CN1118313C - 多通道多级错流填料塔 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多通道多级错流填料塔，流动方式是液体从塔顶自上而下顺填料层流下，气体则通过其他通道与液体多级错流接触，有效地降低了填料阻力，提高了泛点气速，加大了填料塔的处理能力，并且具有较好的传递效果，此外，多环放大可以有效地解决多级错流塔的放大问题，可适用于大塔径的操作。

Description

多通道多级错流填料塔

技术领域

本发明涉及一种填料塔，尤指一种多级错流式填料塔。

背景技术

目前所使用的填料塔主要有错流式和逆流式两种，二者由于汽液接触方式的不同而各有利弊。

首先，逆流塔提供的传递机理将使其效率更高，汽液逆向接触，传递推动力最大；而错流操作中，液流是垂直于气流方向的，其传递推动力明显小于逆流操作。但对于相同塔径的填料塔，逆流塔内填料截面积明显大于错流塔，因此在较大塔径的逆流塔中，均匀的液相喷淋便成为一个难以解决的问题，整个塔内充满填料，汽液走同一通道，很容易造成汽液分布不均匀，产生沟流、壁效应等缺点，严重影响传质、传热效果；而错流塔则由于填料铺开表面积相对要小得多，这些问题也就容易解决些。其次，相同处理量的错流塔能耗小于逆流塔，这是因为逆流塔中汽液逆向接触，造成塔内阻力大于汽液垂直接触的错流塔。

但对于处理量较大的塔而言，错流填料厚度加大，相对逆流塔的阻力小，且液相容易分布均匀的优势就不再明显，而其不足于逆流填料的方面(传递推动力小，传热、传质效率低)却更加突出了。

此外，在1977年Thibodeaux等人首先提出了串联错流填料塔(YoshishigeHayashi，Ind.Eng.Chem.Res.，et al.，)的思想，该塔结构如图1所示，它使气相比逆流塔有了更大的通过面积，同时由于汽液相的错流接触，气相阻力大大减小(大约为逆流塔压降的1/2)，泛点气速提高，使得动力设备和操作费用减少。另外，从整体上看该塔仍是逆流操作，故其保留了逆流传质推动力大的优势，传质效果优于单级的错流操作，在解吸和精馏的实验中，与逆流具有相同的汽液速率时，该塔的效率略低于逆流操作，但它可在逆流填料泛点以上的汽液负荷下稳定操作，最终得到比逆流更高的传质效率。而且由于该填料塔中使用了挡板，为中间进料和采出提供了方便。但当处理量增加、塔径加大时，该塔内填料厚度增加，气相阻力加大，泛点降低，其优势将不再明显。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种泛点气速高，塔阻力小，传质、传热效果好的多通道多级错流填料塔。

本发明的另一目的在于提供一种塔径增大后仍具有良好传质传热效果的大塔径的多通道多级错流填料塔。

本发明的多通道多级错流填料塔包括有单个或多个填料环、多块挡板和多个通道。

当塔径放大时，增加填料环的数目，而非简单地增加填料环的厚度和每一级填料环的高度。

在塔中的流动方式为液相从塔顶自上而下顺环形填料层流下，气相则通过其他通道与液相多级错流接触。

多通道多级错流填料塔，塔内填料为圆环形，比串联错流填料更薄，并且有更大的气相通过面积，如塔径为D，则逆流塔的气相通过面积为 串联错流填料塔最大为Dh(h为一级填料的高度)，而多通道多级错流填料塔的气相通过面积为 $\frac{\mathrm{\π}}{2}(D_1+D_2)h,$ (其中D₁，D₂分别为填料环的外径和内径)，这样，气相阻力将更低，泛点气速将更高，并且由于该塔中各层填料都比较薄，宜于液相的均匀分布。同时，在填料层的表面，两相扰动剧烈、接触充分，传质、传热效果都较填料中心部位好。所以用分层的相对薄的填料可以促进汽液的充分接触，提高传质、传热效果。

在塔中设置多块挡板，造成汽液两相的多级错流接触，一方面错流操作降低了填料阻力，提高了泛点气速；另一方面，由于填料环的多级分布，使该塔整体上仍保持了逆流传递推动力大的优势；同时挡板还便于中间进料和采出。

通常填料环厚度很薄时，操作时夹带严重，比较容易引起液泛，随着填料环厚度增大至使填料环与塔壁间孔隙很小，当汽液流量增加时，其孔隙间很容易流满液相，此时，气体通道被液体占领，其操作状况与逆流相似，故而泛点较低，所以多通道多级错流填料塔的有效面积比S¹/S是关键，即填料横截面积与塔截面积之比 $\frac{S^{\′}}{S}=\frac{D_1^2-D_2^2}{D^2},$ 有效面积比S¹/S太大时，多通道多级错流填料塔阻力大，泛点低；有效面积比S¹/S太小则易引起严重夹带，当有效面积比为0.7≥S¹/S≥0.3则为本发明最适当的有效面积比。

在放大塔径时，如果将多通道多级错流填料塔使用通常几何放大方式，则其放大效应是显而易见的，随着塔径放大n倍，其单级填料高度和填料环内、外径均放大n倍，这将导致在一定塔高范围内该填料的级数减少n倍，而填料环的厚度增加n倍，这样的放大将使大塔径填料塔的阻力上升而使传递推动力下降，导致其传热、传质效果明显比小塔下降。所以在多通道多级错流填料塔中不能采用传统的放大方式。

为此，在多通道多级错流填料塔放大时，本发明采用多环放大方法，即设置多个填料环，且不增加填料环厚度，当塔径放大时，在塔内排列的多个小填料环能增加其处理量，而其整体流体力学性能和传热、传质能力与相应的小塔相似，从而有效地避免了放大所带来的一系列问题，并且保留多通道多级错流填料塔的特色。同样，塔径放大后，大塔径中填料的有效面积比S¹/S也应为0.7≥S¹/S≥0.3。

附图说明

1-塔体，2-填料环，3-挡板，3’-内挡板，3”-外挡板，10-冷模塔，20-空气转子流量计，30-水转子流量计，40-离心泵，50-塔顶温度计，60-塔釜温度计，70-加热管道温度计，80-空气温、湿度计，2’-填料。

图1是串联错流填料塔示意图。

图2是本发明的多通道多级错流填料塔示意图。

图3(1)是大塔径的多环多通道多级错流填料塔结构示意图。

图3(2)是大塔径的多环多通道多级错流填料塔结构示意图。

图4是实验装置结构示意图。

图5是填料塔Φ200冷模泛点线。

图6是放大试验泛点线比较。

图7是四种填料在喷淋密度q＝10m³/m³h时的等板压力降比较。

如图2所示，本发明多通道多级错流填料塔的液体流动方向如

所示，气体流动方向如→所示，由于设置有内挡板3’和外档板3”，汽液接触为错流接触，而整塔仍保留了逆流的特征。如图3(1)和图3(2)所示为大塔径的多通道多级错流填料塔结构示意图，塔径经放大后，塔内设置多个填料环2，每一个填料环2都是相对独立小的填料环，使放大后的多通道多级错流塔具有与小塔相当的水力学特性和传质、传热能力。

具体实施方式：

实施例

为了综合考察多通道多级错流填料塔的水力学特性和传热、传质能力，进行了两方面的实验：一是水力学实验，包括在Φ200冷模塔上作的小试和在Φ600冷模塔上作的放大试验；二是传热增湿实验(冷却塔实验)。通过对前者的观测和分析，可以了解到该新型填料塔的流体力学特性，而传热增湿实验的结果则反映出该新型填料塔传热、传质效果的好坏。二者相结合，即可初步说明该填料的优劣。

为了使实验结果具有可比较性，在这两部分实验中均选择常用的逆流操作作为参照，和本发明的多通道多级错流填料塔进行对比。此外，为了研究填料环厚度对该新型填料塔性能的影响，分别对S¹/S＝0.30，0.46，0.70以及1.00(逆流)的填料作了相应的实验研究。

实验设备

实验设备如图3所示，该设备用于测定塔内构件的流体力学性能，Φ200小冷模与Φ600大冷模装置除尺寸不同外，其基本结构相同。此外Φ200小冷模装置可通加热蒸汽，并配备有测温度、湿度的仪表，用于传热增湿实验。

实验用填料为Φ10×10的压延θ环散装填料，填料装填方式分逆流和多通道多级错流两种。多通道多级错流填料塔内固定填料的支架用10×10的不锈钢编织网制成；挡板，其位置如图2所示，用上下两层不锈钢板中间夹密封橡胶垫制成，可以有效地阻挡气流，防止气相短路，使之多级流动。

实验结果与分析

泛点分析

Φ200冷模水力学实验证明本发明的填料塔的泛点气速远小于逆流填料塔的泛点气速。如图5所示，逆流填料塔的泛点最低，而后依次是S¹/S＝0.70、S¹/S＝0.30，S¹/S＝0.46的多通道多级错流填料塔。图中，S’/S＝0.70的多通道多级错流填料由于填料环与塔壁间孔隙很小，当汽液流量增加时，其孔隙间很容易充满水，此时气体通道被水占领，其操作状况与逆流相似，故而泛点较低。而S’/S＝0.46的多通道多级错流填料塔的每米填料压力降虽然比S’/S＝0.30的填料高，但前者的泛点也比后者高。这是因为，S’/S＝0.30的填料环厚度很薄，操作时夹带严重，比较容易引起液泛，所以压力降虽小，泛点却不如S’/S＝0.46的填料高。

表1是由拟合的泛点曲线结合实验现象得出的各种实验填料的泛点气速，由此表可见，试验填料中有效面积比S’/S＝0.46时，多通道多级错流填料塔具有最大的泛点气速，且在不同液相喷淋密度下，该泛点气速均大于2倍的逆流塔泛点气速。

 表1  各种实验填料在不同喷淋密度下的泛点气速(m/s)

q/m3/m2h	5.0	10.0	15.0	20.0	30.0	40.0	50.0
								S’/S＝0.30	-	2.61	2.14	1.83	1.49	1.31	1.13
S’/S＝0.46	3.21	2.70	2.32	2.05	1.71	1.52	1.36
								S’/S＝0.70	2.01	1.61	1.38	1.25	1.09	0.96	-
逆流	1.43	1.23	1.07	0.95	0.81	-	-

放大试验，

Φ600冷模流体力学实验是Φ200冷模流体力学实验的放大试验，通过该实验考察多通道多级错流填料塔的放大情况。

采用多环的多通道多级错流填料塔结构，如图3(1)、图3(2)所示结构，当塔径放大时，在塔内排列多个小填料环，处理量增加，而其整体流体力学性能和传热、传质能力与小塔相似，有效地避免了放大所带来的一系列问题。

图6比较了多环放大试验与小试验的泛点气速，放大试验所用的多通道多级错流填料的有效面积比为0.35，其泛点线在S’/S＝0.30与S’/S＝0.46的小试填料的泛点线之间，说明采用该放大方式不会降低该填料塔的泛点气速。

多通道多级错流填料塔的等板阻力

此外，通过传热增湿实验可以说明填料的传热、传质能力，将流体力学实验和传热增湿实验综合考虑，可得到如图7所示曲线。该曲线说明多通道多级错流填料塔与逆流填料塔在相同的操作条件下完成相同的传热、传质任务(具有相同的传递单元数)，前者的填料气相阻力远小于后者，大约是后者的1/4～1/6左右。

与传统的逆流填料塔相比，本发明的多通道多级错流填料塔将操作泛点大幅度提高，泛点气速提高为逆流填料塔的2倍以上；在相同的操作条件下，当逆流填料塔和多通道多级错流填料塔具有相同的传递单元数时，后者的填料阻力远小于前者，大约是前者的1/4～1/6。这说明本发明的填料塔适用于大汽量、大液量，要求低阻力的场合，如冷却塔、高真空精馏塔等；采用多环结构可以有效地解决多通道多级错流填料塔的放大问题，使之适用于大塔径的操作。

Claims (4)

1、一种多通道多级错流填料塔包括：塔体、填料，其特征在于有一个或多个填料环、多块挡板和多个通道。

2、根据权利要求1所述的多通道多级错流填料塔，其特征在于当塔径放大时，增加填料环的数目。

3、根据权利要求1或2所述的多通道多级错流填料塔，其特征在于塔内流体的流动方式为液相从塔顶自上而下顺填料层流下，气相则通过其他通道与液相多级错流接触。

4、根据权利要求1或2所述的多通道多级错流填料塔，其特征在于多通道多级错流填料塔的有效面积比为0.7≥S’/S≥0.3。

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