JP4426325B2 - 多孔板型トレイおよび気液接触装置 - Google Patents

Description

本発明は、多孔板型トレイに取り付けられて開口面積を調節するためのプレートに関する。さらには、蒸留、蒸発、吸収、放散等の単位操作が行われる気液接触装置に関する。

蒸留をはじめ、蒸発、吸収、放散等の気液が接触する単位操作を行う気液接触装置は、一般的に、多数の貫通孔が形成された多孔板型トレイを備えている。多孔板型トレイとしては、例えば、図５に示すような、ダウンカマー５１を備えたトレイ５２、図６に示すような、無堰型のトレイ５３などが挙げられ、貫通孔５４，５４・・・を通過する気体と該トレイ５２，５３上に溜まった液体とを接触させるものである。
この多孔板型トレイは、単位操作にて所定量および所定組成の供給液／留出液／缶出液を得るための構造を有し、この構造に応じた運転操作範囲で使用される。

非特許文献１には多孔板型トレイの運転操作範囲を示す性能曲線について記述されている。多孔板型トレイを用いた単位操作を行う際には、通常、多孔板型トレイの運転操作範囲内に収まるように注意が払われるが、例えば、供給液量を通常の運転より少なくせざるを得ないことがあり、その場合には運転操作範囲外になってしまうことがある。運転操作範囲外ではフラッディングやウィーピングなどの問題を起こす可能性が高くなるため、単位操作の要求条件（例えば、流出液あるいは缶出液中のある成分の濃度）を満足するように運転条件を変更する。例えば、通常の条件より供給液量を増す場合には、フラッディング等に注意を払いながら還流量を減らしてトレイの気液負荷を運転操作範囲内に抑える。また、運転条件変更によっても単位操作の要求条件が満たされない場合は、開口面積が大きい多孔板型トレイに取り替える。
一方、通常の条件より供給液量を減らす場合には、ウィーピング等が起こらないように注意を払いながら還流量を増やしてトレイの気液負荷を運転操作範囲内に抑える。
化学工学協会編，「化学工学の進歩１７ 蒸留技術」槇書店発行，１９８３年，ｐ１４１−１４２

通常の条件より供給液量を減らす場合には、還流量を増やす等の運転条件変更のみで容易に運転操作範囲内の気液負荷に保つことができるため、これまでは、多孔板型トレイの種類を変更しないことが多かった。しかしながら、供給液量を減らした場合に還流量を増加して運転すると、要求条件を過剰に満たす過剰運転になることが多く、多量のユーティリティを消費した。そのため、経済的観点からは好ましくなかった。
過剰運転にしないためには、開口面積が小さいものに多孔板型トレイを取り替えればよいが、多孔板型トレイは気液接触装置に備え付けられたものであるから容易に取り替えることができなかった。また新設の多孔板型トレイの設備コストも必要となる。
本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、通常の条件より供給液量を減らした運転を余儀なくされるケースにおいて、多孔板型トレイの開口面積を簡便に調節でき、過剰運転せずにユーティリティ消費量を削減できる多孔板型トレイ用開口面積調節プレートおよび気液接触装置を提供することを目的とする。

本発明の多孔板型トレイは、多孔板型トレイ用開口面積調節プレートが取り付けられ、気液が接触する単位操作で使用される多孔板型トレイであって、
多孔板型トレイ用開口面積調節プレートは、多孔板型トレイの開口部を塞いで多孔板型トレイの開口面積を調節するプレートであり、１枚当たりの大きさが、そのプレートが取り付けられて開口面積が調節される多孔板型トレイの全開口面積の０．１〜５％に相当する面積の多孔板型トレイの開口部を塞ぐ大きさであり、多孔板型トレイに取り付けられた際に該多孔板型トレイの表面に平行な平行面と該平行面に交わる少なくとも１つの側面とで形成される角が滑らかにされていることを特徴とする。
本発明の多孔板型トレイにおいては、多孔板型トレイ用開口面積調節プレートに、多孔板型トレイに取り付けるための取付部材を挿入する挿入孔が形成されていてもよい。
その場合、挿入孔が２つ以上形成されていることが好ましい。
本発明の多孔板型トレイにおいては、多孔板型トレイ用開口面積調節プレートが、多孔板型トレイ厚みｔに対して、厚みが０．１ｔ〜１．５ｔの範囲であることが好ましい。
本発明の気液接触装置は、上記多孔板型トレイを具備することを特徴とする。

本発明の多孔板型トレイ用開口面積調節プレートによれば、供給液量を減らした場合にその運転条件に合わせて開口面積を簡便に調節できるので、過剰運転にならず、ユーティリティ消費量を削減できる。また、本発明の多孔板型トレイ用開口面積調節プレートは、製作し易く、安価である。しかも、容易に取り付けおよび取り外しできる。
本発明の気液接触装置は、通常の条件より供給液量を減らしても、ユーティリティ消費量が少ない。

以下、本発明を詳しく説明する。
本発明の多孔板型トレイ用開口面積調節プレート（以下、プレートと略す）の一実施形態例について説明する。
図１および図２に示すように、本実施形態例のプレート１０は、三角形の板であり、多孔板型トレイ１１（以下、トレイ１１と略す）上に均一に配置して取り付けられ、トレイ１１の貫通孔１３の開口部１２，１２を塞いでトレイ１１の開口面積を調節するものである。

プレート１０は、１枚当たりトレイ全開口面積の０．１〜５％に相当する面積のトレイの開口部を塞ぐ大きさである。このようなプレートであれば、トレイ１１に均一に分散させて取り付けることが可能になり、容易に運転操作範囲内にすることができる。なお、１枚当たりトレイ全開口面積の０．１％未満に相当する面積のトレイの開口部を塞ぐ大きさのプレートであると、運転操作範囲内にするためのプレート数が多くなり、取り付け作業が煩雑になる。また、１枚当たりトレイ全開口面積の５％超に相当する面積のトレイの開口部を塞ぐ大きさのプレートであると、必要なプレート数は少なくて済むが、プレートによって塞がれる部分に偏りが生じやすく、トレイの開口の均一性を損なうことになるので、気液接触の効率が低下する傾向にある。
図１および図２の実施形態例では、１枚当たりトレイ全開口面積の１．１６％に相当する面積のトレイ１１の開口部１２，１２を塞ぐ大きさのプレート１０がトレイ１１に７枚取り付けられている（トレイ全開口面積の８．１２％に相当する面積のトレイの開口部を塞いでいる）。

また、プレート１０には、トレイ１１に取り付けるためのボルト１５（取付部材）を挿入する挿入孔１６，１６が形成されている。図２に示すように、挿入孔１６にボルト１５（図１においてボルト１５は塗りつぶされた部分）を挿入し、さらにボルト１５をトレイ１１の貫通孔１３に挿入し、ナット１８で締め付けることでプレート１０をトレイ１１に容易に取り付けできる。しかも、挿入孔１６が形成された構造は特別な構造ではないから、プレート１０の製作コストは安価である。
この挿入孔は２つ以上形成されていることが好ましい。挿入孔が２つ以上形成されていれば、２カ所以上でプレートをトレイに取り付けできるので、プレートを確実に取り付けできる。

プレート１０の厚みは、トレイ１１の厚みｔに対して０．１ｔ〜１．５ｔの範囲であることが好ましい。プレート１０の厚みが１．５ｔを超えるとトレイ１１上での液の流動を阻害するため気液接触効率を下げる可能性があり、０．１ｔ未満であると強度を保つのが難しくなる。

また、プレート１０は、トレイ１１に取り付けられた際にトレイ１１上面に平行な平行面２１と平行面２１に交わる少なくとも１つの側面２２とで形成される角２３が滑らかにされていることが好ましい。平行面２１と側面２２とで形成された角２３が滑らかにされていると、運転中の気液の流動阻害を防止し、さらに、重合性物質を扱う場合においてプレートの角での重合を防ぐことができる。ここで、平行面と側面とで形成されている角を滑らかにするとは、その角を面取りして、平行面および側面と角度９０°以上で交わる新たな面を形成すること、あるいは、平行面と側面との角を曲面的に削り落とすことである。
図３は、図２における角２３付近を拡大した図である。このプレート１０では、平行面２１と側面２２との角が面取りされ、平行面２１および側面２２と角度α_１，α_２で（α_１，α_２＝１３５°）で交わる面２４が形成されており、角が滑らかにされている。

プレートはトレイの上側に取り付けてもよいし、下側に取り付けてもよいし、その両方に取り付けてもよいが、取り付け作業を考慮した場合には、図２に示すように、トレイ１１の上側に取り付けることが好ましい。また、平行面２１と側面２２とで形成される角２３が滑らかにされている場合には、流動阻害および重合をより防止できることから、その角２３がトレイ１１と接しない側（図示例では上側）に位置するようにプレート１０を取り付けることが好ましい。

上記プレート１０が取り付けられるトレイ１１は、直径５〜５０ｍｍの貫通孔が三角形ピッチ錯列配列で形成された円板である。ここで、三角形ピッチ錯列配列とは、孔が正三角形の頂点に形成されており、孔の中心を結ぶ線同士の角度が６０°の配列のことである。
トレイ１１は、開口率（開口面積／全面積×１００％）が５〜３０％であることが好ましい。このような開口率のトレイにプレートを取り付ければ開口調節効果をとりわけ発揮する。
トレイ１１の貫通孔１３は、本来、単位操作において気体が通過する孔であるが、上述したように、プレート１０を取り付けるためのボルトを挿入するための孔として利用することができる。よって、トレイ１１には、ボルトを挿入するための孔を別に形成しなくてよい。

以上説明したプレート１０をトレイ１１に取り付けることで、トレイ１１の開口面積を簡便に調節でき、取り付け後に気液接触効率の低下を抑制できる。したがって、運転条件に合わせて開口面積を最適化することが可能となり、供給液量を減らした場合に過剰運転にならず、ユーティリティ消費量を削減することができる。
また、プレート１０は、トレイ１１に取り付けるボルト１５を挿入する挿入孔１６が形成された単純な構造であり、製作し易く、製作コストの点において優れている。しかも、その取り付けには、市販のボルトやナットを用いることができ、容易に取り付けおよび取り外しできる。

本発明の気液接触装置は、上述したプレートとトレイとを具備するものであり、蒸留、蒸発、吸収、放散等の単位操作で使用されるものである。この気液接触装置では、トレイにプレートを取り付けてトレイの貫通孔の開口面積が調節されているので、供給液量を減らし、還流量を増やして運転した場合でも、要求条件を過剰に満たす過剰運転にする必要がなく、ユーティリティ消費量を削減できる。

なお、本発明は、上述した実施形態例に限定されない。例えば、上述した実施形態例では、プレートは三角形タイプのものであったが、図４に示すような、ボルト１５の挿入孔が２つ形成された長方形タイプのもの（プレート３１）、ボルト１５の挿入孔が４つ形成された菱形タイプのもの（プレート３２）、ボルト１５の挿入孔が４つ形成された平行四辺形タイプのもの（プレート３３）などが挙げられる。
また、トレイに形成される貫通孔は、正方形ピッチ並列配列で形成されていてもよい。ここで、正方形ピッチ並列配列とは、貫通孔が正方形の頂点に配置されていることである。

以下、実施例によって本発明を具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
（比較例１）
直径８００ｍｍ、無堰多孔板型トレイを４０段備えた連続蒸留設備でメタノール水溶液を蒸留してメタノールと水とを連続的に分離した。この連続蒸留設備において、１〜２０段目のトレイは、直径２０ｍｍの貫通孔が３５７個（開口率２２．３％）、２１〜３０段目のトレイは、直径１２ｍｍの貫通孔が１０２２個（開口率２３％）３１〜４０段目のトレイは、直径１２ｍｍの貫通孔が１２００個（開口率２７％）三角形ピッチ錯列配列で形成されたものであって、厚み２ｍｍのＳＵＳ３０４製のものである。なお、この連続蒸留設備における通常の供給液量は６５５０ｋｇ／時間である。
また、この蒸留操作における要求条件は、留出液（メタノールを主成分とする液）中の水の濃度が３．０質量％以下、缶出液（水を主成分とする液）中のメタノール濃度が１．５質量％以下である。

そして、２０段目のトレイの上に、通常の供給液量より少ない４０００ｋｇ／時間で、メタノール２０．６質量％、メタクリル酸メチル６．０質量％、メタクリル酸５．０質量％、その他に微量の有機成分と水とを含む供給液を供給した。その結果、リボイラーでのスチーム消費量は１．８ｔ／時間、留出液中の水の濃度は０．８質量％、缶出液中のメタノール濃度は０．２質量％であった。この結果は、上記要求条件を過剰に満たし、過剰運転になっていることを示しているので、還流量を下げようとした。しかし、連続蒸留設備内の温度および圧力が大きく変動したため還流量を下げられなかった。

（実施例１）
比較例１で用いた連続蒸留設備において、２１〜４０段目のトレイに開口面積を調節するためのプレートを取り付けた。ここで、２１〜３０段目のトレイの各上面に、１枚当たり１８個の貫通孔を塞ぐ（トレイ全開口面積に対して約１．８％に相当する面積のトレイの開口部を塞ぐ）プレート１０枚を均一に配置して取り付けた。また、３１〜４０段目のトレイの各上面に、上記プレート（トレイ全開口面積に対して１．５％に相当する面積のトレイの開口部を塞ぐ）８枚を均一に配置して取り付けた。その取り付け作業は、作業者がトレイ中央のマンウェイから該設備内に入り、市販の１０ｍｍのボルトとナットで順次取り付ける方法で実施した。作業者一人が要した作業日数は延べ１日であった。
なお、プレートは、材質がＳＵＳ３０４、厚み１．５ｍｍ、平行四辺形のものであり、ボルトの挿入孔（直径；１２ｍｍ）が頂点付近に４つ形成されたものである。また、トレイに取り付けた際にトレイ上面に平行な平行面と側面とで形成される角が面取りされて、平行面および側面と角度１３５°で交わる面が形成されたものである。そして、プレートは、平行面および側面と角度１３５°で交わる面が上側に位置するように取り付けた。

このようなプレートが取り付けられたトレイを備えた連続蒸留設備で比較例１と同様にして蒸留操作を行った。供給液量４０００ｋｇ／時間で供給を開始し、留出液中の水の濃度と缶出液中のメタノール濃度とが要求を満たしつつ、過剰運転にならないように還流量を下げたところ、連続蒸留設備内の温度および圧力は大きく変動せず安定した状態を保った。このときのリボイラーでのスチーム消費量は１．４ｔ／時間、留出液中の水の濃度は２．８質量％、缶出液中のメタノール濃度は１．２質量％であり、要求条件を満たしつつ過剰運転にならなかった。したがって、ユーティリティ消費量を削減できた。

本発明に係る一実施形態例の多孔板型トレイ用開口面積調節プレートを多孔板型トレイに取り付けたときの上面図である。 本発明に係る一実施形態例の多孔板型トレイ用開口面積調節プレートを多孔板型トレイに取り付けたときの断面図である。 図１および図２の多孔板型トレイ用開口面積調節プレートの要部断面図である。 他の実施形態例の多孔板型トレイ用開口面積調節プレートを多孔板型トレイに取り付けたときの上面図である。 多孔板型トレイの一例を示す斜視図である。 多孔板型トレイの他の例を示す斜視図である。

符号の説明

１０ プレート（多孔板型トレイ用開口面積調節プレート）
１１ トレイ（多孔板型トレイ）
１２ 開口部
１５ ボルト（取付部材）
１６ 挿入孔
２１ 平行面
２２ 側面
２３ 角

Claims (5)

1. 多孔板型トレイ用開口面積調節プレートが取り付けられ、気液が接触する単位操作で使用される多孔板型トレイであって、
   多孔板型トレイ用開口面積調節プレートは、多孔板型トレイの開口部を塞いで多孔板型トレイの開口面積を調節するプレートであり、１枚当たりの大きさが、そのプレートが取り付けられて開口面積が調節される多孔板型トレイの全開口面積の０．１〜５％に相当する面積の多孔板型トレイの開口部を塞ぐ大きさであり、多孔板型トレイに取り付けられた際に該多孔板型トレイの表面に平行な平行面と該平行面に交わる少なくとも１つの側面とで形成される角が滑らかにされていることを特徴とする多孔板型トレイ。
2. 多孔板型トレイ用開口面積調節プレートは、多孔板型トレイに取り付けるための取付部材を挿入する挿入孔が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の多孔板型トレイ。
3. 多孔板型トレイ用開口面積調節プレートは、挿入孔が２つ以上形成されていることを特徴とする請求項２に記載の多孔板型トレイ。
4. 多孔板型トレイ用開口面積調節プレートは、多孔板型トレイ厚みｔに対して、厚みが０．１ｔ〜１．５ｔの範囲であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の多孔板型トレイ。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の多孔板型トレイを具備することを特徴とする気液接触装置。

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