CN87107241A - 规则式填塔料 - Google Patents

Abstract

本文揭示了一种用于蒸汽液体接触的填料，其中有若干波纹材料片基本垂直放置，互相平行，相邻片的波纹交叉。料片有若干孔，分布该填料中的液体及蒸汽，相邻孔的水平间距，不大于孔的水平宽度的五倍，并且不大于5mm。孔的水平宽度不大于2mm。填料的一种结构中，波纹倾斜于填料的垂直轴线的角度，及波纹折线间距离决定于孔的水平及垂直宽度，和孔间水平及垂直距离，若干孔在填料片的给定波纹折线上。

Description

本发明涉及填塔料，具体涉及有对流的蒸汽液体流在里面通过的填料塔用的规则式填塔料。

在化工领域中，规则式填塔料为熟知类型的装置，用以作蒸汽流和液流之间的热量和质量交换，以进行蒸馏、精馏、分馏、汽提、裂解、吸收、解吸、冷却、加热、以及类似的单元操作。有规则式填塔料的塔是填料塔的一种形式，最常用于有蒸汽流和液流对流的作业中。

规则式填塔料设计的主要目的，是使一般在塔中互相对流通过的液体和蒸汽，有机会互相接近并延长接触，从而蒸汽与液体可以进行质量能量交换反应。这类反应在多数情况下有气膜系数控制，最后，在本例中，意味着必须注意取得良好的气体分布，然而由于气体中很容易产生紊流并混合，因此应使界面中的蒸汽膜或气体膜尽可能薄。

这类反应还高度取决于蒸汽和液体的接触面积，这种情况意味着必须在全部填料表面上，取得非常良好的液体分布，从而取得尽可能大的接触面积。

由于规则填塔料没有活动部件，所以是一种惰性装置，没有直接的外部功率输入。结果，必须靠给予填塔料结构及其表面及表面穿透特性一定构形，用惰性方式取得最大液体及蒸汽分布，如能做到的话，达到使蒸汽及液体分布良好，蒸汽和液体紧密接触的目的。

在规则式填塔料领域中，近年来在技术上和商业上有重要性的一种类型，是用某些种类材料的若干片材或薄片制造，薄片有波纹，大致和将其装在里面的塔的轴线平行。有波纹的薄片上布置有孔。已知孔眼便于气体蒸汽在填料中的分布，尤其在填料的边缘处，还起液体分布器的作用，影响从薄片上通过的液体的流型。薄片最好为波纹形，波纹与塔的轴线有角度，从而相邻条片上的波纹交叉。有这后一种结构，便不需用各种垫或其他的辅助器件来固定各薄片的相对位置，有特征要求时例外，因为板上的交叉隆脊提供足够的机械强度，保持板的理想位置，尤其裹覆粘合剂时，或用点焊或其他方法在接触点上连接时。

这类规则式填塔料的早先的例子，有如斯特德曼（Stedman）美国专利第2，047，444号，胡伯（Huber）的英国专利第1，004，046号中所阐述。其后，曾有人用各种不同表面处理，或表面穿透处理，试图改进这类填料的性能。用这处理法的这类填塔料的例子，有如迈尔（Meier）的美国专利第4，296，050号;陈（Chen）等人的美国专利第4，604，247号;拉锡西（Raschig）的西德专利申请第3，414，267.3号。

填塔料和其他汽液分离装置（例如塔盘）的性能一般用一个理论板等效高度参数（H.E.T.P.）评估，H.E.T.P.首先由彼德斯（W.A.Peters）在《工业工程化学杂志》1922年6月号中的一篇文章中提出。H.E.T.P.用线量纲表示，诸如英尺，英寸，公尺，厘米等，H.E.T.P.越低或越小，则蒸汽液体接触器的效率越高。常用H.E.T.P.对照表示蒸汽流速和液体流速的参数，诸如F-系数（定义为V_S〔D_V〕^0.5，（磅/英尺³）^0.5英尺/秒）和C-系数（定义为V_S〔D_V/（D_I-D_V）〕^0.5英尺/秒）作曲线图。式中V_S＝空塔速度，英尺/秒;D_V＝蒸汽密度，磅/英尺³;D₁＝液体密度，磅/英尺³。一般在尽可能广宽的流速范围内，H.E.T.P.相对于这种参数的曲线越平坦越合理想。这种平坦的曲线在运转状态的一个宽阔范围内，显示良好性能。这范围包括高速溢流附近的区域，以至非常低的液流速度，其流速可能很低，不足将填料的全部板表面湿透。

本发明涉及改进的波纹板型规则式填塔料，波纹的角度应使相邻板的波纹交叉，板上有孔，有特别尺寸，在板上有特殊的位置。

具体而言，本发明的一个方面，包括有一个用若干波纹材料薄片组成的用于蒸汽液体接触的填塔料。薄片的布置应使薄片大致互相垂直放置，并互相平行，相邻薄片的波纹互相十字交叉。薄片上有若干孔眼，实现填料中的液体和蒸汽的分布。薄片上的相邻孔有水平的间距，约不大于给定孔的水平宽度的五倍，任何时候都不大于5mm左右。在本文中，“给定孔的水平宽度”，指的是孔的水平方向上的最大尺度（如为圆孔，则指其直径）“相邻孔的水平间距”指的是相邻孔相邻孔缘间的最近水平距离。孔的水平宽度约不大于2mm。孔眼尺寸水平宽度的实用下限，约为1mm，因为比这尺寸小的孔易损坏，问题多。

孔眼在该薄片上大致垂直排列也较理想。本文所用术语“垂直”，指的是垂直孔行大致与直立放置的填料塔的轴线平行，水平孔行大致和塔的轴线垂直，从而和垂直行垂直。这术语还用于大致矩形排列的孔，以区别于三角形排列的孔。最好相邻孔的垂直间距也约不大于5mm。

在本发明的另一个方面中，为了使气体和液体有最大的分布，而同时将气相中的压降减为最小，并提高填料的总性能，还确定了孔眼尺寸、孔距，最好还包括孔眼排列、波纹角度、波纹折纹间的尺度等的关系。

这类填料孔眼有若干功能。可以用作分液器，将填料片上的液体折向，使之围绕填料片，帮助液体作水平方向或横向散布。又起气体分配器的作用，使气体在波形槽之间横向通过填料。孔眼可使液体从填料片的一侧流到另一侧，暴露出一个与气体接触的新液膜表面，这是一个有效益的步骤，否则将使液膜破坏。最后，有的孔眼有液体覆盖，使气体可和液体薄膜的两面接触，又提高了质量和能量的交换。在蒸汽液体接触塔中，给定的孔眼可以顺序和重复实现这些功能中的任一或全部。

至于波纹，其折纹间的尺寸对通过填料的汽相压力降影响很大，因为折纹间的尺寸，决定填料的大致三角形气流通道角度的大小。这尺寸还决定标称矩形尺寸薄片面积的大小。折纹间距离越小，则板的表面积越大。在交叉形槽填塔料中，向下流的液体倾向于在槽的波谷中集中是已知现象。

上文的考虑要求确定孔眼尺寸，从而可根据待处理液体的表面张力特性，取得对液流的上述影响。还要求在薄片的波纹谷中布置许多孔眼。当然还应注意到薄片一侧上的波谷，是另一侧上的波峰。这样，孔眼就有最大的机会，对薄片上的液流和液体的分布，有有利的影响。

为此，本发明中，对填塔料的安排，最好根据孔眼的水平和垂直宽度，及相邻孔之间的水平和垂直距离，选定波纹和填料垂直轴线的角度，和波形的折线间的尺寸，从而有若干孔-但最好有许多孔落在薄片的波纹折线上。

上文设想的理想形式产生的填塔料，孔眼的水平和垂直距离基本相等，并且波形和填料的垂直轴线约倾斜45°。这些设想还导致填塔料的一种理想安排，其波纹折线间尺寸的水平投影，基本是填料孔眼水平间距的倍数。更理想的是该倍数是两倍或以上，而在任何情况下必在2至20倍之间。

在理想形式中，本发明的填塔料的孔是圆形的，因为孔的这种形状易于配备工具和进行生产。然而本发明也考虑包括圆以外形状的孔，这种情况下水力半径约不超过1mm。非圆形孔的例子包括卵形孔，长方形孔，椭圆形孔，三角形孔，矩形孔，窄隙形孔等等。

据发现假使至少在孔的上边缘上设有小棱脊或毛口，上述孔的分液功能可以提高，因此在本发明中宜于采用这种结构。毛口向外伸，形成小挡圈，将液体在孔缘侧向偏折。毛口从填塔料片的两相对侧伸出，在填塔料片的两侧上提高分液的功能也是理想的。

假如毛口在孔眼下侧而不在上侧，则其主要功能是将液体偏折，通过孔眼达到填料片的另一侧，而不作分液。这也是一种理想功能，促进质量和热量的交换。

据发现在片材的钻孔作业中，尤其是对金属片加工时，孔眼尺寸和伴随给定孔眼产生的毛口的相对和绝对长度和高度，冲孔作业中摩擦力造成沿孔缘产生的皱纹的数量等之间，有重要而牢固的关系。另外还发现，在本发明中，当用直径不大于2mm的孔，和稍大些的孔，诸如先有技术的填塔料普通用的4mm直径的孔比较，与小孔联系的毛口显示出，不仅有较大的尺寸变化，而且毛口长度和高度的平均数值，比大孔的大一个数量级。如上面指出，这种突出的毛口有助于孔眼的分液和偏向的作用。

在上面的讨论中，列举并讨论了孔眼的若干不同作用，其中若干孔主要作用于沿填料片流动的液流。据发现为了使这些作用达到最大，填料片孔眼的尺寸不应太大，因此在本发明中，具体确定孔眼水平宽度最大约为2mm。同时，孔眼在填料片上构成的总开敞面积，约不大于填料片的面积的20%。如大于20%，效率下降，以至于需要增大塔高，以提供足够的面积，供液体和气体相互作用。

本发明可用各种制造材料。最好的材料是金属片材的类型，有足够的抗腐蚀性能，并对在特定填料塔中处理的液体和蒸汽不活泼。其他的材料包括塑料，纸尤其是树脂浸渍纸或陶瓷。也可用膨化型材料，如延展金属或泡沫塑料，或用编织或针织材料，诸如金属丝布或针织金属网，或用塑性树脂或织物制造的相应材料。除孔眼外还可利用各种表面穿透特性，诸如槽隙，和各种表面特性，诸如可用槽和沟，或压纹。所有这些特殊的结构或表面处理，目的在于增高液体在填料片上的扩散，扩大并保持和蒸汽接触的面积。

从上文可见，本发明的主要目的是提供一种改进的有孔的十字波纹片型的填塔料，和先有技术领域中的填料比较，效率和性能都有改进。

本发明对本目的，以及其他目的取得的方式，通过参照附图，研究下文的详细叙述，便可有最好的了解。

图1为使用按本发明原理制造的填塔料的填料塔，略加简化的等角示意图。

图2为按本发明原理制造的填塔料块的局部放大等角图;

图3为图2所示填塔料片一部分的放大局部等角图;

图4为按本发明制造的填塔料片一部分的局部俯视图;

图5为用于本发明的孔眼布局示意图，先有技术中之孔眼布局用虚线表示，与其重叠以作比较;

图6为用于本发明孔眼布局的示意图，目的是表示某些与液体分布设想有关的几何关系;

图7为通过填料片的一个孔眼的局部放大俯视图，与孔相关的毛口在孔的上端上伸出;

图8为通过填料片的一个孔眼的局部放大俯视图，与孔相关的毛口在孔的下端伸出;

图9为填料片一部分的侧剖视图，上面的毛口位于孔的上端，向填料片的一侧伸出;

图10为填料片一部分的侧剖视图，上面的毛口位于孔的上端，向填料片的两侧伸出;

图11为填料片一部分的侧剖视图，上面的毛口位于孔的下端，向填料片的一侧伸出;

图12为按缩微摄影摹绘的填料片的放大剖视图，填料片上有一个孔和相关的毛口;

图13A-13G为用于填塔料片的各种形状孔眼的俯视图;

图14为本发明制造的填塔料的缩小比例等角略图。

参看图1，用标号10表示处理塔。塔有金属壳11，设有管道供各种流体通过。有顶置管线12，和底部抽流口13。还有侧抽流管线14，一个供液侧管15，和一个蒸汽供给侧管或蒸汽再沸腾回流管线16。还设有回流输入管线18。在塔的各位置上设入孔17，以备在停机或作逆向运转时进出，进行保养和施工。

图1所示的塔10有三个填料垫，标号从上至下为19，20，21。蒸汽通过再沸腾回流管线16进入填料塔，通过填料塔和填料垫19，20，21上行，从顶置管线12排出。于是，当蒸汽流通过填料垫时，材料蒸发进入汽流使之富化，而又在通过该填料垫时，材料凝结后脱离使之贫化。

运转时，还将液体通过回流管线18和流体输入侧管线15送入填料塔。液流然后向下从填料塔中通过，或者通过管线14作为边侧抽出流，或通过管线13作底部抽出流，最后离开填料塔。在液体的下向流中，通过填料垫19，20，21时，其中某些材料因蒸发而贫化，又因蒸汽流里的材料，在液体中凝结而富化。

有一个分布器22和回流输入管线18联接，分布从填料垫19顶部通过的液体。有另一个分布器23，和边侧输入管线15配合，对进入底部填料垫21的液体也起相同作用。在填料垫20的上方也设置一个分布器24，重新分布从收集盘25向下流出的液体。收集盘25放在上填料垫19的下方，将收集的一部分液体，通过一个抽流侧管线14抽出。

虽然填料塔可以有各种不同的配置，而图1所示是为了解说的目的，可以视作典型。本发明有特殊结构的填塔料，在填料垫19，20，21中的使用，下文中有较详细的叙述。

现综合参考图2及图3，可见本发明的用标号30表示的填塔料，有若干填塔料片31，32，33及34，沿35所示的折线形成波纹，上设有孔眼36。波纹折线斜置，从而就相邻板而言，波纹的折线互相交叉。这样便形成若干槽，或三角形截面的通道，就气流而言，为向上倾斜，就液流而言，则向下倾斜，通道上口开敞，和反向倾斜的其他通道重复交叉。

图14中显示一个弧立的填塔料元件，亦即芯筒51，其形状通常为圆柱体，配装成一个圆形柱，芯筒51由若干波纹形有孔填料片52组成，按平行关系放置，相邻填料片互相交叉。填料片最好用绑带53绑扎，有助于和柱的内壁密封。图1中的填料垫19、20、21，各由若干芯筒或元件51，以柱状叠置形成，相邻元件转位，从而使填料片交叉。

参看图4，显示了形成波纹前的填料片37，孔36最好按正交方式排列。在图4所示的正交形式中，有水平行38A和垂直行33B，全部孔36既在水平行中，又在垂直行中。此外，在图4所示的特定正交排列中，孔中心的垂直间隔距离39，最好和水平的孔中心距40相等。上文已提及，最好圆孔36的孔径，约不大于2mm。如孔非圆形，最好先确定其尺寸，使其水平宽度约不大于2mm，其次，其水力半径约不大于1mm。这样选择的部分理由，可从研究图6中得知。现参看图6。图6中有一组孔眼41、42、43、44，为直角排列，基本为虚线所示的方形排列。假使将液流视为两股在板上流下的液流，板上有在两股液流中的孔41-44，各液流宽度基本和那些孔相同，于是可以看到液流宽度用箭头45及46表示。当这种假想的液流遇到孔41及42时，从观察得知液流分裂，要围绕孔眼流动。假如孔41及42间有一段距离，水平间距约不大于孔41及42的水平宽度，如为圆孔，即不大于其直径，于是分裂的液流基本占据孔41及42间的全部间距。分裂液流尺寸用箭头47及48表示，分流效果用弧形箭头49及50表示。于是箭头48A表示充满液流47及48的孔41及42之间的总液流面积。

假如液流不围绕孔41及/或42流过，而孔有一定尺寸可使液流越过，于是液流通过孔41和/或42，最后遇孔43及44，便如前述那样分流，或者又从孔上越过。在某些情况下除在孔上越过外，还从孔中通过，从而液体转移到该板的背面。

图13A-13G显示孔眼形状的一些可能变化，54为三角形，其水平边在上方，但也可用其他的方位;55为长椭圆形或卵形孔;56为横放的矩形孔;57为六边形孔;58为方形;59为水滴形;60为十字形。应注意到图13A-13G中各种形状的孔还产生各种毛口形状，将如本文叙述的方式影响液流。

参看图5，显示孔眼尺寸限于约2mm以下，和先有技术中的各部分中的约4mm的孔比较，有较大好处。在图5中，约为2mm尺寸的孔用实线45表示，而较大的约二倍的即4mm的孔，用虚线46表示。先有技术中的孔46，和图5中本发明的孔，布局基本上都是直角形和方形。孔的尺寸和间距有所选定，从而与图5中的板上的开敞空间，有基本相同的量或百分比。如果结合上文考虑图5，可以看到图5的左上部分中，共有五个小孔，截断代表波纹折线的45°对角线47，而有三个先有技术的大孔截断该对角线。亦即沿波纹折线的波谷流动的液流，每遇三个大孔就要遇到五个小孔。因此，分流发生五次，而非三次，此外，小孔较倾向于形成液膜，并更倾向于将液体从板的一侧传递到另一侧。

本发明改进的幅度很显著。例如，在选定皱纹高度或折纹间距尺寸的填塔料的4mm三角度孔列，用标准测试系统（总回流中有邻对二甲苯）作一组试验，产生约19英寸的H.E.T.P.。按本发明排列的孔形，在其他方面虽然都与上者相同（2mm孔，间距5mm），用相同的测试系统，产生的H.E.T.P.约为11-13英寸。这改进的效率可通过减小的塔高，在降低运转费用下取得。

从上文的讨论中可以看到，在某种意义上，一种理想的结构在孔眼的每一间隔（以水平投影为基础的孔心距来考虑）有一波纹折线，因为这将意味着基本上每一孔都在波纹折线上。但是，至少从其他方面考虑，诸如理想压力降，板的最大理想开敞区面积，以及理想孔眼尺寸，诸如直径，水平宽度，水力半径等等，并非所有的填塔料可以这样按理想制造。

先有技术的论述，认为三角形孔列优异于本发明理想实施方案的直角形孔列（见美国专利第3，918，688号及加拿大专利第1，095，827号，日本实用新型第44-4761号）。但是，在冲压加工方面，三角形孔列难以制造，尤其当用步进模压机时。假如依照本发明提出的孔眼尺寸和间距的限制时，直角形的孔间间隔产生的效果，和先有技术中论述的三角形布局同样有利。因此，在本发明中，在制造方便和填塔料性能之间，不用付出不合理的代价，而在先有技术的论述中没有明确的意见。

图7至12中显示本发明毛口特性的各个方面。在图7中，填料片62上的孔61，毛口63围绕其上边缘形成。如流线64所示，毛口倾向于助使液流沿孔周偏折。

图8与图7相似，显示填塔料片66的孔65，有毛口67围绕下边缘形成。毛口67倾向于助使液流偏折，从孔65中通过，如流线68所示。

图9，10及11为相似的剖视图，显示孔和毛口的侧视情况。在图9中，毛口70在填料片72的孔71的上端，倾向于将液流围绕孔周流动。全部毛口70在填料片72的一侧上伸出，对液流的作用将限制在填料片的该侧。

在图10中，毛口73及74也在填料片76上的孔75的上端，倾向于将液流偏折，使围绕孔周流动。但毛口73向填料片76的一侧伸出，毛口74向另一侧伸出，从而在填料片的两侧影响液流。

图11显示位于填料片79上的孔78底部上的毛口77。这些毛口倾向于将液流偏折，使从孔78中通过，如流线80所示。

在图7至11中，毛口的长度可视为其水平或弧形的伸长度;其宽度或厚度可视为其垂直范围;高度可视为伸出填料片的距离。

图12为对放大一百倍的缩微摄影的摹绘，显示0.005英寸厚的不锈钢填料片上的一个孔，边缘向前。毛口81集中在填料片83上的孔82的一侧。

在下面的列表中，其中列出2mm及4mm圆孔上的毛口的尺度。从这表中可定量看出孔眼尺寸对毛口尺寸大小的影响。小孔眼产生巨大孔眼的作用，起有效的分液和偏流作用。

从上文可见，本发明提供了一种优异的填塔料，制造方便而运转效率非常高。

表一

0.005英寸填料片的尺度测量（英寸）

孔眼直径    毛口高度    毛口长度    毛口宽度

2mm    0.012-0.015    0.017-0.020    0.003

2mm    0.011-0.018    0.017-0.023    -

2mm    0.003-0.015    0.008-0.020    0.002

2mm    0.002-0.004    0.007-0.009    -

2mm    0.003-0.008    0.008-0.013    0.004

2mm    0.001-0.012    0.006-0.017    0.002

平均    0.0053-0.012    0.105-0.017

4mm    0.002-0.003    0.007-0.008    0.001

4mm    0.001-0.005    0.006-0.010    0.002

4mm    0.001-0.002    0.006-0.007    -

4mm    0.002-0.005    0.007-0.010    0.003

4mm    0.002-0.004    0.007-0.009    -

4mm    0.001-0.005    0.006-0.010    0.002

平均    0.0015-0.004    0.0065-0.009

平均高度比（2mm/4mm）    平均长度比（2mm/4mm）

＝0.012/0.005＝8    ＝0.017/0.0065＝2.65

2mm及4mm孔眼间无交叉的平均高度和平均长度。

Claims (27)

1、一种用于蒸汽液体接触的填塔料，其特征为填塔料有若干波纹材料片，基本垂直放置，并互相平行，相邻片的波纹交叉，该片有若干孔，实现液体和蒸汽在该填料块中的分布，该片上的该孔的水平距离约不大于孔的水平宽度的五倍，任何情况下约不大于5mm，该孔的水平宽度约不大于2mm。

2、如权利要求1中之填料，其特征为该孔的水平宽度约不小于1mm。

3、如权利要求1中之填塔料，其特征为该孔在该片上作大致直角式的排列。

4、如权利要求1中之填塔料，其特征为相邻孔间垂直距离约不大于5mm。

5、如权利要求1中之填塔料，其特征为该波纹倾斜于该填料垂直轴线的角度，及该波纹折线间距离，根据孔的水平及垂直宽度，和相邻孔的水平及垂直宽度决定，使多个该孔落在片的给定波纹折线上。

6、如权利要求3中之填塔料，其特征为该孔的水平间距和垂直间距基本相等。

7、如权利要求6中之填塔料，其特征为该波纹和该填塔料的垂直轴线倾斜的角度约为45°。

8、如权利要求5中之填塔料，其特征为该折线间距离的水平投影，基本上是孔间水平距离的一个倍数。

9、如权利要求8中之填塔料，其特征为该倍数是2或大于2。

10、如权利要求9中之填塔料，其特征为该倍数是2至20。

11、如权利要求1中之填塔料，其特征为该孔是非圆形，水力半径约不大于1mm。

12、如权利要求1中之填塔料，其特征为该孔基本为圆形。

13、如权利要求1中之填塔料，其特征为至少一部分所述孔有毛口，从该填料片上外伸。

14、如权利要求13中之填塔料，其特征为该毛口从给定填塔料片两侧上伸出。

15、如权利要求13中之填塔料，其特征为至少所述毛口的一部分在所述孔的上缘上。

16、如权利要求13中之填塔料，其特征为至少所述毛口的一部分在所述孔的下缘上。

17、如权利要求1中之填塔料，其特征为所述孔在给定填料片上所形成的开敞空间，约不大于所述片面积的20%。

18、如权利要求1中之填塔料，其特征为所述片用金属制造。

19、如权利要求1中之填塔料，其特征为所述片用塑料制造。

20、如权利要求1中之填塔料，其特征为所述片用纸制造。

21、如权利要求1中之填塔料，其特征为所述片用陶瓷制造。

22、如权利要求1中之填塔料，其特征为所述片用膨化材料制造。

23、如权利要求1中之填塔料，其特征为所述填料用编织金属丝制造。

24、如权利要求1中之填塔料，其特征为所述填料用针织金属丝制造。

25、如权利要求1中之填塔料，其特征为所述片上有孔隙。

26、如权利要求1中之填塔料，其特征为在给定填塔料中，并非全部所述填料片有波纹。

27、如权利要求1中之填塔料，其特征为在给定的填料片中，至少有一部分为平面形。

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