JP3877225B2 - 気体と液体を接触させるカラム - Google Patents

Description

本発明は、上向きに流れる気体と下向きに流れる液体を接触させ、これらの相間で質量、熱、運動量を伝達するカラムに関する。気体と液体を接触させるそのようなカラムは、よく知られており、たとえば蒸留、精留、吸収、ストリッピングで使用される。
本明細書では、気体と蒸気を区別せず、「気体」の語は、蒸気も指す。
上向きに流れる気体と下向きに流れる液体を接触させるカラムは通常、カラムの下部に構成された気体用入口と、カラムの上部に構成された液体用入口と、カラムの下端部に構成された液体用出口と、カラムの上端部に構成された気体用出口とを備える。一般に、カラムの上端に配置された気体用出口は一つしかない。しかし、カラムは、液体および気体用の複数の入口と、液体用の複数の出口とを備えることができ、これらの入口および出口の数ならびにそれらの位置は応用例に依存する。
カラムには、通常の動作時に、液体と気体が互いに接触する、少なくとも一つの水平トレーがある。そのような水平トレーの一例として、ダウンカマーを備える穴あきプレートがある。
ダウンカマーを有する穴あきプレートを備えるカラムの通常の動作時に、液体は、穴あきプレート上に連続的に供給され、穴あきプレート上に液体層として集められる。穴あきプレートの穴を通過した気体は、穴あきプレート上の液体に接触する。余分の液体は、穴あきプレートからダウンカマーに引き込まれ、一つ下の穴あきプレート上へ送られ、そこで引き続き接触が行われる。穴あきプレートが１番下の穴あきプレートであるとき、液体がカラムの下端部へ流れ、そこから液体用出口を介して取り出されることが理解されよう。液体層から出てきた気体は上向きに流れ、一つ上の穴あきプレートに達し、そこで接触が引き続き行われる。穴あきプレートが１番上の穴あきプレートであるとき、気体がカラムの上端部へ流れ、そこから気体用出口を介して取り出されることが理解されよう。
本発明は詳細には、水平トレーが、管状気体／液体接触装置を備えるプレートから成る、気体と液体を接触させるカラムに関する。管状気体／液体接触装置は、プレートの下方に配置された接触部と、接触部の上方の分離部と、分離部の上方にありプレートの上方に配置された出口部とを備え、接触部の壁は、複数の接線方向気体入口を備え、接触部の下端に液体供給管が開放し、出口部は、コアレッサ手段を備える気体透過性壁を有する。
そのような装置は、英国特許第１１２３５４６号で開示されている。この既知の装置では、出口部のコアレッサ手段を備える気体透過性壁は、二つの同心状エキスパンデッドメタル層を備え、出口部上端で出口部が開放される。
通常の動作時には、上向きに流れる気体が、接線方向気体入口を通過し、管状気体／液体接触装置の接触部に進入し、液体が、液体供給管を通じて接触部の下部に供給される。接触部に進入した液体は、旋回する気体によって分離され、分散された形態で気体に接触する。旋回する流体は、管状気体／液体接触装置の分離部に進入する。分離部内で、液体は、遠心力の影響の下で外側へ移動し、分離部の壁の内面上に溜まる。気体および液体は出口部に進入し、気体は管状気体／液体接触装置の出口部の開放端を通じて出口部から出て、液体はエキスパンデッドメタル上で合体し、そこからプレート上に落下する。
出口部の上端が開放されていると、大量の液体が、出口の上端を通じて出口部から出る気体に飛沫同伴することがある。
飛沫同伴を低減させるために、改良された管状気体／液体接触装置が提案された。この装置は、「Teoreticheskie Osnovy Khimicheskoi Tekhnologii」（第２３巻、第４号、４３５ページないし４４４ページ、１９８９年）を翻訳したものであるN I Saval'ev and N A Nikolaev (Kirov Kazan Chemical Technology Institute)著「Methematical description and analysis of mass transfer mechanics in contact equipment with vortical concurrent stream flow」で開示されている。
後者の気体／液体接触装置で、コアレッサ手段を備える気体透過性壁は、接線方向出口を備える円筒形壁を有する開放端管と、開放端管の上端の上方に構成されたＵ字形環状デフレクタとを備え、環状デフレクタは、液体を回収するために接線方向出口の上方で延びるスカートを有する。したがって、通常の動作時には、上向きに流れる気体の一部が偏向され、気体に飛沫同伴する液体が気体から分離される。
本出願人は、ある量の液体が、中央液体供給管上に集まり、その後、吹き飛ばされ、上向きに流れる気体の塊の中心に飛沫同伴することを知った。この気体は、Ｕ字形環状デフレクタでは偏向されないので、ある量の液体は依然として、気体と共に開放端出口部から出る。したがって、気体と液体の分離は完全ではない。
本発明の目的は、前述の管状気体／液体接触装置から出る気体に飛沫同伴する液体の量を低減させることである。
このために、本発明による、上向きに流れる気体を下向きに流れる液体に接触させるカラムは、出口部の頂部がカバーを備えることを特徴とする。
このカバーは、出口部の上端を閉鎖し、したがって通常の動作時に、流体が、コアレッサ手段を備える気体透過性壁を通じて流れるように、上向きに通過する流体を偏向させる。
液体供給管は、管状気体／液体装置の接触部の下部に液体を供給する。液体は、管状気体／液体接触装置が取り付けられた水平トレーから送ることができ、このために、水平トレーの上方の管状気体／液体接触装置の壁に開口部が形成され、液体供給管は供給導管によって開口部に接触される。液体は、管状気体／液体接触装置の上方の水平トレーから送ることもでき、この場合、液体供給管は、管状気体／液体接触装置内を下向きに延びるダウンカマーチューブである。
好適には、出口部のコアレッサ手段を備える気体透過性壁は、管状コアレッサ材料層を備え、管状層の内径は、分離部の外径以上である。管状層の内径の寸法は、管状コアレッサ材料層に回収された液体が、管状気体／液体接触装置の外側の空間内およびプレート上に落下できるように選択される。管状コアレッサ材料層内の気体流に対する抵抗が高くなりすぎないように、管状コアレッサ材料層の自由領域は、管状気体／液体接触装置の断面積以上、またはその１倍ないし１．５倍である。
好適には、コアレッサ材料は、エキスパンデッドメタル、すなわち、スリットを設けられ伸長されて格子状にされた薄板金の層を含む。さらに好都合なことに、コアレッサ材料は、少なくとも二つの同心状エキスパンデッドメタル層を備える。
出口部のコアレッサ手段を備える気体透過性壁を通じて流れる気体からの流体の分離を向上させるために、出口部はさらに、コアレッサ手段を備える気体透過性壁の外面に沿って定間隔に構成された二枚以上のコアレッサストリップを備える。
既知の装置では、接触部は、その周辺に沿って定間隔に構成されたいくつかの縦長の接線方向気体入口を備える。各接線方向気体入口は、接触部の内側に湾曲された縦長のストリップを備え、このストリップの高さは、接触部の高さにほぼ等しい。接触部に進入した上向きに流れる気体は偏向され、接触部内の気体の速度は、軸方向の成分と、周方向の成分とを有する。軸方向の速度の大きさは、気体と液体が互いに接触する時間を決定する。接触時間が軸方向の速度の大きさに反比例することが理解されよう。軸方向の速度の大きさを低減させるために、縦長の接線方向気体入口を、コラム状に配列された複数の接線方向入口で置き換える。各接線方向気体入口は、接触部の内側に湾曲されたタングを備え、タングの高さは、接触部の高さと比べて小さい。好都合なことに、タングの高さは、接触部の長さの１０％よりも小さい。
好都合なことに、接触部は、接線方向気体入口の二つの以上のそのようなカラムを備え、各カラムは、接触部の周辺に沿って定間隔に構成される。
次に、本発明によるカラムの断面図を概略的に示す添付の図面を参照しながら本発明を詳しく説明する。
本発明による、上向きに流れる気体を下向きに流れる液体に接触させるカラム１は、カラム１の下部に構成された気体用入口（図示せず）と、カラム１の上部に構成された液体用入口（図示せず）と、カラム１の下端部に構成された液体用出口（図示せず）と、カラム１の上端部に構成された気体用出口（図示せず）とを備える。
カラム１内には、二つの水平トレー、すなわち上方水平トレー３と下方水平トレー５が構成される。水平トレー３および５は、１番下の気体用入口と気体用出口との間に配置される。上方水平トレー３は、水平プレート６を備え、該水平プレート６には、該プレートの開口部を通じて延びる二つの垂直管状気体／液体接触装置８が備えられている。下方水平トレー５は、水平プレート７を備え、該水平プレート７には、該プレートの開口部を通じて延びる一つの垂直管状気体／液体接触装置１０を備える。
各管状気体／液体接触装置８および１０は、接触部１２と、接触部１２の上方に構成された分離部１３と、分離部１３の上方に構成された出口部１５とを備える。管状気体／液体接触装置８の接触部１２は、プレート６の下方に配置され、出口部１５は、プレート６の上方に配置され、管状気体／液体接触装置１０の接触部１２は、プレート７の下方に配置され、出口部１５はプレート７の上方に配置される。接触部１２と分離部１３と出口部１５は、互いに流体連通する。
接触部１２の壁は、複数の接線方向気体入口１６を備える。各接線方向ガス入口１６は、接触部１２の内側に湾曲されたタングを備え、タングの高さは、接触部１２の高さと比べて小さく、接線方向気体入口１６は、コラム１７に縦に並べて構成される。図を明確にするために、接線方向気体入口には参照符号で参照されていないものがあり、タングも参照符号で参照されていない。
接触部１２は、カバー１８によって下端で閉鎖される。接触部１２の下端に液体供給管１９が開く。管状気体／液体接触装置８の液体供給管１９は、供給導管２０に接続される。供給導管２０は、プレート６の上方で開放する入口開口部２１を有する。管状気体／液体接触装置１０の液体供給管１９は、プレート６の開口部を通じて一つ上のトレー３から下向きに管状気体／液体接触装置１０内を延びるダウンカマーチューブ２３である。ダウンカマーチューブ２３は、入口開口部２１の上方に配置された入口開口部２４を有する。
出口部１５は、コアレッサ手段２５を備える気体透過性壁を備える。出口部１５の頂部はカバー２７を備える。
コアレッサ手段２５を備える気体透過性壁は、二つの同心状エキスパンデッドメタル層３０の形の管状コアレッサ手段層を備え、管状コアレッサ手段層の内径は、管状層が分離部１３にはまるように分離部１３の外径以上である。出口部１５はさらに、コアレッサ手段２５を備える気体透過性壁の外面に沿って定間隔に構成された二枚のコアレッサストリップ３２を備える。
通常の動作時には、カラム１の上部に構成された液体用入口（図示せず）に液体が連続的に供給され、カラム１の下部に構成された気体用入口（図示せず）に気体が連続的に供給される。カラム１の上部に供給された液体は、上方水平トレー３のプレート上に集められる。液体の一部は、入口開口部を通じて液体供給管１９へ流れ込み、液体の他の部分は、入口開口部２４およびダウンカマーチューブ２３を通じて管状気体／流体接触装置１０の接触部１２の下端に流れ込み、残りの液体は、プレート６上に残る。上向きに流れる気体は、接線方向気体入口１６を通じて管状気体／液体接触装置８の接触部１２に進入する。接触部１２に進入した液体は、旋回する気体によって分散され、分散された形態で気体に接触する。旋回する流体は、管状気体／液体接触装置８の分離部１３に進入する。分離部１３内では、液体は遠心力の影響の下で外側へ移動し、分離部１３の壁の内面上に溜まる。気体および液体は出口部１５に進入し、二つの同心状エキスパンデッドメタル層３０の形のコアレッサ手段を通じて管状気体／液体接触装置８の出口部１５から出る。液体は、コアレッサ手段上に溜まり、下向きにプレート６上に落下し、気体が、上向きに流れる。出口部８は、分離を向上させ、液体の気体との飛沫同伴を低減させるコアレッサストリップ３２を備える。カバー２７は、上向きに流れる流体をコアレッサ手段内を流れるように偏向する。
上方水平トレー３の上方に他の水平トレー（図示せず）がある場合、その、他の水平トレーの接触装置（図示せず）内で気体が液体に接触し、液体は接触後、ダウンカマー（図示せず）を通じてプレート６上へ流れる。上方水平トレー３が１番上の水平トレーである場合、気体はカラム１の上端へ流れ、そこから気体用出口（図示せず）を介して取り出され、この場合、液体入口に供給された液体は直接プレート６上に供給される。
ダウンカマーチューブ２３内を流れる液体は、下方水平トレー５に取り付けられた管状気体／液体接触装置１０の下端へ送られる。管状気体／液体接触装置１０内では、上記で管状気体／液体接触装置８を参照して説明したのと同様に気体と液体が接触する。管状気体／液体接触装置１０の出口部１５から出た液体は、下方水平トレー５のプレート７上に溜まり、余分の液体は、プレート７の開口部を通じて延びるダウンカマーチューブ３５を通じて下方水平トレー５から除去される。
下方水平トレー５の下方に他の水平方向トレー（図示せず）がある場合、ダウンカマーチューブ３５は、その、他の水平トレーの管状気体／液体接触装置（図示せず）に開放し、下方水平トレー５が１番下の水平トレーである場合、液体はカラム１の下端に排出され、そこから液体用出口（図示せず）を介して取り出される。
本発明の気体／液体接触装置の効果を示すためにいくつかの実験を行った。二つの実験では、４つの水平トレーに気体／液体接触装置を設け、液体として水を使用し、気体として空気を使用した。コアレッサ手段を備える気体透過性壁が、垂直スリットの形の接線方向出口を備える円筒形壁を有する開放端管を備え、かつ出口部の上端上に取り付けられた環状リングの形のデフレクタを頂部に備える、従来技術の装置を用いて第一の実験を行った。各トレーには、内径が約５０ｍｍの１１個の装置を含めた。気体負荷が０．７０ｍ／ｓのとき、平均飛沫同伴は約０．３であった。この結果を、それぞれ、内径が１００ｍである本発明による４つの装置を備える、４つのトレーの結果と比較することができる。同じ液体流量では、気体負荷が０．７０ｍ／ｓのときの飛沫同伴は０．０３であった。
前述の結果で、飛沫同伴は、単位時間当たりに飛沫同伴した液体の量を、単位時間当たりにカラムに供給された液体の量で除した値であり、気体負荷係数は、単位時間当たりに接触装置に供給された気体の体積を、気体／液体接触装置の面積で除し、この商に気体密度と液体密度の比の平方根を乗じ、その積から気体密度を減じた値である。本発明による管状気体／液体接触装置を用いた場合、管状気体／液体接触装置の出口部から出る気体との液体の飛沫同伴は、かなり低減される。
接触を向上させるために、１番下の接線方向気体入口１６の下方の、管状気体／液体接触装置１０の接触部１２の下端は、カバー１８上に構成された垂直平板３８の形のボルテックスブレーカを備え、液体供給管１９の下端は、平板３８の上端の凹部４０内で静止する。ボルテックスブレーカは、二枚の平板を含むこともでき、その場合、一枚の平板は（平板３８と同様に）図面の平面に存在し、第二の平板（図示せず）は図面の平面に垂直である。
出口部２５は、たとえば３と５との間に、図示した二枚のコアレッサストリップ３２よりも多くのコアレッサストリップを備えることができ、すべてのコアレッサストリップは、コアレッサ手段２５を備える気体透過性壁の外面に沿って定間隔に適切に構成される。コアレッサストリップの幅は、気体透過性壁の周辺の長さの約１０％である。
図面を参照して論じた管状気体／液体接触装置の断面は、円形であるが、多角形であってもよい。
液体供給管１９の下端が１番下の接線方向気体入口１６の下方に構成され、そのため、通常の動作時には、各管状気体／液体接触装置８および１０の下端に存在する液体が液体供給管１９を密閉することが理解できよう。各接触管の下端を充填できるように、各接触管の壁は、接触管が取り付けられた水平トレーのプレートの上方およびダウンカマーチューブ２３の入口開口部２４の下方に構成された小さな孔（図示せず）を備える。管状気体／液体接触装置の下端を空にするために、接触部１２の底部にあるカバー１８は小さな孔（図示せず）を備える。壁およびカバーの孔の寸法は、孔が存在することによって管状気体／液体接触装置の分離性能が悪影響を受けないように選択される。

Claims (7)

1. 管状気体／液体接触装置（８、１０）を備えるプレート（６、７）を備える水平トレー（３、５）を備え、管状気体／液体接触装置（８、１０）が、プレート（６、７）の下方に配置された接触部（１２）と、接触部（１２）の上方の分離部（１３）と、分離部（１３）の上方にありプレート（６、７）の上方に配置された出口部（１５）とを備え、接触部（１２）が、底部で閉鎖され、接触部（１２）の壁が、複数の接線方向気体入口（１６）を備え、接触部（１２）の下端に、下向きに管状気体／液体接触装置（１０）内を延びるダウンカマーチューブ（１９）の形の液体供給管が開放し、出口部（１５）が、コアレッサ手段（２５）を備える気体透過性壁を備える、上向きに流れる気体を下向きに流れる液体に接触させるカラム（１）であって、出口部（１５）の頂部が、カバー（２７）を備えるカラム。
2. 出口部のコアレッサ手段（２５）を備える気体透過性壁が、管状コアレッサ材料層を備え、管状層の内径が、少なくとも分離部（１２）の外径に等しい請求の範囲第１項に記載のカラム。
3. コアレッサ材料がエキスパンデッドメタル層を含む請求の範囲第２項に記載のカラム。
4. コアレッサ材料が二つの同心状エキスパンデッドメタル層を備える請求の範囲第３項に記載のカラム。
5. 出口部（１５）がさらに、コアレッサ手段（２５）を備える気体透過性壁の外面に沿って定間隔に構成された二枚以上のコアレッサストリップ（３２）を備える請求の範囲第１項から第４項のいずれか一項に記載のカラム。
6. 各接線方向気体入口（１６）が、接触部（１２）の内側に湾曲されたタングを備え、タングの高さが、接触部（１２）の高さと比べて小さく、接線方向気体入口（１６）がコラムに縦に並べて構成される請求の範囲第１項から第５項のいずれか一項に記載のカラム。
7. 接触部（１２）が、接線方向入口（１６）の二つ以上のコラムを備え、コラムが接触部（１２）の周辺に沿って定間隔に構成される請求の範囲第６項に記載のカラム。

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