流体接触塔的填料结构及其制备方法 【技术领域】
本发明涉及流体接触设备领域。
接触塔的目的是为流体之间提供接触以完成流体之间的物料或热传递。这类流体接触设备广泛应用于实施蒸馏、精馏、吸收、热交换、萃取、化学反应操作等。
背景技术
接触塔一般由外壳及促进流体之间的交换的内部接触单元组成。一般说来，接触塔为上升气相和下降液相提供亲密接触，反之亦然。在塔内，流体能够进行同向或逆向流通。用以增大流体接触表面的接触单元可以是塔板、规整填料，即并置数个单一的单元，相同的或不同的，按照有序的方式排列如板波纹，或散装填料，即杂乱无章地堆积单一的单元例，如环、螺旋填料。
文献EP-0449040中描述了一种内部填料单元，其能允许更好地控制流体间的交换，消除流体流通阻碍限度，并能增强对化学侵蚀和腐蚀的抵抗力。
在流体接触塔的应用中，尤其是在需要用吸收溶液洗涤流体的反应吸收或精馏中，例如天然气脱氧或燃烧气脱碳，有必要应用最好的可行的接触单元以在塔内有限的压降条件下提供最大的接触表面。
【发明内容】
本发明因此提供一种流体接触塔的内部填料结构，非常适合于反应的吸收和精馏的应用，特别是能够在限制增加压降的情况下增加流体之间的交换表面。
总的来说，本发明描述了一种流体接触塔的填料结构，所述结构形成一个空间，其包括有序排列的直径5-50mm的管束，所述管壁上设置有孔以促进所述结构内的流体流通和混合，所述孔内接于边长为2和45mm的矩形，每个所述孔的表面积大于2mm2。
根据本发明，孔的表面积占管固体部分表面积的比例在10％-90％范围内。
两个孔之间的距离不超过管直径的两倍。
管可以包含一块织布，其包括至少两条条带，优选四条条带缠绕成两条，优选四条相互穿越的螺旋状沿相同的轴并以同样的直径延伸，优选其中的两个螺旋穿过另外两个螺旋，所述条带相互间隔以形成所述的孔。所述条带可以含有以下至少一种材料：碳沉积作用凝结的碳、金属、陶瓷、聚合材料、热塑性材料及热固性材料。
根据本发明，每一束管束可以包含两根分别朝向两个方向的管。
可选的，每一束管束可以包括四根分别朝向四个方向的管。所述四根管可以分别朝向一个立方体的四个方向。
根据本发明的填料结构可以用于蒸馏工艺。
根据本发明的填料结构同样可以应用于反应吸收工艺，例如燃烧后气体和天然气处理中的二氧化碳捕集。
本发明同样描述了一种流体接触塔中的填料结构的制备方法，其包括以下步骤：
a)制备直径为5-50mm的管，所述管的管壁包含设置用于促进流体在所述结构内流通和混合的孔，所述孔内接于边长为2和45mm的矩形，每个所述孔的表面积大于2mm2，
b)通过并置管束建立一个所述管的有序组件，
c)在其接触部位所处的水平面上将管相互连接起来，
d)将有序组件加工以形成与接触塔内部尺寸相适应的填料结构。
在步骤a)中，可以围绕圆柱体缠绕由合成材料制成的条带如纱线、丝线或薄片，通过至少两个互相穿越地螺旋的形式，同时在条带间留出空间以在条带间形成所述的孔。条带可以包含以下至少一种材料：碳沉积作用凝结的碳纤维、金属、热塑性材料及热固性材料。
在步骤b)中，管束可以向两个方向延伸，也可以向四个方向延伸。
【附图说明】
本发明的其他技术特征和优点将在接下来的具体实施方式中清楚地看到，结合以下的附图：
图1示出了本发明的一个管状填料单元。
图1a，1b和1c为管状填料单元上的孔形状的各种实施例。
图2为本发明的填料单元的一个具体的实施例。
图3和4大概地示出了基于管状单元朝向两个方向形成的规则填料。
图5和8大概地示出了基于管状单元朝向四个方向形成的规则填料。
图9大概地示出了一个接触塔。
【具体实施方式】
图1显示了形成本发明的规整填料基本图案的管状单元1。单元1由直径为θ的管的壁组成，其上有孔或洞T。根据本发明，选择孔T和直径θ的尺寸以使流体流通和接触最优化。管状单元1的直径θ范围为5-50mm，以使由这样的管组成的规整填料的单元体积的几何面积最优化。在保持低压降的条件下，这样的尺寸能够充分开发单元体积的几何面积。
孔T的最小表面积应选择大于2mm2，优选4mm2，这样管内流动的液膜能够被流经孔的气流破碎。事实上，如果孔T的尺寸小于2mm2，那么在管内壁上流通的液膜可能通过毛细管作用将孔堵塞。具有大于2mm2的表面积的孔能够允许气相和液相从一个管流动到另一个管，从而提供所需的接触和混合。根据本发明的填料应用于反应的吸收时，优选使用孔的表面积大于4mm2、优选甚至大于8mm2的管。实际上，一般来说，在反应吸收塔内接触的流体具有很高的流速，典型的流速范围为1m/s-2m/s。因此较大的孔能够将在管壁上流通的液膜分割。
孔T内接长为L宽为I的矩形，L和I的范围为2-45mm，优选3-20mm。换句话说，一个孔必须与一个长为L宽为I的矩形的四条边接触。另一方面，孔T可以为任意形状，只要其保持内接于长为L宽为I的矩形。图1a、1b、1c示出了多种非限制性的孔T的形状的实施例，孔T均内接于长为L宽为I的矩形。在图1a中，孔基本上是圆形。在图1b中，孔是椭圆形。在图1c中，孔的形状接近于菱形。将孔内接于长为L宽为I的矩形是为了给孔的边缘之间的尺寸强加一个最小值，这样就能使得在填料管壁上流通的液膜被破坏。
孔T以有序或随机的方式排列。优选地，孔T规则地排列以在单元1上获得均一的交换性能。优选地，两个孔之间的距离不超过直径θ的两倍。选择孔的数目使得单元1包括10-90％的开孔率，即孔表面积占管固体部分表面积的比例为10％-90％，最完美的比例为25％-50％。
孔T被定义为流体在单元1内外之间的上部开放交流通道，以使相之间的混合最优化，从而在组成单元1的规整填料内流通的不同相之间进行接触和再分配。
单元1的壁可以由任意类型材料制成，例如碳/碳结构，即由通过碳沉积凝结成的碳纤维结构、陶瓷、金属、聚合材料、热塑性材料或热固性材料。孔T可以通过材料的切除、加工或钻孔获得。单元1可以通过成型制备，例如聚合材料通过成型或其他方法。
图2示出了图1的单元1的一种由条带编织而成的具体的实施方案。图2中的管单元4由条带如纱线、丝线或薄片编织成管状而成。更精确的，条带5a围绕一根直径为的管缠绕成螺旋状。第二根条带5b也围绕同一根管缠绕成螺旋状，同时穿过5a。条带的厚度和旋绕的程度是有选择的以在条带之间留出空间E。优选的，条带5a的旋绕程度和5b相同。空间E满足和图1的孔相同的要求。空间E和直径的几何定义分别与图1中的孔T和直径θ相同。
此外，在图2中，填料单元包括另外两条条带6a和6b，它们分别沿轴的方向缠绕成与条带5a和5b相同的螺旋状。因此，空间E具有基本上菱形的形状，其各条边由5a、5b、5c和5d围成。
在不脱离本发明范围的情况下，管单元4可以由不同的参数组成，比如条带的数量、厚度和宽度，螺旋缠绕的程度，或者条带也可以缠绕成螺旋程度可变。
一旦条带的编织完成，编织好的条带结构就被用如文件EP0499040描述的技术凝结，通过热处理、树脂注入、弯曲或其他技术。可以使用焦炭和渗透树脂如酚类树脂，且树脂通过热处理交叉结合。
例如，条带为玻璃纤维或碳纤维制成的纱线，可以涂覆热固性材料。
图3示出了组成流体接触塔内部填料的一组管单元组件。在图3中，管单元被交替地设置朝向由轴XX’和YY’限定出的两个方向。第一层朝向相同的轴XX’方向定位的管8先放置。第一层管8的轴大致位于同一平面以形成一个平面层。一根管8与相邻的管8沿直线接触。接着放置朝向轴YY’的方向的第二层管9，该第二层管堆积在第一层管8上。第三层管随后堆积在第二层管上，且该第三层管朝向轴XX’的方向。依次继续，每一层管都堆积在另一层管上，并交替管朝向直至获得预定尺寸的紧凑的积块，如图4所示。
图8示出了根据本发明的另一组管单元，管被朝向四个不同的方向设置。该组的详细布局在图5、6、7中描述。图5显示了四根管20a-20d组成的捆束，每一根朝向四个方向D20a-D20d中的一个。四根管沿着设置的这四个方向D20a-D20d分别为一个立方体的四个对角线(或四面体的四条高/边)，但是四根管不在立方体中心的对角线交点的水平面相交，而是在该点的附近交叉。
有序组件的安装可以例如通过不断重复图5中的编排开始，即每四根管组成的管束的交点沿安装轴XX’设置，每一组管20a-20b组成的新管束与前一管束以相同的顺序设置，依次类推。由管20a-20d组成的管束沿轴排成一行形成第一序列100a，一个由第一序列100a组成的有序组件的开端就形成了，如图6所示。由管11-14形成的四个缠绕的网络各自在各个平面上延伸，所述平面分别朝向一捆管束的各管指向的四个方向。每个网络内的管之间互相隔开一段距离以允许其它网络的管束插入。
当序列100a中的管捆束数量达到预定值后，再沿着与轴XX’重合的轴叠放几个序列的捆束，以填充序列100a周围的空余空间。图7显示了沿一条与安装轴XX’平行的新轴新增的序列110b。这样，序列110a两边的空余空间都同样的被填充了，一般地，直到序列t00a的末端。这样在这个空间内就得到了一个由分别向四个方向设置的管组成的三维结构。
在图4和8描述的管组中，管与其它管在管之间的接触部位所处的水平面上相连接，所述连接可以通过化学或机械方法实现，例如使用热固性材料经过焊接或碳沉积的方法。
在图4和图8中描述的规整填料模块可以加工为接触塔的形状和尺寸。一般来说，接触塔包括一个圆柱形的外壳。在这种情况下，规则管组被加工成一个能被引入到圆柱形外壳内的圆柱形填料结构，以最大化地占据柱内的空间，因而提供最佳的交换面积。对于大直径的塔柱，多个填料模块可以并列设置。置于柱壁内边缘处的模块被加工以与塔柱的圆柱形形状相匹配。由管状单元组成的模块的加工是非常精密的，要考虑构造本身的多孔性。根据材料的自然特性，特定的加工技术可以被采用，以防止管单元的变形或结构的塌陷。
图9示出了一个接触塔30，包括一个被底32和33封闭的圆柱形外壳31。一种流体，如气体，通过管线34从塔底部送入。另一种流体，如液体，通过管线35从塔顶部送入。通过管线34和35，这两种流体在位于塔入口之间的空间相遇。为了改善接触并促进物质和热转移，塔30中设置了高度为H的填料，H可高达数十米。根据本发明，填料由图1或2中描述的管组成，并且按照例如图4或8描述的布置方式摆放。优选的，根据本发明，一种由模块B1、B2、B3和B4组成的填料被应用，其中各模块中的管的朝向与其它模块各不相同。例如，朝向与水平线成大于45°角的管组成的模块，和朝向与水平线成小于45°角的管组成的模块，两者交替设置形成填料。如一个模块的管相对于相邻模块的管朝垂直方向设置。此外，模块的高度h可以限定在一个有限的数值范围内，如50-500mm，优选100-400mm，以在装配塔的过程中将模块填入圆柱形外壳中。这种各个模块内的管的朝向交替，以及各模块的高度限制，杜绝了流体在外壳31内壁聚集而导致接触面积减小。
根据本发明的接触塔的内部填料能够在蒸馏操作中取得出色的结果，尤其是用于在HF(氢氟酸)存在条件下需要蒸馏进行氟衍生物的制备，或用于蒸馏某些有机酸如蚁酸或乙酸。它也特别适合于反应吸收中的应用，尤其是在燃烧后气体和天然气的处理过程中，通过与吸收液接触进行二氧化碳的捕获。
以下用数字表示的实施例对由连续管，即无孔的管，按照图4所示的布局方式摆放所形成的填料，与根据本发明的管例即带有开口的管组成的同样的填料进行了比较。结果通过数值流动模拟软件Fluent的方法实施数值计算获得。
流经填料的气体的压降由不同的气体空塔速度Vsg(1m/s和2m/s)决定。空塔速度通过计算气体流速占接触塔柱截面的比值而获得。
实施所述的模拟以确定以下的压降：
1)由连续无开口的管(直径为10mm)组成的填料的压降Dpref，
2)与例1)具有相似几何形状的填料的压降DP，但其管包含开孔(管径为10mm；孔的形状为长12mm宽9mm的菱形；孔的表面积大约为60mm2；两个孔之间的距离为3mm；开孔率为46％)。
结果列于下表中，其中给出了DP/Dpref的比值。
很明显的是，对于开孔的管(开孔率为46％)，压降降低30％至40％。