适应粘性吸收剂的有壁与无壁液膜交替的规整填料

摘要

本发明涉及一种适应粘性吸收剂的附壁膜与自由膜交替共存的垂直板规整填料，主要有液体收集-初分布件，液体均布件，结构化固体壁面以及多种形状的孔洞组成；其特征是：当喷淋下落的液体流经填料时，先进入液体收集-初分布件实现液体的初始分布，接着进入液体均布件，实现液体的膜式均匀分布。下降的液膜进入壁面以及孔洞相交替的流道与并流或逆流运动的气体相接触。由于液体流动通道的规则性，可使粘稠性液体顺利流过通道而不致发生起沫、乳化及堵塞现象，大大增加了对操作流体粘度的适应性。自由膜的特殊流动行为及其与附壁膜的相互作用，显著提高粘稠吸收剂的传质性能。

说明书

技术领域

本发明涉及分离塔的填料，具体地说，是一种可实现粘性流体高效操作 并能防堵塞的规整填料。

背景技术

规整填料因其具有高分离效率、高通量、低压降等一系列优点，在分离领 域一直占有重要位置。然而，现有的波纹规整填料普遍要求吸收液的粘度要 低，否则将无法正常使用。究其原因，波纹通道提供的是“Z”字形流道，当 气液两相在转折点处逆流流动时，需实现快速分离，这样才能保持流道的畅 通，保证吸收的效率。当吸收剂粘度较低时，可以满足上述要求，然当吸收 剂粘度增加时，往往会出现气体在液层内滞留，发生乳化，进而产生泡沫， 使得压降急剧上升，传质明显恶化。因此，为保证吸收的顺利进行，目前对 于高粘度吸收剂普遍采用低粘溶液(如水)稀释的办法来降低吸收剂粘度。

然而，在某些情况下吸收剂粘度的增加又有着重大的现实意义。以CO₂吸收为例，醇胺类吸收剂随着浓度的增加，其粘度也逐渐增大，但其对CO₂的溶解度以及相对吸收速率也随之增加。表1为CO₂溶解度及吸收速率随N- 甲基二乙醇胺(MDEA)浓度及粘度的变化关系。

表1  CO₂溶解度与吸收速率与MDEA溶解度之间的关系

此外，值得一提的是，吸收剂的浓度增加，单位体积吸收剂的吸收容量随 之加大，因而其用量可相应减少，其投资成本以及后续的解吸操作成本将大 幅减少。

离子液体作为绿色化学的代表之一，在气体分离领域广受关注，研究价 值和应用潜力显著。众多研究表明离子液体具有良好的吸收和分离CO₂性能， 然而离子液体的粘度较普通有机溶剂高2～3个数量级，高粘度是限制其在传 统传质设备中应用的主要原因之一，但是对于本专利的有壁支承和无壁支承 的附壁膜与自由膜交替共存的垂直板规整填料来讲，恰恰需要吸收剂具有一 定的粘度，因此，离子液体作为吸收CO₂的良好吸收剂，将在本规整填料中 具有良好的应用前景。

综上所述，粘性吸收在某些情况下存在着显著的经济效益，然波纹型规整 填料难以实现高粘介质的有效操作，若要拓宽规整填料对液体粘度的适应性， 就需要对波纹结构做出根本性调整。早在1925年，美国专利号1561044就公 开了一种垂直板规整填料的结构，其基本构成为一平直单片，在单片上开有 距离不等、方向各异的方槽，来增强气液两相的接触。在1936年美国专利号 2042127公开的一种垂直板规整填料中，提出了相邻两层填料采取折片式的安 装方式，一方面保证了上下两层填料片的紧密接触，可使得液膜能够顺利地 流经上下两层填料，有效地避免了液体在两盘间的损失。此外，由于折片式 安装使得每片填料上端形成一个“V”型液体收集槽，可使液体在槽内积聚， 最终成膜式均匀流下。此外，美国专利号US5975503以及US6325360B1提到， 波纹规整填料上的波纹、折叠、开槽等结构与垂直方向以及塔的轴线方向成 一定的角度，这样会导致填料表面液体分布不均，为此提出了一种带有舌形 突起结构的垂直板规整填料。与之前的垂直板填料相比，舌形突起结构在相 邻两填料片之间构成“桥梁”，使得两填料片间的液体可实现互通，加强了填 料层液体的径向混合。

通过液膜流动形态或流动方向反转强化传质，近年来已成为新型规整填料 开发的一个重要方向。中国专利申请号200910668166.6公开的“方孔型开槽 导流式规整填料”，该波纹规整填料能够起到液膜导流和液膜湍动强化的双重 作用。中国专利申请号200920221677.2公开的“一种新型波纹规整填料”，通 过在板波纹填料片的板面和棱线处开设矩形孔洞，使填料片两侧液体交换流 动，将原本处于填料片一侧层流底层的液体换至另一侧表面，从而提高了传 质效率。中国专利申请号200810052976.8公开的“一种新型筛孔网板波纹填 料”，采用一定结构的网孔并控制液体初始分布，加剧气液界面湍动程度，提 高传质效果。

上述专利从改进液体分布、强化液相湍动、液膜两侧利用等诸多方面调整 填料结构，改善填料性能，但是并未改变波纹填料的整体宏观结构，并未提 出利用两类液膜行为差异强化传质，因而粘性吸收剂的使用受到限制。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种适应粘性吸收剂的有壁支承与无壁支承液膜 交替共存的垂直板规整填料，用以拓宽吸收剂的粘度范围，同时借两类膜的 相互作用提高分离效率，增加通量，降低压降，并且可有效地提高填料的抗 堵塞性能。

为达到上述目的，本发明是通过下述方案来实现的：

一种适适应粘性吸收剂的有壁与无壁液膜交替的规整填料，其特征在于， 由液体收集-初分布件，液体均布件，结构化固体壁面以及孔洞组成。

采用整体加工或者先加工成各个部件，再经组装而成；将相邻两垂直板填 料平行排列，采用带箍、金属带或金属丝紧固件将它们组装成盘。

相邻两层填料片的安装方法采用插片法，即在每个填料片的上下边缘按照 装配要求加工有若干凹槽，凹槽宽度为0.5～2mm，凹槽深度为4～10mm。

所述的液体收集-初分布件为一“W”型狭槽，填料两面的槽深及槽宽加工 成相同或不相同，槽深为填料盘高的1/25～1/10，以1/20～1/15最佳，槽宽为 相邻填料片距离的1/8～1/4。

所述的液体均布件为直径为1～5mm的圆形或半圆形突起结构，优选直径 尺寸范围为2～3mm，其加工方式可由填料片经延压而成，液体均布件个数为 2～6个，相邻两个之间的距离为5～20mm。

所述的固体壁面设有微结构，亦为光滑表面。

所述的固体壁面上开有不同形状孔洞，其当量直径10～150mm；开孔率 可达20～80％。

所述的舌形突起结构在填料片上规则排列；舌形突起结构先在板片上开出 矩形槽，再由矩形槽折叠而成，也或者直接冲压而成。

根据液体成膜性的需要在无壁孔洞内加工直径为0.2～2mm的液体导流 杆及分流杆。

一种适应粘性吸收剂的有壁支承与无壁支承液膜交替共存的垂直板规整 填料，主要有结构化固体壁面与无壁孔洞共存的垂直板片构成，壁面区与无 壁孔洞区交替，壁面区是无壁孔洞区成膜的预分布，它们的结构、位置、面 积彼此协调，防止壁面干区和孔洞表面自由膜破裂。此外还有液体收集-初分 布件，液体均布件，结构化固体壁面(壁面微结构和舌形突起结构)；其特征 是：当喷淋下落的液体流经填料时，先进入液体收集-初分布件实现液体的初 始分布，接着进入液体均布件实现液体的膜式均匀分布，均匀下降的液膜进 入壁面以及无壁孔洞相交替的流道与并流或逆流运动的气体相接触，实现相 际传递操作。由于流经填料的液膜存在自由膜和附壁膜的交替，促进了液体 混合；另一方面由于自由膜没有壁面的阻滞，其运动速度更快，液膜更薄， 进而使得自由膜与附壁膜交替的过程中产生了一定的速度梯度，增强湍动， 上述两方面的协同作用有效地增强了相际传质，特别适用于粘稠液体/气体间 的质量传递。

所述的液体收集-初分布件为一“W”型狭槽，填料两面的槽深及槽宽可根 据操作需要加工成相同或不相同，槽深为填料盘高的1/25～1/10，以1/20～1/15 最佳，槽宽为相邻填料片距离的1/8～1/4。液体收集-初分布件可与填料整体 加工，也可单独加工后再与填料片组装。狭槽壁面结构可根据需要加工成实 体壁面或者多孔壁面。

所述的液体均布件为直径为1～5mm的圆形或半圆形突起结构，优选直径 尺寸范围为2～3mm，其加工方式可由填料片经延压而成，液体均布件个数可 根据物性以及操作条件的需要有所变动，一般为1～4个，相邻两个之间的距 离为5～20mm。对于成膜性要求较高的壁面与无壁孔洞交替存在的垂直板规 整填料，该液体均布件的设置具有重要作用，有效的防止沟流发生，促进液 体在壁面铺展，同时液体在此处得到了混合再分布。

所述的结构化固体壁面有一定的微结构如小波纹、表面刻条纹、凸纹、凹 槽等，亦可为光滑表面，以改善填料的润湿性能，促进液膜湍动，提高传质。 舌形或类似突起结构作为结构化固体壁面的一部分，可以促进相邻两填料片 间液体的交换，增强液体的径向混合。

所述的固体壁面与无壁孔洞相交替的填料片，固体壁面占填料总面积的比 例可根据吸收剂物性以及操作条件的需要，在20％～80％的范围内调整。另 外无壁孔洞的形状、尺寸、相对位置亦可根据吸收剂物性及传质特性进行设 计。但是，固体壁面与无壁孔洞必须交替共同存在并呈一定分布，而且二者 所占比例大致相当。这类结构的作用原理与壁上开小直径、开孔率很低的波 纹板完全不同。

所述的无壁孔洞，可根据液体成膜性的需要在无壁孔洞内加工直径为 0.2～2mm的液体导流杆及分流杆，以改善孔洞的成膜性。孔洞占填料总面积 的比例可根据吸收液物性以及操作条件的需要，在20％～80％的范围内调整。

上述一种适应粘性吸收剂的有壁支承与无壁支承液膜交替共存的垂直板 规整填料可用各种金属板片制成，也可使用塑料或陶瓷材料加工而成。

本发明的实现方法，可采用整体加工，也可先加工成各个部件，再经组装 而成。然后根据实际安装对填料盘尺寸的要求，将相邻两垂直板填料平行排 列，采用带箍、金属带或金属丝等紧固件将它们组装成盘。相邻两层填料片 的安装方法采用插片法，即在每个填料片的上下边缘按照装配要求加工有若 干一定深度凹槽，凹槽宽度为0.5～2mm，凹槽深度为4～10mm，插片安装法 可使得填料片层与层之间的接触更为紧密，相邻两盘填料可成90°安装，也 可成其它角度。较美国专利2042127公开的垂直板规整填料折片法安装，本 专利安装方法盘与盘间气体流动阻力较小。

本发明在垂直板规整填料的基础上，通过自由膜和附壁膜两种液膜的交替 变换来强化粘性液体的相际传质。与以往的规整填料相比，本发明显著拓宽 了吸收液的粘度范围，同时提高分离效率，增加通量，降低压降，并且可能 有效地解决填料的壁流效应，提高填料的抗堵塞性能。

附图说明

图1为本发明单片填料的结构正视图；

图2为本发明单片填料的结构侧视图；

图3(a)-(b)为舌形突起结构放大图；

图4为本发明填料相邻两层的插片法组装示意图；

图5为折片法组装示意图。

附图中的标记为：1液体收集-初分布件，2液体均布件，3舌形突起结构， 4导流杆，5无壁孔洞区，6分流杆，7固体壁面。

具体实施方式

本发明的结构为：一种适应粘性吸收剂的有壁支承与无壁支承液膜交替共 存的垂直板规整填料，主要有结构化固体壁面与无壁孔洞共存的垂直板片构 成，壁面区与无壁孔洞区5交替，壁面区是无壁孔洞区成膜的预分布，它们 的结构、位置、面积彼此协调，防止壁面干区和孔洞表面自由膜破裂。此外 还有液体收集-初分布件1，液体均布件2，结构化固体壁面3(壁面微结构和 舌形突起结构)；其特征是：当喷淋下落的液体流经填料时，先进入液体收集 -初分布件实现液体的初始分布，接着进入液体均布件实现液体的膜式均匀分 布，均匀下降的液膜进入壁面以及无壁孔洞相交替的流道与并流或逆流运动 的气体相接触，实现相际传递操作。由于流经填料的液膜存在自由膜和附壁 膜的交替，促进了液体混合；另一方面由于自由膜没有壁面的阻滞，其运动 速度更快，液膜更薄，进而使得自由膜与附壁膜交替的过程中产生了一定的 速度梯度，增强湍动，上述两方面的协同作用有效地增强了相际传质，特别 适用于粘稠液体/气体间的质量传递。

所述的液体收集-初分布件为一“W”型狭槽，填料两面的槽深及槽宽可根 据操作需要加工成相同或不相同，槽深为填料盘高的1/25～1/10，以1/20～1/15 最佳，槽宽为相邻填料片距离的1/8～1/4。液体收集-初分布件可与填料整体 加工，也可单独加工后再与填料片组装。狭槽壁面结构可根据需要加工成实 体壁面或者多孔壁面。

所述的液体均布件为直径为1～5mm的圆形或半圆形突起结构，优选直径 尺寸范围为2～3mm，其加工方式可由填料片经延压而成，液体均布件个数可 根据物性以及操作条件的需要有所变动，一般为1～4个，相邻两个之间的距 离为5～20mm。对于成膜性要求较高的壁面与无壁孔洞交替存在的垂直板规 整填料，该液体均布件的设置具有重要作用，有效的防止沟流发生，促进液 体在壁面铺展，同时液体在此处得到了混合再分布。

所述的结构化固体壁面有一定的微结构如小波纹、表面刻条纹、凸纹、凹 槽等，亦可为光滑表面，以改善填料的润湿性能，促进液膜湍动，提高传质。 舌形或类似突起结构3作为结构化固体壁面的一部分，可以促进相邻两填料 片间液体的交换，增强液体的径向混合。

所述的固体壁面与无壁孔洞相交替的填料片，固体壁面占填料总面积的比 例可根据吸收剂物性以及操作条件的需要，在20％～80％的范围内调整。另 外无壁孔洞的形状、尺寸、相对位置亦可根据吸收剂物性及传质特性进行设 计。但是，固体壁面与无壁孔洞必须交替共同存在并呈一定分布，而且二者 所占比例大致相当。这类结构的作用原理与壁上开小直径、开孔率很低的波 纹板完全不同。

所述的无壁孔洞，可根据液体成膜性的需要在无壁孔洞内加工直径为 0.2～2mm的液体导流杆6及分流杆7，以改善孔洞的成膜性。孔洞占填料总 面积的比例可根据吸收液物性以及操作条件的需要，在20％～80％的范围内 调整。

上述一种适应粘性吸收剂的有壁支承与无壁支承液膜交替共存的垂直板 规整填料可用各种金属板片制成，也可使用塑料或陶瓷材料加工而成。

本发明的实现方法，可采用整体加工，也可先加工成各个部件，再经组装 而成。然后根据实际安装对填料盘尺寸的要求，将相邻两垂直板填料平行排 列，采用带箍、金属带或金属丝等紧固件将它们组装成盘。相邻两层填料片 的安装方法采用插片法，即在每个填料片的上下边缘按照装配要求加工有若 干一定深度凹槽，凹槽宽度为0.5～2mm，凹槽深度为4～10mm，插片安装法 可使得填料片层与层之间的接触更为紧密，相邻两盘填料可成90°安装，也 可成其它角度。较美国专利2042127公开的垂直板规整填料折片法安装，本 专利安装方法盘与盘间气体流动阻力较小。

实施例1

氧解吸实验，液体粘度约1mPa.s，塔径190mm，所用填料为本发明的平 直通道垂直板规整填料，填料比表面积为250m²/m³，填料层高度500mm，填 料盘高125mm，每片填料上液体收集-初分布件的槽宽为3mm，槽深为8mm， 液体均布件个数为2，间距为15mm，孔洞比例占填料总面积的25％。舌形突 起结构的宽度为8mm，长度为20mm，个数为4，靠近填料片的四个角呈均匀 分布。液体喷淋密度为10～38m³/(m².h)。得到平均理论板数为3～4块/m，与 相同比表面积波纹填料2～3块/m相比，大大提高了分离效率。此外，相同实 验条件下的单位填料高度压降仅为波纹填料的1/2～2/3，有效地降低了操作能 耗。

实施例2

甘油水溶液冷模实验，液体粘度为17mPa.s。填料塔尺寸及填料参数如实 施例1。液体喷淋密度为10～30m³/(m².h)。在15m³/(m².h)，22m³/(m².h)，30 m³/(m².h)的喷淋密度下，在正常操作范围内，平直通道垂直板规整填料的平均 压降分别仅为丝网波纹填料的54.4％，39.6％，25.5％，为塑料波纹填料的 31.5％，16.2％，6.21％。平直通道垂直板规整填料的泛点F因子分别为丝网波 纹填料的2.48，1.57，1.50倍，为塑料波纹填料的2.48，1.57，1.50倍，对比 可见本发明效果明显。

实施例3

高粘(浓)度二乙醇胺(DEA)水溶液吸收CO₂对比实验。在气体吸收 装置内，对2块测试板进行了质量分数为5％～63％，相应粘度为1.1～25.3mPa.s 的二乙醇胺(DEA)溶液吸收体积分数为15％～45％CO₂对比实验。两板材 质均为厚度为0.2mm的304型不锈钢板，两板气液接触总面积均为 2*100*600mm，测试板1为实体板，测试板2为本发明专利提出的平直通道 垂直板规整填料片，即在板1的基础上开有3个80*80mm的孔洞，相邻孔洞 间距为60mm。为保证吸收液流经孔洞时实现稳定成膜且液体分布均匀，孔洞 区域内焊有直径为0.1mm，间距为6mm的竖直方向的导流杆和水平方向的分 流杆。吸收液喷淋密度为30～60m³/(m².h)。实验结果表明，在喷淋密度为30 m³/(m².h)的实验条件下，当DEA(wt％)≤30％(μ≤3.3mPa.s)，测试板2的液 相传质系数k_L较板1平均提高30％-40％，当DEA(wt％)≥40％(μ≥5.8mPa.s) 时，测试板2的液相传质系数k_L较板1平均提高60％-70％，甚至大于100％。 在喷淋密度为60m³/(m².h)的实验条件下，当DEA(wt％)≤30％(μ≤3.3mPa.s)， 测试板2的液相传质系数k_L较板1平均提高15％-30％，当DEA(wt％)≥40％ (μ≥5.8mPa.s)时，“测试板2的液相传质系数k_L较板1平均提高45％-55％， 最高可达70％。本实施例充分显示了孔洞与固体壁面相交替的流道结构相比 于单一固体壁面结构的优越性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普 通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰， 这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围内。