JP2013027824A

JP2013027824A - 液体分配装置

Info

Publication number: JP2013027824A
Application number: JP2011165787A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Kihara; 均木原
Original assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Current assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Priority date: 2011-07-28
Filing date: 2011-07-28
Publication date: 2013-02-07

Abstract

【課題】流下液の均一性を確保しながら充填塔断面専有面積を小さくできる液体分配装置を提供する。
【解決手段】上方又は側方から流入する液体を下方に分配して流下させるとともに、下方から上昇する気体を上方に通過させる充填塔用の液体分配装置において、底板２１と、該底板２１の両側の長辺にそれぞれ設けられた一対の側板２２と、前記底板２１の両端の短辺にそれぞれ設けられた一対の端板２３とを有する副流路１３の底板２１における一方の側板２２の近傍に、側板２２に沿うようにして複数の液流下孔１４を配置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、液体分配装置に関し、詳しくは、充填材を充填した充填塔における上方からの流下液を下方の充填材に向けて均一に分配するための液体分配装置に関する。

例えば、深冷空気分離に用いられる充填塔では、充填塔内を流下する液体（下降液、還流液）を下方の充填材へ均一に分配流下させるとともに、下方から上昇する気体（上昇ガス）を上方に通過させる液体分配装置が設けられている。一般的な液体分配装置は、上方又は側方から流入する液体を受ける主流路（メインチャンネル（main channel）ともいう。）と、主流路に接続する複数の副流路（サブチャンネル(subchannel)ともいう。）とを有しており、主流路から複数の副流路に液体を流入させ、副流路の底板の中心線上に一列に配置した複数の液流下孔から液体を下方に流下させる構造を有している（例えば、特許文献１参照。）。

特開平９−７５６０３号公報

液体分配装置における副流路の流路幅は、副流路内を水平方向に流れる液体の流速が各液流下孔からの液流下量に影響しないように決定される。すなわち、一つの副流路ｉの入口における液体の平均流速ｕｉは、以下の式１で表される。

Ｑ／Ｎ＝Ｑｉ／ｎｉ、ｕｉ＝Ｑｉ／（ｈ×ｗ）から
ｕｉ［ｍ／ｓ］＝ｎｉ×Ｑ／（Ｎ×ｈ×ｗ）・・・式１
式中、
Ｑ［ｍ^３／ｓ］：流下液の総流量
Ｎ［個］：液流下孔の総数
Ｑｉ［ｍ^３／ｓ］：副流路ｉの入口における液体の流量
ｎｉ［個］：副流路ｉにおける液流下孔の数
ｈ［ｍ］：運転中における副流路の液深
ｗ［ｍ］：副流路の流路幅
をそれぞれ表している。

式１において、流下液の総流量Ｑは、充填塔の設計によって液体分配装置とは無関係に決定され、液流下孔の総数Ｎ及び副流路ｉにおける液流下孔の数ｎｉは、充填塔の塔径に応じた液散布密度［１／ｍ^２］及び液流下孔の全体的な配置により決定される。また、運転中における副流路の液深ｈは、液分配装置の設置状態における水平度の許容範囲内で、全ての液流下孔からの液流下量のバラツキが抑えられるように、一般的な深冷空気分離の充填塔では、概ね５０ｍｍ以上に設定される。

したがって、副流路ｉの入口における液体の平均流速ｕｉ及び副流路ｉにおける水平方向の液体の平均流速は、副流路の流路幅ｗによって決まる。また、副流路の中央に一列に配置された液流下孔からの液流下量は、副流路内の水平方向の流速に影響されるため、一般的な深冷空気分離の充填塔では、液流速の影響を受けないように、流路幅ｗを概ね３０〜５０ｍｍとしている。このため、液体分配装置の充填塔断面専有面積が大きくなり、液体分配装置を通過して上昇する気体の流路断面積が小さくなって上昇気体の圧力損失を招き、圧縮機などの消費エネルギーが多くなっていた。

そこで本発明は、流下液の均一性を確保しながら充填塔断面専有面積を小さくできる液体分配装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明の液体分配装置は、上方又は側方から流入する液体を下方に分配して流下させるとともに、下方から上昇する気体を上方に通過させる充填塔用の液体分配装置において、上方又は側方から流入する液体を受ける主流路と、該主流路に液体流入部を介して接続した複数の副流路とを備え、該副流路は、液流れ方向に長い底板と、該底板の両側の長辺にそれぞれ設けられた一対の側板と、前記底板の両端の短辺にそれぞれ設けられた一対の端板とを備えるとともに、前記底板における前記側板の近傍に、底板の長手方向に対してあらかじめ設定された間隔で複数の液流下孔を配置したことを特徴としている。

さらに、本発明の液体分配装置は、前記液流下孔が、該液流下孔の中心から前記側板までの距離が前記底板の幅寸法に対して２０％以下の位置に配置されていること、前記液流下孔が、一方の前記側板に沿って一直線状に配置されていることを特徴としている。

本発明の液体分配装置では、副流路の中央部を流れる液体の流速に比べて側板に沿って流れる液体の流速が遅くなることから、側板の近傍に液流下孔を配置することで、液流下孔から流下する液体の流量や均一性を確保しながら副流路の幅を狭くすることができる。これにより、各副流路の幅を狭くして液体分配装置の充填塔断面専有面積を小さくでき、上昇する気体の圧力損失を低減して圧縮機などの消費エネルギーを削減することができる。

本発明の液体分配装置の一形態例を示す概略平面図である。同じく正面断面図である。同じく側面断面図である。

本形態例に示す液体分配装置は、充填塔１１の塔内を直径方向に横切るように配置されたチャンネル状の主流路１２と、該主流路１２の下部に、該主流路１２と直交する方向に塔内周面近くまで配置された複数の副流路１３，１３と、各副流路１３，１３の底面を鉛直方向に貫通して設けられた複数の液流下孔１４，１４とを備えている。

主流路１２の底面には、主流路１２内の液体を副流路１３に分配するための液体流入部１５がそれぞれ設けられている。各液体流入部１５は、対応する副流路１３を介して下方に流下する液体の量、すなわち、各副流路１３に設けられた液流下孔１４の数に応じて液体流入部１５の開口面積がそれぞれ設定されており、液流下孔１４の数が多くて寸法が長い副流路１３に対応した液体流入部１５の開口面積は大きく、液流下孔１４の数が少なくて寸法が短い副流路１３に対応した液体流入部１５の開口面積は小さく設定されている。

副流路１３は、液流れ方向に長い水平方向の底板２１と、該底板２１の両側の長辺にそれぞれ設けられた鉛直方向の一対の側板２２と、前記底板２１の両端の短辺にそれぞれ設けられた鉛直方向の一対の端板２３とによって上方が開口したチャンネル状に形成されており、前記複数の液流下孔１４は、底板２１における一方の側板２２の近傍に沿うように、底板２１の長手方向に対してあらかじめ設定された一定の間隔で一直線状に設けられている。

底板２１の幅方向における液流下孔１４の位置は、できるだけ側板２２に近い位置が好ましく、液流下孔１４の中心と側板２２との距離Ａが、底板２１の幅寸法Ｂの２０％以下になる位置が好適である。このように、液流下孔１４を側板２２の近傍に配置することにより、液流下孔１４の真上を流れる液体の流速を、副流路１３の中央上部を流れる液体の流速に比べて遅くすることができる。

すなわち、副流路１３を層流状態で流れる液体の流速は、底板２１及び側板２２との接触による抵抗で、図１の矢印Ｙ方向に流れる液体の流速は、流速分布Ｚに示すように、副流路１３の幅方向では中央が速く、両側が遅くなる。同様に、深さ方向では、上部が速く、下部が遅くなるので、液流下孔１４を側板２２の近傍の底板２１に配置することにより、流速が最も遅い部分の液体を液流下孔１４から流下させることができるので、副流路１３の液流下孔１４全体から安定した状態で均一に液体を流下させることができる。さらに、液流下孔１４の真上の液流速を、底板の中央線に沿って液流下孔を配置した従来の副流路と同じ液流速に設定する場合、前述の副流路ｉの入口における液体の平均流速ｕｉを上昇させることができるので、副流路１３の流路幅ｗを狭くすることが可能となる。

例えば、液流下孔１４が設けられた副流路１３の底面における液流速の水平方向の流速分布は、副流路１３の側板２２を平行な平板とみなし、液体の流れを粘性流として解くと、以下の式２で表すことができる。

ｕ（ｙ）＝１．５×ｕｉ［１−｛ｙ／（０．５×ｗ）｝^２］・・・（式２）
ｙ［ｍ］：副流路１３の中心線からの距離。

ここで、従来の液流下孔は、副流路の中心線上に配置されているため、ｙ＝０となり、液流下孔の真上における水平方向の液流速は１．５×ｕｉとなる。一方、液流下孔１４の中心位置を副流路１３の中心線からｙ＝０．３５ｗの位置にずらした場合、液流下孔１４の真上における水平方向の液流速は、式２から、約０．７５×ｕｉが得られ、従来に比べて液流下孔１４の真上の液流速が約半分になることがわかる。このとき、液流下孔１４の真上の液流速を従来と同じ１．５×ｕｉとすることにより、液流下孔１４から流下する液体の状態を従来と同じ均一な状態にすることができ、例えば、ｙ＝０．３ｗに設定した場合、すなわち、液流下孔１４を側板２２からの距離が底板２１の幅寸法に対して２０％の位置に設定した場合、副流路１３の流路幅を従来の２／３にすることができ、ｙ＝０．３ｗ以上となる位置に液流下孔１４を配置することにより、副流路１３の流路幅を更に狭めることが可能となる。

したがって、従来の液体分配装置における副流路の流路幅に比べて、副流路１３の流路幅を狭くすることができるので、液流下孔１４から流下する液体の流量の均一性を確保しながら、副流路１３の流路幅を狭くした分だけ、液体分配装置の充填塔断面専有面積を小さくすることができる。これにより、液体分配装置の隙間を通って液体分配装置の下方から上方へ上昇する気体の圧力損失を低減することができ、充填塔下部側の圧力を下げることが可能となり、充填塔下部に気体を導入するための圧縮機などの消費エネルギーを削減することができる。

なお、図１乃至図３では、本発明の液体分配装置における構成の理解を助けるために、各部の寸法、寸法比を誇張して表しており、本発明を実施する際の各部の形状や寸法は、充填塔の設計に応じて適宜最適な状態に設定される。また、主流路の側方に副流路を設けた場合、主流路から側板に設けた液体流入部を通って各副流路に流入する液体の量は、各副流路の液流下孔からの液流下量で制限されるので、液体流入部の開口面積は、最大液体流入量に対応した同一開口面積にすることができる。さらに、主流路の側方に設けた副流路との間に側板を設けない場合もある。これらの液体分配装置における主流路の底板には、副流路の底板に配置した液流下孔の延長線上に、適切な間隔で液流下孔を配置することができる。さらに、液流下孔は、両側の側板に沿ってそれぞれ一直線状に配置することもでき、千鳥状に配置することもできる。

１１…充填塔、１２…主流路、１３…副流路、１４…液流下孔、１５…液体流入部、２１…底板、２２…側板、２３…端板

Claims

上方又は側方から流入する液体を下方に分配して流下させるとともに、下方から上昇する気体を上方に通過させる充填塔用の液体分配装置において、上方又は側方から流入する液体を受ける主流路と、該主流路に液体流入部を介して接続した複数の副流路とを備え、該副流路は、液流れ方向に長い底板と、該底板の両側の長辺にそれぞれ設けられた一対の側板と、前記底板の両端の短辺にそれぞれ設けられた一対の端板とを備えるとともに、前記底板における前記側板の近傍に、底板の長手方向に対してあらかじめ設定された間隔で複数の液流下孔を配置した液体分配装置。
前記液流下孔は、該液流下孔の中心から前記側板までの距離が前記底板の幅寸法に対して２０％以下の位置に配置されている請求項１記載の液体分配装置。
前記液流下孔は、一方の前記側板に沿って一直線状に配置されている請求項１又は２記載の液体分配装置。