CN103157428B - 一种低阻异峰丝网波纹填料 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及填料技术领域，具体地说是一种低阻高效异峰丝网波纹填料，由多个圆柱体形状的圆盘填料依次上下叠加而成，所述每个圆盘填料由若干片以单层或双层金属丝网为基材，经模具冲压成等腰梯形的波纹丝网片依次交错排列，所述波纹丝网片的波峰与波谷最末端采用直边平滑连接，所述波纹丝网片根据峰高不同，但波纹顶夹角相同分为大波纹丝网片和小波纹丝网片，所述大波纹丝网片和小波纹丝网片按一定片数比例组合排列在一起构成圆盘填料。本发明能有效消除“死区积液”和“拦液现象”，强化液体微观成膜，减少持液，增强盘间液体自分布性能。具有阻力降小，传质效率高，易于放大等优点。
Description
[技术领域]
本发明涉及填料技术领域，主要用于同分异构体及同位素等精密体系的精馏、吸收或化学交换，具体地说是一种低阻异峰丝网波纹填料。
[背景技术]
同分异构体和同位素等精密精馏体系分离系数小，分离难度大，高纯度提取常需要几百甚至几千块理论板。国内外普遍采用金属丝网绕成的狄克松或θ环颗粒填料作为其核心传质组件，该填料属于一种散堆填料，其优点是传质效率高，但显著缺点是壁流沟流现象严重，阻力降大，不易于放大，最大使用塔径小于100mm，塔数(级数)多，流程复杂，持液量大，系统平衡时间长等。例如，以色列威兹曼研究院5kg/y的水精馏装置由28个Φ20-100mm直径塔串并联而成，均采用Φ2mm×2mm规格的磷青铜丝织狄克松填料，由于系统持液量过大，18O平衡时间长达480天，17O平衡时间更是长达950天。同样，以色列Rotem公司在运行的60kg/y18O水精馏装置，主要采用狄克松填料，装置串并联塔达几百根，工艺相当复杂。
上世纪七十年代，瑞士Sulzer公司开发一种CY-700型丝网波纹填料，经表面处理成功用于H2O/D2O重水体系的分离。该填料属于一种规整填料，中等比表面积(500-700m2/m3)的丝网波纹填料与散堆填料相比，汽液相流道规则化，持液量小，通量大，成膜均匀，但传质效率不高；高比表面积丝网波纹填料虽然传质效率提高，但几乎有与散堆填料一样的缺点：持液量大(尤其是双层或多层丝网或经表面处理的填料)，液膜表面更新差，自分布性能差，导致阻力降大，处理能力小，不易于放大及规模化生产。例如清华大学对900Y，1100Y，1700Y，2500Y四种高比表面积的丝网波纹填料进行了系统的传质性能和流体力学性能研究，同样操作条件下，比表面积增加，传质效率增加，但填料阻力降增加幅度更大，2500Y型填料阻力降很高，而且传质效率较低；天津大学硼同位素研究装置，青海光明化工厂重水装置，上海化工研究院18O水精馏装置以及13C研究装置，江苏华益公司18O水精馏装置，均部分塔采用颗粒填料，部分塔采用丝网波纹填料，或采用两种填料复合装填方案，但受制于填料持液量大，阻力降大，放大效应明显，通量小等因素，单套装置实际生产能力仅10-15kg/y，与目前美国CIL最大单套125kg/y18O水精馏装置相比，技术水平相差甚远。
丝网波纹填料用于同分异构体及同位素体系的精馏，国内外研究机构主要采取增大比表面积，采用双层或多层网，以及表面处理等技术措施强化毛细作用，片面追求提高填料的传质性能，但鲜有从创新填料结构，强化液体分布成膜等角度，显著改善填料阻力降和通量等流体力学性能及放大性能。“高效但高阻”的填料分离技术已成为制约2H，10B，13C，18O，32S等同位素及重要同分异构体实现规模化生产的重要技术瓶颈。
传统的丝网波纹填料液体波纹通道为等腰三角形，波峰及波谷最末端均为尖角过渡连接，波峰波谷处存在大量的死区积液，且不易更新，导致填料效率下降；大量增加持液而导致填料阻力降大，且平衡时间长。另一方面，传统丝网波纹填料，同一盘填料采用同一峰高的波纹片交错排列拼接而成，对于高比表面积或经表面处理的情况下，孔隙率非常小，窄小的波纹通道内由于强烈毛细作用，“拦液现象”非常严重，盘间液体的分布性能几乎缺失，导致阻力降成倍上升。
[发明内容]
本发明的目的就是针对上述传统丝网波纹填料的缺陷，提出一种新型填料结构，有效消除“死区积液”和“拦液现象”，强化液体微观成膜，减少持液，增强盘间液体自分布性能。提供一种阻力降小，传质效率高，易于放大的异峰金属丝网波纹填料。
本发明可以通过以下技术方案来实现：
一种低阻异峰丝网波纹填料，由多个圆柱体形状的圆盘填料依次上下叠加而成，所述每个圆盘填料由若干片以单层或双层金属丝网为基材，经模具冲压成等腰梯形的波纹丝网片依次交错排列，所述波纹丝网片的波峰与波谷最末端采用直边平滑连接，所述波纹丝网片根据峰高不同，但波纹顶夹角相同分为大波纹丝网片和小波纹丝网片，所述大波纹丝网片和小波纹丝网片按一定片数比例组合排列在一起构成圆盘填料。
所述波纹丝网片截面的波纹顶夹角为60-85°，波峰与波谷最末端直边长度为0.2-2.0mm。
所述每个圆盘填料中的小波纹丝网片峰高值为1.0-4.0mm，大波纹丝网片峰高值为1.5-6.0mm，小波纹丝网片数与大波纹丝网片数之比例值为20∶1-1∶1。
所述波纹丝网片上的波纹通道与垂直方向成30-45°倾角，相邻两波纹丝网片的波纹通道成90°夹角。
所述上下相邻两个圆盘填料以30-90°旋转角度叠放。
所述波纹丝网片采用不锈钢、黄铜、磷青铜或铝金属材质制成。
所述波纹丝网片表面上开有若干个直径为3.0-5.0mm孔，开孔总面积占波纹丝网片表面积的6-10％。
所述每个圆盘填料直径为25-1500mm，盘高为20-200mm。
所述异峰丝网波纹填料用于同分异构体精馏、同位素精馏或化学交换或者特种热敏化工物系的精密精馏塔。
本发明提出的异峰丝网波纹填料液体波纹通道为等腰梯形，波峰及波谷最末端采用微小直边实现相邻波纹的平滑连接，能有效消除波峰与波谷出死区积液，液体在填料表面均匀成膜，且不断被汽相扰动而快速更新，填料效率大幅提高，且持液量显著减少。
本发明提出同一圆盘中，采用两种不同峰高的波纹片按一定的片数组合比例交错排列，拼接成所需直径的圆盘，塔内上下相邻两盘填料的波纹方向呈30-90°角度叠放，能有效地消除“拦液现象”，形成高性能的盘间液体分布状态，在保证填料高传质效率的前提下，减少持液，减少填料层阻力降。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1、本发明所公开的异峰金属丝网波纹填料采用“等腰梯形”结构的液体波纹通道，能显著消除波峰及波谷处的死区积液，液体在填料表面均匀成膜，且实现充分的表面更新，同比表面积的填料传质效率能提高30％以上，填料积液减少30％以上。
2、本发明所公开的异峰金属丝网波纹填料，同一盘中采用两种峰高波纹片按一定片数组合比例拼接而成，能有效地消除填料“拦液现象”，增大孔隙率，大幅提高盘间液体自分布性能，尤其是具有高比表面积或表面处理的填料，在保证同样高的传质效率前提下，流体力学性能显著改善，填料压力降减少30％-50％以上，同塔径流体通量增加30％-50％以上。
3、本发明所公开的异峰金属丝网波纹填料，用于同分异构体或同位素体系的分离，同规模生产能力条件下，所用塔级数减少30％以上，系统平衡时间缩短40％-50％以上。
4、本发明所公开的异峰金属丝网波纹填料，用于同分异构体或同位素体系的分离，可以简化工艺，缩短流程，易于放大，显著降低分离装置投资，节约能耗。
5、本发明所公开的异峰金属丝网波纹填料，用于热敏性化学中间体高真空精馏，由于填料积液减少，可大幅缩短热敏物系在系统中停留时间，保证产品质量不受到损坏。
6、本发明所公开的异峰金属丝网波纹填料，由于波峰波谷采用微小直边平滑连接相邻波纹，可以克服传统丝网波纹填料因波峰波谷为尖角结构，而导致丝网容易被模具冲压断裂现象，明显降低填料的材料消耗。
[附图说明]
图1：为现有的波纹丝网片的横截面结构示意图；
图2：为本发明的波纹丝网片的横截面结构示意图；
图3：为本发明的圆盘填料的横截面结构示意图；
图4：为本发明的相邻两波纹丝网片的外表面结构示意图；
图5：为本发明的多个圆盘填料的组装结构示意图。
图中：α为波纹顶夹角，h为峰高，β为波纹倾角，m为波峰波谷直边长度。
[具体实施方式]
下面结合附图对本发明作以下进一步说明：
实施例1：如图2-4所示，以丝径为0.12mm的80目不锈钢丝网为基材，冲有直径4.0mm的孔，开孔率为8％，用模具冲压成波纹顶夹角α＝80°，波纹倾角β＝45°(即：波纹通道与垂直方向成45°倾角)，波峰波谷直边长m＝0.6mm，峰高分别为h小＝3.0mm，h大＝4.0mm两种等腰梯形的大、小波纹丝网片；然后按小波纹丝网片数/大波纹丝网片数为15∶1的组合比例，切割拼接成直径500mm，盘高120mm的异峰波纹填料，代替峰高均为3.5mm，α＝80°，β＝45°的传统丝网波纹填料，用于叔戊基苯/仲戊基苯同分异构体的分离，异峰丝网波纹填料的分离效率提高近30％，阻力降减少近35％。
实施例2：如图2-4所示，以丝径为0.15mm的80目磷青铜丝网为基材，冲有直径3.0mm的孔，开孔率为8％，用模具冲压成波纹顶夹角α＝75°，波纹倾角β＝30°，波峰波谷直边长m＝0.6mm，峰高分别为h小＝3.5mm，h大＝4.0mm两种等腰梯形的大、小波纹丝网片；然后按小波纹丝网片数/大波纹丝网片数为10∶1的组合比例，切割拼接成直径600mm，盘高150mm的异峰波纹填料，经表面处理后，代替用同样规格磷青铜丝网为基材，峰高均为3.5mm，α＝75°，β＝30°且经表面处理的传统丝网波纹填料，用于H2O/D2O同位素体系的分离，两者分离效率大致相同的情况下，本发明异峰丝网波纹填料单位体积的持液量减少近一半，阻力降减少近30％以上。
实施例3：如图2-4所示，以丝径为0.15mm的60目不锈钢丝网为基材，冲有直径4mm的孔，开孔率为10％，用模具冲压成波纹顶夹角α＝85°，波纹倾角β＝30°，波峰波谷直边长m＝0.7mm，峰高分别为h小＝4.0mm，h大＝5.0mm两种等腰梯形的大、小波纹丝网片；然后按小波纹丝网片数/大波纹丝网片数为5∶1的组合比例，切割拼接成直径1000mm，盘高200mm的异峰波纹填料，代替峰高均为4.5mm，α＝85°，β＝30°的传统丝网波纹填料，用于维生素E的分离提取，由于持液量少，液体停留时间大幅缩短，精馏后的维生素E产品不再有损坏变黄的现象发生，产品品质明显改善。
实施例4：如图2-4所示，以丝径为0.085mm的100目不锈钢双层丝网为基材，冲有直径3.5mm的孔，开孔率为10％，用模具冲压成波纹顶夹角α＝75°，波纹倾角β＝45°，波峰波谷直边长m＝0.4mm，峰高分别为h小＝2.5mm，h大＝3.0mm两种等腰梯形的大、小波纹丝网片；然后按小波纹丝网片数/大波纹丝网片数为5∶1的组合比例，切割拼接成直径400mm，盘高100mm的异峰波纹填料，代替用同样规格不锈钢双层丝网为基材，峰高均为2.5mm，α＝75°，β＝45°传统丝网波纹填料，用于13C同位素体系的分离，在具有几乎相同的传质效率情况下，本发明填料的阻力降明显下降，系统平衡时间大为缩短。
本发明并不受上述实施方式的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种低阻异峰丝网波纹填料，其特征在于：由多个圆柱体形状的圆盘填料依次上下叠加而成，所述每个圆盘填料由若干片以单层或双层金属丝网为基材，经模具冲压成等腰梯形的波纹丝网片依次交错排列，所述波纹丝网片的波峰与波谷最末端采用直边平滑连接，所述波纹丝网片根据峰高不同，但波纹顶夹角相同分为大波纹丝网片和小波纹丝网片，所述大波纹丝网片和小波纹丝网片按一定片数比例组合排列在一起构成圆盘填料。
2.根据权利要求1所述一种低阻异峰丝网波纹填料，其特征在于：所述波纹丝网片截面的波纹顶夹角为60-85°，波峰与波谷最末端直边长度为0.2-2.0mm。
3.根据权利要求1所述一种低阻异峰丝网波纹填料，其特征在于：所述每个圆盘填料中的小波纹丝网片峰高值为1.0-4.0mm，大波纹丝网片峰高值为1.5-6.0mm，小波纹丝网片数与大波纹丝网片数之比例值为20∶1-1∶1。
4.根据权利要求1所述一种低阻异峰丝网波纹填料，其特征在于：所述波纹丝网片上的波纹通道与垂直方向成30-45°倾角，相邻两波纹丝网片的波纹通道成90°夹角。
5.根据权利要求1所述一种低阻异峰丝网波纹填料，其特征在于：所述上下相邻两个圆盘填料以30-90°旋转角度叠放。
6.根据权利要求1所述一种低阻异峰丝网波纹填料，其特征在于：所述波纹丝网片采用不锈钢、黄铜、磷青铜或铝金属材质制成。
7.根据权利要求1所述一种低阻异峰丝网波纹填料，其特征在于：所述波纹丝网片表面上开有若干个直径为3.0-5.0mm孔，开孔总面积占波纹丝网片表面积的6-10％。
8.根据权利要求1所述一种低阻异峰丝网波纹填料，其特征在于：所述每个圆盘填料直径为25-1500mm，盘高为20-200mm。
9.根据权利要求1所述一种低阻异峰丝网波纹填料，其特征在于：所述异峰丝网波纹填料用于同分异构体精馏、同位素精馏或化学交换或者特种热敏化工物系的精密精馏塔。
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