填充体的制作方法

本发明涉及一种用于在非规整填料中使用的填充体，该填充体包括纤维增强的碳扁平材料，本发明涉及一种具有包括根据本发明的填充体的填料的塔，并且本发明涉及一种用于生产根据本发明的填充体的方法。

背景技术：

填充体用于广泛的化学过程和/或热过程，特别是在塔填料中。

在物料分离塔中，填料限定例如吸收塔、解吸塔、蒸馏塔或萃取蒸馏塔中的分离区。

在反应塔中，填充体用于填料的不同部分中。填充体例如在反应区上游或下游的部分中使用，并且，包含反应物或产物的流体流过以上这些部分。在这里，它们可以用于供应热量或移除热量。填充体也用于反应区域内，其中填充体与催化活性本体(例如，成形的催化剂本体)一起存在，并且稀释催化活性本体，或者如果催化活性化合物附着到填充体上，则填充体本身充当催化剂载体。

jps63209744描述了用于塔的填充体可以由例如瓷、塑料、金属或碳的不同材料组成。其中，提到了拉西环(raschigrings)、莱辛环(lessingrings)和贝尔鞍环(berlsaddles)。

jps63209744提出了一种用于使气体与液体接触的装置的填充材料，该填充材料由碳纤维增强的碳制成。在该文中，还描述了波纹片、编织丝网、蜂窝状和类似的填充材料。增强碳纤维可以选自连续纤维和短纤维，或者可以用作片材，例如用作织造织物、垫子、毛毡等。

在jps63209744中，提出了各种方法用于生产该文中提出的填充材料。如果碳纤维是连续纤维，则首先用可碳化物质诸如酚醛树脂、呋喃树脂、沥青等浸渍，然后缠绕在心轴等上以形成期望的填充材料。如果碳纤维是短纤维，则将碳纤维和可碳化材料的混合物注入成例如期望的填充材料的形状。如果碳纤维是片状形式，例如作为织造织物，则用所述可碳化物质浸渍碳纤维，然后进行轧制或层压以获得期望的填充形式。随后，在600℃至2800℃下将碳纤维碳化。另外，提出了一种机加工工艺以获得期望的形式。在一个示例中，描述了从预浸料开始制造拉西环。

现有技术中描述的由碳纤维增强的碳制成的填充材料和填充体只能以大笔支出生产。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种填充体，该填充体特别耐腐蚀，能够以特别低的支出生产，并且能够承受通常的机械载荷要求，即，特别是在填料下部区域中的填充体上作用的静压力，其中该静压力是由于填充体位于顶部上并且液体流出而导致的。

该目的通过一种用于在非规整填料(unstructuredpackings)中使用的填充体来实现，其中，该填充体包括纤维增强的碳扁平材料，并且碳扁平材料的两个条状区域通过切口分开，碳扁平材料的两个条状区域在碳扁平材料的两个连接区域中过渡到彼此。

根据本发明的填充体适于在非规整填料中使用，例如适用于即使存在高于50℃的温度的水的情况下也能够(永久)耐受含卤素的流体和含卤化氢的流体的非规整填料中。非规整填料例如用于化学工程领域的设备中，尤其是用于塔中，诸如吸收塔、解吸塔、蒸馏塔或萃取蒸馏塔中。

根据本发明的填充体具有纤维增强的碳扁平材料。纤维增强的碳扁平材料是碳基材料领域的技术人员已知的，例如从由和tilohauke撰写的“carbonfasernundihreverbundwerkstoffe,herstellungsprozesse,anwendungenundmarktentwicklung”(碳纤维及其复合材料、制造工艺、应用和市场开发)一书(verlagmoderneindustrie，2010，isbn978-3-86236-001-7)已知。纤维增强的碳扁平材料可以通过固化和碳化从而由预浸料形成。预浸料是浸渍有基质聚合物(例如，树脂)但尚未固化的纤维条，例如碳纤维条或二维工业用纺织品。

在本发明的上下文中，切口是指从碳扁平材料的一个主表面到另一个主表面延伸穿过该碳扁平材料的切口，其中该切口的两端都偏离碳扁平材料的周向边缘。因此，切口不是从碳扁平材料的边缘开始的切口，也不是将碳扁平材料切成两部分的切口。

切口限定由切口分开的两个条状区域。所述条状区域与所述切口相邻。

碳扁平材料的该两个条状区域在碳扁平材料的两个连接区域中过渡到彼此。连接区域连接条状区域，因为切口的两端从碳扁平材料的边缘偏离。

优选地，连接区域是碳扁平材料的在空间上分开的区域，这些区域通过条状区域连接。

纤维可以是短纤维，例如碳纤维短纤维。在本发明的上下文中，短纤维是指纤维比最短的条状区域短。条状区域的长度是沿着最短的切口测量的。纤维也可以是连续纤维，例如连续碳纤维。连续纤维例如从碳扁平材料的周向边缘的一个点延伸到周向边缘的另一点。

纤维、例如碳纤维可以不规则地或规则地布置。不规则布置的纤维存在于例如非织造织物中。根据本发明的纤维增强可以例如通过以非织造形式存在的纤维来实现。

优选地，在至少一个条状区域中延伸的纤维的至少一部分延伸到两个连接区域中。这增加了根据本发明的填充体的稳定性，特别是拉伸载荷很少导致条状区域被撕裂或撕离。最终，可以在不会显著损坏填料下部区域中的填充体的情况下获得更大的填料高度。

切口的数量可以根据需要选择。但是，建议不要随意增加条状区域的数量，并且要确保条状区域足够宽，以承受填料产生的机械应力所产生的要求。

例如，填充体可以具有1个至35个切口，特别是2个至23个切口，优选2个至15个切口，特别优选2个至11个切口。根据本发明的特别优选的填充体具有3个至7个切口，例如3个、4个或5个切口。

优选地，由切口分开的碳扁平材料的所有条状区域仅在碳扁平材料的两个连接区域中过渡到彼此(例如，如图1a至1c所示的填充体的情况，其仅具有标有附图标记3和4的连接区域)。但是，也可以有两个以上的连接区域(例如，如图5所示的填充体的情况)。特别优选的填充体具有n个切口和n+1个条状区域，其中，n是选自2、3、4、5、6、7、8、9、10或11的数字，优选是选自3、4或5的数字，例如是4。

在根据本发明的优选填充体中，切口限定第一切口边缘和第二切口边缘，该第一切口边缘和该第二切口边缘在切口的第一切口端和第二切口端处过渡到彼此。一个切口边缘的一部分与同一切口的另一切口边缘间隔开。通过对应地设计在生产过程中所使用的冲压-剪切工具，可以根据需要并且有针对性地调节该距离。冲压-剪切工具相互啮合的越远，该距离就越大。优选地，一个切口边缘的一个点与另一切口边缘的对应的点之间的距离为切口边缘长度的至少1/8，优选为至少1/6。两个切口边缘的对应点是扁平材料在冲压-剪切工具中进行剪切和成形之前彼此紧邻的点。切口边缘长度是相等长度的两个切口边缘中的一个的长度。

如果填充体具有至少两个切口，则相邻切口的两个切口边缘可以界定条状区域，并且界定条状区域的切口边缘彼此平行地延伸。然后，条状区域的各处宽度相同。切口边缘“彼此平行地”延伸并不意味着切口边缘整体上是笔直的，而是两个切口边缘的路线在特定切口边缘的任意点处可以由直线近似，在该点处，直线与切口边缘相切。因此，两个切口边缘的对应直线彼此平行。

优选地，相邻切口的另外两个切口边缘也彼此平行地延伸。

切口的两个切口边缘优选彼此不平行地延伸。

还优选的是，同一切口的两个切口边缘位于能够通过平行移动曲线而获得的平面中。优选地，同一切口的两个切口边缘位于一个平面中。

根据本发明的具有平行切口边缘和/或其中同一切口的两个切口边缘位于一个平面中的填充体可以在成本方面特别经济地制造，这是因为冲压-剪切工具可以因此具有等厚的常规夹紧金属板。图3a和图3b示出了冲压-剪切工具，其中这种金属板用螺纹杆夹紧。由于沿着彼此滑动的两个冲压-剪切工具的切口边缘是平坦金属板的边缘，因此所得的切口的两个切口边缘必须在一个平面上。优选地，填充体的所有切口的所有切口边缘都在平行平面中。

纤维增强的碳扁平材料(2)可以例如具有选自玻璃纤维、玄武岩纤维和碳纤维的纤维，优选地选自碳纤维的纤维。碳纤维增强的碳扁平材料是根据本发明的特别优选的纤维增强的碳扁平材料。

纤维增强的碳扁平材料可以包括至少一个纤维不交叉的单向区域。它可以包括与同一切口的两个切口边缘相邻的至少两个单向条状区域。优选地，与切口的两个切口边缘相邻的区域中的纤维各自平行于切口边缘延伸。通过这样的填充体，可以在基本上不切穿纤维的情况下形成切口。因此，切口在纤维之间延伸。由于冲压-剪切工具基本上仅切穿基质材料，因此在冲压-剪切工具上的磨损特别小。因此，可以更有效地制造填充体。

单向条状区域可以从条状区域的一个切口边缘延伸到同一条状区域的另一切口边缘，并且可以从与该条状区域相邻的两个切口的第一切口端延伸到与该条状区域相邻的该两个切口的第二切口端。

单向区域优选地在整个碳扁平材料上延伸。

作为一个或多个单向区域的替代或补充，纤维增强的碳扁平材料可以包括在其中纤维交叉的至少一个多向区域。在该区域中，纤维增强的碳扁平材料可以包括多向铺设的纤维织物、织造的纤维织物或非织造的纤维织物。例如，连接区域可以包括多向区域。这样做的优点是，连接区域更加稳定，并且填充体可以承受更高的机械载荷。然而，然后可以形成切口而不必完全切穿纤维。

本发明还涉及一种具有非规整填料的塔，该填料包括根据本发明的填充体。该塔具有非规整填料。非规整(unstructured)意味着填充体在填料中随机地定向，例如，当将填充体倒入到塔中或塔的区域中时，就是这种情况。填料包括根据本发明的填充体。它们可以与其它填充体或催化活性本体(例如，成形的催化剂体或涂覆有催化活性化合物的成形的载体本体)混合存在。填料也可以仅在某些部分中或在整个填料上仅由根据本发明的填充体组成。

本发明还涉及一种用于生产根据本发明的填充体的方法，其中，将纤维增强的起始扁平材料进给到冲压-剪切区域中，并且将起始扁平材料成形，剪切成一定大小并且在冲压-剪切区域中切穿从而形成本体，该本体包括纤维增强的扁平材料，并且在该本体中通过切口分开的扁平材料的两个条状区域在扁平材料的两个连接区域中过渡到彼此。

在根据本发明的方法的一种变型中，纤维增强的起始扁平材料已经被完全或部分碳化。因此，纤维增强的起始扁平材料可以是纤维增强的碳扁平材料，例如碳纤维增强的碳扁平材料。

在根据本发明的方法的另一变型中，在纤维增强的起始扁平材料中存在非碳化基质组分和/或非碳化纤维组分。非碳化基质组分可以包括可能未固化、部分固化或完全固化的树脂、热塑性塑料、沥青或它们的混合物。非碳化纤维组分可以包括基于聚合物的纤维，诸如特别是芳族聚酰胺、纤维素和/或塑料纤维。在hubert和tilohauke的“carbonfasernundihreverbundwerkstoffe,herstellungsprozesse,anwendungenundmarktentwicklung”(“碳纤维及其复合材料、制造工艺、应用和市场开发”)(verlagmoderneindustrie，2010，isbn978-3-86236-001-7)中描述了合适的可碳化起始纤维和可碳化基质物质。在该方法变型中，对在冲压-剪切区域中形成的本体进行碳化，在该碳化中，该本体被转变成根据本发明的填充体。碳化优选地在排除氧气的环境下和升高的温度下进行，该升高的温度例如可以在300℃(摄氏度)至3000℃的范围内。本领域技术人员根据要碳化的基质和/或纤维物质并且根据填充体的期望的特性来选择温度。

本发明还涉及根据本发明的填充体或根据本发明的塔的用于处理包含酸性气体的流体(诸如，包含卤化氢的流体)和/或包含卤素的流体(诸如，包含氯气的流体)的用途。

附图说明

将通过以下附图和实施例解释本发明，但本发明不限于此。

图1a、图1b和图1c以不同的视角示出了根据本发明的具有两个连接区域的填充体。

图2示出了根据本发明的填充体的放大细节，其在图1a中由矩形表示。

图3a和图3b示出了彼此接合以产生图1a、图1b、图1c和图2所示的填充体的冲压-剪切工具。

图4示出了一个布置在另一个之上的图3a和图3b的冲压-剪切工具，其中纤维增强的扁平材料已经被切穿并且被切成一定大小以形成填充体生坯。

图5示出了根据本发明的具有三个连接区域的填充体。

具体实施方式

图1a、图1b和图1c示出了用于塔的填充体1。该填充体包括纤维增强的碳扁平材料2。碳扁平材料2的两个条状区域5、15被切口10-1分开，在碳扁平材料的两个连接区域3、4中过渡到彼此。在图1a中，由虚线表示从条状区域到连接区域的过渡。在附图所示的实施例中，总共有四个切口10-1、20-1、30-1、40-1，它们平行地延伸。因此，总共有五个单独的条状区域5、15、25、35、45(n个切口和n+1个条状区域，其中n为4)。

在每个条状区域5、15、25、35、45中延伸的纤维(优选碳纤维)的一部分延伸到两个连接区域3、4中。这在图2中通过示例的方式示出了围绕条状区域15的图1a的放大细节。条状区域15中的从连接区域3延伸到连接区域4的纤维在图2中以细直线示出。当从外部观察填充体1时，纤维是不可见的或在其整个长度上都不可见，这是因为它们至少部分地在碳扁平材料的碳基质中。图2指示了基质内的纤维定向。

图1a所示的切口10-1、20-1、30-1、40-1各自限定了图1b所示的第一切口边缘10-2、20-2、30-2、40-2以及图1b中所示的第二切口边缘10-3、20-3、30-3、40-3。在切口10-1、20-1、30-1、40-1的两个切口端处，每个切口的两个切口边缘过渡到彼此，这可以在图1a、图1b、和图1c的三个透视图中清楚地看到。在图1b的透视图中，条状区域5遮挡两个条状区域25、45，而条状区域15遮挡条状区域35。条状区域5还遮挡切口边缘10-2，在图1b中用双箭头d表示该切口边缘10-2的一部分与同一切口10-1的另一个切口边缘10-3间隔开。

在图1a至图1c所示的根据本发明的填充体的情况下，相邻切口(10-1和20-1；20-1和30-1；20-1和30-1)的两个切口边缘(10-3和20-2；20-3和30-2；30-3和40-2)分别界定一个条状区域(15、25、35)。界定特定条状区域(15、25、35)的切口边缘(10-3和20-2；20-3和30-2；30-3和40-2)成对地彼此平行地延伸。

相邻切口(10-1和20-1；20-1和30-1；20-1和30-1)的其它两个切口边缘(10-2和20-3；20-2和30-3；30-2和40-3)也成对地彼此平行地延伸。

从图1a的视角来看，可以清楚地看到，同一切口(10-1；20-1；30-1；40-1)的两个切口边缘(10-2和10-3；20-2和20-3；30-2和30-3；40-2和40-3)位于一个平面中。在这里，平面朝向观看者延伸。因此，位于平面中的切口边缘每个都看起来是与对应切口重合的直线部分。

在图2中的直线所示的区域中，碳纤维不交叉。因此，该区域是纤维增强的碳扁平材料2的单向区域bu。附图未示出嵌入在其它条状区域中的纤维也平行地延伸并且延伸到连接区域3和4。因此，纤维增强的碳扁平材料2包括多个成对的单向条状区域(bu-5和bu-15；bu-15和bu-25；bu-25和bu-35；bu-35和bu-45)，它们中的每一个都与同一切口(10-1；20-1；30-1；40-1)的两个切口边缘(10-2和10-3；20-2和20-3；30-2和30-3；40-2和40-3)相邻。

图1a和图2示出了单向条状区域bu-15占据条状区域15的整个区域。单向条状区域bu-15从条状区域15的一个切口边缘10-3延伸至同一条状区域15的另一切口边缘20-2，并且从两个切口10-1、20-1的第一切口端延伸到该两个切口10-1、20-1的第二切口端。作为示例，单向区域bu可以在整个碳扁平材料上延伸。

在图中未示出的是，纤维增强的碳扁平材料2可以包括在其中纤维交叉的至少一个多向区域。

图3a和图3b所示的冲压-剪切工具可以用于根据本发明的方法中，以生产所示的填充体。根据该方法，将包括纤维和可碳化基质物质的起始扁平材料进给到冲压-剪切区域中。在冲压-剪切区域中，图3a所示的冲压-剪切工具形成图3b所示的下冲压-剪切工具的上匹配部；如图4所示。在冲压-剪切区域中，将图3a和图3b所示的工具之间的起始扁平材料切穿并且切成一定大小，从而转变成填充体生坯。填充体生坯可以通过碳化而转变成根据本发明的填充体。

在此作为示例示出的冲压-剪切工具各自包括9(3×3)个子区域，其中部分剪切刃100在这些子区域之间的过渡处在下冲压-剪切工具上延伸。部分剪切刃100在纵向和横向方向上切穿纤维增强的扁平材料，使得以期望的切口获得9个切口填充体生坯。

9个子区域中的每个子区域均包括平面的、平行剪切凸起和布置在它们之间的平行的剪切凸起容纳部，这些容纳部在冲压-剪切过程中接纳另一个冲压-剪切工具的剪切凸起。条状区域5、15、25、35、45停留在剪切凸起的表面上(参见例如图3b中的第一子区域中的105、125和145以及图3a中的第一子区域中的115和135)。切口10-1、20-1、30-1、40-1分别是由于平面剪切凸起刺入到另一个剪切工具的剪切凸起容纳部的事实而产生的。在这种情况下，两个贯通剪切刃(例如，120-2和120-3以及130-2和130-3)沿着彼此滑动，因此迫使形成对应的切口(即对于此处提到的并且在图3a和图3b中用附图标记表示的贯通剪切刃120-2、120-3、130-2、130-3来说的切口20-1和30-1)。

也可以使用不包括3×3子区域的冲压-剪切工具，而是使用包括更多或更少数量的子区域、例如仅一个子区域的冲压-剪切工具。

图5示出了具有3个连接区域3、4和6的根据本发明的填充体。仅示出了图1a的透视图。

为了清楚起见，在附图中仅仅已经示出了选定的附图标记。

附图标记列表

填充体1

碳扁平材料2

第一主表面2-1

第二主表面2-2

连接区域3、4、6

条状区域5、15、25、35、45

切口10-1、20-1、30-1、40-1

第一切口边缘10-2、20-2、30-2、40-2

第二切口边缘10-3、20-3、30-3、40-3

单向区域bu

单向条状区域bu-5、bu-15

部分剪切刃100

贯通剪切刃120-2、120-3、130-2、130-3

表面105、115、125、135、145