(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気液化分離装置の充填塔に用いられる液体捕集分配装置であって、前記充填塔内を上下に仕切る水平方向の精留板と、該精留板を上下方向に貫通した液体散布箱とを有し、前記精留板には、上昇ガス通過用の通気部を設け、前記液体散布箱の底部には、流下液を下方の充填材層に分配散布する散布孔を設けるとともに、該液体散布箱の上部には、前記精留板上に所定の深さで流下液を保持して液体散布箱内に流入させるための流入堰を設け、下方の充填材層から上昇する上昇ガスが前記通気部を経て精留板上の流下液と気液接触して上方の充填材層に上昇するように形成したことを特徴とする液体捕集分配装置。
【請求項２】
前記精留板は、多孔板トレイあるいは泡鐘トレイあるいはバルブトレイであることを特徴とする請求項１記載の液体捕集分配装置。
【請求項３】
前記液体散布箱は、上方の充填材層から流下する流下液が液体散布箱内に直接流入することを防止する天板を備え、該天板は、前記液体散布箱の上方に水平方向又は前記液体散布箱の上方に傾斜して設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の液体捕集分配装置。
【請求項４】
前記液体散布箱を複数個設けるとともに、該複数の液体散布箱内の液体深さを同一にするための連通管を各液体散布箱間に設けたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の液体捕集分配装置。
【請求項５】
前記精留板の上方に、上昇ガスの上昇通路と、該上昇通路内に流下液が流下することを防止する覆い板とを備えた液体捕集部を設けるとともに、該液体捕集部で捕集した流下液を前記精留板上に保持された液体中に流下させる液体下降管とを設けたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の液体捕集分配装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体捕集分配装置に関し、詳しくは、空気液化分離装置における充填材を充填した充填塔に使用する液体捕集分配装置であって、流下液を均一に分配散布する機能とともに、上昇ガスを均一に分配する機能も併せ持った液体捕集分配装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、空気液化分離装置に用いられている精留塔には、棚段塔と充填塔とがあり、充填塔は、棚段塔に比べて圧力損失を小さく設計できることから、大幅な動力原単位の低減や精留による高純度アルゴンの製造等が可能であるなどの利点を有している。この充填塔のような充填材を用いた気液接触装置では、塔内を流下する液体（流下液）を下方の充填材へ均一に分配するための手段として、液体捕集分配装置が広く用いられている（特許第２５１６６８０号公報，特開平６−２８５３２３号公報，特公平７−８１７８１号公報，特公昭６１−２０４００１号公報等参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の液体捕集分配装置と充填材、例えば規則充填材とだけから構成された充填塔からなる精留塔では、塔内を上昇するガス（上昇ガス）の組成が、径方向に不均一となった場合、精留効率が低下する結果となる。例えば、充填塔における問題点として、一部の上昇ガスが充填材内を通過せずに塔壁付近をバイパスする場合、塔頂部において所定のガス純度が得られないことがあった。また、流下液の偏流により、液体の無い場所が発生し、そこをガスが液体と接触せずにバイパスすると、精留効率が大きく低下してしまう。
【０００４】
一方、上述のような充填塔における原料供給段においては、十分にガスを均一化する工夫が提案されているが（例えばノートン社のModel796distributor/support plate 参考文献R.F.Strigle,Packed Tower Design and Applications,Gulf Publishing Company,1994)、充填高さが高くなると不均一になってくる。また、液体捕集分配装置の直下においては、液体は点又は線で充填材に落ちるので、一段目の充填層においては、その点又は線の真下の流路のみで気液接触することになり、液体捕集分配装置へ上昇するガスが不均一になる。
【０００５】
さらに、これらの不均一が突発的な原因、例えば急なバルブ操作や気圧変化等によって発生した場合、凝縮器において凝縮液量の変動や圧力変動が起きたり、製品ガス純度が急速に低下したりしてしまい、製品ガスの供給に支障を来すことになる。しかし、従来の充填材や液体捕集分配装置には、上昇ガスを混合して再分配する機能はほとんどない。
【０００６】
前述のような充填塔の特性に対して、棚段塔は、上昇ガスが必ず液体と接触する構造を採用しているので、前述のような上昇ガスのバイパスが発生することはなく、ガス純度の低下を防止することができる。また、充填材に対して棚段は、圧力損失が大きいので、ガスの組成及び速度の不均一が緩和される。
【０００７】
そこで本発明は、上述の充填塔及び棚段塔の特性を組み合わせることにより、効率のよい気液接触操作を行うことができる、空気液化分離装置の充填塔に用いられる液体捕集分配装置を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の液体捕集分配装置は、空気液化分離装置の充填塔に用いられる液体捕集分配装置であって、前記充填塔内を上下に仕切る水平方向の精留板と、該精留板を上下方向に貫通した液体散布箱とを有し、前記精留板には、上昇ガス通過用の通気部を設け、前記液体散布箱の底部には、流下液を下方の充填材層に分配散布する散布孔を設けるとともに、該液体散布箱の上部には、前記精留板上に所定の深さで流下液を保持して液体散布箱内に流入させるための流入堰を設け、下方の充填材層から上昇する上昇ガスが前記通気部を経て精留板上の流下液と気液接触して上方の充填材層に上昇するように形成したことを特徴としている。
【０００９】
さらに、本発明の液体捕集分配装置は、前記精留板が多孔板トレイあるいは泡鐘トレイあるいはバルブトレイであることを特徴とし、前記液体散布箱が、上方の充填材層から流下する流下液が液体散布箱内に直接流入することを防止する天板を備えており、この天板が水平方向あるいは傾斜して設けられていることを特徴とし、複数の液体散布箱内の液体深さを同一にするための連通管を各液体散布箱間に設けたことを特徴としている。
【００１０】
また、前記精留板の上方に、上昇ガスの上昇通路と、該上昇通路内に流下液が流下することを防止する覆い板とを備えた液体捕集部を設けるとともに、該液体捕集部で捕集した流下液を前記精留板上に保持された液体中に流下させる液体下降管とを設けたことを特徴としている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の液体捕集分配装置の第１形態例を示す斜視図である。この液体捕集分配装置１は、充填塔２内を上下に仕切る水平方向の精留板３と、該精留板３を上下方向に貫通した複数の液体散布箱４とを有しており、前記精留板３は、上昇ガス通過用の通気部となる多数の通孔３ａを有する多孔板トレイにより形成されており、充填塔２の内周面に気密に取り付けられている。
【００１３】
また、前記液体散布箱４は、天板４ａ，底板４ｂ及び四周の側板４ｃからなる直方体からなるものであって、前記底板４ｂには、該液体散布箱４内に流入した流下液を下方の充填材層に向けて分配散布するための多数の散布孔５が設けられ、短手側の一対の側板４ｃの上部には、所定の高さの流入堰６が設けられている。この流入堰６は、前記精留板３の上に所定の深さで流下液を保持するために設けられるもので、上方の充填材層から流下した流下液は、精留板３上に所定深さの液層を形成し、流入堰６を越えて液体散布箱４内に流入する。さらに、液体散布箱４の上部を覆う天板４ａを設けているので、充填材層から流下した流下液が直接液体散布箱４内に流入することがないため、流下液の流量や組成が不均一であっても、精留板３上に一時的に貯留されるとともに混合されるので、各液体散布箱４には、均一な状態で流入させることができる。
【００１４】
一方、下方の充填材層から上昇する上昇ガスは、精留板３の通過抵抗によって精留板３の下面で一時的に滞留した状態になった後、精留板３の通孔３ａを通過して精留板３上の前記液層内に噴出し、ここで流下液と気液接触を行ってから上方の充填材層に上昇する。したがって、精留板３がガスの捕集分配装置として機能するため、上昇ガスの組成の不均一が緩和されるとともに、上昇ガスが必ず流下液と接触して液体捕集分配装置１を通過するため、上昇ガスの急激な濃度変動も抑制することができる。
【００１５】
すなわち、充填塔２に設けられる液体捕集分配装置１に、通常の棚段塔における棚段の機能を持たせたことにより、流下液の捕集分配だけでなく、上昇ガスの捕集分配も行うことができ、上昇ガスにおける組成及び速度の不均一が緩和され、効率のよい気液接触操作、例えば精留操作を行うことができる。
【００１６】
さらに、液体捕集分配装置１部分で気液接触を行うため、充填材の充填高さを低くすることも可能となる。また、充填塔２の半径方向でのＬ／Ｖが一定となり、所定の気液接触を確実に行わせることができるので、ｐｐｍオーダーの組成管理が可能となり、高純度の製品を得ることができる。
【００１７】
なお、上記液体捕集分配装置は、従来と同様に、アルミニウムやステンレス鋼等、極低温の条件下で使用可能な金属の板材を、適宜に曲げ加工したり、リベット締めや溶接又は真空ろう付けしたりすることによって製作することができる。また、精留板に設ける通孔のサイズやピッチは、上昇ガスの流量や圧力，精留板上に保持される流下液の量等に応じて任意に設定することができる。さらに、精留板としては、上記形態例に示すような通孔を形成した多孔板トレイに限らず、図２に示すような泡鐘トレイ７や図３に示すようなバルブトレイ８を使用することができ、流下液及び上昇ガスの流量やその比、塔径等に応じて最適な精留板を選択することができる。
【００１８】
一方、液体散布箱の大きさや形状、設置数も任意であり、充填塔の径や流下液及び上昇ガスの流量等に応じて最適な状態になるように設定すればよい。同様に、流入堰の高さや幅，形状（例えばＶノッチ等）も、流下液の流量等の各種条件に応じて設定することができる。
【００１９】
図４は、本発明の第２形態例を示す斜視図であって、液体散布箱４の側板４ｃ上縁の略全周を流入堰６として使用し、流入堰６の幅寸法を拡大したものであり、液体散布箱４の上部開口を覆う天板１１は、側板４ｃの上縁角部に設けられた柱部材１２により水平方向に支持されている。また、図５は、本発明の第３形態例を示す縦断面図であって、液体散布箱４の上部開口を覆う天板１３を同方向に傾斜させて設けたものである。
【００２０】
このように、天板４ａ，１１，１３の形状や大きさ、支持構造，設置角度等は、液体捕集分配装置１の大きさ（塔径）や流下液の量等による流入堰６の寸法に応じて適当に選択することが可能である。また、天板の大きさを上昇ガスの流通を妨げない範囲で大きくしたり、天板の全体あるいは一部を傾斜させて上下方向でラップさせたりすることにより、流下液が精留板３上の前記液層部分に直接落下して貯留液の液面に波動が発生することを防止でき、気液接触に適した均一な液面を形成することができる。
【００２１】
図６は、本発明の第４形態例を示す一部切欠き縦断面図であって、複数の液体散布箱４内の液体深さを同一にするための連通管２１を各液体散布箱４間に設けたものである。このように連通管２１を設けることにより、各液体散布箱４内に流入する液量に差異が発生した場合でも、連通管２１を介して各液体散布箱４内の液深を同一に保つことができ、下方の充填材層に均一に液体を散布することができる。
【００２２】
図７は、本発明の第５形態例を示す斜視図であって、上方に充填材層が無く、塔側壁に接続した流入管３１から液体を注入する部分、例えば、充填塔２の塔頂に設置するのに適した液体捕集分配装置の形状例を示している。この場合、液体捕集分配装置１の上方から流下液が流下してこないので、液体散布箱４に天板を設ける必要がなく、液体散布箱４の上縁全体を流入堰６として使用することができる。このように、棚段機能を備えた液体捕集分配装置１を塔頂部に設けることにより、塔頂部から抜き出すガスの純度の急変を防止することができる。
【００２３】
図８は、本発明の第６形態例を示す概略縦断面図であって、液体捕集分配装置１の上方に、液体捕集装置４１を設けた例を示すものである。この液体捕集装置４１は、上昇ガスの上昇通路４２と、該上昇通路４２内に流下液が流下することを防止する液体捕集用の覆い板４３とを備えた液体捕集部４４と、該液体捕集部４４で捕集した流下液を前記精留板３に保持された液体中に流下させる液体下降管４５とを有するもので、従来の液体捕集分配装置と同様の周知の構造のものを使用することができる。この場合、液体捕集分配装置１の液体散布箱４には、前記第５形態例と同様の天板の無いものを用いればよい。この構成は、液の出入りやガスの出入りのある部分に適している。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の液体捕集分配装置によれば、従来と同様の流下液の捕集分配だけでなく、上昇ガスの捕集分配も行うことができるので、上昇ガスにおける組成及び速度の不均一が緩和され、効率のよい気液接触操作（精留）を行うことができる。また、液体捕集分配装置においても精留が行われるので、充填材の充填高さを低くすることが可能となり、充填塔の小型化や低コスト化も図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の液体捕集分配装置の第１形態例を示す斜視図である。
【図２】  泡鐘トレイの説明図である。
【図３】  バルブトレイの説明図である。
【図４】  第２形態例を示す液体捕集分配装置の斜視図である。
【図５】  第３形態例を示す液体捕集分配装置の縦断面図である。
【図６】  第４形態例を示す液体捕集分配装置の一部切欠き縦断面図である。
【図７】  第５形態例を示す液体捕集分配装置の斜視図である。
【図８】  第６形態例を示す液体捕集分配装置の概略縦断面図である。
【符号の説明】
１…液体捕集分配装置、２…充填塔、３…精留板、３ａ…通孔、４…液体散布箱、４ａ…天板、４ｂ…底板、４ｃ…側板、５…散布孔、６…流入堰、７…泡鐘トレイ、８…バルブトレイ、１１…天板、１２…柱部材、１３…天板、２１…連通管、３１…流入管、４１…液体捕集装置、４２…上昇通路、４３…覆い板、４４…液体捕集部、４５…液体下降管
【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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