JPH02152502A - 液体―ガス接触装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は液体とガスとの接触に関する。ここで用いる［
ガスＪなる用語はその範囲内に蒸気をも含む。

液相とガス相との間の充分な質量交換が蒸留を含めた、
ある範囲の種々な化学工学的操作を上首尾に実施するた
めのカギである。蒸留は２成分以上から成る液体混合物
から単独成分を分離するために工業的に実施される。蒸
留塔内で液相とガス相との間の接触は垂直方向に間隔を
おいて配置された水平トレー上で行われる。液体は塔内
をトレーからトレーへと流下し、トレーに設けられた通
路を通って塔を上昇するガスと接触する。バブルキャッ
プトレー（ｂｕｂｂｌｅ　ｃａｐ　ｔｒａｙ）は大規模
な蒸留作用に用いられる最初の種類のトレーであった。

これらのトレーはトレー表面から上方に伸び、ガスがキ
ャップを通ってトレー表面上の液体中に達しうるように
鋸歯状縁またはスロットを有するキャップによって覆わ
れた複数の上昇管を有する。

バブルキャップトレーはガスと液体を密接に接触させる
が、製造に費用がかかり、操作中にガス圧力が大きく低
下することにより、流体混合物を分離するために実施し
なければならない作業が増加する。この後者の欠点は流
体混合物が相互に類似した揮発性を有する２種類以上の
成分を含む場合に、特に顕著である。空気はこのような
混合物の１例である。

従って、例えば近代的な空気分離プラントに用いる茂留
塔は、バブルキャップトレーの代りにシープトレー（ま
たはプレート）を有する。シープトレーの構造は簡単で
ある。これは一般に円形の形状であり、それぞれ垂直軸
を有し、滑らかな縁を有する複数の円孔を有する。バブ
ルキャップトレーに比べて、シーブトレーは多くの長所
を有する。先ず第一に、ガスが各トレーを通過するとき
の圧力低下が小さい。第二に、トレーの製造と維持が容
易で、費用を要さない。

それにも拘らず、商業的シーブトレーに付随する圧力低
下はまず顕著である。それ故、我々は公知のシープトレ
ーを改良するという目的を設定した。

圧力低下は各トレーの表面の開孔率または開孔面積を増
大させることによって滅することができる。開孔の数と
直径を変えることによって各１−レー上の開孔面積率を
増大させるようにする試みはポイント効率すなわちトレ
ー上で得られる実際の分離と、ガスと液体との間の熱力
学的平衡がトレー上のポイントで得られた場合に達成さ
れる分離との間の比の低下を生ずることが判明した。さ
らに、開花の大きさを変えることはトレーの入口とコー
ド出口（ｃｈｏｒｄａｌ　ｏｕｔｌｅｔ）との間の直線
路上ではないトレー周辺部でポイント効率が低下する傾
向を弱めるために役立たない。

液体流の好ましい方向の速度成分をガスに与えることに
よって、シーブトレー上の液体分布を改良することが提
案されている。例えば、丁度このような速度成分をガス
に与えるようなスロットを有するエキスパンプントメタ
ルの層で通常の有孔シーブトレーを被覆することが提案
されている（米国特許明細書第１，１４３．７７１号参
照）。しかし、この手段は液体停滞の問題を完全に解決
するわけではなく、やはり圧力低下を生ずる。ガスに好
ましい方向の速度成分を与えるように形成したガス通路
を付加したシープトレーを形成することも提案されてい
る（例えば米国特許明細書第３，７５９，４９８号参照
）、このようなトレーは不充分なターン・ダウン比（ｔ
ｕｒｎ　ｄｏ匈ｎ　ｒａｔｉｏ）を有しがちである。

すなわちこのようなトレーは液体負荷の比較的狭い範囲
内でのみ充分に作用する。この技術分野での他の提案は
液体流を制御するためにトレー上の液体の高さよりも充
分に上方に伸びた垂直バッフルの使用を含む。このよう
なバッフルは液体速度を減じ、ターンダウンとその他の
特性が不充分であるトレーを生じがちである（ソ連特許
明細書第１．０９９，９７３号参照）。

本発明の目的は、一定の使用に対して通常のシーブトレ
ーよりも良好な圧力低下、ターンダウン、液体分布特性
の組合せを有して製造される液体−蒸気接触装置を提供
することである。

本発明によると、使用中に液体が表面の液体受容縁から
対立した液体排出縁まで流れる液体負荷面を有する液体
−ガス接触トレー；ガスをトレーの下方から上方へ通す
ためにトレーに設けられ、それぞれに付随して、ガスに
液流の全体方向の速度成分を与えるように配置されたガ
スデフレクタ−（ｇａｓ　ｄｅｆｌｅｃｔｏｒ）を備え
た複数の細長い孔；及び前記液体受容縁と前記液体排出
縁との間の液体負荷面上に設けられ、装置の操作中はそ
れを横切って流れる液体中に沈むような高さである少な
くとも数個の液体フローインピーダンス要素（ｌｉｑｕ
ｉｄｆｌｏｗ　ｉｍｐｅｄａｎｃｅ　ｍｅｍｂｅｒ）を
含む液体−ガス接触装置を提供する。

各細長い孔はスリットとして形成され、それに付随して
ガスデフレクタ−として作用するタング（ｔｏｎｇｕｅ
）を有するのが好ましい。使用中に、このタングはガス
にトレー排出口の方向の速度成分を与えて、ガスに液体
を排出口方向へ押しやらせる。

各スリットはその長袖がトレーの受容縁及び排出縁に平
行であるように配置されるのが好ましい。

液体フローインピーダンス要素はトレー上の液体の滞留
時間が充分なガス−液体接触が行われるために不充分に
ならないように液体負荷面上の液体速度を調節するため
配置されたせき（ｗｅｉｒ）またはバッフルの形状をと
る。このせきはトレーを横切って、トレーの長袖方向に
間隔をおいて配置されトレーはエキスパンデッドメタル
のシートから成ることが好ましい。トレーをエキスパン
デッドメタルから形成する場合に、せきはトレー形成シ
ートよりも大きいメンシュの第２エキスパンデソトメタ
ルシート内のストランドによって形成するのが好ましい
。従って、本発明による液体−ガス接触装置はエキスパ
ンデッドメタルのシート２枚のみから形成されることが
できるため、その製造は、ガスと液体の分布を制御する
ために異なる種類の開孔の複雑な分布を必要とするよう
な先行技術のトレーに比べて、特に簡単である。

下部シートを形成するエキスパンデッドメタルは相互に
接触すべき成分の物理的性質と使用中にトレーが暴露さ
れることになる液体ガス流量の範囲とに応じて、選択す
る。一般に、液相の表面張力と粘度が大きければ大きい
ほど、下部シートの表面積の大きな部分を孔質にするま
たは開放することができる。さらに、ガス流量が大きけ
れば大きいほど、下部シートの孔質にできる割合は太き
くなる。エキスパンデッドメタルは典型的に１５〜５０
％の孔面積率を有する。空気の蒸留には２０〜３０％の
孔面積率が有用である。スリットの大きさは実際にかな
り変化しうる。本発明による接触装置の幾つかの実施態
様では、ス１ルントのアスペクト比は２：ｌから５＝１
までの範囲内である。各スリットの平均サイズは例えば
短いサイズが１ｍｍ未満、長いサイズが２．５ｍｍ未満
である。これらのサイズとアスペクト比は決定的ではな
い。実際に、他の実施態様では、７．５　：、　１のア
スペクト比、約１５ａ＋の長いサイズと２ｍｍの短いサ
イズをそれぞれ有するスリットが用いられている。スリ
・７トは例えば一般に台形、五角形または六角形である
。

上部シートを形成するエキスパンデッドメタルは液流の
一般方向に２〜５ｃｍのメツシュサイズを有するのが好
ましい。約１０ｃｍまでの大きいメツシュサイズまたは
約１ｃｍまでの小さいメツシュサイズは相互に接触すべ
き成分に依存して用いることができる。エキスパンデッ
ドメタルの上部シートの代りに、液流の方向の隣接せき
の間に好ましくは２〜５ｃｍの間隔をおいた、せきの配
置を用いることができるが、これより大きいまたは小さ
い間隔も相互に接触すべき成分に応じて用いることがで
きる。せきは垂直であるかまたはトレーの受容端部方向
に傾斜している。

次に、本発明によるガス−液体接触装置を添付図面を参
照しながら、実施例によって説明する：図面の第１図〜
第４図では、本発明による液体ガス接触装置は全体的に
円形であるが、一部切取られた形状であり、比較的小さ
いメンシュのエキスパンデッドメタルの下部シート２と
比較的大きいメツシュのエキスパンデッドメタルの上部
シート４とを含む、上部シート４は下部シート２の上に
ある。これらの両シートは例えば−緒に仮付は溶接する
ことができる。下部シート２には狭いスリット６が形成
されている。各スリット６は付随したタング８を有する
。各スリット６は、シート２の下面では、典型的に台形
である開口を有する。スリットの台形状下面の１対の対
辺は他の対の対辺よりも長く、これらの長い辺はトレー
の受容縁と排出縁に平行であるが、液体流の全体方向を
全体的に横切る。長い辺は典型的に０．５ｍｍ未満の間
隔を保ち、長い辺の平均長さは典型的に２ｍｒａのオー
ダーである。タング８はそれぞれ、対応スリット６と協
同作用して、トレー上面の境界を明確に定め、開口９は
トレーの排出縁方向を向いている。これらの開口もスリ
ット形状であり、各タング８に沿って目視した場合に典
型的に下面のスリット６のサイズと同じサイズを有する
が、開口の面積は一般にそれぞれのスリットの下面の面
積よりも大きい。シート２の下面で測定すると、開口９
によって定められる孔の全面積は一般にトレー面積の少
なくとも１５％、典型的に５０％までである、すなわち
トレーは少なくとも１５％の孔面積率を有する。

次に、添付図面の第９図と第１０図を参照して、総花面
積の算出方法を説明する。第９（ａ）はトレー表面と共
に開口９の限定するタング８を有する単一スリット６を
説明する。スリット６は例えば第１Ｏ図（ａ）〜（ｄ）
に示した形状のいずれかをとりうる。

通常に目視した場合に、第１０図（ａ）〜（ｄ）に示し
たスリット６は次式によって与えられるそれぞれの面積
（Ａｔν）を有する： 八Ｎ−（Ｌｌ−Ｌ４）　　　、Ｌ２　　　　　　　　　
　　　　　　　第１０し４（ａ）静−（Ｌ３−　Ｌｌ）
　　・Ｌ２　　　　　　　　　第１０図（ｂ）Ａ　Ｎ　
−（ＬＬ　＋　Ｌ　３　）　Ｘ　　　（Ｌ　３　＋　Ｌ
　４　）　　、　＜　Ｌ　２　　Ｘ　）第１０５　（ｃ
）＋ 八）Ｉ−（Ｌ３＋Ｌｌ）　　・Ｌ２　　　　　　　　　
第１０図（ｄ）（式中、Ｌｌ、１．２、Ｌ３、Ｌ４及び
ｘはそれぞれの図に示したサイズである］ しかし、スリットがトレー表面と共に形成する角度であ
るシータの角度から見た時の各開口９の面積はトレーに
沿って液体が流れる場合にガス相と液相との間の最初の
接触面積を決定する面積であるので、トレーの有効孔面
積はこのような各開口の上記面積の合計である。各開口
の面積（＾０）はＡＯ＝ＡＮｓｉｎ（シータ）であり、 ＳＡ。

孔面積率は１−・１００χ　である。式中Ｓはトレー上
のスリット６の総数であり、Ｔはトレーの周縁によって
限定される総面積である。

操作中に、液体はシールパン１３（降下管と結合する）
または他の液体分配装置からトレーもしくは装置の受容
部分１２に連続的に流れる。この液体はトレーを横切っ
て排出縁１０方向に流れる。液体はトレーまたは装置を
横切って流れる時に、下部シート面の下からスリット６
を通って上昇するガスと接触する。通常の操作では、ガ
スと液体の泡（ｆｒｏｔｈ）が装置の表面積上に生し、
泡の高さはエキスパンデフ）メタルの上部シート４が完
全に没するような高さである。第４図に示すようなタン
グ８はスリット６を通るガスに排出縁１０方向の速度成
分が与えられ、シート２上の液体が排出縁１０方向へ押
しやられるように、垂直に対しである角度をなして配置
される。しかし、液体の前進モーメントはエキスパンデ
ッドメタルの上部シート４のストランド１４の形状の流
れインピーダンス要素の存在によって減ぜられる。長袖
方向に間隔をおいて配置された一連のせきはストランド
１４によって、トレーをジグザグに横切って形成される
。ストランド１４はトレーの受容部分１２方向に傾斜し
た面１６を有する。さらに、面１６に衝突する液体が縁
１０に平行な方向の速度成分を与えられて、液体の局部
混合が保証されるように、面１６を排出縁１０に相関し
た角度で配置する。一般に、エキスパンデッドメタルの
上部シート４は液体−ガス泡のトレー排出縁１０方向へ
の正味前進速度を制限または制御して、そこで適切な液
体−ガス接触が行われるようにトレーの充分な液体滞留
時間の存在を保証するために役立つ。泡の高さは液流イ
ンピーダンス要素の頂部よりも充分に上方にある高さで
ある。

さらに、液体−ガス接触トレーが、停滞部分がトレーの
周縁で生ずることがないように、作用しうろことが判明
している。従って、トレーを比較的高い分離効率で操作
することも可能である。さらに、従来のシーブトレーに
比べて、本発明のトレーはシート２を用いて、シート２
の表面積の特に大きい部分をスリット６が占めることに
より、トレー使用に伴う圧力低下を最少に維持するよう
に製造することができる。スリット６の細長い形状はウ
ィービング（ｗｅｅｐｉｎｇ）を抑制し、比較的広い範
囲の液体流量とガス速度にわたってトレーの作用を促進
させ、良好なターン・ダウン特性を与える傾向がある。

図面に示したトレーの蒸留塔における作用を第８図に示
す。各トレーの排出縁１０からその直下のトレーの受容
部分１２へ液体を導くように、降下管を設ける。第８図
に示した塔２０は二酸化炭素と水蒸気を除去した精製空
気の分離に用いる塔を表す。

凝縮器２３から塔の頂部へ入口２２を通して液体窒素を
導入し、分離すべき空気を中間領域から入口２４を通し
て塔２０に供給する。酸素ガスの上昇流を形成するため
に、塔２０の底部の溜め（ｓｕｍρ）２８にリボイラー
２６を配置する。このようにして、ガス上昇流が生じ、
これがトレー上で塔を下降する液体と接触する。塔を上
昇するガスは徐々に窒素を多く含むようになり、塔を下
降する液体は徐々に酸素を多く含むようになる。従って
、窒素生成物と酸素生成物はそれぞれ塔の頂部上底部か
ら取り出される。塔２０に導入した空気が酸素と窒素の
他にアルゴンを含むことは理解されよう。最大アルゴン
濃度は空気入口２４のレベルより下方で生ずる傾向があ
る。アルゴン富化液体またはガスは、さらに分離される
ために、塔から出口３０を通して取り出される。アルゴ
ンと酸素は非常に類似した揮発性を有するので、アルゴ
ン富化流体取出しレベルと空気供給レベルとの間には比
較的多数のトレーの存在が必要である。本発明による液
体−ガス接触トレーまたは装置は典型的にそれらの使用
に伴う圧力低下が比較的低いので、塔２０の空気供給レ
ベルとアルゴン富化流体取出しレベルとの間の上記部分
に有利に利用することができる。塔内の残りのトレーは
本発明によるトレーであるかまたは通常のシーブ・トレ
ー設計のトレーである。

本発明による液体−ガス接触装置は比較的低い圧力低下
において充分な液体−ガス接触を可能にする。本発明は
また、特定の分離の実施に必要なトレー数の減少を可能
にする（この減少は通常のシーブトレーに比べてである
）、この結果、液体蒸気接触塔の高さを減することがで
き、種々な経済的利点が付随して生ずる。塔の運転費の
軽減も可能である。

本発明の液体−ガス接触装置は添付図面の第２図〜第４
図に示した特定のエキスパンデットメタルシートの使用
に限定されるわけではない。第５図〜第７図では、シー
ト２及び４として他の種類のエキスパンデッドメタルを
用いた、本発明による他の液体−蒸気接触装置を示す。

第６図に示した特定のシート４は第３図に示したシート
よりも大きいメソシュサイズを有する。上部シートに用
いる「メツシュサイズ」なる用語は上部シートのストラ
ンド１４によって限界を定められたメツシュの対角の間
の液流方式に沿った距離を意味する。

メタノールと水の沸とう混合物を分離するためにエキス
パンデットメタルシート２と４の種々な組合せを用いて
、実験を実施した。用いたトレーは下記の第１表に定義
し、得られた結果は上記第■表に示す。

第　　■　　表 第■表 エキスパメット（Ｅｘｐａｍｅｔ）はエキスパンデッド
メタルカンパニー社（Ｅｘｐａｎｄｅｄ　Ｍｅｔａｌ　
ＣｏｍｐａｎｙＬｉｍｉｔｅｄ）　（イギリス、ハード
ルプール、私書箱１４）の商標である。

第１表のトレー１〜５の各々は直径３．８ｃ＋ｎであり
、縁１０に沿って高さ２ｍｍの排出せきを用いたもので
ある。

トレー１〜５は下部シート２と上部シート４の両方のメ
ツシュサイズの増加によって得られた効果を表示するよ
うに設計した。エキスパメソト８０１Ａはエキスパメッ
ト９４０世より大きいメツシュサイズを有し、エキスパ
メット１２９４はエキスパメン目７１６より大きいメツ
シュサイズを有し、エキスパメット１７１６はエキスパ
メット６０１Ａよりも大きいメツシュサイズを有する。

これらの結果は、同じ上部シート４について下部シート
２のメソシュサイズが小さければ小さいほど、ポイント
効率が高いことを示す。これらの結果はまた、下部シー
ト２の同じメツシュサイズでは上部シートのメツシュサ
イズが増大するとポイント効率が上昇することを示す。

一般に、メツシュサイズが増大するとトレーに付随する
圧力低下が軽減するので、上部シート４のメツシュサイ
ズが比較的大きいことが好ましい。

メタノール−水混合物の蒸留にトレーＮｏ、２を用いた
１実施態様では、排出せき１ｃｍにつき１秒に２０（・
艷の液体負荷と１．６ｍ／秒の表面蒸気速度を用いた。

我々（よまた、第■表に記載したトレーを水−メタノー
ル混合物の奈留に用いて有望な結果を得た。

６　　　　　　　　Ｆ、ｘｐａｍｅｔ　６０７Ａ　　　
　　Ｅｘｐａｍｅｔ　２０８９７　　　　　　　　Ｅｘ
ｐａｍｅｔ　４０８　　　　　　Ｅｘｐａｍｅｔ　１１
９６本発明による液体−ガス接触装置またはトレーの設
計がトレー横切って流れる液体の表面張力に依有するこ
と及び水−メタノール混合物の分留に適したトレーが空
気の分留に必ずしも適さないことも理解すべきである。

一般に、空気は水−メタノール混合物よりも表面弓％力
が小さく、水−メタノール混合物は下部シート２のより
小さいメツシュサイズの使用をも可能にする。エキスパ
ンデットメタルシートはトレーが使用中に暴露される条
件に依存して、適当な金属が用いられる。アルミニウム
またはアルミニウム合金のエキスパンデットメタルシー
トを極低温において用いるのが好ましいが、この代りに
ステンレス鋼の使用も可能である。

本発明によるトレーに種々な変更及び修正を行うことも
可能である。例えば、上部シート４が均一なメンシュサ
イズを有することは必らずしも必要ではない；シート４
はトレーの両側においてトレーの受容縁と排出縁とを結
ぶ線上におけるよりも大きいメソシュサイズを有するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はエキスパンデッドメタルの上部シートと下部シ
ートとから成る本発明の第１トレーの概略平面図である
； 第２図は第１図の下部シートとしての使用に適したエキ
スパンデッドメタル断片の透視図である；第３図は第１
図の上部シートとしての使用に適したエキスパンデッド
メタル断片の透視図である；第４図は第２図と第３図の
シートを用いた第１図に示したトレーの部分断面正面図
である；第５図は第１図の代替下部シートとして適した
エキスパンデッドメタル断片の透視図である；第６図は
第１図の上部シートとしての使用に適したエキスパンデ
ッドメタル断片の透視図である；第７図は第５図と第６
図に示したシートを用いた、第１図に示したトレーの概
略断面正面図である； 第８図は第１図に示したようなトレーを用いた蒸留塔の
概略図である。 第９図（ａ）と（ｂ）及び第１０図（ａ）〜（夷は本発
明によるトレーのスリット６を説明する概略図である。 ２・・−下部シート　　　　４・・−上部シート６・・
−スリット、　　　　　８・・・タング９・・−開口、
１０−・・排出縁 Ｆ／ＧＡ。 図面の浄書（内容ｌこ変更なし） 手 続 補 正 書 １１え成１年特許願第２４８９６０号 事件との関係　　特許比ＭＪｉＡ 住所 名　称　　ザ・ビーオーシー・グループ令ピーエルシー
代 理 人 住 所 東京都千代Ｉｌ１区大手町二丁目２番１号新大手町ビル
　２０６区 ５、補正の対象

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、次の要素： 使用中に液体が表面の液体受容縁から対立した液体排出
   縁へ流れることができる液体負荷面を有する液体−ガス
   接触トレー；トレーの下面から上面へガスを通過させる
   ために設けられ、それに付随してガスに液流の全体方向
   の速度成分を与えるように配置されたガスデフレクター
   を備えた複数の細長い孔；及び前記液体受容縁と前記排
   出縁との間の液体負荷面上に配置された少なくとも数個
   の液流インピーダンス要素 を含む、 デフレクターとフローインピーダンス要素が装置の操作
   中にトレーを横切って流れる液体中に没するような高さ
   を有する 液体−ガス接触装置。 ２、各細長い孔がスリットとして形成され、それに付随
   して、ガスデフレクターとして作用するタングを有する
   請求項１記載の装置。 ３、各スリットがその長い辺がトレーの受容縁と排出縁
   に平行であるように配置された請求項１記載の装置。 ４、スリットがそれぞれ、短い辺として１ｍｍの平均サ
   イズを有し、長い辺として２．５ｍｍ未満の平均サイズ
   を有する請求項２または３記載の装置。 ５、スリットがそれぞれ、短い辺として０．５ｍｍ未満
   の平均サイズを有する請求項４記載の装置。 ６、トレーが１５〜５０％の孔面積率を有する請求項１
   〜５のいずれかに記載の装置。 ７、トレーがエキスパンデットメタルシートを含む請求
   項１〜６のいずれかに記載の装置。 ８、液体フローインピーダンス要素が、適切なガス−液
   体接触の実施に不充分な液体トレー滞留時間を生ずるよ
   うな大きさの速度にならないように液体負荷面上の液体
   速度を制御するために設けられ、配置されたせきの形状
   である請求項１〜７のいずれかに記載の装置。 ９、液流の全体方向に沿った隣接せきの間隔が２〜５ｃ
   ｍである請求項８記載の装置。 １０、液体フローインピーダンス要素をトレーに固定し
   たエキスパンデットメタルシートのストランドとして形
   成する請求項１〜９のいずれかに記載の装置。 １１、トレーに固定したエキスパンデットメタルシート
   が液流の全体方向に２〜５ｃｍのメッシュサイズを有す
   る請求項１０記載の装置。 １２、蒸留トレーである請求項１〜１１のいずれかに記
   載の装置。 １３、請求項１〜１２のいずれかに記載の装置を含む蒸
   留または液体−蒸気接触塔。 １４、請求項１〜１１のいずれかに記載の装置を用いる
   液体とガスの接触方法。