專利名稱：：流體接觸塔的填料結構及其制備方法
技術領域：
：本發明涉及流體接觸設備領域。接觸塔的目的是為流體之間提供接觸以完成流體之間的物料或熱傳遞。這類流體接觸設備廣泛應用于實施蒸餾、精餾、吸收、熱交換、萃取、化學反應操作等。
背景技術：
：接觸塔一般由外殼及促進流體之間的交換的內部接觸單元組成。一般說來，接觸塔為上升氣相和下降液相提供親密接觸，反之亦然。在塔內，流體能夠進行同向或逆向流通。用以增大流體接觸表面的接觸單元可以是塔板、規整填料，即并置數個單一的單元，相同的或不同的，按照有序的方式排列如板波紋，或散裝填料，即雜亂無章地堆積單一的單元例，如環、螺旋填料。文獻EP-0449040中描述了一種內部填料單元，其能允許更好地控制流體間的交換，消除流體流通阻礙限度，并能增強對化學侵蝕和腐蝕的抵抗力。在流體接觸塔的應用中，尤其是在需要用吸收溶液洗滌流體的反應吸收或精餾中，例如天然氣脫氧或燃燒氣脫碳，有必要應用最好的可行的接觸單元以在塔內有限的壓降條件下提供最大的接觸表面。
發明內容本發明因此提供一種流體接觸塔的內部填料結構，非常適合于反應的吸收和精餾的應用，特別是能夠在限制增加壓降的情況下增加流體之間的交換表面。總的來說，本發明描述了一種流體接觸塔的填料結構，所述結構形成一個空間，其包括有序排列的直徑5-50mm的管束，所述管壁上設置有孔以促進所述結構內的流體流通和混合，所述孔內接于邊長為2和45mm的矩形，每個所述孔的表面積大于2mm2。根據本發明，孔的表面積占管固體部分表面積的比例在10%_90%范圍內。兩個孔之間的距離不超過管直徑的兩倍。管可以包含一塊織布，其包括至少兩條條帶，優選四條條帶纏繞成兩條，優選四條相互穿越的螺旋狀沿相同的軸并以同樣的直徑延伸，優選其中的兩個螺旋穿過另外兩個螺旋，所述條帶相互間隔以形成所述的孔。所述條帶可以含有以下至少一種材料碳沉積作用凝結的碳、金屬、陶瓷、聚合材料、熱塑性材料及熱固性材料。根據本發明，每一束管束可以包含兩根分別朝向兩個方向的管。可選的，每一束管束可以包括四根分別朝向四個方向的管。所述四根管可以分別朝向一個立方體的四個方向。根據本發明的填料結構可以用于蒸餾工藝。根據本發明的填料結構同樣可以應用于反應吸收工藝，例如燃燒后氣體和天然氣處理中的二氧化碳捕集。本發明同樣描述了一種流體接觸塔中的填料結構的制備方法，其包括以下步驟3a)制備直徑為5-50mm的管，所述管的管壁包含設置用于促進流體在所述結構內流通和混合的孔，所述孔內接于邊長為2和45mm的矩形，每個所述孔的表面積大于2rnrn2，b)通過并置管束建立一個所述管的有序組件，c)在其接觸部位所處的水平面上將管相互連接起來，d)將有序組件加工以形成與接觸塔內部尺寸相適應的填料結構。在步驟a)中，可以圍繞圓柱體纏繞由合成材料制成的條帶如紗線、絲線或薄片，通過至少兩個互相穿越的螺旋的形式，同時在條帶間留出空間以在條帶間形成所述的孔。條帶可以包含以下至少一種材料碳沉積作用凝結的碳纖維、金屬、熱塑性材料及熱固性材料。在步驟b)中，管束可以向兩個方向延伸，也可以向四個方向延伸。本發明的其他技術特征和優點將在接下來的具體實施方式中清楚地看到，結合以下的附圖圖1示出了本發明的一個管狀填料單元。圖la，lb和lc為管狀填料單元上的孔形狀的各種實施例。圖2為本發明的填料單元的一個具體的實施例。圖3和4大概地示出了基于管狀單元朝向兩個方向形成的規則填料。圖5和8大概地示出了基于管狀單元朝向四個方向形成的規則填料。圖9大概地示出了一個接觸塔。具體實施例方式圖1顯示了形成本發明的規整填料基本圖案的管狀單元1。單元1由直徑為e的管的壁組成，其上有孔或洞T。根據本發明，選擇孔T和直徑e的尺寸以使流體流通和接觸最優化。管狀單元1的直徑9范圍為5-50mm，以使由這樣的管組成的規整填料的單元體積的幾何面積最優化。在保持低壓降的條件下，這樣的尺寸能夠充分開發單元體積的幾何面積。孔T的最小表面積應選擇大于2mm2，優選4mm2，這樣管內流動的液膜能夠被流經孔的氣流破碎。事實上，如果孔T的尺寸小于2mn^，那么在管內壁上流通的液膜可能通過毛細管作用將孔堵塞。具有大于2mm2的表面積的孔能夠允許氣相和液相從一個管流動到另一個管，從而提供所需的接觸和混合。根據本發明的填料應用于反應的吸收時，優選使用孔的表面積大于4mm2、優選甚至大于8mm2的管。實際上，一般來說，在反應吸收塔內接觸的流體具有很高的流速，典型的流速范圍為lm/s-2m/s。因此較大的孔能夠將在管壁上流通的液膜分割。孔T內接長為L寬為I的矩形，L和I的范圍為2-45mm，優選3-20mm。換句話說，一個孔必須與一個長為L寬為I的矩形的四條邊接觸。另一方面，孔T可以為任意形狀，只要其保持內接于長為L寬為I的矩形。圖la、lb、lc示出了多種非限制性的孔T的形狀的實施例，孔T均內接于長為L寬為I的矩形。在圖la中，孔基本上是圓形。在圖lb中，孔是橢圓形。在圖lc中，孔的形狀接近于菱形。將孔內接于長為L寬為I的矩形是為了給孔的邊緣之間的尺寸強加一個最小值，這樣就能使得在填料管壁上流通的液膜被破壞。孔T以有序或隨機的方式排列。優選地，孔T規則地排列以在單元1上獲得均一的交換性能。優選地，兩個孔之間的距離不超過直徑e的兩倍。選擇孔的數目使得單元l包括10-90%的開孔率，8卩孔表面積占管固體部分表面積的比例為10%_90%，最完美的比例為25%-50%。孔T被定義為流體在單元1內外之間的上部開放交流通道，以使相之間的混合最優化，從而在組成單元1的規整填料內流通的不同相之間進行接觸和再分配。單元1的壁可以由任意類型材料制成，例如碳/碳結構，即由通過碳沉積凝結成的碳纖維結構、陶瓷、金屬、聚合材料、熱塑性材料或熱固性材料。孔T可以通過材料的切除、加工或鉆孔獲得。單元1可以通過成型制備，例如聚合材料通過成型或其他方法。圖2示出了圖1的單元1的一種由條帶編織而成的具體的實施方案。圖2中的管單元4由條帶如紗線、絲線或薄片編織成管狀而成。更精確的，條帶5a圍繞一根直徑為cp的管纏繞成螺旋狀。第二根條帶5b也圍繞同一根管纏繞成螺旋狀，同時穿過5a。條帶的厚度和旋繞的程度是有選擇的以在條帶之間留出空間E。優選的，條帶5a的旋繞程度和5b相同。空間E滿足和圖1的孔相同的要求。空間E和直徑9的幾何定義分別與圖1中的孔T和直徑9相同。此外，在圖2中，填料單元包括另外兩條條帶6a和6b，它們分別沿軸的方向纏繞成與條帶5a和5b相同的螺旋狀。因此，空間E具有基本上菱形的形狀，其各條邊由5a、5b、5c和5d圍成。在不脫離本發明范圍的情況下，管單元4可以由不同的參數組成，比如條帶的數量、厚度和寬度，螺旋纏繞的程度，或者條帶也可以纏繞成螺旋程度可變。—旦條帶的編織完成，編織好的條帶結構就被用如文件EP0499040描述的技術凝結，通過熱處理、樹脂注入、彎曲或其他技術。可以使用焦炭和滲透樹脂如酚類樹脂，且樹脂通過熱處理交叉結合。例如，條帶為玻璃纖維或碳纖維制成的紗線，可以涂覆熱固性材料。圖3示出了組成流體接觸塔內部填料的一組管單元組件。在圖3中，管單元被交替地設置朝向由軸XX'和YY'限定出的兩個方向。第一層朝向相同的軸XX'方向定位的管8先放置。第一層管8的軸大致位于同一平面以形成一個平面層。一根管8與相鄰的管8沿直線接觸。接著放置朝向軸YY'的方向的第二層管9，該第二層管堆積在第一層管8上。第三層管隨后堆積在第二層管上，且該第三層管朝向軸XX'的方向。依次繼續，每一層管都堆積在另一層管上，并交替管朝向直至獲得預定尺寸的緊湊的積塊，如圖4所示。圖8示出了根據本發明的另一組管單元，管被朝向四個不同的方向設置。該組的詳細布局在圖5、6、7中描述。圖5顯示了四根管20a-20d組成的捆束，每一根朝向四個方向D20a-D20d中的一個。四根管沿著設置的這四個方向D20a-D20d分別為一個立方體的四個對角線(或四面體的四條高/邊)，但是四根管不在立方體中心的對角線交點的水平面相交，而是在該點的附近交叉。有序組件的安裝可以例如通過不斷重復圖5中的編排開始，即每四根管組成的管束的交點沿安裝軸XX'設置，每一組管20a-20b組成的新管束與前一管束以相同的順序設置，依次類推。由管20a-20d組成的管束沿軸排成一行形成第一序列100a，一個由第一序列5100a組成的有序組件的開端就形成了，如圖6所示。由管11-14形成的四個纏繞的網絡各自在各個平面上延伸，所述平面分別朝向一捆管束的各管指向的四個方向。每個網絡內的管之間互相隔開一段距離以允許其它網絡的管束插入。當序列100a中的管捆束數量達到預定值后，再沿著與軸XX'重合的軸疊放幾個序列的捆束，以填充序列100a周圍的空余空間。圖7顯示了沿一條與安裝軸XX'平行的新軸新增的序列110b。這樣，序列110a兩邊的空余空間都同樣的被填充了，一般地，直到序列tOOa的末端。這樣在這個空間內就得到了一個由分別向四個方向設置的管組成的三維結構。在圖4和8描述的管組中，管與其它管在管之間的接觸部位所處的水平面上相連接，所述連接可以通過化學或機械方法實現，例如使用熱固性材料經過焊接或碳沉積的方法。在圖4和圖8中描述的規整填料模塊可以加工為接觸塔的形狀和尺寸。一般來說，接觸塔包括一個圓柱形的外殼。在這種情況下，規則管組被加工成一個能被引入到圓柱形外殼內的圓柱形填料結構，以最大化地占據柱內的空間，因而提供最佳的交換面積。對于大直徑的塔柱，多個填料模塊可以并列設置。置于柱壁內邊緣處的模塊被加工以與塔柱的圓柱形形狀相匹配。由管狀單元組成的模塊的加工是非常精密的，要考慮構造本身的多孔性。根據材料的自然特性，特定的加工技術可以被采用，以防止管單元的變形或結構的塌陷。圖9示出了一個接觸塔30，包括一個被底32和33封閉的圓柱形外殼31。一種流體，如氣體，通過管線34從塔底部送入。另一種流體，如液體，通過管線35從塔頂部送入。通過管線34和35，這兩種流體在位于塔入口之間的空間相遇。為了改善接觸并促進物質和熱轉移，塔30中設置了高度為H的填料，H可高達數十米。根據本發明，填料由圖1或2中描述的管組成，并且按照例如圖4或8描述的布置方式擺放。優選的，根據本發明，一種由模塊B1、B2、B3和B4組成的填料被應用，其中各模塊中的管的朝向與其它模塊各不相同。例如，朝向與水平線成大于45。角的管組成的模塊，和朝向與水平線成小于45。角的管組成的模塊，兩者交替設置形成填料。如一個模塊的管相對于相鄰模塊的管朝垂直方向設置。此外，模塊的高度h可以限定在一個有限的數值范圍內，如50-500mm，優選100-400mm，以在裝配塔的過程中將模塊填入圓柱形外殼中。這種各個模塊內的管的朝向交替，以及各模塊的高度限制，杜絕了流體在外殼31內壁聚集而導致接觸面積減小。根據本發明的接觸塔的內部填料能夠在蒸餾操作中取得出色的結果，尤其是用于在HF(氫氟酸)存在條件下需要蒸餾進行氟衍生物的制備，或用于蒸餾某些有機酸如蟻酸或乙酸。它也特別適合于反應吸收中的應用，尤其是在燃燒后氣體和天然氣的處理過程中，通過與吸收液接觸進行二氧化碳的捕獲。以下用數字表示的實施例對由連續管，即無孔的管，按照圖4所示的布局方式擺放所形成的填料，與根據本發明的管例即帶有開口的管組成的同樣的填料進行了比較。結果通過數值流動模擬軟件Fluent的方法實施數值計算獲得。流經填料的氣體的壓降由不同的氣體空塔速度Vsg(lm/s和2m/s)決定。空塔速度通過計算氣體流速占接觸塔柱截面的比值而獲得。實施所述的模擬以確定以下的壓降1)由連續無開口的管(直徑為10mm)組成的填料的壓降Dpref，2)與例1)具有相似幾何形狀的填料的壓降DP，但其管包含開孔(管徑為10mm;孔的形狀為長12mm寬9mm的菱形；孔的表面積大約為60mm2;兩個孔之間的距離為3mm;開孔率為46%)。結果列于下表中，其中給出了DP/Dpref的比值。<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>很明顯的是，對于開孔的管(開孔率為46%)，壓降降低30%至40%。權利要求一種用于流體接觸塔的填料結構，所述填料結構形成一個空間，其中包含有序排列的直徑為5-50mm的管組成的管束，管壁上包括設置用于促進所述結構內流體的流通和混合的孔，所述孔內接于邊長為2和45mm的矩形內，且每個所述孔所占的表面積大于2mm2。2.如權利要求1所述的填料結構，其特征在于，孔的表面積占管固體部分表面積的比例在10%_90%范圍內。3.如權利要求1和2之一所述的填料結構，其特征在于，兩個孔之間的距離不超過管直徑的兩倍。4.如前述任一權利要求所述的填料結構，其特征在于，所述管包含由兩條條帶組成的織布，兩條條帶沿相同的軸以相同的直徑纏繞成兩條互相穿越的螺旋，所述條帶之間相互間隔以形成所述的孔。5.如權利要求l-4之一所述的填料結構，其特征在于，條帶含有以下至少一種材料碳沉積作用凝結的碳、金屬、陶瓷、熱塑性材料及熱固性材料。6.如前述任一權利要求所述的填料結構，其特征在于，每一束管束包括兩根分別朝向兩個方向的管。7.如權利要求l-5之一所述的填料結構，其特征在于，每一束管束包括四根分別朝向四個方向的管。8.如權利要求7所述的填料結構，其特征在于，所述的四根管分別朝向一個立方體的四個方向。9.權利要求l-8之一的填料結構在蒸餾工藝中的應用。10.權利要求1-8之一的填料結構在反應吸收工藝中的應用，如燃燒后氣體和天然氣處理中的二氧化碳捕集。11.一種流體接觸塔中的填料結構的制備方法，其包括以下步驟a)制備直徑為5-50mm的管，所述管的管壁包含設置用于促進流體在所述結構內流通和混合的孔，所述孔內接于邊長為2和45mm的矩形，每個孔的表面積都大于2mm2，b)通過并置管束建立一個所述管的有序組件，c)在其接觸部位所處的水平面上將管相互連接起來，d)將有序組件加工以形成與接觸塔內部尺寸相適應的填料結構。12.如權利要求ll的制備方法，其特征在于，在步驟a)中，圍繞圓柱體纏繞由合成材料制成的條帶如紗線、絲線或薄片，通過至少兩個互相穿越的螺旋的形式，同時在條帶間留出空間以在條帶間形成所述孔。13.如權利要求12所述的制備方法，其特征在于，條帶包括以下至少一種材料碳沉積作用形成的碳纖維、金屬、熱塑性材料及熱固性材料。14.如權利要求11-13之一所述的制備方法，其特征在于，在步驟b)中，管束向兩個方向延伸。15.如權利要求11-13之一所述的制備方法，其特征在于，在步驟b)中，管束向四個方向延伸。全文摘要本發明涉及一種用于流體接觸塔的填料結構。所述填料結構形成一個空間，其中包含有序排列的直徑為5-50mm的管組成的管束。管壁上包括設置用于促進所述結構內流體的流通和混合的孔。所述孔置于邊長為2-45mm的矩形內，且每個所述孔所占的面積大于2mm2。文檔編號B01J19/32GK101711183SQ200880008821公開日2010年5月19日申請日期2008年3月19日優先權日2007年3月20日發明者C·迪蒙,J-P·馬茂斯,L·雷納,P·愛力克斯,R·貝賽特斯申請人:Ifp公司;Snecma固體燃料推進器公司