專利名稱：汽液接觸器和低溫氣體分離裝置以及氣體分離方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及汽液接觸器，用于進(jìn)行汽液接觸，從而在低溫蒸餾下分離氣體混和物，特別涉及用于低溫氣體分離裝置的汽液接觸器，低溫氣體分離裝置用于進(jìn)行氮?dú)?、氧氣、氬氣從空氣中低溫分離，特別涉及使用汽液接觸器的低溫氣體分離裝置，涉及使用汽液接觸器的氣體分離方法。
在低溫氣體分離裝置等中使用的蒸餾塔包括填充塔、篩盤塔等。其中，填充塔與篩盤塔相比具有壓力損失低(壓降小)和操作成本低的優(yōu)點(diǎn)。另外，填充塔還具有其他優(yōu)點(diǎn)，即因為壓力損失低，通過設(shè)定較小的工作壓力，可使得空氣的每個成分之間的相對揮發(fā)性增加；塔的長度可延長；因此制成的產(chǎn)品較純，特別是較高純度的氬氣。
通常，填充塔之中包括由填充物形成的汽液接觸部分、液體分配器等。這樣的材料結(jié)構(gòu)在本說明書中稱為汽液接觸器。
自增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物廣泛地用作上述汽液接觸器中使用的填充物。
自增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物這樣形成對鋁等制成的金屬片進(jìn)行適當(dāng)?shù)膹澢庸?，在至少其一部分與垂直軸傾斜的條件下對金屬片層壓和布置，以便使得液體在與垂直軸成一角度的填充物表面流動來分配該液體。另外，通過在金屬片的表面上形成波紋和/或凹凸和/或孔，可增強(qiáng)液體的分配。
自增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物的具體例子可包括自增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物71、81，如圖6和7所示。圖6為日本特許公開昭57-36009公開的例子，圖7為日本特許公開昭54-16761。另外，自增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物公開在日本特許公開平7-113514。
日本公開專利昭50-11001中公開的填充物屬于上述自增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物的范圍。這樣的填充物示于圖8至

圖10。該填充物由多個薄片網(wǎng)格a、b、c…制成；每個網(wǎng)格a、b、c…被彎成大致的Z字形，并由薄片13’～17’形成，其相對網(wǎng)格段A、B、C…傾斜；這些薄片13’～17’與一彎曲18’形成一體，該網(wǎng)格的平面橫截面形成于其上。
為了制成這樣的填充物，由薄金屬片制成的帶28’被切成由多個分段29’相連的平行條30’。此處，與鄰近的條30’相連的切出的線部31’有同樣的長度，并且只有一半長度相對于鄰近的切出線部31’偏離。此后，條31’可分開。
但是，與具有相同的液體和氣體負(fù)載的篩盤塔型汽液接觸器相比，上述填充塔型汽液接觸器的缺點(diǎn)是需要較高的塔，裝置的生產(chǎn)和建構(gòu)成本高。因此需要開發(fā)一種能增加負(fù)載的汽液接觸器，提高液體和氣體負(fù)載的上限而不發(fā)生滿溢。另外也希望開發(fā)一種可在較大的范圍內(nèi)改變生產(chǎn)率的汽液接觸器。
本發(fā)明的目的是消除上述現(xiàn)有技術(shù)的問題，提供一種能增加負(fù)載的汽液接觸器。
本發(fā)明人使用與空氣成分中的低溫材料例如氮、氧、氬的粘性相似的氟利昂進(jìn)行了廣泛的實(shí)驗。結(jié)果，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)上述的低溫空氣成分的低粘度液體容易散布在填充物的表面，這樣可獲得高效率的汽液接觸裝置。當(dāng)使用具有自增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物的汽液接觸器，很難使得液體在填充物的傾斜部分的向下表面(向后表面)上流動，從而汽液的接觸效率降低。本發(fā)明基于上述發(fā)現(xiàn)。
在本發(fā)明中，汽液接觸器的特征在于，使用非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物，其中用于決定液體或流體的流動方向的各種薄片或管被層壓和布置成與垂直方向一致，包括至少一個流體分配單元，其包括一粗分配部以大致分配液體，以及一精分配部，用于精密和等量地分配液體。
另外，本發(fā)明的特征還在于所述非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物具有大于350m2/m3的表面積系數(shù)。
另外，本發(fā)明的特征還在于精密和等量分配液體的精分配部帶有自增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物。
另外本發(fā)明的特征還在于精密和等量分配液體的精分配部可由在塔的軸向?qū)訅褐辽僖环N非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物和平行的平面片組，平行平面片組可以是金屬。
另外，本發(fā)明的特征還在于所述非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物帶有薄金屬片組或金屬管組。該薄金屬片包括鋁、鋁合金、銅、銅合金、各種不銹鋼等，其中金屬片網(wǎng)有至少10個網(wǎng)眼。
另外，本發(fā)明的特征還在于所述非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物帶有各種塑料基薄片組或管組。
另外，本發(fā)明的特征還在于所述非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物具有成角度的流動通道截面形式的形狀。成角度的形狀包括各種形狀的多邊形、鋸齒形等。
另外，本發(fā)明的特征還在于所述非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物具有三角形流動通道截面形式。
另外，本發(fā)明的特征還在于所述非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物具有四邊形流動通道截面形式的形狀，例如方形、矩形、梯形、菱形。
另外，本發(fā)明的特征還在于所述非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物為六邊形流動通道截面形式。
另外，本發(fā)明的特征還在于所述非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物包括由彎曲表面形成的波浪形薄片。
另外，本發(fā)明的特征還在于所述非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物具有從三角形、四邊形和六邊形中選出的多于兩個的截面形式。
另外，本發(fā)明的特征還在于所述非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物包括多個通過墊片布置的薄片。
另外，本發(fā)明的特征還在于所述薄片或墊片具有波浪形、槽、彎折、交替的峰谷和/或孔中的至少一種形狀。
另外，本發(fā)明的特征還在于至少一個分配氣體的蒸氣分配器設(shè)置在所述非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物的底部。
另外，本發(fā)明的特征還在于所述蒸氣分配器帶有自增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物。
另外，本發(fā)明的特征還在于所述低溫空氣分離單元使用所述汽液接觸器。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種氣體分離方法，該方法包括使用汽液接觸器從至少兩種氣體組分混和物中分離蒸氣混和物組分的步驟。其特征在于所述汽液接觸器具有非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物，其由各種薄片或管沿垂直于所述混和物的流動方向布置，垂直地引導(dǎo)所述混合物的流動；所述非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物具有大于350m2/m3的表面積系數(shù)；所述蒸氣混和物和其低溫材料在0.08-0.4MPa的壓力下相對于填充物的表面逆向流動，進(jìn)行汽液接觸；蒸氣和液體的負(fù)載這樣確定，表面F因數(shù)大于1.8m/s(kg/m3)1/2。
另外，根據(jù)本發(fā)明，提供另一種氣體分離方法，該方法包括使用汽液接觸器從至少兩種氣體組分混和物中分離蒸氣混和物組分的步驟。其特征在于所述汽液接觸器具有非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物，其由各種薄片或管沿垂直于所述混和物的流動方向布置，垂直地引導(dǎo)所述混合物的流動；所述非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物具有大于350m2/m3的表面積系數(shù)；所述蒸氣混和物和其低溫材料在0.4-2.0MPa的壓力下相對于填充物的表面逆向流動，進(jìn)行汽液接觸；蒸氣和液體的負(fù)載這樣確定，表面F因數(shù)大于1.0m/s(kg/m3)1/2。
本發(fā)明的效果如上所述，根據(jù)本發(fā)明的汽液接觸器使用非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物作為填充物，薄片或管被沿著垂直方向?qū)訅夯虿贾茫渲性诒∑蚬艿拇怪狈较蛐纬筛鞣N決定所述液體流和蒸氣流的方向的形狀。汽液接觸器包括至少一個由大致分配液體的粗分配部分和精確且等量地分配液體的精分配部分構(gòu)成的液體分配器。因此，在該液體分配器中，下落液體在塔的整個截面均勻分布。而后，在非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物中，在流動的垂直方向形成的薄片或管被沿著垂直方向?qū)訅夯虿贾?，通過進(jìn)行汽液接觸可保證足夠的上升蒸氣流通道，在整個區(qū)段保持下落液體在填充物表面平滑均勻地流動。填充物的整個表面被有效利用。為此，由于上升蒸氣的流動阻力增加而造成的壓力損失增加可減小，可防止?jié)M溢，可保證足夠的汽液接觸區(qū)，可進(jìn)行有效的蒸餾。因此，液體和蒸氣的負(fù)載可設(shè)定為較高。
另外，塔高可降低，生產(chǎn)和設(shè)備的成本可降低。另外，產(chǎn)品的生產(chǎn)率可在大范圍內(nèi)增加和降低。
下面參照附圖描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。其中，圖1是使用根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例汽液接觸器的低溫空氣分離單元的示意圖；圖2是圖1所示的低溫氣體分離單元中使用的汽液接觸器的一個例子的示意圖；圖3是圖2所示的汽液接觸器中使用的粗分配器部分的一個例子的透視圖；圖4是圖2所示的汽液接觸器中使用的粗分配器部分的另一個例子的透視圖；圖5是圖2所示的汽液接觸器中使用的粗分配器部分的另一個例子的透視圖；圖6是作為圖2所示的汽液接觸器中的精分配器部分的自增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物的一個例子的透視圖；圖7是作為圖2所示的汽液接觸器中的精分配器部分的自增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物的另一個例子的透視圖；圖8是作為圖2所示的汽液接觸器中的精分配器部分的自增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物的又一個例子的前視圖；圖9是圖8所示的自增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物的橫截面視圖；圖10是制備圖8所示的自增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物的方法的細(xì)節(jié)圖；圖11是圖8所示的汽液接觸器中的非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物的一個例子的透視圖；圖12是圖11所示的非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物的一個例子的橫截面視圖；圖13是圖11所示的非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物的薄片的透視圖；圖14是圖2所示的汽液接觸器中使用的非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物的另一例子的橫截面視圖；圖15是圖2所示的汽液接觸器中使用的非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物的又一例子的橫截面視圖；圖16是圖2所示的汽液接觸器中使用的非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物的另一例子的橫截面視圖；圖17是圖2所示的汽液接觸器中使用的非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物的另一例子的橫截面視圖；圖18是圖2所示的汽液接觸器中使用的非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物的另一例子的橫截面視圖；圖19是圖2所示的汽液接觸器中使用的非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物的另一例子的橫截面視圖；圖20是圖2所示的汽液接觸器中使用的非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物的另一例子的橫截面視圖；圖21是圖2所示的汽液接觸器中使用的非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物的另一例子的橫截面視圖22是圖2所示的汽液接觸器中使用的非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物的另一例子的橫截面視圖；圖23是圖11至圖13所示的非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物的改進(jìn)例子的透視圖；圖24是圖15所示的非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物的改進(jìn)例子的透視圖；圖25是根據(jù)本發(fā)明的汽液接觸器中使用的平行平面片組的一個例子的透視圖；圖26是根據(jù)本發(fā)明的汽液接觸器中使用的平行平面片組的另一個例子的透視圖；圖27是圖2所示的汽液接觸器的一個例子和蒸餾操作的模擬結(jié)果；圖28是根據(jù)本發(fā)明的汽液接觸器的一個例子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)；圖29是一實(shí)驗結(jié)果圖，其中水平軸是表面F因數(shù)，垂直軸是單位高度壓力損失；圖30是當(dāng)使用根據(jù)本發(fā)明的汽液接觸器的一個例子時，流體從填充物的下邊緣滴落的相片；圖31是當(dāng)使用對比例的汽液接觸器的一個例子時，流體從填充物的下邊緣滴落的相片。
圖中，標(biāo)號分別代表2…高壓塔，2a、3a、4a…汽液接觸器，3…低壓塔，4…氬塔，41、51、61…液體分配器，91、101、111、121、131、141、151、161…非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物，92、102、132、152…薄片，96、106、116、126、166a、166b…流動通道，162…管子，A1、A2、A3…非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物，B1、B2、B3…精分配器，C1、C2、C3…粗分配器，E1、E2…液體分配器，85、86…平行平面片組。
圖1和2表示使用根據(jù)本發(fā)明的汽液接觸器的低溫空氣分離單元。這里所示的低溫空氣分離單元包括高壓塔2、低壓塔3和原氬塔4。高壓塔2由汽液接觸器2a組成。低壓塔3由汽液接觸器3a形成。汽液接觸器3a從塔3下部到上部分為接觸區(qū)6～10。原氬塔4由汽液接觸器4a形成。另外，一冷凝器12安裝在低壓塔3的下部附近，原氬塔冷凝器安裝在原氬塔4的上部。
以下，詳細(xì)描述構(gòu)成原氬塔4的汽液接觸器4a的實(shí)施例。
如圖2所示，汽液接觸器4a放在形成塔的圓柱形容器中，從塔頂?shù)剿装ㄒ灰后w分配器E1，其中在粗分配器C1下面安裝有一精分配器B1；一非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物A1；一液體收集器D；一液體分配器E2，其中在粗分配器C2下面安裝有一精分配器B2；以及一非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物A2。
以下，液體分配器E1和非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物A1稱為液體分配和汽液接觸部分F1。液體收集器D、一液體分配器E2和非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物A2稱為液體收集、分配和汽液接觸部分F2。
粗分配器C1和C2用于大致分配下落的液體，以便在塔的下落液體截面上保持均勻。在粗分配器C1和C2中，最好使用圖3至5所示的液體分配器。
圖3所示的液體分配器41稱為通道型。因此，分配器41包括長方體的第一分配盒42，沿塔的徑向安裝；多個第二分配盒43，在分配盒42的下面沿分配盒42的長度方向間隔安裝。
第一分配盒42為上開口的箱形材料，其兩端接近塔的內(nèi)壁，暫時在其里面儲存下落的液體。分配分配盒42中的液體到第二分配盒43的分配孔(未示出)設(shè)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，其兩端靠近塔的內(nèi)壁，使從設(shè)在分配盒42的底部的分配孔流出的液體均勻地在整個截面下落。
圖4所示的液體分配器51稱為蒸氣管型，包括液體接收盤部52，與水平面一致；多個煙囪狀管53，安裝在盤52的上部；多個支管部54，安裝在液體接收盤部分52的下部。
盤部52的周邊延伸至塔的內(nèi)壁。盤部52在整個截面上帶有多個分配孔52a，其中下落液體暫時容納在液體接收盤部52中，然后通過分配孔52a和支管部54(上下端開口)在塔的整個橫截面均勻分配地下落。煙囪狀部53的上下端開口，塔內(nèi)上升的蒸氣通過煙囪53的內(nèi)部經(jīng)過液體分配器51的上部。
圖5所示的液體分配器61稱為噴灑式，包括主管部62，其中塔的下落液體流入；多個支管部63，沿主管部62的縱向間隔安裝。
主管部62和支管部63的兩端都接近塔的內(nèi)壁。主管部62與一液體接收部(未示出)連接，其中塔的下落液體被引導(dǎo)到主管部62，下落液體可被引導(dǎo)到主管部62的內(nèi)部。
支管部63的內(nèi)部空間與主管部62的內(nèi)部空間相通，主管部62的液體可流入到支管部63中。支管部63沿整個縱向帶有多個分配孔63a間隔布置，通過分配孔支管部63中的液體可在整個塔的橫截面上均勻分配下落。
汽液接觸器4a的精分配器B1和B2用于使得由粗分配器C1和C2大致分配下落液體進(jìn)一步精確和均勻地在塔的整個橫截面分配。精分配器B1和B2的結(jié)構(gòu)如下所述。
作為精分配器B1和B2，最好使用自增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物。自增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物是具有這樣的形式和結(jié)構(gòu)的填充物，其使得下落的液體流和上升的蒸氣流在所述結(jié)構(gòu)填充物的表面進(jìn)行汽液接觸，蒸氣流沿著塔的軸向相對于主流沿著相反的方向流動，在主流的垂直方向產(chǎn)生液體流和蒸氣流的矢量，從而增強(qiáng)兩者的混和并進(jìn)行汽液接觸。自增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物也稱為結(jié)構(gòu)填充物，其中鋁、鋁合金、銅、銅合金、不銹鋼、各種塑料等制成的薄片形成各種結(jié)構(gòu)形式，以形成層壓結(jié)構(gòu)的塊狀。另外，本發(fā)明包括所述薄片為大于10個網(wǎng)眼的片狀金屬網(wǎng)的情況。結(jié)構(gòu)填充物也稱為規(guī)則填充物。
圖6至10示出了自增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物的具體例子。
圖6所示的自增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物71公開在日本專利公開昭57-36009，其中由鋁等形成的波浪形的多個薄片72平行于塔的軸線布置，被層壓而相互接觸而形成塊狀。因此，每個薄片72的波浪形槽73相對于塔的軸線傾斜，相鄰的波浪形薄片72的設(shè)置使得形成波浪形槽73的方向交叉。另外，參考標(biāo)號72a表示設(shè)在薄片72上的孔。
圖7示出一薄片82，其形成自增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物81的結(jié)構(gòu)單元，其公開在日本專利未審查公開昭54-16761。該薄片82的特征在于其形成波浪形，從而形成波浪形槽83，薄片82還帶有細(xì)小的波浪形槽84，其相對于波浪形槽83以一給定的角度形成。另外，參考標(biāo)號82a表示由薄片82形成的孔。
圖8和9示出了自增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物的另一例子，其公開在日本專利未審查公開昭58-11001。這里公開的自增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物的目的是用于液體分配，以獲得盡可能大的質(zhì)量交換和熱交換的液體表面。因此，該結(jié)構(gòu)填充物由多個薄片網(wǎng)格a、b、c…構(gòu)成；每個網(wǎng)格a、b、c…彎曲成Z字形，由薄條13’～17’形成，其與每個網(wǎng)格區(qū)段A、B、C傾斜；這些薄條13’～17’由彎曲區(qū)18’結(jié)合，是形成網(wǎng)格平的截面區(qū)的填充物；沿流動方向延伸的薄條13’～17’是交叉區(qū)18’；沿交叉區(qū)18’向下流動穿過薄條13’～17’的液相23’通過至少部分交叉區(qū)18’被傳送到薄條區(qū)18’。
對于交叉區(qū)18’，凹槽20’，21’形成在薄條13’～17’的外側(cè)。
凹槽20’，21’沿著Z字形延伸的薄條13’～17’的方向形成，其比薄條13’～17’的寬度s長，其相對于薄條13’～17’的垂直方向的深度比寬度s的一半深。另外，薄條13’～17’直接層壓彼此交疊。
另外，薄條13’～17’的交叉區(qū)18’可形成孔和/或側(cè)向凹槽。依次Z字形連接的每個薄條13’～17’可交替形成孔和/或側(cè)向凹槽。
如圖10所示，通過在薄金屬帶28’中引入切口網(wǎng)，填充物形成多個平行條30’，與多個區(qū)段29’相連；斜紋式孔32’形成在切口部31’中，金屬帶28’沿方向31’延伸，該方向垂直于條30’；所得的具有菱形網(wǎng)格形式的多個薄片網(wǎng)格被層壓制成塊狀。
該填充物的優(yōu)點(diǎn)在于，盡管材料成本低，可獲得較大的填充物表面。這樣的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的，就薄條的結(jié)構(gòu)而言，薄條與材料成本相比具有較大的表面。
下面詳細(xì)描述非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物A1和A2的結(jié)構(gòu)。
非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物是這樣的填充物，沿塔向下流的液體流和沿塔向上的蒸氣流相對于其表面反方向流動，其形狀和結(jié)構(gòu)可進(jìn)行汽液接觸，而不增強(qiáng)垂直于塔軸線的橫截面方向上液體流和蒸氣流的混和。決定所述液體和蒸氣流動方向的多個薄片、管等平行于主流方向(塔軸向)布置。
所述薄片和管的材料可包括鋁、銅、鋁和銅合金、不銹鋼、各種塑料等。其中，最好使用可塑性高的材料。
另外，主流代表沿著塔的軸向向下的液體流和沿著塔的軸向向上的另一蒸氣流。主流也代表相對于材料傳遞流的軸向的流動，其產(chǎn)生在填充物表面的液體流和蒸氣流的表面(即表面層)上。
非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物A1和A2的具體例子示于圖11至24。
在圖11至13所示的非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物91中，薄片92以多層被層壓，通過滑動帶95層壓層彼此固定。
薄片92經(jīng)過由所述金屬、塑料等構(gòu)成的薄片的彎曲加工，間隔形成多個平行槽93。
槽93的寬度沿深度方向逐漸變窄。槽93包括相對于底部94的傾斜部93a，和相對于底部94平行的平行底部93b。
在薄片92中，底部94和槽93沿相反的方向被層壓。在非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物91中，薄片92的間隔，即由兩個相對槽93或相對的兩個底部94形成的空腔截面為六邊形。該空間是蒸餾操作時上升的蒸氣和下降的液體的通道96。
非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物91設(shè)置在塔的內(nèi)部，薄片92平行于塔軸(垂直方向)設(shè)置，該方向為主流方向。
在圖14所示的非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物101中，通過將由所述金屬、塑料等構(gòu)成的薄片彎曲加工，然后成型為三角波浪形而形成的多個三角彎曲片102通過金屬、塑料等形成的片狀墊片103被層壓，通過滑動帶95彼此固定。
在圖示的非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物101中，三角彎曲片102的位置這樣確定，即三角彎曲片102的頂端102a靠近相鄰的三角彎曲片102底部102b。在該非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物101中，具有三角波浪形的三角彎曲片102通過片狀墊片103被層壓。因此，三角彎曲片102和墊片103之間的空間形成多個具有三角形截面的流動通道106，通過三角形彎曲片102和墊片103形成空腔。
三角形彎曲片102可形成規(guī)則三角形的流動通道106的橫截面。例如，其可形成等邊三角形和不等邊三角形。
在圖15所示的非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物111中，三角形彎曲片102的位置這樣確定，即三角形彎曲片102的頂端102a與相鄰的三角形彎曲片102的底端102b彼此分開。在這方面非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物111與非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物101不同。
在所述非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物111中，三角形彎曲片102和墊片103之間的間隔形成多個橫截面為三角形的流動通道116，其形成由三角形彎曲片102和墊片103形成的空腔。
在圖16所示的非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物121中，三角形彎曲片102被層壓，在圖14所示的非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物101中，中間沒有墊片103。
在非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物121中，三角形彎曲片102的位置這樣確定，即三角形彎曲片102的頂端102a與相鄰的三角形彎曲片102的底端102b鄰近，與填充物101的布置相同。因此在三角形彎曲片102中間的空間形成方形截面的流動通道126，其形狀為三角形截面流動通道106的組合。
在這種情況下，三角形彎曲片102可使得流動通道126的截面形成各種形狀，例如方形、矩形、梯形、菱形等。
在圖17所示的非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物121’中，三角形彎曲片102的位置這樣確定，即三角形彎曲片102的頂端102a與相鄰的三角形彎曲片102的底端102b彼此分開。在三角形彎曲片102之間沿塔的軸向間隔插入多個墊片(未示出)。
在圖18所示的非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物131中，所述金屬、塑料等形成的薄片經(jīng)過彎曲加工，形成具有彎曲曲面的波浪形的多個波浪片132被層壓，通過滑動帶95彼此固定。波浪片132形成交替的峰和谷，截面為彎曲的形狀。
在圖18所示的非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物131中，波浪形的峰和谷在每個頂端被倒園角。波浪片132的位置這樣確定，即波浪片132的頂端132a靠近波浪片132的底端132b。
圖19所示的非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物141是在所述非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物131中的波浪片132之間插入墊片103而形成。
在圖20所示的非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物151中，波浪片152形成為具有平片部152a和相對于墊片10大致垂直的彎曲部152b的波浪形。在這方面，該非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物151不同于非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物141。
在圖21所示的非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物161中，由所述金屬、塑料等形成的圓柱管162匯集起來，通過滑動帶95彼此固定。
在該非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物161中，管子162的內(nèi)部形成圓筒形橫截面的流動通道166a。另外，管子162的周邊形成的空腔部形成流動通道166b。
另外，管子162的形狀可包括多邊形，例如橢圓形、三角形、方形等，但是不限于此。圖22所示的非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物171是圖11-13的非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物91和圖15所示的非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物111的組合。填充物171包括六邊形橫截面的流動通道96和三角形橫截面的流動通道116。
這些非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物91、101、121、121’、131、141、151、161、171設(shè)置在塔的內(nèi)部，形成填充物的薄片92、102、132、152的所有彎曲形狀沿垂直方向，墊片103和管子162沿塔軸(垂直方向)平行設(shè)置，其為主流方向。
在圖14、15、19、20、22所示的填充物中，如果墊片103由薄片的相對位置確定，可以不與填充物塊的縱向截面從頂部到底部的方向?qū)R，其可用作部分插入薄片之間的墊片。墊片103的厚度可為0.2～0.5mm。
構(gòu)成非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物的薄片和墊片可包括波浪、槽和/或孔中的至少一種，以便增加汽液接觸效率。具體的例子示于圖23和24。
圖23A示出與非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物91中相同的方式在薄片92中設(shè)有孔92a的結(jié)構(gòu)。
圖23B示出薄片92中帶有鋸齒形92b的波浪的結(jié)構(gòu)。
圖23C示出薄片92中帶有槽形92c的波浪的結(jié)構(gòu)。
圖24A示出與非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物111中相同的方式在墊片103中設(shè)有孔103a的結(jié)構(gòu)。
圖24B示出墊片103中帶有鋸齒形波浪103b的結(jié)構(gòu)。
圖24C示出墊片103中帶有槽形波浪103c的結(jié)構(gòu)。
另外，薄片和墊片可以是鋸齒形、槽形波浪和孔的任何組合。
非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物的表面積系數(shù)大于350m2/m3，最好大于500m2/m3。當(dāng)表面積系數(shù)小于350m2/m3時，汽液接觸效率、蒸餾效率和產(chǎn)品純度降低。另外，考慮到結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，所述薄片和管子的厚度最好在0.1至2.0mm。
見圖2，由于汽液接觸單元4a的液體收集器D收集塔中下落的液體，它包括多個傾斜的片181，以收集下落的液體。
構(gòu)成高壓塔2的汽液接觸器2a和構(gòu)成低壓塔的汽液接觸器3a可與所述汽液接觸器4a結(jié)構(gòu)相同。
另外，汽液接觸器2a、3a、4a不限于此，它們可包括液體分配器E1和結(jié)構(gòu)填充物A1形成的液體分配和汽液接觸部分F1。
另外，汽液接觸器2a、3a、4a可在液體分配和汽液接觸部分F1的下部帶有多個液體收集器D、液體分配器E2、和結(jié)構(gòu)填充物A形成的液體收集和分配汽液接觸部分F1。
另外，汽液接觸器3a的每個區(qū)段6～9可包括一個或多個所述液體收集和分配汽液接觸部分F2?？拷?shù)膮^(qū)段10不需要帶有所述液體收集器D。即最靠近塔頂?shù)膮^(qū)段10可包括由液體分配器E1和結(jié)構(gòu)填充物A1形成的液體分配和汽液接觸部分F。另外，考慮到上升蒸氣的分配，除了所述結(jié)構(gòu)，每個塔的底部可帶有精分配部分B1、B2。精分配部分B1、B2可包括上面提到的自增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物。例如，通過提供圖8～10所示的帶有一層或多層的填充物形式可進(jìn)行精確的液體分配。這種填充物的具體的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)和效果公開在日本專利未審查公開昭58-11001。這種填充物可適用于液體分配器和精分配部分，但是它也可用于傳統(tǒng)的汽液接觸器中。
下面描述根據(jù)本發(fā)明的氣體分離方法的一個優(yōu)選實(shí)施例。該實(shí)施例包括為氣化混合物的原空氣中的每個成分(包括氮、氧、氬)利用圖1和2所示的低溫空氣分離單元通過低溫空氣分離與其它成分分開。在本實(shí)施例中，一汽液接觸器2a、3a可包括一液體分配和汽液接觸部分F1和一液體收集和分配汽液接觸部分F2，與汽液接觸器4a的方式相同。
另外，非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物A1、A2可包括非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物91。精分配器B1、B2可包括自增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物71。粗分配器C1、C2可包括液體分配器41。
首先，原空氣①通過管通道1送入高壓塔2的底部。原空氣通常加壓到大約0.6MPa，例如水和二氧化碳的雜質(zhì)通過預(yù)處理裝置使用吸收劑例如硅土、鋁土凝膠和分子篩等被除去，通過主熱交換器冷卻到預(yù)定的溫度，然后送入高壓塔2。
送入高壓塔2的原空氣在高壓塔2內(nèi)部作為上升蒸氣而上升。汽液接觸器2a與下面描述的下降液體接觸進(jìn)行蒸餾。這樣，原空氣被分離成在塔頂?shù)牡獨(dú)?低沸點(diǎn)成分)、在塔底部的富氧液態(tài)空氣(高沸點(diǎn)成分)。例如當(dāng)所述非增強(qiáng)液態(tài)分配型結(jié)構(gòu)填充物A1、A2具有表面積系數(shù)為500m2/m3，高壓塔的內(nèi)壓可在0.4～2.0MPa。這時，表面F因數(shù)可確定為大于1.0m/s(kg/m3)，優(yōu)選1.0～1.6m/s(kg/m3)1/2。
被分離在高壓塔2的頂部的氮?dú)馔ㄟ^管通道12a被排出高壓塔2，并被引入主冷凝器12，然后進(jìn)行冷卻和液化。然后，其一部分通過管通道12b、12c返回高壓塔2，形成下落的液體(注入液體)，在高壓塔2內(nèi)部下落，而其剩余的部分通過管通道23排出到外面。
下面描述在高壓塔2內(nèi)部通過下落液體和上升蒸氣的接觸進(jìn)行蒸餾的工藝。
首先，下落液體儲存在粗分配部分C1的第一分配盒42中，通過分配孔被傳送到第二分配盒43，存儲在所述分配盒43中，然后通過設(shè)在底部的分配孔在塔的整個截面上以均勻的分配方式(粗略的分配狀態(tài))從粗分配部分C1下落。
然后，下落液體傳送到精分配部分B1，在自增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物的薄片72的表面散布，然后以更精確和均勻的分配方式從自增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物下落。這時，在塔中下落液體與上升蒸氣接觸，在蒸氣和液體之間進(jìn)行質(zhì)量傳遞，進(jìn)行蒸餾。
然后，下落液體傳送到非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物A1(填充物91)，然后在薄片92的表面下落。這時下落液體沿薄片92從薄片92的表面下落。在該過程中，下落液體與上升蒸氣在塔中接觸。
在圖示的汽液接觸器2a中，填充物91的薄片92設(shè)置得與上面描述的向上的主流(垂直方向)一致，因此填充物A1中的所有下落液體與該方向一致流動。因此，下落液體的流動不是分散的，液體流在墊片和薄片92的整個區(qū)段均勻流暢。
因此，可以防止由于下落液體的分散而造成上升蒸氣的流動通道變窄，保證上升蒸氣的足夠的流動面積，限制由于上升蒸氣流動阻力增加產(chǎn)生的壓力損失的增加，從而進(jìn)行蒸餾，而不發(fā)生滿溢。另外，在薄片的表面流動的下落液體容易在整個薄片上擴(kuò)展，保證擴(kuò)大的汽液接觸面積；從而可進(jìn)行有效的蒸餾。
作為對比，在僅使用自增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物的汽液接觸器中，至少一部分薄片相對于主流方向(垂直方向)是傾斜的，因此，在大負(fù)載時容易發(fā)生滿溢，下落液體很難在傾斜部分的背側(cè)流動，汽液接觸區(qū)不充分，蒸餾效率低下。
通過非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物A1的下落液體收集在液體收集器D中，引入粗分配部分C2，其中可產(chǎn)生均勻的流動，然后通過自增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物B2和非增強(qiáng)流體分配型填充物A2向下流動，到達(dá)塔的底部。
在非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物A2中，下落液體平滑而均勻地在薄片92的表面流動；因此，蒸餾在高壓塔2中進(jìn)行，而不發(fā)生滿溢現(xiàn)象。另外，可保持高的蒸餾效率。
液體氮的一部分通過管通道23排出到塔2的外面，通過閥24和管通道25引入到低壓塔3中，作為注入液態(tài)氮②，形成在低壓塔3中的下落液體。其余部分作為液態(tài)氮(LN2③)通過管通道22排出到系統(tǒng)之外。
分離出來位于高壓塔2的底部的富氧液氣通過管通道15被排出到高壓塔2之外，其中一部分通過管通道16引入原氬塔冷凝器13中，其中冷凝器13中的蒸氣或液體經(jīng)過熱交換，被加熱的部分被蒸發(fā)，然后通過管通道31被引入低壓塔3的中部(塔頂和塔底部之間的中間部分)，在低壓塔3中形成下落液體或上升蒸氣。
從高壓塔2排出的另一部分富氧液態(tài)空氣通過管通道17、閥18和管通道19被引入低壓塔3的中部，形成低壓塔3中的下落液體或上升蒸氣。
引入低壓塔3的下落液體和上升蒸氣在汽液接觸器3a的每個區(qū)段6～10中互相接觸，氧氣和液態(tài)氧被分離出來靠近塔底部，并在塔頂部分離出氮?dú)狻?br> 當(dāng)?shù)蛪核?中的非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物A1和A2具有例如500m2/m3表面積系數(shù)時，低壓塔3的內(nèi)壓可在0.08～2.0MPa，最好0.08～0.4MPa。這時，表面F因數(shù)可以設(shè)定為大于1.8m/s(kg/m3)1/2，最好1.8～2.5m/s(kg/m3)1/2。
在低壓塔3的汽液接觸器3a的每個區(qū)段6～10中，下落液體在填充物A1和A2的薄片表面平滑而均勻地流動；因此，在低壓塔3中，進(jìn)行蒸餾而不發(fā)生滿溢。另外，可保持高的蒸餾效率。
在低壓塔3的頂部分離出的氮?dú)馔ㄟ^管通道21被排出系統(tǒng)，作為氮?dú)猱a(chǎn)品(GN2④)。另外，在低壓塔3的底部分離出的氧氣通過管通道32排出系統(tǒng)，成為氧氣產(chǎn)品(GO2⑤)。另外，在低壓塔3的頂部分離出的氣體通過管通道20排出系統(tǒng)，成為廢氮?dú)?WG⑥)。
在低壓塔3中比所述管通道31與低壓塔3相連的位置稍低的地方，低壓塔3中的蒸汽通過管通道26被送到原氬塔4下部，送入原氬塔4的氣體在構(gòu)成原氬塔4的汽液接觸器4a中蒸餾，原氬氣體在塔頂被分離出。這樣的原氬氣通過一管通道33從原氬塔4頂部排出，被引入冷凝器13，與通過所述管通道16引入冷凝器13的富氧低溫空氣進(jìn)行熱交換，被冷卻和液化，然后通過管通道34、35作為注入物返回原氬塔4的上部。
通過管通道34從冷凝器13排出的一部分低溫原氬氣通過管通道29排出系統(tǒng)，成為低溫原氬氣(LAr⑦)。在原氬塔5的頂部分離出的液體通過管通道27、28返回低壓塔3。另外，當(dāng)基本上建立了相應(yīng)的理論塔板時，一泵14可設(shè)置在管通道27、28中，使得塔的低液體返回低壓塔3。
在原氬塔4中的汽液接觸器4a中，下落液體平滑而均勻地在填充物A1和A2的薄片表面上流動；因此，在原氬塔4中進(jìn)行蒸餾而無滿溢。另外，可保持高的蒸餾效率。另外，原氬塔4設(shè)定在與現(xiàn)有技術(shù)大致相同的理論塔板數(shù)。因此，最近認(rèn)為通過提供一除氧塔可去除原氬中的氧氣。這時，除氧塔設(shè)置在圖2所示的結(jié)構(gòu)中，可達(dá)到上述的效果。
在所述的汽液接觸器2a、3a、4a中，構(gòu)成非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物A1和A2的各種薄片這樣設(shè)置，即其沿主流方向設(shè)置(垂直方向)，這樣可保證足夠的上升蒸氣流通道，在薄片(或管)92的表面的下落液體沿薄片的整個截面平滑而均勻地流動。
為此，可避免發(fā)生滿溢，這會防止由于上升蒸氣的流動阻力的增加而造成壓力損失的增加。與使用具有傾斜部分的自增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物的汽液接觸區(qū)相比，建立了足夠的汽液接觸區(qū)，可進(jìn)行有效的蒸餾。因此，液體負(fù)載和蒸氣負(fù)載可設(shè)定為較大，而不會發(fā)生滿溢。
例如，在傳統(tǒng)的使用具有500m2/m3的表面積系數(shù)的填充物(自增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物)的汽液接觸器中，表面F因數(shù)確定為小于1.6m/s(kg/m3)(當(dāng)塔的內(nèi)壓在0.08～0.4MPa時)，或小于1.0m/s(kg/m3)(當(dāng)塔的內(nèi)壓大于0.4MPa時)。作為對比，在所述汽液接觸器2a、3a、4a中，每個表面F因數(shù)可確定為大于1.8m/s(kg/m3)(當(dāng)塔的內(nèi)壓在0.08～0.4MPa時)，或大于1.0m/s(kg/m3)(當(dāng)塔的內(nèi)壓為0.4～2.0MPa時)。
通過使用汽液接觸器2a、3a、4a，塔的高度的設(shè)定為較低，生產(chǎn)成本和設(shè)備成本可降低。另外，因為負(fù)載的上限高，產(chǎn)品的產(chǎn)率可顯著增加或降低。
但是，在填充物塔中，當(dāng)塔的內(nèi)壓增加時塔的內(nèi)壓通常容易發(fā)生滿溢。填充物很難應(yīng)用到具有多個蒸餾塔的低溫空氣分離單元的高壓塔中。作為對比，在上述的汽液接觸器2a中，即使在高壓下負(fù)載也可設(shè)定在較高，因此可應(yīng)用于高壓塔。
因此，所述汽液接觸器2a應(yīng)用于高壓塔2的低溫空氣分離單元在功率消耗和產(chǎn)品純度方面與將篩盤塔應(yīng)用于高壓塔中的裝置相比具有許多優(yōu)點(diǎn)。
另外，為了進(jìn)一步提高精分配部分B1和B2的功能，可以采用這樣的結(jié)構(gòu)作為精分配部分B1和B2，即其中至少一個所述增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物和一平行平面片組沿塔的軸向被層壓。
圖25和26顯示所述平行平面片組的一個例子。圖25所示的平行平面片組85由多個平面片85a形成，它們彼此平行間隔布置。平面片85a沿塔的軸向設(shè)置。每個平面片85a的垂直于塔軸線的邊緣延伸到塔的內(nèi)壁附近。每個平面片85a之間插入墊片(未示出)而彼此固定，墊片的厚度與平面片間的間隙相等。
考慮到結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，平面片85a的厚度最好在0.5～5mm。另外，考慮到液體分配密度，每個平面片85a的間隙最好為3～10mm。平面片85a最好由金屬制成，但是也可由塑料制成。墊片的形式和材料不特別限定，但是，例如，其尺寸中水平長度或塔軸長度在保持結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的范圍內(nèi)最好較小，使得平面片狀液體膜的流動不會被顯著阻止。
當(dāng)提供所述平面片組作為精分配部分B1和B2，設(shè)置在自增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物下面時，在自增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物中精確分配的液體被送入安裝在下面的平面片組上，在每個平面片表面形成具有均勻厚度的液體膜，并向下落；因此，液體流速在平行于每個平面片和垂直于塔軸的方向變得均勻，這樣，進(jìn)一步精確分配的液體被送入非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物A1和A2。
另外，為了更明顯地增強(qiáng)非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物A1和A2的液體分配密度，可在每個構(gòu)成平面片組的平面片的下邊緣部分，在平面片的整個寬度方向形成多個突出部分。另外，寬度方向代表平行于平面片而垂直于塔軸的方向。
圖26顯示形成該突出部分的平面片組86。在構(gòu)成平面片組86的平面片86a的下邊緣部，多個V字形突出部分在整個寬度方向形成。該突出部分86c的間隔最好為3～10mm。
如圖26所示，當(dāng)多個突出部分86c形成在構(gòu)成平面片組的平面片的下邊緣部86b上時，下落到靠近突出部分86c的液體在所述突出部分86c的邊緣被收集，然后從其邊緣下落。
在這方面，從平面片86a的表面向下流的液體傳送到下邊緣部，然后防止沿下邊緣部86b流動，并防止液體向平面片的寬度方向傾斜流動。因此，可獲得更精確的液體分配。
通常非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物沒有良好地分配蒸氣的功能。因此，為了最大限度增強(qiáng)蒸餾工作，考慮到蒸氣流的蒸餾，至少一個在設(shè)備中分配上升蒸氣的蒸氣分配器設(shè)置在非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物的下面。
例如最好使用圖6和7所示的自增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物作為蒸氣分配器。當(dāng)自增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物用作蒸氣分配器，在所述填充物的底部形成霧(小液滴)，霧落在所述填充物的薄片表面上，落入液體流中。因此可防止起霧沫。
另外，在根據(jù)本發(fā)明的汽液接觸器中，由于非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物在蒸氣和液體及高負(fù)載下使用，在精分配部分等中使用的自增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物的表面積系數(shù)最好等于或小于非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物的表面積系數(shù)，以便防止?jié)M溢。
以下參考舉例會使得本發(fā)明的效果更清楚。
例1對使用如圖1所示的低溫空氣分離單元的蒸餾操作進(jìn)行計算機(jī)模擬。如圖2所示，從塔頂?shù)降撞?，高壓?和原氬塔4中的汽液接觸器2a、4a假定具有液體分配器E1，非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物A1、液體收集器D、液體分配器E2和非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物A2。
另外，在汽液接觸器3a的每個區(qū)段6～9中使用液體收集器和汽液接觸器F2，在區(qū)段10中使用液體收集器和汽液接觸器F1。
結(jié)構(gòu)填充物91作為非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物A1和A2。結(jié)構(gòu)填充物71作為自增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物B1和B2。液體分配器41作為粗分配部分C1和C2。
在原氬塔4的汽液接觸器4a中使用的非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物A1和A2設(shè)定具有500m2/m3的表面積系數(shù)。塔的內(nèi)壓設(shè)定為大約0.1MPa，送入的氬氣中的氧氣濃度設(shè)定為大約90％。模擬的結(jié)果，即填充物高度與蒸氣相氧的濃度之間的關(guān)系以實(shí)線示于圖27中。另外，圖中塔高0m表示塔底部。
對比例1在汽液接觸器4a中，蒸餾操作與例1一樣進(jìn)行，使用圖1所示的同樣的設(shè)備，只是同樣區(qū)域的自增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物代替了非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物A1和A2。結(jié)果示于圖27的虛線。
在圖27所示的汽液接觸器4a中，通過使用非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物A1和A2，與使用自增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物的情形相比，所需的填充物高度為60％。
另外，為了比較使用非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物與使用自增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物時的壓力損失，進(jìn)行以下的實(shí)驗。
例2使用圖28所示的汽液接觸器的蒸餾塔進(jìn)行下面的實(shí)驗。該蒸餾塔(內(nèi)直徑為208mm，由透明氯乙烯制成)從塔頂?shù)降撞堪ù址峙洳糠諧3、精分配部分B3和非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物A3。
使用與圖4相同的部分作為粗分配部分C3。精分配部分B3使用從上到下依次排列的自增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物2(由標(biāo)號87代表，表面積系數(shù)為500m2/m3，高度為100mm)、平行的平面片組85(如圖26所示，高度50mm)、以及平行平面片組86(如圖27所示，高度50mm)。
這時，兩個平行平面片組85、86的平行平面片組85a、86a這樣設(shè)置，即構(gòu)成每個組的一平行平面片在垂直方向交叉。
使用圖15所示的具有表面積系數(shù)375m2/m3、高度為600mm的填充物作為非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物A3。精分配部分B3和非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物A3的整體高度為900mm。
粗分配部分C3、精分配部分B3和非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物A3的總壓力損失這樣確定，即使用與空氣的粘度相同的流體氟利昂、在完全注入的條件和130kPa條件下改變表面F因數(shù)。
對比例2作為對比，使用安裝有自增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物5(500m2/m3，高度207mm，總填充物高度為1035mm)的蒸餾塔進(jìn)行實(shí)驗，在蒸餾塔的下面使用自增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物作為填充物，即粗分配部分C3。
使用與圖28所示的精分配部分B3中使用的同樣的填充物作為自增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物。與例2的方式相同，各種條件下的壓力損失這樣確定，即使用與空氣的粘度相同的流體氟利昂、在完全注入的條件下改變表面F因數(shù)。
圖29給出了相對于表面F因數(shù)單位高度壓力損失的圖。如圖29所示，當(dāng)非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物作為填充物(例2)時壓力損失明顯比自增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物作為填充物(對比例2)時低。
從上面的實(shí)驗結(jié)果可看出，與對比例2使用的蒸餾塔相比，例2使用的蒸餾塔可設(shè)計為較小的塔身直徑，減小生產(chǎn)成本和設(shè)備建造成本。
下面進(jìn)行在蒸餾塔中安裝精分配部分和不安裝精分配部分時的液體蒸餾比較。
例3作為在蒸餾塔中安裝精分配部分的例子，通過使用圖28所示的例2的蒸餾塔和使用與空氣的粘度相同的氟利昂作為流體，觀察液體在各種條件下的分配程度。另外，通過錄像獲得在塔中液體的流動和液體的分配方式的情況。
對比例3作為在蒸餾塔中不安裝精分配部分的例子，以與例3相同的方式進(jìn)行使用，使用與例3相同的蒸餾塔，只是沒有安裝精分配部分。
圖30和31是在壓力為130kPa，液體負(fù)載2m/s(kg/m3)1/2的條件下，從例3和對比例3的蒸餾塔的非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物的下邊緣下落的流體形式的照片。
從圖30可證實(shí)，當(dāng)填充物具有精分配部分(例3)時，液滴沿直線方向從每個流動通道流出和下落，這些液滴在整個塔內(nèi)均勻分布。
作為對比，可看出當(dāng)不安裝精分配部分(對比例3)時，如圖31所示，液滴不均勻分布。
權(quán)利要求
1.一種汽液接觸器，其中液體在塔中沿著填充物的表面向下流，與上升蒸氣接觸，，其包括a)“非增強(qiáng)流體分配型”結(jié)構(gòu)填充物，其中引導(dǎo)所述液體和蒸氣垂直流動的各種薄片或管被布置成與垂直流動方向一致；b)至少一個液體分配器，其包括粗分配部以大致分配液體，以及精分配部，用于精密和等量地分配液體。
2.如權(quán)利要求1所述的汽液接觸器，其特征在于，所述“非增強(qiáng)流體分配型”結(jié)構(gòu)填充物具有大于等于350m2/m3的表面積系數(shù)。
3.如權(quán)利要求1所述的汽液接觸器，其特征在于，所述精分配部帶有“自增強(qiáng)流體分配型”結(jié)構(gòu)填充物。
4.如權(quán)利要求1所述的汽液接觸器，其特征在于，所述精分配部由至少一種“非增強(qiáng)流體分配型”結(jié)構(gòu)填充物和至少一個平行的平面片組組成，它們在塔中垂直堆放。
5.如權(quán)利要求1所述的汽液接觸器，其特征在于，所述“非增強(qiáng)流體分配型”結(jié)構(gòu)填充物包括薄金屬片或金屬管。
6.如權(quán)利要求1所述的汽液接觸器，其特征在于，所述“非增強(qiáng)流體分配型”結(jié)構(gòu)填充物的流動通道橫截面是帶角的。
7.如權(quán)利要求1所述的汽液接觸器，其特征在于，所述“非增強(qiáng)流體分配型”結(jié)構(gòu)填充物具有三角形流動通道截面。
8.如權(quán)利要求1所述的汽液接觸器，其特征在于，所述“非增強(qiáng)流體分配型”結(jié)構(gòu)填充物具有方形、矩形、梯形、菱形等四邊形流動通道截面形狀。
9.如權(quán)利要求1所述的汽液接觸器，其特征在于，所述“非增強(qiáng)流體分配型”結(jié)構(gòu)填充物為六邊形流動通道截面形狀。
10.如權(quán)利要求1所述的汽液接觸器，其特征在于，所述“非增強(qiáng)流體分配型”結(jié)構(gòu)填充物包括具有彎曲表面的波浪形薄片。
11.如權(quán)利要求1所述的汽液接觸器，其特征在于，所述”非增強(qiáng)流體分配型”結(jié)構(gòu)填充物具有從三角形、四邊形和六邊形中選出的至少兩種的截面形狀。
12.如權(quán)利要求1所述的汽液接觸器，其特征在于，所述“非增強(qiáng)流體分配型”結(jié)構(gòu)填充物包括多個布置薄片的墊片。
13.如權(quán)利要求5或12所述的汽液接觸器，其特征在于，所述薄片和/或墊片具有從槽、孔、彎折和交替的峰和谷中選出的至少一種形狀。
14.如權(quán)利要求1所述的汽液接觸器，其特征在于，至少一個蒸氣分配器設(shè)置在所述“非增強(qiáng)流體分配型”結(jié)構(gòu)填充物的底部。
15.如權(quán)利要求14所述的汽液接觸器，其特征在于，所述蒸氣分配器帶有“自增強(qiáng)流體分配型”結(jié)構(gòu)填充物。
16.一種低溫空氣分離單元，其特征在于，使用根據(jù)權(quán)利要求1所述的汽液接觸器。
17.一種氣體分離方法，該方法使用在塔中的汽液接觸器從至少兩種組分的蒸氣混和物中分離組分，其特征在于，所述汽液接觸器包括a)“非增強(qiáng)流體分配型”結(jié)構(gòu)填充物，其由引導(dǎo)所述混合物垂直流動的各種薄片或管形成；b)所述“非增強(qiáng)流體分配型”結(jié)構(gòu)填充物具有大于等于350m2/m3的表面積系數(shù)；c)在0.08-0.4MPa的壓力下，表面F因數(shù)大于等于1.8m/s(kg/m3)1/2時的蒸氣和液體負(fù)載的情況下，在所述填充物的表面，所述蒸氣和液體反向流動并接觸。
18.一種氣體分離方法，該方法使用在一塔中的汽液接觸器從至少兩種氣體組分構(gòu)成的蒸氣混和物中分離組分，其特征在于，所述汽液接觸器包括a)“非增強(qiáng)流體分配型”結(jié)構(gòu)填充物，其由引導(dǎo)所述混合物垂直流動的各種薄片或管組成；b)所述“非增強(qiáng)流體分配型”結(jié)構(gòu)填充物具有大于等于350m2/m3的表面積系數(shù)；c)在0.4-2.0MPa的壓力下，表面F因數(shù)大于等于1.0m/s(kg/m3)1/2時的蒸氣和液體的負(fù)載情況下，在所述填充物的表面所述蒸氣和液體反向流動并接觸。
全文摘要
在用于沿著填充物的表面下落液體并使得該液體與上升的蒸氣接觸的汽液接觸器4a中,其改進(jìn)在于,所述填充物為非增強(qiáng)流體分配型結(jié)構(gòu)填充物A
文檔編號B01J19/32GK1266170SQ9912694
公開日2000年9月13日 申請日期1999年12月28日 優(yōu)先權(quán)日1998年12月28日
發(fā)明者林田茂, 水原均, 川上浩 申請人:日本酸素株式會社