專利名稱：內彎弧形筋片扁環(huán)填料的制作方法
技術領域：
本發(fā)明為內彎弧形筋片扁環(huán)填料，屬于化工分離過程和設備領域。
填料塔是一種歷史悠久的流體接觸設備，用于進行氣(汽)-液、液-液之間的兩相接觸以實現(xiàn)質量傳遞或化學反應，填料塔已被廣泛地應用于化工、石油、輕工、醫(yī)藥、環(huán)保、食品領域的精餾、吸收、萃取、洗滌等過程。
填料塔一般為一豎直筒體，內部裝有一層或多層填料，并配以必要的流體引入、引出裝置和其他內部構件。填料塔的較多應用情況是塔內兩相流體呈逆流流動，重相自上至下，輕相自下至上，在填料層內進行接觸。在少數(shù)應用情況下，兩相以錯流或其他的流動方式在填料層內進行接觸。
填料塔的性能很大程度上取決于所用填料的性能。塔填料按其結構可分為顆粒型填料和規(guī)整型填料，顆粒型填料是一個個的具有一定幾何形狀和尺寸的填料顆粒體，可以用散裝或整砌的方式裝填在塔內。所謂散裝是指將填料分散地、隨機地放入塔內;整砌指按一定規(guī)則，有序地將填料排列在塔內。規(guī)整型填料是由許多具有相同幾何形狀的填料單元體組成，以整砌的方式裝填在塔內。
本發(fā)明為顆粒型塔填料。
顆粒型填料按其形狀主要可分為三大類，即環(huán)形填料、鞍形填料及環(huán)形和鞍形相結合的環(huán)鞍形填料。
最早的具有固定幾何形狀的填料是拉西環(huán)(Raschig ring)填料，以后的環(huán)形填料基本上都是在拉西環(huán)基礎上的改進結果。
鮑爾環(huán)(Pall ring)填料是對拉西環(huán)填料的一次成功的改進，使環(huán)形填料由實體環(huán)發(fā)展成開孔環(huán)，以后許多填料的開發(fā)又多是在鮑爾環(huán)基礎上的進一步改進，許多新型填料的性能也是與鮑爾環(huán)進行對比而說明其優(yōu)劣。
鮑爾環(huán)填料由德國BASF公司在40年代開發(fā)出來，其結構如附

圖1所示。其高徑比為1∶1，在環(huán)壁上開出了兩排帶有內伸舌片的窗口，每層窗孔有5個舌片，每個舌片彎入環(huán)內、指向環(huán)心，上下兩層窗口的位置相互錯開。鮑爾環(huán)環(huán)壁上所開窗口可使兩相通過，所以填料層內的流體分布比拉西環(huán)有較大改善。與拉西環(huán)相比，鮑爾環(huán)的處理能力提高、阻力降低、傳質效率增加。
在環(huán)形填料中，以70年代初由英國Mass Transfer公司開發(fā)出來的階梯(Cascade mini-ring)填料的形狀變化最大。這種填料改變了傳統(tǒng)上直經與高相等的習慣，降低了環(huán)的高度并在環(huán)的一端增加了錐形翻邊。
美國Norton公司于1977年開發(fā)的金屬環(huán)矩鞍填料(Intalox metal tower packing)是環(huán)鞍形填料的典型代表。如附圖2所示，金屬環(huán)矩鞍填料巧妙地將開孔環(huán)形填料和一般鞍形填料的結構結合在一起。其一半部為半圓環(huán)形，具有開口和一至兩對內伸舌片;另一半部兩端帶有翻邊，形成開有窗口的矩鞍形。
金屬環(huán)矩鞍形填料的側壁較鮑爾環(huán)更加開敞;因此其阻力減小，通量增大。這種填料的空隙更加連續(xù)，因此流體分布狀況得到改善，填料層內很少產生滯流的死角，傳質效率有所提高。
在現(xiàn)有填料中以階梯環(huán)填料和另一種與其相近的短環(huán)填料與本發(fā)明的填料結構最為接近?，F(xiàn)將這兩種填料詳述如下。
階梯環(huán)填料的結構如附圖3～5所示。圖3、4是它的側視圖和半剖視圖，圖5是它的展開圖。階梯環(huán)的環(huán)壁上開有5個矩形窗口，開口切開的金屬片向環(huán)內彎曲成5個舌片。階梯環(huán)的高經比(圖3中H/D)為0.5。圖中1為構成填料的金屬片;2為舌片;3為環(huán)壁上的開口;4為填料一端的錐形翻邊。
由于階梯環(huán)填料較鮑爾環(huán)的高度減少一半，在用于氣-液體系時，使得繞過填料外壁流過的氣體平均路徑大為縮短，減少了氣體通過填料層的阻力。由于階梯環(huán)較短，其重心降低，增加了其投放后排列的規(guī)則性，有利于傳質的進行。階梯環(huán)一端的錐形翻邊結構，使填料之間以線接觸為主變?yōu)橐渣c接觸為主，這樣不但增加了填料之間的空隙，減小了氣體流過時的阻力，而且這些接觸點還可以成為液體沿填料表面流動的匯聚分散點，可以促進液膜的表面更新，有利于提高傳質效率。因此，階梯環(huán)的性能較鮑爾環(huán)又有了進一步的提高。
階梯環(huán)的高徑比固定為0.5，這限制了它的性能。若進一步降低高徑比，填料的傳質性能可得到更大的提高。
英國精餾公司(Fractionation Research Limited)開發(fā)了另一種短環(huán)填料(專利號Ger.Offen.2610459)這種填料與階梯環(huán)的差別在于其沒有錐形翻邊，環(huán)壁上的開口為梯形及舌片的形狀有所不同。同時由于無錐形翻邊，為加強機械性能而在填料接縫處設置了鎖扣。這種填料的高徑比小于1。圖6、7為構成填料的條形金屬片的側視圖及俯視圖，圖8為填料的俯視圖，圖9為填料的立體圖，圖10、11為接縫鎖扣的詳細結構。圖中5為構成填料的金屬片，6為5上的梯形開口，7為內伸舌片，8為鎖孔，9為沖鎖孔8后形成的耳片，10為鎖扣。
這種填料的接縫鎖扣結構復雜，為加工制造帶來了很大的不方便。
到目前為止，幾乎所有填料(包括上述幾種填料)都是針對精餾、吸收等氣-液傳質過程設計的。
液-液間的傳質與氣-液間的傳質在機理上存在很大的差別。在液-液傳質設備內，一相呈分散形式而另一相呈連續(xù)形式，二者相互接觸。傳質是在分散相液滴與連續(xù)相流體之間進行的，傳質面積由液滴的表面積決定，液滴越小則傳質表面積越大。對于填料塔這種沒有機械攪拌的設備，填料對液滴的分散作用便顯得非常重要。另外，若分散相潤濕填料則會在填料表面成膜，塔的傳質效率將大大降低。而氣-液傳質是在湍動的氣流與液膜之間進行的，傳質面積取決于填料被液相潤濕的表面積。
上述兩類傳質過程在機理上的差別，造成某些填料結構在氣-液傳質過程中呈現(xiàn)優(yōu)勢，而在液-液傳質過程中則表現(xiàn)為缺點。比如，金屬環(huán)矩鞍和階梯環(huán)填料的翻邊結構，對氣-液傳質過程講，使得填料之間由線接觸為主變?yōu)辄c接觸為主?？蓽p少填料之間的重迭，增加潤濕表面積和促進液膜的表面更新，有利于提高傳質性能。對液-液體系，翻邊的存在不僅不能對分散相起很好的切割、分散作用，而且會在翻邊彎角處使液滴聚集，從而增大液滴直徑、減小傳質面積并可能形成不發(fā)生傳質的死區(qū)。這些都不利于液-液間的傳質。
一般地講，采取整砌裝填方式有序排列的填料使塔內流體分布比較均勻，可以有效地抑制軸向混合。因此，其傳質性能往往優(yōu)于散裝填料。Mackowiak等對顆粒填料采取散裝和整砌兩種裝填方式進行對比，結果表明后者的傳質效率比前者高近一倍。規(guī)整填料充分體現(xiàn)了有序排列的特點，在氣-液傳質過程中的應用也取得了成功。但由于現(xiàn)有規(guī)整填料的結構特點和表面特性，在用于液-液體系時容易使分散相在填料表面成膜狀流動，這將大大降低傳質效率。另外與顆粒填料相比，規(guī)整填料也存在著制造和安裝復雜的缺點。同樣，顆粒填料的整砌安裝也是很困難的。因此，若能使顆粒填料在散裝時呈現(xiàn)有序排列的特點，將大大提高填料的綜合性能。實際上，前面介紹的兩種短環(huán)填料已初步體現(xiàn)了這一特點。
本發(fā)明的目的是針對液-液傳質過程的特點，開發(fā)一種在散裝時充分體現(xiàn)有序排列特點的高效顆粒填料。力求填料結構簡單、制造容易，機械強度高。
本發(fā)明為一種內彎弧形筋片扁環(huán)填料，由開有窗口的扁環(huán)和與窗口相連的內彎片組成，其特征在于在扁環(huán)環(huán)壁的縱向中部有沿環(huán)周均勻分布的3個矩形窗口，每個矩形窗口的兩條短邊連有一個內彎弧形筋片，矩形窗口的寬度為填料高度的0.4～0.6，扁環(huán)的高徑比<圖12中H/D>為0.2～0.4。
下面參閱附圖12～14對本發(fā)明進行詳細描述。
圖12、13是本發(fā)明填料的主視圖和剖視圖，圖14是它的展開圖。圖中11為構成填料的金屬片，12為環(huán)壁上的矩形窗口，13為開口后形成的內彎弧形筋片。利用圖14所示的給定寬度和長度的金屬片，經過切口、彎曲成環(huán)、沖弧即可制得所發(fā)明的填料。利用模具可使上述幾道工序一次完成。
本發(fā)明達到了預期的目的。內彎弧形筋片扁環(huán)填料由于其沒有翻邊，可以促進液滴的分散，增加液-液間傳質面積和傳質效率。由于其高徑比很低，使填料的重心降低，能夠在散裝時大量成水平或接近水平排列，呈現(xiàn)較好的規(guī)則性，從而可使塔內流體分布均勻，有效地抑制軸向混合，提高傳質效率。又由于這種填料將鮑爾環(huán)、階梯環(huán)等的內伸舌片結構改為內彎弧形筋片，從而提高了填料的機械強度，并可避免接縫處的復雜鎖扣結構，使加工制造比較簡單。由于內彎弧形筋片填料保留并發(fā)揚了現(xiàn)有填料的某些優(yōu)點，所以它也適用于氣-液傳質過程。
為了將所發(fā)明填料與現(xiàn)有填料進行對比，在φ100mm填料塔內利用液-液體系進行了實驗研究。測定了金屬鮑爾環(huán)、金屬環(huán)矩鞍和內彎弧形筋片扁環(huán)等三種填料的水相軸向混合數(shù)據(jù)和正丁醇-琥珀酸-水體系的傳質數(shù)據(jù)。
附圖15所示為兩種尺寸、三種填料的軸向擴散系數(shù)的實驗結果。軸向擴散系數(shù)越大表明塔內軸向混合越嚴重，對傳質過程越不利。附圖16為三種25mm填料的表觀傳質單元高度的實驗結果。表觀傳質單元高度越高則完成給定傳質要求所需的塔高越高，說明填料的傳質性能越差。從圖中可以看出，內彎弧形筋片扁環(huán)填料(簡稱扁環(huán))的軸向擴散系數(shù)Ec和表觀傳質單元高度Hoxp均低于所比較的金屬鮑爾環(huán)和金屬環(huán)矩鞍填料，說明所發(fā)明填料具有較好的性能。
綜上所述，所發(fā)明的內彎弧形筋片扁環(huán)填料具有結構簡單、機械強度高、軸向混合小、傳質性能良好等優(yōu)點，特別適用于萃取等液-液傳質過程，如潤滑油精制、溶劑回收、廢液脫酚等。同時也可用于精餾、吸收等氣-液傳質過程。若在技術改造中用此種填料取代拉西環(huán)、鮑爾環(huán)和環(huán)矩鞍等填料，將大大提高裝置的傳質效率，取得重大經濟效益。
本發(fā)明的三個具體實施例如下(1)直徑75mm填料填料高度15mm，高徑比0.2，開口寬度8mm，占填料高度的0.53。
(2)直徑25mm填料填料高度9mm，高徑比為0.36，開口寬度4mm，占填料高度的0.4。
(3)直徑16mm填料填料高度6.5mm，高徑比0.4，開口寬度3mm，占填料高度的0.46。
權利要求
一種內彎弧形筋片扁環(huán)填料，由開有窗口的扁環(huán)和與窗口相連的內彎片組成，其特征在于扁環(huán)環(huán)壁的縱向中部有沿環(huán)周均勻分布的3個矩形窗口，每個矩形窗口的兩條短邊連有一個內彎弧形筋片，矩形窗口的寬度為填料高度的0.4～0.6，扁環(huán)的高徑比為0.2～0.4。
全文摘要
本發(fā)明為一種內彎弧形筋片扁環(huán)填料，屬于化工分離過程與設備領域，在扁環(huán)環(huán)壁的縱向中部有沿環(huán)周均勻分布的3個矩形窗口，每個矩形窗口的兩條短邊連有一個內彎弧形筋片，矩形窗口的寬度為填料高度的0.4—0.6，扁環(huán)的高徑比為0.2—0.4，本填料傳質效果好，結構簡單、制造容易、機械強度高，不僅適用于氣—液傳質過程，尤其適用于液—液傳質過程。
文檔編號B01J19/30GK1052435SQ8910915
公開日1991年6月26日 申請日期1989年12月14日 優(yōu)先權日1989年12月14日
發(fā)明者費維揚, 張寶清, 溫曉明, 房詩宏 申請人:清華大學