JP2014514145A - 分離用カラム内の遮蔽 - Google Patents

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Abstract

物質移動用カラム内で液体を分配するための液体分配装置および方法において、分配装置には；少なくとも１つのライザー壁を含む少なくとも１つのライザーであって、少なくとも１つのライザー壁が分配装置の第１の表面から物質移動用カラムの第１の方向に延在しているライザーと；第１の方向とは反対の第２の方向に延在し、第１の表面とは反対側にある分配装置の第２の表面から延在している、少なくとも１つのシールドと；分配装置の第１の表面から分配装置の第２の表面を通って延在する少なくとも１つの液体分配アパーチャと；が含まれ、少なくとも１つのシールドが、少なくとも１つのシールドと充填物の間に間隙が作り出されるような形で第２の方向に延在する長さを有し、シールドと充填物の間の間隙の高さが約１０ｍｍ〜７５ｍｍである液体分配装置または方法。

Description

物質移動用カラム（例えば空気分離カラム）内で高い効率を達成するためには、充填床内での均一な液体分配が決定的に重要な意味を有するという考え方が定着している。均一な液体分配は、充填床内の効率の良い物質移動を導く。したがって、均一な液体分配を促進するように物質移動用カラムおよび装置を設計することが業界基準となった。
例示を目的として、物質移動のために液体および蒸気の向流を利用する従来の物質移動用カラムセクション１００が図１に示されている。液体は、重力の結果として物質移動用カラムを落下し、蒸気は、カラムセクションの長さに沿って確立された圧力勾配の結果として物質移動用カラムを上昇する。その結果、カラムの内部で物質移動が起こる。
空気分離カラムなどの典型的物質移動用カラムは、各々が例えば底部では充填床または充填物１０４などの物質移動装置とそして上部では例えば液体分配装置１１０と境を接している一定数のゾーンまたはセクション１０２に分割されている。充填物１０４と分配装置１１０の間には、液体分配装置１１０の底面１２６と充填物１０４の上面１０６の間に空間つまりスペーシング１０８が存在し、ここを蒸気１２０が充填物１０４から上昇し、液体１１６は液体分配装置１１０から自由落下する。
典型的な液体分配装置１１０は、蒸気および液体の収集および分配のための蒸気通路と液体通路の両方を収納している。蒸気通路は、上昇する蒸気１２０が液体分配装置１１０を通って次のカラムセクション（図示せず）の中に移行するために使用される。液体収集装置（図示せず）が、液体分配装置１１０の上部に位置設定されている。液体収集装置および液体分配装置１１０は典型的には、液体１１６の所望のレベルを維持し、液体分配装置１１０の表面を横断して、ひいてはカラムの断面部域を横断して、通常は均等である所望の液体分配を提供するように設計されている。液体分配装置１１０の目的は、充填物表面１０６上で液体１１６を均一に分配することにある。静水圧下で液体１１６を通過させるように、一連の液体分配アパーチャまたは孔１１４が液体分配装置１１０内に設置されている。液体分配アパーチャまたは孔１１４は、物質移動用カラムのサイズ、特定のゾーンまたはセクション設計、液体分配装置表面上の位置などに応じて等しいまたは異なる直径のものであってよい。さらに、液体分配アパーチャまたは孔１１４は、規則的なまたは不規則な列に配置されてよい。液体分配アパーチャまたは孔１１４は、分配装置本体の底部またはトラフ垂直壁などに設置されてよい。
液体分配装置１１０の液体分配アパーチャまたは孔１１４を通過した後、液体の液滴流１１８が形成し、液滴流１１８はスペーシング１０８を通って液体分配装置１１０から落下し、液滴流１１８または液体流を作り出す。一般に、作り出された液体流または液滴１１８は、サイズがさまざまであり、異なる初速を有する場合がある。液滴のサイズは、液体分配アパーチャまたは孔１１４の直径、液体初速および液体の物理的特性（密度、粘度など）によって規定される。液体の初速は、液体分配アパーチャまたは孔１１４の数、液体分配アパーチャまたは孔１１４の直径、および液体分配装置１１０より上の液体１１６のレベルにより規定される。液滴１１８は、スペーシング１０８内の上昇蒸気１２０に対抗して自由落下する。
充填物または充填床１０４は、液体分配装置１１０から液体１１６を受入れ、カラム断面１０２を横断して均等に上昇蒸気流１２０を分配するように設計されている。したがって、上昇蒸気１２０は液体分配装置１１０まで均等に上昇し、そこで蒸気は、液体分配装置１１０の表面を横断して組織された（以下ライザー部域、ライザーアパーチャまたはライザー１１２と呼ぶ）開放部域に進入する一連の流れへと分かれるということを仮定することができる。ライザー壁１１３が、液体分配装置１１０内に収集された液体がライザー１１２を通して下向きに流れるのを防ぐ。
しかしながら、上昇蒸気１２０の一連の流れへの分割は均一でない場合もあり、これは主として、ライザー１１２の開放部域、幾何形状および位置により左右される。図２に示されている通り、蒸気流１２０がスペーシング１０８を通って上昇するにつれて、蒸気流１２０は加速しライザー１１２の開放部域に向かって方向転換し、そこで蒸気流１２０は、例えば次のカラムセクション内へと脱出し得る。これらの方向転換する蒸気流１２２は、落下する液体流または液滴１１８上で、ライザー１１２の開放部域１１２の中心に向かう力を作り出す。従来のカラムセクション１０２内では、落下する液体または液滴１１８は、液滴１１８が液体分配装置１１０からスペーシング１０８の中に退出する時点で、上昇し方向転換する蒸気流１２２により生成される力の衝撃を受ける可能性がある。方向転換する蒸気流１２２と落下する液滴１１８の間の相互作用は、落下する液滴１１８の意図された軌道に（すなわち落下する液滴１１８の偏向を通して）影響を及ぼす。落下する液滴１１８の意図された軌道、ひいては充填物表面１０６上の液滴１１８の設定目標（単複）からの著しくずれた場合、物質移動用カラムセクション１００の不均等分配および性能低下が発生する可能性がある。
上述の通り蒸気流は異なる形で分かれる場合があることから、液滴に対し作用する力は、異なるライザーの近傍において異なる可能性がある。典型的には、上昇する蒸気は、充填物表面の上部と液体分配装置の下側の間の空間（すなわちスペーシング）において異なる流れへの分割を開始する。液滴の軌道は、液滴質量、その初速、ライザー縁部との関係における液体分配アパーチャまたは孔の位置、および液滴の影響下滞留時間（すなわち、方向転換する蒸気流１２２からの力の影響により液滴１１８がスペーシング１０８内にある時間）によって左右される。
液滴がスペーシングの最も上部において方向転換する蒸気流からの力を受けている場合および／または液滴がライザー縁部近くに配置された液体分配アパーチャまたは孔において形成する場合、所望される落下位置からの液滴の有意な偏向が発生する可能性がある。さらに、物質移動用カラム内で蒸気および液体処理量が増大するにつれて、液体の液滴偏向は増大する。
物質移動用カラム内の液体偏向を最小限に抑えるいくつかの方法が存在する。物質移動用カラム内の液体偏向を最小限に抑える第１の方法は、液体分配装置１１０の底面１２６と、充填物１０４の上面１０６の間のスペーシング１０８を最小限に抑えることにある。スペーシングをより小さくすると、結果としてそのスペーシング内を落下する液体の影響下液滴滞留時間（ＡＤＲＴ）は短かくなり、したがって、充填物表面における所望の落下位置からの全体的液体偏向は小さくなるという結果が得られる可能性がある。影響下液滴滞留時間（ＡＤＲＴ）は、液滴が方向転換する蒸気流による影響を受けているスペーシング（ＨAFFECTED）を平均液滴速度（ＶAVEDROPLET）で除することによって計算される。すなわち、
ＡＤＲＴ＝ＨAFFECTED／ＶAVEDROPLET
残念なことに、スペーシングを最小限に抑えることには、物質移動装置および液体分配装置の製造に関係するさまざまな異なる要因に起因して、限界があることが多い。
物質移動用カラム内の液体偏向を最小限に抑える第２の方法は、蒸気流量を削減することにある。この選択肢は、図３に示されている通り、液体流を偏向させる力に大きく影響を及ぼす可能性があるが、この選択肢は、特に分離生成物に大きな需要があり物質移動用カラムがその最大能力での運転を強いられている場合、望ましくない可能性がある。
物質移動用カラム内の液体偏向を最小限に抑える第３の方法は、蒸気流量を一定に保ちながらライザー開放部域を増大させることによりライザー内部の上昇蒸気速度を低減させることにある。このアプローチは、水平方向液体流のために使用する空間が比較的少なく、より高いトラフ内液体速度を有するより狭い液体トラフを結果としてもたらし、したがって液体分配装置の上部において液体分配に影響を及ぼす場合がある。分配装置トラフ内での液体分配の低下は、充填物表面における液体の不均等分配をさらに悪化させる。その上、トラフが狭くなると、ライザーの縁部により近いところに液体分配アパーチャまたは孔の列を配置することが求められる可能性がある。液体分配アパーチャまたは孔のこのような配置は、液体流偏向の増加を導くかもしれず、したがって、充填物表面上の液体の分配をさらに一層不均等にする結果となる可能性がある。
物質移動用カラム内の液体偏向を最小限に抑えるための第４の方法は、液体の液滴サイズを増大させ、液体の液滴初速を増大させることにある。これら２つのアプローチは、相互依存するものである。実際、液滴サイズを増大するには、液体分配アパーチャまたは孔の直径を大きくする必要があり、このことはそれだけで、液体分配装置上の液体レベルを低減させ、ひいてはスペーシング内の初期液滴速度の低下を導く可能性がある。液体分配装置１１０上の液体分配アパーチャまたは孔１１４の数を低減させることによって液体分配アパーチャまたは孔のサイズを増大させ液体分配装置上の液体レベルを一定に保つことは可能であるものの、これによって過度に少ないアパーチャまたは孔１１４を有する液体分配装置の設計が導かれる場合があり、これはそれだけで、充填物表面上の液体分布の均一性および物質移動用カラムの全体的効率に影響を及ぼす可能性がある。初期液体速度を増大させるために液体レベルを増大させるだけで、カラム設計に影響が及ぼされる（すなわちカラム高さの増加が強いられる）可能性がある。典型的に、この選択肢は同様に、大部分の場合において望ましくないものである。
従来の液体分配装置の構造は、例えば以下の公報中に見い出すことができる。
特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５、特許文献６、特許文献７、特許文献８、特許文献９。
物質移動装置の表面またはいわゆる充填物表面上の均一な液体分配に付随する問題の開示および論述は、幾分か限定的である。その理由は、液体が液体分配装置を離れる点で均一に分配されている場合、液体は物質移動装置または充填物の表面内で均一に分配されるものであるという周知の（ただし正しくない）仮定あるいは信念にある。液体分配装置上の孔の均一な分布が物質移動装置の表面（すなわち液体が充填物表面に入った場所）でも同様の均一な液体分配を提供する、と仮定するのが慣習となっている。
例えば、異なるアパーチャ寸法およびそれらの示唆された位置の開示は、先行公報中に見ることができる。例えば、特許文献１は、液体が分配装置から放出される時に通る液体分配アパーチャの前方に設置されたスクリーンの配置を示唆している。スクリーン設計は、側方液体ジェットを伴う分配装置について示唆されている。液体ジェットは、スクリーンすなわちいわゆるバッフルに衝突し、バッフル表面上に噴出された液体の液体層を形成する。液体層は、バッフル表面を下へ摺動し、下に配置された充填物表面上に滴下する。特許文献１は、液体の跳ね返りおよび上昇蒸気中で上向きに運ばれる可能性のある液体の液滴量の両方を最小限に抑えるより優れたバッフル傾斜角を提案している。
特許文献１の示唆されたバッフルの端部は、蒸気停滞ゾーン内に位置設定されており、したがって、バッフル長は短かく、分配装置と充填物表面の間のスペーシングを通って充分に突出していない。特許文献１のバッフルは短かいものであるが、これは本明細書で開示されているように液体偏向を最小限に抑えるためではなく、液体の跳ね返りおよび噴出された液体の薄い液体層のバッフル表面上での形成を最小限に抑えるために示唆されたバッフルを使用することを教示するという動機しか発明者らになかったことによる。
米国特許第６，２９３，５２６号 米国特許第６，０５９，２７２号 米国特許第６，３９５，１３９号 米国特許第５，７８５，９００号 米国特許第５，１３２，０５５号 米国特許第５，８６８，９７０号 米国特許第６，０８６，０５５号 欧州特許第０９７２５５１号 国際公開第０２／０８３２６０号
したがって、当該技術分野には、充填物表面上での液体の不均等分配を最小限に抑えることによって高い生産速度で物質移動用カラム内の性能を持続させることを可能にする改良型カラムセクション構造よびそれに付随する使用方法に対するニーズが存在する。このような方法および構造は、異なるカラムゾーンについて充填物表面と液体分配装置の間の空間内の液滴偏向を防止するものである。
開示された実施形態は、特に、落下する液体の均一な分配が決定的に重要な意味をもちかつ分離装置の効率に対し有意な影響を及ぼす空気分離カラム内の物質移動装置の表面全体にわたる液体分配を容易にするためのシステムおよび方法の両方を提供することにより、当該技術分野のニーズを満たす。本発明の態様は、全ての型式の分配装置に適用可能であるか、例えばトラフ型分配装置およびプレート分配装置などに特に有益である。液体の液滴が上昇蒸気流特に方向転換する蒸気による影響を受けるゾーン内における液体の滞留時間を最小限に抑えることは、物質移動装置上の意図された位置からの液滴の偏向を低減させる一助となる。
一実施形態においては、物質移動用カラム内で液体を分配するための液体分配装置において；少なくとも１つのライザー壁を含む少なくとも１つのライザーであって、少なくとも１つのライザー壁が液体分配装置の第１の表面から物質移動用カラムの第１の方向に延在しているライザーと；第１の方向とは反対の物質移動用カラムの第２の方向に延在し、第１の表面とは反対側にある液体分配装置の第２の表面から延在している少なくとも１つのシールドと；液体分配装置の第１の表面から液体分配装置の第２の表面を通って延在する少なくとも１つの液体分配アパーチャと；を含み、少なくとも１つのシールドは、少なくとも１つのシールドと充填物の間に間隙が作り出されるような形で第２の方向に延在する長さを有し、シールドと充填物の間の間隙の高さが約１０ｍｍ〜７５ｍｍである、液体分配装置が開示されている。
別の実施形態においては、物質移動用カラム内で液体を分配する方法において、物質移動用カラムの上部部分の中に液体を導入するステップと；少なくとも１つの物質移動用カラムセクションを物質移動用カラムの内部に配置するステップと；下向きに流れる液体流と上向きに流れる蒸気流を収容するために液体分配装置を少なくとも１つの物質移動用カラムセクションの内部に配置するステップであって、液体分配装置には；（ｉ）少なくとも１つのライザー壁を含む少なくとも１つのライザーであって、少なくとも１つのライザー壁が液体分配装置の第１の表面から上向きに延在しているライザーと；（ｉｉ）下向きに延在し、第１の表面とは反対側にある液体分配装置の第２の表面から延在する、少なくとも１つのシールドと；（ｉｉｉ）液体分配装置の第１の表面から液体分配装置の第２の表面を通って延在する少なくとも１つの液体分配アパーチャと；が含まれ、少なくとも１つのシールドは、少なくとも１つのシールドと物質移動用カラム内の液体分配装置の下に位置付けされた充填物の間に間隙が作り出されるような形で下向きに延在する長さを有し、シールドと充填物の間の間隙の高さが約１０ｍｍ〜７５ｍｍであるステップと；物質移動用カラムの上部部分からの下向きに流れる液体流を液体分配装置の第１の表面上で収集するステップと；物質移動用カラムの下部部分からの上向きに流れる蒸気流を液体分配装置のライザーの中に通すステップと；液体分配装置内の少なくとも１つの液体分配アパーチャからの下向きに流れる液体流を充填物上へと分配するステップと；を含む方法が開示されている。
以上の概要ならびに例示的実施形態についての以下の詳細な説明は、添付図面と合わせて読んだ場合により良く理解することができる。実施形態を例示する目的で、図面中には、例示的構造が示されているが、本発明は、開示された特定の方法および手段に限定されない。
従来の物質移動用カラムセクションの断面図である。 図１の従来の物質移動用カラムセクションの断面図である。 蒸気および液体速度の一関数として液滴偏向を示すグラフ表示である。 本発明の一実施形態に係る物質移動用カラムセクションの断面図である。 本発明の一実施形態に係る物質移動用カラムセクションの断面図である。 本発明の一実施形態に係る液体分配装置の断面図である。 本発明の一実施形態に係る液体分配装置の断面図である。 本発明の一実施形態に係る液体分配装置の断面図である。 本発明の一態様に係る液体分配装置の斜視図である。 さまざまな相対蒸気速度変化における、シールドを内蔵した場合およびしない場合の液体偏向を示すグラフ表示である。 さまざまな相対蒸気速度変化における、シールドと充填物表面の間に異なる間隙がある場合の液体偏向を示すグラフ表示である。
本発明の態様は、特に、落下液体の均一な分配が決定的に重要な意味をもち装置の効率に有意な影響を及ぼす可能性がある分離カラムのための、物質移動装置の表面全体にわたる液体分配に関する。一般に、開示された態様は、全てのタイプの分配装置に適用可能であるが、トラフ型およびプレート分配装置設計に特に有益である。本発明の態様は、具体的には、充填物表面上の液体の不均等分配を最小限に抑えるために有用である。さらに、本発明の態様は、高密度の孔パターン、例えば物質移動装置面積１平方メートルあたり２００超の孔が使用される場合に、特に有用であろう。最後に、本発明の態様は、大容量充填物が使用される場合、したがって物質移動装置中に高い蒸気流量が存在する場合に、特に有用であろう。
図４は、本発明の一実施形態に係る例示的物質移動用カラムセクション４００の断面図を示す。物質移動用カラムセクション４００の断面図には、物質移動用カラム４０２の外側壁が含まれる。物質移動用カラムセクション４００は、底部では充填物４０４と、そして上部では液体分配装置４１０と境を接している。充填物４０４と液体分配装置４１０との間にはスペーシング４０８が存在し、ここで蒸気流４２０が充填物４０４を通って上昇し、液体４１６は液体分配装置４１０から落下する。液体分配装置４１０の上部には、液体収集装置（図示せず）を配置してもよい。液体収集装置と液体分配装置４１０は、典型的には、所望の液体レベル４１６を維持しかつ液体分配装置４１０の表面を横断して通常均一である所望の液体分配を提供するように設計されている。静水圧下で液体４１６が通過するように、一連の液体分配アパーチャまたは孔４１４が液体分配装置４１０内に配置されている。液体分配アパーチャまたは孔４１４は、物質移動用カラムのサイズ、特定のゾーンまたはセクション構造、液体分配装置表面上の位置などに応じて等しいまたは異なる直径のものであってよい。さらに、液体分配アパーチャまたは孔４１４は、規則的なまたは不規則な列に配置されてよい。液体分配アパーチャまたは孔４１４は、分配装置本体の底部またはトラフ垂直壁などに設置されてよい。
液体分配装置４１０の液体分配アパーチャまたは孔４１４において、液滴流４１８が形成し、液滴４１８はスペーシング４０８を通って液体分配装置４１０から落下し、液滴流４１８または液体流を作り出す。一般に、作り出された液体流または液滴４１８は、サイズがさまざまであり、異なる初速を有する場合がある。液滴４１８のサイズは、液体分配アパーチャまたは孔４１４の直径、液体初速および液体の物理的特性（密度、粘度など）によって規定される。
充填物４０４は、液体分配装置４１０から液体４１６を受入れ、物質移動用カラムセクション４００の断面を横断して均等に上昇蒸気流４２０を分配するように設計されている。上昇蒸気流４２０が内部を通って例えば次の物質移動用カラムセクション（図示せず）の中に流れ込むことができるようにするため、ライザー４１２が、液体分配装置４１０の表面を横断して配置されている。
方向転換する蒸気流４２２は液滴４１８およびその意図された軌道に影響を及ぼすことが分かっていること、そして充填物４０４と液体分配装置４１０の間のスペーシング４０８を最小限に抑えることが常に可能であるとかぎらないことを理由として、出願人らは、上昇蒸気流を液体分配装置４１０に向かってではなくむしろ充填物表面４０６に向かって接近するように強制的に方向転換させようとした。この目的を達成するために使用される装置を、シールド壁またはシールド４２４と呼ぶものとする。
シールド４２４は、液体分配装置４１０の底部に固定され、ここでシールド４２４は、上昇蒸気流４２０とは反対の方向で下向きに延在する。出願人らは、シールド４２４を組込むことにより、上昇蒸気流４２０は、図４に示されている通り、充填物４０６の表面により近い位置でライザー４１２の開放部域に向かって移動させられ（すなわち方向転換する蒸気流４２２になる）、かつ液体分配装置４１０内のアパーチャまたは孔４１４からスペーシング４０８内に液滴４１８が進入する点からさらに離れるように移動させられることになる、ということを発見した。出願人らは、シールド４２４によって、シールド４２４と例えば液滴４１８が落下する物質移動用カラム４０２の外側壁との間の部域は、低い蒸気速度を有する静圧ゾーンとなり、その結果充填物４０６の表面にはるかに近い位置において方向転換する蒸気流４２２が形成することを発見した。したがって、液滴４１８は、方向転換する蒸気流４２２により影響されることなく、はるかに長い時間と距離だけスペーシング４０８を通って落下し、こうして（１）液滴（４１８）の偏向はより少なくなり；（２）液体４１６の分配はより良好になり；かつ物質移動用カラムセクション４００の物質移動効率はより優れたものとなる。シールド４２４は、影響下液滴滞留時間（ＡＤＲＴ）を減少させるのに充分な程度、液体分配装置４１０のレベルより下に延在している。
例示を目的として、図２のＨAFFECTED（つまり液滴が方向転換する蒸気流による影響を受けているスペーシング）が、液体分配装置１１０の底面１２６と充填物１０４の上面１０６の間の距離に等しく４００ｍｍとなることおよび１ｍ／ｓｅｃという平均液滴速度を仮定することができる。こうして、影響下液滴滞留時間は０．４秒として計算される。物質移動用カラムセクション４００内でシールド４２４を使用すると、影響下液滴滞留時間は劇的に削減される。図４に示されているように、ＨAFFECTED（つまり液滴が方向転換する蒸気流による影響を受けているスペーシング）は、シールド４２４の底面４２８と充填物表面４０６の間の距離に等しい。影響下液滴滞留時間（ＡＤＲＴ）は、ＨAFFECTEDが４０ｍｍであり平均液滴速度が１ｍ／ｓｅｃである場合、０．０４秒である。
影響下液滴滞留時間（ＡＤＲＴ）は、ライザ４１２近くにシールド４２４を設置することにより桁違いに削減されて、落下する液滴４１８に対する方向転換する蒸気流４２２の影響を遅延させ、充填物表面４０６上の意図された落下位置からの液滴４１８の偏向はより小さいものとなる。
重要なことに、図２および４に示されている例示的物質移動用カラムセクション１００、４００において、合計液体滞留時間は極くわずかしか変化せず、影響下液滴滞留時間だけが削減される。合計液体滞留時間（ＴＬＲＴ）は、それぞれ（シールド４２４の如何に関わらず）スペーシング１０８、４０８の高さおよびスペーシング１０８、４０８内の平均液滴速度１１８、４１８に基づいて計算される。
シールド４２４は、図４に示されているようにライザー壁４１３の直下に（すなわちライザー壁４１３の連続部分として）、あるいは、図５に示されているように、ライザー壁５１３からオフセットされた状態を含めた他の任意の好適な形で、配置することができる。例示を目的として、図４に示されたシールド４２４と図５に示されたシールド５２４は、同じシールド長を有する。液滴４１８、５１８の偏向は、シールド４２４、５２４の位置に起因して異なるものであってよい。図５では、液体分配アパーチャまたは孔５１４、したがって液滴５１８が形成する位置は、シールド５２４により近いところに配置されており、したがって、方向転換する蒸気流５２２は、より大きい力で液滴５１８に作用する可能性がある。同時に、ライザー５１２下の拡大された開放部域が、方向転換する蒸気流５２２の速度を低下させる場合があり、したがって液滴５１８に作用する力も低減されるであろう。影響下液滴滞留時間（ＡＤＲＴ）が小さくとどまることから、最終的結果として許容可能な偏向が得られるであろう。こうして、一般的に、シールド５２４は、液体分配アパーチャまたは孔５１４とライザー５１２の間のどこに配置してもよい。
シールド６２４は、カラムの断面の全長に沿って延在していてよく、ここで１つのシールド６２４は、図６Ａに示されている通り、多数のライザー６１２と併用されている。シールド６２４は同様に、図６Ｂに示されている通りライザー６１２の周りに巻きつけられる箱形状を有していてもよい。図６Ｃに示されているように、一部の場合においては、部分シールド６２４を使用してもよい。部分シールドは、カラム全体を横断して延在することなく、特定のライザー６１２を被覆するシールド６２４である。一部の場合においては、図６Ａ〜６Ｃに示された代替案の１つ以上を混合して使用してもよい。例えば、シールドはライザーの長さだけ延在してよいが、ライザーの端部の周りに巻きつくことはないと考えられる。他の場合においては、カラム設計者は、ライザーに沿ってシールドを延在させるかまたは、ライザーの長さより小さいサイズにシールド長を短縮することを選択することができる。目的を達成するために、シールドの任意の他の所望されるまたは好適な形状／配向を使用することができる。
物質移動用カラム４０２、５０２および６０２の中に同様に存在するものの明細書には具体的に記述されていない物質移動用カラム１０２の一部の要素の参照番号が、明確さを期して図４〜７中に含まれている。このような要素は、それぞれ３００、４００または５００を追加した参照番号を有する。例えば、液体分配装置は、物質移動用カラム１０２に関しては参照番号１１０により識別されている。参照番号４１０、５１０および６１０は、それぞれ物質移動用カラム４０２、５０２および６０２に言及している。
液体軌道に対する蒸気流の効果を、理論的および実験的手段の両方を用いて評価した。カラムゾーンのスペーシング内で考えられる液滴偏向を評価するために、数学的モデルを構築した。このモデルは、数値流体力学（ＣＦＤ）技術を用いて構築された。モデルを構築するために、商用のコードＦＬＵＥＮＴを使用した。図３に示されているように、蒸気速度の一関数として、液体偏向を計算した。空気および水を用いて実験を行なうことで得た結果により、モデル化予測を評価した。モデル化と実験結果の間には一致が見られた。
図３および表１に示されているように、上昇蒸気の蒸気速度が比較的高い場合に、実質的な液体偏向が発生する可能性がある。
Figure 2014514145
７８％の相対蒸気速度および０．７の相対液体速度での液体偏向は、このような相対蒸気および液体速度では偏向が非常に大きいため、液体は同じセクション内の他の偏向した液体流（他の方向から来るもの）内へ偏向し、液体偏向測定が不正確なものとなったことを理由として、表１中に含まれていない。しかしながら、７８％の相対蒸気速度および０．７の相対液体速度での液体偏向は、５８％の相対蒸気速度および０．７の相対液体速度よりも大きいものであった。出願人らは、液体の液滴の初速が増大した場合、液体偏向が削減される可能性があることを発見した。それでも、液体偏向は、比較的高い液体初速の場合でさえかなり実質的なものであり得る。
例えば、図３に示されているように蒸気速度をおよそ７５パーセント（７５％）だけ増加させた場合に、所望の垂直方向落下位置からほぼ３６ｍｍだけ液体の液滴が偏向され得る。図３は、同様に、比較的低い蒸気速度でも液滴偏向が存在し得るものの、このような偏向によってひき起こされる不均等分配は、実用的／商業的目的のためには許容可能である可能性がある、ということも示している。
単一のカラムゾーン内での液体偏向の評価により、液体偏向の最も影響力あるパラメータは充填物表面と分配装置の間のスペーシング内の液滴の滞留時間であることが明らかになった。しかしながら、滞留時間は、液滴が上昇蒸気（またはより具体的には方向転換する蒸気流）から有意な力を受けていない場合にはさほど重要でないかもしれない。図３に示された低流量ゾーンがこの事実を実証している。充分高い蒸気流量では、影響下液滴滞留時間（ＡＤＲＴ）は最も影響力のある要因となり、その結果、滞留時間が増大するにつれて偏向は大きくなった。影響下液滴滞留時間を最小限に抑えることは、充填物表面上の所望される位置からの液滴の偏向を最小化する一助となった。
表２は、図８と共に、シールドを伴わない図３の物質移動用カラムおよびシールドが組込まれた類似の物質移動用カラム内の液体偏向の差を示しており、ここでもまた、相対液体速度は一定にとどまり、相対蒸気速度は増加している。
Figure 2014514145
表２と図８に示されているように、物質移動用カラムセクションの中にシールドを含み入れることで、カラムセクション内の液体偏向は劇的に減少し、こうして物質移動効率はより高くなった。
「間隙」（すなわちシールド４２４の底面４２８と充填物表面４０６の間の距離）は、異なるカラム、同じカラム内の異なるゾーンそして同じカラムセクション内の異なるライザーについてさえ、変動し得る。間隙のサイズは、特定のカラム設計、蒸気および液体流量、充填物表面と分配装置の間のスペーシングのサイズ、液体分配アパーチャまたは孔のサイズ、ライザーの位置および寸法などを含めた（ただしこれらに限定されない）多くの要因によって左右される。一般に、７５ｍｍ超の間隙は効率が比較的低く、影響下液滴滞留時間ＡＤＲＴの増加に起因して充分な偏向制御を提供しない可能性がある。１０ｍｍ以下の間隙が、シールド４２４と充填物表面４０６の間の間隙内で方向転換する蒸気流４２２の高い速度を導くかもしれない。高速の方向転換する蒸気流４２２は、計算上の影響下液滴滞留時間（ＡＤＲＴ）が小さくても、許容できない偏向をひき起こす場合がある。１０ｍｍ以下の間隙は、充填物４０４内の蒸気分配の均一性にも同様に影響を及ぼす可能性がある。好ましい間隙は、１０ｍｍ〜７５ｍｍ、より好ましくは４０ｍｍ〜５０ｍｍの範囲内にある。好ましい間隙を収容できるように適切なシールド高さを選択しなければならない。表３および図９は、相対液体速度が一定にとどまり相対蒸気速度が増大した場合の、異なるサイズの間隙についての液体偏向を示している。
Figure 2014514145
表３は、図９と共に、シールドの長さを増大させることによって間隙が減少させられるにつれて、液体偏向も同様に減少し、こうして物質移動用カラム効率が改善されたということを示している。
本発明の態様について、さまざまな図の好ましい実施形態と関連づけて記述してきたが、本発明から逸脱することなく他の類似の実施形態を使用してもよく、また本発明の同じ機能を実施するために、記述された実施形態に対し修正および追加を行なってもよい、ということを理解すべきである。したがって、請求対象の発明は、いずれかの単一の実施形態に限定されるべきではなく、むしろ、添付のクレームにしたがった広さおよび範囲内で解釈されるべきである。例えば、以下の態様も、本開示の一部であるものとして理解すべきである：
態様１．物質移動用カラム内で液体を分配するための液体分配装置において；少なくとも１つのライザー壁を含む少なくとも１つのライザーであって、少なくとも１つのライザー壁が液体分配装置の第１の表面から物質移動用カラムの第１の方向に延在しているライザーと；第１の方向とは反対の物質移動用カラムの第２の方向に延在し、第１の表面とは反対側にある液体分配装置の第２の表面から延在している少なくとも１つのシールドと；液体分配装置の第１の表面から液体分配装置の第２の表面を通って延在する少なくとも１つの液体分配アパーチャと；を含み、少なくとも１つのシールドは、少なくとも１つのシールドと充填物の間に間隙が作り出されるような形で第２の方向に延在する長さを有し、シールドと充填物の間の間隙の高さが約１０ｍｍ〜７５ｍｍである、液体分配装置。
態様２．物質移動用カラムが、空気分離カラムである、態様１に記載の液体分配装置。
態様３．充填物が構造化充填物である、態様１または態様２に記載の液体分配装置。
態様４．シールドと充填物の間の間隙の高さが約４０ｍｍ〜５０ｍｍである、態様１〜態様３のいずれか一項に記載の液体分配装置。
態様５．少なくとも１つのシールドは、それが少なくとも１つの液体分配アパーチャおよび少なくとも１つのライザーから等距離のところで第２の表面から延在するような形で配置されている、態様１〜態様４のいずれか一項に記載の液体分配装置。
態様６．少なくとも１つのシールドは、それが少なくとも１つのライザーに直接隣接して第２の表面から延在するような形で配置されている、態様１〜態様４のいずれか一項に記載の液体分配装置。
態様７．少なくとも１つのライザーが、第１の方向と第２の方向に対し垂直な第３の方向で物質移動用カラムの横断面全体を実質的に横断して延在し、少なくとも１つのシールドが物質移動用カラムの横断面全体を横断して第３の方向に延在している、態様１〜態様６のいずれか一項に記載の液体分配装置。
態様８．少なくとも１つのライザーが、第１の方向と第２の方向に対し垂直な第３の方向で物質移動用カラムの横断面全体を実質的に横断して延在し、少なくとも１つのシールドが物質移動用カラムの横断面全体を実質的に横断して第３の方向に延在している、態様１〜態様６のいずれか一項に記載の液体分配装置。
態様９．物質移動用カラム内で液体を分配する方法であって
ａ．物質移動用カラムの上部部分の中に液体を導入するステップと；
ｂ．少なくとも１つの物質移動用カラムセクションを物質移動用カラムの内部に配置するステップと；
ｃ．下向きに流れる液体流と上向きに流れる蒸気流を収容するために液体分配装置であって、
ｉ．少なくとも１つのライザー壁を含む少なくとも１つのライザーであって、少なくとも１つのライザー壁が液体分配装置の第１の表面から上向きに延在しているライザーと；
ｉｉ．下向きに延在し、第１の表面とは反対側にある液体分配装置の第２の表面から延在する、少なくとも１つのシールドと；
ｉｉｉ．液体分配装置の第１の表面から液体分配装置の第２の表面を通って延在する少なくとも１つの液体分配アパーチャと；
を含み
少なくとも１つのシールドは、少なくとも１つのシールドと物質移動用カラム内の液体分配装置の下に位置付けされた充填物の間に間隙が作り出されるような形で下向きに延在する長さを有し、シールドと充填物の間の間隙の高さが約１０ｍｍ〜７５ｍｍである液体分配装置を、
少なくとも１つの物質移動用カラムセクションの内部に配置するステップと；
ｄ．物質移動用カラムの上部部分からの下向きに流れる液体流を液体分配装置の第１の表面上で収集するステップと；
ｅ．物質移動用カラムの下部部分からの上向きに流れる蒸気流を液体分配装置のライザーの中に通すステップと；
ｆ．液体分配装置内の少なくとも１つの液体分配アパーチャからの下向きに流れる液体流を充填物上へと分配するステップと；
を含む方法。
態様１０．物質移動用カラムが、空気分離カラムである、態様９に記載の方法。
態様１１．充填物が構造化充填物である、態様９または態様１０に記載の記載の方法。
態様１２．シールドと充填物の間の間隙の高さが約４０ｍｍ〜５０ｍｍである、態様９〜態様１１のいずれか一項に記載の方法。
態様１３．少なくとも１つのシールドは、それが少なくとも１つの液体分配アパーチャおよび少なくとも１つのライザーから等距離のところで第２の表面から延在するような形で配置されている、態様９〜態様１２のいずれか一項に記載の方法。
態様１４．少なくとも１つのシールドは、それが少なくとも１つのライザーに直接隣接して第２の表面から延在するような形で配置されている、態様９〜態様１２のいずれか一項に記載の方法。
したがって、請求対象の発明は、いずれかの単一の実施形態または態様に限定されるべきではなく、むしろ、添付のクレームにしたがった広さおよび範囲内で解釈されるべきである。

Claims (14)

  1. 物質移動用カラム内で液体を分配するための液体分配装置であって、
    少なくとも１つのライザー壁を含む少なくとも１つのライザーであって、少なくとも１つのライザー壁が液体分配装置の第１の表面から物質移動用カラムの第１の方向に延在しているライザーと；
    第１の方向とは反対の物質移動用カラムの第２の方向に延在し、第１の表面とは反対側にある液体分配装置の第２の表面から延在している少なくとも１つのシールドと；
    液体分配装置の第１の表面から液体分配装置の第２の表面を通って延在する少なくとも１つの液体分配アパーチャと；
    を含み、
    少なくとも１つのシールドは、少なくとも１つのシールドと充填物の間に間隙が作り出されるような形で第２の方向に延在する長さを有し、シールドと充填物の間の間隙の高さが約１０ｍｍ〜７５ｍｍである、
    ことを特徴とする液体分配装置。
  2. 物質移動用カラムが、空気分離カラムである、ことを特徴とする請求項１に記載の液体分配装置。
  3. 充填物が構造化充填物である、ことを特徴とする請求項１に記載の液体分配装置。
  4. シールドと充填物の間の間隙の高さが約４０ｍｍ〜５０ｍｍである、ことを特徴とする請求項１に記載の液体分配装置。
  5. 少なくとも１つのシールドは、それが少なくとも１つの液体分配アパーチャおよび少なくとも１つのライザーから等距離のところで第２の表面から延在するような形で配置されている、ことを特徴とする請求項１に記載の液体分配装置。
  6. 少なくとも１つのシールドは、それが少なくとも１つのライザーに直接隣接して第２の表面から延在するような形で配置されている、ことを特徴とする請求項１に記載の液体分配装置。
  7. 少なくとも１つのライザーが、第１の方向と第２の方向に対し垂直な第３の方向で物質移動用カラムの横断面全体を実質的に横断して延在し、
    少なくとも１つのシールドが物質移動用カラムの横断面全体を横断して第３の方向に延在している、
    ことを特徴とする請求項１に記載の液体分配装置。
  8. 少なくとも１つのライザーが、第１の方向と第２の方向に対し垂直な第３の方向で物質移動用カラムの横断面全体を実質的に横断して延在し、
    少なくとも１つのシールドが物質移動用カラムの横断面全体を実質的に横断して第３の方向に延在している、
    ことを特徴とする請求項１に記載の液体分配装置。
  9. 物質移動用カラム内で液体を分配する方法において、
    ａ．物質移動用カラムの上部部分の中に液体を導入するステップと；
    ｂ．少なくとも１つの物質移動用カラムセクションを物質移動用カラムの内部に配置するステップと；
    ｃ．下向きに流れる液体流と上向きに流れる蒸気流を収容するために、
    液体分配装置であって、
    ｉ．少なくとも１つのライザー壁を含む少なくとも１つのライザーであって、少なくとも１つのライザー壁が液体分配装置の第１の表面から上向きに延在しているライザーと；
    ｉｉ．下向きに延在し、第１の表面とは反対側にある液体分配装置の第２の表面から延在する少なくとも１つのシールドと；
    ｉｉｉ．液体分配装置の第１の表面から液体分配装置の第２の表面を通って延在する少なくとも１つの液体分配アパーチャと；
    を含み、
    少なくとも１つのシールドは、少なくとも１つのシールドと物質移動用カラム内の液体分配装置の下に位置付けされた充填物の間に間隙が作り出されるような形で下向きに延在する長さを有し、シールドと充填物の間の間隙の高さが約１０ｍｍ〜７５ｍｍである、
    液体分配装置を少なくとも１つの物質移動用カラムセクションの内部に配置するステップと；
    ｄ．物質移動用カラムの上部部分からの下向きに流れる液体流を液体分配装置の第１の表面上で収集するステップと；
    ｅ．物質移動用カラムの下部部分からの上向きに流れる蒸気流を液体分配装置のライザーの中に通すステップと；
    ｆ．液体分配装置内の少なくとも１つの液体分配アパーチャからの下向きに流れる液体流を充填物上へと分配するステップと；
    を含むことを特徴とする方法。
  10. 物質移動用カラムが、空気分離カラムである、ことを特徴とする請求項９に記載の方法。
  11. 充填物が構造化充填物である、ことを特徴とする請求項９に記載の方法。
  12. シールドと充填物の間の間隙の高さが約４０ｍｍ〜５０ｍｍである、ことを特徴とする請求項９に記載の方法。
  13. 少なくとも１つのシールドは、それが少なくとも１つの液体分配アパーチャおよび少なくとも１つのライザーから等距離のところで第２の表面から延在するような形で配置されている、ことを特徴とする請求項９に記載の方法。
  14. 少なくとも１つのシールドは、それが少なくとも１つのライザーに直接隣接して第２の表面から延在するような形で配置されている、ことを特徴とする請求項９に記載の方法。
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