JP4539930B2 - 交差経路構造を有する充填体並びに同充填体を有するカラム及び混合装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、パッキングカラムまたは静的混合装置用の交差経路構造を有する充填体であり、充填体は互いに隣接する層が堆積され、各層の経路は互いに平行に配置され、隣接する層同士間の境界面において延びる側面経路は互いに開口しており、これら側面経路が交差状の配列構造を形成している充填体に関するものであり、パッキングとしてこの種の充填体を有するカラム及び静的混合構造としてこの種の充填体を有する混合装置に関するものある。
【０００２】
【従来の技術】
流体の混合装置はスイス特許出願公開第５４７１２０号により公知である。この混合装置は静的混合要素が管内に組み立てられる。この種の組立要素は互いに接触する層から成り、これらの層は部分的に開放流経路を有する交差経路構造を形成する。カラム用のパッキング体ではドイツ特許出願公開第２６０１８９０号により公知であり、同様に交差経路構造を有する。この種のカラムパッキングにより、物質または熱のうち少なくとも一方の交換が行われ得る。即ち、（ａ）パッキング表面上の媒体、特にリップルフィルムまたは接触反応活性コーティングのうち少なくとも一方の上にある媒体と、（ｂ）パッキング表面により形成される経路を通して流れるガス流と、の間において物質または熱の交換が行われる。
【０００３】
流体が互いに開口して交差する経路を通過して流れる場合、モーメント交換が行われる流体間の相互作用が、隣接する層間の境界面において生じる。このモーメント交換の結果として、乱流が経路に生じる。この乱流は乱流編組（重畳回転を有する移動性流体流）、乱流核の形態であり、経路方向に延びる。これら乱流編組はさらに二次乱流を引き起こす。モーメント移送により与えられる乱流編組の駆動力は、乱流が摩擦力に対して静止状態となるように設定する。乱流はさらに流体を通過して混合し、一方では隣接する経路間の物質交換を通して、他方では境界層と経路の内側空間との間の物質交換を通して混合する。経路は傾斜されているため、流体は温度及び充填体の断面上の濃度に関して均質化するが、均質化が行われるのは層の方向においてのみである。均質化及び混合化の効果はエネルギー消費の大きさによってもたらされ、エネルギー消費は流体抵抗（圧力低下）が加わるにつれて大きくなる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、所望する均質効果及び混合効果が低減されたエネルギー消費で達成されるための交差経路構造を有する充填体を作成することである。作成された充填体における流体抵抗は、交差経路構造を有する公知の充填体に比較して低くなるべきである。しかしながら、物質交換カラムの分離能力、または静的混合器の混合作用はほぼ良好な状態でなければならない。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための本発明の充填体は以下の構成である。
本発明の充填体は、パッキングカラムまたは静的混合装置用の交差経路構造を有する充填体であり、前記充填体は互いに隣接する層が堆積され、各層の経路は互いに平行に配置され、互いに隣接する層の境界面で延びる側面経路は互いに開口しており、これら側面経路が交差状の配列構造を形成している充填体において、層の少なくとも一部は側面経路に加えて中心経路を含み、中心経路と側面経路との間の境界面における物質分離は規則的に配置された壁部により約半分の物質が分離され、他の半分の物質領域における経路境界面は開口されている。
【０００６】
前記充填体は、層がグリッド状にスリットが入れられると共に変形された金属薄片シートから形成され、経路境界面が櫛状に曲折された壁部により形成され、これら壁部の櫛は層の中心平面の両側に交互に列状に配置されると共に中心平面に平行であり、金属薄片シートの代わりに膜またはワイヤメッシュを使用することが可能であり、金属薄片シート、膜またはワイヤメッシュの材料として金属、セラミック材料、プラスチックのうちの少なくともいずれかを選択することが可能である。
【０００７】
前記充填体は、各壁部がさらにスリット形成及び変形を通して組み立てられ、特に微細な構造を有する。
前記充填体は、全ての経路が主流方向に対して傾斜され、主流方向に対する傾斜角度は１０度〜７０度であり、特に隣接する層の互いに交差する経路は主流方向に関して反対方向にそれぞれ傾斜され、この傾斜角度は大きさがほぼ等しい。
【０００８】
前記充填体は、規則的に配置された壁部が直線状の自由縁部を有し、自由縁部は少なくともほぼ落下線、即ち垂直平面に位置すると共にその方向が壁部表面上の水平線に垂直である線の上に位置する。
【０００９】
前記充填体において、経路壁部は溝が付けられているか、または他の構造に形成されている、経路壁部はさらに例えば丸い孔にて穿孔されている。
前記充填体は、規則的に配置されたそれぞれの層が、波形形状、特にジグザグ形状に曲折されているスリットのない金属薄片シート、膜、ワイヤメッシュから形成される。
【００１０】
本発明のカラムは前記充填体を有するカラムであり、カラムが、一方ではパッキングの表面上のリップルフィルムと、他方では多くの経路を通過して流れるガス流との間の、物質交換または熱交換のうち少なくとも一方の交換を行うためのパッキングとして使用され、経路はパッキング表面により形成され、パッキング表面は接触反応活性物質を有するコーティングが施され得る。
【００１１】
前記カラムにおいて、充填体は複数のパッキング要素が堆積され、パッキング要素は１つのパッキング要素の上に他のパッキング要素が配置されており、各パッキング要素は同じ向きの層を有するパッキング部分を形成し、隣接するパッキング要素の層の水平方向が互いに交差する。
【００１２】
本発明の混合装置は、管と、前記充填体の形態である静的混合構造物とを含む混合装置であり、静的混合構造物は管内に配置され、この混合装置は流動可能な物質を混合するために使用され、流動可能な物質は同一方向に管を通過して流れ、静的混合構造物の表面は接触反応活性物質を有するコーティングが施され得る。
【００１３】
本発明の充填体の層は側面経路の他にさらに中心経路を含み、中心経路は壁部により側面経路から部分的に分離されている。側面経路は、同一層の平行な経路が壁部により全体の長さにわたって分割されている公知な交差経路構造の経路に対応する。公知な交差経路構造において既述したように、側面経路において一次乱流編組が隣接する層間の相互作用により駆動される。これら一次乱流編組は二次乱流編組を中心経路に引き起こす。この中心経路のために混合作用がほぼ等しい大きさのエネルギー消費でより大きい体積において達成される。各層は公知の交差経路構造とは対照的に両側の側面経路間の大きい通気性を有するため、さらに均質化が生じ、この均質化は層の方向に対して垂直方向に行われる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について、実施例を図面に従って詳述する。
本発明の充填体１の層１０が図１、図４、及び図１１に示されている。層１０は金属薄片シートから形成され、グリッド状にスリットが入れられて変形されている。金属薄片シートの代わりに膜またはワイヤメッシュも使用され得る。スリット１１はスリット縁部１１ａ及び１１ｂを有し、スリット縁部１１ａ及び１１ｂは開口面２２または２２'（図４）にわたる。スリット１１は終点Ａ，Ｂ及びＡ'，Ｂ'を有し、これら終点は三角形ＡＢＡ'及びＢＡ'Ｂ'を有するグリッドを形成する。金属、セラミック材料、またはプラスチックのうちの少なくともいずれかが、金属薄片シート（膜またはワイヤメッシュ）の材料として選択され得る。
【００１５】
充填体１は多くの互いに境をなす層１０が堆積され、これらの層において経路２が互いに平行に配置されている。経路２は主流方向に対して傾斜されている。この主流方向は図４におけるＺ軸に平行である。経路２、即ち側面経路は図４におけるｘ−ｙ平面上の断面積が同一であり、隣接する層１０同士間の境界面３（図２、図１１）において延びる。それぞれの側面経路は断面が三角形に形成され、符号２０で示されている。これらの側面経路２０は互いに開口しており、十字状の配列構造を形成する。側面経路２０に加えて層１０は中心経路２１を含み、中心経路２１はそれぞれ矩形の断面形状である。中心経路２１と側面経路２０との間の境界面における物質分離は、規則的に配置された壁面部により約半分の物質が分離され、他の半分の物質領域において経路境界面は開口されている。
【００１６】
経路２の境界面は櫛形状に曲折された壁部により形成されている。これら壁部の曲折縁部または櫛１２及び１４は、層１０の中心平面４の両側に、即ち図４におけるｘ−ｚ平面の両側に交互に列状に配置され、櫛１２及び１４は前記平面に平行である。図１の平面図において櫛１２及び１４は、櫛１２及び１４に対して平行に延びる図の平面の上下にそれぞれ位置している。さらに曲折縁部１３及び１５は中心平面４に位置する。経路２の方向５はｚ軸（図４）に対して角度Ｗをなしており、ｙ方向から見た場合にｚ軸の左側に位置する。図示例において、隣接する層１０の経路方向５’は同様にｚ軸と角度Ｗをなすが、ｙ方向から見るとｚ軸の右側に位置する。この傾斜角度Ｗは１０度より大きく７０度より小さい。経路方向５及び５’のｘ−ｙ平面における投影は、図４においてそれぞれ矢印５０及び５０’として示されている。
【００１７】
図２及び図３は、図１のＩＩ−ＩＩ線及びＩＩＩ−ＩＩＩ線における層１０の２つの平行な断面図を示す。境界面３及び中心平面４の位置は鎖線３０及び４０により示されている。図２において境界面３に位置する曲折縁部１２及び１４のみが認識され得、曲折縁部１３及び１５は中心平面４に位置する。図３の断面図は位置ａ，ｂ，ｃ，ｄにおいてスリット１１（縁部１１ａ，１１ｂ）を横断する。
【００１８】
側面経路２０及び中心経路２１における流動関係は図５に示されている。図５はｘ−ｙ平面（図４参照）における２つの隣接する層１０の断面を示す。乱流５１ａ及び５１ｂは、隣接する互いに交差する経路２間の相互作用により側面経路２０において引き起こされる。これらの一次乱流５１ａ及び５１ｂは、中心経路２１において二次乱流対５２ａ，５２ｂを引き起こす。
【００１９】
規則的に配置された経路２の壁部は自由縁部、即ちスリット縁部１１ａ及び１１ｂを有する。これらの縁部１１ａ及び１１ｂは湾曲されたり、歯がつけられたりできる（不図示）。しかしながら、縁部１１ａ及び１１ｂは直線であることが好ましく、少なくともほぼ落下線上にあることが好ましい。この落下線とは垂直面（ｚ軸に平行）に位置する線であり、この線は層１０の表面上の水平線に対して垂直であるように層１０の表面に向けられている。この好ましい実施形態は図６に示されている。落下線の方向は矢印１９により示されている。
【００２０】
図７に図示された実施形態において、図１と同様に三角形グリッドが形成されている。しかしながら図７では、スリット１１はコーナーポイントＡ（またはＡ'）及びＢ（またはＢ'）からそれぞれ距離δ_A及びδ_Bの位置で終端している。これらの距離の結果として、図１における曲折縁部１３及び１５の代わりに、コーナーポイントを通過する「水平」バンド１６が生じる（図８参照）。図９において示すように、「水平」バンド１６の代わりに例えば傾斜バンド１６'及び１６”も形成され得る。
【００２１】
層１０の幾何構造は傾斜角度Ｗ、曲折縁部１２，１４の角度、及びスリット１１の配列により特徴付けられ得る。スリット１１の配列はコーナーポイントＡとＢとの間の距離、距離δ_A及びδ_B、及び例えば２つの三角形の角度α及びβを通して限定され得る（図７）。
【００２２】
図６に十字２２０により記された開口面２２の近傍における層１０の詳細が図１０に示されている。即ち、経路２の物質境界面、経路壁部は溝が付けられている、即ち微細な溝を有する構造に形成されている。溝１７が落下線１１（縁部１１ａ，１１ｂ）を横切る。さらに、経路壁部は例えば丸い孔１８により穿孔され得る。多くの平行溝から成る溝１７の代わりに、欧州特許出願公開第０１９０４３５号から公知であるような１つの溝も形成され得る。欧州特許出願公開第０１９０４３５号では表面構造が交差溝により形成されている。
【００２３】
本発明の充填体は同種の層から均一に堆積される必要はない。各層はスリットのない金属薄片シート（または膜、ワイヤメッシュ）からも製造され得、各場合において層は波形形状を有し、特にジグザグ形状に曲折される。この種の構造においては、異なる種類の層が規則的に連続して配置されるならば好ましい。例えば、（ａ）図１〜図１０に示すタイプの金属薄片シートを有する層、及び（ｂ）波形形状でスリットのない金属薄片シートの層が、交互に配列する構造である。
【００２４】
本発明の充填体１は概して複数のパッキング要素から堆積され、１つのパッキング要素が他のパッキング要素の上に配置されている。各パッキング要素は同一方向の層を有するパッキング部分を形成し、隣接するパッキング要素の層の水平方向は互いに交差している。図１１にはこの種の充填体１の構造が示されている。即ち、２つのパッキング要素１ａ及び１ｂの境界面３を有し、パッキング要素１ａ及び１ｂはカラムまたは静的混合器の円筒壁部１００に配置されている。鎖線３０'は図示しない境界面３の上端部を示す。矢印５及び５'は隣接する層１０（不図示）の経路方向を示す。矢印６及び７は流体の主流方向を示し、流体は混合または物質交換の少なくともいずれかの目的のために充填体１を通過して導かれる。
【００２５】
層１０の金属薄片シート（または膜、ワイヤメッシュのいずれか）、または層１０の唯一つの壁部の場合でもさらにスリット形成及び変形を通して構造が形成され得、例えば櫛形状に曲折された小壁部が形成される。この小壁部は経路２（図４）の壁部に類似するが、経路２よりもかなり小さく形成される。この種の微細な構造を有する交差経路構造は米国特許第４７１０３２６号から公知である。
【００２６】
経路２は全ての例示実施形態において直線経路として示されている。しかしながら経路２は方向における変化も有し得、特に図１１のパッキング要素１ａ及び１ｂの上端または下端の少なくともいずれかにおける境界領域において変化し得る。パッキングの特殊な実施形態において、下方領域、中間領域及び上方領域がパッキング要素において区別され得る。パッキング要素の縁部領域において、流体抵抗は適切な形状の結果として中間領域の流体抵抗に対して低減され得る。この種の好ましい実施形態は特許協力条約における国際公開第９７／１６２４７号から公知である。
【００２７】
本発明の充填体の表面は接触反応活性物質を有するコーティングが施され得る。この種の充填体は反応性蒸留を行うためのカラムにおいて、または燃焼排ガス触媒における触媒キャリアとして使用され得る。
【００２８】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の充填体は小さいエネルギーで良好な均質化及び混合化が達成されるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の充填体における層の一実施形態を示す平面図。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線における断面図。
【図３】図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線における断面図。
【図４】図１に示した層の斜視図。
【図５】本発明の充填体における流動関係を示す図４のｘ−ｙ平面における断面図。
【図６】充填体の層で特に好ましい幾何構造を示す斜視図。
【図７】本発明の充填体における層の別の実施形態を示す平面図。
【図８】図７の断面図。
【図９】図８の層の変形例を示す断面図。
【図１０】図６の層を詳細に示す斜視図。
【図１１】本発明の充填体を有するカラムまたは静的混合器の斜視図。
【符号の説明】
１…充填体、２…経路、３…境界面、１０…層、２０…側面経路、
２１…中心経路、１００…管、６，７…主流方向

Claims (12)

1. パッキングカラムまたは静的混合装置用の交差経路構造を有する充填体（１）であり、前記充填体（１）は互いに隣接する層（１０）が堆積され、各層（１０）の経路（２）は互いに平行に配置され、互いに隣接する層の境界面（３）で延びる側面経路（２０）は互いに開口しており、これら側面経路（２０）が交差状の配列構造を形成している充填体において、層（１０）の少なくとも一部は側面経路（２０）に加えて中心経路（２１）を含み、
   前記層（１０）は金属薄片シート、膜又はワイヤメッシュから形成され、前記層（１０）はグリッド状にスリットが入れられるとともに変形され、
   前記境界面（３）は前記スリットの変形により櫛状に曲折された壁部により形成され、これら壁部の櫛（１２，１４）は前記層（１０）の中心平面（４）の両側に交互に列状に配置されると共に同中心平面に平行であり、かつ
   前記中心経路（２１）は前記壁部により前記側面経路（２０）から部分的に分離されていることを特徴とする充填体。
2. 前記膜は金属、セラミック材料及びプラスチックのうちの少なくとも一つからなること特徴とする請求項１に記載の充填体。
3. 各壁部はさらにスリット形成及び変形を通して組み立てられることを特徴とする請求項１に記載の充填体。
4. 全ての経路は前記パッキングカラム又は前記静的混合装置の主流方向（６，７）に対して傾斜され、主流方向に対する傾斜角度（Ｗ）は１０度〜７０度であり、隣接する層（１０）の互いに交差する経路は前記主流方向に関して反対方向にそれぞれ傾斜され、この傾斜角度は大きさが等しいことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の充填体。
5. 前記スリット（１１）は前記パッキングカラム又は前記静的混合装置の主流方向（６，７）と同一の方向に形成されており、規則的に配置された前記壁部は直線状のスリット縁部（１１ａ，１１ｂ）を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の充填体。
6. 前記壁部には前記パッキングカラム又は前記静的混合装置の主流方向（６，７）を横切る溝（１７）が設けられていることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の充填体。
7. 前記経路壁部は、さらに丸い孔（１８）にて穿孔されていることを特徴とする請求項６に記載の充填体。
8. 請求項１乃至７のいずれか一項に記載の充填体は、波状形状でスリットのない層であって、金属薄片シート、膜、又はワイヤメッシュからなる層を更に含み、前記波状形状でスリットのない層は、前記互いに隣接する層（１０）であってスリットを有する層（１０）の間に配置されていることを特徴とする、充填体。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載の充填体（１）を有するカラムであり、前記カラムは、パッキングの表面上のリップルフィルムと、多くの経路（２）を通過して流れるガス流との間の、物質交換または熱交換のうち少なくとも一方の交換を行うためのパッキングとして使用され、前記経路（２）はパッキング表面により形成され、パッキング表面は接触反応活性物質を有するコーティングが施され得ることを特徴とするカラム。
10. 前記充填体（１）は複数のパッキング要素（１ａ，１ｂ）が堆積され、パッキング要素は１つのパッキング要素の上に他のパッキング要素が配置されており、各パッキング要素は同じ向きの層（１０）を有するパッキング部分を形成し、隣接するパッキング要素の層の水平方向が互いに交差することを特徴とする請求項９に記載のカラム。
11. 管（１００）と、請求項１乃至８のいずれか１項の充填体の形態である静的混合構造物（１）とを含む混合装置であり、静的混合構造物（１）は前記管（１００）内に配置され、この混合装置は流動可能な物質を混合するために使用され、流動可能な物質は同一方向（６，７）に管を通過して流れることを特徴とする混合装置。
12. 前記静的混合構造物（１）の表面は触媒反応活性物質を有するコーティングが施され得ることを特徴とする請求項１１に記載の混合装置。

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