规整填料及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种规整填料及使用此规整填料的方法，其中规整填料由以并列关系布置且具有重复起伏图案的波纹的多个矩形片形成，波纹在相邻的片中穿过彼此。更具体而言，本发明涉及此类规整填料及方法，其中各个片的波纹均具有波纹与片的边缘成直角的端部区域，波纹定向成与片的边缘成锐角的主区域，以及连接端部区域和主区域内的波纹且具有弓形构造的波纹的过渡区域。
【背景技术】
[0002]规整填料长久以来用作传质接触元件来用于诸如进行蒸馏和吸收过程的目的。规整填料的关键优点在于它们提供用于传质的较大表面面积，同时呈现出较宽操作范围内的较低压降。例如，此规整填料在空气的低温蒸馏中用于降低空气分离单元的低压塔内的压降，空气分离单元还具有以传热关系联接至低压塔的高压塔。与塔盘(tray)相反，借助于此规整填料的低压塔内的较低压降将压力减小至进入空气需要压缩的压力，且因此也减小了电力消耗。此外，此规整填料用于连接到低压塔上的氩塔中，以通过足够的分离级数将氩与氧分离，使氩产物基本上不包含氧。
[0003]规整填料由以并排关系布置的多个波纹片形成，以便相邻片中的波纹穿过彼此。在规整填料用于蒸馏的情况下，规整填料以填料或层的垂直组布置在蒸馏塔内，且从顶部由待分离的混合物的液相给送，和从底部由混合物的汽相给送。由于波纹的交叉，故液相趋于扩散穿过填料且作为液膜下降。蒸汽向上流过波纹，且还趋于扩散穿过填料和接触下降液体。蒸汽和液体的紧密接触产生了趋于平衡的液体和蒸汽混合物的变化。结果，下降液体在其下降穿过填料时将变得此后集中于待分离的混合物的挥发性较低的成分中，而蒸汽在其上升穿过填料时将日益变得此后集中于混合物的挥发性较高的成分中。规整填料分层提供，其中一个层中的片定向成与另一层成直角，以进一步促进液体和蒸汽混合。
[0004]在规整填料以及任何传质接触元件中，液泛表示填料将不再起作用的极限。每个规整填料都具有压降开始快速升高的液泛能力(hydraulic flooding capacity)。其原因在于由于过大的上流蒸汽阻止了液流向下穿过填料，因此液体开始累积在填料层之间的界面处，导致了引起液泛的压降的快速升高。将注意的是，在填料层之间的界面处的层之间的此压降和所得持液量总是大于在填料本体中的，因为形成在波纹之间(如，填料层之间)的流动通道未对准。在任何情况下，大约同时还开始达到操作液泛点，在该处，填料的传质效率快速下降，或换言之，HETP(理论等板高度)快速升高。进行特定蒸馏的特定规整填料的液泛极限代表对穿过蒸馏塔的流速的限制，其大部分通过填料密度的适当选择和/或提供产生决不会出现液泛的足够低的蒸汽速率的塔直径来解决。然而，当密度减小时，填料的效率也降低，继而又增加了蒸馏塔高度要求。塔尺寸和直径将对设备的制造成本有直接影响。因此，重要的是，特定规整填料的液泛能力尽可能高。
[0005]如上文所述，在常规填料中，波纹相对于填料片的边缘成恒定锐角穿过填料。在填料层之间时，波纹的角度在沿蒸汽和液体两者的流动方向上产生突然变化，其作用为限制液压能力。现有技术提供了规整填料，其设计有对波纹的端部或边缘改型，以减小蒸汽流动方向上的突然变化，以提高此规整填料的液压能力。
[0006]US 5，632，934中公开了具有提高的液压能力的规整填料的实例。在此专利中，规整填料的波纹具有波纹设置成与填料片的相对边缘成锐角的中心区域和与相对边缘成直角的端部区域。此效果在于减小蒸汽在其从填料的下层流动且进入位于下层上方的填料层中时的阻力，且允许液体以低于常规填料的阻力落到下层上。结果，此填料的液压能力大于没有此边缘改型的常规填料。
[0007]US 6，206，349公开了也设计成具有提高的液压能力的另一种规整填料。在该专利中公开的规整填料中，各个填料片内的波纹均设有端部或末端部分，其从波纹的中心区段朝填料片的边缘弯曲，以便蒸汽流动方向上的变化不会很突然，而是更渐变。该专利中还提供了网格状结构，其可置于常规的填料片之间，这并未使弯曲边缘改型与在蒸汽进入规整填料的上层时减少蒸汽流动方向上的变化的意图结合。
[0008]如将论述的那样，本发明提供了一种规整填料，其除其他优点外还具有大于上文提到的现有技术的液压能力，且进一步，具有优于现有技术的那些操作特性。
【发明内容】
[0009]本发明提供了一种规整填料，其包括以并列关系布置的多个矩形片。各个矩形片均具有两个相对表面、位于两个相对表面之间遍布且连通的多个开口，以及连接两个相对边缘且以重复起伏图案布置的波纹，该波纹具有位于邻近彼此的交替的峰部和谷部。
[0010]矩形片的波纹具有端部区域、主区域和过渡区域。端部区域包含波纹的直的平行区段，其从各个片的两个相对边缘中的一个与边缘成直角向内延伸。主区域包含定向成与各个片的两个相对边缘成锐角的波纹的直的平行区段，且过渡区域具有波纹的弓形区段，其连接在其相对端处的主区域和过渡区域的波纹的直的平行区段。这种连接实现为使得波纹的直的平行区段的峰部的顶点与过渡区域内的其相对端处的波纹的弓形区段的峰部的顶点的切线重合。
[0011]矩形片定向成使得端部区域、主区域和过渡区域定位成与彼此相对，其中相邻的矩形片的主区域的波纹的直的平行区段成交叉关系。
[0012]本发明还提供了一种接触在蒸馏塔内待蒸馏的混合物的下降液相和上升汽相的方法。根据所述方法，下降液相和上升汽相在垂直地布置在蒸馏塔内的多层规整填料内接触，使得下降液相和上升汽相穿过界面，该界面分别位于规整填料层之间。规整填料的各层均包括以并列关系布置的多个矩形片，其中规整填料的上层中的片定向成与规整填料的下层中的片成直角。各个矩形片均具有两个相对表面、位于两个相对表面之间遍布且连通的多个开口、以及连接两个相对边缘且以重复起伏图案布置的波纹，该图案具有位于邻近彼此的交替的峰部和谷部。
[0013]通过使下降液相和上升汽相穿过波纹的端部区域来减小界面处的压降和增大规整填料的液压能力，波纹的端部区域位于彼此相对和具有从各个片的两个相对边缘的至少底部与边缘成直角延伸的波纹的直的平行区段。下降液相与上升汽相之间的接触在波纹的主区域内得到促进，波纹的主区域具有与端部区域间隔开的、定向成与两个相对边缘成锐角的波纹的直的平行区段，且其中相邻成对的矩形片的主区域内的波纹成交叉关系。通过使下降液相和上升汽相穿过波纹的过渡区域来减小规整填料内的内部压降，从而进一步减小了界面处的压降，且进一步增大液压能力。过渡区域定位成彼此相对，且在其相对端处具有连接主区域和过渡区域的波纹的直的平行区段的波纹的弓形区段。这种连接实现为使得波纹的直的平行区段的峰部的顶点与过渡区域内的其相对端处的波纹的弓形区段的峰部的顶点的切线重合。
[0014]如将论述的那样，已经发现结合弓形波纹的过渡区域有助于优于现有技术的液压能力的进一步提高。尽管不希望坚持操作原理，但这里发明人认为，在仅具有波纹与填料片的边缘成直角的端部改型的现有技术的规整填料中，填料内部的液体和蒸汽产生填料片自身内的方向上的突然变化，导致了内部湍流和压降。这对其中蒸汽进入且液体排出的填料的边缘有影响。在填料具有延伸至填料片的边缘的弯曲改型的情况中，所认为的是在变化的方向上，蒸汽上流迫使同时下降的液体抵靠形成在波纹之间的通道，导致内部持液和压降。在通道网格在填料片之间使用的情况下，即使以某些方式，此类通道可制作成与波纹对齐，但通道区段自身提供两个界面(之前存在一个在该处)；且因此，提供两个位置用于液体收集和产生压降。结果，所认为的是根据本发明的规整填料的液压能力将小于上文论述的现有技术方案中的任一者。在此方面，网格通道和波纹之间的失配将只会加重问题。尽管以上