专利名称：用于规整填料的填料层的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种规整填料和包含这种规整填料的塔，特别是吸收塔。本发明特别 地涉及这样一种规整填料该规整填料减少了压力损失，并且特别适用于利用含水吸收剂 的吸收应用，例如从烟气中吸收CO2。
背景技术：
规整填料的原理在吸收中已经使用了几十年(cf. K. Sattler ‘‘ Thermische Trennverfahren “ [Thermal Separation Processes(热分离工艺)]，VCH Verlag, Weinheim 1995)，因为由此可节省将要输入的能量和吸收塔的结构高度。规整填料在一个商业实施例中被制成彼此相继地布置的褶皱的金属片，其结构具 有彼此持续地交叉的倾斜通道。这些通道对于填料中的气相和液相流具有正面影响，并促 进了相态之间的质量传递。也就是说，气相和液相在填料通道中发生接触，并因而促进了在 相态之间的质量传递。为了提高规整填料的分离能力，通常扩大规整填料的表面，这通常通过更高的层 数和/或更紧密的通道几何结构来实现。通过计算填料层的几何面积之和来得出总表面 积。然而，这些方法导致规整填料中的压力降增大。然而，由此引起的是，必须提供较少的 填料表面，以便减少压力降，由此分离能力(其是填料的效率)劣化。另外，可提供更加敞 开的交叉通道。更加敞开的交叉通道意味着通道相对于主流动方向的倾斜角应选择更低。 这就意味着必须取决于应用在压力降和可能的最佳分离能力之间找到最佳值。然而交叉通道具有大量的接触点，这在某些应用中可能具有正面效应，但在其它 应用中也可能具有负面效应。在利用具有良好湿润性的液流的应用中，例如在关于有机流体的精馏工艺中，接 触点具有使冲击液流分开并偏转至通道侧旁的效应。因此放大了液体的横向分布，并改进 了效率。接触点此外还具有使气流主要在通道方向上而非与主流动方向平行而流动的效 应，由此可改善气体侧质量传递。在接触点周围可能形成死区，在该区域中，液体在比定位在规整填料上的其余液 体更小的程度上参与质量传递。这种现象已经从US6，378，332B1中获知，在该专利中描述 了用于低温精馏的填料，其意图减少这种死区的出现率。根据US 6，378，332B1的方案在于 通过各个单独的填料层的交替地高起和平坦的褶皱来减少填料层之间的接触点的数量。然 而，在这个方面考虑该系统，该系统的小的表面张力依然导致理想的总表面积的湿润性，即 接触点之后的区域仍被液体润湿。由此断定有效地可用的质量传递面积只在理想的情况下 相差接触点所需要的接触面积。因此，只有接触点会导致有效地可用的质量传递面积的损 失。有效地可用的质量传递面积是被较不易挥发性流体(在大多数情况下为液体)润湿的 总表面积的一部分。因而从US 6，378，332B1中知晓了一种精馏工艺，在该工艺中，使用具有交叉通道 结构的规整填料，也就是说，该填料由交叉地放置在彼此上的波纹状或褶皱的金属片制成。相邻的金属片沿着波峰或沿着边缘而彼此接触。较易挥发性的液体可在褶皱的金属片之间 与较不易挥发性的流体反向流动，使得质量传递能够发生。在us 6，378，332B1中显示了一 种用于减少两个相邻的金属片之间的接触点数量的工艺。为此目的采取措施以改变波峰的 或边缘的高度，使得各个金属片的仅一些波峰或边缘具有最大高度。金属片因而只是在沿 着波峰或边缘的最大高度处彼此接触。在液体控制的系统中，质量传递受到质量传递面积的决定性影响。当在液相下发 生化学反应时，这特别适用。EP 0671963B1为此目的建议将填料层进一步更紧密地组合起 来，以便在单位体积内容纳比 正常惯例更多的填料层。在这方面，更高的材料消耗和增大的 压力损失则是不利的。现在已经意外地发现具有较少接触点的填料对于液体控制的系统中的吸收能力 具有正面效应，当在液相下发生化学反应时尤其如此，这种填料以不同的方式布置，并且一 方面降低了气体侧的压力损失，且另一方面减少了总表面积。因此，这种填料结构将优选用于液体控制的系统中，并且有利地用于用来从气流 中吸收CO2的系统中。在这种系统中，质量传递受到液相下的化学反应的决定性的影响。这 种CO2产生于例如发电厂中所产生的排气中。在下游吸收系统中通过吸收而从排气流中分 离出CO2，其被压缩并接下来储存于例如地下。对于这种吸收作用，需要一种产生尽可能小 的压力降并且另外还容许有高的分离能力的规整填料。
发明内容
因此本发明的目的是提供这样的一种规整填料其在相同数量或较少数量的接触 点的条件下具有改进的稳定性。本发明的又一目的是选择接触点的布置，使得存在最小的由于接触点引起的质量 传递变化。因此本发明的又一目的是减少填料中的压力损失，因为由此可节省产生气流的能 量，其中分离能力应尽可能少地偏离可达到的最佳值。这些目的通过使用隔离元件以及通过接触点的布置来实现，该布置容许(尤其在 吸收应用中)对总表面积有最大的液体润湿度。用于规整填料的填料层具有波纹，其中由 波纹形成了多个敞开的通道。通道包括第一波谷、第一波峰和第二波峰，其中第一波峰和第 二波峰界定了第一波谷，其中第一波峰和第二波峰具有第一顶端和第二顶端。在第一顶端 方向上延伸的隔离元件形成于第一波峰的第一顶端上，其中第一波谷具有谷底，其中隔离 元件具有边缘，与第一波峰的第一顶端相比，该边缘离波谷谷底具有更大的垂直间距。根据一个优选实施例，在第二顶端上布置了第二隔离元件。作为备选或附加，在第 一谷底上可布置第三隔离元件。当然在填料层上可提供多个第一、第二或第三隔离元件。各个填料层可包括第一边界和第二边界，其中第一边界布置成基本上平行于第二 边界。隔离元件可特别地布置在第一边界的附近和/或第二边界的附近。因此，本发明的另一目的是提供这样的一种规整填料该填料在相同数量或较少 数量的接触点的条件下具有改进的稳定性。填料层具有用于改进稳定性的波纹，其中波纹 高度是基本恒定的。根据一个优选实施例，顶端的至少一部分被制成为边缘，和/或波谷中的至少一些被制成为V形形状。因而，规整填料包括根据前述实施例中的一个的第一填料层以及第二填料层，其中第二填料层具有与第一填料层相似的波纹，其中第一填料层和第二填料层布置成使得第 一填料层的通道与第二填料层的通道相交。第一填料层通过隔离元件而与第二填料层相接 接触。隔离元件可布置在第一填料层和第二填料层的其中各个上。第一填料层的隔离元 件可与第二填料层的隔离元件相接接触。特别是可将隔离元件彼此上下地布置，以使第一填料层和第二填料层竖直地对 准。这种间隔元件可在第一填料层和第二填料层竖直地对准的情况下彼此相邻地设置。根据本发明的填料层由规整填料层制成，规整填料层的褶皱全部具有相等的高 度。因此产生了填料的高稳定性，这在具有大直径的塔中尤其特别重要。在单独的填料层 之间的相交点的数量根据本发明通过在填料层之间引入隔离元件来实现。这些隔离元件可 制成棒，其例如由在特定点上应用于褶皱的填料层并因而以限定的间隔且在限定的点处将 填料层彼此分开的线材或窄的片状金属条制成。将隔离元件整合到填料层中并因而在制造过程中须要执行较少的工艺步骤看起 来似乎进一步更为有利。为此目的，通过在限定的点处，例如在填料层的上边缘和下边缘处 进行深冲压，可由金属片加工出隔离元件。当单独的填料层彼此上下放置时，通道仅仅在填 料层的上边缘和下边缘处的边界区域中在隔离元件处彼此接触，并因而实现接触点相当大 的减少以及润湿的填料表面的最大化，同时实现单独的填料层的稳定性以及因而实现由多 个填料层制成的填料主体的稳定性。根据前述实施例中的任一实施例的填料层可特别地用于利用含水吸收剂的吸收应用。用于净化流体的装置包括质量传递装置，质量传递装置包含较易挥发性流体和较 不易挥发性的流体，其包含规整填料，其中规整填料包含第一填料层和第二填料层，其中第 一填料层和第二填料层具有波纹，并由波纹形成敞开的通道，其中第一填料层的通道与第 二填料层的通道相交，且通道能够由较不易挥发性流体流过，从而可由较不易挥发性流体 作为薄膜来润湿该通道，较易挥发性流体定位在薄膜中，其中通过较易挥发性流体和较不 易挥发性流体之间的质量传递能够执行较易挥发性流体或较不易挥发性流体中的任一流 体的净化。第一填料层通过隔离元件与第二填料层相接接触。隔离元件优选制成棒。如果现在提供这种隔离元件，则可增加相邻填料层的间距， 尤其是当棒定位在界定敞开的通道的顶端上时。顶端可理解为或者为波峰或者为边缘，也 就是说理解为由通道的两个相邻的侧表面形成的尖顶。如果填料所占据的总体积将不变 化，则当填料层之间的间距增加时可将较少的填料层布置在质量传递装置中。然而，由此断 定填料的总表面积会减少。这一论点被公认适用于总表面积。然而，已经发现对于特定应用，不能将这一论点 转用于质量传递面积上。质量传递发生在用于净化较易挥发性流体，尤其是净化气体的多 个顺序地运行的部分步骤中。包含在气体中的必须分离的成分通过扩散而被输送至液体界面处。这些成分接下来必须穿过界面，并被吸收到液体中。在液体中还可特别地发生化学 反应，使得该成分保持被约束在液体中，并可随液体排放。如果现在扩散速度或液体中的反 应动力同前面的部分步骤相比占用更多时间的话，那么这种扩散速度或反应动力就代表了 对于整个质量传递的限制因素。对于液体必须提供尽可能大的质量传递面积，从而可改善 质量传递。由于减少相交点的数量而被弱化的气体侧质量传递对于所提到的液体控制的应 用不起任何决定性的作用。本发明的又一目的是选择接触点的布置，使得存在最小的由于接触点而引起的质 量传递的不利变化。在根据前述实施例中任一实施例的装置中的第一填料层的边界区域中特别地布 置了隔离元件。同现有技术(根据现有技术，需要接触点的仍然均勻的分布，但减少了接触 点数量)相对比，在本发明中完全免去了接触点在总表面积上的均勻分布。如果因而将很 少的接触点更紧密地放置在一起，则流量限制会在接触点之后引起回流，从而将意外地减 少接触点之后的未润湿的面积。因此，导致了很少的接触点及更少的未润湿的表面，并且总 之产生了质量传递面积对总表面积的最大比例。根据该装置的一个有利的实施例，隔离元件定位在各个填料层上。在这种情况下 ， 所有填料层具有相同的结构，这就减少了制造劳动和/或成本。填料层可以这种形式进行 连续制造其中条带进行连续褶皱，并且同时还可生产隔离元件。设有隔离元件的褶皱的条 带被切割成所需的尺寸。按尺寸切割的条带部分生产出填料层，其中各个第二填料层被反 转，从而当将填料层彼此相邻而彼此上下放置时，产生了填料层的交叉布置。有利的是在填料层竖直对准的情况下，使隔离元件彼此上下或彼此相邻地设置。 隔离元件特别地形成了竖直地或水平地延伸的一排接触点。因此，本发明的另一目的是提供一种在相同数量或较少数量的接触点的条件下具 有改进的稳定性的规整填料。波纹具有恒定的波纹高度，以改善稳定性。该装置特别优选用于吸收塔或解吸塔。一种用于在包含规整填料的质量传递装置中净化流体的方法包括如下步骤将 较不易挥发性流体供给质量传递装置；将所供给的较不易挥发性流体分布在总表面积上； 将较易挥发性流体供给至质量传递装置中、流体入口区域中；将气体入口区域的较易挥发 性流体分布在总表面积上，使得较易挥发性流体相对于液体反向流动；收集在流体出口区 域中离开填料的较易挥发性流体，其中规整填料包含第一填料层和第二填料层，并且第一 填料层和第二填料层具有波纹高度恒定的波纹，通过波纹形成敞开的通道，其中第一填料 层的通道与第二填料层的通道相交，使得较易挥发性流体自流体入口区域朝流体出口区域 的方向流过通道，并且较不易挥发性流体包围流过通道的较易挥发性流体并沿着通道壁流 动。第一填料层通过隔离元件与第二填料层相接接触，从而在较易挥发性流体和较不易挥 发性流体之间，在由通道形成的质量传递面积上发生质量传递。通过质量传递发生净化，质量传递取决于当应净化较易挥发性流体时，有待于从 较易挥发性流体的流中除去的成分被较不易挥发性流体带走的速度，或者其取决于当应净 化较不易挥发性流体时，即发生提馏(stripping)时，从该较不易挥发性流体中释放出有 待于从该较不易挥发性流体中除去的成分的速度。较易挥发性流体特别地是气体；该工艺例如可用于包含CO2的气体的净化。较不易挥发性流体是可在其中发生化学反应的液体。在质量传递装置中，通过使用隔离元件，并通过接触点的布置，使得可能实现总表面积的最大液体润湿度。规整填料优选由其褶皱高度全部相同的填料层制成。因此产生了填料的高稳定 性，高稳定性在具有大直径的塔中尤其具有特殊的重要性。单独的填料层之间的接触点的 数量是根据本发明通过在填料层之间引入隔离元件来实现的。这些隔离元件可制成棒，其 例如由在特定点处被应用于褶皱的填料层并因而以限定的间隔且在限定的点处将填料层 彼此分开的线材或窄的片状金属条制成。隔离元件可通过深冲压或冲轧由填料层金属制 成，或者因为波纹层和隔离元件的所需位置之间的谷状凹陷发生变形，使得褶皱高度较低。隔离元件应用在限定的点上，例如应用在填料层的上边缘和下边缘。当将单独的 填料层彼此上下放置时，通道只在填料层的上边缘和下边缘处的边界区域中在隔离元件处 发生接触，且因而实现了接触点的极大减少和质量传递面积的最大化，以及同时实现了单 独的填料层的稳定性。
以下将参照附图解释本发明。其中显示了 图1是根据本发明包括多个填料层的 装置的视图；图2a是穿过根据图1的两个相邻填料层的截面图；图2b是带波纹的两个相邻的填料层的视图；图3是传统填料层的图示，同时标出了较不易挥发性流体的流动路径；图4是根据US 6，378，332的方案的相交点的图示；图5是本发明的第一实施例的相交点的图示；图6是本发明的另一实施例的相交点的图示；图7是根据本发明的隔离元件的布置的变体的图示；图8a是关于隔离元件的尺寸的图示；图8b是关于图8a的实施例的三角关系的图示；图9a是横向负载下的根据现有技术的填料的变形的示意；图9b是横向负载下的根据本发明的填料的变形的示意；图10是吸收系统的图示；图11是用于在液体侧控制质量传递的吸收的有和没有隔离元件的填料的比较。
具体实施例方式图1显示了根据本发明的装置1，该装置1包括形成了填料主体的规整填料7的某 些填料层。用于在两个流体相之间传递质量的器件应被理解为规整填料7。规整填料7用 于质量传递装置2中。该质量传递装置特别地可制成为塔5。规整填料7由相对于彼此成规则地重复的几何关系的多个填料层制成。作为对于 这种几何关系的一个示例可选择相邻填料层的间距。根据几何关系，相邻填料层距彼此的 间距可周期性地采用相同的值，从而由填料层的总和产生一种结构，该结构的特征在于相 同或至少周期性相同的间距。这种周期性存在于总的规整填料中，由此赋予填料一种规则的结构。这种结构可特别地制成为波纹。同其相比，松填体填料由松填体制成，即由具有相同几何结构的元件制成，然而， 各个松填体能够离相邻松填体具有任何所需的间距，使得这些间距的周期性不可识别。松 填体作为填料而被引入塔中。它们在塔底形成一堆。堆的特征在于单独的松填体的随机排 列。根据图1的填料层由具有波纹的薄壁元件制成。波纹区段的特征在于周期性地重 复升高部分的(即波峰的)和谷状凹陷的(即波谷的)序列。这些波纹可特别地被制成为 具有带尖锐地收敛的边缘的Z字形区段的褶皱。填料层相对于彼此布置成使得两个相邻填 料层的波纹相对于主流动方向以某一角度倾斜。相邻填料层的波纹相对于彼此布置成交叉 (状态)。 图2a显示了根据图1的规整填料7的两个相邻的填料层10，100。第一填料层10 布置成与第二填料层100相邻。第一填料层10和第二填料层100可特别包括金属片元件 或金属织物元件，然而，作为其备选，它们还可包括塑料元件或陶瓷材料元件。在这方面，元 件可包括整个填料层，但也可能只形成其一部分。该元件可具有板的形式，该板包括波纹， 特别是Z字形区段或具有圆形波峰和谷底的波纹。该元件可具有塑料或陶瓷涂层，以使填 料层对例如腐蚀的化学影响或对例如温度的热影响或对例如压力的机械影响的抗性更为 持久。以显示了填料7的第一表面8的细节的视图显示了图2a中的第一填料层10和第 二填料层100。填料7的第一表面8布置成基本上垂直于主流动方向6。该流动方向被称 为主流动方向6，较易挥发性流体(特别是气体)在该方向上向上流动，即在未安装的塔5 中，在朝塔5的头部的方向上流动。作为其备选，也可将相反方向限定为主流动方向。在这 种情况下，主流动方向对应于较不易挥发性流体(通常为液体)流过未安装的塔所沿的方 向，即自由下落的方向。在填料中，流动方向局部偏离主流动方向，因为流动受到填料的填 料层的偏转。规整填料7的第一填料层10具有波纹，通过该波纹形成了多个敞开的通道12，14， 16。通道包括第一波谷22、第一波峰32和第二波峰42。第一波峰32和第二波峰42界定 了第一波谷22。第一波峰32和第二波峰42具有第一顶端33和第二顶端43。在第二顶端 43的方向上延伸并制成棒的隔离元件44形成于第二波峰42的第二顶端43上。第一波峰 22具有谷底23。隔离元件44具有边缘45，同第二波峰43的第二顶端43距离波谷22的谷 底23相比，边缘45离波谷22的谷底23具有更大的垂直间距27。同样的情况也适用于隔 离元件34的边缘35。第一波峰32的第一顶端33和第一波谷22的谷底23之间的垂直间距被称为波纹 高度28。波纹高度28因此小于垂直间距27。在根据本发明的填料层中，波谷高度28特别 地是基本恒定的，也就是说，其在处于0. 5mm左右的普通公差的范围内。在第一顶端33上也可布置棒34。在第一谷底23上也可有选择地布置棒24。规整填料7的第二填料层100具有波纹，通过该波纹形成了多个敞开的通道112， 114，116。通道包括第一波谷122、第一波峰132和第二波峰142。第一波峰132和第二波 峰142界定了第一波谷122。第一波峰132和第二波峰142具有第一顶端133和第二顶端 143。在第一顶端133的方向上延伸的棒134形成于第一波峰132的第一顶端133上。在第二顶端143的方向上延伸的棒144形成于第二波峰142的第二顶端143上。第一波谷122 具有谷底123。棒134具有边缘133，并且棒144具有边缘145，同第二波峰142的第二顶 端143离波谷122的谷底123相比，边缘145离波谷122的谷底123具有更大的垂直间距。 顶端的至少一部分可被制成为边缘。波谷的至少某些可被制成V形。谷底和顶端之间的垂 直间距对于根据图2a的填料层的所有波峰基本上是相同的。图2b显示了具有波纹的规整填料的两个相邻的填料层，根据该波纹，顶端没有形 成任何尖锐的边缘，而是相反被制成圆形部分。其它方面参考图2a的描述。图3显示了接触点的布置对质量传递面积的影响，例如对图2a或图2b中所示的 填料的填料层10的影响。在这方面，图3a显示了根据现有技术的布置。填料层10覆盖了 填料层100，填料层100不可见，因为其在图纸平面中在填料层10后面。作为示例，显示了 填料层10的第一顶端33、第二顶端43以及设置在其之间的谷底23。第一顶端33和第二 顶端43以及谷底23形成了褶皱边缘。顶端33，43位于属于填料层100的谷底123上。各 个填料层10以及各个填料层100当然分别包含多个另外的顶端和谷底，这些顶端和谷底没 有以任何进一步的细节标明，因为它们与标明的顶端和谷底没有什么不同。在图3中，属于 波峰顶端的线被制成比属于谷底的线更为厚实。此外，针对第二填料层100的波峰的顶端 提供长的点划线，并且针对填料层100的谷底提供短的点划线。图3中用圆标出的接触点 48出现在填料层10的谷底和填料层100的顶端相遇处的点处。接触点48均勻地分布在两 个所示填料层10，100中的总表面积上。从图3中可以看出接触点设置得彼此非常接近，由此很大数量的小区域46不会被 较不 易挥发性流体所润湿，并因而产生相对于总表面积比较小的质量传递面积部分。在图 3中，只显示了一个单独的区域46 ；箭头47象征较不易挥发性流体的流动。图4显示了例如通过填料层的褶皱减少接触点(诸如US6，378，332B1中所提议 的)的情况。相当少，但作为回报也比较大的未润湿的区域46被公认大体上是由于借助于 箭头47所象征的较不易挥发性流体的流动而产生的。总而言之，在总表面积上产生了小部 分的质量传递面积。在图9中将详细查看根据图4的填料层的几何形状。图5显示了根据本发明的两个相邻的填料层10，100之间的接触点48的布置。填 料层100布置在填料层10之后。关于图示请参考图3。相对于填料层10的表面减少了接 触点的数量。接触点特别地不均勻地分布在总表面积上。填料层10包括第一边界50以及第二边界60，其中第一边界50布置成基本上平行 于第二边界60。在填料层竖直地对准的情况下，边界50跨越上界面，并且第二边界60跨越 下界面。填料层10进一步包括第一边界51和第二边界61。在填料中的填料层竖直地对 准的情况下，第一边界51和第二边界61在质量传递装置(特别地为塔)的内壁附近延伸， 或者沿着分段界限而延伸，使另一填料段在大的质量传递装置中与之相邻。在具有大直径 (例如Im和更大)的质量传递装置中，已经证明将填料划分成填料段以简化生产和装配是 成功的。填料段只在质量传递装置的截面表面的一部分上延伸。多个这些填料段彼此相邻 地布置，使得填料段的总和覆盖了质量传递装置的总的截面表面。接触点48布置在第一边 界和/或第二边界50，51，60，61的附近。接触点优选具有隔离元件。这些隔离元件可被制 成为锯齿或被制成棒。在第一边界50，51的附近布置了多个隔离元件，该多个隔离元件可 具有与根据图2a或图2b的隔离元件34，44中的一个相同的结构。
作为备选或附加，在第二边界60，61的附近可布置多个隔离元件24。隔离元件当 然还可定位在第一边界和第二边界其中各个中的至少一个边界附近。此外，在图6中显示了另一变体，其中接触点不是彼此相邻地布置的，而是彼此上 下布置的。这里，同样，沿着接触点向下的液流实现了在接触点之间的未润湿面积的最小 化。根据图5的接触点的水平布置具有这样的优点即在靠近边界的较低的接触点后 面不会形成未润湿的面积，因为液体保持在彼此上下设置的两个填料之间的界限上。将接 触点定位在边界50，60，51，61的附近通常是有利的，因为在这里润湿由于其它干扰的影响 已经是不利的了。对比而言，如果接触点定位在填料层的内部，总表面积的另一部分因此会 润湿不足，否则其将保持不受到干涉。图7中显示了根据本发明的填料层10的视图。此外，在图7中以投影线显示了填 料层10。相关联的规整填料1包括第一填料层10和第二填料层100，并且第二填料层100 优选具有与第一填料层10相似的波纹。第一填料层10和第二填料层100布置成使得第 一填料层10的通道与第二填料层100的通道交叉。第一填料层10通过至少一个棒24，44 与第二填料层100相接接触。在第一填料层10和第二填料层100其中各个上均布置了棒。 棒优选如图5或图6进行布置。图7中出于简单起见未以图表显示第二填料层100。第一 填料层10的棒与第二填料层100的棒相接接触 。设置在第一边界50附近的棒44优选布 置成使其在填料层10的第一侧11上被制成为升高部分。布置在第二边界60附近的棒24 在填料层10的第二侧13上被制成为升高部分。填料层10的第一侧11布置成与第二侧13 相对，并且形成填料层的相应的一个表面。特别地，棒可在第一填料层10和第二填料层100竖直地对准的情况下彼此上下地 布置。作为备选或与此组合，棒可在第一填料层和第二填料层竖直地对准的情况下彼此相 邻地布置。沿着填料层10，100的顶端还可布置没有制成为棒或没有排它性地制成为棒的其 它隔离元件。这种隔离元件可由突出正常褶皱高度以上的任何所需的升高部分形成。褶皱 高度应理解为在波峰和相邻的波谷之间的间距。如果波谷在其顶端具有有限的曲率，则该 间距被限定为彼此平行地设置的两个顶点切线的垂直间距。如果曲率是无限的，即顶端是 尖锐的，并且最高点因而没有明确地限定的切线，则穿过最高点而布置包含填料层的一侧 的所有顶点的平面。类似地穿过波谷的最低点布置包含该波谷的和另外的波谷的所有点的 平面。这两个平面应彼此平行。由此断定褶皱高度是两个平面之间的垂直间距。这种隔离 元件在顶端的或边缘的一部分上延伸。隔离元件可通过深冲压由填料层的坯料，例如由填 料金属片制造而成，或者可通过沿着上边缘放置股束式元件，例如线材元件或棒元件而形 成。隔离元件有利地应用于褶皱的波峰或波谷的顶端的一侧上。隔离元件优选沿着相对的 或相同的边界区域50，60来应用。这种布置的优势在于可无限长地制造坯料。这种坯料可由条带材料，例如板状金 属片制成。接下来，从条带材料切割出特定长度的部分。这些部分例如通过弯曲工艺而转 换成波纹。作为其备选，使用已经具有波纹的条带材料。然后按长度切割的且具有波纹的 部分形成了填料层。在弯曲工艺期间可对这些波纹重复深冲压工序，从而在弯曲工序期间 通过深冲压而制造出隔离元件。作为备选，其中棒之间的区域不同地弯曲或者被少量下压、使其相对棒具有不同高度的生产工艺也是可行的。第一填料层10和第二填料层100则通 过反转所有第二波纹而以匹配的方式彼此上下放置。相应的一排隔离元件定位在所有填料 层之间，处于上边界和下边界的附近和/或侧边界的附近。图8显示了第一填料层10的波纹的顶端33，43上的深冲压的隔离元件长度的确定。顶端33，43布置成相对于主流动方向6倾斜角度Φ，并且从第一顶端33至第二顶端 43具有间距Iv间距k在这方面可以特别地是恒定的。而且在第一谷底23和第二谷底 26之间存在间距Iv在图8中，第一谷底23与第一波谷22重合，并且第二谷底26与第二 波谷25重合。在图8中由〃 a〃指定隔离元件24，34，44的长度。长度〃 a〃是隔离元件 在相关联的顶端方向上的纵向长度。长度"a"优选经过选择而使得精确地在隔离元件定 位的位置，第一填料层10的各个顶端具有与相邻第二填料层100的顶端的相交点。填料层 10的隔离元件与第二填料层100的顶端的接触点相接接触。接触点可以，但非必须是第二 填料层100的隔离元件的一部分。a = b0/sin(2O)这种关系是在假定第一填料层的倾斜角Φ与第二填料层的倾斜角具有相同大小 的条件下获得的。图8基于这种假定。隔离元件的长度必须刚好是使其精确跨过第二填料层的一个 隔离元件或其波峰那么大。因此如果交点A刚好设置在第一隔离元件的端点上，那么交点B 刚好在第二隔离元件的长度之外一点点。因为在图中不能显示这种细微差异，所以在图8b 中为第二填料层的第一波峰绘制了两个交点。如果第二填料层相对于图8b中的填料层的位置水平地移动到左边，那么交点A沿 着隔离元件的长度a迁移到直至与点A相对地设置的隔离元件的端部。在所示的情况下，第二填料层刚好设置成使得出现界线的情况，在这种情况下，在 点A处存在与隔离元件的交点，但实际上在点B处不存在与隔离元件的交点。因为两个相 邻的填料层10，100的倾斜角具有相同的大小，所以沿着第二填料层的波峰的顶端的间距 AB类似地与隔离元件的长度a相对应。因此，具有边长x，a，a的三角形ABC是等腰三角形。而且其造成跨在两边a之间 的角度精确地达到2Φ。类似地绘制出了波长Iv其是在第一填料层的波峰的两个相邻顶 端之间的垂直间距。这个三角形必须具有直角，并且在边缘B处包括角度2Φ。因而在利用倾斜角Φ和波长k的同时得出关于a的所需关系。a = b0/sin(2O)隔离元件的高度优选处在层高度的10%至30%的范围内，从而在单独的填料层 之间产生刚好在该值范围内的间隙。该间隙对于水系统最小达1.5mm。更窄的间隙可能是 不利的，因为液体_特别是水_可能被截留在两个相邻的边缘之间，可能保持在那里，并可 能形成液体桥。在图9a中，显示了根据已知构造形状的、具有用于减少接触点的不同高度的褶皱 的填料层。这种构造形状的缺点是当在上侧和下侧上加载负载时(其中箭头20，21指示力 的方向)，填料层被压缩。褶皱包括第一顶端65和第二顶端85以及设置在其之间的波谷 75。第一顶端65和第二顶端85可与相邻的填料层(未显示)相接触。形成褶皱的中间波 谷66和中间波峰67设置在第一顶端65和谷底75之间。中间波谷66具有中间谷底68，并且中间波峰67具有中间顶端69。中间谷底68和中间顶端69之间的垂直间距70小于顶 端65和谷底75之间的垂直间距71。垂直间距70大约为图9a中所示的实施例中的垂直间 距71的一半大。因而由中间波谷66和中间波峰67形成了半高褶皱。半高褶皱用作起皱 (crumping)区域，并且可发生变形。一方面，通过这种变形可能没有构成稳定的填料主体； 另一方面，观测填料的固定层高度是不可能的。该层高度对应于之前限定的垂直间距71。通过根据本发明的构造形状可避免这个问题。如图9b中所示，在各个褶皱上具有 隔离元件的填料层可被压缩得更少，并因而可使填料层暴露于上侧和下侧上的更高的负载 下。这使得可实现稳定的填料主体设计，并且确保基本恒定的层高度。图10显示了吸收系统90。吸收系统90包括两个质量传递装置，特别地被制成塔 形的吸收器91和解吸器92。在吸收系统的吸收器91中分离出气流中的一种或多种成分。 为此目的，使用液体溶剂或吸收剂。在解吸器92中，使溶剂或吸收剂净化出被带走的成分。吸收和精馏两者都是从现有的供给流93中分离出一种或多种成分的分离过程。 精馏基于单独的成分的不同的沸点而用来分离液体混合物，其中精馏应被理解为特别地包 括多个分离级(stage)的连续蒸馏。相反，在吸收过程中，借助于合适的溶剂或吸收剂94 从气流中分离出一种或多种成分，且该一种或多种成分因而与气流分离。吸收器91的塔顶 产物因而是净化过的气流95。吸收器91的底部产物96是载有该成分或这些成分的吸收剂 或溶剂。出于经济、能量或生态原因，净化吸收剂或溶剂可能是明智的，并且供给是作为经 净化的溶剂或吸收剂94再次供给吸收器。吸收剂或溶剂的净化发生在解吸器92中。被装 载的吸收剂或溶剂，即吸收器的底部产物96形成了解吸器的供给流。根据图10，这种供给 流作为液体供 给解吸器。解吸器92可包含根据前述实施例中的任一实施例的一个或多个 填料。被装载的溶剂或吸收剂朝贮槽95的方向流动。吸收剂或溶剂在贮槽中至少部分地 汽化，为此目的而提供了贮槽汽化器98。在贮槽汽化器中汽化的吸收剂或溶剂包含有待分 离的成分，并且吸收了有待于在塔中上升期间从朝贮槽方向流动的被装载的吸收剂或溶剂 的供给流中分离出来的成分。富含有待分离成分的气态分流99因而在解吸器中上升。以 热学的方式(即通过冷凝)，或经由其它下游分离步骤可从气态分流99中分离出这些有待 分离的成分。作为备选或除此之外，如果解吸器应在比吸收器更低的压力下操作，则可提供膨 胀装置，或者如果解吸器必须在比吸收器更高的压力下操作，则可提供压缩装置。在精馏中，气体和液体之间的质量传递通常基于从贮槽至塔顶的温度降而发生在 双方向上。具有更高沸点的流体自气相冷凝，并被吸收在液体中，并且具有较低沸点的流体 由液相汽化成气相。在吸收过程中，质量传递只发生在一个方向上；这里气体被液体吸收。精馏和吸收之间的差别在于气流和液流在精馏中是彼此关联的这一事实；相反， 在吸收过程中，这两种流可彼此独立地进行设定在精馏中，特定量的液体被汽化，并朝塔 顶的方向在塔中上升。所有的蒸汽在塔顶处冷凝，并且作为液流而至少部分地再次被引导 回塔中。最大的可设想的液体量因此将是到达塔顶的蒸汽的完全冷凝的量。如果在贮槽中 汽化了更多的液体，那么也可能流回更多的液体。在这方面，这两种流是彼此关联的，并且 质量传递决定性地取决于蒸汽流。精馏应用因此通常在气体侧受控制。与此相反，在吸收应用中可借助于泵和风扇而设定不同的操作条件大的吸收剂 流可与相对较小的气流发生接触，或者反之也可。另外，吸收剂可以不同的方式使气体成分与其结合物理地、通过化学反应或以物理和化学方式两者。在这方面，对于气体和液体中的特定气体成分和浓度，吸收剂或溶剂的选择对于质量传递是在气体侧受到更多控制还是 在液体侧受到更多控制是决定性的。制造出包含隔离元件的填料的原型以检查根据本发明的填料的可实行性从传统 填料中除去一些填料层，并且通过在其它填料层之间插入相同厚度的隔离元件而使腾出的 空间均勻化。各个填料层因而包含相对于两个相邻填料层的固定地限定的间距，由此在所 有填料层之间导致了具有限定宽度的间隙。在检查的情况下，宽度达1.5mm。另外，原型中 的接触点数量从79，δΟΟπι"3减少至18，000m_3，并且总表面积从205m2/m3减少至190m2/m3。假 定其它措施不再次补偿这种损失，则总表面积的减少必然伴随着填料的分离能力或效率上 的降低。根据US 6，378，322B1，尽管总表面积减少但仍在精馏中显示出有利的分离效应的 实施例是可行的。上述原型首先在精馏应用中进行试验。出于此目的，将填料安装在具有250mm内 径的试验塔中，并利用氯苯/苯乙烷试验系统对其进行测量。试验证明了之前的假定由于 间隙而引起的更加敞开的截面表面的原因，同没有隔离元件的填料相比，该填料上的压力 损失略微减小了。相反，总表面积的减少导致了分离能力的降低。同没有隔离元件相比，带 隔离元件的填料每米具有较少的分离级(NTSM:每米理论级数)。在加载点以下的点，在这 个示例中为F因子3Pa°_5以下的点，对于比较而言是决定性的。F因子是用于空塔中的平均 气体速度乘以气体密度开方根的测量值。F因子与气体的动能成比例。装载点应被理解为 具有增大的气体_液体相互作用的点。对于带隔离元件的填料，对应的NTSM值达到1. 6/m,并且对于没有隔离元件的填 料达到1.7/m。NTSM值是针对分离能力的特征。NTSM值越高，填料的分离能力越大。因此， 分离能力因而不会关于总表面积而得到改善。因此，这些当前的发现表明，根据本发明的具有减少的接触点且在填料层之间具 有更大间距的填料无可否认地降低了压力损失，但额外还导致了精馏分离能力上的降低。 因此，在精馏中没有使用这种填料，并且因而其基本上不同于US 6, 378, 322B1中所展示的 对于精馏而言明显有利的填料。令人惊讶的是，在进一步的试验中发现存在这样的质量系统，即对于这种系统，根 据本发明的填料产生了在单位总表面积的分离能力方面的改进。这方面的主要焦点在于具 有大表面张力的系统-通常是水系统-其通常倾向于产生较差的总表面积润湿性。水溶液 尤其正日益用于吸收，所述水溶液由于高的表面张力在非常高的体积流量下作为液膜仅仅 完全润湿可用表面。相反，填料总表面积的不良润湿导致了分离能力的降低。规整填料因 此在吸收剂应用中应具有以下属性越过填料的低压力损失和提供尽可能大的总表面积， 该总表面积必须尽可能完全地被液体润湿。因此，接触点的减少导致改进的吸收能力的原因推测如下由于所使用的液体的 不良润湿属性，在填料层上的接触点之后形成了根本不被液体润湿的区域。总表面积因而 不能被液体完全润湿。液体在接触点处被妨碍继续流动，被保持及向旁边偏转。当水沿着平 坦表面作为薄膜而流动，并且该流动突然受到引入的物体(例如放置在该平面上的手指) 的干扰时，也可观测到相似的现象。薄膜流在物体后面裂开，并且引起干燥的未润湿的表 面，其只有在从流中除去物体时才被再次润湿。
所试验的质量系统是在液体侧受控制的水系统。环境空气中的CO2被吸收，并通 过苛性碱液而以化学方式结合。在这方面，液体中的化学反应发生得很快，使得吸收原则上 局限于气相和液相之间的界面。这就意味着总表面积中的质量传递面积部分在这里具有决 定性的重要性。所有其它机构只起到次要作用。在合适的相关性下(cf.Duss 等人· “ Effective Interfacial Area andLiquid Hold-up of Nutter Rings at High Liquid Loads ", ChemicalEngineering&Technology (化学工程与技术)24(7)，2001 pp. 716-723)，通过所获 得的测量结果可直接确定有效地可用的质量传递面积。如图11所示，尽管总表面积更小， 但同没有隔离元件且带有大量的接触点的填料相比，带有隔离元件和减少的数量的接触点 的填料产生了更大的质量传递面积。这意味着在液体侧受控制的质量系统的分离能力实际 上可通过接触点的减少和合适的接触点 的布置而得以改进。通过使用隔离元件可同等地减 少压力损失，并且可减少材料的量，因为需要更少数量的填料层。图11的下方曲线显示了 用于Mellapak 类型的商业规整填料的质量传递面积，其中增加了关于较不易挥发性流体 的质量传递装置的负载，其中负载L是在χ轴上以m3/m2h为单位输入的。与之形成对比，图 11的上方曲线针对根据本发明的规整填料相对于总表面积显示了质量传递面积。对于所有 所考虑的经测量的点，都导致利用带隔离元件的填料的情况下的上述比率大于没有隔离元 件的填料的情况。这种系统主要用于排气的吸收剂制备，其中有问题的成分应借助于反应性的水溶 液从排气流中除去。此处，借助于含水吸收剂从发电站排气中吸收对环境有害的CO2是一 个示例，含水吸收剂可包含有机或无机的碱性物质，例如MEA或钾碱。在这种质量系统中，相对于具有大量接触点且在填料层之间没有间隙的作比较的 填料而言，接触点数量减少的填料显示了压力降的极大减小以及分离能力的意外的增加。因而这种填料非常适合于在特别是利用碱性水溶液从发电站排气中吸收CO2时使 用。
权利要求
一种至少包括具有第一波纹的第一填料层(10)的规整填料(1)，其中，所述第一波纹形成了多个敞开的通道(12，14，16)，其中所述通道包括第一波谷(22)、第一波峰(32)和第二波峰(42)，其中所述第一波峰(32)和所述第二波峰(42)界定了所述第一波谷(22)，其中所述第一波峰和所述第二波峰具有第一顶端(33)和第二顶端(43)，其特征在于，在所述第一波峰(32)的第一顶端(33)上形成了在所述第一顶端(33)的方向上延伸的隔离元件(34)，并且所述第一波谷(22)具有谷底(23)，所述隔离元件(34)具有边缘(35)，与所述第一波峰(32)的第一顶端(33)相比，该边缘离所述波谷(22)的谷底(23)具有更大的垂直间距，由此所述规整填料包括第二填料层(100)，该第二填料层(100)具有第二波纹，由此所述第一填料层(10)的第一波纹设置成使得与所述第二填料层(10)的第二波纹产生交叉布置。
2.根据权利要求1所述的规整填料(1)，其特征在于，在所述第二顶端(43)上布置了 第二隔离元件(44)。
3.根据前述权利要求中任一项所述的规整填料(1)，其特征在于，在所述第一谷底 (23)上布置了第三隔离元件(24)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的规整填料(1)，其特征在于，包括第一边界(50， 51)以及第二边界(60，61)，其中所述第一边界(50，51)布置成基本上平行于所述第二边界 (60,61)。
5.根据权利要求4所述的规整填料(1)，其特征在于，所述隔离元件(44)布置在所述 第一边界(50，51)的附近，并且/或者所述隔离元件(24)布置在所述第二边界(60，61)的 附近。
6.根据前述权利要求中任一项所述的规整填料(1)，其特征在于，所述波纹高度(28) 是基本恒定的。
7.根据前述权利要求中任一项所述的规整填料(1)，其特征在于，所述顶端的至少一 部分被制成为边缘。
8.根据前述权利要求中任一项所述的规整填料(1)，其特征在于，所述波谷中的至少 一些被制成为V形。
9.根据前述权利要求中任一项所述的规整填料(1)，其特征在于，所述第一填料层 (10)和所述第二填料层(100)布置成使得所述第一填料层(10)的通道与所述第二填料层 (100)的通道相交，其特征是，所述第一填料层(10)通过所述隔离元件(24，44)与所述第二 填料层(100)相接接触。
10.根据权利要求9所述的规整填料(1)，其特征在于，所述隔离元件布置在所述第一 填料层和第二填料层(10，100)其中各个上。
11.根据权利要求10所述的规整填料(1)，其特征在于，所述第一填料层(10)的隔离 元件与所述第二填料层(100)的隔离元件相接接触。
12.根据前述权利要求9至11中的任一项所述的规整填料(1)，其特征在于，在所述第 一填料层和第二填料层(10，100)竖直地对准的情况下，所述隔离元件彼此上下地布置。
13.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述隔离元件设置成彼此相 邻或在所述第一填料层和第二填料层(10，100)竖直地对准的情况下彼此相邻。
14.一种质量传递装置，特别是塔，包括根据前述权利要求9至13中的任一项所述的规整填料(1)。
15.根据前述权利要求中任一项所述的规整填料(1)的用于利用含水吸收剂进行吸收 的用途。
全文摘要
本发明涉及一种用于规整填料的填料层(10)，其具有波纹，其中波纹形成了多个敞开的通道(12，14，16)，其中通道包括第一波谷(22)、第一波峰(32)和第二波峰(42)。第一波峰(32)和第二波峰(42)界定了第一波谷(22)，其中第一波峰和第二波峰具有第一顶端(33)和第二顶端(43)。在第一波峰(32)的第一顶端(33)上形成了在第一顶端(33)方向上延伸的隔离元件(34)。第一波谷(22)具有谷底(23)，其中隔离元件(34)具有边缘(35)，与第一波峰(32)的顶端(33)相比，边缘(35)离波谷(22)的谷底(23)具有更大的垂直间距。
文档编号B01J19/32GK101837277SQ20101015734
公开日2010年9月22日 申请日期2010年3月17日 优先权日2009年3月18日
发明者I·奥斯纳, M·杜斯 申请人:苏舍化学技术有限公司