CN1201404A - 结构填料 - Google Patents

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Abstract

流体—流体接触设备(10)带有一种结构填料,该结构填料包括一系列填料件(20),这些填料件由波纹材料的片材(24)以这样的方式制成,在各片材(24)内的波纹(26)相对于大量流体流过设备(10)的方向倾斜延伸。各填料件(20)的定向使其片材(24)在与相邻的片材(24)成一变换的角度的平面内。在相邻填料件(20)的交界面(21)处或其附近带有用于减小当连续相从一个填料件(20)向下一填料件流动时所产生的压力降的装置。

Description

结构填料
本发明涉及流体-流体接触设备，特别是用于这种装置的结构填料。典型的本发明所涉及的这种类型的装置用于使一种流体(例如液体)与另一种流体(例如气体)接触，两种流体通常彼此相对反向流动的操作，例如，蒸馏、吸附、洗涤、气提、热交换等。在气(或汽)/液接触的情况下，气体构成连续相。
本发明特别涉及流体-流体接触设备，其中结构填料包括多个连续设置在流体穿过设备流动的方向上的填料件，这种设备通常的形式为垂直设置的柱或塔。各填料件包括多个带有倾斜于流体流动方向延伸的直线波纹的波纹片材，这些片材以面对面的关系排列，相继的填料件这样设置，一个填料件中的片材相对于相邻的填料件中的片材角度变换。这种类型的填料市售商家推荐的角度变换为90°(Sulzer BrothersLimited)和70°(Norton Chemical Company)。
在填料的系列中，一商家(Sulzer)生产“X”系列填料和“Y”系列填料。据信这两种形式的填料在表面面积和表面处理方面是等同的，但其波纹角不同。在“Y”系列填料中，波纹角相对于水平方向为45°，而“X”系列的波纹角相对于水平方向为60°。
“Y”系列填料件比“X”系列填料件效率高，但容量低。结构填料的效率是蒸汽与液体在填料的整个表面上方彼此接触方式的一种性能。填料的容量以大部分有限升程下的容量来确定。由于“X”系列填料件朝向水平方向的波纹角较大，因此在交界面处的流体方向变化较小，所以“X”系列比等同的“Y”系列填料件的容量大。“Y”系列填料件内的压力降较大，用于质量转移的表面面积较大，所以“Y”系列填料件的效率较高。
最近有迹象表明，结构填料件的容量受相邻填料件之间的交界面处的流体性能的影响。例如，涉及液汽接触时，在液汽必须改变方向流动的相邻填料件之间的交界面处的压力降比在各填料件体内要高，其结果是，液体容易在交界面处积累起来。液体负荷越大，发生液体积累的运行条件范围就越宽。由此估计，广泛承认的在较高压力下结构填料性能的损失是由于在相邻填料件之间的交界面处的液体积累导致流入下一填料件的液体流动方向的错误分布。
按照本发明的一个方面提供流体-流体接触设备，其中结构填料包括多个连续地排列在设计流体流动方向上的填料件，各填料件包括多个波纹形片材，这些片材以面对面的关系排列，并带有相对于流体流动方向倾斜延伸的波纹，相继的填料件这样排列，使一个填料件内的片材相对于相邻的填料件内的片材角度变换，其特征在于：在相邻填料件之间的交界处或其附近提供用于减小在交界面处的连续相的压力降的装置。
以这种方式，无需过分牺牲容量就可保证良好的效率(反之亦然)。所述装置可以具有不必减小横穿填料段的总的压力降(虽然这种总的压力降可能发生)就能使贯穿装置的填料段的压力变化率大致平缓的作用。特别是，所述装置用于减小所述交界面处及其紧挨着的附近处的压力变化率。
这种装置可以通过使片材中的波纹形状保证压力降减小来实现。
在一实施例中，代替直线波纹的是，至少各填料件的一些(如果不是全部最好也是大部分)片材的至少一些(如果不是全部最好也是大部分)波纹的倾斜角度在填料件的两相对面之间变化，使得在至少一个所述面(优选两个)附近，倾斜角大于填料件体内的最大倾斜角。
沿着波纹长度方向的一特定点处的“倾斜角”指的是在该点的波纹的轴线与包含所述点并平行于所述相对面的平面之间的角度。
因此，在本实施例的一种典型的实施方式中，各填料件的片材可以具有这样的波纹，其改变流体从一面到另一面流过填料件体时的流动方向，这些波纹具有一个或几个以高达90°的角与所述面相交的末端部分(取决于这种特殊的波纹延伸到所述相对面的一面还是两面)，而各波纹的中间部分至少在其长度的一部分上的角度略小，例如典型的角度小于60°
每个这种波纹的倾斜角最好沿纵向渐次变化，虽然我们也不排除这种变化具有连续特征的可能性。
通过使填料件的片材的倾斜角变化，可以使各填料件的芯内的质量交换最大化，而在填料件附近采用较大的倾斜角避免了当流体从一个填料件流入另一填料件时流动方向的极端变化。
在本发明的另一实施例中，在相邻的填料件的交界面处或其附近的用于减小该交界面处的压力降的所述装置可以通过至少在填料件的至少一面(优选两面)附近使在各填料件的至少一些(如果不是全部最好也是大多数)片材上的至少一些波纹(如果不是全部最好也是大部分)的横截面减小，从而减小这种区域的面积和压力降来实现。
波纹的局部横剖面面积的减小可以通过减小深度来实现。优选使深度随着波纹接近填料件的端面渐次减小。
如果需要的话，这种波纹的横剖面面积的局部减小可以与上述倾斜角的变化相结合，或者也可通过不同于普通形状的波纹来实现这种减小。横剖面面积或深度的减小可以渐次发生，并且可以减小到在波纹中止处无边缘的程度，即片材的边缘处为平的，(非波纹状的)。由于深度减小将导致片材无法与另一片材接触，因此，如果需要或必要的话，可以在波纹深度减小的区域提供以彼此隔开的关系支撑片材和/或增加结构的刚度的装置。这种装置可以包括在相邻的片材之间延伸的隔离件，也可在片材上沿着邻接相邻填料件之间的交界面的那些边缘提供在交界面处彼此配合(即，交错对插)以保持片材隔开并加强刚度的构形。
在本发明的另一实施例中，在相邻的填料件之间的交界面处或其附近用于减小该交界面的压力降的所述装置可以通过在相邻的填料件之间提供流体流动控制装置来实现，从而使得离开一填料件的流体流动的局部方向与下一填料件更相容，以减小压力降。
在这种情况下，相邻的填料件在大量流体流过装置的方向上彼此隔开，流体流动控制装置位于该间隙内。所述控制装置可以包括一开孔结构，该开孔结构具有一系列在相邻填料件之间延伸的壁，这些壁例如可以大致彼此平行，和/或设置成两组，一组与另一组的壁相交。因此，例如，控制装置可以包括一带网眼的开孔隔栅装置，流出一填料件的流体穿过该网眼流入下一填料件，网眼的轴线基本平行于流体大量流过装置的方向，或与所述波纹相比更接近平行于所述大量流体流动方向。作为一种替换，控制装置可以包括一种由规则或不规则形状物品例如拉希格圈和或帕尔圈(Raschig and/or Pall)构成的装置，这些物品的定向优选使其表面区域的大部分主要在所述大量流动的方向上延伸，因此，从一个填料件流到另一个填料件的流体流动方向基本上与所述大量流动方向平行。
在本发明的另一实施例中，在相邻的填料件之间的交界面处或其附近用于减小该交界面处的压力降的所述装置可以通过在相邻的填料件之间提供一间隙实现。在该实施例中，填料件可以以隔开的关系支撑，两填料件之间带有足以保证当连续相从一填料件流入下一填料件时明显地减小其压力降的间隙。优选使该间隙，即包含交界面处的相继的填料件的末端的平面之间的垂直距离为至少2cm，更通常为至少4cm。在填料件以这种方式彼此隔开处，它们之间没有任何插入物，例如隔栅，希望控制下降的液体相，以促进从一个填料件到下面的填料件转移，否则就有可能使液体相在交界面处沿着片材边缘流动，这样就有可能产生错误分布。比如，填料件的下表面的片材边缘可以构成这样的轮廓，以促进在各确定良好的位置收集液体，从而液体相从这些位置滴落到填料件之下。例如，填料件下的表面的片材边缘可以有一之字形的轮廓，从而从其尖部收集并滴落液体相。可以理解，之字形的形状应使大多数滴落点沿交界面基本均匀地分布。
片材的制造材料可以选自那些通常用来制造结构填料件的材料，例如，薄箔状材料(金属或气态的)，薄纱材料等。可以将片材穿孔，以使流体流过填料件时从片材的一面流到片材的另一面。
片材的表面可以是光滑的，也可以通过任何适当的技术形成适当的结构，以改善其例如浸湿、液体分配和交叉混合性能。
波纹的横剖面轮廓可以取用于通常的结构填料的各种形状，例如半圆、V形等。与此相似，波纹的尺寸大致可以与市售的结构填料，例如由Sulzer和Norton Chemical Company所销售的相同。波纹不必连续贯穿填料件。例如在市售的结构填料中所采用的，波纹可以在填料件体内中断，例如以这样一种方式，第一组波纹延伸到填料件的一部分，而第二组波纹接着第一组波纹且在填料件的剩余部分上延伸，第一组的波峰与波谷横向倾斜于第二组的波峰与波谷，在两组之间交接处的片材上形成孔，流体可以通过这些孔从片材的一侧流到另一侧。
按照本发明可以在填料件之间的交界面处减少质量转换。因此，当使效率最佳化时，本发明的填料件的深度尺寸(在大量流体流过装置的方向上考虑)可以不同于(通常大于)同样效率的普通结构填料件。
现在参考附图仅以举例的方式对本发明进行描述。其中：
图1为一填料塔的简图；
图2为一填料件的局部视图，它简要地示出在两相邻片材中的波纹结构；
图3为一局部视图，它示出了(a)在向内离开相邻填料件之间的交界面的一处的波纹轮廓，和(b)紧挨着该交界面的一处的波纹轮廓；
图4为一局部视图，它示出一替换实施例；
图5为一局部视图，它示出对应于图3所示实施例的一实施例；和
图6为一局部视图，它示出对应于图4所示实施例的一实施例。
参见图1，现在针对一填料塔10描述本发明，这种填料塔例如用于在一种下降的液相和一种上升的汽相之间进行物质转移或热交换。在塔10的上端设有一液体分配器12和一蒸汽出口14，在其下端设有一蒸汽入口16和液体出口18。多个结构填料件20垂直地叠垛在一支撑件22上。各填料件包括一组分布在基本上竖直延伸的一些平面内的平行的片材或薄片，各填料件内的片材与相邻的填料件内的片材成一角度。这一角度例如为90°，但其它角度也是可行的。填料件具有便于组装的深度，例如30cm，它们装配成基本上横穿塔的全宽延伸。图1所示实施例中的各填料件挨着与其相邻的填料件设置，二者之间的交界面为21。
参见图2，各片材或薄片24带有一系列波纹26，波峰28在各填料件的上下面之间大体倾斜延伸，而相邻片材的定向方式使其波纹十字交叉。相邻的片材在一片材的波峰与其波峰的交叉点处接触。与市售填料件形成对比，波纹不是沿其全长为直线形的，而是各波纹26具有一个或几个与波纹的中间部分角度不同的末端部分30、32(取决于其延伸到填料件的上下面中的一面还是两面)。如图所示，波纹26在填料件的上下面之间渐次改变方向，因此，末端部分30、32具有基本上垂直于这些面的轴，而中间部分则倾斜于垂直方向。在图2中，实线表示片材朝向观察者一面上的波纹的波峰，而虚线28′表示片材的背离观察者一面上的波纹的波峰。虽然在图2中波纹的未端部分30、32基本上垂直地与上下面相交，应该理解，既使交叉角小于90°本发明的优点也是毋庸质疑的。
参见图3，在本实施例中，波纹可以大致象图2所示那样定向，也可以采用市售的结构填料件中所用的直线形状，例如由Sultzr BrothersLimited制造和销售的“X”或“Y”系列填料件。在本实施例中，通过减小填料件的交界面21(见图1)附近的波纹的深度保证或加强了压力降减小。因此，图3(a)中所示的形状表示向内离开填料件的交界面21处的波纹形状，而(b)所示的形状表示在交界面21或紧挨着交界面21处的深度减小了的波纹形状。应该理解，深度的减小意味着片材不再是在这些区域彼此波峰与波峰接触。如果必要的话，可以提供垫圈或类似物(未示出)来保持片料之间的均匀的间距和/或加强不存在波峰与波峰接触的区域的结构刚度。
在图1所示的实施例中，结构填料件20以相邻面对面的关系垂直叠落。然而，如图4所示，填料件20(可以包括市售的填料件，例如前面描述过的那些)以垂直隔开的关系设置，以减小相邻的填料件之间的压力降。在相邻的填料件之间设置流体控制装置40，以使来自一个填料件的流体流与下一个填料件的取向更相容。流体控制装置可以如图所示为一开口隔栅形式的，隔栅的网眼具有表面基本在垂直延伸的平面内的壁，因此，以由倾斜延伸的波纹所施加的角度流出填料件的液体和蒸汽必然限制为先穿过隔栅结构后再进入下一个填料件。通过这种方式来改变出口流的角度，使液体和蒸汽在进入下一填料件的不同取向的波纹之前基本垂直。虽然没有以这种方式示出，但填料件中的波纹和隔栅可以这样设置，使隔栅的网眼有效地形成波纹的延续，并用于平滑地从一个填料件向与下一个填料件的波纹取向相应的流动方向反射连续相的流动。
虽然参考汽-液接触对本发明进行了描述，但我们不排除其它形式的流体-流体接触的可能性，特别是一种液体，通常是较稀的，形成连续流的液体-液体接触。
与图3相对应，图5示出一种直线波纹26和交界面21附近的末端部分32其深度减小的波纹形的实施例。波纹26的深度为a，在交界面21处的减小的深度为b。在末端部分32的任何高度处，波纹片材的总长(即，任何水平交叉线的展开长度)等于波纹26的相应长度。
与图4相对应，图6示出一种隔栅形式的控制装置40位于相邻的填料件20之间的实施例。方形网眼形成波纹的延续。

Claims (14)

1.流体-流体接触设备，其中结构填料包括多个连续地排列在设计流体流动方向上的填料件，各填料件包括多个波纹形片材，这些片材以面对面的关系排列，并带有相对于流体流动方向倾斜延伸的波纹，相继的填料件这样排列，使一个填料件内的片材相对于相邻的填料件内的片材角度变换，其特征在于：在相邻填料件的交界处或其附近提供用于减小在交界面处的连续相的压力降的装置。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于：所述装置由紧挨着交界面处波纹的局部变形构成。
3.如权利要求2所述的设备，其特征在于：至少各填料件的至少一些片材的至少一些波纹的倾斜角度在填料件的两相对面之间变化，使得在至少一个所述面附近，倾斜角大于填料件体内的最大倾斜角。
4.如权利要求3所述的设备，其特征在于：波纹具有一个或几个以高达90°的角与所述面相交的终端部分，而各波纹的中间部分至少在其长度的一部分上以略小的角度延伸。
5.如权利要求3或4所述的设备，其特征在于：每个这种波纹的倾斜角在纵向上渐次变化。
6.如权利要求1至5中任一项所述的设备，其特征在于：至少在填料件的一面的附近，在各填料件的至少一些片材上的至少一些波纹的横截面减小，从而减小这种区域的面积和压力降。
7.如权利要求6所述的设备，其特征在于：至少一些波纹在填料件的至少一面附近具有局部深度减小。
8.如权利要求1至7所述的设备，其特征在于：在相邻的填料件之间的交界面处或其附近用于减小该交界面的压力降的所述装置包括流体流动控制装置。
9.如权利要求8所述的设备，其特征在于：相继的填料件在大量流体流过设备的方向上彼此隔开，所述流体流动控制装置位于该间隙内。
10.如权利要求1所述的设备，其特征在于：在相邻的填料件之间的交界面处或其附近用于减小该交界面的压力降的所述装置包括一间隙，该间隙能有效地减小交界面处连续相的压力降。
11.如权利要求10所述的设备，其特征在于：所述间隙至少为2cm。
12.一种填料件，其包括多个波纹形片材，这些片材以面对面的关系排列，并带有相对于流体流动方向倾斜延伸的波纹，相继的填料件这样排列，使一个填料件内的片材相对于相邻的填料件内的片材角度变换，波纹在其紧挨着填料件的至少一面处具有局部变形，使得当两填料件面对面定位时这种局部变形能够减小连续相在交界面处的压力降。
13.一种如权利要求10所述的填料件，其特征在于：所述局部变形包括在填料件的两面中的至少一面附近的倾斜角的变化，使得在这种位置上的倾斜角大于在向内离开所述一面处的倾斜角。
14.一种如权利要求10所述的填料件，其特征在于：所述结构上的局部变形包括在填料件的两面中的至少一面附近的波纹深度的减小。
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