專利名稱：多通道多級錯流填料塔的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種填料塔，尤指一種多級錯流式填料塔。
目前所使用的填料塔主要有錯流式和逆流式兩種，二者由于汽液接觸方式的不同而各有利弊。
首先，逆流塔提供的傳遞機理將使其效率更高，汽液逆向接觸，傳遞推動力最大；而錯流操作中，液流是垂直于氣流方向的，其傳遞推動力明顯小于逆流操作。但對于相同塔徑的填料塔，逆流塔內填料截面積明顯大于錯流塔，因此在較大塔徑的逆流塔中，均勻的液相噴淋便成為一個難以解決的問題，整個塔內充滿填料，汽液走同一通道，很容易造成汽液分布不均勻，產生溝流、壁效應等缺點，嚴重影響傳質、傳熱效果；而錯流塔則由于填料鋪開表面積相對要小得多，這些問題也就容易解決些。其次，相同處理量的錯流塔能耗小于逆流塔，這是因為逆流塔中汽液逆向接觸，造成塔內阻力大于汽液垂直接觸的錯流塔。
但對于處理量較大的塔而言，錯流填料厚度加大，相對逆流塔的阻力小，且液相容易分布均勻的優勢就不再明顯，而其不足于逆流填料的方面(傳遞推動力小，傳熱、傳質效率低)卻更加突出了。
此外，在1977年Thibodeaux等人首先提出了串聯錯流填料塔(YoshishigeHayashi，Ind.Eng.Chem.Res.，et al.，)的思想，該塔結構如圖1所示，它使氣相比逆流塔有了更大的通過面積，同時由于汽液相的錯流接觸，氣相阻力大大減小(大約為逆流塔壓降的1/2)，泛點氣速提高，使得動力設備和操作費用減少。另外，從整體上看該塔仍是逆流操作，故其保留了逆流傳質推動力大的優勢，傳質效果優于單級的錯流操作，在解吸和精餾的實驗中，與逆流具有相同的汽液速率時，該塔的效率略低于逆流操作，但它可在逆流填料泛點以上的汽液負荷下穩定操作，最終得到比逆流更高的傳質效率。而且由于該填料塔中使用了擋板，為中間進料和采出提供了方便。但當處理量增加、塔徑加大時，該塔內填料厚度增加，氣相阻力加大，泛點降低，其優勢將不再明顯。
本發明的目的在于提供一種泛點氣速高，塔阻力小，傳質、傳熱效果好的多通道多級錯流填料塔。
本發明的另一目的在于提供一種塔徑增大后仍具有良好傳質傳熱效果的大塔徑的多通道多級錯流填料塔。
本發明的多通道多級錯流填料塔包括有單個或多個填料環、多塊擋板和多個通道。
當塔徑放大時，增加填料環的數目，而非簡單地增加填料環的厚度和每一級填料環的高度。
在塔中的流動方式為液相從塔頂自上而下順環形填料層流下，氣相則通過其他通道與液相多級錯流接觸。
多通道多級錯流填料塔，塔內填料為圓環形，比串聯錯流填料更薄，并且有更大的氣相通過面積，如塔徑為D，則逆流塔的氣相通過面積為π4D2]]>，串聯錯流填料塔最大為Dh(h為一級填料的高度)，而多通道多級錯流填料塔的氣相通過面積為π2(D1+D2)h]]>，(其中D1，D2分別為填料環的外徑和內徑)，這樣，氣相阻力將更低，泛點氣速將更高，并且由于該塔中各層填料都比較薄，宜于液相的均勻分布。同時，在填料層的表面，兩相擾動劇烈、接觸充分，傳質、傳熱效果都較填料中心部位好。所以用分層的相對薄的填料可以促進汽液的充分接觸，提高傳質、傳熱效果。
在塔中設置多塊擋板，造成汽液兩相的多級錯流接觸，一方面錯流操作降低了填料阻力，提高了泛點氣速；另一方面，由于填料環的多級分布，使該塔整體上仍保持了逆流傳遞推動力大的優勢；同時擋板還便于中間進料和采出。
通常填料環厚度很薄時，操作時夾帶嚴重，比較容易引起液泛，隨著填料環厚度增大至使填料環與塔壁間孔隙很小，當汽液流量增加時，其孔隙間很容易流滿液相，此時，氣體通道被液體占領，其操作狀況與逆流相似，故而泛點較低，所以多通道多級錯流填料塔的有效面積比S′/S是關鍵，即填料橫截面積與塔截面積之比S′S=D12-D22D2,]]>有效面積比S′/S太大時，多通道多級錯流填料塔阻力大，泛點低；有效面積比S′/S太小則易引起嚴重夾帶，當有效面積比為0.7≥S′/S≥0.3則為本發明最適當的有效面積比。
在放大塔徑時，如果將多通道多級錯流填料塔使用通常幾何放大方式，則其放大效應是顯而易見的，隨著塔徑放大n倍，其單級填料高度和填料環內、外徑均放大n倍，這將導致在一定塔高范圍內該填料的級數減少n倍，而填料環的厚度增加n倍，這樣的放大將使大塔徑填料塔的阻力上升而使傳遞推動力下降，導致其傳熱、傳質效果明顯比小塔下降。所以在多通道多級錯流填料塔中不能采用傳統的放大方式。
為此，在多通道多級錯流填料塔放大時，本發明采用多環放大方法，即設置多個填料環，且不增加填料環厚度，當塔徑放大時，在塔內排列的多個小填料環能增加其處理量，而其整體流體力學性能和傳熱、傳質能力與相應的小塔相似，從而有效地避免了放大所帶來的一系列問題，并且保留多通道多級錯流填料塔的特色。同樣，塔徑放大后，大塔徑中填料的有效面積比S′/S也應為0.7≥S′/S≥0.3。
1-塔體，2-填料環，3-擋板，3’-內擋板，3”-外擋板，10-冷模塔，20-空氣轉子流量計，30-水轉子流量計，40-離心泵，50-塔頂溫度計，60-塔釜溫度計，70-加熱管道溫度計，80-空氣溫、濕度計。
圖1是串聯錯流填料塔示意圖。
圖2是本發明的多通道多級錯流填料塔示意圖。
圖3(1)是大塔徑的多環多通道多級錯流填料塔結構示意圖。
圖3(2)是大塔徑的多環多通道多級錯流填料塔結構示意圖。
圖4是實驗裝置結構示意圖。
圖5是填料塔φ200冷模泛點線。
圖6是放大試驗泛點線比較。
圖7是四種填料在噴淋密度q=10m3/m3h時的等板壓力降比較。
如圖2所示，本發明多通道多級錯流填料塔的液體流動方向如 所示，氣體流動方向如→所示，由于設置有內擋板3’和外檔板3”，汽液接觸為錯流接觸，而整塔仍保留了逆流的特征。如圖3(1)和圖3(2)所示為大塔徑的多通道多級錯流填料塔結構示意圖，塔徑經放大后，塔內設置多個填料環2，每一個填料環2都是相對獨立小的填料環，使放大后的多通道多級錯流塔具有與小塔相當的水力學特性和傳質、傳熱能力。
實施例為了綜合考察多通道多級錯流填料塔的水力學特性和傳熱、傳質能力，進行了兩方面的實驗一是水力學實驗，包括在Φ200冷模塔上作的小試和在Φ600冷模塔上作的放大試驗；二是傳熱增濕實驗(冷卻塔實驗)。通過對前者的觀測和分析，可以了解到該新型填料塔的流體力學特性，而傳熱增濕實驗的結果則反映出該新型填料塔傳熱、傳質效果的好壞。二者相結合，即可初步說明該填料的優劣。
為了使實驗結果具有可比較性，在這兩部分實驗中均選擇常用的逆流操作作為參照，和本發明的多通道多級錯流填料塔進行對比。此外，為了研究填料環厚度對該新型填料塔性能的影響，分別對S′/S=0.30、0.46、0.70以及1.00(逆流)的填料作了相應的實驗研究。
實驗設備實驗設備如圖3所示，該設備用于測定塔內構件的流體力學性能，Φ200小冷模與Φ600大冷模裝置除尺寸不同外，其基本結構相同。此外Φ200小冷模裝置可通加熱蒸汽，并配備有測溫度、濕度的儀表，用于傳熱增濕實驗。
實驗用填料為Φ10×10的壓延θ環散裝填料，填料裝填方式分逆流和多通道多級錯流兩種。多通道多級錯流填料塔內固定填料的支架用10×10的不銹鋼編織網制成；擋板，其位置如圖2所示，用上下兩層不銹鋼板中間夾密封橡膠墊制成，可以有效地阻擋氣流，防止氣相短路，使之多級流動。
實驗結果與分析泛點分析Φ200冷模水力學實驗證明本發明的填料塔的泛點氣速遠小于逆流填料塔的泛點氣速。如圖4所示，逆流填料塔的泛點最低，而后依次是S＇/S=0.70、S′/S=0.30、S′/S=0.46的多通道多級錯流填料塔。圖中，S’/S=0.70的多通道多級錯流填料由于填料環與塔壁間孔隙很小，當汽液流量增加時，其孔隙間很容易充滿水，此時氣體通道被水占領，其操作狀況與逆流相似，故而泛點較低。而S’/S=0.46的多通道多級錯流填料塔的每米填料壓力降雖然比S’/S=0.30的填料高，但前者的泛點也比后者高。這是因為，S’/S=0.30的填料環厚度很薄，操作時夾帶嚴重，比較容易引起液泛，所以壓力降雖小，泛點卻不如S’/S=0.46的填料高。
表1是由擬合的泛點曲線結合實驗現象得出的各種實驗填料的泛點氣速，由此表可見，試驗填料中有效面積比S’/S=0.46時，多通道多級錯流填料塔具有最大的泛點氣速，且在不同液相噴淋密度下，該泛點氣速均大于2倍的逆流塔泛點氣速。
表1各種實驗填料在不同噴淋密度下的泛點氣速(m/s)
放大試驗，Φ600冷模流體力學實驗是Φ200冷模流體力學實驗的放大試驗，通過該實驗考察多通道多級錯流填料塔的放大情況。
采用多環的多通道多級錯流填料塔結構，如圖3(1)、圖3(2)所示結構，當塔徑放大時，在塔內排列多個小填料環，處理量增加，而其整體流體力學性能和傳熱、傳質能力與小塔相似，有效地避免了放大所帶來的一系列問題。
圖6比較了多環放大試驗與小試驗的泛點氣速，放大試驗所用的多通道多級錯流填料的有效面積比為0.35，其泛點線在S’/S=0.30與S’/S=0.46的小試填料的泛點線之間，說明采用該放大方式不會降低該填料塔的泛點氣速。
多通道多級錯流填料塔的等板阻力此外，通過傳熱增濕實驗可以說明填料的傳熱、傳質能力，將流體力學實驗和傳熱增濕實驗綜合考慮，可得到如圖7所示曲線。該曲線說明多通道多級錯流填料塔與逆流填料塔在相同的操作條件下完成相同的傳熱、傳質任務(具有相同的傳遞單元數)，前者的填料氣相阻力遠小于后者，大約是后者的1/4～1/6左右。
與傳統的逆流填料塔相比，本發明的多通道多級錯流填料塔將操作泛點大幅度提高，泛點氣速提高為逆流填料塔的2倍以上；在相同的操作條件下，當逆流填料塔和多通道多級錯流填料塔具有相同的傳遞單元數時，后者的填料阻力遠小于前者，大約是前者的1/4～1/6。這說明本發明的填料塔適用于大汽量、大液量，要求低阻力的場合，如冷卻塔、高真空精餾塔等；采用多環結構可以有效地解決多通道多級錯流填料塔的放大問題，使之適用于大塔徑的操作。
權利要求
1.一種多通道多級錯流填料塔包括塔體、填料，其特征在于有一個或多個填料環、多塊擋板和多個通道。
2.一種多通道多級錯流填料塔，當塔徑放大時，其特征在于增加填料環的數目，而非簡單地增加填料環的厚度和每一級填料環的高度。
3.根據權利要求1或2所述的多通道多級錯流填料塔，其特征在于塔的流動方式為液相從塔頂自上而下順填料層流下，氣相則通過其他通道與液相多級錯流接觸。
4.根據權利要求1或2所述的多通道多級錯流填料塔，其特征在于多通道多級錯流填料塔的有效面積比為0.7≥S’/S≥0.3。
全文摘要
本發明提供一種多通道多級錯流填料塔,流動方式是液體從塔頂自上而下順填料層流下,氣體則通過其他通道與液體多級錯流接觸,有效地降低了填料阻力,提高了泛點氣速,加大了填料塔的處理能力,并且具有較好的傳遞效果,此外,多環放大可以有效地解決多級錯流塔的放大問題,可適用于大塔徑的操作。
文檔編號B01D3/14GK1288769SQ0012548
公開日2001年3月28日 申請日期2000年9月29日 優先權日2000年9月29日
發明者呂建寧, 周榮琪, 段占庭, 華邦嵩 申請人:上海惠生化工工程有限公司