TWI351306B - Method of mass transfer of a material or heat - Google Patents

Description

1351306 玖、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明關於一種依據申請專利範圍第1項的前言之金 屬纖維製成之交叉通路塡料。 【先前技術】 具交叉通路構造的塡料爲人知已有數十年之久，參閱 例如瑞士專利CH-A-3 98 503號，該申請案已於1 962年提 出。交叉通路塡料通常由多個疊置在彼此上方的塡料元件 構成’各塡料元件則由多個平行層構成，這些層（依據所 述專利說明書是由波紋薄片組成）彼此接.觸，其與流動通 路一起形成交叉通路構造，流動通路相對於垂直線（塔軸 線）且彼此開放。材料及/或熱之交換之進行以塔塡料在 塡料表面的掉落液體膜與流經通路的氣體流之間的相界面 處發生。 在所述CH-A-3 98 5 03中’所示交叉通路之波紋薄片 設穿孔。另一種交叉通路塡料（其中的孔係安排成特殊方 式）揭示於德國專利DE-A-26 01 890號，在此公開案中 ’其穿孔目的爲當時習用技術已知者：||設孔的目的爲改 良塡料構件橫截面的氣體交換以及減少沿塔軸線的壓降" 。薄片可由例如金屬箔片、針織纖維或纖維製造，各由一 薄片形成且因而屬於同一層的流動通路由孔連接，使得補 償程序可相對於濃度和壓力發生。 接下來的多年發展考慮方向爲在減少壓降之外必須有 -5-

1351306 孔，在努力達成交叉通路塡料更加結果之時，吾人到達自 問以下問題之點：是否已經真正量度穿孔優點？因爲穿孔 造成材料損失；孔代表缺乏不能用於材料及/或熱之交換 的表面。 【發明內容】 本發明的目的在於提供一種交叉通路塡料，其可達成 ®的效果比習用者相比更佳，此目的係藉由申請專利範圍第 1項所界定者達成。 一種金屬纖維製成的交叉通路塡料，其係用於一種方 法，其中材料及/或熱之交換在一液體流和一氣體或蒸汽 流之間進行，此金屬纖維（1)由垂直層（1 1'，12')構成，垂 直層由形成流動通路（1 3 )的波紋或摺疊金屬纖維（1 1，1 2) 構成，氣體或蒸汽流在流動通路中流動，液體流在金屬纖 維上流動，相鄰層的流動通路呈開放式橫跨，跨接的通路 *之間的角度小於1 00度，在該方法中，纖維塡料係由相當 小的液體負載作用，金屬纖維形成大部分無孔或孔口的液 體流之載體，液體負載之値係依據關係式L/a < 10 1/mh 加以選擇’其中L爲塔橫截面每單位面積的體積單元之比 表面積負載，而a爲金屬纖維全長的比表面積。 若在依據本發明的纖維塡料中決定壓力損失而且若對 由穿孔金屬纖維製成的習知塡料進行相同測定，發現未預 期的效果。在比較例中，材料交換程序的重要參數設定成 相等’亦即塡料浸濕面容積相同。與傳統教導相反，依據 -6- 1351306 傳統教導，沿著塔軸的壓降應因爲穿孔而降低，但令人驚 訝的是無孔纖維塡料的壓降明顯較小，纖維塡料由程序中 的相當小的液體負載作用時皆適用，而且氣體流因而低到 對應程度》由於金屬纖維形成自濕式液體流載，因此亦可 真正達到小液體負載。 亦對孔比率不同的纖維塡料進行比較測定，在評估試 驗時亦將液壓直徑列入考慮，吾人認知到在具穿孔的纖維 中，孔會造成壓力損失，這個事實與學派相反，結果吾人 應在所述狀況下使纖維塡料大部分或完全無穿孔。 【實施方式】 依據圖1，具一軸線20的一塔2包含一塡料1和一 液體分配器（橫切管210，分配通路211)，多個塡料元 件10, 1(Γ，10"安排成疊置在彼此上方，塔在使用時，一 液體和一氣體或蒸汽流在相反方向流動。 在塔2特殊實施例中，可分別區隔出一下端區1〇2、 —中央區100、和一上端區102，在塡料元件10端部的端 區101和102之流動阻力因適當形狀相對於中央區而言較 低，此種有利實施例目於歐洲專利說明書ΕΡ 0 8 5 8 366。 各塡料元件10由多個平行層1Γ，12'構成，見圖2 ，具三角形橫截面14的平行通道14由分別摺疊成鋸齒狀 的金屬纖維11和12在層11\ 12'中形成，（金屬纖維Π 和12可爲波紋狀），通道相對於垂直線20'傾斜，垂直線 20'與塔軸線20平行，它們與它夾有一傾斜角φ。在相鄰 1351306 層Π，，12,之間的接觸平面15處，在平面15開放的層12, 之通道13橫跨相鄰層11，的對應通道，橫跨角度達2φ低 於100度。橫截面14形成狀爲等腰三角形，高度爲h( 等於層12,厚度）’腰爲s，底部爲b，或稱爲階梯，腰s 與底部b之間角度σ在很多場合達到45度，σ等於45度 的塡料比表面積a在理想狀況下給定爲2V2/h，使得摺疊 緣沒有倒圓，金屬纖維的兩側在此程序中皆列入計算。 比表面積a之界定係與是否有穿孔無關，反之，浸濕 面a1取決於金屬纖維是否穿孔，在上述比較實驗中，塡料 係與尺寸相同的浸濕面af比較。 以下尺寸係選擇用於較大部分有穿孔的第一纖維塡料 卩1:層高=6.5 111111;底部6=10.2 111111;比表面積3 = 507 m2/m3;浸濕面af = 450 m2/m3;傾斜角φ = 30度；穿孔： 1 1 %孔比率，亦即纖維表面爲開放之比例（孔徑：4 mm ) 〇 以下尺寸係選擇用於小部分穿孔的第二纖維塡料P2 :層高=7 mm;底部 b=10.2 mm;比表面積 a = 475 m2/m3 ;浸濕面a' = 4 5 0 m2 / m3 ;傾斜角φ = 3 0度；穿孔：5 %孔比 率，亦即纖維表面爲開放之比例（孔徑：4 mm )。 在直徑爲250 mm的塔中且在輸送壓力爲50 mbar之 下進行二塡料P 1和P2之測定，測定係對要分離氯苯和苯 乙烷的混合物進行。 圖3和4示出二塡料P1和P2(對數標度）的測定結 果，在圖3中，分離效率與因子F相關，F = vGVpG (其中 1351306 vG爲流率’ pG爲氣體G密度），分離效率係表示爲每公 尺的理論分離階段數n(NTSM)。二塡料P1和P2並無 發現明顯差異，然而’圖4中有差異，此顯示出塡料pj 和P2中每次測量的壓力損失。 比較的塡料P1和P2有相同的浸濕面a'，但比表面積 a不同’因而有不同的液壓直徑dh。在較大液壓直徑（ P2dh = 7.9 mm)下’壓降稍小於較小液壓直徑者（ Pldh = 7.4 mm)。令人驚訝的是塡料P2中的壓力損失降低 程度比因液壓直徑引起的預期程度。 至於壓力損失，在受調查的典型塡料狀況下，幾乎與 液壓直徑成反比，此可參閱已經証實的損失模型（參閱J. A. Rocha，J. L. Bravo, J. R_ Fair,"含構造化塡料的蒸餾 塔：其性能的總模型，1.液壓模型”，Ind. Eng. Chem. Res· 1 993，32，64 1 -65 1 ) ’結果是塡料P2應產生比塡料 P1低6.3 %的壓力損失，然而，測量到較大的降低（比較 圖4，亦即降低20% )❶ 若在相同浸濕面下降低孔數，可預期以下結果：a)壓 力損失降低約6-7%，因爲液壓直徑增加（可由符合實驗 的相互關係展示）；b)壓力損失增加量不能置入圖中，因 爲孔數較少而且塡料較不能透過；c)二量最好彼此抵消。 實際上進行以下實驗： •壓力損失降低約6 - 7 %，因爲液壓直徑增加。 •壓力損失可更降低約1 4%，其可僅因孔數變化而起 -9- 結果，纖維塡料中的孔有助於增加壓力降低，此事實 與學派相反。 在依據本發明的金屬纖維製成的交叉通路塡料中，金 屬纖維形成大部分無孔或其他孔口的液體流載體，本方法 需要者爲依據以下關係式爲液體負載選擇値： q* = L/a < 0.01 m3/mh = 10 1/mh 其中參數L爲塔橫截面每單位面積的體積單元之比表 面積負載；a爲金屬纖維全長的比表面積；q'爲每單位時 間的液體容量和纖維碼數（此碼數爲在塔橫截面測量的纖 維緣計算長度的兩倍）。 對纖維塡料而言，量q' = 10 ml/mh等於L = 4.5 m3/m2h (每平方公尺塔橫截面以及小時），因爲a = af = 450 m2/m3 (無穿孔），此最大負載對總回流和以下場合 爲典型者： •在輸送壓力爲50 mbar且因子F小於2.2VPa之下 測試順/反 dekalin (cis-/transdekalin)混合物。 •在輸送壓力爲10 mbar且因子F小於5VPa之下測 試順/反 dekalin (cis-/transdekalin)混合物。 •在輸送壓力爲50 mbar且因子F小於2.6VPa之下 測試順/反氯苯和苯乙烷混合物。 •在輸送壓力爲100 mbar且因子F小於1 .8VPa之下 測試順/反氯苯和苯乙烷混合物。 -10- 1351306 因此負載對於在100 mbar的真空下的交叉通路塡料 爲典型。 當多個塡料元件（10，1(Γ, 10")安排在彼此上方且當以 下適用時，依據本發明的交叉通路塡料特別適當：塡料元 件可分別區隔出下端區（102)、一央區（100)和一上端區 (102)，端區（1〇1, 1〇2)在塡料元件至少一端部的流動阻力 相對於中央區而言因適當形狀而降低。在此塡料中，在壓 降有額外的改良結果，端區（101，102)係特別設計使得流 動通路局部方向在各場合漸漸變化，使得流動通路有一 S 形路線。 【圖式簡單說明】 接著將參照圖式詳細說明本發明，其中： 圖1爲具塡料元件的一塔之上部； 圖2爲具交叉通路的塡料一部分； 圖3爲二纖維塡料分離效率比較圖；以及 圖4爲相同塡料壓力損失圖。 主要元件對照表 1 塡料 2 塔 10 塡料元件 1 0，塡料元件 10"塡料元件 -11 - 1351306 11 金屬纖維 1 ^平行層 12 金屬纖維 1 2'平行層 13 平行通路 14 三角橫截面 15 平面 参20軸 2 (V 垂直線 100 中央區 1 0 1 栖區 1 02端區 2 1 0橫切管 21 1分配通路 b 底部 暑h高度 s 腰 φ 傾斜角 σ 角度 -12-

Claims (1)

1351306 拾、申請專利範圍 1. 一種材料或熱的質量傳遞方法，包含的步驟爲： 提供一交叉通路塡料，其具有多層以平行方式垂直地 設置之金屬纖維的波紋層，其上有下降的液流體流動’每 一金屬纖維的波紋層具有無孔的表面其以與相鄰的層相互 交叉（criss-crossing)且角度小於100度的方式界定流動通 路以供蒸汽流動於其間：及 用一液體負載値來充塡該塡料，該液體負載値係依據 下列關係式加以選擇： L/a < 10 1/mh 其中L爲塔橫截面每單位面積的體積單元之比表面積 負載；而 a爲金屬纖維全長的比表面積（specific surface area) ο 2·依據申請專利範圍第1項之材料或熱的質量傳遞 方法’其中液體流和蒸汽流流動方向相反。 3.依據申請專利範圍第1項之材料或熱的質量傳遞 方法，其中： L/a 小於 1 1/mh® 4·依據申請專利範圍第1項之材料或熱的質量傳遞 方法，其中： L/a 小於 0.2 1/mh。 5.依據申請專利範圍第1至4項任一項項之材料或 熱的質量傳遞方法，其中塡料量比表面積a係介於300和 -13- 1351306 8 00 m2/m3 之間。 6·依據申請專利範圍第1項之材料或熱的質量傳遞 方法，其中塡料量比表面積a係介於300和500 m2/m3 之間》 7·依據申請專利範圍第1項之材料或熱的質量傳遞 方法，其進一步包含的步驟爲： 將多個塡料元件以一個疊在另一個上方的方式垂直地 隹堆疊以界定一下端區、一中央區和一上端區，其中該等塡 料元件的形狀被作成可在該等塡料元件的至少一端的端區 內施加一比中央區的流動阻力小的流動阻力。 8. 依據申請專利範圍第7項之材料或熱的質量傳遞 方法’其中各端區形狀設計成有利於其內的流動通路的局 部方向逐漸地改變。 9. 依據申請專利範圍第1項之材料或熱的質量傳遞 方法，其中L等於4.5m3/m2h及其中m2爲平方公尺塔橫 ®截面及h爲一小時及a等於450m2/m3。 10·依據申請專利範圍第9項之材料或熱的質量傳遞 方法’其中該方法是在lOOmbar的真空下被實施。 -14-