带结构的填充物以及用于它的件的制作方法

专利名称：带结构的填充物以及用于它的件的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于与流体接触的系统比如蒸馏塔或者单相或多相混合装置的带结构的填充物，可以把这些填充物做成用于催化蒸馏的催化填充物。
在商业上，蒸馏通常为在一个塔中逆向流动的气体和液体的多阶段操作，该塔包括一个填充装置，以使气液接触变得容易，这种气液接触对于质量传递和热量传递是必须的。因为在塔中存在多级平衡，在整个塔的长度内蒸气和液体的组成在改变。在该塔的一个最佳位置可以以液体或蒸气形式取出所希望的产品。
质量传递装置越有效，获得相同数目的平衡阶段的塔越短。质量传递装置典型地是分开的塔盘，它们使得蒸气可以向上穿过高度不大的液体或穿过包含用于气液接触的表面的连续填充物。达到蒸气与液体平衡的能力或者被称为对于连续填充物的分数的“塔板效率”，或者被称为“等价于理论塔板的高度”(HETP)。HETP越低，填充物越有效。带结构的填充物的好处是效率高，以及蒸气压力降低。因为在塔中迫使气体向上运动克服大的压力差，如果存在这样的压力差时将增加成本，所以希望压力降低。
在授予Sperandio的美国专利No.4731229，授予Hearn的美国专利No.5523062、授予Johnson的美国专利No.5189001和授予Crossland等人的美国专利No.5431890中公开了催化蒸馏结构的例子。例如，’229专利公开了反应器填充件，它们包括交替的有开槽的部分和没有开槽的带沟槽部分，沟槽相对于竖直方向是倾斜的。在连通使反应物流过填充物的那些部分设置有孔。这些沟槽相对于竖直方向是倾斜的，从而确保了最佳的流体接触，并使液体滞留，竖直的沟槽会使液体的滞留最小，即使液体过度地流动，而这是不希望的。
催化蒸馏通过在蒸馏塔柱中设置催化剂把分离(蒸馏)单元操作与化学反应结合起来。因为大多数反应速率是与成份有关的，所以，可以把催化剂设置在一个最佳的位置。另外，在由平衡限制的化学反应中，可以除去产物(被蒸馏除去)，并使反应向前发展。最重要的是，使用催化蒸馏使得可以使用较少部件的设备。因此，以前的两个容器反应器和蒸馏塔现在可以结合成单一的结构。美国专利No.5321163公开了一种催化蒸馏系统。
本发明的目的是改进填充物，用来促进流体之间的接触；例如，液体与液体之间或气体与液体之间的接触，这种接触可以用于多个目的，包括传统的蒸馏和催化蒸馏。
按照本发明的一个方面，提供有一种多孔的带结构的填充物，用来促进液体与液体的接触和/或气体与液体的接触，其中，形成该填充物的多孔材料的平均微孔开口直径不超过大约50微米，并且，其中填充物设有湍流发生器，比如在带结构的填充物上分离开的导流板或突片，使得基本上在该填充物的整个表面上有穿过填充物中的微孔开口的液体流。
该多孔填充物最好由一种细丝网或屏制成。
在一个优选实施例中，填充物也设有附加的开孔，用来促进整体的混合。
在一个特别优选的实施例中，细丝网或屏是一种微网，被用作多孔的填充物。由金属纤维或细丝制成三维网络或网，这些纤维或细丝通常有至少1微米的直径，纤维的直径通常不超过25微米，但是，可以采用更小或更大的直径。该网络可以是在美国专利No.5304330；5080962；5102745；或5096663中描述过的那种类型。材料的三维网络可以由纤维构成，可以是金属毡或类似物，可以是金属纤维过滤器或纸以及类似物，或者可以是多孔的金属复合物。紧凑的细丝或纤维形成了材料的三维网络，该网络有一定厚度。一般说来，材料的三维网络的厚度至少为5微米，并且通常不超过10毫米。一般说来，网络的厚度至少为50微米，并且不超过2毫米。
可以涂布或者不涂布该三维网络，这样的三维网络可以有俘获在其中或包含在其中的颗粒。该网络在它的厚度上的微孔尺寸可以不同，并且，网络可以是层压的和/或由相同的材料构成和/或可以有多层。
应该理解到，网可以由一种类型的纤维构成，或者可以由两种或更多种不同的纤维构成，或者，网可以有单一的直径，或者可以有不同的直径。该网最好由一种金属制成。然而，可以采用其它材料，比如陶瓷。作为这样的金属的一个代表性的例子，可以提到镍，多种不锈钢；例如304,310和316，耐腐蚀镍基合金，铁-铬合金等。
该网在它的孔隙中可以保留颗粒或纤维，并且，这些颗粒或纤维可以有催化功能。
该带结构的填充物可以包括或者不包括催化剂。如果使用催化剂，该催化剂可以被涂布在形成填充物的纤维上，和/或被支撑的或不被支撑的催化剂可以被夹带在网的开孔中。
虽然已经提出了由多孔材料比如微网结构制成填充物，但是本申请人发现，为了有效地把这样的多孔材料用作填充物，必须设置湍流发生器，这些发生器在该填充结构上是分离开的，为的是提供有效地穿过填充物中的微孔的液体流。
在一个优选实施例中，除了湍流发生器以外，填充物还设有附加的开孔。
一般说来，这些附加的开孔的尺寸为0.5毫米直径，最好直径至少为1.0毫米(以圆形开孔为基础)。如果开孔不是圆形的，就以下述方式度量这些孔的尺寸在其最小值的情况下，使这些孔的面积基本上与由这样的直径的一个圆形开孔的最小面积相同。
在参考着图描述的每个实施例中，在填充结构中形成的孔(除了在制成该填充物的网状材料中固有的孔或微孔以外)与湍流发生器(例如，形式为突片或导流板的湍流发生器)结合起来的功能是改进穿过该填充物的微孔的液体流，并改进基本上在该填充物的整个表面上的整体混合。
本申请人已经发现，当没有湍流发生器时，填充物的功能不太有效，其中，流体不能有效地穿过填充物的微孔流动。
按照本发明，湍流发生器和在填充结构中形成的孔(除了在制成该填充物的网状材料中固有的孔或微孔以外)的功能是使穿过这些微孔的流体流达到最佳，并改进在该填充物的长度上的整体混合，同时仍然使得足够的表面积可以用于气体/液体质量传递和/或催化反应。
这些附加的孔和湍流发生器在填充物上分离开，以获得这种最佳效果。这可以通过试验实现，或者更可取地通过该过程的一个模型实现，此模型描述该结构(包括几何形状、厚度、微孔情况以及纤维的直径)和气体和液体流过该结构的流动图样，并包括所包含的反应产生的任何热效应。这样的模型的一个例子可以采用被称为计算流体动力学的步骤。
添加到多孔填充物的孔或开口通常包括该填充物表面的至少3％，最好至少10％。在大多数情况下，添加的开口包括不超过表面的20％。最好不超过表面的25％。
突片或导流板的功能是破碎气泡，也用来在突片或导流板后面产生气泡。
还有，突片或导流板的功能是通过减少湍流和产生气泡增加液体质量传递。
将关于由网状材料制成的填充结构的代表性实施例进一步描述本发明；然而，这些结构是说明性的，本发明可以应用于其它的结构和设计。因此，本发明部分地以本发明人的下列发现为基础的当使用高度多孔的网状材料作为填充物时，即使这样的材料有空的体积很大；例如比70％还大，并在许多情况下比90％还大时，流体不能有效地穿过填充物的微孔流动，而通过设置湍流发生器可以改进流体穿过微孔的流动。因此，按照本发明，设置有湍流发生器，把其数量、尺寸和间隔选择成改善在该网状结构的表面上液体穿过该网状结构的微孔的流动。
在一个优选实施例中，填充物也设有附加的开口。把这些附加的孔或开口的尺寸和间隔选择成获得所希望的整体混合，并获得所希望的通过该带结构的填充物的网的压力降，这种选择最好与湍流发生器结合起来进行。
在下面的说明性的实施例中，通过产生突片形成这些附加的开口，这些突片的功能是作为湍流发生器，这些突片是优选的，它们产生湍流，并且还有另外的好处，如下面将描述的那样。然而，按照本发明，可以不用产生突片形成这些开口。此外，可以分开地并离开这些开口形成湍流发生器。这些湍流发生器可以为导流板或突片的形式，它们与附加的开口无关，或者通过在该填充物上设置突出部或凹陷或波纹形成这些湍流发生器。
在下面的实施例中，带结构的填充物的网状结构包括除了通过形成突片产生的那些开口以外的开口。可能需要也可能不需要这些附加的开口，这取决于填充物的形状和对于填充物结构所设想的条件。
在图中

图1为按照本发明的一个实施例的填充结构的等角投影图；图2a为图1的填充件之一的顶视平面图；图2为图2a的填充件沿着线2-2取的前视图；图3为图1的结构的顶视平面图；图3a为图3的结构的一部分更详细的图；图4为形成图1的结构的一个填充件的坯料的前视图；图5为本发明的第二实施例的填充件的等角投影图；图6a为图5的件的顶视平面图；图6为图6a的件沿着线6-6取的前视图；图7为采用图5和6的多个件的填充结构的顶视平面图；图8为图7的结构的一部分更详细的平面图；图9为用来形成图5的件的坯料的前视图；图10为按照本发明的另一实施例的填充结构的一部分的平面图；图11为图10的实施例沿着线11-11取的局部侧视图；以及图12为图11的实施例的等角投影图。
在图1中，带结构的填充物2为相同的填充件4、6、8和10的一个阵列，这些件是更大的阵列3的一部分，见图3。尽管在图3中示出了9个件，但是，这是说明性的，因为在实用中按照一个给定的实施可以使用更多或更少的件。另外，所示出的件为正方形的阵列。这一构形也是说明性的。实用中，此阵列也可以是可与图3的图案相比较的长方形的、圆形的或者其它在平面图中任何想要的形状。
如果该阵列的横截面是圆形的，件必须在图3从左到右的整个宽度上是不同的。把这些件装在一个塔外壳体12(以虚线画出)中，在这种情况下，该壳体的横截面为正方形。其它的壳体(未画出)的横截面可以是长方形或圆形。这些件适应壳体12的内部形状，把内部体积填满。
每个件4、6、8和10由相同的基底坯料14制成，见图4，该坯料最好为复合的多孔金属纤维，如在引言部分中所描述的那样。该材料最好由在引言部分中提到的美国专利中描述的材料构成，在这里把这些专利结合进来作为参考。
这些件的材料也可以是固体薄片金属或其它材料，如熟悉这种技术的人士所知道的那样。坯料14为形成图3的每个件的一个较大的完整坯料的一个片段，并代表它的一部分。完整的坯料(未画出)如对于部分坯料14所示出的那样以所示出的图样的相同的重复出现，伸展到图的右侧(按照给出的装置，还可以在竖直方向上由图的顶部伸展到底部)。
在图4中，基底坯料14包括多个由实线表示的穿透的切口。折叠线由虚线16、18、20、60等表示。相同的突片24和相同的通孔26的第一排22由设在每个交替的相邻的折叠线对，比如线16、18、20和21等之间的突片24和孔26形成。突片24逐渐地形成涡漩发生器，如将在下面描述的那样。孔26邻近突片24的顶部区域，并且位于形成通道的折叠线上，倾斜的边缘30由这些折叠线出发。在图中带撇和带多个撇的标号表示相同的部件。
每个突片24的第一边缘28与形成通道的折叠线比如线18一起伸展。突片24的第二边缘30在第二通道的折叠线比如折叠线16出发，相对于折叠线16和18是倾斜的，在远端段顶部32处终止。边缘28和30的一端沿着平面33在突片的折叠线60处终止。顶部32的一个边缘与边缘28一起伸展，这两个边缘都是直的，并位于一条通道折叠线比如线18上。
边缘28和30都由一个共同的横向平面33出发，如排22的突片24的所有边缘那样。可选地，顶部32最好是正方形的或长方形的，为了将要描述的目的。但是，也可以为其它形状，如更好地按照一个给定的实施那样。孔26稍微比顶部32大，从而使突片24的顶部32可以穿过这些孔，其方式下面要解释。排22的所有突片24和孔26是对准的，与平面33平行。
突片24和孔26的另外的排27和29是对准的，与排22平行，并在相同的列中对准，比如在一组给定的折叠线比如线16和18之间的列34。折叠线16和18之间的突片24和孔26在列34中对准。如图所示的坯料14有交替的列36、38等，它们与突片24和孔26的列34相对应，这些突片和孔在各自的排27和29中是对准的。按照一个给定的实施可以设置更多或较少这样的排和列。
排22、27和29与突片24和孔26的排40、42和44交替。排40、42和44的突片24和孔26处于交替的列46、48、50等中。结果，坯料14有多排和多列的突片24和孔26，给定的一组列和排的突片在竖直位置和水平位置上与其余的列和排的突片和孔交替，如图所示。
在图2和2a中，通过沿着折叠线16、18、20、21等(图4)在交替的相反方向上使坯料的基底材料弯曲，形成件4以及所有的件。这使坯料14成为形成通道的准波纹状的结构。此结构在平面图中最好是相同的正方形通道54、56、58等。这些通道朝向交替的相反方向59。这样，通道54、58等朝向图的底部，方向59、而通道56、61、63等朝向相反的方向，朝向图的顶部。
在图3a中，代表性的件62有通道64、66、68、70，每个通道有各自的中间连接壁72、74、76和78等，位于图中由左到右伸展的在垂直方向上分离开的平面中。通道66有横向的侧壁80和82，通道68有横向侧壁82和84，壁82对于通道66和68是共同的。件62还有相同的通道，如在图3中所看到的那样。类似地把填充物2的所有的件的结构做成有相同的通道。
在形成通道之前，或在形成通道的同时，把图4的突片24由坯料14的平面弯曲，以在位于平面33上的共线的折叠线60上形成涡漩发生器。
把在排22中的突片24在交替的列34、36、38等中以相反的方向离开图的平面地弯曲。这样，列34、38和45的突片在相同的方向上弯曲，例如离开图的平面朝向读者弯曲。而在列36和41中的突片在相反的方向上离开图的平面，离开读者的方向上弯曲。排27和29的突片有相同的弯曲次序，这些突片与排22的突片在相同的列中，从而使给定的列的突片都在平行的方向上弯曲。
在相邻的交替的列46、48、50等中的下一排40的突片24’都在相应的共线的折叠线86以平行于朝向读者的平面33的相同方向上平行地弯曲。它们也与列34、38等的突片平行。
下一排27的突片24”在它们各自的折叠线在与排27中的突片24’相同的方向上弯曲，朝向读者，离开图的平面。这些突片与排40的突片平行。
排42的突片24在它们的折叠线88在与排27和40中的突片的弯曲相反的方向上弯曲，例如在离开图的平面的方向上弯曲，离开读者。这些突片是平行的，并在与列36和41的突片相同的方向上弯曲。排29的突片在与相同的列中排22和27的突片相同的方向上弯曲，重复这样的弯曲。排44的突片在与排42和40的突片相同的方向上弯曲，朝向读者。
在图1和2中，件4在通道54中有一组突片241,241’,241”,241、21和23。突片241、241”和21都在相同的方向上伸展，例如由连接壁90的通道54进入通道54。突片241’和23由相同的横向侧壁例如侧壁92伸展。然而，突片241由相反的横向侧壁94伸展进通道54中。在平面图中突片沿着通道54的长度由在图1和2中图的顶部到底部截断竖直的通道，并因此形成一个用于流体曲折的大致竖直的路径。沿着通道的长度，对于任何通道都没有在竖直方向上打开的连续的直线流体路径。
在下一个朝向相反的通道56中，突片的取向为通道54的突片的取向的镜像，如图2中最清楚地看到的那样。
在图3a中最清楚地看到竖直的直线通道被突片曲折地阻断。代表性的件62的通道66最上面为突片242，接着是下面的突片242’，随后是更下面的突片242”，等等。如所看到，每个突片的一部分与在通道中的其它突片的一部分重叠。在平面图中，在垂直于图面的竖直方向上，通道66被突片完全阻断，与所有通道一样。因此，沿着通道66(或在图2中的通道54、56、58等)的长度没有任何直线的竖直流体路径。另外，在一个给定的通道中的每个突片有一个边缘邻近并靠着一个横向的侧壁或者一个连接壁。
每个孔26容纳相应突片的顶部32。例如，在图3a中，突片242的顶部322穿过孔26伸展，进入相邻的件102的相邻通道96中。突片242’的顶部322’伸展进件62的相邻通道98中。突片242”的顶部322”伸展进件62的相邻通道100。这样，对于所有的突片，突片的顶部穿过它的通道的相应孔26伸展，进入所述突片的下一个相邻的通道中。
由中间的连接壁伸展的突片比如安装在件62的壁74上的图3a的突片242朝向相邻的填充件的连接壁比如件102的壁97的孔26伸展，并穿过该孔。然而，件102的突片没有任何一个伸展进件62的通道中，或者朝向这些通道伸展。这样，每个件的突片只用来基本上与该件的通道合作，以提供所要求的曲折的流体路径。每个件的突片基本上与相邻的件的通道无关，尽管连接壁突片的顶部32如所描述的那样与连接壁和相邻的件的通道合作。
对于紧挨着壳体的那些通道的壁，这些壁靠着壳体12，突片24和顶部32不离开坯料14的平面弯曲，见图4。这样，在结构阵列3的边缘的突片见图3，不越过结构伸展，从而使得不会干扰壳体12的内壁。同样，在结构3的边缘表面上的突片不越过这些结构的平面伸展，如在图3中所示的那样。在这些边缘表面中，孔26也不是必要的。
顶部32和孔26用来对各自通道壁的相对的侧面提供液滴流，从而在整个填充结构增强流体的接触。孔26也提供在通道中在横截着结构阵列3的竖直轴线的方向上流体的连通。当然，通过离开薄片材料的平面弯曲突片所形成的带结构的薄片材料件中的开孔在横向上在通道之间提供了主要的流体连通。在每个内部通道的所有四壁中形成这些开孔和开孔26。
最好通过在上部和底部阵列3的端部对通道的角部进行点焊，把结构阵列3的件见图3比如件4、6、8、10等紧固在一起。焊接是可选的，因为也可以把件的尺寸做成紧密地装配进塔壳体12中(图3)，并通过摩擦或通过其它装置(未画出)比如紧固件或类似物固定到壳体的位置上。也可以首先把这些件以任何方便的紧固装置或粘接介质固定在一起。
应该理解到，是以示例的方式给出了在一个通道中突片的数量和它们的相对取向。例如，在通道54中只有一个突片比如突片241，由横向侧壁94伸展进入通道54。实际上，比一个多的突片由每个侧壁伸展进入每个通道。另外，突片取向的次序例如由一个给定的壁在竖直次序上伸展的那些突片的取向次序也是示例性的，因为按照一个给定的需要可以使用其它的取向。
还有，阵列3的件和填充物阵列通道在竖直方向上的长度实际上可以与所示出的不同。通道长度由几个因素确定，这些因素包括对于一个给定的实施由流体的类型、流体的体积、流速、粘性和实现所要求的过程需要的其它有关参数确定。
在使用中，带结构的填充物2，见图1，可以在蒸馏过程中使用，这种蒸馏过程有催化剂或者没有催化剂，或者为单一的步骤，或者为两步骤的混合过程。此外，填充物可以用于液体-蒸气接触，它提供高的比表面积(每单位体积的面积)，蒸气和液体在塔柱体内相当均匀的分布，以及所包含的表面的均匀地变湿。形成该结构的优选的微孔基底材料对于催化剂的应用通过填充物的表面结构使填充物表面更好地变湿。在一个替代方案中，把催化剂装到形成该结构的固体薄片材料上。
由填充件的烧结的纤维薄片材料提供的优选的微孔网状材料提供了相对较大的催化剂表面积，使得液体最佳地接近催化剂。或者用催化剂涂布纤维，或者纤维支承催化剂颗粒，这些颗粒被俘获在薄片材料的多孔的网络中。在希望相对较快的化学反应的情况下，多孔材料的内表面积的利用取决于反应物输送到这些表面的速率。在被驱动的强迫流动(对流)的情况下，质量传输的速率比仅只靠浓度梯度(扩散)的速率要高。因此，该结构提供了流体的最佳的横截流动，并有低的横截压力降。
为了使能力达到最大，要把压力降维持在相对较低的值。由每单位塔柱体积有相对较大的空的空间，较低的摩擦(好的气动特征)以及防止不希望的停滞的流体团可以获得低的压力降。
在催化蒸馏过程中，把催化剂紧固到形成件的薄片材料上，如上面讨论过的那样。催化剂可以进入件的薄片材料的空的空间中，或者可以在其外面。在蒸馏过程中，液体向下流过填充物，而要与该液体混合的气体向上升。
由于作用像涡漩发生器的突片的存在，也由于通道之间的开孔，上升的气体呈现湍流状态，通过孔26和使突片24离开薄片材料基底的平面弯曲而形成的开孔，使得气体流进不同的通道中。当气体上升时，气体只能经过在每个通道中弯曲的竖直路径，因为没有直接的竖直的直线路径可供利用，这是由于产生涡漩的突片的重叠部分造成的。这加强了气体与液体(两相)或者在单一相的多种气体或液体的接触。
可以证明，竖直的通道取向使低的压力降得到改进，并使液体的驻留为最佳。由涡漩发生器产生的湍流对这种液体的驻留有贡献。竖直通道的好处是低的压力降，但是，通常也使混合较差，并使气-液质量传递较差。然而，涡漩发生器和本发明的结构的件之间的开孔使得可以使用基本上直的竖直通道。所形成的本发明的带结构的填充物有竖直直线通道的低压力降，同时由于曲折的流体路径也有极好的混合特性和质量传递特性。
另外，涡漩发生器的突片24用作液体的滴落点，使流体由通道的一侧分散到另一侧。顶部32用来增强液体滴落进相邻的通道中，并沿着通道的相对的壁滴落。另外，顶部与相应的通道侧面接合，抵抗震动，并使得更稳定。
液体流过孔26到达相邻的通道，液体与通道的相对的侧壁接触，向下流过这些壁，也向下流过倾斜的突片。孔26提供了由一个通道到下一个通道的压力平衡和连通，并对流体不论是气体还是液体产生一个弯曲的路径。
竖直取向的通道的最好为正方形，可选地为长方形的形状，与先有技术的倾斜的波纹状三角形通道相比，这样提供了更大的表面积。这些通道也可以有多种构形，比如在横截面上是圆形、三角形或者其它多边形。例如，通道的横截面可以是按照给定的实施的六边形，或者其它规则的或不规则的形状。
在泡沫方面，液体携带着泡沫由一个通道到另一个通道，使液体分布更均匀。在这种情况下，连接的通道是可选的。另外，也可以采用相对较小的涡旋发生器和更多的涡漩发生器。见图1-4，顶部32也可以用做涡漩发生器。
蒸气通过开孔在通道中分散，而液体通过在突片上流进相邻的通道被分散。当液体流动时，突片24也截断液体，提供了相对而言持续不断的液膜的更新，因此，在液相中有好的混合。突片24靠液体的转向防止了液体在通道的角部聚集，即，使沟槽流动减到最少。还有，用竖直的通道使得填充件不必要重新取向90度，如用带角度的通道所作的那样。
由结构的顶部到底部，涡漩发生器的数目可以不同。这样，为了增强液体的分散，靠近结构的顶部可以设置更多的涡漩发生器。靠近结构的底部可以设置较少的涡漩发生器，以便降低整个的压力降。也可以使用夹层的设计，这些设计包括实现不同功能的轴向上分段的填充件。例如，可以在一个填充段实现混合或液体分散，而可以在一个不同的沿轴向设置的填充段实现化学反应。
一个重要的方面是只损失非常少的基底材料，这是因为在结构中使用的突片也在通道的侧壁中提供了流体横向连通的开孔。可选的但不是本质性的，特别是对于孔相对较大的基底材料，孔26代表材料的极小的损失，而这些材料是相当昂贵的。
还有，提供了相对较多的滴落点，使得液-气质量传递和混合达到最大。通过选择突片的侧壁的位置，即通过使边缘邻近通道的侧壁，或者通过把突片设置在最佳的相对竖直位置，可以提供最佳的侧壁压力。
涡漩发生器可以为任何形状，但是最好是三角形的。按照一个给定的实施，它们可以例如为长方形或圆形，例如半圆形。它们也可以包含一个梯形的部段，如所描述过的那样。每个涡漩发生器包括一部分，此部分基本上截断着流体流，并在轴向的竖直方向上使流体流重新取向，提供了所希望的在竖直方向上伸展的弯曲路径。
涡漩发生器提供了湍流，使两相的质量传递或单一相流体的混合为最强。通过把液体导进一个通道的中间，涡漩发生器也使在竖直通道中两相的接触面积为最大。由涡漩发生器形成的通道之间的横向开孔也使液体和气体连通到每个通道和相邻通道的多个部分。
以示例的方式，在一个实施例中的通道的横向尺寸在一个正方形通道中可以为12毫米。在一个通道中采用8个涡漩发生器的那个实施例中，通道和填充物竖直的长度可以为210毫米。按照给定的实施确定较小或较大的通道，它们的长度，以及发生器的数目。
在图5-9中，示出了填充结构和填充件的另一实施例。在图5和6中，件104包括与图1的件的材料和与在引言中描述过的相同的多孔金属纤维基底材料的多孔基底材料。应该理解到，在图中没有示出基底的多孔性，并且，为了说明的目的，对于各种尺寸图不是成比例的。薄片金属的厚度和纤维的直径为微米的量级，如上面所讨论过的那样。
件104是在图中较大的件的一段，在使用中，该件在水平方向上和在竖直方向上的伸展都越过图中所示的，该件包括在横截面通道106-110等中的多个正方形。在使用中，件104与在一个处理塔(未画出)中的竖直通道一样地取向。由薄片材料基底形成多个产生涡旋的三角形突片114-126等，它们完全横截着它们所在的相应通道。突片的顶部可以靠在相对的通道的横向侧壁或中间连接壁上，或者如可以使用的那样离它们非常近。
在突片由一个连接的中间壁伸展的情况下，这些突片靠着下一个相邻的填充件的连接中间壁，或者离开该连接壁很近，如在图7和8中所示并将要描述的那样。这将使得液体沿着在那个相对的通道侧壁上的突片滴落，并随后沿着该壁滴落。突片的顶部只需要足够地靠近该相对的壁，使得在突片上流动的液体把液体滴在该壁上。
由最好是多孔的烧结的金属纤维坯料126的基底薄片材料，见图9，制成件104。该坯料126最好为与上面描述过的相同的烧结的多孔纤维材料。该坯料为平面的薄片，其中实线表示穿透的切口，而虚线表示折叠线。当在折叠线处把基底134弯曲成直角时，折叠线128、130、132等形成了通道106-110。在垂直于平行平面比如平面138中的通道折叠线128等的成直线的排中，折叠线136是对准的。每个突片与一根折叠线136相对应，并把这些突片在该折叠线处弯曲，离开坯料的平面。
每个突片例如突片114的第一边缘131相对于一根竖直的折叠线例如线128和一根水平的折叠线例如线136是倾斜的，并由这些折叠线出发，每个突片的顶部在该列例如线130的下一个相邻的竖直折叠线处终止，突片114的第二边缘由一根水平的折叠线例如线136出发，并在竖直方向上与那一列的下一根相邻的折叠线例如折叠线130一起伸展。
在竖直的列142、144、146、147、148、150、152和154等中和在水平的排140、141、143、145、146和149等中，这些突片是对准的。在相邻的排比如排140和145中的突片在交替的列中。在排140中的突片在各自的列142、148中，而在排145中的突片在列144、146等中。在相同的方向上使在顶排140中的交替的突片弯曲。例如，在相同的方向上，朝向读者，离开图所在的表面，弯曲在排140中并位于列142、150和154中的突片，比如突片114、114’和114”。列142、150和154形成各自的连接壁142’、150’和154’(图5)，并且，列148,145形成各自的连接壁148’、145。
在图5中，每个突片114、114’和114”分别由它们相应的通道连接壁平行地伸展进相应的通道106、108和110中。
在各自的列148和152中，见图9，在排140中的其它交替的突片例如突片121、121’在相反的方向上弯曲，离开读者，离开图所在的平面。这些突片连接到连接壁148’和152’上，见图5。把这些突片弯曲进相应的通道107和109中，这些通道与通道106、108和110在相反的方向上互相面对，突片114、114’和114”在后面这些通道中伸展。
在每一列中在交替的排例如排141和143中的突片在相同的方向上并与排140的突片平行地弯曲。这就是说，突片116与突片114平行地弯曲，而在下一交替的列148中的突片122与突片121平行地弯曲，在列142、150和154中的突片与在列148、145中的突片相反的方向上弯曲，等等。排140、141和143中的突片对于其余的列重复这一弯曲的图案。
排145中的突片，突片115、127等，以及排147中的突起，突片118、117和124等都由基底材料的平面平行地在相同的方向上弯曲，朝向读者，离开图所在的平面见图9。
列147的突片例如突片118、117、124等在与列148的突片121、122和123以及列152的突片相同的方向上弯曲。这些突片在一个方向上弯曲，离开读者，离开图所在的平面。尽管只有一排突片，即排149，在相应的列中在此相反的方向上弯曲，但是，最好设置更多这样的突片，例如通过使件126更长，或者重新设置在每个通道中其它突片的取向。
在图5中，突片114、115、116、117和120都在通道142’中。突片118在通道150’中。突片115、117和120由相同的通道横向侧壁156出发。突片117由相对的侧壁158出发。通道106的其它突片由连接壁160出发，对于每个其余的通道重复突片的上述图案，使突片121、122和123由朝向相反方向的通道107的连接壁162出发。
在图7和8中，填充结构164包括多个件166、168、170等，它们与设在正方形阵列中的件104相同。该阵列可以为其它的形状，比如按照给定的需要为长方形，或圆形。在图8中，件168的连接壁172包着件170的通道174-175等，并且，件171的壁173包着通道176和177。这样，所有的内部通道被下一个相邻的件的连接壁包着。把结构164的件彼此装在一起，如上面对于图1的实施例所描述的那样。
在图8中，在通道174中的件170的最上面的突片178(与突片121对应，例如见图6和6a)由连接壁180下垂。突片的边缘131在对角线上由一个角部到另一个角部横截着通道174伸展。突片的边缘132是下一个相邻的横向侧壁183。突片178的顶部182紧邻着件168的相对的连接壁172’。
下一个下突片184(与突片127对应，见图6)由侧壁186下垂。它的倾斜的边缘131’由横向侧壁186伸展到壁183。它的另一边缘132’紧邻着连接壁180。边缘132和132’可以靠着相应的相邻壁，或者隔开邻近该壁，为的是使在突片上流动的液体可以流到该壁上。突片184的顶部187在壁180和183的角部连接处。因此，流到该顶部的液体由壁186流到在通道的相对的侧面上的该角部。边缘131和131’可以彼此重叠，或者与下一个相邻的突片体稍微重叠。
下一个下突片即突片188由壁183下垂，并在突片184的下面。突片188有一个倾斜的边缘131”，与边缘131’重叠地伸展。突片188的相对的边缘132”靠着件168的连接壁172’，或者离该壁很近。
结果，突片178、184和188在竖直方向上把通道174完全阻塞，在竖直方向上形成一条曲折的流体路径。在通道174中竖直方向上流动的气体流过各自突片的倾斜的边缘131、131’和131”，并围绕这些边缘流动。在该通道中的其余突片对于要在竖直方向上流动的流体提供了类似的曲折路径。对于流体没有任何直线的竖直路径。突片用作涡旋发生器，使流动的流体的混合和接触达到最大。向下流动的液体沿着通道的侧面和沿着突片流动，并被分配到各个相对的通道侧壁上。
突片通过由平面薄片基底弯曲在该基底中形成大的开孔。这些开孔对于流体形成交叉连通路径，用来流到相邻的件的通道中。这使得横截着这些通道的压力降达到最小，竖直方向上曲折的路径使竖直方向上的压力降达到最小。湍流由每个通道中的突片和与该通道壁中的开孔合作产生。倾斜的突片当液体向下流动时使得液体可以最佳地被驻留住。
将会认识到，代替三角形的突片，这些突片可以为梯形的，在一定程度上与图1的突片类似，但是，没有伸展开的顶部32。这样，倾斜的边缘在竖直方向上没有对准，而是按照突片的顶部被截断的数量在横向上分离开。这使得在一个通道中竖直方向上分离开的突片进一步地重叠起来，通过使在一个通道中的突片边缘的路径更加曲折，使湍流度增加。
在图10-12中示出了另一个实施例。在此实施例中，由与上面对图1和5的实施例所描述的相同材料的薄片基底制作出一种填充结构190。该结构190包括多个相同的填充件192。一个代表性的件192包括在朝向相反的方向上的正方形的交替的通道194、194’，如在前面的实施例中那样。
涡旋发生器的突片196、198等在重复的阵列中，并在每个通道中。突片196和198在周边尺寸上最好相同，并由基底材料的平面坯料薄片制成。在平面图中，这些突片是长方形的，并且，由形成它们的壁向下倾斜，并向下悬垂。由侧壁195形成突片196，该突片由该侧壁伸展。在通道194中的突片198由侧壁193形成，并由该侧壁伸展。
突片的宽度w最好比通道的深度d的一半大，从而使得有一部分204沿着通道的长度在竖直方向上彼此重叠，见图10。
突片196的一个边缘200与连接壁202相邻。突片196有一个远边缘206。突片198的一个边缘208紧接着与相邻的件209的连接壁207相邻。突片198有一个远边缘210。当在竖直方向上看时，边缘210和206彼此分离开，形成部分204。
突片196和198在横向侧壁中形成开孔，这些突片就是由这些侧壁形成的。在通道的连接壁210中形成开孔211，使流体连通到相邻的件比如件192和209的通道中。
应该理解到，这些件可以包括比所示出的更多的通道和突片，这些通道和突片在件的填充物阵列中是一个相对较小的部分。突片的图样可以以所示出的方式或者以按照特定的实现的任何其它的设置重复。与其它实施例类似，在任何通道中不存在竖直方向上直线的流体路径。重叠的突片对于流体提供了竖直方向上曲折的路径。
虽然已经针对一种具体的结构描述了本发明，但是，应该理解到，本发明不限于这些结构。
本发明对于把网状结构作为填充物的使用有广泛的用途，不管有催化剂或者没有催化剂，最好是带有催化剂，其中通过设置带有湍流发生器的填充物改进了这样的填充物的使用。这样的改进部分地是通过增加流过多孔填充物的微孔(开孔)的流体流获得的，在一个优选实施例中，填充物除了在填充物中的微孔以外设有开孔，这些开孔比微孔大。可以把这种方式形成的填充物组装成范围广泛的构形。
本发明对于在催化蒸馏反应器中使用的带结构的填充物特别有用，在这种反应器中，带结构的填充物包括一个催化剂涂层；例如，形成网状结构的纤维包括一个催化剂涂层。
尽管已经描述了具体的实施例，但是，希望所描述的实施例是以说明的方式而不是以限制的方式给出的。对技术有通常了解的人可以做出改型。本发明的范围由所附的权利要求书限定。
权利要求
1．一种产品，它包括用来改进流体之间的接触的一种带结构的填充物，所述带结构的填充物包括一种多孔的材料，在该材料中平均孔径不大于50微米，所述多孔材料包括湍流发生器，促进基本上在填充物的整个表面上通过该填充物的液体的流动。
2．如权利要求1所述的产品，它包括穿过填充物的附加开孔，这些开孔比微孔大。
3．如权利要求2所述的产品，其特征在于，所述带结构的填充物由多个金属纤维构成，这些纤维的直径由1微米到25微米。
4．如权利要求1所述的产品，其特征在于，所述带结构的填充物包括一个催化剂涂层。
5．如权利要求4所述的产品，其特征在于，所述带结构的填充物由多个金属纤维构成，这些纤维的直径由1微米到25微米。
6．如权利要求5所述的产品，其特征在于，带结构的填充物包括附加的开孔，这些开孔比微孔大。
7．如权利要求6所述的产品，其特征在于，带结构的填充物提供了多个流动通道。
8．一种设备，它包括一个催化蒸馏反应器和在所述反应器中的带结构的填充物，所述带结构的填充物为权利要求4的产品。
9．一种设备，它包括一个催化蒸馏反应器和在所述反应器中的带结构的填充物，所述带结构的填充物为权利要求5的产品。
全文摘要
一种带结构的填充物(2),它可以包括催化剂或者不包括催化剂,它由一种网状材料制成,该材料有比50微米小的微孔,其中,填充物(2)设有湍流发生器(24),促进流体通过这些微孔的流动,并可以还设有比这些微孔大的附加开孔,改进整体的混合。
文档编号B01D53/88GK1303317SQ99806791
公开日2001年7月11日 申请日期1999年5月14日 优先权日1998年5月29日
发明者R·A·奥维贝克, R·E·特鲁巴克, V·A·斯特兰吉奥, B·派克尔特, J·洛伊德, T·A·格里芬, R·B·弗德希拉 申请人:Abb拉默斯环球有限公司