[发明专利]混合阻力规整填料

说明书

本发明涉及一种混合阻力规整填料和在交换塔中装配这种填料的方法。混合阻力规整填料在交换塔中具有特殊的用途，特别是在低温空气分离工艺，尽管也可以用于其它使用规整填料的传热和/或传质工艺。

在这里，术语“塔”是指蒸馏或分馏塔或区，即液相和汽相逆流接触以分离流体混合物的塔或区，例如，过汽相和液相在安装在塔内的填料元件或一组垂直间隔的盘或板上接触。

术语“塔段”(或“段”)是指塔中填满了塔直径的区域。特殊段或区域的顶部或底部分别以液体或蒸汽分布器结束。

术语“填料”是指用作塔的内构件的具有预定尺寸、形状和结构的实心或中空体，用于向液体提供表面积，当两相逆流流动时在液一汽界面上发生传质。两类广义的填料是“乱堆填料”和“规整填料”。

“乱堆填料”是指这样的填料：各个元件相互之间或相对于塔轴没有特定取向。乱堆填料是小的中空结构，单位体积具有大的表面积，以无序的方式装入塔中。

“规整填料”是指这样的填料：各个元件相互之间或相对于塔轴具有特定取向。规整填料通常由网形铁或编织金属丝网制成，层状或盘曲状堆积。

在如蒸馏或直接接触冷却的过程中，使用规整填料以促进逆流流动的液体和蒸汽物流之间的传热和传质是有利的。与乱堆填料或塔板相比，规整填料的传热和传质效率高，压降低。与乱堆填料相比，其性能更具可预测性。

空气的低温分离是使液体和蒸汽逆流通过蒸馏塔实现的。混合物的汽相上升，其易挥发组分(例如氮)的浓度不断升高，混合物的液相下降，不易挥发组分(如氧)的浓度不断增大。可以使用各种填料或塔板以使混合物液气相接触，从而实现相间传质。

有许多通过低温蒸馏分离空气将其分离成组分(即氮气、氧气、氩气等)的方法。典型的低温空气分离装置10示意地示于图1。高压进料空气被输入到高压塔2的底部。在高压塔内，空气被分离成富含氮的蒸汽和富含氧的液体。富含氧的液体3被从高压塔2输送到低压塔4。富含氮的蒸汽5通过一个冷凝器6，在其中被冷凝，而防止氧在冷凝器中沸腾，向低压塔提供再沸蒸汽。富含氮的液体7一部分以物流8采出，一部分以物流9输送到低压塔作为液体回流。在低压塔中，进料(3，9)通过低温蒸馏被分离成富氧和富氮组分。规整填料11可以用于实现要分离的氧和氮的液相和气相的接触。富氮组分以蒸汽12除去，富氧组分以蒸汽13除去。另外，富氧组分可以从再沸器/冷凝器6周围的塔釜中的一位置以液体除去。废蒸汽14也可以从低压塔中除去。低压塔可以分为多段。例如，在图1中，以示例的方式表示有三个这样的填料段11。

最常用的规整填料包括垂直堆放的金属或塑料箔的波纹板(或波纹丝网布)。这些箔具有各种形式的孔和/或粗糙的表面特性以改进传热和传质效率。这种填料的例子公开在US 4296050(Meier)中。在现有技术中，还已知丝网型填料能高效分散液体，具有良好的传质性能，但与大多数箔型填料相比，丝网型填料更贵。

规整填料的分离性能通常以理论等板高度(HETP)来衡量。术语“HETP”是指达到相当于一块理论塔板所实现的组成变化所需的填料高度。术语“理论塔板”是指使排出的蒸汽和液体物流达到平衡的蒸汽和液体的接触过程。对于具体的分离，特定填料的HETP越低，填料的效率越高，这是因为所使用的填料的高度随HETP下降。

当所有其它结构和工艺因素保持不变时，规整填料蒸馏塔的效率取决于其直径。当在不同规模下进行等效分离时，直径从小的几分之一米增加到几米，开始时HETP升高，然后不变。这可以结合两个因素来解释—规整填料塔的流动特征和混合特征。

关于流动特征，即使进入塔中填料段的原始液体和蒸汽分布是高度均匀的，当液体和蒸汽逆流通过填料段接触时，其分布会变化，导致了塔横截面上液体对蒸汽比率(L/V)的变动。此外，已知在塔壁上的液体流量大，因此，降低了靠近塔壁的环形区域的填料上的液体负荷。尽管蒸汽流量也不完全均匀，但与液体的流量相比，在填料内更均匀一些。

因此，在图2所示的典型圆柱形填料塔的横截面上L/V比率通常有规则地变化。参看图2，在典型的圆柱形填料塔22中，塔内壁40与填料之间存在一个环形空间19，填料放置在平行的虚线16(代表圆柱形填料层的边界)之间。塔轴由虚线15表示。虚线17表示理论或理想条件下的“标准”L/V比率，在塔的横截面上L/V比率不发生变化。实线18示意地表示典型的圆柱形填料塔横截面上的非均匀L/V比率(相对于标准值)。靠近塔内壁时，L/V比率高得多，这是因为过量的液体沿塔内壁向下流动(由图2中环形空间19上方线18的陡峭斜线段所示)。