專(zhuān)利名稱(chēng)：泡沫陶瓷環(huán)形填料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種化工傳質(zhì)設(shè)備填料，尤其是用于煉油、石油、化工、精細(xì)化工、環(huán)保等設(shè)備中的填料塔裝置中，氣—液與液—液傳質(zhì)設(shè)備的陶瓷填料。
背景技術(shù)：
填料是化工氣液傳質(zhì)設(shè)備中的核心組成部分，其作用主要是為氣液或液液兩相提供充分的接觸面，強(qiáng)化兩相間的傳質(zhì)或傳熱過(guò)程。填料的結(jié)構(gòu)和性能對(duì)填料塔的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)具有決定性的影響，它是一種面廣量大的產(chǎn)品，具有重大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。
填料塔中廣泛實(shí)用的散堆填料可分為實(shí)體填料和網(wǎng)體填料兩大類(lèi)。網(wǎng)體填料由金屬絲制成的，結(jié)構(gòu)開(kāi)放，比表面積大，流體力學(xué)性能和傳質(zhì)性能好，由于采用金屬為材質(zhì)，存在著制造所耗材料成本高，易受腐蝕、易堵塞等缺點(diǎn)。
實(shí)體填料主要有環(huán)形填料、鞍型填料等。其材質(zhì)可以采用金屬、塑料和陶瓷。陶瓷具有耐腐蝕、價(jià)格低廉、潤(rùn)濕性好、熱穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，但其加工性能差，只能做成簡(jiǎn)單形狀，與其它材質(zhì)的填料相比，比表面積和空隙率都比較小，流動(dòng)阻力大，傳質(zhì)性能較差，其應(yīng)用受到了一定的限制。與本發(fā)明較為接近的現(xiàn)有陶瓷填料是拉西環(huán)、鮑爾環(huán)和環(huán)矩鞍填料。拉西環(huán)為實(shí)體填料，填料之間的接觸基本為線(xiàn)接觸，容易形成積液，成為傳質(zhì)死區(qū)，同時(shí)，由于環(huán)內(nèi)空洞，環(huán)外的線(xiàn)接觸容易堵死氣、液相流動(dòng)路線(xiàn)，形成溝流，使得液體分布不均勻，尤其是填料橫放時(shí)，環(huán)的內(nèi)表面不容易被潤(rùn)濕。研究者們?cè)诶鳝h(huán)的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，開(kāi)發(fā)出了十字環(huán)、內(nèi)螺旋環(huán)等，1948年德國(guó)出現(xiàn)了被稱(chēng)為第二代產(chǎn)品的鮑爾環(huán)(Pall Ring)填料，鮑爾環(huán)是在拉西環(huán)的側(cè)壁開(kāi)制兩層扁平矩形窗口，上、下窗口呈交錯(cuò)排列，沖出的矩形片保留在環(huán)內(nèi)并圍聚于環(huán)中心。環(huán)壁開(kāi)孔溝通了鮑爾環(huán)填料的內(nèi)外表面，增大了填料的有效潤(rùn)濕面積，促進(jìn)了液相的分散與凝聚，提高了傳質(zhì)效率，開(kāi)始了壁上開(kāi)孔、環(huán)內(nèi)帶有舌片的環(huán)形填料的新紀(jì)元。許多研究者認(rèn)為，環(huán)型填料的高徑比將對(duì)填料的性能產(chǎn)生一定的影響。高徑比減小，環(huán)體趨扁，填料重心下降，臥置在床層中的幾率減小，而臥置填料的阻力最大。1978年出現(xiàn)的金屬環(huán)矩鞍填料，該填料巧妙地將環(huán)型結(jié)構(gòu)和鞍型結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起，既有類(lèi)似于開(kāi)孔環(huán)型填料的圓環(huán)、環(huán)壁開(kāi)孔和內(nèi)伸的舌片，鞍形兩側(cè)的翻邊與兩端下部的齒形結(jié)構(gòu)共同增加了填料間的點(diǎn)接觸，使填料間的空隙率得以增大，液體匯聚和分散點(diǎn)增多，有利于液體在填料表面的分布和促進(jìn)液體表面更新，使得填料的通量增大，壓降減小。環(huán)矩鞍填料集開(kāi)槽填料鮑爾環(huán)、鞍型填料、低高徑比填料階梯環(huán)三者的優(yōu)點(diǎn)于一身，具有優(yōu)良的綜合性能，被認(rèn)為是散堆填料的一個(gè)突破，成為散堆填料第三代產(chǎn)品的代表。
在此基礎(chǔ)上涌現(xiàn)出各種新型散堆填料如各種扁環(huán)填料、共軛環(huán)填料等，但各種改進(jìn)型散堆填料仍為實(shí)體填料，堆積時(shí)填料之間存在著面接觸或線(xiàn)接觸，導(dǎo)致孔隙率小、氣液通道面積小，造成傳質(zhì)分離過(guò)程中壓降大、通量低以及傳質(zhì)傳熱效率低等問(wèn)題，由于結(jié)構(gòu)不夠開(kāi)放，液體重新分布的性能差，對(duì)傳質(zhì)不利，還存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜制作成本高等缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有的陶瓷填料之間存在著面接觸或線(xiàn)接觸，空隙率低、比表面積小、堆積密度大、阻力大、傳質(zhì)效率低等不足，提供一種結(jié)構(gòu)開(kāi)放、堆積密度小、空隙率大、比表面積大，傳質(zhì)效率高的泡沫陶瓷環(huán)形填料。
本發(fā)明的目的通過(guò)以下措施達(dá)到采用一種泡沫陶瓷環(huán)形填料，由圓環(huán)體和圓柱型空腔組成，圓環(huán)體由具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的泡沫陶瓷構(gòu)成。也就是說(shuō)泡沫陶瓷扁環(huán)填料是一個(gè)內(nèi)部為圓柱型空腔的圓環(huán)體。以D表示泡沫陶瓷扁環(huán)填料的直徑，也即圓環(huán)體的外徑；d為圓柱型空腔的直徑，也即圓環(huán)體的內(nèi)徑；H表示填料的高，也即圓環(huán)體的高。泡沫陶瓷環(huán)形填料采用孔徑為2mm～5mm的泡沫陶瓷為基材，加工成直徑為D、高度為H的圓柱體，并在圓柱體的中部開(kāi)直徑為d的空腔。
泡沫陶瓷扁環(huán)填料的各部分結(jié)構(gòu)尺寸關(guān)系的最佳值為高徑比HD=0.3~0.6;]]>內(nèi)外徑比dD=0.4~0.8]]>本發(fā)明的填料的圓環(huán)體采用泡沫陶瓷為基材，其具有獨(dú)特的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，類(lèi)似于復(fù)合板網(wǎng)填料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，這些小孔與填料表面相通，使填料空隙率達(dá)到91％～94％，比表面積大，堆積密度小。
本發(fā)明的填料結(jié)構(gòu)是中間為空腔的圓環(huán)形，這樣的填料，結(jié)構(gòu)開(kāi)放，增加填料得孔隙率，同時(shí)可提高傳質(zhì)的表面積，加劇連續(xù)相的湍動(dòng)和使分散相具有更均勻的液滴直徑，有效提高填料塔的傳質(zhì)效率，改善氣液接觸和液膜的表面更新，減少流動(dòng)阻力及提高傳質(zhì)性能。
填料結(jié)構(gòu)采用高徑比0.3～0.6的較低高徑比形狀，縮短了流體穿過(guò)每個(gè)填料的運(yùn)動(dòng)距離，降低填料的阻力降，加強(qiáng)表面潤(rùn)濕性能，有效地抑制兩相的非流體流動(dòng)，進(jìn)一步提高填料的處理能力和傳質(zhì)效率。
泡沫陶瓷是一種造型上像泡沫的多孔陶瓷，它是繼普通多孔陶瓷、蜂窩多孔陶瓷之后發(fā)展起來(lái)的第三代多孔陶瓷產(chǎn)品，采用軟質(zhì)泡沫塑料為基材，加工成所需形狀、尺寸，灌注或浸漬陶瓷漿料，在高溫下燒結(jié)而成。泡沫陶瓷的氣孔率高達(dá)70％～90％，具有三維連通孔道，其形狀、孔尺寸、滲透性、表面積及化學(xué)性能均可進(jìn)行適度調(diào)整變化，制品就像是“被鋼化了的泡沫塑料”或“被磁化了的海綿體”。因其具有空隙率大、特殊而復(fù)雜的空腔、很高的比表面積和獨(dú)特的物理表面特性，對(duì)液體合氣體介質(zhì)有選擇透過(guò)性，并具有能量吸收合阻尼特性及陶瓷材料本身特有的耐高溫、耐腐蝕，高化學(xué)穩(wěn)定性和尺寸穩(wěn)定等特點(diǎn)，引起了材料界的高度重視。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明填料兼?zhèn)淞私饘俳z網(wǎng)填料和環(huán)形填料的優(yōu)點(diǎn)。具有成本低、結(jié)構(gòu)開(kāi)放、堆積密度小、空隙率大等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，有利于提高填料的傳質(zhì)效率、降低流動(dòng)阻力。


圖1為本發(fā)明填料的俯視圖。
圖2為圖1的A-A剖視圖。
實(shí)施方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。
實(shí)施例1采用Ф25mm的泡沫陶瓷環(huán)形填料，圓環(huán)體(1)的泡沫陶瓷孔徑為2mm，內(nèi)部空腔(2)直徑為10mm，填料高度7.5mm，高徑比為0.3，內(nèi)外徑比為0.4。
如圖1、圖2所示，泡沫陶瓷環(huán)形填料的圓環(huán)體(1)采用泡沫陶瓷為材質(zhì)，具有獨(dú)特的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，類(lèi)似于復(fù)合板網(wǎng)填料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，這些小孔與填料表面相通，比表面積大，堆積密度小。
填料結(jié)構(gòu)中間為圓柱形空腔(2)，這樣的填料結(jié)構(gòu)開(kāi)放，有利于進(jìn)一步增加填料的空隙率，降低流動(dòng)阻力，同時(shí)有利于填料表面的更新，提高傳質(zhì)效率。
填料結(jié)構(gòu)采用高徑比為0.3的較低高徑比形狀，縮短了流體穿過(guò)每個(gè)填料的運(yùn)動(dòng)距離，降低填料的阻力降，加強(qiáng)表面潤(rùn)濕性能，有效地抑制兩相的非流體流動(dòng)，進(jìn)一步提高填料的處理能力和傳質(zhì)效率。
表1列舉了Ф25mm鮑爾環(huán)、矩鞍環(huán)和本實(shí)施例的特性?？梢钥闯觯瑢?duì)于名義尺寸相同的幾種填料，本發(fā)明的空隙率高達(dá)91％，比相同材質(zhì)的鮑爾環(huán)和矩鞍環(huán)高，在幾種填料中，本發(fā)明產(chǎn)品的比表面積最高，堆積密度最小。
在相同的測(cè)試條件下對(duì)本發(fā)明的填料和鮑爾環(huán)、矩鞍環(huán)的流體力學(xué)性能和傳質(zhì)性能進(jìn)行測(cè)試。表2、表3列舉了Ф25mm鮑爾環(huán)、矩鞍環(huán)和本發(fā)明的流體力學(xué)性能和傳質(zhì)性能?？梢?jiàn)本發(fā)明的產(chǎn)品的流體阻力(即填料層壓降)為陶瓷鮑爾環(huán)、矩鞍環(huán)的48～68％，為不銹鋼鮑爾環(huán)、矩鞍環(huán)的71～88％，這表明流體通過(guò)填料層的能耗降低。本實(shí)施例得填料的傳質(zhì)單元高度比陶瓷鮑爾環(huán)、矩鞍環(huán)降低30～40％，比不銹鋼鮑爾環(huán)、矩鞍環(huán)填料降低10～20％(傳質(zhì)單元高度降低，傳質(zhì)性能越好)，這意味著達(dá)到生產(chǎn)要求所需的填料層高度降低。
表1 本發(fā)明填料與4種現(xiàn)有填料的幾何特性對(duì)比表(Ф25mm)

表2 本發(fā)明填料與4種現(xiàn)有填料的流體力學(xué)性能對(duì)比表(每米填料層壓降ΔP/Z，Pa/m)比較

比較而言，本實(shí)施例的填料兼?zhèn)淞私饘俳z網(wǎng)填料和環(huán)形填料的優(yōu)點(diǎn)。具有成本低、結(jié)構(gòu)開(kāi)放、堆積密度小、空隙率大等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，有利于提高填料的傳質(zhì)效率、降低流動(dòng)阻力?？蓪?shí)用于氣液流量較低的精餾、吸收和洗滌等傳質(zhì)分離過(guò)程。
表3 本發(fā)明填料與4種現(xiàn)有填料的傳質(zhì)性能對(duì)比表(傳質(zhì)單元高度的比較，HOL，25℃，m)

實(shí)施例2采用Ф50mm的泡沫陶瓷環(huán)形填料，圓環(huán)體(1)的泡沫陶瓷孔徑為5mm，內(nèi)部空腔(2)的直徑為30mm，填料高度20mm，高徑比為0.4，內(nèi)外徑比為0.6。
本發(fā)明的泡沫陶瓷填料的空隙率高達(dá)94％，比相同材質(zhì)的鮑爾環(huán)和矩鞍環(huán)高，比表面積2156m2/m3，堆積密度僅為204kg/m3。本發(fā)明的泡沫陶瓷填料的流體阻力(即填料層壓降)小于其它相同尺寸的幾種填料，為陶瓷鮑爾環(huán)、矩鞍環(huán)的54～67％，為不銹鋼鮑爾環(huán)、矩鞍環(huán)的67～75％，這表明流體通過(guò)填料層的能耗降低。本發(fā)明的填料的傳質(zhì)單元高度與鮑爾環(huán)、矩鞍環(huán)相比，比陶瓷鮑爾環(huán)、矩鞍環(huán)降低20～30％，比不銹鋼鮑爾環(huán)、矩鞍環(huán)填料降低15～20％，這意味著達(dá)到生產(chǎn)要求所需的填料層高度降低，可適用于精餾、吸收等氣液流量較高的傳質(zhì)分離過(guò)程。
實(shí)施例3Ф50mm的泡沫陶瓷環(huán)形填料，圓環(huán)體(1)的泡沫陶瓷孔徑為4mm，內(nèi)部空腔(2)直徑為40mm，填料高度30mm，高徑比為0.6，內(nèi)外徑比為0.8。
本發(fā)明的泡沫陶瓷填料的空隙率為94％，比相同材質(zhì)的鮑爾環(huán)和矩鞍環(huán)高，比表面積2016m2/m3，堆積密度僅為195kg/m3。本發(fā)明的泡沫陶瓷填料的流體阻力(即填料層壓降)小于其它相同尺寸的幾種填料，為陶瓷鮑爾環(huán)、矩鞍環(huán)的52～68％，為不銹鋼鮑爾環(huán)、矩鞍環(huán)的71～85％，這表明流體通過(guò)填料層的能耗降低。本發(fā)明的填料的傳質(zhì)單元高度與鮑爾環(huán)、矩鞍環(huán)相比，本發(fā)明的傳質(zhì)單元高度比陶瓷鮑爾環(huán)、矩鞍環(huán)降低20～30％，比不銹鋼鮑爾環(huán)、矩鞍環(huán)填料降低20～25％，這意味著達(dá)到生產(chǎn)要求所需的填料層高度降低，可適用于液液萃取分離過(guò)程。
實(shí)施例4.
Ф38mm的泡沫陶瓷環(huán)形填料，圓環(huán)體(1)的泡沫陶瓷孔徑為3mm，內(nèi)部空腔(2)的直徑為19mm，填料高度19mm，高徑比為0.5，內(nèi)外徑比為0.5。
本發(fā)明的泡沫陶瓷填料的空隙率達(dá)到92％，比相同材質(zhì)的鮑爾環(huán)和矩鞍環(huán)高，比表面積2274m2/m3，堆積密度為219kg/m3。本發(fā)明的泡沫陶瓷填料的流體阻力(即填料層壓降)小于其它相同尺寸的幾種填料，為陶瓷鮑爾環(huán)、矩鞍環(huán)的54～70％，為不銹鋼鮑爾環(huán)、矩鞍環(huán)的68～82％，這表明流體通過(guò)填料層的能耗降低。本發(fā)明的填料的傳質(zhì)單元高度與鮑爾環(huán)、矩鞍環(huán)相比，本發(fā)明的傳質(zhì)單元高度比陶瓷鮑爾環(huán)、矩鞍環(huán)降低20～30％，比不銹鋼鮑爾環(huán)、矩鞍環(huán)填料降低15～20％，可適用于液液萃取分離過(guò)程。
實(shí)施例5Ф50mm的泡沫陶瓷環(huán)形填料，圓環(huán)體(1)的泡沫陶瓷孔徑為4mm，內(nèi)部空腔(2)的直徑為30mm，填料高度20mm，高徑比為0.4，內(nèi)外徑比為0.6。本發(fā)明的泡沫陶瓷填料的空隙率高達(dá)93％，比相同材質(zhì)的鮑爾環(huán)和矩鞍環(huán)高，比表面積2215m2/m3，堆積密度為218kg/m3。本發(fā)明的泡沫陶瓷填料的填料層壓降小于其它相同尺寸的幾種填料，為陶瓷鮑爾環(huán)、矩鞍環(huán)的62～80％，為不銹鋼鮑爾環(huán)、矩鞍環(huán)的74～85％。本發(fā)明的填料的傳質(zhì)單元高度與鮑爾環(huán)、矩鞍環(huán)相比，本發(fā)明的傳質(zhì)單元高度比陶瓷鮑爾環(huán)、矩鞍環(huán)降低15～25％，比不銹鋼鮑爾環(huán)、矩鞍環(huán)降低10～15％，這意味著達(dá)到生產(chǎn)要求所需的填料層高度降低，可適用于液液萃取分離過(guò)程。
權(quán)利要求
1.一種泡沫陶瓷環(huán)形填料，其特征在于所述泡沫陶瓷環(huán)形填料包括圓環(huán)體(1)和圓柱型空腔(2)，所述圓環(huán)體(1)由具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的泡沫陶瓷構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的泡沫陶瓷環(huán)形填料，其特征在于所述泡沫陶瓷圓環(huán)體(1)采用的泡沫陶瓷孔徑為2mm～5mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的泡沫陶瓷環(huán)形填料，其特征在于泡沫陶瓷環(huán)形填料的高徑比為0.3～0.6。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的泡沫陶瓷環(huán)形填料，其特征在于泡沫陶瓷環(huán)形填料的內(nèi)外徑比為0.4～0.8。
全文摘要
一種泡沫陶瓷環(huán)形填料，涉及化工傳質(zhì)分離設(shè)備領(lǐng)域。該填料包括圓環(huán)體和圓柱型空腔，填料采用具有三維多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的泡沫陶瓷為材質(zhì)加工而成，比表面積大，空隙率高，具有良好的傳質(zhì)表面和表面更新率。填料結(jié)構(gòu)開(kāi)放、堆積密度小、空隙率大，比表面積大、堆砌是相互間全部為點(diǎn)接觸，兼?zhèn)淞谁h(huán)狀填料和網(wǎng)體填料的優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用該填料具有傳質(zhì)性能好、處理量大、填料層壓降小和成本低等特點(diǎn)，可適用于石油化工中的精餾，化學(xué)工業(yè)中的吸收、洗滌、氣提、精餾和萃取等傳質(zhì)分離過(guò)程。
文檔編號(hào)B01J19/30GK1676209SQ20051003270
公開(kāi)日2005年10月5日 申請(qǐng)日期2005年1月13日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月13日
發(fā)明者楊東杰, 邱學(xué)青, 樓宏銘, 龐煜霞 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)