專利名稱：用于流體交換柱的填充結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體上涉及流體交換設(shè)備領(lǐng)域。這種眾所周知的設(shè)備一般包 括在其中實(shí)現(xiàn)至少兩種流體的交換的圓柱形外殼或交換柱。通常所述交
換為進(jìn)行向下流動(dòng)的液相與向上流動(dòng)的氣相之間的(物質(zhì)、熱量等等) 交換。交換柱被用于特別是執(zhí)行例如蒸餾(蒸餾柱)、冷凝、精餾、吸 附、脫附、分離、萃取、沉淀、化學(xué)反應(yīng)等操作。
背景技術(shù)：
為促進(jìn)流體之間的交換，已知可以向交換柱內(nèi)引入填充元件，以增 大流體之間的接觸面積。這種元件例如可以由板、環(huán)(如拉希格環(huán))、 螺旋形件等構(gòu)成。
已知還可以利用堆疊的格柵或架子、纖維填料等等。 然而，對(duì)交換柱內(nèi)的交換面積可以增大的程度存在限制流量。通 過增大交換柱內(nèi)的交換面積，由于促進(jìn)了流體之間的密切接觸而提高了 處理效率。然而，如果交換面積的這種增大的獲得有損于通過交換柱的 流量，例如使用過于致密的填充物，則處理效率將通過減小了流體流動(dòng) 的速率(被更新)而降低，由此部分抵消了由增大交換面積所獲得的效 果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明試圖提出一種用于流體交換柱的填充物的新設(shè)計(jì)，它能夠在
不降低沿交換柱的流量的情況下使流體之間的交換面積最優(yōu)化。
根據(jù)本發(fā)明，該目的通過這樣的填充結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，該填充結(jié)構(gòu)包括通
過多排由管構(gòu)成的管束形成的容體(volume)或組件，每個(gè)管束包括四 個(gè)管，該四個(gè)管分別沿著四個(gè)與該結(jié)構(gòu)的軸線形成一角度的方向取向， 所述多個(gè)管形成多個(gè)通向該結(jié)構(gòu)的外表面的通道。
由此，本發(fā)明的填充結(jié)構(gòu)在保持流量的同時(shí)提供了大的交換面積。 流過該結(jié)構(gòu)的流體之間的交換既在該管的內(nèi)部、又在該管的外部進(jìn)行， 其中所述管本身構(gòu)成多個(gè)促進(jìn)流體流過交換柱的流動(dòng)通道。
該結(jié)構(gòu)的容體(或容腔)可以進(jìn)一步包括多個(gè)位于管之間的孔，以 便為流過該結(jié)構(gòu)的液相和氣相限定出附加通道。
所述管可以由碳-碳或陶瓷復(fù)合材料、金屬、熱塑性材料或熱固性材 料制成。
還可以通過使管具有在管的內(nèi)部和外部之間提供通道的大孔 (macropore)或開口來增大交換面積。 管的表面還可以載有化學(xué)催化劑。
本發(fā)明還提供一種用于流體交換柱的填充結(jié)構(gòu)的制造方法，該方法 的特征在于，其包括
a) 形成管；
b) 以多排由管構(gòu)成的管束構(gòu)造所述管的有序組件，每個(gè)管束包括四 個(gè)分別沿四個(gè)方向取向的管；
c) 將所述管通過其接觸部分接合在一起；以及
d) 對(duì)該有序組件進(jìn)行機(jī)加工，以形成與其將要插入的流體交換柱的 形狀和內(nèi)部尺寸相匹配的填充結(jié)構(gòu)。
在本發(fā)明的一個(gè)方面，在步驟a)中，所述管由碳或陶瓷復(fù)合材料制 成。在這種情況下，該方法可以進(jìn)一步包括通過熱處理使管碳化的步驟 并繼之以碳的化學(xué)氣相沉積(CVD)的步驟。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，所述管由碳復(fù)合材料制成，該方法進(jìn)一步 包括使管氧化從而使其表面親水(即變成親水表面)的步驟。在該步驟 的末尾，可通過利用含有催化劑的溶液浸漬管和通過蒸發(fā)干燥該溶液以 僅將催化劑留在管的表面上而使管的表面覆蓋有催化劑。


從以下參照附圖作為非限制性例子給出的本發(fā)明的特定實(shí)施例的說
明中，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見，其中
圖l是在根據(jù)本發(fā)明的填充結(jié)構(gòu)的制造方法的實(shí)施過程中各順序步 驟的流程圖2A-2D是示出根據(jù)本發(fā)明的有序管組件的構(gòu)造的透視圖； 圖3A-3B是根據(jù)本發(fā)明制造的有序管組件的照片；
圖4是根據(jù)本發(fā)明的填充結(jié)構(gòu)的一實(shí)施例的透視圖5A和5B是本發(fā)明的填充結(jié)構(gòu)的一實(shí)施例的照片；
圖6是在流體交換柱中結(jié)合有圖3的填充結(jié)構(gòu)的一例子； 圖7是示出正被沉積在疏水表面上的催化劑溶液的高度圖解視圖；以
及
圖8是示出正被沉積在親水表面上的催化劑溶液的高度圖解視圖。
具體實(shí)施例方式
該說明從參照?qǐng)Dl-4描述的根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的填充結(jié)構(gòu)的制造
方法開始。
該結(jié)構(gòu)由空心管組件構(gòu)成。因此，第一步驟(步驟S1)是形成空心 管。該管可以由復(fù)合材料例如碳或陶瓷(SiC)、或?qū)嶋H上由金屬、熱塑
性或熱固性材料制成。該管優(yōu)選具有盡可能薄的壁厚，以使該結(jié)構(gòu)的空 洞部分最優(yōu)化。
對(duì)于由復(fù)合材料(例如碳管或SiC管)制成的管，該管可以例如由編
織物、細(xì)絲繞組、繞帶形成，或者由可選地通過拉擠成型制造并在支撐
桿上保持外形和通過液體技術(shù)固結(jié)、即通過可以被燒焦(cokefied)和滲 透的樹脂例如酚醛樹脂浸漬編織物并通過熱處理使樹脂交聯(lián)的管形成。
該管優(yōu)選地由以其抗酸和抗腐蝕能力著稱的碳/碳復(fù)合材料制成。
然后，利用前述步驟中形成的管構(gòu)造有序組件。沿四個(gè)不同方向布 置管(步驟S2)。圖2A示出了由四個(gè)管10a-10d構(gòu)成的管束，其中每個(gè)管 沿四個(gè)組裝方向D10a-D10d之一延伸。除了這些管在立方體的中心的對(duì)角 線相交點(diǎn)處并不相交、而是在該點(diǎn)附近彼此交叉(或交迭)以外，這些 管在組裝時(shí)所沿的四個(gè)方向D10a-D10d在該例子中分別與立方體的四個(gè) 對(duì)角線(或正四面體的四個(gè)高/邊)相對(duì)應(yīng)。
有序組件的構(gòu)造例如可以從重復(fù)圖2A的排列開始，即沿構(gòu)造軸線XX' 放置一個(gè)由管10a-10d構(gòu)成的新管束，該新管束以前一管束在其四個(gè)管的 交叉點(diǎn)處的相同順序組織，等等。如圖2B所示，這樣便產(chǎn)生出由沿軸線 XX'排列的第一排100a的通過管10a-10d構(gòu)成的管束形成的有序組件的開 端。這形成四片管11-14的交叉結(jié)構(gòu)，其中各片在沿管束中的管的四個(gè)組 裝方向之一取向的平面中延伸。每個(gè)片內(nèi)的管彼此之間以允許其它片中 的管通過(交叉穿過)的距離隔開。
一旦在排100a中達(dá)到期望的管束數(shù)，便沿著與XX'軸線平行的軸疊置 多個(gè)系列成排管束，以填充排100a周圍的空容腔。圖2C示出了在一個(gè)平 行于構(gòu)造軸線XX'的新軸線XbX'b上的另一排100b的管束的布置情況。排 100a的任一側(cè)的空容腔隨后均被填滿，通常直到排100a的管的末端，以 在所述容腔內(nèi)獲得由沿四個(gè)相應(yīng)方向延伸的管構(gòu)成的三維結(jié)構(gòu)。圖3A和
3B示出了通過工具支撐的這種由管10制成的組件。
由此制造出如圖2D所示的基本上呈長方體形式的有序組件。所形成 的有序組件具有多個(gè)通向(或開口到)組件的所有面的管io。
美國專利No. 4 168 337詳細(xì)描述了一種利用沿四個(gè)方向布置的線性 元件制造有序組件的方法。
之后，將管接合/粘接在一起(步驟S3)。接合僅在管接觸的地方進(jìn) 行，以保留管之間的孔或通道，從而為管外的流體提供附加的流動(dòng)路徑。 管之間的接合例如可以利用樹脂完成，同時(shí)注意監(jiān)視沉積的樹脂量，以 避免阻塞管之間的孔。
之后，對(duì)組件進(jìn)行(機(jī))加工，以形成與將要放置它的流體交換柱 的尺寸和形狀相匹配的填充結(jié)構(gòu)(步驟S4)。
流體交換柱、例如蒸餾柱通常包括圓柱形的外殼。在這種情形下， 有序組件被機(jī)加工，以獲得同樣為圓柱形的填充結(jié)構(gòu)，以便占據(jù)最大的 交換柱內(nèi)空間并由此提供盡可能多的交換表面(圖4)。然而，本發(fā)明的 填充結(jié)構(gòu)也可以具有一些其它形狀。
該組件可以通過使用加壓噴水切割或使用超聲、激光、銑床等進(jìn)行 機(jī)加工，以形成該填充結(jié)構(gòu)。
而且，可選地，當(dāng)管由復(fù)合材料例如碳或陶瓷(SiC)制成時(shí)，可以 施加熱處理，以使管的塊段碳化，且可以可選地接著進(jìn)行或繼之以碳的 化學(xué)氣相沉積(CVD)，以增強(qiáng)管之間的接合并改善其抗腐蝕能力。
根據(jù)上述方法和如圖4所示，獲得一填充結(jié)構(gòu)l，其包括管10的壓實(shí) 塊段，所有管10均沿著相對(duì)于該結(jié)構(gòu)的軸線AA'的四個(gè)方向D10a-D10d之 一傾斜，其中軸線AA'與要放入該結(jié)構(gòu)的交換柱的軸線相對(duì)應(yīng)，由此使得 可以確保每個(gè)管呈預(yù)定的斜度，以允許液相向下流過該結(jié)構(gòu)。
圖5A和5B分別是通過使用由固結(jié)的編織物制造的管10制成的填充
結(jié)構(gòu)的一實(shí)施例的側(cè)視圖和平面圖。特別是，圖5B示出了可供各相流過 本發(fā)明的填充結(jié)構(gòu)的多個(gè)流動(dòng)路徑。
圖6示出了整合在流體交換柱中的填充結(jié)構(gòu)1的一例子，其中所述流
體交換柱用于執(zhí)行向下流動(dòng)的液相與向上流動(dòng)的氣相之間的混合。結(jié)構(gòu)l 可由支承板3、 4和套圈5保持在流體交換柱的圓柱形外殼2內(nèi)，其中所述 套圈5在該例子中呈波紋狀，但它同樣好地可以是平滑的，且可選地包含 孔眼。用于保持填充結(jié)構(gòu)的元件可以由與該結(jié)構(gòu)相同的材料制成，或可 以利用一些其它材料制成。
由于填充結(jié)構(gòu)l的形狀，向下流動(dòng)的液相和向上流動(dòng)的氣相之間可以 在大面積(交換面積)上實(shí)現(xiàn)密切接觸。液相在重力下沿在管10的內(nèi)部 和/或外部形成的多個(gè)通道流過填充結(jié)構(gòu)。在向下移動(dòng)時(shí)，液相與沿多個(gè) 通道上升穿過該結(jié)構(gòu)的氣相相遇，從而使得在該結(jié)構(gòu)中的多個(gè)位置和由 此在大的交換面積上發(fā)生兩相之間的交換。
本發(fā)明的填充結(jié)構(gòu)由此為流體提供大的交換面積，且沒有大的壓頭 損失。填充結(jié)構(gòu)具有相對(duì)較低的材料密度和可為流體提供多個(gè)通道的管 排列。無論在結(jié)構(gòu)內(nèi)的任何位置，液相和氣相均可以沿著管或在管之間 很容易地流動(dòng)，由此避免在交換柱的底部與頂部之間產(chǎn)生顯著的壓頭損 失。
填充結(jié)構(gòu)中可利用的交換面積、即結(jié)構(gòu)中在氣相存在的情況下被液 相浸濕的面積在該例子中不僅對(duì)應(yīng)于管的內(nèi)表面，還對(duì)應(yīng)于其外表面上 未與其它管接觸的部分，液相和氣相在管內(nèi)與管外均能夠同樣好地流動(dòng)。
該結(jié)構(gòu)的交換面積可以通過提供適于允許液相流過并與氣相發(fā)生接 觸的穿過管壁的大孔或開口來進(jìn)一步增大。例如，大孔或開口可以通過 利用鉆具、激光束、水注或任何與制造管的材料相適宜的技術(shù)對(duì)管壁進(jìn) 行打孔而形成。通過另一例子，在管如上所述由編織物制成時(shí)同樣可以
獲得所述大孔或開口。在這種情形下，使用直徑大于編織物的截面的支 撐管來增大編織角，以在編織物被固結(jié)之后形成穿過編織物的大孔。大 孔或開口優(yōu)選地沿管壁均勻分布。大孔或開口的形狀和尺寸可以不同， 并主要根據(jù)將在結(jié)構(gòu)中獲得的交換面積和流量確定。
對(duì)如圖5A和5B所示的填充結(jié)構(gòu)(利用直徑為10毫米(mm)的固結(jié) 碳編織物管制成的結(jié)構(gòu))進(jìn)行了測試。這些測試表明，本發(fā)明的填充結(jié) 構(gòu)顯示出與現(xiàn)有技術(shù)的填充結(jié)構(gòu)相同或比之更好的性能。該測試表明， 本發(fā)明的填充結(jié)構(gòu)的空洞部分約為94% (現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的空洞部分為 92%-97%)，潤濕(即交換)面積為約600平方米每立方米(m2/m3)(相 比之下現(xiàn)有結(jié)構(gòu)中為150-350mVm3)，且在40-100立方米每小時(shí)(mVh) 的空氣流量下的干壓頭損失為0.6-7毫巴(mbar)(相比之下現(xiàn)有結(jié)構(gòu)中 為0.3-7mbar)。
本發(fā)明的填充結(jié)構(gòu)的幾何結(jié)構(gòu)使得可以控制交換柱內(nèi)流體的物理參 數(shù)(交換面積、流速、邊界層等等)。填充結(jié)構(gòu)可以為與流經(jīng)它的流體 的性質(zhì)相匹配而提供適當(dāng)?shù)慕佑|特性(例如潤濕角、表面能、吸附等等)。
例如，該結(jié)構(gòu)中的管可以具有由碳構(gòu)成的接觸表面，其可以是由于 形成管的材料的自身性質(zhì)而導(dǎo)致，或者也可以通過施加表面處理例如沉 積熱解碳而導(dǎo)致。在這種情況下，管的接觸表面以及由此填充結(jié)構(gòu)的交 換表面是疏水性并可被烴(碳?xì)浠衔?很好潤濕的表面。因此，在涉 及有機(jī)流體時(shí)，這種表面可以無變化地使用。
相反，在存在水相的情況下，這種疏水交換表面并不適宜。不過， 可以通過本領(lǐng)域技術(shù)人員己知的熱化學(xué)處理將疏水碳表面變成親水性 的。這些處理特別是包括氧化處理，其改變表面的粗糙度并且最重要的 是通過接枝官能團(tuán)改變表面能，也稱作使表面官能化。這種氧化應(yīng)當(dāng)從
電子轉(zhuǎn)移的方面考慮，并可以通過以下方式實(shí)施
隨著溫度升高到40(TC以上，或通過施加等離子體，在空氣中進(jìn)行 的受控氧化；
，使用氧化溶液例如漂白劑、硝酸、富氧水等進(jìn)行的化學(xué)氧化；或 使用填充結(jié)構(gòu)作為電解容器中的電極(陽極或陰極)進(jìn)行的電化 學(xué)氧化。
在這種氧化處理之后和在含氧的氧化相存在的情況下，碳接觸表面 具有接枝的極性官能團(tuán)如氫氧化物(羥基)、羧基或醌官能團(tuán)。還可以 獲得其它類型的官能團(tuán)，例如在存在包含氮官能團(tuán)的氧化相時(shí)獲得胺。
這些官能團(tuán)的存在改變了特別是相對(duì)于極性溶劑如水而言的表面的 潤濕性。
表面的這種官能化在填充結(jié)構(gòu)的交換表面積還要充當(dāng)后續(xù)化學(xué)反應(yīng) 所需催化劑的載體時(shí)也具有有利之處。催化劑(或催化劑前體)的添加 通過將該結(jié)構(gòu)利用可使催化劑放出和散布在該結(jié)構(gòu)上的溶液浸漬來進(jìn) 行。然后通過蒸發(fā)干燥所述溶液，以在該表面上只留下催化劑。
通過如圖7所示的疏水表面15,由于該表面具有大潤濕角，含有催化 劑21的溶液20傾向于團(tuán)集在一起并形成不聚結(jié)的大的單獨(dú)液滴22，從而 使得在干燥之后催化劑21以大簇23的斑點(diǎn)的形式分布，導(dǎo)致會(huì)影響隨后 的化學(xué)反應(yīng)效率的催化劑的不均勻分布。
圖8適用于己經(jīng)官能化的填充物，因此其接觸表面16是親水性的并呈 現(xiàn)出小潤濕角。在這種情況下，可以看出，含有催化劑21的溶液20散布 開并以均勻薄膜24的形式干燥，從而確保催化劑21非常好地分布在結(jié)構(gòu) 的表面上，并由此可以借助于催化劑獲得對(duì)隨后化學(xué)反應(yīng)的更好控制。
權(quán)利要求
1.一種用于流體交換柱的填充結(jié)構(gòu)(1)，所述結(jié)構(gòu)為將與至少一個(gè)向上流動(dòng)的氣相發(fā)生密切接觸的至少一個(gè)向下流動(dòng)的液相限定出交換表面，該結(jié)構(gòu)的特征在于，其包括通過多排由管(10)構(gòu)成的管束形成的容體，每個(gè)管束包括四個(gè)管(10a-10d)，該四個(gè)管(10a-10d)分別沿著四個(gè)與該結(jié)構(gòu)的軸線形成一角度的方向(D10a-D10d)取向，所述多個(gè)管形成多個(gè)通向該結(jié)構(gòu)(1)的外表面的通道。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于， 一個(gè)管束的四個(gè)管 (10a-10d)沿著立方體的四個(gè)對(duì)角線取向。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述管(10)通過 其接觸部分彼此相連。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l-3中任意一項(xiàng)所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述容體 包括多個(gè)位于所述管(10)之間的孔，從而為流過該結(jié)構(gòu)的液相和氣相 限定出附加通道。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l-4中任意一項(xiàng)所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，該結(jié)構(gòu)呈 圓柱形，每個(gè)管(10)相對(duì)于該圓柱形結(jié)構(gòu)的軸線(AA')傾斜。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l-5中任意一項(xiàng)所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述管(10) 由復(fù)合材料、金屬、熱塑性材料或熱固性材料制成。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l-6中任意一項(xiàng)所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述管(10) 由碳-碳或陶瓷復(fù)合材料制成。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述管(10)具有在 所述管的內(nèi)部和外部之間提供通道的大孔。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述管(10)由碳 復(fù)合材料制成且在其表面(16)上包含化學(xué)催化劑(21)。
10. —種用于流體交換柱的填充結(jié)構(gòu)(1)的制造方法，該方法的特征在于，其包括a) 形成管(10);b) 以多排由管(10a-10d)構(gòu)成的管束構(gòu)造所述管的有序組件，每個(gè) 管束包括四個(gè)分別沿四個(gè)方向(D10a-D10d)取向的管；c) 將所述管(10)通過其接觸部分接合在一起；以及d) 對(duì)該有序組件進(jìn)行機(jī)加工，以形成與其將要插入的流體交換柱的 形狀和內(nèi)部尺寸相匹配的填充結(jié)構(gòu)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，在步驟a)中，所述 管(10)由復(fù)合材料、金屬、熱塑性材料或熱固性材料制成。
12. 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的方法，其特征在于，在步驟a)中，所述 管(10)由碳或陶瓷復(fù)合材料制成。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，進(jìn)一步包括通過熱 處理使所述管(10)碳化的步驟并繼之以碳的化學(xué)氣相沉積(CVD)的 步驟。
14. 根據(jù)權(quán)利要求10-13中任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在步 驟b)中，每個(gè)管束的四個(gè)管(10a-10d)沿立方體的四個(gè)對(duì)角線取向。
15. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，在步驟a)中，所述 管(10)由碳復(fù)合材料制成，并且該方法進(jìn)一步包括氧化所述管以使其 表面(16)親水的步驟。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，進(jìn)一步包括利用含 有化學(xué)催化劑(21)的溶液(20)浸漬所述管的步驟以及干燥所述溶液 的步驟。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于流體交換柱的填充結(jié)構(gòu)(1)，所述結(jié)構(gòu)為將與至少一個(gè)向上流動(dòng)的氣相發(fā)生密切接觸的至少一個(gè)向下流動(dòng)的液相限定出交換表面，該結(jié)構(gòu)的特征在于，其包括通過多排由管(10)構(gòu)成的管束形成的容體，每個(gè)管束包括四個(gè)管(10a-10d)，該四個(gè)管(10a-10d)分別沿著四個(gè)與該結(jié)構(gòu)的軸線形成一角度的方向(D10a-D10d)取向，所述多個(gè)管形成多個(gè)通向該結(jié)構(gòu)(1)的外表面的通道。
文檔編號(hào)B01J19/32GK101190406SQ20061016352
公開日2008年6月4日 申請(qǐng)日期2006年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月29日
發(fā)明者讓-皮埃爾·莫米, 雷米·貝塞特 申請(qǐng)人:Snecma固體燃料推進(jìn)器公司