KR20140140573A - 구조화 팩킹 - Google Patents

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KR20140140573A
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column
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wall
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angle
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KR1020147028065A
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조나단 윌슨
스와미나탄 선더
패트릭 알렌 호우톤
Original Assignee
에어 프로덕츠 앤드 케미칼스, 인코오포레이티드
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Abstract

적어도 한쌍의 수렴하는 벽들 또는 벽 부분들을 가지는 칼럼 또는 칼럼 분할부에서 적어도 한쌍의 수렴하는 벽들 또는 벽 부분들에 의해 경계가 이루어진 칼럼 또는 칼럼 분할부의 적어도 일 영역 내에 적어도 50°의 주름 각도를 가진 구조화 팩킹의 열 및/또는 질량 전달 프로세스에서의 용도; 관련된 장치; 열 및/또는 질량 전달의 방법; 및, 구조화 팩킹을 관련 장치에 설치하는 방법이 개시된다.

Description

구조화 팩킹{STRUCTURED PACKING}
본 발명은 전체적으로 구조화 팩킹(sturctured packing)에 관한 것이다. 구조화 팩킹은 열 및/또는 질량 교환 칼럼(heat and/or mass exchange column)에서 특정의 적용예를 가지며, 예를 들어 열교환기와 같은 다른 적용예들에서 사용될 수 있을지라도, 특별히 저온 공기 분리 과정에 적용된다.
본 명세서에서 사용된 "칼럼(column)"이라는 용어는 증류(distillation) 또는 분류(fractionation) 칼럼 또는 영역을 의미하며, 즉, 칼럼 안에 장착되고 수직으로 이격된 일련의 트레이(tray) 또는 플레이트나 또는 팩킹 요소들 상에, 증기 및 액체 상(phase)을 접촉시키는 등에 의해 액체 상과 증기 상을 향류식(countercurrent)으로 접촉시켜 유체 혼합물의 분리가 이루어지도록 하는 칼럼 또는 영역을 의미한다.
분할된 벽 칼럼은 열적으로 결합된 증류 칼럼의 시스템이다. 분할된 벽 칼럼 안에서, 적어도 하나의 분할 벽은 칼럼의 내부 공간 안에 위치된다. 분할 벽(dividing wall)은 전체적으로 수직이다. 2 개의 상이한 질량 전달 분리(mass transfer separation)는 예를 들어 분할 벽의 양쪽 측면상에서 발생될 수 있다.
"팩킹(packing)"이라는 용어는, 칼럼 내부로서 사용된, 소정의 크기, 형상 및 구성의 중실체 또는 중공체를 의미하며, 이것은 2개 상(phase)들의 향류식 유동중에 액체-증기 계면에서 열 및/또는 질량 전달을 허용하도록 액체를 위한 표면적을 제공한다. 팩킹의 넓은 분류는 "랜덤(random)" 팩킹 및 "구조화(structured)" 팩킹이다.
"랜덤 팩킹"은 개별적인 부재들이 서로에 대하여 또는 칼럼 축에 대하여 특정의 방위를 가지지 않는 팩킹을 의미한다. 랜덤 팩킹은 통상적으로 소형이고, 중공형의 구조체로서, 칼럼 안으로 무작위로 장입(loading)되는 단위 체적당 넓은 표면적을 가진다.
"구조화 팩킹"은 개별적인 부재들이 서로에 대하여 그리고 칼럼 축에 대하여 특정의 방위를 가지는 팩킹을 의미한다. 구조화 팩킹은 항상 층들 안에 적재된 얇은 금속 포일(metal foil)로 제작된다.
증류와 같은 프로세스에서, 역류 액체와 증기 흐름 사이의 열 및/또는 질량 전달을 증진시키도록 구조화 팩킹을 이용하는 것이 유리하다. 구조화 팩킹은 랜덤 팩킹 또는 트레이들과 비교할 때, 낮은 압력 강하와 함께 열 및/또는 질량 전달에 대한 보다 높은 효율의 장점을 부여한다. 이것은 또한 랜덤 팩킹보다 더욱 예측 가능한 성능을 가진다.
구조화 팩킹의 분리 성능은 종종 이론상 플레이트에 대한 등가 높이(height equivalent to theoretical plate; HETP)에 의해 주어지는데, 그 등가 높이는 이론상 플레이트에 의해 달성되는 조성 변화와 등가인 조성 변화가 달성되는 패킹의 높이이다. "이론상 플레이트(theoretical plate)"라는 용어는 현존하는 기체 및 액체 흐름이 평형 상태에 있도록 하는 기체 상과 액체 상 사이의 접촉 프로세스를 의미한다. 특정 분리에 대한 특정 팩킹의 HETP가 작을수록, 팩킹은 더욱 효율적이 되는데, 왜냐하면 사용되는 팩킹 베드(packing bed)의 높이가 HETP와 함께 감소하기 때문이다.
공기의 극저온 분리(cryogenic separation)는 증류 칼럼을 통하여 향류식 접촉으로 액체 및 증기를 통과시킴으로써 수행된다. 혼합물의 증기 상은 보다 휘발성인 성분(예를 들어, 질소)의 항상 증가하는 농도와 함께 상승하는 반면에, 혼합물의 액체 상은 휘발성이 덜한 성분(예를 들어, 산소)의 항상 증가하는 농도와 함께 하강한다. 다양한 팩킹 또는 트레이들은, 상(phase)들 사이의 질량 전달을 달성하기 위하여, 혼합물의 액체 상 및 기체 상이 접촉되도록 이용될 수 있다.
공기를 그것의 성분들(즉, 질소, 산소, 아르곤 등)로 극저온 증류(cryogenic distillation)함으로써 분리하기 위한 많은 프로세스들이 존재한다. 통상적인 극저온 분리 유닛(cryogenic separation unit, 10)은 도 1에 개략적으로 도시되어 있다. 고압의 (또는 상대적으로 고압의) 공기 공급(1)은 통상적으로 2 내지 10 bar(200 내지 1000 kPa)의 압력으로서, 고압 (또는 보다 고압의) 증류 칼럼(2)의 베이스 안으로 공급된다. 고압 칼럼(2) 안에, 공기는 질소-농후의 상부 증기 및, 산소- 농후의 저부 액체로 분리된다. 산소-농후의 저부 액체 흐름(3)은 고압 증류 칼럼(2)으로부터, 통상적으로 1.1 내지 2 bara (110 내지 200 kPa 절대값)의 압력으로 적절한 감압(미도시) 이후에, 저압 (또는 보다 저압의) 증류 칼럼(4)으로 공급된다. 질소-농후의 증기 흐름(5)은 콘덴서(6)로 통과되는데, 그곳에서 응축되어 저압 칼럼(4)으로 재비등(reboil)을 제공한다. 질소-농후의 액체 흐름(7)은 흐름(8)을 통하여 환류(reflux)로서 고압 칼럼(2)의 상부로 부분적으로 복귀하며, 흐름(9)을 통하여 저압 칼럼(4)의 상부로 액체 환류로서 부분적으로 공급된다.
저압 칼럼(4)은 저부 섹션(11) 및 상부의 협소한 섹션(12)으로 이루어지는데, 저부 섹션 안에는 구조화 팩킹(20)이 배치되고, 상부의 섹션에는 구조화 팩킹(21)이 배치된다. 보조 칼럼 또는 사이드아암 칼럼(sidearm column)으로도 공지되고 구조화 팩킹(22)을 포함하는 별도의 저압 칼럼(13)가 아르곤-농후의 흐름(14)을 만들도록 제공된다.
저압 칼럼(4) 안에서, 흐름(3,9)들은 액화 증류에 의해 산소 농후 성분 및 질소 농후 성분으로 분리된다. 구조화 팩킹(21,20)은 분리되어야 하는 산소 및 질소의 액체 상 및 기체 상과 접촉되도록 이용될 수 있다. 질소-농후의 상부 성분은 증기 흐름(16)으로서 제거된다. 산소-농후의 저부 성분은 액체 흐름(17)으로서 제거된다. 대안으로서, 산소-농후의 성분은 리보일러(reboiler)/콘덴서(6)를 둘러싸는 통(sump)의 위치로부터 증기로서 제거될 수 있다. 폐기 흐름(waste stream, 15)도 저압 증류 칼럼(4)으로부터 제거된다.
공급 흐름(18)은 저압 칼럼(4)의 하부 섹션(11)과 상부 섹션(12) 사이의 중간 지점으로부터 제거되며 칼럼(13)으로 통과된다. 콘덴서(25)는 칼럼(13)의 상부 부분에 제공되어 공급 흐름(18)으로부터의 환류(reflux)를 발생시킨다. 구조화 팩킹(22)을 통한 콘덴서(25)로부터의 환류와 함께 향류식 유동에서의 이러한 공급 흐름의 통과는 아르곤-농후의 상부 증기 흐름(14) 및, 산소-농후의 저부 액체 흐름(19)을 발생시키며, 산소 농후의 저부 액체 흐름은 구조화 팩킹(20)의 상부 및 구조화 팩킹(21)의 하부에서 환류로서 저압 칼럼(4)으로 복귀한다.
도 2는 질소, 산소 및 아르곤을 제공하는 공기의 액화 증류를 위한 대안의 구성을 도시하며, 도 1에서의 아르곤 생성을 위한 분리 칼럼(13) 대신에 분할된 저압 칼럼이 이용된다. 그러한 구성은 예를 들어 미국 특허 US 6,240,744 (Agrawal 등)에 설명되어 있다. 도 1의 구성과 공통인 특징부들은 동일한 도면 번호를 가진다. 이러한 구성에서, 저압 칼럼(4)의 하단부에서 구조화 팩킹(20)의 상부를 떠나는 증기 흐름은 2 개의 부분들로 분할되는데, 그것의 제 1 부분은 구조화 팩킹(21)으로 상승되고, 제 2 부분은 구조화 팩킹(22)으로 상승되며, 구조화 팩킹(22)은 분할 벽(23)에 의해 구조화 팩킹(21)으로부터 분할되고 단부 벽(24)에 의해 저압 칼럼(4)의 상부 부분으로부터 분할된다. 도면에서, 분할 벽은 칼럼(4)을 그것의 직경을 따라서 2 개의 동일한 크기의 반원형 단면의 섹션들로 분할하도록 저압 칼럼(4) 안에 중심에 장착된 평탄한 벽으로서 도시되어 있다; 그러나, 미국 특허 US 6,240,744에 설명된 바와 같이 구조화 팩킹(21)으로부터 구조화 팩킹(21)을 분리시키는 많은 다른 구성들이 가능하다. 구조화 팩킹(21)에 진입하는 증기 부분은 도 1에 대하여 설명된 바와 같이 질소-농후의 상부 증기 흐름 및 산소-농후의 저부 액체 흐름으로 분리된다. 도 1에서 칼럼(13)에 대하여 설명된 바와 같이, 구조화 팩킹(22)으로 진입하는 증기 부분은 아르곤-농후의 상부 증기 흐름(14) 및 산소-농후의 저부 액체로 분리되지만, 제 2 칼럼(13)을 제공하기 위한 추가적인 비용 및 복잡성이 불필요하다. 더욱이, 저부 섹션(11)과 비교하여 상부 섹션(12)에서의 증기 유동 감소에도 불구하고 칼럼(4)의 질량 전달 성능이 유지되도록 하기 위하여, 도 2의 구성에서는 칼럼(4)으로부터 증기 회수가 칼럼(13)으로 통과되는 것을 보상하도록 도 1에 도시된 좁힘(narrowing)에 의해 저압 칼럼(4)을 적합화시킬 필요가 없다.
공기의 액화 증류에서 이용되는 칼럼들의 구조에 대한 다른 종래 기술은 다음과 같은 것을 포함한다.
미국 특허 US 5,339,648 (Lockett 등)은 공기 분리에 적절한 증류 시스템을 개시하는데, 이것은 팩킹 및/또는 트레이를 가진 격벽 칼럼 섹션을 이용하는 것으로서, 3 개의 분리된 제품 흐름이 격벽화된 칼럼으로부터 회수될 수 있다.
미국 특허 US 5,946,942 (Wong 등)는 제 1 및 제 2 칼럼 영역들 안에서 상이한 저온 유체 혼합물을 정류하기 위하여 팩킹 및/또는 트레이를 가진 동일축의 반경 방향으로 이격된 실린더형 칼럼을 포함하는 고리형 칼럼의 이용을 설명한다.
유럽 특허 EP 1162423 (Messer AGS Gmbh)는 저압 칼럼 안에서 원료 아르곤(crude argon) 칼럼으로부터의 재활용 액체를 이용하여 아르곤-산소 혼합물의 분리 정류를 설명한다.
미국 특허 US 2006/0005574 (Glatthaar 등)은 팩킹된 칼럼을 제 1 및 제 2 서브 섹션으로 분리하는 수직 격벽을 이용함으로써 저온 공기 분리 프로세스에서 아르곤을 회수하기 위한 프로세스를 설명한다.
미국 특허 US 7,357,378 (Zone 등)은 열/질량 전달 프로세스에 대한 교란(disturbance)이 최소화되도록, 분할된 벽 칼럼 안에서 구조화 팩킹의 구성을 설명하는데, 여기에서는 분할된 벽을 기계적으로 지지하도록 스티프너(stiffener)들이 이용된다.
미국 특허 US 6,250,106 (Agrawal 등)은 멀티 존(multi-zone) 증류 칼럼을 설명하며, 이것은 제 1 증류 영역 및 적어도 2 개의 제 2 증류 영역들을 만드는 적어도 2 개의 수직 격벽들을 가진다.
미국 특허 출원 US 2006/0260926 (kovak)은 분할된 벽 칼럼 안에서의 적용을 위하여 반경 방향 교차 유동 증류 트레이들의 조립체를 설명한다.
미국 특허 출원 US 2010/0096249 (kovak)은 트레이 또는 구조화 팩킹이 내부에 배치되는 분할 교환 칼럼을 설명한다. 상기 문헌은 현의 벽(chord wall)에 의해 칼럼을 2 개의 섹션들로 분할하고 (동등한 분할 및 동등하지 않은 분할이 모두 생각된다), 또한 실린더형 칼럼의 중심에서 교차하는 반경 방향 벽들에 의하여 칼럼을 3 개의 섹션들로 분할하는 것을 개시한다.
미국 특허 US 5,669,236 (Billingham 등)는 저순도 및 고순도에서 제품 산소를 생성하기 위하여 저압 칼럼의 저부 섹션과 평행하게 추가적인 정류 섹션의 이용을 설명한다.
본 발명자들에게 알려진 종래 기술중 그 어느 것도 원형 단면이 아닌 칼럼들에서 최적의 결과를 달성하는데 필요한 구조화 팩킹의 특성을 상세하게 고려하지 않는데, 상기 칼럼은, 분할된 칼럼들처럼, 적어도 하나의 코너 또는 앵글부(angle)를 단면에서 포함하는 것과 같이, 적어도 한 쌍의 수렴하는 벽들 또는 벽 부분들을 가진 단면을 포함한다. 대신에 종래 기술은 격벽화되거나 또는 분할된 벽 칼럼들에 있는 임의의 구조화되거나 또는 랜덤의 팩킹 및/또는 트레이들의 일반적인 이용을 간단하게 설명한다.
구조화 팩킹은 본 발명에서 얇은 금속 또는 플라스틱 포일로서 정의되는데, 이것은 의도된 적용예의 특정한 요건들을 충족시키도록 천공되고, 홈이 형성되고(fluted), 주름이 형성된다. 통상적인, 구조화 팩킹의 표시는 도 3에 도시되어 있으며, 여기에는 접힘 선(45)을 따라서 접혀짐으로써 주름이 형성된 포일(40)이 도시되어 있으며, 포일은 홈 형성의 패턴을 가지고, 즉, 예를 들어 포일(40)의 엠보싱에 의해 형성된, 수평의 가는 홈들의 형태인 상승 영역 및/또는 함몰 영역(50) 및, 천공부들의 패턴 또는 관통 구멍(55)들을 가진다. 상승/함몰 영역(50)에 의해 형성된 조직 및 천공부(55)들은 포일(40)의 표면상에 액체/증기의 펼쳐짐을 도움으로써, 팩킹의 열 및 질량 전달 효율을 향상시킨다. 통상적으로, 천공부에 의해 점유된 포일(foil)의 표면적은 5 % 내지 20 % 이다. 통상적으로, 홈 형성(fluting)은 수평의 가는 홈들의 형태이거나, 또는 열십자의 관계로 미세한 홈들의 형태인 2 방향 표면 조직의 형태일 수 있다.
칼럼에 있는 구조화 팩킹의 층 안에서, 다수의 포일들은 수직으로 지향되는데 (즉, 포일의 평면이 칼럼의 축에 대하여 실질적으로 평행하다), 근접한 포일들은 횡방향으로 지향된 주름들을 가진다 (즉, 만약 제 1 포일이 저부 좌측으로부터 상부 우측으로 연장되는 주름을 가진다면, 근접한 포일은 그것의 주름들이 저부 우측으로부터 상부 좌측으로 연장되도록 지향될 것이다). 그러한 배치는 미국 특허 US 4,296,050 (Meier)의 도 3에 도시되어 있다. 유동 특성을 향상시키기 위하여, 구조화 팩킹의 연속적인 층들을 아래에 놓인 층에 대하여 칼럼 축을 중심으로 통상적으로 90°의 각도만큼씩 회전시키는 것이 통상적이다. 그러한 구성은 미국 특허 US 4,296,050 (Meier)의 도 4에 도시되어 있다. 그러나, 각각의 회전은 팩킹을 포함하는 칼럼을 통한 압력 강하를 증가시킨다.
유럽 특허 EP 1036590 (Sunder 등)는 몇가지 팩킹 파라미터들의 최적 범위를 개시하는데, 예를 들어, 350 내지 800 ㎡/㎥의 표면적 밀도, 35 내지 65°의 주름 각도(즉, 팩킹 요소가 칼럼 안에서 수직일 때 주름의 길이 방향 축과 수평 축 사이의 각도) 및, 5 내지 20 %의 천공부의 개방 영역이다. 분할된 벽 칼럼 또는 원형이 아닌 칼럼의 이용에 관하여 상기 문헌에는 개시된 바 없다.
미국 특허 US 5,876,638 (Sunder 등) 및 US 5,901,575 (Sunder)에는 구조화 팩킹의 개선이 설명되어 있다.
본 발명의 목적은, 단면이 전체적으로 둥글지 않은 칼럼, 즉, 단면이 적어도 한 쌍의 수렴하는 벽들 또는 벽 부분들을 가지는 칼럼에서 이용되도록 최적화되어 있는 구조화 팩킹을 제공하는 것으로서, 상기 칼럼은 분할에 의해 칼럼 내에 적어도 하나의 코너 또는 앵글부(angle)가 생성된 분할 벽 칼럼 등이다. 특히, 본 발명의 목적은 액화 증류 장치(cryogenic distillation appartus)에 있는 칼럼에서 사용되는데 최적화된 구조화 팩킹을 제공하는 것으로서, 특히 공기의 성분 분리에서 사용되는데 최적화된 구조화 팩킹을 제공하는 것이다.
따라서, 제 1 양상에서, 본 발명은, 적어도 한쌍의 수렴하는 벽들 또는 벽 부분들을 가지는 칼럼 또는 칼럼 분할부에서 적어도 한쌍의 수렴하는 벽들 또는 벽 부분들에 사이에 놓이거나 또는 그것에 의해 경계가 이루어진 칼럼 또는 칼럼 분할부의 적어도 일 영역 내에 적어도 50 °의 주름 각도를 가진 구조화 팩킹의 열 및/또는 질량 전달 프로세스에서의 용도를 제공한다.
제 2 양상에서, 본 발명은 열전달 또는 질량 전달 프로세스를 위한 장치를 제공하는데, 이 장치는, 적어도 한쌍의 수렴하는 벽들 또는 벽 부분들을 가진 칼럼 또는 분할된 칼럼, 및 적어도 한쌍의 수렴하는 벽들 또는 벽 부분들 사이에 놓이거나 또는 그것에 의해 경계가 이루어진 칼럼 또는 분할된 칼럼의 적어도 일 영역 내에, 적어도 50°의 주름 각도를 가지는 구조화 팩킹을 포함한다.
제 3 양상에서, 본 발명은 열 및/또는 질량 전달의 방법을 제공하는데, 이 방법은, 적어도 한쌍의 수렴하는 벽들 또는 벽 부분들을 가진 칼럼 또는 칼럼 분할부에 하나 이상의 유체들을 공급하는 것을 포함하며, 적어도 한 쌍의 수렴하는 벽들 또는 벽 부분들 사이에 놓이거나 또는 그에 의해 경계가 이루어진 칼럼 또는 칼럼 분할부의 적어도 일 영역 내에, 적어도 50°의 주름 각도를 가진 구조화 팩킹을 수용하여 하나 이상의 유체들이 열 전달 및/또는 질량 전달을 이루도록 구조화 팩킹과 접촉한다.
본 발명과 관련하여, 칼럼 분할부는 칼럼의 길이 방향 축과 실질적으로 함께 연장되도록 배치된 적어도 하나의 분할 벽에 의해 칼럼의 나머지로부터 물리적으로 분리된 칼럼의 일부이다. 즉, 칼럼이 수직으로 위치된 길이 방향 축을 가지는 경우에, 사용시에 항상 그러하듯이, 칼럼 분할부 또는 각각의 칼럼 분할부는 칼럼 체적이 일부를 나머지로부터 물리적으로 분리하는 칼럼내의 실질적으로 수직의 벽의 존재에 의해 형성됨으로써, 분할 벽이 연장되는 수직의 거리에 걸쳐 칼럼 분할부에 존재하는 유체가 칼럼의 나머지에 존재하는 유체와 혼합되는 것을 억제한다.
적어도 한쌍의 수렴하는 벽들 또는 벽 부분들의 존재 및, 특히 칼럼 또는 칼럼 분할부의 단면에 앵글부 또는 코너의 존재는 칼럼 또는 칼럼 분할 벽에 인접한 에지 영역에서 칼럼 안의 유체 혼합을 제한하여, 실린더형 칼럼에서 사용되도록 최적화된 구조화 팩킹이 이용되는 칼럼에서 질량 전달 및/또는 열 전달의 효율이 감소되는 결과를 가져오는 것으로 본 발명자들은 믿고 있다. 본 발명은 적어도 한쌍의 수렴하는 벽들 또는 벽 부분들을 가진 칼럼 또는 칼럼 분할부에서 사용되도록 최적화되어 있는 구조화 팩킹의 사용에 의해 비용 절감과 관련된 장점 및 질량 전달의 효율 상승을 제공하며, 상기의 최적화는 이전에 필요한 것으로 간주되지 않았던 것이다.
제 4 양상에서, 본 발명은 열전달 또는 질량 전달 프로세스를 위한 장치의 업그레이드 방법을 제공하는데, 상기 장치는 단면이 적어도 한쌍의 수렴하는 벽들 또는 벽 부분들을 포함하는 칼럼 또는 칼럼 분할부를 구비하고, 50°미만의 주름 각도를 가진 구조화 팩킹을 포함하며, 상기 방법은:
적어도 한쌍의 수렴하는 벽들 또는 벽 부분들 사이에 놓이거나 또는 그에 의해 경계를 이룬 칼럼 또는 칼럼 분할부의 적어도 일 영역으로부터 50°미만의 주름 각도를 가진 구조화 팩킹을 제거하는 단계; 및,
50°미만의 주름 각도를 가진 구조화 팩킹을 적어도 50°의 주름 각도를 가진 구조화 팩킹으로 대체하는 단계;를 포함한다.
바람직스럽게는, 50°이상의 주름 각도를 가진 구조화 팩킹은 55°이상의 주름 각도를 가진다.
제 5 양상에서, 본 발명은 구조화 팩킹을 열 및/또는 질량 전달 프로세스를 위한 장치로 설치하는 방법을 제공하는데, 상기 장치는 적어도 한쌍의 수렴하는 벽들 또는 벽 부분들을 가지는 칼럼 또는 칼럼 분할부를 포함하고, 상기 방법은:
적어도 50°의 주름 각도를 가진 구조화 팩킹을 제공하는 단계; 및,
적어도 한쌍의 수렴하는 벽들 또는 벽 부분들 사이에 놓이거나 또는 그에 의해 경계를 이룬 칼럼 또는 칼럼 분할부의 적어도 일 영역 내에 구조화 팩킹을 설치하는 단계;를 포함한다.
다음의 바람직한 특징들은 적절한 경우에 본 발명의 모든 양상들에 적용되며, 조합될 수 있다.
바람직스럽게는, 본 발명에서 이용되는 구조화 팩킹의 주름 각도가 50°내지 70°이고, 보다 바람직스럽게는 55°내지 65°이고, 가장 바람직스럽게는 60°이다.
"적어도 한쌍의 수렴하는 벽들 또는 벽 부분들" 이라는 용어는 칼럼 벽들 또는 칼럼 벽들의 부분들이 점점 서로 인접하게 접근하는 상황을 설명한다. 벽들 또는 벽들의 부분들은 그들의 수렴의 결과로서 서로 접촉하거나 또는 교차할 필요가 없지만, 칼럼의 단면에서 앵글부 또는 코너를 형성하도록 서로 접촉하거나 또는 교차할 수 있다.
적절하게는, 구조화 팩킹이 상기 칼럼 또는 칼럼 분할부의 단면적 전체를 가로질러 이용되며, 적어도 한쌍의 수렴하는 벽들 또는 벽 부분들 사이에 놓이거나 또는 그에 의해 경계를 이룬 영역에서만 이용되지 않는다.
바람직스럽게는, 칼럼 또는 칼럼 분할부는 그것의 단면에서 120°이하의 적어도 하나의 내각(internal angle)를 포함하고, 보다 바람직스럽게는 90°이하 등의 100°이하의 적어도 하나의 내각를 포함한다. 에지 영역 안의 혼합에 대한 방해는 칼럼 또는 칼럼 분할부의 단면에 존재하는 앵글부 또는 앵글부들의 예리함(acuteness)과 함께 증가하며, 따라서 앵글부 또는 앵글부들이 더욱 예리한 본 발명에 의하여 더 큰 장점이 얻어지는 것으로 믿어진다.
적절하게는, 칼럼 또는 칼럼 분할 단면이 코너 또는 앵글부를 포함하는 불규칙 단면일 수 있거나, 또는 불규칙 또는 규칙 다각형일 수 있거나, 또는 원 또는 다른 둥근 형상과 현(chord)이 교차됨으로써 형성된 형상일 수 있어서, 하나 이상의 앵글부 또는 코너들의 결과를 가져온다. 예를 들어, 칼럼 또는 칼럼 분할부는 육각형, 오각형, 정사각형, 직사각형, 삼각형, 반원형, 부분원 또는 4 분원(quater-circular) 단면일 수 있다. 다시, 본 발명의 장점은 단면에 보다 예리한 앵글부 또는 앵글부들이 존재할수록 더 커질 것으로 예상된다.
칼럼 또는 칼럼 분할부는 1개, 2개, 3개, 4개, 5개, 6개 또는 그 이상의 앵글부들 또는 코너들을 포함할 수 있다. 본 발명의 장점은 혼합을 저해할 수 있는 존재하는 액글부들의 수와 함께 증가될 것으로 예상된다. 바람직스럽게는, 앵글부들의 적어도 하나, 그리고 보다 바람직스럽게는 전부가 100°이하와 같은 120°이하이고, 보다 바람직스럽게는 70°이하와 같은 90°이하이다.
바람직스럽게는, 본 발명은 적어도 하나의 장소에서 칼럼의 외측벽과 접촉한 칼럼 안의 적어도 하나의 분할 벽을 제공함으로써 형성된 칼럼 분할부에 적용된다. 바람직스럽게는, 분할되어야 하는 칼럼이 원형 단면을 가지고, 그렇게 형성된 칼럼의 분할부들중 적어도 하나는 적어도 하나의 앵글부 또는 코너를 포함하는 비원형의 단면을 가진다. 적절하게는, 칼럼이 적절한 수의 분할 벽들에 의해 3개, 4개, 5개, 6개, 10개 또는 20개의 분할부들과 같이 2개 이상의 분할부들로 분할될 수 있으며, 분할 벽들은 서로 교차할 수 있고 그리고/또는 컬럼 벽과 교차할 수 있어서 필요한 수의 분할부들을 형성한다. 분할 벽들은 서로 같을 수 있거나 또는 상이한 형태를 취할 수 있으며, 분할되어야 하는 칼럼의 단면 안에 직선 또는 만곡된 선을 개별적으로 형성할 수 있다. 분할 벽들은 동일한 길이 또는 상이한 길이일 수 있으며, 형성된 분할부들은 규칙적이거나 또는 불규칙적 형상 또는 다각형일 수 있으며, 서로 같거나 또는 상이한 단면 및/또는 단면적을 가질 수 있다. 이들 파라미터들은 분할된 칼럼의 의도된 용도에 따라서 선택될 수 있다.
그러나, 바람직스럽게는, 칼럼이 단일의 분할 벽에 의해 2 개의 분할부들로 분할된다. 분할된 칼럼이 원형 단면을 가지는 경우에, 바람직스럽게는 분할 벽이 현의 벽(chord wall)이다. 분할되는 칼럼이 원형 단면이 아닌 경우에, 바람직스럽게는 칼럼의 단면을 가로질러 연장되는 분할 벽에 의해 칼럼이 분할됨으로써 분할 벽의 각각의 단부는 칼럼 벽과 상이한 장소에서 상호 교차한다. 양쪽의 경우에, 칼럼 분할부들의 단면적은 각각의 칼럼 분할부를 통한 유체의 필요 유량에 따라서 선택될 수 있다. 적절하게는, 각각의 분할부를 통한 유동이 동등한 경우에, 칼럼 분할부들은 동등한 단면적이며, 이러한 경우에, 분할된 칼럼이 원형 단면을 가지면 칼럼 분할부들은 반원형 단면이다.
바람직스럽게는, 구조화 팩킹이 350 내지 800 ㎡/㎥의 표면 밀도를 가진다. 바람직스럽게는, 구조화 팩킹의 홈(fluting)은 수평의 줄의 형태이다. 바람직스럽게는, 통공의 개방 면적은 5 내지 20 %의 범위이다.
바람직스럽게는, 칼럼이 원형 단면인 경우에 칼럼의 크기는 직경이 0.5 m 보다 크고, 예를 들어 직경이 0.9 m와 같거나 그보다 크고, 보다 바람직스럽게는 직경이 1 m와 같거나 그보다 크고, 또는 단면이 다른 형상인 경우에 등가인 단면적보다 크다 (즉, 각각 0.196 ㎡ 보다 크고, 0.64 ㎡ 이상, 0.79 ㎡ 이상이).
바람직스럽게는, 최대 칼럼 직경은 원형 단면의 칼럼에 대하여 15 m 이며, 예를 들어 10 m, 9 m, 8 m, 7 m, 6 m, 5 m, 또는 4 m 이다. 다시, 칼럼 단면이 다른 형상인 경우에, 최대 칼럼 크기는 상기에 대응하는 최대 단면적이며, 즉, 각각 177 ㎡, 78.5 ㎡, 63.6 ㎡, 50.3 ㎡, 38.5 ㎡, 28.3 ㎡, 19.6 ㎡ 또는 12.6 ㎡ 이다.
바람직스럽게는, 본 발명은 극저온 공기 분리(극저온 증류(cryogenic distillaiton)) 프로세스와 같은, 극저온 분리 프로세스(cryogenic separation process)에서 적용되며, 이것은 공기를 질소 농후의 흐름, 산소 농후의 흐름 및 아르곤 농후의 흐름으로 분리하는 것을 포함하지만, 그에 제한되지 않는다. 따라서, 이것은 공기를 질소 농후 및 산소 농후의 흐름들로 극저온 분리하는데 적용될 수 있다. 적절하게는, 본 발명은 공기를 산소 농후 및 아르곤 농후 흐름들로 극저온 분리하는데 적용된다.
도 1은 공기의 액화 증류를 위한 공지 구성의 개략적인 도면을 도시한다.
도 2는 공기의 액화 증류를 위한 공지 구성의 개략적인 도면을 도시하며, 여기에서는 분할된 벽(격벽)의 칼럼이 이용된다.
도 3은 구조화 팩킹의 개략적인 도면을 도시한다.
도 4는 칼럼 안에 배치될 때 구조화 팩킹에 있는 주름의 길이 방향 축들의 개략적인 도면을 도시한다.
도 5는 (a) 원형 단면을 가진 칼럼 및 (b) 반원형 단면을 가진 칼럼 안에 구조화 팩킹의 외관을 평면도로 도시한다.
도 6 내지 도 15는 본 발명이 적용될 수 있는 칼럼 구성의 평면도를 도시한다.
도 16은 HETP에 관하여 원형 단면을 가진 칼럼 및 반원형 단면을 가진 칼럼에서 사용될 때 종래 기술의 구조화 팩킹에 대하여 얻어진 결과들을 도시한다.
도 17은 압력 강하에 관하여 원형 단면을 가진 칼럼 및 반원형 단면을 가진 칼럼에서 사용될 때 종래 기술의 구조화 팩킹에 대하여 얻어진 결과들을 도시한다.
도 18은 원형 단면을 가진 칼럼 및 반원형 단면을 가진 칼럼에서 사용될 때 본 발명에 따른 구조화 팩킹에 대하여 얻어진 결과들을 도시한다.
도 19는 원형 단면을 가진 칼럼 및 반원형 단면을 가진 칼럼에서 사용될 때 본 발명에 따른 구조화 팩킹에 대하여 압력 강하와 관련하여 얻어진 결과들을 도시한다.
본 발명은 칼럼에 적용될 수 있으며, 상기 칼럼은 칼럼의 평면도에서 적어도 한쌍의 수렴하는 벽들 또는 벽 부분들이 있는 것으로서, 하나 이상의 분할 벽들이 앵글부 또는 코너들을 형성하거나 또는 단면이 전체적으로 둥글지 않지만 대신에 적어도 하나의 앵글부 또는 코너를 가지는 것과 같은 것이다. 본 발명의 발명자들은 본 발명의 장점이 분리 효율과 관련하여 상기와 같은 모든 칼럼들에서 얻어지는 것이라고 믿는다.
특정 칼럼에 대한 최적의 구조화된 칼럼을 설계할 때, 최상의 전체적인 파라미터들을 결정함에 있어서 다수의 "절충(trade-off)"이 사용된다는 점을 당업자는 알고 있다. 예를 들어, 질량 전달 효율 및 압력 강하는 60°의 주름 각도(corrugation angle)에 대해서보다 45°의 주름 각도에 대하여 더 높은 것으로 밝혀진 반면에, 작동 용량은 60°주름 각도 보다 45°에 대해서 낮다; 이러한 효과들은 선택된 팩킹이 특정 칼럼에 대하여 작동 용량, 수용 가능한 질량 전달 효율 및, 압력 강하를 나타내도록 하기 위하여 균형이 이루어져야 한다.
칼럼에 있는 구조화 팩킹을 통과할 때, 유체는 주로 포일에 있는 주름들에 의해 형성된 채널들을 따라서 유동한다. 상기 채널들에서 유동하는 유체의 일부는 인접한 열십자 채널 안에서 유동하는 유체와 혼합되는데, 열십자 채널(criss-cross channel)은 위에서 설명된 바와 같이 횡단 대각선 방향에 있다. 또한 포일에 있는 통공의 존재 때문에, 유체의 일부는 인접한 채널들을 통해 유동하는 유체와 혼합된다. 이러한 방식으로 혼합되는 유체는 증류 칼럼의 단면내에서 전개될 수 있는 그 어떤 조성 불균형이라도 교정하는데 중요하며, 칼럼의 분리 효율에서 중요한 인자이다. 도 4로부터 알 수 있는 바로서, 구조화 팩킹의 각각의 층에서 유체가 이동하는데 있어서 칼럼내의 60°각도와 비교하여 45°각도는 더 긴 측방향 거리를 제공하며, 따라서 이것은 분리된 채널들로부터의 유체 혼합이 구조화 팩킹의 각각의 층 안에서 발생되기 위한 보다 넓은 면적을 제공한다.
유럽 특허 EP 1036590은 실린더형 칼럼에 대하여 35°내지 65°의 최적 주름 각도를 개시한다. 이러한 범위내에서, 특정의 실린더형 칼럼에 대하여 위에서 설명된 바와 같이 질량 전달 효율, 압력 강하 및 작동 용량과 같은 파라미터들의 절충을 제공하기 위하여 45°의 주름 각도를 가진 팩킹을 이용하는 것은 통상적인 공업적 관례이다.
본 발명자들은, 적어도 한쌍의 수렴하는 벽들 또는 벽 부분들이 있는 분할된 칼럼 또는 실린더형이 아닌 칼럼들을 위한 구조화 팩킹의 최적화를 개시한 선행 기술이나, 또는 적어도 한쌍의 수렴하는 벽들 또는 벽 부분들이 있는 분할된 칼럼 또는 실린더형이 아닌 칼럼들에서 사용되는 구조화 팩킹에 대한 최적의 파라미터들이 통상적인 실린더형 칼럼들에 대한 파라미터들과 상이함을 개시하거나 시사하는 종래 기술을 알고 있지 않다. 그러나, 본 발명자들은 적어도 한쌍의 수렴하는 벽들 또는 벽 부분들이 있는 칼럼 또는 분할된 칼럼에 대한 최적의 팩킹이 원형 단면의 칼럼에 대한 최적의 팩킹과 상이하다는 점을 놀랍게도 발견하였다. 이러한 차이는 2개 유형의 칼럼에 대하여 다음에 설명되는 "에지 영역(edge zone)"에서의 칼럼내 유체 혼합 거동의 차이에 기인한다.
본 발명의 발명자들이 발견한 바에 따르면, 단면이 적어도 한쌍의 수렴하는 벽들 또는 벽 부분들을 가지는 칼럼 분할부 또는 칼럼에서 60°의 주름 각도를 이용하는 것은 실린더형 칼럼에서 동일한 팩킹을 사용하는 때와 같은 분리 효율을 제공한다. 그러나, 단면이 적어도 한쌍의 수렴하는 벽들 또는 벽 부분들을 가지는 칼럼 또는 칼럼 분할부에서 45°의 주름 각도를 가진 팩킹의 이용은 실린더형 칼럼에서 이용된 동일한 팩킹과 비교하여 분리 효율의 현저한 저하(degradation)를 초래한다.
실린더형 칼럼에서, 유체는 칼럼 벽에 인접한 고리형 에지 영역내에서 자유롭게 유동할 수 있다. 에지 영역은 칼럼 벽으로부터 측방향 거리를 두고 있는데, 여기에서 구조화 팩킹에 있는 주름 채널은 위의 층 또는 아래의 층에 있는 구조화 팩킹에서 끝나기 보다는 벽에서 끝날 것이다. 이것은 (구조화 팩킹의 층 높이)/(tan [주름 각도])로서 계산된다. 그러한 구조화 팩킹의 통상적인 층 높이는 200 mm 이고, 45°의 주름 각도와 함께, 혼합이 발생될 수 있는 200 mm의 고리형 에지 영역이 존재할 것이다. 그러나, 적어도 한 쌍의 수렴 벽들 또는 벽 부분들이 존재하는 칼럼 또는 칼럼의 분할에서, 벽들 또는 벽 부분들이 수렴하는 영역에 유체가 축적되는 경향이 있으며, 따라서 이러한 영역들에서 유체의 충분한 혼합 및 조성 균형이 발생되지 않는다. 결과적으로, 분리 효율과 관련된 칼럼 성능은 등가의 실린더형 칼럼과 비교하여 손상된다.
이론에 의해 한정하고자 하는 것은 아니지만, 본 발명의 발명자들이 할 수 있는 한가지 설명은, 45°의 주름 각도를 가진 구조화 팩킹에 대하여 관찰되는 것과 비교하여, 60°주름 각도 팩킹에 대한 분리 효율의 유지는, 60°의 주름 각도를 가진 구조화 팩킹을 이용할 때 형성된 칼럼 분할부 또는 칼럼의 벽에 근접한 작은 에지 영역의 결과라는 점이다. 결과적으로, 벽들 또는 벽 부분들이 수렴하는 영역에서의 불량한 유체 혼합에 기인하는 조성 불균형의 예상된 증가는 현저하게 감소되거나 또는 완전하게 회피되며, 따라서 실린더형 칼럼에서 동일한 팩킹을 사용하는 것과 비교하여 분리 효율이 유지된다.
따라서, 단면이 적어도 한 쌍의 수렴 벽들 또는 벽 부분들을 가지는 칼럼 또는 칼럼 분할부에서 사용되기 위한 최적의 구조화 팩킹의 주름 각도는, 실린더형 칼럼에 대한 종래 기술의 각도와 상이하다. 50 년 이상의 증류 산업에서 분할된 칼럼들을 광범위하게 사용했음에도 불구하고, 상이한 단면의 칼럼들에 있는 구조화 팩킹에서 있을 수 있는 그 어떤 성능 차이라도 개시하는 종래 기술을 본 발명자들은 알지 못한다.
보다 통상적으로 사용되는 45°의 각도에 비하여, 적어도 한 쌍의 수렴하는 벽들 또는 벽 부분들을 가지는 칼럼 또는 분할된 칼럼에 대하여 60 °의 주름 각도에서 분리 효율이 저하되지 않는다는 발견은 60°주름 각도 팩킹의 더 높은 작동 용량이 취해지는 장점을 허용하며, 즉, 이러한 칼럼을 위한 "절충"이 예기하지 않게 60°의 주름 각도에 호의적으로 이동한다. 이것은 분할된 칼럼이 이용되는 도 2에 도시된 바와 같은 시스템에서 특히 유리하며, 왜냐하면 통상적인 45°주름 각도 구조 팩킹과 관련하여 이용될 때 분할된 칼럼의 높이에 대하여 30 내지 50 %의 추가를 필요로 하지 않으면서, 상기 시스템의 작동 용량 및 비용의 장점이 본 발명으로써 얻어질 수 있기 때문이다.
본 발명이 적용될 수 있는 칼럼들의 예는 도 6 내지 도 15에 도시되어 있다. 이들은 단지 실시예에 불과하며, 본 발명이 동등하게 적용될 다른 칼럼 단면들 또는 분할된 벽의 칼럼 구성들이 가능하다는 점을 당업자가 이해할 것이다.
도 6은 칼럼을 평면도로 도시하며, 이것은 복수개의 상호 교차하는 분할 벽들에 의하여 다수의 칼럼 영역들로 분할되었으며 칼럼 영역들 각각은 정사각형 단면을 가진다. 도 7은 칼럼을 평면도로 도시하며, 이것은 복수개의 상호 교차하는 분할 벽에 의하여 다수의 칼럼 영역들로 분할되었으며 칼럼 영역들 각각은 육각형 단면을 가진다. 테셀레이션(tessellation) 다각형 칼럼 영역 단면들의 다른 구성들이 이용될 수 있다는 점도 이해될 것이다. 마찬가지로, 다각형 단면을 가진 단일 칼럼의 이용으로 본 발명의 장점들이 얻어질 것이라는 점이 이해될 것이다. 본 발명의 장점은 도 7에 도시된 것들과 같은 육각형 칼럼들의 경우보다 도 6에 도시된 것과 같은 정사각형 또는 사각형 단면 칼럼을 사용하는 경우에 더 클 것으로 예상되는데, 왜냐하면 칼럼 벽들 사이에 형성된 앵글부들은 정사각형 또는 사각형 칼럼들의 경우에 더욱 예리하며, 따라서 유체 혼합이 감소되는 에지 영역들을 형성함에 있어서 앵글부의 효과가 더 커질 것으로 예상되기 때문이다. 칼럼 또는 칼럼 분할부의 단면이 원에 가까워질수록, 본 발명의 장점은 덜 획득될 것이다.
도 8은 단면적의 1/4을 나머지 3/4으로부터 분할하기 위하여 2 개의 분할 벽들 각각이 칼럼의 원형 단면적의 반경에 걸쳐 있는 칼럼의 평면도를 도시한다. 90°의 앵글부 또는 코너가 칼럼의 단면 중간에 형성되고, 분할 벽들이 칼럼의 원주와 상호 교차하는 곳에서 분할 벽들은 상호 교차점에 있는 칼럼에 대한 접선과 직각이다. 본 발명의 장점은 그렇게 형성된 칼럼 분할부들 양쪽에서 얻어질 것으로 예상된다. 보다 작은 분할부에서, 2개의 분할 벽들 사이 그리고 각각의 분할 벽과 원형 컬럼 벽 사이의 앵글부는 유체 혼합을 현저하게 제한할 것으로 예상된다. 마찬가지로, 보다 큰 분할부에서 각각의 분할 벽과 원형 칼럼 벽 사이에 형성된 앵글부들은 칼럼 혼합을 현저하게 감소시킬 것으로 예상된다; 칼럼의 중심에 있는 2 개의 분할 벽들의 접합부에서의 반사 각(reflex angle)은 유체 혼합에도 영향을 미칠 수 있지만, 이것은 원형 칼럼 벽에 있는 예각에서 관찰되는 것보다 훨씬 덜할 것으로 예상된다.
다시, 2 개의 분할 벽들 사이에 크거나 또는 작은 앵글부가 형성되는 2 개의 분할 벽들의 다른 구성들이 가능하다는 점이 이해될 것이다.
도 9는 칼럼의 원형 단면의 현(chord)이 되는 분할 벽이 칼럼 단면적을 2 개의 동등하지 않은 부분들로 나누는 칼럼을 도시한다. 분할 벽의 각각의 단부에서 앵글부 또는 코너가 형성되는데, 그곳에서 분할 벽은 칼럼의 원주와 상호 교차한다. 본 발명의 장점들은 칼럼의 분할부들 모두에서 얻어지지만, 원형 칼럼과 분할 벽 사이에 형성된 보다 예리한 앵글부들이 이러한 코너들에 인접하여 유체 혼합을 더욱 현저하게 지체시킬 것으로 예상되므로, 보다 작은 분할부의 경우에 더 큰 정도의 장점이 얻어질 것이다.
도 10은 칼럼의 원형 단면의 현이 되는 2 개의 분할 벽들을 가진 칼럼을 도시하는데, 이러한 경우에 분할 벽들은 칼럼 안에 3 개의 영역들을 한정하도록 서로 평행하게 배치된다: 이것은 2 개의 섹터(sector)들 및, 단면이 사각형에 가까운 칼럼의 중심부를 가로지르는 섹터들 사이의 영역이다. 다시, 현들이 칼럼의 원주와 교차하는 곳에서 앵글부 또는 코너들이 형성된다. 비록 모든 3 개의 영역들이 본 발명으로부터 일부 장점을 도출할 것으로 예상되지만, 중심 분할부보다는 분할 벽과 원형의 칼럼 벽 사이의 접합점에 형성된 더 예리한 앵글부들을 가진 2 개의 섹터 분할부에 대하여 본 발명의 장점이 더 클 것으로 예상된다.
도 11은 칼럼의 원형 단면의 현이 되는 3 개의 분할 벽들을 가진 칼럼을 도시하며, 분할 벽들 각각은 분할 벽들이 칼럼의 원주와 상호 교차하는 지점에서 인접한 분할 벽과 상호 교차하여 칼럼의 중심에 삼각형 단면의 칼럼 영역을 형성한다. 상호 교차의 각각의 지점에 앵글부 또는 코너들이 형성된다. 벽들이 원주와 상호 교차할 때 벽들이 서로 교차할 필요 없는 대안의 구성들이 가능하며 (즉, 분할 벽들이 서로 교차하지 않는 다수의 섹터들이 형성될 수 있다), 칼럼의 원주에 대한 현이 되는 3개 이상의 분할 벽들이 제공될 수 있다는 점이 이해될 것이다. 본 발명의 장점은 상기 칼럼의 모든 분할에 대하여 얻어질 것으로 예상된다.
도 12는 분할 벽들이 칼럼 벽과 상호 교차하지 않지만 칼럼 안에 삼각형 단면의 영역을 형성하는 칼럼을 도시한다. 마찬가지로, 도 13은 그 어떤 분할 벽들도 칼럼 벽과 상호 교차하거나 또는 접촉하지 않으면서 분할 벽들이 칼럼 안의 정사각형 단면의 영역을 감싸는 구성을 도시한다. 상이한 다각형 단면들을 가진 영역들을 감?록 더 많은 벽들이 제공될 수 있다는 점이 이해될 것이다. 또한 하나 또는 그 이상의 분할 벽들이 칼럼의 원주와 상호 교차될수 있고, 벽들이 상이한 길이를 가질 수 있고, 따라서 불규칙적인 다각형 단면의 중심 영역이 초래된다. 유체의 혼합은 내측 분할부의 상호 교차하는 벽들에 의해 형성된 앵글부 및 외측 분할부에 있는 수렴하는 벽들 양쪽에 의해 제한될 것이므로, 본 발명의 장점은 칼럼 분할부에 의해 형성된 양쪽 영역들에서 얻어질 것이지만, 그러한 장점은 외측 분할부 보다 내측 분할부에 대하여 더 클 것이라는 점이 예상된다. 도 12에서 삼각형 중심 영역에 의해 얻어지는 장점은, 이전의 경우에서 칼럼의 보다 예리한 앵글부들 때문에, 도 13에 있는 정사각형 내측 영역에 대하여 얻어진 것보다 클 것으로 예상된다.
도 14는 분할 벽이 원형 단면을 가진 영역을 감싸는 칼럼을 도시하며, 상기 분할 벽은 칼럼의 원주와 접촉한다. 따라서, 분할 벽 및 칼럼 원주는 분할 벽과 칼럼 원주 사이의 접촉 지점에서 앵글부를 형성하도록 수렴한다. 분할 벽이 원형 영역을 감쌀 필요는 없지만 그 어떤 전체적으로 둥근 형상을 형성할 수 있다는 점이 이해될 것이다. 또한 분할 벽은 칼럼 벽과 접촉할 필요가 없지만, 분할 벽의 적어도 일부 및 칼럼 벽의 적어도 일부가 수렴하도록 배치되어야 한다는 점도 이해될 것이다. 이러한 경우에, 내측 칼럼 분할부는 원형 단면을 가지므로 본 발명의 장점은 오직 외측 칼럼 분할부에서만 얻어지는데 반해, 칼럼 벽과 분할 벽 사이의 접촉에 의해 형성되는 예리한 앵글부는 외측 칼럼 섹션에서 유체 혼합에 제한적인 효과를 미칠 것이라는 점이 예상된다.
도 15는 3 개의 분할 벽들이 칼럼의 중심으로부터 원형 칼럼 벽을 향해 반경 방향으로 연장됨으로써, 실린더형 칼럼을 3 개의 동등한 구획부(segment)들로 분할하는 칼럼을 도시한다. 본 발명의 장점은 각각의 구획부의 코너들에서 야기되는 제한적인 유체 혼합 때문에 모든 구획부들에 대하여 얻어질 것으로 예상된다.
예
본 발명에 따른 구조화 팩킹과 종래 기술에 따른 구조화 팩킹의 성능 비교는 아르곤을 산소로부터 분리시키기 위한 원형 단면을 가진 칼럼 또는 D 형상 단면을 가진 칼럼을 포함하는 액화 증류 장치에서 수행되었다. 원형 단면을 가진 칼럼에 대하여, 팩킹의 각각의 층이 대략 210 mm의 높이 및 900 mm의 직경을 가지는, 팩킹의 대략 20개 층들이 액화 증류 칼럼 내부에서 90°의 방위로 서로의 상부에 적층된다. D 형상 단면을 가진 칼럼에 대하여, 팩킹의 각각의 층이 대략 210 mm의 높이 및 900 X 450 mm의 반원형 면적을 가진, 팩킹의 대략 20개 층들이 액화 증류 칼럼 내부에서 90°의 방위로 서로의 상부에 적층된다. 모든 비교는 0.4 barg (40 kPa guage)의 칼럼 압력에서 전체적인 내부 환류(internal reflux) 하에 수행되었다. 아르곤/산소의 2개 혼합물들의 분리는 질량 전달 효율 및 압력 강하를 확인하도록 칼럼에 진입하고 칼럼을 떠나는 액체 및 증기 흐름의 조성을 측정함으로써 연구되었다. 사용된 양쪽의 구조화 팩킹들은 도 3에 도시된 일반적인 유형에 일치하며, 수평의 홈들, 대략 10 %의 통공부들의 개방 면적을 가지며, 각각은 대략 500 ㎡/㎥의 표면적을 가진다. 구조화 팩킹들은 그들의 주름 각도에서 상이한데, 종래 기술 팩킹(팩킹 A)의 경우에는 45°이고, 본 발명에 따른 팩킹(팩킹 B)의 경우에는 60°이다. HETP 및, 양쪽 팩킹들을 통하여 측정된 동적 압력 강하(dynamic pressure drop)와 관련하여 성능이 표시되며, 상기 양쪽 모두는 Kv의 함수로서 나타내어지는데, 이것은 밀도 교정 표면 기체 속도로서, 다음과 같이 정의된다.
Kv = U [(ρv/ρL-ρv)0.5], 여기에서 U는 칼럼 안의 증기 상의 겉보기 속도(superficial velocity)로서 m/s 단위; ρv는 칼럼 안의 증기 상의 밀도로서 kg/㎥ 단위; ρL는 칼럼 안의 액체 상의 밀도로서 kg/㎥ 단위이다. HETP, Kv 및 압력 강하는 사용된 칼럼들의 2 개의 상이한 형태들에 있는 팩킹들의 성능을 비교하기 위하여 정규화(normalize)되었다.
도 16 및 도 17에는 원형 단면의 칼럼 및 반원형 단면의 칼럼에서 종래 기술의 구조화 팩킹(A)에 대하여 얻어진 결과들이 도시되어 있다. 2 가지 데이터 세트(dataset)들이 원형 단면 칼럼들(원형 및 삼각형 데이터지점)들에 대하여 도시되고, 반원형 단면 칼럼들(장사방향 데이터지점; rhomboid datepoint)에 대하여 1 가지 데이터 세트들이 도시되어 있다. 도 16으로부터 HETP 값은 (Kv에 따라서) 대략 30 내지 50 %로 더 높고, 따라서 원형 단면의 칼럼과 비교하여 반원형 단면의 칼럼에 있는 팩킹에 대하여 분리 효율은 더 낮다. 곡선은 대략 1.35의 정규화된 Kv에서 수렴되기 시작하고, 상기 지점에서 양쪽 곡선들은 Kv의 증가와 함께 HETP의 가파른 증가를 나타내기 시작하는데, 이러한 관찰이 의미하는 것은 사용된 양쪽 칼럼들에 대하여 작동 용량이 유사하는 점이다. 도 17은 팩킹(A)의 압력 강하가 사용된 양쪽 칼럼 유형들에서 유사함을 나타낸다. 더욱이, 이러한 경우에 압력 강하의 증가가 KV에서의 점증적인 증가와 함께 더욱 급속해지는 KV로서 정의되는 양쪽 칼럼들의 장입 지점( loading point)은 1.05의 K에서 유사하다.
본 발명에 따른 구조화 팩킹(B)에 대하여 얻어진 결과들은 도 18 및 도 19에 도시되어 있다. 다시, 2 개의 데이터세트들은 원형 단면의 칼럼들에 대하여 도시되고 (이러한 경우에, 원형 및 장사방형 데이터지점들), 하나는 반원형 단면 칼럼들에 대하여 도시되어 있다 (삼각형 데이터지점들). 도 18로부터 알 수 있는 바로서, (종래 기술의 팩킹(A)에 대한 45°와 비교하여) 60°의 주름 각도를 가진 구조화 팩킹(B)은, (도 16과 비교된) 원형 단면 칼럼과 비교하여, 반원형 단면 칼럼에 대하여 HETP의 현저한 증가를 예기하지 않게 나타내지 않는다. 사실상, 반원형 칼럼에 대한 데이터지점(datapoint)들은 전체적으로 원형 단면 칼럼들에 대한 데이터지점들의 2개 세트들 사이에 놓인다. 도 16에 대하여, 모든 데이터세트(dataset)들에 대한 HETP는 비슷한 값의 KV의 증가시에 급속하게 증가하기 시작하며, 따라서 팩킹에 대한 작동 용량은 사용된 양쪽 칼럼 유형에 대하여 유사하다는 점이 다시 언급될 수 있다. 도 17과 유사하게, 도 19는 팩킹의 압력 강하 및 팩킹의 장입 지점이 사용된 양쪽 칼럼 유형들에서 유사하다는 점을 나타낸다.
2 개의 칼럼 유형들에 있는 2 가지 팩킹들의 성능에 대한 전체적인 비교는 상대적인 HETP 및 상대적인 작동 용량에 관하여 표 1에 표시되어 있다. 상대적인 HETP 는, 높은 KV에서 HETP가 급속하기 증가되기 이전에, 도 16 및 도 18에 도시된 곡선들의 평탄한 부분들을 따라서 HETP를 나타낸다. 상대적인 작동 용량은 HETP가 수렴하기 시작하는 KV에서 평가된다.
주름 각도() 상대적인 HETP
(반원형/원형)		 상대적인 작동 용량
(반원형/원형)
팩킹 A 45 1.3-1.5 1.0
팩킹 B 60 1.0 1.0
따라서, 팩킹 A의 작동 용량은 반원형 및 원형 단면 칼럼 양쪽에서 유사한 것을 알 수 있다. 팩킹 B의 작동 용량은 비록 팩킹 A 보다 높을지라도 반원형 및 원형 칼럼 양쪽에서 유사하다. 높은 주름 각도의 구조화 팩킹 B 도 반원형 및 원형 단면 칼럼 양쪽에서 유사한 분리 효율을 제공하는 반면에, 팩킹 A는 반원형 단면 칼럼에서 분리 효율을 상실한다. 따라서, 반원형 칼럼에서 팩킹 B의 사용은 만약 상대적인 HETP가 팩킹 A 와 같았다면 예상된 것보다 낮은 칼럼 높이의 이용을 허용하며, 따라서 팩킹 B의 사용은 팩킹 A의 사용보다 더욱 비용 효율적인 높이 대(對) 작동 용량의 절충(trade-off)을 제공한다.
본 발명이 바람직한 실시예를 참조로 설명되었지만, 본 발명의 범위내에서 다양한 변형이 가능하다는 점이 이해될 것이다.
본 명세서에서, 다르게 표현되지 않는 한, '또는' 이라는 단어는 기재된 조건들중 어느 하나 또는 양쪽 모두가 충족되었을 때 참값으로 복귀하는 연산자(operator)의 의미로 이용되며, 이는 조건들중 어느 하나만이 충족되는 것을 필요로 하는 연산자인 '배타적이면서 또는'에 대하여 반대이다. '포함하는' 이라는 단어는 '구성되는'을 의미하기 보다는 '구비하는'의 의미로 이용된다. 상기에 설명된 모든 종래 기술은 본원에 참고로서 포함된다. 여기에 있는 종래의 간행 문헌은그것에 개시된 바가 오스트레일리아 또는 다른 곳에서 현재 통상적인 일반 지식이었음을 나타내거나 인정하는 것으로 받아들여져서는 아니된다.

Claims (13)

  1. 적어도 한 쌍의 수렴하는 벽들 또는 벽 부분들을 가지는 칼럼 또는 칼럼 분할부에서 적어도 한쌍의 수렴하는 벽들 또는 벽 부분들에 의해 경계가 이루어진 칼럼 또는 칼럼 분할부의 적어도 일 영역 내에 적어도 50°의 주름 각도(corrugation angle)를 가진 구조화 팩킹(structured packing)의 열 및/또는 질량 전달 프로세스에서의 용도.
  2. 열전달 또는 질량 전달 프로세스를 위한 장치로서
    적어도 한 쌍의 수렴하는 벽들 또는 벽 부분들을 가지는 칼럼 또는 칼럼 분할부, 및 적어도 한쌍의 수렴하는 벽들 또는 벽 부분들에 의해 경계가 이루어진 칼럼 또는 칼럼 분할부의 적어도 일 영역 안에 적어도 50°의 주름 각도를 가진 구조화 팩킹을 포함하는 장치.
  3. 열 및/또는 질량 전달 방법으로서,
    적어도 한 쌍의 수렴하는 벽들 또는 벽 부분들을 가지는 칼럼 또는 칼럼 분할부들로 하나 이상의 유체들을 공급하는 것
    을 포함하며, 적어도 한 쌍의 수렴하는 벽들 또는 벽 부분들에 의해 경계가 이루어진 칼럼 또는 칼럼 분할부의 적어도 일 영역 내에 적어도 50°의 주름 각도를 가진 구조화 팩킹을 수용하여, 하나 이상의 유체들이 열 전달 및/또는 질량 전달을 이루도록 구조화 팩킹과 접촉하게 하는 것인, 방법.
  4. 열 및/또는 질량 전달 프로세스를 위한 장치로 구조화 팩킹을 설치하는 방법으로서, 상기 장치는 적어도 한 쌍의 수렴하는 벽들 또는 벽 부분들을 가지는 칼럼 또는 칼럼 분할부를 포함하고,
    적어도 50°의 주름 각도를 가진 구조화 팩킹을 제공하는 단계; 및,
    적어도 한 쌍의 수렴하는 벽들 또는 벽 부분들에 의해 경계가 이루어진 칼럼 또는 칼럼 분할부의 적어도 일 영역으로 상기 구조화 팩킹을 설치하는 단계;
    를 포함하는 방법.
  5. 선행하는 항들중 어느 한 항에 있어서,
    구조화 팩킹의 주름 각도는 55° 내지 65°인, 용도, 장치 또는 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    구조화 팩킹의 주름 각도는 60°인, 용도, 장치 또는 방법.
  7. 선행하는 항들중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 한 쌍의 수렴하는 벽들 또는 벽 부분들은 120°이하의 내각으로 수렴하는 것인, 용도, 장치 또는 방법.
  8. 선행하는 항들중 어느 한 항에 있어서,
    칼럼 단면 또는 칼럼 분할부 단면은 적어도 하나의 코너 또는 앵글부(angle)를 포함하는 것인 용도, 장치 또는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    적어도 하나의 코너 또는 앵글부는 120°이하의 내각을 갖는 것인, 용도, 장치 또는 방법.
  10. 선행하는 항들중 어느 한 항에 있어서,
    칼럼 또는 칼럼 분할부는 칼럼 안에 적어도 하나의 분할 벽을 제공함으로써 원형 단면을 가진 컬럼 안에 형성된 칼럼 분할부이며, 상기 분할 벽은 칼럼의 단면을 적어도 2개의 분할부들로 분할함으로써 분할 벽이 칼럼의 벽과 수렴하여 적어도 하나의 앵글부를 형성하는 것인 용도, 장치 또는 방법.
  11. 선행하는 항들중 어느 한 항에 있어서,
    칼럼 크기는 칼럼이 원형 단면인 경우에 직경이 0.5 m 보다 크며, 칼럼이 다른 형상인 경우에 등가인 단면적보다 큰 것인, 용도, 장치 또는 방법.
  12. 선행하는 항들중 어느 한 항에 있어서,
    질량 전달 프로세스는 극저온 분리 프로세스(cryogenic separation process)인, 용도, 장치 또는 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    극저온 분리 프로세스는 공기를 질소 농후의 흐름, 산소 농후의 흐름 및 아르곤 농후의 흐름으로 분리하는 프로세스인, 용도, 장치 또는 방법.
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