CN104837554B - 规整填料及方法 - Google Patents

规整填料及方法 Download PDF

Info

Publication number
CN104837554B
CN104837554B CN201380064770.6A CN201380064770A CN104837554B CN 104837554 B CN104837554 B CN 104837554B CN 201380064770 A CN201380064770 A CN 201380064770A CN 104837554 B CN104837554 B CN 104837554B
Authority
CN
China
Prior art keywords
ripple
region
structured packing
straight parallel
opposite edges
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201380064770.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN104837554A (zh
Inventor
G.X.陈
K.F.拉森
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Praxair Technology Inc
Original Assignee
Praxair Technology Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Praxair Technology Inc filed Critical Praxair Technology Inc
Priority to CN201610962532.2A priority Critical patent/CN106861597B/zh
Publication of CN104837554A publication Critical patent/CN104837554A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN104837554B publication Critical patent/CN104837554B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/32—Packing elements in the form of grids or built-up elements for forming a unit or module inside the apparatus for mass or heat transfer
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D3/00—Distillation or related exchange processes in which liquids are contacted with gaseous media, e.g. stripping
    • B01D3/008—Liquid distribution
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
    • F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
    • F25J3/04—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
    • F25J3/04763—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used
    • F25J3/04866—Construction and layout of air fractionation equipments, e.g. valves, machines
    • F25J3/04896—Details of columns, e.g. internals, inlet/outlet devices
    • F25J3/04909—Structured packings
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D3/00—Distillation or related exchange processes in which liquids are contacted with gaseous media, e.g. stripping
    • B01D3/14—Fractional distillation or use of a fractionation or rectification column
    • B01D3/16—Fractionating columns in which vapour bubbles through liquid
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/32—Details relating to packing elements in the form of grids or built-up elements for forming a unit of module inside the apparatus for mass or heat transfer
    • B01J2219/322—Basic shape of the elements
    • B01J2219/32203—Sheets
    • B01J2219/32206—Flat sheets
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/32—Details relating to packing elements in the form of grids or built-up elements for forming a unit of module inside the apparatus for mass or heat transfer
    • B01J2219/322—Basic shape of the elements
    • B01J2219/32203—Sheets
    • B01J2219/3221—Corrugated sheets
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/32—Details relating to packing elements in the form of grids or built-up elements for forming a unit of module inside the apparatus for mass or heat transfer
    • B01J2219/322—Basic shape of the elements
    • B01J2219/32203—Sheets
    • B01J2219/32213—Plurality of essentially parallel sheets
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/32—Details relating to packing elements in the form of grids or built-up elements for forming a unit of module inside the apparatus for mass or heat transfer
    • B01J2219/322—Basic shape of the elements
    • B01J2219/32203—Sheets
    • B01J2219/32213—Plurality of essentially parallel sheets
    • B01J2219/32217—Plurality of essentially parallel sheets with sheets having corrugations which intersect at an angle of 90 degrees
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/32—Details relating to packing elements in the form of grids or built-up elements for forming a unit of module inside the apparatus for mass or heat transfer
    • B01J2219/322—Basic shape of the elements
    • B01J2219/32203—Sheets
    • B01J2219/32224—Sheets characterised by the orientation of the sheet
    • B01J2219/32227—Vertical orientation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/32—Details relating to packing elements in the form of grids or built-up elements for forming a unit of module inside the apparatus for mass or heat transfer
    • B01J2219/322—Basic shape of the elements
    • B01J2219/32203—Sheets
    • B01J2219/32237—Sheets comprising apertures or perforations
    • B01J2219/32244—Essentially circular apertures
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/32—Details relating to packing elements in the form of grids or built-up elements for forming a unit of module inside the apparatus for mass or heat transfer
    • B01J2219/322—Basic shape of the elements
    • B01J2219/32203—Sheets
    • B01J2219/32255—Other details of the sheets
    • B01J2219/32258—Details relating to the extremities of the sheets, such as a change in corrugation geometry or sawtooth edges
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/32—Details relating to packing elements in the form of grids or built-up elements for forming a unit of module inside the apparatus for mass or heat transfer
    • B01J2219/322—Basic shape of the elements
    • B01J2219/32203—Sheets
    • B01J2219/32265—Sheets characterised by the orientation of blocks of sheets
    • B01J2219/32272—Sheets characterised by the orientation of blocks of sheets relating to blocks in superimposed layers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
    • F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
    • F25J3/0228—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream characterised by the separated product stream
    • F25J3/028—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream characterised by the separated product stream separation of noble gases

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
  • Vaporization, Distillation, Condensation, Sublimation, And Cold Traps (AREA)

Abstract

一种由多个波纹矩形片形成的规整填料及一种关于其使用的方法。波纹的端部区域设有从片的相对边缘与其成直角向内延伸的直的平行波纹，以减小填料层之间的界面处的压降，且从而增大液压能力。促进波纹的主区域内的下降液相与上升汽相之间的接触，波纹的主区域具有与相对边缘成锐角定向的波纹的直的平行区段。具有波纹的弓形区段的过渡区域连接主区域和端部区域内的波纹，以减小规整填料内的内部压降，且从而进一步减小界面处的压降和进一步增大液压能力。

Description

规整填料及方法
技术领域
本发明涉及一种规整填料及使用此规整填料的方法，其中规整填料由以并列关系布置且具有重复起伏图案的波纹的多个矩形片形成，波纹在相邻的片中穿过彼此。更具体而言，本发明涉及此类规整填料及方法，其中各个片的波纹均具有波纹与片的边缘成直角的端部区域，波纹定向成与片的边缘成锐角的主区域，以及连接端部区域和主区域内的波纹且具有弓形构造的波纹的过渡区域。
背景技术
规整填料长久以来用作传质接触元件来用于诸如进行蒸馏和吸收过程的目的。规整填料的关键优点在于它们提供用于传质的较大表面面积，同时呈现出较宽操作范围内的较低压降。例如，此规整填料在空气的低温蒸馏中用于降低空气分离单元的低压塔内的压降，空气分离单元还具有以传热关系联接至低压塔的高压塔。与塔盘(tray)相反，借助于此规整填料的低压塔内的较低压降将压力减小至进入空气需要压缩的压力，且因此也减小了电力消耗。此外，此规整填料用于连接到低压塔上的氩塔中，以通过足够的分离级数将氩与氧分离，使氩产物基本上不包含氧。
规整填料由以并排关系布置的多个波纹片形成，以便相邻片中的波纹穿过彼此。在规整填料用于蒸馏的情况下，规整填料以填料或层的垂直组布置在蒸馏塔内，且从顶部由待分离的混合物的液相给送，和从底部由混合物的汽相给送。由于波纹的交叉，故液相趋于扩散穿过填料且作为液膜下降。蒸汽向上流过波纹，且还趋于扩散穿过填料和接触下降液体。蒸汽和液体的紧密接触产生了趋于平衡的液体和蒸汽混合物的变化。结果，下降液体在其下降穿过填料时将变得此后集中于待分离的混合物的挥发性较低的成分中，而蒸汽在其上升穿过填料时将日益变得此后集中于混合物的挥发性较高的成分中。规整填料分层提供，其中一个层中的片定向成与另一层成直角，以进一步促进液体和蒸汽混合。
在规整填料以及任何传质接触元件中，液泛表示填料将不再起作用的极限。每个规整填料都具有压降开始快速升高的液泛能力(hydraulic flooding capacity)。其原因在于由于过大的上流蒸汽阻止了液流向下穿过填料，因此液体开始累积在填料层之间的界面处，导致了引起液泛的压降的快速升高。将注意的是，在填料层之间的界面处的层之间的此压降和所得持液量总是大于在填料本体中的，因为形成在波纹之间(如，填料层之间)的流动通道未对准。在任何情况下，大约同时还开始达到操作液泛点，在该处，填料的传质效率快速下降，或换言之，HETP(理论等板高度)快速升高。进行特定蒸馏的特定规整填料的液泛极限代表对穿过蒸馏塔的流速的限制，其大部分通过填料密度的适当选择和/或提供产生决不会出现液泛的足够低的蒸汽速率的塔直径来解决。然而，当密度减小时，填料的效率也降低，继而又增加了蒸馏塔高度要求。塔尺寸和直径将对设备的制造成本有直接影响。因此，重要的是，特定规整填料的液泛能力尽可能高。
如上文所述，在常规填料中，波纹相对于填料片的边缘成恒定锐角穿过填料。在填料层之间时，波纹的角度在沿蒸汽和液体两者的流动方向上产生突然变化，其作用为限制液压能力。现有技术提供了规整填料，其设计有对波纹的端部或边缘改型，以减小蒸汽流动方向上的突然变化，以提高此规整填料的液压能力。
US 5,632,934中公开了具有提高的液压能力的规整填料的实例。在此专利中，规整填料的波纹具有波纹设置成与填料片的相对边缘成锐角的中心区域和与相对边缘成直角的端部区域。此效果在于减小蒸汽在其从填料的下层流动且进入位于下层上方的填料层中时的阻力，且允许液体以低于常规填料的阻力落到下层上。结果，此填料的液压能力大于没有此边缘改型的常规填料。
US 6,206,349公开了也设计成具有提高的液压能力的另一种规整填料。在该专利中公开的规整填料中，各个填料片内的波纹均设有端部或末端部分，其从波纹的中心区段朝填料片的边缘弯曲，以便蒸汽流动方向上的变化不会很突然，而是更渐变。该专利中还提供了网格状结构，其可置于常规的填料片之间，这并未使弯曲边缘改型与在蒸汽进入规整填料的上层时减少蒸汽流动方向上的变化的意图结合。
如将论述的那样，本发明提供了一种规整填料，其除其他优点外还具有大于上文提到的现有技术的液压能力，且进一步，具有优于现有技术的那些操作特性。
发明内容
本发明提供了一种规整填料，其包括以并列关系布置的多个矩形片。各个矩形片均具有两个相对表面、位于两个相对表面之间遍布且连通的多个开口，以及连接两个相对边缘且以重复起伏图案布置的波纹，该波纹具有位于邻近彼此的交替的峰部和谷部。
矩形片的波纹具有端部区域、主区域和过渡区域。端部区域包含波纹的直的平行区段，其从各个片的两个相对边缘中的一个与边缘成直角向内延伸。主区域包含定向成与各个片的两个相对边缘成锐角的波纹的直的平行区段，且过渡区域具有波纹的弓形区段，其连接在其相对端处的主区域和过渡区域的波纹的直的平行区段。这种连接实现为使得波纹的直的平行区段的峰部的顶点与过渡区域内的其相对端处的波纹的弓形区段的峰部的顶点的切线重合。
矩形片定向成使得端部区域、主区域和过渡区域定位成与彼此相对，其中相邻的矩形片的主区域的波纹的直的平行区段成交叉关系。
本发明还提供了一种接触在蒸馏塔内待蒸馏的混合物的下降液相和上升汽相的方法。根据所述方法，下降液相和上升汽相在垂直地布置在蒸馏塔内的多层规整填料内接触，使得下降液相和上升汽相穿过界面，该界面分别位于规整填料层之间。规整填料的各层均包括以并列关系布置的多个矩形片，其中规整填料的上层中的片定向成与规整填料的下层中的片成直角。各个矩形片均具有两个相对表面、位于两个相对表面之间遍布且连通的多个开口、以及连接两个相对边缘且以重复起伏图案布置的波纹，该图案具有位于邻近彼此的交替的峰部和谷部。
通过使下降液相和上升汽相穿过波纹的端部区域来减小界面处的压降和增大规整填料的液压能力，波纹的端部区域位于彼此相对和具有从各个片的两个相对边缘的至少底部与边缘成直角延伸的波纹的直的平行区段。下降液相与上升汽相之间的接触在波纹的主区域内得到促进，波纹的主区域具有与端部区域间隔开的、定向成与两个相对边缘成锐角的波纹的直的平行区段，且其中相邻成对的矩形片的主区域内的波纹成交叉关系。通过使下降液相和上升汽相穿过波纹的过渡区域来减小规整填料内的内部压降，从而进一步减小了界面处的压降，且进一步增大液压能力。过渡区域定位成彼此相对，且在其相对端处具有连接主区域和过渡区域的波纹的直的平行区段的波纹的弓形区段。这种连接实现为使得波纹的直的平行区段的峰部的顶点与过渡区域内的其相对端处的波纹的弓形区段的峰部的顶点的切线重合。
如将论述的那样，已经发现结合弓形波纹的过渡区域有助于优于现有技术的液压能力的进一步提高。尽管不希望坚持操作原理，但这里发明人认为，在仅具有波纹与填料片的边缘成直角的端部改型的现有技术的规整填料中，填料内部的液体和蒸汽产生填料片自身内的方向上的突然变化，导致了内部湍流和压降。这对其中蒸汽进入且液体排出的填料的边缘有影响。在填料具有延伸至填料片的边缘的弯曲改型的情况中，所认为的是在变化的方向上，蒸汽上流迫使同时下降的液体抵靠形成在波纹之间的通道，导致内部持液和压降。在通道网格在填料片之间使用的情况下，即使以某些方式，此类通道可制作成与波纹对齐，但通道区段自身提供两个界面(之前存在一个在该处)；且因此，提供两个位置用于液体收集和产生压降。结果，所认为的是根据本发明的规整填料的液压能力将小于上文论述的现有技术方案中的任一者。在此方面，网格通道和波纹之间的失配将只会加重问题。尽管以上专利并未提到，但所认为的是如果此网格即使与弯曲端部改型一起使用，具有两个界面的问题也将降低由弯曲端部区段改型获得的任何优点，且因此技术人员不会被引导去组合两者。此外，此网格区段将不是期望的，因为其将趋于增大塔的高度，这将首先增加制造塔的费用。
在任何情况下，在本发明中，不同于现有技术，过渡区域的弓形波纹位于填料自身内部。因此，实现了具有与填料片的边缘成直角的端部改型的优点。同时，在蒸汽上流到达本发明的内部弯曲过渡区域的时候，其表面速度由于其与液体的平行流相互作用减小而填料自身内的压降进一步减小，且因此向填料片的边缘处的蒸汽和液体的流动提供了较小阻力。本发明的另一个优点在于过渡区域内的弓形波纹用于减轻由上填料层产生的应力，否则这将由波纹从锐角到直角在方向上的突然变化而加强。
在根据本发明的规整填料中，端部区域和过渡区域可为第一端部区域和第一过渡区域。在此情况下，矩形片的波纹具有与第一端部区域和第一过渡区域相同的第二端部区域和第二过渡区域，且其中第二过渡区域构造为第一过渡区域的镜像。第二端部区域的波纹的直的平行区段从各个片的两个相对边缘中的另一个延伸，且第二过渡区域的波纹的弓形区段在其相对端处连接第二端部区域和的主区域的波纹的直的平行区段。结合本发明的方法，下降液相和上升汽相穿过矩形片的波纹的第二端部区域和第二过渡区域。
此外，在本发明的规整填料或使用此规整填料的本发明的方法中，各个顶点可弯曲，且各个波纹可具有三角形横截面，其具有由弯曲顶点连接的两个相等侧边。此外，端部区域内的波纹的各个直的平行区段可具有等于波纹的大约波纹宽度乘以0.3到4.0之间的范围内的常数的长度，且过渡区域内的波纹的弓形区段可分别具有波纹宽度的大约百分之25.0到大约百分之75.0之间范围的半径。作为优选，曲率半径可为波纹宽度的大约百分之50.0，且常数可在1.0到3.0之间。更优选的是，常数为2.0，且长度不小于大约1.27cm，且不大于大约3.81cm。在本发明的任何实施例或方面中，主区域内的波纹的锐角可为40度和45度中的一者。
附图说明
尽管说明书以明确指出申请人认作是其发明的主题的权利要求结束，但所认为的是本发明将在连同附图时较好理解，在附图中：
图1为结合根据本发明的规整填料的蒸馏塔的示意性截面视图；
图2为根据本发明的规整填料的矩形片的平面视图，其中部分剖开来示出规整填料的相邻片；
图3为沿图2的线3-3截取的根据本发明的规整填料片的边缘视图；
图4为图2的放大的片段视图；
图5为比较根据本发明的规整填料和现有技术的规整填料的液压能力的Wallis图的图解示图；
图6为比较根据本发明的规整填料和现有技术的规整填料的随相对能力变化的HETP和压降的图解示图；以及
图7为随具有高于图5和6中测试的规整填料的密度的根据本发明的规整填料的液泛的百分比变化的HETP和压降的图解示图。
具体实施方式
参看图1，仅为了示例性目的；其不作为限制，示出了蒸馏塔10，其结合了根据本发明的规整填料层，由参考标号12，14和16标记。如图所示，矩形片构成层14定向成与那些层12和16成直角。
在操作中，包括待精馏的混合物的成分的进料流18引入蒸馏塔10的底部中，以开始形成在层12,14和16内与下降汽相紧密接触的上升汽相。这种接触导致了富有待分离的混合物的较高挥发性成分的塔顶蒸汽20，以及富有混合物的较低挥发性成分的塔底液体22。由塔顶蒸汽20构成的蒸汽塔顶流24引入冷凝器26中。蒸汽塔顶流24在冷凝器26的芯28中冷凝，该芯位于冷凝器的壳30内。蒸汽塔顶馏出物冷凝来形成冷凝物流32，其继而又分成产物流34和回流36。将理解的是，产物流34可为将在后续的单元操作中进一步处理的中间产物。回流36引入液体分配器38中，且开始形成下降液相。
冷凝器26的冷却剂作为冷却剂流40引入壳30中，其部分地汽化来形成汽相流42和液相流44。再次出于示例性目的，进料流18可为从用于空气分离设备中的蒸馏塔系统的低压塔除去的含有氧和氩的流。在此情况下，冷却剂流40在由未示出的阀减压之后将由高压塔的粗液体塔底残留物或釜液形成，高压塔热联接到此低压塔上。所得的汽相流42和液相流44将连同由液体塔底残留物22形成的富氧流48再引回低压塔中。实际上，将存在比所示更多层的规整填料，且产物流40可为粗氩流，其将通过除去氧和氮来进一步处理，或可具有足够的分离级数，以便将氩与氧分离成产物流40将为最终产品的程度。
如上文所述，液压能力液泛极限出现，其中下降液相的向下液流由于过多的上流蒸汽而被阻止，液体累积在填料层之间的界面处，在蒸馏塔10中为界面50和52处。如将描述那样，本发明的规整填料提供了大于现有技术的液压能力，且此外，根据本发明的规整填料具有意外的操作特性，其中即使压降增大，填料的效率也相对保持不变。这允许比现有技术更接近液泛来进行蒸馏。
参看图2，示出了根据本发明的规整填料60，其可用于形成层12，14和16。规整填料60由矩形片形成，如矩形片62和64。各个矩形片62和64均具有两个相对表面66和68。由于各个相邻成对的片的定向相反，故矩形片62具有抵靠矩形片64的相对表面68，且矩形片64具有其相反侧上的相对表面66。在此方面，尽管示出了两个矩形片62和64，然而存在所有都以并排关系布置的许多此片，这在本领域中称为"砖"，以形成横穿蒸馏塔如蒸馏塔10的直径的规整填料的长条，且其中砖还并排定位来填充蒸馏塔的横截面，且因此形成上文所述的规整填料层，如12，14和16。
各个矩形片62和64均具有定位成在两个相对表面66和68之间遍布和连通的多个开口70。此外，各个矩形片62和64具有波纹72，其连接两个相对边缘74和76，且以重复起伏图案布置，该图案具有位于彼此邻近的交替的峰部78和谷部80。还参看图3，明显的是，表面66中的峰部78形成表面68中的谷部，且反之亦然。如图所示，各个波纹均为三角形构造，且具有弯曲的顶点79和由弯曲的顶点连接的两个相等侧边81。然而，将注意的是，尽管波纹72因此是对称的，但如本领域的技术人员想到那样，侧边81可为不等的长度，且/或也可弯曲。此外，曲线峰部79可由更尖的峰部或平的峰部替换。这些可能构造都将不是优选的，其中所认为的是最佳性能将通过弯曲顶点如顶点79获得。此外，各个矩形片且因此波纹72可选设有遍布的压纹状纹理。
又参看图2且还参看图4，各个矩形片中的波纹(例如，矩形片62)均具有分别从相对边缘74和76延伸的端部区域"E"和"E’"、在端部区域"E"和"E’"之间间隔开的主区域"M"，以及将端部区域"E"和"E’"分别连接到波纹72的主区域"M"上的过渡区域"T"和"T’"。
如图所示，端部区域"E"的波纹72为直的、平行于彼此，且定向成与相对边缘74成直角。各个波纹72具有如在相邻波纹72的顶点79之间测得的波纹宽度"W"。
主要区域"M"内的波纹72也是直的、且平行于彼此，且定向成与相对边缘74和76成锐角。通常，使用45.0度的锐角。然而，其他角度也可使用，如40.0度。较浅角度的使用将提高下降液相与上升汽相之间的传质接触效率，或换言之，减小了HETP(其中略微增大了规整填料自身内的内部压降)。当然可使用本领域的技术人员想到的其他角度。
过渡区域"T"的波纹72具有弓形构造，即，它们性质上为弧形。作为优选，此区域内的波纹为圆弧，且具有曲率半径"R"，其优选在各个波纹宽度"W"的百分之25.0到百分之70.0之间的范围中。作为优选，曲率半径"R"为波纹宽度"W"的大约百分之50.0。这里，用语"大约"是指实际中规整填料片为金属冲压件且将存在波纹宽度的一些变化。因此，如本文和权利要求中使用那样，用语"大约"意思是可变化加或减百分之15的值。即是说，本发明的实施例是可能的，其中此波纹区段不是圆弧，且具有略微变化的曲率半径。还将注意的是，平稳过渡存在于从端部区域"E"到主区域"M"的过渡区域"T"内。在这里，在过渡区域"T"内的任何弓形波纹的一端"T1"处的顶点79处绘制的切线将与穿过主区域"M"的直的平行波纹中的峰部79的线重合，且在过渡区域"T"的任何弓形波纹的另一端"T2"处的顶点79处绘制的切线将与穿过端部区域"E"内的邻接的直的平行波纹的顶点79的线重合。换言之，端部区域"E"和主区域"M"内的直的平行区段的波纹的顶点79与过渡区域"T"内的相对端"T1"和"T2"处的波纹的弓形区段的顶点的切线重合。
端部区域"E’"与上文特别描述的端部区域"E"相同。位于矩形片的另一端处的过渡区域"T’"具有与过渡区域"T"相同的构造，然而，过渡区域"T’"为过渡区域"T"的镜像，假定过渡区域"T’"内的波纹72的弓形区段沿反时针方向转动，以便能够使主区域"M"与端部区域"E’"连接。出于此目的，过渡区域"T"内的波纹72的转动是顺时针方向。
本发明的实施例是可能的，其中仅单个端部区域"E"和单个过渡区域"T"在矩形片的一个边缘处使用，例如，矩形片62的边缘74，其在塔中组装时，将为规整填料的底部边缘。在此情况下，波纹的主区域"M"将延伸至矩形片的另一端76。实际上，此实施例将使用于矩形片的端部区域"E"位于与其中矩形片的主区域"M"终止的矩形片的边缘相邻。在此方面，本文的发明人发现构成根据本发明的规整填料层的矩形片的仅下部需要存在来获得增大液压能力的利益。然而，当端部区域"E"和过渡区域"T"在如本文所示的矩形片的相对边缘处使用时，根据本发明的规整填料的组装和安装将更容易实现。
如上文所述，多个矩形片，例如，矩形片62和64，以并排或并列布置定位，且定向成以便任何两个相邻的成对的矩形片的端部区域"E"、过渡区域"T"和主区域"M"内的波纹72位于彼此相对，且其中主区域"M"的波纹成交叉关系。在主区域"M"中，这将提供波纹的顶点79处的较大数目的接触点，以促进下降液相和上升汽相的液汽接触和混合。过渡区域"T"和"T’"内的弓形波纹也彼此交叉，虽然处于单个接触点处。端部区域"E’'"和过渡区域"T’"与端部区域"E"和过渡区域"T"相同。
在一个峰部到邻近峰部之间测得的波纹72的高度，每个单位矩形片的波纹的数目取决于根据本发明的规整填料的期望密度。这些前文变量由单位体积的填料中所需的传质量确定。如可认识到的那样，当片的密度增大时，波纹72的宽度和间距将减小。这将对端部区域或多个端部区域"E"和"E’"和过渡区域或多个过渡区域"T"和"T’"两者的长度有影响，其将适当地调整(scale)。该长度将沿矩形片62的边缘74和/或76的垂线测量。在此方面，作为优选，端部区域"E"和"E’"中的各个均具有等于大约波纹宽度"W"乘以0.3到4.0之间的范围中的常数的范围内的此长度。更优选的是，范围在1.0到3.0之间，且最优选的是，常数等于2.0，且长度也最优选为不小于该不小于大约1.27cm且不大于大约3.81cm的长度。一旦这样确定，则也随波纹宽度变化的过渡区域中使用的半径"R"将确定过渡区域"T"和"T’"中任一者的长度。将注意的是，根据本发明的规整填料的实施例可在没有端部区域"E"和"E’"的长度和过渡区域"T"和"T’"中包含的弓形波纹节段的曲率半径的尺寸限制的情况下构成。然而，当这些尺寸扩大时，效果将缩小主区域"M"的长度，其中大部分液体蒸汽接触会发生。这将降低填料的效率，或换言之增加HETP。另一方面，减小端部区域"E"和"E’"的长度将减小界面处的压降降低。同样地，过渡区域"T"和"T’"内的波纹的弓形区段的半径减小也会这样。
尽管发明人这里并不期望限于特定的操作原理，但所认为的是端部区域"E"和"E’"内的波纹72的直的平行区段以与现有技术相同的方式作用来提供无阻通路，以用于上升蒸汽从规整填料的下层如层16穿过，且用于下降液体从规整填料的上层14落到规整填料的下层16上。内部弓形过渡区域"T"和"T’"提供了规整填料内的上升蒸汽和下降液体内部的方向上的逐渐变化，以减小内部压降，这对规整填料之间的界面(例如，图1中所示的界面50和54)处的压降有附加影响。该附加影响增大了根据本发明的规整填料的液压能力和相关液泛极限。其具有的未由本文的发明人预见到的附加效果在于，特征化为HETP的快速升高的操作液泛极限延迟，且将不会在达到液泛极限时较大地变化。结果，使用根据本发明的规整填料的蒸馏塔可在比现有技术更接近液泛极限下操作，即，此液泛极限的百分之85到百分之90(相比于百分之80而言)。这允许了比现有技术的规整填料更高的分离产品生产率。
已经通过实验证实了前文。参看图5、6和7，前述附图中所示类型的规整填料在测试塔中测试，其中测试塔处于全逆流状态。规整填料的八块砖用于测试塔中。各块砖均为大约10英寸高和12英寸直径。各块砖均构成塔中的一层。在这些测试中，各种填料的能力通过测量进入蒸汽流的各种流速下的床上的压降来测试。
具体参看图5，示出了可比较的Wallis图，其比较具有750m2/m3的密度的两种规整填料的液泛特性。由实心圆示出的规整填料1为具有从一端到另一端以45°恒定角延伸的波纹的现有技术填料。规整填料2为根据本发明的规整填料，其中主区域内的波纹为45°，端部区域内的波纹宽度"W"为7.3mm，且用于过渡区域的半径"R"为分离距离的百分之50.0。测试在具有10英寸高的八块砖的测试塔中且以各种液体和蒸汽速率执行。如本领域中公知那样，蒸汽速率为Cv，其等于(MG/ρGA)(ρG/ρL-ρG)1.0，且液体速率为CL，其等于(ML/ρLA)(ρLG/ρL-ρG)1.0；其中MG为气体的质量流速，ML为液体的质量流速，"A"为填料的横截面面积，ρL为液体的密度，且ρG为气体的密度。在Wallis图中，数据点拟合具有方程Cv 0.5＋aCL=b的曲线。液体速率以相对单位的液体流/填料横截面面积的平方根表示。从该图表中清楚可见，根据本发明的规整填料的能力总是较高，或换言之，对于任何给定液体速率，蒸汽速率较高。实际上，从根据本发明的规整填料2可获得的液体速率在常规规整填料1中是不可能的，即，在相对液体速率接近4.50的附近。
参看图6，在测试塔中进行测试的是从低压塔获得的氩氧混合物类型。出于此目的，规整填料的八块砖用于该测试塔中。各块砖均为大致10英寸高和12英寸直径。各块砖均构成塔中的一层。再次，测试具有750m2/m3密度的规整填料，其具有上文提出的特性，以便将现有技术的规整填料的性能与根据本发明的规整填料直接比较。尽管压降通过塔的顶部和底部处的压力测量确定且提供了此数据，还提供了相对HETP和能力数据，即，Cv，其为除以常数的实际数据点。由正方形示出的数据代表现有技术的规整填料，由圆形示出的数据代表本发明的规整填料。实心正方形和圆形用于表示HETP性能，而无阴影正方形和圆形示出了压降性能。从该图表清楚可见，现有技术中的规整填料的液泛在根据本发明的规整填料之前很早开始，甚至分别如3和4处所示开始液泛。此外，大约在现有技术的规整填料达到液泛的时候，大约同时，出现操作液泛极限，如5处所示的HETP的快速升高所表示。相对于根据本发明的规整填料，不但HETP如6处所示保持相对较平，而且操作液泛极限甚至并未接近。
对于具有甚至更高密度的规整填料获得了类似的数据。例如，参看图7，在测试塔中且以上文阐释的方式测试了具有940m2/m3的密度的根据本发明的规整填料。清楚的是，由实心正方形代表的数据所示的HETP再次保持基本上很平，甚至直到构成液泛状态的Cv。结果，根据本发明的填料，独立于密度不但具有较高液压能力，而且还允许在比现有技术更接近液泛的状态下操作。因此，通过根据本发明的塔可在比现有技术更接近液泛的状态下操作，且实际上具有接近液泛的百分之85到百分之90之间的Cv下的操作相当可行。当然，这既允许给定塔的更大流动和更高产量，又允许塔直径减小，导致了较低制造成本。
尽管参照优选实施例描述了本发明，但本领域的技术人员将想到，可作出许多变化、添加和省略，而不会脱离如所附权利要求中阐明的本发明的精神和范围。

Claims (6)

1.一种规整填料，包括：
以并列关系布置的多个矩形片，各个矩形片包括：
(a) 两个相对表面；
(b) 两个相对边缘;
(c) 定位于遍布所述矩形片和连通所述两个相对表面之间的多个开口；以及
(d) 设置在所述相对表面上而且连接于所述两个相对边缘之间的多个波纹，所述多个波纹以重复起伏图案布置，所述图案具有所述相对表面上的交替的峰部和谷部，并且其中各个所述多个波纹还包括：
(i)第一端部区域和第二端部区域，所述第一端部区域设置在邻近所述两个相对边缘中的一个，所述第二端部区域设置在邻近所述两个相对边缘中的另一个，其中所述多个波纹的端部区域还包括多个直的平行区段，所述直的平行区段从所述两个相对边缘与所述两个相对边缘成直角向内延伸，并且其中所述端部区域的各个所述直的平行区段具有等于所述波纹的大约波纹宽度乘以0.3到4.0之间的范围内的常数的长度；
(ii)主区域，其中所述多个波纹的主区域还包括与所述两个相对边缘成锐角定向的多个直的平行区段；以及
(iii)第一过渡区域和第二过渡区域，所述第一过渡区域设置在所述第一端部区域和所述主区域之间，所述第二过渡区域设置在所述第二端部区域和所述主区域之间，其中所述第一过渡区域具有在其相对端处连接所述主区域和所述第一端部区域的波纹的直的平行区段的所述波纹的弓形区段，所述第二过渡区域具有在其相对端处连接所述主区域和所述第二端部区域的波纹的直的平行区段的所述波纹的弓形区段；
其中多个矩形片构造成使得所述波纹的直的平行区段的峰部的顶点与所述过渡区域内的在其相对端处所述波纹的弓形区段的峰部的顶点的切线重合；
其中所述多个矩形片定向成使得各个所述多个矩形片上的波纹的端部区域、主区域、和过渡区域定位成相对于彼此；以及
其中相邻矩形片上的波纹的所述主区域的直的平行区段定向成交叉关系。
2.根据权利要求1所述的规整填料，其特征在于：各个所述顶点为弯曲的，且各个所述多个波纹具有三角形横截面，其具有由弯曲的所述顶点连接的两个相等侧边。
3.根据权利要求1所述的规整填料，其特征在于：所述过渡区域的弓形区段分别具有在所述波纹宽度的百分之25.0到百分之75.0之间的范围中的曲率半径。
4.根据权利要求3所述的规整填料，其特征在于：所述曲率半径为所述波纹宽度的百分之50.0。
5.根据权利要求1所述的规整填料，其特征在于：所述常数为2.0，以及所述端部区域的直的平行区段的长度不小于1.27cm，且不大于3.81cm。
6.根据权利要求1所述的规整填料，其特征在于：所述锐角为40度和45度中的一者。
CN201380064770.6A 2012-12-11 2013-10-14 规整填料及方法 Active CN104837554B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610962532.2A CN106861597B (zh) 2012-12-11 2013-10-14 规整填料及方法

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US13/711029 2012-12-11
US13/711,029 US9295925B2 (en) 2012-12-11 2012-12-11 Structured packing and method
PCT/US2013/064833 WO2014092857A1 (en) 2012-12-11 2013-10-14 Structured packing and method

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201610962532.2A Division CN106861597B (zh) 2012-12-11 2013-10-14 规整填料及方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN104837554A CN104837554A (zh) 2015-08-12
CN104837554B true CN104837554B (zh) 2018-04-06

Family

ID=49519099

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201380064770.6A Active CN104837554B (zh) 2012-12-11 2013-10-14 规整填料及方法
CN201610962532.2A Active CN106861597B (zh) 2012-12-11 2013-10-14 规整填料及方法

Family Applications After (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201610962532.2A Active CN106861597B (zh) 2012-12-11 2013-10-14 规整填料及方法

Country Status (3)

Country Link
US (1) US9295925B2 (zh)
CN (2) CN104837554B (zh)
WO (1) WO2014092857A1 (zh)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9956540B1 (en) * 2015-03-31 2018-05-01 Gtc Technology Us Llc Structured packing with enhanced fluid-flow interface
US10684071B2 (en) 2017-08-25 2020-06-16 Praxair Technology, Inc. Annular divided wall column for an air separation unit
US10578355B2 (en) 2017-08-25 2020-03-03 Praxair Technology, Inc. Annular divided wall column for an air separation unit
AU2018443517B2 (en) * 2018-09-25 2021-05-13 Brentwood Industries, Inc. Cross corrugated media and related method
DE102018221652A1 (de) * 2018-12-13 2020-06-18 Sgl Carbon Se Füllkörper
WO2024028696A1 (en) * 2022-08-04 2024-02-08 Koch-Glitsch, Lp Structured packing

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4842778A (en) * 1985-12-23 1989-06-27 Glitsch, Inc. Apparatus for flow distribution in packed towers
CN201644096U (zh) * 2010-04-02 2010-11-24 张旭明 一种孔板波纹填料
CN101947429A (zh) * 2010-09-25 2011-01-19 杭州杭氧填料有限公司 过渡弧形边缘改进型板波纹规整填料及其制造方法
CN102665892A (zh) * 2009-11-05 2012-09-12 Rvt处理设备股份有限公司 波纹状填装结构栅构和由若干填装结构栅构装配的结构化填装结构

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1091646C (zh) 1994-10-04 2002-10-02 普莱克斯技术有限公司 用于精炼系统的高容量结构填料
GB9522086D0 (en) 1995-10-31 1996-01-03 Ici Plc Fluid-fluid contacting apparatus
US6713158B2 (en) * 1999-06-25 2004-03-30 The Boc Group, Inc. Structured packing
US6478290B2 (en) 1999-12-09 2002-11-12 Praxair Technology, Inc. Packing for mass transfer column
FR2833190B1 (fr) * 2001-12-10 2004-02-27 Air Liquide Bande pour module de garnissage, module et colonne correspondants
US7267329B2 (en) * 2005-07-27 2007-09-11 Air Products And Chemicals, Inc. Alternating conventional and high capacity packing within the same section of an exchange column
FR2947188A1 (fr) * 2009-06-24 2010-12-31 Air Liquide Bande pour module de garnissage, module de garnissage et installation de distillation correspondants
CN201493116U (zh) * 2009-08-10 2010-06-02 天津大学 一种新型规整填料
WO2012102876A1 (en) * 2011-01-27 2012-08-02 Praxair Technology, Inc. Distillation method and cross - corrugated structured foam- like packing
CN202036997U (zh) * 2011-03-24 2011-11-16 华东理工大学 一种优化变向孔板波纹填料

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4842778A (en) * 1985-12-23 1989-06-27 Glitsch, Inc. Apparatus for flow distribution in packed towers
CN102665892A (zh) * 2009-11-05 2012-09-12 Rvt处理设备股份有限公司 波纹状填装结构栅构和由若干填装结构栅构装配的结构化填装结构
CN201644096U (zh) * 2010-04-02 2010-11-24 张旭明 一种孔板波纹填料
CN101947429A (zh) * 2010-09-25 2011-01-19 杭州杭氧填料有限公司 过渡弧形边缘改进型板波纹规整填料及其制造方法

Also Published As

Publication number Publication date
US9295925B2 (en) 2016-03-29
US20140158519A1 (en) 2014-06-12
WO2014092857A1 (en) 2014-06-19
CN106861597B (zh) 2019-11-05
CN106861597A (zh) 2017-06-20
CN104837554A (zh) 2015-08-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN104837554B (zh) 规整填料及方法
JP6317777B2 (ja) 構造化充填物を有する物質移動装置
JP4745444B2 (ja) ランダム充填要素及びこれを含むカラム
US9375655B2 (en) Distillation method and structured packing
CN101269314B (zh) 筛孔网板波纹填料片及规整填料
JPH08206492A (ja) 精留システムのための改善された容量を備える組織化充填物
Olujić et al. Experimental characterization and modeling of high performance structured packings
US6713158B2 (en) Structured packing
RU2670899C9 (ru) Насадочный лист для структурированной насадки
TWI495505B (zh) 用以純化流體之方法及裝置
US10953382B2 (en) Structured packing module for mass transfer columns
RU2336943C1 (ru) Чередующаяся насадка большой емкости в одной и той же секции обменной колонны
JP2004351416A (ja) 金属織布で作製した交差通路パッキングの使用法
CN1196276A (zh) 具有较大容量和高的质量传递效率的填充物
TW200418568A (en) Structured packing with increased capacity
Schultes et al. How to surpass conventional and high capacity structured packings with raschig super-pak
CN207169746U (zh) 一种用于填料塔的规整填料
RU2300419C1 (ru) Регулярная насадка для тепло- и массообменных аппаратов
RU102308U1 (ru) Массообменная регулярная насадка
TWI829970B (zh) 結構化交叉通道填料元件及其用途和包括其之質量轉移管柱
US20230358480A1 (en) Structured packing bed for high pressure mass transfer and/or heat exchange applications
RU2810023C1 (ru) Структурированный насадочный элемент, изготовленный с уменьшенным расходом материала
CN209866063U (zh) 一种高效切缝板波纹填料
CN107866197A (zh) 具有波纹式规整填料的交换柱及其使用方法
KR100499808B1 (ko) 비대칭 크림프 패턴을 가진 구조용 패킹

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant