應用減小壁流結構填料的蒸餾塔制造技術

一個熱和／或質交換結構，它包括具有內表面的垂直外壁的殼體、具有與殼體內表面隔開的外部邊緣的大量第一波紋填料片和一個位于殼體中并夾在一對第一波紋填料片之間的第二波紋填料片。（*該技術在2017年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及蒸餾塔，更具體地講，涉及用于這類蒸餾塔、實際上減小塔壁流的結構填料。多種工業分離使用蒸餾塔。蒸餾塔的一個應用領域是用于氧氣和氮氣生產的深冷空氣分離體系。在蒸餾塔中，當液流和氣流相互通過時，質和熱都進行了交換。在深冷空氣分離設備中，液體向下流時變得更熱，并更富含氧氣，而向上流的空氣變得更冷，并更富含氮氣。在過去十年中，結構填料由于與更傳統的蒸餾塔內件(諸如塔盤等)相比，其壓降低，傳質效率好，已應用于這類蒸餾塔中。如附圖說明圖1所示，許多結構填料應用垂直取向的波紋填料片10和12，其中波紋的布置與垂線成一角度。每個填料片的定位使得其起皺方向于其相鄰的填料片相反。每個填料片垂直邊緣的特點在于，它賦予在相應邊緣流動液體的運動。因此，填料片10包括一個垂直邊緣14，后者的特征在于，將沿邊緣14向下導向的液流向內導向，并離開其相鄰的壁表面。同樣地，填料片12包括一垂直邊緣16，其波紋將向外方向的液流導向相鄰的壁表面。參考圖2(其中顯示了與蒸餾塔壁18相鄰的填料片12的側視圖)可以更好地理解上述說明。液體按箭頭20所示方向導入，隨著蒸汽在填料片之間形成的通道中向上流動，液體在波紋填料片上以膜的形式向下滲透。向下液流的某一部分到達填料片12的垂直邊緣16，并沿該邊緣向下移動。液體也移至蒸餾塔壁18的內表面，并沿該邊緣向下流動。產生的壁流繞過填料，這既實際上降低了蒸餾塔的效率，也導致液體在塔內的分布不良。在圖3中，描述了不包含殼體結構的填料塔段22。填料片以按層布置的盤24安裝，每層的高度一般為6-12英寸。相鄰層26、28和30繞垂直軸轉動，以增強迎著向上流動蒸汽而被蒸餾的向下流動液體的混合。在小塔中，26、28和30每層可以由一個填料片“磚”構成，而后者是用穿透所有片材的棒或用繞每塊磚外圍固定的帶，將各個填料片固定在一起而形成的。在大塔中，每層可以由固定在一起、填充容器橫截面的多塊填料片的磚制成。在圖4中，10塊1組的磚包含單層填料塔段。每塊磚中的波紋圖案可以是鋸齒狀或正弦狀或一些其它重復形狀。各個填料片沿波紋的峰和谷的接觸點相互接觸。蒸餾塔的橫截面積主要由蒸汽流和液流的速率和密度決定。對所述填料而言，所述填料塔的設計操作流速通常為泛液點流速的80-90％。泛液點是在固定液流速率下，塔可操作的最大蒸汽流速。在物理學上，當蒸汽負載使得液體在重力下不可再與蒸汽逆流流動時產生泛液點。由于蒸汽為連續相，并且也能夠通過使壓力相等使徑向流變化相等，因此蒸汽分布不良在蒸餾塔中通常是小問題。相反，液體分布不良由于使徑向混合程度減小，因此是大問題。為此，大量的努力已放在設計位于填料上方并將液體輸送到蒸餾塔的液體分布結構上。然而，已知即使原始液體分布良好，但液體沿蒸餾塔下移到達一點時，性能開始變壞。因此，填料塔段通常限于大約15層填料。如果給定的塔需要多于15層，那么將塔分為兩段或多段，每段具有收集和再分布位于它們之間的液體的裝置。這類結構涉及額外的基本費用，并增加塔高。由于需要低溫試驗箱和絕緣以包住塔并由此減小熱滲漏，因此增加的高度在空氣分離工業中是特別嚴重的負擔。伴隨著高度的性能降低發生在這類蒸餾塔中，是由于填料誘導向下液流的分布不良而產生的。該現象一般導致壁流，即流下塔殼內部的液體有效地繞過填料。在現有技術中通常使用壁擦(wall wiper)來抵銷，壁擦為一系列薄片，它們接觸塔殼的內表面，并將壁流再導回填料。如圖5所示，現有技術的填料片布置為每個向外導向的填料片12夾在相鄰的向內導向的填料片10之間。填料片的布置使得從蒸餾塔壁18的內表面分離時，它們相應的垂直邊緣14和16接近蒸餾塔壁18的曲率。諸如圖5所示布置的困難在于，只有向外導向填料片12的一端，在其邊緣與相鄰的向內導向的填料片10接觸。因此，在向內導向填料片10和向外導向填料片12之間沒有接觸，其距離Δ的大小根據填料片的布置和蒸餾塔的直徑而變化。暴露區域顯示的區域具有朝向壁18內表面的無障礙液流出口。另外，該流表示分布不良。從圖5放大區域中可以看出，最長填料片的暴露區域最小，而最短的填料片的暴露區域最大。除壁擦之外，現有技術描述了試圖減小液體分布不良的大量技術。Munters的美國專利3,599,943描述了交叉波紋填料片的使用，其中波紋折疊的垂直切口在其最低邊緣附近。這類切口使沿折疊流動的液體在到達邊緣之前改變流向。Bosquain等人的美國專利5,262,095和Jeannot等人的美國專利5,224,351都包括在每個填料片向外邊緣處變形，以形成液流障礙。這類變形使得向外導向的液體再導向向內方向。在上述專利中的改進需要額外加工各個填料片，導致成本增加。因此，本專利技術的一個目的是提供用于蒸餾塔的結構填料，它降低液體分布不良發展的速率。本專利技術的另一目的是提供用于蒸餾塔的改進結構填料，它需要的額外基本費用最小，增加的制造復雜性小。本專利技術的再一目的是提供用于蒸餾塔的改進結構填料，它減小壁流，而不需要對波紋填料片進行實際的結構修飾。本專利技術包括一個熱和質交換結構，包括具有內表面的垂直外壁的殼體。大量的第一波紋填料片包含傾斜波紋，以攜帶向下流動的液體離開殼體內表面。每個第一波紋填料片的外部邊緣與殼體的內表面隔開。大量的第二波紋填料片位于殼體內，每個填料片夾在一對第一波紋填料片之間。每個第二波紋填料片包含傾斜波紋，以將向下流動的液體帶向殼體垂直壁的內表面。每個第二波紋填料片的外部邊緣，不比夾住第二波紋填料片的該對第一波紋填料片中的一個填料片外壁邊緣更接近殼體垂直壁的內表面。從以下本專利技術優選實施方案的說明和附圖中，本領域技術人員會想到其它目的、特征和優點，其中圖1描述了顯示既向外導向又向內導向通過它們的液體的一對波紋填料片。圖2為向外導向波紋填料片和相鄰的蒸餾塔壁的示意圖。圖3描述了使用三層波紋填料片的蒸餾塔填料段的結構。圖4描述了包含多個填料片磚的一個填料片層的橫截面。圖5描述了在現有技術蒸餾塔中的單磚/層的平面圖。圖6描述了并入本專利技術的單磚/層的平面圖。圖7描述了并入本專利技術另一實施方案中的單磚/層的平面圖。圖8描述了用于到達并入本專利技術的填料片布置設計的參數。本專利技術的填料片布置使得在每個垂直邊緣，具有向外導向波紋的填料片兩面由具有向內導向波紋的填料片包圍。更具體地講，向內導向填料片布置在每個向外導向填料片周圍，使得向外導向填料片沒有暴露的Δ距離。通過這種布置，在向外導向填料片垂直邊緣的液體傳遞回填料主體的機會增加。上述布置在圓柱體中最為有利，在此將相鄰的填料片切成不同的長度，以便最接近圓形橫截面。在優選實施方案中，向外導向填料片的垂直邊緣在較短的相鄰向內導向填料片后凹進的距離大約為波紋卷曲高度的一半。應該理解，延伸至整個圓柱體的任何一個在一個末端向外導向填料片，在其相反末端是向內導向的。向外導向填料片出現相似的反轉。因此，如果下文限定的這類填料片延伸穿過圓柱體，那么它們的邊緣關系在其相反末端反轉。參考圖6，描述了根據本專利技術的填料片的布置。向外導向填料片12的長度相對于現有技術的布置縮短了。因此，每個向外導向填料片12不比相鄰的最短向內導向填料片10的垂直表面更向外延伸。通過這種布置，每個向外導向填料片12沿其整個外部垂直長度都有接觸點，用來將液體本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一個熱和／或質交換結構，包括：包含具有內表面的垂直外壁的殼體；大量的第一傳熱和／或傳質波紋片，具有傾斜波紋以便攜帶向下流動的液體離開所述內表面，它還具有與所述內表面隔開的外部邊緣；和一個第二傳熱和／或傳質波紋片，夾在每對所述第一 傳熱和／或傳質波紋片之間；具有傾斜波紋，以便將向下流動的流體帶向所述內表面；隔開的所述第二傳熱和／或傳質片外部邊緣，不比所述一對第一波紋填料片（夾住所述第二傳熱和／或傳質波紋片）中的一個填料片的共定位外部邊緣更接近所述內表面。

【技術特征摘要】
1．一個熱和/或質交換結構，包括包含具有內表面的垂直外壁的殼體；大量的第一傳熱和/或傳質波紋片，具有傾斜波紋以便攜帶向下流動的液體離開所述內表面，它還具有與所述內表面隔開的外部邊緣；和一個第二傳熱和/或傳質波紋片，夾在每對所述第一傳熱和/或傳質波紋片之間；具有傾斜波紋，以便將向下流動的流體帶向所述內表面；隔開的所述第二傳熱和/或傳質片外部邊緣，不比所述一對第一波紋填料片(夾住所述第二傳熱和/或傳質波紋片)中的一個填料片的共定位外部邊緣更接近所述內表面。2．權利要求1中所述的熱和/或質交換結構，其中每個所述第二傳熱和/或傳質波紋片具有一個波紋高度h，其所述外部邊緣比夾住所述第二傳熱和/或傳質波紋片的所述一對第一波紋片的所述外部邊緣更加離開所述內表面，其距離為r，在此0≤r≤h。3．權利要求2中所述的熱...

【專利技術屬性】
技術研發人員：JF比利希哈姆，MJ洛基特，
申請(專利權)人：普萊克斯技術有限公司，
類型：發明
國別省市：US[美國]