專利名稱：用于流體交換柱的填充結構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明大體上涉及流體交換設備領域。這種眾所周知的設備一般包 括在其中實現(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
換為進行向下流動的液相與向上流動的氣相之間的(物質、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、化學反應等操作。
背景技術：
為促進流體之間的交換，已知可以向交換柱內引入填充元件，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，對交換柱內的交換面積可以增大的程度存在限制流量。通 過增大交換柱內的交換面積，由于促進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 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計，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構實現(xiàn)，該填充結構包括通
過多排由管構成的管束形成的容體(volume)或組件，每個管束包括四 個管，該四個管分別沿著四個與該結構的軸線形成一角度的方向取向， 所述多個管形成多個通向該結構的外表面的通道。
由此，本發(fā)明的填充結構在保持流量的同時提供了大的交換面積。 流過該結構的流體之間的交換既在該管的內部、又在該管的外部進行， 其中所述管本身構成多個促進流體流過交換柱的流動通道。
該結構的容體(或容腔)可以進一步包括多個位于管之間的孔，以 便為流過該結構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催化劑。
本發(fā)明還提供一種用于流體交換柱的填充結構的制造方法，該方法 的特征在于，其包括
a) 形成管；
b) 以多排由管構成的管束構造所述管的有序組件，每個管束包括四 個分別沿四個方向取向的管；
c) 將所述管通過其接觸部分接合在一起；以及
d) 對該有序組件進行機加工，以形成與其將要插入的流體交換柱的 形狀和內部尺寸相匹配的填充結構。
在本發(fā)明的一個方面，在步驟a)中，所述管由碳或陶瓷復合材料制 成。在這種情況下，該方法可以進一步包括通過熱處理使管碳化的步驟 并繼之以碳的化學氣相沉積(CVD)的步驟。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，所述管由碳復合材料制成，該方法進一步 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)明的特定實施例的說
明中，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將變得顯而易見，其中
圖l是在根據(jù)本發(fā)明的填充結構的制造方法的實施過程中各順序步 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)明的填充結構的一實施例的透視圖5A和5B是本發(fā)明的填充結構的一實施例的照片；
圖6是在流體交換柱中結合有圖3的填充結構的一例子； 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。
具體實施例方式
該說明從參照圖l-4描述的根據(jù)本發(fā)明的一實施例的填充結構的制造
方法開始。
該結構由空心管組件構成。因此，第一步驟(步驟S1)是形成空心 管。該管可以由復合材料例如碳或陶瓷(SiC)、或實際上由金屬、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，以使該結構的空 洞部分最優(yōu)化。
對于由復合材料(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固結、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/碳復合材料制成。
然后，利用前述步驟中形成的管構造有序組件。沿四個不同方向布 置管(步驟S2)。圖2A示出了由四個管10a-10d構成的管束，其中每個管 沿四個組裝方向D10a-D10d之一延伸。除了這些管在立方體的中心的對角 線相交點處并不相交、而是在該點附近彼此交叉(或交迭)以外，這些 管在組裝時所沿的四個方向D10a-D10d在該例子中分別與立方體的四個 對角線(或正四面體的四個高/邊)相對應。
有序組件的構造例如可以從重復圖2A的排列開始，即沿構造軸線XX' 放置一個由管10a-10d構成的新管束，該新管束以前一管束在其四個管的 交叉點處的相同順序組織，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的交叉結構，其中各片在沿管束中的管的四個組 裝方向之一取向的平面中延伸。每個片內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中達到期望的管束數(shù)，便沿著與XX'軸線平行的軸疊置 多個系列成排管束，以填充排100a周圍的空容腔。圖2C示出了在一個平 行于構造軸線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 在所述容腔內獲得由沿四個相應方向延伸的管構成的三維結構。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詳細描述了一種利用沿四個方向布置的線性 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 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路徑。 管之間的接合例如可以利用樹脂完成，同時注意監(jiān)視沉積的樹脂量，以 避免阻塞管之間的孔。
之后，對組件進行(機)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構(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， 有序組件被機加工，以獲得同樣為圓柱形的填充結構，以便占據(jù)最大的 交換柱內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 填充結構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、銑床等進行 機加工，以形成該填充結構。
而且，可選地，當管由復合材料例如碳或陶瓷(SiC)制成時，可以 施加熱處理，以使管的塊段碳化，且可以可選地接著進行或繼之以碳的 化學氣相沉積(CVD)，以增強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，獲得一填充結構l，其包括管10的壓實 塊段，所有管10均沿著相對于該結構的軸線AA'的四個方向D10a-D10d之 一傾斜，其中軸線AA'與要放入該結構的交換柱的軸線相對應，由此使得 可以確保每個管呈預定的斜度，以允許液相向下流過該結構。
圖5A和5B分別是通過使用由固結的編織物制造的管10制成的填充
結構的一實施例的側視圖和平面圖。特別是，圖5B示出了可供各相流過 本發(fā)明的填充結構的多個流動路徑。
圖6示出了整合在流體交換柱中的填充結構1的一例子，其中所述流
體交換柱用于執(zhí)行向下流動的液相與向上流動的氣相之間的混合。結構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，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。用于保持填充結構的元件可以由與該結構相同的材料制成，或可 以利用一些其它材料制成。
由于填充結構l的形狀，向下流動的液相和向上流動的氣相之間可以 在大面積(交換面積)上實現(xiàn)密切接觸。液相在重力下沿在管10的內部 和/或外部形成的多個通道流過填充結構。在向下移動時，液相與沿多個 通道上升穿過該結構的氣相相遇，從而使得在該結構中的多個位置和由 此在大的交換面積上發(fā)生兩相之間的交換。
本發(fā)明的填充結構由此為流體提供大的交換面積，且沒有大的壓頭 損失。填充結構具有相對較低的材料密度和可為流體提供多個通道的管 排列。無論在結構內的任何位置，液相和氣相均可以沿著管或在管之間 很容易地流動，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。
填充結構中可利用的交換面積、即結構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應于管的內表面，還對應于其外表面上 未與其它管接觸的部分，液相和氣相在管內與管外均能夠同樣好地流動。
該結構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對管壁進 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)將在結構中獲得的交換面積和流量確定。
對如圖5A和5B所示的填充結構(利用直徑為10毫米(mm)的固結 碳編織物管制成的結構)進行了測試。這些測試表明，本發(fā)明的填充結 構顯示出與現(xiàn)有技術的填充結構相同或比之更好的性能。該測試表明， 本發(fā)明的填充結構的空洞部分約為94% (現(xiàn)有結構的空洞部分為 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)有結構中為150-350mVm3)，且在40-100立方米每小時(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)有結構中 為0.3-7mbar)。
本發(fā)明的填充結構的幾何結構使得可以控制交換柱內流體的物理參 數(shù)(交換面積、流速、邊界層等等)。填充結構可以為與流經(jīng)它的流體 的性質相匹配而提供適當?shù)慕佑|特性(例如潤濕角、表面能、吸附等等)。
例如，該結構中的管可以具有由碳構成的接觸表面，其可以是由于 形成管的材料的自身性質而導致，或者也可以通過施加表面處理例如沉 積熱解碳而導致。在這種情況下，管的接觸表面以及由此填充結構的交 換表面是疏水性并可被烴(碳氫化合物)很好潤濕的表面。因此，在涉 及有機流體時，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， 可以通過本領域技術人員己知的熱化學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 是通過接枝官能團改變表面能，也稱作使表面官能化。這種氧化應當從
電子轉移的方面考慮，并可以通過以下方式實施
隨著溫度升高到40(TC以上，或通過施加等離子體，在空氣中進行 的受控氧化；
，使用氧化溶液例如漂白劑、硝酸、富氧水等進行的化學氧化；或 使用填充結構作為電解容器中的電極(陽極或陰極)進行的電化 學氧化。
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如氫氧化物(羥基)、羧基或醌官能團。還可以 獲得其它類型的官能團，例如在存在包含氮官能團的氧化相時獲得胺。
這些官能團的存在改變了特別是相對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構的交換表面積還要充當后續(xù)化學反應 所需催化劑的載體時也具有有利之處。催化劑(或催化劑前體)的添加 通過將該結構利用可使催化劑放出和散布在該結構上的溶液浸漬來進 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傾向于團集在一起并形成不聚結的大的單獨液滴22，從而 使得在干燥之后催化劑21以大簇23的斑點的形式分布，導致會影響隨后 的化學反應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非常好地分布在結構 的表面上，并由此可以借助于催化劑獲得對隨后化學反應的更好控制。
權利要求
1.一種用于流體交換柱的填充結構(1)，所述結構為將與至少一個向上流動的氣相發(fā)生密切接觸的至少一個向下流動的液相限定出交換表面，該結構的特征在于，其包括通過多排由管(10)構成的管束形成的容體，每個管束包括四個管(10a-10d)，該四個管(10a-10d)分別沿著四個與該結構的軸線形成一角度的方向(D10a-D10d)取向，所述多個管形成多個通向該結構(1)的外表面的通道。
2. 根據(jù)權利要求l所述的結構，其特征在于， 一個管束的四個管 (10a-10d)沿著立方體的四個對角線取向。
3. 根據(jù)權利要求1或2所述的結構，其特征在于，所述管(10)通過 其接觸部分彼此相連。
4. 根據(jù)權利要求l-3中任意一項所述的結構，其特征在于，所述容體 包括多個位于所述管(10)之間的孔，從而為流過該結構的液相和氣相 限定出附加通道。
5. 根據(jù)權利要求l-4中任意一項所述的結構，其特征在于，該結構呈 圓柱形，每個管(10)相對于該圓柱形結構的軸線(AA')傾斜。
6. 根據(jù)權利要求l-5中任意一項所述的結構，其特征在于，所述管(10) 由復合材料、金屬、熱塑性材料或熱固性材料制成。
7. 根據(jù)權利要求l-6中任意一項所述的結構，其特征在于，所述管(10) 由碳-碳或陶瓷復合材料制成。
8. 根據(jù)權利要求7所述的結構，其特征在于，所述管(10)具有在 所述管的內部和外部之間提供通道的大孔。
9. 根據(jù)權利要求7或8所述的結構，其特征在于，所述管(10)由碳 復合材料制成且在其表面(16)上包含化學催化劑(21)。
10. —種用于流體交換柱的填充結構(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)構成的管束構造所述管的有序組件，每個 管束包括四個分別沿四個方向(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) 對該有序組件進行機加工，以形成與其將要插入的流體交換柱的 形狀和內部尺寸相匹配的填充結構。
11. 根據(jù)權利要求10所述的方法，其特征在于，在步驟a)中，所述 管(10)由復合材料、金屬、熱塑性材料或熱固性材料制成。
12. 根據(jù)權利要求ll所述的方法，其特征在于，在步驟a)中，所述 管(10)由碳或陶瓷復合材料制成。
13. 根據(jù)權利要求12所述的方法，其特征在于，進一步包括通過熱 處理使所述管(10)碳化的步驟并繼之以碳的化學氣相沉積(CVD)的 步驟。
14. 根據(jù)權利要求10-13中任意一項所述的方法，其特征在于，在步 驟b)中，每個管束的四個管(10a-10d)沿立方體的四個對角線取向。
15. 根據(jù)權利要求10所述的方法，其特征在于，在步驟a)中，所述 管(10)由碳復合材料制成，并且該方法進一步包括氧化所述管以使其 表面(16)親水的步驟。
16. 根據(jù)權利要求15所述的方法，其特征在于，進一步包括利用含 有化學催化劑(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構(1)，所述結構為將與至少一個向上流動的氣相發(fā)生密切接觸的至少一個向下流動的液相限定出交換表面，該結構的特征在于，其包括通過多排由管(10)構成的管束形成的容體，每個管束包括四個管(10a-10d)，該四個管(10a-10d)分別沿著四個與該結構的軸線形成一角度的方向(D10a-D10d)取向，所述多個管形成多個通向該結構(1)的外表面的通道。
文檔編號B01J19/32GK101190406SQ20061016352
公開日2008年6月4日 申請日期2006年11月29日 優(yōu)先權日2006年11月29日
發(fā)明者讓-皮埃爾·莫米, 雷米·貝塞特 申請人:Snecma固體燃料推進器公司