專利名稱：塔填充單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及某些類型的諸如用在化學處理中質(zhì)量傳遞或熱傳遞場合中的塔填充單元(packing element)。這些填充單元往往稱為隨機堆放的填充物，它們設(shè)計成具有大的表面積，以使氣體與液體接觸，同時盡可能減少塔內(nèi)的氣相壓降。這些單元一般堆放入一垂直的塔內(nèi)，并堆積到一比較深的深度。因此，在底部的諸單元有可能變形，或壓扁，從而，使流過塔的阻力增加，并在塔內(nèi)出現(xiàn)一個不希望有的諸壓力梯度。
各單元不要套疊在一起也是重要的，因為這可能產(chǎn)生壓力不均勻的局部區(qū)域，如果散布得較廣的話，可能會引起塔內(nèi)的嚴重的不均勻的壓降和不均勻的性能。
因此，通常將塔填充單元設(shè)計成具有如下的結(jié)構(gòu)，即在塔內(nèi)使用過程受到壓力的情況下，這種結(jié)構(gòu)能夠不在塔內(nèi)形成某一取向和變形，同時還能提供暢通的結(jié)構(gòu)和大的表面積。
上述類型的典型結(jié)構(gòu)稱為Pall圈和Raschig圈。如名字所暗示的，這些結(jié)構(gòu)是圓筒形的，并設(shè)置有各種類型的內(nèi)部凸出部分，以增加表面面積。這樣的結(jié)構(gòu)能夠抵抗變形，但在某些使用場合中產(chǎn)生不希望有的壓降。對于這樣的使用，更暢通的結(jié)構(gòu)諸如在專利USPP.4,303,599、4,333,892和4,576,763中所描述的那些是比較合用。這些結(jié)構(gòu)基本上是弓形的金屬片結(jié)構(gòu)，具有一個或多個從弓形金屬切割出的并在弓形內(nèi)朝內(nèi)彎的條狀部分，以便形成一個與弓形的曲率相對的曲率，并在弓形的開口端之間形成一橋。這些橋接環(huán)主要是形成更多的液體通道和表面，并阻止諸單元“套疊”在一起。考慮到減輕重量同時不危及對壓緊的抵抗能力，這樣的結(jié)構(gòu)逐步增加了復(fù)雜性。
目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，放在塔中形成某一取向的諸填充單元也是很有效的，只要它們的結(jié)構(gòu)能夠?qū)е驴梢孕纬上喈斁鶆虻奶畛涿芏取，F(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了這樣一種結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的諸填充單元在裝入塔內(nèi)時就形成某一取向，并且可以獲得諸單元的有序密度，而不會產(chǎn)生大的壓降。由于諸單元的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，它們具有大的表面面積，液體/蒸氣可以在較大的表面面積上進行接觸。這種內(nèi)部結(jié)構(gòu)還會在某一取向被擾亂時防止套疊和在塔的諸部分內(nèi)形成較多的無規(guī)則的填充。
發(fā)明概要本發(fā)明包括一無規(guī)則堆放的填充單元，這種填充單元有一總體形狀為等邊三角形的周邊本體部分，且具有寬度和深度，這些寬度和深度尺寸是分別從頂點到在相對基體上的最近的點和沿單元的軸線測量的，其中寬度大于深度，周邊本體部分內(nèi)的空間被多個從本體部分側(cè)邊的內(nèi)表面伸出的凸出部分所占據(jù)。
我們在這里把周邊本體部分描述成為總體形狀為等邊三角形，但是，這里的等邊三角形要包括三角形的內(nèi)角與60°相差多達5°或甚至是10°的形狀。此外，側(cè)邊朝內(nèi)或朝外彎或諸頂點有些圓的形狀也都包括在內(nèi)，只要總體形狀能夠認得出是三角形就可以了。由于各種制造技術(shù)和材料的原因，形狀與傳統(tǒng)的等邊三角形相背離基本上是不可避免的，這可以從下面要討論的精確的實施例中清楚看出。
寬度和深度的相對比例最好是這樣的，即寬度至少是深度的1.5倍，較好的是3倍，或更大。這樣就能提高機率，即當該單元與許多其它類似的單元一起裝入一塔內(nèi)時，所形成的某一取向是基本上垂直的軸向。
在本體部分內(nèi)延伸的凸出部分最好是連接三角形的周邊本體部分的鄰邊的環(huán)的形式。這些環(huán)最好是均勻分布的，使每一對鄰邊被至少一個和最佳兩個環(huán)所連接。
發(fā)明的詳細說明周邊本體部分的形狀為管子，管子的軸向長度代表深度尺寸，垂直于軸線的橫截面的總體形狀是一等邊三角形。最好沿管子兩端部周邊的至少一部分設(shè)置凸緣。如果結(jié)構(gòu)是由可變形的材料制成，這樣的凸緣就可以增加一定程度的剛度。在管子兩端中間的管子周邊周圍設(shè)置可變形的肋形件，可以進一步增加這種剛度。這種肋形件可變形以在本體部分的里面或外面伸出。
還可以在周邊本體部分中設(shè)置諸小孔，以促進流體沿周邊本體部分的內(nèi)表面或外表面流到本體部分的相對側(cè)。
周邊本體部分內(nèi)的諸凸出部分可以是各個舌狀件或連接三角形周邊本體部分的鄰邊的環(huán)，或兩者兼而有之。凡是有環(huán)凸出部分的地方，這些環(huán)凸出部分最好以不同尺寸的若干對(一個較大，一個較小)使用，連接諸對鄰邊。這樣可以確保環(huán)與周邊本體部分之間的空間較多地被這些凸出部分所占據(jù)。
當使用環(huán)凸出部分時，環(huán)與周邊本體部分之間的空間還可以被形狀為舌狀的來自本體部分或最好是環(huán)本身的諸凸出部分所占據(jù)。
形成填充單元的材料可以是任何合適的材料，諸如金屬(例如不銹鋼)、塑料或陶瓷。當材料是金屬時，通過切割周邊本體部分或環(huán)狀部分(如果有環(huán)的話)來形成形狀為環(huán)和/或舌狀的凸出部分，切割時，先切割出一適當?shù)男螤睿缓髮⑶懈畛龅慕饘購那懈钐幍钠椒阶冃我孕纬森h(huán)或舌狀件。
當材料是由塑料或陶瓷制成的擠壓形狀時，凸出部分最好是環(huán)，這些環(huán)最好彼此連接，以便使擠壓出來的形狀具有良好的抵抗壓壞或變形的能力。
附圖簡要說明

圖1是由金屬制成的本發(fā)明單元的第一實施例的端視圖，視點是沿著單元的軸線的。
圖2是用擠壓工藝制成的本發(fā)明的第二實施例的端視圖。
圖3示出了類似于圖1所示的一個實施例。圖中具有兩部分3a和3b，它們示出了當三個相連的單元的自由端連接在一起時，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)是怎樣由三個連接的單元(圖3a所示)構(gòu)造而成的。
圖4是一曲線圖，即四個不同填充單元(三個已有技術(shù)的單元，第四個是本發(fā)明的單元)的每理論高度的金屬使用率相對于能力系數(shù)的曲線圖。
圖5是一曲線圖，即與圖4相同的四個元件的每理論高度的表面面積使用率相對于能力系數(shù)的曲線圖。
較佳實施例的詳細說明下面結(jié)合附圖描述本發(fā)明，需要理解的是，描述具體的實施例不能被認為是對本發(fā)明基本范圍的任何限制。
在圖1中，示出了一單元的端視圖，該單元包括一基本上為管狀的周邊本體部分1，沿該管子軸線的橫截面基本上是一等邊三角形，由于在管子的軸向端部具有凸緣2，所以在本體任何部分的橫截面基本上為U形。
單元由薄金屬制成，從周邊本體部分上割出諸金屬條，并在三角形管狀本體內(nèi)使它們變形，連接三角形的鄰邊，在環(huán)與三角形管狀本體部分的一個角之間構(gòu)成一環(huán)空間，這樣就形成了諸主環(huán)3。再從每一個環(huán)中割出兩組成對的金屬舌狀件4，并加以變形以伸入環(huán)的空間內(nèi)。
圖2示出了一種結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)尤其適合用擠壓工藝生產(chǎn)本發(fā)明的單元，例如用陶瓷材料。
該圖示出了一擠壓單元10的端視圖，該擠壓單元10包括一個具有諸環(huán)的基本為三角形的管狀本體部分11，這些環(huán)連接三角形的相鄰邊，并在環(huán)與本體部分之間圍成諸空間，以在單元內(nèi)提供可通過的通道。這些環(huán)由在一公共點15相交的諸肋形件14相連。
圖3示出了一種用很容易獲得的已有技術(shù)的填充單元來制造本發(fā)明單元的方法。圖3a示出了三個并排放置的無規(guī)則填充單元的端視圖。每一個包括一弓形的本體部分21，并從本體部分21上割出諸環(huán)22，這些環(huán)22通過變形離開本體部分的平面，以在弓形本體部分與環(huán)之間構(gòu)成一空間，從環(huán)割出的諸舌狀件23伸入所形成的空間中。每個弓形本體部分設(shè)置凸緣24，以使本體部分在其長度的大部分上具有U形的橫截面。
圖3b示出了通過焊接25連接在一起的這三個弓形本體部分，由此使諸單元成為一整體的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)除了在每一由環(huán)和三角形管狀本體部分的角構(gòu)成的空間內(nèi)只有一對舌狀件和在管狀本體部分的端部周圍的凸緣是中斷的之外，其余類似于圖1所示的結(jié)構(gòu)。
如圖3b所示的可以連接起來的各個填充單元可以是任何本領(lǐng)域中眾所周知的那些單元，以及經(jīng)過明顯改變的一些單元。這些單元包括在USPP 4,303,599、4,333,892和4,576,763中所描述的結(jié)構(gòu)。
可以使用一種簡單焊接技術(shù)，或用一個另外的連接件通過閂鎖、焊接、銅焊或栓接技術(shù)連接兩個單元，來使諸單元連接起來。
將本發(fā)明的填充單元可與熟悉的市場上的填充單元作了比較。市場上的單元是Hy-Pak(金屬填充圈)、Intalox(金屬的塔填充物)和金屬的Pall圈，每一種都有各種尺寸。Hy-Pak和Intalox是諾頓公司的注冊商標，三種類型的填充單元都可以從諾頓化學工藝產(chǎn)品有限公司購得。
圖4和5所示的曲線圖示出了三類各種尺寸的已有技術(shù)的填充單元，并將它們與本發(fā)明的金屬填充單元的一個樣品作了比較。如圖3所示這是通過將三個Intalox連接在一起制成的，諸金屬塔填充單元形成一個具有基本為三葉形的結(jié)構(gòu)。
兩個曲線圖中的水平軸都是能力系數(shù)，它是對在一給定操作中獲得規(guī)定分離程度所需的物料通過量的一個量度，因此，它是對含有諸單元的塔的能力的一種量度。能力系數(shù)(capacity factor)越大，單元的性能越好。
圖4中垂直軸“Hetp(理論塔板的當量高度)×金屬使用率(Metal Usage)”表示每單位塔橫截面面積的每理論高度的金屬使用率?！袄碚摳叨取笔谦@得額定分離程度理論上所需的塔的高度(對于一給定的過程，它是恒定不變的)。因此，垂直軸線標出了使用金屬的效率的倒數(shù)。因此，標在垂直軸上的數(shù)值越低，填充的性能越好。因此，在圖4中，最理想的產(chǎn)品是在垂直軸上的數(shù)值低和水平軸上的數(shù)值高的那些。如所看到的，本發(fā)明的填充單元的金屬使用率在所評價的所有產(chǎn)品中是最有效的，這意味著獲得給定分離所需的填充單元的重量比最近市場上的已有技術(shù)的填充材料的一半重量還要輕。結(jié)果是不言而喻的，即可預(yù)見對諸單元的成本和包含諸填充單元的塔的設(shè)計是有利有，具體地說，使用本發(fā)明的單元時，較低部分的單元只有在達到一定的深度才會嚴重變形。
在圖5中，垂直軸是產(chǎn)生一個理論高度所需的填充單元表面面積(每單位的塔橫截面面積)。因此，垂直軸上的數(shù)值越低，填充單元的效率越高。沿水平軸標出的能力系數(shù)與出現(xiàn)在上述的圖4中的相同。因此，最好的單元又是那些出現(xiàn)在朝曲線圖右面的較下面的區(qū)域中的單元。這里，某些已有技術(shù)的填充單元也有較好的數(shù)值，但參閱圖4可知，這是以較重的重量為代價獲得的。這在包含這種填充單元的塔的設(shè)計中是一種很大的限制。
權(quán)利要求
1．一種無規(guī)則堆放的填充單元，這種填充單元有一總體形狀為等邊三角形的周邊本體部分，它具有分別從頂點到在相對基體上的最近的點和沿單元的軸線測量的寬度和深度，其中寬度大于深度，周邊本體部分內(nèi)的空間被多個從本體部分側(cè)邊的內(nèi)表面伸出的凸出部分所占據(jù)。
2．如權(quán)利要求1所示的填充單元，其特征在于，寬度至少是深度的1.5倍。
3．如權(quán)利要求1所示的填充單元，其特征在于，諸凸出部分包括連接三角形本體部分的諸鄰邊的環(huán)，從而在單元內(nèi)部的每一環(huán)與本體部分的由環(huán)相連的諸側(cè)邊之間構(gòu)成可以通過的通道。
4．如權(quán)利要求3所示的填充單元，其特征在于，填充單元由陶瓷原料或塑料制成，其中諸環(huán)連接每一對鄰邊，這些環(huán)本身又被肋形件相連。
5．如權(quán)利要求1所示的填充單元，其特征在于，單元由金屬制成。
6．如權(quán)利要求3所示的填充單元，其特征在于，這些環(huán)設(shè)置有從環(huán)伸出并進入環(huán)與本體部分之間的空間的舌狀件。
7．一種制造無規(guī)則堆放的填充單元的方法，方法包括a)提供三個類似的無規(guī)則堆放的填充單元，每一個包括一弓形本體部分和從所述本體部分伸入弓形內(nèi)部空間的諸凸出部分；b)將所述各個單元安排成一個弓形本體部分的每一端與另一個不同單元的弓形本體部分的一端相鄰；以及c)剛性地連接每一對相鄰端，以形成一整體結(jié)構(gòu)，使該結(jié)構(gòu)具有一總體形狀為等邊三角形的周邊本體部分。
全文摘要
塔填充單元(1)包括一橫截面基本為三角形的管狀本體部分(2),單元內(nèi)具有從本體部分的內(nèi)表面延伸的諸凸出部分(3)。管狀本體部分的軸向長度小于從三角形的頂點到相對邊的最近點的寬度。
文檔編號B01J19/30GK1221356SQ97195327
公開日1999年6月30日 申請日期1997年7月16日 優(yōu)先權(quán)日1996年7月29日
發(fā)明者T·D·科什 申請人:諾頓化學工藝產(chǎn)品有限公司