带有穿孔排放管的冷凝器‑重沸器系统及方法技术方案

提供了一种用于在基于蒸馏塔的空气分离单元中同时冷凝富氮蒸气和气化富氧液体的系统及方法。公开的系统包括冷凝器‑重沸器热交换器，其位于较低压力塔与较高压力塔之间，且构造成冷凝来自较高压力塔的富氮蒸气，且部分地汽化来自较低压力塔的富氧液体。在冷凝器‑重沸器热交换器内，富氮蒸气在向上方向上流动，使得存在于富氮蒸气中的任何非可冷凝物将累积为邻近冷凝器‑重沸器模块的上部或顶部，此处它们可借助于具有多个穿孔管的排放装置来通过排放容易地除去。

【技术实现步骤摘要】
带有穿孔排放管的冷凝器-重沸器系统及方法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。
本专利技术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，本专利技术是改进的冷凝器-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。
技术介绍
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(structuredpacking)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。
技术实现思路
本专利技术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。具体而言，本专利技术可特征为一种用于基于蒸馏塔的空气分离单元的冷凝和气化系统，包括：(i)一个或多个冷凝器-重沸器模块，其具有壳体，壳体限定了顶部、底部、一个或多个侧向侧、上部和下部，一个或多个冷凝器-重沸器模块设置在较低压力塔与较高压力塔之间，且构造成在冷凝入口处接收冷凝介质，在富氧液体入口处接收来自较低压力塔的富氧液体，且还限定邻近底部的冷凝物出口和富氧流出物出口；(ii)设置在一个或多个冷凝器-重沸器模块中的热交换器，热交换器构造成部分地汽化形成富氧流出物的富氧液体，且冷凝形成冷凝物的冷凝介质；以及(iii)一个或多个排放口，其设置在一个或多个冷凝器-重沸器模块的周边上，且构造成从一个或多个冷凝器-重沸器模块内除去累积的非可冷凝物。在本系统中，冷凝介质释放到邻近壳体的底部的冷凝器-重沸器模块中的热交换器内，且在向上和径向向外方向上在一个或多个冷凝器-重沸器模块内流动，且冷凝介质中存在的非可冷凝物累积为邻近一个或多个冷凝器-重沸器模块的上部或顶部。热交换器可为壳和管热交换器，其包括两个相对的管板、连接两个相对的管板的圆柱形壳，以及在它们之间延伸的用于在多个管内流动的富氧液体与在圆柱形壳内向上流动的冷凝介质之间间接地交换热的多个管。热交换器可为热虹吸类型的热交换器，其中富氧液体入口设置为邻近冷凝器-重沸器模块的底部，且富氧流出物出口设置在顶部附近。备选地，热交换器可为向下流动类型的热交换器，其中富氧液体入口设置为邻近冷凝器-重沸器模块的顶部，且富氧流出物出口设置为邻近冷凝器-重沸器模块的底部。在向下流类型的热交换器的情况中，富氧液体可从较低压力塔的底部泵送至冷凝器-重沸器模块的顶部或上部来用于重沸，或富氧液体可使用设置在冷凝器-重沸器模块顶部上方的收集器来从较低压力塔中的下降液体收集，其中其可供应至冷凝器-重沸器模块的顶部或上部来用于重沸。冷凝器-重沸器模块可以以多种布置来构造，包括一个实施例，其中冷凝物出口设置成邻近冷凝器-重沸器模块的底部，且同心地围绕冷凝介质或富氮蒸气入口。另一个实施例提供了邻近冷凝器-重沸器模块的底部但在壳体的侧向侧或周缘附近的冷凝物出口。更进一步地，多个冷凝物出口可提供成包括中心地设置和周边地设置的出口。本冷凝器-重沸器的其它实施例构想了提供冲击板或挡板，它们中心地设置在冷凝器-重沸器模块的下部或上部中。冲击板或挡板构造成径向地偏转冷凝介质的向上流(例如，富氮蒸气或空气蒸气)，以加强冷凝介质至冷凝表面的分散，且还最小化穿过轴向方向的可能的旁通流。备选地，冷凝器-重沸器模块的一些实施例可包括分送器结构，其中心地设置在冷凝器-重沸器模块的下部中，且构造成将冷凝介质的流径向地分布，以将富氮蒸气分散至冷凝表面。冷凝介质入口可设置在冷凝器-重沸器模块的顶部处或侧向侧处，且经由导管引导至穿孔分送器结构，此处富氮蒸气的向上流动开始。备选地，冷凝介质入口可设置在冷凝器-重沸器模块的底部处，此处冷凝介质的向上和径向地向外的流动在其进入壳体或壳中时就开始。本专利技术还可特征化为一种用于执行低温空气分离的方法，包括以下步骤：(a)通过低温精馏来在较高压力塔内分离进料空气，以产生富氮蒸气和富氧流体，使富氧流体从较高压力塔通入较低压力塔中，且通过低温精馏来在较低压力塔内产生富氧液体；(b)将富氧液体和冷凝介质引导至具有多个垂直地定向的管的一个或多个冷凝器-重沸器模块；(c)通过一个或多个冷凝器-重沸器模块中的多个垂直地定向的管来部分地汽化富氧液体；(d)将冷凝介质释放到一个或多个冷凝器-重沸器模块的中心部分中，以便在径向向外方向上流过本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于蒸馏塔空气分离单元的冷凝和汽化系统，包括：一个或多个冷凝器‑重沸器模块，其具有壳体，所述壳体限定了顶部、底部、一个或多个侧向侧、上部和下部，所述一个或多个冷凝器‑重沸器模块设置在较低压力塔内，且构造成在冷凝入口处接收冷凝介质，在富氧液体入口处接收来自所述较低压力塔的富氧液体，且还限定了邻近所述底部的冷凝物出口和富氧流出物出口；热交换器，其设置在所述一个或多个冷凝器‑重沸器模块中，所述热交换器构造成部分地汽化形成富氧流出物的所述富氧液体，且冷凝形成冷凝物的所述冷凝介质；其中，所述冷凝介质在所述冷凝器‑重沸器模块中的所述热交换器内释放，且在向上和径向向外的方向上在所述一个或多个冷凝器‑重沸器模块内流动，且在所述冷凝介质中存在的非可冷凝物累积为邻近所述一个或多个冷凝器‑重沸器模块的上部或顶部；以及一个或多个排放口，其设置成邻近所述一个或多个冷凝器‑重沸器模块的周边，且构造成从所述一个或多个冷凝器‑重沸器模块内除去累积的非可冷凝物；其中，所述一个或多个排放口还包括多个穿孔管，它们设置为邻近所述壳体的周边且邻近其侧向侧垂直地延伸。

【技术特征摘要】
2015.11.20 US 14/9474661.一种用于蒸馏塔空气分离单元的冷凝和汽化系统，包括：一个或多个冷凝器-重沸器模块，其具有壳体，所述壳体限定了顶部、底部、一个或多个侧向侧、上部和下部，所述一个或多个冷凝器-重沸器模块设置在较低压力塔内，且构造成在冷凝入口处接收冷凝介质，在富氧液体入口处接收来自所述较低压力塔的富氧液体，且还限定了邻近所述底部的冷凝物出口和富氧流出物出口；热交换器，其设置在所述一个或多个冷凝器-重沸器模块中，所述热交换器构造成部分地汽化形成富氧流出物的所述富氧液体，且冷凝形成冷凝物的所述冷凝介质；其中，所述冷凝介质在所述冷凝器-重沸器模块中的所述热交换器内释放，且在向上和径向向外的方向上在所述一个或多个冷凝器-重沸器模块内流动，且在所述冷凝介质中存在的非可冷凝物累积为邻近所述一个或多个冷凝器-重沸器模块的上部或顶部；以及一个或多个排放口，其设置成邻近所述一个或多个冷凝器-重沸器模块的周边，且构造成从所述一个或多个冷凝器-重沸器模块内除去累积的非可冷凝物；其中，所述一个或多个排放口还包括多个穿孔管，它们设置为邻近所述壳体的周边且邻近其侧向侧垂直地延伸。2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述一个或多个排放口设置成邻近所述壳体的上部或顶部。3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述穿孔管中的各个还包括：管状成形本体，其限定了开口端、外表面和内部空间，且具有从所述外表面至所述内部空间的多个孔口或孔；以及其中，所述穿孔管构造成与所述冷凝介质接触，使得所述冷凝介质中的非可冷凝物穿过所述孔传送到所述内部空间中，且经由所述开口端从所述冷凝器-重沸器模块排放。4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述孔口或孔围绕所述管状成形本体的所述外表面的周边设置。5.根据权利要求3所述的系统，其中，所述孔口或孔设置在邻近所述开口端的所述管状本体的最上部上。6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述热交换器为壳和管热交换器，包括：两个相对的...

【专利技术属性】
技术研发人员：脱瀚斐，KK基布勒，MR舍拉特，
申请(专利权)人：普莱克斯技术有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US