(57)【要約】本発明による充填物構造は、流体接触カラムのためのものである。充填物構造は、直径が５ｍｍから５０ｍｍの間の範囲のチューブのバンドルが規則正しく配置された固まりを形成する。チューブの壁は、充填物構造内の流体の循環および混合を促進するように配置されたオリフィスを有する。オリフィスは、２ｍｍから４５ｍｍの辺を有する矩形に形成され、各オリフィスは、２ｍｍ2を超える表面積に広がっている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体接触カラム用の充填物構造であって、直径が５ｍｍから５０ｍｍの間の範囲のチューブのバンドルが規則的に配置された固まりを形成し、前記チューブの壁が、前記充填物構造内の流体の循環および混合を促進するように配置されたオリフィスを有し、前記オリフィスが、各辺の長さが２ｍｍから４５ｍｍである矩形に形成され、それぞれの前記オリフィスが２ｍｍ2を超える表面積に広がっている充填物構造。
【請求項２】
前記オリフィスの表面積とチューブの中実部分の表面積との比は１０％から９０％の間の範囲である、請求項１に記載の充填物構造。
【請求項３】
２つのオリフィス間の間隔は、前記チューブの直径の２倍を超えない、請求項１または２のいずれか１項に記載の充填物構造。
【請求項４】
前記チューブは、同じ軸に沿って延びかつ同じ直径を有する交差した２つの螺旋として巻かれ、前記オリフィスを形成するように互いに距離を置いている少なくとも２つのストリップからなる織物を有する、請求項１から３のいずれか１項に記載の充填物構造。
【請求項５】
前記ストリップは、炭素析出によって凝固させられた炭素、金属、セラミック、熱可塑性材料、および熱硬化材料のうちの少なくとも１つを含む、請求項１から４のいずれか１項に記載の充填物構造。
【請求項６】
各バンドルは、それぞれ２つの方向に向けられた２つのチューブを有する、請求項１から５のいずれか１項に記載の充填物構造。
【請求項７】
各バンドルは、それぞれ４つの方向に向けられた４つのチューブを有する、請求項１から５のいずれか１項に記載の充填物構造。
【請求項８】
前記４つのチューブはそれぞれ、立方体の４つの方向に向けられている、請求項７に記載の充填物構造。
【請求項９】
蒸留プロセスにおいて使用する、請求項１から８のいずれか１項に記載の充填物構造の使用方法。
【請求項１０】
燃焼後処理および天然ガス処理における二酸化炭素捕捉などの反応吸収プロセスにおいて使用する、請求項１から８のいずれか１項に記載の充填物構造の使用方法。
【請求項１１】
流体接触カラム用の充填物構造の製造方法であって、
ａ）直径が５ｍｍから５０ｍｍの間の範囲であるチューブであって、前記チューブの壁が、前記充填物構造内の流体の循環および混合を促進するように配置されたオリフィスを有し、前記オリフィスが、各辺の長さが２ｍｍから４５ｍｍである矩形に形成され、それぞれの前記オリフィスが２ｍｍ2を超える表面積に広がっているチューブを製造する段階と、
ｂ）前記チューブのバンドルを並置することによって、前記チューブの規則正しい組立体を形成する段階と、
ｃ）前記チューブの接触部分の平面で前記チューブ同士を接合する段階と、
ｄ）接触カラムの内部寸法に適した前記充填物構造を形成するように、前記規則正しい組立体を加工する段階と、を含む製造方法。
【請求項１２】
段階ａ）では、複合材料のストリップ、たとえば糸、より糸、またはシートをシリンダの周りに、互いに交差した２つの螺旋の形に巻くとともに、前記ストリップ間に前記オリフィスを形成するように前記ストリップ間に空間を残す、請求項１１に記載の製造方法。
【請求項１３】
前記ストリップは、以下の材料、すなわち、炭素析出によって凝固させられた炭素、金属、熱可塑性材料、および熱硬化材料のうちの少なくとも１つを含む、請求項１２に記載の製造方法。
【請求項１４】
段階ｂ）では、前記各チューブのバンドルは、２つの方向に延びる、請求項１１から１３のいずれか１項に記載の製造方法。
【請求項１５】
段階ｂ）では、前記各チューブのバンドルは、４つの方向に延びる、請求項１１から１３のいずれか１項に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体接触機器の分野に関する。
【０００２】
接触カラムの目的は、流体同士を接触させて流体間に物質移動または熱伝導を生じさせることである。この種の流体接触装置は、蒸留工程、精留工程、吸収工程、熱交換工程、抽出工程、化学反応工程などを実施するために広く使用されている。
【背景技術】
【０００３】
接触カラムは一般に、流体間の交換を促進する内部接触部材を備えた筐体で構成される。一般に、接触カラムは、上昇する気相と下降する液相とを密に接触させ、また、その逆の場合も可能にする。接触カラムでは、流体は並流または向流の状態で循環することができる。流体間の接触面を大きくする接触部材は、トレイや、規則充填物、すなわち、規則的に配置された同一もしくは同一ではない幾つかの単一部材（たとえば波形シート）が並列したもの、または、不規則充填物、すなわち、リングや螺旋状物などの単一部材からなる無秩序の堆積であってよい。
【０００４】
欧州特許第０４４９０４０号明細書は、流体間の交換をより良く制御して、流体循環が阻止される限界を押し戻すとともに、化学的な攻撃すなわち腐食に対する耐性を向上させる内部充填物部材を記載している。
【０００５】
流体接触カラム、特に流体を吸収性溶液で洗浄する必要のある反応吸収または蒸留、たとえば天然ガス脱酸化や燃焼煙の脱炭酸の用途では、最大接触面をもたらすとともに、カラム内の圧力降下を制限する可能な限り最良の接触部材を有することが必須である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】欧州特許第０４４９０４０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、本発明は、反応吸収および蒸留用途に適しており、特に流体間の交換面を大きくするとともに、圧力降下の増大を制限するのを可能にする流体接触カラム用の内部充填物構造を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
全体的に見ると、本発明は、流体接触カラム用の充填物構造であって、直径が５ｍｍから５０ｍｍの間の範囲のチューブが規則的に配置されたバンドルを有する固まりを形成し、チューブの壁が、前記充填物構造内の流体の循環および混合を促進するように配置されたオリフィスを有し、オリフィスが、各辺の長さが２ｍｍおよび４５ｍｍである矩形に形成され、それぞれのオリフィスが２ｍｍ2を超える表面積に広がっている充填物構造を述べている。
【０００９】
本発明によれば、オリフィスの表面積とチューブの中実部分の表面積との比は１０％から９０％の間の範囲であってよい。
【００１０】
２つのオリフィス間の間隔は、チューブの直径の２倍を超えてはならない。
【００１１】
チューブは、少なくとも２つ（好ましくは４つ）のストリップであって、同じ軸に沿って延びかつ同じ直径を有する交差した２つ（好ましくは４つ）の螺旋、好ましくは該螺旋の２つが他の２つの螺旋と交差する螺旋として巻かれ、前記オリフィスを形成するように互いに距離を置いている前記ストリップからなる織物を有してよい。ストリップは、以下の材料、すなわち、炭素析出によって凝固させられた炭素、金属、セラミック、熱可塑性材料、および熱硬化材料のうちの少なくとも１つを含んでよい。
【００１２】
本発明によれば、各バンドルは、それぞれ２つの方向に向けられた２本のチューブを有してよい。
【００１３】
あるいは、各バンドルは、それぞれ４つの方向に向けられた４本のチューブを有してよい。４本のチューブはそれぞれ、立方体の４つの方向に沿って向きを定めることができる。
【００１４】
本発明による充填物構造は、蒸留プロセスで使用することができる。
【００１５】
本発明による充填物構造はまた、燃焼後処理および天然ガス処理における二酸化炭素捕捉などの反応吸収プロセスで実施することもできる。
【００１６】
本発明は、流体接触カラム用の充填物構造を製造する方法において、
ａ）直径が５ｍｍから５０ｍｍの間の範囲であるチューブであって、チューブの壁が、充填物構造内の流体の循環および混合を促進するように構成されたオリフィスを有し、オリフィスが、各辺の長さが２ｍｍおよび４５ｍｍである矩形に形成され、それぞれのオリフィスが２ｍｍ2を超える表面積に広がっているチューブを製造する段階と、
ｂ）チューブのバンドルを並置することによって、チューブの規則正しい組立体を形成する段階と、
ｃ）チューブの接触部分の平面でチューブ同士を接合する段階と、
ｄ）接触カラムの内部寸法に適した充填物構造を形成するように、規則正しい組立体を切削する段階と、を含む方法を述べている。
【００１７】
段階ａ）では、複合材料のストリップ、たとえば糸、より糸、またはシートをシリンダの周りに、互いに交差した２つの螺旋の形に巻くとともに、ストリップ間にオリフィスを形成するようにストリップ間に空間を残すことが可能である。ストリップは、以下の材料、すなわち、炭素析出によって凝固させられた炭素、金属、熱可塑性材料、および熱硬化材料のうちの少なくとも１つを含んでよい。
【００１８】
段階ｂ）では、各チューブバンドルは、２つの方向または４つの方向に延びてよい。
【００１９】
本発明の他の特徴および利点は、添付の図を参照して以下の説明を読むことによって明らかになろう。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明によるチューブ状の充填物部材を示す図である。
【図１ａ】チューブ状の充填物部材に設けられたオリフィスの形状の一例を示す図である。
【図１ｂ】チューブ状の充填物部材に設けられたオリフィスの形状の一例を示す図である。
【図１ｃ】チューブ状の充填物部材に設けられたオリフィスの形状の一例を示す図である。
【図２】本発明による充填物部材の特定の実施形態を示す図である。
【図３】２つの方向に向けられたチューブ状の部材に基づいた規則充填物を示す概略図である。
【図４】２つの方向に向けられたチューブ状の部材に基づいた規則充填物を示す概略図である。
【図５】４つの方向に向けられたチューブ状の部材に基づいた規則充填物を示す概略図である。
【図６】４つの方向に向けられたチューブ状の部材に基づいた規則充填物を示す概略図である。
【図７】４つの方向に向けられたチューブ状の部材に基づいた規則充填物を示す概略図である。
【図８】４つの方向に向けられたチューブ状の部材に基づいた規則充填物を示す概略図である。
【図９】接触カラムを示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１は、本発明による規則正しい充填物のベースパターンを形成するチューブ状の部材１を示している。部材１は、複数のオリフィスすなわち複数の穴Ｔが設けられた直径θのチューブの形をした壁から成っている。本発明によれば、オリフィスＴおよび直径θの寸法としては、流体の循環および接触を最適化する寸法が選択される。部材１の直径θは、このようなチューブで作られる規則正しい充填物の単位体積当たり幾何学的面積を最適化するように５ｍｍから５０ｍｍの範囲である。これらの寸法は、単位体積当たりに十分な幾何学的面積を形成するとともに、圧力降下を小さく保つのを可能にする。
【００２２】
オリフィスＴの最小表面積としては、チューブ内を流れる液膜をオリフィスを通って流れる気体流によって破壊できるように２ｍｍ2、好ましくは４ｍｍ2を超える値が選択される。実際、オリフィスＴのサイズが２ｍｍ2より小さい場合、チューブの内壁上を循環する液膜は、毛管作用によってこれらのオリフィスを詰まらせる可能性がある。２ｍｍ2より上の表面積を有するオリフィスは、気相および液相を一方のチューブから他方のチューブへと流し、これによって、適切な接触および混合を可能にする。本発明による充填物を反応吸収に適用するには、表面積が４ｍｍ2または場合によっては８ｍｍ2を超えるオリフィスを備えたチューブを使用することが好ましい。実際、一般に、反応吸収カラム内で接触させられる流体は、概ね１ｍ／ｓから２ｍ／ｓの間の範囲の高速で循環する。したがって、チューブ壁上で循環する液膜を分裂させるために、より大きいオリフィスが設けられる。
【００２３】
オリフィスＴは、長さＬおよび幅Ｉが２ｍｍから４５ｍｍ、好ましくは３ｍｍから２０ｍｍの間の範囲の矩形に形成される。言い換えれば、オリフィスは、長さＬおよび幅Ｉの矩形の４つの辺に接しなければならない。一方、オリフィスＴは、寸法ＬおよびＩの矩形になぞられるように設けられた任意の形を有していればよい。図１ａ、図１ｂ、および図１ｃは、長さＬおよび幅Ｉの矩形にされたオリフィスＴの形状の様々な非限定的な例を示している。図１ａでは、オリフィスがほぼ円形である。図１ｂでは、オリフィスは楕円形を有している。図１ｃでは、オリフィスはダイヤモンドの形状に近い。オリフィスを寸法ＬおよびＩを有する矩形にすると、オリフィスの縁部間の寸法が最小になって、充填物のチューブの壁上を循環する液膜を破断することができる。
【００２４】
オリフィスＴは、規則的に配置されたり不規則に配置されたりする。オリフィスＴは、部材１に沿って均質な交換特性を得るには、規則正しく配置されることが好ましい。２つのオリフィス間の間隔は直径θの値の２倍を越えないことが好ましい。オリフィスの数としては、部材１が、１０％から９０％の間の開口部を有し、すなわち、オリフィスの表面積とチューブの中実部分の表面積との比が１０％から９０％の間の範囲（この比の特に優れた値が２５％から５０％の間の範囲）であるような数を選択することができる。
【００２５】
上で明示したようなオリフィスＴは、相間の混合、ひいては、部材１からなる規則充填物内を循環する相間の接触および再分散を最適化するように、部材１の内側と外側との間の流体のための連通路を開けている。
【００２６】
部材１の壁は、任意の種類の材料、たとえば炭素／炭素、すなわち、炭素析出によって凝固させられた炭素繊維、セラミック、金属、ポリマー材料、熱可塑性材料、または熱硬化材料で作られた構造で形成することができる。オリフィスＴは、材料の除去、切削、または中ぐりによって得ることができる。部材１は、たとえばポリマー材料のモールディング、フォーミング、または任意の他の方法によって得ることができる。
【００２７】
図２は、ストリップを編むことによって得られる図１の部材１の特定の実施形態を示している。図２のチューブ状の部材４は、チューブの形状をとるために、ストリップ、たとえば、糸、より糸、シートを織ることによって作られる。より厳密に言えば、ストリップ５ａは、直径ψのチューブの周りに螺旋を形成しつつ巻かれる。第２のストリップ５ｂも、同じチューブの周りに螺旋を形成しつつ巻かれるが、ストリップ５ａと交差する。ストリップの厚さおよび螺旋のピッチは、ストリップ間に空間Ｅを残すように選択される。螺旋５ａのピッチは螺旋５ｂのピッチと同一であることが好ましい。空間Ｅは、図１のオリフィスと同じ目的を果たす。空間Ｅおよび直径ψの幾何学的定義はそれぞれ、図１に関連して説明したオリフィスＴおよび直径θの幾何学的定義と同一である。
【００２８】
さらに、図２では、充填物部材は、それぞれの螺旋がストリップ５ａおよび５ｂの螺旋と同一でありかつ軸方向にずれるように巻かれた２つの追加的なストリップ６ａおよび６ｂを有している。したがって、空間Ｅは、各辺がストリップ５ａ、５ｂ、６ａ、および６ｂによって実現されるほぼダイヤモンド形状を有している。
【００２９】
本発明の範囲から逸脱せずに、様々なパラメータ、たとえば、ストリップの数、ストリップの厚さおよび幅、巻いている螺旋のピッチなどを変えること、またはストリップを可変ピッチ螺旋として巻くことによってチューブ状の部材４を作ることができる。
【００３０】
ストリップの巻回が完了すると、巻かれたストリップ構造は、たとえばヨーロッパ特許第０４９９０４０号に記載された技術を使用し、熱処理、樹脂含浸、接着、または任意の他の技術によって凝固させられる。フェノール樹脂などのコークス化・浸潤可能樹脂を使用することができ、樹脂は、熱処理によって架橋される。
【００３１】
たとえば、ストリップは、ガラス繊維または炭素繊維で作られ、場合によっては熱硬化材料で被覆された糸である。
【００３２】
図３は、流体接触カラム用の内部充填物を構成する、本発明によるチューブ状部材の組立体を示している。図３では、チューブ状部材は、軸ＸＸ’およびＹＹ’によって実現される２つの方向に交互に配置されている。まず、軸ＸＸ’と同じ方向に向けられた複数のチューブ８からなる第１の層を配置する。平面層を形成するようにほぼ同じ平面内に第１の層の各チューブ８の軸を配置する。次に、軸ＹＹ’の方向に向けられた複数のチューブ９からなる第２の層を配置し、チューブ８の第１の層上に第２の層を積み重ねる。次に、第２の層上に複数のチューブからなる第３の層を積み重ね、この第３の層のチューブを軸ＸＸ’の方向に向け、以後同様に、チューブの向きを交互に変えることによって、図４に示すように所望の寸法を有する小形の固まりが得られるまで、各チューブ層を互いに積み重ねる。
【００３３】
図８は、本発明によるチューブ状部材の他の組立体であって、チューブが４つの異なる方向に配置されたものを示している。この組立体の詳細なレイアウトについて図５、図６および図７に関連して説明する。図５は、４つの組み立て方向Ｄ２０ａ〜Ｄ２０ｄにそれぞれ配置された、４本のチューブ２０ａ〜２０ｄのバンドルを示している。チューブが組み立てられる４つの方向Ｄ２０ａ〜Ｄ２０ｄは、ここではそれぞれ、立方体の４本の対角線（すなわち正４面体の４つの頂点／角）に対応する。ただし、チューブは、立方体の中心における対角線の交差点の高さでは交差せず、この点の近傍で交差する。
【００３４】
規則正しい組立体の作製は、たとえば図５のレイアウトを繰り返すこと、すなわち、一つのバンドルにおける４本のチューブの交差点に対応する組み立て軸ＸＸ’に沿って、前のバンドルと同じ順序で配置された新しいチューブ２０ａ〜２０ｄのバンドルを配置することなどによって開始することができる。図６に示すように、軸に沿って揃えられたチューブ２０ａ〜２０ｄのバンドルの第１の列１００ａから成る最初の規則正しい組立体が得られる。したがって、一つのバンドルにおけるチューブの４つの組み立て方向の１つ１つに合わせられた平面内をそれぞれ延びるチューブ１１〜１４の絡み合った４つの網が形成される。各網のチューブは、他の網のチューブの通過（交差）を可能にする距離だけ互いに間隔を置いて配置される。
【００３５】
列１００ａにおいて所望の数のバンドルに達したら、次に、いくつか連続のバンドルの列を軸ＸＸ’に平行な軸に沿って重ね合わせ、列１００ａの周りの空隙を充填する。図７は、組み立て軸ＸＸ’に平行な新しい軸に沿った追加のバンドルの列１１０ｂのレイアウトを示している。次に、列１１０ｂの片側の空隙を列１００ａのチューブの端部まで同じ様に完全に満たして、それぞれ４つの方向に配置されたチューブから成る三次元構成をこの固まり内に得る。
【００３６】
図４および図８に関連して説明した組立体では、チューブは、チューブ間の接触部分の平面で互いに連結される。この連結は、化学的または機械的プロセス、たとえば、熱硬化材料により、溶接、炭素析出によって実現される。
【００３７】
図４および図８に関連して説明した規則正しい充填物の固まりは、接触カラムの寸法および形状に切削することができる。一般に、接触カラムは、円筒形の筐体を有する。この場合、規則正しいチューブの組立体は、接触カラム内の最大空間を占有して最適な交換面を得られるように接触カラムの円筒形の筐体に導入することのできる円筒形の充填物構造を得るために切削される。直径の大きいカラムの場合、いくつかの固まりが並置される。壁の内周上に配置された固まりは、接触カラムの円筒形に合うように切削される。チューブ状部材の組立体からなる固まりの切削は、この構成に特有の高い孔隙率を考慮すると非常にデリケートである。各材料の性質に応じて、特定の切削技術を使用して各部材の座屈または構造の崩壊が回避される。
【００３８】
図９は、底部３２および底部３３によって塞がれた円筒形筐体から成る接触カラム３０を示している。ある流体、たとえば気体は、配管３４を通してカラム底部へ送り込まれる。他の流体、たとえば液体は、配管３５を通してカラム頂部に送り込まれる。この２つの流体は、配管３４および配管３５を通してカラム入口間に配置された空間内で接触する。接触を向上させ、物質移動および熱伝導を促進するために、数１０メートルに達してよい高さＨまでカラム３０に充填物が設けられる。本発明によれば、充填物は、図１または図２に関連して説明したチューブで構成され、たとえば、図４または図８に関連して説明したレイアウトに従って配置される。本発明によれば、ある固まりと次の固まりとで各チューブの向きが異なるようにされたいくつかの固まりＢ１、Ｂ２、Ｂ３、およびＢ４から成る充填物が使用されることが好ましい。たとえば、充填物は、水平に対して４５°より大きい角度をなす方向に向けられたチューブで構成された固まりと、水平に対して４５°より小さい角度をなす方向に向けられたチューブで構成された固まりとを交互に配置することによって構成される。たとえば、ある固まりのチューブは、隣接する固まりに対して垂直な方向に配置される。さらに、固まりの高さｈは、接触カラムの組み立て時に各固まりを円筒形の筐体の中へ挿入するために、たとえば５０ｍｍから５００ｍｍの間、好ましくは１００ｍｍから４００ｍｍの間の範囲の限界値に制限することがよい。各々の固まりの高さを制限することに関連して、様々な固まりのチューブの向きをこのように交互に変えることによって、筐体の内壁上に液体が集中して接触面積が狭くなることを避けることができる。
【００３９】
本発明による接触カラムの内部充填物は、蒸留工程、特にＨＦ（フッ化水素酸）の存在下での蒸留またはギ酸や酢酸のようなある種の有機酸の蒸留を必要とするフッ素誘導体を生成するための蒸留工程で優れた結果を得るのを可能にする。内部充填物は、吸収剤溶液に接触することによる、反応吸収用途、特に燃焼後処理および天然ガス処理における二酸化炭素捕捉に特に適している。
【００４０】
以下の数値例は、図４のレイアウトに従って構成された連続的なチューブ、すなわち、オリフィスが無いチューブから成る充填物と、本発明によるチューブ、すなわち、開口部を有するチューブから成る同じ充填物とを比較するのを可能にする。結果は、数値流動シミュレーションソフトウェアのＦｌｕｅｎｔにより数値計算を実行することによって得られた。
【００４１】
充填物を循環する気体の圧力降下は、様々な気体の表面速度Ｖｓｇ（１ｍ／ｓおよび２ｍ／ｓ）について求められた。これらの表面速度は、気体の流量と接触カラムの総断面積との比を計算することによって得られる。
【００４２】
シミュレーションは以下の圧力降下を求めるように行われた。
【００４３】
１）開口部（直径１０ｍｍ）を有さない連続的なチューブから成る充填物の圧力降下Ｄｐｒｅｆ
２）チューブが開口部（直径１０ｍｍ；ダイヤモンド形のオリフィスの長さ１２ｍｍおよび幅９ｍｍ；オリフィスの表面積約６０ｍｍ2；２つのオリフィス間の間隔３ｍｍ；開口比４６％）を有することを除いて、ケース１）と同様な形状の充填物の圧力降下ＤＰ
以下の表に、ＤＰ／Ｄｐｒｅｆの比の結果を示す。
【００４４】
【表１】
2010522077.tif 000003
【００４５】
チューブに開口部を設けると（開口比４６％）、圧力降下が３０％〜４０％低下することが分かる。
【図１】
2010522077.tif 000004
【図１ａ】
2010522077.tif 000005
【図１ｂ】
2010522077.tif 000006
【図１ｃ】
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【図２】
2010522077.tif 000008
【図３】
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【図４】
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【図５】
2010522077.tif 000011
【図６】
2010522077.tif 000012
【図７】
2010522077.tif 000013
【図８】
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【図９】
2010522077.tif 000015
【国際調査報告】
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2010522077.tif 000017
2010522077.tif 000018
2010522077.tif 000019
2010522077.tif 000020
2010522077.tif 000021