专利名称：汽液接触器和低温气体分离装置以及气体分离方法
技术领域：
本发明涉及汽液接触器，用于进行汽液接触，从而在低温蒸馏下分离气体混和物，特别涉及用于低温气体分离装置的汽液接触器，低温气体分离装置用于进行氮气、氧气、氩气从空气中低温分离，特别涉及使用汽液接触器的低温气体分离装置，涉及使用汽液接触器的气体分离方法。
在低温气体分离装置等中使用的蒸馏塔包括填充塔、筛盘塔等。其中，填充塔与筛盘塔相比具有压力损失低(压降小)和操作成本低的优点。另外，填充塔还具有其他优点，即因为压力损失低，通过设定较小的工作压力，可使得空气的每个成分之间的相对挥发性增加；塔的长度可延长；因此制成的产品较纯，特别是较高纯度的氩气。
通常，填充塔之中包括由填充物形成的汽液接触部分、液体分配器等。这样的材料结构在本说明书中称为汽液接触器。
自增强流体分配型结构填充物广泛地用作上述汽液接触器中使用的填充物。
自增强流体分配型结构填充物这样形成对铝等制成的金属片进行适当的弯曲加工，在至少其一部分与垂直轴倾斜的条件下对金属片层压和布置，以便使得液体在与垂直轴成一角度的填充物表面流动来分配该液体。另外，通过在金属片的表面上形成波纹和/或凹凸和/或孔，可增强液体的分配。
自增强流体分配型结构填充物的具体例子可包括自增强流体分配型结构填充物71、81，如图6和7所示。图6为日本特许公开昭57-36009公开的例子，图7为日本特许公开昭54-16761。另外，自增强流体分配型结构填充物公开在日本特许公开平7-113514。
日本公开专利昭50-11001中公开的填充物属于上述自增强流体分配型结构填充物的范围。这样的填充物示于图8至
图10。该填充物由多个薄片网格a、b、c…制成；每个网格a、b、c…被弯成大致的Z字形，并由薄片13’～17’形成，其相对网格段A、B、C…倾斜；这些薄片13’～17’与一弯曲18’形成一体，该网格的平面横截面形成于其上。
为了制成这样的填充物，由薄金属片制成的带28’被切成由多个分段29’相连的平行条30’。此处，与邻近的条30’相连的切出的线部31’有同样的长度，并且只有一半长度相对于邻近的切出线部31’偏离。此后，条31’可分开。
但是，与具有相同的液体和气体负载的筛盘塔型汽液接触器相比，上述填充塔型汽液接触器的缺点是需要较高的塔，装置的生产和建构成本高。因此需要开发一种能增加负载的汽液接触器，提高液体和气体负载的上限而不发生满溢。另外也希望开发一种可在较大的范围内改变生产率的汽液接触器。
本发明的目的是消除上述现有技术的问题，提供一种能增加负载的汽液接触器。
本发明人使用与空气成分中的低温材料例如氮、氧、氩的粘性相似的氟利昂进行了广泛的实验。结果，本发明人发现上述的低温空气成分的低粘度液体容易散布在填充物的表面，这样可获得高效率的汽液接触装置。当使用具有自增强流体分配型结构填充物的汽液接触器，很难使得液体在填充物的倾斜部分的向下表面(向后表面)上流动，从而汽液的接触效率降低。本发明基于上述发现。
在本发明中，汽液接触器的特征在于，使用非增强流体分配型结构填充物，其中用于决定液体或流体的流动方向的各种薄片或管被层压和布置成与垂直方向一致，包括至少一个流体分配单元，其包括一粗分配部以大致分配液体，以及一精分配部，用于精密和等量地分配液体。
另外，本发明的特征还在于所述非增强流体分配型结构填充物具有大于350m2/m3的表面积系数。
另外，本发明的特征还在于精密和等量分配液体的精分配部带有自增强流体分配型结构填充物。
另外本发明的特征还在于精密和等量分配液体的精分配部可由在塔的轴向层压至少一种非增强流体分配型结构填充物和平行的平面片组，平行平面片组可以是金属。
另外，本发明的特征还在于所述非增强流体分配型结构填充物带有薄金属片组或金属管组。该薄金属片包括铝、铝合金、铜、铜合金、各种不锈钢等，其中金属片网有至少10个网眼。
另外，本发明的特征还在于所述非增强流体分配型结构填充物带有各种塑料基薄片组或管组。
另外，本发明的特征还在于所述非增强流体分配型结构填充物具有成角度的流动通道截面形式的形状。成角度的形状包括各种形状的多边形、锯齿形等。
另外，本发明的特征还在于所述非增强流体分配型结构填充物具有三角形流动通道截面形式。
另外，本发明的特征还在于所述非增强流体分配型结构填充物具有四边形流动通道截面形式的形状，例如方形、矩形、梯形、菱形。
另外，本发明的特征还在于所述非增强流体分配型结构填充物为六边形流动通道截面形式。
另外，本发明的特征还在于所述非增强流体分配型结构填充物包括由弯曲表面形成的波浪形薄片。
另外，本发明的特征还在于所述非增强流体分配型结构填充物具有从三角形、四边形和六边形中选出的多于两个的截面形式。
另外，本发明的特征还在于所述非增强流体分配型结构填充物包括多个通过垫片布置的薄片。
另外，本发明的特征还在于所述薄片或垫片具有波浪形、槽、弯折、交替的峰谷和/或孔中的至少一种形状。
另外，本发明的特征还在于至少一个分配气体的蒸气分配器设置在所述非增强流体分配型结构填充物的底部。
另外，本发明的特征还在于所述蒸气分配器带有自增强流体分配型结构填充物。
另外，本发明的特征还在于所述低温空气分离单元使用所述汽液接触器。
根据本发明，提供一种气体分离方法，该方法包括使用汽液接触器从至少两种气体组分混和物中分离蒸气混和物组分的步骤。其特征在于所述汽液接触器具有非增强流体分配型结构填充物，其由各种薄片或管沿垂直于所述混和物的流动方向布置，垂直地引导所述混合物的流动；所述非增强流体分配型结构填充物具有大于350m2/m3的表面积系数；所述蒸气混和物和其低温材料在0.08-0.4MPa的压力下相对于填充物的表面逆向流动，进行汽液接触；蒸气和液体的负载这样确定，表面F因数大于1.8m/s(kg/m3)1/2。
另外，根据本发明，提供另一种气体分离方法，该方法包括使用汽液接触器从至少两种气体组分混和物中分离蒸气混和物组分的步骤。其特征在于所述汽液接触器具有非增强流体分配型结构填充物，其由各种薄片或管沿垂直于所述混和物的流动方向布置，垂直地引导所述混合物的流动；所述非增强流体分配型结构填充物具有大于350m2/m3的表面积系数；所述蒸气混和物和其低温材料在0.4-2.0MPa的压力下相对于填充物的表面逆向流动，进行汽液接触；蒸气和液体的负载这样确定，表面F因数大于1.0m/s(kg/m3)1/2。
本发明的效果如上所述，根据本发明的汽液接触器使用非增强流体分配型结构填充物作为填充物，薄片或管被沿着垂直方向层压或布置，其中在薄片或管的垂直方向形成各种决定所述液体流和蒸气流的方向的形状。汽液接触器包括至少一个由大致分配液体的粗分配部分和精确且等量地分配液体的精分配部分构成的液体分配器。因此，在该液体分配器中，下落液体在塔的整个截面均匀分布。而后，在非增强流体分配型结构填充物中，在流动的垂直方向形成的薄片或管被沿着垂直方向层压或布置，通过进行汽液接触可保证足够的上升蒸气流通道，在整个区段保持下落液体在填充物表面平滑均匀地流动。填充物的整个表面被有效利用。为此，由于上升蒸气的流动阻力增加而造成的压力损失增加可减小，可防止满溢，可保证足够的汽液接触区，可进行有效的蒸馏。因此，液体和蒸气的负载可设定为较高。
另外，塔高可降低，生产和设备的成本可降低。另外，产品的生产率可在大范围内增加和降低。
下面参照附图描述本发明的优选实施例。其中，图1是使用根据本发明的优选实施例汽液接触器的低温空气分离单元的示意图；图2是图1所示的低温气体分离单元中使用的汽液接触器的一个例子的示意图；图3是图2所示的汽液接触器中使用的粗分配器部分的一个例子的透视图；图4是图2所示的汽液接触器中使用的粗分配器部分的另一个例子的透视图；图5是图2所示的汽液接触器中使用的粗分配器部分的另一个例子的透视图；图6是作为图2所示的汽液接触器中的精分配器部分的自增强流体分配型结构填充物的一个例子的透视图；图7是作为图2所示的汽液接触器中的精分配器部分的自增强流体分配型结构填充物的另一个例子的透视图；图8是作为图2所示的汽液接触器中的精分配器部分的自增强流体分配型结构填充物的又一个例子的前视图；图9是图8所示的自增强流体分配型结构填充物的横截面视图；图10是制备图8所示的自增强流体分配型结构填充物的方法的细节图；图11是图8所示的汽液接触器中的非增强流体分配型结构填充物的一个例子的透视图；图12是图11所示的非增强流体分配型结构填充物的一个例子的横截面视图；图13是图11所示的非增强流体分配型结构填充物的薄片的透视图；图14是图2所示的汽液接触器中使用的非增强流体分配型结构填充物的另一例子的横截面视图；图15是图2所示的汽液接触器中使用的非增强流体分配型结构填充物的又一例子的横截面视图；图16是图2所示的汽液接触器中使用的非增强流体分配型结构填充物的另一例子的横截面视图；图17是图2所示的汽液接触器中使用的非增强流体分配型结构填充物的另一例子的横截面视图；图18是图2所示的汽液接触器中使用的非增强流体分配型结构填充物的另一例子的横截面视图；图19是图2所示的汽液接触器中使用的非增强流体分配型结构填充物的另一例子的横截面视图；图20是图2所示的汽液接触器中使用的非增强流体分配型结构填充物的另一例子的横截面视图；图21是图2所示的汽液接触器中使用的非增强流体分配型结构填充物的另一例子的横截面视图22是图2所示的汽液接触器中使用的非增强流体分配型结构填充物的另一例子的横截面视图；图23是图11至图13所示的非增强流体分配型结构填充物的改进例子的透视图；图24是图15所示的非增强流体分配型结构填充物的改进例子的透视图；图25是根据本发明的汽液接触器中使用的平行平面片组的一个例子的透视图；图26是根据本发明的汽液接触器中使用的平行平面片组的另一个例子的透视图；图27是图2所示的汽液接触器的一个例子和蒸馏操作的模拟结果；图28是根据本发明的汽液接触器的一个例子的内部结构；图29是一实验结果图，其中水平轴是表面F因数，垂直轴是单位高度压力损失；图30是当使用根据本发明的汽液接触器的一个例子时，流体从填充物的下边缘滴落的相片；图31是当使用对比例的汽液接触器的一个例子时，流体从填充物的下边缘滴落的相片。
图中，标号分别代表2…高压塔，2a、3a、4a…汽液接触器，3…低压塔，4…氩塔，41、51、61…液体分配器，91、101、111、121、131、141、151、161…非增强流体分配型结构填充物，92、102、132、152…薄片，96、106、116、126、166a、166b…流动通道，162…管子，A1、A2、A3…非增强流体分配型结构填充物，B1、B2、B3…精分配器，C1、C2、C3…粗分配器，E1、E2…液体分配器，85、86…平行平面片组。
图1和2表示使用根据本发明的汽液接触器的低温空气分离单元。这里所示的低温空气分离单元包括高压塔2、低压塔3和原氩塔4。高压塔2由汽液接触器2a组成。低压塔3由汽液接触器3a形成。汽液接触器3a从塔3下部到上部分为接触区6～10。原氩塔4由汽液接触器4a形成。另外，一冷凝器12安装在低压塔3的下部附近，原氩塔冷凝器安装在原氩塔4的上部。
以下，详细描述构成原氩塔4的汽液接触器4a的实施例。
如图2所示，汽液接触器4a放在形成塔的圆柱形容器中，从塔顶到塔底包括一液体分配器E1，其中在粗分配器C1下面安装有一精分配器B1；一非增强流体分配型结构填充物A1；一液体收集器D；一液体分配器E2，其中在粗分配器C2下面安装有一精分配器B2；以及一非增强流体分配型结构填充物A2。
以下，液体分配器E1和非增强流体分配型结构填充物A1称为液体分配和汽液接触部分F1。液体收集器D、一液体分配器E2和非增强流体分配型结构填充物A2称为液体收集、分配和汽液接触部分F2。
粗分配器C1和C2用于大致分配下落的液体，以便在塔的下落液体截面上保持均匀。在粗分配器C1和C2中，最好使用图3至5所示的液体分配器。
图3所示的液体分配器41称为通道型。因此，分配器41包括长方体的第一分配盒42，沿塔的径向安装；多个第二分配盒43，在分配盒42的下面沿分配盒42的长度方向间隔安装。
第一分配盒42为上开口的箱形材料，其两端接近塔的内壁，暂时在其里面储存下落的液体。分配分配盒42中的液体到第二分配盒43的分配孔(未示出)设置在分配盒42的底部附近。
第二分配盒43是沿垂直方向布置的箱形材料，其两端靠近塔的内壁，使从设在分配盒42的底部的分配孔流出的液体均匀地在整个截面下落。
图4所示的液体分配器51称为蒸气管型，包括液体接收盘部52，与水平面一致；多个烟囱状管53，安装在盘52的上部；多个支管部54，安装在液体接收盘部分52的下部。
盘部52的周边延伸至塔的内壁。盘部52在整个截面上带有多个分配孔52a，其中下落液体暂时容纳在液体接收盘部52中，然后通过分配孔52a和支管部54(上下端开口)在塔的整个横截面均匀分配地下落。烟囱状部53的上下端开口，塔内上升的蒸气通过烟囱53的内部经过液体分配器51的上部。
图5所示的液体分配器61称为喷洒式，包括主管部62，其中塔的下落液体流入；多个支管部63，沿主管部62的纵向间隔安装。
主管部62和支管部63的两端都接近塔的内壁。主管部62与一液体接收部(未示出)连接，其中塔的下落液体被引导到主管部62，下落液体可被引导到主管部62的内部。
支管部63的内部空间与主管部62的内部空间相通，主管部62的液体可流入到支管部63中。支管部63沿整个纵向带有多个分配孔63a间隔布置，通过分配孔支管部63中的液体可在整个塔的横截面上均匀分配下落。
汽液接触器4a的精分配器B1和B2用于使得由粗分配器C1和C2大致分配下落液体进一步精确和均匀地在塔的整个横截面分配。精分配器B1和B2的结构如下所述。
作为精分配器B1和B2，最好使用自增强流体分配型结构填充物。自增强流体分配型结构填充物是具有这样的形式和结构的填充物，其使得下落的液体流和上升的蒸气流在所述结构填充物的表面进行汽液接触，蒸气流沿着塔的轴向相对于主流沿着相反的方向流动，在主流的垂直方向产生液体流和蒸气流的矢量，从而增强两者的混和并进行汽液接触。自增强流体分配型结构填充物也称为结构填充物，其中铝、铝合金、铜、铜合金、不锈钢、各种塑料等制成的薄片形成各种结构形式，以形成层压结构的块状。另外，本发明包括所述薄片为大于10个网眼的片状金属网的情况。结构填充物也称为规则填充物。
图6至10示出了自增强流体分配型结构填充物的具体例子。
图6所示的自增强流体分配型结构填充物71公开在日本专利公开昭57-36009，其中由铝等形成的波浪形的多个薄片72平行于塔的轴线布置，被层压而相互接触而形成块状。因此，每个薄片72的波浪形槽73相对于塔的轴线倾斜，相邻的波浪形薄片72的设置使得形成波浪形槽73的方向交叉。另外，参考标号72a表示设在薄片72上的孔。
图7示出一薄片82，其形成自增强流体分配型结构填充物81的结构单元，其公开在日本专利未审查公开昭54-16761。该薄片82的特征在于其形成波浪形，从而形成波浪形槽83，薄片82还带有细小的波浪形槽84，其相对于波浪形槽83以一给定的角度形成。另外，参考标号82a表示由薄片82形成的孔。
图8和9示出了自增强流体分配型结构填充物的另一例子，其公开在日本专利未审查公开昭58-11001。这里公开的自增强流体分配型结构填充物的目的是用于液体分配，以获得尽可能大的质量交换和热交换的液体表面。因此，该结构填充物由多个薄片网格a、b、c…构成；每个网格a、b、c…弯曲成Z字形，由薄条13’～17’形成，其与每个网格区段A、B、C倾斜；这些薄条13’～17’由弯曲区18’结合，是形成网格平的截面区的填充物；沿流动方向延伸的薄条13’～17’是交叉区18’；沿交叉区18’向下流动穿过薄条13’～17’的液相23’通过至少部分交叉区18’被传送到薄条区18’。
对于交叉区18’，凹槽20’，21’形成在薄条13’～17’的外侧。
凹槽20’，21’沿着Z字形延伸的薄条13’～17’的方向形成，其比薄条13’～17’的宽度s长，其相对于薄条13’～17’的垂直方向的深度比宽度s的一半深。另外，薄条13’～17’直接层压彼此交叠。
另外，薄条13’～17’的交叉区18’可形成孔和/或侧向凹槽。依次Z字形连接的每个薄条13’～17’可交替形成孔和/或侧向凹槽。
如图10所示，通过在薄金属带28’中引入切口网，填充物形成多个平行条30’，与多个区段29’相连；斜纹式孔32’形成在切口部31’中，金属带28’沿方向31’延伸，该方向垂直于条30’；所得的具有菱形网格形式的多个薄片网格被层压制成块状。
该填充物的优点在于，尽管材料成本低，可获得较大的填充物表面。这样的优点是显而易见的，就薄条的结构而言，薄条与材料成本相比具有较大的表面。
下面详细描述非增强流体分配型结构填充物A1和A2的结构。
非增强流体分配型结构填充物是这样的填充物，沿塔向下流的液体流和沿塔向上的蒸气流相对于其表面反方向流动，其形状和结构可进行汽液接触，而不增强垂直于塔轴线的横截面方向上液体流和蒸气流的混和。决定所述液体和蒸气流动方向的多个薄片、管等平行于主流方向(塔轴向)布置。
所述薄片和管的材料可包括铝、铜、铝和铜合金、不锈钢、各种塑料等。其中，最好使用可塑性高的材料。
另外，主流代表沿着塔的轴向向下的液体流和沿着塔的轴向向上的另一蒸气流。主流也代表相对于材料传递流的轴向的流动，其产生在填充物表面的液体流和蒸气流的表面(即表面层)上。
非增强流体分配型结构填充物A1和A2的具体例子示于图11至24。
在图11至13所示的非增强流体分配型结构填充物91中，薄片92以多层被层压，通过滑动带95层压层彼此固定。
薄片92经过由所述金属、塑料等构成的薄片的弯曲加工，间隔形成多个平行槽93。
槽93的宽度沿深度方向逐渐变窄。槽93包括相对于底部94的倾斜部93a，和相对于底部94平行的平行底部93b。
在薄片92中，底部94和槽93沿相反的方向被层压。在非增强流体分配型结构填充物91中，薄片92的间隔，即由两个相对槽93或相对的两个底部94形成的空腔截面为六边形。该空间是蒸馏操作时上升的蒸气和下降的液体的通道96。
非增强流体分配型结构填充物91设置在塔的内部，薄片92平行于塔轴(垂直方向)设置，该方向为主流方向。
在图14所示的非增强流体分配型结构填充物101中，通过将由所述金属、塑料等构成的薄片弯曲加工，然后成型为三角波浪形而形成的多个三角弯曲片102通过金属、塑料等形成的片状垫片103被层压，通过滑动带95彼此固定。
在图示的非增强流体分配型结构填充物101中，三角弯曲片102的位置这样确定，即三角弯曲片102的顶端102a靠近相邻的三角弯曲片102底部102b。在该非增强流体分配型结构填充物101中，具有三角波浪形的三角弯曲片102通过片状垫片103被层压。因此，三角弯曲片102和垫片103之间的空间形成多个具有三角形截面的流动通道106，通过三角形弯曲片102和垫片103形成空腔。
三角形弯曲片102可形成规则三角形的流动通道106的横截面。例如，其可形成等边三角形和不等边三角形。
在图15所示的非增强流体分配型结构填充物111中，三角形弯曲片102的位置这样确定，即三角形弯曲片102的顶端102a与相邻的三角形弯曲片102的底端102b彼此分开。在这方面非增强流体分配型结构填充物111与非增强流体分配型结构填充物101不同。
在所述非增强流体分配型结构填充物111中，三角形弯曲片102和垫片103之间的间隔形成多个横截面为三角形的流动通道116，其形成由三角形弯曲片102和垫片103形成的空腔。
在图16所示的非增强流体分配型结构填充物121中，三角形弯曲片102被层压，在图14所示的非增强流体分配型结构填充物101中，中间没有垫片103。
在非增强流体分配型结构填充物121中，三角形弯曲片102的位置这样确定，即三角形弯曲片102的顶端102a与相邻的三角形弯曲片102的底端102b邻近，与填充物101的布置相同。因此在三角形弯曲片102中间的空间形成方形截面的流动通道126，其形状为三角形截面流动通道106的组合。
在这种情况下，三角形弯曲片102可使得流动通道126的截面形成各种形状，例如方形、矩形、梯形、菱形等。
在图17所示的非增强流体分配型结构填充物121’中，三角形弯曲片102的位置这样确定，即三角形弯曲片102的顶端102a与相邻的三角形弯曲片102的底端102b彼此分开。在三角形弯曲片102之间沿塔的轴向间隔插入多个垫片(未示出)。
在图18所示的非增强流体分配型结构填充物131中，所述金属、塑料等形成的薄片经过弯曲加工，形成具有弯曲曲面的波浪形的多个波浪片132被层压，通过滑动带95彼此固定。波浪片132形成交替的峰和谷，截面为弯曲的形状。
在图18所示的非增强流体分配型结构填充物131中，波浪形的峰和谷在每个顶端被倒园角。波浪片132的位置这样确定，即波浪片132的顶端132a靠近波浪片132的底端132b。
图19所示的非增强流体分配型结构填充物141是在所述非增强流体分配型结构填充物131中的波浪片132之间插入垫片103而形成。
在图20所示的非增强流体分配型结构填充物151中，波浪片152形成为具有平片部152a和相对于垫片10大致垂直的弯曲部152b的波浪形。在这方面，该非增强流体分配型结构填充物151不同于非增强流体分配型结构填充物141。
在图21所示的非增强流体分配型结构填充物161中，由所述金属、塑料等形成的圆柱管162汇集起来，通过滑动带95彼此固定。
在该非增强流体分配型结构填充物161中，管子162的内部形成圆筒形横截面的流动通道166a。另外，管子162的周边形成的空腔部形成流动通道166b。
另外，管子162的形状可包括多边形，例如椭圆形、三角形、方形等，但是不限于此。图22所示的非增强流体分配型结构填充物171是图11-13的非增强流体分配型结构填充物91和图15所示的非增强流体分配型结构填充物111的组合。填充物171包括六边形横截面的流动通道96和三角形横截面的流动通道116。
这些非增强流体分配型结构填充物91、101、121、121’、131、141、151、161、171设置在塔的内部，形成填充物的薄片92、102、132、152的所有弯曲形状沿垂直方向，垫片103和管子162沿塔轴(垂直方向)平行设置，其为主流方向。
在图14、15、19、20、22所示的填充物中，如果垫片103由薄片的相对位置确定，可以不与填充物块的纵向截面从顶部到底部的方向对齐，其可用作部分插入薄片之间的垫片。垫片103的厚度可为0.2～0.5mm。
构成非增强流体分配型结构填充物的薄片和垫片可包括波浪、槽和/或孔中的至少一种，以便增加汽液接触效率。具体的例子示于图23和24。
图23A示出与非增强流体分配型结构填充物91中相同的方式在薄片92中设有孔92a的结构。
图23B示出薄片92中带有锯齿形92b的波浪的结构。
图23C示出薄片92中带有槽形92c的波浪的结构。
图24A示出与非增强流体分配型结构填充物111中相同的方式在垫片103中设有孔103a的结构。
图24B示出垫片103中带有锯齿形波浪103b的结构。
图24C示出垫片103中带有槽形波浪103c的结构。
另外，薄片和垫片可以是锯齿形、槽形波浪和孔的任何组合。
非增强流体分配型结构填充物的表面积系数大于350m2/m3，最好大于500m2/m3。当表面积系数小于350m2/m3时，汽液接触效率、蒸馏效率和产品纯度降低。另外，考虑到结构强度，所述薄片和管子的厚度最好在0.1至2.0mm。
见图2，由于汽液接触单元4a的液体收集器D收集塔中下落的液体，它包括多个倾斜的片181，以收集下落的液体。
构成高压塔2的汽液接触器2a和构成低压塔的汽液接触器3a可与所述汽液接触器4a结构相同。
另外，汽液接触器2a、3a、4a不限于此，它们可包括液体分配器E1和结构填充物A1形成的液体分配和汽液接触部分F1。
另外，汽液接触器2a、3a、4a可在液体分配和汽液接触部分F1的下部带有多个液体收集器D、液体分配器E2、和结构填充物A形成的液体收集和分配汽液接触部分F1。
另外，汽液接触器3a的每个区段6～9可包括一个或多个所述液体收集和分配汽液接触部分F2。靠近塔顶的区段10不需要带有所述液体收集器D。即最靠近塔顶的区段10可包括由液体分配器E1和结构填充物A1形成的液体分配和汽液接触部分F。另外，考虑到上升蒸气的分配，除了所述结构，每个塔的底部可带有精分配部分B1、B2。精分配部分B1、B2可包括上面提到的自增强流体分配型结构填充物。例如，通过提供图8～10所示的带有一层或多层的填充物形式可进行精确的液体分配。这种填充物的具体的结构、特点和效果公开在日本专利未审查公开昭58-11001。这种填充物可适用于液体分配器和精分配部分，但是它也可用于传统的汽液接触器中。
下面描述根据本发明的气体分离方法的一个优选实施例。该实施例包括为气化混合物的原空气中的每个成分(包括氮、氧、氩)利用图1和2所示的低温空气分离单元通过低温空气分离与其它成分分开。在本实施例中，一汽液接触器2a、3a可包括一液体分配和汽液接触部分F1和一液体收集和分配汽液接触部分F2，与汽液接触器4a的方式相同。
另外，非增强流体分配型结构填充物A1、A2可包括非增强流体分配型结构填充物91。精分配器B1、B2可包括自增强流体分配型结构填充物71。粗分配器C1、C2可包括液体分配器41。
首先，原空气①通过管通道1送入高压塔2的底部。原空气通常加压到大约0.6MPa，例如水和二氧化碳的杂质通过预处理装置使用吸收剂例如硅土、铝土凝胶和分子筛等被除去，通过主热交换器冷却到预定的温度，然后送入高压塔2。
送入高压塔2的原空气在高压塔2内部作为上升蒸气而上升。汽液接触器2a与下面描述的下降液体接触进行蒸馏。这样，原空气被分离成在塔顶的氮气(低沸点成分)、在塔底部的富氧液态空气(高沸点成分)。例如当所述非增强液态分配型结构填充物A1、A2具有表面积系数为500m2/m3，高压塔的内压可在0.4～2.0MPa。这时，表面F因数可确定为大于1.0m/s(kg/m3)，优选1.0～1.6m/s(kg/m3)1/2。
被分离在高压塔2的顶部的氮气通过管通道12a被排出高压塔2，并被引入主冷凝器12，然后进行冷却和液化。然后，其一部分通过管通道12b、12c返回高压塔2，形成下落的液体(注入液体)，在高压塔2内部下落，而其剩余的部分通过管通道23排出到外面。
下面描述在高压塔2内部通过下落液体和上升蒸气的接触进行蒸馏的工艺。
首先，下落液体储存在粗分配部分C1的第一分配盒42中，通过分配孔被传送到第二分配盒43，存储在所述分配盒43中，然后通过设在底部的分配孔在塔的整个截面上以均匀的分配方式(粗略的分配状态)从粗分配部分C1下落。
然后，下落液体传送到精分配部分B1，在自增强流体分配型结构填充物的薄片72的表面散布，然后以更精确和均匀的分配方式从自增强流体分配型结构填充物下落。这时，在塔中下落液体与上升蒸气接触，在蒸气和液体之间进行质量传递，进行蒸馏。
然后，下落液体传送到非增强流体分配型结构填充物A1(填充物91)，然后在薄片92的表面下落。这时下落液体沿薄片92从薄片92的表面下落。在该过程中，下落液体与上升蒸气在塔中接触。
在图示的汽液接触器2a中，填充物91的薄片92设置得与上面描述的向上的主流(垂直方向)一致，因此填充物A1中的所有下落液体与该方向一致流动。因此，下落液体的流动不是分散的，液体流在垫片和薄片92的整个区段均匀流畅。
因此，可以防止由于下落液体的分散而造成上升蒸气的流动通道变窄，保证上升蒸气的足够的流动面积，限制由于上升蒸气流动阻力增加产生的压力损失的增加，从而进行蒸馏，而不发生满溢。另外，在薄片的表面流动的下落液体容易在整个薄片上扩展，保证扩大的汽液接触面积；从而可进行有效的蒸馏。
作为对比，在仅使用自增强流体分配型结构填充物的汽液接触器中，至少一部分薄片相对于主流方向(垂直方向)是倾斜的，因此，在大负载时容易发生满溢，下落液体很难在倾斜部分的背侧流动，汽液接触区不充分，蒸馏效率低下。
通过非增强流体分配型结构填充物A1的下落液体收集在液体收集器D中，引入粗分配部分C2，其中可产生均匀的流动，然后通过自增强流体分配型结构填充物B2和非增强流体分配型填充物A2向下流动，到达塔的底部。
在非增强流体分配型结构填充物A2中，下落液体平滑而均匀地在薄片92的表面流动；因此，蒸馏在高压塔2中进行，而不发生满溢现象。另外，可保持高的蒸馏效率。
液体氮的一部分通过管通道23排出到塔2的外面，通过阀24和管通道25引入到低压塔3中，作为注入液态氮②，形成在低压塔3中的下落液体。其余部分作为液态氮(LN2③)通过管通道22排出到系统之外。
分离出来位于高压塔2的底部的富氧液气通过管通道15被排出到高压塔2之外，其中一部分通过管通道16引入原氩塔冷凝器13中，其中冷凝器13中的蒸气或液体经过热交换，被加热的部分被蒸发，然后通过管通道31被引入低压塔3的中部(塔顶和塔底部之间的中间部分)，在低压塔3中形成下落液体或上升蒸气。
从高压塔2排出的另一部分富氧液态空气通过管通道17、阀18和管通道19被引入低压塔3的中部，形成低压塔3中的下落液体或上升蒸气。
引入低压塔3的下落液体和上升蒸气在汽液接触器3a的每个区段6～10中互相接触，氧气和液态氧被分离出来靠近塔底部，并在塔顶部分离出氮气。
当低压塔3中的非增强流体分配型结构填充物A1和A2具有例如500m2/m3表面积系数时，低压塔3的内压可在0.08～2.0MPa，最好0.08～0.4MPa。这时，表面F因数可以设定为大于1.8m/s(kg/m3)1/2，最好1.8～2.5m/s(kg/m3)1/2。
在低压塔3的汽液接触器3a的每个区段6～10中，下落液体在填充物A1和A2的薄片表面平滑而均匀地流动；因此，在低压塔3中，进行蒸馏而不发生满溢。另外，可保持高的蒸馏效率。
在低压塔3的顶部分离出的氮气通过管通道21被排出系统，作为氮气产品(GN2④)。另外，在低压塔3的底部分离出的氧气通过管通道32排出系统，成为氧气产品(GO2⑤)。另外，在低压塔3的顶部分离出的气体通过管通道20排出系统，成为废氮气(WG⑥)。
在低压塔3中比所述管通道31与低压塔3相连的位置稍低的地方，低压塔3中的蒸汽通过管通道26被送到原氩塔4下部，送入原氩塔4的气体在构成原氩塔4的汽液接触器4a中蒸馏，原氩气体在塔顶被分离出。这样的原氩气通过一管通道33从原氩塔4顶部排出，被引入冷凝器13，与通过所述管通道16引入冷凝器13的富氧低温空气进行热交换，被冷却和液化，然后通过管通道34、35作为注入物返回原氩塔4的上部。
通过管通道34从冷凝器13排出的一部分低温原氩气通过管通道29排出系统，成为低温原氩气(LAr⑦)。在原氩塔5的顶部分离出的液体通过管通道27、28返回低压塔3。另外，当基本上建立了相应的理论塔板时，一泵14可设置在管通道27、28中，使得塔的低液体返回低压塔3。
在原氩塔4中的汽液接触器4a中，下落液体平滑而均匀地在填充物A1和A2的薄片表面上流动；因此，在原氩塔4中进行蒸馏而无满溢。另外，可保持高的蒸馏效率。另外，原氩塔4设定在与现有技术大致相同的理论塔板数。因此，最近认为通过提供一除氧塔可去除原氩中的氧气。这时，除氧塔设置在图2所示的结构中，可达到上述的效果。
在所述的汽液接触器2a、3a、4a中，构成非增强流体分配型结构填充物A1和A2的各种薄片这样设置，即其沿主流方向设置(垂直方向)，这样可保证足够的上升蒸气流通道，在薄片(或管)92的表面的下落液体沿薄片的整个截面平滑而均匀地流动。
为此，可避免发生满溢，这会防止由于上升蒸气的流动阻力的增加而造成压力损失的增加。与使用具有倾斜部分的自增强流体分配型结构填充物的汽液接触区相比，建立了足够的汽液接触区，可进行有效的蒸馏。因此，液体负载和蒸气负载可设定为较大，而不会发生满溢。
例如，在传统的使用具有500m2/m3的表面积系数的填充物(自增强流体分配型结构填充物)的汽液接触器中，表面F因数确定为小于1.6m/s(kg/m3)(当塔的内压在0.08～0.4MPa时)，或小于1.0m/s(kg/m3)(当塔的内压大于0.4MPa时)。作为对比，在所述汽液接触器2a、3a、4a中，每个表面F因数可确定为大于1.8m/s(kg/m3)(当塔的内压在0.08～0.4MPa时)，或大于1.0m/s(kg/m3)(当塔的内压为0.4～2.0MPa时)。
通过使用汽液接触器2a、3a、4a，塔的高度的设定为较低，生产成本和设备成本可降低。另外，因为负载的上限高，产品的产率可显著增加或降低。
但是，在填充物塔中，当塔的内压增加时塔的内压通常容易发生满溢。填充物很难应用到具有多个蒸馏塔的低温空气分离单元的高压塔中。作为对比，在上述的汽液接触器2a中，即使在高压下负载也可设定在较高，因此可应用于高压塔。
因此，所述汽液接触器2a应用于高压塔2的低温空气分离单元在功率消耗和产品纯度方面与将筛盘塔应用于高压塔中的装置相比具有许多优点。
另外，为了进一步提高精分配部分B1和B2的功能，可以采用这样的结构作为精分配部分B1和B2，即其中至少一个所述增强流体分配型结构填充物和一平行平面片组沿塔的轴向被层压。
图25和26显示所述平行平面片组的一个例子。图25所示的平行平面片组85由多个平面片85a形成，它们彼此平行间隔布置。平面片85a沿塔的轴向设置。每个平面片85a的垂直于塔轴线的边缘延伸到塔的内壁附近。每个平面片85a之间插入垫片(未示出)而彼此固定，垫片的厚度与平面片间的间隙相等。
考虑到结构强度，平面片85a的厚度最好在0.5～5mm。另外，考虑到液体分配密度，每个平面片85a的间隙最好为3～10mm。平面片85a最好由金属制成，但是也可由塑料制成。垫片的形式和材料不特别限定，但是，例如，其尺寸中水平长度或塔轴长度在保持结构强度的范围内最好较小，使得平面片状液体膜的流动不会被显著阻止。
当提供所述平面片组作为精分配部分B1和B2，设置在自增强流体分配型结构填充物下面时，在自增强流体分配型结构填充物中精确分配的液体被送入安装在下面的平面片组上，在每个平面片表面形成具有均匀厚度的液体膜，并向下落；因此，液体流速在平行于每个平面片和垂直于塔轴的方向变得均匀，这样，进一步精确分配的液体被送入非增强流体分配型结构填充物A1和A2。
另外，为了更明显地增强非增强流体分配型结构填充物A1和A2的液体分配密度，可在每个构成平面片组的平面片的下边缘部分，在平面片的整个宽度方向形成多个突出部分。另外，宽度方向代表平行于平面片而垂直于塔轴的方向。
图26显示形成该突出部分的平面片组86。在构成平面片组86的平面片86a的下边缘部，多个V字形突出部分在整个宽度方向形成。该突出部分86c的间隔最好为3～10mm。
如图26所示，当多个突出部分86c形成在构成平面片组的平面片的下边缘部86b上时，下落到靠近突出部分86c的液体在所述突出部分86c的边缘被收集，然后从其边缘下落。
在这方面，从平面片86a的表面向下流的液体传送到下边缘部，然后防止沿下边缘部86b流动，并防止液体向平面片的宽度方向倾斜流动。因此，可获得更精确的液体分配。
通常非增强流体分配型结构填充物没有良好地分配蒸气的功能。因此，为了最大限度增强蒸馏工作，考虑到蒸气流的蒸馏，至少一个在设备中分配上升蒸气的蒸气分配器设置在非增强流体分配型结构填充物的下面。
例如最好使用图6和7所示的自增强流体分配型结构填充物作为蒸气分配器。当自增强流体分配型结构填充物用作蒸气分配器，在所述填充物的底部形成雾(小液滴)，雾落在所述填充物的薄片表面上，落入液体流中。因此可防止起雾沫。
另外，在根据本发明的汽液接触器中，由于非增强流体分配型结构填充物在蒸气和液体及高负载下使用，在精分配部分等中使用的自增强流体分配型结构填充物的表面积系数最好等于或小于非增强流体分配型结构填充物的表面积系数，以便防止满溢。
以下参考举例会使得本发明的效果更清楚。
例1对使用如图1所示的低温空气分离单元的蒸馏操作进行计算机模拟。如图2所示，从塔顶到底部，高压塔2和原氩塔4中的汽液接触器2a、4a假定具有液体分配器E1，非增强流体分配型结构填充物A1、液体收集器D、液体分配器E2和非增强流体分配型结构填充物A2。
另外，在汽液接触器3a的每个区段6～9中使用液体收集器和汽液接触器F2，在区段10中使用液体收集器和汽液接触器F1。
结构填充物91作为非增强流体分配型结构填充物A1和A2。结构填充物71作为自增强流体分配型结构填充物B1和B2。液体分配器41作为粗分配部分C1和C2。
在原氩塔4的汽液接触器4a中使用的非增强流体分配型结构填充物A1和A2设定具有500m2/m3的表面积系数。塔的内压设定为大约0.1MPa，送入的氩气中的氧气浓度设定为大约90％。模拟的结果，即填充物高度与蒸气相氧的浓度之间的关系以实线示于图27中。另外，图中塔高0m表示塔底部。
对比例1在汽液接触器4a中，蒸馏操作与例1一样进行，使用图1所示的同样的设备，只是同样区域的自增强流体分配型结构填充物代替了非增强流体分配型结构填充物A1和A2。结果示于图27的虚线。
在图27所示的汽液接触器4a中，通过使用非增强流体分配型结构填充物A1和A2，与使用自增强流体分配型结构填充物的情形相比，所需的填充物高度为60％。
另外，为了比较使用非增强流体分配型结构填充物与使用自增强流体分配型结构填充物时的压力损失，进行以下的实验。
例2使用图28所示的汽液接触器的蒸馏塔进行下面的实验。该蒸馏塔(内直径为208mm，由透明氯乙烯制成)从塔顶到底部包括粗分配部分C3、精分配部分B3和非增强流体分配型结构填充物A3。
使用与图4相同的部分作为粗分配部分C3。精分配部分B3使用从上到下依次排列的自增强流体分配型结构填充物2(由标号87代表，表面积系数为500m2/m3，高度为100mm)、平行的平面片组85(如图26所示，高度50mm)、以及平行平面片组86(如图27所示，高度50mm)。
这时，两个平行平面片组85、86的平行平面片组85a、86a这样设置，即构成每个组的一平行平面片在垂直方向交叉。
使用图15所示的具有表面积系数375m2/m3、高度为600mm的填充物作为非增强流体分配型结构填充物A3。精分配部分B3和非增强流体分配型结构填充物A3的整体高度为900mm。
粗分配部分C3、精分配部分B3和非增强流体分配型结构填充物A3的总压力损失这样确定，即使用与空气的粘度相同的流体氟利昂、在完全注入的条件和130kPa条件下改变表面F因数。
对比例2作为对比，使用安装有自增强流体分配型结构填充物5(500m2/m3，高度207mm，总填充物高度为1035mm)的蒸馏塔进行实验，在蒸馏塔的下面使用自增强流体分配型结构填充物作为填充物，即粗分配部分C3。
使用与图28所示的精分配部分B3中使用的同样的填充物作为自增强流体分配型结构填充物。与例2的方式相同，各种条件下的压力损失这样确定，即使用与空气的粘度相同的流体氟利昂、在完全注入的条件下改变表面F因数。
图29给出了相对于表面F因数单位高度压力损失的图。如图29所示，当非增强流体分配型结构填充物作为填充物(例2)时压力损失明显比自增强流体分配型结构填充物作为填充物(对比例2)时低。
从上面的实验结果可看出，与对比例2使用的蒸馏塔相比，例2使用的蒸馏塔可设计为较小的塔身直径，减小生产成本和设备建造成本。
下面进行在蒸馏塔中安装精分配部分和不安装精分配部分时的液体蒸馏比较。
例3作为在蒸馏塔中安装精分配部分的例子，通过使用图28所示的例2的蒸馏塔和使用与空气的粘度相同的氟利昂作为流体，观察液体在各种条件下的分配程度。另外，通过录像获得在塔中液体的流动和液体的分配方式的情况。
对比例3作为在蒸馏塔中不安装精分配部分的例子，以与例3相同的方式进行使用，使用与例3相同的蒸馏塔，只是没有安装精分配部分。
图30和31是在压力为130kPa，液体负载2m/s(kg/m3)1/2的条件下，从例3和对比例3的蒸馏塔的非增强流体分配型结构填充物的下边缘下落的流体形式的照片。
从图30可证实，当填充物具有精分配部分(例3)时，液滴沿直线方向从每个流动通道流出和下落，这些液滴在整个塔内均匀分布。
作为对比，可看出当不安装精分配部分(对比例3)时，如图31所示，液滴不均匀分布。
权利要求
1.一种汽液接触器，其中液体在塔中沿着填充物的表面向下流，与上升蒸气接触，，其包括a)“非增强流体分配型”结构填充物，其中引导所述液体和蒸气垂直流动的各种薄片或管被布置成与垂直流动方向一致；b)至少一个液体分配器，其包括粗分配部以大致分配液体，以及精分配部，用于精密和等量地分配液体。
2.如权利要求1所述的汽液接触器，其特征在于，所述“非增强流体分配型”结构填充物具有大于等于350m2/m3的表面积系数。
3.如权利要求1所述的汽液接触器，其特征在于，所述精分配部带有“自增强流体分配型”结构填充物。
4.如权利要求1所述的汽液接触器，其特征在于，所述精分配部由至少一种“非增强流体分配型”结构填充物和至少一个平行的平面片组组成，它们在塔中垂直堆放。
5.如权利要求1所述的汽液接触器，其特征在于，所述“非增强流体分配型”结构填充物包括薄金属片或金属管。
6.如权利要求1所述的汽液接触器，其特征在于，所述“非增强流体分配型”结构填充物的流动通道横截面是带角的。
7.如权利要求1所述的汽液接触器，其特征在于，所述“非增强流体分配型”结构填充物具有三角形流动通道截面。
8.如权利要求1所述的汽液接触器，其特征在于，所述“非增强流体分配型”结构填充物具有方形、矩形、梯形、菱形等四边形流动通道截面形状。
9.如权利要求1所述的汽液接触器，其特征在于，所述“非增强流体分配型”结构填充物为六边形流动通道截面形状。
10.如权利要求1所述的汽液接触器，其特征在于，所述“非增强流体分配型”结构填充物包括具有弯曲表面的波浪形薄片。
11.如权利要求1所述的汽液接触器，其特征在于，所述”非增强流体分配型”结构填充物具有从三角形、四边形和六边形中选出的至少两种的截面形状。
12.如权利要求1所述的汽液接触器，其特征在于，所述“非增强流体分配型”结构填充物包括多个布置薄片的垫片。
13.如权利要求5或12所述的汽液接触器，其特征在于，所述薄片和/或垫片具有从槽、孔、弯折和交替的峰和谷中选出的至少一种形状。
14.如权利要求1所述的汽液接触器，其特征在于，至少一个蒸气分配器设置在所述“非增强流体分配型”结构填充物的底部。
15.如权利要求14所述的汽液接触器，其特征在于，所述蒸气分配器带有“自增强流体分配型”结构填充物。
16.一种低温空气分离单元，其特征在于，使用根据权利要求1所述的汽液接触器。
17.一种气体分离方法，该方法使用在塔中的汽液接触器从至少两种组分的蒸气混和物中分离组分，其特征在于，所述汽液接触器包括a)“非增强流体分配型”结构填充物，其由引导所述混合物垂直流动的各种薄片或管形成；b)所述“非增强流体分配型”结构填充物具有大于等于350m2/m3的表面积系数；c)在0.08-0.4MPa的压力下，表面F因数大于等于1.8m/s(kg/m3)1/2时的蒸气和液体负载的情况下，在所述填充物的表面，所述蒸气和液体反向流动并接触。
18.一种气体分离方法，该方法使用在一塔中的汽液接触器从至少两种气体组分构成的蒸气混和物中分离组分，其特征在于，所述汽液接触器包括a)“非增强流体分配型”结构填充物，其由引导所述混合物垂直流动的各种薄片或管组成；b)所述“非增强流体分配型”结构填充物具有大于等于350m2/m3的表面积系数；c)在0.4-2.0MPa的压力下，表面F因数大于等于1.0m/s(kg/m3)1/2时的蒸气和液体的负载情况下，在所述填充物的表面所述蒸气和液体反向流动并接触。
全文摘要
在用于沿着填充物的表面下落液体并使得该液体与上升的蒸气接触的汽液接触器4a中,其改进在于,所述填充物为非增强流体分配型结构填充物A
文档编号B01J19/32GK1266170SQ9912694
公开日2000年9月13日 申请日期1999年12月28日 优先权日1998年12月28日
发明者林田茂, 水原均, 川上浩 申请人:日本酸素株式会社