KR20050012681A - 충전된 칼럼용 벽-흐름 재분배기 - Google Patents

충전된 칼럼용 벽-흐름 재분배기

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에어 프로덕츠 앤드 케미칼스, 인코오포레이티드
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Abstract

본 발명은 세로축, 횡단부 및 내부 둘레를 갖는 내벽을 구비한 교환 칼럼(상기 교환 칼럼은 상기 내벽의 내부 둘레와 공간적으로 이격되어 있는 외면을 갖는 구조화된 충전부의 층을 하나 이상 포함함)에서 하강하는 액체의 흐름을 수집하여 재분배하는 장치로서, 상기 교환 칼럼내에서 구조화된 충전부의 층 위에 배치된 벽-흐름 수집기(상기 벽-흐름 수집기는 상기 내벽의 내부 둘레에 인접하는 외부 둘레를 가지며, 교환 칼럼의 내벽 상 또는 내벽 근처에서 하강하는 액체 중 적어도 일부를 수집할 수 있도록 조절됨); 상기 벽-흐름 수집기에 의하여 수집된 수집 액체 중 적어도 일부를 교환 칼럼의 횡단부를 가로질러 실질적인 거리만큼 세로축을 향하여 전달시키기 위하여 교환 칼럼내에 배치된 전달 수단; 및 상기 수집된 액체 부분 중 적어도 일부를 상기 전달 수단으로부터 구조화된 충전부의 층에 분배하기 위한 분배 수단을 포함하는 장치에 관한 것이다.

Description

충전된 칼럼용 벽-흐름 재분배기{WALL-FLOW REDISTRIBUTOR FOR PACKED COLUMNS}
본 발명은 열 및/또는 물질 전달 공정용 교환 칼럼에서 구조화된 충전에 감소적 액체 흐름을 수집하여 재분배하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 상기 장치 및 방법은 증류를 이용하는 극저온 공기 분리 공정에 특별히 사용되나, 다른 열 및/또는 물질 전달 공정에 사용할 수 있다. 본 발명은 또한 하강하는 액체 흐름을 수집하여 상기와 같은 공정에 사용되는 교환 칼럼내 구조화된 충전부에 재분배하기 위한 장치의 조립 방법에 관한 것이다.
본원에서 사용될 때, "칼럼"이란 증류 또는 분류 칼럼 또는 구역, 즉, 예컨대, 칼럼내 구비된 일련의 수직으로 이격된 트레이 또는 플레이트 상에서 또는 충전 부재 상에서 증기상 및 액상을 접촉시킴으로써, 액상 및 증기상을 역류 접촉시켜 유체 혼합물을 분리하는 칼럼 또는 구역을 의미한다.
"충전부"란 액상 및 증기상의 역류 흐름시 액체-증기 계면에서 물질 전달이 이루어질 수 있도록 액체에 대한 표면적을 제공하기 위하여 미리 결정된 크기, 형태 및 배열을 갖는 고체 또는 중공 본체를 의미한다. 크개 두가지로 대별되는 충전부의 부류에는 "무작위 충전부" 및"구조화된 충전부"가 있다.
"무작위 충전부"란 개별 부재들이 칼럼 축 또는 서로에 대하여 임의의 특정한 방향성을 갖지 않는 충전부를 의미한다. 무작위 충전부는 무작위하게 칼럼에 하중되는, 단위 부피당 표면적이 큰 소형의 중공 구조체이다.
"구조화된 충전부"란 개별 부재들이 칼럼 축 또는 서로에 대하여 특정한 방향성을 갖는 충전부를 의미한다. 구조화된 충전부는 층상으로 적층되거나 또는 나선형으로 감긴 전성 금속 또는 직조된 와이어 스크린으로 제조되는 것이 통상적이나 플레인 시트 금속 등의 다른 구축 재료를 사용할 수 있다.
"구멍" 및 "천공"이란 유체가 통과할 수 있는 개구부를 의미하는 것으로서 상호 교환적으로 사용할 수 있다. 도면에는 원형 구멍이 도시되어 있으나 구멍은 불규칙 및 규칙 형태를 비롯한 기타 다른 형태일 수 있다.
공기의 극저온 분리는 역류 접촉하는 액체 및 증기를 증류 칼럼에 통과시킴으로써 실시한다. 혼합물의 증기상은 더 휘발성인 성분들(예를 들어, 질소)의 농도가 증가함에 따라 상승하는 반면 혼합물의 액체상은 덜 휘발성인 성분들(예를 들어, 산소)의 농도가 증가함에 따라 하강한다.
여러가지 충전부 또는 트레이는 혼합물의 액상 및 기상을 접촉시켜 상들 간에 물질 전달이 이루어지도록 하는 데 사용될 수 있다. 증류에 충전부를 사용하는 것은 표준적인 실시 방법이며, 압력 강하가 중요한 경우 다수의 이점을 가진다. 그러나, 충전된 칼럼의 성능은 충전부에서 국소적으로 증기의 상향 흐름 및 액체의 하향 흐름 간의 균형을 창출하여 유지하는 것에 크게 의존한다. 충전부내의 액체 및 증기의 분포는 충전부로의 이들 유체의 첫 도입에 의해 영향을 받는다.
충전부로의 액체 및 증기의 첫 도입은 배분기를 통하여 실시하는 것이 통상적이다. 충전부에 액체를 균일하게 도입하는 역할을 하는 액체 배분기는 충전부의 위에 위치하는 반면, 충전부의 하부로 균일한 증기 흐름을 창출하는 역할을 하는 증기 분배기는 충전부의 아래에 위치한다.
오랫동안, 충전된 2-상 물질/열 교환 칼럼내 액체의 분포가 양호하지 못한 것이 불량한 물질/열 전달 효율의 원인인 것으로 인식되어 왔다. 불량한 액체 분포는 처음에는 액체가 충전부에 불균일하게 도입되는 것, 증기/액체 전단의 메카니즘을 통해 액체의 불량한 분포를 강제하는 불량한 분포의 증기 흐름 및 처음 액체 도입에 관계없이 액체가 분포되는 고유의 "자연적 분포"를 갖는 충전부 자체로 인한 것일 수 있다. 액체는, 미국 특허 제6,288,818 B1(Buhlman), 미국 특허 제6,513,795 B2(Sunder) 및 다수의 공개 문헌(예를 들어, Stoter등의 "Measurement and modeling of liquid distributon in structured packings." Chem. Eng. J.(1993) 53 55)에 나타나 있는 바와 같이 구조화된 충전부가 포함된 칼럼의 벽 근처에 축적되는 경향이 있음은 널리 공지된 사실이다.
선행 기술의 여러 방법이 칼럼 벽 상에 또는 칼럼 벽 근처에 액체가 축적되는 문제를 다루고 있다. 이러한 방법들은 A) 벽 상 또는 벽 근처의 액체를 국소적으로 충전부로 되돌리고자 하는 방법, B) 충전부내 및 벽 상/벽 근처를 흐르는 액체를 모두 재수집하여 어느 정도 혼합하고 재분배하고자 하는 방법 및 C) 기타 방법들로 이루어진 3개의 카테고리로 대별된다.
카테고리 A: 액체의 국소적 재분배
이 방법의 기본 이론은 벽 상 또는 구조화된 충전부의 외부 주변부를 따라 흐르는 액체는 충전부의 주변부에 재도입될 수 있어 자연스럽게 충전된 층의 벌크내로 역류하게 될 것이라는 이론이다. 이러한 방법에 사용되는 대부분의 구조화된 충전부는 "액체 및 증기 우회"를 감소시키기 위하여 구조화된 충전부의 주변부 및 칼럼의 내경에 대해 구부러진 벽 와이퍼" 재료(일반적으로 금속 포일 또는 가제)로 된 하나 이상의 짧은 밴드를 포함한다.
미국 특허 제5,224,351호(Jeannot 등)에는 충전부의 벽 및 벽 영역으로부터 액체를 수집하고 동일한 충전부의 층 내 또는 상기 층의 표면에 액체를 재도입하고자 하는 몇가지 유형의 벽-와이퍼가 개시되어 있다. 이들 방법은 제EP997189 A1호(Klotz 등)에 개시된 바와 같이 증기 우회를 감소시키는 이점을 주장한다. 그러나, 미국 특허 제6,286,818 B1호(Buhmann)에 개시된 바와 같이 이러한 종래 설계로도 결과적으로 여전히 충전부의 벽 위 및 벽 근처 영역에 액체가 축적된다. 또한, "벽-와이퍼"는 각 층에 또는 충전된 층의 높이에 따라 매우 빈번하게 구비되어야 한다. 본 출원인들은 이러한 방법의 비효율성은 벽 또는 벽 근처 영역으로부터 충전부에 재도입된 액체가 충전부의 외부 주변부에 도입되므로 흐름이 벽/벽 근처 영역을 향하여 역류하는 것과 마찬가지로 칼럼의 중심을 향하여 흐르게 될 것이라는 점에 있는 것으로 생각한다.
액체를 충전부로 되돌리기 위한 수단으로서 충전부의 가장자리를 변형시키는 방법들도 제안되었다. 미국 특허 제5,224,351호(Jeannot 등)에는 가장자리 영역 구부림 및 컷팅의 특정 기하학적 모양 및 이러한 특징들을 제공하기 위한 도구가 개시되었다. 이러한 방법은, 가장자리 변형에 필수적인 반드시 특정 방향으로 조립될 필요가 있는 구조화된 충전부의 개별 부품들(또는 "블럭")과 관련된 조립 비용이 증가될 뿐만 아니라 구조화된 충전부의 각 시트를 조작 및 특별히 취급하기 위한 비용이 증가하므로 곤란하다. 게다가, "벽-와이퍼" 방법에서와 같이 충전부-가장자리-변형 방법은 재배향된 액체가 재배향후 칼럼 횡단면의 중앙을 향햐어 흐르는 경향에 의존하나, 액체는 실제로 벽을 향하여 또는 벽에서 탈피하여 흐를 수 있어 최종적으로 벽을 향하여 흐르기 쉽다.
최종적으로, 제EP0684060 B1호에 개시된 바와 같이 액체 흐름을 재배향시키기 위하여 칼럼의 내경으로부터 충전부내로 단거리 연장되는 배플이 추가될 수 있다. 이러한 방법은 상기한 방법들과 동일한 단점을 가지는데, 즉 액체가 신속하게 재축적될 수 있는 벽 영역에 근접하게 액체를 재도입하게 되기 쉽다는 것이다.
카테고리 B: 액체 수집기/재분배기
이 카테고리의 방법은 칼럼내에서 상승하는 증기의 분포에 대한 교란을 최소화하면서 칼럼내 전체 액체 흐름을 다루는 액체 수집/혼합/재분배 장치를 필요로 한다. 이러한 장치는 대체적으로 대형이고 다수의 무거운 부품을 포함하는 경향이 있으므로 제작 비용이 많이 들고 추가의 칼럼 높이와 관련해서 비용이 증가한다.
미국 특허 제5,240,652호(Taylor 등)는 충전된 칼럼에서의 액체 분배에 관한 "표준" 방법의 일례이다. 액체는 충전부의 전체 횡단면으로부터 "예비-분배기"에 포획되는데, 이후 상기 예비-분배기는 홈통 또는 포트 내에서 전체 액체 흐름을 혼합한 다음 액체를 2차 분배기에 분배하고, 이어서 상기 2차 분배기는 고도로 균일하게 아래의 충전부에 전체 액체 흐름을 분포시킨다. 증기 승수관은 예비-분배기 및 2차 분배기 양쪽을 관통한다. 예비-분배기를 설치하고 2차 분배기로부터 칼럼 전체에 균일한 액체 흐름을 얻기 위하여 요구되는 칼럼 높이와 관련된 비용은 대단히 중요하다. 게다가, 이러한 유형의 디자인에 드는 제조 및 설치 비용도 또한 높다. 높은 비용 때문에, 이들 분배기는 액체 스트림을 도입시키거나 배출시키는 충전된 구획의 상부에서만 사용되거나, 매우 높이가 높은 충전된 구역을 단절시켜 상기 충전된 구획의 중간 지점에서 재분배 및 완전한 혼합이 이루어지도록 하기 위하여 사용된다.
제EP0782877 B1호(Billingham 등)는 액체 혼합을 증대시키기 위하여 분배기 위에 차폐 장치가 현수되어 있는 표준 액체 분배기 디자인(미국 특허 제5,240,652호)의 변형이다.
제EP0684060 B1호는 충전부의 벽/벽 근처 영역에 의해 창출되는 분포 불량성 감소시키기 위하여 칼럼의 단면에 걸쳐 관개 개구부 밀도를 변화시킨 표준 액체 분배기 디자인의 변형이다.
미국 특허 제5,464,573호(Tokerud 등)는 표준 액체 분배기 디자인의 대안으로서, 칼럼 높이/비용을 절약하기 위하여 사용된다. 각 홈통 상의 날개에 의하여 위에 위치된 충전부로부터 직접 액체를 포획함으로써 예비-분배기의 사용이 생략된다. 한 구체예에서는, 벽 위를 흐르는 액체를 포획하기 위하여 환상 고리를 사용한다. 고리는 대부분의 액체 분배기 내로 액체를 배향시키기 위한 모양을 갖도록 적합시킨다.
제EP0879626 A2호(Hine 등)는 표준 액체 분배기 디자인의 대안으로서, 칼럼 높이/비용을 절약하기 위하여 사용된다. 증기 승수관의 상부에 있는 일련의 소형 홈통내에서 포획된 액체를 부분적으로 혼합시킴으로써 예비-분배기의 사용이 생략된다.
미국 특허 제5,132,055호(Alleaume 등)에는 상기 충전된 구역을 위한 지지체로서도 작용하는 액체 분배기가 개시되어 있다. 상기 분배기는 칼럼 단면에 걸쳐거의 전체적으로 연장되어 있는 무거운 플레이트로 이루어진다. 상기 플레이트에는 증기 흐름용의 견고한 인버터 홈통 및 충전부 지지체가 구비되어 있다. 플레이트의 바닥에 있는 구멍들은 액체를 아래의 충전부에 분배한다. 분배기는 칼럼의 벽 위를 흐르는 액체가 충전부로부터 하강하는 나머지 액체와 함께 포획될 수 있도록 칼럼의 주변에 고정된다. 벽으로부터 포획된 액체와 나머지의 포획된 액체를 혼합시키기 위한 특별한 수단도 예비-분배기도 존재하지 않는다.
미국 특허 제5,224,351호(Jeannot 등)에는 미국 특허 제5,132,055호(Alleaume 등)에 개시된 바와 같은 액체 분배기 위에 위치된 충전된 구획의 충전부 주위 또는 벽 위를 흐르는 액체를 포획하는 수단이 개시되어 있는데, 특별히 분배기에 수집된 다량의 액체의 양호한 혼합이 이루어질 수 있도록 포획된 액체를 분배기의 중앙에 도입하는 것을 조건으로 한다.
카테고리 C: 기타 방법들
이들 재분배 방법은 주요 충전부의 두 대형 구간 사이에 상이한 유형 또는 밀도의 충전부를 사용할 것을 요한다. 이들 방법의 주요 단점은 칼럼 벽/충전부 주변부와 관련된 분포 불량성을 구체적으로 다루지 않고 있다는 것이다.
미국 특허 제6,286,818 B1(Buhlmann)에는 충전 구간의 나머지와는 다른 충전 구간의 짧은 구간을 사용하여 충전된 구간에 액체를 재분배하는 수단이 개시되어 있다. 상기 짧은 구간에 사용되는 충전부는 액체를 재분배하는 수단으로서 의도된다. 미국 특허 제6,513,795 B2호(Sunder)에는 칼럼의 중앙 코어에서 흐름 내성이 낮은 구조화된 충전부 및 중앙 코어를 둘러싸는 외부 환에서 흐름 내성이 높은 구조화된 충전부로 이루어지는 "혼합 내성의 구조화된 충전부"를 사용함으로써 액체의 분포 불량성을 수정하는 수단이 개시되어 있다. 이들 두 방법은 칼럼내 구조화된 충전부의 특성을 변화시킴으로써 액체의 분포 불량성을 해결하고자 하려는 시도이나, 충전부의 벽 근처 영역 또는 칼럼의 벽 위에 액체가 많이 분포하는 문제를 해결하는 특별한 제안이 되어 있지 않다.
제WO 0166213 A1호는 또한 수압 범람을 이용함으로써 분배 수단으로서 충전부를 사용할 것을 제안한다. 수압 범람은 아래로 흐르는 액체 상에서 위로 흐르는 증기의 유체 역학적 전단이 중력 때문에 아래로 흐르려는 액체의 경향과 균형을 이룰 때 일어난다. 결과적으로 표준 천공 증류 트레이 상에서 발견되는 액체 포말의 밀도에 근접하는 국소적으로 고밀도의 액체가 생성된다. 상기 참고 문헌은 저밀도 충전부의 두개의 긴 구간 사이에 짧은 구획을 사용하여 고밀도 충전부에 국소적 범람 조건을 창출함으로써 저 충전 구획에 액체를 더 균일하게 재분배시킬 것을 제안한다. 칼럼의 벽 위 또는 벽 근처를 흐르는 액체를 포획하기 위한 아무런 특별한 제안이 되어 있지 않다. 이러한 방법의 단점은 증기상이 고밀도(범람된) 충전부를 통과할때 증기상에 추가의 압력 강하를 유발한다는 점이다.
상기 3가지의 방법 카테고리는 각 방법의 관련된 불리한 점/단점을 포함하여 하기 표에 요약한다.
카테고리 설명 불리점/단점
A. 액체의 국소적 재분배 충전부 주위에 위치된 장치 또는 충전 특징은 충전부에 액체를 재분배하는 역할을 한다 액체는 컬럼 벽 근처, 충전부 주변부에 재도입되는데, 재분배 직후 벽 영역으로 돌아가려는 경향을 보인다.
B. 액체 수집기/재분배기 이들은 충전된 구간으로부터 흐르는 모든 액체를 포획하여, 정도를 달리하여 혼합하고 재분배하고자 하는 장치이다. 이들 장치는 완전한 액체 흐름을 취급하므로 항상 크고, 복잡하여 비용이 많이 든다.
C. 기타 방법들 상이한 유형/충전 밀도가 주요 다른 충전부내 재분배기로서 제안되었다. 이러한 방법은 벽 흐름과 관련된 분포 불량성을 경험적으로 취급하지 않아 충전부내 액체 분포 불량성의 원인이 되는 주요 메카니즘을 해결하고 있지 않다.
칼럼의 벽 또는 칼럼내 구조화된 충전부의 영역에서 액체를 포획하는 장치 및 방법으로서, 교환 칼럼에서 하강하는 액체 흐름을 수집 및 재분배하여 액체를 칼럼 벽으로부터 떨어진 구조화된 충전부의 내부로 재분배하기 위한 장치 및 방법이 필요하다.
또한 추가적인 칼럼 높이 및 관련 비용이 상대적으로 적게 들면서, 교환 칼럼에서 하강하는 액체의 흐름을 수집 및 재분배하기 위한 방법 및 장치가 필요하다.
또, 칼럼에서 상승하는 증기에 현저한 압력 강하를 유발하지 않으면서, 교환 칼럼에서 하강하는 액체의 흐름을 수집 및 재분배하기 위한 방법 및 장치가 필요하다.
또, 종래의 유보 격자/지지 격자 디자인과 일체화될 수 있으면서, 교환 칼럼에서 하강하는 액체의 흐름을 수집 및 재분배하기 위한 방법 및 장치가 필요하다.
또한, 액체의 분포 불량성 효과를 완화함으로써 충전된 칼럼내 총체적 액체 분포 불량성에 의하여 야기되는 성능 불량성의 가능성을 감소시키면서, 교환 칼럼에서 하강하는 액체의 흐름을 수집 및 재분배하기 위한 방법 및 장치가 필요하다.
또한, 교환 칼럼에서 하강하는 액체의 흐름을 수집 및 재분배하기 위한 신규하면서 더 효율적인 방법 및 장치가 필요하다.
또, 더 양호하고 더 유리한 결과를 제공할 수 있도록, 선행 기술의 난점, 문제점, 제한점, 불리점 및 결점을 극복한, 교환 칼럼에서 하강하는 액체의 흐름을 수집 및 재분배하기 위한 방법 및 장치가 필요하다.
또, 선행 기술의 다수의 난점 및 불리한 점을 극복하여 더 양호하고 더 유리한 결과를 제공하면서 선행 기술보다 액체 분포성이 더 양호해진, 교환 칼럼에서 하강하는 액체의 흐름을 수집 및 재분배하기 위한 방법 및 장치가 필요하다.
극저온 용도(예를 들어, 공기 분리에 사용되는 것들) 및 기타 열 및/또는 물질 전달 용도에 대해 높은 성능 특성을 보이는, 교환 칼럼에서 하강하는 액체의 흐름을 수집 및 재분배하기 위한 방법 및 장치가 필요하다.
또한, 선행 기술 보다 더 효율적인 액체 수집 및 재분배 장치를 사용하는 더 효율적인 공기 분리 방법이 필요하다.
본 발명은 교환 칼럼에서 하강하는 액체의 흐름을 수집하여 교환 칼럼내 구조화된 충전부의 층에 재분배하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
이러한 장치 및 변형의 몇가지 구체예가 있다. 제1 구체예에서, 세로축, 횡단부 및 내부 둘레를 갖는 내벽을 포함하는 교환 칼럼(상기 교환 칼럼은 상기 내벽의 내부 둘레로부터 이격되어 있는 외면을 갖는 구조화된 충전부의 층을 하나 이상 포함함)에서 하강하는 액체의 흐름을 수집하여 재분배하는 장치는 3가지 부재를 포함한다. 제1 부재는 교환 칼럼내 구조화된 충전부의 층 위에 배치되는 벽-흐름 수집기로서, 상기 벽-흐름 수집기는 상기 내벽의 내부 둘레에 인접하는 외부 둘레를 가지며. 교환 칼럼의 내벽 상에서 또는 내벽 근처에서 하강하는 액체 중 적어도 일부를 수집하도록 조절된다. 제2 부재는 벽-흐름 수집기에 의하여 수집된 수집 액체 중 적어도 일부를 교환 칼럼의 횡단부를 가로질러 실질적인 거리만큼 세로축을 향하여 전달시키기 위하여 교환 칼럼내에 배치된 전달 수단이다. 제3 부재는 상기 수집된 액체 부분 중 적어도 일부를 상기 전달 수단으로부터 상기 구조화된 충전부의 층으로 분배시키기 위한 분배 수단이다.
본 장치의 제1 구체예는 몇가지로 변형된다. 제1 변형에서, 벽-흐름 수집기는 교환 칼럼의 내벽에 고정형으로 부착된다. 또다른 변형에서, 벽-흐름 수집기는 교환 칼럼내에서 세로축을 따라 수직 방향으로 움직일 수 있다.
또다른 변형에서, 전달 수단은 플레이트(상기 플레이트의 적어도 일부는 벽-흐름 수집기와 유체 연통되고, 교환 칼럼의 횡단부의 적어도 일부를 가로질러 연장됨)를 포함하고, 분배 수단은 플레이트 상에 하나 이상의 구멍을 포함한다. 또다른 변형에서, 전달 수단은 벽-흐름 수집기에 부착된 하나 이상의 연장된 와이퍼를 포함하고, 상기 연장된 와이퍼는 칼럼의 횡단부의 적어도 일부를 가로질러 세로축을 향하여 지나간다.
또다른 변형에서, 전달 수단은 벽-흐름 수집기와 유체 연통되는 하나 이상의 홈통을 포함하며, 상기 홈통은 교환 칼럼의 횡단부의 적어도 일부를 가로질러 연장되고, 상기 분배 수단은 각 홈통에 있는 하나 이상의 구멍 또는 범람 노치를 포함한다. 이러한 변형의 변형에서, 본 장치는 또한 구조화된 충전부의 외면 또는 교환 칼럼의 내벽에 인접하는 하나 이상의 와이퍼를 포함하는데, 상기 와이퍼는 홈통의 위에 위치되어, 상기 내벽 상에서 또는 내벽의 근처에서 하강하는 액체 중 적어도 일부를 상기 홈통내로 전달할 수 있도록 조절된다.
제2 구체예에서, 세로축, 횡단부 및 내부 둘레를 갖는 내벽을 포함하는 교환 칼럼(상기 교환 칼럼은 구조화된 충전부의 제1층 및 상기 구조화된 충전부의 제1층 위에 있는 구조화된 충전부의 제2층을 포함하고, 상기 구조화된 충전부의 제1층 및 제2층은 각각 상기 내벽으로부터 이격되어 있는 외면을 가짐)에서 하강하는 액체의 흐름을 수집하여 재분배하는 장치는 2가지 부재를 포함한다. 제1 부재는 교환 칼럼내에서 구조화된 충전부의 제1층 위 및 구조화된 충전부의 제2층 아래에 배치되는 벽-흐름 수집기인데, 상기 벽-흐름 수집기는 교환 칼럼의 내벽 상 또는 내벽 근처에서 하강하는 액체 중 적어도 일부를 수집할 수 있도록 조절된다. 제2 부재는 교환 칼럼내에서 구조화된 충전부의 제1층 및 구조화된 충전부의 제2층 사이에 배치되는 하나 이상의 부재인데, 각 부재는 구조화된 충전부의 제2층의 적어도 일부를 지지하면서 벽-흐름 수집기에 의하여 수집된 수집 액체 중 적어도 일부를 교환 칼럼의 횡단부를 가로질러 실질적인 거리만큼 세로축을 향하여 전달할 수 있도록 조절된다. 이러한 구체예의 한 변형에서, 상기 부재는 제1 말단, 상기 제1 말단에 대향하는 제2 말단, 상기 제1 말단 및 제2 말단 사이에 연장된 채널을 갖는 빔인데, 상기 연장된 채널은 벽-흐름 수집기와 유체 연통된다.
본 장치의 제3 구체예는 제2 구체예와 유사하나, 각 부재에 상기 수집된 액체 중 적어도 일부를 상기 부재로부터 상기 구조화된 충전부의 층으로 분배하기 위한 하나 이상의 구멍을 포함한다.
세로축, 횡단부 및 내부 둘레를 갖는 내벽을 포함하는 교환 칼럼(상기 교환 칼럼은 구조화된 충전부의 제1층 및 상기 구조화된 충전부의 제1층 위에 있는 구조화된 충전부의 제2층을 포함하고, 상기 구조화된 충전부의 제1층 및 제2층은 상기 내벽으로부터 이격되어 있는 외면을 가짐)에서 하강하는 액체의 흐름을 수집하여 재분배하는 장치의 제4 구체예는 4개의 부재를 포함한다. 제1 부재는 교환 칼럼내에서 구조화된 충전부의 제1층의 위 및 구조화된 충전부의 제2층의 아래에 배치되는 벽-흐름 수집기로서, 상기 벽-흐름 수집기는 교환 칼럼의 내벽 상에서 또는 내벽 근처에서 하강하는 액체 중 적어도 일부를 수집하도록 조절된다. 제2 부재는 교환 칼럼내에서 구조화된 충전부의 제1층 및 구조화된 충전부의 제2층 사이에 배치되는 하나 이상의 빔인데, 각 빔은 구조화된 충전부의 제2층의 적어도 일부를 지지하면서, 제1 말단, 상기 제1 말단에 대향하는 제2 말단, 및 개방된 천장부와 바닥부를 가지며 상기 제1 말단 및 제2 말단 사이에 연장되어 있는 채널을 갖고, 상기 연장된 채널은 벽-흐름 수집기와 유체 연통되며 벽-흐름 수집기에 의하여 수집된 수집 액체 중 적어도 일부를 교환 칼럼의 횡단부를 가로질러 실질적인 거리만큼 세로축을 향하여 전달시킬 수 있도록 조절된다. 제3 구체예는 수집된 액체 중 적어도일부를 상기 빔의 채널로부터 구조화된 충전부의 층으로 분배하기 위하여 각 빔의 채널의 바닥부에 존재하는 하나 이상의 구멍이다. 제4 구체예는 교환 칼럼의 내벽 또는 구조화된 충전부의 외면에 인접하는 하나 이상의 와이퍼로서, 상기 와이퍼는 상기 빔 위에 위치되어 있으며, 상기 내벽 상 또는 내벽 근처에서 하강하는 액체 중 적어도 일부를 상기 빔의 채널내로 전달시킬 수 있도록 조절된다.
세로축, 횡단부 및 내부 둘레를 갖는 내벽을 포함하는 교환 칼럼(상기 교환 칼럼은 구조화된 충전부의 제1층 및 상기 구조화된 충전부의 제1층 위에 있는 구조화된 충전부의 제2층을 포함하고, 상기 구조화된 충전부의 제1층 및 제2층은 각각 내벽으로부터 이격되어 있는 외면을 가짐)에서 하강하는 액체의 흐름을 수집하여 재분배하는 장치의 제5 구체예는 4개의 부재를 포함한다. 제1 부재는 교환 칼럼내에서 구조화된 충전부의 제1층의 위, 구조화된 충전부의 제2층의 아래에 배치되는 벽-흐름 수집기인데, 상기 벽-흐름 수집기는 교환 칼럼내에서 세로축을 따라 수직 방향으로 움직일 수 있고 교환 칼럼의 내벽 상 또는 내벽 근처에서 하강하는 액체의 적어도 일부를 수집할 수 있도록 조절된다. 제2 부재는 교환 칼럼내에서 구조화된 충전부의 제1층 및 구조화된 충전부의 제2층 사이에 배치되는 하나 이상의 빔인데, 상기 각 빔은 구조화된 충전부 제2층의 적어도 일부를 지지하도록 조절되고, 제1 말단, 상기 제1 말단에 대향하는 제2 말단, 및 개방된 천장부와 바닥부를 가지며 상기 제1 말단 및 제2 말단 사이에 연장되어 있는 채널을 가지며, 상기 연장된 채널은 벽-흐름 수집기와 유체 연통되며 벽-흐름 수집기에 의하여 수집된 수집 액체 중 적어도 일부를 교환 칼럼의 횡단부를 가로질러 실질적인 거리만큼 세로축을향하여 전달시킬 수 있도록 조절된다. 제3 부재는 상기 수집된 액체 중 적어도 일부를 상기 빔의 채널로부터 구조화된 충전부의 층에 분배하기 위하여 상기 빔의 채널의 바닥부에 존재하는 하나 이상의 구멍이다. 제4 부재는 교환 칼럼의 내벽 또는 구조화된 충전부의 외면에 인접하는 하나 이상의 와이퍼로서, 상기 와이퍼는 상기 빔 위에 위치되어 있으며, 상기 내벽 상 또는 내벽 근처에서 하강하는 액체 중 적어도 일부를 상기 빔의 채널내로 전달시킬 수 있도록 조절된다.
본 발명의 또다른 양상은 세로축, 횡단부 및 내부 둘레를 갖는 내벽을 갖는 교환 칼럼에서 하강하는 액체 및 증기 사이에 열 및/또는 물질을 교환하기 위한 교환 칼럼이다. 상기 교환 칼럼은 4개의 부재를 비롯한 1군의 내장 부품을 포함한다. 제1 부재는 상기 내벽의 내부 둘레로부터 이격되어 있는 외면을 갖는 하나 이상의 구조화된 충전부의 층이다. 제2 부재는 구조화된 충전부의 층 위에 있는 벽-흐름 수집기로서, 상기 벽-흐름 수집기는 상기 내벽의 내부 둘레에 인접하는 외부 둘레를 갖고, 교환 칼럼의 내벽 상 또는 내벽 근처에서 하강하는 액체 중 적어도 일부를 수집할 수 있도록 조절된다. 제3 부재는 상기 벽-흐름 수집기에 의하여 수집된 액체 중 적어도 일부를 교환 칼럼의 횡단부를 가로질러 실질적인 거리만큼 세로축을 향하여 전달시키기 위한 전달 수단이다. 제4 부재는 상기 수집된 액체 부분 중 적어도 일부를 상기 전달 수단으로부터 상기 구조화된 충전부의 층으로 분배시키기 위한 분배 수단이다.
세로축, 횡단부 및 내부 둘레를 갖는 내벽을 갖는 교환 칼럼에서 하강하는 액체의 흐름을 수집하여 상기 교환 칼럼내 배치된 구조화된 충전부의 층에 재분배하는 방법은 여러 단계를 포함한다. 제1 단계는 제1 위치에서 상기 교환 칼럼내로 액체를 도입시키는 단계이다. 제2 단계는 상기 교환 칼럼내의 구조화된 충전부의 층을 제1 위치의 아래에 위치시키는 단계로서, 상기 구조화된 충전부의 층은 상기 내벽의 내부 둘레로부터 이격되어 있는 외면을 가진다. 제3 단계는 상기 교환 칼럼내의 벽-흐름 수집기를 구조화된 충전부 층의 위 및 제1 위치 아래에 배치시키는 단계로서, 상기 벽-흐름 수집기는 상기 내벽의 내부 둘레에 인접하는 외부 둘레를 가지며 교환 칼럼의 내벽 상 또는 내벽 근처에서 하강하는 액체 중 적어도 일부를 수집하도록 조절된다. 제4 단계는 상기 교환 칼럼내의 전달 수단을 벽-흐름 수집기에 인접하도록 배치시키는 단계로서, 상기 전달 수단은 벽-흐름 수집기에 의하여 수집된 수집 액체 중 적어도 일부를 교환 칼럼의 횡단부를 가로질러 실질적인 거리만큼 세로축을 향하여 전달시킬 수 있도록 조절된다. 제5 단계는 상기 내벽 상 또는 내벽 근처에서 하강하는 액체 중 적어도 일부를 벽-흐름 수집기에 수집하는 단계이다. 제6 단계는 상기 벽-흐름 수집기에 수집된 수집 액체 중 실질적인 일부를 교환 칼럼의 횡단부를 가로질러 실질적인 거리만큼 세로축을 향하여 전달시키는 단계이다. 제7 단계는 상기 수집된 액체 부분 중 적어도 일부를 상기 전달 수단으로부터 상기 구조화된 충전부의 층으로 분배하는 분배 수단을 제공하는 단계이다. 제8 단계는 상기 수집된 액체 부분 중 적어도 일부를 상기 전달 수단으로부터 구조화된 충전부의 층으로 분배하는 단계이다.
본 발명의 또다른 양상은 하나 이상의 물질 전달 구역을 포함하는 하나 이상의 증류 칼럼에서 하강하는 액체 흐름 및 상승하는 증기의 역류 흐름을 접촉시키는단계를 포함하는 극저온 공기 분리 방법으로서, 상기 액체-증기 접촉은 구조화된 충전부의 하나 이상의 층에 의하여 이루어지고 하강하는 액체의 흐름 중 적어도 일부를 수집하여 상기 논의한 임의의 장치 구체예 또는 이의 변형 장치와 같은 장치에 의하여 구조화된 충전부에 재분배하는 것인 방법이다.
세로축, 횡단부 및 내부 둘레를 갖는 내벽을 구비한 교환 칼럼에서 하강하는 액체의 흐름을 수집하여 교환 칼럼내 구조화된 충전부의 층에 재분배하는 장치를 조립하는 방법은 여러 단계를 포함한다. 제1 단계는 교환 칼럼을 제공하는 단계이다. 제2 단계는 상기 교환 칼럼내에 구조화된 충전부의 층을 제공하는 단계로서, 상기 구조화된 충전부의 층은 상기 내벽의 내부 둘레로부터 이격되어 있는 외면을 가진다. 제3 단계는 교환 칼럼내의 벽-흐름 수집기를 구조화된 충전부의 층 위에 설치하는 단계로서, 상기 벽-흐름 수집기는 상기 내벽의 내부 둘레에 인접하는 외부 둘레를 가지며 교환 칼럼의 내벽 상 또는 내벽 근처에서 하강하는 액체의 적어도 일부를 수집하도록 조절된다. 제4 단계는 상기 벽-흐름 수집기에 의하여 수집된 수집 액체 중 적어도 일부를 교환 칼럼의 횡단부를 가로질러 실질적인 거리만큼 세로축을 향하여 전달시키는 전달 수단을 교환 칼럼에 설치하는 단계이다. 제5 단계는 상기 수집된 액체 부분 중 적어도 일부를 상기 전달 수단으로부터 상기 구조화된 충전부의 층으로 분배하는 분배 수단을 설치하는 단계이다.
도 1A는 본 발명 카테고리 I 재분배기의 한 구체예에 대한 개략적인 평면도이다.
도 1B는 도 1A에 도시된 재분배기의 일부에 대한 개략적인 투시도이다.
도 2A∼2E는 도 1A 및 1B에 도시된 바와 같은 본 발명의 카테고리 I의 재분배기에 사용된 홈통/구조적 빔 조합체의 개략적인 횡단면도이다.
도 3A 및 3B는 두 상이한 수단에 의하여 칼럼 벽에 부착시킨 본 발명의 벽-흐름 수집기를 나타낸 개략적인 횡단면도이다.
도 3C는 칼럼 벽에 부착된 가요성 와이퍼 및 고정형 벽-흐름 수집기를 사용한 본 발명의 한 구체예를 나타내고 있는 개략적인 도면이다.
도 4A는 한개의 와이퍼가 구비된 유동형 벽-흐름 수집기의 한 구체예에 대한 개략적인 횡단면도이다.
도 4B는 두개의 가요성 와이퍼를 사용하는 유동형 벽-흐름 수집기의 또다른 구체예에 대한 개략적인 횡단면도이다.
도 4C는 지그재그형의 이중 와이퍼를 사용하는 유동형 벽-흐름 수집기의 또다른 구체예에 대한 개략적인 횡단면도이다.
도 5A는 액체 운반 홈통이 유동형 벽-흐름 수집기에 부착되어 있는 카테고리 I 재분배기의 또다른 구체예에 대한 개략적인 평면도이다.
도 5B는 도 5A에 도시된 카테고리 I 재분배기에 대한 개략적인 측면도이다.
도 6A는 유동형 벽-흐름 수집기 및 육각형 홈통 배열을 갖는 카테고리 I 재분배기의 또다른 구체예에 대한 개략적인 평면도이다.
도 7A는 본 발명의 카테고리 II 재분배기의 한 구체예에 대한 개략적인 평면도이다.
도 7B는 도 7A에 도시된 카테고리 II 재분배기의 일부 및 칼럼 벽에 대한 개략적인 부분 횡단 측면도이다.
도 8은 본 발명 카테고리 II 재분배기의 파이형 구획에 대한 평면도 및 2개의 횡단 측면도이다.
도 9A는 본 발명 카테고리 III 재분배기의 일부에 대한 개략적인 평면도이다.
도 9B는 도 9A에 도시된 카테고리 II의 재분배기 내에 사용되는 연장된 와이퍼의 한 구체예에 대한 개략적인 횡단 측면도이다.
도 10A 및 10B는 본 발명 카테고리 I 재분배기에 사용될 수 있는 홈통/지지체 빔의 두 변형에 대한 개략적인 투시도이다.
본 발명은 교환 칼럼의 충전된 구획에서 칼럼 벽 및/또는 벽 근처 영역으로부터 하강하는 액체를 수집하여 상기 액체를 칼럼의 중앙으로 향하도록(즉, 벽에서멀어지도록) 할 필요성에 관한 것이다. 본 발명은 추가의 칼럼 높이와 관련된 상당한 비용 및/또는 고가의 제조 비용을 발생시킴 없이 이러한 액체 재분배를 달성한다.
본 발명의 재분배기는 칼럼 벽 및 칼럼 근처 구역의 충전부로부터 액체를 제거하여 상기 액체를 기존의 와이퍼 디자인 보다 더욱 칼럼의 중앙으로 운반한다. 재분배기의 높이는 비교적 적당한데, 약 100 mm 이하이다. 본 재분배기는 벽 위를 흐르는 액체가 칼럼의 중앙을 향하도록 재배향시킴으로써 칼럼내 전체적인 액체 분포의 불량성을 감소시키나, 표준 액체 분배기에 의하여 얻어지는 정도의 균일성에 근접하려는 의도는 아니다. 본 발명의 재분배기는 전체적인 액체 흐름을 수집하는 것이 아니라 매 10여개의 구조화된 충전부 층 다음에 사용될 것으로 의도된다.
본 발명 재분배기의 디자인은 하기 3개의 카테고리로 대별된다:
I. 벽-흐름 수집기로부터 걸쳐 있는 홈통
a. 고정형 디자인
b. 유동형 디자인
II. 벽-흐름 수집기로부터 걸쳐 있는 천공된 덱
a. 고정형 디자인
b. 유동형 디자인
III. 연장된 와이퍼
카테고리 I의 재분배기는 벽-흐름 수집기에 부착된 일련의 홈통을 포함한다. 도 1A 및 1B는 이러한 유형의 재분배기(10)의 한 구체예를 나타낸다. 벽-흐름 수집기(12)에 의하여 칼럼(도시되지 않음)의 벽에 수집된 액체는 홈통(14)를 따라 흘러 칼럼 단면을 가로질러 운반되고 구멍(16) 또는 범람 노치를 통하여 홈통 밖으로 흘러 나가 아래의 구조화된 충전부(도시되지 않음)로 흐른다. 지지/유지 빔(18)으로 이루어진 시스템은 홈통과 일체화되어 재분배기 위 및 아래의 구조화된 충전부를 지지 및 유지한다. 지지/유지 빔은 홈통 및 구조화된 지지 부재 양쪽으로 작용할 수 있다. 이러한 홈통/구조적 지지 빔 조합체(22)의 예는 도 2A∼2E에 도시되어 있다.
고정형 및 유동형의 두 디자인은 벽-흐름 수집기(12)를 가리키는 것인데, 이러한 벽-흐름 수집기(12)는 칼럼의 벽에 고정되거나 또는 구조화된 충전부 구획과 함께 "유동"할 수 있다(즉, 변동이 있을 경우 충전부와 함께 이동할 수 있다). 고정형 벽-흐름 수집기의 한 구체예는 벽-흐름 수집기를 칼럼 벽에 누설 방지 용접을 실시할 수 있는 하나의 롤링된 앵글이다. 내부 모서리 상에서 칼럼 둘레에 걸쳐 있는 수직 립은 액체를 포획하여 부착되어 있는 임의의 홈통으로 배향시킬 수 있다.
칼럼 벽(24)에 고정형 벽-흐름 수집기(12)를 부착시키는 방법 몇가지가 도 3A∼3C에 도시되어 있다. 벽-흐름 수집기가 고정되어 있을 경우, 지지/유지 빔은 적어도 일부의 인접 충전층의 하중을 선적 및 조작하기 위한 크기로 사이징되어야 한다.
도 3A 및 3B에서, 벽-흐름 수집기(12)는 택 또는 누설 방지 용접(26)에 의하여 칼럼 벽(24)에 부착된다. 도 3A에서, 벽-흐름 수집기(12)의 짧은 내벽(32)은 누설 방지 용접(28)에 의하여 바닥(36)에 연결된다. 도 3C에서, 가요성 와이퍼(38)는칼럼 벽(24)에 부착되어 벽-흐름 수집기(12)내로 액체를 전환시킨다.
도 4A∼4C에는 유동형 벽-흐름 수집기(12')의 한 실시예가 도시되어 있다. 이 경우, 재분배기는 구조화된 충전부를 갖는 칼럼에서 하중 하에 상기 충전부가 다소 이동될 경우 상하로 이동될 수 있다. 지지/유지 빔은 인접하는 충전부 층들 사이의 거리를 유지하는 역할만을 하므로 고정형 벽-흐름 수집기만큼 대형일 필요는 없다.
도 4A∼4C에서 유동형 벽-흐름 수집기(12')의 본체는 앵글 부재가 칼럼 벽(24)에 용접되지 않는 것을 제외하고는 고정형 벽-흐름 수집기에서와 같이 낮은 내벽(32)을 형성하는 내부 수직 립을 갖는 롤링된 앵글일 수 있다. 대신, 충전 구간에 부착되어 있는 와이퍼와 유사한 하나 이상의 가요성 와이퍼(38, 38')가 롤링된 앵글에 리벳(44)에 의하여 가용접 또는 부착되어 칼럼 벽과 밀접하게 접촉한다. 한 구체예에서는, 두 가요성 와이퍼(38')가 도 4C에 도시된 바와 같이 서로 겹쳐 놓여져서 탭 및 슬릿이 서로 엇갈려 있으므로 더 효과적인 액체 밀봉을 이룬다. 가요성 와이퍼는 칼럼 벽에 용접되는 것이 아니므로 오직 마찰만이 이들의 수직 운동을 제한한다.
도 5A∼5B 및 도 6A∼6B에는 재분배기(10)의 유동형 벽-흐름 수집기의 두 구체예가 도시되어 있다. 양 구체예에서는, 하나 이상의 가요성 와이퍼(38')가 구비된 벽-흐름 수집기(12')에 홈통이 연결되어 있다. 홈통은 인접하는 구조화된 충전부 층등 사이에 거리를 유지하는 홈통/구조적 지지 빔(22)이다.
도 5A∼5B에서는, 3개의 홈통/구조적 지지 빔(22)의 병렬 배열을 사용한다.강도를 위해 2개의 추가적인 짧은 지지 빔(52)이 각 면에 위치되어 3개의 홈통/구조적 지지 빔에 대하여 병렬 배열되어 있으며, 끌어 올려 설치하기 위해 3개의 임시 브레이스(54)를 사용한다. 홈통의 실제 수는 벽에 예상되는 액체 축적 및 칼럼내 특정 충전물 침강 패턴에 대해 필요한 지지 포인트의 수를 비롯한 몇가지 요인에 따라 달라질 것이다. 예를 들어, 도 5A에 도시된 구체예에서는 구멍(16)을 포함하는 홈통/구조적 지지 빔(22)에 대해 수직인 일련의 선택적 액체 운반 홈통(56)이 있다. 이 구체예에서, 개구부(59)는 상승하는 증기 흐름에 이용할 수 있다.
도 6A∼6B에 도시된 재분배기(10)는 대형 방사 대칭 장치에 적당한 기존의 제조 인프라 구조를 이용할 수 있도록 홈통/구조적 지지 빔(22)을 육각형 방식으로 배열하는 것을 제외하고 유사하다. 끌어 올려 설치하기 위하여 구멍(62)이 제공될 수 있다.
양 구체예(도 5A∼5B 및 6A∼6B)에서, 구조화된 충전부(도시되지 않음)로부터 홈통의 하면을 수 밀리미터 이격시키기 위하여 사용될 수 있는 선택적 이격 막대(57)는 측면도에 도시되어 있다. 이러한 이격은 구멍(16)을 통한 흐름 상에서 구조화된 충전부에 의한 간섭을 감소시킨다. 표 1은 칼럼 직경에 따른 재분배기(10)에 있어서 구멍 요구조건을 나타낸다.
재분배기내 액체 수준이 최대 25 mm일 경우 구멍 요구조건
칼럼 내경(mm) 구멍 호수 구멍 밀도(ft-2) 구멍 직경(mm)
200 2 5.9 2.2900 15 2.19 3.61500 26 1.37 4.52500 64 1.21 4.83400 109 1.12 5.05200 254 1.11 5.0
*조건: 전체 흐름의 10%가 벽 상게 수집됨; 5 gpm/ft2 총 액체 플럭스; 아르곤/산소 50/50 혼합물
도 7A∼7B에서, 카테고리 II의 재분배기(10)는 상기한 바와 같은 고정형 또는 유동형 벽-흐름 수집기(12, 12')에 부착된 천공된 플레이트(62)로 이루어진다. 이와는 다르게, 벽-흐름 수집기는 칼럼 벽(24)의 내부 둘레에 직접 용접되어 천공된 덱을 사이에 끼우는 두 채널 링(63)으로 제조될 수 있다. 천공된 덱내 개방 영역은 덱 상에 임의의 적절한 포말이 필요하지 않도록 선택되므로, 채널 링의 전체 높이는 매우 낮을 수 있다(예를 들어, 30 mm). 개방 영역은 70%로 높을 수 있다(예를 들어, 114 mm의 중심 상에 90 mm의 구멍들이 최조밀 배열됨) 도 7A는 카테고리 II의 재분배기에서의 예시적인 구멍 패턴에 대한 평면도를 나타낸 것이며, 도 7B는 채널-고리형 벽-흐름 수집기의 절단면도를 나타낸 것이다.
액체는 벽-흐름 수집기(12)를 떠나, 천공된 덱 상으로 별도의 지점들에서 또는 주변부에서 연속적으로 흘러 들어간다. 상기 천공된 덱은 도 7A에 도시된 바와 같이 임의의 경계(64)를 갖는 원 또는 고리일 수 있다.
도 7A 및 B에서, 덱(62)내 대형 구멍을 터렛 프레스로 만들어 높이 4∼8 mm의 돌출 림(68)을 형성할 수 있는데, 이것을 액체 흐름의 방벽으로서 사용할 수 있다. 추가적인 소형 구멍(16)(돌출부 없음)은 벽 및 위의 구조화된 충전부로부터 포획된 액체를 재분배하는 데 사용할 수 있다.
도 7A∼7B 및 도 8에 도시된 바와 같이, 천공된 덱은 분리된 "파이형" 구획으로 구성될 수 있다. 지지 브레이스(도시되지 않음)는 재분배기를 지지하고 위 아래에 위치된 구조화된 충전부 사이에 공간을 유지하기 위하여 사용될 수 있다. 또, 립빙 펀지(ribbing punch)를 사용함으로써, 도 8에 도시된 바와 같이 낮은(6 mm) 장벽(65)을 만드는 데 터렛 프레스를 사용할 수 있다.
카테고리 III의 재분배기는 벽-흐름 수집기, 및 벽-흐름 수집기로부터 구조화된 충전부의 내부로 돌출한 돌출부로 이루어진다. 카테고리 I 및 II의 재분배기와는 대조적으로, 벽-흐름 수집기 및 카테고리 III의 재분배기로부터의 돌출부는 한 부품으로서 제작된다. 이러한 개념의 한 구체예는 통상적인 12∼25 mm 대신 약 50 mm 이상 구조화된 충전부내로 침투하는 보통보다 긴 노치 레그를 갖는 확장된 와이퍼이다.
또다른 구체예는 도 9A∼9B에 도시되어 있는데, 여기서 각 돌출부(72)는 약 6 mm 높이의 작은 홈통으로서 터렛 펀치로 형성된다. 역시 립핑 도구를 사용하여 낮은 장벽(74)을 만들었다. 이러한 방식의 경우, 벽에 포획된 액체는 통상적인 와이퍼가 구비된 경우보다 구조화된 충전부의 내부로 더 멀리 운반된다. 칼럼 단면 위의 재분배기의 위 및 아래에 위치된 충전층들 사이에 일정한 거리를 유지하기 위하여 짧은 이격 그리드(도시되지 않음)가 필요할 수 있다.
위의 충전부를 지지하는 작용, 및 벽 영역에서 포획된 액체를 아래의 구조화된 충전부로 재분배하는 작용을 조합하면 비용이 절감되고 상승하는 증기의 흐름을 위한 공간이 최대화된다. 이러한 디자인은 카테고리 I의 재분배기에 유용하다. 혼통 또는 홈통/구조적 지지 빔 조합체에 대한 추가적 변형은 액체가 공급되는 아래의 구조적 충전부에 대하여 홈통의 바닥을 높히는 것이다. 이렇게 함으로써 홈통의 바로 아래의 역류 액체 및 기체를 더 잘 유리시킬 수 있는 이점이 있으므로, 수압 범람 개시 전에 더 많은 기체 및 액체 흐름을 용이하게 할 것이다. 도 10A 및 B에는 이러한 홈통/구조적 지지 빔 조합체(122)의 예가 도시되어 있다. 이들은 얇은 금속으로 된 몇개의 적층 플레이트로 구성되는데, 더 두꺼운 빔을 사용할 경우 필요한 용접보다는 경제적인 고정구를 사용할 수 있다.
본 발명 재분배기의 몇가지 이로운 점 및 유리한 점은 하기와 같다:
i. 칼럼의 벽 또는 구조화된 충전부의 벽 영역 상에서 액체를 포획하여, 칼럼 벽으로부터 멀어지게 상기 충전부의 내부로 재분배한다.
ii. 추가의 칼럼 높이 및 관련 비용이 상대적으로 적게 든다 - 이것은 전체 액체 흐름이 아닌 칼럼 주변부의 액체만을 조작하면 되기 때문이다. 따라서, 제안된 재분배기는 높을 필요가 없다.
iii. 추가되는 제작 비용이 상대적으로 적게 든다. 재분배기의 크기가 적절하므로, 재료 및 노동 비용이 예를 들어 표준 액체 분배기를 제작하는 데 필요한 것보다 훨씬 적게 든다. 또한, 이들 재분배기는 아래의 구조화된 충전부에서 복합적인 혼합이 일어날 수 있게 하는 것이 주요 작용이므로 고도로 균일한 액체 분포가 요구되지 않는다.
iv. 증기 상에서 임의의 현저한 부가 압력 강하를 유발하지 않는다.
v. 종래의 유지 격자/지지 격자 디자인과 일체화될 수 있다.
vi. 충전된 칼럼에서 액체 분포 불량성의 원인이 되는 주요 메카니즘, 충전 부 주변/칼럼 벽을 이용한 액체의 상호작용의 메카니즘을 해결한다.
본원에서 본 발명은 어떤 특정 구체예를 참고로 하여 예시 및 기술되었으나, 나타낸 상세 사항에 제한되려는 의도는 아니다. 오히려, 본 발명의 사상에서 일탈되지 않으면서 본 특허청구범위의 범위내라면 세부적으로 여러가지 변형을 할 수 있다.

Claims (16)

  1. 세로축, 횡단부 및 내부 둘레를 갖는 내벽을 구비하며, 상기 내벽의 내부 둘레와 공간적으로 이격되어 있는 외면을 갖는 구조화된 충전부의 층을 하나 이상 포함하는 교환 칼럼에서 하강하는 액체의 흐름을 수집하여 재분배하는 장치로서,
    상기 교환 칼럼내 구조화된 충전부의 층 위에 배치되는 벽-흐름 수집기(상기 벽-흐름 수집기는 상기 내벽의 내부 둘레에 인접하는 외부 둘레를 가지며, 교환 칼럼의 내벽 상 또는 내벽 근처에서 하강하는 액체 중 적어도 일부를 수집하도록 조절됨)
    상기 벽-흐름 수집기에 의하여 수집된 수집 액체 중 적어도 일부를 교환 칼럼의 횡단부를 가로질러 실질적인 거리만큼 세로축을 향하여 전달시키기 위하여 교환 칼럼내에 배치되는 전달 수단, 및
    상기 수집된 액체 부분 중 적어도 일부를 상기 전달 수단으로부터 구조화된 충전부의 층에 분배하기 위한 분배 수단
    을 포함하는 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전달 수단은 벽-흐름 수집기와 유체 연통되는 하나 이상의 홈통을 포함하고, 상기 홈통은 교환 칼럼의 횡단부의 적어도 일부를 가로질러 연장되어 있으며,
    상기 분배 수단은 각 홈통에 있는 하나 이상의 구멍 또는 범람 노치를 포함하는 것인 장치.
  3. 제2항에 있어서, 교환 칼럼의 내벽 또는 구조화된 충전부의 외면에 인접하는 하나 이상의 와이퍼를 추가로 포함하며, 상기 와이퍼는 홈통 위에 위치되어 내벽 상에서 또는 내벽 근처에서 하강하는 액체 중 적어도 일부를 홈통내로 전달할 수 있도록 조절되는 것인 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전달 수단은 플레이트를 포함하고, 상기 플레이트의 적어도 일부는 벽-흐름 수집기와 유체 연통되며 교환 칼럼의 횡단부의 적어도 일부를 가로질러 연장되고
    상기 분배 수단은 플레이트에 있는 하나 이상의 구멍을 포함하는 것인 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전달 수단은 벽-흐름 수집기에 부착된 하나 이상의 연장된 와이퍼를 포함하며, 상기 연장된 와이퍼는 칼럼의 횡단부의 적어도 일부를 가로질러 세로축을 향하여 돌출되어 있는 것인 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 벽-흐름 수집기는 교환 칼럼의 내벽에 고정형으로 부착되어 있는 것인 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 벽-흐름 수집기는 교환 칼럼내에서 세로축을 따라 수직 방향으로 이동 가능한 것인 장치.
  8. 세로축, 횡단부 및 내부 둘레를 갖는 내벽을 구비한 교환 칼럼(상기 교환 칼럼은 구조화된 충전부의 제1층 및 상기 구조화된 충전부의 제1층 위에 있는 구조화된 충전부의 제2층을 포함하고, 상기 구조화된 충전부의 제1층 및 제2층은 각각 상기 내벽으로부터 이격되어 있는 외면을 가짐)에서 하강하는 액체의 흐름을 수집하여 재분배하는 장치로서,
    상기 교환 칼럼 내에서 구조화된 충전부의 제1층의 위, 구조화된 충전부의 제2층의 아래에 배치되는 벽-흐름 수집기(상기 벽-흐름 수집기는 교환 칼럼의 내벽 상 또는 내벽 근처에서 하강하는 액체 중 적어도 일부를 수집하도록 조절됨), 및
    상기 교환 칼럼 내에서 구조화된 충전부의 제1층 및 구조화된 충전부의 제2층 사이에 배치되는 하나 이상의 부재(상기 부재는 각각 구조화된 충전부의 제2층의 적어도 일부를 지지하고, 벽-흐름 수집기에 의하여 수집된 수집 액체 중 적어도 일부를 교환 칼럼의 횡단부를 가로질러 실질적인 거리만큼 세로축을 향하여 전달시킬 수 있도록 조절됨)
    를 포함하는 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 각 부재에, 상기 수집된 액체 중 적어도 일부를 상기 부재로부터 구조화된 충전부의 층으로 분배하기 위한 하나 이상의 구멍을 더 포함하는 것인 장치.
  10. 제8항에 있어서, 상기 부재는 제1 말단, 상기 제1 말단에 대향하는 제2 말단 및 상기 제1 말단 및 제2 말단 사이에 연장된 채널을 갖는 빔이고, 상기 연장된 채널은 벽-흐름 수집기와 유체 연통되는 것인 장치.
  11. 세로축, 횡단부 및 내부 둘레를 갖는 내벽을 구비한 교환 칼럼(상기 교환 칼럼은 구조화된 충전부의 제1층 및 상기 구조화된 충전부의 제1층 위에 있는 구조화된 충전부의 제2층을 포함하고, 상기 구조화된 충전부의 제1층 및 제2층은 각각 내벽으로부터 이격되어 있는 외면을 가짐)에서 하강하는 액체의 흐름을 수집하여 재분배하는 장치로서,
    상기 교환 칼럼 내에서 구조화된 충전부의 제1층의 위, 구조화된 충전부의 제2층의 아래에 배치되는 벽-흐름 수집기(상기 벽-흐름 수집기는 상기 내벽에 고정형으로 부착되고 교환 칼럼의 내벽 상 또는 내벽 근처에서 하강하는 액체의 적어도 일부를 수집할 수 있도록 조절됨),
    상기 교환 칼럼 내에서 구조화된 충전부의 제1층 및 구조화된 충전부의 제2층 사이에 배치되는 하나 이상의 빔(상기 각 빔은 구조화된 충전부 제2층의 적어도 일부를 지지하도록 조절되고, 제1 말단, 상기 제1 말단에 대향하는 제2 말단, 및개방된 천장부와 바닥부를 가지며 상기 제1 말단 및 제2 말단 사이에 연장되어 있는 채널을 갖고, 상기 연장된 채널은 벽-흐름 수집기와 유체 연통되며 벽-흐름 수집기에 의하여 수집된 수집 액체 중 적어도 일부를 교환 칼럼의 횡단부를 가로질러 실질적인 거리만큼 세로축을 향하여 전달시킬 수 있도록 조절됨),
    상기 수집된 액체 중 적어도 일부를 상기 빔의 채널로부터 구조화된 충전부의 층에 분배하기 위하여 상기 빔의 채널의 바닥부에 천공한 하나 이상의 구멍, 및
    교환 칼럼의 내벽 또는 구조화된 충전부의 외면에 인접하는 하나 이상의 와이퍼(상기 와이퍼는 상기 빔 위에 위치되어 있으며, 상기 내벽 상 또는 내벽 근처에서 하강하는 액체 중 적어도 일부를 상기 빔의 채널내로 전달시킬 수 있도록 조절됨)
    를 포함하는 장치.
  12. 세로축, 횡단부 및 내부 둘레를 갖는 내벽을 구비한 교환 칼럼에서(상기 교환 칼럼은 구조화된 충전부의 제1층 및 상기 구조화된 충전부의 제1층 위에 있는 구조화된 충전부의 제2층을 포함하고, 상기 구조화된 충전부의 제1층 및 제2층은 각각 상기 내벽으로부터 이격되어 있는 외면을 가짐) 하강하는 액체의 흐름을 수집하여 재분배하는 장치로서,
    상기 교환 칼럼 내에서 구조화된 충전부의 제1층의 위, 구조화된 충전부의 제2층의 아래에 배치되는 벽-흐름 수집기(상기 벽-흐름 수집기는 교환 칼럼내에서 세로축을 따라 수직 방향으로 이동 가능하고, 교환 칼럼의 내벽 상 또는 내벽 근처에서 하강하는 액체의 적어도 일부를 수집하도록 조절됨),
    상기 교환 칼럼 내에서 구조화된 충전부의 제1층 및 구조화된 충전부의 제2층 사이에 배치되는 하나 이상의 빔(상기 각 빔은 구조화된 충전부의 제2층의 적어도 일부를 지지하도록 조절되고, 제1 말단, 상기 제1 말단에 대향하는 제2 말단, 및 개방된 천장부와 바닥부를 가지며 상기 제1 말단 및 제2 말단 사이에 연장되어 있는 채널을 갖고, 상기 연장된 채널은 벽-흐름 수집기와 유체 연통되고 벽-흐름 수집기에 의하여 수집된 수집 액체 중 적어도 일부를 교환 칼럼의 횡단부를 가로질러 실질적인 거리만큼 세로축을 향하여 전달시킬 수 있도록 조절됨),
    상기 수집된 액체 중 적어도 일부를 상기 빔의 채널로부터 구조화된 충전부의 층에 분배하기 위하여 각 빔의 채널의 바닥부에 천공한 하나 이상의 구멍, 및
    상기 교환 칼럼의 내벽 또는 구조화된 충전부의 외면에 인접하는 하나 이상의 와이퍼(상기 와이퍼는 빔 위에 위치되어 있으며, 상기 내벽 상 또는 내벽 근처에서 하강하는 액체 중 적어도 일부를 상기 빔의 채널내로 전달시킬 수 있도록 조절됨)
    를 포함하는 장치.
  13. 세로축, 횡단부 및 내부 둘레를 갖는 내벽을 구비한 교환 칼럼에서 하강하는 액체 및 증기 사이에서 열 및/또는 물질을 교환하기 위한 교환 칼럼으로서, 1군의 내장 부품을 포함하고,
    상기 내벽의 내부 둘레로부터 이격되어 있는 외면을 갖는 구조화된 충전부의층 하나 이상,
    상기 구조화된 충전부의 층 위에 있는 벽-흐름 수집기(상기 벽-흐름 수집기는 상기 내벽의 내부 둘레에 인접하는 외부 둘레를 갖고, 교환 칼럼의 내벽 상 또는 내벽 근처에서 하강하는 액체 중 적어도 일부를 수집할 수 있도록 조절됨),
    상기 벽-흐름 수집기에 의하여 수집된 액체 중 적어도 일부를 교환 칼럼의 횡단부를 가로질러 실질적인 거리만큼 세로축을 향하여 전달시키는 전달 수단, 및
    상기 수집된 액체 부분 중 적어도 일부를 상기 전달 수단으로부터 상기 구조화된 충전부의 층으로 분배시키는 분배 수단
    을 포함하는 교환 칼럼.
  14. 세로축, 횡단부 및 내부 둘레를 갖는 내벽을 구비한 교환 칼럼에서 하강하는 액체의 흐름을 수집하여 상기 교환 칼럼내 배치된 구조화된 충전부의 층에 재분배하는 방법으로서,
    제1 위치에서 상기 교환 칼럼내로 액체를 도입시키는 단계,
    상기 교환 칼럼내의 구조화된 충전부의 층을 제1 위치의 아래에 배치시키는 단계(상기 구조화된 충전부의 층은 상기 내벽의 내부 둘레로부터 이격되어 있는 외면을 가짐),
    상기 교환 칼럼내의 벽-흐름 수집기를 구조화된 충전부 층의 위 및 제1 위치 아래에 배치시키는 단계(상기 벽-흐름 수집기는 상기 내벽의 내부 둘레에 인접하는 외부 둘레를 가지며 교환 칼럼의 내벽 상 또는 내벽 근처에서 하강하는 액체 중 적어도 일부를 수집하도록 조절됨),
    상기 교환 칼럼내의 전달 수단을 벽-흐름 수집기에 인접하도록 배치시키는 단계(상기 전달 수단은 벽-흐름 수집기에 의하여 수집된 수집 액체 중 적어도 일부를 교환 칼럼의 횡단부를 가로질러 실질적인 거리만큼 세로축을 향하여 전달시킬 수 있도록 조절됨),
    상기 내벽 상 또는 내벽 근처에서 하강하는 액체 중 적어도 일부를 벽-흐름 수집기에 수집하는 단계,
    상기 벽-흐름 수집기에 수집된 수집 액체 중 상당 부분을 교환 칼럼의 횡단부를 가로질러 실질적인 거리만큼 세로축을 향하여 전달시키는 단계,
    상기 수집된 액체 부분 중 적어도 일부를 상기 전달 수단으로부터 상기 구조화된 충전부의 층으로 분배하는 분배 수단을 제공하는 단계, 및
    상기 수집된 액체 부분 중 적어도 일부를 상기 전달 수단으로부터 상기 구조화된 충전부의 층으로 분배하는 단계
    를 포함하는 방법.
  15. 하나 이상의 물질 전달 구역을 포함하는 하나 이상의 증류 칼럼에서 하강하는 액체 흐름 및 상승하는 증기의 역류 흐름을 접촉시키는 단계를 포함하는 극저온 공기 분리 방법으로서, 상기 액체-증기 접촉은 구조화된 충전부의 하나 이상의 층에 의하여 이루어지고, 제1항의 장치에 의하여 하강하는 액체의 흐름 중 적어도 일부를 수집하여 구조화된 충전부에 재분배하는 방법.
  16. 세로축, 횡단부 및 내부 둘레를 갖는 내벽을 구비한 교환 칼럼에서 하강하는 액체의 흐름을 수집하여 교환 칼럼 내의 구조화된 충전부의 층으로 재분배하는 장치를 조립하는 방법으로서,
    교환 칼럼을 제공하는 단계,
    상기 교환 칼럼 내에 구조화된 충전부의 층을 제공하는 단계(상기 구조화된 충전부의 층은 상기 내벽의 내부 둘레로부터 이격되어 있는 외면을 가짐),
    상기 교환 칼럼 내의 벽-흐름 수집기를 구조화된 충전부의 층 위에 설치하는 단계(상기 벽-흐름 수집기는 상기 내벽의 내부 둘레에 인접하는 외부 둘레를 가지며 교환 칼럼의 내벽 상 또는 내벽 근처에서 하강하는 액체의 적어도 일부를 수집하도록 조절됨),
    상기 벽-흐름 수집기에 의하여 수집된 수집 액체 중 적어도 일부를 교환 칼럼의 횡단부를 가로질러 실질적인 거리만큼 세로축을 향하여 전달시키는 전달 수단을 교환 칼럼에 설치하는 단계, 및
    상기 수집된 액체 부분 중 적어도 일부를 상기 전달 수단으로부터 상기 구조화된 충전부의 층으로 분배하는 분배 수단을 설치하는 단계
    를 포함하는 방법.
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