(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上下方向に配置された気液接触板の表面に沿って処理水を流下させ、前記処理水に接触したガスが該処理水に吸収される気液接触板構造において、前記気液接触板の表面に、幅方向に延びる凹凸条を、上下方向に複数並設するとともに、前記凹凸条の頂部が撥水性を有し、前記凹凸条の底部が親水性を有するようにし、前記処理水が気液接触板表面で幅方向に広がるように構成したことを特徴とする気液接触板構造。
【請求項２】
前記凹凸条は、前記気液接触板の幅方向の一端部から他端部に亘って連続的に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の気液接触板構造。
【請求項３】
前記凹凸条が断面矩形の凹凸条であることを特徴とする請求項１または２に記載の気液接触板構造。
【請求項４】
前記気液接触板の表面の材質がポリプロピレンまたはアクリルニトリルブタジエンスチレン樹脂であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の気液接触板構造。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載された構造を有する気液接触板を内部に配設した筒状体と、該筒状体内部の前記気液接触板の上方に設けられた液供給手段と、前記筒状体の底部に設けられた液排出手段と、前記気液接触板の下方であって前記液排出手段の上方に設けられたガス供給手段と、前記筒状体の頂部に設けられたガス排出手段とを備えたことを特徴とする気液接触装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスを液体中に吸収させる目的で用いられる気液接触板及び気液接触装置に関する。さらに詳しくは、ガス及び液体の接触面積を増大させて効率的なガス吸収を実現する気液接触板及び気液接触装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
有害または有益なガスを吸収するための装置として、吸収液を利用した気液接触装置が知られている。主に化学プラント等では、排出される二酸化炭素（ＣＯ2）等のガスの吸収効率を向上させるために、例えば円筒状や矩形塔状の吸収塔を用い、塔の内部に気液接触板を配設してガス及び吸収液の接触面積を増やすことが行われている。
一般に、気液接触性能は、液膜の総表面積に依存することが知られている。高い気液接触性能を得るためには、気液接触板の表面において、液ができるだけ濡れ広がることが好ましい。なお、液が広く濡れ広がることを、濡れ性能が良好であると表現する。その気液接触板の材料は、主として金属材料が使用されていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
気液接触板は、吸収塔の容器内に配設されノズルにより吸収液が噴霧されるが、吸収液を容器内に均等に噴霧することは困難であり、容器内に複数枚配設されている気液接触板の全表面に対して濡れ性能を均一化することが困難であった。
また、気液接触板を金属製にすると、気液接触塔全体としての重量が大きくなり、気液接触塔を支える構造部品も大型化してしまうといった問題がある。一方、金属に代わる気液接触板の材料としては、たとえば樹脂等の高分子材料が考えられる。高分子材料は軽量で、かつ加工性がよく、さらに安価であるが、工業用材料として用いられる高分子材料はほとんどが疎水性であり、前記した濡れ性能が得られにくいといった問題がある。
【０００４】
最近では高分子材料でありながら親水性を有する、いわゆる親水性ポリマーも知られている。親水性ポリマーを気液接触板の材料として使用すれば、軽量で、かつ加工性がよく、しかも前記した濡れ性能が得やすい。
しかし、親水性ポリマーは、疎水性の高分子材料に比べて一般に高価であったり、フィルム等成形体の成形性が悪いといった問題がある。また、親水性ポリマーは水と接触すると水分を吸収して、強度の低下することが知られている点も問題である。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、軽量で、加工性に優れ、安価で、濡れ性能が気液接触板の幅方向に広がる気液接触板を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上下方向に配置された気液接触板の表面に沿って処理水を流下させ、前記処理水に接触したガスが該処理水に吸収される気液接触板構造において、前記気液接触板の表面に、幅方向に延びる凹凸条を、上下方向に複数並設するとともに、前記凹凸条の頂部が撥水性を有し、前記凹凸条の底部が親水性を有するようにし、前記処理水が気液接触板表面で幅方向に広がるように構成した。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態による気液接触板及び気液接触装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、気液接触装置としての吸収塔１の概略図である。
吸収塔１は、例えば化学プラントの一設備として備えられ、プラント内で発生したガス中に含まれる二酸化炭素、ハロゲン化水素やアンモニアなどの水溶性ガス成分を水による吸収で浄化するための吸収塔、あるいは脱臭装置として有利に使用することができる。また、これらのガス成分を水中に溶かして水溶液を製品として得るための溶かし込み装置としても使用することができる。
【０００７】
吸収塔１は、円柱状の容器１ａの軸心が上下方向に向くように配置され、吸収塔１の内部では、図２に示す気液接触板２を容器１ａの中間位置の高さに配置させている。
ガスは、吸収塔１の塔底に設置されたガス供給口４から導入されて、吸収塔１の内部を下から上に流れ、吸収塔１の塔頂に設置されたガス排出口５から塔外に排出されて、次行程で処理される。一方、液は、吸収塔１の上部に設置された液供給口６から容器１ａ内に導入されて、水平方向に伸びた供給管を通り、多数配設されているノズル７によって噴霧される。
気液接触板２は、ガス及び液体の流れ方向に沿って、すなわち板面が容器１ａの軸方向に平行になるように、縦に複数枚並べて配置している。この気液接触板２は、気液接触板２の下部に配置されている円板状の支持体３によって固定されている。
ノズル７は、塔内での各々の気液接触板２に対して液を散布するために設ける装置であり、供給間の軸方向に間隔をおいて互い違いに両側に配列されている。液は吸収塔１の内部を上から下に流れ、吸収塔１の塔底に設置された液溜め８に溜められたのち、液排出口９から塔外へ出る。液溜め８は、吸収塔１と同じ径を有する円盤や漏斗状の逆円錐形である。ここで、液は気液接触板２の表面及び裏面並びに吸収塔１の内面に沿って流下する。
【０００８】
次に、気液接触板２について詳細に説明する。
気液接触板２は、長方形の板材であって樹脂等高分子材料で形成されている。特に、高分子材料に限定されるものではなく金属製のものであってもよいが、本実施の形態では、ポリプロピレン（以下、ＰＰとも呼ぶ）またはアクリルニトリルブタジエンスチレン樹脂（以下、ＡＢＳとも呼ぶ）を使用している。
図３は、気液接触板２の表面の断面形状である。図に示すように、気液接触板２の表面は矩形の凹凸２ａ，２ｂ形状であって、凹部高さがａであって、先端長がｂであって、底面長がｃであり、これらの凹凸２ａ，２ｂ形状が水平方向に延在し、また凸部２ｂがピッチｂで凹部２ａがピッチｃで、これらの凹凸が同様に連続して縦方向に形成されている。この凹凸２ａ，２ｂが気液接触板２の表裏両面の全表面に形成されている。
【０００９】
図４の（ａ）〜（ｂ）は、気液接触板２の凹凸２ａ，２ｂの断面形状の他の形態を示す。図４の（ａ）は、断面を三角形状に形成した凸部を有する凹凸２ａ，２ｂであり、図４の（ｂ）は、断面を台形状に形成した凸部を有する凹凸２ａ，２ｂであり、図４の（ｃ）は、断面をＶ字形状に形成した凹部を有する凹凸２ａ，２ｂであり、図４の（ｄ）は、断面を湾曲状に形成した形状を有する凹凸２ａ，２ｂである。
【００１０】
また、図５の（ａ）〜（ｂ）は、気液接触板２の凹凸２ａ，２ｂの延在方向の他の形態を示す。図５の（ａ）は、気液接触板２の幅方向に対して凹凸２ａ，２ｂの延在方向が、気液接触板２の中心部から左右両側へいずれも低くなるように、凹凸２ａ，２ｂを傾斜させて、この凹凸２ａ，２ｂを上下方向に複数条併設している。
図５の（ｂ）は、気液接触板２の幅方向に対して一方の側から他方の側へ、また他方の側から一方の側へ低くなるようにして凹凸２ａ，２ｂを傾斜させて、互い違いに凹凸２ａ，２ｂを形成し、上下方向に複数条併設している。
【００１１】
図５の（ｃ）は、気液接触板２の幅方向に対して一端側から他端側へ凹凸２ａ，２ｂを傾斜させて、他端側が低くなるように凹凸２ａ，２を形成し、これを上下方向に複数条併設している。
図５の（ｄ）は、気液接触板２の幅方向に対して凹凸２ａ，２ｂの延在方向が、気液接触板２の中心部から左右両側へ、いずれも低くなるように凹凸部２ａ，２ｂを湾曲状に形成し、この凹凸部２ａ，２ｂを上下方向に複数条併設している。
【００１２】
図６に示すように、気液接触板２は押出成形機２１によって形成される。すなわち、樹脂製の気液接触板２を成形するのであれば、樹脂原料をホッパー２２に投入し、押し出し成形機２１により加熱して撹拌させて溶融し、押出成形機２１の押出口から溶融樹脂２４をロール２５間に押し出して、樹脂板の表裏両面に凹凸２ａ，２ｂを連続的に形成する。そして、気液接触板２の表裏面を親水性処理するためプラズマ照射機２６によりプラズマ接触処理する。
【００１３】
このプラズマ接触処理は、低圧気体中の放電現象を利用する表面処理である。プラズマ接触処理としては、例えば低温プラズマ（ｌｏｗ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｐｌａｓｍａ，  ＬＴＰ）が知られている。たとえば、ポリエチレンを酸素低温プラズマ接触処理すると水接触角が９０度から４３度に、アルゴン低温プラズマ接触処理すると水接触角が９０度から６０度に、ポリエチレンテレフタレートを酸素低温プラズマ接触処理すると水接触角が７７度から３２度に変化するなど、濡れ性能が向上する（高分子学会編、“高分子新素材便覧”、丸善（１９８９）、ｐ．５１３）ことが知られている。このように、プラズマ接触処理によれば、高い濡れ性能を有する高分子材料が得られるので、気液接触板として好適となる。また、プラズマ接触処理は材料の表面を処理する技術であるので、材料全体としての機械的強度はほぼ保たれる。
高分子材料の種類には限定はなく、たとえばポリプロピレン、ナイロン、塩化ビニル、ポリエステル等が利用できる。
【００１４】
次に、気液接触板の別の実施の形態を説明する。
図３の（ｂ）は、図３の（ａ）と同様に気液接触板２の表面拡大図である。気液接触板２の材質については、高分子材料であっても金属製材料であってもよく、気液接触板２自体には、親水性処理はされていない。この気液接触板の凹部２ａには、親水性材料２ｃを塗布し、凸部２ｂには撥水性材料２ｄを塗布している。
気液接触板２が樹脂製であるような場合は、通常は撥水性であるので、凸部２ｂはそのままの状態にしておいてもよい。また、親水性処理については、周知の物理的、化学的処理をすればよい。
このような構成により、ガス吸収液が気液接触板２面上を流れると、凸部２ｂに流れてきた処理水が撥水性材料２ｄに弾かれるようにして凹部２ａに流れ込み、凹部２ａには親水性材料２ｃが塗布されているので、凹部２ａの溝内に処理水がしみ込むようにして入り込むことができる。こうして、気液接触板２の表面全体に処理水を広げることができる。
【００１５】
次に、本実施の形態の実験例について説明する。
［実験例１］
次に、本発明の凹凸部に関する濡れ性評価試験の実験例を詳細に説明する。
図７は、実験室での試験に用いた評価試験装置の概略外観図である。アクリル製ダクト１０は、吸収塔１の容器１ａを模したものであり、形状は四角筒であって、天井面及び底面は開放されている。アクリル製ダクト１０の中央部には、気液接触板２を垂直に一枚設置している。気液接触板２の直上には内径１ｍｍのノズル７を下向きに設けている。液としては６４℃の蒸留水を用い、ポンプ１１を使用して２ｍｌ／ｍｉｎの速度で供給し、気液接触板２の表面および裏面を流下させた。また、ガスとして空気を使用し、アクリル製ダクト１０の内部を線速度２．５ｍ／ｓで下から上に向けて流すようにしている。
このような、試験装置により、図８に示す試験例１から試験例５のパターン形状を備えた気液接触板２を用い試験を行った。気液接触板２はポリプロピレン製であり、比較材として表面処理を行わないものと、実施例としてプラズマ表面処理を行ったものとを供試し、気液接触板２の幅方向における吸収液の広がり幅をみた。そして、蒸留水を流し始めてから１０分後に、蒸留水の水平方向の流路幅を測定して、濡れ性の評価とした。表１に試験装置のシュミレーションデータを示し、表２に濡れ性評価試験の結果を示す。
【００１６】
【表１】
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【００１７】
【表２】
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試験例１〜３は矩形パターンものを用い、試験例４及び試験例５は菱形パターンのものを用いた。その結果、全ての試験例でプラズマ処理したものが吸収液の広がり幅が大きいという結果がでた。また、形状では試験例４及び試験例５のような菱形パターン形状のほうが矩形のものより広がり幅が大きい結果が得られた。また、菱形パターン形状では、一辺が大きいものの方が広がり幅が大きい結果が得られた。
【００１８】
［実験例２］
上記評価試験装置を用いて、図３の（ａ）に示す凹凸２ａ，２ｂの寸法がａ〜ｃを有する矩形断面の気液接触板２により、上記実験例１と同様の条件で濡れ性評価試験を行った。実施例としてプラズマ処理を行った気液接触板２を用い、比較例としてプラズマ処理を行なっていない気液接触板２を用いた。また、試験例６〜試験例１０としてＡＢＳを用い、試験例１１としてＰＰを用いた。なお、試験例６は凹凸を形成しない気液接触板２を用いた。各々の試験結果を表３に示す。
【００１９】
【表３】
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表３に示すように、全てについてプラズマ処理した方が吸収液の広がり幅が大きくなった。溝の幅ｃについては、狭い方が広がり幅を大きい結果が得られた。
【００２０】
［実験例３］
上記評価試験装置を用いて、図３の（ａ）に示す凹凸２ａ，２ｂの寸法がａ〜ｃを有する矩形断面の気液接触板２により、上記実験例１と同様の条件で濡れ性評価試験を行った。実施例としてプラズマ処理を行った気液接触板２を用い、今回は、凹凸２ａ，２ｂの矩形形状についてさらに詳しく、吸収液の広がり幅を考察してみた。各々の試験結果を表４に示す。
【００２１】
【表４】
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図９は、表４の結果を考察したものであり、気液接触板２の５ｃｍの上下長さに対する凹凸２ａ，２ｂの段数［（ｂ＋ｃ）／５］と吸収液の広がり幅を示している。グラフの縦線は吸収液の広がり幅を表し、横線は凹凸２ａ，２ｂの段数を表している。結果として段数が大きい方が吸収液の広がり率が大きい結果を得た。
図１０は、同じく表４の結果を考察したものであり、気液接触板２の底面長ｃに対する吸収液の広がり幅を考察した。グラフの縦線は吸収液の広がり幅を表し、横線は底面長の長さである。結果として底面長ｃの間隔の小さいものが吸収液の広がり率が大きい結果を得た。
【００２２】
以上の試験例より、凹部高さａの影響に依存することなく、底面長ｃの寸法を極小化することが、吸収液を気液接触板２の幅方向に広げるために最も有効であると考えられる。底面長ｃが小さい方が液拡散幅が拡大する要因として、毛細管現象と連動した凹部２ａを形成する各辺（３辺）の親水性効果によるものと考えられる。
凹部２ａの溝が保持できる液量について考察すると、表４のＶ１の試験例１４に示すように、凹部高さａが０．２ｍｍ、先端長ｂが０．２ｍｍ、底面長ｃが１ｍｍであるときが最適であり、底面長ｃが１ｍｍのときが最適である。
また、気液接触板２の全体に焦点をあてると、すなわち、気液接触板２の単位長さあたりの液保持量を考察すると表４のＶ２の試験例１４に示すように、凹部高さａが０．２ｍｍ、先端長ｂが０．２ｍｍ、底面長ｃが１ｍｍであるときが最適であり、底面長ｃが１ｍｍのときが最適である。
【００２３】
本発明のプラズマ処理した樹脂製の気液接触板２の板厚は、例えば自重やガスの圧力変動に耐える程度の適度な剛性を確保するためには一定の厚みが必要である一方で、厚すぎる板は充填物の単位重量あたりの表面積が少なくなって不利である。これらを考慮した好ましい板厚は０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であり、さらに好ましくは０．５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下である。これらの板厚で製造された気液接触板の単位表面積あたりの質量はたとえば１ｋｇ／ｍ2以下となる。従来の金属製の気液接触板では同じく２ないし４ｋｇ／ｍ2程度であったので、半分以下あるいは４分の１以下の軽量化を達成できる。
なお、気液接触板２を作成するにあたり、プラズマ処理の代わりにグロー放電処理やコロナ放電処理を行って、気液接触板２の表面に親水性を保持するようにしてもよい。グロー放電処理は、プラズマをつくるのにグローを利用するものであり、その効果はプラズマ接触処理と同様である。また、コロナ放電処理は、プラズマを作るのにコロナを利用するものであり、その効果はプラズマ接触処理と同様である。
【００２４】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、勿論、本発明は上記実施の形態に限らず本発明の技術的思想に基づいて、種々の変形及び変更が可能である。
例えば、上記実施の形態では気液接触板２の表裏両面の全体に凹凸２ａ，２ｂを形成したが、凹凸２ａ，２ｂを形成する部位は部分的であってもよく、気液接触板２ａの上部のみに形成しても効果がある。
気液接触板２の形状、大きさ及び枚数は特に限定されるものではなく、組み合わせる吸収塔１の形状、大きさ及び設置箇所等を考慮して好ましく定められるものである。
気液接触板２の材質は高分子材料の他、アルミニウムやステンレスであっても上記した凹凸２ａ，２ｂを設ければ、濡れ性能が向上する。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、気液接触板の幅方全体にガス吸収液が広がりながら流下するので、気液が接触する界面を広く確保でき、効果的な気液接触が行われる。
本発明によれば、高分子材料を用いることで、軽量かつ加工が簡単な気液接触板の提供でき、この気液接触板を用いた気液接触装置の製造を安価にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態による気液接触板を配設した吸収塔の概略斜視図である。
【図２】図１の吸収塔に配設した気液接触板の正面図（左側）と断面図（右側）である。
【図３】（ａ）は、図２の気液接触板の拡大断面図である。（ｂ）は変形例による気液接触板の拡大断面図である。
【図４】（ａ）〜（ｄ）は、図２における気液接触板の凹凸形状の変形例による各断面図である。
【図５】（ａ）〜（ｄ）は、図２における気液接触板の凹凸形状の延在方向を示す正面図である。
【図６】図２の気液接触板の成形方法を示すための押出成形設備の概略図である。
【図７】気液接触板の濡れ性能を試験する濡れ評価装置の概略斜視図である。
【図８】本実施の形態の試験例１〜試験例５の気液接触板の表面パターンを示す図である。図中の単位は（ｍｍ）である。
【図９】気液接触板の凹凸の５０ｍｍ当たりの段数に対する吸収液の広がり幅を示すグラフである。
【図１０】気液接触板の凹凸の底面長にたいする吸収液の広がり幅を示すグラフである。
【符号の説明】
１  吸収塔
２  気液接触板
３  支持体
４  ガス供給口
５  ガス排出口
６  液供給口
７  ノズル
８  液溜め
９  液排出口
１０  アクリル製ダクト
１１  ポンプ
ａ  凹部高さ
ｂ  先端長
ｃ  底面長
【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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