专利名称：塔填充单元的制作方法
技术领域：
本发明涉及某些类型的诸如用在化学处理中质量传递或热传递场合中的塔填充单元(packing element)。这些填充单元往往称为随机堆放的填充物，它们设计成具有大的表面积，以使气体与液体接触，同时尽可能减少塔内的气相压降。这些单元一般堆放入一垂直的塔内，并堆积到一比较深的深度。因此，在底部的诸单元有可能变形，或压扁，从而，使流过塔的阻力增加，并在塔内出现一个不希望有的诸压力梯度。
各单元不要套叠在一起也是重要的，因为这可能产生压力不均匀的局部区域，如果散布得较广的话，可能会引起塔内的严重的不均匀的压降和不均匀的性能。
因此，通常将塔填充单元设计成具有如下的结构，即在塔内使用过程受到压力的情况下，这种结构能够不在塔内形成某一取向和变形，同时还能提供畅通的结构和大的表面积。
上述类型的典型结构称为Pall圈和Raschig圈。如名字所暗示的，这些结构是圆筒形的，并设置有各种类型的内部凸出部分，以增加表面面积。这样的结构能够抵抗变形，但在某些使用场合中产生不希望有的压降。对于这样的使用，更畅通的结构诸如在专利USPP.4,303,599、4,333,892和4,576,763中所描述的那些是比较合用。这些结构基本上是弓形的金属片结构，具有一个或多个从弓形金属切割出的并在弓形内朝内弯的条状部分，以便形成一个与弓形的曲率相对的曲率，并在弓形的开口端之间形成一桥。这些桥接环主要是形成更多的液体通道和表面，并阻止诸单元“套叠”在一起。考虑到减轻重量同时不危及对压紧的抵抗能力，这样的结构逐步增加了复杂性。
目前已经发现，放在塔中形成某一取向的诸填充单元也是很有效的，只要它们的结构能够导致可以形成相当均匀的填充密度。现在已经发现了这样一种结构。本发明的诸填充单元在装入塔内时就形成某一取向，并且可以获得诸单元的有序密度，而不会产生大的压降。由于诸单元的内部结构，它们具有大的表面面积，液体/蒸气可以在较大的表面面积上进行接触。这种内部结构还会在某一取向被扰乱时防止套叠和在塔的诸部分内形成较多的无规则的填充。
发明概要本发明包括一无规则堆放的填充单元，这种填充单元有一总体形状为等边三角形的周边本体部分，且具有宽度和深度，这些宽度和深度尺寸是分别从顶点到在相对基体上的最近的点和沿单元的轴线测量的，其中宽度大于深度，周边本体部分内的空间被多个从本体部分侧边的内表面伸出的凸出部分所占据。
我们在这里把周边本体部分描述成为总体形状为等边三角形，但是，这里的等边三角形要包括三角形的内角与60°相差多达5°或甚至是10°的形状。此外，侧边朝内或朝外弯或诸顶点有些圆的形状也都包括在内，只要总体形状能够认得出是三角形就可以了。由于各种制造技术和材料的原因，形状与传统的等边三角形相背离基本上是不可避免的，这可以从下面要讨论的精确的实施例中清楚看出。
宽度和深度的相对比例最好是这样的，即宽度至少是深度的1.5倍，较好的是3倍，或更大。这样就能提高机率，即当该单元与许多其它类似的单元一起装入一塔内时，所形成的某一取向是基本上垂直的轴向。
在本体部分内延伸的凸出部分最好是连接三角形的周边本体部分的邻边的环的形式。这些环最好是均匀分布的，使每一对邻边被至少一个和最佳两个环所连接。
发明的详细说明周边本体部分的形状为管子，管子的轴向长度代表深度尺寸，垂直于轴线的横截面的总体形状是一等边三角形。最好沿管子两端部周边的至少一部分设置凸缘。如果结构是由可变形的材料制成，这样的凸缘就可以增加一定程度的刚度。在管子两端中间的管子周边周围设置可变形的肋形件，可以进一步增加这种刚度。这种肋形件可变形以在本体部分的里面或外面伸出。
还可以在周边本体部分中设置诸小孔，以促进流体沿周边本体部分的内表面或外表面流到本体部分的相对侧。
周边本体部分内的诸凸出部分可以是各个舌状件或连接三角形周边本体部分的邻边的环，或两者兼而有之。凡是有环凸出部分的地方，这些环凸出部分最好以不同尺寸的若干对(一个较大，一个较小)使用，连接诸对邻边。这样可以确保环与周边本体部分之间的空间较多地被这些凸出部分所占据。
当使用环凸出部分时，环与周边本体部分之间的空间还可以被形状为舌状的来自本体部分或最好是环本身的诸凸出部分所占据。
形成填充单元的材料可以是任何合适的材料，诸如金属(例如不锈钢)、塑料或陶瓷。当材料是金属时，通过切割周边本体部分或环状部分(如果有环的话)来形成形状为环和/或舌状的凸出部分，切割时，先切割出一适当的形状，然后将切割出的金属从切割处的平方变形以形成环或舌状件。
当材料是由塑料或陶瓷制成的挤压形状时，凸出部分最好是环，这些环最好彼此连接，以便使挤压出来的形状具有良好的抵抗压坏或变形的能力。
附图简要说明
图1是由金属制成的本发明单元的第一实施例的端视图，视点是沿着单元的轴线的。
图2是用挤压工艺制成的本发明的第二实施例的端视图。
图3示出了类似于图1所示的一个实施例。图中具有两部分3a和3b，它们示出了当三个相连的单元的自由端连接在一起时，本发明的结构是怎样由三个连接的单元(图3a所示)构造而成的。
图4是一曲线图，即四个不同填充单元(三个已有技术的单元，第四个是本发明的单元)的每理论高度的金属使用率相对于能力系数的曲线图。
图5是一曲线图，即与图4相同的四个元件的每理论高度的表面面积使用率相对于能力系数的曲线图。
较佳实施例的详细说明下面结合附图描述本发明，需要理解的是，描述具体的实施例不能被认为是对本发明基本范围的任何限制。
在图1中，示出了一单元的端视图，该单元包括一基本上为管状的周边本体部分1，沿该管子轴线的横截面基本上是一等边三角形，由于在管子的轴向端部具有凸缘2，所以在本体任何部分的横截面基本上为U形。
单元由薄金属制成，从周边本体部分上割出诸金属条，并在三角形管状本体内使它们变形，连接三角形的邻边，在环与三角形管状本体部分的一个角之间构成一环空间，这样就形成了诸主环3。再从每一个环中割出两组成对的金属舌状件4，并加以变形以伸入环的空间内。
图2示出了一种结构，这种结构尤其适合用挤压工艺生产本发明的单元，例如用陶瓷材料。
该图示出了一挤压单元10的端视图，该挤压单元10包括一个具有诸环的基本为三角形的管状本体部分11，这些环连接三角形的相邻边，并在环与本体部分之间围成诸空间，以在单元内提供可通过的通道。这些环由在一公共点15相交的诸肋形件14相连。
图3示出了一种用很容易获得的已有技术的填充单元来制造本发明单元的方法。图3a示出了三个并排放置的无规则填充单元的端视图。每一个包括一弓形的本体部分21，并从本体部分21上割出诸环22，这些环22通过变形离开本体部分的平面，以在弓形本体部分与环之间构成一空间，从环割出的诸舌状件23伸入所形成的空间中。每个弓形本体部分设置凸缘24，以使本体部分在其长度的大部分上具有U形的横截面。
图3b示出了通过焊接25连接在一起的这三个弓形本体部分，由此使诸单元成为一整体的结构，该结构除了在每一由环和三角形管状本体部分的角构成的空间内只有一对舌状件和在管状本体部分的端部周围的凸缘是中断的之外，其余类似于图1所示的结构。
如图3b所示的可以连接起来的各个填充单元可以是任何本领域中众所周知的那些单元，以及经过明显改变的一些单元。这些单元包括在USPP 4,303,599、4,333,892和4,576,763中所描述的结构。
可以使用一种简单焊接技术，或用一个另外的连接件通过闩锁、焊接、铜焊或栓接技术连接两个单元，来使诸单元连接起来。
将本发明的填充单元可与熟悉的市场上的填充单元作了比较。市场上的单元是Hy-Pak(金属填充圈)、Intalox(金属的塔填充物)和金属的Pall圈，每一种都有各种尺寸。Hy-Pak和Intalox是诺顿公司的注册商标，三种类型的填充单元都可以从诺顿化学工艺产品有限公司购得。
图4和5所示的曲线图示出了三类各种尺寸的已有技术的填充单元，并将它们与本发明的金属填充单元的一个样品作了比较。如图3所示这是通过将三个Intalox连接在一起制成的，诸金属塔填充单元形成一个具有基本为三叶形的结构。
两个曲线图中的水平轴都是能力系数，它是对在一给定操作中获得规定分离程度所需的物料通过量的一个量度，因此，它是对含有诸单元的塔的能力的一种量度。能力系数(capacity factor)越大，单元的性能越好。
图4中垂直轴“Hetp(理论塔板的当量高度)×金属使用率(Metal Usage)”表示每单位塔横截面面积的每理论高度的金属使用率。“理论高度”是获得额定分离程度理论上所需的塔的高度(对于一给定的过程，它是恒定不变的)。因此，垂直轴线标出了使用金属的效率的倒数。因此，标在垂直轴上的数值越低，填充的性能越好。因此，在图4中，最理想的产品是在垂直轴上的数值低和水平轴上的数值高的那些。如所看到的，本发明的填充单元的金属使用率在所评价的所有产品中是最有效的，这意味着获得给定分离所需的填充单元的重量比最近市场上的已有技术的填充材料的一半重量还要轻。结果是不言而喻的，即可预见对诸单元的成本和包含诸填充单元的塔的设计是有利有，具体地说，使用本发明的单元时，较低部分的单元只有在达到一定的深度才会严重变形。
在图5中，垂直轴是产生一个理论高度所需的填充单元表面面积(每单位的塔横截面面积)。因此，垂直轴上的数值越低，填充单元的效率越高。沿水平轴标出的能力系数与出现在上述的图4中的相同。因此，最好的单元又是那些出现在朝曲线图右面的较下面的区域中的单元。这里，某些已有技术的填充单元也有较好的数值，但参阅图4可知，这是以较重的重量为代价获得的。这在包含这种填充单元的塔的设计中是一种很大的限制。
权利要求
1．一种无规则堆放的填充单元，这种填充单元有一总体形状为等边三角形的周边本体部分，它具有分别从顶点到在相对基体上的最近的点和沿单元的轴线测量的宽度和深度，其中宽度大于深度，周边本体部分内的空间被多个从本体部分侧边的内表面伸出的凸出部分所占据。
2．如权利要求1所示的填充单元，其特征在于，宽度至少是深度的1.5倍。
3．如权利要求1所示的填充单元，其特征在于，诸凸出部分包括连接三角形本体部分的诸邻边的环，从而在单元内部的每一环与本体部分的由环相连的诸侧边之间构成可以通过的通道。
4．如权利要求3所示的填充单元，其特征在于，填充单元由陶瓷原料或塑料制成，其中诸环连接每一对邻边，这些环本身又被肋形件相连。
5．如权利要求1所示的填充单元，其特征在于，单元由金属制成。
6．如权利要求3所示的填充单元，其特征在于，这些环设置有从环伸出并进入环与本体部分之间的空间的舌状件。
7．一种制造无规则堆放的填充单元的方法，方法包括a)提供三个类似的无规则堆放的填充单元，每一个包括一弓形本体部分和从所述本体部分伸入弓形内部空间的诸凸出部分；b)将所述各个单元安排成一个弓形本体部分的每一端与另一个不同单元的弓形本体部分的一端相邻；以及c)刚性地连接每一对相邻端，以形成一整体结构，使该结构具有一总体形状为等边三角形的周边本体部分。
全文摘要
塔填充单元(1)包括一横截面基本为三角形的管状本体部分(2),单元内具有从本体部分的内表面延伸的诸凸出部分(3)。管状本体部分的轴向长度小于从三角形的顶点到相对边的最近点的宽度。
文档编号B01J19/30GK1221356SQ97195327
公开日1999年6月30日 申请日期1997年7月16日 优先权日1996年7月29日
发明者T·D·科什 申请人:诺顿化学工艺产品有限公司