专利名称：具有增大的流体流通道的陶瓷填充件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一类通常被称为“不规则”或“堆积的”的填充件。具体来说，本发明涉及具有大量用来促进空气流动的贯穿通道的填充件，本文将对其进行具体描述。
背景技术：
不规则或堆积的填充件用来填充发生物质或传热的塔式装置。这类陶瓷填充件的一个特别重要的用途就是在热量回收操作中的应用，在该操作中必须为流经反应器的热流体提供最为有效的接触。发挥最大效率的另一个关键因素就是尽可能将塔顶与塔底的压差维持在低水平。为了确保这一点，填充件的流阻应该尽可能小。非常松散的结构促进了流阻的减小，但是如果当塔内填充件堆入在一起使得一部分填充件透入到第二填充件空间内的话，单靠松散结构还会受到使用上的限制。因此，重要的是填充件的设计要减少这种填充件的互相堆入。
可以通过挤出法或干压法制造陶瓷填充件，使其沿一个轴向的横截面基本上均匀一致，使这种填充件具有轴对称性。本领域曾描述过几种从非常简单到复杂的形状。所有形状基本上呈圆柱体状，不同之处仅是圆柱体的内部结构。最简单的结构就是基本圆柱体，内部无任何结构。这类结构常称之为腊希(Raschig)圈，已经有许多年的历史。而另一种复杂结构在美国设计专利455,029和USP 6,007,915中有描述。这两种极端之间有简单的车轮形结构，在USPP3,907,710和4,510,263中描述过这类结构。
本发明提供一种新颖改进的填充件，以及使用该填充件克服上述问题和其它问题的方法。
发明内容
根据本发明一个方面，提供一种陶瓷填充件。该填充件具有多边形结构，沿填充件长度方向有一对称面，垂直于长度的最大尺寸定义为该填充件的直径，该填充件具有大量内部隔板，这些内部隔板形成大量贯穿该填充件的具有第一横截面积的第一通道，以及大量横截面积大于一条第一通道横截面积的第二通道，至少有一条第二通道的横截面积是一条第一通道横截面积的至少四倍。
根据本发明一个方面，提供一种陶瓷填充件。该填充件基本上为圆柱形结构，具有长度，与填充件长度垂直的最大尺寸定义为该填充件的直径。直径与长度的比值为2.7至4.5。该填充件具有大量内部隔板，这些隔板互相相交形成贯穿该填充件的大量相同的第一通道和至少两条第二通道。所述各条第二通道的横截面积至少是一条第一通道横截面积的四倍。
本领域技术人员通过阅读下面的说明书和附图，可以很容易理解本发明的优点。
图1是从本发明填充件侧下方直接向其一个角观察的透视图；图2是图1所示填充件的俯视图；图3是沿轴向具有一个较大通道的填充件的俯视图；图4是具有三个较大的六边形通道的填充件的透视图；图5是具有三个较大的菱形通道的填充件的俯视图；图6是热量回收百分率与气体流速的关系图；图7是常规40×40空穴整体填充料、图4的填充件和图3的填充件计算机生成的预测与理论上完美的填充件相比，压降损失(以水的英寸数为单位)的图。
具体实施例方式
现在参照附图所示的实施方式对本发明进行更具体的说明。这种说明并不意味对本发明范围的任何一种必需的限制，因为很容易理解，可以在不偏离本发明基本精神的基础上对其进行许多细微改变。
陶瓷填充件定义为一种基本上呈圆柱形的容纳结构，该圆柱形可以理解为包括完美圆柱形、稍扁而使横截面呈椭圆形的圆柱形、以及具有至少五条边的规则和不规则的多棱柱形。容纳结构的内部空间可以具有多个隔板或无隔板，但是由于这种填充件的主要用途是用于传热，在此领域中表面积是非常重要的，因此优选提供内部结构复杂的填充件。本文所述“隔板”一词用来描述将圆柱形容纳结构的一个内部部分与另一个内部部分和/或另一个隔板相连的结构件。因此这些隔板在填充件的整个长度和直径或最大尺寸范围内都存在。
本发明的陶瓷填充件可以由任何一种合适的陶瓷材料，诸如天然的或人造的粘土，沸石，堇青石，矾土，氧化锆，氧化硅及其混合物制成。可将此类材料与粘结剂，挤出助剂，孔隙生成剂，润滑剂一类试剂混合，帮助其挤出和/或产生所需的孔隙度或表面积，使其适合所需用途。
当这些填充件由挤出法或干压法制得时，它们在一个轴向上可具有基本均一的横截面，使得这些填充件具有径向对称轴。
该填充件可以用于热量与传质，或作为载体，在其上面沉积催化组分。此填充件特别适合用于从热气流中回收热量时的传热。这类应用的一个例子是工厂用的换热器，这种工厂的功能是燃烧废气流中任何可燃烧的物质。这类换热器对于有效利用排放废气流中热值用以加热进入的需要进行处理的废气，进而降低燃烧可燃性物质所需燃料的成本是极为重要的。本发明揭示使填充件的设计最佳化，从而达到此目的的一种方法。
传质用途包括在第一流体与第二流体之间以一个或多个组分形式的物质传递，所述两种流体可以都是液体，或者一种液体和一种气体。陶瓷填充件为流体相提供润湿的表面，促进组分在流体之间的传递。示例性的传质应用包括从流动的气流中除去二氧化硫之类的气体组分。陶瓷填充件一个重要的传质用途是用在硫酸厂的吸收器中。
然而，此填充件可有利地用于各种用途，此时表面积是一个重要因素，它决定了该填充件在完成其指定任务中的效率。
在填充件具有一些内隔板，将其内部空间分隔成多条通道时，有利的是所述填充件在具有一些位于轴上的孔。这些孔可以为任何所需形状，但要避免隔板构造的过多折断，如拆除某些分隔通道的隔板而形成一个更大的复合通道造成的。
本发明一个示例性的结构包括容纳结构，其截面呈六角形，它的每一对对角通过隔板相连，各边的平行隔板与对角处相交的边相连。总体效果是提供了多个三角形通道，贯通填充件，每个通道的尺寸基本相同。这种设计的填充件见附图1-2。
另一个示例性的填充件具有至少一条较大的通道或管道，该通道或管道的尺寸使液体更容易流过填充件，使流体进入填充件床内的其它填充件。在一具体实施方式
中，如图3所示，填充件具有位于中心的单个较大的通道。这种填充件是基于图2的设计，将图2结构中中线周围的6条三棱柱形通道结合起来形成较大的位于中心的通道。
在其它实施方式中，提供两条或两条以上较大的通道，如图4和图5所示，这些通道中至少有一些互相等距而且对中轴等距。
具体参见图1，填充件1的第一实施方式包括六边形容纳结构2。大量隔板3将内部空间分隔成大量贯穿该填充件的第一通道4。图1的填充件具有主要为菱形的第一通道4，在该填充件的两个相对的侧面具有一排三角形的第一通道。填充件1具有对称面S，该对称面S与通过该填充件旋转中轴R的长度L平行。旋转中轴表示该填充件可绕其中轴旋转360/(对称面数)的角度变成相同的构象。因此对于图1，该角度为180°。
图2显示了类似的填充件1的一个实施方式，其中第一通道4的尺寸都是相同的，形状均为三角形。图2的填充件1具有三个与长度L平行的对称面S1、S2、S3，所述长度L通过中轴R。
图2的填充件具有90条第一通道，但是可以通过增加第一通道的数量(使用更多数量的内部隔板)，特别是如图3-5所述，同时提供至少一条较大的通道5，提高其热量回收能力。
图3-5的填充件与图2类似，只是这些填充件除了第一通道4外，还具有至少一条较大的通道5。如图3所示，当使用一条较大的通道5时，该通道可位于轴的位置。图3的填充件1具有三个与长度L平行的对称面S1、S2、S3，所述长度L通过中轴R。较大通道5的区域对应于拆除掉离中轴最近的几个较小通道之间的内部隔板部分，从而形成一个环。这样，图3的实施方式中提供了截面积大约为较小通道6倍的区域，但是应当理解，也可将更多或更少数量的较小通道4结合起来形成较大的通道5。在一个实施方式中，较大通道的截面积至少为大多数第一通道4的四倍，优选至少为六倍。例如，可以形成与图1类似的填充件，将其中四个菱形通道结合起来形成较大的菱形通道5。当使用两条或两条以上较大通道时，可以如图4和图5所示，它们与中轴R有一定距离。例如，如图4和图5所示，当包含三条较大的通道时，各较大的通道的中心位于各对称面S1、S2、S3上，这些对称面连接着相对的角，与长度L平行并通过中轴R。
如图所示，较大的通道5可位于离中轴R较近、而离各自的相邻角较远的位置，从而提供改进的流体流动图案。在图4中，较大通道5为六边形，其所占的截面积至少约为它们所替代的较小三角形通道4所占据区域的六倍(即略大于六倍，这是由于省去的隔板也占有空间)。在图5中，菱形通道所占的截面积至少为它们所替代的较小三角形4所占截面积的8倍。
图1-5的填充件1可具有沿对称轴R的长度L，以及与对称轴垂直的最大尺寸D。在图中，D与L之比约为4。当挤出该结构时，对称轴R可为该结构的挤出方向。已经发现，填充件形状的尺寸应有助于达到最佳性能，现有技术尚未发现在此范围内选择尺寸的益处。
在陶瓷填充件中，较大通道5的数量与较小通道4的数量之比可约为1∶10至1∶60。在一实施方式中，第二通道的数量与第一通道的数量之比约为1∶30至1∶50。第二通道的总横截面积(在垂直于该结构长度L的平面上测得)与第一通道的总横截面积之比可约为1∶10至1∶4。在一实施方式中，第二通道的总截面积与第一通道的总截面积之比约为3∶20至4∶20。
为了说明横纵比(D∶L)的重要性，制造了具有三种不同横纵比的陶瓷填充件。然后将这些填充件置于管中，气流在1500，(815.6℃)的温度下以不同的流速通过该管。测量通过与介质接触从此气流中回收的热能的百分率，并将其对横纵比作图。然后对此三种填充件测定热能回收百分率相对于气体流速的变化关系。结果见图6。为了有效回收热能，横纵比可在2.5-15进行选择。具体来说，横纵比可选在约为2.7-4.5，更具体来说，可选在约为3.0-4.4。
这个结果是完全出乎意料的，这是由于现有技术并未涉及这个方面。还很清楚，可通过该填充件的各个通道极为有益地尽可能多地回收热能。
还发现D∶L之比对传质用途也是有益的。
发现除了较小通道之外，通过交替或另外提供一条或多条较大的通道5，可以提高热量回收和物质回收性能。尽管并不完全清楚，但是可以认为，较大的通道5能够很有效地使加热的流体通过填充件，与床中的填充件更深入地接触，同时较小的通道4能够通过使加热气流与隔板3接触而非常有效地进行传热和传质。通过将较大通道和较小通道相结合，可以在一个填充件1中同时达到这些作用。
应当理解，所用较大通道5的数量越多，并且/或者较大通道所占的空隙体积越大，填充件的总空隙体积就越大。尽管这会使得在填充件中流体的流动性提高、在此填充件床中的压降降低，但是通常要在使压降最小和达到高热效率(热量的回收百分率)之间达到平衡。已经发现尽管图4填充件的直径(在相对的两角之间测量)比图3的直径大大约28％(通过例如沿填充件各侧面添加一排三角形而达到)，但是图4的填充件具有三个而不是一个较大的通道，其性能超过图3的单中心通道填充件和图2的填充件。
这些提高表示于图7中，图7显示了三个床与理论最佳的填充件床相比的压降(以水的英寸数为单位)。显示了三个例子，例A是常规的40×40空穴整体填充料、例B由图4的填充件形成，例C由图3的填充件形成。例B的填充件的D/L比与例C类似，但是其直径(在相对的两角之间测量)与例C相比大大约28％。通过估算达到94％的热效率所需的床厚，并确定此床与理论最佳填充件床相比的相对压降，以此理论算出压降。40×40空穴整体填充料是大的陶瓷填充件，该填充件以合适的取向逐块安装在金属容器内以达到良好的热回收结果(与图3和图3的″堆积的″填充件不同)，该填充件具有破裂和/或剥落之类的问题，会使得床的操作不正常。因此，尽管整体填充料在图示的三种样品中具有最低的压降(即整体填充料是良好的热回收材料)，但是其缺点使其不适于多数的热回收用途。
填充件B床和填充件C床的压降损失与常规2.5厘米长的鞍形填充件和美国设计专利第445,029号所述的″雪片″形填充件差不多。后两种填充件计算得到的压降损失高于填充件B床和填充件C床的压降损失。例如，在95％的热效率下，鞍形填充件的压降损失为30.7厘米水，雪片形的压降损失为19.8厘米水，例C填充件的压降损失为16.7厘米水。
还应当理解，″理论最佳的″床仅是压降达到最佳，在确定介质的适用性时，填充件结构强度之类的其它性质也是很重要的。图3填充件和图4填充件的床的压降比常规堆积填充件的压降小得多，而且由于图3填充件和图4填充件的结构强度，它们的使用寿命也更长。
权利要求
1.一种陶瓷填充件(1)，其特征是该填充件(1)具有多边形结构(2)，沿填充件长度(L)方向有一对称面，垂直于所述长度的最大尺寸定义为该填充件的直径(D)，该填充件具有许多内部隔板(3)，这些内部隔板形成大量贯穿该填充件的具有第一横截面积的相同的第一通道(4)，以及大量横截面积大于一条所述第一通道横截面积的第二通道(5)，至少有一条所述第二通道的横截面积是一条所述第一通道横截面积的至少四倍。
2.如权利要求1所述的陶瓷填充件，其特征在于所述直径与长度之比为2.7至4.5。
3.如权利要求1和2中任一项所述的陶瓷填充件，其特征在于所述直径与长度之比为3.0至4.4。
4.如权利要求3所述的陶瓷填充件，其特征在于所述直径与长度之比为3.5至4.0。
5.如权利要求4所述的陶瓷填充件，其特征在于所述填充件包括至少20条第一通道(4)。
6.如权利要求5所述的陶瓷填充件，其特征在于所述填充件包括至少50条第一通道(4)。
7.如权利要求1-6中任一项所述的陶瓷填充件，其特征在于所述第二通道数量与第一通道数量之比约为1∶10至1∶1600。
8.如权利要求7所述的陶瓷填充件，其特征在于所述第二通道数量与第一通道数量之比约为1∶20至1∶60。
9.如权利要求8所述的陶瓷填充件，其特征在于所述第二通道数量与第一通道数量之比约为1∶30至1∶50。
10.如权利要求1-9中任一项所述的陶瓷填充件，其特征在于所述第二通道的总横截面积与第一通道的总横截面积之比约为1∶10至1∶4。
11.如权利要求1-10中任一项所述的陶瓷填充件，其特征在于大量隔板中的每一个都在沿隔板长度方向上隔开的位置与至少两个其它的隔板相交。
12.如权利要求1-11中任一项所述的陶瓷填充件，其特征在于所述多边形结构具有至少五条边。
13.如权利要求12所述的陶瓷填充件，其特征在于所述多边形结构具有六条边。
14.如权利要求1-13中任一项所述的陶瓷填充件，其特征在于每条所述第一通道都具有三角形横截面。
15.如权利要求1-14中任一项所述的陶瓷填充件，其特征在于每条所述第二通道的横截面积都与多条相邻的第一通道结合形成的横截面积相等。
16.如权利要求15所述的陶瓷填充件，其特征在于每条所述第二通道的截面积都与至少六条相邻的第一通道结合形成的截面积相等。
17.如权利要求1-16中任一项所述的陶瓷填充件，其特征在于至少有三条第二通道。
18.如权利要求17所述的陶瓷填充件，其特征在于所述三条第二通道相互等距。
19.如权利要求17和18中任一项所述的陶瓷填充件，其特征在于所述三条第二通道与填充件中心轴的距离都相等。
20.如权利要求1-19中任一项所述的陶瓷填充件，其特征在于所述陶瓷由选自天然的或人造的粘土，氧化铝，沸石，堇青石，氧化锆，氧化硅及其混合物的材料制成。
21.如权利要求1-20中任一项所述的陶瓷填充件，其特征在于填充件中所有的隔板都具有第一端和第二端，该隔板与相邻于至少第一端的多边形结构连接。
22.如权利要求1-21中任一项所述的陶瓷填充件，其特征在于每条第二通道的横截面积都至少为一条第一通道横截面积的四倍。
23.如权利要求1-22中任一项所述的陶瓷填充件，其特征在于所述至少一条第二通道的横截面积相当于拆除分隔六条相邻的第一通道的内部隔板部分形成的横截面。
24.一种用来进行以下操作中的至少一种的方法向流体流传递热量或从流体流传走热量，以及在流体相之间传质，该方法的特征是使所述流体流流过权利要求1所述的陶瓷填充件的床，该填充件至少进行以下操作中的一种传递热量和提供用于流体相间传质的表面。
25.如权利要求24所述的方法，其特征在于向流体流传热或从流体流传走热量，包括使流体流流过陶瓷填充件床，填充件传递热量，所述至少一条第二通道的横截面积相当于结合四条或四条以上相邻的第一通道形成的横截面，与不含较大通道的相当的填充件床相比，降低了本发明填充件床的压降。
26.一种用来进行以下操作的至少一种的方法向流体流传递热量或从流体流传走热量和在流体相之间传质，该方法的特征是使所述流体流流过权利要求1所述的陶瓷填充件床，该填充件至少进行以下操作中的一种在流体流和填充件之间传递热量和提供用于流体相间传质的表面。
27.如权利要求26所述的方法，其特征在于所述传质包括在流体相之间传递二氧化硫。
全文摘要
一种陶瓷填充件(1)，具有多边形结构(2)，在填充件长度(L)方向上有一对称面，垂直于长度的最大尺寸定义为该填充件的直径(D)。该填充件具有大量内部隔板(3)，这些内部隔板形成大量贯穿该填充件的具有第一横截面积的相同的第一通道(4)，以及大量横截面积大于一条所述第一通道横截面积的第二通道(5)。至少有一条所述第二通道的横截面积是一条所述第一通道横截面积的至少四倍。
文档编号B01D53/04GK1842369SQ200480024527
公开日2006年10月4日 申请日期2004年8月26日 优先权日2003年8月27日
发明者H·S·尼克纳弗斯, R·L·米勒 申请人:圣戈本陶瓷及塑料股份有限公司