CN113646075A - 由金属泡沫制成的交叉波纹填料 - Google Patents

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Abstract

披露了一种由板(1)的堆叠制成的填料，这些板被成形以在板中形成波纹并且被组装以形成用于传质和/或传热应用的交叉波纹填料块，其特征在于这些填料板的材料为开孔金属泡沫，在成形操作之前，填料的比表面积大于500m2/m3，并且该板的所述厚度(e)小于2mm。

Description

由金属泡沫制成的交叉波纹填料
本发明涉及一种由金属泡沫制成的交叉波纹填料，特别适用于流体接触设备的领域。本发明特别地涉及装配在材料和热交换塔上的规整填料板的领域。本发明最尤其适用于旨在用于逆流气液传递的塔，这些塔包括汽提、吸收和蒸馏塔。
在大多数情况下，由交叉波纹片材制成的规整填料构成了气液传质操作的最有效的技术解决方案。与其他系列的接触器(包括无规填料和蒸馏板)相比，它们在相同的分离中具有更低的压降，同时具有高容量和高效率。它们的低压降可节省能源并且因此减少运营成本。气体容量和效率反映在设备在横截面和高度方面的紧凑性上。减小塔的尺寸对应于减少初始支出。
在涉及少量液体回流的工艺的情况下，这些可归因于规整填料的相对节省尤其显著。常压蒸馏塔尤其如此，并且在真空下操作的塔更是如此。
为了从交叉波纹填料的有效性中获得最大收益，可以尝试增加填料的比表面积，值得注意地是通过减少波纹的高度。然后，对于给定的体积，这会产生更大的发展表面积，从而允许更大的交换并因此降低截面高度。
比表面积超过400m2/m3的填料有时被称为高密度填料。
在实验室环境中，规整填料的最大密度可以高达2100m2/m3。然而，在工业中很少有超过1000m2/m3的实例。比表面积ap可以使用下式计算：
Figure BDA0003267765270000021
其中ap以m2/m3为单位，s是波纹边的展开长度，b是波纹底部的长度(波纹的节距)，h是高度，并且τ是波纹的穿孔水平。长度s、b和h如图2所示。
交叉波纹填料对干燥现象非常敏感，并且如果液体的膜是薄膜时尤其如此。填料的干燥减少了气液接触的有效面积，并且因此降低了填料的有效性。在低液体流速和高比表面积的情况下，极少量的液体必须分布在大面积的填料上。在这类情况下，这种分布相对难以实现。
出于干燥的原因，大多数供应商不提供超过500或700m2/m3的固体片材填料。通常采用的解决方案包括使用由织造材料或丝网制成的片材。精心设计尺寸的织造金属允许液体通过毛细作用更好地扩散到填料片材上并穿过填料片材。
然而，这类材料非常昂贵并且用传统压机形成更复杂。
使用由泡沫制成的片材使得能够以较低的成本获得优于织造材料的润湿质量(H.Li等人./Chemical Engineering Transactions[化学工程学报]69卷(2018)，H.Li等人./Chemical Engineering Science[化学工程学]123(2015)341-349)。这解释了为什么由SiC陶瓷泡沫制成的规整填料对于轻液体载荷获得了更好的效率(X.Li等人/Ind.Eng.Chem.Res.[工业与工程化学研究]51(2012)，915-924)。CN 101555138 A提出一种用于制造由SiC(碳化硅)陶瓷泡沫制成的波纹片材的方法。
然而，陶瓷泡沫不能以与金属规整填料片材相同的方式形成。
它们被直接浇铸成最终形状。它们易碎且昂贵。此外，推荐的孔径太大而无法从毛细管效应中受益。
US 9375655提出将泡沫型材料应用于范围从100m2/m3至500m2/m3的用于空气蒸馏的交叉波纹填料，具有复杂的尺寸标准以限制气体的速度使得足够的气体部分能够通过泡沫的孔。
CN 105771873描述了一种由泡沫镍制成的波纹片材的堆叠形成的填料。
FR 2675568描述了一种由交叉波纹型穿孔金属条制成的填料。
US 2019/046949描述了一种由不是交叉波纹填料的金属泡沫制成的填料。
US 2015/136582描述了一种由金属熔块制成的交叉波纹填料。
WO 01/94006披露了一种基于烧结金属纤维的填料。
EP 3263211和FR 2990631披露了金属泡沫，但没有提及交叉波纹填料。
本发明的目的是增加气体与液体之间的比表面积，同时允许大部分气体进入泡沫的三维结构。它假设泡沫的整个表面都被润湿，特别是气体通过的泡沫部分。
经验表明，该最后的条件特别难以满足。因此，通过增加泡沫内部结构中气体与液体之间交换的表面积而希望得到的改进处于危险之中。本发明集中但不限于SiC泡沫。
制造SiC泡沫和尺寸标准的限制导致了相对厚的泡沫(具有在0.4与10mm之间的厚度)，并且考虑到填料的宏观尺度比表面积，导致了相对低的气体速度。这不包括超高密度填料领域。
本发明的目的是在给定的气体流速和交换性能下，显著降低气液交换塔的高密度规整填料段的高度。
更特别地，本发明涉及具有小于25mN/m、或甚至小于15mN/m的表面张力的流体。
根据本发明的一个主题，提供了一种由板的堆叠制成的填料，这些板已被成形为在板中形成波纹并且被组装以形成用于传质和/或传热应用的填料块，这些填料板的材料为金属泡沫，其特征在于将板组装以形成交叉波纹填料块，填料板的材料为开孔金属泡沫，其中填料的比表面积大于500m2/m3，并且其中在成形操作之前，板的厚度(e)小于2mm。
根据其他任选的特征：
·该填料的比表面积大于700m2/m3。
·在弯曲操作之前，板在进入压机之前的厚度小于0.6mm。
·该金属泡沫材料主要由镍组成。
·该金属泡沫材料主要由铜组成。
·该金属泡沫材料由FeCrAl型合金组成。
·该金属泡沫材料由NiCrFeAl型合金组成。
·该金属泡沫材料具有10与130ppi(每英寸孔数)之间、优选30与80PPi之间的孔密度。
根据本发明的另一个主题，提供了一种用于在空气分离单元中通过低温蒸馏分离空气气体的方法，该空气分离单元包括在第一压力下操作的第一塔，该第一塔热连接到在低于第一压力的第二压力下操作的第二塔，并且可能包括通过输送富氩气体的管道连接到第二塔的第三塔，第二塔和/或第三塔包含填料主体，该填料主体由交叉波纹板的堆叠构成，用于进行传质和传热，这些板被成形为使它们起波纹，该主体位于塔中允许流体进入或排出的两个相邻开口之间，成形操作前填料的比表面积大于500m2/m3，板厚度小于2mm，并且填料片材的材料为开孔泡沫金属，其中将待分离的空气流被送至第一塔，富氧和富氮流体从第一塔被送至第二塔，至少一种富氮流体从第二塔中排出，至少一种富氧流体从第二个塔中排出，在适用的情况下，富氩流体从第二塔被送至第三塔，在液体停留在填料主体中的停留时间内，由空气分离过程产生的液体通过毛细作用穿过泡沫移动的长度为大于板的波纹节距的十倍。
优选地，在液体停留在填料主体中的停留时间内，由空气分离过程产生的液体通过毛细作用穿过泡沫移动的长度大于板波纹节距的十五倍、或甚至二十倍。
优选地，该金属泡沫填料用于气液材料交换塔段，其中液体回流小于20m3/h/m2、优选小于10m3/h/m2。
为此，本发明的一个主题是一种填料，该填料由交叉波纹片材制成，用于传质和/或传热应用，其特征在于：
·填料片材的材料是开孔金属泡沫，
·填料的比表面积大于500m2/m3、优选大于700m2/m3，
·片材在进入压机之前的厚度小于2mm、优选小于0.6mm。
由于孔隙率引起的毛细管效应，用于高密度填料的这种材料能够促使液体在片材上扩散。将液体吸引到材料中可以减少干燥现象，从而增加相之间接触的有效表面积，并导致高密度填料在低水平液体回流下的效率更高。
填料的比表面积越大，材料效应就越显著。因此特别推荐非常高的密度，值得注意地超过700m2/m3的密度。
在波纹已经成形后，离开压机时所得厚度小于初始厚度。它典型地小于0.5mm。在压机中成形之前，片材的厚度小于2mm、优选小于0.6mm。
这种小的厚度使得可以受益于多孔表面的毛细扩散效应，而不会对对应于气体通道的空隙水平产生负面影响。具体地，大厚度的多孔材料一旦被液体饱和，就气液交换而言，就代表死体积。
此外，如果液体环境是多孔环境，则材料在液体中的扩散最大化。这会影响液体内材料的转移，从而降低填料的效率。
测试表明，经过精心设计尺寸和定制以适应所用流体的特征的金属泡沫具有优于织造金属的扩散效果，这是为了降低成本和更容易在压机中弯曲。泡沫可以是铁、铜、铝或镍的合金。这种广泛的材料范围提供了适应性，以适应与产品的兼容性。例如，在氧气浓度高的蒸馏情况下，优选镍和铜。
凭借这些尺寸和低水平的液体回流，值得注意地是低于20m3/m2/h或甚至低于10m3/m2/h，水力条件允许最佳利用泡沫润湿性方面的特征。由泡沫的复杂形状引起的凹凸不平增加了相之间接触的有效表面积。
通过优化使用超高密度填料的大交换表面积来改善转移。这一优势在高液体载荷下会消失，因为液体会淹没这些凹凸不平，并且即使对于光滑的片材，干燥现象也非常少。本发明的益处对于低液体流速、高比表面积和润湿流体而言是最大的。
计算填料上液膜的努塞尔特(Nusselt)厚度δ，使得可以获得在重力流动下液体的有效速度：
Figure BDA0003267765270000061
Figure BDA0003267765270000062
然后可以估算液体停留在模块中的停留时间：
tres L＝hpack/uLe
孔越小，毛细管力越大，但在一定的孔密度之上，粘性摩擦决定最佳扩散速度。金属泡沫的孔密度通常包含在10至130ppi之间(孔每英寸，这是本领域中使用的国际单位)。通过毛细作用在给定时间内行进的长度可以使用以下公式估算：
Figure BDA0003267765270000071
该公式可以以这样的方式确定泡沫的尺寸，即在给定流体、泡沫和填料几何形状的特性的情况下，毛细管扩展达到最大。当Icap的值大于波纹节距b的10倍时，体积的节省变得明显。在这样的条件下，对于给定的容量和给定的纯度，本发明描述的填料允许显著减小塔段的体积。
由于泡沫的三维结构且成本低，这些性能方面甚至优于织造金属填料。
图1示意性地显示了交叉波纹填料的典型几何形状。
图2显示了交叉波纹填料的波纹的各种几何参数。
图3描绘了织造金属和金属泡沫的材料结构。
图4通过在使用蒸馏分离空气气体的方法中使用的实例描述了下面描述的本发明。这使用图4中的简化图来描述。
具体实施方式
图1示出了由波纹板1、2的堆叠构成的填料模块的一部分，这些波纹板以波纹从一个板交叉到下一个板的方式定向。每个板都是相同的，并且堆叠是通过将一个板转成两片来构建的。图2所示的波纹具有节距b、高度h、厚度e、波纹侧的展开长度s和波纹两边之间的弯曲角β。
根据现有技术，板由穿孔铝或丝网制成(图3A)。根据本发明，由金属泡沫(图3B)制成的板具有开孔。比表面积大于500m2/m3、优选大于700m2/m3。
进入压机前的板厚度e小于2mm，在进入压机形成弯曲板前优选小于0.6mm。
金属泡沫材料可以主要由镍或主要由铜组成。
金属泡沫材料可以由FeCrAl型合金或NiCrFeAl型合金组成。
该金属泡沫材料具有在10与130ppi之间、优选在30与80ppi之间的孔密度。
这种填料的一个工业应用是使用低温蒸馏分离空气气体。该过程示意性地显示在图4中。空气流在接近6bar的压力下进入主交换器。提前将其净化以除去大气中包含的水和二氧化碳。
它以相对于离开低温蒸馏阶段的产品的逆流方向流动而被冷却。一个或多或少复杂的压缩机和涡轮系统提供补充冷却。这补偿了由于交换器冷端的温度偏位、热量输入和可能产生的液体而造成的千卡损失。后者未在图中表示。
然后处于其露点的冷却空气进入中压的第一蒸馏塔3，在其中进行精馏，在塔顶产生中压的气态氮气流。在底部，提取富氧液体以在第二塔4中在低压(即接近大气压的压力)下蒸馏。
在该汽提第二塔4中，液体进一步富集氧以在底部达到工业纯度。可以从该第二塔4提取氧气和氩的混合物流，然后在两个或三个连续的塔中蒸馏，以获得具有工业纯度的氩。这些塔未在图中表示。
为了在中压塔3中获得液体的回流，使氮气在热交换器中冷凝。类似地，为了在低压塔4中获得向上流动的气体，同样地使氧气在热交换器中蒸发。在实践中，它是一个相同的热交换器，在一侧冷凝液氮且在另一侧汽化液氧。为了使其在热力学上成为可能，第一塔3处于中压，其中氮气的液化温度略高于大气压下氧气的沸点。
为了提高氮气的提取率，有时将从中压塔3顶部回流的液氮加入到低压塔4中，以便在顶部产生更多的氮气。通常还在中间高度添加一个或两个液体回流连接，以优化塔中流速的分布并提高工艺的整体效率。
低压塔4的水力条件导致液体回流值相对低，典型地为低于25m3/h/m2(底部)并且最高达小于10m3/h/m2(顶部)。所使用的填料相对紧密，比表面积可能超过500m2/m3。
在这种情况下且在不对填料生产系统进行重大改造的情况下，可以用金属泡沫制成的波纹板代替通常采用穿孔铝片材形式的材料。在低压塔4的底部，液体通过毛细管作用移动的长度lcap获得的值是135mm，即波纹节距b的值的15倍。实验测试表明，在加工能力不变的情况下，填料段的高度(即板1，2的高度)的降低可能超过15％。
氩气塔也具有大约15m3/h/m2的低液体回流，并且通常具有非常致密的填料，值得注意地是比表面积超过700m2/m3的填料。以与低压塔相同的方式，可以使用金属泡沫制成的填料。获得的lcap值为126mm，即波纹底部b的值的20倍。在这些高密度的情况下，高度减少可能会超过25％，而不会影响加工能力。
当填料具有更大的密度时，通过使用本发明预期的体积节省甚至更大。当待冲洗的表面积较大时，由金属泡沫促进的扩散效果更加显著。
在大气压下，液氧的表面张力小于13.2mN/m，液氩的表面张力小于12.6mN/m并且液氮的表面张力小于8.9mN/m。张力随压力减小：在5bar下，相同液体的表面张力值为8.7、8.1和5.3mN/m。
[表1]
Figure BDA0003267765270000101

Claims (13)

1.一种由板(1，2)的堆叠制成的填料，这些板已被成形为在板中形成波纹并且被组装以形成用于传质和/或传热应用的填料块，这些填料板的材料为金属泡沫，其特征在于将这些板组装以形成交叉波纹填料块，这些填料板的材料为开孔金属泡沫，其中该填料的比表面积大于500m2/m3，并且其中在该成形操作之前，该板的厚度(e)小于2mm。
2.如权利要求1所述的填料，其中，该填料的比表面积大于700m2/m3。
3.如权利要求1或2所述的填料，其中，在弯曲操作之前，该板(1，2)在进入压机之前的厚度小于0.6mm。
4.如权利要求1、2或3所述的填料，其特征在于，该金属泡沫材料主要由镍组成。
5.如权利要求1、2或3所述的填料，其特征在于，该金属泡沫材料主要由铜组成。
6.如权利要求1、2或3所述的填料，其特征在于，该金属泡沫材料由FeCrAl型合金组成。
7.如权利要求1、2或3所述的填料，其特征在于，该金属泡沫材料由NiCrFeAl型合金组成。
8.如前述权利要求之一所述的填料，其特征在于，该金属泡沫材料具有在10与130PPi之间、优选在30与80ppi之间的孔密度。
9.一种用于在空气分离单元中通过低温蒸馏分离空气气体的方法，该空气分离单元包括在第一压力下操作的第一塔(3)，该第一塔热连接到在低于该第一压力的第二压力下操作的第二塔(4)，并且可能包括通过输送富氩气体的管道连接到该第二塔的第三塔，该第二塔和/或该第三塔包含填料主体，该填料主体由交叉波纹板(1，2)的堆叠制成，用于进行传质和传热，这些板被成形为使它们起波纹，该主体位于该塔中允许流体进入或排出的两个相邻开口之间，在该成形操作之前，该填料的比表面积大于500m2/m3，该板厚度小于2mm，这些填料片材的材料为开孔泡沫金属，其中将待分离的空气流被送至该第一塔，富氧和富氮流体从该第一塔被送至该第二塔，至少一种富氮流体从该第二塔中排出，至少一种富氧流体从该第二塔中排出，在适用的情况下，富氩流体从该第二塔被送至该第三塔，在液体停留在该填料主体中的停留时间内，由空气分离过程产生的液体通过毛细作用穿过该泡沫移动的长度为大于该板的波纹节距(b)的十倍。
10.如权利要求9所述的方法，其中，该金属泡沫填料用于气液材料交换塔段(4)，其中该液体回流小于20m3/h/m2。
11.如权利要求10所述的方法，其中，该金属泡沫填料用于气液材料交换塔段(4)，其中该液体回流小于10m3/h/m2。
12.如权利要求9、10或11所述的方法，其中，在液体停留在该填料主体中的停留时间内，由空气分离过程产生的液体通过毛细作用穿过该泡沫移动的长度为大于该板(1，2)的波纹节距(b)的十五倍。
13.如权利要求12所述的方法，其中，在液体停留在该填料主体中的停留时间内，由空气分离过程产生的液体通过毛细作用穿过该泡沫移动的长度为大于该板(1，2)的波纹节距(b)的二十倍。
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