具有减少的材料需求的结构化交叉通道填料元件制造技术

本发明专利技术涉及一种用于重质流体相与轻质流体相之间的传质和/或换热的塔的结构化交叉通道填料元件，其中所述结构化交叉通道填料元件包括由扩展金属片材制成的至少两个相邻层，每一层包括开口，所述开口由分离元件环绕并彼此分离，其中所述至少两个层中的至少两者在所述填料元件的纵向方向上平行布置并彼此触碰接触，使得在其之间提供从所述至少两个层的一端延伸到相对端的开放空间，使得所述重质流体相和所述轻质流体相中的至少一者可以流过其，其中相邻开口之间的分离元件的至少50%的平均宽度与片材材料厚度之间的比值至少为15，其中在垂直于所述纵向方向的平面中测量的所述至少两个层中的至少两者之间最大距离与所述分离元件的平均宽度之间的比值至少为4，并且其中在垂直于所述扩展金属片材的拉伸方向的方向上相邻于分离元件的两个开口之间的距离与此分离元件的平均宽度之间的比值对于所有分离元件的至少50%为4至6。元件的至少50%为4至6。元件的至少50%为4至6。

Structured cross channel packing elements with reduced material requirements

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有减少的材料需求的结构化交叉通道填料元件


[0001]本专利技术涉及一种用于重质流体相与轻质流体相之间的传质和/或换热的塔的结构化交叉通道填料元件。

技术介绍

[0002]结构化填料元件用于传质塔中，诸如例如用于分馏塔、蒸馏塔、吸收塔、萃取塔或烟气洗涤器中。所述结构化填料元件用于改善具有不同密度的至少两种流体相之间的传质和/或传热，其中所述结构化填料元件通常按逆流流动操作。然而在蒸馏和吸收应用中，轻质相是气体或蒸气，并且重质相是冷凝物或液体，在萃取过程中，这两个相都是具有不同密度的液体。所述结构化填料元件包括多个不同层，所述层中的每一者为沿着层的表面向下滴流并散布的较重质相提供表面积。另外，在所述结构化填料元件的不同层之间，提供开放空间，所述开放空间填充有轻质相（例如在蒸馏中，蒸气或气体），并为轻质相在其由压力梯度驱动上升时提供路径。需要压力梯度来克服流动阻力。在逆流传质的典型情况下，轻质相的平均流动方向是从结构化填料元件的底部到顶部，并且因此与重质相的平均流动方向相反。通过允许一个重质相散布在所述结构化填料元件的表面上，在所述至少两相之间形成界面，使得在所述界面处建立所述相之间的高效传热和传质。还可能存在具有多于一种重质相的应用。示例是萃取蒸馏。
[0003]传质塔通常包括数个结构化填料元件床。通常，分布器布置在每一床的顶部上以使重质相均匀地分布在所述床的横截面上方，同时留出足够空间以使轻质相上升通过其。此外，通常在每一床下方布置网格状保持设备和收集器，其中所述网格状结构使床保持在其位置处，并且所述收集器收集从所述床向下滴流的重质相，同时在收集器中留出足够开放空间来使轻质相上升。
[0004]一种常见类型的结构化填料元件是所谓的交叉通道波纹状片材填料，其由多个例如波纹状片材组装而成，所述波纹状片材平行布置并彼此触碰接触。通常，所述波纹状金属片材借助于垂直于所述波纹状片材的纵向截面穿透所述波纹状片材的数个杆彼此固定，其中所述杆借助于垫圈和螺母或通过弯折所述杆而与第一个和最后一个波纹状片材固定。每一波纹状片材包括多个周期性变形，诸如交替取向的峰部和谷部，其中相邻波纹状片材被取向成使得相邻波纹状片材的波纹以交叉方式与波纹状片材的相对于竖直或纵向方向偏斜地延伸的波纹相交，因此形成彼此连续交叉的倾斜通道。这些通道积极地影响填料内的气相和液相的流动并促进所述相之间的传质。即，使气相和液相与结构化填料元件的通道接触，并且因此促进所述相之间的传质和传热。更具体来说，上升的气体与液体接触，当流体向下流过传质塔时，其存在于形成通道的片材的表面上。在此接触期间，气体中富含的组分可以被传送到液体中、并且反之亦然；这意味着可能发生高效传质。例如在DE 1 253 673、CA 1270751和US 6,206,349 B1中描述此类填料。
[0005]每单位时间的传质量与气体与液体之间的界面的面积成比例，其中界面的面积随着填料元件的层的表面的被液体润湿的部分增加而变得更大。已知，由金属丝网制成的交
叉通道波纹状片材填料由于因金属丝网的毛细作用力所致的重质相在波纹状片材的表面上的良好散布而具有极佳的润湿性，并且因此由于极佳的润湿性而具有高传质效率。此类结构化填料元件的示例是Sulzer填料类型BX和CY，其在20世纪60年代首次出现。在EP1477224 A1中描述这种结构化填料元件的另一示例。然而，金属丝网是昂贵材料。由于此原因，已经尝试用具有大量小开口的波纹状金属片材来代替丝网材料。示例是市售Montz
‑
Pak型BSH。在传质塔的操作期间，此填料的开口因毛细作用力而填充有重质相。这种波纹状相对精细结构化穿孔金属片材的润湿性比基于金属丝网的填料的润湿性差，并且所述片材的生产仍相对昂贵，部分原因是与精细结构相关联的缓慢生产过程。
[0006]如上文所阐述，对于高传质效率重要的是，结构化填料元件的表面被液体很好地覆盖，因为失效导致填料材料的浪费，因为轻质相与重质相的接触不如填料的物理面积那么多。替代使用金属丝网或波纹状、非常精细的扩展金属片材作为结构化填料元件的材料，促进重质相在层的表面上方的散布的替代建议是为所述层提供穿孔和另一表面纹理，诸如在US 4,296,050、GB 1,569,828、US 4,981,621和EP 3 003 550 A1中所描述。
[0007]为了进一步改善结构化填料元件的表面的使用，在DE38 18917 C1和CN 882 00252 U 中已经提出提供由具有高空隙分数（即，层中的开口的总面积除以层的片材面积的高比值）的穿孔层制成的交叉通道波纹状片材填料。更具体来说，DE38 18917 C1公开由包括开口的片材层制成的结构化填料元件，所述开口通过分离元件彼此分离。开口的边缘设置有凸出边沿，其中相邻开口的边沿从所述片材层的表面的上侧向上和从所述片材层的表面的下侧向下交替延伸。此外，DE38 18917 C1教示层的开口应该是位于相邻开口之间的分离元件的宽度的3至7倍。这导致由开口金属片材制成的结构化填料元件具有大约为50%或以上的非常高空隙分数。CN 882 00252 U公开一种由具有0.1至0.5mm的厚度的穿孔片材制成的结构化填料元件。所述开口具有菱形形状，其中开口的宽度在2和3mm之间，并且其中片材上的开口面积的百分比（即，空隙分数）为40%至50%。因此，两个现有技术文档都教示提供包括具有大于40%、并且优选地约50%的相当高空隙分数的片材层的结构填料元件。与之相比，经典结构化填料元件具有至多10%的显著较低空隙分数。
[0008]例如在EP0069241 A1、US4,304,738和EP 0 250 061 A1中描述基于不同于交叉通道波纹状片材填料的另一原理的结构化填料元件。这些结构化填料元件的层由扩展片材金属组成，其中所述层因扩展过程而呈现一定层宽度。然而，与交叉通道波纹状片材填料相比，这些结构化填料元件的层不是波纹状的并且除随同扩展过程一起的变形以外不发生变形。这限制开放空间用于上升的蒸气。因此，传质效率不是最佳的，因为层之间的开放空间并不提供以促进在结构化填料元件的整个横截面平面上方的均匀分布的方式驱动上升的蒸气的明确限定的路径。在限定填料的形状时，将期望借助于额外自由度在蒸气上施加一定方向。
[0009]除高传质效率以外，容量是结构化填料元件的重要方面。随着结构化填料元件中轻质相和重质相的流率增加，结构化填料元件中的压降增加。在一定压降下，重力不强到足以抵消这两个相之间的摩擦，并且重质相或液体分别被夹带在轻质相或气体中，并且因此无法再沿着结构化填料元件下降。此时，传质发生故障，并且此情况称为溢流。此溢流点确定结构化填料元件的容量，即，结构化填料元件的容量由逆流相的若干对最大流率来表征，超过所述最大流率，这两个流率中的任一者的增加都导致溢流。溢流点与特性压降有关，其
通常为每米填料高度大约10 mbar。
[0010]最佳的是，结构化填料元件具有极佳的传质效率和极佳的容量，因为这将允许在给定容量下减小传质塔的直径和/或本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1. 一种用于重质流体相与轻质流体相之间的传质和/或换热的塔（10）的结构化交叉通道填料元件（12），其中，所述结构化交叉通道填料元件（12）包括由扩展金属片材制成的至少两个相邻层（32、32
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），每一层包括开口（40、40
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、40
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），所述开口（40、40
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、40
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）由分离元件（42）环绕并通过分离元件（42）彼此分离，其中，所述至少两个层（32、32
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）中的至少两者在所述填料元件（12）的纵向方向（V）上平行布置并彼此触碰接触，使得在其之间提供从所述至少两个层（32、32
’
）的一端延伸到相对端的开放空间（30），使得所述重质流体相和所述轻质流体相中的至少一者可以流过其，其中，相邻开口（40、40
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、40
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、40
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）之间的分离元件（42）的至少50%的平均宽度（b）与片材材料厚度（s）的比值至少为15，其中，在垂直于所述纵向方向（V）的平面中测量的所述至少两个层（32、32
’
）中的至少两者之间的最大距离（D）与所述分离元件（42）的平均宽度（b）之间的比值至少为4，并且其中，在垂直于所述扩展金属片材的拉伸方向的方向上相邻于分离元件（42）的两个开口（40、40
’’’
）之间的距离（u1）与此分离元件（42）的平均宽度（b）之间的比值对于所有分离元件（42）的至少50%为4至6，其中，通过确定在垂直于所述扩展金属片材的拉伸方向的方向上的开口（40）的边缘的一侧的最外点与所述扩展金属片材的相同方向上的相邻开口（40
’’’
）的边缘的同一侧的最外点之间的距离来测量距离（u1），其中，所述填料元件（12）的纵向方向如说明书中所限定，其中，所述扩展金属片材的拉伸方向是垂直于所述结构化交叉通道填料元件（12）的纵向方向（V）的方向，并且其中，通过将所述分离元件（42）划分成各自具有区段长度di的单独区段i=1, 2, 3 ... n来确定分离元件（42）的平均宽度（b），其中，针对所述区段中的每一者，测量所述区段内的相邻边缘之间的最短距离bi，并且用乘积d
i.
b
i
的总和除以di的总和来得到分离元件（42）的平均宽度b。2.根据权利要求1所述的结构化填料元件（12），其中，至少50%、优选地至少75%、更优选地至少80%、仍更优选地至少90%、还更优选地至少95%、并且最优选地所有至少两个层（32、32
’
）由扩展金属片材制成并且包括周期性变形（26、28、34），其中，所述层（32、32
’
）被取向成使得相邻层（32、32
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）的周期性变形（26、28、34）以交叉方式与所述层（32、32
’
）的相对于纵向方向（V）偏斜地延伸的周期性变形（26、28、34）相交，其中，每一层（32、32
’
）在所述层（32、32
’
）的周期性变形（26、28、34）与相邻层（32、32
’
）的那些周期性变形之间的交点处接触相邻层（32、32
’
）中的每一者，并且其中，至少两个层（32、32
’
）之间的开放空间（30）由周期性变形（26、28、34）限定。3.根据权利要求1或2所述的结构化填料元件（12），其中，至少75%、更优选地至少80%、仍更优选地至少90%、还更优选地至少95%、并且最优选地所有分离元件（42）的距离（u1）与平均宽度（b）之间的比值为4至6、优选地4.5至5.5、并且更优选地4.9至5.1。4. 根据前述权利要求中的任一项所述的结构化填料元件（12），其中，对于至少50%、优选地对于至少75%、更优选地对于至少80%、仍更优选地对于至少90%、还更优选地对于至少95%、并且最优选地对于所有开口（40、40
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、40
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、40
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），所述距离（u1）为5至20 mm、优选地7.5至15 mm、并且更优选地9至11 mm。5.根据前述权利要求中的任一项所述的结构化填料元件（12），其中，在所述扩展金属片材的垂直于纵向方向（V）的方向的拉伸方向上彼此相邻的第一开口（40）与第二开口（40
’
）之间的距离（u2）与在垂直于所述扩展金属片材的拉伸方向的方向上彼此相邻的第一开口（40）与第三开口（40
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）之间的距离（u1）之间的比值为0.4至0.7，其中，通过确定所述
扩展金属片材的拉伸方向上的第一开口（40）的边缘的一侧的最外点与在所述扩展金属片材的拉伸方向上相邻的相邻第二开口（40
’
）的边缘的同一侧的最外点之间的距离来测量距离（u2），并且其中，通过确定垂直于所述扩展金属片材的拉伸方向的方向上的第一开口（40）的边缘的一侧的最外点与所述扩展金属片材的相同方向上的相邻第三开口（40
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）的边缘的同一侧的最外点之间的距离来测量距...

【专利技术属性】
技术研发人员：I，
申请(专利权)人：苏尔寿管理有限公司，
类型：发明
国别省市：