应用减小壁流结构填料的蒸馏塔制造技术

一个热和／或质交换结构，它包括具有内表面的垂直外壁的壳体、具有与壳体内表面隔开的外部边缘的大量第一波纹填料片和一个位于壳体中并夹在一对第一波纹填料片之间的第二波纹填料片。（*该技术在2017年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及蒸馏塔，更具体地讲，涉及用于这类蒸馏塔、实际上减小塔壁流的结构填料。多种工业分离使用蒸馏塔。蒸馏塔的一个应用领域是用于氧气和氮气生产的深冷空气分离体系。在蒸馏塔中，当液流和气流相互通过时，质和热都进行了交换。在深冷空气分离设备中，液体向下流时变得更热，并更富含氧气，而向上流的空气变得更冷，并更富含氮气。在过去十年中，结构填料由于与更传统的蒸馏塔内件(诸如塔盘等)相比，其压降低，传质效率好，已应用于这类蒸馏塔中。如附图说明图1所示，许多结构填料应用垂直取向的波纹填料片10和12，其中波纹的布置与垂线成一角度。每个填料片的定位使得其起皱方向于其相邻的填料片相反。每个填料片垂直边缘的特点在于，它赋予在相应边缘流动液体的运动。因此，填料片10包括一个垂直边缘14，后者的特征在于，将沿边缘14向下导向的液流向内导向，并离开其相邻的壁表面。同样地，填料片12包括一垂直边缘16，其波纹将向外方向的液流导向相邻的壁表面。参考图2(其中显示了与蒸馏塔壁18相邻的填料片12的侧视图)可以更好地理解上述说明。液体按箭头20所示方向导入，随着蒸汽在填料片之间形成的通道中向上流动，液体在波纹填料片上以膜的形式向下渗透。向下液流的某一部分到达填料片12的垂直边缘16，并沿该边缘向下移动。液体也移至蒸馏塔壁18的内表面，并沿该边缘向下流动。产生的壁流绕过填料，这既实际上降低了蒸馏塔的效率，也导致液体在塔内的分布不良。在图3中，描述了不包含壳体结构的填料塔段22。填料片以按层布置的盘24安装，每层的高度一般为6-12英寸。相邻层26、28和30绕垂直轴转动，以增强迎着向上流动蒸汽而被蒸馏的向下流动液体的混合。在小塔中，26、28和30每层可以由一个填料片“砖”构成，而后者是用穿透所有片材的棒或用绕每块砖外围固定的带，将各个填料片固定在一起而形成的。在大塔中，每层可以由固定在一起、填充容器横截面的多块填料片的砖制成。在图4中，10块1组的砖包含单层填料塔段。每块砖中的波纹图案可以是锯齿状或正弦状或一些其它重复形状。各个填料片沿波纹的峰和谷的接触点相互接触。蒸馏塔的横截面积主要由蒸汽流和液流的速率和密度决定。对所述填料而言，所述填料塔的设计操作流速通常为泛液点流速的80-90％。泛液点是在固定液流速率下，塔可操作的最大蒸汽流速。在物理学上，当蒸汽负载使得液体在重力下不可再与蒸汽逆流流动时产生泛液点。由于蒸汽为连续相，并且也能够通过使压力相等使径向流变化相等，因此蒸汽分布不良在蒸馏塔中通常是小问题。相反，液体分布不良由于使径向混合程度减小，因此是大问题。为此，大量的努力已放在设计位于填料上方并将液体输送到蒸馏塔的液体分布结构上。然而，已知即使原始液体分布良好，但液体沿蒸馏塔下移到达一点时，性能开始变坏。因此，填料塔段通常限于大约15层填料。如果给定的塔需要多于15层，那么将塔分为两段或多段，每段具有收集和再分布位于它们之间的液体的装置。这类结构涉及额外的基本费用，并增加塔高。由于需要低温试验箱和绝缘以包住塔并由此减小热渗漏，因此增加的高度在空气分离工业中是特别严重的负担。伴随着高度的性能降低发生在这类蒸馏塔中，是由于填料诱导向下液流的分布不良而产生的。该现象一般导致壁流，即流下塔壳内部的液体有效地绕过填料。在现有技术中通常使用壁擦(wall wiper)来抵销，壁擦为一系列薄片，它们接触塔壳的内表面，并将壁流再导回填料。如图5所示，现有技术的填料片布置为每个向外导向的填料片12夹在相邻的向内导向的填料片10之间。填料片的布置使得从蒸馏塔壁18的内表面分离时，它们相应的垂直边缘14和16接近蒸馏塔壁18的曲率。诸如图5所示布置的困难在于，只有向外导向填料片12的一端，在其边缘与相邻的向内导向的填料片10接触。因此，在向内导向填料片10和向外导向填料片12之间没有接触，其距离Δ的大小根据填料片的布置和蒸馏塔的直径而变化。暴露区域显示的区域具有朝向壁18内表面的无障碍液流出口。另外，该流表示分布不良。从图5放大区域中可以看出，最长填料片的暴露区域最小，而最短的填料片的暴露区域最大。除壁擦之外，现有技术描述了试图减小液体分布不良的大量技术。Munters的美国专利3,599,943描述了交叉波纹填料片的使用，其中波纹折叠的垂直切口在其最低边缘附近。这类切口使沿折叠流动的液体在到达边缘之前改变流向。Bosquain等人的美国专利5,262,095和Jeannot等人的美国专利5,224,351都包括在每个填料片向外边缘处变形，以形成液流障碍。这类变形使得向外导向的液体再导向向内方向。在上述专利中的改进需要额外加工各个填料片，导致成本增加。因此，本专利技术的一个目的是提供用于蒸馏塔的结构填料，它降低液体分布不良发展的速率。本专利技术的另一目的是提供用于蒸馏塔的改进结构填料，它需要的额外基本费用最小，增加的制造复杂性小。本专利技术的再一目的是提供用于蒸馏塔的改进结构填料，它减小壁流，而不需要对波纹填料片进行实际的结构修饰。本专利技术包括一个热和质交换结构，包括具有内表面的垂直外壁的壳体。大量的第一波纹填料片包含倾斜波纹，以携带向下流动的液体离开壳体内表面。每个第一波纹填料片的外部边缘与壳体的内表面隔开。大量的第二波纹填料片位于壳体内，每个填料片夹在一对第一波纹填料片之间。每个第二波纹填料片包含倾斜波纹，以将向下流动的液体带向壳体垂直壁的内表面。每个第二波纹填料片的外部边缘，不比夹住第二波纹填料片的该对第一波纹填料片中的一个填料片外壁边缘更接近壳体垂直壁的内表面。从以下本专利技术优选实施方案的说明和附图中，本领域技术人员会想到其它目的、特征和优点，其中图1描述了显示既向外导向又向内导向通过它们的液体的一对波纹填料片。图2为向外导向波纹填料片和相邻的蒸馏塔壁的示意图。图3描述了使用三层波纹填料片的蒸馏塔填料段的结构。图4描述了包含多个填料片砖的一个填料片层的横截面。图5描述了在现有技术蒸馏塔中的单砖/层的平面图。图6描述了并入本专利技术的单砖/层的平面图。图7描述了并入本专利技术另一实施方案中的单砖/层的平面图。图8描述了用于到达并入本专利技术的填料片布置设计的参数。本专利技术的填料片布置使得在每个垂直边缘，具有向外导向波纹的填料片两面由具有向内导向波纹的填料片包围。更具体地讲，向内导向填料片布置在每个向外导向填料片周围，使得向外导向填料片没有暴露的Δ距离。通过这种布置，在向外导向填料片垂直边缘的液体传递回填料主体的机会增加。上述布置在圆柱体中最为有利，在此将相邻的填料片切成不同的长度，以便最接近圆形横截面。在优选实施方案中，向外导向填料片的垂直边缘在较短的相邻向内导向填料片后凹进的距离大约为波纹卷曲高度的一半。应该理解，延伸至整个圆柱体的任何一个在一个末端向外导向填料片，在其相反末端是向内导向的。向外导向填料片出现相似的反转。因此，如果下文限定的这类填料片延伸穿过圆柱体，那么它们的边缘关系在其相反末端反转。参考图6，描述了根据本专利技术的填料片的布置。向外导向填料片12的长度相对于现有技术的布置缩短了。因此，每个向外导向填料片12不比相邻的最短向内导向填料片10的垂直表面更向外延伸。通过这种布置，每个向外导向填料片12沿其整个外部垂直长度都有接触点，用来将液体本文档来自技高网...

【技术保护点】
一个热和／或质交换结构，包括：包含具有内表面的垂直外壁的壳体；大量的第一传热和／或传质波纹片，具有倾斜波纹以便携带向下流动的液体离开所述内表面，它还具有与所述内表面隔开的外部边缘；和一个第二传热和／或传质波纹片，夹在每对所述第一 传热和／或传质波纹片之间；具有倾斜波纹，以便将向下流动的流体带向所述内表面；隔开的所述第二传热和／或传质片外部边缘，不比所述一对第一波纹填料片（夹住所述第二传热和／或传质波纹片）中的一个填料片的共定位外部边缘更接近所述内表面。

【技术特征摘要】
1．一个热和/或质交换结构，包括包含具有内表面的垂直外壁的壳体；大量的第一传热和/或传质波纹片，具有倾斜波纹以便携带向下流动的液体离开所述内表面，它还具有与所述内表面隔开的外部边缘；和一个第二传热和/或传质波纹片，夹在每对所述第一传热和/或传质波纹片之间；具有倾斜波纹，以便将向下流动的流体带向所述内表面；隔开的所述第二传热和/或传质片外部边缘，不比所述一对第一波纹填料片(夹住所述第二传热和/或传质波纹片)中的一个填料片的共定位外部边缘更接近所述内表面。2．权利要求1中所述的热和/或质交换结构，其中每个所述第二传热和/或传质波纹片具有一个波纹高度h，其所述外部边缘比夹住所述第二传热和/或传质波纹片的所述一对第一波纹片的所述外部边缘更加离开所述内表面，其距离为r，在此0≤r≤h。3．权利要求2中所述的热...

【专利技术属性】
技术研发人员：JF比利希哈姆，MJ洛基特，
申请(专利权)人：普莱克斯技术有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]