CN86106032A - 填充柱改良填充法 - Google Patents

Abstract

用于填充柱的改良填充体由若干纵向伸展的核心形成，有若干蛛网件从核心大致径向伸出。蛛网件基本和核心轴向对正，由若干透空蜂窝体形成。填充体提供填充柱内最大量的可湿润表面面积，和对流体流量有最低障碍的滴珠形成点。

Description

本发明针对用于填充柱化学加工作业的柱填充或塔填充的广义方面，加工作业有如吸收、解吸、蒸馏、提取、洗涤、干燥、冷却，水处理等等。具体而言，本发明针对的是用于这类化学仪器的一种新型的改良高效率，高性能填充体。

长期以来，柱填充体或塔填充体被用于在许多涉及流体相互作用的化学处理中，提高效率和产量。一般地讲，填充体是一种接触媒介，在某些类型的化学处理作业中为必不可少，诸如以上所提到是蒸馏和洗涤过程。在这些处理作业中，把一个液流和一个气流，或和另一液流，共同引进一个闭合的环境，例如一个柱塔，或其他器皿中，在两中流动体之间交换蒸馏或热量，或此二者。在微观规模上，这热和质的传递是由物理化学的定律所驱使。在较大或工业规模上，液体或气体流的总的物理性和它们的混合环境，对这传递有相当大的影响-流体接触的大面积和相互作用，使给定处理过程的传递速度和效率提高，受限制的流体流量使总性能降低。

为了提高这些化学处理过程的效率和实用性，在过去使用过各种柱填充材料，以提高两种相关材料流之间的基本接触。在先有技艺中，填充材料的范围，包括从早期使用的砾石和玻璃，到有特殊形状的人造物体，诸如有孔圆柱，鞍形体，螺旋圈和有尖钉的或有格网的球。后一类合成填充体根据要求的用途，用塑料、金属陶瓷制造，尺寸范围从直径为数公分到数寸公分。

填充柱或塔的性能受所用的柱填充材料的影响很大。因为在化学处理过程中，填充柱常常是最关键的步骤，填充柱的性能，对产量，生产速度，以及过程的总经济活力有相当大的影响，判断一个柱填充过程性能能的最重要的参数，是它的传热或传质速度，及压力降。最后一参数决定维持填充柱运转所必须的能源，柱填充的最好性能，可以最低的或可容许的压力损耗提供最大的传质或转热速度。

有许多因素影响柱填充材料本身的性能。这些因素相互关连，是装进一个柱或塔内，形成总填充材料的各个填充体的具体几何形状的产物。这些因素是互连、沟流、自然抽风、结垢，不均匀流量，湿润和溢流等。

简而言之，互连发生于柱填充材料的个体在填充柱中的互相啮合。这发生于填充体没有统一的几何形状，并有突出部和开口区的口时侯。互连造成不均匀流体的流动形态，使固体沉积可能逐渐增大死空间，并减少可利用的表面积，从而降低柱的效率。

沟流指的是沿填充材料外表面的过量液流。发生于填充体在柱或塔内不均匀分布。与之相似，自然抽风指的是有过量的气体，从分布不均匀的填充材料中的空心区域中通过。在这两种情况下，流体流动形态形改变，造成下降的传递速度和高压力降，并且柱效率降低。

结垢发生于颗粒物质在填充材料的表面上或在填充材料之间的死空间中沉积。减低流量，使结垢问题加剧。减少可利用的表面积，而堵塞填充柱的一部分时，也会降低传递速度并增高柱内的压力降，所有这些因素造成总的不均匀液流和气流，使柱的性能降低。

把柱填充表面湿润，提供气/液或液/液接触，对填充材料的运转是重要的。填充材料发生互连会使很大部分的表面积不能接受湿润，在一种给定的填充材料中，要求有产生可利用表面积大致总湿润的最低液体流量。这最低液体量要求称为“湿润点”。

相反，填充材料的固有特点，限制一个量的液体流量。这限制随有液体和气体的流速变化。当气体速度超过给定液体流速的某一限度时，这限制便达到最高点，或称“溢流点”。这气体速度称为“溢流速度”，在设计给定的化学过程填充柱尺寸和气体速度时序以利用。

理想的柱填充在给定的柱工作参数下提供最低的湿涧点和最高的溢流点。这理想填充可以在最低液体流量和最高气体速度下工作，使化学过程可以用较小的填充柱进行。其结果，原始投资和随后的经营费用可以降低。

在本技艺领域中已经普遍承认，六十多年来，高的传递速度只能利用柱填充取得，这种填充柱由于限制了柱内的气体流量，可提供一个大面积和相应的大压力降。因此，先有技艺领域中的理想填充原料，是在效率和总体性能之间互作消长。因此，本发明的主要目的，是提出一种柱填充体，可以提供有低压力降的高传递速度。

本发明的另一目的，是提出一种柱填充体，可以抑制互连和变形，和相随的沟流，自然抽风，结垢和流体流量不均匀等等问题。

本发明的另一目的，是提供一种柱填充体，其表面积之大，足以在低湿润点取得填充表面的大致总湿润，并且能够在柱工作条件下提供一个高溢流点。

本发明的上述目的和其他目的之所以能达到是因为提出了一种填充材料，其中的填充体有特殊的内外几何形状，产生最大量的湿润表面积而对气流和液流有最低的阻碍。此外，本发明的填充体可有效地抑制互连和变形，从而把全部表面向气流和液连暴露。并且，本发明的填充体后达到这些目的时，不拘它相对于流体的流动方向。由于有这特殊的几何形状，可以把本发明的填充体随意“倾”入柱或塔内，不用担心有不均匀的填充，和从此造成的沟流，自然抽风和不均匀的流体流动。

本发明的有独特高效率和高性能的填充体之所以能达到这些目的，是因为提出了一种大致对称的填充体，其中有若干大致均匀分布的透空烽窝体。与先有技术领域中之不对称填充体不同，这均匀对称结构显示了完全没有相对于填充柱或塔中流体流动方向的方向性。

更具体讲，在本发明的理想实施方案中的填充体，是用一个大致纵向伸展的核心形成，其中有若干蛛网件，大致从上面径向外伸，基本和核心径向对正。各径向蛛网件结构基本相同，由若干透空的蜂窝体形成，蜂窝体沿每一蛛网件的径向范围大致均匀分布，其结果，本发明的填充体有大致对称的表面或构造形状，由径向伸展的蛛网件外边缘形成。一个附带的结果，是本发明的填充体内部容积，由若干透空蜂窝体形成，蜂窝体在整个容积内大致均匀分布。

各蛛网件本身基本相同，最好由若干大致同心的弧形件形成，弧形件沿蛛网件的径向范围放置，互相有均匀的间隔。最好每一个弧形件固定在纵向伸展的核心上，提供结构的整体性和填充体的强度。但是，核心并不必须每一个都完全伸到蛛网件的外缘。此外，成对相邻的各弧形件互相同径向伸展的支杆连接。这结构形成每一蛛网件的透空蜂窝体，并提供补充的结构整体性。这些互相连接的径向伸展的支杆，可以沿各填充体的半径对正，或互相交错。

本发明的另一实施方案，可以由有各种结构形状的大致对称蛛网件形成。例如，可以由若干有各种形状孔眼的基本平面蛛网件形成，例如可用有圆形或多边形孔眼的蛛网件，形成本发明的填充体。与此相似也可以用松散偏织的纤维或互相连接的支杆，形成蛛网件。但是可以理解到以用若干大致同心弧形件为宜，因为这种结构形状的填充体，对流体的流动方向最不敏感。

通过连接相邻两对蛛网件的装置，可为本发明的填充体提供增高的结构整体性，增大表面面积。在本发明的经揭示的实施方案中，这些连接装置有若干肋形件，远离填充体的核心，并把相邻的蛛网件互相连接。按照这个方式，增加的蜂窝体形成填充体的总结构，进一步加强对变形的抵抗。当把填充体在柱或塔中填充时，由于这些互相连接的肋形件，在相邻蛛网件之间的空间上跨过，便又可以阻止相邻球体件的互连。

径向伸展肋形件的弧形件，可以有徐渐的弧形或多体面的形成。多面体式的弧形件最好由短直杆连续形成。可以理解到徐渐弯曲的弧形件，形成有大致球体的外结构形状的填充体。与此相似，多面体式弧形件，形成有大效多面体外结构形状的多面体。两种结构形状都合理想，因为都可提供有大致对称结构形状的填充体。并且，核心可以是实心的或空心的，有各种直径和长度。填充体本身的理想直径，约为25mm至300mm以上。

并且，每一径向伸展的蛛网件可沿其赤道平面平分，每一蛛网件被这样切开，在纵向上相对的两个切分部分，可以互相侧向偏置。蛛网件本身可以沿这些线，形成大致为平面形状以外的形状。例如可以把凹面或凸面蛛网件螺旋环绕核心。

下文的详细叙述和相关的附图，可供熟悉本技艺的人，对本发明作进一步的了解。首先对附图作简略叙述如下：

图1为本发明理想实施方案的一个侧视;

图2为本发明图1中实施方案沿平面Ⅱ-Ⅱ的局部剖视，表示一个蛛网件的构造;

图3为本发明图1中理想实施方案，沿平面Ⅲ-Ⅲ的俯视，表示径向伸展的蛛网件和相连的肋形件;

图4表示另一实施方案;

图5表示有切开的或平分元件的另一实施方案局部剖视;

图6表示设有突伸指杆的另一实施方案局部剖视。

细观附图1-4，基本相同的结构举例，用相同的号码丰示，本发明揭示了一种高效率高性能改良填充体的理想实施方案，用号码10作一般表示。填充体10用纵向伸展的核心12，和若干各用号14表示的，基本相似的蛛网件形成，蛛网件大致为半圆形，从核心12径向外伸，基本上和核心轴线平。这对称几何结构形状给一个有大致球体结构的填充体10定形，填充体没有易于造成互连的不规则表面，大凹穴或突出部。

如图2所示，每一个蛛网件14都有若干透空的蜂窝体16，蜂窝体沿每蛛网件14的径向范围大致均匀分布。虽然图2所示的蜂窝体16有基本一致的尺寸，但认为每一个蛛网件14中，蜂窝体16有各种不同尺寸属于本发明的范围。然而凡擅长本技艺者可以理解到，最好有尺寸统一的透实蜂窝体16，因为这样对整个填充体10的球体可提供理想的均匀度是有好处的。此外，应该强调提出，每一蛛网件14中的透空蜂窝体16的数目，可以与图1-4所揭示的不同。

为了提高填充体结构的整体性，至少在一些蛛网件14中Z需有装置使蛛网件互相连接。在本发明的理想实施方案中，这就是说把互相连接的蛛网件考虑为若干肋形件18，和核心12远离，而连接相邻的蛛网件14，然而也可以连接不相邻的蛛网件。考虑把肋形件18和相邻对的蛛形件14整体形成，位置可在从核心到每一蛛网件14外边缘之间的任何地方。肋形件18在图1中，在相邻的蛛网件14之间伸出，基本和蛛网件垂直，肋形件18的这种安排，优点是填充体10的结构简单。然存在实施本发明时，还可以应用肋形件18的其他定向和结构形状。例如还可用V形的或倾斜的肋形件。凡熟悉本技艺的人可以领会，作连接的肋形件18，除了可提高填充体10的结构整体性外，还在相邻的蛛网件14之间，构成增高的透空蜂窝体20。此外，在填充体装入填充柱或塔中时，肋形件18还有防止相邻填充体互连的作用。在整个填充体10中，可以把任何数目的肋形件18放在不同的位置上。

现参看图2，该图为填充体10沿Ⅱ-Ⅱ平面的一个局部剖视，表示每一个蛛网件14的理想构造。每一蛛网件14最好由若干大致同心的弧形件22形成，弧形件最好互相在沿每一蛛网件14的径向范围中等距间隔。为了便利制造填充体10，并提供额外的强度和结构的刚性，考虑把每一个弧形件22和核心12整体形成。但是可以理解到，核心12不必须在填充体12的处表面之间完全伸展。并且，还考虑到把每一个弧形件22，沿其弧形的范围在不同点切断，也属于本发明的范围。这种切断将提供增多的滴液点，如在下文中将有更详细的讨论，提高本发明填充体的效率。每个弧形件22至少通过一个径向伸展的支杆24，和与它相邻的弧形件连接。然而，为了形成透空蜂窝体16，并提高和蛛网件14的结构整体性，从而提高和填充体10的整体性，最好用若干径向伸展的支杆24，把相邻的各对弧形件22连接。

还应该注意到，图2所示的核心12是空心的圆柱形，两端敞口。这结构形状是理想的，因为可提供增大的表面积。但也考虑了实心的核心，因此也属于本发明的范围。

现参看图4，图中示本发明的另一实施方案，其中带百位的标图号，表示的是与图1-3理想实施方案中核心12，蛛网件14，蜂窝体16，肋形件18，弧形件22，支杆24及辐条26相似的结构元件。在这个易代方案中，蛛网件114的弧形件122不是平滑的弧形。在这易代实施方案中，弧形件122为多面体形，不似图2中的有平滑连续弧线的弧形件，而用一个连续系列的基本平直的部分形成。

可以理解引图4所示的多面体弧形件，形成一个大致对称的填充体，与图2所示的平滑弧形的弧形件形成的大致为球体的填充体相反，有多面的外结构形状。两种结构形状都是理想的，因为它们在本发明的填充体中，构成透空蜂窝体的大致均匀分布。此外，应注意到在本发明的易代实施方案中，大致多面体形外结构形状，可以用任何数目的面形成。

还应该注意到，虽然图示的蛛网件14及114的结构形状属于理想，但考虑到其他的结构形状也属本发明的范围。例类，在大致平面的蛛网件中设有若干基本均匀分布的透空蜂窝体，也可以使用。这些蛛网件可以有大致平板的形状，上面设有均匀分布的圆孔或多边形孔。同样也可以用松弛编织的透空网或网格，形成大致平面的蛛网件。然而应强调的是：图示的结构形状之所以可取，因为这些形状对在填充柱中流体的流动方向最不敏感。

虽然填充体10的理想结构形状，使用大致平面的蛛网件14及114，基本沿核心12及112纵向连续伸展，还考虑到为了制造蛛网件14及114的便利，可以把它沿垂直于核心12的赤道平面平分，如图2及4中的辐条26及126所作定界。为了便于模铸填充体10，可以把通过这样平分的，大致纵向相对的一对蛛网件的分部，（图未示）互相偏置。

图5及6所示填充体10易代实施方案中，补充滴珠形成点30的形成，是通过把弧形件22，沿其弧线范围，在不同的位置上切断或平分。同样，也可以通过把肋形件18（图未示）或支杆24切断或平分，形成增多的滴珠形成点，如标图号32所示。还考虑到在填充体内各点上设置突伸指34形的补充滴珠形成点，也属于本发明的范围，如图6所示。

这样，凡对本技艺领域熟悉的人可以理解到，本发明的改良填充体10，提供了一种柱填充结构中的表面区域的最佳几何分布。如举例的理想实施方案所示，这是通过纵向核心12及112，形成蛛网件14及114的同心弧形件22及122及径向伸展的支杆24及124，和其中的若干透空蜂窝体16及116等等，有独特对称几何结构形状而取得。这独特内外几何形状提供最大的暴露可湿润表面面积，而对气流或液流有最低量的阻碍，无论填充体10和流体流动的相对方向如何。

凡对本技艺领域熟悉的人将认识到，推动气流抵抗填充柱或塔中液流的冲力，从任何填充介质中通过所需的能源，在大多数情况下都是一个重要的设计参数，和填充介质的工作效率同等重要。本发明的填充体由于有独特的透空对称几何形状，使气流和液流可以自由而均匀地从整个结构中通过，而同时提高大接触表面面积。流体流动的这种抵阻力，无论填充体10在填充柱或填充塔中的方向如何，都可以取得。其结果，可以把填充体10倾入柱或塔内，不必担心流体流动被阻断，和相随产生的问题。

此外，作连接的肋形件18和118放在填充体10表面的周围或附近，可有效地抑制相邻填充体部分在填充柱或塔内变形和互连。同样，填充体10外表面的周围没有任何突出部分，还可以防止各个填充体作不利的互连和移动。因此，流体在装有本发明的改良填充体的柱内的流动，在整个柱范围内都是均匀的，没有通常随不均匀流动带来的沟流，自然抽风，和结垢等问题。

除此此外，由于流体的流量在各个填充体10的内空间不受阻碍，从给定尺寸的填充体，可以取得最高度的表面面积。和先有技艺领域中的宽平表面比较，本发明的填充体的表面积，由于有大量相对小的表面区和弧面区，故表面区域有最佳化的持久可湿性。由于流体表面张力及重力和本发明的较小弧面或倾斜表面的相互作用，这些倾斜或弧形表面，和先有技艺领域中的宽平表面相反，可以较有效地湿润。

沿着这几个方向可以理解到，形成本发明肋形件，支杆和弧形件等的各种结构元件，可以有各种截面积，从简单的圆形截面，到复杂的有肋的或槽形截面面积，可以进一步增大可用表面，并提高本发明填充体的可湿润性。而且，形成本发明填充体的大量互相连接的小结构元件，还可以提供优异程度的结构弹性并抵抗变形。

对本发明填充体的总有效性更重要的，是大量的交叉元件可以提供最大数目的滴液点。一个滴液点是一个区域，里面的液体倾向于由于毛细吸引和重力作用而结集、并断开成为滴珠。滴珠的形成对任何填充介质的性能极端有益，因为可以大为增大气/液和液/液互相作用的可用表面面积。本发明填充体的交叉元件便提供这种滴液点。本发明的这种新颖结构形状，增加的滴液点的数目，比先有技艺增多数倍到一百倍以上。这样，本发明的填充体除去了提供无限制的流体流量和增大表面面积外，还显著地增加滴珠的形成，进一步提高其传质和传热的有效性。

应该注意到本发明的填充体，仅需通过增减蛛网件或每一蛛网件中的弧形件，便可以把填充体定为各种尺寸。这样，便可以在所有的各种尺寸规格中，保持填充体的统一几何形状。并且，本发明的填充体可以用与广泛的预期工作环境有兼容性的各种材料制造，例如，填充体可以用塑料、金属、玻璃或陶瓷制造。

最后，应理解到本文揭示的本发明的实施方案，仅对本发明的原理作出阐述，还可以采用其他的结构变化和设计变化，而仍属本发明的范围内。因此，作为举例而非作限制而言，还可以增加透空蜂窝体或许多径向伸展的支杆或弧形件，或把肋形件切断或平分，进一步增多滴液点的数目。并且，如上文所讨论，可以把蛛网件平分并互相侧向倾斜，或作成大致平面以外的形状。此外，在填充体内的各点上，还可以设置突指。但是，应该理解到，最好使用本发明图示实施方案中的大致几何对称的填充体。因此，本发明不受限于附图所示和本文所详述的具体方案。

Claims (9)

1、一种用于填充柱，塔或类似器械里的改良高效率高性能填充体，该填充体，该填充体中有以下各项：

一个纵向伸展的该核心：

若干蛛网件大致从该核心径向伸展，基本和核心轴向对正，每一个该蛛网件由若干大致同心的弧形件形成，弧形件沿每一个该蛛网件的径向范围，互相大致均匀间隔，相邻对的该弧形件相互至少用一根大致径向伸展的支杆连接，形成若干透空蜂窝体，蜂窝体沿每一该蛛网件的径向范围，大致均匀分布；

连接至少一部分该蛛网件的装置，该连接装置中有若干肋形件远离该核心，在至少一部分该蛛网件之间连接，从而该填充体设有若干透空蜂窝体，在填充体的全部大致对称的结构形状中，从填充体的核心向外大致均匀分布。

2、如权利要求第1项中之改良填充体，其特征为每一个该弧形件有平滑的弧形，从而形成有大致球体外结构形状的填充体。

3、如权利要求第1项中之改良填充体，其特征为该弧形件有多面体形式，从而形成有大致多面体外结构形状的填充体。

4、一种用于填充柱，塔或数似器械里的改良高效率高性能填充体，该填充体中有以下各项：

一个纵向放置的大致同心的弧形件，从该核心径向伸展，互相间有大致均匀的间隔;

若干大致径向伸出的支杆，互相大致等距间隔，连接该弧形件的相邻对，在有大致对称结构形状的一个填充体内，形成若干大致等距间隔的透空蜂窝体。

5、如权利要求第4项中之改良填充体，另有肋形件，连接至少一部分该弧形件。

6、如权利要求第5项中之改良填充体，其特征为该连接装置中有若干肋形件远离该核心，连接相邻的弧形件。

7、如权利要求第4项中之改良填充体，其特征为该弧形件有平滑的弧形，从而形成一个有大致球形结构形状的填充体。

8、如权利要求第4项中之改良填充体，其特征为该弧形件为多面体形式，从而形成有大致多面体外结构形状的一个填充体。

9、如权利要求第4项中之改良填充体，其特征为该核心为实心体。

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