JPH0842994A - 偏流を防ぐ物質及び／又は熱交換塔用の充填材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 均一な液分配を達成する充填材を提供する。 【構成】 本発明に係る充填材は、上方から液体を下方
から気体を供給し、内部にて気液を接触させることによ
り両者間の物質交換及び／又は熱交換を行う塔の内部
に、該塔の軸線に沿って上下方向に配置されている塔用
充填材であって、該充填材が、塔の軸線に対して傾斜し
ている波形をなす複数の連続した折り目をつけたシート
状基材を互いに折り目が交差するように複数枚積層する
ことによって構成されており、該シート状基材の表面に
は、格子状に配列された突出部及び凹形部が形成されて
おり、該突出部と凹形部とは交互に配置されて、これに
より突出部及び凹形部がそれぞれ垂直軸に対して斜め方
向に連続して配置され、これによって垂直軸を挟んで左
右に連続した交差流路が形成されており、該突出部及び
凹形部は、単位面積あたりで平均して、それぞれ、その
寸法がシート状基材に設ける折り目の方向に沿って小さ
く折り目に交差する方向に沿って大きくなるように形成
されていることを特徴とするものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、物質及び／又は熱交換
塔において、気体と液体とを接触させるための媒体とし
て用いられる充填材に関するものである。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】物質及
び／又は熱交換塔において、気液接触媒体として、塔内
に設置されるこの種の充填材は、一般に、図１に示すよ
うに、シート状の基材１に、塔軸線に対して傾斜した複
数の連続した折り目２をつけて波形に成形したものを、
互いに折り目が交差するように複数枚積層して構成した
ものを塔４内に垂直に設置するものであり、蒸留塔、吸
収塔及び回収塔などに広く用いられている。この種の充
填材を塔内に設置し、液体を上方より下方へ、気体を下
方より上方へ向かって流すと、かかる充填材によって液
体流及び気体流が拡散されて、気液間の接触効率が向上
する。また、シート状基材に代えて網状基材を用いたも
のも知られている。これらの充填材において、気液の接
触効率を高めるために種々の工夫がなされている。ここ
で、気体と液体との接触効率を如何に高められるかは、
一定量の液体と気体とを一定時間内に如何に多く接触さ
せられるかにかかっている。これは、主として次の３つ
のファクターによって決定する。一点目は、上方の一点
から流下させた液体が充填材の表面上で如何に広く拡散
され、拡散された液体が充填材表面上で如何によく混合
されるかということであり、二点目は、下方から上昇す
る気体が如何に拡散され、よく混合されるかということ
であり、三点目は、液体と気体とが如何に多く接触せし
められるかということである。

【０００３】上記の三つのファクターの中で、液体を如
何に拡散させるかという点が技術的に最も難しいため、
従来の充填材においては、特に、液をその表面上で効率
よく拡散させるために種々の工夫がなされている。

【０００４】例えば、前述したようなシート状基材の代
わりに網状基材を用いるという方法も、液を効率よく拡
散させるための一つの手法であり、この場合には、網目
間に発生する毛管引力を利用して液体を横方向に拡散さ
せているのである。しかしながら、このような網状基材
を用いた場合においては、液量が少ない場合には優れた
効果を奏するが、液量が多くなると横方向への拡散より
も下方への流下量が増大し、充填材の表面での均一な液
の拡散を達成することは困難になるという欠点がある。

【０００５】また、シート状基材の表面において水平方
向に伸長する複数の溝を形成して、この溝に沿って液を
流せしめることによって液体を横方向に拡散させるとい
うものがある。しかしながら、この種の充填材は、液体
の拡散のみを配慮しているために、使用において多くの
問題がある。例えば、このようなシート状基材に折り目
をつけたものを塔内に設置して下方から気体を上昇させ
ると、気体は折り目に沿って斜め方向に流れるため、こ
の斜め方向に上昇する気体流によって溝中の液体が基材
の表面を横に流されて折り目の角部に集められるように
なり、このため基材表面全体に液体を分配することが困
難になるという問題がある。あるいは、このような充填
材を塔内に取り付ける場合には、溝が水平になるように
充填材を設置する必要があり、溝に傾きが生じると液が
一方向に偏流してしまうといった不具合があった。

【０００６】また、上記に説明したように、気液接触の
効率を向上させるためには、充填材表面上で液がよく混
合することが必要である。この点について説明すると、
充填材の表面を液が流れる際に、充填材の表面において
液膜が形成され、かかる液膜の表面付近は気体と接触し
て物質及び／又は熱の交換がなされるが、液膜の深部で
は気体と接触することがないために、液全体において物
質及び／又は熱交換の度合いが不均一なものとなる。こ
のため、気液接触効率を向上させるためには、液体と気
体との接触面積を高めると共に、液体流を充填材表面上
で十分に混合して、液全体の物質及び／又は熱交換の度
合いを均一なものにする必要があるのである。このよう
な問題は、液量が少ない場合には、充填材表面上で形成
される液膜の厚さが小さくなるのでさほど問題にはなら
ないが、液量が多い場合には液膜の厚さが大きくなり、
液の混合が極めて重要なものになる。

【０００７】このような液の混合を達成するための手段
として、特開昭６１−１７８００１号公報には、充填材
を構成するフォイル状の基材の表面に凹凸模様をつけ
て、この凹凸模様によって連続した交差チャンネル（交
差流路）を形成して、これにより液体の一様な分布と交
差混合とを達成した充填材が記載されている。該公報に
記載されている充填材の概念を図２に示す。図２ａは、
格子状に配列された凹凸模様がつけられたフォイル状の
基材１の平面図であり、図２ｂはかかる基材の斜視図で
ある。図２ａにおいて、白丸は手前に突出している突出
部１０を示し、斜線が描かれた丸が凹形部１１を示して
いる。図２ａに示されているように、突出部と凹形部と
は互いに交互に配列されており、これにより凹形部が斜
め方向に連続して配列され、この凹形部の連続列により
垂直軸に対して傾斜する連続した交差チャンネルが形成
されている（図中の矢印Ａ及びＢで示す）。ここで、
「連続した交差チャンネル」とは、凹形部が図２ａに示
されているように斜め方向に連続して配列されることに
よって、垂直軸に対して斜め方向の複数のチャンネル
（流路）が交差して形成されており、かつ、それぞれの
凹形部の斜め方向の列によって形成される流路が途中で
中断されずに連続しているということを意味するもので
ある。このような基材の表面上に液を上から流下させる
と、液は、凹形部によって形成されている交差チャンネ
ル、即ち図２ａの矢印Ａ及びＢに沿って流れ、これによ
り液の拡散と交差混合とが達成される。

【０００８】しかしながら、これは基材が平板状のまま
で用いられた場合の話であり、実際には、シート状基材
は、折り曲げ線２に沿って折り曲げられて、図１に示す
ような波形に成形されている。このように、基材に折り
目が形成されて波形に成形された状態においては、基材
の表面上に液を上から流下させると、折り目２に沿って
剪断力が生じるために、液流は基材の折り目に沿って流
れ易くなり、折り目に交差する方向（矢印Ｂの方向）に
は流れにくくなる。したがって、液の均一な分配が困難
であり、このために交差混合の効率も低下するという欠
点が避けられなかった。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記のよう
な課題を解決し、液の均一な分配と効率のよい交差混合
とを達成する充填材を提供すべく鋭意研究を重ねた結
果、特開昭６１−１７８００１号公報に記載されている
ような、充填材を構成する基材の表面において突出部と
凹形部とを格子状に配列し且つ突出部と凹形部を交互に
配列することによって連続した交差流路を形成するとい
う方法において、それぞれの突出部及び凹形部の寸法
を、単位面積あたりで平均して、基材に形成する折り目
の方向に沿って小さく折り目に交差する方向に沿って大
きくすることによって、折り目の方向及び折り目に交差
する方向に液流を均一に分配することができることを見
出し、本発明を完成するに至った。

【００１０】即ち、本発明は、上方から液体を下方から
気体を供給し、内部にて気液を接触させることにより両
者間の物質交換及び／又は熱交換を行う塔の内部に、該
塔の軸線に沿って上下方向に配置されている塔用充填材
であって、該充填材が、塔の軸線に対して傾斜している
波形をなす複数の連続した折り目をつけたシート状基材
を互いに折り目が交差するように複数枚積層することに
よって構成されており、該シート状基材の表面には、格
子状に配列された突出部及び凹形部が形成されており、
該突出部と凹形部とは交互に配置されて、これにより突
出部及び凹形部がそれぞれ垂直軸に対して斜め方向に連
続して配置され、これによって垂直軸を挟んで左右に連
続した交差流路が形成されており、該突出部及び凹形部
は、単位面積あたりで平均して、それぞれ、その寸法が
シート状基材に設ける折り目の方向に沿って小さく折り
目に交差する方向に沿って大きくなるように形成されて
いることを特徴とする充填材に関する。

【００１１】以下、図面を参照しながら、本発明の種々
の態様に係る充填材に関して説明する。

【００１２】図３は、本発明の一態様に係る充填材を構
成するシート状基材の概念を示す図である。図３ａはシ
ート状基材の平面図であり、図３ｂはかかるシート状基
材の斜視図である。本発明に係る充填材を構成するシー
ト状基材は、その表面に、格子状に配列された突出部及
び凹形部が形成されている。なお、図３ａにおいては図
２ａと同様に、手前側に突出している突出部２０と奥に
向かって突出している凹形部２１とを模式的に示してい
る。突出部２０と凹形部２１とは、それぞれ交互に配列
されており、これにより、突出部２０及び凹形部２１
が、垂直軸に対して斜め方向に連続して配列されるよう
になっている。この凹形部２１の連続配列によって、垂
直軸に対して斜め方向の交差する流路が形成されている
（図３ａにおいて、矢印Ａ及びＢで示す）。また、それ
ぞれの突出部２０及び凹形部２１の寸法は、シート状基
材の単位面積当たりの平均で、シート状基材に斜め方向
に形成される折り目（図３ａにおいて線Ｌで示す）の方
向の寸法が、折り目に交差する方向の寸法よりも小さく
なるように形成されている。このような突出部及び凹形
部は、エンボス加工やスタンピング加工といった当該技
術において公知の任意の方法によってシート状基材に形
成することができる。

【００１３】このように突出部及び凹形部をシート状基
材に形成することにより、凹形部が斜め方向に連続配列
されて、図３ａにおいて矢印Ａ及びＢで示す交差流路が
形成される。但し、図３に示す構成においては、上記に
説明したように、凹形部２１の寸法が、単位面積あたり
平均して、シート状基材に形成される折り目（線Ｌで示
す）の方向に小さく、折り目に交差する方向に大きくさ
れている。ここで、「単位面積あたり平均して」という
表現は、全ての凹形部において折り目の方向の寸法が折
り目に交差する方向の寸法よりも小さくなっている必要
はなく、シート状基材の単位面積あたりの凹形部の寸法
の平均を取った場合に、折り目方向の寸法の平均値が折
り目に交差する方向の寸法の平均値よりも小さければよ
い、という意味で用いられるものである。したがって、
単位面積あたりの平均値が上記の条件を満たしていれ
ば、個々の凹形部においては、両方向の寸法が同じ程度
のものがあっても、更には折り目方向の寸法が折り目に
交差する方向の寸法よりも大きなものがあっても構わな
いのである。なお、図３〜図５においては、本発明の特
徴を明確に表現するために、便宜上、それぞれの突出部
及び凹形部が垂直の壁部を有し、それぞれが離隔して配
置されているように示されているが、実施上は、「連続
した交差流路が形成されている」という表現から明らか
なように、それぞれの突出部及び凹形部は壁部が接する
ように配置されており、斜め方向に隣接する凹形部の壁
部が連続して、これによって途中で中断せずに伸長して
いる流路が形成されていることが必要である。また、そ
れぞれの突出部及び凹形部の壁部は、シート状基材の面
に対して垂直面を構成するのではなく、傾斜面を構成す
ることが望ましい。更には、それぞれの隣接する突出部
及び凹形部の側壁によって連続する曲面が形成され、こ
れにより連続した流路が形成されているようになってい
ることが望ましい。

【００１４】このような凹凸を設けたシート状基材の表
面上に液体を流下させると、シート状基材に折り目をつ
けない状態では、液は、凹形部２１によって形成された
斜め方向に伸長する交差流路に沿って矢印Ａ及びＢの両
方向に流れるが、折り目に交差する方向に沿って形成さ
れる流路（矢印Ｂ）に沿ってより多く流れ易くなる。こ
れは、折り目に交差する方向に沿って形成される流路
（Ｂ）においては、斜め方向に隣接して配列されている
凹形部によって形成される流路（２４）の幅がほぼ一定
であるので液流が流れ易いのに対して、折り目の方向に
沿って形成される流路（Ａ）においては、隣接する突出
部の列によって流路の幅が収束するオリフィス状の部分
（２５）が形成されるために、液流が流れにくくなるか
らである。

【００１５】このようなシート状基材に波形に折り目を
付けて（折り曲げ線を図３ａの線Ｌで示す）塔内に設置
して、液を上方から流下させると、折り目の方向（即ち
矢印Ａの方向）への剪断力によって液流が折り目方向に
流れようとする力が、上記に説明した凹形部の配列によ
って生じる折り目に交差する方向（矢印Ｂの方向）へ液
流を付勢する力によって相殺され、その結果、両方向の
交差流路（矢印Ａ及びＢ）に沿って均一に液が流れるよ
うになるのである。これにより、充填材の表面全体にわ
たって、液が均一に分配され、また液の交差混合も均一
に行われるようになる。

【００１６】一方、気体の上昇流については、シート状
基材の折り目に沿って上昇しようとする傾向があるが、
この折り目に沿って上昇する気体流に対する障壁が突出
部２０によって形成されるので、気体流がこの突出部に
より分岐するようになり、気体流の分配がより多く行わ
れるようになるのである。

【００１７】なお、突出部及び凹形部の断面形状に関し
ては、突出部の頂部及び凹形部の底部は平坦である必要
はなく、尖っていてもよいし、あるいは球面状であって
もよい。

【００１８】凹形部の折り目方向の平均寸法と折り目に
交差する方向の平均寸法との相対比は、液流の量などの
運転条件によって最適の値を実験的に決定することがで
きる。ここで、凹形部の寸法とは、凹凸によって形成さ
れるシート状基材の見かけの厚さの半分の部分の面上に
おける凹形部の長さであり、例えば折り目方向の平均寸
法とは、折り目に沿った方向の凹形部の平均長さを示す
ものである。凹形部の折り目方向の平均寸法と、折り目
に交差する方向の平均寸法との相対比は、実施上は、水
平方向の凹形部間のピッチが１０ｍｍ程度である場合
に、折り目方向の平均寸法が５〜１０ｍｍ程度に対して
折り目に交差する方向の平均寸法が１０〜１５ｍｍ程度
とすることが望ましい。また、突出部及び凹形部の高さ
も、液流の量なども上記と同様に最適の値を実験的に決
定することができるが、一般的には、０．１ｍｍ〜１ｍ
ｍ程度の厚さのシート基材に対して、凹凸によって形成
されるシート状基材の見かけの幅からシート基材自体の
厚さを減じた値が０．５〜４ｍｍ程度であることが好ま
しい。

【００１９】なお、凹形部の側壁を蛇行させてもよい。
このようにすると、凹形部に沿って流れる液流を乱すこ
とができるため、液体の混合をより高めることができ
る。

【００２０】また、図４に示すように、突出部３０及び
凹形部３１の少なくとも一部を、シート状基材に形成す
る折り目に交差する方向に沿って整列された複数の突起
３５及び窪み３６により構成することにより、それぞれ
の突出部及び凹形部の折り目方向の平均寸法を折り目に
交差する方向の平均寸法よりも小さくすることによって
も、上記の本願発明の効果を奏することができ、かかる
形態も本発明の一態様に含まれる。また、図３に示すよ
うな略長方形の突出部及び凹形部に代えて、図５に示す
ような楕円形の突出部４０及び凹形部４１を形成するこ
とによって本願発明の充填材を構成することもできる。
また、図５に示すように、シート状基材の表面におい
て、それぞれの突出部及び凹形部の間に水平方向に溝４
５を形成してもよい。このような溝を形成すると、交差
流路の交差部において液体流を乱れされることができる
ので、液の混合効果が増大する。なお、図４及び図５に
おいては、図３と同様に、ａはシート状基材の平面図、
ｂはシート状基材の斜視図であり、シート状基材に形成
する折り目は線Ｌで示し、折り目方向に沿った流路及び
折り目に交差する方向に沿った流路は、それぞれ矢印Ａ
及びＢで示す。また、突出部の頂部及び／又は凹形部の
底部に小さな孔を穿孔してもよく、このようにすること
によって、気体流がシート状基材を通過して流れるため
に、気体流の分配をより促進することができる。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように、本願発明に係る充
填材によれば、シート状基材に折り目を付けて塔内に設
置した状態において、左右の交差流路に均一に液流を誘
導することができるので、液の均一な分配及び交差混合
が可能になり、塔内における気液接触効率が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】通常の充填材及び本発明の充填材が塔内に設置
されている状態を示す図である。

【図２】特開昭６１−１７８００１号公報に開示されて
いる従来の充填材を構成するシート状基材を示す図であ
る。

【図３】本発明に係る充填材を構成するシート状基材を
示す図である。

【図４】本発明の他の態様に係る充填材を構成するシー
ト状基材を示す図である。

【図５】本発明の他の態様に係る充填材を構成するシー
ト状基材を示す図である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 上方から液体を下方から気体を供給し、
   内部にて気液を接触させることにより両者間の物質交換
   及び／又は熱交換を行う塔の内部に、該塔の軸線に沿っ
   て上下方向に配置されている塔用充填材であって、該充
   填材が、塔の軸線に対して傾斜している波形をなす複数
   の連続した折り目をつけたシート状基材を互いに折り目
   が交差するように複数枚積層することによって構成され
   ており、該シート状基材の表面には、格子状に配列され
   た突出部及び凹形部が形成されており、該突出部と凹形
   部とは交互に配置されて、これにより突出部及び凹形部
   がそれぞれ垂直軸に対して斜め方向に連続して配置さ
   れ、これによって垂直軸を挟んで左右に連続した交差流
   路が形成されており、該突出部及び凹形部は、単位面積
   あたりで平均して、それぞれ、その寸法がシート状基材
   に形成する折り目の方向に沿って小さく折り目に交差す
   る方向に沿って大きくなるように形成されていることを
   特徴とする充填材。
2. 【請求項２】 突出部及び凹形部の少なくとも一部が、
   それぞれ、シート状基材に形成する折り目に交差する方
   向に沿って整列された複数の突起及び窪みにより構成さ
   れる請求項１に記載の充填材。
3. 【請求項３】 シート状基材の表面において、隣接する
   突出部と凹形部との間に、水平方向に伸長する溝が形成
   されている請求項１に記載の充填材。