CN108430601A - 填料和包含一个或者多个填料的塔 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种填料，它相比传统的填料具有提升的抗腐蚀性、高的化学耐受性、小的通流阻力和延长的使用寿命，其中，为此设计的是，所述填料包括具有第一和第二端侧的蜂窝体，其中，所述蜂窝体包括具有大量基本上平行地布置的、通过通道壁相互邻接的流动通道的蜂窝结构，并且其中，蜂窝体由基于聚四氟乙烯(PTFE)聚合物材料的第一人工材料制成。此外还建议了一种塔，它包括具有至少一个入口、至少一个出口和一个或多个根据本发明的填料的壳体，这些填料优选地必要时依次地布置在从入口向出口延伸的流动路径中。

Description

填料和包含一个或者多个填料的塔
技术领域
本发明涉及一种填料(Packung)，尤其是用于材料交换并且必要时能量交换的塔中，所述填料包括具有第一和第二相互平行布置的端侧的蜂窝体以及大量相互平行布置的、从第一到第二端侧延伸的、用于流体介质的流动通道。本发明此外还涉及一种塔，尤其是用于材料交换和必要时能量交换，它包括带有至少一个入口和至少一个出口以及一个或多个布置在壳体的从入口向出口延伸的流动路径内的填料的壳体。
背景技术
通常情况下，填料可以用在进行材料交换并且可能进行能量交换的塔中、尤其是用在工业或精馏塔中。精馏塔是用于分离流体的材料混合物的流程技术设备。作为替选，用于进行材料交换并且可能进行能量交换的填料例如可以使用在废气清洁或气体洗涤中，其中，气体形态的介质、像是废气或者需要洗涤的气体，将存在的脏污颗粒在材料交换时转移给洗涤液。
流体的材料混合物例如可以包含液体的和/或气体形态的成分和同时存在的固体颗粒。在用在进行材料交换并且可能进行能量交换的塔中时，填料在液体的和/或气体形态成分的流动性能方面必须满足许多高要求，例如在进入或者输出填料时的流动转向不带来更大的压力损耗。
此外重要的是，流体的材料混合物基本上均匀地分布在填料的蜂窝体的整个横截面上，并且尤其是不能沿着流动通道或者沿着端侧的表面形成不均匀的穿流体。
开头所述类型的、用在进行材料交换并且可能进行能量交换的塔中的填料例如由德国专利申请DE 197 06 544A1中公知。其中描述的填料包括多个上下布置的填料分层。这些填料分层优选地由波纹的或带沟槽的金属片制成。其中所需要的、相邻填料分层之间的流动转向由填料分层之间的一个所谓的插件辅助进行。这种插件就像填料分层一样具有由通道壁分隔开的流动通道。
通常也将高沸点的成分从材料混合物中分离出去，或者将加热的气体在材料交换期间沿着流动路径引导穿过塔的壳体，因此填料必须具有高的耐热性。
与此同时，材料混合物的流体成分应该实现了充分的混合，才能在填料或其蜂窝体中进行尽可能高效的材料交换，并且在必要时还发生能量交换。
用于辅助材料和能量交换的构件、尤其是所述填料，频繁地与需要进行分离的材料混合物中的腐蚀性的气体、液体或者容易起化学反应的脏污颗粒进行接触。因此，对于所述填料除了需要良好的耐热性以外一般而言还需要高的抗腐蚀性和高的且全面的化学耐受性。
腐蚀性气体、反应副产品和脏污颗粒的残余，尤其是以固体材料残余的形式存在，必须时常地从填料中去除。出于这个原因，清洁填料或其蜂窝体的方法在搬运上的简单和高效具有重大的经济意义。
此外，填料还应该不容易受到污染，从而让填料不必过于频繁地经历高耗费的清洁流程。
所述填料通常用在进行材料交换并且可能进行能量交换的、持续不断地运行的塔中。在这种持续运行的塔中、例如在持续运行的精馏塔中，一次停机后的启动过程可能持续好几天。在更换填料时，除了维修成本或重新采购成本以外，还会产生因为停机和启动过程所造成的成本。出于这个原因，填料应该具有尽可能长的使用寿命，从而要在尽可能长的时间间隔之后才需要进行构件的维修或更换。
发明内容
本发明的任务是，建议一种填料，它考虑到了上述问题并且能够经济地进行生产制造。
所述任务根据本发明通过具有权利要求1所述特征的填料得以解决。
通过根据本发明的填料的蜂窝体由基于聚四氟乙烯(PTFE)聚合物材料的、具有良好的耐热性和高的化学耐受性的人工材料制成，根据本发明的填料一方面满足对耐热性的高要求，另一方面同样具有高的化学耐受性。
此外，不需要为了流动转向而将任何插件插入到填料中，以实现最佳的通流条件，正如在现有技术中、例如在DE 197 06 544A1中、必要的那样。因此只需要使用一种类型的构件，这又减少了必须订购并安置的替换件的数量。
根据本发明的、具有由基于PTFE聚合物材料的第一人工材料制成的蜂窝体的填料本来就具有抗粘附的表面，由此使得它相比传统的、由金属制成的填料更不容易受污染。此外还可以将少的污染物、尤其是固体材料沉积物无残余地清除干净，而不必将这个构件用新的去取代。
与由金属制成的填料相反，像例如由DE 197 06 544A1中公知的那样，根据本发明的、具有由基于PTFE聚合物材料的第一人工材料制成的蜂窝体的填料具有高的抗腐蚀性，这与一般的高的化学耐受性结合起来使得根据本发明的填料具有更长的使用寿命。
通过根据本发明的填料的蜂窝体构成具有基本上相互平行布置的流动通道的蜂窝结构，所述流动通道从蜂窝体的第一向第二端侧延伸并且通过通道壁相互之间分隔开，能够进行更好的充分混合并且将流动阻力保持得小。这种效果结合高的耐腐蚀性、化学耐受性以及良好的耐热性，使得相比传统的填料为流体材料混合物的组成成分的分离提供了总体上优化的条件。
优选地，所述蜂窝体具有有自由的横截面面积的流动通道，其中，自由的横截面面积的总和达到蜂窝体的一个端侧面积的大约70％到大约92％、尤其是大约75％到大约85％。这有以下优点，即，一方面流动阻力减少了，另一方面还可以实现各种成分的最佳混合。
优选地，根据本发明的填料的蜂窝体的平行于第一和第二端侧的横截面基本上构成圆形的。这有以下优点，即，形成基本上为圆形的通流横截面，它相比有角的通流横截面避免了拐角内通流的不均匀性。
在一种优选的实施方式中，蜂窝体多部分地构造。它在优选的实施方式中包括两个或者更多个分段，这些分段从蜂窝体的第一端侧向第二端侧延伸，并且具有构成平面式的和必要时部分圆柱体形状的侧壁。通过让蜂窝体构造成各个分段，使得即使在蜂窝体的平行于端侧的横截面很大的情况下也能够实现更轻松的搬运。
在分段具有两个在拐角区域内相互接触的、平面式的侧壁的情况下，分段的侧壁布置成相互之间构成直角。单个分段的装入或更换得以实现，而在单一体的蜂窝体中，当出现磨损或类似现象时就必须更换整个蜂窝体。
在本发明的意义内，分段的平面式的侧壁不能理解为蜂窝体的封闭的和平滑的表面。平面式在本发明的意义内并不意味着侧壁不能包含前凸和/或回凹。构造成平面式或部分圆柱体形式的侧壁在本发明的意义内是平面式的或圆塔壁形式的套筒面。
优选地，蜂窝结构的各个流动通道的横截面在平行于蜂窝体的端侧的角度观察是构造成多边形的、尤其是矩形的、例如正方形的、五边形或者六边形的。利用流动通道的这种构造方式一方面能够实现小的流动阻力，另一方面实现了穿流的介质的足够好的充分混合。
优选地，在流动通道的横截面为多边形、尤其是矩形的、正方形的或者是六边形的时，流动通道的基本上相互平行对置的通道壁具有大约8mm到大约20mm的间距，优选地具有大约11mm到大约17mm的间距。于是，各个成分的充分混合和流动阻力相互之间处于一种最佳的平衡之中。
通道壁的平行于端侧的横截面优选地构造成具有大约5mm到大约11mm的高度，尤其是具有大约7mm到大约10mm的高度。
优选地，蜂窝结构的流动通道的通道壁具有大约0.8mm到大约2.1mm的厚度。
在传统的填料中，正如在DE 197 06 544A1中所描述的那样，因为填料分层的上下层叠或者集中压缩就已经可能导致填料分层或布置在它们之间的插件中的通道壁发生不希望出现的折合，并且因此可能导致不受控制的、增加的流动阻力。这在一种优选的实施方式中可以利用优化的、先前描述过的参数得以避免，像是通道壁的间距、它们的高度和厚度，同时不用让填料分成多个分层，并且在它们之间也不必使用插件。
第一人工材料优选地可以通过挤压/烧结技术处理。紧接着的切削加工可以实现蜂窝体对具体应用场合的适应。
必要时还可以热塑性地处理蜂窝体的第一人工材料，这在生产蜂窝体时是有利的。
优选地，蜂窝体的第一人工材料具有大约0.3W/(m·K)或更高的导热能力，并且/或者蜂窝体的第一人工材料具有大约0.9J/(g·k)或更高的比热容。这有以下优点，即，例如在材料交换期间形成的反应热能或流程处理热能就可能经由蜂窝结构的导热性良好的通道壁被导走。此外还可以避免那些较高温度占主导的区域，即所谓的热点，并且可以在整个填料上实现足够均匀的温度分布。
特别优选的第一人工材料具有通过填充材料优化的导热能力，例如在基于石墨的填充材料C-THERMTM002的填充含量为3％的重量百分比、颗粒大小D50为大约38μm(可以从TimCal Graphit&Carbon购得)的材料样品上进行测量时，当比热容为1.24J/(g·k)时，导热能力大约为0.43W/(m·k)。可以用来优化第一人工材料的导热能力的填充材料在下面被称为导热色素。
优选地，PTFE聚合物材料具有大约2g/cm3到大约2.2g/cm3的密度。
优选地，第一人工材料具有大约200℃或更高的耐热性，尤其是大约250℃或更高。根据本发明的填料因此也可以用在有特殊要求的分离法中，其中，这种高温是占主导的或会产生。
蜂窝体的第一人工材料的材料属性对于根据本发明的填料的属性有着至关重要的作用。
蜂窝体的第一人工材料优选地具有根据EN ISO 12086-2测得的、大约10N/mm2到大约30N/mm2的断裂强度。这有以下优点，即，填料能够承受机械应力而不会撕裂。于是能够在塔中装入和更换根据本发明的填料时实现更好的可搬运性。此外还可以减少运输损坏。
优选地，蜂窝体的第一人工材料根据检查标准EN ISO 12086-2具有大约220％到大约350％的断裂伸长率。这就和提高了断裂强度一样，这对于在安装、更换和运输根据本发明的填料期间的可搬运性是有利的。
第一人工材料的提升的机械属性尤其是有助于根据本发明的、这种优选的实施方式的填料能够承载高的负载，并且同时仅仅显示出小的弯曲。
例如可以将根据本发明的填料实现为具有100mm的从第一到第二端侧的流动通道的通道长度，它们在松弛地放置在敞开的边沿上并且负载210kg的情况下即使在100℃或150℃时也不弯曲。即使在温度为200℃时，仅仅发生大约0.5mm的弯曲。
在根据本发明的填料中，即使在210kg的负载下，也不会发生在现有技术中提到的通道壁的折合现象。据此，即使在根据本发明的填料负载大时，也避免了因为通道壁折合而产生额外的流动阻力，这种流动阻力此外可能导致在通流时发生不均匀现象。因此，根据本发明的填料在这种优选的实施方式中具有小的流动阻力，并且即使在流程处理条件不同的情况下也在整个蜂窝体上具有均匀的通流属性。
重要的是，填料相对于反应性的、尤其是腐蚀性的气体而言具有尽可能小的可透气性。可透气性通常借助相对于测试气体每cm3中可透性的渗透率、每m2的面积、按天数计算实验持续时间并且以巴为单位的气体压力表示。渗透率在具有按照DIN 53380标准的第二部分规定的膜强度的膜中测得。
第一人工材料的组成可以适配于相应的要求。
在第一人工材料的优选的变化方案中，其中，PTFE聚合物材料包括高性能聚合物，蜂窝体的第一人工材料尤其是具有更好的透气性或渗透率。对于第一人工材料包含高性能聚合物的这种优选变化方案，在厚度为1mm的膜上测得的渗透率对于气体形态的HCl来说尤其是440cm3/(m2·d·bar)或更小。如果希望得到更小的透气性，那么使用厚度增加1mm的膜可以让渗透率甚至减半，或者使用厚度增加了例如6mm的膜甚至可能减少7倍或更多。
但是即使在根据另一种变化方案的第一人工材料由不含有高性能聚合物的PTFE聚合物材料构成的情况下，也可以实现相对于Cl2、HCl或者SO2大约620cm3/(m2·d·bar)或者更低的渗透率，在Cl2或SO2中尤其是实现大约300cm3/(m2·d·bar)或者更低的渗透率。
在这种渗透率中，可能有腐蚀性的、穿透通道壁并且因此与塔的壳体接触并且可能引起损耗现象的气体的量得以最小化。
正如开头提到的那样，需要分离的混合物通常包含能够以固体材料沉积物的形式沉淀到蜂窝体的表面上或者导致较快损耗的脏污颗粒。尤其是具有高的粗糙度的表面结构可能更容易受到污染。
因此，通道壁的表面优选地具有大约250μm或更小的表面粗糙度Rmax。于是一方面可以最优化通流性能，另一方面可以降低受污染的可能性。这个表面粗糙度是按照DIN ENISO 4288确定的。
相比传统的金属填料，根据本发明的填料的损耗也减少了。在6巴压力下用粒度为大约0.2mm到大约0.8mm的刚玉喷射根据本发明的填料的损耗测试中，即使在5分钟以后所述填料也没有发生明显的变化。
在优选的变化方案中，PTFE聚合物材料包含重量占比大约为80％或更多的原生的(virginales)聚四氟乙烯(PTFE)，和必要时不同于PTFE的、重量占比为大约20％或更少的高性能聚合物。原生的PTFE在此优选地具有重量占比大约为1％或更少的共聚单体，更加优选的是重量占比大约为0.1％或更少的共聚单体。具有共聚单体的原生的PTFE在下面也被称为原生的、改性后的PTFE。
更加优选的是，原生的PTFE和必要时与PTFE不同的高性能聚合物在未经处理的状态的情况下具有平均的颗粒大小D50为大约10μm到大约600μm，优选地为250μm到大约450μm。平均的颗粒大小D50分别是指这些颗粒的平均直径。
合适的、原生的、非集聚的PTFE例如是初始颗粒大小D50为大约25μm的Inoflon 640(生产商：Gujarat Fluorochemicals Ltd.)
先前描述的、第一人工材料的优选变化方案尤其是可以在不添加烧焊添加物的情况下被焊接起来。这使得能够实现更加轻松的可处理性。
为了使第一人工材料的特性匹配相应的要求，第一人工材料优选地包含非金属的填充材料，其中，非金属的填充材料尤其是是从PEEK、石墨、碳、氮化硼和碳化硅中选择。
在第一人工材料不包含非金属的填充材料的优选变化方案中，尤其是可以改进蜂窝体的形状稳定性以及抗磨强度和抗损耗强度。此外还可以利用这些填充材料优化导热能力和导电能力。特别优选的是基于碳的非金属填充材料，尤其是基于石墨、碳或碳黑，它们也被称为导热色素。
就根据本发明所使用的人工材料的优选颗粒大小而言，填充材料的颗粒大小在考虑到要追求在人工材料中均匀分布的情况下为大约2μm到大约300μm，优选地大约2μm到大约150μm。
尤其是，非金属的填充材料具有的相应填充材料的颗粒大小D50优选地为大约100μm或更小。
优选地，在蜂窝体的第一人工材料内所包含的非金属的填充材料的重量占比为大约40％或更少。
优选地，填充材料在填充材料和原生的或原生且改性的PTFE进行复合(制造一种颗粒形式的颗粒材料)的框架内均匀地分布在第一人工材料中。紧接着，这种无法流动的复合物经历一次颗粒化，从而制造出集聚的颗粒。在这个过程中所实现的、集聚物的平均的颗粒大小D50例如可以大约为1mm到3mm。
优选地，根据本发明的填料具有由基于聚四氟乙烯(PTFE)聚合物的第二人工材料制成的密封元件，它平行于蜂窝体的第一或第二端侧从蜂窝体离开地延伸。密封元件减少了填料和塔的壳体之间的通流量，从而壳体与尽可能少的高腐蚀性介质发生接触，或者这些介质在壳体壁的区域内具有小的通流率。
有时，通过密封元件使得填料和塔的壳体之间的通流量减少就足够了，然而将密封元件构造成液密性的尤其是理想的。
优选地，密封元件与蜂窝体材料锁合地连接。它尤其是与蜂窝体一体式地构成。这有以下优点，即，能够实现尽可能好的密封。
在一种实施方式中，其中，填料多部分地构造，那么密封元件优选多部分地构造。
必要时，密封元件可以如下地设计，即，其将蜂窝体的在装入状态下的分段在塔中稳定化。这有以下优点，即，蜂窝体的分段虽然保持在一起，但是夹紧环、正如其通常用在金属的填料中的那样，对于在塔中的装入状态而言是多余的。
本发明正如开头已经提到的那样此外还涉及一种尤其是用于材料交换以及必要时能量交换的塔，所述塔包括具有至少一个入口、至少一个出口和一个或多个根据本发明的、按照权利要求1至22中任一项所述的填料的壳体。根据本发明的填料于壳体内、在介质的从入口到出口延伸的流动路径中必要时依次地布置。
以上针对根据本发明的填料所述的优点对于根据本发明的、包含这些填料的塔来说同样成立。
优选地，用在根据本发明的塔中的蜂窝体以两个或更多个分段的形式多部分地构造，所述分段从蜂窝体的第一端侧向第二端侧延伸并且具有平面的且必要时在横截面中构造成圆弧形的侧壁。分段经由平面的侧壁相互临靠地布置在塔的壳体内。这种多部分的构造方式使得向塔内的装入工作更加轻松，并且使得能够在不必更换整个填料的情况下进行部分更换。此外，蜂窝体的横截面能够简单地匹配填料的相应所要求的规模。
根据本发明的塔不仅可以在顺流中而且还可以在逆流中运行。根据构造方式和任务，此外还可以优选连续不断的或者非连续性的运行。
在一种优选的实施方式中，塔除了入口和出口以外还包括位于入口和出口之间的输入部，需要分离的混合物就经由这个输入部被输送。
根据本发明的填料的多部分的蜂窝体的分段优选松散地布置在塔的壳体内。这样做有以下优点，即，与金属的填料相反，不必使用夹紧环，从而使得对填料或单个分段的更换变得更加轻松。
在一种优选的实施方式中，根据本发明的塔包括两个或更多个填料，所述填料依次地布置在入口和出口之间的流动路径中，其中，有选择地，具有一个或者多个基座元件的间距保持件布置在所述填料之间。间距保持件尤其改良了两个填料之间的通流条件。于是就可以取消将流动路径中依次跟随的填料与它们的流动通道对准。
然而，与现有技术相反，间距保持件却不必构造成大面积的，而是在这个或这些基座元件与各自的填料之间有小的贴靠面就足以实现流体从一个填料到另一个填料的、尤其是无涡流的转移，并且同时不改变流动阻力。
这个或这些基座元件优选地包括块状的、具有第一和第二端侧的蜂窝元件，其中，所述蜂窝元件具有蜂窝结构，蜂窝结构具有大量相互平行地布置的、从第一端侧向第二端侧延伸的流动通道，这些流动通道经由通道壁相互邻接，其中，蜂窝结构由基于聚四氟乙烯(PTFE)聚合物材料的第一人工材料制成，其中，这个/这些基座元件利用第一或第二端侧连接在各个填料的各个端侧上。于是可以在基座和填料之间或各个填料之间的过渡部分没有压力损失的情况下实现最优的通流量。
优选地，填料的蜂窝结构的流动通道以及必要时那个/那些基座元件的蜂窝结构的流动通道都以平行于流动路径地取消的方式布置在壳体内。在流动通道处于这种朝向的取向的情况下可以实现最佳的材料交换和流体成分的更好的充分混合。
优选地，这个/这些基座元件形状锁合和/或力锁合地与填料相连，或者它/它们与填料一体式地构造。
附图说明
本发明的这些以及其他优点在下面借助附图更详尽地得以阐述。图中具体地示出：
图1：具有根据本发明的填料的、根据本发明的塔的第一实施方式；
图2：具有根据本发明的填料的、根据本发明的塔的第二实施方式；
图3：根据本发明的填料的第一实施方式；
图4：根据本发明的填料的另一种实施方式；
图5：具有一个根据本发明的填料的、根据本发明的塔的局部图；
图6：具有两个根据本发明的填料的、根据本发明的塔的另一个局部图；
图7：根据本发明的填料的另一种实施方式。
具体实施方式
图1用竖直的横截面示出了具有根据本发明的填料50、70的、根据本发明的塔10的第一实施方式。塔可以用于材料交换并且必要时用于能量交换，例如用于气体洗涤。塔10包括具有两个入口20、22和两个出口30、32的壳体12，以及两个布置在入口20、22和出口30、32之间的填料50、70，所述填料布置在从入口22向出口30延伸的流动路径中。依据对塔10的使用，例如着眼于流体的介质的情况下，流动路径也可以从入口20向出口32延伸。
就重力方向而言位于上方的入口20或出口30布置在塔10的头部区域40中，而就重力方向而言位于下方的入口22或出口32布置在塔10的凹洼区域42内。
填料50、70分别包括具有第一和第二基本上相互平行布置的端侧54、56、74、76的蜂窝体52、72。各自的蜂窝体52、72此外还包括具有大量相互平行布置的流动通道的蜂窝结构，这些流动通道经由通道壁相互邻接。蜂窝结构在图3中详尽地示出了细节。蜂窝体52、72由一种基于聚四氟乙烯(PTFE)聚合物材料的第一人工材料制成。就重力而言位于下方的填料70布置在支撑边沿或支撑网格78上，并且因此稳定地保持在塔10中。支撑边沿或支撑网格在此取代了现有技术中常用的承载架，从而最小化塔内部容易腐蚀的材料的份额。这是因为根据本发明的填料对于机械负荷具有高的固有稳定性才有可能的。
有选择地，在填料50、70之间布置了具有在此示出的四个基座元件92、94、96、98的间距保持件90。于是，可以在填料50、70之间在没有压力损耗的情况下实现待分离的流体材料混合物的最佳通流，并且可以取消填料在流动路径中相对于其流动通道的对准。
优选地，基座元件92、94、96、98分别包括具有第一和第二基本上相互平行布置的端侧的蜂窝元件。蜂窝元件分别包括具有大量相互平行布置的流动通道的蜂窝结构，这些流动通道经由通道壁相互邻接。蜂窝元件由基于PTFE聚合物材料的第一人工材料制成。
蜂窝体52、72也可以在没有基座元件92、94、96、98的情况下相互之间直接接触地安置在塔中，其中，流动阻力在填料50、70的相互邻接的端侧处通常较高。
由于填料的基于PTFE聚合物材料的第一人工材料具有抗粘附的表面并且具有高的化学耐受性，所以这些填料50、70相对于固体颗粒而言比较不容易受到污染，并且具有更长的使用寿命。
在一种可能的、例如能够用在气体洗涤中的运行模式中，气体形态的介质在构造于凹洼区域42的入口22内被导入塔10中，并且在它穿过塔10的头部区域40内的出口30又离开塔10之前，沿着流动路径穿流过填料50、70。
与此同时，液体的介质被引导穿过塔10的头部区域40内的入口20，并且逆着气体形态的介质的流动方向顺着重力方向穿流过填料50、70，并且穿过在塔10的凹洼42区域内构成的出口32离开塔10。
在填料50、70的区域内，介质的充分混合能够得以优化，并且包含在气体形态的介质中的脏污颗粒和不清洁物尤其是固体颗粒能够转移到液体的介质中并且必要时溶解在其中。气体形态的介质因此在出口30处以清洁后的形式离开塔10。气体形态的介质中不希望存在的气体形态的成分同样也可以在合适地选择液体的介质的情况下转移到其中并且必要时溶解在其中。
多种多样的其他使用场合也都是有可能的，例如当不清洁物从液体的介质中转移到气体形态的介质中时。
不仅连续不断的运行方式(正如以上所述的那样)而且非连续性的运行方式也都是可能的。
图2用竖直的横截面示出了根据本发明的塔100的另一种实施方式。塔100可以用于材料交换并且还可能用于能量交换，例如在工业塔和精馏塔中，用于分离流体材料混合物中的成分。
塔100包括壳体102，壳体具有两个入口120、122和两个出口130、132、另一个输入部134形式的入口以及两个布置在入口120、122和出口130、132之间的、布置在从入口122向出口130延伸的流动路径中的填料150、170。
就重力方向而言位于上方的入口120或出口130布置在塔100的头部区域140内，而就重力方向而言位于下方的入口122或出口132布置在塔100的凹洼区域142中。输入部134布置在填料150、170之间。
填料150、170分别布置在承载架151、171上，并且分别包括具有第一和第二基本上平行的端侧154、156、174、176的蜂窝体152、172。各自的蜂窝体152、172此外还包括大量相互平行布置的流动通道，它们经由通道壁相互分隔。流动通道和通道壁在图3中详尽地示出。蜂窝体152、172由基于聚四氟乙烯(PTFE)聚合物材料的第一人工材料制成。
在一种优选的运行模式中，塔100连续不断地运行。
接下来示例性地描述将塔100用作精馏塔的情况。这个例子不能理解为对根据本发明的塔100的应用的限制。
在连续不断的运行状态下，需要分离的液体混合物经由输入部134被带入塔100中。塔100优选地被加热，以使得混合物的较高沸点的和低沸点的成分发生热分离(未示出)。混合物的一部分被蒸发并且在气体形态的状态下对抗重力地向上升，并且在头部区域140聚集。混合物的这个部分可以穿过出口130地以气体形态的状态被提取。
气体形态的部分可能包含混合物的较高沸点的成分的份额。为了更好地进行分离，液体混合物的较高沸点的成分的份额可以在连同低沸点的份额穿过出口130离开塔100以后借助冷凝器136被液化，并且经由头部区域140内的入口120又输送给塔100。
液体混合物的液化的部分逆着流动路径的方向向下流动，并且在填料150、170中遇到混合物的气体形态的部分。因为填料的几何形状(结合图3至5进行了详尽的阐述)使得液体的和气体形态的份额发生最佳的充分混合，从而借助材料交换主要将混合物的低沸点的成分转为气体形态的状态。
在塔100的凹洼区域142中，混合物的较高沸点的成分聚集，并且可以通过出口132被提取。为了更好地分离混合物的各个成分，通过出口132被抽出去的份额借助蒸发器138又被加热，必要时转为气体形态的状态，并且经由凹洼区域142中的入口122又输送给塔10。
头部区域140或凹洼区域142中的相应的出口130、132可以如下地构成，即，使得能够在塔100正在运行时提取样品并且进行纯度检测。
图3以立体视图示出了根据本发明的填料200的一种实施方式，尤其是用在进行材料交换并且必要时能量交换的塔中。填料200包括具有第一和第二基本上平行的端侧210、212的蜂窝体202。蜂窝体202包括具有大量相互平行布置的流动通道220的蜂窝结构，这些流动通道经由通道壁222相互邻接。蜂窝体202由基于聚四氟乙烯(PTFE)聚合物材料的第一人工材料制成。在当前情况下，蜂窝体202的平行于端侧210、212的横截面构造成圆形的，由此使得与横截面有角的情况不同地避免了拐角区域中的通流不均匀。
第一人工材料具有高的化学耐受性和耐腐蚀性，从而使得填料200即使与腐蚀性的或者反应性的混合物进行接触也具有长的使用寿命。
在当前情况下，流动通道220平行于端侧210、212地构成六边形的横截面，并且平行的、相互对置的通道壁222构造成具有大约14mm的间距a。
流动通道具有自由的横截面面积。通道壁222在当前情况下制造成具有大约1.1mm的厚度，并且流动通道的自由横截面面积的总和在蜂窝体202的端侧210、212的面积的大约89到92％的范围内。于是，填料200一方面具有小的流动阻力，并且另一方面还可以实现混合物的各个成分的良好的充分混合。
在当前情况下，通道壁222的平行于蜂窝体202的端侧210、212的横截面被构造成具有大约8mm的高度h。
在当前情况下，蜂窝体102具有大约75到115m2/m3的比表面积和大约400到420kg/m3的重量。
PTFE聚合物材料的密度在当前情况下大约为2.16g/cm3，由此实现第一人工材料的高的抗渗透性。
通道壁222的表面在当前情况下具有小于250μm的表面粗糙度Rmax，由此再一次最小化了本来就已经很小的易受污染性。于是，包含在混合物中的固体颗粒几乎不会沉积在通道壁222上。
在当前情况下，PTFE聚合物材料包含：重量占比为大约80％的原生的PTFE以及不同于PTFE的、重量占比为大约20％的高性能聚合物，并且原生的PTFE具有重量占比大约为0.1％的共聚单体。作为不同于PTFE的高性能聚合物例如适合的有全氟正丙基乙烯基醚(PPVE)。
优选地，原生的和原生、改性的PTFE被用于制造蜂窝体202，它处于未加工状态，以集聚的形式存在，平均的颗粒大小D50为大约250到650μm，特别优选的是大约250μm到大约450μm。
原生的和原生、改性的PTFE以未集聚的形式在颗粒大小D50为大约10到大约200μm、优选地为大约25到大约100μm的情况下可以被用于制造复合物，然后这些复合物被用于生产蜂窝体202。
第一人工材料在当前情况下当检测体具有1mm的膜厚度时对于HCl具有大约450cm3/(m2·d·bar)。对于SO2和Cl2，渗透率当膜厚度为1mm时24小时内的渗透率为大约190cm3/(m2·d·bar)或者大约180cm3/(m2·d·bar)。以这么低的渗透率，能够让穿透过通道壁222并且与塔的壳体进行接触的气体的量最小化，并且因此延长了壳体的使用寿命。
第一人工材料优选地具有根据EN ISO 12086-2这个标准测得的、大约为20N/m m2的抗撕扯强度。
第一人工材料优选地具有大约200％的撕扯延展度，这是根据标准EN ISO 12086-2测得的。
以这种特性，填料200即使是高的机械应力也能够经受住，并且只会造成小的损耗。于是即使是在安装时粗重地对待所述填料或者进行高压清洁都是可以的。
图4以立体视图示出了根据本发明的填料的另一种实施方式，尤其是用于用在进行材料交换并且必要时进行能量交换的塔中。填料300包括具有第一和第二基本上平行的端侧310、312的蜂窝体302。蜂窝体302包括具有大量相互平行布置的流动通道320的蜂窝结构，这些流动通道经由通道壁322相互邻接。蜂窝体302由基于聚四氟乙烯(PTFE)聚合物材料的第一人工材料制成。
在当前情况下，蜂窝体302的平行于端侧310、312的横截面构造成圆形的，由此与有角的横截面不同地避免了拐角区域内的通流的不均匀。
流动通道320具有六边形的横截面，这就导致了小的流动阻力。
蜂窝体302具有和图3中所示的蜂窝体202一样的尺寸和由此形成的材料属性和优点。
蜂窝体302多部分地构造，并且在当前情况下包括9个分段330、332、334、336、338、340、342、344、346，它们从蜂窝体302的第一端侧310向第二端侧312延伸，并且具有构造成平面的和部分柱体形的侧壁(示例性地在分段342中是348、350、352)。
在分段342的拐角区域内相互接触到的两个平面的侧壁350、352布置成相互之间形成直角。直角的取向让分段的生产制造以及为了构造蜂窝体300而进行的布置更加轻松并且使得它相比在这些平面的侧壁彼此间具有其他的夹角时更加经济。
在当前情况下，第一人工材料包含以导热色素的形式存在的填充材料。就第一人工材料的重量占比而言，包含的这种导热色素所占重量比为大约3％。
蜂窝体302在当前情况下具有大约1.2J/(g·K)的热容量和大约0.4W/(m·k)的导热能力。于是，也许可以将在材料交换时产生的反应热量经由填料300排导出去，并且在混合物中不存在具有较高温度的区域，而是这些热量会均匀地分布到整个填料300上。
图5用垂直于填料410的端侧的横截面图示出了另一个根据本发明的、具有根据本发明的填料410的塔400的局部图。在这个局部图中示出了根据本发明的填料400在塔400中的装入情况。在这里没有示出塔的壳体、在其间布置有填料410的入口和出口，但是它们可以如同例如在图1或图2中那样地构成。
填料410包括具有第一和第二相互平行布置的端侧420、422的蜂窝体412。蜂窝体412包括具有基本上相互平行地布置的流动通道的蜂窝结构，这些流动通道经由通道壁相互邻接并且从第一端侧420向第二端侧422延伸。蜂窝体410由基于聚四氟乙烯(PTFE)聚合物材料的第一人工材料制成。蜂窝结构如同在图3中所阐述的那样构成。
第一人工材料在当前情况下就像结合图3所描述的第一人工材料一样，并且具有在那里所述的特征和优点。
填料布置在支撑架430上。在填料410表面上松散地涂上了由填充体构成的层440。
通过根据本发明的填料410使得流动阻力很小并且待分离的流体混合物的成分能够很好地充分混合，而通过填充体层440、例如由拉西环或者鲍尔环构成、能够实现延长的停留时间，并且延长了将待分离的混合物为了交换材料而在根据本发明的填料410中渡过的时间。
也可以将塔构造成像在图1或图2中一样，其中，在每一个在图1和图2中所示的填料50、70、150、170上都如在图5中所示地那样松散地涂上填充体440。
图6用垂直于端侧的横截面图示出了具有两个根据本发明的填料510、512的、根据本发明的塔500的局部图，所述填料分别具有带有第一和第二平行地布置的端侧514、516、524、526的蜂窝体512、522。
蜂窝体512、522分别具有带有相互平行布置的流动通道的蜂窝结构，这些流动通道经由通道壁相互邻接，并且由基于聚四氟乙烯(PTFE)聚合物材料的第一人工材料制成。
蜂窝体512、522如同在图3中所示的蜂窝体那样地构成。
在蜂窝体510、520之间布置了基座元件532、543、536、538作为间距保持件530。
基座元件532、543、536、538被压入蜂窝体510、520中以基座元件532、543、536、538的形式构成的回凹中，并且利用它们各自的端侧支撑在蜂窝体上。于是稳定了塔500的填料510、520的构建，防止了它们的滑脱。此外，通过基座元件532、534、536、538能够实现在从一个填充510转移到另一个填料520中以及反过来的情况下的小的流动阻力，并且省去了在填料前后相继的情况下可能要对准流动通道。
基座元件532、534、536、538分别包括块状的、具有第一和第二端侧的蜂窝元件，其中，基座元件532、534、536、538的蜂窝元件包括大量基本上平行布置的流动通道，这些流动通道经由通道壁相互邻接。蜂窝元件由基于PTFE聚合物材料的第一人工材料制成。
基座元件532、534、536、538的和填料510、520的流动通道基本上平行于流动路径地布置在塔500内，并且因此实现了最小的流动阻力。
图7示出了根据本发明的填料600的视图。填料600包括蜂窝体602，所述蜂窝体具有第一和第二端侧610、612、带有大量相互平行布置的流动通道620的蜂窝机构，所述流动通道经由通道壁622相互邻接。蜂窝体620仍由基于聚四氟乙烯(PTFE)聚合物材料的第一人工材料制成，并且利用分段630、632、634多部分地构造。蜂窝体620类似于在图4中所示的蜂窝体300那样地构成。
填料602此外还具有密封元件650，它由基于聚四氟乙烯(PTFE)聚合物的第二人工材料制成。密封元件650平行于第一端侧610、612地布置，并且径向地从蜂窝体602延伸出。通过密封元件650减少或者必要时完全封闭填料600和塔(未示出)的壳体壁之间的间隙，从而使得在其中流动的、通常具有腐蚀性的混合物远离塔的壳体。
密封元件650因此减少或者阻碍壳体壁与填料之间的通流，并且尤其是液密性地构造。
在当前情况下，密封元件650材料锁合地、例如通过焊接、粘贴等与蜂窝体602相连。但是它也可以与蜂窝体602力锁合地连接。
密封元件650使得蜂窝体602的分段630、632、634以组合的状态在塔中稳定化，从而不必使像在传统的金属填料中常见的那样使用夹紧环。
正如在图7中所示的那样，必要时可以相邻于蜂窝体602的两个端侧610、612地布置密封环650。
即使在具有密封元件650的蜂窝体实现为多部分的情况下，填充体也可以布置在填料600的上面。
这个或者这些密封元件650在必要时也可以构造成多部分的。

Claims (29)

1.填料，尤其是用于应用在材料交换及必要时能量交换的塔中，所述填料包括具有第一和第二基本上彼此平行布置的端侧的蜂窝体，其中，所述蜂窝体包括具有大量彼此平行布置的流动通道的蜂窝结构，所述流动通道经由通道壁相互邻接，其中，所述蜂窝体由基于聚四氟乙烯(PTFE)聚合物材料的第一人工材料制成。
2.根据权利要求1所述的填料，其特征在于，所述蜂窝体具有带有自由的横截面面积的流动通道，其中，所述自由的横截面面积的总和为所述蜂窝体的一个端侧的面积的大约70％到大约92％、尤其是大约75％到大约85％。
3.根据权利要求1或2所述的填料，其特征在于，所述蜂窝体的平行于第一和第二端侧的横截面构造成圆形的。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的填料，其特征在于，所述蜂窝体多部分地构造并且包括两个或更多个分段，所述分段从蜂窝体的第一端侧向第二端侧延伸并且具有平面地及必要时圆弧形地构造的侧壁，其中，在分段具有两个平面的、在分段的拐角区域中相互接触的侧壁的情况下，所述分段的侧壁相互之间构成直角地布置。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的填料，其特征在于，平行于蜂窝体的端侧地观察，所述蜂窝结构的各个流动通道具有多边形、尤其是矩形、正方形、五边形或者六边形的横截面地构造。
6.根据权利要求5所述的填料，其特征在于，在流动通道的横截面为多边形、尤其是矩形、正方形或者是六边形的情况下，流动通道的基本上相互平行地对置的通道壁彼此间具有大约8mm到大约20mm的间距，优选地具有大约11mm到大约17mm的间距。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的填料，其特征在于，所述通道壁的平行于蜂窝体的端侧的横截面构造成具有大约5mm到大约11mm的高度、进一步优选地具有大约7mm到大约10mm的高度。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的填料，其特征在于，所述蜂窝结构的流动通道的通道壁具有大约0.8mm到大约2.1mm的厚度。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的填料，其特征在于，所述第一人工材料能以挤压/烧结法处理或者以热塑的方式处理。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的填料，其特征在于，所述通道壁的第一人工材料具有大约0.3W/(m·K)或更高的导热能力，并且/或者所述通道壁的第一人工材料具有大约0.9J/(g·k)或更高的比热容。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的填料，其特征在于，所述PTFE聚合物材料具有大约2.0g/cm3到大约2.2g/cm3的密度。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的填料，其特征在于，所述通道壁的第一人工材料具有大约200℃或更高、尤其是大约250℃或更高的耐热性。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的填料，其特征在于，所述通道壁的第一人工材料具有根据EN ISO 12086-2测得的、大约10N/mm2到大约30N/mm2的断裂强度。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的填料，其特征在于，所述通道壁的第一人工材料具有根据EN ISO 12086-2测得的、大约160％到大约350％的断裂伸长率。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的填料，其特征在于，所述通道壁的第一人工材料相对于Cl2、HCl和/或SO2具有大约620cm3/(m2·d·bar)或者更低的渗透率，并且尤其是相对于Cl2和/或SO2具有大约300cm3/(m2·d·bar)或者更低的渗透率。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的填料，其特征在于，所述通道壁的表面具有大约250μm或更小的表面粗糙度Rmax。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的填料，其特征在于，所述PTFE聚合物材料包含份额为大约80重量％或更多的原生的PTFE，并且必要时包含不同于PTFE的、份额为大约20重量％或更少的高性能聚合物，其中优选地，原生的PTFE具有大约为1重量％或更少的，进一步优选地大约为0.1重量％或更少的共聚单体。
18.根据权利要求17所述的填料，其特征在于，用于制造蜂窝结构的原生的PTFE以及必要时与PTFE不同的高性能聚合物在未经处理的状态下的平均的颗粒大小D50为大约10μm到大约600μm，优选地为大约250μm到大约450μm。
19.根据权利要求1至18中任一项所述的填料，其特征在于，所述第一人工材料包含非金属的填充材料，其中，所述非金属的填充材料尤其是从PEEK、石墨、碳、氮化硼和碳化硅中选择。
20.根据权利要求19所述的填料，其特征在于，金属的和/或非金属的填充材料具有大约100μm或更小的颗粒大小D50，优选地，非金属的填充材料在蜂窝体的第一人工材料中的重量占比为大约40％或更小。
21.根据权利要求1至20中任一项所述的填料，其特征在于，所述填料具有由基于聚四氟乙烯(PTFE)聚合物的第二人工材料制成的密封元件，其中，所述密封元件优选平行于蜂窝体的第一或第二端侧地从蜂窝体离开地延伸。
22.根据权利要求21所述的填料，其特征在于，所述密封元件与蜂窝体材料锁合地连接，尤其是与蜂窝体一体式地构造。
23.塔，尤其是用于材料交换以及必要时能量交换，所述塔包括壳体，所述壳体具有至少一个入口、至少一个出口以及一个或者多个布置在入口和出口之间的根据权利要求1至22中任一项所述的填料，所述填料优选必要时依次地布置在从入口向出口延伸的、用于流体的流动路径中。
24.根据权利要求23所述的塔，其特征在于，所述蜂窝体以两个或者多个分段的形式多部分地构造，所述分段从蜂窝体的第一端侧向第二端侧延伸，并且具有平面及必要时圆弧形构造的侧壁，其中，所述分段经由平面的侧壁相互邻接地布置在壳体内。
25.根据权利要求24所述的塔，其特征在于，所述填料的分段松散地布置在壳体中。
26.根据权利要求23或24所述的塔，其特征在于，材料交换器包括两个或更多个填料，所述填料依次地布置在流动路径中，其中，有选择地，具有一个或者多个基座元件的间距保持件布置在所述填料之间。
27.根据权利要求26所述的塔，其特征在于，基座元件包括块状的、具有第一和第二端侧的蜂窝元件，其中，所述蜂窝元件包括蜂窝结构，所述蜂窝结构具有大量基本上彼此平行地布置的流动通道，所述流动通道经由通道壁相互邻接，其中，所述蜂窝元件由基于聚四氟乙烯(PTFE)聚合物材料的第一人工材料制成，并且其中，基座元件在所述填料的相应的端侧处支撑在第一或第二端侧处。
28.根据权利要求23至27中任一项所述的塔，其特征在于，所述填料的蜂窝结构的流动通道以及必要时基座元件的蜂窝结构的流动通道以基本上平行于流动路径地取向的方式布置在所述壳体内。
29.根据权利要求23至28中任一项所述的塔，其特征在于，这个/这些基座形状锁合和/或力锁合地与所述填料相连，或者基座与填料一体式地构造。
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