[发明专利]对称性可调的堆积式结构填料

说明书

本发明涉及一种结构填料。这种结构填料专门应用于交换塔内，特别是在低温空气分离方法中应用，但也可作其它用途，如作为热交换器。

此处所用的术语”塔”指的是蒸馏或分馏塔或区，即液态和气态物质在其内逆流接触分离流体混合物的塔或区，例如通过气态和液态物质在安装于塔内的填料单元上或一组垂直间隔的塔盘或塔板上接触而进行分离。

术语”填料”指的是在塔内使用的预定大小、形状和结构的实心或空心体，它们对液体提供表面积以便于在气-液两相逆流过程中气液交界处发生传质。两大类填料是不规则填料和结构填料。

“不规则填料”是指这些单独部件彼此之间或相对于塔轴线不要求任何特定方向的填料。不规则填料是细小的空心体结构，单位容量的表面积很大，并被不规则地装载在塔内。

“结构填料”是指这些单独部件相互之间和相对于塔轴线要求特定取向的填料。结构填料通常是由几层叠置的或螺旋形卷绕的拉制金属网或金属织网筛制成。

在如蒸馏或直接接触冷却的方法中，其优点是使用了结构填料来促进逆流液体和蒸汽间的传热和传质。与不规则填料或塔盘相比，这种结构填料的好处在于传热传质效率很高而压力损失很小。它的性能比不规则填料更可预测。

通常使液体和蒸汽以逆流接触方式流过蒸馏塔来实现低温分离空气。气态混合物随易挥发的组份(如氮气)浓度不断地增加而上升，而液态混合物随难挥发的组份(如氧气)浓度不断地增加而下降。各种填料或塔盘用来使液态和气态混合物接触以完成两相之间的传质。

已有很多种将空气低温蒸馏分离出各组份(氧气，氮气，氩气等等)的方法。图1示意性地表示了一座一般的低温空气分离装置10。高压原料空气被输送到高压蒸馏塔2的底部。空气在高压塔2内被分离成富氮蒸汽和富氧液体。富氧液体3从高压蒸馏塔2流入到低压蒸馏塔4内。富氮蒸汽5流入冷凝器6内，在该冷凝器6内蒸汽被冷凝以对低压塔4进行再沸。富氮液体7的一部分8被放出而一部分9作为液体逆流流入低压塔4内。在低压塔4内，给料(3，9)经低温蒸馏被分离成富氧和富氮组份。结构填料20用来使待分离的液态和气态氧和氮相接触。富氮组份以蒸汽11的形式被排出。富氧组份以蒸汽12的形式被排出。或者，可从围着再沸器/冷凝器6的贮液槽的某一位置处将富氧组份以液相排出。一股废气流13也从低压蒸馏塔4内排出。可以将低压蒸馏塔4分成多段。图1以实例方式示出了这样的三段(4A、4B、4C)。

最通常使用的结构填料由垂直堆积的波纹形金属板或塑料薄片或波纹形网布构成。这些薄片具有各种形状的孔和/或表面粗糙特性，这些孔和粗糙特性有助于提高传热和传质。然而，液体和气体主要地局限于在两板间的空间内流动。这种填料不对称，因此各向流动特性非常不同。流入一对板间的液体和气体易于滞留在那对板所限定的空间内。解决这个问题的办法就是使连续多层结构填料板旋转，一般旋转90°。美国专利No 4296050(Meier)公开了这样一种结构填料板。可是，每次旋转均会造成整个填料塔内的压力损失。

过去人们试图生产出能够使流过这种填料塔的流体的流动性各向一致的填料。

例如，美国专利No 4830792(Wihelm)公开水平重叠填料层的使用，每层填料具有毗连的锥体形。因此制成了替代的扇叶式结构，这种结构能产生旋涡运动使蒸汽朝顺时针和逆时针两方向上升。美国专利No5158712(Wilhelm)和美国专利5500160(Süess)公开了类似填料层。然而，由于这些现有技术的填料层受到堆积方法的限制，导致堆积这些现有填料层而形成的外形和对称性受到限制。

现有技术中另一种公知的是网状填料，这种填料有助于液体有效地扩散并且可获得良好的传质性能，但网状填料比最普通的薄片填料要贵得多。

人们希望能够设计出一种特殊的结构填料，这种结构填料具有很好的低温应用的操作特性，如能很好地在空气分离中应用的特性，以及其它传热和传质特性。

本发明涉及一种结构填料，这种填料具有多个如“建筑砖”那样叠放于一起的填料单元，并安置在交换塔内。每个填料单元包括由多根细长杆形成其多个边的多面体和至少一块设置在多面体内的交换板。每块交换板的第一端连接到多面体的某条不同边上，而每块交换板的第二端连接到多面体的另一边上。在一个实施例中，至少一些交换板交叉。交换板在填料单元内提供流动表面。