JP2020131112A - 充填塔及び充填物 - Google Patents

Abstract

【課題】簡便な構造を有しながら、偏流の発生を防止し、十分な気液接触を行わせることを可能とした充填塔を提供する。【解決手段】第１の波板材４は、塔体２の内壁面２ａに対向する一対の側端部４ｂ，４ｃのうち、第１の溝部４ａの上端が位置する一方の側端部４ｂが塔体２の内壁面２ａに沿って配置されると共に、第１の溝部４ａの下端が位置する他方の側端部４ｃが塔体２の内壁面２ａから離間する方向に傾斜して配置され、第２の波板材５は、塔体２の内壁面２ａに対向する一対の側端部５ｂ，５ｃのうち、第２の溝部５ａの上端が位置する一方の側端部５ｂが塔体２の内壁面２ａに沿って配置されると共に、第２の溝部５ａの下端が位置する他方の側端部５ｃが塔体２の内壁面２ａから離間する方向に傾斜して配置されている。【選択図】図１

Description

本発明は、充填塔及び充填物に関する。

塔体の内部に充填物が充填された充填塔は、化学工業分野において、蒸留塔（精留塔）や吸収塔などに広く利用されている。また、充填物は、波状に折り曲げられた複数の波板材を積層すると共に、これら複数の波板材の両面に並列して設けられた複数の溝部が互いに隣接する波板材の間で交差した構造を有している。

充填塔では、波板材の積層方向が塔体の軸線方向（高さ方向）とは直交した方向（径方向）となるように、塔体の内部に充填物が配置されると共に、波板材の積層方向が交差するように、塔体の高さ方向に複数の充填物が積層された状態で配置されている。

このような充填塔では、充填物の表面で気液接触を行わせることで、蒸留する原料の沸点差を利用して、その低沸点留分（気相）を塔体の上部側から、その高沸点留分（液相）を塔体の下部側から、それぞれ分留（精留）させることが可能となっている。

ところで、充填塔では、塔体の高さが大きくなるに従って、充填物の外周部分や塔体の内壁面に液が集まり、充填物の外周部分や塔体の内壁面に沿って液が流れ落ちる偏流が発生してしまい、充填物の表面で十分な気液接触を行わせることが困難となることが知られている（例えば、下記特許文献１を参照。）。

そこで、下記特許文献１には、偏流防止策として、充填物を構成する薄層物の波形溝において、充填塔の塔軸に傾斜して設置してある該波形溝の下方部の直径方向の端部に、該波形溝の端部の上面を切り欠く切欠き部を設置したり、該波形溝を構成する上面部を下方に折り曲げた折曲げ部を設置したりすることが開示されている。

特開平０７−１８５３１６号公報

しかしながら、上述した特許文献１に開示されている充填物の構造では、薄層物（波板材）の加工が複雑となり、充填物の製造コストが嵩んでしまうといった欠点がある。

本発明は、このような従来の事情に鑑みて提案されたものであり、簡便な構造を有しながら、偏流の発生を防止し、十分な気液接触を行わせることを可能とした充填塔及び充填物を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
〔１〕 塔体の内部に充填物が充填された充填塔であって、
前記充填物は、山折りと谷折りとを繰り返すことにより波状に折り曲げられた第１の波板材及び第２の波板材を有して、前記第１の波板材の両面に並列して設けられた複数の第１の溝部と、前記第２の波板材の両面に並列して設けられた複数の第２の溝部とが前記塔体の軸線方向に対して互いに逆向きに傾斜するように、前記第１の波板材と前記第２の波板材とを前記塔体の軸線方向とは直交する方向に交互に積層した状態で、前記塔体の内部に配置されており、
前記第１の波板材は、前記塔体の内壁面に対向する一対の側端部のうち、前記第１の溝部の上端が位置する一方の側端部が前記塔体の内壁面に沿って配置されると共に、前記第１の溝部の下端が位置する他方の側端部が前記塔体の内壁面から離間する方向に傾斜して配置され、
前記第２の波板材は、前記塔体の内壁面に対向する一対の側端部のうち、前記第２の溝部の上端が位置する一方の側端部が前記塔体の内壁面に沿って配置されると共に、前記第２の溝部の下端が位置する他方の側端部が前記塔体の内壁面から離間する方向に傾斜して配置されていることを特徴とする充填塔。
〔２〕 前記他方の側端部の前記塔体の内壁面から離間する最大幅が、１〜１０ｍｍであることを特徴とする前記〔１〕に記載の充填塔。
〔３〕 前記充填物は、前記塔体の内部形状に合わせて、前記第１の波板材と前記第２の波板材との幅を順次変えながら、前記第１の波板材と前記第２の波板材とを交互に積層した状態で、前記塔体の内部に配置されていることを特徴とする前記〔１〕又は〔２〕に記載の充填塔。
〔４〕 前記充填物は、前記第１の波板材及び前記第２の波板材の積層方向が交差するように、前記塔体の軸線方向に複数積層された状態で配置されていることを特徴とする前記〔１〕〜〔３〕の何れか一項に記載の充填塔。
〔５〕 前記充填物は、前記第１の波板材と前記第２の波板材とが交互に積層された状態で、その周囲を囲むカラーにより固定されていることを特徴とする前記〔１〕〜〔４〕の何れか一項に記載の充填塔。
〔６〕 塔体の内部に充填される充填塔の充填物であって、
山折りと谷折りとを繰り返すことにより波状に折り曲げられた第１の波板材及び第２の波板材を有して、前記第１の波板材の両面に並列して設けられた複数の第１の溝部と、前記第２の波板材の両面に並列して設けられた複数の第２の溝部とが前記塔体の軸線方向に対して互いに逆向きに傾斜するように、前記第１の波板材と前記第２の波板材とを前記塔体の軸線方向とは直交する方向に交互に積層した構造を有し、
前記第１の波板材の前記塔体の内壁面に対向する一対の側端部のうち、前記第１の溝部の上端が位置する一方の側端部が前記塔体の内壁面に沿って配置されると共に、前記第１の溝部の下端が位置する他方の側端部が前記塔体の内壁面から離間する方向に傾斜して配置され、
前記第２の波板材の前記塔体の内壁面に対向する一対の側端部のうち、前記第２の溝部の上端が位置する一方の側端部が前記塔体の内壁面に沿って配置されると共に、前記第２の溝部の下端が位置する他方の側端部が前記塔体の内壁面から離間する方向に傾斜して配置されるように、
前記第１の波板材と前記第２の波板材とが交互に積層された状態で、その周囲を囲むカラーにより固定された構造を有することを特徴とする充填物。
〔７〕 前記他方の側端部の前記塔体の内壁面から離間する最大幅が、１〜１０ｍｍであることを特徴とする前記〔６〕に記載の充填物。
〔８〕 前記塔体の内部形状に合わせて、前記第１の波板材と前記第２の波板材との幅を順次変えながら、前記第１の波板材と前記第２の波板材とを交互に積層した構造を有することを特徴とする前記〔６〕又は〔７〕に記載の充填物。

以上のように、本発明によれば、簡便な構造を有しながら、偏流の発生を防止し、十分な気液接触を行わせることを可能とした充填塔及び充填物を提供することが可能である。

本発明の一実施形態に係る充填塔の構成を示す縦断面図である。 図１に示す充填塔の構成を示す横断面図である。 図１に示す充填塔が備える充填物の構成を示す斜視図である。 図３に示す充填物の一部を拡大して示す斜視図である。 図３に示す充填物を構成する第１の波板材の塔体内に配置された状態を示す平面図である。 図３に示す充填物を構成する第２の波板材の塔体内に配置された状態を示す平面図である。 図３に示す充填物を構成する第１の波板材と第２の波板材との積層構造を説明するための模式図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面においては、各構成要素を見やすくするため、構成要素によって寸法の縮尺を異ならせて示すことがあり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。また、以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに必ずしも限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。

（充填塔）
先ず、本発明の一実施形態として図１及び図２に示す充填塔１について説明する。
なお、図１は、充填塔１の構成を示す縦断面図である。図２は、充填塔１の構成を示す横断面図である。

本実施形態の充填塔１は、図１及び図２に示すように、略円筒状を為す塔体２と、塔体２の内部に充填された充填物３とを備えている。また、塔体２の内部には、複数の充填物３が塔体２の軸線方向（以下、「塔体２の高さ方向」という。）に積層された状態で配置されている。なお、図１では、便宜上２つの充填物３のみを図示している。

充填塔１では、充填物３の表面で気液接触を行わせることで、蒸留する原料の沸点差を利用して、その低沸点留分（気相）を塔体２の上部側から、その高沸点留分（液相）を塔体２の下部側から、それぞれ分留（精留）させることが可能である。

なお、塔体２については、後述する充填物３が充填可能な構成であればよく、その形状や材質等について特に限定されるものではない。

（充填物）
次に、上記充填物３の具体的な構成について、図１〜図７を参照しながら説明する。
なお、図３は、充填物３の構成を示す斜視図である。図４は、充填物３の一部を拡大して示す斜視図である。図５（ａ），（ｂ）は、充填物３を構成する第１の波板材４の塔体２内に配置された状態を示す平面図である。図６（ａ），（ｂ）は、充填物３を構成する第２の波板材５の塔体２内に配置された状態を示す平面図である。図７（ａ）〜（ｄ）は、充填物３を構成する第１の波板材４と第２の波板材５との積層構造を説明するための模式図である。

本実施形態の充填物３は、図３及び図４に示すような規則充填物であり、山折りと谷折りとを繰り返すことにより波状に折り曲げられた略矩形状の第１の波板材４及び第２の波板材５を有している。第１の波板材４の両面には、複数の第１の溝部４ａが一定の間隔及び深さで並列して設けられている。同様に、第２の波板材５の両面には、複数の第２の溝部５ａが一定の間隔及び深さで並列して設けられている。

第１の波板材４及び第２の波板材５は、例えば、アルミニウムや銅、ステンレスなどの薄板からなり、その板厚は０．１〜０．３ｍｍ程度である。また、第１の波板材４及び第２の波板材５の形状については、湾曲した状態で繰り返し折り曲げられた波型形状であっても、屈曲した状態で繰り返し折り曲げられた波型形状であってもよい。

充填物３は、図２、図３及び図４に示すように、第１の溝部４ａと第２の溝部５ａとが塔体２の高さ方向に対して互いに逆向きに傾斜するように、第１の波板材４と第２の波板材５とを塔体２の軸線方向とは直交する方向（以下、「塔体２の径方向」という。）に交互に積層した構造を有している。また、第１の溝部４ａ及び第２の溝部５ａは、塔体２の高さ方向に対して互いに逆向きに３０〜６０°となる角度範囲で傾斜している。

さらに、充填物３は、塔体２の内部形状に合わせて、第１の波板材４と第２の波板材５との幅を順次変えながら、第１の波板材４と第２の波板材５とを交互に積層した（重ね合わせた）状態で、その周囲を囲むリング状のカラー６により固定（結束）された構造を有している。これにより、充填物３は、全体として略円柱状に形成されており、塔体２の内部において、塔体２の径方向にほぼ隙間無く充填することが可能となっている。

本実施形態では、充填物３の軸線方向（以下、「充填物３の高さ方向」という。）の中央部を１つのカラー６により固定した構造となっている。また、複数のカラー６を充填物３の高さ方向に並べて配置して、充填物３を固定することも可能である。なお、カラー６については、特に限定されるものではなく、従来より一般に使用されている任意の構造のものを用いることが可能である。

複数の充填物３は、図１に示すように、塔体２の内部において、第１の波板材４及び第２の波板材５の積層方向が互いに隣り合う充填物３の間で交差（本実施形態では直交）するように、塔体２の高さ方向に積層した（積み重ねた）状態で配置されている。

充填物３を構成する第１の波板材４は、図５（ａ），（ｂ）に示すように、塔体２の内壁面２ａに対向する一対の側端部４ｂ，４ｃのうち、第１の溝部４ａの上端が位置する一方の側端部４ｂが塔体２の内壁面２ａに沿って配置されると共に、第１の溝部４ａの下端が位置する他方の側端部４ｃが塔体２の内壁面２ａから離間する方向に傾斜して配置されている。

このうち、図５（ａ）に示す第１の波板材４１は、第１の波板材４の下端が上端よりも幅狭となることによって、他方の側端部４ｃの下端が上端よりも塔体２の内壁面２ａから離間して配置されている。一方、図５（ｂ）に示す第１の波板材４２は、第１の波板材４の上端が下端よりも幅狭となることによって、他方の側端部４ｃの上端が下端よりも塔体２の内壁面２ａから離間して配置されている。なお、図５（ａ），（ｂ）に示す第１の波板材４１，４２について、特に区別しない場合には、これらを第１の波板材４としてまとめて扱うものとする。

同様に、充填物３を構成する第２の波板材５は、図６（ａ），（ｂ）に示すように、塔体２の内壁面２ａに対向する一対の側端部５ｂ，５ｃのうち、第２の溝部５ａの上端が位置する一方の側端部５ｂが塔体２の内壁面２ａに沿って配置されると共に、第２の溝部５ａの下端が位置する他方の側端部５ｃが塔体２の内壁面２ａから離間する方向に傾斜して配置されている。

このうち、図６（ａ）に示す第２の波板材５１は、第２の波板材５の下端が上端よりも幅狭となることによって、他方の側端部５ｃの下端が上端よりも塔体２の内壁面２ａから離間して配置されている。一方、図６（ｂ）に示す第２の波板材５２は、第２の波板材４の上端が下端よりも幅狭となることによって、他方の側端部５ｃの上端が下端よりも塔体２の内壁面２ａから離間して配置されている。なお、図６（ａ），（ｂ）に示す第２の波板材５１，５２について、特に区別しない場合には、これらを第２の波板材５としてまとめて扱うものとする。

本実施形態の充填塔１では、図５及び図６に示すように、他方の側端部４ｃ，５ｃの塔体２の内壁面２ａから離間する最大幅Ｄが、１〜１０ｍｍであることが好ましい。又は、この最大幅Ｄが、第１及び第２の波板材４，５の高さ（図２中に示すＨ１，Ｈ２）の２倍以下であることが好ましい。すなわち、この最大幅Ｄは、第１の波板材４及び第２の波板材５において、それぞれの上端と下端とにおける幅の差に相当する。

充填塔１における離間幅Ｄが、これらの上限値よりも大きくなると、充填塔１内を上昇するガスが充填物３をバイパスし、充填物３の表面で十分に気液接触を行わせることが困難となる。一方、充填塔１における離間幅Ｄが、これらの下限値よりも小さくなると、充填物３の外周部分や塔体２の内壁面２ａにおける液Ｌの偏流防止の効果が低下する。

本実施形態の充填物３では、図７（ａ）〜（ｄ）に示すように、第１の波板材４１，４２と第２の波板材５１，５２との何れかを組み合わせた構成とすることが可能である。すなわち、図７（ａ）に示すように、第１の波板材４１と第２の波板材５１とを塔体２の径方向に交互に積層した構成としてもよい。また、図７（ｂ）に示すように、第１の波板材４２と第２の波板材５２とを塔体２の径方向に交互に積層した構成としてもよい。また、図７（ｃ）に示すように、第１の波板材４１と第２の波板材５２とを塔体２の径方向に交互に積層した構成としてもよい。また、図７（ｄ）に示すように、第１の波板材４２と第２の波板材５１とを塔体２の径方向に交互に積層した構成としてもよい。それ以外にも、第１の波板材４１，４２と第２の波板材５１，５２の中から３つを選択して組み合わせた構成や、第１の波板材４１，４２と第２の波板材５１，５２の全てを組み合わせた構成とすることが可能である。

以上のような構成を有する充填物３を備えた充填塔１では、上述した気液接触により第１及び第２の波板材４，５に付着した液Ｌが第１及び第２の溝部４ａ，５ａに沿って下方へと流れ落ちる。このとき、液Ｌは、第１及び第２の溝部４ａ，５ａの上端が位置する第１の側端部４ｂ，５ｂから、第１及び第２の溝部４ａ，５ａの下端が位置する第２の側端部４ｃ，５ｃに向かって斜めに流れ落ちる。これにより、第１及び第２の溝部４ａ，５ａの下端に到達した液Ｌは、第２の側端部４ｃ，５ｃに沿って塔体２の内壁面２ａから離間する方向へと流れ落ちる。

一方、第１の波板材４の第２の側端部４ｃは、第１の側端部５ｂが塔体２の内壁面２ａに沿って配置された第２の波板材５と隣接している。同様に、第２の波板材５の第２の側端部５ｃは、第１の側端部４ｂが塔体２の内壁面２ａに沿って配置された第１の波板材４と隣接している。

この場合、第１及び第２の波板材４，５の第２の側端部４ｃ，５ｃに沿って流れ落ちる液Ｌは、隣接する第２及び第１の波板材５，４の第１の溝部５ａ，４ａへと伝わり、これら隣接する第２及び第１の溝部５ａ，４ａに沿って下方へと流れ落ちる。

すなわち、この液Ｌは、再び第１及び第２の溝部４ａ，５ａの上端が位置する第１の側端部４ｂ，５ｂから、第１及び第２の溝部４ａ，５ａの下端が位置する第２の側端部４ｃ，５ｃに向かって斜めに流れ落ちる。

したがって、上述した気液接触により第１及び第２の波板材４，５に付着した液Ｌは、塔体２の内壁面２ａに沿って配置された第１及び第２の波板材４，５の第１の側端部４ｂ，５ｂ側から、塔体２の内壁面２ａから離間する方向に傾斜して配置された第１及び第２の波板材４，５の第２の側端部４ｃ，５ｃ側に向かって流れ落ちることになる。

これにより、本実施形態の充填塔１では、第１及び第２の溝部４ａ，５ａに沿って流れ落ちる液Ｌを、塔体２の内壁面２ａから離間する方向へと案内することが可能である。すなわち、充填物３の外周部分や塔体２の内壁面２ａに液Ｌが集まり、充填物３の外周部分や内壁面２ａに沿って液Ｌが流れ落ちるといった偏流の発生を防ぐことが可能である。

以上のようにして、本実施形態の充填塔１では、上述した簡便な構造を有する充填物３を用いて、塔体２の内部における偏流の発生を防止しながら、充填物３の表面において十分な気液接触を行わせることが可能である。その結果、本実施形態の充填塔１では、低コストで高効率の分留（精留）を行うことが可能である。

なお、本発明は、上記実施形態のものに必ずしも限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記第１及び第２の波板材４，５は、第２の側端部４ｃ，５ｃが直線状に傾斜した構成となっているが、それ以外にも、第２の側端部４ｃ，５ｃが曲線状に傾斜した構成や、第２の側端部４ｃ，５ｃが階段状に傾斜した構成とすることも可能である。

１…充填塔 ２…塔体 ３…充填物 ４，４１，４２…第１の波板材 ４ａ…第１の溝部 ４ｂ…一方の側端部 ４ｃ…他方の側端部 ５，５１，５２…第２の波板材 ５ａ…第２の溝部 ５ｂ…一方の側端部 ５ｃ…他方の側端部 ６…カラー Ｌ…液

Claims (8)

1. 塔体の内部に充填物が充填された充填塔であって、
   前記充填物は、山折りと谷折りとを繰り返すことにより波状に折り曲げられた第１の波板材及び第２の波板材を有して、前記第１の波板材の両面に並列して設けられた複数の第１の溝部と、前記第２の波板材の両面に並列して設けられた複数の第２の溝部とが前記塔体の軸線方向に対して互いに逆向きに傾斜するように、前記第１の波板材と前記第２の波板材とを前記塔体の軸線方向とは直交する方向に交互に積層した状態で、前記塔体の内部に配置されており、
   前記第１の波板材は、前記塔体の内壁面に対向する一対の側端部のうち、前記第１の溝部の上端が位置する一方の側端部が前記塔体の内壁面に沿って配置されると共に、前記第１の溝部の下端が位置する他方の側端部が前記塔体の内壁面から離間する方向に傾斜して配置され、
   前記第２の波板材は、前記塔体の内壁面に対向する一対の側端部のうち、前記第２の溝部の上端が位置する一方の側端部が前記塔体の内壁面に沿って配置されると共に、前記第２の溝部の下端が位置する他方の側端部が前記塔体の内壁面から離間する方向に傾斜して配置されていることを特徴とする充填塔。
2. 前記他方の側端部の前記塔体の内壁面から離間する最大幅が、１〜１０ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の充填塔。
3. 前記充填物は、前記塔体の内部形状に合わせて、前記第１の波板材と前記第２の波板材との幅を順次変えながら、前記第１の波板材と前記第２の波板材とを交互に積層した状態で、前記塔体の内部に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の充填塔。
4. 前記充填物は、前記第１の波板材及び前記第２の波板材の積層方向が交差するように、前記塔体の軸線方向に複数積層された状態で配置されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の充填塔。
5. 前記充填物は、前記第１の波板材と前記第２の波板材とが交互に積層された状態で、その周囲を囲むカラーにより固定されていることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の充填塔。
6. 塔体の内部に充填される充填塔の充填物であって、
   山折りと谷折りとを繰り返すことにより波状に折り曲げられた第１の波板材及び第２の波板材を有して、前記第１の波板材の両面に並列して設けられた複数の第１の溝部と、前記第２の波板材の両面に並列して設けられた複数の第２の溝部とが前記塔体の軸線方向に対して互いに逆向きに傾斜するように、前記第１の波板材と前記第２の波板材とを前記塔体の軸線方向とは直交する方向に交互に積層した構造を有し、
   前記第１の波板材の前記塔体の内壁面に対向する一対の側端部のうち、前記第１の溝部の上端が位置する一方の側端部が前記塔体の内壁面に沿って配置されると共に、前記第１の溝部の下端が位置する他方の側端部が前記塔体の内壁面から離間する方向に傾斜して配置され、
   前記第２の波板材の前記塔体の内壁面に対向する一対の側端部のうち、前記第２の溝部の上端が位置する一方の側端部が前記塔体の内壁面に沿って配置されると共に、前記第２の溝部の下端が位置する他方の側端部が前記塔体の内壁面から離間する方向に傾斜して配置されるように、
   前記第１の波板材と前記第２の波板材とが交互に積層された状態で、その周囲を囲むカラーにより固定された構造を有することを特徴とする充填物。
7. 前記他方の側端部の前記塔体の内壁面から離間する最大幅が、１〜１０ｍｍであることを特徴とする請求項６に記載の充填物。
8. 前記塔体の内部形状に合わせて、前記第１の波板材と前記第２の波板材との幅を順次変えながら、前記第１の波板材と前記第２の波板材とを交互に積層した構造を有することを特徴とする請求項６又は７に記載の充填物。

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