JP4523220B2 - 熱交換カラム及び物質交換カラムのための充填物 - Google Patents
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Description
【０００１】
本発明は、熱交換カラム及び物質交換（物質移動）カラムのための、略鉛直に配置される多数の波形プレート（又はストリップ）を備える充填物に関する。プレートの側部表面は互いに隣接し、その隣接するリブは上部から下部へ略弧線状に伸び、２つの隣接するプレートのリブは互いに交差する。
【０００２】
プロセス工学における蒸留、吸着、ガス洗浄及び類似の操作において使用されるカラムは、液体と気体との間の熱交換及び物質移動交換のためのバッフルを有する。これらのバッフルは、例えばバブルトレイ、トンネルトレイ、シーブトレイ若しくはバルブトレイのようなトレイ、例えばラシヒリング、ポールリング若しくはサドルのような不規則充填物、又は注文による種々の幾何学的形状の充填物のいずれにも含まれる。
【０００３】
注文充填物における交差チャネル構造の幾何学的形状は、技術的に広く適用されている。充填カラムについては一般的であるが、交差チャネル構造の注文充填物についても、フラッディング状態の発達によってその最大能力が制限される。交差チャネル構造の充填物を有する蒸留カラムにおけるフラッディング状態の目視観察により、フラッディングは常に個々の充填層の下方のエッジから生じることがわかる。そのような充填物の生産性を高めるために、個々の充填層の下方エッジ及びさらに部分的に個々の充填層の上方エッジを改良して、液体及び気体の可能処理能力を高めることが望まれる。
【０００４】
ＥＰ８５８８３０Ａ１号では、充填層の下方エッジにおいて、隣接する充填要素の間隔を、その曲げ高さを低減することにより広げることが提唱されている。さらなる可能性としては、例えば充填層の下端部から１つおきに、材料の一部を部分的又は完全に除去する方法がある。この方法の短所は、分離効率に影響を与え、充填物の機械的強度の低下を招くことである。
【０００５】
選択的な可能性は、ＷＯ９７／１６２４７号にて保護されており、そこでは交差チャネル構造の幾何学的形状が変更されている。曲がり部は、慣習的な場合ではそうであるように、もはや直線ではなくむしろＳ字形状であり、充填層の下方及び上方の端部におけるショートカラムの方向が概ね鉛直に伸びるように配置される。この充填物の作製には高いコストがかかる。この充填物の欠点は、充填物高さに関して、鉛直に伸びる下方及び上方の端部を通る流路に側方の小さなオフセットが生じることである。このことにより、側方の気体流れについての横方向の望ましい混合が低減する。この欠点を補うためには、問題となる分散を制限するために、追加の液体捕集器及び分散器を選択的に提供しなければならない。
【０００６】
ＤＥ３９１８４８３号は、高さ可変の幾何学的形状を備える充填物について説明している。そこにおいては、交差チャネル構造のショートカラムは、下端部において実質的に鉛直かつ互いに平行に伸び、徐々に水平方向に曲げられながら上方に伸びる。充填層の下方領域において、隣接する波形又は折目の間の曲がり部の十分な機械的安定性を得るために、平面部分が備えられる。ここで、液体の遮断がさらに回避される。
【０００７】
交差チャネル構造を備える充填物は、ＤＥ２９２１２７０Ｃ２号に記載されており、そこでは折目が弧線状の通路を有する。個々のプレートは、より大きい流れ抵抗が上向き及び下向きに択一的に得られるように選択的に取付けられるため、この構成においては、フラッディング状態がより高い負荷の方向に変化することはない。直線的でない折目通路を備えるさらなる充填物は、ＤＥ１２９３７９６号、ＤＥ１２８７０９６号、ＦＲ１４７９３７５号及びＧＢ１０８０９９１号に記載されている。
【０００８】
本発明の目的は、公知の交差チャネル構造の充填物よりも高い処理能力を有することができる注文による充填物を提供することである。
【０００９】
本発明に従い、この目的は、プレートの上方領域のリブが、直線状であり、特に水平の上方プレートエッジに対して傾斜すること、及びプレートの下方領域のリブが弧線状の曲がり形状にて伸びることにより達成される。
【００１０】
そのような充填物により、特に高い処理能力が最適な効率で得られる。その構造は単純であり、低コストの製造及び容易な取付けを可能にする。
【００１１】
本発明の有利な実施形態は、図面及び以下により詳細に説明される。
【００１２】
充填物は、互いに対してその側面が当接される多数のストリップ又はプレート１を有し、ストリップ又はプレート１は、長手方向を横切るように伸びるリブを有する。それによりストリップ１は、互いに隣接するストリップの複数のリブが互いに交差し、互いに平行な弧線３の形状に伸びるように配置される。下方部分における弧線は、弧線パターン４と、鉛直に対して傾斜する直線的なリブセグメント６に推移する中間部分５とを有することが好ましい。リブ２は、充填物の上方エッジ７において、水平方向に対して３０〜７０°、好ましくは４５〜６０°の角度ａを有し、充填物の下方エッジ８において、７５〜８８°、好ましくは８０〜８５°の角度ｂを有する。下端部におけるリブの傾斜は、充填物の上端部におけるリブの傾斜と同一又は反対の方向である。
【００１３】
リブの連続的弧線パターンの代わりに、多数の直線的セグメント又は類似の幾何学的形状によってそのパターンに近似させることが可能である（図３参照）。
【００１４】
ストリップのリブ２が形成する折目の角度αは、そのリブの作製において、充填物の水平方向の高さに関して、概ね正方形断面の断面領域が常に得られるように形成される。従って、与えられた材料を利用するために、最大限の水力直径を有する充填物構造が形成される。
【００１５】
望ましい正方形開口部は、折目角度αを変えることによる最も単純な方法で得られる。この角度は、交差チャネル構造を有する市販の充填物の場合は、約７０〜９０°の間で変化する。折目角度α、水平方向に対する曲がり部の傾斜角度β及び曲がり部が互いに対して水平方向に形成する角度γの間には、以下の関係が適用される。
ｔａｎ（α/２）＝ｔａｎ（γ/２）・ｓｉｎ（β）
【００１６】
γ＝９０°である好ましい正方形開口部については、以下の関係が得られる。
ｔａｎ（α/２）＝ｓｉｎ（β）
【００１７】
従って、選定される曲げ角度αは、例えば傾斜角度βが４５°のときは７０．５°、傾斜角度βが６０°のときは８１．８°となる。
【００１８】
折目１がシャープなエッジではない好ましい形状であるときは、折目の曲げ半径は、リブの幅の１５％より小さいことが好ましい。シャープなエッジ形状は、飛沫同伴しやすいので避けるべきである。
【００１９】
飛沫同伴を防ぐためには、充填物の上方エッジのリブ２が水平方向に対して形成する角度βは、３０〜４５°、好ましくは４５〜６０°を下回ってはならない。
【００２０】
複数のリブ２の円弧パターンは、可能な限り近似するべきである。２つのシャープな曲がりの場合は、より強力な飛沫同伴が観察される。このことは、充填物の下方及び上方の端部において特に小さい曲げ半径を有する充填物の場合に顕著である。本発明によると、リブの曲げ半径は、充填層高さの２５％、好ましくは３０％を下回るべきではない。シャープなエッジでない形状の曲がりに関して、実験的なテストが、飛沫同伴の特に効果的な抑制を示している。
【００２１】
従来技術にあるように形成される平面的なリブに対して、高さが変化し又は高さと無関係に変化する他のリブ形状は、飛沫同伴をさらに低減するために使用可能である。その際、平面形状から始まる高さ依存形状により、表面積が拡大して、より効率的な熱交換及び物質移動が可能になる。本発明によると、高さ依存形状により、下端部は、最大限の水力直径を用いて形成される平面を有する。図３は、好ましい形状であるシャープでないエッジの曲げ形状として可能な形状を示しており、飛沫同伴の低減には円形状が特に有効である。
【００２２】
隣接する充填層は、互いに対してそれぞれ３０〜１５０°、好ましくは９０°回転して配置される。充填層の挿入については、充填層は、接触位置の数を増やすために、例えばハンマリングにより動的に、又は例えば重りの使用により静的に組付けられることが好ましい。これらの処置に対する強度は、使用される充填材料による。
【００２３】
本発明に係る充填物は、通常の充填物よりも約３０〜５０％高い処理能力を有する。図４は、空気及び水のシステムについてのテスト結果を示す。
【図面の簡単な説明】
【図１】 隣接する２つのプレート／ストリップについて、上側のプレート／ストリップの右側領域を除去して示した図である。
【図２ａ】 プレート／ストリップの下端部の曲がり角度を示す図である。
【図２ｂ】 プレート／ストリップの下端部の曲がり角度を示す図である。
【図３】 複数のリブの異なる断面を、枠内に各々示した図である。
【図４】 本発明に係る充填物の研究結果を示す図である。
【図５】 本発明に係る充填物の研究結果を示す図である。
本発明は、熱交換カラム及び物質交換（物質移動）カラムのための、略鉛直に配置される多数の波形プレート（又はストリップ）を備える充填物に関する。プレートの側部表面は互いに隣接し、その隣接するリブは上部から下部へ略弧線状に伸び、２つの隣接するプレートのリブは互いに交差する。
【０００２】
プロセス工学における蒸留、吸着、ガス洗浄及び類似の操作において使用されるカラムは、液体と気体との間の熱交換及び物質移動交換のためのバッフルを有する。これらのバッフルは、例えばバブルトレイ、トンネルトレイ、シーブトレイ若しくはバルブトレイのようなトレイ、例えばラシヒリング、ポールリング若しくはサドルのような不規則充填物、又は注文による種々の幾何学的形状の充填物のいずれにも含まれる。
【０００３】
注文充填物における交差チャネル構造の幾何学的形状は、技術的に広く適用されている。充填カラムについては一般的であるが、交差チャネル構造の注文充填物についても、フラッディング状態の発達によってその最大能力が制限される。交差チャネル構造の充填物を有する蒸留カラムにおけるフラッディング状態の目視観察により、フラッディングは常に個々の充填層の下方のエッジから生じることがわかる。そのような充填物の生産性を高めるために、個々の充填層の下方エッジ及びさらに部分的に個々の充填層の上方エッジを改良して、液体及び気体の可能処理能力を高めることが望まれる。
【０００４】
ＥＰ８５８８３０Ａ１号では、充填層の下方エッジにおいて、隣接する充填要素の間隔を、その曲げ高さを低減することにより広げることが提唱されている。さらなる可能性としては、例えば充填層の下端部から１つおきに、材料の一部を部分的又は完全に除去する方法がある。この方法の短所は、分離効率に影響を与え、充填物の機械的強度の低下を招くことである。
【０００５】
選択的な可能性は、ＷＯ９７／１６２４７号にて保護されており、そこでは交差チャネル構造の幾何学的形状が変更されている。曲がり部は、慣習的な場合ではそうであるように、もはや直線ではなくむしろＳ字形状であり、充填層の下方及び上方の端部におけるショートカラムの方向が概ね鉛直に伸びるように配置される。この充填物の作製には高いコストがかかる。この充填物の欠点は、充填物高さに関して、鉛直に伸びる下方及び上方の端部を通る流路に側方の小さなオフセットが生じることである。このことにより、側方の気体流れについての横方向の望ましい混合が低減する。この欠点を補うためには、問題となる分散を制限するために、追加の液体捕集器及び分散器を選択的に提供しなければならない。
【０００６】
ＤＥ３９１８４８３号は、高さ可変の幾何学的形状を備える充填物について説明している。そこにおいては、交差チャネル構造のショートカラムは、下端部において実質的に鉛直かつ互いに平行に伸び、徐々に水平方向に曲げられながら上方に伸びる。充填層の下方領域において、隣接する波形又は折目の間の曲がり部の十分な機械的安定性を得るために、平面部分が備えられる。ここで、液体の遮断がさらに回避される。
【０００７】
交差チャネル構造を備える充填物は、ＤＥ２９２１２７０Ｃ２号に記載されており、そこでは折目が弧線状の通路を有する。個々のプレートは、より大きい流れ抵抗が上向き及び下向きに択一的に得られるように選択的に取付けられるため、この構成においては、フラッディング状態がより高い負荷の方向に変化することはない。直線的でない折目通路を備えるさらなる充填物は、ＤＥ１２９３７９６号、ＤＥ１２８７０９６号、ＦＲ１４７９３７５号及びＧＢ１０８０９９１号に記載されている。
【０００８】
本発明の目的は、公知の交差チャネル構造の充填物よりも高い処理能力を有することができる注文による充填物を提供することである。
【０００９】
本発明に従い、この目的は、プレートの上方領域のリブが、直線状であり、特に水平の上方プレートエッジに対して傾斜すること、及びプレートの下方領域のリブが弧線状の曲がり形状にて伸びることにより達成される。
【００１０】
そのような充填物により、特に高い処理能力が最適な効率で得られる。その構造は単純であり、低コストの製造及び容易な取付けを可能にする。
【００１１】
本発明の有利な実施形態は、図面及び以下により詳細に説明される。
【００１２】
充填物は、互いに対してその側面が当接される多数のストリップ又はプレート１を有し、ストリップ又はプレート１は、長手方向を横切るように伸びるリブを有する。それによりストリップ１は、互いに隣接するストリップの複数のリブが互いに交差し、互いに平行な弧線３の形状に伸びるように配置される。下方部分における弧線は、弧線パターン４と、鉛直に対して傾斜する直線的なリブセグメント６に推移する中間部分５とを有することが好ましい。リブ２は、充填物の上方エッジ７において、水平方向に対して３０〜７０°、好ましくは４５〜６０°の角度ａを有し、充填物の下方エッジ８において、７５〜８８°、好ましくは８０〜８５°の角度ｂを有する。下端部におけるリブの傾斜は、充填物の上端部におけるリブの傾斜と同一又は反対の方向である。
【００１３】
リブの連続的弧線パターンの代わりに、多数の直線的セグメント又は類似の幾何学的形状によってそのパターンに近似させることが可能である（図３参照）。
【００１４】
ストリップのリブ２が形成する折目の角度αは、そのリブの作製において、充填物の水平方向の高さに関して、概ね正方形断面の断面領域が常に得られるように形成される。従って、与えられた材料を利用するために、最大限の水力直径を有する充填物構造が形成される。
【００１５】
望ましい正方形開口部は、折目角度αを変えることによる最も単純な方法で得られる。この角度は、交差チャネル構造を有する市販の充填物の場合は、約７０〜９０°の間で変化する。折目角度α、水平方向に対する曲がり部の傾斜角度β及び曲がり部が互いに対して水平方向に形成する角度γの間には、以下の関係が適用される。
ｔａｎ（α/２）＝ｔａｎ（γ/２）・ｓｉｎ（β）
【００１６】
γ＝９０°である好ましい正方形開口部については、以下の関係が得られる。
ｔａｎ（α/２）＝ｓｉｎ（β）
【００１７】
従って、選定される曲げ角度αは、例えば傾斜角度βが４５°のときは７０．５°、傾斜角度βが６０°のときは８１．８°となる。
【００１８】
折目１がシャープなエッジではない好ましい形状であるときは、折目の曲げ半径は、リブの幅の１５％より小さいことが好ましい。シャープなエッジ形状は、飛沫同伴しやすいので避けるべきである。
【００１９】
飛沫同伴を防ぐためには、充填物の上方エッジのリブ２が水平方向に対して形成する角度βは、３０〜４５°、好ましくは４５〜６０°を下回ってはならない。
【００２０】
複数のリブ２の円弧パターンは、可能な限り近似するべきである。２つのシャープな曲がりの場合は、より強力な飛沫同伴が観察される。このことは、充填物の下方及び上方の端部において特に小さい曲げ半径を有する充填物の場合に顕著である。本発明によると、リブの曲げ半径は、充填層高さの２５％、好ましくは３０％を下回るべきではない。シャープなエッジでない形状の曲がりに関して、実験的なテストが、飛沫同伴の特に効果的な抑制を示している。
【００２１】
従来技術にあるように形成される平面的なリブに対して、高さが変化し又は高さと無関係に変化する他のリブ形状は、飛沫同伴をさらに低減するために使用可能である。その際、平面形状から始まる高さ依存形状により、表面積が拡大して、より効率的な熱交換及び物質移動が可能になる。本発明によると、高さ依存形状により、下端部は、最大限の水力直径を用いて形成される平面を有する。図３は、好ましい形状であるシャープでないエッジの曲げ形状として可能な形状を示しており、飛沫同伴の低減には円形状が特に有効である。
【００２２】
隣接する充填層は、互いに対してそれぞれ３０〜１５０°、好ましくは９０°回転して配置される。充填層の挿入については、充填層は、接触位置の数を増やすために、例えばハンマリングにより動的に、又は例えば重りの使用により静的に組付けられることが好ましい。これらの処置に対する強度は、使用される充填材料による。
【００２３】
本発明に係る充填物は、通常の充填物よりも約３０〜５０％高い処理能力を有する。図４は、空気及び水のシステムについてのテスト結果を示す。
【図面の簡単な説明】
【図１】 隣接する２つのプレート／ストリップについて、上側のプレート／ストリップの右側領域を除去して示した図である。
【図２ａ】 プレート／ストリップの下端部の曲がり角度を示す図である。
【図２ｂ】 プレート／ストリップの下端部の曲がり角度を示す図である。
【図３】 複数のリブの異なる断面を、枠内に各々示した図である。
【図４】 本発明に係る充填物の研究結果を示す図である。
【図５】 本発明に係る充填物の研究結果を示す図である。
Claims (6)
- 熱交換カラム及び物質移動カラムのための、略鉛直方向に平行にその主面が配置される複数の波形プレート（１）を有する充填物であって、前記プレート（１）の側面は互いに対して当接し、前記プレート（１）の、隣接して並んで伸びる複数のリブ（２）は、略弧線状で上から下に伸び、２つの隣接するプレートの前記リブが互いに交差する充填物において、
前記リブ（２）は、前記プレート（１）の上方領域において直線状に伸び、前記リブ（２）の上端部の長手方向線は、水平な上方プレートエッジに対して４５〜６０°の角度（ａ）を形成し、前記リブ（２）の下端部の長手方向線は、水平な下方プレートエッジに対して８０〜８５°の角度（ｂ）を形成し、それにより前記リブの下端部の長手方向線は、前記リブの上端部の長手方向線と同一又は反対の方向に伸びることを特徴とする充填物。 - 少なくとも相当接する２枚のプレート間において、一方のプレートのリブ（２）と、他方のプレートのリブ（２）との間の形状が、充填物の水平方向に関して概ね正方形形状の断面領域を有することを特徴とする請求項１に記載の充填物。
- 隣接するリブが形成する折目の曲げ半径は、前記リブの幅の１５％より小さいことを特徴とする請求項１又は２に記載の充填物。
- 前記リブの弧線状のパターンは、複数の直線状セグメントから構成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の充填物。
- 複数の前記リブ（２）は、前記充填物の高さ方向全体に、それらの輪郭及び断面形状が変化することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の充填物。
- 前記充填物の複数の層は、一方が他方の上方に配置されて互いに接し、各々が互いに対して３０〜１５０°回転して配置されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の充填物。
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