CN111644143B - 一种规整填料和填料层结构及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种规整填料及填料层结构，并将其应用于分离粘度较小或表面张力较大的物质，其中规整填料由丝网条片进行波纹冲压、裁剪、捆绑而成，所述丝网条片由螺旋缠绕型双股丝线编织而成，丝网条片为非均一编织密度结构，包括位于丝网条片两侧且宽度为a的高编织密度区域和位于丝网条片中部的低编织密度区域，构成密‑疏‑密结构的编织密度区域分布。与现有技术相比，本发明在无防壁流圈的前提下，从改进编织丝线的结构、改进丝网条片的编织结构两方面解决了壁流问题和对低粘度或高表面张力物料分离效果差的问题；采用纵向防壁流结构替代横向结构，增加了防壁流区域，提高了防壁流效果，杜绝了气相在填料外壁与塔内壁之间的间隙流动。

Description

一种规整填料和填料层结构及其应用

技术领域

本发明涉及精馏技术领域，尤其是涉及一种规整填料和填料层结构及其应用。

背景技术

规整填料不同于散堆填料，其是一种呈几何外形的、在塔内按均匀几何图形排布的、整齐堆砌的填料，外侧通常由上下两圈具有一定宽度的箍圈固定，每盘高 40mm～300mm。其规定并改善了气液流路，减小了压降，但同时可以提供更多的比表面积，从而达到更高的传质、传热效果。因此，自上世纪出现规整填料以来，便得到关注。规整填料可根据填料条片的形状分为波纹型和非波纹型，其中波纹型的填料条片具有规律的波峰波谷变化，该类型的规整填料应用最为广泛。

经过30多年的发展，波纹型规整填料发生了多方面的改进，衍生出了孔板波纹填料、丝网波纹填料、网孔波纹填料、网板波纹填料等多种型式，其中丝网波纹填料以结构简单、分离效果显著而应用在各大化工领域。丝网波纹填料由垂直排列的波纹丝网条片组成，呈圆柱形盘状，相邻两片波纹方向相反，可在波纹片上间隔一定距离开孔。波纹丝网条片由丝网通过冲压出规律的波纹制成。丝网通过金属单丝使用平纹编织、斜纹编织或密纹编织等方法编织而成。显而易见，相比同型号的板波纹等其他波纹填料，丝网波纹填料具有更高的比表面积，对液相的润湿能力更高，更易成膜，所以具有更好的分离效果。

随着填料的改进，丝网波纹填料的比表面积越来越高，在分离效率不断提高的同时，随之而来的精馏塔壁流现象对分离效率的影响也越来越大。壁流是指塔内液相在接触塔壁后，直接顺着塔壁向下流动的情况。壁流的大小直接决定了流向填料表面的液量，液量的减少将减薄液膜厚度，严重时导致填料润湿不均匀，从而大大降低填料原本的分离效果。目前，业内普遍采用在规整填料的外部增加丝网的防壁流圈来减少壁流现象。因其防壁流区域为水平方向，故可将其称为横向防壁流结构。 CN104275144A公布了一种常见的防壁流圈设计，每盘填料安装一圈具有外翻边结构的防壁流圈，填料的外侧通过防壁流圈与塔壁接触，当塔壁上的液体向下流动接触防壁流圈时，防壁流圈将会引导液体重新流回填料表面。但是因防壁流圈的结构特点，使用时填料的外径必定略小于精馏塔的内径。

由于防壁流圈简单的结构、显而易见的作用原理和实践证明的效果，在其第一次出现后，变得到业内的普遍认可。CN1125673C认为防壁流圈可以减少壁流现象，从而理所当然地认为防壁流圈可以提高填料的分离效率，这也是业内一致的看法，而且对于分离所有物质都持有上述观点。但是，防壁流圈减少壁流现象与提高填料的分离效果之间并没有严谨的因果关系，因为其中存在着业内认知的一个误区：认为防壁流圈的存在对分离带来的不利影响远小于有利影响。

对于粘度较小或表面张力较大的物质，尤其在塔内径不大于1000mm的情况下，现有填料四周设置的防壁流圈的存在不但未能理想地减少壁流现象，而且还加重了塔内气液相分布的不均衡，导致更加少的液相和气相在填料表面进行良好地接触，再加之对于上述物质填料自身效率的下降，最终导致实际分离效果与填料标称的分离效果相差甚远，有时实际效果甚至只有30％。而目前业内解决该问题的方法为增加填料高度，并没有根本上解决问题，且会增加塔高、成本及制造安装的难度。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种规整填料及应用，在不安装防壁流圈的前提下，从改进编织丝线的结构、改进丝网条片的编织结构两方面解决了壁流问题和对低粘度或高表面张力物料分离效果差的问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明提供了一种规整填料，并应用于分离粘度较小或表面张力较大的物质的过程中，主要包含以下两个方面的改进，一是填料采用缠绕丝编织，二是采用纵向防壁流结构替代现有技术中的横向防壁流结构。

本发明中的规整填料由多片波纹丝网条片捆绑固定而成的，其中波纹丝网条片与水平面垂直，相邻波纹丝网条片平行设置，所述波纹丝网条片由丝网条片进行波纹冲压、裁剪而成，所述丝网条片由螺旋缠绕型双股丝线编织而成。

进一步地，所述螺旋缠绕型双股丝线包括一条主丝和一条辅丝，所述主丝和所述辅丝构成双螺旋缠绕构型或单螺旋缠绕构型。

进一步地，所述双螺旋缠绕构型中，所述主丝与所述辅丝相互螺旋缠绕。

进一步地，所述主丝的螺距为主丝丝径的2～4倍。

进一步地，所述单螺旋缠绕构型中，所述主丝螺旋缠绕于所述辅丝上。

进一步地，所述主丝的螺距为主丝丝径的1～5倍。

进一步地，所述主丝和辅丝的丝径为0.03mm～0.4mm，优选为0.04mm～0.3mm。

进一步地，螺旋缠绕型双股丝线的编织方法为平纹编织、斜纹编织或密纹编织中的一种；

进一步地，在编织过程中，采用顺式排布或逆式排布。

进一步地，当采用顺式排布时，相邻的主丝之间的螺旋缠绕方向相同。

进一步地，当采用逆式排布时，相邻的主丝之间的螺旋缠绕方向相反。

进一步地，所述丝网条片为非均一编织密度结构，包括分别位于丝网条片两侧且宽度均为a的高编织密度区域和位于丝网条片中部的低编织密度区域。

进一步地，所述高编织密度区域的编织目数比低编织密度区域的编织目数多 10目～50目。

进一步地，其中a为所装填塔内径d的5％～15％，且a不小于10mm。

进一步地，所述规整填料的外径为40mm～1000mm，规整填料捆扎为圆柱体盘构型，每盘的高度为40mm～300mm，每盘含5片～500片丝网波纹条片。

进一步地，高编织密度区域中不具有开孔结构，低编织密度区域也可以不开孔。

进一步优选地，本发明中宽度a的区域的编织目数高于条片中部20目～40目。

进一步地，本发明中规整填料不具有防壁流圈和箍圈，使用时紧贴塔壁。

进一步地，所述波纹丝网条片中波纹的方向与竖直方向倾角为30°～45°。

将本发明中的规整填料通过堆叠的形式制备成填料层结构时：具体进行垂向逐盘错位的形式堆叠，错位指的是将上下相邻填料中的波纹丝网条片呈15°～90°的相位差排布，即保持沿逆时针或顺时针旋转的方式使得各盘间依次错开15°～90°。

本发明中上述规整填料层结构在物料分离中进行具体应用时，将所述规整填料层结构装填于分离塔的填料装填区域中。

进一步地，所述分离塔的塔径小于等于1000mm。

进一步地，本发明中填料适用于粘度较低或者表面张力较大的物质，满足任意一个条件时即适用本发明中的填料层来提高分离效率。

进一步地，所述物料的粘度小于0.6cP，尤其是小于0.3cP，或表面张力大于0.03N/m，尤其是大于0.05N/m。

将本发明中上述单元规整填料作为整填料结构时，所述规整填料结构由本发明中规整填料逐盘垂向堆叠而成，通过水平旋转设置，使得上下相邻的填料中的波纹丝网条片呈15°～90°的相位差排布，以此形成纵向防壁流结构替代横向结构，增加了防壁流区域，提高了防壁流效果，杜绝了气相在填料外壁与塔内壁之间的间隙流动。

将本发明中的规整填料结构应用于物料分离中时，将规整填料结构装填于分离塔的填料装填区域中，所述分离塔的塔径小于等于1000mm。在塔径小于1000mm 的情况下，气相的间隙流动会对分离效果产生显著的不利影响。而本技术方案采用纵向防壁流结构替代横向结构，增加了防壁流区域，提高了防壁流效果，杜绝了气相的间隙流动。其中，本发明中的填料不具有防壁流圈和箍圈，采用金属丝捆绑波纹丝网条片固定。每片波纹丝网条片的水平方向两侧各具有宽度a的区域，其编织密度高于波纹丝网条片中部，使用时填料紧贴塔壁，使壁流接触该区域后，被引导至波纹丝网条片中部，从而达到防壁流的效果。虽然每盘填料的防壁流区域为波纹丝网条片的两端组成的区域，并没有覆盖所有的周向，但是安装时上下相邻的填料盘之间周向旋转一定的角度，其形成的纵向的防壁流结构，可以确保防壁流区域覆盖所有的周向位置。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明所述的填料在相同压降下传质效率更高、分离效率更高。本技术方案采用螺旋缠绕型双股丝线编织的丝网，相比现有填料存在丰富的螺旋缠绕间隙，成型的填料具有较高的比表面积，提高了填料的润湿能力，较厚的丝网提高了物料在填料表面的停留时间，从而填料具有更高的分离效率。

2)本发明中的规整填料尤其适合应用于分离表面张力大或者粘度小的物质，较现有丝网波纹填料的分离效率大大提高。在本发明中螺旋缠绕型双股丝线编织的丝网表面，表面张力较大的液相更易铺开，更易润湿，形成均匀、厚度适中的液膜。粘度较小的液相在丰富、均一的缠绕间隙中具有足够的粘附力，更不易滴落，且在较厚的丝网表面的停留时间更长，从而实现充分地传热与传质。

3)采用纵向防壁流结构替代横向结构，增加了防壁流区域，提高了防壁流效果，杜绝了气相在填料外壁与塔内壁之间的间隙流动。其中本技术方案通过密-疏- 密结构的编织密度区域分布，并使用时填料紧贴塔壁，使壁流接触该区域后，被引导至波纹丝网条片中部，从而达到防壁流的效果，在不设置防壁流圈的情况下有效地将足够多的壁流引导至填料表面，如在分离表面张力较大的物质时，气相从下而上逐渐被引导至波纹丝网条片中部，使得绝大多数的气相从填料中直接向上流动，从而达到防壁流的效果。

附图说明

图1为本发明中主丝辅丝相互缠绕的结构示意图；

图2为本发明中主丝缠绕辅丝的结构示意图；

图3为本发明中顺式排布的结构示意图；

图4为本发明中逆式排布的结构示意图；

图5为本发明中规整填料在塔内安装的剖面示意图；

图6为现有技术中具有防壁流圈的其他填料在塔内安装的剖面示意图。

图中：1、主丝，2、辅丝。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

本实施例中以去离子水为原料，进行重水分离，该体系具有较大的表面张力，可以普遍代表含水混合物的分离，分离采用内径为100mm的精馏塔。

缠绕丝线的主丝和辅丝材质分别采用304不锈钢和铜，主丝1和辅丝2的丝径分别为0.22mm和0.04mm，采用主丝1缠绕辅丝2的缠绕方式(参见图2)，主丝 1的螺距为0.28mm，丝网编织方法采用斜纹编织，逆式排布(参见图4)。丝网条片通过裁剪上述丝网制成，其水平方向两侧各宽度10mm的区域的编织目数为100 目，波纹丝网条片中部的编织目数为80目，丝网条片中部不开孔。

波纹丝网条片由上述丝网条片冲压出波纹制成，波纹的峰高为6.3mm，波距为10.2mm，边长为8.1mm，波纹的方向与竖直方向倾角为30°。

波纹丝网条片数量等于塔内径与峰高的比值的取整。规整填料由16片上述波纹丝网条片用1mm金属丝上下两处捆绑固定制成，每盘填料的高度为100mm，外径为100.8mm。安装时上下相邻的填料盘之间逆时针周向旋转90°。

上述填料经过测定，静持液量为3.5升/立方米填料，每米理论板为5.4块。(静持液量越大可以反映填料润湿性能越好，每米理论板越大可以反映填料分离能力越高。

实施例2

本实施例中以三氟氯乙烯和二氟氯乙烷的混合物为原料，进行三氟氯乙烯分离。该体系具有较低的粘度，可以普遍代表卤代烃的分离，尤其是碳5及以下氟氯代烃的分离，分离采用内径为300mm的精馏塔。

缠绕丝线的主丝1和辅丝2材质分别采用磷青铜和316L不锈钢，主丝1和辅丝2的丝径分别为0.35mm和0.03mm，采用主丝1辅丝2相互缠绕的缠绕方式(参见图1)，主丝1的螺距为0.78mm，丝网编织方法采用斜纹编织，顺式排布(参见图3)。丝网条片通过裁剪上述丝网制成，其水平方向两侧各宽度50mm的区域的编织目数为100目，波纹丝网条片中部的编织目数为80目。丝网条片中部不开孔。

波纹丝网条片由上述丝网条片冲压出波纹制成，波纹的峰高为4.3mm，波距为7.3mm，边长为5.6mm，波纹的方向与竖直方向倾角为45°。

波纹丝网条片数量等于塔内径与峰高的比值的取整。规整填料由70片上述波纹丝网条片用1mm金属丝上中下三处捆绑固定制成，每盘填料的高度为150mm，外径为301mm。安装时上下相邻的填料盘之间逆时针周向旋转15°(参见图5，点状阴影代表塔壁，斜线阴影代表防壁流区域)。

上述填料经过测定，静持液量为3.8升/立方米填料，每米理论板为7.6块。

实施例3

本实施例中以正庚烷和甲基环己烷的混合物为原料，进行正庚烷分离为例，该体系表面张力与粘度大小适中，可以普遍代表一般有机物的分离。分离采用内径为 500mm的精馏塔。

缠绕丝线的主丝1和辅丝2材质均采用316L不锈钢，主丝1和辅丝2的丝径均为0.3mm，采用主丝1缠绕辅丝2的缠绕方式，主丝1的螺距为0.35mm，丝网编织方法采用平纹编织，顺式排布。丝网条片通过裁剪上述丝网制成，其水平方向两侧各宽度30mm的区域的编织目数为70目，条片中部的编织目数为60目。丝网条片中部开直径为2mm的圆孔，孔与孔之间的中心距为20mm，孔呈正方形排布。

波纹丝网条片由上述丝网条片冲压出波纹制成，波纹的峰高为6.2mm，波距为10.2mm，边长为8.1mm，波纹的方向与竖直方向倾角为30°。

波纹丝网条片数量等于塔内径与峰高的比值的取整。规整填料由81片上述波纹丝网条片用1.5mm金属丝上中下三处捆绑固定制成，每盘填料的高度为200mm，外径为502mm。安装时上下相邻的填料盘之间逆时针周向旋转90°。

上述填料经过测定，静持液量为3.4升/立方米填料，每米理论板为5.8块。

对比例1

以实施例1作为对比参照，对比的丝网波纹填料参数为：采用丝径为0.22mm 的80目丝网，斜纹编织，丝网条片中部不开孔，峰高、波距、边长、倾角均与实施例1相同，波纹丝网条片数量为14片，具有防壁流圈，不计防壁流圈填料外径为88.2mm，填料层的分布结构(参见图6，点状阴影代表塔壁，斜线阴影代表防壁流区域)。

上述填料经过测定，静持液量为2.8升/立方米填料，每米理论板为4块。将实施例1中的规整填料与对比例1的填料相比，实施例1中填料的分离能力提升了 35.0％。

对比例2

以实施例2作为参照，对比的丝网波纹填料参数为：采用丝径为0.35mm的 80目丝网，斜纹编织，丝网条片中部不开孔，峰高、波距、边长、倾角均与实施例2相同，波纹丝网条片数量为68片，具有防壁流圈，不计防壁流圈填料外径为 292.4mm。

上述填料经过测定，静持液量为2.9升/立方米填料，每米理论板为4.9块。将实施例2中的规整填料与对比例2的填料相比，实施例2中填料的分离能力提升了 55.1％。

对比例3

以实施例3作为参照，对比的丝网波纹填料参数为：采用丝径为0.3mm的60 目丝网，斜纹编织，丝网开直径为2mm的圆孔，孔与孔之间的中心距为20mm，孔呈正方形排布。填料峰高、波距、边长、倾角均与实施例3相同，波纹丝网条片数量为78片，具有防壁流圈，不计防壁流圈填料外径为483.6mm。

上述填料经过测定，静持液量为3.1升/立方米填料，每米理论板为5块。将实施例3中规整填料与对比例3的填料相比，实施例3中填料的分离能力提升了16.0％。

对比例4

以去离子水为原料，进行重水分离为例。分离采用内径为100mm的精馏塔。

缠绕丝线的主丝1和辅丝2材质分别采用304不锈钢和铜，主丝1和辅丝2 的丝径分别为0.22mm和0.04mm，采用主丝1缠绕辅丝2的缠绕方式，主丝1的螺距为0.28mm，丝网编织方法采用斜纹编织，逆式排布。丝网条片通过裁剪上述丝网制成，其水平方向两侧各宽度10mm的区域的编织目数为100目，条片中部的编织目数为80目，丝网条片中部不开孔。波纹丝网条片由上述丝网剪裁后冲压出波纹制成，波纹的峰高为6.3mm，波距为10.2mm，边长为8.1mm，波纹的方向与竖直方向倾角为30°。

波纹丝网条片数量等于塔内径减去防壁流圈厚度后，与峰高的比值的取整。规整填料由14片上述波纹丝网条片用20mm宽的箍圈在上下两处固定制成，上箍圈外侧安装防壁流圈。每盘填料的高度为100mm，不计防壁流圈填料外径为88.2mm，计防壁流圈填料外径为100mm。安装时上下相邻的填料盘之间逆时针周向旋转90°。

上述填料经过测定，静持液量为3.2升/立方米填料，每米理论板为5.0块。将对比例4与对比例1相比，对比例4中填料的分离能力提升了25.0％。相较实施例 1可见，对比例4中的填料虽然采用了螺旋缠绕型双股丝线进行编织与密-疏-密结构的编织密度区域分布，但是由于防壁流圈的存在，导致气相的间隙流动，使其分离能力提升有限。

对比例5

以去离子水为原料，进行重水分离为例。分离采用内径为100mm的精馏塔。

采用丝径为0.22mm的斜纹编织的丝网，丝网条片通过裁剪上述丝网制成，其水平方向两侧各宽度10mm的区域的编织目数为100目，波纹丝网条片中部的编织目数为80目，丝网条片中部不开孔。波纹丝网条片由上述丝网条片冲压出波纹制成，波纹的峰高为6.3mm，波距为10.2mm，边长为8.1mm，波纹的方向与竖直方向倾角为30°。

波纹丝网条片数量等于塔内径与峰高的比值的取整。规整填料由16片上述波纹丝网条片用1mm金属丝上下两处捆绑固定制成，每盘填料的高度为100mm，外径为100.8mm。安装时上下相邻的填料盘之间逆时针周向旋转90°。

上述填料经过测定，静持液量为2.9升/立方米填料，每米理论板为4.4块。将对比例5与对比例1相比，对比例5中填料的分离能力提升了10.0％。相较实施例 1可见，对比例5中的填料虽然采用了密-疏-密结构的编织密度区域分布并紧贴塔壁，但不使用螺旋缠绕型双股丝线编织的丝网，润湿能力低，使其分离能力提升有限。

对比例6

以实施例1作为参照，对比的丝网波纹填料参数如下。

缠绕丝线的主丝1和辅丝2材质分别采用304不锈钢和铜，主丝1和辅丝2 的丝径分别为0.22mm和0.04mm，采用主丝1缠绕辅丝2的缠绕方式，主丝1的螺距为0.28mm，丝网编织方法采用斜纹编织，逆式排布。丝网条片通过裁剪上述丝网制成，编织目数为80目，丝网条片中部不开孔。波纹丝网条片由上述丝网剪裁后冲压出波纹制成，波纹的峰高为6.3mm，波距为10.2mm，边长为8.1mm，波纹的方向与竖直方向倾角为30°。

波纹丝网条片数量等于塔内径与峰高的比值的取整。规整填料由16片上述波纹丝网条片用1mm金属丝上下两处捆绑固定制成，每盘填料的高度为100mm，外径为100.8mm。安装时上下相邻的填料盘之间逆时针周向旋转90°。

上述填料经过测定，静持液量为3.0升/立方米填料，每米理论板为4.8块。将对比例6与对比例1相比，对比例6中填料的分离能力提升了20.0％，相较实施例 1可见，对比例6中的填料虽然采用了螺旋缠绕型双股丝线进行编织并紧贴塔壁，但由于未采用密-疏-密结构的编织密度区域分布，壁流仍无法有效导入填料，流向填料表面的液量降低，使其分离能力提升有限。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种规整填料，所述填料由多片波纹丝网条片捆绑固定而成，其中波纹丝网条片与水平面垂直，相邻波纹丝网条片平行设置，所述波纹丝网条片由丝网条片进行波纹冲压、裁剪而成，其特征在于，所述丝网条片由螺旋缠绕型双股丝线编织而成；

所述丝网条片为非均一编织密度结构，包括分别位于丝网条片两侧且宽度为a的高编织密度区域和位于丝网条片中部的低编织密度区域，构成密-疏-密结构的编织密度区域分布；

所述螺旋缠绕型双股丝线包括一条主丝（1）和一条辅丝（2），所述主丝（1）和所述辅丝（2）构成双螺旋缠绕构型或单螺旋缠绕构型。

2.根据权利要求1所述的一种规整填料，其特征在于，所述双螺旋缠绕构型中，所述主丝（1）与所述辅丝（2）相互螺旋缠绕，所述主丝（1）的螺距为主丝（1）丝径的2 ~4倍。

3.根据权利要求1所述的一种规整填料，其特征在于，所述单螺旋缠绕构型中，所述主丝（1）螺旋缠绕于所述辅丝（2）上，所述主丝（1）的螺距为主丝（1）丝径的1 ~5倍。

4.根据权利要求1所述的一种规整填料，其特征在于，螺旋缠绕型双股丝线的编织方法为平纹编织、斜纹编织或密纹编织中的一种；

在编织过程中，采用顺式排布或逆式排布；

当采用顺式排布时，相邻的主丝（1）之间的螺旋缠绕方向相同；

当采用逆式排布时，相邻的主丝（1）之间的螺旋缠绕方向相反。

5.根据权利要求1所述的一种规整填料，其特征在于，所述高编织密度区域的编织目数比低编织密度区域的编织目数多10目~50目。

6.根据权利要求5所述的一种规整填料，其特征在于，其中a为所装填塔内径d的5%~15%，且a不小于10mm。

7.根据权利要求1所述的一种规整填料，其特征在于，所述规整填料捆扎为圆柱体盘构型，每盘的外径为40mm~1000mm，每盘的高度为40mm~300mm，每盘含5片~500片丝网波纹条片。

8.一种规整填料层结构，其特征在于，所述规整填料层结构由权利要求1至7中任一项所述规整填料逐盘垂向堆叠而成，上下相邻填料中的波纹丝网条片呈15°~ 90°的相位差排布。

9.一种权利要求8中的规整填料层结构在物料分离中的应用，其特征在于，将所述规整填料层结构装填于分离塔的填料装填区域中，所述分离塔的塔径小于等于1000mm，所述物料的粘度小于0.6cP，或表面张力大于0.03N/m。

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