KR100218573B1 - 2-방향성 표면 조직을 가진 구조적 충전 재료, 및 그 충전 재료를 사용하는 질량 및 열 전이 방법 - Google Patents

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쥬드 리스카 프랭크
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마쉬 윌리엄 에프
에어 프로덕츠 앤드 케미칼스, 인코오포레이티드
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Abstract

본 발명은 구조적 충전 재료에 관한 것이다. 본 발명의 재료는 그 재료 전체에 걸쳐 교대하는 마루와 골을 형성하는 주름을 가진 물결 모양으로 되어 있으며, 이때 주름은 종축을 갖고, 상기 재료는 주름의 종축에 대하여 0°내지 180°의 각도에 제 1 의 세로홈의 하나 이상의 밴드를 갖고, 주름의 종축에 대하여 0°내지 180°의 각도에 제 2 의 세로홈의 하나 이상의 밴드를 가지며, 상기 제 1 의 세로홈은 제 2 의 세로홈에 대하여 0 이상의 각도에 존재한다. 본 발명의 재료는 그 재료를 관통하는 다수의 구멍을 갖는 것이 바람직하다. 본 발명의 구조적 충전재는 질량 및/또는 열 전이를 수행하기 위한 접촉 장치에 필요한 공정에 사용하기에 적합하다. 본 발명의 구조적 충전재는, 증기와 액체를 동시에, 하나 이상의 질량 전이 영역을 함유하며 그 영역에서는 하나 이상의 구조적 충전 재료에 의해 증기-액체 접촉이 이루어지는 하나 이상의 증류 컬럼내에서 접촉시키는 것을 포함하는, 저온학적인 공기 분리 공정에 특히 적합하다.

Description

2-방향성 표면 조직을 가진 구조적 충전 재료, 및 그 충전 재료를 사용하는 질량 및 열 전이 방법
본 발명은 구조적 충전재(structured packing)에 관한 것이다. 구조적 충전재는 특히 저온학적 공기 분리 공정에서 교환 컬럼에 특히 유용하지만, 예를 들면 열 교환기에 사용될 수도 있다.
증류 또는 직접 접촉 냉각과 같은 많은 공정에 있어서, 컬럼 내부에서 서로 역류식으로 유동하는 액체 및 증기 스트림 사이에서의 열 및 질량 전이를 촉진하기 위해 구조적 충전재를 사용하는 것이 유리하다. 구조적 충전재는, 덤핑된(dumped) 또는 불규칙한 충전재를 사용한 경우 또는 증류단을 사용한 경우와 비교했을 때, 낮은 압력 강하와 함께 열 및 질량 전이에 대한 높은 효율을 제공한다. 가장 통상적으로 사용되는 구조적 충전재는 금속이나 플라스틱 호일의 주름진(corrugated) 시트 또는 수직으로 적재된 주름진 메쉬 직물로 구성된다. 이러한 호일은 열 및 질량 전이 효율을 향상시킬 목적으로 다양한 형태의 개구부 및/또는 표면 거칠기를 갖는다. 종래 기술에는 여러가지 유형의 구조적 충전재가 개시되어 있고 이하에는 그중 일부를 거론하였지만, 이들은 각종의 용도로부터 발전된 것이며, 대부분이 공기의 성분들을 분리시키는데 사용되는 것과 같은, 저온학적인 분리 공정에 대해서 특이적으로 개발되거나 최적화된 것은 아니다.
US-A-4296050 호(메이어)는 구조적 충전재내에 개구와 세로홈(fluting) 또는 홈(groove)의 조합체를 사용하는 방법을 개시하고 있다. 세로홈은 주름의 방향과는 전반적으로 상반된 방향으로 수직선에 대하여 15-90°의 각도로 전개되며, 주름은 수직선에 대하여 15-60°의 각도로 전개된다. 세로홈의 파장은 0.3 내지 3.0mm 범위이다. 충전재는 각종의 열 및 질량 전이 공정에 있어서 광범위한 용도를 갖는다.
US-A-4186159 호(후버)는 컬럼내부의 목적하는 방향에서 보았을 때 충전재를 교차하여 수평 방향으로 전개되는 세로홈을 가진 영역과 세로홈을 갖지 않는(평면) 영역의 교대하는 밴드(band)들을 구비한 구조적 충전재를 개시하고 있다. 이들 밴드의 넓이는 5mm 이상이다. 개방된 면적은 5-20% 인 것으로 설명되어 있다.
US-A-445339 호(메이어)는 각각의 구조적 충전재의 시트내에서 교대하는 주름이 있는 부분과 주름이 없는 부분을 사용하는 방법을 개시하고 있다. 주름이 없는 부분에서 발생하는 액체 가속화는 질량 전이 성능을 향상시키는 것으로 제시되어 있다.
US-A-4597916 호 및 US-A-4604247 호(첸 등)은 팽창된 금속에 의해 생성된 십자형 패턴을 사용하는 방법을 개시하고 있다. 또한 이들 특허 공보는 십자형 패턴 또는 수평 슬릿과 함께 천공부를 사용하는 방법을 제시하고 있다. 양쪽 모두 여러 가지 구멍과 형상을 갖는, 주름진 시트와 교대하는 천공된 시트를 사용하는 방법도 개시되어 있다.
EP-A-337150 호(로케트 등)은 특히 깊은 세로홈을 사용하는 방법을 기술하고 있으며, 이 방법은 증가된 액체 보유력 및 우수한 확산에 기인하여 질량 전이 성능을 향상시키는 것으로 설명되어 있다.
US-A-4981621 호(플루스)는 액체 확산을 향상시키는, 구멍이 없는 십자형 조직을 사용하는 방법을 개시하고 있다.
US-A-5132056 호(로케트 등)은, 특히 하향 조건하에서, 습윤을 향상시키는 가장자리 변형법의 사용을 개시하고 있다.
US-A-5454988 호(매다)는 구멍이 없는 주름진 충전재에 특이적인 세로홈을 사용하는 방법을 개시하고 있다. 세로홈은 일반적으로 수평 방향으로 전개되며, 교차영역에서 사인파와 유사하다기 보다 사각파와 더욱 유사하다. 또한 세로홈은 측면방향으로 확산하는 액체에 대한 구불구불한 유동 경로를 갖는다.
또한 당해 기술분야에는, 메쉬형의 충전재가 액체를 효율적으로 확산시키고 우수한 질량 전이 성능을 제공한다는 사실이 잘 알려져 있지만, 메쉬형의 충전재는 상기한 바와 같은 대부분의 호일형 충전재보다 더욱 비용이 많이 든다.
본 발명의 제 1 목적은 공기 분리에 사용되는 것과 같은 저온학적인 용도에 대해서 우수한 성능을 나타내는 특이적인 구조물을 제공하는 것이다.
본 발명의 제 2 목적은 다른, 바람직하게는 모든 열 및 질량 전이 용도에 있어서 고도한 성능을 나타낼 수 있도록 특이적인 구조물을 보편화시키는 것이다.
도1은 충전 재료의 제 1 실시예의 투시도이다.
도2a 내지 도2d는 각각 도1의 실시예에 대한 정입면도, 측입면도, 하면도 및 횡단면도이다.
도3은 주름을 형성하기 이전의 편평한 시트 형태인 도1의 실시예의 정입면도이다.
도4a 내지 도9b는 종래 기술의 충전 재료와 비교되는 본 발명의 충전 재료의 성능을 입증하는 그래프이다.
도10a 내지 도10d는 도1의 실시예의 변형예에 대한 정입면도이다.
도11은 재료의 세로홈을 통한 횡단면도이다.
도12는 주름과 세로홈의 각도 사이의 관계를 설명하는 다이아그램이다.
본 발명에 의하면, 구조적 충전 재료가 제공되며, 상기 재료는 그 재료를 가로질러 교대하는 마루와 골을 형성하는 주름을 가진 물결 모양으로 되어 있고, 이때 주름은 종축을 갖고, 상기 재료는 주름의 종축에 대하여 0°내지 180°의 각도에 제 1 의 세로홈의 하나 이상의 밴드를 갖고, 주름의 종축에 대하여 0°내지 180°의 각도에 제 2 의 세로홈의 하나 이상의 밴드를 가지며, 상기 제 1 의 세로홈은 제 2 의 세로홈에 대하여 0 이상의 각도에 존재한다.
본 발명의 재료는 그 재료를 관통하는 다수의 구멍을 갖는 것이 바람직하다. 재료의 개방된 면적은 재료의 총 면적의 5 내지 20% 범위이며, 8% 내지 12% 범위인 것이 바람직하다.
본 발명의 재료는 제 1 의 세로홈의 다수의 밴드 및 제 2 의 세로홈의 다수의 밴드를 갖는 것이 바람직하다. 제 1 세로홈은 상기 재료를 가로질러 실질적으로 연속적이며 제 2 세로홈과 교차되는 것이 바람직하다.
제 1 세로홈의 밴드는 2 내지 20mm, 바람직하게는 5 내지 10mm 범위의 폭을 가질 수 있다. 제 2 세로홈의 밴드는 2 내지 20mm, 바람직하게는 5 내지 10mm 범위의 폭을 가질 수 있다.
제 1 및 제 2 세로홈은 각각 0.5mm 내지 5mm, 바람직하게는 1mm 내지 3mm 범위의 파장을 가진 홈들에 의해 형성될 수 있다.
전개된 재료의 제 1 세로홈과 제 2 세로홈 사이의 각도(α)는 입면도에서 보았을 때 30°내지 150°범위, 바람직하게는 80°내지 100°범위, 가장 바람직하게는 90°일 수 있다.
또한 본 발명에 의하면, 제 1 상과 제 2 상 사이에서 열 및/또는 질량을 교환하기 위한 교환 컬럼이 제공되며, 본 발명의 교환 컬럼은 다수의 충전 재료를 포함하고, 각각의 충전 재료는 그 재료를 가로질러 교대하는 마루와 골을 형성하는 주름을 가진 물결 모양으로 되어 있으며, 이때 주름은 종축을 갖고, 각각의 재료는 주름의 종축에 대하여 0°내지 180°의 각도에 제 1 의 세로홈의 하나 이상의 밴드를 갖고, 주름의 종축에 대하여 0°내지 180°의 각도에 제 2 의 세로홈의 하나 이상의 밴드를 가지며, 상기 제 1 의 세로홈은 제 2 의 세로홈에 대하여 0 이상의 각도에 존재한다.
상기 재료는 제 1 세로홈이 수평선에 대하여 0°내지 45°,바람직하게는 0°내지 30°, 더욱 바람직하게는 0°내지 10°의 각도를 형성하도록 실질적으로 수직 방향으로 충전될 수 있다. 제 2 세로홈은 수직선에 대하여 0°내지 45°, 바람직하게는 0°내지 30°, 더욱 바람직하게는 0°내지 45°를 형성할 수 있다, 상기 재료는 거의 수직으로 충전되고, 제 1 세로홈은 거의 수평선상에 존재하며, 제 2 세로홈은 거의 수직선상에 존재하는 것이 가장 바람직하다.
주름의 종축은 수평선에 대하여 실질적으로 20°내지 70°, 바람직하게는 30°내지 60°, 가장 바람직하게는 거의 45°의 각도로 존재한다.
교환기내의 각각의 재료는 그 재료를 관통하는 다수의 구멍을 가질 수 있다.
또한, 본 발명은 구조적 충전 재료를 제공하며, 상기 재료는 그 재료를 가로질러 교대하는 마루와 골을 형성하는 주름을 가진 물결 모양으로 되어 있고, 이때 주름은 종축을 갖고, 상기 재료는 주름의 종축에 대하여 0°내지 180°의 각도에 제 1 의 세로홈의 하나 이상의 밴드를 갖고, 주름의 종축에 대하여 0°내지 180°의 각도에 제 2 의 세로홈의 하나 이상의 밴드를 가지며, 상기 제 1 의 세로홈은 제 2 의 세로홈에 대하여 0 이상의 각도에 존재하고, 제 1 세로홈은 그 재료를 가로질러 실질적으로 연속적이고 제 2 세로홈과 교차하며, 상기 재료는 그 재료를 관통하는 다수의 구멍을 포함한다.
이외에도, 본 발명은 하나 이상의 질량 전이 영역을 함유하는 하나 이상의 증류 컬럼에서 증기와 액체를 동시에 접촉시키는 것을 포함하는 저온학적인 공기 분리 방법을 제공하며, 이때 액체-증기 접촉은 하나 이상의 구조적 충전 재료에 의해 이루어지고, 상기 재료는 그 재료를 가로질러 교대하는 마루와 골을 형성하는 주름을 가진 물결 모양으로 되어 있으며, 이때 주름은 종축을 갖고, 상기 재료는 주름의 종축에 대하여 0°내지 180°의 각도에 제 1 의 세로홈의 하나 이상의 밴드를 갖고, 주름의 종축에 대하여 0°내지 180°의 각도에 제 2 의 세로홈의 하나 이상의 밴드를 가지며, 상기 제 1 의 세로홈은 제 2 의 세로홈에 대하여 0 이상의 각도에 존재한다.
본 발명은 열 및 질량 전이 용도에 있어서 고도한 성능을 나타내는 주름진 구조적 충전 재료를 제공한다.
사용할 때에, 바람직한 실시양태에서, 충전 재료의 인접한 시트들은 수직으로 적재되고, 주름은 십자형의 대향하는 방식으로 전개되며; 충전 재료의 시트는 충전된 탑의 원통형 영역을 덮는 층을 형성하고 그 층 자체는 높은 수직형 원통 형상을 가지며; 주어진 컬럼 또는 탑의 충전된 영역을 구성하는 많은 층들은 전반적으로 수직인 컬럼 축 주위에서 서로에 대하여 회전하며; 증기와 액체는 분배기를 통해 공급하고, 바람직하게는 거의 역류 방향으로 유동한다.
이하에서는 첨부된 도면에 의거하여 본 발명을 예시하고자 한다.
도 1 내지 도 3 에는 충전 재료(1)의 제 1 실시예가 도시되어 있다. 도면에서는 충전 재료(1)의 대표적인 부분만을 전반적으로 도시하였다.
재료(1)은 시트형 구조물이며, 재료(1)내에서 마루(3)과 골(4)를 형성하는 규칙적으로 이격되고 비교적 깊은 주름(2)를 구비한다. 재료(1)의 한 측면에서 보았을 때의 마루가, 재료(1)의 다른 한 측면에서 보았을 때는 골이 되고, 그 반대 경우도 마찬가지이다. 예를 들어 저온학적 공기 분리탑에 사용할 경우, 재료(1)은 도 1 및 도 2 에 도시하고 이하에 더욱 상세히 설명하는 바와 같이 수직으로 충전된다. 주름(2)는 실질적으로 평행하며 수평선에 대하여 각도 (θ)에 존재하는 종축(21)을 갖는다. 도 2b 에 도시한 바와 같이, 주름(2)는 전반적으로 사인파의 형태이다. 그러나, 예를 들어서, 주름진 사각파, 삼각파, 및 톱니파와 같은 상이한 주름(2)의 형상도 가능하거나, 또는 주름은 예컨대 타원형 또는 포물선형의 분절들로 구성될 수 있다.
재료(1)은 기존의 충전 재료에 비해 당해 재료의 성능을 크게 향상시키는 특수한 표면 조직을 갖는다. 구체적으로, 재료(1)은 "세로홈"으로 언급되는 밴드를 가지며, 세로홈은 2-방향성(bidirectional)표면 조직을 제공하고, 그 조직내에는 수직 방향으로 충전된 주름진 재료(1)에서 전반적으로 수평인 세로홈(5)의 밴드와 전반적으로 수직인 세로홈(6)이 존재한다. 세로홈(5,6)은 공지된 방식으로, 예를 들면 적당한 다이를 사용한 로울링 또는 스탬핑에 의해서, 재료(1)의 표면의 비교적 가는 홈(7,8) 또는 주름이나 줄무늬로써 형성된다. 도 1 및 도 3(이하, "미전개된 재료"로 언급되는 주름을 형성하지 않은 충전 재료(1)을 도시한 도면)에 도시된 바와 같이, 수평 세로홈(5)는 실질적으로 연속적이며, 주름(2)의 겹침선에서만 단절되어 있을 뿐이다. 반면에, 수직 세로홈(6)은 수평 세로홈(5)에 의해서 규칙적인 간격으로 중단되어 있다. 도면, 특히 도 3 에 도시한 바와 같이, 바람직한 실시양태에서, 수평 세로홈(5)의 가는 홈(7)은 주름의 겹침선에 인접하여 서로에 대해 엇갈린 형태로 존재할 수 있다. 유사하게, 바람직한 실시양태에서, 수직 세로홈(6)의 가는 홈(8)은 주름의 겹침선에 인접하여 서로에 대해 엇갈린 형태로 존재할 수 있다.
수평 및 수직 세로홈(5,6)의 각각의 밴드의 폭(Bh및 Bv)는 동일한 것이 바람직하다. 수평 세로홈(5)와 수직 세로홈(6) 사이, 즉, 수평 세로홈(5)와 수직 세로홈(6)의 가는 홈들사이의 각도 (α)는 미전개된 재료(1)에 있어서 90°이하가 되므로써, 재료(1)을 접어서 전개하여 주름(2)를 제공하였을 때, 수평 및 수직 세로홈(5,6)은 도 2a 에 도시한 바와 같이 각도 (α')보다 크고 바람직하게는 90°인 각도 (α)로 존재한다. (α)와 (α')의 관계는 주름(2)의 마루(3)과 골(4)의 각도에 의해(또는, 다른 한편으로는 주름(2)의 깊이와 파장에 의해) 결정되므로써, 이하에 도 12 와 관련하여 더욱 상세히 설명하는 바와 같이, 주름(2)가 형성되었을 때 목적하는 각도 (α) 값을 얻게 된다.
재료(1)은 당해 재료(1)을 가로지르는 열로서 관통하는 다수의 구멍(9)를 구비한다. 관통 구멍(9)는 재료(1)을 가로질러 규칙적으로 정렬되거나, 불규칙하게 분포될 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명에 의한 충전 재료(1)의 성능의 일례로서 다음과 같은 결과를 제시하였다. 재료(1)은 그와 같은 다수의, 예를 들면 40개의 재료(1)로 이루어진 "벽돌(brick)"로서 알려진 방식으로 충전된다. 인접한 재료(1)의 배향은, 인접한 재료(1)의 주름(2)가 서로 교차하므로써 인접한 재료(1)의 마루(3)들이 접촉할 수 있도록, 역전되어 있다. 직경 약 8"(200mm)이고 높이 약 8"(200mm)인 상기한 바와 같은 8 개의 벽돌을 전체적인 내부 환류하에서 작동하는 저온학적 증류 컬럼의 내부에, 서로의 상단위에 놓았다. 아르곤/산소 (18,30 및 45psia)(124,207 및 310kPa) 및 질소/산소(30, 70 및 130 psia(207, 483 및 896 kPa))로 된 2 원 혼합물의 분리를 연구하여 질량 전이 효율 및 압력 강하에 대해 확인하였다. 비교용으로, US-A-4296050 에 개시되어 있고 Sulzer Brothers Ltd. 에서 상표명 Sulzer 500Y 로 시판하는 충전 재료를 사용하여 8 개의 벽돌로 유사한 조건하에서 실험을 수행하였다. 2 가지 유형의 충전 재료 사이에서 기계적인 세부사항과 특징은 상이하지만 - 주름의 형상, 세부적인 구멍 크기 및 위치, 및 2-방향성 vs. 1-방향성 표면 조직 - 상당한 유사성이 존재한다. 세로홈의 깊이와 파장은 유사하다. 또한 표면적 밀도와 다공성은, 샘플을 제조한 원료 시트의 총 개방 면적 분율의 견지에서, 거의 동일하다. 2 가지 재료의 세트는 모두 알루미늄으로 만들어져 있다. 또한, 증기와 액체의 분포 및 데이타를 획득하여 환산하는 방식의 견지에서 프로토콜은 동일하다.
그 결과를 도 4 내지 도 9 에 나타내었으며, 도면에서 본 발명은 AP500 으로 표시하였다. 각각의 쌍의 도면에서, 도면 "a"는 HETP(이론단에 상당하는 높이)의 견지에서 질량 전이 효율을 나타낸 것이며, 도면 "b"는 단위 충전 높이당 압력 강하를 나타낸 것이다. 이론단에 상당하는 높이는 다양한 유형의 충전재를 비교하기 위해 당분야에 공지된 방법이며, 그 높이 이상에서는 하나의 이론단에 의해 얻어지는 조성 변화와 동등한 조성 변화가 얻어지는 높이를 의미한다. 이 2 가지 양은 모두 하기 수학식 1 로 정의되는 Kv의 함수로서 표시된다.
Kv= U [(ρv/ρl-ρv)]0.5
상기 식에서, U = 컬럼내의 증기 상의 표면 속도이고, ρv= 증기 상의 밀도이며, ρl= 액체 상의 밀도이다.
도 4 내지 도 9 로부터 다음과 같은 사항을 관찰할 수 있다. AP500 은 도면의 높은 Kv한계로 나타낸 전형적인 작동 조건 또는 높은 하중량하에서 HETP 가 10-15% 감소함을 통해 알 수 있는 바와 같이, 질량 전이 효율면에서 10-15% 향상을 나타낸다. 통상, 도면의 낮은 Kv한계에 의해 나타나는 바와 같은, 보다 낮은 하중량 또는 하향 조건하에서 HETP 는 훨씬 더 낮다. 2 가지 유형의 충전재 사이에서 압력 강하는, 경우에 따라 AP500이 Sulzer 500Y 에 비해 Kv에 대해서 더욱 경사가 큰 증가 양상을 나타내는 범람(flood) 지점과 매우 가까운 부근을 제외하고는, 유사하였다. 작동상의 유용성의 관점에서 볼 때, 구조적 충전재는 일반적으로 범람이 발생하는 Kv값의 최대 약 80-90% 에 이르는 범위에서만 사용된다. 따라서, AP500 은 상기 데이타에 의해 입증되는 바와 같이, 광범위한 작동 조건에 걸쳐서 단위 높이당 동등한 압력 강하하에 더욱 우수한 질량 전이 효율을 제공한다. 달리 말하면, AP500 은, AP500 과 Sulzer 500Y 가 둘다 동일한 수의 이론단을 사용하는 동일한 분리를 수행할 때, Sulzer 500Y 에 비해서 충전된 영역의 높이 및 압력 강하면에서 10-15% 의 유리한 효과를 제공한다고 할 수 있다. 데이타를 환산하여 HETP 와 유사한 질량 전이 효율의 공지의 척도인 HTU(전이 유닛의 높이)로 표현할 경우에도 동일한 결론에 귀착된다.
도 1 내지 도 3 에 도시된 실시예의 변형예가 도 10 에 도시되어 있다. 표면 조직내의 세로홈(5,6)의 2 가지 유형은 도 2a 에서와 같이 정확한 수평 및 수직형이 아니다. 대신에, 전반적으로 수평하고 전반적으로 수직한 세로홈(5,6)은 도 10 에 도시된 바와 같이, 각각 수평 및 수직 방향에 대해 각도 (β)와 (γ)를 이룬다. 사잇각 (α)는 90°에서 증가하거나, 감소하거나, 유지될 수 있다. 도 1 내지 도 3 에 도시한 제 1 실시예는 각도 (β) 및 (γ)가 둘다 0 이고 (α)가 90°인 도 10a 내지 도 10d 에 도시된 일반적인 실시예의 특수한 경우로서 이해된다.
바람직하게는, 주름(2), 구멍(6) 및 세로홈(5,6)에 의해 형성된 2-방향성 표면 조직의 치수, 위치 및 크기는 충전 재료(1)상에서 단지 불규칙한 조합 패턴만이 전개되고 3 가지 성분의 규칙적인 반복 패턴은 발생하지 않도록 선택된다.
이하에서는 재료(1) 및 그 구성 성분에 대한 치수의 가능한 범위에 대해 논의하였다.
재료(1)의 표면적 밀도는 250-1500m2/m3범위인 것이 바람직하고, 500-1000 m2/m3범위인 것이 가장 바람직하다. 이는 도 2d 에 도시한 여러 가지 상이한 조합의 (P), (H) 및 (r) 을 통해서 달성할 수 있으며, 이때 (P) 는 주름(2)의 "파장" 또는 마루간 분리 간격이고, (H) 는 마루(3)의 진폭 또는 마루간 높이이며, (r) 은 마루(3)의 곡률 반경이다.
주름(2)는 전반적으로 사인파의 패턴으로 전개된다. 주름은 곡선형의 마루(3)과 마루(3)들 사이의 직선 부분을 갖도록 제작될 수 있다. 주름 파장:주름 곡률 반경의 비율(도 2d 에서 P/r)은 5-30 범위이며, 10-25 범위인 것이 바람직하다.
시트의 두께(도 2d 에서 t)는 0.05-1.0mm 범위인 것이 바람직하고, 0.10-0.25mm 범위인 것이 가장 바람직하다.
재료(1)의 개방된 면적은 재료(1)의 총 면적의 5-20% 범위인 것이 바람직하고, 8-12% 범위인 것이 가장 바람직하다.
충전재내의 구멍(9)는 1-5mm 범위, 바람직하게는 2-4mm 범위의 직경으로 선회한다. 대안으로서, 충전재내의 구멍은 원형이 아니라, 주변에 의해 분할된 면적의 4 배로서 계산했을 때 그 동등한 직경이 원형의 구멍에 대해 상기 언급한 범위내에 존재하기도 한다.
수평 및 수직 세로홈(5,6)(도 3 에 도시한 Bh및 Bv)에 의해 형성된 2-방향성 구조물의 밴드의 폭은 각각 2 내지 20mm 범위이며, 5-10mm 범위인 것이 바람직하다. 이들 밴드는 Bh≠Bv가 되도록 동일하지 않은 폭을 가질 수 있다.
수평 및 수직 세로홈(5,6)의 밴드를 형성하는 표면 조직의 가는 홈(7,8)의 파장(도 11 에서 p)은 0.5-5mm 범위이며, 1-3mm 범위인 것이 바람직하다. 수평 및 수직 세로홈(5,6)에서 파장 또는 피치는 상이할 수 있다.
표면 조직의 마루간 높이(도 11 에서 h)는 0.25-1.20mm 범위이며, 0.25-0.50mm 범위인 것이 바람직하다. 마루간 높이는 수평 및 수직 세로홈(5,6)에서 상이할 수 있다.
수평선에 대한 주름 각도(도 2a 에서 θ)는 20°-70°범위이며, 30°-60°인 것이 바람직하고, 45°인 것이 가장 바람직하다.
전개된 재료(1)의 표면 조직 사잇각 (α)(도 2a 에 도시함)은 30°-150°범위인 것이 바람직하고, 80°-100°범위인 것이 더욱 바람직하며, 90°인 것이 가장 바람직하다.
"수평" 표면 조직 각도 (β)(도 10 에 도시함)은 -45°- +45°범위이고, -30°- +30°범위인 것이 바람직하고, -10°- +10°범위인 것이 더욱 바람직하며, 0°인 것이 가장 바람직하다.
"수직" 표면 조직 각도(γ)(도 10 에 도시함)은 -45°- +45°범위이고, -30°- +30°범위인 것이 바람직하고, -10°- +10°범위인 것이 더욱 바람직하며, 0°인 것이 가장 바람직하다.
주름의 3 가지 구성성분, 구멍 및 표면 조직은 반복 패턴이 발생하지 않는 방식으로 배열된다. 연속하는 주름들은 상이하게 보이고, 그 조합은 불규칙적이다. 이러한 실시양태가 바람직하다. 대안으로서, 주름의 3 가지 구성성분, 구멍 및 표면 조직을 반복 패턴이 발생하는 방식으로 배열할 수도 있다. 연속하는 주름들은 유사하게 보이고, 하나 이상의 주름에 뒤이어 패턴이 반복한다.
충전 재료(1)의 원료는 스테인레스 스틸, 모넬(monel), 황동, 알루미늄, 구리 또는 이들의 합금 또는 플라스틱, 또는 기타 임의의 적당한 물질이다.
주름(2) 및 표면 조직 또는 세로홈(5,6,7,8)은 일반적으로 생성된 각각의 구성 성분의 파(wave)의 정확한 특성을 결정하는 로울링 또는 프레싱과 같은 공정에 의해서 제조된다. 이들은 일반적으로 사인파의 형상이지만, 정확하게 사인파가 될 필요는 없다.
대안으로서, 표면 조직은 분쇄, 절단 또는 연마와 같은 기타 공지의 제조 기법에 의해 제조될 수도 있다.
본 발명의 구조적 충전 재료(1)은 증류 또는 직접 접촉 냉각과 같은 질량 및/또는 열 전이 공정에 사용될 수 있다. 컬럼 또는 탑의 영역은, 수직으로 적층된 재료의 부분으로, 그리고 위로부터 균일하게 액체를 분포시키고 아래로부터 균일하게 증기 또는 기체를 분포시키기 위한 수단으로 충전된다. 액체 및 증기 또는 기체는 중력의 영향하에서 대체로 서로에 대하여 역류식으로 유동한다. 많은 경우에 있어서, 수직 방향을 따르는 축을 가진 컬럼을 사용하는 것이 유리하지만, 본 발명의 충전 재료(1)은 컬럼 축이 수직이 아니라, 그 대신에 수평이거나 또는 기타 어느정도 중간적인 배향을 갖는 경우에도 사용할 수 있다. 그러나, 충전재 층, 액체 및 기체 유동, 및 분포 수단간의 관계는 전술한 바와 같이 유지되어야 한다.
구체적으로, 본 발명의 충전 재료(1)은 충전재를 습윤시키고 액체를 확산 및 재혼합하는 능력이 임계적인 기체-액체 또는 증기-액체 접촉 장치에 사용하는 것이 유리하다.
더욱 구체적으로, 본 발명의 충전 재료(1)은 저온학적 증류를 이용하는 분리 공정에 사용하는 것이 유리하다. 저온학적 증류의 예로서는 컬럼과 같은 하나 이상의 접촉 장치를 사용하므로써 공기의 성분들을 분리시키는 것을 들 수 있다. 본 발명의 충전 재료(1)은 이와 같은 접촉 장치의 하나 이상의 영역에 사용될 수 있다.
또한, 본 발명의 충전 재료(1)을 직접 접촉 냉각 장치에 사용하는 것이 유리하다. 이러한 공정의 일례는 열과 질량 전이가 모두 일어나는 상들간의 직접 접촉에 의해서 저온의 물을 사용하여 고온 또는 온난한 공기를 냉각시키는 탑이다. 재료(1)은, 관통 구멍(9)를 갖지만, 고온의 상과 저온의 상이 서로 접촉하는 일 없이 열을 교환하는 열 교환기에도 사용될 수 있다.
어떤 특정한 이론을 고수하려는 것은 아니지만, 본 발명의 장점은 다음과 같이 유도되는 것으로 생각된다. 일반적으로, 본 발명의 재료(1)이 혼입된 컬럼을 통한 기체의 유동은 기본적으로는 종래 기술에 비해 변화되지 않는다. 그러나, 액체 유동 특성은 매우 상이한 것으로 생각된다. 가는 수직 홈(8)에 의해 제공되는 수직 세로홈(6)은 액체를 구멍(9)를 관통하여 유동시키므로써, 액체가 재료(1)이 혼입된 컬럼을 따라 아래로 이동할 때 그 액체가 재료(1)을 통해 전후로 통과할 수 있도록 한다. 액체는 중력과 모세관 작용의 조합에 의해서 구멍을 통과하는 것으로 생각된다. 이는 컬럼내에서 액체 상과 기체 상 사이의 열과 질량 전이를 더욱 촉진한다. 또한, 인접한 재료(1)들의 마루(3) 사이의 접촉점에서, 미세한 수직 홈(8)은 다수의 통로를 제공하여 액체를 인접한 재료(1)들 사이에서 더욱 용이하게 전이시킬 수 있다. 마찬가지로, 이것 또한 열과 질량 전이를 촉진한다. 가는 수평 홈(7)에 의해 제공된 수평 세로홈(3)은 컬럼을 따라 하강하는 액체를 측면으로 확산시키므로써, 액체의 유동을 보류시켜서 더욱 우수한 열 및 질량 전이를 촉진하고 액체가 컬럼을 따라 너무 급속하게 하강하는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 본 발명의 재료(1)은 액체를 큰 면적에 걸쳐 확산시키고, 액체를 반복적으로 재혼합시키며, 이 2 가지 모두가 더욱 향상된 질량 및 열 전이를 제공한다.
도 12 에는, 재료(1)이 미전개된 상태로, 즉, 주름(2)를 형성하기 전의 상태로 도시되어 있다. 선(mm-mm)은 마루(3) 또는 골(4)를 나타내며, 이들을 따라 미전개된 재료(1)에서 전형적인 주름이 전개된다. 선(C'A) 는 전형적인 "수직" 홈(8)을, 그리고 선(C'B)는 전형적인 "수평" 홈(7)을 나타낸다. 그러므로, 미전개된 재료상에서 삼각형(C'AB)를 발견할 수 있다. 각도(α',β',γ')는 상기한 바와 같은 전개된 시트에서의 각도(α,β,γ)에 대응하는 미전개된 시트에서의 각도이다. 즉, (α,β,γ)는 (α',β',γ')를 지면에서 투영한 것이다.
재료(1)을 접어서 주름(2)를 형성시켰을 때, 지점(A,P,B)는 고정된 상태로 유지되고, 지점(C')는 (P)를 향해 이동하는 지면상의 (C')로 투영했을 때 각도 α를 통해 이동한다. 따라서, 주름(2)가 삼각형인 것으로 간주될 수 있는(단위 파장당 2 개의 삼각형) 간단한 경우에 대해 다음과 같은 수학식이 등식으로 성립된다.
편평한 미전개된 재료에 있어서는 다음과 같다:
Figure 1019970018153_B1_M0001
Figure 1019970018153_B1_M0002
전개된 재료에 있어서는 다음과 같다:
Figure 1019970018153_B1_M0003
Figure 1019970018153_B1_M0004
따라서, γ와 γ'의 관계는 다음과 같이 주어진다.
Figure 1019970018153_B1_M0005
또한, β와 β'의 관계는 다음과 같이 주어진다.
Figure 1019970018153_B1_M0006
또한 다음과 같은 수학식이 성립된다.
α′ = 180°-(90°-θ)-θ-β′-γ′
α′ = 90°-β′-γ′
α = 90°-β-γ
또한 본 발명의 재료는 2 가지 액체를 하나 이상의 교환 컬럼에서 접촉시키는 것을 포함하고 액체-액체 접촉은 하나 이상의 구조적 충전 재료에 의해서 이루어지는 2 가지 액체들 사이의 질량 및/또는 열을 교환하기 위한 방법에 사용될 수 있으며, 이때 상기 재료는 그 재료를 가로질러 교대하는 마루와 골을 형성하는 주름을 가진 물결 모양으로 되어 있고, 이때 주름은 종축을 갖고, 상기 재료는 주름의 종축에 대하여 0°내지 180°의 각도에 제 1 의 세로홈의 하나 이상의 밴드를 갖고, 주름의 종축에 대하여 0°내지 180°의 각도에 제 2 의 세로홈의 하나 이상의 밴드를 가지며, 상기 제 1 의 세로홈은 제 2 의 세로홈에 대하여 0 이상의 각도에 존재하며, 상기 액체들중 하나는 상기 재료를 우선적으로 습윤시킨다. 이와 같은 액체들은 교환 컬럼내에서 병류로, 또는 역류로 유동할 수 있다.
본 발명에 의하면, 공기 분리에 사용되는 것과 같은 저온학적인 용도에 대해 우수한 질량 및/또는 열 전이 성능을 나타내는 충전 재료가 제공된다.
이상에서는 본 발명을 바람직한 실시양태와 관련하여 구체적으로 설명하였지만, 본 발명의 보호범위내에서 전술한 실시예에 대하여 다양한 변형예 및 개조예를 실시할 수 있음을 알아야 한다.

Claims (44)

  1. 구조적 충전 재료로서, 상기 재료를 가로질러 교대하는 마루와 골을 형성하는 주름을 가진 물결 모양으로 되어 있으며, 이때 주름은 종축을 갖고, 상기 재료는 주름의 종축에 대하여 0°내지 180°의 각도에 제 1 의 세로홈의 하나 이상의 밴드를 갖고, 주름의 종축에 대하여 0°내지 180°의 각도에 제 2 의 세로홈의 하나 이상의 밴드를 가지며, 상기 제 1 의 세로홈은 제 2 의 세로홈에 대하여 0 이상의 각도에 존재하는 재료.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 재료를 관통하는 다수의 구멍을 추가로 포함하는 재료.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 세로홈의 다수의 밴드와 제 2 의 세로홈의 다수의 밴드를 포함하는 재료.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 제 1 의 세로홈이 상기 재료를 가로질러 실질적으로 연속적이며, 상기 제 2 세로홈과 교차하는 재료.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 재료의 개방된 면적이 재료의 총 면적의 5% 내지 20% 범위인 재료.
  6. 제 2 항에 있어서, 상기 재료의 개방된 면적이 재료의 총 면적의 8% 내지 12% 범위인 재료.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 세로홈의 밴드의 폭이 2 내지 20mm 범위인 재료.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 세로홈의 밴드의 폭이 5 내지 10mm 범위인 재료.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 세로홈의 밴드의 폭이 2 내지 20mm 범위인 재료.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 세로홈의 밴드의 폭이 5 내지 10mm 범위인 재료.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 세로홈이 0.5mm 내지 5mm 범위의 파장을 가진 홈들에 의해서 형성되는 재료.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 세로홈이 1mm 내지 3mm 범위의 파장을 가진 홈들에 의해서 형성되는 재료.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 세로홈이 0.5mm 내지 5mm 범위의 파장을 가진 홈들에 의해서 형성되는 재료.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 세로홈이 1mm 내지 3mm 범위의 파장을 가진 홈들에 의해서 형성되는 재료.
  15. 제 1 항에 있어서, 입면도로 보았을 때 전개된 재료의 상기 제 1 세로홈과 제 2 세로홈 사이의 각도(α)가 30°내지 150°범위인 재료.
  16. 제 1 항에 있어서, 입면도로 보았을 때 전개된 재료의 상기 제 1 세로홈과 제 2 세로홈 사이의 각도(α)가 80°내지 100°범위인 재료.
  17. 제 1 항에 있어서, 입면도로 보았을 때 전개된 재료의 상기 제 1 세로홈과 제 2 세로홈 사이의 각도(α)가 거의 90°인 재료.
  18. 제 1 상과 제 2 상 사이의 열 및/또는 질량 교환을 위한 교환 컬럼으로서, 상기 교환 컬럼은 다수의 충전 재료를 포함하고, 각각의 재료는 그 재료를 가로질러 교대하는 마루와 골을 형성하는 주름을 가진 물결 모양으로 되어 있으며, 이때 주름은 종축을 갖고, 각각의 재료는 주름의 종축에 대하여 0°내지 180°의 각도에 제 1 의 세로홈의 하나 이상의 밴드를 갖고, 주름의 종축에 대하여 0°내지 180°의 각도에 제 2 의 세로홈의 하나 이상의 밴드를 가지며, 상기 제 1 의 세로홈은 제 2 의 세로홈에 대하여 0 이상의 각도에 존재하는 컬럼.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 재료가 거의 수직으로 충전되며, 제 1 세로홈은 수평선에 대하여 0°내지 45°의 각도를 형성하는 컬럼.
  20. 제 18 항에 있어서, 상기 재료가 거의 수직으로 충전되며, 제 1 세로홈은 수평선에 대하여 0°내지 30°의 각도를 형성하는 컬럼.
  21. 제 18 항에 있어서, 상기 재료가 거의 수직으로 충전되며, 제 1 세로홈은 수평선에 대하여 0°내지 10°의 각도를 형성하는 컬럼.
  22. 제 18 항에 있어서, 상기 재료가 거의 수직으로 충전되며, 제 1 세로홈은 거의 수평인 컬럼.
  23. 제 18 항에 있어서, 상기 재료가 거의 수직으로 충전되며, 제 2 세로홈은 수직선에 대하여 거의 0°내지 45°의 각도를 형성하는 컬럼.
  24. 제 18 항에 있어서, 상기 재료가 거의 수직으로 충전되며, 제 2 세로홈은 수직선에 대하여 거의 0°내지 30°의 각도를 형성하는 컬럼.
  25. 제 18 항에 있어서, 상기 재료가 거의 수직으로 충전되며, 제 2 세로홈은 수직선에 대하여 거의 0°내지 10°의 각도를 형성하는 컬럼.
  26. 제 18 항에 있어서, 상기 재료가 거의 수직으로 충전되며, 제 2 세로홈은 거의 수직인 컬럼.
  27. 제 18 항에 있어서, 상기 재료가 거의 수직으로 충전되며, 상기 주름의 종축은 수평선에 대하여 거의 20°내지 70°의 각도에 존재하는 컬럼.
  28. 제 18 항에 있어서, 상기 재료가 거의 수직으로 충전되며, 상기 주름의 종축은 수평선에 대하여 30°내지 60°의 각도에 존재하는 컬럼.
  29. 제 18 항에 있어서, 상기 재료가 거의 수직으로 충전되며, 상기 주름의 종축은 수평선에 대하여 거의 45°의 각도에 존재하는 컬럼.
  30. 제 18 항에 있어서, 입면도로 보았을 때 전개된 재료의 상기 제 1 세로홈과 제 2 세로홈 사이의 각도(α)가 30°내지 150°범위인 컬럼.
  31. 제 18 항에 있어서, 입면도로 보았을 때 전개된 재료의 상기 제 1 세로홈과 제 2 세로홈 사이의 각도(α)가 80°내지 100°범위인 컬럼.
  32. 제 18 항에 있어서, 입면도로 보았을 때 전개된 재료의 상기 제 1 세로홈과 제 2 세로홈 사이의 각도(α)가 거의 90°인 컬럼.
  33. 제 18 항에 있어서, 각각의 재료가 제 1 세로홈의 다수의 밴드와 제 2 세로홈의 다수의 밴드를 포함하는 컬럼.
  34. 제 33 항에 있어서, 상기 제 1 세로홈이 상기 재료를 가로질러 거의 연속적이며, 제 2 세로홈과 교차하는 컬럼.
  35. 제 18 항에 있어서, 각각의 재료가 그 재료를 관통하는 다수의 구멍을 갖는 컬럼.
  36. 구조적 충전 재료로서, 상기 재료를 가로질러 교대하는 마루와 골을 형성하는 주름을 가진 물결 모양으로 되어 있으며, 이때 주름은 종축을 갖고, 상기 재료는 주름의 종축에 대하여 0°내지 180°의 각도에 제 1 의 세로홈의 하나 이상의 밴드를 갖고, 주름의 종축에 대하여 0°내지 180°의 각도에 제 2 의 세로홈의 하나 이상의 밴드를 가지며, 상기 제 1 의 세로홈은 제 2 의 세로홈에 대하여 0 이상의 각도에 존재하고, 제 1 세로홈은 상기 재료를 가로질러 거의 연속적이고 제 2 세로홈과 교차하며, 그 재료를 관통하는 다수의 구멍을 포함하는 재료.
  37. 하나 이상의 질량 전이 영역을 함유하는 하나 이상의 증류 컬럼에서 증기와 액체를 동시에 접촉시키는 것을 포함하는 저온학적인 공기 분리 방법으로서, 액체-증기 접촉은 하나 이상의 구조적 충전 재료에 의해 이루어지고, 상기 재료는 그 재료를 가로질러 교대하는 마루와 골을 형성하는 주름을 가진 물결 모양으로 되어 있으며, 이때 주름은 종축을 갖고, 상기 재료는 주름의 종축에 대하여 0°내지 180°의 각도에 제 1 의 세로홈의 하나 이상의 밴드를 갖고, 주름의 종축에 대하여 0°내지 180°의 각도에 제 2 의 세로홈의 하나 이상의 밴드를 가지며, 상기 제 1 의 세로홈은 제 2 의 세로홈에 대하여 0 이상의 각도에 존재하는 방법.
  38. 제 37 항에 있어서, 상기 재료가 제 1 세로홈의 다수의 밴드와 제 2 세로홈의 다수의 밴드를 포함하는 방법.
  39. 제 38 항에 있어서, 제 1 세로홈이 상기 재료를 가로질러 거의 연속적이며 제 2 세로홈과 교차하는 방법.
  40. 제 37 항에 있어서, 상기 재료가 그 재료를 관통하는 다수의 구멍을 추가로 포함하는 방법.
  41. 2 가지 액체들 사이의 질량 및/또는 열을 교환하기 위한 방법으로서, 2 가지 액체를 하나 이상의 교환 컬럼에서 접촉시키는 것을 포함하고, 액체-액체 접촉은 하나 이상의 구조적 충전 재료에 의해서 이루어지며, 상기 재료는 그 재료를 가로질러 교대하는 마루와 골을 형성하는 주름을 가진 물결 모양으로 되어 있으며, 이때 주름은 종축을 갖고, 상기 재료는 주름의 종축에 대하여 0°내지 180°의 각도에 제 1 의 세로홈의 하나 이상의 밴드를 갖고, 주름의 종축에 대하여 0°내지 180°의 각도에 제 2 의 세로홈의 하나 이상의 밴드를 가지며, 상기 제 1 의 세로홈은 제 2 의 세로홈에 대하여 0 이상의 각도에 존재하며, 상기 액체들중 하나가 상기 재료를 우선적으로 습윤시키는 방법.
  42. 제 41 항에 있어서, 상기 재료가 그 재료를 관통하는 다수의 구멍을 추가로 포함하는 방법.
  43. 제 42 항에 있어서, 상기 액체들이 교환 컬럼내에서 병류로 유동하는 방법.
  44. 제 42 항에 있어서, 상기 액체들이 교환 컬럼내에서 역류로 유동하는 방법.
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