KR20110139204A - 유체를 정화하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

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일리아 아우스너
마르쿠스 두스
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술저 켐테크 악티엔게젤샤프트
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Abstract

본 발명의 유체의 정화를 위한 장치는, 상대적으로 휘발성이 큰 유체와 그보다 휘발성이 작은 유체를 포함하는 재료 교환 장치를 포함한다. 상기 재료 교환 장치는 재구조 패킹을 포함하며, 상기 구조 패킹은 제1 패킹 층(10) 및 제2 패킹 층(100)을 포함한다. 상기 제1 패킹 층(10) 및 상기 제2 패킹 층(100)은 굴곡부를 가지고 있으며, 상기 굴곡부에 의해 개방 채널(12, 14, 16, 112, 114, 116)이 형성되어 있다. 상기 제1 패킹 층(10)의 상기 개방 채널(12, 14, 16)은 상기 제2 패킹 층의 상기 개방 채널(112, 114, 116)과 교차하고 있으며, 상기 개방 채널(12, 14, 16, 112, 114, 116)을, 상기 채널이 상기 휘발성아 작은 유체에 의해 젖을 수 있도록, 상기 휘발성이 작은 유체가 통과해 흐를 수 있고, 상기 휘발성이 작은 유체의 필름은 상기 채널의 표면에 형성되어 있으며, 상기 휘발성이 큰 유체 또는 상기 휘발성이 작은 유체의 정화는, 상기 휘발성이 큰 유체와 상기 휘발성이 작은 유체 사이의 재료 교환에 의해 수행될 수 있고, 상기 제1 패킹 층(10)은 스페이서 부재(24, 34, 44, 134, 144)를 통해 상기 제2 패킹 층(100)과 접촉되어 있다.

Description

유체를 정화하기 위한 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR PURIFYING FLUIDS}
본 발명은, 바람직하게 흡수 칼럼 또는 탈착 칼럼(desorption column)에서와 같이 유체의 정화를 위한 장치에서 수행되는 유체의 정화를 위한 방법에 관한 것이다. 상기 장치는, 압력 손실이 감소되는 구조 패킹(structured packing)을 포함한다. 패킹은 연돌 가스(stack gas)로부터의 CO2 흡수와 같이 수성 시스템에 의한 흡수 응용에 특히 적합하다.
구조 패킹의 원리는 흡수에서 수십년 동안 사용되었는데(K. Sattler "Thermische Trennverfahen"[Thermal Separation Processs{열분리 프로세스}], VCH Verlag, Weinheim 1995 참조), 그것은 입력될 에너지 및 흡수 칼럼의 구조 높이가 감쇠될 수 있기 때문이다.
구조 패킹은, 상업적 실시예에서, 서로의 뒤에 배치된, 서로 지속적으로 교차되는 경사진 채널을 가진 구조의 접힌 금속 시트로서 이루어진다. 이들 채널은 패킹 내의 기상 및 액상의 흐름에 긍정적으로 영향을 주어, 상들 사이의 대량 이송(mass transfer)을 용이하게 한다. 즉, 기상 및 액상은 패킹의 채널에서 접촉되어, 상들 사이의 대량 이송이 용이하게 된다.
구조 패킹의 분리 능력을 증가시키기 위해, 구조 패킹의 표면은 통상적으로 확대되며, 그것은 통상적으로 더 큰 수의 층 및/또는 더 조밀한 채널 기하학적 형상(tighter channel geometries)에 의해 달성된다. 전체 표면은, 계산에 의해, 패킹 층의 기하학적 형상 표면의 합으로서 얻어진다. 그러나, 이들 조치는 구조 패킹에서의 압력 강하를 증가시킨다. 그러나, 이것으로 인해, 압력 강하의 감소를 위해 작은 패킹 표면이 구비되어야 하여, 분리 능력 즉 패킹의 효율은 저하된다. 또한, 더 개방된 교차 채널이 구비될 수 있다. 더 개방된 교차 채널이라는 것은, 채널의 경사각이 흐름의 주방향에 대해 더 작도록 선택되는 것을 뜻한다. 이것은 응용에 따라 압력 강하와 가장 양호한 가능한 분리 능력 사이의 최적 조건을 찾아야 하는 것을 뜻한다.
그러나, 교차 채널은 더 많은 수의 접촉점을 가지는데, 그것은 어떤 응용에서는 긍정적 효과를 가지지만 다른 응용에서는 부정적 효과를 가질 수 있다.
유기 유체에 의한 정화 프로세스에서와 같이 양호한 젖음(wetting)을 가지는 액체 흐름에 의한 응용에서, 접촉점은, 충격 유체 흐름이 분할되어 채널의 측면으로 편향되는 효과를 가진다. 따라서, 유체의 횡방향 분포는 증폭되고, 효율은 향상된다. 또한, 접촉점은, 가스 흐름이 주로 채널의 방향으로 향하고 흐름의 주방향에 대해 평행하게 향하지 않는 효과를 가진다.
무반응 영역(dead zones)은 접촉점 주위에 형성될 수 있으며, 무반응 영역에서, 액체는, 구조 패킹에 위치되는 나머지 액체보다 작은 정도로 재료 교환에 참가한다. 이러한 현상은 US 6,378,332 B1로부터 이미 공지되어 있는데, 그러한 무반응 영역의 발생을 감소시키기 위한 극저온 정화(cryogenic rectification)를 위한 패킹이 기술되어 있다. US 6,378,332 B1에 따른 해결방안은, 각각의 개별 패킹 층의 교대로 높고 평평한 접힘에 의해 패킹 층들 사이의 접촉점의 수를 감소시키는 것이다. 그러나, 이와 관련하여, 작은 표면 장력이 전체 표면의 이상적 젖음을 발생시키는, 즉 접촉점 뒤의 영역이 여전히 액체로 젖는, 그러한 시스템이 요구된다. 이것으로부터, 효율적으로 이용 가능한 재료 교환 영역은 단지, 이상적인 경우에, 접촉점이 필요로 하는 접촉 표면 만큼만 다르다. 따라서, 접촉점만이, 효율적으로 이용 가능한 재료 교환 영역의 손실을 발생시킨다. 효율적으로 이용 가능한 재료 교환 영역은, 덜 휘발성인 유체 대부분의 경우에 액체에 의해 젖는 전체 표면의 일부로서 정의된다.
따라서, 정류 프로세스는 US 6,378,332 B1로부터 공지되어 있는데, 교차 채널 구조를 가진 구조 패킹이 사용되는데, 즉, 구조 패킹은, 서로에 대해 교차하여 위치되는 만곡되거나 접힌 금속 시트로 이루어진다. 인접 금속 시트는 굴곡부 봉우리를 따라 또는 에지를 따라 서로 접촉된다. 더 휘발성인 액체가 접힌 금속 시트들 사이에서 덜 휘발성인 유체에 대해 반대 방향으로 흐를 수 있어, 재료 교환이 일어날 수 있다. US 6,378,332 B1에, 2개의 인접 금속 시트들 사이의 접촉점의 수를 감소시키는 프로세스가 도시되어 있다. 이러한 목적을 위해, 굴곡부 봉우리 또는 각각의 금속 시트의 에지 중 몇개만 최대 높이를 가지도록, 굴곡부 봉우리 또는 에지의 높이를 변경시키는 것이 구비되었다. 금속 시트는 따라서 굴곡부 봉우리 또는 에지를 따라 최대 높이에서만 서로 접촉된다.
또한, 다른 문헌 예를 들면 EP1063009 또는 EP1216752에서, 인접 패킹 층들 사이에서 거리가 얻어지도록, 2개의 인접 패킹 층들 사이에 배치된 중간 부재를 예상하는 것이 제안되어 있다. 이들 중간 부재는, 가스 및/또는 액체의 흐름에 상당한 영향을 줄 수 있고, 압력 강하를 증가시킬 수 있는 큰 사이즈의 평평한 플레이트 부재이다.
대량 이송은 액체 제어 시스템에서 재료 교환 영역에 의해 결정적으로 영향을 받는다. 이것은 특히 화학 반응이 액상에서 일어날 때 적용된다. EP 0 671 963 B1은 이러한 목적을 위해, 통상적인 것보다 단위 부피당 더 많은 패킹을 수용하도로 패킹 층을 더 조밀하게 결합하는 것을 제안하였다. 더 높은 재료 소모 및 압력 손실의 증가는 이와 관련하여 불리하다.
놀랍게도, 이제, 다르게 배치되고, 한편으로는 가스 측에서의 압력 손실을 감소시키며 다른 한편으로는 전체 표면을 감소시키는, 더 적은 접촉점을 가지는 패킹이, 특히 화학 반응이 액상에서 일어날 때, 액체 제어 시스템에서 흡수 능력에 긍정적인 효과를 가진다는 것이 알려졌다.
따라서, 그러한 패킹 구조는 바람직하게 액체 제어 시스템, 및 가스 흐름으로부터 CO2를 흡수하기 위한 시스템에 사용될 것이다. 이러한 시스템에서, 대량 이송은 액상에서의 화학 반응에 의해 결정적 영향을 받는다. 이러한 CO2는, 예를 들면 발전소에서 발생하는 배기 가스에서 발생한다. CO2는 흡수에 의해 하류 흡수 시스템에서 배기 가스 흐름으로부터 분리되고, 압축되며, 후에 예를 들면 지하에 저장된다. 가능한 한 작은 압력 강하를 발생시키고 또한 높은 분리 능력을 가능하게 하는 구조 패킹이 흡수를 위해 필요하다.
따라서, 본 발명의 목적은, 가스 흐름을 발생시키기 위한 에너지가 절약될 수 있도록, 패킹 내에서의 압력 손실을 감소시키는 것이다. 그러나, 압력 손실은 재료 교환 영역을 희생시키면서 일어나지 않을 수 있다. 따라서, 압력 손실이 낮고 재료를 덜 사용하면서 전체 표면을 더 양호하게 사용하는 것을 특징으로 하는 재료 교환 장치 내에 패킹 배열을 구비하는 것이 목적이다.
이들 목적들은, 유체의 정화를 위한 장치에 있어서, 더 휘발성인 유체 및 덜 휘발성인 유체를 포함하며 구조 패킹을 포함하는 재료 교환 장치를 포함하며, 상기 구조 패킹은 제1 패킹 층 및 제2 패킹 층을 포함하고, 상기 제1 패킹 층 및 상기 제2 패킹 층은 굴곡부를 가지고 있으며, 상기 굴곡부에 의해 개방 채널이 형성되어 있고, 상기 제1 패킹 층의 상기 개방 채널은 상기 제2 패킹 층의 상기 개방 채널과 교차하고 있으며, 상기 개방 채널을, 상기 채널이 필름으로서의 상기 덜 휘발성인 유체에 의해 젖을 수 있도록, 상기 덜 휘발성인 유체가 통과해 흐를 수 있고, 상기 더 휘발성인 유체는 상기 필름 내에 위치되어 있으며, 상기 더 휘발성인 유체 또는 상기 덜 휘발성인 유체의 정화는, 상기 더 휘발성인 유체와 상기 덜 휘발성인 유체 사이의 재료 교환에 의해 수행될 수 있는, 유체의 정화를 위한 장치에 의해 충족된다. 상기 제1 패킹 층은, 상기 스페이서 부재는 상기 제1 또는 제2 패킹 층의 일부가 되도록, 스페이서 부재를 통해 상기 제2 패킹 층과 접촉되어 있다.
상기 스페이서 부재는 바람직하게 막대로서 이루어져 있다. 이제 그러한 스페이서 부재가 구비되면, 인접 패킹 층의 간격은 특히, 개방 채널을 경계짓는 정점에 상기 막대가 위치될 때, 증가될 수 있다. 정점이라는 것은, 채널의 2개의 인접한 측면들에 의해 형성된 팁으로서의 굴곡부 봉우리 또는 에지로서 이해될 수 있다. 패킹 층들 사이의 간격이 증가될 때, 패킹에 의해 취해진 전체 볼륨이 교환되지 않아야 하면, 더 작은 수의 패킹 층이 재료 교환 장치 내에 배치될 수 있다. 그러나, 이것으로부터, 패킹의 전체 표면이 감소된다.
이러한 설명은 바람직하게 전체 표면에 적용된다. 그러나, 이러한 설명은 특수한 응용을 위한 재료 교환 영역에는 적용될 수 없다는 것이 입증되었다. 재료 교환은, 더 많은 휘발성 유체 특히 가스의 정화를 위해 순차적으로 수행되는 복수의 부분 단계들에서 발생된다. 분리되어야 하는 가스 내에 포함되는 성분은 확산에 의해 액체의 계면으로 운반된다. 그 후에 성분들은 계면을 통과하여 액체 내에 위해져야 한다. 화학 반응은 또한 특히, 성분들이 액체 내에 갇힌 상태로 유지되고 액체와 함께 배출될 수 있도록, 액체 내에서 발생될 수 있다. 이제 액체 내에서의 확산 속도 또는 반응 운동인 앞의 부분 단계들과 비교하여 더 많은 시간을 소요하면, 이러한 확산 속도 또는 반응 운동은 전체 재료 교환에 대한 제한 요인을 형성한다. 재료 교환이 향상될 수 있도록, 액체를 위한 가능한 한 큰 재료 교환 영역을 구비하는 것이 필요하다. 교차점의 수의 감소로 인해 저하되는 가스측 대량 이송은, 상술한 액체 제어 응용에 대해 어떠한 결정적 역할도 하지 않는다. 본 발명의 또 다른 목적은, 재료 교환에서 접촉점으로 인한 바람직하지 않은 교환이 최소로 되도록, 접촉점의 배열을 선택하는 것이다.
상기 스페이서 부재는 특히, 앞의 실시예 중 어느 하나에 따른 장치에서 상기 제1 패킹 층의 가장자리 영역에 배치되어 있다. 상기 가장자리 영역은, 특히 상기 패킹 층의 에지 바로 옆까지 연장된 스트립이다. 상기 스트립은, 상기 패킹 층의 길이에 대응하는 길이를 가지고 있다.
상기 패킹 층의 길이는, 상기 재료 교환 장치에서, 상기 패킹 층의 수직 설치의 상태에서 수평 방향으로의 상기 패킹 층의 연장으로서 정의되어야 한다. 상기 패킹 층의 높이는, 상기 재료 교환 장치에서, 상기 패킹 층의 수직 설치의 상태에서 수평 방향으로의 상기 패킹 층의 연장으로서 정의되어야 한다. 수직이 아닌 축을 가진 재료 교환 장치에 대해서는, 상기 패킹 층의 길이는, 상기 재료 교환 장치의 축에 대해 직각인 평면에서의 상기 패킹 층의 연장으로서 정의되어야 하고, 패킹 층의 높이 하에서, 상기 패킹 층의 길이는 상기 재료 교환 장치의 축의 방향에서의 상기 패킹 층의 연장으로서 의도되었다.
상기 가장자리 영역을 형성하는 상기 스트립은, 상기 패킹 층의 길이에 대응하는 길이, 또는 상기 패킹 층의 높이에 대응하는 높이를 가진다. 상기 스트립은 또한, 상기 패킹 층의 에지에 대해 직각인 거리로서 정의된 폭을 가진다.
상기 폭은, 상기 패킹 층의 상기 굴곡부가 상기 재료 교환 장치의 축에 대해 배치된 각도에 의존한다. 상기 스트립은, 상기 스페이서 부재의 높이(h)의 최대 2배, 바람직하게 상기 스페이서 부재의 높이(h)의 최대 1.5배의 폭을 가지고 있고, h는 스페이서 부재의 길이로부터 다음과 같이 도출된다.
h = a cos(φ)
접촉점의 여전히 균일한 분포가 필요하지만 접촉점의 수가 감소되는 종래기술과는 대조적으로, 전체 표면에 걸친 접촉점의 이러한 균일한 분포가 본 발명에서 완전히 배제된다. 따라서, 보다 적은 접촉점이 더욱 조밀하게 함께 위치되면, 흐름 제한은 접촉점 뒤의 역류를 발생시켜, 접촉점 뒤의 젖지 않은 영역이 놀랍게도 감소된다. 따라서, 젖지 않은 표면을 가진 접촉점이 거의 없고, 요약하면 전체 표면에 대한 재료 교환 영역이 최대 비(ratio)로 된다.
상기 장치의 바람직한 실시예에 따라, 상기 스페이서 부재는 상기 패킹 층 각각에 위치되어 있다. 이러한 경우에, 모든 패킹 층은 동일한 구조를 가지며, 그것은 제조 노력 및/또는 비용을 감소시킨다. 패킹 층은 이러한 형태로 지속적으로 제조될 수 있어, 밴드는 연속적으로 접히고, 그 동안에 스페이서 부재 역시 생산된다. 스페이서 부재가 구비된 접힌 밴드는 필요한 크기로 절단된다. 사이즈에 맞춰 절단된 밴드 부분은 패킹 층을 형성하고, 제2 패킹 층은 회전되어, 패킹 층이 서로 인접하여 서로의 위에 위치될 때, 패킹 층의 교차 배치가 발생된다.
바람직하게, 상기 스페이서 부재는, 상기 제1 및 제2 패킹 층이 수직 정렬된 상태에서, 서로의 아래 또는 옆에 위치되어 있다. 스페이서 부재는 특히, 수직 또는 수평으로 연장된 접촉점의 로우(row)를 형성한다.
따라서, 본 발명의 또 다른 목적은, 동일한 수 또는 더 작은 수의 접촉점으로 향상된 안정성을 가진 구조 패킹을 제공하는 것이다. 상기 굴곡부는 안정성을 향상시키기 위해, 일정한 굴곡부 높이를 가지고 있다.
상기 장치는 특히 바람직하게 흡수 칼럼 또는 탈착 칼럼에 사용된다.
구조 패킹을 포함하는 재료 교환 장치에서 유체의 정화를 위한 방법은, 상기 재료 교환 장치에 덜 휘발성인 유체를 공급하는 단계, 공급된 상기 덜 휘발성인 유체를 전체 표면에 걸쳐 분배하는 단계, 상기 재료 교환 장치의 유체 입구 영역으로 더 휘발성인 유체를 공급하는 단계, 액체에 대해 반대방향으로 흐르는 상기 더 휘발성인 유체를 가스 입구 영역에서 상기 전체 표면에 걸쳐 분배하는 단계, 및 상기 패킹으로부터 나오는 상기 더 휘발성인 유체를 유체 출구 영역에 수집하는 단계를 포함하며, 상기 구조 패킹은 제1 패킹 층 및 제2 패킹 층을 포함하고, 상기 제1 패킹 층 및 상기 제2 패킹 층은 일정한 높이를 가지는 굴곡부를 가지며, 상기 굴곡부에 의해 개방 채널들이 형성되고, 상기 제1 패킹 층의 상기 개방 채널은 상기 제2 패킹 층의 상기 개방 채널과 교차하며, 상기 더 휘발성인 유체는 상기 유체 입구 영역으로부터 상기 유체 출구 영역의 방향으로 상기 개방 채널을 통해 흐르고, 상기 덜 휘발성인 유체는, 상기 채널을 통해 흐르는 상기 더 휘발성인 유체를 둘러싸고, 상기 채널벽을 따라 흐른다. 상기 제1 패킹 층은 스페이서 부재를 통해 상기 제2 패킹 층과 접촉되어, 상기 채널에 의해 형성되는 재료 교환 영역을 통해 상기 더 휘발성인 유체와 상기 덜 휘발성인 유체 사이에서 재료 교환이 발생한다.
상기 정화는, 상기 더 휘발성인 유체가 정화되어야 할 때, 상기 더 휘발성인 유체의 흐름으로부터 제거되어야 할 성분이 상기 덜 휘발성인 유체에 의해 취해지는 속도에 의존하거나, 상기 덜 휘발성인 유체가 정화되어야 할 때, 상기 덜 휘발성인 유체로부터 제거되어야 할 성분이 상기 덜 휘발성인 유체로부터 릴리스되는 속도에 의존하는 재료 교환에 의해 발생된다.
상기 더 휘발성인 유체는 특히 가스이고, 상기 프로세스는 예를 들면 CO2를 포함하는 가스의 정화를 위해 사용될 수 있다. 상기 덜 휘발성인 유체는, 화학 반응이 일어나는 액체이다.
전체 표면의 최대 액체 젖음은 스페이서 부재의 사용 및 접촉점의 배열에 의해 재료 교환 장치에서 가능하게 된다.
구조 패킹은 바람직하게, 접힘이 모두 균일하게 높은 패킹 층으로 이루어진다. 따라서, 특히 큰 직경을 가진 칼럼에서 특히 중요한 패킹의 높은 안정성이 발생된다. 개별 패킹 층들 사이의 접촉점의 수는 패킹 층들 사이에 스페이서 부재를 도입함으로써 본 발명에 따라 실현된다. 이들 스페이서 부재는, 특정 점들에서 상기 접힌 패킹 층에 적용되어, 패킹 층을 정의된 간격으로 정의된 점들에서 서로로부터 분리시키는, 예를 들면 와이어 또는 좁은 시트 금속 스트립으로 이루어지는 막대로서 이루어질 수 있다.
스페이서 부재는 패킹 층의 금속으로부터 디프드로잉(deep drawing) 또는 스탬핑에 의해 형성될 수 있거나, 굴곡부 층들 및 스페이서 부재의 필요한 위치들 사이의 골짜기형 오목부는, 접힘 높이가 더 낮도록, 변형된다.
스페이서 부재는 정의된 점들 예를 들면 패킹 층의 상부 에지 및 하부 에지에 적용된다. 개별 패킹 층이 서로의 위에 위치될 때, 채널은 패킹 층의 상부 에지 및 하부 에지에서 가장자리 영역에서 스페이서 부재에 접촉되어, 접촉점의 상당한 감소, 재료 교환 영역의 최대화, 및 동시에 개별 패킹 층의 안정성을 발생시킨다.
본 발명을 다음에서 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은, 복수의 패킹 층을 포함하는 본 발명에 따른 장치의 도면이다.
도 2a는 도 1에 따른 2개의 인접 패킹 층의 단면도이다.
도 2b는 굴곡부를 가진 2개의 인접 패킹 층의 도면이다.
도 3은, 덜 휘발성인 유체의 흐름 경로를 나타내는, 종래의 패킹 층의 도면이다.
도 4는, US 6,378,332의 해결방안에 따른 교차점을 나타내는 도면이다.
도 5는, 본 발명의 제1 실시예에 따른 교차점을 나타내는 도면이다.
도 6은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 교차점을 나타내는 도면이다.
도 7은, 본 발명에 따른 스페이서 부재의 배열의 변경예의 도면이다.
도 8a는 스페이서 부재의 크기를 나타내는 도면이다.
도 8b는, 도 8a의 실시예에 대한 삼각 관계의 도면이다.
도 9a는, 횡방향 부하 하에서의 종래기술에 따른 패킹의 변형을 나타내는 도면이다.
도 9b는, 횡방향 부하 하에서의 본 발명에 따른 패킹의 변형을 나타내는 도면이다.
도 10은 흡수 시스템의 도면이다.
도 11은, 액체 측에서 제어되는 대량 이송을 사용하는 흡수를 위한, 스페이서 부재를 가진 패킹과 스페이서 부재를 가지지 않은 패킹 사이의 비교를 나타내는 도면이다.
도 1은, 패킹 몸체를 형성하는 구조 패킹(7)의 몇개의 패킹 층을 포함하는 본 발명에 따른 장치(1)를 도시하고 있다. 2개의 액상 사이에서의 재료 교환을 위한 수단은 구조 패킹(7)으로서 이해된다. 구조 패킹(7)은 재료 교환 장치(2)에 사용된다. 재료 교환 장치는 특히 칼럼(5)으로서 이루어질 수 있다.
구조 패킹(7)은, 서로에 대해 규칙적으로 반복되는 기하학적 형상 관계에 있는 복수의 패킹 층으로 이루어진다. 인접 패킹 층의 간격은 예를 들면 이러한 기하학적 형상 관계를 위해 선택될 수 있다. 기하학적 형상 관계에 따라, 인접 패킹 층 서로로부터의 간격은 주기적으로 동일한 값을 가질 수 있어, 구조는, 동일하거나 적어도 주기적으로 동일한 간격을 특징으로 하는 패킹 층의 합으로부터 발생한다. 주기는 전체 구조 패킹에서 존재하여, 패킹에 규칙적 구조가 주어진다. 구조는 특히 굴곡부로서 이루어질 수 있다.
이와는 대조적으로, 벌크 충전 몸체(bulk-fill body) 패킹은 벌크 충전 몸체 즉 동일한 기하학적 형상 구조의 부재로 이루어지지만, 각각의 벌크 충전 몸체는, 이들 간격의 주기가 식별될 수 없도록, 인접 벌크 충전 몸체로부터 임의의 필요한 간격을 가질 수 있다. 벌크 충전 몸체는 충전체(fill)로서 칼럼 내로 도입된다. 더미(heap)는 개별적 벌크 충전 몸체의 무작위 배치에 의해 특징된다.
도 1에 따른 패킹 층은, 굴곡부를 가지는 박벽 부재로 이루어진다. 굴곡부의 섹션은, 굴곡부 봉우리인 상승부, 및 굴곡부 골짜기인 골짜기형 오목부의 주기적 반복 시켄스에 의해 특징된다. 이들 굴곡부는 특히, 예각으로 수렴하는 에지를 가진 지그재그 섹션을 가진 접힘부로서 이루어질 수 있다. 패킹 층은, 2개의 인접 패킹 층의 굴곡부가 흐름의 주방향에 대해 소정 각도로 경사지도록, 서로에 대해 배치된다. 인접 패킹 층의 굴곡부는 서로에 대해 교차하여 배치된다.
도 2a는, 도 1에 따른 구조 패킹(7)의 2개의 인접 패킹 층(10, 100)을 도시하고 있다. 제1 패킹 층(10)은 제2 패킹 층(100)에 인접하여 배치된다. 제1 패킹 층(10)과 제2 패킹 층(100)은 특히, 시트 금속 또는 금속 직물의 부재를 포함할 수 있지만, 그에 대한 대안으로서, 플라스틱 또는 세라믹 재료의 부재를 포함할 수도 있다. 상기 부재는 이와 관현하여 전체 패킹 층을 포함할 수 있지만, 패킹 층의 일부만 형성할 수도 있다. 상기 부재는, 특히 지그재그 섹션을 가지는 굴곡부, 또는 둥근 봉우리 및 골짜기 바닥을 가진 굴곡부를 포함하는 플레이트 형태를 가질 수 있다. 상기 부재는, 부식과 같은 화학적 영향, 온도와 같은 열적 영향, 또는 압력과 같은 기계적 영향에 대해 패킹 층이 더욱 견디도록 하기 위해 플라스틱 또는 세라믹의 코팅을 가질 수 있다.
도 2a의 제1 패킹 층(10) 및 제2 패킹 층(100)은, 패킹(7)의 제1 표면(8)의 상세사항을 보이도록 도시되었다. 패킹(7)의 제1 표면(8)은 흐름의 주방향(6)에 대해 실질적으로 직각으로 배치된다. 상대적으로 휘발성이 큰 유체 특히 가스가 상향으로 즉 설치물이 없는 칼럼(5) 내에서 칼럼(5)의 헤드의 방향으로 흐르는 흐름의 방향은 흐름의 주방향(6)이라고 지칭된다. 이에 대한 대안으로서, 반대 방향이 흐름의 주방향으로서 정의될 수도 있다. 이러한 경우에, 흐름의 주방향은, 휘발성이 덜한 유체 즉 통상적으로 액체가 설치물이 없는 칼럼을 통해 흐르는 즉 자유 낙하하는 방향에 대응한다. 패킹에서, 흐름의 방향은 흐름의 주방향으로부터 국부적으로 편향되는데, 그것은 흐름이 패킹의 패킹 층에 의해 편향되기 때문이다.
구조 패킹(7)의 제1 패킹 층(10)은 굴곡부를 가지며, 복수의 개방 채널(12, 14, 16)은 굴곡부에 의해 형성된다. 채널은, 제1 굴곡부 골짜기(22), 제1 굴곡부 봉우리(32), 및 제2 굴곡부 봉우리(42)를 포함한다. 제1 굴곡부 봉우리(32)와 제2 굴곡부 봉우리(42)는 제1 굴곡부 골짜기(22)를 경계짓는다. 제1 굴곡부 봉우리(32)와 제2 굴곡부 봉우리(42)는 제1 정점(33)과 제2 정점(43)을 가진다. 제2 정점(43)의 방향으로 연장되며 막대로서 이루어지는 스페이서 부재(44)는 제2 굴곡부 봉우리(42)의 제2 정점(43)에 형성된다. 제1 굴곡부 골짜기(22)는 골짜기 바닥(23)을 가진다. 스페이서 부재(44)는, 제1 굴곡부 골짜기(22)의 골짜기 바닥(23)으로부터 제2 굴곡부 봉우리(42)의 제2 정점(43)보다 제1 굴곡부 골짜기(22)의 골짜기 바닥(23)으로부터 더 큰 직각 간격(27)을 가지는 에지(45)를 가진다. 동일한 내용이 스페이서 부재(34)의 에지(35)에도 적용된다.
제1 굴곡부 봉우리(32)의 제1 정점(33)과 제1 굴곡부 골짜기(22)의 골짜기 바닥(23) 사이의 직각 간격은 굴곡부 높이(28)라고 지칭된다. 굴곡부 높이(28)는 따라서 직각 간격(27)보다 작다. 본 발명에 따른 패킹 층에서, 굴곡부 높이(28)는 특히 실질적으로 일정하며, 즉, 0.5mm의 범위에 놓이는 통상적 허용오차의 범위에 있다.
막대(34)는 또한 제1 정점(33)에 배치될 수 있다. 막대(24)는 또한 선택적으로 제1 골짜기 바닥(23)에 배치될 수 있다.
구조 패킹(7)의 제2 패킹 층(100)은 굴곡부를 가지며, 복수의 개방 채널(112, 114, 116)은 굴곡부에 의해 형성된다. 채널은, 제1 굴곡부 골짜기(122), 제1 굴곡부 봉우리(132), 및 제2 굴곡부 봉우리(142)를 포함한다. 제1 굴곡부 봉우리(132)와 제2 굴곡부 봉우리(142)는 제1 굴곡부 골짜기(122)를 경계짓는다. 제1 굴곡부 봉우리(132)와 제2 굴곡부 봉우리(142)는 제1 정점(133)과 제2 정점(143)을 가진다. 제1 정점(133)의 방향으로 연장되는 막대(134)는 제1 굴곡부 봉우리(132)의 제1 정점(133)에 형성된다. 제2 정점(143)의 방향으로 연장되는 막대(144)는 제2 굴곡부 봉우리(142)의 제2 정점(143)에 형성된다. 제1 굴곡부 골짜기(122)는 골짜기 바닥(123)을 가진다. 막대(134)는 에지(133)를 가지며, 막대(144)는, 제1 굴곡부 골짜기(122)의 골짜기 바닥(123)으로부터 제2 굴곡부 봉우리(142)의 제2 정점(143)보다 제1 굴곡부 골짜기(122)의 골짜기 바닥(123)으로부터 더 큰 직각 간격을 가지는 에지(145)를 가진다. 정점의 적어도 일부는 에지로서 이루어질 수 있다. 굴곡부 골짜기 중 적어도 몇개는 V자 형상으로 이루어질 수 있다. 골짜기 바닥과 정점 사이의 직각 간격은, 도 2a에 따른 패킹 층의 모든 굴곡부 봉우리에 대해 기본적으로 동일하다.
도 2b는, 정점들이 어떠한 예리한 에지도 형성하지 않고 둥근 부분으로서 이루어지는 굴곡부를 가지는 구조 패킹의 2개의 인접 패킹 층을 도시하고 있다. 그 외의 사항에 대해서는 도 2a의 설명을 참조하기 바란다.
도 3은, 재료 교환 영역 예를 들면 도 2a 또는 도 2b에 도시된 패킹의 패킹 층(10)에 대한 접촉점의 배열의 영향을 도시하고 있다. 도 3은 이와 관련하여 종래기술에 따른 배열을 도시하고 있다. 패킹 층(10)은, 도면의 평면에서 패킹 층(10)의 뒤에 있기 때문에 보이지 않는 패킹 층(100)을 덮는다. 패킹 층(10)의 제1 정점(33), 제2 정점(43), 및 그들 사이에 위치되는 골짜기 바닥(23)은 예로서 도시되었다. 제1 정점(33), 제2 정점(43), 및 골짜기 바닥(23)은 접힘 에지를 형성한다. 제1 정점(33) 및 제2 정점(43)은, 패킹 층(100)에 속하는 골짜기 바닥(123)에 놓인다. 각각의 패킹 층(10) 및 각각의 패킹 층(100) 각각은 자연히, 표시된 정점 및 골짜기 바닥과 다르지 않기 때문에 상세히 표시되지 않은 복수의 추가적 정점 및 골짜기 바닥을 포함한다. 도 3에서, 굴곡부 봉우리의 정점에 속하는 선은, 골짜기 바닥에 속하는 선보다 두껍게 표시되어 있다. 기다란 쇄선은 제2 패킹 층(100)의 굴곡부 봉우리의 정점을 위해 구비되어 있고, 짧은 쇄선은 패킹 층(100)의 골짜기 바닥을 위해 구비되어 있다. 도 3에서 원으로 표시된 접촉점(48)은, 패킹 층(10)의 골짜기 바닥과 패킹 층(100)의 정점이 만나는 점에서 발생한다. 접촉점(48)은 2개의 도시된 패킹 층(10, 100)에서 전체 표면에 걸쳐 균일하게 분포된다.
도 3으로부터, 접촉점이 서로 매우 가까이 위치되어, 덜 휘발성인 유체에 의해 젖지 않는 매우 많은 수의 작은 존(46), 따라서 전체 표면에 비하여 매우 작은 부분의 재료 교환 영역이 발생되는 것을 알 수 있다. 도 3에, 1개의 단일 존(46)만 도시되어 있으며, 화살표 47는 덜 휘발성인 유체의 흐름을 표시하고 있다.
도 4는, 예를 들면 US 6,378,332 B1에 제안된 바와 같은 패킹 층의 접힘부에 의해 접촉점이 감소되는 경우를 도시하고 있다. 화살표 47에 의해 표시된 덜 휘발성인 유체의 흐름으로 인해, 상당히 적지만 더 큰 젖지 않은 존(46)이 바람직하게 발생한다. 요약하면, 작은 부분의 재료 교환 영역이 전체 표면에 발생한다. 도 4에 따른 패킹 층의 기하학적 형상은 도 9에 상세히 도시되어 있다.
도 5는, 본 발명에 따른 2개의 인접한 패킹 층(10, 100)들 사이이 접촉점(48)의 배열을 도시하고 있다. 패킹 층(100)은 패킹 층(10) 뒤에 배치된다. 설명에 대해서 도 3을 참조한다. 접촉점의 수는 패킹 층(10)의 표면에 비하여 감소된다. 접촉점은 특히 전체 표면에 걸쳐 균일하게 분포되지 않는다.
패킹 층(10)은 제1 가장자리 경계(50) 및 제2 가장자리 경계(60)를 포함하며, 제1 가장자리 경계(50)는 제2 가장자리 경계(60)에 대해 실질적으로 평행하게 배치된다. 패킹 층의 수직 정렬에 의해, 제1 가장자리 경계(50)는 상부 계면에 걸치고, 제2 가장자리 경계(60)는 상부 계면에 걸친다. 패킹 층(10)은 또한 제1 가장자리 경계(51) 및 제2 가장자리 경계(61)를 포함한다. 제1 가장자리 경계(51) 및 제2 가장자리 경계(61)는, 패킹 내의 패킹 층의 수직 배열에 의해, 재료 교환 장치 특히 칼러의 내벽에 인접하여 연장되거나 세그먼트 경계를 따라 연장되며, 대형 재료 교환 장치에서는 추가적 패킹 세그먼트가 세그먼트 경계에 인접한다. 예를 들면 1m 이상의 큰 직경을 가진 재료 교환 장치에서, 패킹을 패킹 세그먼트로 분할하는 것이 생산 및 조립의 단순화를 위해 성공적이라는 것이 입증되었다. 패킹 세그먼트는 재료 교환 장치의 단면의 일부에 걸쳐서만 연장된다. 복수의 이들 패킹 세그먼트는 서로의 옆에 배치되어, 패킹 세그먼트의 합은 재료 교환 장치의 전체 단면 표면을 덮는다. 접촉점(48)은 제1 또는 제2 가장자리 경계(50, 51, 60, 61)의 근처에 배치된다. 접촉점은 바람직하게 스페이서 부재를 가진다. 이들 스페이서 부재는 오목부 또는 막대로서 이루어질 수 있다. 도 2a 또는 도 2b에 따른 스페이서 부재(34, 44) 중 하나와 동일한 구조를 가질 수 있는 복수의 스페이서 부재는 제1 가장자리 경계(50, 51)의 근처에 배치된다.
대안으로서 또는 추가적으로, 복수의 스페이서 부재(24)가 제2 가장자리 경계(60, 61)의 근처에 배치될 수 있다. 스페이서 부재는 또한 자연히 제1 및 제2 가장자리 경계 중 하나 이상의 가장자리 경계의 근처에 위치될 수 있다.
도 6에서, 접촉점이 서로의 옆에 배치되지 않고 서로의 위에 배치되는 추가적 변경예가 도시되어 있다. 여기에서도, 접촉점을 따라 하류로 흐르는 액체는 접촉점들 사이의 젖지 않는 영역을 최소화한다.
도 5에 따른 접촉점의 수평 배열은, 서로의 위에 배치되는 2개의 패킹들 사이의 경계에 액체가 유지되기 때문에, 젖지 않는 존은 가장자리에 가까운 하부 접촉점 뒤에 형성될 수 없다는 이점을 가진다. 접촉점을 가장자리 경계(50, 60, 51, 61)의 근처에 위치시키는 것이 일반적으로 이점을 가지는데, 그것은 여기에서 젖음이 다른 간섭 영향으로 인해 이미 바람직하지 않기 때문이다. 대조적으로, 접촉점이 패킹 층의 내부에 위치되면, 전체 표면의 추가적 일부가 불량하게 젖으며, 그것은 그렇지 않으면 간섭이 없이 유지될 것이다.
본 발명에 따른 패킹 층(10)이 도 7에 도시되어 있다. 패킹 층(10)은 또한 도 7에 단면도로 도시되어 있다. 관련 구조 패킹(1)은 제1 패킹 층(10) 및 제2 패킹 층(100)을 포함하며, 제2 패킹 층(100)은 바람직하게 제1 패킹 층(10)과 유사한 굴곡부를 가진다. 제1 패킹 층(10) 및 제2 패킹 층(100)은, 제1 패킹 층(10)의 채널이 제2 패킹 층(100)의 채널과 교차하도록 배치된다. 제1 패킹 층(10)은 하나 이상의 막대(24, 44)를 통해 제2 패킹 층(100)과 접촉된다. 막대는 제1 및 제2 패킹 층(10, 100) 각각에 배치된다. 막대는 바람직하게 도 5 또는 도 6에서와 같이 배치된다. 제2 패킹 층(100)은 간결성을 위해 도 7에 도시되지 않았다. 제1 패킹 층(10)의 막대들은 제2 패킹 층(100)의 막대들과 접촉된다. 제1 가장자리 경계(50)의 근처에 위치되는 막대(44)는 바람직하게 패킹 층(10)의 제1 측면(11)에 상승된 부분으로서 이루어지도록 배치된다. 제2 가장자리 경계(60)의 근처에 위치되는 막대(24)는 바람직하게 패킹 층(10)의 제2 측면(13)에 상승된 부분으로서 이루어지도록 배치된다. 패킹 층(10)의 제1 측면(11)은 제2 측면(13)에 대해 반대쪽에 배치되며, 패킹 층의 일면을 형성한다.
막대는 특히 제1 및 제2 패킹 층(10, 100)의 수직 정렬에서 서로의 아래에 배치될 수 있다. 이것에 대한 대안으로서 또는 이것과 조합으로, 막대는 제1 및 제2 패킹 층의 수직 정렬에서 서로의 옆에 배치될 수 있다.
막대 또는 배타적으로 막대이어야 할 필요가 없는 다른 스페이서 부재들은 또한 패킹 층(10, 100)의 정점을 따라 배치될 수 있다. 그러한 스페이서 부재는, 직각 접기 높이를 넘어 돌출되는 임의의 필요한 상승된 부분에 의해 형성될 수 있다. 접기 높이는 굴곡부 봉우리와 인접 굴곡부 골짜기 사이의 간격으로서 이해된다. 굴곡부 골짜기가 그 정점에 한정된 곡률을 가지면, 간격은, 서로에 대해 평행하게 위치되는 2개의 정점 접선의 직각 간격으로서 정의된다. 곡률이 한정되지 않으면, 즉 정점이 예리하여 가장 높은 점이 명확히 한정된 접선을 가지지 않으면, 패킹 층의 측면의 모든 정점을 포함하는 평면이, 가장 높은 점들을 통해 위치된다. 굴곡부 골짜기 및 추가적 굴곡부 골짜기의 모든 점을 포함하는 평면이, 굴곡부 골짜기의 가장 낮은 점들을 통해 위치된다. 상기 2개의 평면은 서로 평행하여야 한다. 이로부터, 접기 높이는 2개의 평면들 사이의 직각 간격이어야 한다. 그러한 스페이서 부재는 정점 또는 에지의 일부에 걸쳐 연장된다. 스페이서 부재는 패킹 층을 위한 블랭크(blank)로부터 예를 들면 패킹 금속 시트로부터 디프드로잉(deep drawing)에 의해 제조될 수 있거나, 상부 에지를 따라 스트랜드형 부재 예를 들면 와이어 부재 또는 막대 부재를 위치시킴으로써 형성될 수 있다. 스페이서 부재는 바람직하게 굴곡부 봉우리 또는 접기부의 골짜기의 정점에서 일면에 적용된다. 스페이서 부재는 바람직하게 반대쪽 또는 동일한 가장자리 영역(50, 60)을 따라 적용된다.
이러한 배치의 이점은, 블랭크가 무한히 길게 제조될 수 있다는 것이다. 그러한 블랭크는 예를 들면 플레이트형 금속 시트로서 밴드 재료로 이루어질 수 있다. 그 후에, 밴드 재료로부터 특정 길이의 부분들이 절단된다. 이들 부분들은 예를 들면 굽힘 프로세스에 의해 굴곡부로 변환된다. 이에 대한 대안으로서, 굴곡부를 이미 가진 밴드 재료가 사용된다. 그러면, 길이로 절단되고 굴곡부를 가지는 부분은 패킹 층을 형성한다. 디프드로잉 절차는, 스페이서 부재가 굽힘 절차 동안에 디프드로잉에 의해 제조되도록, 굽힘 프로세스 동안에 이들 굴곡부에 중첩될 수 있다. 이에 대한 대안으로서, 막대들 사이의 영역이 막대에 대해 다른 높이를 가지도록, 막대들 사이의 영역이 여러 가지로 다르게 굽혀지거나 하향 프레스되는 생산 프로세스가 가능하다. 제1 패킹 층(10) 및 제2 패킹 층(100)은 모든 제2 굴곡부를 회전시킴으로써 매칭 방식으로 서로의 위에 위치된다. 스페이서 부재의 각각의 로우(row)는 상부 및 하부 가장자리 경계 근처에서 및/또는 측방향 가장자리 경계 근처에서 모든 패킹 층들 사이에 위치된다.
도 8a 및 도 8b는 제1 패킹 층(10)의 굴곡부의 정점(33, 43) 상의 디프드로잉된 스페이서 부재의 길이를 결정하는 것을 도시하고 있다. 정점(33, 43)은 흐름의 주방향(6)에 대해 각도(φ)로 경사져 배치되며, 제1 정점(33)으로부터 제2 정점(43)까지의 간격(b0)을 가진다. 간격(b0)은 특히 이와 관련하여 일정할 수 있다. 간격(b0)은 또한 제1 골짜기 바닥(23)과 제2 골짜기 바닥(26) 사이에 있다. 도 8a 및 도 8b에서, 제1 골짜기 바닥(23)은 제1 굴곡부 골짜기(22)와 일치되고, 제2 골짜기 바닥(26)은 제2 굴곡부 골짜기(25)와 일치된다. 스페이서 부재(24, 34, 44)의 길이는 도 8a 및 도 8b에서 "a"로 표시되어 있다. 길이 "a"는 관련 정점의 방향에서 스페이서 부재의 길이방향 연장이다. 길이 "a"는 바람직하게, 제1 패킹 층(10)의 각각의 정점이 인접 제2 패킹 층(100)의 정점과의 교차점을 가지도록 선택되며, 정확히 교차점에 스페이서 부재가 위치된다. 패킹 층(10)의 스페이서 부재는 제2 패킹 층(100)의 정점의 접촉점과 접촉된다. 접촉점은, 제2 패킹 층(100)의 스페이서 부재의 일부이어야 하는 것은 아니지만 스페이서 부재의 일부일 수 있다.
a = b0/sin(2φ)
이러한 관계는, 제1 패킹 층의 경사각(φ)이 제2 패킹 층의 경사각과 동일한 크기를 가진다는 가정 하에 얻어졌다.
도 8a 및 도 8b는 이러한 가정에 기초한다. 스페이서 부재의 길이(a)는 정확히 제2 패킹 층 또는 제2 패킹 층의 굴곡부 봉우리의 1개의 스페이서 부재와 교차되는 크기이어야 한다. 따라서, 교차점(A)이 제1 스페이서 부재의 단부점에 바로 위치되면, 교차점(B)은 제2 스페이서 부재의 길이(a)의 약간 밖에 있다. 이러한 극소한 차이는 도면에 도시될 수 없기 때문에, 도 8b에서 제2 패킹 층의 제1 굴곡부 봉우리에 대해 2개의 교차점이 도시되어 있다.
제2 패킹 층이 도 8b의 패킹 층의 위치에 대해 좌측으로 수평 이동되면, 교차점(A)은 스페이서 부재의 길이(a)를 따라, 교차점(A)에 대해 반대쪽에 위치되는 스페이서 부재의 단부까지 이동된다.
도시된 경우에, 제2 패킹 층은, 스페이서 부재와의 교차점이 점(A)에 존재하지만, 스페이서 부재와의 교차점은 실제로 점(B)에 존재하지 않는 애매한 경우가 발생하도록, 위치된다. 2개의 인접 패킹 층(10, 100)의 경사각은 동일한 크기이기 때문에, 제2 패킹 층의 굴곡부 봉우리의 정점을 따른 간격(AB)은 마찬가지로 스페이서 부재의 길이(a)에 대응한다.
따라서, 측변 길이(x, a, a)를 가지는 삼각형(ABC)은 이등변 삼각형이다. 또한, 2개의 측변(a) 사이에 걸친 각도는 정확히 2φ에 달한다. 파장(b0), 즉 제1 패킹 층의 굴곡부 봉우리의 2개의 인접 정점들 사이의 직각 간격이 마찬가지로 도시되어 있다. 이러한 삼각형은 직각을 가져야 하고, 에지(B)에서 각도(2φ)를 포함한다.
따라서, 경사각(φ)과 파장(b0)을 사용하면, a를 위한 바람직한 관계가 발생된다.
a = b0/sin(2φ)
스페이서 부재의 높이는 바람직하게 층 높이의 10 내지 30%의 범위에 놓여, 바로 이러한 값 범위의 갭이 개별 패킹 층 사이에 발생된다. 갭은 수성 시스템에 대해 1.5mm의 최소값에 달한다. 좁은 갭은 불리한데, 그것은 액체 특히 물이 2개의 인접 에지 사이에 갇혀 그곳에 남아 있을 수 있으며 액체 브리지를 형성할 수 있다.
도 9a에, 접촉점의 감소를 위해 다른 높이를 가지는 접힘부를 가지는 공지된 구조 형상에 따른 패킹 층이 도시되어 있다. 이러한 구조 형상의 단점은, 상부 측부 및 하부 측부에 부하가 걸리고 화살표(20, 21)가 힘의 방향을 나타낼 때, 패킹 층이 압축된다는 것이다. 접힘부는 제1 정점(65), 제2 정점(85), 및 상기 정점들 사이에 위치되는 굴곡부 골짜기(75)를 포함한다. 제1 및 제2 정점(65, 85)은, 도시되지 않은 인접 패킹 층과 접촉될 수 있다. 접힘부를 형성하는 중간 굴곡부 골짜기(66) 및 중간 굴곡부 봉우리(67)는 제1 정점(65)과 골짜기 바닥(75) 사이에 위치된다. 중간 굴곡부 골짜기(66)는 중간 골짜기 바닥(68)을 가지며, 중간 굴곡부 봉우리(67)는 중간 정점(69)을 가진다. 중간 골짜기 바닥(68)과 중간 정점(69) 사이의 직각 간격(70)은, 정점(65)과 골짜기 바닥(75) 사이의 직각 간격(71)보다 작다. 직각 간격(70)은 도 9a에 도시된 실시예에서 직각 간격(71)의 대략 반이다. 반의 높이의 접힘부는 따라서 중간 굴곡부 골짜기(66) 및 중간 굴곡부 봉우리(67)에 의해 형성된다. 반의 높이의 접힘부는 굴곡 존으로서 작용하여 변형될 수 있다. 한편, 이러한 변형에 의해 안정된 패킹 몸체는 형성될 수 없고, 다른 한편, 패킹의 고정된 층 높이는 관찰될 수 없다. 층 높이는 앞에서 정의된 직각 간격(71)에 대응한다.
이러한 문제는 본 발명에 따른 구조 형상에 의해 피할 수 있다. 도 9b에 도시된 바와 같이, 각각의 접힘부에 스페이서 부재를 가지는 패킹 층은 훨씬 적게 압축될 수 있어, 패킹 층은 상부 측면 및 하부 측면에서 더 높은 부하에 노출될 수 있다. 이것은 안정한 패킹 몸체의 디자인을 가능하게 하고, 실질적으로 일정한 층 높이를 확보한다.
도 10은 흡수 시스템(90)을 도시하고 있다. 흡수 시스템(90)은 2개의 재료 교환 장치, 및 특히 칼럼으로서 이루어지는 흡수기(91) 및 탈착기(92)를 포함한다. 흡수 시스템 내의 흡수기(91)에서 하나 이상의 성분이 가스 흐름으로부터 분리된다. 탈착기(92)에서, 용제 또는 흡착제는, 취해진 성분들로부터 정화된다.
흡수 및 정류는 모두, 존재하는 공급 흐름(93)으로부터 하나 이상의 성분을 분리하는 분리 프로세스이다. 정류는, 개별적 성부의 다른 비등점에 기초하여 액체 혼합물을 분리하기 사용되며, 정류는, 특히 복수의 분리 단계를 포함하는 연속적 증류로 이해되어야 한다. 대조적으로 흡수시에, 하나 이상의 성분이 적절한 용제 또는 흡착제의 도움을 받아 가스 흐름으로부터 분리된다. 따라서 흡수기(91)의 전체 제품은 정화된 가스 흐름(95)이다. 흡수기(91)의 하부 제품은, 성분이 로딩되는 흡착제 또는 용제이다. 경제적, 에너지적 또는 생태학적 이유로, 흡착제 또는 용제를 정화하여, 정화된 흡착제 또는 용제(94)로서 흡수기로 다시 공급하는 것이 의미가 있을 수 있다. 흡착제 또는 용제의 정화는 탈착기(92) 내에서 이루어진다. 로딩된 흡착제 또는 용제 즉 흡수기의 하부 제품(96)은 탈착기의 공급 흐름을 형성한다. 이러한 공급 흐름은 도 10에 따라 액체로서 탈착기에 공급된다. 탈착기(92)는 앞의 실시예들 중 어느 하나에 따른 하나 이상의 패킹을 포함할 수 있다. 로링된 용제 또는 흡착제는 섬프(sump)(95)의 방향으로 흐른다. 흡착제 또는 용제는 섬프 내에서 적어도 부분적으로 증발되고, 그러한 목적을 위해 섬프 증발기(98)가 구비된다. 섬프 증발기 내에서 증발된 흡착제 또는 용제는 분리될 성분을 포함하고, 칼럼 내에서 상승되는 동안에, 섬프의 방향으로 흐르는 로딩된 흡착제 또는 용제의 공급 흐름으로부터 분리될 성분을 흡수한다. 분리될 성분이 포함된 기상 부분 흐름(99)은 따라서 탈착기 내에서 발생된다. 분리될 이들 성분들은 열적으로 즉 응축에 의해 또는 다른 하류 분리 스텝을 통해 기상 부분 흐름(99)으로부터 분리될 수 있다.
이에 대한 대안으로서 또는 이에 더하여, 탈착기가 흡수기보다 높은 압력에서 작동되어야 할 때, 탈착기를 흡수기 또는 압축 장치보다 낮은 압력에서 작동시키고자 하면, 팽창 장치가 구비될 수 있다.
가스와 액체 사이의 대량 이송은 일반적으로 정류에서 양쪽 방향으로 섬프로부터 헤드로의 온도 강하에 기초하여 발생된다. 더 높은 비등점을 가진 유체는 기상으로부터 응축되어 액체 내에 흡입되고, 더 낮은 비등점을 가진 유체는 액상으로부터 기상으로 증발된다. 흡수시에, 대량 이송은 일방향으로만 발생되며, 가스는 여기에서 액체에 의해 흡수된다.
정류와 흡수 사이의 차이는, 정류에서는 가스 흐름과 액체 흐름은 서로 결합되지만, 흡수에서는 대조적으로 두 가지 흐름은 서로 독립적으로 세팅될 수 있고, 정류시에 특정 량의 액체가 증발되어 칼럼 헤드의 방향으로 칼럼을 따라 상승된다는 것이다. 모든 증기는 칼럼 헤드에서 응축되어 적어도 부분적으로 다시 액체 흐름으로서 칼럼 내로 되돌려 인도된다. 따라서, 최대로 생각할 수 있는 액체량은, 칼럼 헤드에 도달하는 증기의 전체 응축된 양일 것이다. 더 많은 액체가 섬프에서 증발되면, 더 많은 액체가 되돌려 흐를 수 있다. 이와 관련하여 두 가지 흐름은 서로 결합될 수 있으며, 대량 이송은 증기 흐름에 결정적으로 의존한다. 정류 응용은 따라서 일반적으로 가스 측에서 제어된다.
이와 대조적으로, 여러 가지 다른 작동 상태가 펌프와 팬의 도움으로 흡수 응용에서 세팅될 수 있다. 대량의 흡착제 흐름이 비교적 적은 가스 흐름과 접촉될 수 있고, 그 역으로도 될 수 있다. 또한, 흡착제는 여러 가지 방식으로, 물리적으로, 화학 반응으로, 또는 물리적 및 화학적으로 가스 성분들을 흡착제에 결합시킬 수 있다. 이와 관련하여, 특정 가스 성분을 위한 흡착제 또는 용제의 선택 및 가스 및 액체 내의 응축은, 대량 이송이 가스 측에서 더 많이 제어되는지 또는 액체 측에서 더 많이 제어되는지에 대해 결정적이다.
스페이서 부재를 포함하는 패킹의 원형은 본 발명에 따른 패킹의 실제성을 체크하기 위해 제조되었으며, 몇개의 패킹 층이 종래의 패킹으로부터 제거되었고, 자유롭게 된 공간은 다른 패킹 층들 사이에 삽입된 동일한 두께의 스페이서 부재에 의해 균일화되었다. 따라서 각각의 패킹 층은 고정 정의된 간격을 2개의 인접 패킹 층에 포함하여, 정의된 폭을 가진 갭이 모든 패킹 층들 사이에 형성된다. 조사된 경우에, 폭은 1.5mm에 달한다. 또한, 원형에서의 접촉점의 수는 79,500m-3로부터 18,000m-3으로 감소되고, 전체 표면은 205m2/m3 190m2/m3으로 감소된다. 전체 표면의 감소는, 다른 조치가 이러한 손실을 다시 보상할 수 없다면, 분리 능력 또는 패킹의 효율의 감소가 수반되어야 한다. US 6,378,322 B1에 따라, 전체 표면의 감소에도 불구하고 정류에서 바람직한 분리 효과를 보이는 실시예가 가능하다.
상술한 원형은 먼저 정류 응용에서 테스트되었다. 패킹은 이러한 목적을 위해 250mm의 내경을 가진 테스트 칼럼 내에 설치되었고, 테스트 시스템 클로로벤젠/에틸벤젠을 사용하여 측정되었다. 테스트 문헌은 앞에서 가정되었던 것을 보여주었는데, 즉, 갭으로 인해 발생하는 더 개방된 단면 표면으로 인해, 패킹에 걸친 압력 손실은, 스페이서 부재를 가지지 않은 패킹에 비하여 약간 감소되었다. 대조적으로, 전체 표면의 감소는 분리 능력을 감소시켰다. 스페이서 부재를 가진 패킹은, 스페이서 부재를 가지지 않은 패킹보다 적은 미터당 분리 스테이지(NTSM: 미터당 이론적 스테이지의 수)를 가진다. 로딩점(loading point) 아래의 점, 이러한 예에서 F 계수 3Pa0.5 아래의 점은 비교에 대해 결정적이다. F 계수는, 가스 밀도의 평방근(root)을 곱한 빈 칼럼 내의 평균 가스 속도의 척도이다. F 계수는 가스의 운동 에너지에 비례한다. 로딩점은 증가된 가스-액체 상호작용의 점으로서 이해된다.
대응 NTSM 값은 스페이서 부재를 가진 패킹에 대해서는 1.6/m에 달하고, 스페이서 부재를 가진 패킹에 대해서는 1.7/m에 달한다. NTSM 값은 분리 능력의 특성이다. NTSM 값이 높을 수록, 패킹의 분리 능력은 크다. 분리 능력은 따라서 전체 표면에 대해 향상되지 않았다.
따라서, 이들 현재의 발견은, 감소된 접촉점 및 패킹 층들 사이의 더 큰 간격을 가진 본 발명에 따른 패킹은 바람직하게 압력 손실을 감소시키지만, 정류에서 분리 능력을 감소시킨다는 것을 나타낸다. 따라서, 그러한 패킹은 정류에서 사용되지 않으며, 따라서 정류에 대해 명백히 이점을 가지는 US 6,378,322 B1에 기술된 패킹과는 기본적으로 다르다.
놀랍게도, 추가적 시험에서, 본 발명에 따른 패킹이 전체 표면당 분리 능력을 향상시키는 매스 시스템(mass system)이 있다는 것이 알려졌다. 이와 관련하여, 일반적으로 전체 표면의 불량한 젖음을 발생시키는 경향이 있는, 통상적으로 수성 시스템인, 큰 표면장력을 가진 시스템에 주로 관심이 집중된다. 수성 용액은 무엇보다 흡수에 점점 많이 사용되며, 상기 수성 용액은, 이용 가능한 표면만, 높은 표면장력으로 인해 매우 높은 볼륨 흐름으로 액체 필름으로서 완전히 젖게 한다. 대조적으로, 패킹의 전체 표면의 불량한 젖음은 분리 능력을 감소시킨다. 따라서, 구조 패킹은 흡수 응용에서 다음의 성질을 가져야 하는데, 즉, 패킹에 걸친 압력 손실이 낮아야 하고, 가능한 한 큰 전체 표면이 구비되어야 하며, 전체 표면은 액체에 의해 가능한 한 완전히 젖어야 한다.
따라서 접촉점의 감소가 향상된 흡수 능력을 발생시키는 가정은 다음과 같은데, 즉, 사용된 유체의 불량한 젖음 성질로 인해, 액체에 의해 전혀 젖지 않은 존이 패킹 층 상의 접촉점 뒤에 형성된다는 것이다. 따라서, 전체 표면은 액체에 의해 완전히 젖지 않을 수 있다. 액체는 접촉점에서 흐르는 것이 방지되고, 유지되며 측부로 편향된다. 또한, 물이 필름으로서 평면 아래로 흐르고, 도입된 물체(예를 들면 평면에 위치된 손가락)에 의해 흐름이 갑짜기 교란될 때, 유사한 현상이 관찰될 수 있다. 필름 흐름은 물체 뒤까지 개방되어, 건조한 젖지 않은 표면이 발생하며, 건조한 표면은 물체가 흐름으로부터 제거될 때에만 다시 젖는다.
조사된 매스 시스템은 액체 측에서 제어된 수성 시스템이다. 주변 공기에 있는 CO2는 흡수되어, 부식성 알칼리액에 의해 화학적으로 결합된다. 액체 내에서의 화학 반응은 이와 관련하여, 흡수가 원리상 기상과 액상 사이의 계면으로 제한되도록 신속히 발생한다. 이것은, 전체 표면 내의 재료 교환 영역의 부분은 여기에서 결정적으로 중요한 것을 뜻한다. 모든 다른 기구는 단지 종속적 역할을 할 뿐이다.
적절한 상관관계[더스(Duss) 등의 "유효 계면 영역, 및 높은 액체 부하에서의 너터 링의 액체 저지(Effective Interfacial Area and Liquid Hold-up of Nutter Rings at High Liquid Loads)", 케미컬 엔지니어링 앤드 테크놀로지(Chemical Engineering & Technology) 24(7), 2001년, 페이지 716-723 참조)에 의해, 효율적으로 이용 가능한 재료 교환 영역은 얻어진 측정 결과로부터 직접 결정될 수 있다. 도 11에 도시된 바와 같이, 스페이서 부재 및 감소된 수의 접촉점을 가진 패킹은, 스페이서 부재를 가지지 않으며 작은 전체 표면에도 불구하고 많은 수의 접촉점을 가지는 더 큰 재료 교환 영역을 발생시킨다. 이것은, 액체 측에서 제어된 매스 시스템에의 분리 능력은 실제로 접촉점의 감소 및 접촉점의 적절한 배열에 의해 향상될 수 있다는 것을 뜻한다. 압력 손실은 스페이서 부재의 사용에 의해 동일하게 감소될 수 있고, 재료의 양은, 작은 수의 패킹 층이 필요하기 때문에, 감소될 수 있다. 도 11의 아래의 곡선은, 덜 휘발성 유체에서 재료 교환 장치의 부하가 증가되는, MellapakTM 형태의 시판중인 구조 패킹을 위한 재료 교환 영역을 도시하고 있는데, 부하(L)는 x 축에서 m/m h 단위로 입력된다. 도 11의 위의 곡선은, 상기 아래의 곡선과 비교하여, 본 발명에 따른 구조 패킹을 위한 전체 표면에 대한 재료 교환 영역을 도시하고 있다. 고려되는 모든 측정된 점에 대해, 상기 비(ratio)는, 스페이서 부재를 가지지 않는 패킹에 대해서보다 스페이서 부재를 가진 패킹에서 더 크다.
그러한 시스템은 주로, 문제가 있는 성분이 반응성 수성 용액의 도움으로 배기 가스 흐름으로부터 제거되어야 하는 배기 가스의 흡착제 준비에 사용된다. MEA 또는 칼륨과 같은 유기 또는 무기 기본 물질을 포함할 수 있는 수성 흡착제의 도움으로 발전소 배기 가스로부터의 환경에 해로운 CO2의 흡수는 여기에서 일예이다.
그러한 매스 시스템에서, 감소된 수의 접촉점을 가진 패킹은, 많은 수의 접촉점을 가지며 패킹 층들 사이의 갭을 가지지 않는 필적할 만한 패킹에 비하여 압력 강하의 상당한 감소 및 놀랍게도 분리 능력의 증가를 보인다.
따라서, 패킹은, 기본적 수성 용액을 사용하여 발전소 배기 가스로부터 특히 CO2의 흡수에 사용하기에 매우 적합하다.

Claims (22)

  1. 유체의 정화를 위한 장치에 있어서,
    휘발성이 상대적으로 큰 유체 및 그보다 휘발성이 작은 유체를 포함하며 구조 패킹을 포함하는 재료 교환 장치를 포함하며,
    상기 구조 패킹은 제1 패킹 층(10) 및 제2 패킹 층(100)을 포함하고,
    상기 제1 패킹 층(10) 및 상기 제2 패킹 층(100)은 굴곡부를 가지고 있으며,
    상기 굴곡부에 의해 개방 채널(12, 14, 16, 112, 114, 116)이 형성되어 있고,
    상기 제1 패킹 층(10)의 상기 개방 채널(12, 14, 16)은 상기 제2 패킹 층의 상기 개방 채널(112, 114, 116)과 교차하고 있으며,
    상기 개방 채널(12, 14, 16, 112, 114, 116)을, 상기 채널이 상기 휘발성이 작은 유체에 의해 젖을 수 있도록, 상기 휘발성이 작은 유체가 통과해 흐를 수 있고,
    상기 휘발성이 작은 유체의 필름은 상기 채널의 표면에 형성되어 있으며,
    상기 휘발성이 큰 유체 또는 상기 휘발성이 작은 유체의 정화는, 상기 휘발성이 큰 유체와 상기 휘발성이 작은 유체 사이의 재료 교환에 의해 수행될 수 있고,
    상기 제1 패킹 층(10)은, 상기 스페이서 부재는 상기 제1 또는 제2 패킹 층(10, 100)의 일부가 되도록, 스페이서 부재(24, 34, 44, 134, 144)를 통해 상기 제2 패킹 층(100)과 접촉되어 있는,
    유체의 정화를 위한 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스페이서 부재(24, 34, 44, 134, 144)는 막대로서 이루어져 있는, 유체의 정화를 위한 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 스페이서 부재는, 상기 개방 채널(12, 14, 16, 112, 114, 116)을 경계짓는 정점(33, 43, 133, 143)들에 위치되어 있는, 유체의 정화를 위한 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스페이서 부재(24, 34, 44)는 상기 제1 또는 제2 패킹 층(10, 100)의 가장자리 영역에 배치되어 있는, 유체의 정화를 위한 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 가장자리 영역은, 상기 패킹 층(10, 100)의 에지 바로 옆까지 연장된 스트립을 포함하는, 유체의 정화를 위한 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 스트립은, 상기 패킹 층(10, 100)의 길이에 대응하는 길이를 가져, 상기 패킹 층(10, 100)의 길이는, 상기 재료 교환 장치에서, 상기 패킹 층(10, 100)의 수직 설치의 상태에서 수평 방향으로의 상기 패킹 층(10, 100)의 연장인, 유체의 정화를 위한 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 스트립은, 상기 패킹 층(10, 100)의 길이에 대응하는 길이를 가져, 상기 패킹 층(10, 100)의 길이는, 상기 재료 교환 장치의 축에 대해 직각인 평면에서의 상기 패킹 층(10, 100)의 연장인, 유체의 정화를 위한 장치.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 스트립은, 상기 패킹 층(10, 100)의 높이에 대응하는 높이를 가져, 상기 패킹 층(10, 100)의 높이는, 상기 재료 교환 장치에서, 상기 패킹 층(10, 100)의 수직 설치의 상태에서 수평 방향으로의 상기 패킹 층(10, 100)의 연장인, 유체의 정화를 위한 장치.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 스트립은, 상기 패킹 층(10, 100)의 높이에 대응하는 높이를 가져, 상기 패킹 층(10, 100)의 높이는, 상기 재료 교환 장치의 축의 방향에서의 상기 패킹 층(10, 100)의 연장인, 유체의 정화를 위한 장치.
  10. 제5항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스트립은 상기 스페이서 부재의 높이의 최대 2배의 폭을 가지고 있는, 유체의 정화를 위한 장치.
  11. 제5항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스트립은 상기 스페이서 부재의 높이의 최대 1.5배의 폭을 가지고 있는, 유체의 정화를 위한 장치.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스페이서 부재(134, 144)는 상기 제2 패킹 층(100)에 위치되어 있는, 유체의 정화를 위한 장치.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스페이서 부재는, 상기 제1 및 제2 패킹 층(10, 100)이 수직 정렬된 상태에서, 서로의 아래 또는 옆에 위치되어 있는, 유체의 정화를 위한 장치.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 굴곡부는 실질적으로 일정한 굴곡부 높이(28)를 가지고 있는, 유체의 정화를 위한 장치.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 재료 교환 장치는 흡수기(91)인, 유체의 정화를 위한 장치.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 재료 교환 장치는 탈착기(91)인, 유체의 정화를 위한 장치.
  17. 구조 패킹을 포함하는 재료 교환 장치에서 유체의 정화를 위한 방법에 있어서,
    상기 재료 교환 장치에 상대적으로 휘발성이 작은 유체를 공급하는 단계,
    공급된 상기 휘발성이 작은 유체를 전체 표면에 걸쳐 분배하는 단계,
    상기 재료 교환 장치의 유체 입구 영역으로 상대적으로 휘발성이 큰 유체를 공급하는 단계,
    액체에 대해 반대방향으로 흐르는 상기 휘발성이 큰 유체를 가스 입구 영역에서 상기 전체 표면에 걸쳐 분배하는 단계, 및
    상기 패킹으로부터 나오는 상기 휘발성이 큰 유체를 유체 출구 영역에 수집하는 단계
    를 포함하며,
    상기 구조 패킹은 제1 패킹 층 및 제2 패킹 층을 포함하고,
    상기 제1 패킹 층 및 상기 제2 패킹 층은 일정한 높이를 가지는 굴곡부를 가지며,
    상기 굴곡부에 의해 개방 채널들이 형성되고,
    상기 제1 패킹 층의 상기 개방 채널은 상기 제2 패킹 층의 상기 개방 채널과 교차하며,
    상기 휘발성이 큰 유체는 상기 유체 입구 영역으로부터 상기 유체 출구 영역의 방향으로 상기 개방 채널을 통해 흐르고,
    상기 휘발성이 작은 유체는, 상기 채널을 통해 흐르는 상기 휘발성이 큰 유체를 둘러싸며, 상기 채널벽을 따라 흐르며,
    상기 제1 패킹 층은 스페이서 부재를 통해 상기 제2 패킹 층과 접촉되어, 상기 채널에 의해 형성되는 재료 교환 영역을 통해 상기 휘발성이 큰 유체와 상기 휘발성이 작은 유체 사이에서 재료 교환이 발생하는,
    구조 패킹을 포함하는 재료 교환 장치에서 유체의 정화를 위한 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 정화는, 상기 휘발성이 큰 유체의 흐름으로부터 제거되어야 할 성분이 상기 휘발성이 작은 유체에 의해 취해지는 속도에 의존하는 재료 교환에 의해 발생되는, 구조 패킹을 포함하는 재료 교환 장치에서 유체의 정화를 위한 방법.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 정화는, 상기 휘발성이 작은 유체로부터 제거되어야 할 성분이 상기 휘발성이 작은 유체에 의해 릴리스되는 속도에 의존하는 재료 교환에 의해 발생되는, 구조 패킹을 포함하는 재료 교환 장치에서 유체의 정화를 위한 방법.
  20. 제17항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 휘발성이 큰 유체는 가스인, 구조 패킹을 포함하는 재료 교환 장치에서 유체의 정화를 위한 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 가스는, CO2를 포함하는 가스인, 구조 패킹을 포함하는 재료 교환 장치에서 유체의 정화를 위한 방법.
  22. 제17항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 휘발성이 작은 유체는, 화학 반응이 일어나는 액체인, 구조 패킹을 포함하는 재료 교환 장치에서 유체의 정화를 위한 방법.
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