DE2327373B2 - Verfahren zum Herstellen eines Packungskörpers aus beschichteten Glasfasern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Packiingskörpcrs, insbesondere für Stoffaustauschkoionnen oder Wärmeaustauscher, der unter Ausbildung von Strömungskanälen aus mehreren geformten Schichten zusammengesetzt ist, die aus nichtselbsttragenden Glasfasern bestehen, wobei die Fasern vor dem Zusammensetzen der Schichten zum Pakkungskorper mit einer glasbildenden, die Fasern versteifenden Beschichtung versehen werden, die durch Befeuchten der flächenartigen Schichten mit einem Sol und anschließendes Trocknen gebildet wird.

Derartige Packungskörper können vorteilhaft in Stoffaustauschkolonnen, wie sie für Destillationen, Rektifikationen, Absorptionen, Regenerationen, Extraktionen und zum Befeuchten und Trocknen bzw. zur Durchführung chemischer Reaktionen verwendet werden sowie auch füi Wärmeaustauscher, die zum Kühlen bzw. Erwärmen eines Mittels mit Hilfe eines wärmeübertragenden Mittels, z. B. in der Klimatechnik dienen, verwendet werden.

In der schweizerischen Patentschrift 4 09 300 sind mehrere Verfahren zur versteifenden Beschichtung von Fasermaterial, aus dem Packungskörper gebildet werden sollen, beschrieber.. So sollen nach einem Verfahren die Fasern mit Wasserglaslösung oder anderen kolloidalen Silikaten imprägniert und anschließend getrocknet werden, wobei durch Ausdampfen des Wassers oder eines anderen Lösungsmittels eine Gclschicht entsteht. Die Gelschicht wird auf den Fasern durch Ionenaustausch verfestigt.

Nach einem anderen Verfahren werden die Fasern mit einem hochkonzentrierten Silikatsol beschichtet und anschließend getrocknet. Verunreinigungen in der gebildeten Schicht werden mit Wasser oder Säuren herausgelöst, so daß die Beschichtung aus einer reinen Silikgelschicht besteht. Diese Schicht muß stufenweise getrocknet werden, und zwar zuerst bei relativ niedrieer Temperatur, d.h. 200 bis 300'C, wobei die Fasern zugleich \erformt werden können.

Die Festiskeil der Beschichtung ist dabei noch labil, d. h.. bei Berührung der Bochichtung mit Flüssigkeiten nimmt die Gelschicht wieder Flüssigkeit auf und wird weicher. Um eine irreversible Versteifung zu erhalten, müssen die beschichteten Fasern einer Trocknune bei sehr hoher Temperatur, nämlich bis 800 C, unterworfen werden, wobei die gesamte Behandlung

ίο mehrere Stunden dauert. Dieses Verfahren hat erhebliche Nachteile, denn es ist wegen der stufenweisen Trocknung kompliziert und zeitraubend, d. h. teuer. Außerdem ist es wegen der hohen Temperatur in der zweiten Trocknungsstufe für die üblichen, im Handel erhältlichen Glasfasern nicht brauchbar, da diese bei der hohen Temperatur zerstört würden. Außerdem tritt zwischen Fasern und der Beschichtung keine oder nur eine unvollständige chemische Bindung ein. \iodurch sich Unzulänglichkeiten im Betrieb der aus den so behandelten Fasern hergestellten Packimgskörper ergeben. Schließlich ist bei der Bildung der Beschichtung nach dem bekannten Verfahren nachteilig, daß die Schicht beim Trocknen nur von außen nach innen wächst. Damit ist eine strukturelle Ähnlichkeit oder Kontinuität zwischen dem Grundmaterial und der Beschichtung nicht zu erreichen. Die von außen her wachsende Schicht bremst dabei die Schichtbiklung, indem die beim Trocknen entstehenden Nebenprodukte nach außen entweichen müssen und dabei die schon gebildeten äußeren Strukturen der Schichten zerstören. Als Folge davon wird die Beschichtung porös und mechanisch entsprechend schwach. Um eine ausreichende Steifigkeit zu erzielen, müssen bei den bekannten Verfahren entsprechend große Schichtdicken auf den Fasern gebildet werden.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Packungskörpcrn aus Glasfasern anzugeben, das wesentlich einfacher und kostensparender als die bekannten Verfahren durchführbar ist.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß zum Befeuchten der Glasfasern ein ionotropes Sol verwendet wird und die Trocknung und Formgebung der befeuchteten Schichten bei einer Temperatur von nicht mehr als 300 C erfolgt.

Bei diesem Verfahren entladen sich die Teilchen des ionotropen Sols bei der Berührung mit den Glasfasern unter Bildung starker Säuren, die die Glaskomponenten an der Faseroberfläche herauslosen. An den herausgelösten Stellen beginnt dann die ionotropc Polymerisation, d. h., die Schicht beginnt von der Faseroberfläche aus nach außen zu wachsen, wobei in der Schicht sich die gleiche Glasstruktur ausbildet wie in der Faser. Hierbei können also die Reaktionsnebenprodukte das Wachstum der Schicht nicht mehr stören. Der Prozeß der Schichtbildung verläuft bei gegenüber Raumtemperatur erhöhten Temperaturen sehr rasch, so daß das mit dem ionotropen Sol beschichtete Glasgewebe in wenigen Sekunden fest und irreversibel versteift wird. Mit dem erfindungsgcmäßen Verfahren werden also in wesentlich kürzerer Zeit und mit geringerem apparativen und kostenmäßigen Aufwand Packungskörper von besserer Qualität hergestellt, wobei die Schichtdicke auf den Glasfasern wesentlich geringer ist als bei den Packungskörpern, die nach den bekannten Verfahren hergestellt werden.

Die Erfindung ist nicht auf eine besondere Struktur

eines Packungskörpers beschränkt. So kann sie bei-

3 27 373

spielsweise auf Packungskörper Anwendung finden, die aus geriffelten Lagen bestehen, Jie zur Bildung des Packungskörpers zusammengebracht werden. Ebenfalls kann ein erfindungsgemäß hergestellter Packungskörper eine wabenförmige Struktur aufweisen, wobei die Querschnitte der Sirömungskanäle ein Vieleck, z. B. ein Quadrat oder ein Sechseck, bilden. Ebenfalls kann uie Struktur eines solchen Packungskörpers auch aus einem geriffelten aufgewickelten Band, welches in der erfindungsgemäßen Weise hergestellt ist, bestehen.

Unter einem nichtselbsttragendem Grundmaterial der Glasfasern soll im Sinne der Erfindung ein Gewebe aus Glasfaserbündeln, ein Gewirk oder auch ein Vlies mit offenen Maschen \erstanden werden.

Ein typisches Beispiel zur Verwendung von Pakkungskörpern aus Glasfasern ist die Rektifikation temperaturempfindlicher, hochsiedender, chlor- oder bromhaltiger Verbindungen. Solche Stoffe müssen wegen der Zersetzbarkcit im Vakuum rektifiziert werden, wozu vorzugsweise Packungen mit geringem Druckverlust eingesetzt werden. Die Ze^i-setzungsprodukte solcher Verbindungen sind stark korrosiv und verunmöglichen die Anwendung rostfreier Stahldrähte. Ein anderer Anwendungsfall ist die Rektifikation von Dicarbonsäuren. Die starke Korrosionswirkung erfordert z. B. die Verwendung von Titan. Dieses Material ist jedoch äußerst kostspielig, insbesondere im Hinblick darauf, da bei den üblichen Austauschprozessen eine große Zahl von Packungskörpern mit einem relativ großen Durchmesser eingesetzt werden müssen. Demgegenüber sind Pakkungskörper gemäß der Erfindung wesentlich billiger und gegen Dicarbonsäuren korrosionsbeständig. Ein weiteres Beispiel ist die Rektifikation von gewissen organischen Produkten, wobei die Rektifikation üblicherweise bei höherer Temperatur von beispielsweise !5O⁰C oder mehr stattfindet. In diesem Fall wäre einerseits die Anwendung von Packungskörpern aus Kunststoff unmöglich, und andererseits wäre die Anwendung von Packungskörpern aus Metall nicht möglich, da sich in diesem Fall die behandelten Produkte im Kontakt mit Metallen katalytisch zersetzen wurden.

Die Erfindung ermöglicht eine Bedeckung der einzelnen Glasfasern mit einer dünnen glasartigen Schicht, die aus einer kolloidalen Lösung entstanden ist. Diese Schicht verbindet die einzelnen Fasern miteinander, wobei die Faserstruktur als solche beibehalten wird und die bereits vor der Aufbringung des Sols vorhandenen offenen Maschen auch nach der Behandlung größtenteils offen bleiben, so daß ein guter Stoffaustausch zwischen benachbarten Strömungskanälen gewährleistet ist.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert.

F i g. 1 a zeigt einen Teil eines erfindungsgemäß versteiften Faserbündels in einem Längsschnitt und F i g. 1 b einen Querschnitt längs der Schnittlinie A-A, während F i g. 2 analog zu I- ig. lh einen Querschnitt durch einen größeren Ausschnitt eines beschichteten Glasfaserbündels zeigt.

In F i g. 3 ist schematisch ein Ausschnitt des einen aus Glasfasern bestehenden, erfindungsgemäß beschichteten Gewebes dargestellt.

In der F i g. 4 ist in schematischer Weise ein z. B. für einen Kreuzstromwärmeaustauscher dienender Packungskörper und in F i g. 5 sind in schematischer Weise die einzelnen Lagen eines Packungskörpers für eine Stoffauslauschkolonne mit zylindrischem Querschnitt dargestellt.

Wie aus den F i g. 1 a, 1 b und 2 hervorgeht, sind die Glasfasern 1, die z. B. einen Durchmesser von 5 bis 12 μ aufweisen, eines Glasfaserbündels nach ihrer Versteifung mit einer glasartigen Schicht 2 bedeckt, die chemisch mit den Oberflächen der Glasfasern verbunden ist. Bei der Beschichtung (Befeuchten ίο und anschließendem Trocknen in einem Temperaturbereich von Raumtemperatur bis etwa 300⁰C) entstehen Verbindungsstellen zwischen benachbarten Glasfasern, so daß die gewünschte Versteifung der Wandungen der einzelnen Strömungskanäle eines Packungskörpers entsteht. Es bleiben jedoch auch noch freie Zwischenräume 3 offen, so daß eine gute Kapillarwirkung innerhalb eines jeden Glasfaserbündels erreicht wird, und somit eine gleichmäßige Verteilung der zu behandelnden Flüssigkeiten während des Stoffaustausch- bzw. Wärmeaustauschprozesses gewährleistet ist.

In F i g. 3 ist schematisch ein Teil eines aus beschichteten Glasfaserbündeln bestehenden Gewebes dargestellt. Die beschichteten Glasfaserbündel, die Kelt- und Schußfäden des Gewebes bilden, sind mit der Bezugsziffer 4 bezeichnet. Aus der Zeichnung ist ersichtlich, daß nach der Beschichtung der Verformung noch offene Maschen 5 bestehenbleiben, wodurch — wie bereits eingangs beschrieben — erreicht wird, daß die während des Stoffaustausch- bzw. Wärmeaustauschprozesses zu behandelnde Flüssigkeit durch die offenen Maschen 5 hindurchtreten kann.

Es entstehen auf beiden Seiten der Maschen Flüssigkeitsschichten, die wichtig für den Stoff- bzw. Wärmeaustausch sind. Damit wird auch ein Flüssigkeitstransport von einer Lage eines Packungskörpers auf die jeweils benachbarte Lage möglich.

Die F i g. 4 zeigt in schematischer Darstellung die einzelnen Lagen eines Kreazstrom-Wärmeaustauschers, wie er vorteilhaft in der Klimatechnik angewendet werden kann. Die einzelnen Lagen 6 bzw. 7 weisen horizontale bzw. vertikale Riffelungen auf, wobei sich die Riffelungen benachbarter Lagen punktförmig berühren und einen Winkel von etwa 90° miteinander einschließen. Die Herstellungsweise der aus einem beschichteten Glasfasergewebe, -gewirk oder -vlies bestellenden Lagen kann vorteilhaft in der eingangs beschriebenen Weise erfolgen. Der Pfeil W gibt die Strömungsrichtung des Kühlwassers und der Pfeil L gibt die Strömungsrichtung der zu kühlenden Luft während des Betriebes an.

Im Ausführungsbeispiel weist der Packungskörper einen quadratischen Querschnitt auf. Selbstverständlich könnte der Querschnitt auch beispielsweise kreisförmig sein. Ein oder mehrere Packungskörper dieser Art werden dann in bekannter Weise in eine Kammer eingebaut, die mit Luft- bzw. Wasserzu- und Ableitung versehen ist.

F i g. 5 zeigt erfindungsgemäß beschichtete Lagen 8 eines Packungskörpers für eine Stoffaustauschkolonne,

z. B. eine Rektifikationskolonne, die im Gigenstrom von einer flüssigen und einer gasförmigen Phase durchsetzt wird.

Die Lamellen 8 sind in der Reihenfolge dargestellt, wie sie anschließend aufeinandergelegt und sodann in den Stoffaustauschteil einer zylindrischen Kolonne eingeschoben werden. Aus der Zeichnung ist die unterschiedliche Lagengröße der einzelnen Teile er-

sichtlich, die von beiden Außenseiten her zur Mitte zunimmt, derart, daß die Lagen beim Zusammenfügen einen zylindrischen Körper ergeben.

Von den einzelnen Lagen sind nur vier genau und die übrigen schematisch wiedergegeben.

Wie aus der Zeichnung hervorgeht, verlaufen die Riffelungen der benachbarten Lagen derart, daß sich die Seiten der Riffelungen von je zwei benachbarten Lagen schneiden.

Wie bereits an vorstehender Stelle erwähnt, ist die Erfindung jedoch nicht auf Packungskörper der in den F i g. 4 und 5 dargestellten Art beschränkt, sondern umfaßt auch Packungskörper anderer Gestaltung, z. B. wabenförmiger Struktur der Strömungskanäle.

Im folgenden werden zwei Herstellungsbeispiele für die Beschichtung von Glasfasergewebe zur Verwendung für Packungskörper angegeben.

Herstellungsbeispiele

Beispiel 1
Behandlung mit folgendem Sol:

20 g Al(NO₃),-9H₂O

400 ml Alkohol

5 g Milchsäurealuminiumsalz

100 ml Tetraäthoxysilan (40 % SiO₂) Die Proben versteifen sich bei 250°C während see. Für zu behandelnde polare Medien, wie z. B. Chlorbenzol, werden noch die folgenden zwei Nachbehandlungen mit Nachtrocknung angeschlossen.

1. Nachbehandlung

5 g Zirkonacetylacetonat
90 ml Äthanol

1 ml lmolare wäßrige Lösung von Ti(OH₃)F 30 ml Tetraäthoxysilan (40% SiO₂) Trocknen

2. Nachbehandlung

1 % wäßrige Lösung von N-/?-(Aminoäthyly-aminopropyl-trimethoxysilan Trocknen

Beispiel 2 Behandlung des Glasfasergewebes mit folgendem Sol:

6 g Al(NO,),-9H₁O
500 ml Alkohol

114 ml Tetraäthoxysilan

9 g Di-isopropyloxy-Titan-Bis-(Acetylacetonat)

Versteifen der Proben in 3 see bei 230⁰C.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen eines Packungskörpers, insbesondere für Stoffaustauschkoionnen oder Wärmeaustauscher, der unter Ausbildung \on Strömungskanälen aus mehreren geformten Schichten zusammengesetzt ist, die aus nichtselbsttragenden Glasfasern bestehen, wobei die Fasern vor dem Zusammensetzen der Schichten zum Packungskörper mit einer glasbildenden, die Fasern versteifenden Beschichtung verschen werden, die durch Befeuchten der flächenartigen Schichten mit einem Sol und anschließendes TrocKnen gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß zum Befeuchten ein ionotropes SoI verwendet wird und die Trocknung und Formgebung der befeuchteten Schichten bei einer Temperatur von nicht mehr als 300°C erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die getrockneten und verformten Schichten mindestens einer Nachbehandlung mit einem Sol und anschließender Trocknung unterzogen werden.