JP4408190B2 - 物質移動カラムのための充填材 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は交換カラム、特には、極低温精留カラムのような物質移動カラムのための構造充填材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスと液体とを、全体に向流状態で相互に接触させる様々な形式の交換カラムが知られている。通常は波形のシートあるいはプレートを相互に接触させて形成した充填要素をカラムの軸線と平行に配置して液体及びガス間の接触を促進させることが行われている。この場合、各プレートの折り目或いは波状部はカラムの軸線に対してある角度を成して配置される。構造充填材には、その下方セクション部分でのガスの流れ抵抗を減少させ、かくして充填容量を増大させるための追加的な改善が施された。詳しく説明すると、この改善により、構造充填材の下方セクション部分に流入するガスあるいは蒸気に関連する圧力降下は、構造充填材の下方セクション部分をその上方セクション部分と同じ形態にした場合におけるそれよりも小さくなる。そうした改善に関する説明は米国特許第５，６３２，９３４号に記載されている。この米国特許ではバルク部分とベース部分とが考察され、ベース部分はこのベース部分での圧力降下を低下させる様々な形態で記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
構造充填材のための、性能特性が一段と改善された充填構造を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明に従えば、ベース部分、トップ部分、あるいはその両方の部分の形態を変更することによりカラムの様々な性能条件を達成することのできる充填セクションが提供される。
また、本発明によれば、充填セクション全体に、カラムの所望の性能を提供する表面テクスチャリングを選択的に使用する充填セクションが提供される。
【０００５】
本発明によれば、セクション高さ寸法を画定する、斜行交叉する複数の垂直の波状の構造充填シートを含む充填セクションが提供される。セクション高さ寸法には、ベース部分と、バルク部分と、トップ部分とが含まれ、ベース部分はバルク部分の形態とは異なる特定の第１の形態を有し、トップ部分はバルク部分の形態及びベース部分の第１の形態とは異なる特定の第２の形態を有する。
【０００６】
更に、本発明によれば、斜行交叉する複数の垂直の波状の構造充填シートを有し、セクション高さ寸法を画定する充填セクションにして、ベース部分と、バルク部分と、トップ部分とを有し、バルク部分が表面テクスチャリングを含むあるいは表面模様付けされた充填セクションが提供される。更に、ベース部分、トップ部分の少なくとも一方は表面テクスチャリング部分を有さない。
【０００７】
また本発明によれば、斜行交叉する複数の垂直の波状の構造充填シートを有し、充填セクションの高さ寸法を画定する充填セクションにして、ベース部分と、バルク部分と、トップ部分とを有し、バルク部分が全体に水平な溝ひだを含み、ベース部分とトップ部分の少なくとも一方が全体に垂直の溝ひだを含む充填セクションが提供される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明は米国特許第５，６３２，９３４号の改良発明である。詳しくは、米国特許第５，６３２，９３４号では充填セクションのベース部分の形態を変更することが意図され、ベース部分でのガスの圧力降下を減少させるための様々の異なる形態のベース部分が開示される。例えばこの米国特許には、（１）スタガー配列の充填シート、（２）平坦部分、（３）減少された断面積、（４）急勾配の波形形状、（５）オリフィス、（６）鋸歯形態、（７）ルーヴァー、を有するベース部分においてガスの流れ抵抗が減少することが記載される。本発明は以下に説明するように既存の充填材の性能を改善するものである。
【０００９】
図１を参照するに、構造充填材が、カラムの垂直軸線に対してある角度を成す波形を有し垂直方向に配向されたシートを含んでいる。各シートは、隣り合うシートの波形の方向が相互に逆向きになるように配列される。構造充填材は層状態、で、即ち、図中に記号“Ｓ”で示す充填セクションとしてカラムに充填される。隣り合う各充填セクションは混合を増長させるために図１に示されるように垂直軸線を中心として位置が回転される。
【００１０】
小型のカラムの場合、構造充填材の各層は、各シートを相互に固着して形成した、図２ａに示すような単一のセクションあるいはブリックから構成され得る。大型のカラムでは各充填セクションＳは、図２ｂに示すような、相互に嵌合して収容容器の断面を充填する、記号“Ｂ”で示す幾つかのブリックから形成され得る。完全な充填カラムは構造充填材から成る多数の充填セクションＳから構成され、これらの多数の充填セクションＳが、分離を実施する上で要求される充填高さ寸法に設定される。
【００１１】
図３を参照するに、充填セクションＳの１つが示され、高さ寸法“Ｈ“と、トップ部分“Ｔ“と、バルク部分“Ｕ”と、ベース部分“Ｌ”とを有している。代表的にはベース部分Ｌ及びトップ部分Ｔの高さ寸法は充填セクションＳの高さ寸法Ｈの夫々約５％及び１０％である。しかしながら、幾つかの考慮事項及びカラムの特定の性能特性によっては、各部分の高さ寸法は充填セクションＳの高さ寸法よりもずっと低くあるいはその１／３もの高さ寸法となり得る。ベース部分Ｌとトップ部分Ｔとは同じ高さ寸法である必要はなく、カラムの所望の性能特性に応じてかなり相違するものとなり得る。
【００１２】
ベース部分Ｌとトップ部分Ｔとの高さ寸法を構造充填材の比表面積に応じたものとすることが好ましいことが分かった。詳しく説明すると、構造充填材の比表面積は充填シートの波形の大きさの関数である。波形の寸法が小さくなるほど比表面積は一般に大きくなる。比表面積は通常、充填セクションのシートの表面積を充填セクションの容積で割った値として定義される。所定の充填セクション高さ寸法Ｈに対する比表面積が大きくなるほど、ベース部分Ｌとトップ部分Ｔとの高さ寸法が小さくなることが分かった。以下の表１は充填セクション高さ寸法Ｈが約１０〜２８ｃｍ（約８インチ〜１１インチ）である場合のこの相関を示すものである。
【００１３】
【表１】

【００１４】
図４を参照するに、本発明の参考例としての２枚の充填シート２０が示されている。各充填シート２０のバルク部分Ｕは角度のある波形を有し、隣接する各充填シート２０は異なる方向に伸延している。トップ部分Ｔは全体に垂直の波形部分２２を含んでいる。詳しく説明すると、これらの波形部分２２はバルク部分Ｕでの波形と高さ寸法及び断面積が同じものであり得るが、より垂直方向に角度付けされている。しかしながら、波形部分２２はバルク部分Ｕの波形よりもずっと垂直方向に角度付けされている。図４にはこれらの波形部分２２は垂直状態で示されるが垂直である必要はなく、バルク部分Ｕの波形よりも垂直に近い角度のものであり得る。
【００１５】
図４にはバルク部分Ｕの波形は垂直の波形部分２２に急に移行するように示されるが、徐々に移行するようにすることもできる。また、図４に示される充填シート２０はベース部分Ｌに平坦セクション２４を有している。詳しく説明すると、ベース部分Ｌには全体的に波形部分は形成されない。本発明の充填セクションはトップ部分Ｔとベース部分Ｌとで形態が異なることから性能は一段と向上する。詳しく説明すると、トップ部分Ｔの波形が急勾配であることによりトップ部分から上方の充填セクションへのガスあるいは蒸気の移行がずっと容易化され、一方、ベース部分Ｌの平坦セクション２４がこのベース部分及び移行部分におけるガスあるいは蒸気の圧力降下を低減する。
【００１６】
図５には本発明の更に他の参考例が例示され、充填シート２０のトップ部分Ｔは図４の参考例と同じく垂直の波形２２を有している。しかしながら、ベース部分Ｌの波形２６は図４の参考例におけるよりも断面積が小さくなっている。詳しくは、ベース部分Ｌの波形２６はバルク部分Ｕのそれよりも高さがずっと低くなっている。この場合の充填セクションの各部分の幾何学的な相違も、移行と圧力降下の低減とを達成する上で必要とされるものである。
２つの参考例に関し説明したが、トップ部分Ｔ及びベース部分Ｌをその他の異なる形態とすることも望ましいものであり得る。そうした形態は米国特許第５，６３２，９３４号に記載される。
【００１７】
充填シート２０に表面テクスチャリングを施すことが知られている。ここで“表面テクスチャリング”とは、任意の、粗化、スリッチング、型抜き、及びあるいはシート表面の型押しあるいは模様を指すものとする。そうした表面テクスチャリングの例には、これらに限定するものではないが、溝ひだ（フルーチング）、柄模様、例えば、ヘリンボーンあるいはワッフル柄の型押しパターン、あるいは変形の小スリットなどが含まれる。“溝ひだ”の例は米国特許第４，２９６，０５０号に記載されている。本発明では微細な溝ひだ形態が開示される。この溝ひだにより、液体は毛管作用で充填シートの表面上に拡散される。
【００１８】
図６には本発明の更に他の参考例が示される。本参考例を詳しく説明するに、充填シート２０のベース部分Ｌにはバルク部分Ｕとトップ部分Ｔとに見られる表面テクスチャリングはなく、バルク部分Ｕとトップ部分Ｔとに、充填シートの溝ひだのような表面テクスチャリングが施される。この溝ひだは全体的に水平方向に伸延し、その結果、液体を充填シートの表面を横断して拡散させる。
【００１９】
図では“表面テクスチャリング”は溝ひだとして示されるが、その他の任意の表面テクスチャリングを使用しても良い。ベース部分Ｌでは液体を充填シートを横断して移動させる必要はないが、この充填シートから下方の充填セクションへと液体を急速に移動させる必要がある。この点、上述したようにベース部分Ｌには表面テクスチャリングが施されないので液体は急速に移動する。更には、トップ部分Ｔにも表面テクスチャリングを施さないようにしてカラムの所望の性能特性を達成させることもできる。従って、充填シートはトップ部分Ｔ及びベース部分Ｌの双方、若しくは、ベース部分Ｌのみ、あるいはトップ部分Ｔのみに表面テクスチャリングを施さないものが意図される。
【００２０】
図７を参照するに、本発明の更に他の参考例が示される。本参考例では充填シート２０は、精細な溝ひだが全体に水平方向でカラムの軸線に向けて伸延され、トップ部分Ｔとベース部分Ｌとは各々垂直方向の波形２２を有している。しかしながら、これらのトップ部分Ｔとベース部分Ｌとは何らの表面テクスチャリングをも有していない。
図８には更に他の参考例が示される。本参考例ではトップ部分Ｔは垂直の波形２２を有するが溝ひだは施されていない。しかしながら、ベース部分Ｌには垂直の波形２２に加えて溝ひだも形成される。
【００２１】
図９には他の改変実施例が例示される。この実施例ではトップ部分Ｔは溝ひだと垂直方向の波形２２とを有し、一方、ベース部分Ｌは溝ひだを有さず、垂直方向の波形２２を有している。
先に議論したように、溝ひだは全体に水平方向でカラムの軸線に向けて伸延されるが、任意のその他の表面テクスチャリングを使用することができる。
【００２２】
ベース部分Ｌあるいはトップ部分Ｔの少なくとも一部分に全体に垂直な溝ひだを形成し、充填セクションあるいは充填シートからの液体の除去を促進させ得るようにすることが望ましいことが分かった。参考例としての図１０を参照するに、バルク部分Ｕとトップ部分Ｔとには全体に水平な溝ひだが形成されるが、ベース部分Ｌには溝ひだは垂直方向に形成される。垂直方向の溝ひだはトップ部分Ｔ及びベース部分Ｌの両方に形成する、あるいはトップ部分Ｔにのみ形成してベース部分Ｌには形成しないと言った使用例も考えられる。
【００２３】
図１１を参照するに、更に他の実施例が示され、トップ部分Ｔとベース部分Ｌとが夫々垂直方向の波形２２を有している。更に、トップ部分Ｔとベース部分Ｌとには、ベース部分Ｕが全体に水平な溝ひだを有するのに対し全体に垂直方向の溝ひだが形成される。
【００２４】
図１２にはまた別の実施例が示され、充填シート２０が、垂直の波形２２を有するトップ部分Ｔとベース部分Ｌとを含んでいる。更に、トップ部分Ｔは全体に垂直な溝ひだを有し、バルク部分Ｕは全体に水平な溝ひだを有しベース部分Ｌには溝ひだは形成されない。
【００２５】
図１３には更に他の実施例が示され、トップ部分Ｔとベース部分Ｌとに垂直の波形２２が形成されている。しかしトップ部分Ｔには溝ひだは無く、バルク部分Ｕに全体に水平な溝ひだが形成され、ベース部分Ｌには全体に垂直の溝ひだが形成される。
垂直方向の溝ひだは図では垂直位置で示されるが、全体に水平な溝ひだよりも急勾配で伸延する任意の溝ひだを使用してカラムの性能特性を増長させることができよう。更には、バルク部分Ｕでの全体に水平な溝ひだに任意のその他の好適な表面テクスチャリングを施すことができる。
【００２６】
トップ部分Ｔとベース部分Ｌとに、米国特許第５，６３２，９３４号に記載される異なる形態の様々な表面テクスチャリングを組み合わせて使用することができることは言うまでもない。例えば、上述した全体に水平な溝ひだと全体に垂直な溝ひだとの任意の組み合わせを、平坦シート２４と、あるいは先に議論した低い波形２６の各形態と組み合わせて使用することができる。
【００２７】
更に、上述した全ての実施例について、充填シートには表面テクスチャリングに加えて複数の個別の孔を貫通形成することもできる。そうした孔は米国特許第４，２９６，０５０号に記載される。仮にそうした孔を充填シート２０に配置形成する場合、トップ部分Ｔあるいはベース部分、若しくはこれらの両部分にはこれらの孔は形成せず、表面テクスチャリングも施さないことが望ましい。
【００２８】
本発明は構造充填材を使用し得る任意の蒸留、吸着、あるいはストリッププロセスで使用することができる。構造充填材を使用するプロセスには、これに限定するものではないが、オイル分留、炭化水素分離、アルコール蒸留、並びに、極低温空気分離システムのような極低温精留が含まれる。
【００２９】
以上、本発明を実施例を参照して説明したが、本発明の内で種々の変更をなし得ることを理解されたい。充填シート２０は参考例としての図１４ではカラムの軸線方向に全体に水平に伸延する溝ひだを形成したバルク部分Ｕを有している。図１４の参考例ではバルク部分Ｕには孔２８も貫通形成される。この参考例ではトップ部分Ｔとベース部分Ｌとには表面テクスチャリングは施されず、孔２８も形成されない。かくして、トップ部分Ｔ及びベース部分Ｌの表面は円滑である。
【００３０】
【発明の効果】
構造充填材のための、性能特性が一段と改善された充填構造が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 １つの充填セクションを他の充填セクションのトップ位置に位置決めしてカラム状態とした場合における各充填セクションの斜視図である。
【図２ａ】 単一の充填セクションの平面図である。
【図２ｂ】 充填セクションの層を構成する種々の充填材を示すカラムの平面断面図である。
【図３】 充填セクションの部分斜視図である。
【図４】 本発明の参考例を表す２枚の充填シートの斜視図である。
【図５】 本発明の参考例を示す、図４と類似の斜視図である。
【図６】 本発明の参考例を示す単一の充填シートの斜視図である。
【図７】 本発明の参考例での単一の充填シートの正面図である。
【図８】 本発明の参考例での単一の充填シートの正面図である。
【図９】 本発明の実施例での単一の充填シートの正面図である。
【図１０】 本発明の参考例での単一の充填シートの斜視図である。
【図１１】 本発明の他の実施例での単一の充填シートの正面図である。
【図１２】 本発明の他の実施例での単一の充填シートの正面図である。
【図１３】 本発明の他の実施例での単一の充填シートの正面図である。
【図１４】 本発明の参考例での単一の充填シートの正面図である。
【符号の説明】
Ｂ ブリック
Ｓ 充填セクション
Ｈ 高さ寸法
Ｔ トップ部分
Ｕ バルク部分
Ｌ ベース部分
２０ 充填シート
２２ 波形部分
２４ 平坦セクション
２６ 波形
２８ 孔

Claims (6)

1. 充填セクションであって、
   セクション高さを画定する垂直の複数の充填シートにして、ベース部分と、バルク部分と、トップ部分とを有し、斜行交叉する波形を有する充填シートを含み、
   ベース部分が表面テクスチャリングを有さず、
   バルク部分が表面テクスチャリングを有し、
   トップ部分が、表面テクスチャリングを有し且つバルク部分及びベース部分の形態と異なる形態を有する充填セクション。
2. ベース部分における波形の勾配がバルク部分における波形の勾配よりも急勾配である請求項１の充填セクション。
3. バルク部分が複数の孔を有し、ベース部分が孔を有さない請求項１の充填セクション。
4. 充填セクションであって、
   セクション高さを画定する垂直の複数の充填シートにして、ベース部分と、バルク部分と、トップ部分とを有し、斜行交叉する波形を有する充填シートを含み、
   バルク部分が表面テクスチャリングを有し、
   ベース部分及びトップ部分の少なくとも一方の少なくとも一部分が、全体に垂直な溝ひだを含む充填セクション。
5. ベース部分及びトップ部分の両方の少なくとも一部分が全体に垂直な溝ひだを有する請求項４の充填セクション。
6. 表面テクスチャリングが全体的に水平な溝ひだである請求項４の充填セクション。

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