用於傳質應用的陶瓷填充件的製作方法
2023-11-30 18:44:26
專利名稱：用於傳質應用的陶瓷填充件的製作方法
背景技術：
發明領域本發明涉及填充件。本發明具體涉及通常被稱為「不規則」或「堆積的」填充類型的填充件，具體涉及具有多個用來促進流體流動的貫穿通道的填充件，本文將對其進行具體描述。
本領域討論不規則或堆積的填充件用來填充發生傳質或傳熱過程的塔式裝置。一個特別重要的應用是在傳質應用中使用這類陶瓷件，諸如從流過塔的廢氣中除去二氧化硫。使其效率最大化的一個重要因素是將塔頂與塔底的壓差(術語稱為「壓降」)維持得儘可能低。為了確保這一點，填充件的流阻應該儘可能小。非常鬆散結構的結構可以促進流阻的減小。但是，流阻減少方面的益處通常會被兩種流體相通過填充件之間進行傳質的效率的損失而抵消。另外，鬆散結構往往會導致塔內填充件相互套入在一起，使得一個填充件的一部分透入到第二填充件的空間內。因此，重要的是填充件的設計要減少這種填充件相互套入在一起的趨勢。
另一種應用是在熱量回收操作中的應用，在該操作中要求為流經反應器的熱流體提供最為有效的接觸。
可以通過擠出法或幹壓法製造陶瓷填充件，使其沿一個軸向的橫截面基本上均勻一致，使這種填充件具有一個對稱軸。本領域曾描述過幾種從非常簡單到複雜的形狀。所有形狀基本上呈圓柱體狀，不同之處主要是圓柱體的內部結構。最簡單的結構就是基本圓柱體，內部無任何結構。這類結構常稱之為臘希(Raschig)圈，已經有許多年的歷史。而具有內部結構的車輪式(wagon-wheel)形狀在美國專利3907710和4510263中有描述。還提出的有其它盤旋形的，諸如美國專利5747143中所描述的。更為複雜的結構在美國設計專利455,029和美國專利6,007,915、6,387,534和6,699,562中有描述。通常，所用結構的最大尺寸約為8釐米或小於8釐米。該結構的敞開面面積通常約為25％或小於25％。
本發明提供一種新穎改進的填充件，以及使用該填充件克服上述問題和其它問題的方法。
發明簡述依據一個方面，提供一種陶瓷填充件。該陶瓷填充件包括基本上為圓柱形的結構，它具有長度和與該長度垂直的定義為該填充件直徑的最大尺寸。該填充件具有多個內部隔片，這些隔片互相相交形成多個通道。該填充件具有第一面和第二面，各面的敞開面面積約為50-80％。
依據另一個方面，提供一種陶瓷填充件。該填充件包括基本上為圓柱形的結構，它具有長度和與該長度垂直的定義為該填充件直徑的最大尺寸。直徑至少為10釐米。多個內部隔片互相相交，形成多個通過該填充件的通道，隔片的厚度為0.12至0.8釐米。
本領域技術人員通過閱讀下面的說明書和瀏覽附圖，可以很容易理解本發明的優點。
附圖簡述本發明的形式可以為各種不同的部件和部件的排列，並可以為各種不同的步驟和步驟的排列。附圖只是為了說明優選的實施方式的目的，不應理解為對發明進行限制。
圖1是依據本發明的填充件的俯視圖；圖2是圖1所示填充件的側視圖；圖3是圖1所示填充件的透視圖；圖4是在相同的傳質效率下，由本發明填充件形成的床與四種常規的填充件形成的床相比，由計算機生成的預測壓降損失的圖5是本發明的填充件與四種常規填充件相比，所形成的床的相對效率的圖。
詳細描述參考圖1，陶瓷填充件10包括一個外圍容納結構12，其構成了內部空間14。多個隔肋或隔片16將內部空間14分隔成多個通道或通路18。
容納結構12基本上是圓柱形的，應理解為包括完善的圓柱形和圓柱體稍呈扁平狀從而產生橢圓形截面的形狀以及規則和不規則的至少有五個邊的多邊形。圖1中的容納結構12是圓柱形的，具有光滑的外表面19，但是可以設想它可能具有脊形或其它形狀的外表面。
在本發明的敘述中，術語「隔片」(複數「多個隔片」)用來描述將圓柱形容納結構的一個內部部分與另一個內部部分和/或另一個隔片相連的結構件。因此，隔片包括長度等於或小於填充件直徑或最大尺寸的結構。在說明性的實施方式中，各隔片16形成以其第一端和第二端與容納結構12相連的弦。
再參考圖2，填充件10具有至少一個對稱面S，該對稱面S與通過旋轉中心軸R的長度L平行。此說明性實施方式中顯示了三個對稱面S1、S2和S3。旋轉中心軸表示該填充件可繞其中心軸旋轉360/(對稱面數)的角度成為相同的構象。因此對於圖1，該角度為120°。
圖1所示的通道或通路18一般形狀相同。具體地，這些僅由隔片形成的通道具有尺寸相同的三角形狀，而那些部分也由容納結構12構成的通道的形狀能適應容納結構的彎曲形狀。還可以設想一些通路比其它通路大，為的是增大通過填充件的流量。例如，通過將兩個或更多個三角形通路組合可以形成較大的通路。
圖1-3所示的填充件10可具有沿旋轉軸R的長度L和垂直於旋轉軸的最大尺寸D，該最大尺寸定義為填充件的直徑。填充件的橫截面沿著該填充件的長度方向。D∶L的比例約為1至15，在一個實施方式中，為2.7至6，而在另一個實施方式中，約為4.0至6.0。在附圖中，D∶L的比例約為4.6。當結構用擠出法製造時，對稱軸R可以在結構擠出的方向上。
在一個實施方式中，填充件的直徑D至少為10釐米，在另一個實施方式中，D至少為12釐米。填充件的直徑最多約為20釐米，更佳地，小於約16釐米。在一個具體的實施方式中，直徑D約為14釐米。若直徑D小於約10釐米，則通過床的壓降會提高，除非隔片和/或外圍結構的厚度也相應地減少。但是，隔片厚度的最小值有一個限度，才能夠通過擠出工藝來進行製造。
填充件越大，使通過填充件床的壓降越低。但是，常規填充件尺寸的增加會導致床的效率下降。出乎意料地發現，通過仔細控制填充件的佔據面面積，可以將填充件的性質如壓降和相對效率都維持在合乎要求的範圍內，即使是對於那些尺寸較大的填充件也是如此。如圖2所示，該填充件分別具有上部和下部暴露面20、22，這兩個暴露面一般垂直於長度L延伸。「佔據面面積(face area)」定義為由填充件佔據的暴露面的面積，表示為表面總面積的百分數。對於圖1中的實施方式，總面積為(D/2)2。佔據面面積和從100％總面積中減去佔據面面積後得到的「敞開面面積(open face area)」影響著填充件的兩個重要參數，即通過填充件床的壓降和該床的效率。效率是由填充件回收的傳質速率(或熱能)的量度，可以表示為對比的填充件的效率之比。通過床的壓降可以通過測定相同傳質效率下的壓降來進行比較。
敞開面面積至少約為40％，最高可達約80％或更高。在一個實施方式中，敞開面面積至少為45％，在另一個實施方式中，至少為50％，而在另一個實施方式中，至少約為55％。在一個實施方式中，敞開面面積最高為70％，在另一個實施方式中，最高為65％，而在另一個實施方式中，最高為60％。在一個具體的實施方式中，敞開面面積約為55％。若敞開面面積在此範圍內，已經發現填充件不亞於相同尺寸的商品填充件而比尺寸小許多的填充件，例如最大尺寸只有約3/5的常規鞍形(saddle-shaped)填充件運行得更好。
若在擠出工藝中形成，會導致所形成的填充件的佔據面面積略有不同，在填充件床中的填充件的敞開面面積是平均值。
要知道，佔據面面積取決於隔片16的寬度W1和隔片的數目。已經發現，如果隔片太窄，填充件往往會在床中被壓碎。例如，對於約14釐米的陶瓷填充件來說，隔片的寬度W1至少為0.12釐米，在一個實施方式中，至少為0.2釐米，在一個具體的實施方式中，約為0.3釐米。隔片寬度W1最高可達約0.8釐米，在一個實施方式中，小於約0.5釐米。外圍壁10的寬度W2至少為0.12釐米，在一個實施方式中，至少為0.2釐米，在一個具體的實施方式中，約為0.3釐米。壁厚W2最多約為1.4釐米，在一個實施方式中，小於約1釐米。
隔片寬度W1對直徑D的比例約為0.01至0.03。在一個實施方式中，W1/D約為0.015-0.027。
在一個實施方式中，如圖1所示，有九個隔片，每三個一組排列，每一組與其它各組的角度為120℃。但是，要意識到，根據填充件的尺寸，可以採用更多或更少數目的隔片。隔片在交叉點24互相相交。較佳地，兩個相鄰的交叉點24之間的距離小於約4釐米，更佳地，約為3.0-3.5釐米。
填充件的長度L可以約為0.4釐米至10釐米。在一個實施方式中，L為1至6釐米。在一個具體的實施方式中，L約為3釐米。
陶瓷件10可由任何合適的陶瓷材料形成，這些陶瓷材料諸如天然或人造粘土、沸石、堇青石、氧化鋁、氧化鋯、二氧化矽或它們的混合物。將該配方物與粘合劑、擠出助劑、成孔劑、潤滑劑等混合，幫助擠出工藝和/或產生目標應用所需的多孔性或表面積。
當這些陶瓷填充件由擠出法或幹壓法製得時，它們在一個軸向上可具有基本均一的橫截面，使得填充件具有徑向對稱軸或對稱面。
填充件10可以用於傳質和傳熱，或作為載體，在其上面沉積催化組分。傳質應用包括在第一流體與第二流體之間以一個或多個組分形式的物質傳遞，所述兩種流體可以都是液體，或者一種液體和一種氣體。陶瓷填充件為流體相提供潤溼的表面，促進組分在流體之間的傳遞。示例性的傳質應用包括從流動的氣流中除去二氧化硫之類的氣體組分。陶瓷填充件一個重要的傳質用途是用在硫酸廠的吸收器中。
例如，填充件10可以填充到塔或柱中，形成填充件床。柱可以是水平取向或直立取向的。
示例性的傳熱應用涉及從熱氣流中回收熱量。這類應用的一個例子是工廠用的換熱器，這種工廠的功能是燃燒廢氣流中任何可燃燒的物質。這類換熱器對於有效利用排放廢氣流中的熱值，以便加熱進入的需要進行處理的廢氣，進而降低燃燒可燃性物質所需燃料的成本是極為重要的。
然而，此填充件可有利地用於各種用途，此時表面積是一個重要因素，它決定了該填充件在完成其指定任務中的效率。
不旨在限制本發明的範圍，以下實施例論證了陶瓷填充件的有效性。
實施例對於由依據圖1的陶瓷填充件形成的床進行了理論計算。該填充件的直徑D為14釐米，壁厚W2為0.6釐米，隔片寬度W1為0.3釐米，長度L為3釐米。
圖4表示了本發明填充件床相對於由最大尺寸為7.6釐米的鞍形填充件形成的相應床，理論確定的相對壓降。確定了相同傳質效率的床的壓降，鞍形填充件的相對壓降指定為1。還比較了由標記為產品1、2和3的商品形成的三種床的結果。產品1是波形(wave-shaped)填充件，它具有三個孔，總尺寸約為5釐米×7.6釐米×20.3釐米。產品2是改良的鞍形填充件，它具有通孔，以商品名Cecebe HPTMPorcelain Saddle Packing從Noram-Cecebe，Vancouver，BC Canada購得。產品3為具有多層結構的填充件，可以FlexeramicTM結構化的填充體系從Koch Knight LLC，East Canton，OH購得。
鞍形和商品填充件床的壓降損失比由圖1所示填充件形成的床的壓降損失都要高，表明本發明的填充件在用於維持通過床的流量方面的優越性。
一般估計的是，提供較大流量的填充件會伴隨效率損失。但是，圖5中所示的結果表明，與鞍形和其它三種商品相比，本發明的填充件具有更佳的傳熱效率。
權利要求
1.一種陶瓷填充件(10)，其包括一個基本上圓柱形的結構(12)，所述圓柱形結構(12)具有長度(L)和垂直於長度方向的最大尺寸(D)，該最大尺寸(D)定義為所述填充件的直徑，所述填充件具有多個內部隔片(16)，這些內部隔片(16)相交形成多個通道(14)，所述填充件形成第一面和第二面(20，22)，其特徵在於各個面(20，22)的敞開面面積都為50-80％。
2.如權利要求1所述的陶瓷填充件，其特徵在於，敞開面面積小於約65％。
3.如權利要求2所述的陶瓷填充件，其特徵在於，敞開面面積小於約60％。
4.如權利要求1至4中任一項所述的陶瓷填充件，其特徵在於，所述基本上圓柱形的結構包括在定義填充件長度的方向上的對稱面(S1、S2、S3)。
5.如權利要求1至4中任一項所述的陶瓷填充件，其特徵在於，直徑與長度之比為2.7至6.0。
6.如權利要求5所述的陶瓷填充件，其特徵在於，直徑與長度之比為4.0至6.0。
7.如權利要求6所述的陶瓷填充件，其特徵在於，直徑與長度之比4.5至5.0。
8.如權利要求1至7中任一項所述的陶瓷填充件，其特徵在於，所述陶瓷填充件包括至少二十個通道。
9.如權利要求1至9中任一項所述的陶瓷填充件，其特徵在於，至少一部分通道具有三角形橫截面。
10.如權利要求1至9中任一項所述的陶瓷填充件，其特徵在於，所述最大尺寸至少為10釐米。
11.如權利要求10所述的陶瓷填充件，其特徵在於，所述最大尺寸為12-20釐米。
12.如權利要求1至11中任一項所述的陶瓷填充件，其特徵在於，所述隔片在與第一面平行方向上的厚度(W1)至少為0.12釐米。
13.如權利要求12所述的陶瓷填充件，其特徵在於，所述隔片厚度為0.2-0.5釐米。
14.如權利要求12或13所述的陶瓷填充件，其特徵在於，所述隔片厚度與直徑之比約為0.01至0.03。
15.如權利要求1至14中任一項所述的陶瓷填充件，其特徵在於，所述結構在與第一平面平行方向上的厚度(W2)至少為0.12釐米。
16.如權利要求1至15中任一項所述的陶瓷填充件，其特徵在於，陶瓷填充件中的所有隔片包括第一端和第二端，所述隔片於鄰近其第一端和第二端處與圓柱形結構連接。
17.如權利要求1至16中任一項所述的陶瓷填充件，其特徵在於，所述陶瓷由選自以下的材料製成天然粘土、人造粘土、氧化鋁、沸石、堇青石、氧化鋯、二氧化矽和它們的混合物。
18.一種無規排列的陶瓷填充件(10)的床，各填充件包括基本上圓柱形的結構(12)，所述圓柱形結構(12)具有長度(L)和垂直於長度方向的最大尺寸(D)，該最大尺寸(D)定義為所述填充件的直徑，所述填充件具有多個內部隔片(16)，這些內部隔片(16)相交形成多個通道(14)，所述填充件構成第一面和第二面(20，22)，其特徵在於面(20，22)的平均敞開面面積都為50-80％。
19.一種用來進行以下操作中至少一種的方法向流體流傳遞熱量或從流體流傳走熱量和在流體相之間傳質，該方法的特徵是使所述流體流流過包括如權利要求1至17中任一項所述的陶瓷填充件的床，該填充件至少進行以下操作中的一種傳遞熱量和提供流體相之間能在此進行傳質的表面。
20.如權利要求19所述的方法，其特徵在於，傳質包括在流體相之間傳遞氣態硫化合物。
21.一種陶瓷填充件(10)，其特徵在於基本上圓柱形的結構(12)，其具有長度(L)和垂直於長度方向的最大尺寸(D)，該最大尺寸(D)定義為所述填充件的直徑，所述直徑至少為10釐米；和多個內部隔片(16)，這些內部隔片(16)相交形成通過填充件的多個通道(14)，隔片的厚度為0.12至0.8釐米。
22.如權利要求21所述的陶瓷填充件，其特徵在於，所述填充件形成第一面和第二面(20，22)，面(20，22)的敞開面面積都約為40-80％。
23.如權利要求21所述的陶瓷填充件，其特徵在於，所述填充件形成第一面和第二面(20，22)，面(20，22)的敞開面面積都至少為50％。
全文摘要
一種陶瓷填充件(10)，其具有一個基本上圓柱形的結構(12)，該結構(12)在定義長度(L)的方向上具有對稱面，垂直於長度的最大尺寸(D)定義為該填充件的直徑。該填充件具有多個內部隔片(16)，它們形成了通過該填充件的多個通道(18)，該填充件具有較大的敞開面面積。
文檔編號B01D53/04GK1909961SQ200580002919
公開日2007年2月7日 申請日期2005年1月21日 優先權日2004年1月21日
發明者H·S·尼克納弗斯, R·L·米勒 申請人:聖戈本陶瓷及塑料股份有限公司