JP3611256B2 - 液体分配器 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は液体分配器、特に蒸留塔装置に接続される凝縮器の液体を還流液と留出液に分配する還流分配器又は還流液を塔内に分散する液体分散器に関連する。
【０００２】
【従来の技術】
２成分又は多成分を含む液体混合物を加熱して低沸点成分と高沸点成分に分離する蒸留塔は化学工業及び石油工業において使用されている。図６に示す蒸留塔２０の塔頂は凝縮器２１に接続され、塔頂から蒸発した成分は凝縮器２１により凝縮され、凝縮液は還流槽２２に貯蔵される。還流槽２２に貯蔵された留分の一部はポンプ２３によって再び塔頂に戻され、塔頂に設けられた液体分散器２４から蒸留塔２０内に分散される。蒸留塔の塔頂組成が時々刻々に変化するバッチ蒸留では、例えば低沸点成分と高沸点成分に分離するとき、分離点付近では低沸点成分と高沸点成分が混合した留分が留出する。このため、個々の留出成分を高純度で取り出すには、通常は分離点付近の混合成分を中間留分として別に分取する必要がある。この場合に、還流部の滞留液量が多いほど、高純度の留分と低純度の留分との混合量が多くなるため、中間留分として取り出す量が多くなり、高純度成分として取り出す回収量が低下する。連続蒸留に通常使用される図６の還流槽方式は、滞留液量が多くなるためバッチ蒸留では通常採用されない。
還流部の滞留液量を減少させるため、図７に示す還流分配器方式や図８に示すタイマによる弁切換方式又は図９に示す流量計方式が採用されている。図７に示す還流分配器方式では、凝縮器２１の下流側に還流分配器２５が連結され、還流分配器２５では一定比率の流量を留出液として取り出すと共に、残部を液体分散器２４に戻している。図８の弁切換方式では、凝縮器２１から得られた凝縮液を切換弁２６に導き、タイマの作動により切換弁２６の切換状態を制御して留出液と還流液とに分配している。また、図９の流量計方式では流量計２７で流量を確認しながら調整弁２８にて還流液と留出液とに分配している。
このように、凝縮器２１から送られる凝縮液を還流液と留出液に二分して分配するが、分配精度としては、還流分配器方式が最も優れており、操作も簡単である。また従来の還流分配器は、溢流型、側壁オリフィス型、底部オリフィス型及び多孔管型に分類される。溢留型分配器は、特公昭４６−６６０６号公報に示されるように、分配器本体の上方に設けられた凝縮液供給管から下方のバケットに送られる凝縮液がバケットから溢流して側壁に沿って流下し、これを特殊な形状の受器に導いて還流液と留出液とに二分する。側壁オリフィス型分配器は、特公昭５１−８８３７号公報に示されるように、分配器本体内に設けたバケットの側壁の一部に多数のオリフィスを設け、側壁部に密着してワイヤガーゼを取り付けて、凝縮液をワイヤガーゼに沿って流下させる構造を有する。しかしながら、上記２方式では流下液の流れが不安定になることがあり、分配精度が悪い。これを改良したのが、底壁オリフィス型分配器であり、バケットの底面の一部に同心円状の複数列の多数オリフィスを設け、これらのオリフィスから流下する凝縮液を還流液と留出液に二分する。特公昭６３−２２０５号公報は、バケットの底面に固定した多孔管のオリフィスを通り、内筒内の液体が多孔管内に流入した後、多孔管の底部から流下する還流分配器を示す。
また、還流液を蒸留塔内に分散するのに液体分配器が通常使用される。例えば、特開平１−２９９６３４号公報に示されるように、予備分配器の下方に複数の溝部を設け、溝部に形成した複数の流出スリットから液体を流下させると共に、プレート状の案内部材をスリットに隣接して形成して、案内部材の案内面に沿って液体を均一に流す物質交換塔及び熱交換のための液体分配器が公知となっている。更に、特開平５−１３８００３号公報には、垂直に配置された縦管に対して水平に配置した主管を接続し、水平に配置した複数の分配管を主管に直角に接続した液体分配器が示される。この液体分配器では、水平に配置された分配管の上縁に複数のノズル孔を設けると共に、ノズル孔の周囲に薄板状基材を配置して、ノズル孔から流出する液体を薄板状基材によって案内し、均一に分配を行っている。
【０００３】
【発明が達成しよとする課題】
ところで、前記特開平１−２９９６３４号公報の液体分配器では、還流部の滞留液量が多いため、高純度成分の回収量が低下する欠点があった。また、特開平５−１３８００３号公報の液体分配器では、広流量範囲に対応させる場合に、低流量領域においては液体を高精度で均一に分配できない欠点がある。即ち、還流分配器のオリフィスや液体分配器のノズル孔は均一に開口し、水平部品を正確に水平に配置することが本来望ましい。しかしながら、実際にはオリフィスやノズル孔を均一に開口したり、複数本の多孔管のオリフィスのレベルを合わせたり、また水平部品を全て高精度で水平に配置することは非常に困難である。このため、オリフィスやノズル孔の開口部が微妙に不均一となり、水平部品は水平に対して若干の角度で傾斜し、また複数本の多孔管のオリフィスのレベルが多少異なり、水平部品の複数のオリフィスやノズル孔は多少水平位置が異なる。このため、供給する液体の流量が少ないとき、オリフィスやノズル孔から流出する液体は不均一となり、均等な分配を達成できない難点がある。このため、特開平５−１３８００３号の液体分配器では薄板状基材によりこの欠点を補うことを目的としているが、流量の少ない範囲ではやはり十分な均一性を保つことはできない。また、オリフィス型還流分配器では液体の流量が少ないときに殆ど液体が貯まらず、バケット底面でバケット内の液体の流れの不均一性が大きく影響して、分配の不均一性が増大する欠点を有する。
更に、特開平１−２９９６３４号公報に示される液体分配器は、予備分配器を設けるため、滞留液量が多く、構造が複雑となる欠点がある。
そこで、この発明は滞留液量が少なく、低流量域でも常に均一に液体を分配できかつ製造の容易な液体分配器を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を達成するための手段】
この発明による液体分配器では、垂直方向又は傾斜した垂直方向にスリットを形成した円筒状の分配管がバケットの底面又は枝管に固定される。また、この発明の実施例では、ほぼ垂直に配置される供給管と、供給管に対してほぼ直角にかつ水平に配置されると共にほぼ中央部において供給管に接続される主管と、主管に直角に接続されかつ水平に配置される複数の枝管とを備えている。複数の枝管は主管の軸方向に対して対称に配置される。この液体分配器は、枝管に対してほぼ直角にかつ垂直に配置されると共に、垂直方向又は傾斜した垂直方向にスリットを形成した円筒状の分配管を備えている。各分配管は枝管の中心軸線上に配置される。主管及び枝管の底部に開口部が形成される。本明細書では、用語「液体分配器」を「還流分配器」及び「液体分散器」を含む意味として使用する。
この発明の実施例では、単数又は複数のスリットが分配管に設けられる。スリットが単数の場合には、スリットを枝管の軸方向の主管側に設けて、スリットから外側に流出する液を主管側に隣接する分配管までの間の枝管上に流下させ、液の飛散を防止する。また、複数のスリットを設ける場合には、分配管の外側に同軸上に円筒状のシールド管を配置し、分配管のスリットから径方向外側に流出する液体の飛散をシールド管によって防止する。また、液の飛散がわずかでも許されない場合には、分配管の下端を枝管の底部から下方に突出させ、分配管の外側に同軸に円筒状のシールド管を配置し、分配管のスリットから径方向内側に流入する液体を分配管の下端から流下させる。分配管のスリットの幅は０．２ｍｍ以上で、開口部の直径は０．５ｍｍ以上、好適には１．０ｍｍ以上である。
【０００５】
【作用】
垂直方向又は傾斜した垂直方向にスリットを形成した円筒状の分配管を枝管に固定したので、分配管内に滞留する液量が少なく、高純度成分の回収量の減少を防止することができる。また、分配管にスリットを形成したので、低流量時でも均一に液体を分配又は分散することができる。従来のオリフィス方式やノズル孔方式では１５０ｍｍ以下の液高で均一な分配を達成できる最低流量時と最高流量時の流量比は１：３であったが、この発明による液体分配器では、１：１０以上の広い流量範囲が容易に得られる。更に、スリットを分配管に形成するだけなので、多孔管式還流分配器に比べ製造が容易である。
【０００６】
【実施例】
以下、この発明による液体分配器の実施例を図１〜図５について説明する。
図１に示すように、この発明による液体分配器１は、上端に漏斗部６を備えかつほぼ垂直（鉛直）に配置される供給管２を有する。供給管２の下端に主管３のほぼ中央部が接続されるが、主管３は供給管２に対してほぼ直角にかつ水平に配置される。水平に配置される複数の枝管４は、主管３に直角に接続され、主管３の軸方向に対して対称に配置される。垂直に配置されかつ円筒状の複数の分配管５の下端５ａは枝管４に接続され、枝管４に対してほぼ直角に配置される。図２に示すように、各分配管５は枝管４の中心軸線４ａ上に直線上に配置される。液体分配器１は例えばステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）等の耐食性金属により形成される。
図３（Ａ）に示すように、分配管５には分配管５の長さ方向に沿って単一のスリット７が垂直方向で枝管４の軸方向の主管３側に形成されるが、図３（Ｂ）に示すように複数のスリット７を形成してもよいし、図３（Ｃ）（Ｄ）のように複数の傾斜スリットや螺旋スリットを形成してもよい。スリット７の幅は例えば０．２ｍｍ以上である。図４（Ａ）に示すように、枝管４の底部４ｂに開口部８が形成される。図示の例では、１つの開口部８を示すが、実際には枝管４の長さ方向に沿って複数の開口部８が形成されるし、主管３の底部にも同様の開口部が形成される。図４（Ａ）に示す開口部８の直径は例えば０．５ｍｍ以上である。図４（Ａ）に示す実施例は、液の飛散を少なくする方法であり、分配管５の外側に同軸上に円筒状のシールド管９が配置される。シールド管９は分配管５のスリット７から径方向外側に流出する液体の飛散を防止する作用がある。図４（Ｂ）に示すこの発明の他の実施例では、分配管５の下端５ｂは枝管４の底部４ｂから下方に突出する。図４（Ｂ）に示す実施例では、分配管５の外側に同軸に円筒状のシールド管９が配置され、分配管５のスリット７から径方向内側に流れる液体が分配管５の下端から流下する方法であり、液の飛散を完全に防止することができる。図示しないが、還流分配器では２室に仕切られた分流室があり、スリット７を通って下方に落下する液体は分流室に流下する。
使用の際には、漏斗部６に分配すべき液体が供給され、供給管２、主管３、枝管４及び分配管５を通りスリット７から下方に落下する。このため、従来では均一な分配を達成できる最低流量時と最高流量時の１時間当たりの流量比が１：３（リットル）であった同じ液高比で、この発明による液体分配器では、１：１０以上の広い流量範囲で均一な分配が容易に得られる。
開口部８から液面までの高さをｈ、開口部８の断面積をＡ、開口部８の流速をＶとすると、流量Ｑは次の関係がある。
【数１】

また、スリットの場合は、スリットの底部から液面までの各流出位置で、高さ（位置エネルギ）が相違するので、スリットの底部から自由表面までの流量を積分により求めると、次式の関係が成立する。
【数２】

また、本実施例では、従来のように予備分配器を使用する必要がなく、簡素な構造で構成することができる。
また、特開平５−１３８００号公報のように薄板状基材を使用する必要がなくかつ高精度の水平度を必要としない。
【０００６】
図５はバケット式還流分配器にこの発明を適用した他の実施例を示す。スリット７を形成した分配管５はバケット３０の底面３１に取り付けられる。回転軸３２に回転可能に取り付けられたバケット３０には凝縮液供給管３３から凝縮液が供給される。バケット３０の底面３１には実際にはそれぞれスリット７が形成された複数の分配管５が取り付けられる。バケット３０内の凝縮液はスリット７を通り分配管５の内部に流入し、底面３１から流下する。本実施例においても低流量時に均一に液体を分配又は分散することができ、スリットを分配管に形成するだけなので、製造が容易である。
また、還流液を蒸留塔内に分散する液体分散器の滞留液量もできるだけ減少する必要がある。この観点から管形分散器は小口径の管で構成した構造のため、溝形分散器に比較して、滞留液量を格段に減少することができる。例えば、１：１０で流量範囲が変化する塔径７００ｍｍの蒸留塔に使用する場合、最大流量時の滞留液量は、溝形分散器では約３０リットルであるが、管形分散器では約３リットルとなり、１０分の１に減少できる。最大流量から流量が減少しても、滞留液量の比率はあまり変わらない。このため、管形分散器の方が溝形分散器より有利である。
多孔管式還流分配器は製作する上で多孔管に開ける多数のオリフィスのレベルを、全ての多孔管で同一にし、各多孔管から液が流出するオリフィスの数を同じにしなくてはならないが、製作上これは非常に困難である。オリフィスの位置が各多孔管でずれると、液が流出するオリフィスの数が多孔管毎に異なり、バケット内の液面位（流量と同じ）により還流比が不安定となり、十分な精度を出せない欠点がある。スリットは高精度の位置決めが不要となるため、スリット式にするとこの欠点が解消される。
【０００７】
【発明の効果】
前記のように、この発明による液体分配器は、滞留液量が少ないため、高純度成分の回収量の減少を防止でき、かつ容易に製造することができる。また、低流量時でも液体を均一に分配することができ、広い流量範囲で液体を分配することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による液体分配器の斜視図
【図２】分配管を示す部分平面図
【図３】分配管の斜視図
【図４】分配管の周囲にシールド管を取り付けた例を示す断面図
【図５】バケット式還流分配器に適用したこの発明の他の実施例を示す断面図
【図６】還流槽方式の蒸留塔を略示するブロック図
【図７】還流分配方式の蒸留塔を略示するブロック図
【図８】切換弁方式の蒸留塔を略示するブロック図
【図９】流量計方式の蒸留塔を略示するブロック図
【符号の説明】
１・・液体分配器、 ２・・供給管、 ３・・主管、 ４・・枝管、 ４ａ・・中心軸線、 ４ｂ・・底部、 ５・・分配管、 ５ａ・・下端、 ６・・漏斗部、 ７・・スリット、 ８・・開口部、 ９・・シールド管、

Claims (6)

1. 垂直方向又は傾斜した垂直方向にスリットを形成した円筒状の分配管をバケットの底面又は枝管に固定したことを特徴とする液体分配器。
2. ほぼ垂直に配置される供給管と、供給管に対してほぼ直角にかつ水平に配置されると共にほぼ中央部において供給管に接続される主管と、主管に直角に接続されかつ水平に配置される複数の枝管とを備え、複数の枝管は主管の軸方向に対して対称に配置される液体分配器において、
   枝管に対してほぼ直角にかつ垂直に配置されると共に垂直方向又は傾斜した垂直方向にスリットを形成した円筒状の分配管を備え、
   各分配管は枝管の中心軸線上に配置され、
   主管及び枝管の底部に開口部を形成したことを特徴とする液体分配器。
3. 分配管は単数又は複数のスリットを備えた請求項２に記載の液体分配器。
4. 分配管の外側に同軸上に円筒状のシールド管を配置し、分配管のスリットから径方向外側に流出する液体の飛散をシールド管によって防止する請求項２に記載の液体分配器。
5. 分配管の下端は枝管の底部から下方に突出し、分配管の外側に同軸に円筒状のシールド管を配置し、分配管のスリットから径方向内側に流入する液体を分配管の下端から流下させる請求項２に記載の液体分配器。
6. 分配管のスリットの幅は０．２ｍｍ以上で、開口部の直径は０．５ｍｍ以上である請求項１に記載の液体分配器。

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