专利名称：包含流体分布介质的容器的制作方法
包含流体分布介质的容器相关申请的交叉引用本申请要求于2009年2月16日提交的美国临时申请号61/152，912的权益。
背景技术：
本发明总体上涉及随机定向的陶瓷介质(ceramic media)的一个床，该陶瓷介质被用来通过在流体经过该床时在一个越来越大的区域上重定向该流体来改进一种流体的分布。更具体地，本发明是针对一个床顶部物介质，该顶部物介质定位于一个化学反应器的保护容器(containmentvessel)的一端，该保护容器将一种流体在一层部件上重新分布， 该层部件可以包括多种材料，诸如催化活性材料、吸附剂或活性炭。一个专利的一个实例是US 6，四1，603，该专利披露了可以用来减少在一个化学反应器中的一种流体的分布不当的流体分布材料。概述本发明通过将多个流体转向通道结合在该介质的外表面之中来提供被布置在随机定向的陶瓷介质的一个床上的一个进入流体流的改进的重新分布。这些通道被配置为在该流体流经该床时俘获该流体的一部分并且然后将其重定向。在某些情况下，该介质可以导致该流体垂直于进入流体的初始方向流动。在一个实施方案中，本发明包括一个容器，该容器包括一个流体进入点以及一个床。该床包括一个第一层，该第一层包括布置在其中的多个单独的元件。在该第一层中的至少大部分元件包括随机定向的陶瓷介质。该陶瓷介质包括一个外表面，该外表面具有一个或多个在其中形成的流体转向通道。该床还包括一个第二层，该第二层包括多个部件，其中大部分部件是与该陶瓷介质实体上不同的。该床的第一层被定位在该第二层与该流体进入点之间。附图简要说明
图1是包括本发明的容器的一个化学反应器的一个截面；图2是用在图1所示的第一层中的一个陶瓷介质的一个第一实施方案的透视图；图3是用在图1所示的第一层中的一个陶瓷介质的一个第二实施方案的端视图；图4是一个流体分布模式的理论截面视图；图5是一个液体分布测试设备的示意图；图6示出了图5所示的测试设备的中心、中间以及外部区域的图；并且图7是压力下降对质量速度的曲线图。详细说明如在此使用的，短语“化学处理装置”意在说明设备，如罐、燃烧炉、燃烧室、管路、 等等，它容纳一种或多种原料并且然后化学地和/或物理地将其转化为从该装置中排出的一种或多种最终产品。该转化可能涉及利用一种催化剂将多种原料转化为一个最终产品的一个化学反应；解吸或吸收作用；原料的物质状态的一个物理变化(例如，液态到气态)； 和/或原料温度的增加或减小。化学反应器被广泛地用在用于多种目的的化学制造工业中并且被认为是短语化学处理装置的一个子设备。化学反应器可以包括一个容器，在该容器
3中发生转化过程。化学反应器通过提供一个其中具有一个反应区的容器生成一个最终产品，在该反应区中两种或多种反应物可以相互作用以生产一个最终产品，该化学反应器还可以包括定位在该反应区的一端的一个床的顶部物材料的层以及定位在该反应区的相对端的一个床的支撑材料的层。商业上可获得的床的顶部物材料的实例包括陶瓷球和网状泡沫。该床的顶部物材料的一个功能是接受布置在床的顶部物材料层的一个固定区域上的一种进入流体并且然后当该流体经过并且流出该床的顶部物层时在一个更大的区域上重定向该流体。 该进入流体可以经由通常称为一个分配器的一个机械设备而布置在该床的顶部物层上，该分配器可以包括一个或多个喷嘴。该分配器可以在此被描述为一个“流体进入点”。术语 “流体进入点”还可以描述一个单独的管或多个管，这些管共同地或单独地将一种或多种流体布置在该床的顶部物层上。当该进入流体接触该床的顶部物时，该流体本身形成一个进入流体分布模式。当该流体流出该床的顶部物材料时，该流体本身形成一个最终流体分布模式。已知由陶瓷球制成的床的顶部物提供了该进入流体的一种适度的重新分布，但是对于使用球来大量增加的重新分布的不断需要仍未得到实现。类似地，由网状陶瓷泡沫制成的床的顶部物可以包括多个网状构件，这些网状构件限定了经过该陶瓷材料的流动通道。 这些网状构件将该进入流体再分为多个更小的液流，这些液流然后流经该反应器。虽然将一个更大的单独的液流再分为许多更小的液流对于一些工业过程可能是足够的，但是如果该化学反应器的操作取决于一种或多种流体的一个宽的同质的分布，那么一个流体在比进入流体分布模式大得多的一个区域上的侧向重新分布可能是必须的。现在参见这些附图并且更具体地是参见图1，在此示出了一个化学反应器10的一个截面视图，该化学反应器包括一个容器12、一个机械分配器14、以及排出管16。该容器收容一个床18，该床包括随机定向的陶瓷介质22的一个第一层20、多个部件沈的一个第二层24 (包括沉积在一种陶瓷小粒的表面上的一种催化活性金属)、以及床的支撑介质30 的一个第三层观。如在此使用的，如果该陶瓷介质具有流体转向通道而这些部件不具有流体转向通道，则在该第一层中的陶瓷介质被认为是与该第二层中的这些部件实体上不同的。此外，第一层20可以包括不是随机定向的陶瓷介质的多个元件，条件是在该第一层中的至少大部分元件是随机定向的陶瓷介质。优选地，在该第一层中的所有元件是陶瓷介质， 这些陶瓷介质具有结合在其中的流体转向通道。类似地，构成该第二层的这些陶瓷部件在外表面都没有流体转向通道并且因此是与该第一层中的介质不同的。然而，如果至少大部分第二层的部件与该第一层中的陶瓷介质实体上不同，则可以实现本发明的这些优点。再次参见图1，该第二层还可以被描述为反应区。床18具有一个已知的高度并且该第一层占了小于20%的该床的高度。该第二层可以占多于50%的该床的高度。如果希望的话，可以用位于该第二层之下的一个筛来代替该第三层。一种适合的商业上可获得的床支撑介质(通过商标deltaPTM识别的)是从美国俄亥俄州斯托市(Stow)的的圣戈本纳坡公司 (Saint-Gobain NorPro)可获得的。图2披露了陶瓷介质22的一个实施方案的一个透视图，该陶瓷介质将适合于用在如图1所示的容器12的第一层20中。该介质包括一个外围的壁32、一个第一端34、一个第二端36、以及四个流体转向通道38、40、42和44，这些流体转向通道从该第一端延伸到该第二端。在这个实施方案中，这四个流体转向通道具有相同的截面形状。如在图3中所示的，这些通道的形状可以被改变。开口 46(该开口是一个适合介质的一个可任选的特征) 限定了一个内部通道，该内部通道穿过该介质并且也从该第一端延伸到该第二端。开口 46 的形状、尺寸和存在可以被明显地改变而不影响这些流体转向通道的性能。图3所示的是用在第一层20中的一个适合的介质48的另一个实施方案的一个端视图。如图3中所展示的，这些流体转向通道的截面形状可以被修改，条件是该通道有效地俘获并且使一部分流体转向，该部分流体接触该介质的外围表面(见箭头50)并且然后流过该外围壁的曲线表面进入一个或多个流体转向通道(见箭头52和54)中，其中至少一部分流体被重定向至该介质的一端。以一个直角冲击该外围壁的流体然后流进并且穿过一个流体转向通道，由此改变该流体流动的方向在此被定义为水平移位的流体。具有在此说明的多个流体转向通道的多个随机定向的介质将导致流经该介质的一个流体被相对于该流体流的初始方向迅速地转向多达90°当该流体接触并且然后流出一个第一介质、然后接触并且流出一个第二介质、然后接触并且流出一个第三介质、等等时该转向重复地发生。当具有在外表面中形成的多个流体转向通道的介质被用在如图1所示的一个容器中时并且该介质形成被放置在该流体的入口端与第二层部件之间的第一层，然后在该陶瓷介质中的这些流体转向通道共同建立许多穿过该第一层的流体分散通道。一个流体分散通道包括在两个或多个介质中形成的两个或多个通道，流体在离开入口端之后并且在接触该第二层之前流经这些通道。如果流体流经在一个第一介质中的一个流体转向通道并且然后流经在一个第二介质中的另一个流体转向通道，那么该流体被认为已经流经一个流体分散通道。如果该流体首先流经该第一层并且然后流经该第二层，那么该流体流动的方向不重要。在一个向下流的化学反应器中，重力导致流体从该分配器向下流动经过该第一层并且然后是该第二层。在一个向上流的化学反应器中，该流体的进入点被定位在该容器的底部附近，并且该第一层被设置在该第二层的下面。类似设备的一个泵被用来迫使流体向上经过该第一层并且然后是该第二层。如图4中所示，一个流体流经多个介质时所产生的一个流体分布模式的一个理论截面视图可以像一个圆锥形区域(见箭头56和58)，其中圆锥的顶部60是流体62接触该介质的顶部表面的点，而圆锥的底部64是该流体流出多个介质的底部所产生的模式。该介质的流体转向通道可以同时实现两个目的。首先，当该流体流经该床的介质时流经该介质的流体在一个越来越宽的区域上被重定向。每单位垂直行程的水平位移的量可以被测量并且被用来计算一个介质床的流体分布角，该角被定义为一条线(如，定义图4中圆锥的中心的线66)与最靠近该圆锥侧(如由箭头56所表示)之间的角。一个大的流体分布角(如 15°或更大)优选地是一个小的流体分配角，如10°或更小。除了具有一个大的流体分布角以外，具有结合在其中的多个流体分布通道的介质有利地提供了流体在该圆锥形分散区域之中的均勻分布。实现流体在该圆锥形区域之中的均勻分布和一个大的流体分布角两者比实现一个大的分布角和在该圆锥之中的非均勻分布或在该圆锥之中的一个均勻分布和一个小的流体分布角是优选的。为了有效地使一个流体转向进入一个越来越宽的模式(当该流体经过多个介质时)，可以单独地或优选互相配合地改变多个参数，如，该介质的物理特征、该介质的流体转向通道、以及该多个介质。可以被修改以影响该流体的水平位移的通道的特征包括该通道的宽度、该通道的深度、该通道的长度以及该通道的截面形状。类似地，可以被修改以影响该流体的水平位移的介质的特征包括这些通道的中心线之间的转动角、以及该介质的最大直径与其长度之比。可以被修改以影响该流体的水平位移的床的一个特征是该床的深度。对于这些通道而言，一个流体转向通道可以被配置为允许一些流体容易地进入该通道并且然后阻止至少一部分流体从该通道泄露直到该流体经过该通道到该介质的一端。 图3中的通道68的深度是该介质的最大直径Dmax的大致17%。该通道的深度可以是在该介质的最大直径的15%与25%之间。具有的深度在该介质的最大直径的10%与45%之间的通道是可行的。对于由基本上彼此平行的多个相对的壁(如限定通道70的壁)限定的多个通道，该通道的宽度是通过测量相对的壁72与74之间的距离而确定的。与具有基本上平行的壁的通道相比，一个通道(如通道76)可以被设计为具有一个突出端78，该突出端减少了该通道的开口的尺寸。对于包括一个突出端的通道，该开口的宽度是该突出端的相对部分(见突出端部分80和8 之间的距离。如果该通道在宽度上从该通道的顶部到该通道的底部逐渐地变窄，那么该通道的宽度被定义为该通道的一半深度处的相对壁之间的宽度。见图3，通道84，箭头86。运行适度的通道可以具有在1.2 1.0与3.0 1.0 之间的一个深度与宽度之比。具有小于1.2 1.0的深度与宽度之比的通道可能是太浅以至于不能保持在该通道中的流体。运行适度的通道可以具有在2 1与20 1之间的一个长度与宽度之比。如以上指出的，具有对该介质的流体分布能力有影响的该介质的一个特征是在这些通道之间的转动角。该转动角被定义为由在通道68中的中心线90与在相邻的通道70 中的中心线92的交叉88形成的角。如图3所示，这些通道可以被定位成彼此成90°使得该介质具有四个通道。尽管三个等距通道的一个最小值是可使用的，但是四个等距通道是优选的。具有五个或六个等距通道的介质是可行的。如图2所示，在一个介质中的每个通道的截面形状可以是相同的。然而，如图3所示，这些通道的截面形状对于每个通道不需要是相同的。此外，在一层介质中的所有介质不需要是完全相同的。另一个可以被改变以改进在一个容器中的一层陶瓷介质的流体分布的介质特征是该介质的长度与其直径之比，该比值在此被定义为L D比，并且范围可以是从 0.5 1.0至2. 5 1.0。如果该比值小于0.5 1，那么该介质将趋向于以这些端垂直于该流体的流动来定向，这就不利地影响了这些通道在水平方向上分散流体的能力。如果该介质的长度与直径之比大于2. 5 1.0，那么绝大多数介质可以趋向相对于该初始流体流的方向垂直定向，这可能过度地增加在该床之中的压力下降。如果该床之中的压力下降增加超出一个可接受的水平，那么该反应器一定要关闭。关于可以被改变以实现许多流体的适当分布的床的特征，平均床的深度应该是该介质的长度的至少五倍。在一些应用中，平均床的深度可以是该介质的长度的至少10倍。 如果最小的床深度太浅，该介质对于该流体的分布将具有极小的影响。被用在本发明的一个容器中、包括图2和图3所示的陶瓷介质的陶瓷介质可以由为该介质提供足够强度并且与有待使用的流体相容的任何陶瓷材料来形成。例如，可以使用材料，如天然的或合成的粘土类、长石类、沸石类、堇青石类、矾土类、氧化锆、硅石或这些的混合物。粘土类总体上是混合的矾土和硅石的氧化物类并且包括材料，如高岭土、球粘土、耐火粘土、瓷土、以及类似物。适合的粘土类是高可塑性的粘土类，如球粘土和耐火粘土。粘土可以具有大约11至13meq/100gm的一个亚甲蓝指数(“MBI”)。在此使用术语 “长石”来描述具有苏打、钾碱和石灰的氧化铝的硅酸盐。其他成分，如石英、锆砂、长石质粘土、蒙脱石、霞石岩正长岩、以及类似物，也可以按其他陶瓷形成部件的较小量存在。一起被烧制以生产陶瓷的床的顶部物介质的材料可以按精细粉末形式被提供并且可以通过加入水和/或加工助剂类(如，粘合剂类、挤出助剂类、润滑剂类、以及类似物以帮助挤压过程)被制成一种可成形的混合物。该混合物可以使用几种不同的技术被加工，如挤压或使用干压制技术的压制以实现所希望的形状。例如，一个初始挤压过程可以跟随垂直于挤压方向切割成所希望的长度。一个初始的干燥可以被用来去除水。这可以避免使该生坯的相对弱的结构破裂并且可以在低于大约120°C下、并且在一个实施方案中低于大约70°C进行并且可以持续大约5小时。然后这些本体可以在高的温度下处理，例如， 从1100°C至1400°C的一个最大温度，在一个实施方案中，至少是1200°C，并且在另一个实施方案中，是大约1250°C，以形成一个致密的本体，该本体典型地具有小于1. 5%的视孔隙率，并且在一个实施方案中，是小于0.7%的视孔隙率。然而，对于一些应用该孔隙率可以高达大约15%。烧制温度在某一程度上可以取决于这些元件的成分，并且总的来说对于整块材料可足以实现一个低的孔隙率。这与网状的陶瓷本体相反，这些网状的陶瓷本体典型地具有高达30-80%的视孔隙率或内部材料空隙，并且它因此可能不适合于俘获在一个流体转向通道中的流体而是允许流体经过该介质的内部材料空隙。该陶瓷介质可以由粘土类和长石类以及其他较少组分的一种混合物制成以形成一个生成的本体，该本体主要由氧化硅和氧化铝(一种硅铝酸盐)构成。例如，用来形成这些元件的混合物可以包括至少大约90%的陶瓷形成的组分以及其余的(典型地是高达大约10% )加工助剂。陶瓷形成的组分可以包括20% -99%的氧化铝和0-80%的氧化硅。 这些加工助剂在烧制过程中很大程度地被挥发。这些干的组分可以在加入水之前被充分地混合，水是以足够能使该混合物被成形为所希望的形式并且在烧制过程中保持该形式的量加入的。总的来说，对于每IOOgm的干的组分的混合物所加入的水的量可以是从12至 30ml。然后可成形的混合物可以被模制、或挤出以在该形状在一个窑中被烧制到从1100°C 至1400°C的一个极高温度之前形成希望的形状。窑中的温度可以按在50至90°C /hr之间的一个速率被增加并且在该窑被允许冷却至环境温度之前在该焙烧温度下的停留时间可以是从1至4小时。其中陶瓷介质是通过一个挤出或一个干压制过程生产的，它们可以具有沿着一个轴向方向的一个基本上均勻的截面，该轴向方向提供了关于该元件对称的一条轴线。为了评估不同的床的顶部物介质(包括图2所示的介质)的流体分布特征，构造了图5所示的液体分布测试设备被并且描述其操作。该测试设备包括一个垂直放置并且管状形状的保持壁100(该壁在两端开口并且收容一床介质102)、定位在该床之上的一个机械分配器104、一个第一分配环106和一个第二分配环108(两个环定位在该床之下并且与该容器的中心同心对齐)、以及定位在这些环之下的多个流体收集箱110、112、114、116和 118。图6是该测试设备的一个俯视图。这些环被小心地定位为使该第一分配环限定了中心区域120、该第二分配环和该第一分配环共同限定中间区域122的边界，并且该第二分配环和该保持壁限定外部区域124的边界。这些区域各自占了该床的表面区域的三分之一。 足够量的图2所示的介质是通过形成粘土、长石、和有机挤出助剂(包括大约25重量百分比的氧化铝、68重量百分比的与水结合的硅石)的一种混合物而制成的。一部分的混合物被经过一个压模挤出、按长度分成段、并且在大致1200°C的一个温度下被烧制以形成陶瓷介质。该评估测试通过将多个介质装载到该测试设备中开始。该介质被装载到18cm的恒定深度并且被放在一个金属丝网支撑筛126的顶部上，该支撑筛具有大致5mm乘以5mm的限定的方形开口。分配器包括如图5所示的连接器管128、以及八个水平臂130 (见图6)， 它们被固定在连接器管1 上并且从该测试设备的中心109径向分布。这八个水平臂各自包括三个开口 132，由此产生总数为M的开口，这些开口沿该臂均勻地间隔并且起喷嘴的作用。对个开口中的十六个被定位在中心区域之上。M个开口中的八个被定位在中间区域之上。没有开口被定位在外部区域之上。每个开口 132的直径是大致8mm。在测量每个区域中的水流的量并且由此确定流体分布模式之前，通过允许水流经分配器而流到床介质的顶部上并持续大约三十分钟来允许该介质完全被湿润，而当水从该床流出时不将其俘获并且测量其量值。在该介质已经湿润之后，该流体被允许以18. 91/min(5加仑每分钟)的速率流到该介质床上。经过每个喷嘴的水的平均流速是大致0. 791/min(0. 208加仑每分钟)。如以上所述，当水接触该床单个构件时，水被介质的流体分布通道转向时水流经一个越来越宽的区域。在水流出该床介质并且流经金属丝网筛之后，水被收集在一系列的圆形槽134、136和138中，这些槽分别对应中心区域、中间区域以及外部区域。在每个槽中的液体的量被测量并且在每个槽中的液体的重量百分比然后进行计算。上述的测试设备被用来评估两个商业上可获得的床的顶部物介质以及图2所示的介质的流体分布特征。两个商业上可获得的介质通常被认为是19mm的番塔灵 (Pentaring)以及19mm的陶瓷球。番塔灵和陶瓷球均是可从美国俄亥俄州斯托市(Stow) 的圣戈本纳坡公司(Saint-Gobain NorPro)商业获得的。这些番塔灵是陶瓷介质，当从一端观察时，该介质像具有中心定位的轮毂以及五个等间距的辐条(从该轮毂径向延伸至一个外围壁)的一个车轮。这些辐条以及壁限定了穿过该番塔灵介质的五个三角形开口。这些番塔灵的高度是IOmm以及直径19mm。以下在表1中示出的是以kg/min测量的水的量， 当评估以上说明的每个床的顶部物时，这些水流进中心、中间以及外部区域。流进中心以及中间区域的水的量之间的百分偏差在表的右侧栏中示出。表 权利要求
1.一种容器，包括一个流体进入点；以及一个床，所述床包括一个第一层，该第一层包括布置在其中的多个单独的元件，其中在该第一层内的至少大部分的元件包括随机定向的陶瓷介质，所述陶瓷介质包括一个外表面，该外表面具有一个或多个在其中形成的流体转向通道；一个第二层，该第二层包括多个部件，其中大部分这些部件是与该陶瓷介质实体上不同的；并且其中该床的第一层被定位在该第二层与该流体进入点之间。
2.如权利要求1所述的容器，其中仅在所述第一层内的所述陶瓷介质包括一个外表面，该外表面具有在其中形成的多个流体转向通道。
3.如权利要求1所述的容器，其中所述第一层的介质包括一个第一端，一个第二端，并且所述流体转向通道在它们之间延伸。
4.如权利要求2所述的容器，其中所述第一层的介质各自包括一个外围壁，该外围壁在所述末端与在所述外围壁内形成的所述流体转向通道之间延伸。
5.如权利要求4所述的容器，其中该外围壁限定了该介质的最大直径并且所述流体转向通道的深度超过该介质的最大直径的10百分比。
6.如权利要求5所述的容器，其中每个流体转向通道的深度超过该介质的最大直径的 15百分比。
7.如权利要求5所述的容器，其中每个流体转向通道的深度不超过该介质的最大直径的40百分比。
8.如权利要求6所述的容器，其中每个流体转向通道的深度不超过该介质的最大直径的25百分比。
9.如权利要求1所述的容器，其中每个流体转向通道具有一个长度以及一个宽度，并且该通道的长度与宽度之比超过2 1并且不超过20 1。
10.如权利要求1所述的容器，其中每个流体转向通道具有一个深度以及一个宽度，并且该通道的深度与宽度之比超过1.2 1.0并且不超过3.0 1.0。
11.如权利要求1所述的容器，其中该大部分的所述介质具有一个长度以及一个截面直径，并且该介质的长度与直径之比超过0.5 1.0并且不超过2. 5 1.0。
12.如权利要求1所述的容器，其中所述床限定了一个床深度并且所述第一层占所述床深度的小于20百分比。
13.如权利要求1所述的容器，其中该大部分的所述介质具有基本上相同的长度并且所述第一层的最小深度比所述介质的长度大至少5倍。
14.
15.如权利要求1所述的容器，其中所述第二层的部件包括一种选自下组的材料，该组由以下各项组成催化活性金属、吸附剂、质量传递介质、热传递介质以及过滤介质。
全文摘要
在此披露了一种容器，该容器包括一个随机定向的陶瓷介质的床并且在该介质的外表面上结合有多个流体分布通道。这些通道捕获了流体并且使其改向，由此改进了该容器内流体的分布。
文档编号B01J8/02GK102333586SQ201080007621
公开日2012年1月25日 申请日期2010年2月12日 优先权日2009年2月16日
发明者D·C·谢曼, H·S·尼克纳福斯 申请人:圣戈本陶瓷及塑料股份有限公司