[发明专利]带有穿孔排放管的冷凝器‑重沸器系统及方法

说明书

至相关申请的交叉引用

本申请为继续部分(CIP)申请，且请求享有在2014年1月29日提交的美国专利申请序列号14/167,339的权益和优先权，该申请的公开内容通过引用并入。

技术领域

本发明涉及用于低温空气分离单元的冷凝和汽化系统。更具体而言，本发明是改进的冷凝器-重沸器系统及方法，其适于使用在冷凝器-重沸器内的富氮蒸气的向上流来冷凝富氮蒸气，且将非可冷凝物(non-condensable)累积在冷凝器-重沸器的顶部或上部区域处。

背景技术

采用蒸馏塔的低温空气分离系统的重要方面为冷凝和气化系统，且更具体而言，较高压力塔蒸气的冷凝相对于较低压力塔底部液体的重沸，以提供用于塔的回流，且经由较低压力塔中的规整填料(structured packing)来提供足够的蒸气向上(up-flow)流。液氧的重沸通过与来自较高压力塔的顶部的氮蒸气的热交换来执行。在热交换过程期间，氮蒸气冷凝，且冷凝物中的至少一些返回至较高压力塔，以用作用于较高压力塔的回流的源。在一些冷凝器-重沸器构造中，沸腾液氧与冷凝氮之间的热交换在壳和管热交换器中执行，其中液氧典型地在热交换器的管内流动，而较高压力塔顶部蒸气在热交换器的壳侧上处理。从安全观点，此类壳和管热交换器提供了改善的操作特性的优点。壳和管热交换器的紧凑性通过具有增强的沸腾和冷凝表面来实现，如一般地在美国专利号7,421,856、6,393,866和5,699,671以及美国公开专利申请号2007/0028649中所描述的那样。

存在两个主要类型的在冷凝-重沸过程中使用的热交换器，其包括热虹吸(thermosyphon)类型的热交换器和向下流(downflow)类型的热交换器。在热虹吸类型的热交换器中，液氧液体在底部处进入管，且在其向上穿过管时气化。在向下流的热交换器中，液氧液体在其在管内向下流动时气化。尽管这些构造中的两者都确保了氧气化过程的安全操作，但这两种构造都还具有某些缺点。

降低冷凝器-重沸器的热性能且继而又不利地影响低温空气分离单元的能量效率和操作成本的其它问题在于在主冷凝器-重沸器中的非可冷凝物的累积。非可冷凝物(如氖和氦)以非常小的量存在于空气中，但在主冷凝器-重沸器内的非可冷凝物的累积导致对目标热传递的更高阻力，需要冷凝的氮与沸腾的氧之间的更高的总体(bulk)温度差。如上文所指出，冷凝的氮与沸腾的氧之间的更高的总体温度差转换成对于进入的氮蒸气的更高的压力需求，这最终导致对于空气分离单元的更高的压缩功率和相关联的成本。除非非可冷凝物从主冷凝器-重沸器冷热交换表面除去，否则冷凝的氮与沸腾的氧之间的顶部温度差可为更高的。

此外，由于非可冷凝物趋于集合或累积在主冷凝器-重沸器的热传递表面上，其中总体蒸气速度是低的，故许多当前设计中的非可冷凝物的高浓度区域分散为遍布主冷凝器-重沸器，使得其变得难以收集和除去它们，这对于非可冷凝物中的一些(例如，具有显著的商业价值的氖)，不可能以成本效益合算的方式回收。

因此，存在对于改善的冷凝和汽化系统的需求，其可有效地采用来在不遭受上文提到的缺点的低温空气分离单元中冷凝氮蒸气和气化液氧。

发明内容

本发明为一种改进的管和壳类型的冷凝器-重沸器系统和方法，用于在低温空气分离单元中使用，且适合于使用冷凝器重沸器内的冷凝介质(如，富氮蒸气或空气蒸气)的向上流，且从而将非可冷凝物累积在冷凝器-重沸器的顶部或上方区域处。冷凝介质可在几乎任何位置中引入模块，包括底部、顶部或侧部，但释放到邻近壳的下部或底部的壳中，以开始冷凝介质的大体上向上的流，同时冷凝物向下流动且在壳的底部附近除去。