JP2005532893A - セラミック製充填要素 - Google Patents

Abstract

本発明は、床リミタとしての使用に適する改良型セラミック製充填要素（１，６，８）であって、蝶ネクタイの基本的形状を備えつつ長さ（ｌ）方向にほぼ一様の断面を有しかつ長さ寸法（Ｌ）に平行な複数の貫通路（５）を有する充填要素を提供する。

Description

本発明は、しばしば「無作為」充填又は「投入」充填と称されるタイプの充填要素に関し、また、これに特に関連づけて説明される。しかしながら、これらの要素は他の領域でも応用されることが理解されよう。

無作為充填又は投入充填は、その内部で物質もしくは熱移動又は任意の化学反応プロセスが行われる塔装置を満たすために使用される。特に重要な応用は、リアクタを通過する熱流体と最も効果的に接触することが必要な熱回収操作においてセラミック要素を使用することである。効率を最大化する他の主要因は、塔の頂部と底部間の圧力差を可能な限り低く維持することである。これを確実にするために、充填要素の流れ抵抗は最小であるべきである。このことは、まさしく開放構造によって促進されるけれども、塔内の複数の要素が互いに重なり合って一つの要素の部分が第２の要素の空間内に入り込むのであれば、開放構造単独の使用には限界がある。従って、要素の構成でもって、要素が互いに重なり合う傾向を最小にすることが重要である。他の特に重要な応用は、ガス流に同伴したりこのような流れにより移動される能力を制限しつつ材料を床内に閉じ込めることを目的とした床トッピング材料としてのものである。このような同伴又は摩耗は典型的に、床内の材料を大きく減少させる。

セラミック製充填要素は押し出し成型又は乾式プレスプロセスによって製造でき、従って要素の対称軸線を提供する一つの軸線方向に沿う要素の断面は本質的に一様である。このような形状の幾つかは、ごく簡単なものから複雑なものまで当該技術において説明されている。全てのものが本質的に筒形状を基本とし、基本的には筒形状内の内部構造において相違している。最も簡単な構造は内部構造を全く有しない基本的な筒である。このタイプの構造は、しばしばラシヒリングと称され、長年にわたって知られている。複雑度の他端にあるのは、米国意匠第４５５，０２９号及び米国特許第６，００７，９１５号に記載された構造である。両極端の中間には、米国特許第３，９０７，７１０号及び同第４，５１０，２６３号に記載されたような、単純なワゴン用車輪形状のものがある。他には、米国特許第５，３０４，４２３号に記載されたような変形筒形状のものもある。

床リミタのようなある種の応用に対しては、床リミタ層の厚さが比較的小さいので、圧力降下は重要でない。要素により構成される床上に充填要素が載って床の範囲が充填要素により制限されるように大重量でありつつ、充填要素が互いに重なり合わずかつガスの自由な通過を許容しつづけることが更に重要である。

本発明の一形態によれば、セラミック製充填要素が提供される。軸線に沿うこの要素の断面は本質的に一様であり、この軸線は要素の中心を通り、要素はこの軸線に関し対称であり、この軸線は要素の長さを画定している。長さ方向に対してそれぞれ垂直な高さ軸線及び幅軸線のそれぞれ両端に第１及び第２の凹状外面（２，３）が設けられる。（ｉ）凸状面と、（ｉｉ）比較的短い中間平坦面によってこれら凹状面に接続される凸状面とのうちから選択された面によってこれら凹状面が互いに接続される。要素に、長さ方向に延びる少なくとも三つの貫通路が設けられる。

本発明の別の形態によれば、充填要素の床を形成する方法が提供される。この方法は、一つ以上のセラミック形成成分を含んでなる混合物を押し出し、押し出された混合物を切断して複数の断片を形成し、これら断片を焼成して充填要素を形成する、各段階を含む。各充填要素は、長さ方向に対してそれぞれ垂直な高さ軸線及び幅軸線のそれぞれ両端に第１及び第２の凹状外面を有する。凸状面と、比較的短い中間平坦面によってこれら凹状面に接続される凸状面とのうちから選択された面によってこれら凹状面が互いに接続される。要素に、長さ方向に延びる少なくとも三つの貫通路が設けられている。前記方法は更に、焼成された複数の充填要素を含む充填要素床を組み立てる、段階を含む。

本発明の更に別の形態によれば、セラミック製充填要素が提供される。この要素は、互いに対向するほぼ平坦な第１及び第２の面を有する。平坦面の高さ軸線及び幅軸線のそれぞれ両端に、第１及び第２の凹状外面がそれぞれ設けられる。（ｉ）凸状面と、（ｉｉ）比較的短い中間平坦面によってこれら凹状面に接続される凸状面とのうちから選択された面によってこれらの凹状面が互いに接続される。要素には、長さ方向に延びる少なくとも三つの貫通路が設けられ、少なくとも一つの貫通路の断面は第１の弧状面と第２の弧状面とによって画定され、第２の弧状面は第１の弧状面よりも長くかつ第１の弧状面に対してほぼ平行に位置している。

本発明の利点は、以下の開示内容を読み添付図面を見れば、当業者には容易に明らかになるであろう。

均質セラミック製の充填要素は、要素の長さを画定する押し出し方向の対称軸線に沿う断面が本質的に一様であるように提供される。要素は、長さ方向にそれぞれ垂直な高さ方向軸線及び幅方向軸線の両端に第１及び第２の凹状外面を有する。これらの凹状面は凸状面によって接続されている。要素は、長さ方向に延びる複数の貫通路を備えている。

次に、本発明を図１に図示された実施例を参照して詳しく説明する。以下の説明は、本願の特許請求の範囲における必要な制限を示唆することを意図するものではない。なぜならば、本発明の本質的な精神から逸脱することなく多くの小さな変更が可能であることが容易に理解されるからである。

図１において、床リミタ充填要素１は、長さ寸法に沿った断面で示されている。要素は、幅方向軸線ｗに平行な幅寸法Ｗと、高さ方向軸線ｈに平行な高さ寸法Ｈとを有し、幅Ｗは高さＨと等しいかこれよりも大きい。高さ寸法の両端には第１の凹状面２があり、幅寸法の両端には第２の凹状面３がある。これらの第１及び第２の凹状面２，３は凸状面４によって接続されている。

要素の長さＬ（図２）を画定する方向に沿った断面を本質的に一様にしても、長さ方向に対して垂直でない端部を要素に設けるということが妨げられない。事実、端部を長さ方向に対し傾斜して切断するのが好ましい場合もある。なぜならば、これにより、「ネスティング」、又は要素を収容する反応器における圧力降下を増大するような要素の配列の発生頻度が減少されるからである。断面の外観が凹状、凸状又は歯状となるように端部を切断することもできる。

本明細書に記載されたいずれの実施例の要素も、セラミック材料から好都合に押し出し成形され、このセラミック材料は例えば、アルミノケイ酸クレイ、アルミナ、ジルコニア、コーディエライト、チタニアの単体、又はこれら相互の混合物もしくは他のセラミック形成成分との混合物を主成分とするようなセラミック材料を包含すると解される。

変更可能には、要素をプレス成形又は鋳型成形プロセスによって形成してもよく、このプロセスでは、形成中の製品の取扱を容易にするために凹状面と凸状面との間の結合点における外面に、比較的小さな中間平坦面が設けられる。中間平坦面は、凹状面及び凸状面よりも短く、要素が押し出し成形されるのではなく鋳型成形される製造プロセスにおいて取扱の容易化を単に意図したものである。

本発明の一実施例において、要素の幅寸法Ｗと高さ寸法Ｈとは等しくなく、高さＨに対する幅Ｗの比は１．２５：１から３：１までであり、一実施例では約１．３：１から２．０：１までである。従って、見た目では、本発明の好ましい要素の長さに垂直な断面は、典型的な「犬用の骨」又は「蝶ネクタイ」形状に似ている。一実施例では、比Ｗ：Ｈは約１．５：１である。

好ましくは、長さ寸法Ｌ（図２）は幅Ｗよりも小さく、長さに対する幅の比Ｗ：Ｌは一実施例では１．５：１から２０：１までであり、他の実施例では１．５：１から４：１までである。一実施例では、Ｈ：Ｌは約８：１である。

要素を貫通する通路５が少なくとも三つあり、この数は４から２７５までとすることができ、一実施例では７から２０までである。図１の実施例において要素を貫通する通路はほぼ均一に離間されており、即ち互いに隣接する任意の二つの通路間の距離は、互いに隣接する二つの通路間の平均距離よりもほぼ５０％以下だけ大きく又はほぼ５０％以下だけ小さい。通路５の断面はどのようなものでもよく、例えば円形、楕円形、偏円形、インゲン豆形、正多角形、又は非正多角形などでもよい。また、要素内で二つ以上の通路形状を組み合せることも考えられる。図１の実施例では、通路５の断面はすべて円形である。

これらの通路は、要素を含んでなる床における圧力降下を減少させるのに役立つ。従って、一実施例において、通路の数及び断面積は、通路のない要素を含んでなる等価の充填床と比較して圧力降下を少なくとも５０％だけ減少させるのに十分になっている。

明らかに、通路５の数が多ければ多いほど、単一通路５の断面積は一般に小さくなるはずである。一実施例において、各通路５の最大断面寸法Ｄは、要素の寸法Ｈの３分の２を越えない。特定の一実施例では、Ｄは、要素の寸法Ｈの２分の１を越えず、別の実施例では、この寸法の３分の１よりも大きくない。図１及び図３に図示された一実施例において、通路は寸法が同一で円形である。一実施例において、比Ｄ：Ｈは、少なくとも１：１０であり、少なくとも１．５：１０であってもよい。

充填要素の断面において、通路の断面の合計で表される面積を、要素の総断面積の少なくとも約２０％とすることができ、総断面積の約７５％までとすることができる。特定の一実施例では、通路の断面積は総断面積の少なくとも３０％であり、特定の別の実施例では少なくとも４０％であり、特定の別の実施例では通路の断面積は要素の総断面積の６７％までである。

凹状面２，３は要素の幅減少領域を提供し、これらは凹状面の中心点で最も幅が狭い。図示された実施例において幅軸線ｗ及び高さ軸線ｈにそれぞれ一致する、最小幅点における幅及び高さは、それぞれ中心幅Ｎ及び中心高さＭと称される。一実施例では、比Ｍ：Ｈは、約０．４から０．８５までである。特定の一実施例では、Ｍ：Ｈは０．５から０．８までである。一実施例では、比Ｎ：Ｗは約０．６から約０．９８までである。特定の一実施例では、Ｎ：Ｗは０．７から０．９５までである。

一実施例では、凹状面３の曲率半径は、凹状面４の曲率半径と同じかほぼ同じ（即ち±１０％以内）である。一実施例では、凹状面２の曲率半径は、Ｗよりも小さいか又はＷに等しい。一実施例では、凹状面３の曲率半径は、Ｈよりも小さいか又はＨに等しい。

引き続いて図１を参照しつつ、要素は図２に示されるように、長さに沿う断面が一様である。凹状面２，３は、要素の長さ方向に延びる要素外面の溝とみなすことができる。複数の通路５は、長さ寸法に平行に要素を貫通して延びている。これら通路は好ましくは、長さに沿う断面においてかつ図１及び図２に示された要素において一様であると共に、高さ寸法Ｈの約３分の１を表す同じ直径を有する。

一実施例において、要素はｈ軸線及びｗ軸線に関して対称である。充填要素の四つの象限の各々は、凸状面４によって囲まれる領域のほぼ中央に配置された少なくとも一つのほぼ円形の隅通路５ａを含み、その結果凸状面は隅通路５ａ内に中心点を有する円弧を画定し、この中心点は一実施例において通路５ａの中心点と一致する。

四つの隅通路５ａに加えて、各象限は、隅通路５ａとｈ軸線及びｗ軸線の交点で表される要素の中心Ｃとの中間に配置された、少なくとも一つの追加の中間通路５ｂ又はその部分を画定する。中心の丸い通路５ｃは、その中心が要素の中心Ｃにあるよう配置される。追加の通路５ｄはｗ軸線と交差する。

図３の実施例において、セラミック製充填要素６は、凹状面と凸状面とを接続する小さな外平面７を有する。しかしながら、形状はそれ以外は同じである。

図４において、要素の端部を形成するための四つの選択任意の仕方が示されている。図４ａから図４ｄまでにおいて、図面は（各ケースにおいてそれぞれ左端及び右端について）凹状端部及び直線状に切断された端部、歯状に切断された二つの端部、二つの凹状端部、並びに歯状端部及び凹状端部を示している。

図５及び図６の実施例では、外周形状が図１の外周形状に似ている要素８が示されており、しかし図３の外周形状に類似の外平面７を備えた形状も考えられる。

図１の要素の場合と同じように、要素はｈ軸線とｗ軸線に関して対称である。中心の丸い通路５ｃは要素の中心Ｃに配置される。四つの隅通路５ａは、図１について説明したように配置される。隅通路５ａと中心通路５ｃとの中間にある二つの中間通路５ｂの代わりに、インゲン豆形通路５ｅが設けられ、このインゲン豆形通路５ｅはｗ軸線を横切って延び、従って通路５ｅの部分が互いに隣接する二象限内に位置する。形状及び位置について第１のインゲン豆形通路の鏡像である第２のインゲン豆形通路５ｅは、別の二象限によって画定される。インゲン豆形通路５ｅは内側弧状面１０及び外側弧状面１１を含む。内側面１０は、長さが外側面１１よりも短く、外側面と平行又はほぼ平行である。図示された実施例では、各弧状面１０，１１は、中心点が要素の中心Ｃにあるか又は中心Ｃに隣接しているそれぞれの仮想円の円弧を画定しており、しかしながら仮想円の中心点を要素の中心Ｃよりも通路５ｅに近づけてもよいし通路５ｅから遠ざけてもよい。弧状面１０，１１は、それらの両端が凸状面１２，１３により接続されており、しかしながら面１２，１３を直線状又は僅かな凹状にすることも考えられる。弧状面１０，１１とこれら弧状面１０，１１から延びる凸状面１２，１３とは、角度αに対峙し、この角度αは１２０°よりも小さく、更に好ましくは約９０°である。インゲン豆形通路５ｅは、要素の高さＨの約２／３までの最大寸法Ｄを有することができる。一実施例において、ＤはＭよりも小さいか又はＭに等しい。

インゲン豆形通路５ｅは、要素を通る流れを最適化しつつ構造的に強い要素を実現する。理論計算によれば、図５に図示されたタイプの要素により形成された充填床を横切るガス流の圧力降下は球形要素の床で発生する圧力降下よりも十分に小さく、一実施例では球形ビーズを用いたときの圧力降下の約５０％よりも小さいことが示されている。

要素の面積に対する通路の総面積の比は図１及び図２について記載されたものと同じにすることができる。特定の一実施例において、通路５は全体で、要素８の断面積の３５〜５０％を占める。比Ｗ：Ｌ及び比Ｈ：Ｌは図１の実施例についてのものと同じにすることができる。Ｈ：Ｌは、一実施例では約５：１から１５：１までであり、別の実施例では約８：１である。

要素８は、図２に示されるのと同様に、長さ寸法に一様な断面を有し、即ち反対側の第２の平面１５に平行な第１の平面１４を有し、しかしながら図４ａから図４ｄまでに示される構造を採用することも考えられる。

床リミタとしての使用、又は物質移動面と熱移動面とのうち一方又は両方を提供する通常の充填要素としての使用に加えて、要素が多孔構造を有することを条件として、要素の孔内部及び要素の貫通孔内部に付着された触媒の担体としての使用にも適するようにすることもできる。従って、従来式の、多孔性で担体上に触媒が保持された構成部品からなる触媒床を提供することもでき、また、床制限機能を提供するだけでなく、触媒担持構成部品を含む床の一部分を通る間に転換されなかった残存反応体との反応にも寄与する、本発明による要素を備えた床を制限することもできる。

上述した構造上の特徴を有しかつ床制限機能を有する要素を、セラミックよりもむしろプラスチック材料から製作された要素によって提供できることは、予測可能である。

図１は本発明の床リミタ充填要素の断面図である。 図２は図１の充填要素の側面図である。 図３は、本発明の床リミタ充填要素の第２実施例であって、凸状部と凹状部とを接続する平坦な外側部分が設けられることを除いて、図１に示されたものに類似している第２実施例の断面図である。 図４（ａからｄまで）は、要素の可能な端部構成を図示する、互いに異なる四つの側面図を示す。 図５は本発明の床リミタ充填要素の第３実施例の頂面図である。 図６は図５の実施例の斜視図である。

Claims (17)

1. 軸線（ｌ）に沿う断面が本質的に一様なセラミック製充填要素（１，６，８）であって、該軸線が該要素の中心（Ｃ）を通り、該要素が該軸線に関し対称であり、該軸線が該要素の長さ（Ｌ）を画定している要素において、該要素が、長さ方向に対してそれぞれ垂直な高さ軸線（ｈ）及び幅軸線（ｗ）のそれぞれ両端にある第１及び第２の凹状外面（２，３）を特徴とし、凸状面（４）と、比較的短い中間平坦面（７）によってこれら凹状面に接続される凸状面（４）とのうちから選択された面によってこれら凹状面が互いに接続され、該要素に、長さ方向に延びる少なくとも三つの貫通路（５）が設けられる要素。
2. 凹状面（２，３）が凸状面（４）に直接的に接続されている請求項１に記載の要素（１，８）。
3. 要素の幅寸法（Ｗ）と高さ寸法（Ｈ）とが互いに等しくなく、高さに対する幅の比が１．２５：１から３：１までである請求項１又は請求項２に記載の要素（１，６，８）。
4. 要素の幅寸法（Ｗ）及び高さ寸法（Ｈ）が、約１．３：１から２．０：１までの比の範囲内にある請求項３に記載の要素（１，６，８）。
5. 長さ（Ｌ）に対する幅寸法（Ｗ）の比が１．５：１から５：１までである請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の要素（１，６，８）。
6. 要素に３から２７５個までの通路が設けられている請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の要素（１，６，８）。
7. 少なくとも複数の通路（５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ）の断面が丸く、各丸い通路の直径（Ｄ）が、要素の高さ（Ｈ）の約２分の１よりも小さい請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の要素（１，６，８）。
8. 通路の寸法が同一である請求項７に記載の要素（１，６）。
9. 少なくとも一つの通路（５ｅ）の断面がインゲン豆形である請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載の要素（８）。
10. 少なくとも一つのインゲン豆形通路（５ｅ）の最大寸法（Ｄ）が、要素の高さ（Ｈ）の約３分の２までである請求項８に記載の要素（８）。
11. 通路の総断面積が要素の全断面積の２０から７５％までを表している請求項１から請求項１０までのいずれか一項に記載の要素（１，６，８）。
12. 通路の総断面積が要素の全断面積の３０から６７％までを表している請求項１１に記載の要素（１，６，８）。
13. セラミックが多孔性材料である請求項１から請求項１２までのいずれか一項に記載の要素（１，６，８）。
14. 通路が、第１の形状を有する複数の第１の通路（５ａ，５ｃ，５ｄ）と、インゲン豆形状を有する少なくとも一つの第２の通路（５ｅ）とを含み、該少なくとも一つのインゲン豆形通路が、複数の第１の通路のうちの少なくとも一つと要素の中心との中間に位置決めされている請求項１から請求項１３までのいずれか一項に記載の要素（８）。
15. 要素の幅に対する高さの比Ｈ：Ｌが約５：１から１５：１までである請求項１から請求項１４までのいずれか一項に記載の要素（１，６，８）。
16. Ｈ：Ｌが約８：１である請求項１５に記載の要素（８）。
17. 一つ以上のセラミック形成成分を含んでなる混合物を押し出し、
    該押し出された混合物を切断して複数の断片を形成し、
    これら断片を焼成して充填要素（１，６，８）を形成し、各充填要素が、長さ方向に対してそれぞれ垂直な高さ軸線（ｈ）及び幅軸線（ｗ）のそれぞれ両端にある第１及び第２の凹状外面（２，３）を特徴とし、凸状面（４）と、比較的短い中間平坦面（７）によってこれら凹状面に接続される凸状面（４）とのうちから選択された面によってこれら凹状面が互いに接続され、該要素に、長さ方向に延びる少なくとも三つの貫通路（５）が設けられており、
    焼成された複数の充填要素を含む充填要素床を組み立てる、
    各段階を含んでなる充填要素床を形成する方法。

Images