CN1524013A - 用于填充模块的带、相应的模块和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种由片状材料制成的用于处理液体的填充模块用的包含波纹的带，其中，当所述带以其边缘接近水平而位于一近似竖直的平面中时，该波纹主要倾斜于所述液体的流动方向定向。所述带包括具有延伸边缘的开口(44)。所述开口的下部的边缘的方向和在所述下部的边缘的至少75％长度上的液体的自然流动方向(S)形成一个在0°和20°之间的夹角。可以在空气蒸馏塔中应用上述装置。

Description

用于填充模块的带、相应的模块和设备

技术领域

本发明涉及一种由片状材料尤其是金属片制成的用于处理液体的填充模块用的包括波纹的带，当该带以其边缘水平地设置在一竖直的总平面内时，带具有相对于所述液体的基本竖直的整体流动方向倾斜的整体定向，并包括具有细长的全局形状的开口，这些开口具有沿它们的总体方向伸展的边缘。

填充装置应理解为一种用于混合一相和/或使彼此同向或反向流动的几种相接触的装置。更特别地，可以在该填充装置中进行热和/或物质交换和/或化学反应。本发明的一个特殊的应用在于用于分开气态混合物的塔，尤其是空气蒸馏塔。

背景技术

从现有技术中已知的是包括交叉波纹形填充模块-也称为填充单元-的空气蒸馏设备。该模块包括竖直设置的波纹形片，所述片的波纹相对于经过设备的液体的整体流动方向倾斜，并在一片与下一片之间通常以90°交叉交替倾斜。

填充模块以这种方式滑入蒸馏塔中，即在一个模块到下一(相邻)的模块之间，一模块的片关于塔的轴线以一定角度-通常为90°-从相邻模块的片偏移。

为了提高经过填充模块流动的液体和气体之间的交换，现有技术已经提出形成在片中的开口。这些开口引起从填充片的一侧到另一侧的气流的改变并改善该气体与液体的交换。

这些开口分为两种：

第一种为小开口，该开口足够小以使得它们能够被液体的连续膜填充或液体可以在它们周围流动而不会形成一下游干燥区域。包括这种开口的填充装置公开在例如文献CA-A-1095827、US-A-4740334、EP-A-0158917、US-A-4604247、EP-A-0218417和US-A-5057250中。

第二种为大开口，该大尺寸的开口促使气体的紊流但阻止液体流动并形成下游干燥区域。包括这种开口的填充装置公开在例如文献EP-A-0750940、US-A-4670196、US-A-5407607、US-A-5578254、US-A-588569和EP-A-1029588中。

发明内容

本发明的一个目的是提出允许液体和气体间的改善的交换的填充装置(填充物)。

为此，本发明的主题是一种上述类型的带，其特征在于，开口包括一个从它们的最下端点开始的下部区域，所述下部区域的边缘的整个长度的至少7 5％以相对于每一相应点的液体自然流动方向的0°至20°，尤其是0°至10°之间的一角度方向设置。

根据一些具体的实施例，所述带可以具有以下一个或多个特征：

-所述下部区域的边缘的整个长度的至少90％以所述0°至20°之间，尤其是0°至10°之间的角度方向设置；

-所述下部区域的边缘的整个长度以所述0°至20°之间，尤其是0°至10°之间的角度方向设置；

-所述开口的全部外缘以所述0°至20°之间，尤其是0°至10°之间的角度方向设置；

-所述开口是三角形，由两个较长边形成的该三角形的顶角或多或少地朝向液体的自然流动方向；

-所述开口具有使它们避免被所述液体的膜覆盖的尺寸；

-至少在所述下部区域中，所述开口的边缘的方向或多或少地平行于在开口边缘附近的带的表面上的液体的自然流动方向；

-所述带包括光滑的表面以使得这些表面上的液体的自然流动方向为该带的最大斜度方向；

-沿所述带(24)的边缘(40)方向测量，在部分带(34)的两个波峰线(36)或波谷线(38)之间的距离(p’)在该带的延伸区域(28)的整个表面上相同，并且当沿边缘方向移动时，每隔距离N×p’(优选地1≤N＜4)，带是其自身的相同复制品；

-所述带在它的延伸区域内包括沿所述带的水平边缘的方向以所述距离的因数(倍)距离，尤其是所述距离的一半设置的开口；

-部分带的波纹的折角、这些波纹的高度、这些波纹相对于水平边缘的曲率半径和斜度在所述带的整个表面上是相同的；

-所述带包括相邻的彼此偏移-具体地偏移半个波纹间距(corrugation pitch)-的波纹形第一和第二部分带；

-所述部分带具有彼此不同的液体自然流动方向；

-部分带的所述开口的边缘沿所述液体自然流动方向之间的、尤其是大致平行于所述两方向的平分线的中间方向设置；

-所述开口由向带的平面之外弯曲的折叶构成，该折叶由形成在带中的弯曲槽限定；

-所述开口由形成在槽的一侧的、尤其是部分圆锥体形状或部分圆柱体形状的突出部构成；

-所述开口由设置在两平行槽之间的扭转部分构成；

-所述开口由设置在经过带的一弯折部的脊部的槽的一侧上的凹入弯折部构成；

-所述开口是经过带的一弯折部的脊部的槽，这样可以避免液体集中在波纹的底部；

-所述带至少在其上部或下部区域之一包括用于使液体横过液流主方向扩散的结构，尤其是形成在带中的条纹或孔；

-所述填充带在所述上部和/或下部区域中没有所述开口；和

-所述带在它的上部和/或下部区域包括水头损失(headloss)减少结构。

本发明的另一个主题是一种用于物质和/或热交换塔的填充模块，其特征在于，它包括如上所述的层叠带，这些带中的相邻带的波纹方向相反。

本发明的另一个目的是一种用于物质和/或热交换的设备，该设备包括至少一个如上所述的填充模块和一个用于在该模块的上表面上分配液体的装置。

根据该设备的一个具体实施例，所述液体分配装置包括一个分配器和/或一个促使液体相对于流动的主方向横向扩散的填充模块。

附图说明

本发明将通过阅读下面仅以示例给出并参考附图的说明得到更好地理解，其中：

-图1A和1B示出被供给有液体的开槽倾斜板；

-图2是用于交换物质和/或热量的包括根据本发明的填充模块的塔的纵向截面示意图；

-图3是图2的局部III的放大视图；

-图4是图3的IV-IV处的截面视图；

-图5是图3中所示的局部的立体图；

-图6是用于生产图3的填充带部分的坯件的俯视图；

-图7A至7H示出形成在根据本发明的填充带中的开口的可替换形式的立体或侧视图；

-图8是根据本发明的填充带的一可替换形式的侧视图；和

-图9是图8的局部IX的放大视图。

具体实施例的详细说明

首先，将通过图1A和1B说明作为本发明的基础的问题以及本发明的技术方案的原理。

图1A示出相对于竖直方向(重力FP方向)倾斜一角度α的光滑板P。液体在该板的上表面上流动。

该板P具有由该板的表面的截面和正交于该表面的竖直平面限定的最大斜度方向G。当给该板P供给液体时，该液体沿自然流动方向S流动，该方向在所述光滑表面板P的情况下与最大斜度方向G一致。

在板P中形成有两个矩形槽F1和F2。槽F1和F2的相应纵向边缘B1和B2与最大斜度方向G一起分别限定角度β和γ。角度β大于液体相对于一槽的边缘的分开角度(angle of separation)，而角度γ小于液体在该处的分开角度。

液体的分开角度取决于液体的粘度和板的材料。

由于角度β大于液体的分开角度，液体从槽F1的边缘B1滴落并在该槽的下游形成一干燥区域Z。在该区域Z中不可能进行液体和气体之间的热和/或物质交换。

相反，由于较小的角度γ，也就是说，该角度γ小于液体的分开角度，液体在槽F2的边缘B2的周围流动并覆盖位于该槽的下游的部分板。因此，在该位置进行气体和一些液体之间的交换。优选地，角度γ为0°，也就是说，槽F 2的边缘与液体的自然流动方向平行。该角度γ可以在0°和20°之间，具体地是在0°和10°之间。

图1B示出一与板P同样布置的板P’。该板P’具有相对于水平方向倾斜延伸的条纹。在该板P’上流动的液体的自然流动方向S’相对该板P’的最大斜度方向G偏移一角度δ。

液体的流动向条纹方向偏斜。槽F1’的纵向边缘B1’也与液体S’的自然流动方向形成角度β。因此，在槽F1’的下游形成干燥区域Z’。

槽F2’及其纵向边缘B2’相对于液体的自然流动方向S’以角度γ布置。因而该槽F2’没有在液流的下游形成一干燥区域。

图2示出根据本发明的用于物质和/或热交换的具有一整体竖直轴线X-X的塔2。该塔2在其上端4包括一个通向在塔2的截面上分配液体的分配器8的液体入口6，和一个蒸汽出口10。该塔在其下端12包括一个蒸汽入口14和一个液体出口16。该塔2还包括一个圆柱形的塔壳。

一个促使液体横过轴线X-X扩散的填充模块18设置在塔壳V中分配器8的正下方。这种模块18本身是已知的，并且是例如一个包括带孔或条纹的交叉波纹形填充装置的填充模块。

多个根据本发明的填充模块20设置在塔壳V中模块18的下方。一下部支承件22保持所述填充模块18、20。每个填充模块20包括大量波纹形填充带24。各填充带24一个靠一个地平行于塔2中流体的整体流动方向D_f，即竖直地设置。每个填充带24包括多个水平布置的叠置区域，这些区域是一上部区域26、一上部过渡区域、一延伸/作用区域28、一下部过渡区域30和一下部区域32。图3示出从侧面看去的部分填充带24，即延伸区域28、下部区域32和下部过渡区域30。

从侧面看去，延伸区域28由一连串沿相对于竖直方向(D_f)倾斜的大体方向D₁的部分带(partial strip)34构成。

各部分带34由通过波峰线36和波谷线38交替连接的平面构成。线36和38有相同的倾斜方向D₁，该倾斜方向在该例中相对于填充带24的下缘40大致为45°。一部分带34的波峰线36/波谷线38延伸为两个相邻的部分带34的波谷线38/波峰线36。

两个部分带34由从侧面看去是直的一排42开口44分开。每个开口44贯穿部分带34的波峰线36和相邻的部分带34的波谷线38之间的接合处。同一排42的开口44沿方向D₁在一开口44和一相邻的开口之间偏移一短距离d，该距离限定连接两个相邻的部分带34的横向连接或连接线46。

开口44沿水平方向以距离a’彼此平行布置。当沿带的水平边缘40的方向测量时，该距离a’是两连续波峰线36之间的距离p’的一半。

因此，当从侧面看时，延伸区域28的各部分带34呈现为一连串交替地朝图3的平面的前方和后方倾斜的近似菱形48。

从端部看(见图4)，两个连续的近似菱形48之间形成一60°的角度。

沿方向D₁从一部分带34到各相邻部分带的倾斜是相反的。

所述下部过渡区域30包括与延伸区域28的开口相同的开口44。不同之处在于，(下部过渡区域30的)开口44在水平方向以距离i隔开，该距离是分开延伸区域28的开口44的距离a’的两倍。换句话说，每隔一个开口44省去一个开口。

下部区域32和上部区域26由没有开口的填充带的波纹形部分构成。该区域的表面由过渡区域的菱形48的表面的延伸部分形成。

当填充模块20处于安装状态时，以这种方式一个靠一个地布置所述填充带24，即一个带的波谷线38和波峰线36相对于一相邻带24的波谷线38和波峰线36偏移大致90°，也就是说，两个相邻带24的方向D₁相对于方向D_f向D_f的一方和另一方倾斜大约45°。

当从侧面看时，每个开口44的边缘50沿相对于水平方向倾斜59°的方向D0延伸，该方向对于两个近似菱形48之间的角度60°和一光滑带24的波峰线/波谷线的45°方向来说，对应于液体的自然流动方向S，并因而对于该给出的示例来说，对应于图1A的最大斜度方向G。

因而，在所述带24的表面上流动的液体大致平行于开口44的边缘50流动。因此，大大减少或避免了液体流动时形成在开口44的下游的干燥区域。因而，根据本发明的模块20具有一较大的有效气体/液体交换面积。每个开口44导致切断气流并形成紊流，从而提高了填充装置的交换效率。此外，每个开口的尺寸都较大，这意味着开口引起的水头损失较小。

一般而言，边缘的方向需要与液体的自然流动方向S足够接近以避免液体从边缘滴落。相对于液体的自然流动方向的可能倾斜度一般在0°至20°之间。

对于带24，填充带24上的每一点相对于表面的竖直方向的倾斜度是一样的。因此，在带24上的每一点的液体的自然流动方向S也是相同的。一般来说，当带具有不平坦的部分(例如，带圆形截面的弯折部)时，开口的边缘必须这样设置，即在开口边缘的每一点处，边缘在该点的切线的方向接近或优选地等于带上该点处液体的自然流动方向S。

带24由扁平坯24A制成的金属片制成。

图6示出部分该坯件。该部分用于生产图3的带24的该部分。该坯件的参考标号对应于填充带34的相应部分的参考标号，但增加了A。

该坯件由薄的光滑扁平金属片制成。

该坯件24A包括一个包含多列42A槽44A的延伸区域28A。每个槽44A是与坯件24A的下边缘40A成直角设置的直槽。每个槽44A从位于两条将形成的波峰线36A和波谷线38A(在图6中以虚线表示)之间的中部的区域经过该线36A、38A中的一个延伸入位于将形成的波谷线38A/波峰线36A之间的中部的区域。一竖直列42A的槽44A沿这些将形成的波峰线36A或波谷线38A的方向在一个与相邻一个之间偏移上述距离d。

一列42A槽44A相对于相邻列42A的槽44A以距离a设置，该距离对应于沿边缘40A测量的两条将形成的波峰线36A(或波谷线38A)之间的距离p的一半。此外，两相邻列42A的槽44A相对于扁平坯的边缘以相同距离设置。换句话说，坯件的槽44A形成平行于边缘40A的水平行56。两行56由没有槽44A的连接区58分开。

坯件24A还包括一个包含一水平行60槽的过渡区域30A。在该区域，在每两个槽中省去一个槽44A。延伸区域28A的下部行56和行60由与连接区域58类似的没有槽的连接区62分开。

坯件24A还包括一个光滑、扁平的对应于填充带的下部区域32的实心下部区域32A。

因此，坯件的延伸区域28A的槽44A的节距(pitch)等于将形成的波峰线36A/波谷线38A的距离p，并且用于制造带24的切割和弯曲工具可以特别简单。一般来说，槽44A以对应于波峰线间距离的较小整数倍N，例如上至4倍的距离设置。

通过使用合适构形的弯曲棒以60°的折角进行折叠并使带连续地前进而将带槽坯件24A制成填充带。由于该弯曲，槽44A因此打开并形成开口44(见图4和图5)。

通过该60°的弯曲，波峰/波谷线形成相对于水平方向的45°角度。

图7A至7H示出形成在根据本发明的填充带中的开口的各种可替代形式70A至70E、70G。

在图7A至7H中的每一图中，箭头S代表液体的自然流动方向，并且开口70A至70E、70G的边缘72A至72E、72G在上文说明的意义内大致与其平行地设置。

图7A示出一折叶74，该折叶由一稍微弯曲-尤其是弯曲为圆形的一段弧-的槽形成，并被沿大致平行于液体的自然流动方向S的弦76推向带的平面的后背侧外部。

图7B示出一个在大致平行于所述方向S的直槽71B一侧由被压成部分圆锥体的突出部78形成的开口70B。

图7C示出5个形成在填充带中的平行开口70C，这些开口一样长并大致平行于所述方向S。形成在这些开口之间的4个区域绕平行于开口的一轴线扭转以形成百叶窗80。

图7D示出两个由两个大致平行于所述方向S的一样长的平行槽71D形成的开口70D，在这两个开口之间形成有一个部分圆柱形的压制突出部82。

图7E和7F示出填充带的一弯曲部分84。一槽经过弯折部(fold)的脊部86倾斜地形成，并且所述带在槽的一侧包括一形成开口70E的凹入弯折部88。该凹入弯折部88具有递减的深度并延伸至远离开口70E的点71E。

图7G和7H中所示的填充带部分基本对应于图7E和7F的填充带部分。不同点在于，(图7G和7H中的)该部分包括两个由两个同样长度的平行倾斜槽形成的开口70G。位于两槽之间的带的部分90形成一恒定深度的凹入弯折部。

图8示出根据本发明的填充带的一可替换形式。该填充带100由交替的波纹形的及平行的第一和第二部分带102、104构成，沿带的边缘测量，该第一和第二部分带具有不同的波纹间距。当带处于安装状态时，带102、104的波纹106、108相对于水平方向以不同的角度倾斜。因此，第一部分带102具有不同于第二部分带104的液体自然流动方向S2的液体自然流动方向S1(图9)。一个部分带102、104的波纹相对一个相邻的部分带104、102偏移半个槽口，以使得一个部分带102、104的波谷面对一个相邻的部分带104、102波峰。在部分带102、104之间形成开口109。

部分带102、104的边缘110、112是直的，并平行于第一和第二部分带102、104的液体自然流动方向S1和S2的中间方向SM。该中间流动方向SM在两流动方向S1和S2之间的某一处，并优选地与这两个方向的平分线相同。

该填充带100增加了气体的紊流并因而提高了气体和液体之间的交换效率，同时几乎完全避免了干燥区域的形成。

可以通过将部分带焊接在一起或使用两套弯曲棒切割和弯曲一个实心坯件而形成所述带100。

作为另一种方案，包括一个根据本发明的填充带的填充模块可以在它的上和/或下部分包括横过流动的整体方向扩散液体的结构。可以通过形成在带的相应部分(例如带24的上部区域26或下部区域30)中的条纹或孔形成这些扩散结构，在该示例中的该部分没有所述带的延伸区域28的开口例如42、44。

可以观察到，根据本发明的填充装置导致用于液体和气体之间的较大接触面积，同时允许气流的紊流及切断并基本上避免了任何干燥区域的形成。

对于给定的处理产量，装配有根据本发明的填充装置的塔具有较小的填充体积和较低的成本。

一般来说，开口的下部区域的至少75％以相对于液体自然流动方向的0°至20°之间的角度γ设置。以角度γ设置的边缘的比例越大，则可以避免形成更多的干燥区域。因此，该下部区域包括例如90％或100％以该角度γ设置的边缘。

该下部区域可以是例如三角形，由两个较长边形成的该三角形的顶角朝向液体的自然流动方向。

作为另一种方案，下部区域32和/或上部区域26可以在靠近邻近的填充模块的部分上设置用于减少水头损失的结构。

这种结构例如是包括具有这种斜度的波峰/波谷的弯折部，即该斜度向相应的下部或上部边缘逐渐从延伸区域的斜度变化至竖直方向。

Claims (25)

1.一种由片状材料尤其是金属片制成的用于处理液体的填充模块用的波纹带，当该带以其边缘水平地设置在一竖直的总体平面内时，带具有相对于所述液体的基本竖直的整体流动方向(D_f)倾斜的整体定向(D₁)，并包括具有细长的总体形状的开口(44；70A至70E；70G；109)，这些开口具有沿它们的总体方向伸展的边缘(50；72A至72E；72G；110，112)，其特征在于，开口包括一个从它们的最下端点开始的下部区域，所述下部区域的边缘(50；72A至72E；72G；110，112)的整个长度的至少75％以相对于每一相应点的液体自然流动方向(S)的0°至20°，尤其是0°至10°之间的一角度(γ)方向设置。

2.根据权利要求1的所述带，其特征在于，所述下部区域的边缘的整个长度的至少90％在所述0°至20°之间，尤其是0°至10°之间的角度(γ)方向设置。

3.根据权利要求2的所述带，其特征在于，所述下部区域的边缘的整个长度在所述0°至20°之间，尤其是0°至10°之间的角度(γ)方向设置。

4.根据权利要求3的所述带，其特征在于，所述开口的全部外缘在所述0°至20°之间，尤其是0°至10°之间的角度(γ)方向设置。

5.根据权利要求3或4的所述带，其特征在于，所述开口的下部区域是三角形，由两个较长边形成的该三角形的顶角或多或少地朝向液体的自然流动方向。

6.根据权利要求1至5中的任一项的所述带，其特征在于，所述开口(44；70A至70E；70G；109)具有使它们避免被所述液体的膜覆盖的尺寸。

7.根据权利要求1至6中的任一项的所述带，其特征在于，至少在所述下部区域中，所述开口(44；70A至70E；70G；109)的边缘(50；72A至72E；72G；110，112)的方向或多或少地平行于在开口边缘附近的带(24；100)的表面上的液体的自然流动方向(S)。

8.根据权利要求1至7中的任一项的所述带，其特征在于，所述带(24；100)包括光滑的表面以使得这些表面上的液体的自然流动方向为该带的最大斜度方向(G)。

9.根据权利要求1至8中的任一项的所述带，其特征在于，沿所述带(24)的边缘(40)方向测量，在部分带(34)的两个波峰线(36)或波谷线(38)之间的距离(p’)在该带的延伸区域(28)的整个表面上相同，并且当沿边缘方向移动时，每隔距离N×p’，带是其自身的相同复制品，其中，优选地1≤N＜4。

10.根据权利要求9的所述带，其特征在于，所述带在它的延伸区域(28)内包括沿所述带的水平边缘(40)的方向以所述距离(p’)的因数倍距离，尤其是所述距离的一半(a’)设置的开口(44)。

11.根据权利要求1至10中的任一项的所述带，其特征在于，部分带(34)的波纹的折角、这些波纹的高度、曲率半径和这些波纹相对于水平边缘(40)的斜度在所述带(24)的整个表面上是相同的。

12.根据权利要求1至10中的任一项的所述带，其特征在于，所述带包括相邻的彼此偏移-尤其是偏移半个波纹间距-的波纹形第一和第二部分带(34、102、104、106、108)。

13.根据权利要求12的所述带，其特征在于，所述部分带(102，104)具有彼此不同的液体自然流动方向(S1，S2)。

14.根据权利要求13的所述带，其特征在于，部分带(102，104)的所述开口(109)的边缘(110，112)沿所述液体自然流动方向(S1，S2)之间，尤其是大致平行于所述两方向(S1，S2)的平分线的中间方向(SM)设置。

15.根据权利要求1至11中的任一项的所述带，其特征在于，所述开口(70A)由向带的平面之外弯曲的折叶(74)构成，该折叶由形成在带中的弯曲槽限定。

16.根据权利要求1至11中的任一项的所述带，其特征在于，所述开口(70B；70D)由形成在槽(71B；71D)的一侧的、尤其是部分圆锥体形状或部分圆柱体形状的突出部(78；82)构成。

17.根据权利要求1至11中的任一项的所述带，其特征在于，所述开口(70C)由设置在两平行槽(70C)之间的扭转部分(80)构成。

18.根据权利要求1至11中的任一项的所述带，其特征在于，所述开口(70E；70G)由设置在经过带的弯折部(86)的脊部的槽的一侧上的凹入弯折部(88；90)构成。

19.根据权利要求1至11中的任一项的所述带，其特征在于，所述开口是经过带的弯折部的脊部(36，38)的槽(F2，F2’)。

20.根据上述权利要求中的任一项的所述带，其特征在于，所述带至少在其上部(26)或下部(32)区域之一包括用于使液体横过液流主方向(D_f)扩散的结构，尤其是形成在带中的条纹或孔。

21.根据权利要求20的所述带，其特征在于，所述填充带在所述上部(26)和/或下部(32)区域中没有所述开口。

22.根据上述权利要求中的任一项的所述带，其特征在于，所述带在它的上部(26)和/或下部(32)区域包括水头损失减少结构。

23.一种用于物质和/或热交换塔的填充模块，其特征在于，它包括如上述权利要求中的一项所述的层叠带(24)，这些带中的相邻带的波纹方向相反。

24.一种用于物质和/或热交换的设备，其特征在于，该设备包括至少一个如权利要求23所述的填充模块(20)和一个用于在该模块的上表面上分配液体的装置(8，18)。

25.如权利要求24所述的设备，其特征在于，所述液体分配装置包括一个分配器(8)和/或一个促使液体相对于流动的主方向(D_f)横向扩散的填充模块(18)。

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