CN1010461B - 填充元件及使用方法 - Google Patents

Abstract

本文所述的一种交换室的填充技术，以促进两种流体之间的反应。波纹填充板的配置应使它们具有不同的波纹方向。板的特点是有孔口将板的脊部断开，并且有相应的突条伸向波纹槽部。孔口除了可使第二种流体流过之外，还可以提供滴端，使流体之一的液体流过孔口。在孔口与它们断开的脊部的相交处的唇部，将跨越孔口的液体截住，使之导向脊的下面。

Description

本发明涉及增强两种流体之间的交换过程的技术。更具体地说，本发明涉及应用于诸如质量交换或热交换过程的交换室中的填充元件或装置及其交换方法。

许多工业用的化学加工方法和其它方法都涉及质量交换或热交换，并且采用填充塔或室来完成这些步骤。这些方法包括有精馏、吸收和解吸，气体净化和干燥以及诸如过滤等各种生物方法。两种流体，通常是一种气体和一种液体（虽然也可以用两种液体）在一个室内被混合，常用逆流流向，其中两种流体通常是沿着相同的流动轴线按相反方向流动。在顺流装置中，两种流体通常沿着单一的流动轴线按相同方向流动。在错流（Cross-Current）装置中，两种流体则沿着两个单独的相交流动轴线流动。

各过程的质量交换速率和/或反应速率随着室内液体所能湿润的有效表面面积的增加而加快。两种流体将在该处互相接合。填充元件被放置在室内，以增加可供这种接合的表面积。已经使用过的一种填充装置包含互相平行波纹板的多层结构。

这些板通常由编织板或实体板制成，彼此相互接触而配置，使波纹、即脊部和槽部的方向与总流动方向成一角度，而同时板本身则放置在平行于该方向的平面内。因此，流体流从总流动方向偏转，结果，沿着总流动通道的各个位置上的流动分布不均匀。这种不均匀性是个严重的缺点，在交换过程中，当其中一种流体是气体时，均匀分布是重要的。

波纹板填充元件还有另一个缺点，液体倾向于流到波纹下，而不是 均匀复盖板的表面，同时从一波纹流向其它波纹。这种“沟流”作用，由于减少接合面积并且流体混合的程度很低，将显著降低交换效率。

本发明的目的是提供一种填充体技术，以便通过在交换过程中减小液体流的沟流作用，增加供流体和流体互相反应的湿润表面积，减小气流阻力，总的增加两种流体之间互间混合和相互暴露的表面，以便增强在交换过程中两种液体之间互相反应的机会。

根据本发明，一种用于两种流体之间的交换过程的填充元件，包括一种波纹板，其上至少有一个孔口和相应的突条，突条从孔口局部移开并伸出，使一种或两种流体可从孔口流过。可以组成波纹板装置，使各板相互平行配置，并使各板的波纹方向彼此不平行。在该装置中，一块或几块板的特征是至少一个这样的孔口与突条的组合。

每个突条可以从相应孔口的至少一端伸展，突条在该端与板连接。孔口可跨越波纹脊部，不是在脊部上取中，就是部分偏离脊部。然后突条向波纹槽部一侧伸展，可对波纹起结构支撑件的作用。

孔口可以是直的或是弯曲的，至少其局部由板的成形边所限定，通常至少有一个突边伸入孔口内。在后一情况下，孔口突边可位于波纹脊部的下侧，起液体滴端的作用。例如，这种滴端可位于同一波纹板的突条上方，使从孔口突边滴下的液体可下落到下面的突条上。突条的特征是也可以有一个成形边，形成至少一个液体滴端，供液体从突边下落。通常，突边可以有任意形状。这果所述是有V形尖端的条边。在孔口与脊部相交的地方，孔口的下边缘的特征是可以有伸展的唇部，以截集企图跨越孔口的液体，使该液体可以流到波纹板的通常是位于孔口下面的下侧表面上并使之湿润。一种形式的唇部是在板成波纹以前，在突边两个V形突端之间制成的。

另一相邻的波纹板可以共同限定或至少部分限定配置有一个或多个孔口和突边的隔室。这些隔室可以由一块波纹板的一个脊部及另一相邻 脊部与另一块相邻波纹板的一个脊部及另一个相邻脊部共同限定。

在本发明的一种方法中，两种流体可以流过波纹板装置，使其中一种液体向下流过孔口，从孔口突边滴下。如果液体流的流率足够高，而使液体企图跨越孔口，在所有情况下的孔口唇部就可以截集跨越的液体，将其导向相应波纹的下侧，以增加湿润。液体从孔口突边，甚至从突条突边滴下，使液体沿着波纹板进一步分布，并增大液体对流体的暴露程度，第二种流体还可以穿过孔口。孔口和突条还可增加流体的湍流，特别是在气体流的情况下。

正如这里所使用的，交换过程包括热交换、质量交换或任何其它学和/或物理过程，其中，在至少两种流体之间进行任何形式的能量或质量的相互转换。交换室可以是任意的罩壳，包含柱或塔，使互相反应的流体在其中流过，其中可以配置根据本发明的填充体。流动轴线是指流体的总流动方向，例如在没有填充体的情况下，流体流过该罩壳的方向。填充体的插入使流体从流动轴线局部改变方向。

附图图面说明如下：

图1是根据本发明的带有孔口和突条的波纹填充板装置的局部分解立体图;

图2是图1所示填充装置的侧视图，示出最前面的填充元件板，并用虚线表示另一相邻填充元件的脊线;

图3的图1和图2所示填充装置沿着图2的3-3线看去的端视图;

图4是沿着图2的4-4线截取的填充装置的局部放大剖视图;

图5是一块带有孔口和突条切缝，并且未进行波纹成形和突条延伸之前的板料片段的局部放大图，图中表示板成波纹形时形成脊部和槽部的位置，并用虚线表示填充装置中另一相邻板的脊线位置;

图6是根据本发明，在填充元件上切缝和成形突条的位置上的冲模和凹模的侧剖视图;

图7是类似于图6的视图，但表示出已形成的孔口和突条;

图8是用筛网制成的带有直孔口和突条的填充板的局部视图;

图9是沿图8的9-9线看去的筛网填充元件的侧视图;

图10是沿图8的10-10线截取的筛网填充元件的剖视图;

图11是根据本发明的填充板的局部放大侧视图，表示出在孔口和脊部相交处的唇部结构;

图12是沿图11中12-12线截取的突条和孔口并包括唇部的局部放大剖视图;

图13是类似于图11的视图，但表示出不同的突缘和孔口结构;

图14是沿图13中14-14线截取的突条、孔口和突缘的局部放大剖视图。

下面结合附图叙述本发明的最佳实施例。

根据本发明的填充装置在图1-3中用标号10表示，它包括多个（图中所示为5个）填充元件12、14、16、18和20。各填充元件12-20按相同方式制造，在装置10中的方位如图所示。例如，图1和图2所示的最前面的元件12，包括一块成波纹形的板，板的两面提供有一个或多个脊部12a和一个或多个槽部12b，二者相间布置，应该理解，板一侧上的脊部总是伴随着在其反面一侧上的槽部。

图5表示最前面的板12在成波纹形以前的一部分，在图中用12′表示。在板12′的可见一侧，形成脊部的位置用实线12a表示，而形成槽部的位置用点划线12b表示。如图所示，未弯折板12′的形状是偏菱形，当形成波纹形后，其视图变成长方形，如图2所示。板12′弯折以后，从视图上看，其波纹，即脊12a和槽12b相对于弯折板12的边缘成45°角。

把所有的板12-20如同板12一样形成波纹形状，相间调转板的位置，使一块板的波纹与相邻的另一块的波纹互成一个角度，在这里该角度是 90°，这样就可以将各板配置组成装置10。

各板12-20可以配置一个或多个孔口22和相应的突条24，如图所示。在图5中，所示平板12′带有一排标记12c，在该位置把板切出缝来，当板波纹形之后，可形成一排孔和突条。切缝的布置可以越过分别形成波纹脊和槽的线12a和12b，如图所示。当板12′成波纹形，可把突条24从孔口22拉开，使脊部由开出的孔口断开，在所有情况下，相应的突条在板的槽部一侧，从孔口伸展出来。突条24就这样从孔口22局部移出，突条的两端仍与板12相连接为了提供足够的材料以便移出突条24，以及在突条处提供更多的气流面积，形成波纹形的折叠内角可以小于90°，建议为60°左右。

在图1-5所示的实施例中，形成孔口22和突条24的切缝成一角度，以便使各孔口产生例如V形边22a，局部突入并限定孔口的周边，并使各突条产生V形边24a，如图所示。而且，形成孔口22和突条24的切缝偏离板12′上的脊部12a和槽部12b的形成线。其结果可以从参考图1-3中理解到，在其相应的脊部下侧有一排孔口22，其突边具有V形尖端22a，而在其相应的槽部12b的下侧有突边24，其突边具有V形尖端24a。

当包括一个或多个本发明的波纹填充元件的装置应用于交换室时，板的方位通常可平行于交换过程中所涉及的一种或两种流体的流动轴线，但是波纹形的弯折方向与各板中的至少一种流体的流动轴线是不平行的。举例来说，在图1-4中的板波纹通常沿对角线布置，即相对于垂直方向成45°角。液体的流动轴线可以是垂直的，通常液体向下流动;而气体的流动轴线可以是水平的，平行于图2所在页面的平面，或者是垂直的，通常气体总的向上流动。再者，在孔口22的孔口V形尖端22a处和在突条V形尖端24a处通常都是L形形状。然而，V形尖端22a和24a还指向一个总的向下方向，由相应的波纹弯折方向所确定（在图2中，对板12来说是向下向左）。由于液体通常穿过填充装置向下流动，液体总的沿 着每个填充板的波纹方向漂流。因此，液体可沿着板表面流动，并汇集在孔口V形尖端22a和突条V形尖端24a处，在所有情况下都形成水滴，然后从相应的V形尖端向下滴落。参照图1和图4可以理解到，把填充板12如图所示那样垂直定位，孔口V形尖端22a通常位于同一板的另一相邻槽12b的突条24的上方。因此，从V形尖端22a滴下的液体，可以直接落到在其下面的突条24上。孔口V形尖端22a可以向外弯曲，调节其相对于下面面突条24的位置，并使孔口V形尖端定向，使接近垂直形状，以便增大其液体汇集能力，以形成水滴。

在脊部12a上的孔口22中断处，提供通道以增强气体流过填充装置10的程度，通常还减小气体流过该装置的阻力。另外，孔口22使液体能够从板12的一面向相反的一面流过，以增大液体在板面上的分布。这样，在板12一侧上，沿着槽12b和脊12a之间的表面流过的液体可以流过孔口22，形成一个或多个液滴，并下落到下面的突条24上。液体从孔口V形滴端22a向下面的突条24的移动过程，通常在全部侧面上把液体暴露到气流中。同样，液体从突条的V形滴端24a滴到下面的槽12b和脊12a之间的板面时，在其下落的过程中，通常也在其全部侧面上暴露到气流中。上文所讨论过的孔口突边的弯曲也使气流中断，可增加气流的湍流程度。

液体流过填充装置10的情况，在某些程度上可受到液体流速的影响。例如，对于一定的粘度来说，沿着填充元件12的液体流速可能非常之高，使液体沿着槽12b和脊12a之间的表面流过时，可能跨越孔口22，而不是从孔口的V形尖端22a落下。跨越的液体通常在板面的顶侧上，在槽12b和脊12a之间继续移动。孔口22的宽度可以增加，以提供足够大的间隙来防止可能的跨越。

图11和图12表示一块有V形孔口32和相应的V形突条34的填充元件板30的一部分，带有孔口滴端32a和突条滴端34a沿着局部限定孔口32 的表面，该孔口和脊30a相交，特别是在孔口与脊相交处的下边缘，板被折成一个唇部36，在该处向板的槽部一侧伸展。每个唇部36的特点是有上表面36a和下表面36b，它们组合成一个凹处。下表面36b的布置应使企图跨越孔口32的液体，至少其一部分可以由下表面36b截留在凹处内，并且在液体开始流动的板面的另一相反面上，沿着在脊30a和槽30b之间的板30的下侧面进行导向。更具体地说，如图12所示，当液体跨越孔口时，借助于唇部表面36b的截留作用，液体可以从孔口32上方的板面30c穿过孔口32，流向孔口下面的板面30d。这样，流动液体在填充装置表面上的分布增大了，从而增加了液体和气体交换过程的互相作用表面，使之包含波纹的下侧表面。

图13和14表示另一块填充元件板40的一部分，其W形孔口42和相应的W形突条44分别带有V形尖端42a形式的孔口液滴突边和V形尖端44a及44b形式的突条液滴突边。在板40成波纹形以前，切出限定孔口和突条边缘的W的切缝，使孔口尖端42b和突条尖端44b分别位于所要求的脊线上。当板40成波纹形，孔口V形尖端42a可提供一个滴端，通常位于脊线的下面，类似于图1-3中板12的V形孔口的情况下的孔口V形尖端22a。同样地，突条V形尖端44b可位于一个L上，起滴端的作用，通常从相应槽线向下，类似于图1-3中板12的突条V形尖端24a。另外，板40的每个W形突条44的特点是第二V形尖端44b通常高于滴端44a，但它也可起滴端的作用。

在形成突条V形尖端44a和44b的切缝的凹入处提供一个向上伸展的V形突缘46，在板40成波纹形时，突缘46通常伸入孔口42。突缘通常从波纹表面的平面向上成一角度，如图13和14所示。其次，液体通常沿上板面40c向下流动，遇到孔口42并企图跨越孔口，至少部分液体就可以由向上伸展的突缘46所截留，并导向板的下侧面40d。这样，流动液体在填充装置表面上的分布就增大到包含波纹的下侧表面，以增大供液 体和气体交换过程的互相作用表面。应该理解，在板40上形成每个孔口的上部的切缝，确定孔口尖端42a和42b，切缝可以是V形而不是W形的，免去脊尖端42b而只保留滴端42a。

通常，填充元件板可以用任意材料制成，例如，只要有足够的波纹成形的刚度，并且当放置在交换室内时能保持其形状就可以了。可以使用具有除了由于孔口和突条所形成的孔口之外的连续的金属薄板，如图1-5，11和12所示。不过，也可以使用其它种类的材料。例如，图8-10所示的填充元件板50的一部分就是一种筛网形式，带有波纹脊50a和50b。筛网板50在横过脊线50a的地方被切割以形成孔口52和相应的突条54，其方式与在连续薄板12提供孔口22和突条24的情况大部分相同。不过，筛网板50的孔口52和突条54的结构并不设有V形滴端，而是被脊线50a所对开，即孔口和突条通常在波纹脊部上对中。

对于液流来说，板50的筛网属性使低粘度液体可以通过板。实际上所有的板面不需要诸如图11和12中所示的唇部36，也不需要诸如图13和14中所示的突缘46。而且，低粘度液体能够穿过筛网以湿润板50的两侧，而且，只有当液体流速很高时，液体才倾向于跨越由足够宽的孔口52所提供的在脊线上的缝隙。否则，液体遇到孔口52，将企图流过孔口并向下滴落到下面的板面上。

按照本发明的填充元件上的孔口和突条，可以在制造元件的板上冲制而成。图6和图7所示为冲模60和凹模62的组合，它们的形状使之可以在按照本发明的填料元件板上成形孔口和突条。还未形成波纹的板70，放置在横过凹模62的顶面位置上。把凸模60急剧向下移入凹模的内部形状62a内，冲出切缝72和成形出突条74，随材料的移出而形成孔口，如箭头A所指出的那样，它还指示出冲模60随后从凹模内侧的移出情况，然后将板70从凹模62上抬起，把突条74从凹模内侧62a抽出。

为了有助于突条74从凹模内侧62a的移出，并且对突条74的至少一 部分给出加强斜角，冲模60的特点是沿着每个切割边60a有向下的内弯曲部分。凹模62的特点是通常有互补形状的容纳沟槽62b。因此，当冲模60将突条74拉伸到凹模内侧底部时，突条材料被模压出向下延伸的弧形边缘74a，如图7所示。之后，当板70从凹模62抬起时，突条边缘74a的向下弯曲部分便于突条74从凹模内侧62a的移出，不会使突条发生由于沿着凹模内壁曳出所引起弯曲或变形。

如图7所示，对突条边缘的至少一部分提供斜角，就可以加强突条。而且，由于突条横过板的槽部而延伸，突条在波纹面之间起支撑柱的作用，进一步加强填充板以保持其波纹形状。通常，突条在需要时可进一步成形，以确保其在孔口V形滴端下面的部位接受从上面滴下的液体。这种附加的弯曲和成形，参照图4所示的突条24就可理解，其中突条被弯曲，以确保其位置处在相应的孔口V形滴端下面。

除了增强两种流过填充装置的流体的混合之外，这种装置的孔口和突条还提供附加通路，供两种流体通过，并且中断各液体的流动。例如，液体通过孔口滴落到突条上，再从突条落到下表面上，所提供的液体运动在原来是不存在的。孔口不仅为气体通过板提供通道，还可增加气流的湍流。

参考图1-5就可以理解，由一块板上的一对相邻波纹脊同另一块板上的一对相邻脊互相配合，使这两对脊彼此相对，就可使两相邻填充板限定一个区域，即隔室。板的孔口和突条可以这样配置，使一块这样的板的预定数目的孔口和突条安置在这样的隔室内。

虽然这里所描述的孔口和突条带有单个滴端，以及突条带有双滴端，应该理解，也可以使用带有任意数目突边或滴端的孔口和突条。而且，孔口和突条边可以是圆头、尖的或任何适当的形状，使液体可从其上滴下。

可以理解，单个诸如12的填充元件可以为填充装置提供交换过程、 而且，填充元件的实际周边可以从这里所示的形状改变成特定形状，例如以适应使用填充装置的专门交换室的需要。有关流体的流动轴线可以是不同的角度，而不是前文所讨论的相应于图1-3的垂直和/或水平方向，但是波纹方向最好不要平行于任何一种流体的流动轴线。虽然在图1和图3里所示的填充装置，其波纹填充元件相互直接邻接，填充板也可以隔开，甚至与其它填充装置或薄板（图中未示）交替配置。而且，在给定板上的孔口和突条的排列可以改变成按规则图案排列而不是如这里所示的那样，也可以按不规则图案排列。孔口和突条的数目，以及它们在一块填充元件上的密度可以改变，一块填充元件可以只包括一个这种孔口和突条的组合。最后，在一个给定的填充装置中，并不是所有的波纹元件都需要设有孔口和突条。

本发明在前文中的公开和叙述，是对发明的举例和说明，对所述设备的细节和法的各步骤都可以在权利要求的范围内进行各种改变而不脱离本发明的精神。

Claims (25)

1、一种用于交换设备的具有波纹板的填充元件，在交换设备中二种流体可以互相反应，波纹板放置在所述设备内，所述板的波纹方向与所述设备内的至少一种所述流体的流动轴线互相不平行，其特征在于所述板有至少一个孔口和相应的在孔口两端与板连接的突条，该孔口跨越波纹脊，而突条从该孔口伸出并在波纹的槽部一侧内伸展。

2、根据权利要求1所述的填充元件，其特征是还包括至少一个具有成形边的孔口，通常至少有一个突边伸向所述孔口，使所述流体之一的液体可从所述孔口的突边滴下。

3、根据权利要求2所述的填充元件，其特征是至少一个孔口的突边通常可能位于一个突条的上边使所述液体可以从所述孔口突边滴到所述突条上。

4、根据权利要求1所述的填充元件，其特征是还包括至少一个具有成形边的突条，有至少一个突边从所述突条突出，使所述流体之一的液体可以从所述突条的突边滴下。

5、根据权利要求1所述的填充元件，其特征是在所述至少一个孔口与板的波纹脊相交的地方的下边缘上还包括一唇部，该唇部的伸展使跨越所述孔口的所述液体可以流到板波纹的下侧面。

6、根据权利要求1所述的填充元件，其特征是还包括至少一个具有成形边的孔口，通常有至少一个突边伸入所述孔口，相应的突条包含一条成形边，其至少两个突边从所述突条突出，通常是向上伸展的唇部，使跨越所述孔口的所述流体之一的液体流到板波纹的下侧面。

7、根据权利要求1所述的填充元件，其特征是每个孔口和相应的突条通常都在板的波纹脊上对中。

8、根据权利要求1所述的填充元件，其特征是每个孔口和相应的突条通常从板的波纹脊向下局部偏移。

9、根据权利要求1所述的填充元件，其特征是所述板的材料通常至少其一部分是连续的。

10、根据权利要求1所述的填充元件，其特征是所述板的材料包括筛网。

11、根据权利要求1所述的填充元件，其特征是所述孔口和突条通常是按规则排列而布置在所述板上。

12、根据权利要求1所述的填充元件，其特征是至少一个突条包括支撑柱，在所述板的两相邻波纹脊之间提供支撑。

13、一种具有多个如权利要求1至12中任一项所述的填充元件的装置，其特征是其多个波纹板互相平行配置，每个所述板的波纹与另一个波纹板的波纹互相不平行。

14、根据权利要求13所述的装置，其特征是，一块板的一个波纹脊及所述同一块板的另一相邻脊与一块相邻板的脊及所述另一块的另一相邻脊共同配合以限定，至少局部限定一个隔室，只有一个突条被配置在所述隔室内。

15、根据权利要求13所述的装置，其特征是块板的一个波纹脊及所述同一块板的另一相邻脊与另一块相邻板的脊及所述另一块板的另一相邻脊共同配合以至少局部限定一个隔室，多个突条被配置在所述隔室内。

16、根据权利要求13所述的装置，其特征是通常沿着至少一个所述流体的流动轴线串联布置一个或多个同样的装置，使两相邻装置的板相互不平行。

17、一种在两种流体之间进行交换过程的方法，包括以下步骤：

在交换室内设置多个互相平行放置的波纹板，使每个所述板的波纹与另一个波纹板的波纹互相不平行，

其特征在于还包括以下步骤：

使一个或多个板配置一个或多个孔口和相应的突条，使每个孔口跨越波纹脊，而相应的突条在孔口两端与板连接并从孔口伸出而在波纹的槽部一侧内伸展，

使两种流体流过所述多个板。

18、根据权利要求17所述的方法，其特征是还包括使作为这种流体之一的液体流过所述多个板的步骤。

19、根据权利要求18所述的方法，其特征是使至少一个孔口的局部由一条成形边所限定，通常至少使一个突边伸向孔口，可使所述液体从该处滴下。

20、根据权利要求19所述的方法，其特征是使所述液体从所述孔口突边滴落到突条上。

21、根据权利要求17所述的方法，其特征是还包括使作为这种流体之一的液体从突条滴下的步骤。

22、根据权利要求17所述的方法，其特征是还包括提供配置所述板的步骤，使一块板的波纹脊及另一相邻脊与另一相邻板的脊及另一相邻脊共同配合，以便至少部分限定一个隔室。

23、根据权利要求22所述的方法，其特征是在所述隔室内只配置一个突条。

24、根据权利要求22所述的方法，其特征是在所述隔室内配置多个突条。

25、根据权利要求17所述的方法，其特征是还包括在至少一个孔口的下边缘上提供一个唇部的步骤，使所述唇部伸展，以使跨越孔口的这种流体之一的液体流到板波纹的下侧面。

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