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▶ ズルツァー マネジメント アクチエンゲゼルシャフトの特許一覧
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-12-19
(45)【発行日】2024-12-27
(54)【発明の名称】材料要求の少ない構造クロスチャンネル充填要素
(51)【国際特許分類】
F28F 25/08 20060101AFI20241220BHJP
B01J 19/32 20060101ALI20241220BHJP
【ＦＩ】
F28F25/08 A
B01J19/32
【請求項の数】
15
(21)【出願番号】P 2022522246
(86)(22)【出願日】2020-09-28
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2022-12-07
(86)【国際出願番号】 EP2020077123
(87)【国際公開番号】W WO2021073859
(87)【国際公開日】2021-04-22
【審査請求日】2023-07-05
(31)【優先権主張番号】19202989.0
(32)【優先日】2019-10-14
(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP
(73)【特許権者】
【識別番号】515169326
【氏名又は名称】ズルツァー マネジメント アクチエンゲゼルシャフト
(74)【代理人】
【識別番号】110000855
【氏名又は名称】弁理士法人浅村特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】アオスナー、イリヤ
(72)【発明者】
【氏名】ウェールリ、マルク
(72)【発明者】
【氏名】ケーラー、フロリアン
(72)【発明者】
【氏名】ホルシッツ、ベルンハルト
【審査官】礒部 賢
(56)【参考文献】
【文献】特開２００１－３１０１２５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００７－２２２７６３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００５－２５７６０５（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許第０５２６７４４４（ＵＳ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１３／０１５４１５（ＷＯ，Ａ１）
【文献】米国特許第０３６８７８１８（ＵＳ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｆ２８Ｆ ２５／０８
Ｂ０１Ｊ １０／００ － １９／３２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
重い流体相と軽い流体相との間での物質移動及び／又は熱交換のためのカラム（１０）のための構造クロスチャンネル充填要素（１２）であって、前記構造クロスチャンネル充填要素（１２）は、各々が開口部（４０、４０’、４０’’、４０’’’）を有するエキスパンドメタル・シートで作られた少なくとも２つの隣接する層（３２、３２’）を有し、前記開口部（４０、４０’、４０’’、４０’’’）は、分離要素（４２）によって囲まれて互いに分離されており、
前記少なくとも２つの層（３２、３２’）のうちの少なくとも２つの層が、互いに平行に且つ互いに接触するように、前記充填要素（１２）の長手方向（Ｖ）に配置され、それにより前記少なくとも２つの層（３２、３２’）の一方の端部から反対側の端部まで延びるオープンスペース（３０）が前記少なくとも２つの層（３２、３２’）の間に提供され、それにより前記重い流体相及び前記軽い流体相のうちの少なくとも一方が前記オープンスペース（３０）を通って流れることができ、
隣接する開口部（４０、４０’、４０’’、４０’’’）の間の前記分離要素（４２）の少なくとも５０％の平均幅（ｂ）と、シート材料厚さ（ｓ）との間の比が少なくとも１５であり、前記長手方向（Ｖ）に垂直である平面内で測定した前記少なくとも２つの層（３２．３２’）のうちの少なくとも２つの層の間の最大距離（Ｄ）と、前記分離要素（４２）の前記平均幅（ｂ）との間の比が少なくとも４であり、また前記エキスパンドメタル・シートの延伸方向に垂直である方向において分離要素（４２）に隣接する２つの開口部（４０、４０’’’）の間の距離（ｕ１）と、この分離要素（４２）の前記平均幅（ｂ）との間の比が、すべての分離要素（４２）の少なくとも５０％において、４から６であり、
前記距離（ｕ１）は、前記エキスパンドメタル・シートの前記延伸方向に垂直な方向における開口部（４０）の縁部の一方側の最外ポイントと、前記エキスパンドメタル・シートの同じ方向における隣接する開口部（４０’’’）の縁部の同じ側の最外ポイントとの間の距離を決定することによって測定され、前記充填要素（１２）の前記長手方向は本明細書で定義される通りであり、前記エキスパンドメタル・シートの前記延伸方向は、前記構造クロスチャンネル充填要素（１２）の前記長手方向（Ｖ）に垂直な方向であり、また
分離要素（４２）の前記平均幅（ｂ）は、前記分離要素（４２）を、それぞれがセクション長さｄｉを有する個別のセクションｉ＝１、２、３、．．．ｎへ分割することによって決定され、前記セクションの各々に関して、前記セクション内の前記隣接する縁部の間の最短距離ｂｉが測定され、積ｄｉ・ｂｉの和がｄｉの和で割られて、前記分離要素（４２）の前記平均幅ｂが得られる、構造クロスチャンネル充填要素（１２）。
【請求項2】
前記少なくとも２つの層（３２、３２’）の少なくとも５０％、好適には少なくとも７５％、より好適には少なくとも８０％、さらに好適には少なくとも９０％、さらに好適には少なくとも９５％、最も好適にはすべてが、エキスパンドメタル・シートで作られ、且つ周期的な変形部分（２６、２８、３４）を有し、前記層（３２、３２’）は、前記隣接する層（３２、３２’）の前記周期的な変形部分（２６、２８、３４）が、前記長手方向（Ｖ）に対して斜めに延びる前記層（３２、３２’）の前記周期的な変形部分（２６、２８、３４）と十字交差態様で交差するように方向付けられ、
各層（３２、３２’）が、前記層（３２、３２’）の前記周期的な変形部分（２６、２８、３４）と、前記隣接する層（３２、３２’）の前記変形部分との間の交差ポイントで前記隣接する層（３２、３２’）の各々に接触し、また
前記少なくとも２つの層（３２、３２’）の間の前記オープンスペース（３０）は、前記周期的な変形部分（２６、２８、３４）によって画定される、請求項１に記載の構造充填要素（１２）。
【請求項3】
前記距離（ｕ１）と、少なくとも７５％、より好適には少なくとも８０％、さらに好適には少なくとも９０％、さらに好適には少なくとも９５％、最も好適にはすべての分離要素（４２）の前記平均幅（ｂ）との間の比が、４から６、好適には４．５から５．５、より好適には４．９から５．１である、請求項１又は２に記載の構造充填要素（１２）。
【請求項4】
少なくとも５０％、好適には少なくとも７５％、より好適には少なくとも８０％、さらに好適には少なくとも９０％、さらに好適には少なくとも９５％、最も好適にはすべての開口部（４０、４０’、４０’’、４０’’’）において、前記距離（ｕ１）が、５ｍｍから２０ｍｍ、好適には７．５ｍｍから１５ｍｍ、より好適には９ｍｍから１１ｍｍである、請求項１から３までのいずれか一項に記載の構造充填要素（１２）。
【請求項5】
前記長手方向（Ｖ）に垂直な方向である前記エキスパンドメタル・シートの前記延伸方向において互いに隣接する第１の開口部（４０）と第２の開口部（４０’）との間の前記距離（ｕ２）と、前記エキスパンドメタル・シートの前記延伸方向に垂直な方向において互いに隣接する前記第１の開口部（４０）と第３の開口部ｊ（４０’’）との間の前記距離（ｕ１）との間の比が０．４から０．７であり、前記距離（ｕ２）は、前記エキスパンドメタル・シートの前記延伸方向における前記第１の開口部（４０）の前記縁部の一方側の前記最外ポイントと、前記エキスパンドメタル・シートの前記延伸方向において隣接する前記隣接する第２の開口部（４０’）の前記縁部の同じ側の前記最外ポイントとの間の距離を決定することによって測定され、また
前記距離（ｕ１）は、前記エキスパンドメタル・シートの前記延伸方向に垂直な方向における前記第１の開口部（４０）の前記縁部の一方側の前記最外ポイントと、前記エキスパンドメタル・シートの同じ方向における前記隣接する第３の開口部（４０’’’）の前記縁部の同じ側の前記最外ポイントとの間の距離を決定することによって測定される、請求項１から４までのいずれか一項に記載の構造充填要素（１２）。
【請求項6】
少なくとも５０％、好適には少なくとも７５％、より好適には少なくとも８０％、さらに好適には少なくとも９０％、さらに好適には少なくとも９５％、最も好適にはすべての開口部（４０、４０’、４０’’、４０’’’）において、前記距離（ｕ２）と前記距離（ｕ１）との間の比が０．４から０．７、好適には０．４５から０．７０、より好適には０．４９から０．５５である、請求項１から５までのいずれか一項に記載の構造充填要素（１２）。
【請求項7】
少なくとも５０％、好適には少なくとも７５％、より好適には少なくとも８０％、さらに好適には少なくとも９０％、さらに好適には少なくとも９５％、最も好適にはすべての開口部（４０、４０’、４０’’、４０’’’）において、前記距離（ｕ２）が、２ｍｍから８ｍｍであり、好適には３ｍｍから７ｍｍであり、より好適には４ｍｍから６ｍｍである、請求項１から６までのいずれか一項に記載の構造充填要素（１２）。
【請求項8】
隣接する開口部（４０、４０’、４０’’、４０’’’）の間の、少なくとも５０％、好適には少なくとも７５％、より好適には少なくとも８０％、さらに好適には少なくとも９０％、さらに好適には少なくとも９５％、最も好適にはすべての分離要素（４２）の前記平均幅（ｂ）が、１．５ｍｍから４ｍｍ、好適には１．６ｍｍから３．５ｍｍ、最も好適には１．８ｍｍから３．０ｍｍである、請求項１から７までのいずれか一項に記載の構造充填要素（１２）。
【請求項9】
隣接する開口部（４０、４０’、４０’’、４０’’’）の間の少なくとも１つの分離要素（４２）の前記平均幅（ｂ）と、前記シート材料厚さ（ｓ）との間の比が、少なくとも１８である、請求項１から８までのいずれか一項に記載の構造充填要素（１２）。
【請求項10】
前記少なくとも２つの層（３２、３２’）の少なくとも５０％の間、好適には少なくとも７５％の間、より好適には少なくとも８０％の間、さらに好適には少なくとも９０％の間、さらに好適には少なくとも９５％の間、最も好適にはすべての前記少なくとも２つの層（３２、３２’）の間において、前記長手方向（Ｖ）に垂直である前記平面内で測定した前記最大距離（Ｄ）と、前記分離要素（４２）の前記平均幅（ｂ）との間の比が、４から１５、好適には５から１３、最も好適には８から１２である、請求項１から９までのいずれか一項に記載の構造充填要素（１２）。
【請求項11】
前記少なくとも２つの層（３２、３２’）の少なくとも５０％、好適には少なくとも７５％、より好適には少なくとも８０％、さらに好適には少なくとも９０％、さらに好適には少なくとも９５％において、前記開口部（４０、４０’、４０’’、４０’’’）の全面積を前記層（３２、３２’）のシート面積（ＡＳ）で割ったときの比が、２０％から３８％の間、好適には２５％から３５％の間、最も好適には２８％から３２％の間である、請求項１から１０までのいずれか一項に記載の構造充填要素（１２）。
【請求項12】
前記開口部（４０、４０’、４０’’、４０’’’）の少なくとも５０％、好適には少なくとも７５％、より好適には少なくとも８０％、さらに好適には少なくとも９０％、さらに好適には少なくとも９５％、最も好適にはすべてが、１ｍｍから４ｍｍ、好適には２ｍｍから３ｍｍである前記開口部（４０、４０’、４０’’、４０’’’）のより短い固有長さ（ｅ２）と、２ｍｍから８ｍｍ、好適には２．５ｍｍから７ｍｍ、最も好適には３ｍｍから６ｍｍであるより長い固有長さ（ｅ１）とを有し、開口部（４０、４０’、４０’’、４０’’’）の前記より短い固有長さ（ｅ２）が、前記エキスパンドメタル・シートの前記延伸方向における前記開口部（４０、４０’、４０’’、４０’’’）の最大寸法であり、開口部（４０、４０’、４０’’、４０’’’）の前記より長い固有長さ（ｅ１）が、前記エキスパンドメタル・シートの前記延伸方向に垂直な方向における前記開口部（４０、４０’、４０’’、４０’’’）の最大寸法である、請求項１から１１までのいずれか一項に記載の構造充填要素（１２）。
【請求項13】
前記開口部（４０、４０’、４０’’、４０’’’）の少なくとも５０％、好適には少なくとも７５％、より好適には少なくとも８０％、さらに好適には少なくとも９０％、さらに好適には少なくとも９５％、最も好適にはすべてにおいて、開口部（４０、４０’、４０’’、４０’’’）の前記より短い固有長さ（ｅ２）と、同じ開口部（４０、４０’、４０’’、４０’’’）の前記より長い固有長さ（ｅ１）との間の比が、０．４から０．７、好適には０．４５から０．６ｍｍ、最も好適には０．４９から０．５５ｍｍである、請求項１から１２までのいずれか一項に記載の構造充填要素（１２）。
【請求項14】
請求項１から１３までのいずれか一項に記載の少なくとも１つの構造充填要素（１２）を有する物質移動カラム。
【請求項15】
物質移動及び／又は熱交換のための、請求項１から１３までのいずれか一項に記載の構造充填要素（１２）の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、重い流体相（ｈｅａｖｙ ｆｌｕｉｄ ｐｈａｓｅ）と軽い流体相（ｌｉｇｈｔ ｆｌｕｉｄ ｐｈａｓｅ）との間の物質移動及び／又は熱交換用カラムのための構造クロスチャンネル充填要素に関する。
【背景技術】
【0002】
構造充填要素（ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ ｐａｃｋｉｎｇ ｅｌｅｍｅｎｔ；規則充填要素）は、物質移動カラムで、例えば分留カラム、蒸留カラム、吸収カラム、抽出カラム、又は煙道ガス・スクラバなどで使用される。構造充填要素は、異なる密度の少なくとも２つの流体相の間での物質移動及び／又は熱伝達を改善するように機能し、構造充填要素は、通常、対向流内で動作する。蒸留用途及び吸収用途では軽相がガス又は蒸気であり、重相が凝縮物又は液体であるのに対して、抽出プロセスでは両方の相が異なる密度を有する液体である。構造充填要素は複数の異なる層を有し、複数の異なる層の各々がより重い相のための表面積を提供する。より重い相は層の表面に沿って下方にゆっくりと流れて（ｔｒｉｃｋｌｅ ｄｏｗｎ；滴下して）拡散する。加えて、構造充填要素の異なる層の間にオープンスペースが設けられ、オープンスペースに軽相（例えば、蒸留においては、蒸気又はガス）が充填され、オープンスペースが上行する軽相のための経路を提供し、同時に、軽相が圧力勾配によって移動させられる。圧力勾配は流れ抵抗に打ち勝つのに必要である。対向流の物質移動の一般的な事例では、軽相の平均流れ方向が構造充填要素の底部から頂部に、したがって、より重い相の平均流れ方向の反対に向かう。構造充填要素の表面上で１つの重相が拡散するのを可能にすることにより、少なくとも２つの相の間に界面が作り出され、その結果、相の間での効率的な熱伝達及び物質移動が界面で確立される。２つ以上の重相を用いる用途も存在する可能性がある。１つの例が抽出蒸留である。
【0003】
物質移動カラムが、通常、構造充填要素の複数のベッドを有する。通常、そこを通って軽相が上行するのに十分なスペースを残しながら、ベッドの断面にわたって重相を一様に分散させるために、分散装置が各ベッドの頂部に配置される。さらに、多くの場合、グリッド状の保持デバイス及び収集装置が各ベッドの下方に配置され、グリッド状の構造がベッドをその定位置で維持し、収集装置がベッドから下方にゆっくりと流れる重相を収集し、この間、軽相を上行させるための十分なオープンスペースが収集装置内に残される。
【0004】
一般的な種類の構造充填要素は、いわゆるクロスチャンネル波形充填物（ｃｒｏｓｓ－ｃｈａｎｎｅｌ ｃｏｒｒｕｇａｔｅｄ ｓｈｅｅｌ ｐａｃｋｉｎｇ）であり、このクロスチャンネル波形充填物は、例えば複数の波形シートから組み立てられ、複数の波形シートが互いに平行であり互いに接触している。通常、波形メタルシートが、波形シートの長手方向セクションに対して垂直に波形シートを貫通する複数の棒により互いに対して固定され、棒が、ワッシャ及びナットにより、又は棒を曲げることにより、最初の及び最後の波形シートに対して固定される。各波形シートが、交互の向きの山及び谷などの、複数の周期的な変形部分を有し、隣接する波形シートが、これらの隣接する波形シートの波形を、垂直方向又は長手方向に対して斜めに延在する波形シートの波形と十字交差で交差させるように方向付けられ、それにより、互いを連続的に横断する傾斜チャンネルを形成する。これらのチャンネルが充填物内のガス相及び液相の流れに良い影響を与え、相の間での物質移動を促進する。つまり、ガス相及び液相が構造充填要素のチャンネル内で接触させられ、したがって、相の間での物質移動さらには熱伝達が促進される。より具体的には、上行するガスが、シートの表面上に存在する液体に接触し、物質移動カラムを通って下方に流れるときにチャンネルを形成する。この接触中、ガス中に豊富に含まれる成分が液体の中へ及びその逆で移送される。これは効率的な物質移動が行われていることを意味する。これらの充填物は、例えば、ＤＥ１２５３６７３、ＣＡ１２７０７５１、及び米国特許第６，２０６，３４９（Ｂ１）号で開示されている。
【0005】
単位時間当たりの物質移動の量はガスと液体との間の界面の面積に比例し、界面の面積が、充填要素の層の表面のうちの液体によって湿っている部分が増すにつれて、大きくなる。金網で作られたクロスチャンネル波形充填物は、金網の毛管力による波形シートの表面での重相の良好な拡散のおかげで良好な湿潤性を有し、したがって（この良好な湿潤性のおかげで）高い物質移動効率を有することが知られている。このような構造充填要素の例として、１９６０年代に最初に出されたＳｕｌｚｅｒ充填物タイプＢＸ及びＣＹがある。このような構造充填要素の別の例がＥＰ１４７７２２４Ａ１に開示されている。しかし、金属ワイヤの網は高価な材料である。これを理由として、網材料を多数の小さい開口部を有する波形メタルシートに置き換える試みが行われてきた。１つの例として市販されているＭｏｎｔｚ－Ｐａｋ Ｔｙｐｅ ＢＳＨがある。物質移動カラムの動作中、毛管力によりこの充填物の開口部は重相で満たされる。このような波形の、比較的精密に構造化された有孔性メタルシートの湿潤性は金網に基づく充填物の湿潤性より低く、シートの生産が依然として比較的高価なままであり、これは部分的に、精密な構造に付随する低速の生産プロセスを原因とする。
【0006】
上述したように、高い物質移動効率のためには、構造充填要素の表面が液体によって良好に覆われることが重要である。その理由は、与えられ得る充填物の物理的面積（ｐｈｙｓｉｃａｌ ａｒｅａ）ほどには軽相が重相に接触しないことで、不十分性（ｆａｉｌｕｒｅ）により充填材料が無駄になるからである。層の表面上での重相の拡散を促進するための代替の提案（構造充填要素のための材料として金網又は波形の非常に精密なエキスパンドメタル（ｅｘｐａｎｄｅｄ ｍｅｔａｌ）シートを使用することの代わり）が、米国特許第４，２９６，０５０号、ＧＢ１，５６９，８２８、米国特許第４，９８１，６２１号、及びＥＰ３００３５５０Ａ１などで開示されているように、有孔性を有する層及び別の表面テクスチャを提供することである。
【0007】
構造充填要素の表面の使用をさらに改善するために、既に、ＤＥ３８１８９１７Ｃ１及びＣＮ８８２００２５２Ｕで、高い空隙率（つまり、層内の開口部の全面積を層のシート面積によって割ったときの大きい商）を有する有孔性層で作られたクロスチャンネル波形充填物を提供することが提案されている。より具体的には、ＤＥ３８１８９１７Ｃ１が、分離要素により互いに分離された開口部を有するシート層で作られた構造充填要素を開示している。開口部の縁部が突出するリム部を有し、隣接する開口部のリム部がシート層の表面の上側から上方に及びシート層の表面の下側から下方に交互に延在する。さらに、ＤＥ３８１８９１７Ｃ１が、層の開口部が、隣接する開口部の間に位置する分離要素の幅より３倍から７倍大きいことを教示している。これにより、５０％以上のオーダーの非常に高い空隙率を有する有孔のメタルシート（ｏｐｅｎ ｍｅｔａｌ ｓｈｅｅｔ）で作られた構造充填要素が得られる。ＣＮ８８２００２５２Ｕが、０．１ｍｍから０．５ｍｍの厚さを有する有孔性シートで作られた構造充填要素を開示している。開口部がひし形形状を有し、開口部の幅が２ｍｍから３ｍｍの間であり、シート上の有孔エリア（ｏｐｅｎ ａｒｅａ）のパーセンテージすなわち空隙率が４０％から５０％である。したがって、これらの両方の従来技術文献は、４０％を超え、好適には約５０％である、非常に高い空隙率を有するシート層を有する構造充填要素を提供することを教示するものである。これらとは対照的に、従来の構造充填要素は最大でも１０％程度の非常に低い空隙率しか有さない。
【0008】
クロスチャンネル波形充填物ではない別の原理に基づく構造充填要素が、例えば、ＥＰ００６９２４１Ａ１、米国特許第４，３０４，７３８号、及びＥＰ０２５００６１Ａ１に開示されている。これらの構造充填要素の層が、エキスパンド・シートメタルから構成され、層が引き伸ばしプロセスにより特定の層幅を呈することになる。しかし、クロスチャンネル波形充填物とは異なり、これらの構造充填要素の層は波形ではなく、引き伸ばしプロセスに付随する変形部分を除いて、変形しない。これにより、上行する蒸気のためのオープンスペースが制限される。したがって、物質移動効率が最適なものとならない。その理由は、層の間のオープンスペースが、構造充填要素の断面の平面の全体にわたっての均質的な分散を促進する手法で上行する蒸気を移動させる明確に画定される経路を提供しないからである。充填物の形状を画定するときに自由度を増大させることにより蒸気を特定の方向に強制的に動かす（ｉｍｐｏｓｅ ｏｎ）ことが望ましい。
【0009】
高い物質移動効率とは別に、容量が、構造充填要素のための重要な側面である。構造充填要素内での軽相及び重相の流量が増大すると、構造充填要素内での圧力降下が増大する。特定の圧力降下においては、２つの相の間の摩擦に対抗するのに重力では十分な強さとはならず、それぞれの重相又は液相がそれぞれの軽相又はガス相に混入し、したがって重相又は液相が構造充填要素に沿ってそれ以上降下することができなくなる。この時点で物質移動が停止する。この状況はフラッディングと呼ばれる。このフラッディング・ポイントが構造充填要素の容量を決定し、つまり、構造充填要素の容量が、２つの流量のうちのいずれの増大がフラッディングに到達するときに超えることになる対向流相のペアの最大流量によって特徴付けられる。フラッディング・ポイントは固有の圧力降下に関連し、固有の圧力降下は一般には充填物高さ１メートル当たり１０ｈＰａ（１０ｍｂａｒ）のオーダーである。
【0010】
構造充填要素が良好な物質移動効率さらには良好な容量を有することが最適である。その理由は、これにより、所与の容量において物質移動カラムの直径及び／又は高さを低減すること、並びにそれにより物質移動カラムの投資コストを最小にすることが可能となるからである。しかし、これらの２つの特性は比面積（ｓｐｅｃｉｆｉｃ ａｒｅａ）及び他の幾何学的パラメータに関して反対の傾向に依存する。より具体的には、大きい比面積、つまり構造充填要素の幾何学的面積（ｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌ ａｒｅａ）を構造充填要素によって占有されるボリュームによって割ったときの大きい商が、軽相と重相との間での高い程度の接触に繋がる。その理由は、それぞれの構造充填要素が、通常は充填物高さ１ｍ当たりの理論段数（ＮＴＳＭ）の数として表される、高い物質移動効率を有するからである。しかし、大きい比面積を有する構造充填要素は軽相に対しての高い流れ抵抗によって特徴付けられる。その理由は、それぞれの構造充填要素が、充填物の単位高さ当たりのより大きい圧力降下を有し（軽相の所与の流量において）、したがって、小さい比面積を有する充填物より小さい容量を有するからである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0011】
【文献】ＤＥ１２５３６７３
【文献】ＣＡ１２７０７５１
【文献】米国特許第６，２０６，３４９（Ｂ１）号
【文献】ＥＰ１４７７２２４Ａ１
【文献】米国特許第４，２９６、０５０号
【文献】ＧＢ１，５６９，８２８
【文献】米国特許第４，９８１，６２１号
【文献】ＥＰ３００３５５０Ａ１
【文献】ＤＥ３８１８９１７Ｃ１
【文献】ＣＮ８８２００２５２Ｕ
【文献】ＥＰ００６９２４１Ａ１
【文献】米国特許第４，３０４，７３８号
【文献】ＥＰ０２５００６１Ａ１
【文献】ＥＰ０１９０４３５Ｂ１
【文献】ＥＰ０９９５９５８Ｂ１
【文献】米国特許第６，８７４，７６９（Ｂ２）号
【非特許文献】
【0012】
【文献】Ｕ．Ｏｎｋｅｎ、Ｗ．Ａｒｌｔ、「Ｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄ Ｔｅｓｔ Ｍｉｘｔｕｒｅｓ ｆｏｒ Ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ Ｃｏｌｕｍｎｓ」、２ｎｄ Ｅｄ．１９９０、Ｔｈｅ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ、Ｒｕｇｂｙ、Ｅｎｇｌａｎｄ．ＩＳＢＮ０－８５２９５－２４８－１
【文献】Ｍ．Ｒ．Ｆｅｎｓｋｅ、Ｉｎｄ、Ｅｎｇｎｇ．Ｃｈｅｍ．２４、４８２頁、１９３２年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0013】
上記を鑑みて、本発明の根底にある目的は、それぞれ、所与の容量においてより高い物質移動効率を有する、又は所与の物質移動効率においてより大きい容量を有する、或いは所与の物質移動効率においてより小さい重量を有する、高コスト効率の多目的な構造充填要素を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0014】
本発明によると、この目的は、重い流体相と軽い流体相との間での物質移動及び／又は熱交換のためのカラムのための構造クロスチャンネル充填要素を提供することによって達成され、構造クロスチャンネル充填要素が、開口部を各々有するエキスパンドメタル・シートで作られた少なくとも２つの隣接する層を有し、開口部が分離要素によって囲まれてこれらの分離要素によって互いに分離され、少なくとも２つの層のうちの少なくとも２つの層が充填要素の長手方向において互いに平行に且つ互いに接触するように配置され、その結果、少なくとも２つの層の一方の端部から反対側の端部まで延在するオープンスペースがこれらの少なくとも２つの層の間に設けられ、その結果、重い流体相及び軽い流体相のうちの少なくとも１つの相がそこを通って流れることができるようになり、隣接する開口部の間の分離要素のうちの少なくとも１つの分離要素の、また好適には少なくとも５０％の平均幅とシート材料厚さとの間の比が少なくとも１５であり、長手方向に対して垂直である平面で測定される少なくとも２つの層のうちの少なくとも２つの層の間の最大距離と分離要素の平均幅との間の比が少なくとも４であり、エキスパンドメタル・シートの延伸方向に対して垂直である方向において分離要素に隣接する２つの開口部の間の距離とこの分離要素の平均幅との間の比が好適にはすべての分離要素の少なくとも５０％において４から６であり、２つの開口部の間の距離が、エキスパンドメタル・シートの延伸方向に対して垂直である方向における開口部のうちの１つの開口部の縁部の一方側の最外ポイントとエキスパンドメタル・シートの同じ方向における隣接する開口部の縁部の同じ側の最外ポイントとの間の距離を決定することによって測定され、充填要素の長手方向が本明細書で定義される通りであり、エキスパンドメタル・シートの延伸方向が構造クロスチャンネル充填要素の長手方向に対して垂直である方向であり、分離要素の平均幅が、分離要素を、セクション長さｄｉを各々有する個別のセクションｉ＝１、２、３、．．．ｎへ分割することによって決定され、これらのセクションの各々のセクションにおいて、セクション内の隣接する縁部の間の最短距離ｂｉが測定され、積ｄｉ・ｂｉの合計値がｄｉの合計値によって割られ、分離要素の平均幅ｂが得られる。
【0015】
この解決策は、隣接する開口部の間の分離要素の平均幅が開口部に対して相対的に大きく（つまり、分離要素に隣接するエキスパンドメタル・シートの延伸方向（長手方向に対して垂直である方向）に対して垂直である２つの開口部の間の距離とこの分離要素の平均幅との間の比が４から６である）、さらにはシート材料厚さより大幅に幅広である（つまり、１５倍以上）場合に、所与の容量における物質移動効率が有意に改善され得る、という驚くべき発見に基づく。
【0016】
これは特に予期できないことであった。その理由は、これがＤＥ３８１８９１７Ｃ１及びＣＮ８８２００２５２Ｕの教示に矛盾するからである。これらの２つの従来技術の文献は、分離要素の間に吊設される独立フィルム（ｆｒｅｅ ｆｉｌｍ）が物質移動面積に２倍寄与することを暗に示しており、したがって、さらに分離要素の幅を最小にすること及び物理的面積のさらなる部分を取り除くことを提案している。これを鑑みて、上で言及したパラメータを上述したように調整することにより所与の容量における物質移動効率が大幅に改善されるということはさらに驚くべきこととなる。
【0017】
本発明による構造充填要素の別の有意な利点は、これが高価な層材料の使用に一切基づかないことである。むしろ、これらの層はエキスパンドメタル・シートから単純に生産され、つまり、薄いメタルプレートを切断及び延伸して第２のステップでエキスパンドメタル・シートを例えば波形シートへと変形させることにより、単純に生産される。したがって、高コスト効率の原材料が使用され、原材料を延伸することによりこの高コスト効率の原材料の材料の必要量がさらに低減される。全体として見ると、本発明は、それぞれ、所与の容量においてより高い物質移動効率を有する、又は所与の物質移動効率においてより大きい容量を有する、高コスト効率の多目的な構造クロスチャンネル充填要素を提供する。
【0018】
構造クロスチャンネル充填要素の長手方向が、物質移動及び／又は熱交換のカラムに組み込まれた場合の構造クロスチャンネル充填要素の頂部エリアから底部エリアまでの方向であり、つまり、長手方向が、物質移動及び／又は熱交換のカラムの頂部から底部までの方向である。言い換えると、これは、構造クロスチャンネル充填要素並びに物質移動及び／又は熱交換のカラムのそれぞれの動作中のより重い相の重力駆動の（ｇｒａｖｉｔｙ－ｄｒｉｖｅｎ）意図される流れ方向である。より具体的には、構造クロスチャンネル充填要素の長手方向が以下のように決定され得る：構造クロスチャンネル充填要素が水平方向エリア上に配置され、その結果、互いに平行に配置されて互いに接触している構造クロスチャンネル充填要素の層が垂直方向に延在し、さらにその結果、層の一方の端部から反対側の端部まで延在するオープンスペース（又は、層の周期的な変形部分によってそれぞれ囲まれてしたがって画定されるチャンネル）が、構造クロスチャンネル充填要素の頂部から底部まで延在する。したがって、長手方向が、このように配置された構造クロスチャンネル充填要素の頂部から底部までの方向であり、つまり、言い換えると：このように配置された構造クロスチャンネル充填要素の頂部の上に落下する例えば水などの重相がオープンスペースに沿って重力駆動で下方に流れ、長手方向が重相の平均流れ方向である。
【0019】
最大距離（以降、「Ｄ」とも称され、つまり「Ｄ」と略される）が、上で言及した平面で測定される１つの単層の延在範囲である層幅（以降、「Ｗ」とも称され、つまり「Ｗ」と略される）に密接に関連する。通常、Ｗの値はＤの約半分である。２つの層の間のオープンスペースが層幅Ｗにより得られる。長手方向に対して垂直である平面で測定される、構造充填要素の２つの隣接する層の間の最大距離Ｄが、本発明によると、これらの層の間の距離を意味する（２つの平行な平坦シートの事例などにおいて、これらの層の間の距離が隣接する層の表面全体にわたって一定である場合）。層の間の距離が隣接する層の表面全体にわたって一定ではない場合、つまり層の異なる表面部分の間の距離が異なる場合、２つの隣接する層の間の最大距離Ｄが、両方の層の間の長手方向に対して垂直である平面の距離を最大とするような、両方の層の表面部分の間の距離である。より具体的には、長手方向に対して垂直である平面で測定される構造充填要素の２つの隣接する層の間の最大距離Ｄが、本発明によると、最も離れた２つのポイントＡ及びＢの間の距離を意味し、ポイントＡが第１の層上にあり、ポイントＢが第２の層上にある。２つの平行な平面が画定され、一方の平面がポイントＡを含み、もう一方の平面がポイントＢを含む。これらの２つの平行な平面が、２つの層の向きに実質的に平行に方向付けられる。距離Ｄが、これらの２つの平行な平面の間の距離として定義される。
【0020】
本発明によると、構造充填要素が、長手方向において互いに平行に配置された少なくとも２つの層を有する。２つの層の平行な配置構成は、本発明によると、層のうちの一方の層が、もう一方の層に対して、最大＋／－２０°、好適には最大＋／－１０°、より好適には最大＋／－５°、さらに好適には最大＋／－２°の角度で傾斜し、最も好適には、もう一方の層に対して一切傾斜していないことを意味する。
【0021】
さらに、本発明によると、隣接する開口部の間の分離要素の少なくとも５０％の平均幅とシート材料厚さとの間の比が少なくとも１５である。これは、分離要素の少なくとも５０％において、それぞれの分離要素の平均幅とシート材料厚さとの間の比が少なくとも１５であることを意味する。好適には、隣接する開口部の間の分離要素の、少なくとも７５％、より好適には少なくとも８０％、さらに好適には少なくとも９０％、さらに好適には少なくとも９５％、最も好適にはすべての平均幅とシート材料厚さとの間の比が少なくとも１５である。
【0022】
シート材料厚さは、それぞれ、層を構成又は形成する材料の厚さを意味する。本発明によると層がエキスパンドメタル・シートによって作られることから、シート材料厚さはシート厚さである。シート厚さが層のエリアにわたって変化する場合、シート材料厚さは、例えばマイクロメータねじにより、シート材料厚さの外側縁部のうちの１つの外側縁部で測定されるシート厚さである。例えば、層を形成する材料の厚さが、マイクロメータねじを用いて外側縁部のうちの１つ又は複数の外側縁部の、少なくとも２つの、好適には少なくとも３つの、より好適には少なくとも５つのロケーションにおいて測定され、その後、得られた数値が合計され、合計値を測定数で割ることにより平均が求められる。例えば、マイクロメータねじを用いて層の外側縁部のうちの１つ又は複数の外側縁部の、２個から２０個、好適には２個から１０個、より好適には３個から１０個、最も好適には５個から１０個のロケーションで厚さが測定される場合、良好な結果が得られ、異なるロケーションが外側縁部に沿って互いに約３ｃｍ離れる。マイクロメータねじは、１つの固定測定エリア及び１つの可変測定エリアを有する既知の測定デバイスであり、可変測定エリアが精密なねじを用いて調整可能である。可変測定エリアが固定測定エリアまで完全に移動させられると、それぞれ、両方の測定エリアが互いに接触することができるか又は触れることができる。両方の測定エリアが平坦であり、円形であり、両方の測定エリアの直径が好適には５ｍｍから６ｍｍである。
【0023】
本発明によると、分離要素が一定の幅を有する場合、分離要素の２つの平行な隣接する縁部の間の距離を測定することにより、分離要素の平均幅（以降、「ｂ」とも称され、つまり「ｂ」と略される）が決定される。分離要素が一定の幅を有さない場合、分離要素を、セクション長さｄｉを各々有する個別のセクションｉ＝１、２、３、．．．ｎへ分割することにより、分離要素の平均幅ｂが決定される。これらのセクションの各々において、セクション内の隣接する縁部の間の最短距離ｂｉが測定される。積ｄｉ・ｂｉの合計値がｄｉの合計値によって割られ、分離要素の平均幅ｂが得られる。分離要素の非一様性が増すと、より多くのより短いセクションが選択されなければならない。好適には、分離要素ごとの測定のためにとられる個別のセクションｉの数ｎは、１から１０００、より好適には５から１００、最も好適には５から２０である（８から１５など）。例えば、分離要素１ｃｍごとに５つのセクションが選択される。
【0024】
好適には、分離要素の平均幅ｂが、分離要素に隣接する開口部のうちの１つの開口部の上面図又は平面図上で決定される。これが、有利には、開口部の写真画像（ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｉｃ ｐｉｃｔｕｒｅ）を撮ることによって達成される。エキスパンドメタル・シートを平坦な表面の上に置いて、エキスパンドメタル・シートの頂部の上にプレートを置いて、分離要素及び開口部のジオメトリ及び寸法を変化させることなく、つまりエキスパンドメタル・シートのグリッド構造のジオメトリ及び寸法を変化させることなく、周期的な変形部分を取り除くためにエキスパンドメタル・シートを平坦化することのみのために十分に小さい圧力でプレートを下方に押圧することにより、それぞれのエキスパンドメタル・シートを平坦化した後で、開口部の写真画像を作ることにより、開口部の上面図が作られる。開口部の平面図は、構造クロスチャンネル充填要素内で使用されるときのその形態にあるエキスパンドメタル・シート上で作られ、つまり、エキスパンドメタル・シートを平坦化するか又は他のかたちで機械的に加工することなく、作られる。より具体的には、開口部の平面図は、開口部の隣接する縁部によって画定される平面の垂直軸に沿うものである。いくつかの事例では、このような平面が明確には画定されない。この事例では、トライアル・アンド・エラーにより最も適切な図が得られる。種々の角度から、少なくとも５個の写真又は好適には少なくとも１０個の写真などの、複数の写真が撮られる。この場合、開口部を最大にする写真が開口部の平面図とみなされる。平面図上でさらには上面図上で長さ及びサイズを決定するのに１つの基準長さｚが使用され得る。これは、開口部の近傍にある実際の物体上の特定の長さｚを識別又はマーキングして開口部の長さを測定することにより、最良に達成される。平面図上で測定される他のすべての距離を拡大・縮小するためには、それぞれの平面図又は上面図上でのこの距離の有効長さｚ’と実際の物体上で測定される距離ｚとの間の比が使用される。例えば、セグメント幅の実際の長さがｂｉ＝ｂｉ’・（ｚ／ｚ’）によって得られ、ここでダッシュの付いた変数はそれぞれ、平面図又は上面図上で測定された長さを意味し、ダッシュの付かない変数は実際の長さを意味する。
【0025】
本発明によると、公式４Ａ／Ｐを用いて開口部の水力直径ｄが計算される。Ａが開口部の断面積であり、Ｐが同じ開口部の周長である。開口部の形状が単純であり、例えば平坦な三角形、長方形、四辺形、又は台形などである場合、基本的な測定の基準（ｍｅａｓｕｒｅ）（形状の長さ及び高さ（ｓｈａｐｅ ｌｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｈｅｉｇｈｔ））並びに基本的な幾何学的公式（ユークリッド幾何学から知られている）を利用することにより、開口部の断面積が決定され得る。好適には、開口部の上面図又は平面図上で面積が決定される。複雑な形状は近似され得、面積Ａｊを有するｊ個（ｊ＝１、２、３、．．．ｍ）の単純な形状に細分化され得る。これらの形状の面積が、基本的な測定の基準及び基本的な幾何学的公式を利用して、再び計算され得る。開口部内の決定されたすべての面積Ａｊを合計することにより、開口部の面積Ａが得られる。開口部の形状の複雑さが増すと、より多くの細分化が必要となる。好適には、測定のためにとられる個別の単純な形状のセクションｊの数ｍは、１から１０００、好適には５から１００、より好適には５から２０（８から１５など）である。上記と同様に、上で定義した比ｚ／ｚ’に基づいて実際の長さが決定される。
【0026】
単純な形状の開口部の周長が、基本的な測定の基準及び基本的な幾何学的公式を利用して決定され得る。最も一般的な事例では、開口部の上面図又は平面図が使用される。開口部の周長が、開口部を最良に近似して閉じたポリゴンで開口部を表すｋ個（ｋ＝１、２、３、．．．Ｋ）の個別の直線Ｐｋに細分化される。これらの直線の長さを合計することにより、周長Ｐが得られる。再び、上で定義した比ｚ／ｚ’を利用して、これらの長さが実際の長さに変換される。
【0027】
平均幅ｂ、開口部の面積Ａ、及びその周長Ｐを決定するのに、数値画像処理（ｎｕｍｅｒｉｃ ｉｍａｇｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）の方法が使用され得る。この事例では、ピクセルのサイズにより基本ユニットが決定される。ピクセルベースの長さ及び面積を変換するために、比ｚ／ｚ’が、例えば上記で説明した手法などの適切な手法で定義され得る。分離要素に属するピクセル及び開口部に属する他のピクセルを識別するのに濃淡値が使用され得る。ピクセルを足し合わせて合計値にピクセル（実際の物体に関連する）の実際の面積を掛けることにより、直接的な手法で面積が計算され得る。セグメントの幅ｂｉ又は長さｄｉを決定するとき、幅の向きがピクセルの辺に平行ではない場合、三角法の法則が適用されなければならない。
【0028】
測定方法に関するさらなる詳細及び例示の実例が図に関連して後でさらに与えられる。
【0029】
本発明によると、構造クロスチャンネル充填要素の層がエキスパンドメタル・シートで作られ、エキスパンドメタル・シートが、シートメタルを引き伸ばすことにより、つまりシートメタルを切断して延伸することにより、生産される。したがって、得られる開口部は、一般的には、実質的に、楕円、レンズ状、台形、又はひし形であり、通常は、実質的に、レンズ状又は台形の形状である。したがって、図に概略的に示されるように、及び後でさらに詳細に説明されるように、各エキスパンドメタル・シートが実際には開口部を有するグリッドであり、各開口部が、幅ｂを各々有する分離要素によって囲まれ、隣接する開口部の分離要素が接点ポイントで互いに接続される。水力直径は一般に未知であるが、上述したように決定され得るか、又は後で説明するように一般的に使用される固有寸法（ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ）から計算され得る。エキスパンド・シートは、通常、それらの開口部の寸法及び分離要素ｂの（平均）幅によって特徴付けられる。したがって、通常は実質的にレンズ状又は台形として成形される開口部はより短い及びより長い固有長さ（ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｌｅｎｇｔｈ）を有し、開口部のより短い固有長さ（以降、「ｅ２」とも称され、つまり「ｅ２」と略される）がエキスパンドメタル・シートの延伸方向における開口部の最大寸法であり、開口部のより長い固有長さ（以降、「ｅ１」とも称され、つまり「ｅ１」と略される）がエキスパンドメタル・シートの延伸方向に対して垂直である方向における開口部の最大寸法である。エキスパンドメタル・シートの延伸方向は、エキスパンドメタル・シートの生産中にシートメタルを延伸するときに沿う方向である。より具体的には、延伸方向は、本発明によると、構造クロスチャンネル充填要素の長手方向に対して垂直である方向である。したがって、延伸方向に対して垂直である方向が、構造クロスチャンネル充填要素の長手方向である。分離要素ｂの（平均）幅ｂ及び開口部の固有長さが隣接する開口部の間の距離を決定する。エキスパンドメタル・シートの延伸方向において隣接する開口部の間の距離が、エキスパンドメタル・シートの延伸方向に対して垂直である方向において隣接する開口部の間の距離とは異なる。以降、エキスパンドメタル・シートの延伸方向において互いに隣接する第１の開口部と第２の開口部との間の距離はｕ２とも称され、つまりｕ２と略される。対して、第１の開口部と、エキスパンドメタル・シート延伸方向に対して垂直である方向において第１の開口部に隣接する第３の開口部との間の距離はｕ１とも称され、つまりｕ１と略される。これらの距離ｕ１及びｕ２は、図を参照して後で詳細に説明されるように測定され得る。開口部が概略ひし形形状である場合、それぞれの開口部の水力直径（以降、「ｄ」とも称され、つまり「ｄ」と略される）を決定するために以下の方程式が使用され得る。
ｅ１＝ｕ１－ｂ√（１＋ｕ１ ２／ｕ２ ２）
ｅ２＝ｅ１・ｕ２／ｕ１
ｄ＝ｅ１・ｅ２／√（ｅ１ ２＋ｅ２ ２）
ｅ１＝ｕ１－ｂ√（１＋ｕ１ ２／ｕ２ ２）
ｅ２＝ｅ１・ｕ２／ｕ１
ｄ＝ｅ１・ｅ２／√（ｅ１ ２＋ｅ２ ２）
【0030】
エキスパンドメタル・シートで現実的であるように、ｅ２／ｅ１の比が約０．５以下である場合、それぞれの開口部の水力直径ｄを決定するのに、ｅ１及びｅ２のための以下の単純化された方程式が使用され得る：
ｅ１＝ｕ１－ｂ・ｕ１／ｕ２
ｅ２＝ｕ２－ｂ
ｅ１＝ｕ１－ｂ・ｕ１／ｕ２
ｅ２＝ｕ２－ｂ
【0031】
さらに、エキスパンドメタル・シートが、ｕ２／２ｂとして定義される延伸係数（ｓｔｒｅｔｃｈｉｎｇ ｆａｃｔｏｒ）によって特徴付けられ得る。この延伸の逆数が、中実のメタルシートと比較して実現され得る材料節約を良好に示す。例示の実例を用いるこれらの寸法に関するさらなる詳細が図に関連して後でさらに与えられる。
【0032】
本発明によると、充填要素が構造クロスチャンネル充填要素である。したがって、少なくとも２つの層の、少なくとも５０％、好適には少なくとも７５％、より好適には少なくとも８０％、さらに好適には少なくとも９０％、さらに好適には少なくとも９５％、最も好適にはすべてが、エキスパンドメタル・シートで作られ、周期的な変形部分を有し、これらの層が、これらの隣接する層の周期的な変形部分を、長手方向に対して斜めに延在する層の周期的な変形部分と十字交差で交差させるように方向付けられる。層の、少なくとも５０％、好適には少なくとも７５％、より好適には少なくとも８０％、さらに好適には少なくとも９０％、さらに好適には少なくとも９５％、最も好適には各々が、層の周期的な変形部分と隣接する波形層の変形部分との間の交差ポイントにおいて隣接する層の各々に接触し、少なくとも２つの層の間のオープンスペースが周期的な変形部分によって画定される。好適には、層の２つの隣接する周期的な変形部分の最も上側のポイントの間の距離が、表面積に応じて、１０ｍｍから２５ｍｍの間であり、より好適には１３ｍｍから２３ｍｍの間である。
【0033】
具体的には、少なくとも２つの層のエキスパンドメタル・シートの延伸係数が１．１から１．５の間であり、より好適には１．２から１．３５の間である場合、良好な結果が達成される。
【0034】
本発明によると、エキスパンドメタル・シートの延伸方向に対して垂直である方向において開口部のうちの１つの開口部の縁部の一方側の最外ポイントとエキスパンドメタル・シートの同じ方向において隣接する開口部の縁部の同じ側の最外ポイントとの間の距離を決定することにより、距離ｕ１が測定される。例えば、構造クロスチャンネル充填要素の層の上面図又は平面図の写真画像が作られる場合（延伸方向が写真画像の垂直方向に示され、延伸方向に対して垂直である方向が写真画像の水平方向に示される）、距離ｕ１が、開口部の縁部の左側の最外ポイントとエキスパンドメタル・シートの同じ方向においてこの開口部に隣接する開口部の縁部の左側の最外ポイントとの間の距離として決定され得る。
【0035】
距離ｕ１を特に正確に決定するためには、エキスパンドメタル・シートの延伸方向に対して垂直である方向における開口部の縁部の一方側の最外ポイントと、エキスパンドメタル・シートの延伸方向に対して垂直である方向においてこの開口部に対して配置される第５の又は第ｎの隣接する開口部の縁部の同じ側の最外ポイントとの間の距離が測定され得、４又は（ｎ－１）によって割られ得る。
【0036】
より好適には、エキスパンドメタル・シートの延伸方向に対して垂直である方向における開口部の縁部の一方側の最外ポイントと、エキスパンドメタル・シートの延伸方向に対して垂直である方向においてこの開口部に対して配置される第１０の隣接する開口部の縁部の同じ側の最外ポイントとの間の距離を測定して、９で割ることにより、距離ｕ１が決定される。
【0037】
本発明によると、エキスパンドメタル・シートの延伸方向に対して垂直である方向において分離要素に隣接する２つの開口部の間の距離ｕ１と、この分離要素の平均幅との間の比が、すべての分離要素の少なくとも５０％において、４から６である。具体的には、距離ｕ１と、少なくとも７５％、より好適には少なくとも８０％、さらに好適には少なくとも９０％、さらに好適には少なくとも９５％、最も好適にはすべての分離要素の平均幅ｂとの間の比が、４から６、好適には４．５から５．５、より好適には４．９から５．１である場合、良好な決定が達成される。
【0038】
本発明の着想のさらなる発展形態では、距離ｕ１が、好適には、少なくとも５０％、より好適には少なくとも７５％、さらに好適には少なくとも８０％、さらに好適には少なくとも９０％、さらに好適には少なくとも９５％、最も好適にはすべての開口部において、５ｍｍから２０ｍｍである。より好適には距離ｕ１が、好適には少なくとも５０％、より好適には少なくとも７５％、さらに好適には少なくとも８０％、さらに好適には少なくとも９０％、さらに好適には少なくとも９５％、最も好適にはすべての開口部において、７．５ｍｍから１５ｍｍであり、最も好適には９ｍｍから１１ｍｍである。
【0039】
本発明の別の特定の実施例によると、エキスパンドメタル・シートの延伸方向において互いに隣接する第１の開口部と第２の開口部との間の距離ｕ２と、エキスパンドメタル・シートの延伸方向に対して垂直である方向において互いに隣接する第１の開口部と第３の開口部との間の距離ｕ１との間の比が０．４から０．７であり、エキスパンドメタル・シートの延伸方向における第１の開口部の縁部の一方側の最外ポイントとエキスパンドメタル・シートの延伸方向において隣接する隣接の第２の開口部の縁部の同じ側の最外ポイントとの間の距離を決定することにより、距離ｕ２が測定され、距離ｕ１が上述したように測定される。
【0040】
距離ｕ１を決定する場合と同様に、好適には、エキスパンドメタル・シートの延伸方向における第１の開口部の縁部の一方側の最外ポイントとエキスパンドメタル・シートの延伸方向においてこの開口部に対して配置される第５の又はさらには第１０（第ｎ）の隣接する開口部の縁部の同じ側の最外ポイントとの間の距離を決定して、この距離を４又は９（ｎ－１）でそれぞれ割ることにより、距離ｕ２が測定される。
【0041】
具体的には、距離ｕ２と距離ｕ１との間の比が、少なくとも５０％、好適には少なくとも７５％、より好適には少なくとも８０％、さらに好適には少なくとも９０％、さらに好適には少なくとも９５％、最も好適にはすべての開口部において、０．４から０．７、より好適には０．４５から０．７０、最も好適には０．４９から０．５５である場合、良好な結果が達成される。
【0042】
加えて、好適には、距離ｕ２が、少なくとも５０％、好適には少なくとも７５％、より好適には少なくとも８０％、さらに好適には少なくとも９０％、さらに好適には少なくとも９５％、最も好適にはすべての開口部において、２ｍｍから８ｍｍであり、より好適には３ｍｍから７ｍｍであり、最も好適には４ｍｍから６ｍｍである。
【0043】
本発明の別の特定の実施例によると、隣接する開口部の間の少なくとも１つの分離要素の平均幅ｂが、隣接する開口部の平均水力直径ｄの７０％から１２５％の間である。
【0044】
本発明の着想のさらなる発展形態では、隣接する開口部の間の、少なくとも５０％、好適には少なくとも７５％、より好適には少なくとも８０％、さらに好適には少なくとも９０％、さらに好適には少なくとも９５％、最も好適にはすべての分離要素の平均幅ｂが、隣接する開口部の平均水力直径ｄの７０％から１２５％の間であることが提案される。より好適には、隣接する開口部の間の、少なくとも５０％、好適には少なくとも７５％、より好適には少なくとも８０％、さらに好適には少なくとも９０％、さらに好適には少なくとも９５％、最も好適にはすべての分離要素の平均幅ｂが、隣接する開口部の平均水力直径ｄの７５％から１００％の間である。
【0045】
層表面上での重相の最適な拡散を達成するためには、隣接する開口部の間の、少なくとも５０％、好適には少なくとも７５％、より好適には少なくとも８０％、さらに好適には少なくとも９０％、さらに好適には少なくとも９５％、最も好適にはすべての分離要素の平均幅ｂが、１．５ｍｍから４．０ｍｍであることが好適である。より好適には、隣接する開口部の間の、少なくとも５０％、好適には少なくとも７５％、より好適には少なくとも８０％、さらに好適には少なくとも９０％、さらに好適には少なくとも９５％、最も好適にはすべての分離要素の平均幅ｂが、１．６ｍｍから３．５ｍｍ、最も好適には１．８ｍｍから３．０ｍｍである。
【0046】
本発明によると、隣接する開口部の間の分離要素の少なくとも５０％の平均幅ｂと層材料厚さ（以降、「ｓ」とも称され、つまり「ｓ」と略される）との間の比が、少なくとも１５である。隣接する開口部の間の分離要素の少なくとも５０％の平均幅ｂと層材料厚さとの間の比が少なくとも１８である場合、特に良好な決定が得られる。好適には、隣接する開口部の間の分離要素の少なくとも７５％、より好適には８０％、さらに好適には少なくとも９０％、さらに好適には少なくとも９５％、最も好適にはすべての平均幅とシート材料厚さとの間の比が、少なくとも１８である。
【0047】
本発明によると、長手方向に対して垂直である平面で測定される少なくとも２つの層のうちの少なくとも２つの隣接する層の間の最大距離Ｄと分離要素の平均幅ｂとの間の比が、少なくとも４である。これは、長手方向に対して垂直である平面で測定される少なくとも２つの層のうちの少なくとも２つの隣接する層の間の最大距離Ｄと、分離要素の、少なくとも５０％、好適には少なくとも７５％、より好適には少なくとも８０％、さらに好適には少なくとも９０％、さらに好適には少なくとも９５％、最も好適にはすべての平均幅ｂとの間の比が、少なくとも４であることを意味する。
【0048】
長手方向に対して垂直である平面で測定される最大距離と、少なくとも５０％、好適には少なくとも７５％、より好適には少なくとも８０％、さらに好適には少なくとも９０％、さらに好適には少なくとも９５％、最も好適にはすべての、少なくとも２つの層の間の分離要素の平均幅との間の比が、少なくとも４である場合、特に良好な結果が得られる。
【0049】
さらに、長手方向に対して垂直である平面で測定される、少なくとも５０％、好適には少なくとも７５％、より好適には少なくとも８０％、さらに好適には少なくとも９０％、さらに好適には少なくとも９５％、最も好適にはすべての、少なくとも２つの層の間の最大距離Ｄと、分離要素の平均幅ｂとの間の比が、少なくとも５、より好適には少なくとも８であることが好適である。
【0050】
本発明の着想のさらなる発展形態では、長手方向に対して垂直である平面で測定される、少なくとも５０％、好適には少なくとも７５％、より好適には少なくとも８０％、さらに好適には少なくとも９０％、さらに好適には少なくとも９５％、最も好適にはすべての、少なくとも２つの層の間の最大距離Ｄと、分離要素の平均幅ｂとの間の比が、４から１５、好適には５から１３、最も好適には８から１２であることが提案される。
【0051】
具体的には、長手方向に対して垂直である平面で測定される、少なくとも５０％、好適には少なくとも７５％、より好適には少なくとも８０％、さらに好適には少なくとも９０％、さらに好適には少なくとも９５％、最も好適にはすべての、少なくとも２つの層の間の最大距離Ｄが、８ｍｍから８０ｍｍ、好適には１２ｍｍから５１ｍｍ、最も好適には１６ｍｍから３０ｍｍである場合、良好な結果が得られる。したがって、層幅Ｗが、４ｍｍから４０ｍｍ、より好適には６ｍｍから２５．５ｍｍ、最も好適には８ｍｍから１５ｍｍであることが好適である。
【0052】
本発明の特に好適な実施例によると、少なくとも２つの層のうちの少なくとも１つの層において、層内の開口部の全面積を層のシート面積によって割ったときの商、すなわち層の空隙率が、２０％から３８％の間である。層のシート面積ＡＳは、本発明によると、一方側のみで測定されるすべての分離要素の物理的面積と、分離要素によって包囲される開口部の全面積との合計値である。開口部の合計値は、単に、開口部の面積（断面積）Ａの合計値である。さらに、構造充填要素のシート面積ＡＳは、構造充填要素に含まれる層のシート面積の合計値である。上述したように、充填物層の空隙率は、この層内の開口部の総面積をこの層のシート面積によって割ったときの商である。
【0053】
好適には、少なくとも２つの層の、少なくとも５０％、より好適には少なくとも７５％、さらに好適には少なくとも８０％、さらに好適には少なくとも９０％、さらに好適には少なくとも９５％、最も好適にはすべてにおいて、層の空隙率が２０％から３８％の間である。これにより本発明の利点を特に高い程度で達成することが可能となる。
【0054】
さらに、少なくとも２つの層の、少なくとも５０％、より好適には少なくとも７５％、さらに好適には少なくとも８０％、さらに好適には少なくとも９０％、さらに好適には少なくとも９５％、最も好適にはすべてにおいて、層の空隙率が、２５％から３５％、最も好適には２８％から３２％の間であることが好適である。これが、本発明による構造充填要素の層の特に良好な湿潤に繋がる。
【0055】
エキスパンドメタル・シートのグリッド構造が一様である場合、つまり開口部及び分離要素のすべて又は少なくとも大部分が等しいか又は少なくとも互いに高い程度で類似する場合、特に良好な結果が得られる。これを鑑みて、各々の少なくとも２つの層の開口部の、少なくとも５０％、より好適には少なくとも７５％、さらに好適には少なくとも８０％、さらに好適には少なくとも９０％、さらに好適には少なくとも９５％、最も好適にはすべてが、すべての開口部の平均水力直径の、５０％から１５０％、好適には７０％から１３０％、より好適には８０％から１２０％、最も好適には９０％から１１０％の間である水力直径ｄを有することが好適である。
【0056】
各々の少なくとも２つの層の開口部の、少なくとも５０％、より好適には少なくとも７５％、さらに好適には少なくとも８０％、さらに好適には少なくとも９０％、さらに好適には少なくとも９５％、最も好適にはすべての水力直径ｄが、１．２５ｍｍから５．０ｍｍであることが好適である。さらに好適には、各々の少なくとも２つの層の開口部の、少なくとも５０％、好適には少なくとも７５％、さらに好適には少なくとも８０％、さらに好適には少なくとも９０％、さらに好適には少なくとも９５％、最も好適にはすべての水力直径ｄが、２．０ｍｍから４．０ｍｍ、最も好適には２．２ｍｍから３．５ｍｍである。
【0057】
本発明の代替的実施例によると、開口部の、少なくとも５０％、好適には少なくとも７５％、より好適には少なくとも８０％、さらに好適には少なくとも９０％、さらに好適には少なくとも９５％、最も好適にはすべてが、１．０ｍｍから４．０ｍｍ、好適には２．０ｍｍから３．０ｍｍのより短い固有長さｅ２と、２．０ｍｍから８．０ｍｍ、好適には２．５ｍｍから７．０ｍｍ、最も好適には３．０ｍｍから６．０ｍｍのより長い固有長さｅ１とを有する。上述したように、開口部のより短い固有長さｅ２が、エキスパンドメタル・シートの延伸方向における開口部の最大寸法であり、開口部のより長い固有長さｅ１が、エキスパンドメタル・シートの延伸方向に対して垂直である方向における開口部の最大寸法である。
【0058】
本発明の着想のさらなる発展形態では、開口部のより短い固有長さｅ２と同じ開口部のより長い固有長さｅ１との間の比が、開口部の少なくとも５０％、好適には少なくとも７５％、より好適には少なくとも８０％、さらに好適には少なくとも９０％、さらに好適には少なくとも９５％、最も好適にはすべてにおいて、０．４から０．７、好適には０．４５から０．６、最も好適には０．４９から０．５５であることが提案される。上述したように、開口部のより短い固有長さｅ２が、エキスパンドメタル・シートの延伸方向における開口部の最大寸法であり、開口部のより長い固有長さｅ１が、エキスパンドメタル・シートの延伸方向に対して垂直である方向における開口部の最大寸法である。
【0059】
本発明は、構造充填要素のエキスパンドメタル・シートの材料に関して特には限定されない。例えば、エキスパンドメタル・シートが、ステンレス鋼、或いは、アルミニウム、銅、チタン、ジルコニウム、及び合金からなる群から選択される合成物で作られ得る。
【0060】
好適には、各エキスパンドメタル・シートのシート材料厚さｓが、ｓ＝０．０５ｍｍから０．５０ｍｍ、より好適にはｓ＝０．０８ｍｍから０．２０ｍｍ、最も好適にはｓ＝０．０９から０．１５ｍｍである。
【0061】
通常、構造充填要素の層の開口部の、少なくとも５０％、より好適には少なくとも７５％、さらに好適には少なくとも８０％、さらに好適には少なくとも９０％、さらに好適には少なくとも９５％、最も好適にはすべてが、実質的に、楕円、レンズ状、又は台形の断面を有する。
【0062】
生産後、つまりメタルプレートの切断及び延伸後、得られたエキスパンドメタル・シートがもはや平坦ではない。これは、個別の分離要素の変形、歪み、曲げ、又は跳ね上がり、並びに他の部分に対しての分離要素の相対的変形（例えば、傾斜）の結果である。ばりなどの他の特徴的部分（ｆｅａｔｕｒｅ）が穿孔プロセスから発生する可能性があり、したがって厚さに寄与する可能性がある。エキスパンドメタル・シートの得られる寸法はグリッド厚さと呼ばれ（以降、「ｇ」とも称され、つまり「ｇ」と略される）、層材料厚さに等しくなり得るか（これは、圧延によって平坦化されることを理由としてエキスパンドメタル・シートが平坦である場合に当てはまる）、又は層材料厚さより数倍大きくなり得る。グリッド厚さは、通常、分離要素の幅ｂの大きさのオーダーであり、幅ｂより大幅に大きくなるべきではない。したがって、分離要素の平均幅ｂに対してのグリッド厚さｇの比が、０から最大約１．２、より好適には０．４から１、最も好適には０．５から０．８の範囲である。グリッド厚さｇは、長手方向に対して垂直な平面で測定される２つの隣接する層の間の最大距離Ｄより有意に小さい。
【0063】
さらに好適には、各層の平均グリッド厚さｇとシート材料厚さｓとの間の比が少なくとも６である。
【0064】
具体的には、各層（３２、３２’）の平均グリッド厚さｇが、１．０ｍｍから１．４ｍｍ、好適には１．１ｍｍから１．３ｍｍ、より好適には１．１５ｍｍから１．２５ｍｍである場合、良好な結果が達成される。
【0065】
上述したようにグリッドの頂部の上でプレートを押圧することによっても、グリッドが平坦化され得る。
【0066】
本発明の別の実施例が、エキスパンドメタル・シートにテクスチャード加工された表面を提供するための、エキスパンドメタル・シートの圧延を含む。より具体的には、特には波形など、周期的な変形部分の各々が、連続的に横断する毛管チャンネルを画定する、複数の凸部及び凹部を含むパターン化された前面を有する降下表面（ｔｒｉｃｋｌｅ ｓｕｒｆａｃｅ）を有することができる。例えばＥＰ０１９０４３５Ｂ１で開示されるように、凸部が隣接する凸部に当接するように配設され得、その間にチャンネルを画定する側壁を有することができ、前面と等しいパターン化された背面を有することができ、連続的に横断する毛管チャンネルを画定する。凸部が、さらなる処理を一切用いることなく、グリッド厚さｇと同等の範囲の高さを有することができる。
【0067】
好適には、グリッド厚さｇに対しての最大距離Ｄの比（すなわち、Ｄ／ｇ）が少なくとも３である。
【0068】
具体的には、長手方向に対して垂直である平面で測定される少なくとも２つの層のうちの各々の隣接する層の間の最大距離Ｄと開口部の平均水力直径ｄとの間の比が最大でも１５である場合、良好な結果が得られる。
【0069】
エキスパンドメタル・シートが、図７ｃに示されるように、粗い側及び滑らかな側を提供する。好適には、構造クロスチャンネル充填要素の単層が、層の粗い側の上に粗い側を置くように隣接する層を配置することになるように、及び層の滑らかな側の上に滑らかな側を置くように隣接する層を配置することになるように、配置される。
【0070】
本発明の着想のさらなる発展形態では、少なくとも２つの層の、少なくとも５０％、好適には少なくとも７５％、より好適には少なくとも８０％、さらに好適には少なくとも９０％、さらに好適には少なくとも９５％、最も好適にはすべてが、周期的な変形部分を有し、少なくとも２つの層の間のオープンスペースがこれらの周期的な変形部分によって画定されることが提案される。本発明の構造充填要素のすべての層がこのような周期的な変形部分を有すること、つまり、本発明の構造充填要素が平坦な層を一切有さないことが特に好適である。好適には、長手方向に対しての各々の周期的な変形部分の角度（以降、「α」とも称され、つまり「α」と略される）が、１０°から６０°、より好適には２０°から５０°、最も好適には２５°から４７°であり、隣接する層の周期的な変形部分が好適には反対方向に方向付けられる。
【0071】
例えば、周期的な変形部分が、交互の向きの複数の山及び谷を有する波形であってよく、層の山が隣接する層の谷に接触し、層の谷が隣接する層の山に接触し、これらの隣接する層が、これらの隣接する層の山及び谷を、長手方向に対して斜めに延在する層の山及び谷と十字交差で交差させるように方向付けられる。したがって、好適には、少なくとも２つの層の、少なくとも５０％、好適には少なくとも７５％、より好適には少なくとも８０％、さらに好適には少なくとも９０％、さらに好適には少なくとも９５％、最も好適にはすべてが、周期的な変形部分を有し、クロス・パッケージ（ｃｒｏｓｓ－ｐａｃｋａｇｅ）要素の周期的な変形部分が、交互の向きの複数の山及び谷を有する波形であり、層の山が隣接する層の谷に接触し、層の谷が隣接する層の山に接触し、これらの隣接する層が、これらの隣接する層の山及び谷を、長手方向に対して斜めに延在する層の山及び谷と十字交差で交差させるように方向付けられる。もちろん、層のすべての山が隣接する層の１つ又は複数の谷に接触するわけではなく、層の山の一部が隣接する層の１つ又は複数の谷に接触することも可能であり、この逆も可能である。しかし、２つの隣接する層の間に少なくとも３つの接触ポイントが存在するべきである。好適には、隣接する層の山及び谷が互いに対向する、これらのロケーションの３０％から９０％、より好適には５０％から８０％において、接触が無い。残りのロケーションにおいて、隣接する層のそれぞれの山及び谷が互いに触れている。
【0072】
具体的には、この実施例では、長手方向に対しての各々の山及び各々の谷の角度αが、１０°から６０°、好適には２０°から５０°、最も好適には２５°から４７°である場合、良好な結果が得られ、隣接する層の山及び谷が好適には反対方向に方向付けられる。これにより、断面の少なくとも１つの方向において構造充填要素の上で軽相を一様に分散させることが可能となる。この角度は、圧力降下を最小にし、容量を最大にするために、過度に大きくなるべきではない。
【0073】
構造充填要素の圧力損失を低減するために、本発明の着想のさらなる発展形態で、層の終端部分内の谷及び山が、終端部分の間に配置された中央部分の谷及び山に対して曲げられ、その結果、構造充填要素の終端ゾーン内での流れ抵抗が、終端ゾーンの間に配置されるゾーンの流れ抵抗に対して低減される、ことが提案される。したがって、この実施例の層の山及び谷は線形に延在しない。好適には、山及び谷が、少なくとも実質的に垂直に延在するように層の終端部分内で曲げられる。実質的に垂直とは、層の下側縁部及び上側縁部において、垂直方向に対して、１０°を超えて、好適には５°を超えて、より好適には２°を超えて、山及び谷が傾斜しないことを意味する。終端ゾーンは、シート長さに沿って、３０％で、好適には２５％で、より好適には２０％以下で、層の上側縁部及び下側縁部から延在する、層の最も上側のゾーン及び最も下側のゾーンであり、シート長さが層の長手方向に沿う方向である。終端ゾーンの各々が、中央ゾーンの山及び谷とは異なる高さを有する山及び谷を有することができ、中央ゾーンが２つの終端ゾーンの間にある層のゾーンである。両方の終端部分においてこのような曲げ部分及び異なる高さを提供することの代わりに、これらの終端ゾーンのうちの一方の終端ゾーンのみにこれらが存在してもよい。
【0074】
本発明の代替的実施例によると、周期的な変形部分が、山及び谷を有する、正方形断面、三角形断面、正弦曲線断面、又は蛇行タイプの断面を有する波であり、層の山が隣接する層の谷に接触し、層の谷が別の隣接する層の山に接触し、これらの隣接する層が、これらの隣接する層の山及び谷を、長手方向に対して斜めに延在する層の山及び谷と十字交差で交差させるように方向付けられる。
【0075】
具体的には、この実施例では、長手方向に対しての各々の山及び各々の谷の角度αが、１０°から６０°、好適には２０°から５０°、最も好適には２５°から４７°である場合に、良好な結果が得られ、隣接する層の山及び谷が好適には反対方向に方向付けられる。これにより、構造充填要素の断面の少なくとも１つの方向において、軽相を一様に分散させることが可能となる。
【0076】
本発明は、中に含まれる層の数に関して特に限定されない。充填要素内の層の数は、物質移動カラムの直径と、物質移動のために必要となる比面積ａＭとによって決定される。より大きい表面が必要となると、つまり比面積が増大すると、より多くの層が存在することになり、それに応じて最大直径Ｄが縮小することになる。構造充填要素は円形断面を有する概略円筒形状あるが、熱交換及び／又は物質移動のカラムの形状に応じて、例えば長方形形状などの、他の形状の断面が存在してもよい。カラムが大きい直径を有する場合、重量を低減するために及び区分的な装着を可能にするために、要素が一般には複数のセグメント又はタイルに細分化される。
【0077】
本発明による構造充填要素が、６０ｍ２／ｍ３から７５０ｍ２／ｍ３、１２０ｍ２／ｍ３から５００ｍ２／ｍ３、最も好適には２００ｍ２／ｍ３から４５０ｍ２／ｍ３の比面積ａＭを有する場合、物質移動効率と容量との特に良好な組み合わせが得られる。
【0078】
比面積ａＭは、構造充填要素によって占有されるボリュームＶＭによって割られる構造充填要素の幾何学的面積ＡＭとして定義される。構造充填要素の幾何学的面積ＡＭは、要素に含まれるすべての層の幾何学的面積の合計値であり、開口部又は孔が存在しないかのように、層の両側において層の幾何学的面積が合計される。言い換えると、充填物層のシート面積ＡＳに２を掛けることによって幾何学的面積が近似的に得られる。その理由は、層の両側が幾何学的面積を構成するからである。
【0079】
層内の開口部の面積及び層の物理的面積ＡＰを足し合わせることにより、構造充填物層のシート面積ＡＳが得られる。ＡＰは物理的に存在する表面のみを勘定に入れる。孔又は開口部はこの値に寄与しない。構造充填要素のシート面積ＡＳは、中に含まれるすべての層のシート面積を足し合わせることによって得られる。
【0080】
構造充填物層の物理的面積ＡＰは、構造充填物層に含まれるすべての分離要素の一方の選択された側で測定される表面の合計値である。層材料厚さｓの縁部がこの面積に寄与しない。充填物の物理的面積ＡＰが、中に含まれるすべての層の物理的面積の合計値である。
【0081】
面積のための定義ａＭ、ＡＭ、ＡＳ、及びＡＰとは別に、「表面」及び「表面積」という表現が本発明の記述でより定性的に又は直感的に使用される。
【0082】
好適には、構造充填要素が、１００ｍｍから３００ｍｍ、好適には１５０ｍｍから２５０ｍｍの高さを有する。
【0083】
別の態様によると、本発明が、上述した少なくとも１つの構造充填要素を有する物質移動カラムに関連する。
【0084】
好適には、物質移動カラムが、１個から１０個、より好適には２個から８個、最も好適には２個から４個のベッドを有し、各ベッドが上述した少なくとも１つの構造充填要素を有する。好適には、１つのベッドが、２個から２０個、より好適には４個から１５個、最も好適には６個から１０個の構造充填要素を有する。ベッド中での非常に良好なガスの分散を達成するために、２つの隣接する構造充填要素が、長手方向に概して平行であるカラムの軸に沿って回転させられる。回転角度が、約５０°から約１２０°、より好適には約７０°から１１０°、最も好適には８０°から１００°である。
【0085】
加えて、好適には、物質移動カラムが、物質移動カラムの動作中に構造充填要素ベッドの断面の上での重相の少なくとも実質的に均質的な分散を可能にするために、構造充填要素のベッドの各々の上方にある分散装置を有する。
【0086】
本発明の別の好適な実施例によると、物質移動カラムが、構造充填要素の各ベッドの底部の下方に、収集装置を有し、収集装置が、物質移動カラムの動作中に構造充填要素の層の表面を下方にゆっくりと流れる重相を収集するのを可能にすることが提案される。
【0087】
次いで、添付図面を参照して、例として、本発明による具体的な実施例を説明する。
【図面の簡単な説明】
【0088】
【図1】本発明の一実施例による複数の構造クロスチャンネル充填要素を有する物質移動カラムを示す概略側面図である。
【図2a】本発明の一実施例による構造クロスチャンネル充填要素のシートの一部分を示す分解図である。
【図3】本発明の別の実施の形態による構造クロスチャンネル充填要素を示す部分図である。
【図4a】本発明による構造クロスチャンネル充填要素の層のエキスパンドメタル・シートのグリッド構造の多様な実施例を示す概略図である。
【図4b】本発明による構造クロスチャンネル充填要素の層のエキスパンドメタル・シートのグリッド構造の多様な実施例を示す概略図である。
【図4c】本発明による構造クロスチャンネル充填要素の層のエキスパンドメタル・シートのグリッド構造の多様な実施例を示す概略図である。
【図4d】本発明による構造クロスチャンネル充填要素の層のエキスパンドメタル・シートのグリッド構造の多様な実施例を示す概略図である。
【図4e】本発明による構造クロスチャンネル充填要素の層のエキスパンドメタル・シートのグリッド構造の多様な実施例を示す概略図である。
【図4f】本発明による構造クロスチャンネル充填要素の層のエキスパンドメタル・シートのグリッド構造の多様な実施例を示す概略図である。
【図5a】分離要素の平均幅及び開口部の平均水力直径の決定を示す概略図である。
【図5b】分離要素の平均幅及び開口部の平均水力直径の決定を示す概略図である。
【図6】波形層で作られた構造クロスチャンネル充填要素の最小変形部分の決定を示す図である。
【図7a】本発明の別の実例による構造クロスチャンネル充填要素の層のエキスパンドメタル・シートを示す概略上面図である。
【図10】９６０ｈＰａ（９６０ｍｂａｒ）の蒸留カラムの上部圧力における、実例１及び比較例１で得られた効率曲線を示すグラフである。
【図11】１００ｈＰａ（１００ｍｂａｒ）の蒸留カラムの上部圧力における、実例１及び比較例１で得られた効率曲線を示すグラフである。
【図12】１００ｈＰａ（１００ｍｂａｒ）の蒸留カラムの上部圧力における、実例１及び比較例１で得られた圧力降下を示すグラフである。
【図13】９６０ｈＰａ（９６０ｍｂａｒ）の蒸留カラムの上部圧力における、実例２並びに比較例２及び３で得られた効率曲線を示すグラフである。
【図14】１００ｈＰａ（１００ｍｂａｒ）の蒸留カラムの上部圧力における、実例２並びに比較例２及び３で得られた効率曲線を示すグラフである。
【図15】１００ｈＰａ（１００ｍｂａｒ）の蒸留カラムの上部圧力における、実例２並びに比較例２及び３で得られた圧力降下を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0089】
図１が、本発明の一実施例による、物質移動カラム１０の、またより具体的には蒸留カラム１０の、概略側面図を示す（図の透明の内部は単に例示を目的とする）。やはり例示を目的として、層のグリッド構造が図１には示されないが図４のみに示される。蒸留カラム１０が、２つのベッド１４、１４’の形態で配置される複数の構造クロスチャンネル充填要素１２を有する。２つのベッド１４、１４’の各々の上方で、分散装置１６、１６’が、そこを通って蒸気が上行するのに十分なスペースを残しながら、ベッドの断面にわたって液体を一様に分散させるように配置される。各ベッド１４、１４’の下方に、グリッド状の保持デバイス１８及び収集装置２０が配置され、グリッド状の保持デバイス１８がベッド１４をその定位置で維持し、収集装置２０がベッド１４から下方にゆっくりと流れる液体を収集し、この間、蒸気を上行させるための十分なオープンスペースが収集装置内に残される。
【0090】
蒸留カラム１０の動作中、ガスが軽相として底部から頂部まで上行し、対して重相としての液体が対向流中で蒸留カラム１０の頂部から底部まで降下する。より具体的には、液体が分散装置１６によりベッド１４の断面にわたって実質的に均質的に分散され、構造クロスチャンネル充填要素１２の層の表面に沿って下方にゆっくりと流れる。構造クロスチャンネル充填要素１２の異なる層の間にオープンスペースが設けられ、これらのオープンスペースにガスが充填され、これらのオープンスペースが上行するガスのための経路を提供し、この間、ガスが圧力勾配によって移動させられる。構造クロスチャンネル充填要素１２の層の表面上で液体が拡散するのを可能にすることにより、界面で液体とガスとの間での効率的な熱伝達及び物質移動を確立するように、２つの相の間に大きい界面が作り出される。ベッド１４の底部において、液体が収集装置２０内に収集され、パイプ２２を介して第２のベッド１４’の上方の分散装置１６’まで下方に案内される。
【0091】
図２ａから２ｃが、いわゆるクロスチャンネル波形充填物のタイプの構造クロスチャンネル充填要素１２を示す。例示のために、層のグリッド構造が図２には示されないが、図４のみに示される。構造クロスチャンネル充填要素１２が複数の波形シート２４、２４’から組み立てられ、複数の波形シート２４、２４’が互いに平行であり互いに接触している。波形シート２４、２４’の各々が、上述したように、及び図４により後でさらに詳細に説明するように、グリッドである。図２ｃの右下に、波形シート２４の一部であるグリッド構造が概略的に示される。上記の明細書から理解されるように、波形シート２４、２４’のすべてが実際にこのようなグリッドから構成される。これは単に例示することを理由として、図２ａから２ｃには示されない。本実施例では、波形シート２４、２４’がエキスパンド・シート材料から作られ、つまり、波形シート２４、２４’が、薄いメタルプレートを切断及び延伸して次いでエキスパンド・シートメタルを波形シート２４、２４’へと変形させることにより、用意される。
【0092】
波形メタルシート２４、２４’が、波形シート２４、２４’の長手方向セクションに対して垂直に波形シート２４、２４’を貫通する複数の棒（図示せず）により互いに対して固定され、棒が、ワッシャ及びナットにより、又は棒を曲げることにより、或いは任意の他の手段（図示せず）により、最初の及び最後の波形シートに対して固定される。各波形シート２４、２４’が、交互の向きの複数の山２６及び谷２８を有し、隣接する波形シート２４、２４’が、隣接する波形シート２４、２４’の波形２６、２８を、長手方向に対して斜めに延在する波形シート２４、２４’の波形２６、２８と十字交差で交差させるように方向付けられ、それにより、互いを連続的に横断する傾斜チャンネル３０を形成する。より具体的には、長手方向Ｖに対しての各々の山２６及び各々の谷２８の角度αが、１０°から６０°、好適には２０°から５０°、最も好適には２５°から４７°であり、隣接する層３２、３２’又は２４、２４’の山２６及び谷２８が、それぞれ、反対方向に方向付けられる。チャンネル３０が、例えば２０ｍｍなどである、隣接する波形シート２４、２４’の間の最大距離Ｄを画定する。これらのチャンネル３０が、構造クロスチャンネル充填要素１２内のガス相及び液相の流れに良い影響を与え、相の間での物質移動を促進する。つまり、ガス相及び液相が構造クロスチャンネル充填要素１２のチャンネル３０内で接触させられ、したがって、相の間での物質移動さらには熱伝達が促進される。より具体的には、上行するガスが、波形シート２４、２４’の表面上に存在する液体に接触し、物質移動カラムを通って下方に流れるときにチャンネル３０を画定する。全体として見ると、軽相がそれぞれオープンスペース又はチャンネル３０を通って流れ、構造クロスチャンネル充填要素１２の層３２、３２’のグリッド３８の開口部４０を通るバイパス流が存在しない。これが、軽相と重相との間での特に効率的な物質移動及びエネルギー伝達に繋がる。さらに、チェンネル３０の十字交差の方式が、左から右への層の最適な分散に繋がる。
【0093】
図３が、代替的実施例による、構造クロスチャンネル充填要素の部分図を示す。図３の構造クロスチャンネル充填要素は、波形シート２４、２４’が線形に延在する山及び谷を有さないが、波形シート２４、２４’の山２６、２６’及び谷が終端部分３３、３３’内で曲げられており、したがって、波形シート２４、２４’の終端部分３３、３３’内で実質的に垂直方向に延在することを除いて、図２ａから２ｃに示される構造クロスチャンネル充填要素に類似する。図３では、実線が見る人の方に提示される波形シート２４の面の中の波形の山２６を描いており、対して破線２６’が、この面のすぐ後方にある、波形シート２４’の対応する面の中の波形の山の見た目を描いている。波形シート２４、２４’の終端部分３３、３３’の中で実質的に垂直方向に延在させるようにそれぞれ終端部分又は終端ゾーン３３、３３’を曲げることにより、波形シート２４、２４’の終端部分３３、３３’の間に位置する部分の流れ抵抗と比較して、波形シート２４，２４’の終端部分３３、３３’の流れ抵抗が低減される。これが、構造クロスチャンネル充填要素の圧力損失の低減に繋がる。終端ゾーンは、波形シート２４、２４’の長さに沿って、３０％で、好適には２５％で、より好適には２０％以下で、波形シート２４、２４’の上側縁部及び下側縁部から延在する波形シート２４、２４’の最も上側のゾーン及び最も下側のゾーン３３、３３’であり、波形シート２４、２４’の長さは、波形シート２４、２４’の長手方向に沿う方向である。終端ゾーン３３、３３’の各々が、中央ゾーンの山及び谷とは異なる高さを有する山２６、２６’及び谷を有することができ、中央ゾーンが２つの終端ゾーン３３、３３’の間の層のゾーンである。異なる高さ又は曲げ部分としてのこのような構造部は波形シート２４、２４’の両方の終端ゾーン３３、３３’内のみに存在してよい。
【0094】
図４ａから４ｆが、例えば、図２ａから２ｃ及び３のいずれかに示されるような構造クロスチャンネル充填要素内で使用されるのに適する、本発明による構造クロスチャンネル充填要素１２の層３２を形成するグリッド３８の多様な実施例の概略図である。図４ａに示される構造クロスチャンネル充填要素の層３２のグリッド３８が、四辺形断面を有する開口部４０を有し、開口部４０が分離要素４２によって囲まれて分離要素４２により互いに分離される。分離要素４２は例えば２ｍｍである平均幅ｂを有する細いストリップであり、分離要素４２が開口部４０を完全に囲んでいる。開口部４０の２つの辺長ａ１、ａ２が、例えば３ｍｍである適切な水力直径ｄを有する開口部４０を得るように選択される。本分野で知られているように、水力直径ｄは公式４Ａ／Ｐに従って計算され得る。Ａが開口部４０の断面積であり、Ｐが開口部４０の周長である。
【0095】
グリッド３８は、エキスパンド・シート材料で単純に生産され、つまり、薄いメタルプレートを切断及び延伸して次いでエキスパンド・シートメタルを波形シートなどの所望の形態へと変形させることにより、単純に生産される。
【0096】
多様なジオメトリの開口部４０及び多様なジオメトリの分離要素４２を有するグリッド３８が図４ｂから４ｆに示される。図２ｂ及び２ｃのグリッド３８の開口部４０が四辺形であり、図２ｄのグリッド３８の開口部４０が不規則であり、図２ｅ及び２ｆのグリッド３８の開口部４０が楕円である。これらはレンズ状の形状であってもよい。
【0097】
次いで、本発明による構造充填要素の、分離要素４２の幅ｂ及びグリッド３８の開口部４０の水力直径ｄの決定が、図５ａ及び５ｂを参照して説明される。最初に、構造充填要素１２の開口部４０、４０’のうちの１つの開口部の複数の平面図が、異なる角度の、開口部４０の３つの写真画像４４ａ、４４ｂ、４４ｃを撮ることによって作られる。開口部４０の写真画像４４ａ、４４ｂ、４４ｃの平面図が、分離要素４２の隣接する縁部４８、４８’によって画定される平面の垂直軸に沿っている。この場合、開口部４０を最大にする写真画像４４ｂが開口部４０の平面図とみなされる。平面図上で長さ及びサイズを決定するのに１つの基準長さｚが使用される。これが、開口部４０の近傍にある実際の物体上の特定の長さｚを識別又はマーキングして開口部の長さを測定することにより、達成される。平面図上のこの距離の有効長さｚ’と、実際の物体上で測定される見かけの距離ｚとの間の比が、平面図上で測定されるすべての他の距離を拡大・縮小するのに使用される。
【0098】
分離要素４２の幅ｂを決定するために、平面図の分離要素４２が、セクション長さｄｉを各々有するｉ＝１、２、３．．．ｎとして指定される個別のセクション４６に分割される。各々のセクションにおいて、セクション４６内の隣接する縁部４８、４８’の間の最短距離ｂｉが測定される。積ｄｉ・ｂｉの合計値をｄｉの合計値で割ったものに係数ｚ／ｚ’を掛けることにより、分離要素４２の平均幅ｂが得られる。
【0099】
開口部４０の水力直径が公式４Ａ／Ｐを用いて計算される。Ａが開口部４０の断面積であり、Ｐが同じ開口部４０の周長である。開口部４０の断面積が、単純な形状を各々有するｊ個（ｊ＝１、２、３、．．．ｍ）のセクション５０に細分化される。各セクション５０の面積がＡｊとして指定され、基本的な測定の基準及び基本的な幾何学的公式を利用して計算される。開口部４０内で決定されたすべての面積Ａｊを合計することにより、開口部４０の面積Ａが得られる。
【0100】
開口部４０’の周長Ｐを、開口部４０’を最良に近似して閉じたポリゴンで開口部を表すｋ個（ｋ＝１、２、３、．．．Ｋ）の個別の直線Ｐｋに細分化することにより、開口部４０’の周長Ｐが決定される。これらの直線Ｐｋの長さを合計することにより、周長Ｐが得られる。再び、上で定義した比ｚ／ｚ’を利用して、これらの長さが実際の長さに変換されなければならない。
【0101】
図６が、層３２、３２’としての波形シート２４、２４’で作られた構造充填要素の最小変形部分の決定を示す。上述したように、本発明の好適な実施例では、構造充填要素１２の層３２、３２’がエキスパンド・シートメタルで作られ、つまり、薄いメタルプレートを切断及び延伸して次いでエキスパンド・シートメタルを例えば波形シート２４、２４’へと変形させることにより作られる。この加工の後、開口部及び分離要素が、同様に、波形シート２４、２４’の波形の山２６及び谷２８の周りで歪められ、及び／又は延伸される。
【0102】
しかし、山２６及び谷２８を接続するグリッドの概略直線部分によって画定される傾斜面が、ほぼ修正されないサイズの開口部及び分離要素を有する。その理由は、これらの傾斜面では変形の程度が低いからである。したがって、本発明によると、波形シート２４、２４’の「最小変形部分」として指定されるあまり変形していない層の部分のみで寸法を測定することが好適である。この「最小変形部分」は以下のように定義される：波形シートが平均層幅Ｗを有する。この平均層幅が、層２４の山２６及び谷２８の大部分の振幅によって決定される。以下では、図中の２つの破線によって表される上側の及び下側の平面が、層の山２６及び谷２８の大部分に触れるように描かれている。これらの２つの破線の間の距離が平均層幅Ｗと呼ばれ、これは、通常、最大距離Ｄの約半分である。値Ｗは非常に高い頻度で一定の値であるが、値Ｗは、２つの平面が平行である必要がないというような最も一般的な事例においては変化することができ、充填要素が異なる幅の層を含むことができる。第３の中央の平面５２が画定され、この第３の中央の平面５２が、この中央の平面５２上の各ポイントから上側の及び下側の平面までで測定される距離を等しくするように、配置される。グリッドの固有寸法を決定するときに考慮されることになる波形層２４の最小変形部分が上側の及び下側の制限平面５４、５４’によって境界を画定され、上側の及び下側の制限平面５４、５４’が中央の平面５２を中心としてＷの±２０％のところ、より好適には±３０％のところ、最も好適には±４０％のところに配置される。孔の平均水力直径及び分離要素の平均幅などのパラメータを決定するとき、この最小変形部分内の開口部及び分離要素、つまり、これらの２つの制限平面５４、５４’の間に見られる開口部及び分離要素が分析される。本特許出願の一実施例によると、制限平面の間の孔の少なくとも９０％において、以下のことが当てはまる：各開口部が、その周囲の分離要素のシステムと共に、等しい外観を有することになり、等しい水力直径ｄを有することになる。周囲の分離要素が平均して等しい幅ｂを有することになる。この条件（ｓｔａｔｅｍｅｎｔ）を満たす構造充填要素の層が、一様なグリッドで作られた層とみなされる。
【0103】
上記の所見は任意の異なる形状の層にも当てはまる。これは波形層のみに限定されない。
【0104】
図７ａが、本発明の別の実例による構造クロスチャンネル充填要素の層のエキスパンドメタル・シートの概略上面図である。エキスパンドメタル・シートを平坦な表面の上に置いて、エキスパンドメタル・シートの頂部の上にプレートを置いて、分離要素及び開口部のジオメトリ及び寸法を変化させることなく、エキスパンドメタル・シートを平坦化することのみのために十分に小さい圧力でエキスパンドメタル・シートの頂部の上でプレートを下方に押圧することにより、エキスパンドメタル・シートを平坦化した後で、エキスパンドメタル・シートの写真画像を撮ることにより、上面図が作られる。エキスパンドメタル・シートが、分離要素４２によって互いに分離された、実質的に台形の形態を有する開口部４０、４０’、４０’’、４０’’’を有する。したがって、開口部４０、４０’、４０’’がより短い固有長さｅ２及びより長い固有長さｅ１を有し、開口部４０、４０’、４０’’のより短い固有長さｅ２がエキスパンドメタル・シートの延伸方向ＳＤにおける開口部の最大距離であり、開口部４０、４０’、４０’’のより長い固有長さｅ１がエキスパンドメタル・シートの延伸方向ＳＤに対して垂直な方向における開口部の最大寸法である。エキスパンドメタル・シートの延伸方向ＳＤは、エキスパンドメタル・シートの生産中にシートメタルを延伸するときに沿う方向である。例えば、エキスパンドメタル・シートの延伸方向ＳＤに対して垂直な方向における開口部４０’’の縁部の左側の最外ポイントと右側の最外ポイントとの間の距離を測定することにより、開口部４０、４０’、４０’’のより長い固有長さｅ１が決定され、対して、開口部４０の縁部の最も上側のポイントと最も下側のポイントとの間の距離を測定することにより、開口部４０、４０’、４０’’のより短い固有長さｅ２が決定され得る。固有長さｅ１及びｅ２を特に正確に決定するためには、少なくとも５個の異なる開口部４０、４０’、４０’’、より好適には少なくとも１０個の異なる開口部４０、４０’、４０’’において、それぞれの寸法が測定され得、次いで、測定した値の合計値がそれぞれ５又は１０で割られる。
【0105】
開口部４０の縁部の一方の側の最外ポイントと、エキスパンドメタル・シートの延伸方向ＳＤに対して垂直な方向において隣接する開口部４０’’’の縁部の同じ側の最外ポイントとの間の距離を測定することにより、エキスパンドメタル・シートの延伸方向ＳＤに対して垂直な方向において互いに隣接しており分離要素４２によって分離された２つの開口部４０、４０’、４０’’の間の距離ｕ１が決定される。図７ａでは、開口部４０の縁部の左側の最外ポイントと、エキスパンドメタル・シートの延伸方向ＳＤに対して垂直な方向において隣接する開口部４０’’’の縁部の左側の最外ポイントとの間の距離を測定することにより、距離ｕ１が決定される。加えて、エキスパンドメタル・シートの延伸方向ＳＤにおける開口部４０の縁部の一方側の最外ポイントと、エキスパンドメタル・シートの延伸方向ＳＤにおいて隣接する開口部４０’の縁部の同じ側の最外ポイントとの間の距離を測定することにより、エキスパンドメタル・シートの延伸方向ＳＤにおいて互いに隣接しており分離要素４２によって分離された２つの開口部４０、４０’の間の距離ｕ２が決定される。図７ａでは、エキスパンドメタル・シートの延伸方向ＳＤにおける開口部４０の縁部の上側の最も上側のポイントと、エキスパンドメタル・シートの延伸方向ＳＤにおいて隣接する開口部４０’の縁部の上側の最も上側のポイントとの間の距離を測定することにより、距離ｕ２が決定される。距離ｕ１を特に正確に決定するために、エキスパンドメタル・シートの延伸方向に対して垂直な方向における開口部４０の縁部の一方側の最外ポイントと、エキスパンドメタル・シートの同じ方向における第５の又は第１０の隣接する開口部の縁部の同じ側の最外ポイントとの間の距離を測定して、この距離をそれぞれ４又は９で割ることにより、距離ｕ１が決定され得る。これと同様に、エキスパンドメタル・シートの延伸方向における開口部４０の縁部の一方側の最外ポイントと、エキスパンドメタル・シートの延伸方向において開口部４０に対して配置される第５の又は第１０の隣接する開口部の縁部の同じ側の最外ポイントとの間の距離を測定して、この距離をそれぞれ４又は９で割ることにより、距離ｕ２が決定され得る。
【0106】
再び、上で定義した係数ｚ／ｚ’を利用して、写真画像上で決定された寸法が実際の長さに変換され得る。
【0107】
開口部が正確にひし形形状である場合、以下の方程式により、上で言及した値から、開口部４０、４０’、４０’’、４０’’’の面積及び周囲長さＰが得られ得る：
Ａ＝ｅ１・ｅ２／２
Ｐ＝２・√（ｅ１ ２＋ｅ２ ２）
Ａ＝ｅ１・ｅ２／２
Ｐ＝２・√（ｅ１ ２＋ｅ２ ２）
【0108】
さらに、エキスパンドメタル・シートが、ｆＳ＝ｕ２／２ｂとして定義される延伸係数によって特徴付けられ得る。
【0109】
図７ｂ及び７ｃが、それぞれ、図７ａの平面Ａ及び図７ｂの平面Ｂに沿う概略図である。これらの図に示されるように、生産プロセスから得られた、つまりメタルプレートを切断及び延伸することにより得られたエキスパンドメタル・シートがもはや平坦ではない。これは、個別の分離要素の変形、歪み、曲げ、又は跳ね上がり、並びに他の部分に対しての分離要素の相対的変形（例えば、傾斜）の結果である。ばりなどの他の特徴的部分が穿孔プロセスから発生する可能性があり、したがって厚さに寄与する可能性がある。エキスパンドメタル・シートの得られる寸法がグリッド厚さｇであり、層材料厚さに等しくなり得るか（これは、圧延によって平坦化されることを理由として、エキスパンドメタル・シートが平坦である場合に当てはまる）、又は層材料厚さより数倍大きくなり得る。本発明の別の実施例が、エキスパンドメタル・シートにテクスチャード加工された表面を提供するための、エキスパンドメタル・シートの圧延を含む。より具体的には、特には波形などである、周期的な変形部分の各々が、連続的に横断する毛管チャンネルを画定する、複数の凸部及び凹部を含むパターン化された前面を有する降下表面を有することができる。例えばＥＰ０１９０４３５Ｂ１で開示されるように、凸部が隣接する凸部に当接するように配設され得、その間にチャンネルを画定する側壁を有することができ、前面と等しいパターン化された背面を有することができ、連続的に横断する毛管チャンネルを画定する。凸部が、さらなる処理を一切用いることなく、グリッド厚さｇと同等の範囲の高さを有することができる。グリッド厚さｇは、通常、分離要素の幅ｂの大きさのオーダーであり、幅ｂより大幅に大きくなるべきではない。したがって、分離要素の平均幅ｂに対してのグリッド厚さｇの比が、最も好適には０．５から０．８の範囲である。グリッド厚さｇは、長手方向に対して垂直な平面で測定される２つの隣接する層の間の最大距離Ｄより有意に小さい。
【0110】
【0111】
図９が、表面の面積のための多様な表現を区別する方法を説明するための、充填物層の断面の概略図を示す。図９ａが、構造充填要素１２の一般的な層の断面を示す。分離要素４２を形成する材料が黒線によって表され、対して白い部分が層３２、３２’内の開口部４０、４０’を表す。各々の黒い部分が分離要素４２を通る断面である。黒線の厚さが層材料厚さｓを表す。図８ｂから８ｄでは、この層上の面積が、層の外形に従う細線のみによって表される。構造充填物層３２、３２’の物理的面積ＡＰが図９ｂに示される。これは、そのすべての分離要素４２の選択した一方側で測定された表面の合計値である。分離要素４２の縁部４８、４８’（標準の幅ｓを有する）はこの面積に寄与しない。むしろ、ＡＰは物理的に存在する表面のみを勘定に入れる。したがって、孔はこの値に寄与しない。構造充填要素１２の物理的面積ＡＰは、中に含まれるすべての層３２、３２’の物理的面積ＡＰの合計値である。図９ｃが充填物層のシート面積ＡＳを定義する。これは、層内の開口部の面積及び層の物理的面積ＡＰの両方を足し合わせることによって得られる。中に含まれるすべての層３２，３２’のシート面積ＡＳを足し合わせることにより、構造充填要素１２のシート面積ＡＳが得られる。開口部４０、４０’又は孔が存在しないかのように、層の両側において、図９ｄで定義されるように層の幾何学的面積ＡＭが合計される。言い換えると、充填物層のシート面積ＡＳに２を掛けることによって幾何学的面積ＡＭが近似的に得られる。その理由は、層の両側が幾何学的面積ＡＭを構成するからである。比面積ａＭは、構造充填要素の幾何学的面積ＡＭを、構造充填要素によって占有されるボリュームＶＭによって割ったものとして定義される。
【0112】
実例及び比較例
図２に示される構造充填要素１２を蒸留カラム内で試験した。一般的に知られる標準的な手順により、全還流の条件下で２成分混合物を使用して、充填物ベッドに跨っての圧力降下及び物質移動効率を決定する。特許ＥＰ０９９５９５８Ｂ１が、１５２ｋＰａ（２２ｐｓｉа）の圧力で酸素及びアルゴンを用いるこのような試験を開示している。米国特許第６，８７４，７６９（Ｂ２）号が、類似沸点の（ｃｌｏｓｅ－ｂｏｉｌｉｎｇ）２成分混合物であるパラキシレン及びオルソキシレンを使用することによる、構造充填要素の試験を開示している。本発明では、この混合物として、同様の理想的な特性の２成分混合物、すなわち、モノクロロベンゼン（低沸点溶剤）及びエチルベンゼン（高沸点溶剤）を使用した。蒸留設備の性能を評価するための他の標準的な類似沸点の理想的な２成分混合物は、Ｕ．Ｏｎｋｅｎ、Ｗ．Ａｒｌｔ、「Ｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄ Ｔｅｓｔ Ｍｉｘｔｕｒｅｓ ｆｏｒ Ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ Ｃｏｌｕｍｎｓ」、２ｎｄ Ｅｄ．１９９０、Ｔｈｅ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ、Ｒｕｇｂｙ、Ｅｎｇｌａｎｄ．ＩＳＢＮ０－８５２９５－２４８－１に明記されている。
図２に示される構造充填要素１２を蒸留カラム内で試験した。一般的に知られる標準的な手順により、全還流の条件下で２成分混合物を使用して、充填物ベッドに跨っての圧力降下及び物質移動効率を決定する。特許ＥＰ０９９５９５８Ｂ１が、１５２ｋＰａ（２２ｐｓｉа）の圧力で酸素及びアルゴンを用いるこのような試験を開示している。米国特許第６，８７４，７６９（Ｂ２）号が、類似沸点の（ｃｌｏｓｅ－ｂｏｉｌｉｎｇ）２成分混合物であるパラキシレン及びオルソキシレンを使用することによる、構造充填要素の試験を開示している。本発明では、この混合物として、同様の理想的な特性の２成分混合物、すなわち、モノクロロベンゼン（低沸点溶剤）及びエチルベンゼン（高沸点溶剤）を使用した。蒸留設備の性能を評価するための他の標準的な類似沸点の理想的な２成分混合物は、Ｕ．Ｏｎｋｅｎ、Ｗ．Ａｒｌｔ、「Ｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄ Ｔｅｓｔ Ｍｉｘｔｕｒｅｓ ｆｏｒ Ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ Ｃｏｌｕｍｎｓ」、２ｎｄ Ｅｄ．１９９０、Ｔｈｅ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ、Ｒｕｇｂｙ、Ｅｎｇｌａｎｄ．ＩＳＢＮ０－８５２９５－２４８－１に明記されている。
【0113】
カラムの動作中に適切な液体レベルを維持するために、蒸留カラムの底部に十分な量の２成分混合物を充填した。再沸器が始動され、液体混合物の一部が継続的に蒸発し、蒸気がカラムの頭部に向かって上昇した。蒸気の流量は係数Ｆを用いて表され得、一般に、再沸器の又はカラム・ヘッドにある凝縮装置のエネルギー・バランスを介して間接的に決定される。凝縮装置が蒸気を冷却し、その結果、蒸気が凝結して液体に戻った。好適な全還流の条件下で、全量の液体が充填物ベッドの頂部に送り戻され、そこで、液体が分散装置により分散された。分散装置は、通常、均等に離間された１組のオリフィスを提供している、液体を受け取るためのチャンネルを有するデバイスであり、これらの均等に離間された１組のオリフィスを通って、液体が下方にゆっくりと流れて構造充填物ベッドの頂部側の充填物の上に到達する。構造充填物ベッドを通ってゆっくりと流れた後で、カラムの底部において又はベッドの底部において収集装置により全量の液体が収集され、収集装置から液体がカラムの底部に送り戻された。底部において液体が液体プールに合流し、液体プールから液体が再び蒸留した。余剰の不活性ガスを取り除くために真空ポンプとの組み合わせで凝縮装置の冷却の仕事量（ｃｏｏｌｉｎｇ ｄｕｔｙ）を制御することにより、一定の上部圧力ｐが確立された。
【0114】
再沸器の一定の仕事量（ｄｕｔｙ）での一定時間の動作後、定常状態条件が達成された。この時点で、充填物ベッドを跨っての圧力降下及びカラムに沿う関連ポイントでの温度が読み取られ、混合物の頂部側の及び底部側のサンプルが、充填物ベッドの頂部にある分散装置から、及び充填物ベッドの下側端部にある収集装置から、又はサンプから、採取された。上部圧力を変化させないように維持しながら、係数Ｆ（蒸気流れ）及び充填物ベッドを通る関連の液体流れに影響を与える熱交換量（及び、冷却の仕事量）を変化させることにより、複数の動作ポイントを測定した。複数の上部圧力の設定で、同じ実験を繰り返した。
【0115】
較正したガス・クロマトグラフにより、サンプルの組成を分析した。頂部側の及び底部側のサンプルが、それらが含有する低沸点溶剤の量の分だけ、変化した。底部側のサンプルよりも頂部側のサンプルでより多くの低沸点溶剤つまり低い沸騰温度を有する合成物が見つかった。２成分の組成が判明した後、１ｍ当たりの理論段数（ＮＴＳＭ）を決定するためにＦｅｎｓｋｅ（Ｍ．Ｒ．Ｆｅｎｓｋｅ、Ｉｎｄ、Ｅｎｇｎｇ．Ｃｈｅｍ．２４、４８２頁、１９３２年）による方程式を適用した。場合によっては、理論段相当高さと呼ばれる逆数値ＨＥＴＰが使用される。
ＨＥＴＰ＝１／ＮＴＳＭ
ＨＥＴＰ＝１／ＮＴＳＭ
【0116】
高ＮＴＳＭ（又は、低ＨＥＴＰ）は良好な物質移動効率を意味する。
【0117】
係数Ｆは：
Ｆ＝ｖＧ・√ρＧ
によって定義され、ｖＧが上昇する蒸気の平均速度であり、この平均速度が、再沸器でのエネルギー・バランスを介して質量流量から決定され得る。第２の変数ρＧが関連の蒸気／液体の平衡状態における蒸気密度である。カラムに沿っての圧力及び温度の変化により、流体の蒸気密度及び他の物理的特性がカラムに沿って変化したが、２成分混合物のための関連情報も入手可能である。このような変数は、係数Ｆの適切な定義を選択することを必要とする。これは、充填物ベッドの頂部及び底部での条件下で有功となる特性により、決定され得る。別法として、ベッド全体にわたっての変化を考慮に入れて平均値が算出され得る。すべての試験に対して同じアプローチが使用されることを条件として、比較を目的として、考えられるアプローチのうちの任意のアプローチが有功となる。
Ｆ＝ｖＧ・√ρＧ
によって定義され、ｖＧが上昇する蒸気の平均速度であり、この平均速度が、再沸器でのエネルギー・バランスを介して質量流量から決定され得る。第２の変数ρＧが関連の蒸気／液体の平衡状態における蒸気密度である。カラムに沿っての圧力及び温度の変化により、流体の蒸気密度及び他の物理的特性がカラムに沿って変化したが、２成分混合物のための関連情報も入手可能である。このような変数は、係数Ｆの適切な定義を選択することを必要とする。これは、充填物ベッドの頂部及び底部での条件下で有功となる特性により、決定され得る。別法として、ベッド全体にわたっての変化を考慮に入れて平均値が算出され得る。すべての試験に対して同じアプローチが使用されることを条件として、比較を目的として、考えられるアプローチのうちの任意のアプローチが有功となる。
【0118】
大きい係数Ｆがカラム内で高い流量を意味する。達成可能であるＦの値は、通常、充填物の容量を決定するフラッディングによって制限される。場合によっては、Ｆの代わりに容量係数ｃが使用され、容量係数ｃが、液体及び蒸気の密度差の平方根によりＦを割ることによって得られる。
【0119】
充填物ベッドにわたっての圧力降下が実験の別の関連結果であった。圧力降下が、充填物ベッドの頂部及び底部における圧力読取値の差をベッド高さＨＢで割ったものとして得られた：
ΔＰ／Δｚ＝（ｐｔｏｐ－ｐｂｏｔｔｏｍ）／ＨＢ
ΔＰ／Δｚ＝（ｐｔｏｐ－ｐｂｏｔｔｏｍ）／ＨＢ
【0120】
本実例及び比較例では、Ｐ１－２５０、Ｒ－２５０、Ｐ２－５００、Ｐ３－５００、及びＲ－５００と名付けられた５種類の構造充填要素が使用された。構造充填要素Ｐ１－２５０及びＰ２－５００が、本発明による層で作られたクロスチャンネル波形充填物であったのに対して、構造充填要素Ｐ３－５００、Ｒ－２５０、及びＲ－５００が、本発明によるものではない構造充填要素であった。より具体的には、構造充填要素Ｒ－２５０及びＲ－５００が、Ｍｅｌｌａｐａｋ ２５０．Ｙ及びＭｅｌｌａｐａｋ ５００．Ｘの名称で市場に流通している、ＧＢ１，５６９，８２８及び米国特許第４，９８１，６２１号で開示されているような、穿孔（層の約１０％の空隙率に繋がる）及び表面テクスチャリングを有する既知の標準的なクロスチャンネル波形充填物であった。すべての構造充填要素が約２００ｍｍの高さを有するものであった。上で言及した構造充填要素の関連パラメータを表面１にまとめる。
【表1】
【0121】
「実例１及び比較例１」
本発明による構造充填要素Ｐ１－２５０及び本発明によるものではない基準の構造充填要素Ｒ－２５０が、ｐ＝９６０ｈＰａ（９６０ｍｂａｒ）（大気に近い）及びｐ＝１００ｈＰａ（１００ｍｂａｒ）の上部圧力において、モノクロロベンゼン及びエチルベンゼンを使用して、全還流で、１ｍの内径を有する蒸留カラム内で試験された。充填物ベッドが４．３ｍの高さを有するものであった。得られた効率曲線が図１０及び図１１に示される。両方の事例で、示される本発明による構造充填要素Ｐ１－２５０が、基準の構造充填要素Ｒ－２５０と比較して、より高い物質移動効率（より高いＮＴＳＭ）、及び係数Ｆによって特徴付けられるわずかに増大した容量も示した（効率が急激に低下する）。注目すべきこととして、及び驚くべきこととして、基準の構造充填要素Ｒ－２５０より３０％低い材料使用である（２０％低い物理的面積ＡＰを有する）構造充填要素Ｐ１－２５０が、より良好な物質移動の結果を達成する。
本発明による構造充填要素Ｐ１－２５０及び本発明によるものではない基準の構造充填要素Ｒ－２５０が、ｐ＝９６０ｈＰａ（９６０ｍｂａｒ）（大気に近い）及びｐ＝１００ｈＰａ（１００ｍｂａｒ）の上部圧力において、モノクロロベンゼン及びエチルベンゼンを使用して、全還流で、１ｍの内径を有する蒸留カラム内で試験された。充填物ベッドが４．３ｍの高さを有するものであった。得られた効率曲線が図１０及び図１１に示される。両方の事例で、示される本発明による構造充填要素Ｐ１－２５０が、基準の構造充填要素Ｒ－２５０と比較して、より高い物質移動効率（より高いＮＴＳＭ）、及び係数Ｆによって特徴付けられるわずかに増大した容量も示した（効率が急激に低下する）。注目すべきこととして、及び驚くべきこととして、基準の構造充填要素Ｒ－２５０より３０％低い材料使用である（２０％低い物理的面積ＡＰを有する）構造充填要素Ｐ１－２５０が、より良好な物質移動の結果を達成する。
【0122】
両方の構造充填要素の圧力降下が図１２に示される。これらの圧力降下は非常に類似するものであった。したがって、本発明による構造充填要素Ｐ１－２５０は低い係数Ｆにおいてより高い圧力降下を有するものであったが、勾配がより緩やかなものであった。これにより、この新しい充填物に容量の利点が与えられた。Ｐ－２５０は、高い流量においてはより低い圧力降下を有するものであった。
【0123】
「実例２及び比較例２から３」
本発明による構造充填要素Ｐ２－２５０及び基準の構造充填要素Ｒ－５００が、ｐ＝９６０ｈＰａ（９６０ｍｂａｒ）及びｐ＝１００ｈＰａ（１００ｍｂａｒ）の上部圧力において、モノクロロベンゼン及びエチルベンゼンを使用して、全還流で、０．２５ｍの内径を有するカラム内で試験された。さらに、構造充填要素Ｐ３－５００が試験された。Ｐ２－５００に類似するが、構造充填要素Ｐ３－５００は、重要な幾何学的パラメータが本発明で明記される数値範囲から外れる値に設定される程度に異なるものであった。より具体的には、構造充填要素Ｐ３－５００の場合、延伸方向に対して垂直に測定される隣接する開口部の間の距離ｕ１と分離要素ｕ１／ｂの平均幅との間の比が７．２であり、層材料厚さに対しての分離要素の平均幅の比ｂ／ｓが７であった。つまり、これらの比の両方が、本発明において上記で明記される数値範囲から外れるものであった。Ｐ２－５００及びＰ３－５００を用いる充填物ベッドが２．４ｍの高さを有し、基準のＲ－５００を用いる充填物ベッドが２．６ｍの高さを有するものであった。
本発明による構造充填要素Ｐ２－２５０及び基準の構造充填要素Ｒ－５００が、ｐ＝９６０ｈＰａ（９６０ｍｂａｒ）及びｐ＝１００ｈＰａ（１００ｍｂａｒ）の上部圧力において、モノクロロベンゼン及びエチルベンゼンを使用して、全還流で、０．２５ｍの内径を有するカラム内で試験された。さらに、構造充填要素Ｐ３－５００が試験された。Ｐ２－５００に類似するが、構造充填要素Ｐ３－５００は、重要な幾何学的パラメータが本発明で明記される数値範囲から外れる値に設定される程度に異なるものであった。より具体的には、構造充填要素Ｐ３－５００の場合、延伸方向に対して垂直に測定される隣接する開口部の間の距離ｕ１と分離要素ｕ１／ｂの平均幅との間の比が７．２であり、層材料厚さに対しての分離要素の平均幅の比ｂ／ｓが７であった。つまり、これらの比の両方が、本発明において上記で明記される数値範囲から外れるものであった。Ｐ２－５００及びＰ３－５００を用いる充填物ベッドが２．４ｍの高さを有し、基準のＲ－５００を用いる充填物ベッドが２．６ｍの高さを有するものであった。
【0124】
【0125】
９６０ｈＰａ（９６０ｍｂａｒ）の上部圧力及び１００ｈＰａ（１００ｍｂａｒ）の上部圧力の両方において構造充填要素Ｐ３－５００及びＲ－５００（本発明によるものではない）と比較した場合の、本発明による構造充填要素Ｐ２－５００のより良好な効率が、図１３及び１４から容易に推論され得る。低い上部圧力において物質移動効率の隔たりが特に見受けられる。興味深いことに、Ｐ３－５００は良好な容量を有するが、効率はＲ－５００の効率より有意に低い。両方の構造充填要素Ｐ２－５００及びＰ３－５００が、初期状態において、Ｒ－５００より大きい圧力降下を有するが、Ｆが増大すると、これらの構造充填要素が恩恵を受け、このグラフでは両方の容量がより高いことも認識され得る。
【符号の説明】
【0126】
１０ 物質移動カラム／蒸留カラム
１２ 構造クロスチャンネル充填要素
１４、１４’ 構造充填要素のベッド
１６、１６’ 分散装置
１８ 保持デバイス
２０ 収集装置
２２ パイプ
２４、２４’ 波形シート
２６ 層の山
２６’ 隣接する層の山
２８ 谷
３０ チャンネル／オープンスペース
３２、３２’ 層
３３、３３’ 波形シートの終端部分
３４ ディンプル
３６ ディンプルの谷の壁
３８ グリッド
４０、４０’、４０’’、４０’’’ グリッドの開口部
４２ グリッドの分離要素
４４ａ、４４ｂ、４４ｃ 異なる角度で撮られた開口部の写真画像
４６ 分離要素セクション
４８、４８’ 分離要素セクションの縁部
５０ 開口部セクション
５２ 中央平面
５４、５４’ 波形層で作られた構造充填要素の最小変形部分を決定する上側及び下側の制限平面
Ａ 開口部の断面積
ａ１ 開口部の辺長
ａ２ 開口部の第２の辺長
ａＭ 充填物又は層の比面積
Ａｊ 開口部セクションの面積
ＡＭ 幾何学的面積
ＡＰ 物理的面積
ＡＳ シート面積
ｂ 分離要素の平均幅
ｂｉ 分離要素セクションの隣接する縁部の間の最短距離
ｄ 開口部の平均水力直径
ｄｉ 分離要素セクションの長さ
ｅ１ 開口部のより長い固有長さ
ｅ２ 開口部のより短い固有長さ
ｇ グリッド厚さ
ｓ 層材料厚さ
Ｄ 少なくとも２つの層／波形シートのうちの少なくとも隣接する層／波形シートの間の最大距離
Ｐ 開口部の周長
Ｐｋ 開口部の周長セクションの直線
ＳＤ エキスパンドメタル・シートの延伸方向
ｕ１ エキスパンドメタル・シートの延伸方向に対して垂直な方向において隣接する２つの開口部の間の距離
ｕ２ エキスパンドメタル・シートの延伸方向において隣接する２つの開口部の間の距離
Ｖ 通常は垂直方向である長手方向
Ｗ 層又は波形シートの平均層幅
ｚ 層の基準長さ
ｚ’ 写真画像の平面図上での基準長さ
α 長手方向に対しての各々の山及び各々の谷の角度
１２ 構造クロスチャンネル充填要素
１４、１４’ 構造充填要素のベッド
１６、１６’ 分散装置
１８ 保持デバイス
２０ 収集装置
２２ パイプ
２４、２４’ 波形シート
２６ 層の山
２６’ 隣接する層の山
２８ 谷
３０ チャンネル／オープンスペース
３２、３２’ 層
３３、３３’ 波形シートの終端部分
３４ ディンプル
３６ ディンプルの谷の壁
３８ グリッド
４０、４０’、４０’’、４０’’’ グリッドの開口部
４２ グリッドの分離要素
４４ａ、４４ｂ、４４ｃ 異なる角度で撮られた開口部の写真画像
４６ 分離要素セクション
４８、４８’ 分離要素セクションの縁部
５０ 開口部セクション
５２ 中央平面
５４、５４’ 波形層で作られた構造充填要素の最小変形部分を決定する上側及び下側の制限平面
Ａ 開口部の断面積
ａ１ 開口部の辺長
ａ２ 開口部の第２の辺長
ａＭ 充填物又は層の比面積
Ａｊ 開口部セクションの面積
ＡＭ 幾何学的面積
ＡＰ 物理的面積
ＡＳ シート面積
ｂ 分離要素の平均幅
ｂｉ 分離要素セクションの隣接する縁部の間の最短距離
ｄ 開口部の平均水力直径
ｄｉ 分離要素セクションの長さ
ｅ１ 開口部のより長い固有長さ
ｅ２ 開口部のより短い固有長さ
ｇ グリッド厚さ
ｓ 層材料厚さ
Ｄ 少なくとも２つの層／波形シートのうちの少なくとも隣接する層／波形シートの間の最大距離
Ｐ 開口部の周長
Ｐｋ 開口部の周長セクションの直線
ＳＤ エキスパンドメタル・シートの延伸方向
ｕ１ エキスパンドメタル・シートの延伸方向に対して垂直な方向において隣接する２つの開口部の間の距離
ｕ２ エキスパンドメタル・シートの延伸方向において隣接する２つの開口部の間の距離
Ｖ 通常は垂直方向である長手方向
Ｗ 層又は波形シートの平均層幅
ｚ 層の基準長さ
ｚ’ 写真画像の平面図上での基準長さ
α 長手方向に対しての各々の山及び各々の谷の角度
【図1】
【図2a】
【図2b】
【図2c】
【図3】
【図4a】
【図4b】
【図4c】
【図4d】
【図4e】
【図4f】
【図5a】
【図5b】
【図6】
【図7a】
【図7b】
【図7c】
【図8】
【図9a】
【図9b】
【図9c】
【図9d】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
