CN105377418B - 用于规整填料的填料层 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于规整填料（20）的填料层（1），填料层（1）包括多个结构元件（2），并且以使结构元件（2）形成第一微结构（3）这样的方式来成形和布置结构元件（2），并且相邻的结构元件（2）具有第一间隔（a），填料层（1）包括多个突起（4），以使突起（4）形成第二微结构（5）的方式来成形和布置突起（4），并且相邻的突起（4）具有第二间隔（b）。根据本发明，结构元件（2）和突起（4）形成为不具有穿孔。

Description

用于规整填料的填料层
技术领域
本发明涉及用于规整填料的填料层。
背景技术
用于规整填料的填料层是商业实现形式的箔状、折叠材料，在规整填料中，多个填料层被布置成一个在另一个后面。在这一方面，填料层的褶皱图案具有相对于柱体轴线倾斜的流动通道。这些倾斜的流动通道切实地影响规整填料内的气相和液相流，即，气相和液相在规整填料的流动通道中被引至接触并因此促进这些相之间的质量传递。相邻层的倾斜沿相反方向，从而形成交叉通道结构。
为了提高规整填料或填料层的性能，例如分离性能，通常增加填料层或规整填料的表面。具体地，凹槽和/或穿孔产生了填料层的性能的改进。根据教科书的看法，凹槽用于液体在表面上更好的分布，并且孔或穿孔用于容许液体从填料层的一侧传送到另一侧。例如，由于对箔状材料的加工，通常通过冲压形成孔；但这造成了大量材料损失。更好的液体分布，因而更好的填料层浸润，容许更好地利用现有的几何表面进行质量传递。在规整填料中，通常实现的改进是，最佳化规整填料的每边缘长度的渗透密度，就是说，使此比率尽可能大，以浸润现有表面。
US 4,296,050中描述了包括箔状材料的填料层。填料层包括作为第一微结构的沟槽、作为第二微结构的穿孔以及作为褶皱图案的折叠外观，例如翅片。此外，对齐填料层，从而使得折叠外观朝向柱体轴线以一角度对齐。
EP 0 190 435 A1描述了由薄的箔状材料制成的填料层，其表面通过压印被结构化。在这一方面，第一微结构的升高部分或凹陷的高度大于箔状材料的厚度。第一微结构形成为贯穿的交叉沟道，其在箔状材料的前侧和后侧上相同。形成沟道的第一微结构的升高部分或凹陷可具有不同的形状；例如，它们可被成形为角锥、截头角锥、圆锥、截头圆锥或被成形为部分球形。
DE 26 01 890 A1公开了一种具有填料层的规整填料，填料层垂直地布置并且具有褶皱图案，并且具有以间隔开的方式与柱体轴线横向地布置的多行固定的孔。在这一方面，填料层被布置在柱体中，从而使得填料层与柱体轴线平行地布置。褶皱图案相对于柱体轴线倾斜，并且相邻的填料层被布置成使得它们的褶皱图案交叉。在填料层处于平坦状态的情况下，即，不具有褶皱图案，一个位于另一个上方的相邻孔行的孔互相偏置，从而使得设置在最顶上的孔行的两个相应孔之间的下降路径入射在位于其下方的孔行的孔上。
EP 1 145 761 B1描述了一种有序的柱体填料，其包括箔状材料的填料层，具有第一微结构和第二微结构以及褶皱图案。填料层被切成或压印成具有交替布置的凹结构元件和凸结构元件，并且具有包括孔口的第二微结构，孔口被布置成规则的形式并且例如借助于塑料成型来生产。在这一方面，平均间隔a存在于相邻的凹和凸结构元件的中心之间，并且平均间隔b存在于相邻孔口的中心之间，其中平均间隔b小于平均间隔a。
通过例如切割或压印进行EP 1 145 761 B1中描述的用于生产填料层的孔口的塑料成型，使得生产孔口是非常复杂和/或昂贵的。此外，所使用的箔状材料是延展的金属，其加工非常复杂和昂贵。
发明内容
因此，本发明的目的是提出一种其生产非常廉价的填料层。
此目的由根据本发明的具有下述特征的填料层来达到，即，通过用于规整填料的填料层来实现，其中，所述填料层包括多个结构元件，并且所述结构元件被设计和布置为使得它们形成第一微结构，并且其中，相邻的结构元件具有第一间隔，其中，所述填料层包括多个坑，所述多个坑被设计和布置为使得它们形成第二微结构，并且其中，相邻的坑具有第二间隔，其中，所述结构元件和坑被设计成无孔的。
第一微结构和第二微结构优选位于相同位置处。
本发明的特别有利的实施例将在下文中被描述。填料层、由填料层形成的规整填料以及柱体的有利实施例也将在下文中被描述。
本发明涉及用于规整填料的填料层，其中，填料层包括多个结构元件，并且所述结构元件被设计和布置为使得它们形成第一微结构，并且其中，相邻的结构元件具有第一间隔。填料层还包括多个坑，所述多个坑被设计和布置为使得它们形成第二微结构，并且其中，相邻的坑具有第二间隔。根据本发明，所述结构元件和坑被设计成无孔的。
有利的是，根据本发明的具有无孔的结构元件和坑的填料层不存在任何冲压损失，并且具有大了大约10%的传递表面。对具有无孔的结构元件和坑（即，具有无孔的第一微结构和第二微结构）的填料层的测量产生了有利的结果，即，它们具有在相同压力损失的情况下与具有结构元件和孔的填料层相同的分离能力（效率）。该对比的惊人结论是，虽然不再存在穿孔的基本功能（即，液体不可能穿过箔状材料传送，并且也不可能改进气体交换），但是作为穿孔的替代的无孔的结构元件和坑实现了至少与有孔的填料层一样好的效率。根据本发明的方案因此将无孔的结构元件和坑的优点与不存在冲压损失结合起来，由此可不那么昂贵地制造填料层。
填料层包括被设计和布置为使得它们形成第一微结构的多个结构元件。填料层可以是箔状材料，例如，金属片或箔，并且所述材料可以例如是金属或金属合金、不锈钢、陶瓷材料或塑料。箔状材料有利地包括金属合金。箔状材料的厚度可处于例如0.05mm和0.5mm之间的范围内，尤其是0.1mm和0.3mm之间。
第一微结构可以是小尺度的基础纹理或小尺度的沟槽，其由结构元件形成。因此，第一微结构被理解为通过粗糙化填料层的表面（例如，通过对结构元件进行挖槽或压印）而产生的小尺度基础纹理或小尺度沟槽。
例如，可通过压印箔状材料来形成结构元件。在这一方面，结构元件可具有凸或凹的几何形状。结构元件可优选被成形成角锥、截头角锥、圆锥、截头圆锥或被成形成部分球形，其中，相邻结构元件的顶端或峰优选形成箔状材料中面向相反方向的升高部分或凹陷。但是，结构元件也可仅形成沿箔状材料的一个方向的升高部分或凹陷。在这一方面，结构元件的升高部分或凹陷可按规则或不规则方式交替；尤其地，五个结构元件可布置成W形。在这一方面，W形被理解成使得结构元件被布置在W的全部转角处。
由于升高部分或凹陷，结构元件可被配置成沟道，并且可以例如具有可相对于柱体轴线对称地布置的交叉沟道。在这一方面，例如，结构元件的高度，即，升高部分的高度或凹陷的深度，可大于箔的厚度。由结构元件形成的第一微结构例如可在前侧和后侧上相同。在这一方面，例如，形成为箔状材料一侧上的凹陷的结构元件可对应于相反放置的侧上的升高部分。此外，有利的是，选择结构元件的纵向尺寸，使得其处于例如0.5mm和5mm之间，并且相应地选择结构元件（即，升高部分或凹陷）的高度或深度，使得其处于0.1mm至2mm之间。在这一方面，长度尺寸被理解为描绘了结构元件或坑的与填料层的交换表面平行的几何形状的特征的参数，例如，圆形外周的直径、正方形外周的边长、或者凹槽或具有凹槽形状的翅片或翅片形状的波长或宽度。
但是，结构元件也可被设计成凹槽或翅片，并且第一微结构可因此被设计成微沟槽。微沟槽可包括齿状或波状部段或者凹槽或翅片的压印结构。具有作为结构元件的凹槽或翅片的第一微结构可例如被配置为具有10-80度的夹角、具有0.5mm至5mm之间的波长或宽度并且具有分别为0.1mm至2mm的深度或高度。第一微结构还可以被配置成贯穿的交叉凹槽或翅片。凹槽或翅片可相对于柱体轴线z对称地形成，并且可与柱体轴线成0至90度角。第一微结构，即，结构元件，无论它们是否是例如升高部分、凹陷或凹槽，都有利地提供了无残留的小尺度流体散布，尤其是用于现有液体膜的进一步散布。
填料层还包括多个坑，所述多个坑被设计和布置为使得它们形成第二微结构，并且其中，相邻的坑具有第二间隔。第二微结构可以是粗尺度的叠加纹理或粗尺度的沟槽，其由坑形成。因此，第二微结构被理解成通过粗糙化填料层的表面（例如，通过压印坑）产生的粗尺度的叠加纹理或粗尺度的沟槽。
例如，可通过压印填料层的箔状材料来形成坑。在这一方面，坑可具有凸或凹的几何形状。坑可优选被成形成角锥、截头角锥、圆锥、截头圆锥或被成形成部分球形，其中，相邻坑的顶端或峰优选形成箔状材料中面向相反方向的升高部分或凹陷。但是，坑也可仅形成沿箔状材料的一个方向的升高部分或凹陷。坑也可具体被压印成环形坑，其中，内环可包括例如结构元件的变型或不包括结构元件，优选包括结构元件。但是，区域同样可以不具有第二微结构，即，填料层上没有坑，在该区域中，第一微结构至少部分地仍可识别并且起作用，反之亦然。
在这一方面，坑的升高部分或凹陷按规则或不规则方式交替；尤其地，五个坑可被布置成W形。例如，坑的高度，即升高部分的高度或凹陷的深度，可大于箔的厚度。由坑形成的第二微结构可例如在前侧和后侧上相同。在这一方面，例如，形成为箔状材料一侧上的凹陷的坑可对应于相反放置侧上的升高部分。坑可例如具有2-8mm的纵向尺寸，以及0.5-4mm的高度/深度，优选1-3mm。
坑可类似地被设计成凹槽或翅片，并且第二微结构可因此被设计成粗沟槽。粗沟槽可包括齿状或波状部段或者凹槽或翅片的压印结构。具有作为坑的凹槽或翅片的第二微结构可例如被配置为具有10-80度的夹角、具有2mm至8mm之间的波长或宽度并且具有相应为0.5mm至3mm的深度或高度。例如，第二微结构还可由凹槽形式的贯穿交叉坑形成，该坑可相对于柱体轴线z对称地形成。凹槽可与柱体轴线z成0至90度角。第二微结构，即，结构元件，有利地提供了第一和粗尺度的流体散布。
在这一方面，第一微结构，即结构元件，有利地用于分开细流并且用于进一步散布液体膜，而第二微结构，即坑，用于分开较粗的流动结构，例如，将较大的细流或较厚的膜在坑处分成两个，例如，从而使得形成小的细流。
直接相邻的结构元件具有第一间隔，并且必须根据结构元件的几何形状限定第一间隔。第一间隔可以是直接相邻的结构元件的基底表面或基线的几何重心之间的平均间隔。结构元件可以例如具有凸或凹几何形状，就是说，它们可形成为升高部分或凹陷，从而使得第一间隔被理解成例如直接相邻的升高部分或凹陷的基底表面的几何重心之间的平均间隔。如果结构元件被配置成凹槽或翅片，则第一间隔可被理解成例如齿状或波状凹槽或翅片（即，齿状或波状升高部分或凹陷）的半个波长。在这一方面，波长可被定义为两个直接相邻的齿状或波状升高部分或凹陷的间隔。作为第一间隔的半波长于源于以下事实，即，几何重心对应于齿状或波状升高部分或凹陷的基线的中心，并且因此第一间隔对应于直接相邻的齿状或波状升高部分和凹陷的几何重心的平均间隔，这继而对应于半波长。相同的定义应用于直接相邻的坑的第二间隔的计算。因此，第二间隔可被理解成直接相邻的坑的基底表面或基线的几何重心之间的平均间隔。示例性过程可等同地被转换成对不同几何形状的第二间隔的计算。
可通过结构化将第一和第二微结构应用于箔状材料，其中，结构化优选被理解成压印箔状材料。在此过程中形成的结构元件或坑优选大于箔状材料的厚度。此外，例如，第一微结构可被配置成第二微结构的一部分，即，结构元件可被压印到坑的表面上。在这一方面，第一和第二微结构之间的另一显著差异是第一间隔和第二间隔之间的比率。第一间隔和第二间隔不同；第二间隔优选大于第一间隔，并且第二间隔特别优选地是第一间隔尺寸的至少二倍。这种将箔状材料结构化成包括多个结构元件或多个坑的第一和第二微结构的优点在于，促进了流体在箔状材料的表面上的散布和分布。在这一方面，例如，流体被理解成至少两个流体相，其中一个流体相可以是液体或气体。但是，第一和第二微结构显著影响作为膜的液体在填料层表面上的散布。
在压印所描述的实施例之一中的结构元件或坑时，材料有利地保持作为用于质量传递的额外表面。在这一方面，结构元件或坑的凹陷与升高部分的作用不同。在升高部分分开流体时，流体聚集在凹陷中。相应地修改结构元件或坑还促进流体的分开或此处流体的聚集；例如，箔状材料的一个区域中升高部分或凹陷可用不同方式被压印，尤其是，可比箔状材料的另一区域更明显或更加不明显地被压印，等等。第一微结构尤其可被配置成第一W形，并且第二微结构可被配置成第二W形，其中，第一W形可具有与第二W形不同的空间对齐；例如，第一W形可相对于第二W形旋转或平移。另外，第一和第二微结构可根据应用具有不同的尺寸尺度、方向或形状。有利地，第二微结构将流体分成大结构并且在大区域上主要横向地分开流体，而第一微结构以小尺度方式散布流体并且局部地、理想地浸润箔状材料。
包括第一和第二微结构的箔状材料的填料层可例如被折叠，以形成规整填料，特别是交叉通道填料或类似的规整填料。规整填料可用于柱体，在其中，可在两个流体相之间进行质量传递和热传递。流体相可以是例如液相和气相，但也可以是两个液相。例如，如果一个流体相作为流动的液体存在，并且一个流体相作为蒸汽相或气相存在，则流动的液体在规整填料上作为涓流膜被引导，并且蒸汽相或气相沿相反方向流动。规整填料所提供的表面必须在所有点处均匀地覆盖有液相，以便最大限度地配置传递过程。
结构元件，具体是第一微结构，以及坑，具体是第二微结构，被设计成无孔的。无孔被理解为，例如通过压印来形成箔状材料的结构，并且结构元件或坑没有孔，特别是圆孔，孔是例如通过钻孔或冲压产生的。“被设计成无孔的”还被理解为，使得例如，小的裂缝也不会通过在箔状材料中进行压印而发生，裂缝会因制造中的技术限制而产生，并且不是故意制造的。但是，经压印的结构元件和坑优选不具有任何孔。
根据本发明的填料层的一些优点在于，结构元件，具体是第一微结构，以及坑，具体是第二微结构，可通过单个机器并利用极少的冲压油被制造成无孔的，并且同时产生较少的制造成本和较少的材料损失。
在本发明的实施例中，第一间隔不同于第二间隔，第二间隔优选大于第一间隔，第二间隔特别优选地是第一间隔的尺寸的至少二倍。有利地，不同的间隔提供了结构元件和坑的不同分布，并且容许流体的更好分布以及更好地利用现有几何表面，以便进行质量传递。
在本发明的实施例中，填料层被设计成无孔的。无孔在此也被理解为，使得箔状材料不包括例如通过钻孔或冲压制造的任何孔，并且箔状材料的结构化例如通过压印形成。“被设计成无孔的”还被理解为，例如，小的裂缝也不会通过在箔状材料中进行压印而发生，裂缝会因制造中的技术限制而产生，并且不是故意制造的。但是，经压印的结构元件和坑优选不具有任何孔。因此，可有利地进一步减少冲压损失。
在本发明的实施例中，第一微结构的结构元件沿第一平行曲线组布置，并且第二微结构的坑沿第二平行曲线组布置，其中，第一曲线组和第二曲线组相对于彼此以一转角布置。第一和第二平行曲线组可以是平行直线，但也可通过更复杂地布置结构元件或坑，例如布置成曲线或W形，来形成。例如，当第一和第二平行曲线组是直线时，转角意指直线的第一和第二主轴线夹成的角λ。对于弯曲的曲线，第一和第二主轴线对应于第一和第二平行曲线组的交点处的切线。
但是，还可能的是，第一微结构的结构元件沿第一和第三平行曲线组布置，并且第二微结构的坑沿第二和第四平行曲线组布置。在这一方面，第一曲线组形成第一微结构的第一主轴线，并且在这一方面，第二曲线组形成第二微结构的第二主轴线。在这一方面，第三曲线组形成第一微结构的第一副轴线，并且在这一方面，第四曲线组形成第二微结构的第二副轴线。例如，如果曲线组是直线，则各两个相应的曲线组得到四个角，四个角中两个相反设置的角均全等。对应于较小夹角的角α被夹在第一主轴线和第一副轴线之间。较大的角，也被称作副角，于是等于180°-α之差。对应于较小夹角并被夹在第二主轴线和第二副轴线之间的角β以类似方式得到。较大的角于是等于180°-β之差。交叉角λ对应于转角λ，即夹在第一和第二主轴线之间的角，其同时对应于第一和第二微结构的转角λ。在这一方面，第一主轴线和第一副轴线以及第二主轴线和第二副轴线的确定可根据需要互换。所描述的过程也可转用于具有多于两个相应的曲线组的第一和第二微结构。转角λ处于0度至90度的范围内，优选在20度至70度的范围内。角α和β可处于10度至90度的范围内，优选在30度至90度的范围内。
在特别优选的实施例中，第一和第二曲线组也可形象地被看作第一和第二周期性点网格，其中，第一周期性点网格的点由第一主轴线和第一副轴线之间的第一交叉点限定，并且第二周期性点网格的点由第二主轴线和第二副轴线之间的第二交叉点限定。在这一方面，第一交叉点，即第一周期性点网格的点，对应于结构元件，并且第二交叉点，即第二周期性点网格的点，对应于坑。在这一方面，例如，可形成用于结构元件和坑的W形。可由第一或第二周期性点网格的相应的四个直接相邻点形成的第一基础单元和第二基础单元可被配置成多边形，例如，正方形、矩形、平行四边形或梯形。因此，第一和第二微结构之间的转角φ由第一和第二基础单元相对于彼此的旋转来得到。在本实施例中，角φ对应于转角λ。第一和第二基础元件的两个直接相邻点相对于彼此的转移导致了平移。因此，例如，当不存在旋转并且第一和第二基础单元的所有侧边都重叠或第一和第二基础单元的侧边是彼此的倍数并重叠时，第一和第二微结构不平移。但是，第一或第二周期性点网格也可以仅是局部周期性的；例如，填料层的部分区域还可具有至少一个另外的点网格，其确实使用相同的结构元件或坑，但具有不同的间隔或不同形状的基础单元。
第一和第二微结构的布置的所描述方面和实施例的一个优点是高分离效率。对应于转角λ的角φ处于0度至180度的范围内，优选在0度至90度的范围内，特别优选在20度至70度的范围内。
在本发明的实施例中，第二间隔是一个坑的纵向尺寸大小的至少二倍大。在这一方面，纵向尺寸根据坑的几何形状被理解为几何形状的特征量度，例如，对于球形坑是坑高度一半处的直径或全宽，即，在坑的最高和最低点之间的高度的一半处的宽度，或者对于角锥形坑是坑的基底表面的最大宽度。坑的纵向尺寸可在两个相邻的结构元件上延伸，从而使得，例如，结构元件可形成在坑的表面上。坑的高度尤其大于结构元件的高度。坑有利地具有较粗结构的尺寸，例如，细流的高度，并因此更好地分布较粗的流动结构。
在本发明的实施例中，结构元件被配置成凹结构元件或凸结构元件，或坑被配置成凹坑或凸坑。此外，第一微结构被设计为使得凹结构元件和凸结构元件交替布置，或第二微结构被设计为使得凹坑和凸坑交替布置。
由于结构元件或坑的凸或凹的几何形状，它们形成升高部分或凹陷。在这一方面，箔状材料一侧上的升高部分对应于箔状材料另一侧上的凹陷，反之亦然。交替布置因此可被理解成使得，当箔状材料一侧上的两个相邻的升高部分界定凹陷时，另一侧上的两个谷界定了升高部分。此外，交替布置被理解成使得凸结构元件总是紧靠地跟着凹结构元件，反之亦然。凸坑总是紧靠地跟着凹坑，反之亦然。
通过升高部分或凹陷，结构元件可形成沟道，并且可以例如具有相对于柱体轴线对称地布置的交叉沟道。在这一方面，例如，结构元件的高度，即，升高部分的高度或凹陷的深度，可大于箔的厚度。由结构元件形成的第一微结构可例如在前侧和后侧上相同。在这一方面，例如，形成为箔状材料一侧上的凹陷的结构元件可对应于相反设置侧上的升高部分。
由于第一和第二微结构，沟道可形成在凸和凹的结构元件或坑之间，并且流体可例如沿沟道在毛细管力和重力的作用下在填料层上均匀地分布。流体可在沟道的交叉点处从一个沟道溢出到另一沟道中，从而实现良好的交叉混合。由于流体在根据本发明的填料层上的对称溢流，所以不会发生另外的不期望的边缘效应，所述边缘效应会劣化液相和气相之间的质量传递或热传递。
如已在实践中惊喜地发现的，根据本发明形成的包括第一和第二微结构的填料层对于流体，对于润湿性差的流体，例如水，并且对于可湿性差的材料，诸如不锈钢，具有理想的质量传递或热传递。凹结构元件或凹坑填充有流体，倾向于聚集在因表面张力而产生的中心区域中。流体具有移回凸的后侧上并使表面保持干燥的倾向。因此，第一和第二微结构促进流体在箔状材料的表面上传播，并因此对传递过程有显著贡献。
在本发明的实施例中，至少一个坑具有周缘，和/或周缘具有至少一个穿孔。坑的周缘例如可被配置为闭合的环形压印结构，就是说被配置为具有在闭合的环形压印结构内的凹陷的升高部分。但是，周缘也可包括穿孔，由此流体可有利地在升高部分处被分成两部分流，这促进表面的润湿，其中，材料同时被保持作为表面。穿孔被理解为周缘的中断，从而使得周缘例如不是闭合的周缘。环形压印结构的后侧的作用稍微不同。此处液体聚集在闭合的环形压印结构的一个凹陷中，并且在另一凹陷上离开它。在这一方面，穿孔有利地促进液体通过周缘进入坑内部。
在本发明的实施例中，褶皱图案被叠加在第一和第二微结构上，并且褶皱图案形成相邻的流通道。褶皱图案可被理解为折叠结构，例如，Z形折叠外观，特别是翅片。褶皱图案可包括规则和/或不规则的交替的折叠结构。折叠结构可具有均匀的幅度，即高度或深度，并且在形象方面具有相同的波长，即，可具有相同的间隔。褶皱图案可具有例如4-46mm的幅度，特别是6.5-15mm，并且可具有7-90mm的波长，特别是10-37mm。折叠角，即柱体轴线和翅片方向之间的角，可为例如0-60度，优选为20-50度，特别优选为30-45度。因此，褶皱图案形成峰和谷，其中，谷被配置成箔状材料的相应侧上的流动通道。褶皱图案的翅片还能够沿填料层的表面具有S形路径。例如，S形路径可被理解成这样的翅片路径，其一个翅片端部平行于柱体轴线延伸，其中间翅片部分朝向柱体轴线倾斜30至60度角，并且其另一个翅片端部再次平行于柱体轴线延伸。由此可有利地最小化规整填料的压力损失。另一个优点是，由此提出了容许流体相的理想流动以及理想的质量传递的填料层的另一种结构。褶皱图案对气相（尤其是气体或蒸汽）的散布有显著作用。
此褶皱图案形成了所述的交叉通道结构。在这一方面，通道对应于褶皱图案的谷。此外，褶皱图案可相对于竖直方向倾斜，竖直方向优选对应于柱体轴线。柱体轴线在处于操作状态时，就是说，当填料层被安装在规整填料中并且规整填料被安装在质量传递设备（例如柱体）中时，是质量传递设备的竖直方向。直接相邻的填料层（特别是在规整填料中）的褶皱图案可沿相反方向倾斜，例如相对于柱体轴线。此外，褶皱图案可例如在规整填料中将填料层保持成使其彼此间隔开，或者可形成用于气体的开口的流动通道。
在本发明的实施例中，填料层包括多个切口。切口被设计和布置为使得它们形成第三微结构，其中，相邻的切口具有第三间隔。第三间隔不同于第一间隔，并且不同于第二间隔；第三间隔优选大于第一和第二间隔。此外，这些切口，具体是第三微结构，被配置为孔。
有利的是，根据本发明的填料层结合有切口，例如孔或缝，从而可实现压力补偿，并且在填料层之间采用平衡。切口可以非常小，优选小至它们可在与第一和第二微结构相同的加工步骤中利用压印机制成。切口也可仅实现在填料层的一部分上，例如，仅在填料层的上部区域和/或中间区域中。切口还可与褶皱图案对齐；例如，孔或缝可与褶皱图案横向地对齐。
根据本发明的填料层还可以是规整填料的一部分，规整填料包括多个填料层，特别是平行的填料层，其中相邻填料层互相接触并且相邻填料层的流通道以开口方式交叉。将交叉通道彼此分开的未折叠的金属片也可被引入相邻填料层之间。用于流体（例如，其包括两种流体相）之间的质量传递的媒介被理解为规整填料。规整填料用于质量传递设备中。质量传递设备可具体被设计成柱体，其可用于例如吸收或解吸，优选用于精馏或用于提取。
在这些过程中，密度较小的流体相，例如蒸汽或气体，沿柱体轴线向上流动。密度较大的流体相，例如液体，作为涓流膜在填料层表面上逆流向下流动，并且在一定情况下，也作为液滴向下和/或向上流动。在向上和向下流动的混合物中的流体相之间发生某些成分（例如，高挥发性和低挥发性成分）的传递，并且发生热交换。例如，在蒸馏时，密度较大的流体相聚集在柱体的槽中，并且在该处至少部分地蒸发，从而使其作为密度较小的流体相再次上升通过柱体。此密度较小的流体相在柱体的头部处通过冷却装置冷凝，并再次作为密度较大的流体相向下流动。在柱体的槽中和头部处，产品流可以被导出，所述产品流包含在槽中的较大部分的高挥发性成分和在头部处的较大部分的低挥发性成分。具有低挥发性和高挥发性成分的待处理流沿柱体被引入柱体的任何位置。其他产品流可在槽和底部之间的其他位置处被导出。
质量传递设备可包含被一个布置在另一个上方并因此可形成例如填料床的多个规整填料。规整填料也可由模块或单独的填料层构成。在这一方面，模块或单独的填料层可通过间隔器彼此间隔开。规整填料可被布置在柱体中，从而使得柱体的质量传递部分填充有一个布置在另一个上方的至少两个规整填料，其中，被一个布置在另一个上方的规整填料的直立填料层的褶皱图案可相对于彼此绕柱体轴线旋转一角度。同等地，一个位于另一个上方的规整填料的直立填料层可相对于彼此绕柱体轴线旋转一角度。
规整填料的表面或填料层的表面可例如涂覆有物质；例如，用于防腐蚀，用于进一步改进润湿能力，或作为用于化学反应的催化剂层。
本发明还涉及具有一个布置在另一个上方的多个规整填料并且具有一个布置在另一个上方的一个或多个填料床的柱体。此外，可在用于制造根据本发明的填料层的单次生产运行中制造结构元件和坑。
本发明还涉及填料层的用途，用于在质量传递设备中，尤其是柱体中，执行较低密度的流体相和较高密度的流体相之间的质量传递和/或热传递，其中，密度较低的流体相向上流动，并且密度较高的流体相向下流动。质量传递设备包含规整填料，并且此规整填料包括填料层。密度较高的相至少部分地作为膜在填料层上流动。
本发明的其他优点、特征和细节参照下文对实施例和附图的描述将得到更好的理解。
附图说明
下面将参照实施例和附图在设备方面和过程工程方面更详细地解释本发明。示意图中示出：
图1示出了具有根据第一实施例的第一和第二微结构的根据本发明的填料层；
图2a示出了包括具有坑的第二微结构的根据本发明的填料层；
图2b示出了包括具有结构元件的第一微结构的根据本发明的填料层；
图2c示出了包括具有作为结构元件的凹槽的第一微结构的根据本发明的填料层；
图3a示出了根据本发明的填料层，其中示意性地示出了根据第二实施例的第一和第二微结构；
图3b示出了根据本发明的填料层，其中示意性地示出了作为平行曲线组的第一和第二微结构；
图4a示出了第一微结构的第一和第三曲线组及其交叉角α的示意图；
图4b示出了第二微结构的第二和第四曲线组及其交叉角β的示意图；
图4c示出了第一微结构的第一主轴线和第二微结构的第二主轴线以及转角λ的示意图；
图5示出了贯穿根据本发明的填料层的剖面，其中示意性地示出了根据本发明第三实施例的第一和第二微结构；
图6a示出了第一点网格中第一微结构的第一基础单元的示意图；
图6b示出了第二点网格中第二微结构的第二基础单元的示意图；
图6c示出了第一基础单元和第二基础单元以及夹角φ的示意图；
图7A-7F示出了第二微结构的坑的实施例变型；
图8示出了具有根据本发明的规整填料和填料层的柱体的示意图；以及
图9示出了根据第四实施例的根据本发明的多个填料层。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的填料层1，其具有根据第一实施例的第一微结构3和第二微结构5。在这一方面，第一微结构和第二微结构位于相同位置处。第一微结构3由多个结构元件2形成，其中，凸结构元件2b和凹结构元件2a具有角锥形几何形状。相邻结构元件具有第一间隔a，其中，第一间隔a对应于两个直接相邻的结构元件2的几何重心的间隔。图1还示出了由多个坑4形成的第二微结构5，坑4类似地具有凸坑4b和凹坑4a以及近似圆柱形的几何形状。相邻坑具有第二间隔b，其中，第二间隔b对应于两个直接相邻的坑4的几何重心的间隔。
此外，第一和第二微结构3、5形成第一和第二点网格。第一点网格的点对应于结构元件2，其中，四个直接相邻的结构元件2形成第一基本单元41。第二点网格的点同等地对应于坑4，其中，四个直接相邻的坑4形成第二基本单元51。在此示意图中，第一基本单元41和第二基本单元51具有矩形或平行四边形的基础表面，并且第一和第二基本单元41和51相对于彼此旋转以转角λ，由此致使第一和第二微结构3、5旋转。
在图1的示意图中，示出了第一平行曲线组14、第三平行曲线组15以及第二平行曲线组12和第四平行曲线组13。在这一方面，第一曲线组14形成第一主轴线16，并且第三曲线组15形成第一微结构3的第一副轴线17。第二曲线组12同等地形成第二微结构5的第二主轴线18，并且第四曲线组13形成第二微结构5的第二副轴线19。结构元件2各自沿第一和第三平行曲线组14、15的直线布置。角度α被夹在第一主轴线16和第一副轴线17之间，并且对应于第一和第三平行曲线组的交叉点处的较小夹角。坑4也各自沿第二和第四平行曲线组12、13的直线布置。对应于较小夹角的角度β被夹在第一主轴线18和第一副轴线19之间。被夹在第一和第二主轴线之间的较小交叉角λ对应于第一和第二微结构3、5的转角λ。
图2a示出了根据本发明的填料层1，其具有根据图1的第二微结构5和坑4。坑4是凸坑4b，但也可以具有凹形几何形状，也就是说可以是凹坑（未示出）。因此，坑4仅形成为沿图2a中箔状材料的一个方向的升高部分。相邻的坑4具有第二间隔b。
图2b示出了根据本发明的填料层1，其具有根据图1的第一微结构3和结构元件2。具有凹结构元件2a和凸结构元件2b的结构元件2被设计和布置为使得它们形成第一微结构3。相邻的结构元件2具有投影中所示的第一间隔a。形成第一微结构3的第一主轴线16和第一副轴线17的第一平行曲线组14和第三平行曲线组15具有角α。此外，投影中示意性地示出了结构元件的W形状。
图2示出了根据本发明的填料层1，其具有包括结构元件2的第一微结构3，其中，结构元件2是凹槽。结构元件2之间的间隔对应于第一间隔a。结构元件2沿第一平行曲线组14对齐，第一平行曲线组14也同时形成第一主轴线16。
图3a示出了根据本发明的填料层1，其具有根据第二实施例的第一和第二微结构3、5。在这一方面，第一微结构和第二微结构位于相同位置处。在这一方面，五个坑4被布置成W形状（由虚线示意性地示出），其形成第二微结构的基本结构。坑4是交替布置的凹和凸坑4a、4b。但是，坑4也可仅是凹坑4a或仅是凸坑4b或者是不规则地交替的凹和凸坑4a、4b，即，升高部分或凹陷。此外，可以看见第一微结构3，其类似地由布置成W形状（未示出）的五个结构元件3形成。在此优选的第二实施例中，第一微结构3的结构元件2和第二微结构5的坑4形象地形成第一和第二周期性点网格。在这一方面，第一周期性点网格的点对应于结构元件2，并且第二周期性点网格的点对应于坑4。
图3b示出了根据本发明的填料层1，其具有根据图3a的用点网格示意性地表示的第一和第二微结构3、5。在这一方面，示出了第一基本单元41，其由第一微结构3的相应的四个直接相邻点形成，并且示出了第二基本单元51，其由第二微结构5的相应的四个直接相邻点形成。第一和第二基本单元41、51具有平行四边形的基础表面。
图4a示出了第一微结构3的第一平行曲线组14和第三平行曲线组15以及它们的交叉角α的示意图。在这一方面，第一曲线组14形成第一微结构的第一主轴线16，并且第三曲线组15形成第一微结构3的第一副轴线17。结构元件（未示出）各自沿第一和第三平行曲线组14、15的直线布置。各两个相应的曲线组得到四个角，四个角中相反设置的两个角全等。对应于较小夹角的角α被夹在第一主轴线16和第一副轴线17之间。较大的角，也被称作副角，于是等于180°-α之差。
图4b示出了第二微结构5的第二平行曲线组12和第四平行曲线组13以及角β的示意图。在这一方面，第二曲线组12形成第二微结构5的第二主轴线18，并且第四曲线组13形成第二微结构5的第二副轴线19。坑（未示出）各自沿第二和第四平行曲线组12、13的直线布置。各两个相应的曲线组得到四个角，四个角中相反设置的两个角全等。对应于较小夹角的角β被夹在第一主轴线18和第一副轴线19之间。较大的角，也被称作副角，于是等于180°-β之差。
图4c示出了第一微结构3的第一主轴线16和第二微结构5的第二主轴线18以及转角λ的示意图。夹在第一和第二主轴线16、18之间的较小的交叉角λ对应于第一和第二微结构3、5的转角λ。
图5示出了贯穿根据本发明的填料层1的剖面，并且示意性地描绘了根据本发明的第三实施例的第一和第二微结构3、5。在这一方面，第一微结构和第二微结构位于相同位置处。第一和第二微结构3、5被示出为具有相应的结构元件2、2a、2b和坑4、4a、4b。示出了凹的结构元件2a和坑4a以及凸的结构元件2b和坑4b。结构元件2和坑4被设计成无孔的。在图5中，坑4被配置成大体环形的并且基本是闭合的完整圆筒。但是，坑4也可被配置成环形并形成开口的圆筒，或者也可被配置成像闭合的完整圆筒那样的环形（未示出）。此外，示出了坑4的纵向尺寸L、L’以及结构元件2的纵向尺寸L’’，还示出了坑的高度H和结构元件的高度h。
在图6a中，在第一点网格中示意性地示出了第一微结构3的第一基本单元41。示出了凹结构元件2a和凸结构元件2b两者。图6b示出了第二微结构5的第二点网格中的第二基本单元51的类似示意图。这里也示出了凹坑4a和凸坑4b两者。在图6c中，示意性地示出了由第一基本单元41和第二基本单元51夹成的角φ。在此示意图中，第一基本单元和第二基本单元51具有平行四边形的基础表面，并且第一和第二基本单元41、51相对于彼此旋转转角φ，由此得到了第一和第二微结构3、5的旋转。
可根据实施例中根据图5的实施例来配置图7a。图7b示出了具有周缘8的坑4，并且周缘8具有多个穿孔9。图7c示出了部分地位于填料层1的前侧上并且部分地位于填料层1的后侧上的坑4。图7d示出了具有缝形穿孔的坑4。图7e示出了具有穿孔和与所述穿孔相邻的突起的坑4。图7f示出了具有缝形穿孔并且部分地位于填料层1的前侧上、部分地位于填料层1的后侧上的坑4。
图8示出了包括规整填料20的一些层的柱体30，这些层形成规整填料并且继而包括多个填料层1。规整填料20包括彼此成规则地重复的几何关系的多个填料层1。相邻填料层1的间隔可被选作此几何关系的例子。根据该几何关系，相邻填料层1彼此间的间隔可周期性地采用相同的值，从而由填料层1的总和来形成以相同或至少周期性地相同的间隔为特征的结构。在整个规整填料20中找到周期性，由此规整填料20具有规则的结构。尤其地，此结构可被配置成波纹形部段。
与此相反，大块填充体式填料包括大块填充体，即，相同几何结构的元件，但是，每个大块填充体可相对于相邻的大块填充体具有任何期望的间隔和方位，从而使得这些间隔的周期性不可识别。大块填充体在填充时被引入柱体中。它们在柱体基底上形成堆积。该堆积的特征是各个大块填充体的随机布置。
填料层1包括具有波纹形部段的薄壁元件。波纹形部段的特征是升高部分的周期性重复序列，即，波峰和谷状凹陷（即波谷）。尤其地，此波纹形部段可被制成具有Z形部段和尖锐的会聚边缘的折叠结构。填料层相对于彼此被布置为，使得两个相邻填料层的波纹形部段相对于主流动方向以一角度倾斜。相邻填料层1的波纹形部段相对于彼此交叉地布置。
以下内容应用于根据图8的规整填料20的两个相邻填料层1：第一填料层被布置为与第二填料层相邻。第一填料层和第二填料层包括金属片材或金属织物的箔状材料，但对此替代性地，也可包括塑料或陶瓷材料的箔状材料。在这一方面，箔状材料可包括整个填料层，但也可以仅形成其一部分。箔状材料可具有板的形式，这包括波纹形部段，尤其是Z形部段或具有圆整的峰和谷状底部的波纹形部段。箔状材料可具有塑料或陶瓷材料的涂层，以使填料层抵抗化学影响，诸如腐蚀或热影响，诸如温度或机械影响，诸如更耐压力，或提高润湿性。
在图中示出了图8的填料层1，其示出了规整填料20的第一表面的细节。规整填料20的第一表面被布置为大体垂直于主流动方向。在没有设施的柱体中，流动方向被称作主流动方向，沿该方向，更易挥发的流体，特别是气体，向上流动，即，沿柱体30的头部31的方向。替代性地，相反方向也可被定义为主流动方向。在此情形中，主流动方向对应于较不易挥发的流体，通常是液体，流过没有设施的柱体的方向，即沿柱体30的基底32的方向自由下落。在规整填料20中，流动方向局部地偏离主流动方向，这是因为规整填料的填料层1使该流动偏转。
规整填料20的填料层1具有包括多个开口通道的波纹形部段，流动通道11（见图9）由波纹形部段形成。流动通道11包括第一波谷、第一波峰和第二波峰。第一波峰和第二波峰界定第一波谷。第一波峰和第二波峰具有第一尖端和第二尖端。第一波谷具有谷底。尖端的至少一部分可形成为边缘。波谷中的至少一些可形成为V形。对于层的所有波峰而言，谷底和尖端之间的正常间隔基本相同。
图9示出了根据本发明的根据第四实施例的多个填料层。填料层1包括多个结构元件2和多个坑4，它们被设计和布置为，使得它们形成第一微结构3和第二微结构5。第一和第二微结构从填料层1的下端延伸到填料层1的上端，或延伸到与下端或上端相邻的侧边缘。在这一方面，结构元件2被配置为凹结构元件2a或凸结构元件2b。坑4同等地被配置为凹坑4a或凸坑4b。褶皱图案10被叠加在图1所示的具有第一和第二微结构3、5的填料层上。褶皱图案10具有翅片，翅片具有多个峰和谷，其中，褶皱图案10的谷被设计为与流动通道11相邻。按下述顺序示出填料层1，即，它们成行布置，或被一个放置在另一个上，并且组合以形成规整填料20，并被插入柱体30的填料床中。填料床通常包括被设置成一个在另一个上方的多个规整填料20。在这一方面，一个跟随另一个的规整填料20相对于柱体轴线偏置一角度（例如，90°）。

Claims (21)

1.一种用于规整填料（20）的填料层，其中，所述填料层（1）包括多个结构元件（2），并且所述结构元件（2）被设计和布置为使得它们形成第一微结构（3），并且其中，相邻的结构元件（2）具有第一间隔（a），其中，所述填料层（1）包括多个坑（4），所述多个坑（4）被设计和布置为使得它们形成第二微结构（5），并且其中，相邻的坑（4）具有第二间隔（b），其特征在于，
所述结构元件（2）和所述坑（4）被设计成无孔的；
其中，褶皱图案（10）被叠加在所述第一微结构（3）和所述第二微结构（5）上，并且其中，所述褶皱图案（10）形成相邻的流动通道（11）。
2.如权利要求1所述的填料层，其中，所述第一间隔（a）不同于所述第二间隔（b）。
3.如权利要求1所述的填料层，其中，所述第二间隔（b）大于所述第一间隔（a）。
4.如权利要求1所述的填料层，其中，所述第二间隔（b）是所述第一间隔（a）的大小的至少二倍。
5.如权利要求1至4中任一项所述的填料层，其中，所述填料层（1）被设计成无孔的。
6.如权利要求1所述的填料层，其中，所述第一微结构（3）的结构元件（2）沿第一平行曲线组布置，并且所述第二微结构（5）的坑（4）沿第二平行曲线组布置，其中，所述第一平行曲线组和所述第二平行曲线组相对于彼此以转角λ布置。
7.如权利要求1所述的填料层，其中，所述第二间隔（b）是所述坑（4）之一的纵向尺寸的大小的至少二倍。
8.如权利要求1所述的填料层，其中，结构元件（2）被配置为凹结构元件（2a）或凸结构元件（2b），或者坑（4）被配置为凹坑（4a）或凸坑（4b）。
9.如权利要求8所述的填料层，其中，所述第一微结构（3）被设计为，使得凹结构元件（2a）和凸结构元件（2b）交替地布置，或者所述第二微结构（5）被设计为，使得凹坑（4a）和凸坑（4b）交替地布置。
10.如权利要求1所述的填料层，其中，至少一个坑（4）具有周缘（8）。
11.如权利要求10所述的填料层，其中，所述周缘（8）具有至少一个穿孔（9），其中所述穿孔是所述周缘的中断。
12.如权利要求1所述的填料层，其中，所述填料层（1）包括多个切口，并且所述切口被设计和布置为使得它们形成第三微结构，其中，相邻的切口具有第三间隔。
13.如权利要求12所述的填料层，其中，所述第三间隔不同于所述第一间隔（a），也不同于所述第二间隔（b）。
14.如权利要求12所述的填料层，其中，所述第三间隔大于所述第一间隔（a）和所述第二间隔（b）。
15.如权利要求12所述的填料层，其中，所述切口被形成为孔。
16.如权利要求12所述的填料层，其中，所述第三微结构被形成为孔。
17.一种规整填料（20），其包括多个填料层（1），其中的至少一个填料层是根据前述权利要求中任一项设计的，其中，相邻的填料层（1）彼此接触，并且相邻的填料层（1）的流动通道（11）以开口方式交叉。
18.如权利要求17所述的规整填料（20），其中，所述多个填料层（1）是平行的填料层。
19.一种柱体（30），其具有被布置成一个在另一个之上的多个规整填料（20），并且其中的至少一个规整填料是根据权利要求17设计的。
20.一种填料层的用途，所述填料层是根据权利要求1至16中任一项所述的填料层，用于在质量传递设备中，在密度较低的流体相和密度较高的流体相之间实现质量传递和/或热传递，其中，所述密度较低的流体相向上流动，并且所述密度较高的流体相向下流动，其中，所述质量传递设备包含规整填料并且此规整填料包括所述填料层，并且其中，密度较高的相至少部分地作为膜在所述填料层上流动。
21.如权利要求20所述的用途，其中，所述质量传递设备是柱体。
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