JPS621402A - 気液接触装置 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、気液接触装置に係り、％にダウンカマーを有
する多孔板を用い九気液接触装置に関する。

〔発明の背景〕

ダウンカマーを有する多孔板を具備する気液接触装置は
、圧力損失が少なく、高い精留性能を有し、かつ構造が
簡単なため、蒸留、精留、吸収など化学工業の種々の気
液接触操作に幅広く使用されている。

第１図は、本発明による気液接触装置の多孔板を示して
いる。従来の多孔板１の下面に連通管２を設置すること
によシ、液体空気の流路を形成していることに特徴があ
る。

空気を分離するための気液接触装置を例にとり第２図を
用いて気液接触装置の原理を説明する。

気液接触装置は上塔１５と下塔１６を主凝縮器１７で結
合した複式精留塔の構造となっている。上塔、下塔Ｋｉ
、第１図に示されている多孔板から連通管を除いた多孔
板１（第３図に示す）が、それぞれ数１０段設ｆｉ１さ
れている。

多孔板１ｒｃｆｌ、ダウンカマー３が設ｆｉｌれ、第３
図に示すように液１８（液体空気）は多孔板１上を流れ
、ダウンカマー３を通って下の多孔板に流下し、ガス１
９（原料空気）は、多孔板１の孔部を通って上昇する。

多孔板は、液の流れ方式によって分類でき、旋回流方式
、十字流方式、一方向流方式等があり、旋回流方式の多
孔板では、分流の数によって、１方流皿、２方流皿（第
４図に示す）４方流皿、６方流皿と分類される。

第２図に示した気液接触装置では、液化された原料空気
が酸素２０と窒素２１ｒｃ精留分離される。

窒素は酸素よシも低い沸点を持っているので、よシ容易
に蒸発する（１気圧での沸点は窒素−１９６０、酸素−
１８３Ｃ）。この念め、蒸気中には窒素が多く含まれ液
体中には酸素が多く含まれる。

この蒸気をさらに液化して、蒸発を繰シ返すことによシ
蒸気中の窒素、液体中の酸素の濃度が上昇する。蒸発は
上塔および下塔に設置された多孔板上で生じる。

気液接触装置下塔部では主凝縮器によって液化された窒
素を多く含む液体が、第３図に示したように多孔板１上
を流れ、ダウンカマー３を通って落下する。原料空気ガ
スは、下塔部の下部から精留塔に入シ、多孔板１の孔部
４よシ液体中に入シ発泡し、液５の上部ｖｃ泡沫層６を
形成し、ざらに上昇する。上塔部では、下塔部で生成し
た窒素成分の多い液体を上部から酸素成分の多い液体を
中央部から注入し、多孔板を下降させる、気液接触装置
においては、液流量とガス流量から決まる一段お九勺の
効率（段効率）が一定のとき、段数が多いほど蒸留、精
留等の効率が高い。

したがって、塔高さを一定にした場合を考えると段間隔
（第１図のＨ）を小す＜シ、段数を増した方が効率が高
い。しかし段間隔を小さくしすぎると、以下のような過
程によシ、部分発泡が原因となって圧力損失異常が生じ
る可能性がある。

（１）第３図に示した多孔板１の下段の多孔板上で液深
分布の不均一と上昇ガスの偏流によシ部分発泡が起こり
、その発泡で生じた泡沫層が上段の多孔板の下面に接触
する。

（２）多孔板で泡沫層が上段に接触したことによフ第５
図に示すようにガスの流路１０が形成される。

（３）　　このガス流路を通して、ガスがそのままの位
置で上部の多孔板の上流側、すなわち液深の大きい場所
の発泡をうながす。

（４）上部の多孔板でも、泡沫層がその上部の多孔板に
接触し、ガス流路１０を形成する。

（５）この現象がより上部の多孔板まで達し、現象が増
大する。

このような現象が生じたとき、多孔板の孔部４をガスが
通過するときの粘性抵抗による乾き圧力損失は、 で与えられる。ここで、ε。け定数、ρｇは、ガスの密
度である。したがって、発泡層が上段に接触することに
よって、上記のようにガス流路１０が形成され、ガス流
速が増加すると、ΔＰｄ　　が増え、圧力損失が大とな
シ圧力異常が生じる可能性がある。このように圧力損失
異常が生じると定格流量のガスを気液接触装置内に吹き
入れることが困難となり、気液接触による蒸留、精留効
率が大幅に低下する。

そこで、このように多孔板上の液深差と上昇ガスの偏流
が、部分発泡の一因となることから、特開昭５６−３３
００５号に記載の従来の気液接触装置では、塔に設ける
多孔板を塔の中心から半径方向に向って漸次高くなるよ
うに傾斜させて堰り付けることによシ、多孔板の外局側
と内周側の靜液深をほぼ同一にしその結果、上昇ガスを
一様化することによって、性能を低下させることなく圧
力損失の低減を図っている。また、多孔板の孔径を塔中
心から半径方向に向うにしたがって漸次減少する手段、
あるいは孔の配列ピッチを塔中心から半径方向に向うに
したがって漸次大きくする手段を併用し、静液深の一様
化を図っている。

しかし、多孔板の傾斜角は、液流量および上昇ガス流速
に依存するため、定格時に最適な傾斜角度が設定できた
としても、液およびガスの流量が定格値と異なった場合
、多孔板上で靜液深が一様になるとは限らない。ま九、
気液接触装置で最も製作費を要する多孔板を傾斜のつい
た円錐形状にし九フ、孔径あるいは孔配列ピッチを半径
方向に変化はせたシすることは、気液接触装置全体の製
造コストを大幅に上昇させることにもなる。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、多孔板上の発泡層と上段の多孔板との
接触を防止することによ勺、上昇ガスの偏流に起因した
部分発泡を防止し、圧力損失異常現象の伝播を抑えるこ
とにある。

〔発明の概要〕

このような目的を達成するため本発明の気液接触装置は
、製造コストの高い多孔板の改良を避け、従来の多孔板
の下部に連通管を設置し、多孔板上の発泡層が、設定値
以上に達し九ときに連通管を通して液を流出させ、発泡
部の靜液深を下げるようにしたものである。これによシ
段間隔が小さい場合でも、圧力損失異常の発生と伝播を
防止し、高効率の気液接触装置を製作することが可能と
なる。

すなわち、上記連通管の一端を多孔板の下面に設置し、
他端の開孔部を多孔板よシΔＬだけ高い位置に設置する
ことにより、上記の目的を達成する。この連通管の高さ
は、以下のようにして決定できる。

最大静液深ｈｔと発泡高さｈｒＯ比である相対泡沫密度
φｆと上昇ガス速度Ｙｇとは、第６図で示される関係と
なることが知られている一方連通管高さΔＬは、液を流
出させるためＫは、異常時の最大静液深ｈＬよシも小さ
くなくてはならない。

すなわち、 ΔＬ＜ｈｔ　　　　　　　　　　・・・（２）ま念、発
泡層高ざｈｆは、段間隔Ｈよシも小さいことが、発泡層
が上段に接触しない条件なのでｈｔ≦Ｈ・・・（３） となる。

したがって、ΔＬは、相対泡沫密度の定義式φｒ＝−！
Ｌａ−・・・（４）と上記の関係を用いると、ｈｆ ΔＬ≦Ｈφｆ　　　　　　　　　　・・・（５）と表わ
される。

ΔＬｉ、連通管が貫通した多孔板近傍での通常運転時の
最大液深ｈｒｌより高くする必要があるので、　　ｈｎ
〈ΔＬ　　　　　　　　　　　　　、（６）となる。

したがって、 ｈｎ＜ΔＬ≦Ｈφ、　　　　　　　　・（７）を満たす
ようにΔＬを決定すれば、上記の目的を達成できる連通
管を得ることができる。

〔発明の実施例〕

以下、本発明を実施例によって詳細に説明する。

第１図は、本発明による気液接触装置の一実施例を示す
概略図である。同図は、一方向流方式の気液接触装置の
多孔板の断面図を示す。多孔板の下部に連通管が設置−
ｇれ、連通管の開孔した他端部が、多孔板と上段の多孔
板との間の空間部に設置されており、その高さΔＬは、
（７）式の関係を満たしている。通常の運転状態では、
ΔＬは、通常運転時の最大静液深ｈｎよシも大きいので
、連通管を通って液は流出せず、液と気体の接触面積が
減少して段効率が減少することはない。一方、下段の多
孔板で部分発泡が生じ、発泡層が上段の多孔板に達し、
ガス流路が形成されると、ガス流速の増大によシ上段の
多孔板でも発泡層が上昇し始める。しかし、発泡層がさ
らに上段の多孔板に達する前に、発泡部の靜液深が連通
管の高さΔＬを越えるため、第７図に示すように、連通
管の他端部よシ液が流出する。これによシ、泡沫層が、
上段の多孔板に達してガス流路１０が形成されるのを防
止し、圧力損失異常が生じることはなく、所定の気液接
触効率を保つことができる。

第４図に示したような旋回流方式の２方流皿を用いた本
発明の実施例を第８図と第９図に示す。

第８図は、２方流皿で上段から下段へのダウンカマーが
ある部分の斜視図であり、第９図は、第８図の１８０度
反対何の部分の斜視図である。このような、多孔板上の
詳細流動状態は、液及び泡の流動、多孔板上の孔、自由
表面を増シ扱った流動解析プログラムによシ数値的に求
めることができる。数値解析によシ得られた結果を第１
０図、第１１図、第１２図に示す。ダウンカマーを通じ
て落下した液は、多孔板に流入し、遠心力により靜液深
は、第１θ図に示されているように多孔板の内周部から
外周部に向かって大きくなる。しかし、靜液深差に起因
した圧力勾配が生じ、流れは、中心方向に戻ろうとし、
結局、第１１図に示すように液は、はぼ周方向に沿って
流れる。８１２図に、２方向流方式の多孔板上の同方向
の靜液深変化を示す。図で一点鎖線は、外周部の、破線
は内周部の、実線は径方向の中央部での静液深分布を示
している。この図かられかるよ・うに多孔板上で、最大
液深け、入口外周部で、最小液深け、出口内周部で生じ
る。第８図、第９図に示し念実施例では、ダウンカマー
を通じて流下した液が、多孔板上を流れ始める入口外周
部、すなわち最大液深を生じる場所の多孔板上に連通管
の一端を設置しく図８参照）、多孔板の下面の最内周部
を経て連通管を通し、連通管の他端を出口外周部、すな
わち最小液深を生じる場所に設置したものである。

本例では、多孔板の最大静液深となる部分の下面に連通
管を設置しているため、他の部分に設置した場合に比べ
て発泡時によフ早くかつよシ多くの液を連通管からバイ
パスすることが可能である。

また、連通管の他端部は、多孔板の最小靜液深部に設置
しているため、（７）式の下限値が小ざくなり、ΔＬの
許容範囲が広がる。ΔＬをできるだけ下限値側に設定す
ることによシ、連通管によるバイパス流量を増加するこ
とが可能となる。

部分発泡が生じ念場合に、液が連通管内を流れるが、こ
の時に、連通管内に圧力損失が生じ、液が流れにくくな
ることが考えられる。管による圧力損失は、管の長ざに
比例するので、第８図に示したように、多孔板の内周部
に沿って連通管を通すことにより、管長さが最短距離と
なるようにし、圧力損失を小さくシている。

また、本実施例では、第８図、第９図に示すように半径
方向で最も液深の小さい最内周側の多孔板下部に連通管
を配置しているなめ、この連通管が、ガスの流れに対す
る抵抗となってこの部分のガス流速が遅くなり、上昇ガ
スの流速分布を均一化するという効果もある。

本発明の第２の実施例を第１３図に示す。この実施例で
は、一方向流の気液接触袋＠において隣り合う上下２段
に連通管を設置したものである。

すでに、第５図で説明したごとく、部分発泡が、多孔板
の下流側で生じた後に、その泡沫層が、上段の多孔板に
達し、上段の上流側にも同様の部分発泡が生じることに
より、圧力損失異常を生じさせる。多孔板の下流部で部
分発泡が生じ、その泡沫層が上段に達すると上段の多孔
板では、上流部で、部分発泡が生じ、その泡沫層が、そ
の上の多孔板に達し、下流側で部分発泡が生じることに
なる。従って、第１３図のように、上下２段に、連通管
を設置すれば、下段の多孔板の下流部で発泡が生じた場
合Ｖｃは、上段の連通管に液が流れて、部分発泡部の靜
液深を下げ、上段の多孔板上の泡沫層が、その上段に達
するのを防止する。下段の多孔板の上流部で、発泡が生
じた場合ＶＣは下段の連通管に液が流れて、部分発泡部
の靜液深を下げ泡沫層が、上段に達するのを防止して部
分発泡の伝播を防止することができる。

第１４図、第１５図は、第２の実施例を旋回流方式の２
方流皿に適用した例である。第１４図は、２方流皿で、
上段から下段へのダウンカマーがある部分の斜視図であ
シ、第１５図は、第１４図の１８０度反対何の部分の斜
視図である。連通管は、上下段ともに多孔板の入口外周
部に一端を設置し、出口の内周部に他端を設置したもの
である。連続する上下２段に連通管を設置することによ
り、部分発泡によって泡沫層が上段に達し圧力損失異常
が気液接触装置の塔全体に伝播することを防止すること
ができる。また、連通管を最内周部を経て通し、出口内
周部に他端の開孔部を設けることにより、ｆｌｃｌの実
施例と同様に、低液深部でのガスの流速を低減させる効
果がある。また、上下２段を１組として、連通管を設置
した多孔板を数段おきに設電することにより、段間隔が
小さく、ガス流量が多い場合においても、部分発泡の泡
沫層が上段に達し、その現象が、上方向の多孔板に伝播
していき、圧力損失異常が拡大していくことを防止する
ことができる。

上記した実施例に、一方向流型及び旋回流型の２方流に
ついて説明したが、１方流、４方流等の旋回方式の気液
接触装置においても同様の効果があることけいうまでも
ない。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、多孔板下部に連
通管を設けて、開孔した他端部を、前記多孔板と上段と
の間の空間部に設置したことによシ、部分発泡が生じた
場合に、部分発泡部の発泡層が、上段の多孔板と接触す
ることを防止し、圧力損失異常を防止し、運転状態の安
定な気液接触装置を実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明になる一実施例を示す気液接触装置の説
明図、第２図は大型の空気分離装置の説明図、第３図は
従来の気液接触装置の説明図、第４図は旋回流型式の２
方流皿方式の多孔板の平面図、第５図は従来の気液接触
装置の説明図、第６図はガス流速と相対泡沫密度の関係
を示す図、第７図は本発明になる一実施例を示す気液接
触装置の説明図、第８図は本発明になる一実施例を示す
２方流皿方式の多孔板の斜視図、第９図は本発明になる
一実施例を示す２方流皿方式の多孔板の斜視図、第１θ
図は２方流方式の多孔板上の等液深線図、第１１図は２
万流方式の多孔板上の流速ベクトル図、第１２図は２方
流方式の多孔板上の液深分布を示すグラフ図、第１３図
は本発明になるｌＸ２の実施例を示す気液接触装置の説
明図、第１４図は本発明になる第２の実施例を示す２方
流皿方式の多孔板の斜視図、第１５図は本発明になる第
２の実施例を示す２方流皿方式の多孔板の斜視図でらる
。 １・・・多孔板、２・・・連通管、３・・・ダウンカマ
ー、４・・・多孔板の孔部、５・・・液、６・・・泡沫
層、７・・・液受箱、８・・・液入口、９・・・多孔板
外周部、１０・・・ガス流路、１１・・・液出口、１２
・・・多孔板内周部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、上面を液が流れる多孔板を鉛直方向に複数段内蔵し
   、前記液を下段の多孔板側に流下させるダウンカマーと
   、このダウンカマーを出た液を前記多孔板上に流入させ
   る液受箱とを有し、前記多孔板に対し上昇するガスと前
   記液とを接触させる気液接触装置において、前記多孔板
   の下面に連通管を設置し、連通管の開孔した他端部を前
   記多孔板と上段の多孔板との間の空間部に設置したこと
   を特徴とする気液接触装置。 ２、特許請求の範囲第１項において、連通管が設置され
   た多孔板と上段の多孔板との間の空間部に設置した連通
   管の開孔端の高さΔＬ（ｍｍ）が下記の条件 ΔＬ≦Ｈφ＿ｆ ここで、Ｈ：上下に設置した多孔板の間隔（ｍｍ）φ＿
   ｆ：相対泡沫密度（φ＿ｆ＝ｈ＿ｌ／ｈ＿ｆ）ｈ＿ｌ：
   多孔板上の最大静液深 ｈ＿ｆ：多孔板上の発泡高さ を満たすことを特徴とする気液接触装置。