KR20020020226A - 비대칭 크림프 패턴을 가진 구조적 패킹 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 정류 컬럼에 사용하기 위해 모듈을 성형하기 위한 코르게이트한 구조적 패킹에 관한 것으로서, 코르게이트한 구조적 패킹은 구조적 패킹 시트의 중심선에 대해 수직으로 그어진 라인에 대해 비대칭인 크림프 패턴에서, 트로프로부터 이에 인접한 피크로의 중심선을 따르는 축선 거리가 중심선의 양측 면을 균등하게 분할하지 않는 패턴을 가지며, 이로 인해 질량 전달을 촉진하여 비효율적인 압력손실이 감소되며, 이에 따라 필요한 컬럼의 높이가 감소된다.

Description

비대칭 크림프 패턴을 가진 구조적 패킹{STRUCTURED PACKING WITH ASYMMETRIC CRIMP PATTERN}
본 발명은 일반적으로 정류, 특히 극저온 정류를 수행하기에 있어 특히 유용하게 사용될 수 있는 구조적 패킹(structured packing)에 관한 것이다.
크로스-코르게이트한 판금 구조적 패킹(cross-corrugated, sheet metal structured packing)은, 대략 15년 전 상업적으로 널리 사용된 이래 증류 컬럼의 내부 부품 산업에 있어 상당한 부분을 차지하고 있다. 이러한 구조적 패킹은, 분리 공정의 가설적 단계에 대한 저압력 강하를 기초로 하는 램덤 패킹보다 효율적인 것으로 일반적으로 알려져 있다. 또한, 이런 구조적 패킹은, 적어도 낮거나 중간 정도의 액체 비율 하에서 주어진 컬럼 직경에서 보다 큰 성능 때문에 일부 분야에서 트레이 대신 사용되어 왔다.
구조적 패킹이 큰 효과를 미친 산업 중 하나는 극저온 공기 분리 산업이다.극저온 공기 분리 공정에 있어 구조적 패킹의 가장 큰 장점은, 컬럼에 대한 압력강하가 극저온 공기 분리 컬럼에서 내부 부품으로 트레이가 사용될 경우보다 낮은 크기일 수 있다는 것이다. 이에 따라 컬럼의 작동 압력이 감소되며, 그 다음 압축될 공기에 대한 압력 및 플랜트에 필요한 전력이 강하된다.
메이어(Meier)에 의해 출원된 미국특허 제 4,296,050호에는 상업적으로 판매된 대부분의 구조적 패킹이 공지되어 있는데, 이런 대부분의 구조적 패킹은 (표면 구조의 형태로서) 애퍼처(aperture) 및 플루팅(fluting)을 포함하는 크로스-코르게이트한 시트이다. 이 특허가 공지된 이래 지난 20년 동안 이런 구조적 패킹의 기본적인 구조를 개선하기 위한 수많은 시도가 공지되어 왔다. 그러나, 빌링햄(Billingham) 외 다수에 의해 출원된 미국특허 제 5,623,934호가 공지되기 전까지는 상업적 효과가 큰 구조적 패킹에 대한 출원은 없었다. 이 특허는 구조적 패킹의 플러딩(flooding)이 층 사이의 인터페이스에서 일어나고, 병목현상이 각 브릭을 기초로 하여(in the base of each brick) 가스의 압력강하를 감소시킴으로써 제거될 수 있음을 공지하고 있다. 이 특허의 공지로 인하여, 이 특허에서 주장된 아이디어를 이용하는 두 개의 프로덕트가 상업화되었다.
질량 전달을 촉진함에 있어 비효율적인 압력 손실을 최소화함으로써 주어진 압력 강하에 대해 질량 전달을 개선하여 보다 작은 증류 컬럼의 이용을 가능케 하는 구조적 패킹이 요구된다.
본 발명의 목적은 코르게이트한 구조적 패킹을 제공하는 것으로, 이 구조적패킹은 종래의 코르게이트한 구조적 패킹보다 나은 개선점, 즉 높이가 감소된 컬럼에서 수행될 수 있는 극저온 정류와 같은 분리를 할 수 있는 개선점을 가지고 있다.
본 명세서를 읽는 이 기술분야의 당업자라면 알 수 있는 명백한 상기의 목적 및 다른 목적은 본 발명에 의해 달성되며, 본 발명의 한 양상에서:
코르게이트한 구조적 패킹 시트는 크림프 패턴(crimp pattern)을 가지며, 이 크림프 패턴은 상기 구조적 패킹 시트의 중심선에 대해 수직이며 코르게이션 피크 또는 코르게이션 트로프 중 어느 하나의 정점을 통과하는 라인에 대해 비대칭을 이루는데, 코르게이션 트로프로부터 이에 인접한 코르게이션 피크의 중심선을 따른 거리는 상기 코르게이션 트로프와 상기 코르게이션 피크 사이에서 중심선을 가로지르는 크림프 패턴에 있는 포인트에 의해 동일하게 나뉘어지지 않는다.
본 발명의 다른 양상에서:
정류를 수행하기 위한 방법은 다음과 같은 단계를 포함한다:
(A) 휘발성이 높은 성분과 휘발성이 낮은 성분을 포함하는 공급 혼합물을 다수의 모듈을 포함하는 컬럼 내로 흐르게 하는 단계로서, 각 모듈은 다수의 수직방향인 코르게이트한 구조적 패킹 시트를 포함하고, 각각의 상기 구조적 패킹 시트는 상기 구조적 패킹 시트의 중심선에 대해 수직이며 코르게이션 트로프 또는 코르게이션 피크 중 어느 하나의 정점을 통과하는 라인에 대해 비대칭을 이루는 크림프 패턴을 가지는데, 코르게이션 피크로부터 이에 인접한 코르게이션 피크의 중심선을 따른 거리는 이런 코르게이션 트로프와 코르게이션 피크 사이의 중심선을 가로지르는 크림프 패턴에 있는 포인트에 의해 동일하게 나뉘어지지 않는 단계;
(B) 상기 컬럼에서 정류를 수행하는 단계로서, 증기가 모듈을 통과하여 위쪽으로 흐르고 액체가 모듈을 통과하여 아래쪽으로 흐름으로서, 휘발성이 높은 성분은 위쪽으로 흐르는 증기에서 농축되고 휘발성이 낮은 성분은 아래쪽으로 흐르는 액체에서 농축되는 단계; 그리고
(C) 컬럼의 상부 영역으로부터 제 1 유체를 회수하고 컬럼의 하부 영역으로부터 제 2 유체를 회수하는 단계로서, 상기 제 1 유체가 공급 혼합물의 농도보다 큰 휘발성 성분의 농도를 가지며, 상기 제 2 유체가 공급 혼합물의 농도보다 큰 휘발성이 낮은 성분의 농도를 가지는 단계.
여기서 사용된 "컬럼(column)"이란 용어는 증류 또는 분류 컬럼 또는 존, 예를 들면 액상 및 기상이 항류 접촉, 예를 들어 패킹 요소에 기상 및 액상이 접촉에 의해 유체 혼합물의 분리를 일으키는 접촉 컬럼 또는 존을 의미한다. 증류 컬럼의 다른 논의에 있어서는 맥그로 힐 북 컴퍼니(McGraw-Hill Book Company), 뉴욕, 섹션 13에서 알. 에이치. 페리(R. H. Perry) 및 씨. 에이치 칠튼(C. H. Chilton)에 의해 편집된 케미컬 엔지니얼스 핸드북(Chemical Engineer's Handbook)의 15판, 비. 디. 스미스(B. D. Smith) 외 다수에 의한 "증류(Distillation)", 일관 증류 처리(The Continuous Distillation Process)의 13-3쪽에 설명되어 있다. 증기 및 액체 접촉 분리 공정은 성분에 대한 증기 압력 차에 달려있다. 증기압이 높은(또는 휘발성이 높거나 보일링이 낮은) 성분은 기상에서 응축될 것이며, 증기압이 낮은(또는 휘발성이 낮거나 보일링이 높은) 성분은 액상에서 응축될 것이다.증류는, 액체 혼합물의 가열이 기상에서 보다 휘발성이 높은 성분을 농축하기 위해 사용되고, 액상에서 휘발성이 낮은 성분을 농축하기 위해 사용될 수 있는 분리 공정이다. 부분적 응축은 증기 혼합물의 냉각이 기상에서 휘발성이 높은 성분을 응축하기 위해 사용되고, 액상에서 휘발성이 낮은 성분을 농축하기 위해 사용될 수 있는 분리 공정이다. 정류 또는 연속적 증류는, 기상 및 액상의 항류 처리에 의해 얻어진 바와 같은 지속적인 부분적 증류 및 응축을 결합한 분리 공정이다. 기상 및 액상의 항류 접촉은 단열적 또는 비단열적일 수 있고, 상(phase) 사이에서의 적분(단계적) 또는 미분(연속적) 접촉일 수 있다. 혼합물을 분리하기 위하여 정류의 원리를 이용하는 분리 공정 구조는, 정류 컬럼, 증류 컬럼, 또는 분류 컬럼이란 용어와 서로 일맥상통하는 용어이다. 극저온 정류는 절대온도 150°K 미만의 온도에서 적어도 부분적으로 수행되는 정류이다.
여기서 사용된 "패킹(packing)"이란 용어는 컬럼 내부 부품으로 사용되는 미리 결정된 구조, 크기 및 형상의 임의의 중실 또는 중공 몸체로서, 두 상(phase)의 항류 유동이 일어나는 동안 액체-증기의 인터페이스에서 질량 전달을 가능하게 하는 액체를 위한 표면 영역을 제공하는 몸체를 의미한다.
여기서 사용된 "구조적 패킹(structured packing)"이란 용어는, 각각의 부재가 서로에 대해 그리고 컬럼 축에 대해 특정 방향을 가지는 비스듬한 크로스-코르게이트한 패킹을 의미한다.
여기서 사용된 컬럼의 "상부 영역(upper portion)" 및 "하부 영역(lower portion)"이란 용어는 컬럼의 중간 지점에서 그 위쪽과 아래쪽의 컬럼을 각각 의미한다.
여기서 사용된 "코르게이션(corrugation)"이란 용어는 패킹 시트상의 폴드(fold), 즉 피크 또는 트로프 중 어느 한 부분을 의미한다.
여기서 사용된 "중심선(centerline)"이란 용어는 코르게이트한 구조적 패킹이 평평하게 되어 코르게이션이 모두 제거될 경우 형성되는 라인을 의미한다.
여기서 사용된 "정점(apex)"은 패킹 시트의 중심선으로부터 코르게이션까지의 가장 먼 수직 거리를 의미한다.
도 1, 2 및 3은 공지된 구조적 패킹 시트의 코르게이션 방향에 대해 수직을 이루는 면을 도시하는 도면;
도 4는 본 발명의 구조적 패킹 시트의 한 실시예의 코르게이션 방향에 대해 수직을 이루는 면을 도시하는 도면;
도 5는 본 발명의 구조적 패킹 시트의 다른 실시예의 코르게이션 방향에 대해 수직을 이루는 면을 도시하는 도면;
도 6은 본 발명의 방법이 수행될 수 있는 한 컬럼 구조를 개략적으로 도시하는 도면이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
b: 밑면 길이 h: 크림프 높이
50: 고압 컬럼 51: 저압 컬럼
52: 사이드암 컬럼 53: 공급 공기
55: 응축기 58: 환류 액체
60: 응축기 62: 스트림
X1:트로프 정점의 위치 X2: 인접한 피크 정점의 위치
X3: 다음의 트로프 정점의 위치
X4:제 1 트로프 정점과 인접한 피크 정점 사이의 위치로서 크림프 패턴이 패킹 중심선을 가로지르는 위치
X5:피크 정점과 제 2 트로프 정점 사이의 위치로서 크림프 패턴이 패킹 중심선을 가로지르는 위치
본 발명은 도면을 참조로 하여 상세히 설명될 것이다.
크로스-코르게이트한 구조적 패킹 시트는 브릭(bricks) 또는 모듈(modules)에 형성된다. 각 브릭은 수직방향으로 비스듬하게 크로스-코르게이트한 다수의 패킹 시트를 포함한다. 시트는 코르게이션의 방향이 인접한 시트에서 역전되도록 나란히 적층된다. 그렇게 됨으로써, 시트는 상승 가스(rising gas)가 흐를 수 있는 크로싱 통로를 규정한다. 패킹의 브릭은 컬럼의 단면 영역을 채우는 층으로써 컬럼 내에 설치된다. 각 층은 하나의 브릭이거나, 거대한 컬럼에서 원형의 단면과 일치하며 나란히 배열된 여러 개의 브릭이 될 수 있다. 이런 층은 하나의 층위에 다른 층이 놓이도록 적층되어, 요구되는 패킹의 높이를 얻는다. 인접한 층은 층을 포함하는 브릭 내 시트가 평행하게 되지 않도록 회전된다. 회전 각도는 45 내지 90도 사이이고, 보다 일반적으로는 90도이다.
크로스-코르게이트한 구조적 패킹은, 두 유체의 항류에서 열 및 질량 전달이일어나도록 사용된다. 유체 스트림은 통상적으로 기상 및 액상이나 두 개의 액상일 수 있다. 또한, 유사한 기하학적 구조가 플레이트 열교환기에서 사용될 수도 있다. 이런 분야에서, 유체 스트림은 통상적으로 단상(single phase)이다. 단상에 대해 존재하는 유동 패턴의 두 가지 형태에는, 가스 스트림이 제 1 및 제 2 시트의 코르게이션을 따르는 유동망 방향에 대해 반대방향으로 이동되는 크리스 크로싱 유동(Criss-Cross flow)과, 가스가 패킹을 통해 흐르는 것처럼 시트로부터 시트로 가로지르는 지그재그 유동(zigzag flow)이 있다.
제 1 패턴은 (수직에 대해 측정된) 작은 코르게이션 각(corrugation angle)에서 우세하며 제 2 패턴은 큰 코르게이션 각에서 우세하다. 실례에서, 중간 정도의 코르게이션 각(30°< θ<60°)에 대한 실제의 유동 패턴은 유동의 두 형태가 혼합된 것이다. 코르게이션 각은 수직을 이루는 패킹 시트에 형성된 비스듬한 각이다.
표면 텍스쳐(surface texture)와 크림프 패턴이 구별되는 것이 중요하다. 표면 텍스쳐는 상업적으로 구입 가능한 모든 판금 구조적 패킹에 사용된다. 이런 텍스쳐의 목적은 유체의 흐름을 촉진하고 질량 전달을 위해 이용 가능한 모든 패킹 영역을 사용하는 것이다. 표면 텍스쳐에는 다양한 형태가 있다. 가장 일반적인 형태는 시트 재료가 사실상 일반적인 사인곡선 형상의 웨이브를 포함하는 플루팅이다. 이런 텍스쳐는, 패킹의 기본적 텍스쳐를 형성하는 크림프가 적용되기 전 롤링 또는 프레싱에 의해 기저 재료에 적용된다. 이런 텍스쳐의 목적은 액체를 스프레딩하는 것이기에, 텍스쳐의 크기는 액체막 두께의 크기와 비슷하다. 이를테면, 텍스쳐의 치수는 크림프 패턴의 치수보다 상당히 작다. 누구나 실제의 크림프 패턴 위에 얹힌 것으로 텍스쳐를 생각할 수 있다. 구조적 패킹의 거시적인 기하학적 구조 및 가스 유동의 통로를 규정하는 것은 실제의 크림프 패턴이다.
도 1, 2 및 3은 구조적 패킹에 대한 종래의 크림프 패턴의 실례를 도시하고 있다. 도면은 코르게이션의 방향에 대한 수직면을 도시하고 있다. 도 1은 삼각형의 크림프를 도시하고 있다. 도 2는 사인 곡선형의 크림프를 도시하고 있다. 도 3은 톱니형의 크림프를 도시하고 있다. 코르게이트한 판금에 대한 연구는, 패킹 표면에 대한 열 전달 계수를 유추하여 국부적인 질량 전달 계수의 변동을 나타내는 결과를 얻는다. 특히, 열 및 물질 전달 계수는 크레스트(crest)의 리(lee)쪽에서보다 러프(luff)쪽에서 보다 크다. 크레스트의 러프쪽은 크로싱 가스 유동과 접하는 코르게이션 크레스트쪽으로서 규정된다. 리쪽은 그와 반대쪽인 크레스트의 쉴터(shelter)쪽으로 규정된다.
패킹을 통해 흐르는 유동에 의한 압력 강하의 두 가지 요소는 점성항력 및 형상항력이다. 점성항력은 액체막 또는 패킹의 면과 유체 사이의 표면마찰에 의해 생긴다. 형상항력은 유체가 고형체에 부딪칠 때 유체 내에서 형성되는 순환하는 소용돌이에 의해 생긴다. 이런 형상항력의 크기는 장애물의 형상과 유동 방향에 따라 크게 달라진다. 열 및 물질 전달 장치를 설계함에 있어, 형상항력은 일반적으로 영향을 미치지 않는 것으로 생각된다. 왜냐하면, 형상항력에 의한 압력 손실은 점성항력에 의한 압력손실보다 적기 때문이다.
도 3에 도시된 구조적 패킹을 참조하면, 인접한 시트의 크로싱 유동의 방향이 화살표로 나타나 있다. 표면의 형상은 두 유동에 대해 다르다는 것이 확인될 수 있다. 한 쪽(도시된 바와 같이 상부쪽)은, 러프쪽에서 뾰족한 사면, 그리고 리쪽에서 점점 하강하는 사면이 확인될 수 있다. 다른 쪽에서의 크로싱 유동은 정확하게 반대인 것이 확인된다. 이런 두 유동 경로에서는 유동에 대해 상이한 저항력이 나타나게 된다. 이것은 형상항력이 장애물의 형상과 유동의 방향에 따라 크게 달라지기 때문이다. 실례에서, 패킹을 통한 압력 강하는, 어느 쪽 시트에서 가스의 유동이 일어나고 있는 것과는 관계없이 대략 동일할 것이다. 유동에 대한 상이한 저항력은 가스가 패킹의 다른 한 쪽과 비교해서, 한 쪽으로 우선적으로 가로질러 흐르게 할 것이다. 열 및 물질 전달 장치에서의 균일한 유동으로부터의 편차는 부적정배치(maldistribution)로 알려져 있다. 종래 기술분야에서 유동 부적정 배치는 전체적인 열 및 물질 전달 수행에 있어 악영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 실례에서, 형상항력은 한 쪽면에 걸쳐서는 작지만 다른 한 쪽면에 걸쳐서는 보다 클 수 있다.
본 발명의 한 바람직한 실시예가 도 4에 도시되어 있다. 이것은 코르게이션 방향에 대한 수직면에 일그러진 패킹의 한 시트를 도시하고 있다. 패킹 시트는 코르게이션의 러프쪽이 코르게이션의 리쪽과 다른 형상을 가지며, 시트 한 쪽의 주어진 방향에서(실질적으로) 동일한 것을 특징으로 한다.
도 1 및 2에 도시된 패턴은 제 1 및 제 2 기준을 만족시키지 못한다. 도 3에 도시된 패턴은 제 1 기준을 만족시키나 제 2 기준을 만족시키지 못한다.
도 4의 크림프 패턴을 참조하면, 이 패턴은 패킹 시트의 중심선에 대해 시트의 피크(peak) 또는 트로프(trough)의 정점을 지나는 수직 라인에 대해 비대칭을 이룬다. 게다가, 코르게이션 트로프의 정점으로부터 코르게이션 피크의 정점까지의 중심선을 따르는 거리는, 이런 코르게이션 트로프와 코르게이션 피크 사이의 중심선을 가로지르는 크림프 패턴에 있는 포인트에 의해 동일하게 나뉘어지지 않는다. 도 4에 도시된 바와 같이, 패킹 시트는 패킹 중심선이 180°로부터 벗어날지라도 이런 패킹 중심선에 대해 대칭을 이루는 것이 바람직하다. 따라서, 패킹은 시트의 양쪽에 있는 크로싱 유동에 대해 동일한 저항력이 존재하게 되며, 이에 따라 유동은 어느 한쪽의 면을 따라 우선적으로 흐르지 않게 된다.
이런 패킹의 한 특징은, 시트의 양쪽에 있는 크로싱 유동이 동일한 표면형상을 경험하게 되고, (예를 들어, 패킹을 반대방향으로 설치함으로써) 가스 유동의 방향이 역류되면, 다른 수행이 예상된다는 것이다. 반대방향으로의 가스 유동은 도 5에 도시되어 있다. 도 3에 도시된 패킹과 비교하면, 양면을 가로지르는 크로싱 유동이 동일한 형태임이 확인될 수 있고, 동일한 압력강하가 일어나게 된다. 또한, 유동 방향 중 어느 하나는 종래의 패킹에서보다 적은 형상항력을 제공하여, 우수한 수행력을 제공할 것이다. 어느 한 방향은, 가스 및 액체의 비율, 가스 및 액체의 물리적 성질, θ, b/h 등과 같은 특정 적용에 따라 잠재적인 우수성을 가질 수 있다. 실례에서, 패킹을 간단하게 거꾸로("upside down") 재설치함으로써, 패킹을 테스트하여 특정 사용에 대한 적절한 방향을 얻을 수 있다.
아주 정확하게 그 형태를 정의하기 위해 도 5를 참조하면, 패킹 중심선을 따르는 위치는 다음과 같은 위치로 정의된다:
x1트로프 정점의 위치
x2인접한 피크 정점의 위치
x3다음의 트로프 정점의 위치
패킹의 밑면 길이(b)는 인접한 트로프 사이(또는 상응하는 인접한 피크)의 거리로서 정의된다. 즉,
b = x3- x1(1)
패턴이 비대칭일지라도, 트로프 사이에 있는 피크의 축선 위치는 두 트로프 사이의 중간쯤에 있다.
x2= (x1+ x3) / 2 (2)
두 포인트를 추가로 정의하면,
x4제 1 트로프 정점과 인접한 피크 정점 사이의 위치로서 크림프 패턴이 패킹 중심선을 가로지르는 위치이고,
x5피크 정점과 제 2 트로프 정점 사이의 위치로서 크림프 패턴이 패킹 중심선을 가로지르는 위치이다.
본 발명에서, 다음과 같은 부등식이 적용된다;
x4- x1≠x2- x4(3)
x5- x2≠x3- x5(4)
종래기술과 비교하여, 도 1 및 2 의 종래 크림프 패턴은 식 1 및 2를 만족시키지만 식 3 및 4를 만족시키지 못한다(이런 경우 양쪽의 표현은 동등하다). 도 3의 톱니형 패턴과 비교하여, 식 1은 적용되나 식 2, 3, 및 4는 적용되지 않는다.
본 발명에 따라 제조된 패킹은, 대칭적 크림프 패턴을 가진 유사한 패킹에서보다 물질 전달 수행력의 손실 없이 높은 성능을 가질 것이며, 이런 장점의 정도는 시스템에 따라 2-15%의 범위 내에 있을 것이다.
패킹은 비율 R이 다음과 같이 정의된다;
R = (x4-x1)/(x2-x4) (5)
xi는 앞에서 정의된 바와 같이 중심선을 따르는 거리이고, 이런 측정에 대한 순방향은, R이 1보다 크거나 동일하도록(R≥1) 선택된다.
도 1, 도 2 및 도 3에 도시된 종래의 패턴 각각에 있어, R은 1의 값을 가진다. 본 발명에 따라 제조된 패킹은 6>R>1.5 범위, 보다 바람직하게는 3>R>1.05범위 내의 값을 가질 것이다. 최적의 값은 약 2라고 추정된다. 하지만, 이 값은 패킹 영역 밀도 및 패킹의 밑면 길이 대 크림프의 높이(b/h)에 따라 변경될 수 있다. 코르게이션 각은 20-70도, 보다 통상적으로는 30-55도 범위의 각이다.
종래의 크림프 패턴과는 달리, 본 발명에 따라 제조된 패킹의 수행력은 가스 및 액체 유동에 대한 방향에 대해 민감하다. 전술한 바와 같이, 어느 한쪽의 방향은 특정 적용에 따라 잠재적인 우수성을 띨 수 있으며, 특정 사용에 대한 적절한 방향을 얻기 위해서, (간단히 패킹을 "업사이드다운"하여 재설치함으로써)양 방향에 대해 패킹을 실험할 수 있다. 대부분의 사용에 있어 최적의 방향은 도 4에 도시된 방향, 즉 유동이 기울어진 면을 만나고 크레스트로 접근한 다음 이어서 경사가 덜 급하며 하강하는 크레스트를 만나는 방향이다.
도 6은 공급 공기를 하나 이상의 프로덕트로 분리하는 극저온 공기 분리 플랜트의 형태를 개략적으로 도시하고 있다. 공급 공기는, 특히 산소, 질소 및 아르곤을 포함한다. 질소는, 아르곤 또는 산소보다 휘발성이 강하고, 아르곤은 산소보다 휘발성이 강하다. 도 6에 도시된 구조에서, 고압 컬럼(50), 저압 컬럼(51) 및 아르곤 사이드암 컬럼(52)을 포함한 극저온 공기 분리 플랜트를 이용하여 질소, 산소 및 천연 그대로의 아르곤이 생성된다. 컬럼(50, 51, 52) 중 하나 이상의 컬럼은 본 발명에 따른 수직으로 적층된 모듈로 채워진다. 세 개의 모든 컬럼이 본 발명에 따른 수직으로 적층된 모듈로 채워지는 것이 바람직하다.
도 6을 참조하면, 공급 공기(53)는, 극저온 정류에 의해 공급 공기가 질소농축 증기 및 산소농축 액체로 분리되는 컬럼(50)내로 들어간다. 질소농축 증기는, 간접 열교환에 의해 질소농축 증기가 응축되는 메인 응축기(55)내로 스트림(54)을 따라 들어간다. 결과물인 질소농축 액체(56)는, 환류 액체(57)로서 컬럼(50) 내로 들어가고, 환류 액체(58)로서 컬럼(51) 내로 들어간다. 산소농축 액체는, 아르곤 응축기(60) 내로 스트림(59)을 따라 들어가고, 응축기 내에서 산소농축 액체는 적어도 부분적으로 증발된 다음 스트림(61)을 따라 컬럼(51) 내로 들어간다. 컬럼(51) 내에서, 다양한 공급 공기는 극저온 정류에 의해 질소 생성물과 산소 생성물로 분리되는데, 질소 생성물은 스트림(62)을 따라 재생되고 산소 생성물은 스트림(63)을 따라 재생된다. 사이드 스트림(64)은, 컬럼(51)으로부터 천연 그대로의 아르곤이 아르곤농축 유체와 산소농축 유체로 분리되는 컬럼(52) 내로 들어간다. 산소농축 유체는 스트림(65)을 따라 컬럼(51) 내로 들어가고, 아르곤농축 유체는 응축기(60)의 전체 또는 일부에서 처리된 후 스트림(66)을 따라 천연 그대로의 아르곤으로서 재생된다.
이상 설명된 바와 같이, 본 발명은 전체적으로 정류, 특히 극저온 정류를 수행하기에 있어 특히 유용하게 사용될 수 있는 구조적 패킹(structured packing)에 관한 것으로, 질량 전달을 촉진함에 있어 비효율적인 압력 손실을 최소화함으로써 주어진 압력 강하에 대해 질량 전달을 개선하여 보다 적은 증류 컬럼의 이용을 가능케 한다.
본 발명이 몇몇의 첨부된 도면을 참조로 하여 설명되었으나, 본 기술분야의 당업자는 본 발명의 다른 실시예가 청구범위의 사상 및 범위로부터 벗어남 없이 구현될 수 있음을 알 것이다.

Claims (8)

  1. 구조적 패킹 시트의 중심선에 대해 수직이며 코르게이션 피크 또는 코르게이션 트로프 중 어느 하나의 정점을 통과하는 라인에 대해 비대칭을 이루는 크림프 패턴을 가진 코르게이트한 구조적 패킹 시트로서,
    상기 코르게이션 트로프의 정점으로부터 이에 인접한 코르게이션 피크의 정점으로 상기 중심선을 따르는 거리가, 상기 코르게이션 트로프와 상기 코르게이션 피크 사이의 중심선과 교차되는 크림프 패턴의 포인트에 의해 균등하게 나뉘어지지 않는 코르게이트한 구조적 패킹 시트.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 거리의 짧은 세그먼트(segment) 대 상기 거리의 보다 긴 세그먼트의 비율이 1.2 내지 3의 범위 내에 있는 코르게이트한 구조적 패킹 시트.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 패킹 시트의 상기 중심선에 대해 대칭을 이루는 코르게이트한 구조적 패킹 시트.
  4. 정류를 수행하기 위한 방법으로서,
    (A) 휘발성이 높은 성분과 휘발성이 낮은 성분을 포함하는 공급 혼합물을 다수의 모듈을 포함하는 컬럼에 흐르게 하는 단계로서, 각 모듈이 다수의 수직방향인코르게이트한 구조적 패킹 시트를 포함하고, 상기 구조적 패킹 시트 각각은 상기 구조적 패킹 시트의 중심선에 대해 수직이며 코르게이션 피크 또는 코르게이션 트로프 중 어느 하나의 정점을 통과하는 라인에 대해 비대칭을 이루는 크림프 패턴을 가지며, 상기 코르게이션 트로프의 정점으로부터 이에 인접한 코르게이션 피크의 정점으로 상기 중심선을 따르는 거리가 상기 코르게이션 트로프와 상기 코르게이션 피크 사이의 중심선과 교차되는 크림프 패턴의 포인트에 의해 균등하게 나뉘어지지 않는 단계;
    (B) 상기 컬럼에서 정류를 수행하는 단계로서, 증기가 상기 모듈을 통과하여 위쪽으로 흐르고 액체가 상기 모듈을 통과하여 아래쪽으로 흐름으로써, 휘발성이 높은 상기 성분은 위쪽으로 흐르는 증기에서 농축되고 휘발성이 낮은 상기 성분은 아래쪽으로 흐르는 액체에서 농축되는 단계; 그리고
    (C) 상기 컬럼의 상부 영역으로부터 제 1 유체를 회수하고 상기 컬럼의 하부영역으로부터 제 2 유체를 회수하는 단계로서, 상기 제 1 유체는 상기 공급 혼합물의 농도보다 큰 휘발성이 높은 유체의 농도를 가지며, 상기 제 2 유체는 상기 공급 혼합물의 농도보다 큰 휘발성이 낮은 유체의 농도를 가지는 단계를 포함하는 방법.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 정류가 극저온 정류인 방법.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 혼합물이 산소, 질소 및 아르곤 중 적어도 두 개를 포함하고, 질소는 아르곤 또는 산소보다 휘발성이 높고, 아르곤은 산소보다 휘발성이 높은 방법.
  7. 제 4항에 있어서, 상기 구조적 패킹 시트 각각에 있어, 상기 거리의 짧은 세그먼트 대 상기 거리의 보다 긴 세그먼트의 비율이 1.2 내지 3의 범위 내에 있는 방법.
  8. 제 4항에 있어서, 상기 구조적 패킹 시트들이 각각의 중심선에 대해 대칭을 이루는 방법.
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