專利名稱：具有增大的流體流通道的陶瓷填充件的制作方法
技術領域：
本發明涉及一類通常被稱為“不規則”或“堆積的”的填充件。具體來說，本發明涉及具有大量用來促進空氣流動的貫穿通道的填充件，本文將對其進行具體描述。
背景技術：
不規則或堆積的填充件用來填充發生物質或傳熱的塔式裝置。這類陶瓷填充件的一個特別重要的用途就是在熱量回收操作中的應用，在該操作中必須為流經反應器的熱流體提供最為有效的接觸。發揮最大效率的另一個關鍵因素就是盡可能將塔頂與塔底的壓差維持在低水平。為了確保這一點，填充件的流阻應該盡可能小。非常松散的結構促進了流阻的減小，但是如果當塔內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間內的話，單靠松散結構還會受到使用上的限制。因此，重要的是填充件的設計要減少這種填充件的互相堆入。
可以通過擠出法或干壓法制造陶瓷填充件，使其沿一個軸向的橫截面基本上均勻一致，使這種填充件具有軸對稱性。本領域曾描述過幾種從非常簡單到復雜的形狀。所有形狀基本上呈圓柱體狀，不同之處僅是圓柱體的內部結構。最簡單的結構就是基本圓柱體，內部無任何結構。這類結構常稱之為臘希(Raschig)圈，已經有許多年的歷史。而另一種復雜結構在美國設計專利455,029和USP 6,007,915中有描述。這兩種極端之間有簡單的車輪形結構，在USPP3,907,710和4,510,263中描述過這類結構。
本發明提供一種新穎改進的填充件，以及使用該填充件克服上述問題和其它問題的方法。

發明內容
根據本發明一個方面，提供一種陶瓷填充件。該填充件具有多邊形結構，沿填充件長度方向有一對稱面，垂直于長度的最大尺寸定義為該填充件的直徑，該填充件具有大量內部隔板，這些內部隔板形成大量貫穿該填充件的具有第一橫截面積的第一通道，以及大量橫截面積大于一條第一通道橫截面積的第二通道，至少有一條第二通道的橫截面積是一條第一通道橫截面積的至少四倍。
根據本發明一個方面，提供一種陶瓷填充件。該填充件基本上為圓柱形結構，具有長度，與填充件長度垂直的最大尺寸定義為該填充件的直徑。直徑與長度的比值為2.7至4.5。該填充件具有大量內部隔板，這些隔板互相相交形成貫穿該填充件的大量相同的第一通道和至少兩條第二通道。所述各條第二通道的橫截面積至少是一條第一通道橫截面積的四倍。
本領域技術人員通過閱讀下面的說明書和附圖，可以很容易理解本發明的優點。


圖1是從本發明填充件側下方直接向其一個角觀察的透視圖；圖2是圖1所示填充件的俯視圖；圖3是沿軸向具有一個較大通道的填充件的俯視圖；圖4是具有三個較大的六邊形通道的填充件的透視圖；圖5是具有三個較大的菱形通道的填充件的俯視圖；圖6是熱量回收百分率與氣體流速的關系圖；圖7是常規40×40空穴整體填充料、圖4的填充件和圖3的填充件計算機生成的預測與理論上完美的填充件相比，壓降損失(以水的英寸數為單位)的圖。
具體實施例方式
現在參照附圖所示的實施方式對本發明進行更具體的說明。這種說明并不意味對本發明范圍的任何一種必需的限制，因為很容易理解，可以在不偏離本發明基本精神的基礎上對其進行許多細微改變。
陶瓷填充件定義為一種基本上呈圓柱形的容納結構，該圓柱形可以理解為包括完美圓柱形、稍扁而使橫截面呈橢圓形的圓柱形、以及具有至少五條邊的規則和不規則的多棱柱形。容納結構的內部空間可以具有多個隔板或無隔板，但是由于這種填充件的主要用途是用于傳熱，在此領域中表面積是非常重要的，因此優選提供內部結構復雜的填充件。本文所述“隔板”一詞用來描述將圓柱形容納結構的一個內部部分與另一個內部部分和/或另一個隔板相連的結構件。因此這些隔板在填充件的整個長度和直徑或最大尺寸范圍內都存在。
本發明的陶瓷填充件可以由任何一種合適的陶瓷材料，諸如天然的或人造的粘土，沸石，堇青石，礬土，氧化鋯，氧化硅及其混合物制成。可將此類材料與粘結劑，擠出助劑，孔隙生成劑，潤滑劑一類試劑混合，幫助其擠出和/或產生所需的孔隙度或表面積，使其適合所需用途。
當這些填充件由擠出法或干壓法制得時，它們在一個軸向上可具有基本均一的橫截面，使得這些填充件具有徑向對稱軸。
該填充件可以用于熱量與傳質，或作為載體，在其上面沉積催化組分。此填充件特別適合用于從熱氣流中回收熱量時的傳熱。這類應用的一個例子是工廠用的換熱器，這種工廠的功能是燃燒廢氣流中任何可燃燒的物質。這類換熱器對于有效利用排放廢氣流中熱值用以加熱進入的需要進行處理的廢氣，進而降低燃燒可燃性物質所需燃料的成本是極為重要的。本發明揭示使填充件的設計最佳化，從而達到此目的的一種方法。
傳質用途包括在第一流體與第二流體之間以一個或多個組分形式的物質傳遞，所述兩種流體可以都是液體，或者一種液體和一種氣體。陶瓷填充件為流體相提供潤濕的表面，促進組分在流體之間的傳遞。示例性的傳質應用包括從流動的氣流中除去二氧化硫之類的氣體組分。陶瓷填充件一個重要的傳質用途是用在硫酸廠的吸收器中。
然而，此填充件可有利地用于各種用途，此時表面積是一個重要因素，它決定了該填充件在完成其指定任務中的效率。
在填充件具有一些內隔板，將其內部空間分隔成多條通道時，有利的是所述填充件在具有一些位于軸上的孔。這些孔可以為任何所需形狀，但要避免隔板構造的過多折斷，如拆除某些分隔通道的隔板而形成一個更大的復合通道造成的。
本發明一個示例性的結構包括容納結構，其截面呈六角形，它的每一對對角通過隔板相連，各邊的平行隔板與對角處相交的邊相連。總體效果是提供了多個三角形通道，貫通填充件，每個通道的尺寸基本相同。這種設計的填充件見附圖1-2。
另一個示例性的填充件具有至少一條較大的通道或管道，該通道或管道的尺寸使液體更容易流過填充件，使流體進入填充件床內的其它填充件。在一具體實施方式
中，如圖3所示，填充件具有位于中心的單個較大的通道。這種填充件是基于圖2的設計，將圖2結構中中線周圍的6條三棱柱形通道結合起來形成較大的位于中心的通道。
在其它實施方式中，提供兩條或兩條以上較大的通道，如圖4和圖5所示，這些通道中至少有一些互相等距而且對中軸等距。
具體參見圖1，填充件1的第一實施方式包括六邊形容納結構2。大量隔板3將內部空間分隔成大量貫穿該填充件的第一通道4。圖1的填充件具有主要為菱形的第一通道4，在該填充件的兩個相對的側面具有一排三角形的第一通道。填充件1具有對稱面S，該對稱面S與通過該填充件旋轉中軸R的長度L平行。旋轉中軸表示該填充件可繞其中軸旋轉360/(對稱面數)的角度變成相同的構象。因此對于圖1，該角度為180°。
圖2顯示了類似的填充件1的一個實施方式，其中第一通道4的尺寸都是相同的，形狀均為三角形。圖2的填充件1具有三個與長度L平行的對稱面S1、S2、S3，所述長度L通過中軸R。
圖2的填充件具有90條第一通道，但是可以通過增加第一通道的數量(使用更多數量的內部隔板)，特別是如圖3-5所述，同時提供至少一條較大的通道5，提高其熱量回收能力。
圖3-5的填充件與圖2類似，只是這些填充件除了第一通道4外，還具有至少一條較大的通道5。如圖3所示，當使用一條較大的通道5時，該通道可位于軸的位置。圖3的填充件1具有三個與長度L平行的對稱面S1、S2、S3，所述長度L通過中軸R。較大通道5的區域對應于拆除掉離中軸最近的幾個較小通道之間的內部隔板部分，從而形成一個環。這樣，圖3的實施方式中提供了截面積大約為較小通道6倍的區域，但是應當理解，也可將更多或更少數量的較小通道4結合起來形成較大的通道5。在一個實施方式中，較大通道的截面積至少為大多數第一通道4的四倍，優選至少為六倍。例如，可以形成與圖1類似的填充件，將其中四個菱形通道結合起來形成較大的菱形通道5。當使用兩條或兩條以上較大通道時，可以如圖4和圖5所示，它們與中軸R有一定距離。例如，如圖4和圖5所示，當包含三條較大的通道時，各較大的通道的中心位于各對稱面S1、S2、S3上，這些對稱面連接著相對的角，與長度L平行并通過中軸R。
如圖所示，較大的通道5可位于離中軸R較近、而離各自的相鄰角較遠的位置，從而提供改進的流體流動圖案。在圖4中，較大通道5為六邊形，其所占的截面積至少約為它們所替代的較小三角形通道4所占據區域的六倍(即略大于六倍，這是由于省去的隔板也占有空間)。在圖5中，菱形通道所占的截面積至少為它們所替代的較小三角形4所占截面積的8倍。
圖1-5的填充件1可具有沿對稱軸R的長度L，以及與對稱軸垂直的最大尺寸D。在圖中，D與L之比約為4。當擠出該結構時，對稱軸R可為該結構的擠出方向。已經發現，填充件形狀的尺寸應有助于達到最佳性能，現有技術尚未發現在此范圍內選擇尺寸的益處。
在陶瓷填充件中，較大通道5的數量與較小通道4的數量之比可約為1∶10至1∶60。在一實施方式中，第二通道的數量與第一通道的數量之比約為1∶30至1∶50。第二通道的總橫截面積(在垂直于該結構長度L的平面上測得)與第一通道的總橫截面積之比可約為1∶10至1∶4。在一實施方式中，第二通道的總截面積與第一通道的總截面積之比約為3∶20至4∶20。
為了說明橫縱比(D∶L)的重要性，制造了具有三種不同橫縱比的陶瓷填充件。然后將這些填充件置于管中，氣流在1500，(815.6℃)的溫度下以不同的流速通過該管。測量通過與介質接觸從此氣流中回收的熱能的百分率，并將其對橫縱比作圖。然后對此三種填充件測定熱能回收百分率相對于氣體流速的變化關系。結果見圖6。為了有效回收熱能，橫縱比可在2.5-15進行選擇。具體來說，橫縱比可選在約為2.7-4.5，更具體來說，可選在約為3.0-4.4。
這個結果是完全出乎意料的，這是由于現有技術并未涉及這個方面。還很清楚，可通過該填充件的各個通道極為有益地盡可能多地回收熱能。
還發現D∶L之比對傳質用途也是有益的。
發現除了較小通道之外，通過交替或另外提供一條或多條較大的通道5，可以提高熱量回收和物質回收性能。盡管并不完全清楚，但是可以認為，較大的通道5能夠很有效地使加熱的流體通過填充件，與床中的填充件更深入地接觸，同時較小的通道4能夠通過使加熱氣流與隔板3接觸而非常有效地進行傳熱和傳質。通過將較大通道和較小通道相結合，可以在一個填充件1中同時達到這些作用。
應當理解，所用較大通道5的數量越多，并且/或者較大通道所占的空隙體積越大，填充件的總空隙體積就越大。盡管這會使得在填充件中流體的流動性提高、在此填充件床中的壓降降低，但是通常要在使壓降最小和達到高熱效率(熱量的回收百分率)之間達到平衡。已經發現盡管圖4填充件的直徑(在相對的兩角之間測量)比圖3的直徑大大約28％(通過例如沿填充件各側面添加一排三角形而達到)，但是圖4的填充件具有三個而不是一個較大的通道，其性能超過圖3的單中心通道填充件和圖2的填充件。
這些提高表示于圖7中，圖7顯示了三個床與理論最佳的填充件床相比的壓降(以水的英寸數為單位)。顯示了三個例子，例A是常規的40×40空穴整體填充料、例B由圖4的填充件形成，例C由圖3的填充件形成。例B的填充件的D/L比與例C類似，但是其直徑(在相對的兩角之間測量)與例C相比大大約28％。通過估算達到94％的熱效率所需的床厚，并確定此床與理論最佳填充件床相比的相對壓降，以此理論算出壓降。40×40空穴整體填充料是大的陶瓷填充件，該填充件以合適的取向逐塊安裝在金屬容器內以達到良好的熱回收結果(與圖3和圖3的″堆積的″填充件不同)，該填充件具有破裂和/或剝落之類的問題，會使得床的操作不正常。因此，盡管整體填充料在圖示的三種樣品中具有最低的壓降(即整體填充料是良好的熱回收材料)，但是其缺點使其不適于多數的熱回收用途。
填充件B床和填充件C床的壓降損失與常規2.5厘米長的鞍形填充件和美國設計專利第445,029號所述的″雪片″形填充件差不多。后兩種填充件計算得到的壓降損失高于填充件B床和填充件C床的壓降損失。例如，在95％的熱效率下，鞍形填充件的壓降損失為30.7厘米水，雪片形的壓降損失為19.8厘米水，例C填充件的壓降損失為16.7厘米水。
還應當理解，″理論最佳的″床僅是壓降達到最佳，在確定介質的適用性時，填充件結構強度之類的其它性質也是很重要的。圖3填充件和圖4填充件的床的壓降比常規堆積填充件的壓降小得多，而且由于圖3填充件和圖4填充件的結構強度，它們的使用壽命也更長。
權利要求
1.一種陶瓷填充件(1)，其特征是該填充件(1)具有多邊形結構(2)，沿填充件長度(L)方向有一對稱面，垂直于所述長度的最大尺寸定義為該填充件的直徑(D)，該填充件具有許多內部隔板(3)，這些內部隔板形成大量貫穿該填充件的具有第一橫截面積的相同的第一通道(4)，以及大量橫截面積大于一條所述第一通道橫截面積的第二通道(5)，至少有一條所述第二通道的橫截面積是一條所述第一通道橫截面積的至少四倍。
2.如權利要求1所述的陶瓷填充件，其特征在于所述直徑與長度之比為2.7至4.5。
3.如權利要求1和2中任一項所述的陶瓷填充件，其特征在于所述直徑與長度之比為3.0至4.4。
4.如權利要求3所述的陶瓷填充件，其特征在于所述直徑與長度之比為3.5至4.0。
5.如權利要求4所述的陶瓷填充件，其特征在于所述填充件包括至少20條第一通道(4)。
6.如權利要求5所述的陶瓷填充件，其特征在于所述填充件包括至少50條第一通道(4)。
7.如權利要求1-6中任一項所述的陶瓷填充件，其特征在于所述第二通道數量與第一通道數量之比約為1∶10至1∶1600。
8.如權利要求7所述的陶瓷填充件，其特征在于所述第二通道數量與第一通道數量之比約為1∶20至1∶60。
9.如權利要求8所述的陶瓷填充件，其特征在于所述第二通道數量與第一通道數量之比約為1∶30至1∶50。
10.如權利要求1-9中任一項所述的陶瓷填充件，其特征在于所述第二通道的總橫截面積與第一通道的總橫截面積之比約為1∶10至1∶4。
11.如權利要求1-10中任一項所述的陶瓷填充件，其特征在于大量隔板中的每一個都在沿隔板長度方向上隔開的位置與至少兩個其它的隔板相交。
12.如權利要求1-11中任一項所述的陶瓷填充件，其特征在于所述多邊形結構具有至少五條邊。
13.如權利要求12所述的陶瓷填充件，其特征在于所述多邊形結構具有六條邊。
14.如權利要求1-13中任一項所述的陶瓷填充件，其特征在于每條所述第一通道都具有三角形橫截面。
15.如權利要求1-14中任一項所述的陶瓷填充件，其特征在于每條所述第二通道的橫截面積都與多條相鄰的第一通道結合形成的橫截面積相等。
16.如權利要求15所述的陶瓷填充件，其特征在于每條所述第二通道的截面積都與至少六條相鄰的第一通道結合形成的截面積相等。
17.如權利要求1-16中任一項所述的陶瓷填充件，其特征在于至少有三條第二通道。
18.如權利要求17所述的陶瓷填充件，其特征在于所述三條第二通道相互等距。
19.如權利要求17和18中任一項所述的陶瓷填充件，其特征在于所述三條第二通道與填充件中心軸的距離都相等。
20.如權利要求1-19中任一項所述的陶瓷填充件，其特征在于所述陶瓷由選自天然的或人造的粘土，氧化鋁，沸石，堇青石，氧化鋯，氧化硅及其混合物的材料制成。
21.如權利要求1-20中任一項所述的陶瓷填充件，其特征在于填充件中所有的隔板都具有第一端和第二端，該隔板與相鄰于至少第一端的多邊形結構連接。
22.如權利要求1-21中任一項所述的陶瓷填充件，其特征在于每條第二通道的橫截面積都至少為一條第一通道橫截面積的四倍。
23.如權利要求1-22中任一項所述的陶瓷填充件，其特征在于所述至少一條第二通道的橫截面積相當于拆除分隔六條相鄰的第一通道的內部隔板部分形成的橫截面。
24.一種用來進行以下操作中的至少一種的方法向流體流傳遞熱量或從流體流傳走熱量，以及在流體相之間傳質，該方法的特征是使所述流體流流過權利要求1所述的陶瓷填充件的床，該填充件至少進行以下操作中的一種傳遞熱量和提供用于流體相間傳質的表面。
25.如權利要求24所述的方法，其特征在于向流體流傳熱或從流體流傳走熱量，包括使流體流流過陶瓷填充件床，填充件傳遞熱量，所述至少一條第二通道的橫截面積相當于結合四條或四條以上相鄰的第一通道形成的橫截面，與不含較大通道的相當的填充件床相比，降低了本發明填充件床的壓降。
26.一種用來進行以下操作的至少一種的方法向流體流傳遞熱量或從流體流傳走熱量和在流體相之間傳質，該方法的特征是使所述流體流流過權利要求1所述的陶瓷填充件床，該填充件至少進行以下操作中的一種在流體流和填充件之間傳遞熱量和提供用于流體相間傳質的表面。
27.如權利要求26所述的方法，其特征在于所述傳質包括在流體相之間傳遞二氧化硫。
全文摘要
一種陶瓷填充件(1)，具有多邊形結構(2)，在填充件長度(L)方向上有一對稱面，垂直于長度的最大尺寸定義為該填充件的直徑(D)。該填充件具有大量內部隔板(3)，這些內部隔板形成大量貫穿該填充件的具有第一橫截面積的相同的第一通道(4)，以及大量橫截面積大于一條所述第一通道橫截面積的第二通道(5)。至少有一條所述第二通道的橫截面積是一條所述第一通道橫截面積的至少四倍。
文檔編號B01D53/04GK1842369SQ200480024527
公開日2006年10月4日 申請日期2004年8月26日 優先權日2003年8月27日
發明者H·S·尼克納弗斯, R·L·米勒 申請人:圣戈本陶瓷及塑料股份有限公司