(57)【要約】【課題】気液向流接触の際に、上昇する気体流れの偏流を抑制しつつ、下降する液体を捕集可能な液体捕集器を提供する。【解決手段】気体と液体とを向流接触する際に用いる液体捕集器１であって、両端が開口し、一端側から他端側に向かって断面積が漸次縮小する筒状の壁面２と、壁面２を貫通するように設けられた１以上の開口部５とを有する、液体捕集器１を選択する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体と液体とを向流接触する際に用いる液体捕集器であって、
両端が開口し、一端側から他端側に向かって断面積が漸次縮小する筒状の壁面と、
前記壁面を貫通するように設けられた１以上の開口部と、を有する、液体捕集器。
【請求項２】
前記壁面の形状が、前記一端側の開口に対して傾斜する１以上の稜線を有する波板状であり、
前記壁面の内側に、前記一端側の開口の外周から前記他端側の開口までを結ぶ谷線が、１以上設けられていることを特徴とする請求項１に記載の液体捕集器。
【請求項３】
前記壁面の形状が、鉛直方向の軸に対する角度が小さい第１の面と、角度が大きい第２の面と、が交互に連続することによりなる波板状であり、
前記開口部が、前記第１の面に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の液体捕集器。
【請求項４】
前記一端側の開口の外周と前記他端側の開口の外周とを結ぶ直線の角度が、鉛直方向の軸に対して、３０〜６０°であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の液体捕集器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体捕集器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、空気中の各成分の分離や、同一元素の異なる同位体を分離する方法として、深冷式の蒸留分離方法が用いられている。この方法では、上昇する気体と下降する液体とを向流接触させ、沸点の違いにより、上昇する気体に沸点の低い成分を濃縮し、下降する液体に沸点の高い成分を濃縮する現象を利用している。
【０００３】
例えば、特許文献１には、蒸留塔内で気体と液体とを向流接触させ、酸素同位体を分離する方法が開示されている。特許文献１に開示される蒸留塔は、１塔当たり数１０ｍの塔をカスケード状に複数繋げた構成となっている。
【０００４】
通常、蒸留塔内には、気体と液体とを効率よく向流接触させる目的で、精留段（棚）が配置されていたり、規則充填剤又は不規則充填剤等が充填されていたりする。これらの充填物の充填状態は、下降する液体の分布に大きな影響を与えることが知られている。一般的に、下降する液体の分布が均一であることが理想的であり、液体の分布に偏りがある場合、精密な成分分離が困難となる。
【０００５】
したがって、精密な成分分離が要求される場合、実際の蒸留塔の製作の前に、適切な充填物の形状や充填状態を検討するために、下降する液体の分布の確認が必要となる。
下降する液体の分布を測定する方法の一つとして、漏斗状の捕集器を、蒸留塔内に平面状に複数並べて測定する方法が考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１４−７９７２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、漏斗状の捕集器を用いた場合、捕集器の壁面等が上昇する気体の流れを遮断することで気体が偏流し、さらに、偏流された気体の流れにより降下する液体が煽られるという問題があった。すなわち、捕集器の設置により、気体及び液体の流れが変化するという問題があった。そのため、実際に蒸留塔内で気液向流接触が行われている際の、液体の分布を正確に測定することは困難であった。
【０００８】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、気液向流接触の際に、上昇する気体流れの偏流を抑制しつつ、下降する液体を捕集可能な液体捕集器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】
【０００９】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、
気体と液体とを向流接触する際に用いる液体捕集器であって、
両端が開口し、一端側から他端側に向かって断面積が漸次縮小する筒状の壁面と、
前記壁面を貫通するように設けられた１以上の開口部と、を有する、液体捕集器である。
【００１０】
また、請求項２に係る発明は、
前記壁面の形状が、前記一端側の開口に対して傾斜する１以上の稜線を有する波板状であり、
前記壁面の内側に、前記一端側の開口の外周から前記他端側の開口までを結ぶ谷線が、１以上設けられていることを特徴とする請求項１に記載の液体捕集器である。
【００１１】
また、請求項３に係る発明は、
前記壁面の形状が、鉛直方向の軸に対する角度が小さい第１の面と、角度が大きい第２の面と、が交互に連続することによりなる波板状であり、
前記開口部が、前記第１の面に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の液体捕集器である。
【００１２】
また、請求項４に係る発明は、
前記一端側の開口の外周と前記他端側の開口の外周とを結ぶ直線の角度が、鉛直方向の軸に対して、３０〜６０°であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の液体捕集器である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の液体捕集器は、両端が開口し、一端側から他端側に向かって断面積が漸次縮小する筒状の壁面と、壁面を貫通するように設けられた１以上の開口部とを有するため、気液向流接触の際に、上昇する気体流れの偏流を抑制しつつ、下降する液体を捕集することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明を適用した一実施形態である液体捕集器の斜視図である。
【図２】本発明を適用した一実施形態である液体捕集器を用いて液体分布を測定する方法を説明するための図である。
【図３】本発明を適用した一実施形態である液体捕集器を整流格子として利用する方法を説明するための図である。
【図４】従来の方法により気体の流れを整流する方法を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を適用した一実施形態である液体捕集器について詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
【００１６】
＜液体捕集器＞
先ず、本発明を適用した一実施形態である液体捕集器の構成について説明する。図１は、本発明を適用した一実施形態である液体捕集器１の断面模式図である。図１に示すように、本実施形態の液体捕集器１は、両端が開口し、一端側から他端側に向かって断面積が漸次縮小する筒状であり、壁面２と、液体捕集口（一端側の開口）３と、液体回収孔（他端側の開口）４と、気体通過孔（開口部）５とを有する。本実施形態の液体捕集器１は、液体捕集口３の面積に比べ液体回収孔４の面積が小さい筒状であり、いわゆる漏斗状の形状をしている。液体捕集器１は、上方に液体捕集口３、下方に液体回収孔４がくるように配置されている。
【００１７】
本実施形態の液体捕集器１は、気体と液体とを向流接触させる際に、下降する液体を捕集するために用いることができる。本実施形態の液体捕集器１は、液体捕集口３が四角形の四角錐状である。なお、本実施形態では、液体捕集器１の形状が四角錐状である例について説明するが、この形状に限られるものではなく、円錐状であってもよいし、四角錐以外の多角錐状であってもよい。また、頂点が底面の重心からはずれた形状の斜錐体であってもよい。
また、上記気体及び液体は、低温のものだけに限られず、あらゆる温度領域のものが想定される。
【００１８】
本実施形態の液体捕集器１の材質としては、気体や液体と反応せず、かつ、使用時の温度領域に対応可能な材質であれば、特に限定されるものではない。具体的には、例えば、アルミ等が挙げられる。
【００１９】
壁面２は、液体捕集口３側から液体回収孔４側に向かって断面積が漸次縮小する筒状である。また、壁面２は波板状であり、１以上の稜線６を有する。稜線６により、壁面２上に降下した液体が、稜線６に沿って流され、谷線７に送られる。また、稜線６は、下方向へ流れる液体に対して抵抗となる。これらにより、壁面２上の液体が気体通過孔５から外側へ流れ落ちることを防止することができる。
【００２０】
なお、本発明において、壁面２が波板状であっても、壁面２を平板状に近似した場合に、液体捕集口３側から液体回収孔４側に向かって断面積が漸次縮小するものであれば、本発明の壁面２に含まれる。
【００２１】
稜線６は液体捕集口３に対して傾斜していることが好ましい。これにより、壁面２上に降下した液体を稜線６に沿って効率よく流すことができる。
【００２２】
壁面２の内側には、液体捕集口３の外側から液体回収孔４までを結ぶ谷線７が設けられている。谷線７により、稜線６から流れてきた液体を、液体回収孔４まで効率よく流すことができる。
【００２３】
谷線７の本数としては、四角錐状である液体捕集器１では４本設けられているが、これに限定されるものではなく、１本以上設けられていればよい。例えば、液体捕集器１が円錐状であったとしても、少なくとも１本設けられていることが好ましい。
【００２４】
液体捕集口３は、液体捕集器１の一端側に設けられている。液体捕集口３により、液体捕集器１の上方から降下する液体を捕集することができる。液体捕集口３の形状としては、特に限定されないが、具体的には、例えば、三角形、四角形等の多角形や、円形等が挙げられる。
【００２５】
液体回収孔４は、液体捕集器１の他端側に設けられている。液体回収孔４により、液体捕集口３で捕集した液体を、液体捕集器１の外側に排出することができる。液体回収孔４の形状としては、特に限定されないが、具体的には、例えば、三角形、四角形等の多角形や、円形等が挙げられる。
【００２６】
気体通過孔５は、壁面２を貫通するように１以上設けられている。気体通過孔５により、液体捕集器１の下方から上昇する気体が、液体捕集器１の外側から内側へ通過することができる。これにより、気液向流接触の際に、上昇する気体の流れを遮断することがないため、気体の偏流を抑制することができる。
【００２７】
また、気体通過孔５では、気体が下から上に通過していることによるシール効果により、ある程度、液体が気体通過孔５を通過することを防ぐことができる。
【００２８】
気体通過孔５は、壁面２に均等に設けられていることが好ましい。これにより、より効果的に気体の偏流を抑制することができる。
【００２９】
また、壁面２が、液体捕集器１の中心軸２ａに対する角度が小さい第１の面（中心軸２aに対して急な面）と、角度が大きい第２の面（中心軸２ａに対して緩やかな面）と、が交互に連続することによりなる波板状である場合、気体通過孔５は第１の面に設けられていることが好ましい。これにより、上方から平面視した場合の気体通過孔５の断面積を減らすことができ、降下した液体が、気体通過孔５を直接通過してしまうことを抑制することができる。
【００３０】
気体通過孔５の大きさや数は、特に限定されないが、上昇する気体の量や下降する液体の量に合せて、適宜設定することができる。
【００３１】
また、気体通過孔５の形状は、特に限定されないが、具体的には、例えば、円形であってもよいし、細長い格子等であってもよい。
【００３２】
本実施形態の液体捕集器１では、液体捕集口３の外周と液体回収孔４とを結ぶ直線の角度が、液体捕集器１の中心軸２ａ（鉛直方向の軸）に対して、３０〜６０°であることが好ましく、３５〜５５°であることがより好ましく、４０〜５０°であることが特に好ましい。
【００３３】
上記角度が３０°よりも大きいことにより、壁面２上の液体が、気体通過孔５に向かって勢いよく流れ、そのまま気体通過孔５から外側へ流出するのを防止することができる。また、上記角度が６０°よりも小さいことにより、壁面２上の液体が稜線６及び谷線７に沿って流れやすくなる。さらに、上記角度が３５〜５５°、４０〜５０°であることで、上記効果をより顕著に得ることができる。
【００３４】
＜液体分布の測定方法＞
次に、上述した液体捕集器１を用いた液体分布の測定方法について説明する。図２は、上述した液体捕集器１を用いて液体分布を測定する方法を説明するための図である。図２に示すように、気液向流接触が行われている状態での液体分布を測定するため、精留塔１１内に、液体捕集器１が平面状に複数配置されている。
【００３５】
液体捕集器１を平面状に複数配置することで、各液体捕集器１で捕集した液体を、それぞれ対応する回収経路１２を介して回収する。各液体捕集器１で回収した液体の量を比較することで、気液向流接触が行われている状態での液体分布を測定することができる。
【００３６】
ところで、従来の液体捕集器では、捕集器の設置により、気体及び液体の流れが変化してしまうため、上昇する気体流れを止めた状態での液体分布しか測定することができなかった。しかしながら、本実施形態の液体捕集器１を用いることにより、上昇する気体流れの偏流を抑制しつつ、下降する液体を捕集することができるため、気液向流接触が行われている状態での液体分布を正確に測定することができる。
【００３７】
液体捕集器１を用いて液体分布を測定する際は、液体捕集器１の液体捕集口３の形状が、三角形、四角形、もしくは六角形であることが好ましい。これにより、液体捕集器１を隙間なく平面状に複数配置することができる。
【００３８】
＜整流格子としての利用＞
次に、上述した液体捕集器１を整流格子として利用する方法について説明する。上述した液体捕集器１は、精留塔内の精留段の下方に設けることにより、液体捕集器１の下方から供給される気体を整流し、上方の精留段に供給することができる。
【００３９】
具体的には、図３に示すように、精留塔２１内の精留段２２の下方に液体捕集器１を設ける。液体捕集器１は、気体通過孔５を備えるため、気体供給配管２３から供給される気体が偏流することを抑えると同時に、気体の流れを整流して均一に精留段２２に供給することができる。さらに、液体捕集器１により、精留段２２から降下してきた液体を捕集し、液体捕集器１の下方に設けられている液体排出配管２４を介して外部に排出することができる。
【００４０】
ところで、従来は、図４に示すような円盤状の整流格子３５により、気体を整流していた。従来の方法では、精留段３２から降下してきた液体が気体供給配管３３内に侵入することを防ぐため、気体供給配管３３の開口が下向きになるように加工したり、気体供給配管３３の上部にカバーを設けたりする必要があった。そのため、精留塔３１の構造が複雑になり、作製が困難になるといった問題があった。さらに、従来の方法では、整流格子３５の上面に液体（ホールドアップ液体３６）が溜まってしまうホールドアップという問題もあった。
【００４１】
一方、液体捕集器１を整流格子として利用することで、精留段から降下する液体を捕集しながら排出するため、気体供給配管に特別な加工が必要なく、精留塔の作製を容易にすることができる。また、液体捕集器１の壁面に付着した液体は、壁面の傾斜により液体回収孔に集められるため、ホールドアップの問題も解消することができる。さらに、従来の方法では、精留塔の断面が整流格子の最大の面積であったが、液体捕集器１を用いることで、液体捕集器の壁面を有効活用することで、気体が通過する孔の総面積を増やすことができ、圧力損失を低くすることができる。
【００４２】
液体捕集器１を整流格子として用いる際は、液体捕集器１の液体捕集口３の形状を、精留塔２１の内壁断面の形状に合わせることが好ましく、精留塔２１の内壁断面の形状が円形の場合は、液体捕集器１の液体捕集口３の形状も円形であることが好ましい。これにより、精留段から降下する液体を効率的に捕集することができる。
【００４３】
以上説明したように、本実施形態の液体捕集器１によれば、両端が開口し、一端側から他端側に向かって断面積が漸次縮小する筒状の壁面と、壁面を貫通するように設けられた１以上の開口部とを有するため、気液向流接触の際に、上昇する気体流れの偏流を抑制しつつ、下降する液体を捕集することができる。
【００４４】
また、本実施形態の液体捕集器１によれば、壁面２の形状が、液体捕集口３に対して傾斜する１以上の稜線６を有する波板状であり、壁面２の内側に液体捕集口３の外周から液体回収孔４までを結ぶ谷線７が４本設けられているため、液体捕集口３内に降下する液体を、稜線６及び谷線７に沿って流すことができ、液体が気体通過孔５から外側へ流れることを防止することができる。
【００４５】
以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。
【００４６】
上述の液体捕集器１では、壁面２が、液体捕集器１の中心軸２ａに対する角度が小さい第１の面（中心軸２ａに対して急な面）と、角度が大きい第２の面（中心軸２ａに対して緩やかな面）と、が交互に連続することによりなる波板状である例について説明したが、この形態に限定されない。例えば、壁面２が、中心軸２ａに対する角度が異なる３種類以上の面が交互に連続することによりなる波板状であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明の液体捕集器は、精留塔内の精留段から降下する液体の分布の測定や、精留塔内の整流格子として利用可能性を有する。
【符号の説明】
【００４８】
１…液体捕集器
２…壁面
２ａ…中心軸
３…液体捕集口（一端側の開口）
４…液体回収孔（他端側の開口）
５…気体通過孔（開口部）
６…稜線
７…谷線
１１，２１，３１…精留塔
１２…回収経路
２２，３２…精留段
２３，３３…気体供給配管
２４，３４…液体排出配管
３５…整流格子
３６…ホールドアップ液体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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