KR100446343B1 - 복합 저항성 구조 충전재 - Google Patents

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Abstract

제1 충전 저항성이 있는 제1 구조 충전재와, 이 제1 구조 충전재에 대체로 수평으로 접해 있고, 제1 충전 저항성과는 다른 제2 충전 저항성이 있는 제2 구조 충전재를 포함하는 복합 저항성의 구조 충전재 층을 제공한다. 이 복합 저항성의 구조 충전재 층은 저온 공기 분리와 같은 공정에서 제1상과 제2상 사이의 열 및/또는 물질을 교환하는 교환 컬럼에 사용된다. 복합 저항성의 구조 충전재 층을 교환 컬럼과 공정에 사용하면 HETP(이론단에 상당하는 높이)를 감소시킨다. 또한, 교환 컬럼 중에 복합 저항성의 구조 충전재 층을 조립하는 방법도 제공한다.

Description

복합 저항성 구조 충전재{MIXED-RESISTANCE STRUCTURED PACKING}
본 발명은 복합 저항성의 구조 충전재 및 교환 컬럼 중에 이 충전재를 조립하는 방법에 관한 것이다. 복합 저항성의 구조 충전재는 교환 컬럼, 구체적으로 저온 공기 분리 공정에 특별히 사용되는 용도가 있지만, 구조 충전재를 이용할 수 있는 기타 다른 열 및/또는 물질 전이 공정에도 사용될 수 있다.
본 명세서에 사용된 "컬럼"이란 용어는 증류 또는 분별용 컬럼 또는 구획 (zone), 즉 유체 혼합물을 분리하기 위하여 액체상과 증기상이 역류 방향으로 접촉하는, 예컨대 컬럼내 장착된 일련의 수직 이격된 트레이 또는 평판이나 충전 부재 상에서 증기상과 액체상을 접촉시키는 컬럼 또는 구획을 의미한다.
"컬럼 구역"[또는 "구역(section)"]이란 용어는 컬럼 직경을 충전하는 컬럼내 구획을 의미한다. 특정 구역 또는 구획의 상부말단 또는 하부말단에는 각각 액체 및 증기 분배기가 제공된다.
"충전재(packing)"란 용어는 두 물질상의 역류 동안 액체와 증기의 계면에서 액체가 물질 전이하는 표면적을 제공하는 컬럼 내부물질로서 사용되는 소정의 크기, 형태 및 배열의 고체 또는 중공체를 의미한다. 넓은 의미에서 충전재에는 2가지 형태, "불규칙" 형과 "구조" 형이 있다.
"불규칙 충전재(random packing)"는 개개의 부재가 컬럼 축에 대해 또는 서로에 대해 어떤 특정 배향을 나타내지 않는 충전재를 의미한다. 불규칙 충전재는 컬럼에 불규칙하게 장입된 단위 부피당 표면적이 큰 중공의 작은 구조체이다.
"구조 충전재(structured packing)"는 개개의 부재가 컬럼 축에 대해 그리고 서로에 대해 특이적 배향을 나타내는 충전재를 의미한다. 일반적으로, 구조 충전재는 나선형 와인딩이거나 층으로 적층된 인장철망판(expanded metal)이나 제직형 와이어 스크린(woven wire screen)으로 만들어진다.
증류 또는 직접 접촉 냉각과 같은 공정에서는, 역류하는 액체류와 증기류 사이의 열 및 물질 전이를 촉진하는 구조 충전재를 사용하는 것이 유리하다. 구조 충전재는, 불규칙 충전재 또는 트레이와 비교해 볼 때, 저압 강하에 의하여 보다 높은 효율로 열과 물질 전이의 이점을 제공한다. 또한, 불규칙 충전재에 비하여 성능의 예측가능성이 높다.
공기의 저온 분리는 증류 컬럼을 통해 액체와 증기를 역류 접촉하에 통과시켜 실시한다. 이 혼합물 중 증기상은 휘발성이 큰 성분(예컨대, 질소)이 점차 증가하면서 상승하고, 액체상은 휘발성이 적은 성분(예, 산소)이 점차 증가하면서 하강한다. 혼합물의 액체상과 기체상 사이에 물질의 전이가 이루어지도록 하기 위하여 양 상을 접촉시키는 데에는 각종 충전재 또는 트레이를 사용할 수 있다.
저온 증류로 공기를 각 성분(즉, 질소, 산소, 아르곤 등)으로 분리하는 공정은 그 종류가 다양하다. 도 1에 도시한 개략도는 일반적인 저온 공기 분리 유닛(10)이다. 고압의 원료 공기(1)는 고압 컬럼(2)의 기저로 유입된다. 고압 컬럼 내에서, 공기는 질소 고밀도(nitrogen-enriched) 증기와 산소 고밀도(oxygen-enriched) 액체로 분리된다. 산소 고밀도 액체(3)는 고압 컬럼(2)으로부터 저압 컬럼(4)으로 유입된다. 질소 고밀도 증기(5)는 응축기(6)로 유입되어 비등 산소(이는 저압 컬럼으로 다시 유입되어 재비등됨)에 대하여 응축된다. 질소 고밀도 액체(7)는 그 일부는 유출되고(8) 다른 일부는 액체 환류물로서 저압 컬럼으로 유입된다(9). 저압 컬럼에서는 저온 증류에 의하여 유입물(3,9)이 산소 고밀도 성분과 질소 고밀도 성분으로 분리된다. 분리되는 산소와 질소의 액체상과 기체상을 접촉시키기 위하여 구조 충전재(11)를 사용할 수 있다. 그 결과, 질소 고밀도 성분은 증기(12)로서 분리되고, 산소 고밀도 성분은 증기(13)로 분리된다. 또는, 산소 고밀도 성분은 재끓임 장치/응축기(6)가 위치하고 있는 섬프(sump) 부위에서 액체로 분리될 수 있다. 폐류(14) 역시 저압 컬럼에서 분리된다. 저압 컬럼은 복수의 구역으로 분리될 수 있다. 일예로서 도 1에는 충전재(11)를 가진 3개의 구역이 제시되어 있다.
가장 일반적으로 사용되는 구조 충전재는 금속박이나 플라스틱박(또는 주름형 망상포)을 수직으로 적층시킨 주름형 시이트로 구성된다. 이 박은 열 및 물질 전이의 효율 증가를 목적으로 한 다양한 형태의 구멍 및/또는 조면 특성을 가질 수 있다. 이와 같은 형태의 충전재 중 일예는 미국 특허 제4,296,050호(메이어)에 개시되어 있다. 망상 형태의 충전재가 액체를 효율적으로 분배하고, 물질 전달 성능도 우수하지만, 대부분의 박형 충전재 보다 고가라는 점은 종래 기술에도 공지되어 있다.
구조 충전재의 분리 성능은 이론단에 상당하는 높이(HETP)로 나타내는 일이 많다. "HETP"란 이론단에 의해 이루어지는 조성물의 변화에 상당하게 조성물 변화가 얻어지는 충전재의 높이를 말한다. "이론단(theoretical plate)"이란 존재하는 증기류와 액체류를 평형 상태로 만드는 증기와 액체 사이의 접촉 공정을 의미한다. 특정 분리에 사용된 특정 충전재의 HETP가 작으면 작을수록, HETP의 감소와 함께 사용되는 충전재의 높이가 감소하기 때문에 충전재로서 보다 효율적이다.
기타 다른 모든 기하학적 인자 및 공정 인자가 일정하게 유지될 때 구조 충전재를 이용한 증류 컬럼의 효율은 직경에 좌우된다. 다른 크기로 균등한 분리를 수행하면서 그 직경을 1 미터의 작은 분획에서 부터 수미터로 증가시키면, 먼저 HETP가 증가하고 그 다음 수평 상태가 된다. 이것은 2가지 요인, 즉 구조 충전재 컬럼의 유동 특성과 혼합 특성의 조합을 통해 설명될 수 있다.
유동 특성을 살펴보면, 컬럼의 충전 구역으로 액체와 증기가 매우 균일하게 초기 분배되는 경우에도, 이 액체와 증기는 충전 구역을 통해 역류 접촉하에 유동하면서 분배의 변화가 일어나고, 그 결과 컬럼의 횡단면을 따라 액체 대 증기(L/V) 비의 변화를 나타낸다. 또한, 컬럼의 벽을 따라 일어나는 액체류는 유의적이어서, 벽 주변의 충전재 고리 영역에 존재하는 충전재의 액체 장입량이 감소한다는 것은 잘 알려진 사실이다. 이에 반해, 증기류는 완전하게 균일한 것은 아니지만, 액체류보다는 충전재 내에 보다 균일하게 존재한다.
따라서, 도 2에 개략적으로 도시된 바와 같이, 일반적인 원통형 충전 컬럼의 횡단면을 따라 나타나는 L/V비의 변화는 조직적이다. 도 2를 살펴보면, 일반적인 원통형 충전 컬럼(22)에는 평행 파선(16)(원통형 충전재 층의 둘레를 나타냄) 사이에 배치된 충전재와 컬럼 내벽(40) 사이에 고리 공간(19)이 있다. 컬럼 축은 파선(15)으로 나타낸다. 파선(17)은 컬럼의 횡단면을 따라 L/V비의 변화가 전혀 없는 이론적 또는 이상적 상태의 "공칭(nominal)" L/V비를 나타낸다. 실선(18)은 일반적인 원통형 충전 컬럼의 횡단면을 따라 나타나는 균일하지 않은 L/V 비(공칭비에 상대적인 값)의 모식적인 표현이다. L/V 비는 컬럼의 내벽을 따라 아래로 흐르는 과량의 액체로 인하여 컬럼 내벽 주위에서 더 높게 나타난다[도 2에서 고리 공간(19) 상에 가파른 경사의 선(18)으로 나타남].
도 2에 선(18)으로 예시한 실제 L/V비의 일반적 패턴은 충전재의 종류, 분리되는 혼합물 및 공정 조건에 따라 상당히 달라질 수 있다.
또한, 컬럼 내 액체상과 증기상의 반복적 혼합에 의해 불균등분배 (maldistribution)가 감소되지 않는 한 불균등분배는 컬럼의 분리 효율을 저하시킬 수 있다는 것은 공지된 사실이다. 이것은 특히 저온 공기 분리시 사용되는 경우와 같이 기밀 분리(tight separation)시에도 마찬가지이다.
혼합 특성을 살펴보면, 길이 대 직경(l/d) 비가 큰(예컨대, 약 5 대 20) 직경이 작은 컬럼은 컬럼의 횡단면을 따라 증기류와, 이보다 적은 정도로 액체 역류를 반복적으로 혼합할 수 있고, 결과적으로 l/d 비가 보다 낮은(예, 약 0.5 대 5.0) 직경이 큰 컬럼에 비하여 L/V 비의 국소 변화의 결과를 보다 양호하게 평준화시킬 수 있다. 이와 같은 이유로, 직경이 큰 컬럼일수록 이상적 기준에 비하여 분리 효율의 저하가 더 심하고, 그 결과 HETP를 증가시킨다.
직경이 큰 교환 컬럼에 있어서 HETP의 증가는 컬럼이 일부를 구성하는 시스템의 전체 높이를 증가시키기 때문에 주요한 경제적 단점이다. 따라서, 직경이 큰 컬럼에 있어서 HETP의 증가를 감소시켜 분리 효율 측면에서 직경이 작은 컬럼과 유사한 성능을 나타낼 수 있는 것이 요구된다.
종래 기술에서는 이와 같은 문제점을 인식하거나 제기한 바가 전혀 없다. 단지 종래 기술은 과량의 벽면 액체류에 의한 유해 영향만을 인식하고, 이와 같은 영향을 감소시키기 위하여, 예컨대 종래의 벽 와이퍼의 이용 등을 시도한 바 있다. 그러나, 이 벽 와이퍼는 벽면 액체류를 국소적으로 감소시킬 수 있지만, 액체를 충전재로 복귀시키는데에는 그다지 효과적이지 않다. 따라서, 벽 와이퍼가 장착된 컬럼일지라도 L/V 비의 바람직하지 않은 변화는 여전히 나타난다. 컬럼 벽에서 나타나는 증기상의 우회로에 의한 유해 영향은 컬럼 벽 주변의 고리 공간에 제한 수단을 사용하여 감소시킬 수 있다. 그 예로는 본 출원인에게 양도된 동시계류 중인 미국 특허 출원 일련 번호 09/166373호[Klotz et al. "Devices to Minimize Vapor Bypass in Packed Column and Method of Assembly"]에 개시된 고체 금속 와이퍼 및 기타 다른 장치가 있다.
미국 특허 제5,262,095호(Bosquain et al.)는 충전재 중으로 복귀되는 전환 액체류를 촉진시키고 컬럼의 벽으로부터 이격시키기 위한 변형, 홈(slit), 다공성 플러그, 충전제 또는 특별한 와이퍼로 개질된 충전재 변부(edge)의 사용에 대하여 개시하고 있다. 또, 미국 특허 제5,441,793호(Suess)는 벽 부근의 충전재 변부에 사용되는 액체 재유도 부재(re-director element)의 용도에 대하여 개시하고 있다. 이 부재는 "L" 형의 미니 주름으로 만들 수 있다. 미국 특허 제5,224,351호(Jeannot et al.)는 컬럼 벽 부근의 주름형 변부 일부를 접은 유사한 변부 개질에 대하여 개시하고 있다. 미국 특허 제5,700,403호(Billingham et al.)는 벽 쪽으로 액체가 유도되는 경향이 감소되도록 벽 주변의 구조 충전재 층내의 교번적 주름형 부재를 짧게 절단시킨 특이적인 주름형 충전재 층의 형성에 대하여 개시하고 있다. 미국 특허 제5,282,365호(Victor et al.)는 벽면류를 증기화하여 감소시키기 위하여 컬럼 벽에 열을 가하는 것에 대하여 개시하고 있다.
전술한 처음 4가지 특허에 교시된 충전재와 방법은 벽면의 액체류를 감소시킬 수 있지만, 제조 기법이 통상적이지 않고 충전재를 장치하는 데에도 많은 노력이 필요하기 때문에 부대 비용이 많이 든다. 그 다음 5번째 특허에서 제시된 해결 방안 역시 증류 장치내에서 벽면 액체를 증발시키기 위하여 컬럼 외부로 또 다른 유체를 유도하는 추가 공정 회로를 필요로 하기 때문에 비용이 많이 드는 단점이 있다.
미국 특허 제5,100,448호(Lockett et al.)는 컬럼의 최소 두 구역에 충전 밀도가 서로 다른 구조 충전재의 사용에 대하여 개시하고 있는데, 이 두 구역은 위 아래로 서로 직접 연결되어 수압적 부하량의 균형을 맞춘다. 이와 유사하게, 미국특허 제5,419,136호(McKeigue)에서는 수압적 부하량의 균형을 맞추기 위한 목적으로 위아래로 서로 직접 연결된 두 구역에 제공되는 구조 충전재의 주름 각을 변화시켰다. 이와 같은 충전재의 배열은 저온 공기 분리시 개선된 작업 유연성을 제공하지만, 본 명세서에서 논하고 있는 불균등분배의 문제점을 거론하거나, 이러한 문제점의 해결 방안을 제공하거나 이 방안에 대하여 제안하고 있는 바도 전혀 없다.
따라서, 본 발명의 제1 목적은 충전재의 어떤 특별한 변부 변형이나 교환 컬럼 외부에 어떤 부가적인 장치 또는 회로를 필요로 하지 않는 통상적인 구조 충전재의 변화를 사용하여 불균등분배의 효과를 최소화하는 구조 충전재를 제공하는 것이다.
본 발명의 제2 목적은 공기 분리와 같은 저온 용도 및 기타 다른 열 및/또는 물질 전이 용도에 있어서 높은 성능 특성을 나타내는 구조 충전재를 제공하는 것이다. 구체적으로, 이와 같은 용도에 사용되는 직경이 큰 컬럼에 있어서 HETP의 증가를 감소시켜 분리 효율 측면에서 직경이 작은 컬럼과 유사한 성능을 제공하는 것이다.
본 발명의 제3 목적은 컬럼 내부의 총 액체 대 증기(L/V)비가 공칭 기준(벽면 효과를 배제한 기준치)과 가능한 적은 차이를 나타내어 물질 전이 성능이 개선된 교환 컬럼을 제공하는 것이다.
본 발명의 제4 목적은 절대적인 액체류와 증기류가 일정하게 유지되지는 않을지라도 컬럼내 L/V비가 거의 일정하게 유지되는 구조 충전재를 가진 교환 컬럼을 제공하는 것이다.
본 발명의 제5 목적은 교환 컬럼의 횡단면을 따라 L/V 비의 균형을 맞추고, 물질 및/또는 열 전이 효율 면에서 직경이 큰 컬럼의 성능을 직경이 작은 컬럼의 성능과 유사하게 만드는 것이다.
도 1은 공기 분리 유닛의 모식도이다.
도 2는 종래의 구조 충전재를 사용한 전형적인 원통형 증류 컬럼에서 나타나는 L/V 비의 불균일성을 나타낸 것이다.
도 3은 교환 컬럼에 채워진 복합 저항성 구조 충전재 층의 평면도를 나타낸 모식도이다.
도 4a는 통상적인 구조 충전 부재의 투시도이다.
도 4b는 통상적인 구조 충전재 중에 존재하는 인접 부재들의 교차 배열을 나타내는 모식도이다.
도 4c는 충전 컬럼에 사용된 벽 와이퍼를 예시한 모식도이다.
도 5a는 도 5b에 도시된 선 5A - 5A를 따라 절단한 단면에 있어, 소정 높이에 존재하는 구조 충전재의 브릭(brick)형 배열을 나타내는 평면 모식도이다.
도 5b는 증류 컬럼의 일정 구역에 존재하는 액체 분배기와 증기 분배기 사이에 제공된 복수의 구조 충전재 층의 배열을 예시한 입면 모식도이다.
도 6은 통상적인 이중컬럼 공기 분리 유닛 중의 저압 컬럼에서 나타나는 액체류와 증기류를 예시한 모식도이다.
도 7은 이중컬럼 공기 분리 유닛 중의 저압 컬럼에서 나타나는 액체류와 증기류를 예시한 다른 모식도이다.
도 8은 증기 분배의 평형에 관계없이 평행 이중컬럼에 미치는 액체의 불균등분배 및 혼합 효과를 나타내는 막대그래프이다.
<도면의 주요부호에 대한 간단한 설명>
10 : 저온 공기 분리 유닛 19 : 고리 공간
22 : 충전 컬럼 26 : 충전재
28 : 외측 고리 30 : 중심 코어
40 : 컬럼 내벽 42 : 외부 둘레
본 발명은 저온 공기 분리와 같은 공정에서 제1상과 제2상 사이의 열 및/또는 물질을 교환하기 위한 교환 컬럼 중 1 이상의 구역에 사용할 수 있는 복합 저항성 구조 충전재 층을 제공한다. 또한, 본 발명은 이와 같은 복합 저항성의 구조 충전재 층을 교환 컬럼 내에 조립하는 방법을 제공한다. 또 다른 본 발명의 양태는 교환 컬럼 중에서 HETP(이론단에 상당하는 높이)를 감소시키는 방법 및 시스템을 제공한다.
이와 같은 복합 저항성의 구조 충전재는 교환 컬럼 중 1 이상의 구역에 제공되는 1 이상의 충전재 층으로 사용될 수 있다. 이와 같은 복합 저항성의 구조 충전재 층에서, 저항성이 낮은 충전재는 중심 코어에 사용하고 저항성이 높은 충전재는 중심 코어 주위의 외측 고리에 사용한다. 그 결과 교환 컬럼의 중심 쪽으로는 증기류가 보다 많이 이동하고 컬럼 벽쪽으로는 더 적게 이동하여 교환 컬럼내에서 액체가 불균등분배되려는 경향이 상쇄된다. 이와 같이 L/V 비(액체 대 증기 비)의 균형을 맞추려는 본 발명의 방법을 사용하면, 직경이 큰 컬럼도 실질적으로 낮아진 HETP에 의하여 직경이 작은 컬럼과 유사한 성능을 나타낸다.
제1 양태로서, 복합 저항성의 구조 충전재 층은 제1 충전 저항성이 있는 제1 구조 충전재와, 이 제1 구조 충전재에 대체로 수평으로 접해 있고 제1 충전 저항성과 다른 제2 충전 저항성이 있는 제2 구조 충전재를 포함한다.
한 변형예로서, 제2 구조 충전재는 그 내부 둘레가 제1 구조 충전재의 외부 둘레와 실질적으로 동일하고 이 내부 둘레 보다 큰 외부 둘레를 갖고 있다. 즉, 제2 구조 충전재의 내부 둘레는 제1 구조 충전재의 외부 둘레에 실질적으로 인접해 있다. 다른 변형예로서, 제1 구조 충전재의 외부 둘레와 제2 구조 충전재의 내부 둘레는 실질적으로 원형이다.
또 다른 변형예로서, 제1 구조 충전재와 제2 구조 충전재는 1 이상의 주름형판을 포함한다. 다른 변형예로서, 제1 구조 충전재와 제2 구조 충전재는 평행하게 배치된 박형 재료로 만들어진 복수의 주름형판을 포함하는데, 이 판은 각각 인접 판의 1 이상의 주름에 교차하여 일정 각으로 배치된 1 이상의 주름을 갖고 있다. 제1 구조 충전재와 제2 구조 충전재 간의 저항성의 차이는 주름의 각도 차가 그 원인일 수 있다. 예컨대, 제1 구조 충전재 중의 1 이상의 주름의 각도는 제2 구조 충전재 중의 1 이상의 주름의 각도와 다를 수 있다.
또 다른 변형예로서, 제1 구조 충전재와 제2 구조 충전재 간의 저항성의 차이는 제1 구조 충전재와 제2 구조 충전재의 표면적 밀도차로 만들 수 있다. 예컨대, 제2 구조 충전재의 표면적 밀도는 제1 구조 충전재의 표면적 밀도를 초과할 수 있다.
본 발명의 제2 양태는 제1 충전 저항성이 있는 제1 구조 충전재를 포함하고 외부 둘레를 가진 실질적으로 원형인 중심 코어, 및 제1 충전 저항성과는 다른 제2 충전 저항성이 있는 제2 구조 충전재를 포함하고 외측 코어의 외부 둘레에 대체로 수평으로 접해 있는 외측 고리를 포함하는 복합 저항성의 구조 충전재 층이다.
본 발명의 제3 양태는 전술한 양태 또는 변형예 중 어느 하나에 기재된 바와 같은 1 이상의 복합 저항성 구조 충전재 층을 보유하는, 제1상과 제2상 간의 열 및/또는 물질을 교환하기 위한 교환 컬럼이다.
본 발명의 제4 양태는 1 이상의 물질 전이 구역을 포함하는 1 이상의 증류 컬럼에서 증기와 액체를 역류 방향으로 접촉시키는 단계를 포함하고, 이 액체와 증기의 접촉이 전술한 양태와 변형예 중 어느 하나에 기재된 1 이상의 복합 저항성의 구조 충전재 층에 의해 형성되는 것이 특징인 저온 공기 분리 방법이다.
또한, 본 발명은 다수의 단계를 포함하는 교환 컬럼 중에 복합 저항성의 구조 충전재 층을 조립하는 방법을 포함한다. 제1 단계는 교환 컬럼을 제공하는 것이다. 제2 단계는 제1 충전 저항성이 있는 제1 구조 충전재와, 이 제1 구조 충전재에 대체로 수평으로 접해 있고 제1 충전 저항성과는 다른 제2 충전 저항성이 있는 제2 구조 충전재를 포함하는 복합 저항성의 구조 충전재 층을 제공하는 것이다. 마지막 단계는 복합 저항성의 구조 충전재 층을 교환 컬럼 중에 장착하는 것이다.
본 발명의 제5 양태는 중심 코어와 이 코어에 대체로 수평으로 접해 있는 외측 고리를 보유한 구조 충전재 층을 1층 이상 갖고 있는, 액체와 증기 간의 열 및/또는 물질을 교환하기 위한 교환 컬럼 중의 HETP(이론단에 상당하는 높이)를 감소시키는 방법이다. 이 방법은 교환 컬럼 중 적어도 일부 증기를 외측 고리로부터 이격되게 유도하는 단계 및 이 일부 증기를 중심 코어 쪽으로 유도하는 단계를 포함한다. HETP를 감소시키는 방법의 1변형예에 있어서, 상기 일부 증기란 교환 컬럼의 횡단면을 따라 유동하는 액체 증기 비를 거의 일정한 값으로 유지시키는 양이다.
본 발명의 제6 양태는 중심 코어와 이 코어에 대체로 수평으로 접해 있는 외측 고리를 보유한 구조 충전재 층을 1층 이상 갖고 있는 액체와 증기 간의 열 및/또는 물질을 교환하기 위한 교환 컬럼에 있어서 HETP를 감소시키는 시스템이다. 이 시스템은 교환 컬럼 중 적어도 일부 증기를 외측 고리로부터 이격되게 유도하는 수단 및 이 일부 증기를 중심 코어 쪽으로 유도하는 수단을 포함한다. 이 시스템의 1 변형예에 있어서, 상기 일부 증기란 교환 컬럼의 횡단면을 따라 유동하는 액체 증기 비를 거의 일정한 값으로 유지시키는 양이다.
본 발명의 제7 양태는 복합 저항성의 구조 충전재의 제1 층(전술한 양태들이나 변형예 중 어느 하나)과, 이 복합 저항성 구조 충전재의 제1 층 아래에 배치된 복합 저항성 구조 충전재의 제2 층(전술한 양태들이나 변형예 중 어느 하나)을 포함하고, 상기 제2 층이 상기 제1 층에 상대적인 각도로 회전되어 있는 교환 컬럼 중의 충전 구역이다. 상기 각도는 약 0 ° 내지 약 90 °사이일 수 있다.
상세한 설명
보다 쉽게 설명하기 위하여, 이하 도 4a 내지 도 5b에 도시된 종래의 구조 충전 부재, 브릭(brick) 및 층을 사용하여 본 발명을 예시한다. 하지만, 본 발명은 다른 형태의 구조 충전재를 이용할 수도 있는데, 그 예로는 본 출원인에게 양도된 동시계류 중인 미국 특허 출원 일련 번호 09/008691[Sunder, "Horizontal Structured Packing"], 08/918175[Sunder, "Stackable Structured Packing with Controlled Symmetry"] 및 08/647495[Sunder, "Structured Packing"] 등에 개시된 충전재 종류가 있으나, 이것에 국한되는 것은 아니다.
도 3을 살펴보면, 본 발명은 도 3에 예시된 배열로 고 저항성 충전재(24) ("A"로 표시됨)와 저 저항성 충전재(26)("B"로 표시됨)를 포함하는 충전 컬럼(22) 구역 내에 구조 충전재(20) 층을 제공한다. (도 4a 내지 도 5b에 예시되고 이하 기재되는 바와 같이, "층"은 통상 함께 정합하여 컬럼의 횡단면을 충전시키는 복수의 충전 부재 또는 시이트의 "브릭"으로 만들어진다.) 도 3에 도시된 바와 같이, 고 저항성 충전재("A")는 외측 고리(28)에 제공되고, 저 저항성 충전재("B")는 중심 코어(30)에 제공된다.
"고리(annulus)"라는 표현은 평면 중 2개의 동심원적 원에 의해 경계지워지는 평면의 일부를 나타낸다. 도 3에 도시된 양태에 대하여 본 명세서에 사용된 바와 같은 "외측 고리"(28)란 용어는 실질적으로 원형인 컬럼(22)의 내벽(40)과 "중심 코어"(30)의 둘레를 한정하는 동심원적 원(42)으로 둘러싸인 평면 부분이다.
도 3에서는 중심 코어(30)와 외측 고리(28) 사이의 경계가 원(42)으로 예시되어 있지만, 실제 경계는 제조 공정상의 이유로 거의 원(42)에 가까운 일련의 직선으로 된 톱니모양의 경계이다. 도 3에 예시한 층의 분절화는 단지 일예일 뿐이다. 즉, 컬럼의 직경과 충전재 크기에 따라 기타 다양한 변형이 가능하다.
본 발명은 도 3에 도시한 형태에만 제한되는 것은 아니며, 또한 저항도가 상이한 2가지 충전재의 사용에만 제한되는 것은 아니다. 당업자라면 기타 다른 형태도 사용될 수 있고 저항성이 다른 2가지 이상의 상이한 충전재를 사용할 수 있다는 것을 충분히 이해할 것이다.
도 3에 도시되어 있듯이, 외측 고리(28)와 중심 코어(30)의 상대적 크기는원(42)의 직경(즉, 중심 코어의 둘레)으로 측정한다. 소정 크기의 컬럼(22)에 있어서, 도 3에 도시된 것 보다 중심 코어(30)가 비교적 더 크다면[즉, 원(42)의 직경이 보다 큼], 외측 고리(28)는 도 3에 도시된 것보다 비교적 더 작아질 것이다. 이와 반대로, 중심 코어가 도 3에 도시된 것 보다 비교적 더 작다면[즉, 원(42)의 직경이 더 작음], 외측 고리는 도 3에 도시된 것 보다 비교적 더 클 것이다. 원(42)의 직경은 거의 0인 하한치에서 부터 거의 내벽(40)의 직경인 상한치까지의 범위일 수 있듯이, 다양한 변화가 가능하다는 것은 당업자에게 자명하다.
원형의 내벽(40)을 가진 충전 컬럼(22)에는 원형의 중심 코어(30)를 사용하는 것이 바람직한 양태이기는 하지만, 기타 다른 조합도 사용할 수 있다. 예컨대, 컬럼(22)의 내벽(40) 및/또는 중심 코어(30)의 둘레(42)의 형태는 원형이외에 다른 형태일 수 있다. 이와 같은 경우에, "외측 고리"(28)의 형태는 전술한 바와 같은 "고리"의 실제 기하 형태일 수 없을 것이다. 그 대신, 외측 고리는 외부 둘레가 내벽(40)에 의해 한정되고 내부 둘레가 중심 코어(30)의 외부 둘레(42)에 의해 한정된 기하학적 형태일 수 있다.
도 3에 예시된 양태를 살펴보면, 본 발명은 충전재의 외측 고리(28)내 액체류의 고갈을 외측 고리내 증기류의 유사 감소 유도로 상쇄시켜 작용한다. 이는, 구역내 일부 층이나 모든 층의 외측 고리에 고 저항성의 충전재(24)를 제공하고 중심 코어(30)에 저 저항성의 충전재(26)를 제공한 형식의 복합 저항성에 의해 달성될 수 있는데, 여기에서 저항성이란 용어는 주로 증기류에 상관된 저항성을 의미한다.
복합 저항성은 중심 코어(30)와 외측 고리(28) 사이의 다음과 같은 변수 중 1가지 이상을 변화시켜 얻을 수 있다. 즉, 주름각, 표면적 밀도, 표면 조직, 천공, 충전재 종류 또는 충전재의 저항성을 변화시키는 기타 변수 중 1가지 이상을 변화시켜 얻을 수 있다.
외측 고리(28)내 증기류는 감소 유도시키고 중심 코어(30) 쪽으로 보다 많은 증기류를 유도하면, 컬럼(22)내 총 액체 대 증기(L/V)비는 공칭비와의 편차가 적어지고, 결국 요구된 HETP에 의하여 물질 전이 성능이 개선된다. 시판용 컬럼에서, 높이의 감소는 외측 고리내 저항성의 증가에도 불구하고 총 압력 강하를 감소시킬 수 있다. 결과적으로 액체 대 증기류(L/V)비의 균형을 맞추면 대형 산업용 컬럼에서 나타나는 HETP 저하 중 최소한 일부를 개선시킬 수 있다. 즉, 구역의 높이를 보다 더 낮추어, 시스템의 총 비용을 감소시킬 수 있다.
구조 충전재를 사용하는 종래의 기술은 구조 충전재에 관한 다수의 특허에 개시되어 있고, 그 후 주름형 구조 충전재와 이의 용도에 대하여 개시하는 미국 특허 제4,296,050호(Meier)로 이어졌다. 기본적인 종래의 구조 충전 부재(32)의 예는 도 4a에 도시되어 있다. 각각의 충전 부재는 주름형인 금속 박막이나 기타 적합한 물질로 제조된다. 종래의 구조 충전재가 충전된 증류 컬럼(22)은 도 5a 및 도 5b에 도시되어 있다.
전형적인 구조 충전재는 주름이 수직에 대해 일정 각도로 배열된 도 4a에 도시된 바와 같은 수직 배향의 주름형 충전 시이트 또는 부재를 이용한다. 각 충전 시이트는 이것의 주름 방향이 도 4b에 도시된 바와 같이 인접 충전 시이트의 주름 방향과 반대 방향이 되도록 배치한다. (실선으로 그려진 사선은 한 충전 시이트의 주름을 나타내고, 파선으로 그려진 사선은 인접 충전 시이트의 주름을 나타낸다.) 이것을 증류 컬럼에 사용하기 위하여 수직으로 배치하면 주름은 수평과 일정 각도(∝)를 형성한다. 충전 부재 또는 시이트는 주름 형태 외에도 표면 조직, 구멍 또는 기타 오리피스, 잔물결, 홈 또는 기본 부재의 성능을 향상시킬 수 있는 기타 특징을 가질 수 있다.
이와 같은 기본 충전 부재를 사용하는 경우, 구조 충전재의 "브릭"(34)은 인접 부재의 주름이 도 4b에 도시된 교차 방식으로 배열되게 상기 부재(일반적으로 브릭 당 약 40개 내지 50개의 부재)를 조립하여 만든다. (부재를 적소에 고정시키는데 사용되는 수단은 도시하지 않았음.) 브릭을 원통형 컬럼 내에 배치하는 경우, 벽 부근에 있는 브릭의 변부는 울퉁불퉁한 톱니 모양으로 갭을 형성한다. 액체 우회로를 감소시키기 위해서는, 통상 와이퍼(36)를 도 4c에 도시된 바와 같이 사용한다.
구조 충전재 브릭(34)은 일반적으로 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이 증류 컬럼(38)의 구역 중에 층(48, 48')으로 조립된다. 도 5a는 도 5b에 도시된 선 5A-5A를 절단한 단면도로서 일정 높이에 있는 약 12개 브릭의 배열을 도시한 평면도이다. 도 5b는 액체 분배기(44)와 증기 분배기(46) 사이의 구획에 존재하는 복수의 층(48, 48')을 보유한 구조 충전 컬럼의 전체 배열을 도시한 입면도를 도시한 것으로, 여기에서 연속되는 충전재(일반적으로 층 당 약 8 인치 높이) 층(48, 48')은 서로 직각(즉, 90 °)으로 회전되어 있다. 이것이 가장 일반적인 배열이지만, 다른 회전 패턴도 사용할 수 있다(예컨대, 연속 층이 약 0 ° 내지 약 90 °사이의 각도로 회전되어 있는 패턴).
본 발명은 하기 기재되는 바와 같이 종래 충전재의 배열을 변형시킨 것이다. 종래 충전재의 경우에는 도 5a에 도시된 바와 같은 일정 높이에 있는 브릭(34)이 모두 도 4a에 도시된 바와 같은 동일한 부재(32)로 형성되어 있다. 본 발명은 도 3에 도시된 바와 같이 브릭의 위치에 따라 2 이상의 상이한 기본 부재 종류를 이용하고 있다. 외측 고리(28)에 위치된 것은 증기류에 대해 보다 높은 저항성을 제공하는 부재로 제조된 것이고, 중심 코어(30)에 위치된 것은 증기류에 대해 보다 낮은 저항성을 제공하는 부재로 제조된 것이다.
저항성의 차이는 표면적 밀도 차가 그 원인일 수 있는데, 따라서 일반적으로 충전재가 차지하는 부피의 ㎡/㎥으로 나타낸다. ("표면적 밀도"라는 용어는 구조 충전재의 단위 부피 당 구조 충전재의 표면적을 의미한다.) 따라서, 외측 고리(28)에 사용된 충전재의 표면적 밀도는 중심 코어(30)에 사용된 충전재의 표면적 밀도 보다 더 높을 것이다.
대안적으로, 외측 고리(28)와 중심 코어(30)에 동일한 표면적 밀도를 유지하면서 중심 코어(30)에 사용된 충전재의 주름 각에 비해 주름각이 보다 낮은 충전재를 외측 고리(28)에 사용할 수 있다. 또한, 외측 고리와 중심 코어 사이의 충전재를 구별하기 위하여 다른 표면 특성을 혼합시킬 수도 있다. 이와 같은 특성으로는 조직, 구멍 또는 오리피스, 잔물결, 홈, 주름의 형태, 웨이브 또는 외측 고리와 중심 코어 사이에 증기류에 대한 저항성을 변화시키기 위한 다른 특성과 조합하여 동시에 혼합하거나 개별적으로 혼합시킬 수 있는 다른 수단 등이 있다.
이와 같은 개념을 기본으로 하여 변형 및 확대된 다른 양태들도 가능하다는 것을 당업자라면 충분히 이해할 것이다. 예컨대, 변형예는 여러 연속 고리 구역 중의 각 층에 2 이상의 저항성을 포함하거나, 또는 충전 구역 중 전체 층이 아닌 일부 층에만 복합 저항성을 적용하는 것을 포함한다. 이와 같은 일반적인 기법은 역류성의 액체 및 증기(또는 기체상)를 보유하고 전술한 바와 같이 조직적인 불균등분배를 나타내는 모든 열 및 물질 교환 컬럼에도 적용할 수 있다. 또한, 본 발명은 증류 용도 또는 저온 증류 용도에만 제한되는 것은 아니다.
본 발명은 이하의 분석을 통해 보다 상세히 설명된다. 본 발명은 이 분석이 아닌 보다 일반적인 방법에 의해 설명이 가능하겠지만, 분석법으로 설명하고자 한다. 이 분석을 보다 용이하게 설명하는 차원에서 보면, 여기서 분석이란 종래의 이중컬럼 공기 분리 플랜트에서의 아르곤과 산소의 분리를 의미한다.
L/V 비의 불균형의 결과 및 본 발명의 교정 효과에 의한 시료 계산치를 이하에 제시한다. 이 분리예는 도 1에 도시된 것과 같이 종래의 이중컬럼 공기 분리 플랜트(10)에 있는 저압 컬럼(4)의 하부를 나타낸 것이다.
계산을 위해 가정된 조건은 도 6에 도시하였다. 또한, 다음과 같은 변수를 사용하였다: 아르곤/산소 혼합물 25 psia, 25개의 이론단, 공칭 L/V = 1.4. 먼저, 균일한 유동 조건하에 이상적인 분리를 추정하기 위하여 계산을 실시하였다. 이 결과를, 그 다음 컬럼을 컬럼내 L/V 비가 상이한 동일한 면적의 평행 이중컬럼으로 분할한 경우의 분리 효율과 비교하였다. 실제 컬럼에서는 약간의 혼합이 나타나는 바, 중간 혼합 횟수를 0 내지 3회로 한 변수를 사용하여 혼합 정도를 조사하였다.
특이적인 혼합 패턴의 예를 도 7에 개략적으로 도시하였다. (다른 혼합 패턴도 유사한 방식으로 얻을 수 있다.) 도 7은 중간 혼합 횟수가 1회이고 액체만이 불균등분배되는 경우의 상대류의 일예를 제시한 것이다. 액체류의 상대적 분할은 다이아그램의 상부에 나타내고, 증기류의 상대적 분할은 다이아그램의 하부에 나타낸다.
본 발명의 결과는 상이한 절대류를 사용하더라도 평행 이중컬럼내 L/V비의 균형을 재조정한 효과를 나타내어 계산하였다. 이 계산에 사용되는 변수는 Ar/O225 psia, L/V 1.4, 상부에 있는 액체 중의 Ar 7%, 하부에 있는 Ar 0.5% 및 25개의 이론단이다. 이 계산 결과를 도 8에 도시하고 이하에 표로 만들었다.
동일한 분리를 수행하도록 계산된 상대적 충전 컬럼 길이
불균등분배 : +/-% L불균등분배혼합 0회 L불균등분배혼합 1회 L불균등분배혼합 2회 L 및 V불균등분배혼합 0회 L 및 V불균등분배혼합 1회 L 및 V불균등분배혼합 2회
0.0 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000
2.6 1.0539 1.0000
5.0 1.2880 1.0452 1.0003 1.0003
10.0 1.2400 1.0928 1.0015 1.0015
15.0 1.2650 1.0030
이와 같은 계산으로부터 얻은 발견은 다음과 같다. 첫째, 상대적 표현으로 나타낸 이상적 컬럼의 HETP는 1이다. 이것은 평행 이중컬럼내의 불균등분배가 0인 모든 경우로, 도 8에 도시되어 있다. 중간 혼합 횟수는 이 계산치에 어떤 영향도 미치지 않는다. 하지만, 이중컬럼내에서 액체 불균등분배가 평균치에 비하여 ±2.6%, 5%, 10% 및 15%로 부과되면 총 HETP는 증가한다. 도 8에 그래프로 나타낸 결과를 통해 상대적인 HETP가 액체 불균등분배의 증가율에 따라 증가한다는 것을 알 수 있다. 중간 혼합은 이 영향을 감소시키지만 제거하지는 못한다. 이와 반대로, 평행 이중컬럼 간의 L/V비를 복귀시키는 상쇄성 증기 불균등분배가 제공된다면 실질적으로 이 문제는 해소된다. 예컨대, 액체 불균등분배가 ±5%이면 HETP는 상대적 값이 1.288로 증가한다. 중간 혼합 1회는 이 값을 단지 1.045로 감소시킨다. 하지만, 상쇄성 증기류가 양 컬럼내 L/V비를 1.4로 복귀시키기 위하여 동일 비율로 유도된다면 HETP는 전혀 혼합되지 않은 경우에도 다시 1.0003으로 감소된다. 이와 유사하게, 액체 불균등분배가 ±15%인 경우에는, 중간 혼합을 2회 실시하여도 상대적 HETP는 1.265로 증가한다. 이에 반해, 상쇄성 증기류로 L/V비를 복귀시키면 HETP는 1.003으로 감소한다.
이와 같은 계산을 통해 절대 액체류와 증기류가 일정하게 유지될 수 없더라도 증류 컬럼 중의 L/V비를 거의 일정하게 유지시키는 것이 매우 중요하다는 것을 알 수 있다. 또한, 중간 혼합이 불균등분배의 영향을 감소시킨다는 것도 알 수 있다. 하지만, 컬럼의 직경이 증가하면 혼합은 점차 제한되는 바, 본 발명에 교시한 바와 같이 제2 수단을 통해 컬럼의 성능을 향상시킬 수 있다.
전술한 계산은 단지 예시용으로 여러 구체적인 가정하에 실시된 것이다. 특정 혼합물, 공정 조건이나, 불균등분배와 혼합 패턴을 변화시키는 경우, 그 결과는 정량적 측면의 변화가 있을 수 있으나, 그 정성적 경향은 동일하게 나타날 것이다. 따라서, 본 발명의 가장 일반적인 용도는 역류 방향으로 액체와 기체 또는 증기를 유동시키는 접촉 타워에 대한 용도이다. 또한, 접촉 수단으로서 구조 충전재를 이용하는 모든 열 교환 및/또는 물질 교환 조작 뿐만 아니라 저온 증류 및 비저온 증류에도 적용할 수 있다.
본 발명은 컬럼내 제공되는 충전재 변부에 어떤 특별한 변형을 만들거나 컬럼 외측에 어떤 장치 또는 회로를 추가 장착할 필요없이 기존의 통상적인 구조 충전재를 변형시킨 것이다. 또한, 본 발명은 액체류 변화를 제거하려는 시도보다는, L/V비의 변화가 최소가 되도록 증기류에 유사한 흐름 변화를 유도하여 액체류 변화를 상쇄하려는 것이다.
컬럼의 외측 고리와 중심 코어 사이에 저항성의 차이가 있도록 단일층내에 복합 저항성을 이용하는 개념은 종래 기술에서 제안된 적이 전혀 없다. 충전 구획 전체에 동일한 충전재를 이용하는 것은 관례적이다. 종래 기술에서는 충전 컬럼내에 존재하는 완전 별개의 충전 구역에 여러 충전재를 이용하고 있는데, 이것은 표면적, 주름 각 또는 다른 수단의 변화로 제공되는 것이다. [예컨대, 미국 특허 제5,100,448호(Lockett et al.)] 하지만, 이것은 구조 배열 뿐만 아니라 의도한 목적 면에서 본 발명과 전혀 다른 것이다. 종래 기술에서의 배열의 목적은 증류 컬럼 중의 여러 구획 사이를 충만시키기 위한 것인 반면, 본 발명의 목적은 컬럼의 횡단면을 따라 L/V비의 평형을 맞추고, 대형 컬럼을 이용하여도 물질 및/또는 열 전이 효율면에서 소형 컬럼의 효율을 얻기 위한 것이다.
이상, 본 발명의 다양한 양태에 대하여 전술한 실시예를 통해 구체적으로 설명하였지만, 이 양태 및 실시예외에도 첨부되는 특허청구범위에 기재된 바와 같은 본 발명의 범주 및 영역을 벗어나지 않는 범위내에서 다양한 변형과 수정이 이루어질 수 있다고 이해되어야 한다.

Claims (25)

  1. 교환 컬럼용 충전재 복수 층을 포함하는 복합 저항성 구조 충전재로서,
    상기 각 층들이:
    제1 충전 저항성이 있는 제1 구조 충전재를 포함하고, 외부 둘레가 있는 중심 코어; 및
    상기 제1 충전 저항성보다 높은 제2 충전 저항성이 있는 제2 구조 충전재를 포함하며, 상기 중심 코어의 외부 둘레에 수평으로 접해 있는 외측 고리를 포함하고;
    이에 의하여, 상기 교환 컬럼의 중심 쪽으로 향하는 증기류를 증가시키고, 상기 복수 층 모두에서 상기 교환 컬럼의 컬럼 벽 쪽으로 향하는 증기류를 감소시키는 것인, 복합 저항성 구조 충전재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 구조 충전재는 외부 둘레가 있고,
    상기 제2 구조 충전재는 상기 제1 구조 충전재의 외부 둘레와 실질적으로 동일한 내부 둘레를 갖고 있으며, 외부 둘레는 이 내부 둘레보다 크고,
    상기 제2 구조 충전재의 내부 둘레가 상기 제1 구조 충전재의 외부 둘레에 실질적으로 접해 있는 것이 특징인 복합 저항성 구조 충전재.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 구조 충전재의 외부 둘레와 상기 제2 구조 충전재의 내부 둘레가 실질적으로 원형인 것이 특징인 복합 저항성 구조 충전재.
  4. 교환 컬럼용 충전재 복수 층을 포함하는 복합 저항성 구조 충전재로서,
    상기 각 층들이:
    제1 충전 저항성이 있는 제1 구조 충전재를 포함하고, 외부 둘레가 있는 실질적으로 원형의 중심 코어; 및
    상기 제1 충전 저항성보다 높은 제2 충전 저항성이 있는 제2 구조 충전재를 포함하며, 상기 중심 코어의 외부 둘레에 대체로 수평으로 접해 있는 외측 고리를 포함하고;
    이에 의하여, 상기 교환 컬럼의 중심 쪽으로 향하는 증기류를 증가시키고, 상기 복수 층 모두에서 상기 교환 컬럼의 컬럼 벽 쪽으로 향하는 증기류를 감소시키는 것인, 복합 저항성 구조 충전재.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 구조 충전재와 제2 구조 충전재가 1 이상의 주름형 판을 포함하는 것이 특징인 복합 저항성 구조 충전재.
  6. 교환 컬럼용 충전재 복수 층을 포함하는 복합 저항성 구조 충전재로서,
    상기 각 층들이:
    제1 충전 저항성이 있는 제1 구조 충전재를 포함하고, 외부 둘레가 있는 중심 코어; 및
    상기 제1 충전 저항성보다 높은 제2 충전 저항성이 있는 제2 구조 충전재를 포함하며, 상기 중심 코어의 외부 둘레에 수평으로 접해 있는 외측 고리를 포함하고;
    상기에서,
    상기 제1 구조 충전재와 제2 구조 충전재는 평행 관계로 배치된 박막형 물질로 제조된 복수의 주름형 판을 포함하고,
    상기 주름형 판 각각은 인접 판의 1 이상의 주름과 교차 관계로 일정 각도를 이루며 배치된 1 이상의 주름이 있는 것인, 복합 저항성 구조 충전재.
  7. 제6항에 있어서, 제1 구조 충전재에 존재하는 1 이상의 주름의 각도가 제2 구조 충전재에 존재하는 1 이상의 주름의 각도와는 다른 것이 특징인 복합 저항성 구조 충전재.
  8. 제1항에 있어서, 제2 구조 충전재의 표면적 밀도가 제1 구조 충전재의 표면적 밀도보다 큰 것이 특징인 복합 저항성 구조 충전재.
  9. 제1상과 제2상 간의 열, 물질, 또는 열 및 물질을 교환하기 위한 교환 컬럼으로서, 제1항에 기재된 복합 저항성 구조 충전재를 보유하는 교환 컬럼.
  10. 제1항에 기재된 복합 저항성 구조 충전재 1층 이상에 의해 액체-증기 접촉이 이루어지는 1 이상의 물질 전이 구역을 포함하는 1 이상의 증류 컬럼에서 증기와 액체를 역류 방향으로 접촉시키는 단계를 포함하는 저온 공기 분리 방법.
  11. 교환 컬럼을 제공하는 단계,
    제1 충전 저항성이 있는 제1 구조 충전재와, 이 제1 충전 저항성과는 다른 제2 충전 저항성이 있고 상기 제1 구조 충전재에 대체로 수평으로 접해 있는 제2 구조 충전재를 포함하는 복합 저항성 구조 충전재 층을 제공하는 단계, 및
    이 복합 저항성 구조 충전재 층을 교환 컬럼 중에 장착하는 단계를 포함하는, 교환 컬럼에 복합 저항성 구조 충전재 층을 조립하는 방법.
  12. 중심 코어와, 여기에 대체로 수평으로 접해 있는 외측 고리를 보유하는 구조 충전재 층을 1층 이상 가진, 액체 및 증기 간의 열, 물질, 또는 열 및 물질을 교환하기 위한 교환 컬럼 중의 HETP(이론단에 상당하는 높이)를 감소시키는 방법으로서,
    제1항에 기재된 복합 저항성 구조 충전재 층을 1층 이상 사용함으로써, 상기 교환 컬럼 중에 존재하는 적어도 일부 증기를 상기 외측 고리로부터 이격되게 유도하고, 이 일부 증기를 상기 중심 코어 쪽으로 유도하는 것을 포함하는 HETP를 감소시키는 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 일부 증기가 교환 컬럼의 횡단면을 따라 유동하는 액체/증기 비를 거의 일정 값으로 유지시키는 양인 것이 특징인 HETP를 감소시키는 방법.
  14. 중심 코어와, 여기에 대체로 수평으로 접해 있는 외측 고리를 보유하는 구조 충전재 층을 1층 이상 가진, 액체 및 증기 간의 열, 물질, 또는 열 및 물질을 교환하기 위한 교환 컬럼 중의 HETP(이론단에 상당하는 높이)를 감소시키는 시스템으로서,
    상기 교환 컬럼 중에 존재하는 적어도 일부 증기를 상기 외측 고리로부터 이격되게 유도하고, 이 일부 증기를 상기 중심 코어 쪽으로 유도하기 위하여, 제1항에 기재된 복합 저항성 구조 충전재 층을 1층 이상 포함하는 것인 HETP를 감소시키는 시스템.
  15. 제14항에 있어서, 상기 일부 증기가 교환 컬럼의 횡단면을 따라 유동하는 액체/증기 비를 거의 일정 값으로 유지시키는 양인 것이 특징인 HETP를 감소시키는 시스템.
  16. 제1항에 기재된 복합 저항성 구조 충전재 복수 층으로 구성된 제1층; 및
    상기 복합 저항성 구조 충전재 복수 층으로 구성된 제1층 밑에 배치되고, 제1층에 대하여 일정 각도로 회전되어 있는, 제1항에 기재된 복합 저항성 구조 충전재 복수 층으로 구성된 제2층을 포함하는 충전 구역을 보유하는, 제1상과 제2상 간의 열, 물질, 또는 열 및 물질을 교환하기 위한 교환 컬럼.
  17. 제16항에 있어서, 상기 각도가 약 0°내지 약 90°사이인 것이 특징인 충전 구역을 보유하는, 제1상과 제2상 간의 열, 물질, 또는 열 및 물질을 교환하기 위한 교환 컬럼.
  18. 교환 컬럼용 복합 저항성 구조 충전재 층으로서,
    더 낮은 저항성의 구조 충전재를 포함하고, 외부 둘레가 있는 중심 코어; 및
    상기 더 낮은 저항성의 구조 충전재보다 더 높은 저항성의 구조 충전재를 포함하며, 상기 중심 코어의 외부 둘레에 대체로 수평으로 접해 있는 외측 고리를 포함하고;
    이에 의하여, 상기 교환 컬럼의 중심 쪽으로 향하는 증기류를 증가시키고, 상기 교환 컬럼의 컬럼 벽 쪽으로 향하는 증기류를 감소시키는 것인, 복합 저항성 구조 충전재 층.
  19. 제18항에 있어서, 상기 더 높은 저항성의 구조 충전재는 증기류에 더 높은 저항성을 제공하고, 상기 더 낮은 저항성의 구조 충전재는 증기류에 더 낮은 저항성을 제공하는 것이 특징인 복합 저항성 구조 충전재 층.
  20. 중심 코어와, 여기에 대체로 수평으로 접해 있는 외측 고리를 보유하는 구조 충전재 층을 1층 이상 가진, 액체 및 증기 간의 열, 물질, 또는 열 및 물질을 교환하기 위한 교환 컬럼 중의 HETP(이론단에 상당하는 높이)를 감소시키는 방법으로서,
    상기 외측 고리내에 더 높은 저항성의 구조 충전재를 제공함으로써 상기 교환 컬럼 중에 존재하는 적어도 일부 증기를 상기 외측 고리로부터 이격되게 유도하는 단계; 및
    상기 중심 코어내에 더 낮은 저항성의 구조 충전재를 제공함으로써 상기 일부 증기를 상기 중심 코어 쪽으로 유도하는 단계를 포함하는 HETP를 감소시키는 방법.
  21. 제20항에 있어서, 상기 일부 증기가 교환 컬럼의 횡단면을 따라 유동하는 액체/증기 비를 거의 일정 값으로 유지시키는 양인 것이 특징인 HETP를 감소시키는 방법.
  22. 중심 코어와, 여기에 대체로 수평으로 접해 있는 외측 고리를 보유하는 구조 충전재 층을 1층 이상 가진, 액체 및 증기 간의 열, 물질, 또는 열 및 물질을 교환하기 위한 교환 컬럼 중의 HETP(이론단에 상당하는 높이)를 감소시키는 시스템으로서,
    상기 교환 컬럼 중에 존재하는 적어도 일부 증기를 상기 외측 고리로부터 이격되게 유도하기 위하여 상기 외측 고리내에 장착된 더 높은 저항성의 구조 충전재; 및
    상기 일부 증기를 상기 중심 코어 쪽으로 유도하기 위하여 상기 중심 코어내에 장착된 더 낮은 저항성의 구조 충전재를 포함하는 HETP를 감소시키는 시스템.
  23. 제22항에 있어서, 상기 일부 증기가 교환 컬럼의 횡단면을 따라 유동하는 액체/증기 비를 거의 일정 값으로 유지시키는 양인 것이 특징인 HETP를 감소시키는 시스템.
  24. 제18항에 기재된 복합 저항성 구조 충전재로 된 제1층, 및
    상기 복합 저항성 구조 충전재로 된 제1층 밑에 배치되고 제1층에 대하여 일정 각도로 회전되어 있는 제18항에 기재된 복합 저항성 구조 충전재로 된 제2층을 포함하는 충전 구역을 보유하는, 제1상과 제2상 간의 열, 물질, 또는 열 및 물질을 교환하기 위한 교환 컬럼.
  25. 제24항에 있어서, 상기 각도가 약 0°내지 약 90°사이인 것이 특징인 충전 구역을 보유하는, 제1상과 제2상 간의 열, 물질, 또는 열 및 물질을 교환하기 위한 교환 컬럼.
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