CN102083528A - 具有较小润湿面积的交叉波纹装置的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种材料和/或热传递模块的处理方法，该装置包括一叠交叉波纹板，其中至少在模块的一个区域(A，B，B’)中减少对于所述板的表面的润湿。本发明的特征在于，仅在模块的底部和顶部的界面区域(B，B’)中的至少其中之一中减少润湿。

Description

具有较小润湿面积的交叉波纹装置的制造方法

技术领域

本发明涉及交叉波纹填料的制造方法。

背景技术

通常使用的填料由波纹条带形成，这些条带包括交替的平行的波纹，每一条波纹都位于一竖直的总体平面内且彼此相靠。这些波纹是倾斜的并且从一条带到相邻条带沿相反的方向下降。这些交叉波纹填料的开孔度约为10％。

GB-A-1004046公开了交叉波纹类型的填料。

CA-A-1095827提供了对这种类型的填料的改进，其通过增加包括小直径孔的密集开孔使得液体能在交叉波纹条带的两侧中的任一侧流动。

如图1所示，这种填料通常由扁平件--条带状的金属板--制造。首先折叠(或弯曲)条带以形成一种条带状的波纹板，该波纹板的波纹相对于条带的轴线倾斜。然后将折叠后的条带切割成部分并随后进行堆叠，每隔一个条带交替地颠倒/反相布置。

由此得到的填料部分被称为模块。

对于如图2所示的简单的波纹，用于描述交叉波纹填料的各个参数有：波纹的高度(H)、折叠角度(ρ)、曲率半径(r)和波纹的倾斜度(δ)。

本发明的目的是改进结构/规整填料的技术。

填料的结构特征本质上确保了在所谓的“跨度(spanning)”区域中存在对于功能的良好的反应。

在具有改良/修改界面的填料(MELLAPACK+de SULZERCHEMTECH填料)的发展中已经证明了模块之间的界面区域的重要性。

模块间界面的略微改良已经延缓了溢流的发生，并由此已经实现了在几乎不降低(与“维持气/液接触表面”功能相关的)质交换性能的情况下对蒸馏塔容量的显著增加(与“确保与气体逆流的液体流动”的功能相关)。

在文献中，这种略微的界面改良的声称的目的是为了减小界面处的气体压降。

在常规的交叉波纹填料中，当气体从一个模块流向另一个模块时，气体被限制以大约90°的角度改变方向，从而在该“界面”区域产生特别大的压降。在MELLAPACK+类型的“界面”改良的填料中，这种特别的压降由跨度区域提供：气体不在“界面”处改变方向，而是在界面之前或者之后改变方向。

在文献中，通常从接近“界面”的模块底部中的液体保持力这一角度分析这种现象：气体在改变方向时经历的压降使得液体积聚在邻近区域中。液体的积聚导致塔过早溢流。

为了增加塔的容量，已经想出了用于限制模块之间的界面处的气体压降的其它方法/装置：

-US-A-5 013 492公开了使模块中每隔一个填料条带竖直地偏置以减小界面附近的密度；

-FR-A-2 686 271公开了在模块之间插置的间隔件；

-JP-A-6 312 101公开了在蒸馏模块之间插置的密度较低的模块；

-US-A-5 632 934公开了减小波纹高度、改变通道的倾斜度和在模块基部附近制作开口；和

-WO-A-97/16247公开了在条带边缘处逐渐地改变通道的倾斜度直到竖向和在模块之间安装格栅。

这些现象的另一个可能的解释是，在模块之间的“界面”处，在液体膜离开上模块和到达下模块的时刻之间，为了抵挡上升气体的强行推进/穿透，所述膜不再受益于通过填料表面的毛细效应提供的保持力。

因此，液体膜由于不再被保持而可能更易于被干扰，其破裂成大的液滴，引起局部溢流。因此，在模块之间的“界面”区域较不容易实现“确保与气体逆流的液体流动”的功能。

将常规填料与通过在模块之间添加间隔件而改良的“界面”填料进行比较的其它试验已经表明了对液体进行引导的重要性。具体来说，通过添加间隔件，在两个模块之间自由降落的液体的路径被延长(并且因此具有更长的时间，这期间液体可更加容易被干扰)。这可以解释试验中观察到的容量降低的现象。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种质传递和/或热传递模块的处理方法，该装置包括一叠交叉波纹板，其中在模块的至少一个区域中减少对于所述板的表面的润湿，其特征在于，仅在模块的底部和顶部的界面区域中的至少其中之一中减少润湿。

根据其它可选方面：

-通过在模块的至少一个界面区域中对所述板的表面进行抛光来减少润湿；

-通过在模块的至少一个界面区域中对板的表面进行化学处理来减少润湿；

-将所述区域浸渍在化学浴中或者用溶液喷涂所述区域；

-通过使用由放电、特别是大气压下的放电激励的活性气体氛围提供物理和/或化学处理来减少润湿；

-所述放电的类型是电晕放电、介质阻挡放电(DBD)或者微波放电；

-在折叠之前或者之后减少对于所述板的至少一个界面区域的润湿；

-在模块的中心区域增加对于模块的所述板的表面的润湿；

-通过将所述板浸渍在液体浴中或者使用溶液喷涂所述板来增加润湿；

-通过使用由放电、特别是大气压下的放电激励的活性气体氛围提供物理和/或化学处理来增加润湿；

-所述放电的类型是电晕放电、介质阻挡放电(DBD)或者微波放电；

-根据通过模块的等离子氛围的特性梯度减少对于模块的至少一个区域的润湿；

-注射气体的浓度和/或等离子的电子密度和电子温度沿着模块改变；

-润湿性质在两个相邻的区域之间逐渐地改变；

-润湿改变与所述区域的几何形状、密度或材料方面的至少一个改变相结合；

-所述板由铝制成；

-所述板由铜制成。

根据本发明，提供了一种经过上述处理的填料模块。

对于具有中心区域和两个外侧区域的模块，至少一个外侧区域经过其中一个上述方法的处理；

根据本发明，提供了一种装配有至少一个上述填料模块的塔，特别是空气气体蒸馏塔(air gas distillation column)。

本发明通过作用在模块的各区域中的低温液体来调节填料表面的可湿性。为此，在填料板的制造过程中对其进行表面处理，在(生产)线中在冲压之前或者之后进行这种处理。

因此，在模块顶部的跨度区域或者界面区域中，目标是首先保留较多的液体以便提供：

ο与气体较长时间的接触；

ο更好的“润湿”，以及因此更大的气体/液体接触面积，

并且由此改进质传递。

在模块底部的界面区域，目标是尽可能地排出液体，以便防止液体积聚在模块的边缘并且促使作为液体流的流动以限制液体分离。

在蒸馏塔中也可以获得这种优化选择：

＞流体的物理性质可根据塔内温度而改变。因此，它们的粘滞性可较大或者较小(具有不同的粘度)或者它们可较润湿或较不润湿(具有不同的表面张力)。

为了平衡这种物理性质的变化，表面可由此被功能化从而使得其：

ο在液体粘度较大或较不润湿的情况下较润湿；

ο在液体粘度较小或较润湿的情况下较不润湿；

＞填料每单位面积的液体流率/流量可根据塔内位置而改变。某些区域可比其它区域具有更高的液体负载或者更低的液体负载。为了平衡液体负载的这些变化，可因此使表面功能化从而使得其：

ο在液体负载小的情况下较润湿；

ο在液体负载大的情况下较不润湿；

＞填料模块在塔内按部分进行组织/布置。一部分位于底部的气体进口和总体上的顶部的液体歧管(集管，manifold)之间。

在一部分的顶部，表面可因此被功能化以使得填料表面被从歧管滴落的液体快速润湿。

在一部分的底部，表面可因此被功能化以减少润湿，从而减少与来流气体的相互作用和限制液体的毛细作用。

为了根据需求调整最初由本有的氧化铝层覆盖的铝表面的可湿性，对该表面进行的物理-化学改进可特别地包括：

1.蚀刻和酸洗；

2.改变粗糙度；

3.形成显微质地；

4.化学功能的移植；

5.填充材料的薄膜的沉积，等。

对于改进类型1、2和3，现有技术、特别是专利US-A-4 604 247、US-A-4296 050和EP-A-0 190 435已经说明对填料的机械处理。该现有技术清楚地描述了对填料的整个表面进行这些处理，而不是如本专利申请中所述的对要被功能化的特定区域进行处理。

也可以通过其它方法实现期望的改进。

优选地，使用气态相、特别是冷的等离子进行表面处理，这特别是因为对薄铝板进行处理的容许温度非常有限。最后，大气压力下的等离子方法似乎最适于具有低成本要求的、产量高的连续处理。相应的装置可以容易地与用于填料的连续制造的设备相结合。

沉积材料的薄膜是改进铝表面的可湿性的最有利的方法。这是因为显微质地方法通常需要卤化气体，这导致安全和环境问题并且由此涉及其它限制和花费。并且，显微质地化的表面在意外的燃烧初始条件下可具有与氧气的不易理解并且无论如何都较不易复现的反应性。

简单的化学功能的移植可被证明是不够的。这是因为填料必须在很多年的使用中都维持在制造过程中已经赋予填料的、非常特定的可湿性程度，然而与液体或者两相氧气的永久接触必然会对被移植的功能产生影响(应想起，这些被移植的功能包括表面上的少量的材料)，从而随着时间而改变润湿性质。

但是，可以通过使用化学活性等离子而沉积为薄膜的各种材料是已知的，这些材料的可湿性的范围包括从极不亲水的到极亲水的。至少目前为止，这种性质是相对于水来说的，并且因此有必要在模块或者塔的给定区域中的主导的条件下通过低温液体“重新校准”这些材料的可湿性。

PECVD(等离子增强化学气相沉积)的原理在于，在基底附近的或者与基底接触的放电等离子中激励要作为薄膜被结合到材料中的各种元素的前体的化学蒸汽。例如，为了沉积硅，使用甲硅烷SiH₄和氧的混合物。在等离子中，最初的化学分子被分解成更小的部分，特别是相对于表面具有非常高的化学能量的原子团，这些原子团将在所述表面上凝结并然后在增长的过程中结合到材料的膜内，不可逆地形成强的结合体。PECVD方法的优点是，由于电激励而赋予的非常高的原子团活性，可在无需略微加热表面、甚至可几乎在环境温度的情况下在基底的表面上形成材料的薄膜。

作为具有可控性质的材料的例子，薄的氮化硅膜通常为非亲水性的，如同碳氟聚合物膜那样。还可以获得由气态的有机硅前体制备的材料的非亲水性的膜。

相比之下，例如硅石SiO_x和氧化钛TiO₂膜为亲水性的。

所有这些材料都是不定形的，并且可以通过组合多种要在PECVD过程中被结合的各种不同的元素的气态前体得到任何“中间的”合金合成物。因此，通过连续地改变亲水材料和非亲水材料之间的组成，原则上可以获得任何可湿性值。在PECVD过程中调节所述组成特别简单，因为只需改变各种气态化学前体的流速/流率的比值即可。还可以在对填料条带进行连续处理的过程中、在空间上沿着垂直于填料条带运行方向的方向改变(即，沿模块的整个高度改变)材料的组成并且由此改变材料的可湿性。为此，注入组成沿所述方向合适地改变的气体混合物即可，当在大气压力下进行操作时不会引起太大问题。

为了进行在大气下的PECVD过程，需要用于激励等离子的合适的装置。存在两族/两类非热的大气下的“等离子源”(即，与例如焊弧相对)。第一族是介质阻挡放电(的等离子源)，其可以以丝状的或均匀的(光的)模式存在。只有这种模式适于执行PECVD过程，但是其操作条件很严格，尤其是不能进行对导电基底的直接处理。这意味着填料条带不可能在两个电极之间运行。

第二族是大气微波放电(的等离子源)，其具有电子密度高的优点，并且因此具有气态前体转化产量高和沉积速率高的优点，这在存在高成本限制的应用中是非常重要的方面。使用流线型的等离子源--即，产生入射到填料条带表面上的、且垂直于运行方向延伸的等离子“帘”的等离子源--特别有利。2007年9月20日的法国专利申请FR 07/57719描述了这种等离子源，2007年9月20目的法国专利申请FR 07/57720描述了使用这种等离子源来制造一装置和执行PECVD过程的方法，这两个申请的申请人都是本发明的申请人。稀释气体可以是氮、氩或者两者的混合物。密封室用于将反应气体限制在沉积区域，以便防止污染性的排放物/散发物进入制造场所的大气中。所述系统还具有在将废气排放到大气之前净化废气的装置。自动控制机构用于根据每一生产批次在模块或者塔内的用途而确保每一生产批次的润湿特征的可追溯性。

可以在冲压之前在光滑的铝板上沉积薄膜，这造成了在后续操作中保持其整体性的问题，但是也可以在冲压的下游进行。在这种情况下，在实际沉积之前可能需要清洁表面，从而确保将在使用中承受差别较大的热应力的膜的良好的附着性。这种处理可以有利地涉及使用包括氢或者水蒸汽的初始气体来施加减少的等离子。

附图说明

图4A和4B示出了通过本发明的方法处理的各种不同的填料板。

具体实施方式

在图4A中，波纹以常规方式沿着板延伸，与板的边缘形成不变的角度。在这种情况下，上部区域B或者下部区域B’或者两者都通过根据本发明的方法进行处理，以减小其表面的润湿。也可以使用上述方法对中心区域A进行处理以便增加其润湿。

图4B示出了具有改进的边缘的填料元件，在所述边缘中，波纹的角度接近垂直于模块的下部和上部边缘。因此，在区域B、B’中，波纹的角度相对于水平方向接近90°，而在区域A中该角度大约为45°。在这种情况下，上部区域B或者下部区域B’或者两者都通过根据本发明的方法进行处理，以减小其表面的润湿。也可以使用上述方法对中心区域A进行处理以便增加其润湿。

对于润湿增加的区域，还可以通过其它已知的方法/装置增加在这些区域中的气/液接触时间。

对于润湿减少的区域，还可以通过其它已知的方法/装置减少在这些区域中的气/液接触时间。

区域A、B、B’的相对高度可以改变，但是总体来说区域B和B’占板的高度的2％到20％，中心区域A占板的高度的60％到96％。

Claims (15)

1.质传递和/或热传递模块的处理方法，该装置包括一叠交叉波纹板，其中至少在模块的一个区域(A，B，B’)中减少对于所述板的表面的润湿，所述方法的特征在于，仅在模块的底部和顶部的界面区域(B，B’)中的至少其中之一中减少润湿。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过下述方式减少所述润湿：

i)在模块的至少一个界面区域(B，B’)中对板的表面进行抛光，或

ii)在模块的至少一个界面区域(B，B’)中对板的表面进行化学处理，或

iii)使用由放电、尤其是大气压下的放电激励的活性气体氛围提供物理和/或化学处理。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，将所述区域(B，B’)浸渍在化学浴中或者用溶液喷涂所述区域(B，B’)。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述放电的类型为电晕放电、介质阻挡放电(DBD)或者微波放电。

5.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，在折叠之前或之后减少对于板的至少一个界面区域(B，B’)的润湿。

6.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，在模块的中心区域(A)增加对于模块的板的表面的润湿。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，通过下述方式增加所述润湿：

i)将板浸渍在液体浴中或者使用溶液喷涂所述板，或

ii)使用由放电、尤其是大气压下的放电激励的活性气体氛围提供物理和/或化学处理。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述放电的类型为电晕放电、介质阻挡放电(DBD)或者微波放电。

9.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，根据通过模块的等离子氛围的特性梯度减少对于模块的至少一个区域(A，B，B’)的润湿。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，注射气体的浓度和/或等离子的电子密度和电子温度沿着模块改变。

11.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，润湿性质在两个相邻区域(A，B，B’)之间逐渐地改变。

12.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，润湿改变与区域(A，B，B’)的几何形状、密度或材料方面的至少一个改变相结合。

13.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述板由铝或铜制成。

14.通过上述权利要求之一所述的方法进行处理的填料模块。

15.一种塔，特别是空气气体蒸馏塔，其装备有至少一个根据权利要求14所述的填料模块。

Images