专利名称：填料的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种在化工、医药、能源、石油、生物、轻工、环保等工程中用于流体间接触装置的填料，即在工程中进行传质、传热、分离等单元操作过程装置中的接触填料。
目前在工程中进行传质、传热、分离等操作的接触装置中，为提高流体间的传递、分离的效率，已广泛采用各种颗粒形填料，如拉西环、鲍尔环、阶梯环及螺旋圈等。由于使用的填料尚不能满足各种需要，因此改进的填料已提出，如中国专利CN85103023B、87209784U、1052435A、美国专利US775584等，现有的技术对颗粒形填料的改进仅对于单体结构。颗粒形填料构成的接触装置，其压降(能耗)、效率很大程度上取决于装置中填料所形成的空隙分布、空隙率、比表面积等，对于具有空隙分布均匀、空隙率大、比表面积大的填料的接触装置，具有低的压降和高的效率。然而，现行的颗粒形填料，由于每一个填料单体的接触面之间都是独立的，其整砌时，填料单体的接触面相互接触，填料内的空隙和填料间形成的空隙并不相同，且差别很大，乱堆时填料单体相互无规则碰叠，因此不论其在装置中如何堆积，造成填料层结构不开放和填料层内空隙和接触面分布不均匀，这样就不可能形成大的比表面积，对于直径φ25mm以上的填料单体，堆积所构成的填料层的比表面积一般不超过250m2/m3，要提高空隙率必须增大填料直径，而随直径增大比表面积将减少，要保持大直径填料的机械强度，填料壁厚必须增加，这使单位重量材料的接触面积减少、即堆积密度不减小，对较小直径的填料在装置中堆积时，通常在直径较大、比表面积较小的填料垫层上才能进行堆积，这使接触装置中填料层总的比表面积减小，现行的技术使颗粒形填料单体构成的填料层不能同时达到大的比表面积、大的空隙率、均匀的空隙分布，空隙分布不均匀使填料内和填料与接触装置壁面形成较大的空域，出现沟流和壁面径流，这些因素使得由颗粒形填料构成的接触装置不能同时达到低压降、高效率。
颗粒形填料在接触装置内整砌与乱堆相比具有通过能力大、压降低、效率高等优点。现行的填料单体不能在接触装置外整砌构成填料层，只能在装置内进行整砌，而对高和截面小的接触装置不能在其内进行整砌，实际使用中因受到接触装置的结构和安装条件等限制，整砌堆放困难，一般仍采用乱堆，而螺旋圈填料尚不能整砌堆放。
颗粒形填料在使用中其性能优劣不仅取决于填料单体，而且更取决于它所构成的填料层的结构，由于这一结构与填料单体的结构不同，造成试验装置与实际装置存在较大的差异，因此必须通过实际使用才能验证其性能优劣，这就使得要想构成适合不同过程和性能优越的填料层结构变得十分困难。
在现行颗粒形填料组成的填料层中，由于填料单体间的独立性，填料单体所构成的填料层，不能形成不同轴向规则分布的空隙和接触面，使它只能适合在装置中进行上下逆流的过程，不能适用于不同轴向的错流过程。
本发明的主要目的是提供一种填料，它具有结构全开放、堆积密度小、空隙率大、比表面积大、空隙分布均匀、通过能力大、压降低、效率高。
本发明的另一目的是提供一种填料，它不仅能在接触装置内方便地整砌堆放，而且能在装置外预先构成在截面上空隙规则分布的填料层，它同样能构成与填料单体具有相同结构特征的填料层。
本发明的另一目的是提供一种填料，它不仅能适合轴向上下逆流的传递分离过程，而且能适合不同轴向错流的传递分离过程。
本发明是通过下述技术方案实现的在包括若干横肋元件的填料中，若干横肋元件相互在横肋上交接，构成若干逐层分布的横肋和空格与若干逐层分布相互连通的基本空域区。
按元件相互交接构成填料的方式，将众多的横肋元件按规则交接，构成接触装置截面形状的外形，就能在装置外构成截面上空隙规则分布的填料层，同样也能利用已构成的填料单体，将填料单体按装置截面形状相互拼接成与单体结构相同的填料层，对于在装置内整砌，可先在装置外将元件交接成或将填料单体相互拼接成若干构成填料层的填料块，再拼接填料层，同样也能按现行填料的整砌方式进行。
横肋元件相互交接构成具有逐层分布的横肋和空格与逐层分布相互连通的基本空域区的填料，填料中的空格和空域位于不同的轴向，按一定的交接方式，就能在不同的轴向构成规则的空隙和接触面分布的填料，这一填料就能适用不同轴向的错流传递分离过程，对上下逆流的传递分离过程，只要构成轴向规则的空隙和接触面分布就可。
上述填料的横肋元件可以是圈状横肋元件，圈状横肋元件具有结构简单，变化多样，适合不同截面形状的材料制作，可制成各种接触面分布和外形的元件，元件间相互交接方便，交接构成的空隙规则，交接构成的填料具有沿轴向呈层状规则或均匀分布的空格和接触面。
上述填料的横肋元件可以是螺旋状横肋元件，螺旋状横肋元件具有制作方便，适合多种材料制作，可制成各种接触面分布和外形的元件，交接构成的填料具有沿轴向呈螺旋状分布的空格和接触面。
上述填料最好由若干横肋元件相互在其周围呈基本均匀分布状相互在横肋上交接，使填料中的元件在横向和轴向都形成层状分布和交接的结构形式，使填料具有规则的交接形式，规则的空域分布，形成基本均匀的空隙分布，形成大的接触面积，这种交接形式，使填料可采用薄形材料的元件来构成，使其具有堆积密度小，空隙率大、整体机械强度大。
上述若干横肋元件交接所构成的基本空域区中可以有薄片形构件，联接相互交接的元件，使元件间的联接得到加强，填料的机械强度增大，空域区进一步分割，空隙分布更趋均匀，接触面积增大，它同样能将填料与填料、填料与元件、元件与元件的交接结构相互联成一体。
本发明的优越之处是由其结构特点所决定的。填料由横肋元件相互在横肋上交接构成，交接元件的横肋相互呈交递层叠，形成逐成分布的横肋和空格，使填料具有完全开放的结构。填料的元件相互交接，任一元件与多个元件交接，填料的接触面和空隙由相互关联的元件交接组成，元件的横肋相互交接构成一体，横肋区域被分割成若干小区域，使填料的机械强度比元件的强度增大很多，所以可由薄形材料的横肋元件来构成填料，构成的填料具有整体机械强度大、堆积密度小、空隙率大、材料消耗小、单位重量材料的接触面积大，同时可采用各种接触面积大的元件来构成填料，所以具有比表面积大，在相同的堆积密度下，比表面积比现有技术提高1倍以上。填料的元件相互交接将元件的区域逐层分割成若干小区域，形成逐层分布相互连通基本均匀分布的空域区和接触面，使填料具有空隙分布均匀，流体进入和流出填料都呈均匀分布流动，使流体通过填料时具有压降低，填料中相互关联逐层交递分布的横肋使流体呈分流状运动，这对通过的流体具有分离作用，使接触装置发生液泛的速度增大，流体的通过能力得到提高。同样填料的分离作用使填料表面流体的更新速度加快，有利于传递过程的效率提高。填料中元件和元件的相互交接处将形成大量的滴液点，这些滴液点在填料中逐层基本均匀分布，每一个滴液点将形成一个流体重新分布的区域，对有液相流体存在的接触过程，大量的滴液点形成大量的液滴，其作用表面积将比填料的表面积增加很多，元件交接构成的填料层在接触装置的壁面形成的空隙可由交接的元件来减小，这样就克服了壁面径流，所有这些因素都能使填料的效率提高。
本发明的填料可采用不同的元件和不同的交接形式构成，具有元件结构简单、种类多样、结构变化多样，具有适用各种流体间的传递分离过程。
本发明的填料由横肋元件相互交接所构成，元件不仅能构成填料单体，而且能构成填料块或填料层，构成的填料块或填料层具有与单体相同的结构特征，这样只要通过对填料单体的结构试验研究和改进，就能容易地构成适合不同过程和性能优越的填料层。填料块和填料层不仅能在接触装置内构成，而且能方便地在装置外预先构成，这使填料具有整砌灵活、简便。
本发明的填料由横肋元件相互交接所构成，元件相互交接不仅能构成适用上下逆流传递分离过程的填料，而且能构成适用于不同轴向的错流传递分离过程的填料，这使填料具有适应性、用途更广。
综上所述，本发明的填料不仅同时具有空隙率大、堆积密度小、机械强度大、比表面积大、空隙分布均匀，而且同时具有低压降、高效率等优点。本发明的填料还具有适用于各种流体间的传递分离过程，本发明的填料还具有容易地构成性能优越的填料层和整砌灵活、简便，本发明的填料不仅能适用上下逆流的过程，而且能适用于不同轴向的错流过程。
以下结合附图对本发明的填料采用的横肋元件和填料的基本结构进行详细描述。
图1是单圈状横肋元件的侧视图(a)圆形圈，(b)多角形圈，(c)花瓣形圈;
图2是多圈状横肋元件的侧视图(e)圆形圈状，(f)多角形圈状，(g)花瓣形圈状;
图3是螺旋状横肋元件的侧视图(i)圆形螺旋状，(j)多角形螺旋状，(k)花瓣形螺旋状;
图4是本发明中填料的一个基本结构的侧视图;
图5是图4的俯视图;
图6是本发明中另一种填料的一个基本结构的侧视图;
图7是图6的俯视图。
构成本发明中填料的横肋元件的类型是多样的，圈状横肋元件是其中一类结构简单的基本元件，圈状横肋元件有多种，单圈状横肋元件的三种形式如图1所示，图1(a)是圆形圈，图1(b)是多角形圈，它每一角点都是一个滴液点，它使所构成填料的滴液点增多，图1(c)是花瓣形圈，它使构成填料的滴液点、接触面积有较大增加。多圈状横肋元件的三种形式如图2所示，多圈状横肋元件是单圈状横肋元件的组合，它由纵筋将若干单圈状横肋元件逐层相互联接构成，使元件具有逐层分布的空格和横肋，图2(e)是圆形圈状，图2(f)是多角形圈状，它具有逐层分布众多的滴液点，图2(g)是花瓣形圈状，它具有更多逐层分布地滴液点和更大接触面积及更均匀的空域分布。
螺旋状横肋元件是构成本发明中填料的另一类结构简单的基本元件，螺旋状横肋元件的三种形式如图3所示，它由各种材料按螺旋线绕制而成，形成沿螺旋线逐层分布的空格和接触面，图3(i)是圆形螺旋状，图3(j)是多角形螺旋状，它具有沿螺旋线逐层分布众多的滴液点，图3(k)是花瓣形螺旋状，它具有更多沿螺旋逐层分布的滴液点和更大的接触面积及更均匀的空域分布，元件的横肋间可有纵筋联接。
圈状横肋和螺旋状横肋元件的横向尺寸从10mm至250mm，横向尺寸与横肋高的比值为0.5-20。横肋元件可采用各种材料，如金属、塑料、陶瓷、玻璃、复合材料等制造，以适合各种要求，构成元件的材料可采用各种截面形状，从圆形、薄片形到角形、槽形等，以增加强度，元件的形状可采用圆形、多角形、花瓣形及更复杂的结构形状，以增加接触面积和提高元件强度，采用锯齿形、孔网形的材料来构成元件，以增加滴液点，元件的接触面可与其轴线倾斜以适应不同轴向的错流过程。
本发明的一种填料的一个基本结构如图4和图5所示，它们表达了填料10的一个具体结构，它由若干同类的不同种的横肋元件12和13相互在横肋上交接构成，图中所示的是多角形圈状横肋元件12，圆形圈状横肋元件13相互交接构成，交接形式是(除最外层)在每一个元件12的横肋上基本均匀分布地交接着3个元件13，同样在每一个元件13的横肋上基本均匀分布地交接着3个元件12，图中只表示了三层的交接情况，第一层元件是12a(a、b、c表示元件所在的层数)，在元件12a的横肋上交接着第二层的3个元件13b，在每一个元件13b的横肋上交接着第三层的2个元件12c和第一层的元件12a，第三层共有6个元件12c，相互交接元件12的横肋与元件13的空格、12的空格与13的横肋基本是同宽的，这样在元件12的空格中交接着3个元件13的横肋，在元件13的空格中交接3个元件12的横肋，元件的横肋逐层交接，沿轴向构成具有逐层规则分布的横肋和空格。在元件12a的区域内，元件12a的横肋内侧与3个交接元件13b的横肋内侧构成3个基本空域区17，3个元件13b的横肋外侧与元件12a的横肋内侧构成基本空域区18，同样在每一个元件13b的区域内与3个交接的元件12也构成3个基本空域区17(其中之一即12a内的一个)和一个空域区18，在每一个元件12c的横肋内侧与元件13b的横肋外侧构成基本空域区19，空域区17、18、19是逐层分布相互连通的，不同层的元件相互交接在横向构成具有逐层规则分布的横肋和空域。
填料按上述一层元件12与一层元件13相互交接的基本方式，再将更多的元件12与13相互逐层交接若干层，就构成上述基本结构特征相同的填料(层)10。
在空域区17、18内还包括薄片形的构件27、28(仅在图5的12a和13b之一标出)它将元件12a和13b、13b与12c相互在横向联接，它将空域区17、18分割成更小的区域。同样在空域区19中，可根据使用要求交接同种横向尺寸较小的元件或包括薄片形构件将该区域再分割(图中未示)。
本发明的另一种填料的一个基本结构如图6和7所示，它们表达了填料50的一个具体结构，它由若干同一种横肋元件52相互在横肋上交接构成，图中所示的是螺旋状横肋元件相互交接构成，交接形式是(除最外层)在每一个元件52的每一圈螺旋横肋上基本均匀分布地交接着4个元件52，图中只表示了三层的交接情况，第一层元件是52a(a、b、c表示层数)，在52a的横肋上交接着第二层的4个元件52b，在每一个元件52b的横肋上交接着第三层的3个元件52c和第一层的元件52a，第三层共有8个元件52c，元件52的横肋和空格基本是同宽的，元件的空格中交接着别层的4个元件的横肋，元件的横肋沿螺旋线逐层交接，沿轴向构成具有螺旋状规则分布的横肋和空格。在元件52a区域内，元件52a的横肋内侧与4个交接元件52b的横肋内侧构成4个基本空域区57，4个元件52b的横肋外侧与元件52a的横肋内侧构成基本空域区58，同样在每一个元件52b区域内与4个交接元件52也构成4个基本空域区17(其中之一即52a内的一个)和一个空域区58，在每一个元件52c的横肋内侧与元件52b的横肋外侧构成基本空域区59，空域区57、58、59是相互连通，螺旋状逐层分布的，不同层的元件相互交接在横向构成具有逐层规则分布的横肋和空域。
填料按上述的交接方式，将更多的元件52再相互逐层交接若干层，就构成与上述基本结构特征相同的填料(层)50。
在空域区57、58内还包括薄片形的构件67、68(仅在图7的52a和52b之一标出)，它将元件52a与52b，52b与52c相互在横向联接，它将空域区57、58分割成更小区域。同样在空域区59中，可根据使用要求交接同种横向尺寸较小的元件或包括薄片形构件将该区域再分割(图中未示)。
上面描述了填料10和50的两种基本结构，若构成的填料只有少量元件相互交接就成了填料单体，若有大量的元件相互交接就构成了填料层(块)，填料10和50的区别仅在于构成填料的元件种类，填料10是由同类的不同种的元件12和13相互交接构成，填料50由同一种元件52相互交接构成，填料10和50可以是相同的交接形式，其相互间相差40数字的相同个位数字标号代表相同的含义，如17与57。
从上述填料的基本结构描述中可知，元件相互交接在轴向和横向都构成了规则的空隙和接触面分布，即形成了两个轴向的空隙和接触面的规则分布，只要将交接轴方向倾斜或元件的接触面与交接轴倾斜，就能构成所倾斜的轴向规则的空隙和接触面分布，这一结构的填料不仅适合于上下逆流的传递分离过程，而且适合不同轴向的错流传递分离过程。
本发明的填料可由各种不同尺寸及形状的横肋元件，不同的交接形式构成，然而，较简单和较好地是圈状和螺旋状横肋元件，对传递用的填料，其优选的横向(圈径)尺寸10-120mm，横向尺寸与横肋高的比值是8-15，所构成填料的最大横向截面尺寸与轴向高度的比值是2-10。对分离用的填料，其优选的横向(圈径)尺寸是25-250mm，横向尺寸与横肋高的比值是1-5，所构成填料的轴向高度与横向尺寸的比值是2-10。
本发明的填料可由不同的元件和不同的交接形式构成，对具体填料所采用元件的种类、尺寸、材料、交接形式都应根据实际工程中的具体需要确定，对填料中相互交接元件的具体连接方法，应根据构成元件的材料、填料使用的环境，分别采取不同的方法，如焊接、烧接、粘接，整体成形及其组合的方法。
权利要求
1.一种用于流体间接触装置的填料(10)、(50)，其特征在于包括若干横肋元件(12)和(13)、(52)，若干元件(12)与(13)、(52)与(52)相互在横肋上交接，构成若干逐层分布的横肋和空格与逐层分布相互连通的基本空域区(17、18、19)和(57、58、59)。
2.根据权利要求1所述的填料，其特征在于元件(12)、(13)、(52)是圈状横肋元件。
3.根据权利要求1所述的填料，其特征在于元件(12)、(13)、(52)是螺旋状横肋元件。
4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的填料，其特征在于若干元件(12)与(13)、(52)与(52)相互在其周围呈基本均匀分布状相互在横肋上交接。
5.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的填料，其特征在于若干元件相互交接所构成的基本空域区(17、18)、(57、58)中有薄片形构件(27、28)、(67、68)，联接相互交接的元件。
6.根据权利要求4所述的填料，其特征在于若干元件相互交接所构成的基本空域区(17、18)、(57、58)中有薄片形构件(27、28)、(67、68)，联接相互交接的元件。
全文摘要
一种用于流体间接触装置的填料，它包括若干横肋元件，在横肋上相互交接，构成若干逐层分布的横肋和空格与逐层分布相互连通的基本空域区。本填料具有构成的元件结构简单、种类多样，具有空隙率大、堆积密度小、比表面积大、机械强度大、空隙分布均匀、通过能力大、压降低、效率高，整砌灵活、简便，不仅能适用上下逆流的传递分离过程，而且能适用于错流的传递分离过程。
文档编号B01J19/32GK1074628SQ9210013
公开日1993年7月28日 申请日期1992年1月1日 优先权日1992年1月1日
发明者戴利国, 周明, 周慧, 戴利民 申请人:戴利国