(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を浄化するための装置であって、より揮発性の流体とより不揮発性の流体との間の物質交換によって前記より揮発性の流体又は前記より不揮発性の流体の浄化を行うための物質交換装置を含み、前記物質交換装置は吸収装置（９１）又は脱着装置（９２）であり、前記より揮発性の流体及び前記より不揮発性の流体は前記吸収装置（９１）又は前記脱着装置（９２）に供給することができ、前記物質交換装置は構造充填物を含み、前記構造充填物は、第１の充填物層（１０）と第２の充填物層（１００）とを含み、前記第１の充填物層（１０）及び第２の充填物層（１００）は波形を有し、開いたチャネル（１２、１４、１６、１１２、１１４、１１６）が前記波形によって形成され、前記第１の充填物層（１１）のチャネル（１２、１４、１６）は前記第２の充填物層のチャネル（１１２、１１４、１１６）と交差し、前記チャネル（１２、１４、１６、１１２、１１４、１１６）は前記より不揮発性の流体を流すことができ、それによって前記チャネルは前記より不揮発性の流体で濡らすことができる装置において、
前記第１の充填物層（１０）は、スペーサ要素（２４、３４、４４、１３４、１４４）を介して前記第２の充填物層（１００）と接触し、前記スペーサ要素は、前記第１又は第２の充填物層（１０、１００）の一部分であり、且つバーとして形成されており、また前記スペーサ要素は、前記開いたチャネル（１２、１４、１６、１１２、１１４、１１６）の境界を画定する頂点（３３、４３、１３３、１４３）に位置されることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記スペーサ要素（２４、３４、４４）が、前記第１又は第２の充填物層（１０、１００）の縁部領域に配置される請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記縁部領域がストリップであり、前記ストリップが、前記充填物層（１０、１００）の縁部に直接隣接して延びている請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記ストリップが、前記充填物層（１０、１００）の高さに対応する高さを有し、前記充填物層（１０、１００）の高さが、前記充填物層（１０、１００）を垂直に設置するという条件下で、前記物質交換装置内での垂直方向での前記充填物層（１０、１００）の広がりである請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記ストリップが、前記充填物層（１０、１００）の高さに対応する高さを有し、前記充填物層（１０、１００）の高さが、前記物質交換装置の軸線の方向での前記充填物層（１０、１００）の広がりである請求項３に記載の装置。
【請求項６】
前記ストリップが、前記スペーサ要素の高さｈの最大２倍の幅を有する請求項３から５までのいずれか一項に記載の装置。
【請求項７】
前記ストリップが、前記スペーサ要素の高さｈの最大１．５倍の幅を有する請求項３から５までのいずれか一項に記載の装置。
【請求項８】
前記スペーサ要素が、前記第１及び第２の充填物層（１０、１００）を垂直に位置合わせした状態で、互いに上下又は横並びに配設される請求項１から７までのいずれか一項に記載の装置。
【請求項９】
前記波形が、一定の波形高さ（２８）を有する請求項１から８までのいずれか一項に記載の装置。
【請求項１０】
構造充填物を含む物質交換装置内で流体を浄化するための方法であって、前記物質交換装置は吸収装置（９１）又は脱着装置（９２）であり、より不揮発性の流体を前記物質交換装置に供給するステップと、供給された前記より不揮発性の流体を表面全体にわたって分散させるステップと、前記物質交換装置内に、より揮発性の流体を流体入口領域から供給するステップと、気体入口領域で、前記より揮発性の流体を前記表面全体にわたって分散させるステップであって、前記より揮発性の流体が液体に対して逆流で流れるステップと、流体出口領域で、前記充填物から出る前記より揮発性の流体を収集するステップとを含む方法において、
前記構造充填物が、第１の充填物層及び第２の充填物層を含み、前記第１の充填物層及び前記第２の充填物層が、一定の波形高さを有する波形を有し、開いたチャネルが波形によって形成され、前記第１の充填物層のチャネルが前記第２の充填物層のチャネルと交差し、前記より揮発性の流体が、前記流体入口領域から前記流体出口領域の方向に前記チャネルを通して流れ、前記より不揮発性の流体が、前記チャネルを通して流れる前記より揮発性の流体を取り囲んで前記チャネル壁に沿って流れ、前記第１の充填物層が、スペーサ要素を介して前記第２の充填物層と接触し、前記スペーサ要素がバーとして形成され、また前記スペーサ要素が、前記開いたチャネル（１２、１４、１６、１１２、１１４、１１６）の境界を画定する頂点（３３、４３、１３３、１４３）に位置され、それによって、前記チャネルによって形成される物質交換領域を介して、前記より揮発性の流体と前記より不揮発性の流体の間で物質交換が行われる方法。
【請求項１１】
前記より揮発性の流体の流れから除去すべき成分が前記より不揮発性の流体によって取り上げられる速度に応じた物質交換によって前記浄化が行われる請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記より不揮発性の流体から除去すべき成分が前記より揮発性の流体によって解放される速度に応じた物質交換によって行われる前記浄化が請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記より揮発性の流体が気体である請求項１０から１２までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記気体が、ＣＯ２を含む気体である請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記より不揮発性の流体が、内部で化学反応が行われる液体である請求項１０から１４までのいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体を浄化するための方法であって、好ましくは、例えば吸収カラム（吸収塔）又は脱着カラム（脱着塔）内で流体を浄化するための装置において実施される方法に関する。この装置は、圧力損失が低減された構造充填物（いわゆる規則充填物）を含む。充填物は、特に煙道ガスからのＣＯ２吸収といった水性システムを用いた吸収用途に適している。
【背景技術】
【０００２】
構造充填物の原理は、投入するエネルギー及び吸収カラムの構成高さを節約できることから、吸収の分野において数十年にわたって使用されている（Ｋ．Ｓａｔｔｌｅｒ「Ｔｈｅｒｍｉｓｃｈｅ  Ｔｒｅｎｎｖｅｒｆａｈｒｅｎ」［Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ  Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ］，ＶＣＨ  Ｖｅｒｌａｇ，Ｗｅｉｎｈｅｉｍ  １９９５参照）。
【０００３】
商用の実施例では、構造充填物は、連続して配置され折り曲げられた金属シートとして形成されており、その構造は、連続的に交差し合う傾斜したチャネルを有する。これらのチャネルは、充填物内部での気相と液相の流れに良い影響を及ぼし、相間の物質移動を容易にする。すなわち、気相と液相が充填物のチャネル内で接触され、それにより相間の物質移動が容易にされる。
【０００４】
構造充填物の分離能力を高めるために、通常は構造充填物の表面が拡大されるが、これは通常、より多数の層及び／又はより密なチャネル構造によって実現される。総表面は、計算によって、充填物層の幾何学的表面の総和として得られる。しかし、これらの手段は構造充填物の圧力降下を増加させる。しかしこのことから、圧力降下を減少させるためには充填物表面をより小さくしなければならず、それにより分離能力、すなわち充填物の効率が低下する。さらに、より開いたクロスチャネルを提供することができる。より開いたクロスチャネルとは、流れの主方向に対してチャネルの傾斜角がより小さくなるように選択されることを意味する。これは、用途に応じて、圧力降下とできるだけ高い分離能力との間で最適化を見出さなければならないことを意味する。
【０００５】
しかし、交差するチャネルは多数の接触点を有し、これらは、用途によって良い効果を有することも悪い効果を有することもある。
【０００６】
有機流体を用いた精留プロセスなど、良好な濡れ性をもつ液体の流れを用いる用途では、接触点は、そこにぶつかった液体の流れが分割され、チャネルの側部に偏向されるという効果を有する。それにより、液体の横方向分散が増幅され、効率が改善される。さらに、接触点は、気体流が主にチャネルの方向に流れ、流れの主方向に平行ではないという効果を有し、それにより気体側の物質移動を改良することができる。
【０００７】
構造充填物にある残りの液体に比べて物質交換への液体の関与が小さいデッドゾーンが接触点の周りに生じることがある。この現象は、既に米国特許第６３７８３３２Ｂ１号から知られており、そのようなデッドゾーンの発生を減少させることを意図された極低温精留用の充填物が記載されている。米国特許第６３７８３３２Ｂ１号による解決策は、個々の充填物層それぞれにおいて高い折曲げと平坦な折曲げを交互にすることによって充填物層間の接触点の数を減少させることにある。しかし、この点に関して、それにも関わらず、その小さな表面張力により表面全体の理想的な濡れが得られるシステム、すなわち接触点の後ろの区域が依然として液体で濡らされるシステムが観察されている。このことから、効果的に利用可能な物質交換領域は、理想的な場合には、接触点に必要な接触面だけが相違するということになる。したがって接触点のみが、効果的に利用可能な物質交換領域の損失をもたらす。効果的に利用可能な物質交換領域とは、より不揮発性の流体、ほとんどの場合には液体によって濡らされる総表面の一部分と定義される。
【０００８】
米国特許第６３７８３３２Ｂ１号から、クロスチャネル構造を有する構造充填物が使用される精留プロセスが知られており、この構造充填物は、交差させて上下に配置された波形の金属シート又は折り曲げられた金属シートからなる。隣接する金属シートは、波形頂部に沿って、又は縁部に沿って互いに接触する。より揮発性の液体は、より不揮発性の流体とは逆流で、折り曲げられた金属シートの間を流れることができ、物質交換を行うことができる。２つの隣接する金属シート間の接触点の数を減少させるための方法が米国特許第６３７８３３２Ｂ１号に示されている。この目的で、各金属シートの波形頂部又は縁部のいくつかのみが最大高さを有するように、波形頂部又は縁部の高さを変えることが企図されている。したがって、金属シートは、波形頂部又は縁部に沿って最大高さでのみ互いに接触する。
【０００９】
また、別の文献では、隣接する充填物層の間で所定の距離が得られるように２つの隣接する充填物層の間に配置された中間要素を想定することが提案されている（例えば欧州特許第１０６３００９号又は欧州特許第１２１６７５２号）。これらの中間要素は、大きなサイズの平坦なプレート要素であり、気体及び／又は液体の流れに対して大きな影響を有することがあり、圧力降下の増加を引き起こしやすい。
【００１０】
物質移動は、液体制御システム内における物質交換領域によって決定的な影響を及ぼされる。これは特に、化学反応が液相中で行われるときに当てはまる。欧州特許第０６７１９６３Ｂ１号は、この目的のために、充填物層をさらに密に組み合わせて、単位体積当たりに通常の場合よりも多くの充填物層を収容することを提案している。これに関して、材料消費がより多いこと及び圧力損失が増加することが欠点となる。
【００１１】
ここで、意外にも、特に化学反応が液相中で行われるとき、別の配置にされたより少数の接触点を有する充填物であって、一方では気体側での圧力損失を減少させ、他方では総表面を減少させる充填物が、液体制御システムにおける吸収能力に対して良好な効果を有することが判明した。
【００１２】
したがって、そのような充填物構造は、好ましくは液体制御システムで使用され、有利には気体流からＣＯ２を吸収するためのシステムで使用される。このシステムでは、物質移動は、液相中での化学反応によって決定的な影響を及ぼされる。このＣＯ２は、例えば動力装置内で生じる排ガス中に生じる。ＣＯ２は、下流の吸収システム内で、吸収によって排ガス流から分離され、圧縮され、その後、例えば地下に埋められる。発生する圧力降下をできるだけ小さくし、さらに高い分離能力を可能にする、吸収用の構造充填物が必要とされる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】米国特許第６３７８３３２Ｂ１号
【特許文献２】欧州特許第１０６３００９号
【特許文献３】欧州特許第１２１６７５２号
【特許文献４】欧州特許第０６７１９６３Ｂ１号
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】Ｋ．Ｓａｔｔｌｅｒ「Ｔｈｅｒｍｉｓｃｈｅ  Ｔｒｅｎｎｖｅｒｆａｈｒｅｎ」［Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ  Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ］，ＶＣＨ  Ｖｅｒｌａｇ，Ｗｅｉｎｈｅｉｍ  １９９５
【非特許文献２】Ｄｕｓｓ他「Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌ  Ａｒｅａ  ａｎｄ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｈｏｌｄ−ｕｐ  ｏｆ  Ｎｕｔｔｅｒ  Ｒｉｎｇｓ  ａｔ  Ｈｉｇｈ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｌｏａｄｓ」Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  ＆  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ２４（７），２００１  ｐｐ．７１６−７２３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
したがって本発明の目的は、充填物内部での圧力損失を減少させることである。それにより、気体流を発生させるためのエネルギーを節約することができる。しかし、圧力損失の減少は、物質交換領域を犠牲にして行うことはできないかもしれない。したがって、１つの目的は、圧力損失をより低くし、且つ材料使用をより少なくしながら、表面全体のより良い利用によって特徴付けられる物質交換装置内での充填物構成を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
これらの目的は、流体を浄化するための装置であって、より揮発性の流体とより不揮発性の流体を含む物質交換装置を含み、物質交換装置が構造充填物を含み、構造充填物が、第１の充填物層と第２の充填物層とを含み、第１の充填物層及び第２の充填物層が波形を有し、開いたチャネルがそれらの波形によって形成され、第１の充填物層のチャネルが第２の充填物層のチャネルと交差し、より不揮発性の流体がチャネルを通して流れることができ、したがってチャネルは、被膜としてのより不揮発性の流体で濡らすことができ、より揮発性の流体が、被膜の内部に位置し、より揮発性の流体とより不揮発性の流体の間の物質交換によって、より揮発性の流体又はより不揮発性の流体の浄化を行うことができる装置によって満足される。第１の充填物層は、スペーサ要素を介して第２の充填物層と接触し、スペーサ要素は、第１又は第２の充填物層の一部分である。
【００１７】
好ましくは、スペーサ要素はバーとして形成される。ここで、そのようなスペーサ要素が提供される場合、特に、開いたチャネルの境界を画定する頂点にバーが位置付けられるときに、隣接する充填物層の間隔を増加させることができる。頂点とは、波形頂部、又は縁部、すなわちチャネルの２つの隣接する側面によって形成される先端と理解することができる。充填物によって占められる全体体積を変えるべきでない場合、充填物層間の間隔が増加すると、物質交換装置内に配置することができる充填物層はより少なくなる。このことから、しかし充填物の総表面は減少する。
【００１８】
この供述は、確かに総表面について当てはまる。しかしこの供述は、特定の用途のための物質交換領域には流用できないことが示されている。物質交換は、より揮発性の流体、特に気体の浄化のために順次に行われる複数の部分ステップで行われる。気体中に含まれる分離しなければならない成分は、拡散によって液体の界面に輸送される。その後、それらの成分が界面を通過し、液体に捕捉されなければならない。特に化学反応を液体中で行うこともでき、成分が液体中に結合されて残り、液体と共に排出することができるようになる。ここで、液体中での拡散速度又は反応速度が、先行する部分ステップに比べて時間がかかるものである場合、この拡散速度又は反応速度が、物質交換全体に関する制限因子となる。物質交換を改良することができるように、できるだけ大きい液体用の物質交換領域を提供する必要がある。交点の数が減らされたことにより低下した気体側での物質移動は、上述の液体制御用途には決定的な役割をもたない。
【００１９】
本発明のさらなる目的は、接触点による物質交換の好ましくない変化ができるだけ少なくなるように接触点の配置を選択することである。
【００２０】
特に、スペーサ要素は、先の実施例の任意の１つによれば、装置内での第１の充填物層の縁部領域に配置される。縁部領域は、特に充填物層の縁部にすぐ隣接して延びるストリップである。このストリップは、充填物層の長さに対応する長さを有する。
【００２１】
充填物層の長さは、物質交換装置内に充填物層を垂直に設置するという条件下で、水平方向での充填物層の広がりと定義することができる。充填物層の高さは、物質交換装置内に充填物層を垂直に設置するという条件下で、垂直方向での充填物層の広がりと定義することができる。垂直でない軸線を有する物質交換装置に関しては、充填物層の長さは、物質交換装置の軸線に垂直な平面内でのその広がりと定義することができ、充填物層の高さは、物質交換装置の軸線の方向でのその広がりを表すものとする。
【００２２】
周縁領域を形成するストリップは、充填物層の長さに対応する長さ、又は充填物層の高さに対応する高さを有する。ストリップは、さらに、充填物層の縁部に垂直な距離と定義される幅を有する。
【００２３】
幅は、充填物層の波形が物質交換装置の軸線に対して配置される角度に応じて決まる。ストリップは、スペーサ要素の高さｈの最大２倍の幅、好ましくはスペーサ要素の高さｈの最大１．５倍の幅ｈを有し、ここでｈは、スペーサ要素の長さａから以下のように導出される。
ｈ＝ａ  ｃｏｓ（Φ）
【００２４】
接触点の一様の分布が依然として望まれた従来技術であって、しかし接触点の数が減らされた従来技術とは異なり、本発明では、表面全体にわたる接触点のこの一様分布は完全になくされる。したがって、少ない接触点がより密にまとめて配置される場合、流れの制限が接触点の後ろで逆流をもたらし、それにより、接触点の後ろの濡れていない領域が驚くほど減少される。したがって、少数の接触点で、濡れていない表面がより少なくなり、全体として、総表面に対する物質交換領域の最大比率が得られる。
【００２５】
この装置の有利な実施例によれば、スペーサ要素が各充填物層に位置付けられる。この場合、すべての充填物層が同じ構造を有し、これは、製造努力及び／又はコストを減少させる。この形態では、帯が連続的に折り曲げられ、その一方でスペーサ要素も製造されることにより、充填物層を連続的に製造することができる。スペーサ要素を備える折り曲げられた帯が、所望の寸法に切断される。所定のサイズに切断された帯部分が充填物層を生成し、各第２の充填物層は裏返され、それによって、充填物層が互いに隣接して上下に配置されるときに充填物層の交差配置が得られる。
【００２６】
有利には、スペーサ要素は、充填物層を垂直に位置合わせした状態で、互いに上下又は横並びに配設される。スペーサ要素は、特に、垂直又は水平に延びる一列の接触点を形成する。
【００２７】
したがって本発明のさらなる目的は、同数又はより少数の接触点を用いて安定性を改良された構造充填物を提供することである。安定性を改良するために、波形が一定の波形高さを有する。
【００２８】
特に好ましくは、この装置は、吸収カラム又は脱着カラムで使用される。
【００２９】
構造充填物を含む物質交換装置内で流体を浄化するための方法が、より不揮発性の流体を物質交換装置に供給するステップと、供給されたより不揮発性の流体を表面全体にわたって分散させるステップと、物質交換装置内に、より揮発性の流体を流体入口領域から供給するステップと、気体入口領域で、より揮発性の流体を表面全体にわたって分散させるステップであって、より揮発性の流体が液体に対して逆流で流れるステップと、流体出口領域で、充填物から出るより揮発性の流体を収集するステップとを含んでおり、構造充填物は、第１の充填物層及び第２の充填物層を含み、第１の充填物層及び第２の充填物層が、一定の波形高さを有する波形を有し、開いたチャネルがそれら波形によって形成され、第１の充填物層のチャネルが第２の充填物層のチャネルと交差し、より揮発性の流体が、流体入口領域から流体出口領域の方向にチャネルを通って流れ、より不揮発性の流体が、チャネルを通って流れるより揮発性の流体を取り囲み且つチャネル壁に沿って流れる。第１の充填物層は、スペーサ要素を介して第２の充填物層と接触しており、それによって、チャネルにより形成された物質交換領域にわたって、より揮発性の流体とより不揮発性の流体の間で物質交換が行われる。
【００３０】
物質交換によって浄化が行われ、この物質交換は、より揮発性の流体を浄化すべきときには、より揮発性の流体の流れから除去すべき成分がより不揮発性の流体によって捕捉される速度に依存し、又はより不揮発性の流体を浄化すべきときには、より不揮発性の流体から除去すべき成分がより不揮発性の流体から解放される、すなわちストリッピングが行われる速度に依存する。
【００３１】
より揮発性の流体は特に気体であり、この方法は、例えばＣＯ２を含有する気体の浄化のために使用することができる。より不揮発性の流体は、内部で化学反応を生じさせることができる液体である。
【００３２】
スペーサ要素の使用によって、及び接触点の配置によって、物質交換装置内で表面全体を最大限に液体で濡らすことができるようになる。
【００３３】
好ましくは、構造充填物は、折曲げがすべて均一な高さの充填物層からなる。それにより充填物の高い安定性が生み出され、これは特に、直径が大きいカラムでは特に重要である。本発明によれば、個々の充填物層の間の接触点の数は、充填物層間へのスペーサ要素の導入によって実現される。これらのスペーサ要素は、バーとして形成することができ、バーは、例えばワイヤ又は細いシート金属ストリップから形成され、これらは、折り曲げられた充填物層に特定の点で取り付けられ、したがって規定の間隔及び規定の点で充填物層を互いに離隔する。
【００３４】
スペーサ要素は、充填物層の金属から深絞り若しくは押抜きによって製造することができ、又は折曲げ高さがより低くなるようにスペーサ要素の所望の位置間の波形層及び谷状凹部を変形することによって製造することができる。
【００３５】
スペーサ要素は、規定の点、例えば充填物層の上縁部及び下縁部に取り付けられる。個々の充填物層が互いに上下に配置されるとき、チャネルは、充填物層の上縁部及び下縁部での縁部領域でのみスペーサ要素に接触し、それにより、接触点がかなり減少され、物質交換領域を最大にすると同時に個々の充填物層の安定性を与える。
【００３６】
本発明を、図面を参照して以下に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】複数の充填物層を含む本発明による装置を示す図である。
【図２ａ】図１による２つの隣接する充填物層を通る断面図である。
【図２ｂ】波形を有する２つの隣接する充填物層を示す図である。
【図３】より不揮発性の流体の流路を示す従来の充填物層を示す図である。
【図４】米国特許第６３７８３３２号の解決策による交点を示す図である。
【図５】本発明の第１の実施例の交点を示す図である。
【図６】本発明のさらなる実施例の交点を示す図である。
【図７】本発明によるスペーサ要素の配置の一変形形態を示す図である。
【図８ａ】スペーサ要素の寸法に関する図である。
【図８ｂ】図８ａの実施例に関する三角法による関係を示す図である。
【図９ａ】横方向負荷の下での、従来技術による充填物の変形を示す図である。
【図９ｂ】横方向負荷の下での、本発明による充填物の変形を示す図である。
【図１０】吸収システムを示す図である。
【図１１】液体側で制御される物質移動を用いた吸収に関して、スペーサ要素を有する充填物と、それを有さない充填物とを比較する図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
図１は、充填物本体を形成する構造充填物７のいくつかの充填物層を含む本発明による装置１を示す。構造充填物７とは、２つの流体相の間で物質交換を行うための手段を意味する。構造充填物７は、物質交換装置２において使用される。物質交換装置は、特にカラム５として形成することができる。
【００３９】
構造充填物７は、互いに規則的に反復する幾何学的関係にある複数の充填物層から形成される。この幾何学的関係に関する一例として、隣接する充填物層の間隔を挙げることができる。この幾何学的関係によれば、隣接する充填物層の間隔は、周期的に同じ値を取ることができ、したがって構造は、同じ間隔又は少なくとも周期的に同じ間隔によって特徴付けられる充填物層の集合体から得られる。周期性は、構造充填物全体で見られ、それにより充填物は規則的な構造を与えられている。構造は、特に波形として形成することができる。
【００４０】
これとは対照的に、バルクフィル体充填物は、バルクフィル体、すなわち同じ幾何学的構造の要素から形成されるが、各バルクフィル体が、隣接するバルクフィル体から任意の所望の間隔を有することができ、これらの間隔の周期性は認識できない。バルクフィル体は、充填体としてカラム内に導入される。それらは、カラムベース上に積み重なりを形成する。積み重なりは、個々のバルクフィル体のランダムな配置によって特徴付けられる。
【００４１】
図１による充填物層は、波形を有する薄壁要素からなる。波形区域は、周期的に反復する隆起部分、すなわち波形頂部と、谷状の凹部、すなわち波形谷部との連なりによって特徴付けられる。これらの波形は、特に、鋭角を成す縁部を有するジグザグ区域を有する折曲げとして形成することができる。充填物層は、２つの隣接する充填物層の波形が流れの主方向に対してある角度で傾斜されるように互いに対して配置される。隣接する充填物層の波形は、互いに交差して配置される。
【００４２】
図２ａは、図１による構造充填物７の２つの隣接する充填物層１０、１００を示す。第１の充填物層１０が第２の充填物層１００に隣接して配置される。第１の充填物層１０及び第２の充填物層１００は、特に、シートメタル又は金属織物からなる要素を含むことができる。しかし、これに対する代替として、プラスチック又はセラミック材料からなる要素を含むこともできる。要素はこの観点から充填物層全体を含むことができるが、その一部分のみを形成することもできる。要素は、波形、特にジグザグ区域、又は丸まった頂部と谷底を有する波形を含むプレートの形状を有することができる。要素は、プラスチック又はセラミックのコーティングを有することができ、それによって腐食などの化学的な影響や、温度などの熱的影響や、圧力などの機械的な影響に対する充填物層の耐性をより耐久性のあるものにすることができる。
【００４３】
図２ａにおける第１の充填物層１０及び第２の充填物層１００は、充填物７の第１の表面８の詳細を示す図で示されている。充填物７の第１の表面８は、流れの主方向６に実質的に垂直に配置される。より揮発性の流体、特に気体が上に流れる流れ方向、すなわち設置していないカラム５においてカラム５の上部の方向に流れる流れ方向を、流れの主方向６と呼ぶ。これに対する代替方法として、反対方向を流れの主方向と定義することもできる。この場合、流れの主方向は、より不揮発性の流体、すなわち通常は液体が、設置していないカラムを通って流れる方向に対応し、すなわち自由落下の方向である。この充填物では、充填物の充填物層によって流れが偏向されるので、流れの方向は流れの主方向から局所的に逸脱する。
【００４４】
構造充填物７の第１の充填物層１０は、波形を有し、複数の開いたチャネル１２、１４、１６が波形によって形成される。チャネルは、第１の波形谷部２２と、第１の波形頂部３２と、第２の波形頂部４２とを含む。第１の波形頂部３２及び第２の波形頂部４２は、第１の波形谷部２２と隣り合う。第１の波形頂部３２及び第２の波形頂部４２は、第１の頂点３３及び第２の頂点４３を有する。第２の頂点４３の方向に延在し、バーとして形成されるスペーサ要素４４が、第２の波形頂部４２の第２の頂点４３の上に形成される。第１の波形頂部２２は、谷底２３を有する。スペーサ要素４４は縁部４５を有し、波形谷部２２の谷底２３から縁部４５までの垂直間隔２７は、波形谷部２２の谷底２３から第２の波形頂部４３の第２の頂点４３までよりも大きい。同じことが、スペーサ要素３４の縁部３５にも当てはまる。
【００４５】
第１の波形頂部３２の第１の頂点３３と第１の波形谷部２２の谷底２３の間の垂直間隔を波形高さ２８と呼ぶ。したがって、波形高さ２８は垂直間隔２７よりも小さい。本発明による充填物層では、谷部高さ２８は、特に実質的に一定であり、すなわち通常の公差の範囲内にあり、これは０．５ｍｍの範囲内である。
【００４６】
また、第１の頂点３３にバー３４を配置することもできる。また、第１の谷底２３にバー２４を選択的に配置することもできる。
【００４７】
構造充填物７の第２の充填物層１００は波形を有し、この波形によって、複数の開いたチャネル１１２、１１４、１１６が形成される。チャネルは、第１の波形谷部１２２と、第１の波形頂部１３２と、第２の波形頂部１４２とを含む。第１の波形頂部１３２及び第２の波形頂部１４２は、第１の波形谷部１２２と隣り合う。第１の波形頂部１３２及び第２の波形頂部１４２は、第１の頂点１３３及び第２の頂点１４３を有する。第１の頂点１３３の方向に延在するバー１３４が、第１の波形頂部１３２の第１の頂点１３３に形成される。第２の頂点１４３の方向に延在するバー１４４が、第２の波形頂部１４２の第２の頂点１４３に形成される。第１の波形頂部１２２は、谷底１２３を有する。バー１３４は縁部１３３を有し、バー１４４は縁部１４５を有し、この縁部１４５は、波形谷部１２２の谷底１２３から第２の波形頂部１４２の第２の頂点１４３までよりも大きい、波形谷部１２２の谷底１２３からの垂直間隔を有する。頂点の少なくとも一部分を縁部として形成することができる。波形谷部の少なくともいくつかは、Ｖ字形に形成することができる。谷底と頂点の間の垂直間隔は、図２ａによる充填物層のすべての波形頂部に関して本質的に同じである。
【００４８】
図２ｂは、波形を有する構造充填物の２つの隣接する充填物層を示し、この波形によれば、頂点は、鋭利な縁部を成さず、丸まった部分として形成される。その他の点は図２ａの説明を参照されたい。
【００４９】
図３は、物質交換領域、例えば図２ａ又は図２ｂに示される充填物の充填物層１０での接触点の配置の影響を示す。これに関して、図３ａは、従来技術による構成を示す。充填物層１０が充填物層１００を覆っている。充填物層１００は、図面の平面では充填物層１０の裏にあるので見えない。充填物層１０の第１の頂点３３、第２の頂点４３、及びそれらの間に設けられた谷底２３が、例として示されている。第１及び第２の頂点３３、４３と谷底２３は、折曲げ縁部を成す。頂点３３、４３は、充填物層１００に属する谷底１２３の上に位置する。当然、充填物層１０と充填物層１００はそれぞれ複数のさらなる頂点及び谷底を含み、それらは、図示した頂点及び谷底と同様であるので、より詳細には示さない。図３で、波形頂部の頂点に属する線は、谷底に属する線よりも太い。さらに、長い破線が、第２の充填物層１００の波形頂部の頂点を表し、短い一点鎖線が、充填物層１００の谷底を表す。図３に丸印で表される接触点４８は、充填物層１０の谷底と充填物層１００の頂点がぶつかる点に生じる。接触点４８は、２つの図示される充填物層１０、１００での表面全体にわたって一様に分布されている。
【００５０】
図３から分かるように、接触点は、互いに非常に密接に位置されており、それにより、より不揮発性の流体によって濡らされない小さな区域４６が非常に多数生じ、したがって表面全体に対する物質交換領域部分が比較的小さくなる。図３には、区域４６が１つだけ示されている。矢印４７は、より不揮発性の流体の流れを表す。
【００５１】
図４は、例えば米国特許第６３７８３３２Ｂ１号で提案されているような充填物層の折曲げによって、接触点が減少された場合を示す。確かに、矢印４７によって表されるより不揮発性の流体の流れにより、かなり少なくなってはいるが、逆にまたより大きくなっている濡れていない区域４６が全体的に生じる。要するに、表面全体での物質交換領域部分は小さくなる。図４による充填物層の幾何形状は、図９で詳細に見られる。
【００５２】
図５は、本発明による２つの隣接する充填物層１０、１００の間の接触点４８の配置を示す。充填物層１００は、充填物層１０の裏に配置される。表記法に関しては図３を参照されたい。接触点の数が、充填物層１０の表面に関して減少されている。特に、接触点は、表面全体にわたって一様には分散されていない。
【００５３】
充填物層１０は、第１の境界縁部５０及び第２の境界縁部６０を含み、第１の境界縁部５０は、第２の境界縁部６０に実質的に平行に配置される。充填物層の垂直位置合わせにより、境界縁部５０は上側界面に広がっており、第２の境界縁部６０は下側界面に広がっている。さらに、充填物層１０は、第１の境界縁部５１と第２の境界縁部６１を含む。第１の境界縁部５１及び第２の境界縁部６１は、充填物内において充填物層を垂直に位置合わせした状態で、物質交換装置、特にカラムの内壁に隣接して、又はセグメントの境目に沿って延びており、大きな物質交換装置では、さらなる充填物セグメントがそこに隣接する。例えば１ｍ以上の大きな直径を有する物質交換装置では、製造及び組立ての単純化のために、充填物を充填物セグメントに分割することが上首尾であることが判明している。充填物セグメントは、物質交換装置の断面表面の一部分のみにわたって延びる。充填物セグメントの総和が物質交換装置の断面表面全体を覆うように、複数のこれらの充填物セグメントが互いに並べて配置される。接触点４８は、第１及び／又は第２の境界縁部５０、５１、６０、６１の近傍に配置される。好ましくは、接触点にはスペーサ要素がある。これらのスペーサ要素は、窪み又はバーとして形成することができる。図２ａ又は図２ｂによるスペーサ要素３４、４４の１つと同じ構造を有することがある複数のスペーサ要素が、第１の境界縁部５０、５１の近傍に配置される。
【００５４】
代替方法として、又は追加として、複数のスペーサ要素２４を、第２の境界縁部６０、６１の近傍に配置することができる。当然、スペーサ要素は、各第１及び第２の境界縁部の少なくとも１つの近傍に位置させることもできる。
【００５５】
さらに、図６に、さらなる変形形態が示され、この変形形態では、接触点が互いに横並びに位置されずに、上下に配置される。ここでもまた、接触点に沿って下る液体の流れは、接触点間の濡れていない領域を最小にする。
【００５６】
図５による接触点の水平配置は、縁部に近い下側接触点の後ろには、濡れていない区域が生じることはないという利点を有する。なぜなら、上下に配設された２つの充填物間の境目に液体が留められるからである。一般に、境界縁部５０、６０、５１、６１の近傍に接触点を位置決めすることが有利である。なぜなら、その位置では、他の干渉する影響により既に濡れが好ましくないからである。対照的に、接触点が充填物層の内寄りの部分に位置決めされる場合、それにより表面全体のさらなる部分が良く濡らされなくなる。そのような部分は、接触点がない場合には何ら干渉を受けない。
【００５７】
本発明による充填物層１０の図が図７に示される。さらに、充填物層１０は図７に斜視図で示される。関連の構造充填物１は、第１の充填物層１０と第２の充填物層１００を含み、第２の充填物層１００が第１の充填物層１０と同様の波形を有することが好ましい。第１の充填物層１０と第２の充填物層１００は、第１の充填物層１０のチャネルが第２の充填物層１００のチャネルに交差するように配置される。第１の充填物層１０は、少なくとも１つのバー２４、４４によって第２の充填物層１００と接触する。バーは、第１及び第２の充填物層１０、１００それぞれに配置される。バーは、図５又は図６と同様に配置されることが好ましい。便宜上、図７には第２の充填物層１００を図示しない。第１の充填物層１０のバーは、第２の充填物層１００のバーと接触する。第１の境界縁部５０の近傍に配設されたバー４４は、好ましくは、充填物層１０の第１の側１１で隆起部分として形成されるように配置される。第２の境界縁部６０の近傍に配置されたバー２４は、充填物層１０の第２の側１３で隆起部分として形成される。充填物層１０の第１の側１１は、第２の側１３と反対の側であり、充填物層のそれぞれ１つの表面を成す。
【００５８】
バーは特に、第１及び第２の充填物層１０、１００を垂直に位置合わせした状態で、上下に配置することができる。これに対する代替方法として、又はこれと組み合わせて、バーは、第１及び第２の充填物層を垂直に位置合わせした状態で、横並びに配置することができる。
【００５９】
また、他のスペーサ要素も充填物層１０、１００の頂点に沿って配置することができ、それらは、バーとして形成する必要、又は排他的にバーとして形成する必要はない。そのようなスペーサ要素は、垂直折曲げ高さを越えて突出する任意の所望の隆起部分によって形成することができる。折曲げ高さとは、波形頂部と隣接する波形谷部との間の間隔を意味する。波形谷部がその頂点で有限の曲率を有する場合、間隔は、互いに平行に成された２つの頂点接線の垂直間隔と定義される。曲率が無限である場合、すなわち頂点が鋭角であり、したがって最高点が、明確に定義される接線を有さない場合、充填物層の片面のすべての頂点を含む最高点を通る平面が与えられる。同様に、波形谷部及びさらなる波形谷部の点すべてを含む波形谷部の最小点を通る平面が与えられる。２つの平面は、互いに平行にすべきである。このことから、折曲げ高さは、２つの平面間の垂直間隔となる。そのようなスペーサ要素は、頂点又は縁部の一部にわたって延在する。スペーサ要素は、充填物層のための半加工品、例えば充填物金属シートから深絞りによって製造することができ、或いは撚糸形状の要素、例えばワイヤ要素やバー要素を上縁部に沿って配置することによって形成することができる。スペーサ要素は、有利には、折曲げの波形頂部又は谷部の頂点の片側に取り付けられる。スペーサ要素は、反対側の縁部領域又は同じ側の縁部領域５０、６０に沿って取り付けられることが好ましい。
【００６０】
この構成の利点は、半加工品を無限に長く製造することができることである。そのような半加工品は、帯材から、例えば板状の金属シートとして形成することができる。その後、特定の長さの部分が帯材から切断される。これらの部分は、例えば曲げプロセスによって波形にされる。これに対する代替方法として、既に波形を有する帯材が使用される。このとき、所定の長さに切断された波形を有する部分が充填物層を形成する。曲げプロセス中にこれらの波形に深絞り処置を重ね合わせることができ、それによりスペーサ要素は、曲げ処置中の深絞りによって製造される。代替方法として、バーの間の領域を異なる形で曲げる、又はバーに対して異なる高さを有するようにわずかに押し下げる製造プロセスが可能である。さらに、第１の充填物層１０と第２の充填物層１００は、すべての第２の波形を裏返すことによって、合致するように上下に配置される。スペーサ要素のそれぞれの列は、すべての充填物層の間で、上側及び下側境界縁部の近傍及び／又は側方境界縁部の近傍に位置される。
【００６１】
図８は、第１の充填物層１０の波形の頂点３３、４３での、深絞りされたスペーサ要素の長さの決定について示している。頂点３３、４３は、流れの主方向６に対してある角度Φで傾けて配置され、第１の頂点３３から第２の頂点４３までの間隔ｂ０を有する。これに関して、特に間隔ｂ０は一定でよい。さらに、間隔ｂ０は、第１の谷底２３と第２の谷底２６の間で見られる。図８で、第１の谷底２３は第１の波形谷部２２と一致し、第２の谷底２６は第２の波形谷部２５と一致している。スペーサ要素２４、３４、４４の長さは、図８では符号「ａ」によって表されている。長さ「ａ」は、関連の頂点の方向でのスペーサ要素の長手方向での広がりである。長さ「ａ」は、好ましくは、第１の充填物層１０の各頂点が、隣接する第２の充填物層１００の頂点との交点を有し、そこに正確にスペーサ要素が位置されるように選択される。充填物層１０のスペーサ要素は、第２の充填物層１００の頂点の接触点と接触する。接触点は、第２の充填物層１００のスペーサ要素の一部とすることができるが、必ずしもそうである必要はない。
ａ＝ｂ０／ｓｉｎ（２Φ）
【００６２】
この関係は、第１の充填物層の傾斜角Φが第２の充填物層の傾斜角と同じ大きさであるという仮定の下で得られた。
【００６３】
図８は、この仮定に基づいている。スペーサ要素の長さａは、スペーサ要素が、ちょうど第２の充填物層の１つのスペーサ要素又はその波形頂部に正確に交差する大きさでなければならない。したがって、交点Ａが第１のスペーサ要素のちょうど端点に設けられる場合、交点Ｂは、第２のスペーサ要素の長さａのわずかにだけ外側にある。この極小の差は図示することができないので、図８ｂには、第２の充填物層の第１の波形頂部に関する２つの交点を描いてある。
【００６４】
第２の充填物層が、図８ｂでの充填物層の位置に対して水平方向左に移動される場合、交点Ａは、スペーサ要素ａの長さに沿って、点Ａと反対側のスペーサ要素の端部まで移動する。
【００６５】
図示される例では、第２の充填物層は、スペーサ要素との交点が点Ａとなるぎりぎりの場合がちょうど生じるように配設されているが、実際には点Ｂにはスペーサ要素との交点はない。２つの隣接する充填物層１０、１００の傾斜角は同じ大きさであるので、第２の充填物層の波形頂部の頂点に沿った間隔ＡＢも同様にスペーサ要素ａの長さに対応する。
【００６６】
したがって、辺の長さｘ、ａ、ａを有する三角形ＡＢＣは、二等辺三角形である。さらに、２つの辺ａの間で成される角度は正確に２Φに等しくなる。ｂ０（波長）、すなわち第１の充填物層の波形頂部の２つの隣接する頂点の間の垂直間隔も同様に描かれている。この三角形は、直角を有し、縁部Ｂで角度２Φを成さなければならない。
【００６７】
したがって、傾斜角Φ及び波長ｂ０を使用して、ａに関する所望の関係が得られる。
ａ＝ｂ０／ｓｉｎ（２Φ）
【００６８】
スペーサ要素の高さは、層高さの１０〜３０％の範囲内であることが好ましく、したがって、個々の充填物層どうしの間隙はちょうどこの値範囲になる。間隙は、水性のシステムに関しては最小１．５ｍｍである。より狭い間隙は、液体、特に水を２つの隣接する縁部の間に捕捉することがあり、液体がそこに残って液体ブリッジを形成することがあるので、欠点となることがある。
【００６９】
図９ａに、接触点を減少させるために異なる高さの折曲げを有する既知の構成形状による充填物層が示されている。この構成形状の欠点は、上側及び下側に負荷（力の方向を示す矢印２０、２１）がかかると充填物層が圧縮されることである。折曲げは、第１の頂点６５と第２の頂点８５、及びそれらの間に設けられた波形谷部７５を含む。第１及び第２の頂点６５、８５は、隣接する充填物層（図示せず）と接触することができる。折曲げを形成する中間波形谷部６６及び中間波形頂部６７が、第１の頂点６５と谷底７５との間に配設される。中間波形谷部６６は中間谷底６８を有し、中間波形頂部６７は中間頂点６９を有する。中間谷底６８と中間頂点６９の間の垂直間隔７０は、頂点６５と谷底７５の間の垂直間隔７１よりも小さい。図９ａに示される実施例では、垂直間隔７０は、垂直間隔７１の大きさのほぼ半分である。したがって、中間波形谷部６６と中間波形頂部６７によって半分の高さの折曲げが形成される。半分の高さの折曲げは、皺区域となり、変形することができる。一方で、この変形により、安定な充填物本体を構成することができない。他方で、充填物の一定の層高さを観察することはできない。層高さは、前に定義した垂直間隔７１に対応する。
【００７０】
この問題は、本発明による構成形状によって回避することができる。図９ｂに示されるように、各折曲げの上にスペーサ要素を有する充填物層は、圧縮される度合いをはるかに小さくすることができ、したがって充填物層は、上側及び下側に対するより高い負荷にさらすことができる。これは、安定な充填物本体の設計を可能にし、実質的に一定の層高さを保証する。
【００７１】
図１０は、吸収システム９０を示す。吸収システム９０は、２つの物質交換装置と、吸収装置９１と、脱着装置９２とを含み、これらは特にカラムとして形成される。気体流からの１つ又は複数の成分が、吸収システム内の吸収装置９１で分離される。この目的で、液体溶剤又は吸収剤が使用される。脱着装置９２では、溶剤又は吸収剤が、取り上げた成分から浄化される。
【００７２】
吸収も精留も、生じている供給流９３から１つ又は複数の成分を分離するための分離プロセスである。精留は、個々の成分の異なる沸点に基づいて液体混合物を分離するために使用され、特に複数の分離段階を含む連続する蒸留と考えることができる。対照的に、吸収では、１つ又は複数の成分が、適切な溶剤又は吸収剤９４によって気体流から分離され、それにより気体流から分離される。したがって、吸収装置９１の上方生成物は、浄化された気体流９５である。吸収装置９１の底部生成物９６は、１つ又は複数の成分が負荷（搭載）された吸収剤又は溶剤である。経済的、エネルギー的、又は生態学的理由から、吸収剤又は溶剤を浄化し、浄化された溶剤又は吸収剤９４として再び吸収装置に供給することが賢明であることがある。吸収剤又は溶剤の浄化は、脱着装置９２で行われる。被負荷吸収剤又は溶剤、すなわち吸収装置の底部生成物９６は、脱着装置の供給流を生成する。図１０によれば、この供給流は液体として脱着装置に供給される。脱着装置９２は、先の実施例の任意の１つによる１つ又は複数の充填物を含むことができる。被負荷溶剤又は吸収剤は、貯留部９５の方向に流れる。吸収剤又は溶剤は、貯留部内で少なくとも一部蒸発され、このために貯留部蒸発器９８が提供される。貯留部蒸発器で蒸発された吸収剤又は溶剤は、分離すべき成分を含んでおり、また貯留部の方向に流れる被負荷吸収剤又は溶剤の供給流から、カラムでのリンス中、分離すべき成分を吸収する。したがって、分離すべき成分を多く含む気体状の部分流９９が脱着装置内で生じる。分離すべきこれらの成分は、熱的に、すなわち凝縮によって気体状の部分流９９から分離することができ、又は他の下流分離ステップによって分離することができる。
【００７３】
これに対する代替方法として、又は追加として、吸収装置よりも高い圧力で脱着装置を動作しなければならない場合に、吸収装置又は圧縮装置よりも低い圧力で脱着装置を動作すべきである場合、膨張装置を提供することができる。
【００７４】
一般に、気体と液体の間の物質移動は、精留の両方向において、貯留部からヘッドへの温度降下に基づいて行われる。より高い沸点を有する流体は、気相から凝縮されて液体状態で取り上げられ、より低い沸点を有する流体は、液相から気相へと蒸発する。吸収では、物質移動は一方向でのみ行われる。ここでは気体が液体によって吸収される。
【００７５】
精留と吸収の相違は、精留では、気体流と液体流が互いに結合され、対照的に吸収では、両方の流れを互いに独立して設定することができることにある。精留では、特定の量の液体が蒸発され、カラムヘッドの方向にカラムを上昇する。すべての蒸気がカラムヘッドで凝縮され、少なくとも一部は再び液体流としてカラム内に戻る。したがって、考えられる最大の液体量は、カラムヘッドに達する蒸気の総計の凝縮量である。より多くの液体が貯留部内で蒸発される場合、より多くの液体が流れ戻ることができる。この点で、両方の流れは互いに結合され、物質移動は、決定的に蒸気の流れに応じて決まる。したがって、精留用途では、基本的には気体側で制御される。
【００７６】
これとは対照的に、吸収用途では、様々な動作条件をポンプ及びファンによって設定することができる。大きな吸収剤の流れを比較的小さな気体流と接触させることができ、逆も可能である。さらに、吸収剤は、様々な形で、すなわち物理的に、化学反応によって、又は物理的・化学的の両面で、気体成分と結合することができる。この点において、特定の気体成分に関する吸収剤又は溶剤の選択、並びに気体及び液体の濃度が、物質移動を気体側でより大きく制御するか、それとも液体側でより大きく制御するかに関する決定因子となる。
【００７７】
本発明による充填物の実用可能性を検査するために、スペーサ要素を含む充填物の試作品を製造した。いくつかの充填物層が従来の充填物から除去されて、他の充填物層の間に、空いた空間に同じ厚さのスペーサ要素を挿入することによって均質化した。したがって、各充填物層は、２つの隣接する充填物層に対して一定に定義された間隔を有し、それにより、規定の幅を有する間隙がすべての充填物層間で得られる。検査した例では、幅は１．５ｍｍである。さらに、試作品での接触点の数は７９５００ｍ−３から１８０００ｍ−３に減少し、総表面は２０５ｍ２／ｍ３から１９０ｍ２／ｍ３に減少する。総表面の減少は、他の手段がこの損失を埋め合わせないと仮定すると、分離能力の減少又は充填物の効率の減少を伴わざるを得ない。米国特許第６３７８３２２Ｂ１号によれば、総表面の減少にもかかわらず、精留において有利な分離効果を示す実施例が可能である。
【００７８】
上述した試作品を、まず精留用途で試験した。このために、内径が２５０ｍｍの試験カラム内に充填物を設置し、試験系クロロベンジン／エチルベンジンを使用して測定した。試験は、事前に推定されていたことを示した。すなわち、間隙によって生じるより開いた断面により、充填物を通しての圧力損失は、スペーサ要素を有さない充填物に比べてわずかに減少する。対照的に、総表面の減少により分離能力が低下する。スペーサ要素を有する充填物は、スペーサ要素がない場合よりも１メートル当たりの分離段階が少ない（ＮＴＳＭ：１メートル当たりの理論上の段階の数）。負荷点よりも下の点、この例ではＦ因子３Ｐａ０．５未満の点が、比較のために重要である。Ｆ因子は、空のカラム内での平均気体速度に、気体の密度の累乗根を掛けた値に関する尺度である。Ｆ因子は、気体の運動エネルギーに比例する。負荷点とは、気液相互作用が増加する点を意味する。
【００７９】
対応するＮＴＳＭ値は、スペーサ要素を有する充填物に関しては１．６／ｍであり、スペーサ要素を有さない充填物に関しては１．７／ｍである。ＮＴＳＭ値は、分離能力に関する特性である。ＮＴＳＭ値がより高ければ、充填物の分離能力も大きい。したがって、分離能力は、表面全体に関しては改良されなかった。
【００８０】
したがって、これらの現在の知見から、接触点が減少され、充填物層間の間隔がより大きい本発明による充填物は、圧力損失を確かに減少するが、それに加えて精留における分離能力を低下させることが示される。その結果、そのような充填物は精留では使用されず、したがって、精留に関して明らかに有利な米国特許第６３７８３２２Ｂ１号で提示される充填物とは根本的に異なる。
【００８１】
意外にも、さらなる試行から、本発明による充填物によって総表面当たりの分離能力が改良される質量システム（ｍａｓｓ  ｓｙｓｔｅｍ）があることが分かった。これに関する主な対象は、基本的に表面全体の濡れが不良となりやすい大きな表面張力を有するシステム、通常は水性システムである。水溶液は、とりわけ吸収において使用が増えており、前記水溶液は、高い表面張力により、非常に高い体積流量で、利用可能な表面を液体被膜として完全に濡らすだけである。逆に、充填物の表面全体の濡れが不良であると、分離能力が低下する。したがって、構造充填物は、吸収剤用途では以下の特性を備えるべきである。すなわち、充填物にわたって圧力損失が低く、できるだけ大きい総表面が提供され、この総表面が液体によってできるだけ完全に濡らさなければならない。
【００８２】
接触点の減少が吸収能力の改良をもたらす理由についての仮説は、以下のようである。すなわち、使用される液体の濡れ特性が不良であるため、充填物層での接触点の背後に、液体によって全く濡らされない区域が生じる。したがって、液体によって表面全体を完全には濡らすことができない。液体は、接触点で流れを妨げられ、留められたり、側方に偏向されたりする。また、同様の現象は、水が被膜として平坦面の下を流れ、その流れが、差し入れられた物体（例えば平面上に置かれた指）によって突然妨害されるときにも観察することができる。被膜流は、物体の後ろの部分を通らず、乾燥した濡れていない表面が生じ、この表面は、物体が流れから取り除かれたときにのみ再び濡れる。
【００８３】
検査した質量システムは、液体側で制御される水性システムである。周囲空気中のＣＯ２が吸収され、苛性アルカリ液によって化学的に結合される。これに関して、液体中での化学反応は、原理的には吸収が気相と液相の界面に限定されるほど速く行われる。これは、総表面内の物質交換領域の部分が、ここで決定的に重要であることを意味する。他のメカニズムはすべて、副次的な役割をするにすぎない。
【００８４】
適切な相関関係によって（Ｄｕｓｓ他「Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌ  Ａｒｅａ  ａｎｄ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｈｏｌｄ−ｕｐ  ｏｆ  Ｎｕｔｔｅｒ  Ｒｉｎｇｓ  ａｔ  Ｈｉｇｈ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｌｏａｄｓ」Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  ＆  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ２４（７），２００１  ｐｐ．７１６−７２３参照）、得られた測定結果から、効果的に利用可能な物質交換領域を直接求めることができる。図１１が示すように、スペーサ要素を有し、接触点の数が減らされている充填物は、スペーサ要素を有さず、多数の接触点を有する充填物に比べ、総表面が小さいにも関わらず大きな物質交換領域をもたらす。これは、液体側で制御される質量システムにおける分離能力を、接触点の減少及び接触点の適切な配置によって実際に改良することができることを意味する。スペーサ要素の使用によって圧力損失も同様に減少させることができ、必要な充填物層がより少ないので材料の量を減少させることができる。図１１の下側の曲線は、Ｍｅｌｌａｐａｋ（商標）タイプの市販の構造充填物に関する物質交換領域を、揮発性の少ない流体による物質交換装置の負荷の増加と共に示し、負荷Ｌは、ｘ軸にｍ３／ｍ２ｈの単位で記されている。それと比較して、図１１の上側の曲線は、本発明による構造充填物に関する総表面に対する物質交換領域の比率を示す。したがって、スペーサ要素を有する充填物を使用すると、スペーサ要素を有さない充填物の場合よりも、すべての測定点に関して上記の比率が大きい。
【００８５】
そのようなシステムは、主に排ガスの吸収剤調製で使用され、その際、有害な成分が、反応性の水溶液によって排ガス流から除去されるべきである。ＭＥＡや炭酸カリウムなど有機又は無機塩基物質を含むことができる水性吸収剤によって、動力装置排ガスから環境に有害なＣＯ２を吸収することが、ここでの一例である。
【００８６】
そのような質量システムでは、接触点の数が減らされている充填物は、多数の接触点を有し、充填物層の間に間隙を有さない同等の充填物に比べて、圧力降下を大幅に減少させ、また意外にも分離能力を改良する。
【００８７】
したがって、この充填物は、特に、塩基水溶液を使用して動力装置排ガスからＣＯ２を吸収するために使用するのに非常によく適している。
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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