(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の導入口及び導出口を具えた、気体と液体とを向流接触させる塔であって、該塔内で軸線方向に間隔を置いて配置された、各々流路を具備した複数の水平接触トレイを有し、かつ、渦流管と、分離トレイから液体を除去する手段とを具備した複数の水平分離トレイも有し、各分離トレイは接触トレイの上方に配置されており、各渦流管は当該渦流管の上端上に配置された環形Ｕターンデフレクタを具備している塔。
【請求項２】
各接触トレイが当該接触トレイの下方へ開口した下降管を具備することを特徴とする請求項１に記載の塔。
【請求項３】
分離トレイから液体を除去する手段が当該分離トレイの下方へ開口した下降管を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の塔。
【請求項４】
各接触トレイが当該接触トレイの下方へ開口した下降管を具備しており、分離トレイから液体を除去する手段が当該分離トレイの下方に位置する接触トレイの下降管内へと開口した下降管を含むことを特徴とする請求項１に記載の塔。
【請求項５】
分離トレイの下降管が当該分離トレイ下方で２番目に位置する接触トレイ上に開口していることを特徴とする請求項３に記載の塔。
【請求項６】
分離トレイから液体を除去する手段が当該分離トレイ下方で２番目に位置する接触トレイ上に開口している下降管を含み、前記接触トレイは向流接触トレイであることを特徴とする請求項１に記載の塔。
【請求項７】
Ｕターンデフレクタの外側壁が下降管の堰の上端よりも下方まで伸張することを特徴とする請求項３から６のいずれか１項に記載の塔。
【請求項８】
Ｕターンデフレクタの縁と渦流管の外表面とが成す環の表面積が、渦流管の上端においてＵターンデフレクタの内表面と渦流管の外表面とが成す環の表面積より小さいことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の塔。
【請求項９】
渦流管がＵターンデフレクタの気体導出端に配置された液滴捕捉器を具備していることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の塔。
【発明の詳細な説明】
本発明は、気体と液体とを向流接触させ、それによって気体と液体との間での熱及び／または物質交換を実現する、通常垂直な塔（ｃｏｌｕｍｎ）に係わる。塔は流体の導入口及び導出口を具えている。導入口及び導出口の位置は塔の用途に応じて決まる。気体混合物を吸収液体と向流接触させることによって気体混合物から汚染物質を除去することに塔を用いる場合は気体導入口及び液体導出口を塔の下端、液体導入口及び気体導出口を塔の上端に配置し、給送液（ｆｅｅｄ）の蒸留に塔を用いる場合は給送液導入口を塔の中央部付近に配置し、かつ気体導入口及び液体導出口を塔の下端、液体導入口及び気体導出口を塔の上端に配置する。
向流接触では、気体は上方へ、液体は下方へ塔を貫流する。上方へ流動する気体と下方へ流動する液体とを接触させるために、塔は該塔内部で軸線方向に間隔を置いて配置された複数の水平接触トレイを有する。このような接触トレイは、いわゆる十字流式接触トレイまたはいわゆる向流式接触トレイであり得る。十字流式接触トレイは流路と、該接触トレイの下方へ開口した下降管とを具備し、正常運転時気体は流路を通って上方へ流動し、液体は下降管を通って接触トレイから下方へ流動する。向流式接触トレイは下降管を具備せず、流路のみを具備し、正常運転時気体は流路を通って上方へ流動し、接触トレイからの液体流は流路を通って下方へと滴り落ちる（ｔｒｉｃｋｌｅ）ことができる。
十字流式接触トレイを有する塔の正常運転時、気体は接触トレイの流路を通って上方へ流動し、液体は１段上の接触トレイの下降管を通って接触トレイ上に供給される。接触トレイ上に集められた液体は一つの層を成し、気体と液体との接触は接触トレイ上の該液体層中で生起する。液体層の厚みは下降管の堰の高さによって決定される。堰を越えて流動する液体は下降管を経て除去され、接触トレイ上の液体から分離した気体は上方へ流動して１段上の接触トレイに到達し、この接触トレイ上で再び液体と接触する。上方へ流動する気体は幾分かの液体を飛沫同伴（ｅｎｔｒａｉｎ）し、このように気体中に液体が存在することは塔の性能に悪影響を及ぼす。
飛沫同伴される液体の量を低減するべく、米国特許第１，９８３，７６２号明細書には、渦流管（ｓｗｉｒｌ  ｔｕｂｅｓ）と、分離トレイから液体を除去する手段とを具備した複数の水平分離トレイを塔に付加することが提案されており、その際各分離トレイは接触トレイの上方に配置される。従って、分離トレイの上方には１段上の接触トレイが位置する。
渦流管は、内部に渦流発生手段が配置された円筒管である。正常運転時、液体を飛沫同伴した気体は渦流管を貫流し、渦流発生手段は気体を旋回させる。遠心力の作用で飛沫同伴液体は渦流管の中心から遠ざかり、円筒管の内表面上に集まって液体の膜を形成する。円筒管の上端において液体膜は飛散し、液滴が円筒管を離れる。この液滴は分離トレイ上に落下する。液滴のうちの或るものは分離トレイ上方の接触トレイに当たるような軌跡を描き、前記接触トレイの流路を通って飛沫同伴される。このような飛沫同伴を低減するべく、渦流管の上端は分離トレイ上方の接触トレイの流路内へと真っ直ぐに放出し、その結果気体は前記接触トレイの流路へ向かって流動し、液体は流路の周囲で前記接触トレイに当たる。そのために、公知の分離トレイは１段上の接触トレイの流路と同数の渦流管を含み、これらの渦流管の直径は１段上の接触トレイの流路の直径に等しく、また前記渦流管の配置は前記流路の配置に類似する。従って、公知の分離トレイの正味自由面積（ｎｅｔ  ｆｒｅｅａｒｅａ）は接触トレイの正味自由面積に等しい。分離トレイの正味自由面積は渦流管内の流路の面積を分離トレイの作用面積（ａｃｔｉｖｅ  ａｒｅａ）で除したものと定義され、接触トレイの正味自由面積は流路の面積を接触トレイの作用面積で除したものと定義される。公知の塔の欠点は、多数の渦流管を要し、そのために高価であることである。
東ドイツ特許第１０９  ８０６号明細書に、流体の導入口及び導出口を具えた、気体と液体とを向流接触させる塔であって、該塔内で軸線方向に間隔を置いて配置された、各々流路を具備した複数の水平接触トレイを有し、かつ、渦流管と、分離トレイから液体を除去する手段とを具備した複数の水平分離トレイも有し、各分離トレイは接触トレイの上方に配置されている塔が開示されている。
上記公知の分離トレイは更に、渦流管の上方に配置されたカバープレートを含み、このカバープレートは開口を具え、該開口を貫通して下方へ伸長する管は渦流管の直径より小さい直径を有し、渦流管の上方端部内へと伸長している。この公知分離トレイの重大な欠点は、カバープレートが渦流管同士の間の空隙を閉鎖し、その結果液体に同伴する気体が前記空隙から逃れられなくなることである。
本発明は、改善された気体−液体分離性能を有する分離トレイを提供することを目的とする。
この目的のために、気体と液体とを向流接触させる本発明による塔は、各渦流管が当該渦流管の上端上に配置された環形Ｕターンデフレクタを具備していることを特徴とする。
環形Ｕターンデフレクタは液体をトレイへと導き、液体に同伴する気体は環形Ｕターンデフレクタ同士の間を通過し得る。
正常運転時、渦流管の上端において液体膜から液滴が飛散する。この液滴はＵターンデフレクタによって下方の分離トレイの方へ移動させられる。従って、液滴は通常、上方に位置する１段上の接触トレイの方へは移動しない。即ち、渦流管の上端が分離トレイ上方の接触トレイの流路内へと真っ直ぐに放出する必要は無く、従って本発明による塔では、渦流管の直径は接触トレイの流路の直径より著しく大きい。このことは、より少ない渦流管しか用いずに済むことも意味する。渦流管の直径は、流路の直径の３倍以上でかつ２０倍以下であることが適当である。
本発明による塔は、分離トレイの正味自由面積が公知の分離トレイの正味自由面積より大きいという利点も有する。渦流管内の気体速度が大きいほど分離トレイ上での圧力降下が増大し、また前記気体速度は正味自由面積に反比例するので、本発明の塔の分離トレイ上での圧力降下は公知の分離トレイ上での圧力降下を下回る。
本発明の一例を、添付図面を参照しつつ以下に詳述する。添付図面の
第１図は気体と液体とを向流接触させる本発明による塔の概略的部分断面図であり、
第２図は気体と液体とを向流接触させる本発明による塔の別の例の概略的部分断面図である。
第１図において、塔１は、該塔１内で軸線方向に間隔を置いて配置された水平接触トレイ５、６、７及び８を有する。水平接触トレイ５、６、７及び８はいわゆるシーブトレイである。シーブトレイは、多孔の形態の流路を具えた平坦なプレートである。煩雑を避けるため、プレートに設けられた孔には参照符号を付さない。水平接触トレイ５、６、７及び８は下降管１０、１１、１２及び１３をそれぞれ具備している。下降管１０は接触トレイ５の下方に、１段低い接触トレイ６の上に向かって開口しており、以下同様である。下降管１３の開口先に位置するトレイは図示しない。塔の最下分離トレイに属する下降管は実際上、塔の下部へと開口する。
塔１はその下端に気体導入口及び液体導出口を具え、かつその上端に液体導入口及び気体導出口を具える。気体導入口、液体導出口、液体導入口及び気体導出口は第１図に示していない。
塔１は水平分離トレイ１５、１６及び１７も有し、各分離トレイ１５、１６または１７は接触トレイ６、７または８の上方に配置されている。分離トレイ１５、１６及び１７は渦流管２０、２１及び２２を具備している。渦流管２０、２１及び２２はその内部に渦流発生手段２５、例えば旋回羽根を具備している。各分離トレイ１５、１６または１７は下降管２９、３０及び３１の形態の、当該分離トレイから液体を除去する手段も具備している。分離トレイ１５の下降管２９は下降管１１を介して、分離トレイ１５下方で２番目に位置する接触トレイ７上に開口しており、以下同様である。分離トレイ１７下方で２番目に位置する接触トレイは図示せず、また接触トレイ５の上方に位置する分離トレイも図示しないので留意されたい。
各渦流管２０、２１または２２は、当該渦流管２０、２１または２２の上端上に配置された環状Ｕターンデフレクタ３４、３５または３６を具備している。
正常運転時、気体は塔１の下端に位置する気体導入口（図示せず）から、また液体は塔１の上端に位置する液体導入口（図示せず）から塔１に供給される。塔１内で、気体と液体とは水平接触トレイ５、６、７及び８上で接触して物質及び／または熱を交換し、この接触後に気体及び液体は、塔１上部の気体導出口（図示せず）及び塔１下部の液体導出口（図示せず）を経て塔１から除去される。接触トレイ５、６、７及び８から過剰な液体が下降管１０、１１、１２及び１３を経て除去され、また液体の幾分かは上方へ流動する気体に飛沫同伴する。
塔の性能は、液体流量の関数としての最大気体流量によって決定される。最大気体流量とは、上方へ流動する気体による液体の飛沫同伴が始まる気体流量のことである。
塔の性能を改善するには、飛沫同伴を低減しなければならない。液体の飛沫同伴の低減のために、塔１は分離トレイ１５、１６及び１７を有する。分離トレイ１５、１６及び１７の渦流管２０、２１及び２２内で、液体を飛沫同伴して上方へ流動する気体は遠心運動を付与され、その結果気体から液体が分離される。分離された液体は渦流管２０、２１及び２２の内表面上に集まる。渦流管２０、２１及び２２の上端において、液体は渦流管２０、２１及び２２の内表面から飛散する。飛散する液体をＵターンデフレクタ３４、３５及び３６が、分離トレイ１５、１６及び１７の底面の方へ誘導する。そこから液体は、接触トレイ６、７及び８の下降管１１、１２及び１３内へと開口する下降管２９、３０及び３１を経て除去される。
本発明による塔の改善された性能を実証するべく、内径４５ｃｍの塔において試験を行なった。この塔は、６００ｍｍ間隔で配置された４個の接触トレイを有した。これらの接触トレイは正味自由面積２０％のシーブトレイであり、いずれの接触トレイもトレイ下方へ開口した下降管を具備していた。塔は、いずれも接触トレイのすぐ上方に配置された４個の分離トレイを有した。分離トレイは各々直径１１０ｍｍの渦流管を５個ずつ具備し、これらの渦流管は各々Ｕターンデフレクタを具備していた。分離トレイの正味自由面積は３０％であった。
上述の塔を、（Ｌ／Ｇ）*（ρl／ρg）1/2と定義される流動パラメーターが０．０５〜０．１５の範囲であることに対応する液体流量で運転した。上記のような流動パラメーターの下で、Ｕg*［ρg／（ρl−ρg）］1/2と定義される負荷率（ｌｏａｄ  ｆａｃｔｏｒ）において、０．２０〜０．１８ｍ／秒の範囲である最高負荷率に対応する最大気体流量が得られた。上記定義において、Ｌは液体流量（ｍ3／秒）、Ｇは気体流量（ｍ3／秒）、ρlは液体密度（ｋｇ／ｍ3）、ρgは気体密度（ｋｇ／ｍ3）、Ｕgは見掛けの気体速度（ｍ／秒）である。
接触トレイと分離トレイとの組み合わせによる圧力降下は５００〜４，０００Ｐａであった。
次に、本発明によらない塔の２例について検討する。分離トレイを有しないこれらの例において、同じ流動パラメーターの下での最高負荷率は約０．１２〜０．１０であり、圧力降下は２５０〜２，０００Ｐａであった。従って、本発明による塔は、圧力降下はより大きいものの、高い最高負荷率をもたらす。
本発明による塔の分離トレイを、シーブトレイの正味自由面積と同じである２０％の正味自由面積を有する分離トレイによって置き換え、かつ渦流管をＵターンデフレクタを具備しない渦流管によって置き換えると、最高負荷率はより低く、圧力降下はより大きくなる。
気体から液体を分離するために、渦流管は環形Ｕターンデフレクタを具備する。正常運転時、液体は渦流管壁の内表面に沿って上方へ流動し、環形Ｕターンデフレクタと渦流管壁とによって形成された環状の水路（ｃｈａｎｎｅｌ）内へ流入する。液体は渦流管壁の内表面に沿って上方へ流動し、かつ渦流管壁の外表面に沿って下方へ流動する。液体と共に幾分かの気体が該環状水路を通って流動する。
気体が液体と共に環状水路を通って流動するのを抑制するべく、環形Ｕターンデフレクタは、環状水路において、液体が下方へ流動する部分が下方へ向かって先細になるような形状をしている。環形Ｕターンデフレクタのこのような設計は、第１図に示した渦流管２０に適用されている。Ｕターンデフレクタ３４の縁４０と渦流管２０の外表面とが成す環の表面積は、渦流管の上端４１においてＵターンデフレクタ３４の内表面と渦流管２０の外表面とが成す環の表面積より小さい。
あるいはまた、液体による気体の同伴は、正常運転時に分離トレイ上に存在する液体によってＵターンデフレクタの開口を封止することにより防止され得る。この設計は渦流管２１に適用されており、Ｕターンデフレクタ３５の外側壁４５は下降管３０の堰４７の上端よりも下方まで伸張している。
液体の飛沫同伴を更に低減するべく、渦流管２２はＵターンデフレクタ３６の気体導出端に配置された、拡張リング（ｗｉｄｅｎｉｎｇ  ｒｉｎｇ）４９の形態の液滴捕捉器（ｄｒｏｐｌｅｔ  ｃａｔｃｈｅｒ）を具備している。
接触トレイは、シーブトレイである替わりに任意の適当な接触トレイ、例えばバルブトレイであることも可能である。
本発明の上記説明において、分離トレイ１５によって除去された液体は分離トレイ１５が属する接触トレイ６の下方に位置する接触トレイ７に戻され、このことは他の分離トレイ１６及び１７にも該当する。塔を低液体負荷で運転する場合は、分離トレイによって分離された液体の少なくとも一部を前記分離トレイが属する接触トレイに戻し得る。このことは、分離トレイに設けられた複数の開口部に配置された複数の下降管のパイプを用いることによって、または分離トレイの下方に位置する接触トレイ上に開口した１個の下降管を用いることによって達成可能である。
本発明は既存の塔を、１段高いトレイに向かって流動する気体による液体の飛沫同伴が減少するように改良する。このようにして本発明は、塔をより高い負荷率で運転することを可能にする。
第２図に示した別の例について検討する前に、負荷率の上昇が接触トレイの性能に及ぼす影響に注目する。この目的で、下降管１２を具備した接触トレイ７（第１図）に言及する。正常運転時、気体は接触トレイ７の流路を通って上方へ流動し、トレイ７上に存在する液体の層と接触する。接触後、液体と気体とは分離し、液体を飛沫同伴した気体は上方へ流動し、幾分かの気体が分散した液体は接触トレイ７から下降管１２を経て除去される。下降管１２は気体が分散した液体（ｇａｓ−ｉｎ−ｌｉｑｕｉｄ  ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ）で満たされる。下降管１２内の液体の高さは接触トレイ７による圧力降下に比例する。前記圧力降下は見掛けの気体速度に比例し、従って負荷率に比例するので、下降管内の液高は負荷率に比例する。この液高は下降管１２の高さを越えることができないので、下降管の高さは負荷率を制限する。
接触トレイの下降管によるこのような制限を排除するべく、十字流式接触トレイを、下降管を具備しない接触トレイである向流式接触トレイによって置き換えることが提案される。
次に、本発明の別の例を示した第２図に言及する。図中、第１図に示した部材に類似する部材には同じ参照符号が付してある。
第２図に示した例は第１図に示した例と２点で異なる。第一に、接触トレイが向流式接触トレイに置き換えられている。煩雑を避けるために２個の接触トレイのみを図示し、これらの向流式接触トレイに参照符号６′、７′を付す。第二に、分離トレイの下降管は該分離トレイ下方で２番目に位置する接触トレイ上に開口する。このことは、分離トレイ１５の下降管が分離トレイ１５下方で２番目に位置する接触トレイ７′まで延長され、分離トレイ１６の下降管は分離トレイ１６下方で２番目に位置する接触トレイ（図示せず）まで延長されることを意味する。これら延長された下降管に参照符号２９′及び３０′を付す。完璧を期して、塔１内でより高い位置に配置された分離トレイ（図示せず）から伸長する延長された下降管に参照符号５０を付す。
正常運転時、気体は塔１の下端に位置する気体導入口（図示せず）から、また液体は塔１の上端に位置する液体導入口（図示せず）から塔１に供給される。塔１内で、気体と液体とは、そのうちの２個に参照符号６′及び７′を付して図示した水平接触トレイ上で接触して物質及び／または熱を交換し、この接触後に気体及び液体は、塔１上部の気体導出口（図示せず）及び塔１下部の液体導出口（図示せず）を経て塔１から除去される。
塔１を上方へ貫流する気体は、接触トレイ７′上で下降管２９′からの液体と接触し、接触トレイ６′上で下降管５０からの液体と接触する。接触トレイ６′及び７′はいわゆる向流式接触トレイで、このトレイは下降管を具備しない。「向流式接触トレイ」という呼称は、遅い気体速度の下で気体はトレイの多孔を上方へ通過し、液体は前記多孔を通って下方へと滴り落ちるということに発している。しかし、本発明の塔１は比較的高い負荷率で運転され、このことは気体速度が液体の飛沫同伴を惹起するほど大きくなることを意味する。即ち、上方へ流動する気体によってトレイ７′から液体が除去され、液体と気体とは分離トレイ１６の渦流管２５において分離される。気体から分離された液体は下降管３０′を貫流し、接触トレイ７′の下方に配置された接触トレイ（図示せず）に到達する。上方へ流動する気体は、下降管５０を経て供給された接触トレイ６′上の液体と接触する。更に接触トレイ６′からも、上方へ流動する気体によって液体が除去され、液体と気体とは分離トレイ１５の渦流管２５において分離される。気体から分離された液体は下降管２９′を貫流し、接触トレイ６′の下方に配置された接触トレイ７′に到達する。
この例には二つの利点が有る。第一の利点は、下降管２９′及び３０′の高さが第１図に示した例の下降管の高さを上回ることである。従って、これらの下降管内の液高はより高くなり得、即ち第２図に示した塔はより高い負荷率で運転可能である。第二の利点は、渦流管２５によって分離された液体は実質的に気体を含有しないという事実に関連する。渦流管によって分離された液体は実質的に気体を含有しないので、下降管２９′及び３０′を貫流するのは実質的に清浄（ｃｌｅａｒ）な液体である。このことは、同量の液体に関して、分離トレイの下降管が、気体が分散した液体に適応させなければならない接触トレイの下降管に比較して小さい横断面積を有することを意味する。寸法差は７５％にも達し得る。従って、接触トレイ６′及び７′の有効面積は第１図に示した接触トレイ６及び７のものよりはるかに大きい。
【図１】
0003787153.tif 000002
【図２】
0003787153.tif 000003