JP4528402B2 - カラムにおいて液体を回収及び分配するための装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明はカラムにおいて液体を回収及び分配するための装置に関する。カラム内においてキャリアグリッド上に多数の不規則あるいは規則パッキンが配置され、キャリアグリッドの下方に液体を回収及び分配するための装置が置かれる。
【0002】
【従来の技術】
この種の物質交換カラムにおいては、パッキンすなわち充填体がキャリアグリッドによって支持され、液体はこのキャリアグリッドを通じて滴下し、捕集、混合されて再分配または液体の除去のために移送される。
【0003】
応用分野としては、流体系における吸着及び脱着、蒸留及び精留、触媒層における反応などの物質分離技術がある。ここ数年では不規則充填体または特定の構造を有するパッキンまたは規則パッキンを物質交換カラムにおいて用いることが一般的であった。充填体の有効性は逆流液にてその表面を均一に濡らすことと、断面にわたって液−気相の質量比が一定であることに非常に大きく依存している。
【0004】
液体の流出量及び分配が不均一であり、濡れが不均一となるような場合、充填体層の内部において例として通過流などの形で分配不良(不完全な分配)が生じる。これにより物質交換カラムの効率及び機能は大幅に制限されてしまう。このため、下方に流れる液体をカラム断面にわたってできるだけ均一に分配する目的でパッキン区画の上に液体ディストリビュータが配置される。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
上述したような物質交換カラムにおいて必要とされる均一な液体の分配の実現を目的とした多くの液体コレクタ及びディストリビュータが知られているが、これらはいずれもコスト及び手間のかかるものである。該ディストリビュータの例としては、ボミオ(P.Bomio)等により記載される(Chem.Tech.,vol.43,no.11/12,1991参照)ようなものがあり、記載中、管ディストリビュータ、要素ディストリビュータ、または通過ディストリビュータとして示されている。これらの液体ディストリビュータは水平方向のディストリビュータ通路を有する。ディストリビュータ通路は一般にディストリビュータ通路に対して直交するように延びる1以上の主通路により供給を受ける。ディストリビュータ通路は管ディストリビュータでは上側において閉鎖されるが、要素ディストリビュータまたは通過ディストリビュータでは上方に開口する。要素ディストリビュータまたは通過ディストリビュータは所定の通路充填レベルにて動作する。特殊な流出要素を介して流出要素の下方に置かれるパッキン区画上に滴下する液量を、ディストリビュータに作用する静水圧により調整する。液体の充填された高さは液体のロードの2乗にほぼ比例して大きくなる。上記した従来のディストリビュータではカラム断面の大部分を通路が占めるため、特定の組成の液体を大量に含むことになる。このことは、分配される液体の組成の迅速な変化について、ディストリビュータ、ひいてはカラム全体に影響する。これらの公知のコレクタ及びディストリビュータ装置の動作原理の説明においては問題点もまた示されている。
【0006】
このパッキン区画から流出する液体は液体コレクタによって捕集される。液体は更に液体コレクタから管またはシャフト構造を介してディストリビュータの主通路または副通路に流れる。この供給はほぼ中央に配置される比較的大きな流入部または複数の比較的大きな流入部を介して行われる。この構成により生じる、上記液体の乱流及び流れ速度はこの種のディストリビュータ流入部においては非常に大きい。このためプレディストリビュータ通路または流入流沈静要素などの適当な手段を主通路に配置しなければならない。液体の移送は閉鎖式または開放式の構成において一段階または多段階で行われるが、液体は常に重力の向きに流れる。ここで、ディストリビュータ通路の長手方向の流れによって液体の不均一な分配が生じるという問題が生じる。通路上で液体流入部と液体流出部とがどの程度離れているかに応じて流出口を通じて流れる液体の流出速度は異なる。
【0007】
急速なロード変化に関する物質交換カラムのこうした難点は液体コレクタ及び液体ディストリビュータに起因するものであることが認識されている。特に重要なのは、パッキング区画間に配置され、カラム断面の全体にわたってできるだけ均一な逆流液の分配を与えることを目的としたディストリビュータ及びコレクタである。例として、ディストリビュータ内の充填物のレベルが高くなる、あるいは低くなる場合に新たな静的状態に達するまでに長い時間を要する。この原因は新たな静的状態に達する前に多量の液体の濃度が変化させられなければならないことにあると見られている。
【0008】
更に、逆流液がコレクタにおいて捕集された後にその全体を完全に混合し、次いで複数回の新たな分配すなわち再分配、及び滴下点における精密分配を行うための従来の装置は構造的に非常に複雑であり、高価である点は認識されなければならない。
【0009】
流入部、主通路、及び副通路を通じた全逆流液の、頻繁に用いられる多段階式粗分配は液体の分配不良につながる多くの要因を含む。誤動作の要因としては、例として、液体の連続的な加速及び減速による不均一な流れ及び組み立て時の水平の調整が不十分であることがある。
【0010】
従来の装置では、複数回にわたって大容量の液体を充分に加速及び減速するうえで装置の高さを大きくする必要がある。このため従来の装置は比較的大きな構造上の高さを有する。
【0011】
更に、粗分配用の装置では気体や蒸気の流れが極めて不均一となり、カラム全体の効率に影響を及ぼす。
物質交換カラムの構造的な高さを小さくするために下方に滴下して捕集される液体を混合するための機構を省略することが可能であることが従来技術から更に知られる。カラムにおいて液体の回収及び再分配のための装置が米国特許第5,464,573号に述べられている。ここで開示される装置では、捕集される液体を混合するための機構は省略されており、液体の不均一な分布が生じた場合には液体の均一化及びこれに伴う流れが水平面において生じるという大きな問題がある。従来のディストリビュータ装置の液体分配における、先に述べたような乱流の影響は捕集及び前分配段階を省略することによって更に大きなものとなり、ディストリビュータからの液体の流れが不均一になる。
【0012】
したがって本発明の目的は、物質交換カラムにおいて気体及び液体を回収及び分配するための装置であって、カラム断面にわたって非常に均一な液体の流れを可能とするとともに構造的な高さが小さく、更に作動時のロード変化に速やかに適応することを可能とする装置を提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に基づく装置では、液体コレクタ、気体または蒸気ディストリビュータのそれぞれと液体ディストリビュータとを1つの装置として組み合わせる。
【0014】
本発明に基づいて改変されたコレクタによって捕集される逆流液は、組成を均一化するために意図的に一緒にされて混合されるものではないが、コレクタ内において液体が非常に均一に直接分配されるため、装置の高さが小さい場合でも流体力学的均一化が実現される点において本発明の目的が達成されていることが見出された。
【0015】
空間的に距離を隔てて配置されるとともに互いに似た構成を有する液体流出口において、流出口の上に置かれる液体の流れの方向、速度、及び表面の高さが等しい場合に流体力学的均一化が実現される。
【0016】
均一化流の強さ及び流体力学的均一化に関与する液体の量は、コレクタ及びディストリビュータ装置の上方に置かれるパッキング区画の端部における流体力学的分配不良によって影響される。コレクタ及びディストリビュータ装置は、水平方向の均一化流によって逆流液の新たな分配が何ら影響を及ぼされることのないように均一化流を流すためのフロースプリッタを有する。装置の構成は、好ましくは、液体が回収位置から最も近傍に位置する滴下点に低い流速にて流れるようなものとなっている。
【0017】
本発明の利点としては、不必要な乱流が低減されることにより高い分配性を有する非常に均一な流体力学的流出液流が得られる点、及び小さな構造的な高さで大きな滴下点密度が実現される点がある。必要とされる均一化流は従来のコレクタ及びディストリビュータの構成における流れと比較して大幅に小さい。
【0018】
更に、ホールドアップはディストリビュータ段階の数が少なくなっていることにより従来のコレクタ及びディストリビュータ装置と比較して減っており、水平方向の液体輸送も大幅に減っている。したがってディストリビュータ通路のための通路幅を小さくすることが可能である。
【0019】
ロード変化の際の性能の向上はコレクタ及びディストリビュータ装置内における液体の滞留時間が短いこと及び静的流体内容物が減っていることによるものである。
【0020】
更なる利点としては、従来のコレクタ及びディストリビュータ装置と比較して装置の全重量が軽減されている点、並びにコスト及び機構の複雑さが低減されている点がある。
【0021】
カラムの構造的な高さを小さくする代りに、既存のカラムにおいて、従来のコレクタ及びディストリビュータを本発明に基づく新規なものに置き換えた後に更なるパッキンを配設する場合にセパレータ段階の数を増やすことが可能である。
【0022】
尚、本発明の一態様に基づけば、カラムにおいて液体を回収及び分配するための装置であって、少なくとも1つの層コレクタと該層コレクタの下方に配置されるディストリビュータ流出システムとを備える装置が提供される。層コレクタのそれぞれは副通路を含み、液体流出口が組み合わせて設けられることにより、分配されるべき液体の流体力学的均一化が行われる。
【0023】
この場合、層コレクタにおいてフロースプリッタが副通路から主通路を分離し、液体流出口はフロースプリッタに部分的に導入されるように構成することが可能である。
【0024】
更に、層コレクタは、主通路、副通路、及びフロースプリッタとともに、互いに対して所定の角度にて面要素が配置された、平板状の材料から形成されるユニットを構成することが可能である。
【0025】
更に、副通路への液体の流入が主通路の外部において上方または下方から液体流出口を通じて行われるようにフロースプリッタを構成することが可能である。
また、互いに対して平行に配置された複数の層コレクタが物質交換カラムの断面積の全体を覆うように構成することも可能である。
【0026】
層コレクタの複数の主通路は該コレクタのリング通路によって互いに連結されることが可能である。
液体流出口から副通路の外部へ流出し、ディストリビュータ流出システム内へと流入する液体が流入流沈静要素を介して流れるように構成することが可能である。
【0027】
また、副通路から液体を流出させる液体流出口が、ディストリビュータ流出システムの側壁と堰との間に位置するディストリビュータ流出システムの室内に開口するように構成することも可能である。
【0028】
流入流沈静要素がポットの中央に配置される浸漬管を有する場合、浸漬管の断面積が浸漬管の上方に位置する副通路の液体流出口よりも大きくなるように構成することが可能である。
【0029】
浸漬管は小さい肉厚を有するポット内に浸漬管の全長の50〜90%だけ突出するように配置することが可能である。
この場合、ポットの断面積は浸漬管の断面積の少なくとも2倍であることが好ましい。
【0030】
浸漬管及びポットが円形の断面を有する場合、ポットの直径は浸漬管の直径の21/2倍よりも大きく、通路幅の1/2を越えないことが好ましい。
また、ポットは下方に底を有し、上方に開放することが好ましい。
【0031】
更に、ポットの全断面積を覆うように、または浸漬管とポットとの間のみに篩グリッドを配置することが可能である。
また、少なくともポットと浸漬管とが重なり合う部分においてポットと浸漬管との間にガイドブレードグリッドを配置することも可能である。
【0032】
以下に本発明を更なる詳細とともに図面に示された実施形態を参照しながら説明する。
【0033】
【発明の実施の形態】
本発明の構成を、図1〜7に基づいて詳細に説明する。
図1は、従来のリディストリビュータステーション10(即ち、コレクタ−ディストリビュータ装置)を概略図にて示したものである。図中、カラムの円筒状壁部12、上部パッキン床14、下部パッキン床16、及び上部パッキン床14と下部パッキン床16との間に配置されたリディストリビュータステーションが示されている。リディストリビュータステーションはコレクタ装置20とこれとは全く別のディストリビュータ装置30とからなる。液体は、コレクタ装置20からプレディストリビュータ32またはディストリビュータ34のほぼ中央に位置する流入口へと少なくとも1本の長尺状をなすとともに下方に向けられた下降管26を通じて流れる。液体は次に1以上のディストリビュータ段階により下部パッキン床16上に均一に分配される。
【0034】
図2は、本発明に基づいた小型コレクタ−ディストリビュータ装置123を備えたリディストリビュータステーション100を示した概略図である。図に示された構成は、図1と同様のカラムの円筒状壁部12、上部及び下部パッキン床14,16を備える。図1と比較して上部パッキン床と下部パッキン床との間の間隔が小さくなっていることが明白である。
【0035】
図3は、小型コレクタ−ディストリビュータ装置123の部分を示したものである。コレクタ−ディストリビュータ装置は一体形成された副通路210を有する層コレクタ200と、層コレクタ200の下方に配置され、好ましくはリング通路340を有するディストリビュータ流出システム300とからなる。
【0036】
層コレクタ200の主通路202は互いに対して平行に配置されるとともに異なる長さを有しカラムの円筒状壁部にまで達する。層コレクタ200のいわゆる層204は金属薄板であり、主通路202の上縁部においてカラム垂直軸から偏向して折曲または固定されている。薄板の突出部分は、主通路202間をカバーすることにより上部パッキン床14からコレクタの主通路202に滴下する液体を移送する。層204は上縁部において所定の傾斜にて下方に若干折曲され、回収した液体を隣接する主通路に流す。コレクタの各主通路202は、例として傾斜または水平部分を有するとともに液流規制開口を備えた金属薄板または部分であるフロースプリッタ212を有する。フロースプリッタ212は副通路210の構成要素であり、副通路を主通路から分離する。液体は主通路202から副通路210へ液流を規制する液体流出口214を介して流入する。液体は別の液体流出口216を介して副通路210から流出し、ディストリビュータ流出システム300に流入する。
【0037】
異なる副通路210から流出する液体量が異なる場合、ディストリビュータ通路330内においてやはり流体力学的均一化が行われる。リング通路340をこれを介して全てのディストリビュータ通路330が互いに連結されるように好ましく配置することが可能である。ここで液体は連通管の原理に基づき均一に分配される。ディストリビュータ通路330は液流を規制する液体流出口332を有する流出システムを備える。液体はこれらの液体流出口332を通じて下部パッキン床上に均一に分配される。
【0038】
層コレクタ200はフロースプリッタ212によって副通路210から分けられる。ここで云うフロースプリッタとは特定の方向に流れる媒体を異なる方向の2つの部分的な流れ、例えば、引き続き水平方向に流れる流れと垂直方向の成分を有する流れとに分割するための要素である。フロースプリッタ212は、動作時において、先に捕集され主通路202に滞留またはこれを流れる液体の液面下に位置するように好ましくは配置される。フロースプリッタ212により垂直方向における流れに対する抵抗が生じる。これにより2つの流れ断面が生じる。上側の主通路202では液体は水平方向に移送され、下側の通路、即ち、副通路210では液体流出口216の方向への流れのみが生じる。液体流出口216の直上での分配不良による水平方向の流速の低下によって分配性能は大幅に向上する。
【0039】
図4は、小型コレクタ−ディストリビュータ装置123の一変形例の部分を示したものである。小型コレクタ−ディストリビュータ装置123は一体形成された副通路210及びリング通路240を有する層コレクタ200と、層コレクタの下方に配置されるディストリビュータ流出システム300とからなる。層コレクタ200の主通路202は水平かつ互いに対して平行に配置されるとともに異なる長さを有し、カラムの円筒状壁部の内側に配置されるリング通路240に達する。これによりコレクタの主通路202は全てリング通路240に連結され、互いに対して連結される。リング通路240により全主通路202内の液量が所定のレベルに均一化される。
【0040】
図5(a)、(b)及び(c)は、主通路202、フロースプリッタ212、及び副通路210の異なる実施形態を拡大図にて示したものである。液体は液流を規制する液体流出口216を介して副通路210から流出する。液体流出口216は、従来の底部口216a、側部口216b、または排出管216cを備えた側部口として実施することが可能である(図5(c)参照)。流出口はその下方に配置される開放型ディストリビュータ流出システムに液体を流す。液体流出口216とディストリビュータ流出システムとの間には流入流沈静要素302を配置することが有利であるがこれは必ずしも必要な要素ではない(図6も参照)。流入流沈静要素はディストリビュータ通路への液体の流入によって生じる好ましくない強い乱流を防止するものである。流入流沈静要素302は副通路210の液体流出口216の直下に配置される。
【0041】
図6は、流入流沈静要素302の一実施形態の詳細を示したものである。流入流沈静要素302は好ましくは円形の断面を有する肉厚の小さい浸漬管304を有する。浸漬管304の内径は浸漬管の上方に位置する副通路の液体流出口の内径よりも大きい。浸漬管304は小さい肉厚を有するポット306内に例として浸漬管の全長L304の50%〜90%だけ突出する。ポット306の直径D306は浸漬管304の直径の21/2倍よりも大きく、好ましくは通路幅B330の1/2を越えない。ポット306は上方に開口し、底308は閉鎖している。ポット306のジャケット面310は上縁部においてのみ完全に閉鎖または穿孔される。浸漬管304とポット306との間に篩グリッド312及びガイドブレードグリッド314の少なくとも一方を配置することが可能である。液体は浸漬管304に流入し、ここからポット306内に流入する。底308は下方に流れる液体の方向を逆転させる。大きな乱流は篩グリッド312を通じて速やかに消失する小さな流れに分けられる。これにより上方に向けられた液流は比較的弱くて均一なウェル流に近いものとなる。ガイドブレードグリッド314は液流の方向を一様とするうえで有効である。ここで液体はポット306の縁を越えてディストリビュータ通路330に流入する。
【0042】
図7は、ディストリビュータ流出システム300の一実施形態の部分を示したものである。肉厚の小さいディストリビュータ通路330は内部に管334が配置されるとともに垂直に配置されたプロテクタを有する。プロテクタはフロースプリッタとして機能し、ディストリビュータ通路330を2個の室にほぼ分割する。液体は副通路または流入流沈静要素から幅B1を有する第1の室内に流入する。第1の室は、堰336と、例としてディストリビュータ通路330の図中右側に示された側壁と、によって形成される。液体はこの領域で水平方向に均一に分配され、高さHを有する液流規制開口を通じて幅B2を有する第2の室に流入し、管334へと流れる。管334は液体流出口332を有し、液体はこれを通じて管334の下方に配置されるパッキン床に流れ落ちる。
【0043】
【発明の効果】
本発明に基づく装置により、物質交換カラムにおいてカラム断面にわたって非常に均一な液体の流れを得ることが可能である。更に、従来の装置と比較して装置の構造的な高さを小さくすることが可能であり、その場合においても作動時のロード変化に速やかに適応することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】別々のコレクタ及びディストリビュータ装置を備えたパッキンカラムの従来の構成を示す概略図。
【図2】本発明に基づくコレクタ及びディストリビュータを備えたパッキンカラムを示す概略図。
【図3】液体コレクタ及びディストリビュータからなる本発明に基づくリディストリビュータステーションを示す部分上方斜視図。
【図4】本発明に基づくコレクタ−ディストリビュータ装置の更なる実施形態を示す部分上方斜視図。
【図5】(a)層コレクタの主通路及び副通路の一実施例、(b)層コレクタの主通路及び副通路の別の一実施例、(c)層コレクタの主通路及び副通路の更なる別の一実施例。
【図6】流入流沈静要素の実施形態を示す部分拡大斜視図。
【図7】ディストリビュータ流出システムの実施形態を示す部分拡大斜視図。
【符号の説明】
200…層コレクタ、202…主通路、210…副通路、212・・・フロースプリッタ、214,216,332…液体流出口、240・・・リング通路、300・・・ディストリビュータ流出システム、302・・・流入流沈静要素、304・・・浸漬管、306・・・ポット、312・・・篩グリッド、314・・・ガイドブレードグリッド、330・・・ディストリビュータ流通システムの側壁、336・・・ディストリビュータ流通システムの堰。
Claims (13)
- キャリアグリッド上に配置された複数の不規則的或いは規則的なパッキンを含むカラムにおいて液体を回収及び分配するための装置であって、前記装置は、複数の層コレクタ(200)と該層コレクタ(200)の下方に配置されるディストリビュータ流出システム(300)とを備え、前記層コレクタ(200)のそれぞれは主通路(202)と、副通路(210)と、前記主通路(202)と前記副通路(210)とを分離するためのフロースプリッタ(212)と、を含み、前記フロースプリッタ(212)は複数の液体流出口(214)を有し、前記副通路(210)は複数の液体流出口(216)を有し、かつ前記ディストリビュータ流出システム(300)は複数の液体流出口(332)を有し、それにより前記液体が前記カラムの断面上に均一に分配される、ことを特徴とする装置。
- 前記層コレクタ(200)は金属薄板からなる層(204)を含み、前記層(204)は、前記主通路(202)、前記副通路(210)、及び前記フロースプリッタ(212)とともにユニットを形成し、前記ユニットは、前記層(204)、前記主通路(202)、前記副通路(210)及び前記フロースプリッタ(212)を互いに対して所定の角度にて配置することにより構成されていることを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 前記主通路(202)から前記副通路(210)への液体の流入又は前記副通路(210)から前記主通路(202)への液体の流入は、前記フロースプリッタ(212)に設けられた前記液体流出口(214)を通じて行われることを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 互いに対して平行に配置された複数の層コレクタ(200)が物質交換カラムの断面積の全体を覆うことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の装置。
- 層コレクタ(200)の複数の主通路(202)は該コレクタ(200)のリング通路(240)によって互いに連結されることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の装置。
- 前記液体流出口(216)から副通路(210)の外部へ流出し、ディストリビュータ流出システム(300)内へと流入する液体は流入流沈静要素(302)を介することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の装置。
- 副通路(210)から液体を流出させる液体流出口(216)は、ディストリビュータ流出システム(300)の側壁(330)と堰(336)との間に位置するディストリビュータ流出システム(300)の室内に開口することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の装置。
- 流入流沈静要素(302)は、ポット(306)の中央に配置される浸漬管(304)を有し、該浸漬管(304)の断面積は浸漬管の上方に位置する副通路(210)の液体流出口(216)よりも大きく、前記ポット(306)は下方に底(308)を有し、上方に開放することを特徴とする請求項6に記載の装置。
- 前記浸漬管(304)は前記ポット(306)内に浸漬管の全長(L304)の50〜90%だけ突出することを特徴とする請求項8に記載の装置。
- 前記ポット(306)の断面積は浸漬管(304)の断面積の少なくとも2倍であることを特徴とする請求項8に記載の装置。
- 浸漬管(304)及びポット(306)は円形の断面を有し、ポット(306)の直径(D 306 )は浸漬管(304)の直径の2 1/2 倍よりも大きく、かつ通路幅(B 330 )の1/2を越えないことを特徴とする請求項8に記載の装置。
- 篩グリッド(312)がポット(306)の全断面積を覆って配置されるか、または浸漬管(304)とポット(306)との間のみに配置されることを特徴とする請求項8に記載の装置。
- 少なくともポット(306)と浸漬管(304)とが重なり合う部分においてポット(306)と浸漬管(304)との間にガイドブレードグリッド(314)が配置されることを特徴とする請求項8または9に記載の装置。
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