JP3964774B2 - 液体分配装置、交換カラム、極低温空気分離プロセス、および液体のストリームの流れ方向を調節する方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱および／または質量移動プロセスにおける交換カラム内のパッキング（ｐａｃｋｉｎｇ）に液体分配器から液体を分配する装置および方法に関する。該装置および方法は特に蒸留を利用する極低温空気分離プロセスに利用されるが、液体分配器および（たとえばランダムもしくは構造化パッキング）を用いる他の熱および／または質量移動プロセスにおいても使用され得る。
【０００２】
【従来の技術】
本明細書中で用いられる”カラム（ｃｏｌｕｍｎ）”という語句は蒸留もしくは分留カラムもしくは領域を意味し、すなわち、たとえばカラム内に取付けられた各パッキング要素上でまたはカラム内に取付けられて垂直離間された一連のトレイもしくはプレート上で気相および液相を接触させることで液相および気相が逆流方向に接触されて流体混合物の分離が行われるというカラムもしくは領域を意味する。
【０００３】
また”パッキング”という語句は、二つの相が逆流する間に液体に対する表面積を提供することで液体−蒸気界面にて質量移動を許容するカラム内部構造物として用いられる、所定のサイズ、形状および構成の中実体もしくは中空体を意味する。パッキングの二つの広範囲な分類は”ランダム”および”構造化”である。
【０００４】
”ランダム・パッキング”とは、個々の部材が相互に対しまたはカラム軸心に対し何らの特定の配向を有さないパッキングを意味する。各ランダム・パッキングは、カラム内にランダムに装填されて大きな表面積／単位体積を有する小寸の中空構造である。”構造化パッキング”とは、個々の部材が相互に対し且つカラム軸心に対し特定配向を有するというパッキングを意味する。構造化パッキングは通常、積層されまたは螺旋状に巻回されたエキスパンドメタルまたは織成ワイヤ金網から作成されるが、平坦薄寸金属などの他の材料構造が使用され得る。
【０００５】
また本明細書中においては”オリフィス（ｏｒｉｆｉｃｅ）”、”孔（ｈｏｌｅ）”および”開孔（ａｐｅｒｔｕｒｅ）”という語句が、流体が通過し得る開口を意味すべく互換的に用いられる。各図においては円形オリフィスが示されるが、不規則ならびに規則的な形状などの他の形状を有し得る。
【０００６】
空気の極低温分離は、液体および蒸気を逆流接触させ乍ら蒸留カラムを通過させることで実施される。混合物の気相は濃度が定常的に増加する揮発性の高い成分（たとえば窒素）と共に上昇する一方、混合物の液相は濃度が定常的に増加する揮発性の低い成分（たとえば酸素）と共に下降する。
【０００７】
混合物の液相および気相を接触させて各相間の質量移動を達成すべく、種々のパッキングもしくはトレイが使用され得る。蒸留のためにパッキングを用いるのは標準的な手法であり、圧力低下が重要な場合に多くの利点を有する。しかし充填カラム性能は、パッキング内における液体の下方流および蒸気の上方流の間における局部的なバランスの生成および維持に大きく依存する。パッキング内における液体および蒸気の分配は、パッキングに対するこれらの流体の初期供給により影響される。
【０００８】
パッキングに対する液体および蒸気の初期供給は通常、分配器により行われる。パッキングに対し液体を均一に灌注する役割の液体分配器はパッキングの上方に配置される一方、上記パッキングの下方における均一な蒸気流を生成する役割の蒸気分配器は上記パッキングの下方に配置される。
【０００９】
典型的な液体分配器には主に３種の形式があり、それはパイプ分配器、皿状容器（ｐａｎ）分配器およびトラフ（ｔｒｏｕｇｈ）分配器である。以下においては、各形式を簡潔に論ずる。
【００１０】
パイプ分配器は、典型的には中央パイプまたはマニフォルドと該中央パイプから放射状に広がる多数のアームもしくは枝管を備えた、閉鎖パイプまたはダクトの相互接続ネットワークから成る。各アームは、中央パイプから該各アームへと通過する液体が、パイプ分配器の下方の充填床上へと滴下もしくは噴射され得る如く穿孔される。上方へと流れる蒸気は、各アームの間を容易に通過する。パイプ分配器は、別体の液体収集器から、または、カラムの壁部を貫通配管された外部供給源から液体を受ける。構築が容易で安価であるが、パイプ分配器は各アーム内に蒸気が捕捉されたときに液体の分配が不十分となり得る。
【００１１】
パン分配器は、下方のパッキングに対して液体を供給すべく底部に孔を有する皿状容器もしくは深底容器（ｐｏｔ）と、上方に向けて蒸気を当該分配器に通過させる管もしくはライザ（ｒｉｓｅｒ）とを備える。多くの場合にパン分配器は、カラムの壁部により完全なシールをを構成する。故にパン分配器は、液体収集器および分配器として作用し得る。但し、大寸のパン分配器の構築は不経済であることから、パン分配器は通常は小寸カラムすなわち１．５メートル未満の直径のカラムで用いられる。
【００１２】
トラフ分配器は、下方のパッキングに対し液体を供給すべく基部における灌注孔を有する一群の相互接続トラフもしくはチャネルを備える。少なくとも一つの収集用上側トラフ、または、各下側トラフの頂部における単純な深底容器は、一連の孔もしくは溢流ノッチを介して下側トラフに液体を供給する。下方のパッキングからの蒸気は、各液体収納トラフ間を上方へと通過する。
【００１３】
図１は、トラフ形式の典型的な液体分配器１０を示している。供給アセンブリ１２からの液体は、該液体を上記分配器に分配する前置分配器１４へと進入する。上記分配器は、（不図示の）パッキングの上方の（不図示の）組合せ据付け／支持格子上に取付けられる。
【００１４】
分配器１０に進入した後で液体は、該分配器の全体に亙り蒸気ライザ１６により離間された複数のチャネルもしくはトラフ１８に流入する。図２には、典型的な主要チャネル１７および該主要チャネル１７の各側の複数のトラフもしくはチャネル１８が示される。主要チャネルからの液体は各チャネルの取入端部２０にて各チャネルに進入し、該取入端部から離間する方向２２に流入する。次に液体のストリーム２４は、各チャネルのオリフィスもしくは孔２６を介して各チャネルを出射する。図２に示された如く、もし上記液体が各孔から均一な方向に流れなければ、上記分配器の下方のパッキングの一定の領域は灌注不足領域３０であり他の領域は灌注過剰領域３２である。同様に図２に示された如く液体の幾分かは、分配器の底部とパッキングとの間における分配器支持／据付け格子３４などの内部構造に衝当し得る。（これらの内部構造は、分配器を支持し且つ／又はパッキングを据付け得る。）
【００１５】
蒸留プロセスで用いられる幾つかの液体分配器は、米国特許第第５７５２５３８号（Ｂｉｌｌｉｎｇｈａｍ等）、第５２４０６５２号（Ｔａｙｌｏｒ等）、第６０８６０５５号（Ａｒｍｓｔｒｏｎｇ等）、第４７２９８５７号（Ｌｅｅ等）、第５１９２４６５号（Ｐｅｔｒｉｃｈ等）、および第５６４５７７０号（ＭｃＮｕｌｔｙ等）に開示されている。
【００１６】
また先行技術の分配器は概略的に３種類の分配調節メカニズムを用いている：液体が間隙を通り水平に流れるという堰（ｗｅｉｒ）形式、液体が通常は円形である孔を通り垂直もしくは水平に流れるというオリフィス形式、および、一連の噴射ノズルを介して加圧供給物が分配されるという圧力形式である。上記オリフィス形式は、孔を介する液体の流速が、オリフィスの上方の液体の高さの平方根に比例するという事実により区別される。狭幅な堰に対し、流れは、液体の高さの１．５乗に比例すると理解され得る。オリフィスの使用は多くの場合に好適である、と言うのも、合理的な液体深度が用いられるならば流速を高さの二乗に比例させることで液体レベルもしくは分配器の水平さの僅かな変化の影響は減少されるからである。但しこれは、単純な分配器の動作範囲を狭めることで行われる、と言うのも、分配器が利用可能な高さは多くの場合に限られるからである。堰形式分配は多くの場合、大量の液体が分配されるべきとき、大量の流量範囲が必要なとき、または、分配器の前置分配において好適である。
【００１７】
オリフィス形式分配の場合、オリフィス材料の厚みは液体ストリームの流れおよび方向を調節する上で重要な役割を演ずる。オリフィスは概略的に、厚寸材料および薄寸材料という二つの種類に分けられる。厚寸と分類される材料に対し、液体流は該材料内に完全に拡開されねばならず、（Ｌを材料厚み、Ｄを孔の直径とすると）大きなＬ／Ｄ比を引き起こす。薄寸材料に対しＬ／Ｄ比は小さく、通常は１．０以下である。厚寸材料におけるオリフィスに対するストリームは概略的にオリフィスの軸心と一致して出射する一方、薄寸材料においてストリームはオリフィスの軸心と所定角度で出射するが、この角度はオリフィスの上方における液体の一切の直交流速度（ｃｒｏｓｓ−ｆｌｏｗ ｖｅｌｏｃｉｔｙ）の方向により決定される。任意の分配器において、この直交流速度は分配オリフィスに対する液体の自然な移動により引き起こされる。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
薄寸材料を用いると屈曲および製造が容易なので多くの場合に好適であることから、多くの液体分配器は薄寸材料で作成されたチャネルであって所定形状に折曲されたチャネルを用いて構築される。オリフィスは、トラフ形状を形成するための折曲プロセスに先立ち、金属薄寸体を貫通して打抜かれ又は穿孔される。残念乍ら薄寸材料におけるオリフィスは、該オリフィスの入口の近傍の直交流速度が出射ストリームの方向に影響してそれを上記直交流速度の方向へと付勢する、という特性が問題である。実験によればストリームの実際の流速に大きく影響するには比較的に過酷な直交流速度が必要なことが示されてはいるが、ストリームがオリフィスの軸心と一致して離脱しないという事実は二つの問題が在ることを意味する：１）ストリームは、パッキング上で期待された箇所に到達せず、且つ、２）分配器の品質試験の間において性能を正確に測定するのが困難である。不正確な軌跡を有する（すなわちパッキングに対して望む様には流れない）ストリームは、図２に示された如き分配器支持／据付け格子３４などの他の構成要素と接触する可能性が在る。
【００１９】
オリフィスを非垂直方向に離脱するストリームに伴う問題を排除する最も一般的な手法は、オリフィスの吐出側に一定形態の管を付加することである。これらの管は通常、オリフィスを該管の中心に配置し乍ら、チャネルの下側に部分溶接される。次に管は、液体がオリフィスを離脱するときに有する実際の軌跡に関わらず、液体を直線状に下方に導向する。但しこれらの管を用いることは、各管が主要チャネルおよび／またはトラフもしくはチャネルに対して個々に取付けられるべきことから不経済であり、且つ、各管は取り扱いの間に損傷を受け易いことから手間が掛かる。故に斯かる管の使用は通常は、液体分配器において大きな直交流速度が予測される領域に限定される。管に伴う付加的な問題は、管が方向的問題を正すのは液体がオリフィスを離脱した後になることである。故に極端な場合、オリフィスを通る流速が大きいときにオリフィスの上方の直交流速度がオリフィスを通る流速に相当に影響し得ることから、パッキングに対する液体は非均一な分配となり得る。
【００２０】
分配器から垂直に流れないというストリームの問題に対処する別の試みは米国特許第５０５１２１４号（Ｃｈｅｎ等）に開示されており、この場合、更に広い領域に亙り分配器へと当該前置分配器から液体を移動すべく、トラフの全面に亙り前置分配器が延在される。トラフに対して液体を直接的に導入することにより、直交流速度はトラフの供給端部におけるであろうよりも減少される。この試みの主な欠点は、複雑な前置分配器のコストである。またその設計態様は各チャネルの頂部における一定のスペースを取るので液体に対し利用できる設計高さが減少することから、分配器の動作可能範囲が狭まる。
【００２１】
故に、液体分配器を備えた交換カラムにおいて液体分配器からの液体ストリームの方向に関する直交流速度の影響を緩和すべく液体を分配する装置および方法を提供することが望まれる。
更に、液体分配器を備えた交換カラムにおいて望まれない方向における液体の大量の流れを減少もしくは防止すべく液体を分配する装置および方法を提供することが望まれる。
【００２２】
そして更に、液体分配器を備えた交換カラムにおいて液体分配器の特定領域に対する液体の流れをより良く制御すべく液体を分配する装置および方法を提供することが望まれる。
更に、パッキングを有する交換カラムにおいてパッキングの灌注不足および灌注過剰を排除もしくは緩和すべく液体を分配する装置および方法を提供することが望まれる。
【００２３】
そして更に、先行技術の困難性、問題、制限、不都合および欠陥を克服して更に良好で更に好適な成果を実現する装置および方法を提供することが望まれる。
更に、先行技術の液体分配器よりも良好な液体分配を与えると共に、先行技術の多くの困難性および不都合を克服して更に良好で更に好適な成果を実現すべく、交換カラムに対する液体分配器を組立てる方法を提供することが望まれる。
【００２４】
そして更に、交換カラムにおける液体および蒸気の分配に対し新規で更に効率的な方法を提供することが望まれる。
更に、空気分離において用いられる極低温用途に対し且つ他の熱および／または質量移動用途に対して高性能特性を示す液体分配器を提供することが望まれる。
また、先行技術よりも更に効率的な液体分配器を利用する更に効率的な空気分離プロセスを提供することが望まれる。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、交換カラムにおいて液体を分配する装置である。本発明はまた、交換カラムにおいて液体を分配するプレート内の長寸チャネルにおける開孔を出射する液体のストリームの流れ方向を調節する方法も包含する。これに加えて本発明は、交換カラムにおいてパッキングに液体を分配する分配器を組立てる方法を包含する。
【００２６】
本発明の第一の実施例は、プレートと、少なくとも一つの長寸内部整流板とを含む。上記プレートは少なくとも一つの長寸チャネルを有し、該チャネルは、第一の長手軸心と、底部と、該底部における少なくとも一つの開孔とを有する。上記内部整流板は上記第一の長手軸心に実質的に平行な第二の長手軸心を有し、且つ、該内部整流板の少なくとも相当の部分は上記チャネル内に配設される。
【００２７】
上記装置の第一の実施例には、多くの変形例が在る。たとえば上記内部整流板は、三角形状もしくはジグザグ形状を有し得る。別の変形例においては、上記内部整流板の一部が上記開孔の近傍である。変形例においては、上記内部整流板の少なくとも一部が穿孔される。そして更に別の変形例において、上記内部整流板は複数の縁部を有すると共に、少なくとも一つの縁部は非線形の形状である。更なる別の変形例において上記内部整流板は複数の穿孔を有すると共に、該内部整流板は上記チャネルを、上記穿孔を介して流体連通する第一および第二のサブチャネルであって概略的に平行に離間された第一および第二のサブチャネルへと分割する。この変形例において、上記第一のサブチャネルは少なくとも一つの開孔を有し且つ上記第二のサブチャネルは上記第一のサブチャネルよりも相当に少ない（ゼロとされ得る）個数の開孔を有する。
【００２８】
上記装置の第二の実施例は第一の実施例と同様であるが、制御用整流板を含む。上記制御用整流板の少なくとも相当の部分は、上記第一の長手軸心に対して所定角度の第三の長手軸心を有する別のチャネルであって上記第一の長手軸心を有する上記チャネルと流体連通された別のチャネル内に配設される。
【００２９】
本発明の別の見地は、液体および蒸気の間で熱および／または質量を交換する交換カラムであって、先に論じられた上記装置の第一の実施例の様に該交換カラム内において液体を分配する装置を少なくとも一つ有する交換カラムである。
【００３０】
本発明の更なる別の見地は、少なくとも一つの質量移動領域を含む少なくとも一つの蒸留カラム内で液体および蒸気を逆流方向に接触させる段階を備え、液体および蒸気の接触は少なくとも一つのパッキングにより確立され、且つ、液体は先に論じられた上記装置の第一の実施例における如き装置により上記パッキングに分配される、極低温空気分離プロセスである。
【００３１】
交換カラムにおいて液体を分配するプレート内の長寸チャネルであって該チャネルは第一の長手軸心と、底部と、該底部における少なくとも一つの開孔とを有する長寸チャネルにおける開孔を出射する液体のストリームの流れ方向を調節する方法の第一の実施例には、幾つかの段階が在る。第一の段階は、第二の長手軸心を有する少なくとも一つの長寸内部整流板を配備することである。第二の段階は、上記第二の長手軸心が上記第一の長手軸心と実質的に平行である如く上記内部整流板の少なくとも相当の部分を上記チャネルの内側で所定位置に載置することである。
【００３２】
流れ方向を調節する上記方法の第一の実施例には幾つかの変形例が在る。たとえば少なくとも上記内部整流板の断面は三角形状もしくはジグザグ形状を有し得る。別の変形例において、上記内部整流板の一部は上記開孔の近傍である。更に別の変形例において、上記内部整流板の少なくとも一部は穿孔される。更に別の変形例において、上記内部整流板は複数の縁部を有すると共に、少なくともひとつの縁部は非線形の形状を有する。更に別の変形例において、上記内部整流板は複数の穿孔を有すると共に、該内部整流板は上記チャネルを、上記穿孔を介して流体連通する第一および第二のサブチャネルであって概略的に平行に離間された第一および第二のサブチャネルへと分割する。この変形例において、上記第一のサブチャネルは少なくとも一つの開孔を有し且つ上記第二のサブチャネルは上記第一のサブチャネルよりも相当に少ない（ゼロとされ得る）個数の開孔を有する。
【００３３】
開孔を出射する液体のストリームの流れ方向を調節する方法の第二の実施例においては、幾つかの付加的段階が在る。第一の付加的段階は、少なくとも一つの制御用整流板を配備することである。第二の付加的段階は、上記制御用整流板の少なくとも相当の部分を、上記第一の長手軸心に対して所定角度の第三の長手軸心を有する別のチャネルであって上記第一の長手軸心を有する上記チャネルと流体連通された別のチャネル内に配設することである。
【００３４】
交換カラムにおいてパッキングに液体を分配する分配器を組立てる方法の第一の実施例は、複数の段階を含む。第一の段階は、上記交換カラムを配備することである。第二の段階は、プレートと少なくとも一つの長寸内部整流板とを含む上記分配器を配備することである。上記プレートは少なくとも一つの長寸チャネルを有し、該チャネルは第一の長手軸心と、底部と、該底部における少なくとも一つの開孔とを有する。上記内部整流板は上記第一の長手軸心に実質的に平行な第二の長手軸心を有すると共に、上記内部整流板の少なくとも一部は上記チャネル内に配設される。第三の段階は、上記分配器を上記交換カラム内に設置することである。
【００３５】
分配器を組立てる方法の第二の実施例は上記第一の実施例と同様であるが、分配器は付加的要素を含んでいる。この実施例において、上記分配器は少なくとも一つの制御用整流板を更に備え、上記制御用整流板の少なくとも相当の部分は、上記プレート内の別のチャネルであって上記チャネルの上記第一の長手軸心に対して所定角度の第三の長手軸心を有する別のチャネル内に配設される。
【００３６】
【発明の実施の形態】
本発明は添付図面を参照して例示的に記述される。
図５および図６（ａ）乃至図６（ｃ）を参照すると、本発明は幾つかの手法で優れた性能を得るべく（不図示の）液体分配器のチャネルまたはトラフ４２内の内部整流板４０を用いる。第一に、上記内部整流板を用いると、液体分配器のチャネル４２内のオリフィス４４の近傍の直交流を減少もしくは排除することにより該液体分配器における液体のストリームの方向に関する直交流速度の影響が緩和される。第二に、図９に示された如く通常的には大寸開放領域である領域内で制御用整流板６４、６８を用いると、望ましくない方向における液体の大量の流れが減少もしくは防止される。第三に、上記制御用整流板を用いると、液体分配器の特定領域に対する液体流が制御され得る。これらの三つの概念の全ては、単独でもしくは組合せて使用され得る。これに加えて液体分配器のチャネルもしくはトラフに沿う流体流は、図７（ａ）および図７（ｂ）に示された如く且つ以下で論じられる如く代替実施例においては各孔の上方の領域から分離され得る。
【００３７】
図３および図４を参照すると、図４にはオリフィスを備えない開放チャネル４２における液体の速度プロフィル４６が示されると共に、図３にはチャネルの底部５０におけるオリフィス４４を備えた開放チャネル４２における液体の速度プロフィル４８が示される。図３に示された如く、オリフィスを備えたチャネルにおける最高速度はチャネルの底部においてである。結果として、矢印５２により示された如くオリフィスを離脱する液体の方向に関する影響が在る。
【００３８】
同様に、オリフィス４４（図３）を備えた開放チャネル４２内を流れる液体の速度プロフィル４８は”自然発生”している、と言うのも、上記速度プロフィルは除去されたとしても直ちに再発するからである。たとえば図５に示された内部整流板などの単一の内部整流板４０がチャネル４２の（不図示の）底部に載置されて該チャネルの全長未満をカバーしたとすれば、上記内部整流板は該内部整流板の近傍の領域においてチャネルの底部もしくは床部上の直交流をゼロへと減少する（すなわち図４に示されたオリフィス無し開放チャネルの速度プロフィル４６の底部と同様である）。但し上記内部整流板を比較的に短距離だけ越えた後、反転した速度プロフィル自体が、図３に示された如き速度プロフィルへと再確立する。
【００３９】
一実施例において内部整流板４０は、図５に示された如く三角形状である。但し所望の効果を得るべく、階梯形、城砦形および別の形状などの他の形式の整流板が使用され得る。上記内部整流板の他の一定の形状としては、図６（ａ）、図６（ｂ）および図６（ｃ）に示されたジグザグ形状が挙げられる。任意の特定の箇所における直交流速度の大きさに依存し、上記内部整流板はチャネルの丈に沿い延在しても良くしなくても良い。
【００４０】
内部整流板４０は、図５に示された如く中実でも良く、図６（ａ）乃至図７（ｂ）に示された如く穿孔されても良い。当業者であれば、多くの組合せが可能であることを理解し得よう。たとえば穿孔は、図６（ａ）乃至図７（ｂ）に示された如く規則的パターンで作成される必要はない。同様に、ひとつの様式では内部整流板の異なる部分が穿孔され得る一方、同一の内部整流板の他の部分が別の様式で穿孔されても良く又は穿孔を全く有さなくても良い（すなわちひとつ以上の部分が中実であり乍ら他の部分が穿孔され得る）。これに加え、同一の液体分配器内において、該分配器が種々の内部整流板を含む如く種々のトラフの各々において異なる種類の内部整流板が使用され得る。
【００４１】
同様に内部整流板４０の縁部は、異なる手法で処理されまたは仕上げられ得る。たとえば内部整流板の上縁部および／または下縁部は、たとえば鋸歯形成され、刻み目形成され、カール（ｃｕｒｌ）され、または、他の手法で仕上げられるなどして非線形の形状を有し得る。
【００４２】
図６（ｃ）に示された如く、オリフィスにおける直交流速度の大きさに依っては、トラフもしくはチャネル４２における他の全てのオリフィスと同様にして各オリフィス４４を”保護”もしくは囲繞することは不要である。オリフィスを通る流れの方向が該オリフィスの軸心に沿うものであって、この流れの方向が、一側もしくは他側において接近し過ぎる内部整流板４０の存在により悪影響されないのを確実とすべく、オリフィスの回りにおける間隙に対しては細心の注意が払われるべきである。
【００４３】
（図５、図６（ａ）、図６（ｂ）および図６（ｃ）に示された如き）内部整流板４０は該整流板が載置された領域の流体抵抗を変化させるが故に分配器の液体流特性を変化させることから、図９に示された如く内部整流板の影響を無効化すべく”制御用整流板”（６４、６８）も使用され得る。該制御用整流板は、内部整流板の影響を補償するために、且つ／又は、特定領域に対する／からの経路の流体抵抗を再び変化させることで該特定領域へ／から液体を導向するために、全ての方向において等しい流体抵抗を維持すべく使用される。上記内部整流板と同様に該制御用整流板は、中実とされもしくは穿孔され得るか、または、中実部分および穿孔部分の組合せを有し得る。また、内部整流板に関して先に論じた如き縁部の処理もしくは仕上げと同様に、上記制御用整流板の縁部は種々の手法で処理されもしくは仕上げられ得る。
【００４４】
図９に示された如く、液体が液体分配器７０に進入する箇所である主要チャネル１７’には制御用整流板６４が載置され、且つ、ガター領域６６への入口には付加的整流板６８が載置される。図８は、上記ガター領域の入口における制御用整流板６８の別の図を提供する。この制御用整流板６８は、内部整流板を必要としないチャネルの流体抵抗を、内部整流板４０が付加されたチャネル４２の流体抵抗と同一に維持する。これにより、液体分配器の至る所で流れが可及的に均一に維持されると共に、内部整流板の使用の故に以前よりも大きな直交流が各領域において発生することが防止される。
【００４５】
内部整流板４０および制御用整流板（６４、６８）の箇所は、与えられた何らかの特定の箇所に限定されない。上記内部整流板および制御用整流板は、各分配器の厳密な詳細に依存して液体分配器７０の全体に亙り自由に併用され得る。たとえば、ひとつのチャネル４２から次のチャネルまで中央の液体進入領域と交差する如く内部整流板は連続とされ得るか、または、幾つかのチャネルの端部にて制御用整流板が必要とされ得る。
【００４６】
制御用整流板（６４、６８）の目的は、オリフィス４４に対する直交流速度の影響を緩和すべく内部整流板４０が付加されたときにチャネル４２の抵抗が変更される如く、液体分配器７０内の種々の箇所における流体抵抗を平衡化することにより該分配器の至る所で可及的に均一な直交流速度を与える（が故に速度の”ホットスポット”を回避する）ことである。これにより他のチャネルおよび／またはガター領域６６における更なる流れが引き起こされると共に、分配器の至る所で流れは新たな平衡状態に到達する。そのとき、内部整流板の無いチャネルおよび／またはガター領域においては高流量が生じ得る。これを相殺するために、抵抗を再び平衡化すべく制御用整流板が付加され得る。
【００４７】
通常的には、内部整流板を有さない液体分配器において液体は、該液体が目的箇所に到達する上で最小抵抗の経路を取る如き様式で流れる。しかしチャネル４２内に内部整流板４０が載置されたとき、該内部整流板の壁部を付加した影響は、液体が流れるために利用可能な断面積を減少することで液体流に対する障壁として作用する。（概略的に、内部整流板の壁部はトラフの床部もしくは底部に対し”垂直”でありすなわち略々９０°の角度であるが、斯かる壁部は床部に対し他の角度で位置され得る。）この余分な抵抗により液体は、利用可能であるなら代替的な経路を取る。内部整流板が装着されていない液体分配器７０の至る所で戦略的箇所に制御用整流板（６４、６８）を付加することにより、該分配器の至る所で液体流は、内部整流板が無い場合における分配器の液体流と同等に又は更に良好に制御され得る。これは図９に示される。すなわち制御用整流板が無ければ、内部整流板に依り、該内部整流板が用いられないときに生ずるであろうよりも多くの液体が所定領域を流れることもある。
【００４８】
これに加えて制御用整流板（６４、６８）は、液体分配器７０において内部整流板なしで使用され得る。但したとえば一定の場合、液体分配器のひとつの領域において最小流体抵抗の経路は過剰な液体流を引き起こす。斯かる場合には制御用整流板を付加してその領域の流体抵抗を増大すれば、チャネル４２内などに流れが再分配されて更に均一な速度が提供され得る。
【００４９】
本発明の上記整流板の別の用法は、分配器において更に開放されている領域にて液体分配器内の液体が任意の方向に移動する能力を抑制することで、無拘束で不測の流れパターンが進展するのを防止することである。たとえば液体分配器の液体進入点の回りにおける部分は、液体が自由に移動し得るという比較的に大きな開放領域を有する。これらの領域における液体は乱流であることから、これらの領域のチャネル内のオリフィスを離脱するストリームによる問題を引き起こし得る。本発明の整流板を用いれば、これらの問題が緩和され得る。
【００５０】
基本的に、何らかの整流板を付加すると、その箇所における液体の流れに対して抵抗が加えられる。たとえば主要チャネルにおいて一定の余分な抵抗を付加することにより、液体は任意の方向における自由な移動から一定程度まで抑制され得る。任意の方向におけるこの自由移動が、任意の方向における上述の直交速度を生成し、ストリームの角度性を引き起こす。整流板を適切に載置すれば、これは調整される。
【００５１】
図７（ａ）および図７（ｂ）には、本発明の別実施例が示される。この実施例においては、液体分配器のチャネルの底部に沿い整流板を載置するのでは無く、トラフもしくはチャネルの対向壁部（５６、５８）の間に直立穿孔整流板５４が載置されることにより、トラフの丈を液体が容易に流れる領域６２と、トラフの丈を流体が流れない領域６０とが生成される。オリフィス４４を含むと共に流れの無い上記領域においては、トラフの丈に沿う流れは無く、全ての流れは上記直立穿孔整流板を介してトラフ丈に直交して該領域に進入する。容易な液体流に対する領域６２は通常はオリフィスを有さないが、流れの無い領域６０におけるオリフィスの個数よりも相当に少ない個数のオリフィスである限りにおいて、領域６２は一定数のオリフィスを有し得る。
【００５２】
穿孔整流板５４は、該整流板の底部および頂部において屈曲することなく（不図示の）別の構造に取付けられ得るべく、十分に堅固な必要がある。上記チャネルにおいて規則的間隔で配置される（不図示の）内部支持体は、上記穿孔整流板を所定位置に保持するのを助力し得る。流れの無い領域６０は好適には、液体が容易に流れるのを防止する（不図示の）ダンプパッキング（ｄｕｍｐｅｄ ｐａｃｋｉｎｇ）などで充填される。もし各内部支持体が相互に十分に近づけて載置されるなら、これで適切でありダンプパッキングは必要とされない。また高抵抗を引き起こすべく用いられる材料の存在により、オリフィスを通る流れが影響されないのを確実にすべく、各オリフィス４４の上方の間隙には細心の注意が払われるべきである。これによる正味の効果は、最高速液体は低抵抗領域６２内に在り且つ高抵抗領域６０はオリフィスに対して非常に低速で穏やかな流れを有するということである。
【００５３】
本明細書中では一定の特定実施例に関して図示かつ記述されたが、本発明は示された詳細に限定されることを意図しない。寧ろ、各請求項の有効範囲および均等物の範囲内の詳細において且つ本発明の精神から逸脱せずに種々の改変が為され得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 典型的な液体分配器の概略図である。
【図２】 液体分配器のチャネル内における液体流と、チャネルの底部におけるオリフィスから液体分配器の下方のパッキングへの液体流とを示す概略図である。
【図３】 オリフィスを備えた開放チャネルを流れる液体の速度プロフィルを示す概略図である。
【図４】 オリフィスを備えない開放チャネルを流れる液体の速度プロフィルを示す概略図である。
【図５】 本発明の一実施例に対しオリフィスを備えたチャネル内で三角形状を有する中実内部整流板の概略的平面図である。
【図６】 （ａ）本発明の別の実施例に対しオリフィスを備えたチャネル内で異なる形状を有する穿孔内部整流板の概略的平面図である。
（ｂ）本発明の別の実施例に対しオリフィスを備えたチャネル内で異なる形状を有する穿孔内部整流板の概略的平面図である。
（ｃ）本発明の別の実施例に対しオリフィスを備えたチャネル内で異なる形状を有する穿孔内部整流板の概略的平面図である。
【図７】 （ａ）本発明の別実施例に対し当該穿孔整流板の一側にて当該チャネルの一部にオリフィスを備えたチャネルにおける穿孔整流板を示す概略的平面図である。
（ｂ）図７（ａ）に示された実施例の概略的端面図である。
【図８】 液体分配器のトラフ内の内部整流板と分配器のガターの入口における制御用整流板とを示す概略図である。
【図９】 本発明の一実施例に従い内部整流板および制御用整流板を用いる液体分配器の概略的平面図である。
【符号の説明】
１０…液体分配器
１２…供給アセンブリ
１４…前置分配器
１６…蒸気ライザ
１７…主要チャネル
２０…取入端部
２２…方向
２４…ストリーム
２６…孔
３０…灌注不足領域
３２…灌注過剰領域
３４…格子
４０…内部整流板
４２…チャネル
４４…オリフィス
４６…速度プロフィル
４８…速度プロフィル
５０…底部
５２…矢印
５４…穿孔整流板
５６…対向壁部
６０…高抵抗領域
６２…低抵抗領域
６４…制御用整流板
６６…ガター領域
６８…制御用整流板
７０…液体分配器

Claims (18)

1. 交換カラムにおいて液体を分配する液体分配装置において、
   少なくとも一つの長寸チャネルを有するプレートであって、該長寸チャネルは第一の長手軸心と、底部と、該底部における少なくとも一つの開孔とを有する、プレートと、
   上記第一の長手軸心に実質的に平行な第二の長手軸心を有する少なくとも一つの長寸内部整流板であって、該整流板の少なくとも相当の部分は上記長寸チャネル内に配設された少なくとも一つの長寸内部整流板とを備え、
   前記長寸内部整流板の少なくとも一部は穿孔されていると共に前記長寸内部整流板の少なくとも一部は前記長寸チャネルの前記底部に対して平行な面において非線形の形状を有しており、
   前記非線形の形状は、三角形状およびジグザグ形状の群から選択される、液体分配装置。
2. 前記長寸内部整流板の一部は前記開孔の近傍に位置している、請求項１記載の液体分配装置。
3. 前記非線形の形状は三角形状である、請求項１記載の液体分配装置。
4. 前記非線形の形状はジグザグ形状である、請求項１記載の液体分配装置。
5. 前記長寸内部整流板は複数の縁部を有し、少なくとも一つの縁部は非線形の形状を有する、請求項１記載の液体分配装置。
6. 当該液体分配装置は制御用整流板を更に備え、上記制御用整流板の少なくとも相当の部分は、前記第一の長手軸心に対して直交する第三の長手軸心を有する別のチャネルであって上記第一の長手軸心を有する前記長寸チャネルと流体連通された別のチャネル内に配設される、請求項１記載の液体分配装置。
7. 前記長寸内部整流板は複数の穿孔を有すると共に、該内部整流板は前記長寸チャネルを、上記穿孔を介して流体連通する第一および第二のサブチャネルであって概略的に平行に離間された第一および第二のサブチャネルへと分割し、上記第一のサブチャネルは少なくとも一つの開孔を有し且つ上記第二のサブチャネルは上記第一のサブチャネルよりも相当に少ない個数の開孔を有する、請求項１記載の液体分配装置。
8. 液体および蒸気の間で熱および／または質量を交換する交換カラムであって、該交換カラム内において液体を分配する請求項１記載の液体分配装置を少なくとも一つ有する、交換カラム。
9. 少なくとも一つの質量移動領域を含む少なくとも一つの蒸留カラム内で液体および蒸気を逆流方向に接触させる段階を備え、液体および蒸気の接触は少なくとも一つのパッキングにより確立され、且つ、液体は請求項１記載の液体分配装置により上記パッキングに分配される、極低温空気分離プロセス。
10. 交換カラムにおいて液体を分配するプレート内の長寸チャネルであって該チャネルは第一の長手軸心と、底部と、該底部における少なくとも一つの開孔とを有する長寸チャネルにおける開孔を出射する液体のストリームの流れ方向を調節する方法であって、
    第二の長手軸心を有する少なくとも一つの長寸内部整流板を配備する段階と、
    上記第二の長手軸心が上記第一の長手軸心と実質的に平行である如く上記長寸内部整流板の少なくとも相当の部分を上記長寸チャネルの内側で所定位置に載置する段階と、を備え、
    前記長寸内部整流板の少なくとも一部は穿孔されていると共に前記長寸内部整流板の少なくとも一部は前記長寸チャネルの前記底部に対して平行な面において非線形の形状を有しており、
    前記非線形の形状は、三角形状およびジグザグ形状の群から選択される、方法。
11. 前記長寸内部整流板の一部は前記開孔の近傍に位置している、請求項１０記載の方法。
12. 前記非線形の形状は三角形状である、請求項１０記載の方法。
13. 前記非線形の形状はジグザグ形状である、請求項１０記載の方法。
14. 前記長寸内部整流板は複数の縁部を有し、少なくともひとつの縁部は非線形の形状を有する、請求項１０記載の方法。
15. 少なくとも一つの制御用整流板を配備する段階と、上記制御用整流板の少なくとも相当の部分を、前記第一の長手軸心に対して直交する第三の長手軸心を有する別のチャネルであって上記第一の長手軸心を有する前記長寸チャネルと流体連通された別のチャネル内に配設する段階と、を更に備えて成る、請求項１０記載の方法。
16. 前記長寸内部整流板は複数の穿孔を有すると共に、該内部整流板は前記長寸チャネルを、上記穿孔を介して流体連通する第一および第二のサブチャネルであって概ね平行に離間された第一および第二のサブチャネルへと分割し、上記第一のサブチャネルは少なくとも一つの開孔を有し且つ上記第二のサブチャネルは上記第一のサブチャネルよりも相当に少ない個数の開孔を有する、請求項１０記載の方法。
17. 交換カラムにおいてパッキングに液体を分配する分配器を組立てる方法であって、
    上記交換カラムを配備する段階と、
    少なくとも一つの長寸チャネルを有するプレートであって、該長寸チャネルは第一の長手軸心と、底部と、該底部における少なくとも一つの開孔とを有する、プレートと、
    上記第一の長手軸心に概ね平行な第二の長手軸心を有する少なくとも一つの長寸内部整流板であって、該長寸整流板の少なくとも相当の部分は上記チャネル内に配設された少なくとも一つの長寸内部整流板と、
    を備えた上記分配器を配備する段階と、
    上記分配器を上記交換カラム内に設置する段階と、を備え、
    前記長寸内部整流板の少なくとも一部は穿孔されていると共に前記長寸内部整流板の少なくとも一部は前記長寸チャネルの前記底部に対して平行な面において非線形の形状を有しており、
    前記非線形の形状は、三角形状およびジグザグ形状の群から選択される、方法。
18. 前記分配器は少なくとも一つの制御用整流板を更に備え、上記制御用整流板の少なくとも相当の部分は、前記プレート内の別のチャネルであって前記長寸チャネルの前記第一の長手軸心に対して直交する第三の長手軸心を有する別のチャネル内に配設される、請求項１７記載の方法。

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