CN101553307A - 随机填料构件和含有填料构件的圆筒 - Google Patents

Abstract

一种鞍座形随机填料构件，设有一对侧向间隔开的、拱形侧构件和多个内部和外部肋构件，所述肋构件从侧构件并在侧构件之间延伸而形成内部体积。至少一个较小的肋构件从侧构件延伸并至少部分地定位在内部体积内，以使填料构件的表面面积的至少约20％定位在内部体积内。

Description

随机填料构件和含有填料构件的圆筒

相关申请的交叉引用

本申请根据35U.S.C.§119(e)款要求对2006年10月10日提交的美国临时申请No.60/828,900的优先权，本文援引该申请的全部内容以供参考。

技术领域

本发明总地涉及用于化学过程的质量传递装置和质量传递反应器和圆筒，具体来说，涉及用于这种反应器和圆筒的随机填料。本发明还涉及制造和使用这种随机填料构件的方法。

背景技术

随机或倾注的填料构件通常用于气-液或液-液接触塔或圆筒内，以在向下流动的流体(通常为液体流)和向上流动的流体(通常为气体或蒸气流或其它液体流)之间提供质量传递表面。随机填料构件可用于各种化学和处理过程中，例如，精馏、汽提、分馏、吸收、分离、清洗、萃取，或任何其它的化学、热交换或处理型的过程。一般来说，离散的随机填料构件具有特殊的几何形，并设计成对于给定的质量传递表面面积的性能最大。因为随机填料构件通常是倾注或随机地装填在任意定向的填料床内的筒体壳内，当填料构件定位在填料床内的多个转动定向中时，要求个别的随机填料构件具有高的质量传递效率和良好的水力能力。

现有技术的随机填料构件呈现各种形状和材料。一般地，随机填料构件用金属、陶瓷型材料、塑料、玻璃等制成。通常，随机填料构件是圆筒形、拱形或“鞍座形”，或具有其它非拱形的形状，例如，球形、螺线管形等。现有技术的随机填料构件一个缺点在于，构件性能常常高度依赖于其构造和其相对于流体流通过填料床内构件的流动方向的定向。例如，Pall环是一种众所周知的圆柱形填料，其具有多个开槽壁和内部舌或突出。当沿着环的纵向轴线观看时，Pall环呈现用于质量传递的非常小的表面面积，但当垂直于环纵向轴线观看时，该构件就呈现非常大的表面面积。因为该种差别，可供给蒸气/液体或液体-液体接触的表面面积随构件的定向而变化，这最终影响构件的特性。此外，沿垂直于Pall环的纵向轴线方向的较大表面面积的缺点在于，其倾向于“遮挡”或阻挡沿下游流动方向流过紧密相邻的环的流体。

美国专利No.5,112,536(本文也称其为’536专利)公开了一种随机填料构件，其在全部体积内具有更加均匀的表面面积分布。这里揭示的鞍座形随机填料构件包括交替的拱形内部和外部肋构件，它们形成内部空间。尽管’536专利中揭示的填料构件对现有技术的其它随机填料构件提供了改进，但它也包括有可阻碍其特性的局限性。例如，’536专利中公开的填料构件的曲率致使内部肋构件紧密地一起定位在相同的曲面内，由此，限制了流体流通过构件的流动路径。此外，因为’536专利的填料构件的各肋大致中心地纵向对齐，所以，流体流遇到的第一肋构件通常遮挡其后的肋构件与流体接触。该遮挡效应可降低质量传输效率，因其减小了构件用于质量传递和/或传热的有效表面面积。此外，尽管’536专利揭示了能够切割一个或多个肋构件和将不连续的端部弯曲到内部体积内，但’536专利的随机填料构件的表面面积量仍保持在其内部体积之外。

美国专利第5,882,772号中披露了另一类型的随机填料构件。在该专利中，设有多个单独的条，且每根条在平面外部网附连区域之间以大致正弦曲线方式延伸。美国专利第5,543,088号中披露了类似的随机填料构件，其中多根条在平坦端部附连区域之间延伸。在这两个专利中，各个条沿其中点连接在一起，由此提供条挤在一起且气体通道被阻碍的区域。此外，填料构件必须由足够厚且强度足够大的材料制成以抵抗平面外部网或附连区域的变形。如果使用相对较薄规格的材料使随机填料材料具有抵抗变形的构造则是较为理想的。

因此，需要有一种随机填料构件，当其定位在填料床内的多个不同转动位置时，该填料构件保持高的质量传递效率和良好的水力能力。有利地是，该填料构件应容易地进行制造而没有或很少浪费材料并具有更易于抵抗上述类型变形的构造。

发明内容

在一个方面，本发明提供一鞍座形的随机填料构件，当其定位在相对于与填料构件相遇的流体的流动方向为多个转动定向时，该随机填料构件具有基本上均匀的敞开流动体积。本发明鞍座形填料构件包括一对侧向间隔开、纵向细长的拱形侧构件，它们可包括径向向上的凸缘构件。侧构件共同地限定本发明填料构件的纵向轴线。此外，该填料构件包括多个内部和外部拱形的肋构件，它们从侧构件并在侧构件之间延伸，共同地在填料构件内限定内部体积。内部和/或外部肋构件可与填料构件的纵向轴线对齐，或交替地与填料构件的纵向轴线偏离。外部肋构件可具有的宽度等于内肋构件宽度的两倍，或接近于或超过该值。内部和外部肋构件的总数可在约3个至20个的范围内。在描述肋构件时使用术语“拱形”是为了包括各种形状的肋构件，它们具有弯曲的形状以及由多个直线形成的形状，例如，具有“V”形状的或弯曲和直线相组合的肋构件。

本发明鞍座形的随机填料构件还包括至少一个小的肋构件，其高度低于内部和外部肋构件并纵向地设置在连续的内部和/或外部肋构件之间。该较小的肋构件包括至少一个液滴点并至少部分地设置在填料构件内部体积内。该较小的肋构件可以至少部分地连续，或至少一个肋构件可做成不连续的，由此形成两个各具有自由端的较短的肋段。肋段可独立地定位，例如，沿径向相反方向或同样的径向方向弯曲。

根据本发明一实施例，随机填料构件的总表面面积的至少约20％限定在内部体积内。与现有技术的随机填料构件相比，当填料构件以多个不同转动定向定位在反应器或圆筒内的填料床中时，通过提供更加均匀的表面面积分布和较少限制的流体流动路径，由此本发明构件的形状和构造增加了质量传递效率。

在另一方面，本发明针对一种质量传递床和含有该传递床的反应器或圆筒，其中，多个上述的随机填料构件以基本上随机的定向定位来提供一个区域，在该区域在流体流之间或其中可发生质量传递和/或热传递。

附图说明

附图构成本说明书的一部分，它们将结合说明书一起阅读，在附图中，相同的标号在各种视图中用来表示相同的部件：

图1是本发明随机填料构件的一实施例的侧视图；

图2是图1所示随机填料构件的俯视图，显示为比图1稍大的比例；

图3至13是图1和2所示随机填料构件的各种立体图；

图14至26是根据本发明构造的随机填料构件的另一实施例的各种立体图；以及

图27是含有由本发明随机填料构件形成的填料床的圆筒或反应器的局部示意图。

具体实施方式

现详细地参照附图，首先看图1-13，根据本发明的大致呈鞍性的随机填料构件的一实施例用附图标记10来表示。该填料构件10包括形成为部分环面形状的拱形体11。该拱形体11可以是环面体积的约5至约50％或10至25％的范围内。在特别示出的实施例中，填料构件10的拱形体11是全部环面体积的约25％。

填料构件10包括一对侧向间距、纵向细长、大致平行的拱形侧构件12和14。诸侧构件可选地(但最好是)具有径向向上的凸缘构件16和18，由此形成两个槽20和22，它们用来沿着填料构件10的表面沿填料构件10的弓形体11的纵向端的方向引导液体。侧构件12和14和凸缘构件16和18的拱形构造提供能够抵抗变形的构造，由此能够使用与某些现有技术随机填料构件相比较廉价和轻质规格的材料。作为凸缘构件16和18的附加或替代方式，侧构件12和14可由形成正弦曲线或其它波形的压纹或通过其它方法加固。

随机的填料构件10还包括多个内部和外部拱形肋构件，它们分别用附图标记24和26表示。肋构件24和26大致沿填料构件10的拱形体11长度从侧构件12和14并在侧构件12和14之间延伸。肋构件24和26的相对端一体地或其它方式分别连接到侧构件12和14。如本文中使用的，术语“外部肋构件”是指这样的肋构件，其远离填料构件的拱形体11的半径轨迹沿大致向外的方向延伸。还如本文中使用的，术语“内部肋构件”是指这样的肋构件，其朝向填料构件的拱形体11的半径轨迹沿大致向内的方向延伸。每个外部和/或内部肋构件24和26可分别沿填料构件10的拱形体11的半径大致向外和/或向内延伸。或者，某些或全部的内部和/或外部肋构件24和26可以圆心角延伸。箭头27a和27b分别表示图1中填料构件10的径向向内和径向向外的方向。内部和外部肋构件24和26的总数一般地可在约3至20或5至17的范围内。填料构件10的所示实施例中呈现四个内部肋构件24和五个外部肋构件26。

如图1-13所示，内部和外部拱形肋构件24和26在侧构件12和14之间、之上和之下形成一位于拱形体11内的大致拱形的内部体积28。内部和外部拱形肋构件24和26的大小、形状和定向可部分地提高蒸气和/或液体通道的通达程度。在一实施例中，内部和外部拱形肋构件24和26各大致径向地延伸并基本上在相同的高度上。

肋构件24和26可在中心纵向地对齐，或较佳地，可交替地与拱形体的中心纵向轴线30偏移，如图2清楚地所示。该偏移形成了蒸气/液体的点接触，而不是中心对齐的肋构件所形成的流体的平面接触。此外，由于最大程度地减小了连续的、中心对齐肋构件引起的遮挡效应，该种偏移起到打开流体通过填料构件10的拱形体11内部体积28的纵向流动路径作用。此外，纵向的偏移可减小一个随机填料构件10中的一个或多个肋在随机填料床内变得插入到另一随机填料构件10的一个或多个肋构件内的倾向，这种现象有时称作为“嵌套”。嵌套降低了质量传递效率并可促使液体和蒸气在填料床内流动。

可以对特殊应用中要求的性能进行独立地选择每个内部肋构件24和每个外部肋构件26的宽度。例如，外部肋构件26的宽度可以大致等于内部肋构件24宽度的两倍，或接近于或超过该值。因为填料构件10的拱形体的弯曲，当拱形内部肋构件24径向地向内延伸时，它们定位成更加靠近在一起，如图1清晰地所示。因此，较窄的拱形内部肋构件24使得流体流沿如箭头27b所示径向向外方向流过填料构件10所经受的流动路径限制降到最小。如图1清晰地所示，进一步远离拱形体11端部定位的内部肋构件24的宽度可小于更靠近端部定位的内部肋构件24的宽度，于是，在诸内部肋构件24之间形成更加敞开的空间。附加地或替代地，可减少内部肋构件的数量和/或内部肋构件可从径向方向向外弯曲以在相邻的内部肋构件24之间形成较大的空间。

例如，拱形的内部肋构件24的宽度可独立地大于约1毫米(mm)，大于约1.5mm，或大于2mm。拱形的外部肋构件26的宽度可独立地小于约5mm，小于约4.5mm或小于4mm，以避免形成停滞的、低质量传递的拖尾区域，拖尾区域形成在过宽的肋构件的外侧或下游侧上。通常不希望有这些拖尾区域，因为它们降低了随机填料构件10的质量传递效率。

填料构件10还包括一个或多个较小的构件32，其高度小于内部和外部肋构件24和26。较小的肋构件32，纵向地设置在连续交替的内部和外部肋构件24和26之间，且在一实施例中，在两个相反端连接到侧构件12和14。在另一实施例中，一个或多个较小肋构件32的一端或两端可与相邻的肋构件32、24或26连结，而不是与侧构件12和14连结。较小的肋构件32至少部分地位于填料构件10的拱形体11内部体积28内，以在填料构件10的全部体积内更均匀地分配质量传递表面。一般而言，随机填料构件10的总表面面积的至少约20％，至少约40％，或至少约50％位于填料构件10的拱形体11内部体积28内。在所示实施例中，随机填料构件10的总表面面积的约38％位于内部体积28内。

较小的肋构件32可以独立地是连续的、不连续的，或两种的任何组合，以及任何方式的弯曲形或成形。在一实施例中，一个或多个较小的肋构件可以是连续和弯曲的，例如，呈带有一个或多个峰和谷的正弦波的形式，它们在内部拱形空间28内提供多个液滴点。如这里所提到的，术语“液滴点”是指任何连续的或不连续的边缘或点，液体可从这样的边缘或点下落或滴落。液滴点致使液体下落而形成小的液滴，小液滴便于提高蒸气接触，由此，提高质量传递效率。

在另一实施例中，一个或多个较小的肋构件32可被切割和制成不连续的，由此形成两个肋段34a和34b，它们可独立地定向在填料构件10的内部体积26内。例如，肋段34a和34b可基本上保持呈正弦波的形状，但它们的自由端互相偏离而形成间距开的液滴点。在另一实例中，肋段34a和34b可沿相同的径向方向弯曲而彼此形成镜面对称，关于通过两个肋段之间的径向平面呈对称。

较小肋构件32的宽度可与沿相同径向延伸的内部和外部肋构件24和26的宽度相同或不同。在所示填料构件10中，每个较小肋构件32具有与从拱形体11的端部向内定位的两个内部肋构件24大约相同的宽度。

可以改变内部和外部肋构件24和26以及较小的肋构件32沿着填料构件10纵向长度的数量和布置来适应特殊的应用。较佳的是，肋构件24、26和32除了在其相应端部处沿其整个长度与相邻的肋构件24、26和32间隔开，从而使填料构件10具有更敞开的构造，该构造降低阻塞流体流过填料构件10的所要求的流量的几率。为了减少一个填料构件10中的肋段34a和34b钩住另一填料构件10中的肋构件24、26、32、34a或34b的机会，通常要求肋段34a和34b不定位在填料构件10的两纵向端上。因此，肋段34a和34b较佳地定位在填料构件纵向端的内部，以使它们被定位在填料构件10端部处的肋构件24、26或32遮挡。

在所示的填料构件10的实施例中，每个较小的肋构件32定位在一对内部和外部肋构件24和26之间。当然，也可能将每个较小的肋构件32独立地定位在成对的外部肋构件26之间，成对的内部肋构件24之间，或肋构件32、内部肋构件24和外部肋构件26任何成对的组合之间。在所示的填料构件10的实施例中，内部肋构件24位于填料构件10的端部，四个较小的肋构件32分布在交替的内部和外部肋构件24和26之间，使两个中心定位的较小的肋构件32用来形成等长度的肋段34a和34b。可以改变各种肋构件24、26、32、34a和34b的数量和布置来适应特殊的应用。

本发明填料构件的另一实施例显示在图14-26中，并笼统地用附图标记110表示。填料构件110类似于填料构件10，在同样附图标记前添加前缀“1”来表示类似的构件。

填料构件110包括形成为部分环面形状的拱形体111。该拱形体111形成环面体积的约15％。填料构件110包括弯曲的侧构件112和114，它们分别包括凸缘构件116和118，凸缘构件形成两个槽120和122，它们用来引导液体通向拱形体111的纵向端。

拱形的内部肋构件124定位在拱形体111的两个纵向端，而拱形的外部肋构件126沿侧构件112和114定位在中间位置。内部肋构件124大致沿箭头127a所示径向向内方向延伸，而外部肋构件126沿箭头127b所示径向向外方向延伸。内部和外部肋构件124和126一起形成具有中心纵向轴线130的大致拱形的内部体积128。

四个较小的肋构件132定位在相邻成对的内部和外部肋构件124和126之间。两个最内的较小的肋构件132中的每个是不连续的并形成肋段134a和134b。肋段134a和134b和肋构件124、126和132可如上述填料构件10中对应构件那样构造、定位和定向。在所示实施例中，随机填料构件110的总表面面积的约36％位于内部体积128内。较佳的是，肋构件124、126和132除了在其相应端部处沿其整个长度与相邻的肋构件124、126和132间隔开，从而使填料构件110具有更敞开的构造，该构造降低阻塞流体流过填料构件110的所要求的流动的几率。

本发明的随机填料构件10和110可用各种材料制造，例如，包括陶瓷、塑料或金属。随机填料构件10和110可用工件硬化来加固，例如，在构件表面的至少一部分上进行纹理处理，在构件至少一部分的一侧或两侧上模压成有波形的构件表面的至少一部分，和/或如填料构件110所示，对各种肋构件124、126和130模压弯曲的横截面。弯曲的横截面较佳地延伸足够远进入侧构件112和114内以提供这样一种结构：该结构用于中断流体沿槽120和122的流动并将流体重新引导到肋构件124、126和132上而不是使其流到填料构件110的端部。可在槽120和122内设置波形或其它流动中断结构来实现同样的目的。相同的构造可与填料构件10结合使用。

随机填料构件10和110可用各种技术进行制造。在一实施例中，本发明的随机填料构件可用美国专利No.5,112,536所述的程序进行制造，本文援引其以供参考，其中，填料构件各由单一、平的材料板形成，内部、外部和较小的肋构件连同侧构件一起基本上包括了板材的全部表面面积。

转向图27，在反应器和/或蒸气/液体或液体/液体接触塔36内，可用多个随机填料构件10和110来提供质量和/或热传递的表面面积。随机填料构件10和/或110可倾倒到圆筒或反应器36内合适的支承件上而形成填料床38，或在放置到圆筒或反应器36之前，随机填料构件可以基本上随机的定向预先布置在填料床结构中。本发明填料构件的上述形状和构造形成敞开的、容易进入的流体流动路径并呈现从多个角度观看时都为相当均匀的表面面积分布，这导致基本上与定向无关的构件性能。

以下的实例说明本发明随机填料构件的与定向无关的特性，该实例决并不限制本发明的范围。

实例1

对三种不同的随机填料构件计算质量传递系数：对比构件1是如美国专利No.4,303,599所示类型的鞍座形随机填料构件；对比构件2是如美国专利No.5,882,772所示类型的鞍座形随机填料构件；以及本发明的构件3是如图1-13所示的填料构件10。

对每一填料构件各计算10种不同填料定向的质量传递系数，下表1中列为标号A至I。定向A至I对应于对三个笛卡尔坐标轴的每个轴定位在从底部位置以0°、45°和90°定位的构件。对每个填料构件，从A至I的每个位置中的最大质量传递系数中减去最小值，由此确定质量传递系数范围。然后，取A至I的每个定向计算的个别质量传递系数的平均值，来确定每个填料构件的平均质量传递系数。

一般而言，较高的质量传递系数表示构件具有较高的质量传递效率，而较窄的质量传递系数范围表示随着定向的改变而得到的构件特性较少。对于对比构件1和2及本发明的构件3，定向A至I的质量传递系数、质量传递系数范围，以及平均质量传递系数呈现在表1中。

表1：随机填料构件的质量传递系数

定向	对比构件1	对比构件2	本发明构件3
				A	1.00	1.02	1.18
B	1.05	1.02	1.09
				C	0.97	0.87	1.09
D	0.96	1.02	1.20
				E	1.05	1.02	1.18
F	1.08	0.98	1.09
				G	1.07	1.00	1.10
H	1.08	1.00	1.13
				I	1.10	1.06	1.12

范围	0.19	0.14	0.11
				平均值	1.04	1.00	1.13

如表1所示，本发明构件3具有比对比构件1和2低的质量传递系数范围，高的每个定向的质量传递系数，以及高的平均质量传递系数。因此，本发明构件3具有比对比构件1和2更有效的、定向依赖性低的性能。

实例2

为比较本发明构件(图14-26所示的填料构件110)和四种类型市售的随机填料构件的性能，特进行了测试。轻碳氢化合物的混合物以全逆流方式进行蒸馏。蒸馏塔在显著高于大气压的压力下运行，该压力是工业界中处理这些混合物的非常典型的工况，是通常使用随机填料构件的非常典型情况。蒸馏塔直径和床深度足够大，以确保产生工业上相关的数据。分析来自于填料床上方和下方的液体试样来测量填料效率。通过增加热输入直到压降随着任何添加的热输入而急陡地增大，且从床顶带走的热量(效率损失)很大，由此可确定填料的最大容量。比较测试的结果显示在表2中。

表2

填料类型	相对容量	相对效率	相对的表面面积比
				鞍座形高性能金属随机填料：小尺寸	1.00	1.28	1.66
鞍座形高性能金属随机填料：较大尺寸	1.09	1.00	1.10
				正弦形金属随机填料：小尺寸	1.09	1.13	1.45
正弦形金属随机填料：较大尺寸	1.17	0.89	1.00
				本发明构件	1.09	1.22	1.12

试验结果表明，与对比的填料构件相比，本发明构件使用较小的相对表面面积比却达到了同样的或较高的相对容量和/或较高的相对效率。因此本发明构件使用小的相对表面面积比达到了有利的相对容量和相对效率。

从以上所述可知，本发明适于达到上述所有的目标和目的，连同结构内在的诸多其它优点。

应该理解到，某些特征和次组合都是有用的，并可无需参照其它的特征和次组合而采用。这些都可被构思出并纳入权利要求书的范围之内。

由于不脱离本发明范围而可作出本发明的任何可能的实施例，所以，应该理解到，本文所阐述或附图中所示的所有内容都应被看作为说明性的而无限制性的含义。

Claims (18)

1.一种鞍座形随机填料构件，包括：

一对侧向间隔开、纵向细长的拱形侧构件，所述侧构件共同地限定介于所述侧构件之间的弯曲纵向轴线；

多个相对地延伸的拱形内部和外部肋构件，所述肋构件从所述侧构件并在所述侧构件之间延伸，以共同地在所述侧构件之间限定内部体积；以及

至少一个较小的肋构件，所述较小的肋构件在所述拱形的内部和外部肋构件之间纵向地设置，并至少部分地设置在所述内部体积内，

其中，所述鞍座形随机填料构件的总表面面积的至少约20％限定在所述内部体积内。

2.如权利要求1所述的填料构件，其特征在于，所述内部和外部肋构件的总数在约3个至约20个的范围内。

3.如权利要求2所述的填料构件，其特征在于，所述内部和外部肋构件的总数为5个。

4.如权利要求1所述的填料构件，其特征在于，包括多个所述较小的肋构件，且其中至少一个所述较小的肋构件是不连续的，由此形成第一和第二肋段。

5.如权利要求4所述的填料构件，其特征在于，所述第一和第二肋段沿径向相反方向弯曲。

6.如权利要求4所述的填料构件，其特征在于，所述第一和第二肋段沿相同径向方向弯曲。

7.如权利要求1所述的填料构件，其特征在于，所述填料构件占据环面体积的约5至50％。

8.如权利要求1所述的填料构件，其特征在于，所述填料构件占据环面体积的约10至25％。

9.如权利要求1所述的填料构件，其特征在于，所述外部和/或内部肋构件大致交替地与所述纵向轴线偏离。

10.如权利要求1所述的填料构件，其特征在于，所述外部肋构件中的至少一个的宽度等于所述内部肋构件中至少一个的宽度的两倍，或接近于或超过该值。

11.如权利要求1所述的填料构件，其特征在于，所述外部肋构件的宽度小于约5毫米和/或所述内部肋构件的宽度大于约1毫米。

12.如权利要求1所述的填料构件，其特征在于，所述较小的肋构件中的至少一个是至少部分地连续的。

13.如权利要求1所述的填料构件，其特征在于，所述填料构件的所述总表面面积的至少一部分是有纹理的。

14.如权利要求1所述的填料构件，其特征在于，所述内部和外部肋构件中的至少一些具有杯形的横截面。

15.如权利要求1所述的填料构件，其特征在于，所述填料构件由金属制成。

16.如权利要求1所述的填料构件，其特征在于，所述填料构件由塑料制成。

17.如权利要求1所述的填料构件，其特征在于，包括设置在所述侧构件的一侧或两侧内的结构，所述结构将来自所述一个或两个侧构件的流体流引导到一个或更多个所述内部和外部肋构件和较小的肋构件上。

18.一种包含有填料床的圆筒或反应器，所述填料床包括多个如权利要求1所述的填料构件。

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