(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（Ａ）（ｉ）棚段に孔を有しないで、一方の端部に切り欠き部を、他方の端部または端部近傍に液シール部を有する棚段を、（ii）その切り欠き部の位置が左右交互になるように、（iii）かつ棚段間隔が１０〜２５ｍｍになるように多数段設置し、（Ｂ）（ｉ）切り欠き部を棚段の他方の端部にも設け、その下方に液シール部を設けること、あるいは（ii）棚段の端部近傍に設けられた溢流管の下部にシール部を設けること、で液体と気体が棚段上を並流方向に流れるようにした、ことを特徴とする棚段式気液接触装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、棚段式気液接触装置における棚段と棚段との間隔をはるかに小さくすることのできる新規な棚段式気液接触装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、蒸留塔、ガス吸収塔、ガス放散塔などの気液接触装置の分離能力を上げるためには、棚段式の場合は塔を高くしてその段数を増やすことにより、充填式の場合には充填部分の高さを高くすることにより、それぞれ対応してきた。
【０００３】
しかしながら、この装置を室内に設置しなければならないときには、その高さは当然に制約を受け、棚段の数を増やしたり、充填部分の高さを目的とする高さとすることができなくなる。そこで、塔を分割するなどの手段により高さを抑えることはできるが、付帯設備の増加、配管の複雑化などの問題を生じていた。
【０００４】
直交流気液接触をもつ従来の棚段式の場合、ある制限高さ内で棚段数を増やそうとして、単純に段間隔を小さくして、段間隔を小さくする前と同一の処理能力を保とうとすると気体の流速が高くなってしまい、フラッディング（流下液が上昇蒸気の圧力により降下できなくなる現象）をおこしたり、飛沫同伴率（上昇蒸気に液滴が同伴され、分離能力が低下する現象）が増加してしまうので、このような手段は採用できない。
【０００５】
そこで本発明者らは、孔を有しないで端部に切り欠き部を設けた棚段を、切り欠き部の位置が左右交互に、かつ段間隔が１０〜１５０ｍｍ、好ましくは１０〜１００ｍｍになるよう塔内に多数設置し、溢流管を用いることなく液体を切り欠き部より下方の棚段に流下させ、一方気体は液体と本質的に向流方向に流すことにより、棚段と棚段との間隔をはるかに小さくした棚段式気液接触装置を提案した。これにより棚段数が多くても気液接触装置の高さをある程度の範囲内に抑えることに成功し、特願平１０−１９２４０１号として出願した。
【０００６】
しかし、前記出願発明では棚段の間隔が狭いので気体（または蒸気）の流速が相対的に高くなり、かつ液体とガス体の流れ方向が向流であるため、飛沫同伴による逆混合やフラッディングを発生しない気体流速はそれほど大きくすることができず、処理能力の点で充分満足できない面があった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、棚段式気液接触装置における棚段と棚段との間隔を従来不可能とされていた狭い間隔に詰め、かつ、気体の流速を相当早くして処理能力を高めても、かなりの段階まで、飛沫同伴による逆混合やフラッディングを回避できる新規な棚段式気液接触装置を提供する点にある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、（Ａ）（ｉ）棚段に孔を有しないで、一方の端部に切り欠き部を、他方の端部または端部近傍に液シール部を有する棚段を、（ii）その切り欠き部の位置が左右交互になるように、（iii）かつ棚段間隔が１０〜２５ｍｍになるように多数段設置し、（Ｂ）（ｉ）切り欠き部を棚段の他方の端部にも設け、その下方に液シール部を設けること、あるいは（ii）棚段の端部近傍に設けられた溢流管の下部にシール部を設けること、で液体と気体が棚段上を並流方向に流れるようにした、ことを特徴とする棚段式気液接触装置に関する。
【０００９】
本発明においては、液シールの態様において、（１）図１、図２で示されるように棚段の端部で液シールをするタイプと、（２）図４〜７で示されるように溢流管を設けて１つ下の棚段上部で液シールするタイプに大別される。
【００１０】
前記（１）のタイプは、図１および図２のものである。塔１内の棚段２−１上を流れる液体は、図１の実線で示すように棚段２−１の一方の端に設置された液シール部３、３、……を通過し、オーバーフローする形で下の棚段２−２へと流れる。一方、棚段２−３と棚段２−２の間にある気体は図１の点線で示すように、棚段２−２の切り欠き部４−２から棚段２−２と棚段２−１との間にはいりこみ、そこを液体と同一方向に流れ、反対側の切り欠き部４−１からさらに上の棚段間に流れこむ。このようにして、液体と気体は、棚段上の一方の端から、液体は上段より、気体は下段より、それぞれ流れこみ、棚段上を並流で流れ、この間に気液接触し、棚段上の反対側で気液分離し、気体は上の棚段側に、液は下の棚段側にそれぞれ流れてゆく。気体が上の方の棚段側に抜けてゆく側と反対側には液シール部が存在する。
【００１１】
前記（１）のタイプにおいて、飛沫同伴やフラッティングを避けるためには、液体が流下する棚段端部に
（１）凹凸をつける[図３の（ａ）]
（２）切り込みを入れる[図３の（ｂ）]
（３）垂直方向の突起物をつける[図３の（ｃ）]
などにより液膜を強制的に破断させ、気液がスムースに流れるようにすることが好ましい。
【００１２】
前記（２）のタイプは、棚板の切り欠き部と反対側の端部近傍に溢流管を設けるケースである。図４にみられるように、棚段の切り欠き部と反対側の端部近傍個所に任意数の円形、楕円形、方形などの断面形状をもつ溢流管をつける方法がある。溢流管は棚段に開けた穴につば７付きの溢流管５を落し込むなどの取りつけ方もある（図５参照）。さらには、図６に示すように気体が溢流管内を上昇するのを防止するため、溢流管下部にシール部６を設ける方法や、図７に示すように溢流管の下部に切り欠き８を設け、気体の流れは切り欠き８とは反対側の図７における左側から右側に流れるようにする。これが反対に切り欠き８が気体の流れてくる方向に向いていると、気体が切り欠き８より溢流管５中に潜り込んでしまうので不都合である。切り欠き８を図７のように気体が流れていく方向に向けておけば、溢流管内を上から流れてくる液体に気体が潜り込むことがなく、溢流管内の液体が気体のシール材として機能し、気体も液体も所定どおりスムースに流れることになる。この（２）のタイプの場合には実質上、１つ下の棚段上で液シールが行われていることになる。なお、溢流管の断面積は、それを含む処理塔の断面積の１０％前後であるのが普通であり、処理塔の直径が５００〜６００ｍｍ程度の小さいものである場合は、溢流管は直径５０〜６０ｍｍのもの１本でもよいが、処理塔の直径が大きい場合には溢流管の数を複数本とすることができる。
【００１３】
いずれにしても本発明は、液シール部があることにより、気体が逆流することを防止し、飛沫同伴を極力抑えることができた。
【００１４】
本発明は、前記（１）のケースの場合も（２）のケースの場合も、棚段の液シール部を有する端部（または端部近傍）とは反対の端部にある切り欠き部は、平坦な状態でもよいが、図２や図４にみられるように堰９を設けることもできる。堰９を設けることにより棚段上の液が気体の流れとは逆の方向に流れることを防止することができる。
【００１５】
本発明においては、棚段に孔がないので、気体が液中を通過することがないので、飛沫同伴が本質的に低いが、液体は、棚段上を膜状で流れるようにすることが好ましい。しかし、本発明においては、ほとんど傾斜のない棚段を設けているので液体の流速が小さいため、Ｒｅ（レイノルズ数）も小さく、物質移動係数も小さいので、必要に応じて棚段上に金網１０などを張り付ける（図８参照）あるいは棚段の棚板に液の流れに対して直角方向あるいはやや斜め方向に凹凸あるいは突起をつけるなどして液膜面が擬似乱流状態、すなわち液膜に破断部分が生じないで、気液の接触面積が大きくなるようにして棚段上での物質移動を促進することが望ましい。
【００１６】
本発明においては、気体と液体は水平並流が主体であり、気体は原則液体中を通過しないので、一段あたりの圧力損失は非常に小さく、処理能力が大きい。そして棚段上を液体と平行に流れた気体は棚段の他方の端部で気液分離され、気体は上段に、液体は下段に流れる。液体の線速度は０．０１〜０．５ｍ／ｓ、好ましくは０．０５〜０．１ｍ／ｓ程度であるが、とくに限定されるものではない。
【００１７】
また、棚板は、基本的には水平であるが、若干の傾斜をもうけてもよい。その傾斜方向は流れ方向と同一方向であることが好ましい。そうしないと偏流が発生するからである。
【００１８】
気液接触は、液表面のみであるため、物質移動係数が小さい。また液体と気体は並流であるため、従来の棚段式気液接触装置で言われている段効率は１を超えることはできない。
（１）塔断面積を大きくすることより、これにより気液接触面積を大きくして段効率を１に近づけることができる。
（２）棚段間隙に充填物を充填したり、棚段上に邪魔板を設置するなど、種々の気液接触改善手段を併用することにより、効率を上げることができる。
（３）棚段間隔を小さくして、ある制限高さ内での全段数を増やすことにより塔全体としての効率を上げることができる。
【００１９】
【実施例】
以下に、実施例、比較例を挙げて本発明を説明するが、本発明はこれらにより何ら限定されるものではない。
【００２０】
実施例１および比較例１〜３
本発明の実施例１に相当する蒸留塔の装置仕様を表１に示す。なお、比較のため従来の棚段式蒸留塔であるシーブレイト蒸留塔（比較例１）の装置仕様、金属規則充填塔（比較例２）の装置仕様および本発明者の先願発明（特願平１０−１９２４０１号）の装置仕様（比較例３）も表１に示す。また、処理原液の組成、操作条件は下記のとおりである。
0004183331.tif 000002
【００２１】
【表１】
0004183331.tif 000003
＊  金属規則充填塔は、塔頂部に液分散器が設置されている。また、充填物は、三菱エンジニアリング製ＭＣ−２５０Ｔ（ＳＵＳ３０４製）である。
＊＊  特願平１０−１９２４０１号発明
【００２２】
前述の実施例１および比較例１〜３に記載した条件により、分離能力の試験を行ない、その結果を下記表２に示す。
【表２】
0004183331.tif 000004
１  ＮＴＵＯＧ：蒸気側境膜基準総括移動単位数（Ｎｕｍｂｅｒ  ｏｆＴｒａｎｓｆｅｒ  Ｕｎｉｔ）
２  ＨＴＵＯＧ：蒸気側境膜基準総括単位移動高さ（Ｈｅｉｇｈｔ  ｏｆＴｒａｎｓｆｅｒ  Ｕｎｉｔ）：これが小さいほど高さあたりの分離能力が高い。
塔高さ＝ＮＴＵＯＧ×ＨＴＵＯＧ
＊３：実施例１のＨＴＵで、各比較例のＨＴＵを割った数字。
【００２３】
以上の結果より、本発明の棚段式気液接触装置では、先願発明の棚段式気液接触装置に比べ、やや分離効率では劣るものの、従来の棚段式気液接触装置、金属規則充填物を用いた場合よりも分離効率が優れており、かつ先願発明に較べて飛沫同伴を最小限に抑えることができる。
【００２４】
実施例２と比較例４
表３に示す装置を用いて、下記の条件で全還流下におけるＦファクターと圧力損失の関係を調べた。
Ｆファクター
＝〔蒸気線速度（ｍ／ｓ）〕×〔蒸気密度（ｋｇ／ｍ３）〕０．５
たゞし、蒸気線速度は棚段上の蒸気通過部分のなかで最も通過面積の小さい部位の値を基準とした。
液の種類：トルエン１００％
操作圧力：７６０ｍｍＨｇ
【００２５】
【表３】
0004183331.tif 000005
【００２６】
両者のＦファクターと圧力損失の関係は図９に示すとおりである。図９より明らかなように、圧力損失が同程度で運転した場合、比較例４と比べ実施例２では、約２〜３倍程度の蒸発量で運転可能なこと、つまり処理能力として２〜３倍程度であるといえる。
【００２７】
【効果】
（１）本発明により、従来の棚段式蒸留塔における棚段と棚段との間隔を大幅に小さくすることができた。
（２）これにより、高さ制限を伴う室内設置においても塔を分割して並列する必要がなくなり、その分高い経済性を達成することができ、かつ室内面積の利用率も高めることができた。
（３）本発明により、飛沫同伴による逆混合やフラッディングを発生する気体流速の臨界点を大幅に高めることができ、装置の処理能力を大きく向上することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の棚段２−１、２−２、２−３、……の一方の端部に設けられた切り欠き部４−１、４−２、４−３、……を有するとともに、その反対の端部に設けられた液シール部３、３、３、……を有する本発明の棚段式気液接触装置の１部を示す断面図である。
【図２】図１に対応する斜視図である。
【図３】本発明の棚段の一方の端部である切り欠き部のいろいろの態様を示す斜視図であり、（ａ）は棚段の切り欠き部に凸部を設けた場合であり、（ｂ）は切り込みを入れた場合であり、（ｃ）は垂直方向に突起物を設けた場合を示す。
【図４】切り欠き部の他の態様として溢流管を用いた場合の本発明の棚段式気液接触装置の１部を示す断面図である。
【図５】溢流管として、つば付きのものを用いた場合の部分断面図（ａ）と、溢流管の斜視図（ｂ）を示す。
【図６】溢流管と液シールの一方法を示す断面図である。
【図７】溢流管の下端部変形例を示す断面図である。
【図８】棚段上に金網を張った態様を示す斜視図である。
【図９】実施例２と比較例４における圧力損失による能力比較を示すグラフである。
【符号の説明】
１  塔
２  棚段
２−１  棚段
２−２  棚段
２−３  棚段
３  液シール部
４  切り欠き部
４−１  切り欠き部
４−２  切り欠き部
４−３  切り欠き部
５  溢流管
６  シール部
７  つば
８  切り欠き
９  堰
１０  金網
【図１】
0004183331.tif 000006
【図２】
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【図３】
0004183331.tif 000008
【図４】
0004183331.tif 000009
【図５】
0004183331.tif 000010
【図６】
0004183331.tif 000011
【図７】
0004183331.tif 000012
【図８】
0004183331.tif 000013
【図９】
0004183331.tif 000014