TWI829970B - 結構化交叉通道填料元件及其用途和包括其之質量轉移管柱 - Google Patents

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Abstract

本發明係關於一種結構化交叉通道填料元件，其用於一管柱以用於一重流體相與一輕流體相之間的質量轉移及/或熱交換，其中該結構化交叉通道填料元件包括由各自包括開口之膨脹金屬薄片製成的至少兩個鄰近層，該等開口由分離元件圍繞且彼此分離，其中該至少兩個層中之至少兩者在該填料元件之縱向方向上彼此平行及接觸地配置以使得自該至少兩個層之一個末端延伸至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與薄片材料厚度之間的比率為至少15，其中在與該縱向方向垂直之平面中量測之該至少兩個層中之至少兩者之間的最大距離與該等分離元件之該平均寬度之間的比率為至少4，且其中在垂直於該膨脹金屬薄片之拉伸方向之方向上鄰近於一分離元件的兩個開口之間的距離與此分離元件之該平均寬度之間的比率對於至少50%之所有分離元件為4至6。

Description

結構化交叉通道填料元件及其用途和包括其之質量轉移管柱
本發明係關於一種結構化交叉通道填料元件，其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。
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口空間，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。一實例為萃取蒸餾。
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上升之輕相。
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，其由複數個例如波紋狀薄片組裝，該等波紋狀薄片彼此平行及接觸地配置。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週期性變形，諸如交替定向之波峰及谷線，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豎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已在20世紀六十年代首次呈現之蘇爾壽(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，其中相鄰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相鄰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，其通常為約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，此目標藉由提供用於重流體相與輕流體相之間的質量轉移及/或熱交換之管柱之結構化交叉通道填料元件來滿足，其中結構化交叉通道填料元件包括由各自包括開口之膨脹金屬薄片製成的至少兩個鄰近層，該等開口由分離元件圍繞及彼此分離，其中至少兩個層中之至少兩者在填料元件之縱向方向上彼此平行及接觸地配置以使得自至少兩個層之一個末端延伸至相對末端的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該開放空間，其中相鄰開口之間的至少一個及較佳地至少50%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，其中在與縱向方向垂直之平面中量測之至少兩個層中之至少兩者之間的最大距離與分離元件之平均寬度之間的比率為至少4，且其中鄰近於分離元件之兩個開口之間在垂直於膨脹金屬薄片之拉伸方向之方向上的距離與此分離元件之平均寬度之間的比率較佳地對於至少50%之所有分離元件為4至6，其中兩個開口之間的距離藉由判定在垂直於膨脹金屬薄片之拉伸方向之方向上的開口中之一者之邊緣之一側的最外點 與在膨脹金屬薄片之相同方向上的鄰近開口之邊緣之相同側的最外點之間的距離來量測，其中填料元件之縱向方向如本說明書中所定義，其中膨脹金屬薄片之拉伸方向為垂直於結構化交叉通道填料元件之縱向方向的方向，且其中分離元件之平均寬度藉由將分離元件劃分成各自具有區段長度di之個別區段來判定，其中i=1、2、3...n，其中對於區段中之每一者，區段內之鄰近邊緣之間的最短距離bi經量測而得，且di．bi乘積之和除以di之和得到分離元件之平均寬度b。
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，鄰近於分離元件之兩個開口之間在垂直於膨脹金屬薄片之拉伸方向(其為垂直於縱向方向之方向)之方向上的距離與此分離元件之平均寬度之間的比率為4至6)且比薄片材料厚度明顯更寬(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調整如上文所描述之前述參數，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，層簡單地由膨脹金屬薄片製得，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金屬薄片變形為例如波紋狀薄片。因此，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交叉通道填料元件。
當結構化交叉通道填料元件併入於質量轉移及/或熱交換管柱中 時，結構化交叉通道填料元件之縱向方向為自結構化交叉通道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，其為分別在結構化交叉通道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，結構化交叉通道填料元件之縱向方向可經判定如下：結構化交叉通道填料元件置放於水平面積上，使得彼此平行及接觸地配置的結構化交叉通道填料元件之層在豎直方向上延伸，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)自結構化交叉通道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交叉通道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交叉通道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。若層之間的距離在鄰近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。若層之間的距離在鄰近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兩個層。兩個層之平行配置意謂根據本發明，層中之一者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與薄片材料厚度之間的比率為至少15。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。
薄片材料厚度意謂與分別構成或形成層之材料之厚度一致。由於根據本發明，層由膨脹金屬薄片製成，薄片材料厚度為薄片厚度。若薄片厚度在層之面積上方變化，則薄片材料厚度為藉助於例如測微螺旋在薄片材料厚度之外邊緣中之一者處量測的薄片之厚度。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。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)，例如獲得良好結果。測微螺旋為包括一個固定量測面積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之個別區段來判定分離元件之平均寬度b，其中i=1、2、3...n。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。di ．bi乘積之和除以di之和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俯視圖上或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。開口之俯視圖藉由在藉由以下使各別膨脹金屬薄片平化之後製作開口之攝影圖片而製成：將膨脹金屬薄片鋪設在平坦表面上，將一板置放在膨脹金屬薄片之頂部上且接著用足夠低壓力向下按壓該板以便恰好使膨脹金屬薄片平化以移除週期性變形，但不改變分離元件及開口之幾何形狀及尺寸，亦即不改變膨脹金屬薄片之柵格結構之幾何形狀及尺寸。開口之平面圖按如在結構化交叉通道填料元件中使用之其形式(亦即不對其進行平化或以其他方式機械處理)在膨脹金屬薄片上製成。更具體而言，開口之平面圖沿由開口之鄰近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，最適合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以及俯視圖上之長度及大小。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。分別在平面圖或俯視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)變量表示分別在平面圖或俯視圖上量測之長度，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(自歐幾里德幾何得知)來判定。較佳地，在開口之俯視圖上或平面圖上判定面積。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，使用開口之俯視圖或平面圖。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。
根據本發明，結構化交叉通道填料元件之層由膨脹金屬薄片製成，該等膨脹金屬薄片藉由使薄片金屬膨脹，亦即藉由切斷及拉伸薄片金屬來產生。因此，所得開口典型地為基本上橢圓、莢狀(lenticular)、梯形或菱形且通常為基本上莢狀或梯形形狀。因此，如在圖式中示意性地展示及如下文進一步詳細地描述，每一膨脹金屬薄片實際上為包括開口之柵格，其中每一開口由各自具有寬度b之分離元件圍繞，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開口之尺寸及分離元件之(平均)寬度b表徵。通常為基本上莢狀或梯形形狀之開口由此具有較短特徵性長度及較長特徵性長度，其中開口之較短特徵性長度(隨後亦稱為或縮寫為「e2」)為在膨脹金屬薄片之拉伸方向上之開口的最大尺寸且開口之較長特徵性長度(隨後亦稱為或縮寫為「e1」)為在垂直於膨脹金屬薄片之拉伸方向之方向上之開口的最大尺寸。膨脹金屬薄片之拉伸方向為在膨脹金屬薄片之產生期間已沿其拉伸薄片金屬之方向。更具體而言，拉伸方向根據本發明為垂直於結構化交叉通道填料元件之縱向方向之方向。因此，垂直於拉伸方向之方向為結構化交叉通道填料元件之縱向方向。分離元件之(平均)寬度b及開口之特徵性長度判定相鄰開口之間的距離。在膨脹金屬薄片之拉伸方向上鄰近之開口之間的距離不同於在垂直於膨脹金屬薄片之拉伸方向之方向上鄰近之開口之間的距離。隨後，鄰近於彼此之第一開口與第二開口之間在膨脹金屬薄片之拉伸方向上的距離亦稱為或縮寫為u2，而第一開口與鄰近於第一開口之第三開口之間在垂直於膨脹金屬薄片之拉伸方向之方向上的距離亦稱為或縮寫為u1。此等距離u1及u2可如下文參考圖式詳細地解釋來量測。若開口具有大致菱形形狀，則以下等式可用以判定各別開口之水力直徑(隨後亦稱為或縮寫為「d」)：
Figure 109135015-A0202-12-0012-1
e2=e1．u2/u1
Figure 109135015-A0202-12-0012-2
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。
根據本發明，填料元件為結構化交叉通道填料元件。因此，較佳地的係至少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兩個層由膨脹金屬薄片製成且包括週期性變形，其中層經定向以使得鄰近層之週期性變形與相對於縱向方向斜向地延伸之層的週期性變形以十字方式相交。層中之至少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%且最佳地每一者在層之週期性變形與鄰近波紋狀層之彼等週期性變形之間的相交點處接觸鄰近層中之每一者，且其中該至少兩個層之間的開放空間由週期性變形界定。較佳地，層之兩個鄰近週期性變形之最上部點之間的距離取決於表面面積而為10與25mm之間且更佳地為13與23mm之間
Figure 109135015-A0202-12-0012-28
當至少兩個層之膨脹金屬薄片的拉伸因數為1.1與1.5之間且更佳地為1.2與1.35之間時，尤其實現良好結果。
根據本發明，距離u1藉由判定在垂直於膨脹金屬薄片之拉伸方向之方向上的開口中之一者之邊緣之一側的最外點與在膨脹金屬薄片之相同方向 上的鄰近開口之邊緣之相同側的最外點之間的距離來量測。舉例而言，若得到結構化交叉通道填料元件層之俯視圖或平面圖之攝影圖片，其中拉伸方向經展示於攝影照片之豎直方向上且垂直於拉伸方向之方向經展示於攝影圖片之水平方向上，則距離u1可經判定為在膨脹金屬薄片之相同方向上的開口之邊緣之左側的最外點與鄰近於該開口之開口之邊緣的左側之最外點之間的距離。
為了特別精確地判定距離u1，在垂直於膨脹金屬薄片之拉伸方向之方向上的開口之邊緣之一側的最外點與在垂直於膨脹金屬薄片之拉伸方向之方向上配置的其鄰近第五或第n開口之邊緣之相同側的最外點之間的距離可經量測且除以四或(n-1)。
甚至更佳地，距離u1藉由量測在垂直於膨脹金屬薄片之拉伸方向之方向上的開口之邊緣之一側的最外點與在垂直於膨脹金屬薄片之拉伸方向之方向上配置的其鄰近第十開口之邊緣之相同側的最外點之間的距離來判定可經量測且除以九。
根據本發明，在垂直於膨脹金屬薄片之拉伸方向之方向上鄰近於分離元件之兩個開口之間的距離u1與此分離元件之平均寬度之間的比率對於至少50%之所有分離元件為4至6。當距離u1與至少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4至6、較佳地為4.5至5.5且更佳地為4.9至5.1時，尤其實現良好結果。
在本發明的想法之進一步發展中，距離u1對於較佳地至少50%、更佳地至少75%、甚至更佳地至少80%、再更佳地至少90%、又更佳地至少95%且最佳地所有開口為5至20mm。更佳地，距離u1對於較佳地至少50%、更佳地至少75%、甚至更佳地至少80%、再更佳地至少90%、又更佳地至少95%且最佳地所有開口為7.5至15mm且最佳地為9至11mm。
根據本發明之另一特定實施例，在膨脹金屬薄片之拉伸方向上鄰近於彼此之第一開口與第二開口之間的距離u2與在垂直於膨脹金屬薄片之拉伸方向之方向上鄰近於彼此之第一開口與第三開口之間的距離u1之間的比率為0.4至0.7，其中距離u2藉由判定在膨脹金屬薄片之拉伸方向上的第一開口之邊緣之一側的最外點與在膨脹金屬薄片之拉伸方向上鄰近的鄰近第二開口之邊緣之相同側的最外點之間的距離來量測，且其中距離u1如上文所描述來量測。
與判定距離u1類似地，距離u2較佳地藉由判定在膨脹金屬薄片之拉伸方向上的第一開口之邊緣之一側的最外點與在膨脹金屬薄片之拉伸方向上配置的其鄰近第五或甚至第十(第n)開口之邊緣之相同側的最外點之間的距離且藉由分別將該距離除以四或九(n-1)來量測。
當距離u2與距離u1之間的比率對於至少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%且最佳地所有開口為0.4至0.7、更佳地為0.45至0.70且最佳地為0.49至0.55時，尤其實現良好結果。
另外，較佳地的係距離u2對於至少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%且最佳地所有開口為2至8mm、更佳地為3至7mm且最佳地為4至6mm。
根據本發明之另一特定實施例，相鄰開口之間的至少一個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。
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且最佳地為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與層材料厚度(隨後亦稱為或縮寫為「s」)之間的比率為至少15。當相鄰開口之間的至少50%之分離元件之平均寬度b與層材料厚度之間的比率為至少18時，獲得特別良好結果。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18。
根據本發明，在與縱向方向垂直之平面中量測的至少兩個層之至少兩個鄰近者之間的最大距離D與分離元件之平均寬度b之間的比率為至少4。此意謂在與縱向方向垂直之平面中量測的至少兩個層之至少兩個鄰近者之間的最大距離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與在至少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兩個層之間的分離元件之平均寬度之間的比率為至少4時，獲得特別良好結果。
另外，較佳地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兩個層之間的最大距離D與分離元件之平均寬度b之間的比 率為至少5且更佳地為至少8。
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兩個層之間的最大距離D與分離元件之平均寬度b的比率為4至15、較佳地為5至13且最佳地為8至12。
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兩個層之間的最大距離D為8至80mm、較佳地為12至51mm且最佳地為16至30mm時，則尤其獲得良好結果。因此，較佳地的係層寬度W為4至40mm、更佳地為6至25.5mm且最佳地為8至15mm。
根據本發明之尤其較佳實施例，對於至少兩個層中之至少一者，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兩個層，層之空隙分數為20%與38%之間。此允許以特別高的程度獲得本發明之優點。
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兩個層，層之空隙分數為25%與35%之間且最佳地為28%與32%之間。此引起根據本發明之結構化填料元件之層的特別極佳濕潤。
若膨脹金屬薄片之柵格結構為均一的，亦即當所有或至少大多數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，較佳地的係至少兩個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。
較佳的係至少兩個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，至少兩個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、最佳地為2.2至3.5mm。
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%且最佳地所有之開口具有1.0至4.0mm及較佳地2.0至3.0mm之較短特徵性長度e2及2.0至8.0mm、較佳地2.5至7.0mm且最佳地3.0至6.0mm之較長特徵性長度e1。如上文所闡述，開口之較短特徵性長度e2為在膨脹金屬薄片之拉伸方向上的開口之最大尺寸，且開口之較長特徵性長度e1為在垂直於膨脹金屬薄片之拉伸方向之方向上的開口之最大尺寸。
在本發明的想法之進一步發展中，建議開口之較短特徵性長度e2與相同開口之較長特徵性長度e1之間的比率對於至少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為0.4至0.7、較佳地為0.45至0.6且最佳地為0.49至0.55。如上文所闡述，開口之較短特徵性長度e2為在膨脹金屬薄片之拉伸方向上的開口之最大尺寸，且開口之較長特徵性長度e1為在垂直於膨脹金屬薄片之拉伸方向之方向上的開口 之最大尺寸。
關於結構化填料元件之膨脹金屬薄片之材料，本發明不受特定限制。舉例而言，膨脹金屬薄片可由不鏽鋼或選自由以下組成之群組的化合物製成：鋁、銅、鈦、鋯及合金。
較佳地，每一膨脹金屬薄片之薄片材料厚度s為s=0.05至0.50mm、更佳地s=0.08至0.20mm且最佳地s=0.09至0.15。
通常，結構化填料元件之層之至少50%、更佳地至少75%、甚至更佳地至少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基本上橢圓、莢狀或梯形橫截面。
在生產之後，亦即在金屬板之切斷及拉伸後，所得膨脹金屬薄片不再平坦。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。膨脹金屬薄片之所得尺寸稱作柵格厚度(隨後亦稱為或縮寫為「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，柵格厚度g與分離元件之平均寬度b之比率介於大於0多達大致1.2、更佳地介於0.4至1且最佳地介於0.5至0.8的範圍內。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。
更佳的係每一層之平均柵格厚度g與薄片材料厚度s之間的比率為至少6。
當每一層(32，32')之平均柵格厚度g為1.0至1.4mm、較佳地為1.1至1.3mm且更佳地為1.15至1.25mm時，尤其實現良好結果。
柵格亦可如上文所描述藉由將板按壓在柵格之頂部上而平化。
本發明之另一實施例包括膨脹金屬薄片之輥壓以便提供具有紋理化表面之膨脹金屬薄片。更具體而言，週期性變形中之每一者(諸如特別是波紋)可具有包含圖案化正面之滴流表面，該圖案化正面包含界定連續交叉毛細管通道之複數個突起及凹陷。突起可與鄰近突起以鄰接關係安置，且可具有界定其間之通道的側壁及與正面一致且界定連續交叉毛細管通道之圖案化背面，諸如在例如EP 0190435 B1中所描述。突起可具有與柵格厚度g之高度類似的範圍而無需任何進一步處理。
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兩個層之每一鄰近者之間的最大距離D與開口之平均水力直徑d之間的比率為至多15時，尤其獲得良好結果。
如圖7c中所展示，膨脹金屬薄片提供粗糙及光滑之側。較佳地，結構化交叉通道填料元件之單層經配置以使得鄰近層以其粗糙側配置至層之粗糙側上且鄰近層以其光滑側配置至層之光滑側上。
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%且最佳地所有之至少兩個層包括週期性變形，其中該至少兩個層之間的開放空間由週期性變形界定。尤其較佳的係本發明之結構化填料元件之所有層包括此類週期性變形，亦即本發明之結構化填料元件並不包含任何平坦層。較佳地，週期性變形中之每一者之間相對於縱向方向的角度(隨後亦稱為或縮寫為「α」)為10°至60°、更佳地為20°至50°且最佳地為25°至47°，其中鄰近層之週期性變形較佳地定向於相對方向上。
舉例而言，週期性變形可為包括複數個交替定向波峰及谷線之波紋，其中層之波峰接觸鄰近層之谷線且層之谷線接觸鄰近層之波峰，其中鄰近 層經定向以使得鄰近層之波峰及谷線與相對於縱向方向斜向地延伸的層之波峰及谷線以十字方式相交。因此，較佳地的係至少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兩個層包括數個週期性變形，其中交叉通道填料元件之數個週期性變形為包括複數個交替定向波峰及谷線之波紋，其中層之波峰接觸鄰近層之谷線且層之谷線接觸鄰近層之波峰，其中鄰近層經定向以使得鄰近層之波峰及谷線與相對於縱向方向斜向地延伸的層之波峰及谷線以十字方式相交。當然，亦有可能的係層之並非所有波峰接觸鄰近層之一或多個谷線，但實際上層之波峰的一部分接觸鄰近層之一或多個谷線且反之亦然。然而，在兩個鄰近層之間應存在至少三個觸摸點。較佳地在30%至90%且更佳地在50%至80%之方位處，其中鄰近層之波峰及谷線彼此相對，不存在接觸，其中在其餘方位處，鄰近層之各別波峰及谷線彼此觸摸。
當波峰中之每一者與谷線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，其中鄰近層之波峰及谷線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。角度不應太大而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，波峰及谷線在與配置於終端部分之間的中心部分之波峰及谷線有關的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谷線並不線性地延伸。較佳地，波峰及谷線在層之終端部分中彎曲以便至少基本上豎直地延伸。基本上豎直意謂波峰及谷線在層之下部及上部邊緣處與豎直方向不傾斜超過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谷線不同之波峰及谷線，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，週期性變形為包括波峰及谷線之具有正方形、三角形、正弦或曲折型橫截面的波，其中層之波峰接觸鄰近層之谷線，且層之谷線接觸另一鄰近層之波峰，其中鄰近層經定向以使得鄰近層之波峰及谷線與相對於縱向方向斜向地延伸的層之波峰及谷線以十字方式相交。
當波峰中之每一者與谷線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，其中鄰近層之波峰及谷線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。
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為具有圓形橫截面之圓柱形形狀，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，此係因為層之兩側皆佔幾何面積。
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。孔或開口並不有助於該值。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，表述「表面」及「表面面積」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個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2至8個且最佳地2至4個床，其中每一床包括如上文所描述之至少一個結構化填料元件。較佳地，一個床包括2至20個、更佳地4至15個且最佳地6至10個結構化填料元件。為了實現床中之極佳氣體分佈，兩個鄰近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，較佳的係質量轉移管柱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，提出質量轉移管柱包括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:結構化交叉通道填料元件
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:谷線
30:通道
32:層
32':層
33:終端部分
33':終端部分
34:凹痕
36:凹痕谷線壁
38:柵格
40:開口
40':開口
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
A:橫截面積
a1:邊長
a2:邊長
aM:比面積
Aj:面積
AM:幾何面積
AP:實體面積
AS:薄片面積
b:平均寬度
bi:最短距離
D:最大距離
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
g:柵格厚度
P:周長
Pk:直線
s:薄片材料厚度
SD:拉伸方向
u1:距離
u2:距離
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為根據本發明之一個實施例的包含若干結構化交叉通道填料元件之質量轉移管柱的示意性側視圖。
圖2a為根據本發明之一個實施例的結構化交叉通道填料元件之薄片之一部分的爆炸視圖。
圖2b為圖2a中所展示之結構化交叉通道填料元件之示意性側視圖。
圖2c展示圖2a中所展示之結構化交叉通道填料元件之兩個層。
圖3為根據本發明之另一實施例的結構化交叉通道填料元件之局部視圖。
圖4a-f為根據本發明之結構化交叉通道填料元件之層的膨脹金屬薄片之柵格結構之不同實施例的示意圖。
圖5a-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6說明由波紋狀層製成之結構化交叉通道填料元件之最少變形部分的判定。
圖7a為根據本發明之另一實例的結構化交叉通道填料元件之層之膨脹金屬薄片的示意性俯視圖。
圖7b-c為分別沿圖7a之平面A及B之示意圖。
圖8為展示於圖7中之結構化交叉通道填料元件之層之膨脹金屬薄片的示意性平面圖。
圖9展示用於說明面積AP(圖9b)、AS(圖9c)、AM、VM及aM(圖9d)之定義的填料層之橫截面之示意圖。
圖10展示在實例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11展示在實例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12展示在實例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13展示在實例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14展示在實例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15展示在實例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為根據本發明之一個實施例的質量轉移管柱10且更具體而言蒸餾管柱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，層之柵格結構未展示於圖1中，但僅展示於圖4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交叉通道填料元件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保持在其位置處且採集器20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交叉通道填料元件12之層的表面向下滴流。在結構化交叉通道填料元件12之不同層之間設置開口空間，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交叉通道填料元件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展示所謂的交叉通道波紋狀薄片填料型之結構化交叉通道填料元件12。出於說明性目的，層之柵格結構未展示於圖2中，但僅展示於圖4中。結構化交叉通道填料元件12由複數個波紋狀薄片24、24'組裝，該等波紋狀薄片彼此平行及接觸。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4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，實際上所有之波紋狀薄片24、24'由此類柵格組成，該等柵格僅出於說明性原因而未展示於圖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(未展示)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(未展示)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及谷線28，其中鄰近波紋狀薄片24、24'經定向以使得鄰近波紋狀薄片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中之每一者與谷線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20°至50°且最佳地25°至47°，其中鄰近層32、32'或24、24'之波峰26及谷線28分別在相對方向上定向。通道30界定鄰近波紋狀薄片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交叉通道元件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交叉通道填料元件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，而無通過結構化交叉通道填料元件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展示根據替代實施例之結構化交叉通道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谷線，但波紋狀薄片24、24'之波峰26、26'及谷線在終端部分33、33'中彎曲以便基本上在豎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之結構化交叉通道填料元件類似於圖2a至2c中所展示之結構化交叉通道填料元件。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'描繪在觀察中之一面背後之波紋狀薄片24'之對應面中的波紋之波峰。藉由分別使終端部分或區域33、33'彎曲，以便基本上在豎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。此引起結構化交叉通道填料元件之減小壓力損失。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谷線不同之波峰26、26'及谷線，該中心區域為兩個終端區域33、33'之間的層之區域。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。
圖4a至4f為形成根據本發明之結構化交叉通道填料元件12之層32的柵格38之不同實施例之示意圖，其例如適合用於如圖2a至2c及3中之任一者中所展示之結構化交叉通道填料元件。圖4a中所展示之結構化交叉通道填料元件之層32的柵格38包括具有四邊形橫截面之開口40，其中開口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完全地圍繞開口40。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。如領域中已知，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。
柵格38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。
具有開口40之不同幾何形狀及分離元件42之不同幾何形狀的柵格38展示於圖4b至4f中。圖4b及4c之柵格38之開口40為四邊形，而圖4d之柵格38之開口40為不規則的且圖4e及4f之柵格38之開口40為橢圓形。其亦可為莢狀形狀。
隨後，參考圖5a及5b來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製成結構化填料元件12之開口40、40'中之一者的若干平面圖。沿由分離元件42之鄰近邊緣48、48'界定的平面之法線軸拍攝開口40之平面圖(攝影圖片44a、44b、44c)。將開口40最大顯現之攝影圖片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且量測其長度來達成。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出現距離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。di .bi乘積之和除以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該開口之k=1、2、3...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6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及谷線28周圍變形及/或拉伸。
然而，由連接波峰26及谷線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。此平均層寬度藉由波紋狀薄片24之波峰26及谷線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觸摸波紋狀狀薄片之波峰26及谷線28的大部分。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相同的方式置放。當判定柵格之特徵性尺寸時將考慮的波紋狀狀薄片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：具有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。周圍分離元件將平均具有相同寬度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7a為根據本發明之另一實例的結構化交叉通道填料元件之層 之膨脹金屬薄片的示意性俯視圖。俯視圖已藉由在藉由以下使膨脹金屬薄片平化之後拍攝膨脹金屬薄片之攝影圖片而製成：將膨脹金屬薄片鋪設在平坦表面上，將一板置放在膨脹金屬薄片之頂部上且接著用足夠低壓力將板向下按壓在膨脹金屬薄片之頂部上以便恰好使膨脹金屬薄片平化，而不改變分離元件及開口之幾何形狀及尺寸。膨脹金屬薄片包括具有基本上梯形之開口40、40'、40"、40'''，該等開口由分離元件42彼此分離。因此，開口40、40'、40"具有較短特徵性長度e2及較長特徵性長度e1，其中開口40、40'、40"之較短特徵性長度e2為在膨脹金屬薄片之拉伸方向SD上的開口之最大尺寸，且開口40、40'、40"之較長特徵性長度e1為在垂直於膨脹金屬薄片之拉伸方向SD之方向上的開口之最大尺寸。膨脹金屬薄片之拉伸方向SD為在膨脹金屬薄片之產生期間已沿其拉伸薄片金屬之方向。舉例而言，開口40、40'、40"之較長特徵性長度e1藉由量測在垂直於膨脹金屬薄片之拉伸方向SD之方向上的開口40"之邊緣之左最外點至右最外點之間的距離來判定，而開口40、40'、40"之較短特徵性長度e2可藉由量測開口40之邊緣之最上部點與最下部點之間的距離來判定。為了特別精確地判定特徵性長度e1及e2，可針對至少5個不同開口40、40'、40"且更佳地針對至少10個不同開口40、40'、40"且藉由接著分別將量測值之和除以五或十來量測各別尺寸。
在垂直於膨脹金屬薄片之拉伸方向SD之方向上鄰近於彼此且由分離元件42分離之兩個開口40、40'、40'''之間的距離u1藉由量測開口40之邊緣之一側的最外點與在垂直於膨脹金屬薄片之拉伸方向SD之方向上鄰近的開口40'''之邊緣之相同側的最外點之間的距離來判定。在圖7a中，距離u1藉由量測開口40之邊緣之左側的最外點與在垂直於膨脹金屬薄片之拉伸方向SD之方向上鄰近的開口40'''之邊緣之左側的最外點之間的距離來判定。另外，在膨脹金屬薄片之拉伸方向SD上鄰近於彼此且由分離元件42分離之兩個開口40、40' 之間的距離u2藉由量測在膨脹金屬薄片之拉伸方向SD上的開口40之邊緣之一側的最外點與在膨脹金屬薄片之拉伸方向SD上鄰近之開口40'的邊緣之相同側之最外點之間的距離來判定。在圖7a中，距離u2藉由量測在膨脹金屬薄片之拉伸方向SD上的開口40之邊緣之上部側的最上部點與在膨脹金屬薄片之拉伸方向SD上鄰近的開口40'之邊緣之上部側的最上部點之間的距離來判定。為了特別精確地判定距離u1，距離u1可藉由量測在垂直於膨脹金屬薄片之拉伸方向之方向上的開口40之邊緣之一側的最外點與在膨脹金屬薄片之相同方向上的第五或第十鄰近開口之邊緣之相同側的最外點之間的距離且藉由分別將該距離除以四或九來判定。與其類似地，距離u2可藉由量測在膨脹金屬薄片之拉伸方向上的開口40之邊緣之一側的最外點與在膨脹金屬薄片之拉伸方向上配置的其鄰近第五或第十開口之邊緣之相同側的最外點之間的距離且藉由分別將該距離除以四或九來判定。
同樣，攝影圖片上判定之尺寸可藉由使用如上文所定義之係數z/z'來轉換成真實長度。
根據前述值，若開口具有精確菱形形狀，則可藉由以下等式獲得開口40、40'、40"、40'''之面積及周長P長度之長度：
A=e1．e2/2
Figure 109135015-A0202-12-0031-3
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。
圖7b及7c為分別沿圖7a之平面A及圖7b之平面B的示意圖。如此等圖中所展示，由生產製程(亦即藉由切斷及拉伸金屬板)產生之膨脹金屬薄片不再平坦。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。膨脹金屬薄片之所得尺寸為柵格厚度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。本發明之另一實施例包括膨脹金屬薄片之輥壓以便提供具有紋理化表面之膨脹金屬薄片。更具體而言，週期性變形中之每一者(諸如特別是波紋)可具有包含圖案化正面之滴流表面，該圖案化正面包含界定連續交叉毛細管通道之複數個突起及凹陷。突起可與鄰近突起以鄰接關係安置，且可具有界定其間之通道的側壁及與正面一致且界定連續交叉毛細管通道之圖案化背面，諸如在例如EP 0190435 B1中所描述。突起可具有與柵格厚度g之高度類似的範圍而無需任何進一步處理。柵格厚度g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，柵格厚度g與分離元件之平均寬度b之比率最佳地介於0.5至0.8的範圍內。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。
圖8為展示於圖7中之結構化交叉通道填料元件之層之膨脹金屬薄片的示意性平面圖。如上文所描述來獲得平面圖。
圖9展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式。圖9a展示結構化填料元件12之典型層之橫截面。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s。在圖8b至8d中，此層上之面積僅由遵循層輪廓之較細線表示。結構化填料層32、32'之實體面積AP展示於圖9b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(具有典型寬度s)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9c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9d中所定義的層之幾何面積AM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中所展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經指定於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 109135015-A0202-12-0034-27
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/液體平衡下之蒸氣密度。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，其稱為P1-250、R-250、P2-500、P3-500及R-500。雖然結構化填料元件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，但結構化填料元件P3-500、R-250及R-500為不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(引起層之大致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 109135015-A0202-12-0036-4
實例1及比較例1
根據本發明之結構化填料元件P1-250及不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。所獲得效率曲線展示於圖10及圖11中。在兩種情況下，根據本發明之結構化填料元件P1-250與參考結構化填料元件R-250相比較展示更高質量轉移效率(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小30%之材料利用率(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展示於圖12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點及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，垂直於拉伸方向量測之相鄰開口之間的距離u1與分離元件之平均寬度的比率u1/b為7.2，且分離元件之平均寬度與層材料厚度之比率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展示於圖13及圖14中且用於此等結構化填料元件之所獲得壓降展示於圖15中。
相較於結構化填料元件P3-500及R-500(不根據本發明)，可易於在圖13及14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:結構化交叉通道填料元件
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. 一種結構化交叉通道填料元件，其用於一管柱以用於一重流體相與一輕流體相之間的質量轉移及/或熱交換，其中該結構化交叉通道填料元件包括由各自包括開口之膨脹金屬薄片製成之至少兩個鄰近層，該等開口由分離元件圍繞且彼此分離，其中該至少兩個層中之至少兩者在該填料元件之縱向方向(V)上彼此平行及接觸地配置以使得自該至少兩個層之一個末端延伸至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(b)與薄片材料厚度(s)之間的比率為至少15，其中在與該縱向方向(V)垂直之平面中量測之該至少兩層中之至少兩者之間的最大距離(D)與該等分離元件之該平均寬度(b)之間的比率為至少4，且其中在垂直於該膨脹金屬薄片之拉伸方向之方向上鄰近於一分離元件之兩個開口之間的距離(u1)與此分離元件之該平均寬度(b)之間的比率對於至少50%之所有分離元件為4至6，其中該距離(u1)藉由判定在垂直於該膨脹金屬薄片之該拉伸方向之該方向上的一開口之邊緣之一側之最外點與在該膨脹金屬薄片之相同方向上的一鄰近開口之該邊緣之相同側之該最外點之間的距離來量測，其中該膨脹金屬薄片之該拉伸方向為垂直於該結構化交叉通道填料元件之該縱向方向(V)的方向，且其中一分離元件之該平均寬度(b)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，其中i=1、2、3...n，其中對於該等區段中之每一者，該等區段內之鄰近邊緣之間的最短距離bi經量測而得，且di．bi乘積之和除以di之和得到該分離元件之該平均寬度b。
  2. 如請求項1所述之結構化交叉通道填料元件，其中至少50%、至少75%、至少80%、至少90%、至少95%或所有之該至少兩個層由膨脹金屬薄片製成且包括數個週期性變形，其中該等層經定向使得該等鄰近層之該等週 期性變形以十字方式與相對於該縱向方向(V)斜向地延伸之該等層之該等週期性變形相交，其中每一層在該層之該等週期性變形與該等鄰近層之該等週期性變形之間的相交點處接觸該等鄰近層中之每一者，且其中該至少兩個層之間的該開放空間由該等週期性變形界定。
  3. 如請求項1所述之結構化交叉通道填料元件，其中該距離(u1)與至少75%、至少80%、至少90%、至少95%、所有之分離元件之該平均寬度(b)之間的比率為4至6、為4.5至5.5或為4.9至5.1。
  4. 如請求項1所述之結構化交叉通道填料元件，其中對於至少50%、至少75%、至少80%、至少90%、至少95%或所有之開口，該距離(u1)為5至20mm、為7.5至15mm或為9至11mm。
  5. 如請求項1所述之結構化交叉通道填料元件，其中在作為垂直於該縱向方向(V)之該方向的該膨脹金屬薄片之該拉伸方向上鄰近於彼此之一第一開口與一第二開口之間的距離(u2)與在垂直於該膨脹金屬薄片之該拉伸方向的該方向上鄰近於彼此之該第一開口與一第三開口之間的該距離(u1)之間的該比率為0.4至0.7，其中該距離(u2)藉由判定在該膨脹金屬薄片之該拉伸方向上的該第一開口之該邊緣之一側的該最外點與在該膨脹金屬薄片之該拉伸方向上鄰近的該鄰近第二開口之邊緣之相同側之最外點之間的該距離來量測，且其中該距離(u1)藉由判定在垂直於該膨脹金屬薄片之該拉伸方向之該方向上的該第一開口之該邊緣之一側之該最外點與在該膨脹金屬薄片之該相同方向上的該鄰近第三開口之邊緣之相同側之最外點之間的該距離來量測。
  6. 如請求項1所述之結構化交叉通道填料元件，其中對於至少50%、至少75%、至少80%、至少90%、至少95%或所有之開口，該距離(u2)與該距離(u1)之間的該比率為0.4至0.7、為0.45至0.70或為0.49至0.55。
  7. 如請求項1所述之結構化交叉通道填料元件，其中對於至少 50%、至少75%、至少80%、至少90%、至少95%或所有之開口，該距離(u2)為2至8mm、為3至7mm或為4至6mm。
  8. 如請求項1所述之結構化交叉通道填料元件，其中相鄰開口之間的至少50%、至少75%、至少80%、至少90%、至少95%或所有之分離元件之該平均寬度(b)為1.5至4mm、為1.6至3.5mm或為1.8至3.0mm。
  9. 如請求項1所述之結構化交叉通道填料元件，其中相鄰開口之間的至少一個分離元件之該平均寬度(b)與該薄片材料厚度(s)之間的比率為至少18。
  10. 如請求項1所述之結構化交叉通道填料元件，其中在至少50%、至少75%、至少80%、至少90%、至少95%或所有之該至少兩個層之間，在與該縱向方向(V)垂直之該平面中量測之該最大距離(D)與該等分離元件之該平均寬度(b)之間的該比率為4至15、為5至13或為8至12。
  11. 如請求項1所述之結構化交叉通道填料元件，其中對於至少50%、至少75%、至少80%、至少90%或至少95%之該至少兩個層，該等開口之總面積除以該層之薄片面積(AS)的比率為介於20%與38%之間、為介於25%與35%之間或為介於28%與32%之間。
  12. 如請求項1所述之結構化交叉通道填料元件，其中至少50%、至少75%、至少80%、至少90%、至少95%或所有之該等開口具有1至4mm或2至3mm之該等開口之一較短特徵長度(e2)及2至8mm、2.5至7mm或3至6mm之一較長特徵長度(e1)，其中一開口之該較短特徵長度(e2)為在該膨脹金屬薄片之該拉伸方向上的該開口之最大尺寸，且一開口之該較長特徵長度(e1)為在垂直於該膨脹金屬薄片之該拉伸方向之方向上的該開口之最大尺寸。
  13. 如請求項1所述之結構化交叉通道填料元件，其中對於至少 50%、至少75%、至少80%、至少90%、至少95%或所有之該等開口，一開口之該較短特徵長度(e2)與同一開口之該較長特徵長度(e1)之間的比率為介於0.4至0.7、為介於0.45至0.6或為介於0.49至0.55。
  14. 一種質量轉移管柱，其包括至少一個如前述請求項1至13中任一項所述之結構化交叉通道填料元件。
  15. 一種如請求項1至13中任一項所述之結構化交叉通道填料元件用於質量轉移及/或熱交換之用途。
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