專利名稱：填料的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種在化工、醫(yī)藥、能源、石油、生物、輕工、環(huán)保等工程中用于流體間接觸裝置的填料，即在工程中進行傳質、傳熱、分離等單元操作過程裝置中的接觸填料。
目前在工程中進行傳質、傳熱、分離等操作的接觸裝置中，為提高流體間的傳遞、分離的效率，已廣泛采用各種顆粒形填料，如拉西環(huán)、鮑爾環(huán)、階梯環(huán)及螺旋圈等。由于使用的填料尚不能滿足各種需要，因此改進的填料已提出，如中國專利CN85103023B、87209784U、1052435A、美國專利US775584等，現有的技術對顆粒形填料的改進僅對于單體結構。顆粒形填料構成的接觸裝置，其壓降(能耗)、效率很大程度上取決于裝置中填料所形成的空隙分布、空隙率、比表面積等，對于具有空隙分布均勻、空隙率大、比表面積大的填料的接觸裝置，具有低的壓降和高的效率。然而，現行的顆粒形填料，由于每一個填料單體的接觸面之間都是獨立的，其整砌時，填料單體的接觸面相互接觸，填料內的空隙和填料間形成的空隙并不相同，且差別很大，亂堆時填料單體相互無規(guī)則碰疊，因此不論其在裝置中如何堆積，造成填料層結構不開放和填料層內空隙和接觸面分布不均勻，這樣就不可能形成大的比表面積，對于直徑Φ25mm以上的填料單體，堆積所構成的填料層的比表面積一般不超過250m2／m3，要提高空隙率必須增大填料直徑，而隨直徑增大比表面積將減少，要保持大直徑填料的機械強度，填料壁厚必須增加，這使單位重量材料的接觸面積減少、即堆積密度不減小，對較小直徑的填料在裝置中堆積時，通常在直徑較大、比表面積較小的填料墊層上才能進行堆積，這使接觸裝置中填料層總的比表面積減小，現行的技術使顆粒形填料單體構成的填料層不能同時達到大的比表面積、大的空隙率、均勻的空隙分布，空隙分布不均勻使填料內和填料與接觸裝置壁面形成較大的空域，出現溝流和壁面徑流，這些因素使得由顆粒形填料構成的接觸裝置不能同時達到低壓降、高效率。
顆粒形填料在接觸裝置內整砌與亂堆相比具有通過能力大、壓降低、效率高等優(yōu)點?，F行的填料單體不能在接觸裝置外整砌構成填料層，只能在裝置內進行整砌，而對高和截面小的接觸裝置不能在其內進行整砌，實際使用中因受到接觸裝置的結構和安裝條件等限制，整砌堆放困難，一般仍采用亂堆，而螺旋圈填料尚不能整砌堆放。
顆粒形填料在使用中其性能優(yōu)劣不僅取決于填料單體，而且更取決于它所構成的填料層的結構，由于這一結構與填料單體的結構不同，造成試驗裝置與實際裝置存在較大的差異，因此必須通過實際使用才能驗證其性能優(yōu)劣，這就使得要想構成適合不同過程和性能優(yōu)越的填料層結構變得十分困難。
在現行顆粒形填料組成的填料層中，由于填料單體間的獨立性，填料單體所構成的填料層，不能形成不同軸向規(guī)則分布的空隙和接觸面，使它只能適合在裝置中進行上下逆流的過程，不能適用于不同軸向的錯流過程。
本發(fā)明的主要目的是提供一種填料，它具有結構全開放、堆積密度小、空隙率大、比表面積大、空隙分布均勻、通過能力大、壓降低、效率高。
本發(fā)明的另一目的是提供一種填料，它不僅能在接觸裝置內方便地整砌堆放，而且能在裝置外預先構成在截面上空隙規(guī)則分布的填料層，它同樣能構成與填料單體具有相同結構特征的填料層。
本發(fā)明的另一目的是提供一種填料，它不僅能適合軸向上下逆流的傳遞分離過程，而且能適合不同軸向錯流的傳遞分離過程。
本發(fā)明是通過下述技術方案實現的在包括若干橫肋元件的填料中，若干橫肋元件相互在橫肋上交接，構成若干逐層分布的橫肋和空格與若干逐層分布相互連通的基本空域區(qū)。
按元件相互交接構成填料的方式，將眾多的橫肋元件按規(guī)則交接，構成接觸裝置截面形狀的外形，就能在裝置外構成截面上空隙規(guī)則分布的填料層，同樣也能利用已構成的填料單體，將填料單體按裝置截面形狀相互拼接成與單體結構相同的填料層，對于在裝置內整砌，可先在裝置外將元件交接成或將填料單體相互拼接成若干構成填料層的填料塊，再拼接填料層，同樣也能按現行填料的整砌方式進行。
橫肋元件相互交接構成具有逐層分布的橫肋和空格與逐層分布相互連通的基本空域區(qū)的填料，填料中的空格和空域位于不同的軸向，按一定的交接方式，就能在不同的軸向構成規(guī)則的空隙和接觸面分布的填料，這一填料就能適用不同軸向的錯流傳遞分離過程，對上下逆流的傳遞分離過程，只要構成軸向規(guī)則的空隙和接觸面分布就可。
上述填料的橫肋元件可以是圈狀橫肋元件，圈狀橫肋元件具有結構簡單，變化多樣，適合不同截面形狀的材料制作，可制成各種接觸面分布和外形的元件，元件間相互交接方便，交接構成的空隙規(guī)則，交接構成的填料具有沿軸向呈層狀規(guī)則或均勻分布的空格和接觸面。
上述填料的橫肋元件可以是螺旋狀橫肋元件，螺旋狀橫肋元件具有制作方便，適合多種材料制作，可制成各種接觸面分布和外形的元件，交接構成的填料具有沿軸向呈螺旋狀分布的空格和接觸面。
上述填料最好由若干橫肋元件相互在其周圍呈基本均勻分布狀相互在橫肋上交接，使填料中的元件在橫向和軸向都形成層狀分布和交接的結構形式，使填料具有規(guī)則的交接形式，規(guī)則的空域分布，形成基本均勻的空隙分布，形成大的接觸面積，這種交接形式，使填料可采用薄形材料的元件來構成，使其具有堆積密度小，空隙率大、整體機械強度大。
上述若干橫肋元件交接所構成的基本空域區(qū)中可以有薄片形構件，聯接相互交接的元件，使元件間的聯接得到加強，填料的機械強度增大，空域區(qū)進一步分割，空隙分布更趨均勻，接觸面積增大，它同樣能將填料與填料、填料與元件、元件與元件的交接結構相互聯成一體。
本發(fā)明的優(yōu)越之處是由其結構特點所決定的。填料由橫肋元件相互在橫肋上交接構成，交接元件的橫肋相互呈交遞層疊，形成逐成分布的橫肋和空格，使填料具有完全開放的結構。填料的元件相互交接，任一元件與多個元件交接，填料的接觸面和空隙由相互關聯的元件交接組成，元件的橫肋相互交接構成一體，橫肋區(qū)域被分割成若干小區(qū)域，使填料的機械強度比元件的強度增大很多，所以可由薄形材料的橫肋元件來構成填料，構成的填料具有整體機械強度大、堆積密度小、空隙率大、材料消耗小、單位重量材料的接觸面積大，同時可采用各種接觸面積大的元件來構成填料，所以具有比表面積大，在相同的堆積密度下，比表面積比現有技術提高1倍以上。填料的元件相互交接將元件的區(qū)域逐層分割成若干小區(qū)域，形成逐層分布相互連通基本均勻分布的空域區(qū)和接觸面，使填料具有空隙分布均勻，流體進入和流出填料都呈均勻分布流動，使流體通過填料時具有壓降低，填料中相互關聯逐層交遞分布的橫肋使流體呈分流狀運動，這對通過的流體具有分離作用，使接觸裝置發(fā)生液泛的速度增大，流體的通過能力得到提高。同樣填料的分離作用使填料表面流體的更新速度加快，有利于傳遞過程的效率提高。填料中元件和元件的相互交接處將形成大量的滴液點，這些滴液點在填料中逐層基本均勻分布，每一個滴液點將形成一個流體重新分布的區(qū)域，對有液相流體存在的接觸過程，大量的滴液點形成大量的液滴，其作用表面積將比填料的表面積增加很多，元件交接構成的填料層在接觸裝置的壁面形成的空隙可由交接的元件來減小，這樣就克服了壁面徑流，所有這些因素都能使填料的效率提高。
本發(fā)明的填料可采用不同的元件和不同的交接形式構成，具有元件結構簡單、種類多樣、結構變化多樣，具有適用各種流體間的傳遞分離過程。
本發(fā)明的填料由橫肋元件相互交接所構成，元件不僅能構成填料單體，而且能構成填料塊或填料層，構成的填料塊或填料層具有與單體相同的結構特征，這樣只要通過對填料單體的結構試驗研究和改進，就能容易地構成適合不同過程和性能優(yōu)越的填料層。填料塊和填料層不僅能在接觸裝置內構成，而且能方便地在裝置外預先構成，這使填料具有整砌靈活、簡便。
本發(fā)明的填料由橫肋元件相互交接所構成，元件相互交接不僅能構成適用上下逆流傳遞分離過程的填料，而且能構成適用于不同軸向的錯流傳遞分離過程的填料，這使填料具有適應性、用途更廣。
綜上所述，本發(fā)明的填料不僅同時具有空隙率大、堆積密度小、機械強度大、比表面積大、空隙分布均勻，而且同時具有低壓降、高效率等優(yōu)點。本發(fā)明的填料還具有適用于各種流體間的傳遞分離過程，本發(fā)明的填料還具有容易地構成性能優(yōu)越的填料層和整砌靈活、簡便，本發(fā)明的填料不僅能適用上下逆流的過程，而且能適用于不同軸向的錯流過程。
以下結合附圖對本發(fā)明的填料采用的橫肋元件和填料的基本結構進行詳細描述。


圖1是單圈狀橫肋元件的側視圖(a)圓形圈，(b)多角形圈，(c)花瓣形圈；圖2是多圈狀橫肋元件的側視圖(e)圓形圈狀，(f)多角形圈狀，(g)花瓣形圈狀；圖3是螺旋狀橫肋元件的側視圖(i)圓形螺旋狀，(j)多角形螺旋狀，(k)花瓣形螺旋狀；圖4是本發(fā)明中填料的一個基本結構的側視圖；圖5是圖4的俯視圖；圖6是本發(fā)明中另一種填料的一個基本結構的側視圖；圖7是圖6的俯視圖。
構成本發(fā)明中填料的橫肋元件的類型是多樣的，圈狀橫肋元件是其中一類結構簡單的基本元件，圈狀橫肋元件有多種，單圈狀橫肋元件的三種形式如
圖1所示，
圖1(a)是圓形圈，
圖1(b)是多角形圈，它每一角點都是一個滴液點，它使所構成填料的滴液點增多，
圖1(c)是花瓣形圈，它使構成填料的滴液點、接觸面積有較大增加。多圈狀橫肋元件的三種形式如圖2所示，多圈狀橫肋元件是單圈狀橫肋元件的組合，它由縱筋將若干單圈狀橫肋元件逐層相互聯接構成，使元件具有逐層分布的空格和橫肋，圖2(e)是圓形圈狀，圖2(f)是多角形圈狀，它具有逐層分布眾多的滴液點，圖2(g)是花瓣形圈狀，它具有更多逐層分布地滴液點和更大接觸面積及更均勻的空域分布。
螺旋狀橫肋元件是構成本發(fā)明中填料的另一類結構簡單的基本元件，螺旋狀橫肋元件的三種形式如圖3所示，它由各種材料按螺旋線繞制而成，形成沿螺旋線逐層分布的空格和接觸面，圖3(i)是圓形螺旋狀，圖3(j)是多角形螺旋狀，它具有沿螺旋線逐層分布眾多的滴液點，圖3(k)是花瓣形螺旋狀，它具有更多沿螺旋逐層分布的滴液點和更大的接觸面積及更均勻的空域分布，元件的橫肋間可有縱筋聯接。
圈狀橫肋和螺旋狀橫肋元件的橫向尺寸從10mm至250mm，橫向尺寸與橫肋高的比值為0.5－20。橫肋元件可采用各種材料，如金屬、塑料、陶瓷、玻璃、復合材料等制造，以適合各種要求，構成元件的材料可采用各種截面形狀，從圓形、薄片形到角形、槽形等，以增加強度，元件的形狀可采用圓形、多角形、花瓣形及更復雜的結構形狀，以增加接觸面積和提高元件強度，采用鋸齒形、孔網形的材料來構成元件，以增加滴液點，元件的接觸面可與其軸線傾斜以適應不同軸向的錯流過程。
本發(fā)明的一種填料的一個基本結構如圖4和圖5所示，它們表達了填料10的一個具體結構，它由若干同類的不同種的橫肋元件12和13相互在橫肋上交接構成，圖中所示的是多角形圈狀橫肋元件12，圓形圈狀橫肋元件13相互交接構成，交接形式是(除最外層)在每一個元件12的橫肋上基本均勻分布地交接著3個元件13，同樣在每一個元件13的橫肋上基本均勻分布地交接著3個元件12，圖中只表示了三層的交接情況，第一層元件是12a(a、b、c表示元件所在的層數)，在元件12a的橫肋上交接著第二層的3個元件13b，在每一個元件13b的橫肋上交接著第三層的2個元件12c和第一層的元件12a，第三層共有6個元件12c，相互交接元件12的橫肋與元件13的空格、12的空格與13的橫肋基本是同寬的，這樣在元件12的空格中交接著3個元件13的橫肋，在元件13的空格中交接3個元件12的橫肋，元件的橫肋逐層交接，沿軸向構成具有逐層規(guī)則分布的橫肋和空格。在元件12a的區(qū)域內，元件12a的橫肋內側與3個交接元件13b的橫肋內側構成3個基本空域區(qū)17，3個元件13b的橫肋外側與元件12a的橫肋內側構成基本空域區(qū)18，同樣在每一個元件13b的區(qū)域內與3個交接的元件12也構成3個基本空域區(qū)17(其中之一即12a內的一個)和一個空域區(qū)18，在每一個元件12c的橫肋內側與元件13b的橫肋外側構成基本空域區(qū)19，空域區(qū)17、18、19是逐層分布相互連通的，不同層的元件相互交接在橫向構成具有逐層規(guī)則分布的橫肋和空域。
填料按上述一層元件12與一層元件13相互交接的基本方式，再將更多的元件12與13相互逐層交接若干層，就構成上述基本結構特征相同的填料(層)10。
在空域區(qū)17、18內還包括薄片形的構件27、28(僅在圖5的12a和13b之一標出)它將元件12a和13b、13b與12c相互在橫向聯接，它將空域區(qū)17、18分割成更小的區(qū)域。同樣在空域區(qū)19中，可根據使用要求交接同種橫向尺寸較小的元件或包括薄片形構件將該區(qū)域再分割(圖中未示)。
本發(fā)明的另一種填料的一個基本結構如圖6和7所示，它們表達了填料50的一個具體結構，它由若干同一種橫肋元件52相互在橫肋上交接構成，圖中所示的是螺旋狀橫肋元件相互交接構成，交接形式是(除最外層)在每一個元件52的每一圈螺旋橫肋上基本均勻分布地交接著4個元件52，圖中只表示了三層的交接情況，第一層元件是52a(a、b、c表示層數)，在52a的橫肋上交接著第二層的4個元件52b，在每一個元件52b的橫肋上交接著第三層的3個元件52c和第一層的元件52a，第三層共有8個元件52c，元件52的橫肋和空格基本是同寬的，元件的空格中交接著別層的4個元件的橫肋，元件的橫肋沿螺旋線逐層交接，沿軸向構成具有螺旋狀規(guī)則分布的橫肋和空格。在元件52a區(qū)域內，元件52a的橫肋內側與4個交接元件52b的橫肋內側構成4個基本空域區(qū)57，4個元件52b的橫肋外側與元件52a的橫肋內側構成基本空域區(qū)58，同樣在每一個元件52b區(qū)域內與4個交接元件52也構成4個基本空域區(qū)17(其中之一即52a內的一個)和一個空域區(qū)58，在每一個元件52c的橫肋內側與元件52b的橫肋外側構成基本空域區(qū)59，空域區(qū)57、58、59是相互連通，螺旋狀逐層分布的，不同層的元件相互交接在橫向構成具有逐層規(guī)則分布的橫肋和空域。
填料按上述的交接方式，將更多的元件52再相互逐層交接若干層，就構成與上述基本結構特征相同的填料(層)50。
在空域區(qū)57、58內還包括薄片形的構件67、68(僅在圖7的52a和52b之一標出)，它將元件52a與52b，52b與52c相互在橫向聯接，它將空域區(qū)57、58分割成更小區(qū)域。同樣在空域區(qū)59中，可根據使用要求交接同種橫向尺寸較小的元件或包括薄片形構件將該區(qū)域再分割(圖中未示)。
上面描述了填料10和50的兩種基本結構，若構成的填料只有少量元件相互交接就成了填料單體，若有大量的元件相互交接就構成了填料層(塊)，填料10和50的區(qū)別僅在于構成填料的元件種類，填料10是由同類的不同種的元件12和13相互交接構成，填料50由同一種元件52相互交接構成，填料10和50可以是相同的交接形式，其相互間相差40數字的相同個位數字標號代表相同的含義，如17與57。
從上述填料的基本結構描述中可知，元件相互交接在軸向和橫向都構成了規(guī)則的空隙和接觸面分布，即形成了兩個軸向的空隙和接觸面的規(guī)則分布，只要將交接軸方向傾斜或元件的接觸面與交接軸傾斜，就能構成所傾斜的軸向規(guī)則的空隙和接觸面分布，這一結構的填料不僅適合于上下逆流的傳遞分離過程，而且適合不同軸向的錯流傳遞分離過程。
本發(fā)明的填料可由各種不同尺寸及形狀的橫肋元件，不同的交接形式構成，然而，較簡單和較好地是圈狀和螺旋狀橫肋元件，對傳遞用的填料，其優(yōu)選的橫向(圈徑)尺寸10－120mm，橫向尺寸與橫肋高的比值是8－15，所構成填料的最大橫向截面尺寸與軸向高度的比值是2－10。對分離用的填料，其優(yōu)選的橫向(圈徑)尺寸是25－250mm，橫向尺寸與橫肋高的比值是1－5，所構成填料的軸向高度與橫向尺寸的比值是2－10。
本發(fā)明的填料可由不同的元件和不同的交接形式構成，對具體填料所采用元件的種類、尺寸、材料、交接形式都應根據實際工程中的具體需要確定，對填料中相互交接元件的具體連接方法，應根據構成元件的材料、填料使用的環(huán)境，分別采取不同的方法，如焊接、燒接、粘接，整體成形及其組合的方法。
權利要求1.一種用于流體間接觸裝置的填料(10)、(50)，其特征在于包括若干橫肋元件(12)和(13)、(52)，若干元件(12)與(13)、(52)與(52)相互在橫肋上交接，構成若干逐層分布的橫肋和空格與逐層分布相互連通的基本空域區(qū)(17、18、19)和(57、58、59)。
2.根據要利要求1所述的填料，其特征在于元件(12)、(13)、(52)是圈狀橫肋元件。
3.根據要利要求1所述的填料，其特征在于元件(12)、(13)、(52)是螺旋狀橫肋元件。
4.根據權利要求1至3中任一權利要求所述的填料，其特征在于若干元件(12)與(13)、(52)與(52)相互在其周圍呈基本均勻分布狀相互在橫肋上交接。
5.根據權利要求1至3中任一權利要求所述的填料，其特征在于若干元件相互交接所構成的基本空域區(qū)(17、18)、(57、58)中有薄片形構件(27、28)、(67、68)，聯接相互交接的元件。
6.根據權利要求4所述的填料，其特征在于若干元件相互交接所構成的基本空域區(qū)(17、18)、(57、58)中有薄片形構件(27、28)、(67、68)，聯接相互交接的元件。
專利摘要一種用于流體間接觸裝置的填料，它包括若干橫肋元件，在橫肋上相互交接，構成若干逐層分布的橫肋和空格與逐層分布相互連通的基本空域區(qū)。本填料具有構成的元件結構簡單、種類多樣，具有空隙率大、堆積密度小、比表面積大、機械強度大、空隙分布均勻、通過能力大、壓降低、效率高，整砌靈活、簡便，不僅能適用上下逆流的傳遞分離過程，而且能適用于錯流的傳遞分離過程。
文檔編號B01J19/32GK2144535SQ9222658
公開日1993年10月27日 申請日期1992年7月1日 優(yōu)先權日1992年7月1日
發(fā)明者戴利國, 周明, 周慧, 戴利民 申請人:戴利國