用于对流体进行净化的方法和设备 技术领域 本发明涉及一种用于对流体进行净化的方法， 该方法优选在用于对流体进行净化 的设备比如吸收塔或者解吸塔中实施。所述设备包括结构化的填充单元， 该填充单元的压 力损失得到了降低。所述填充单元尤其适合于具有似水的体系比如从烟气中进行 CO2 吸收 的体系的吸收应用方案。
背景技术
数十年以来在吸收中就已运用结构化的填充单元的原理 （参 照 K. Sattler “Thermische Trennverfahren” ,VCH 出版社， Weinheim 1995 年） ， 因为可以节省为此所使 用的能量以及吸收塔的结构高度。
结构化的填充单元在商业上常用的实施方式中构造为折叠的先后布置的板片， 所 述板片的结构具有倾斜的并且总是一再交叉的沟槽。 这些构槽积极地影响所述填充单元内 部的气相及液相的流动并且有利于所述相之间的材料输送。也就是说， 在所述填充单元的 沟槽中使气相与液相相接触并且由此有利于所述相之间的材料输送。
为了提高结构化的填充单元的分离功率， 通常扩大所述结构化的填充单元的整个 表面， 这多数通过更高数目的填充层和 / 或更窄的沟槽几何形状来实现。所述整个表面通 过计算方式作为所述填充层的几何表面的总和来获得。不过， 这些措施在所述结构化的填 充单元中实现压力降的增加。但是从中产生这一点， 即为了减少压力降而必须设置较少的 整个表面， 由此分离功率也就是填充单元的效率变差。此外， 可以设置敞开的交叉沟槽。敞 开的交叉沟槽意味着， 所述沟槽的相对于主流动方向的倾角选择得较小。 这意味着， 按应用 情况必须找到压力降与最佳可能的分离功率之间的最佳效果。
但是， 因为交叉的沟槽具有许多接触部位， 所述接触部位在有些应用情况中可以 起到积极的作用， 但是在另外一些应用情况中也会起到消极的作用。
在使用较好地进行润湿的液体流的应用情况中就像用有机的流体进行的精馏过 程中一样， 所述接触部位引起这样的结果， 即撞击的液体流分裂并且朝所述沟槽的侧面转 向。由此液体的横向分布得到增强并且效率得到改进。此外， 所述接触部位使气流主要沿 沟槽的方向伸展并且不是平行于主流动方向伸展， 由此可以改进气体方面的材料输送。
围绕着所述接触部位可能会构成死区， 在所述死区中液体与处于所述结构化的填 充单元上的其余液体相比以较小的程度参与物质交换。这种现象已经从 US 6’ 378’ 332 B1 中得到公开， 在该专利文件中描述了用于低温精馏的填充单元， 该填充单元应该减少这样 的死区的出现机率。按 US 6’ 378’ 332 B1 的解决方案在于， 通过每个单个的填充层的交替 地较高的与较平坦的折弯来降低所述填充层之间的接触部位的数目。 不过在此对一些体系 进行研究， 这些体系的较小的表面张力仍然实现了整个表面的最佳的润湿效果， 也就是说 还总是用液体来润湿所述接触部位后面的区带。从中产生这一点， 即有效地可供使用的物 质交换表面在理想情况下仅仅以所述接触部位所需要的接触面有别于彼此。 因而仅仅所述 接触部位在有效地可供使用的物质交换表面上导致损失。 有效地可供使用的物质交换表面是整个表面的一部分， 这部分由所述难以挥发的流体在大多数的情况下由液体来润湿。
由此从 US 6’ 378’ 332 B1 中公开了一种精馏方法， 在该精馏方法中使用结构化的 填充单元， 该填充单元具有交叉沟槽结构， 也就是说由起波状的或者折叠的板片构成， 所述 板片交叉地上下叠放。相邻的板片沿波峰或者棱边相互接触。在折叠的板片之间， 易于挥 发的流体可以相对于难以挥发的流体反向流动， 其中可以进行物质交换。在 US 6’ 378’ 332 B1 中展示了一种方法， 用于降低两块相邻的板片之间的接触部位的数目。 为此规定， 如此改 变所述波峰或者棱边的高度， 使得每块板片的波峰或者棱边的仅仅一部分还具有最大的高 度。所述板片由此仅仅沿着具有最大高度的波峰或者棱边相互接触。
在不同的文件中也提出， 使用布置在两个填充层之间的中间元件， 使得相邻的填 充层彼此间具有间距， 比如参见 EP 1063009 或者 EP 1216752。 这些中间元件是大面积的板 形元件， 所述板形元件可以对气体和 / 或液体的流动具有巨大影响并且尤其允许提高压力 损失。
在液体控制的体系中， 材料输送决定性地受到物质交换表面的影响。这一点尤其 适用， 如果在所述液相中进行化学反应。EP 0 671 963 B1 为此提出， 还更紧密地将所述填 充层合并， 用于比一般常见的情况下每容积单位安置更多的填充层。这方面的缺点又是更 高的材料消耗和增加的压力损失。
现在， 事实已经令人惊讶地表明， 具有较少的并且不一样地布置的一方面在气体 方面降低压力损失并且另一方面缩小整个表面的填充单元尤其在所述液相中进行化学反 应时对液体控制的体系上的吸收功率来说有积极的影响。
因此， 将这样的填充结构优选用在液体控制的体系中并且有利地用在用于从气流 中吸收 CO2 的体系中。 在这种体系中， 材料输送受到液相中的化学反应的决定性的影响。 这 种 CO2 出现在比如在发电厂中产生的废气中。所述 CO2 在布置在后面的吸收设备中借助于 吸收与气流分开， 经过压缩并且随后比如储存在地下。 对于所述吸收来说， 需要结构化的填 充单元， 所述结构化的填充单元产生尽可能少的压力降并且能够额外地实现较高的分离功 率。 发明内容 因此， 本发明的任务是， 降低所述填充单元内部的压力损失， 因为由此可以节省用 于产生气流的能量。当然， 压力损失的降低不得以物质交换表面为代价。因此， 一项任务是 在物质交换装置中设置填充装置， 该填充装置的特征在于， 以较低的压力损失和较低的材 料给料来更好地利用整个表面。
这些任务通过一种用于对流体进行净化的包括物质交换装置的设备得到解决， 所 述物质交换装置包含易于挥发的流体和难以挥发的流体， 所述物质交换装置包括结构化的 填充单元， 其中该结构化的填充单元包括第一填充层和第二填充层， 其中所述第一填充层 和第二填充层具有波浪状的轮廓， 其中通过所述波浪状的轮廓构造了敞开的沟槽， 其中所 述第一填充层的沟槽与所述第二填充层的沟槽交叉， 其中所述沟槽能够被难以挥发的液体 从中流过， 使得所述沟槽能够被所述作为膜层的难以挥发的流体润湿， 所述易于挥发的流 体处于所述膜层的内部， 其中能够通过所述易于挥发的流体与所述难以挥发的流体之间的 物质交换来要么对所述易于挥发的流体要么对所述难以挥发的流体实施净化。 所述第一填
充层通过间隔元件与所述第二填充层处于触碰的接触之中， 其中所述间隔元件是所述第一 或者第二填充层的组成部分。
所述间隔元件优选构造为接片。如果现在设置这样的间隔元件， 那么尤其在所述 接片处于限定着所述敞开的沟槽的顶部上时可以扩大相邻的填充层的间距。 所述顶部不仅 可以是指波峰而且可以是指棱边， 也就是由一条沟槽的两个相邻的侧面构成的尖部。如果 填充层之间的间距增加， 那就可以在不应该改变由所述填充单元所占据的总体积的情况下 在所述材料填充装置中布置较少的填充层。但是从中产生这一点， 即所述填充单元的整个 表面减小。
这个结论虽然适合于整个表面。但是事实表明， 这个用于特定的应有情况的结论 不可以套用到物质交换表面上。对于易于挥发的流体尤其气体的净化来说， 在多个按顺序 进行的分步骤中进行物质交换。 包含在气体中的必须分离的成分通过扩散输送到相对于液 体的界面上。 随后， 所述成分必须经过所述界面并且吸收在液体中。 尤其在所述液体中也可 以进行化学反应， 使得所述成分以结合方式保留在液体中， 并且可以与所述液体一起排出。 如果现在所述液体中的扩散速度或者反应动力与此前的分步骤相比占用较多时间， 那么这 种扩散速度或者反应动力对整个物质交换来说就代表着限制性的因素。 为了能够改进物质 交换， 有必要设置尽可能大的用于液体的物质交换表面。通过交叉点的数目的减少而变差 的气体方面的材料输送对所提到的液体控制的应用情况来说不起决定性的作用。 本发明的另一项任务是， 如此选择所述接触部位的布置方式， 从而通过所述接触 部位出现物质交换的最小程度的不利的变化。
尤其在按前述实施例中任一项所述的设备中， 所述间隔元件布置在所述第一填充 层的边缘区域中。尤其直接连接到所述填充层的边缘上的条带可以称为边缘区域。
在将填充层垂直安装到物质交换装置中的情况下应该将所述填充层的沿水平方 向的伸长定义为填充层的长度。 在将填充层垂直安装到物质交换装置中的情况下应该将所 述填充层的沿垂直方向的伸长定义为填充层的高度。 对于具有非垂直的轴线的物质交换装 置来说， 相应地应该将所述填充层的长度理解为其在相对于所述物质交换装置的轴线的法 向平面中的伸长， 并且所述填充层的高度应该理解为其沿所述物质交换装置的轴线的方向 的伸长。
所述形成边缘区域的条带拥有与所述填充层的长度相当的长度或者说与所述填 充层的高度相当的高度。 此外， 所述条带拥有相应的宽度， 该宽度定义为离开所述填充层的 边缘的法向间距。
该宽度依赖于， 相对于所述物质交换装置的轴线以何种角度来布置所述填充层的 波浪状的轮廓。所述条带具有最大两倍于所述间隔元件的高度 h 的宽度， 优选最大 1.5 倍 于所述间隔元件的高度 h 的宽度， 其中 h 如下所示从间隔元件的长度 a 中获得 ： h=acos(Φ) 根据现有技术还总是致力于所述接触部位的均匀的分布但是降低所述接触部位的数 目， 与所述现有技术相反， 在本发明中完全放弃所述接触部位的在整个表面范围内的这种 均匀的分布。如果由此将少量的接触部位更紧密地放在一起， 那么流动路径变窄就导致所 述接触部位后面的回流， 由此令人惊讶地减少所述接触部位后面的未被润湿的表面。因此 获得较少的具有较少的未被润湿的表面的接触部位并且在总体上获得物质交换表面的相
对于整个表面的最大比例。
根据所述设备的一种有利的实施例， 所述间隔元件处于每个填充层上。在这种情 况下， 所有填充层构造为相同的结构， 这降低了制造开销。 所述填充层可以以这种形式来连 续地制造， 方法是将带材连续地折叠， 而同时也产生间隔元件。 在此所述折叠的并且设有间 隔元件的带材分切到所期望的尺寸。经过分切的带材件产生所述填充层， 其中每第二个填 充层反转， 从而在将填充层彼此相邻地上下放置时产生填充层的交叉的布置结构。
在所述填充层垂直定向的情况下， 所述间隔元件有利地上下或者并排放置。尤其 所述间隔元件构成一列要么垂直要么水平伸展的接触部位。
因此， 本发明的另一项任务是， 提供一种结构化的填充单元， 该结构化的填充单元 在所述接触部位的数目相同或者较少的情况下具有得到改进的稳定性。为改进稳定性， 所 述波浪状的轮廓具有恒定的波高。
特别优选所述设备用在吸收塔或者解吸塔中。
一种用于在包括结构化的填充单元的物质交换装置中对流体进行净化的方法包 括以下步骤 ： 将难以挥发的流体输送给物质交换装置， 在整个表面范围内分布所输送的难 以挥发的流体， 将易于挥发的流体在所述物质交换装置中输送到流体入口区域中， 在气体 入口范围中在整个表面范围内分布所述易于挥发的流体， 其中所述易于挥发的流体相对于 液体反向流动， 收集在流体出口区域中离开所述填充单元的易于挥发的流体， 其中所述结 构化的填充单元包括第一填充层和第二填充层， 其中所述第一填充层和第二填充层具有波 浪状的轮廓， 该轮廓则具有恒定的波高， 其中通过所述波浪状的轮廓构造了敞开的沟槽， 其 中所述第一填充层的沟槽与所述第二填充层的沟槽交叉， 其中所述易于挥发的流体通过所 述沟槽从流体入口区域朝流体出口区域的方向流动， 其中所述难以挥发的流体将所述通过 沟槽流动的易于挥发的流体包围并且沿着沟槽壁体流动。 所述第一填充层通过间隔元件与 所述第二填充层处于触碰的接触之中， 从而在所述易于挥发的流体与难以挥发的流体之间 通过所述由沟槽形成的物质交换表面来进行物质交换。
所述净化通过物质交换来进行， 所述物质交换依赖于一种速度， 在应该对所述易 于挥发的流体进行净化时有待从所述易于挥发的流体的流体流中除去的成分以该速度被 所述难以挥发的流体所吸收， 或者所述物质交换依赖于另一种速度， 在应该对所述难以挥 发的流体进行净化也就是进行剥离过程 （Stripping） 时有待从所述难以挥发的流体中除去 的成分以该速度从所述难以挥发的流体中排出。
尤其所述易于挥发的流体是气体， 比如所述方法可以用于对含 CO2 的气体进行净 化。所述难以挥发的流体是液体， 在液体中可以进行化学反应。
通过间隔元件的使用以及接触部位的布置， 能够在物质交换装置中实现整个表面 的最大程度的液体润湿。
优选所述结构化的填充单元由填充层构成， 所述填充层的折弯全部具有均匀的高 度。由此产生所述填充单元的较高的稳定性， 所述填充单元尤其在具有较大的直径的塔中 具有特殊的意义。 各个填充层之间的接触部位的数目按本发明通过在填充层之间加入间隔 元件这种方式来实现。这些间隔元件可以构造为接片， 所述接片比如由丝线或者狭窄的板 带构成， 所述丝线或者狭窄的板带在特定的部位上施加到所述折叠的填充层上并且由此以 所定义的间距并且在所指定的部位上使所述填充层彼此分开。 所述间隔元件可以通过深冲或者冲压从所述填充层的材料来产生或者通过以下方式来制造， 即所述间隔元件的所期望 的位置之间的波峰与山谷状的凹洼如此变形， 使得所述折弯高度较小。
所述间隔元件安置在所指定的部位上， 比如安置在所述填充层的上棱边及下棱边 上。在上下叠放各个填充层时， 所述沟槽仅仅在所述间隔元件上在所述填充层的上棱边及 下棱边上的边缘区域中相互接触并且就这样在同时保持各个填充层的稳定性的情况下引 起接触部位的明显的减少以及物质交换表面的最大化。 附图说明
下面借助于附图对本发明进行解释。附图示出如下 ： 图 1 是按本发明的包括多个填充层的设备的视图， 图 2a 是两个相邻的按图 1 的填充层的剖面图， 图 2b 是两个相邻的具有起波状的轮廓的填充层的视图， 图 3 是在注明难以挥发的流体的流动路径的情况下常规的填充层的示意图， 图 4 是根据按 US 6378332 的解决方案的节点的示意图， 图 5 是按本发明的第一种实施例的节点的示意图， 图 6 是按本发明的另一种实施例的节点的示意图， 图 7 是按本发明的间隔元件的布置方式的一种变型方案的示意图， 图 8a 是关于所述间隔元件的尺寸的示意图， 图 8b 是相对于按图 8a 的实施例的三角关系的示意图， 图 9a 是按现有技术的填充单元的在经受横向负荷下的变形的图示， 图 9b 是按本发明的填充单元的在经受横向负荷下的变形的图示， 图 10 是吸收设备的示意图， 并且 图 11 是具有与没有用于用在液态方面受控制的材料输送进行吸收的间隔元件的填充 单元的比较。 具体实施方式 图 1 示出了按本发明的设备 1， 该设备 1 包括一个结构化的填充单元 9 的几个填充 层， 所述填充层构成填充体。结构化的填充单元 7 是指用于在两个流体的相之间进行物质 交换的器件。所述结构化的填充单元 7 用在物质交换装置 2 中。所述物质交换装置尤其可 以构造为塔 5。
所述结构化的填充单元 7 由多个填充层构成， 所述填充层相对于彼此处于有规律 地重复的几何关系之中。 作为用于这种几何关系的实例， 可以选择相邻的填充层的间距。 按 照所述几何关系， 相邻的填充层彼此间的间距周期性地具有相同的数值， 从而从所述填充 层的总和中产生一种结构， 该结构的特征在于相同的或者至少周期性相同的间距。所述周 期性可以在整个结构化的填充单元中找到， 由此所述填充单元获得有规律的结构。尤其所 述结构可以构造为波浪状的轮廓。
与此不同的是， 散状填料填充单元由散状填料构成， 也就是说由具有相同的几何 结构的元件构成， 不过其中每个散状填料相对于相邻的散状填料可以具有任意的间距， 由 此这些间距的周期性看不出来。所述散状填料作为填料加入到所述塔中。所述散状填料构
成塔底上的碎料堆。所述碎料堆的特征在于各个散状填料的随机的布置。
按图 1 的填充层由薄壁的具有波浪状的轮廓的元件构成。所述波浪状的轮廓的特 征在于周期性重复的由凸起也就是波峰及山谷状的凹洼也就是波谷构成的次序。 这种波浪 状的轮廓尤其可以构造为具有锯齿轮廓的折弯， 所述锯齿轮廓具有逐渐变尖的棱边。所述 填充层如此相对于彼此来布置， 使得两个相邻的填充层的波浪状的轮廓相对于主流动方向 以一定的角度倾斜。相邻的填充层的波浪状的轮廓相对于彼此交叉布置。
图 2a 示出了按图 1 的结构化的填充单元 7 的两个相邻的填充层 10、 100。第一填 充层 10 与第二填充层 100 相邻布置。所述第一填充层 10 和第二填充层 100 尤其可以包括 由板片或者金属丝网构成的元件， 不过作为替代方案也可以包括由塑料或者陶瓷构成的元 件。 一个元件在此可以包括整个填充层， 或者不过也可以仅仅形成整个填充层的一部分。 所 述元件可以具有板的形状， 该板包括波浪状的轮廓尤其锯齿轮廓或者具有倒圆的尖端和谷 底的波浪状的轮廓。所述元件可以具有由塑料或者陶瓷构成的涂层， 用于使填充层具有耐 化学影响比如腐蚀或者热影响比如温度或者机械影响比如压力的稳定性。
所述图 2a 中的第一填充层 10 和第二填充层 100 以视图示出， 该视图示出了所述 填充单元 7 的第一表面 8 的截取部分。所述填充单元 7 的第一表面 8 基本上法向于所述主 流动方向 6 来布置。主流动方向 6 是指一种流动方向， 易于挥发的流体尤其气体在没有安 装物的塔 5 中向上流动也就是朝所述塔 5 的塔顶的方向流动。作为替代方案， 也可以将相 反的方向定义为主流动方向。 在这种情况下， 所述主流动方向相当于一种方向， 难以挥发的 流体也就是在多数情况下是液体在自由的情况下沿该方向从所述无安装物的塔 5 中流过。 在填充单元中， 所述流动方向局部地偏离所述主流动方向， 因为流体流通过所述填充单元 的填充层而转向。
所述结构化的填充单元 7 的第一填充层 10 具有波浪状的轮廓， 其中通过所述波浪 状的轮廓构造了多条敞开的沟槽 12、 14、 16。所述沟槽包括第一波谷 22、 第一波峰 32 和第 二波峰 42。所述第一波峰 32 和第二波峰 42 限定着所述第一波谷 22。所述第一波峰 32 和 第二波峰 42 分别具有第一项部 33 和第二顶部 43。在所述第二波峰 42 的第二顶部 43 上构 造了沿所述第二顶部 43 的方向延伸的间隔元件 44， 该间隔元件 44 构造为接片。所述第一 波谷 22 具有谷底 23。所述间隔元件 44 具有棱边 45， 该棱边 45 的离开所述波谷 22 的谷底 23 的法向间距 27 大于所述第二波峰 42 的第二顶部 43 的离开波谷 22 的谷底 23 的法向间 距。同样的情况适用于所述间隔元件 34 的棱边 35。
所述第一波峰 32 的第一顶部 33 与所述第一波谷 22 的谷底 23 之间的法向间距称 为波高 28。该波高 28 因而小于所述法向间距 27。在按本发明的第一填充层中， 所述波高 28 尤其基本上是恒定的， 也就是说该波高 28 处于常见的公差的范围内， 所述常见的公差则 处于 0.5mm 的范围内。
在所述第一项部 33 上可以布置接片 34。 也可选可以在所述第一谷底 23 上布置接 片 24。
所述结构化的填充单元 7 的第二填充层 100 具有波浪状的轮廓， 其中通过所述波 浪状的轮廓构造了多条敞开的沟槽 112、 114、 116。所述沟槽包括第一波谷 122、 第一波峰 132 和第二波峰 142。所述第一波峰 132 和第二波峰 142 限定了所述第一波谷 122。所述第 一波峰 132 和第二波峰 142 分别具有第一项部 133 和第二顶部 143。在所述第一波峰 132的第一顶部 133 上构造了沿所述第一顶部 133 的方向延伸的接片 134。 在所述第二波峰 142 的第二顶部 143 上构造了沿所述第二顶部 143 的方向延伸的接片 144。所述第一波谷 122 具有谷底 123。所述接片 134 具有棱边 135 并且所述接片 144 具有棱边 145， 该棱边 145 的 离开所述波谷 122 的谷底 123 的法向间距大于所述第二波峰 142 的第二顶部 143 的离开波 谷 122 的谷底 123 的法向间距。所述顶部的至少一部分可以构造为棱边。所述波谷的至少 一部分可以构造为 V 字形。谷底与顶部之间的法向间距按照图 2a 对于所述填充层的所有 波峰来说基本上相同。
图 2b 示出了结构化的填充单元的两个相邻的具有波浪状的轮廓的填充层， 根据 所述波浪状的轮廓所述项部未构成尖锐的棱边， 而是设计为倒圆。在其它方面请参照图 2a 的说明。
图 3 示出了所述接触部位的布置方式的对比如在图 2a 或图 2b 中示出的填充单元 的填充层 10 的物质交换表面的影响。图 3a 在此示出了按现有技术的布置方式。所述填充 层 10 覆盖着看不见的因为在图纸平面中处于其下面的填充层 100。在所述填充层 10 中示 范性地示出了所述第一顶部 33、 第二顶部 43 和处于其之间的谷底 23。所述第一和第二顶 部 33、 43 以及谷底 23 构成折叠棱边。所述顶部 33、 43 安放在所述属于填充层 100 的谷底 123 上。 当然所述填充层 10 和填充层 100 中的每一个都分别具有多个另外的未详细注明的 顶部和谷底， 因为其与所注明的顶部和谷底没有区别。在图 3 中属于波峰的顶部的线条描 绘得比属于谷底的线条粗。此外， 设置了用于所述第二填充层 100 的波峰的顶部的划得较 长的虚线以及用于所述填充层 100 的谷底的划得较短的虚线。在所述填充层 10 的谷底和 所述填充层 10 的顶部相碰的点上， 产生了在图 3 中用圆圈来标记的接触部位 48。 所述接触 部位 48 对于所示出的两个填充层 10、 100 来说在整个表面范围内均匀地分布。 从图 3 中可以清楚地看出， 所述接触部位彼此靠得很紧密， 由此产生很多较小的 未被难以挥发的流体润湿的区带 46 并且由此产生物质交换表面的相对于整个表面的较小 的份额。 在图 3 中仅仅示出了一个唯一的区带 46， 箭头 47 表示所述难以挥发的流体的流动 方向。
图 4 示 出 了 一 种 情 况， 在 该 情 况 中 所 述 接 触 部 位 比 如 通 过 填 充 层 的 如 在 US 6’ 378’ 332 B1 中所提出的一样的折弯来减少。由于所述难以挥发的流体的借助于箭头 47 表示的流动方向而产生虽然在总体上明显更少的但为此也更大的未被润湿的区带 46。 在总 体上又产生物质交换表面的在整个表面上所占的较小的份额。下面还要详细地在图 9 中对 按图 4 的填充层的几何形状进行探讨。
图 5 示出了两个相邻的按本发明的填充层 10、 100 之间的接触部位 48 的布置方 式。所述填充层 100 布置在所述填充层 10 的后面。关于示意图， 请参照图 3。所述接触部 位的数目关于填充层 10 的表面得到了减少。尤其所述接触部位不是均匀地在整个表面范 围内分布。
所述填充层 10 包括第一边缘限制结构 50 和第二边缘限制结构 60， 其中所述第一 边缘限制结构 50 基本上平行于所述第二边缘限制结构 60 来布置。在填充层垂直定向的情 况下， 所述边缘限制结构 50 撑开一个上界面并且所述第二边缘限制结构 60 撑开一个下界 面。此外， 所述填充层 10 包括第一边缘限制结构 51 和第二边缘限制结构 61。所述第一边 缘限制结构 51 和第二边缘限制结构 61 在所述填充层垂直定向的情况下在与物质交换装置
尤其塔的内壁相邻的填充单元中尤其沿着扇形块界线 （Segmentgrenze） 来伸展， 随后对于 较大的物质交换装置来说邻接着另一个填充扇形块。在具有较大的比如 1m 及以上尺寸的 直径的物质交换装置中， 为简化制造及安装已经经受验证的是， 将填充单元划分为填充扇 形块。填充扇形块仅仅在物质交换装置的横截面的一部分的范围内延伸。这些填充扇形块 中的多个填充扇形块并排布置， 使得所述填充扇形块的总和将物质交换装置的整个横截面 包括进去。所述接触部位 48 布置在所述第一和 / 或第二边缘限制结构 50、 51、 60、 61 的附 近。所述接触部位优选具有间隔元件。这些间隔元件可以构造为隆起或者构造为接片。多 个可以与按图 2a 或者图 2b 的间隔元件 34、 44 之一具有相同构造的间隔元件布置在所述第 一边缘限制结构 50、 51 的附近。
作为替代方案或者补充方案， 多个间隔元件 24 可以布置在所述第二边缘限制结 构 60、 61 的附近。当然， 间隔元件也可以处于所述第一和第二边缘限制结构中的至少一个 边缘限制结构的附近。
图 6 示出了另一种变型方案， 在该变型方案中所述接触部位不是并排布置而是上 下布置。 这里沿着接触部位往下的液体流引起所述接触部位之间的未被润湿的表面的最小 化。 按图 5 的接触部位的水平布置具有这样的优点， 即所述未被润湿的区带不会在下 面的靠近边缘的接触部位的后面构成， 因为液体在两个上下放置的填充单元之间的界线上 积聚。原则上有利的是， 将接触部位安置在所述边缘限制结构 50、 60、 51、 61 的附近， 因为这 里所述润湿由于其它的干扰影响而不利。如果相反将所述接触部位安置在填充层的内部， 那么由此整个表面的另一部分的润湿效果较差， 这一部分否则保持未受干扰。
图 7 示出了按本发明的填充层 10 的视图。此外， 图 7 中的填充层 10 以投影图示 出。所属的结构化的填充单元 1 包括所述第一填充层 10 和第二填充层 100， 其中所述第二 填充层 100 优选像所述第一填充层 10 一样具有波浪状的轮廓。所述第一填充层 10 和第二 填充层 100 如此布置， 使得所述第一填充层 10 的沟槽与所述第二填充层 100 的沟槽交叉。 所述第一填充层 10 与所述第二填充层 100 通过至少一个接片 24、 44 处于触碰的接触之中。 所述接片布置在所述第一和第二填充层 10、 100 中的每个填充层 10、 100 上。优选所述接片 如在图 5 或图 6 中一样来布置。所述第二填充层 100 在图 7 中为简单起见为用图示出。所 述第一填充层 10 的接片与所述第二填充层 100 的接片处于触碰的接触之中。优选所述处 于第一边缘限制结构 50 的附近的接片 44 如此布置， 使得其构造为所述填充层 10 的第一侧 11 上的凸起。所述布置在第二边缘限制结构 60 附近的接片 24 构造为所述填充层 10 的第 二侧 13 上的凸起。所述填充层 10 的第一侧 11 与所述第二侧 13 对置布置并且各形成所述 填充层的一个表面。
尤其所述接片在所述第一和第二填充层 10、 100 垂直定向的情况下可以上下布 置。作为替代方案或者组合方案， 所述接片在所述第一和第二填充层垂直定向的情况下可 以并排布置。
沿着所述填充层 10、 100 的顶部， 也可以布置其它的间隔元件， 所述间隔元件不必 或者不必仅仅构造为接片。 这样的间隔元件可以由任意的伸出超过正常的折弯高度的凸起 来构成。折弯高度是指波峰与相邻的波谷之间的间距。如果所述波峰在其顶部具有有限的 弯曲度， 那么该间距就被定义为两条彼此平行的顶点切线的法向间距。如果所述弯曲度是
无限的也就是说所述顶部是尖的并且由此最高点没有明确特定的切线， 那么通过所述最高 点划设一个平面， 该平面包含填充层的一侧的所有的顶点。通过波谷的最深点同样划设一 个平面， 该平面包含所述波谷以及其它的波谷的所有的点。所述两个平面应该相对于彼此 平行。从中产生这一点， 即所述折弯高度是所述两个平面之间的法向间距。这样的间隔元 件在所述顶部或者棱边的一部分的范围内延伸。 所述间隔元件可以通过深冲从用于填充层 的坯料比如填充板材中来制造， 或者通过沿上棱边来套装条形的元件比如丝形元件或者条 形元件这种方式来形成。 有利地在一侧将所述间隔元件安置在所述折弯的波峰或者波谷的 顶部上。优选将所述间隔元件沿着相反或者相同的边缘区域 50、 60 来施加。
这种布置方式的优点在于， 可以无限长地制造坯料。 这样的坯料可以由带材制成， 比如可以构造为板形的板材。随后从所述带材中分切出具有特定长度的区段。这些区段比 如通过弯曲方法转换为波浪状的轮廓。作为替代方案使用已经具有波浪状的轮廓的带材。 所分切的具有波浪状的轮廓的区段而后构成所述填充层。 在弯曲过程中可以为这种波浪状 的轮廓叠加实施深冲过程， 从而在弯曲过程中通过深冲来制造所述间隔元件。作为替代方 案， 可以使用一种加工方法， 在该加工方法中对所述接片之间的区域进行不一样的弯曲或 者轻微的深压， 使得其具有与所述接片不一样的高度。第一填充层 10 和第二填充层 100 又 通过每第二个波浪状的轮廓的反转匹配地上下放置。 在所有填充层之间各有一列间隔元件 处于所述上面的和下面的边缘限制结构的附近和 / 或所述侧面的边缘限制结构的附近。 图 8 用图说明了确定所述第一填充层 10 的波浪形的轮廓的顶部 33、 43 上的深冲 的间隔元件的长度的情况。所述顶部 33、 43 相对于主流动方向 6 以角度 Φ （phi） 倾斜地布 置并且从第一顶部 33 到第二顶部 43 具有间距 b0。该间距 b0 在此尤其可以是恒定的。此 外可以发现第一谷底 23 与第二谷底 26 之间的间距 b0。在图 8 中所述第一谷底 23 与所述 第一波谷 22 重合并且所述第二谷底 26 与所述第二波谷 25 重合。间隔元件 24、 34、 44 的长 度在图 8 中用 “a” 来表示。长度 “a” 是所述间隔元件的沿所属的顶部的方向的纵向伸长。 优选如此选择所述长度 “a” ， 使得所述第一填充层 10 的每个顶部与相邻的第二填充层 100 的顶部刚好在有间隔元件的地方具有一个交叉点。所述填充层 10 的间隔元件与所述第二 填充层 100 的顶部的接触点处于触碰的接触之中。所述接触点可以但是不一定是所述第二 填充层 100 的间隔元件的一部分。
a=b0/sin(2Φ) 这种关系在以下假设下获得， 即所述第一填充层的倾角 phi(Φ) 在数值方面等于所述 第二填充层的倾角。
这种假设以图 8 为基础。 所述间隔元件的长度 a 必须刚好如此之大， 使得其刚好与 所述第二填充层的间隔元件或其波峰相交。也就是说如果交点 A 刚好处于所述第一间隔元 件的端点上， 那么交点 B 就刚好稍许处于所述第二间隔元件的长度 a 之外。因为这种极小 的差别无法用图示出， 所以在图 8b 中绘出了两个用于所述第二填充层的第一波峰的交点。
如果将所述第二填充层关于图 8b 中的填充层的位置水平向左移动， 那么所述交 点 A 就沿间隔元件的长度 a 一直移到所述间隔元件的与点 A 对置的端部。
在所示出的情况中， 所述第二填充层刚好如此放置， 从而出现极限情况， 在该极限 情况中在点 A 中存在着一个与所述间隔元件之间的交点， 在点 B 中刚好与所述间隔元件之 间没有交点。因为所述两个相邻的填充层 10、 100 的倾角在数值方面相等， 所以沿所述第二
填充层的波峰的顶部的间距 AB 同样相当于所述间隔元件的长度 a。
因此， 具有边长 x、 a、 a 的三角形 ABC 是等腰三角形。此外产生这一点， 即在两条边 a 之间撑开的角度刚好为 2Φ。同样绘出了 b0， 波长， 也就是所述第一填充层的波峰的两个 相邻的顶部之间的法向间距。这个三角形必须具有直角并且在棱边 B 上围成角度 2Φ。
由此在使用倾角 Φ 和波长 b0 的情况下产生用于 a 的所期望的关系。
a=b0/sin(2Φ) 优选所述间隔元件的高度处于层高的 10 到 30% 的范围内， 从而在各个填充层之间产生 刚好处于这个数值范围内的缝隙。这些缝隙对于似水的体系来说最小为 1.5mm。更窄的缝 隙可能不利， 因为液体尤其水会附着在两条相邻的棱边之间， 会留在那里并且会构成液体 桥。
图 9a 示出了按已知的结构的填充层， 该填充层具有不同高度的用于减少接触部 位的折弯。这种结构的缺点在于， 在有负荷作用于上侧面及下侧面上时， 其中箭头 20、 21 表 示力的方向， 所述填充层被压扁。所述折弯包括第一顶部 65 和第二顶部 85 以及处于其之 间的波谷 75。所述第一和第二顶部 65、 85 可以与未示出的相邻的填充层相接触。在所述 第一顶部 65 与谷底 75 之间存在着中间波谷 66 和中间波峰 67， 所述中间波谷 66 和中间波 峰 67 构成一个折弯。所述中间波谷 66 拥有中间谷底 68 并且所述中间波峰 67 拥有中间顶 部 69。所述中间谷底 68 与中间顶部 69 之间的法向间距 70 小于所述顶部 65 与谷底 75 之 间的法向间距 71。法向间距 70 在图 9a 所示的实施例中大约为所述法向间距 71 的一半大 小。由此通过所述中间波谷 66 和中间波峰 67 构成一个半高的折弯。所述半高的折弯用作 起皱区带并且可以变形。通过这种变形一方面不会形成稳定的填充体， 另一方面不可能遵 守所述填充单元的规定的层高。所述层高相当于刚才所定义的法向间距 71。
通过所述按本发明的结构， 可以避开这个问题。如图 9b 示出的一样， 具有间隔元 件的填充层在每个折弯上可以缩径的程度小得多并且所述填充层由此可以在上侧面和下 侧面上经受更高的负荷。这能够实现稳定的填充体的构造并且保证基本上恒定的层高。
图 10 示出了吸收设备 90。该吸收设备 90 包括两个物质交换装置、 一个吸收器 91 和一个解吸器 92， 这些装置构造为塔。在所述吸收设备中， 在吸收器 91 中将一种或者多种 成分从气流中分开。为此使用液态的溶剂或者吸收剂。在所述解吸器 92 中将所述溶剂或 吸收剂从所吸收的成分中除去。
不仅吸收而且精馏都是分离方法， 用于从既存的给料流中分离出一种或者多种成 分。 在此运用精馏， 用于根据各种成分的不同的沸点分离出液体混合物， 其中所述精馏是指 连续的蒸馏， 所述蒸馏尤其包括几个分离阶段。 相反， 在吸收时则借助于合适的溶剂或者吸 收剂从气流中吸收一种或多种成分并且由此将其与气流分开。所述吸收器 91 的塔顶产品 是用所述成分加载的吸收剂或溶剂。出于经济的、 能量的或生态的原因， 会有意义的是， 对 所述吸收剂或溶剂进行净化并且又将其作为经过净化的溶剂或者吸收剂 94 重新输送给所 述吸收器。所述吸收剂或者溶剂的净化在解吸器 92 中进行。经过加载的吸收剂或溶剂也 就是所述吸收器的底部产物 96 形成所述解吸器的给料流。这种给料流按照图 10 作为液体 加到所述解吸器中。所述解吸器 92 可以包括一个或者多个按前述实施例之一的填充单元。 经过加载的溶剂或者吸收剂朝所述解吸器的池槽 95 的方向流动。在池槽中， 所述吸收剂或 溶剂至少部分地汽化， 为此设置了池槽汽化器 98。在所述池槽汽化器中汽化的吸收剂或者溶剂包含有待分离的成分并且在所述塔中上升的过程中从所述经过加载的吸收剂或溶剂 的朝池槽的方向流动的给料流中吸收有待分离的成分。 由此在所述解吸器中产生气态的支 流 99， 该支流 99 富含有待分离的成分。 这些有待分离的成分要么可以用热的方式也就是说 通过冷凝要么可以通过其它布置在后面的分离步骤从所述气态的支流 99 中分离出来。
作为替代方案或者补充方案， 可以在所述解吸器应该以比所述吸收器低的压力运 行时设置膨胀装置或者在所述解吸器必须以比所述吸收器高的压力运行时设置压缩装置。
通常在进行精馏时气体与液体之间的材料输送由于从池槽到塔顶的温度降而朝 两个方向进行。 难以蒸馏的流体从气相中冷凝并且吸收到液体中产且易于蒸馏的流体则从 液相汽化为气相。在吸收时， 所述材料输送仅仅朝一个方向进行， 这里是气体被液体所吸 收。
不过精馏与吸收之间的差别现在在于， 在精馏时气流与液体流彼此相耦合， 相反 在吸收时这两种流可以在不依赖于彼此的情况下来调节。 在精馏时特定的量的液体汽化并 且朝塔的塔头的方向上升。在塔头上， 全部的蒸汽冷凝并且至少部分地又作为液体流返回 到塔中。因而最大能够设想的液体量是全部冷凝的到达塔头的蒸汽的量。如果更多的液体 在池槽中汽化， 那也会有更多液体回流。就这一点而言， 这两种流彼此相耦合， 并且材料输 送决定性地依赖于蒸汽流。因此通常在气体方面对精馏应用情况进行控制。
与此相反， 在吸收应用情况中可以借助于泵及鼓风机来调节不同的运行条件 ： 较 大的吸收剂流可以与较小的气流相接触或者也可以相反。此外， 所述吸收剂可以以不同的 方式使气体成分本身结合 ： 用物理方式、 通过化学反应或者不仅以物理方式而且以化学方 式来进行。在此， 用于特定的气体成分的吸收剂或者溶剂的选择以及气体和液体中的浓度 对更容易在气体方面还是更容易在液体方面对材料输送进行控制这个方面来说起决定作 用。
为了对所述按本发明的填充单元的可运用性进行检查， 制造了填充单元的原器 （Prototyp） ， 所述填充单元包括间隔元件 ： 从传统的填充单元中除去较少的填充层并且空 出的空间通过其余的填充层之间的所插入的具有相同厚度的间隔元件得到均匀处理。 每个 填充层就这样相对于两个相邻的填充层得到固定所定义的间距， 由此在所有填充层之间产 生具有所定义的厚度的缝隙。在所研究的情况下， 所述宽度为 1.5mm。此外， 原器中的接触 -3 -3 2 3 部位的数目从 79’ 500m 减少到 18’ 000m 并且整个表面从 205m /m 减少到 190m2/m3。随 着整个表面的减少， 只要没有其它的措施再次对这种损失进行弥补就一定伴随分离功率的 降低或者说填充单元的效率的降低。按照 US 6’ 378’ 322B1， 可以考虑一些实施方式， 这些 实施方式尽管整个表面的减少也在精馏时展示有利的分离作用。
首先在精馏应用方案中对上面所提到的原器进行了测试。 为此将所述填充单元安 装到具有 250mm 内直径的测试塔中并且以大气压用测试体系氯苯 / 乙基苯来进行测量。所 述测试证明， 以前已经进行了什么猜测 ： 由于更空的通过所述缝隙产生的横截面面积， 与没 有间隔元件的填充单元相比通过所述填充单元稍许降低了压力损失。相反， 所述整个表面 的减少则导致分离功率的降低。 具有间隔元件的填充单元每米具有的分离级比没有间隔单 元的填充单元少 （NTSM ： 每米理论上的级的数目） 。 对于所述比较来说， 决定性的是低于装载 0.5 点 （Loadingpoint） 的点， 在该实施例中也就是低于 F 因数 3Pa 的点。所述 F 因数是用于 空的塔中的平均的气体速度与气体的密度的根相乘的尺寸。所述 F 因数与气体的动力能成比例。装载点是指提高了的气 - 液相互作用的点。
相应的 NTSM 数值对于具有间隔元件的填充单元来说为 1.6/m 并且对于无间隔元 件的填充单元来说则为 1.7/m。所述 NTSM 数值是用于分离功率的特征参量。所述 NTSM 数 值越高， 所述填充单元的分离功率就越大。由此也就是说分离功率关于整个表面没有得到 改进。
这些以往的认识因而表明， 所述按本发明的具有降低了的接触部位并且在填充层 之间具有较大的间距的填充单元虽然降低了压力损失， 但是也额外地在精馏时导致了分离 功率的降低。 因此这样的填充单元在精馏时无利并且由此在根本上有别于在 US 6’ 378’ 322 B1 中所介绍的明显对所述精馏来说有利的填充单元。
从其它的试验中令人惊讶地获得这一点， 即有一些材料体系， 对于这些材料体系 来说所述按本发明的填充单元每整个表面改进分离功率。 主要注意力在此在于具有较大的 表面张力的体系 - 大多数是似水的体系 - 所述体系通常易于引起整个表面的较差的润湿效 果。首先在吸收中使用增强的似水的溶液， 所述溶液由于水的较高的表面张力只有在体积 流量较大时才作为液膜完全将所提供的整个表面润湿。相反， 所述填充单元的整个表面的 较差的润湿效果则势必导致分离功率的降低。 结构化的填充单元因此在吸收性的应用情况 中应该具有以下特性 ： 通过所述填充单元产生较低的压力损失并且提供尽可能大的整个表 面， 其中必须由液体尽可能好地对所述整个表面进行润湿。 为什么所述接触部位的降低实现更好的吸收功率这个假设因而是 ： 通过所使用的 液体的较差的润湿特性在所述填充层上的接触部位的后面构成一些区带， 这些区带根本没 有被液体润湿。由此整个表面无法全面地被液体润湿。液体在所述接触部位上被阻止继续 流动， 进行积聚并且朝侧面偏向。在水作为膜层在平坦的表面上向下流动并且水流突然受 到加入的物体 （比如将手指放到所述平面上） 的干扰时， 也会发现类似情况。在所述物体后 面膜流撕开并且产生干燥的未被润湿的表面， 所述表面只有在将所述物体从膜流中移走之 后才会被润湿。
所研究的材料体系是在液态方面受到控制的似水的体系。 用氢氧化钠溶液来吸收 处于环境空气中的 CO2 并使其化合。液体中的化学反应在此如此快速地进行， 使得所述吸 收过程原则上局限于气相与液相之间的界面。这意味着， 这里在决定性的意义上取决于物 质交换表面的在整个表面上所占份额。所有其它的机构仅仅起次要的作用。
利用合适的关联作用 （参 照 Duss 等 人 的 “Effective Interfacial Area and Liquid Hold-up of Nutter Rings at High Liquid Loads” ，Chemical Engineering&Technology 24(7),2001 年， 716-723 页） ， 可以从所得到的测量结果中直接确 定有效地提供的物质交换表面。如图 11 示出的一样， 所述具有间隔元件以及降低了数目 的接触部位的填充单元尽管较小的整个表面但与没有间隔元件并且具有许多接触部位的 填充单元相比实现了更大的物质交换表面。这意味着， 在液态方面受到控制的材料体系的 分离功率可以在实际上通过接触部位的降低以及接触部位的合适的布置来得到改进。同 样， 压力损失可以通过间隔元件的使用来减少并且降低材料给料， 因为需要的填充层的数 目较小。图 11 的下面的曲线示出了在用难以挥发的流体给材料交换装置增加负荷时用于 MellapakTM 类型的市场上常见的结构化的填充单元的物质交换表面， 其中在 x 轴上绘出了 3 2 以 m /m h 计的负荷 L。图 11 的上面的曲线与此相比则相对于用于按本发明的结构化的填
充单元的整个表面示出了物质交换表面。对于所有所研究的测量点来说获得这一点， 即在 使用具有间隔元件的填充单元的情况下上面的比例大于无间隔元件的填充单元。
这样的体系主要在废气的吸收性的处理中找到， 在所述废气中借助于反应性的似 水的溶液应该将有问题的成分从废气流中抽走。这里， 借助于似水的吸收剂从发电厂废气 中吸收对气候有害的 CO2 这种做法视为一种实施例， 所述似水的吸收剂可能包含有机的或 者无机的碱性材料比如 MEA（单乙醇胺） 或者碳酸钾。
在这样的材料体系中， 相对于类似的具有许多接触部位并且在填充层之间没有缝 隙的填充单元， 具有降低了的数目的接触部位的填充单元显示出压力降的显著的降低并且 令人惊讶地显示出分离功率的提高。
由此所述填充单元最佳地适合于尤其用在用碱性的似水的溶液来从发电厂废气 中吸收 CO2 这个方面。