KR20240007761A - 구조화된 패킹 및 이를 이용하는 교차 유동 접촉기 - Google Patents
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Abstract
교차 유동 응용을 위한 구조화된 패킹(packing) 모듈이 제공되며, 이는 서로에 대해 직립, 평행 관계로 위치된 복수의 파형 구조화된 패킹 시트들을 포함한다. 인접한 구조화된 패킹 시트들의 파형부(corrugation)들은 서로 접촉하고 교차하는 각도로 연장된다. 개구들 및 융기된 리지(ridge)들이 파형부들의 측벽들 상에 위치될 수 있다. 구조화된 패킹 모듈은 공기로부터 이산화탄소를 제거하기 위한 공정에서와 같이 교차 유동 접촉기(crossflow contactor)에 사용될 수 있다.
Description
관련 출원
본 출원은 2021년 6월 14일자로 출원된 미국 가출원 제63/210,458호에 대한 우선권을 주장하며, 이는 전체적으로 본 출원에 참고로 포함된다.
본 발명은 일반적으로 물질 전달에 관한 것으로, 더 구체적으로는, 유체 스트림들 사이의 울질 전달을 용이하게 하는 데 사용되는 구조화된 패킹(packing) 및 이 구조화된 패킹을 이용하는 교차 유동 접촉기(cross flow contactor)에 관한 것이다.
물질 전달 칼럼은 특정 조성 및/또는 온도의 생성물 스트림을 제공하기 위하여 적어도 2개의 유체 스트림을 접촉시키도록 구성된다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "물질 전달 칼럼"은 교차 유동 액체-기체 접촉기, 흡수기, 분리기, 증류 칼럼, 분리벽형 칼럼(divided wall column), 액체-액체 추출기, 스크러버(scrubber), 및 증발기를 포함하고자 하는 것이며, 이는 둘 이상의 유체 상들 사이의 열 및/또는 물질 전달을 용이하게 한다. 다성분 흡수 및 증류에 사용되는 것들과 같은 일부 물질 전달 칼럼들은 기체 및 액체 상들과 접촉하도록 구성되는 반면, 추출기들과 같은 다른 물질 전달 칼럼들은 밀도가 상이한 2개의 액체 상들과 접촉하도록 구성된다.
구조화된 패킹들은, 상이한 유체 스트림들이 퍼져서 서로 상호 작용하여 유체 스트림들 중 한 스트림의 하나 이상의 성분들이 다른 유체 스트림으로 전달되는 물질 전달이 일어나게 하고/하거나 유체 스트림들 사이에서 열 전달이 일어나게 하는 표면들을 제공하기 위해 물질 전달 칼럼들에 통상 사용된다. 이러한 구조화된 패킹들은 서로에 대해 직립, 평행 관계로 위치되는 복수의 구조화된 패킹 시트들을 전형적으로 포함한다. 구조화된 패킹 시트의 한 가지 유형은 파형부(corrugation)들을 가지며, 이때 인접한 구조화된 패킹 시트들 상의 파형부들은 유체 스트림들 중 한 스트림에 대한 유동 채널들을 형성하기 위해 서로에 대해 교차하는 관계로 배열되게 된다. 다른 유체 스트림은 교차하는 관계, 즉 교차 유동 또는 교차하는 파형부에 의해 형성된 유동 채널들을 따라 유동하는 유체 스트림에 대한 역방향(countercurrent) 유동 형태로 유동할 수 있다.
일반적으로, 유체 스트림들이 상호 작용하는 비표면적을 증가시킴으로써, 구조화된 패킹을 통해 유동할 때 유체 스트림들 사이의 물질 및 에너지 전달을 최대화하는 것이 바람직하다. 그러나, 비표면적의 증가는 일반적으로 압력 강하의 증가를 초래하며, 이는 압력 강하를 극복하기에 충분한 압력을 생성하는 것과 연관된 자본 및 작동 비용의 관점에서 바람직하지 않다. 그 결과, 효율을 희생시키지 않으면서 더 낮은 압력 강하를 달성하거나 또는 압력 강하를 유의하게 증가시키지 않으면서 증가된 효율을 달성하는 개선된 구조화된 패킹들에 대한 필요성이 존재하게 된다.
일 태양에서, 본 발명은 서로에 대해 직립, 평행 관계로 위치된 복수의 구조화된 패킹 시트들을 포함하는 구조화된 패킹 모듈에 관한 것으로, 각각의 구조화된 패킹 시트는 양 단부들, 상부 에지, 하부 에지, 교번하는 산들 및 골들로 형성된 파형부들과 산들 및 골들 중 인접한 것들 사이에서 연장되는 파형부 측벽들, 및 구조화된 패킹 시트들을 통한 유체의 통과를 허용하기 위한 파형부들 내의 개구들을 갖는다. 구조화된 패킹 시트들은 구조화된 패킹 시트들 중 각각의 시트의 파형부들이 구조화된 패킹 시트들 중 각각의 인접한 시트의 파형부들과 접촉하고 이들에 대해 교차하는 각도로 연장되고 상기 양 단부들 중 하나로부터 상기 양 단부들 중 다른 하나로의 제1 유체 스트림과 구조화된 패킹 시트들의 상부 에지로부터 하부 에지로 하강하는 제2 유체 스트림의 교차 유동을 위해 설정되도록 구성 및 배열된다. 각각의 구조화된 패킹 시트는 양 단부들 중 하나에서의 진입 영역, 양 단부들 중 다른 하나에서의 배출 영역, 및 진입 영역과 배출 영역 사이에서 연장되는 벌크 영역을 갖는다. 벌크 영역 내의 파형부들은 5 내지 35도, 10 내지 25도, 10 내지 20도, 및 12 내지 17도로 이루어진 군으로부터 선택되는 범위로 수평축과 관련하여 한정된 경사각을 따라 길이방향으로 연장된다. 하나의 변형예에서, 각각의 구조화된 패킹 시트 내의 파형부들의 적어도 일부는 수평축과 관련하여 한정된 경사각을 따라 길이방향으로 연장되는 벌크 영역 내의 다수의 주요 세그먼트들과, 주요 세그먼트들 중 연속적인 세그먼트들이 하나의 측방향으로 변위되도록 경사각이 변곡점(inflection point)을 통과하는 주요 세그먼트들 중 인접한 세그먼트들 사이의 주기적인 세그먼트를 각각 갖는다.
다른 태양에서, 본 발명은 서로에 대해 직립, 평행 관계로 위치된 복수의 구조화된 패킹 시트들을 포함하는 구조화된 패킹 모듈에 관한 것으로, 각각의 구조화된 패킹 시트는 양 단부들, 상부 에지, 하부 에지, 교번하는 산들 및 골들로 형성된 파형부들과 산들 및 골들 중 인접한 것들 사이에서 연장되는 파형부 측벽들, 구조화된 패킹 시트들을 통한 유체의 통과를 허용하기 위한 파형부 측벽들 상의 개구들, 및 파형부 측벽들 상의 융기된 리지(ridge)들을 갖는다. 구조화된 패킹 시트들은 구조화된 패킹 시트들 중 각각의 시트의 파형부들이 구조화된 패킹 시트들 중 각각의 인접한 시트의 파형부들과 접촉하고 이들에 대해 교차하는 각도로 연장되도록 구성 및 배열된다. 각각의 구조화된 패킹 시트는 양 단부들 중 하나에서의 진입 영역, 양 단부들 중 다른 하나에서의 배출 영역, 및 진입 영역과 배출 영역 사이에서 연장되는 벌크 영역을 갖는다. 각각의 구조화된 패킹 시트 내의 파형부들의 적어도 일부는 수평축과 관련하여 한정된 경사각을 따라 길이방향으로 연장되는 벌크 영역 내의 다수의 주요 세그먼트들과, 주요 세그먼트들 중 연속적인 세그먼트들이 하나의 측방향으로 변위되도록 경사각이 변곡점을 통과하는 주요 세그먼트들 중 인접한 세그먼트들 사이의 주기적인 세그먼트를 각각 갖는다. 벌크 영역 내의 파형부들의 주요 세그먼트들의 경사각은 10 내지 25도, 10 내지 20도, 및 12 내지 17도로 이루어진 군으로부터 선택되는 범위이고, 각각의 구조화된 패킹 시트에서 주기적인 세그먼트들은 주요 세그먼트들과 동일 평면에 있게 된다.
추가 태양에서, 본 발명은 유체로부터 성분을 제거하기 위한 교차 유동 접촉기에 관한 것이다. 교차 유동 접촉기는 제1 유체 스트림이 쉘의 입구 단부로부터 수평으로 반대편인 출구 단부로 유동할 수 있는 개방 내부 영역을 한정하는 쉘을 포함한다.
; 전술한 바와 같은 하나 이상의 구조화된 패킹 모듈들은 개방 내부 영역에 존재하는 경우 제1 유체 스트림을 위한 유동 경로 내에서 개방 내부 영역에 위치된다. 액체 분배기는 제2 유체 스트림을 위로부터 하나 이상의 구조화된 패킹 모듈들 내로 전달하여, 개방 내부 영역에 존재할 때 제1 유체 스트림과 함께 하나 이상의 구조화된 패킹 모듈들 내에서 상호 작용하기 위해 제공된다. 액체 수집기는 제2 유체 증기를 개방 내부 영역에 존재하는 경우 제1 유체 스트림과의 상호 작용 후에 하나 이상의 구조화된 패킹 모듈들 아래로부터 수집 및 제거하기 위해 제공된다.
본 명세서의 일부를 형성하고, 유사한 도면 부호가 다양한 도면에서 유사한 구성요소를 나타내는 데 사용되고 윤곽선들이 다양한 표면 특징부들의 예시를 돕기 위해 사용되는 첨부 도면에서:
도 1은 교차 유동 접촉기 형태의 물질 전달 칼럼의 측면 사시도로서, 일부분들이 파단되어 교차 유동 접촉기 내에 배치된 본 발명의 일 실시예에 따라 구성된 구조화된 패킹 모듈들 및 다른 구성의 상세부들을 도시하고;
도 2는 도 1에 도시된 구조화된 패킹 모듈들에 사용된 단일 구조화된 패킹 시트의 일 면을 도시하는 입면도이고;
도 3은 도 1에 도시된 구조화된 모듈들 중 하나의 일부분을 형성하는 다수의 구조화된 패킹 시트들의 측면 사시도이고;
도 4는 도 3에 도시된 구조화된 패킹 시트들 중 하나의 측면 사시도이지만, 상이한 시각에서 취해지고;
도 5는 도 4에 도시된 구조화된 패킹 시트의 단부도이고;
도 6은 본 발명의 제2 실시예의 다수의 구조화된 패킹 시트들의 측면 사시도로서, 이는 도 3에 도시된 바와 같은 제1 실시예의 구조화된 패킹 시트들과 유사하지만 제1 실시예의 인접한 개구들 사이에서 연장되고 이들 개구들을 연결하는 융기된 리지들과 도 3에 도시된 산(peak)들 및 골(valley)들 상의 개구들이 결여되어 있고;
도 7은 본 발명의 제3 실시예의 다수의 구조화된 패킹 시트들의 측면 사시도로서, 이는 도 6에 도시된 바와 같은 제2 실시예의 구조화된 패킹 시트들과 유사하지만 각각의 파형부 측벽 상에 제2 실시예에 도시된 1열의 개구들보다는 2열의 개구들을 이용하고 있고;
도 8은 본 발명의 제4 실시예의 다수의 구조화된 패킹 시트들의 측면 사시도로서, 이는 도 6에 도시된 바와 같은 제2 실시예의 구조화된 패킹 시트들과 유사하지만 제2 실시예에 도시된 원형 개구들보다는 세장형 개구들을 이용하고 있고;
도 9는 본 발명의 제5 실시예의 다수의 구조화된 패킹 시트들의 측면 사시도로서, 이는 도 6에 도시된 바와 같은 제2 실시예의 구조화된 패킹 시트들과 유사하지만 인접한 개구들 사이에서 연장되고 이들 개구들을 연결하는 융기된 리지들을 구비하고 있고;
도 10은 본 발명의 제6 실시예의 다수의 구조화된 패킹 시트들의 측면 사시도로서, 이는 도 9에 도시된 바와 같은 제5 실시예의 구조화된 패킹 시트들과 유사하지만 융기된 리지들이 인접한 개구들의 단지 일부들 사이에서 인접한 파형부 측벽들 상에 엇갈린 배열로 구비되어 있고;
도 11은, 융기된 리지들이 불연속적이고 인접한 개구들 사이에서 연장되고 이들 개구들을 연결하기보다는 개구들 위와 아래로 열 지어 위치되는 본 발명의 제7 실시예의 단일 구조화된 패킹 시트의 일부분의 측면 사시도이고;
도 12는 본 발명의 제8 실시예에 따른 구조화된 패킹 시트의 단부도이고;
도 13은 본 발명의 제9 실시예에 따른 구조화된 패킹 시트의 단부도이고;
도 14는 본 발명의 제10 실시예에 따른 구조화된 패킹 시트의 단부도이고;
도 15는 본 발명의 제11 실시예에 따른 구조화된 패킹 시트의 단부도이고;
도 16은 본 발명의 제12 실시예에 따른 구조화된 패킹 시트의 단부도이다.
도 1은 교차 유동 접촉기 형태의 물질 전달 칼럼의 측면 사시도로서, 일부분들이 파단되어 교차 유동 접촉기 내에 배치된 본 발명의 일 실시예에 따라 구성된 구조화된 패킹 모듈들 및 다른 구성의 상세부들을 도시하고;
도 2는 도 1에 도시된 구조화된 패킹 모듈들에 사용된 단일 구조화된 패킹 시트의 일 면을 도시하는 입면도이고;
도 3은 도 1에 도시된 구조화된 모듈들 중 하나의 일부분을 형성하는 다수의 구조화된 패킹 시트들의 측면 사시도이고;
도 4는 도 3에 도시된 구조화된 패킹 시트들 중 하나의 측면 사시도이지만, 상이한 시각에서 취해지고;
도 5는 도 4에 도시된 구조화된 패킹 시트의 단부도이고;
도 6은 본 발명의 제2 실시예의 다수의 구조화된 패킹 시트들의 측면 사시도로서, 이는 도 3에 도시된 바와 같은 제1 실시예의 구조화된 패킹 시트들과 유사하지만 제1 실시예의 인접한 개구들 사이에서 연장되고 이들 개구들을 연결하는 융기된 리지들과 도 3에 도시된 산(peak)들 및 골(valley)들 상의 개구들이 결여되어 있고;
도 7은 본 발명의 제3 실시예의 다수의 구조화된 패킹 시트들의 측면 사시도로서, 이는 도 6에 도시된 바와 같은 제2 실시예의 구조화된 패킹 시트들과 유사하지만 각각의 파형부 측벽 상에 제2 실시예에 도시된 1열의 개구들보다는 2열의 개구들을 이용하고 있고;
도 8은 본 발명의 제4 실시예의 다수의 구조화된 패킹 시트들의 측면 사시도로서, 이는 도 6에 도시된 바와 같은 제2 실시예의 구조화된 패킹 시트들과 유사하지만 제2 실시예에 도시된 원형 개구들보다는 세장형 개구들을 이용하고 있고;
도 9는 본 발명의 제5 실시예의 다수의 구조화된 패킹 시트들의 측면 사시도로서, 이는 도 6에 도시된 바와 같은 제2 실시예의 구조화된 패킹 시트들과 유사하지만 인접한 개구들 사이에서 연장되고 이들 개구들을 연결하는 융기된 리지들을 구비하고 있고;
도 10은 본 발명의 제6 실시예의 다수의 구조화된 패킹 시트들의 측면 사시도로서, 이는 도 9에 도시된 바와 같은 제5 실시예의 구조화된 패킹 시트들과 유사하지만 융기된 리지들이 인접한 개구들의 단지 일부들 사이에서 인접한 파형부 측벽들 상에 엇갈린 배열로 구비되어 있고;
도 11은, 융기된 리지들이 불연속적이고 인접한 개구들 사이에서 연장되고 이들 개구들을 연결하기보다는 개구들 위와 아래로 열 지어 위치되는 본 발명의 제7 실시예의 단일 구조화된 패킹 시트의 일부분의 측면 사시도이고;
도 12는 본 발명의 제8 실시예에 따른 구조화된 패킹 시트의 단부도이고;
도 13은 본 발명의 제9 실시예에 따른 구조화된 패킹 시트의 단부도이고;
도 14는 본 발명의 제10 실시예에 따른 구조화된 패킹 시트의 단부도이고;
도 15는 본 발명의 제11 실시예에 따른 구조화된 패킹 시트의 단부도이고;
도 16은 본 발명의 제12 실시예에 따른 구조화된 패킹 시트의 단부도이다.
이제 도면을 더 상세히 그리고 처음으로 도 1을 참조하면, 다양한 물질 전달, 열 교환 및/또는 반응 공정들에 사용하기에 적합한 물질 전달 칼럼이 일반적으로 도면 부호 10으로 나타나 있다. 하나의 특정 예로서, 물질 전달 칼럼(10)은 주위 공기로부터 이산화탄소를 제거하는 데 사용되는 교차 유동 접촉기일 수 있다.
물질 전달 칼럼(10)은 입구 단부(16)로부터 개방 내부 영역(14)의 수평으로 반대편의 출구 단부(18)로의 제1 유체 스트림의 수평 통과를 위해 수평으로 연장되는 개방 내부 영역(14)을 한정하는 쉘(12)을 포함한다. 액체 분배기(20)는 위로부터 개방 내부 영역(14) 내로 제2 유체 스트림을 전달하기 위해 쉘(12)에 의해 또는 쉘(12)과 별개로 형성된다. 예시된 실시예에서, 액체 분배기(20)는 위에 위치되고 천공 플레이트(24)에 의해 개방 내부 영역(14)으로부터 분리되는 상부 플리넘(plenum)(22)을 포함하고, 천공 플레이트(24)는 제2 유체 스트림을 개방 내부 영역(14)의 전부 또는 선택된 부분으로 균일하게 분포시킨다. 입구 노즐(26)은 피드라인(feedline)(도시되지 않음)으로부터 상부 플리넘(22) 내로 제2 유체 스트림을 전달하는 데 사용될 수 있다.
액체 수집기(28)는 제2 액체 스트림을 개방 내부 영역(14)에서 제1 유체 스트림과 상호 작용한 후에 아래로부터 수집 및 제거하기 위해 쉘(12)에 의해 또는 쉘(12)과 별개로 형성된다. 예시된 실시예에서, 액체 수집기(28)는 아래에 위치되고 액체 분배기(20)와 함께 사용되는 천공 플레이트(24)와 유사한 다른 천공 플레이트(32)에 의해 개방 내부 영역(14)으로부터 분리되는 하부 플리넘(30)을 포함하고, 천공 플레이트(32)는 제2 유체 스트림을 개방 내부 영역(14)의 전부 또는 선택된 부분으로부터 균일하게 수용한다. 출구 노즐(34)은 하부 플리넘(30)으로부터 유동 라인(도시되지 않음)으로 제2 유체 스트림을 전달하는 데 사용될 수 있다. 액체 분배기(20) 및 액체 수집기(28)의 예시된 실시예들은 단지 예시적인 실시예들이고 제2 액체 스트림을 개방 내부 영역(14)으로 전달하고 이어서 그로부터 이 스트림을 제거하기 위해 사용될 수 있음을 이해해야 한다.
물질 전달 칼럼(10)은 또한 개방 내부 영역(14)의 입구 단부(16)로부터 상류에 있는 다양한 유형의 팬(fan)(36) 또는 다른 가압 수단들 중 임의의 것을 포함하여, 개방 내부 영역(14)을 통과하는 제1 유체 스트림을 하강하는 제2 유체 스트림과 교차 유동 관계로 유동하게 할 수 있다.
하나 이상의 구조화된 패킹 모듈(38)들은 물질 전달 칼럼(10)의 개방 내부 영역(14) 내에 위치되고 개방 내부 영역(14) 또는 그 일부의 수평 및 수직 단면을 가로질러 연장되며, 그 결과 제1 유체 스트림은 제1 유체 스트림이 구조화된 패킹 모듈(38)들 주위로 흐를 가능성을 최소로 하면서 구조화된 패킹 모듈(38)들을 통해 유동한다. 예시된 실시예에서, 구조화된 패킹 모듈(38)들은 수직으로 적층되어 다수의 층들을 형성한다. 다수의 구조화된 패킹 모듈(38)들은 연이어 그리고 나란히 각각의 층 내에 위치될 수 있다.
각각의 구조화된 패킹 모듈(38)은 서로에 대해 직립, 평행 관계로 위치되는 복수의 구조화된 패킹 시트(40)들을 포함한다. 구조화된 패킹 시트(40)들의 각각은 물질 전달 칼럼(10) 내에서 겪게 되는 처리 조건들을 견디기에 충분한 강도 및 두께를 갖는 적합한 강성 재료, 예컨대 다양한 금속, 플라스틱, 또는 세라믹 중 임의의 것으로부터 제작된다. 구조화된 패킹 시트(40)들의 각각은 전방 및 후방 표면을 제공하며, 이러한 전방 및 후방 표면의 전부 또는 일부는 대체로 매끄럽고 표면 텍스처링(texturing)이 없을 수 있거나 또는 이러한 표면은 다양한 유형의 텍스처링, 엠보싱(embossing), 홈(groove), 라인(line) 또는 딤플(dimple)을 포함할 수 있다. 패킹 시트(40)들의 표면들의 구성은 패킹 시트(40)들이 사용되고자 하는 특정 응용에 좌우되며, 퍼짐을 용이하게 하여 그에 의해 제1 및 제2 유체 스트림들 사이의 접촉을 최대화하도록 선택될 수 있다.
이제 도 2를 참조하면, 각각의 구조화된 패킹 시트(40)는 양 단부(42, 44)들, 상부 에지(46), 및 하부 에지(48)를 갖는다. 평행한 파형부(50)들은 구조화된 패킹 시트(40) 내에 형성되고, 교번하는 산(52)들 및 골(54)들과 이들 산(52) 및 골(54) 중 인접한 것들 사이에서 연장되는 파형부 측벽(56)들을 포함한다. 각각의 구조화된 패킹 시트(40)의 전면 상의 산(52)들은 구조화된 패킹 시트(40)의 반대편 면 상에 또는 후면 상에 골(54)들을 형성한다. 마찬가지로, 각각의 구조화된 패킹 시트(40)의 전면 상의 골(54)들은 구조화된 패킹 시트(40)의 후면 상에 산(52)들을 형성한다. 파형부(50)들은 구조화된 패킹 시트(40)의 전체 높이 및 폭을 따라 연장될 수 있고, 일반적으로 산(52)들 및 골(54)들에 대한 둥근 정점들을 갖는 정현파 단면을 갖는다. 다른 실시예에서, 파형부(50)들은 삼각형 단면을 갖는다.
도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 구조화된 패킹 시트(40)들은 각각의 구조화된 패킹 시트의 파형부(50)들이 구조화된 패킹 시트(40)들의 각각의 인접한 패킹 시트의 파형부들과 접촉하고 이들에 대해 교차하는 각도로 연장되도록 구성 및 배열된다. 구조화된 패킹 시트(40)들 중 인접한 시트들은 구조화된 패킹 시트(40)들 중 하나의 구조화된 패킹 시트의 전면이 인접한 구조화된 패킹 시트(40)의 후면과 대면하도록 대면 관계로 위치된다. 인접한 구조화된 패킹 시트(40)들은 구조화된 패킹 시트(40)들 중 각각의 시트 내의 파형부(50)들이 구조화된 패킹 시트(40)들 중 인접한 시트(들) 내의 파형부들에 대해 십자형(crisscrossing) 또는 교차 파형(cross-corrugated) 방식으로 연장되도록 추가로 배열된다. 이러한 배열의 결과로서, 구조화된 패킹 시트(40)들의 각각의 시트 내의 파형부(50)들은 구조화된 패킹 시트(40)들 중 각각의 인접한 시트의 파형부들에 대해 소정의 각도로 연장된다. 구조화된 패킹 시트(40)들의 각각의 시트의 전면의 파형부(50)들의 산(52)들 중 전부 또는 일부는 구조화된 패킹 시트(40)들 중 인접한 시트의 후면 상의 산(52)들과 접촉하게 된다.
각각의 구조화된 패킹 시트(40)는 단부(42)에서 진입 영역(58), 반대편의 단부(44)에서 배출 영역(60), 그리고 진입 영역(58)과 배출 영역(60) 사이에서 연장되는 벌크 영역(62)을 가질 수 있다. 진입 영역(58) 내의 파형부(50)들의 일부는 진입 영역(58) 내로의 유체 유동의 저항을 감소시키는 방식으로 연장될 수 있고, 배출 영역(60) 내의 파형부(50)들의 일부는 마찬가지로 배출 영역(60) 밖으로의 유체 유동의 저항을 감소시키는 방식으로 연장될 수 있다. 일 실시예에서, 진입 영역(58) 내의 파형부(50)들은 단부(42)에서의 수평 축과 관련한 더 작은 경사각으로부터, 벌크 영역(62)으로 들어갈 때의 더 큰 경사각으로 변하게 된다. 유사하게는, 배출 영역(58) 내의 파형부(50)들은 배출 영역 내에서 벌크 영역(62)과의 경계에서의 더 큰 경사각으로부터 반대편의 단부(44)에서의 더 작은 경사각으로 변할 수 있다. 파형부(50)들이 진입 및 배출 영역(58, 60)들에서 더 높은 용량의 부분들을 갖기보다는 구조화된 패킹 시트(40)의 전부에 걸쳐 동일한 구성을 갖는 경우, 벌크 영역(62)은 구조화된 패킹 시트(40)의 전부에 걸쳐 연장되는 것으로 이해되어야 한다.
각각의 구조화된 패킹 시트(40) 내의 파형부(50)들의 전부 또는 적어도 일부는 각각, 수평축과 관련하여 한정된 경사각을 따라 길이방향으로 연장되는 다수의 주요 세그먼트(64)들과, 도 4에 가장 잘 도시될 수 있는 바와 같이 주요 세그먼트(64)들 중 연속적인 세그먼트들이 하나의 측방향으로 변위되도록 경사각이 변곡점을 통과하는, 주요 세그먼트(64)들 중 인접한 세그먼트들 사이의 주기적인 세그먼트(66)를 갖는다. 도 5에서 가장 잘 볼 수 있는 바와 같이, 각각의 파형부(50)의 산(52)이 그의 전체 길이를 따라 동일한 평면에 놓이고 각각의 파형부(50)의 골(54)이 마찬가지로 그의 전체 길이를 따라 동일한 평면에 놓이도록 파형부(50)들의 주요 세그먼트(64)들 및 주기적인 세그먼트(66)들은 동일 평면에 있을 수 있다. 예시의 용이함을 위해 주요 세그먼트(64)들 중 단지 2개와 개재된 주기적인 세그먼트(66) 중 단 하나가 도 3과 도 6 내지 도 10에 도시되어 있지만, 도 1, 도 2 및 도 4에 도시된 것과 같은 다른 실시예들에서 주요 세그먼트(64)들 및 개재된 주기적인 세그먼트(66)들 중 3개 이상이 사용될 수 있다. 벌크 영역(62) 내의 파형부(50)들의 주요 세그먼트(64)들의 경사각은 5 내지 35도, 10 내지 25도, 10 내지 20도, 및 12 내지 17도로 이루어진 군으로부터 선택되는 범위일 수 있다. 일 실시예에서, 경사각은 15도이다.
파형부(50)들은 구조화된 패킹 시트(40)들 중 인접한 시트들의 파형부(50)들 사이의 접촉점들이 주기적인 세그먼트(66)들 상에서보다는 주요 세그먼트(64)들 상에 전적으로 또는 주요하게 위치되도록 구성될 수 있다. 파형부(50)들은 또한 일부 실시예들에서 주기적인 세그먼트(66)들이 구조화된 패킹 시트(40)들 중 인접한 시트들 상에서 오프셋되도록 구성될 수 있다. 이는, 도 2에 도시된 바와 같이, 인접한 구조화된 패킹 시트(40)들을 구조화된 패킹 모듈(38)의 조립 동안 각각에 대해 뒤집어 구조화된 패킹 시트들 중 인접한 시트들 상에 주기적인 세그먼트(66)들이 엇갈리게 배열되도록 각각의 구조화된 패킹 시트(40) 상에서 반대편의 단부(42)들로부터 상이한 거리들에서 주기적인 세그먼트(66)들을 이격시킴으로써 달성될 수 있다.
구조화된 패킹 시트(40)들의 각각에는 구조화된 패킹 모듈(38) 내에서 증기 및 액체 분배를 용이하게 하기 위해 구조화된 패킹 시트(40)를 통해 연장되는 복수의 개구(68)들이 제공될 수 있다. 각각의 개구(68)는 관련 패킹 시트(40)를 통한 유체의 통과를 허용하기 위한 개방 면적을 제공한다. 일부 실시예들에서, 개구(68)들의 최대 평면 치수는 약 1 mm 내지 약 13 mm, 약 1.5 mm 내지 약 10 mm, 약 2 mm 내지 약 8 mm, 또는 약 2.5 mm 내지 약 6 mm의 범위일 수 있다. 도면에 대체로 원형 형상을 갖는 것으로 도시되어 있지만, 개구(68)들은 삼각형 형상, 장방형 형상, 타원형 형상, 직사각형 형상, 또는 정사각형 형상과 같은 다른 형상을 가질 수 있다. 각각의 개구(68)의 최대 평면 치수는 개구(68)의 중심을 통과하는 개구(68)의 2개의 측면들 사이의 가장 긴 선을 따라 측정된다. 개구(68)가 원형 형상을 가질 때, 최대 평면 치수는 직경이다.
일부 실시예들에서, 도 7에 도시된 바와 같이, 각각의 개구(68)의 개방 면적은 개별 개구(68)들이 약 80 mm2 이하, 약 50 mm2 이하, 또는 약 30 mm2 이하의 개방 면적을 갖도록 최소화될 수 있지만, 단위 면적당 개구(68)들의 개수는 각각의 구조화된 패킹 시트(40)의 총 개방 면적이 구조화된 패킹 시트(40)의 총 표면적을 기준으로 약 6 내지 약 20%, 약 8 내지 약 18%, 약 10 내지 약 16%, 또는 약 11 내지 약 15%의 범위 내에 있도록 최대화될 수 있다. 이러한 더 작은 개구(68)들을 더 많이 이용함으로써 구조화된 패킹 시트(40)의 면들 상에서의 액체의 퍼짐 및 구조화된 패킹 시트(40)의 양 면들의 액체의 전달을 촉진한다.
개구(68)들은 도 6 내지 도 10의 실시예들에 도시된 바와 같이 파형부 측벽(56)들 상에만 위치될 수 있거나, 또는 도 1 내지 도 5와 도 11의 실시예들에 도시된 바와 같이 산(52)들과 골(54)들 내에 추가적으로 포함될 수 있다. 일 실시예에서, 도 1 내지 도 5와 도 11의 실시예들에 도시된 바와 같이, 개구(68)들은 파형부 측벽(56)들과 산(52)들 및 골(54)들 상에 존재하지만, 교차 유동 응용들에서 압력 강하를 최소화하기 위해 파형부 측벽(56)들 상에 집중된다. 다른 실시예에서, 도 1 내지 도 11의 각각의 실시예에 도시된 바와 같이 개구(68)들은 파형부 측벽(56)들의 중심을 따라 하나 이상의 열들로 정렬된다.
구조화된 패킹 시트(40)는 액체 퍼짐을 용이하게 하기 위해 구조화된 패킹 시트(40)의 한 면 또는 양 면 상에 복수의 융기된 리지(70)들을 또한 포함할 수 있다. 융기된 리지(70)들은 세장형이고, 일부 실시예들에서, 도 1 내지 도 5와 도 9 내지 도 11에 도시된 바와 같이, 대체로 파형부(50)들의 주요 세그먼트(64)들의 경사각을 따라 연장될 수 있고 파형부(50)들의 주기적인 세그먼트(66)들의 윤곽을 따를 수 있다. 융기된 리지(70)들은, 도 10에 도시된 바와 같이 개구들의 일부 중 인접한 개구들 사이에서 연장되고 이들을 연결하거나, 도 1 내지 도 5와 도 9에 도시된 바와 같이 개구(68)들 전부 사이에서 연장되고 이들을 연결하거나, 또는 도 11에 도시된 것과 같이 개구들 중 어느 개구들 사이에서도 연장되지 않고 이들을 연결하지 않을 수 있다. 융기된 리지(70)들은 연속적일 수 있거나, 또는 도 11에 도시된 바와 같이 주기적인 간극들을 가질 수 있고, 도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이 예컨대 파형부 측벽들 중 인접한 측벽들 상에서 서로에 대해 엇갈릴 수 있다. 일부 실시예들에서, 도 1 내지 도 5와 도 9 내지 도 11에 도시된 바와 같이, 융기된 리지(70)들은 선형일 수 있다. 다른 실시예들에서, 융기된 리지(70)들은 (도시되지 않은) 파상형(undulating)일 수 있다. 일 실시예에서, 융기된 리지(70)들은 각각의 구조화된 패킹 시트(40)의 적어도 전방 또는 후방 면 상에서 개구(68)들 중 인접한 개구들의 30 내지 100 퍼센트로 연장될 수 있다. 다른 실시예들에서, 융기된 리지(70)들은 각각의 구조화된 패킹 시트(40)의 전방 면 및/또는 후방 면 상에서 개구(68)들 중 인접한 개구들의 50 내지 100 퍼센트, 75 내지 100 퍼센트, 85 내지 100 퍼센트, 또는 95 내지 100 퍼센트로 연장될 수 있다.
구조화된 패킹 시트(40)의 양 면들 상의 리지(70)들은 도 5에 도시된 바와 같이 서로 정렬될 수 있거나 또는 도 12에 나타낸 바와 같이 오프셋될 수 있다.
리지(70)들이 구조화된 패킹 시트(40)의 양 면들 상에서 오프셋될 때, 리지(70)의 반대편인 구조화된 패킹 시트(40)의 면은 도 13 내지 도 16에 도시된 바와 같이 리지(70)의 아래에 놓인 함몰부 또는 골(72)을 포함할 수 있다. 리지(70)들의 단면 프로파일은 다양할 수 있고, 직사각형 단면, 예컨대 도 12에 도시된 정사각형 단면을 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 도 13 내지 도 16에 도시된 바와 같이 리지(70)들은 한 면 또는 양 면 상의 각진(angled) 또는 경사진(beveled) 벽, 둥근 부분, 및 만곡부에 의해 형성될 수 있다. 리지(70)들은 또한 도 16에 도시된 만곡부들 사이의 간극 없이 일련의 매끄러운 교차 만곡부로서 형성될 수 있다. 리지(70)의 일 면을 형성하는 벽은 도 15에 도시된 바와 같이 리지(70)의 다른 면을 형성하는 벽보다 더 길 수 있으며, 이는 리지(70)의 양 면들 상의 파형부(50)들의 부분들이 상이한 평면들에 있도록 변위될 수 있게 한다.
경사각이 변곡점을 통과하는 개재된 주기적인 세그먼트(66)들과 측방향으로 오프셋된 주요 세그먼트(64)들을 갖는 파형부(50)들을 구성하는 것은 압력 강하를 최소화하면서 양호한 물질 전달 계수를 산출하는 제1 유체를 위한 유동 채널들을 생성하는 것으로 여겨진다. 개구(68)들이 파형부 측벽(56)들의 중심선을 따라 놓이고, 융기된 리지(70)들이 개구(68)들 중 인접한 개구들 사이에서 연장되고 이들을 연결하며, 그리고 파형부(50)들의 주요 세그먼트(64)들에 대해 15도의 경사각이 사용되는 구조화된 패킹 시트(40)들을 포함하는 구조화된 패킹 모듈(38)들은 교차 유동 배열에서 이산화탄소 용매를 사용하여 이산화탄소를 제거하는 경우 구매가능한 제품들에 비하여 개선된 물질 전달 및 압력 강하 성능을 보여주었다.
구조화된 패킹 모듈(38)들을 포함하는 물질 전달 칼럼(10)은 주위 공기 또는 기체 스트림들로부터 이산화탄소, 황화수소 또는 이산화황과 같은 산성 가스들의 제거를 위한 교차 유동 접촉기로서 작동하기에 매우 적합하다. 작동 시, 팬(36)은 구조화된 패킹 모듈(38)들을 통한 유동을 위해 제1 유체 스트림으로서 주변 공기를 개방 내부 영역(14)을 통해 수평으로 향하게 한다. 액체 분배기(20)는 제2 유체 스트림으로서 이산화탄소 또는 다른 산성 가스를 위한 희박 용매를 위로부터 구조화된 패킹 모듈(38)들 내로 향하게 한다. 구조화된 패킹 모듈(38)들을 통한 공기(또는 다른 기체 스트림) 및 용매의 교차 유동은 제1 유체 스트림 내의 이산화탄소 또는 다른 산성 가스가 용매에 가용화되게 한다. 이어서, 농후 용매를 액체 수집기(28)에 의해 수집 및 제거한다.
전술한 바로부터, 본 발명은 본 발명에 고유한 다른 이점과 함께 위에 기재된 모든 목적 및 목표를 달성하기에 아주 적합한 것이라는 것이 이해될 것이다.
소정 특징 및 하위조합이 유용성을 갖고, 다른 특징 및 하위조합을 참조함이 없이 채용될 수 있는 것이 이해될 것이다. 이는 청구범위의 범주에 의해 고려되고 그 범주 내에 있다.
많은 가능한 실시예가 본 발명의 범주로부터 벗어남이 없이 본 발명으로 구성될 수 있기 때문에, 본 명세서에 기재되거나 첨부 도면에 도시된 모든 사항이 제한의 의미가 아닌 예시적인 것으로 해석되어야 함이 이해되어야 한다.
Claims (20)
- 구조화된 패킹(packing) 모듈로서,
서로에 대해 직립, 평행 관계로 위치된 복수의 구조화된 패킹 시트들을 포함하고,
각각의 구조화된 패킹 시트는 양 단부들, 상부 에지, 하부 에지, 교번하는 산(peak)들 및 골(valley)들로 형성된 파형부(corrugation)들과 상기 산들 및 골들 중 인접한 것들 사이에서 연장되는 파형부 측벽들, 및 상기 구조화된 패킹 시트들을 통한 유체의 통과를 허용하기 위한 상기 파형부들 내의 개구들을 갖고,
상기 구조화된 패킹 시트들은 상기 구조화된 패킹 시트들 중 각각의 시트의 상기 파형부들이 상기 구조화된 패킹 시트들 중 각각의 인접한 시트의 상기 파형부들과 접촉하고 이들에 대해 교차하는 각도로 연장되고 상기 양 단부들 중 하나로부터 상기 양 단부들 중 다른 하나로의 제1 유체 스트림과 상기 구조화된 패킹 시트들의 상기 상부 에지로부터 상기 하부 에지로 하강하는 제2 유체 스트림의 교차 유동을 위해 설정되도록 구성 및 배열되고,
각각의 구조화된 패킹 시트는 상기 양 단부들 중 하나에서의 진입 영역, 상기 양 단부들 중 다른 하나에서의 배출 영역, 및 상기 진입 영역과 상기 배출 영역 사이에서 연장되는 벌크 영역을 갖고,
상기 벌크 영역 내의 상기 파형부들은 5 내지 35도, 10 내지 25도, 10 내지 20도, 및 12 내지 17도로 이루어진 군으로부터 선택되는 범위로 수평축과 관련하여 한정된 경사각을 따라 길이방향으로 연장되는, 구조화된 패킹 모듈. - 제1항에 있어서, 각각의 구조화된 패킹 시트 내의 상기 파형부들의 적어도 일부는 상기 경사각을 따라 길이방향으로 연장되는 상기 벌크 영역 내의 다수의 주요 세그먼트들과, 상기 주요 세그먼트들 중 연속적인 세그먼트들이 하나의 측방향으로 변위되도록 상기 경사각이 변곡점(inflection point)을 통과하는 상기 주요 세그먼트들 중 인접한 세그먼트들 사이의 주기적인 세그먼트를 각각 갖는, 구조화된 패킹 모듈.
- 제2항에 있어서, 상기 개구들은 상기 파형부 측벽들 상에 있는, 구조화된 패킹 모듈.
- 제3항에 있어서, 상기 개구들은 상기 파형부 측벽들 상에 그리고 상기 산들 및 골들 상에 있는, 구조화된 패킹 모듈.
- 제3항에 있어서, 상기 파형부들 상에 융기된 리지(ridge)들을 포함하는, 구조화된 패킹 모듈.
- 제5항에 있어서, 상기 융기된 리지들은 상기 개구들 사이에서 연장되고 상기 개구들을 연결하는, 구조화된 패킹 모듈.
- 제3항에 있어서, 상기 진입 영역 내의 상기 파형부들은 상기 진입 영역 내로의 유체 유동의 저항을 감소시키는 방식으로 연장되고, 상기 배출 영역 내의 상기 파형부들은 상기 배출 영역 밖으로의 유체 유동의 저항을 감소시키는 방식으로 연장되는, 구조화된 패킹 모듈.
- 제3항에 있어서, 상기 구조화된 패킹 시트들의 각각에서 상기 주기적인 세그먼트들은 상기 주요 세그먼트들과 동일 평면 상에 있는, 구조화된 패킹 모듈.
- 제3항에 있어서, 상기 산들 및 골들은 둥근 정점들을 갖는, 구조화된 패킹 모듈.
- 제9항에 있어서, 상기 파형부 측벽들 상에 융기된 리지들을 포함하는, 구조화된 패킹 모듈.
- 제10항에 있어서, 상기 융기된 리지들은 상기 개구들 사이에서 연장되고 상기 개구들을 연결하는, 구조화된 패킹 모듈.
- 제10항에 있어서, 상기 융기된 리지들은 선형 또는 파상형(undulating)이고, 상기 제1 유체 스트림 및 제2 유체 스트림은 상기 구조화된 패킹 모듈 내에서 상기 교차 유동이 되는, 구조화된 패킹 모듈.
- 제12항에 있어서, 상기 개구들은 상기 파형부 측벽들의 중심을 따라 정렬되는, 구조화된 패킹 모듈.
- 구조화된 패킹 모듈로서,
서로에 대해 직립, 평행 관계로 위치된 복수의 구조화된 패킹 시트들을 포함하고,
각각의 구조화된 패킹 시트는 양 단부들, 상부 에지, 하부 에지, 교번하는 산들 및 골들로 형성된 파형부들과 상기 산들 및 골들 중 인접한 것들 사이에서 연장되는 파형부 측벽들, 상기 구조화된 패킹 시트들을 통한 유체의 통과를 허용하기 위한 상기 파형부 측벽들 상의 개구들, 및 상기 파형부 측벽들 상의 융기된 리지들을 갖고,
상기 구조화된 패킹 시트들은 상기 구조화된 패킹 시트들 중 각각의 시트의 상기 파형부들이 상기 구조화된 패킹 시트들 중 각각의 인접한 시트의 상기 파형부들과 접촉하고 이들에 대해 교차하는 각도로 연장되도록 구성 및 배열되고,
각각의 구조화된 패킹 시트는 상기 양 단부들 중 하나에서의 진입 영역, 상기 양 단부들 중 다른 하나에서의 배출 영역, 및 상기 진입 영역과 상기 배출 영역 사이에서 연장되는 벌크 영역을 갖고,
각각의 구조화된 패킹 시트 내의 상기 파형부들의 적어도 일부는 수평축과 관련하여 한정된 경사각을 따라 길이방향으로 연장되는 상기 벌크 영역 내의 다수의 주요 세그먼트들과, 상기 주요 세그먼트들 중 연속적인 세그먼트들이 하나의 측방향으로 변위되도록 상기 경사각이 변곡점을 통과하는 상기 주요 세그먼트들 중 인접한 세그먼트들 사이의 주기적인 세그먼트를 각각 갖고,
상기 벌크 영역 내의 상기 파형부들의 상기 주요 세그먼트들의 상기 경사각은 10 내지 25도, 10 내지 20도, 및 12 내지 17도로 이루어진 군으로부터 선택되는 범위이고,
상기 구조화된 패킹 시트들의 각각에서 상기 주기적인 세그먼트들은 상기 주요 세그먼트들과 동일 평면 상에 있는, 구조화된 패킹 모듈. - 제14항에 있어서, 상기 진입 영역 내의 상기 파형부들은 상기 진입 영역 내로의 유체 유동의 저항을 감소시키는 방식으로 연장되고, 상기 배출 영역 내의 상기 파형부들은 상기 배출 영역 밖으로의 유체 유동의 저항을 감소시키는 방식으로 연장되는, 구조화된 패킹 모듈.
- 제14항에 있어서, 상기 융기된 리지들의 적어도 일부는 상기 개구들 사이에서 연장되고 상기 개구들을 연결하는, 구조화된 패킹 모듈.
- 제16항에 있어서, 상기 융기된 리지들은 선형 또는 파상형이고, 상기 제1 유체 스트림 및 제2 유체 스트림은 상기 구조화된 패킹 모듈 내에서 상기 교차 유동이 되는, 구조화된 패킹 모듈.
- 유체로부터 성분을 제거하기 위한 교차 유동 접촉기(crossflow contactor)로서,
제1 유체 스트림이 쉘의 입구 단부로부터 수평으로 반대편인 출구 단부로 유동할 수 있는 개방 내부 영역을 한정하는 쉘;
상기 개방 내부 영역에 존재하는 경우 상기 제1 유체 스트림을 위한 유동 경로 내에서 상기 개방 내부 영역에 위치된 제1항의 하나 이상의 구조화된 패킹 모듈들;
위로부터 상기 하나 이상의 구조화된 패킹 모듈들 내로 제2 유체 스트림을 전달하여 상기 개방 내부 영역에 존재하는 상기 제1 유체 스트림과 상기 하나 이상의 구조화된 패킹 모듈들 내에서 상호 작용하게 하는 액체 분배기; 및
상기 제2 유체 증기를, 상기 개방 내부 영역에 존재하는 경우 상기 제1 유체 스트림과의 상호 작용 후에 상기 하나 이상의 구조화된 패킹 모듈들 아래로부터 수집 및 제거하기 위한 액체 수집기를 포함하는, 교차 유동 접촉기. - 제18항에 있어서, 상기 제1 유체 스트림을, 존재하는 경우, 상기 유동 경로를 따라 그리고 상기 하나 이상의 구조화된 패킹 모듈들을 통해 취입하기 위한 상기 쉘의 상기 입구 단부의 팬(fan)을 포함하는, 교차 유동 접촉기.
- 제19항에 있어서, 상기 진입 영역 내의 상기 파형부들은 상기 진입 영역 내로의 유체 유동의 저항을 감소시키는 방식으로 연장되고, 상기 배출 영역 내의 상기 파형부들은 상기 배출 영역 밖으로의 유체 유동의 저항을 감소시키는 방식으로 연장되고, 상기 융기된 리지들의 적어도 일부는 상기 개구들 사이에서 연장되고 상기 개구들을 연결하는, 교차 유동 접촉기.
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