JP2000233130A - 交差経路構造を有する充填体 - Google Patents

交差経路構造を有する充填体

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 小さいエネルギーで良好な均質化及び混合化
が達成できる充填体を提供する。 【解決手段】 交差経路構造を有する充填体（１）がパ
ッキングカラムまたは静的混合装置用に提供される。充
填体は互いに境をなす層（１０）が堆積され、各層（１
０）には経路（２）が互いに平行に配置されている。互
いに開口する側面経路（２０）は互いに隣接する層の境
界面（３）で延びる。これらの側面経路（２０）は十字
状の配列構造を形成する。層（１０）の少なくとも一部
は、側面経路（２０）に加えて中心経路（２１）を含
む。中心経路と側面経路との間の境界面における物質分
離は、規則的に配置された壁部により約半分の物質が分
離され、他の半分の物質領域における経路境界面は開口
されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、パッキングカラ
ムまたは静的混合装置用の交差経路構造を有する充填体
であり、充填体は互いに隣接する層が堆積され、各層の
経路は互いに平行に配置され、隣接する層同士間の境界
面において延びる側面経路は互いに開口しており、これ
ら側面経路が交差状の配列構造を形成している充填体に
関するものであり、パッキングとしてこの種の充填体を
有するカラム及び静的混合構造としてこの種の充填体を
有する混合装置に関するものある。
【０００２】
【従来の技術】流体の混合装置はスイス特許出願公開第
５４７１２０号により公知である。この混合装置は静的
混合要素が管内に組み立てられる。この種の組立要素は
互いに接触する層から成り、これらの層は部分的に開放
流経路を有する交差経路構造を形成する。カラム用のパ
ッキング体ではドイツ特許出願公開第２６０１８９０号
により公知であり、同様に交差経路構造を有する。この
種のカラムパッキングにより、物質または熱のうち少な
くとも一方の交換が行われ得る。即ち、（ａ）パッキン
グ表面上の媒体、特にリップルフィルムまたは接触反応
活性コーティングのうち少なくとも一方の上にある媒体
と、（ｂ）パッキング表面により形成される経路を通し
て流れるガス流と、の間において物質または熱の交換が
行われる。
【０００３】流体が互いに開口して交差する経路を通過
して流れる場合、モーメント交換が行われる流体間の相
互作用が、隣接する層間の境界面において生じる。この
モーメント交換の結果として、乱流が経路に生じる。こ
の乱流は乱流編組（重畳回転を有する移動性流体流）、
乱流核の形態であり、経路方向に延びる。これら乱流編
組はさらに二次乱流を引き起こす。モーメント移送によ
り与えられる乱流編組の駆動力は、乱流が摩擦力に対し
て静止状態となるように設定する。乱流はさらに流体を
通過して混合し、一方では隣接する経路間の物質交換を
通して、他方では境界層と経路の内側空間との間の物質
交換を通して混合する。経路は傾斜されているため、流
体は温度及び充填体の断面上の濃度に関して均質化する
が、均質化が行われるのは層の方向においてのみであ
る。均質化及び混合化の効果はエネルギー消費の大きさ
によってもたらされ、エネルギー消費は流体抵抗（圧力
低下）が加わるにつれて大きくなる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、所望
する均質効果及び混合効果が低減されたエネルギー消費
で達成されるための交差経路構造を有する充填体を作成
することである。作成された充填体における流体抵抗
は、交差経路構造を有する公知の充填体に比較して低く
なるべきである。しかしながら、物質交換カラムの分離
能力、または静的混合器の混合作用はほぼ良好な状態で
なければならない。
【０００５】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
の本発明の充填体は以下の構成である。本発明の充填体
は、パッキングカラムまたは静的混合装置用の交差経路
構造を有する充填体であり、前記充填体は互いに隣接す
る層が堆積され、各層の経路は互いに平行に配置され、
互いに隣接する層の境界面で延びる側面経路は互いに開
口しており、これら側面経路が交差状の配列構造を形成
している充填体において、層の少なくとも一部は側面経
路に加えて中心経路を含み、中心経路と側面経路との間
の境界面における物質分離は規則的に配置された壁部に
より約半分の物質が分離され、他の半分の物質領域にお
ける経路境界面は開口されている。
【０００６】前記充填体は、層がグリッド状にスリット
が入れられると共に変形された金属薄片シートから形成
され、経路境界面が櫛状に曲折された壁部により形成さ
れ、これら壁部の櫛は層の中心平面の両側に交互に列状
に配置されると共に中心平面に平行であり、金属薄片シ
ートの代わりに膜またはワイヤメッシュを使用すること
が可能であり、金属薄片シート、膜またはワイヤメッシ
ュの材料として金属、セラミック材料、プラスチックの
うちの少なくともいずれかを選択することが可能であ
る。
【０００７】前記充填体は、各壁部がさらにスリット形
成及び変形を通して組み立てられ、特に微細な構造を有
する。前記充填体は、全ての経路が主流方向に対して傾
斜され、主流方向に対する傾斜角度は１０度〜７０度で
あり、特に隣接する層の互いに交差する経路は主流方向
に関して反対方向にそれぞれ傾斜され、この傾斜角度は
大きさがほぼ等しい。
【０００８】前記充填体は、規則的に配置された壁部が
直線状の自由縁部を有し、自由縁部は少なくともほぼ落
下線、即ち垂直平面に位置すると共にその方向が壁部表
面上の水平線に垂直である線の上に位置する。
【０００９】前記充填体において、経路壁部は溝が付け
られているか、または他の構造に形成されている、経路
壁部はさらに例えば丸い孔にて穿孔されている。前記充
填体は、規則的に配置されたそれぞれの層が、波形形
状、特にジグザグ形状に曲折されているスリットのない
金属薄片シート、膜、ワイヤメッシュから形成される。
【００１０】本発明のカラムは前記充填体を有するカラ
ムであり、カラムが、一方ではパッキングの表面上のリ
ップルフィルムと、他方では多くの経路を通過して流れ
るガス流との間の、物質交換または熱交換のうち少なく
とも一方の交換を行うためのパッキングとして使用さ
れ、経路はパッキング表面により形成され、パッキング
表面は接触反応活性物質を有するコーティングが施され
得る。
【００１１】前記カラムにおいて、充填体は複数のパッ
キング要素が堆積され、パッキング要素は１つのパッキ
ング要素の上に他のパッキング要素が配置されており、
各パッキング要素は同じ向きの層を有するパッキング部
分を形成し、隣接するパッキング要素の層の水平方向が
互いに交差する。
【００１２】本発明の混合装置は、管と、前記充填体の
形態である静的混合構造物とを含む混合装置であり、静
的混合構造物は管内に配置され、この混合装置は流動可
能な物質を混合するために使用され、流動可能な物質は
同一方向に管を通過して流れ、静的混合構造物の表面は
接触反応活性物質を有するコーティングが施され得る。
【００１３】本発明の充填体の層は側面経路の他にさら
に中心経路を含み、中心経路は壁部により側面経路から
部分的に分離されている。側面経路は、同一層の平行な
経路が壁部により全体の長さにわたって分割されている
公知な交差経路構造の経路に対応する。公知な交差経路
構造において既述したように、側面経路において一次乱
流編組が隣接する層間の相互作用により駆動される。こ
れら一次乱流編組は二次乱流編組を中心経路に引き起こ
す。この中心経路のために混合作用がほぼ等しい大きさ
のエネルギー消費でより大きい体積において達成され
る。各層は公知の交差経路構造とは対照的に両側の側面
経路間の大きい通気性を有するため、さらに均質化が生
じ、この均質化は層の方向に対して垂直方向に行われ
る。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、本発明について、実施例を
図面に従って詳述する。本発明の充填体１の層１０が図
１、図４、及び図１１に示されている。層１０は金属薄
片シートから形成され、グリッド状にスリットが入れら
れて変形されている。金属薄片シートの代わりに膜また
はワイヤワイヤメッシュも使用され得る。スリット１１
はスリット縁部１１ａ及び１１ｂを有し、スリット縁部
１１ａ及び１１ｂは開口面２２または２２’（図４）に
わたる。スリット１１は終点Ａ，Ｂ及びＡ’，Ｂ’を有
し、これら終点は三角形ＡＢＡ’及びＢＡ’Ｂ’を有す
るグリッドを形成する。金属、セラミック材料、または
プラスチックのうちの少なくともいずれかが、金属薄片
シート（膜またはワイヤメッシュ）の材料として選択さ
れ得る。
【００１５】充填体１は多くの互いに境をなす層１０が
堆積され、これらの層において経路２が互いに平行に配
置されている。経路２は主流方向に対して傾斜されてい
る。この主流方向は図４におけるＺ軸に平行である。経
路２、即ち側面経路は図４におけるｘ−ｙ平面上の断面
積が同一であり、隣接する層１０同士間の境界面３（図
２、図１１）において延びる。それぞれの側面経路は断
面が三角形に形成され、符号２０で示されている。これ
らの側面経路２０は互いに開口しており、十字状の配列
構造を形成する。側面経路２０に加えて層１０は中心経
路２１を含み、中心経路２１はそれぞれ矩形の断面形状
である。中心経路２１と側面経路２０との間の境界面に
おける物質分離は、規則的に配置された壁面部により約
半分の物質が分離され、他の半分の物質領域において経
路境界面は開口されている。
【００１６】経路２の境界面は櫛形状に曲折された壁部
により形成されている。これら壁部の曲折縁部または櫛
１２及び１４は、層１０の中心平面４の両側に、即ち図
４におけるｘ−ｚ平面の両側に交互に列状に配置され、
櫛１２及び１４は前記平面に平行である。図１の平面図
において櫛１２及び１４は、櫛１２及び１４に対して平
行に延びる図の平面の上下にそれぞれ位置している。さ
らに曲折縁部１３及び１５は中心平面４に位置する。経
路２の方向５はｚ軸（図４）に対して角度Ｗをなしてお
り、ｙ方向から見た場合にｚ軸の左側に位置する。図示
例において、隣接する層１０の経路方向５’は同様にｚ
軸と角度Ｗをなすが、ｙ方向から見るとｚ軸の右側に位
置する。この傾斜角度Ｗは１０度より大きく７０度より
小さい。経路方向５及び５’のｘ−ｙ平面における投影
は、図４においてそれぞれ矢印５０及び５０’として示
されている。
【００１７】図２及び図３は、図１のＩＩ−ＩＩ線及び
ＩＩＩ−ＩＩＩ線における層１０の２つの平行な断面図
を示す。境界面３及び中心平面４の位置は鎖線３０及び
４０により示されている。図２において境界面３に位置
する曲折縁部１２及び１４のみが認識され得、曲折縁部
１３及び１５は中心平面４に位置する。図３の断面図は
位置ａ，ｂ，ｃ，ｄにおいてスリット１１（縁部１１
ａ，１１ｂ）を横断する。
【００１８】側面経路２０及び中心経路２１における流
動関係は図５に示されている。図５はｘ−ｙ平面（図４
参照）における２つの隣接する層１０の断面を示す。乱
流５１ａ及び５１ｂは、隣接する互いに交差する経路２
間の相互作用により側面経路２０において引き起こされ
る。これらの一次乱流５１ａ及び５１ｂは、中心経路２
１において二次乱流対５２ａ，５２ｂを引き起こす。
【００１９】規則的に配置された経路２の壁部は自由縁
部、即ちスリット縁部部１１ａ及び１１ｂを有する。こ
れらの縁部１１ａ及び１１ｂは湾曲されたり、歯がつけ
られたりできる（不図示）。しかしながら、縁部１１ａ
及び１１ｂは直線であることが好ましく、少なくともほ
ぼ落下線上にあることが好ましい。この落下線とは垂直
面（ｚ軸に平行）に位置する線であり、この線は層１０
の表面上の水平線に対して垂直であるように層１０の表
面に向けられている。この好ましい実施形態は図６に示
されている。落下線の方向は矢印１９により示されてい
る。
【００２０】図７に図示された実施形態において、図１
と同様に三角形グリッドが形成されている。しかしなが
ら図７では、スリット１１はコーナーポイントＡ（また
はＡ'）及びＢ（またはＢ'）からそれぞれ距離δA及び
δBの位置で終端している。これらの距離の結果とし
て、図１における曲折縁部１３及び１５の代わりに、コ
ーナーポイントを通過する「水平」バンド１６が生じる
（図８参照）。図９において示すように、「水平」バン
ド１６の代わりに例えば傾斜バンド１６'及び１６”も
形成され得る。
【００２１】層１０の幾何構造は傾斜角度Ｗ、曲折縁部
１２，１４の角度、及びスリット１１の配列により特徴
付けられ得る。スリット１１の配列はコーナーポイント
ＡとＢとの間の距離、距離δA及びδB、及び例えば２つ
の三角形の角度α及びβを通して限定され得る（図
７）。
【００２２】図６に十字２２０により記された開口面２
２の近傍における層１０の詳細が図１０に示されてい
る。即ち、経路２の物質境界面、経路壁部は溝が付けら
れている、即ち微細な溝を有する構造に形成されてい
る。溝１７が落下線１１（縁部１１ａ，１１ｂ）を横切
る。さらに、経路壁部は例えば丸い孔１８により穿孔さ
れ得る。多くの平行溝から成る溝１７の代わりに、欧州
特許出願公開第０１９０４３５号から公知であるような
１つの溝も形成され得る。欧州特許出願公開第０１９０
４３５号では表面構造が交差溝により形成されている。
【００２３】本発明の充填体は同種の層から均一に堆積
される必要はない。各層はスリットのない金属薄片シー
ト（または膜、ワイヤメッシュ）からも製造され得、各
場合において層は波形形状を有し、特にジグザグ形状に
曲折される。この種の構造においては、異なる種類の層
が規則的に連続して配置されるならば好ましい。例え
ば、（ａ）図１〜図１０に示すタイプの金属薄片シート
を有する層、及び（ｂ）波形形状でスリットのない金属
薄片シートの層が、交互に配列する構造である。
【００２４】本発明の充填体１は概して複数のパッキン
グ要素から堆積され、１つのパッキング要素が他のパッ
キング要素の上に配置されている。各パッキング要素は
同一方向の層を有するパッキング部分を形成し、隣接す
るパッキング要素の層の水平方向は互いに交差してい
る。図１１にはこの種の充填体１の構造が示されてい
る。即ち、２つのパッキング要素１ａ及び１ｂの境界面
３を有し、パッキング要素１ａ及び１ｂはカラムまたは
静的混合器の円筒壁部１００に配置されている。鎖線３
０'は図示しない境界面３の上端部を示す。矢印５及び
５'は隣接する層１０（不図示）の経路方向を示す。矢
印６及び７は流体の主流方向を示し、流体は混合または
物質交換の少なくともいずれかの目的のために充填体１
を通過して導かれる。
【００２５】層１０の金属薄片シート（または膜、ワイ
ヤメッシュのいずれか）、または層１０の唯一つの壁部
の場合でもさらにスリット形成及び変形を通して構造が
形成され得、例えば櫛形状に曲折された小壁部が形成さ
れる。この小壁部は経路２（図４）の壁部に類似する
が、経路２よりもかなり小さく形成される。この種の微
細な構造を有する交差経路構造は米国特許第４７１０３
２６号から公知である。
【００２６】経路２は全ての例示実施形態において直線
経路として示されている。しかしながら経路２は方向に
おける変化も有し得、特に図１１のパッキング要素１ａ
及び１ｂの上端または下端の少なくともいずれかにおけ
る境界領域において変化し得る。パッキングの特殊な実
施形態において、下方領域、中間領域及び上方領域がパ
ッキング要素において区別され得る。パッキング要素の
縁部領域において、流体抵抗は適切な形状の結果として
中間領域の流体抵抗に対して低減され得る。この種の好
ましい実施形態は特許協力条約における国際公開第９７
／１６２４７号から公知である。
【００２７】本発明の充填体の表面は接触反応活性物質
を有するコーティングが施され得る。この種の充填体は
反応性蒸留を行うためのカラムにおいて、または燃焼排
ガス触媒における触媒キャリアとして使用され得る。
【００２８】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明の充填体は
小さいエネルギーで良好な均質化及び混合化が達成され
るという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の充填体における層の一実施形態を示す
平面図。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線における断面図。
【図３】図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線における断面図。
【図４】図１に示した層の斜視図。
【図５】本発明の充填体における流動関係を示す図４の
ｘ−ｙ平面における断面図。
【図６】充填体の層で特に好ましい幾何構造を示す斜視
図。
【図７】本発明の充填体における層の別の実施形態を示
す平面図。
【図８】図７の断面図。
【図９】図８の層の変形例を示す断面図。
【図１０】図６の層を詳細に示す斜視図。
【図１１】本発明の充填体を有するカラムまたは静的混
合器の斜視図。
【符号の説明】
１…充填体、２…経路、３…境界面、１０…層、２０…
側面経路、２１…中心経路、１００…管、６，７…主流
方向

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 パッキングカラムまたは静的混合装置用
    の交差経路構造を有する充填体（１）であり、前記充填
    体（１）は互いに隣接する層（１０）が堆積され、各層
    （１０）の経路（２）は互いに平行に配置され、互いに
    隣接する層の境界面（３）で延びる側面経路（２０）は
    互いに開口しており、これら側面経路（２０）が交差状
    の配列構造を形成している充填体において、層（１０）
    の少なくとも一部は側面経路（２０）に加えて中心経路
    （２１）を含み、中心経路と側面経路との間の境界面に
    おける物質分離は規則的に配置された壁部により約半分
    の物質が分離され、他の半分の物質領域における経路境
    界面は開口されていることを特徴とする充填体。
  2. 【請求項２】 層（１０）はグリッド状にスリットが入
    れられると共に変形された金属薄片シートから形成さ
    れ、経路境界面が櫛状に曲折された壁部により形成さ
    れ、これら壁部の櫛（１２，１４）は層（１０）の中心
    平面（４）の両側に交互に列状に配置されると共に中心
    平面に平行であり、金属薄片シートの代わりに膜または
    ワイヤメッシュを使用することが可能であり、金属薄片
    シート、膜またはワイヤメッシュの材料として金属、セ
    ラミック材料、プラスチックのうちの少なくともいずれ
    かを選択することが可能であることを特徴とする請求項
    １に記載の充填体。
  3. 【請求項３】 各壁部はさらにスリット形成及び変形を
    通して組み立てられ、特に微細な構造を有することを特
    徴とする請求項２に記載の充填体。
  4. 【請求項４】 全ての経路は主流方向（６，７）に対し
    て傾斜され、主流方向に対する傾斜角度（Ｗ）は１０度
    〜７０度であり、特に隣接する層（１０）の互いに交差
    する経路は主流方向に関して反対方向にそれぞれ傾斜さ
    れ、この傾斜角度は大きさがほぼ等しいことを特徴とす
    る請求項１乃至３のいずれか１項に記載の充填体。
  5. 【請求項５】 規則的に配置された壁部は直線状の自由
    縁部（１１ａ，１１ｂ）を有し、自由縁部（１１ａ，１
    １ｂ）は少なくともほぼ落下線、即ち垂直平面に位置す
    ると共にその方向が壁部表面上の水平線に垂直である線
    の上に位置することを特徴とする請求項１乃至４のいず
    れか１項に記載の充填体。
  6. 【請求項６】 経路壁部は溝が付けられているか、また
    は他の構造に形成されている、経路壁部はさらに例えば
    丸い孔（１８）にて穿孔されていることを特徴とする請
    求項１乃至５のいずれか１項に記載の充填体。
  7. 【請求項７】 規則的に配置されたそれぞれの層（１
    ０）は、波形形状、特にジグザグ形状に曲折されている
    スリットのない金属薄片シート、膜、ワイヤメッシュか
    ら形成されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれ
    か１項に記載の充填体。
  8. 【請求項８】 請求項１乃至７のいずれか１項の充填体
    （１）を有するカラムであり、前記カラムは、一方では
    パッキングの表面上のリップルフィルムと、他方では多
    くの経路（２）を通過して流れるガス流との間の、物質
    交換または熱交換のうち少なくとも一方の交換を行うた
    めのパッキングとして使用され、前記経路（２）はパッ
    キング表面により形成され、パッキング表面は接触反応
    活性物質を有するコーティングが施され得ることを特徴
    とするカラム。
  9. 【請求項９】 充填体（１）は複数のパッキング要素
    （１ａ，１ｂ）が堆積され、パッキング要素は１つのパ
    ッキング要素の上に他のパッキング要素が配置されてお
    り、各パッキング要素は同じ向きの層（１０）を有する
    パッキング部分を形成し、隣接するパッキング要素の層
    の水平方向が互いに交差することを特徴とする請求項８
    に記載のカラム。
  10. 【請求項１０】 管（１００）と、請求項１乃至７のい
    ずれか１項の充填体の形態である静的混合構造物（１）
    とを含む混合装置であり、静的混合構造物（１）は管
    （１００）内に配置され、この混合装置は流動可能な物
    質を混合するために使用され、流動可能な物質は同一方
    向（６または７）に管を通過して流れ、静的混合構造物
    の表面は接触反応活性物質を有するコーティングが施さ
    れ得ることを特徴とする混合装置。
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