JP4351252B2 - 拡大流体流動通路を有するセラミック充填要素 - Google Patents

Description

本発明は、多くの場合、「不規則」又は「ダンプ」充填と呼ばれるタイプの充填要素に関する。詳細には、それは空気流動を促進するための複数の通り抜け通路を有する充填要素に関し、特にこれを参照して説明される。

不規則又はダンプ充填は、物質移動又は熱移動プロセスを行う塔装置を充填するのに用いられる。特に重要な用途は、反応器を通過する高温の流体と最大限有効な接触をさせることが必要である熱回収操作におけるこうしたセラミック要素の使用である。効率を最大化する上での別の主要因子は、塔の頂部と底部間の圧力差をできるだけ低く維持することである。これを保証するために、充填要素は流れに対する抵抗が最小であるべきである。これは、極めて開放的な構造により増進されるが、しかし、開放型構造のみでは、一つの充填要素の各部が別の要素の空間内に入り込むように塔中の要素がはまって一緒になる場合に、用途が限られてしまう。従って、要素の設計が要素がはまって一緒になる傾向を最小化することが重要である。

セラミック充填要素は押出し成形又は乾式プレス法により製造することができ、それゆえに、要素の対称軸を提供する一つの軸線方向に沿って本質的に均一な断面を有する。いくつかのこうした形状は、極めて簡単なものから複雑なものまでの範囲にわたり当該技術分野において説明されてきた。全ては本質的に円筒型形状に基づいており、基本的に円筒型形状内の内部構造の点で異なる。最も簡単な構造は、内部構造を全く持たない基本的な円筒である。このタイプの構造は、多くの場合ラシヒリングと呼ばれ、多年にわたり知られている。複雑さの尺度の他端には、米国デザイン特許第４４５０２９号及び米国特許第６００７９１５号明細書に記載されている構造がある。これらの両極端の間に、米国特許第３９０７７１０号及び第４５１０２６３号明細書に記載されているような簡単な荷馬車の車輪形状がある。
Ｈｏｇａｎの米国特許第３８５３４８５号明細書には、通路パターンを有する接触酸化転化器のためのコア部材が開示されている。この部材は、当該部材の軸線方向の長さより実質的に大きい直径を有する。

本発明は、上に言及した問題点及び他の問題点を克服する、新規の改善されたセラミック充填要素及び使用方法を提供する。

本発明の一つの側面によれば、セラミック充填要素が提供される。この充填要素は、当該要素の長さを規定する方向における対称平面と、当該要素の径を規定する当該長さに垂直な最大寸法とを有する多角形構造を有する。当該径対当該長さの比は２．７〜４．５である。当該要素は、当該要素を通り抜けるそれぞれが第１の断面積を有する複数の同一の第１通路と、第１通路の一つの断面積よりも大きな断面積の複数の第２通路とを画定する複数の内部隔壁を備えており、第２通路の少なくとも一つは、第１通路の一つの断面積の少なくとも４倍の断面積を有する。

本発明の利点は、以下の開示内容を読み添付の図面をよく検討することにより、当業者に容易に明らかになろう。

図面に示される態様を参照して本発明を更に詳細に説明する。これは、本発明の本質的な精神から逸脱することなく多くの小さい変更を行うことができることが容易に理解されるので、本発明の範囲内における必須の限定を少しなりとも意味しようとするものではない。図１〜３は、図４及び５の構造体との比較のための比較構造体を示している。

セラミック充填要素は、本質的に円筒型形状である空間内包構造を有するとして定義され、そしてこれは、完全な円筒と、ほぼ円筒型形状が幾分平たくされて楕円形断面になり、そしてまた少なくとも５つの側面を有する規則的及び不規則多角形形状になった形状を含むと理解される。空間内包構造体内の空間には複数の隔壁があってもなくてもよいが、しかし、主要用途は表面積が極めて重要となる熱移動の分野にあるので、有意の内部構造を備えることが好ましい。本発明の状況においては、用語「隔壁（ｓｅｐｔｕｍ、複数形はｓｅｐｔａ）」は、円筒型空間内包構造体の一つの内部部品を別のもの及び／又は別の隔壁に接続する構造部材を説明するのに用いられる。従って、それは要素の径又は最大寸法以下の長さを有する構造を含む。

本発明のセラミック要素は、天然又は合成クレー、ゼオライト、コージェライト、アルミナ、ジルコニア、シリカ又はこれらの混合物などのあらゆる適当なセラミック材料から形成することができる。配合物は、押出し成形プロセスを支援し及び／又は意図する用途向けの望ましい気孔率又は表面積を作りだすために、結合剤、押出し助剤、気孔形成剤、潤滑剤などと混合することができる。

セラミック充填要素を押出し成形又は乾式プレス法により作製する場合、それらは、要素に対する半径方向の対称軸を提供する一つの軸線方向に沿って本質的に均一な断面を有することができる。

要素は、熱及び物質移動用途において用いることができ、あるいは触媒成分をその上に被着させる支持体として用いることができる。要素は、高温ガス流からの熱回収を含む熱移動用途に特に適する。こうした用途の例は、廃ガス流からの可燃性物質を燃焼させる機能を持つプラントに付属する熱再生器に見出される。こうした再生器においては、廃ガス流からの発熱量が、可燃性物質を燃焼させるために必要とされる燃料の費用を最小化するように処理しようとする流入する廃ガスを加熱するのに利用されることが、効率的運転にとって重要である。本発明は、この目的を達成するために要素の設計を最適化するための手段を教示する。

物質移動用途には、液体であってもよく又は液体及びガスであってもよい第１及び第２流体間の１以上の成分の形態をとる物質の移動が含まれる。セラミック要素は、液相のための濡れ表面を提供するものとして作用し、流体間の成分の移動を促進する。代表的な物質移動用途としては、流動ガス流からの二酸化硫黄などのガス成分の除去が挙げられる。セラミック要素の重要な物質移動用途は、硫酸プラントの吸収塔でのものである。

しかしながら、要素は、指定された仕事を果たす効率を決定する上で表面積が重要な因子となるあらゆる用途において有利に用いることができる。

要素が要素内の空間を複数の流路に細分する内部隔壁を有する一部の事例では、要素が軸線方向に位置する開口部を有するようにすることが有利である。これは任意の所望の形状であることができるが、しかし、隔壁構造の過度の混乱を避けるために、それは一部の流路を分離する隔壁を除去してより大きな組み合せの流路を形成した結果であることができる。

一つの代表的な構造は、隔壁により接続される対向する角の各対と、それらの対向する角で会する側面に一方の側で接続する平行隔壁を有する六角形状である空間内包構造体を含む。全体としての効果は、要素を通り抜ける、それぞれが本質的に同じ寸法の複数の三角形の通路又は流路を提供することである。この設計の要素は図１〜２に示される。

別の代表的な要素は、流体が充填要素の床内の他の充填要素に近づくのを可能とするために、流体が充填要素を通り抜けて流れるのを促進する大きさにされる少なくとも一つのより大きな通路又は流路を有する。一つの特定の態様では、要素は、図３に示されるように中心に位置することができる単一のより大きな通路を有する。この要素は図２の設計を基にしており、中心の周りの三角形の通路６個が組み合わされて中心に位置するより大きな通路を形成している。

本発明の態様では、２以上のより大きな通路が設けられ、それらのうちの少なくとも一部は、図４及び５に示されるように、中心軸及び互いから等距離にあることができる。

特に図１を参照すると、充填要素１の第１の態様は、六角形の空間内包構造体２を含む。複数の隔壁３が、内部空間を該要素を通り抜ける複数の第１通路４に分割する。図１の充填要素は、主としてダイアモンド形状の第１通路４を有し、要素の二つの対向する側面に沿って三角形の第１通路の列がある。要素１は、回転中心軸Ｒを通過する、要素の長さＬに平行な対称平面Ｓを有する。回転中心軸とは、要素を同一形態に対して３６０／（対称平面数）の角度までその中心軸の周りを回転させることができることを意味する。図１については、角度は従って１８０°である。

図２は、第１通路４が全て大きさが同一で且つ形状が一様に三角形である充填要素１の類似の態様を示す。図２の要素１は、中心軸Ｒを通過する、長さＬに平行な三つの対称平面Ｓ₁、Ｓ₂、Ｓ₃を有する。

図２の充填要素は９０個の第１通路を有するが、とは言え、図３〜５に示されるように、特に少なくとも一つのより大きな通路５をも設ける場合に、第１通路の数を増大させることにより（より大きな数の内部隔壁を用いることにより）、熱回収の利益を得ることができる。

図３〜５の充填要素は、それらが第１通路４に加えて少なくとも一つのより大きな通路５をも有することを除いて、図２のそれに類似する。一つのより大きな通路５が用いられる場合、これは図３に示されるように、軸線に配置することができる。図３の要素１は、中心軸Ｒを通過する、長さＬに平行な三つの対称平面Ｓ₁、Ｓ₂、Ｓ₃を有する。より大きな通路５の面積は、それがなければ中心軸に最も近接するより小さな通路の環を画定するであろう内部隔壁の部分を除去することにより造りだされるそれに対応する。従って、より小さな通路のそれの約６倍の面積が図３の態様において提供されるけれども、より大きな通路５は、より小さな通路４をより多数又はより少数組み合わせることにより作りだすことが可能であることが理解される。一つの態様において、より大きな通路の面積は、第１通路４の大部分のそれの少なくとも４倍、好ましくは少なくとも６倍である。例えば、充填要素は、ダイアモンド通路の４つを組み合わせてより大きなダイアモンド形状の通路５とする図１のそれと同じように形成することができよう。２以上のより大きな通路が用いられる場合、これらは図４及び５に示されるように中心軸Ｒから間隔をあけることができる。例えば、図４及び５に示されるように、三つのより大きな通路が用いられる場合、それぞれのより大きな通路の中心は、長さＬに平行な、対向する角を結び且つ中心軸Ｒを通過するそれぞれの対称平面Ｓ₁、Ｓ₂、Ｓ₃の途中にある。

より大きな通路５は、改善された流体流動パターンを提供するために、図示されるように、それぞれの隣接した角よりも中心軸Ｒにいくらか接近して位置することが可能である。図４において、より大きな通路５は、それらが取って代わるより小さな三角形通路４の一つにより占められる面積の少なくとも約６倍（すなわち、省かれた隔壁により占められる空間のために６倍よりもわずかに大きい）を占める六角形である。図５において、ダイモンド形通路は、それらが取って代わるより小さな三角形４の一つにより占められる面積の少なくとも約８倍を占める。

図１〜５の要素１は、対称軸Ｒに沿って長さＬ、そして対称軸に対して垂直な最大寸法Ｄを有することができる。図面において、Ｄ：Ｌ比は約４である。構造体が押し出し成形される場合、対称軸Ｒは構造体の押し出し方向にあることができる。充填要素の形状の寸法は、最適性能を達成するのを支援することが分かったが、これらの範囲の寸法を選択する利点は、従来技術では認識されていなかった。

セラミック充填要素は、約１：１０〜約１：６０の、より大きな通路５の数対より小さな通路４の数の比を有することができる。一つの態様では、第２通路の数対第１通路の数の比は、約１：３０〜約１：５０である。第２通路の全体断面積（断面積の総和）（構造体の長さＬに垂直な平面において測定される）対第１通路の全体断面積（断面積の総和）の比は、約１：１０〜約１：４であることができる。一つの態様においては、第２通路の全体面積対第１通路の全体面積の比は約３：２０〜約４：２０である。

アスペクト比（Ｄ：Ｌ）の重要性を実証するために、三つの異なるアスペクト比を有するセラミック要素を作製した。次に、これらの要素を管に入れ、それを通して１５００°Ｆ（８１５．６℃）のガス流を異なる流量で通した。媒体との接触により回収される流れの熱エネルギーの比率を測定し、アスペクト比に対してプロットした。次に、熱エネルギー回収率を３要素のそれぞれに対するガス速度の関数として求めた。結果を図６に示す。効率的な熱エネルギー回収のためには、２．５〜１５のアスペクト比を選択することができる。詳細には約２．７〜４．５、更に詳細には約３．０〜４．４のアスペクト比を選択することができる。

この結果は、この方向で指摘する従来技術の教示がないので、完全に予想外のことである。できるだけ多くの熱エネルギーが要素を通して各通路により回収されることは、やはり明らかに極めて有利である。

Ｄ：Ｌ比の利点はまた、物質移動用途においても見いだされる。

熱及び物質回収における改善が、より小さな通路に加えて１以上のより大きな通路５を代替的に又は追加的に設けることにより見出される。十分には理解されていないものの、より大きな通路５は充填要素を通して加熱流体を導いて床中のより深いところの充填要素を接触させるのに最も有効である一方、より小さな通路４は加熱ガス流を隔壁３と接触させることにより熱／物質移動に最も効果的に寄与するものと提案されている。より大きな及びより小さな通路を組合せることにより、これらの機能の両方を単一充填要素１でもって達成することができる。

用いられるより大きな通路５の数が多くなればなるほど、及び／又はより大きな通路により占められる空隙体積が大きくなればなるほど、全体としての充填要素の空隙体積がより大きくなることが理解される。これは、充填要素を通り抜ける流れが増加しこうした要素の床をまたぐ圧力損失が小さくなることに通じるとは言え、一般に、圧力損失を最小化することと高い熱効率（熱回収率）を達成することとは二律背反の関係にある。径（対向する角の間で測定される）が図３のそれよりも約２８％大きい（例えば、充填要素の各側面に沿って三角形の追加の列を付加することにより達成される）が、但し一つの代わりに三つのより大きな通路を有する図４の充填要素は、図３の単一の中心通路と図２の要素の両方と比べて改善された性能を示すことが分かった。

これらの改善点は、充填要素の理論的に最適な床と比較して３つ床の圧力損失をインチ水柱で示す図７にグラフで示される。３つ例が示され、例Ａは従来型の４０×４０セルの一体品であり、例Ｂは図４の充填要素から形成され、例Ｃは図３の充填要素から形成される。例Ｂの充填要素は、例Ｃのそれらに相当するＤ／Ｌ比であるが、しかし径（対向する角の間で測定して）で約２８％大きい。圧力損失は、９４％の熱効率を達成するために必要とされる床の厚さを推定し、そして充填要素の理論的に最適な床と比較してこうした床の相対的な圧力損失を求めることにより、理論的に計算される。４０×４０セルの一体品は大きなセラミック要素であり、これは、良好な熱回収結果を達成するために密閉容器内部に適正な方向で各ブロックを一つずつ取り付けなければならず（図３及び４の「ダンプ」充填要素とは対照的に）、床の不適正な運転をもたらす割れ及び／又は破砕などの問題を抱える。従って、たとえ一体品が図示された３例の最小の圧力損失を示す（すなわち良好な熱回収材料である）としても、その不利な点はそれを大部分の熱回収用途には適さないものにする。

充填要素Ｂ及びＣの床の圧力損失の不利益はまた、２．５ｃｍ長さの従来からのサドル型充填要素及び米国デザイン特許第４４５０２９号明細書に記載されているタイプの「雪片」型の充填要素のものと比べることもできる。これら後者の要素は両方とも、計算圧力損失の不利益が充填要素Ｂ及びＣの床よりも大きい。例えば、９５％熱効率に対して、サドル型充填要素は圧力損失の不利益が３０．７ｃｍ水柱であり、雪片型は圧力損失の不利益が１９．８ｃｍ水柱であり、例Ｃの要素は圧力損失の不利益が１６．７ｃｍ水柱である。

充填要素の構造強度などの他の特性も媒体の有用性を決定する上で重要であるので、「理論的に最適な」床はその圧力損失に関する限りにおいてのみ最適であることも理解される。図３及び４の充填要素の床の圧力損失は、ダンプ充填要素の従来型の床におけるよりもはるかに小さい一方で、要素の構造強度のためにより長い有効寿命を有する。

このように好ましい態様を説明したが、本発明は特許請求の範囲に記載されるとおりである。

角の一つからまっすぐ見て、下の点から一方の側までの比較の充填要素の斜視図である。 図１に示されるものと同じ要素の平面図を示す。 軸線方向に位置するより大きな流路を有する比較の要素の平面図である。 本発明によるより大きな六角形状流路を三つ有する要素の斜視図である。 本発明によるより大きなダイアモンド形状流路を三つ有する要素の平面図である。 ガス流速に対する熱回収率のグラフである。 理論的に完全な充填要素と比較した、従来型の４０×４０セルの一体品、図４による要素、及び図３による要素についてのインチ水柱での予測圧力損失の不利益のコンピュータで作成したプロットである。

Claims (24)

1. セラミック充填要素（１）であって、当該要素の長さ（Ｌ）を規定する方向における対称平面と、当該要素の径を規定する当該長さに垂直な最大寸法（Ｄ）とを含む多角形構造体（２）であり、当該径対当該長さの比が２．７〜４．５であること、当該要素は、当該要素を通り抜け、おのおのが第１断面積を有する複数の同一の第１通路（４）と、第１通路の一つの断面積よりも大きな断面積の少なくとも３個の第２通路（５）とを画定する複数の内部隔壁（３）を備え、第２通路の少なくとも一つは第１通路の一つの断面積の少なくとも４倍である断面積を有することを特徴とするセラミック充填要素（１）。
2. 前記径対前記長さの比が３．０〜４．４であることを更に特徴とする、請求項１に記載のセラミック充填要素。
3. 前記径対前記長さの比が３．５〜４．０であることを更に特徴とする、請求項２に記載のセラミック充填要素。
4. 当該要素が少なくとも２０個の第１通路（４）を含むことを更に特徴とする、請求項３
   に記載のセラミック充填要素。
5. 当該要素が少なくとも５０個の第１通路を含むことを更に特徴とする、請求項４に記載のセラミック充填要素。
6. 前記第２通路の数対前記第１通路の数の比が１：１０〜１：１６００であることを更に特徴とする、請求項１〜５のいずれか一つに記載のセラミック充填要素。
7. 前記第２通路の数対前記第１通路の数の比が１：２０〜１：６０であることを更に特徴とする、請求項６に記載のセラミック充填要素。
8. 前記第２通路の数対前記第１通路の数の比が１：３０〜１：５０であることを更に特徴とする、請求項７に記載のセラミック充填要素。
9. 前記第２通路の断面積の総和対前記第１通路の断面積の総和の比が１：１０〜１：４であることを更に特徴とする、請求項１〜８のいずれか一つに記載のセラミック充填要素。
10. 複数の前記隔壁がそれぞれ、当該複数の隔壁のそれぞれの長さに沿って間隙をあけた位置で少なくとも二つの他の隔壁と交差することを更に特徴とする、請求項１〜９のいずれか一つに記載のセラミック充填要素。
11. 前記多角形構造体が少なくとも５つの側面を有することを更に特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一つに記載のセラミック充填要素。
12. 前記多角形構造体が６つの側面を有することを更に特徴とする、請求項１１に記載のセラミック充填要素。
13. 前記第１通路がそれぞれ三角形の断面を有することを更に特徴とする、請求項１〜１２のいずれか一つに記載のセラミック充填要素。
14. 前記第２通路がそれぞれ、複数の隣接する第１通路を組み合わせることにより形成される断面積に相当する断面積を有することを更に特徴とする、請求項１〜１３のいずれ一つに記載のセラミック充填要素。
15. 前記第２通路がそれぞれ、少なくとも６個の隣接する第１通路を組み合わせることによ
    り形成される面積と同等の面積を有することを更に特徴とする、請求項１４に記載のセラ
    ミック充填要素。
16. 前記３個の第２通路が互いから等距離にあることを更に特徴とする、請求項１に記載のセラミック充填要素。
17. 前記３個の第２通路が当該要素の中心軸から等距離にあることを更に特徴とする、請求項１〜１６のいずれか一つに記載のセラミック充填要素。
18. 当該セラミックが、天然クレー、合成クレー、アルミナ、ゼオライト、コージェライト、ジルコニア、シリカ及びそれらの混合物からなる群から選択される材料から作製されることを更に特徴とする、請求項１〜１７のいずれか一つに記載のセラミック充填要素。
19. 当該充填要素中の隔壁の全てが第１及び第２の端部を含み、当該隔壁が少なくとも当該第１の端部に隣接する多角形構造体に接続されることを更に特徴とする、請求項１〜１８のいずれか一つに記載のセラミック充填要素。
20. 前記少なくとも一つの第２通路の断面が、６個の隣接する第１通路を分離する内部隔壁部分の除去により形成されるそれに対応することを更に特徴とする、請求項１〜１９のいずれか一つに記載のセラミック充填要素。
21. 流体流へ又はそれから熱を移動させることと流体相間で物質を移動させることの少なくとも一方を行う方法であって、
    当該流体流を請求項１に記載のセラミック充填要素の床を通して流すこと、当該充填要素が当該熱を移動させることと、当該流体相間で当該物質の移動が起こる表面を提供することの少なくとも一方を行うことを特徴とする熱移動と物質移動の少なくとも一方を行う方法。
22. 流体流へ又はそれから熱を移動させることが、
    当該流体流を前記セラミック充填要素の床を通して流し、当該充填要素が熱を移動させ、前記少なくとも一つの第２通路が４個以上の隣接する第１通路を組み合わせることにより形成される断面に相当する断面を有し、それによって、前記より大きな通路がないことを除いて同等である充填要素の床をまたいでの圧力損失に比べて圧力損失を低下させること、
    を含むことを更に特徴とする、請求項２１に記載の方法。
23. 前記充填要素が前記流体流と当該充填要素との間で熱を移動させることを更に特徴とする、請求項２１記載の方法。
24. 前記物質移動が流体相間で二酸化硫黄を移動させることを含むことを更に特徴とする、請求項２１に記載の物質移動の方法。

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