低圧力損失型充填材構造

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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D_bを有する少なくとも1つの中空孔をさらに備え、D_b≦OD−4mmである。

充填材構造の種々の実施形態において、くぼみは、D_r未満の深さを有し、D_r=(OD−(D_b+2))/2である。

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。

充填材構造の種々の実施形態において、D_bは、ODの約10%〜50%である。

充填材構造の種々の実施形態において、ODとD_bとの間の壁T_wの厚さは、ODの約10%〜40%である。

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。

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。

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。

本発明の原理及び実施形態はまた、N_f個の辺及びN_v個の頂点、ならびに長さL_b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R_v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。

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。

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。

充填材構造の種々の実施形態において、押出成形体がN_v個の頂点の間にN_c個のチャネルをさらに備えるようにN_f個の辺は凹状であり、支持体の断面の周長は、半径R_vを有する円の円周よりも大きい。

充填材構造の種々の実施形態において、押出成形体がN_v個の頂点の間にN_l個の葉状部をさらに備えるようにN_f個の辺は凸状であり、葉状部は、軸からの最大距離R_Lを有し、支持体の断面の周長は、半径R_Lを有する円の円周よりも大きい。

充填材構造の種々の実施形態において、N_v=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R_iにあり、奇数番目の頂点は、押出軸から距離R_oにあり、頂点の間の辺は、チャネル深さD_c=R_o−R_iを有するN_c/2個のチャネルを形成する。

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R_bとR_iとの間の壁厚T_wは、少なくとも1mmである。

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。

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。

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。

充填材構造の種々の実施形態において、ねじれたN_f個の辺及びN_v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。

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L_b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。

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。

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。

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。

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。

垂直配向の例示的な充填カラムを示す。

A〜Bは充填材構造の例示的な実施形態を示す。

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。

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。

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。

A及びBは充填材構造の別の例示的な実施例を示す。

A〜Bは充填材構造の他の例示的な実施例を示す。

充填材構造の別の例示的な実施例を示す。

湾曲した充填材構造の例示的な実施形態を示す。

湾曲した充填材構造の別の例示的な実施形態を示す。

湾曲した充填材構造の別の例示的な実施形態を示す。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

充填層のレイノルズ数は

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、v_s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。

充填物が球体ではない形状を有する場合、有効粒径は D_p=6V_p/A_p=6(1−ε)/A_s によって得られ、A_s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。

エルガン式は、その圧力損失を空隙と関連付け、

によって得ることができ、式中、f_p及びGr_pは

として定義され、式中、Gr_p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、D_p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、V_s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。

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。

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/D_p²及び1/D_p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。

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。

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。

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D_pの両方を増加させる充填材構造に関する。有効粒径D_p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。

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Φ_sを有することができる。

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Φ_sは、約0.8823である。それと比較して、球体は、1の形状係数Φ_s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Φ_s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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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D_M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。

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。

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。

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。

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。

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。

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L_B、直径D_B、及び領域A_B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。

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V_B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。

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。

種々の実施形態において、充填層体積V_Bに装填された複数の充填材構造は、総表面積A_P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A_s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A_P/V_B(m²/m³)が得られる。

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。

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。

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。

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、5N_f個の辺及び5N_v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。

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、5N_f個の辺及び5N_v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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

図2Bに示されるように、直径D_b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。

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。

種々の実施形態において、壁厚T_w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。

いくつかの実施形態において、壁は、1mm以上の厚さT_w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。

図3A、3B、及び3Cは、深さD_r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T_wの壁を有する充填材構造の実施形態を示す。

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D_r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。

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。

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T_w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。

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D_bを有する円径孔とを有する円筒状の充填材構造を示す。

図4A及び4Cは、N_f個の辺及びN_v個の頂点、ならびに長さL_b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R_v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。

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。

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。

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。

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。

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。

図5A及び5Bは、Nv個の頂点の間に凹状または凸状の辺N_f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。

図5Aは、本体がN_v個の頂点の間にN_l個の葉状部をさらに備えるようにN_f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N_v個の頂点の間にN_c個のチャネルまたは溝をさらに備えるようにN_f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R_L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R_v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。

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。

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。

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。

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。

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、N_v=2xの頂点(角部)及びN_f=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R_iにあり、奇数番目の頂点は、本体の軸から距離R_oにあり、頂点の間の辺は、チャネル深さD_c=R_o−R_iを有するN_c/2個のチャネルを形成する。R_i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、R_o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。

種々の実施形態において、N_v個の頂点を接続するN_f個の辺は、湾曲状または直線状であり得る。

種々の実施形態において、チャネル深さD_cは、約0.1mm〜約3.0mmである。

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。

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。

図7Bは、内側の頂点と円形孔の外径との間に厚さT_w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R_bとR_iとの間の壁厚T_wは、少なくとも1mmである。

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。

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。

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。

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。

図10は、所定の半径R_c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L_b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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

他の実施形態は、以下の特許請求の範囲に記載される。