流体接触塔的最佳填料结构及其制造方法与流程

本发明涉及流体接触设备的领域。

接触塔的用途是提供流体之间的接触，以便实现流体之间的物质或热传递。该类型的流体接触设备广泛地用于实施蒸馏、精馏、吸收、热交换、萃取、化学反应操作等。

接触塔通常由设置有促进流体之间交换的内部接触元件的外壳组成。一般来讲，该塔允许在上升气相和下降液相之间提供紧密接触，或者反之亦然。在塔内，流体可以同流或逆流循环。增大流体之间接触表面的接触元件可以是盘、规整填料(即，若干相同的或不同的单一元件并置，其以有序的方式布置，例如，波纹片材)或散堆填料(即，杂乱无章地堆叠地单一元件，例如，环、螺旋)。

背景技术：

文献EP-0,449,040描述了一种内部填料元件，其允许促进流体之间的交换，克服流体循环块阻碍限度，同时对化学侵蚀和腐蚀的抵抗力。

在流体接触塔的应用中，尤其是在需要用吸收溶液洗涤流体的蒸馏或反应吸收中，例如天然气脱氧或燃烧气脱碳，有必要具有最好的可行的接触元件，以在限制塔内压降并具有最大(液体和气体)传递系数的同时提供最大接触表面。

因此，专利FR-2,913,897(US-8,505,884)公开了一种用于流体接触塔的内部填料结构，其适合蒸馏和反应吸收的应用，所述应用尤其在限制压降增加的同时允许流体之间的交换表面增大。该专利中所述的填料结构由管束的有序布置组成，管包括促进交换的孔。每个管束中的管在立方体的两个方向或四个方向上定向。然而，该填料结构的容量对于预期应用保持为低的。填料的容量对应于穿过填料而没有液泛，即在填料的一部分中没有形成气体积聚的气体量。

本发明因此涉及一种由管束的有序布置组成的填料结构。对于每个管束，管在由长方体的对角线形成的四个方向上定向，所述长方体所具有的一个尺寸大于其它尺寸。因此，该管布置允许管在塔轴线上的倾斜，从而提供增加的填料结构容量。

技术实现要素：

本发明涉及一种用于流体接触塔的填料结构，所述结构形成包括管束的有序布置的体积，所述管的壁包括经提供以便促进流体在所述结构中循环和混合的孔。每个管束包括分别在由长方体的对角线形成的四个方向上定向的四根管，所述长方体所具有的一个边尺寸大于其它边尺寸。

根据本发明，长方体的较大尺寸在所述填料结构的垂直方向上定向。

有利地，所述管的轴线相对于垂直轴线的定向角度的范围在20°和50°之间，优选地在30°和45°之间。

优选地，管的液压直径的范围在5mm和50mm之间。

根据本发明的实施例，所述管具有基本上圆形或椭圆形截面。

优选地，所述管的截面为多边形。

根据本发明的实施例，所述结构包括由管束的有序布置组成的多个平行六面体块。

根据特性，所述孔内接于矩形，所述矩形的边的范围在2mm和45mm之间，并且所述孔中的每一个在大于2mm²的表面积上延伸。

根据本发明的设计，孔的表面积与所述管的所述固体部分的表面积的比率的范围在10％和90％之间，优选地在25％和50％之间。

优选地，所述管包括缠绕成两个交叉螺旋的至少两个条带的织布，所述螺旋沿相同轴线延伸并且具有相同直径，所述条带彼此远离以便形成所述孔。

根据实施例，所述管由通过至少一个杆连接的多个环组成，所述杆沿所述管的母线布置。

根据变型，所述管由选自通过碳沉积凝结成的碳、金属、陶瓷、聚合物材料或热塑性材料、热固性材料的材料制成。

此外，本发明涉及一种包括填料的流体接触塔，所述填料包括根据以上特性中的一个所述的填料结构。

另外，本发明涉及根据本发明的流体接触塔在蒸馏工艺、反应吸收工艺诸如酸性气体捕捉以及天然气处理中的使用。

本发明也涉及一种制造用于流体接触塔的填料结构的方法，其中执行以下阶段：

a)制造管，该管包括被布置成以便促进流体在结构中循环和混合的孔，

b)通过并置管束构造所述管的有序组件，所述管束包括分别在由长方体的对角线形成的所述四个方向上定向的四根管，所述长方体所具有的一个尺寸大于其它尺寸，以及

c)将管在其接触部分处连结在一起。

根据实施例，其中在阶段a)中，制造圆形或椭圆形截面的管。

另选地，所述管的截面为多边形。

根据变型实施例，所述长方体的较大尺寸在所述填料结构的垂直方向上定向。

根据特性，所述方法包括加工有序组件以便形成长方体块的阶段以及将块铺在所述流体接触塔中的阶段。

附图说明

参考附图阅读由非限制性示例给出的实施例的描述，将清楚根据本发明的方法的其它特征和优点，在附图中：

-图1示出根据本发明的填料结构的管的示例，

-图2示出根据本发明的填料结构的管的第二示例，

-图3示出根据本发明的填料结构的管束，

-图4示出根据本发明的填料结构的管束布置，

-图5示出根据本发明的实施例的填料结构，

-图6示出根据本发明的填料结构的管的第三示例，

-图7是根据本发明的实施例的管束布置中椭圆形管的横截面通道区域的视图，

-图8示出根据本发明的变型实施例的椭圆形管的截面，

-图9示出根据本发明的实施例的包括填料结构块的接触塔，

-图10示出根据现有技术的填料结构和根据本发明的填料结构的100m³/h/m²润湿比的线性压降，以及

-图11示出根据现有技术的填料结构和根据本发明的填料结构的50m³/h/m²润湿比的线性压降。

具体实施方式

本发明涉及流体接触塔的填料结构。根据本发明的填料结构形成包括管束的有序布置的体积。管被理解成基本上恒定截面的空心圆柱体，其垂直于截面(沿圆柱体母线)的尺寸为空心元件的最大尺寸。管可具有任何截面，例如，正方形、矩形、多边形、圆形、椭圆形。根据本发明，管的壁包括被布置成以便促进流体在所述结构中循环和混合的孔。

根据本发明，每个管束包括在长方体(或矩形体)的对角线的四个方向上定向的四根管。因此，长方体不是立方体，并且因此该长方体所具有一个尺寸大于其它尺寸，这允许减小管相对于垂直面的定向角度，因为这些角度不同于由立方体的方向形成的角度。因此，可以增加填料结构的容量。需要提醒的是，填料的容量对应于穿过填料而没有液泛，即在填料的一部分中没有形成气体积聚的气体量。管的方向基本上对应于长方体的四个对角线，不同的是管在长方体中心的对角线的理论交点处不相交，而是在该点附近相交。

图1通过非限制性示例示出形成根据本发明的规整填料的基本图案的管状元件1的实施例。所示图1的管具有基本上圆形截面，然而，该管可具有不同形状的截面：正方形、矩形、多边形、圆形、椭圆形等。任何管截面形状适合下面所述的各种实施例。

元件1由呈液压直径为θ的管形式的壁组成，该管设置有孔或孔洞T。当管的截面不是圆形时，管的液压直径是用于计算管、液压管路或通路中的流量的常用符号，以便对圆形截面的管的流量进行类似的计算。液压直径θ可以用此类型的公式进行定义：其中A为管的横截面通道的表面积，并且P为管的横截面区域的周长。对于圆形截面的管，液压直径对应于几何直径。根据本发明，孔T和液压直径θ的尺寸经选择以使流体循环和接触最优化。根据本发明的实施例，管状元件1的液压直径θ的范围在5mm和50mm之间，以使由此类管组成的规整填料的每单位体积的几何面积最优化。这些尺寸在保持低压降的同时允许开发每单位体积的几何面积，以便适合预期应用。

根据本发明的有利设计，孔T的最小表面积被选择成大于2mm²,优选4mm²，使得在管内流动的液膜可以被流经孔的气流破坏。实际上，如果孔T的尺寸小于2mm²，则在管的内壁上循环的液膜可通过毛细作用阻塞这些孔。具有大于2mm²的表面积的孔允许气相和液相从一个管穿过到达另一个管，并且因此提供适当的接触和混合。在将根据本发明的填料应用于反应吸收时，优选地使用设置有孔的管，该孔的表面积大于4mm²或甚至8mm²。实际上，一般来讲，在反应吸收塔内接触的流体以高速率循环，通常速率的范围在1m/s和2m/s之间。因此提供较大的孔以将在管壁上循环的液膜分裂。

根据本发明的变型实施例，孔T内接于长为L宽为I的矩形，L和I的范围在2mm和45mm之间，优选在3mm和20mm之间。换句话说，孔必须与长为L宽为I的矩形的四条边接触。在另一方面，孔T可具有任何形状，只要其保持内接于尺寸为L和I的矩形。孔可具有基本上圆形形状、椭圆形形状、菱形形状。将孔内接于尺寸为L和I的矩形允许在孔的边缘之间施加最小尺寸，以使在填料管的壁上循环的液态膜被破坏。

孔T以有序或随机的方式布置。优选地，孔T均匀地布置以沿元件1获得均一交换特性。优选地，两个孔之间的空间不超过液压直径θ的值的两倍。以这样的方式选择孔的数量，元件1包括10％和90％之间的开孔率，即，孔的表面积与管的固体部分的表面积的比率的范围在10％和90％之间，该比率的完美值的范围在25％和50％之间。

如上所定义的孔为元件1的内部和外部之间的流体打开连通通路，以使相之间的混合最优化，因此使在由管1组成的规整填料内循环的相之间的接触和再分布最优化。

管1可由任何类型的材料制成，例如碳/碳，即由通过碳沉积凝结成的碳纤维、陶瓷、金属、聚合物材料、热塑性材料或热固性材料制成的结构。孔T可以通过例如材料去除、加工或钻孔获得。元件1可以通过模塑例如聚合物材料、通过成型或通过任何其它工艺获得。

图2示出通过编结条带获得的图1的元件1的特定实施例。所示图2的管具有基本上圆形截面；然而，管可具有不同形状的截面：正方形、矩形、多边形、圆形、椭圆形。任何管截面形状适合下面描述的不同变型实施例。

根据所示的实施例，图2的管状元件1通过编织条带例如纱线、丝线、片材获取管状形状而形成。更准确地说，在制造时，条带2a通过形成螺旋围绕液压直径为θ的管缠绕。第二条带2b也通过形成螺旋围绕同一根管缠绕，但相对于条带2a交叉。条带的厚度和螺旋的螺距经如此选择以便在条带之间留出空间E。优选地，螺旋2a的螺距与螺旋2b的螺距相同。空间E实现与图1的孔T相同的目的。空间E和液压直径θ的几何定义分别与结合图1描述的孔T和液压直径θ的几何定义相同。

此外，在图2中，填料元件包括另外两条条带3a和3b，条带3a和3b分别缠绕成与条带2a和2b相同的螺旋并且轴线偏置。因此，空间E具有基本上菱形的形状，其各边由条带2a、2b、3a和3b呈现。

在不脱离本发明的范围的情况下，管状元件1可由变化的不同参数组成，例如条带的数量、每个条带的厚度和宽度、缠绕螺旋的螺距，或者条带可以缠绕成可变螺距的螺旋。

一旦条带的缠绕完成，就使用例如文件EP-0,499,040中描述的技术凝结编织的条带结构，通过热处理、树脂浸渍、胶粘、焊接或任何其它技术。例如，条带为玻璃纤维或碳纤维制成的纱线，可能涂覆有例如热固性材料、酚醛树脂或环氧树脂。

对于本发明的所有实施例，管可由任何类型的材料制成，例如碳/碳，即由通过碳沉积凝结成的碳纤维、陶瓷、金属、聚合物材料、热塑性材料或热固性材料制成的结构。孔T可以通过例如材料去除、加工或钻孔获得。元件1可以通过模塑例如聚合物材料、通过成型或通过任何其它工艺获得。

根据本发明，每个管束包括在由长方体的对角线形成的四个方向上定向的四根管，长方体的(一条边的)至少一个尺寸大于(其它条边的)其它尺寸，以便增加填料结构的容量。因此，管基本上在长方体的四个对角线的方向上定位，不同的是管不在长方体中心的对角线交点处相交，而是在该点的附近相交。长方体如此定向使得其较大尺寸(长度)基本上沿其中插入该长方体的塔的轴线定位(气态流和/或液态流的方向)，该轴线大体为垂直的。由于管的这种布置以及所得的管相对于垂直面的倾角，填料结构的容量增加。

根据本发明的实施例，长方体具有正方形底部。

有利地，由每根管的轴线相对于垂直轴线在穿过管的轴线的垂直面中形成的角度的范围在20°和55°之间，有利地在20°和50°之间，以获得填料结构容量的显著效果。优选地，就填料结构容量而言，该角度的范围在30°和45°之间以获得最佳结果。

图5示出根据本发明的管状元件的组件，管布置在长方体的四个不同方向上。所示图3至图5的管具有基本上圆形截面，然而，管可具有不同形状的截面：正方形、长方形、多变形、圆形、椭圆形。任何管截面形状适合下面所述的不同变型实施例。

该组件的详细布局结合图3、图4和图5进行描述。图3示出有四根管1a-1d的管束，每根管布置在四个组件方向Da-Dd中的一个上。四根管沿其组装的四个方向Da-Dd分别对应于长方体的四个对角线，不同的是管不在长方体中心的对角线交点水平处相交，它们在该点的附近交叉。

有序组件的构造可以例如通过重复图3的布局开始，即，通过沿图4所示的对应于管束的四根管的交点的构造轴线XX’布置，管1a-1d的新管束与先前管束以相同的顺序布置，依次类推。由沿轴线对准的管1a-1d的管束的第一行100a组成的有序组件的开端因此获得，如图4所示。各自均在平面中延伸的管11-14的四个缠结网络因此形成，所述平面在成束的管的组件的四个方向中的一个上定向。每个网络的管彼此间隔开一定距离，从而允许其它网络的管的穿过(缠结)。

当在行100a中达到管束的期望数量时，则沿与轴线XX’平行的轴线叠置若干序列的管束行，以便填充行100a周围的空余体积。然后，通过沿与构造轴线XX’平行的新轴线添加另外的管束行获得填料结构。所述行的任一条边上的空余体积则类似地完成，通常直到行100a的管的末端，以便在该体积内获得由分别布置在四个方向上的管组成的三维结构。

根据本发明的实施例，在结合图3至图5描述的管组件中，管在管之间的接触部分处彼此连接。该连接可借助于化学或机械工艺实现，例如借助于热塑性或热固性树脂，通过胶粘、碳沉积、焊接、机械钩连或任何其它手段实现。

根据本发明的实施例，规整填料块可加工为接触塔的尺寸和形状。一般来讲，接触塔包括圆柱形外壳。在这种情况下，有序的管组件被加工以便获得可被引入塔的圆柱形外壳内的圆柱形形状的填料结构，以占据塔内的最大空间，并且因此提供最佳交换表面。

对于大直径的塔，若干块被并置。位于壁的内周边上的块被加工以适合塔的圆柱形形状。考虑到该构造的高的固有孔隙率，加工由管状元件的组件组成的块是非常精密的。根据材料的性质，特定的加工技术可用于避免元件的屈曲或结构的塌陷，例如激光加工、喷水加工或高速加工。

另选地，规整填料块可被切割或加工为长方体块，该长方体块在设置在接触塔内时其较大尺寸布置成平行于塔的轴线，即垂直轴线。块可以布置成连续的节段，而块的底部从一个节段到另一个节段不具有特定定向。图5是本发明的该实施例的可被加工的长方体块的示例。图9示出塔5内的长方体块6的布局的非限制性示例。对于该示例，块分布在两个规整填料节段之上，这两个规整填料节段中的一个布置在另一个之上。

根据本发明的实施例，管截面具有椭圆形形状。管截面的这种椭圆形形状允许获得根据本发明的填料结构中的管束的固体布置(四根管在长方体的对角线的四个方向上定向的管束)。实际上，在平行六面体结构的情况下，圆形截面的管较不适合固体布置。此外，椭圆形截面的管的布置允许提供良好的管间隔并且提供管之间的接触点。有利地，椭圆的几何形状和尺寸与长方体的几何形状和尺寸相关。

此外，结合图1描述的几何特性(液压直径的范围在5mm和50mm之间，孔表面积大于2mm²，内接于长为L宽为I的矩形的孔的范围在2mm和45mm之间，优选地在3mm和20mm之间)也适用于该实施例(并且用于所有管实施例)。

图8示出根据本发明的规整填料的管1的椭圆形截面的示例。

图6示出根据本发明的规整填料的多边形截面的管1的示例。根据本发明的实施例，这里所示的管1由一组多边形形状的环7组成，这里为六边形，所述环7由平行于管轴线的杆8连接，并且对应于管的母线。在环和杆之间形成的空间对应于管的孔T。

图7是根据本发明的实施例的布置中的椭圆形截面的管的横截面通道区域的视图。如图所示，管布置由根据与图6所示的实施例非常接近的实施例的椭圆形截面的管1组成。图7的中心部分对应于其中可插入管1的空间。

根据本发明的接触塔的内部填料允许在蒸馏操作中获得优异结果，尤其是用于在HF(氢氟酸)存在条件下需要蒸馏进行氟衍生物的制备，或用于蒸馏某些有机酸诸如甲酸或乙酸。其也特别适合于反应吸收应用，尤其是在燃烧后气体和天然气的处理过程中，通过使气体与吸收液体溶液接触进行二氧化碳的捕获。

此外，本发明涉及一种制造用于流体接触塔的填料结构的方法。该制造方法允许获得根据上述变型实施例中的任何一个的填料结构。根据本发明的制造方法包括以下阶段：

a)制造管，该管包括被布置成以便促进流体在所述结构中循环和混合的孔。管尤其可具有如图1、图2和图6中的一个所示的管的形状。管可具有任何形状的截面，例如，正方形、矩形、多边形、圆形、椭圆形。例如，如图8所示的椭圆形截面。管可由任何类型的材料制成，例如碳/碳，即由通过碳沉积凝结成的碳纤维、陶瓷、金属、聚合物材料、热塑性材料或热固性材料制成的结构。

对于根据图1的实施例的管，制造可在于首先形成固体管，然后在期望点处切割孔，例如通过加工或钻孔。管可以通过模塑例如聚合物材料、通过成型或通过任何其它工艺获得。

对于根据图2的实施例的管，制造可在于编织条带例如纱线、丝线、片材从而获取管状形状。更准确地说，第一条带可通过形成螺旋围绕管缠绕，并且第二条带也可通过形成螺旋围绕同一根管缠绕，但相对于第一条带交叉。条带的厚度和螺旋的螺距经如此选择以便在条带之间留出空间。该管可以由若干对缠绕的条带组成。

对于根据图6的实施例的管，其制造可包括：

-制造期望形状、多边形、圆形、椭圆形的环

-制造杆，以及

-将杆紧固到环，杆对应于管母线，并且环对应于管截面。如果环和杆由金属制成，则紧固可通过焊接形成。如果环和杆由聚合物材料制成，则紧固可通过胶粘或在热塑性或热固性材料的聚合过程期间实现。

b)然后，管的有序组件通过并置管束构造。根据本发明，每个管束包括分别在长方体的四个方向上定向的四根管，长方体所具有的一个尺寸大于其它尺寸。优选地，长方体的较大尺寸对应于填料结构的垂直方向(参见图3)。长方体的方向基本上对应于长方体的四个对角线，不同的是管在长方体中心的对角线交点处不相交，而是在该点附近相交。管的这种布置允许填料结构容量增加。

有利地，由每根管的轴线相对于水平面在穿过管的轴线的垂直面中形成的角度的范围在20°和54°之间，以便获得填料结构容量的显著效果。优选地，就填料结构容量而言，该角度的范围在30°和45°之间以便获得最佳结果。

有序组件的构造可以例如通过重复图3的布局开始，即，通过对应于管束的四根管的交点的构造轴线XX’布置，管1a-1d的新管束与先前管束以相同的顺序布置，依次类推。由沿构造轴线XX’对准的管1a-1d的管束的第一行100a组成的有序组件的开端因此获得，如图4所示。各自均在平面中延伸的管11-14的四个缠结网络因此形成，所述平面在成束的管的组件的四个方向中的一个上定向。每个网络的管彼此间隔开一定距离，从而允许其它网络的管的穿过(缠结)。

当在行100a中达到管束的期望数量时，则沿与轴线XX’平行的轴线叠置若干序列的管束行，以便填充行100a周围的空余体积。然后，通过沿与构造轴线XX’平行的新轴线添加另外的管束行获得填料结构。所述行的任一条边上的空余体积则类似地完成，通常直到行100a的管的末端，以便在该体积内获得由分别布置在四个方向上的管组成的三维结构。

c)下一阶段在于将管彼此连接以便形成刚性布置。根据本发明的实施例，管在管之间的接触部分处连接。该连接可以借助于化学或机械工艺实现，例如借助于热塑性或热固性树脂，通过胶粘、碳沉积、焊接、机械钩连或任何其它手段实现。

根据本发明的制造方法然后可包括下面描述的阶段d)或d’)中的一个或类似阶段，从而允许提供具有给定形状的填料结构。

d)根据本发明的实施例，规整填料块可加工为接触塔的尺寸和形状。一般来讲，接触塔包括圆柱形外壳。在这种情况下，有序的管组件被加工以便获得可被引入塔的圆柱形外壳内的圆柱形形状的填料结构，以占据塔内的最大空间，并且因此提供最佳交换表面。

d’)另选地，对于大直径的塔，若干块被并置。位于壁的内周边上的块被加工以适合塔的圆柱形形状。考虑到该构造的高的固有孔隙率，加工由管状元件的组件组成的块是非常精密的。根据材料的性质，特定的加工技术可用于避免元件的屈曲或结构的塌陷，例如激光加工、喷水加工或高速加工。

根据本发明的变型，规整填料块可被加工为长方体块。块然后布置在接触塔内，使得块的长度(较大尺寸)布置成平行于塔的轴线，即垂直轴线。块可以布置成连续的节段，而从一个节段到另一个节段不具有特定定向。图5是本发明的该实施例的可被加工的长方体块的示例。图9示出塔5内的长方体块6的布局的非限制性示例。对于该示例，块分布在两个规整填料节段之上，这两个规整填料节段中的一个布置在另一个之上。

比较实例

根据本发明的填料结构和根据现有技术的具有在立方体的四个方向上的管束布置的填料结构(专利FR-2,913,897(US-8,505,884))的比较实例允许示出在压降以及因此在根据本发明的填料结构的容量增加方面的增益。

该实例在于在塔中借助于规整填料使液体、水与以逆流循环的气体、空气接触。

对于两个相比较的规整填料设计，管的液压直径为12mm，管的开孔率为50％，气体流率在1.5巴的绝对压力下和在环境温度下为恒定的，并且塔的直径为150mm。

此外，对于根据本发明的设计，管具有椭圆形形状，并且管相对于垂直轴线的角度为30°。

对于各种配置，包括根据现有技术AA的具有倾斜管的配置(专利FR-2,913,897)，以及根据本发明INV的成30°的另一个配置，图10示出作为以√Pa表示的动力因子Fs的函数的以mbar/mm表示的线性压降△P/m。动力因子表征填料中气体的动能。该值考虑到压力对于填料容量的作用。对于图10的实例，液体流率为100m³/h/m²。针对该流体速率测得的容量增益为50％，并且线性压降减少了3倍。

图11是与图10相同的曲线，例如液体流率为50m³/h/m²的情况。对于该流体速率，变型类似于图10所示的实例的变型：容量增益和线性压降降低了接近3.5倍。

因此，根据本发明的填料结构相对于根据现有技术的填料结构而言具有增加的容量。