填料元件和生產(chǎn)其的方法以及包括所述元件的塔或反應(yīng)器的制造方法
【專利摘要】用于使用在質(zhì)量和/或熱量傳遞工藝中至少可供一種液體流動(dòng)經(jīng)過的填料元件（1），其中所述填料元件（1）：具有包括三個(gè)或更多個(gè)外拱式肋條元件（21）和兩個(gè)外連接邊緣元件（22）的外表面（2），可選地具有包括可選的內(nèi)拱式肋條元件（31）的內(nèi)表面（3），其中該元件（1）大致為球形的或大致為橢圓體的，并且其中所述外連接邊緣元件（22）和外拱式肋條元件（21）和可選的內(nèi)拱式肋條元件（31）被包含使得當(dāng)以任意方向（7）觀看時(shí)，優(yōu)選徑向方向（5）或可選的軸向方向（6），所述填料元件（1）的總突出面積（4）由于開放的突出面積（41）的存在因而是部分開放的，其中它部分開放到一定程度，該程度范圍是總突出面積（4）的從約15%至約50%，優(yōu)選約17%至約40%，更優(yōu)選約18%至約35%，最優(yōu)選約20%至約30%。本發(fā)明進(jìn)一步涉及用于生產(chǎn)所述元件（1）的方法。本發(fā)明進(jìn)一步也涉及包括所述元件（1）的床的塔或反應(yīng)器，制備所述床的方法以及所述元件（1）或塔或反應(yīng)器在質(zhì)量傳遞和/或熱量傳遞工藝中和/或在化學(xué)反應(yīng)中的用途。
【專利說明】填料元件和生產(chǎn)其的方法以及包括所述元件的塔或反應(yīng)器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及填料元件。本發(fā)明也涉及生產(chǎn)所述元件的方法，所述元件的用途以及包括帶有多個(gè)所述元件的填料床的塔或反應(yīng)器，以及來生產(chǎn)所述填料床的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]使用于塔和化學(xué)反應(yīng)器中的質(zhì)量傳遞和/或熱量傳遞工藝的填料元件是已知的。例如，隨機(jī)的或堆積的填料元件通常被使用在氣-液或液-液接觸塔器或塔內(nèi)以提供質(zhì)量傳遞表面于向下流動(dòng)的流體(通常是液體流)與向上升高的流體(通常是氣體或蒸汽流或另外的液體流)之間。隨機(jī)的填料元件可被使用在多個(gè)化學(xué)的和處理工藝中，例如，舉例說明，精餾、汽提、分餾、吸收、分離、洗滌、萃取或任何其它化學(xué)工藝，熱交換工藝或處理類型的工藝。通常，分離的隨機(jī)的填料元件具有特定的幾何形狀并且對(duì)于給定的質(zhì)量傳遞表面積被設(shè)計(jì)來使性能最大化。因?yàn)殡S機(jī)的填料元件通常以任意取向被堆積或隨機(jī)地填充至塔殼中在任意取向的填料床中，當(dāng)在填料床內(nèi)以多個(gè)旋轉(zhuǎn)的方向被放置時(shí)，對(duì)于單獨(dú)的隨機(jī)的填料元件需要具有高的質(zhì)量傳遞效率和良好的液壓容量兩者。注意到增加元件的特定的表面積通常將增加質(zhì)量傳遞效率；然而，與此同時(shí)這個(gè)增加的面積將趨向于不利地增加塔中的壓力損失。
[0003]伴隨著流體流動(dòng)經(jīng)過填充了填料元件的塔的壓力損失由同時(shí)的動(dòng)能損失和粘性能量損失而引起。在填料床中確定能量損失(即壓降)的基本要素是:流體流的速率、流體的粘性和密度；填料元件的緊密度和取向；以及填料元件的尺寸、形狀和表面。前面兩個(gè)變量與流體相有關(guān)，而后兩個(gè)與固體填料元件有關(guān)。在塔中增加的壓力損失超過特定的限制將導(dǎo)致溢流現(xiàn)象，其中液體累積而變成被夾帶在塔的頂部的蒸汽中。溢流是由于在塔中壓差、液體滯留的急劇增加和分離效率的顯著下降而被探測(cè)到的。因此非常需要在填料塔中避免大的壓力損失和與其相關(guān)的溢流。
[0004]根據(jù)填料元件的旋轉(zhuǎn)取向，填料元件具有突出面積，該突出面積對(duì)于任何液相和氣相的流具有可變的開放性。關(guān)于在垂直于流動(dòng)方向(即向上或向下)的平面上的突出部的非常開放的突出面積允許氣相經(jīng)歷小阻力向上流動(dòng)，其因而有助于減小沿著塔的壓降。然而，在流動(dòng)方向上非常閉合的突出面積迫使氣相來向上行進(jìn)更遠(yuǎn)的路徑，其因而促使壓降增加。因此填料元件的突出面積的相對(duì)開放性和其相對(duì)于流動(dòng)方向(例如在豎直塔中的向上和向下)的取向?qū)⒋_定沿著填料床的壓降是否過高，和塔是否將會(huì)被溢流以及它的效率是否會(huì)下降。
[0005]現(xiàn)有技術(shù)的隨機(jī)的填料以多種形狀和材料存在。通常，隨機(jī)的填料元件由金屬、陶瓷類型材料、塑料、玻璃或類似物構(gòu)成。常見地，隨機(jī)的填料元件是圓柱狀的、弧形的或“鞍形的”或具有其它的非弧形的形狀，例如螺旋管形的以及類似的。現(xiàn)有技術(shù)的隨機(jī)的填料元件的一個(gè)缺點(diǎn)在于通常特定元件的性能高度取決于它的結(jié)構(gòu)和它相對(duì)于流體經(jīng)過在填料床內(nèi)的元件的流動(dòng)方向的取向。例如，鮑爾環(huán)(Pall ring)是眾所周知的圓柱狀類型的填料，其具有多個(gè)開槽式壁和內(nèi)部舌狀物或突出部。當(dāng)沿著它的縱向軸線觀看時(shí)，鮑爾環(huán)對(duì)于質(zhì)量傳遞呈現(xiàn)非常小的表面積，但是當(dāng)垂直于它的縱向軸線觀看時(shí)，元件呈現(xiàn)非常大的表面積。由于此差異，可用于蒸汽/液體或液體/液體接觸的表面積隨著元件的取向而變化，其最終影響元件的性能。此外，在垂直于鮑爾環(huán)的縱向軸線的方向上的大表面積是不利的，在于其趨向于“遮蔽”或抑制流體流動(dòng)直接經(jīng)過在向下流動(dòng)方向上的相鄰環(huán)。
[0006]最近研發(fā)的隨機(jī)的填料包括在Raschig AG的US 5，882，772中公開的或在Koch-Glitsch的US 2010/0230832 Al中公開的那些。在US ’ 772中公開的隨機(jī)的填料元件具有使用來形成一定表面積的特定的周期性條帶。這些填料元件被非常不規(guī)則地成形。因此當(dāng)傾倒或堆積填料床時(shí)，其不容易流入塔或反應(yīng)器中，并且其容易在床中呈現(xiàn)帶有變化的流動(dòng)性質(zhì)的多種取向。例如，條帶僅在χ-y平面上是彎曲的，其允許當(dāng)以箭頭II的方向觀看時(shí)，如在US ’772的圖2中所示，達(dá)到高度開放的突出面積(接近90%開放)。當(dāng)以任意方向觀看時(shí)，填料元件的突出部的開放面積％被定義為看到的突出部的開放面積除以突出部的總面積，再乘以100%。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解到“任意方向”意味著填料元件被觀看使得整個(gè)元件能夠被看見。例如，元件通常在軸向或徑向方向可被看見。同樣地，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解到總面積在此指在垂直于觀看方向的平面上的元件的突出部的包絡(luò)的整個(gè)面積。然而，當(dāng)在US ’ 772的圖1的透視圖中觀看時(shí)，這個(gè)實(shí)施例的開放面積％僅為42%。此外，當(dāng)在箭頭III的方向觀看時(shí)，如在US ’ 772的圖3中所示，能夠看見這個(gè)相同的填料的突出面積幾乎完全閉合(接近0%開放)。因此根據(jù)在填料床中的這個(gè)填料元件相對(duì)于氣體流動(dòng)的方向的取向，氣體或者能夠相對(duì)不受阻礙地經(jīng)過元件(US ’ 772的圖2),或者它必須行進(jìn)相對(duì)長的路徑來圍繞填料元件流動(dòng)(US ’772的圖3)。結(jié)果，這些填料元件的使用在填料床中引起不規(guī)則的壓降場(chǎng)和欠佳的相分布。
[0007]US ’ 832 Al公開了鞍形的隨機(jī)的填料元件，其具有略微更接近球形的形狀并且當(dāng)元件被以多種旋轉(zhuǎn)取向被放置時(shí)試圖使開放流動(dòng)體積更均勻。這通過沿著部分的圓環(huán)面布置條帶以在這些取向中給予相當(dāng)開放的突出面積而被達(dá)到。然而，部分的圓環(huán)面并不是圍繞所有可能的徑向軸線對(duì)稱的，以及一些取向具有相當(dāng)開放的突出面積，而其它的是相當(dāng)閉合的。例如，US ’832 Al的圖14-26中的填料元件實(shí)施例的開放面積％指出它從在圖16中的約開放9%的最小值變化至在圖20中的約50%。結(jié)果，這些填料元件的使用仍然在填料床中引起不規(guī)則的壓降場(chǎng)和欠佳的相分布。此外，在這些填料元件中，外肋條元件中的一些會(huì)遮蔽內(nèi)肋條元件。此遮蔽效果會(huì)通過減小用于質(zhì)量和/或熱量傳遞的元件有效表面積而減小質(zhì)量傳遞效率。
[0008]此外，US ’832 Al的部分圓環(huán)面形式在床的傾倒期間不容易流入塔或反應(yīng)器中，并且不規(guī)則形狀的圓環(huán)面會(huì)因而容易在床中呈現(xiàn)多種不等效的取向(例如帶有縱向或徑向軸向指向豎直方向)，由此在床中導(dǎo)致不規(guī)則壓降場(chǎng)和欠佳的相分布。
[0009]總而言之，具有通過傾倒或堆積以隨機(jī)的方式相對(duì)容易地快速填入填料床的填料元件將是需要的，并且其產(chǎn)生更均勻的僅相對(duì)低的局部壓力損失和更均勻的液體分布，以及由此當(dāng)在填料床中這樣隨機(jī)填充時(shí)避免過早的局部溢流。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]從本領(lǐng)域的此狀態(tài)出發(fā)，本發(fā)明的目的在于提供不遭遇前述缺陷的填料元件，該缺陷尤其是當(dāng)通過傾倒或堆積來隨機(jī)地填充填料床時(shí)產(chǎn)生不規(guī)則壓降場(chǎng)和溢流的相關(guān)問題和欠佳的相分布的趨勢(shì)。另外，本發(fā)明的目的包括生產(chǎn)所述元件的方法，以及包括所述元件的床的塔或反應(yīng)器，以及制備所述床的方法。本發(fā)明進(jìn)一步額外的目的在于提供所述元件、塔或反應(yīng)器在質(zhì)量傳遞和/或熱量傳遞工藝和/或在化學(xué)反應(yīng)中的用途。
[0011]根據(jù)本發(fā)明，這些目的被達(dá)到是通過用于使用在質(zhì)量和/或熱量傳遞工藝中可讓至少一種液體流過的填料元件，其中該填料元件具有包括三個(gè)或更多個(gè)外拱式肋條元件和兩個(gè)外連接邊緣元件的外表面，可選地具有包括可選的內(nèi)拱式肋條元件的內(nèi)表面，其中該元件是大致球形的或大致橢圓體的，并且其中該外連接邊緣元件和外拱式肋條元件和可選的內(nèi)拱式肋條元件被提供，使得當(dāng)以任意方向觀看時(shí)，優(yōu)選徑向方向或可選的軸向方向，填料元件的總突出面積由于開放的突出面積的存在是部分開放的，其中它部分開放到一定程度，該范圍是總突出面積的從約15%至約50%，優(yōu)選約17%至約40%，更優(yōu)選約18%至約35%，最優(yōu)選約20%至約30%。
[0012]根據(jù)本發(fā)明，這些另外的目的被達(dá)到首先通過提供元件被成型的方法，其中該元件在成型工藝中從金屬板材被成型，通過包括切割、彎曲和扭曲，可選地打孔或沖壓的成型步驟，優(yōu)選僅切割和彎曲，并且其中每個(gè)填料元件的金屬板材重量中優(yōu)選平均小于20%的重量百分比，更優(yōu)選小于10%的重量百分比，以及最優(yōu)選小于1%的重量百分比在成型工藝中作為廢料被丟棄或損失掉。在替代的實(shí)施例中，該目的被達(dá)到是在包括注塑模制步驟的成型工藝中通過提供使填料元件從熱塑性材料成型的方法，可選地是填充了填充物或纖維的熱塑性材料。
[0013]而且，另外的目的被達(dá)到是通過提供包括帶有多個(gè)所述填料元件的填料床的質(zhì)量傳遞塔或熱量傳遞塔或化學(xué)反應(yīng)器。所述塔或反應(yīng)器根據(jù)本發(fā)明通過制備填料床的方法而被制備，其中工藝包括隨機(jī)地傾倒或堆積填料元件進(jìn)入塔或反應(yīng)器，以便于產(chǎn)生包括以多種隨機(jī)取向的多個(gè)填料元件的填料床。
[0014]所述元件被使用作隨機(jī)的填料元件，或者塔或反應(yīng)器中的一個(gè)根據(jù)本發(fā)明被使用于質(zhì)量傳遞和/或熱量傳遞工藝中和/或化學(xué)反應(yīng)中。
[0015]本發(fā)明達(dá)到這些目的并且提供對(duì)于這個(gè)問題的解決方案是借由元件的大致球形的或大致橢圓體的形狀，以及借由外連接邊緣元件和外拱式肋條元件和可選的內(nèi)拱式肋條元件被包含，使得當(dāng)沿著任意方向觀看時(shí)，優(yōu)選徑向方向或軸向方向，填料元件的總突出面積由于開放的突出面積的存在是部分開放的，其中它部分開放到一定程度，該范圍是總突出面積的從約15%至約50%，優(yōu)選約17%至約40%，更優(yōu)選約18%至約35%，最優(yōu)選約20%至約30%。結(jié)果，在包含這些元件的填料床中的壓降場(chǎng)或速度分布將會(huì)是相當(dāng)均相的，強(qiáng)烈的速度變化將被避免，良好的相分布將產(chǎn)生并且局部溢流將被最小化。此類元件在所有的取向中具有相對(duì)均相的適中的開放性，并且由此在所有取向中具有相對(duì)低和均相的壓降場(chǎng)。此外，填料元件的大致球形的或大致橢圓體的形狀有助于在床中在它所有可能的取向中形成填料的相對(duì)均相的開放性，這是因?yàn)榇祟愋螤罡叨鹊男D(zhuǎn)對(duì)稱性。另外，此類相對(duì)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的形狀允許元件來相對(duì)容易地和快速地以隨機(jī)的方式通過傾倒或堆積進(jìn)入填料床，并且相同的形狀性質(zhì)有助于元件在床中隨機(jī)地達(dá)到所有可能的取向，例如，通過在床的制備期間的滾動(dòng)或旋轉(zhuǎn)。元件的相對(duì)取向的這種高度隨機(jī)性和它們的相對(duì)均相的開放性以及在所有這些不同的取向中的流動(dòng)和壓降性質(zhì)因而有助于在床中形成更均勻的和低的局部壓力損失以及均勻的液體分布。
[0016]對(duì)于本發(fā)明的大致球形的或大致橢圓體形狀的元件，外連接邊緣元件和外拱式肋條元件和可選的內(nèi)拱式肋條元件可以是容易被包含的以在任何徑向或軸向方向上提供開放的突出面積所需的百分比。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解到減少突出面積的外連接邊緣元件或肋條元件的寬度和/或突出面積的外連接邊緣元件或肋條元件的數(shù)量將增加對(duì)于此突出部的開放面積的百分比?？蛇_(dá)到對(duì)于所有方向增加開放面積百分比的均相性是通過增加在外表面上方的外拱式肋條元件的分布的均勻性和在可選的內(nèi)表面上方的可選的內(nèi)拱式肋條元件的分布的均勻性，以及增加外拱式肋條元件的寬度的均勻性和可選的內(nèi)拱式肋條元件的寬度的均勻性。
[0017]本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解到本發(fā)明的其它實(shí)施例也是可能的。例如，帶有具有相似開放性程度的突出面積的填料元件可通過提供帶有相對(duì)更多但是更窄的肋條元件的一些突出面積被得到，而其它的突出面積具有相對(duì)更少但是更寬的肋條元件。
[0018]這些結(jié)果因此令人驚訝地被達(dá)到，而不需要填料元件和它的外連接邊緣和肋條元件的任何特殊的復(fù)雜形狀和結(jié)構(gòu)。此外令人驚訝地發(fā)現(xiàn)，即使當(dāng)填料元件使用相對(duì)薄規(guī)格的材料被構(gòu)造時(shí)，本發(fā)明的填料元件具有抵抗形變的構(gòu)造。
[0019]在填料元件的優(yōu)選實(shí)施例中，當(dāng)沿任何不同方向觀看時(shí)，在開放的突出面積的最大和最小百分比之間的差值小于約20%，優(yōu)選小于約15%，更優(yōu)選小于約10%。最小化此差值所具有的優(yōu)點(diǎn)在于確保當(dāng)元件被隨機(jī)地填料時(shí)在床中圍繞元件周圍的局部壓降場(chǎng)的高度均勻性，更少限制的流動(dòng)路徑和在床中良好的相分布。
[0020]在該元件的另外的優(yōu)選實(shí)施例中，填料元件在沿著至少一個(gè)取向的傾斜平面上能夠部分旋轉(zhuǎn)，優(yōu)選滾動(dòng)。在尤其優(yōu)選的實(shí)施例中，填料元件在它的至少兩個(gè)或更多個(gè)，優(yōu)選三個(gè)或更多個(gè)取向的傾斜平面上能夠滾動(dòng)。其中填料元件可容易地旋轉(zhuǎn)或滾動(dòng)的這些實(shí)施例所具有的優(yōu)點(diǎn)在于該元件可容易地僅通過傾倒或堆積填料元件被填入塔或反應(yīng)器中來產(chǎn)生填料床，并且該元件也將容易地在填料期間在床中呈現(xiàn)多種隨機(jī)的取向。
[0021]根據(jù)另外的優(yōu)選實(shí)施例，填料元件包括至少一個(gè)內(nèi)拱式肋條元件，并且其中該內(nèi)拱式肋條元件是完全內(nèi)拱的，或在一個(gè)或更多個(gè)連續(xù)的內(nèi)拱式段中部分內(nèi)拱的，并且其中內(nèi)拱式肋條元件可選地是部分或完全不連續(xù)的以提供內(nèi)拱式肋條元件段。內(nèi)拱式肋條元件和段的優(yōu)點(diǎn)在于當(dāng)液體流經(jīng)過填料床時(shí)來減小在兩個(gè)氣-液接觸點(diǎn)之間的流動(dòng)長度，并且來在填料元件的體積上提供更均相的表面積分布。在這些接觸點(diǎn)處，氣體能夠?qū)⒛芰亢唾|(zhì)量傳遞至液體?？紤]當(dāng)氣體流動(dòng)經(jīng)過僅具有外拱式肋條元件的單一的填料元件時(shí)，氣體必須流動(dòng)相對(duì)長的路徑經(jīng)過填料元件直至它接觸在外表面的相對(duì)側(cè)的新鮮液體。因此，提供帶有內(nèi)拱式肋條元件和段的填料元件允許氣體流動(dòng)來在短路徑上更早地接觸液體流。因此在填料床中沿著流動(dòng)軸線的氣體和液體之間的接觸點(diǎn)的數(shù)量通過使用內(nèi)拱式肋條元件和段而被增加。另外，這些段可以有利地被指向朝著填料元件的內(nèi)部，以便于從填料元件的外表面最小化突出的元件。此類的突出會(huì)妨礙填料元件來容易地旋轉(zhuǎn)或滾動(dòng)的能力，或者其會(huì)引起填料元件的纏繞，由此減小其在傾倒或堆積期間的流動(dòng)能力，或者引起在床中的突出面積具有減小的開放性或流動(dòng)。
[0022]根據(jù)另外的優(yōu)選實(shí)施例，填料元件在形狀上大致是橢圓體的并且在軸向方向上比在徑向方向長得多，使得軸向長度與最大徑向長度的比值是從約1.1至約3，優(yōu)選從約1.2至約2.5，更優(yōu)選從約1.5至約2.2，最優(yōu)選從約1.7至約2.0。如稍后將詳細(xì)討論的，橢圓體形狀的填料元件可由金屬板材管容易地制造而成。此外，橢圓體的形狀在幾個(gè)取向中的傾斜平面上能夠部分旋轉(zhuǎn)或甚至滾動(dòng)。此外，較少對(duì)稱的細(xì)長形狀在填料期間將不趨向于隨機(jī)下降和著陸，類似于鉛筆落在桌子上。因此維持比值的這些范圍和限制大致橢圓體形狀的細(xì)長確保填料元件可在填料床中容易呈現(xiàn)多種隨機(jī)的取向，并且?guī)椭谠摯仓袊@元件達(dá)到局部壓降場(chǎng)的高度均相性。
[0023]在填料元件的另外的優(yōu)選實(shí)施例中，外拱式肋條元件中的至少一個(gè)是部分或完全不連續(xù)的以提供外拱式肋條元件段。如上所述的，此類部分或完全不連續(xù)的段的產(chǎn)生在包含該填料元件的填料床中的沿著流動(dòng)軸線的氣體和液體之間提供額外的接觸點(diǎn)。同樣地，這些段可以有利地被指向朝著填料元件的內(nèi)部，以便于從填料元件的外表面最小化突出元件以及最小化其先前所述的缺點(diǎn)。
[0024]在填料元件的另外的優(yōu)選實(shí)施例中，外拱式肋條元件和任何內(nèi)拱式肋條元件的總數(shù)量是從3至20，優(yōu)選4至15，更優(yōu)選4至10，最優(yōu)選5至8。肋條元件的此總數(shù)量提供填料元件的最佳強(qiáng)度和機(jī)械完整性，以及所需要的大表面積，而不是過于復(fù)雜以至不能容易且便宜地制造，或者以至對(duì)于達(dá)到低壓降和良好的相分布不能提供過少的開放的突出面積。
[0025]在填料元件的另外的優(yōu)選實(shí)施例中，填料元件由金屬制成，優(yōu)選不銹鋼或鋁金屬板材，更優(yōu)選金屬板材的厚度是3.0至0.08皿，優(yōu)選1.0至0.2皿，或者是陶瓷，或者是塑料材料，優(yōu)選熱塑性材料，可選填充了填充物或纖維的熱塑性材料。此類構(gòu)造的材料允許本發(fā)明的填料元件當(dāng)提供給它必需的機(jī)械完整性和強(qiáng)度時(shí)的迅速制造。此外，這些列出的材料具有廣泛的多種性質(zhì)，因而允許填料元件來根據(jù)特定的應(yīng)用被制造為具有特定的熱的、化學(xué)的和/或耐腐蝕的性質(zhì)。
[0026]在本發(fā)明的方法中，填料元件在成型工藝中從金屬板材被成型通過包括切割、彎曲和扭曲，可選地打孔或沖壓的成型步驟，優(yōu)選僅切割和彎曲，并且其中每填料元件重量的金屬板材平均優(yōu)選小于20%的重量百分比，更優(yōu)選小于10%的重量百分比，以及最優(yōu)選小于1%的重量百分比在成型工藝中作為廢料被丟棄或損失掉。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，產(chǎn)生肋條元件的切口將被制造成不平行于所生產(chǎn)的元件的軸線，以便于最小化元件的纏繞。以這種方式制造填料元件提供簡(jiǎn)單和經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)工藝。
[0027]在這個(gè)方法的進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施例中，填料元件或者是:(1)大致球形的并且其中填料元件由平坦的金屬板材制成，該金屬板材包括以平行相對(duì)的矩形折板形式的兩個(gè)外連接邊緣元件和在該邊緣元件之間的彎曲條帶形式的肋條元件，其中制造工藝的步驟包含一些肋條元件從邊緣元件和金屬板材的平面被向上彎曲以及另一些肋條元件被向下彎曲，以便于產(chǎn)生帶有大致球形形狀的外拱式肋條元件和外表面，以及其隨后的步驟中邊緣元件的兩個(gè)直接相對(duì)的角朝向彼此被拉引；或者是(11)大致橢圓體的并且其中填料元件由金屬板材管制成，該金屬板材管具有以實(shí)心管邊緣元件形式的兩個(gè)外連接邊緣元件，其帶有以連接條帶形式的肋條元件由在該邊緣元件之間的內(nèi)部管部分組成，在其制造工藝中肋條元件從最初的管狀形狀被向外彎曲以產(chǎn)生帶有大致橢圓體形狀的外拱式肋條元件和外表面，并且由此優(yōu)選外拱式肋條元件被扭曲或切割來使其與橢圓體的填料元件的軸向軸線錯(cuò)位。在一個(gè)實(shí)施例中，大致橢圓體的填料元件的生產(chǎn)開始于平坦的金屬板材，其被切割來提供實(shí)心管邊緣元件和連接條帶，并且因此被卷至管狀形式。在一個(gè)進(jìn)一步的特定實(shí)施例中，在被卷的板材的端部邊緣兩者之間存在間隙，并且在另外的特定的進(jìn)一步的實(shí)施例中不存在間隙，因?yàn)樵诰砥饋碇蠖瞬窟吘壉缓附臃忾]以提供實(shí)心的連續(xù)板材管。在另外的實(shí)施例中，大致橢圓體的填料元件的生產(chǎn)開始于實(shí)心板材管(例如通過擠出所生產(chǎn)的)，實(shí)心管邊緣元件和連接條帶被切割至該實(shí)心板材管內(nèi)。
[0028]在生產(chǎn)填料元件的方法的替代的優(yōu)選實(shí)施例中，填料元件由熱塑性材料在包括注塑模制步驟的工藝中制成，可選填充填充物或纖維的熱塑性材料。以此方式制造填料元件提供簡(jiǎn)單和經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)工藝。
[0029]本發(fā)明的另外的方面包括帶有多個(gè)根據(jù)本發(fā)明的填料元件的填料床的質(zhì)量傳遞塔或熱量傳遞塔或化學(xué)反應(yīng)器。此類的塔和反應(yīng)器受益于先前所述的本發(fā)明的填料元件的優(yōu)點(diǎn)。
[0030]本發(fā)明的相關(guān)的另外的方面是制備所述質(zhì)量傳遞塔或所述熱量傳遞塔或所述化學(xué)反應(yīng)器的填料床的方法，其中該工藝包括隨機(jī)地傾斜或堆積本發(fā)明的填料元件進(jìn)入塔或反應(yīng)器以便于產(chǎn)生包括以多種隨機(jī)取向的多個(gè)填料元件的填料床。此類方法受益于先前所述的本發(fā)明的填料元件的優(yōu)點(diǎn)，尤其是在所有取向中的相對(duì)均相的適中的開放性以及它的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，以及在一些優(yōu)選實(shí)施例中它的部分旋轉(zhuǎn)和/或滾動(dòng)的能力。
[0031]本發(fā)明的最后進(jìn)一步的方面在于本發(fā)明的填料元件作為隨機(jī)的填料元件或者是包含包括根據(jù)本發(fā)明的多個(gè)填料元件的填料床的塔或反應(yīng)器中的一種在質(zhì)量傳遞和/或熱量傳遞工藝和/或在化學(xué)反應(yīng)中的用途。此類用途因此受益于先前所述的本發(fā)明的填料元件的優(yōu)點(diǎn)。
[0032]本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解到本發(fā)明的多個(gè)權(quán)利要求和實(shí)施例的主題的結(jié)合在本發(fā)明中是可能的且不受限制的，只要此類的結(jié)合是技術(shù)上可行的。在這樣的結(jié)合中，任何一個(gè)權(quán)利要求的主題可以與其它權(quán)利要求中的一個(gè)或更多個(gè)的主題相結(jié)合。在這樣的主題的結(jié)合中，任何一個(gè)填料元件權(quán)利要求的主題可與一種或更多種的方法、塔、反應(yīng)器或用途權(quán)利要求的主題或者一個(gè)或更多個(gè)其它填料元件權(quán)利要求的主題或者一個(gè)或更多個(gè)填料元件、方法、塔、反應(yīng)器或用途權(quán)利要求組合的主題相結(jié)合。同樣地，任何一個(gè)方法權(quán)利要求的主題可與一個(gè)或更多個(gè)其它方法權(quán)利要求的主題或者一個(gè)或更多個(gè)填料元件、塔、反應(yīng)器或用途權(quán)利要求的主題，或者一個(gè)或更多個(gè)方法權(quán)利要求和填料元件、塔、反應(yīng)器或用途權(quán)利要求的組合的主題相結(jié)合。舉例說明，權(quán)利要求1的主題可與權(quán)利要求10至15中任意一個(gè)的主題相結(jié)合。在一個(gè)實(shí)施例中，權(quán)利要求10、13、14或15的主題與權(quán)利要求1至9中任意一個(gè)相結(jié)合。在一個(gè)特定實(shí)施例中，權(quán)利要求10的主題與權(quán)利要求2的主題相結(jié)合。在另外的特定實(shí)施例中，權(quán)利要求3的主題與權(quán)利要求11的主題相結(jié)合。列舉另外的示例，權(quán)利要求1的主題也可與權(quán)利要求2至15中任意兩個(gè)的主題相結(jié)合。在一個(gè)特定實(shí)施例中，權(quán)利要求1的主題與權(quán)利要求2和3的主題相結(jié)合。在另外的特定實(shí)施例中，權(quán)利要求11的主題與權(quán)利要求1和2的主題相結(jié)合。舉例說明，權(quán)利要求1的主題可與權(quán)利要求2至15中任意三個(gè)的主題相結(jié)合。在一個(gè)特定實(shí)施例中，權(quán)利要求1的主題與權(quán)利要求2、3和10的主題相結(jié)合。在另外的特定實(shí)施例中，權(quán)利要求10的主題與權(quán)利要求1、3和11的主題相結(jié)合。在還有另外的特定實(shí)施例中，權(quán)利要求1的主題與權(quán)利要求2至9和11的主題相結(jié)合。在還有另外的特定實(shí)施例中，權(quán)利要求13的主題與權(quán)利要求1和9至11相結(jié)合。舉例說明，任何一個(gè)權(quán)利要求的主題可以與任意數(shù)量的其它權(quán)利要求的主題相結(jié)合而沒有限制，只要此類的結(jié)合是技術(shù)上可行的。
[0033]本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解到本發(fā)明的多個(gè)實(shí)施例的主題的結(jié)合在本發(fā)明中是可能的且不受限制的。例如，上述優(yōu)選實(shí)施例中的一個(gè)的主題可以與上述其它優(yōu)選實(shí)施例中的一個(gè)或更多個(gè)的主題相結(jié)合而不受限制。舉例說明，根據(jù)填料元件的尤其優(yōu)選實(shí)施例，該填料元件在至少一個(gè)取向的傾斜平面上能夠大致滾動(dòng)，并且外拱式肋條元件和任何內(nèi)拱式肋條元件的總數(shù)量是從5至8。舉另外的示例，根據(jù)生產(chǎn)填料元件的方法的另外尤其優(yōu)選實(shí)施例，本發(fā)明的填料元件大致是球形的并且它由1.0皿至0.2皿厚度的平坦金屬板材制成，該金屬板材具有以平行相對(duì)的矩形折板形式的兩個(gè)外連接邊緣元件和在該邊緣元件之間的彎曲條帶形式的肋條元件，其中制造工藝的步驟包含一些肋條元件從邊緣元件和金屬板材的平面被向上彎曲以及另一些肋條元件被向下彎曲，以便于產(chǎn)生外拱式肋條元件和外表面，以及其隨后的步驟中邊緣元件的兩個(gè)直接相對(duì)的角朝向彼此被拉引；并且每填料元件重量的金屬板材的小于1%的重量百分比在成型工藝中作為廢料被丟棄或損失掉；產(chǎn)生的填料元件在至少兩個(gè)或更多個(gè)取向的傾斜平面上能夠滾動(dòng)；并且填料元件具有的外和任何內(nèi)拱式元件的總數(shù)量是從5至8。舉例說明，任何一個(gè)實(shí)施例的主題可以與任意數(shù)量的其它實(shí)施例的主題相結(jié)合而不受限制，只要此類的結(jié)合是技術(shù)上可行的。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0034]本發(fā)明將在下文中參照本發(fā)明的多個(gè)實(shí)施例以及附圖更詳細(xì)地進(jìn)行解釋。示意性的附圖顯示:
圖1顯示根據(jù)本發(fā)明的大致球形的填料元件的示意性視圖。
[0035]圖2顯示圖1的大致球形的填料元件的另外的透視圖。
[0036]圖3顯示圖1的大致球形的填料元件的另外的透視圖。
[0037]圖4顯示圖1的大致球形的填料元件的另外的透視圖。
[0038]圖5顯示圖1的大致球形的填料元件的總突出面積的示意圖。
[0039]圖6顯示圖5的大致球形的填料元件的總突出面積的開放的突出面積的示意圖。
[0040]圖7顯示根據(jù)本發(fā)明的大致橢圓體的填料元件的實(shí)施例的示意性視圖。
[0041]圖8顯示圖7的大致橢圓體的填料元件的另外的透視圖。
[0042]圖9顯示圖7的大致橢圓體的填料元件的另外的透視圖。
[0043]圖10顯示圖7的大致橢圓體的填料元件的另外的透視圖。
[0044]圖11顯示根據(jù)本發(fā)明的大致橢圓體的填料元件的實(shí)施例的示意圖，其具有部分不連續(xù)的外拱式肋條元件以提供外拱式肋條元件段。
[0045]圖12顯示根據(jù)本發(fā)明的大致橢圓體的填料元件的實(shí)施例的示意圖，其具有完全不連續(xù)的外拱式肋條元件以提供外拱式肋條元件段。
[0046]圖13顯示根據(jù)本發(fā)明的大致橢圓體的填料元件的實(shí)施例的示意圖，其具有在一個(gè)或更多個(gè)連續(xù)的內(nèi)拱式段中部分內(nèi)拱的內(nèi)拱式肋條元件。
[0047]圖14顯示根據(jù)本發(fā)明的大致橢圓體的填料元件的實(shí)施例的示意圖，其具有在一個(gè)或更多個(gè)不連續(xù)的內(nèi)拱式段中部分內(nèi)拱和部分不連續(xù)的內(nèi)拱式肋條元件。

【具體實(shí)施方式】
[0048]圖1顯示根據(jù)本發(fā)明的填料元件的實(shí)施例的示意圖，其整體被標(biāo)記為附圖標(biāo)記I。填料元件I在形式、形狀、構(gòu)造或組成上并不被特別限制，除非另外特別指出，如在指出大致球形或大致橢圓體元件I的情形下。任何能夠被制造的材料能夠用來制成填料元件I。出于經(jīng)濟(jì)和機(jī)械強(qiáng)度和完整性的考慮，填料元件I經(jīng)常由金屬制成，優(yōu)選不銹鋼或鋁金屬板材，更優(yōu)選金屬板材的厚度是3.0mm至0.08mm,優(yōu)選1.0mm至0.2mm,或者是陶瓷,或者是塑料材料，優(yōu)選熱塑性材料，可選填充了填充物或纖維的熱塑性材料，或指定為特定應(yīng)用的任何其它材料。在一個(gè)實(shí)施例中，為了低的初始成本，填料元件I用聚丙烯或其它塑料或根據(jù)工藝需求用包括金屬的任何其它材料制造。合適的金屬包括碳鋼、不銹鋼、鎳合金、銅合金、鈦和鋯。合適的工程塑料包括含氟聚合物，例如PTFE、PVDF或ETFE、PVC ；以及聚丙烯。在一些優(yōu)選實(shí)施例中，填料元件I將具有光滑(無凹陷)表面。
[0049]當(dāng)填料元件I用金屬板材制造時(shí)，根據(jù)本發(fā)明的方法，其中該填料元件在成型工藝中從金屬板材被成型通過包括切割、彎曲和扭曲，可選地打孔或沖壓的成型步驟，優(yōu)選僅切割和彎曲，并且其中每填料元件重量的金屬板材平均優(yōu)選小于20%的重量百分比，更優(yōu)選小于10%的重量百分比，以及最優(yōu)選小于1%的重量百分比在成型工藝中作為廢料被丟棄或損失掉。當(dāng)填料元件I用熱塑性材料制造時(shí)，可選填充了填充物或纖維的熱塑性材料，在本發(fā)明的方法中它在包括注塑模制步驟的成型工藝中被成型。此類制造方法的特點(diǎn)在于簡(jiǎn)單和便宜的方法以及便宜的原料，并且其因此是經(jīng)濟(jì)上有利的。
[0050]填料元件和其構(gòu)造和使用在質(zhì)量傳遞和/或熱量傳遞的塔和化學(xué)反應(yīng)器的填料床中以及在質(zhì)量傳遞和/或在熱量傳遞和/或化學(xué)反應(yīng)中在現(xiàn)有技術(shù)中是眾所周知的，例如在由 Elsevier 于 2005 年出版的由 R.K.Sinnott, John Metcalfe Coulson 和 JohnFrancis Richardson 所著的 Chemical Engineering Design, Coulson & Richardson’sChemical Engineering Series 第 4 版(ISBN 0 7506 6538 6)中或由 Elsevier 于 2006年出版的由 N.Kolev 所著的 Packed bed columns: for absorpt1n, desorpt1n,rectificat1n and direct heat transfer 第 I 版(ISBN-13: 978-0-444-52829-2)中所公開的。除非另外指出，常規(guī)構(gòu)造材料和裝置可被使用于填料元件1，并且填料元件I可以現(xiàn)有技術(shù)已知的常規(guī)方式被使用在塔或反應(yīng)器的質(zhì)量傳遞和/或熱量傳遞和/或反應(yīng)工藝中。
[0051]圖1中的實(shí)施例是大致球形的填料元件1，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將領(lǐng)會(huì)到填料元件I的其它大致球形的形狀只要在技術(shù)上可行的都是可能的。術(shù)語“大致球形”意味著不顯著偏離球的形狀并且包括外拱式肋條元件21和外連接邊緣元件22的外表面2將限定大致球形的形狀。在一些實(shí)施例中，元件I將是接近球形的(subspherical),在其它實(shí)施例中它將是球形的。
[0052]在本申請(qǐng)中，“外連接邊緣元件22”指實(shí)現(xiàn)將外拱式肋條元件21以及可選的內(nèi)拱式肋條元件31 (如果其存在)連接在一起的功能的外邊緣連接元件。此類外連接邊緣元件22提供用于在填料元件I的制造期間使用的固定、接觸或夾緊表面。此類表面在例如切割、彎曲或扭曲的多個(gè)成型步驟(例如機(jī)械操作)期間是有用的。
[0053]在一些實(shí)施例中，填料元件的形狀將偏離完美的球形，因?yàn)橛捎谥圃旃に嚬笆嚼邨l元件21會(huì)不是完美地或平滑地被彎曲，或者其可以是有意地被扭曲的以便于減少在相鄰的填料元件I之間纏繞的可能性。在另外的實(shí)施例中，元件21已經(jīng)通過所生產(chǎn)的填料元件1的不平行于的軸線的切口而被產(chǎn)生，以便于最小化填料元件1的纏繞。在其它實(shí)施例中，填料元件1的形狀將偏離完美的球形，因?yàn)橥膺B接邊緣元件22由于制造工藝而略微變平。在許多實(shí)施例中，大致球形的填料元件1將在至少一個(gè)取向，優(yōu)選兩個(gè)或更多個(gè)，更優(yōu)選三個(gè)或更多個(gè)的取向的傾斜的平面上能夠至少部分旋轉(zhuǎn)，優(yōu)選滾動(dòng)。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解到隨著填料元件1的形狀越接近完美球形的形狀，它將能夠越好地滾動(dòng)，并且最后因而在任何取向上滾動(dòng)。此外，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解到完美球形的填料元件1將僅具有徑向方向而沒有軸向方向。
[0054]圖1的大致球形的填料元件1能夠被看見具有包括三個(gè)或更多個(gè)外拱式肋條元件21和兩個(gè)外連接邊緣元件22的外表面2。實(shí)際上，能夠看見此實(shí)施例具有兩個(gè)外連接邊緣元件22和五個(gè)外拱式肋條元件21。外連接邊緣元件22的數(shù)量在本發(fā)明的填料元件1中不被特別限制，然而在它的例如從金屬板材的制造期間，對(duì)于抓緊填料元件1和它的前身至少需要兩個(gè)邊緣元件22。也能看出在圖1中的此實(shí)施例不具有包括可選的內(nèi)拱式肋條元件31的可選的內(nèi)表面3。填料元件1將優(yōu)選從具有足夠厚度和強(qiáng)度的材料而制成以抵抗它的外表面2和它的元件21和22的形變。
[0055]圖2-4顯示圖1的大致球形的填料元件1的另外的透視圖。能夠看到填料元件1不是完美的球形，并且因而它具有例如51的徑向軸線和例如5的方向以及軸向軸線61和方向6。圖5顯示圖1的大致球形的填料元件1的總突出面積4的示意圖。圖6顯示圖5的總突出面積4的開放面積41的示意圖。
[0056]如之前所述的，當(dāng)以任何特定方向觀看時(shí)，填料元件的突出部的開放面積％被定義為看到的突出部的開放面積除以突出部的總面積，再乘以100%。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解至11“任意方向”意味著填料元件在一個(gè)方向被觀看使得整個(gè)元件能夠被看見。例如，元件典型地在軸向或徑向方向(6或5)可被看見。同樣地，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解到總面積在此指垂直于觀看方向的平面上的元件的突出部的包絡(luò)的整個(gè)面積。當(dāng)總突出面積4以任意方向7被觀看時(shí)，開放面積％按如下所述的被確定。填料元件1的圖像(以使整個(gè)元件和它的整個(gè)包絡(luò)在圖像中能夠被看見的方式觀看),例如通過照相機(jī)獲得，首先被載入圖像分析軟件，例如商業(yè)上可獲得的來自1110.的義卿必⑶]! 9:^011軟件或來自美國版11:10的111181:11:111:6 0？ 062111:11的開源軟件1111叫6了。通過外表面4的外部輪廓的剖面限定的外表面2的像素面積因此作為總突出面積4的代表而被測(cè)量，如在圖5中的陰影面積所指出的。下一步由能夠在原始圖(例如圖1)中看見的外拱式肋條元件21和外連接邊緣元件22的內(nèi)部輪廓所限定的所有內(nèi)部剖面的像素面積作為開放的突出面積41的代表而被測(cè)量。最后，測(cè)量的開放的突出面積41除以測(cè)量的總突出面積4并且乘以100%以得到開放的突出面積％。此類開放的突出面積％的測(cè)量可對(duì)于幾個(gè)不同的其它觀看方向被重復(fù)以便于計(jì)算范圍和/或平均值和/或最大和最小百分比。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解到較不規(guī)律構(gòu)造的元件1 (旋轉(zhuǎn)的-非對(duì)稱的大致橢圓體元件1)比更規(guī)律構(gòu)造的元件1 (例如旋轉(zhuǎn)的-對(duì)稱的完美球形元件1)將需要在更多個(gè)方向上被測(cè)量。
[0057]在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，元件1是大致球形的并且它是以徑向方向5被觀看，以及在另外的優(yōu)選實(shí)施例中，元件1是大致橢圓體的并且它是以徑向或軸向方向(5或6)被觀看。
[0058]在本發(fā)明的填料元件1中，外連接邊緣元件22和外拱式肋條元件21以及可選的內(nèi)拱式肋條元件31被包含使得當(dāng)以任意方向觀看時(shí)，優(yōu)選徑向方向5或可選的軸向方向6，填料元件I的總突出面積4由于開放的突出面積41的存在是部分開放的，其中它開放的程度范圍是從總面積4的約15%至約50%，優(yōu)選約17%至約40%，更優(yōu)選約18%至約35%，最優(yōu)選約20%至約30%。
[0059]在本發(fā)明的填料元件I的優(yōu)選實(shí)施例中，在不同的觀看方向中的開放的突出面積41的最大和最小百分比之間的差值小于約20%，優(yōu)選小于約15%，更優(yōu)選小于約10%。
[0060]在基于圖5和圖6的計(jì)算中，開放的突出面積的百分比被確定為接近26%,并且在不同的徑向或軸向觀看方向中的多個(gè)測(cè)量指出開放的突出面積的百分比在約50%的最大值和約15%的最小值之間變化，并且平均值為約29%。
[0061]在本發(fā)明的填料元件I的一個(gè)實(shí)施例中，在不同的觀看方向7中的開放的突出面積41的最大和最小百分比之間的差值小于約20%，優(yōu)選小于約15%，更優(yōu)選小于約10%。最小化此差值有助于確保在床中圍繞該元件的局部壓降場(chǎng)的高度均相性和更小限制的流動(dòng)路徑，以及良好的相分布。
[0062]填料元件I被適用于至少一種液體的流動(dòng)；然而，在許多實(shí)施例中，它將適用于液相和蒸汽或氣相的流動(dòng)。在許多實(shí)施例中，液相將向下流動(dòng)和蒸汽相將向上流動(dòng)。然而在一些實(shí)施例中，向下和向上的相兩者可為液體或者兩者可為氣體。通常向下的相會(huì)更重以及向上的相會(huì)更輕。液體、蒸汽和氣體不被特別限制并且其可例如包括一種或更多種有機(jī)化合物、溶劑、水或它們的混合物。
[0063]在一些優(yōu)選實(shí)施例中，填料元件I在至少一個(gè)取向的傾斜平面上能夠部分旋轉(zhuǎn)，優(yōu)選滾動(dòng)。例如，在圖1-4中所示的大致球形的填料元件I可被看出能夠在許多取向中部分旋轉(zhuǎn)。此外，能看出這個(gè)大致球形的實(shí)施例在圖3中所示的取向中的傾斜平面900上沿著箭頭910的方向能夠容易地滾動(dòng)。在其它優(yōu)選實(shí)施例中，填料元件I在至少兩個(gè)或更多個(gè)，優(yōu)選三個(gè)或更多個(gè)取向的傾斜平面900上能夠滾動(dòng)。對(duì)于不那么球形對(duì)稱的元件1，滾動(dòng)也可包括例如擺動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、滑動(dòng)或跳躍的其它運(yùn)動(dòng)作為沿傾斜平面900的整體運(yùn)動(dòng)的一部分。來部分旋轉(zhuǎn)或甚至滾動(dòng)的能力使得填料元件I容易通過傾倒或堆積填料床來被填入塔或反應(yīng)器中，并且元件I也將在填料期間在床中呈現(xiàn)多種隨機(jī)的取向。此外能夠部分旋轉(zhuǎn)或甚至滾動(dòng)的元件I將趨向于更旋轉(zhuǎn)對(duì)稱，此旋轉(zhuǎn)對(duì)稱也將因而有助于增加在元件周圍的局部壓降場(chǎng)的均相性。
[0064]本領(lǐng)域技術(shù)人員將因此容易理解如何達(dá)到部分旋轉(zhuǎn)或滾動(dòng)。更旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的以及具有更多數(shù)量的和/或均勻間隔的以及更平滑的外拱式肋條元件21的元件I將具有更好的旋轉(zhuǎn)和滾動(dòng)。如在圖11所示的部分不連續(xù)的或如圖12所示的完全不連續(xù)的外拱式肋條元件段211將趨向于抑制旋轉(zhuǎn)和滾動(dòng)，尤其是如果任何不連續(xù)將向外突出時(shí)。更完美的球形的或橢圓體的元件I比較于大致不那么球形的或橢圓體的元件I將更好地旋轉(zhuǎn)和滾動(dòng)。大致球形的元件I比較于大致橢圓體的元件也將趨向于能夠在更多種取向上旋轉(zhuǎn)或滾動(dòng)。
[0065]元件I來旋轉(zhuǎn)或滾動(dòng)的能力可通過本領(lǐng)域技術(shù)人員僅將元件I放置在傾斜平面上在沒有過度的負(fù)擔(dān)下容易地被測(cè)試。具有良好的旋轉(zhuǎn)或滾動(dòng)的元件當(dāng)被放置在具有較小傾斜角的傾斜平面上時(shí)將容易旋轉(zhuǎn)或滾動(dòng)。同樣地，元件I可以多種取向被放置在傾斜的平面上以便于測(cè)試元件I根據(jù)那些取向來旋轉(zhuǎn)或滾動(dòng)的能力。
[0066]從圖3中也能夠看出填料元件I在軸向方向6上并不顯著長于在徑向方向5上，使得軸向長度611與最大徑向長度511的比值是從約I至約1.6，優(yōu)選從約1.1至約1.5，更優(yōu)選從約1.2至約1.4。在圖3所示的特定實(shí)施例中，該比值接近1.4。此類小比值有助于確保當(dāng)填料元件1被傾倒或堆積以產(chǎn)生填料床時(shí)它隨機(jī)地下降和著陸。
[0067]在產(chǎn)生填料元件1的優(yōu)選方法中，例如在圖1至圖4中所示例的大致球形的元件1，是由平坦的金屬板材制成，該金屬板材包括以平行相對(duì)的矩形折板形式的兩個(gè)外連接邊緣元件22和在該邊緣元件22之間的彎曲條帶形式的肋條元件，其中制造工藝的步驟包含一些肋條元件從邊緣元件22和金屬板材的平面被向上彎曲以及另一些肋條元件被向下彎曲，以便于產(chǎn)生外拱式肋條元件21和外表面2，以及其隨后的步驟中邊緣元件22的兩個(gè)直接相對(duì)的角朝向彼此被拉引。此類方法的特征在于低成本材料和制造步驟并且因此在經(jīng)濟(jì)上是有利的。此外其可優(yōu)選是自動(dòng)化的。
[0068]在圖7-10中所示的實(shí)施例是大致橢圓體的填料元件1，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解到填料元件1的其它大致橢圓體的形狀只要技術(shù)上可行都是可能的。術(shù)語“大致橢圓體”意味著不顯著偏離橢圓體的形狀并且包括外拱式肋條元件21和外連接邊緣元件22的外表面2將限定大致橢圓體的形狀。在一些實(shí)施例中，填料元件的形狀將偏離完美的橢圓體，因?yàn)橛捎谥圃旃に嚬笆嚼邨l元件21會(huì)不是完美地或平滑地被彎曲，或者其可以是被有意扭曲的以便于減少在相鄰的填料元件1之間的纏繞的可能性。在另外的實(shí)施例中，來制造肋條元件的切口將被制造成不平行于所生產(chǎn)元件的軸線，以便于最小化元件的纏繞。在其它實(shí)施例中，填料元件1的形狀將偏離完美的橢圓體，因?yàn)橥膺B接邊緣元件由于制造工藝而略微變平。在一些實(shí)施例中，填料元件1將是大致橢圓體的，以及在另外的實(shí)施例中它將是橢圓體。在許多實(shí)施例中，大致橢圓體的填料元件1將在至少一個(gè)取向，優(yōu)選兩個(gè)或更多個(gè)，更優(yōu)選三個(gè)或更多個(gè)的取向中的傾斜平面上能夠部分旋轉(zhuǎn)，優(yōu)選滾動(dòng)。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解到隨著填料元件1的形狀接近完美橢圓體形狀，它將能夠越好地滾動(dòng)，并且最后因而在許多取向上滾動(dòng)。對(duì)于不那么旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的大致橢圓體的元件1，滾動(dòng)也可包括例如擺動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、滑動(dòng)或跳躍的其它運(yùn)動(dòng)作為在沿傾斜平面900的整體運(yùn)動(dòng)的一部分。
[0069]與先前在圖1-4中所見的大致球形實(shí)施例相似，在圖7-10中的大致橢圓體的填料元件1具有包括三個(gè)或更多個(gè)外拱式肋條元件21和兩個(gè)外連接邊緣元件22的外表面2。能夠看出這個(gè)實(shí)施例實(shí)際上具有兩個(gè)外連接邊緣元件22和8個(gè)外拱式肋條元件21，并且它不具有可選的內(nèi)表面3或可選的內(nèi)拱式肋條元件31。
[0070]圖7-10的大致橢圓體的填料元件1具有兩個(gè)外連接邊緣元件22和外拱式肋條元件21被包含使得當(dāng)以任意方向觀看時(shí)，優(yōu)選徑向方向5或可選的軸向方向6，填料元件1的總突出面積4由于開放的突出面積41的存在是部分開放的。在這個(gè)特定實(shí)施例中，它開放的程度范圍是從總面積4的約20%至約30%，并且平均值是約25%。因此在這個(gè)實(shí)施例中，開放的突出面積41的最大和最小百分比之間的差值小于約10%。
[0071]在圖9中能夠看出大致橢圓體的填料元件1具有帶有方向5和最大徑向長度511的徑向軸線51以及帶有方向6和軸向長度611的軸向軸線61兩者。從圖9也能夠看出填料元件1在軸向方向6上比在徑向方向5上長得多，使得軸向長度611與最大徑向長度511的比值是從約1.1至約3，優(yōu)選從約1.2至約2.5，更優(yōu)選從約1.5至約2.2，最優(yōu)選從約1.7至約2.0。在圖9所示的特定實(shí)施例中，該比值接近1.7。此類比值有助于確保當(dāng)填料元件1被傾倒或堆積以制造填料床時(shí)，它著陸時(shí)帶有其軸向軸線61取向于與下降方向垂直的平面內(nèi)，但是帶有軸向軸線61隨機(jī)取向于所述平面內(nèi)。
[0072]在生產(chǎn)填料元件I的方法的優(yōu)選實(shí)施例中，例如在圖7-14中所示的實(shí)施例的大致橢圓體的填料元件I由金屬板材管制成，該金屬板材管具有以實(shí)心管邊緣元件形式的兩個(gè)外連接邊緣元件22,該實(shí)心管邊緣元件帶有以連接條帶形式的肋條元件由在該邊緣元件22之間的內(nèi)部管部分組成，在其制造工藝中肋條元件從最初的管狀形狀被向外彎曲以產(chǎn)生外拱式肋條元件21和外表面2，并且由此優(yōu)選外拱式肋條元件被扭曲來使其不與橢圓體的填料元件I的軸向軸線61對(duì)準(zhǔn)。在替代的優(yōu)選實(shí)施例中，來制造肋條元件21的切口將被制造成不平行于所生產(chǎn)元件I的軸向軸線61，以便于最小化元件I的纏繞。此類制造方法是經(jīng)濟(jì)的在于其使用便宜和簡(jiǎn)單的材料和制造步驟。
[0073]圖11-14顯示本發(fā)明的大致橢圓體的填料元件I的一些優(yōu)選實(shí)施例。在圖11中所示的實(shí)施例具有部分不連續(xù)的外拱式肋條元件段211 ;然而在圖12中的實(shí)施例具有完全不連續(xù)的外拱式肋條元件段211。圖13顯示具有內(nèi)拱式肋條元件31的優(yōu)選實(shí)施例，其中每個(gè)元件31在一個(gè)連續(xù)的內(nèi)拱式段32中是部分內(nèi)拱的。圖14顯示具有內(nèi)拱式肋條元件31的另外的優(yōu)選實(shí)施例，其中每個(gè)元件31是部分內(nèi)拱的和部分不連續(xù)的以提供不連續(xù)的內(nèi)拱式肋條元件段311。如先前所述的例如211、32或311的此類段有利地增加了在填料床中沿著流動(dòng)軸線的氣體和液體之間的接觸點(diǎn)的數(shù)量。在優(yōu)選實(shí)施例中，段211和/或311有利地被指向朝著填料元件I的內(nèi)部，以便于從填料元件的外表面最小化突出元件以及最小化由于旋轉(zhuǎn)和/或滾動(dòng)產(chǎn)生的纏繞或干擾。
[0074]在填料元件的優(yōu)選實(shí)施例中，外拱式肋條元件和任何內(nèi)拱式肋條元件的總數(shù)量是從3至20，優(yōu)選從4至15，更優(yōu)選從4至10，最優(yōu)選從5至8。肋條元件的此類總數(shù)量提供填料元件的最佳的強(qiáng)度和機(jī)械完整性，并且抵抗它的形變，以及提供大表面積，而且容易和便宜地被制造以及提供足夠的和均相的開放的突出面積用于達(dá)到低壓降、大的流體流動(dòng)以及良好的液體分布。
[0075]在本發(fā)明的大致橢圓體的填料元件I的一些另外的優(yōu)選實(shí)施例中，外拱式肋條元件21和可選的內(nèi)拱式肋條元件31可以是沿著軸向軸線在中心縱向?qū)?zhǔn)的，或者優(yōu)選地可以替代地是從中心縱向的軸向軸線錯(cuò)位的(misaligned)。這樣的錯(cuò)位產(chǎn)生蒸汽/液體接觸的點(diǎn)，而不是由中心對(duì)準(zhǔn)的肋條元件產(chǎn)生的流體接觸的平面。此外，通過最小化由于連續(xù)的中心對(duì)準(zhǔn)的肋條元件產(chǎn)生的遮蔽效應(yīng),錯(cuò)位有助于開啟穿過填料元件I的本體的縱向流體流動(dòng)路徑。此外，縱向的錯(cuò)位能夠減小在隨機(jī)填料的床中一個(gè)隨機(jī)的填料元件I的一個(gè)或更多個(gè)肋條元件來變得插入于另外的隨機(jī)的填料元件I的一個(gè)或更多個(gè)肋條元件內(nèi)的趨勢(shì)，這樣的情況有時(shí)被稱為“嵌套”。嵌套會(huì)降低質(zhì)量傳遞效率并且會(huì)促使液體和蒸汽在填料床內(nèi)產(chǎn)生溝道效應(yīng)。在還有的其它優(yōu)選實(shí)施例中，相似的效應(yīng)可通過扭轉(zhuǎn)肋條元件來達(dá)到。
[0076]本發(fā)明的另一方面在于包括帶有多個(gè)填料元件I的填料床的質(zhì)量傳遞塔或熱量傳遞塔或化學(xué)反應(yīng)器。此類填料床有利地使用本發(fā)明的填料元件I的良好的低壓降和均相的壓降場(chǎng)和高流動(dòng)性質(zhì)。因此，此類塔和反應(yīng)器在其床中將具有更少的由于溢流和欠佳的相分布的問題。在特定實(shí)施例中塔或反應(yīng)器可包含多個(gè)床的結(jié)合，例如包括至少一個(gè)本發(fā)明的床，但是也包括一個(gè)或更多個(gè)隨機(jī)的填料床、規(guī)整填料床和/或托盤區(qū)段。
[0077]本發(fā)明另一個(gè)相關(guān)的方面在于來制備此類質(zhì)量傳遞塔、熱量傳遞塔或化學(xué)反應(yīng)器的填料床的方法，其中該工藝包括隨機(jī)地傾倒或堆積本發(fā)明的填料元件I進(jìn)入塔或反應(yīng)器，以便于產(chǎn)生包括以多種隨機(jī)取向的多個(gè)填料元件I的填料床。
[0078]在一些實(shí)施例中，包括多個(gè)填料元件I的填料床的表面將典型地介于約20m2/m3與約500m2/m3之間。在其它實(shí)施例中，填料床的自由體積將在約92%與約98%之間。在其它實(shí)施例中，填料床具有的質(zhì)量將介于約100kg/m3和約400kg/m3之間。
[0079]本發(fā)明的另外的方面在于本發(fā)明的填料元件I作為隨機(jī)的填料元件的用途或者包括帶有多個(gè)填料元件I的填料床的塔或反應(yīng)器中的一個(gè)在質(zhì)量傳遞和/或熱量傳遞工藝和/或化學(xué)反應(yīng)中的用途。
[0080]雖然多個(gè)實(shí)施例已經(jīng)為了說明的目的已經(jīng)被提出，但是前述的描述不應(yīng)該被認(rèn)為是對(duì)本文的范圍的限制。因此，多種修改、改裝和替代能夠由本領(lǐng)域技術(shù)人員想到，而不違背本文的精神和范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種用于在質(zhì)量和/或熱量傳遞工藝中可供至少一種液體流動(dòng)經(jīng)過的填料元件(1)，其中所述填料元件(I): 具有外表面(2)，其包括三個(gè)或更多個(gè)外拱式肋條元件(21)和兩個(gè)外連接邊緣元件(22)， 可選地具有內(nèi)表面(3 )，其包括可選的內(nèi)拱式肋條元件(31)， 其特征在于，所述元件(I)是大致球形的或大致橢圓的，并且其中外連接邊緣元件(22)和外拱式肋條元件(21)和可選的內(nèi)拱式肋條元件(31)被包含，使得當(dāng)以任意方向(7)觀看時(shí)，優(yōu)選徑向方向(5)或可選的軸向方向(6)，所述填料元件(I)的總突出面積(4)由于開放的突出面積(41)的存在而是部分開放的，其中它開放到一定程度，該程度的范圍是總突出面積(4)的從約15%至約50%，優(yōu)選約17%至約40%，更優(yōu)選約18%至約35%，最優(yōu)選約20% 至約 30%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的填料元件(1)，其中在開放的突出面積(41)的最大和最小百分比之間的差值小于約20%，優(yōu)選小于約15%，更優(yōu)選小于約10%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2中任一項(xiàng)所述的填料元件(I)，其中所述填料元件(I)在至少一個(gè)取向中的傾斜平面(900)上能夠部分旋轉(zhuǎn)，優(yōu)選地滾動(dòng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的填料元件(I)，其中所述填料元件(I)包括至少一個(gè)內(nèi)拱式肋條元件(31)，并且其中所述元件(31)是完全內(nèi)拱的，或在一個(gè)或更多個(gè)連續(xù)的內(nèi)拱式段(32)中是部分內(nèi)拱的，并且其中所述元件(31)可選地是部分或完全不連續(xù)的以提供不連續(xù)的內(nèi)拱式肋條元件段(311)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的填料元件(I)，其中所述填料元件(I)在形狀上是大致橢圓的并且在軸向方向(6)上顯著長于在徑向方向(5)上，使得軸向長度(611)與最大徑向長度(511)的比值是從約1.1至約3，優(yōu)選從約1.2至約2.5，更優(yōu)選從約1.5至約2.2，最優(yōu)選從約1.7至約2.0。
6.根據(jù)權(quán)利要求3至5中任一項(xiàng)所述的填料元件(I)，其中所述填料元件(I)在至少兩個(gè)或更多個(gè)，優(yōu)選三個(gè)或更多個(gè)取向中的傾斜平面(900)上能夠滾動(dòng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的填料元件(I)，其中所述外拱式肋條元件(21)中至少一個(gè)是部分或完全不連續(xù)的以提供外拱式肋條元件段(211)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的填料元件(1)，其中所述外拱式肋條元件(21)和任何內(nèi)拱式肋條元件(31)的總數(shù)量是從3至20，優(yōu)選從4至15，更優(yōu)選從4至10，最優(yōu)選從5至8。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的填料元件(1)，其中所述填料元件(I)由金屬制成，優(yōu)選不銹鋼或招金屬板材，更優(yōu)選具有3.0mm至0.08mm的厚度的金屬板材,優(yōu)選1.0mm至0.2mm的厚度，或者是陶瓷，或者是塑料材料，優(yōu)選熱塑性材料，可選填充了填充物或纖維的熱塑性材料。
10.一種生產(chǎn)根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的填料元件(I)的方法，其中所述填料元件(I)由金屬板材在成型工藝中通過包括切割、彎曲和扭曲，可選地打孔或沖壓的成型工藝由金屬板材被成型，優(yōu)選僅切割和彎曲，并且其中每填料元件(I)重量的金屬板材優(yōu)選平均小于20%的重量百分比，更優(yōu)選小于10%的重量百分比，以及最優(yōu)選小于1%的重量百分比在成型工藝中作為廢料被丟棄或損失。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的生產(chǎn)填料元件(I)的方法，其中所述填料元件(I)或者是: (i)大致球形的并且其中所述元件(I)由平坦的金屬板材制成，該金屬板材具有以平行相對(duì)的矩形折板形式的兩個(gè)外連接邊緣元件(22)和在該邊緣元件(22)之間的彎曲條帶形式的肋條元件，其中工藝的步驟包含一些肋條元件從邊緣元件(22)和金屬板材的平面被向上彎曲以及另一些肋條元件從邊緣元件(22)和金屬板材的平面被向下彎曲，以便于產(chǎn)生外拱式肋條元件(21)和外表面(2)，以及其隨后的步驟中所述邊緣元件(22)的兩個(gè)直接相對(duì)的角朝向彼此被拉引； 或者是 (ii)大致橢圓體的并且其中所述元件(I)由金屬板材管制成，該金屬板材管具有以實(shí)心管邊緣元件形式的兩個(gè)外連接邊緣元件(22),該實(shí)心管邊緣元件帶有以連接條帶形式的肋條元件，其由在所述邊緣元件(22)之間的內(nèi)部管部分組成，在工藝中肋條元件從最初的管狀形狀被向外彎曲以產(chǎn)生外拱式肋條元件(21)和外表面(2)，并且由此優(yōu)選所述外拱式肋條元件(21)被扭曲或切割來使其與所述橢圓的填料元件(I)的軸向軸線(61)錯(cuò)位。
12.—種生產(chǎn)根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的填料元件(I)的方法，其中所述填料元件(I)由熱塑性材料，可選填充了填充物或纖維的熱塑性材料，在包括注塑模制步驟的成型工藝中制成。
13.一種質(zhì)量傳遞塔或熱傳遞塔或化學(xué)反應(yīng)器，其包含帶有根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的多個(gè)填料元件(I)的填料床。
14.一種制備根據(jù)權(quán)利要求13所述的質(zhì)量傳遞塔或熱量傳遞塔或化學(xué)反應(yīng)器的填料床的方法，其中所述工藝包括隨機(jī)地傾倒或堆積根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的填料元件(I)至所述塔或反應(yīng)器中以便于產(chǎn)生包括以多種隨機(jī)取向的多個(gè)填料元件(I)的填料床。
15.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的填料元件(I)作為隨機(jī)的填料元件或者根據(jù)權(quán)利要求13所述的塔或反應(yīng)器中的一個(gè)在質(zhì)量傳遞和/或熱量傳遞工藝中和/或在化學(xué)反應(yīng)中的用途。
【文檔編號(hào)】B01J19/30GK104394981SQ201280073476
【公開日】2015年3月4日 申請(qǐng)日期:2012年12月14日 優(yōu)先權(quán)日:2012年3月27日
【發(fā)明者】I.奧斯納, F.克雷爾 申請(qǐng)人:蘇舍化學(xué)技術(shù)有限公司