CN114761120B - 具有减少的材料需求的结构化交叉通道填料元件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于重质流体相与轻质流体相之间的传质和/或换热的塔的结构化交叉通道填料元件，其中所述结构化交叉通道填料元件包括由扩展金属片材制成的至少两个相邻层，每一层包括开口，所述开口由分离元件环绕并彼此分离，其中所述至少两个层中的至少两者在所述填料元件的纵向方向上平行布置并彼此触碰接触，使得在其之间提供从所述至少两个层的一端延伸到相对端的开放空间，使得所述重质流体相和所述轻质流体相中的至少一者可以流过其，其中相邻开口之间的分离元件的至少50%的平均宽度与片材材料厚度之间的比值至少为15，其中在垂直于所述纵向方向的平面中测量的所述至少两个层中的至少两者之间最大距离与所述分离元件的平均宽度之间的比值至少为4，并且其中在垂直于所述扩展金属片材的拉伸方向的方向上相邻于分离元件的两个开口之间的距离与此分离元件的平均宽度之间的比值对于所有分离元件的至少50%为4至6。

Description

具有减少的材料需求的结构化交叉通道填料元件
技术领域
本发明涉及一种用于重质流体相与轻质流体相之间的传质和/或换热的塔的结构化交叉通道填料元件。
背景技术
结构化填料元件用于传质塔中，诸如例如用于分馏塔、蒸馏塔、吸收塔、萃取塔或烟气洗涤器中。所述结构化填料元件用于改善具有不同密度的至少两种流体相之间的传质和/或传热，其中所述结构化填料元件通常按逆流流动操作。然而在蒸馏和吸收应用中，轻质相是气体或蒸气，并且重质相是冷凝物或液体，在萃取过程中，这两个相都是具有不同密度的液体。所述结构化填料元件包括多个不同层，所述层中的每一者为沿着层的表面向下滴流并散布的较重质相提供表面积。另外，在所述结构化填料元件的不同层之间，提供开放空间，所述开放空间填充有轻质相（例如在蒸馏中，蒸气或气体），并为轻质相在其由压力梯度驱动上升时提供路径。需要压力梯度来克服流动阻力。在逆流传质的典型情况下，轻质相的平均流动方向是从结构化填料元件的底部到顶部，并且因此与重质相的平均流动方向相反。通过允许一个重质相散布在所述结构化填料元件的表面上，在所述至少两相之间形成界面，使得在所述界面处建立所述相之间的高效传热和传质。还可能存在具有多于一种重质相的应用。示例是萃取蒸馏。
传质塔通常包括数个结构化填料元件床。通常，分布器布置在每一床的顶部上以使重质相均匀地分布在所述床的横截面上方，同时留出足够空间以使轻质相上升通过其。此外，通常在每一床下方布置网格状保持设备和收集器，其中所述网格状结构使床保持在其位置处，并且所述收集器收集从所述床向下滴流的重质相，同时在收集器中留出足够开放空间来使轻质相上升。
一种常见类型的结构化填料元件是所谓的交叉通道波纹状片材填料，其由多个例如波纹状片材组装而成，所述波纹状片材平行布置并彼此触碰接触。通常，所述波纹状金属片材借助于垂直于所述波纹状片材的纵向截面穿透所述波纹状片材的数个杆彼此固定，其中所述杆借助于垫圈和螺母或通过弯折所述杆而与第一个和最后一个波纹状片材固定。每一波纹状片材包括多个周期性变形，诸如交替取向的峰部和谷部，其中相邻波纹状片材被取向成使得相邻波纹状片材的波纹以交叉方式与波纹状片材的相对于竖直或纵向方向偏斜地延伸的波纹相交，因此形成彼此连续交叉的倾斜通道。这些通道积极地影响填料内的气相和液相的流动并促进所述相之间的传质。即，使气相和液相与结构化填料元件的通道接触，并且因此促进所述相之间的传质和传热。更具体来说，上升的气体与液体接触，当流体向下流过传质塔时，其存在于形成通道的片材的表面上。在此接触期间，气体中富含的组分可以被传送到液体中、并且反之亦然；这意味着可能发生高效传质。例如在DE 1 253673、CA 1270751和US 6,206,349 B1中描述此类填料。
每单位时间的传质量与气体与液体之间的界面的面积成比例，其中界面的面积随着填料元件的层的表面的被液体润湿的部分增加而变得更大。已知，由金属丝网制成的交叉通道波纹状片材填料由于因金属丝网的毛细作用力所致的重质相在波纹状片材的表面上的良好散布而具有极佳的润湿性，并且因此由于极佳的润湿性而具有高传质效率。此类结构化填料元件的示例是Sulzer填料类型BX和CY，其在20世纪60年代首次出现。在EP1477224 A1中描述这种结构化填料元件的另一示例。然而，金属丝网是昂贵材料。由于此原因，已经尝试用具有大量小开口的波纹状金属片材来代替丝网材料。示例是市售Montz-Pak型BSH。在传质塔的操作期间，此填料的开口因毛细作用力而填充有重质相。这种波纹状相对精细结构化穿孔金属片材的润湿性比基于金属丝网的填料的润湿性差，并且所述片材的生产仍相对昂贵，部分原因是与精细结构相关联的缓慢生产过程。
如上文所阐述，对于高传质效率重要的是，结构化填料元件的表面被液体很好地覆盖，因为失效导致填料材料的浪费，因为轻质相与重质相的接触不如填料的物理面积那么多。替代使用金属丝网或波纹状、非常精细的扩展金属片材作为结构化填料元件的材料，促进重质相在层的表面上方的散布的替代建议是为所述层提供穿孔和另一表面纹理，诸如在US 4,296,050、GB 1,569,828、US 4,981,621和EP 3 003 550 A1中所描述。
为了进一步改善结构化填料元件的表面的使用，在DE38 18917 C1和CN 88200252 U 中已经提出提供由具有高空隙分数（即，层中的开口的总面积除以层的片材面积的高比值）的穿孔层制成的交叉通道波纹状片材填料。更具体来说，DE38 18917 C1公开由包括开口的片材层制成的结构化填料元件，所述开口通过分离元件彼此分离。开口的边缘设置有凸出边沿，其中相邻开口的边沿从所述片材层的表面的上侧向上和从所述片材层的表面的下侧向下交替延伸。此外，DE38 18917 C1教示层的开口应该是位于相邻开口之间的分离元件的宽度的3至7倍。这导致由开口金属片材制成的结构化填料元件具有大约为50%或以上的非常高空隙分数。CN 882 00252 U公开一种由具有0.1至0.5mm的厚度的穿孔片材制成的结构化填料元件。所述开口具有菱形形状，其中开口的宽度在2和3mm之间，并且其中片材上的开口面积的百分比（即，空隙分数）为40%至50%。因此，两个现有技术文档都教示提供包括具有大于40%、并且优选地约50%的相当高空隙分数的片材层的结构填料元件。与之相比，经典结构化填料元件具有至多10%的显著较低空隙分数。
例如在EP0069241 A1、US4,304,738和EP 0 250 061 A1中描述基于不同于交叉通道波纹状片材填料的另一原理的结构化填料元件。这些结构化填料元件的层由扩展片材金属组成，其中所述层因扩展过程而呈现一定层宽度。然而，与交叉通道波纹状片材填料相比，这些结构化填料元件的层不是波纹状的并且除随同扩展过程一起的变形以外不发生变形。这限制开放空间用于上升的蒸气。因此，传质效率不是最佳的，因为层之间的开放空间并不提供以促进在结构化填料元件的整个横截面平面上方的均匀分布的方式驱动上升的蒸气的明确限定的路径。在限定填料的形状时，将期望借助于额外自由度在蒸气上施加一定方向。
除高传质效率以外，容量是结构化填料元件的重要方面。随着结构化填料元件中轻质相和重质相的流率增加，结构化填料元件中的压降增加。在一定压降下，重力不强到足以抵消这两个相之间的摩擦，并且重质相或液体分别被夹带在轻质相或气体中，并且因此无法再沿着结构化填料元件下降。此时，传质发生故障，并且此情况称为溢流。此溢流点确定结构化填料元件的容量，即，结构化填料元件的容量由逆流相的若干对最大流率来表征，超过所述最大流率，这两个流率中的任一者的增加都导致溢流。溢流点与特性压降有关，其通常为每米填料高度大约10 mbar。
最佳的是，结构化填料元件具有极佳的传质效率和极佳的容量，因为这将允许在给定容量下减小传质塔的直径和/或高度，并且从而最小化传质塔的投资成本。然而，这两个特性取决于关于特定区域和其他几何参数的相反趋势。更具体来说，高比表面积（即，结构化填料元件的几何面积除以其占据的体积的高商）导致轻质相与重质相之间的密集接触，这是相应结构化填料元件具有高传质效率的原因，其通常以每米填料高度的理论级数NTSM表示。然而，具有高比表面积的结构化填料元件特征在于轻质相的高流动阻力，这是相应结构化填料元件在轻质相的给定流率下具有每填料高度的较高压降、并且因此比起具有较低比表面积的填料具有较低容量的原因。
发明内容
鉴于以上内容，本发明的目的是提供一种如下的成本高效多用途结构化填料元件：其分别在给定容量下具有较高传质效率或在给定传质效率下具有较高容量或在给定传质效率下具有较低重量。
根据本发明，此目的通过提供一种用于重质流体相与轻质流体相之间的传质和/或换热的塔的结构化交叉通道填料元件来满足，其中所述结构化交叉通道填料元件包括由扩展金属片材制成的至少两个相邻层，每一层包括开口，所述开口由分离元件环绕并彼此分离，其中所述至少两个层中的至少两者在填料元件的纵向方向上平行布置并彼此触碰接触，使得在其之间提供从所述至少两个层的一端延伸到相对端的开放空间，使得所述重质流体相和所述轻质流体相中的至少一者可以流过其，其中相邻开口之间的至少一个、并且优选地至少50%的分离元件的平均宽度与片材材料厚度之间的比值至少为15，其中在垂直于纵向方向的平面中测量的所述至少两个层中的至少两者之间的最大距离与分离元件的平均宽度之间的比值至少为4，并且其中在垂直于扩展金属片材的拉伸方向的方向上相邻于分离元件的两个开口之间的距离与此分离元件的平均宽度之间的比值优选地对于所有分离元件的至少50%为4至6，其中通过确定在垂直于所述扩展金属片材的拉伸方向的方向上的开口中的一者的边缘的一侧的最外点与所述扩展金属片材的相同方向上的相邻开口的边缘的同一侧的最外点之间的距离来测量两个开口之间的距离，其中填料元件的纵向方向如说明书中所限定，其中所述扩展金属片材的拉伸方向是垂直于结构化交叉通道填料元件的纵向方向的方向，并且其中通过将分离元件划分成各自具有区段长度di的单独区段i=1, 2, 3 ... n来确定分离元件的平均宽度，其中针对所述区段中的每一者，测量所述区段内的相邻边缘之间的最短距离bi，并且乘积di .bi的总和除以di的总和以产生分离元件的平均宽度b。
此解决方案基于如下令人惊讶的发现，如果相邻开口之间的分离元件的平均宽度与开口相比相对大（即，在垂直于扩展金属片材的拉伸方向（其是垂直于纵向方向的方向）的方向上相邻于分离元件的两个开口之间的距离与此分离元件的平均宽度之间的比值为4至6）并且显著比片材材料厚度宽（即，15倍或以上），则可以显著改善给定容量下的传质效率。这尤其出乎意料，因为其与DE3818917C1和CN88200252U的教示相矛盾。这两个现有技术文档暗示悬置在分离元件之间的自由膜对传质面积的贡献是两倍，并且因此建议进一步最小化分离元件的宽度并去除甚至更多物理面积。鉴于此，更令人惊讶的是，通过如上所述调整上述参数，显著改善给定容量下的传质效率。
根据本发明的结构化填料元件的另一个显著优点是其根本不基于使用昂贵层材料。相反，所述层仅由扩展金属片材生产，即，通过切割和拉伸薄金属板，并且然后在第二步骤中，使扩展金属片材变形为例如波纹状片材。因此，使用成本高效原材料，并且甚至通过拉伸其来减少此成本高效原材料的所需材料量。总而言之，本发明提供一种如下成本高效多用途结构化交叉通道填料元件：其分别在给定容量下具有较高传质效率或在给定传质效率下具有较高容量。
结构化交叉通道填料元件的纵向方向是当其并入传质和/或换热塔中时从结构化交叉通道填料元件的顶部区域到底部区域的方向，即，所述纵向方向是从传质和/或换热塔的顶部到底部的方向。换句话说，分别在结构化交叉通道填料元件和传质和/或换热塔的操作期间，其是较重质相的既定重力驱动的流动方向。更具体来说，可以如下确定结构化交叉通道填料元件的纵向方向：结构化交叉通道填料元件放置在水平区域上，使得结构化交叉通道填料元件的平行布置并彼此触碰接触的层在竖直方向上延伸，并且使得从所述层的一端延伸到相对端的开放空间（或分别由层的周期性变形环绕并且因此由其限定的通道）从结构化交叉通道填料元件的顶部延伸到底部。于是，所述纵向方向是从如此布置的结构化交叉通道填料元件的顶部到底部的方向，或者换句话说：滴落到如此布置的结构化交叉通道填料元件的顶部上的重质相（例如水）在重力驱动下沿着开放空间向下流动，其中纵向方向是重质相的平均流动方向。
最大距离（随后也称为或简称为“D”）与层宽度（随后也称为或简称为“W”）密切相关，层宽度是在上述平面中测量的一个单个层的延伸。W的值通常是D的值的大约一半。由于层宽度W而获得两个层之间的开放空间。根据本发明，如果所述层之间的距离在相邻层的整个表面上恒定，诸如在两个平行平坦片材的情况下，则在垂直于纵向方向的平面中测量的结构化填料元件的两个相邻层之间的最大距离D表示层之间的距离。如果层之间的距离在相邻层的整个表面上不恒定，即，如果层的不同表面部分之间的距离不同，则两个相邻层之间的最大距离D是两个层的如下那些表面部分之间的距离，其中两个层之间垂直于纵向方向的平面中的距离是最大的。更具体来说，根据本发明，在垂直于纵向方向的平面中测量的结构化填料元件的两个相邻层之间的最大距离D表示两个最远点A与B之间的距离，其中点A在第一层上，并且点B在第二层上。限定两个平行平面，一个包括点A，另一个包括点B。这两个平行平面基本上平行于这两个层的取向来取向。距离D被限定为这两个平行平面之间的距离。
根据本发明，结构化填料元件包括在纵向方向上彼此平行布置的至少两个层。根据本发明，两个层的平行布置意味着所述层中的一者相对于另一个层倾斜至多+/- 20°、优选地至多+/- 10°、更优选地至多+/- 5°、仍更优选地至多+/- 2°的角度，并且最优选地相对于另一个层根本不倾斜。
此外，根据本发明，相邻开口之间的分离元件的至少50%的平均宽度与片材材料厚度之间的比值至少为15。这意味着，对于分离元件的至少50%，相应分离元件的平均宽度与片材材料厚度之间的比值至少为15。优选地，相邻开口之间的至少75%、更优选地至少80%、仍更优选地至少90%、还更优选地至少95%、并且最优选地所有分离元件的平均宽度与片材材料厚度之间的比值至少为15。
片材材料厚度意指根据材料的厚度分别构成或形成层。由于根据本发明，所述层由扩展金属片材制成，因此片材材料厚度是片材厚度。如果片材厚度在层的区域内变化，则片材材料厚度是借助于例如测微螺旋在片材材料厚度的外边缘中的一者处测量的片材的厚度。例如，借助测微螺旋，在所述外边缘中的一者或多者处，在至少两个、优选地至少三个、并且更优选地至少五个位置处测量形成所述层的材料的厚度，然后将所获得数值加起来并通过用所述总和除以测量次数来对其进行平均。例如，当借助测微螺旋在层的外边缘中的一者或多者处在2至20个、优选地2至10个、更优选地3至10个、并且最优选地5至10个位置处测量厚度时，获得良好结果，其中所述不同位置沿着外边缘彼此相距约3 cm。测微螺旋是包括一个固定测量区域和一个可移动测量区域的已知测量设备，其中可移动测量区域可借助细螺纹调整。如果可移动测量区域完全移动到固定测量区域，则两个测量区域可以分别彼此接触或触碰。两个测量区域都是平坦和圆形的，其中两个测量区域的直径优选地为5至6 mm。
根据本发明，如果分离元件具有均匀宽度，则通过测量分离元件的两个平行相邻边缘之间的距离来确定分离元件的平均宽度（随后也称为或简称为“b”）。如果分离元件并不具有均匀宽度，则通过将分离元件划分成各自具有区段长度di的单独区段i=1, 2, 3... n来确定分离元件的平均宽度b。针对所述区段中的每一者，测量所述区段内的相邻边缘之间的最短距离bi。乘积di .bi的总和除以di的总和产生分离元件的平均宽度b。分离元件的不均匀性越高，就必须选择更多和更短区段。优选地，针对每一分离元件的测量选取的单独区段i的数目n为1至1000个、更优选地5至100个、并且最优选地5至20个，诸如8至15个。例如，每cm的分离元件选择5个区段。
优选地，在相邻于分离元件的开口中的一者的顶视图或平面图上确定分离元件的平均宽度b。这有利地通过拍摄开口的摄影图片来实现。通过以下方式制成开口的顶视图：在通过将扩展金属片材铺设在平坦表面上而使相应扩展金属片材压平之后制成开口的摄影图片，将板放在扩展金属片材的顶部上，并且然后以足够低压力向下按压所述板以便仅压平扩展金属片材以去除周期性变形，但是不改变分离元件和开口的几何形状和尺寸，即，不改变扩展金属片材的网格结构的几何形状和尺寸。在扩展金属片材上以其如在结构化交叉通道填料元件中使用的形式制成开口的平面图，即，不压平或以其他方式机械加工其。更具体来说，沿着由开口的相邻边缘限定的平面的法向轴线截取开口的平面图。在一些情况下，这样的平面未被明确限定。在此情况下，通过反复试验获得最合适视图。从各种角度拍摄数个图片，诸如至少五个图片、或者优选地至少10个图片。然后将使开口最大的图片视为开口的平面图。可以使用一个参考长度z来确定平面图和顶视图上的长度和大小。这最好通过识别或标记开口附近的实物上的一定距离z并测量其长度来实现。使用此距离分别在平面图或顶视图上的有效长度z’与在实物上测量的距离z之间的比值来缩放在平面图上测量的所有其他距离。例如，通过bi=bi’.（z/z’）获得段宽度的实际长度，而带撇号变量表示分别在平面图或顶视图上测量的长度，并且不带撇号变量表示实际长度。
根据本发明，借助公式4 A / P计算开口的水力直径d，其中A是开口的横截面面积，并且P是相同开口的周长。如果开口的形状很简单（例如是平底三角形、矩形、四边形、梯形等等），则可以通过使用基本量度（诸如形状长度和高度）和基本几何公式（从欧几里德几何已知）来确定开口的横截面面积。优选地，在开口的顶视图或平面图上确定所述面积。可以将复杂形状近似并细分成具有面积Aj的数目j=1, 2, 3 ...m个简单形状。同样，可以使用基本量度和基本几何公式计算这些形状的面积。通过使在开口中确定的所有面积Aj相加来获得开口的面积A。开口的形状越复杂，需要的细分就越多。优选地，为测量选取的单独简单形状区段j的数目m为1至1000个、优选地5至100个、更优选地5至20个，诸如8至15个。如前，基于上文限定的比值z/z’确定实际长度。
可以使用基本量度和基本几何公式确定简单形状的开口的周长。在最一般情况下，使用开口的顶视图或平面图。开口的周长被细分成数目k=1, 2, 3 ...K单独直线Pk，所述单独直线最好地接近开口并用闭合多边形表示所述开口。通过使这些直线的长度相加，获得周长P。同样，必须使用上文限定的比值z/z’将所述长度转换成实际长度。
可以使用数字图像处理的方法来确定平均宽度b、开口的面积A及其周长P。在此情况下，通过像素的大小确定基本单位。为转换基于像素的长度和面积，必须以如例如上文解释的适当方式限定比值z/z’。可以使用灰度值来识别属于分离元素的像素和属于开口的其他像素。可以通过对所述像素求和并将所述总和乘以像素的实际面积（相对于实物）而以直接方式计算面积。在确定段的宽度bi或长度di时，如果宽度取向不平行于像素的边，则必须应用三角规则。
下文结合附图进一步给出关于测量方法的更多细节和说明性示例。
根据本发明，结构化交叉通道填料元件的层由扩展金属片材制成，所述扩展金属片材通过扩展片材金属（即，通过切割和拉伸片材金属）来生产。因此，所产生开口通常基本上具有椭圆形、透镜状、梯形或菱形形状，并且通常基本上具有透镜状或梯形形状。因此，如图中示意性地示出并且如下文进一步详细描述，每一扩展金属片材实际上是包括开口的网格，其中每一开口由各自具有宽度b的分离元件环绕，其中相邻开口的分离元件在接合点处彼此连接。水力直径通常是未知的，但是其可以如上文所阐述那样确定或根据常用特性尺寸计算，如下文所解释。扩展片材通常特征在于其开口的尺寸和分离元件的（平均）宽度b。通常基本上为透镜状或梯形形状的开口因此具有较短和较长特性长度，其中开口的较短特性长度（随后也称为或简称为“e2”）是在扩展金属片材的拉伸方向上开口的最大尺寸，并且开口的较长特性长度（随后也称为或简称为“e1”）是在垂直于扩展金属片材的拉伸方向的方向上开口的最大尺寸。扩展金属片材的拉伸方向是在扩展金属片材的生产期间沿着其拉伸片材金属的方向。更具体来说，根据本发明，拉伸方向是垂直于结构化交叉通道填料元件的纵向方向的方向。因此，垂直于拉伸方向的方向是结构化交叉通道填料元件的纵向方向。分离元件的（平均）宽度b和开口的特性长度确定相邻开口之间的距离。在扩展金属片材的拉伸方向上相邻的开口之间的距离不同于在垂直于扩展金属片材的拉伸方向的方向上相邻的开口之间的距离。随后，在扩展金属片材的拉伸方向上彼此相邻的第一开口与第二开口之间的距离也称为或简称为u2，而所述第一开口与在垂直于扩展金属片材的拉伸方向的方向上相邻于所述第一开口的第三开口之间的距离也称为或简称为u1。这些距离u1和u2可以如下文参考附图详细解释那样测量。如果开口具有近似菱形形状，则可以使用以下方程来确定相应开口的水力直径（随后也称为或简称为“d”）：
e1 = u1 - b√（1 + u1 2/u2 2）
e2 = e1 . u2/u1
d =e1 . e2 / √（e1 2 + e2 2）
如果比值e2/e1为大约0.5或以下（因为这对于扩展金属片材来说是现实的），因此可以使用e1和e2的以下简化方程来确定相应开口的水力直径d：
e1 = u1 – b . u1/u2
e2 = u2 – b
此外，扩展金属片材可以由被限定为u2/2b的拉伸因子来表征。与实心金属片材相比，拉伸的倒数是可以实现的材料节省的良好指示。下文结合附图进一步给出关于这些尺寸的更多细节和说明性示例。
根据本发明，填料元件是结构化交叉通道填料元件。因此，优选的是，至少50%、优选地至少75%、更优选地至少80%、仍更优选地至少90%、还更优选地至少95%、并且最优选地所有所述至少两个层由扩展金属片材制成并且包括周期性变形，其中所述层被取向成使得相邻层的周期性变形以交叉方式与层的相对于纵向方向偏斜地延伸的周期性变形相交。至少50%、优选地至少75%、更优选地至少80%、仍更优选地至少90%、还更优选地至少95%、并且最优选地所述层中的每一者在所述层的周期性变形与相邻波纹状层的那些周期性变形之间的交点处接触相邻层中的每一者，并且其中所述至少两个层之间的开放空间由所述周期性变形限定。优选地，根据表面积，层的两个相邻周期性变形的最高点之间的距离在10和25mm之间、并且更优选地在13和23 mm之间。
当所述至少两个层的扩展金属片材的拉伸因子在1.1和1.5之间、并且更优选地在1.2和1.35之间时，特别实现良好结果。
根据本发明，通过确定在垂直于扩展金属片材的拉伸方向的方向上的开口中的一者的边缘的一侧的最外点与扩展金属片材的相同方向上的相邻开口的边缘的同一侧的最外点之间的距离来测量距离u1。例如，如果制成结构化交叉通道填料元件的层的顶视图或平面图的摄影图片，其中在摄影图片的竖直方向上示出拉伸方向，并且在摄影图片的水平方向上示出垂直于拉伸方向的方向，则距离u1可以被确定为开口的边缘的左侧的最外点与在扩展金属片材的相同方向上的相邻于所述开口的开口的边缘的左侧的最外点之间的距离。
为了特别精确地确定距离u1，可以测量在垂直于扩展金属片材的拉伸方向的方向上的开口的边缘的一侧的最外点与在垂直于扩展金属片材的拉伸方向的方向上与其相邻布置的第五或第n个开口的边缘的同一侧的最外点之间的距离并将其除以四或（n-1）。
甚至更优选地，通过测量在垂直于扩展金属片材的拉伸方向的方向上的开口的边缘的一侧的最外点与在垂直于扩展金属片材的拉伸方向的方向上的与其相邻布置的第十个开口的边缘的同一侧的最外点之间的距离并将其除以9来确定距离u1。
根据本发明，在垂直于扩展金属片材的拉伸方向的方向上相邻于分离元件的两个开口之间的距离u1与此分离元件的平均宽度之间的比值对于所有分离元件的至少50%为4至6。当距离u1与至少75%、更优选地至少80%、仍更优选地至少90%、还更优选地至少95%、并且最优选地所有分离元件的平均宽度b之间的比值为4至6、优选地4.5至5.5、并且更优选地4.9至5.1时，特别实现良好结果。
在本发明的构思的进一步扩展中，距离u1优选地对于至少50%、更优选地对于至少75%、甚至更优选地对于至少80%、仍更优选地对于至少90%、还更优选地对于至少95%、并且最优选地对于所有开口为5至20 mm。更优选地，距离u1优选地对于至少50%、更优选地对于至少75%、甚至更优选地对于至少80%、仍更优选地对于至少90%、还更优选地对于至少95%、并且最优选地对于所有开口为7.5至15 mm、并且最优选地9至11 mm。
根据本发明的另一个特定实施例，在扩展金属片材的拉伸方向上彼此相邻的第一开口与第二开口之间的距离u2与在垂直于扩展金属片材的拉伸方向的方向上彼此相邻的第一开口与第三开口之间的距离u1之间的比值为0.4至0.7，其中通过确定在扩展金属片材的拉伸方向上的第一开口的边缘的一侧的最外点与在扩展金属片材的拉伸方向上相邻的相邻第二开口的边缘的同一侧的最外点之间的距离来测量距离u2，并且其中如上所述测量距离u1。
同样地，为确定距离u1，优选地通过确定在扩展金属片材的拉伸方向上的第一开口的边缘的一侧的最外点与在扩展金属片材的拉伸方向上与其相邻布置的第五或者甚至第十（第n）个开口的边缘的同一侧的最外点之间的距离并通过分别将所述距离除以4或9（n-1）来测量距离u2。
当距离u2与距离u1之间的比值对于至少50%、优选地对于至少75%、更优选地对于至少80%、仍更优选地对于至少90%、还更优选地对于至少95%、并且最优选地对于所有开口为0.4至0.7、更优选地0.45至0.70、并且最优选地0.49至0.55时，特别实现良好结果。
另外，优选的是，距离u2对于至少50%、优选地对于至少75%、更优选地对于至少80%、仍更优选地对于至少90%、还更优选地对于至少95%、并且最优选地对于所有开口为2至8 mm、更优选地3至7 mm、并且最优选地4至6 mm。
根据本发明的另一个特定实施例，相邻开口之间的至少一个分离元件的平均宽度b在相邻开口的平均水力直径d的70%至125%之间。
在本发明的构思的进一步扩展中，建议，相邻开口之间的至少50%、优选地至少75%、更优选地至少80%、仍更优选地至少90%、还更优选地至少95%、并且最优选地所有分离元件的平均宽度b在相邻开口的平均水力直径d的70%至125%之间。更优选地，相邻开口之间的至少50%、优选地至少75%、更优选地至少80%、仍更优选地至少90%、还更优选地至少95%、并且最优选地所有分离元件的平均宽度b在相邻开口的平均水力直径d的75%至100%之间。
为了实现重质相在层表面上的最佳散布，优选的是，相邻开口之间的至少50%、优选地至少75%、更优选地至少80%、仍更优选地至少90%、还更优选地至少95%、并且最优选地所有分离元件的平均宽度b为1.5至4.0 mm。更优选地，相邻开口之间的至少50%、优选地至少75%、更优选地至少80%、仍更优选地至少90%、还更优选地至少95%、并且最优选地所有分离元件的平均宽度b为1.6至3.5mm、并且最优选地1.8至3.0 mm。
根据本发明，相邻开口之间的分离元件的至少50%的平均宽度b与层材料厚度（随后也称为或简称为“s”）之间的比值至少为15。当相邻开口之间的分离元件的至少50%的平均宽度b与层材料厚度之间的比值至少为18时，获得特别良好结果。优选地，相邻开口之间的至少75%、更优选地至少80%、仍更优选地至少90%、还更优选地至少95%、并且最优选地所有分离元件的平均宽度与片材材料厚度之间的比值至少为18。
根据本发明，在垂直于纵向方向的平面中测量的至少两个层中至少两个相邻层之间的最大距离D与分离元件的平均宽度b之间的比值至少为4。这意味着，在垂直于纵向方向的平面中测量的至少两个层中的至少两个相邻层之间的最大距离D与至少50%、优选地至少75%、更优选地至少80%、仍更优选地至少90%、还更优选地至少95%、并且最优选地所有分离元件的平均宽度b之间的比值至少为4。
当在垂直于纵向方向的平面中测量的最大距离与在至少50%之间、优选地在至少75%之间、更优选地在至少80%之间、仍更优选地在至少90%之间、还更优选地在至少95%之间、并且最优选地在所有所述至少两个层之间的分离元件的平均宽度之间的比值至少为4时，获得特别良好结果。
此外，优选的是，在垂直于纵向方向的平面中测量的在至少50%之间、优选地在至少75%之间、更优选地在至少80%之间、仍更优选地在至少90%之间、还更优选地在至少95%之间、并且最优选地在所有所述至少两个层之间的最大距离D与分离元件的平均宽度b之间的比值至少为5、并且更优选地至少为8。
在本发明的构思的进一步扩展中，建议，在垂直于纵向方向的平面中测量的在至少50%之间、优选地在至少75%之间、更优选地在至少80%之间、仍更优选地在至少90%之间、还更优选地在至少95%之间、并且最优选地在所有所述至少两个层之间的最大距离D与分离元件的平均宽度b的比值为4至15、优选地5至13、并且最优选地8至12。
如果在垂直于纵向方向的平面中测量的在至少50%之间、优选地在至少75%之间、更优选地在至少80%之间、仍更优选地在至少90%之间、还更优选地在至少95%之间、并且最优选地在所有所述至少两个层之间的最大距离D为8至80 mm、优选地12至51 mm、并且最优选地16至30 mm，则特别获得良好结果。因此，优选的是，层宽度W为4至40 mm、更优选地6至25.5 mm、并且最优选地8至15 mm。
根据本发明的特别优选实施例，对于所述至少两个层中的至少一者，层中开口的总面积除以层的片材面积的比值（即，层的空隙分数）在20%和38%之间。根据本发明，层的片材面积AS是仅在一侧上测量的所有分离元件的物理面积与由分离元件包围的开口的总面积的总和。开口的总面积只是开口的（横截面）面积A的总和。此外，结构化填料元件的片材面积AS是结构化填料元件中包括的层的片材面积的总和。如上文所阐述，填料层的空隙分数是此层中的开口的总面积除以此层的片材面积的比值。
优选地，对于至少50%、更优选地对于至少75%、仍更优选地对于至少80%、仍更优选地对于至少90%、还更优选地对于至少95%、并且最优选地对于所有所述至少两个层，层的空隙分数在20%和38%之间。这允许在特别高程度上获得本发明的优点。
此外，优选的是，对于至少50%、更优选地对于至少75%、仍更优选地对于至少80%、仍更优选地对于至少90%、还更优选地对于至少95%、并且最优选地对于所有所述至少两个层，层的空隙分数在25%和35%之间、并且最优选地在28%和32%之间。这导致根据本发明的结构化填料元件的层的特别极佳的润湿。
如果扩展金属片材的网格结构是均匀的（即，当所有或至少大部分开口和分离元件彼此相同或至少高度类似时），则获得特别良好结果。鉴于此，优选的是，所述至少两个层中的每一者的至少50%、更优选地至少75%、还更优选地至少80%、仍更优选地至少90%、还更优选地至少95%、并且最优选地所有开口具有水力直径d，其在所有开口的平均水力直径d的50和150%之间、优选地在70和130%之间、更优选地在80和120%之间、并且最优选地在90和110%之间。
优选地，所述至少两个层中的每一者的至少50%、优选地至少75%、更优选地至少80%、仍更优选地至少90%、还更优选地至少95%、并且最优选地所有开口的水力直径d为1.25至5.0 mm。甚至更优选地，所述至少两个层中的每一者的至少50%、优选地至少75%、更优选地至少80%、仍更优选地至少90%、还更优选地至少95%、并且最优选地所有开口的水力直径d为2.0至4.0 mm、最优选地2.2至3.5 mm。
根据本发明的替代实施例，至少50%、优选地至少75%、更优选地至少80%、仍更优选地至少90%、还更优选地至少95%、并且最优选地所有开口具有1.0至4.0 mm、并且优选地2.0至3.0 mm的较短特性长度e2和2.0至8.0 mm、优选地2.5至7.0 mm、并且最优选地3.0至6.0mm的较长特性长度e1。如上文所阐述，开口的较短特性长度e2是在扩展金属片材的拉伸方向上开口的最大尺寸，并且开口的较长特性长度e1是在垂直于扩展金属片材的拉伸方向的方向上开口的最大尺寸。
在本发明的构思的进一步扩展中，建议，开口的较短特性长度e2与相同开口的较长特性长度e1之间的比值对于至少50%、优选地对于至少75%、更优选地对于至少80%、仍更优选地对于至少90%、还更优选地对于至少95%、并且最优选地对于所有开口为0.4至0.7、优选地0.45至0.6、并且最优选地0.49至0.55。如上文所阐述，开口的较短特性长度e2是在扩展金属片材的拉伸方向上开口的最大尺寸，并且开口的较长特性长度e1是在垂直于扩展金属片材的拉伸方向的方向上开口的最大尺寸。
关于结构化填料元件的扩展金属片材的材料，本发明并不特别受限。例如，扩展金属片材可以由不锈钢或选自由铝、铜、钛、锆和合金组成的群组的化合物制成。
优选地，每一扩展金属片材的片材材料厚度为s = 0.05至0.50 mm、更优选地s =0.08至0.20 mm、并且最优选地s = 0.09至0.15。
通常，结构化填料元件的层的至少50%、更优选地至少75%、甚至更优选地至少80%、仍更优选地至少90%、还更优选地至少95%、并且最优选地所有开口基本上具有椭圆形、透镜状或梯形横截面。
在生产（即，金属板的切割和拉伸）之后，所产生扩展金属片材不再是平坦的。这是单独分离元件的变形、扭曲、弯折或拱起以及分离元件例如通过倾斜与其他分离元件相比的相对变形的结果。其他特征（如毛刺）可能是由冲压工艺产生的，并且因此贡献于厚度。扩展金属片材的所产生尺寸称为网格厚度（随后也称为或简称为“g”）并且可以与层材料厚度相同（如果所述扩展片材是平坦的，则情况如此，因为其已经通过轧制被压平）或是层材料厚度的几倍。网格厚度通常为大约分离元件的宽度b的量值，并且不应比宽度b大很多。因此，网格厚度g与分离元件的平均宽度b的比值在大于0上至大约1.2、更优选地从0.4至1、并且最优选地从0.5至0.8的范围内。网格厚度g显著小于在垂直于纵向方向的平面中测量的两个相邻层之间的最大距离D。
进一步优选的是，每一层的平均网格厚度g与片材材料厚度s之间的比值至少为6。
当每一层（32、32’）的平均网格厚度g为1.0至1.4 mm、优选地1.1至1.3 mm、并且更优选地1.15至1.25 mm时，特别实现良好结果。
所述网格还可以通过如上所述在其顶部上按压板来被压平。
本发明的另一实施例包括扩展金属片材的轧制以便提供具有纹理化表面的扩展金属片材。更具体来说，周期性变形（诸如特别是波纹）中的每一者可以具有包括图案化正面的涓流表面，所述图案化正面包括限定连续交叉毛细管通道的多个隆凸和凹陷。所述隆凸可以与相邻隆凸以邻接关系安置，并且可以具有在其间限定通道的侧壁和与正面相同并限定连续交叉毛细管通道的图案化背面，诸如例如在EP 0190435 B1中描述其。所述隆凸可以具有与网格厚度g类似的高度范围，而无需任何进一步处理。
优选地，最大距离D与网格厚度g的比值（即，D/g）至少为3。
当在垂直于纵向方向的平面中测量的至少两个层中的每一相邻层之间的最大距离D与开口的平均水力直径d之间的比值至多为15时，特别获得良好结果。
如图7c中所示，扩展金属片材提供粗糙侧和平滑侧。优选地，结构化交叉通道填料元件的单个层被布置成使得相邻层以其粗糙侧布置到所述层的粗糙侧上，并且相邻层以其平滑侧布置到所述层的平滑侧上。
在本发明的构思的进一步扩展中，建议，至少50%、优选地至少75%、更优选地至少80%、仍更优选地至少90%、还更优选地至少95%、并且最优选地所有所述至少两个层包括周期性变形，其中所述至少两个层之间的开放空间由所述周期性变形限定。特别优选的是，本发明的结构化填料元件的所有层都包括此类周期性变形，即，本发明的结构化填料元件并不包括任何平坦层。优选地，所述周期性变形中的每一者之间相对于纵向方向的角度（随后也称为或简称为“α”）为10°至60°、更优选地20°至50°、并且最优选地25°至47°，其中相邻层的周期性变形优选地在相反方向上取向。
例如，所述周期性变形可以是包括多个交替取向的峰部和谷部的波纹，其中一层的峰部接触相邻层的谷部，并且一层的谷部接触相邻层的峰部，其中相邻层被取向成使得相邻层的峰部和谷部以交叉方式与所述层的相对于纵向方向偏斜地延伸的峰部和谷部相交。因此，优选的是，至少50%、优选地至少75%、更优选地至少80%、仍更优选地至少90%、还更优选地至少95%、并且最优选地所有所述至少两个层包括周期性变形，其中交叉填料元件的周期性变形是包括多个交替取向的峰部和谷部的波纹，其中一层的峰部接触相邻层的谷部，并且一层的谷部接触相邻层的峰部，其中相邻层被取向成使得相邻层的峰部和谷部以交叉方式与所述层的相对于纵向方向偏斜地延伸的峰部和谷部相交。当然，还可能的是，并非一层的所有峰部都接触相邻层的一个或多个谷部，而是一层的一部分峰部接触相邻层的一个或多个谷部、并且反之亦然。然而，在两个相邻层之间应该存在至少三个触碰点。优选地在其中相邻层的峰部和谷部彼此相对的位置的30至90%、并且更优选地50至80%处，不存在触碰接触，其中在其余位置处，相邻层的相应峰部和谷部彼此触碰。
在此实施例中，当峰部中的每一者与谷部中的每一者之间相对于纵向方向的角度α为10°至60°、优选地20°至50°、并且最优选地25°至47°时，特别获得良好结果，其中相邻层的峰部和谷部优选地在相反方向上取向。这允许轻质相在结构化填料元件的横截面的至少一个方向上的均匀分布。所述角度不应太大，以最小化压降并最大化容量。
为了减少结构化填料元件的压力损失，在本发明的构思的进一步扩展中提出，峰部和谷部在层的末端部分中相对于布置在所述末端部分之间的中心部分的峰部和谷部弯折，使得结构化填料元件的末端区域中的流动阻力相对于布置在末端区域之间的区域的流动阻力减小。因此，此实施例的层的峰部和谷部并不线性地延伸。优选地，峰部和谷部在层的末端部分中弯折以便至少基本上竖直地延伸。基本上竖直意指所述峰部和谷部在层的上下边缘处相对于竖直方向倾斜不超过10°、优选地不超过5°、并且更优选地不超过2°。末端区域是层的沿着片材长度从层的上下边缘延伸30%、优选地25%、并且更优选地20%或以下的最高和最低区域，片材长度是沿着层的纵向方向的方向。末端区域中的每一者可以具有与中心区域的那些峰部和谷部具有不同高度的峰部和谷部，中心区域是层的在两个末端区域之间的区域。替代在两个末端区域中提供此类弯折或不同高度，其可以仅存在于所述末端区域中的一者中。
根据本发明的替代实施例，周期性变形是包括峰部和谷部的具有正方形、三角形、正弦曲线或曲折型横截面的波，其中一层的峰部接触相邻层的谷部，并且一层的谷部接触另一相邻层的峰部，其中相邻层被取向成使得相邻层的峰部和谷部以交叉方式与所述层的相对于纵向方向偏斜地延伸的峰部和谷部相交。
当峰部中的每一者与谷部中的每一者之间相对于纵向方向的角度α为10°至60°、优选地20°至50°、并且最优选地25°至47°时，在此实施例中特别获得良好结果，其中相邻层的峰部和谷部优选地在相反方向上取向。这允许轻质相在结构化填料元件的横截面的至少一个方向上的均匀分布。
关于其中包含的层的数目，本发明并不特别受限。填料元件中的层的数目取决于传质塔的直径和传质所需的比表面积aM。需要越多表面（即，更高比表面积），则将存在越多层，并且因此最大距离D将越小。虽然结构化填料元件通常是具有圆横截面的圆柱形形状，但是也可以存在其他形状的横截面，例如矩形形状，这取决于传热和/或传质塔的形状。如果所述塔具有大直径，则所述元件通常被细分成若干段或拼块以减轻重量并允许分段安装。
当根据本发明的结构化填料元件具有60至750 m2/m3、120至500 m2/m3、并且最优选地200至450 m2/m3的比表面积aM时，获得传质效率和容量特别良好组合。
比表面积aM被限定为结构化填料元件的几何面积AM除以结构化填料元件占据的体积VM。结构化填料元件的几何面积AM是所述元件中包括的所有层的几何面积的总和，其中一层的几何面积将所述层的两侧相加，就好像没有开口或孔一样。换句话说，通过将填料层的片材面积AS乘以2来近似获得所述几何面积，因为层的两侧占所述几何面积。
通过将层中的开口的面积与层的物理面积AP相加获得结构化填料层的片材面积AS。AP仅计数实际存在的表面。孔或开口并不贡献于所述值。通过将其中包括的所有层的片材面积相加获得结构化填料元件的片材面积AS。
结构化填料层的物理面积AP是在结构化填料层中包括的所有分离元件的选定侧上测量的表面的总和。层材料厚度的边缘并不贡献于此面积。填料的物理面积AP是其中包括的所有层的物理面积的总和。
除用于面积的限定aM、AM、AS和AP以外，在本发明的描述中，以更定性或直观方式使用表述“表面”和“表面积”。
优选地，结构化填料元件具有100至300 mm、并且优选地150至250 mm的高度。
根据进一步的方面，本发明涉及一种传质塔，其包括如上文描述的至少一个结构化填料元件。
优选地，所述传质塔包括1至10个、更优选地2至8个、并且最优选地2至4个床，其中每一床包括如上文描述的至少一个结构化填料元件。优选地，一个床包括2至20个、更优选地4至15个、并且最优选地6至10个结构化填料元件。为了在床中实现非常良好气体分布，两个相邻结构化填料元件沿着塔的大致平行于纵向方向的轴线旋转。旋转角度为大约50至120°、更优选地70°至110°、并且最优选地80°至100°。
另外，优选的是，所述传质塔在结构化填料元件的床中的每一者上方包括分布器以便允许至少在传质塔的操作期间将重质相基本上均匀地分布在结构化填料元件床的横截面上方。
根据本发明的进一步优选实施例，提出，所述传质塔在结构化填料元件的每一床的底部下方包括收集器，这允许在传质塔的操作期间收集从结构化填料元件的层的表面向下滴流的重质相。
附图说明
随后参考附图并通过示例描述根据本发明的具体实施例。
图1是根据本发明的一个实施例的包括数个结构化交叉通道填料元件的传质塔的示意性侧视图。
图2a是根据本发明的一个实施例的结构化交叉通道填料元件的片材的一部分的分解视图。
图2b是图2a中所示的结构化交叉通道填料元件的示意性侧视图。
图2c示出图2a中所示的结构化交叉通道填料元件的两个层。
图3是根据本发明的另一实施例的结构化交叉通道填料元件的片断视图。
图4a-f是根据本发明的结构化交叉通道填料元件的层的扩展金属片材的网格结构的不同实施例的示意图。
图5a-b是图示分离元件的平均宽度和开口的平均水力直径的确定的示意图。
图6图示由波纹状层制成的结构化交叉通道填料元件的最小变形部分的确定。
图7a是根据本发明的另一示例的结构化交叉通道填料元件的层的扩展金属片材的示意性顶视图。
图7b-c分别是沿着图7a的平面A和B的示意图。
图8是图7中所示的结构化交叉通道填料元件的层的扩展金属片材的示意性平面图。
图9示出填料层的横截面的示意图以图示面积AP（图9b）、AS（图9c）、AM、VM和aM（图9d）的限定。
图10示出在示例1以及比较示例1中针对蒸馏塔的960 mbar的水头压力获得的效率曲线。
图11示出在示例1以及比较示例1中针对蒸馏塔的100 mbar的水头压力获得的效率曲线。
图12示出在示例1以及比较示例1中针对蒸馏塔的100 mbar的水头压力获得的压降。
图13示出在示例2以及比较示例2和3中针对蒸馏塔的960 mbar的水头压力获得的效率曲线。
图14示出在示例2以及比较示例2和3中针对蒸馏塔的100 mbar的水头压力获得的效率曲线。
图15示出在示例2以及比较示例2和3中针对蒸馏塔的100 mbar的水头压力获得的压降。
具体实施方式
图1示出根据本发明的一个实施例的传质塔10、并且更具体来说蒸馏塔10的示意性侧视图（图的透明内部仅是出于说明性目的）。同样，出于说明性目的，层的网格结构未示出在图1中，而是仅示出在图4中。蒸馏塔10包括多个结构化交叉通道填料元件12，其以两个床14、14’的形式布置。分布器16, 16’布置在两个床14、14’中的每一者上方以使液体均匀地分布在床的横截面上，同时留出足够空间以使蒸气上升通过其。网格状保持设备18和收集器20布置在每一床14、14’下方，其中网格状保持设备18使床14保持在其位置处，并且收集器20收集从床14向下滴流的液体，同时在收集器中留出足够开放空间来使蒸气上升。
在蒸馏塔10的操作期间，气体作为轻质相从底部上升到顶部，而液体作为重质相以逆流从蒸馏塔10的顶部下降到底部。更具体来说，液体基本上由分布器16均匀地分布在床14的横截面上方并沿着结构化交叉通道填料元件12的层的表面向下滴流。在结构化交叉通道填料元件12的不同层之间提供开放空间，其填充有气体并为气体在由其压力梯度驱动上升时提供路径。通过允许液体散布在结构化交叉通道填料元件12的层的表面上，在所述两相之间形成大界面，使得在所述界面处建立液体与气体之间的高效传热和传质。在床14的底部处，液体被收集在收集器20中并经由管道22向下引导至第二床14’上方的分布器16’。
图2a至图2c示出所谓的交叉通道波纹状片材填料类型的结构化交叉通道填料元件12。出于说明性目的，层的网格结构未示出在图2中，而是仅示出在图4中。结构化交叉通道填料元件12由平行并彼此触碰接触的多个波纹状片材24、24’组装而成。波纹状片材24、24’中的每一者是网格，如上所述并且如下文根据图4进一步详细描述。在图2c的右下角，示意性地示出波纹状片材24的一部分的网格结构。如从以上说明书所理解，实际上所有波纹状片材24、24’都由此类网格组成，其仅出于说明性原因而未示出在图2a至图2c中。在本实施例中，波纹状片材24、24’由扩展片材材料制成，即，其通过切割和拉伸薄金属板、并且然后使所述扩展片材金属变形成波纹状片材24、24’制备而成。
波纹状金属片材24、24’借助于垂直于波纹状片材24、24’的纵向截面穿透波纹状片材24、24’的数个杆（未示出）彼此固定，其中所述杆借助于垫圈和螺母或通过弯折所述杆或通过任何其他器件（未示出）而与第一个和最后一个波纹状片材固定。每一波纹状片材24、24’包括多个交替取向的峰部26和谷部28，其中相邻波纹状片材24、24’被取向成使得相邻波纹状片材24、24’的波纹26、28以交叉方式与波纹状片材24、24’的相对于纵向方向偏斜地延伸的波纹26、28相交，因此形成彼此连续交叉的倾斜通道30。更具体来说，峰部26中的每一者与谷部28中的每一者之间相对于纵向方向V的角度α为10°至60°、优选地20°至50°、并且最优选地25°至47°，其中相邻层32、32’或24、24’的峰部26和谷部28分别在相反方向上取向。通道30限定相邻波纹状片材24、24’之间的最大距离D，诸如例如20 mm。这些通道30积极地影响结构化填料交叉通道元件12内的气相和液相的流动并促进所述相之间的传质。即，使气相和液相与结构化交叉通道填料元件12的通道30接触，并且因此促进所述相之间的传质和传热。更具体来说，上升的气体与液体接触，当流体向下流过传质塔时，其存在于限定通道30的波纹状片材24、24’的表面上。总而言之，轻质相分别流过开放空间或通道30，而无旁路流过结构化交叉通道填料元件12的层32、32’的网格38的开口40。这导致轻质相与重质相之间的特别高效传质和传能。此外，通道30的交叉方式导致相从左到右的最佳分布。
图3示出根据替代实施例的结构化交叉通道填料元件的片断视图。图3的结构化交叉通道填料元件类似于图2a至图2c中所示的结构化交叉通道填料元件，除了波纹状片材24、24’并不包括线性延伸的峰部和谷部，而是波纹状片材24、24’的峰部26、26’和谷部在末端部分33、33’中弯折以便基本上在竖直方向上在波纹状片材24、24’的末端部分33、33’中延伸。在图3中，实线绘示波纹状片材24的呈现给观察者的面中的波纹的峰部26，而虚线26’绘示波纹状片材24’的直接在视图中的面后面的对应面中的波纹的峰部。通过分别弯折末端部分或区域33、33’以便基本上在竖直方向上在波纹状片材24、24’的末端部分33、33’中延伸，与位于波纹状片材24、24’的末端部分33、33’之间的部分的流动阻力相比，波纹状片材24、24’的末端部分33、33’的流动阻力减小。这导致结构化交叉通道填料元件的减小的压力损失。末端区域是波纹状片材24、24’的沿着波纹状片材24、24’的长度从波纹状片材24、24’的上下边缘延伸30%、优选地25%、并且更优选地20%或以下的最高和最低区域33、33’，所述长度是沿着波纹状片材24、24’的纵向方向的方向。末端区域33、33’中的每一者可以具有与中心区域的那些峰部和谷部具有不同高度的峰部26、26’和谷部，中心区域是层的在两个末端区域33、33’之间的区域。诸如不同高度或弯折等特征可以仅存在于波纹状片材24、24’的两个末端区域33、33’中。
图4a至图4f是形成根据本发明的结构化交叉通道填料元件12的层32的网格38的不同实施例的示意图，其例如适于用于如图2a至图2c和图3中的任一者中所示的结构化交叉通道填料元件中。图4a中所示的结构化交叉通道填料元件的层32的网格38包括具有四边形横截面的开口40，其中开口40由分离元件42环绕并彼此分离。分离元件42是具有例如2mm的平均宽度b的细条，其中分离元件42完全环绕开口40。开口40的两个边长a1、a2被选择成产生具有例如3 mm的合适水力直径d的开口40。如本领域中所知，可以根据公式4 A / P计算水力直径d，其中A是开口40的横截面面积，并且P是开口40的周长。
网格38由扩展片材材料简单生产而成，即，通过切割和拉伸薄金属板，并且然后使所述扩展片材金属变形成所期望的形式，诸如变形成波纹状片材。
在图4b至图4f中示出具有不同几何形状的开口40和不同几何形状的分离元件42的网格38。图2b和图2c的网格38的开口40是四边形的，而图2d的网格38的开口40是不规则的，并且图2e和图2f的网格38的开口40是椭圆形的。其也可以具有透镜状形状。
随后，参考图5a和图5b描述根据本发明的结构化填料元件的分离元件42的宽度b和网格38的开口40的水力直径d的确定。首先，通过在不同角度拍摄开口40的三张摄影图片44a、44b、44c来制成结构化填料元件12的开口40、40’中的一者的数个平面图。沿着由分离元件42的相邻边缘48、48’限定的平面的法向轴线截取开口40摄影图片44a、44b、44c的平面图。然后将使开口40最大的摄影图片44b视为开口40的平面图。使用一个参考长度z来确定平面图上的长度和大小。这通过识别或标记开口40附近的实物上的一定距离z并测量其长度来实现。使用此距离在平面图上的有效长度z’与在实物上测量的出现距离z之间的比值来缩放在平面图上测量的所有其他距离。
为确定分离元件42的宽度b，将平面图的分离元件42划分成各自具有区段长度di的表示为i=1, 2, 3 ... n的单独区段46。针对所述区段中的每一者，测量区段46内的相邻边缘48、48’之间的最短距离bi。乘积di .bi的总和除以di的总和乘以系数z/z’产生分离元件42的平均宽度b。
借助公式4 A / P计算开口40的水力直径，其中A是开口40的横截面面积，并且P是相同开口40的周长。开口40的横截面面积被细分成各自具有简单形状的数目j=1, 2, 3... m个区段50。每一区段50的面积表示为Aj并使用基本量度和基本几何公式计算。通过使在开口40中确定的所有面积Aj相加获得开口40的面积A。
通过将开口40’的周长P细分成数目k=1, 2, 3 ...K个单独直线Pk来确定开口40’的周长P，所述单独直线最好地接近开口40’并用闭合多边形表示所述开口。通过使这些直线Pk的长度相加，获得周长P。同样，必须使用上文限定的比值z/z’将所述长度转换成实际长度。
图6图示由波纹状片材24、24’作为层32、32’制成的结构化填料元件的最小变形部分的确定。如上文所阐述，在本发明的优选实施例中，结构化填料元件12的层32、32’由扩展片材金属制成，即，通过切割和拉伸薄金属板，并且然后使所述扩展片材金属变形成例如波纹状片材24、24’。在此加工之后，开口和分离元件很可能在波纹状片材24、24’的波纹的峰部26和谷部28周围扭曲和/或拉伸。
然而，由连接峰部26和谷部28的网格的大致笔直部分限定的倾斜侧翼包括具有几乎未修改大小的开口和分离元件，因为在那里变形不太明显。因此，根据本发明，优选的是仅测量层的较少变形的部分中的尺寸，其被表示为波纹状片材24、24’的“最小变形部分”。如下限定此“最小变形部分”：所述波纹状片材具有平均层宽度W。此平均层宽度由层24的大部分峰部26和谷部28的幅度确定。将下图中由两个虚线表示的上下平面绘制成触碰所述层的大部分峰部26和谷部28。这两个虚线之间的距离称为平均层宽度W，并且其通常大约为最大距离D的一半。值W通常是恒定值，但是在最一般情况下，其可以变化，因为这两个平面无需平行，并且填料元件可以包含具有不同宽度的层。限定第三中心平面52，其以如下方式放置：从此中心平面52上的每一点，到上下平面测量的距离相同。在确定网格的特性尺寸时应该考虑的波纹状层24的最小变形部分由围绕中心平面52定位在W的±20%、更优选地±30%、并且最优选地±40%处的上下限制平面54、54’界定。在确定诸如孔的平均水力直径和分离元件的平均宽度等参数时分析此最小变形部分中的开口和分离元件（即，在这两个限制平面54、54’之间发现的开口和分离元件）。根据本专利申请的一个实施例，对于所述限制平面之间的至少90%的孔，以下有效：每一开口及其周围分离元件系统应该具有相同外观和相同水力直径d。周围分离元件平均应该具有相同宽度b。满足此陈述的结构化填料元件层被视为由均匀网格制成的层。
以上观察结果也对具有任何不同形状的层有效。其并不限于波纹状层。
图7a是根据本发明的另一示例的结构化交叉通道填料元件的层的扩展金属片材的示意性顶视图。通过以下方式制成所述顶视图：在通过将扩展金属片材铺设在平坦表面上而使扩展金属片材压平之后拍摄扩展金属片材的摄影图片，将板放在扩展金属片材的顶部上，并且然后以足够低压力向下按压扩展金属片材的顶部上的板以便仅压平扩展金属片材，而不改变分离元件和开口的几何形状和尺寸。所述扩展金属片材包括具有基本上梯形形式的开口40、40’、40’’、40’’’，所述开口通过分离元件42彼此分离。因此，开口40、40’、40’’具有较短特性长度e2和较长特性长度e1，其中开口40、40’、40’’的较短特性长度e2是在扩展金属片材的拉伸方向SD上开口的最大尺寸，并且开口40、40’、40’’的较长特性长度e1是在垂直于扩展金属片材的拉伸方向SD的方向上开口的最大尺寸。扩展金属片材的拉伸方向SD是在扩展金属片材的生产期间沿着其拉伸片材金属的方向。例如，通过测量在垂直于扩展金属片材的拉伸方向SD的方向上的开口40’’的边缘的最外左侧点至最外右侧点之间的距离来确定开口40、40’、40’’的较长特性长度e1，而可以通过测量开口40的边缘的最高点与最低点之间的距离来确定开口40、40’、40’’的较短特性长度e2。为了特别精确地确定特性长度e1和e2，可以针对至少5个不同开口40、40’、40’’、并且更优选地针对至少10个不同开口40、40’、40’’测量相应尺寸，并且然后分别将所测量值的总和除以5或10。
通过测量开口40的边缘的一侧的最外点与在垂直于扩展金属片材的拉伸方向SD的方向上相邻的开口40’’’的边缘的同一侧的最外点之间的距离来确定在垂直于扩展金属片材的拉伸方向SD的方向上彼此相邻并通过分离元件42分离的两个开口40、40’、40’’’之间的距离u1。在图7a中，通过测量开口40的边缘的左侧的最外点与在垂直于扩展金属片材的拉伸方向SD的方向上相邻的开口40’’’的边缘的左侧的最外点之间的距离来确定距离u1。另外，通过测量在扩展金属片材的拉伸方向SD上的开口40的边缘的一侧的最外点与在扩展金属片材的拉伸方向SD上相邻的开口40’的边缘的同一侧的最外点之间的距离来确定在扩展金属片材的拉伸方向SD上彼此相邻并通过分离元件42分离的两个开口40、40’之间的距离u2。在图7a中，通过测量在扩展金属片材的拉伸方向SD上的开口40的边缘的上侧的最高点与在扩展金属片材的拉伸方向SD上相邻的开口40’的边缘的上侧的最高点之间的距离来确定距离u2。为了特别精确地确定距离u1，可以通过测量在垂直于扩展金属片材的拉伸方向的方向上的开口40的边缘的一侧的最外点与在扩展金属片材的相同方向上的第五或第十个相邻开口的边缘的同一侧的最外点之间的距离并分别将所述距离除以4或9来确定距离u1。与此相同，可以通过测量在扩展金属片材的拉伸方向上的开口40的边缘的一侧的最外点与在扩展金属片材的拉伸方向上其相邻布置的第五或第十个开口的边缘的同一侧的最外点之间的距离并分别将所述距离除以4或9来确定距离u2。
同样，可以通过使用上文限定的系数z/z’将在摄影图片上确定的尺寸转换成实际长度。
根据上述值，如果所述开口具有确切菱形形状，则可以通过以下方程获得开口40、40’、40’’、40’’’的面积和周长P长度的长度：
A = e1 .e2/2
P = 2.√（e1 2+ e2 2）
此外，扩展金属片材可以由被限定为fs= u2/2b的拉伸因子来表征。
图7b和图7c分别是沿着图7a的平面A和图7b的平面B的示意图。如这些图中所示，由生产过程（即，通过切割和拉伸金属板）产生的扩展金属片材不再是平坦的。这是单独分离元件的变形、扭曲、弯折或拱起以及分离元件例如通过倾斜与其他分离元件相比的相对变形的结果。其他特征（如毛刺）可能是由冲压工艺产生的，并且因此贡献于厚度。扩展金属片材的所产生尺寸是网格厚度g并且可以与层材料厚度相同（如果所述扩展片材是平坦的，则情况如此，因为其已经通过轧制被压平）或是层材料厚度的几倍。本发明的另一实施例包括扩展金属片材的轧制以便提供具有纹理化表面的扩展金属片材。更具体来说，周期性变形（诸如特别是波纹）中的每一者可以具有包括图案化正面的涓流表面，所述图案化正面包括限定连续交叉毛细管通道的多个隆凸和凹陷。所述隆凸可以与相邻隆凸以邻接关系安置，并且可以具有在其间限定通道的侧壁和与正面相同并限定连续交叉毛细管通道的图案化背面，诸如例如在EP 0190435 B1中描述其。所述隆凸可以具有与网格厚度g类似的高度范围，而无需任何进一步处理。网格厚度g通常为大约分离元件的宽度b的量值，并且不应比宽度b大很多。因此，网格厚度g与分离元件的平均宽度b的比值最优选地在从0.5至0.8的范围内。网格厚度g显著小于在垂直于纵向方向的平面中测量的两个相邻层之间的最大距离D。
图8是图7中所示的结构化交叉通道填料元件的层的扩展金属片材的示意性平面图。如上所述获得所述平面图。
图9示出填料层的横截面的示意图以便解释如何区分表面面积的各种表述。图9a示出结构化填料元件12的典型层的横截面。形成分离元件42的材料由黑线表示，而白色部分表示层32、32’中的开口40、40’。每一黑色部分是穿过分离元件42的横截面。黑线的粗细表示层材料厚度s。在图8b至图8d中，此层上的面积仅由遵循层轮廓的细线表示。在图9b中示出结构化填料层32、32’的物理面积AP。其是在所有其分离元件42的选定侧上测量的表面的总和。分离元件42的边缘（具有典型宽度s）48、48’并不贡献于此面积。相反，AP仅计数实际存在的表面。因此，孔并不贡献于所述值。结构化填料元件12的物理面积AP是其中包括的所有层32、32’的物理面积Ap的总和。图9c限定填料层的片材面积AS。其通过使层中的开口的面积与层的物理面积AP相加而获得。通过将其中包括的所有层32、32’的片材面积AS相加获得结构化填料元件12的片材面积AS。如图9d中限定的层的几何面积AM将层的两侧相加，就好像没有开口40、40’或孔一样。换句话说，通过将填料层的片材面积AS乘以2来近似获得几何面积AM，因为层的两侧占几何面积AM。比表面积aM被限定为结构化填料元件的几何面积AM除以结构化填料元件占据的体积VM。
示例以及比较示例
在蒸馏塔中测试如图2中所示的结构化填料元件12。通常已知的标准程序在全回流条件下使用二元混合物确定填料床上的压降和传质效率。专利EP 0 995 958 B1描述在22 psia的压力下借助氧气和氩气的这种测试。US 6,874,769 B2描述通过使用近沸二元混合物对二甲苯和邻二甲苯测试结构化填料元件。在本发明中使用与后者具有类似理想特性的二元混合物，即一氯苯（作为低沸点化合物）和乙苯（作为高沸点化合物）。在U. Onken,W. Arlt:"Recommended Test Mixtures for Distillation Columns"（1990年第2版、英国化工工程学会、英格兰、拉格比、ISBN 0-85295-248-1）中规定用于评估蒸馏装备的性能的其他标准近沸理想二元混合物。
蒸馏塔的底部填充有足够量的二元混合物以在塔的操作期间维持适当液位。启动再沸器，部分液体混合物不断汽化，并且蒸气朝向塔的顶部上升。蒸气的流率可以用因子F表示，并且通常经由塔顶处的再沸器或冷凝器处的能量平衡间接确定。冷凝器冷却蒸气，使得其冷凝回液体。在优选全回流条件下，全部量的液体被送回到填料床的顶部，在那里，其借助于分布器分布。分布器通常是包括通道的设备，所述通道接收液体并提供一组均匀间隔的孔口，液体可以通过所述孔口向下滴流到结构化填料床的顶部填料上。在滴流通过结构化填料床之后，全部量的液体借助于收集器收集在塔的底部处或床的底部处，从那里，其被送回到塔的底部。在底部处，液体加入液体池，从那里，其再次汽化。通过控制冷凝器的冷却负荷结合真空泵去除多余惰性气体来建立恒定水头压力p。
在恒定再沸器负荷下操作一定时间之后，实现稳态条件。此时，读取填料床上方的压降和沿着塔的相关点的温度，并从填料床的顶部处的分布器和从填料床的下端处的收集器或从集液槽获取所述混合物的顶部和底部样品。通过改变热（和冷却）负荷来测量数个操作点，这影响因子F（蒸汽流量）和通过填料床的相关液体流量，而水头压力保持不变。针对水头压力的数个设置重复相同实验。
借助于经校准气相色谱仪分析样品的组成。顶部和底部样品因其包含的低沸点化合物的量而有所不同。比起在底部样品中，在顶部样品中发现更多低沸点化合物，即，具有较低沸点的化合物。一旦已知二元组成，便应用根据Fenske （M. R. Fenske,Ind.Engng.Chem.24、第482页、1932年）的方程来确定每米的理论级数（NTSM）。有时，使用倒数值HETP，其称为等效于理论板的高度。
HETP = 1 / NTSM
高NTSM（或低HETP）意味着良好传质效率。
通过以下限定因子F：
F =vG .√ρG
其中vG是上升蒸气的平均速度，其可以经由再沸器处的能量平衡由质量流率确定。第二变量ρG是相关蒸气/液体平衡处的蒸气密度。由于压力和温度沿着塔的变化，蒸气密度和流体的其他物理性质沿着塔变化，但是相关信息可用于二元混合物。此类变化需要选择因子F的适当限定。其可以借助于在填料床的顶部或底部处的条件下有效的性质来确定。可替代地，可以考虑整个床的变化来计算平均值。出于比较目的，任何可能方法都工作，前提是所有测试使用相同方法。
高因子F意味着塔中的高质量流率。可实现的F值通常受到确定填料的容量的溢流的限制。有时，使用容量因子c来代替F，容量因子c通过用F除以液体和蒸气的密度差的平方根而获得。
填料床上方的压降是实验的另一相关结果。其作为填料床的顶部和底部处的压力读数之间的差在除以床高度HB之后获得：
ΔP /Δz =（ptop – pbottom）/ HB
在示例以及比较示例中使用五种结构化填料元件，其分别命名为P1-250、R-250、P2-500、P3-500和R-500。虽然结构化填料元件P1-250和P2-500是根据本发明的由若干层制成的交叉通道波纹状片材填料，但是结构化填料元件P3-500、R-250和R-500是不根据本发明的结构化填料元件。更具体来说，结构化填料元件R-250和R-500是如在GB 1,569,828和US 4,981,621中所述具有冲孔（导致层的大约10%空隙分数）和表面纹理化的已知标准交叉通道波纹状片材填料，其以名称Mellapak 250.Y和Mellapak 500.X商业流通。所有结构化填料元件都具有大约200 mm的高度。在表1中总结上述结构化填料元件的相关参数。
表1
示例1以及比较示例1
在具有1 m内直径的蒸馏塔中在全回流下使用一氯苯和乙苯在p=960 mbar（接近大气压）和p=100 mbar的水头压力下测试根据本发明的结构化填料元件P1-250和不根据本发明的参考结构化填料元件R-250。填料床为4.3 m高。所获得效率曲线示出在图10和图11中。在两种情况下，与参考结构化填料元件R-250相比，根据本发明的结构化填料元件P1-250示出更高传质效率（更高NTSM）以及甚至稍微扩展的容量，其由因子F表征，其中效率突然暴跌。显著并且令人惊讶的是，比起参考结构化填料元件R-250，结构化填料元件P1-250具有减少30%的材料使用量（和减少20%的物理面积AP），其实现更好传质结果。
两个结构化填料元件的压降示出在图12中并且非常类似。因此，根据本发明的结构化填料元件P1-250在低F因子下具有较高压降，但是斜率较低，这为新填料提供其容量优点和高流率下的较低压降。
示例2以及比较示例2至3
在具有0.25 m内直径的塔中在全回流下使用一氯苯和乙苯在p=960 mbar和p=100mbar的水头压力下测试根据本发明的结构化填料元件P2-500和参考结构化填料元件R-500。此外，测试结构化填料元件P3-500。尽管与P2-500类似，但是结构化填料元件P3-500相当不同，因为重要几何参数都设置成超出如在本发明中规定的数值范围之外的值。更具体来说，对于结构化填料元件P3-500，在垂直于拉伸方向上测量的相邻开口之间的距离u1与分离元件的平均宽度的比值u1/b为7.2，并且分离元件的平均宽度与层材料厚度的比值b/s为7，即，这两个比值因此都在本发明中规定的数值范围之外。P2-500和P3-500的填料床为2.4 m高，并且参考R-500的填料床具有2.6m的高度。
这些结构化填料元件的所获得效率曲线示出在图13和图14中，并且这些结构化填料元件的所获得压降示出在图15中。
在图13和图14中针对960 mbar的水头压力和100 mbar的水头压力两者可以容易地得出根据本发明的结构化填料元件P2-500与结构化填料元件P3-500和R-500（不根据本发明）相比的更好效率。传质效率的散布在低水头压力下尤其显著。有趣的是，P3-500具有不错容量，但是效率显著低于R-500。两个结构化填料元件P2-500和P3-500最初都具有比R-500高的压降，但是当F增加时，其获得优点，并且在此图中还可以辨识出两者的更高容量。
附图标记和缩写列表
10 传质塔/蒸馏塔
12 结构化交叉通道填料元件
14、14’ 结构化填料元件的床
16、16’ 分布器
18 保持设备
20 收集器
22 管道
24、24’ 波纹状片材
26 层的峰部
26’ 相邻层的峰部
28 谷部
30 通道/开放空间
32、32’ 层
33、33’ 波纹状片材的末端部分
34 凹部
36 凹部谷部壁
38 网格
40、40’、40’’、40’’’ 网格的开口
42 网格的分离元件
44a、44b、44c 在不同角度下拍摄的开口的摄影图片
46 分离元件的截面
48、48’ 分离元件的截面的边缘
50 开口的截面
52 中心平面
54、54’ 确定由波纹状层制成的结构化填料元件的最小变形部分的上下限制平面
A 开口的横截面面积
a1 开口的边长
a2 开口的第二边长
aM 填料或层的比表面积
Aj 开口的截面的面积
AM 几何面积
AP 物理面积
AS 片材面积
b 分离元件的平均宽度
bi 分离元件的截面的相邻边缘之间的最短距离
d 开口的平均水力直径
di 分离元件的截面的长度
e1 开口的较长特性长度
e2 开口的较短特性长度
g 网格厚度
s 层材料厚度
D 至少两个层/波纹状片材中的至少相邻者之间的最大距离
P 开口的周长
Pk 开口的周长区段的直线
SD 扩展金属片材的拉伸方向
u1 在垂直于扩展金属片材的拉伸方向的方向上相邻的两个开口之间的距离
u2 在扩展金属片材的拉伸方向上相邻的两个开口之间的距离
V 纵向方向，其通常是竖直方向
W 层或波纹状片材的平均层宽度
z 层的参考长度
z’ 摄影图片的平面图上的参考长度
α 峰部中的每一者与谷部中的每一者之间相对于纵向方向的角度

Claims (15)

1.一种用于重质流体相与轻质流体相之间的传质和/或换热的塔(10)的结构化交叉通道填料元件(12)，其中，所述结构化交叉通道填料元件(12)包括由扩展金属片材制成的至少两个相邻层(32、32’)，每一层包括开口(40、40’、40”、40”’)，所述开口(40、40’、40”、40”’)由分离元件(42)环绕并通过分离元件(42)彼此分离，其中，所述至少两个层(32、32’)中的至少两者在所述填料元件(12)的纵向方向(V)上平行布置并彼此触碰接触，使得在其之间提供从所述至少两个层(32、32’)的一端延伸到相对端的开放空间(30)，使得所述重质流体相和所述轻质流体相中的至少一者能够流过其，其中，相邻开口(40、40’、40”、40”’)之间的分离元件(42)的至少50％的平均宽度(b)与片材材料厚度(s)的比值至少为15，其中，在垂直于所述纵向方向(V)的平面中测量的所述至少两个层(32、32’)中的至少两者之间的最大距离(D)与所述分离元件(42)的平均宽度(b)之间的比值至少为4，并且其中，在垂直于所述扩展金属片材的拉伸方向的方向上相邻于分离元件(42)的两个开口(40、40”’)之间的距离(u1)与此分离元件(42)的平均宽度(b)之间的比值对于所有分离元件(42)的至少50％为4至6，其中，通过确定在垂直于所述扩展金属片材的拉伸方向的方向上的开口(40)的边缘的一侧的最外点与所述扩展金属片材的相同方向上的相邻开口(40”’)的边缘的同一侧的最外点之间的距离来测量距离(u1)，其中，所述填料元件(12)的纵向方向是从传质和/或换热塔的顶部到底部的方向，其中，所述扩展金属片材的拉伸方向是垂直于所述结构化交叉通道填料元件(12)的纵向方向(V)的方向，并且其中，通过将所述分离元件(42)划分成各自具有区段长度di的单独区段i＝1,2,3...n来确定分离元件(42)的平均宽度(b)，其中，针对所述区段中的每一者，测量所述区段内的相邻边缘之间的最短距离bi，并且用乘积di.bi的总和除以di的总和来得到分离元件(42)的平均宽度b。
2.根据权利要求1所述的结构化填料元件(12)，其中，至少50％的至少两个层(32、32’)由扩展金属片材制成并且包括周期性变形(26、28、34)，其中，所述层(32、32’)被取向成使得相邻层(32、32’)的周期性变形(26、28、34)以交叉方式与所述层(32、32’)的相对于纵向方向(V)偏斜地延伸的周期性变形(26、28、34)相交，其中，每一层(32、32’)在所述层(32、32’)的周期性变形(26、28、34)与相邻层(32、32’)的那些周期性变形之间的交点处接触相邻层(32、32’)中的每一者，并且其中，至少两个层(32、32’)之间的开放空间(30)由周期性变形(26、28、34)限定。
3.根据权利要求1或2所述的结构化填料元件(12)，其中，至少75％的分离元件(42)的距离(u1)与平均宽度(b)之间的比值为4至6。
4.根据权利要求1或2所述的结构化填料元件(12)，其中，对于至少50％的开口(40、40’、40”、40”’)，所述距离(u1)为5至20mm。
5.根据权利要求1或2所述的结构化填料元件(12)，其中，在所述扩展金属片材的垂直于纵向方向(V)的方向的拉伸方向上彼此相邻的第一开口(40)与第二开口(40’)之间的距离(u2)与在垂直于所述扩展金属片材的拉伸方向的方向上彼此相邻的第一开口(40)与第三开口(40”)之间的距离(u1)之间的比值为0.4至0.7，其中，通过确定所述扩展金属片材的拉伸方向上的第一开口(40)的边缘的一侧的最外点与在所述扩展金属片材的拉伸方向上相邻的相邻第二开口(40’)的边缘的同一侧的最外点之间的距离来测量距离(u2)，并且其中，通过确定垂直于所述扩展金属片材的拉伸方向的方向上的第一开口(40)的边缘的一侧的最外点与所述扩展金属片材的相同方向上的相邻第三开口(40”)的边缘的同一侧的最外点之间的距离来测量距离(u1)。
6.根据权利要求1或2所述的结构化填料元件(12)，其中，对于至少50％的开口(40、40’、40”、40”’)，距离(u2)与距离(u1)之间的比值为0.4至0.7。
7.根据权利要求1或2所述的结构化填料元件(12)，其中，对于至少50％的开口(40、40’、40”、40”’)，距离(u2)为2至8mm。
8.根据权利要求1或2所述的结构化填料元件(12)，其中，相邻开口(40、40’、40”、40”’)之间的至少50％的分离元件(42)的平均宽度(b)为1.5至4mm。
9.根据权利要求1或2所述的结构化填料元件(12)，其中，相邻开口(40、40’、40”、40”’)之间的至少一个分离元件(42)的平均宽度(b)与片材材料厚度(s)之间的比值至少为18。
10.根据权利要求1或2所述的结构化填料元件(12)，其中，在至少50％之间的至少两个层(32、32’)之间，在垂直于纵向方向(V)的平面中测量的最大距离(D)与所述分离元件(42)的平均宽度(b)之间的比值为4至15。
11.根据权利要求1或2所述的结构化填料元件(12)，其中，对于至少50％的至少两个层(32、32’)，开口(40、40’、40”、40”’)的总面积除以层(32、32’)的片材面积(AS)的比值在20％和38％之间。
12.根据权利要求1或2所述的结构化填料元件(12)，其中，至少50％的开口(40、40’、40”、40”’)具有所述开口(40、40’、40”、40”’)的1至4mm的较短特性长度(e2)和2至8mm的较长特性长度(e1)，其中，开口(40、40’、40”、40”’)的较短特性长度(e2)是扩展金属片材的拉伸方向上的开口(40、40’、40”、40”’)的最大尺寸，并且开口(40、40’、40”、40”’)的较长特性长度(e1)是垂直于扩展金属片材的拉伸方向的方向上的开口(40、40’、40”、40”’)的最大尺寸。
13.根据权利要求1或2所述的结构化填料元件(12)，其中，对于至少50％的开口(40、40’、40”、40”’)，开口(40、40’、40”、40”’)的较短特性长度(e2)与相同开口(40、40’、40”、40”’)的较长特性长度(e1)之间的比值为0.4至0.7。
14.一种传质塔，其包括至少一个根据前述权利要求中的任一项所述的结构化填料元件(12)。
15.一种使用根据权利要求1至13中的任一项所述的结构化填料元件(12)的方法，用于传质和/或换热。
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