(57)【要約】      （修正有）【課題】塔内のハニカム構造体における気液の接触効率を高めることができる塔型接触装置を提供する。【解決手段】塔型接触装置１０には、塔型容器１１内にハニカム構造体２２が収容された容器２０が設置されており、塔型容器１１と容器２０の間には、高さ方向に連続したクリアランス１９が存在している。クリアランス１９は、所望位置の高さ位置において、クリアランス１９を通過する気体と液体の圧力損失が、容器２０内のハニカム構造体２２を通過する気体と液体の圧力損失以上になるような流動制御手段３０を有している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
塔型容器内において、底部から供給した気体と液体を上向き流れで接触させた後に頂部から取り出すための塔型接触装置であって、
前記塔型容器内には、ハニカム構造体が収容された容器が設置されており、
前記塔型容器と前記ハニカム構造体の収容容器の間には、前記塔型容器の底部から頂部まで高さ方向に連続したクリアランスが形成されており、
前記クリアランスの所望の高さ位置において、前記クリアランスを通過する気体と液体の圧力損失（PL1）が、前記ハニカム構造体を通過する気体と液体の圧力損失（PL2）以上になるように制御できる流動制御手段を有している塔型接触装置。
【請求項２】
前記流動制御手段が、PL1／PL2≧２の関係を満たすものである請求項１記載の塔型接触装置。
【請求項３】
前記流動制御手段が、連通孔を備えたもの又は連通孔を形成できるものであり、
前記連通孔が１個又は２個以上である請求項１又は２記載の塔型接触装置。
【請求項４】
前記流動制御手段が、環状板からなるものであり、
前記環状板は連通孔を備えたもの又は連通孔を形成できるものであり、
前記連通孔が１個又は２個以上である請求項１〜３のいずれか１項記載の塔型接触装置。
【請求項５】
前記クリアランスの上側が閉塞された前記塔型接触装置であって、
前記流動制御手段が筒状部材からなるものであり、
前記筒状部材が連通孔を備えたものであり、
前記連通孔が１個又は２個以上である請求項１〜３のいずれか１項記載の塔型接触装置。
【請求項６】
前記クリアランスの上側が閉塞された前記塔型接触装置であって、
前記流動制御手段が、ハニカム構造体の収容容器に連通孔を形成したものであり、
前記連通孔が１個又は２個以上である請求項１〜３のいずれか１項記載の塔型接触装置。
【請求項７】
前記流動制御手段が、前記塔型容器内に充填された最上段のハニカム構造体の上側又は最上段のハニカム構造体と同じ高さ位置に設置されている請求項１〜６のいずれか１項記載の塔型接触装置。
【請求項８】
前記塔型容器の底部に設けられた気体と液体の供給口と、前記塔型容器と最下段のハニカム構造体の収容容器で形成されるクリアランスとの間において、前記供給口から供給された気泡を前記最下段のハニカム構造体に誘導するための誘導手段が設置されている請求項１〜７のいずれか１項記載の塔型接触装置。
【請求項９】
ハニカム構造体が収容された容器が、縦方向に２段以上設置されている請求項１〜８のいずれか１項記載の塔型接触装置。
【請求項１０】
１つの段におけるハニカム構造体が収容された容器が、複数の容器の組み合わせからなるものである請求項１〜９のいずれか１項記載の塔型接触装置。
【請求項１１】
各段のハニカム構造体の収容容器が空間部をおいて設置されており、前記空間部に逆流防止手段となる穴径０．５〜８ｍｍの多数の穴を有する整流板がハニカム構造体の収容容器に接触しない状態で設置されている請求項１〜１０のいずれか１項記載の塔型接触装置。
【請求項１２】
前記ハニカム構造体が、その表面に触媒が固定化されたものである請求項１〜１１のいずれか１項記載の塔型接触装置。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか１項記載の塔型接触装置の運転方法であって、
液空塔速度０．０００１〜０．５ｍ／ｓ、ガス空塔速度０．０５〜１０ｍ／ｓで気体と液体を接触させる塔型接触装置の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、塔型容器内において気体及び液体（以下「気液」と略すことがある）を上向き流れで接触させるための塔型接触装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
反応装置として用いられる固定床反応塔の課題の一つは、定期的な触媒交換にかかる作業負荷の軽減と、それを含むコストの低減である。作業負荷の軽減のため、触媒を容器に収容し、その容器を反応塔に装填する方法を取ることがある。特許文献１では、波板形状と平板形状のフィルムを積層してハニカム構造としたフィルム状触媒を筒状ケースに収容した構成が開示されている。
【０００３】
反応塔に触媒を容器に収容したものを装填する場合には、反応塔の内壁面と触媒容器との間にクリアランスが存在することが多い。このクリアランスは、製造上の寸法精度誤差によって生じる場合のほか、触媒容器の出し入れを容易にするため、予め前記クリアランスが形成されるように調整している場合もある。
【０００４】
しかし、反応塔内に前記クリアランスが存在する場合、クリアランスがバイパスとなり、反応物質が触媒部を通過せずにクリアランスを通過してしまうという問題がある。
反応物質が気体と液体の二相で、反応塔の下から気体と液体が入り上側に排出されるアップフロー反応塔では、多くの場合は液体が連続相で気体が気泡として存在する離散相となり、このような場合にはバイパス流れが特に顕著である。
【０００５】
クリアランスへのバイパス流れを抑制するために、クリアランスの出入口にあたる部分にシール材を使用し、気体と液体がクリアランスに流入しないようにする方法がある。しかしながら反応を長期間にわたって行う場合、シール材による密閉の効果を維持することは容易でない。クリアランス全体をシール材で埋めてしまう方法もあるが、その作業負荷は大きく、併せて触媒交換の作業負荷も多大になる。
【０００６】
特許文献２では、一体的なハニカム構造のモノリス触媒に対して、反応塔とモノリス触媒の間の隙間（クリアランス）に触媒粒子を充填する方法が開示されている。ここでのモノリス触媒は収容容器を用いたものではないが、収容容器の使用と同じく、触媒交換作業の軽減を意図したものである。
クリアランスに触媒粒子を充填することで、クリアランスへのバイパス流れは抑制されるものと考えられるが、触媒粒子の充填作業又は交換作業自体は作業負荷の増大につながる。
また、この方法では、クリアランスへのバイパス流れを適正に制御するための触媒粒子の大きさや充填密度等が不明であり、制御も困難であると考えられる。クリアランスの充填物も触媒であるため、バイパス流れが存在しても問題が小さいという考えもあり得るが、本来活用すべきモノリス触媒への流れが減少することは、効率的な触媒利用の上で問題がある。
【０００７】
クリアランスへのバイパス流れの制御技術ではないが、非特許文献１では、内ループエアリフト式の気泡塔が紹介されている。塔内を二重管構造とし、例えば内管に気体を誘導することで液体も随伴され、内管がアップフローに、外管がダウンフローになることを示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開2009-291695号公報
【特許文献２】US2004/0120871
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】化学工学会編：改訂六版 化学工学便覧（丸善，1999） pp.611≡612
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、塔型容器とハニカム構造体の収容容器の間に存在するクリアランスをバイパスとする流れ（バイパス流れ）を防止することで、ハニカム構造体に気液の流れを集中させ、ハニカム構造体における気液の接触効率を高めることができる塔型接触装置と、その運転方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、課題の解決手段として、
塔型容器内において、底部から供給した気体と液体を上向き流れで接触させた後に頂部から取り出すための塔型接触装置であって、
前記塔型容器内には、ハニカム構造体が収容された容器が設置されており、
前記塔型容器と前記ハニカム構造体の収容容器の間には、前記塔型容器の底部から頂部まで高さ方向に連続したクリアランスが形成されており、
前記クリアランスの所望の高さ位置において、前記クリアランスを通過する気体と液体の圧力損失（PL1）が、前記ハニカム構造体を通過する気体と液体の圧力損失（PL2）以上になるように制御できる流動制御手段を有している塔型接触装置を提供する。
【００１２】
本発明は、他の課題の解決手段として、上記の塔型接触装置の運転方法であって、液空塔速度0.0001〜0.5 m/s、ガス空塔速度0.05〜10 m/sで気体と液体を接触させる塔型接触装置の運転方法を提供する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の塔型接触装置によれば、気液をアップフローで接触させたとき、塔型容器とハニカム構造体が収容された容器との間に形成されるクリアランスへの気液のバイパス流れが抑制される。
このため、ハニカム構造体に気液の流れを集中させることで、ハニカムの細管流路における気液の接触効率が高められ、ハニカム構造体を触媒の支持体として反応装置として使用したときは、触媒を有効に使用することができ、反応効率が高められる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】（ａ）は、本発明の塔型接触装置の一実施形態の縦方向断面図、（ｂ）は（ａ）の部分拡大図。
【図２】（ａ）はハニカム構造体を容器に収容した状態の平面図、（ｂ）は（ａ）の軸方向（高さ方向）の断面図。
【図３】（ａ）は流動制御手段となる環状板の平面図、（ｂ）は（ａ）の環状板を図１の塔型接触装置に設置したときの設置状態を説明するための部分拡大平面図。
【図４】（ａ）は、本発明の塔型接触装置の他の実施形態の縦方向断面図、（ｂ）は（ａ）の部分拡大図。
【図５】図４の装置に設置した流動制御手段となる筒状体の斜視図。
【図６】図１の塔型接触装置で設置している誘導手段を含む箇所の部分拡大図。
【図７】本発明で使用できるハニカム構造体の斜視図。
【図８】実施例及び比較例における滞留時間分布の算出方法の説明図。
【図９】完全混合流れの滞留時間分布を表す図。
【図１０】実施例１、２で使用した塔型接触装置の縦方向断面図。
【図１１】実施例１、比較例１の滞留時間分布を示す図。
【図１２】実施例２、比較例２の滞留時間分布を示す図。
【図１３】実施例３、４で使用した塔型接触装置の縦方向断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
＜塔型接触装置＞
図１〜図３により、本発明の塔型接触装置の一実施形態を説明する。
【００１６】
本発明の塔型接触装置１０は、塔型容器１１内において気液を上向き流れで接触させるためのものである。
図１に示す塔型接触装置１０で用いている塔型容器１１は、目的に応じた大きさ及び形状のもので、気液を塔下部から供給し、塔頂部で取り出すことができ、上向き流れで接触させることができるものであればよい。
【００１７】
塔型容器１１内には、多数の平行な細管流路（セル）からなるハニカム構造体が収容された容器２０が設置されている。
図１では容器２０が複数段で設置されているが、本発明では１段であってもよい。段数は、交換作業の観点（例えば、一部容器２０のみを交換作業する場合）からは、多数のハニカム構造体を１段で設置等するよりも、複数段に分けて設置等する方が好ましく、また、塔型接触装置１０の使用目的に応じて選択することもできる。例えば反応装置として使用するときには２段以上あることが好ましく、より好ましくは４段以上であり、１０段以上又は２０段以上であってもよい。
容器２０は、図示していないが、気液の流通が可能な部材により支持・固定されている。
【００１８】
ハニカム構造体が収容された容器２０の底部には気液の通過ができる部材２１（例えば、網、格子、多孔板）が固定されており、容器２０の内部にハニカム構造体２２が収容されている。部材２１は、容器２０の上部にも設置することで、ハニカム構造体を容器２０内に確実に固定することができる。
ハニカム構造体２２は、その内部において気液を接触させるためのものである。
【００１９】
１つの段におけるハニカム構造体２２が収容された容器２０は、１つの容器内にハニカム構造体が収容されたものであってもよいが、容器２０内のハニカム構造体の交換作業を容易にする観点から、２〜８程度の容器の組み合わせからなるものが好ましい。
例えば、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、容器２０ａ〜２０ｄ内にハニカム構造体２２ａ〜２２ｄが収容されたものを１つにまとめて、全体として円柱状になるようにしたものを用いることができる。
【００２０】
塔型容器１１と複数段の容器２０の間には、図１（ａ）、（ｂ）に示すように塔型容器１１の底部から頂部まで高さ方向に連続したクリアランス１９が形成されている。
本発明の装置１０では、クリアランス１９の所望の高さ位置において、クリアランス１９を通過する気体と液体の圧力損失（PL1）が、容器２０に収容されたハニカム構造体２２を通過する気体と液体の圧力損失（PL2）以上になるように制御できる流動制御手段（圧力損失制御手段）３０（図１参照）を有している。
【００２１】
圧力損失（PL1）と圧力損失（PL2）は、クリアランス１９へのバイパス流れを抑制する観点から、上記のとおり、PL1≧PL2の関係を満たしており、PL1／PL2の比率が2倍以上であることが好ましく、4倍以上がより好ましく、10倍以上がさらに好ましい。また、反応物質や生成物質がクリアランス１９に滞留しないようにするため、前記比率は10,000倍以下が好ましく、1,000倍以下がより好ましく、100倍以下がさらに好ましい。
【００２２】
流動制御手段としては、気液の流通に対する圧力損失が制御できるものであれば特に限定されないが、連通孔を備えたもの又は連通孔を形成できるものが好ましく、穴やスリット、切り欠き（凹部）を有する板状部材を使用したもの、２枚のメッシュ間に円柱等の規則充填物を充填した部材を使用したもの等がある。穴やスリット、切り欠き（凹部）を有する板状部材を使用したものが、加工の容易性から好ましい。
【００２３】
流動制御手段としては、例えば、図３（ａ）に示すような平面形状の環状板３０を用いることができる。
流動制御手段となる環状板３０は、環状本体部３１、環状本体部３１の内側に交差して掛け渡された２本の補強材３２を有している。
環状本体部３１の外周縁３１ａには、中心方向に窪んだ４つの凹部３３ａ〜３３ｄが形成されている。
環状板３０（環状本体部３１）の外径は、塔型容器１１の内径と一致しており、環状本体部３１の内径はハニカム構造体の収容容器２０の外径よりも小さい。
【００２４】
図１（ａ）、（ｂ）に示すように、環状板３０は、塔型容器１１の内壁面１１ａに環状本体部３１の外周縁３１ａが当接されるようにして固定して設置される。
そして、図３（ｂ）に示すように、凹部３３ａと内壁面１１ａにより形成される穴が連通孔３５となる。連通孔３５の長さは環状板３０（環状本体部３１）の厚さとなる。
図３に示す環状板３０を使用した場合には、凹部３３ａ〜３３ｄと内壁面１１ａにより、合計で４つの連通孔３５が形成される。
環状板３０が設置されている位置では、クリアランス１９の大部分は環状本体部３１で閉塞されており、軸方向（高さ方向）の上下は連通孔３５のみによって連通されており、連通孔３５で気液の通過に対する圧力損失が少なくともPL1≧PL2になるように制御される。
なお、流動制御手段として図３に示す環状板３０を用いたが、図３に示す環状板３０において、凹部３３ａ〜３３ｄがなく、その代わりに環状本体部３１に連通孔となる複数（例えば４個）の穴を有するものを用いることもできる。
【００２５】
次に、図４、図５により、本発明の塔型接触装置の他の実施形態を説明する。
図４に示す塔型接触装置１００は、基本的な構造は図１に示す塔型接触装置１０と同じであるが、流動制御手段として図３に示す環状板３０に代えて、高さの低い筒状体１３０を使用している点で異なっている。図１と同じ番号を付した部分は同じものであることを意味する。
【００２６】
図４に示すとおり、塔型接触装置１００は、最上段の容器２０と出口１６との間において、内周縁が塔型容器１１の内部に位置し、外周縁が塔型容器１１の外側に突き出された状態で、フランジ１４０が形成されている。
【００２７】
最上段の容器２０とフランジ１４０との間には、流動制御手段としての筒状体１３０（図５参照）が設置されている。
筒状体１３０は、筒状本体部１３１と、筒状本体部１３１に多数形成された穴（連通孔）１３２を有するものである。
筒状体１３０は、筒状本体部１３１の上方周縁部１３１ａがフランジ１４０に当接され、下方周縁部１３１ｂが最上段の容器２０に当接された状態で設置されている。このため、クリアランス１９の上端部は閉塞されている。
筒状体１３０の内径及び外径は、容器２０の内径及び外径と一致している。
【００２８】
クリアランス１９の上端部が閉塞されているため、クリアランス１９を流れてきた気液は、筒状体１３０の連通孔１３２のみを通過することになる。この連通孔１３２が図３（ｂ）に示す連通孔３５と同じ作用をすることで、気液の通過に対する圧力損失が少なくともPL1≧PL2になるように制御される。
【００２９】
図４（ａ）では、最上段の容器２０の筒状壁を、筒状体１３０を当接させたと同じようになるまで上方（出口１６方向）に延ばし、延長部分の筒状壁に図５と同様の多数の穴（連通孔）を形成したものを、筒状体１３０に代えて使用することもできる。
また、最上段の容器２０の筒状壁の上端がフランジ１４０に当接されているならば、最上段の容器２０の筒状壁を上方に延ばすことなく、容器２０の筒状壁に直接多数の穴（連通孔）を形成してもよい。この場合、最上段の容器２０が流動制御手段を兼ねており、最上段のハニカム構造体と同じ高さ位置に流動制御手段が設置されることになる。
【００３０】
流動制御手段（例えば、環状板３０、筒状体１３０、穴を形成した容器２０）は、塔型容器１１内の所望の高さ位置、例えばクリアランス１９の入口や出口、又は中間の位置に設置されていればよい。図１（ａ）に示すように、最上段の容器２０の上側に設置されていると取り付けや取り外しが容易であり、作業性の観点から好ましい。
【００３１】
さらに本発明の装置１０（図１）又は装置１００（図４）では、塔型容器１１の底部にある気体と液体の供給口１５と、最下段のハニカム構造体の収容容器２０で形成されるクリアランス１９との間に、ハニカム構造体の収容容器２０に気泡を誘導するための誘導手段（気泡流入防止部材）４０を設置することができる。
【００３２】
誘導手段４０は、供給口１５から供給された気体（気泡）を最下段のハニカム構造体に誘導するための手段（即ち、クリアランス１９への流入を防止するための手段）である。前記の気泡の誘導（即ち、流入防止）ができるものであれば、その形状や構造は特に制限されるものではなく、例えば、図６に示す構造の誘導手段４０を用いることができる。
【００３３】
誘導手段４０は、環状平板部４１と、その内周縁から一方の側に突き出された筒状部４２からなるものである。また、環状平板部４１の外周縁から筒状部４２とは反対方向に突き出された第２筒状部を有するようにしてもよい。
【００３４】
環状平板部４１の外径と塔型容器１１の内径の寸法は一致しており、環状平板部４１の外周縁が塔型容器の内壁面１１ａに当接された状態で固定して設置されている。
環状平板部４１の外径が塔型容器１１の内径よりも僅かに大きくなるように調整しておき、環状平板部４１が塔型容器の内壁面１１ａに対して圧接されるようにしてもよい。
【００３５】
図６に示す実施形態では、最下段の収容容器２０の周壁が下方に延長された筒状壁部２０ａに対して誘導手段４０が組み合わせて設置されている。
誘導手段４０は、環状平板部４１とクリアランス入口１９ａが間隔w1をおいて正対されており、筒状部４２と筒状壁部２０ａは、間隔w2をおいて、長さw3の範囲で重なり合って正対されている。
間隔w1、間隔w2及び長さw3は同一寸法である必要はない。長さw3は気泡の流入を防げる程度に十分な長さが必要であり、長いほど良い。通常、気泡の密度は液体の密度より著しく小さく、乱れた流れの中でも気泡が液体中を下降することは少ないため、長さw3は気泡の大きさと同程度以上の長さであればよい。
長さw3は5 mm以上が好ましく、より好ましくは10 mm以上であり、更に好ましくは20 mm以上である。上限は塔型容器１１の大きさとハニカム構造体の収容容器２０の大きさ、収容容器２０の段数などから決定される。
間隔w1と間隔w2は、気泡が流入しないという観点からできるだけ小さいことが望ましい。間隔w1と間隔w2は、同一である必要はないが、50 mm以下が好ましく、より好ましくは30 mm以下であり、さらに好ましくは10 mm以下である。
図６中の矢印方向から供給された気液に含まれている気泡は、誘導手段４０（環状平板部４１と筒状部４２）の作用により、容器２０に収容されたハニカム構造体２２の方向に誘導され、クリアランス入口１９ａに向かうことが防止される。
【００３６】
本発明の装置１０（図１）又は装置１００（図４）では、図１又は図４における複数段の収容容器２０の間に空間部を設けて、その空間部に逆流防止手段となる穴径0.5〜8 mmの多数の穴を有する整流板１４を設置することもできる。
このような多数の穴を有する整流板１４を設置した場合、前記の穴を気泡が下から上に通過する間、気泡がその穴に栓をするような働きをすることで、液体がその穴を上から下に逆流することを抑制するように作用する。
【００３７】
整流板は、上記穴径範囲のパンチングメタル等の多孔板やハニカム厚板（ハニカム構造の厚板）等を用いることができる。
整流板として多孔板を用いる場合、多孔板の面積に対する開口率は多孔板の穴径と関係するため、逆混合抑制効果を得る観点から、開口率は70%以下が好ましく、より好ましくは60%以下、さらに好ましくは50%以下である。また、多孔板を気液が通過するときの圧力損失を小さく抑えるという観点と、塔型接触装置１０（図１）又は塔型接触装置１００（図４）内で流れの停滞部が生じないようにするという観点から、多孔板の面積に対する開口率は1%以上が好ましく、より好ましくは10%以上、さらに好ましくは20%以上である。なお、「逆混合」とは流れの主流に対して逆流する向きで流体が混合する現象であり、軸方向拡散とも呼ばれる。
【００３８】
整流部としてハニカム厚板を用いる場合には、開口率は100%近いものもある。液体の逆混合を抑制するために重要な因子は整流部の穴径であり、開口率は大きくてよい。ハニカム厚板には様々な製法、様々な製品があり、開口率の小さいものを用いることもできるが、その場合、ハニカム厚板を気液が通過するときの圧力損失を小さく抑えるという観点と、塔型接触装置１０（図１）又は塔型接触装置１００（図４）内で流れの停滞部が生じないようにするという観点から、ハニカム厚板の開口率は1%以上が好ましく、より好ましくは10%以上、さらに好ましくは20%以上である。
整流板は、上下に隣接するハニカム構造体のいずれにも接触しないように設置する。整流板が上下に隣接するハニカム構造体に接触した場合には、整流板による逆混合抑制効果が低下するため好ましくない。なお、ここで言う「接触していない」とは、例えば、ハニカム構造体からの支持・固定により整流部を空間部に保持する態様まで排除するものではない。
【００３９】
本発明の塔型接触装置１０（図１）又は塔型接触装置１００（図４）で用いるハニカム構造体２２の形状や構造等は特に制限されず、周知のものを用いることができる。
例えば、ハニカム構造体２２として、平板状のフィルムと波板状のフィルムが厚さ方向に交互に積み重ねられたもので、細管流路の幅方向の断面形状が略三角形のものを用いることができる。「略三角形」は、三角形において、１つ以上の角部が丸みを帯びていたり、１つ以上の辺が曲線を含んでいたりする形状であるものを意味する。このようなハニカム構造体の外観形状及び構造としては、図７に示すものを用いることができる。
図７で示すハニカム構造体５０は、平板状フィルム５１と波板状フィルム５２が交互に積層されてなるものであり、多数の平行な略三角形（１つの角部が丸みを帯び、２辺が曲線を含んでいる）の細管流路５３が形成されている。
【００４０】
ハニカム構造体２２が構造体触媒として用いられるものであるとき、図７に示すハニカム構造体５０を触媒の支持体として、その表面に触媒が固定化されたものを用いる。ここで、ハニカム構造体の表面とは気体や液体と接触する面のことであり、ハニカム構造体が有する多数の細管流路の内壁面及びハニカム構造体の外表面である。
このようなハニカム構造体５０の表面に触媒が固定化されたものは周知であり、例えば、特開2009-262145号公報の図３、特開2008-110341号公報の図６に示されたものを用いることができる。
【００４１】
次に、本発明の塔型接触装置１０（図１）において、クリアランス１９に設けられた流動制御手段となる環状板３０により、気液をアップフローで接触させたときのハニカム構造体２２における気液の接触効率が高められる作用（メカニズム）について説明する。
【００４２】
本発明の塔型接触装置１０では、クリアランス１９に設けられた流動制御手段となる環状板３０により、クリアランス１９を通過する気体と液体の圧力損失（PL1）が、ハニカム構造体２２を通過する気体と液体の圧力損失（PL2）以上になるように（PL1≧PL2）制御されている。このため、気体と液体はクリアランス１９よりもハニカム構造体２２に流れやすくなり、クリアランス１９へのバイパス流れが抑制され、ハニカム構造体２２に気液の流れを集中させることで、ハニカム構造体２２における気液の接触効率が高められる。但し、クリアランス１９にも一定流量の気体と液体は流れる。
本発明の塔型接触装置１００（図４）においても、流動制御手段となる筒状体１３０により、同様の作用効果が得られる。
【００４３】
圧力損失の制御は実験により確認することができるが、計算により確認することもできる。
気液がハニカム構造体２２を流れるときの圧力損失は、細管流路での摩擦損失が支配的でFanningの式として知られる公式を用いて計算することができる（非特許文献１、p.286）。
クリアランス１９はハニカム構造体の細管流路に比べて通常断面積が大きく、摩擦損失が無視できる。このため、クリアランス１９を気液が流れるときの支配的な圧力損失は、気液が流動制御手段３０を通過するときの局所損失である。例えば、流動制御手段が連通孔を有するもの（具体的には連通孔３５を有する環状板３０や連通孔１３２を有する筒状体１３０等）である場合、気液が穴あるいはオリフィスを通過するときの圧力損失として知られる公式を用いて計算することができる（K.S. Knaebel, Chemical Engineering 88 (1981) 116）。
なお、摩擦損失とは圧力損失の一形態で、流体が管路内を流れるときの壁面での摩擦に起因した圧力損失のことである。局所損失とは、形状損失とも呼ばれ、流路形状の変化に起因する圧力損失である。圧力損失には、他にも、重力（流体の密度が関係）に起因したものもあり、位置損失と呼ばれる。
これらの公式は、気体あるいは液体単独で流れる単相流に対するものであるが、装置内を気体が単独で流れる場合、あるいは液体が単独で流れる場合に対して個別に圧力損失を計算し、個別に比較して流動制御手段を設計することができる。
気体単独で流れた場合及び液体単独で流れた場合、いずれの場合でもクリアランスにおける圧力損失がハニカム構造体における圧力損失より大きければ、気液が同時に流れた場合でも同様の圧力損失の大小関係になる。
気液二相流の圧力損失を計算する場合、気体と液体の各相が単独で流れた場合の圧力損失をもとにして気液二相流の圧力損失を推算する方法が提案されており、Lockhart≡Martinelliの方法として知られている。摩擦損失に対しては、例えばChisholmの近似式を用いることができ、オリフィスの局所損失に対しては、例えばMurdockの式として知られる計算方法を用いることができる（管路・ダクトの流体抵抗（日本機械学会，1979））。
【００４４】
さらに本発明の塔型接触装置１０（図１）又は塔型接触装置１００（図４）において、供給された気体（気泡）を最下段のハニカム構造体に誘導するための手段（即ち、クリアランス１９への流入を防止するための手段）として誘導手段４０を設置した場合において、気液をアップフローで接触させたときのハニカム構造体２２における気液の接触効率が高められる作用（メカニズム）について説明する。
【００４５】
気液をアップフローで接触させたとき、液体が連続相で、気体が気泡として存在する離散相の場合、流動制御手段となる環状板３０又は筒状体１３０による圧力損失の付加に加えて、クリアランス１９の入口１９ａ側に誘導手段４０を設けることで、さらにクリアランス１９へのバイパス流れを効果的に制御することができる。
誘導手段４０の作用により、気泡がハニカム構造体２２に誘導されることで、ハニカム構造体２２における位置損失が小さくなり、液体もハニカム構造体２２に誘導される。クリアランス１９は密閉されていないため、液体が充満しているが、気泡が流入しない場合、クリアランス１９の液流れは下向きになる。つまり、装置１０（図１）又は装置１００（図４）には液体の内部循環流れが生じるが、気体はほぼ全てがハニカム構造体を流れることになるため、ハニカム構造体２２における気液の接触効率が高められる。
【００４６】
本発明の塔型接触装置１０（図１）又は塔型接触装置１００（図４）は、気液を安定に接触させる装置として用いることができるが、例えば、ハニカム構造体１２を目的に応じた構造体触媒とすることにより、水素化反応、脱水素反応、酸化反応、分解反応、アルキル化反応、アシル化反応、エーテル化反応、エステル化反応等に適用することができる。具体的には、アルコールと１級又は２級アミンを用いた３級アミンの合成反応装置として用いることができる。
【００４７】
＜塔型接触装置の運転方法＞
次に、図１に示す塔型接触装置１０（図１）又は塔型接触装置１００（図４）により、本発明の塔型接触装置の好ましい運転方法（気液の接触方法乃至は気液の反応方法）について説明する。
【００４８】
本発明の塔型接触装置１０（図１）又は塔型接触装置１００（図４）を運転するときには、入口１５から気液を供給し、ハニカム構造体２２を通って出口１６から排出するアップフローとなる。
気液二相のアップフローでは、ガス空塔速度が大きいとクリアランス１９へのバイパス流れが顕著になると一般に考えられているが、本発明ではガス空塔速度が0.05 m/s以上であっても、流動制御手段となる環状板３０又は筒状体１３０の作用によりクリアランス１９へのバイパス流れが抑制でき、ハニカム構造体で適切に気液を接触できる。ガス空塔速度が0.1 m/s以上であってもよく、さらに0.3 m/s以上であってもよい。上限は気体の元圧（ライン圧）で決まるが、おおむね10 m/s以下である。
液空塔速度は、好ましくは0.0001 m/s〜0.5 m/s、より好ましくは0.0005〜0.1 m/s、さらに好ましくは0.001〜0.05 m/sとなるように運転して、気液を接触させる。ここで空塔速度とは、液体又は気体の流量を塔断面積で割ったものである。
【００４９】
本発明の塔型接触装置の運転方法では、上記の空塔速度の範囲において、本発明の塔型接触装置を使用することにより、本発明の塔型接触装置を使用したことによるクリアランス１９へのバイパス流れの抑制効果を高めることができる。特に、ガス空塔速度が大きくてもよいことに特徴がある。
本発明の塔型接触装置を使用しない場合には、本発明の運転方法を適用しても、バイパス流れの抑制効果は得ることができない。
【実施例】
【００５０】
（滞留時間分布による評価）
気体と液体が混合される前の液体の配管の途中からシリンジでトレーサーを瞬間的（概ね１秒以内）に注入した。トレーサーとして、液体の滞留時間分布を求めるために20質量% NaCl水溶液を1 mL用いた。
塔型接触装置に気液（トレーサーを含む）をアップフローで供給し、塔型接触装置から排出された気体と液体が気液分離されるようにカップに受け、そこで液体の導電率を測定した。測定した導電率は、濃度と導電率の検量線（相関線）を用いて濃度に換算される。
トレーサーを注入してから、そのトレーサーが装置から十分に排出されるまでの時間、濃度応答を測定した。この測定時間は、装置の容積（トレーサー注入口から装置までの配管の容積と装置から導電率を測定するカップまでの配管の容積を含む）を液体の流量で割って算出した時間の少なくとも４倍以上である。なお、トレーサーの注入位置から塔型接触装置までの配管の長さと、塔型接触装置からカップ（導電率の測定位置）までの配管の長さはなるべく短くして、塔型接触装置以外の流動状態が測定に与える影響を減らした。
図８（ａ）で示されるトレーサーの濃度応答を、その積分が1になるように規格化すると、図８（ｂ）に示されるような実時間tで表した滞留時間分布E(t) が得られる。さらに平均滞留時間τを用いてE(t) を無次元化して、図８（ｃ）で示されるような無次元時間θで表した滞留時間分布E(θ) を評価した。なお、図９は完全混合流れの滞留時間分布を示す図である。
【００５１】
（槽数Nによる評価）
滞留時間分布を表現するモデルとして知られる槽列モデルを用いて滞留時間分布、すなわち流動状態を評価する。槽列モデルとは、装置を仮想的に等しい体積の完全混合槽に分割し、完全混合槽の槽数Nで流動状態を表すものであり、滞留時間分布は式（I）で表される。
なお、完全混合槽とは、内部の流動状態として完全混合流れが仮定される装置のことである。槽数N = 1は完全混合流れに対応し、槽数Nが1より大きくなるほど押出流れに近くなる。
一般的には、滞留時間分布が完全混合流れに近いとき（槽数N=1に近いとき）、装置内部での流体の混合が激しいことを示しており、流れが非常に乱れていることを意味する。槽数Nが1より大きくなるほど流れが整流されていると理解できる。槽数Nは滞留時間分布E(t) の分散σt2、あるいは滞留時間分布E(θ) の分散σθ2から式（II）により求めることができる。
式（II）中のτは平均滞留時間で、図８と同じく、式（III）から得られる。分散σt2、分散σθ2は、式（IV）から求められる。
【００５２】
【数１】
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【００５３】
（クリアランスへのバイパス流れの有無の確認）
気泡がクリアランスに流入せず、全ての気体がハニカム構造体の収容容器に誘導された場合、液体も収容容器に誘導される。一方、クリアランスには液体が充満しており、そこでは液体は下向きに流れ、内部循環流れが生じる。
このような内部循環流れでは、塔型容器の入口でトレーサーを入れ、塔型容器の出口でその濃度の応答を測定するような液体の滞留時間分布のデータでは、完全混合流れに近い結果となる。
これは、流動状態の乱れに帰着したものではなく、クリアランスへのバイパス流れが抑制された結果である。
従って、クリアランスへのバイパス流れの有無については、気泡がクリアランスに流入するか、クリアランスの液体が下向きに流れているかを目視で観察した。なお、液体の流れが明瞭に観察できないときは1%メチレンブルー水溶液をトレーサーとして使用し、液体を着色して観察することで流動状態を判断した。
【００５４】
実施例１、２、比較例１、２
図１０に示す塔型接触装置200を用いて、気液の接触を行った。
塔（塔型容器211）は流動状態が目視できるようにアクリル樹脂からなる、内径85 mm、高さ830 mmのものである。
ハニカム構造体22が収容された容器20は、１段にハニカム構造体５個で４段の構成とし、合計20個のハニカム構造体を用いた。最下段のハニカム構造体が、塔型容器211の底面から142 mmの位置になるように容器20を設置した。なお、ハニカム構造体を重ねる際には、細管流路の整合を取っていない。
【００５５】
実施例の装置200は、最上段のハニカム構造体の上部に図３（ａ）で示す環状板30を設置して、図３（ｂ）で示すように４つの連通孔35を形成させた。比較例の装置では、環状板30は使用していない。
環状板30（環状本体部31）の外径は84 mm、内径は73 mmで、厚さ2 mmである。環状本体部31の凹部33a〜33dは、図３のように半円と長方形が連結した形状であり、その半円の直径は2 mm、それに連結する長方形の大きさは2 mm×1 mmである。凹部一つあたりの断面積は約3.6 mm2である。図３に示される環状本体部31の外周縁31a（凹部33a〜33dの部分を除く）にはシールを施し、塔型容器211の内壁面に当接されるようにして環状板30を固定して設置した。
【００５６】
容器20は、外径80 mm、内径76 mm、高さ633 mmのアクリル製の筒であり、容器20に充填されたハニカム構造体22の１個の直径は75 mm、高さは26 mmである。クリアランス19の間隔は2.5 mmとなる。
ハニカム構造体22は、六角形の細管流路を持つ新日本フエザーコア（株）製のアルミマイクロハニカム（細管幅1.5mm）を用いた。
【００５７】
各段の間には、間隔が27 mmの空間部215を形成して、その中間部に、整流板216として直径75 mm、厚さ1 mmの多孔板（パンチングメタル；穴径3 mm、ピッチ5 mm、開口率33%）を設置した。最下段の下側にも同じ多孔板を設置した。
【００５８】
図１０に示す塔型接触装置200を用いた気液の接触方法は次のようにして行った。
気体として空気、液体としてイオン交換水を常温で使用した。気体と液体はそれぞれ独立した配管から流量計を通して、一定の流量になるように維持した。
気体と液体の配管は塔に入る前に予め合流して、気体と液体を直径10mm、長さ30mmの直管に通すことでガス分散させた。直管は、円錐状に断面が漸増する広がり管に接続した。広がり管の出口は塔の内径に合うようになっており、塔の下側に接続した。
気体と液体は、表１に示す空塔速度で、下側から塔に入れ、上側から排出させた。
空塔速度は流量を塔の断面積で割って算出している。なお、使用したハニカム構造体の開口率はおおよそ98 %と大きいため、ハニカムの開口面積を基準として空塔速度を算出してもほとんど変わらない。
【００５９】
【表１】
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【００６０】
実施例１、２では、クリアランスの上端に環状板30を設置し、比較例１、２では、環状板30を設置せず、クリアランスの上端を開放した。
液空塔速度は一定の0.012 m/sであり、実施例１ではガス空塔速度0.059 m/s、実施例２ではガス空塔速度0.235m/sである。Chisholmの式とMurdockの式を用いると、図３（ａ）で示す環状板30を設置したときのクリアランスにおける圧力損失（局所損失）PL1とハニカム構造体における圧力損失（摩擦損失）PL2の比（PL1／PL2）を求めることができる。おおよそ、実施例１ではPL1／PL2 = 3.7、実施例２ではPL1／PL2 = 4.0であった。
【００６１】
実施例１、比較例１の滞留時間分布は図１１（ａ）、（ｂ）のようになる。図１１（ｂ）は図１１（ａ）の縦軸を対数表示したものである。実線は完全混合流れの場合の滞留時間分布である。
実施例２、比較例２の滞留時間分布は図１２（ａ）、（ｂ）のようになる。図１２（ｂ）は図１２（ａ）の縦軸を対数表示したものである。実線は完全混合流れの場合の滞留時間分布である。
【００６２】
比較例１、２では、クリアランスにおける上向きのバイパス流れが激しく、ハニカム構造体を収容した容器20の内部では、液体が下向きに流れてしまっていた。このような乱れた流動状態に対応して、滞留時間分布は完全混合流れに極めて近かった。
一方、実施例１、２では、クリアランスへの流れは抑制され、ハニカム構造体を収容した容器20、クリアランスの両方において気体と液体が上向きに流れていることが観察された。すなわち、クリアランスへの気液のバイパス流れは存在するが抑制されており、容器20内のハニカム構造体22において、適切に気液が接触していた。クリアランスへの流れの抑制に対応して、得られた滞留時間分布は完全混合流れと異なるものであった。
滞留時間分布の分散から、槽列モデルの槽数に相当するNの値を算出すると比較例１、２では完全混合流れの時の値N=1に極めて近かったが、実施例１、２ではNの値が1より十分大きく、改めてクリアランスへのバイパス流れが抑制されていることが確認できた。
【００６３】
実施例３、４、比較例３
図１３に示す塔型接触装置300を用いて、気液の接触を行った。図１３に示す塔型接触装置300は、誘導手段40と多孔板320を設置したほかは、図１０に示す塔型接触装置200と同じものである。315は空間部、316は整流板を示す。
なお、実施例３は、４つの連通孔35の内の正対する２つを閉塞して、連通孔35を２つにした例である。
【００６４】
誘導手段（気泡流入防止部材）40は、外径84 mm、内径62 mm、厚さ2 mmの環状平板41と、外径66 mm、内径62 mmの筒状部42からなるものを図６に示すようにして設置した。w1 = 10 mm、w2 = 5 mm、w3 = 12 mmとした。
さらに塔型容器311の入口にも直径84 mm、厚さ1 mmの多孔板（パンチングメタル；穴径3 mm、ピッチ5 mm、開口率33%）320を設置した。
【００６５】
【表２】
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【００６６】
実施例３、４及び比較例３では、六角形の細管流路を持つセル幅0.9 mmのハニカム構造体（新日本フエザーコア（株）製のアルミマイクロハニカム）を実施例１、２と同様に充填した。液空塔速度は一定の0.012 m/sであり、ガス空塔速度0.059〜0.470 m/sの範囲で流動状態を確認した。
Chisholmの式、Murdockの式を用いると、図３（ａ）で示す環状板30を設置したときのクリアランスにおける圧力損失（局所損失）PL1とハニカム構造体における圧力損失（摩擦損失）PL2の比（PL1／PL2）を求めることができる。実施例３の連通孔２個の場合は、PL1／PL2はおおよそ5.2〜7.8である。実施例４の連通孔４個の場合は、PL1／PL2はおおよそ1.3〜2.0である。
【００６７】
クリアランスの上端を開放した比較例３では、誘導手段40の効果で、ガス空塔速度0.059 m/sのときクリアランスへの気泡の流入が観察されず、クリアランスへの気体のバイパス流れがなく、ハニカム構造体を収容した容器20内において気液はアップフローであり、クリアランスにおいて液体はダウンフローであった。しかしながら、ガス空塔速度0.117 m/s以上では気泡がクリアランスに流入し、クリアランスでは気体と液体の激しいバイパス流れが観察された。
クリアランスの上端に環状板30を設置した実施例３、４では、ガス空塔速度0.059〜0.470 m/sまで、クリアランスへの気泡の流入が観察されなかった。さらにクリアランスの液体は下向きに流れており、クリアランスへのバイパス流れが生じていなかった。この結果は、流動制御手段（環状板30）と誘導手段40を併用することで、実施例１、２と比べて更に効果的にクリアランスへのバイパス流れが抑制されることを示している。
【００６８】
なお、塔入口のパンチングメタルを外した場合、ガス空塔速度0.235 m/s, 0.470 m/s のとき誘導手段40の付近は気体が連続相となっていた。このとき、穴個数４個の環状板を用いた実施例４ではクリアランスへの気泡の流入とバイパス流れが観察された。
穴個数２個の環状板を用いた実施例３では、ガス空塔速度0.470 m/sのとき、実施例４と同様にクリアランスへの気泡の流入とバイパス流れが観察された。一方、ガス空塔速度0.235 m/sのときは、まれに気泡がクリアランスに流入したが、クリアランスの液流れは安定的に下向きで、バイパス流れは生じなかった。
このような実施例３と実施例４の違いは、流動制御手段を用いてクリアランスにおける圧力損失を増大することで、バイパス流れをより効果的に抑制できることを示している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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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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【図１２】
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【図１３】
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