本申請為繼續(xù)部分(CIP)申請，且請求享有在2014年1月29日提交的美國專利申請序列號14/167,339的權(quán)益和優(yōu)先權(quán)，該申請的公開內(nèi)容通過引用并入。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及用于低溫空氣分離單元的冷凝和汽化系統(tǒng)。更具體而言，本發(fā)明是改進(jìn)的冷凝器-重沸器系統(tǒng)及方法，其適于使用在冷凝器-重沸器內(nèi)的富氮蒸氣的向上流來冷凝富氮蒸氣，且將非可冷凝物(non-condensable)累積在冷凝器-重沸器的頂部或上部區(qū)域處。

背景技術(shù)：

采用蒸餾塔的低溫空氣分離系統(tǒng)的重要方面為冷凝和氣化系統(tǒng)，且更具體而言，較高壓力塔蒸氣的冷凝相對于較低壓力塔底部液體的重沸，以提供用于塔的回流，且經(jīng)由較低壓力塔中的規(guī)整填料(structured packing)來提供足夠的蒸氣向上(up-flow)流。液氧的重沸通過與來自較高壓力塔的頂部的氮蒸氣的熱交換來執(zhí)行。在熱交換過程期間，氮蒸氣冷凝，且冷凝物中的至少一些返回至較高壓力塔，以用作用于較高壓力塔的回流的源。在一些冷凝器-重沸器構(gòu)造中，沸騰液氧與冷凝氮之間的熱交換在殼和管熱交換器中執(zhí)行，其中液氧典型地在熱交換器的管內(nèi)流動，而較高壓力塔頂部蒸氣在熱交換器的殼側(cè)上處理。從安全觀點，此類殼和管熱交換器提供了改善的操作特性的優(yōu)點。殼和管熱交換器的緊湊性通過具有增強的沸騰和冷凝表面來實現(xiàn)，如一般地在美國專利號7,421,856、6,393,866和5,699,671以及美國公開專利申請?zhí)?007/0028649中所描述的那樣。

存在兩個主要類型的在冷凝-重沸過程中使用的熱交換器，其包括熱虹吸(thermosyphon)類型的熱交換器和向下流(downflow)類型的熱交換器。在熱虹吸類型的熱交換器中，液氧液體在底部處進(jìn)入管，且在其向上穿過管時氣化。在向下流的熱交換器中，液氧液體在其在管內(nèi)向下流動時氣化。盡管這些構(gòu)造中的兩者都確保了氧氣化過程的安全操作，但這兩種構(gòu)造都還具有某些缺點。

降低冷凝器-重沸器的熱性能且繼而又不利地影響低溫空氣分離單元的能量效率和操作成本的其它問題在于在主冷凝器-重沸器中的非可冷凝物的累積。非可冷凝物(如氖和氦)以非常小的量存在于空氣中，但在主冷凝器-重沸器內(nèi)的非可冷凝物的累積導(dǎo)致對目標(biāo)熱傳遞的更高阻力，需要冷凝的氮與沸騰的氧之間的更高的總體(bulk)溫度差。如上文所指出，冷凝的氮與沸騰的氧之間的更高的總體溫度差轉(zhuǎn)換成對于進(jìn)入的氮蒸氣的更高的壓力需求，這最終導(dǎo)致對于空氣分離單元的更高的壓縮功率和相關(guān)聯(lián)的成本。除非非可冷凝物從主冷凝器-重沸器冷熱交換表面除去，否則冷凝的氮與沸騰的氧之間的頂部溫度差可為更高的。

此外，由于非可冷凝物趨于集合或累積在主冷凝器-重沸器的熱傳遞表面上，其中總體蒸氣速度是低的，故許多當(dāng)前設(shè)計中的非可冷凝物的高濃度區(qū)域分散為遍布主冷凝器-重沸器，使得其變得難以收集和除去它們，這對于非可冷凝物中的一些(例如，具有顯著的商業(yè)價值的氖)，不可能以成本效益合算的方式回收。

因此，存在對于改善的冷凝和汽化系統(tǒng)的需求，其可有效地采用來在不遭受上文提到的缺點的低溫空氣分離單元中冷凝氮蒸氣和氣化液氧。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為一種改進(jìn)的管和殼類型的冷凝器-重沸器系統(tǒng)和方法，用于在低溫空氣分離單元中使用，且適合于使用冷凝器重沸器內(nèi)的冷凝介質(zhì)(如，富氮蒸氣或空氣蒸氣)的向上流，且從而將非可冷凝物累積在冷凝器-重沸器的頂部或上方區(qū)域處。冷凝介質(zhì)可在幾乎任何位置中引入模塊，包括底部、頂部或側(cè)部，但釋放到鄰近殼的下部或底部的殼中，以開始冷凝介質(zhì)的大體上向上的流，同時冷凝物向下流動且在殼的底部附近除去。

具體而言，本發(fā)明可特征為一種用于基于蒸餾塔的空氣分離單元的冷凝和氣化系統(tǒng)，包括：(i)一個或多個冷凝器-重沸器模塊，其具有殼體，殼體限定了頂部、底部、一個或多個側(cè)向側(cè)、上部和下部，一個或多個冷凝器-重沸器模塊設(shè)置在較低壓力塔與較高壓力塔之間，且構(gòu)造成在冷凝入口處接收冷凝介質(zhì)，在富氧液體入口處接收來自較低壓力塔的富氧液體，且還限定鄰近底部的冷凝物出口和富氧流出物出口；(ii)設(shè)置在一個或多個冷凝器-重沸器模塊中的熱交換器，熱交換器構(gòu)造成部分地汽化形成富氧流出物的富氧液體，且冷凝形成冷凝物的冷凝介質(zhì)；以及(iii)一個或多個排放口，其設(shè)置在一個或多個冷凝器-重沸器模塊的周邊上，且構(gòu)造成從一個或多個冷凝器-重沸器模塊內(nèi)除去累積的非可冷凝物。在本系統(tǒng)中，冷凝介質(zhì)釋放到鄰近殼體的底部的冷凝器-重沸器模塊中的熱交換器內(nèi)，且在向上和徑向向外方向上在一個或多個冷凝器-重沸器模塊內(nèi)流動，且冷凝介質(zhì)中存在的非可冷凝物累積為鄰近一個或多個冷凝器-重沸器模塊的上部或頂部。

熱交換器可為殼和管熱交換器，其包括兩個相對的管板、連接兩個相對的管板的圓柱形殼，以及在它們之間延伸的用于在多個管內(nèi)流動的富氧液體與在圓柱形殼內(nèi)向上流動的冷凝介質(zhì)之間間接地交換熱的多個管。熱交換器可為熱虹吸類型的熱交換器，其中富氧液體入口設(shè)置為鄰近冷凝器-重沸器模塊的底部，且富氧流出物出口設(shè)置在頂部附近。

備選地，熱交換器可為向下流動類型的熱交換器，其中富氧液體入口設(shè)置為鄰近冷凝器-重沸器模塊的頂部，且富氧流出物出口設(shè)置為鄰近冷凝器-重沸器模塊的底部。在向下流類型的熱交換器的情況中，富氧液體可從較低壓力塔的底部泵送至冷凝器-重沸器模塊的頂部或上部來用于重沸，或富氧液體可使用設(shè)置在冷凝器-重沸器模塊頂部上方的收集器來從較低壓力塔中的下降液體收集，其中其可供應(yīng)至冷凝器-重沸器模塊的頂部或上部來用于重沸。

冷凝器-重沸器模塊可以以多種布置來構(gòu)造，包括一個實施例，其中冷凝物出口設(shè)置成鄰近冷凝器-重沸器模塊的底部，且同心地圍繞冷凝介質(zhì)或富氮蒸氣入口。另一個實施例提供了鄰近冷凝器-重沸器模塊的底部但在殼體的側(cè)向側(cè)或周緣附近的冷凝物出口。更進(jìn)一步地，多個冷凝物出口可提供成包括中心地設(shè)置和周邊地設(shè)置的出口。

本冷凝器-重沸器的其它實施例構(gòu)想了提供沖擊板或擋板，它們中心地設(shè)置在冷凝器-重沸器模塊的下部或上部中。沖擊板或擋板構(gòu)造成徑向地偏轉(zhuǎn)冷凝介質(zhì)的向上流(例如，富氮蒸氣或空氣蒸氣)，以加強冷凝介質(zhì)至冷凝表面的分散，且還最小化穿過軸向方向的可能的旁通流。備選地，冷凝器-重沸器模塊的一些實施例可包括分送器結(jié)構(gòu)，其中心地設(shè)置在冷凝器-重沸器模塊的下部中，且構(gòu)造成將冷凝介質(zhì)的流徑向地分布，以將富氮蒸氣分散至冷凝表面。冷凝介質(zhì)入口可設(shè)置在冷凝器-重沸器模塊的頂部處或側(cè)向側(cè)處，且經(jīng)由導(dǎo)管引導(dǎo)至穿孔分送器結(jié)構(gòu)，此處富氮蒸氣的向上流動開始。備選地，冷凝介質(zhì)入口可設(shè)置在冷凝器-重沸器模塊的底部處，此處冷凝介質(zhì)的向上和徑向地向外的流動在其進(jìn)入殼體或殼中時就開始。

本發(fā)明還可特征化為一種用于執(zhí)行低溫空氣分離的方法，包括以下步驟：(a)通過低溫精餾來在較高壓力塔內(nèi)分離進(jìn)料空氣，以產(chǎn)生富氮蒸氣和富氧流體，使富氧流體從較高壓力塔通入較低壓力塔中，且通過低溫精餾來在較低壓力塔內(nèi)產(chǎn)生富氧液體；(b)將富氧液體和冷凝介質(zhì)引導(dǎo)至具有多個垂直地定向的管的一個或多個冷凝器-重沸器模塊；(c)通過一個或多個冷凝器-重沸器模塊中的多個垂直地定向的管來部分地汽化富氧液體；(d)將冷凝介質(zhì)釋放到一個或多個冷凝器-重沸器模塊的中心部分中，以便在徑向向外方向上流過一個或多個冷凝器-重沸器模塊，且與垂直地定向的管的冷凝表面接觸，以通過與部分地氣化的富氧液體進(jìn)行間接熱交換來冷凝該冷凝介質(zhì)，且產(chǎn)生冷凝物和富氧流出物，其中存在于冷凝介質(zhì)中的非可冷凝物累積為鄰近一個或多個冷凝器-重沸器模塊的上部或頂部；以及(e)經(jīng)由設(shè)置在冷凝器模塊的周邊上的多個穿孔排放管來從一個或多個冷凝器-重沸器模塊內(nèi)除去累積的非可冷凝物。

在上述系統(tǒng)和方法的優(yōu)選實施例中，一個或多個排放口還包括多個穿孔管，它們設(shè)置在殼體的周邊上，且沿其側(cè)向側(cè)的全部或一部分垂直地延伸。具體而言，穿孔管中的各個還包括管狀成形本體，其限定了開口端、外表面和內(nèi)部空間，且具有從外表面到內(nèi)部空間的多個孔口或孔。穿孔管構(gòu)造成與冷凝介質(zhì)接觸，使得冷凝介質(zhì)中的非可冷凝物經(jīng)由孔傳送到內(nèi)部空間中，且經(jīng)由開口端從冷凝器-重沸器模塊排放。優(yōu)選地，穿孔管的開口端在鄰近殼體的上部或頂部的位置處延伸穿過殼體?？卓诨蚩變?yōu)選地朝開口端設(shè)置在管狀本體的最上部上，且進(jìn)一步圍繞外表面的整個周邊設(shè)置，同時在管狀本體上垂直地間隔開。

最后，本發(fā)明可備選地特征化為排放口裝置，其構(gòu)造為用于在冷凝器(如，空氣分離工廠的主冷凝器-重沸器)中使用。本排放裝置包括：(i)多個穿孔管，各個具有管狀成形本體，管狀成形本體限定了開口端、外表面和內(nèi)部空間，且具有從外表面到內(nèi)部空間的多個孔口或孔；以及(ii)流體地聯(lián)接多個穿孔管的開口端的排放歧管。穿孔管優(yōu)選地設(shè)置在冷凝器殼體的內(nèi)周邊上，且沿其全部或一部分垂直地延伸且與冷凝器殼體內(nèi)的冷凝介質(zhì)接觸，使得冷凝介質(zhì)中的非可冷凝物經(jīng)由孔傳送到內(nèi)部空間中，且經(jīng)由開口端從冷凝器-重沸器模塊排放。優(yōu)選地，穿孔管的開口端在鄰近冷凝器殼體的上部或頂部的位置處延伸穿過冷凝器殼體?？卓诨蚩變?yōu)選地朝向開口端設(shè)置在管狀本體的最上部上，且進(jìn)一步圍繞管狀成形本體的外表面的整個周邊設(shè)置，同時垂直地間隔開。在一些應(yīng)用中，排放裝置可包括非可冷凝物回收系統(tǒng)，其聯(lián)接到排放歧管上，且構(gòu)造成凈化和/或回收從多個穿孔管收集到的非可冷凝物。

附圖說明

盡管說明書以清楚指出申請人認(rèn)作是他們的發(fā)明的主題物的權(quán)利要求書來結(jié)束，但所相信的是本發(fā)明將在參照附圖時更好地理解，在附圖中：

圖1為空氣分離單元中的蒸餾塔布置的示意性圖示，繪出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于液氧流的沸騰和氮蒸氣的向上流的向下流類型的布置中的冷凝器-重沸器；

圖2為空氣分離單元中的蒸餾塔布置的另一個示意性圖示，繪出了根據(jù)本發(fā)明的備選實施例的用于液氧流的沸騰和氮蒸氣的向上流的熱虹吸類型的布置中的冷凝器-重沸器；

圖3為冷凝器-重沸器模塊的又一個實施例的立面截面視圖，帶有用于液氧流的沸騰和富氮蒸氣的向上流的熱虹吸類型的布置；

圖4為冷凝器-重沸器模塊的又一個實施例的立面截面視圖，帶有用于液氧流的沸騰和富氮蒸氣的向上流的向下流類型的布置；

圖5為冷凝器-重沸器模塊的又一個實施例的立面截面視圖，帶有用于液氧流的沸騰和富氮蒸氣的大體上向上流動分布的熱虹吸類型的布置；

圖6為冷凝器-重沸器模塊的又一個實施例的立面截面視圖，帶有用于液氧流的沸騰和富氮蒸氣的大體上向上流動分布的向下流類型的布置；

圖7為冷凝器-重沸器模塊的又一個實施例的立面截面視圖，帶有利用穿孔分送器的用于液氧流的沸騰和富氮蒸氣的大體上向上流動分布的熱虹吸類型的布置；

圖8為冷凝器-重沸器模塊的又一個實施例的立面截面視圖，帶有利用穿孔分送器的用于液氧流的沸騰和富氮蒸氣的大體上向上流動分布的向下流類型的布置；

圖9為冷凝器-重沸器模塊的再一個實施例的立面截面視圖，帶有用于液氧流的沸騰和富氮蒸氣的大體上向上流動分布的熱虹吸類型的布置；

圖10為冷凝器-重沸器模塊的再一個實施例的立面截面視圖，帶有用于液氧流的沸騰和富氮蒸氣的大體上向上流動分布的向下流類型的布置；

圖11為冷凝器-重沸器模塊的另一個實施例的立面截面視圖，帶有用于液氧流的沸騰和氮蒸氣的向上流的熱虹吸類型的布置；

圖12為冷凝器-重沸器模塊的另一個實施例的立面截面視圖，帶有用于液氧流的沸騰和氮蒸氣的向上流的向下流類型的布置；

圖13為根據(jù)本發(fā)明的冷凝器-重沸器模塊的實施例的立面截面視圖，帶有用于液氧流的沸騰和氮蒸氣的向上流的熱虹吸類型的布置；

圖14為根據(jù)本發(fā)明的冷凝器-重沸器模塊的實施例的立面截面視圖，帶有用于液氧流的沸騰和氮蒸氣的向上流的向下流類型的布置；

圖15為冷凝器-重沸器模塊的備選實施例的立面截面視圖，帶有用于液氧流的沸騰和氮蒸氣的向上流的熱虹吸類型的布置；

圖16為冷凝器-重沸器模塊的備選實施例的立面截面視圖，帶有用于液氧流的沸騰和氮蒸氣的向上流的向下流類型的布置；

圖17為冷凝器-重沸器模塊的另一個備選實施例的立面截面視圖，帶有用于液氧流的沸騰和氮蒸氣的向上流的向下流類型的布置；

圖18為冷凝器-重沸器模塊的備選實施例的立面截面視圖，帶有用于液氧流的沸騰和氮蒸氣的向上流的向下流類型的布置；以及

圖19為在冷凝器-重沸器的各種實施例中使用的穿孔排放管的優(yōu)選實施例的透視圖。

為了避免重復(fù)，各個圖中共同的元件中的一些利用了相同的標(biāo)號，其中此類元件的闡釋將不會從圖到圖而改變。

具體實施方式

現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖1和2，示出了空氣分離單元中的蒸餾塔布置的示意性圖示，繪出了帶有冷凝介質(zhì)(如氮蒸氣或空氣蒸氣)的向上流的典型冷凝器-重沸器模塊。圖1示出了帶有構(gòu)造為向下流類型的熱交換器的氮蒸氣的向上流的本冷凝器-重沸器，而圖2示出了帶有構(gòu)造為熱虹吸類型的熱交換器的氮蒸氣的向上流的本冷凝器-重沸器。

蒸餾塔布置10和11各自具有較高壓力蒸餾塔12和較低壓力蒸餾塔13，以及以熱傳遞關(guān)系聯(lián)接了較高壓力蒸餾塔和較低壓力蒸餾塔的主冷凝器-重沸器模塊14。蒸餾塔布置10和11特別地設(shè)計成進(jìn)行相聯(lián)系的蒸餾過程。蒸餾塔布置10和11分離使用，以產(chǎn)生富氮產(chǎn)品和富氧產(chǎn)物。盡管未圖示，但也如廣為人知的那樣，在空氣分離單元(ASU)中，進(jìn)入的空氣被壓縮、凈化并冷卻至適合于其精餾的溫度。凈化和冷卻的空氣然后引入較高壓力蒸餾塔12中，其中上升的汽相通過已知的質(zhì)量傳遞接觸元件來與下降的液相接觸，質(zhì)量傳遞接觸元件可為規(guī)整填料、隨機填料或篩盤(sieve tray)或者此類填料和盤的組合。上升的汽相空氣在其上升時變?yōu)楦坏?，且下降的液相變?yōu)楦谎醯?。結(jié)果，稱為粗液氧或釜液的底部液體收集在較高壓力塔12的底部中，且富氮蒸氣15收集在較高壓力塔12的頂部或上部中。

富氮蒸氣22的流引入入口導(dǎo)管24中，入口導(dǎo)管24聯(lián)接到底部附近的冷凝器-重沸器模塊14上。備選地，富氮流可引至模塊的頂部或側(cè)部附近的冷凝器-重沸器模塊，且在殼內(nèi)在殼的底部處或附近釋放。如下文將更詳細(xì)地論述的那樣，在殼內(nèi)釋放的富氮蒸氣22在大體上向上方向上在冷凝器-重沸器殼內(nèi)流動，且與在冷凝器-重沸器管中的富氧液體進(jìn)行間接熱交換，以部分地汽化液氧且冷凝富氮蒸氣22。在圖1的實施例中，取自塔底產(chǎn)物(column bottom)16的富氧液體可經(jīng)由泵21從較低壓力塔的底部循環(huán)至冷凝器-重沸器模塊14的頂部或最上部分，此處其收集為23，且在向下流類型的熱交換器布置中在冷凝器-重沸器管內(nèi)下降。富氧液體的汽化產(chǎn)生了兩相富氧流出物流26，其鄰近冷凝器-重沸器模塊14的底部離開。流可作為氧產(chǎn)物來提取，或可變?yōu)樵谳^低壓力蒸餾塔13內(nèi)的上升汽相19的部分。未汽化的任何氧液體返回至較低壓力蒸餾塔13的底部和富氧液體塔底產(chǎn)物16。

備選地，在圖2的實施例中，取自塔底產(chǎn)物16的富氧液體可通過上文所論述的熱虹吸效應(yīng)來在冷凝器-重沸器管內(nèi)上升。富氧液體的汽化產(chǎn)生富氧流出物流26，其在部分地汽化的富氧流出物流26離開冷凝器-重沸器模塊14時形成在較低壓力蒸餾塔13內(nèi)的上升汽相19的一部分。未汽化的任何氧液體均可返回至較低壓力蒸餾塔13的底部和氧液體塔底產(chǎn)物16。

在圖1和圖2中所示的兩個實施例中，由富氮液體構(gòu)成的所得的冷凝物20均從冷凝器-重沸器模塊14的底部排放。冷凝物的第一部分20A聯(lián)接至較高壓力塔12，以作為由富氮液體構(gòu)成的回流流(reflux stream)來使用。冷凝物的第二部分20B的一部分聯(lián)接至較低壓力塔13上，而此流20B的另一部分可作為液體產(chǎn)物取得，或泵送并加熱，以作為加壓產(chǎn)物取得。優(yōu)選地，液體分送器(未示出)設(shè)在較高壓力塔12的頂部和較低壓力塔13的頂部內(nèi)，以分別收集富氮回流20A和20B，且將回流流分送至質(zhì)量傳遞接觸元件。

由上述實施例提供的優(yōu)點涉及較低操作成本，其可由于主冷凝器的熱效率上的改善來實現(xiàn)，這轉(zhuǎn)化成在空氣分離單元的構(gòu)建期間的功率節(jié)省以及潛在資金節(jié)省。熱效率上的改善可通過從冷凝器-重沸器14排出排放流20，經(jīng)由累積的非可冷凝物(如氖和氦)的加強的分離和除去來實現(xiàn)。

氖和氦以非常少的量存在于空氣中，對于氖大約18ppm并且對于氦大約5ppm。這些非可冷凝物趨于在富氮蒸氣冷凝且除去來形成回流流時以高得多的水平集中在空氣分離單元的主冷凝器中。這些集中的非可冷凝物還趨于累積或集合在冷熱傳遞表面處或附近，特別地，在遠(yuǎn)離富氮蒸氣入口的冷凝器-重沸器模塊內(nèi)的區(qū)域或位置上，此處總體富氮蒸氣速度是低的。非可冷凝物的累積或集合可導(dǎo)致對冷凝器-重沸器模塊內(nèi)發(fā)生的熱傳遞的更高的阻力，這繼而又需要冷凝的氮與沸騰的氧之間的更高的總體溫度差。更高的總體溫度差驅(qū)動較高壓力塔的升高壓力的需要，富氮蒸氣源自較高壓力塔，這最終導(dǎo)致對于空氣分離單元的更高的壓縮功率。

在上述實施例中，富氮蒸氣經(jīng)由入口引入，入口引起富氮蒸氣在大體上向上且略微徑向的方向上流過冷凝器-重沸器模塊。使用該向上和徑向流動布置并且逆著重力，在富氮蒸氣中出現(xiàn)的非可冷凝物(如氖和氦)將趨于累積在冷凝器-重沸器模塊的頂部或最上部分附近(見圖3至圖16中的區(qū)域80)。在冷凝期間，蒸氣繼續(xù)向上流動，而冷凝物在相反方向上流動，這允許了增大的蒸氣非可冷凝物濃度梯度，這應(yīng)當(dāng)導(dǎo)致增加的分離和更高濃度的熱傳遞。此外，在其中來自較高壓力塔的頂部的富氮蒸氣被直接給送到主冷凝器-重沸器的下部或底部的實施例中，相比于現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計，壓力下降可減小。

另外，通過將非可冷凝物累積在冷凝器-重沸器模塊的頂部或最上部附近，它們更容易通過排放非可冷凝物而收集和除去，導(dǎo)致冷凝器-重沸器模塊的性能提高。同樣重要的是，非可冷凝物(如氖和氦)的容易收集和除去便于選擇的高價值氣體(如氖)的分離、凈化和回收。

如下文更詳細(xì)地描述，非可冷凝物的排放通過提供設(shè)置在其中非可冷凝物累積或集合的鄰近冷凝器-重沸器模塊的頂部的一個或多個排放口和相關(guān)聯(lián)的排放控制閥(未示出)來實現(xiàn)。通過排放控制閥的控制，累積的非可冷凝物從冷凝器-重沸器模塊清洗或除去。優(yōu)選地，排放口中心地設(shè)置在冷凝器-重沸器模塊的頂部處，或在鄰近側(cè)向側(cè)或周邊邊緣的冷凝器-重沸器模塊的頂部處。還可能有利的是將多個排放位置置于各個冷凝器-重沸器模塊上，包括中心地設(shè)置和周邊地設(shè)置的排放口。

不同于將富氮蒸氣進(jìn)料歧管與液氮冷凝物歧管的位置分開的許多現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)計，本系統(tǒng)允許將進(jìn)料歧管和冷凝物歧管共同定位。將富氮蒸氣給送共同定位至冷凝器-重沸器模塊，其中液氮冷凝物收集點在冷凝器-重沸器模塊的底部處或在底部下方，這導(dǎo)致與主冷凝器相關(guān)聯(lián)的凈歧管轉(zhuǎn)移(manifolding)體積減小，且提高了冷凝器-重沸器模塊的總體熱性能。減小凈歧管轉(zhuǎn)移體積和使富氮蒸氣進(jìn)料歧管與液氮冷凝物歧管共同定位在各個冷凝器-重沸器的底部下方允許了在塔高度和相關(guān)聯(lián)的資金開銷上的降低。

在許多現(xiàn)有技術(shù)的冷凝器-重沸器設(shè)計中，多個冷凝器-重沸器模塊常由單個內(nèi)部或外部富氮蒸氣管路給送，管路使富氮蒸氣從較高壓力塔的上部移動至冷凝器-重沸器模塊上方的點。輸送的富氮蒸氣流然后分流且給送到各個冷凝器-重沸器模塊的頂部中，此處其在向下的定向上流動，接觸冷凝表面。在組合到單個冷凝物歧管或管中之前，液氮冷凝物收集在各個冷凝器-重沸器模塊的底部處。不管路線如何，在大多數(shù)當(dāng)前的冷凝器-重沸器設(shè)計中，富氮蒸氣進(jìn)料歧管都占據(jù)組件上方的相當(dāng)大的空間，這提高了塔高度、復(fù)雜性和花費。

現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖3、4、11、12、13、14、15、16，示出了本冷凝器-重沸器模塊14的各種實施例。在所有圖示的實施例中，冷凝器-重沸器模塊14包括殼和管熱交換器30A、30B，其設(shè)有兩個相對的管板36和38。圓柱形殼40連接管板36和38。波紋狀膨脹接頭42可出于差異膨脹的目的而提供。在兩個相對的管板之間延伸的多個垂直地定向的冷凝管布置成用于在多個管內(nèi)流動的富氧液體與在圓柱形殼40內(nèi)向上流動的冷凝介質(zhì)(如富氮蒸氣或空氣蒸氣)之間的間接熱交換。管板38設(shè)有中心富氮蒸氣或冷凝介質(zhì)入口44，以允許冷凝介質(zhì)進(jìn)入殼40。入口管46可連接到管板38上，以便于冷凝介質(zhì)經(jīng)由中心冷凝介質(zhì)入口44流入殼40的內(nèi)部空間中。盡管未示出，但入口管46還連接到較高壓力塔的上部上，其中建立了冷凝介質(zhì)(且更具體地，富氮蒸氣)的供應(yīng)。

冷凝物出口48設(shè)在管板38中，以用于排放由冷凝富氮蒸氣產(chǎn)生的冷凝物20，且從而形成將用作分別用于較高壓力塔和較低壓力塔的回流流20A、20B的富氮液體。此外，此流20B可作為液體產(chǎn)物而取得，或泵送并加熱，并且作為加壓產(chǎn)物而取得。在圖13和14中，冷凝物出口48相對于冷凝介質(zhì)入口44共中心地設(shè)置在冷凝器-重沸器模塊的底部處。在圖15和16中，冷凝物出口48設(shè)置在冷凝器-重沸器模塊14的底部處，但更接近冷凝器-重沸器14的邊緣或周邊。圖3、4、11和12示出了帶有多個冷凝物出口48的實施例，包括中心地設(shè)置的冷凝物出口48A和周邊地設(shè)置的冷凝物出口48B，兩者位于冷凝器-重沸器模塊14的底部處或附近。

圖3、5、7、9、11、13和15示出了熱虹吸類型的熱交換器30A，其中富氧液體入口54與各個垂直地定向的冷凝管55相關(guān)聯(lián)，且設(shè)置為鄰近冷凝器-重沸器模塊14的底部。類似地，富氧流出物出口58與垂直地定向的冷凝管55中的各個相關(guān)聯(lián)，且設(shè)置成鄰近冷凝器-重沸器模塊14的頂部。在這些實施例中，較低壓力塔的底部處的富氧液體供應(yīng)至富氧液體入口54，用于在熱交換器30A內(nèi)重沸。

圖4、6、8、10、12、14和16示出了向下流類型的熱交換器30B，其中富氧液體入口54設(shè)置在鄰近冷凝器-重沸器模塊14的頂部和管板36的垂直地定向的管55的一端處，而富氧流出物出口58設(shè)置在冷凝器-重沸器模塊14的底部和管板38處或附近的冷凝管55的另一端處。在這些實施例中，較低壓力塔的底部處的富氧液體供應(yīng)至富氧液體入口54，用于在熱交換器30B內(nèi)重沸。

在所有圖示的實施例中，冷凝管55優(yōu)選地都為具有相同的設(shè)計和直徑。將注意的是，所有冷凝管55可設(shè)有外溝槽表面，且管的內(nèi)部可設(shè)有增強的沸騰表面。冷凝介質(zhì)(如富氮蒸氣)通過中心冷凝介質(zhì)入口44進(jìn)入各個冷凝器-重沸器模塊14，且然后如由箭頭60所指出的那樣在向上和徑向地向外的方向上流動。如圖3、4、11和12中所見，冷凝器-重沸器模塊14還可包括中心地設(shè)置的沖擊板66，其還將具有在向外的徑向方向上推動進(jìn)入的冷凝介質(zhì)或富氮蒸氣流的效應(yīng)。沖擊板66借助于一組支承件68連接到管板36上或連接到垂直地定向的管55上。在圖11和12中，沖擊板位于熱交換器30A、30B的上部中，而在圖3和4中，沖擊板位于熱交換器30A、30B的下部中，并且在殼40內(nèi)。無論哪一方式，沖擊板66都構(gòu)造成偏轉(zhuǎn)冷凝介質(zhì)(例如，富氮蒸氣或空氣蒸氣)的向上流，且將冷凝介質(zhì)徑向地分散至殼40內(nèi)的冷凝表面，即，管55的外表面。

現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖5和6，分別示出了熱虹吸類型的熱交換器30A和向下流類型的熱交換器30B的又一個實施例。這兩個實施例與先前論述的實施例的差別在于，冷凝介質(zhì)入口74并未定位在冷凝器-重沸器模塊14的底部和管板38處或附近，而是位于冷凝器-重沸器模塊14的頂部和管板36處或附近。盡管未示出，但備選實施例還構(gòu)想出了將冷凝介質(zhì)入口定位在殼40的側(cè)部或周邊處或附近。冷凝介質(zhì)(優(yōu)選地，富氮蒸氣)從較高壓力塔的上部經(jīng)由殼40內(nèi)的入口導(dǎo)管76朝熱交換器30A、30B的下部引導(dǎo)。在入口導(dǎo)管76的端部處，冷凝介質(zhì)或富氮蒸氣的流釋放，且徑向地分散在殼40內(nèi)。為了進(jìn)一步改善冷凝蒸汽的流動分布，穿孔結(jié)構(gòu)可在圖7和圖8中的入口導(dǎo)管76的底部處使用。在分散時，冷凝介質(zhì)將在大體上向上和徑向地向外的方向上流至冷凝表面。

在圖9和圖10中，分別示出了熱虹吸類型的熱交換器30A和向下流類型的熱交換器30B的又一個實施例。正如圖5至圖8中的實施例，冷凝介質(zhì)入口74并非位于冷凝器-重沸器模塊14的底部和管板38處或附近，而是在冷凝器-重沸器模塊14的頂部和管板36處或附近。冷凝介質(zhì)優(yōu)選為富氮蒸氣，其從較高壓力塔的上部經(jīng)由殼40內(nèi)的入口導(dǎo)管76朝熱交換器30A、30B的下部引導(dǎo)。在入口導(dǎo)管76的端部處，存在擴(kuò)散器狀的分送器結(jié)構(gòu)79，其構(gòu)造成徑向地分送富氮蒸氣的流，且鄰近殼40的下部擴(kuò)散富氮蒸氣流。在從導(dǎo)管76釋放時，富氮蒸氣將在大體上向上和徑向地向外的方向上朝冷凝表面流動。一個或多個擋板67示為中心地設(shè)置在殼40內(nèi)，以在遠(yuǎn)離導(dǎo)管76的向外徑向方向上偏轉(zhuǎn)或推動殼40內(nèi)的釋放的富氮蒸氣的所得的向上流。擋板67還用作用于冷凝管55的最內(nèi)陣列的中心支承部件。

現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖17和18，示出了熱交換器30A的其它實施例。正如先前論述的圖13和14的實施例那樣，冷凝介質(zhì)入口位于冷凝器-重沸器模塊的頂部和管板36處或附近。正如其它實施例那樣，冷凝介質(zhì)優(yōu)選為富氮蒸氣，其從較高壓力塔的上部經(jīng)由殼40內(nèi)的入口導(dǎo)管76朝熱交換器30A的下部引導(dǎo)。向下流的冷凝介質(zhì)遇到整個沖擊板168，其中心地設(shè)置在殼40內(nèi)在殼體的垂直中間位置處。整個沖擊板168構(gòu)造成在大體上向上和徑向地向外的方向上朝冷凝表面徑向地分送富氮蒸氣的流。此外，帶有變化的開口面積的一個或多個擋板167示為中心地設(shè)置在殼40內(nèi)，以在向外徑向方向上朝冷凝管55上的冷凝表面偏轉(zhuǎn)或推動在殼40內(nèi)的富氮蒸氣的一部分。

如圖18中所示，整個沖擊板168可移動至殼體中的下部位置，以產(chǎn)生所需的流動分布，其將被稱為非冷凝物泡的非冷凝物的集合朝殼體的頂部推動，而不超過淹沒(flooding)極限。使整個沖擊板168移動至殼體內(nèi)的下部位置還可協(xié)助提供更高的流動面積，且減小在更大直徑的冷凝器模塊中的壓力下降。使整個沖擊板移動至下部位置允許使用附加擋板167。附加擋板167在徑向向外的方向上偏轉(zhuǎn)附加冷凝介質(zhì)，且因此使卷吸在偏轉(zhuǎn)流中的更大量的非可冷凝物朝冷凝器模塊的周邊且在較高的垂直位置處進(jìn)一步引導(dǎo)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的是，附加開口面積的擋板167的使用最小化了與非可冷凝物結(jié)合的熱傳遞區(qū)域，特別是在設(shè)置于殼體中的下部位置處的冷凝表面處。圖17和18中所示的整個沖擊板168和開口面積擋板167也可用作用于冷凝管55的最內(nèi)陣列的中心支承部件。

圖3至圖18中的實施例都包括一個或多個排放口或排放通路70，它們設(shè)置在熱交換器30A、30B的頂部處或附近，且構(gòu)造成從一個或多個冷凝器-重沸器模塊內(nèi)連續(xù)地除去累積的非可冷凝物。在一些實施例中，排放通路70可利用與排放通路70可操作地關(guān)聯(lián)的排放控制閥(未示出)來開啟和/或閉合。在開啟時，任何非可冷凝的物質(zhì)和累積的非可冷凝物從冷凝器-重沸器模塊14排出。圖示的排放通路70示為所有都沿?zé)峤粨Q器30A、30B的頂部設(shè)置，且示為從中心部分到周緣穿透管板36。

其它實施例使用穿孔排放管170來作為排放通路，如圖17至19中所示。此類穿孔排放管170設(shè)置在管束的周邊處，此處非可冷凝物(如氦和氖)通常將累積。穿孔排放管170的總數(shù)量取決于冷凝器的模塊尺寸，因為兩個相鄰穿孔排放管之間的徑向距離或間距應(yīng)當(dāng)優(yōu)選地是相同的，以便保持有效的非可冷凝物除去。

各個穿孔排放管170均具有多個孔口175，它們周向地圍繞圓柱形管設(shè)置且鄰近管的最上區(qū)段，以提供用于排放流的更大的橫截面流動面積，這減小了排放流的壓力下降。此外，用于排放流的橫截面流動面積在周邊方向和軸向方向兩者上都均勻地且一致地分布。在圖示的實施例中，多個1/8英寸的孔在圓柱形管的頂部或最上區(qū)段中鉆出，帶有孔之間的相等的垂直距離，且從任何相鄰的孔周邊地旋轉(zhuǎn)大約90°。多個穿孔排放管170在垂直定向上設(shè)置，在兩個相對的管板之間延伸，且大體上平行于冷凝管。各個穿孔排放管170穿透或延伸穿過最上管板36，且具有開口端177，如圖所示，其沿?zé)峤粨Q器的頂部定位。該布置對于空氣分離應(yīng)用中的氖回收特別有利，因為穿過冷凝器的富氮蒸氣流的較低壓力下降或delta壓力提供了更多的溫度驅(qū)動力來用于冷凝氮，同時使所得的排放流富含粗氖。

本發(fā)明涉及下列技術(shù)方案：

技術(shù)方案1. 一種用于基于蒸餾塔的空氣分離單元的冷凝和汽化系統(tǒng)，包括：

一個或多個冷凝器-重沸器模塊，其具有殼體，殼體限定了頂部、底部、一個或多個側(cè)向側(cè)、上部和下部，一個或多個冷凝器-重沸器模塊設(shè)置在較低壓力塔與較高壓力塔之間，且構(gòu)造成在冷凝入口處接收冷凝介質(zhì)，在富氧液體入口處接收來自較低壓力塔的富氧液體，且還限定了鄰近底部的冷凝物出口和富氧流出物出口；

熱交換器，其設(shè)置在一個或多個冷凝器-重沸器模塊中，熱交換器構(gòu)造成部分地汽化形成富氧流出物的富氧液體，且冷凝形成冷凝物的冷凝介質(zhì)；

其中，冷凝介質(zhì)在鄰近殼體的底部的冷凝器-重沸器模塊中的熱交換器內(nèi)釋放，且在向上和徑向向外的方向上在一個或多個冷凝器-重沸器模塊內(nèi)流動，且在冷凝介質(zhì)中存在的非可冷凝物累積為鄰近一個或多個冷凝器-重沸器模塊的上部或頂部；以及

一個或多個排放口，其設(shè)置在一個或多個冷凝器-重沸器模塊的外周上，且構(gòu)造成從一個或多個冷凝器-重沸器模塊內(nèi)除去累積的非可冷凝物。

2. 根據(jù)技術(shù)方案1所述的系統(tǒng)，其中，一個或多個排放口設(shè)置成鄰近殼體的上部或頂部。

3. 根據(jù)技術(shù)方案1所述的系統(tǒng)，其中，一個或多個排放口還包括多個穿孔管，它們設(shè)置在殼體的外周上且沿其側(cè)向側(cè)的全部或一部分垂直地延伸。

4. 根據(jù)技術(shù)方案3所述的系統(tǒng)，其中，穿孔管中的各個還包括：

管狀成形本體，其限定了開口端、外表面和內(nèi)部空間，且具有從外表面至內(nèi)部空間的多個孔口或孔；以及

其中，穿孔管構(gòu)造成與冷凝介質(zhì)接觸，使得冷凝介質(zhì)中的非可冷凝物穿過孔傳送到內(nèi)部空間中，且經(jīng)由開口端從冷凝器-重沸器模塊排放。

5. 根據(jù)技術(shù)方案4所述的系統(tǒng)，其中，穿孔管的開口端設(shè)置成鄰近殼體的上部或頂部。

6. 根據(jù)技術(shù)方案4所述的系統(tǒng)，其中，孔口或孔圍繞管狀成形本體的外表面的外周設(shè)置。

7. 根據(jù)技術(shù)方案4所述的系統(tǒng)，其中，孔口或孔設(shè)置在鄰近開口端的管狀本體的最上部上。

8. 根據(jù)技術(shù)方案3所述的系統(tǒng)，其中，熱交換器為殼和管熱交換器，包括：

兩個相對的管板；

連接兩個相對的管板的圓柱形殼；以及

多個冷凝管，它們在兩個相對的管板之間延伸，用于在多個管內(nèi)流動的富氧液體與在圓柱形殼內(nèi)向上且徑向地向外流動的冷凝介質(zhì)之間間接地交換熱。

9. 根據(jù)技術(shù)方案3所述的系統(tǒng)，熱交換器為向下流類型的熱交換器，且富氧液體入口設(shè)置成鄰近用于一個或多個冷凝器-重整器模塊的殼體的頂部，且富氧流出物出口設(shè)置成鄰近冷凝器-重沸器模塊的底部。

10. 根據(jù)技術(shù)方案3所述的系統(tǒng)，其中，熱交換器為熱虹吸熱交換器，且富氧液體入口設(shè)置成鄰近冷凝器-重沸器模塊的底部，且富氧流出物出口設(shè)置成鄰近用于一個或多個冷凝器-重沸器模塊的殼體的頂部，并且其中，在較低壓力塔的底部處的富氧液體供應(yīng)至冷凝器-重沸器模塊來用于重沸。

11. 根據(jù)技術(shù)方案3所述的系統(tǒng)，其中，冷凝器出口設(shè)置成鄰近用于一個或多個冷凝器-重沸器模塊的殼體的底部，且圍繞冷凝介質(zhì)入口同心地設(shè)置。

12. 根據(jù)技術(shù)方案3所述的系統(tǒng)，其中，冷凝物出口設(shè)置成鄰近用于一個或多個冷凝器-重沸器模塊的殼體的底部，且鄰近殼體的側(cè)向側(cè)或周緣。

13. 根據(jù)技術(shù)方案3所述的系統(tǒng)，其中，系統(tǒng)還包括沖擊板，其中心地設(shè)置在用于一個或多個冷凝器-重沸器模塊的殼體的中部或下部中，且構(gòu)造成偏轉(zhuǎn)進(jìn)入的冷凝介質(zhì)的流，以徑向地分散冷凝介質(zhì)至冷凝管的冷凝表面。

14. 根據(jù)技術(shù)方案13所述的系統(tǒng)，其中，系統(tǒng)還包括多個擋板，它們中心地設(shè)置在沖擊板上方的殼體中，且構(gòu)造成偏轉(zhuǎn)或擴(kuò)散冷凝介質(zhì)的一部分，以徑向地分散冷凝介質(zhì)的一部分，且朝設(shè)置在殼體的外周上的穿孔管來分散非可冷凝物。

15. 根據(jù)技術(shù)方案13所述的系統(tǒng)，其中，冷凝介質(zhì)入口設(shè)置在殼體的頂部或側(cè)向側(cè)處，且經(jīng)由導(dǎo)管來引導(dǎo)至沖擊板。

16. 根據(jù)技術(shù)方案3所述的系統(tǒng)，其中，系統(tǒng)還包括非可冷凝物回收系統(tǒng)，其聯(lián)接到穿孔管上，且構(gòu)造成凈化和回收除去的非可冷凝物。

本發(fā)明還涉及下列技術(shù)方案：

17. 一種用于執(zhí)行低溫空氣分離的方法，包括：

通過低溫精餾來在較高壓力塔內(nèi)分離進(jìn)料空氣，以產(chǎn)生富氮蒸氣和富氧流體，使富氧流體從較高壓力塔通入較低壓力塔中，且通過低溫精餾來在較低壓力塔內(nèi)產(chǎn)生富氧液體；

將富氧液體和冷凝介質(zhì)引導(dǎo)至具有多個垂直地定向的管的一個或多個冷凝器-重沸器模塊；

通過在一個或多個冷凝器-重沸器模塊中的多個垂直地定向的管來部分地汽化富氧液體；

將冷凝介質(zhì)釋放到一個或多個冷凝器-重沸器模塊的中心部分中，以便在徑向向外方向上流過一個或多個冷凝器-重沸器模塊，且與垂直地定向的管的冷凝表面接觸，以通過與部分地氣化的富氧液體進(jìn)行間接熱交換來冷凝該冷凝介質(zhì)，且產(chǎn)生冷凝物和富氧流出物，其中存在于冷凝介質(zhì)中的非可冷凝物累積為鄰近一個或多個冷凝器-重沸器模塊的上部或頂部；以及

經(jīng)由設(shè)置在冷凝器-重沸器模塊的周邊上的多個穿孔排放管來從一個或多個冷凝器-重沸器模塊內(nèi)除去累積的非可冷凝物。

18. 根據(jù)技術(shù)方案17所述的方法，其中，將冷凝介質(zhì)釋放到一個或多個冷凝器-重沸器模塊的中心部分中的步驟還包括以下步驟：

將冷凝介質(zhì)的流在向下定向上從一個或多個冷凝器-重沸器模塊的頂部引導(dǎo)，或在向上定向上從一個或多個冷凝器-重沸器模塊的頂部引導(dǎo)；以及

使冷凝介質(zhì)的流撞擊在一個或多個擋板或沖擊板上，以使冷凝介質(zhì)在徑向向外方向上分散穿過一個或多個冷凝器-重沸器模塊。

19. 根據(jù)技術(shù)方案17所述的方法，其中，多個穿孔管各自具有管狀成形本體，管狀成形本體限定了開口端、外表面和內(nèi)部空間，且具有從外表面到內(nèi)部空間的多個孔口或孔，它們構(gòu)造成經(jīng)由孔口或孔來將累積的非可冷凝物從一個或多個冷凝器-重沸器模塊內(nèi)除去到穿孔管的內(nèi)部空間。

20. 根據(jù)技術(shù)方案19所述的方法，還包括下列步驟：凈化經(jīng)由穿孔的排放管從一個或多個冷凝器-重沸器模塊除去的非可冷凝物的一部分，以及回收凈化的非可冷凝物。

本發(fā)明還涉及下列技術(shù)方案：

21. 一種用于構(gòu)造成用于在冷凝器中使用的排放裝置，排放裝置包括：

多個穿孔管，它們各自具有管狀成形本體，管狀成形本體限定了開口端、外表面和內(nèi)部空間的，且具有從外表面到內(nèi)部空間的多個孔口或孔；以及

排放歧管，其流體地聯(lián)接多個穿孔管的開口端；

其中，穿孔管設(shè)置在冷凝器殼體的內(nèi)周邊上，且沿其全部或一部分垂直地延伸；以及

其中，多個穿孔管構(gòu)造成與在冷凝器殼體內(nèi)的冷凝介質(zhì)接觸，使得冷凝介質(zhì)中的非可冷凝物通過孔傳送到內(nèi)部空間中，且經(jīng)由開口端從冷凝器-重沸器模塊排放。

22. 根據(jù)技術(shù)方案21所述的排放裝置，其中，穿孔管的開口端在鄰近冷凝器殼體的上部或頂部的位置處延伸至冷凝器殼體的外部。

23. 根據(jù)技術(shù)方案21所述的排放裝置，其中，孔口或孔圍繞管狀成形本體的外表面的周邊設(shè)置。

24. 根據(jù)技術(shù)方案21所述的排放裝置，其中，孔口或孔設(shè)置在鄰近開口端的管狀本體的上部上。

25. 根據(jù)技術(shù)方案21所述的排放裝置，其中，穿孔管圍繞冷凝器殼體的整個內(nèi)周邊均勻地且一致地設(shè)置。

26. 根據(jù)技術(shù)方案21所述的排放裝置，其中，排放裝置還包括非可冷凝物回收系統(tǒng)，其聯(lián)接到排放歧管上，且構(gòu)造成凈化或回收從多個穿孔管收集的非可冷凝物。

盡管本發(fā)明已以各種方式特征化且與優(yōu)選實施例相關(guān)聯(lián)來描述，但如本領(lǐng)域技術(shù)人員將想到的那樣，可制作出至其的很多添加、改變和改型，而不脫離如所附權(quán)利要求中闡述的本發(fā)明的精神和范圍。