CN1196276A - 具有较大容量和高的质量传递效率的填充物 - Google Patents

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Abstract

安置在一个段块或砖块中容量得到改善的结构填充物具有使得在底部区域中的填充板之间的气流阻力小于在松散区域中的填充板之间的气流阻力的构形,以便增加容量而保持高的质量传递效率,其中该填充物段块具有一个扁平的顶部和在该段块的底部区域中的填充物。

Description

具有较大容量和高的质量传递效率的填充物
本发明涉及结构填充物和及其在通过象空气的冷冻精馏那样的逆流式汽液接触来分离流体混合物中的应用。
将流体混合物例如空气分馏成浓缩在相应的混合物成分中的两个或多个部分的分馏一般是通过采用一个或多个蒸馏或精馏塔实现的，这些塔采用分馏塔盘来作为塔内部件或质量传递件。近来，在精馏塔中使用结构填充物作为质量传递件已经越来越多，因为结构填充物的压降比分馏塔盘的压降低得多。
虽然结构填充物相对于在蒸馏塔的运转中使用的常规分馏塔盘具有一些优点，但是该填充物的成本一般要高于分馏塔盘的成本。实现分离所要求的填充物体积取决于填充物高度和塔的直径。后者是由填充物的容量设定的或由泛液点等效地设定的，在泛液点处，气体或汽体和液体不能再有效地在逆流接触中流动。因此能在达到的溢流条件前增加塔的通过量的具有较大容量的结构填充物将是非常需要的。
因此，本发明的目的是提供能改善常规的结构填充物的性能的结构填充物。
本发明的另一目的是提供一种用于精馏塔中具有较大的容量因而能在达到溢流条件前增加塔的通过量的结构填充物。
熟悉现有技术的人士在阅读了此公开内容后都将明白，上述和其他的目的可以通过本发明实现，本发明的一个方面的内容是：
一种包括多个竖直取向的斜对角横贯布置的形成一个段块高度的波纹状填充板的填充物段块，所述段块具有一个底部区域，占段块高度不超过50％，和具有一个松散区域，该松散区域占该段块高度的余下部分的至少一部分，所述填充物段块具有一个扁平的顶部，并且在底部区域范围内，填充板具有的构形能使得对在底部区域中的填充板之间的气体流动的阻力小于对在松散部分中的的填充板之间的气体流动的阻力。
本发明的另一个方面的内容是：
一种包括多个竖直叠置的料层的床，毗邻的料层绕着一条竖直轴线转动，每个料层包括一个填充物段块，该填充物段块包括多个竖直取向的斜对角横贯布置的并形成一个段块高度的波纹填充板，所述段块具有一个底部区域，该区域占段块高度不超过50％，和一个松散区域，该松散区域包括该段块的余下部分的至少一部分，所述填充物段块具有一个扁平的顶部，和在该底部区域范围内，填充板的构形能使得对在底部区域内的填充板之间的气体流动的阻力小于在松散区域中的填充板之间的气体流动的阻力。
此文中所用的术语“塔”意指蒸馏或精馏塔或区，即一个接触塔或区，其中液相和汽相逆流式地接触以便例如通过汽相和液相在填充件上的接触的方式实现流体混合物的分离。对于蒸馏塔的进一步的描述请见由纽约McGraw-Hill Book公司的R.H.Perry和C.H.Chilton编辑的第五版《化学工程师手册》的第13部分“蒸馏”中由B.D.Smith等人撰写的“连续蒸馏方法”(第13-3页)。汽液蒸馏接触方法取决于各成分的汽压中的压差。高的汽压(或较易挥发或低沸腾)成分往往会浓缩在汽相中，而低汽压(或不易挥发或高沸腾)成分往往会浓缩在液相中。蒸馏是这样一种分离方法，借助该方法可以使用对液体混合物加热来浓缩汽相中的易挥发成分，从而浓缩在液相中的不易挥发的成分。局部地冷凝是这样的分离方法，借助此方法，对汽相混合物进行冷却可以用来浓缩汽相中的易挥发成分，从而浓缩液相中的不易挥发的成分。精馏或连续蒸馏是这样的分离方法，该方法包括象通过汽相和液相逆流处理得到的连续的局部汽化和浓缩。汽相和液相的逆流接触可以是绝热的或是非绝热的，并且可以包括在两种相之间的整体的(逐步的)或累积的(连续的)接触。采用精馏原理来分离混合物的分离工艺装置经常可替换地称为精馏塔，蒸馏塔，或分馏塔。冷冻精馏是至少部分地在低于150°K下下进行的精馏。
本文中所用的术语“填充物”意指任何预定构形、尺寸和形状的固体的或空心体，它们被用作塔内件以便给液体提供表面面积，使得在两种相的逆流过程中在液汽交界面处进行质量传递。
本文中所用的术语“HETP”意指填充物的高度，在该填充物上进行成分交换，这种交换等效于通过理论板获得的成分交换。
本文中所用的术语“理论板”意指在汽液之间的接触过程，使得排出的汽流和液流是平衡的。
本文中所用的术语“结构填充物”意指斜对角横贯布置的波纹状填充物，其中各个件相互相对和相对于塔轴线具有特定的取向。结构填充物的实例在美国专利US 4186159(授予Huber)，美国专利US4296050(授予Meier)，美国专利US 4929388(授予Lockett等人)和美国专利US 5132056(授予Lockett等人)中作了公开。
本文中所用的术语“气流阻力”意指气体遇到的每单位填充物高度的压降，例如表示为mbar/m。
本文中所用的术语“段块高度”意指由竖直取向的斜对角横贯布置的波纹状填充板构成的填充物段块或部件的高度。此高度是汽体进入填充部件内的水平面和汽体排出填充部件的水平面之间的差值。每个填充部件可以称为“砖块”并且叠置的砖块构成填充塔。
图1-5是一般的结构填充物的特征示意图，用来更好地解释本发明的新颖结构填充物及其在一个塔中的使用。
图6是示出本发明的某些方面的概括图。
图7示出了在一个段块范围内的已知的结构填充物结构，其中填充板作了改进以便在段块的底部处呈现锯齿形并且在横贯段块的顶部形成一个扁平的顶部。
图8-12分别示出了用于本发明中的填充板的不同的实施例。
图13-16以曲线图形式示出了使用具有如本发明那样的扁平顶部和改进底部的填充物获得的结果和为了比较也示出了用已知的填充物获得的结果。
总的来说，本发明结合了这样的发现，即结构填充物象使用在精馏装置中那样时，如果在结构填充物段块的下部区域中的气流阻力小于在结构填充物段块的主要部分中遇到的气流阻力的话，其容量可以显著地增加。也就是说，与进入结构填充物段块或砖块的气体或气化物相关的压降要小于在这样的情况下所遇到的压降，即如果在下部区域中的结构填充物的构形与在结构填充物段块的上部区域中的构形一样的情况下。气流阻力的这种局部的减小能使气体或气化物在达到气体向上的流动妨碍到液体穿过段块向下的流动从而达到泛液条件的点之前流量增加。结构填充物段块的容量的增加能使得对于任何给定的分离使用较少的结构填充物，从而降低实现分离的成本。
本发明可以用在任何采用结构填充物的蒸馏，吸收或洗提工艺中。一个特别有利的使用是使用在象将空气冷冻精馏成氮、氧和/或氩成分那样的冷冻精馏中。其他的有用的蒸馏方法的实例包括油分馏、碳氢化物的分离和酒精的蒸馏。
下面结合附图对本发明进行详细的说明。
蒸馏塔用于工业中的广泛的各种各样的分离中。在过去的十年中，结构填充物已经成为精选的内部件，因为与常规的蒸馏塔盘或任意的填充物相比，其具有低的压降和高的质量传递效率。
结构填充物包括竖直取向的填充板，这些板带有与竖直轴线成一个角度的波纹如图1中所示那样。这些板安置成使得毗邻的板的波纹的方向是相反的如图2所示那样。填充物装在塔内作为层料，这些层料的高度一般介于6至12英寸之间。毗邻的层料绕着一条竖直轴线转动以便增强混合的效果如图3中所示那样。在较小的塔中，每个层料可以由通过使用杆穿过所有的板将各个板固定在一起的方式形成的单段或单块填充物组成。在较大的塔中，每个填充物层料可以用若干个段块制成，这些段块固定在一起以便充满装料容器的横截面。图4示出了单个段块层料和具有10个段块的层料。完整的填充床包括多层填充物，层料的数量由完成分离所要求的填充物的高度所设定。图5示出了按图3中XX方向截取的填充物的截面图，该方向以与波纹相同的角度对竖直方向倾斜。波纹的特征在于其波纹高度h和底部长度b。所示的波纹图形是尖角的(锯齿形)，但是也可以是圆角的(正弦波形)。这些板在沿波纹的波峰和波谷的接触点相互接触，在图5中用A表示。虽然所有的波纹板结构填充物都具有上述的特征，但是还存在大量的可从市场上得到的变更形式。这些变更形式包括在填充板上使用穿孔和穿孔的不同大小以及包括施加到这些板上的表面纹理的类型。填充物制成若干种尺寸，其特征在于比表面积(每单位体积的表面面积)。不同的尺寸可以通过变更波纹高度h和底部长度b获得。例如，减小波纹高度可增加每单位体积的表面面积。使用比表面积较大的填充物可减小给定分离所要求的填充物的高度，但是降低了可允许的流体速度。因此，要求较大的横截面面积用于流动。
填充物高度是从所要求的平衡阶段的数目与等效的理论板的高度(以下简称为HETP，其是英文height of an equivalent theoretical plate之缩写)之积计算得出的。HETP是质量传递效率的量度。塔的横截面面积主要是由气化物和液体的流量和密度确定的。一般地说，塔设计成在所用填充物的泛液点处的流量的80-90％之间运作。泛液点可以被认为是在塔可操作的固定的液体流量下的最大的气化物流量。实际上，它出现在气化物装填到使液体不可能再在重力作用下逆着气化物逆流地流动时出现。一般较高的比表面积填充物具有较低的泛液点，因为对于在这些板之间的供流动的尺寸较小。
本发明包括这样构形的结构填充物段块，这种段块可减小与进入填充物段块的气化物相关的压降，因而使得液体易于从该段块中穿过。术语流过结构填充物段块的气体和气化物在本文中使用是具有同样意义的。此压降的减小可通过这样的方式获得，即在每个段块的底部一般介于高度h的0.1和20倍之间的区域(在图6中用区域L标示)中将格状填充板构形成使在底部区域L中的几何形状与松散区域(在图6中用U表示)的几何形状不同，松散区域定义为在底部区域上方的区域。图6中示出了圆筒形的砖块或段块，但是本发明也可以使用任何砖块形状。底部区域L可以包括高达不超过结构填充物砖块或段块的高度H的50％，并且最好包括不超过高度H的2.5％。
象图1-4中所示的结构填充物包括竖直叠置并且一般用一个或多个杆(该杆穿过填充物伸出而制成一个段块)连接的波纹板。这些段块的高度一般在6至12英寸。填充物层料等于段块的高度并且沿塔的一般是圆形的横截面延伸。一般来说，在通常的作法中，填充板的高度一般是均匀的并且具有直的切割边，使得每个段块或砖块的底部和顶部基本上是平的。砖块是一个在另一个顶部上叠置起来。
图7以侧视图的方式示出了填充物装置，其中构成段块的填充板切割成要求的长度，然后当放置在一起时在竖直方向上交错布置以形成砖块。用这样的方法，填充板中的一半延伸到段块的底部，而另一半延伸到段块的顶部，并且无论是顶部或是底部都不是平的。也就是说，虽然图7所示的填充物形成一个具有改进的底部的段块，其中在底部区域内，多个第一填充板以交替的顺序延伸到多个第二填充板的边缘之外，借此使得在底部区域中的填充板之间的气体流动的阻力小于在松散区域中的填充板之间的气体流动的阻力，但是，它并不具有实现本发明所要求的扁平的顶部。图7中所示的改进的底部可以与图8-12中所示的本发明的实施例一起使用。
图8-12各示出了用来实现本发明的填充物的改进的底部区域的不同的实施例，本发明能够获得使在底部区域中的填充板之间的气流的阻力小于在松散区域中的填充板之间的气流的阻力的效果。
用于减小与进入砖块内的气体相关的压降的一个措施是使得气体沿不那么曲折的路径流动。这可以通过减少毗邻填充板之间的接触点(图5中用A标示)的数量的方式获得，因此使得结构敞开，并且导致流动路径更加竖直。与未改进的填充物相比较，这种结构减少了气体的气流速度和通路长度。图8和9中示出了此实施例的实例。图8以透视和侧视图的方式示出了一个填充物，其中所有的填充板都具有减小的波纹高度，在此种情况下，波纹高度在底部区域减小到零。也就是说，图8所示的填充板具有平展的底部。在图9中，以透视和正视图的方式示出了底部具有具有与松散区域相同的波纹高度，但是，具有角度更加陡的波纹。这可减小实际的气流速度并且因此而减小在填充物的气体区域中的压降。
图10和11示出了这样的实施例，其中材料的分馏开口面积较填充物的松散部分明显增大了至少20％。这可以通过增加穿孔，气孔，缺口或槽缝来获得。上述所有的孔缝都允许汽化物穿过，从而导致汽化物更加竖直地流动并且导致底部区域要较松散区域中有更小的压降。在底部区域中穿孔增多的填充板如图10所示，而底部具有具有气孔的填充板则如图11所示。
图12示出了这样一种填充板，该板具有锯齿形或缺口形的底部区域，但是其中锯齿是钝头的，以便形成一个具有平展底部的填充物段块，该平展的底部将使得段块易于一个叠放到另一个之上，以便充分获得本发明的填充物段块的平展的顶部的好处。在填充板的底部区域具有钝头的锯齿边缘的填充物特别适用于实施本发明。
蒸馏试验是用具有这样的填充板的结构填充物进行的，这种填充板在竖直方向上交替地错开距离等于波纹高度的距离，如图7所示那样。为了比较，使用相同的填充物，其中交替的填充板没有错开，即填充物段块具有平坦的顶部，但是具有未改进的底部区域。填充物具有750m2/m3的比表面积。蒸馏塔的直径为12英寸。每个填充物料层的高度约为10英寸。在未错开的情况下，使用10层料层，而在错开的情况下使用了9层料层。蒸馏系统是在完全回流和在22磅/平方英寸的压力下以氩氧方式操作的。图13和14中示出了结果，其中实点代表使用交错的填充板的试验得到的数据点，空点代表使用具有扁平的顶部和扁平的底部的填充物段块的试验得到的数据点。在曲线图中符号″用来表示英寸，″WC用来表示水柱的英寸数。图13示出了具有交替错开的填充板的填充物与具有未错开的填充板的填充物相比具有较小的压降和较大的容量。图14示出了令人吃惊的结果，即具有交替错开的填充板的填充物的传递部件的高度(HTU)要明显小于具有未错开的填充板的填充物的高度HTU。这样，具有交替错开的填充板的填充物在质量传递性能要差于具有未错开的填充板的填充物。
HTU填充物质量传递性能的基本描述量，该性能在该学科的任何权威的教科书中均有描述。它与完全回流条件下的等效理论板的高度有这样的简单的关系：
            HETP＝HTU(ln(m)/(m-1))式中m是平衡线的斜角。
据信具有交替错开的填充板的填充物其质量传递性能较差的原因是交替的填充板未在正上方与填充物段块的底部接触。从上段流出的液体未能在这些交替的填充板上方流动，这些填充板因是交错的，未能在上方与填充物段块接触。液体从上侧的填充物段块只沿着下侧段块中的与上侧的段块接触的这些交替的填充板流到下侧的填充物段块。当液体流下填充板时，它经图5中的接触点A渐渐地横流过毗邻的填充板。然而，每个交替的填充板还留有在每个填充物段块的顶部处未得到合适地湿润的区域，从而导致质量传递较少和较高的HTU。
克服此问题的本发明采用了这样一种填充物，其中每个段块的顶部是扁平的。类似于上面讨论的实验是用两套具有约500m2/m3的比表面积的填充物进行的。其中一套填充物具有高度为8英寸的填充板，该填充板具有一个扁平的顶部和一个未改进的底部区域。另一套具有这样的填充板，这些填充板形成具有一个扁平的顶部和一个改进的底部区域的段块，其中在底部区域中的气流阻力要小于在松散区域中的气流阻力。填充物否则是相同的。相同的蒸馏系统用来确定两个填充物的HTU和压降。
结果示于图15和16中，其中实点表示使用本发明的填充板的实验得到的数据点，而空点表示用具有扁平的顶部但是具有未改进的底部区域的填充物段块的实验得到的数据点。图15示出本发明的填充物的压降要较小，它在出现泛液之前具有约多15％的容量。图15示出了填充物的HTU在达到常规的填充物的泛液点前是相似的。使用本发明的在顶部具有扁平的段块的填充物克服了在填充物段块在顶部是错开时出现较差的分离性能的缺陷。
图13和14的对照显示使填充物段块的顶部和底部错开会导致容量的增加(图13)但是会使质量传递下降(图14)。不过，当只有填充物段块的底部得到改进时，则可以获得相同的容量增加(图16)，而不会有任何质量传递减少(图16)。使用来产生曲线图中报告的实验结果的具有改进的底部区域的填充物具有改进的底部区域，该底部区域包括错开的填充板。但是，据信定义用于本发明的填充物的任何改进的底部区域将产生类似的结果。而且，本发明的填充物段块还可以具有错开的底部区域，如图7所示那样，尽管它还必须具有一个扁平的顶部。也就是说，本发明的填充物段块可以具有扁平的或非扁平的底部。
在本发明的实施中，预计在结构填充物段块的底部区域中的气流阻力小于在该结构填充物段块的松散区域中的气流阻力的至少10％，最好是至少20％。
虽然最好是此文中所述的用于底部区域和松散区域的条件和结构出现在所有的这些相应的区域中，但是具体的条件和结构也可以只出现在这些相应的区域的一部分区域中。
虽然参照某些最佳实施例对本发明进行了详细的说明，但是熟悉现有技术的人士会意识到，在权利要求书的精神和范围内本发明还有其他的实施例。

Claims (10)

1.一种包括多个竖直取向的斜对角横贯布置的形成一个段块高度的波纹状填充板的填充物段块，所述段块具有一个底部区域，占段块高度不超过50％，和具有一个松散区域，该区域包括该段块高度的余下部分的至少一部分，所述填充物段块具有一个扁平的顶部，在所述底部区域内，填充板具有这样的构形，使得在底部区域中的填充板之间的气流阻力小于在松散区域中的填充板之间的气流阻力。
2.如权利要求1所述的填充物段块，其特征在于：该松散区域包括该段块高度的余下部分的全部。
3.如权利要求1所述的填充物段块，其特征在于：该底部区域包括该段块高度的不到百分之5。
4.如权利要求1所述的填充物段块，其特征在于：该填充物段块在松散区域具有波纹，该波纹要比在松散区域中的波纹陡峭。
5.如权利要求4所述的填充物段块，其特征在于：在该底部区域范围内，多个第一填充板以交替的顺序延伸到多个第二填充板的边缘之外。
6.如权利要求1所述的填充物段块，其特征在于：在该底部区域中的填充物段块的分馏开口面积超过在松散区域中的填充物段块的分馏开口面积。
7.如权利要求6所述的填充物段块，其特征在于：在底部区域中的填充板带有穿孔。
8.如权利要求6所述的填充物段块，其特征在于：在底部区域中的填充板具有钝头的锯齿形边缘。
9.如权利要求6所述的填充物段块，其特征在于：在该底部区域范围内，多个第一填充板以交替的顺序超过了多个第二填充板的边缘。
10.一种包括多个竖直叠置的料层的床，毗邻的料层绕着一条竖直轴线转动，每个料层包括一个填充物段块，该段块包括多个竖直取向的斜对角横贯布置的形成一个段块高度的填充板，所述段块具有一个底部区域，占该段块高度不大于50％，和具有一个松散区域，该松散区域包括该段块的余下部分的至少一部分，所述填充物段块具有一个扁平的顶部，在该底部区域范围内，该些填充板具有的构形使得在该底部区域中的填充板之间的气流阻力小于在该松散区域中的填充板之间的气流阻力。
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