专利名称：具有增加容量的规整填料的制作方法
技术领域：
本发明涉及规整填料以及用来在交换塔内安装这种填料以便提供增加容量的方法。该规整填料在低温空气分离过程中具有专门的应用，不过它也可用于能使用规整填料的其它多种热量和/或质量传递过程之中。
背景技术：
在此使用的术语“塔”(或“交换塔”)意味着一种蒸馏或分馏塔或区域，即例如通过蒸气和液体相在该塔内安装的填料元件上或者一系列垂直隔开的塔盘或板上接触而使液体和蒸气相逆向流动地接触以便实现流体混合物分离的塔或区域。
术语“塔区段”(或“区段”)意味着充满该塔直径的塔内区域。特殊区段或区域的顶部或底部分别终止于液体和蒸气分配器。
术语“填料”意味着预定尺寸、形状和轮廓的实心或中空物体，它们用作塔内部元件，以便提供用于该液体的表面面积，使得两相逆向流动期间在液体-蒸气交界面处进行质量转移。填料的两个主要类别为“随机”和“规整”填料。
“随机填料”意味着其中单独构件彼此或相对于塔轴线不具有任何特殊取向。随机填料是在每单位体积上具有大表面面积的小型中空构造，它们紊乱地放置在塔内。
“规整填料”意味着其中单独构件彼此或相对于塔轴线具有特殊取向的填料。规整填料通常由分层叠置或作为螺旋盘绕的薄金属箔、多孔金属网或织造丝网制成。
在例如蒸馏或直接接触冷却过程中，有利的是使用规整填料来促进逆向流动液体和蒸气流之间的热量和质量传递。与随机填料或盘比较，规整填料提供的好处是在压力降较低情况下具有较高的热量、质量传递效率。它还比随机填料具有更加可预料的性能。
空气的低温分离借助于使液体和蒸气在逆流接触情况下通过蒸馏塔来实现。该混合物的蒸气相上升而且更加不稳定组分(例如氮)密度不断增加，在此同时该混合物的液体相下降而且比较稳定组分(例如氧)密度不断增加。各种各样的填料或塔盘可用来使混合物的液体和气体相产生接触，以便完成相间质量传递。
最一般使用的规整填料包括垂直堆叠的金属或塑料箔片的波纹板(或波纹的网孔织物)。这些箔片可具有针对改善热量和质量传递效率的各种孔洞形状或者表面纹理特征。美国专利No.4,296,050(Meier)中披露了这类规整填料的实例。在现有技术中众所周知，网孔类填料有效地促进液体分布并给予良好的质量传递性能，但网孔类填料比大多数箔片类型的填料昂贵得多。
非常希望增加规整填料的容量。对于任何给定的分离来说能采用较少规整填料，从而减少实施该分离的成本。
通常，规整填料的容量受分馏时塔的溢流阻现象限制。质量传递溢流现象是在液压溢流现象开始前质量传递性能的过早降级，它在塔的质量传递效率随着该塔内蒸气和/或液体流的增加而迅速恶化时发生。当填料床上的压力降开始随着蒸气和/或液体流的增大而迅速增加时，液压溢流现象发生。
从现有技术可知，规整填料的容量能通过改变单独填料板边缘来增加。典型的变化包括减少弯皱高度、改变波纹角度以及制成锯齿等等，通常在所有板的底部或者在交替板的顶部和底部进行这些变化。美国专利No.5,632,934(Billinham等人)和6,101,841(Billinham等人)披露了这类变化的多个实例。其它变化包括在各板两端的“S”形波纹，例如在EP 0858366B1和国际申请WO 97/16247中披露的那样。所有这些变化以如下方式制成，使得工作期间过渡中的压力降减小。美国专利No.5,921,109(Billinham等人)和6,212,097B1(Billinham等人)指明了填料塔在压力降大于每英尺0.7英寸水状态下的工作情况。这些专利覆盖只有填料板底部变化的状况，以及填料板顶部和底部均变化的状况。
尽管这些现有技术的变化可能改善规整填料的容量，这些设计仍然受到相邻规整填料层之间的未受到控制和随机间隙问题的困扰，这些间隙是用于传统规整填料板的制造方法的结果。在相邻层之间的未受到控制的间隙是由于层内的单独规整填料元件或板没有实现完全的对准。这能导致依据质量传递和压力降两者的性能恶化，在高流率情况下尤其如此。
希望的是提供一种显著增加规整填料容量的改进规整填料板或元件。
还希望的是提供一种能使性能改善因而超过传统规整填料性能的规整填料。
还希望的是提供一种用于容量增加的交换塔因而能在达到溢流状态前增加产量的规整填料。
还希望的是提供一种对于例如用于空气分离的低温应用场合以及其它热量和/或质量传递应用场合来说显示出高性能特征的规整填料。
还希望的是提供一种能克服现有技术多个困难和缺点从而提供更好和更有利结果的波纹式规整填料。
还希望的是提供一种用于低温空气分离的方法，所述方法采用一种规整填料，该填料提供高于现有技术规整填料容量的容量。
还希望的是提供一种用于低温空气分离的方法，所述方法可以增加容量并同时避免溢流现象。
还希望的是提供一种在交换塔内组合和安装规整填料区段的方法，所述方法比现有技术提供更好的性能，而且还克服现有技术的多个困难和缺点从而提供更好和更有利结果。
发明内容
本发明是一种规整填料元件并且还包括这种规整填料元件的组件。使用本发明规整填料元件的规整填料可用于低温空气分离过程，在两个流体之间交换质量和/或热量的过程，以及在第一相和第二相之间交换热量和/或质量的交换塔。本发明还包括一种用来在交换塔内组装填充区段的方法，一种用来制造规整填料元件的方法，以及一种用来在液体和蒸气之间交换热量和/或质量的交换塔中增加容量的方法。
在一个实施例中，该规整填料元件具有至少一个适于与至少一个另外规整填料元件的边缘互相接合的边缘。在该实施例变型中，该至少一个边缘的至少一个区段具有纹理表面。在另一变型中，该规整填料元件的至少一个区段具有多个波纹，该波纹在该规整填料元件的至少一个区段上形成交替的波峰和波谷。
在另一实施例中，规整填料元件包括用来使该填料构件的至少一个边缘与另一规整填料元件的相邻边缘互相接合的装置。这个实施例有几个变型。在一个变型中，用来互相接合的装置包括在该至少一个边缘内部的至少一个锯齿。在该变型的变化中，该至少一个锯齿是钝的。在另一变化中，该至少一个锯齿呈波浪状。在这个实施例的又一变型中，用来互相接合的装置包括在该至少一个边缘内部的至少一个细槽。在这个变型的变化中，用来互相接合的装置还包括在该细槽内部的至少一个锯齿。
本发明的另一实施例是规整填料元件的组件，它包括至少两个规整填料元件，每个该规整填料元件具有至少一个适于与另一规整填料元件相邻边缘互相接合的边缘。
又一实施例是规整填料元件的组件，它包括具有上边缘的第一规整填料元件以及具有下边缘的第二规整填料元件，该下边缘邻接第一规整填料元件的上边缘，而且每个所述下边缘和上边缘适于与该下边缘和上边缘中的另一个互相接合。
再一发明实施例是在交换塔内部的填充区段，它包括第一规整填料层，该第一层包括具有上边缘的第一规整填料元件，该上边缘适于与第二规整填料元件的大致垂直相邻的下边缘互相接合；以及位于该第一规整填料层上方的第二规整填料层，该第二层包括具有下边缘的第二规整填料元件，该下边缘适于与该第一规整填料元件的大致垂直相邻的上边缘互相接合。在这个实施例的变型中，该第一规整填料元件上边缘与该第二规整填料元件下边缘互相接合。
本发明的另一方面是一种用来在第一相和第二相之间交换热量和/或质量的交换塔。该交换塔具有至少一个规整填料，该规整填料包括至少一个规整填料元件，该规整填料元件具有至少一个适于与至少一个另外规整填料元件的边缘互相接合的边缘。
本发明的又一方面是一种用于低温空气分离的方法，它包括接触在含有至少一个质量传递区的至少一个蒸馏塔内逆向流动的蒸气和液体，其中液体-蒸气接触由至少一个规整填料形成，该规整填料包括至少一个规整填料元件，该规整填料元件具有至少一个适于与至少一个另外规整填料元件的边缘互相接合的边缘。
本发明的再一方面是一种用来在两种流体之间交换质量和/或热量的方法，它包括在至少一个交换塔内接触所述流体，其中流体-流体接触由至少一个规整填料形成，该规整填料包括至少一个规整填料元件，该规整填料元件具有至少一个适于与至少一个另外规整填料元件的边缘互相接合的边缘。在这种方法的变型中，流体在交换塔内逆向流动。
本发明还包括一种用来在交换塔内组装填充区段的方法。该方法包括多个步骤。第一步骤是提供具有纵向轴线的交换塔。第二步骤是在该交换塔内安装第一规整填料层，它包括具有上边缘的第一规整填料元件，该上边缘适于与第二规整填料元件的大致垂直相邻下边缘互相接合。第三步骤是在该交换塔内在该第一规整填料层上方安装第二规整填料层，该第二层包括具有下边缘的第二规整填料元件，该下边缘适于与第一规整填料元件的大致垂直相邻的上边缘互相接合。而第四步骤是沿着该纵向轴线彼此相对地移动该第一层和第二层，该第一层和第二层各自具有大致平行于该交换塔纵向轴线的纵向轴线，由此该第一规整填料元件上边缘与该第二规整填料元件下边缘互相接合。
本发明还包括一种用来制造规整填料元件的方法。该方法包括多个步骤。第一步骤是提供具有至少一个边缘的板。第二步骤是在该板内形成装置，该装置用来使该规整填料元件至少一个边缘与另一规整填料元件的相邻边缘互相接合。而第三步骤是在该板内形成多个波纹，该波纹一般有规则地隔开并呈大致平行关系。
本发明还包括一种用来在用于液体和蒸气之间交换热量和/或质量的交换塔内增加容量的方法，该交换塔适于包含具有上边缘的第一规整填料元件以及具有下边缘的第二规整填料元件，而且该下边缘邻接第一规整填料元件上边缘。这种方法包括多个步骤。第一步骤是改变该上边缘和下边缘，由此该上边缘和下边缘适于互相接合。而第二步骤是使第一规整填料元件的变化的上边缘与第二规整填料元件的变化的下边缘互相接合。
下面参照附图用举例的方法描述本发明，附图中图1是示意图，它表示交换塔中的几个规整填料层；图2是示意图，它表示相邻规整填料层之间的典型错位；图3是示意图，它表示本发明填料板顶部和底部边缘的改型，由此造成相邻规整填料层互相接合；图4是示意图，它表示在互相接合填料板底部和顶部边缘处使用细槽的本发明的一个实施例；图5A和5B是示意图，它表示本发明的一个实施例，其中图5A所示的平填料板在如图5B所示形成波纹之前在相对边缘(即顶部和底部)上切出锯齿；图6A和6B是示意图，它表示本发明的另一实施例，其中图6A所示的坦填料板在如图6B所示形成波纹之前在顶部和底部边缘上切出钝锯齿；图7A和7B是示意图，它表示本发明的另一实施例，其中图7A所示的平填料板在如图7B所示形成波纹之前在顶部和底部边缘上切出平滑波浪；图8A/8B和9A/9B是示意图，它表示本发明的多个附加实施例，其中图8A或9A所示的平填料板在如图8B或9B所示形成波纹之前在顶部和底部边缘上切出大细槽，而且在该大细槽内部带有较小的锯齿；图10A和10B是示意图，它表示本发明的另一填料板实施例，其中图10A所示的平填料板在如图10B所示形成波纹之前在变化的顶部和底部边缘上施加多个垂直纹理；图11是曲线图，它表示本发明规整填料性能和可在市场得到的具有或不具有变化底部的规整填料性能在标准的dP/ft相对于标准的蒸气速度(kv)方面上的比较；以及图12是曲线图，它表示本发明规整填料性能和可在市场得到的具有或不具有变化底部的规整填料性能在理论塔板当量高度(HETP)相对于标准蒸气速度(kv)方面上的比较。
具体实施例方式
申请人已经发现，借助于制造多个相邻从而互相接合的规整填料层，能延迟质量传递溢流现象的开始以及减少规整填料的压力降，由此增大该规整填料的容量。这是由于改善层间液体排放以及减少携带进入填料通道的小液滴而造成的。
图1和2表示可以成层地布置在交换塔(未表示)内的多个规整填料层(2，2′，2″)。当单独规整填料板4组装成填料层时，这些板通常由于制造过程中的缺陷而沿垂直方向稍微错位。这表示在示意图2中，其中错位进行夸大以供描述之用。这种错位造成间隙(6，6′)，它们以未受到控制和随机的形式出现在例如蒸馏塔的交换塔内部的相邻填料层之间。这样一种现象能引起蒸气和液体流动速率方面的局部变化，从而导致质量传递性能的恶化，在高流动速率时尤其如此。
实验已经表示，规整填料的溢流特性显著地取决于这些间隙是否存在。原则上，通过仔细地对准各层的单独板，由此消除未受到控制间隙，可以延迟溢流现象的开始。但是在制造大直径工业塔期间总是不可能那样精确地对准单独板。
本发明使两相邻层的板间接触更加紧密。如图3所示，这可以造成两填料相邻层(例如2和2′；或2′和2″)互相接合的方式改变每块板4的顶部边缘8和底部边缘10的方法来实现。这改善了相邻填料层之间的接触，因而也改善液体排放，减少在蒸气通道内携带的小液滴，并由此延迟质量传递溢流现象。
在本发明一个实施例中，每块填料板4的底部边缘10和顶部边缘8处制成细槽12，如图4所示。然后以上下层内的相应板互锁或互相接合的方式组装各层。
在图5A和5B所示的另一实施例中，在单独平填料板4的顶部边缘8和底部边缘10处均切出锯齿14，如图5A所示。作为一种选择，在该平填料板内部可冲出孔洞15。然后将该锯齿填料板如图5B所示形成波纹并组装在填料层内，于是这些层在没有任何专门对准的情况下叠加在各自顶部上从而改善互相接合。由于相邻层的顶部和底部边缘均有锯齿，已组装的填料层自然地互相接合。该互相接合不像在细槽(图4)情况下那样引人注目，但足以改善工作期间的实体接触和液体排放，因而显著地延迟质量传递溢流现象的开始并且减少压力降。
如图6A和6B所示，在另一实施例中，填料板4的顶部边缘8和底部边缘10处的锯齿14均切成钝的。在图7A和7B所示的另一实施例中，填料板4的底部边缘8和顶部边缘10处形成平滑波浪16。而在图8A、8B和图9A、9B所示的实施例中，使用大细槽5并且在该细槽内带有较小锯齿14′。
如图10A和10B所示，在任一实施例进行的一个变型是在填料板4的底部边缘10和/或顶部边缘8上引入表面纹理18。最好是，带有表面纹理的边缘区域占据填料板变化区域加上在该填料板变化区域上方和下方的大约30％。表面纹理提高所述多种变化的刚性并且促使来自填料板边缘的液流更加稳定。
规整填料的分离性能通常以理论塔板当量高度(HETP)给定。术语“HETP”意味着填料高度，在该填料高度范围内达到一种成分改变，它等同于理论塔板所实现的成分改变。术语“理论塔板”意味着在蒸气和液体之间的这样一种接触过程，以致于存在的蒸气和液体流处于平衡状态。一种用于专门分离的特殊填料的HETP越小，该填料的效率越高，这是因为所采用的填料高度随HETP减小。
与性能有关的另外两个参数是蒸气速度(Kv)和dP/dt，后者是每英尺填料在垂直方向发生的压力降。蒸气速度(Kv)按下式确定Kv＝Uv[ρv/(ρl-ρv)]0.5其中Uv＝在填充区段内蒸气相的表面速度ρv＝蒸气相的密度ρl＝液体相的密度。
图11和12将本发明规整填料性能与市场上可得到的具有和不具有变化底部的整填料性能进行比较。图11是压力降数据曲线图，它以标准dP/dt相对于标准蒸气速度(Kv)来表示。而图12绘出质量传递数据，它以标准HETP相对于正常蒸气速度(Kv)来表示。
图11和12表示使用Ar/O2二元素在L/V＝1状态的蒸馏试验结果，此处L/V为液体相对于蒸气之比。填料板底部带有多种变化的填料以及互相接合的填料比起相同基面几何形状的无变化填料来说压力降均较小。互相接合填料的质量传递性能明显地优于无变化填料以及仅在底部变化的填料两者。具有变化底部的填料与无变化填料相比在质量传递溢流现象方面表示出大约10％的延迟，但是层间互相接合增加的填料在蒸气流的研究范围内表示没有质量传递溢流迹象。
尽管这里参考某些特定实施例进行说明和描述，但是本发明不局限于所表示的细节。反之，可以在与权利要求等效的精神和范围内可进行各种各样的变化而不偏离本发明的精神。
权利要求
1.一种规整填料元件，它具有至少一个适于与至少一个另外规整填料元件的边缘互相接合的边缘。
2.如权利要求1所述的规整填料元件，其特征在于，规整填料元件的至少一个区段具有波纹，所述波纹在规整填料元件的至少一个区段上形成交替的波峰和波谷。
3.如权利要求1所述的规整填料元件，其特征在于，至少一个边缘的至少一个区段具有纹理表面。
4.一种规整填料元件，它包括用来使填料构件的至少一个边缘与另一规整填料元件的相邻边缘互相接合的装置。
5.如权利要求4所述的规整填料元件，其特征在于，用来互相接合的装置包括在至少一个边缘内部的至少一个锯齿。
6.如权利要求5所述的规整填料元件，其特征在于，至少一个锯齿是钝的。
7.如权利要求5所述的规整填料元件，其特征在于，至少一个锯齿呈波浪状。
8.如权利要求4所述的规整填料元件，其特征在于，用来互相接合的装置包括在至少一个边缘内部的至少一个细槽。
9.如权利要求8所述的规整填料元件，其特征在于，用来互相接合的装置还包括在细槽内部的至少一个锯齿。
10.一种规整填料元件的组件，它包括至少两个规整填料元件，每个规整填料元件具有至少一个适于与另一规整填料元件相邻边缘互相接合的边缘。
11.一种规整填料元件的组件，它包括具有上边缘的第一规整填料元件以及具有下边缘的第二规整填料元件，下边缘邻接第一规整填料元件的上边缘，而且每个下边缘和上边缘中适于与下边缘和上边缘中的另一个互相接合。
12.一种交换塔内的填充区段，它包括第一规整填料层，第一层包括具有上边缘的第一规整填料元件，上边缘适于与第二规整填料元件的大致垂直相邻下边缘互相接合；以及位于第一规整填料层上方的第二规整填料层，第二层包括具有下边缘的第二规整填料元件，下边缘适于与第一规整填料元件的大致垂直相邻的上边缘互相接合。
13.如权利要求12所述的填充区段，其特征在于，第一规整填料元件上边缘与第二规整填料元件下边缘互相接合。
14.一种用来在第一相和第二相之间交换热量和/或质量的交换塔，交换塔具有至少一个规整填料，规整填料包括至少一个规整填料元件，规整填料元件具有至少一个适于与至少一个另外规整填料元件的边缘互相接合的边缘。
15.一种用于低温空气分离的方法，它包括接触在含有至少一个质量传递区的至少一个蒸馏塔内逆向流动的蒸气和液体，其中液体-蒸气接触由至少一个规整填料形成，规整填料包括至少一个规整填料元件，规整填料元件具有至少一个适于与至少一个另外规整填料元件的边缘互相接合的边缘。
16.一种用来在两种流体之间交换质量和/或热量的方法，它包括在至少一个交换塔内接触流体，其中流体-流体接触由至少一个规整填料形成，规整填料包括至少一个规整填料元件，规整填料元件具有至少一个适于与至少一个另外规整填料元件的边缘互相接合的边缘。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，流体在交换塔内逆向流动。
18.一种用来在交换塔内组装填充区段的方法，它包括如下步骤提供具有纵向轴线的交换塔；在交换塔内安装第一规整填料层，它包括具有上边缘的第一规整填料元件，上边缘适于与第二规整填料元件的大致垂直相邻下边缘互相接合；以及在交换塔内在第一规整填料层上方安装第二规整填料层，第二层包括具有下边缘的第二规整填料元件，下边缘适于与第一规整填料元件的大致垂直相邻的上边缘互相接合；以及沿着纵向轴线彼此相对地移动第一层和第二层，第一层和第二层各自具有大致平行于交换塔纵向轴线的纵向轴线，由此第一规整填料元件上边缘与第二规整填料元件下边缘互相接合。
19.一种用来制造规整填料元件的方法，它包括如下步骤提供具有至少一个边缘的板；在板内形成装置，所述装置用来使规整填料元件的至少一个边缘与另一规整填料元件的相邻边缘互相接合；以及在板内形成波纹，所述波纹一般有规则地隔开并呈大致平行关系。
20.一种用来在用于液体和蒸气之间交换热量和/或质量的交换塔内增加容量的方法，交换塔适于包含具有上边缘的第一规整填料元件以及具有下边缘的第二规整填料元件，而且下边缘邻接第一规整填料元件上边缘，所述方法包括以下步骤改变上边缘和下边缘，由此上边缘和下边缘适于互相接合；以及使第一规整填料元件的变化上边缘与第二规整填料元件的变化下边缘互相接合。
全文摘要
一种规整填料元件包括用来使该规整填料元件的至少一个边缘与另一规整填料元件的相邻边缘互相接合的装置。该规整填料元件可用在交换塔内的填充区段中，该填充区段包括第一规整填料层，它包括具有上边缘的第一规整填料元件，该上边缘适于与第二规整填料元件的大致垂直相邻下边缘互相接合；以及位于该第一规整填料层上方的第二规整填料层，它包括具有下边缘的第二规整填料元件，该下边缘适于与第一规整填料元件的大致垂直相邻的上边缘互相接合。该第一规整填料元件上边缘与该第二规整填料元件下边缘互相接合。
文档编号F28F25/08GK1537672SQ200410033238
公开日2004年10月20日 申请日期2004年3月31日 优先权日2003年3月31日
发明者G·A·梅斯基, G A 梅斯基, S·森德 申请人:气体产品与化学公司