逆流连续接触单元和逆流连续接触装置
技术领域
本发明涉及逆流接触装置,具体地,涉及一种逆流连续接触单元。此外,本发明还涉及包含该逆流连续接触单元的逆流连续接触装置。
背景技术
板式塔和填料塔作为石油、化工、精细化工、食品、医药、环保等行业重要的单元设备,广泛应用于精馏、吸收、萃取、洗涤、传热等单元操作,板式塔可分为精馏塔和萃取塔。其中精馏塔为气液两相在塔内逐板逆流接触,单板接触面积影响到气液传质效果。现有板式塔分离技术的缺陷在于板与板之间的间距有400毫米到800毫米之间的空间,此空间没有气液接触,也就谈不上传质传热,在轴向的垂直空间利用上非常有限。另外,降液管和受液槽也要占据塔的横截面积的12%左右,此面积也没有传热传质作用,塔板的开孔率也很小(通常不超过15%),在径向的空间利用上也很有限,这也给改造留下条件和空间。
现有的填料塔气液两相在塔内沿填料层高度连续逆流接触。填料塔理论上优于板式塔,既有传质/传热的面积大,又有全塔空塔线速低、气体停留时间长的优点,但填料的安装条件苛刻,客观存在有“器壁效应(液体顺器壁流动)”;另一方面进塔时,气相是连续相,而液体是分散相,液体不可能地将所有填料完全润湿,这两个因素造成填料的“干区”的客观存在,必然会影响气、液的传质/传热效果。为了解决上述问题,CN210545168U公开了一种波纹规整填料和填料塔,由波纹板片和紧固件组成,所述的紧固件将多片波纹板片固定为与反应器内腔相适应的填料盘,所述的波纹板片水平方向横截面为折线形,其垂直方向截面也为折线形,所述的填料盘内相邻两块波纹板片之间形成流体通道,所述的流体通道沿反应器轴向由多段波折段构成,流体在所述的流体通道内沿反应器轴向折流。本发明提供的波纹规整填料能有效解决现有波纹规整填料壁流、偏流、沟流等问题,增加了流体在填料中的停留时间,提高热交换、质交换效率。但是,一方面,该结构中波纹板片需经多次、多向的弯折才能加工而成,加工难度大;另一方面,其虽然增加了流体在填料中的停留时间,但是因为过于曲折,有些地方并不能被流体浸润,传质/传热效果提升仍然比较有限。
发明内容
本发明一方面所要解决的问题是提供一种逆流连续接触单元,该逆流连续接触单元能够增加流体的接触面积,进而有效保证传质/传热效果。
本发明另一方面所要解决的问题是提供一种逆流连续接触装置,该逆流连续接触装置能够增加流体的接触面积,进而有效保证传质/传热效果。
为了实现上述目的,本发明一方面提供一种逆流连续接触单元,该逆流连续接触单元由丝网制成,以使得从该逆流连续接触单元的上方进入的第一流体能够浸润所述丝网,从该逆流连续接触单元的下方进入的第二流体能够与浸润所述丝网的第一流体接触。
优选地,所述丝网的网孔为正方形、长方形、梯形或菱形。
具体地,该逆流连续接触单元为片状接触单元,该片状接触单元由单层所述丝网构成。
进一步地,所述丝网的网孔尺寸为1~15mm,丝径为0.05~5mm。
具体地,该逆流连续接触单元为盘状接触单元,所述盘状接触单元包括由第一平丝网绕曲而成的至少一个支撑浸润部和由波浪丝网绕曲而成的至少一个连接浸润部,所述支撑浸润部和所述连接浸润部从盘状接触单元的中心至外周交替设置。
优选地,所述支撑浸润部为由所述第一平丝网绕曲而成的圆筒状或螺旋圆筒状。
优选地,所述连接浸润部为由波浪丝网绕曲而成的圆筒状或螺旋圆筒状。
优选地,所述波浪丝网由第二平丝网压制而成。
进一步优选地,所述波浪丝网折叠角度α为25~75°,波浪角度β为5~175°,折叠高度γ>1mm。
优选地,所述第一平丝网和所述波浪丝网的网孔尺寸为0.001~5mm,丝径为0.005~1mm。
本发明另一方面提供了一种逆流连续接触装置,该逆流连续接触装置包括管道,所述管道中从上到下依次设置的第一澄清段、第一分布段、流体接触段、第二分布段以及第二澄清段,所述流体接触段包括至少一个上述的逆流连续接触单元,或者包括至少一个上述的片状接触单元和至少一个上述的盘状接触单元。
进一步地,所述管道的顶部设有第一出口、底部设有第二出口,所述管道上的所述第一澄清段和所述第一分布段的连接处设有第一入口,所述第二分布段和所述第二澄清段的连接处设有第二入口。
进一步地,所述第一分布段内装配有第一分布器,所述第一分布器为溢流式分布器、旋流喷嘴、分布管或花洒式喷嘴。
进一步地,所述第二分布段内装配有第二分布器,所述第二分布器为分布管、花洒式喷嘴、金属丝网或金属破沫网。
通过上述技术方案,本发明实现了以下有益效果:
1、本发明的逆流连续接触单元由丝网构成,不仅结构简单,而且丝网能够被第一流体浸润,并且能够切割第二流体,加大第一流体和第二流体的接触面积,使得传质/传热更加充分。
2、在本发明的一个实施例中,逆流连续接触单元为盘状接触单元,其可以水平安装在管道3内,第一流体可在丝网的钢丝表面及网孔中形成液膜,使第一流体在丝网上形成的液膜能从液膜两侧与第二流体接触,改变了传统的填料塔中的填料只能使第一流体液膜的外侧面与第二流体接触,使得两相流体的接触面积成倍增加,进而使得传质/传热效果大大提升。
3、本发明的逆流连续接触装置的接触管道内(或精馏塔内)空间充分利用,不仅无塔板之间的空间、无降液管和受液槽占据塔内空间,可以大幅度降低精馏塔的高度以及塔的直径或大幅度降低填料塔的直径,用接触管道替代精馏塔或填料塔,还能消除通常的填料塔的“干区”和“壁流”。
附图说明
图1是本发明的片状接触单元的一种实施方式的结构示意图;
图2是本发明的盘状接触单元的一种实施方式的结构示意图;
图3是本发明的盘状接触单元的一种实施方式的横向剖面图;
图4是本发明盘状接触单元的另一种实施方式的横向剖面图;
图5是本发明中波浪丝网的展开图;
图6是本发明中波浪丝网的结构示意图;
图7是本发明中逆流连续接触装置的结构示意图。
附图标记说明
1片状接触单元 2盘状接触单元
21第一平丝网 22波浪丝网
3管道 31第一澄清段
32第一分布段 33流体接触段
34第二分布段 35第二澄清段
36第一出口 37第二出口
38第一入口 39第二入口
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是,此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明,并不用于限制本发明。
首先需要说明的是,在下文的描述中为清楚地说明本发明的技术方案而涉及的一些方位词,例如“上”、“下”等均是按逆流连续接触装置在使用时正常所指的方位类推所具有的含义,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述的目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明所指示的技术特征的数量,因此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括一个或更多个所述特征。
在本发明的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或者是一体连接;可以是直接连接,也可以是通过中间媒介间接连接,可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参见图1-图6所示,本发明的逆流连续接触单元由丝网制成,以使得从该逆流连续接触单元的上方进入的第一流体能够浸润所述丝网,从该逆流连续接触单元的下方进入的第二流体能够与浸润所述丝网的第一流体接触。第一流体优选为液体,第二流体可以是气体或液体。丝网结构简单,而且能够被液体浸润,并且能够切割第二流体,加大第一流体和第二流体的接触面积,使得传质/传热更加充分。所述丝网的网孔为正方形、长方形、梯形或菱形,优选正方形和四条边长度相等的菱形,一方面容易由钢丝或铁丝加工成型,另一方面,四条边长度相同,使得逆流连续接触单元各处接触效果基本相同,以保证均匀性。
具体地,作为本发明的一些实施例,如图1所示,该逆流连续接触单元为片状接触单元1,该片状接触单元1由单层所述丝网构成。所述丝网的网孔尺寸为1~15mm,丝径为0.05~5mm。
此外,如图2-图4所示,该逆流连续接触单元还可以是盘状接触单元2,所述盘状接触单元2包括由第一平丝网21绕曲而成的至少一个支撑浸润部和由波浪丝网22绕曲而成的至少一个连接浸润部,所述支撑浸润部和所述连接浸润部从盘状接触单元2的中心至外周交替设置。该实施例中,液相第一流体在各丝网的钢丝表面和网孔中形成液膜,使第一流体在丝网上形成的液膜能从液膜两侧与第二流体接触,改变了传统的填料塔中的填料只能使第一流体液膜的外侧面与第二流体接触,使得两相流体的接触面积成倍增加,进而使得传质/传热效果大大提升。
具体地,当所述支撑浸润部和所述连接浸润部分别有多个时,所述支撑浸润部为由所述第一平丝网21绕曲而成的圆筒状,所述连接浸润部为由波浪丝网22绕曲而成的圆筒状;当所述支撑浸润部和所述连接浸润部分别有一个时,所述支撑浸润部为由所述第一平丝网21绕曲而成的螺旋圆筒状,所述连接浸润部为由波浪丝网22绕曲而成的螺旋圆筒状。所述第一平丝网21与所述波浪丝网22等高并用焊接或机械连接方法连接成一个整体后再一起绕曲而成如图3所示的圆筒状或如图4所示的螺旋圆筒状,绕曲成螺旋圆筒状时所展示的截面图是从最中心处一直绕曲到最外圆处,所述第一平丝网21与所述波浪丝网22呈螺旋状往外扩展。
如图5-图6所示,所述波浪丝网22由第二平丝网压制而成。所述波浪丝网22的折叠角度α为25~75°,波浪角度β(波浪的波峰或波谷与水平安装方向的夹角)为5~175°,折叠高度γ>1mm。折叠角度α越小,波浪丝网22构成的连接浸润部的周向上的孔洞越小,第二流体被切割的股数越多,第一流体和第二流体接触的越多,但是如果过小将会导致孔洞过小,两相流体流通均不畅,因此25~75°最为适宜。折叠高度太小的话会导致流体流体不畅,太大会导致接触面积减少、接触效果不好,折叠高度γ优选3~10mm。
当波浪丝网22的波浪角度β为90°,即,假如波浪丝网22由长方形的第二平丝网压制而成,则折叠边(波浪的波峰或波谷)与第二平丝网宽度方向平行,此方案中波浪丝网在安装时其第二流体的流体通道呈竖直,相比于其他倾斜角度,两种流体在接触单元中的接触时间最短,因此,为了延长接触时间,通常波浪角度β优选45°、60°、120°和135°,越偏离90°,波浪丝网22对第二流体的阻碍越大,使得第二流体流动方向改变明显,因此延长第二流体在此接触单元范围内的接触时间,进而提升传质/传热效果。
所述第一平丝网21和所述波浪丝网22的网孔尺寸为0.001~5mm,网孔尺寸过大会导致液膜难以形成或液膜不稳定;丝径为0.005~1mm,同样,丝径过大会导致丝网较硬,盘状丝网的中间部分难以绕曲,不利于成型加工和盘状接触单元的小型化。丝网的网眼很小,能够使液相第一流体在丝网上浸润,本质在于确保填料的每处位置都有液体的湿润,形成液膜两侧都能与第二流体逆向接触,使向上流动的第二流体在每个接触单元上都能与向下流动的第一流体的液膜两侧逆流接触,增大气(液)液接触面积和接触时间,有利于传质传热。
上述的逆流连续接触单元不仅适用于气-液分离、液-液抽提分离,还适用于气(液)-液反应过程,如逆流微分接触塔体中。
本发明第二方面提供一种逆流连续接触装置,如图7所示,该逆流连续接触装置包括管道3,所述管道3中从上到下依次设置的第一澄清段31、第一分布段32、流体接触段33、第二分布段34以及第二澄清段35,所述流体接触段33包括至少一个上述的逆流连续接触单元。可以是一个或多个片状接触单元1叠加,一个或者多个盘状接触单元叠加,也可以是片状接触单元1和盘状接触单元2叠加而成。采用的片状接触单元1由单层平丝网加工成圆形或其他形状,适于安装在管道3并与管道3的内壁接触。多层片状丝网上下水平安装叠加在一个竖直设置的管道3内构成一个整体的流体接触段33,从管道3上部进入的液相第一流体浸润片状丝网,从管道3下部进入的第二流体被片状丝网的网孔切割成细小流体与浸润在片状丝网上的第一流体接触,进行传质传热,同样可以最大限度消除“干区”存在,增大气(液)液接触面积,有利于传质传热。单个盘状接触单元2的高度为1mm至整个接触段高度。
所述管道3的顶部设有第一出口36、底部设有第二出口37,所述管道3上的所述第一澄清段31和所述第一分布段32的连接处设有第一入口38,所述第二分布段34和所述第二澄清段35的连接处设有第二入口39。
所述第一分布段32内装配有第一分布器,所述第一分布器为溢流式分布器、旋流喷嘴、分布管或花洒式喷嘴,优选溢流式分布器、花洒式喷嘴;所述第二分布段34内装配有第二分布器,所述第二分布器为分布管、花洒式喷嘴、金属丝网或金属破沫网,优选金属破沫网、分布管,便于两相流体能够均匀分散到流体接触段33。
图2-图3和图5-图6是本发明盘状接触单元的一种优选实施例,盘状接触单元2包括由第一平丝网21绕曲而成的多个支撑浸润部和由波浪丝网22绕曲而成的多个连接浸润部,每个连接浸润部位于相邻的两个支撑浸润部之间,即所述支撑浸润部和所述连接浸润部交替设置并焊接固定。所述支撑浸润部为由所述第一平丝网21绕曲而成的圆筒状,所述连接浸润部为由波浪丝网22绕曲而成的圆筒状。所述波浪丝网22由第二平丝网压制而成。所述波浪丝网22的折叠角度α为60°,波浪角度β为45°,折叠高度γ为8mm。
图7是该盘状接触单元的一个应用示例,在管道3内设多个上述盘状接触单元2形成流体接触段33,流体接触段33上方设有第一分布段32和第一澄清段31、下方设有第二分布段34以及第二澄清段35。第一分布段32内设有花洒式喷嘴,第二分布段34内设有金属丝网。管道3的顶部设有第一出口36、底部设有第二出口37,所述管道3上的所述第一澄清段31和所述第一分布段32的连接处设有第一入口38,所述第二分布段34和所述第二澄清段35的连接处设有第二入口39。
若需要接触的是液体和气体,则该液体从第一入口38进入管道3中,经第一分布段32内的花洒式喷嘴分布后均匀分布到盘状接触单元2,液体在盘状接触单元2的支撑浸润部的各网孔中形成垂直的液膜,在连接浸润部的各网孔中形成相对竖直方向倾斜的液膜;气体从第二入口39进入管道3中,经第二分布段34内的金属丝网分布后均匀逸散到盘状接触单元2,与盘状接触单元2上的液膜接触,然后液体继续向下,经第二澄清段35澄清后从管道3底部的第二出口37排出管道3外,气体向上,经第一澄清段31澄清后从管道3顶部的第一出口36排出管道3外。当然,该逆流连续接触装置不仅适用于液体和气体的接触,同样适用于液体和液体的接触,比如液-液抽提分离等。
由以上描述可以看出,本发明具有以下优点:本发明的逆流连续接触单元由丝网构成,丝网能够被液相第一流体浸润,并且切割第二流体,加大各流体的接触面积,使得传质/传热更加充分;在本发明的一个实施例中,逆流连续接触单元为盘状接触单元2,其可以水平安装在管道3内,可在丝网的钢丝表面和网孔中形成液膜,使第一流体在丝网上形成的液膜能从液膜两侧与第二流体接触,改变了传统的填料塔中的填料只能使第一流体液膜的外侧面与第二流体接触,使得两相流体的接触面积成倍增加,进而使得传质/传热效果大大提升;本发明的逆流连续接触装置的接触管道3内(或精馏塔内)空间充分利用,不仅无塔板之间的空间、无降液管和受液槽占据塔内空间,可以大幅度降低精馏塔的高度以及塔的直径或大幅度降低填料塔的直径,用接触管道替代精馏塔或填料塔,还能消除通常的填料塔的“干区”和“壁流”。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式,但是,本发明并不限于上述实施方式中的具体细节,在本发明的技术构思范围内,可以对本发明的技术方案进行多种简单变型,这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是,在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征,在不矛盾的情况下,可以通过任何合适的方式进行组合,为了避免不必要的重复,本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外,本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合,只要其不违背本发明的思想,其同样应当视为本发明所公开的内容。