JP2002512108A - 並流接触分離段の設計およびその使用方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 原料流を蒸留または分留するための分離カラムに用いられる段設計には、液体流および蒸気流の並流接触とこれに続く各段上の分離とを包含することが提供される。段上には、複数の並流気液接触部（液体と蒸気とが並流接触の状態にあることができる段容積を含む）が配置される。また、段上には、蒸気流から混入液体を分離するための複数の混入物除去装置も配置されるが、混入物除去装置は、内側と外側を有し、内側は並流接触部に隣接する。段設計は、さらに複数の液体下降管を組み込んでおり、そこでは液体下降管の上部は第一段の混入物除去装置の外側から液体を受けることができ、また液体下降管の下部は第二段（カラム内の第一段から直下にある）の並流接触部内に配置されている。段は、さらに並流接触部の直下で段の底部を貫通して配置され、そこから蒸気が段の並流接触部に通る蒸気開口を含む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 本発明は、蒸留および分留のためのカラムまたは塔で用いる分離段の設計に関
する。より詳しくは、本発明は、段内で液体と蒸気とが並流接触を達成するよう
に設計され、また並流接触に続いて段内で液体が蒸気から効率的に分離されるよ
うに設計された分離段に関する。

【０００２】 蒸留および分留のためのカラムまたはゾーン、すなわち液相と気相とを向流接
触させて流体混合物を効果的に分離する接触カラムまたはゾーンの設計を最適化
する点に関しては、種々の研究がなされてきた。例えば、カラム内に積上げられ
かつ垂直に間隔を空けて配置された一連の水平段または水平板上で、蒸気と液体
とを接触させることによる最適化である。このような設計研究は、主として異な
る段構造の設計に集中され、分離プロセス全体の効率が向上された。優れた充填
物質を設計してカラム内に配設し、分離プロセスを強化する試みもまたなされて
きた。

【０００３】 当技術分野で伝統的に知られる蒸留プロセスは、混合物中の個々の成分を、そ
の蒸気圧の差を利用して分離する方法である。特に、化学工業においては、種々
の段設計が開発され、質量移動の効率が高められた。蒸留カラムの設計を改良す
ることにより、このような蒸留カラムの内側に充填されるパッキングとして種々
のタイプのものが使用されるようになった。例えば、現在用いられるパッキング
には、ワイヤメッシュパッキング、シートメタルパッキング、セラミックパッキ
ング、ガラスパッキング、および合成樹脂パッキングが含まれる。パッキングの
多くのタイプは、蒸留および分留カラムで使用するために開発された。一般に、
これらのパッキング物質は、パッキング表面で液体と蒸気とをより均一に分布さ
せることによって、液体と蒸気との接触を促進する。構成されるパッキングの初
期の形態には、米国特許第２，０４７，４４４号に開示されるステッドメンパッ
キングが含まれる。一般に、構成されるパッキングとは、個々の要素が相互にま
たカラムまたは塔の軸に関して、特定の配向を有するパッキングをいう。ラシッ
ヒサドルを用いるようなランダムパッキングも、また当業界で用いられる。

【０００４】 広く用いられているパッキングの一つのタイプは、互いに接触しかつカラム軸
に関して平行に配置された複数の波形板からなる。このタイプの波形板は、シー
ト状金属およびワイヤー織物などのタイプの異なる物質から構成することができ
る。波形板がシート状金属から作製される場合は、液体が折り目溝に沿って流れ
易いことから、液体が板上に均一の分布することが妨げられる。液体が波形板上
に均一に分布するのを向上させるために、板に設けた孔を用いることが知られて
いるが、これにより板の一つの側面に沿って流れる液体の一部分が、液体が穴に
きた際に板の反対側にそらされる。このような板の例は、Ｍｅｉｅｒによる米国
特許第４，２９６，０５０号に開示されている。特にターンダウン条件下での性
能を向上させるために、波形と織物表面とで作製されたカラムパッキングが、Ｌ
ｏｃｋｅｔｔらによる米国特許第５，１３２，０５６号に開示されている。波形
板の設計を改良することにより、カラムの所望の横断面内に板がより高密度に充
填されてカラム内を流れる液体流と蒸気流との間の質量移動および／または熱移
動が高められるが、これは米国特許第５，４１３，７４１号に述べられている。

【０００５】 波形板および織目表面板に加えて、パッキングの他のタイプには、別個のパッ
キング要素からなるパッキングが挙げられる。このようなパッキング要素を用い
た際の効率は、Ｌｅｖａによる米国特許第４，３７６，０８１号に教示されるよ
うなランダム秩序の要素を提供することによって向上されるものと考えられる。
該米国特許は、曲面内の直線周りにほぼ１０〜１８０°の範囲の角度で、反転し
た曲率を有する二次元曲線の回転によって形成される表面形状を有することをベ
ースとする要素を開示する。パッキング要素のベースは、さらに溝をもたらすが
、これはトングに依る。球体形状の蒸留カラムパッキングが、Ｉｋａｗａによる
米国特許第４，１５９，８１７号に開示されているが、これは、同一形状かつ同
一構造の一対の半球部材（各半球部材の表面部分は適当数の切込み開口を含む）
を組立てることによって構成される。

【０００６】 液体流と蒸気流の並流接触の概念（カラム内ではこれらの二つの流れは全体的
には向流である）は、全体的な分離能力を高めることを教示している。この概念
の一例としては、Ｔｒｕｔｎａによる米国特許第４，３６１，４６９号に述べら
れる段設計である。カラムは、垂直方向に間隔を置いた複数の段を有し、各段は
、垂直方向に平行する二つの間隔を置いた細片の列からなり、また下部の列の細
片は上部の列の間隔の下に中心があり、しかも各段上には分離装置を有し、段は
上方に対向する平行な溝の複数の垂直に間隔を置いた列からなり、さらに一つの
列の溝は隣接する列の溝間に中心を置き、段および分離装置は塔断面の主要部を
占め、塔断面の残りは液体下降管が占める。

【０００７】 蒸留および分留のカラム設計を改良することは、全体的な分離プロセスの効率
または能力を向上し、それにより運転費および／または固定費を減少するのに必
要である。好ましくは、設計を改良することにより、分離プロセスでの使用に際
してカラム内の全容積が利用されるであろうし、また各相の効率のよい接触が利
用され、それが効率のよい相の分離に繋がるであろう。

【０００８】 蒸留または分留カラムなどの分離カラムで用いる段の設計が、本発明の段設計
を用いるようなカラムによって分離プロセスを実施する方法を含めて、本発明に
よって提供される。本発明の段設計によって、分離効率の向上および／または分
離能力の向上がもたらされるが、これは、個々の段内での液体流と蒸気流との並
流接触がより効率的に形成され、また段内の並流接触に続いてこれらの二つの流
れが効率的に分離されることによってもたらされる。

【０００９】 一実施形態においては、段設計は、原料流を蒸留または分留する分離カラムに
おいて用いられるが、該カラムは段頂部と段底部とを有する複数の連結段を含む
。段上には、蒸気と液体とが並流接触できる段の容積を含む複数の並流気液接触
部が配置される。また、段上には、混入した液体を蒸気流から分離するための複
数の混入物除去装置が配置されるが、この装置は、内側と外側とを有し、内側は
並流接触部に隣接し、また該混入物除去装置の内側と外側とは流体流に対して透
過性である。段設計は、さらに複数の液体下降管を組込むが、それぞれ上部域と
下部域とを有し、液体下降管の上部域は第一段の混入物除去装置の液体を受け入
れることができ、液体下降管の下部域はカラム内で第一段から垂直に下方にある
第二段の並流接触部内に配置されている。段は、さらに並流接触部の直下で段底
部を貫通して配置される蒸気開口を含むが、蒸気はそこから段の並流接触部を通
ることができる。

【００１０】 本発明の混入物除去装置は、混入した液滴を蒸気流から除去するのに用いられ
る種々の公知の技術によって構成される。このような技術の一例には、Ｃｈｅｖ
ｒｏｎ型デミスターなどのデミスターまたはミスト除去装置が含まれる。このよ
うな技術の他の例には、メッシュパッドまたは編んだ金属糸が含まれる。これら
のミスト除去装置技術の組合せも、また用いることができる。

【００１１】 本発明の方法の一つは、本発明の段設計において上述のように特定された実施形
態を用いることによって実施することができる。分離プロセスの過程では、液体
は第一の液体下降管を通って第一段の並流接触部に流れる。同時に、蒸気は第一
段の蒸気開口を通って第一段の並流接触部に向けられ、これにより蒸気は第一段
の並流接触部内で液体を混入して混合相流体を形成するが、混合相流体は、並流
方式で第一段の並流接触部を通って流上する。この混合相流体は、第一段の混入
物除去装置に通され、これにより混入した液体が蒸気から分離される。混入物除
去工程に続いて、混入物除去装置からの液体は、第一段の混入物除去装置から第
二の液体下降管に向けられ、そして第一段の垂直下方にある第二段の並流接触部
に向けられる。また、第一段の混入物除去装置からの混入物を除去された蒸気は
、第一段の垂直に上方にある第三段の並流接触部に向けられる。

【００１２】 本発明の段設計に関する他の実施形態においては、段は次のように設計される。
すなわち、段に存在する液体は、当該段を流上する蒸気流と繰り返し接触するが
、これは、液体が、各接触工程に続く混入物除去装置により液体と蒸気とを分離
しながら、当該段の一連の並流接触部に通されることによって行われる。この段
設計は、向流（クロスフロー）設計として引用することができる。このような分
離カラムは、複数の並流気液接触部を有する複数の連結段を含むが、これは、そ
れぞれ蒸気と液体とが並流接触できる容積を含む。また、段は、混入した液体を
蒸気流から分離するための複数の混入物除去装置を有するが、その内側は並流接
触部に隣接し、かつその内壁は蒸気と混入した液体に対して透過性があり、また
その外側は蒸気に対して透過性がある。この設計と共に、段は、さらに複数の液
体導管を含むが、これは、第一の並流接触部に隣接する第一の混入物除去装置を
出て、第一の並流接触部と同じ段の第二の並流接触部に入る液体に対する通路を
提供する。液体導管により、液体を一つの並流接触部から同じ段の他の並流接触
部に移行できる手段が提供される。少なくとも一つの液体下降管が、二つの垂直
に隣接する段の間に配置され、液体を垂直により高い段から垂直により低い段に
移行させる。他の実施形態に関しては、蒸気開口が、並流接触部の直下で段底部
を貫通して配置され、蒸気はそこを通って段の並流接触部に通ることができる。

【００１３】 本発明のこの“クロスフロー”設計を運転する方法は、液体を第一段の下降管
に流し、そして蒸気を第一段を流上させることによって実施される。液体は、第
一の並流接触部に流れ、段底部の開口を通って入る蒸気に混入する。この混入し
た流体は、混入される液体と混入する蒸気とからなるが、次いで第一の混入物除
去装置に送られて、液体が蒸気から分離される。除去された液体は、第一の液体
導管を通って第一段の第二の並流接触部に送られ、そこで再度第一段を流上する
蒸気に混入される。混入／混入物除去のプロセスは、液体が一個以上の下降管を
経て第一段をいずれ出て行く段に対して設計された接触回数で、第一段内で繰り
返される。蒸気は、第一段の混入物除去装置を出て、次の垂直に上方の段に流上
する。

【００１４】 本発明により、蒸留および分留カラムなどの分離カラムに用いられる改良され
た段設計が提供される。この段設計により、個々の分離された段部内において、
液体および蒸気の各相間の並流接触が提供され、カラム内で全体として行われる
向流分離を改良する。

【００１５】 本発明の好ましい実施形態における詳細な特徴的な点は、参照番号を段設計の
要素に対応させて引用する図面を参照して理解することができる。

【００１６】 本発明の一実施形態を、図１を用いて説明するが、図１は、一般に円筒カラム
の形状として定義されるカラム側壁４を有する蒸留カラム２の切取り側面図の一
部分である。本発明の段設計は、図1を参照して一般的に説明することができ、
またカラム２内の詳細な質量流は、以下の詳細図面に関して説明される。カラム
２内には、複数の分離段６がある。本発明によれば、液体は、カラム２内で、あ
る段から下降管１４を通って垂直に下方の段に流れる。下降管１４は、液体が上
段から下段に流れる通路を提供する。蒸気は、カラム２を通ってある段から次の
垂直に上方の段に流上し、そして段６の底部２４を通る開口２２を通ってより高
い段に入る。段６には並流接触部１６が含まれ、そこでは流上する蒸気が接触し
、またその段６の下部に存在する液体を混入する。蒸気は、多数の混入物除去装
置８により各段６内で混入した液体から分離される。液体は、混入物除去装置８
を出て、下降管１４に流れ、そして垂直に下方の段６に流れる。蒸気は、混入物
除去装置８を出て、垂直に上方の段６に流上する。混入物除去装置８は、内側２
５と外側２７で定義される。内側２５は、多孔板として構成されることができ、
その際開口２９により、蒸気と混入した液体とを混入物除去装置８に入れる通路
が提供される。したがって、図１には、本発明の段設計の一般的な要素が示され
る。カラム２を流上する蒸気は、段の底部２４の開口２２を通って段６に入り、
混入物除去装置８を通って次の段６に流上する。液体は、下降管１４の端部を通
って段６に入り、開口２２を通って入る流上する蒸気に混入される。ここでは、
蒸気と混入した液体とが、並流接触部１６内を並流方向で、段６を流上して流れ
る。蒸気と液体とは、段６内で混入物除去装置８によって分離される。蒸気は、
混入物除去装置８を出て、カラム２内を流上し続け、一方液体は、混入物除去装
置８を出て、カラム２を流下する。

【００１７】 図１に示された段設計を、図２に拡大して詳細に示した。図２には、二つの段
、上段１０と下段２０とが示される。段設計に関する種々の特徴は、カラムを流
上する蒸気流と、カラムを流下する液体流の流れ方向にしたがって説明すること
ができる。上段１０に関して明らかなように、液体流１２は、段１０の直上の段
から、一連の下降管１４を通って流下する。下降管１４は、段１０および段２０
などの二つの隣接する段の間に配置される上部下降管域１３と、下段内に配置さ
れた下部下降管域１５とを定義する。

【００１８】 液体１２が下降管１４の底部に達した際に、液体１２は下降管１４の底部に蓄
積し、並流接触部１６の底部に流入する。並流接触部１６は段１０、２０内の区
域であり、そこを通って蒸気と液体との両方が並流上向き方式で流上する。蒸気
１８は、隣接する下段から流上して、段１０、２０の底部２４を貫通する開口２
２を通って、並流接触部に入る。開口２２を通る蒸気流を、図１ではライン２６
で示す。したがって、下段２０から上段１０を通る蒸気１８は、下降管１４の出
口２８から流出する液体と直ちに接触するような開口２２のみを通って段１０に
向かう。並流接触部１６の底部では、流上する蒸気２６の速度により、蒸気流が
液体を混入し、混入した液体流３０と混入する蒸気流３２とが形成される。混入
した液体流、蒸気流３０、３２とは、並流接触部を流上し、下降管１４の外側に
沿って流れる。好ましくは、下降管１４は、並流接触部１６の中央部に配置され
るが、それにより蒸気および液体の流上する並流流れは、下降管１４の両外側に
むしろ均等に分布されるが、このことは請求項に記載の本発明を実施するのに必
要なことではない。

【００１９】 混入した液体流、蒸気流３０、３２は、段内で混入物が除去されるかまたは分
離されなければならないが、それにより蒸気は次の垂直に上方の段に上昇するこ
とができ、また液体は重力で次の垂直に下方の段に流れることができる。この混
入物除去工程は、混入物除去装置８内で達成される。段頂部４２は、蒸気流、液
体流３２、３０が、混入物除去装置８を通って流れることなく、段を出ることを
防止する。図２に示されるように、混入した液体流３０と蒸気流３２とは、内側
の混入物除去側２５の開口２９を通って、混入物除去装置８に入る。混入物除去
装置８内では、液体流３０が、蒸気流３２から除去される。蒸気流は、蒸気流１
７として、混入物除去装置８の外壁２７を通って出るが、それは集められ蒸気流
１８を形成して段を出る。図２に示される実施形態では、切れ目なしの段頂部４
２は、混入物除去装置８の長さに延伸している。液体流３９は、混入物除去装置
８内で集められた液滴を排出して形成され、そして混入物除去装置８の外壁２７
の底部３５を出て下降管の溜まり４４に集められ、そして液体流１２を形成して
下降管１４を通って流れる。液体の堰３７は、好ましくは混入物除去装置８の内
側２５を形成する多孔板の必須の部分であるが、好ましくは段設計に用いられて
、蒸気流２６が通り抜ける液体溜め４０を形成し、また液体が、並流接触部１６
内で蒸気流と並流方式で最初に流上することなく、混入物除去装置８を通るのを
防止する。

【００２０】 混入物除去装置８を形成するのに用いられる詳細な設計技術は、混入物除去装
置を形成するのに選択できる数多くの商業的に利用可能な技術があることから、
本発明の特徴ではない。一般に、混入物除去装置８は、垂直に配向されたミスト
除去装置である。その機能は、混入した液滴を流動するガス流から除去し、典型
的には重力下で下降管の溜まり４４に液体を排出させることである。

【００２１】 一実施形態においては、シェブロン（Ｃｈｅｖｒｏｎ）型ミスト除去装置が、
混入物除去装置８として用いられるが、その際ミスト除去装置は、垂直に伸びる
波形の軸に対して垂直に平行な波形金属板から形成される。使用する際には、蒸
気流３２と液体流３０とは、垂直板を通って水平に横切り、また波形板の折れ部
で連続的に方向転換させられるが、ここで波形板は、典型的には角度９０°で折
れ曲がっている。より大きな質量（したがって慣性）を有している混入した液滴
は、蒸気流から放出され、流れがミスト除去装置の内側を通って方向転換し、液
滴が板にあたる。次いで、液滴は、重力で板面を流れ落ちる。混入物除去装置８
に関するミスト除去装置のこのような設計は、図２にライン４６で示されるが、
これは折れ部における板の端部を表す。

【００２２】 図３に、ミスト除去装置の他の実施形態を示すが、ここでは混入物除去装置８
に関して、段上の区域を埋めるように伸びるであろうミスト除去装置のほんの一
部が示される。このミスト除去装置５０においては、蒸気流３２および混入した
液体流３０は、一緒にミスト除去装置５０に入り、液体の小滴５２は、波形板５
４上に集まる。重力により、液滴５２は、板５４の表面を流下して大きな液滴５
６を形成する。この実施形態においては、液体を収集するための静止域を形成し
、また蒸気流３２中に液滴５２が再度混入することを抑制するための特別に形成
された“フック”５８がある。したがって、蒸気流３２は、蒸気流１７として、
混入した液体の含有量を低減してミスト除去装置５０を出る。液体流３０は、除
去装置内で集められ、液体流３９として出る。

【００２３】 ミスト除去装置は、他の特定の設計を採用することができるが、基本的な技術
は同じである。すなわち、両流を波形金属シートまたは板に通すことによって、
蒸気流から液滴を分離することである。典型的には、金属シートは、スチールか
ら作製される。本発明においては、ミスト除去装置の設計において、薄いゴーズ
の金属板を用いて、各段の全体重量が低減されることが好ましい。構造物の他の
物質、例えばプラスチックまたはガラス繊維の物質も用いられよう。プラスチッ
ク物質は、混入物除去装置を横切る圧力低下が低減する滑らかな端部を設計でき
るという利点があろう。ミスト除去装置は、Ｋｏｃｈ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｃｏ．およびＯｔｔｏ Ｈ． Ｙｏｒｋ Ｃｏ．，Ｉｎｃ．などの会社から商
業的に入手することが可能である。

【００２４】 種々の他の技術を、シェブロン型系として上記されたミスト除去装置の他に、
混入物除去装置８として用いることができる。例えば、編んだ金属糸から構成さ
れるメッシュパッドを用いることができるが、これは商業的に入手可能である。
また、構成されたパッキングまたはグリッドも、混入物除去装置８として使用す
ることができる。これらの種々の技術の組合せも、また液滴を合体する装置とし
て機能する第一の装置および合体した液滴を収集する装置として機能する第二の
装置と共に、用いることができる。

【００２５】 ある実施形態においては、下降管１４の出口２８における段の区域の設計は、
下降管１４を流上する蒸気２２の流れを抑制し、それによって並流接触部１６に
迂回するように修正されてもよい。一実施形態では、下降管１４は、制限オリフ
ィスである開口２８を有し、そのためにヘッド圧が、並流接触部１６においてよ
りも下降管の低い部位１５内で高く確立される。他の実施形態には、下降管１４
の開口２８に配置されて、蒸気が流上するのを防止するための可動チェックバル
ブが含まれる。チェックバルブは、下降管の端部の下に軽量の可動板として簡単
に作製することができるが、これは自在に上方に可動であり、そして蒸気が下降
管を流上する場合にダウンパイプを密閉するであろう。他の別形態としては、開
口２２は、下降管１４の開口２８の垂直に下方でないように配列することができ
る。

【００２６】 本発明にしたがって設計された段（カラム壁４に内側に位置する）の上面図を
図４に示す。段の種々の要素が、カラムの外周（壁４として示される）に伸びる
列として見られる。この上面図から、液体下降管１４は、下降管１４の溜まり４
４から下方に伸びる円形部として見られる。下降管１４の側には、混入物除去装
置８（ミスト除去装置の波形線としてここに示される）がある。混入物除去装置
８の間には、並流接触空間１６が位置しており、これは段の底部２４を通る開口
２２として示される。便宜上、個々の区域の列は、壁４の端部に伸びて示されて
いないが、実施上これらの区域は、壁４に伸びるかまたは好ましくはカラム内の
いかなる“デッドスペース”をもできるだけ最小にするように近くに伸びるであ
ろう。

【００２７】 本発明の独創的な段設計の原理は、図１〜４に述べられた実施形態に関して説
明される。段設計の種々の要素の最適な大きさおよび寸法取りは、当業者の技術
範囲にあり、本発明が適用される当該のカラムに依る。しかし、一般に、次の寸
法が殆どのカラム設計に適用できる。段の底部２４と次の段の底部２４との間の
高さの差は、４６〜９２ｃｍ（１８〜３６インチ）である。段の頂部４２と次の
段の底部２４との間の距離は、１０〜２０ｃｍ（４〜８インチ）である。開口２
２が段の底部２４に存在する区域の幅は、１５〜３０ｃｍ（６〜１２インチ）で
ある。混入物除去装置８の区域の幅は、７．５〜１５ｃｍ（３〜６インチ）であ
る。下降管１４の低部１５の直径は、５．０〜１０．０ｃｍ（２〜４インチ）で
ある。全並流接触部の幅は、２０〜４１ｃｍ（８〜１６インチ）である。底部２
４から頂部４２までの段高さは、３０〜７１ｃｍ（１２〜２８インチ）である。
下降管１４の低部１５の幅は、５〜１５ｃｍ（２〜６インチ）である。

【００２８】 カラム２内の段６に配列については、種々の変更ができる。図１および２に示さ
れるように、段６は、カラム２内に配列されている。段６は、図５（段は９０°
ずれ方式で互い違いで配置される）に示されるように、カラム内で回転されるこ
とができる。図５に示されるように、段の基本要素は、図１においてと同様に名
づけられている。

【００２９】 各段の分離効率は、本発明の更なる実施形態にしたがって、向上されることが
できる。この別の実施形態では、液相は、段の少なくとも一部を横切って向かい
、そこで液体は、その当該段で一回より多く蒸気相と並流方式で接触する。その
結果得られる流れ方式は、“クロスフロー”設計として引用されることができる
。この段設計により、その結果を達成するのに液体処理能力を犠牲にするものの
、段の分離効率を改良することができる。

【００３０】 図６に、クロスフロー設計の一実施形態を示す。図６は、分離カラムの断面部
分（３段）を図示するが、そこで各段には本発明のクロスフロー設計が組み込ま
れている。図６で述べられるように、蒸留カラム１０２は、一般に円筒カラム形
状を定義する側壁１０４を有する。クロスフロー設計の一般的な説明は、図６示
され、カラム１０２内の質量流のより詳細な説明は次の図面で述べられる。段１
０６は、図１〜５に述べられる分離段に見られる基本要素を含む。複数の並流接
触部１１６および各並流接触部１１６に伴われる複数の混入物除去装置１０８で
ある。本実施形態においては、混入物除去装置１０８は、並流接触部１１６の一
方の側のみの存在する。各並流接触部１１６は、さもなければ蒸気流と液体流と
の結合流（これらは混入物除去装置１０８を通って流れる）を限定する壁１２０
によって結合されている。段１０６の底部１２４は、多孔板であるか、またはさ
もなければ垂直に下方の段１０６から流上する蒸気が垂直に上方の段１０６に通
ることができる開口１２２を提供するように修正される。液体下降管１１４は、
液体が上段から下段に流れる通路である。混入物除去装置１０８の底部は、全段
の圧力逓減に相当する液ヘッドにほぼ等しい距離だけ段底部１２４から高められ
ている。気密板１２８は、混入物除去装置１０８から隣接する接触容積の壁１２
０に水平に伸びる。板１２８は、液体通路１６２を形成するが、これは混入物除
去装置１０８を出た液体を導く。板１２８は、いかなる液体をも通す孔を有する
が、それは時として混入物除去装置の外側１２７を出て通路１６２に排出される
。液体が通路１６２から前の接触容積１１６に逆流するのを防止するために、壁
１２０は、混入物除去装置１０８に隣接する並流接触部１１６の側部で段底部１
２４に伸びる。反対側においては、壁１２０は、段底部１２４の真近で止まり液
体逃げ開口１６４を形成するが、それは液体流を続く接触容積１１６に向けて流
す。開口１６４のサイズは、選択された運転のための当該のプロセスパラメータ
ーに依って調整されて、適切な液ヘッドを液体導管１６２内で維持し、蒸気流が
並流接触部１１６周りに方向転換するのを防止することができる。並流接触部１
１６では直ちに、液体は開口１２２を通る流上する蒸気流に混入する。この結合
した蒸気と液体との流れは、次いで混入物除去装置１０８を通る。混入物除去装
置１０８の内側１２５は、開口が蒸気と混入した液体とを混入物除去装置１０８
に入れる通路（例えば図１および図２（２９）に示されるもの）を提供するよう
な多孔板として構成されることができる。

【００３１】 図７には、図６に示された本発明のクロスフロー段設計の当該の一実施形態に
関して、蒸気流の流上流と液体流の流下流が図示される。最上段として表された
段１０６から始めると、液体流１１２は、下降管１１４を経て段に入る。液体流
１１２は、並流接触部１１６の第一の列に入り、段１０６の底部１２４を貫通す
る開口１２２を通って流れる流上する蒸気流１２６に混入され、混入した液体流
１３０と混入する蒸気流１３２とを形成する。したがって、これらの混入したプ
ロセス流は、並流接触部１１６内において流上する方式で、本質的な並流接触状
態にある。並流接触部１１６に結合する壁１２０は、これらの混入したプロセス
流１３０、１３２が混入物除去装置１０８をはじめに横断することなく、次の段
に通るのを防止する。

【００３２】 混入したプロセス流１３０、１３２は、混入物除去装置１０８内で混入物が除
去されるが、ここで混入物除去装置１０８は、このクロスフロー段設計の構成で
あり、図１〜５に関して示される混入物除去装置１０８と同様のものである。混
入物除去装置からの液体流１３５は、混入物除去装置１０８を出て、液体流１３
５を開口１６４を導く液体導管１６２に流れ、段上の次の並流接触部１１６に導
かれる。混入物除去装置からの蒸気流１１７は、段１０６を出て次の段に流上し
続ける。

【００３３】 クロスフロー段設計を用いて本発明を実施すると、新しい段１０６に入る液体
流１１２は、一連の並流接触部１１６およびこれに続く一連の混入物除去装置１
０８を通るであろう。図１〜５に示される本発明の実施形態とは対照的に、クロ
スフロー段設計は、選定された段１０６を水平に横切る液体流１３５を示し、各
並流接触工程後に直接流下するというよりむしろクロスフローの効果をもたらす
。段当たりの混入物除去の工程数は、少なくとも２から３、４、５に変化するこ
とができ、またいくつかの実施形態では、カラムのサイズなどに依って、より高
い６、７、８、９または１０、もしくはそれ以上にさらに高く変化することがで
きる。

【００３４】 図８には、図６および７に示される実施形態にしたがって設計された段の上面図
が示される。段の種々の構成要素は、カラム１０２の外周（壁１０４によって区
切られる）に伸びる列として理解される。この上面図から、液体下降管１１４は
、カラム１０２の両側面上に見られる。並流接触部１１６（ここでは段底部１２
４の区域およびこれらの区域直下の開口１２２として示される）と混入物除去装
置１０８とは一対となって組合される。混入物除去装置１０８の下流側には、液
体導管１６２（ここでは気密板１２８として示される）がある。混入物除去装置
１０８は、ミスト除去装置の波形線としてここに示される。便宜上、個々の区域
の列は、壁１０４の端部に伸びて示されていないが、実施上これらの区域は、壁
１０４に伸びるかまたは好ましくはカラム１０２内のいかなる“デッドスペース
”をもできるだけ最小にするように近くに伸びるであろう。

【００３５】 図９には、本発明のクロスフロー設計について別の実施形態が示される。この
実施形態により、図６に図示された“ワンパス”設計とは対照的に、“ツーパス
”段設計が述べられる。基本的な設計の特徴は、同一流かつ並流接触部１１６で
あり、これは、壁１２０と、内側１２５および外側１２７を伴う混入物除去装置
１０８とによって包まれている。段１０６は、また蒸気を段に入れる開口１２２
を伴う段底部１２４と、段１０６内で液体を開口１６４に流す液体導管１６２と
を有する。このツーパス形態は、段１０６の両側で下降管１１４に加えて中央下
降管１１４ａを有する点で異なる。このようにして、カラムを通る液体流速度は
高められるが、一方分離効率は犠牲となる。段設計のこの実施形態には、多数の
下降管が各段と結合できることが図示される。液体および蒸気流の流路は、単一
パスの段設計に示されるものと同様であり、液体流１３５は壁１０４の近くに配
置された下降管１１４を有するこれらの段上を外側方向に流れ、また液体流１３
５は壁の中間部に配置された中央下降管１１４ａを有するこれらの段上を内側方
向に流れる。

【００３６】 図９には、ツーパス段設計内における液体および蒸気の流れの全般的な流れが示
されるが、これは、図６〜７に関して前に議論されたワンパスの実施形態に対す
るものと同様である。流上する蒸気流１２６は、開口１２２を通って段底部１２
４を通り、並流接触部１１６に入る。液体流１１２は、下降管１１４、１１４ａ
から段に入り、並流接触部１１６に入る。混入される液体流１３０と混入する蒸
気流１３２とは、並流接触部１１６を流上し、次いで混入物除去装置１０８を通
り、そこで二つの流れが分離される。混入物除去装置からの液体は、混入物除去
装置１０８から流出し、液体流１３５を形成するが、これは液体導管１６２を通
ってその当該段１０６上の次の並流接触部１０８に流れるか、または時として下
降管に流れる。混入物除去装置からの蒸気流１１７は、混入物除去装置１０８を
流出し、カラムの下段から次の垂直方向に高い段に流上する。

【００３７】 図１０には、図９に示されたツーパス実施形態にしたがって設計された段の上
面図が示される。段の種々の構成要素は、カラム１０２の外周（壁１０４によっ
て区切られる）に伸びる列として理解される。この上面図から、液体下降管１１
４は、カラム１０２の両側面上に示される。並流接触部１１６（ここでは段底部
１２４の区域およびこれらの区域直下の開口１２２として示される）と混入物除
去装置１０８とは一対となって組合される。混入物除去装置１０８の下流側には
、液体導管１６２（ここでは気密板１２８として示される）がある。混入物除去
装置１０８は、ミスト除去装置の波形線としてここに示される。便宜上、個々の
区域の列は、壁１０４の端部に伸びて示されていないが、実施上これらの区域は
、壁１０４に伸びるかまたは好ましくはカラム１０２内のいかなる“デッドスペ
ース”をもできるだけ最小にするように近くに伸びるであろう。中央下降管１１
４ａは、カラム１０２の中間部に示される。

【００３８】 本発明の独創的な段設計の第二の実施形態の原理が、図６〜１０に示された実
施形態に関して説明された。段設計の種々の要素の最適な大きさおよび寸法取り
は、当業者の技術範囲にあり、本発明が適用される当該カラムに依る。しかし、
一般に、次の寸法が殆どのカラム設計に適用できる。段の底部１２４と次の段の
底部１２４との間の高さの差は、４６〜９２ｃｍ（１８〜３６インチ）である。
段の高さは、３０〜７１ｃｍ（１２〜２８インチ）である。並流接触部１１６の
幅は、２０〜４１ｃｍ（８〜１６インチ）である。開口１２２が段の底部１２４
に存在する区域の幅は、１５〜３０ｃｍ（６〜１２インチ）である。混入物除去
装置１０８の幅は、７．５〜１５ｃｍ（３〜６インチ）である。中央下降管１１
４ａの幅は、５．０〜２０．０ｃｍ（２〜８インチ）である。液体導管１６２の
高さは、７〜２０ｃｍ（３〜８インチ）である。液体導管中の開口１６４の好ま
しい高さは、１．３〜５ｃｍ（１／２〜２インチ）である。

【００３９】 種々の修正により、カラム１０２内の段１０６を配置することができる。図９
〜１０に示されるツーパス設計の他に、マルチパス系を用いることができる。タ
ーニングベーンを、前記した多孔板２５／１２５の代わりに用いるかまたは結合
させて用いるかして、並流流れ３０／３２、１３０／１３２を混入物除去装置８
、１０８に適切に導入してもい。

【図面の簡単な説明】

【図１】 図１は、本発明の連結段設計の概略断面図である。

【図２】 図２は、本発明の連結段設計について、流れを詳細に示す概略断
面図である。

【図３】 図３は、本発明の混入物除去装置の一実施形態について、その断
面の部分図である。

【図４】 図４は、本発明の段設計が包含されるカラムの断面の上面図であ
る。

【図５】 図５は、９０°−回転における本発明の連結段設計の概略断面図
である。

【図６】 図６は、本発明の連結段設計の一実施形態についての詳細な概略
断面図である。

【図７】 図７は、本発明の連結段設計の一実施形態について、流れを詳細
に示す概略断面図である。

【図８】 図８は、本発明の段設計の一実施形態が包含されるカラムの断面
の上面図である。

【図９】 図９は、本発明の連結段設計の一実施形態について、流れを詳細
に示す概略断面図である。

【図１０】 図１０は、本発明の段設計の一実施形態が包含されるカラムの
断面の上面図である。

【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書

【提出日】平成１１年１２月６日（１９９９．１２．６）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ストバー，バーン・キム アメリカ合衆国ペンシルバニア州19342， グレン・ミルズ，ベセル・ロード 14 Ｆターム(参考） 4D076 BB03 CA13 CA14 CA15 CA16 CB12 CC01 JA03

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 原料流を蒸留または分留するための分離カラムであって、（
   ａ）段頂部と段底部とを有する複数の連結段、 （ｂ）段上に配置され、蒸気と液体とが並流接触できる容積を含む複数の並流気 液接触部、 （ｃ）段上に配置され、混入した液体を蒸気流から分離するための複数の混入物 除去装置であって、該装置は内側と外側とを有し、内側は並流接触部に隣接 し、また該装置の内側と外側とは蒸気および液体に対して透過性である複数 の混入物除去装置、 （ｄ）複数の液体下降管であって、該下降管は上部域と下部域とを有し、該上部 域は液体を第一段の混入物除去装置の外側から受け入れることができ、また 該下部域はカラム内の第一段直下にある第二段の並流接触部内に配設される 複数の液体下降管、および （ｅ）並流接触部の直下で段底部を貫通して配置され、また蒸気が段の並流接触 部に通過できる蒸気開口、 を含む分離カラム。
2. 【請求項２】 さらに、並流接触部を混入物除去装置から分離する複数の液
   体堰を含む請求項１の蒸留カラム。
3. 【請求項３】 混入物除去装置が、蒸気デミスターを含む請求項１の蒸留カ
   ラム。
4. 【請求項４】 液体下降管が、さらに蒸気流が液体下降管を流上するのを防
   止する手段を含み、該蒸気流防止手段は、液体下降管の下部近傍に配設される請
   求項１の蒸留カラム。
5. 【請求項５】 液体下降管の蒸気流防止手段は、逆止弁である請求項４の蒸
   留カラム。
6. 【請求項６】 液体下降管の蒸気流防止手段は、制限オリフィスである請求項
   ４の蒸留カラム。
7. 【請求項７】 分離カラムを運転する方法であって、 （ａ）（ｉ）段頂部と段底部とを有する複数の連結段と、 （ｉｉ）段上に配置され、蒸気と液体とが並流接触できる容積を含む複数の並 流気液接触部と、 （ｉｉｉ）段上に配置され、内側と外側とを有し、内側は並流接触部に隣接す る複数の混入物除去装置と、 （ｉｖ）上部域と下部域とを有し、該下部域は段の並流接触部内に配置される 複数の液体下降管と、 （ｖ）並流接触部の直下で段底部を貫通して配設される蒸気開口と、を含むカラ
   ムを提供する工程、 （ｂ）液体が、第一の液体下降管を通って第一段の並流接触部に流される工程、 （ｃ）蒸気が、第一段の蒸気開口を通って第一段の並流接触部に送られ、それ によって蒸気が第一段の並流接触部内で液体を混入して、混入された流体を 形成し、該流体が第一段を通って流上する工程、 （ｄ）混入された流体を、第一段の混入物除去装置を通過させ、それにより混入 された液体の少なくとも一部を蒸気から分離する工程、 （ｅ）混入物除去装置からの液体を、第一段の混入物除去装置から第二の液体下 降管に送り、そして第一段の垂直に下方の第二段の並流接触部に送る工程、お
   よび （ｆ）第一段の混入物除去装置からの蒸気を、第一段の垂直に上方の第三段の並 流接触部に送る工程 を含む方法。
8. 【請求項８】 さらに、段の並流接触部内で、段底部の蒸気開口に隣接する 部位に液体溜めを形成することを含む請求項７の方法。
9. 【請求項９】 混入物除去装置が、蒸気デミスターを含む請求項７の方法。
10. 【請求項１０】 混入物除去装置が、蒸気を通過させる貫通孔を有する壁で
    ある内側表面を有し、またさらに混入された流体を、混入物除去装置の内側表面
    の壁に貫通孔を通過させることを含む請求項７の方法。
11. 【請求項１１】 第一段、第二段および第三段が、いずれも相互に関して同 じ回転で配列される請求項７の方法。
12. 【請求項１２】 第一段が、第二段に関して水平方向に回転する請求項７の 方法。