JP2022033275A - Distillation separation method and distillation separator using filler - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a filler which is a porous body and which can reduce the height of filling to the height of a practical level and to provide a distillation separation method and a distillation separator using the filler.
MEANS: In a filler filled in a distillation column supplied with a treatment liquid,: at least a surface thereof is covered with a fine pore forming means constituted with a porous body expressing a capillary phenomenon; the fine pore forming means is a metal-sprayed layer or a metal-sintered body; an aluminum-sprayed layer is used as the metal-sprayed layer; "aluminum spray coating MATSUI regulation 250S" is exemplified as the filler using the aluminum-sprayed layer; and "porous aluminum cruciform" constituted with an aluminum-sintered body is exemplified as the filler using the metal-sintered body.
SELECTED DRAWING: Figure 3
COPYRIGHT: (C)2022,JPO&INPIT

Description

本発明は、充填塔に使用される充填材、該充填材を用いた蒸留分離方法及び蒸留分離装置に関し、特に、トリチウム水と軽水との分離に好適に実施することが可能な蒸留分離方法及び蒸留分離装置に関するものである。 The present invention relates to a packed material used in a packed tower, a distillation separation method and a distillation separation device using the packed material, and in particular, a distillation separation method and a distillation separation method that can be suitably carried out for separation of tritiated water and light water. It relates to a distillation separation device.

充填塔を蒸留塔として用いた蒸留分離装置において、従来使用されているガラスビーズ等の充填材を用いて比揮発度が接近した成分の蒸留分離を行うと、蒸留塔の段数が実用的レベルを超えた多数の段数が必要となる。例えば、トリチウム水の蒸留分離の場合には、その濃度を10倍に濃縮するのに還流比を30として理論段数が230段を必要とするとの報告がある(以下の非特許文献1参照)。ここで、還流比を大きく取れば段数は少なくできる。しかし、還流比を大きくしようとすれば、エネルギーを増加する必要があり、エネルギーコストの増加を招来することになる。 In a distillation separation device that uses a packed column as a distillation column, when distillation separation of components with close specific volatility is performed using a conventionally used packing material such as glass beads, the number of stages of the distillation column becomes a practical level. A large number of stages exceeding the number is required. For example, in the case of distillation separation of tritiated water, it has been reported that a reflux ratio of 30 and a theoretical plate number of 230 are required to concentrate the concentration 10 times (see Non-Patent Document 1 below). Here, the number of stages can be reduced by increasing the reflux ratio. However, if an attempt is made to increase the reflux ratio, it is necessary to increase the energy, which leads to an increase in energy cost.

そこで、かかる課題を解決するため、蒸留分離対象となる当該成分を選択的に吸着する吸着材を充填材として使用する充填塔式蒸留分離が効果的であることが提案されている(以下の非特許文献2参照)。この非特許文献2によれば、シリカゲルビーズを充填材とする場合の蒸留分離方法を検討すると、同じ還流比で理論段数を133段とすることができると推測される。 Therefore, in order to solve such a problem, it has been proposed that a packed tower type distillation separation using an adsorbent that selectively adsorbs the component to be distilled-separated as a filler is effective (the following non-distillation). See Patent Document 2). According to this Non-Patent Document 2, when the distillation separation method when silica gel beads are used as a filler is examined, it is presumed that the number of theoretical plates can be 133 with the same reflux ratio.

上記従来例のように、シリカゲルビーズのような選択的吸着材を充填材とする場合には、還流比及び理論段数を大幅に小さくできる。しかしながら、なお高い還流比を必要とするうえ、吸着材の製造には特殊な製法を必要とするため、運転に要するエネルギーが膨大となり、充填材の製造コストが高くなるという問題が生じる。 When a selective adsorbent such as silica gel beads is used as the filler as in the above-mentioned conventional example, the reflux ratio and the number of theoretical plates can be significantly reduced. However, since a high reflux ratio is still required and a special manufacturing method is required for manufacturing the adsorbent, there is a problem that the energy required for operation becomes enormous and the manufacturing cost of the filler becomes high.

一方、近年、吸着性がなくても、その内部に特定の孔径の連通気孔をもつ多孔体から成る充填材が提案されている(以下の特許文献1参照)。この特許文献1の充填材は、例えば、ポリプロピレンから成る多孔体であって、平均孔径は80~300μmとされている。このような構成の充填材では、連通気孔の内部に液が浸透することにより、濡れ表面積が大きくなる。その結果、気液接触面積の増加による分離性能の向上が図れるとされている。 On the other hand, in recent years, a filler made of a porous body having continuous ventilation holes having a specific pore diameter inside thereof even if it is not adsorptive has been proposed (see Patent Document 1 below). The filler of Patent Document 1 is, for example, a porous body made of polypropylene, and has an average pore size of 80 to 300 μm. In the filler having such a structure, the wet surface area becomes large due to the permeation of the liquid into the communication holes. As a result, it is said that the separation performance can be improved by increasing the gas-liquid contact area.

昭55-8819号公開公報Publication No. 55-8819

「2009 Evaluation of Tritium Removal and Mitigation Technologies for Wastewater Treatment」, DOE/RL-2009-18"2009 Evaluation of Tritium Removal and Mitigation Technologies for Wastewater Treatment", DOE / RL-2009-18 「Tritium Isotope Separation by Water Distillation Column Packed with Silica-gel Beads」, Journal of NUCLEAR SCIENCE and TECHNOLOGY Vol.41, No.5 pp619-623"Tritium Isotope Separation by Water Distillation Column Packed with Silica-gel Beads", Journal of NUCLEAR SCIENCE and TECHNOLOGY Vol.41, No.5 pp619-623

しかし、上記のポリプロピレンから成る多孔体であって、平均孔径が80~300μmの連通気孔をもつ充填材は、未だ充分な分離性能が得られていない。そのことは、後述する[実施例]の項で説明するように、本発明者らによる実験により、HETP(1理論段数当たりの相当高さ)がかなり高い値であり、充填高さを実用的レベルの高さまで低くできないということが立証されている。 However, the above-mentioned porous body made of polypropylene and a filler having continuous ventilation holes having an average pore diameter of 80 to 300 μm has not yet obtained sufficient separation performance. As will be described later in the section of [Example], the HETP (equivalent height per theoretical plate) is a considerably high value according to the experiments by the present inventors, and the filling height is practical. It has been proven that it cannot be lowered to the height of the level.

本願発明は、上記課題に鑑みて考え出されたものであり、その目的は、多孔体であって、且つ充填高さを実用的レベルの高さまで低減できる充填材、該充填材を用いた蒸留分離方法及び蒸留分離装置を提供することである。 The present invention has been conceived in view of the above problems, and an object thereof is a filler that is a porous body and can reduce the filling height to a practical level, and distillation using the filler. It is to provide a separation method and a distillation separation apparatus.

上記目的を達成するために請求項1記載の発明は、処理液が供給される蒸留塔内に充填される充填材であって、少なくとも表面が毛細管現象を発現する多孔質で構成された微細孔形成手段で覆われており、前記微細孔形成手段は金属溶射層又は金属焼結体であることを特徴とする。 In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 is a filler filled in a distillation column to which a treatment liquid is supplied, and at least the surface thereof is a micropore made of a porous material that exhibits a capillary phenomenon. It is covered with a forming means, and the micropore forming means is characterized by being a metal spray layer or a metal sintered body.

ここで、「少なくとも表面が毛細管現象を発現する多孔質で構成された微細孔形成手段で覆われており」とは、充填材全体が微細孔形成手段で構成されている場合と、充填材基材の表面のみを微細孔形成手段が覆うように構成されている場合とを含むことを意味する。 Here, "at least the surface is covered with a micropore-forming means made of a porous material that exhibits a capillary phenomenon" means that the entire filler is made of the micropore-forming means and the filler base. It means that the case where the micropore forming means is configured to cover only the surface of the material is included.

上記構成によれば、微細孔内を浸透する液が、毛細管現象の作用により、充填材表面に浸出し、且つ、充填材表面を短時間に覆うように拡散し、そのため、気液接触面積の増大及び蒸留塔における物質移動速度が高められる。この結果、HETP(理論段相当高さ:Height equivalent of theoretical plateの略)を低減でき、充填高さを実用的レベルの高さまで低くすることができる蒸留分離方法(請求項4記載の発明)及び蒸留分離装置(請求項5記載の発明)を実現可能とすることができる。 According to the above configuration, the liquid penetrating the inside of the micropores seeps out to the surface of the filler due to the action of the capillary phenomenon and diffuses so as to cover the surface of the filler in a short time. Increased and increased mass transfer rate in the distillation column. As a result, the distillation separation method (invention according to claim 4) capable of reducing HETP (height equivalent of theoretical plate) and reducing the filling height to a practical level. The distillation separation device (the invention according to claim 5) can be realized.

請求項2記載の発明は、請求項1記載の充填材であって、前記金属溶射層はアルミ溶射層であることを特徴とする。 The invention according to claim 2 is the filler according to claim 1, wherein the metal sprayed layer is an aluminum sprayed layer.

請求項3記載の発明は、請求項1記載の充填材であって、前記金属焼結体はアルミ焼結体であることを特徴とする。 The invention according to claim 3 is the filler according to claim 1, wherein the metal sintered body is an aluminum sintered body.

請求項4記載の発明は、請求項1~3のいずれかに記載の充填材が充填された蒸留塔を用いて、処理すべき原液の蒸留分離を行うことを特徴とする蒸留分離方法である。 The invention according to claim 4 is a distillation separation method characterized by performing distillation separation of a stock solution to be treated by using a distillation column filled with the filler according to any one of claims 1 to 3. ..

上記構成によれば、分離性能が改善し、且つ、充填高さを実用的レベルの高さまで低くできる蒸留分離方法が実現できる。 According to the above configuration, it is possible to realize a distillation separation method in which the separation performance is improved and the filling height can be lowered to a practical level.

請求項5記載の発明は、蒸留塔を備えた蒸留分離装置であって、前記蒸留塔は請求項1~3のいずれかに記載の充填材が充填されていることを特徴とする。 The invention according to claim 5 is a distillation separation device provided with a distillation column, wherein the distillation column is filled with the filler according to any one of claims 1 to 3.

上記構成によれば、分離性能が改善し、且つ、充填高さを実用的レベルの高さまで低くできる蒸留分離装置が実現できる。 According to the above configuration, it is possible to realize a distillation separation device capable of improving the separation performance and reducing the filling height to a practical level.

本発明によれば、気孔内を浸透する液が、毛細管現象の発現により、充填材表面に浸出し、且つ、充填材表面を短時間に覆うように拡散し、そのため、気液接触面積の増大及び蒸留塔における物質移動速度が高められる。この結果、HETP(理論段相当高さ:Height equivalent of theoretical plateの略)を低減でき、充填高さを実用的レベルの高さまで低くすることができる蒸留分離方法及び蒸留分離装置を実現可能とすることができる。 According to the present invention, the liquid penetrating into the pores seeps out to the surface of the filler due to the appearance of the capillary phenomenon, and diffuses so as to cover the surface of the filler in a short time, so that the air-liquid contact area increases. And the mass transfer rate in the distillation column is increased. As a result, it is possible to realize a distillation separation method and a distillation separation device that can reduce HETP (height equivalent of theoretical plate) and reduce the filling height to a practical level. be able to.

毛管構造体に関する材料と細管半径の組み合わせ毎の毛管水柱高さを示すグラフ。A graph showing the height of the capillary water column for each combination of material and capillary radius related to the capillary structure. 毛管構造体に関する材料と細管半径の組み合わせ毎の液浸透速度(10mmを進む時間で表現)を示すグラフ。The graph which shows the liquid permeation rate (expressed by the time to advance 10 mm) for each combination of a material and a capillary radius about a capillary structure. 毛管構造体から成る充填材を蒸留塔に使用した蒸留分離装置の全体構成図。Overall configuration diagram of a distillation separation device using a filler composed of a capillary structure for a distillation column.

以下、本発明を実施の形態に基づいて詳述する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではない。
(実施の形態)
本実施の形態に係る充填材は、処理液が供給される蒸留塔内に充填される充填材であって、毛管構造体から成る。ここで「毛管構造体」とは、多数の気孔を有する多孔体で構成されると共に、気孔内を浸透する液が、毛細管現象の作用により、充填材表面に浸出し、且つ、充填材表面を短時間に覆うように拡散する状態が発現し得るように構成された構造体を意味する。ここで、「気孔」とは、ひとまとまりの物体に含まれる微小な空洞を意味し、外気と接続している開気孔と物体内部に孤立している閉気孔とを含む。「気孔」は、ひとまとまりの物体に含まれる微小な空洞を意味し、外気と接続している開気孔と物体内部に孤立している閉気孔とを含む。また、ここで、「短時間」とは、充填材表面を流下する液が気孔に侵入することにより当該位置において一旦途切れ、当該位置において途切れた状態から後続する流下液が通過するまでに、少なくとも前記気孔内を浸透する液が充填材表面を覆うように拡散し、前記後続する流下液と接触することを可能とする極めて短い時間を意味する。なお、「短時間」の具体的な意義は、後述する[実施例]の段落0081において説明されている。
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on the embodiments. The present invention is not limited to the following embodiments.
(Embodiment)
The filler according to the present embodiment is a filler filled in a distillation column to which a treatment liquid is supplied, and is composed of a capillary structure. Here, the "capillary structure" is composed of a porous body having a large number of pores, and the liquid that permeates the pores seeps out to the surface of the filler due to the action of the capillary phenomenon, and the surface of the filler is exposed. It means a structure configured so that a state of diffusion so as to cover in a short time can occur. Here, the "pore" means a minute cavity contained in a group of objects, and includes an open pore connected to the outside air and a closed pore isolated inside the object. "Void" means a minute cavity contained in a group of objects, including open pores connected to the outside air and closed pores isolated inside the object. Further, here, "short time" means that the liquid flowing down the surface of the filler enters the pores and is temporarily interrupted at the position, and at least until the subsequent flowing liquid passes from the interrupted state at the position. It means an extremely short time during which the liquid penetrating the pores diffuses so as to cover the surface of the filler and is allowed to come into contact with the subsequent flowing liquid. The specific meaning of "short time" is explained in paragraph 1981 of [Example] described later.

また、毛管構造体の具体的構成としては、毛管水柱高さが所定以上であり、且つ毛管構造体内を液が浸透する浸透速度が所定以上(なお、以下の具体的な表現としては、液が所定長さを浸透するのに要する時間が所定以下という表現)であることが必要である。ここで、毛管水柱高さが所定以上という限定によって、後述するように毛管構造体として要請される毛管力が得られるための多孔体の材質と孔径とが決定される。毛管構造体内を液が浸透する浸透速度が所定以上という限定によって、後述するように毛管構造体として要請される液の流動性が得られるための多孔体の材質と孔径とが決定される。 Further, as a specific configuration of the capillary structure, the height of the capillary water column is at least a predetermined value, and the permeation rate at which the liquid permeates the inside of the capillary structure is at least a predetermined value. It is necessary that the time required to penetrate the predetermined length is less than or equal to the predetermined time). Here, by limiting the height of the capillary water column to a predetermined value or more, the material and pore diameter of the porous body for obtaining the capillary force required for the capillary structure are determined as described later. The material and pore size of the porous body for obtaining the fluidity of the liquid required for the capillary structure are determined by the limitation that the permeation rate at which the liquid permeates the inside of the capillary structure is a predetermined value or more.

以下に、先ず、本実施の形態に至る経緯について説明し、次いで、毛管構造体の毛管水柱高さの具体的な概念、及び毛管構造体の液浸透速度の具体的な概念について詳述する。 Hereinafter, the background to the present embodiment will be described first, and then the specific concept of the height of the capillary water column of the capillary structure and the specific concept of the liquid permeation rate of the capillary structure will be described in detail.

[実施の形態に至る経緯]
本発明者らは、構造体の内部に毛管力が作用する程度の空間を設けると、液は毛管力によってあらゆる面に拡がって行き、結果として充填材の表面の全体を液が覆う力が作用し、この力を利用した気液接触装置は大幅に物質移動速度を高めることを見出した。
従来では、充填材の表面の濡れ性を改善するための表面処理(例えば、特に水系においてステンレス材料を用いるとき、物理的なサンドブラスト、化学的な表面処理)が行なわれている。しかし、これらは液(特に水の場合)との接触角を小さくして濡れ性を改善するものであるが、接触角が存在する限り濡れ面積は物理的表面積のある割合に留まることを免れず、その面積は予測式が提案されており、物理的表面積より相当小さい。
[Background to the embodiment]
When the present inventors provide a space inside the structure to the extent that the capillary force acts, the liquid spreads to all surfaces by the capillary force, and as a result, the force that the liquid covers the entire surface of the filler acts. However, it has been found that a gas-liquid contact device using this force significantly increases the mass transfer rate.
Conventionally, a surface treatment for improving the wettability of the surface of the filler (for example, physical sand blasting or chemical surface treatment when a stainless steel material is used especially in an aqueous system) is performed. However, although these are intended to reduce the contact angle with the liquid (especially in the case of water) and improve the wettability, the wet area is inevitably limited to a certain proportion of the physical surface area as long as the contact angle exists. , The area is much smaller than the physical surface area for which a predictive formula has been proposed.

例えば、規則充填物の例として計算すると以下のようである。この種のモデル式は複数のものが提案されているが、ここでは接触角の要素を含んだSRPモデル(University of Texas Separation Research Programの略称:)を用いた。 For example, the calculation as an example of a regular filling is as follows. Several model formulas of this type have been proposed, but here we used the SRP model (abbreviation of University of Texas Separation Research Program :) that includes the contact angle element.

Figure 2022033275000002
Figure 2022033275000002

Figure 2022033275000003
Figure 2022033275000003

Figure 2022033275000004
Figure 2022033275000004

Figure 2022033275000005
Figure 2022033275000005

Figure 2022033275000006
Figure 2022033275000006

Figure 2022033275000007
Figure 2022033275000007

Figure 2022033275000008
Figure 2022033275000008

ここで、数3~数8に以下の表1の条件数値を代入すると、 Here, by substituting the condition values in Table 1 below into the numbers 3 to 8,

Figure 2022033275000009
Figure 2022033275000009

仮に、濡れ性改善を試みて充填物表面の接触角を50°まで改善することが出来たとしてもその値は0.14に留まり、特に、液の空塔速度が小さい時(5m/mhのような)は、如何に有効に作用していない面積が多くなっているかが判る。
そこで、本発明者らは、蒸留塔内に充填される充填材を毛管構造体で構成すれば、液は毛管力によってあらゆる面に拡がって行き、結果として充填材の表面の全体を液が覆う力が作用することを見出した。毛管力は、例えば構成材料と水の接触角が同じであれば、細孔口径が小さいほど大きくなる。しかしながら、蒸留塔に用いる充填材は単に毛管現象を有するというだけでは効果がない。本発明者らは、液が毛管内を流動する際の速度が重要なファクターになっていることを見出した。この結果、気液接触面積の増大及び蒸留塔における物質移動速度が高められることにより、HETP(理論段相当高さ:Height equivalent of theoretical plateの略)を低減でき、充填高さを実用的レベルの高さまで低くすることができる。
Even if the contact angle of the filling surface could be improved to 50 ° by trying to improve the wettability, the value remains at 0.14, especially when the superficial velocity of the liquid is small (5 m 3 / m). (Like 2h ) shows how many areas are not working effectively.
Therefore, if the filler to be filled in the distillation column is composed of a capillary structure, the present inventors spread the liquid to all surfaces by the capillary force, and as a result, the liquid covers the entire surface of the filler. I found that force works. For example, if the contact angle between the constituent material and water is the same, the capillary force increases as the pore diameter becomes smaller. However, the filler used in the distillation column is not effective simply because it has a capillarity. The present inventors have found that the speed at which the liquid flows in the capillary tube is an important factor. As a result, HETP (height equivalent of theoretical plate) can be reduced by increasing the gas-liquid contact area and the mass transfer rate in the distillation column, and the filling height can be set to a practical level. Can be lowered to height.


Figure 2022033275000010
Figure 2022033275000010

[毛管構造体の毛管水柱高さ]
毛管水柱高さは毛管構造体の毛管力を評価する指標であり、具体的には毛管力を一本の細管における毛管水柱で近似して表したもので以下の数8による。なお、使用する水は常温である。
[Capillary water column height of capillary structure]
The height of the capillary water column is an index for evaluating the capillary force of the capillary structure. Specifically, the capillary force is approximately expressed by the capillary water column in one capillary tube, and is based on the following number 8. The water used is at room temperature.

Figure 2022033275000011
Figure 2022033275000011

ここで、θ(接触角)と細管半径rは以下の表2の値を採用し、構成材料と細管半径rの組み合わせ毎に数8を用いて毛管水柱高さを算出し、その算出結果を表3に示す。また、表3に示す各毛管水柱高さを図1にグラフ化して示している。なお、図1においては、ガラスビーズ(r=10μm)、セルロース毛管構造体(r=10μm)、プラスチック毛管構造体(r=5μm)及びセラミック毛管構造体(r=35μm)における毛管水柱高さは、いずれも枠外の値であるので、0,3mまで描いている。 Here, θ (contact angle) and the capillary radius r adopt the values in Table 2 below, and the capillary water column height is calculated using the number 8 for each combination of the constituent material and the capillary radius r, and the calculation result is obtained. It is shown in Table 3. In addition, the height of each capillary water column shown in Table 3 is shown as a graph in FIG. In FIG. 1, the height of the capillary water column in the glass beads (r = 10 μm), the cellulose capillary structure (r = 10 μm), the plastic capillary structure (r = 5 μm) and the ceramic capillary structure (r = 35 μm) is , All of them are values outside the frame, so they are drawn up to 0.3m.

Figure 2022033275000012
Figure 2022033275000012

Figure 2022033275000013
Figure 2022033275000013

図1においてガラスビーズで細管半径が500μm、アルミ毛管構造体で細管半径が330μm、プラスチックで細管半径が100μm、セラミックス毛管構造体で細管半径が390μm、ステンレス毛管構造体で細管半径が180μm、あるいは銅毛管構造体で細管半径が270μmの場合は、毛管水柱高さが約0.03mである。また、プラスチックで細管半径が50μmの場合は、毛管水柱高さが約0.05mである。図1においてその他場合は、いずれも毛管水柱高さが約0.05mよりも格段に大きい値である。そこで、毛管構造体の毛管力としては、少なくとも毛管水柱高さが0.03m以上を有していることが好ましく、より好ましくは0.05m以上とした。この0.03m以上、より好ましくは0.05m以上を有する毛管構造体が、HETP(理論段相当高さ)の低減になることは後述する実施例、比較例により立証(より正確に説明すれば、0.03m以上、より好ましくは0.05m以上を有するという条件に加えて、後述する10mmを進む時間(秒)が0.1秒以内、より好ましくは0.05秒以内を有するという条件も付加された場合の立証)されている。 In FIG. 1, glass beads have a capillary radius of 500 μm, an aluminum capillary structure has a capillary radius of 330 μm, plastic has a capillary radius of 100 μm, a ceramic capillary structure has a capillary radius of 390 μm, and a stainless steel capillary structure has a capillary radius of 180 μm, or copper. When the capillary structure has a capillary radius of 270 μm, the height of the capillary water column is about 0.03 m. Further, when the plastic has a capillary radius of 50 μm, the height of the capillary water column is about 0.05 m. In the other cases in FIG. 1, the height of the capillary water column is much larger than about 0.05 m. Therefore, as the capillary force of the capillary structure, it is preferable that the height of the capillary water column is at least 0.03 m or more, and more preferably 0.05 m or more. It is proved by Examples and Comparative Examples to be described later that the capillary structure having 0.03 m or more, more preferably 0.05 m or more, reduces HETP (theoretical stage equivalent height) (more accurately explained). In addition to the condition of having 0.03 m or more, more preferably 0.05 m or more, there is also a condition that the time (seconds) for advancing 10 mm, which will be described later, is within 0.1 seconds, more preferably within 0.05 seconds. Proof when added).

[毛管構造体の液浸透速度]
毛管構造体の液浸透速度は、液が所定長さを浸透するのに要する時間が所定以下という表現で示す。
[Liquid permeation rate of capillary structure]
The liquid permeation rate of the capillary structure is expressed by the expression that the time required for the liquid to permeate a predetermined length is not more than a predetermined time.

同じ毛管構造であってもその空隙サイズがあまり小さすぎると毛管現象による流動性が流動摩擦によって低下し、充填塔の物質移動速度を低下させる。そこで、液は毛管力と毛管を流れる摩擦抵抗が等しくなって毛管構造体の中を流れが拡大してゆくと考え、水平方向に仮に10mmを浸透する時間を以下の数9により算出した結果を以下の表4に示す。この表4は、表3と同様の材料と細管半径の組み合わせ毎に算出される10mmを進む時間(秒)を示している。また、また、表4に示す各10mmを進む時間(秒)を図2にグラフ化して示している。なお、図2において、プラスチック毛管構造体(r=5μm)における当該時間(秒)は、枠外の値であるので、1.2秒まで描いている。
なお、数12はLucas-Washburnの式として文献資料に示されているが、毛管力を圧力差に換算したものを用い、Hagen-Poiseuilleの流動式を利用して毛管流れを解析したものである。
Even if the capillary structure is the same, if the void size is too small, the fluidity due to the capillary phenomenon decreases due to the flow friction, and the mass transfer rate of the packed column is decreased. Therefore, it is considered that the flow of the liquid expands in the capillary structure because the capillary force and the frictional resistance flowing through the capillary become equal, and the time for tentatively penetrating 10 mm in the horizontal direction is calculated by the following equation 9. It is shown in Table 4 below. This Table 4 shows the time (seconds) to travel 10 mm calculated for each combination of the same material and capillary radius as in Table 3. In addition, the time (seconds) for advancing each 10 mm shown in Table 4 is shown as a graph in FIG. In FIG. 2, the time (seconds) in the plastic capillary structure (r = 5 μm) is a value outside the frame, so it is drawn up to 1.2 seconds.
In addition, although the number 12 is shown in the literature as the Lucas-Washburn formula, the capillary flow is analyzed using the Hagen-Poiseuille flow formula using the one obtained by converting the capillary force into the pressure difference. ..


Figure 2022033275000014
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Figure 2022033275000015
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これは、毛管力によって液が構造体内部を流れる時の流動速度が、充填塔の物質移動速度に関係していることを示している。毛管力が大きくても、液が浸透する構造が細かく、浸透速度が遅い構造は物質移動速度を高めるのに効果がないか、または小さい。各種の充填物を用いた蒸留分離試験により、この時間は例えば10mmを浸透するのに0.1秒以内、より好ましくは0.05秒以内であるような毛管構造体が充填塔の物質移動速度を高めるのに効果があることを見出した。 This indicates that the flow velocity when the liquid flows inside the structure due to the capillary force is related to the mass transfer velocity of the packed column. Even if the capillary force is large, the structure in which the liquid permeates is fine, and the structure in which the permeation rate is slow is ineffective or small in increasing the mass transfer rate. Distillation separation tests using various packed materials have shown that this time is within 0.1 seconds, more preferably within 0.05 seconds for permeating 10 mm, for mass transfer rates in packed beds. It was found to be effective in increasing.

具体的には、図2においてガラスビーズで細管半径が10μm、アルミ毛管構造体で細管半径が40μm、セルロース毛管構造体で細管半径が10μm、プラスチック毛管構造体で細管半径が5μm、プラスチック毛管構造体で細管半径が50μm、プラスチック毛管構造体で細管半径が100μm、あるいはセラミックス毛管構造体で細管半径が35μmの場合は、要する時間が0.1秒以上である。また、ガラスビーズで細管半径が50μm、アルミ毛管構造体で細管半径が50μm、ステンレス毛管構造体で細管半径が75μmあるいは銅毛管構造体で細管半径50μmの場合は、要する時間が0.05秒以上である。図2においてその他場合は、いずれも要する時間が0.05秒よりも格段に小さい値である。そこで、毛管構造体の浸透速度としては、要する時間が少なくとも0.1秒以内であることが好ましく、より好ましくは0.05秒以内とした。この0.1秒以内、より好ましくは0.05秒以内を有する毛管構造体が、HETP(理論段相当高さ)の低減になることは後述する実施例、比較例により立証(より正確に説明すれば、0.1秒以内、より好ましくは0.05秒以内を有するという条件に加えて、毛管水柱高さが0.03m以上を有していることが好ましく、より好ましくは0.05m以上を有する条件も付加された場合の立証)されている。 Specifically, in FIG. 2, the glass beads have a capillary radius of 10 μm, the aluminum capillary structure has a capillary radius of 40 μm, the cellulose capillary structure has a capillary radius of 10 μm, the plastic capillary structure has a capillary radius of 5 μm, and the plastic capillary structure. When the capillary radius is 50 μm, the capillary radius is 100 μm in the plastic capillary structure, or the capillary radius is 35 μm in the ceramic capillary structure, the time required is 0.1 seconds or more. If the glass beads have a capillary radius of 50 μm, the aluminum capillary structure has a capillary radius of 50 μm, the stainless capillary structure has a capillary radius of 75 μm, or the copper capillary structure has a capillary radius of 50 μm, the time required is 0.05 seconds or longer. Is. In the other cases in FIG. 2, the time required is much smaller than 0.05 seconds. Therefore, the permeation rate of the capillary structure is preferably at least 0.1 seconds or less, and more preferably 0.05 seconds or less. It is proved by Examples and Comparative Examples to be described later that the capillary structure having a time of 0.1 seconds or less, more preferably 0.05 seconds or less, reduces HETP (theoretical stage equivalent height) (more accurately explained). Therefore, in addition to the condition that the height is within 0.1 seconds, more preferably within 0.05 seconds, the height of the capillary water column is preferably 0.03 m or more, more preferably 0.05 m or more. It is proved when the condition of having is also added).

[好ましい毛管構造体の具体例]
上記の[毛管構造体の毛管水柱高さ]及び[毛管構造体の液浸透速度]の条件を満たす毛管構造体が好ましい。なお、工業的作製を考慮して、材質としてはセラミック、ステンレス、アルミ、銅とするのが好ましい。このような条件から、具体的な好ましい毛管構造体としては、細孔口径が70μm(細管半径r=35に相当)以上、800(細管半径r=400に相当、なお、上記例ではr=390を使用)μm以下のセラミック毛管構造体、細孔口径が150μm(細管半径r=75に相当)以上、400(細管半径r=200に相当、なお、上記例ではr=180を使用)μm以下のステンレス毛管構造体、細孔口径が80μm(細管半径r=40に相当)以上、700(細管半径r=350に相当、なお、上記例ではr=330を使用)μm以下のアルミ毛管構造体、及び細孔口径が100μm(細管半径r=50に相当)以上、500(細管半径r=250に相当、なお、上記例ではr=270を使用)μm以下の銅毛管構造体である。
[Specific example of preferable capillary structure]
A capillary structure satisfying the above conditions of [capillary water column height of capillary structure] and [liquid permeation rate of capillary structure] is preferable. In consideration of industrial production, it is preferable to use ceramic, stainless steel, aluminum, or copper as the material. From such conditions, as a specific preferable capillary structure, the pore diameter is 70 μm (corresponding to the capillary radius r = 35) or more, 800 (corresponding to the capillary radius r = 400, and r = 390 in the above example. ) Μm or less ceramic capillary structure, pore diameter 150 μm (corresponding to capillary radius r = 75), 400 (corresponding to capillary radius r = 200, r = 180 is used in the above example) μm or less Stainless steel capillary structure, aluminum capillary structure with pore diameter of 80 μm (corresponding to capillary radius r = 40) and 700 (corresponding to capillary radius r = 350, r = 330 is used in the above example) μm or less , And a copper capillary structure having a pore diameter of 100 μm (corresponding to a capillary radius r = 50) and 500 (corresponding to a capillary radius r = 250, r = 270 is used in the above example) μm or less.

[蒸留分離装置の適用例]
図3は毛管構造体から成る充填材を蒸留塔に使用した蒸留分離装置の全体構成図である。蒸留分離装置1に供給される原液は、トリチウム水(HTO又はTO)を含む軽水(HO)である。この蒸留分離装置1においては、トリチウム水(HTO又はTO)を含む軽水(HO)を、原液よりも高濃度のトリチウム水と、原液よりも低濃度のトリチウム水に分離する用途に使用される。
[Application example of distillation separation device]
FIG. 3 is an overall configuration diagram of a distillation separation device using a filler made of a capillary structure in a distillation column. The undiluted solution supplied to the distillation separation device 1 is light water (H 2 O) containing tritiated water (HTO or T 2 O). In this distillation separation device 1, light water (H 2 O) containing tritiated water (HTO or T 2 O) is separated into tritiated water having a higher concentration than the undiluted solution and tritiated water having a lower concentration than the undiluted solution. used.

蒸留分離装置1は、充填式の多段の蒸留塔2と、蒸留塔2の塔底部の貯留液を加熱して蒸気化するリボイラー3と、蒸留塔2の塔頂部から供給される蒸気を冷却して液化する凝縮器4と、凝縮器4からの凝縮液を貯留する還流タンク5と、還流タンク5の底部から蒸留塔2の塔頂部に凝縮液を還流する還流ラインL1に設けられるポンプ6と、還流ラインL1に設けられる制御弁V1と、凝縮器4に供給される冷却水の供給源である冷却槽7とを備える。蒸留塔2の充填材としては、毛管構造体から成る充填材が使用されている。凝縮器4の抽気は別途設けられた真空ポンプ(図示せず)に接続されており、この真空ポンプによって蒸留塔2内は真空になっている。また、運転温度は真空ポンプの真空度を調整することによって所定の値に制御されている。 The distillation separation device 1 cools the refillable multi-stage distillation column 2, the reboiler 3 that heats and vaporizes the stored liquid at the bottom of the distillation column 2, and the steam supplied from the top of the distillation column 2. A condenser 4 for liquefying, a reflux tank 5 for storing the condensed liquid from the condenser 4, and a pump 6 provided on the reflux line L1 for refluxing the condensed liquid from the bottom of the reflux tank 5 to the top of the distillation column 2. , A control valve V1 provided on the reflux line L1 and a cooling tank 7 as a supply source of cooling water supplied to the condenser 4. As the filler of the distillation column 2, a filler made of a capillary structure is used. The bleed air of the condenser 4 is connected to a vacuum pump (not shown) provided separately, and the inside of the distillation column 2 is evacuated by this vacuum pump. Further, the operating temperature is controlled to a predetermined value by adjusting the degree of vacuum of the vacuum pump.

なお、蒸留分離装置1は、必要に応じて、温度計、圧力計及び流量計を備えている。温度計、圧力計及び流量計としては、例えば、蒸留塔2の塔頂部に設けられる温度計T1及び圧力計P1、蒸留塔2の塔底部に設けられる温度計T2及び圧力計P2、還流ラインL1に設けられ蒸留塔2の塔頂部に戻される還流量を計測する流量計F1、冷却水往きラインL2に設けられる温度計T3及び流量計F2、冷却水戻りラインL3に設けられる温度計T4、還流タンク5に設けられる温度計T5等が挙げられる。 The distillation separation device 1 is provided with a thermometer, a pressure gauge, and a flow meter, if necessary. Examples of the thermometer, pressure gauge and flow meter include a thermometer T1 and a pressure gauge P1 provided at the top of the distillation tower 2, a thermometer T2 and a pressure gauge P2 provided at the bottom of the distillation tower 2, and a reflux line L1. F1, thermometer T3 and flow meter F2 provided in the cooling water flow line L2, thermometer T4 provided in the cooling water return line L3, and recirculation. Examples thereof include a thermometer T5 provided in the tank 5.

上記構成の蒸留分離装置1の動作は、一般的な蒸留分離装置と同様な動作である。以下に簡単に説明すると、原液は蒸留塔2の中央部から供給され、蒸留塔2内を流下し、蒸留塔2の塔底部においてリボイラー3によって加熱され蒸気を発生させる。発生蒸気は蒸留塔2内を上昇し、蒸留塔2内を下降する原液と気液接触が行われる。このとき、充填材が毛管構造体であることから、液が充填材表面全体を覆うように拡散していく状態が発現される。これにより気液接触面積が増大し、より多くの接触面で気液接触が行われることが可能となり、分離性能が向上する。 The operation of the distillation separation device 1 having the above configuration is the same as that of a general distillation separation device. Briefly described below, the undiluted solution is supplied from the central portion of the distillation column 2, flows down in the distillation column 2, and is heated by the reboiler 3 at the bottom of the distillation column 2 to generate steam. The generated steam rises in the distillation column 2 and undergoes gas-liquid contact with the undiluted solution descending in the distillation column 2. At this time, since the filler is a capillary structure, a state in which the liquid diffuses so as to cover the entire surface of the filler is exhibited. As a result, the gas-liquid contact area is increased, gas-liquid contact can be performed on more contact surfaces, and the separation performance is improved.

そして、この気液接触の過程で、下降液中のトリチウム濃度は増加し、上昇蒸気中のトリチウム濃度は減少する。そして、気液接触後の上昇蒸気は塔頂部に到達し、更に、凝縮器4に導かれる。凝縮器4では供給された蒸気が冷却水によって冷却され、還流タンク5を経て一部は塔頂部に戻され(還流)、一部は原液よりもトリチウム濃度の低い低濃度トリチウム水として排出ラインL4から排出される。一方、気液接触後の下降液体は塔底部に貯留され、この貯留液の一部は原液よりもトリチウム濃度の高い高濃度トリチウム水として排出ラインL5から回収される。 Then, in the process of this gas-liquid contact, the tritium concentration in the descending liquid increases, and the tritium concentration in the ascending steam decreases. Then, the rising steam after the gas-liquid contact reaches the top of the column and is further guided to the condenser 4. In the condenser 4, the supplied steam is cooled by the cooling water, and a part of the steam is returned to the top of the column (reflux) through the reflux tank 5, and a part of the steam is discharged as low-concentration tritiated water having a lower tritiated concentration than the undiluted solution. Is discharged from. On the other hand, the descending liquid after the gas-liquid contact is stored in the bottom of the column, and a part of this stored liquid is recovered from the discharge line L5 as high-concentration tritiated water having a higher tritiated concentration than the undiluted solution.

(その他の事項)
(1)毛管構造体の気孔は、連通孔でも独立孔でもよい。
(Other matters)
(1) The pores of the capillary structure may be communication holes or independent holes.

(2)毛管構造体の表面が親水化処理されているのが好ましい。 (2) It is preferable that the surface of the capillary structure is hydrophilized.

(3)充填材としては、円柱ビーズ状や球状ビーズでもよく、また、実際の装置で使用されることが多い、規則充填物、または適切な圧力損失特性を有する不規則充填物であっても、その表面を多孔質にした充填材を採用したり、表面に多孔質材料を担持させる構成であってもよい。このような構成であっても、同様の効果を達成できる。 (3) The filler may be a columnar bead or a spherical bead, and may be a regular filler or an irregular filler having appropriate pressure loss characteristics, which is often used in an actual device. , A filler having a porous surface thereof may be adopted, or a porous material may be supported on the surface. Even with such a configuration, the same effect can be achieved.

(4)上記実施の形態では、「処理の対象となる液(原液)」としては、トリチウム水を用いたけれども、本発明はこれに限定されず、重水やその他の比揮発度が接近した同位体の分離においても適用できる。 (4) In the above embodiment, tritiated water is used as the "liquid (stock solution) to be treated", but the present invention is not limited to this, and heavy water and other isotopes having close specific volatility are used. It can also be applied to the separation of the body.

(5)蒸留分離装置は、上記実施の形態に限らず、ヒートポンプとして機能する蒸気圧縮機を設け、蒸留塔の塔頂部からの蒸気を、蒸気圧縮機を使用してリボイラーの加熱源に再利用する省エネルギー型の蒸留分離装置であってもよい。 (5) The distillation separation device is not limited to the above embodiment, but is provided with a steam compressor that functions as a heat pump, and the steam from the top of the distillation column is reused as a heating source for the reboiler using the steam compressor. It may be an energy-saving type distillation separation device.

(6)上記実施の形態における充填材(毛管構造体に相当)としては、少なくとも表面が毛細管現象を発現する多孔質で構成された微細孔形成手段で覆われており、微細孔形成手段は金属溶射層又は金属焼結体であってもよい。ここで、「少なくとも表面が毛細管現象を発現する多孔質で構成された微細孔形成手段で覆われており」とは、充填材全体が微細孔形成手段で構成されている場合と、充填材基材の表面のみを微細孔形成手段が覆うように構成されている場合とを含むことを意味する。 (6) As the filler (corresponding to the capillary structure) in the above embodiment, at least the surface is covered with a micropore-forming means made of a porous material that exhibits a capillary phenomenon, and the micropore-forming means is a metal. It may be a sprayed layer or a metal sintered body. Here, "at least the surface is covered with a micropore-forming means made of a porous material that exhibits a capillary phenomenon" means that the entire filler is made of the micropore-forming means and the filler base. It means that the case where the micropore forming means is configured to cover only the surface of the material is included.

また、金属溶射層はアルミ溶射層であることが好ましい。アルミ溶射層を用いた充填材としては、「アルミ溶射マツイ規則250S」(後述する実施例6に相当)が例示される。 Further, the metal sprayed layer is preferably an aluminum sprayed layer. As a filler using an aluminum sprayed layer, "Aluminum sprayed Matsui Rule 250S" (corresponding to Example 6 described later) is exemplified.

また、金属焼結体はアルミ焼結体であることが好ましい。アルミ焼結体を用いた充填材としては、アルミの焼結体で構成された「多孔質アルミ十字型」(後述する実施例5に相当)が例示される。 Further, the metal sintered body is preferably an aluminum sintered body. As a filler using an aluminum sintered body, a “porous aluminum cross shape” (corresponding to Example 5 described later) composed of an aluminum sintered body is exemplified.

ここで、アルミ溶射層を用いた充填材が、HETP(理論段相当高さ)を低減でき、充填高さを実用的レベルの高さまで低くすることができることは、後述する第3実験例によって立証されている。また、アルミ焼結体を用いた充填材が、HETP(理論段相当高さ)を低減でき、充填高さを実用的レベルの高さまで低くすることができることは、後述する第2実験例によって立証されている。 Here, it is proved by the third experimental example described later that the filler using the aluminum sprayed layer can reduce the HETP (height equivalent to the theoretical stage) and the filler height to a practical level. Has been done. Further, it is proved by the second experimental example described later that the filler using the aluminum sintered body can reduce the HETP (height equivalent to the theoretical stage) and the filling height can be lowered to a practical level. Has been done.

以下、実施例により本発明をより具体的に説明する。本発明は以下の実施例によって何ら限定されるものではない。なお、以下の実施例、比較例においては、蒸留塔の大きさ(実施の形態のような実機の蒸留塔における胴径は数mレベルである)が異なること以外は上記実施の形態と同様の構成の試験用蒸留分離装置を用いて、材料及び孔径が異なる種々の充填材を使用し、原液を重水として蒸留分離を行なった。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. The present invention is not limited to the following examples. In the following examples and comparative examples, the same as the above embodiment except that the size of the distillation column (the body diameter of the actual distillation column as in the embodiment is several m level) is different. Distillation separation was performed using the undiluted solution as heavy water using various fillers having different materials and pore diameters using a test distillation separation device having a configuration.

[第1実験例]
第1実験例として、以下の実施例1~実施例4および比較例1~比較例4を行った。この第1実験例では、以下に述べるように、充填塔としては内径18mmのガラスカラムを用いた。
[Example of the first experiment]
As the first experimental example, the following Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 4 were performed. In this first experimental example, as described below, a glass column having an inner diameter of 18 mm was used as the packed column.

(実施例1)
充填材として直径0.34cm、長さ0.4cmのアルミナ製円柱ビーズ(西村陶業製 商品番号R-200)を用いた。この表面には10μm程度の微細孔が設けられている。
充填塔は内径18mmのガラスカラムに上記の充填材を充填高さが、ほぼ50cm~60cmになるように充填したものを用いた。ボイラーには300mlの純水に重水2.0mlを投入して調製した。運転は大気圧状態とした。ボイラーの温度は約100℃となり、ボイラーのヒーターの出力は70~75Wとして定常運転となるようにした。この時の留出量は約150ml/h(蒸発速度としては590kg/mh)であった。塔頂部から流出する蒸気は冷却器で冷却し、凝縮水の全量を塔頂部から流下させた。定常運転が得られるまで2時間を維持し、その後も定常運転を維持してさらに4時間経過後、ボイラーの下部の重水濃度と塔頂部の凝縮液の重水濃度をガスクロマトグラフで測定し次のデータを得た。
(Example 1)
Alumina columnar beads (Product No. R-200 manufactured by Nishimura Ceramics Co., Ltd.) having a diameter of 0.34 cm and a length of 0.4 cm were used as the filler. Micropores of about 10 μm are provided on this surface.
The packed tower used was a glass column having an inner diameter of 18 mm filled with the above-mentioned filler so that the filling height was approximately 50 cm to 60 cm. The boiler was prepared by adding 2.0 ml of heavy water to 300 ml of pure water. The operation was set to atmospheric pressure. The temperature of the boiler was about 100 ° C., and the output of the heater of the boiler was set to 70 to 75 W for steady operation. The distillate amount at this time was about 150 ml / h (evaporation rate was 590 kg / m 2 h). The steam flowing out from the top of the tower was cooled by a cooler, and the entire amount of condensed water was allowed to flow down from the top of the tower. Maintain 2 hours until steady operation is obtained, and after 4 hours have passed after that, measure the heavy water concentration at the bottom of the boiler and the heavy water concentration of the condensed liquid at the top of the boiler with a gas chromatograph, and the following data Got

ボイラーの濃縮液;0.699%
塔頂部の凝縮液;0.563%
分離係数(塔頂濃度÷ボイラー濃度)=0.81
Boiler concentrate; 0.699%
Condensate at the top of the tower; 0.563%
Separation coefficient (tower top concentration ÷ boiler concentration) = 0.81

(実施例2)
充填材として直径0.3~0.4cmのセルロース多孔性ビーズ(レンゴー(株)商品名ビスコパールPタイプ)を用いた。この表面には20~30μm程度の微細孔が設けられている。充填塔は内径18mmのガラスカラムに上記の充填物を充填高さが、ほぼ50cm~60cmになるように充填したものを用いた。ボイラーには300mlの純水に重水2.0mlを投入して調製した。運転は大気圧状態とした。ボイラーの温度は約100℃となり、ボイラーのヒーターの出力は60~65Wとして定常運転となるようにした。この時の留出量は約150ml/h(蒸発速度としては590kg/mh)であった。塔頂部から流出する蒸気は冷却器で冷却し、凝縮水の全量を塔頂部から流下させた。定常運転が得られるまで2時間を維持し、その後も定常運転を維持してさらに4時間経過後、ボイラーの下部の重水濃度と塔頂部の凝縮液の重水濃度をガスクロマトグラフで測定し次のデータを得た。
(Example 2)
Cellulose porous beads (trade name: Biscopearl P type, Rengo Co., Ltd.) having a diameter of 0.3 to 0.4 cm were used as a filler. Micropores of about 20 to 30 μm are provided on this surface. The packed tower used was a glass column having an inner diameter of 18 mm filled with the above filling so that the filling height was approximately 50 cm to 60 cm. The boiler was prepared by adding 2.0 ml of heavy water to 300 ml of pure water. The operation was set to atmospheric pressure. The temperature of the boiler was about 100 ° C., and the output of the heater of the boiler was set to 60 to 65 W for steady operation. The distillate amount at this time was about 150 ml / h (evaporation rate was 590 kg / m 2 h). The steam flowing out from the top of the tower was cooled by a cooler, and the entire amount of condensed water was allowed to flow down from the top of the tower. Maintain 2 hours until steady operation is obtained, and after 4 hours have passed after that, measure the heavy water concentration at the bottom of the boiler and the heavy water concentration of the condensed liquid at the top of the boiler with a gas chromatograph, and the following data Got

ボイラーの濃縮液;0.828%
塔頂部の凝縮液;0.629%
分離係数(塔頂濃度÷ボイラー濃度)=0.76
Boiler concentrate; 0.828%
Condensate at the top of the tower; 0.629%
Separation coefficient (tower top concentration ÷ boiler concentration) = 0.76

(実施例3)
充填材として直径0.3~0.4cmのガラスの焼結体である多孔性ガラスビーズ(ROBU社製)を用いた。この表面には40~100μm程度の微細孔が設けられている。充填塔は内径18mmのガラスカラムに上記の充填材を充填高さが、ほぼ50cm~60cmになるように充填したものを用いた。ボイラーには300mlの純水に重水2.0mlを投入して調製した。運転は大気圧状態とした。ボイラーの温度は約100℃となり、ボイラーのヒーターの出力は60~65Wとして定常運転となるようにした。この時の留出量は約80ml/h(蒸発速度としては300kg/mh)であった。塔頂部から流出する蒸気は冷却器で冷却し、凝縮水の全量を塔頂部から流下させた。定常運転が得られるまで2時間を維持し、その後も定常運転を維持してさらに4時間経過後、ボイラーの下部の重水濃度と塔頂部の凝縮液の重水濃度をガスクロマトグラフで測定し次のデータを得た。
(Example 3)
As the filler, porous glass beads (manufactured by ROBU), which is a sintered body of glass having a diameter of 0.3 to 0.4 cm, were used. Micropores of about 40 to 100 μm are provided on this surface. The packed tower used was a glass column having an inner diameter of 18 mm filled with the above-mentioned filler so that the filling height was approximately 50 cm to 60 cm. The boiler was prepared by adding 2.0 ml of heavy water to 300 ml of pure water. The operation was set to atmospheric pressure. The temperature of the boiler was about 100 ° C., and the output of the heater of the boiler was set to 60 to 65 W for steady operation. The distillate amount at this time was about 80 ml / h (evaporation rate was 300 kg / m 2 h). The steam flowing out from the top of the tower was cooled by a cooler, and the entire amount of condensed water was allowed to flow down from the top of the tower. Maintain 2 hours until steady operation is obtained, and after 4 hours have passed after that, measure the heavy water concentration at the bottom of the boiler and the heavy water concentration of the condensate at the top of the column with a gas chromatograph, and the following data Got

ボイラーの濃縮液;0.980%
塔頂部の凝縮液;0.523%
分離係数(塔頂濃度÷ボイラー濃度)=0.53
Boiler concentrate; 0.980%
Condensate at the top of the tower; 0.523%
Separation coefficient (tower top concentration ÷ boiler concentration) = 0.53

(実施例4)
充填材としてアルミの焼結体である多孔性アルミナ板(NDC販売社製)を直径0.3~0.4cmのペレットに加工して用いた。この表面には約200μm程度の微細孔が設けられている。充填塔は内径18mmのガラスカラムに上記の充填物を充填高さが、ほぼ50cm~60cmになるように充填したものを用いた。ボイラーには300mlの純水に重水2.0mlを投入して調製した。運転は大気圧状態とした。ボイラーの温度は約100℃となり、ボイラーのヒーターの出力は60~65Wとして定常運転となるようにした。この時の留出量は約70ml/h(蒸発速度としては270kg/mh)であった。塔頂部から流出する蒸気は冷却器で冷却し、凝縮水の全量を塔頂部から流下させた。定常運転が得られるまで2時間を維持し、その後も定常運転を維持してさらに4時間経過後、ボイラーの下部の重水濃度と塔頂部の凝縮液の重水濃度をガスクロマトグラフで測定し次のデータを得た。
(Example 4)
As a filler, a porous alumina plate (manufactured by NDC Sales Co., Ltd.), which is a sintered body of aluminum, was processed into pellets having a diameter of 0.3 to 0.4 cm and used. Micropores of about 200 μm are provided on this surface. The packed tower used was a glass column having an inner diameter of 18 mm filled with the above filling so that the filling height was approximately 50 cm to 60 cm. The boiler was prepared by adding 2.0 ml of heavy water to 300 ml of pure water. The operation was set to atmospheric pressure. The temperature of the boiler was about 100 ° C., and the output of the heater of the boiler was set to 60 to 65 W for steady operation. The distillate amount at this time was about 70 ml / h (evaporation rate was 270 kg / m 2 h). The steam flowing out from the top of the tower was cooled by a cooler, and the entire amount of condensed water was allowed to flow down from the top of the tower. Maintain 2 hours until steady operation is obtained, and after 4 hours have passed after that, measure the heavy water concentration at the bottom of the boiler and the heavy water concentration of the condensed liquid at the top of the boiler with a gas chromatograph, and the following data Got

ボイラーの濃縮液;0.771%
塔頂部の凝縮液;0.482%
分離係数(塔頂濃度÷ボイラー濃度)=0.63
Boiler concentrate; 0.771%
Condensate at the top of the tower; 0.482%
Separation coefficient (tower top concentration ÷ boiler concentration) = 0.63

(実施例4-2)
実施例4で用いた充填材に、表面の濡水性を改善するための親水性処理(ベーマイト処理)を行い、当該親水性処理を行った充填材を用いて、実施例4と同様の試験を行った。
ボイラーの濃縮液;0.753%
塔頂部の凝縮液;0.436%
分離係数(塔頂濃度÷ボイラー濃度)=0.58
(Example 4-2)
The filler used in Example 4 was subjected to a hydrophilic treatment (boehmite treatment) to improve the wettability of the surface, and the same test as in Example 4 was carried out using the filler subjected to the hydrophilic treatment. gone.
Boiler concentrate; 0.753%
Condensate at the top of the tower; 0.436%
Separation coefficient (tower concentration ÷ boiler concentration) = 0.58

(比較例1)
実施例と同じ装置で、同じ運転条件を採用し、充填材に微細孔のないガラスビーズ(4mmφ)を同じ充填高さに充填し、同様にして重水濃度を測定すると以下のとおりとなった。
(Comparative Example 1)
Using the same equipment as in the examples, the same operating conditions were adopted, glass beads (4 mmφ) without micropores were filled in the filler at the same filling height, and the heavy water concentration was measured in the same manner as follows.

ボイラーの濃縮液;0.792
塔頂部の凝縮液;0.703
分離係数(塔頂濃度÷ボイラー濃度)=0.89
Boiler concentrate; 0.792
Condensate at the top of the tower; 0.703
Separation coefficient (tower top concentration ÷ boiler concentration) = 0.89

(比較例2)
実施例と同じ装置で、同じ運転条件を採用し、充填物にゼオライトビーズ(ユニオン昭和 商品番号MS-13X、3~4mmφ)を同じ充填高さに充填し、同様にして重水濃度を測定すると以下のとおりとなった。
(Comparative Example 2)
Using the same equipment as in the examples, using the same operating conditions, the filler is filled with zeolite beads (Union Showa product number MS-13X, 3-4 mmφ) at the same filling height, and the heavy water concentration is measured in the same manner. It became as follows.

ボイラーの濃縮液;0.967
塔頂部の凝縮液;0.844
分離係数(塔頂濃度÷ボイラー濃度)=0.87
Boiler concentrate; 0.967
Condensate at the top of the tower; 0.844
Separation coefficient (tower top concentration ÷ boiler concentration) = 0.87

(比較例3)
実施例と同じ装置で、同じ運転条件を採用し、充填物にPP(ポリプロピレン)製プラスチック焼結多孔体、細孔径が200μm(富士ケミカル 厚み4mm)を同じ充填高さに充填し、同様にして重水濃度を測定すると以下のとおりとなった。
(Comparative Example 3)
Using the same equipment as in the examples, the same operating conditions were adopted, and the filler was filled with a PP (polypropylene) plastic sintered porous body and a pore diameter of 200 μm (Fuji Chemical thickness 4 mm) at the same filling height. The measurement of heavy water concentration was as follows.

ボイラーの濃縮液;0.785
塔頂部の凝縮液;0.691
分離係数(塔頂濃度÷ボイラー濃度)=0.88
Boiler concentrate; 0.785
Condensate at the top of the tower; 0.691
Separation coefficient (tower top concentration ÷ boiler concentration) = 0.88

(比較例4)
実施例と同じ装置で、同じ運転条件を採用し、充填物にPP(ポリプロピレン)製プラスチック焼結多孔体、細孔径100μm(富士ケミカル 厚み4mm)を同じ充填高さに充填し、同様にして重水濃度を測定すると以下のとおりとなった。
ボイラーの濃縮液;0.726
塔頂部の凝縮液;0.785
分離係数(塔頂濃度÷ボイラー濃度)=0.93
(Comparative Example 4)
With the same equipment as in the examples, the same operating conditions were adopted, and the filler was filled with a PP (polypropylene) plastic sintered porous body, a pore diameter of 100 μm (Fuji Chemical thickness 4 mm) at the same filling height, and similarly heavy water. The concentration was measured as follows.
Boiler concentrate; 0.726
Condensate at the top of the tower; 0.785
Separation coefficient (tower top concentration ÷ boiler concentration) = 0.93

ここで、上記実施例と上記比較例において蒸留塔のHETP(理論段相当高さ)を計算したので、その結果を以下の表5に示す。但し、100℃における重水の比揮発度は0.975とした。 Here, the HETP (height equivalent to the theoretical stage) of the distillation column was calculated in the above-mentioned Example and the above-mentioned Comparative Example, and the results are shown in Table 5 below. However, the specific volatility of heavy water at 100 ° C. was 0.975.

なお、HETPの計算は以下の式を使った。
HETP=Z/N
N={Log(Separation Factor)/Log(α)}-1
但し、Separation Factor:分離係数
α:比揮発度
Z:充填層高さ[m]
The following formula was used to calculate HETP.
HETP = Z / N
N = {Log (Separation Factor) / Log (α)} -1
However, Separation Factor: Separation coefficient α: Specific volatility Z: Packed bed height [m]

Figure 2022033275000016
Figure 2022033275000016

(第1実験例における実験結果の検討)
(1)表5より、実施例1~実施例4-2のHETPが、比較例1(充填物が細孔のないガラスビーズ)のHETPの15~49%であることが明示される。このことから、充填物の細孔の有無によってHETPを低くできることが導かれる。
(Examination of experimental results in the first experimental example)
(1) From Table 5, it is clarified that the HETP of Examples 1 to 4-2 is 15 to 49% of the HETP of Comparative Example 1 (glass beads whose filling is no pores). This leads to the fact that HETP can be lowered depending on the presence or absence of pores in the packing.

(2)また、表5より、実施例1~実施例4-2のHETPが、比較例2(充填物がゼオライトビーズ)のHETPの22~72%であることが明示される。このことから、以下の事項が導かれる。即ち、ゼオライトビーズも実施例1~実施例4-2の充填物と同様に多孔質であるが、その細孔サイズは例えば0.15~0.43μmであり、あまりにも多孔質構造の空洞部分が小さいので液の移動に時間が掛かりすぎる。このため、蒸留塔には効果が小さいと考えられる。つまり、HETPを低くするためには、多孔質であることが前提であるが、細孔サイズがあまりにも小さい場合は却って不適当であることが導かれる。 (2) Further, from Table 5, it is clarified that the HETP of Examples 1 to 4-2 is 22 to 72% of the HETP of Comparative Example 2 (filling is zeolite beads). From this, the following matters are derived. That is, the zeolite beads are also porous like the fillers of Examples 1 to 4-2, but their pore size is, for example, 0.15 to 0.43 μm, and the cavity portion having a too porous structure is formed. Because it is small, it takes too much time to move the liquid. Therefore, it is considered that the effect is small for the distillation column. That is, in order to lower HETP, it is premised that it is porous, but if the pore size is too small, it is rather inappropriate.

(3)また、表5より、実施例1~実施例4-2のHETPが、比較例3(充填物がPP製(ポリプロピレン)プラスチック焼結多孔体、細孔径が200μm)のHETPの22~72%であることが明示される。このことから、以下の事項が導かれる。即ち、充填物がポリプロピレンのような高分子の多孔体の場合は、HETPを低くするのに不適当であることが導かれる。この理由は、水とポリプロピレンの接触角が大きいため、毛管構造で水を吸引する力が小さく、そのため、毛管構造部分を液が移動するエリアが小さいことによるものと考えられる。なお、細孔サイズを大きくすれば液の移動時間は短くできるが、その移動は重力やその他の力が作用して限定される。 (3) Further, from Table 5, the HETPs of Examples 1 to 4-2 are 22 to 22 of the HETPs of Comparative Example 3 (filling is made of PP (polypropylene) plastic sintered porous body, pore diameter is 200 μm). It is clearly stated that it is 72%. From this, the following matters are derived. That is, when the filler is a porous body of a polymer such as polypropylene, it is derived that it is not suitable for lowering HETP. It is considered that the reason for this is that since the contact angle between water and polypropylene is large, the force for sucking water in the capillary structure is small, and therefore the area where the liquid moves through the capillary structure portion is small. The movement time of the liquid can be shortened by increasing the pore size, but the movement is limited by the action of gravity and other forces.

(4)また、表5より、実施例1~実施例4-2のHETPが、比較例4(充填物がPP製(ポリプロピレン)プラスチック焼結多孔体、細孔径が100μm)のHETPの10~34%であることが明示される。このことから、以下の事項が導かれる。即ち、比較例3と同様に、充填物がポリプロピレンのような高分子の多孔体の場合は、HETPを低くするのに不適当であることが導かれる。但し、水とポリプロピレンの接触角が大きくても細孔サイズを小さくすると、毛管構造で水を吸引する力は大きくすることができる。しかし、細孔サイズが小さい場合は毛管構造部分を液が移動するのに時間が掛かりすぎることになり、HETPを低くするのに不適当であると認められる。 (4) Further, from Table 5, the HETPs of Examples 1 to 4-2 are 10 to 10 of the HETPs of Comparative Example 4 (filling is made of PP (polypropylene) plastic sintered porous body, pore diameter is 100 μm). It is clearly stated that it is 34%. From this, the following matters are derived. That is, as in Comparative Example 3, when the filler is a porous body of a polymer such as polypropylene, it is derived that it is not suitable for lowering HETP. However, even if the contact angle between water and polypropylene is large, if the pore size is reduced, the force for sucking water in the capillary structure can be increased. However, if the pore size is small, it takes too much time for the liquid to move through the capillary structure portion, which is considered inappropriate for lowering HETP.

(5)表5より、総括的な結論としては、本発明による充填物のHETPはガラスビーズのそれの15~49%、ゼオライトビーズのそれの22~72%となったから、同じ性能を必要とする蒸留塔の充填高さを大きく低減することができ、その効果は大きい。 (5) From Table 5, the overall conclusion is that the HETP of the filler according to the present invention is 15 to 49% of that of glass beads and 22 to 72% of that of zeolite beads, so that the same performance is required. The filling height of the distillation column can be greatly reduced, and the effect is great.

[第2実験例]
第2実験例として、以下の実施例5および比較例5,6を行った。この第2実験例では、以下に述べるように、充填塔としては内径100mmのステンレス製円塔容器を用いた。また、充填材として不規則充填物を用いた。なお、後述する第3実験例では充填材として規則充填物を用いたことにおいて相違する。
[Example of the second experiment]
As the second experimental example, the following Example 5 and Comparative Examples 5 and 6 were performed. In this second experimental example, as described below, a stainless steel circular tower container having an inner diameter of 100 mm was used as the packed column. In addition, an irregular filler was used as the filler. It should be noted that the third experimental example described later differs in that a regular filler is used as the filler.

(実施例5)
充填材としてアルミの焼結体で構成された「多孔質アルミ十字型」を用いた。「多孔質アルミ十字型」は、多孔質アルミ板(代表寸法12.5mm)を十字型に成型したものであり、表面には約200μm程度の微細孔が設けられている。充填塔は内径100mmのステンレス製円塔容器に上記の充填物を充填高さが、41.5cmになるように充填したものを用いた。ボイラーには55Lの純水に重水1kgを投入して調製した。運転は所定減圧状態とした。ボイラーの温度は約65℃となり、ボイラーのヒーターの出力は12kwとして定常運転となるようにした。この時の留出量は約18.4l/h(蒸発速度としては2000kg/m2h)であった。塔頂部から流出する蒸気は冷却器で冷却し、凝縮水の全量を塔頂部から流下させた。定常運転が得られるまで2時間を維持し、その後も定常運転を維持してさらに4時間経過後、ボイラーの下部の重水濃度と塔頂部の凝縮液の重水濃度をガスクロマトグラフで測定し次のデータを得た。
(Example 5)
A "porous aluminum cross" composed of an aluminum sintered body was used as the filler. The "porous aluminum cross shape" is a cross-shaped molded porous aluminum plate (typical size 12.5 mm), and has micropores of about 200 μm on the surface. As the packed tower, a stainless steel circular tower container having an inner diameter of 100 mm was filled with the above-mentioned filling so that the filling height was 41.5 cm. The boiler was prepared by adding 1 kg of heavy water to 55 L of pure water. The operation was set to a predetermined decompression state. The temperature of the boiler was about 65 ° C., and the output of the heater of the boiler was set to 12 kw for steady operation. The distillate amount at this time was about 18.4 l / h (evaporation rate was 2000 kg / m 2 h). The steam flowing out from the top of the tower was cooled by a cooler, and the entire amount of condensed water was allowed to flow down from the top of the tower. Maintain 2 hours until steady operation is obtained, and after 4 hours have passed after that, measure the heavy water concentration at the bottom of the boiler and the heavy water concentration of the condensed liquid at the top of the boiler with a gas chromatograph, and the following data Got

ボイラーの濃縮液;1.740%
塔頂部の凝縮液;1.441%
分離係数(塔頂濃度÷ボイラー濃度)=0.828
Boiler concentrate; 1.740%
Condensate at the top of the tower; 1.441%
Separation coefficient (tower top concentration ÷ boiler concentration) = 0.828

(比較例5)
実施例5と同じ装置で、同じ運転条件を採用し、充填物に「マツイカスケードミニリング」(マツイマシン株式会社製)を用いて充填高さが100cmとなるように充填し、実施例5と同様の測定方法により重水濃度を測定すると以下のとおりとなった。なお、「マツイカスケードミニリング」は、多孔質でない不規則充填物(代表寸法17mm)であり、ショットブラスト表面処理によって表面があらされている。
(Comparative Example 5)
With the same equipment as in Example 5, the same operating conditions were adopted, and the filling was filled with "Matsui Cascade Mini Ring" (manufactured by Matsui Machine Co., Ltd.) so that the filling height was 100 cm. When the heavy water concentration was measured by the same measurement method, it was as follows. The "Matsui Cascade Mini Ring" is an irregular filler (typical size 17 mm) that is not porous, and its surface is exposed by shot blast surface treatment.

ボイラーの濃縮液;1.630%
塔頂部の凝縮液;1.373%
分離係数(塔頂濃度÷ボイラー濃度)=0.842
Boiler concentrate; 1.630%
Condensate at the top of the tower; 1.373%
Separation coefficient (tower top concentration ÷ boiler concentration) = 0.842

(比較例6)
実施例5と同じ装置で、同じ運転条件を採用し、充填物に不規則充填物であるセラミック製ラシヒリング(表面がゼオライトでコーティングされ、代表寸法12.5mm)を用いて充填高さが48cmとなるように充填し、実施例5と同様の測定方法により重水濃度を測定すると以下のとおりとなった。なお、当該セラミック製ラシヒリングは、表面がゼオライトでコーティングされている。
(Comparative Example 6)
With the same equipment as in Example 5, the same operating conditions are adopted, and the filling is made of ceramic Raschig ring (the surface is coated with zeolite and the representative size is 12.5 mm), which is an irregular filling, and the filling height is 48 cm. When the heavy water concentration was measured by the same measuring method as in Example 5, the results were as follows. The surface of the ceramic raschig ring is coated with zeolite.

ボイラーの濃縮液;1.706%
塔頂部の凝縮液;1.468%
分離係数(塔頂濃度÷ボイラー濃度)=0.860
Boiler concentrate; 1.706%
Condensate at the top of the tower; 1.468%
Separation coefficient (tower top concentration ÷ boiler concentration) = 0.860

Figure 2022033275000017
Figure 2022033275000017

(第2実験例における実験結果の検討)
表6より、実施例5のHETPが、比較例5のHETPの36%、比較例6のHETPの62%であることが明示される。このことから、不規則充填物の場合であっても、多孔質でない充填物(比較例5)や多孔質であっても細孔サイズが小さすぎる充填物(比較例6)に対して、好ましい細孔サイズで構成された「多孔質アルミ十字型」(実施例5)がHETPを低くできることが導かれる。なお、微細孔形成手段として、アルミの焼結体で構成するのが好ましいことが理解される。
(Examination of experimental results in the second experimental example)
From Table 6, it is clarified that the HETP of Example 5 is 36% of the HETP of Comparative Example 5 and 62% of the HETP of Comparative Example 6. For this reason, even in the case of an irregular packing, it is preferable for a filling that is not porous (Comparative Example 5) and a filling that is porous but has a pore size that is too small (Comparative Example 6). It is derived that the "porous aluminum cross" (Example 5) configured by the pore size can lower HETP. It is understood that it is preferable to use an aluminum sintered body as the fine pore forming means.

[第3実験例]
第3実験例として、以下の実施例6および比較例7,8を行った。この第3実験例では、以下に述べるように、充填塔としては内径100mmのステンレス製円塔容器を用いた。また、充填材として規則充填物を用いた。
[Example of the third experiment]
As the third experimental example, the following Example 6 and Comparative Examples 7 and 8 were performed. In this third experimental example, as described below, a stainless steel circular tower container having an inner diameter of 100 mm was used as the packed tower. In addition, a regular filler was used as the filler.

(実施例6)
充填材として「アルミ溶射マツイ規則250S」を用いた。「アルミ溶射マツイ規則250S」は、既存の充填物(金属の波板で構成された「マツイ規則250S」)の表面にアルミ溶射層が設けられている充填物であって、その表面には約200μm程度の微細孔が設けられている。充填塔は内径100mmのステンレス製円塔容器に上記の充填物を充填高さが、90cmになるように充填したものを用いた。ボイラーには55Lの純水に重水1kgを投入して調製した。運転は大気圧状態とした。ボイラーの温度は約65℃となり、ボイラーのヒーターの出力は12kwとして定常運転となるようにした。この時の留出量は約18.4l/h(蒸発速度としては2000kg/m2h)であった。塔頂部から流出する蒸気は冷却器で冷却し、凝縮水の全量を塔頂部から流下させた。定常運転が得られるまで2時間を維持し、その後も定常運転を維持してさらに4時間経過後、ボイラーの下部の重水濃度と塔頂部の凝縮液の重水濃度をガスクロマトグラフで測定し次のデータを得た。
なお、上記アルミ溶射層の形成に際しては、プラズマ溶射やアーク溶射等の公知の溶射法を用いた。
(Example 6)
"Aluminum sprayed Matsui Rule 250S" was used as the filler. "Aluminum sprayed Matsui Rule 250S" is a filler in which an aluminum sprayed layer is provided on the surface of an existing filler ("Matsui Rule 250S" composed of corrugated metal plates), and the surface thereof is approximately. Micropores of about 200 μm are provided. As the packed tower, a stainless steel circular tower container having an inner diameter of 100 mm was filled with the above-mentioned filling so that the filling height was 90 cm. The boiler was prepared by adding 1 kg of heavy water to 55 L of pure water. The operation was set to atmospheric pressure. The temperature of the boiler was about 65 ° C., and the output of the heater of the boiler was set to 12 kw for steady operation. The distillate amount at this time was about 18.4 l / h (evaporation rate was 2000 kg / m 2 h). The steam flowing out from the top of the tower was cooled by a cooler, and the entire amount of condensed water was allowed to flow down from the top of the tower. Maintain 2 hours until steady operation is obtained, and after 4 hours have passed after that, measure the heavy water concentration at the bottom of the boiler and the heavy water concentration of the condensed liquid at the top of the boiler with a gas chromatograph, and the following data Got
In forming the aluminum spraying layer, a known thermal spraying method such as plasma spraying or arc spraying was used.

ボイラーの濃縮液;1.711%
塔頂部の凝縮液;1.350%
分離係数(塔頂濃度÷ボイラー濃度)=0.789
Boiler concentrate; 1.711%
Condensate at the top of the tower; 1.350%
Separation coefficient (tower top concentration ÷ boiler concentration) = 0.789

(比較例7)
実施例6と同じ装置で、同じ運転条件を採用し、充填材としてはアルミ溶射していない「マツイ規則250S」(マツイマシン株式会社製)を用いて充填高さが90cmとなるように充填し、実施例6と同様の測定方法により重水濃度を測定すると以下のとおりとなった。
(Comparative Example 7)
With the same equipment as in Example 6, the same operating conditions are adopted, and the filling material is "Matsui Rule 250S" (manufactured by Matsui Machine Co., Ltd.), which is not sprayed with aluminum, so that the filling height is 90 cm. When the heavy water concentration was measured by the same measuring method as in Example 6, it was as follows.

ボイラーの濃縮液;1.836%
塔頂部の凝縮液;1.583%
分離係数(塔頂濃度÷ボイラー濃度)=0.863
Boiler concentrate; 1.836%
Condensate at the top of the tower; 1.583%
Separation coefficient (tower top concentration ÷ boiler concentration) = 0.863

Figure 2022033275000018
Figure 2022033275000018

(第3実験例における実験結果の検討)
表7より、実施例6のHETPが、比較例7のHETPの54%であることが明示される。このことから、規則充填物の場合であっても、多孔質でない充填物(比較例7)に対して、アルミ溶射により表面に微細孔を設けた充填物(実施例6)がHETPを低くできることが導かれる。なお、微細孔形成手段として、アルミ溶射によりアルミ溶射層を形成するのが好ましいことが理解される。また、不規則充填物である実施例5と、規則充填物である実施例6とを比較すると、圧力損失を小さく抑えることができるという観点から、規則充填物である実施例6の方が好ましい。
(Examination of experimental results in the third experimental example)
From Table 7, it is clarified that the HETP of Example 6 is 54% of the HETP of Comparative Example 7. From this, even in the case of a regular filling, the filling having micropores on the surface by aluminum spraying (Example 6) can lower the HETP with respect to the non-porous filling (Comparative Example 7). Is guided. It is understood that it is preferable to form an aluminum sprayed layer by spraying aluminum as a means for forming micropores. Further, comparing Example 5 which is an irregular filling and Example 6 which is an irregular filling, Example 6 which is an irregular filling is preferable from the viewpoint that the pressure loss can be suppressed to a small size. ..

(第1実験例~第3実験例における実験結の総括)
以上のように本発明による充填物のHETPはガラスビーズのそれの15~49%、ゼオライトビーズのそれの22~72%となったから、同じ性能を必要とする蒸留塔の充填高さを大きく低減することができ、その効果は大きい。
(Summary of experimental conclusions in the first to third experimental examples)
As described above, the HETP of the filler according to the present invention was 15 to 49% of that of the glass beads and 22 to 72% of that of the zeolite beads, so that the filling height of the distillation column requiring the same performance was greatly reduced. The effect is great.

比揮発度が接近している成分の蒸留分離(例えば重水と軽水、トリチウムと軽水、トリチウムと重水、など)には充填高を如何に低くするかが工業上の課題になっている。従来、この問題に対して、充填物に吸着性を持たせる試みが為されてきた。本発明は吸着性を有しないが多数の気孔を有する毛管構造体を構成することにより、吸着材の場合よりもさらに分離効果を高めることが出来ることを見出した。このような構造に分離効果を高める効果があることの理論的な考察はなお継続しているが、以下のように考えられる。即ち、充填材の表面は、この試験を行った液流下速度(第1実験例の270kg/mh~590kg/mhと、第2および第3実験例の2000kg/mh)では、表面のある一点に着目すると、常時液が流れるのではなく、しばしば液流下が途切れ、蒸気と直接接触し、しばらく後に液が再び表面を覆って流れ下るものと推測される。蒸気と接触したとき、表面には多孔部分に液が留まっており、この部分が蒸気中の成分と接触して、より蒸気の平衡濃度に接近するものと考えられる。そこに流下液が接触するので流下液の濃度が、多孔質の存在しない場合よりも高く濃縮されるものと考えられる。 For distillation separation of components with close specific volatility (for example, heavy water and light water, tritium and light water, tritium and heavy water, etc.), how to reduce the filling height is an industrial issue. Conventionally, attempts have been made to make the filler adsorbable to solve this problem. It has been found that the present invention can further enhance the separation effect as compared with the case of the adsorbent by constructing a capillary structure having no adsorptive property but having a large number of pores. The theoretical consideration that such a structure has the effect of enhancing the separation effect is still continuing, but it is considered as follows. That is, the surface of the filler is at the liquid flow rate (270 kg / m 2 h to 590 kg / m 2 h in the first experimental example and 2000 kg / m 2 h in the second and third experimental examples) in which this test was performed. Focusing on one point on the surface, it is presumed that the liquid does not always flow, but the liquid flow is often interrupted, comes into direct contact with the steam, and after a while, the liquid covers the surface again and flows down. When in contact with steam, the liquid remains in the porous portion on the surface, and it is considered that this portion comes into contact with the components in the vapor and approaches the equilibrium concentration of the vapor. Since the flowing liquid comes into contact there, it is considered that the concentration of the flowing liquid is higher than that in the absence of the porosity.

本発明は、蒸留塔に使用される充填材、該充填材を用いた蒸留分離方法、及び蒸留分離装置に、特に、トリチウム水のように比揮発度が接近した成分の蒸留分離に好適に実施することが可能な蒸留分離方法及び蒸留分離装置に適用することが可能である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is suitably carried out for a filler used in a distillation column, a distillation separation method using the filler, and a distillation separation device, particularly for distillation separation of a component having a close specific volatilization such as tritium water. It is possible to apply to the distillation separation method and the distillation separation apparatus which can be performed.

1:蒸留装置 2:蒸留塔
3:リボイラー 4:凝縮器
1: Distiller 2: Distiller 3: Reboiler 4: Condensator

本発明は、充填塔に使用される充填材を用いた蒸留分離方法及び蒸留分離装置に関し、特に、トリチウム水と軽水との分離に好適に実施することが可能な蒸留分離方法及び蒸留分離装置に関するものである。 The present invention relates to a distillation separation method and a distillation separation device using a packed material used in a packed bed, and more particularly to a distillation separation method and a distillation separation device that can be suitably carried out for separation of tritiated water and light water. It is a thing.

充填塔を蒸留塔として用いた蒸留分離装置において、従来使用されているガラスビーズ等の充填材を用いて比揮発度が接近した成分の蒸留分離を行うと、蒸留塔の段数が実用的レベルを超えた多数の段数が必要となる。例えば、トリチウム水の蒸留分離の場合には、その濃度を10倍に濃縮するのに還流比を30として理論段数が230段を必要とするとの報告がある(以下の非特許文献1参照)。ここで、還流比を大きく取れば段数は少なくできる。しかし、還流比を大きくしようとすれば、エネルギーを増加する必要があり、エネルギーコストの増加を招来することになる。 In a distillation separation device that uses a packed column as a distillation column, when distillation separation of components with close specific volatility is performed using a conventionally used packing material such as glass beads, the number of stages of the distillation column becomes a practical level. A large number of stages exceeding the number is required. For example, in the case of distillation separation of tritiated water, it has been reported that a reflux ratio of 30 and a theoretical plate number of 230 are required to concentrate the concentration 10 times (see Non-Patent Document 1 below). Here, the number of stages can be reduced by increasing the reflux ratio. However, if an attempt is made to increase the reflux ratio, it is necessary to increase the energy, which leads to an increase in energy cost.

そこで、かかる課題を解決するため、蒸留分離対象となる当該成分を選択的に吸着する吸着材を充填材として使用する充填塔式蒸留分離が効果的であることが提案されている(以下の非特許文献2参照)。この非特許文献2によれば、シリカゲルビーズを充填材とする場合の蒸留分離方法を検討すると、同じ還流比で理論段数を133段とすることができると推測される。 Therefore, in order to solve such a problem, it has been proposed that a packed tower type distillation separation using an adsorbent that selectively adsorbs the component to be distilled-separated as a filler is effective (the following non-distillation). See Patent Document 2). According to this Non-Patent Document 2, when the distillation separation method when silica gel beads are used as a filler is examined, it is presumed that the number of theoretical plates can be 133 with the same reflux ratio.

上記従来例のように、シリカゲルビーズのような選択的吸着材を充填材とする場合には、還流比及び理論段数を大幅に小さくできる。しかしながら、なお高い還流比を必要とするうえ、吸着材の製造には特殊な製法を必要とするため、運転に要するエネルギーが膨大となり、充填材の製造コストが高くなるという問題が生じる。 When a selective adsorbent such as silica gel beads is used as the filler as in the above-mentioned conventional example, the reflux ratio and the number of theoretical plates can be significantly reduced. However, since a high reflux ratio is still required and a special manufacturing method is required for manufacturing the adsorbent, there is a problem that the energy required for operation becomes enormous and the manufacturing cost of the filler becomes high.

一方、近年、吸着性がなくても、その内部に特定の孔径の連通気孔をもつ多孔体から成る充填材が提案されている(以下の特許文献1参照)。この特許文献1の充填材は、例えば、ポリプロピレンから成る多孔体であって、平均孔径は80~300μmとされている。このような構成の充填材では、連通気孔の内部に液が浸透することにより、濡れ表面積が大きくなる。その結果、気液接触面積の増加による分離性能の向上が図れるとされている。 On the other hand, in recent years, a filler made of a porous body having continuous ventilation holes having a specific pore diameter inside thereof even if it is not adsorptive has been proposed (see Patent Document 1 below). The filler of Patent Document 1 is, for example, a porous body made of polypropylene, and has an average pore diameter of 80 to 300 μm. In the filler having such a structure, the wet surface area becomes large due to the permeation of the liquid into the inside of the continuous ventilation holes. As a result, it is said that the separation performance can be improved by increasing the gas-liquid contact area.

昭55-8819号公開公報Publication No. 55-8819

「2009 Evaluation of Tritium Removal and Mitigation Technologies for Wastewater Treatment」, DOE/RL-2009-18"2009 Evaluation of Tritium Removal and Mitigation Technologies for Wastewater Treatment", DOE / RL-2009-18 「Tritium Isotope Separation by Water Distillation Column Packed with Silica-gel Beads」, Journal of NUCLEAR SCIENCE and TECHNOLOGY Vol.41, No.5 pp619-623"Tritium Isotope Separation by Water Distillation Column Packed with Silica-gel Beads", Journal of NUCLEAR SCIENCE and TECHNOLOGY Vol.41, No.5 pp619-623

しかし、上記のポリプロピレンから成る多孔体であって、平均孔径が80~300μmの連通気孔をもつ充填材は、未だ充分な分離性能が得られていない。そのことは、後述する[実施例]の項で説明するように、本発明者らによる実験により、HETP(1理論段数当たりの相当高さ)がかなり高い値であり、充填高さを実用的レベルの高さまで低くできないということが立証されている。 However, the above-mentioned porous body made of polypropylene and a filler having continuous ventilation holes having an average pore diameter of 80 to 300 μm has not yet obtained sufficient separation performance. As will be described later in the section of [Example], the HETP (equivalent height per theoretical plate) is a considerably high value according to the experiments by the present inventors, and the filling height is practical. It has been proven that it cannot be lowered to the height of the level.

本願発明は、上記課題に鑑みて考え出されたものであり、その目的は、多孔体であって、且つ充填高さを実用的レベルの高さまで低減できる充填材を用いた蒸留分離方法及び蒸留分離装置を提供することである。 The present invention has been conceived in view of the above problems, and an object thereof is a distillation separation method and distillation using a filler which is a porous body and can reduce the filling height to a practical level. It is to provide a separator.

上記目的を達成するために請求項1記載の発明は、充填材が充填された蒸留塔を用いて、処理すべき原液の蒸留分離を行う蒸留分離方法であって、前記充填材が、基材の表面をアルミ溶射層が覆うように構成されており、前記充填材は毛管構造体からなり、前記毛管構造体の液の浸透速度としては、一本の細管を横に向け以下の第2式を用いて算出した該細管内を水平方向に10mmを浸透するのに要する時間が0.05秒以下であるような特性を有し、前記原液に於いて重水と軽水、トリチウムと重水、又はトリチウムと軽水の分離に用いることを特徴とする。

Figure 2022033275000025
The invention according to claim 1 for achieving the above object is a distillation separation method for performing distillation separation of a stock solution to be treated by using a distillation column filled with a filler, wherein the filler is a base material. The surface of the film is covered with an aluminum spray layer, and the filler is composed of a capillary structure. The liquid permeation rate of the capillary structure is as follows: It has a characteristic that the time required to penetrate 10 mm in the horizontal direction in the thin tube calculated using the above is 0.05 seconds or less, and in the undiluted solution, heavy water and light water, tritium and heavy water, or tritium. It is characterized by being used for the separation of light water .
Figure 2022033275000025

ここで、「少なくとも表面が毛細管現象を発現する多孔質で構成された微細孔形成手段で覆われており」とは、充填材全体が微細孔形成手段で構成されている場合と、充填材基材の表面のみを微細孔形成手段が覆うように構成されている場合とを含むことを意味する。 Here, "at least the surface is covered with a micropore-forming means made of a porous material that exhibits a capillary phenomenon" means that the entire filler is made of the micropore-forming means and the filler base. It means that the case where the micropore forming means is configured to cover only the surface of the material is included.

上記構成によれば、微細孔内を浸透する液が、毛細管現象の作用により、充填材表面に浸出し、且つ、充填材表面を短時間に覆うように拡散し、そのため、気液接触面積の増大及び蒸留塔における物質移動速度が高められる。この結果、HETP(理論段相当高さ:Height equivalent of theoretical plateの略)を低減でき、充填高さを実用的レベルの高さまで低くすることができる蒸留分離方法(請求項記載の発明)及び蒸留分離装置(請求項記載の発明)を実現可能とすることができる。 According to the above configuration, the liquid penetrating the inside of the micropores seeps out to the surface of the filler due to the action of the capillary phenomenon and diffuses so as to cover the surface of the filler in a short time. Increased and increased mass transfer rate in the distillation column. As a result, the distillation separation method (invention according to claim 1 ) capable of reducing HETP (height equivalent of theoretical plate) and reducing the filling height to a practical level. The distillation separation device (the invention according to claim 4 ) can be realized.

請求項2記載の発明は、請求項1記載の蒸留分離方法であって、前記充填材は毛管構造体からなり、前記毛管構造体の毛管力としては、一本の細管における毛管水柱で近似した以下の第1式を用いて常温水の条件下で算出した毛管水柱高さが0.03m以上であるような特性を有することを特徴とする。

Figure 2022033275000026
The invention according to claim 2 is the distillation separation method according to claim 1, wherein the filler is composed of a capillary structure, and the capillary force of the capillary structure is approximated by a capillary water column in one capillary. It is characterized by having a characteristic that the height of the capillary water column calculated under the condition of normal temperature water using the following first equation is 0.03 m or more .
Figure 2022033275000026

請求項3記載の発明は、請求項記載の蒸留分離方法であって、前記毛管水柱高さが0.05m以上であるような特性を有することを特徴とする The invention according to claim 3 is the distillation separation method according to claim 2 , characterized in that the height of the capillary water column is 0.05 m or more .

請求項4記載の発明は、充填材が充填された蒸留塔を備えた蒸留分離装置であって、前記充填材が、基材の表面をアルミ溶射層が覆うように構成されており、前記充填材は毛管構造体からなり、前記毛管構造体の液の浸透速度としては、一本の細管を横に向け以下の第2式を用いて算出した該細管内を水平方向に10mmを浸透するのに要する時間が0.05秒以下であるような特性を有し、重水と軽水、トリチウムと重水、又はトリチウムと軽水の分離に用いられることを特徴とする

Figure 2022033275000027
The invention according to claim 4 is a distillation separation device provided with a distillation tower filled with a filler, wherein the filler is configured such that the surface of a base material is covered with an aluminum spray layer, and the filling is performed. The material is composed of a capillary structure, and the permeation rate of the liquid in the capillary structure is 10 mm in the horizontal direction calculated by turning one capillary tube sideways and using the following second equation. It has a characteristic that the time required for the distillation is 0.05 seconds or less, and is characterized by being used for separating heavy water and light water, tritium and heavy water, or tritium and light water .
Figure 2022033275000027

上記構成によれば、分離性能が改善し、且つ、充填高さを実用的レベルの高さまで低くできる蒸留分離装置が実現できる。 According to the above configuration, it is possible to realize a distillation separation device capable of improving the separation performance and reducing the filling height to a practical level.

本発明によれば、気孔内を浸透する液が、毛細管現象の発現により、充填材表面に浸出し、且つ、充填材表面を短時間に覆うように拡散し、そのため、気液接触面積の増大及び蒸留塔における物質移動速度が高められる。この結果、HETP(理論段相当高さ:Height equivalent of theoretical plateの略)を低減でき、充填高さを実用的レベルの高さまで低くすることができる蒸留分離方法及び蒸留分離装置を実現可能とすることができる。 According to the present invention, the liquid penetrating into the pores seeps out to the surface of the filler due to the appearance of the capillary phenomenon, and diffuses so as to cover the surface of the filler in a short time, so that the air-liquid contact area increases. And the mass transfer rate in the distillation column is increased. As a result, it is possible to realize a distillation separation method and a distillation separation device that can reduce HETP (height equivalent of theoretical plate) and reduce the filling height to a practical level. be able to.

毛管構造体に関する材料と細管半径の組み合わせ毎の毛管水柱高さを示すグラフ。A graph showing the height of the capillary water column for each combination of material and capillary radius related to the capillary structure. 毛管構造体に関する材料と細管半径の組み合わせ毎の液浸透速度(10mmを進む時間で表現)を示すグラフ。The graph which shows the liquid permeation rate (expressed by the time to advance 10 mm) for each combination of a material and a capillary radius about a capillary structure. 毛管構造体から成る充填材を蒸留塔に使用した蒸留分離装置の全体構成図。Overall configuration diagram of a distillation separation device using a filler composed of a capillary structure for a distillation column.

以下、本発明を実施の形態に基づいて詳述する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではない。
(実施の形態)
本実施の形態に係る充填材は、処理液が供給される蒸留塔内に充填される充填材であって、毛管構造体から成る。ここで「毛管構造体」とは、多数の気孔を有する多孔体で構成されると共に、気孔内を浸透する液が、毛細管現象の作用により、充填材表面に浸出し、且つ、充填材表面を短時間に覆うように拡散する状態が発現し得るように構成された構造体を意味する。ここで、「気孔」とは、ひとまとまりの物体に含まれる微小な空洞を意味し、外気と接続している開気孔と物体内部に孤立している閉気孔とを含む。「気孔」は、ひとまとまりの物体に含まれる微小な空洞を意味し、外気と接続している開気孔と物体内部に孤立している閉気孔とを含む。また、ここで、「短時間」とは、充填材表面を流下する液が気孔に侵入することにより当該位置において一旦途切れ、当該位置において途切れた状態から後続する流下液が通過するまでに、少なくとも前記気孔内を浸透する液が充填材表面を覆うように拡散し、前記後続する流下液と接触することを可能とする極めて短い時間を意味する。なお、「短時間」の具体的な意義は、後述する[実施例]の段落0081において説明されている。
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on the embodiments. The present invention is not limited to the following embodiments.
(Embodiment)
The filler according to the present embodiment is a filler filled in a distillation column to which a treatment liquid is supplied, and is composed of a capillary structure. Here, the "capillary structure" is composed of a porous body having a large number of pores, and the liquid that permeates the pores seeps out to the surface of the filler due to the action of the capillary phenomenon, and the surface of the filler is exposed. It means a structure configured so that a state of diffusion so as to cover in a short time can occur. Here, the "pore" means a minute cavity contained in a group of objects, and includes an open pore connected to the outside air and a closed pore isolated inside the object. "Void" means a minute cavity contained in a group of objects, including open pores connected to the outside air and closed pores isolated inside the object. Further, here, "short time" means that the liquid flowing down the surface of the filler enters the pores and is temporarily interrupted at the position, and at least until the subsequent flowing liquid passes from the interrupted state at the position. It means an extremely short time during which the liquid penetrating the pores diffuses so as to cover the surface of the filler and is allowed to come into contact with the subsequent flowing liquid. The specific meaning of "short time" is explained in paragraph 1981 of [Example] described later.

また、毛管構造体の具体的構成としては、毛管水柱高さが所定以上であり、且つ毛管構造体内を液が浸透する浸透速度が所定以上(なお、以下の具体的な表現としては、液が所定長さを浸透するのに要する時間が所定以下という表現)であることが必要である。ここで、毛管水柱高さが所定以上という限定によって、後述するように毛管構造体として要請される毛管力が得られるための多孔体の材質と孔径とが決定される。毛管構造体内を液が浸透する浸透速度が所定以上という限定によって、後述するように毛管構造体として要請される液の流動性が得られるための多孔体の材質と孔径とが決定される。 Further, as a specific configuration of the capillary structure, the height of the capillary water column is at least a predetermined value, and the permeation rate at which the liquid permeates the inside of the capillary structure is at least a predetermined value. It is necessary that the time required to penetrate the predetermined length is less than or equal to the predetermined time). Here, by limiting the height of the capillary water column to a predetermined value or more, the material and pore diameter of the porous body for obtaining the capillary force required for the capillary structure are determined as described later. The material and pore size of the porous body for obtaining the fluidity of the liquid required for the capillary structure are determined by the limitation that the permeation rate at which the liquid permeates the inside of the capillary structure is a predetermined value or more.

以下に、先ず、本実施の形態に至る経緯について説明し、次いで、毛管構造体の毛管水柱高さの具体的な概念、及び毛管構造体の液浸透速度の具体的な概念について詳述する。 Hereinafter, the background to the present embodiment will be described first, and then the specific concept of the height of the capillary water column of the capillary structure and the specific concept of the liquid permeation rate of the capillary structure will be described in detail.

[実施の形態に至る経緯]
本発明者らは、構造体の内部に毛管力が作用する程度の空間を設けると、液は毛管力によってあらゆる面に拡がって行き、結果として充填材の表面の全体を液が覆う力が作用し、この力を利用した気液接触装置は大幅に物質移動速度を高めることを見出した。
従来では、充填材の表面の濡れ性を改善するための表面処理(例えば、特に水系においてステンレス材料を用いるとき、物理的なサンドブラスト、化学的な表面処理)が行なわれている。しかし、これらは液(特に水の場合)との接触角を小さくして濡れ性を改善するものであるが、接触角が存在する限り濡れ面積は物理的表面積のある割合に留まることを免れず、その面積は予測式が提案されており、物理的表面積より相当小さい。
[Background to the embodiment]
When the present inventors provide a space inside the structure to the extent that the capillary force acts, the liquid spreads to all surfaces by the capillary force, and as a result, the force that the liquid covers the entire surface of the filler acts. However, it has been found that a gas-liquid contact device using this force significantly increases the mass transfer rate.
Conventionally, a surface treatment for improving the wettability of the surface of the filler (for example, physical sand blasting or chemical surface treatment when a stainless steel material is used especially in an aqueous system) is performed. However, although these are intended to reduce the contact angle with the liquid (especially in the case of water) and improve the wettability, the wet area is inevitably limited to a certain proportion of the physical surface area as long as the contact angle exists. , The area is much smaller than the physical surface area for which a predictive formula has been proposed.

例えば、規則充填物の例として計算すると以下のようである。この種のモデル式は複数のものが提案されているが、ここでは接触角の要素を含んだSRPモデル(University of Texas Separation Research Programの略称:)を用いた For example, the calculation as an example of a regular filling is as follows. Several model formulas of this type have been proposed, but here we used the SRP model (abbreviation of University of Texas Separation Research Program :) that includes the contact angle element.

Figure 2022033275000028
Figure 2022033275000028

Figure 2022033275000029
Figure 2022033275000029

Figure 2022033275000030
Figure 2022033275000030

Figure 2022033275000031
Figure 2022033275000031

Figure 2022033275000032
Figure 2022033275000032

Figure 2022033275000033
Figure 2022033275000033

Figure 2022033275000034
Figure 2022033275000034

ここで、数3~数8に以下の表1の条件数値を代入すると、 Here, by substituting the condition values in Table 1 below into the numbers 3 to 8,

Figure 2022033275000035
Figure 2022033275000035

仮に、濡れ性改善を試みて充填物表面の接触角を50°まで改善することが出来たとしてもその値は0.14に留まり、特に、液の空塔速度が小さい時(5m/mhのような)は、如何に有効に作用していない面積が多くなっているかが判る。
そこで、本発明者らは、蒸留塔内に充填される充填材を毛管構造体で構成すれば、液は毛管力によってあらゆる面に拡がって行き、結果として充填材の表面の全体を液が覆う力が作用することを見出した。毛管力は、例えば構成材料と水の接触角が同じであれば、細孔口径が小さいほど大きくなる。しかしながら、蒸留塔に用いる充填材は単に毛管現象を有するというだけでは効果がない。本発明者らは、液が毛管内を流動する際の速度が重要なファクターになっていることを見出した。この結果、気液接触面積の増大及び蒸留塔における物質移動速度が高められることにより、HETP(理論段相当高さ:Height equivalent of theoretical plateの略)を低減でき、充填高さを実用的レベルの高さまで低くすることができる。
Even if the contact angle of the filling surface could be improved to 50 ° by trying to improve the wettability, the value remains at 0.14, especially when the superficial velocity of the liquid is small (5 m 3 / m). (Like 2h ) shows how many areas are not working effectively.
Therefore, if the filler to be filled in the distillation column is composed of a capillary structure, the present inventors spread the liquid to all surfaces by the capillary force, and as a result, the liquid covers the entire surface of the filler. I found that force works. For example, if the contact angle between the constituent material and water is the same, the capillary force increases as the pore diameter becomes smaller. However, the filler used in the distillation column is not effective simply because it has a capillarity. The present inventors have found that the speed at which the liquid flows in the capillary tube is an important factor. As a result, HETP (height equivalent of theoretical plate) can be reduced by increasing the gas-liquid contact area and the mass transfer rate in the distillation column, and the filling height can be set to a practical level. Can be lowered to height.

Figure 2022033275000036
Figure 2022033275000036

[毛管構造体の毛管水柱高さ]
毛管水柱高さは毛管構造体の毛管力を評価する指標であり、具体的には毛管力を一本の細管における毛管水柱で近似して表したもので以下の数8による。なお、使用する水は常温である。
[Capillary water column height of capillary structure]
The height of the capillary water column is an index for evaluating the capillary force of the capillary structure. Specifically, the capillary force is approximately expressed by the capillary water column in one capillary tube, and is based on the following number 8. The water used is at room temperature.

Figure 2022033275000037
Figure 2022033275000037

ここで、θ(接触角)と細管半径rは以下の表2の値を採用し、構成材料と細管半径rの組み合わせ毎に数8を用いて毛管水柱高さを算出し、その算出結果を表3に示す。また、表3に示す各毛管水柱高さを図1にグラフ化して示している。なお、図1においては、ガラスビーズ(r=10μm)、セルロース毛管構造体(r=10μm)、プラスチック毛管構造体(r=5μm)及びセラミック毛管構造体(r=35μm)における毛管水柱高さは、いずれも枠外の値であるので、0.3mまで描いている。 Here, θ (contact angle) and the capillary radius r adopt the values in Table 2 below, and the capillary water column height is calculated using the number 8 for each combination of the constituent material and the capillary radius r, and the calculation result is obtained. It is shown in Table 3. In addition, the height of each capillary water column shown in Table 3 is shown as a graph in FIG. In FIG. 1, the height of the capillary water column in the glass beads (r = 10 μm), the cellulose capillary structure (r = 10 μm), the plastic capillary structure (r = 5 μm) and the ceramic capillary structure (r = 35 μm) is , All of them are values outside the frame, so they are drawn up to 0.3m.

Figure 2022033275000038
Figure 2022033275000038

Figure 2022033275000039
Figure 2022033275000039

図1においてガラスビーズで細管半径が500μm、アルミ毛管構造体で細管半径が330μm、プラスチックで細管半径が100μm、セラミックス毛管構造体で細管半径が390μm、ステンレス毛管構造体で細管半径が180μm、あるいは銅毛管構造体で細管半径が270μmの場合は、毛管水柱高さが約0.03mである。また、プラスチックで細管半径が50μmの場合は、毛管水柱高さが約0.05mである。図1においてその他場合は、いずれも毛管水柱高さが約0.05mよりも格段に大きい値である。そこで、毛管構造体の毛管力としては、少なくとも毛管水柱高さが0.03m以上を有していることが好ましく、より好ましくは0.05m以上とした。この0.03m以上、より好ましくは0.05m以上を有する毛管構造体が、HETP(理論段相当高さ)の低減になることは後述する実施例、比較例により立証(より正確に説明すれば、0.03m以上、より好ましくは0.05m以上を有するという条件に加えて、後述する10mmを進む時間(秒)が0.1秒以内、より好ましくは0.05秒以内を有するという条件も付加された場合の立証)されている。 In FIG. 1, glass beads have a capillary radius of 500 μm, an aluminum capillary structure has a capillary radius of 330 μm, plastic has a capillary radius of 100 μm, a ceramic capillary structure has a capillary radius of 390 μm, and a stainless steel capillary structure has a capillary radius of 180 μm, or copper. When the capillary structure has a capillary radius of 270 μm, the height of the capillary water column is about 0.03 m. Further, when the plastic has a capillary radius of 50 μm, the height of the capillary water column is about 0.05 m. In the other cases in FIG. 1, the height of the capillary water column is much larger than about 0.05 m. Therefore, as the capillary force of the capillary structure, it is preferable that the height of the capillary water column is at least 0.03 m or more, and more preferably 0.05 m or more. It is proved by Examples and Comparative Examples to be described later that the capillary structure having 0.03 m or more, more preferably 0.05 m or more, reduces HETP (theoretical stage equivalent height) (more accurately explained). In addition to the condition of having 0.03 m or more, more preferably 0.05 m or more, there is also a condition that the time (seconds) for advancing 10 mm, which will be described later, is within 0.1 seconds, more preferably within 0.05 seconds. Proof when added).

[毛管構造体の液浸透速度]
毛管構造体の液浸透速度は、液が所定長さを浸透するのに要する時間が所定以下という表現で示す。
[Liquid permeation rate of capillary structure]
The liquid permeation rate of the capillary structure is expressed by the expression that the time required for the liquid to permeate a predetermined length is not more than a predetermined time.

同じ毛管構造であってもその空隙サイズがあまり小さすぎると毛管現象による流動性が流動摩擦によって低下し、充填塔の物質移動速度を低下させる。そこで、液は毛管力と毛管を流れる摩擦抵抗が等しくなって毛管構造体の中を流れが拡大してゆくと考え、水平方向に仮に10mmを浸透する時間を以下の数9により算出した結果を以下の表4に示す。この表4は、表3と同様の材料と細管半径の組み合わせ毎に算出される10mmを進む時間(秒)を示している。また、また、表4に示す各10mmを進む時間(秒)を図2にグラフ化して示している。なお、図2において、プラスチック毛管構造体(r=5μm)における当該時間(秒)は、枠外の値であるので、1.2秒まで描いている。
なお、数12はLucas-Washburnの式として文献資料に示されているが、毛管力を圧力差に換算したものを用い、Hagen-Poiseuilleの流動式を利用して毛管流れを解析したものである。
Even if the capillary structure is the same, if the void size is too small, the fluidity due to the capillary phenomenon decreases due to the flow friction, and the mass transfer rate of the packed column is decreased. Therefore, it is considered that the flow of the liquid expands in the capillary structure because the capillary force and the frictional resistance flowing through the capillary become equal, and the time for tentatively penetrating 10 mm in the horizontal direction is calculated by the following equation 9. It is shown in Table 4 below. This Table 4 shows the time (seconds) to travel 10 mm calculated for each combination of the same material and capillary radius as in Table 3. In addition, the time (seconds) for advancing each 10 mm shown in Table 4 is shown as a graph in FIG. In FIG. 2, the time (seconds) in the plastic capillary structure (r = 5 μm) is a value outside the frame, so it is drawn up to 1.2 seconds.
In addition, although the number 12 is shown in the literature as the Lucas-Washburn formula, the capillary flow is analyzed using the Hagen-Poiseuille flow formula using the one obtained by converting the capillary force into the pressure difference. ..

Figure 2022033275000040
Figure 2022033275000040

Figure 2022033275000041
Figure 2022033275000041

これは、毛管力によって液が構造体内部を流れる時の流動速度が、充填塔の物質移動速度に関係していることを示している。毛管力が大きくても、液が浸透する構造が細かく、浸透速度が遅い構造は物質移動速度を高めるのに効果がないか、または小さい。各種の充填物を用いた蒸留分離試験により、この時間は例えば10mmを浸透するのに0.1秒以内、より好ましくは0.05秒以内であるような毛管構造体が充填塔の物質移動速度を高めるのに効果があることを見出した。 This indicates that the flow velocity when the liquid flows inside the structure due to the capillary force is related to the mass transfer velocity of the packed column. Even if the capillary force is large, the structure in which the liquid permeates is fine, and the structure in which the permeation rate is slow is ineffective or small in increasing the mass transfer rate. Distillation separation tests using various packed materials have shown that this time is within 0.1 seconds, more preferably within 0.05 seconds for permeating 10 mm, for mass transfer rates in packed beds. It was found to be effective in increasing.

具体的には、図2においてガラスビーズで細管半径が10μm、アルミ毛管構造体で細管半径が40μm、セルロース毛管構造体で細管半径が10μm、プラスチック毛管構造体で細管半径が5μm、プラスチック毛管構造体で細管半径が50μm、プラスチック毛管構造体で細管半径が100μm、あるいはセラミックス毛管構造体で細管半径が35μmの場合は、要する時間が0.1秒以上である。また、ガラスビーズで細管半径が50μm、アルミ毛管構造体で細管半径が50μm、ステンレス毛管構造体で細管半径が75μmあるいは銅毛管構造体で細管半径50μmの場合は、要する時間が0.05秒以上である。図2においてその他場合は、いずれも要する時間が0.05秒よりも格段に小さい値である。そこで、毛管構造体の浸透速度としては、要する時間が少なくとも0.1秒以内であることが好ましく、より好ましくは0.05秒以内とした。この0.1秒以内、より好ましくは0.05秒以内を有する毛管構造体が、HETP(理論段相当高さ)の低減になることは後述する実施例、比較例により立証(より正確に説明すれば、0.1秒以内、より好ましくは0.05秒以内を有するという条件に加えて、毛管水柱高さが0.03m以上を有していることが好ましく、より好ましくは0.05m以上を有する条件も付加された場合の立証)されている。 Specifically, in FIG. 2, the glass beads have a capillary radius of 10 μm, the aluminum capillary structure has a capillary radius of 40 μm, the cellulose capillary structure has a capillary radius of 10 μm, the plastic capillary structure has a capillary radius of 5 μm, and the plastic capillary structure. When the capillary radius is 50 μm, the capillary radius is 100 μm in the plastic capillary structure, or the capillary radius is 35 μm in the ceramic capillary structure, the time required is 0.1 seconds or more. If the glass beads have a capillary radius of 50 μm, the aluminum capillary structure has a capillary radius of 50 μm, the stainless capillary structure has a capillary radius of 75 μm, or the copper capillary structure has a capillary radius of 50 μm, the time required is 0.05 seconds or longer. Is. In the other cases in FIG. 2, the time required is much smaller than 0.05 seconds. Therefore, the permeation rate of the capillary structure is preferably at least 0.1 seconds or less, and more preferably 0.05 seconds or less. It is proved by Examples and Comparative Examples to be described later that the capillary structure having a time of 0.1 seconds or less, more preferably 0.05 seconds or less, reduces HETP (theoretical stage equivalent height) (more accurately explained). Therefore, in addition to the condition that the height is within 0.1 seconds, more preferably within 0.05 seconds, the height of the capillary water column is preferably 0.03 m or more, more preferably 0.05 m or more. It is proved when the condition of having is also added).

[好ましい毛管構造体の具体例]
上記の[毛管構造体の毛管水柱高さ]及び[毛管構造体の液浸透速度]の条件を満たす毛管構造体が好ましい。なお、工業的作製を考慮して、材質としてはセラミック、ステンレス、アルミ、銅とするのが好ましい。このような条件から、具体的な好ましい毛管構造体としては、細孔口径が70μm(細管半径r=35に相当)以上、800(細管半径r=400に相当、なお、上記例ではr=390を使用)μm以下のセラミック毛管構造体、細孔口径が150μm(細管半径r=75に相当)以上、400(細管半径r=200に相当、なお、上記例ではr=180を使用)μm以下のステンレス毛管構造体、細孔口径が80μm(細管半径r=40に相当)以上、700(細管半径r=350に相当、なお、上記例ではr=330を使用)μm以下のアルミ毛管構造体、及び細孔口径が100μm(細管半径r=50に相当)以上、500(細管半径r=250に相当、なお、上記例ではr=270を使用)μm以下の銅毛管構造体である。
[Specific example of preferable capillary structure]
A capillary structure satisfying the above conditions of [capillary water column height of capillary structure] and [liquid permeation rate of capillary structure] is preferable. In consideration of industrial production, it is preferable to use ceramic, stainless steel, aluminum, or copper as the material. From such conditions, as a specific preferable capillary structure, the pore diameter is 70 μm (corresponding to the capillary radius r = 35) or more, 800 (corresponding to the capillary radius r = 400, and r = 390 in the above example. ) Μm or less ceramic capillary structure, pore diameter 150 μm (corresponding to capillary radius r = 75), 400 (corresponding to capillary radius r = 200, r = 180 is used in the above example) μm or less Stainless steel capillary structure, aluminum capillary structure with pore diameter of 80 μm (corresponding to capillary radius r = 40) and 700 (corresponding to capillary radius r = 350, r = 330 is used in the above example) μm or less , And a copper capillary structure having a pore diameter of 100 μm (corresponding to a capillary radius r = 50) and 500 (corresponding to a capillary radius r = 250, r = 270 is used in the above example) μm or less.

[蒸留分離装置の適用例]
図3は毛管構造体から成る充填材を蒸留塔に使用した蒸留分離装置の全体構成図である。蒸留分離装置1に供給される原液は、トリチウム水(HTO又はTO)を含む軽水(HO)である。この蒸留分離装置1においては、トリチウム水(HTO又はTO)を含む軽水(HO)を、原液よりも高濃度のトリチウム水と、原液よりも低濃度のトリチウム水に分離する用途に使用される。
[Application example of distillation separation device]
FIG. 3 is an overall configuration diagram of a distillation separation device using a filler made of a capillary structure in a distillation column. The undiluted solution supplied to the distillation separation device 1 is light water (H 2 O) containing tritiated water (HTO or T 2 O). In this distillation separation device 1, light water (H 2 O) containing tritiated water (HTO or T 2 O) is separated into tritiated water having a higher concentration than the undiluted solution and tritiated water having a lower concentration than the undiluted solution. used.

蒸留分離装置1は、充填式の多段の蒸留塔2と、蒸留塔2の塔底部の貯留液を加熱して蒸気化するリボイラー3と、蒸留塔2の塔頂部から供給される蒸気を冷却して液化する凝縮器4と、凝縮器4からの凝縮液を貯留する還流タンク5と、還流タンク5の底部から蒸留塔2の塔頂部に凝縮液を還流する還流ラインL1に設けられるポンプ6と、還流ラインL1に設けられる制御弁V1と、凝縮器4に供給される冷却水の供給源である冷却槽7とを備える。蒸留塔2の充填材としては、毛管構造体から成る充填材が使用されている。凝縮器4の抽気は別途設けられた真空ポンプ(図示せず)に接続されており、この真空ポンプによって蒸留塔2内は真空になっている。また、運転温度は真空ポンプの真空度を調整することによって所定の値に制御されている。 The distillation separation device 1 cools the refillable multi-stage distillation column 2, the reboiler 3 that heats and vaporizes the stored liquid at the bottom of the distillation column 2, and the steam supplied from the top of the distillation column 2. A condenser 4 for liquefying, a reflux tank 5 for storing the condensed liquid from the condenser 4, and a pump 6 provided on the reflux line L1 for refluxing the condensed liquid from the bottom of the reflux tank 5 to the top of the distillation column 2. , A control valve V1 provided on the reflux line L1 and a cooling tank 7 as a supply source of cooling water supplied to the condenser 4. As the filler of the distillation column 2, a filler made of a capillary structure is used. The bleed air of the condenser 4 is connected to a vacuum pump (not shown) provided separately, and the inside of the distillation column 2 is evacuated by this vacuum pump. Further, the operating temperature is controlled to a predetermined value by adjusting the degree of vacuum of the vacuum pump.

なお、蒸留分離装置1は、必要に応じて、温度計、圧力計及び流量計を備えている。温度計、圧力計及び流量計としては、例えば、蒸留塔2の塔頂部に設けられる温度計T1及び圧力計P1、蒸留塔2の塔底部に設けられる温度計T2及び圧力計P2、還流ラインL1に設けられ蒸留塔2の塔頂部に戻される還流量を計測する流量計F1、冷却水往きラインL2に設けられる温度計T3及び流量計F2、冷却水戻りラインL3に設けられる温度計T4、還流タンク5に設けられる温度計T5等が挙げられる。 The distillation separation device 1 is provided with a thermometer, a pressure gauge, and a flow meter, if necessary. Examples of the thermometer, pressure gauge and flow meter include a thermometer T1 and a pressure gauge P1 provided at the top of the distillation tower 2, a thermometer T2 and a pressure gauge P2 provided at the bottom of the distillation tower 2, and a reflux line L1. F1, thermometer T3 and flow meter F2 provided in the cooling water flow line L2, thermometer T4 provided in the cooling water return line L3, and recirculation. Examples thereof include a thermometer T5 provided in the tank 5.

上記構成の蒸留分離装置1の動作は、一般的な蒸留分離装置と同様な動作である。以下に簡単に説明すると、原液は蒸留塔2の中央部から供給され、蒸留塔2内を流下し、蒸留塔2の塔底部においてリボイラー3によって加熱され蒸気を発生させる。発生蒸気は蒸留塔2内を上昇し、蒸留塔2内を下降する原液と気液接触が行われる。このとき、充填材が毛管構造体であることから、液が充填材表面全体を覆うように拡散していく状態が発現される。これにより気液接触面積が増大し、より多くの接触面で気液接触が行われることが可能となり、分離性能が向上する。 The operation of the distillation separation device 1 having the above configuration is the same as that of a general distillation separation device. Briefly described below, the undiluted solution is supplied from the central portion of the distillation column 2, flows down in the distillation column 2, and is heated by the reboiler 3 at the bottom of the distillation column 2 to generate steam. The generated steam rises in the distillation column 2 and undergoes gas-liquid contact with the undiluted solution descending in the distillation column 2. At this time, since the filler is a capillary structure, a state in which the liquid diffuses so as to cover the entire surface of the filler is exhibited. As a result, the gas-liquid contact area is increased, gas-liquid contact can be performed on more contact surfaces, and the separation performance is improved.

そして、この気液接触の過程で、下降液中のトリチウム濃度は増加し、上昇蒸気中のトリチウム濃度は減少する。そして、気液接触後の上昇蒸気は塔頂部に到達し、更に、凝縮器4に導かれる。凝縮器4では供給された蒸気が冷却水によって冷却され、還流タンク5を経て一部は塔頂部に戻され(還流)、一部は原液よりもトリチウム濃度の低い低濃度トリチウム水として排出ラインL4から排出される。一方、気液接触後の下降液体は塔底部に貯留され、この貯留液の一部は原液よりもトリチウム濃度の高い高濃度トリチウム水として排出ラインL5から回収される。 Then, in the process of this gas-liquid contact, the tritium concentration in the descending liquid increases, and the tritium concentration in the ascending steam decreases. Then, the rising steam after the gas-liquid contact reaches the top of the column and is further guided to the condenser 4. In the condenser 4, the supplied steam is cooled by the cooling water, and a part of the steam is returned to the top of the column (reflux) through the reflux tank 5, and a part of the steam is discharged as low-concentration tritiated water having a lower tritiated concentration than the undiluted solution. Is discharged from. On the other hand, the descending liquid after the gas-liquid contact is stored in the bottom of the column, and a part of this stored liquid is recovered from the discharge line L5 as high-concentration tritiated water having a higher tritiated concentration than the undiluted solution.

(その他の事項)
(1)毛管構造体の気孔は、連通孔でも独立孔でもよい。
(Other matters)
(1) The pores of the capillary structure may be communication holes or independent holes.

(2)毛管構造体の表面が親水化処理されているのが好ましい。 (2) It is preferable that the surface of the capillary structure is hydrophilized.

(3)充填材としては、円柱ビーズ状や球状ビーズでもよく、また、実際の装置で使用されることが多い、規則充填物、または適切な圧力損失特性を有する不規則充填物であっても、その表面を多孔質にした充填材を採用したり、表面に多孔質材料を担持させる構成であってもよい。このような構成であっても、同様の効果を達成できる。 (3) The filler may be a columnar bead or a spherical bead, and may be a regular filler or an irregular filler having appropriate pressure loss characteristics, which is often used in an actual device. , A filler having a porous surface thereof may be adopted, or a porous material may be supported on the surface. Even with such a configuration, the same effect can be achieved.

(4)上記実施の形態では、「処理の対象となる液(原液)」としては、トリチウム水を用いたけれども、本発明はこれに限定されず、重水やその他の比揮発度が接近した同位体の分離においても適用できる。 (4) In the above embodiment, tritiated water is used as the "liquid (stock solution) to be treated", but the present invention is not limited to this, and heavy water and other isotopes having close specific volatility are used. It can also be applied to the separation of the body.

(5)蒸留分離装置は、上記実施の形態に限らず、ヒートポンプとして機能する蒸気圧縮機を設け、蒸留塔の塔頂部からの蒸気を、蒸気圧縮機を使用してリボイラーの加熱源に再利用する省エネルギー型の蒸留分離装置であってもよい。 (5) The distillation separation device is not limited to the above embodiment, but is provided with a steam compressor that functions as a heat pump, and the steam from the top of the distillation column is reused as a heating source for the reboiler using the steam compressor. It may be an energy-saving type distillation separation device.

(6)上記実施の形態における充填材(毛管構造体に相当)としては、少なくとも表面が毛細管現象を発現する多孔質で構成された微細孔形成手段で覆われており、微細孔形成手段は金属溶射層又は金属焼結体であってもよい。ここで、「少なくとも表面が毛細管現象を発現する多孔質で構成された微細孔形成手段で覆われており」とは、充填材全体が微細孔形成手段で構成されている場合と、充填材基材の表面のみを微細孔形成手段が覆うように構成されている場合とを含むことを意味する。 (6) As the filler (corresponding to the capillary structure) in the above embodiment, at least the surface is covered with a micropore-forming means made of a porous material that exhibits a capillary phenomenon, and the micropore-forming means is a metal. It may be a sprayed layer or a metal sintered body. Here, "at least the surface is covered with a micropore-forming means made of a porous material that exhibits a capillary phenomenon" means that the entire filler is made of the micropore-forming means and the filler base. It means that the case where the micropore forming means is configured to cover only the surface of the material is included.

また、金属溶射層はアルミ溶射層であることが好ましい。アルミ溶射層を用いた充填材としては、「アルミ溶射マツイ規則250S」(後述する実施例6に相当)が例示される。 Further, the metal sprayed layer is preferably an aluminum sprayed layer. As a filler using an aluminum sprayed layer, "Aluminum sprayed Matsui Rule 250S" (corresponding to Example 6 described later) is exemplified.

また、金属焼結体はアルミ焼結体であることが好ましい。アルミ焼結体を用いた充填材としては、アルミの焼結体で構成された「多孔質アルミ十字型」(後述する実施例5に相当)が例示される。 Further, the metal sintered body is preferably an aluminum sintered body. As a filler using an aluminum sintered body, a “porous aluminum cross shape” (corresponding to Example 5 described later) composed of an aluminum sintered body is exemplified.

ここで、アルミ溶射層を用いた充填材が、HETP(理論段相当高さ)を低減でき、充填高さを実用的レベルの高さまで低くすることができることは、後述する第3実験例によって立証されている。また、アルミ焼結体を用いた充填材が、HETP(理論段相当高さ)を低減でき、充填高さを実用的レベルの高さまで低くすることができることは、後述する第2実験例によって立証されている。 Here, it is proved by the third experimental example described later that the filler using the aluminum sprayed layer can reduce the HETP (height equivalent to the theoretical stage) and the filler height to a practical level. Has been done. Further, it is proved by the second experimental example described later that the filler using the aluminum sintered body can reduce HETP (height equivalent to the theoretical stage) and reduce the filler height to a practical level. Has been done.

以下、実施例により本発明をより具体的に説明する。本発明は以下の実施例によって何ら限定されるものではない。なお、以下の実施例、比較例においては、蒸留塔の大きさ(実施の形態のような実機の蒸留塔における胴径は数mレベルである)が異なること以外は上記実施の形態と同様の構成の試験用蒸留分離装置を用いて、材料及び孔径が異なる種々の充填材を使用し、原液を重水として蒸留分離を行なった。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. The present invention is not limited to the following examples. In the following examples and comparative examples, the same as the above embodiment except that the size of the distillation column (the body diameter of the actual distillation column as in the embodiment is several m level) is different. Distillation separation was performed using the undiluted solution as heavy water using various fillers having different materials and pore diameters using a test distillation separation device having a configuration.

[第1実験例]
第1実験例として、以下の実施例1~実施例4および比較例1~比較例4を行った。この第1実験例では、以下に述べるように、充填塔としては内径18mmのガラスカラムを用いた。
[Example of the first experiment]
As the first experimental example, the following Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 4 were performed. In this first experimental example, as described below, a glass column having an inner diameter of 18 mm was used as the packed column.

(実施例1)
充填材として直径0.34cm、長さ0.4cmのアルミナ製円柱ビーズ(西村陶業製 商品番号R-200)を用いた。この表面には10μm程度の微細孔が設けられている。
充填塔は内径18mmのガラスカラムに上記の充填材を充填高さが、ほぼ50cm~60cmになるように充填したものを用いた。ボイラーには300mlの純水に重水2.0mlを投入して調製した。運転は大気圧状態とした。ボイラーの温度は約100℃となり、ボイラーのヒーターの出力は70~75Wとして定常運転となるようにした。この時の留出量は約150ml/h(蒸発速度としては590kg/mh)であった。塔頂部から流出する蒸気は冷却器で冷却し、凝縮水の全量を塔頂部から流下させた。定常運転が得られるまで2時間を維持し、その後も定常運転を維持してさらに4時間経過後、ボイラーの下部の重水濃度と塔頂部の凝縮液の重水濃度をガスクロマトグラフで測定し次のデータを得た。
(Example 1)
Alumina columnar beads (Product No. R-200 manufactured by Nishimura Ceramics Co., Ltd.) having a diameter of 0.34 cm and a length of 0.4 cm were used as the filler. Micropores of about 10 μm are provided on this surface.
The packed tower used was a glass column having an inner diameter of 18 mm filled with the above-mentioned filler so that the filling height was approximately 50 cm to 60 cm. The boiler was prepared by adding 2.0 ml of heavy water to 300 ml of pure water. The operation was set to atmospheric pressure. The temperature of the boiler was about 100 ° C., and the output of the heater of the boiler was set to 70 to 75 W for steady operation. The distillate amount at this time was about 150 ml / h (evaporation rate was 590 kg / m 2 h). The steam flowing out from the top of the tower was cooled by a cooler, and the entire amount of condensed water was allowed to flow down from the top of the tower. Maintain 2 hours until steady operation is obtained, and after 4 hours have passed after that, measure the heavy water concentration at the bottom of the boiler and the heavy water concentration of the condensed liquid at the top of the boiler with a gas chromatograph, and the following data Got

ボイラーの濃縮液;0.699%
塔頂部の凝縮液;0.563%
分離係数(塔頂濃度÷ボイラー濃度)=0.81
Boiler concentrate; 0.699%
Condensate at the top of the tower; 0.563%
Separation coefficient (tower top concentration ÷ boiler concentration) = 0.81

(実施例2)
充填材として直径0.3~0.4cmのセルロース多孔性ビーズ(レンゴー(株)商品名ビスコパールPタイプ)を用いた。この表面には20~30μm程度の微細孔が設けられている。充填塔は内径18mmのガラスカラムに上記の充填物を充填高さが、ほぼ50cm~60cmになるように充填したものを用いた。ボイラーには300mlの純水に重水2.0mlを投入して調製した。運転は大気圧状態とした。ボイラーの温度は約100℃となり、ボイラーのヒーターの出力は60~65Wとして定常運転となるようにした。この時の留出量は約150ml/h(蒸発速度としては590kg/mh)であった。塔頂部から流出する蒸気は冷却器で冷却し、凝縮水の全量を塔頂部から流下させた。定常運転が得られるまで2時間を維持し、その後も定常運転を維持してさらに4時間経過後、ボイラーの下部の重水濃度と塔頂部の凝縮液の重水濃度をガスクロマトグラフで測定し次のデータを得た。
(Example 2)
Cellulose porous beads (trade name: Biscopearl P type, Rengo Co., Ltd.) having a diameter of 0.3 to 0.4 cm were used as a filler. Micropores of about 20 to 30 μm are provided on this surface. The packed tower used was a glass column having an inner diameter of 18 mm filled with the above filling so that the filling height was approximately 50 cm to 60 cm. The boiler was prepared by adding 2.0 ml of heavy water to 300 ml of pure water. The operation was set to atmospheric pressure. The temperature of the boiler was about 100 ° C., and the output of the heater of the boiler was set to 60 to 65 W for steady operation. The distillate amount at this time was about 150 ml / h (evaporation rate was 590 kg / m 2 h). The steam flowing out from the top of the tower was cooled by a cooler, and the entire amount of condensed water was allowed to flow down from the top of the tower. Maintain 2 hours until steady operation is obtained, and after 4 hours have passed after that, measure the heavy water concentration at the bottom of the boiler and the heavy water concentration of the condensed liquid at the top of the boiler with a gas chromatograph, and the following data Got

ボイラーの濃縮液;0.828%
塔頂部の凝縮液;0.629%
分離係数(塔頂濃度÷ボイラー濃度)=0.76
Boiler concentrate; 0.828%
Condensate at the top of the tower; 0.629%
Separation coefficient (tower top concentration ÷ boiler concentration) = 0.76

(実施例3)
充填材として直径0.3~0.4cmのガラスの焼結体である多孔性ガラスビーズ(ROBU社製)を用いた。この表面には40~100μm程度の微細孔が設けられている。充填塔は内径18mmのガラスカラムに上記の充填材を充填高さが、ほぼ50cm~60cmになるように充填したものを用いた。ボイラーには300mlの純水に重水2.0mlを投入して調製した。運転は大気圧状態とした。ボイラーの温度は約100℃となり、ボイラーのヒーターの出力は60~65Wとして定常運転となるようにした。この時の留出量は約80ml/h(蒸発速度としては300kg/mh)であった。塔頂部から流出する蒸気は冷却器で冷却し、凝縮水の全量を塔頂部から流下させた。定常運転が得られるまで2時間を維持し、その後も定常運転を維持してさらに4時間経過後、ボイラーの下部の重水濃度と塔頂部の凝縮液の重水濃度をガスクロマトグラフで測定し次のデータを得た。
(Example 3)
As the filler, porous glass beads (manufactured by ROBU), which is a sintered body of glass having a diameter of 0.3 to 0.4 cm, were used. Micropores of about 40 to 100 μm are provided on this surface. The packed tower used was a glass column having an inner diameter of 18 mm filled with the above-mentioned filler so that the filling height was approximately 50 cm to 60 cm. The boiler was prepared by adding 2.0 ml of heavy water to 300 ml of pure water. The operation was set to atmospheric pressure. The temperature of the boiler was about 100 ° C., and the output of the heater of the boiler was set to 60 to 65 W for steady operation. The distillate amount at this time was about 80 ml / h (evaporation rate was 300 kg / m 2 h). The steam flowing out from the top of the tower was cooled by a cooler, and the entire amount of condensed water was allowed to flow down from the top of the tower. Maintain 2 hours until steady operation is obtained, and after 4 hours have passed after that, measure the heavy water concentration at the bottom of the boiler and the heavy water concentration of the condensate at the top of the column with a gas chromatograph, and the following data Got

ボイラーの濃縮液;0.980%
塔頂部の凝縮液;0.523%
分離係数(塔頂濃度÷ボイラー濃度)=0.53
Boiler concentrate; 0.980%
Condensate at the top of the tower; 0.523%
Separation coefficient (tower top concentration ÷ boiler concentration) = 0.53

(実施例4)
充填材としてアルミの焼結体である多孔性アルミナ板(NDC販売社製)を直径0.3~0.4cmのペレットに加工して用いた。この表面には約200μm程度の微細孔が設けられている。充填塔は内径18mmのガラスカラムに上記の充填物を充填高さが、ほぼ50cm~60cmになるように充填したものを用いた。ボイラーには300mlの純水に重水2.0mlを投入して調製した。運転は大気圧状態とした。ボイラーの温度は約100℃となり、ボイラーのヒーターの出力は60~65Wとして定常運転となるようにした。この時の留出量は約70ml/h(蒸発速度としては270kg/mh)であった。塔頂部から流出する蒸気は冷却器で冷却し、凝縮水の全量を塔頂部から流下させた。定常運転が得られるまで2時間を維持し、その後も定常運転を維持してさらに4時間経過後、ボイラーの下部の重水濃度と塔頂部の凝縮液の重水濃度をガスクロマトグラフで測定し次のデータを得た。
(Example 4)
As a filler, a porous alumina plate (manufactured by NDC Sales Co., Ltd.), which is a sintered body of aluminum, was processed into pellets having a diameter of 0.3 to 0.4 cm and used. Micropores of about 200 μm are provided on this surface. The packed tower used was a glass column having an inner diameter of 18 mm filled with the above filling so that the filling height was approximately 50 cm to 60 cm. The boiler was prepared by adding 2.0 ml of heavy water to 300 ml of pure water. The operation was set to atmospheric pressure. The temperature of the boiler was about 100 ° C., and the output of the heater of the boiler was set to 60 to 65 W for steady operation. The distillate amount at this time was about 70 ml / h (evaporation rate was 270 kg / m 2 h). The steam flowing out from the top of the tower was cooled by a cooler, and the entire amount of condensed water was allowed to flow down from the top of the tower. Maintain 2 hours until steady operation is obtained, and after 4 hours have passed after that, measure the heavy water concentration at the bottom of the boiler and the heavy water concentration of the condensed liquid at the top of the boiler with a gas chromatograph, and the following data Got

ボイラーの濃縮液;0.771%
塔頂部の凝縮液;0.482%
分離係数(塔頂濃度÷ボイラー濃度)=0.63
Boiler concentrate; 0.771%
Condensate at the top of the tower; 0.482%
Separation coefficient (tower top concentration ÷ boiler concentration) = 0.63

(実施例4-2)
実施例4で用いた充填材に、表面の濡水性を改善するための親水性処理(ベーマイト処理)を行い、当該親水性処理を行った充填材を用いて、実施例4と同様の試験を行った。
ボイラーの濃縮液;0.753%
塔頂部の凝縮液;0.436%
分離係数(塔頂濃度÷ボイラー濃度)=0.58
(Example 4-2)
The filler used in Example 4 was subjected to a hydrophilic treatment (boehmite treatment) to improve the wettability of the surface, and the same test as in Example 4 was carried out using the filler subjected to the hydrophilic treatment. gone.
Boiler concentrate; 0.753%
Condensate at the top of the tower; 0.436%
Separation coefficient (tower concentration ÷ boiler concentration) = 0.58

(比較例1)
実施例と同じ装置で、同じ運転条件を採用し、充填材に微細孔のないガラスビーズ(4mmφ)を同じ充填高さに充填し、同様にして重水濃度を測定すると以下のとおりとなった。
(Comparative Example 1)
Using the same equipment as in the examples, the same operating conditions were adopted, glass beads (4 mmφ) without micropores were filled in the filler at the same filling height, and the heavy water concentration was measured in the same manner as follows.

ボイラーの濃縮液;0.792
塔頂部の凝縮液;0.703
分離係数(塔頂濃度÷ボイラー濃度)=0.89
Boiler concentrate; 0.792
Condensate at the top of the tower; 0.703
Separation coefficient (tower top concentration ÷ boiler concentration) = 0.89

(比較例2)
実施例と同じ装置で、同じ運転条件を採用し、充填物にゼオライトビーズ(ユニオン昭和 商品番号MS-13X、3~4mmφ)を同じ充填高さに充填し、同様にして重水濃度を測定すると以下のとおりとなった。
(Comparative Example 2)
Using the same equipment as in the examples, using the same operating conditions, the filler is filled with zeolite beads (Union Showa product number MS-13X, 3-4 mmφ) at the same filling height, and the heavy water concentration is measured in the same manner. It became as follows.

ボイラーの濃縮液;0.967
塔頂部の凝縮液;0.844
分離係数(塔頂濃度÷ボイラー濃度)=0.87
Boiler concentrate; 0.967
Condensate at the top of the tower; 0.844
Separation coefficient (tower top concentration ÷ boiler concentration) = 0.87

(比較例3)
実施例と同じ装置で、同じ運転条件を採用し、充填物にPP(ポリプロピレン)製プラスチック焼結多孔体、細孔径が200μm(富士ケミカル 厚み4mm)を同じ充填高さに充填し、同様にして重水濃度を測定すると以下のとおりとなった。
(Comparative Example 3)
Using the same equipment as in the examples, the same operating conditions were adopted, and the filler was filled with a PP (polypropylene) plastic sintered porous body and a pore diameter of 200 μm (Fuji Chemical thickness 4 mm) at the same filling height. The measurement of heavy water concentration was as follows.

ボイラーの濃縮液;0.785
塔頂部の凝縮液;0.691
分離係数(塔頂濃度÷ボイラー濃度)=0.88
Boiler concentrate; 0.785
Condensate at the top of the tower; 0.691
Separation coefficient (tower top concentration ÷ boiler concentration) = 0.88

(比較例4)
実施例と同じ装置で、同じ運転条件を採用し、充填物にPP(ポリプロピレン)製プラスチック焼結多孔体、細孔径100μm(富士ケミカル 厚み4mm)を同じ充填高さに充填し、同様にして重水濃度を測定すると以下のとおりとなった。
ボイラーの濃縮液;0.726
塔頂部の凝縮液;0.785
分離係数(塔頂濃度÷ボイラー濃度)=0.93
(Comparative Example 4)
With the same equipment as in the examples, the same operating conditions were adopted, and the filler was filled with a PP (polypropylene) plastic sintered porous body, a pore diameter of 100 μm (Fuji Chemical thickness 4 mm) at the same filling height, and similarly heavy water. The concentration was measured as follows.
Boiler concentrate; 0.726
Condensate at the top of the tower; 0.785
Separation coefficient (tower top concentration ÷ boiler concentration) = 0.93

ここで、上記実施例と上記比較例において蒸留塔のHETP(理論段相当高さ)を計算したので、その結果を以下の表5に示す。但し、100℃における重水の比揮発度は0.975とした。 Here, the HETP (height equivalent to the theoretical stage) of the distillation column was calculated in the above-mentioned Example and the above-mentioned Comparative Example, and the results are shown in Table 5 below. However, the specific volatility of heavy water at 100 ° C. was 0.975.

なお、HETPの計算は以下の式を使った。
HETP=Z/N
N={Log(Separation Factor)/Log(α)}-1
但し、Separation Factor:分離係数
α:比揮発度
Z:充填層高さ[m]
The following formula was used to calculate HETP.
HETP = Z / N
N = {Log (Separation Factor) / Log (α)} -1
However, Separation Factor: Separation coefficient α: Specific volatility Z: Packed bed height [m]

Figure 2022033275000042
Figure 2022033275000042

(第1実験例における実験結果の検討)
(1)表5より、実施例1~実施例4-2のHETPが、比較例1(充填物が細孔のないガラスビーズ)のHETPの15~49%であることが明示される。このことから、充填物の細孔の有無によってHETPを低くできることが導かれる。
(Examination of experimental results in the first experimental example)
(1) From Table 5, it is clarified that the HETP of Examples 1 to 4-2 is 15 to 49% of the HETP of Comparative Example 1 (glass beads whose filling is no pores). This leads to the fact that HETP can be lowered depending on the presence or absence of pores in the packing.

(2)また、表5より、実施例1~実施例4-2のHETPが、比較例2(充填物がゼオライトビーズ)のHETPの22~72%であることが明示される。このことから、以下の事項が導かれる。即ち、ゼオライトビーズも実施例1~実施例4-2の充填物と同様に多孔質であるが、その細孔サイズは例えば0.15~0.43μmであり、あまりにも多孔質構造の空洞部分が小さいので液の移動に時間が掛かりすぎる。このため、蒸留塔には効果が小さいと考えられる。つまり、HETPを低くするためには、多孔質であることが前提であるが、細孔サイズがあまりにも小さい場合は却って不適当であることが導かれる。 (2) Further, from Table 5, it is clarified that the HETP of Examples 1 to 4-2 is 22 to 72% of the HETP of Comparative Example 2 (filling is zeolite beads). From this, the following matters are derived. That is, the zeolite beads are also porous like the fillers of Examples 1 to 4-2, but their pore size is, for example, 0.15 to 0.43 μm, and the cavity portion having a too porous structure is formed. Because it is small, it takes too much time to move the liquid. Therefore, it is considered that the effect is small for the distillation column. That is, in order to lower HETP, it is premised that it is porous, but if the pore size is too small, it is rather inappropriate.

(3)また、表5より、実施例1~実施例4-2のHETPが、比較例3(充填物がPP製(ポリプロピレン)プラスチック焼結多孔体、細孔径が200μm)のHETPの22~72%であることが明示される。このことから、以下の事項が導かれる。即ち、充填物がポリプロピレンのような高分子の多孔体の場合は、HETPを低くするのに不適当であることが導かれる。この理由は、水とポリプロピレンの接触角が大きいため、毛管構造で水を吸引する力が小さく、そのため、毛管構造部分を液が移動するエリアが小さいことによるものと考えられる。なお、細孔サイズを大きくすれば液の移動時間は短くできるが、その移動は重力やその他の力が作用して限定される。 (3) Further, from Table 5, the HETPs of Examples 1 to 4-2 are 22 to 22 of the HETPs of Comparative Example 3 (filling is made of PP (polypropylene) plastic sintered porous body, pore diameter is 200 μm). It is clearly stated that it is 72%. From this, the following matters are derived. That is, when the filler is a porous body of a polymer such as polypropylene, it is derived that it is not suitable for lowering HETP. It is considered that the reason for this is that since the contact angle between water and polypropylene is large, the force for sucking water in the capillary structure is small, and therefore the area where the liquid moves through the capillary structure portion is small. The movement time of the liquid can be shortened by increasing the pore size, but the movement is limited by the action of gravity and other forces.

(4)また、表5より、実施例1~実施例4-2のHETPが、比較例4(充填物がPP製(ポリプロピレン)プラスチック焼結多孔体、細孔径が100μm)のHETPの10~34%であることが明示される。このことから、以下の事項が導かれる。即ち、比較例3と同様に、充填物がポリプロピレンのような高分子の多孔体の場合は、HETPを低くするのに不適当であることが導かれる。但し、水とポリプロピレンの接触角が大きくても細孔サイズを小さくすると、毛管構造で水を吸引する力は大きくすることができる。しかし、細孔サイズが小さい場合は毛管構造部分を液が移動するのに時間が掛かりすぎることになり、HETPを低くするのに不適当であると認められる。 (4) Further, from Table 5, the HETPs of Examples 1 to 4-2 are 10 to 10 of the HETPs of Comparative Example 4 (filling is made of PP (polypropylene) plastic sintered porous body, pore diameter is 100 μm). It is clearly stated that it is 34%. From this, the following matters are derived. That is, as in Comparative Example 3, when the filler is a porous body of a polymer such as polypropylene, it is derived that it is not suitable for lowering HETP. However, even if the contact angle between water and polypropylene is large, if the pore size is reduced, the force for sucking water in the capillary structure can be increased. However, if the pore size is small, it takes too much time for the liquid to move through the capillary structure portion, which is considered inappropriate for lowering HETP.

(5)表5より、総括的な結論としては、本発明による充填物のHETPはガラスビーズのそれの15~49%、ゼオライトビーズのそれの22~72%となったから、同じ性能を必要とする蒸留塔の充填高さを大きく低減することができ、その効果は大きい。 (5) From Table 5, the overall conclusion is that the HETP of the filler according to the present invention is 15 to 49% of that of glass beads and 22 to 72% of that of zeolite beads, so that the same performance is required. The filling height of the distillation column can be greatly reduced, and the effect is great.

[第2実験例]
第2実験例として、以下の実施例5および比較例5,6を行った。この第2実験例では、以下に述べるように、充填塔としては内径100mmのステンレス製円塔容器を用いた。また、充填材として不規則充填物を用いた。なお、後述する第3実験例では充填材として規則充填物を用いたことにおいて相違する。
[Example of the second experiment]
As the second experimental example, the following Example 5 and Comparative Examples 5 and 6 were performed. In this second experimental example, as described below, a stainless steel circular tower container having an inner diameter of 100 mm was used as the packed column. In addition, an irregular filler was used as the filler. It should be noted that the third experimental example described later differs in that a regular filler is used as the filler.

(実施例5)
充填材としてアルミの焼結体で構成された「多孔質アルミ十字型」を用いた。「多孔質アルミ十字型」は、多孔質アルミ板(代表寸法12.5mm)を十字型に成型したものであり、表面には約200μm程度の微細孔が設けられている。充填塔は内径100mmのステンレス製円塔容器に上記の充填物を充填高さが、41.5cmになるように充填したものを用いた。ボイラーには55Lの純水に重水1kgを投入して調製した。運転は所定減圧状態とした。ボイラーの温度は約65℃となり、ボイラーのヒーターの出力は12kwとして定常運転となるようにした。この時の留出量は約18.4l/h(蒸発速度としては2000kg/m2h)であった。塔頂部から流出する蒸気は冷却器で冷却し、凝縮水の全量を塔頂部から流下させた。定常運転が得られるまで2時間を維持し、その後も定常運転を維持してさらに4時間経過後、ボイラーの下部の重水濃度と塔頂部の凝縮液の重水濃度をガスクロマトグラフで測定し次のデータを得た。
(Example 5)
A "porous aluminum cross" composed of an aluminum sintered body was used as the filler. The "porous aluminum cross shape" is a cross-shaped molded porous aluminum plate (typical size 12.5 mm), and has micropores of about 200 μm on the surface. As the packed tower, a stainless steel circular tower container having an inner diameter of 100 mm was filled with the above-mentioned filling so that the filling height was 41.5 cm. The boiler was prepared by adding 1 kg of heavy water to 55 L of pure water. The operation was set to a predetermined decompression state. The temperature of the boiler was about 65 ° C., and the output of the heater of the boiler was set to 12 kw for steady operation. The distillate amount at this time was about 18.4 l / h (evaporation rate was 2000 kg / m 2 h). The steam flowing out from the top of the tower was cooled by a cooler, and the entire amount of condensed water was allowed to flow down from the top of the tower. Maintain 2 hours until steady operation is obtained, and after 4 hours have passed after that, measure the heavy water concentration at the bottom of the boiler and the heavy water concentration of the condensed liquid at the top of the boiler with a gas chromatograph, and the following data Got

ボイラーの濃縮液;1.740%
塔頂部の凝縮液;1.441%
分離係数(塔頂濃度÷ボイラー濃度)=0.828
Boiler concentrate; 1.740%
Condensate at the top of the tower; 1.441%
Separation coefficient (tower top concentration ÷ boiler concentration) = 0.828

(比較例5)
実施例5と同じ装置で、同じ運転条件を採用し、充填物に「マツイカスケードミニリング」(マツイマシン株式会社製)を用いて充填高さが100cmとなるように充填し、実施例5と同様の測定方法により重水濃度を測定すると以下のとおりとなった。なお、「マツイカスケードミニリング」は、多孔質でない不規則充填物(代表寸法17mm)であり
、ショットブラスト表面処理によって表面があらされている。
(Comparative Example 5)
With the same equipment as in Example 5, the same operating conditions were adopted, and the filling was filled with "Matsui Cascade Mini Ring" (manufactured by Matsui Machine Co., Ltd.) so that the filling height was 100 cm. When the heavy water concentration was measured by the same measurement method, it was as follows. The "Matsui Cascade Mini Ring" is an irregular filler (typical size 17 mm) that is not porous, and its surface is exposed by shot blast surface treatment.

ボイラーの濃縮液;1.630%
塔頂部の凝縮液;1.373%
分離係数(塔頂濃度÷ボイラー濃度)=0.842
Boiler concentrate; 1.630%
Condensate at the top of the tower; 1.373%
Separation coefficient (tower top concentration ÷ boiler concentration) = 0.842

(比較例6)
実施例5と同じ装置で、同じ運転条件を採用し、充填物に不規則充填物であるセラミック製ラシヒリング(表面がゼオライトでコーティングされ、代表寸法12.5mm)を用いて充填高さが48cmとなるように充填し、実施例5と同様の測定方法により重水濃度を測定すると以下のとおりとなった。なお、当該セラミック製ラシヒリングは、表面がゼオライトでコーティングされている。
(Comparative Example 6)
With the same equipment as in Example 5, the same operating conditions are adopted, and the filling is made of ceramic Raschig ring (the surface is coated with zeolite and the representative size is 12.5 mm), which is an irregular filling, and the filling height is 48 cm. When the heavy water concentration was measured by the same measuring method as in Example 5, the results were as follows. The surface of the ceramic raschig ring is coated with zeolite.

ボイラーの濃縮液;1.706%
塔頂部の凝縮液;1.468%
分離係数(塔頂濃度÷ボイラー濃度)=0.860
Boiler concentrate; 1.706%
Condensate at the top of the tower; 1.468%
Separation coefficient (tower top concentration ÷ boiler concentration) = 0.860

Figure 2022033275000043
Figure 2022033275000043

(第2実験例における実験結果の検討)
表6より、実施例5のHETPが、比較例5のHETPの36%、比較例6のHETPの62%であることが明示される。このことから、不規則充填物の場合であっても、多孔質でない充填物(比較例5)や多孔質であっても細孔サイズが小さすぎる充填物(比較例6)に対して、好ましい細孔サイズで構成された「多孔質アルミ十字型」(実施例5)がHETPを低くできることが導かれる。なお、微細孔形成手段として、アルミの焼結体で構成するのが好ましいことが理解される。
(Examination of experimental results in the second experimental example)
From Table 6, it is clarified that the HETP of Example 5 is 36% of the HETP of Comparative Example 5 and 62% of the HETP of Comparative Example 6. For this reason, even in the case of an irregular packing, it is preferable for a filling that is not porous (Comparative Example 5) and a filling that is porous but has a pore size that is too small (Comparative Example 6). It is derived that the "porous aluminum cross" (Example 5) configured by the pore size can lower HETP. It is understood that it is preferable to use an aluminum sintered body as the fine pore forming means.

[第3実験例]
第3実験例として、以下の実施例6および比較例7,8を行った。この第3実験例では、以下に述べるように、充填塔としては内径100mmのステンレス製円塔容器を用いた。また、充填材として規則充填物を用いた。
[Example of the third experiment]
As the third experimental example, the following Example 6 and Comparative Examples 7 and 8 were performed. In this third experimental example, as described below, a stainless steel circular tower container having an inner diameter of 100 mm was used as the packed column. In addition, a regular filler was used as the filler.

(実施例6)
充填材として「アルミ溶射マツイ規則250S」を用いた。「アルミ溶射マツイ規則250S」は、既存の充填物(金属の波板で構成された「マツイ規則250S」)の表面にアルミ溶射層が設けられている充填物であって、その表面には約200μm程度の微細孔が設けられている。充填塔は内径100mmのステンレス製円塔容器に上記の充填物を充填高さが、90cmになるように充填したものを用いた。ボイラーには55Lの純水に重水1kgを投入して調製した。運転は大気圧状態とした。ボイラーの温度は約65℃となり、ボイラーのヒーターの出力は12kwとして定常運転となるようにした。この時の留出量は約18.4l/h(蒸発速度としては2000kg/m2h)であった。塔頂部から流出する蒸気は冷却器で冷却し、凝縮水の全量を塔頂部から流下させた。定常運転が得られるまで2時間を維持し、その後も定常運転を維持してさらに4時間経過後、ボイラーの下部の重水濃度と塔頂部の凝縮液の重水濃度をガスクロマトグラフで測定し次のデータを得た。
なお、上記アルミ溶射層の形成に際しては、プラズマ溶射やアーク溶射等の公知の溶射法を用いた。
(Example 6)
"Aluminum sprayed Matsui Rule 250S" was used as the filler. "Aluminum sprayed Matsui Rule 250S" is a filler in which an aluminum sprayed layer is provided on the surface of an existing filler ("Matsui Rule 250S" composed of corrugated metal plates), and the surface thereof is approximately. Micropores of about 200 μm are provided. As the packed tower, a stainless steel circular tower container having an inner diameter of 100 mm was filled with the above-mentioned filling so that the filling height was 90 cm. The boiler was prepared by adding 1 kg of heavy water to 55 L of pure water. The operation was set to atmospheric pressure. The temperature of the boiler was about 65 ° C., and the output of the heater of the boiler was set to 12 kw for steady operation. The distillate amount at this time was about 18.4 l / h (evaporation rate was 2000 kg / m 2 h). The steam flowing out from the top of the tower was cooled by a cooler, and the entire amount of condensed water was allowed to flow down from the top of the tower. Maintain 2 hours until steady operation is obtained, and after 4 hours have passed after that, measure the heavy water concentration at the bottom of the boiler and the heavy water concentration of the condensed liquid at the top of the boiler with a gas chromatograph, and the following data Got
In forming the aluminum spraying layer, a known thermal spraying method such as plasma spraying or arc spraying was used.

ボイラーの濃縮液;1.711%
塔頂部の凝縮液;1.350%
分離係数(塔頂濃度÷ボイラー濃度)=0.789
Boiler concentrate; 1.711%
Condensate at the top of the tower; 1.350%
Separation coefficient (tower top concentration ÷ boiler concentration) = 0.789

(比較例7)
実施例6と同じ装置で、同じ運転条件を採用し、充填材としてはアルミ溶射していない「マツイ規則250S」(マツイマシン株式会社製)を用いて充填高さが90cmとなるように充填し、実施例6と同様の測定方法により重水濃度を測定すると以下のとおりとなった。
(Comparative Example 7)
With the same equipment as in Example 6, the same operating conditions are adopted, and the filling material is "Matsui Rule 250S" (manufactured by Matsui Machine Co., Ltd.), which is not sprayed with aluminum, so that the filling height is 90 cm. When the heavy water concentration was measured by the same measuring method as in Example 6, it was as follows.

ボイラーの濃縮液;1.836%
塔頂部の凝縮液;1.583%
分離係数(塔頂濃度÷ボイラー濃度)=0.863
Boiler concentrate; 1.836%
Condensate at the top of the tower; 1.583%
Separation coefficient (tower top concentration ÷ boiler concentration) = 0.863

Figure 2022033275000044
Figure 2022033275000044

(第3実験例における実験結果の検討)
表7より、実施例6のHETPが、比較例7のHETPの54%であることが明示される。このことから、規則充填物の場合であっても、多孔質でない充填物(比較例7)に対して、アルミ溶射により表面に微細孔を設けた充填物(実施例6)がHETPを低くできることが導かれる。なお、微細孔形成手段として、アルミ溶射によりアルミ溶射層を形成するのが好ましいことが理解される。また、不規則充填物である実施例5と、規則充填物である実施例6とを比較すると、圧力損失を小さく抑えることができるという観点から、規則充填物である実施例6の方が好ましい。
(Examination of experimental results in the third experimental example)
From Table 7, it is clarified that the HETP of Example 6 is 54% of the HETP of Comparative Example 7. From this, even in the case of a regular filling, the filling having micropores on the surface by aluminum spraying (Example 6) can lower the HETP with respect to the non-porous filling (Comparative Example 7). Is guided. It is understood that it is preferable to form an aluminum sprayed layer by spraying aluminum as a means for forming fine pores. Further, comparing Example 5 which is an irregular filling and Example 6 which is an irregular filling, Example 6 which is an irregular filling is preferable from the viewpoint that the pressure loss can be suppressed to a small size. ..

(第1実験例~第3実験例における実験結の総括)
以上のように本発明による充填物のHETPはガラスビーズのそれの15~49%、ゼオライトビーズのそれの22~72%となったから、同じ性能を必要とする蒸留塔の充填高さを大きく低減することができ、その効果は大きい。
(Summary of experimental conclusions in the first to third experimental examples)
As described above, the HETP of the filler according to the present invention was 15 to 49% of that of the glass beads and 22 to 72% of that of the zeolite beads, so that the filling height of the distillation column requiring the same performance was greatly reduced. The effect is great.

比揮発度が接近している成分の蒸留分離(例えば重水と軽水、トリチウムと軽水、トリチウムと重水、など)には充填高を如何に低くするかが工業上の課題になっている。従来、この問題に対して、充填物に吸着性を持たせる試みが為されてきた。本発明は吸着性を有しないが多数の気孔を有する毛管構造体を構成することにより、吸着材の場合よりもさらに分離効果を高めることが出来ることを見出した。このような構造に分離効果を高める効果があることの理論的な考察はなお継続しているが、以下のように考えられる。即ち、充填材の表面は、この試験を行った液流下速度(第1実験例の270kg/mh~590kg/mhと、第2および第3実験例の2000kg/mh)では、表面のある一点に着目すると、常時液が流れるのではなく、しばしば液流下が途切れ、蒸気と直接接触し、しばらく後に液が再び表面を覆って流れ下るものと推測される。蒸気と接触したとき、表面には多孔部分に液が留まっており、この部分が蒸気中の成分と接触して、より蒸気の平衡濃度に接近するものと考えられる。そこに流下液が接触するので流下液の濃度が、多孔質の存在しない場合よりも高く濃縮されるものと考えられる。 For distillation separation of components with close specific volatility (for example, heavy water and light water, tritium and light water, tritium and heavy water, etc.), how to reduce the filling height is an industrial issue. Conventionally, attempts have been made to make the filler adsorbable to solve this problem. It has been found that the present invention can further enhance the separation effect as compared with the case of the adsorbent by constructing a capillary structure having no adsorptive property but having a large number of pores. The theoretical consideration that such a structure has the effect of enhancing the separation effect is still continuing, but it is considered as follows. That is, the surface of the filler is at the liquid flow rate (270 kg / m 2 h to 590 kg / m 2 h in the first experimental example and 2000 kg / m 2 h in the second and third experimental examples) in which this test was performed. Focusing on one point on the surface, it is presumed that the liquid does not always flow, but the liquid flow is often interrupted, comes into direct contact with the steam, and after a while, the liquid covers the surface again and flows down. When in contact with steam, the liquid remains in the porous portion on the surface, and it is considered that this portion comes into contact with the components in the vapor and approaches the equilibrium concentration of the vapor. Since the flowing liquid comes into contact there, it is considered that the concentration of the flowing liquid is higher than that in the absence of the porosity.

本発明は、蒸留塔に使用される充填材を用いた蒸留分離方法、及び蒸留分離装置に、特に、トリチウム水のように比揮発度が接近した成分の蒸留分離に好適に実施することが可能な蒸留分離方法及び蒸留分離装置に適用することが可能である。 The present invention can be suitably applied to a distillation separation method using a filler used in a distillation column and a distillation separation device, particularly for distillation separation of components having close specific volatility such as trithium water. It can be applied to various distillation separation methods and distillation separation devices.

1:蒸留装置 2:蒸留塔
3:リボイラー 4:凝縮器

1: Distiller 2: Distiller 3: Reboiler 4: Condensator

Claims (5)

処理液が供給される蒸留塔内に充填される充填材であって、
少なくとも表面が毛細管現象を発現する多孔質で構成された微細孔形成手段で覆われており、前記微細孔形成手段は金属溶射層又は金属焼結体であることを特徴とする充填材。
It is a filler filled in the distillation column to which the treatment liquid is supplied.
A filler characterized in that at least the surface is covered with a micropore-forming means made of a porous material that exhibits a capillary phenomenon, and the micropore-forming means is a metal sprayed layer or a metal sintered body.
前記金属溶射層はアルミ溶射層である請求項1記載の充填材。 The filler according to claim 1, wherein the metal sprayed layer is an aluminum sprayed layer. 前前記金属焼結体はアルミ焼結体である請求項1記載の充填材。 The filler according to claim 1, wherein the metal sintered body is an aluminum sintered body. 請求項1~3のいずれかに記載の充填材が充填された蒸留塔を用いて、処理すべき原液の蒸留分離を行うことを特徴とする蒸留分離方法。 A distillation separation method, which comprises performing distillation separation of a stock solution to be treated by using a distillation column filled with the filler according to any one of claims 1 to 3. 蒸留塔を備えた蒸留分離装置であって、
前記蒸留塔は請求項1~3のいずれかに記載の充填材が充填されていることを特徴とする蒸留分離装置。

It is a distillation separation device equipped with a distillation column.
The distillation column is a distillation separation device, wherein the distillation column is filled with the filler according to any one of claims 1 to 3.

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