JP2010210151A

JP2010210151A - 粗アルゴン塔

Info

Publication number: JP2010210151A
Application number: JP2009057003A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Kihara; 均木原
Original assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Current assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Priority date: 2009-03-10
Filing date: 2009-03-10
Publication date: 2010-09-24

Abstract

【課題】粗アルゴン塔の規則充填物が充填されてなる充填層が上部ベッドと下部ベッドとに二分割された場合において、各ベッドに液偏流が生じても蒸留性能に大きな影響を与えないようにする。
【解決手段】規則充填物が充填されて充填層２とされた粗アルゴン塔１において、この充填層２が上部ベッド２Ａと下部ベッド２Ｂとの２つのベッドに分割され、下部ベッドの充填高さを上部ベッドと下部ベッドの合計充填高さの２４〜３２％とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、深冷空気分離装置に付設される粗アルゴン塔に関し、詳しくは、規則充填物を用い、かつ充填層を複数のベッドに分割して構成された粗アルゴン塔に関する。

深冷空気分離法によりアルゴンを製品として得るには、一般的に、高圧塔、低圧塔、粗アルゴン塔から構成される深冷空気分離装置が用いられる。
粗アルゴン塔は、その塔頂部にコンデンサを有し、その塔底部と低圧塔の中間部とが配管で接続されている蒸留塔である。低圧塔の中間部から抜き出されたアルゴン約１０ｖｏｌ％、酸素約９０ｖｏｌ％のガスが、粗アルゴン塔の塔底部に供給され、塔頂部のコンデンサで液化した還流液と連続的に気液接触させることにより、塔頂部で約９７〜９９．５ｖｏｌ％まで濃縮されたアルゴンが得られる。

近年では、この粗アルゴン塔には、従来のシーブトレイに代わって規則充填物を用いるのが一般的である。
一般に規則充填物を用いた蒸留塔(以下、「充填塔」と言うことがある。)では、効率的な気液接触のため塔断面方向の液流量分布をできるだけ均一に保つことが重要である。充填層上部に設置した液分配器の他、ある程度の充填高さ(多くは充填物メーカが推奨する最大連続充填高さ)ごとに液捕集再分配器を設ける必要がある。そのため、充填塔は複数のベッド(充填床)に分割されている。

粗アルゴン塔におけるアルゴン―酸素系の蒸留は、分離係数が小さいことから粗アルゴン塔内の気液組成が気液平衡組成に近い(蒸留操作線と気液平衡線がピンチしやすい)うえ、組成範囲も広いことから多くの理論段数が必要となる。
そのため、規則充填物を充填した粗アルゴン塔では、還流液の均一分配が特に重要であり、通常、粗アルゴン塔内の充填層は２ないし４の複数のベッドに分割され、各ベッド上部において液分配器により液を均一に分配するように工夫されている。

充填塔の各ベッドの断面方向の液流量分布は、当該ベッド上部の液分配器からの距離が大きくなる(下方に流れる)にしたがってバラツキ(以下、液偏流という)が大きくなる。したがって、この観点から充填塔は各ベッド高さがほぼ同じになるよう、ほぼ等分割されるのが一般的であり、粗アルゴン塔においても、通常、各ベッドの高さがほぼ等しくなるよう２分割ないし４分割されていた。

粗アルゴン塔を３以上のベッドに分割する場合は、１ベッド当たりの高さ(理論段数)が十分小さくなるため、等分割としても液偏流の問題はなかった。しかし、２ベッドに分割する場合、１ベッドあたりの充填高さ(理論段数)が大きいため、液分配器の均一分配性能や充填物の充填状態に伴う液偏流が蒸留性能に大きく影響しやすく、場合によっては設計どおりの蒸留性能が得られない場合があるという問題があった。
このため、充填層が２つのベッドに分割された粗アルゴン塔の上部ベッド、下部ベッドにおけるそれぞれの充填高さをどのようにすればもっとも効率的にアルゴンを分離できるか不明であった。

なお、充填塔の充填層を複数のベッドに分割し、各ベットの高さを変えることに関しては、特開２０００−３３７７６６号公報に、分離係数が小さい系における規則充填物を用いた蒸留塔において、最下ベッドの高さを、その次に重なるベッドの５０〜８０％とし、さらに塔の総充填高さを少なくとも６ｍ以上にするのが良いことが開示されている。

特開２０００−３３７７６６号公報

本発明における課題は、粗アルゴン塔の規則充填物が充填されてなる充填層が上部ベッドと下部ベッドとに二分割された場合において、各ベッドに液偏流が生じにくくし、蒸留性能に大きな影響を与えないようにすることにある。

かかる課題を解決するため、
請求項１にかかる発明は、深冷空気分離装置に付設され、その低圧塔から送られるアルゴンー酸素混合流体を蒸留して粗アルゴンを得る粗アルゴン塔であって、
規則充填物が充填されて充填層とされ、この充填層が上部ベッドと下部ベッドとの２つのベッドに分割され、上部ベッドおよび下部ベッドの上部にはそれぞれ液分配器が設けられ、
下部ベッドの充填高さが上部ベッドと下部ベッドの合計充填高さの２４〜３２％であることを特徴とする粗アルゴン塔である。

一般の充填塔であって、充填層を複数のベッドに分割した場合において、単純に液偏流を小さくするというのであれば、各ベッドの高さをほぼ等しくすれば良いが、実際には、液偏流の蒸留性能への影響が各ベッドごと(組成領域ごと〉に異なる。
粗アルゴン塔の場合、塔底に近づくほど塔内の気液組成と気液平衡組成とが近くなり、酸素とアルゴンの分離が困難になるため、蒸留性能に対する液偏流の影響も塔底に近づくほど大きい。

本発明では、上部ベッドと下部ベッドとに二分割し、下部ベッドの充填高さを総充填高さ(上部ベッドと下部ベッドの充填高さの合計)の２４〜３２％とし、上部ベッドの上部に液分配器を、下部ベッドの上部に液捕集再分配器を設け、それにより充填層内に液を均一に分配するようにしている。

上部ベッドの充填高さは総充填高さの６８〜７６％の高さを占めるため、上部ベッドでは下部ベッドに比べ、ベッド下方における液偏流は大きくなる。しかし、上部ベッドでは蒸留操作線と気液平衡線が比較的離れており、蒸留性能に対する液偏流の影響が小さいため、蒸留性能が低下する可能性は小さい。
一方、下部ベッドでは前述の通り蒸留操作線と気液平衡線が近いので、蒸留性能に対する液偏流の影響が大きいと考えられる。このため、下部ベッドの充填高さを総充填高さの２４〜３２％と小さくし、液偏流を小さくすることにより、蒸留性能が低下する可能性を大幅に小さくすることができる。

以上により、本発明にあっては、従来技術に比べて蒸留性能が液偏流の影響を受けにくい粗アルゴン塔を構成することができる。

本発明の粗アルゴン塔の例を示す概略構成図である。実験例の結果を示すグラフである。

図１は、本発明の粗アルゴン塔の一例を示すものである。
この例の粗アルゴン塔１では、規則充填物が充填されて充填層２が形成され、かつこの充填層２が横方向（水平方向）に沿って二分割されて、上部ベッド２Ａと下部ベッド２Ｂとに分かれている。
上部ベッド２Ａに上部には還流液を均一に分散して上部ベッド２Ａに流すための液分配器３が設けられている。

上部ベッド２Ａと下部ベッド２Ｂとの間には、上部ベッド２Ａから流下する還流液を集液し、この還流液を再度均一に分散して下部ベッド２Ｂに流すための液捕集再分配器４が設けられている。

また、下部ベッド２Ｂの充填高さｈが充填層２の総充填高さＨの２４〜３２％を占めるように、上部ベッド２Ａと下部ベッド２Ｂとの充填高さが定められている。この比率ｈ／Ｈを２４〜３２％とすることは、セルモデルを用いた充填塔シミュレーションにより導き出された値である。
セルモデルは、規則充填物内の流動および気液平衡を計算するための解析モデルとして知られている。
この比率ｈ／Ｈが２４％未満もしくは３２％を越えると、後述する実験例でのシミュレーション結果から示されるように蒸留性能の向上が十分でない。

図示しない深冷空気分離装置の低圧塔の中間部から管１１を介して抜き出されたアルゴン約１０ｖｏｌ％、酸素約９０ｖｏｌ％のガスが、粗アルゴン塔１の塔下部に供給される。粗アルゴン塔１の上部に配されたコンデンサ１２に管１３を経て粗アルゴン塔１からの上昇ガスが送られる。上昇ガスはここで液化し、還流液として管１４、１５を経て充填層２に流下し、上昇ガスと連続的に気液接触して蒸留が行われる。
コンデンサ１２からの還流液は液分配器３により均一に分配されて上部ベッド２Ａを流下し、液捕集再分配器４に一旦集められたのち、再度均一に分配されて下部ベッド２Ｂに流下する。

粗アルゴン塔１の塔頂部から管１５を介して約９７〜９９．５ｖｏｌ％まで濃縮されたアルゴンが導出され、後段のアルゴン精製工程に送られる。塔底部には液化酸素が溜まり、この液化酸素は管１６から低圧塔に戻される。

このような粗アルゴン塔にあっては、下部ベッド２Ｂの充填高さｈと充填層２の総充填高さＨとの比率ｈ／Ｈを２４〜３２％としているので、蒸留性能が向上する。下部ベッド２Ｂでは蒸留操作線と気液平衡線が近いので、蒸留性能に対する液偏流の影響が大きくなるが、下部ベッド２Ｂの充填高さを総充填高さの２４〜３２％と小さくし、液偏流を小さくすることにより、下部ベッド２Ｂでの蒸留性能が低下する可能性を大幅に小さくすることができる。

以下、実験例を示す。
規則充填物が充填され、総充填高さ１０３５０ｍｍ（ディスクレイヤ数５０）、塔径２０００ｍｍであって、上部ベッドおよび下部ベッドから構成される粗アルゴン塔について、塔底蒸気組成アルゴン１０ｖｏｌ％、酸素９０ｖｏｌ％、還流比３２の条件で、セルモデルによる蒸留シミュレーションを行った。
上部ベッドの液分配器および下部ベッドの液捕集再分配器で塔断面半分ずつ±１０％の液偏流を与え、上部ベッドと下部ベッドの充填高さに対する蒸留性能：理論段数相当高さ（ＨＥＴＰ）を比較した結果、図２に示すような結果が得られた。

図２に示したグラフにおいて、縦軸は蒸留性能を表す指標であるＨＥＴＰの値で、この値が小さいほど性能がよいことを示している。横軸は上部ベッドのディスクレイヤ数で、例えば、上部ベッドのディスクレイヤ数が２５であれば、下部ベッドのディスクレイヤ数が２５、ｈ／Ｈが５０％であることを示す。上部ベッドのディスクレイヤ数が３６であれば、下部ベッドのディスクレイヤ数が１４、ｈ／Ｈが２８％であることを示す。

このグラフから、上部ベッドと下部ベッドの充填高さを等しくした場合（２５ディスクディスクレイヤずつとした揚合）に比べ、下部ベッドの充填高さを小さくしたほうが蒸留性能が向上し、上部ベッドを３４〜３８ディスクディスクレイヤ（下部ベッドの充填高さの総充填高さに占める割合が２４〜３２％）としたときに、ＨＥＴＰが小さくなり、蒸留性能が高くなることが推定される。

１・・粗アルゴン塔、２・・充填層、２Ａ・・上部ベッド、２Ｂ・・下部ベッド

Claims

深冷空気分離装置に付設され、その低圧塔から送られるアルゴン−酸素混合流体を蒸留して粗アルゴンを得る粗アルゴン塔であって、
規則充填物が充填されて充填層とされ、この充填層が上部ベッドと下部ベッドとの２つのベッドに分割され、上部ベッドおよび下部ベッドの上部にはそれぞれ液分配器が設けられ、
下部ベッドの充填高さが上部ベッドと下部ベッドの合計充填高さの２４〜３２％であることを特徴とする粗アルゴン塔。