CN102921298A - 一种导流型锯齿状波纹填料 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种导流型锯齿状波纹填料，该波纹填料为金属薄板或塑料薄板整体压制成锯齿形波纹板，形成的波纹棱线与填料的横向伸展方向成一夹角，波纹棱线在两端经圆弧过渡与填料的横向伸展方向垂直(即与轴向平行)。与现有技术相比，本发明使得流体在填料表面的流向改变平稳，致使压降损失小，气液两相相间的剪切应力减小，且能降低气相的流速。加之锯齿形通道结构，液相流体在填料表面可以形成较大的润湿面积。与现有填料技术相比，该种填料具有更加优良的流体力学特征，降低汽、液传质过程中填料片的压降损失，节能降耗，同时提高传质分离效率。
Description
技术领域
本发明涉及适用于分离同位素等难分离体系的新型高效规整填料技术，尤其是涉及一种导流型锯齿状波纹填料，主要填充于化工精馏塔内。
背景技术
在填料塔内，汽、液两相在填料表面逆流交换，实现不同物系的分离提纯。波纹填料是广泛应用的一种规整填料，一般是将金属或塑料板状材料压制成波纹状，断面呈等腰三角形，波纹棱线与垂直方向形成固定夹角。将相邻两片填料交错排列，用扎卷带捆扎成方块状或盘状。波纹填料具有阻力小，通量大，比表面积大，分离效率高等优点。
然而，随着对分离要求的提高，尤其对于同位素分离这类极难分离的物系，现有的波纹填料渐渐显露其不足，波纹填料的结构有待进一步优化设计。比如，日本Tokyo Gas CO.建立的以甲烷为介质制备稳定性同位素13C的低温精馏装置，仅13CH4浓缩段就需要3000多块理论板的高度。更甚者，美国Los Alamos实验室曾经建立的一座生产13C同位素的装置，由200米高的主塔级联及50米高的副塔组成。这些超高的精馏塔不仅需要高额的成本投资，还给施工安装带来很大困难，严重制约着同位素的工业化放大。可见，开发更加高效的新型填料，具有巨大的工程及经济需求。基于对波纹填料表面汽、液两相流相互作用的微观机理的认识，波纹填料表面并不能被液膜完全润湿，而是形成沟流、溪流等复杂的流动形式。为了增加该类填料的传质效率，需要对填料结构进行优化设计。
发明专利201010610058.X公开了一种锯齿型波纹填料，有效地改善了精密精馏体系的汽、液传质特性；然而存在压力损失大的缺点。本发明公开了一种具有导流结构的锯齿形波纹填料，解决了现有技术的缺陷。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提出一种导流型锯齿状波纹填料，气液两相在填料片上分布性能优良，保持了很高的传质分离效率；同时汽、液介质在填料片的狭小通道内及边界处的压力损失小，降低了动力消耗。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种导流型锯齿状波纹填料，该波纹填料为金属薄板或塑料薄板整体压制成锯齿形波纹板，形成的波纹棱线与填料的横向伸展方向成一夹角，波纹棱线在两端经圆弧过渡与填料的横向伸展方向垂直。
所述的波纹棱线与填料轴向的夹角为30-60°，经圆弧过渡与填料的轴向垂直，而非形成固定夹角，实现汽、液边界的平滑过渡。
所述的波纹棱线的纵截面为直角三角形的锯齿状结构。
所述的锯齿状结构的峰高为1.5mm-8mm，顶角为15°-75°。
波纹棱线走向通过在两端经圆弧过渡到与填料的轴向平行实现汽、液边界的平滑过渡，加上独特的锯齿型结构，使得在精密分离领域，填料表面容易被液膜润湿，显著增加了有效气液传质面积，提高了传质分离效率，降低了填料的压力损失，具有很好的能源经济性能。
所述的金属薄板包括不锈钢板材、磷青铜板材或铝合金板材。
所述的波纹填料的表面还可以均匀开孔用于增加气液横向的混合性能。
将波纹填料捆扎成填料盘，使相邻两片填料片交错排列，填充于化工精密精馏塔内。
所述的化工精密精馏塔包括同位素分离、香精香料分离或医药中间体提纯精馏塔。
本发明采用锯齿形结构的波纹棱线使得液体以波浪式铺满填料，不易在波峰和波谷位置形成溪流积液，大大增加填料表面润湿程度，显著增加了有效气液传质面积，填料表面均匀冲孔，也能显著增强气液流动的横向混合能力。波纹棱线与垂直方向的夹角逐渐降为零度，该种设计使得液膜沿着曲折的波纹棱线向下流动，流体流向平稳过渡，致使压降损失小，气液相相间的剪切应力减小，且能降低气相的流速，延长气液相相互作用时间。与传统的填料技术相比，本发明增大了液膜在填料床层的停留时间，增强了气液相互作用能力，降低了填料压力损失，显著提高了填料的传质分离效率，每米填料的分离效率高达10-50块理论板。
本申请正是对传统波纹填料的结构进行创新设计，提出导流型锯齿状波纹填料的新结构。在相同比表面积时分离效率大大提高，能耗降低，实现了对现有填料技术的突破，取得了显著的分离效果。与现有技术相比，具有以下优点：
1、优化的结构显著提高了传质效率，可以有效降低塔设备的高度，降低投资费用。该新型填料在同位素分离、香精香料分离提纯、医药中间体提纯等精密精馏领域，采用本发明的新型高效填料替代可以提高产品质量、降低设备投资成本。
2、具有持液量小、压力降小的优良流体力学性能，有利于减压精馏提纯难分离物系及热敏性物系，也能有效降低同位素工业化装置的分离浓缩时间。降低了精馏塔高度，使塔内持液量更少、汽液停留时间更短，这将极为有利于热敏性物料的分离，可解决某些难分离物系的分离技术难题，如对于浓缩时间动则数个月的同位素分离来说，可以显著降低其平衡时间，节约能耗成本，提升产品的市场竞争力。
3、本发明提出的边界导流型锯齿状波纹填料结构，汽液流动阻力降低，降低能耗20-30％，特别适于精密精馏领域。
附图说明
图1为现有锯齿形波纹填料板的结构示意图；
图2为现有锯齿形波纹填料板的截面图；
图3为本发明的结构示意图；
图4为本发明的截面图；
图5为两片导流型锯齿状波纹填料相对位置示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
对比例
现有的锯齿形波纹填料板的结构如图1所示，形成的波纹棱线相互之间是平行的结构，波纹棱线与填料板的轴向呈固定的夹角。锯齿形波纹填料板的截面如图2所示，其结构为等腰三角形的形状。
实施例1
本发明的结构如图3所示，该波纹填料为不锈钢板材、磷青铜板材、铝合金板材或塑料薄板整体压制成锯齿形波纹板，形成的波纹棱线与填料的轴向成一夹角，波纹棱线在两端经圆弧过渡到与填料的轴向平行，实现汽、液边界的平滑过渡。
其中，波纹棱线的纵截面为直角三角形的锯齿状结构，其结构如图4所示，锯齿状结构的峰高为1.5mm-8mm，顶角为15°-75°。另外，在波纹填料的表面还可以均匀开孔用于增加气液横向的混合性能。使用时，可以将将波纹填料捆扎成填料盘，使相邻两片填料片交错排列，如图5所示，填充于化工精馏塔内。
不锈钢金属板表面均匀冲孔，整体滚压成锯齿状波纹结构，截面为直角三角形锯齿结构，锯齿一边与填料片伸展方向垂直，波纹棱线与轴向成30-60°的夹角，在填料片两端波纹棱线圆滑过渡到轴线方向。该种结构能显著增强液膜在填料表面上的润湿性能，大大增大了气液传质面积，有效降低了填料内的压力损失，显著增强了填料的分离效率。
实施例2
异丙醇-水精馏分离，常压精馏塔塔径1370mm。将不锈钢板面上冲直径5mm的孔，开孔率为10％，将该金属板整体滚压成峰高h＝5mm、齿形角α＝60°的导流型锯齿状波纹填料，填料波纹棱线如图4所示。切割组合成直径1300mm、盘高300mm的填料盘，填充于精馏塔内。在达到相同的分离指标下，本发明填料技术的分离效率比传统金属板波纹填料高20％，压降损失小30％，分离经济性能大大提高。
实施例3
低温精馏分离制取稳定性同位素13C。用100目的不锈钢丝网，冲直径3mm的孔，开孔率为5％，将丝网片整体滚压成峰高h＝2.5mm、齿形角α＝45°的导流型锯齿状波纹填料，填料波纹棱线如图4所示。切割组合成直径30mm、盘高30mm的填料盘。填充于CO低温精馏制取13C的填料塔内。与相同峰高2.5mm的传统波纹填料相比，其传质分离效率提高30％。
实施例4
O2低温精馏制取稳定性同位素18O。铝合金板面上冲直径4mm的孔，开孔率为6％，将铝合金板整体滚压成峰高h＝3.5mm、齿形角α＝15°的导流型锯齿状波纹填料，填料波纹棱线如图4所示。切割组合成直径400mm、盘高200mm的填料盘。安装在分离同位素18O的O2低温精馏塔中，其分离效率高于同样峰高3.5mm的传统Sulzer波纹填料。
Claims (8)
1.一种导流型锯齿状波纹填料，其特征在于，该波纹填料为金属薄板或塑料薄板整体压制成锯齿形波纹板，形成的波纹棱线与填料片的横向伸展方向成一夹角，波纹棱线在两端经圆弧过渡与填料的横向伸展方向垂直，与填料的轴向平行。
2.根据权利要求1所述的一种导流型锯齿状波纹填料，其特征在于，所述的波纹棱线与填料片轴向的夹角为30-60°，两端经圆弧过渡与填料的轴向平行，实现汽、液边界的平滑过渡。
3.根据权利要求1所述的一种导流型锯齿状波纹填料，其特征在于，所述的波纹截面为直角三角形的锯齿状结构。
4.根据权利要求3所述的一种导流型锯齿状波纹填料，其特征在于，所述的锯齿状结构的峰高为1.5mm-8mm，顶角为15°-75°。
5.根据权利要求1所述的一种导流型锯齿状波纹填料，其特征在于，所述的金属薄板包括不锈钢板材、磷青铜板材或铝合金板材。
6.根据权利要求1所述的一种导流型锯齿状波纹填料，其特征在于，所述的波纹填料的表面还可以均匀开孔用于增加气液横向的混合性能。
7.根据权利要求1所述的一种导流型锯齿状波纹填料，其特征在于，将波纹填料捆扎成填料盘，使相邻两片填料片交错排列，填充于化工精密精馏塔内。
8.根据权利要求7所述的一种导流型锯齿状波纹填料，其特征在于，所述的化工精密精馏塔包括同位素分离、香精香料分离或医药中间体提纯精馏塔。
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