TW202114766A - 具有減小材料需求之結構化填料元件 - Google Patents

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Abstract

本發明係關於一種結構化填料元件，供用於一管柱以進行一重流體相與一輕流體相之間的質量轉移及/或熱交換，其中該結構化填料元件包括一柵格之至少二層，該柵格包括數個開口，該等開口由分離元件圍繞及彼此分離，其中該至少二層中之至少兩者在縱向方向上彼此平行及彼此接觸地配置，以使自該至少二層之一末端延伸至一相對末端的一開放空間設置於其間，從而使得該重流體相及該輕流體相中之至少一者可流動通過該開放空間，其中相鄰開口之間的至少50%之該等分離元件之平均寬度為層材料厚度之至少15倍且為該等相鄰開口之平均水力直徑的70%與125%之間，且其中在與該縱向方向垂直之平面中量測所得的該至少二層中之至少兩者之間的最大距離係比該等分離元件之該平均寬度大至少4倍。

Description

具有減小材料需求之結構化填料元件
本發明係關於一種結構化填料元件，其供管柱以用於重流體相與輕流體相之間的質量轉移及/或熱交換。
結構化填料元件用於質量轉移管柱中，諸如分餾管柱、蒸餾管柱、吸收管柱、萃取管柱或煙氣洗滌器中。結構化填料元件用於不同密度之至少兩個流體相之間的質量轉移及/或熱轉移之改良，其中結構化填料元件典型地以對流流動方式操作。雖然在蒸餾及吸收應用中，輕相為氣體或蒸氣且重相為冷凝物或液體，但在萃取製程中，兩種相為具有不同密度之液體。結構化填料元件包括複數個不同層，其中之每一者提供用於較重相之表面面積，該較重相沿層之表面向下滴流且擴散。另外，在結構化填料元件之不同層之間設置開放空間，其填充有輕相(例如蒸餾中之蒸氣或氣體)且在輕相由壓力梯度驅動時為輕相上升提供路徑。壓力梯度為克服流動阻力所必需的。在對流質量轉移之典型情況中，輕相之平均流動方向為由結構化填料元件之底部至頂部且因此與重相之平均流動方向相反。藉由允許一個重相在結構化填料元件之表面上擴散，在至少兩個相之間形成界面以使得在該界面處形成相之間的有效熱及質量 轉移。亦可存在利用超過一個重相之應用。實例為萃取蒸餾。
質量轉移管柱通常包括若干結構化填料元件床。典型地，分佈器經配置於每一床之頂部上以將重相均勻地分佈在床之橫截面上方，同時保留足夠空間以用於輕相上升通過該床。另外，通常柵格狀固持裝置及採集器經配置在每一床之下，其中柵格狀結構將床保持在其位置處且採集器收集自床向下滴流之重相，同時在採集器中保留足夠開放空間以用於輕相上升。
常見類型之結構化填料元件為所謂的交叉通道波紋狀薄片填料，其由複數個波紋狀薄片組裝，該等波紋狀薄片彼此平行及觸摸接觸地配置。典型地，波紋狀金屬薄片藉助於垂直於波紋狀薄片之縱向截面的穿透波紋狀薄片之若干棒彼此固定，其中該等棒藉助於墊圈及螺母或藉由使棒彎曲來與第一及最後一個波紋狀薄片固定。每一波紋狀薄片包括複數個交替定向之波峰及波谷，其中鄰近波紋狀薄片經定向以使得鄰近波紋狀薄片之波紋以十字方式與相對於垂直或縱向方向斜向地延伸之波紋狀薄片的波紋相交，由此形成彼此連續交叉之傾斜通道。此等通道正面地影響填料內之氣相及液相之流動且促進相之間的質量轉移。亦即，氣相及液相在結構化填料元件之通道中進行接觸且由此促進相之間的質量轉移以及熱轉移。更具體而言，當存在於形成通道之薄片之表面上的液體向下流動通過質量轉移管柱時，上升氣體與該液體接觸。在此接觸期間，氣體中富含之組分可轉移至液體中且反之亦然；此意謂有效質量轉移可發生。此類填料描述於例如DE 1 253 673中、CA 1270751中及US 6,206,349 B1中。
每單位時間之質量轉移的量與氣體與液體之間的界面之面積成正比，其中界面之面積隨著由液體潤濕的填料元件之層之表面的部分增大而變大。歸功於由於金屬紗網之毛細管力引起的波紋狀薄片之表面上之重相的良好 擴散，由金屬紗網製成之交叉通道波紋狀薄片填料已知具有極佳可潤濕性，且因此(由於極佳可潤濕性)高質量轉移效率。此類結構化填料元件之實例為20世紀六十年代首先呈現之蘇爾壽(Sulzer)填料型BX及CY。此類結構化填料元件之另一實例描述於EP 1 477 224 A1中。然而，金屬線紗網為昂貴材料。由於此原因，已嘗試了用具有大量小開口之波紋狀金屬薄片替換紗網材料。一實例為可商購的Montz-Pak型BSH。在質量轉移管柱之操作期間，此填料之開口由於毛細管力而填充有重相。此類波紋狀之相對精細之結構化穿孔金屬薄片的可潤濕性比基於金屬紗網之填料之可潤濕性更差，且薄片之生產仍相對昂貴，此係部分地由於與精細結構相關聯之緩慢生產製程。
如上文所闡述，結構化填料元件之表面由液體良好覆蓋對高質量轉移效率為重要的，此係由於失敗導致填料材料之浪費，因為輕相並不與重相如在填料之實體面積的情況下那樣多地接觸。促進重相在層之表面上之擴散的替代建議(而非使用金屬紗網或波紋狀之極精細膨脹金屬薄片作為用於結構化填料元件之材料)為提供具有穿孔及另一表面紋理的層，諸如US 4,296,050中、GB 1,569,828中、US 4,981,621中及EP 3 003 550 A1中所描述。
為了進一步改良結構化填料元件之表面的使用，已在DE 38 18917 C1中及CN 882 00252 U中提出提供由具有高空隙分數(亦即層中之開口之總面積除以層之薄片面積的高比率)之穿孔層製成之交叉通道波紋狀薄片填料。更具體而言，DE 38 18917 C1揭示由包括開口之薄片層製成之結構化填料元件，該等開口由分離元件彼此分離。開口之邊緣具備突出輪緣，其中鄰近開口之輪緣自薄片層之表面之上部側向上及自該表面之下部側向下交替延伸。另外，DE 38 18917 C1教示層之開口將為定位於鄰近開口之間的分離元件之寬度的3至7倍大。此得到由具有約50%或更大之極高空隙分數之開放金屬薄片製成的結構 化填料元件。CN 882 00252 U揭示由具有0.1至0.5mm之厚度之穿孔薄片製成的結構化填料元件。開口具有菱形形狀，其中開口之寬度在2與3mm之間且其中薄片上之開放面積的百分率(亦即空隙分數)為40%至50%。因此，兩個先前技術文檔教示提供包括具有超過40%及較佳地約50%之相當高空隙分數之薄片層的結構性填料元件。與此對比，經典結構化填料元件具有至多10%之顯著較低空隙分數。
基於除交叉通道波紋狀薄片填料外之另一原理的結構化填料元件例如描述於EP 0 069 241 A1中、US 4,304,738中及EP 0 250 061 A1中。此等結構化填料元件之層由膨脹薄片金屬組成，其中層由於膨脹製程而呈現某一層寬度。然而，相比於交叉通道波紋狀薄片填料，此等結構化填料元件之層不為波紋狀且除隨著膨脹製程出現之變形以外不變形。此限制用於上升蒸氣之開放空間。因此，質量轉移效率並不理想，此係因為層之間的開放空間並不提供以促進在結構化填料元件之整個橫截面平面上方之均質分佈之方式驅動上升蒸氣的經定義明確之路徑。當界定填料之形狀時，藉助於額外自由度將某一方向施加於蒸氣上將為合乎需要的。
除高質量轉移效率之外，容量為結構化填料元件之一重要態樣。隨著結構化填料元件中之輕相及重相之流速增大，結構化填料元件中之壓降增大。在某一壓降下，重力並不足夠強以抵消兩個相之間的摩擦，且重相或液體分別夾帶在分別輕相或氣體中，且因此沿結構化填料元件不能再下降。此時，質量轉移失敗且此情形稱作溢流。此溢流點判定結構化填料元件之容量，亦即結構化填料元件之容量係藉由對流相之最大流速對表徵，兩個流速中之任一者之增大超出該等最大流速導致溢流。溢流點係關於特徵性壓降，其大體上為約10mbar每米填料高度。
結構化填料元件具有極佳質量轉移效率以及極佳容量將為理想的，因為此將允許在給定容量下減小質量轉移管柱之直徑及/或高度且藉此使質量轉移管柱之投資成本最小化。然而，此兩個特性取決於相對於比面積及其他幾何參數之相對趨勢。更具體而言，高比面積(亦即結構化填料元件之幾何面積除以其佔據之體積的高商)引起輕相與重相之間的密集接觸，該密集接觸為各別結構化填料元件具有通常依據每米填料高度之理論級數NTSM來表示之高質量轉移效率的原因。然而，具有高比面積之結構化填料元件係藉由輕相之高流動電阻表徵，該高流動電阻為各別結構化填料元件比具有更低比面積之填料具有(輕相之給定流速下之)更高壓降每填料高度且因此更低容量的原因。
鑒於以上，本發明之基本目標為提供分別具有給定容量下之較高質量轉移效率或給定質量轉移效率下之較高容量或給定質量轉移效率下之較低重量之具成本效益的多用途結構化填料元件。
根據本發明，此目標藉由提供一種用於管柱以用於重流體相與輕流體相之間的質量轉移及/或熱交換的結構化填料元件來滿足，其中結構化填料元件包括柵格之至少二層，該柵格包括數個開口，該等開口由分離元件圍繞及彼此分離，其中至少二層中之至少兩者在縱向方向上彼此平行及觸摸接觸地配置以使得自至少二層之一末端延伸至一相對末端之開放空間設置於其之間從而使得重流體相及輕流體相中之至少一者可流動通過開放空間，其中相鄰開口之間的至少一個及較佳地50%之分離元件之平均寬度為層材料厚度之至少15倍且為相鄰開口之平均水力直徑的70%與125%之間，且其中在與縱向方向垂直之平面中量測的至少二層中之至少兩者之間的最大距離比分離元件之平均寬度大至 少4倍，其中分離元件之平均寬度藉由將分離元件劃分成各自個別區段，其具有區段長度di，i=1、2、3...n來判定，其中對於區段中之每一者，區段內之相鄰邊緣之間的最短距離bi係加以量測，且乘積di．bi之和除以di之和以得到分離元件之平均寬度b，且其中層材料厚度為層之材料之厚度，其中層材料厚度藉助於測微螺旋在層之外邊緣中之一者處經量測。
此解決方案基於以下意外發現：若相鄰開口之間的分離元件之平均寬度與開口相比較相對大(即，相鄰開口之水力直徑之70%與125%之間)且比層材料厚度明顯更寬(即，15倍或更大)，則可明顯改良給定容量下之質量轉移效率。此係尤其出人意料的，因為其與DE 38 18917 C1及CN 882 00252 U之教示矛盾。該兩個先前技術文檔暗示在分離元件之間懸掛的自由膜對質量轉移面積貢獻雙倍且因此表明使分離元件之寬度進一步最小化且移除甚至更多實體面積。鑒於此，甚至更意外的係藉由相較於前述先前技術文檔中教示之比率來增大相鄰開口之間的分離元件之平均寬度除以相鄰開口之水力直徑的比率，明顯改良給定容量下之質量轉移效率。
根據本發明之結構化填料元件之另一明顯優點為其根本不基於昂貴層材料之使用。實際上，層之柵格可簡單地由膨脹薄片材料製得，亦即藉由切斷及拉伸薄金屬板且接著在第二步驟中使膨脹薄片金屬變形為例如波紋狀薄片。因此，可使用具成本效益的原材料且藉由將其拉伸甚至減小此具成本效益的原材料之材料的所需量。總之，本發明提供分別具有給定容量下之較高質量轉移效率或給定質量轉移效率下之較高容量的具成本效益之多用途結構化填料元件。
當結構化填料元件併入於質量轉移及/或熱交換管柱中時，結構化填料元件之縱向方向為自結構化填料元件之頂部面積至底部面積的方向，亦即 縱向方向為自質量轉移及/或熱交換管柱之頂部至底部之方向。換言之，其為分別在結構化填料元件及質量轉移及/或熱交換管柱之操作期間的較重相之預期重力驅動流動方向。更具體而言，結構化填料元件之縱向方向可經判定如下：結構化填料元件置放於水平面積上，使得彼此平行及觸摸接觸地配置的結構化填料元件之層在垂直方向上延伸，且因此自層之一個末端延伸至相對末端的開放空間(或通道，其分別由層之週期性變形圍繞且因此由層之週期性變形界定)自結構化填料元件之頂部延伸至底部。縱向方向則為自如此配置之結構化填料元件之頂部至底部之方向，或換言之：下降至如此配置之結構化填料元件之頂部上的重相(例如水)沿開放空間向下重力驅動流動，其中縱向方向為重相之平均流動方向。
最大距離(隨後亦稱為或縮寫為「D」)與層寬度(隨後亦稱為或縮寫為「W」)密切相關，該層寬度為在上文提及之平面中量測的一個單層之延伸。W之值典型地為D之約一半。歸功於層寬度W，獲得兩個層之間的開放空間。若層之間的距離在相鄰層之整個表面上方恆定，諸如在兩個平行平坦薄片情況下，則在與縱向方向垂直之平面中量測的結構化填料元件之兩個鄰近層之間的最大距離D根據本發明表示層之間的距離。若層之間的距離在相鄰層之整個表面上方並不恆定，亦即若層之不同表面部分之間的距離不同，則兩個鄰近層之間的最大距離D為兩個層之彼等表面部分之間的距離，其中在兩個層之間的垂直於縱向方向之平面中的距離最大。更具體而言，在與縱向方向垂直之平面中量測的結構化填料元件之兩個鄰近層之間的最大距離D根據本發明表示兩個最遠端點A與B之間的距離，由此點A在第一層上且點B在第二層上。兩個平行平面經界定，一個包括點A，另一個包括點B。此兩個平行平面與兩個層之定向基本上平行地定向。距離D經界定為此兩個平行平面之間的距離。
根據本發明，結構化填料元件包括在縱向方向上彼此平行配置之至少二層。二層之平行配置意謂根據本發明，其中之一層相對於另一層傾斜至多+/- 20°、較佳地至多+/- 10°、更佳地至多+/- 5°、再更佳地至多+/- 2°之角度，且最佳地相對於另一層根本不傾斜。
另外，根據本發明，相鄰開口之間的至少50%之分離元件之平均寬度為層材料厚度的至少15倍。此意謂對於至少50%之分離元件，各別分離元件之平均寬度與薄片材料厚度之間的比率為至少15。較佳地，相鄰開口之間的至少75%、更佳地至少80%、再更佳地至少90%、又更佳地最少95%且最佳地所有之分離元件之平均寬度與薄片材料厚度之間的比率為至少15。
層材料厚度意謂與分別構成或形成層之材料之厚度一致。舉例而言，若層由薄片(諸如由膨脹薄片)製成，則層材料厚度為薄片厚度。若層材料厚度或薄片厚度分別在層之面積上方變化，則層材料厚度為藉助於例如測微螺旋在層之外邊緣中之一者處量測的形成層之材料之厚度。舉例而言，在所獲得數值經計算總數及藉由將和除以量測數來求平均之前，形成層之材料的厚度藉由測微螺旋在外邊緣中之一或多者處的至少兩個、較佳地至少三個且更佳地至少五個方位處經量測。例如當厚度藉由測微螺旋在層之外邊緣中之一或多者的2至20個、較佳地2至10個、更佳地3至10個且最佳地5至10個方位處經量測時(其中不同方位沿外邊緣距彼此約3cm遠)，以獲得良好結果。測微螺旋為包括一個固定及一個可移動量測面積之已知量測裝置，其中可移動量測面積可用細牙螺紋調整。若可移動量測面積完全地移動至固定量測面積，則兩個量測面積可分別彼此接觸或觸摸。兩個量測面積為平坦及圓形，其中兩個量測面積之直徑較佳地為5至6mm。
若分離元件具有均一寬度，則根據本發明藉由量測分離元件之兩 個平行鄰近邊緣之間的距離來判定分離元件之平均寬度(隨後亦稱為或縮寫為「b」)。若分離元件不具有均一寬度，則藉由將分離元件劃分成各自具有區段長度di之個別區段，其中i=1、2、3...n，來判定分離元件之平均寬度b。對於區段中之每一者，量測區段內之鄰近邊緣之間的最短距離bi。乘積di．bi之和除以di之和即得到分離元件之平均寬度b。分離元件之非均一性愈高，必須選擇愈多及愈短區段。較佳地，每分離元件用於量測之個別區段i之數目n為1至1000、更佳地5至100且最佳地5至20，諸如8至15。舉例而言，每cm分離元件選擇5個區段。
較佳地，在鄰近於分離元件之開口中之一者的平面圖上判定分離元件之平均寬度b。此藉由拍攝開口之攝影圖片來有利地達成。開口之平面圖沿由開口之相鄰邊緣界定之平面的法線軸拍攝。在一些情況下，此類平面未經明確界定。在此情況下，最合適的視圖藉由試誤法獲得。拍攝來自各種角度之若干圖片，諸如至少五個圖片或較佳地至少10個圖片。將開口最大顯現之圖片則視為開口之平面圖。一個參考長度z可用於判定平面圖上之長度及大小。此藉由在開口之鄰域中之真實物體上識別或標記一定距離z且量測其長度來最佳地達成。在平面圖上之此距離之有效長度z'與在真實物體上量測之距離z之間的比率用於按比例調整在平面圖上量測之所有其他距離。舉例而言，區段寬度之真實長度由bi=bi'．(z/z')獲得，而帶撇(primed)變量表示在平面圖上量測之長度，且非帶撇(non-primed)變量表示真實長度。
根據本發明，利用公式4 A/P計算開口之水力直徑d，其中A為開口之橫截面積且P為相同開口之周長。若開口之形狀為簡單的，例如平坦三角形、矩形、四邊形、梯形或類似者，則開口之橫截面積可藉由使用基本量測(諸如形狀長度及高度)及基本幾何公式(自歐幾里德幾何已知)來判定。較佳 地，在開口之平面圖上判定面積。複雜形狀可以具有面積Aj之簡單形狀之數目j=1、2、3...m估計及細分。此等形狀之面積可再次使用基本量測及基本幾何公式來計算。開口之面積A藉由對在開口中判定之所有面積Aj求和來獲得。開口之形狀愈複雜，需要愈多細分。較佳地，經拍攝用於量測之個別簡單形狀區段j之數目m為1至1000個、較佳地5至100個、更佳地5至20個，諸如8至15個。如前所述，真實長度基於如上文所定義之比率z/z'而判定。
簡單形狀之開口之周長可使用基本量測及基本幾何公式來判定。在最一般情況中，使用開口之平面圖。開口之周長以最佳地估計開口且由閉合多邊形表示該開口之k=1、2、3...K個個別直線Pk的數目細分。藉由對此等直線之長度求和，獲得周長P。同樣，長度必須使用如上文所定義之比率z/z'來轉換成真實長度。
數字影像處理之方法可用於判定平均寬度b、開口之面積A及其周長P。在此情況下，基本單位藉由像素之大小來判定。為轉換基於像素之長度及面積，比率z/z'必須以如例如以上所解釋之適當方式定義。灰度值可用於識別屬於分離元件之像素及屬於開口之其他像素。面積可藉由對像素求和且將和乘以像素之真實面積(與真實物體有關)來以直接了當的方式計算。當判定區段之寬度bi或長度di時，若寬度定向並不平行於像素之側，則必須應用三角規則。
下文結合圖式進一步給出關於量測方法及說明性實例之更多細節。
若柵格藉由使薄片金屬膨脹(亦即藉由切斷及拉伸薄片材料)製得，則所得開口典型地為具有四個大致相同邊長a1及短對角線e2及長對角線e1(亦稱為特徵性長度)之菱形形狀。因此，如在下文進一步詳細地描述之圖9中示意性地展示，每一菱形開口由各自具有寬度b之四個分離元件圍繞，其中相 鄰開口之分離元件在接合點處彼此連接。水力直徑d通常為未知的，但其可如上文所闡述來判定或由如下文所解釋之通常使用之特徵性尺寸計算。膨脹薄片典型地由其單位單元之尺寸及分離元件之寬度b表徵。該單位單元為覆蓋開口之四邊形(或菱形)，其中四邊形延伸穿過分離元件之四個接合點之中點。單位單元具有短單位單元高度u2及長單位單元寬度u1。短單位單元高度u2與開口之短對角線e2對準，而長單位單元高度u1則與開口之長對角線e1對準。膨脹之方向(其為沿其亦即藉由切斷及拉伸處理薄片金屬之方向)典型地與較短單位單元高度u2相關聯。單位單元尺寸u1及u2與開口e1及e2之對角線的不同在於必須添加的分離元件之一部分。倘若單位單元尺寸u1、u2及分離元件之寬度b經指定，則以下等式用於判定各別開口之水力直徑d：
Figure 109135016-A0202-12-0011-43
e2=e1．u2/u1
Figure 109135016-A0202-12-0011-44
若e2/e1之比率為約0.5或以下，如對膨脹金屬薄片而言現實的，則可使用e1及e2之以下簡化等式來判定各別開口之水力直徑d：
e1=u1-b．u1/u2
e2=u2-b
此外，膨脹金屬薄片可藉助於拉伸因數來表徵，該拉伸因數經定義為u2/2b。拉伸之倒數為與固體金屬薄片相比較可實現之材料節省的良好指示。下文結合圖式進一步給出關於具有說明性實例之此等尺寸的更多細節。
在本發明的想法之進一步發展中，建議相鄰開口之間的至少75%、更佳地至少80%、再更佳地至少90%、又更佳地至少95%且最佳地所有之分離元件之平均寬度b為相鄰開口之平均水力直徑d之70%與125%之間。更 佳地，相鄰開口之間的至少50%、較佳地至少75%、更佳地至少80%、再更佳地至少90%、又更佳地至少95%且最佳地所有之分離元件之平均寬度b為相鄰開口之平均水力直徑d之75%與100%之間。
為了實現重相在層表面上之理想擴散，較佳地的係相鄰開口之間的至少50%、較佳地至少75%、更佳地至少80%、再更佳地至少90%、又更佳地至少95%且最佳地所有之分離元件之平均寬度b為1.5至4.0mm。更佳地，相鄰開口之間的至少50%、較佳地至少75%、更佳地至少80%、再更佳地至少90%、又更佳地至少95%且最佳地所有之分離元件之平均寬度b為1.6至3.5mm且最佳地1.8至3.0mm。
根據本發明，相鄰開口之間的至少50%之分離元件之平均寬度b為層材料厚度(隨後亦稱為或縮寫為「s」)的至少15倍。當相鄰開口之間的至少50%之分離元件之平均寬度b為層材料厚度s的至少18倍時，獲得特別良好結果。
在本發明的想法之進一步發展中，建議至少50%、較佳地至少75%、更佳地至少80%、再更佳地至少90%、又更佳地至少95%且最佳地所有之分離元件的平均寬度b為層材料厚度s之至少15倍且較佳地至少18倍。
根據本發明，在與縱向方向垂直之平面中量測的至少二層之至少兩個相鄰者之間的最大距離D比分離元件之平均寬度b大至少4倍。此意謂在與縱向方向垂直之平面中量測的至少二層之至少兩個相鄰者之間的最大距離D與至少50%、較佳地至少75%、更佳地至少80%、再更佳地至少90%、又更佳地至少95%且最佳地所有之分離元件之平均寬度b之間的比率為至少4。當在與縱向方向垂直之平面中量測的最大距離比至少50%、較佳地至少75%、更佳地至少80%、再更佳地至少90%、又更佳地至少95%且最佳地所有之至少二層之 間的分離元件之平均寬度大至少4倍時，獲得特別良好結果。
另外，較佳的係在與縱向方向垂直之平面中量測的至少50%、較佳地至少75%、更佳地至少80%、再更佳地至少90%、又更佳地至少95%且最佳地所有之至少二層之間的最大距離D比分離元件之平均寬度b大至少5倍且更佳地至少8倍。
在本發明的想法之進一步發展中，建議在與縱向方向垂直之平面中量測的至少50%、較佳地至少75%、更佳地至少80%、再更佳地至少90%、又更佳地至少95%且最佳地所有之至少二層之間的最大距離D比分離元件之平均寬度b大4至15倍、較佳地5至13倍且最佳地8至12倍。
若在與縱向方向垂直之平面中量測的至少50%、較佳地至少75%、更佳地至少80%、再更佳地至少90%、又更佳地至少95%且最佳地所有之至少二層之間的最大距離D為8至80mm、較佳地12至51mm且最佳地16至30mm時，則尤其獲得良好結果。
根據本發明之尤其較佳實施例，對於至少二層中之至少一者，層中之開口之總面積除以層之薄片面積的比率(亦即層之空隙分數)為20%與38%之間。層之薄片面積AS根據本發明為僅在一側上量測的所有分離元件之實體面積與由分離元件圍封之開口的總面積之和。開口之總面積僅為開口之(橫截面)面積A之和。此外，結構化填料元件之薄片面積AS為包含在結構化填料元件中之層之薄片面積的和。如上文所闡述，填料層之空隙分數為此層中之開口之總面積除以此層之薄片面積的比率。
較佳地，對於至少50%、更佳地至少75%、再更佳地至少80%、再更佳地至少90%、又更佳地至少95%且最佳地所有之至少二層，層之空隙分數為20%與38%之間。此允許本發明獲得特別高程度之優勢。
此外，較佳地的係對於至少50%、更佳地至少75%、再更佳地至少80%、再更佳地至少90%、又更佳地至少95%且最佳地所有之至少二層，層之空隙分數為25%與35%之間且最佳地28%與32%之間。此將使根據本發明之結構化填料元件之層得以特別極佳濕潤。
若結構化填料元件之柵格為均一的，亦即當所有或至少大部分之開口及分離元件彼此相同或至少高度類似時，則獲得特別良好結果。鑒於此，較佳地的係至少二層中之每一者的至少50%、更佳地至少75%、又更佳地至少80%、再更佳地至少90%、又更佳地至少95%且最佳地所有之開口具有水力直徑d，該水力直徑為所有開口之平均水力直徑d之50%與150%之間、較佳地70%與130%之間、更佳地80%與120%之間且最佳地90%與110%之間。
較佳的係至少二層中之每一者的至少50%、較佳地至少75%、更佳地至少80%、再更佳地至少90%、又更佳地至少95%且最佳地所有之開口之水力直徑d為1.25至5.0mm。甚至更佳地，至少二層中之每一者的至少50%、較佳地至少75%、更佳地至少80%、再更佳地至少90%、又更佳地至少95%且最佳地所有之開口之水力直徑d為2.0至4.0mm、最佳地2.2至3.5mm。
關於開口之幾何形狀，本發明不受特定限制。因此，開口可具有圓形、橢圓形、近方形(squarish)、矩形、菱形、四邊形、六角形、梯形、多邊形或不規則橫截面形式。
當至少50%、較佳地至少75%、更佳地至少80%、再更佳地至少90%、又更佳地至少95%且最佳地所有之開口具有近方形或菱形橫截面時，其中邊長a1為1.0至5.0mm、較佳為1.3至4.0mm且最佳為1.6至3.5mm，此例即可獲得良好結果。尤其較佳的係在此實施例中，方形或菱形e2/e1之特徵性長度(或分別，對角線)為平均0.4至0.7、更佳地為0.45至0.60且最佳地為0.49至 0.55。此外，尤其較佳的係在此實施例中，鄰近開口之間的分離元件之平均寬度b為1.5至4.0mm、較佳地1.6至3.5mm且最佳地1.8至3.0mm。
根據本發明之替代實施例，至少50%、較佳地至少75%、更佳地至少80%、再更佳地至少90%、又更佳地至少95%且最佳地所有之該等開口具有矩形或四邊形橫截面，其中矩形或四邊形橫截面之較短特徵性長度(e2)(即短對角線)為1.0至4.0mm且較佳地2.0至3.0mm，其中矩形或四邊形橫截面之較長特徵性長度(e1)(即長對角線)為2.0至8.0mm、較佳地為2.5至7.0mm且最佳地為3.0至6.0mm，且其中相鄰矩形之間的分離元件之平均寬度(b)為1.5至4.0mm、較佳地為1.6至3.5mm且最佳地為1.8至3.0mm。
關於結構化填料元件之層之材料，本發明不受特定限制。舉例而言，層或柵格分別可由金屬製成，該金屬諸如不鏽鋼或選自由鋁、銅、鈦、鋯及合金組成之群組的化合物。為了節省材料以及具成本效益地製造本發明之結構化填料元件之層的柵格，建議在本發明的想法之進一步發展中，所述至少二層之柵格由膨脹薄片金屬製成，諸如不鏽鋼或建構之任何其他金屬材料，其中每一柵格之層材料厚度s為s=0.05至0.50mm、較佳地s=0.08至0.20mm且最佳地s=0.09至0.15。
當藉由使薄片膨脹來產生柵格時，所得薄片金屬或柵格不再平坦。此為個別分離元件之變形、扭曲、彎曲或拱起及分離元件與其他相比較(例如藉由傾斜)之相對變形的結果。如毛刺之其他特徵可由衝壓製程引起且因此有助於厚度。膨脹薄片之所得尺寸稱作柵格厚度g且可與層材料厚度一致(若膨脹薄片為平坦的，則為該情況，因為該膨脹薄片已藉由輥壓而平化)或比層材料厚度大至多若干倍。柵格厚度典型地約為分離元件之寬度b之量值且不應比寬度b大得多。因此，若柵格厚度g大於層材料厚度s，則柵格厚度g與分離 元件之平均寬度b的比率介於大於0多達大致1.2、更佳地0.4至1且最佳地0.5至0.8之範圍內。柵格厚度g明顯小於在與縱向方向垂直之平面中量測的兩個鄰近層之間的最大距離D。較佳地，最大距離D與柵格厚度g之比率(即D/g)為至少3。
當在與縱向方向垂直之平面中量測的至少二層之每一相鄰者之間的最大距離D比開口之平均水力直徑d大至多15倍時，尤其獲得良好結果。
如上文所闡述，自該等層之一末端延伸至一相對末端之開放空間設置於該等層之間，以便確保本發明之結構化填料元件中的良好氣流。結構化填料元件之至少二層之間的開放空間較佳由週期性變形界定。鑒於此，建議在本發明的想法之進一步發展中，至少50%、較佳地至少75%、更佳地至少80%、再更佳地至少90%、又更佳地至少95%且最佳地所有之至少二層包括數個週期性變形，其中該至少二層之間的開放空間由該等週期性變形界定。本發明之結構化填料元件之所有層更佳包括此等週期性變形，亦即本發明之結構化填料元件並不包含任何平坦層。
舉例而言，該等週期性變形可為包括複數個交替定向波峰及波谷之波紋，其中一層之波峰接觸相鄰一層之波谷且一層之波谷接觸相鄰一層之波峰，其中相鄰層經定向以使得相鄰層之波峰及波谷與相對於縱向方向斜向地延伸的層之波峰及波谷以十字方式相交。當然，亦有可能的是，一層並非所有波峰接觸相鄰一層之一或多個波谷，但實際上一層之波峰的一部分接觸相鄰一層之一或多個波谷，反之亦然。然而，在兩個相鄰層之間應存在至少三個接觸點。較佳地在30%至90%且更佳地在50%至80%之方位處，其中相鄰層之波峰及波谷彼此相對，不存在接觸，其中在其餘方位處，相鄰層之各別波峰及波谷彼此接觸。
當波峰中之每一者與波谷中之每一者之間相對於縱向方向的角度α為10°至60°、較佳地為20°至50°且最佳地為25°至47°時，其中相鄰層之波峰及波谷在相對方向上較佳地定向，在此實施例中尤其獲得良好結果。此允許輕相在結構化填料元件之橫截面之至少一個方向上方的均一分佈。角度不應過大以致不能使壓降最小化及使容量最大化。
為了減小結構化填料元件之壓力損失，提出在本發明的想法之進一步發展中，波峰及波谷係相對於配置於終端部分之間的中心部分之波峰及波谷而在該等層之終端部分中彎曲，使得結構化填料元件之終端區域中的流動阻力相對於配置於終端區域之間的區域之流動阻力減小。因此，此實施例之層之波峰及波谷並不是線性地延伸。較佳地，波峰及波谷在層之終端部分中彎曲以便至少基本上垂直地延伸。基本上垂直意謂波峰及波谷在層之下部及上部邊緣處與垂直方向不傾斜超過10°；較佳地不超過5°且更佳地不超過2°。終端區域為沿薄片長度自30%、較佳地25%且更佳地20%或更少層之上部及下部邊緣延伸的層之最上部及最下部區域，該薄片長度為沿層之縱向方向的方向。終端區域中之每一者可具有高度與中心區域之彼等波峰及波谷不同之波峰及波谷，該中心區域為兩個終端區域之間的層之區域。此類彎曲或不同高度可僅存在於終端區域中之一者中，而非在兩個終端區域中提供此類彎曲或不同高度。
根據本發明之替代實施例，該等週期性變形為包括波峰及波谷之具有正方形、三角形、正弦或曲折型橫截面的波，其中一層之波峰接觸相鄰一層之波谷，且一層之波谷接觸相鄰一層之波峰，其中相鄰層經定向以使得相鄰層之波峰及波谷與相對於縱向方向斜向地延伸的層之波峰及波谷以十字方式相交。
當波峰中之每一者與波谷中之每一者之間相對於縱向方向的角 度α為10°至60°、較佳地為20°至50°且最佳地為25°至47°時，其中相鄰層之波峰及波谷在相對方向上較佳地定向，在此實施例中尤其獲得良好結果。此允許輕相在結構化填料元件之橫截面之至少一個方向上方的均一分佈。
根據本發明之又另一實施例，該等週期性變形可具有如US 5,885,694中揭示之結構，其中兩個相鄰薄片在向上及向下彎曲條之波峰及波谷上彼此接觸。每一薄片包括向上及向下彎曲條之線性配置序列，其中兩個相鄰薄片之線以一定角度交叉。
根據本發明之又一替代實施例，該等週期性變形為凹痕，其中凹痕中之每一者包括凹痕波谷壁，其中一層之凹痕波谷壁之至少一部分接觸相鄰一層之非凹陷表面部分。凹痕可具有凹坑之形式，亦即如高爾夫球之凹痕的形式。然而，較佳的係凹痕為具有環形橫截面之細長凹痕，諸如凹槽。
然而，亦有可能的係開放空間並不由結構化填料元件自身之層之變形、但卻例如藉助於一或多個間隔件界定，該等間隔件設置於相鄰層之間，其中至少二層之間的開放空間由一或多個間隔件界定。
關於其中所含有之層的數目，本發明不受特定限制。填料元件中之層的數目取決於質量轉移管柱之直徑及用於質量轉移之所需比面積aM。需要的表面愈多，亦即比面積愈高，將存在愈多層，且因此，最大距離D將更小。雖然結構化填料元件通常具有圓形橫截面，但取決於熱及/或質量轉移管柱之形狀，亦可存在其他形狀之橫截面，例如矩形橫截面。若管柱具有大的直徑，則元件通常細分為區段或塊以減小重量且允許分段安裝。
當根據本發明之結構化填料元件具有60至750m2/m3、120至500m2/m3且最佳地具有200至450m2/m3之比面積aM時，獲得質量轉移效率與容量之特別良好組合。
比面積aM經定義為結構化填料元件之幾何面積AM除以結構化填料元件佔據之體積VM。結構化填料元件之幾何面積AM為元件中所包括之所有層之幾何面積的和，其中層之幾何面積將層之兩側加起來，如同不存在開口或孔一般。換言之，藉由將填料層之薄片面積AS乘以二來大致獲得幾何面積，此係因為層之兩側佔幾何面積。
結構化填料層之薄片面積AS藉由將層中之開口的面積及層之實體面積AP兩者相加來獲得。AP僅計數實體地存在之表面。孔並不有助於該值。結構化填料元件之薄片面積AS藉由對其中包括之所有層的薄片面積求和來獲得。
結構化填料層之實體面積AP為在包含在結構化填料層中之所有分離元件之一個選定側上量測的表面之和。層材料厚度s之邊緣並不有助於此面積。填料之實體面積AP為其中包括之所有層的實體面積之和。
除面積之定義aM、AM、AS及AP之外，「表面」及「表面面積」等表述係以更定性或直觀之方式用於本發明之描述中。
較佳地，結構化填料元件具有100至300mm及較佳地150至250mm之高度。
根據另一態樣，本發明係關於包括如上文所描述之至少一結構化填料元件之質量轉移管柱。
較佳地，質量轉移管柱包括1至10個、更佳地包括2至8個且最佳地包括2至4個床，其中每一床包括如上文所描述之至少一結構化填料元件。較佳地，一個床包括2至20個、更佳地包括4至15個且最佳地包括6至10個結構化填料元件。為了實現床中之極佳氣體分佈，兩個相鄰結構化填料元件沿大體平行於縱向方向之管柱的軸旋轉。旋轉角為約50至120°、更佳地為70°至 110°且最佳地為80°至100°。
另外，質量轉移管柱較佳包括結構化填料元件之床中之每一者上方的分佈器，以便允許在結構化填料元件床之橫截面上方的質量轉移管柱之操作期間至少基本上均質地分佈重相。
根據本發明之另一較佳實施例，質量轉移管柱建議包括位於結構化填料元件之每一床之底部下的採集器，該採集器允許在質量轉移管柱之操作期間收集在結構化填料元件之層之表面向下滴流的重相。
隨後參考隨附圖式及藉由實例來描述根據本發明之特定實施例。
10:質量轉移管柱/蒸餾管柱
12:結構化填料元件
14:床
14':床
16:分佈器
16':分佈器
18:固持裝置
20:採集器
22:管道
24:波紋狀薄片
24':波紋狀薄片
26:波峰
26':波峰
28:波谷
30:通道
32:層
32':層
33:終端部分
33':終端部分
34:凹痕
36:凹痕波谷壁
38:柵格
40:開口
40':開口
42:分離元件
44a:攝影圖片
44b:攝影圖片
44c:攝影圖片
46:區段
48:邊緣
48':邊緣
50:區段
52:中心平面
54:限制平面
54':限制平面
56:接合點
58:中點
A:橫截面積
a1:邊長
a2:邊長
aM:比面積
Ab:所得面積
Aj:面積
AM:幾何面積
Ao:面積
AP:實體面積
AS:薄片面積
Au:面積
b:平均寬度
bi:最短距離
d:平均水力直徑
di:區段長度
e1:較長特徵性長度
e2:較短特徵性長度
e3:長度
e4:長度
g:柵格厚度
s:層材料厚度
D:最大距離
P:周長
Pk:直線
U:單位單元
u1:長單位單元寬度
u2:短單位單元高度
V:縱向方向
W:平均層寬度
z:參考長度
z':有效長度
α:角度
圖1為根據本發明之一實施例之包含若干結構化填料元件之質量轉移管柱的示意性側視圖。
圖2a為根據本發明之一實施例之結構化填料元件之薄片之一部分的分解視圖。
圖2b為圖2a中所展示之結構化填料元件之示意性側視圖。
圖2c展示圖2a中所展示之結構化填料元件之二層。
圖3為根據本發明之另一實施例之結構化填料元件之局部視圖。
圖4為根據本發明之另一實施例之結構化填料元件之一部分之示意圖。
圖5為根據本發明之另一實施例之結構化填料元件之一部分之示意圖。
圖6a-f為根據本發明之結構化填料元件之諸層之柵格結構之不同實施例之示意圖。
圖7a-b為說明分離元件之平均寬度及開口之平均水力直徑的判定之示意 圖。
圖8說明由波紋狀層製成之結構化填料元件之最少變形部分的判定。
圖9為根據本發明之說明特定實例之參數之判定的真實比例(true to scale)平面圖。
圖10顯示用於說明面積AP(圖10b)、AS(圖10c)、AM、VM及aM(圖10d)之定義的填料層之橫截面之示意圖。
圖11顯示在實例1及比較例1中獲得之針對960mbar之蒸餾管柱之排出壓力的效率曲線。
圖12顯示在實例1及比較例1中獲得之針對100mbar之蒸餾管柱之排出壓力的效率曲線。
圖13顯示在實例1及比較例1中獲得之針對100mbar之蒸餾管柱之排出壓力的壓降。
圖14顯示在實例2及比較例2及3中獲得之針對960mbar之蒸餾管柱之排出壓力的效率曲線。
圖15顯示在實例2及比較例2及3中獲得之針對100mbar之蒸餾管柱之排出壓力的效率曲線。
圖16顯示在實例2及比較例2及3中獲得之針對100mbar之蒸餾管柱之排出壓力的壓降。
圖1為根據本發明之一實施例之質量轉移管柱10、而更具體而言即蒸餾管柱10之示意性側視圖(圖之透明內部僅用於說明性目的)。亦出於說明性目的，諸層之柵格結構未顯示於圖1中，但僅顯示於圖6中。蒸餾管柱10包括以兩個床14、14'之形式配置之複數個結構化填料元件12。分佈器16、16' 經配置於兩個床14、14'中之每一者上方以將液體均勻地分佈在床之橫截面上方，同時保留使蒸氣上升通過之足夠空間。柵格狀固持裝置18及採集器20經配置在每一床14、14'之下，其中柵格狀固持裝置18將床14保持在其位置處，而採集器20則係收集自床14向下滴流之液體，同時在採集器中保留足夠開放空間以用於蒸氣上升。
在蒸餾管柱10之操作期間，氣體作為輕相自蒸餾管柱10之底部上升至頂部，而液體作為重相在對流中自頂部下降至底部。更具體而言，液體藉由分佈器16基本上均質地分佈在床14之橫截面上方且沿結構化填料元件12之層的表面向下滴流。在結構化填料元件12之不同層之間設置開放空間，其填充有氣體且在氣體由壓力梯度驅動時為氣體上升提供路徑。藉由允許液體在結構化填料元件12之層之表面上擴散，在兩個相之間形成大的界面以使得在該界面處形成液體與氣體之間的有效熱及質量轉移。在床14之底部處，液體經收集在採集器20中且經由管道22向下導引至第二床14'上方之分佈器16'。
圖2a至2c顯示所謂的交叉通道波紋狀薄片填料型之結構化填料元件12。出於說明性目的，諸層之柵格結構未顯示於圖2中，但僅顯示於圖6中。結構化填料元件12由複數個波紋狀薄片24、24'組裝而成，該等波紋狀薄片彼此平行且彼此接觸。波紋狀薄片24、24'中之每一者為如上文所描述及如在下文根據圖6更詳細地描述之柵格。在圖2c之右下角處，示意性地指示波紋狀薄片24之一部分的柵格結構。如自以上說明書所理解，實際上至少兩個及較佳地所有之波紋狀薄片24、24'係由此類柵格組成，該等柵格僅出於說明性原因而未顯示於圖2a至2c中。在本實施例中，波紋狀薄片24、24'由膨脹薄片材料製成，亦即其藉由切斷及拉伸薄金屬板且接著使膨脹薄片金屬變形為波紋狀薄片24、24'來製備。
波紋狀金屬薄片24、24'藉助於垂直於波紋狀薄片24、24'之縱向截面的穿透波紋狀薄片24、24'之若干棒(未顯示)彼此固定，其中該等棒藉助於墊圈及螺母或藉由使棒彎曲或藉由任何其他方式(未顯示)與第一個及最後一個波紋狀薄片固定。每一波紋狀薄片24、24'包括複數個交替定向波峰26及波谷28，其中相鄰波紋狀薄片24、24'經定向以使得相鄰波紋狀薄片24、24'之波紋26、28以十字方式與相對於縱向方向斜向地延伸之波紋狀薄片24、24'的波紋26、28相交，由此形成彼此連續交叉之傾斜通道30。更具體而言，波峰26中之每一者與波谷28中之每一者之間相對於縱向方向V的角度α為10°至60°、較佳地為20°至50°且最佳地為25°至47°，其中相鄰層(32、32'或24、24')之波峰26及波谷28分別在相對方向上定向。通道30界定相鄰波紋狀薄片24、24'之間的最大距離D，諸如20mm。此等通道30正面地影響結構化填料元件12內之氣相及液相之流動且促進相之間的質量轉移。亦即，氣相及液相在結構化填料元件12之通道30中進行接觸且由此促進相之間的質量轉移以及熱轉移。更具體而言，當存在於界定通道30之波紋狀薄片24、24'之表面上的液體向下流動通過質量轉移管柱時，上升氣體與該液體接觸。總之，輕相分別流動通過開放空間或通道30，而無通過結構化填料元件12之層32、32'之柵格38的開口40之旁路流動。此引起輕相與重相之間的特別有效質量及能量轉移。另外，通道30之十字方式引起相自左至右之理想分佈。
圖3顯示根據替代實施例之結構化填料元件之局部視圖。除了波紋狀薄片24、24'並不包括線性延伸之波峰及波谷，但波紋狀薄片24、24'之波峰26、26'及波谷分別在終端區域或部分33、33'中彎曲以便基本上在垂直方向上在波紋狀薄片24、24'之終端部分33、33'中延伸之外，圖3之結構化填料元件類似於圖2a至2c中所顯示之結構化填料元件。終端區域為沿波紋狀薄片24、24'之 長度自30%、較佳地25%且更佳地20%或更小之波紋狀薄片24、24'之上部及下部邊緣延伸的波紋狀薄片24、24'之最上部及最下部區域33、33'，該長度為沿波紋狀薄片24、24'之縱向方向的方向。終端區域33、33'中之每一者可具有高度與中心區域之彼等波峰及波谷不同之波峰26、26'及波谷，該中心區域為兩個終端區域33、33'之間之層之區域。如不同高度或彎曲之此類特徵可僅存在於波紋狀薄片24、24'之終端區域33、33'兩者中。
在圖3中，實線描繪呈現給觀察者之波紋狀薄片24之一面中的波紋之波峰26，而虛線26'描繪在觀察之面背後之波紋狀薄片24'之對應面中的波紋之波峰。藉由使終端部分33、33'彎曲以便基本上在垂直方向上在波紋狀薄片24、24'之終端部分33、33'中延伸，波紋狀薄片24、24'之終端部分33、33'之流動阻力與定位於波紋狀薄片24、24'之終端部分33、33'之間的部分之流動阻力相比較減小。此使結構化填料元件之壓力損失減低。
圖4顯示根據替代實施例之結構化填料元件12之二層。出於說明性目的，該等層之柵格結構未顯示於圖4中，但僅顯示於圖6中。結構化填料元件12包括若干層32、32'，其中每一層經變形以提供若干凹痕34，其中凹痕34中之每一者包括凹痕波谷壁36。相鄰層32、32'彼此平行彼此並彼此接觸地配置。換言之，相鄰層32、32'彼此觸及而使得一層32之凹痕波谷壁36中之至少一些接觸相鄰一層32'的非凹陷表面部分。因此，凹痕34實際上充當間隔件以便界定分別在層32、32'之間的通道30或開放空間，從而界定單個層32、32'之間的最大距離D，以便允許輕相或氣體分別上升通過通道30。
圖5顯示根據替代實施例之結構化填料元件12。出於說明性目的，層之柵格結構未顯示於圖5中，但僅顯示於圖6中。結構化填料元件12包括若干層32、32'，其中每一層經變形，以使彼此接觸之二相鄰層32、32'界定分 別位在諸層32、32'之間的具有六角形橫截面之通道30或開放空間，從而界定單層32、32'之間的最大距離D，以便分別允許輕相或氣體上升通過通道30。該等層32、32'可相對於縱向方向以交替角度α傾斜定向地配置以使得層32、32'之通道30彼此交叉。儘管氣流較佳沿著彼等通道30而交替地朝右或左方向流動，平均氣流將遵循縱向方向V。
圖6a至6f為形成根據本發明之結構化填料元件12之諸層32之柵格38之不同實施例之示意圖，其例如適合用於如圖2a至2c、3、4及5中之任一者中所顯示之結構化填料元件。圖6a中所顯示之結構化填料元件之層32的柵格38包括具有四邊形橫截面之數個開口40，其中該等開口40由分離元件42圍繞及彼此分離。分離元件42為具有例如2mm之平均寬度b之細條，其中分離元件42完全地圍繞該等開口40。該等開口40之兩個邊長a1、a2經選擇以便得到具有例如3mm之適合水力直徑d的開口40。如本領域中已知者，可根據公式4 A/P來計算水力直徑d，其中A為開口40之橫截面積且P為開口40之周長。
根據本發明，相鄰開口40之間的該等分離元件42之平均寬度b為相鄰開口40、40'之平均水力直徑d的70%與125%之間。另外，在與縱向方向V垂直之平面中量測的至少二層32、32'之至少兩個相鄰者之間的最大距離D比分離元件42之平均寬度b大至少4倍。藉由調整此等關係，可進一步改良結構化填料元件12之層32、32'之表面之濕潤化，且由此儘管實際上實體面積較小且材料較少，但卻得以增大基於結構化填料元件12之給定容量的質量轉移效率。
柵格38可簡單地由膨脹薄片材料製得，亦即藉由切斷及拉伸薄金屬板且接著使膨脹薄片金屬變形為所要形式，諸如波紋狀薄片。
具有不同幾何形狀之開口40及不同幾何形狀之分離元件42之柵 格38係顯示於圖6b至6f中。圖6b及6c之柵格38之開口40為四邊形，而圖6d之柵格38之開口40為不規則的，且圖6e及6f之柵格38之開口40為橢圓形。其亦可為莢狀(lenticular)形狀。
隨後，參考圖7a及7b，以描述根據本發明之結構化填料元件之柵格38的分離元件42之寬度b及開口40之水力直徑d的判定。首先，藉由在不同角度下拍攝開口40之三個攝影圖片44a、44b、44c，以製成結構化填料元件12之開口40、40'中之一者的若干平面視圖。沿由分離元件42之相鄰邊緣48、48'界定的平面之法線軸拍攝開口40之平面視圖(攝影圖片44a、44b、44c)。將開口40最大之攝影圖片44b則用作開口40之平面圖。一個參考長度z用於判定平面圖上之長度及大小。此藉由在開口40之鄰域中之真實物體上識別或標記一定距離z且量測其長度來達成。在平面圖上出現之此距離之有效長度z'與在真實物體上量測之距離z之間的比率用於按比例調整在平面圖上量測之所有其他距離。
對於判定分離元件42之寬度b，平面圖之分離元件42經劃分成各自具有區段長度di之經指定為i=1、2、3...n之個別區段46。對於區段中之每一者，量測區段46內之鄰近邊緣48、48'之間的最短距離bi。乘積di．bi之和除以di之和乘以係數z/z'得到分離元件42之平均寬度b。
利用公式4 A/P計算開口40之水力直徑，其中A為開口40之橫截面積且P為相同開口40之周長。開口40之橫截面積以各自具有簡單形狀之區段50之數目j=1、2、3...m細分。每一區段50之面積經指定為Aj且使用基本量測及基本幾何公式來計算。開口40之面積A藉由對在開口40中判定之所有面積Aj求和來獲得。
開口40'之周長P藉由以最佳地估計開口40'且由閉合多邊形表示 之該開口之k=1、2、3...之K個個別直線Pk的數目細分開口40'之周長P來判定。藉由對此等直線Pk之長度求和，獲得周長P。同樣，長度必須使用如上文所定義之比率z/z'來轉換成真實長度。
圖8說明由作為層32、32'之波紋狀薄片24、24'製成之結構化填料元件之最少變形部分的判定。如上文所闡述，在本發明之較佳實施例中，結構化填料元件12之層32、32'由膨脹薄片金屬製成，亦即藉由切斷及拉伸薄金屬板且接著使膨脹薄片金屬變形為例如波紋狀薄片24、波紋狀薄片24'。在此處理之後，開口及分離元件可能在波紋狀薄片24、24'之波紋之波峰26及波谷28周圍變形及/或拉伸。
然而，由連接波峰26及波谷28之柵格之大致筆直部分界定的傾斜側面包含幾乎未經修改大小之開口及分離元件，因為此處變形較不明顯。因此，根據本發明，較佳的係量測僅較少變形之層之部分中的尺寸，該部分經指定為波紋狀薄片24、24'之「最少變形部分」。此「最少變形部分」經定義如下：波紋狀薄片具有平均層寬度W。此平均層寬度藉由層24之波峰26及波谷28之大部分之振幅來判定。由下圖中之兩個虛線表示之上部及下部平面經繪製以接觸該層之波峰26及波谷28之大部分。此兩個虛線之間的距離稱作平均層寬度W，且其典型地為最大距離D之約一半。值W通常為恆定值，但其可在最一般情況下變化，此係由於兩個平面並不需要為平行的且填料元件可含有不同寬度之層。界定第三中心平面52，其以自此中心平面52上之每一點至上部及下部平面量測之距離皆相同之方式置放。當判定柵格之特徵性尺寸時將考慮的波紋狀層24之最少變形部分由上部及下部限制平面54、54'定界，該上部及下部限制平面定位於中心平面52周圍之±20%、更佳地±30%且最佳地±40%之W之處。當判定參數(諸如孔之平均水力直徑及分離元件之平均寬度)時，分析此最少變 形部分中之開口及分離元件，亦即此兩個限制平面54、54'之間所見的開口及分離元件。根據本專利申請案之一個實施例，對於限制平面之間的至少90%之孔，以下為有效的：連同其周圍分離元件系統之每一開口應具有相同外觀及相同水力直徑d。周圍分離元件平均具有相同寬度b。滿足此陳述之結構化填料元件層被視為由均一柵格製成之層。
以上觀測結果亦對任何不同形狀之層有效。其不受限於波紋狀層。
圖9為根據本發明之說明用於特定實例、即用於具有菱形(即等邊四邊形)形狀之開口40之參數之判定的真實比例平面圖。尺寸僅出於說明性目的而選擇，且就本發明而言並非一定為典型者。甚至應注意，並未刻意要使該等尺寸符合根據本發明之有利尺寸範圍。
參考長度z已經量測為6.25mm。藉由量測如在印出圖片(平面圖)中出現之長度z，吾人獲得z'。在圖中可量測到之所有其他長度乘上如上文所描述獲得之係數z/z'。因此，菱形之較長特徵性長度(或各自對角線)e1為10mm長且較短特徵性長度(或各自對角線)e2為8mm。菱形之邊長a1為6.4mm，其之計算為
Figure 109135016-A0202-12-0028-33
。分離元件42具有b=1mm的寬度。開口40之面積及周長P長度之長度藉由以下等式獲得：
A=e1．e2/2
Figure 109135016-A0202-12-0028-45
因此，數值為A=40mm2且P=25.6mm。所得水力直徑為d=4．A/P
Figure 109135016-A0202-12-0028-51
。
大致上d=6.25mm之水力直徑係藉助於直徑d之圓而得以在圖9中看見。
若結構化填料元件之柵格38極有規律地由如圖9中所展示之菱形開口40及分離元件42構成，則可界定單位單元U，其為含有所有其特徵及尺寸之柵格的典型重複元件。單位單元U為覆蓋開口40之四邊形(矩形)U，其中四邊形U延伸穿過分離元件42之四個接合點56之中點58。單位單元U具有短單位單元高度u2及長單位單元寬度u1。短單位單元高度u2與開口40之短對角線e2對準，而長單位單元高度u1則與開口40之長對角線e1對準。有可能判定單位單元U中之面積，即整個單位單元U之彼等面積、開口40之彼等面積及分離元件42之彼等面積。為判定u1及u2，必須知曉兩個分離元件42之交叉處的小菱形之長度e3及e4。基於幾何考量，獲得以下表達式：
Figure 109135016-A0202-12-0029-46
e4=e3．e2/e1
u1=e1+e3
u2=e2+e4。
所得尺寸為e3=1.60mm，e4=1.28mm，u1=11.6mm，u2=9.28mm。比率e2/e1及u2/u1相等且因此值為0.8。
膨脹薄片之尺寸通常由單位單元尺寸u1、u2及分離元件之寬度b所定。在彼等情況下，水力直徑d可經計算如下：
Figure 109135016-A0202-12-0029-48
e2=e1．u2/u1
Figure 109135016-A0202-12-0029-47
作為簡化，當處理具有低於0.5之典型比率e2/e1之膨脹金屬薄片時，以下近似值即足以充分準確地以u1及u2來判定特徵性長度e1及e2：
e1=u1-b．u1/u2
e2=u2-b。
此外，膨脹金屬薄片可藉助於拉伸因數來表徵，該拉伸因數經定義為fs=u2/2b。在當前實例中，其值為fs=4.64。
單位單元U之面積為Au=u1．u2=107.7mm2。單位單元U中之開口之面積為Ao=e1．e2=2．A=80mm2。單位單元U中之固體部分之面積藉由將四個分離元件之面積及兩個分離元件之交叉處的小菱形之面積的兩倍相加來獲得：
Figure 109135016-A0202-12-0030-49
所得面積為Ab=27.66mm2且Au=Ab+Ao得以維持。在單位單元U內，開口40之總面積除以層之總表面面積的比率為Ao/Au=74.3%，吾等稱其為層之空隙分數。接近空隙分數之值可已藉由使用拉伸因數來獲得如下：
1-(1/fs)=78.5%，
其表示薄片在經拉伸之情況下，在給定薄片面積上所節省之原材料。
單位單元U之實體面積為AP=Ab。單位單元U之薄片面積為AS=Au。單位單元U之幾何面積AM為薄片面積的兩倍，其為2 Au及215.4mm2。由於層之形狀未經指定，故比面積aM在此上下文中未經定義。
圖10顯示填料層之橫截面之示意圖以便解釋如何區分用於表面之面積的各種表達方式。圖10a顯示結構化填料元件12之一典型層之橫截面。形成分離元件42之材料由黑線表示，而白色部分表示層32、32'中之開口40、40'。每一黑色部分為穿過分離元件42之橫截面。黑線之厚度表示層材料厚度。在圖10b至10d中，此層上之面積僅由沿著層輪廓之較細線表示。結構化填料層32、32'之實體面積AP顯示於圖10b中。其為在所有其分離元件42之一個選定側上量測之表面的和。分離元件42之邊緣48、48'並不有助於此面積。實際上，AP 僅計數實體地存在之表面。因此，孔並不有助於該值。結構化填料元件12之實體面積AP為其中包括之所有層32、32'之實體面積Ap的和。圖10c定義填料層之薄片面積AS。其藉由將層中之開口的面積與層之實體面積AP兩者相加來獲得。結構化填料元件12之薄片面積AS藉由對其中包括之所有層32、32'的薄片面積AS求和來獲得。如圖10d中所定義的層之幾何面積AM是將層之兩側加起來，如同不存在開口40、40'或孔一般。換言之，藉由將填料層之薄片面積AS乘以二來大致獲得幾何面積AM，此係因為該等層之兩側皆佔幾何面積AM。比面積aM經定義為結構化填料元件之幾何面積AM除以結構化填料元件佔據之體積VM。
實例及比較例
如圖2中所顯示之結構化填料元件12在蒸餾管柱中經測試。通常已知之標準程序在總回流條件下使用二元混合物來判定填料床上方之壓降及質量轉移效率。專利EP 0 995 958 B1描述在22psia之壓力下利用氧氣及氬氣之此類測試。US 6,874,769 B2描述藉由使用近沸(close-boiling)二元混合物對二甲苯及鄰二甲苯來測試結構化填料元件。具有與後者類似之理想特性的二元混合物用於本發明中，即單氯苯(作為低沸化合物)及乙苯(作為高沸化合物)。用以分析蒸餾設備之效能的其他標準近沸理想二元混合物係詳述於U.Onken，W.Arlt：《用於蒸餾管柱的推薦測試混合物(Recommended Test Mixtures for Distillation Columns)》，第2版，1990，化學工程師協會(The Institution of Chemical Engineers)，英格蘭拉格比(Rugby,England.)，ISBN 0-85295-248-1中。
蒸餾管柱之底部經填充有足夠量之二元混合物以在管柱之操作期間維持適當液位。再沸器經啟動，液體混合物之一部分經連續蒸發，且蒸氣朝向管柱之頭部上升。蒸氣之流速可用因數F表示且通常經由再沸器處或管柱 頭部處之冷凝器處的能量平衡來間接地判定。冷凝器使蒸氣冷卻以使得其經冷凝回至液體。在較佳總回流條件下，整個液體量經送回至填料床之頂部，其中該液體藉助於分佈器來分佈。分佈器典型地為包括通道之裝置，該等通道接收液體且提供均勻隔開之孔口組，液體可向下滴流通過該等孔口至結構化填料床之頂部填料上。在滴流通過結構化填料床之後，藉助於採集器在管柱之底部處或在床之底部處收集整個液體量，該液體自該採集器經送回至管柱之底部。在底部處，液體加入液體池，液體自該液體池再次蒸發。恆定排出壓力p藉由與真空泵組合來控制冷凝器之冷卻工作以移除過剩惰性氣體而形成。
在恆定再沸器負荷下之一定操作時間之後，實現穩定狀態條件。此時，讀取填料床上方之壓降及沿管柱之相關點處的溫度，且自填料床之頂部處的分佈器及自填料床之下部末端處的採集器或自儲槽取得混合物之頂部樣品及底部樣品。若干操作點藉由改變熱(及冷卻)負荷來量測，該熱(及冷卻)負荷在排出壓力保持不變時影響因數F(蒸氣流動)及通過填料床之相關液體流動。對排出壓力之若干設置重複相同實驗。
藉助於經校準氣相層析來分析樣品之組合物。頂部樣品及底部樣品因其含有之低沸化合物之量而不同。在頂部樣本中比在底部樣本中見到更多低沸化合物，亦即具有較低沸點溫度之化合物。在二元組合物已知後，根據Fenske(M.R.Fenske,Ind.Engng.Chem.24,p.482,1932)之等式經應用於判定每米之理論級數(the number of Theoretical Stages per Meter；NTSM)。有時，使用倒數值HETP，其稱作等於理論板之高度：
HETP=1/NTSM。
高NTSM(或低HETP)意謂良好質量轉移效率。
因數F由以下定義：
Figure 109135016-A0202-12-0033-50
其中vG為上升蒸氣之平均速度，其可經由再沸器處之能量平衡根據質量流速來判定。第二變量ρG為相關蒸氣/液體均衡下之蒸氣密度。由於沿管柱之壓力及溫度之改變，液體之蒸氣密度及其他實體屬性沿管柱改變，但相關資訊可用於二元混合物。此類變化需要選擇因數F之適當定義。其可藉助於在填料床之頂部處或底部處之條件下有效的屬性來判定。替代地，可考量整個床上方之變化來計算平均值。出於比較目的，可能方法中之任一者皆起作用，其限制條件為相同方法用於所有測試。
高因數F意謂管柱中之高質量流速。可實現的值F通常受溢流限制，該溢流判定填料之容量。有時，使用容量因數c代替F，該容量因數藉由將F除以液體及蒸氣之密度差之平方根來獲得。
填料床上方之壓降係實驗之另一相關結果。其經獲得作為在除以床高度HB之後的填料床之頂部處及底部處之壓力讀數的差：
△P/△z=(p頂部-p底部)/HB。
五種結構化填料元件用於實例及比較例中，其被稱為P1-250、R-250、P2-500、P3-500及R-500。結構化填料元件P1-250及P2-500為由根據本發明之層製成的交叉通道波紋狀薄片填料，結構化填料元件P3-500、R-250及R-500則為非根據本發明之結構化填料元件。更具體而言，結構化填料元件R-250及R-500為具有衝壓孔(使該等層具有大致10%空隙分數)之已知標準交叉通道波紋狀薄片填料且如GB 1,569,828中及US 4,981,621中所描述來進行表面紋理化，該等結構化填料元件以名稱Mellapak 250.Y及Mellapak 500.X進行商業銷售。所有結構化填料元件具有約200mm之高度。前述結構化填料元件之相關參數概述於表1中。
Figure 109135016-A0202-12-0034-1
實例1及比較例1
根據本發明之結構化填料元件P1-250及非根據本發明之參考結構化填料元件R-250在p=960mbar(接近大氣壓)及p=100mbar之壓力下使用單氯苯及乙苯在總回流下在具有1m內徑之蒸餾管柱中經測試。填料床為4.3m高。所獲得效率曲線顯示於圖11及圖12中。在兩種情況下，根據本發明之結構化填料元件P1-250，在與參考結構化填料元件R-250相比較下，展現更高質量轉移效率(更高NTSM)及甚至略微擴展之容量，其係藉由因數F表徵，其中效率突然驟降。顯著及意外的係具有比參考結構化填料元件R-250少30%材料(及小20%之實體面積AP)的結構化填料元件P1-250實現較佳質量轉移結果。
兩種結構化填料元件之壓降係顯示於圖13中且極類似。因此，根據本發明之結構化填料元件P1-250具有低F因數下之較高壓降，但斜率較低， 其為新穎填料提供其容量優勢及在高流速下之較低壓降。
實例2及比較例2至3
根據本發明之結構化填料元件P2-500及參考結構化填料元件R-500在p=960mbar及p=100mbar之排出壓力下使用單氯苯及乙苯在總回流下在具有0.25m內徑之管柱中經測試。此外，結構化填料元件P3-500經測試。儘管其與P2-500之類似性，結構化填料元件P3-500在儘可能多的重要幾何參數經設置為超出如本發明中指定之數值範圍的值方面有很大不同。更具體而言，對於結構化填料元件P3-500，分離元件之平均寬度與鄰近開口之平均水力直徑的比率b/d為45%，且分離元件之平均寬度與層材料厚度的比率b/s為7，亦即此等比率皆超出如本發明中因此指定之數值範圍。具有P2-500及P3-500之填料床為2.4m高且具有參考R-500之填料床具有2.6m之高度。
用於此等結構化填料元件之所獲得效率曲線係顯示於圖14及圖15中，且用於此等結構化填料元件之所獲得壓降則顯示於圖16中。
相較於結構化填料元件P3-500及R-500(非根據本發明者)，可易於在圖14及15中針對960mbar之排出壓力以及100mbar之排出壓力兩者來推導根據本發明的結構化填料元件P2-500之較佳效率。質量轉移效率之擴散在低排出壓力下尤其明顯。有趣的是，P3-500具有不錯的容量，但效率明顯低於R-500之效率。結構化填料元件P2-500及P3-500兩者皆初始地具有比R-500高之壓降，但隨著F增大，該等結構化填料元件獲得優點且兩者之較高容量亦可在此曲線圖中辨識出。
10:質量轉移管柱/蒸餾管柱
12:結構化填料元件
14:床
14':床
16:分佈器
16':分佈器
18:固持裝置
20:採集器
22:管道

Claims (15)

  1. 一種結構化填料元件，其係用於一管柱以進行一重流體相與一輕流體相之間的質量轉移及/或熱交換，其中該結構化填料元件包括一柵格之至少二層，該柵格包括數個開口，該等開口由分離元件圍繞及彼此分離，其中該至少二層中之至少兩者在縱向方向上彼此平行及彼此接觸地配置，以使得自該至少二層之一末端延伸至一相對末端之一開放空間設置於其之間，從而使得該重流體相及該輕流體相中之至少一者可流動通過該開放空間，其中相鄰開口之間的至少50%之該等分離元件之平均寬度為層材料厚度之至少15倍且為該等相鄰開口之該平均水力直徑的70%與125%之間，且其中在與該縱向方向垂直之平面中量測的該至少二層中之至少兩者之間的最大距離比該等分離元件之該平均寬度大至少4倍，其中一分離元件之平均寬度係藉由將該分離元件劃分成各自具有一區段長度di之個別區段來判定，i=1、2、3...n，其中對於該等區段中之每一者，該等區段內之相鄰邊緣之間的最短距離bi係加以量測，且di．bi乘積之和除以di之和即得到該分離元件之平均寬度b，且其中該層材料厚度為該層之材料之厚度，其中該層材料厚度係藉助於一測微螺旋在該層之外邊緣中之一者處量測而得。
  2. 如請求項1所述之結構化填料元件，其中相鄰開口之間的至少75%、更佳地至少80%、再更佳地至少90%、又更佳地至少95%且最佳地所有之分離元件之該平均寬度為該等相鄰開口之該平均水力直徑的70%與125%之間，且較佳地為75%至100%。
  3. 如請求項1或2所述之結構化填料元件，其中相鄰開口之間的至少50%、較佳地至少75%、更佳地至少80%、再更佳地至少90%、又更佳地至少95%且最佳地所有之分離元件之該平均寬度為1.5至4mm，較佳地為1.6 至3.5mm，且最佳地為1.8至3.0mm。
  4. 如前述請求項中任一項所述之結構化填料元件，其中在與該縱向方向垂直之該平面中量測的至少50%、較佳地至少75%、更佳地至少80%、再更佳地至少90%、又更佳地至少95%且最佳地所有之該至少二層之間的該最大距離比該等分離元件之該平均寬度大4至15倍，較佳地為5至13倍，且最佳地為8至12倍。
  5. 如前述請求項中任一項所述之結構化填料元件，其中對於至少50%、較佳地至少75%、更佳地至少80%、再更佳地至少90%且又更佳地至少95%之該至少二層，該等開口之總面積除以該層之薄片面積的比率係介於20%與38%之間，較佳介於25%與35%之間，且最佳介於28%與32%之間。
  6. 如請求項5所述之結構化填料元件，其中對於該至少二層中之每一者，該等開口之該總面積除以該層之該薄片面積的該比率係介於20%與38%之間，較佳介於25%與35%之間，且最佳介於28%與32%之間。
  7. 如前述請求項中任一項所述之結構化填料元件，其中該至少二層中之每一者的至少50%、較佳地至少75%、更佳地至少80%、再更佳地至少90%、又更佳地至少95%且最佳地所有之該等開口具有一水力直徑，該水力直徑為所有開口之該平均水力直徑之50%與150%之間，較佳介於70%與130%之間，更佳介於80%與120%之間，且最佳介於90%與110%之間。
  8. 如前述請求項中任一項所述之結構化填料元件，其中該至少二層中之每一者的至少50%、較佳地至少75%、更佳地至少80%、再更佳地至少90%、又更佳地至少95%且最佳地所有之該等開口之該水力直徑係為1.25至5mm，較佳為2至4mm，且更佳為2.2至3.5mm。
  9. 如前述請求項中任一項所述之結構化填料元件，其中至少 50%、較佳地至少75%、更佳地至少80%、再更佳地至少90%、又更佳地至少95%且最佳地所有之該等開口具有一矩形或四邊形橫截面，其中前述矩形或四邊形橫截面之較短特徵性長度為1至4mm，較佳為2至3mm，其中前述矩形或四邊形橫截面之較長特徵性長度為2至8mm，較佳為2.5至7mm，且最佳為3至6mm，且其中相鄰矩形之間的該等分離元件之該平均寬度為1.5至4mm，較佳為1.6至3.5mm，且最佳為1.8至3.0mm。
  10. 如前述請求項中任一項所述之結構化填料元件，其中至少50%、較佳地至少75%、更佳地至少80%、再更佳地至少90%、又更佳地至少95%且最佳地所有之該等開口具有一矩形或四邊形橫截面，其中前述矩形或四邊形橫截面之較短特徵性長度除以前述矩形或四邊形橫截面之較長特徵性長度的比率為0.4至0.7，較佳介於0.45至0.6mm，且最佳介於0.49至0.55mm。
  11. 如前述請求項中任一項所述之結構化填料元件，其中在與該縱向方向垂直之該平面中量測的該至少二層中之每一者之間的該最大距離為該等開口之該平均水力直徑之至多15倍大。
  12. 如前述請求項中任一項所述之結構化填料元件，其中至少50%、較佳地至少75%、更佳地至少80%、再更佳地至少90%、又更佳地至少95%且最佳地所有之該至少二層係包括數個週期性變形，其中該至少二層之間的該開放空間係由該等週期性變形界定。
  13. 如請求項12所述之結構化填料元件，其中該等週期性變形係為包括複數個交替定向波峰及波谷之波紋，其中一層之該等波峰係接觸相鄰一層之該等波谷，且一層之該等波谷係接觸相鄰一層之該等波峰，其中相鄰層經定向以使得該等相鄰層之該等波峰及波谷與相對於該縱向方向斜向地延伸的該等層之該等波峰及波谷以十字方式相交。
  14. 一種質量轉移管柱，其包括至少一如前述請求項中任一項所述之結構化填料元件。
  15. 一種如請求項1至14中任一項所述之結構化填料元件於供質量轉移及/或熱交換之用途。
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