CN109569493A - 填料及填料塔 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种填料，包括：框架，所述框架包括多个框架单元；筋条，所述筋条与所述多个框架单元相连接，使所述多个框架单元位于同一平面并以同心的方式以相等间距分布；连接件，所述连接件与所述框架相连接，用于使多个所述填料可拆卸地相互连接；多个突起，所述突起包括固定端和自由端，所述固定端与所述多个框架单元中的一框架单元相连接，所述框架的每个框架单元均设置有对称分布的所述突起。本发明还提供了一种填料塔。
Description
技术领域
本发明涉及化工领域，具体地，涉及用于传质过程的填料及填料塔。
背景技术
传质分离设备，如填料塔，被广泛地应用于化工、炼油、石油化工、医药等领域中的蒸馏、吸收、汽提等传质分离过程。设置于填料塔内的填料用于促进两股流体(通常两者是相互逆向流动的)之间的质量转移过程。填料的结构、材料和性能对填料塔的处理能力、处理效率、处理能耗及技术经济指标等具有重要影响。一般而言，通过选用具有较大表面积的填料促进流体的接触和通过使液体分裂成极其细的液滴以增强与气相的传质来提高传质的效率和速率。此外，为减少能量消耗，一般需选用气体通过填料层时压降相对较小，水力阻力较低的填料。
目前市场上的填料一般分为散堆填料和规整填料两类。散堆填料的种类众多，如拉西环填料、鲍尔环填料、矩鞍环填料、阶梯环填料等，其主要优点在于安装方便，具有通用性。但是散堆填料装填后规整度较低、在填料塔中分布不均匀、比表面积和孔隙率相对较低、对气流压降大，造成其传质效率不高、能耗较大。规整填料相对于散堆填料具有孔隙率较大、对气流压降小的特点，传质效率更高，但是规整填料的成本较高，易堵塞难清洗。
发明内容
鉴于以上内容，有必要提供一种内部结构分布均匀、便于规整堆放的散堆填料。
本发明首先提供了一种填料，其包括：
框架，所述框架包括多个框架单元；
筋条，所述筋条与所述多个框架单元相连接，使所述多个框架单元位于同一平面并以同心的方式以相等间距分布；
连接件，所述连接件与所述框架相连接，用于使多个所述填料可拆卸地相互连接；
多个突起，所述突起包括固定端和自由端，所述固定端与所述多个框架单元中的一框架单元相连接，所述框架的每个框架单元均设置有对称分布的所述突起。
进一步地，所述多个突起包括第一组突起，所述第一组突起的自由端位于所述框架所在平面的同一侧。
可选地，所述第一组突起垂直于所述框架所在平面。
可选地，所述第一组突起相对于所述框架所在平面具有第一角度，所述第一角度在30度至45度之间。
进一步地，所述多个突起包括第二组突起，所述第二组突起与所述第一组突起相对于所述框架所在平面呈镜像对称。
进一步地，所述多个突起相互平行。
进一步地，所述多个突起包括第三组突起，所述第三组突起位于所述框架所在平面内。
进一步地，所述第三组突起沿所述框架的径向方向延伸。
进一步地，所述填料的比表面积在280-350m2/m3之间。
本发明还提供了一种填料塔，包括塔体和设置在所述塔体内部的填料结构，所述填料结构包括多个如上所述的填料，多个所述填料通过所述连接件相互连接。
相较现有技术，本发明所提供的填料的框架包括多个框架单元，该多个框架单元位于同一平面并以同心的方式等间距分布，且与该框架相连接的多个突起也在每个框架单元上对称分布，从而使得填料具有更加稳固和分布均匀的内部结构以及较高的比表面积，提高了传质过程中流体分布性能和传质效率。本发明所提供的填料在填料塔中可以通过连接件层层堆叠，有利于规整堆放，可以降低填料装填后的不均匀性。采用本发明所提供的填料的填料塔安装方便、可拆卸、不易堵塞且便于清洗。
附图说明
图1示出了本发明所提供的填料的第一实施方式的立体图。
图2为图1所示的填料的堆叠状态示意图。
图3示出了本发明所提供的填料的第二实施方式的俯视图。
图4示出了本发明所提供的填料的第二实施方式的立体图。
图5示出了本发明所提供的填料的第三实施方式的俯视图。
图6示出了本发明所提供的填料的第四实施方式的俯视图。
图7示出了本发明所提供的填料的第五实施方式的立体图。
图8示出了本发明所提供的填料的第六实施方式的俯视图。
主要元件符号说明
| 填料 | 1a、1b、2、3、4、5、6 |
| 框架 | 10、91 |
| 厚度 | T |
| 直径 | D |
| 层间距离 | H |
| 框架单元 | 110、110a、110b、110c、110d、110e |
| 筋条 | 20、92 |
| 连接件 | 30、30a、30b、93 |
| 第一端 | 313、313a、313b、 |
| 第二端 | 315、315a、315b、 |
| 突起 | 40、94 |
| 固定端 | 403、433 |
| 自由端 | 405、415、425、435 |
| 第一组突起 | 41 |
| 第二组突起 | 42 |
| 第三组突起 | 43 |
| 盖板 | 9 |
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
下面将结合本发明的优选实施方式及实施例对本发明的技术方案进行描述。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的元件或设备的名称只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
图1示出了本发明所提供的填料的第一实施方式。如图1所示，填料1包括框架10、筋条20、连接件30及多个突起40。该框架10包括多个具有不同内径的框架单元110。该筋条20与该框架10的各个框架单元110相连接，使多个框架单元110位于同一平面并以同心方式分布。该连接件30设置于该框架10上，用于将该填料与其他填料连接并堆叠在一起。该多个突起40连接于该框架10，且该多个突起40呈对称分布。
在图1所示的实施例中，该框架10包括框架单元110a、110b、110c、110d及110e，这五个框架单元基本上为圆形，分别具有不同的内径(即圆形的半径)。在本实施例中，该框架单元110a、110b、110c、110d及110e通过呈X型的筋条20被设置在同一平面上，且该框架单元110a、110b、110c、110d及110e以同心方式分布。优选地，框架10的各个框架单元110之间的距离相等，从而使框架10具有更加均匀分布的结构，利于传质过程中流体的分布，可以降低气体穿过填料的阻力。优选地，该框架10的多个框架单元110均为表面光滑的圆杆，有利于降低流体的流动阻力。优选地，该框架10沿轴向上的厚度T在1-3毫米之间，径向上的直径D在80-200毫米之间。
可以理解的是，框架10也可以由多个其他具有对称形状的框架单元110构成，如三角形、四边形、多边形等，对于这些非圆形的框架单元，所述内径可以指一框架单元的对称中心到其一条边的最短距离。同一框架10的各个框架单元110可以具有相同的形状，也可以具有不同的形状。在一实施例中，框架10可以包括4个框架单元110，各框架单元110由外至内依次为圆形、正八边形、圆形、正八边形，以同心方式分布。
筋条20用于固定多个框架单元110并为该框架10提供机械支撑。在图1所示的实施例中，该筋条20为X型，呈同心圆设置的多个框架单元110的圆心与该筋条20X型的交点相互重合。可以理解的是，该筋条20也可以为其他任何可以用于固定多个框架单元110的形状，如多个相互平行的筋条20。该筋条20可以采用与多个框架单元110相同的截面及表面形状，如该筋条20也为表面光滑的圆杆；该筋条20可以采用与多个框架单元110不同的截面及表面形状，如该筋条20为表面光滑的棱形杆或者波浪形杆。
连接件30用于将该填料1与其他填料连接并堆叠在一起。在图1所示的实施例中，连接件30为4个连接杆，这些连接杆与框架单元110e相连接并垂直于框架10所在的平面，其中，每个连接杆包括位于框架10所在的平面一侧的第一端313和位于框架10所在的平面另一侧的第二端315。该第一端313设置有内凹的插孔，该第二端315设置有与该第一端313的插孔相匹配的插入件，从而使该填料1可以与具有相同或相似结构的其他填料通过连接件30的插孔和插入件可拆卸地连接在一起。在本实施例中，该连接杆为表面光滑的圆杆，该连接杆的长度在18-25毫米之间，该连接杆径向截面的直径在2-5毫米之间。该连接杆的第一端313的插孔为圆柱孔，该连接杆的第二端315的插入件为锥形插入件，该圆柱孔的内表面与该锥形插入件的外表面可以卡持在一起。优选地，连接件30在框架10上对称均匀分布，以利填料堆叠状态下受力均匀。优选地，连接件30为4、6或8个如上所述的连接杆。可以理解的是，连接件30的具体实施方式并不局限于图1所示的实施例。该连接件30可以位于框架10最外层的框架单元110，也可以位于框架10内层的框架单元110。连接件30与框架10的连接处可以位于连接件30的中部，也可以位于连接件30的一端。在连接件30的第一端313与第二端315所设置的相互匹配的接口的类型及形状并不仅限于插孔与插入体，也可以是相互匹配的台阶或卡口等其他能够实现可拆卸连接的卡扣结构。该连接件30的设计便于多层填料的安装，使得多个填料1在堆叠后能够具有相对规整的形状与结构，且便于拆卸和清洗。
图2示出了本发明所提供的填料的堆叠状态示意图。如图2所示，填料1a的各连接件30a的第二端315a的插入件被插入填料1b的各连接件30b的第一端313b的插孔，从而使填料1与填料2可拆卸地连接在一起，使多层填料堆叠形成一个固定的整体。在本实施例中，堆叠后的填料1a与填料1b的层间距离H，即两个框架所在平面之间的距离，为25-40毫米。可以理解的是，堆叠后的多层填料的层间距离与连接件30的长度及连接结构的设计相关，且该层间距离会影响堆叠后填料的孔隙率。在本实施例中，填料1a与填料1b具有完全相同的形状和尺寸，可以理解的是，用于堆叠的各层填料也可以具有不同的形状或尺寸，且可以任意选择堆叠的层数，从而可以形成如圆塔形、纺锤形等符合填料塔内部形状的多层填料，以满足不同的实际应用需求。可选地，用于堆叠的填料层数为2-30层，具体层数适应于填料塔填料层的相应尺寸。优选地，用于堆叠的填料层数为3-4层。
本发明所提供的填料包括多个突起40，其中每个突起40包括固定端403和自由端405，该固定端403与框架10相连接，该自由端405向远离该固定端403与框架10连接处的方向延伸。如图1所示，在框架10的每个框架单元110上均设置有多个突起40，该多个突起40具有相同的形状和长度，每个框架单元110所连接的突起40呈均匀分布。在本实施例中，该多个突起40沿该框架10的轴向设置，且该多个突起40的自由端405均位于该框架10的同一侧。也即是说，该多个突起40相互平行且均垂直于该框架10所在平面。在其他实施例中，该多个突起40相对于其所连接的框架单元110也可以分别具有不同的空间角度，将在后文中进行详述。在本实施例中，突起40的长度在8-15毫米之间，小于图2中所示的堆叠后的填料1与填料2的层间距离。可以理解的是，突起40的长度与填料1与其他填料堆叠后的层间距离相关，本领域技术人员可以通过优化设计连接件30与突起40的长度提高填料的比表面积及孔隙率。在某些实施例中，该多个突起40可以具有不同的长度，且在某一方向上呈等差或等比变化。在本实施例中，突起40为锥形杆，在固定端403到自由端405的延伸方向上，该突起40的径向截面直径逐渐减小，该突起40的径向截面的直径在1.5-3毫米之间。在其他实施例中，突起40也可以是细圆柱形杆、径向截面直径均匀变化的波浪形杆、或者其他有利于液体攀附其表面形成液滴的形状。该突起40具有光滑的表面，有利于降低流体的流动阻力。
本领域技术人员可以理解，通过在框架10设置若干个突起40，可以增加填料的比表面积，提高填料的持液量，延长填料塔内液体的停留时间，增加气液两相的接触时间，提高填料的传质效率。可选地，也可以在筋条20设置多个突起40，以进一步增加填料的比表面积。
本发明还提供了一种盖板，用于覆盖和封闭本发明所提供的填料。如图2所示，该盖板9包括框架91、筋条92、连接件93及多个突起94。该框架91包括多个具有不同内径的框架单元910。该筋条92与该框架91的各个框架单元910相连接，使多个框架单元910位于同一平面并以同心方式分布。该连接件93设置于该框架91上，用于将该盖板9与填料1连接在一起。该多个突起94连接于该框架91，且该多个突起94呈对称分布。该盖板9具有与填料1相似的结构，在此不再赘叙。在图2所示的实施例中，盖板9的连接件93的一端设置有插孔，该插孔与填料1的连接件30第二端315的插入件相匹配。当该盖板9与该填料1相互卡持在一起时，该盖板9在远离填料1的方向上没有凸出的连接件或突起。在另一实施例中，盖板9的连接件93的一端也可以被设置为与填料1的连接件30第一端313的插入件相匹配的插孔，从而可以从另一侧覆盖和封闭本发明所提供的填料。该盖板9的多个突起94可以与填料1的多个突起40具有相同的长度，也可以具有不同的长度。在某些实施例中，该盖板9可以仅包括框架91、筋条92和连接件93。虽然在上文中以插入件和插孔的实施方式描述盖板9的连接件93的结构，本领域技术人员可以理解，盖板9的连接件93可以采用其他任何与填料1的连接件30的一端相匹配的连接或卡持结构。
图3和图4分别示出了本发明所提供的填料的第二实施方式的俯视图和立体图。如图3和图4所示，第二实施方式所披露的填料2与第一实施方式所披露的填料1的区别在于多个突起40的设置方式。具体地，在本实施方式所提供的填料2中，多个突起40在框架10上均匀对称分布，该多个突起40包括第一组突起41和第二组突起42。该第一组突起41的自由端415均位于该框架10的一侧，该第二组突起42的自由端425均位于该框架10的另一侧，从而进一步提高了填料的比表面积。也即是说，在本发明中，该多个突起40可以被设置于框架10所在平面的同一侧，也可以被分別设置于框架10所在平面的两侧。优选地，该第一组突起41与该第二组突起42相对于框架10所在平面呈镜像对称，从而使填料具有分布更加均匀的内部结构，提高了传质过程中流体分布性能。可选地，该第二组突起42沿该第一组突起41的延伸方向设置于该框架的另一侧。
进一步地，每个突起40与框架10所在平面之间具有第一角度，该第一角度为每一突起40与该突起40在框架所在平面的投影之间的夹角。优选地，该第一角度在30与45度之间。该第一角度的设计可以使气体以各种角度与填料的突起40表面接触进行传质过程，提高了传质效率。在第二实施方式中，该多个突起40相对于框架10所在平面的第一角度均为45度，该第一组突起41的自由端415与该第二组突起42的自由端425在框架所在平面的投影均位于其所连接的框架单元的内侧(即，靠近框架10的对称中心的一侧)。优选地，该多个突起40在框架所在平面的投影均朝向框架10的对称中心的方向，从而改善传质过程中的流体分布。可以理解的是，在其他实施例中，该多个突起40相对于框架10所在平面的第一角度可以是不同的，该多个突起40在框架10所在平面的投影也可以朝向不同的方向。
如图5所示，本发明的第三实施方式所披露的填料3包括在框架10上对称分布的多个突起40，该多个突起40包括固定端403和自由端405。该多个突起40的自由端405位于框架10的同一侧，其中每个突起40的自由端405在框架10所在平面的投影位于其相应固定端403所在的框架单元的外侧(即，远离框架10的对称中心的一侧)。优选地，该多个突起40相对于框架10所在平面的第一角度均为45度。更优选地，沿每个突起40的固定端403做其所连接的框架单元的切线，每个突起40与其相应的切线之间的角度相同，从而使该多个突起40相对于框架10的对称中心呈对称分布并朝向逆时针旋转。可以理解的是，在其他实施例中，该多个突起40也可以相对于框架10的对称中心呈对称分布并朝向顺时针方旋转。
图6示出了本发明所提供的填料的第四实施方式的俯视图。与第一实施方式所披露的填料1相比，在第四实施方式中，填料4的多个突起40包括第一组突起41和第三组突起43。其中，该第一组突起41的设置与第一实施方式相同，该第一组突起41的自由端位于框架10的同侧，且该第一组突起41均垂直于该框架10所在的平面。该第三组突起43连接于框架10且位于该框架10所在的平面内，该第三组突起43在每一框架单元上均匀分布。通过设置位于框架10所在平面内的第三组突起，可以进一步提高填料的比表面积。
可选地，该第三组突起43可以被设置为沿框架10的径向方向延伸。例如，在图6所示的实施例中，该第三组突起43的自由端435朝向远离框架10的对称中心的方向。在另一实施例中，该第三组突起43的自由端435也可以被设置为朝向框架10的对称中心的方向。可以理解的，该第三组突起43的长度小于相邻的两个框架单元之间的距离。
可选地，该第三组突起43中每一突起可以具有第二角度。沿该第三组突起43中每一突起的固定端433做其所连接的框架单元的切线，该第三组突起43中每一突起的延伸方向与其相应的切线之间的角度为该第二角度。对于填料4，该第三组突起43中的每一突起的第二角度可以相同，也可以各不相同。优选地，该第二角度在30-45度之间。更优选地，该第三组突起43中的每一突起具有相同的第二角度。从而使填料具有分布更加均匀的内部结构，提高传质过程中流体分布性能。
图7示出了本发明所提供的填料的第五实施方式的立体图。在第五实施方式中，填料5包括框架10、筋条20、连接件30及多个突起40。该框架10包括三个具有不同内径的正方形的框架单元110a、110b及110c，相邻的框架单元之间的距离相等。该筋条20与该框架10的各个框架单元110a、110b及110c相连接，使框架单元110a、110b及110c位于同一平面并以同心方式分布。该填料5设置有8个连接件30，用于连接该填料5与其他填料。该多个突起40与该框架10相连，且该多个突起40对称分布于该框架10。
在本实施方式中，该多个突起40包括固定端403和自由端405，该自由端405均位于该框架10所在平面的同一侧。该多个突起40具有相同的形状和结构。该多个突起40彼此平行，且该多个突起40相对于框架10所在平面的第一角度均为30度，从而使该多个突起40整体上朝向同一方向，可以对流体的方向进行导向。
可以理解的是，该第五实施方式所提供的填料5还可以进一步增加第二组突起，与图7中所示的突起40相对于框架10所在平面呈镜像对称。该第二组突起也可以沿图7中所示的突起40的延伸方向设置于框架10的另一侧。该第五实施方式所提供的填料5也可以再增加位于框架10所在平面内的第三组突起。关于第二组突起和第三组突起的具体设置可参考前文所述内容，在此不再赘叙。
图8示出了本发明所提供的填料的第六实施方式的俯视图。在第六实施方式中，填料6包括框架10、筋条20、连接件30及多个突起40。该框架10包括四个具有不同内径的正六边形的框架单元110a、110b、110c及110d，通过6条筋条20固定于同一平面并以同心方式分布。该填料6的连接件30及多个突起40的具体设置可参考第一实施方式中的相关内容，在此不再赘叙。可以理解的是，上述实施方式中所示的框架、筋条、连接件及突起的数量是示例性的，仅用于解释本发明，而不能被理解为对本发明的限制。
本发明所提供的填料具有分布均匀的内部结构以及较高的比表面积，可以提高传质过程中的流体分布性能和传质效率。优选地，本发明所提供的填料的比表面积在280-350m2/m3之间。优选地，本发明所提供的填料的孔隙率在95-96.5％之间。进一步地，本发明所提供的填料可以通过连接件层层堆叠，有利于规整堆放，可以降低填料装填后的不均匀性，且便于安装和拆卸清洗。
本发明所提供的填料可以由金属、陶瓷或塑料等材料制成。优选地，该填料为含氟聚合物(氟塑料)。所述含氟聚合物可以是含氟烯烃的均聚物、一种或多种含氟烯烃与非含氟烯烃的共聚物以及两种或多种含氟烯烃的共聚物。所述含氟聚合物可以是聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚氟乙烯、四氟乙烯-乙烯共聚物、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物、四氟乙烯-全氟烷氧基乙烯基醚共聚物、偏二氟乙烯-三氟氯乙烯的共聚物等。进一步地，该填料为一种含氟聚合物的复合材料，通过在含氟聚合物中添加或掺杂碳粉和/或碳纤维等增强剂制得。所述氟聚合物的复合材料中碳粉和/或碳纤维的质量百分比在0.1％-10％之间，优选地，在0.5-5％之间。通过添加碳粉和/或碳纤维可以提高含氟聚合物的机械强度、耐磨及耐高温性能。该含氟聚合物的复合材料具有耐高温、耐酸碱腐蚀等特点，从而可以提高填料的耐候性能。另外，该含氟聚合物的复合材料具有较好的力学性能，当多层填料之间相互挤压时允许填料发生一定程度的弹性形变，避免填料发生脆裂，从而保证填料的孔隙率。该含氟聚合物的复合材料密度较小、由其制备的填料在等体积下质量更轻，可以节约材料，降低成本。
本发明还提供了一种填料塔，包括塔体和设置在所述塔体内部的填料结构，所述填料结构由多个本发明所提供的填料堆叠构成。
本发明所提供的填料和填料塔可以用于废气处理中的气液传质过程。通过对填料的框架和突起等结构进行优化设计，本发明所提供的填料相对于现有技术比表面积较大、孔隙率较高、通气量相对较高、对气流压降较小，提高了传质效率，从而可以提高废气处理的处理效率，降低废气处理的能耗。本发明所提供的填料的各个结构具有光滑的表面，使气体上升时的阻力降低，同时流体在其中不断的冲刷接触可以避免了含尘气体在填料表面停滞、沉积或堵塞。在本发明所提供的填料塔中，填料之间通过连接件相互连接，安装方便，整体牢固，同时可以在必要时进行拆卸，便于清洗。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，以上实施方式仅是用于解释权利要求书。然本发明的保护范围并不局限于说明书。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或者替换，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种填料，其特征在于，包括：
框架，所述框架包括多个框架单元；
筋条，所述筋条与所述多个框架单元相连接，使所述多个框架单元位于同一平面并以同心的方式以相等间距分布；
连接件，所述连接件与所述框架相连接，用于使多个所述填料可拆卸地相互连接；
多个突起，所述突起包括固定端和自由端，所述固定端与所述多个框架单元中的一框架单元相连接，所述框架的每个框架单元均设置有对称分布的所述突起。
2.如权利要求1所述的填料，其特征在于，所述多个突起包括第一组突起，所述第一组突起的自由端位于所述框架所在平面的同一侧。
3.如权利要求2所述的填料，其特征在于，所述第一组突起垂直于所述框架所在平面。
4.如权利要求2所述的填料，其特征在于，所述第一组突起相对于所述框架所在平面具有第一角度，所述第一角度在30度至45度之间。
5.如权利要求2所述的填料，其特征在于，所述多个突起进一步包括第二组突起，所述第二组突起与所述第一组突起相对于所述框架所在平面呈镜像对称。
6.如权利要求2-5中任一项所述的填料，其特征在于，所述多个突起相互平行。
7.如权利要求1-5中任一项所述的填料，其特征在于，所述多个突起包括第三组突起，所述第三组突起位于所述框架所在平面内。
8.如权利要求7所述的填料，其特征在于，所述第三组突起沿所述框架的径向方向延伸。
9.如权利要求1所述的填料，其特征在于，所述填料的比表面积在280-350m2/m3之间。
10.一种填料塔，包括塔体和设置在所述塔体内部的填料结构，其特征在于，所述填料结构包括多个如权利要求1所述的填料，多个所述填料通过所述连接件相互连接。
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