CN113195093A - 规整填料 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种用于处理流体的结构。填料结构包括具有轴线的主体。填料结构还具有至少一个弯曲的流动路径，该弯曲的流动路径围绕主体的轴线旋转并且沿着主体的轴线的至少一部分延伸。

Description

规整填料
技术领域
本公开涉及用于化学和加工行业的填充床的规整填料。
背景技术
用于处理流体的结构，例如规整填料(或填料结构)，是一种用于化学和加工行业的填充床的填料形式。填充床的目的是增加气体/液体界面并增加吸收塔中的传质。穿过规整填料的流体的传质与流体的浓度梯度、规整填料的表面积和传质常数有关。取决于规整填料的使用，可以将浓度梯度调节到一个点，并且传质常数保持相对恒定。改变规整填料性能的一种方法是改变填料的表面积。但是，存在一些性能要求，这些要求确定了可以调整表面积的限制。例如，高表面积通常有利于传质，但是表面积过大的规整填料可能容易因液体通道被液体阻塞而结垢。此外，需要特定的填料构造以最小化诸如压降的问题，但是这些构造通常导致传质等的折衷。因此，规整填料的总体性能通常是折衷的。
规整填料通常由一系列波纹板组成，其中诸如气体之类的流体在通过填料时必须在流动方向(例如90°)上发生突然变化，而液体则必须遵循陡峭的路径(例如30°-60°到法平面)。自1960年代问世以来，这种设计在很大程度上未发生变化。但是，由于压降和不太理想的传质问题仍然存在，当前的规整填料设计并不理想。
应当理解，如果在本文中引用了任何现有技术，则该引用并不构成对它构成了在澳大利亚或任何其他国家的本领域公知常识的一部分的认可。
发明内容
本公开提供了一种用于流体处理的结构，该结构包括：具有轴线的主体，该主体具有多个片材，其中，当片材从主体的一端延伸到主体的另一端时，多个片材中的相邻片材限定了绕轴线旋转的弯曲的流体流动路径。至少一个通道可以沿着一个或多个片材的至少一部分延伸。
本公开还提供了一种用于流体处理的结构，该结构包括：具有轴线的主体，该主体包括多个片材，其中每个片材形成连续表面，该连续表面随着每个片材沿着轴线的至少一部分从主体的第一端朝向主体的第二端延伸而绕轴线旋转，所述多个片材相对于彼此布置，使得在相邻的片材之间形成连续的流动路径。至少一个通道可以沿着所述多个片材中的一个或多个片材的至少一部分延伸。每个片材的平面可以横向于轴线成一定角度。连续流动路径可以是恒定的，使得流过流动路径和/或通道的流体沿相同方向连续旋转。
本发明还提供一种用于流体处理的结构，包括：
具有轴线的主体；
至少一个弯曲的流体流动路径，其绕所述主体的轴线旋转并跨着所述主体的轴线的至少一部分延伸。
该结构可以是用于填充床的填料结构。
提供弯曲的流动路径，该弯曲的流动路径形成围绕主体的轴线旋转并沿着主体的轴线的至少一部分延伸的流体流动路径，可以帮助减少流体必须将其流动方向改变例如90度的发生。曲率可以是恒定的，例如使得流过通道的流体沿顺时针方向或逆时针方向绕轴线旋转。这样的优点可以是，随着流体流过主体，可以减小主体上的压降。
弯曲的流动路径可以绕轴线以恒定的半径旋转。例如，曲线可以关于轴线径向对称。这样，可以形成均匀的弯曲的流动路径，其中流经该流体流动路径的流体可能不会经历任何突然的方向变化，例如方向变化90°。例如，绕轴线旋转的曲线可以近似恒定，例如对于螺旋线而言。所述至少一个流动路径可以使流体相对于所述轴线在径向方向上的流动最小化。这可以帮助防止例如当主体是圆筒并且流体汇聚在圆筒的侧壁时流体向例如主体的边缘迁移和汇聚。朝着主体边缘的迁移和汇聚减少了流体的表面积，这可能导致流体之间的传质和热交换减少。
流体流动路径可以是连续的，例如不间断的流动路径。所述至少一个流动路径可绕所述轴线旋转多次。所述至少一个流动路径可以绕所述轴线旋转仅一圈的一部分，例如，旋转<360°。至少一个流动路径的宽度可以大于流动路径的深度。具有大于深度的宽度可有助于增加通过至少一个流动路径的流体的表面积。较大的表面积可以帮助增加一种或多种流体之间的传质和/或热交换。
至少一个流动路径可以沿着主体的长度连续地延伸。例如，至少一个流动路径可以从主体的第一端延伸到第二端。至少一个流动路径的端部可以用作流体的入口和/或出口。
主体可以包括一个或多个片材。至少一个流动路径可以由一个或多个片材限定或包括至少一个或多个片材。在一实施例中，至少一个流动路径由一个或多个片材中的多个波纹形成或包括多个波纹。替代地或附加地，至少一个流动路径可以由远离一个或多个片材的表面延伸的壁形成。每个片材可以具有螺旋体结构。至少一个流动路径可以具有螺旋状的流动路径。
在一些实施例中，主体具有多个相互隔离的流动路径。相互隔离的流动路径可以同轴地布置，并且可替代地或另外低相对于彼此线性地布置。在一些实施例中，主体具有具有第一流动路径的第一区域和具有第二流动路径的第二区域。第二区域可以与第一区域同轴地布置。第二区域可以相对于第一区域线性地布置。壁可至少部分地界定相互隔离的流动路径(例如，第一区域与第二区域隔离)。相互隔离的流动路径可能具有不同的取向。例如，第一流动路径可以相对于轴线具有第一取向，并且第二流动路径可以相对于轴线具有第二取向。第一取向可以不同于第二取向。例如，第一取向可以绕轴线沿顺时针方向旋转，而第二取向可以绕轴线沿逆时针方向旋转，反之亦然。
在一些实施例中，该结构包括多个流动路径。在一实施例中，当在垂直于轴线的横截面中观察时，所述至少一个流动路径的两个或更多个流动路径相对于彼此定位，使得所述两个或更多个流动路径在所述主体的相对侧面之间沿所述轴线延伸。例如，当在垂直于轴线的横截面中观察时，多个流动路径中的至少一些流动路径可位于彼此平行布置的多个平面上。替代地，或另外地，当在垂直于轴线的横截面中观察时，在一些实施例中，至少一个流动路径中的两个或更多个流动路径相对于彼此定位，使得所述两个或更多个流动路径从公共点径向向外延伸。例如，当在垂直于轴线的横截面中观察时，多个流动路径中的至少一些流动路径可位于从公共点径向向外延伸的多个平面上。可能有多个公共点。公共点可以沿着主体的轴线定位。公共点可以相对于主体的轴线径向偏移。平面可以是假想的，或者可以由多个片材限定。
在一些实施例中，至少一个流动路径可以设置有一个或多个增加流动路径的表面积的突起。一个或多个突起可包括远离和/或沿着流动路径延伸的草皮、凸起、脊、谷、壁、凸缘和结构。至少一个流动路径可以设置有一个或多个孔。当使用多个流动路径时，孔口可允许相邻的流体流动路径流体连通。
主体可以限定内部容积。至少一个流动路径可以位于内部空间中。主体的周边可以由多边形限定，该多边形允许相邻的主体彼此成棋盘格状。当使用这样的多边形时，该结构可以是模块化单元。模块化单元可以叠置在一起以形成例如用于填充床的组件。
结构的直径可以是100mm或更小。轴线可以位于主体的质心处。该结构可以是用于填充床的填料结构。该结构可以形成模块化结构单元。多个模块化结构单元可以与其他模块化结构单元组合以形成结构组件。
本公开还提供一种结构组件，其包括如上所述的多个模块化结构单元。结构组件的直径可以是多个模块化结构单元中的模块化单元的直径的至少两倍。结构组件的最大直径可以是500mm或更小。该结构组件可以与其他结构组件结合以形成填充床。
该结构的实施例可以用作反应器和/或传质和/或传热装置。
本公开还提供了一种用于处理流体的系统，该系统包括：具有流体入口和流体出口的中空主体，以及在它们之间限定的流体流动路径；以及
如上所述位于流体流动路径中的结构。
本公开还提供了一种包括上述结构的填充床。
本公开还提供了一种处理流体的方法，该方法包括使流体通过如上所述的结构。
本公开还提供了使用上述方法处理的流体。
附图说明
现在将仅通过示例性地参照所附的非限制性附图来描述实施例，其中：
图1示出了填料结构的实施例。
图1a显示了图1中流动路径的特写端视图。
图1b示出了图1的填料结构的端视图。
图1c以侧视图示出了图1的填料结构的内部结构。
图2示出了填料结构的另一实施例。
图3示出了填料结构的另一实施例。
图4示出了具有模块化填料结构单元的填料结构的实施例。
图5示出了填料结构的另一实施例。
图6a-e示出了流动路径的各种实施例。
图7示出了填料结构的另一实施例。
图8示出了在现有技术填料结构的横截面上的流体分布。
图9示出了本公开实施例的横截面上的流体分布。
图10示出了用于测试填料结构的实施例和现有技术结构的性能的系统的实施例。
图11示出了本公开的实施例与现有技术结构之间的比较实验和理论压降结果。
图12示出了具有不同段长度(mm)的本填料结构的各种实施例和现有技术的填料结构的比较压降结果。
图13示出了每单位长度具有不同转数的本填料结构的各种实施例和现有技术的填料结构的比较压降结果。
图14示出了用于测试填料结构的实施例和现有技术结构的性能的测试系统的实施例。
图15a示出了对于具有5mm的段长度的结构的实施例的不同直径(以mm表示)，α对单位体积的所得表面积的影响。
图15b示出了对于具有8mm的段长度的结构的实施例的不同直径(以mm表示)，α对单位体积的所得表面积的影响。
图15c示出了对于具有12mm的段长度的结构的实施例的不同直径(以mm表示)，α对单位体积的所得表面积的影响。
图16a示出了对于直径为50mm的具有变化的段长度(以mm表示)的结构的实施例，转数与每单位体积的表面积之间的关系。
图16b示出了对于直径为100mm的具有变化的段长度(以mm表示)的结构的实施例，转数与每单位体积的表面积之间的关系。
图16c示出了对于直径为200mm的具有变化的段长度(以mm表示)的结构的实施例，转数与每单位体积的表面积之间的关系。
图17示出了对于具有不同直径(mm)的结构，对于段长度(mm)的变化而从每单位体积的表面积得出的非线性常数。
图18显示了在变化的板厚下获得的空隙率值。
图19a示出了填料结构的另一实施例。
图19b示出了图19a的填料结构的端视图。
图20a示出了填料结构的另一实施例。
图20b示出了图20a的填料结构的端视图。
图21a示出了填料结构的另一实施例。
图21b示出了图21a的填料结构的端视图。
图22a示出了填料结构的另一实施例。
图22b示出了图22a的填料结构的端视图。
图23a示出了填料结构的另一实施例。
图23b示出了图23a的填料结构的端视图。
图24示出了直径为100mm的填料结构的实施例的直径上的流体质量通量热图。
图25示出了直径为200mm的填料结构的实施例的直径上的流体质量通量热图。
图26示出了直径为200mm的填料结构的实施例与直径为200mm但由较小的模块化单元制成的填料结构组件的实施例相比与比较的现有技术结构的压降关系。
图27示出了具有不同长度的填料结构的实施例和比较的现有技术结构的压降关系。
图28示出了本公开的填料结构的不同实施例的润湿性。
图29示出了本公开的实施例的填料结构与现有技术的填料结构相比的HETP图。
图30示出了具有不同间隙尺寸的本公开结构的实施例的压降关系。
图31示出了填料结构的另一实施例。
图32示出了填料结构的另一实施例。
具体实施方式
图1和图1a-1c示出了填料结构10的实施例。填料结构10用于填充床中，该填充床用于处理诸如气体或液体的流体。填料结构10具有呈圆筒12形式的细长主体。圆筒12具有第一端14和第二端16，并限定内部容积。圆筒12的轴线18在第一端部14与第二端部16之间延伸。图1所示的填料结构10的长度被示出为短的，从而可以更容易地理解填料结构10的特征。填料结构10的长度不限于图1所示的长度。沿着轴线18延伸的填料结构10的长度可以根据使用要求而变化。填料结构10还具有呈通道(或凹槽)20形式的多个流动路径。该通道也可称为凹槽。
通道20由形成在多个片材22中的波纹提供。然而，在其他实施例中，每个通道被提供为与片材22分开的结构。多个片材22被布置成彼此大致平行。通道20的宽度为W，深度为D，如图1a所示。通道20也具有段长度S。相邻的段在顶点20a处相遇。段的长度与通道20的宽度W和深度D有关。通常，宽度W大于深度D，使得通道20中存在的流体的表面积具有最大的表面积。这样，通道20中的任何流体都可以薄膜形式存在。薄膜是有利的，因为它们有助于最大化不同流体之间的质量传递和热交换过程。
每个片材具有第一侧面22a和第二侧面22b。在第一侧面22a上形成第一组顶点20a，在第二侧面22b上形成第二组顶点20b。在相邻的片材之间形成间隙G(图1b)。在图1中，片材22相对于彼此布置，使得第一组顶点20a面对相邻片材22的第二组顶点20b并且与相邻片材22的第二组顶点20b对准。这种布置给出了没有平行侧壁的六边形的外观，其中相邻的片材偏移宽度W的一半。但是，在一些实施例中，片材22被布置成使第一组顶点20a全部沿第一组假想线对齐，而第二组顶点20b均沿与第一组假想线平行的第二组假想线对齐。
为了清楚起见，在图1c中省略了圆筒12的外壁。圆筒12的外壁并非在所有实施例中都是必需的。
通道20从第一端14延伸到第二端16，并且同时围绕轴线18旋转以产生均匀的圆形流体流动路径。因此，通道20形成连续的弯曲表面，从而形成连续的弯曲(曲线)流动路径。形成图1中的通道20(通过波纹)的片材22形成为弯曲表面，例如沿着圆筒12的长度，即从第一端14到第二端16延伸的螺旋面。因此，每个通道以螺旋路径从第一端14延伸到第二端16。提供螺旋状的流动路径可以帮助最小化流体流动的任何突然变化。例如，流体沿绕轴线18的恒定旋转方向(例如，顺时针或逆时针方向，但在两者之间不改变)流过填料结构10。最小化流体流量的突然变化可以帮助减少压降的发生。换句话说，最小化了通常在现有技术的填料结构中使用的通过圆筒12的曲折的流体流动路径。
因为每个通道具有与相邻通道分离且隔离的流体流动路径，所以通道中的任何流体流(例如液体)都倾向于遵循与通道相同的路径。这样做的优点是，液体往往不会相对于轴线径向移动。例如，可以最小化或消除在圆筒12的侧壁处积聚的流体或径向向内朝向轴线18的流体的迁移。通道20还有助于维持高的表面积，因为流体往往不会在圆筒12的特定位置处汇聚或积聚。通道20还有助于在流体通过圆筒12时使通道20中的流体的表面积大致保持恒定。然而，本领域技术人员将意识到，在流体通过圆筒12的过程中，由于传质(例如蒸发)而引起的液体变化会改变流体的表面积。
在所有实施例中，通道20不必沿着整个圆筒延伸。在一些实施例中，通道20仅沿着圆筒的一部分延伸。例如，当通道20由片材22中的结构形成时，片材22的一部分基本上是平面的，并且在垂直于轴的横截面中观察时没有例如波纹。
在图1的实施例中，使用了多个片材22。在相邻的片材22之间形成导管24。因为片材22具有螺旋结构，所以导管24也采用螺旋路径。导管24的特定螺旋路径取决于片材22的特定螺旋结构。因为片材使用螺旋结构，所以不能简单地将平坦的片材与片材22交换。换句话说，片材22的螺旋结构不是由平坦或一般的平面结构形成。例如，当平板呈可延展的形式时，例如在加热而形成具有螺旋结构的片材后，可以通过将平板永久扭曲而形成片材22。一些实施例使用增材制造来制备片材22。相邻片材之间的间距由填料结构10的预期用途确定。
在图1的实施例中，片材22从第一端14连续地延伸到第二端16。这意味着导管24也从第一端14到第二端16是连续的。因此，通道20可以被认为是主要通道，而导管24可以被认为是辅助通道，反之亦然。通道20可以用作液体通道，而导管24可以用作气体通道。在一些实施例中，通道20不需要从第一端14连续地延伸到第二端16。
填料结构的表面积是有助于传质所需的界面面积的特征。对于本公开的填料结构的实施方案，可以通过分析每单位体积的表面积来比较表面积：每块板的表面积(m2)除以由塔直径和长度定义的塔的体积(m3)。表面积(每单位体积)是以下参数的函数：
·R：片材绕塔长度的转数
·D：塔直径(m)
·L：塔长度(m)
·通道(20)的段长度(m)
附加参数tan(α)提供R、D和L之间的简洁关系，并由下式给出：
Figure BDA0003047249160000101
其中α是在垂直于轴线(例如18)的假想平面与板(22)的平面表面(即通道20的方向)之间在结构的圆周处形成的角度。例如，随着α减小(即，随着板22变得更垂直于轴线18)，每个板22的每单位长度的转数增加。
由于本公开的实施例的结构具有不同的段长度(S)、相邻的片材之间的不同间隙(G)以及每单位长度的不同的转数，因此以下命名术语用于区分本公开的不同结构：
Xmm-YR-ZG，
其中X是以毫米为单位的段长度(S)，Y是每单位长度的转数，Z是相对于段长度的间隙(G)。例如，5mm-1R-1G是段长度(S)为5mm，每单位长度旋转1圈，间隙(G)为5mm(即，G＝S)的结构。
数据是从众多CAD模型中收集的，因此列长L保持恒定。图15(a-c)显示了在不同的段长度下，对于不同直径(mm)，α对所得表面的影响是每单位体积的。如图15(a-c)所示，对于给定的塔直径和段长度，随着α的增加(表示沿塔长度的越来越直的路径)，填料每单位体积的表面积接近恒定值。对于不同的段长度，与每单位体积的表面积和α有关的曲线大致重合。这意味着对于给定的段长度，塔直径对每单位体积表面积的影响通常可以忽略不计。因此，当将填料“放大”到较大直径时，可达到的每单位体积的表面积将与较小直径的表面积相同。
图16(a-c)示出了在不同直径(直径以毫米为单位)下，对于变化的段长度(S)，α与每单位体积的表面积之间的关系。塔的表面积(对于固定的塔长度)可以通过两种主要方式增加：(i)增加转数；或(ii)减少段长度(S)。根据图16(a-c)中定义的抛物线方程，表面积(每单位体积)随转数而增加。
图17显示了从所有数据点的每单位体积表面积得出的非线性常数。图16突出显示了段长度(S；单位为mm)对表面积与转数之间关系的非线性分量的影响。这样，表面积随段长度的减小呈指数增长，并且对于较大的塔直径而言变得越来越突出。还应注意的是，随着段长度的减小，就单位体积的表面积而言，具有较密填料的益处受到限制。换句话说，段长度S的任何减小超过典型长度10mm将不会提供每单位体积的表面积的显著改善。在设计与平坦的非波纹状片材越来越相似时，就会出现这种现象。
图18显示了随片材厚度变化而获得的空隙率值。商业填料的典型片材厚度为0.1-0.5mm。由于原型的可制造性的限制，获得了厚度为0.7mm的实验数据和CFD数据。但是，在通过增材制造以外的技术制造的填料中不会期望有这种限制。因此，重要的是要了解板的厚度对空隙率的影响。从图18可以看出，空隙率与床层厚度成正比，通常大于约0.90，但可能高达0.99。
相邻片材22之间的间隙G可以变化。减小间隙G增加了填料结构10的表面积，而增加间隙G减小了填料结构10的表面积。在一些实施例中，间隙G参考路径长度S。例如，G＝S，G<S，G>S，G＝0.5S。在一些实施例中，相邻的片材通过连接壁连接。当使用连接壁时，由于相邻的顶点被连接并且在它们之间没有空气间隙，因此间隙G等于零。
在使用中，填料结构10通常垂直定向，即轴线18垂直延伸，并且从顶部施加液体，使得液体沿着多个通道20流动以在诸如第二端16的基座流出，同时气体从填料结构10的底部注入气体并向上传递以从填料结构10的顶部(例如第一端14)离开，因此两种流体具有逆流布置。然而，在其他实施例中，两种或更多种流体可以沿相同方向流过填料结构10，并且在其他实施例中，例如，仅一种流体流过填料结构10，例如在蒸馏过程中。
在一些实施例中，通道设置有从片材(未示出)的表面延伸的壁。这样，壁界定通道的侧面。在一些实施例中，壁从形成通道20的波纹的峰顶延伸。这种布置可以帮助增加沿着通道20流动的流体(例如，液体)的表面积。
在一些实施例中，通道20和/或片材22设置有增加通道20和/或片材22的表面积的突起。突起可以是相对于通道20或片材22的平面向外和/或向内延伸的凹窝的形式。在一些实施例中，通道20具有远离其表面延伸的壁。壁可以相对于流体流动方向平行、横向或两者结合地定向。壁可在局部水平上促进湍流流体流动，以促进流体之间的混合和质量传递，但不会改变通过填料结构的整体流体流动。壁还有助于使存在于通道20或片材22上的流体膜横向扩散。扩散膜可以帮助减少流体的团聚或汇聚。壁可以是平面的或弯曲的。这样的布置的示例在图6a-e中示出。流体流动方向在图6a-e中用箭头30表示，并且通常在通道22的方向上。
在图6a中，壁具有振荡曲线32的形式，例如正弦波，其通常在沿着流体流30的方向上延伸。在图6b中，壁是彼此分开并以十字图案布置的短平面段34，其中相邻段34的端部间隔开以在其间形成间隙35。每个段34相对于流动路径30布置成大约45°。图6c中的壁由V形段36形成。在V形段36的两端之间延伸的假想线大致平行于流动方向30布置。在相邻的V形段36之间形成辅助流动路径37。在图6d中，壁由彼此间隔开的细长平面段38形成。段38被布置成横向于(例如，大致垂直于)流动方向30，使得在相邻段38的端部之间形成曲折的流动路径39。图6e使用了与图6d的实施例类似的细长平面段元件，但是图6e中的段40大致平行于流动方向30布置，其形成局部流动通道40。在一些实施例中，通道20由多个例如波纹状的通道形成。这样，通道20可以由分形结构制成。
图6a-e中描绘的凸缘布置有助于最大化在通道20中流动的液体的表面积，并且还可以帮助防止液体相对于轴线18径向迁移。然而，图6a-e中的凸缘布置仅是示例性的，可以使用其他布置来最大化流过通道20的流体的表面积。诸如表面凹窝之类的突起等可以用于控制通道20的表面构造。可以使用不同的构造来调节表面的疏水性。因此，根据填料结构10的预期用途，在一些实施例中使用特定的表面构造以使不同流体的流动和混合特性最大化，即该构造增强了与流体的固有的相互作用。但是，并非在所有实施例中都需要壁。
在一些实施例中，通道20和/或片材22设置有孔口。孔口帮助相邻的导管彼此流体连通。另外，孔口还可以允许在没有孔口的情况下仅沿着通道20的使用中的上表面流动的流体穿过孔口并且还沿着通道的下表面流动。换句话说，孔口可以帮助流体沿着片材22的任一侧(例如，侧面22a和22b)流动，而不是仅在使用中的上表面上流动。如图28最佳所示，当在片材22上设置孔口时，对于段尺寸S为5mm，每单位长度旋转1转以及直径为4mm的孔口的填料结构，填料结构的润湿性增加。包括孔口有助于增加可用的可湿性表面积，而不必增加附加特征，例如连接壁，以增加填料结构的表面积。应当理解，并非在所有实施例中都需要孔口。
图1的片材22的波纹状结构类似于蜂窝状结构，其中去除了邻接的壁。即使没有邻接的壁，沿通道22流动的流体(即液体)也大部分保留在通道22中。去除蜂窝状结构的邻接壁的优点在于，需要较少的材料来形成填料结构10，这导致了减少结构的重量和制造成本。然而，与具有邻接壁的结构相比，去除邻接壁不会极大地影响填料结构10的性能。消除对邻接壁的需求还意味着在通道和/或片材涂覆有表面改性剂(例如疏水/亲水性基材、催化剂等)的实施方案中，由于表面积较小，因此需要较少的改性剂。因为需要考虑填料10的重量和制造成本，所以不能无限地增加通道、片材等的表面积。
因为片材22具有螺旋结构，所以与更靠近侧壁的区域相比，更靠近轴线18的区域相对于纵向轴线更锐角地倾斜。在使用中，这意味着与圆筒12的壁附近相比，流过圆筒12的液体将在中心附近向下更快地传播，因此，穿过圆筒的流体的停留时间将在圆筒12的直径上不均匀。然而，可以增加在轴线18附近的填料结构10的阻力以减慢在轴线18附近的流体流动，从而在圆筒12的整个直径上形成更均匀的停留时间。例如，如图6a-e中所示的那些突起和壁可以用来减慢流体在其轴线18附近顺着圆筒12向下传递的速度。
图2示出了填料结构100的另一实施例。填料结构100具有大体细长的主体102，主体102具有在第一端112与第二端114之间延伸的轴线104。环110用于为片材108提供支撑，但是主体102是开放的，即本身未定义内部容积。不是在所有实施例中都需要环110。替代地，可以提供其他结构，例如支架，以支撑片材108。在一些实施例中，填料结构100被提供为中空的管状体，其中片材被容纳在管状体中。类似于图1的实施例，填料结构100具有通道106形式的多个通道。通道106由形成在多个片材108中的波纹提供。通道106从第一端112延伸到第二端114，并同时绕轴线104旋转以创建均匀的圆形流体流动路径。片材108具有螺旋结构，并且通道106限定了螺旋流动路径。与图1的实施例不同，图2的实施例中的片材108从公共点116径向向外延伸，该公共点在该实施例中位于主体102的轴线104处。然而，在某些实施例中，公共点116不必位于轴线104上，并且可以相对于轴线104偏轴定位。
图7示出了填料结构100的另一实施例，其中每个通道106具有多个孔口118。
具有不同架构的填料结构可以组合。例如，可以将如图1和图2的实施例中的填料结构的架构相结合，如图3中最佳所示。在填料结构150中，第一中心区域158具有相对于填料结构150的轴线在第一取向上定向的多个通道156。在图3的实施例中，通道156沿顺时针方向旋入页面。该轴线由沿着主体的细长方向延伸的公共点154限定。仅为了清楚起见，图3的实施例显示为薄截面。
第二区域162、第三区域168、第四区域172和第五区域176彼此同轴且与中心区域158同轴地布置。第二区域162、第三区域168、第四区域172和第五区域176由类似于图1中所述的板形成。第二区域162的通道164相对于轴线154以第二取向定向。第二取向与第一区域160的第一取向不同。在图3的实施例中，第二区域162的通道164沿逆时针方向旋入页面。第三区域168和第五区域176分别具有通道169和178，其沿顺时针方向旋入页面。第四区域172具有沿逆时针方向旋入页面的通道173。因此，相邻区域的通道的取向交替地从中心区域158径向向外移动到第五区域176。然而，在一些实施例中，每个区域的通道的取向相同或可以是随机的。
尽管各个区域可以具有相同或不同的取向，但是每个区域的通道的特定属性可以不同。例如，在板为螺旋形(或螺旋状)而无修改的情况下，由于在更中心区域上的通道将相对于径向外部区域的通道更平行于轴线地布置这一事实，所以相对于径向外部区域，流体将倾向于更快地流过更中心区域。这导致流体停留时间在整个圆筒结构的直径上(例如，150)不均匀。当流体是流下规整填料的液体时，不均匀停留时间的问题往往变得最明显。在一些实施例中，例如通过包括突起、壁和/或调节角度α来修改中心区域152的通道156，以具有类似于例如第五区域176的通道178的阻力的阻力。这可以帮助在填料结构150的直径上提供更均匀的停留时间。
壁将相邻区域相对于彼此勾勒出轮廓。壁160勾勒了第一区域156和第二区域162，壁166勾勒了第二区域162和第三区域168，壁170勾勒了第三区域168和第四区域172，壁174将第四区域172从第五区域176勾勒出。外壁153包围主体以形成圆筒。在一些实施例中，勾勒各个区域的各个壁沿着主体152的整个长度延伸，使得每个区域彼此隔离。然而，在一些实施例中，各个壁仅沿着主体152的一部分延伸。在一些实施例中，各个壁具有孔口，使得相邻区域彼此流体连通。在一些实施例中，不存在壁，并且来自每个区域的板彼此直接连接。
图1至图3的实施例具有呈圆筒形式的主体。然而，在一些实施例中，主体的周边由多边形限定，该多边形允许相邻的主体彼此彼此成棋盘格状，以形成填料结构组件。在图4中，填料结构组件200由多个彼此成棋盘格状的模块化规整填料单元204形成。填料结构组件200具有圆柱形外壁202。每个模块化单元204具有与图1所示的实施例相似的通道206。每个模块化单元204具有六边形壁208。尽管在图4中描绘了六边形，但是也可以使用其他多边形，例如正方形、五边形或棋盘格状多边形(例如八边形和正方形)的组合。提供模块化单元意味着可以通过在周边增加更多模块化单元来“向外扩展”填料结构的直径。相反，图1的填料结构10的直径通过“按比例放大”而增加。
对于具有螺旋形(螺旋状)板的填料结构，“按比例放大”的问题是板相对于纵轴的角度(即角度α)沿径向方向变化，这意味着在使用中在填料结构的直径上可能没有均匀的停留时间。提供模块化单元以“向外扩展”意味着可以选择每个模块化单元的直径以使其具有均匀的停留时间，因此，由模块化单元制成的所得填料结构组件在整个所得填料结构的直径上具有均匀的停留时间。
在一个实施例中，模块化填料结构单元具有如图1所示的板和通道的取向和布置，具有六边形的外壁并且直径最大为100mm。当模块化填料结构单元具有由不同多边形限定的外壁以使得所得的填料结构组件包括棋盘格状多边形的组合时，填料结构组件的直径是具有最大直径的模块化填料单元的直径的两倍或更多倍。例如，当模块化填料结构单元包括八边形和正方形外壁时，具有八边形外壁的模块化规整填料单元的直径将比具有正方形外壁的模块化填料结构单元的直径大，因此填料结构组件的直径将是具有八边形外壁的模块化填料结构单元的直径的两倍或更多倍。在一个实施例中，填料结构组件本身形成可以与其他模块化填料结构组件组合的模块化填料结构组件模块。在一个实施例中，模块化填料结构组件模块的直径为500mm或更小。
每个模块化填料结构单元都可以视为一个单元格栅。因此，多个单元格栅被组合以形成填料结构组件。对于位于填料结构组件的边缘(例如，圆周)处的单元格栅，单元格栅可以小于在填料结构组件的轴线附近的单元格栅中的单元格栅。例如，并且如图4中最佳所示，与中央模块化填料结构单元(例如，中央格栅)205相比，模块化填料结构单元(例如，边缘格栅)207的尺寸减小了，因为单元207形成了外壁202的一部分。换句话说，边缘格栅207是中央格栅205的部分格栅。取决于边缘格栅的尺寸和构造，边缘格栅可具有封闭的通道，这取决于这些边缘单元格栅的通道围绕其旋转的轴线的位置。为了防止形成封闭的通道，在一些实施例中，诸如边缘格栅之类的单元格栅具有旋转轴线，通道绕该旋转轴线旋转，该旋转轴线位于部分格栅的中心或质心处。
在一些实施例中，如图5所示，许多未成棋盘格状的模块化填料结构被用于形成填料结构250。每个模块化单元252通常是圆柱形的，尽管如图4的实施例中未使用壁来界定相邻的模块化单元252。每个模块化单元由形成在片材256中的多个通道254组成。图5中的模块化单元的板和通道结构有助于最小化在填料结构250的直径上的保留时间变化。图5的模块化设计意味着“向外扩展”而不是“按比例放大”有助于最小化从实验室规模到大型工厂的不确定性。
图19-23和图31-32示出了不同填料结构构造的实施方案。
图19a和图19b示出了具有两组片材604和606的填料结构600。第一组片材604横向于第二组片材606布置。通道(例如，通道或导管)602由这两组片材形成。片材组604和606在填料结构600的端部之间螺旋地延伸。当第一组片材604中的相邻片材通过第二组片材连接在一起时，图19所示的构造具有0间隙G。尽管通道602在图19中显示为正方形，但是在一些实施例中，通道602具有平行四边形布置。图19的构造具有由正方形通道组成的类似网格的横截面。
图20a和20b示出了具有一系列圆形通道(例如管或导管)612的填料结构610，所述圆形通道在结构610的端部之间螺旋地延伸。通道612的圆形横截面提供了具有每单位体积最高表面积的致密结构，并且与波纹相比提供相对光滑的表面。
图21a和图21b示出了由波纹状片材626形成的填料结构620的实施例。在填料结构620的轴线处以及径向附近，波纹状片材的顶点与连接壁接合以形成蜂窝状通道(例如，导管)622。从蜂窝状通道622径向向外设置有细长的蜂窝状通道(例如，导管)624，其中省略了连接壁以结合两个相邻的蜂窝状通道。从细长蜂窝状通道径向向外的是类似于图1中所示的布置的通道(例如，开放通道)628。增加沿径向方向延伸的通道的尺寸有助于使填料结构620的流体停留时间在横截面上更均匀。由于陡峭的流动路径，流体停留时间通常在轴线上最低，但是使连接壁靠近轴线有助于增加阻力，从而增加停留时间。
图22a和图22b示出了填料结构630的实施例。填料结构630具有多个单独的通道段632，每个通道段以螺旋布置彼此独立地旋转。通过单独地旋转每个通道段632，流体沿着横截面行进通过填料结构的距离是均匀的，这促进了更均匀的速度分布。
图23a和图23b示出了填料结构640的实施例。填料结构640类似于填料结构630，除了填料结构640具有第一组单独的通道段642和第二组单独的通道段644。第一通道段642和第二通道段644分别具有它们自己的螺旋布置，其中在第一通道段642和第二通道段644之间形成双螺旋结构。与填料结构630相比，包括第二组单独的通道段644有助于增加填料结构640的表面积。
图31示出了填料结构650的另一实施例。填料结构650具有一对中心板(例如，片材)652，该中心板相对于彼此垂直地布置并且在横截面上是平坦的。每个径向相邻的板是弯曲的，具有由越来越小的半径限定的曲线。例如，与从片材659径向向外定位的片材658相比，片材659由更大的半径限定。径向上的曲率变化意味着通道(例如导管)的尺寸沿径向方向增加。例如，与紧邻填料结构650的圆周定位的通道656相比，紧邻填料结构650的中心轴线定位的通道654近似为正方形，并且具有较小的横截面积。填料结构650的构造意味着：流体阻力在径向方向上减小，这减慢了片材倾斜最陡的轴线附近的流体流速，从而有助于在填料结构650的直径上提供均匀的停留时间。在一个实施例中，填料结构650的片材具有螺旋形(螺旋状)结构。
图32示出了填料结构660的另一实施例。填料结构660具有片材662，该片材的横截面采用费马氏螺旋或阿基米德螺旋。螺旋结构有助于增加在径向方向上延伸的相邻片材之间形成的通道的尺寸。片材662具有螺旋形布置。因此，由片材662限定的通道或导管具有穿过填料结构660的螺旋形流动路径。填料结构660可具有多个片材662，每个片材从中心点延伸。中心点可以在结构660的中心轴线处，或者可替代地位于从中心轴线径向移位的位置。
在图1-5、7、19-23和31-32所示的填料结构的实施例中，填料结构的长度、段长度和转数不限于这些图中所描绘的。
在一些实施例中，沿着通道和/或片材的至少一部分设置用于热交换流体通过的导管。通道通常由惰性材料形成，例如不锈钢，其厚度在大约0.1mm至大约1.0mm的范围内。
在一些实施例中，通道和/或片材的表面被改性以促进有利的条件，例如对于填料结构中流体的传质和反应。改性可包括提供亲水/疏水涂层和提供一种或多种催化剂。
在一些实施例中，规整填料、模块化规整填料单元和模块化规整填料组件由塑料和/或金属形成。
填料结构10、100、150、200、250、600、610、620、630、640、650和/或660的实施例可以单独使用或作为两个或更多个结构的组合用作反应器和/或传质和/或传热和/或分离装置，并且在一些实施例中，进行两次或更多次操作，例如用于反应性蒸馏。当使用两个或更多个结构时，在不同结构之间延伸的流体流动路径可以是弯曲的和/或直的。在一个实施例中，直的流动路径可以从例如的结构的实施例延伸，例如从结构的第一端和/或第二端的任一侧延伸。
示例
现在将参考以下非限制性示例描述实施例。
实验装置
实验研究是在环境条件下在逆流空气-水系统中进行的。实验装置的工艺流程图如图10所示。使用3D打印的分形分布器同时供给蒸气和液体。引入这两个系统的液体负荷和气体负荷的范围分别为25-75m3/m2.h和0-0.2pa^0.5。典型的填料塔结构如图14所示。除非另有说明，用于示例的规整填料的直径为54mm，长度为200mm，Tanα＝3/2，波纹状片材的段长度为5mm，间隙为5mm(即G＝S)。测量是在塔的中心进行的，并且使用两个元件进行测试。
丝网传感器(WMS)500位于相邻的结构填充塔502和504之间(请参见图14)。塔502和504形成塔结构510。液体分配器506位于塔502的顶部，气体分配器508位于塔504的底部。气体通过气体分配器508被引入塔结构510，从而气体向上流动通过塔结构，液体通过液体分配器被引入塔结构510，从而液体顺着塔结构510向下流动。
WMS仪器基于两种测量技术。1998年，Prasser等人介绍了基于电导率测量的WMS系统。Da Silva等人在2007年开发了一种基于介电常数(permittivity)的新的WMS。基于介电常数的WMS更适合于测量固定床中的气液流量，因为介电常数测量值比电导率测量值更有利。这主要是由于这样的事实：有机液体(例如油)不导电，因此无法使用依赖于电阻/电导率的技术将其与其他相(例如气体)区分开(Matusiak等，2010)。WMS可以即时可视化流动横截面，因此在检查气液流量的瞬时变化方面具有优势。介电常数值针对100％蒸气(即：εv)和100％液体(即：εl)进行校准。在两相流期间，当某个位置既不包含纯蒸气也不包含液体时，将获得测得的介电常数值“εx”。可以应用数学模型，以便使用测量的介电常数值和校准的介电常数值之间的关系来确定特定位置的相分数(Da Silva，Schleicher和Hampel，2007)。因此，WMS可以直接基于局部介电常数测量值检查相分数分布。事实证明，这比需要重建算法的放射线层析成像技术更具优势，重建算法可能会引入误差(Bieberle等，2010)。
WMS在概念上比其他用于流体力学研究的数据采集技术更简单，提供了高时间分辨率，相对较低的成本，良好的空间分辨率和直接的局部测量，而不需要代数重建技术(DaSilva，Schleicher和Hampel，2007)。
结果
图8示出了使用WMS在类似于Mellpak的54mm填料结构中观察到的典型液体分布(Sulzer，2018；即常规填料结构)，并且图9示出了具有以下特征的本公开实施例的54mm填料结构的典型液体分布：使用WMS，具有5mm段长度，Tanα＝3/2。最深的颜色表示水体积分数为1，白色为0。
收集数据20秒钟，在10,000赫兹的采样率下进行时间平均。此测试使用的典型液体负荷为50m3/m2h，气体负荷为0.2pa^0.5。
图8示出了具有一系列彼此成90°定向的挡板的常规填料结构的液体分布，其中液体倾向于汇聚并聚集在填料结构的侧壁周围。相比之下，图9所示的液体分布具有更加均匀的液体分布。这意味着流过填料结构的液体的表面积具有较大的表面积，从而增加了传质等。
图11显示了不同填料结构的实验值和模拟值的比较。现有的商业填料结构(Mellapak 250Y和Monzpak)以3D打印副本的形式提供。与现有的商业填料结构相比，本公开的填料结构的实施例可以将压降降低大约75％。图12示出了与常规填料结构(Monzpak和Mellapak 250Y)相比，本公开的具有每单位长度0.75转的填料结构的实施例的段长度对压降的影响，并且图13示出了与常规填料结构(Monzpak和Mellapak 250Y)相比，对于填料结构的实施方案，转数对单位长度的压降的影响。由于规整填料设计的几何形状，与Mellapak250Y相比，可以获得更高的气液接触和分配速率，这意味着图11中规整填料的实施例比Mellapak 250Y具有更高的效率。
图24和图25示出了直径对沿径向方向延伸的流体停留的影响。图24显示了图1填料结构的停留时间(以m/s为单位的流体流速)，其中S＝5mm，G＝S，每单位长度1转，直径为100mm，图25示出了图1的填料结构的停留时间(以m/s为单位的流体流速)，其中S＝5mm，G＝S，每单位长度1转，直径为200mm。与直径为200mm的相同填料结构相比，通过直径为100mm的填料结构的停留时间(即流速)更为均匀。由于对于100mm的直径而言相对均匀的停留时间，所以在一些实施例中，模块化填料结构单元的直径为100mm或更小。
图26示出了规整填料组件的压降，该规整填料组件的总直径为200mm，由100mm的模块化规整填料单元形成，其压降与直径为200的规整填料的压降大致相同，且远低于现有的结构填料设计。
图27示出了随着填料结构的长度增加的压降和空气速度的关系。由200mm的单位长度，54mm的直径，具有5mm的段长度和5mm的间隙的波纹状片材形成不同的填料结构长度。由单位长度为100mm的填料结构形成200mm、600mm、1000mm和1400mm的填料结构长度。如图27所示，由填料结构单元长度形成的各种填料结构长度的压降大部分保持不变，特别是对于长度超过200mm的情况。由M250Y填料形成的Malpack M250Y的比较样品具有300mm、600mm、900mm和1200mm的长度，M250Y填料具有150mm的单位长度和54mm的直径。与当前公开的填料结构组件的实施例相比，由M250Y单元形成的结构具有明显更高的压降。
图29显示了当液体流速为12LPM时，针对变化的F系数(0.1-0.4pa^0.5)测得的高度等效理论板(HETP)值，单位为m。该测试在图10所示的实验装置中进行。将空气和CO2的混合物用作气相，将水用作液相。监测气相吸收的CO2量，并通过进行酸碱滴定法测定液相吸收的CO2量。用于图29中所示的测试的填料结构的直径为100mm，并且波纹状片材的段(S)长度为5mm，具有1间隙(即G＝S)且α＝3/2。用Melalpak M250X的复制品进行了比较。结果表明，与Mellapak M250X对比样品相比，填料结构在气体侧的传质速率提高了35％，对于所选流速，总HETP值降低了多达20％。
图30是显示压降和间隙尺寸之间关系的图，并与Mellapak M250Y填料进行了比较。填料结构的直径为54mm，波纹状片材的段长度为5mm。随着间隙从5mm(1间隙)减小到0.5间隙(2.5mm)和0间隙(由于连接壁的插入而形成的蜂窝状结构)，压降增加。这部分是由填料结构中表面积的增加，从而流体停留时间的增加所解释的。在1间隙处，表面积为316m2/m3，在0.5间隙处，表面积为445m2/m3，在0间隙处，表面积为747m2/m3。但是，在所有情况下，压降均小于Mellapak M250Y，但M250Y的表面积(231m2/m3)明显低于图30中使用的填料结构的实施例。
在所附权利要求书中以及在前面的描述中，除非上下文由于表达语言或必要的暗示而另外需要，否则词语“包括(comprise)”或诸如“包括了(comprises)”或“包含有(comprising)”的变体以包括性含义使用，即用于指定在本公开中描述的各种实施例中，存在所陈述的特征，但不排除其他特征的存在或增加。

Claims (32)

1.一种用于流体处理的结构，包括：
具有轴线的主体；
至少一个弯曲的流体流动路径，其绕所述主体的轴线旋转并沿着所述主体的轴线的至少一部分延伸。
2.根据权利要求1所述的结构，其中，所述至少一个流动路径绕所述轴线旋转多次。
3.根据权利要求1或2所述的结构，其中，所述至少一个流动路径具有宽度和深度，所述宽度大于所述深度。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的结构，其中，所述至少一个流动路径沿着所述主体的长度连续地延伸。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的结构，其中，所述主体包括一个或多个片材，所述至少一个流动路径由所述一个或多个片材中的至少一个限定。
6.根据权利要求5所述的结构，其中，每个片材具有螺旋体结构。
7.根据权利要求5或6所述的结构，其中，所述至少一个流动路径由所述一个或多个片材中的多个波纹形成或包括多个波纹。
8.根据权利要求5至7中的任一项所述的结构，其中，所述至少一个流动路径包括一个或多个壁，所述壁从所述一个或多个片材的表面延伸开。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的结构，其中，所述主体具有多个相互隔离的流动路径。
10.根据权利要求9所述的结构，其中，所述流动路径同轴地布置。
11.根据权利要求9或10所述的结构，其中，所述流动路径相对于彼此线性地布置。
12.根据权利要求10所述的结构，其中，壁界定了相互隔离的流动路径。
13.根据权利要求9至12中的任一项所述的结构，其中，所述流动路径具有不同的取向。
14.根据权利要求1至13中的任一项所述的结构，其中，当在垂直于所述轴线的横截面中观察时，所述至少一个流动路径的两个或更多个流动路径相对于彼此定位，使得所述两个或更多个流动路径在主体的相对两侧之间跨所述轴线延伸。
15.根据权利要求1至14中的任一项所述的结构，其中，当在垂直于所述轴线的横截面中观察时，所述至少一个流动路径的两个或更多个流动路径相对于彼此定位，使得所述两个或更多个流动路径从公共点径向向外延伸。
16.根据权利要求15所述的结构，其中，所述公共点沿着所述主体的轴线定位。
17.根据权利要求1至16中的任一项所述的结构，其中，所述至少一个流动路径设置有一个或多个突起，所述突起增加所述流动路径的表面积。
18.根据权利要求1至17中的任一项所述的结构，其中，所述至少一个流动路径设置有一个或多个孔口。
19.根据权利要求1至18中的任一项所述的结构，其中，所述主体限定内部容积，并且其中，所述至少一个流动路径位于所述内部容积中。
20.根据权利要求1至19中的任一项所述的结构，所述结构包括多个主体，其中，所述主体为一个或多个多边形的形状，并且其中，所述多边形能够彼此成棋盘格状。
21.根据权利要求1至20中的任一项所述的结构，其中，所述流动路径以恒定的半径围绕所述轴线旋转。
22.根据权利要求1至21中的任一项所述的结构，其中，所述结构的直径为100mm或更小。
23.根据权利要求1至22中的任一项所述的结构，其中，所述轴线位于所述主体的质心处。
24.根据权利要求1至23中的任一项所述的结构，其中，所述结构是用于填充床的填料结构。
25.根据权利要求1至24中的任一项所述的结构，其中，所述结构形成模块化结构单元，并且其中，多个模块化结构单元能够彼此组合以形成结构组件。
26.一种结构组件，包括多个根据权利要求25所述的模块化结构单元。
27.根据权利要求26所述的结构组件，其中，所述填料组件的直径是所述多个模块化结构单元之一的直径的至少两倍。
28.根据权利要求26或27所述的结构组件，其中，所述组件的最大直径为500mm或更小。
29.一种用于处理流体的系统，包括：
中空体，其具有流体入口和流体出口以及在它们之间限定的流体流动路径；以及
根据权利要求1至26中的任一项所述的结构，其位于所述流体流动路径中。
30.一种填充床，其包含权利要求1至25中的任一项的结构。
31.一种处理流体的方法，包括使所述流体通过权利要求1至26中的任一项的结构。
32.一种使用权利要求31所述的方法处理的流体。
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