专利名称：传质设备塔用的带交叉通道结构的填料的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有某些场合下高效的分离性能的传质设备塔所用的带有交叉通道结构的填料；涉及使用这种填料的塔；还涉及这种填料塔的运行方法。
对具有交叉通道结构的填料的了解已经多年(参见，例如DE-A 26 01890＝P.4988)。它们通常都是由彼此叠置的多层填料元件组装而成，每个填料元件由许多平行的层构成，这些层相互接触并形成交叉通道，这些通道又带有相互开放的相对于垂直方向(塔轴)倾斜的流道。传质和/或传热可借助这种塔填料进行，即在该填料表面的波纹薄层和流经流道的气流之间进行。
在一篇关于蒸馏的权威性论文(H.Z.Kister，“DistillationDesign”，McGraw-Hill，Inc.1992，P441-458)中，讨论了用于实施物质分离的具有交叉通道结构的填料。当所要求的特定分离性能不太高时，这些填料最适合。该特定分离性能可通过规定每米理论级数n的参数NTSM(或者Kister论文中的参数HETP，“理论板的等效高度”，以英寸测定，大致为参数NTSM的倒数)来定量表示。本发明认为，当NTSM大于4.5m-1(即n＞4.5)时，特定分离性能是高的。
在已知的使用中，实践已证明一类最可用的填料，这类填料中通道倾角任何情况下都一样大。这个倾角在所述论文中给定为45°(见Kister论文，表8.1，特别是“Mellapak”的一类填料125.Y，250.Y，350.Y和500.Y)。在“Mellapak”一类填料(下文称填料125.Y…)中，这个角没有达到45°，而是42.5°，已证明这一角度更有利。
本发明人面临的问题是制造可用于分馏塔的填料，该塔特定分离性能良好，尤其有利于空气分解方法中。在此本发明人认识到，针对具有交叉通道结构的填料的作用方式做进一步的基础实验是得当的，以便能提出更经济实用的填料的判据，作为新近获得实验成果的结果。
本发明的目标是生产出一种具有交叉通道结构的填料，其特征在于具有高效的特定分离性能，且能使分离工艺尽可能的造价低。这一目标可借助属于权利要求1所描述的一类填料中的填料来达到。
传质设备塔用的具有交叉通道结构的填料应具有高效的特定分离性能。填料可通过比表面积a(specific surface area)和通道倾角来具体说明。该填料属于a＝ac1和＝c1，根据下述各点的一类填料-对于填料中流动的流体，给各种情况下所有填料提供相同大小的流体流量；-可凭经验确定的填料的每米理论分离级数n，即参数NTSM，可由变量a和的第一个函数f1(a，)表示；-所产生的流经填料的气流的流动阻力可由每米压强损失Δp来描述，作为第二个函数f2(a，)；-在附加条件n＝常数下，Δp假定为相对极小值，则取决于参数n的变量a和假定分别为am(n)和m(n)；-n＞4.5，ac1＜am(n)，c1＞m以及c1＞45°成立。
从属权利要求2至7涉及按照本发明的填料的具体实施方案；权利要求8的内容是装有这种填料的塔；权利要求9和10的内容是这种塔的运行方法。
参照两个实施例说明本发明。
填料750.Y(比表面积a＝750m-1，通道倾角＝42.5°)的每米分离级数为5.5(n＝5.5)。如果倾角提高至50°，那么物质分离所需要的填料表面积降至500m2/m3，借此填料的成本不复杂性降至66％，这时填料的流动阻力(
时，压强损失Δp＝2mbar/m)实际未变，分离性能同样也保持不变。为达到同一分离性能可以节省额外的填料，不过这是以提高流动阻力为代价的(对于a＝450m-1和＝57°，Δp＝2.7mbar/m)。
对于填料500.Y(a＝500m-1，＝42.5°)，n＝4.5或＝46°，则a＝450m-1，即填料成本和复杂性降至90％，流动阻力实际未变。若＝50°，则a＝400m-1(填料成本和复杂性降至80％)，但流动阻力增至对填料500.Y的预期值的123％。
下面参考附图更详细说明本发明。给出
图1装有填料元件的塔的上端部分，图2具有交叉通道结构的填料(Mellapak的理想形式)的局部，图3压强损失依赖于根据图2所示填料的比表面积变化的关系图，以及图4列有图3的特异曲线的三组数值的表。
根据图1，轴为20的塔2包含填料1和液体分配装置21(横向进给管210，分配装置通道211)。多个填料元件10，10′，10″一个在另一个之上地叠置，在塔2的具体实施方案中，填料元件10中下端区102，中间区100和上端区101各种情况下都是可辨别的。作为填料装填合适的结果，在区101和102的填料元件10的边缘处，流动阻力相对于中间区的流动阻力要降低。这种有利的实施方案可从WO 97/16247(＝P.6765)中得知。
每个填料元件10都是由许多平行的层11′和12′构成-见图2。具有三角形截面14的平行通道13在层11′和12′中由折叠成之字形的薄层11和12形成(薄层11和12也可以制成正弦波形)。该通道相对于垂直方向20′(与塔轴20平行)倾斜对着20′有一倾角。在两个相邻层11′和12′之间的接触面15处，向该平面15敞口的层12′的通道13与相邻层11′的对应通道交叉。截面14是高为h(＝层12′的宽)，侧边为s，底为b的等腰三角形。侧边s和底b之间的角σ多数情况为45°。这种填料的比表面积是以理想情况给出的，在理想情况下填料折边用表达式
表示，不进行舍入。
图3给出针对具有图2所示结构的填料1的最新基础实验结果，其中σ＝45°，值在20°～70°之间。这些结果是在恒定流量和
(VG＝流速，ρG＝气体G的密度)下得到的。每米理论分离级数n即参数NTSM可凭经验确定，由变量a和的第一个函数f1(a，)表示。所产生的流经填料的气流的流动阻力可用每米压强损失Δp来描述，作为第二个函数f2(a，)。通过消去函数f1和f2中的，Δp可表示为a和n的函数，这一函数关系在图3中图示为一组曲线31，32，…，36，每条曲线代表NTSM＝常数，即n＝1，2，…，6，随比表面积a而变化的压强损失。每条曲线31，32，…，36都有一个相对极小值，每种情形变量a和都分别假定为am(n)和m(n)。极小值点位于点划线绘制的曲线30上，表4给出的数大体上可用于am和m。每行数可用图4另外给出的公式算出。对于具有交叉通道的其它填料，σ不等于45°，或者，例如，是由波纹薄层构成的，对于am和m自然必须要求有其它数值才能算得。
曲线30上的极小值点有着特别意义，因为曲线31，…，36每条在它们极小值附近都很平缓在极小值点，对于预定分离性能，流动阻力最低。流经较低的比表面积，流动阻力都没有显著增加，实际的分离性能又保持相同，这也是可能的，不过随着与最小值点的距离的增加，流动阻力会逐渐增加，在某处存在最佳点。最佳点的准则是一方面看填料成本，尤其是填充材料费用，另一方面看塔的运行中气流的压强损失。最佳化是如何进行的要依据各个情况的具体条件而定。
直虚线40，＝42°，大致给出已知的一类填料125.Y，…，的Δp值(参见图3中图形较下端)。正如看到的，这一直线40在a＜550m-1时Δ具有极小值点的曲线30在其左侧以小距离伸展，这与已知的知识一致，即使用填料125.Y，…对不太高的分离性能是可取的。
直线40与曲线30在约a＝550m-1处相交，这意味着，对于约a＞550m-1或n＞4.5(曲线34′)的125.Y，…一类填料不再适合于造价低的物质分离工艺，因此对高效分离性能，必须使用新一类填料，其中，a＝ac1，＝c1，以及维持下列条件n＞4.5，ac1＜am(n)，c1＞m(n)和c1＞45°通过这些条件，界定出在曲线34′，50和30上方的向上敞开的区域。由于流动阻力的递增，这一区域不能任意地向上延伸。从已提到的最佳条件匹配可得到上方的界限，随意假定界限是恒定于55°的直线60，然后阴影区域3确定值a＝ac1，＝c1，借此限定出具有根据本发明的交叉通道结构的一类填料。
出于实用的原因，再细分类是有益的-把n(或NTSM)作为可选参数-其中＝c1是常数，与125.Y…类填料类似。对c1为50°或其它值，优选与50°相差至多为约2°或3°的值。
如图3中所见，随着n的增加，流动阻力沿曲线30逐渐增加，因而针对非常高的特定分离性能的价值没有意义，给出n的上限为(最好不超过)n＝7。
根据本发明的填料，特别适合于实施空气分解，借助根据本发明的填料，例如还可进行反应性蒸馏，这一方法中填料表面上的物质至少部分地具有催化活性。
权利要求
1.用于具有高效的特定分离性能的传质设备塔的带有交叉通道结构的填料，该填料可由比表面积a和通道倾角具体说明，该填料属于a＝ac1和＝c1，根据下述各点的一类填料-对于填料中流动的流体，给各种情况下所有填料提供相同大小的流体流量；-可凭经验确定的填料的每米理论分离级数n，即参数NTSM，可由变量a和的第一个函数f1(a，)表示；-所产生的流经填料的气流的流动阻力可由每米压强损失Δp来描述，作为第二个函数f2(a，)；-在附加条件n＝常数下，Δp假定为相对极小值，则取决于参数n的变量a和假定分别为am(n)和m(n)；-n＞4.5，ac1＜am(n)，c1＞m以及c1＞45°成立。
2.根据权利要求1的填料，其特征在于c1＜55°。
3.根据权利要求1或2的填料，其特征在于，再细分类时-n作为可选择参数-c1是常数，优选其值为约50°。
4.根据权利要求1至3中任一项的填料，其特征在于由折叠成之字形的薄层(11，12)形成通道(13)；还在于
时，函数am(n)和m(n)分别由下面多项式近似算出am＝(152-13n+n2)NTSMm＝27°+n(n+1)0.5°
5.根据权利要求1至4中任一项的填料，其特征在于具体数值ac1和c1借助最优化匹配确定，该最优化匹配是作为取决于不同应用的准则的结果实施的，所述最优化匹配，例如一方面看填料(1)的成本，尤其是填料的材质的成本，另一方面看塔(2)运行期间在最优化方式中是否维持小的压强损失。
6.根据权利要求1至5中任一项的填料，其特征在于，多个填料元件(10，10′，10″)在塔(2)中一个在一个之上放置，每一个填料元件由许多平行层(11′，12′)构成。
7.根据权利要求6的填料，其特征在于每种情况下，上端区，中间区和下端区(分别为101，100，102)在填料元件(10)中都是易辨别的；还在于作为填料装置合适造形的结果，在区101和102中的填料元件的边缘处，流动阻力相对于中间区的流动阻力要降低。
8.装有根据权利要求1-7中任一项的填料(1)的传质设备塔。
9.根据权利要求8的塔(2)的运行方法，其特征在于，物质分离是在填料(1)的特定分离性能下进行，其中，n大于约4.5，优选n小于约7。
10.根据权利要求9的方法，用来实施空气分解，或实施反应性蒸馏，其中填料表面上的物质至少部分地具有催化活性。
全文摘要
用于传质设备塔(2)的具有交叉通道结构的填料(1)应具有高效的特定分离性能。该填料属于比表面积a=a
文档编号B01J19/32GK1261009SQ00101139
公开日2000年7月26日 申请日期2000年1月20日 优先权日1999年1月21日
发明者A·克斯勒 申请人:苏舍化学技术有限公司