的液流之槽。各槽具有至少一開口並與該預分配器的至少一通道流體連通。
第四設備類似於第一、第二或第三設備或以上討論的任何變化例，但是包括一過濾器。在那些設備任一者或其變化例之一變化例中，該過濾器係配置於該混合器中。
另一方面係為一種用於分配在填充塔的內在空間中下行的液流的設備之裝配方法，該方法包括九個步驟。第一步驟在於裝設一集流器，該集流器具有多數配置於該填充塔的內在空間中並適於收集至少一部分在該填充塔的內在空間中下行的液流之扇形區。第二步驟係於該填充塔的內在空間中裝設一混合器，該混合器係於該集流器下方並與其垂直間隔開，該混合器具有多數配置於該填充塔的內在空間中並且適於接收並混合至少一部分靠該集流器收集到的液體之區。第三步驟在於裝設一第一導管，其具有與 該集流器的第一扇形區流體連通之第一端及與該混合器的第一區流體連通之第二端，該第一導管適於接收並向下傳遞至少一部分來自該集流器的第一扇形區之液體至該混合器的第一區。第四步驟在於裝設一第二導管，其具有與該集流器的第二扇形區流體連通之第一端及與該混合器的第二區流體連通之第二端，該第二導管適於接收並向下傳遞至少一部分來自該集流器的第二扇形區之液體至該混合器的第二區。該集流器的第一扇形區之幾何中心的至少其一係沿圓周佈置於遠離該混合器的第一區之幾何中心中而且該集流器的第二扇形區之幾何中心係沿圓周佈置於遠離該混合器的第二區之幾何中心。第五步驟在於把在該填充塔的內在空間中下行的液流引進該填充塔的內在空間之集流器上方。第六步驟在於靠該集流器收集至少一部分在該填充塔的內在空間中下行的液流。第七步驟在於通過該第一導管向下傳遞至少一部分來自該集流器的第一扇形區之液體至該混合器的第一區。第八步驟在於通過該第二導管向下傳遞至少一部分來自該集流器的第二扇形區之液體至該混合器的第二區。第九步驟在於於該混合器中混合從該集流器的第一扇形區傳遞至該混合器的第一區之液體與從該集流器的第二扇形區傳遞至該混合器的第二區之液體，從而製造一混合液體。
在此方法的第一變化例中，該集流器的第一扇形區之幾何中心係沿著圓周佈置於遠離該混合器的第一區之幾何中心約60°至約180°，而且較佳地約120°至約180°，而且 最佳地約180°。
在此方法的第一變化例之一變化例中，該集流器的第二扇形區之幾何中心係沿著圓周佈置於遠離該混合器的第二區之幾何中心約60°至約180°，而且較佳地約120°至約180°，而且最佳地約180°。
在前三段討論的任何方法之另一變化例中，該混合器的截面積佔據不大於該填充塔的內在空間的截面積之約25%，而且較佳地不大於約20%。
第二方法類似於該第一方法或以上討論的任何變化例，但是包括三個附加的步驟。第一附加步驟在於裝設一預分配器，其係配置於該填充塔的內在空間中並且適於接收至少一部分來自該混合器的混合液流並從該預分配器向外傳遞至少一部分接收到的混合液流。第二附加步驟在於把至少一部分該混合液流從該混合器傳遞至該預分配器。第三附加步驟在於從該預分配器向外傳遞至少一部分從該混合器接收到的經接收之混合液流。
第三方法類似於該第二方法或以上討論的任何變化例，但是包括三個再附加的步驟。第一再附加步驟在於裝設一最終分配器，其係配置於該填充塔的內在空間中並且適於接收至少一部分來自該預分配器之經預分配的液流並將至少一部分接收到之經預分配的液流實質上均勻地傳遞於該填充塔的內在空間之至少一部分截面積上。第二再附加步驟在於藉由該最終分配器接收至少一部分來自該預分配器之經預分配的液流。第三再附加步驟在於將至少一部 分接收到之經預分配的液流實質上均勻地傳遞於該填充塔的內在空間之至少一部分截面積上。
在第三方法之一變化例中，該預分配器包括多數適於向下傳遞至少部分經接收到的混合液流之通道。此外，該最終分配器包括多數適於傳遞至少部分經預分配的液流之槽，各槽具有至少一開口並與該預分配器的至少一通道流體連通。
第四方法類似於該第一、第二或第三方法或以上討論的任何變化例，但是包括兩個附加步驟。第一附加步驟在於裝設一過濾器。第二附加步驟在於過濾該液體的至少一部分。在那些方法任一者或其變化例之一變化例中，該過濾器係配置於該混合器中。
又另一方面是一種用於分配在填充塔的內在空間中下行的液流之設備之裝配方法，該裝配方法包含五個步驟。第一步驟在於裝設具有該內在空間之填充塔。第二步驟在於在該填充塔的內在空間中裝設一集流器，該集流器具有多數扇形區並適於收集至少一部分在該填充塔的內在空間中下行的液流。第三步驟在於在該填充塔的內在空間中裝設一混合器，該混合器係於該集流器下方並與其垂直間隔開，該混合器具有多數配置於該填充塔的內在空間中並且適於接收並混合至少一部分靠該集流器收集到的液體之區。第四步驟在於裝設一第一導管，其具有與該集流器的第一扇形區流體連通之第一端及與該混合器的第一區流體連通之第二端，該第一導管適於接收並向下傳遞至少一 部分來自該集流器的第一扇形區之液體至該混合器的第一區。第五步驟在於裝設一第二導管，其具有與該集流器的第二扇形區流體連通之第一端及與該混合器的第二區流體連通之第二端，該第二導管適於接收並向下傳遞至少一部分來自該集流器的第二扇形區之液體至該混合器的第二區。該集流器的第一扇形區之幾何中心的至少其一係沿圓周佈置於遠離該混合器的第一區之幾何中心中而且該集流器的第二扇形區之幾何中心係沿圓周佈置於遠離該混合器的第二區之幾何中心。
在該裝配方法的第一變化例中，該集流器的第一扇形區之幾何中心係沿圓周佈置於遠離該混合器的第一區之幾何中心約60°至約180°，而且較佳地約120°至約180°，而且最佳地約180°。
在該裝配方法的第一變化例之一變化例中，該集流器的第二扇形區之幾何中心係沿圓周佈置於遠離該混合器的第二區之幾何中心約60°至約180°，而且較佳地約120°至約180°，而且最佳地約180°。
在前三段中討論的任何裝配之另一變化例中，該混合器的截面積佔據不大於該填充塔的內在空間的截面積之約25%，而且較佳地不大於約20%。
第二裝配設備的方法類似於第一裝配方法或以上討論的任何變化例，但是包括另一步驟。該另一步驟在於在該填充塔的內在空間中裝設一預分配器，該預分配器適於接收至少一部分來自該混合器的混合液流並從該預分配器 向外傳遞至少一部分接收到的混合液流。
第三裝配設備的方法類似於第二裝配方法或以上討論的任何變化例，但是包括另一步驟。該另一步驟在於在該填充塔的內在空間中裝設一最終分配器。該最終分配器適於接收至少一部分來自該預分配器之經預分配的液流並將至少一部分接收到之經預分配的液流實質上均勻地傳遞於該填充塔的內在空間之至少一部分截面積上。
在此第三裝配方法之變化例中，該預分配器包括多數適於向下傳遞至少部分經接收到的混合液流之通道。此外，該最終分配器包括多數適於傳遞至少部分經預分配的液流之槽。各槽具有至少一開口並與該預分配器的至少一通道流體連通。
第四裝配設備的方法類似於第一、第二或第三裝配方法或以上討論的任何變化例，但是包括裝設一過濾器的另一步驟。在那些裝配方法任一者或其變化例之一變化例中，該過濾器係配置於該混合器中。
另一方面是一種用於低溫空氣分離之方法，其包括使上升的蒸氣與下行的液體於具有一內在空間之填充塔中逆流接觸，該內在空間具有於該內在空間中的第一質傳段及於該內在空間中之第一質傳段下方並與其間隔開的第二質傳段。在此方法中，一設備(例如以上討論的任何設備或其任何變化例)係佈置於該第一質傳段與該第二質傳段之間，並且將來自該第一質傳段的下行液流分配給該第二質傳段。
又另一方面是一種用於分配在填充塔的內在空間中下行的液流之方法，該方法包括五個步驟。第一步驟在於把在該填充塔的內在空間中下行的液流引進高過配置於該內在空間中的集流器之填充塔的內在空間中。第二步驟在於靠該集流器收集至少一部分在該填充塔的內在空間中下行的液流。第三步驟在於通過與該集流器流體連通的第一導管向下傳遞至少一部分來自該集流器的第一扇形區之液體至一混合器的第一區，該混合器係配置於該內在空間中的集流器下方並與其間隔開，藉以使通過該第一導管傳遞的液體沿著圓周從該集流器的第一扇形區轉移至該混合器的第一區。第四步驟在於通過與該集流器流體連通的第二導管向下傳遞至少一部分來自該集流器的第二扇形區之液體至該混合器的第二區，藉以使通過該第二導管傳遞的液體沿著圓周從該集流器的第二扇形區轉移至該混合器的第二區。第五步驟在於於該混合器中混合從該集流器的第一扇形區傳遞至該混合器的第一區之液體與從該集流器的第二扇形區傳遞至該混合器的第二區之液體，從而製造一混合液體。
在此方法的第一變化例中，通過該第一導管傳遞的液體係從該集流器的第一扇形區至該混合器的第一區轉移約60°至約180°，而且較佳地約120°至約180°，而且最佳地約180°。
在此方法的第一變化例之一變化例中，通過該第二導管傳遞的液體係從該集流器的第二扇形區至該混合器的第 二區轉移約60°至約180°，而且較佳地約120°至約180°，而且最佳地約180°。
在前三段討論的任何方法之另一變化例中，該混合器的截面積佔據不大於該填充塔的內在空間的截面積之約25%，而且較佳地不大於約20%。
第二方法類似於該第一方法(前四段所述)或以上討論的任何變化例，但是包括兩個附加的步驟。第一附加步驟在於把至少一部分該混合液流從該混合器傳遞至配置於該填充塔的內在空間中之預分配器。第二附加步驟在於從該預分配器向外傳遞至少一部分從該混合器接收到的經接收之混合液流。
第三方法類似於前段的第二方法或以上討論的任何變化例，但是包括兩個再附加的步驟。第一再附加步驟在於藉由配置於該填充塔的內在空間中之最終分配器接收至少一部分來自該預分配器之經預分配的液流。第二再附加步驟在於將至少一部分接收到之經預分配的液流實質上均勻地傳遞於該填充塔的內在空間之至少一部分截面積上。
在前段的第三方法之一變化例中，該預分配器包括多數適於向下傳遞至少部分經接收到的混合液流之通道。此外，該最終分配器包括多數適於傳遞至少部分經預分配的液流之槽，各槽具有至少一開口並與該預分配器的至少一通道流體連通。
第四方法類似於該第一、第二或第三方法或前七段以上討論的任何變化例，但是包括兩個附加步驟。第一附加 步驟在於裝設一過濾器。第二附加步驟在於過濾該液體的至少一部分。在那些方法任一者或其變化例之一變化例中，該過濾器係配置於該混合器中。
申請人的設備和方法將塔中下行的液體實質上均勻地混合並且分配於該塔中的填充段截面積上。該設備包括一集流器、一混合器、一從該混合器向外展開液體的預分配器及一將液體均勻地沉積於該塔中的填充段截面積上的最終分配器。該設備的具體實施例也包括補償該混合器內可能發生的任何不當混合的裝置(例如，依文中所述的特定方式佈置的導管)。任意地，該設備可包括過濾器，至少一些液體可經過該過濾器流動以保護填充塔不受操作破片和製造破片所影響。若把該塔外部的液體供料引到填充段下方，這樣的供料可在使此液體與可能存在於其中的任何蒸氣分離之後適當地引進該混合器。
填充塔的效能取決於液體和蒸氣分佈的品質，其包括進入及橫過該塔橫截面的兩相之流量及組成二者的均勻度。填充塔的不同分段對於分配不均顯示不同程度的敏感度，該分配不均取決於該等分段的平衡和操作線之間的關係。儘管於文獻中已充分理解流量均勻度的重要性，但是組成效應卻沒被充分了解。有關敏感的分段，據推測混合所有或實質上所有進入的液體並且接著實質均勻地橫過該塔的截面積再分配此液體是重要的。儘管可達成均勻的流 量，但是完全混合需要複雜又昂貴的裝置而且經常造成塔高的提高。這對於大直徑的塔，例如具有大於約2米的直徑者，尤其是如此。
申請人的設備和方法依有成本效率的方式達成完全混合的益處而不需採取為了獲得完全組分混合所需的更多複雜步驟。此任意的過濾器有助於保護該液體分配器和填充塔免於受到上方的蒸餾及/或供料段可能累積的破片影響。這樣的破片會阻塞該液體分配器中的洞孔並且導致下游的填充塔效能不足。因此，除了提供該填充塔的高效率以外，該高效率會造成比先前技藝的分配器可能的床高度更矮，申請人的設備和方法由於將破片可能造成的問題排除或減至最少而提供更可靠的操作。
為求清晰，圖2A至2G、3A至3E、4A至4B及5僅舉例說明所述的具體實施例的整體設備之一部分。
如圖2A至2C所示，在該塔62的內在空間中設立該設備60。(該內在空間是該塔62的內壁以內的範圍所包含的空間。)圖2A至2C中的塔62的內在空間係分成塔側“A”及“B”。
圖2A至2G顯示該設備之一具體實施例的一些特徵，這些特徵將會被描述以舉例說明此具體實施例如何操作。參照圖2A，液體從上方的填充段(沒顯示)往下滴到該集流器61上。在此舉例說明的具體實施例中，該集流器61具有鄰近該塔62內壁的環元件。該液體從該集流器61經過導管66和68流入該混合器64。將從該二導管流入的液體 合併於混合器64中。液體排出混合器64並且最終分配給下方的填料(沒顯示)。
較佳地，所有或實質上所有從塔62的上游下行之液體均通過集流器61及該等導管(66和68)而且沒繞過該集流器61或該等導管(66和68)而行。美國專利申請案公告第2009/0049864 A1號(Kovak等人)的圖3至7顯示可用於集流器的裝備實例，在此以引用的方式將其教導的全文併入本文以供參考而不排除其任何部分。
在圖2A至2C舉例說明的具體實施例中，導管66將從上方的塔側“B”收集到的液體輸送至下方的塔側“A”，儘管導管68將液體從上方的塔側“A”輸送至下方的塔側“B”。換句話說，以及如圖2C中的箭頭描繪的，從集流器61進入導管66的液體依圓周方向轉移180度直到其排出導管66進入混合器64(亦即，該液體沿著圓周轉移)。儘管吾人所欲為此舉例說明的具體實施例中的塔側“A”及塔側“B”一樣，但是熟悉此技藝者明白考量機械動機有多變化例均可行。
使申請人的設備和方法用於具有不對稱導管位置的系統或用於具有多於二導管的系統之作業變清楚，有助於了解進入導管的流之源起及離開該導管的流之去向。這可使用圖2D至2G中的示意圖來說明。
先參照圖2D，來介紹集流器61的“扇形區”之概念。如圖2D所示，來自該集流器61上方的填料(沒顯示)之液體落於該集流器61上，依箭頭所示的方向流動，並且進入 該等導管(66和68)的入口。由於導管位置對稱(亦即，該等導管66和68的入口分隔180°)使液體流入該集流器61的二扇形區，第一扇形區63和第二扇形區73。來自該第一扇形區63的液體流入該導管66的入口；而且來自該第二扇形區73的液體流入該導管68的入口。
現在參照圖2F，該集流器61的第一扇形區63的幾何形狀係以半圓和從90°到270°的弦為邊界的區域(亦即，由交叉平行影線所表示的區域)。該第一扇形區63的幾何中心位於從該圓的中心(該塔62的中心)到該塔62內壁的0°位置之線上。此幾何中心的位置大約如該箭頭67所指之處。
接下來參照圖2E，來介紹該混合器64的“區”之概念。如圖2E所示，來自該等導管66和68的液體排入該混合器64，依箭頭所示的方向流動，排入該最終分配器(沒顯示)，而且最終送達下方的填料(沒顯示)。由於導管位置對稱(亦即，該等導管66和68的入口分隔180°)使液體流入該混合器64的二區，第一區65和第二區75。該液體從該導管66的出口流入該第一區；而且液體從該導管68的出口流入該第二區75。
現在參照圖2G，該混合器的第一區65之幾何形狀係由交平行影線所示的矩形區域。該第一區65的幾何中心位於從該圓的中心(該塔62的中心)到該塔62內壁的180°位置之線上。此幾何中心的位置大約如該箭頭69所指之處。
關於上述段落所述及圖2A至2G所示的具體實施例， 液體從該集流器61的第一扇形區63傳送，經過導管66，至該混合器64的第一區65，其中該集流器61的第一扇形區63之幾何中心67係沿著圓周佈置於遠離該混合器64的第一區65之幾何中心69 180°。
圖3A至3E顯示另一具體實施例的一些特徵，這些特徵將被描述以舉例說明此具體實施例如何以更多導管操作。參照圖3A，有四導管70、72、74及76，其收集來自集流器61的液體並且把該液體遞送至混合器64。較佳地，所有或實質上所有從塔62中的上方下行之液體均通過集流器61和該等導管(70、72、74、76)而且沒繞過該集流器61或該等導管而行。
現在參照圖3B，來自上方的填料(沒顯示)之液體落於該集流器61上，依箭頭所指的方向流動，並且進入該四導管(70、72、74、76)的入口。由於導管位置對稱(亦即，該等導管70、72、74及76的入口分隔90°)使液體流入該集流器61的四扇形區。來自該第一扇形區63的液體流入導管70。
現在參照圖3D，該集流器61的第一扇形區63之幾何形狀係以部分圓周(該塔62的內壁)和二線為邊界的派形區域(一線從該圓周上的45°之點到中心(該塔62的中心)；另一線從該圓周上的315°之點到中心)到該塔62內壁的0°位置之線上。此幾何中心的位置大約如該箭頭67所指之處。該派形區域係以交叉平行影線表示。該集流器61的這個第一扇形區63之幾何中心位於該圓的中心(該塔62的中心) 到該塔62內壁上的0°位置之線上。該幾何中心的位置大約如該箭頭67所指之處。
接下來參照圖3C，來自該等導管(70、72、74、76)排入該混合器64，依箭頭所指的方向流動，並且離開進入該最終分配器(沒顯示)，而且最終到下方的填料(沒顯示)。由於導管位置對稱(亦即，該等導管70、72、74及76的出口分隔90°)使液體流入該混合器64的四區。該液體從該導管70的出口流入該第一區65。
現在參照圖3E，該混合器64的第一區65之幾何形狀係以交叉平行影線表示。該第一區的幾何中心位於該圓的中心(該塔62的中心)到該塔62內壁的90°位置之線上。此幾何中心的位置大約如該箭頭69所指之處。
關於上述段落所述及圖3A至3E所述的具體實施例，液體從該集流器61的第一扇形區63傳送，經過導管70，至該混合器64的第一區65，其中該集流器61的第一扇形區63之幾何中心67係沿著圓周佈置於遠離該混合器64的第一區65之幾何中心69 90°。
如以上討論及圖2A至2G和3A至3E中舉例說明的，用於本文時，該集流器61的“扇形區”是該集流器61的上表面積的幾何形狀部分，液體藉由導管從該幾何形狀部分接收到，而且該混合器64的“區”是該混合器64的容積的幾何形狀部分，液體藉由導管送達該幾何形狀部分。因為該集流器61的扇形區的形狀和尺寸可以變化，該混合器64的形狀和尺寸也一樣可以，扇形區沿著圓周佈置於遠離 區(例如，60度、180度或一些其他度)的相對位置可從該扇形區的幾何中心至該區的幾何中心測得。
注意圖2A至2G及3A至3E中舉例說明的具體實施例僅為代表性具體實施例。其他具體實施例可以規律方式，或一些其他方式，而且依不同圓周方向，從多重導管轉移該液體。舉例來說，該液體可沿著圓周在一導管中轉移介於約60與180度之間，較佳地介於約120與180度之間，而且最佳地約180度。
儘管圖2A至2G及3A至3E中舉例說明的具體實施例使人聯想到該等導管中的均勻度、該液體藉由導管來去傳送之集流器61的扇形區及混合器64的區，但是熟悉此技藝者明白該集流器61和該混合器64可能有許多變化，而且以形狀、尺寸及該等導管的位置來考量機械動機。
圖2E中的箭頭已經理想化並且表示很少或沒有混合液體的案例。熟悉此技藝者明白該混合器中可運用多種機構以促進更好，或更徹底的，混合，但是那些機構(i)增加機械複雜度；(ii)增加成本；及(iii)一般僅部分有效，因為為了達成“夠好”的混合通常都得做折衷處理。申請人的設備和方法藉由提供良好的效能來克服那些問題，甚至是少許或沒有混合的圖所示的案例亦同。
該混合器64的截面積佔該塔62的內在空間的總截面積相當小的百分比。為了增進總體混合，提供從該集流器61至該混合器64沿著圓周運送該液體以補償該混合器64中可能發生的任何混合不完全。這在進行敏感分離的填充 段中及非常大型的蒸餾塔中可能非常重要。若來自塔62外側的液體必須被引入，則可將此液體置於該混合器64的導管之間或以外的空間內，以致於所有或實質上所有蝕入下方的填充段的液體均完全混合，或至少實質上均勻地分到塔側“A”及“B”(圖2A及2B中舉例說明的)。
在所述具體實施例中，該混合器64佔據不大於該塔62內在空間的截面積之25%，而且較佳地不大於20%。
圖2A至2C顯示具有二導管66、68的佈置，而且圖3顯示具有四導管70、72、74、76的佈置。然而，其他數目的導管均可使用，而且該等導管可具有不同形狀。同樣地，在佈置替代方案中的導管不一定彼此相同。將圖2C及3A中的導管(例如，66和68，或70、72、74及76)舉例說明為佈置於關聯該塔62和該混合器64所示的位置之圓形導管。然而，該等導管可能具有其他形狀及/或佈置於其他位置。
熟悉此技藝者將佰明白關於大小、形狀、位置、長度、佈置及導管數目的許多變化均可行。以許多方式設置及佈置的許多種導管均可合於文中討論並舉例說明的具體實施例所示的導管之用途。
現在參照圖4A、4B及5描述該設備的其他部分。圖4A和4B顯示被置於一塔62中及二填充段78與80之間的設備部分之具體實施例。該等填充段可包括結構填充物、無規填料或其他適合的液體-蒸氣接觸機構。
該設備包括一混合器64，其於圖4A和4B舉例說明 的具體實施例中的截面是矩形。熟悉此技藝者將會明白該混合器64可採取許多形狀或形式，並且可設於其他位置，但是在插圖中的是中心混合器64。任意地，在該混合器64內放置一過濾器82。為求清晰，將該液體從分段78供至該混合器的集流器及導管沒有顯示出來來，但是其將會供給該混合器64中的過濾器82內之所有或實質上所有液體並且依上述沿著圓周轉移的佈置。
於圖4A及4B中舉例說明的具體實施例中該混合器64具有一實心底板84。因此，當該過濾器82正在使用時該混合器64中收集到的所有液體均流經過濾器82並且接著經過穿孔垂直壁86至包括通道90A至90F的預分配器88。沒連至該等通道90A至90F之混合器64的穿孔垂直壁86的其他部分是密實的以容納該液體並且於該混合器64內維持一位準。
該等通道90A至90F各自具有上艙及下艙。該等艙藉由帶有穿孔93的穿孔板分隔開。因此，來自各通道90A至90F的上艙之液體下行經過該穿孔板的穿孔93進入分別的下艙。該等通道90A至90F的下艙與多數槽連接，例如舉例顯示的槽94。
各槽94具有一組穿孔96以將液體供至下方的填充段80。在此舉例說明的具體實施例中，該等槽係以平行方式與該蒸氣沿該塔62上升的空間98交錯佈置。該等槽也連接到一環形邊溝100。該等槽、該環形邊溝100及該等通道90A至90F的下艙多個部位有一互相連接的網狀結構， 其使液壓梯度能撫平以創造經過該穿孔96至下方的填充段80之非常均勻的液流。
圖5顯示也具有六通道90A至90F的另一具體實施例，其係依六角形的圖案佈置。圖5中僅顯示平面圖。從其他特徵的觀點來看，圖5中的具體實施例類似於圖4A和4B中的具體實施例。這些僅為該預分配器具有六通道90A至90F的例示性實例。熟悉此技藝者將會明白不同佈置可配合較少通道(例如，2或4通道)或更多通道(例如，8或10通道)。同樣地，為求清晰而沒顯示用於支撐該塔內的、混合器、預分配器、最終分配器及填充段的機械機構。
在圖4A、4B及5舉例說明的具體實施例中，環形邊溝100可接收一些液體。該環形邊溝100較佳為連續性並且毗鄰該塔62內壁的周邊，如圖4A和5所示。
儘管以上該設備的數個具體實施例的描述係就具有圓形截面積的填充塔的觀點來看，但是該設備的其他具體實施例可用於非圓形塔中，包括，舉例來說，隔壁式(divided wall)塔。具有有限截面積，沿著圓周轉移的導管、過濾器、預分配器及最終分配器之混合器的特徵必須以適當方式考量於非圓形的隔壁式塔或其他塔之一或二側內的填充塔段之非圓形本質而設計並且佈置。
申請人藉由低溫蒸餾從空氣分離氣體，例如，氮、氧及/或氬，的方法，其利用具有至少二液體-蒸氣接觸段的至少一液體-蒸氣接觸塔，可包括像以上討論的申請人的設備一樣用於收集、混合及分配從上方液體-蒸氣接觸段至下方 液體-蒸氣接觸段的下行液體之設備。任意地，當當液體供料從該塔外側被引進該塔的上方和下方液體-蒸氣接觸段之間時，所有或一些外部供料可如以上討論的方式放入該混合器。
申請人用於分配具有至少二液體-蒸氣接觸段的液體-蒸氣接觸塔中的液體之設備的裝配方法的一具體實施例包括裝設並且裝配像以上討論的申請人的設備一樣的設備之組件。要把該等組件裝配於液體-蒸氣接觸塔內可利用適合的支撐機構做到，其可包括鉚釘及焊部。
申請人的設備和方法包括許多其他具體實施例及其沒於圖形中舉例說明或實施方式段中討論的變化例。然而，那些具體實施例及變化例確實落在後附申請專利範圍及其等效例的範疇以內。
熟悉此技藝者將會明白於圖形中舉例說明或實施方式段中討論的具體實施例及變化例並未揭示申請人的設備的所有可能佈置，而且其他佈置也可行。因此，所有這樣的其他佈置均能由申請人的設備和方法所預期，並且均在後附申請專利範圍及其等效例的範疇以內。
熟悉此技藝者也會明白許多其他加入申請人的發明概念的具體實施例也可行，還有文中舉例說明並且描述的具體實施例的許多變化例也一樣。
儘管文中已經關聯結構填充物討論申請人的設備和方法，但是熟悉此技藝者將會明白申請人的設備和方法也可配合其他類型的填料(例如，不規則填料)使用。
實施例
發生於雙塔循環的多個不同填充段中的蒸餾效率對那些分段內之蒸氣相和液相的組成和流量二者的分配不均敏感。參照圖1，這特別適合分段13、15、23及25。在以下的實施例中，對於分配不均的敏感度係藉由化工文獻中眾所周知的方法來分析，其被稱作平行塔分析。
實施例1
首先考慮具有分段23和25的氬塔14，例如先前以圖1中舉例說明的雙塔循環所描述的。圖6中顯示該二分段內有正常流動和操作條件的示意圖。該二分段各自含有35個理論級並且於約1.3巴的絕對壓力下操作。該塔於約0.97的塔頂液體對蒸氣莫耳比下操作。於底部的蒸氣供料具有12%氬、0.0010%氮及剩餘部分的氧之組成。在正常操作之下於頂部的粗製氬產物(CGAR)的組成應該是99.67%氬、0.02%氮及剩餘部分的氧。
在進行平行塔分析時，各分段再進一步考慮分成如圖7的示意圖所示的相等兩半部，換言之23A、23B及25A、25B。分別的分段A及B的截面相等並且相互獨立。名義上其應該在其各自的內部帶有全塔液體和蒸氣的一半。為了評估對於分配不均的敏感度，把液體的流量(圖7中的實線)假設為A側較高而且B側較低，而蒸氣的流量(圖7中的虛線)係均勻分配於該二半部。該分段A和B的兩半之間 沒有液體或蒸氣的混合或轉移。把由參數流量分配係數λ(Flow lambda)定義的分配不均程度定義為高和平均液體流量之間的差值除以該二流量的平均值，並且以數學定義如下：流量分配係數λ=(高液體流量-低液體流量)/(高液體流量+低液體流量)
流量分配係數λ的效應依以下方式決定：1)首先，關於特定程度的分配不均，使用圖7的示意圖計算該CGAR組成；2)接下來，針對圖6的示意圖減少級數直到該CGAR組成與圖7的示意圖獲得的組成相同為止；及3)接著，把這些分數級數(fractional stages)計算成用於步驟2中之圖6的示意圖之級數除以用於圖7的示意圖之級數。以由此獲得的分數級數對比於流量分配係數λ繪圖於圖8最底部的曲線(記為“基本案例液體分配不均”)。如所見，效能隨著流量分配不均顯著降低。
第二案例接著在圖9的示意圖所示的條件之下模擬。在此案例中於裝置51中混合分段25A和25B的底部流出的液體並且再從那些以相同的高和低流量比例再分配給下方段23A和23B。圖8中將該液體的中間混合效果顯示為“中間液體混合”曲線。如所見，此效能-儘管仍然比分數級數的理想值1.0還差-比起沒有中間混合的基本案例液體分配不均現在已經獲得顯著改善。此效果於文獻中已被充分理解。
第三案例接著在圖10的示意圖所示的條件之下模 擬。在此案例中，來自上方段25B的所有液體均經由混合器55轉移至23A，但是僅一部分對應低流量的液體從上方段25A經由分流器53轉移至下方段23B。來自25A的其他部分係經由分流器53及混合器55送達23A。這是能夠轉移同時還加諸流量不均衡的最大限度。於圖8中最上方曲線所示的得到的效能見得到“經中間液體轉移180°”比完全混合該液體的案例又更好。這是以前沒人教示過的驚人發現。這些驚人又出乎意料的結果令申請人感到既驚訝又意外而且想必也會令普通熟悉此技藝者感到既驚訝又意外。
此計算結果的實際重要性可說明如下。可於分段23和25之間使用集流器、混合器及液體分配器。但是若來自該等上方段的液體沒轉移至該等下方段中就運送並且於該混合器內發生完全混合，則此效能將大概介於圖8中的基本案例與中間液體混合案例之間。另一方面，若把該液體轉移至該混合器內的直徑相反側，而且若有不完全混合，則此效能將大概介於該中間液體轉移180°的案例與該中間液體混合案例之間。因此，經轉移180°的結果將優於未經轉移180°的結果。
在這些計算結果中假設該等填充段的二側半部之間沒有蒸氣混合。實際上會有一些混合，由於該塔的截面變大使其變得較沒有效率。看得見將該液體轉移180°將補助該分配器中不充分的液體混合以及該等填充塔段中不充分的蒸氣混合。這是驚人又出乎意料的結果，其令申請人感到既驚訝又意外而且想必也會令普通熟悉此技藝者感到既驚 訝又意外。
若該液體分配器中有完美的液體混合，則從該液體轉移180°將沒有獲得增益。但是能達成理想混合的裝置，例如靜態混合器，從壓降、塔高及總體系統成本的觀點來看代價高昂。申請人利用液體轉移180°的設備和方法將較沒轉移的案例優越，而且在最差的案例中至少能搭配理想混合的案例與非常少的外加成本。
儘管以上的案例清楚證實了將該中間液體轉移180°至該塔的相反側之優點，但是有些情況中機械構型會限制能完成的轉移角度。然而以下將證實即使是轉移比180°小許多的角度也能達成大部分的益處。所以第四案例係於圖11的示意圖所示的條件之下模擬。在此案例中經由分流器57和混合器55將僅三分之二(2/3)來自上方段25B的液體轉移至23A而且經由分流器53和混合器59將來自該上方段25A的等量液體轉移至23B。把該上方段25A和25B剩下的液體供給該下方段23A和23B而沒經由據顯示正好於彼等之間的分流器和混合器轉移。這相當於從一塔的二半部將該液體各轉移120°。看得見此刻由圖8中的最上面曲線出示為“中間液體經轉移120°”所得的效能也比該液體完全混合的案例更好，但是其並不如經轉移180°的案例那麼好。但是這也是驚人的結果，因為即使部分轉移該中間液體的效果也超過完全混合的效果。
此外，第五案例係於圖11的示意圖的條件之下模擬。在此案例中經由分流器57和混合器55將僅三分之一(1/3) 來自上方段25B的液體轉移至23A而且經由分流器53和混合器59將來自該上方段25A的等量液體轉移至23B。把該上方段25A和25B剩下的液體供給該下方段23A和23B而沒經由據顯示正好於彼等之間的分流器和混合器轉移。這相當於從一塔的二半部將該液體各轉移60°。看得見此時由圖8中的最下面曲線出示為“中間液體經轉移60°”所得的效能比該基本案例改善相當多而且接近該中間液體混合案例的的獲益。
至於另一圖示，圖12顯示中間液體靠相應於完全混合所獲得的級數來轉移之角度效應。這是以上在關於流量分配係數λ具有0.08的值之特定案例的實施例1中略述的計算結果之例示曲線。在座標上的1.0的值相當於該中間液體混合案例獲得的級數。如所見，此效能隨著液體被轉移的角度加大而迅速提高，於約60°達到高於95%的值。超過此之後增益越趨平緩而且當角度在120°至180°的範圍中時總體效能超過100%。
實施例2
接下來考慮具有分段13和15的低壓塔12(例如前述圖1中舉例說明的雙塔循環)的底部。圖13中顯示那二分段內有正常流動和操作條件的示意圖。該二分段各自含有20個理論級並且於約1.3巴的絕對壓力下操作。該塔於約1.40的塔頂液體對蒸氣莫耳比下操作。於頂部的液體供料具有12%氬、0.0010%氮及剩餘部分的氧之組成。在正常操 作之下於底部的GOX產物的組成應該是99.80%氧及剩餘部分的氬。
對於分配不均的敏感度以類似於實施例1的方式模擬。把對應的五曲線顯示於圖14。注意該等曲線顯示該中間液體混合案例比該基本案例改善相當多，而該中間液體被轉移180°的案例又更好。同樣地，該中間液體被轉移120°的案例也比該中間液體混合案例更好，但是並不如該中間液體被轉移180°的案例那麼好。最後，該中間液體經轉移60°的案例比該基本案例改善相當多並且接近該中間液體混合案例的效能。最後案例中的效能增益可能高於關於流量分配係數λ等於0.08的案例之理想混合的增益之95%但是此結果並未出示為一清晰曲線。再者，這個轉移中間液體的效率是依類似於實施例1的方式之驚人又出乎意料的結果，該結果驚人又出乎意料的結果令申請人感到既驚訝又意外而且想必也會令普通熟悉此技藝者感到既驚訝又意外。
如之前在藉由低溫蒸餾分離空氣組分的方法中附註的，這些實施例中描述的二分段對於分配不均非常敏感。有一案例中，該液體對蒸氣比小於1，而且在另一案例中該比例高於1。在二案例中，見到將該等填充段當中的液體轉移120至180°比該等分段當中的液體之理想混合及再分配更有效率。而且將該等填充段當中的液體轉移60°達成高於關於流量分配係數λ等於0.08的案例之益處的95%。此出乎意料的表現不曾記載於申請人知道的任何文獻中。
這些結果可以已知的McCabe-Thiele圖為基礎作說明，該等圖係用以製作藉二元混合物蒸餾來分離的模型。在該等實施例中，即使是有一些氮存在，其比例是那麼小以致於該等混合物可基本上被視為氬和氧的二元體。一McCabe-Thiele圖使用兩條線構成。一條是顯示離開蒸餾塔內的平衡級之蒸氣相和液相的組成間之關係的平衡線。填充塔沒有像板式塔(trayed column)一樣的不連續平衡級，但是此平衡線係以相同方式製作。該McCabe-Thiele圖中的另一線是顯示於任何指定水平位置或於平衡級之間相互錯過之蒸氣相和液相的組成間之關係的操作線。此操作線的斜率由該塔內的莫耳液體和蒸氣流量比例給定。在一有效率的蒸餾塔中該平衡線及操作線多少有些相互均勻遠離地間隔開，那將使足夠驅動力的存在能於整個塔內產生有用的質傳。在被記為實施例1中的基本案例液體分配不均之案例中，該等操作線具有與0.97的標稱值不同的斜率。由於此情況，具有高液體流量的塔中之操作線靠著接近頂端的平衡線收聚，結果有非常小量分離發生於上半部中而且任何有用的分離多半發生於下半部中。同樣地，具有低液體流量的塔中之操作線靠著接近底部的平衡線收聚，結果有非常小量分離發生於下半部中而且任何有用的分離多半發生於上半部中。由此這樣的不當配合，該二平行塔中的上方段和下方段之間的中間組成證明是彼此差很多，有關有效率的操作那樣的情況並不理想。這就是在該基本案例液體分配不均條件之下效能差的原因。
當該中間液體經混合並且再分配，該二半部之間的組成變得靠得比較近而且該收聚效應(pinching effect)，儘管仍然還有，較不嚴重而且因此效能改善了。然而，當該中間液體如實施例1被轉移180°時，該等操作線被改變以致於具有低液體流量的底部段完成更有用的分離，造成在該上方段與下方段間具有較高氬含量的總體組成。此效應接著造成於該塔頂端的較高總體氬含量，導致比該中間液體混合案例更多的總體分離。當該中間液體被轉移120°和60°的角度時效能獲得改善的機制類似於180°的機制，但是益處卻成比例降低。
同樣地，實施例2所示的結果可依類似方式說明。在此案例中，供料於頂部及中間轉移液體180°造成比該中間液體混合案例的氧更高的總體組成。此效應接著造成於該塔底部較高的總氧含量，產生比該中間液體混合案例更多的總體分離。當該中間液體被轉移120°和60°的角度時效能獲得改善的機制類似於180°的機制，但是益處卻成比例降低。
儘管以上的描述是所提供的實施例中見到的效應之有根據的說明，但是申請人的設備和方法的效力並非仰賴此說明。有可能可以提供為何觀察到此行為的替代說明。同樣地，當具有不同操作條件的二不同填充段中已經見到類似的趨勢時，申請人相信這是一普遍現象，其於大部分，即使不是所有，類型之分離不同類型混合物的蒸餾塔中均有益處。因此，申請人的設備和方法具有非常廣的應用性。
儘管本文已經引用若干指定具體實施例來舉例說明並且描述，但是本發明還是不欲被限於出示的細節。更確切地說，可以申請專利範圍的等效例的範疇和範圍以內的細節完成多種不同修飾而不會悖離本發明的精神。
A‧‧‧塔側
B‧‧‧塔側
10‧‧‧高壓塔
11‧‧‧高壓塔中的分段
12‧‧‧低壓塔
13‧‧‧低壓塔中的分段
14‧‧‧氬塔
15‧‧‧低壓塔中的分段
16‧‧‧主再沸冷凝器
17‧‧‧低壓塔中的分段
18‧‧‧過冷器
19‧‧‧低壓塔中的分段
20‧‧‧氬冷凝器
21‧‧‧低壓塔中的分段
22‧‧‧氬冷凝罐
23‧‧‧氬塔中的分段
23A‧‧‧下方段
23B‧‧‧下方段
25‧‧‧氬塔中的分段
25A‧‧‧上方段
25B‧‧‧上方段
26‧‧‧富氮蒸氣
28‧‧‧富氧液體
30‧‧‧富氮液體
32‧‧‧高壓塔的回流
34‧‧‧低壓塔的回流
35‧‧‧氣態氧產物
36‧‧‧氣態氮產物
40‧‧‧蒸氣相側流
42‧‧‧液流
46‧‧‧蒸氣
48‧‧‧液體
50‧‧‧粗製氬
51‧‧‧裝置
53‧‧‧分流器
55‧‧‧混合器
57‧‧‧分流器
59‧‧‧混合器
60‧‧‧設備
61‧‧‧集流器
62‧‧‧塔
63‧‧‧第一扇形區
64‧‧‧混合器
65‧‧‧第一區
66‧‧‧導管
67‧‧‧第一扇形區的幾何中心
68‧‧‧導管
69‧‧‧第一區的幾何中心
70‧‧‧導管
72‧‧‧導管
73‧‧‧第二扇形區
74‧‧‧導管
75‧‧‧第二區
76‧‧‧導管
78‧‧‧分段
80‧‧‧下方的填充段
82‧‧‧過濾器
84‧‧‧實心底板
86‧‧‧穿孔垂直壁
88‧‧‧預分配器
90A‧‧‧通道
90B‧‧‧通道
90C‧‧‧通道
90D‧‧‧通道
90E‧‧‧通道
90F‧‧‧通道
93‧‧‧穿孔
94‧‧‧槽
96‧‧‧穿孔
98‧‧‧蒸氣沿著塔上升的空間
100‧‧‧環形邊溝
申請人的設備和方法將藉由示範的方式參照伴隨的圖形來描述，其中：圖1是用於低溫分離空氣的典型雙塔循環示意圖；圖2A是申請人的設備之一具體實施例的截面平面圖的示意圖；圖2B是舉例說明申請人的設備之一具體實施例的一類型具有導管入口之集流器的截面正視圖的示意圖；圖2C是舉例說明申請人的設備之一具體實施例的一個導管佈置之另一截面圖的示意圖；圖2D和2F是舉例說明申請人的設備之一具體實施例的集流器扇形區及扇形區幾何中心之截面正視圖的示意圖；圖2E和2G是舉例說明申請人的設備之一具體實施例的混合器區及區幾何中心之截面正視圖的示意圖；圖3A是申請人的設備之另一具體實施例的截面平面圖的示意圖；圖3B和3D是舉例說明申請人的設備之另一具體實施例的集流器扇形區及扇形區幾何中心之截面正視圖的示意 圖；圖3C和3E是舉例說明申請人的設備之另一具體實施例的混合器區及區幾何中心之截面正視圖的示意圖；圖4A是介於填充塔的二填充段之間的申請人的設備一部分之截面平面圖的示意圖；圖4B是介於填充塔的二填充段之間的申請人的設備一部分之截面正視圖的示意圖；圖5是介於填充塔的二填充段之間的申請人的設備一部分之另一具體實施例的截面平面圖的示意圖；圖6是實施例1的平行塔分析時使用的示意圖；圖7是實施例1用於基本案例液體分配不均的平行塔分析時使用的另一示意圖；圖8是舉例說明具有固定CGAR流量的液體分配不均效應之圖形，其顯示實施例1的結果；圖9是實施例1用於中間液體混合案例的平行塔分析時使用的另一示意圖；圖10是實施例1用於中間液體轉移180°的案例之平行塔分析時使用的另一示意圖；圖11是實施例1用於中間液體轉移120°和中間液體轉移60°的案例之平行塔分析時使用的另一示意圖；圖12是舉例說明實施例1中的中間液體轉移角度效應的圖形；圖13是實施例2的平行塔分析時使用的示意圖；及圖14是舉例說明具有固定GOX流量的液體分配不均 效應之圖形。
A‧‧‧塔側
B‧‧‧塔側
60‧‧‧設備
61‧‧‧集流器
62‧‧‧塔
64‧‧‧混合器
66‧‧‧導管
68‧‧‧導管

Claims (20)

  1. 一種用於分配在填充塔的內在空間中的填充段下行的液流之設備，其包含：一集流器，其具有多數配置於該填充塔的內在空間中並且適於收集至少一部分在該填充塔的內在空間中下行的液流之扇形區；一混合器，其係於該填充塔的內在空間中之集流器下方並與其垂直間隔開，且位於該填充塔的內在空間中之填充段上方並與其垂直間隔開，該混合器具有多數配置於該填充塔的內在空間中並且適於接收並混合至少一部分靠該集流器收集到的液體之區；一第一導管，其具有與該集流器的第一扇形區流體連通之第一端及與該混合器的第一區流體連通之第二端，該第一導管適於接收並向下傳遞至少一部分來自該集流器的第一扇形區之液體至該混合器的第一區；及一第二導管，其具有與該集流器的第二扇形區流體連通之第一端及與該混合器的第二區流體連通之第二端，該第二導管適於接收並向下傳遞至少一部分來自該集流器的第二扇形區之液體至該混合器的第二區，其中該集流器的第一扇形區之幾何中心的至少其一係沿著圓周遠離該混合器的第一區之幾何中心以相對於該填充塔的內在空間的一中心軸之一第一角度被佈置，而且該集流器的第二扇形區之幾何中心係沿著圓周遠離該混合器的第二區之幾何中心以相對於該填充塔的內在空間的一中心 軸之一第二角度被佈置，及其中該混合器具有一平面截面積其係實質地小於該填充塔的內在空間的平面截面積，該等平面截面積係垂直於該填充塔的內在空間的中心軸。
  2. 如申請專利範圍第1項之設備，其中該集流器的第一扇形區之幾何中心係沿著圓周遠離該混合器的第一區之幾何中心以該第一角度約60°至約180°，而且較佳地約120°至約180°，而且最佳地約180°被佈置。
  3. 如申請專利範圍第2項之設備，其中該集流器的第二扇形區之幾何中心係沿著圓周遠離該混合器的第二區之幾何中心以該第二角度約60°至約180°，而且較佳地約120°至約180°，而且最佳地約180°被佈置。
  4. 如申請專利範圍第1項之設備，其另外包含：一預分配器，其係配置於該填充塔的內在空間中並且適於接收至少一部分來自該混合器的混合液流並從該預分配器向外傳遞至少一部分接收到的混合液流。
  5. 如申請專利範圍第4項之設備，其另外包含：一最終分配器，其係配置於該填充塔的內在空間中並且適於接收至少一部分來自該預分配器之經預分配的液流並將至少一部分接收到之經預分配的液流實質上均勻地傳遞 於該填充塔的內在空間之至少一部分截面積上。
  6. 如申請專利範圍第5項之設備，其中該預分配器包括多數適於向下傳遞至少部分經接收到的混合液流之通道，及其中該最終分配器包括多數適於傳遞至少部分經預分配的液流之槽，各槽具有至少一開口並與該預分配器的至少一通道流體連通。
  7. 如申請專利範圍第1項之設備，其另外包含一過濾器。
  8. 如申請專利範圍第7項之設備，其中該過濾器係配置於該混合器中。
  9. 如申請專利範圍第1項之設備，其中該混合器的垂直於該填充塔的內在空間的中心軸的平面截面積佔據不大於該填充塔的內在空間的垂直於該填充塔的內在空間的中心軸的平面截面積之約25%，而且較佳地不大於約20%。
  10. 一種用於分配在填充塔的內在空間中的填充段下行的液流之設備，其包含：一集流器，其具有多數配置於該填充塔的內在空間中並且適於收集至少一部分在該填充塔的內在空間中下行的液流之扇形區； 一混合器，其係於該填充塔的內在空間中之集流器下方並與其垂直間隔開，且位於該填充塔的內在空間中之填充段上方並與其垂直間隔開，該混合器具有多數配置於該填充塔的內在空間中並且適於接收並混合至少一部分靠該集流器收集到的液體之區；一第一導管，其具有與該集流器的第一扇形區流體連通之第一端及與該混合器的第一區流體連通之第二端，該第一導管適於接收並向下傳遞至少一部分來自該集流器的第一扇形區之液體至該混合器的第一區；及一第二導管，其具有與該集流器的第二扇形區流體連通之第一端及與該混合器的第二區流體連通之第二端，該第二導管適於接收並向下傳遞至少一部分來自該集流器的第二扇形區之液體至該混合器的第二區，其中該集流器的第一扇形區之幾何中心係沿著圓周遠離該混合器的第一區之幾何中心以相對於該填充塔的內在空間的一中心軸之一第一角度約60°至約180°，而且較佳地約120°至約180°，而且最佳地約180°被佈置，而且該集流器的第二扇形區之幾何中心係沿著圓周遠離該混合器的第二區之幾何中心以相對於該填充塔的內在空間的一中心軸之一第二角度約60°至約180°，而且較佳地約120°至約180°，而且最佳地約180°被佈置；及該混合器的一平面截面積佔據不大於該填充塔的內在空間的一平面截面積之約25%，而且較佳地不大於約20%，該等平面截面積係垂直於該填充塔的內在空間的中心軸。
  11. 一種用於分配在填充塔的內在空間中的填充段下行的液流之設備之裝配方法，其包含以下步驟：裝設具有該內在空間之填充塔；在該填充塔的內在空間中裝設一集流器，該集流器具有多數扇形區並適於收集至少一部分在該填充塔的內在空間中下行的液流；在該填充塔的內在空間中裝設一混合器，該混合器係於該集流器下方並與其垂直間隔開，且位於該填充塔的內在空間中之填充段上方並與其垂直間隔開，該混合器具有多數配置於該填充塔的內在空間中並且適於接收並混合至少一部分靠該集流器收集到的液體之區；裝設一第一導管，其具有與該集流器的第一扇形區流體連通之第一端及與該混合器的第一區流體連通之第二端，該第一導管適於接收並向下傳遞至少一部分來自該集流器的第一扇形區之液體至該混合器的第一區；裝設一第二導管，其具有與該集流器的第二扇形區流體連通之第一端及與該混合器的第二區流體連通之第二端，該第二導管適於接收並向下傳遞至少一部分來自該集流器的第二扇形區之液體至該混合器的第二區，其中該集流器的第一扇形區之幾何中心的至少其一係沿著圓周遠離該混合器的第一區之幾何中心以相對於該填充塔的內在空間的一中心軸之一第一角度被佈置，而且該集流器的第二扇形區之幾何中心係沿著圓周遠離該混合器的 第二區之幾何中心以相對於該填充塔的內在空間的一中心軸之一第二角度被佈置，及其中該混合器具有一平面截面積其係實質地小於該填充塔的內在空間的平面截面積，該等平面截面積係垂直於該填充塔的內在空間的中心軸。
  12. 如申請專利範圍第11項之設備之裝配方法，其中該集流器的第一扇形區之幾何中心係沿著圓周遠離該混合器的第一區之幾何中心以該第一角度約60°至約180°，而且較佳地約120°至約180°，而且最佳地約180°被佈置，而且其中該集流器的第二扇形區之幾何中心係沿著圓周遠離該混合器的第二區之幾何中心以該第二角度約60°至約180°，而且較佳地約120°至約180°，而且最佳地約180°被佈置。
  13. 一種用於分配在填充塔的內在空間中的填充段下行的液流之方法，其包含以下步驟：把在該填充塔的內在空間中下行的液流在高於被配置於該內在空間中的集流器之處引進該填充塔的內在空間中；靠該集流器收集至少一部分在該填充塔的內在空間中下行的液流；通過與該集流器流體連通的第一導管向下傳遞至少一部分來自該集流器的第一扇形區之液體至一混合器的第一區，該混合器係配置於該內在空間中的集流器下方並與其間隔開，且位於該填充塔的內在空間中之填充段上方並與 其垂直間隔開，藉以使通過該第一導管傳遞的液體沿著圓周從該集流器的第一扇形區轉移至該混合器的第一區；通過與該集流器流體連通的第二導管向下傳遞至少一部分來自該集流器的第二扇形區之液體至該混合器的第二區，藉以使通過該第二導管傳遞的液體沿著圓周從該集流器的第二扇形區轉移至該混合器的第二區；及於該混合器中混合從該集流器的第一扇形區傳遞至該混合器的第一區之液體與從該集流器的第二扇形區傳遞至該混合器的第二區之液體，從而製造一混合液體，其中通過該第一導管傳遞的液體係沿著圓周從該集流器的第一扇形區至該混合器的第一區以相對於該填充塔的內在空間的一中心軸之一第一角度轉移，通過該第二導管傳遞的液體係沿著圓周從該集流器的第二扇形區至該混合器的第二區以相對於該填充塔的內在空間的一中心軸之一第二角度轉移，及其中該混合器具有一平面截面積其係實質地小於該填充塔的內在空間的平面截面積，該等平面截面積係垂直於該填充塔的內在空間的中心軸。
  14. 如申請專利範圍第13項之方法，其中通過該第一導管傳遞的液體係沿著圓周從該集流器的第一扇形區至該混合器的第一區以該第一角度約60°至約180°，而且較佳地約120°至約180°，而且最佳地約180°轉移。
  15. 如申請專利範圍第14項之方法，其中通過該第二導管傳遞的液體係沿著圓周從該集流器的第二扇形區至該混合器的第二區以該第二角度約60°至約180°，而且較佳地約120°至約180°，而且最佳地約180°轉移。
  16. 如申請專利範圍第13項之方法，其包含以下另外的步驟：將至少一部分混合液流從該混合器傳遞至配置於該填充塔的內在空間中之預分配器；及從該預分配器向外傳遞至少該部分從該混合器接收到的混合液流。
  17. 如申請專利範圍第16項之方法，其包含以下另外的步驟：藉由配置於該填充塔的內在空間中之最終分配器接收至少一部分來自該預分配器之經預分配的液流；及將至少一部分接收到之經預分配的液流實質上均勻地傳遞於該填充塔的內在空間之至少一部分截面積上。
  18. 如申請專利範圍第17項之方法，其中該預分配器包括多數適於向下傳遞至少部分經接收到的混合液流之通道，及其中該最終分配器包括多數適於傳遞至少部分經預分配的液流之槽，各槽具有至少一開口並與該預分配器的至少 一通道流體連通。
  19. 如申請專利範圍第13項之方法，其中該混合器的垂直於該填充塔的內在空間的中心軸的平面截面積佔據不大於該填充塔的內在空間的垂直於該填充塔的內在空間的中心軸的平面截面積之約25%，而且較佳地不大於約20%。
  20. 一種用於低溫空氣分離之方法，其包含使上升的蒸氣與下行的液體於具有一內在空間之填充塔中逆流接觸，該內在空間具有於該內在空間中的第一質傳段及於該內在空間中之第一質傳段下方並與其間隔開的第二質傳段，其中經佈置於該第一質傳段與該第二質傳段之間的如申請專利範圍第1項之設備將來自該第一質傳段的下行液流分配給該第二質傳段。
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