(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
堰及び孔を有する棚板が多段数設置された棚段塔により、ガスと、液とを接触させる気液接触方法であって、
各段において、該堰の高さ（ｈ）が下記式（１）を満たし、
該孔の径が２０ｍｍ以下である、気液接触方法。
【数１】
0006575348.tif 000004
（式中、ｈは堰の高さ（ｍ）、Ｖは塔内の液流量（ｍ３／ｓ）、Ｓは開孔部総面積（ｍ２）、ｇは重力加速度（ｍ／ｓ２）を表す。）
【請求項２】
プロピレンを酸化し、アクリル酸を含む粗アクリル酸を得るアクリル酸生成工程を含むアクリル酸の製造方法において、
該生成工程が請求項１に記載の気液接触方法を含むアクリル酸の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気液接触方法に関する。具体的には、堰及び孔を有する棚板が多段数設置された棚段塔により、ガスと、液とを接触させる気液接触方法であって、各段において、該堰の高さが所定の値を満たす気液接触方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
蒸留塔内では、蒸留塔内を流れるガスと液の間で物質移動及び熱移動が行われる。該熱及び物質移動を促進する為、言い換えると蒸留効率を高める為、棚段や充填物等が塔内に設置される。該棚段や充填物の役割は、ガスと液が平衡状態により近づくよう、お互いが接触する機会を増やすことにある。
【０００３】
蒸留塔内に設置される充填物の特徴は、単位容積当たりの表面積（比表面積）が大きいことである。広い充填物表面に供給液を拡散させることで、気液接触の機会を増やしている。比表面積の大きい充填物ほど高い蒸留効率が得られるが、単位表面積当たりの液流量は減少し、充填物表面の汚れによる液やガスの偏流と蒸留効率の低下を起こし易くなるため、採用が難しくなる。
【０００４】
棚段における一般的な気液接触の方法はバブリングである。多数の孔を有する棚板上に保持された液に対し、下方から上昇したガスが該孔を通過する際に棚板上の液を激しく撹拌し、同時に該ガスが小さな気泡に分割される事で、気液接触の機会を増やしている。該バブリングが激しいほど高い蒸留効率が得られるが、その原動力として上昇ガスの圧力が消費される為、運転時の塔内差圧も増大する。
【０００５】
棚板上に液を保持する方法は２つに分けられる。一つは、棚板上に堰を設けて一定範囲の液深を維持すると共に、堰を超えた液が下方に降下する為の専用流路であるダウンカマーを設置する方法である。堰により液深が一定範囲に定められている為、液やガス流量の異なる運転条件下でも、比較的安定に運転可能である。上昇するガスが少な過ぎると、棚板の孔から液が落下（ウィーピング）して蒸留効率は大幅に低下する。降下する液が多過ぎると、ダウンカマーを降下することが出来ず（ダウンカマー・フラッディング）、蒸留塔の運転が不可能となる。最も一般的な蒸留塔棚段の仕様であり、シープトレイと称されるが、他にバブリング用孔部が複雑化したものとして、バブルキャップトレイやバルブトレイなどがある。
【０００６】
棚板上に液を保持するもう一つの方法は、塔水平断面の全てを棚板とし、該棚板上に多数の孔のみを設ける方法である。液が該孔から落下すると同時に、該孔からガスも上昇する。ダウンカマーを有さないことで、塔断面積のほぼ全てをバブリング領域に割り当てることが出来、単純な構造故に堆積物等も生じにくい。但し、棚板上の液深は、落下する液と上昇するガスの微妙なバランスの上に成り立っている為、運転可能な液やガス流量の条件範囲は狭い。特に液深が浅い場合、ガスの上昇する孔と液の落下する孔が別々となる現象が発生し易く、蒸留効率は概して低い。平板上、等間隔に小孔の設けられたデュアルフロートレイが本形態では最も一般的であり、他に、波板上に小孔を設けたリップルトレイ、小孔ではなく多数のスリットを設けたターボグリッドトレイなどがある。
【０００７】
高粘性や発泡性、付着性固体含有等々の特徴を有する液の場合、液を少量ずつ広く拡散させる充填物や、棚板上でバブリングを行う棚段では、安定的に蒸留塔を運転することが難しく、故に、バブリングを行わない棚段が用いられる。蒸留塔の水平断面に対して半分程度を覆う邪魔板（バッフル）からなり、垂直方向に複数段設置される。上下で隣接する
バッフル同士は異なる位置に配置されている。ガスはバッフルの間を縫うようジグザグに上昇し、バッフルの縁から降下してくる液と気液接触する。一般にバッフルトレイと称されることが多いが、蒸留塔棚段の分類表には含まれないことも多い。特許文献１では円盤型及びドーナツ型のバッフルによる棚段を用いて、アクリル酸製造工程における副生物の加熱分解装置からの留出物を蒸留精製することで、該蒸留塔内の閉塞を回避する方法が示されている。
【０００８】
特許文献２では、弗化水素含有空気を水酸化カリウム水溶液で中和する際、堰を有する半円型の棚板を用い、棚段の上下で重なる部位に多数の孔を有することで気液接触の効率を高めると共に、サポートリングにも孔を開けることで、該棚段下面の腐食を防ぐ方法が示されている。
【０００９】
特許文献３では、堰を有さないバッフルによる棚段を用いて、メタクリル酸含有ガスを水で吸収する際、バッフルの縁から降下する水との気液接触に加え、バッフル全面に多数の孔を設けることで、該孔を通過するガスと水との気液接触を可能とし、更に蒸留塔内の重合物による閉塞を回避する方法が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００３−２５２８２４号公報
【特許文献２】実公昭５６−３５２０２号公報
【特許文献３】特開２００１−４６８０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
単純な構成により安定運転に効力を発揮する、バッフルによる棚段を含む棚段塔（例えば捕集塔）は、更に効率面でも改良が図られているが、棚段塔内の液やガス流量、液性状、等の変動や、汚れに伴う経時的な変化などに対する安定性という面では未だ不充分である。
【００１２】
円盤とドーナツ型バッフルを用いた特許文献１の場合、仮にバッフル上に汚れが付着したとしても、液やガスの流れを妨げることはなく、運転継続を妨げるものでは無い。しかし、バッフル上を流れる液は、該付着物を避けるように流れる為、元々は均一に分散して流れていた液流に偏りが生じることとなる。液が降下する箇所ほど抵抗が大きく、これを避けるようにしてガスは上昇する為、蒸留効率は大幅に低下することとなる。
【００１３】
特許文献２においてバッフルに開けられた孔からは、連続して柱状の液が落下し、これを横切るようにガスが流れる為、該部での気液接触は維持されるが、該孔から落下する液と堰を超えて降下する液の比率は運転条件に依存して変化し、一定しない。特に、液が発泡した場合、ガスの流路が狭まることで棚段の上下間における差圧が上昇し、該差圧上昇が該孔からの液落下を鈍らせ、堰を超えて降下する液の比率を高め、これがガスの流路を更に狭めて更に差圧を上昇させる、という悪循環を引き起こす。
【００１４】
特許文献３のように堰を有さないバッフルの全面に多数の孔を設けた場合、ごく限られた運転条件においてのみ、該孔でのバブリングが起こり得るが、堰を有さないバッフル上の液深は浅く、ガスが該孔を通過する際の抵抗も小さい為、ガスのみが上昇する孔、および液のみが落下する孔に分離してしまい、蒸留効率は極端に低下する。傾斜させて塔内に設置する棚段やそのサポートリングは楕円形を有するなど、機器の製作や据付における負荷も高く、採用は限定される。
【００１５】
本発明は上記従来の問題点を解決し、運転条件が変動しても安定的に気液接触を行える気液接触方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明者は、上記課題を解決すべく検討を重ねた結果、棚板上に液を落下させる為の多数の孔と棚板上に液を保持する為の堰を有したバッフルトレイを用いた棚段塔の運転において、棚板上の孔から落下する液と、堰を超えて降下する液の比率が変わることで、該棚段における差圧の変動を引き起こすことに気付き、常に全ての液が堰を超えることなく棚板上の孔から落下する仕様とすることで、運転変動に由来する棚段塔内の差圧変動を起こさず、安定した気液接触を維持できることを見出した。
【００１７】
本発明はこのような知見に基づいて達成されたものであり、以下を要旨とする。
［１］  堰及び孔を有する棚板が多段数設置された棚段塔により、ガスと、液とを接触させる気液接触方法であって、
各段において、該堰の高さ（ｈ）が下記式（１）を満たす気液接触方法。
【００１８】
【数１】
0006575348.tif 000002
【００１９】
（式中、ｈは堰の高さ（ｍ）、Ｖは塔内の液流量（ｍ３／ｓ）、Ｓは開孔部総面積（ｍ２）、ｇは重力加速度（ｍ／ｓ２）を表す。）
［２］  プロピレンを酸化し、アクリル酸を含む粗アクリル酸を得るアクリル酸生成工程を含むアクリル酸の製造方法において、
該生成工程が［１］に記載の気液接触方法を含むアクリル酸の製造方法。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、運転変動によらず安定した気液接触を行う方法を提供出来る。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施態様に係る捕集塔内の模式図である。
【図２】本発明の一実施態様に係る捕集塔内の模式図である。
【図３】本発明の一実施態様に係るアクリル酸捕集塔の模式図である。
【図４】捕集塔内の液及びガス流れを示した説明図である。（Ａ）シープトレイ、（Ｂ）デュアルフロートレイ、（Ｃ）バッフルトレイ、（Ｄ）堰と孔を有するバッフルトレイ、（Ｅ）棚板の全面に孔を有するバッフルトレイ、（Ｆ）本発明の一実施態様に係るバッフルトレイである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の気液接触方法について、図面を参照に詳細に説明するが、本発明は何ら以下の説明内容に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々変更して実施することができる。
【００２３】
本発明は、堰及び孔を有する棚板が多段数設置された棚段塔により、ガスと、液とを接触させる気液接触方法であって、各段において、該堰の高さ（ｈ）が下記式（１）を満た
す気液接触方法である。
【００２４】
【数２】
0006575348.tif 000003
【００２５】
（式中、ｈは堰の高さ（ｍ）、Ｖは塔内の液流量（ｍ３／ｓ）、Ｓは開孔部総面積（ｍ２）、ｇは重力加速度（ｍ／ｓ２）を表す。）
【００２６】
本発明の気液接触方法の棚段塔における棚板の段数は通常は多段であり、蒸留分離に必要な理論段数を得る観点から、通常３以上であり、好ましくは４以上であり、より好ましくは５以上である。一方で、棚段塔の塔高が過度に高くなることを防ぐ観点から、通常４０以下であり、好ましくは３０以下であり、より好ましくは２５以下である。また、棚段塔の具体的態様は特に制限されず、例えば、後述するように、吸収塔や放散塔、捕集塔、蒸留塔などが挙げられる。
【００２７】
本発明の気液接触方法の適用先は特に制限されず、排ガスからの脱硫、脱二酸化炭素、脱酸性ガスなどの有害な化学物質を含むガスを液に吸収させる場合など、その適用先は広い。例えば、吸収塔として棚段塔を用いる場合では、有害な化学物質を含むガスが液に吸収され、本発明の構成及び条件を満足することにより、差圧の上昇なく、気液接触が効率よく実施され長時間安定的に運転が行われる。また、放散塔として棚段塔を用いる場合では、ガス中の有用な化学物質を液に可能な限り吸収させた後に、残ガスを大気に放散する。これも、本発明の構成及び条件を満足することにより、差圧の上昇なく、気液接触が効率よく実施され長時間安定的に運転が行われる。
【００２８】
また、本発明の気液接触方法は、例えば、アクリル酸の製造やポリアルキレンエーテルグリコールジエステルの製造、ポリテトラメチレンエーテルグリコールジ酢酸エステルの製造などに適用できる。以下では、適用先をアクリル酸の製造方法、より具体的には該アクリル酸の製造方法における粗アクリル酸の生成工程として記載するが、本発明の気液接触方法の適用先がこれに限定されるわけではない。
【００２９】
アクリル酸は、通常には、プロピレンを酸化し、アクリル酸を含む粗アクリル酸を得るアクリル酸生成工程を含む製造方法によって得られる。さらに、該粗アクリル酸を精製する精製工程を含んでもよい。具体的には、プロピレンを酸素含有ガスとの気相接触酸化反応により粗アクリル酸含有ガスとし、粗アクリル酸含有ガスを捕集塔にて水等の溶剤によりアクリル酸溶液とし、次いで、蒸留により捕集に用いた溶媒を分離して粗アクリル酸とし、更に蒸留及び／或いは晶析により不純物を分離することにより精製アクリル酸とする。
本発明の気液接触方法は、前記アクリル酸の製造方法における、アクリル酸含有液を得る生成工程において、棚段塔である捕集塔に好ましく適用される。
【００３０】
図１は、本発明の気液接触方法の一実施態様における捕集塔内の模式図である。
１は捕集塔の塔壁、２は棚板であり、一段毎にその設置位置及び／或いは形状が異なり、隣接する上下２段の棚板により、捕集塔の断面が完全に覆われるように配置される。該上下２段の棚板の総断面積は、該捕集塔断面を完全に覆う為に捕集塔の断面積の１倍以上
が必須であるが、捕集塔内を降下する液が該棚板をすり抜けてしまわぬように、実質的には１．０５倍以上が必要であり、１．１倍以上がより好ましい。該比率が大きくなるほど、ガスの流通路、つまり棚板で覆われない部分が狭まるので、１．５倍未満が好ましく、１．３倍未満がより好ましい。該上下２段の棚板の面積は等しい必要はないが、同様にガスの流通路を確保する観点から、その比率は０．９〜１．１の範囲内が好ましい。
【００３１】
３は棚板上に設けられた孔であり、主に上下２段の棚板が重なり合った箇所に設けられる。当該箇所以外にも孔を設けることができるが、この場合、該孔から落下した液は、その下の棚板の脇をすり抜け、２段下の棚板に到達することになり、気液接触の点で不利である。故に、該重なり合わない箇所に設けられる孔数は、該重なり合う箇所に設けられる孔数に対して、半分以下とすることが好ましい。
【００３２】
孔の大きさは、落下する液の偏りを無くす為、孔径を同一とし、対象性を高く配置することが好ましい。板厚に対して孔径が小さいと、液が通過する際の摩擦が大きく、液の落下を妨げる要因となるため、孔径は板厚に対して少なくとも３倍以上が好ましく、より好ましくは４倍以上である。また、液の表面張力による影響を小さくする為、孔径は少なくとも５ｍｍ以上が好ましく、より好ましくは８ｍｍ以上である。孔径が大きすぎると、孔数が減る為、孔を均一に配置するのが難しくなり、また孔から落下する液柱の形成する表面積も減少して気液接触の効率が低下するため、孔径は２０ｍｍ以下が好ましく、より好ましくは１５ｍｍ以下である。
【００３３】
孔同士の間隔が狭いと、孔からの落下液により形成される液柱同士が合流し易くなるため、隣接する孔同士の中心間距離は、孔径の２倍以上が好ましい。中心間距離の上限に制約は無いが、該距離が長くなるほど、必要数の孔を棚板上に配置するのが難しくなる為、５倍未満が妥当である。
【００３４】
４は棚板の周囲で、塔内壁面に接していない箇所に設けられた堰である。棚板上に液深ｈＬ（ｍ）で存在する液が該板上に設けられた孔から落下した場合、摩擦等を無視すれば、液の孔からの落下速度ｖ（ｍ／ｓ）＝（２ｇｈＬ）１／２と表される。捕集塔運転時の塔内液流量をＶ（ｍ３／ｓ）、棚板上の開孔部総面積をＳ（ｍ２）、重力加速度をｇ（ｍ／ｓ２）とすれば、ｈＬ＝（Ｖ／Ｓ）２／２ｇとなるが、実際には摩擦等が生じる為ｈＬはより大きくなる。一旦液が堰を超えて流れる状態が生じてしまうと、容易には元の状態に戻らないケースもある為、充分な堰高さが必要であり、少なくとも上記計算値の３．２倍以上、より好ましくは３．５倍以上が必要である。つまり、棚板に設けられた堰高さｈ（ｍ）は８×（Ｖ／Ｓ）２／５ｇを満たす必要がある。但し各々の数値に関わらず、安定した液深を維持する目的から、ｈは２０ｍｍ以上であることが好ましい。また、ｈが高いほど堰を超えて液が流れる可能性は低くなるが、ガスの流路を狭めることになるので、過度に高くすることは避けるべきであり、２００ｍｍ未満が好ましく、より好ましくは１５０ｍｍ未満である。
【００３５】
図２は、本発明の気液接触方法の一実施態様における捕集塔内の模式図である。棚板の対象性を高めることで、液及びガスの流れがより均一化され、安定した気液接触を行うことが可能である。
【実施例】
【００３６】
以下に実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はその要旨を超えない限り、以下の実施例により限定されるものではない。
【００３７】
［比較例］
図３に示す装置を用い、プロピレンの接触気相酸化反応により得られたアクリル酸含有
ガスからのアクリル酸捕集を行った。２１は捕集塔本体、２２はアクリル酸含有ガスの供給ライン、２３は塔底部に備えられた７段のバッフルトレイ、２４は途中に冷却装置を備えた塔底循環ライン、２５は捕集されたアクリル酸水溶液の抜出ライン、２６はデュアルフロートレイ、２７はバブルキャップトレイ、２８は塔頂の排ガスライン、２９は捕集用水の供給ライン、である。
【００３８】
バッフルトレイ部におけるガス流量は１６〜２０ｔ／ｈ、塔内の空塔速度１．２〜１．８ｍ／ｓ、該部における塔内液流量は１６０〜１６５ｍ３／ｈ、バッフルトレイの形状は７段全て同一で塔断面積に対する割合は約３／４であり、バッフルトレイ上の孔径は１２ｍｍ、隣接する孔同士の間隔は３０ｍｍ、換算される開孔部からの液の落下速度は、０．６０〜０．６２ｍ／ｓであった。１年間の連続運転中に数回、該バッフルトレイ部の差圧上昇が起き、その都度消泡剤の投入と運転負荷の低減により該差圧上昇の緩和を行った。バッフルトレイの堰高さは３９ｍｍであり、（Ｖ／Ｓ）２／２ｇより算出される値の２〜２．２倍であった。
【００３９】
［実施例］
比較例と同様にして、但しバッフルトレイの堰高さを全て７２ｍｍに変更して運転を行った。３年間の運転期間中、バッフルトレイ部における差圧上昇は一度も確認されなかった。該堰高さは、（Ｖ／Ｓ）２／２ｇより算出される値に対して３．７〜３．９倍であった。また、運転停止時の塔内確認において、該堰の棚板側に面した側の上方と下方で汚れに有意差があり、運転期間中、塔内の液が該堰を超えて流れていなかった事が確認された。
【符号の説明】
【００４０】
１，１１  捕集塔の塔壁
２，１２  棚板
３，１３  棚板上に設けられた孔
４，１４  堰
２１  捕集塔本体
２２  アクリル酸含有ガスの供給ライン
２３  バッフルトレイ
２４  塔底循環ライン
２５  アクリル酸水溶液の抜出ライン
２６  デュアルフロートレイ
２７  バブルキャップトレイ
２８  塔頂の排ガスライン
２９  捕集用水の供給ライン
【図１】
0006575348.tif 000005
【図２】
0006575348.tif 000006
【図３】
0006575348.tif 000007
【図４】
0006575348.tif 000008