Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
РЕГУЛЯРНАЯ НАСАДКА И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
РЕГУЛЯРНАЯ НАСАДКА И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

РЕГУЛЯРНАЯ НАСАДКА И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Использование: в пленочных аппаратах при осуществлении различных тепломассообменных процессов (абсорбции, конденсации и т.д.), а также в процессах ректификации. Сущность изобретения: регулярная насадка состоит из расположенных по высоте аппарата элементов, каждый из которых содержит набор гофрированных пластин из неметаллического материала ситчатой структуры на основе многофиламентных волокон, образующих ячейки сита, и матрицы, установленных параллельно продольной оси аппарата с расположением гофр в соседних пластинах под углом α друг к другу. Пластины соединены между собой в местах взаимного касания по вершинам гофр с образованием каналов и имеют образующиеся при переплетении волокон чередующиеся выступы и канавки. Изготавливают насадку следующим образом. Полотно из многофиламентных керамических волокон пропитывают связующим и подсушивают до получения препрега, затем пропускают в зазоре между зубчатыми роликами под углом 90o или α/2 к ним, где α - угол между направлениями. Производят раскрой образующегося гофрированного листа на заготовки под углом 90o - α/2 к направлению пропускания полотна. Затем заготовки-пластины собирают в пакет при перекрестном направлении гофр с одновременным нанесением клея в местах касания. После чего материал пакета подвергают окончательному формованию с одновременным соединением гофрированных листов между собой путем термообработки. Способ позволяет получить конструкцию насадки из материала на основе различных типов матриц, расширяющую технологические возможности ее при сохранении высокого срока службы. 2 с. и 20 з.п.ф-лы, 5 ил., 2 табл.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2138327
Класс(ы) патента: B01J19/32, B32B31/26, B01D3/28, B01D53/18
Номер заявки: 96112373/12
Дата подачи заявки: 14.06.1996
Дата публикации: 27.09.1999
Заявитель(и): Уральский научно-исследовательский институт композиционных материалов
Автор(ы): Бушуев В.М.; Коноплев В.Н.; Пелевин А.Ф.; Тюкавин Г.Н.; Удинцев П.Г.
Патентообладатель(и): Уральский научно-исследовательский институт композиционных материалов
Описание изобретения: Изобретение относится к химическому и нефтехимическому машиностроению, в частности, к конструкциям насадок, предназначенных для распределения жидкой и газовой фаз, и может быть использовано в пленочных аппаратах при осуществлении различных тепломассообменных процессов (абсорбции, конденсации, нагревании, охлаждении и т.д.), а также в процессах ректификации, особенно при выделении очистке мономеров, предназначенных для переработки в химические волокна или в пластмассы в химической, нефтехимической и других смежных областях промышленности.
Известна плоскопараллельная насадка, состоящая из отдельных одинаковых элементов, содержащих набор плоских пластин, установленных параллельно продольному направлению движения потока по аппарату и соединенных между собой стяжками с дистанционными прокладками (См. книгу "Пленочная тепло- и массообменная аппаратура под ред. проф. докт.техн. наук В.М.Олевского, Москва, Химия, 1988 г., стр.15).
Основными недостатками известной конструкции насадки являются:
1) недостаточно высокая удельная эффективность тепломассообмена насадки из-за недостаточно высокой удельной поверхности взаимодействия жидкой и паровой фаз;
2) существенная неравномерность распределения потоков по сечению аппарата с предпочтительным направлением перетекания жидкости к стенкам аппарата, а не наоборот, усиливающаяся в результате частичной конденсации паров на стенках аппарата, вызванной тепловыми потерями (т.н. "пристеночный эффект"), а также наличие "провала" жидкости и застойных зон в местах соединения пластин между собой.
Все это ограничивает применение подобных насадок в аппаратах не более 1,2 м в диаметре.
Известна другая насадка, по конструкции наиболее близкая к предлагаемой, принятая нами за прототип, состоящая из расположенных по высоте аппарата элементов, содержащих набор гофрированных пластин из металла, пластика или керамики, установленных параллельно продольной оси аппарата с расположением гофр в соседних пластинах под углом друг к другу и соединенных в местах взаимного касания по вершинам гофр с помощью механического или клеевого соединения (см. журнал "Химическое и нефтяное машиностроение", 1984 г., 7, стр. 1).
Такое конструктивное решение регулярной насадки по отношению к плоскопараллельной позволяет повысить удельную поверхность взаимодействия жидкой и паровой фаз за счет движения контактных потоков по удлиненной зигзагообразной траектории и, как следствие, увеличить удельную эффективность тепломассообмена. Кроме того, полностью исключить "провалы" жидкости и застойные зоны за счет организации движения потоков фаз преимущественно по регулярно расположенным каналам к противоположным сторонам колонны и изменения направления движения потока в каждом из соседних элементов, что позволяет существенно повысить равномерность распределения потоков по сечению аппарата. Выполнение пластин из сетки позволяет достичь особенно высоких эксплуатационных показателей, практически не зависящих от диаметра аппарата.
Вое это позволяет несколько расширить область применения регулярных насадок в аппаратах диаметром 3 м и более.
Однако и этой конструкции присущ ряд недостатков, при этом, в зависимости от того, из какого материала выполнены пластины насадки, она имеет те или иные недостатки.
При выполнении насадки из металлической сетки или листа недостатком является низкий срок службы из-за низкой коррозионной стойкости материала, а также значительный вес конструкции, что усложняет ее монтаж в аппарате.
Недостатками насадки, в которой пластины выполнены из полимерной сетки или сетки из керамических волокон, является низкий срок службы и недостаточно высокая жесткость конструкции из-за разрыхления волокон при высоких скоростях газа и их высокой деформации.
Недостатками насадки, в которой пластины выполнены из листов пластика или керамики, являются невысокая эффективность массообмена и сравнительно узкий рабочий диапазон нагрузок, т.к. недостаточно высокая геометрическая поверхность насадки (что вызвано недостаточным количеством в ней гофрированных пластин из- за сравнительно большой их толщины) и недостаточно хорошая смачиваемость и абсорбционные свойства ее поверхности (из-за гладкой, беспористой или малопористой поверхности пластин) снижают активную поверхность и время контакта взаимодействующих фаз.
Предлагаемая конструкция регулярной насадки позволяет повысить эффективность массообмена и расширить рабочий диапазон нагрузок насадки при сохранении ее высокого срока службы, достаточно высокой жесткости.
Это достигается тем, что в регулярной насадке, состоящей из расположенных по высоте аппарата элементов, содержащих набор гофрированных пластин из неметаллического материала, установленных параллельно предельной оси аппарата с расположением гофр в соседних пластинах под углом друг к другу и соединенных между собой в местах взаимного касания по вершинам гофр, гофрированные пластины выполнены из композиционного материала ситчатой структуры на основе многофиламентных волокон и матрицы и имеют образованные при их переплетении поперечные продольному направлению гофр чередующиеся выступы и канавки, при этом содержание матрицы в материале пластин находится в пределах 20-40 об.%, гофрированные пластины могут быть соединены между собой материалом матрицы, а композиционный материал дополнительно содержит каталитически активный металл или его соединения.
Выполнение гофрированных пластин из композиционного материала на основе непрерывных керамических волокон (о непрерывности волокон говорит признак их переплетения между собой с образованием на поверхности пластин чередующихся выступов и канавок), обладающего более высокой жесткостью и прочностью в сравнении с однородным материалом того же типа (армированная волокнами карбида кремния керамика из карбида кремния в сравнении с однородной керамикой из карбида кремния), позволяет увеличить их количество в каждом из элементов насадки за счет уменьшения их толщины, что, в свою очередь, позволяет увеличить геометрическую поверхность насадки, а значит - увеличить поверхность контакта взаимодействующих фаз.
Выполнение гофрированных пластин из композиционного материала ситчатой структуры позволяет:
1) увеличить геометрическую поверхность насадки;
2) повысить смачиваемость пластин за счет увеличения шероховатости поверхности;
3) дополнительно турбулизовать текущую по каналам пленку жидкости с образованием мелких капель за счет истечения высокоскоростного потока газа через мелкие отверстия пластин.
Выполнение гофрированных пластин из композиционного материала на основе многофиламентных волокон и матрицы, при содержании матрицы в пределах 20-40 об.%, придает пластинам повышенную смачиваемость и способность адсорбировать часть жидкости за счет наличия у такого материала капиллярного эффекта и в то же время обеспечивает достаточную жесткость. При содержании матрицы менее 20 об.% не обеспечивается достаточная жесткость конструкции, что ведет к быстрому выходу насадки из строя; при содержании матрицы более 40 об.% резко уменьшается смачиваемость и адсорбционные свойства пластин из-за снижения капиллярного эффекта, непосредственно связанного с межфиламентной пористостью композиционного материала. Кроме того, начинают закрываться отверстия ситчатой структуры композиционного материала.
Наличие на поверхности пластин поперечных продольному направлению гофр (а значит, поперечных движению потока) чередующихся выступов и канавок, образованных при переплетении волокон, позволяет повысить геометрическую поверхность насадки, дополнительно турбулизовать текущую пленку жидкости за счет придания ей волнообразного течения и сдувания гребешков волн пленки с пластин высокоскоростным газовым потоком, турбулизованным каналами переменного сечения насадки с образованием мелких капель в виде тумана, и повысить смачиваемость пластин за счет увеличения шероховатости поверхности.
Повышенная смачиваемость материала гофрированных пластин облегчает распределение по ним жидкости, что совместно с повышенной геометрической поверхностью пластин позволяет увеличить количество жидкости, проходящей через элементы насадки в режиме пленочного течения и течения по капиллярным каналам, что приводит к увеличению контактной поверхности взаимодействующих фаз.
Способность материала пластин адсорбировать часть стекающей по ним жидкости приводит к увеличению времени пребывания ее в каждом из элементов насадки. Одновременно с этим создаются благоприятные условия для увеличения в элементах насадки количества турбулизованной газом жидкости. Реализация условий турбулизации пленки жидкости за счет ситчатой структуры композиционного материала и наличия на поверхности пластин, образованных при переплетении волокон поперечных продольному направлению гофр, а значит, поперечных движению потока чередующихся выступов и канавок, позволяет интенсифицировать процесс каплеобразования, что также приводит к увеличению контактной поверхности взаимодействующих фаз.
Соединение гофрированных пластин матричным материалом позволяет повысить коррозионную стойкость насадки и ее прочность.
Поскольку композиционный материал в зависимости от типа матрицы обладает теми или иными показателями по термостойкости, окислительной стойкости, жесткости и прочности, возникает возможность целенаправленно влиять на свойства насадки, что позволяет, с одной стороны, расширить ее технические возможности, с другой стороны, выбирая наиболее подходящий для конкретных условий эксплуатации композиционный материал - сохранить ее высокую коррозионную стойкость, прочность и жесткость.
Снабжение композиционного материала гофрированных пластин насадки каталитически активным металлом или его соединением позволяет ускорить процесс получения продукта, расширяет технологические возможности насадки.
В совокупности все признаки объекта изобретения придают ему новое свойство: способность повысить контактную поверхность взаимодействующих фаз и время контакта при сохранении высокой коррозионной стойкости, прочности и жесткости насадки в различных условиях эксплуатации, в том числе в условиях повышенной температуры и коррозионной активности.
Известен способ изготовления регулярной насадки, включающий нанесение на металлическую пластину прорезей с расположением их в шахматном порядке, растягивание пластины в направлении, перпендикулярном прорезям с принятием пластиной вида решетки, сборку элементов из решетчатых пластин с ориентацией их вдоль оси аппарата и механическое соединение пластин посредством стержней (см. В.М.Рамм "Адсорбция газов", М., изд-во "Химия", стр.315).
Недостатком способа является то, что в изготовленной по нему насадке направление каналов для прохождения жидкой и газовой фаз совпадает с осью аппарата, что ведет к возможности "провала" жидкости и стремлению ее двигаться вблизи стенки аппарата и, как следствие, невозможность применения способа при изготовлении крупногабаритных насадок из-за неравномерности распределения жидкости по сечению аппарата.
Кроме того, насадка, изготовленная этим способом, имеет сравнительно низкий срок службы в химически агрессивных средах, что связано с низкой коррозионной стойкостью металлов.
Наиболее близким к предлагаемому по совокупности существенных признаков и достигаемому результату является способ изготовления регулярной насадки, включающий предварительное формование насадки из слоев материала шликерным методом путем заливки суспензии, содержащей керамические компоненты, в полости между слоями из выгораемого или выпариваемого материала и окончательное формование с одновременным соединением слоев между собой путем термообработки (см. пат. США 4917935, кл. МКИ В 32 В 3/00, 1990 г.).
Способ позволяет при использовании соответствующей формы и ориентации в пространстве элементов из выгораемого или выпариваемого материала получить насадку из однородного керамического материала, состоящую из гофрированных слоев, расположенных параллельно друг другу, вершины гофр которых пересекаются с такими же вершинами соседнего слоя и множества соединений, формуемых и между слоями, как одно целое с ними, в том числе из того же материала, что и материал слоев насадки. Другими словами, применение этого способа позволяет:
1) реализовать в конструкции насадки зигзагообразное течение контактных потоков по каналам, имеющим направление от одной стенки аппарата к другой, что приводит к повышению равномерности распределения взаимодействующих потоков по сечению аппарата, включая аппараты большого диаметра;
2) повысить ресурс работы насадки в химически агрессивных средах за счет более высокой коррозионной стойкости керамики в сравнении с металлами.
Недостатком способа является то, что получаемая по нему насадка обладает недостаточно большой геометрической поверхностью из-за значительного объема, занимаемого материалом, из которого она изготовлена (из условия обеспечения технологичности ее изготовления, необходимой прочности и жесткости минимальная толщина ее слоев должна быть не менее 5 мм), а также из-за отсутствия перфораций на отдельных ее слоях, что приводит к снижению эффективности тепломассообменных процессов на насадке.
Еще одним недостатком способа является ограниченное число материалов, из которых можно было бы этим способом изготовить регулярные насадки, что сужает технологические возможности изготовления насадки.
Заявляемое техническое решение позволяет устранить указанные недостатки без значительного усложнения технологии изготовления насадки.
Это достигается тем, что в известном способе изготовления регулярной насадки, включающем предварительное формование насадки из слоев неметаллического материала и окончательное формование с одновременным соединением слоев между собой путем термообработки, предварительное формование насадки производят послойно путем пропускания предварительно пропитанного связующим и при необходимости подсушенного до получения препрега тканого или трикотажного полотна из керамических многофиламентных волокон в зазоре между установленными с возможностью вращения зубчатыми роликами под углом 90o или α/2 к ним, где α - угол между направлением гофр в соседних слоях насадки, при ориентации в полотне неискривленных волокон вдоль направления его пропускания с одновременным отверждением связующего, раскроя образующегося при этом гофрированного листа на заготовки соответственно под углом 90 - α/2 к направлению пропускания полотна и сборки заготовок в пакет при перекрестном направлении гофр в соседних слоях с одновременным нанесением клея в местах касания заготовок по вершинам гофр. При этом в полотне могут применять различного типа керамические волокна: углеродные, карбидные, нитридные, оксидные или их комбинацию. Для пропитки полотна могут быть использованы связующие различного типа:
- модифицированное или немодифицированное металл- или кремнийорганическими полимерами термореактивное полимерное связующее, при этом его содержание в пропитанном полотне при формировании композиционного материала (КМ) на полимерной матрице составляет 28-50 вес.% для полотна из углеродных волокон и 23-40 вес.% - для полотна из оксидных, карбидных или нитридных волокон и не менее 10-15 вес.% при формировании КМ с керамической матрицей;
- силоксановый полимер или превращающееся в него во влажной атмосфере кремнийорганическое соединение при его содержании в пропитанном полотне не менее 12-16 вес.%;
- модифицированное или немодифицированное тугоплавким металлом кремнийорганическое связующее из класса поликарбосилазанов, поликарбосиланов, полициклосиланов или их сополимеров; при этом его содержание в пропитанном полотне при формировании композиционного материала на полимерной матрице может составлять 29-52 вес.% для полотна из углеродных волокон и 25-42 вес.% - для полотна из оксидных, карбидных или нитридных волокон и не менее 10-15 вес.% при формировании в композиционном материале керамической матрицы;
- неорганическое связующее типа силикатного, фосфатного и т.п., при этом его содержание в пропитанном полотне при формировании в композиционном материале оксидной матрицы из силикатного или фосфатного стекла может составлять 34-60 вес. % для полотна из углеродных волокон и 28-50 вес.% - для полотна из оксидных, карбидных, нитридных волокон и не менее 14-18 вес.% - при формировании в композиционном материале углеродной или карбидной матрицы;
3) термообработку собранного из гофрированных заготовок пакета в различных условиях могут проводить:
- при температуре отверждения (сшивки) связующего с образованием композиционного материала на полимерной матрице;
- при температуре, превышающей температуру отверждения (сшивки) связующего, но не выше температуры начала его разложения;
- с последующей после низкотемпературной термообработки до температуры 300oC высокотемпературной обработкой (ВТО) материала пакета;
- на воздухе или в инертной среде при конечной температуре 600-850oC с образованием из материала пакета на основе неорганических связующих композиционного материала на оксидной матрице типа силикатного или фосфатного стекла;
- при чередовании высокотемпературной обработки (ВТО) с дополнительной (до 3 раз) пропиткой материала кремнийорганическим соединением, превращающимся при обработке его во влажной атмосфере в силоксановый полимер, и проведении термообработки после первых пропиток при конечной температуре 300-360oC на воздухе, а перед первой и после последней из дополнительных пропиток - в инертной среде при конечной температуре 850-1100oC с образованием композиционного материала на чисто оксидной или модифицированной углеродом или карбидами оксидной матрице при ее содержании в нем в пределах 25-52 вес. % при формировании его углеродными волокнами и 23-45 вес.% - при армировании оксидными или карбидными волокнами;
- при чередовании высокотемпературной обработки с дополнительной (до 2-х раз) пропиткой модифицированными или немодифицированными тугоплавкими металлами кремнийорганическими связующими из класса полисилазанов, поликарбосиланов, полициклосиланов или их сополимеров и проведении ее в инертной атмосфере при конечной температуре 1000-1200oC с образованием композиционного материала с комбинированной матрицей С + SiC + SiO2 (преимущественно SiC) при ее содержании в нем в пределах 25-50 вес.% в случае армирования его углеродными волокнами, и 22-44 вес.% - в случае армирования оксидными или карбидными волокнами;
- в 2 этапа: начального - в среде инертного газа при конечной температуре 850-1000oC и заключительного - в среде метана, разбавленного инертным газом до парциального давления 70-150 мм рт.ст. до содержания в образующемся при этом композиционном материале углеродной или оксид-углеродной матрицы в пределах 25-48 вес.% в случае армирования его углеродными волокнами и 22-42 вес.% - в случае армирования его оксидными, карбидными или нитридными волокнами;
- в 3 этапа: начального - в среде инертного газа при конечной температуре 850- 1000oC, промежуточного - в среде инертного газа или в вакууме при конечной температуре 1200-1500oC и заключительного - при температуре 950-1000oC в среде метана, разбавленного инертным газом до парциального давления 70-150 мм рт.ст или в вакууме 7-20 мм рт.ст до содержания в образующемся при этом композиционном материале комбинированной углерод-карбидной матрицы в пределах 28-50 вес.% в случае армирования его углеродными волокнами и 21-43 вес.% - в случае армирования карбидными или нитридными волокнами;
- после термообработки материала насадки его поры известными методами могут быть частично заполнены металлом или его соединение, являющимся катализатором процесса получения продукта в аппарате.
Изготовление насадки предлагаемым способом сопряжено с множеством операций, что несколько усложняет технологию ее изготовления, однако, за счет того, что отверждение связующего в пропускаемом между зубчатыми роликами полотне проводят на роликах при температуре, равной или превышающей температуру отверждения связующего или его сшивки, но не выше температуры начала его разложения, сложность изготовления насадки уменьшается.
Осуществление послойного формования насадки на стадии ее предварительного формования создает предпосылки для получения гофрированных листов любой толщины, в том числе и толщиной 0,5 мм при условии обеспечения их высокой прочности и жесткости.
Использование на стадии предварительного формования гофрированных заготовок в качестве исходного материала предварительно пропитанного связующим тканого или трикотажного полотна из керамических многофиламентных волокон создает предпосылки для получения прочного, жесткого и с требуемой структурой композиционного материала, имеющего текстурированный поверхностный слой и обладающего выраженным капиллярным эффектом, поскольку именно на этом этапе закладываются основы для этого.
Пропускание полотна в зазоре между установленными с возможностью вращения зубчатыми роликами с одновременным отверждением связующего позволяет придать полотну гофрированную форму, сохраняющуюся в процессе сборки пакета и его термообработки. Кроме того, благодаря возникающему при этом незначительному усилию на материал полотна (следствием чего является невозможность полного заполнения ячеек полотна связующим и выглаживания его поверхности), создаются предпосылки для наследования ситчатой структуры полотна и его текстурированной поверхности получающимся в конечном итоге материалом насадки. В то время как при формовании гофрированных заготовок методом прессования, когда на материал полотна действуют более значительные усилия, под воздействием которых связующее практически полностью заполняет ячейки полотна, а неровности его поверхности сглаживаются, не может быть и речи о наследовании ситчатой структуры полотна и его текстурированной поверхности материалом насадки. Кроме того, при этом существует большая вероятность травмирования полотна, что приводит к снижению прочности материала, а также усложняется технология изготовления.
Пропускание полотна между зубчатыми роликами под углом к ним 90o или α/2, где α - угол между направлением гофр в соседних слоях насадки, при ориентации в полотне неискривленных волокон вдоль направления его пропускания и раскрой образующегося при этом гофрированного листа на заготовки соответственно под углом 90o - α/2 к направлению пропускания полотна позволяет получить гофрированнные заготовки с расположением в них гофр под углом 90 - α/2 к направлению пропускания полотна и тем самым при перекрестной укладке заготовок в пакет получить регулярную насадку с расположением в ней гофр в соседних слоях под углом. Кроме того, этот прием позволяет на этой стадии получить на поверхности гофрированных пластин расположенные поперек к продольной оси гофр чередующиеся выступы и канавки, образованные переплетением волокон в полотне (эти выступы и канавки после перекрестной оборки заготовок в пакет и установки их в аппарате параллельно его продольной оси получают ориентацию поперек движения потока в аппарате). Предпочтительным является пропускание полотна под углом α/2 к роликам, т.к. оно позволяет уменьшить травмируемость волокон, упростить изготовление гофрированных пластин с требуемым расположением гофр, снизить расходы исходных материалов за счет уменьшения отходов при раскрое заготовок.
Сборка заготовок в пакет при перекрестном направлении гофр в соседних слоях обеспечивает такое же перекрестное расположение гофр в соседних слоях, изготовленной этим способом насадки.
Одновременное со сборкой заготовок в пакет нанесение клея в местах касания заготовок по вершинам гофр позволяет осуществить их предварительное соединение, которое окончательно формируется в процессе термообработки материала собранного пакета. К тому же это соединение в отличие от соединения, выполненного по способу-прототипу, лишь незначительно уменьшает геометрическую поверхность насадки. В зависимости от применяемого на этой стадии клея получают соединение пластин между собой тем же материалом, что и материал матрицы в образующемся при термообработке композиционном материале, либо материалом, отличающимся от материала матрицы. Так, применяя на этой стадии клей той же самой природы (состава), что и связующее для пропитки полотна, получают соединение из того же материала, что и материал матрицы в композиционном материале, и наоборот. Первое более предпочтительно, т.к. обеспечивает безусловное сохранение целостности соединения в тех средах, где стоек композиционный материал насадки, а, значит, сохранение ее прочности и жесткости. При соединении пластин не материалом матрицы есть вероятность разрушения соединения под воздействием химически агрессивной среды, несмотря на стойкость самого композиционного материала насадки, что уменьшает ее прочность и жесткость.
Осуществление окончательного формования насадки с одновременным соединением ее слоев между собой путем термообработки позволяет стабилизировать ее размеры и форму, а также завершить формирование той или иной матрицы в образующемся при этом композиционном материале, придав ему повышенную коррозионную стойкость и стабилизировав параметры его структуры и текстуру поверхностного слоя, предпосылки для которых были подготовлены другими признаками способа.
Использование для пропитки полотна модифицированного или немодифицированного металл- или кремнийорганическими полимерами термореактивного связующего при его содержании не менее 10-15 вес.% (включая пределы 23-50 вес.%) позволяет придать гофрированным пластинам жесткость, необходимую для сохранения ими формы при сборке пакета из этих заготовок и на стадии его термообработки, включая высокотемпературную обработку, где сохранение формы обеспечивается образующимся из этой смолы коксом. При содержании связующего менее 10-15 вес. % возможна потеря формы гофрированных заготовок на стадии высокотемпературной обработки из-за сравнительно низкого содержания образующегося при этом кокса (менее 3,5 вес.%).
Содержание связующего в полотне из углеродных волокон в пределах 28-50 вес.% и 23-40 вес.% - в полотне из оксидных, карбидных или нитридных волокон - позволяет получить после низкотемпературной обработки композиционный материал на полимерной матрице с содержанием ее в пределах соответственно 25 - 45 вес.% и 20-35 вес.%, обладающий высокой прочностью и жесткостью и к тому же сохраняющий наследуемую у полотна ситчатую структуру и способность хорошо смачиваться жидкостью за счет капиллярного эффекта. При этом использование модифицированного металл- или кремнийорганическими полимерами термореактивного связующего позволяет несколько повысить термостойкость композиционного материала на полимерной матрице в сравнении с композиционным материалом на основе немодифицированного термореактивного связующего.
При содержании связующего в полотне из углеродных волокон менее 28 вес.% и менее 23 вес.% - в полотне из оксидных, карбидных или нитридных волокон (а в композиционном материале содержание полимерной матрицы соответственно более 45 и 35 вес.%) закрываются межфиламентные поры, что приводит к уменьшению смачиваемости его жидкостью за счет снижения капиллярного эффекта.
Использование для пропитки полотна силоксанового полимера или превращающегося в него во влажной атмосфере кремнийорганического соединения, при содержании в полотне полимера не менее 12-16 вес.% позволяет придать гофрированным пластинам жесткость, необходимую для сохранения ими формы при сборке пакета из этих заготовок и на стадии его термообработки, включая высокотемпературную обработку, где сохранение их формы обеспечивается образующимся из этой смолы оксидом кремния. При содержании в полотне этого связующего менее 12-16 вес.% возможна потеря формы пакета гофрированных заготовок на стадии его высокотемпературной обработки из-за сравнительно низкого содержания образующегося при этом оксида кремния (менее 5-7 вес.%).
Использование для пропитки полотна модифицированных или немодифицированных тугоплавкими металлами кремнийорганических полимеров из класса полисилазанов, полициклосиланов или их сополимеров при их содержании в полотне не менее 10-15 вес.% (включая пределы 25-52 вес.%) позволяет придать гофрированным пластинам жесткость, необходимую для сохранения ими формы как на стадии их сборки в пакет, так и на стадии высокотемпературной обработки, где сохранение формы обеспечивается образующимся из этих связующих при температуре 850oC кокса, оксида кремния или оксида кремния с оксидом модифицирующего металла, превращающихся при более высоких температурах в соответствующие карбиды или смесь их с нитридами или оксидами.
При содержании связующего менее 10 вес.% возможна потеря формы пакета гофрированных заготовок на стадии высокотемпературной обработки из-за сравнительно низкого содержания образующегося при этом кокса и оксидов, и карбидов металла и кремния (≈ 5-8 вес.%). Содержание такого связующего в полотне из углеродных волокон в пределах 29-52 вес.% и 25-42 вес.% для полотна из оксидных, карбидных или нитридных волокон позволяет получить после низкотемпературной обработки композиционный материал на полимерной матрице с содержанием ее соответственно в пределах 25-48 вес.% и 22-38 вес.% (≈ 20-40 об. %), обладающий высокой прочностью и жесткостью и к тому же сохраняющий наследуемые у полотна ситчатую структуру и капиллярный эффект. Кроме того, использование такого типа связующего при указанном его содержании позволяет получить композиционный материал более высокой термостойкости (250-350oC), чем композиционный материал на полимерной матрице из термореактивного связующего (200-250oC). Отрицательные моменты, возникающие при запредельных значениях содержания связующего, те же, что и у выше рассмотренных связующих.
Использование для пропитки полотна неорганического связующего типа силикатного, фосфатного и т. п. в количестве не менее 14-18 вес.% позволяет придать гофрированным пластинам жесткость, необходимую для сохранения ими формы при сборке пакета из этих заготовок и на стадии высокотемпературной обработки, где сохранение формы обеспечивается образующимися при этом силикатами или фосфатами металлов. При содержании связующего менее 14-18 вес.% возможна потеря формы пакета гофрированных заготовок на стадии высокотемпературной обработки из-за недостаточной жесткости материала. Содержание неорганического связующего в полотне из углеродных волокон в пределах 34-60 вес.% и 28-50 вес.% - в полотне из оксидных, карбидных или нитридных волокон позволяет получить после высокотемпературной обработки композиционный материал с матрицей из силикатного или фосфатного стекла при ее содержании в нем соответственно 28-54 вес.% и 24-45 вес.% (≈ 20-40 об.%).
Проведение отверждения связующего в пропускаемом между зубчатыми роликами полотне на роликах при температуре, равной конечной температуре отверждения (сшивки) связующего (а не при начальной или промежуточной температуре отверждения), позволяет упростить конструктивно-технологическое оформление процесса получения гофрированной ленты, исключив необходимость дополнительной (после роликов) протяжки через нагревательную камеру.
Проведение отверждения связующего в пропускаемом между зубчатыми роликами полотне на роликах при температуре, превышающей конечную температуру отверждения (сшивки) связующего, но не выше температуры начала его разложения (так называемый метод термоудара) обеспечивает возможность продвижения полотна с более высокой скоростью за счет более высокой скорости отверждения связующего, что позволяет упростить технологию изготовления насадки. Кроме того, этот прием позволяет заложить основы получения более пористой матрицы в композиционном материале, что повышает капиллярный эффект.
Проведение термообработки материала, собранного из гофрированных заготовок пакета при конечной температуре отверждения модифицированного или немодифицированного металл- или кремнийорганическими полимерами термореактивного связующего, позволяет соединить слои между собой и получить насадку из композиционного материала на полимерной матрице с окончательно отвержденной структурой (в гофрированных заготовках, получаемых после пропускания между роликами, может быть лишь частичное отверждение), что придает композиционному материалу наиболее высокие значения прочности, жесткости и коррозионной стойкости.
Проведение термообработки материала, собранного из гофрированных заготовок пакета при конечной температуре сшивки модифицированных или немодифицированных тугоплавкими металлами кремнийорганических соединений из класса полисилазанов, поликарбосиланов, полициклосиланов или их сополимеров, позволяет соединить слои между собой и получить насадку из композиционного материала на кремнийорганической матрице с полностью сшитой структурой, что придает композиционному материалу наиболее высокие значения прочности, термостойкости и коррозионной стойкости, причем, этот тип композиционного материала имеет более высокую термостойкость в сравнении с композиционным материалом на термореактивной матрице полимерной, правда, при более низкой коррозионной стойкости - в ряде сред (в щелочах и кислотах), но более высокой в окислительной газовой среде.
Проведение термообработки материала, собранного из гофрированных листов пакета при температуре, превышающей температуру отверждения или сшивки связующего, но не выше температуры его разложения, позволяет стабилизировать в композиционном материале структуру полимерной матрицы и тем самым повысить его термостойкость и коррозионную стойкость.
Проведение высокотемпературной обработки (после низкотемпературной до 300oC обработки) материала, собранного из гофрированных заготовок пакета, позволяет получить насадку из композиционного материала с разновидностями керамической матрицы, являющейся более термостойкой, жесткой и коррозионостойкой, чем полимерная матрица.
Проведение высокотемпературной обработки пакета гофрированных заготовок из материала на основе неорганических связующих типа силикатных, фосфатных и т. п. на воздухе или в инертной среде при конечной температуре 600-800oC с образованием композиционного материала на матрице из силикатного, фосфатного и т.п. стекол при ее содержании в нем 28-54 вес.% (20-40 об.%) в случае армирования его оксидными, карбидными или нитридными волокнами - придает материалу насадки повышенную окислительную стойкость при достаточно высокой прочности, в том числе на удар.
Чередование высокотемпературной обработки (ВТО) материала пакета гофрированных заготовок с дополнительными (до 3-х раз) пропитками кремнийорганическим соединением, превращающимся при обработке его во влажной атмосфере в силоксановый полимер и проведение термообработки при конечной температуре 850-1100oC с образованием композиционного материала на чисто оксидной или модифицированной углеродом или карбидами оксидной матрице при ее содержании в нем в пределах 25-52 вес.% при армировании ее углеродными волокнами и 22-45 вес.% - при армировании оксидными или карбидными волокнами (20-40 об. %), придает насадке повышенную стойкость в окислительной газовой среде при достаточно высокой ее прочности к вибрационным и ударным нагрузкам.
Чередование высокотемпературной обработки материала пакета из гофрированных заготовок с дополнительной (до 2-х раз) пропиткой модифицированными или немодифицированными тугоплавкими металлами кремнийорганическим связующим из класса полисилазанов, поликарбосиланов, полициклосиланов или их сополимеров и проведение ее в инертной среде при конечной температуре 1000-1200oC с образованием композиционного материала с комбинированной матрицей
С + SiC + SiO2 (преимущественно SiC)
при ее содержании в нем в пределах 25-50 вес.% (≈ 20-40 об.%) в случае его армирования углеродными волокнами и 22-44 вес.% (≈ 20-40 об.%) - в случае армирования оксидными или карбидными волокнами, придает насадке повышенную стойкость в окислительных газовых средах при достаточно высокой ее прочности, в том числе к вибрационным и ударным нагрузкам.
Проведение ВТО материала пакета гофрированных заготовок, за исключением материала на основе кремнийорганических связующих, в 2 этапа: начального - в среде инертного газа при конечной температуре 850-1000oC, а заключительного - при температуре 950-1000oC в среде метана, разбавленного инертным газом до парциального давления 70-150 мм рт.ст. или в вакууме 7-20 мм рт.ст. до содержания в образующемся при этом композиционном материале углеродной или оксид-углеродной матрицы в пределах 25 - 48 вес.% (≈ 20-40 об.%) в случае его армирования углеродными волокнами и 22-42 вес.% (≈ 20-40 об.%) - в случае его армирования оксидными, карбидными или нитридными волокнами - придает насадке чрезвычайно высокую стойкость в химически агрессивных средах (кислой, щелочной, переменной), за исключением окислительных при температуре более 500oC, а также достаточно высокую жесткость и прочность, в том числе к вибрационным и ударным нагрузкам.
Проведение ВТО материала на начальном и промежуточном этапах в среде инертного газа или вакуума позволяет исключить его окисление при высоких температурах и получить при этом из полимера пористую матрицу, состоящую из кокса смолы и оксида (или карбида в зависимости от этапа ВТО). Параметры заключительного этапа ВТО позволяют осуществить доуплотнение этой пористой матрицы до требуемого, а также соединить посредством нее пластины между собой, исключая при этом образование наростов сажи и пироуглерода на поверхности гофрированных пластин и сохранив, тем самым, неизменной их форму и размеры.
Проведение высокотемпературной обработки (ВТО) материла пакета гофрированных заготовок в 3 этапа: начального - в среде инертного газа при конечной температуре 850-1000oC, промежуточного - в среде инертного газа или в вакууме при конечной температуре 1200-1500oC и заключительного - при температуре 950-1000oC в среде метана, разбавленного инертным газом до парциального давления 70-150 мм рт.ст. или в вакууме 7-20 мм рт.ст. до содержания в образующемся при этом композиционном материале углеродной или карбид-углеродной матрицы в пределах 28- 50 вес.% (≈ 20-40 об.%) в случае его армирования углеродными волокнами и 21-43 вес.% (≈20-40 об.%) - в случае его армирования карбидными или нитридными волокнами, придает насадке высокую стойкость в большинстве химически агрессивных жидких сред за рядом исключений, более высокую стойкость, чем у насадки из композиционных материалов на чисто углеродной матрице в окислительных газовых средах, а также достаточно высокую жесткость и прочность, в том числе к вибрационным и ударным нагрузкам. Проведение высокотемпературной обработки (ВТО) материала на начальном и промежуточном этапах в среде инертного газа или в вакууме позволяет исключить его окисление при высоких температурах и получить при этом из полимера пористую матрицу, состоящую из кокса, смолы и оксида или карбида в зависимости от этапа ВТО. Параметры заключительного этапа ВТО позволяют осуществить доуплотнение этой пористой матрицы до требуемого ее содержания в композиционном материале, а также соединить посредством нее пластины между собой, исключая при этом образование наростов сажи и пироуглерода на поверхности гофрированных пластин и сохранив, тем самым, неизменной их форму и размеры.
Кроме того, для всех вышеописанных типов композиционных материалов с разновидностями керамической матрицы (также, как и для композиционного материала с полимерной матрицей) при ее содержании в заявляемых пределах (20-40 об.%) сохраняется наследуемая у полотна ситчатая структура и капиллярный эффект. При содержании матрицы ниже нижнего из заявляемых пределов (< 20 об.%) резко снижается прочность и жесткость насадки.
При содержании матрицы выше верхнего из заявляемых пределов (>40 об.%) закрываются межфиламентные поры, что приводит к уменьшению смачиваемости его жидкостью за счет уменьшения капиллярного эффекта.
Частичное заполнение пор композиционного материала (образующихся после его высокотемпературной обработки), насадки металлом или его соединением, являющимся катализатором процесса получения продукта в аппарате, позволяет ускорить протекание химических реакций.
Совокупность указанных признаков придает объекту изобретения новое свойство: способность получить насадку с увеличенной контактной поверхностью, в которой композиционному материалу может быть придан требуемый уровень таких свойств, как термостойкость, окислительная стойкость, коррозионная стойкость в той или иной среде, каталитическая активность по отношению к ряду химических процессов, жесткость и прочность, а также смачиваемость жидкостью и проницаемость для газов.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 изображено расположение элементов насадки по высоте аппарата;
на фиг. 2 - расположение гофрированных пластин в элементе насадки относительно друг друга и оси аппарата, где для лучшей наглядности пластины изображены с зазором относительно друг друга;
на фиг. 3 - схема соединения слоев (гофрированных пластин) насадки между собой;
на фиг. 4 - текстура поверхностного слоя композиционного материала (КМ) гофрированных пластин;
на фиг. 5 - структура композиционного материала гофрированных пластин.
Насадка состоит из расположенных по высоте аппарата 1 элементов 2. Каждый из элементов 2 содержит набор гофрированных пластин 3 из неметаллического материала, установленных параллельно продольной оси аппарата 1 с расположением гофр 4 в соседних пластинах 3 под углом α друг к другу.
Гофрированные пластины 3 соединены между собой в местах взаимного касания 5 по вершинам 6 гофр 4 с образованием каналов 7 для прохода взаимодействующих фаз. Гофрированные пластины 3 выполнены из композиционного материала ситчатой структуры на основе многофиламентных волокон 8 и матрицы (на фиг. 5 ячейки сита обозначены позицией 9). При этом содержание матрицы в материале пластин 3 находится в пределах 20-40 об.%. Пластины 3 имеют образованные при переплетении волокон 8 поперечные продольной оси канала 7 чередующиеся канавки 11 и расположенные между ними выступы 10. Пластины 3 могут быть соединены между собой тем же материалом, что и материал матрицы. Композиционный материал гофрированных пластин 3 может дополнительно содержать каталитически активный металл или его соединения.
В соответствии с предлагаемым способом насадку изготавливают следующим образом.
Сначала производят предварительное формование насадки. Осуществляют его послойно. Для этого тканое или трикотажное полотно из многофиламентных керамических волокон пропитывают связующим и при необходимости подсушивают до получения препрега, после чего полотно пропускают в зазоре между установленными с возможностью вращения зубчатыми роликами под углом 90o или α/2 к ним, где α - угол между направлением гофр 4 в соседних слоях насадки, с одновременным отверждением связующего. При этом неискривленные волокна полотна (а ими являются волокна основы) ориентируют вдоль направления его пропускания. После этого производят раскрой образующегося при этом гофрированного листа на заготовки соответственно (соответственно углу, под которым пропускали полотно между роликами) под углом 90o - α/2 к направлению пропускания полотна. Затем раскроенные таким образом гофрированные заготовки-пластины 3 собирают в пакет при перекрестном направлении гофр 4 в соседних слоях с одновременным нанесением клея в местах касания заготовок по вершинам 6 гофр 4. После этого материал пакета подвергают окончательному формованию с одновременным соединением слоев между собой путем термообработки.
В целях придания насадке тех или иных свойств в зависимости от области предполагаемого использования применяют тот или иной тип керамических волокон и связующего.
Так, для изготовления насадки, используемой при сравнительно низкотемпературных процессах, применяют полимерные связующие типа модифицированных или немодифицированных металл- или кремнийорганическими полимерами термореактивных связующих, обеспечивающих термостойкость композиционных материалов (КМ) на уровне 150-250oC, или применяют модифицированные или немодифицированные тугоплавкими металлами кремнийорганические связующие из класса полисилазанов, поликарбосиланов, полициклосиланов или их сополимеров, обеспечивающих термостойкость композиционного материала на уровне 300-400oC. При этом содержание связующего в пропитанном полотне выбирают в зависимости от его типа и типа волокна. Повышению термостойкости композиционного материала на полимерной матрице способствует также проведение термообработки при температуре, превышающей температуру отверждения (или сшивки) связующего, но не выше температуры его разложения.
Тип волокна выбирают, исходя, прежде всего, из обеспечения требуемой коррозионной стойкости композиционного материала насадки, а также ее жесткости и прочности при наименьших затратах на их приобретение. Для изготовления насадки, используемой в химически более агрессивных средах и температурах, превышающих предел термостойкости полимерной матрицы, применяют либо более термостойкие связующие - в нашем случае неорганические (силикатные, фосфатные и т.п.) с последующей их термообработкой при конечной температуре 700-850oC, либо формируют из полимерной матрицы более термостойкие керамические матрицы путем ее высокотемпературной обработки (проводимой после низкотемпературной обработки) при конечной температуре 850-1000oC для углеродной или оксидной матриц и при 1200-1500oC - для карбидной матрицы с последующим доуплотнением их из газовой фазы тем или иным матричным материалом до содержания в композиционном материале комбинированной или однородной матрицы в пределах 20-40 об.%.
Для изготовления насадки, используемой в слабоокислительных средах, применяют наряду с вышеперечисленными волокнами углеродные волокна, а в качестве материала матриц применяют не только чисто оксидные или карбидные матрицы, но и комбинированную матрицу, в частности, углерод-карбидную.
В целях упрощения конструктивно- технологического оформления процесса получения гофрированной ленты отверждение связующего в пропускаемом между зубчатыми роликами полотне может быть проведено в зависимости от типа связующего на роликах при температуре, равной конечной температуре отверждения или сшивки связующего под воздействием катализаторов радикальной полимеризации типа перекисей или окислением на воздухе (а не при начальной или промежуточной температуре отверждения или сшивки), что исключает необходимость дополнительной (после роликов) протяжки ленты через нагревательную камеру.
В целях упрощения технологии изготовления насадки, отверждение связующего в пропускаемом между зубчатыми роликами полотне может быть проведено на роликах при температуре, превышающей конечную температуру отверждения или сшивки связующего, но не выше температуры начала его разложения, что обеспечивает возможность продвижения полотна с более высокой скоростью за счет более высокой скорости отверждения связующего.
В целях повышения эффективности работы насадки при проведении на ней химических реакций поры композиционного материала могут быть частично заполнены металлом или его соединением, являющимся катализатором процесса получения продукта в аппарате. Заполнение осуществляют известными методами, например, путем пропитки композиционного материала раствором соли, сушкой для удаления растворителя с последующей при необходимости термообработкой для получения из соли металла или его окисла. Это может быть и химический и электрохимический способ осаждения металла на стенках пор композиционного материала.
Насадка работает следующим образом.
Газ (пар) подается в аппарат 1 через соответствующий патрубок 12, а жидкость - сверху через распределитель жидкости 13. Газовый поток, двигаясь по образованным гофрированными пластинами 3 каналам 7 переменного сечения, турбулизуется за счет изменения скорости, давления и направления движения. Поток жидкости, поступающий на верхний элемент 2 насадки, под воздействием турбизированного потока газа и при соударении жидкости о торцы гофрированных пластин 3 элемента 2 дробится на капли и двигается по каналам 7 вниз. При движении капель вниз возникает эффективное взаимодействие жидкости с газом. При этом часть жидкости переходит в пленку и стекает по гофрированным пластинам вниз. Выполнение гофрированных пластин 3 из композиционного материала ситчатой структуры на основе многофиламентных волокон и матрицы (при содержании ее не более 40 об.%) и наличии на них поперечных продольной оси канала 7 (а значит, поперечных движению взаимодействующих потоков) чередующихся выступов 10 и канавок 11 придает пластинам 3 повышенную смачиваемость за счет шероховатости их поверхности и наличия у такого композиционного материала капиллярного эффекта. Это облегчает распределение жидкости по пластинам 3 и делает поверхность контакта фаз особенно активной для массопередачи. Кроме того, выполнение композиционного материала пластин 3 из многофиламентных волокон и матрицы, при содержании последней не более 40 об.% придает композиционному материалу пластин свойство адсорбировать часть жидкости. Это обеспечивает интенсификацию тепломассообмена, а также облегчает процесс разделения близкокипящих жидкостей, что говорит о селективности работы насадки, т. к. увеличивается время контакта газа с жидкостью в каждой из контактных ступеней (элементов 2) насадки, обеспечивающее возможность перевода большей части наиболее летучих компонентов жидкости в газовую фазу.
Стекающая по гофрированным пластинам 3 жидкость, в свою очередь, также частично турбулизуется высокоскоростным газовым потоком. При этом наличие на пластинах 3 поперечных движению потока чередующихся выступов 10 и канавок 11, вызывающих образование волн на поверхности пленки, и ситчатая структура материала пластин 3 приводят к дополнительной турбулизации пленки жидкости истекающим через ячейки 9 ситчатого материала высокоскоростным потоком газа. Образующиеся при этом мельчайшие капли жидкости вступают в эффективное взаимодействие с восходящим газовым потоком. Часть стекающей по пластинам жидкости попадает на нижерасположенный элемент 2, где вновь дробится на капли восходящими потоками газа, образуя многочисленные капли вторичного дробления. Здесь также реализуется эффективный тепломассообмен: поток газа взаимодействует с каплями в момент их образования и с растекающейся по пластинам 3 пленкой жидкости. Получившаяся в результате этого жидкостная смесь ударяется о следующий по ходу элемент 2 насадки и цикл взаимодействия повторяется. Таким образом достигается увеличение поверхности контакта фаз за счет повторяющегося совмещения струйного и пленочного режимов и их взаимодействия. При наличии в порах композиционного материала пластин 3 катализатора происходит также ускорение протекающих на их поверхности реакций между компонентами взаимодействующих фаз.
Примеры конкретного выполнения приведены в табл. 1 и 2, где примеры по пп. 1, 1а, 1б, 2, 3, 6-8, 11-15, 18, 19, 22, 22а, 23, 26, 27, 30, 31, 34, 35, 38-41, 44, 45, 48-51, 54, 56, 58, 60, 61, 64-66, 69-72 соответствуют составам материала с заявляемыми пределами содержания матрицы в композиционном материале, примеры по пп. 4, 9, 16, 20, 24, 28, 32, 36, 42, 46, 53, 62, 67, 74 соответствуют составам материала с пределами содержания матрицы выше заявляемых, примеры по пп. 5, 10, 17, 21, 25, 29, 33, 37, 43, 47, 52, 63, 68, 73 соответствуют составам с пределами содержания матрицы в композиционном материале ниже заявляемых пределов, а примеры по пп. 55, 57, 59 соответствуют пределам содержания связующего в пропитанном полотне ниже нижних из заявляемых пределов.
Из анализа табл.1 и 2 следует:
1. При содержании матрицы в композиционном материале (а для композиционного материала с полимерной матрицей - содержании связующего в пропитанном полотне) выше верхнего из заявляемых пределов нарушается его ситчатая структура (отверстия сита зарастают) и теряется способность к капиллярному эффекту (см. графы 14 и 15 табл.1).
2. При содержании матрицы в композиционном материале ниже нижнего из заявляемых пределов резко уменьшаются прочностные и жесткостные характеристики материала (см. примеры 5, 10, 17, 21, 25, 29, 33, 37, 43, 47, 52, 63, 68, 73).
3. При содержании связующего в пропитанном полотне, используемом для получения композиционного материала с керамическим типом матрицы, ниже нижних из заявляемых пределов нарушается форма гофрированных пластин элементов насадки (см. примеры 55, 57, 59 табл. 1).
4. Применение в композиционных материалах различных типов матриц позволяет изменять его свойства в нужном направлении для обеспечения работы насадки в тех или иных условиях эксплуатации; так, применение в композиционном материале более термостойких полимерных матриц позволяет повысить термостойкость материала (сравни между собой примеры 1 и 1б, 1 и 14 табл. 2).
Применение в композиционном материале углеродной матрицы позволяет повысить как термостойкость, так и химическую стойкость материала за исключением окислительных газовых сред: при температуре выше 500oC материал начинает окисляться. При этом композиционный материал с углеродным наполнителем имеет наибольшую термостойкость и химическую стойкость за исключением окислительных газовых сред (см.примеры 49, 51 табл. 2); с наполнителем из волокон SiC - промежуточную (см. примеры 71, 72 табл. 2); с наполнителем из кремнеземных волокон - наименьшую (см. примеры 60, 61 табл. 2).
Применение в композиционном материале карбидной, оксидной и комбинированной карбид-углеродной или карбид-оксид-углеродной матрицы позволяет повысить стойкость материала в окислительных газовых средах. При этом окислительная стойкость зависит также от природы армирующего наполнителя в композиционном материале (см. примеры 22, 22а, 23, 26, 27, 30, 31, 34, 38-41, 44, 45, 65, 66, 71, 72 табл.2).
5. Увеличение температуры на роликах со 150 до 250oC (т.е. применение термоудара) позволяет повысить скорость протяжки полотна ≈2,5 раза (сравни между собой примеры 1 и 1а табл. 1).
6. Проведение термообработки композиционного материала на полимерной матрице при температуре выше температуры отверждения связующего, но не выше температуры его разложения, приводит к увеличению термостойкости материала (сравни между собой примеры по пп. 1 и 1б табл. 1).
Таким образом, предлагаемый способ изготовления позволяет получить конструкцию насадки, увеличивающую эффективность массообмена и расширяющую рабочий диапазон нагрузок насадки, а также ее технологические возможности при сохранении ее высокого срока службы и достаточно высокой жесткости и прочности.
Формула изобретения: 1. Регулярная насадка для контактирования газообразной и жидкой фаз в аппарате, состоящая из расположенных по высоте аппарата элементов, содержащих набор гофрированных пластин из неметаллического материала, установленных параллельно продольной оси аппарата с расположением гофр в соседних пластинах под углом друг к другу и соединенных между собой в местах взаимного касания по вершинам гофр, отличающаяся тем, что гофрированные пластины выполнены из композиционного материала ситчатой структуры на основе многофиламентных волокон и матрицы, имеют образованные при переплетении этих волокон поперечные продольному направлению гофр чередующиеся выступы и канавки, при этом содержание матрицы в материале пластин находится в пределах 20-40 об.%.
2. Регулярная насадка по п.1, отличающаяся тем, что гофрированные пластины соединены между собой тем же материалом, что и материал матрицы.
3. Регулярная насадка по п.1, отличающаяся тем, что композиционный материал гофрированных пластин дополнительно содержит каталитически активные металлы или их соединения.
4. Способ изготовления регулярной насадки из слоев неметаллического материала и окончательное формование с одновременным соединением слоев между собой путем термообработки, отличающийся тем, что предварительное формование насадки производят послойно путем пропускания предварительно пропитанного органическим или керамикообразующим полимерным связующим тканого или трикотажного полотна из керамических многофиламентных волокон в зазоре между установленными с возможностью вращения зубчатыми роликами под углом 90o или α/2 к ним, где α - угол между направлением гофр в соседних слоях насадки, при ориентации в полотне неискривленных волокон вдоль направления его пропускания с одновременным отверждением связующего, раскроя образующегося при этом гофрированного листа на заготовки и сборки заготовок в пакет при перекрестном направлении гофр в соседних слоях с одновременным нанесением клея в местах касания заготовок по вершинам гофр.
5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что предварительно пропитанное тканое или трикотажное полотно подсушивают до получения препрега.
6. Способ по п. 4, отличающийся тем, что угол раскроя гофрированного листа на заготовки составляет 90o-α/2 к направлению пропускания полотна.
7. Способ по п. 4, отличающийся тем, что в качестве керамических волокон используют углеродные, карбидные, нитридные и оксидные волокна или их комбинацию.
8. Способ по пп.4-7, отличающийся тем, что в качестве связующего берут модифицированное или немодифицированное металл- или кремнийорганическими полимерами термореактивное полимерное связующее, при этом его содержание в пропитанном полотне при формировании композиционного материала на полимерной матрице составляет 23-50 вес. %, для полотна из углеродных волокон, 23-40 вес. % для полотна из оксидных, карбидных или нитридных волокон и не менее 10-15 вес.% - при формировании композиционного материала с керамической матрицей.
9. Способ по пп.4-7, отличающийся тем, что в качестве связующего берут силоксановый полимер или превращающееся в него во влажной атмосфере кремнийорганическое соединение при его содержании в пропитанном полотне не менее 12 вес.%
10. Способ по пп.4-7, отличающийся тем, что в качестве связующего берут модифицированное или немодифицированное тугоплавким металлом кремнийорганическое связующее из класса поликарбосилазанов, поликарбосиланов, полициклосиланов или их сополимеров, при этом его содержание в пропитанном полотне при формировании композиционного материала на полимерной матрице составляет 29-52 вес. % для полотна на углеродных волокон и 25-42 вес.% - для полотна из оксидных, карбидных или нитридных волокон и не менее 10-15 вес.% при формировании в композиционном материале керамической матрицы.
11. Способ по пп.4-7, отличающийся тем, что в качестве связующего берут неорганическое связующее типа силикатного, фосфатного и т.п., при этом его содержание в пропитанном полотне при формировании в композиционном материале оксидной матрицы из силикатного или фосфатного стекла составляет 34-60 вес.% для полотна из оксидных, карбидных или нитридных волокон и не менее 14-18 вес. % - при формировании в комзиционном материале углеродной или карбидной матрицы.
12. Способ по пп.4-11, отличающийся тем, что отверждение связующего в пропускаемом между зубчатыми роликами полотне проводят на роликах при температуре равной конечной температуре отверждения (сшивки) связующего.
13. Способ по пп.4-11, отличающийся тем, что отверждение связующего в пропускаемом между зубчатыми роликами полотне проводят на роликах при температуре, превышающей конечную температуру отверждения (сшивки) связующего, но не выше начала его разложения.
14. Способ по пп.4-8, 10, 12 и 13, отличающийся тем, что термообработку материала, собранного из гофрированных листов пакета, проводят при температуре отверждения (сшивки) связующего с образованием композиционного материала на полимерной матрице.
15. Способ по пп.4-8, 10,12 и 13, отличающийся тем, что термообработку материала, собранного из гофрированных листов пакета, проводят при температуре, превышающей отверждения (сшивки) связующего, но не выше температуры начала его разложения.
16. Способ по пп.4-11, 12-15, отличающийся тем, что после низкотемпературной обработки до температуры 300oС проводят высокотемпературную обработку материала пакета.
17. Способ по пп. 4, 7, 11 и 16, отличающийся тем, что высокотемпературную обработку проводят на воздухе или в инертной среде при конечной температуре 600-650oС с образованием композиционного или фосфатного стекла.
18. Способ по пп.4-10, 12-16, отличающийся тем, что высокотемпературную обработку материала пакета из гофрированных заготовок чередуют с дополнительной до 3 раз пропиткой материала кремнийорганическим соединением, превращающимся при обработке его во влажной атмосфере в силоксановый полимер, при этом термообработку после первых пропиток проводят на воздухе при конечной температуре 300-360oC, а перед первой и после последней из дополнительных пропиток - в инертной среде или в вакууме при конечной температуре 850-1100oС с образованием композиционного материала на чисто оксидной или модифицированной углеродом или карбидами оксидной матрице при его содержании в нем в пределах 25-52 вес.% при армировании его углеродными волокнами и 22-45 вес.% - при армировании оксидными или карбидными волокнами.
19. Способ по пп.4-8, 10, 12-16, отличающийся тем, что высокотемпературную обработку материала пакета из гофрированных заготовок чередуют с дополнительной пропиткой (до 2 раз) модифицированным или не модифицированным тугоплавким металлом кремнийорганическим связующим из класса полисилазанов, полициклосиланов или их сополимеров, при этом высокотемпературную обработку проводят в инертной атмосфере при конечной температуре 1000-1200oC с образованием композиционного материала с комбинированной матрицей С + SiC + SiO2 (преимущественно SiC) при ее содержании в нем в пределах 25-50 вес.% в случае его армирования углеродными волокнами и 22-44 вес.% - в случае армирования оксидными или карбидными волокнами.
20. Способ по пп.4-9 и 11, отличающийся тем, что высокотемпературную обработку материала пакета проводят в два этапа: начальный - в среде инертного газа при конечной температуре 850-1000oС в среде метана, разбавленного инертным газом до парциального давления 70-150 мм рт.ст. или в вакууме 7-20 мм рт. ст. до содержания в образующемся при этом композиционном материале углеродной или оксидоуглеродной матрицы в пределах 25-48 вес.% в случае его армирования углеродными волокнами и 22-42 вес.% - в случае его армирования оксидными, карбидными или нитридными волокнами.
21. Способ по пп.4-8, 10, 12-16, отличающийся тем, что высокотемпературную обработку проводят в три этапа: начальный - в среде инертного газа при конечной температуре 850-1000oС, промежуточный - в среде инертного газа или в вакууме при конечной температуре 1200-1500oС и заключительный - при температуре 950-1000oС в среде метана, разбавленного инертным газом до парциального давления 70-150 мм рт.ст. или в вакууме 7-20 мм рт.ст. до содержания в образующемся при этом материале комбинированной углерод-карбидной матрицы в пределах 28-50 вес.% в случае армирования его углеродными волокнами и 21-43 вес.% - в случае армирования карбидными или нитридными волокнами.
22. Способ по пп.4-21, отличающийся тем, что после высокотемпературной обработки материала насадки его поры известными методами частично заполняют металлом или его соединением, являющимся катализатором процесса получения продукта в аппарате.