JP2006231270A - 不活性ガスによる置換方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 内部に少なくとも１種の液体と少なくとも１種の可燃性物質を有する容器内の気相部を不活性ガスで置換するにあたり、液面近傍の置換効果が高く、液面の上下に対しても適応性を有し、不活性ガス吹き込みによる飛沫発生や静電気発生が少ない不活性ガスによる置換方法を提供する。
【解決手段】 内部に少なくとも１種の液体と少なくとも１種の可燃性物質を有する容器内の気相部を不活性ガスによって置換する方法であって、長手方向に複数の不活性ガス供給孔を有する不活性ガス供給配管を、液体中および気相部の両方に該不活性ガス供給孔が開口するように配置し、この不活性ガス供給配管から容器内に不活性ガスを供給することを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、不活性ガスによる置換方法に関する。詳しくは容器内に少なくとも１種の液体と少なくとも１種の可燃性物質を有する容器内の気相部の不活性ガスによる置換方法に関する。

容器や槽内で少なくとも１種の液体と少なくとも１種の可燃性物質を取り扱う時には、可燃性物質が引火、火災または爆発を引き起こす可能性がある。例えば、２５℃、空気雰囲気の容器内部にトルエンが存在する場合、トルエン自体が液体であり可燃性物質でもあるため引火、火災または爆発の危険が生じる。
この危険の防止対策として不活性ガスによる置換を挙げることが出来る。不活性ガスは、取り扱う可燃性物質の引火、火災または爆発の発生を抑制する効果を有するガスであり、例えば、窒素、アルゴン、ヘリウム、二酸化炭素、限界支燃性濃度未満に調整された窒素−支燃性ガス混合気等を挙げることができる。
限界支燃性ガス濃度は、対象としている支燃性ガスが酸素の場合、「限界酸素濃度」と呼ばれることが多い。不活性ガスによる置換によって、気相部の酸素等の支燃性ガス濃度を限界支燃性ガス濃度未満に制御することができれば、仮に着火源が存在したとしても引火や火災、爆発は発生しない（例えば、非特許文献１参照。）。

従来の不活性ガスによる置換方法としては、例えば、図１に示す方法が知られている。（Ａ）は、不活性ガス流通配管１を分岐管２で枝分かれさせて容器に接続する方法（非特許文献２参照。）、（Ｂ）は、不活性ガス導入配管３を容器上部の気相部に接続し、パージ管４からパージする方法、（Ｃ）は、容器上部に接続した不活性ガス導入配管５を容器の気相部の内部まで挿入し、パージ管６からパージする方法（非特許文献３参照。）、および（Ｄ）は、容器上部に接続した不活性ガス導入配管７を容器の液相部の内部まで挿入し、液体内部に不活性ガスを吹き込み、パージ管８からパージする方法（特許文献１参照。）である。

しかしながら、（Ａ）に示された方法では、支燃性ガスを容器内の液体内部に連続的あるいは間欠的に吹き込んだり、容器内部の液体に溶存する支燃性ガスが液体から放出されたり、容器内部の液体中において、反応や分解によって支燃性ガスが生成する場合には、容器内部の気相部の置換効果を得ることは殆どできない。

（Ｂ）に示された方法でも、不活性ガス導入配管３の先端からパージ管４に向けて導入した不活性ガスがショートパスする恐れがあり、液面近傍の置換が不良になる。これは支燃性ガスを容器内の液体内部に連続的あるいは間欠的に吹き込んだり、容器内部の液体に溶存する支燃性ガスが液体から放出されたり、容器内部の液体中において、反応や分解によって支燃性ガスが生成する場合に重大な問題となる。

（Ｃ）に示された方法は、（Ｂ）に示された方法と比較すると液面近傍の置換効果は高くなることが期待できるが、不活性ガス導入配管５の不活性ガス供給口の高さが固定されているため、攪拌による液面の変動、液体の追加や抜き出しによる液面の変動に対する適応性がないために十分な効果が得られ難い。

また、（Ｄ）に示された方法は、不活性ガスを液面内部に供給するため、支燃性ガスを液体に供給して反応させる化学プロセスでは、液面内部に供給した不活性ガスが液体原料と支燃性ガスの気液接触効率を悪化させ、反応成績を落とす恐れがある他、液体に供給した不活性ガスが気泡となって液体内を上昇して気泡が弾ける際の静電気によって、内部の可燃性ガスに着火する可能性がある。また、固形分を含む液体を取り扱う場合には気泡が弾ける際に固形分が飛散して容器内壁上部に付着するという不具合を生じさせる恐れがある。
太田潔、「化学プラントの静電気危険性の評価と対策」、住友化学２００４−II、２００４年１１月３０日発行、ｐ.５５〜６４ ダニエル・エイ・クロウル，ジョセフ・エフ・ルーバー(Daniel A. Crowl, Joseph F. Louvar)著 「化学プロセス安全：基礎と応用(Chemical Process Safety：Fundamentals with Applications)」 (米国) プレンティス ホール(Prentice Hall), １９９０, ｐ.３３１ トゥレバー・クレッツ(Trevor Kletz)著、長谷川和俊 訳、「化学プラントの本質安全設計 ユーザー優先の装置をつくるために」、化学工業日報社、１９９５年８月３０日発行、ｐ.１２４ 特開平１１−３４９５００号公報

本発明の目的は、内部に少なくとも１種の液体と少なくとも１種の可燃性物質を有する容器内の気相部を不活性ガスで置換するにあたり、液面近傍の置換効果が高く、液面の上下変動に対しても適応性を有し、不活性ガス吹き込みによる飛沫発生や静電気発生が少ない不活性ガスによる置換方法を提供することにある。

本発明者はかかる課題を解決するために不活性ガスによる置換方法について鋭意検討した結果、長手方向に複数の不活性ガス供給孔を有する不活性ガス供給配管を、液体中および気相部の両方に該不活性ガス供給孔が開口するように配置して不活性ガスを供給することによって、不活性ガスは殆ど気相部に開口した供給孔から供給され、液体中に開口した供給孔からは供給されず、その結果、液面近傍の置換効果が高く、液面の上下変動に対しても適応性を有し、不活性ガス吹き込みによる飛沫発生や静電気発生が少なくできることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち本発明の不活性ガスによる置換方法は、内部に少なくとも１種の液体と少なくとも１種の可燃性物質を有する容器内の気相部を不活性ガスによって置換する方法であって、長手方向に複数の不活性ガス供給孔を有する不活性ガス供給配管を、液体中および気相部の両方に該不活性ガス供給孔が開口するように配置し、該不活性ガス供給配管から容器内に不活性ガスを供給することを特徴とする。
また本発明の不活性ガスによる置換方法は、容器内部の液体に支燃性ガスが連続的または間欠的に供給されていること、容器内部の液体中に溶存する支燃性ガスが容器内の気相部に放出されていること、または容器内部の液体中において、反応や分解によって容器内に存在する可燃性物質に対して支燃性を有する物質が生成していることを特徴とする。

本発明によって、内部に少なくとも１種の液体と少なくとも１種の可燃性物質を有する容器内の気相部を、液面近傍の置換効果が高く、液面の上下変動に対しても適応性を有し、すなわち、液面が上下に変動しても液面近傍の置換効果が高く、また飛沫発生や静電気発生が少なく、不活性ガスで置換することができる。

本発明における内部に少なくとも１種の液体と少なくとも１種の可燃性物質を有する容器としては、例えば、エタノール（液体かつ可燃性物質）の貯槽（容器）、トルエン（液体かつ可燃性物質）を溶媒とした化学反応器（容器）、水（液体）とヘキサン（液体かつ可燃性物質）の分液槽（容器）などが挙げられる。
これらの気相部に酸素などの支燃性ガスが存在する場合、引火、火災または爆発の危険が生じるので、不活性ガスで置換して、気相部の酸素などの支燃性ガス濃度を限界支燃性ガス濃度未満にする必要がある。

不活性ガスとしては、例えば、窒素、アルゴン、ヘリウム、二酸化炭素、限界支燃性濃度未満に調整された窒素−支燃性ガス混合気などが挙げられる。

本発明の不活性ガスによる置換方法の概要を図２に示す。（Ａ）は装置全体を、（Ｂ）は（Ａ）のＸ−Ｘ断面を表す。
不活性ガス供給配管９は、長手方向に複数の不活性ガス供給孔１０を有する。複数の不活性ガス供給孔は、長手方向に等間隔で設けられており、水平方向のガス置換性を高めるために、それぞれの不活性ガス供給孔の円周方向にも等間隔で複数の不活性ガス供給孔が設けられている。なお、円周方向には不活性ガス供給孔が設けられていなくてもよい。不活性ガス供給孔は上下方向に螺旋を描くように設けられても任意高さ任意水平方向のガス置換性を高めることができる。不活性ガス供給孔は、通常、等間隔に設けられるが、間隔は不活性ガス供給配管の位置等を勘案して適宜設定される。
不活性ガス供給孔１０の形状は特に限定されるものではないが、通常、円形、楕円形が用いられる。不活性ガス供給孔の大きさや間隔、設置位置等は、不活性ガスの種類および流量、容器の大きさ、液体の粘性等を考慮して決定されるが、不活性ガス供給孔の大きさとしては、通常、円形として１〜３０ｍｍφ程度である。また、複数の不活性ガス供給孔は同じ大きさである必要はなく、不活性ガス供給配管の長手方向に順に大きくなるようにしてもよいし、また略液面位置になる部分が一番大きくなるようにしてもよい。

本発明においては、上記の不活性ガス供給配管９を、液体中および気相部の両方に不活性ガス供給孔１０が開口するように配置し、不活性ガス供給配管から容器内に不活性ガスを供給して容器内の気相部を不活性ガスで置換する。
不活性ガス供給配管９からの不活性ガスは、液体の抵抗のために液体中の不活性ガス供給孔１０からは殆ど出ずに、その全てまたは大部分は気相部に存在する不活性ガス供給孔１０から容器内に供給される。従って、供給した不活性ガスによる液体中での気泡は全く生じないか、僅かしか生じないため、飛沫の発生や気泡が弾ける際の静電気の発生が抑えられる。また、攪拌、容器への仕込み量の多少、液体の供給または抜取りなどによって液面が上下変動しても、上下変動した液面の近傍の気相部に開口した不活性ガス供給孔からも不活性ガスが供給され、液面近傍の置換効果が高くなる。

不活性ガス供給配管９は、通常、容器の上部から垂直に容器内に挿入配置されるが、形状や配置は特に限定されるものではなく、容器の上側部にＬ字の供給配管を取り付けてもよい。不活性ガス供給配管は必要に応じて複数設けることもできる。
また、不活性ガス供給配管９から供給する不活性ガスの流量は、容器の大きさ、不活性ガスの種類、液体の粘性、可燃性物質の限界支燃性ガス濃度などを勘案して決められる。

本発明の不活性ガスによる置換方法は、例えば、液相空気酸化プロセスや液相オゾン酸化プロセスなどの容器内部の液体に支燃性ガスが連続的または間欠的に供給されている場合、二酸化窒素が溶存した高濃度硝酸を取り扱う反応プロセスなどの容器内部の液体中に溶存する支燃性ガスが容器内の気相部に放出されている場合、または分解すると酸素を発生する過酸化水素を用いた有害性物質の分解プロセスなどの容器内部の液体中において、反応や分解によって容器内に存在する可燃性物質に対して支燃性を有する物質が生成している場合に特に有効である。
これらの場合、液面近傍において支燃性ガス濃度が高く、静電気が発生しやすく、引火、火災または爆発の危険性が生じるが、液面が上下変動しても液面の近傍の気相部に開口した供給孔からも不活性ガスが供給されるため、液面近傍の置換効果が高くなり、安全性が向上する。

以下、実施例を示し、本発明を具体的に示すが、本発明は下記の実施例に制限されるものではない。

実施例１
図３に示す装置を用いて容器内の気相部の窒素ガスによる置換を実施する。
１Ｌのガラス容器１２に弁１７が閉じた状態でトルエン１３を０．６Ｌ入れ、攪拌機１５を６０ｒｐｍで回転して攪拌を行う。ステンレス製で外径１２ｍｍの窒素ガス供給配管１１には下部から垂直方向に４ｍｍφの供給孔が９個設けてあり、隣り合う供給孔同士の中心間隔は１５ｍｍである。この窒素ガス供給配管１１は上から３個目迄の供給孔が気相部に配置され、下から６個目迄の供給孔が液面中に没するように配置されている。

次に気相部１４が薄黄色になるまで二酸化窒素導入配管１９から二酸化窒素を導入する。次に窒素ガス供給配管１１から窒素ガスを毎分２０ｍｌの流量で供給すると、液体に没した供給孔から窒素ガスの排出は殆ど観測されず、薄黄色のガスの乱れ状態から供給する窒素ガスは主に気相部に配置された３個の供給孔から供給され、液面近傍の置換状態も良好であることが判る。供給する窒素ガスに相当する量のガスはガス排出管１６から排出される。

次に窒素ガス供給配管１１からの窒素ガスの供給を続けながら弁１７を開状態にしてトルエン排出配管１８からトルエンを、窒素ガス供給配管に配置された供給孔が上から５個目まで気相部に開口されるまで抜き出した後、弁１７を閉状態にする。
この状態で窒素ガスの供給状態を観察すると、液中に没した窒素ガス供給配管１１に配置された下から４個目までの供給孔からの窒素ガスの排出は殆ど観測されず、薄黄色のガスの乱れ状態から供給した窒素ガスは主に気相部に開口された５個の供給孔から供給され、液面近傍の置換状態も良好であることも判る。
以上のことから、液面近傍の置換効果が良好で、液面近傍の置換効果は液面の上下変動に対しても有効であり、窒素ガスの液体中への供給による飛沫発生や静電気発生は殆どないことがわかる。

比較例１
図４に示す装置を用いて容器内の気相部の窒素ガスによる置換を実施する。
１Ｌのガラス容器１２に弁１７が閉じた状態でトルエン１３を０．６Ｌ入れ、攪拌機１５を６０ｒｐｍで回転して攪拌を行う。次に気相部１４が薄黄色になるまで二酸化窒素導入配管１９から二酸化窒素を導入する。次に単に容器の上部に接続された窒素ガス供給配管２０から窒素ガスを毎分２０ｍｌの流量で供給すると、薄黄色のガスの乱れ状態から供給する窒素ガスによる液面近傍の置換状態は上記実施例１よりも劣るものである。供給する窒素ガスに相当する量のガスはガス排出管１６から排出される。

次に窒素ガス供給配管２０からの窒素ガスの供給を続けながら弁１７を開状態にしてトルエン排出配管１８からトルエンを液面が３０ｍｍ低下するまで抜き出した後、弁１７を閉状態にする。この状態で窒素の供給状態を観察すると、薄黄色のガスの乱れ状態から供給する窒素ガスによる液面近傍の置換状態は上記と同様に実施例１よりも劣るものである。
以上のことから、窒素ガス供給配管を単に容器上部に接続するだけでは、液面近傍の置換効果は良くない。

従来の不活性ガスによる置換方法の例の概要を示す図である。 本発明の不活性ガスによる置換方法の概要を示す図である。 実施例１における方法の概要を示す図である。 比較例１における方法の概要を示す図である。

符号の説明

１ 不活性ガス流通配管
２ 分岐管
３、５、７ 不活性ガス導入配管
４、６、８ パージ管
９ 不活性ガス供給配管
１０ 不活性ガス供給孔
１１、２０ 窒素ガス供給配管
１２ ガラス容器
１３ トルエン
１４ 気相部
１５ 攪拌機
１６ ガス排出管
１７ 弁
１８ トルエン排出配管
１９ 二酸化窒素導入配管

Claims (4)

1. 内部に少なくとも１種の液体と少なくとも１種の可燃性物質を有する容器内の気相部を不活性ガスによって置換する方法であって、長手方向に複数の不活性ガス供給孔を有する不活性ガス供給配管を、液体中および気相部の両方に該不活性ガス供給孔が開口するように配置し、該不活性ガス供給配管から容器内に不活性ガスを供給することを特徴とする不活性ガスによる置換方法。
2. 容器内部の液体に支燃性ガスが連続的または間欠的に供給されていることを特徴とする請求項１記載の不活性ガスによる置換方法。
3. 容器内部の液体中に溶存する支燃性ガスが容器内の気相部に放出されていることを特徴とする請求項１記載の不活性ガスによる置換方法。
4. 容器内部の液体中において、反応や分解によって容器内に存在する可燃性物質に対して支燃性を有する物質が生成していることを特徴とする請求項１記載の不活性ガスによる置換方法。
   
   
   
   

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