CN102089074A - 用于传热和传质塔的填料元件 - Google Patents

Abstract

一种用于实现传热或化学反应的塔(A)，包括由多个填料元件(2、28)形成的填料(B)。各元件包括外周壁(10、30)和盘卷形内壁(12、32)，该盘卷形内壁(12、32)从所述外周壁朝向所述元件的中心向内地盘旋，因此形成通过所述元件的盘卷形通道(14、34)。在所述元件中的所述盘卷形通道捕获通过所述填料的流体流动，使得更少的流体沿着所述元件之间的空隙行进并且更多的流体流过所述元件。而且，各元件的盘卷形内壁提供用于传热或化学反应的大表面面积。

Description

用于传热和传质塔的填料元件

相关申请

本申请要求2008年7月11日提交的61/080,050的美国临时申请的优先权并且另外主张它的益处，该申请以引用的方式被结合到这里。

技术领域

本发明总体上涉及用于实现传热或化学反应的塔，并且更具体地，涉及用于这种塔的填料元件和包括这种填料元件的塔。

背景技术

许多工业过程利用包括随机排布填料(random packing)的塔以实现填料和流过这种塔的气体之间的热传递或者以有助于同时流过这种塔的不同流体之间的化学反应。传统的填料呈现鞍形元件的形式，所述鞍形元件基本上倾倒到塔中，在那里它们呈现随机方位。在所述塔用于传热时，热气体在所述元件之上和围绕所述元件流动并且提升元件的温度。实际上它们变成散热片。随后，较冷的气体流过所述塔并且从所述填料元件吸收热以提升那些气体的温度。所述塔在热和冷空气之间来回循环。所述元件上的大表面面积增加了传热。当塔用来促进两种流体之间的化学反应(其被称作传质)时，两种流体同时流过所述塔。通过随机排布的填料元件形成的大表面面积有助于化学反应。总的来说，用于传热的单个填料元件是相对小的，而用于传质的元件可以是大的或小的。

鞍形填料元件给塔中的流体流提供了可观程度的阻力并且形成相应的压降。为了减少使流体通过这种塔所需要的能量，一些塔的操作员已经转向薄片形元件，其减少了压降，仍维持用于增加传热或有助于化学反应的大表面面积。典型的薄片形元件具有圆形形状，但是它的直径显著大于它的长度。在内部，所述元件具有将它分成多个延伸通过所述元件的小通道的隔片(septa)。所述隔片提供所期望的相当大的表面面积。但是，所述通道是小的，趋向于限制流体的流动并且不能捕获在所述元件的上游面上的流体的横向流动(cross flow)。

那种横向流动源自于所述薄片形元件的随机定向。尽管当倾倒到塔中时所述元件趋向于使它们自己大体上水平地定向，大多数是稍为倾斜的。结果是，在任何倾斜元件和在它之下或之上的更水平的元件之间形成空间，从而由多个薄片形元件组成的填料将包括在它的元件之间的多个空隙。由于限定上游面上的通道的边界的短边界不能捕获多数横向流动，流过所述塔的流体趋向于以横向流动的方式沿着所述空间前进并且不沿着通过所述元件的小通道前进。结果是，由所述隔片形成的大表面面积呈现更低的效率。

在包括整料或结构化介质的塔中，填料元件呈现一个堆积在另一上的块的形式。典型地，所述块各包括多个彼此隔离的隔室，从而在任何隔室之内的气流逗留在那个隔室内并且不能跨越所述块分布。通过所述隔室的压降和流动是不均匀的，并且这进而导致块状元件的传热或传质性能的利用不佳。

附图说明

图1是包括根据本发明构造的并且具体实现本发明的填料元件的塔的部分剖开的正视图；

图2是其中一个填料元件的平面图；

图3是填料元件的侧视图；

图4是沿着图2的线4-4截取的截面图；

图5是具有腹板的稍微改进的填料元件的平面图；

图6是具有腹板的另一稍微改进的填料元件的平面图；

图7是沿着图6的线7-7截取的截面图；

图8是另一稍微改进的填料元件的截面图；和

图9是根据本发明构造的块形式的填料元件的透视图。

具体实施方式

现在参考附图，塔A(图1)包括由多个随机排布、但是另外大体上水平地布置在塔A中的填料元件2形成的床或填料B。所述填料B可以用来在填料B和流过所述塔A的气体之间传热，或者它用来传质以增强同时流过所述塔A的流体之间的化学反应。为了这个目的，所述塔A具有壳体4和至少一个在所述壳体4的各端处的端口6，该壳体4将所述填料B限制在其内，并且如果所述塔A用于传质，通常具有多于一个端口6，使得不同的流体可以被分别地引入并且被同时引入到所述塔A中。

各填料元件2具有整体结构，也就是说它被形成为单件。它包括(图2-4)外周壁10，该外周壁10是圆形的或者以其它方式在它本身上闭合，因此确定所述元件2的轴线X。此外，所述元件2具有盘卷形内壁12，该盘卷形内壁12形成通过所述元件2的盘卷形通道14并且限定所述盘卷形通道14的边界。所述内壁12在所述外周壁2的增厚区域16处从所述外周壁10延伸并且向内地盘旋，终止于所述元件2的轴线X附近。所述外周壁10和盘卷形内壁12提供在所述元件2上的端表面18，并且那些端表面18位于相互平行的平面中，平面之间的间隔代表所述元件2的长度。元件2的纵横比，也就是它的直径与它的长度(轴向尺寸)的比值，应当在大约2和6之间的范围内。

所提供的元件2可具有直径为大约1.5英寸到直径为大约8.0英寸的多种尺寸。对于传热来说较小的尺寸是优选的，然而小尺寸和大尺寸都适于传质。形成元件2的材料很大程度上取决于通过填料B的流体和流体的温度，其中所述元件2是填料B的组成部分。所述元件2可以由陶瓷制成，由金属制成或者由聚合物制成。

对于大多数应用来说，将在挤压处理中由陶瓷制成所述元件2。该处理由合适的材料生产挤压型材。当从挤压模具挤出时，所述型材被刀片或线切割成单独的生元件(green element)，随后在窖中或炉中烧所述生元件以生产填料元件2。如果使用刀片，它应当在最厚的形状处、也就是在增厚区域16处切入挤压型材。所述挤压过程尤其适于生产较小直径的元件2，但是它也是可用于较大直径的。然而，在较大直径中，也可以通过铸造或模制生产生元件，从技术角度来说铸造或模制是优选的，因为它形成更精确的尺寸。然而，它比挤压更昂贵。

为了防止将挤压型材切割成单独的生元件的刀片导致那些元件变形，各元件2可以被提供有腹板22(图5)，所述腹板22从所述刀片切入所述挤压型材处的所述增厚区域16横向地跨过所述盘卷形通道14。同样，所述腹板22将所述外周壁10与所述内壁12的最大盘卷以及所述内壁12的相继盘卷相连接。然而，当如此布置时，所述腹板22中断所述盘卷形通道14并且将它分成缩短的段。

为了使得在从挤压型材切成生元件的切割期间的变形最小化，并且使所述流动通道16不被过多地中断，所述腹板22可以在所述通道16的相继盘卷中以一定角度偏移，从而它们在所述元件2中不对准(图6和7)。当如此布置时所述腹板22增强所述元件2。尽管所述腹板22仍然将所述通道14分成多个段，所述段比当所述腹板22横过所述元件2对准时更长。

所述元件2当被倾倒到所述塔A的壳体4中时，通常呈现水平的或者接近水平的方位。即使如此，许多将稍微倾斜。典型地，倾斜元件2将位于更加水平的元件2之上或者反之亦然，在两个所述元件2上的端表面18之间形成空隙。因为所述通道14在不中断的情况下延伸相当大的长度，虽然有空隙，在那个空隙中的流体当遇到下游元件2的盘卷形壁12时将在边缘处沿着所述壁12的上游边缘偏斜并且流到由所述壁12限定边界的盘卷形通道14中。当通道一直盘旋到所述元件2的中心时，它具有最大长度。而且，所述流体将趋向于弯曲通过所述通道14，因此增强流体和元件2之间的接触，都具有最小的压力损失。

所述元件2的外周壁10不必要是圆柱形的，尽管圆柱形的是优选的。它可以呈现椭圆形的或其它长椭圆形的构造。而且，它可以呈现多边形的构造。在那些变形的任一种中，所述内壁4和所述通道6的单个盘卷能呈现所述外周壁2的大体上的形状。

而且，所述元件2可以具有从沿着所述外周壁10的不同的位置向内地盘旋的两个或更多个内壁12和相应通道14-基本上，一个盘旋在另一之内。

当铸造或模制所述元件2时，它的内壁12可以具有在端表面18处的弯曲边缘24(图8)，并且进一步可以从所述壁4的中间区域向下地逐渐变薄到那些边缘24，从而所述壁12扩大所述盘卷形通道14的端部，使得所述通道14能将更多的流体捕获和引导通过所述元件2。

在另一实施方式中，所述外周壁10可以是不连续的，也就是说，它可以具有在其中的短开口或狭槽。当如此构造时，所述填料元件2将更接近类似于纯卷绕。

多边形构造，优选为四边构造，适于整料/结构化填料C。而圆形填料元件典型地在塔中随机地分布，整料/结构化填料典型地包括块28形式的填料元件(图9)，所述块28一个堆叠在另一个上，并且并排布置，在相邻块28之间具有小间隙或没有间隙，无论它们在另一个块28的上面或下面或侧面。为此，各块28具有多边形的外周壁30和形成通过所述块28的盘卷形通道34的盘卷形内壁32。所述块28中的盘卷形通道34使得流体能自由地流过所述块28并且进一步使得通过所述块28的不同区域的压降均匀化，这与典型的整料/结构块形成对照，典型的整料/结构块具有延伸通过它们的分离通道或隔室，其中隔室是彼此隔离的。整料/结构块28将典型地具有6×6×12英寸的大小，其中最长尺寸在轴向方向上并且因此代表通过所述块28的盘卷形通道34的长度。

Claims (19)

1.一种填料元件，包括：

外周壁；和

至少一个盘卷形内壁，所述盘卷形内壁连接到所述外周壁并且从所述外周壁朝向所述元件的中心向内地盘绕，以在所述元件内提供至少一个延伸通过所述元件的盘卷形通道。

2.如权利要求1所述的填料元件，其中所述外周壁是不间断的并且因此在它自身上闭合。

3.如权利要求2所述的填料元件，其中所述内壁在增厚区域处与所述外周壁相结合。

4.如权利要求1所述的填料元件，其中所述外周壁和内壁具有位于平面中的端部。

5.如权利要求4所述的填料元件，其中所述外周壁和内壁的所述端部所处的所述平面是平行的。

6.如权利要求1所述的填料元件，具有在大约2和大约6之间的纵横比。

7.如权利要求1所述的填料元件，其中所述内壁具有弯曲端部边缘。

8.如权利要求7所述的填料元件，其中所述内壁在它的弯曲端部边缘之间最厚，并且朝向所述弯曲端部边缘向下逐渐变薄。

9.如权利要求1所述的填料元件，其中所述外周壁是圆形的。

10.如权利要求1所述的填料元件，其中所述通道被至少一个腹板中断。

11.如权利要求1所述的填料元件，其中通过横跨所述通道的腹板连接所述内壁的多个盘卷。

12.如权利要求11所述的填料元件，其中所述腹板以一定角度相互偏移。

13.如权利要求11所述的填料元件，其中所述腹板在所述元件上横向地对准。

14.如权利要求1所述的填料元件，该填料元件呈现块的形式，其中所述外周壁具有多边形构造。

15.如权利要求14所述的填料元件，其中所述内壁也具有多边形构造。

16.如权利要求14所述的填料元件，其中所述外周壁是长方形的。

17.一种用于实现传热或化学反应的塔，所述塔包括：

壳体，该壳体具有端口，用于将流体引入到该壳体中和从该壳体输出流体；和

填料，该填料在所述壳体中并且包括至少一个如权利要求1所述的填料元件。

18.如权利要求17所述的塔，具有多个如权利要求1所述的填料元件。

19.如权利要求18所述的塔，其中所述填料元件在所述壳体内随机排布，其中大部分处于大体水平的方位上。

Images