(57)【要約】  シェル、流入口、及び流出口を含む容器であって、流入口と流出口との間のシェル内部の空間が内容積を形成する容器と、内容積の少なくとも一部を満たし、それによって充填容積を形成する複数の充填材構造であって、充填容積はボイド率を有し、充填材構造は総表面積を提供する複数の充填材構造とを含み、容器は、容器流入口と容器流出口との間に圧力損失を有し、圧力損失は、同じ断面積を有する非ねじれ形状の充填層の１．０倍未満である、充填層。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シェル、流入口、及び流出口を備える容器であって、前記流入口と流出口との間の前記シェル内部の空間が内容積を形成する、容器と、
前記内容積の少なくとも一部を満たし、それによって充填容積を形成する複数の充填材構造であって、前記充填容積はボイド率を有し、前記充填材構造は総表面積を提供する、複数の充填材構造と、を備え、
前記容器は、前記容器流入口と容器流出口との間に圧力損失を有し、前記圧力損失は、同じ断面積を有する非ねじれ形状の充填層の圧力損失の１．０倍未満である、充填層。
【請求項２】
前記ボイド率は、約０．８未満であり、前記圧力損失は、同じ断面積を有する非ねじれ形状の充填層の圧力損失の０．９５倍未満である、請求項１に記載の充填層。
【請求項３】
前記ボイド率は、約０．８未満かつ約０．４５超であり、前記圧力損失は、同じ断面積を有する非ねじれ形状の充填層の圧力損失の０．９５倍未満であり、かつ同じ断面積を有する非ねじれ形状の充填層の圧力損失の約０．３倍超である、請求項２に記載の充填層。
【請求項４】
前記ボイド率は、約０．８未満かつ約０．５５超であり、前記圧力損失は、同じ断面積を有する非ねじれ形状の充填層の０．８倍未満であり、かつ同じ断面積を有する非ねじれ形状の充填層の約０．３倍超である、請求項２に記載の充填層。
【請求項５】
前記容器は、塔、カラム、タンク、ドラム、管、パイプ、または導管である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の充填層。
【請求項６】
Ｌ／ＯＤのアスペクト比を定義する長さ（Ｌ）及び外径（ＯＤ）を有する外表面を有する本体であって、前記アスペクト比は、１超かつ１０未満である、本体と、前記外表面に形成される少なくとも１つの連続的なくぼみと、を備え、支持体の表面に接触する化学成分を吸収及び／または触媒するために化学的及び／または物理的に活性である、充填材構造。
【請求項７】
前記くぼみは、ＯＤの単位体長さ当たり回転角θ１だけ本体の中心軸の周囲を回転し、θ１は、約４５°〜１８０°である、請求項６に記載の充填材構造。
【請求項８】
前記本体は、内表面を形成する、前記本体を通る直径Ｄｂを有する少なくとも１つの中空孔をさらに備え、Ｄｂ≦ＯＤ−４ｍｍである、請求項６または７に記載の充填材構造。
【請求項９】
前記くぼみは、Ｄｒ未満の深さを有し、Ｄｒ＝（ＯＤ−（Ｄｂ＋２））／２である、請求項８に記載の充填材構造。
【請求項１０】
前記中空孔の断面は、非円形形状を有する、請求項９に記載の充填材構造。
【請求項１１】
Ｄｂは、前記ＯＤの１０％〜５０％である、請求項９に記載の充填材構造。
【請求項１２】
前記ＯＤと前記Ｄｂとの間の壁Ｔｗの厚さは、前記ＯＤの約１０％〜４０％である、請求項９に記載の触媒支持構造。
【請求項１３】
前記複数の触媒支持体は、約１．０ｍｍ〜約１５．０ｍｍのＯＤを有する、請求項８に記載の複数の充填材構造を備える充填層。
【請求項１４】
前記充填層は、同じ断面積を有する非ねじれ形状の充填層の圧力損失の０．８倍未満の圧力損失と、５００ｍ２／ｍ３超の反応器容積に対する幾何学的表面積の比率とを有する、請求項１３に記載の充填層。
【請求項１５】
前記触媒支持体は、アルミナ、シリカ、活性炭、グラファイト状炭素、単層カーボンナノチューブ、二酸化チタン、炭酸カルシウム、硫酸バリウム、沸石、酸化セリウム、酸化マグネシウム、または酸化亜鉛からなる、請求項１３に記載の充填層。
【請求項１６】
Ｎｆ個の辺及びＮｖ個の頂点ならびに長さＬｂの押出軸を有する幾何学的断面を備える本体であって、前記頂点は前記軸から距離Ｒｖにあり、前記押出軸は前記押出成形体の第１の面から前記押出成形体の第２の面までの経路をたどり、前記触媒支持体は触媒活性を示す、本体を備える、充填材構造。
【請求項１７】
前記本体は、１超〜約１０のアスペクト比（Ｌ／ＯＤ）を有する、請求項１６に記載の充填材構造。
【請求項１８】
前記本体は、前記押出成形体の内部を通る中空孔をさらに備える、請求項１６または１７に記載の充填材構造。
【請求項１９】
前記押出成形体が前記Ｎｖ個の頂点の間にＮｃ個のチャネルをさらに備えるように前記Ｎｆ個の辺は凹状であり、前記支持体の断面の周長は、半径Ｒｖを有する円の円周よりも大きい、請求項１６または１７に記載の充填材構造。
【請求項２０】
前記押出成形体が前記Ｎｖ個の頂点の間にＮｌ個の葉状部をさらに備えるように前記Ｎｆ個の辺は凸状であり、前記葉状部は、前記軸からの最大距離ＲＬを有し、前記支持体の断面の周長は、半径ＲＬを有する円の円周よりも大きい、請求項１６または１７に記載の充填材構造。
【請求項２１】
Ｎｖ＝２ｘであり、ｘ＝３〜８であり、偶数番目の頂点は、奇数番目の頂点の間に位置し、かつ前記押出軸から距離Ｒｉにあり、前記奇数番目の頂点は、前記押出軸から距離Ｒｏにあり、前記頂点の間の前記辺は、チャネル深さＤｃ＝Ｒｏ−Ｒｉを有するＮｃ／２個のチャネルを形成する、請求項１６または１７に記載の充填材構造。
【請求項２２】
前記本体は、前記本体の内部を通る中空孔をさらに備え、前記中空孔の直径ＲｂとＲｉとの間の壁厚Ｔｗは、少なくとも１ｍｍである、請求項２１に記載の充填材構造。
【請求項２３】
前記チャネル深さＤｃは、約０．１ｍｍ〜約３．０ｍｍである、請求項２１に記載の充填材構造。
【請求項２４】
前記本体は、湾曲した押出軸に沿って押し出され、前記触媒支持体は、Ｃ字形である、請求項１６または１７に記載の充填材構造。
【請求項２５】
それらが単位体長さＯＤ当たりの回転角θ１を有し、粒子の長さに沿って前記押出軸に巻かれた少なくとも３つの螺旋形状チャネルを形成するように、前記Ｎｆ個の辺及びＮｖ個の頂点は、前記押出軸の周囲でねじれている、請求項１６または１７に記載の充填材構造。
【請求項２６】
前記ねじれたＮｆ個の辺及びＮｖ個の頂点の前記単位体長さＯＤ当たりの回転角θ１は、約４５°〜１８０°である、請求項２５に記載の充填材構造。
【請求項２７】
幾何学的に成形された固体であって、
湾曲した回転軸の周囲に回転面によって形成される円筒状の本体であって、前記回転面は、前記回転軸から垂直な平面内の前記回転軸から距離Ｒ１にある、円筒状の本体と、
前記円筒状の本体の周囲に螺旋状経路を形成する１つ以上のチャネルであって、前記円筒状の本体の前記回転面に山部を有し、前記円筒状の本体内に谷部を有し、前記谷部は、前記回転軸から距離Ｒ２にある、前記１つ以上のチャネルと、
前記円筒状の本体の第１の面から前記円筒状の本体の第２の面まで延在する長さＬｂと、を備え、前記成形された固体は、触媒活性を示す、幾何学的に成形された固体。
【請求項２８】
前記回転軸は、角度Ｌ０の弧にわたって変化する変動半径Ｒ０を有する、請求項２７に記載の成形された固体。
【請求項２９】
前記回転軸は、一定半径Ｒ０を有し、角度Ｌ０の弧に沿って延びる、請求項２７に記載の成形された固体。
【請求項３０】
前記円筒状の本体は、環状体の外側縁部に沿ったチャネル間のピッチが前記環状体の内側縁部に沿ったピッチよりも大きくなるように、前記本体の周囲に形成された１つ以上のチャネルを有する前記環状体の一部の形状を有する、請求項２７に記載の成形された固体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１４年６月２６日に出願された米国仮特許第６２／０１７，６１１号に対する優先権を主張するものであり、その内容は、参照により全体として本開示に組み込まれる。
【０００２】
技術分野
本発明の原理及び実施形態は、概して、充填構造体が入れ子状になることに対するその形状の抵抗性に少なくとも部分的に起因して、充填空間にわたって大きな表面積及びより低い圧力損失を提供する成形充填構造の構造に関する。
【背景技術】
【０００３】
種々の形状及び種類の充填材が化学処理に使用されてきた。例えば、球形、ラシヒリング、ポールリング、バールサドル、インタロックスサドル、及び種々の他のランダムな充填物が、大きな接触表面積ならびに液体及び気体の分布を提供するためにカラム及び反応器に用いられてきた。
【０００４】
中には螺旋形状を有するものもある、種々の多葉形の粒子も、例えば、１９８７年６月１６日に発行されたＢａｍｂｒｉｃｋに対する米国特許第４，６７３，６６４号に開示されている。
【０００５】
特定のプロセスにおいて、例えば、固定層触媒反応器及び収着操作（例えば、吸着、イオン交換、及びイオン排除）には、静止固体粒子のカラムを通る単一液相の流れのみが存在する。他の場合、例えば分離（例えば、蒸留、吸収、及びストリッピング）において、気体及び液体を含む二相流が存在する。液体は、充填物の空隙のうちのいくつかを満たすことができ、気体は、残りの空隙を通って向流中を進む。
【０００６】
例えば、気液接触に使用される充填カラムにおいて、液体は、充填物の表面上を下向きに流れ、気体は、充填材の空隙内を上向きに流れる。圧力損失が低いこと及び物質移動のための表面積が非常に大きいことは、そのような充填塔の性能にとって重要である。充填材は、物質移動相互作用のための大きな表面積及び圧力損失をもたらし得るプロセス流の流れのための空隙を提供する。
【０００７】
充填層を通る際の圧力損失は、移動する流体と充填材との間の慣性伝達及び摩擦力の両方によって引き起こされ得る。
【０００８】
多くの異なる形状のランダムな充填材が研究されてきたが、充填層の効率及び性能における全体的な向上を提供するために、より低い圧力損失を伴う、より大きな表面積を提供する充填材構造の必要性が依然として存在する。
【０００９】
発明の概要
本発明の原理及び実施形態は、以前の形状及び構造を用いた場合に起きていた積み重なること、入れ子状になること、及び噛み合うことに抵抗する三次元構造を提供する。
【００１０】
本発明の原理及び実施形態は、充填材構造が、積み重なることまたは入れ子状になることによって隣接する構造の空いたチャネルまたは林を塞ぐ傾向を軽減または排除するだけでなく、より低い圧力損失を生じるようにより大きな最接近距離を維持する様式で、形状及び充填材の構成と寸法との関係を提供することに関する。
【００１１】
本発明の原理及び実施形態は、隣接する充填材構造が積み重なること及び入れ子状になることに都合のよい配向を取る可能性を低下させ、構造の空いた空間の閉塞を引き起こし得る２つ以上の充填材構造が入れ子状になること及び噛み合うことを妨げる、ねじれ、湾曲、１つ以上のチャネル、またはそれらの組み合わせを有する充填材構造に関する。
【００１２】
本発明の原理及び実施形態はまた、複数の充填材構造の総表面積を維持しながら、ランダムに充填された層、反応器、タンク、ドラム、カラム、塔、パイプ、導管、または管にわたって圧力損失を低減することにも関する。
【００１３】
本発明の原理及び実施形態はまた、ランダムに充填された層、反応器、タンク、カラム、塔、パイプ、導管、または管にわたって圧力損失を維持しながら、複数の充填材構造の活性表面積の総量を増加させることにも関する。
【００１４】
本発明の原理及び実施形態は、シェル、流入口、及び流出口を備える容器であって、流入口と流出口との間のシェル内部の空間が内容積を形成する容器と、内容積の少なくとも一部を満たし、それによって充填容積を形成する複数の充填材構造であって、充填容積はボイド率を有し、充填材構造は総表面積を提供する複数の充填材構造とを備え、容器は、容器流入口と容器流出口との間に圧力損失を有し、圧力損失は、同じかまたは同様の断面積を有する非ねじれ形状の充填層の圧力損失の１．０倍未満である、充填層に関する。種々の実施形態において、圧力損失は、同じかまたは同様の断面積を有する非ねじれ形状の充填層の圧力損失の０．８倍未満である。
【００１５】
種々の実施形態において、ボイド率は、約０．８未満であり、圧力損失は、同じかまたは同様の断面積を有する非ねじれ形状の充填層の圧力損失の０．９５倍未満である。
【００１６】
充填層の種々の実施形態において、ボイド率は、約０．８未満かつ約０．４５超であり、圧力損失は、同じかまたは同様の断面積を有する非ねじれ形状の充填層の圧力損失の０．９５倍未満、かつ同じかまたは同様の断面積を有する非ねじれ形状の充填層の圧力損失の約０．３倍超であり、充填層は、１つ以上の螺旋チャネルを有する複数の充填材構造を備える。
【００１７】
充填層の種々の実施形態において、ボイド率は、約０．８未満かつ約０．５５超であり、圧力損失は、同じかまたは同様の断面積を有する非ねじれ形状の充填層の０．８倍未満、かつ同じかまたは同様の断面積を有する非ねじれ形状の充填層の圧力損失の約０．３倍超であり、充填層は、１つ以上の螺旋チャネルを有する複数の充填材構造を備える。
【００１８】
充填層の種々の実施形態において、容器は、塔、カラム、タンク、ドラム、管、パイプ、または導管である。
【００１９】
本発明の原理及び実施形態はまた、Ｌ／ＯＤのアスペクト比を定義する長さ（Ｌ）及び外径（ＯＤ）を有する外表面を有する本体であって、アスペクト比は、１超かつ１０未満である本体と、外表面に形成される少なくとも１つの連続的なくぼみとを備え、支持体の表面に接触する化学部分を吸収または触媒するために化学的に活性である、充填材構造にも関する。
【００２０】
充填材構造の種々の実施形態において、くぼみは、ＯＤに等しい単位体長さ当たり回転角θ１だけ本体の中心軸の周囲を回転し、θ１は、約４５°〜１８０°である。
【００２１】
充填材構造の種々の実施形態において、本体は、内表面を形成する、本体を通る直径Ｄｂを有する少なくとも１つの中空孔をさらに備え、Ｄｂ≦ＯＤ−４ｍｍである。
【００２２】
充填材構造の種々の実施形態において、くぼみは、Ｄｒ未満の深さを有し、Ｄｒ＝（ＯＤ−（Ｄｂ＋２））／２である。
【００２３】
充填材構造の種々の実施形態において、中空孔の断面は、非円形形状を有する。
【００２４】
充填材構造の種々の実施形態において、Ｄｂは、ＯＤの約１０％〜５０％である。
【００２５】
充填材構造の種々の実施形態において、ＯＤとＤｂとの間の壁Ｔｗの厚さは、ＯＤの約１０％〜４０％である。
【００２６】
本発明の原理及び実施形態はまた、複数の充填材構造を備える充填層にも関し、複数の充填材構造は、約１．０ｍｍ〜約１５．０ｍｍのＯＤを有する。
【００２７】
種々の実施形態において、充填層は、同じかまたは同様の断面積を有する非ねじれ形状の充填層の圧力損失の０．８倍未満の圧力損失と、５００ｍ２／ｍ３超の反応器容積に対する幾何学的表面積の比率とを有する。
【００２８】
充填層の種々の実施形態において、充填材構造は、アルミナ、シリカ、活性炭、グラファイト状炭素、単層カーボンナノチューブ、二酸化チタン、炭酸カルシウム、硫酸バリウム、沸石、酸化セリウム、酸化マグネシウム、または酸化亜鉛からなる。
【００２９】
本発明の原理及び実施形態はまた、Ｎｆ個の辺及びＮｖ個の頂点、ならびに長さＬｂの押出軸を有する幾何学的断面を備える押出成形体であって、頂点は軸から距離Ｒｖにあり、押出軸は押出成形体の第１の面から押出成形体の第２の面までの経路をたどり、触媒支持体は触媒活性を示す押出成形体を備える充填材構造にも関する。
【００３０】
充填材構造の種々の実施形態において、押出成形体は、１超〜約１０のアスペクト比（Ｌ／ＯＤ）を有する。
【００３１】
充填材構造の種々の実施形態において、押出成形体は、押出成形体の内部を通る中空孔をさらに備える。
【００３２】
充填材構造の種々の実施形態において、押出成形体がＮｖ個の頂点の間にＮｃ個のチャネルをさらに備えるようにＮｆ個の辺は凹状であり、支持体の断面の周長は、半径Ｒｖを有する円の円周よりも大きい。
【００３３】
充填材構造の種々の実施形態において、押出成形体がＮｖ個の頂点の間にＮｌ個の葉状部をさらに備えるようにＮｆ個の辺は凸状であり、葉状部は、軸からの最大距離ＲＬを有し、支持体の断面の周長は、半径ＲＬを有する円の円周よりも大きい。
【００３４】
充填材構造の種々の実施形態において、Ｎｖ＝２ｘであり、ｘ＝３〜８であり、偶数番目の頂点は、奇数番目の頂点の間に位置し、かつ押出軸から距離Ｒｉにあり、奇数番目の頂点は、押出軸から距離Ｒｏにあり、頂点の間の辺は、チャネル深さＤｃ＝Ｒｏ−Ｒｉを有するＮｃ／２個のチャネルを形成する。
【００３５】
充填材構造の種々の実施形態において、押出成形体は、押出成形体の内部を通る中空孔をさらに備え、中空孔の直径ＲｂとＲｉとの間の壁厚Ｔｗは、少なくとも１ｍｍである。
【００３６】
充填材構造の種々の実施形態において、チャネル深さＤｃは、約０．１ｍｍ〜約３．０ｍｍである。
【００３７】
充填材構造の種々の実施形態において、本体は、湾曲した押出軸に沿って押し出され、触媒支持体は、Ｃ字形である。
【００３８】
充填材構造の種々の実施形態において、Ｎｆ個の辺及びＮｖ個の頂点は、それらがＯＤの単位体長さ当たりの回転角θ１を有し、粒子の長さに沿って押出軸に巻かれた少なくとも３つの螺旋形状チャネルまたは溝を形成するように、押出軸の周囲でねじれている。
【００３９】
充填材構造の種々の実施形態において、ねじれたＮｆ個の辺及びＮｖ個の頂点のＯＤの単位体長さ当たりの回転角θ１は、約４５°〜１８０°である。
【００４０】
本発明の原理及び実施形態は、幾何学的に成形された固体であって、湾曲した回転軸の周囲に回転面によって形成される円筒状の本体であって、回転面は、回転軸から垂直な平面内の回転軸から距離Ｒ１にある円筒状の本体と、円筒状の本体の周囲で螺旋状経路に外接する１つ以上のチャネルであって、円筒状の本体の回転面に山部を有し、円筒状の本体内に谷部を有し、谷部は、回転軸から距離Ｒ２にある１つ以上のチャネルと、円筒状の本体の第１の面から円筒状の本体の第２の面まで延在する長さＬｂとを備え、成形された固体は、触媒活性を示す固体を含む、幾何学的に成形された固体に関する。
【００４１】
成形された固体の種々の実施形態において、回転軸は、角度Ｌ０の弧にわたって変化する変動半径Ｒ０を有する。
【００４２】
成形された固体の種々の実施形態において、回転軸は、一定半径Ｒ０を有し、角度Ｌ０の弧に外接する。
【００４３】
成形された固体の種々の実施形態において、湾曲した円筒状の本体は、環状体の外側縁部に沿ったチャネル間のピッチが環状体の内側縁部に沿ったピッチよりも大きくなるように、本体の周囲に形成された１つ以上のチャネルを有する環状体の一部の形状を有する。
【００４４】
本発明の種々の実施形態のさらなる特徴、それらの性質及び種々の利点は、出願者によって企図される最良の形態の例示でもある添付の図面と併せて以下の詳細な説明を考慮することによってより明白となり、同様の参照文字は図面を通して同様の部分を指す。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】垂直配向の例示的な充填カラムを示す。
【図２】Ａ〜Ｂは充填材構造の例示的な実施形態を示す。
【図３】Ａ〜Ｃは少なくとも１つのくぼみを有する充填材構造の例示的な実施形態を示す。
【図４】Ａ〜Ｃは幾何学的断面形状を有する充填材構造の例示的な実施形態を示す。
【図５】Ａ〜Ｂは凹状または凸状の辺を有する充填材構造の例示的な実施形態を示す。
【図６】Ａ及びＢは充填材構造の別の例示的な実施例を示す。
【図７】Ａ〜Ｂは充填材構造の他の例示的な実施例を示す。
【図８】充填材構造の別の例示的な実施例を示す。
【図９】湾曲した充填材構造の例示的な実施形態を示す。
【図１０】湾曲した充填材構造の別の例示的な実施形態を示す。
【図１１】湾曲した充填材構造の別の例示的な実施形態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００４６】
これ以降、種々の実施形態を記載する。特定の実施形態は、本明細書で論じられるより広義な態様に対する包括的な説明であることまたは制限であることは意図されないことに留意されたい。具体的な実施形態に関連して記載されるある態様は、必ずしもその実施形態に限定されず、任意の他の実施形態（複数可）とともに実施され得る。
【００４７】
本明細書で使用される場合、「約」は、当業者によって理解され、それが使用される文脈に応じてある程度変化する。当業者に明確ではない用語の使用がある場合、それが使用される文脈を考慮して、「約」は、特定の用語の最大＋または−１０％までを意味する。
【００４８】
要素を記載する文脈における（特に、添付の特許請求の範囲の文脈における）用語「ａ」及び「ａｎ」及び「ｔｈｅ」ならびに同様の指示対象の使用は、本明細書において別段の記載がない限り、または内容が明らかに矛盾していない限り、単数形及び複数形の両方を包含すると解釈されるべきである。本明細書における値の範囲の列挙は、本明細書において別段の記載がない限り、その範囲内に属する各別個の値を個々に指す簡略な方法の役目を果たすことを意図しているに過ぎず、各別個の値は、それが本明細書に個々に列挙されているかのように本明細書に組み込まれる。本明細書に記載される全ての方法は、本明細書において別段の記載がない限り、またはさもなければ内容が明らかに矛盾していない限り、任意の適切な順序で行われ得る。本明細書に提供されるあらゆる例または例示的な文言（例えば「等」）の使用は、実施形態をよりよく説明することを意図しているに過ぎず、別段の記載がない限り、特許請求の範囲に制限を課すものではない。本明細書における文言は、任意の請求されない要素を不可欠なものとして示していると解釈されるべきではない。
【００４９】
本発明の原理及び実施形態は、ランダムに充填されたカラム、層、管、ドラム、反応器、塔、タンク、導管、またはパイプにおいて大きな表面積を提供し、かつ／または低い圧力損失を生じる、特定の形状、サイズ、及び構成を有する充填材構造に関する。
【００５０】
本発明の原理及び実施形態は、限定されないが、物理吸着、化学吸着、吸着−脱着、クロマトグラフィー、イオン交換、蒸留、表面促進型反応、及び触媒活性化プロセスを含む、物理的及び化学的な相互作用に用いられ得る充填材構造に関する。
【００５１】
充填材構造の実施形態は、物質移動プロセス及び触媒作用のための表面を提供することができ、より大きな表面積が、表面限定相互作用のスループットを増加させ得る。
【００５２】
本発明の原理及び実施形態は、例えば、ベンゼンを含むアリール化合物の、例えば、クラッキング、改質、水素化、酸化、脱水素化、脱水、重合、アルキル化、または脱アルキル化；例えば、キシレンを含む種々の材料の異性化；水素化脱硫；及び石炭由来化合物またはメタノールまたは他の炭化水素等の物質からオレフィン等の材料、燃料、または潤滑剤等への変換を含む、様々な熱的または触媒的に活性化及び／または促進されるプロセスに用いられ得る充填材構造に関する。形成された充填材の特定の構成は、触媒活性及び物理特性、例えば、粒子の圧力損失、表面積、圧壊強度、及び耐摩耗性等、ならびに具体的に所望される生成物のための触媒の選択性を高めるために開発された。種々の実施形態の成形充填材構造はまた、保護層の点検を含む用途において及び／または触媒支持体としても用いられ得る。さらに、本発明の実施形態は、気体、液体、懸濁固形物、多相成分、またはそれらの組み合わせに曝露され得、かつ／または相互作用し得る。
【００５３】
本発明の実施形態において、充填材構造は、触媒活性を示す材料からなり得るか、構造の表面に堆積させた触媒活性を示す材料を有し得るか、または両方の組み合わせであってもよく、触媒活性を示すとは、反応を促進する、増強する、及び／または開始する組成物を指す。充填材構造が触媒活性を示す材料（複数可）を含む場合、その構造は触媒支持体であると見なされ得る。
【００５４】
触媒活性を示す材料は、貴金属、卑金属、金属酸化物、アルカリ金属、白金族金属、またはそれらの組み合わせを含み得る。
【００５５】
本発明の実施形態において、充填材構造は、結合部位を有する材料からなり得るか、結合部位を提供する構造の表面に堆積させた活性材料を有し得るか、または両方の組み合わせであってもよく、結合部位は、充填材構造の表面への化学種の化学的または物理的吸収を促進または増強する表面特徴部を指す。
【００５６】
本発明の実施形態において、充填材構造は、吸収及び／または触媒活性のための大きな表面積を提供する多孔質材料からなり得、大きな表面は、充填材構造内に広いまたは狭い範囲のサイズを有する細孔及び／またはチャネルによって提供され得る。
【００５７】
本発明の実施形態において、充填材構造の形状は、第１の本体の突起部分が隣接する本体のチャネルまたは他の凹部に進入するのを妨げる表面特徴部及び／または構成に起因して、各本体が別の隣接する本体と入れ子になり得る程度を制限することができる。
【００５８】
本発明の実施形態において、充填材構造を縦軸の周囲でねじることにより、同じ充填材及び／または触媒の直径で、反応器にわたって圧力損失を低減することができる。さらに、同じ圧力損失を達成するためにより小さい直径の同じ形状を使用することにより、かなり多くの触媒の幾何学的表面積を同じ反応器容積に加えることができる。種々の実施形態は、充填材の量、得られる表面積、及び得られる圧力損失の間の均衡を保ち、用いられるより多くの充填材がより多くの表面積を提供できる一方で、同じ圧力損失を維持するように、またはより少ない充填材及びより低い圧力損失で同じ表面積が提供され得るように、または充填材の減少及び圧力損失の低減の組み合わせが提供され得るようにする。
【００５９】
圧力損失は、流体搬送ネットワークの２点間の圧力差であると理解されたい。例えば、流体搬送ネットワークが触媒粒子の円筒状充填層であり、流体が標準的な温度及び圧力の空気である場合、圧力損失は、充填層を通る層流及び／または乱流状況において種々の速度で流体を流しながら、充填層にわたって圧力差を測定することによって決定されるであろう。非限定的な例において、エッジ効果を抑えるために、管の直径は、充填粒子の外径の１０倍超であり得、管の長さは、充填粒子の外径の５０倍以上であり得る。ねじれ形状の種々の実施形態の場合、圧力損失は、１ａｔｍで進入して２５℃で流れる３ｆｔ／秒の空気では、＜０．３ｐｓｉｇ／ｆｔであるはずである。
【００６０】
本発明の原理及び実施形態は、約０．８未満、または代替的に約０．８〜約０．４５、もしくは約０．５５〜０．８の空隙率を提供する充填材構造に関し、空隙率とも称されるボイド率は、層の充填部分における空の空間の尺度であり、０〜１の値を有し得る、層部分の全体積に対する空の空間の体積である。
【００６１】
充填層のレイノルズ数は
【数１】
2017523028.tif 000003
によって得られ、式中、Ｄは、充填物の粒径であり、ρは、層を通って流れる流体の密度であり、ｖｓは、層の断面積で除した体積流量によって決定される流体の空塔速度であり、μは、流体の動的粘度である。乱流の場合、レイノルズ数は＞１００である。
【００６２】
充填物が球体ではない形状を有する場合、有効粒径は
Ｄｐ＝６Ｖｐ／Ａｐ＝６（１−ε）／Ａｓ
によって得られ、Ａｓは、充填容積の単位当たりの充填物の界面面積ｆｔ２／ｆｔ３またはｍ２／ｍ３である。
【００６３】
エルガン式は、その圧力損失を空隙と関連付け、
【数２】
2017523028.tif 000004
によって得ることができ、式中、ｆｐ及びＧｒｐは
【数３】
2017523028.tif 000005
として定義され、式中、Ｇｒｐは、流動層のレイノルズ数の一形態であり、Δｐは、層にわたる圧力損失であり、Ｌは、層の長さであり、Ｄｐは、充填物の等価の球径であり、ρは、流体の密度であり、μは、流体の動的粘度であり、Ｖｓは、空塔速度（すなわち、同じ体積流量で空の管を通る流体が有するであろう速度）であり、εは、層のボイド率（任意の時点における層の気孔率）である。ボイド率は、空隙または空隙率と称されてもよい。
【００６４】
この式は、圧力損失に対するボイド率または空隙の直接的関係を表すために再構成することができる。
【数４】
2017523028.tif 000006
見て分かるように、圧力損失Δｐは、（１−ε）２／ε３の比率と関連しており、この比率は、ε＝０．５７で約１、及び（１−ε）／ε３である。また、圧力損失Δｐは、１／Ｄｐ２及び１／Ｄｐとそれぞれ関連している。等号の右辺第１項は、層流状況の場合に概して支配的であり、第２項は、乱流状況において概して支配的である。さらに、流量が多い場合は第１項が省略され、少ない流量では第２項が省略される。
【００６５】
実施形態において、より大きな粒度を用いることによって圧力損失が概ね低減され得るように、充填層の単位長さ当たりの圧力損失は、粒度の一乗（１乗）以上に略反比例する。粒度は、より少ない流量でより大きな影響を及ぼす。
【００６６】
さらに、充填層の単位長さ当たりの圧力損失は、空隙の項１／ε３に略比例する。
【００６７】
本発明の実施形態は、同じ長さの充填層でより低い圧力損失を生じるように、ボイド率ε及び有効粒径Ｄｐの両方を増加させる充填材構造に関する。有効粒径Ｄｐは、充填材構造のアスペクト比Ｌ／ＯＤにおける変化によって影響を受け得る。
【００６８】
実施形態において、充填材構造は、充填材構造の体積に等しい材料体積を有する球体の表面積を充填材構造の実際の表面積で除した比率として定義される形状係数Φｓを有することができる。
【００６９】
非限定的な実施形態、例えば、直径１ｃｍの外接円内の六角柱において、長さは２．５ｃｍ、周長は６ｃｍ、各端部の表面積は３ｃｍ２、構造の表面積は２１ｃｍ２、体積は７．５ｃｍ３である。体積７．５ｃｍ３の球体は、２．４２８６ｃｍの直径及び１８．５２９４ｃｍ２の表面積を有する。得られる形状係数Φｓは、約０．８８２３である。それと比較して、球体は、１の形状係数Φｓを有し、直径１ｃｍ及び長さ２．５ｃｍの円筒は、７．８５４ｃｍ３の体積、２１．９９１ｃｍ２の面積、及び約０．８６８９の形状係数Φｓを有する。より低い圧力損失は、より大きな形状係数と相関してきた。非限定的な例で分かるように、多角形は、同等の表面積であるが、体積が小さいことに起因して、同様の寸法の関連する円筒形よりも大きな形状係数を有する。体積が小さいことに起因して、より大きな総表面積は、同じ充填層体積を満たす六角形の充填構造によって提供され得る。
【００７０】
本発明の実施形態において、充填材構造は、充填材構造の表面に堆積させた触媒材料を有してもよく、触媒材料は、貴金属、卑金属、金属酸化物、イオン交換化合物及び樹脂、キレート樹脂、電子交換樹脂、活性剤、ならびに促進剤であってもよい。
【００７１】
本発明の実施形態はまた、絡まる可能性の低い大きな表面積を提供し得る形状を有する充填材構造を備える炭化水素変換触媒にも関し、複数の充填材構造は、炭化水素質原料の変換を含む任意の固定層触媒プロセス、例えば、異性化、アルキル化、改質、ならびに水素化分解、水素化処理、水素化精製、水素化脱金属、水素化脱硫、及び水素化脱窒素を含む水素化処理において使用され得る。充填材構造は、水素化分解、水素化処理、水素化精製、水素化脱金属、水素化脱硫、及び水素化脱窒素を促進または増強する触媒活性を示す材料を支持し得る。
【００７２】
例えば、充填材構造は、酢酸ビニルモノマーの生成、エチレンからエチレンオキシドへの変換、及びアルコールからカルボニルへの変換に適用され得る。
【００７３】
本明細書で使用される場合、層または充填層への言及は、限定されないが、化学的及び物理的プロセスのために、表面積を増加させるため及び／または触媒材料（複数可）に支持を提供するために充填材を含むことができる、塔、カラム、タンク、ドラム、管、パイプ、導管、及び他の収容器を含む容器を意味するものとし、充填材は、容器、例えば、反応器、タンク、塔、カラム、パイプ、管、導管、及び他の収容器の内部空間内に保持され得る。
【００７４】
有効充填表面積は、少なくとも充填材構造のサイズ、形状、及び構成に依存する可能性があり、充填悪において入れ子状になること及び／または分布に起因して、複数の充填材構造の理論上の総面積未満であり得る。
【００７５】
本発明の実施形態はまた、内容積を有する中空構造と、内容積の少なくとも一部を満たす複数の充填材構造とを備える充填層にも関し、充填層の圧力損失は、同じかまたは同様の断面積を有する非ねじれ形状の充填層の圧力損失の０．８倍未満である。
【００７６】
圧力損失の値は、基準値を確立し、他の全ての値を基準値で除すことによって正規化され得る。例えば、種々の実施形態において、圧力損失は、螺旋チャネル形状の充填材構造を、螺旋形状の充填材構造に相当する流体力学的粒径を有する球形充填材について得られた値で除すことによって正規化され得る。いくつかの実施形態において、基準値は、同じ直径、アスペクト比、及びチャネルの深さ（例えば、同じ断面）を有するが、螺旋形状（例えば、＞０°のねじり）の代わりに直線的な外形（例えば、０°のねじり）を有する充填材構造について決定される。
【００７７】
いくつかの実施形態において、直径、アスペクト比、チャネルの深さ、及びねじれの程度の中間値を有する螺旋形状の充填構造が、他の全ての評価される構造と比較するための基準構造として選択されてもよい。
【００７８】
他の実施形態において、各々の異なる形状の間で相対的（すなわち、比較）値を求めるための中間基準を得るために、種々の螺旋形状の充填構造の値が、評価される全ての螺旋形状の充填構造の値の平均に対して正規化され得る。
【００７９】
本発明の実施形態において、充填層の空隙は、約０．８未満であるが約０．４５超であるか、または代替的に、空隙は約０．６０〜約０．７５であってもよい。
【００８０】
本発明の実施形態は、Ｌ／ＯＤのアスペクト比を定義する長さ（Ｌ）及び外径（ＯＤ）を有する外表面を有する本体であって、アスペクト比は、１超かつ１０未満の範囲、または代替的に１超かつ５未満、もしくは１超かつ２未満であり得る本体を備える充填材構造に関する。種々の実施形態は、同様の長さ寸法及び直径寸法を有する円筒より大きな表面積及び／またはより大きな形状係数を有する。
【００８１】
本発明の原理及び実施形態は、断面形状に外接する円の円周よりも長い外周を有する横断面を有する充填材構造に関する。
【００８２】
本発明の種々の実施形態において、充填材構造は、アルミナ、シリカ、活性炭、グラファイト状炭素、単層カーボンナノチューブ、二酸化チタン、炭酸カルシウム、硫酸バリウム、沸石、酸化セリウム、酸化マグネシウム、または酸化亜鉛でできていてもよい。
【００８３】
種々の実施形態において、充填材構造は、ダイを通して押し出され、所望の長さに切断され得る。いくつかの実施形態において、押し出し物を偏向させることによって、及び／または押し出し物を直径ＤＭのマンドレルの上に掛けるかもしくはその周囲に巻くことによって、押し出された形状に湾曲またはＣ字形が付与され得る。
【００８４】
種々の種類の化学プロセスのためのランダムに充填された層、反応器、カラム、塔、タンク、パイプ、導管、及び管において使用される既知の充填材は、大きな表面積を提供する材料の外側特徴部が、個々の充填材構造間の空隙を大幅に減少させるかまたは排除する様式で噛み合うかまたは入れ子状になる傾向があり、その結果、活性表面積の減少とともに圧力損失の増加がもたらされる。そのような入れ子状になることまたは噛み合うことも、カラム及び反応器におけるチャネリング、圧力損失の増加、及びフラッドポイントに寄与すると認識されてきた。
【００８５】
出願者は、直線状特徴部を有する円筒形、星形、葉状形、及び幾何学的（例えば、三角形、正方形、長方形、五角形、六角形等）形状の充填材（例えば、角柱）が、反応器、塔、タンク、カラム、パイプ、管、または層内を一緒に充填し、外表面が総活性表面積及び空隙を減少させる様式で互いに接触することを見出した。さらに、そのように充填することまたは入れ子状になることは、２つ以上の充填構造間のより短い最接近距離をもたらすため、材料が層内でより密に充填してより少ない体積を占有し、それによって層体積を満たすためにより多くの充填材を必要とし、コストが増大する。
【００８６】
特定の場合において、例えば、ある星形の充填構造の先端部が、隣接する星形の充填構造の先端部間の空間と、２つの噛合するギアの様式で噛み合う可能性がある。こうして２つ以上の充填構造が入れ子状になることから、一方の構造が、他方の構造の間隙によって形成されることが意図される空間を満たし、本来であれば活性な２つの表面を互いに接触させ、その結果、充填構造に複雑な外形及び大きな表面積を持たせるという目的が少なくとも部分的に損なわれることが予測される。
【００８７】
また、特定の場合において、一方の充填構造の平坦な端面が、隣接する充填構造の平坦な端面に当接し、結果として、端面間の直接的な接触に起因して活性表面積がさらに減少し、内部孔及びチャネルへの接近が阻止される可能性があり得る。
【００８８】
図を参照して、本発明の種々の例示的な実施形態をより詳細に説明する。これらの図面は、実施例のうちのいくつかを例示しているに過ぎず、本発明の全範囲を表すものではなく、そのためには添付の特許請求の範囲が参照されるべきであることを理解されたい。
【００８９】
図１は、内容積の少なくとも一部が充填材で満たされ得る、垂直配向を有する例示的な充填カラム１００を示す。充填材を含む内容積の区画は、カラム１００の流入口と流出口との間の圧力損失に関連し得る長さＬＢ、直径ＤＢ、及び領域ＡＢを有する。充填材は、化学工学及び単位操作の分野で既知の種々の支持板及び保持具１４０を用いることにより、内容積の特定の部分または区画内に保持され得る。種々の容器はまた、当該技術分野で既知の分配器、分離器、及び内部反応器も備え得る。流入口１１０がカラムの上部に示され、流出口１２０がカラムの下部に示されているが、流体（複数可）の相（例えば、液体もしくは気体）、充填層に導入される流体（例えば、有機水（温水、冷水））の密度、及び充填層を組み入れた化学的または物理的プロセスにおいて重力が果たし得る役割に依存して、配置が逆転されてもよいことを認識されたい。同様に、図示されるカラムは垂直配向で示されているが、充填層は、水平配向のパイプ、管、反応器、及び導管に組み入れられ得ることを理解されたい。化学工学の分野で既知であるように、種々の保持具及び充填方法が、異なる配向の充填層を組み入れるために用いられ得る。
【００９０】
種々の実施形態において、充填層は、複数の充填材構造が装填される体積ＶＢを有することができ、充填後に空いている空間の割合は、エルガン式を参照して上述したボイド率または空隙率εである。特定の空隙率εを有する充填層は、流れる流体（複数可）による摩擦損失及び慣性損失に起因して圧力損失を経験し得る。
【００９１】
本発明の充填層の種々の実施形態において、充填材構造によって生じる空隙率は、約０．４５〜約０．８であり得る。
【００９２】
種々の実施形態において、充填層体積ＶＢに装填された複数の充填材構造は、総表面積ＡＰを提供し、総表面積は、充填材構造の数を充填材構造当たりの表面積Ａｓで乗じることによって算出され得る。これにより、充填層の体積当たりの表面積ＡＰ／ＶＢ（ｍ２／ｍ３）が得られる。
【００９３】
種々の実施形態は、充填層におけるボイド率及び圧力損失を提供することができ、圧力損失は、同じかまたは同様の断面積を有する非ねじれ形状の充填層の圧力損失の０．９５倍未満であり、ボイド率は、約０．５０〜０．７５である。
【００９４】
本発明の原理及び実施形態はまた、充填材構造の幾何学的特性と複数のそのような充填材構造を備える充填層の性能特性との関係にも関し、幾何学的特性は、限定されないが、ＯＤ、アスペクト比、くぼみの数、くぼみの深さ、くぼみのねじれの角度、及び構造内の孔の存在を含む。充填層の性能特性は、限定されないが、充填層体積当たりの表面積、充填層の圧力損失、及び充填層の空隙率を含み得る。
【００９５】
種々の実施形態において、圧力損失及びボイド率は、充填構造のＯＤ、長さ、及びねじれまたは回転の角度に関連し得る。
【００９６】
本発明の実施形態において、１．０超〜約２．０のアスペクト比、５Ｎｆ個の辺及び５Ｎｖ個の頂点、ならびに約０．９ｍｍのチャネル深さを有する充填材構造の場合、充填層の空隙は、約０．６０〜約０．７５であり得、圧力損失は、同じかまたは同様の断面積を有する非ねじれ形状の充填層の圧力損失の約０．３〜約０．９５倍であり得る。
【００９７】
本発明の実施形態において、１．０超〜約２．０のアスペクト比、５Ｎｆ個の辺及び５Ｎｖ個の頂点、回転角１８０°のねじれ、ならびに約０．９ｍｍのチャネル深さを有する充填材構造の場合、充填層の空隙率は、約０．６５〜約０．７５であり得、圧力損失は、同じかまたは同様の断面積を有する非ねじれ形状の充填層の圧力損失の約０．３〜約０．８倍であり得る。
【００９８】
記載される圧力損失及びボイド率を有する充填層の実施形態は、本明細書に記載される種々の充填材構造の集合体を用いて達成され得る。
【００９９】
種々の実施形態において、ねじれは、左巻きまたは右巻きであってもよい。いくつかの実施形態において、充填層は、左巻き及び右巻きの両方の充填材構造を備え得る。
【０１００】
山部が隣接するねじの谷部に嵌合できるように、典型的には山部、谷部、及びピッチについて対称寸法を有し得るねじとは対照的に、本発明の実施形態は、山部が物理的に谷部（例えば、チャネル）内に嵌合できないように、谷部（例えば、チャネル）よりも大きいねじ山部に相当する特徴を有し得る。
【０１０１】
図２Ａ及び２Ｂは、外径ＯＤ及び長さＬを有する外表面を備える充填材構造２００の実施形態を示しており、充填材構造は、ＯＤに対する長さのアスペクト比によって定義され得る。単位体長さは、構造が円筒状である場合は充填材構造の外径ＯＤに等しくてもよく、または構造が非円筒状である場合は外接されるＯＤに等しくてもよい。
【０１０２】
種々の実施形態において、Ｌ／ＯＤは、１超かつ１０未満であり得るか、または代替的にＬ／ＯＤは、１超かつ５未満、もしくは１超かつ２であり得る。
【０１０３】
種々の実施形態において、充填材構造のＯＤは、約１．０ｍｍ〜約５０ｍｍであり得るか、または代替的にＯＤは、１．０ｍｍ〜２５ｍｍ、もしくは１．０〜１０ｍｍ、もしくは２．０ｍｍ〜１０ｍｍ、もしくは５．０ｍｍ〜８．０ｍｍであり得る。
【０１０４】
図２Ａに示されるように、種々の実施形態においてくぼみが充填材構造の表面下にチャネルを形成するように、充填材構造の本体に１つ以上のくぼみ２１０が形成されてもよい。種々の実施形態において、くぼみは、充填材構造の外側周囲に螺旋を形成し、くぼみは、単位体長さ当たりの回転角θ１を有し得る。種々の実施形態において、ＯＤ当たりの回転角θ１は、約３０°〜３６０°、または代替的に４５°〜１８０°、もしくは９０°〜１１２．５°であり得る。
【０１０５】
本発明の実施形態において、少なくとも１つの連続的なくぼみが外表面に形成され得、構造は、充填材構造の本体としての支持体の表面に接触する化学成分を吸収及び／または触媒するように化学的に活性であり得る。
【０１０６】
種々の実施形態において、くぼみは、本体全長Ｌ当たり回転角θ２だけ本体の中心軸の周囲を回転することができ、θ２は、約４５°〜約７２０°であり得る。
【０１０７】
図２Ｂに示されるように、直径Ｄｂを有する中空孔２２０が、種々の実施形態において充填材構造の本体を通って形成され得る。中空孔は、吸収及び／または触媒作用のために充填材構造にさらなる表面を提供することができる。
【０１０８】
充填材構造が孔または孔及びくぼみを有する種々の実施形態において、構造上の完全性を維持するために、中空孔の外径とくぼみの最も深い部分との間に壁を形成する十分な材料が存在するべきである。
【０１０９】
種々の実施形態において、壁厚Ｔｗは、充填材構造のＯＤの少なくとも２０％であり得るか、または充填材構造のＯＤの少なくとも３３％であり得る。
【０１１０】
いくつかの実施形態において、壁は、１ｍｍ以上の厚さＴｗを有し、したがって、充填材構造が２ｍｍ未満のＯＤを有する場合、壁厚が十分ではない可能性があるため、本体を通る中空孔が存在しない場合がある。
【０１１１】
図３Ａ、３Ｂ、及び３Ｃは、深さＤｒを有する少なくとも１つのくぼみ（例えば、チャネル）、及び充填材本体を通る種々の形状の少なくとも１つの中空孔、ならびにくぼみの最内縁部と孔の最外縁部との間の厚さＴｗの壁を有する充填材構造の実施形態を示す。
【０１１２】
図３Ａは、充填材構造の中心からチャネルのくぼんだ表面までの距離がＯＤ未満になるように、ＯＤと、円筒の外面の下に深さＤｒを有する単一チャネルとを有する円筒状の充填材構造を示す。チャネルは、充填材構造の周囲に螺旋角を有し得る。示される円筒状の充填材構造はまた、構造の中心に位置する星形の孔も有する。
【０１１３】
いくつかの実施形態において、中空孔は、構造の軸に沿った中心にはない場合がある。いくつかの実施形態において、中空孔は、構造を貫通していない場合がある。
【０１１４】
図３Ｂは、単一チャネルと、構造を通る五角形の孔とを有する円筒状の充填材構造を示す。壁厚Ｔｗは、チャネルのくぼんだ表面と、くぼんだ表面に最も近い孔の点との間で測定される。
【０１１５】
図３Ｃは、隠れ線（点線）で示すように、充填材構造の長さにわたって９０°の回転角を有する単一チャネルと、構造を通る直径Ｄｂを有する円径孔とを有する円筒状の充填材構造を示す。
【０１１６】
図４Ａ及び４Ｃは、Ｎｆ個の辺及びＮｖ個の頂点、ならびに長さＬｂの押出軸を有する幾何学的な横断面形状（例えば、三角形、正方形、長方形、台形、五角形、六角形、多角形）の充填材構造２００の実施形態を示しており、頂点は、軸から距離Ｒｖにある。構造は、本体の第１の端部に第１の面を有し、第１の面の反対側に、本体の第２の端部の第２の面を有する。
【０１１７】
図４Ａは、５個の辺及び５個の頂点を有する五角形の充填構造の非限定的な例を示す。
【０１１８】
図４Ｂは、４５°の螺旋状のねじれを有する五角形の充填材構造の陰影図を示す。
【０１１９】
図４Ｃは、６個の辺及び６個の頂点を有する六角柱構造の非限定的な例を示す。
【０１２０】
種々の実施形態において、各縦方向の面が単位体長さ当たりの回転角θ１を有するように、五角形プリズム構造は、縦軸の周囲でねじれていてもよい。種々の実施形態において、単位体長さ当たりの回転角θ１は、約３０°〜３６０°、または代替的に４５°〜１８０°、もしくは９０°〜１１２．５°であり得る。各縦方向の面を軸の周囲でねじることにより、同数の辺の直線的な（例えば、角柱）形状と比較して充填層の単位長さ当たりの圧力損失が低減する。
【０１２１】
種々の実施形態において、充填材構造の本体は、柔軟な材料を押し出して、それを所定の長さに切断することによって形成され得る。
【０１２２】
図５Ａ及び５Ｂは、Ｎｖ個の頂点の間に凹状または凸状の辺Ｎｆ個を有する横断面形状を有する充填材構造２００の実施形態を示す。
【０１２３】
図５Ａは、本体がＮｖ個の頂点の間にＮｌ個の葉状部をさらに備えるようにＮｆ個の辺が凸状である実施形態を示しており、図５Ｂは、押出成形体がＮｖ個の頂点の間にＮｃ個のチャネルまたは溝をさらに備えるようにＮｆ個の辺が凹状である実施形態を示す。各実施形態の周長は、半径ＲＬを有する凸状実施形態の葉状部の最外縁部の周囲、または半径Ｒｖを有する凹状実施形態の頂点の周囲に外接する円の円周よりも大きい。
【０１２４】
種々の実施形態において、各葉状部または突部が単位体長さ当たりの回転角θ１を有するように、葉状部または突部が縦軸の周囲でねじれていてもよく、単位体長さは、断面の外接円の外径ＯＤに等しい。種々の実施形態において、ＯＤ当たりの回転角θ１は、約３０°〜３６０°、または代替的に４５°〜１８０°、もしくは９０°〜１１２．５°であり得る。チャネルまたは葉状部を軸の周囲でねじることにより、同数の辺及びＯＤの直線的な（例えば、角柱）形状と比較して充填層の単位長さ当たりの圧力損失が低減する。
【０１２５】
実施形態において、回転角は、頂点及び辺の数の関数であり得、各辺及び頂点は、本体長さをＯＤ１つ分前進させた後に次の辺及び頂点と一致するのに十分に回転する。例えば、５個の辺及び頂点を有する充填材構造は、各単位体長さ当たり１８０°／５＝３６°だけ回転し得る。
【０１２６】
実施形態の一例において、充填材構造の本体の全長がＯＤの４倍であり、葉状部または突部が本体の周囲で３６０°の完全回転を行うように、単位体長さ当たりの回転角θ１は９０°であり得、アスペクト比は４であり得る。
【０１２７】
いくつかの実施形態において、充填材構造は、充填材構造の表面に接触する化学成分を吸収及び／または触媒できるように、化学的に活性であり得る。
【０１２８】
図６Ａ及び６Ｂは、ｘ個の突出した特徴部を備える充填材構造の実施形態を示しており、ｘは、３〜８であり得る。充填材構造は、Ｎｖ＝２ｘの頂点（角部）及びＮｆ＝２ｘの辺を有し、偶数番目の頂点は、奇数番目の頂点の間に位置し、かつ本体の軸から距離Ｒｉにあり、奇数番目の頂点は、本体の軸から距離Ｒｏにあり、頂点の間の辺は、チャネル深さＤｃ＝Ｒｏ−Ｒｉを有するＮｃ／２個のチャネルを形成する。Ｒｉにある頂点は、くぼみの最も深い点を形成する短半径の周囲の内側頂点であり、Ｒｏにある頂点は、大径またはＯＤの周囲の外側頂点であり、くぼみの最も遠い点を形成する。ねじれ形状の例の陰影図も示される。
【０１２９】
種々の実施形態において、Ｎｖ個の頂点を接続するＮｆ個の辺は、湾曲状または直線状であり得る。
【０１３０】
種々の実施形態において、チャネル深さＤｃは、約０．１ｍｍ〜約３．０ｍｍである。
【０１３１】
充填材構造の種々の実施形態は、１超〜約１０、または１超〜約５、または１超〜約４、または１超〜約２、または１超〜約１．５のアスペクト比（Ｌ／ＯＤ）を有し得る。
【０１３２】
図７Ａは、中心を通る円形孔を有する星形角柱の実施形態を示す。
【０１３３】
図７Ｂは、内側の頂点と円形孔の外径との間に厚さＴｗを有する星形角柱の実施形態を示す。種々の実施形態において、中空孔の外径ＲｂとＲｉとの間の壁厚Ｔｗは、少なくとも１ｍｍである。
【０１３４】
図８は、７つの点を有する星形の断面、及び７つの点を有する星形の孔を有する、充填材構造の別の例示的な実施形態を示す。
【０１３５】
種々の実施形態において、孔は、充填材構造の断面形状と同じかまたは異なる形状を有し得る。
【０１３６】
図９は、５つの点を有する星形の断面、及びＣ字形湾曲を有する本体を有する充填材構造の実施形態を示す。
【０１３７】
種々の実施形態において、充填材構造は、本体が湾曲しているかまたは螺旋状の軸を有する三次元形状を有し得る。
【０１３８】
図１０は、所定の半径Ｒｃをもって湾曲した軸を有する実施形態を示しており、角度Ｌ０は３０〜１８０°である。充填材構造の湾曲した本体は、長さＬｂを有し得る。本体の湾曲は、構造が積み重なるかまたは入れ子状になることを軽減または防止し得る。
【０１３９】
図１１は、湾曲した軸及び変動する半径を有する実施形態の斜視図を示し、角度Ｌ０は４５°未満である。
【０１４０】
本発明の種々の実施形態は、石油の蒸留留分及び残渣の水素化処理等の固定層プロセスのための充填材構造及び／または触媒支持体として説明されてきたが、充填材構造は、粒子の充填層を用いる他のプロセスにおいて、また沸騰触媒床を用いるプロセスにおいてより一般的に使用されてもよく、構造の形状、サイズ、及び構成は、流動化されたときの絡まり及び凝集を軽減または防止するであろうことを理解されたい。
【０１４１】
特定の実施形態が例示され、記載されてきたが、添付の特許請求の範囲に定義されるより広義の態様における技術から逸脱することなく、当業者に従って変更及び修正が行われ得ることを理解されたい。
【０１４２】
本明細書において例示的に記載される実施態様は、本明細書において具体的に開示されていない任意の１つまたは複数の要素、１つのまたは複数の制限の非存在下で適切に実施され得る。したがって、例えば、備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）、含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）、含む（ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）等の用語は、制限なく広範囲に読まれるべきである。さらに、本明細書で用いられる用語及び表現は、制限ではなく説明の用語として使用されており、そのような用語や表現の使用において、示されかつ記載される特徴またはその一部のいかなる均等物をも除外することは意図されないが、請求される技術の範囲内で種々の修正が可能であることを認識されたい。さらに、「〜から実質的になる」という句は、具体的に列挙される要素、及び請求される技術の基本的かつ新規の特徴に著しく影響しない追加の要素を含むものと理解されよう。「〜からなる」という句は、明記されていないあらゆる要素を除外する。
【０１４３】
本開示は、本出願に記載される特定の実施形態の観点から限定されるべきではない。当業者には明らかなように、多くの修正及び変形が、その主旨及び範囲から逸脱することなく行われ得る。本明細書で列挙されるものに加えて、本開示の範囲内の機能的に均等な方法及び成分は、上記の説明から当業者には明らかであろう。そのような修正及び変形は、添付の特許請求の範囲の範囲内に属することが意図される。本開示は、添付の特許請求の範囲が権利を与えられる均等物の全範囲とともに、そのような特許請求の範囲の用語によってのみ限定されるべきである。本開示は、特定の方法、試薬、化合物、組成物、または生物系に限定されず、これらは当然ながら変化し得ることを理解されたい。また、本明細書で使用される専門用語は、特定の実施形態のみを説明する目的のためであり、限定的であることは意図されないことも理解されたい。
【０１４４】
さらに、本開示の特徴または態様がマーカッシュ群の観点から記載されている場合、当業者は、それによって本開示がマーカッシュ群の任意の個々の構成要素または構成要素の下位群の観点からも記載されていることを認識するであろう。
【０１４５】
当業者によって理解されるように、あらゆる目的のために、特に、書面による説明を提供するという観点から、本明細書において開示される全ての範囲は、それらのあらゆる可能な部分範囲及び部分範囲の組み合わせも包含する。任意の列挙される範囲は、少なくとも２等分、３等分、４等分、５等分、１０等分に分割された同じ範囲を十分に説明する及び可能にすると容易に認識され得る。非限定的な例として、本明細書で論じられる各範囲は、下三分の一、中三分の一、及び上三分の一等に容易に分割され得る。また当業者には理解されるように、「最大〜まで」、「少なくとも」、「超」、「未満」等の全ての文言は、列挙されるかまたは参照される数を含み、それは、上で論じたように、後に部分範囲に分割することができる。最後に、当業者には理解されるように、範囲は各個々の構成要素を含む。
【０１４６】
本明細書において参照される全ての刊行物、特許出願、交付済み特許、及び他の文献は、各個々の刊行物、特許出願、交付済み特許、または他の文献が、参照によりその全体が組み込まれることが具体的かつ個々に示されているかのように、参照によって本明細書に組み込まれる。参照によって組み込まれる記載内容に含まれる定義は、それらが本開示における定義に矛盾する限り除外される。
【０１４７】
他の実施形態は、以下の特許請求の範囲に記載される。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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