CN101708452A - 一种可消除放大效应的填料组件 - Google Patents

Abstract

可消除放大效应的填料组件，包括填料段、填料隔板、填料单元、填料支撑板和液体再分布板，填料隔板将填料段分割成多个填料单元，液体再分布板上开有与填料单元配套的开孔，开孔周边有堰，堰上有齿缝，开孔形状与填料单元相似面积小。组件将填料塔变为多个填料单元并联，配合相应的液体再分布板，可使填料段汽液分布均匀并消除壁流效应，保证高效稳定的传质效果，消除放大效应；对液体分布器不良初始分布进行校正；采用插件式结构，塔处理量只与填料单元个数相关，使塔设计不受规模限制；将液体再分布器用分布板代替，降低塔高和安装水平要求，减少投资。

Description

一种可消除放大效应的填料组件

技术领域

本发明涉及一种主要用于石油和化学加工工业的填料组件以及包括该组件的填料塔。

背景技术

填料塔是炼油、化工生产中常见的分离塔设备。与板式塔相比，填料塔具有比表面积大、传质效率高、压降低、耐腐蚀等显著特点。填料塔用于传质的相界面积是填料被液体润湿的表面，液体由分布器分散后进入填料床层，与上升的汽相进行传质，而板式塔则不同，汽相必须通过塔板后在塔板阻力的作用下分散成气泡，通过消耗塔板压降转化成相界面的表面能。因此，填料塔具有较高的比表面积，可以维持较高的相界面积，传质效率较高。液体通过分布器分散成液滴或流股，不像板式塔中气体通过塔板鼓泡元件被破碎成气泡或液滴，所以压降较低，特别适用于减压操作工况。并且，填料可用不同材质制造，适用于腐蚀性物料；填料塔内物料的停留时间短，适用于热敏性物质分离；填料塔内液体为分散相，适用于易起泡物系。因此填料塔在蒸馏、吸收、解吸、萃取、混合反应和生化处理等过程中有着广泛应用，特别是在用于真空操作或处理易起泡物系时，有着板式塔无可比拟的优越性。

但是，由于填料塔本身所固有的结构特点，填料层内的液体分布对传质效果影响很大，一旦气、液分布不均匀，填料塔的有效比表面积(润湿比表面积)将会降低，从而引起填料效率的显著降低。因此，填料塔设计对液体分布器的结构和安装水平度有很高的要求。此外，液体沿填料层下流时有逐渐向塔壁方向汇流的现象，称为壁流效应，即使液体分布器的初始分布良好也不能保证下面填料层一直保持气液均匀分布，所以每隔一定高度的填料层就需设置一个液体再分布器，将沿塔壁流下的液体导向填料层内，这样会增加塔高和设备投资。这些因素都制约了填料塔规模的扩大。

从生产的经济性来说，塔设备具有规模效益的特性，即设备规模扩大后能耗等加工成本降低，所以近年来，塔设备有迅速向大型化方向发展的趋势。据美国能源部报道，单套1000万吨炼厂可比500万吨炼厂节约费用18～20％。据国内测算，单套1200万吨的炼油厂与600万吨的炼油厂相比，总投资节约25％，生产费用可节约12％～15％。受全球性能源危机以及石油能源发展战略影响，塔设备大型化对石油能源加工过程的节能降耗具有着重要意义。

过去填料塔一般只在中小型装置和实验室中应用，70年代规整填料和大型液体分布器放大成功使得填料塔获得了较大的发展。国内外开发了很多涉及新型填料、液体分布器和再分布器的专利和专有技术，近年来的专利主要包括：

美国气体产品与化学公司发明的“最优波纹规整填料”(专利号：00104165.7)、“混合阻力规整填料”(专利号：99126445.2)，“具有增加容量的规整填料”(专利号：200410033238.0)；天津大学刘春江等人发明的“无放大效应的组合式填料精密精馏塔”(专利号：200410093880.8)、“螺旋网圆柱体规整填料”(申请号：ZL200610129437.0)；清华大学费维扬等人发明的“一种具有梯形波纹的规整填料”(专利号：200510055653.0)；华东理工大学涂晋林等人发明的“一种玻璃钢波纹板规整填料及其制备工艺”(专利号：99113450.8)等。这些专利主要涉及改善填料结构，开发具有高通量、大处理能力，低压降，大比表面积、高效率(低HETP)，汽液流向合理、可改善传热和传质接触效果，材质质量轻、高机械强度、造假低、加工方便的新型填料或填料分布器组合技术。

美国普拉塞尔公司发明的“一种用于气液接触塔的液体分布器”(专利号：93106695.6)；美国FMC公司发明的“液体分布器”(专利号：85106353)；北京化工大学李群生发明的“槽槽式液体分布器”(专利号：200510053932.3)；天津大学姜斌等人发明的“孔流——溢流复合型槽式液体分布器”(专利号：200610013371.9)；天津大学孙津生等人发明的“模块化液体分布器”(专利号：200610013528.8)等。这些专利主要涉及改善分布器结构，强化液体分散和分布效果，增强分布器抗堵性能，具有结构紧凑，拆装方便等特点。

诸如此类的专利还有很多，伴随着这些新型高效填料的开发、以及液体分布器设计水平和安装水平的提高，大型填料塔获得了成功的应用。国外报道了大量应用填料塔替代板式塔实现蒸馏塔成功挖潜的案例，国内也获得很大的发展，现今填料塔在工程应用中的直径已经高达14～20m。

然而，这些应用并不能说明填料塔的固有放大效应问题得到了解决，新型填料和分布器专利技术只是在一定程度上改善了设备的性能，并不能改变填料塔设备规模扩大后汽液分布不均、壁流效应急剧恶化等带来的根本影响，大型和超大型填料塔的设计实际上是建立在对设计采用巨大安全因子(国外称降额因子)的基础之上。例如对于规整填料250Y，设计选用的填料等板高度HETP一般按0.5m填料来考虑，而小塔设计一般按0.33m进行设计，填料的用量增加了约50％，由此可见大型填料塔内有相当部分填料未能充分发挥作用，也就是说，现代大型填料塔的成功应用是以高设计裕度为代价的。其固有问题主要涉及如下两个方面：

①大型填料塔对初始气液分布的要求更为严格；

②大型填料床中汽液的流动更趋向于非均匀分布的趋势。由于壁流效应，液相更趋向于塔壁，汽相更趋向于填料中心，汽液初始分布效果再好，填料床层内部自分布性能都会变差。

该问题属于“先天性”放大效应的范畴。要想从根本上消除放大效应，使得填料塔不受规模的限制，必须寻求一种全新的设计突破。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，利用小塔无放大效应的特点，采用插件式设计，提出了一种可消除放大效应的填料组件，将填料塔变为多个小填料单元3并联的结构，配合对应结构的填料支撑板4和液体再分布板5，可以使进入各填料单元3的液体均匀分布，大大降低由液体分布器造成的初始分布不良和填料塔液体壁流等问题，从而达到消除放大效应的目的。采用插件式结构，可以使填料塔设计不受塔规模限制，可以保证高效稳定的传质效果，并可降低塔高和安装水平要求，减少投资。

本发明涉及一种可消除放大效应的填料组件，包括填料段1、填料隔板2、填料单元3、填料支撑板4和液体再分布板5，填料隔板2将填料段1分割成多个并联的填料单元3，填料支撑板4位于填料单元的下部用于支撑填料单元，填料支撑板4的下部与液体再分布板5相互连接。

填料隔板2将填料段1分割成的填料单元3的截面形状可以为蜂窝状六边形、或扇形、或叶轮形、或正方形、或菱形、或波纹形、或环形，或上述几种形状的组合，填料单元3与塔壁间的空隙也充填有填料。

填料单元3内可填充规整填料，也可填充散堆填料。

填料单元3的特征长度与塔截面积、处理能力及塔压降性能相关，横截面的特征长度为50～400mm。填料单元3的特征长度为填料单元3的当量直径，即填料单元3四倍的流通截面积除以润湿周边的长度。

填料支撑板4和液体再分布板5上下连接，填料支撑板4可采用格栅或网孔板。

液体再分布板5上开有与填料单元3形状相配套的开孔6，开孔6的形状与填料单元3截面相似，面积略小，开孔6的横截面的特征长度为40～380mm，开孔6的面积小于填料单元3的截面积，作用与液体再分布器相同，主要是为了汇集液体，使其均匀进入填料单元的中部，防止壁流效应。孔面积与填料单元3的截面积大小、塔处理能力、操作压力、体系物性等紧密相关，开孔率为50％～90％，当塔径低于2m，开孔率为50％～75％，当塔径大于等于2m，开孔率为60％～90％。

液体再分布板5上的开孔6周边设有堰7，堰7上开有齿缝。

堰7上的齿缝可以为矩形或三角形。

堰7的高度与塔压降性能、再分布板5的开孔率相关，高度范围为5～30mm，堰高与孔径比为0.05～0.75。当开孔率为50％～75％，堰高为5～25mm，当开孔率为75％～90％，堰高为10～30mm。

填料塔中可设置一个或一个以上的填料组件。

液体再分布板5与其上部的填料支撑板4相连，其中液体再分布板5上设有开口6，在开口6的周边设有堰7。

本发明具有如下的效果：

(1)采用填料隔板2将填料段1变为多个小填料单元3并联的结构，配以相应的填料支撑板4和液体再分布板5，可使液体均匀进入每个填料单元3，保证传质过程在每个填料单元3内进行，并且利用小塔无放大效应的特点，保证了各填料单元3内的液体均匀分布和高效稳定的传质效果，可消除常规填料塔存在的液体壁流影响，从而达到消除放大效应的目的；

(2)采用了插件式设计思路，设计时填料塔的处理能力只与填料单元3的个数相关，每个单元内并无设备规模扩大后由液体分布不均和壁流引起的效率降低，所以填料塔设计可以不受塔规模限制；

(3)填料支撑板4和液体再分布板5具有支撑填料和进行液体均匀再分布的作用，液体再分布板5板上开有与填料单元3形状相配套的开孔6，开孔6的形状与填料单元3相似，面积略小，开孔6周边设有堰7，堰7上开有齿缝。因分布板上设堰，所以可以保持一定厚度的液层，使得板上液体可以沿着堰后凹槽流动得以均匀分布，并沿堰上开孔均匀溢流进入各填料单元3内，该结构对由液体分布器引起的不良初始分布具有很好的校正作用，可以大大降低液体分布器的设计和安装要求；

(4)本专利将传统的填料支撑板和液体再分布器合二为一，借鉴板式塔中塔板对汽液分布均匀化的作用，用液体再分布板代替液体再分布器，采用与填料单元配套的液体再分布板5，极大地简化了填料塔内构件的设计，可降低塔高和安装水平要求，减少投资，而且填料支撑板4和液体再分布板5具有较大的气体通量，虽然会使塔内压降略有增加，但对塔内真空度要求不很高的工况几乎没有影响。

(5)因为本专利结构不受设备规模的制约，所以可以将实验室规模单元件的研究结果直接放大到工业应用，减少了研发条件限制和巨大投资。

附图说明

图1为本发明在填料塔内的应用示意图。

图2为本发明的填料段1的结构示意图。

图3为本发明的填料单元3的形状示意图。

图4为本发明的填料支撑板4的结构示意图。

图5为本发明的液体再分布板5的结构示意图。

图6为本发明的开孔6和堰7的结构示意图。

图7为本发明与25mm鲍尔环填料塔的HETP值对比。

具体实施方式

本发明所述的一种可消除放大效应的填料组件，是利用“小塔无放大效应，大塔有放大效应并随着塔径的增加而猛增”的现实，提出了通过多个填料单元并联构造大填料塔的新构型。本发明在填料塔内的应用参阅图1。

本发明填料组件包括填料段1、填料隔板2、填料单元3、填料支撑板4和液体再分布板5，填料隔板2将填料段1分割成多个并联的填料单元3，每隔一定高度的填料段1底部设置一层填料支撑板4和液体再分布板5。本发明的填料段1的结构示意，参阅图2。

本发明的填料单元3的结构示意图参阅图3。填料隔板2将填料段1分割成的填料单元3形状可以为蜂窝状六边形、或扇形、或叶轮形、或正方形、或菱形、或波纹形、或环形，或上述几种形状的组合，填料单元3与塔壁间的空隙也充填有填料。填料单元3内可填充规整填料，也可填充散堆填料。填料单元3的特征长度与塔截面积、处理能力及塔压降性能相关，横截面的特征长度为50～400mm，最优特征长度为150～300mm。

本发明的填料支撑板4和液体再分布板5上下连接，填料支撑板4的结构示意图参阅图4，填料支撑板4可采用格栅或网孔板。

本发明的液体再分布板5的结构示意图参阅图5。液体再分布板5上开有与填料单元3形状相配套的开孔6，开孔6的形状与填料单元3相似，面积略小。

液体再分布板5上的开孔6周边设有堰7，堰7上开有齿缝。堰7上的齿缝可以为矩形，也可以为三角形。堰7的高度与塔压降性能、再分布板5的开孔率相关，高度范围为5～30mm，堰高与孔径比为0.05～0.75。

本发明采用填料隔板2将填料段1变为多个小填料单元3并联的结构，配以相应的填料支撑板4和液体再分布板5，可使液体均匀进入每个填料单元3，保证传质过程在每个填料单元3内进行，并且利用小塔无放大效应的特点，保证了各填料单元3内的液体均匀分布和高效稳定的传质效果，可消除常规填料塔存在的液体壁流影响，从而达到消除放大效应的目的。

本发明采用了插件式设计思路，设计时填料塔的处理能力只与填料单元3的个数相关，每个单元内并无设备规模扩大后由液体分布不均和壁流引起的效率降低，所以填料塔设计可以不受塔规模限制。

本发明的液体再分布板5上开有与填料单元3形状相配套的开孔6，开孔6的结构示意图参阅图6。开孔6的形状与填料单元3相似，面积略小。开孔6的面积小于填料单元3的截面积，作用与液体再分布器相同，主要是为了汇集液体，使其均匀进入填料单元的中部，防止壁流效应。孔面积与填料单元3的截面积大小、塔处理能力、操作压力、体系物性等紧密相关，开孔率为50％～90％。开孔6周边设有堰7，堰7上开有齿缝。因分布板上设堰，所以可以保持一定厚度的液层，使得板上液体可以沿着堰后凹槽流动得以均匀分布，并沿堰上开孔均匀溢流进入各填料单元3内，该结构对由液体分布器的不良初始分布具有很好的校正作用，可大大降低液体分布器的设计和安装要求。

本发明的液体再分布板5与填料支撑板4和上下连接，液体再分布板5上开有与填料单元3形状相配套的开孔6，开孔6的形状与填料单元3相似，面积略小。液体再分布板5上的开孔6周边设有堰7，堰7上开有齿缝。堰7上的齿缝可以为矩形，也可以为三角形。具体填料单元3上的开孔6的结构见图6。堰7的高度与塔压降性能、再分布板5的开孔率相关，高度范围为5～30mm，堰高与孔径比为0.05～0.75。当开孔率为50％～75％，堰高为5～25mm，当开孔率为75％～90％，堰高为10～30mm。

本专利将传统的填料支撑板和液体再分布器合二为一，借鉴板式塔中塔板对汽液分布均匀化的作用，用液体再分布板代替液体再分布器，采用与填料单元配套的液体再分布板5，极大地简化了填料塔内构件的设计，可降低塔高和安装水平要求，减少投资，而且填料支撑板4和液体再分布板5具有较大的气体通量，虽然会使塔内压降略有增加，但对塔内真空度要求不很高的工况几乎没有影响。

为了说明本发明的应用效果，对采用本发明结构的填料塔与采用常规的25mm鲍尔环填料塔进行了等板高度HETP的对比实验，实验结果可参阅图7。由图7可知，在相同气速下，本发明填料塔的HETP值远低于常规填料塔，说明本发明填料塔具有较高的传质效率。

因为本专利结构不受设备规模的制约，所以可以将实验室规模单元件的研究结果直接放大到工业应用，减少了研发条件限制和巨大投资。

Claims (12)

1.一种可消除放大效应的填料组件，其特征在于：该组件包括填料段(1)、填料隔板(2)、填料单元(3)、填料支撑板(4)和液体再分布板(5)，填料隔板(2)将填料段(1)分割成多个并联的填料单元(3)，填料支撑板(4)位于填料单元的下部用于支撑填料单元，填料支撑板(4)的下部与液体再分布板(5)相互连接。

2.根据权利要求1所述的填料组件，其特征在于：填料隔板(2)将填料段(1)分割成的填料单元(3)的截面形状为蜂窝状六边形、扇形、叶轮形、正方形、菱形、波纹形、环形中的任意一种或上述几种形状的组合，填料单元(3)与塔壁间的空隙也充填有填料。

3.根据权利要求1或2所述的填料组件，其特征在于：填料单元(3)内可填充规整填料，也可填充散堆填料。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的填料组件，其特征在于：填料单元(3)横截面的特征长度为50～400mm。

5.根据权利要求1所述的填料组件，其特征在于：填料支撑板(4)和液体再分布板(5)上下连接，填料支撑板(4)采用格栅或网孔板。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的填料组件，其特征在于：液体再分布板(5)上开有与填料单元3形状相配套的开孔(6)，开孔(6)的形状与填料单元(3)截面相似，面积略小，开孔6的横截面的特征长度为40～380mm。

7.根据权利要求1-6任意一项所述的填料组件，其特征在于：液体再分布板(5)上的开孔(6)周边设有堰(7)，堰(7)上开有齿缝。

8.根据权利要求7所述的填料组件，其特征在于：堰(7)上的齿缝形状可以为矩形或三角形。

9.根据权利要求7或8所述的填料组件，其特征在于：堰(7)的高度范围为5～30mm，堰高与孔径比为0.05～0.75。

10.一种消除放大效应的填料塔，其特征在于，其中包括了如权利要求1-9所述的填料组件。

11.一种如权利要求10所述填料塔，其特征在于，其中填料塔中可设置一个或一个以上的填料组件。

12.一种用于填料塔中的液体再分布板，其特征在于，该液体再分布板(5)与其上部的填料支撑板(4)相连，其中液体再分布板(5)上设有开口(6)，在开口(6)的周边设有堰(7)。

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