CN114761121B - 具有减少的材料需求的结构化填料元件 - 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填料元件，其中所述结构化填料元件包括网格的至少两个层，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%的平均宽度是层材料厚度的至少15倍并且在相邻开口的平均水力直径的70%和125%之间，并且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是所述分离元件的平均宽度的至少4倍。

Description

具有减少的材料需求的结构化填料元件
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 1 253 673、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填料元件来满足，其中所述结构化填料元件包括网格的至少两个层，其包括开口，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50%的分离元件的平均宽度是所述层材料厚度的至少15倍并且在相邻开口的平均水力直径的70%和125%之间，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是分离元件的平均宽度的至少4倍，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，并且其中所述层材料厚度是所述层的材料的厚度，其中所述层材料厚度借助于测微螺旋在所述层的外边缘中的一者处测量。
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，在相邻开口的水力直径的70%和125%之间）并且显著比层材料厚度宽（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，通过增加相邻开口之间的分离元件的平均宽度除以相邻开口的水力直径的比值，与前述现有技术文档中教示的比值相比，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，所述层的网格可以仅由扩展片材材料生产，即，通过切割和拉伸薄金属板，并且然后在第二步骤中，使扩展片材金属变形为例如波纹状片材。因此，可以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填料元件的纵向方向：结构化填料元件放置在水平区域上，使得结构化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%的平均宽度是层材料厚度的至少15倍。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。
层材料厚度意指根据材料的厚度分别构成或形成层。例如，如果所述层由片材、诸如扩展片材制成，则层材料厚度是片材厚度。如果层材料厚度或者片材厚度分别在层的区域内变化，则层材料厚度是借助于例如测微螺旋在层的外边缘中的一者处测量的形成所述层的材料的厚度。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。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。使用此距离在平面图上的有效长度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，而带撇号变量表示在平面图上测量的长度，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。
如果网格通过扩展片材金属（即，通过切割和拉伸片材材料）来生产，则所产生开口通常具有菱形形状，具有四个大致相同的边长a1和短对角线e2与长对角线e1（也称为特性长度）。因此，如图9中示意性地示出（其在下文进一步详细描述），每一菱形开口由各自具有宽度b的四个分离元件环绕，其中相邻开口的分离元件在接合点处彼此连接。水力直径d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单元格的尺寸和分离元件的宽度b。单元格是覆盖开口的四边形（或菱形），其中四边形延伸穿过分离元件的四个接合点的中点。单元格具有短单元格高度u2和长单元格宽度u1。短单元格高度u2与开口的短对角线e2对齐，而长单元格高度u1与开口的长对角线e1对齐。扩展方向（片材金属加工的方向），即通过切割和拉伸，通常与短单元格高度u2相关。单元格尺寸u1和u2与开口的对角线e1和e2的不同之处在于必须添加的分离元件的一部分。如果指定了单元格尺寸u1、u2和分离元件的宽度 b，则使用以下方程确定相应开口的水力直径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。
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是层材料厚度（随后也称为或简称为“s”）的至少15倍。当相邻开口之间的分离元件的至少50%的平均宽度b是层材料厚度s的至少18倍时，获得特别良好结果。
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%、并且最优选地所有分离元件的平均宽度b是层材料厚度s的至少18倍。
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是分离元件的平均宽度b的至少4倍。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是在至少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的至少4倍时，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是分离元件的平均宽度b的至少5倍、并且更优选地至少8倍。
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是分离元件的平均宽度b的4至15倍、优选地5至13倍、并且最优选地8至12倍。
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。
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。
如果结构化填料元件的网格是均匀的（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。
本发明不特别限制开口的几何形状。因此，开口可以具有圆形、椭圆形、正方形、矩形、菱形、四边形、六边形、梯形、多边形或不规则的横截面形式。
例如，当至少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 方形或菱形横截面时，获得特别良好结果，其中边长a1为1.0至5.0mm，优选地为1.3至4.0mm，并且最优选地为1.6至3.5mm。在该实施例中，特别优选的是，正方形或菱形的特性长度（或分别为对角线）e2/e1平均为0.4至0.7，更优选地为0.45至0.60，并且最优选地为0.49至0.55。此外，在该实施例中，特别优选的是，相邻开口之间的分离元件的平均宽度b为1.5至4.0mm，优选地为1.6至3.5mm，并且最优选地为1.8至3.0mm。
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矩形或四边形的横截面，其中矩形或四边形的较短特性长度e2（即短对角线）为1.0至4.0 mm、并且优选地为2.0至3.0mm，其中矩形或四边形的的较长特性长度e1（即长对角线）为2.0至8.0 mm、优选地为2.5至7.0 mm、并且最优选地为3.0至6.0 mm，并且其中相邻矩形之间的分离元件的平均宽度b为1.5至4.0mm，优选地为1.6至3.5mm，并且最优选地为1.8至3.0mm。
关于结构化填料元件的层的材料，本发明并不特别受限。例如，层或网格可以分别由例如不锈钢的金属或选自由铝、铜、钛、锆和合金组成的群组的化合物制成。为了节省材料以及成本有效地生产本发明的结构化填料元件的层的网格，在本发明的构思的进一步扩展中建议，至少两个层的网格由扩展片材金属制成，例如不锈钢或任何其他金属结构材料，其中每一网格的层材料厚度s为s = 0.05至0.50 mm、优选地s = 0.08至0.20 mm、并且最优选地s = 0.09至0.15。
在通过扩展片材生产网格时，所产生的片材金属或网格不再是平坦的。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。扩展片材的所产生尺寸称为网格厚度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。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，如果网格厚度g大于层材料厚度s，则网格厚度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。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是开口的平均水力直径d的至多15倍时，特别获得良好结果。
如上所述，在从层的一端延伸到相对端的层之间提供开放空间，以确保在本发明的结构化填料元件中的良好气流。优选地，结构化填料元件的至少两个层之间的开放空间由周期性变形限定。鉴于此，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。
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。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。
根据本发明的又一实施例，周期性变形可以具有如US 5,885,694中公开的结构，其中两个相邻的片材在向上和向下弯曲的条的峰部和谷部处彼此接触。每个片材包括线性布置的向上和向下弯曲的条序列，其中两个相邻片材的线以一角度相交。
根据本发明的又一替代性实施例，周期性变形是凹部，其中每个凹部包括凹部谷部壁，其中层的凹部谷部壁的至少一部分接触相邻层的非凹部表面部分。凹部可以具有坑的形式，即类似于高尔夫球的凹部的形式。然而，优选地，凹部是细长的凹部，例如沟槽，具有环形横截面。
然而，开放空间也可能不由结构化填料元件本身的层的变形限定，而是例如借助于设置在相邻层之间的一个或多个间隔件来限定，其中在至少两层之间的开放空间由一个或多个间隔件限定。
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具有圆横截面，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中所示的结构化填料元件的示意性侧视图。
图2c示出图2a中所示的结构化填料元件的两个层。
图3是根据本发明的另一实施例的结构化填料元件的片断视图。
图4是根据本发明的另一实施例的结构化填料元件的一部分的示意图。
图5是根据本发明的另一实施例的结构化填料元件的一部分的示意图。
图6a-f是根据本发明的结构化填料元件的层的网格结构的不同实施例的示意图。
图7a-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8图示由波纹状层制成的结构化填料元件的最小变形部分的确定。
图9是示出确定根据本发明的具体示例的参数的真实比例的平面图。
图10示出填料层的横截面的示意图以图示面积AP（图10b）、AS（图10c）、AM、VM和aM（图10d）的限定。
图11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的水头压力获得的效率曲线。
图13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14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的水头压力获得的效率曲线。
图16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6中。蒸馏塔10包括多个结构化填料元件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填料元件12的层的表面向下滴流。在结构化填料元件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6中。结构化填料元件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6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，实际上至少两个并且优选地所有波纹状片材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填料元件的片断视图。图3的结构化填料元件类似于图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’和谷部分别在末端区域或部分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。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。
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。通过弯折末端部分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。
图4示出根据替代性实施例的两层结构化填料元件12。为了说明的目的，层的网格结构未在图4中示出，而仅在图6中示出。结构化填料元件12包括若干层32、32’，其中每层变形以提供若干凹部34，其中每个凹部34包括凹部谷部壁36。相邻层32、32’彼此平行布置并且彼此触碰接触。换言之，相邻层32、32’彼此接触，使得层32的至少一些凹部谷部壁36接触相邻层32’的非凹部表面部分。因此，凹部34实际上充当隔离件以分别在层32、32’之间限定通道30或开放空间，从而限定单个层32、32’之间的最大距离D以允许轻质相或气体分别通过通道30上升。
图5示出根据替代性实施例的结构化填料元件12。为了说明的目的，层的网格结构未在图5中示出，而仅在图6中示出。结构化填料元件12包括若干层32、32’，其中每一层变形使得两个相邻层32、32’彼此接触从而分别限定通道30或开放空间，其中层32、32’之间的六边形横截面限定了单个层32、32’之间的最大距离D，从而允许轻质相或气体分别通过通道30上升。层32、32’可以以相对于纵向方向具有交替角度α的倾斜取向布置，使得层32、32’的通道30彼此交叉。尽管优选的气流沿那些通道30交替地沿向右或向左方向流动，但平均气流将沿纵向方向V流动。
图6a至图6f是形成根据本发明的结构化填料元件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、图3、图4和图5中的任一者中所示的结构化填料元件中。图6a中所示的结构化填料元件的层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2 mm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3mm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。
根据本发明，相邻开口40之间的分离元件42的平均宽度b在相邻开口40、40’的平均水力直径d的70％和125％之间。此外，在垂直于纵向方向V的平面中测量的至少两个层32，32’中的至少两个相邻层之间的最大距离D是分离元件42的平均宽度b的至少4倍。调整这些关系，可以进一步改善结构化填料元件12的层32、32’的表面的润湿性，并且因此基于结构化填料元件12的给定容量的传质效率提高，尽管存在较少的物理面积和较少的材料。
网格38可以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6b至图6f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6b和图6c的网格38的开口40是四边形的，而图6d的网格38的开口40是不规则的，并且图6e和图6f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7a和图7b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。使用此距离出现在平面图上的有效长度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。
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，必须使用先前限定的比值z/z’将所述长度转换成实际长度。
图8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9是真实比例的平面图，其示出了确定根据本发明的具体示例的参数，即具有菱形（即等边四边形）形状的开口40。选择尺寸仅用于说明目的并且对于本发明而言不一定是典型的。甚至应该注意，没有旨在使它们适合根据本发明的有利的尺寸范围。
参考长度z经测量为6.25mm。通过测量打印图片（平面图）中出现的长度z，可以得到z’。可以在图中测量的所有其他长度乘以如上所述获得的系数z/z’。因此，菱形的较长特性长度（或分别是对角线）e1为10mm长，并且较短特性长度（或分别是对角线）e2为8mm。菱形的边长a1为6.4 mm，计算为a1 = 1/2.√（e1 2+ e2 2）。分离元件42具有b＝1mm的宽度。开口40的面积和周长P长度通过以下方程获得：
A = e1 .e2/2
P = 4.a1 = 2.√（e1 2+ e2 2）
因此数值为A = 40 mm2 和 P = 25.6 mm。所得的水力直径为d = 4.A/P = e1 . e2/ √（e1 2 + e2 2）。
大约d = 6.25 mm的水力直径在图 9 中通过直径为d的圆可视化。
如果结构化填料元件的网格38非常规则地由菱形开口40和分离元件42组成，如图9所示，则可以限定单元格U，它是包含其所有特征和尺寸的典型的网格重复元件。单元格U是覆盖开口40的四边形（矩形）U，其中四边形U延伸穿过分离元件42的四个接合点56的中点58。单元格U具有短单元格高度u2和长单元格宽度u1。短单元格高度u2与开口40的短对角线e2对齐，而长单元格高度u1与开口40的长对角线e1对齐。可以确定单元格U中的面积，即整个单元格U的面积、开口40的面积和分离元件42的面积。为了确定u1和u2，必须知道两个分离元件42交叉处的小菱形的长度e3和e4。基于几何考虑，得到以下表达式：
e3 = b. √（1+e1 2/e2 2）
e4 = e3 . e2/e1
u1 = e1+e3
u2 = e2+e4
所得尺寸为e3 = 1.60 mm、e4 = 1.28 mm、u1 = 11.6 mm、u2 = 9.28 mm。比值e2/e1和u2/u1相等，并且因此值为0.8。
扩展片材的尺寸通常由单元格尺寸u1、u2和分离元件的宽度b确定。在这些情况下，水力d可以按如下方式计算：
e1 = u1 - b√（1 + u1 2/u2 2）
e2 = e1 . u2/u1
d = e1 . e2 / √（e1 2 + e2 2）
为简化起见，当处理典型的e2/e1比值低于0.5的扩展金属片材时，以下近似值可能足以准确地确定基于u1和u2的特性长度e1和e2：
e1 = u1 – b . u1/u2
e2 = u2 – b
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。在当前示例中，其值为fs= 4.64。
单元格U的面积为Au = u1 . u2 = 107.7 mm2。单元格U中的开口面积为Ao = e1 . e2= 2. A = 80 mm2。单元格U中实心部分的面积通过将四个分离元件的面积与两个分离元件交叉处的小菱形面积的两倍相加得到：
Ab = 2b√（e1 2 + e2 2）+ e3 . e4。
得到的面积为Ab = 27.66 mm2，并且总和Au = Ab + Ao保持不变。在单元格U内，开口40的总面积除以层的总表面积的比值Ao/Au＝74.3％，我们称之为层的空隙分数。通过使用如下拉伸因子可以获得接近空隙分数的值：
1 – (1 / fs ) = 78.5%
这表示如果片材被拉伸的情况下的给定片材面积的原材料节省。
单元格U的物理面积为AP = Ab。单元格U的片材面积为AS = Au。单元格U的几何面积AM是片材面积的两倍，即2 Au和215.4 mm2。在此上下文中未限定特定面积aM，因为未确定层的形状。
图10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10a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10b至图10d中，此层上的面积仅由遵循层轮廓的细线表示。在图10b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10c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10d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11和图12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（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13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，分离元件的平均宽度与相邻开口的平均水力直径的比值b/d为45%，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14和图15中，并且这些结构化填料元件的所获得压降示出在图16中。
在图14和图15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’ 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
56 分离元件的接合点
58 接合点的中点
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
Ab 分离元件在一侧上得到的面积
Aj 开口的截面的面积
AM 几何面积
Ao 开口在单元格中的面积
AP 物理面积
AS 片材面积
Au 单元格的面积
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
e3 两个分离元件交叉处的菱形的第一长度
e4 两个分离元件交叉处的菱形的第二长度
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
U 单元格
u1 单元格的宽度
u2 单元格的高度
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)的结构化填料元件(12)，其中，所述结构化填料元件(12)包括网格(38)的至少两个层(32、32’)，包括开口(40)，所述开口(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(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)之间的分离元件(42)的至少50％的平均宽度(b)是层材料厚度(s)的至少15倍并且在相邻开口(40)的平均水力直径(d)的70％和125％之间，并且其中，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)是所述分离元件(42)的平均宽度(b)的至少4倍，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，并且其中，所述层材料厚度(s)是所述层(32、32’)的材料的厚度，其中，所述层材料厚度(s)借助于测微螺旋在所述层(32、32’)的外边缘中的一者处测量。
2.根据权利要求1所述的结构化填料元件(12)，其中，相邻开口(40)之间的至少75％的分离元件(42)的平均宽度(b)为所述相邻开口(40)的平均水力直径(d)的70％和125％之间。
3.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)之间的至少50％的分离元件(42)的平均宽度(b)为1.5至4mm。
4.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％的至少两个层(32、32’)之间，在垂直于纵向方向的平面中测量的最大距离(D)是所述分离元件(42)的平均宽度(b)的4至15倍。
5.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)的总面积除以层(32、32’)的片材面积(AS)的比值在20％和38％之间。
6.根据权利要求5所述的结构化填料元件(12)，其中，对于至少两个层(32、32’)中的每一者，开口(40)的总面积除以层(32)的片材面积(AS)的比值在20％和38％之间。
7.根据权利要求1或2所述的结构化填料元件(12)，其中，至少两个层(32、32’)中的每一者的至少50％的开口(40)具有水力直径d，其在所有开口(40)的平均水力直径(d)的50和150％之间。
8.根据权利要求1或2所述的结构化填料元件(12)，其中，至少两个层(32、32’)中的每一者的至少50％的开口(40)的水力直径(d)为1.25至5.0mm。
9.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)具有矩形或四边形的横截面，其中，矩形或四边形的较短特性长度(e2)为1.0至4.0mm，其中，矩形或四边形的的较长特性长度(e1)为2.0至8.0mm，并且其中，相邻矩形之间的分离元件(42)的平均宽度(b)为1.5至4.0mm。
10.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)具有矩形或四边形的横截面，其中，矩形或四边形的较短特性长度(e2)除以矩形或四边形的的较长特性长度(e1)的比值为0.4至0.7。
11.根据权利要求1或2所述的结构化填料元件(12)，其中，至少两个层(32、32’)中的每一者之间在垂直于纵向方向的平面中测量的最大距离(D)是所述开口(40)的平均水力直径(d)的至多15倍。
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％的至少两个层(32、32’)包括周期性变形(26、28、34)，其中，至少两个层(32、32’)之间的开放空间(30)由所述周期性变形(26、28、34)限定。
13.根据权利要求12所述的结构化填料元件(12)，其中，所述周期性变形(26、28、34)是包括多个交替取向的峰部(26)和谷部(28)的波纹，其中，一层(32、32’)的峰部(26)接触相邻层(32、32’)的谷部，并且一层(32、32’)的谷部(28)接触相邻层(32、32’)的峰部，其中，相邻层(32、32’)被取向成使得相邻层(32、32’)的峰部(26)和谷部(28)以交叉方式与所述层(32、32’)的相对于纵向方向(V)偏斜地延伸的峰部(26)和谷部(28)相交。
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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