(57)【要約】  セラミック製充填要素（１０）は、要素の長さ（Ｌ）を有する方向の対称面と、要素の直径を規定する長さに垂直な最大寸法（Ｄ）とを備える基本的に円筒型の構造（１２）を有する。要素は、要素を貫く複数の通路（１８）を形成する複数の内部隔壁（１６）を有する。要素は広く開放した面領域を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基本的に円筒型の構造（１２）を具備しているセラミック製充填要素（１０）であって、
前記円筒型の構造は、長さ（Ｌ）と、前記要素の直径を規定する前記長さに垂直な最大寸法（Ｄ）から成り、
前記要素は、交差して複数の貫通路（１４）を形成する複数の内部隔壁（１６）を設けられ、
前記要素は、第一と第二の面（２０，２２）を有し、
前記面（２０，２２）の各々は、50−80％から成る開放した面領域を有することを特徴とする、セラミック製充填要素。
【請求項２】
前記開放した面領域は、約65％未満であることをさらに特徴とする、請求項１に記載のセラミック製充填要素。
【請求項３】
前記開放した面領域は、約60％未満であることをさらに特徴とする、請求項２に記載のセラミック製充填要素。
【請求項４】
前記基本的に円筒型の構造は、前記要素の前記長さを有する方向に対称面（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）を具備することをさらに特徴とする、請求項１−３のいずれか一項に記載のセラミック製充填要素。
【請求項５】
前記長さに対する前記直径の比率は、2.7から6.0であることをさらに特徴とする、請求項１−４のいずれか一項に記載のセラミック製充填要素。
【請求項６】
前記長さに対する前記直径の比率は、4.0から6.0であることをさらに特徴とする、請求項５に記載のセラミック製充填要素。
【請求項７】
前記長さに対する前記直径の比率は、4.5から5.0であることをさらに特徴とする、請求項６に記載のセラミック製充填要素。
【請求項８】
前記要素は、少なくとも二十の前記通路を具備することをさらに特徴とする、請求項１−７のいずれか一項に記載のセラミック製充填要素。
【請求項９】
前記通路の少なくとも幾つかは、三角形の横断面を有することをさらに特徴とする、請求項１−８のいずれか一項に記載のセラミック製充填要素。
【請求項１０】
前記最大寸法は、少なくとも10cmであることをさらに特徴とする、請求項１−９のいずれか一項に記載のセラミック製充填要素。
【請求項１１】
前記最大寸法は、12−20cmであることをさらに特徴とする、請求項１０に記載のセラミック製充填要素。
【請求項１２】
前記隔壁は、前記第一の面と平行で、少なくとも0.12cmの厚み（Ｗ１）を有することをさらに特徴とする、請求項１−１１のいずれか一項に記載のセラミック製充填要素。
【請求項１３】
前記隔壁の厚みは、0.2−0.5cmであることをさらに特徴とする、請求項１２に記載のセラミック製充填要素。
【請求項１４】
前記直径に対する前記隔壁の厚みの比率は、約0.01から約0.03であることをさらに特徴とする、請求項１２−１３のいずれか一項に記載のセラミック製充填要素。
【請求項１５】
前記構造は、前記第一の面と平行で、少なくとも0.12cmの厚み（Ｗ２）を有することをさらに特徴とする、請求項１−１４のいずれか一項に記載のセラミック製充填要素。
【請求項１６】
前記充填要素の前記隔壁の全ては、第一と第二の端部を具備し、前記隔壁は、前記第一と前記第二の端部に隣接する前記円筒型の構造に接続されることをさらに特徴とする、請求項１−１５のいずれか一項に記載のセラミック製充填要素。
【請求項１７】
前記セラミックは、天然産粘土と、合成粘土と、アルミナと、ゼオライトと、コージェライトと、ジルコニアと、シリカと、それらの混合物から成るグループから選定される材料から作製されることをさらに特徴とする、請求項１−１６のいずれか一項に記載のセラミック製充填要素。
【請求項１８】
要素の各々は、長さ（Ｌ）と、前記要素の直径を規定する前記長さに垂直な最大寸法（Ｄ）から成る基本的に円筒型の構造（１２）を具備し、
前記要素は、交差して複数の貫通路（１４）を形成する複数の内部隔壁（１６）を設けられ、
前記要素は、第一と第二の面（２０，２２）を有し、
前記面（２０，２２）の各々は、50-80％の平均的な開放した面領域を有することを特徴とする、ランダムに配置されたセラミック製充填要素（１０）から成るベッド。
【請求項１９】
流体流れへもしくは流体流れから熱を移送することと、流体相間に物質を移送することのうち少なくとも一つを実行する方法であって、
前記流体流れを、請求項１−１７のいずれか一項に記載の前記セラミック製充填要素を具備するベッドを通して流動する段階であって、前記充填要素が、熱を移送することと、前記物質の移送が前記流体相の間で起る表面を提供することのうちの少なくとも一つを実行する段階を特徴とする、実行方法。
【請求項２０】
前記物質を移送する段階は、前記流体相関に気体の硫黄化合物を移送する段階を含むことを特徴とする、請求項１９に記載の物質移送の方法。
【請求項２１】
長さ（Ｌ）と、前記要素の直径を規定する前記長さに垂直な最大寸法（Ｄ）から成る基本的に円筒型の構造（１２）であって、前記直径は少なくとも10cmであることと；
交差して前記要素を貫く複数の通路（１４）を形成する、複数の内部隔壁（１６）であって、前記隔壁は、0.12から0.8cmの厚みを有すること；
を特徴とする、セラミック製充填要素（１０）。
【請求項２２】
前記要素は、第一と第二の面（２０，２２）を有し、前記面（２０，２２）の各々は、約40-80％の開放した面領域を有することをさらに特徴とする、請求項２１に記載のセラミック製充填要素。
【請求項２３】
前記要素は、第一と第二の面（２０，２２）を有し、前記面（２０，２２）の各々は、少なくとも50％の開放した面領域を有することをさらに特徴とする、請求項２１に記載のセラミック製充填要素。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は充填要素に関する。具体的には、本発明は、“ランダム”もしくは“ダンプ(dumped)”と呼ばれる場合が多い型の充填要素に関し、また特に流体流動を促進するための複数の貫通路を有する充填要素に関し、また具体的にそこに関連して説明される。
【背景技術】
【０００２】
ランダムもしくはダンプなパッキングは、物質もしくは熱移送プロセスが起る塔状装置を充填するために使用される。特に重要な応用は、塔を貫流する廃棄ガスから二酸化硫黄の除去など物質移送応用にそのようなセラミック要素を使用することである。効率を最大化する重要な要因は、塔の頂部と底部の間の圧力差（“圧力降下”と言う）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、充填要素は、耐流動性を最小にしなくてはならない。これは極めて開放した構造により促進される。しかしながら、耐流動性を低減してもたらされる利得は、充填要素を通過する二つの流体相の間の物質移送効率の損失により相殺される場合が多い。さらに、開放した構造は、要素が塔内で重畳することを引起しがちであり、その結果一つの充填要素の部分が第二の要素の空間内部に浸透する。従って、要素の設計は、要素が重畳する傾向を最小化することが重要である。
【０００３】
別の応用は、反応装置を通過するホットな流体に最大の効果的な接触を与えることが望ましい熱回収操作にある。
【０００４】
セラミック製充填要素は、押出もしくは乾式プレス法により製造でき、また従って要素に対称軸を与える一軸方向に沿って基本的に均一な断面を保持できる。そのような形状の幾つかは、極めて単純なものから複雑なものに及ぶ従来技術に記載されてきた。全ては、基本的には円筒型形状に基づいていて、また主として円筒型形状内部の内部構造が異なる。最も単純な構造は、全く内部構造を伴わない基本的な円筒である。この型の構造は、ラシヒ・リングと呼ばれる場合が多く、また数年前から周知であった。内部構造を有する荷馬車の車輪形状は、米国特許第3,907,710号明細書と第4,510,263号明細書とに記載される。米国特許第5,747,143号明細書に記載される形状など、他の複雑な形状が提案されてきた。より複雑な構造は、米国意匠特許第445,029号明細書と、米国特許第6,007,915号と、第6,387,534号と、第6,699,562号明細書に記載される。たいていの場合、使用される構造は最大寸法で約8cm以下である。構造は大体、約25％以下の開放した面領域を有する。
【発明の開示】
【０００５】
本開示は、前述の問題とその他を克服する、新しくかつ改良されたセラミック製充填要素と使用方法を提供する。
【０００６】
一つの形態に記載の、セラミック製充填要素が提供される。充填要素は、長さと、要素の直径を規定する長さに垂直な最大寸法から成る基本的に円筒型の構造を含む。要素は、交差して複数の通路を形成する複数の内部隔壁を設けられる。要素は、面の各々が約50−80％から成る開放した面領域を有する、第一と第二の面を有する。
【０００７】
別の形態に記載の、セラミック製充填要素が提供される。充填要素は、長さと、要素の直径を規定する長さに垂直な最大寸法から成る基本的に円筒型の構造を含む。直径は少なくとも10cmである。複数の内部隔壁は、交差して要素を貫く複数の通路を形成し、隔壁は0.12-0.8cmの厚みを有する。
【０００８】
本発明の有利性は、以下の開示の読了と添付図の概説によって、当業者には容易に明らかである。
【０００９】
本発明は、様々な構成部品と構成部品の配置、及び様々な段階と段階の配列の形を成す。図面は好適な実施形態をただ図示するためだけであり、また本発明を限定するものとしては構成されていない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１を参照すると、セラミック製充填要素１０は、内部空隙１４を有する周縁含有構造１２を含む。複数のリブもしくは隔壁１６は、内部空隙１４を複数の貫通路もしくはチャネル１８に分割する。
【００１１】
周縁含有構造１２は、基本的に円筒型の形状であり、またこのことは、完全な円筒と、丸い円筒型の形状が幾分平坦化され、その結果少なくとも五つの側面を備える正及び非正多角形のみならず楕円状の横断面を創生する形状とを含むと理解される。図１の含有構造１２は、滑らかな外面１９を備える円筒型であるが、それは、隆起したもしくは他の外面を代わりに有して良いと考えられる。
【００１２】
この発明の文脈中の、用語“隔壁(septum)”(複数で“隔壁(septa)”)は、別の部分及び/又は別の隔壁を備える円筒型含有構造の一つの内部部分を接続する構造部材を説明するために使用される。従って、それは、要素の直径もしくは最大寸法までの長さを備える構造を含む。図示された実施形態において、隔壁１６の各々は、その第一と第二の端部で含有構造１２と接続する翼弦を形成する。
【００１３】
図２も参照すると、要素１０は、要素の長さＬと平行で、回転の中心軸Ｒを通過する少なくとも一つの対称面Ｓを有する。三つの対称面Ｓ１と，Ｓ２と，Ｓ３が、図示された実施形態において示される。回転の中心軸により、要素を、中心軸の周囲に３６０/（対称面の数）の角度を介して、同一の形態に回転できる。図１に関しては、角度は従って120°である。
【００１４】
図１に図示される貫通路もしくはチャネル１８は、ほぼ均一な形状である。特に、隔壁によってのみ形成されるそれらの通路は三角形状の均一な寸法を有するが、含有構造１２により一部形成されるそれらの通路は、含有構造の湾曲形状を調整するよう成形される。要素を通る流動を強化するために、二三のチャネルは残りのチャネルより広くて良いことも考えられる。例えば、拡大されたチャネルは、二つ以上の三角形チャネルを連結することにより形成される。
【００１５】
図１−３の要素１０は、回転軸Ｒに沿った長さＬと、充填要素の直径を規定する回転軸に垂直な最大寸法Ｄを保持できる。充填要素の横断面は、要素の長さに沿って均一である。Ｌに対するＤの比率を、約１から約15に、一つの実施形態において2.7から６に、別の実施形態において約4.0から6.0にできる。図面では、Ｌに対するＤの比率は約4.6である。構造体が押出された場合、対称軸Ｒは構造体の押出方向にあると良い。
【００１６】
一つの実施形態において、充填要素は、少なくとも10cmの直径を有し、別の実施形態において、Ｄは少なくとも12cmである。充填要素は、約20cmまで、より好ましくは約16cm未満の直径を保持できる。一つの具体的な実施形態において、直径Ｄは約14cmである。直径が約10cm以下で、ベッドを横断する圧力降下は、隔壁及び/又は周縁構造が相応して厚みを低減されないならば増加する傾向がある。しかしながら、押出法により容易に製造できる隔壁の厚みの最小値には限界がある。
【００１７】
充填要素が大きくなればなるほど、充填要素のベッドを横断するより低い圧力降下を得る。しかしながら、従来の充填要素の寸法の拡大は、ベッドの効率の降下をもたらす。これらの寸法が大きい場合でさえ、充填要素の面領域を注意深く制御することにより、圧力降下と相対的効率などの充填要素特性を所望する範囲に維持できることが予想に反して分ってきた。図２に示されるように、要素は、長さＬにほぼ垂直に延びる上部と下部の露呈された面２０と、２２を有する。“面領域”は、充填要素により占有される露呈面の領域として定義され、面の全領域の百分率として表される。図１の実施形態では、全領域は（Ｄ/２）２である。面領域と、100％から面領域を引くことによる“開放した面領域”は、充填要素の二つの重要なパラメータ、即ち充填要素のベッドを横断する圧力降下と、ベッドの効率に影響する。効率は、充填要素により回収される物質移送の割合（もしくは熱エネルギ）の指標であり、また比較の充填要素の物質移送の割合の比として表現できる。ベッドを横断する圧力降下を、同等な物質移送効率に対する圧力降下を測定することにより比較できる。
【００１８】
開放した面領域を少なくとも約40％にでき、また約80％以上までにできる。一つの実施形態において、開放した面領域は、少なくとも45％、別の実施形態においては少なくとも50％、またさらに別の実施形態においては少なくとも約55％である。一つの実施形態において、開放した面領域は、70％まで、別の実施形態においては65％まで、またさらに別の実施形態においては60％までである。一つの具体的な実施形態において、開放した面領域は約55％である。この範囲の開放した面領域では、本充填要素は、同一寸法の市販の充填要素と極めて都合よく比較でき、また最大寸法のたった3/5程の従来の鞍形の充填要素などのより小さな充填要素よりもより良く機能できることが分ってきた。
【００１９】
形成された充填要素間の面領域の僅かな変化しか生じない押出法において形成されたとき、充填要素から成るベッドの充填要素の開放した面領域は、平均的な値にできる。
【００２０】
面領域は、隔壁１６の幅Ｗ１と隔壁の数に従属することが理解される。もし隔壁の幅が狭すぎると、充填要素はベッドに押し潰された状態になる傾向があることが分ってきた。例えば、約14cmのセラミック製充填要素では、隔壁は、少なくとも約0.12cmの幅Ｗ１を、一つの実施形態において少なくとも0.2cm、また一つの具体的な実施形態において約0.3cmを保持できる。隔壁幅Ｗ１は、約0.8cmまで、一つの実施形態において約0.5cm未満にできる。周辺壁１０は、少なくとも0.12cm、一つの実施形態において少なくとも0.2cm、また一つの具体的な実施形態において約0.3cmの幅Ｗ２を保持できる。壁の幅Ｗ２は約1.4cmまで、一つの実施形態において約１cm未満にできる。
【００２１】
直径Ｄに対する隔壁幅Ｗ１の比率は、約0.01から約0.03にできる。一つの実施形態において、Ｗ1/Ｄは約0.015−0.027である。
【００２２】
図１に図示される一つの実施形態において、各々が他の組から円周方向に120°だけ間隔をあけられる三組に配置された九つの隔壁がある。しかしながら、充填要素の寸法に応じて、より少ない数から成るより大きな隔壁を使用できることが理解される。隔壁は、他の隔壁と交点２４で交差する。二つの隣接する交点２４の間の距離は、約４cm未満であるのが好ましく、約3.0−3.5cmであるのがより好ましい。
【００２３】
充填要素の長さＬは、約0.4cmから約10cmにできる。一つの実施形態において、Ｌは、１から６cmである。一つの具体的な実施形態において、Ｌは約３cmである。
【００２４】
セラミック要素１０を、天然もしくは合成の粘土、もしくはゼオライト、もしくはコージェライト、もしくはアルミナ、もしくはジルコニア、もしくはシリカ、もしくはこれらの混合物などのいずれか適切なセラミック材料から形成できる。押出プロセスを支援するために及び/又は意図した応用のための所望される空隙率もしくは表面領域を創製するために、形成材を、結合剤と、押出支援剤と、孔隙形成剤と、潤滑剤等と混合できる。  
【００２５】
セラミック製充填要素は、押出もしくは乾式プレス法により製造されるが、それらは基本的に、要素の半径方向に対称なもしくは対称面の軸を与える一軸方向に沿った均一な断面を保持できる。
【００２６】
要素１０を、物質と熱移送の応用に、もしくは触媒成分がデポジットされるベースとして使用できる。物質移送の応用は、両方とも液体もしくは液体と気体である第一と第二の流体間の一つ以上の成分の形式の物質の移送を含む。セラミック要素は、液相用の湿潤な表面の提供者として作用し、流体間の成分の移送を促進している。代表的な物質移送の応用は、流動する気流から二酸化硫黄など気体成分の除去を含む。セラミック要素の重要な物質移送の応用は、硫酸プラントの吸着装置である。
【００２７】
例えば、要素１０を、充填要素から成るベッドを形成するために、塔もしくは支柱内に充填できる。支柱は、水平もしくは垂直に配向されると良い。
【００２８】
代表的な熱移送の応用は、ホットな気流から熱の回収に関連する。そのような応用の事例は、その機能が廃ガス流からいずれか可燃性の物質を消散するプラントに取付けられる蓄熱器において見られる。そのような蓄熱器において、可燃性の物質を消散するに必要な燃料の価格を最小にするように、使用される排出気流からの熱が処理されるために流入してくる廃ガスを温めるのを重視する効率的な操作が重要である。
【００２９】
要素をしかしながら、要素がその指定されたタスクを実行する効率を決定する際に面領域が重要な要因であるいずれかの応用に有利に使用できる。
【００３０】
本発明の要旨を限定する意図はなく、添付の事例は、セラミック製充填要素の有効性を実証する。
【００３１】
事例
図１に従って形成されたセラミック製充填要素から形成されたベッド用の理論的計算を実施した。要素は、14cmの直径Ｄと、0.6cmの壁厚Ｗ２と、0.3cmの隔壁幅Ｗ１と、３cmの長さＬを有していた。
【００３２】
図４は、7.6cmの最大寸法を有する鞍形の充填要素から形成された等価なベッドと比較された本充填要素から成るベッドの理論的に決定された相対的圧力降下を示す。１という相対的圧力降下を指定された鞍形の充填要素を用いて、同等な物質移送効率から成るベッドの圧力降下が決定される。結果は、製品１と、２と、３と標示された、市販の製品から形成された三つのベッドに対しても比較される。製品１は、三つの孔部と約５cm×7.6cm×20.3cmの全体寸法を備える波形の充填要素である。製品２は、カナダ ブリティシュ・コロンビア、バンクーバ、Noran-Cecebe社製のCecebe HP Porcelain Saddle Packingの商標名下で販売されている貫通孔を備える改良された鞍形である。製品３は、オハイオ州、東カントン、Koch Knight LLC製のFlexeramic（商標名）構造充填装置として利用可能な多層構造を備える充填要素である。
【００３３】
鞍形と市販の充填要素のベッドは全て、図１の充填要素から形成されたベッドよりも高い圧力降下ペナルティを有し、ベッドを通る流動を維持するための本充填要素の優越性を示している。
【００３４】
大きな流動を与える充填要素は、相伴って効率の損失を受けることが一般に予想される。しかしながら、図５に示される結果は、鞍形と三つの市販の製品と比較されたとき、本充填要素の優れた物質移送効率を実証する。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】図１は、本発明に記載の充填要素の平面図である。
【図２】図２は、図１の充填要素の側面図である。
【図３】図３は、図１の充填要素の斜視図である。
【図４】図４は、四つの従来の充填要素と比較された、本充填要素から形成されたベッドの同等な物質移送効率での予測される圧力降下ペナルティのコンピュータ発信プロットである。
【図５】図５は、四つの従来の充填要素と比較された、本充填要素から形成されたベッドの相対的効率のプロットである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2007520338.tif 000007
【国際調査報告】
2007520338.tif 000008
2007520338.tif 000009
2007520338.tif 000010