(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
滞留する還流液へ下方から蒸気の流入を許容する底面部と、上方から還流液を流入させる流入部と、下方へ滞留する前記還流液を流下させる流出部とを有し、滞留する前記還流液から低沸点成分濃度のより高い蒸気を発生させる棚段部を、
精留塔内に多段に設けて低沸点成分水溶液から低沸点成分を精留する水系精留装置であって、
多段に設けられた前記棚段部の間の空間を上下に仕切る位置に疎水性多孔膜を配設してある水系精留装置。
【請求項２】
滞留する還流液へ下方から蒸気の流入を許容する底面部と、上方から還流液を流入させる流入部と、下方へ滞留する前記還流液を流下させる流出部とを有し、滞留する前記還流液から低沸点成分濃度のより高い蒸気を発生させる棚段部を、
精留塔内に多段に設けて低沸点成分水溶液から低沸点成分を精留する水系精留装置であって、
多段に設けられた前記棚段部の底面部に疎水性多孔膜を配設してある水系精留装置。
【請求項３】
前記棚段部の底面部が、支持体上に支持された疎水性多孔膜で構成されている請求項２記載の水系精留装置。
【請求項４】
前記疎水性多孔膜が、ポリ（テトラフルオロエチレン）、ポリ（トリフルオロエチレン）、ポリ（クロロトリフルオロエチレン）、ポリエチレン、及びポリプロピレンからなる群より選ばれる１種以上よりなるものである請求項１〜３いずれか記載の水系精留装置。
【請求項５】
前記低沸点成分がアンモニアであり、アンモニア吸収冷凍機のアンモニア精留装置として用いられるものである請求項１〜４いずれか記載の水系精留装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アンモニア吸収冷凍機、アルコール精留等に用いられる水系精留装置に関し、より詳細には、滞留する還流液へ下方から蒸気の流入を許容する底面部と、上方から還流液を流入させる流入部と、下方へ滞留する前記還流液を流下させる流出部とを有し、滞留する前記還流液から低沸点成分濃度のより高い蒸気を発生させる棚段部を、精留塔内に多段に設けて低沸点成分水溶液から低沸点成分を精留する水系精留装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のアンモニア吸収冷凍サイクルとしては、図１に示すようなものが一般的である。即ち、圧力Ｐｅ下で蒸発器１内において蒸発したアンモニア蒸気は、吸収器２で蒸発圧力Ｐｅに維持するようにアンモニア水溶液に吸収される。その際発生する吸収熱は外部へ冷却水等により放出する。アンモニア蒸気を吸収して強溶液（アンモニアを吸収してアンモニア濃度が高まった溶液）となった溶液は、ポンプＰによって発生器３に送られる。ここで圧力Ｐｃ下で外部の熱源によって加熱され、冷媒のアンモニアと吸収剤の水との沸点差があまり大きくないので水分を含んだアンモニア蒸気を発生する。この蒸気は精留塔４ならびに分縮器５に入り、アンモニア濃度約９９．８％以上に精製して濃度を高めてから、凝縮器６に入り冷却水等により冷却液化させて高純度のアンモニア液（冷媒液）にする。この冷媒液は膨張弁７を経て、蒸発器１に入り蒸発し外部の熱負荷を冷却する。
【０００３】
冷媒液のアンモニア濃度を約９９．８％以上にする必要性は、これが冷凍機の効率を大きく左右するからである。例えば濃度１００％のアンモニアの場合、冷媒は蒸発器において等温、等圧で蒸発し、完全に蒸発を終えるが、水分が混在すると等圧蒸発は続くが、水を含んだアンモニアは沸点上昇を起こし、伝熱の温度差が小さくなり蒸発器の熱交換量が減少する。またアンモニアと水は完全に溶解しており有効に冷媒の蒸発潜熱を利用しないで、一部分は未蒸発のまま蒸発器より出てしまい、冷凍サイクル上の冷凍効果を損なうために、冷媒蒸気の精留は必要不可欠である。図２は、冷媒中の水分濃度による冷却動作係数への影響を具体的に示したものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のサイクルにおいて、精留塔内で蒸発が生じる際、加熱により液体内部に蒸発泡や蒸気塊が発生し、液面上ならびにその液面の近傍部で蒸気の気泡が破裂する。その際、発生する液滴は、図３で示すような微小粒径（約２０μｍ）の液滴と比較的粒径（約４８０μｍ）の大きい液滴のピークを有する粒径分布になる。
【０００５】
未蒸発分の不純物を含んだ液滴（ミスト）が高純度成分の蒸気中に同伴すると、その蒸気を凝縮して得られる液体の純度は低下するため、このミストの飛沫同伴は蒸発面上部の空間（以下「フリーボード部」という）を上昇する蒸気速度を次式で求める粒子の終末速度（Ｖｔ：ｍ／ｓｅｃ）以下に押さえる必要がある。
Ｖｔ＝（４×ｇ×Ｄｐ×（ρｐ−ρ）／（３×ρ×Ｃ）0.5 
ただし、Ｄｐ：ミストの粒径（ｍ），ｇ：重力加速度（ｍ／ｓｅｃ2)，
ρｐ：ミストの密度（ｋｇ／ｍ3)，ρ：蒸気の密度（ｋｇ／ｍ3)，
Ｃ  ：抵抗係数
【０００６】
また、粒子ミストの蒸気中に同伴する以外に、液面上での気泡破裂の際にミストが飛び跳ね現象を生じて、上段に不純物が搬送されることがある。これを防止すべく、フリーボード部の口径ならびに高さ、精留塔の段数を多くして対応しているが、装置の小型化を計る目的で反転分離やワイヤメッシュ等によるデミスターを採用する。しかし、このようなデミスターでは、大きなミストは容易に分離可能であるが、微細なミストは質量が小さく慣性力が小さいために、ガスの気流中に乗り衝突の確率が少なく分離が非常に困難であり、フリーボード部の高さ、精留塔の段数をある程度大きくしなければならず、装置の小型化を阻んでおり、特に背の高い精留塔とならざるをえない。
【０００７】
一方、アンモニアは高圧ガス取締法で毒性ならびに可燃性ガスに指定されており、安全対策上、装置内の冷媒（アンモニア）充填量を最小限に抑え、かつ製作上の品質管理を高めるために、現地作業を極力やめて工場でのパッケージ製品化を必要としている。しかし、前記のように精留器のみによって製品の高さが制約されており、輸送上の理由から完全なパッケージ化を困難としている。
【０００８】
また、図４のように精留塔の代表的なトレイ（棚段部）は、多孔板型と泡鐘型の二種類がある。前者は構造が簡単であるが安全操作範囲が狭く、後者は構造が複雑でコスト高であるが広範囲にわたって安定した運転が得られるために長年利用されてきた。これらの欠点を補うような各種のトレイが考案されているものの一長一短である。
精留塔の運転上の挙動は、原料供給量や還流比を変化すると精留塔内の液量、蒸気量も変化し、蒸気量を極端に減ずると、多孔板型では液漏れ（ウィーピング）現象が起こり、また蒸気量が極端に増加すると、棚段上の液が塔頂（フリーボード）部に押し上げられるフラッディング現象が見られる。図５にこの関係を示した。ウィーピング（チャネリング）は蒸気量の下限値（Ａ点）をフラッディングはその上限値（Ｂ点）を示し、これらの間の領域が精留塔を安定した状態で運転できる範囲（安定操作範囲）を示している。
また、精留塔のトレイは、気液混合を良く混合するようにバブリングの気泡サイズを出来るだけ小さくして気液接触効率を高め、飛沫同伴を最小にして、広範囲にわたる運転条件下で対応可能、かつ低コストのものが望まれている。
【０００９】
なお、上記のようなミスト飛沫同伴による精留効率の低下、安定操作範囲の問題は、アンモニア吸収冷凍機に用いられる精留装置に限られる問題でなく、アルコール蒸留やアンモニア蒸留等に用いられる各種の精留装置に広く関係する問題である。
【００１０】
従って、本発明の目的は、ミスト飛沫同伴防止し、精留効率を高めて小型化が可能で、更に低負荷時で発生する液漏れ（ウィーピング）現象を抑制し広範囲にわたって安定した運転を可能にする水系精留装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するための本発明の特徴構成は、滞留する還流液へ下方から蒸気の流入を許容する底面部と、上方から還流液を流入させる流入部と、下方へ滞留する前記還流液を流下させる流出部とを有し、滞留する前記還流液から低沸点成分濃度のより高い蒸気を発生させる棚段部を、精留塔内に多段に設けて低沸点成分水溶液から低沸点成分を精留する水系精留装置において、
多段に設けられた前記棚段部の間の空間を上下に仕切る位置に疎水性多孔膜を配設してある点、又は
多段に設けられた前記棚段部の底面部に疎水性多孔膜を配設してある点にある。
後者の場合、前記棚段部の底面部が、支持体上に支持された疎水性多孔膜で構成されていることが、後述の作用効果より好ましい。
【００１２】
また、前記疎水性多孔膜が、ポリ（テトラフルオロエチレン）、ポリ（トリフルオロエチレン）、ポリ（クロロトリフルオロエチレン）、ポリエチレン、及びポリプロピレンからなる群より選ばれる１種以上よりなるものであることが、後述の作用効果より好ましい。
【００１３】
更に、本発明の水系精留装置は、前記低沸点成分がアンモニアであり、アンモニア吸収冷凍機のアンモニア精留装置として用いられるものであることが、後述の作用効果より好ましい。
【００１４】
〔作用効果〕
つまり、多段に設けられた前記棚段部の間の空間を上下に仕切る位置に疎水性多孔膜を配設することにより、あるいは多段に設けられた前記棚段部の底面部に疎水性多孔膜を配設することにより、疎水性多孔膜が純度の低いミスト（液滴）の透過を妨げる一方で、純度の高い蒸気成分のみを透過させるため、その蒸気を凝縮して得られる液体の純度も高くなるため、精留装置全体の精留効率を高めることができる。また、疎水性多孔膜そのものは、厚みが小さいため設置スペースをとることもなく、従来問題であった液滴の飛び跳ねによる純度低下も防止でき、また蒸気速度を大きくして能力を高めることができるため、フリーボード部の高さや段数を大きくする必要もなく、精留塔の高さを低くして小型化することができる。また、フラッディングについては疎水性多孔膜が、上側の棚段に滞留液が押し上がるのを防止することにより、フラッディングを起こりにくくすることができる。
【００１５】
前記棚段部の底面部を、支持体上に支持された疎水性多孔膜で構成する場合、疎水性多孔膜が還流液を透過させない性質を有するため、棚段部に滞留する還流液が疎水性多孔膜を透過して下方へ落下する事がなく、蒸気量を極端に減じても液漏れ（ウィーピング）現象が起こらない。また、蒸気は疎水性多孔膜を透過することにより比較的均一に分散し非常に小さな気泡を発生して、高い気液接触効率が得られ、滞留液への未溶解の蒸気の通過による純度の低下を防止することができる。
【００１６】
前記疎水性多孔膜を、ポリ（テトラフルオロエチレン）、ポリ（トリフルオロエチレン）、ポリ（クロロトリフルオロエチレン）、ポリエチレン、及びポリプロピレンからなる群より選ばれる１種以上よりなるもので構成する場合、これらは室温における水との接触角が９０°以上と大きく、ミスト（液滴）の透過を妨げつつ蒸気成分のみを透過させる能力が特に高いため、本発明の上記の作用効果がより顕著に得られる。
【００１７】
なお、本発明の水系精留装置をアンモニア吸収冷凍機に用いる場合、前述のような高純度化の要請や小型化の要請に応えることができ、特に好ましい実施形態となる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の水系精留装置は、滞留する還流液へ下方から蒸気の流入を許容する底面部と、上方から還流液を流入させる流入部と、下方へ滞留する前記還流液を流下させる流出部とを有し、滞留する前記還流液から低沸点成分濃度のより高い蒸気を発生させる棚段部を、精留塔内に多段に設けて低沸点成分水溶液から低沸点成分を精留するものである。
かかる精留装置は、棚段部で滞留する還流液から、還流液組成より高い低沸点成分濃度の蒸気を発生させて、上段の棚段部で滞留する還流液に前記底面部を介して溶解（吸収）させることにより、上段ほど高い低沸点成分濃度の還流液組成にして、塔頂部より高純度の低沸点成分蒸気を留出させるものであり、還流液と上昇蒸気との間でこのような物質移動と熱移動を繰り返しながら、低沸点成分水溶液から低沸点成分を精留する機能を有する。従って、このような機能を有する多段式の精留塔を具備するものであれば、いずれの構造のものにも本発明は適用可能であり、段数や塔の形状などは特に限定されない。
【００１９】
棚段部は、多孔板式や泡鐘式などが挙げられるが、コストを考慮すると多孔板式が好ましく、特に好ましいのは、前述のように棚段部の底面部が支持体上に支持された疎水性多孔膜で構成されているものである。
【００２０】
精留塔の塔頂部には、分縮器で凝縮した低沸点成分の一部が還流されるが、この液量（還流比）を調整することにより、低沸点成分の純度、分離効率等が調整できる。
【００２１】
精留塔の底部には蒸発手段が設けられるが、通常は外部にリボイラーが設けられて、蒸発させた蒸気を精留塔内に供給すると共に、未蒸発成分を缶出液として排出する構造等となっている。アンモニア吸収冷凍機に用いられる場合、精留塔の底部には蒸発缶が設けられて、蒸気が精留塔内に上昇すると共に、未蒸発成分を吸収器に供給する構造等となっている（図１参照）。このとき、缶出液により原液を予熱する熱交換器を設けてもよい。
【００２２】
本発明の水系精留装置は、上記において、多段に設けられた前記棚段部の間の空間を上下に仕切る位置に疎水性多孔膜を配設してあるか、あるいは多段に設けられた前記棚段部の底面部に疎水性多孔膜を配設してあるものである。
【００２３】
用いられる疎水性多孔膜としては、前述のようにポリ（テトラフルオロエチレン）、ポリ（トリフルオロエチレン）、ポリ（クロロトリフルオロエチレン）、ポリエチレン、及びポリプロピレンからなる群より選ばれる１種以上よりなるものが、その溌水性のため好ましいが、室温における水との接触角が６０°以上の材質（樹脂等）のものであれば使用可能である。
【００２４】
また、疎水性多孔膜の孔径は、蒸気をある程度以上透過させ、ミスト成分を透過させない程度であればよく、具体的にはその溌水性にもよるが、０．００１〜数百μｍ程度である。
上記のように、高い撥水性と同時に気体の通過性を有している疎水性多孔膜は、各種市販されているが、ポリテトラフロロエチレンのパウダーを押し固めたのち特定の条件下で急速に延伸し、孔径０．０２〜１５μｍ、気孔率２５〜９５％からなる疎水性多孔膜（商品名ゴアテック、）は、特に高い撥水性と同時に気体の通過性を有しているため、本発明に好適に用いられる。
【００２５】
この疎水性多孔膜の配置の仕方を具体的に示したのが、図６及び図７であり、以下、図面を参照しつつ各実施形態について説明する。
【００２６】
図６に示す精留塔は、多段に設けられた棚段部１１の間の空間を上下に仕切る位置に疎水性多孔膜１２を配設してあるものである。棚段部１１は、滞留する還流液へ下方から蒸気の流入を許容する底面部１１ａと、上方から還流液を流入させる流入部１１ｂと、下方へ滞留する前記還流液を流下させる流出部１１ｃとを有し、滞留する前記還流液から低沸点成分濃度のより高い蒸気を発生させる。本実施形態では疎水性多孔膜１２を傾斜させて配置しているが、これは付着した液滴を一方側に効率よく流下させるためである。また、疎水性多孔膜１２は必要に応じて支持体で支持すればよい。
このように、精留塔の蒸発液面上部のフリーボード部に配置することにより、流体をこの膜を通過させることにより、流体に含まれているミストならびに跳ね上がりによる液滴を阻止し蒸気のみ上段部へ流れ、背の低いフリーボードで高い精留効率が得られる。
【００２７】
図７に示す精留塔は、多段に設けられた棚段部１１の底面部に疎水性多孔膜１２を配設してあるものであり、前記底面部１１ａが、支持体上（例えば金網等）に支持された疎水性多孔膜１２で構成されている。棚段部１１は、上記と同様に滞留する還流液へ下方から蒸気の流入を許容する底面部１１ａと、上方から還流液を流入させる流入部１１ｂと、下方へ滞留する前記還流液を流下させる流出部１１ｃとを有し、滞留する前記還流液から低沸点成分濃度のより高い蒸気を発生させる。
このように疎水性多孔膜を配置することにより、下段から不純物を含んだミストならびに液滴の混入を防止できるほか、蒸気は膜を透過することにより比較的均一に分散し非常に小さな気泡を発生して、高い気液接触効率が得られる。かつ蒸気流量が極度に低下した際、従来の多孔板では孔から液が下へ流下する現象（ウィーピング）は、この膜は固有の撥水性機能を持っており、この様なウィーピング現象を生ずることなく、広範囲にわたって安定した運転が可能となる。
【００２８】
本発明の水系精留装置は、アンモニア吸収冷凍機に用いられる精留装置に限られる問題でなく、アルコール等の低沸点成分の蒸留やアンモニア蒸留等に用いられる各種の精留装置に広く用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】アンモニア吸収冷凍サイクルを示す説明図
【図２】冷媒中の水分濃度による冷却成績係数への影響を示したグラフ
【図３】精留塔内で蒸発が生じる際、発生する液滴の粒径分布を示す図
【図４】精留塔の代表的な棚段部を示す模式図
【図５】精留塔の運転挙動を示す説明図
【図６】本発明の一実施形態を示す精留塔の縦断面図
【図７】本発明の一実施形態を示す精留塔の縦断面図
【符号の説明】
１１    棚段部
１１ａ  底面部
１２    疎水性多孔膜
【図１】
0003683054.tif 000002
【図２】
0003683054.tif 000003
【図３】
0003683054.tif 000004
【図４】
0003683054.tif 000005
【図５】
0003683054.tif 000006
【図６】
0003683054.tif 000007
【図７】
0003683054.tif 000008