专利名称：用于流体交换柱的填充结构的制作方法
技术领域：
本发明大体上涉及流体交换设备领域。这种众所周知的设备一般包 括在其中实现至少两种流体的交换的圆柱形外壳或交换柱。通常所述交
换为进行向下流动的液相与向上流动的气相之间的(物质、热量等等) 交换。交换柱被用于特别是执行例如蒸馏(蒸馏柱)、冷凝、精馏、吸 附、脱附、分离、萃取、沉淀、化学反应等操作。
背景技术：
为促进流体之间的交换，已知可以向交换柱内引入填充元件，以增 大流体之间的接触面积。这种元件例如可以由板、环(如拉希格环)、 螺旋形件等构成。
已知还可以利用堆叠的格栅或架子、纤维填料等等。 然而，对交换柱内的交换面积可以增大的程度存在限制流量。通 过增大交换柱内的交换面积，由于促进了流体之间的密切接触而提高了 处理效率。然而，如果交换面积的这种增大的获得有损于通过交换柱的 流量，例如使用过于致密的填充物，则处理效率将通过减小了流体流动 的速率(被更新)而降低，由此部分抵消了由增大交换面积所获得的效 果。
发明内容
本发明试图提出一种用于流体交换柱的填充物的新设计，它能够在
不降低沿交换柱的流量的情况下使流体之间的交换面积最优化。
根据本发明，该目的通过这样的填充结构实现，该填充结构包括通
过多排由管构成的管束形成的容体(volume)或组件，每个管束包括四 个管，该四个管分别沿着四个与该结构的轴线形成一角度的方向取向， 所述多个管形成多个通向该结构的外表面的通道。
由此，本发明的填充结构在保持流量的同时提供了大的交换面积。 流过该结构的流体之间的交换既在该管的内部、又在该管的外部进行， 其中所述管本身构成多个促进流体流过交换柱的流动通道。
该结构的容体(或容腔)可以进一步包括多个位于管之间的孔，以 便为流过该结构的液相和气相限定出附加通道。
所述管可以由碳-碳或陶瓷复合材料、金属、热塑性材料或热固性材 料制成。
还可以通过使管具有在管的内部和外部之间提供通道的大孔 (macropore)或开口来增大交换面积。 管的表面还可以载有化学催化剂。
本发明还提供一种用于流体交换柱的填充结构的制造方法，该方法 的特征在于，其包括
a) 形成管；
b) 以多排由管构成的管束构造所述管的有序组件，每个管束包括四 个分别沿四个方向取向的管；
c) 将所述管通过其接触部分接合在一起；以及
d) 对该有序组件进行机加工，以形成与其将要插入的流体交换柱的 形状和内部尺寸相匹配的填充结构。
在本发明的一个方面，在步骤a)中，所述管由碳或陶瓷复合材料制 成。在这种情况下，该方法可以进一步包括通过热处理使管碳化的步骤 并继之以碳的化学气相沉积(CVD)的步骤。
根据本发明的另一方面，所述管由碳复合材料制成，该方法进一步 包括使管氧化从而使其表面亲水(即变成亲水表面)的步骤。在该步骤 的末尾，可通过利用含有催化剂的溶液浸渍管和通过蒸发干燥该溶液以 仅将催化剂留在管的表面上而使管的表面覆盖有催化剂。
从以下参照附图作为非限制性例子给出的本发明的特定实施例的说
明中，本发明的其它特征和优点将变得显而易见，其中
图l是在根据本发明的填充结构的制造方法的实施过程中各顺序步 骤的流程图2A-2D是示出根据本发明的有序管组件的构造的透视图； 图3A-3B是根据本发明制造的有序管组件的照片；
图4是根据本发明的填充结构的一实施例的透视图5A和5B是本发明的填充结构的一实施例的照片；
图6是在流体交换柱中结合有图3的填充结构的一例子； 图7是示出正被沉积在疏水表面上的催化剂溶液的高度图解视图；以
及
图8是示出正被沉积在亲水表面上的催化剂溶液的高度图解视图。
具体实施例方式
该说明从参照图l-4描述的根据本发明的一实施例的填充结构的制造
方法开始。
该结构由空心管组件构成。因此，第一步骤(步骤S1)是形成空心 管。该管可以由复合材料例如碳或陶瓷(SiC)、或实际上由金属、热塑
性或热固性材料制成。该管优选具有尽可能薄的壁厚，以使该结构的空 洞部分最优化。
对于由复合材料(例如碳管或SiC管)制成的管，该管可以例如由编
织物、细丝绕组、绕带形成，或者由可选地通过拉挤成型制造并在支撑
杆上保持外形和通过液体技术固结、即通过可以被烧焦(cokefied)和渗 透的树脂例如酚醛树脂浸渍编织物并通过热处理使树脂交联的管形成。
该管优选地由以其抗酸和抗腐蚀能力著称的碳/碳复合材料制成。
然后，利用前述步骤中形成的管构造有序组件。沿四个不同方向布 置管(步骤S2)。图2A示出了由四个管10a-10d构成的管束，其中每个管 沿四个组装方向D10a-D10d之一延伸。除了这些管在立方体的中心的对角 线相交点处并不相交、而是在该点附近彼此交叉(或交迭)以外，这些 管在组装时所沿的四个方向D10a-D10d在该例子中分别与立方体的四个 对角线(或正四面体的四个高/边)相对应。
有序组件的构造例如可以从重复图2A的排列开始，即沿构造轴线XX' 放置一个由管10a-10d构成的新管束，该新管束以前一管束在其四个管的 交叉点处的相同顺序组织，等等。如图2B所示，这样便产生出由沿轴线 XX'排列的第一排100a的通过管10a-10d构成的管束形成的有序组件的开 端。这形成四片管11-14的交叉结构，其中各片在沿管束中的管的四个组 装方向之一取向的平面中延伸。每个片内的管彼此之间以允许其它片中 的管通过(交叉穿过)的距离隔开。
一旦在排100a中达到期望的管束数，便沿着与XX'轴线平行的轴叠置 多个系列成排管束，以填充排100a周围的空容腔。图2C示出了在一个平 行于构造轴线XX'的新轴线XbX'b上的另一排100b的管束的布置情况。排 100a的任一侧的空容腔随后均被填满，通常直到排100a的管的末端，以 在所述容腔内获得由沿四个相应方向延伸的管构成的三维结构。图3A和
3B示出了通过工具支撑的这种由管10制成的组件。
由此制造出如图2D所示的基本上呈长方体形式的有序组件。所形成 的有序组件具有多个通向(或开口到)组件的所有面的管io。
美国专利No. 4 168 337详细描述了一种利用沿四个方向布置的线性 元件制造有序组件的方法。
之后，将管接合/粘接在一起(步骤S3)。接合仅在管接触的地方进 行，以保留管之间的孔或通道，从而为管外的流体提供附加的流动路径。 管之间的接合例如可以利用树脂完成，同时注意监视沉积的树脂量，以 避免阻塞管之间的孔。
之后，对组件进行(机)加工，以形成与将要放置它的流体交换柱 的尺寸和形状相匹配的填充结构(步骤S4)。
流体交换柱、例如蒸馏柱通常包括圆柱形的外壳。在这种情形下， 有序组件被机加工，以获得同样为圆柱形的填充结构，以便占据最大的 交换柱内空间并由此提供尽可能多的交换表面(图4)。然而，本发明的 填充结构也可以具有一些其它形状。
该组件可以通过使用加压喷水切割或使用超声、激光、铣床等进行 机加工，以形成该填充结构。
而且，可选地，当管由复合材料例如碳或陶瓷(SiC)制成时，可以 施加热处理，以使管的块段碳化，且可以可选地接着进行或继之以碳的 化学气相沉积(CVD)，以增强管之间的接合并改善其抗腐蚀能力。
根据上述方法和如图4所示，获得一填充结构l，其包括管10的压实 块段，所有管10均沿着相对于该结构的轴线AA'的四个方向D10a-D10d之 一倾斜，其中轴线AA'与要放入该结构的交换柱的轴线相对应，由此使得 可以确保每个管呈预定的斜度，以允许液相向下流过该结构。
图5A和5B分别是通过使用由固结的编织物制造的管10制成的填充
结构的一实施例的侧视图和平面图。特别是，图5B示出了可供各相流过 本发明的填充结构的多个流动路径。
图6示出了整合在流体交换柱中的填充结构1的一例子，其中所述流
体交换柱用于执行向下流动的液相与向上流动的气相之间的混合。结构l 可由支承板3、 4和套圈5保持在流体交换柱的圆柱形外壳2内，其中所述 套圈5在该例子中呈波纹状，但它同样好地可以是平滑的，且可选地包含 孔眼。用于保持填充结构的元件可以由与该结构相同的材料制成，或可 以利用一些其它材料制成。
由于填充结构l的形状，向下流动的液相和向上流动的气相之间可以 在大面积(交换面积)上实现密切接触。液相在重力下沿在管10的内部 和/或外部形成的多个通道流过填充结构。在向下移动时，液相与沿多个 通道上升穿过该结构的气相相遇，从而使得在该结构中的多个位置和由 此在大的交换面积上发生两相之间的交换。
本发明的填充结构由此为流体提供大的交换面积，且没有大的压头 损失。填充结构具有相对较低的材料密度和可为流体提供多个通道的管 排列。无论在结构内的任何位置，液相和气相均可以沿着管或在管之间 很容易地流动，由此避免在交换柱的底部与顶部之间产生显著的压头损 失。
填充结构中可利用的交换面积、即结构中在气相存在的情况下被液 相浸湿的面积在该例子中不仅对应于管的内表面，还对应于其外表面上 未与其它管接触的部分，液相和气相在管内与管外均能够同样好地流动。
该结构的交换面积可以通过提供适于允许液相流过并与气相发生接 触的穿过管壁的大孔或开口来进一步增大。例如，大孔或开口可以通过 利用钻具、激光束、水注或任何与制造管的材料相适宜的技术对管壁进 行打孔而形成。通过另一例子，在管如上所述由编织物制成时同样可以
获得所述大孔或开口。在这种情形下，使用直径大于编织物的截面的支 撑管来增大编织角，以在编织物被固结之后形成穿过编织物的大孔。大 孔或开口优选地沿管壁均匀分布。大孔或开口的形状和尺寸可以不同， 并主要根据将在结构中获得的交换面积和流量确定。
对如图5A和5B所示的填充结构(利用直径为10毫米(mm)的固结 碳编织物管制成的结构)进行了测试。这些测试表明，本发明的填充结 构显示出与现有技术的填充结构相同或比之更好的性能。该测试表明， 本发明的填充结构的空洞部分约为94% (现有结构的空洞部分为 92%-97%)，润湿(即交换)面积为约600平方米每立方米(m2/m3)(相 比之下现有结构中为150-350mVm3)，且在40-100立方米每小时(mVh) 的空气流量下的干压头损失为0.6-7毫巴(mbar)(相比之下现有结构中 为0.3-7mbar)。
本发明的填充结构的几何结构使得可以控制交换柱内流体的物理参 数(交换面积、流速、边界层等等)。填充结构可以为与流经它的流体 的性质相匹配而提供适当的接触特性(例如润湿角、表面能、吸附等等)。
例如，该结构中的管可以具有由碳构成的接触表面，其可以是由于 形成管的材料的自身性质而导致，或者也可以通过施加表面处理例如沉 积热解碳而导致。在这种情况下，管的接触表面以及由此填充结构的交 换表面是疏水性并可被烃(碳氢化合物)很好润湿的表面。因此，在涉 及有机流体时，这种表面可以无变化地使用。
相反，在存在水相的情况下，这种疏水交换表面并不适宜。不过， 可以通过本领域技术人员己知的热化学处理将疏水碳表面变成亲水性 的。这些处理特别是包括氧化处理，其改变表面的粗糙度并且最重要的 是通过接枝官能团改变表面能，也称作使表面官能化。这种氧化应当从
电子转移的方面考虑，并可以通过以下方式实施
随着温度升高到40(TC以上，或通过施加等离子体，在空气中进行 的受控氧化；
，使用氧化溶液例如漂白剂、硝酸、富氧水等进行的化学氧化；或 使用填充结构作为电解容器中的电极(阳极或阴极)进行的电化 学氧化。
在这种氧化处理之后和在含氧的氧化相存在的情况下，碳接触表面 具有接枝的极性官能团如氢氧化物(羟基)、羧基或醌官能团。还可以 获得其它类型的官能团，例如在存在包含氮官能团的氧化相时获得胺。
这些官能团的存在改变了特别是相对于极性溶剂如水而言的表面的 润湿性。
表面的这种官能化在填充结构的交换表面积还要充当后续化学反应 所需催化剂的载体时也具有有利之处。催化剂(或催化剂前体)的添加 通过将该结构利用可使催化剂放出和散布在该结构上的溶液浸渍来进 行。然后通过蒸发干燥所述溶液，以在该表面上只留下催化剂。
通过如图7所示的疏水表面15,由于该表面具有大润湿角，含有催化 剂21的溶液20倾向于团集在一起并形成不聚结的大的单独液滴22，从而 使得在干燥之后催化剂21以大簇23的斑点的形式分布，导致会影响随后 的化学反应效率的催化剂的不均匀分布。
图8适用于己经官能化的填充物，因此其接触表面16是亲水性的并呈 现出小润湿角。在这种情况下，可以看出，含有催化剂21的溶液20散布 开并以均匀薄膜24的形式干燥，从而确保催化剂21非常好地分布在结构 的表面上，并由此可以借助于催化剂获得对随后化学反应的更好控制。
权利要求
1.一种用于流体交换柱的填充结构(1)，所述结构为将与至少一个向上流动的气相发生密切接触的至少一个向下流动的液相限定出交换表面，该结构的特征在于，其包括通过多排由管(10)构成的管束形成的容体，每个管束包括四个管(10a-10d)，该四个管(10a-10d)分别沿着四个与该结构的轴线形成一角度的方向(D10a-D10d)取向，所述多个管形成多个通向该结构(1)的外表面的通道。
2. 根据权利要求l所述的结构，其特征在于， 一个管束的四个管 (10a-10d)沿着立方体的四个对角线取向。
3. 根据权利要求1或2所述的结构，其特征在于，所述管(10)通过 其接触部分彼此相连。
4. 根据权利要求l-3中任意一项所述的结构，其特征在于，所述容体 包括多个位于所述管(10)之间的孔，从而为流过该结构的液相和气相 限定出附加通道。
5. 根据权利要求l-4中任意一项所述的结构，其特征在于，该结构呈 圆柱形，每个管(10)相对于该圆柱形结构的轴线(AA')倾斜。
6. 根据权利要求l-5中任意一项所述的结构，其特征在于，所述管(10) 由复合材料、金属、热塑性材料或热固性材料制成。
7. 根据权利要求l-6中任意一项所述的结构，其特征在于，所述管(10) 由碳-碳或陶瓷复合材料制成。
8. 根据权利要求7所述的结构，其特征在于，所述管(10)具有在 所述管的内部和外部之间提供通道的大孔。
9. 根据权利要求7或8所述的结构，其特征在于，所述管(10)由碳 复合材料制成且在其表面(16)上包含化学催化剂(21)。
10. —种用于流体交换柱的填充结构(1)的制造方法，该方法的特征在于，其包括a) 形成管(10);b) 以多排由管(10a-10d)构成的管束构造所述管的有序组件，每个 管束包括四个分别沿四个方向(D10a-D10d)取向的管；c) 将所述管(10)通过其接触部分接合在一起；以及d) 对该有序组件进行机加工，以形成与其将要插入的流体交换柱的 形状和内部尺寸相匹配的填充结构。
11. 根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在步骤a)中，所述 管(10)由复合材料、金属、热塑性材料或热固性材料制成。
12. 根据权利要求ll所述的方法，其特征在于，在步骤a)中，所述 管(10)由碳或陶瓷复合材料制成。
13. 根据权利要求12所述的方法，其特征在于，进一步包括通过热 处理使所述管(10)碳化的步骤并继之以碳的化学气相沉积(CVD)的 步骤。
14. 根据权利要求10-13中任意一项所述的方法，其特征在于，在步 骤b)中，每个管束的四个管(10a-10d)沿立方体的四个对角线取向。
15. 根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在步骤a)中，所述 管(10)由碳复合材料制成，并且该方法进一步包括氧化所述管以使其 表面(16)亲水的步骤。
16. 根据权利要求15所述的方法，其特征在于，进一步包括利用含 有化学催化剂(21)的溶液(20)浸渍所述管的步骤以及干燥所述溶液 的步骤。
全文摘要
本发明涉及一种用于流体交换柱的填充结构(1)，所述结构为将与至少一个向上流动的气相发生密切接触的至少一个向下流动的液相限定出交换表面，该结构的特征在于，其包括通过多排由管(10)构成的管束形成的容体，每个管束包括四个管(10a-10d)，该四个管(10a-10d)分别沿着四个与该结构的轴线形成一角度的方向(D10a-D10d)取向，所述多个管形成多个通向该结构(1)的外表面的通道。
文档编号B01J19/32GK101190406SQ20061016352
公开日2008年6月4日 申请日期2006年11月29日 优先权日2006年11月29日
发明者让-皮埃尔·莫米, 雷米·贝塞特 申请人:Snecma固体燃料推进器公司