JP6608120B2 - 気体分配装置及び気体分配比率調節方法 - Google Patents

Description

本発明は、分離壁型蒸溜カラムのように、気体を互いに異なる空間に分配する比率を調節する装置で使用することができる気体分配装置、及び前記装置を利用する気体分配比率を調節する方法に関する。

一般的に、石油、精油、化学及び精密化学、並びに有害ガスまたは有機物の除去のために工業的に使用されている蒸溜、吸収及び冷却のための装置として、カラム（column）があるが、それは、気液接触を介して、所望物質を分離したり、吸収または凝縮したりするのである。

最近には、エネルギー節約及び投資額節減のために、２つの成分以上を分離するための方法として、分離壁型蒸溜カラム（dividing wall column, divided wall column, partitioned distillation column）が使用される。それは、２個以上のカラムの機能を、１つのカラムに合わせた構造であって、カラムの上下部だけではなく、側面にも１以上の排出口を具備し、カラム内部は、縦方向に一定区間に壁を設け、２以上の分離空間に分けられるという特徴がある。該分離壁型蒸溜カラムは、上部側から供給される液体を、下部２以上の分離空間に、所望比率で分配しなければならず、このとき、液体分配装置において、液体分配比率を調整する。

しかし、前述のような従来の蒸溜、吸収及び冷却のための装置は、カラム内２以上の分離空間に分配される液体供給比率だけ調節するのみ、カラム内の気体分配を調節することができないという問題点がある。

それを解決するために、カラム内の気体が通過する一般的なチムニートレイ（chimney tray）のチムニー（chimney）サイズを異ならせて設計し、気体分配比率を決定している。ところで、かような構造は、設計時に決められている通りに気体分配比率を維持することができるだけであり、運転変化により、気体分配比率を調節することができないので、分離壁型蒸溜塔の主目的であるエネルギー節減という最上目的を達成し難いという問題がある。

気体分配比率を調節する他の方法は、カラム内部において、気体が上部に上昇することができないように塞ぎ、気体配管をカラム外で連結し、気体流量調節弁で調節する方法がある。しかし、かような方法は、設置のために多くの空間が必要なだけではなく、流量調節弁により、圧力損失が多いという問題がある。

気体分配比率を調節するさらに他の方法は、気体が通過する位置に多孔板を設け、多孔板上に液体レベルが形成されるように設計し、気体が該液体レベルを突き抜けて通過されることにより、液体レベルを互いに異ならせて維持すれば、気体が通過する抵抗が異なるので、気体分配比率を異ならせて調節するである。しかし、かような方法は、気体が液体レベルを突き抜けて通過しなければならないために、液面で飛沫が発生し、蒸溜カラム運転性能に支障をきたしてしまう。

本発明に係わる先行技術として、大韓民国公開特許公報第２０１０−００９２３４９号（名称：分離壁によって分割される空間の圧力が均等な分離壁型蒸溜塔）、ＵＳ８，５６２，７９２Ｂ２（名称：Vapor and Liquid Flow Control in a Dividing Wall Fractional Distillation Column）などがある。

大韓民国公開特許公報第２０１０−００９２３４９号 アメリカ特許公報８，５６２，７９２Ｂ２

本発明は、従来技術の前述のような問題を解決するために案出されたものであり、簡単な構造を有しながらも、互いに異なる空間間の気体分配比率を容易に調節することができる気体分配装置を提供することを目的とする。

また、本発明は、システムの運転条件を変更しても、それによって、運転中に気体分配比率の変更が容易であり、気体分配比率を連続して精密に制御することができる気体分配装置を提供することを目的とする。

また、本発明は、前記気体分配装置を使用する気体分配比率調節方法を提供することを目的とする。

本発明は、気体分配装置が必要なハウジング内部を、上部空間及び下部空間に分離するチムニートレイと、前記チムニートレイ上部面に具備され、上部空間及び下部空間を連通させるチムニーと、上面と、前記上面に連結された側壁とを含む構造を有し、前記チムニーの外部に、チムニーと離隔された状態に固定され、チムニー上端部のホールから供給される気体を上部空間に排出する気体排出口が形成されるように、チムニー外部をカバーするキャップと、前記ハウジングの上部空間に液体を供給する液体供給手段と、前記ハウジングの上部空間から液体を排出させる液体排出手段と、を含み、前記気体排出口のサイズは、前記液体供給手段及び液体排出手段のうちいずれか１以上により、前記チムニートレイ上に受容される液体高を調節することによって調節されることを特徴とする気体分配装置を提供する。

前記気体排出口は、（ａ）キャップに形成される１以上のホールにのみ形成されるか、（ｂ）１以上の溝を含むキャップの側壁下端部とチムニートレイ上部面の結合構造によって形成される１以上のホールによって形成されるか、（ｃ）キャップの側壁がチムニートレイ上部面に当接していない状態で、キャップとチムニーとの組み合わせ構造によって形成される空間によって形成されるか、（ｄ）キャップの側壁の一部がチムニートレイ上部面に当接し、キャップ、チムニー及びチムニートレイ上部面の組み合わせ構造によって形成される空間によって形成されるか、（ｅ）前記（ｂ）、（ｃ）または（ｄ）の気体排出口と共に、キャップの上面または側壁に形成された１以上の気体排出口をさらに含む形態によっても形成される。

前記気体排出口は、円形状、楕円形状、多角形状、ドーナツ形状及びスリット形状からなる群から選択される１種以上によっても構成される。

前記キャップの側壁は、上面からの長さが最短である部分が、前記チムニーの上端部で最も低い部分の下まで逹するようにも形成される。

前記気体排出口は、キャップ側壁に形成され、気体排出口のうち最も高い部分が、前記チムニーの上端部で最も低い部分より下に位置するようにも形成される。

前記キャップは、ハウジングあるいはチムニーに固定手段によって固定されるか、あるいはチムニートレイ上面に当接する側壁下端部の一部または全部によっても固定される。

前記キャップの上面の上部面には、液体フローを誘導するための流路が形成され、前記流路は、気体排出口と異なる方向にも形成される。

前記液体供給手段は、ノズル、流量調節弁、多孔板、ダウンカマー、トレイ、パッキング、スプレー装置、気液接触装置及び気体凝縮装置のうちから選択される１種または２種以上の組み合わせで構成されることができる。

前記液体排出手段は、ノズル、流量調節弁、多孔板及びダウンカマー中で選択される１種、または２種以上の組み合わせによっても構成される。

前記液体排出手段は、チムニートレイに設けられる流量調節弁でもあり、前記流量調節弁は、長手方向に第１連通ホールが形成され、前記第１連通ホールと連通されるように、前記上部空間及び下部空間にそれぞれ突き抜けて形成される第１流量調節用ホールが具備される固定本体と、前記第１連通ホールに回転自在に設けられ、長手方向に第２連通ホールが形成され、回転により、前記第１流量調節用ホールと前記第２連通ホールとを選択的に連通させる第２流量調節用ホールが具備される回転本体と、前記回転本体の一側に連結され、前記回転本体を回転させる弁部材と、を含んでもよい。

前記第１流量調節用ホールは、前記固定本体の長手方向に沿って、直線または斜線に長く形成された長ホールと、前記固定本体の長手方向に沿って、設定間隔を置いて直線方向または斜線方向に形成された複数の円形ホール、複数の四角ホール、複数の楕円形ホールのうちから選択された１種、またはそれらの混合（mix）組み合わせとのうちいずれか一つでもある。

前記第２流量調節用ホールは、前記回転本体の長手方向に沿って、直線または斜線に長く形成された長ホールと、前記回転本体の長手方向に沿って、設定間隔を置いて直線方向または斜線方向に形成された複数の円形ホール、複数の四角ホール、複数の楕円形ホールのうちから選択された１種、またはそれらの混合組み合わせとのうちいずれか一つでもある。

前記回転本体に形成される第２連通ホール及び第２流量調節用ホールは、前記回転本体に、上下部が連続するように突き抜けて形成するか、あるいは前記回転本体に、上下部が連続するように断続的に複数個の孔を突き抜けて形成することができる。

前記弁部材は、手動、油圧、電気、気圧、水圧、ギアのうちから選択された１種、またはそれらの組み合わせによって作動するものでもある。

前記気体分配装置は、上部空間に供給される液体を外部に排出し、下部空間から上昇する気体を上部空間に排出させるための工程にも使用される。

前記気体分配装置は、２個以上のカラムの機能を１つのカラムに合わせた分離壁型蒸溜塔、または２以上の空間に気体分配比率を調節する装置にも適用される。

また、本発明は、気体分配装置が必要なハウジング内部を、上部空間及び下部空間に分離するチムニートレイと、前記チムニートレイ上部面に具備され、上部空間及び下部空間を連通させるチムニーと、上面と、前記上面に連結された側壁とを含む構造を有し、チムニー上端部のホールから供給される気体を上部空間に排出する気体排出口が形成されるように、チムニー外部をカバーするキャップと、前記ハウジングの上部空間に液体を供給する液体供給手段と、前記ハウジングの上部空間から液体を排出させる液体排出手段と、を含む気体分配装置を使用する気体分配比率調節方法であって、前記液体供給手段及び液体排出手段のうちいずれか１以上により、前記チムニートレイ上に受容される液体の高さを調節し、気体排出口のサイズを調節することにより、気体の分配比率を調節することを特徴とする気体分配比率調節方法を提供する。

前記気体分配装置に記述された内容は、本発明の気体分配比率調節方法にそのまま適用される。

前記キャップ側壁は、上面からの長さが最短である部分が、前記チムニーの上端部で最も低い部分の下まで逹することができる。

前記気体排出口は、キャップ側壁に形成され、気体排出口のうち最も高い部分が、前記チムニーの上端部で最も低い部分より下に位置することができる。

本発明の気体分配装置は、チムニーを離隔された状態でカバーしているキャップに、１以上の気体排出口を形成し、チムニートレイ上の液体高を調節することによって気体排出口のサイズを調節することにより、非常に効果的に気体の分配比率を調節することができる。

また、本発明の気体分配装置は、該装置を含むシステムの運転条件を変更しても、それによって、運転中に気体分配比率の変更が容易であり、気体分配比率を連続して精密に制御することができる。

また、本発明の気体分配装置は、分離壁型蒸溜塔などに適用するとき、その作動性能を向上させ、エネルギー節減効率を高める効果を提供する。

本発明の気体分配比率調節方法は、前記気体分配装置を使用することにより、非常に効率的に気体分配比率調節する効果を提供する。

本発明の気体分配装置は、気体の分配比率を調節する用途以外に、分離壁型蒸溜塔ではない一般的な蒸溜塔、あるいは吸収塔や反応器の下部から供給される気体を、上部空間に等しく分布するように、圧力降下を調節する用途にも使用される。かような場合、前記装置の下部から供給される気体の量が、設計時と異なって変化する場合、本発明の気体分配装置を使用して圧力降下を変化させることにより、チムニートレイ上部に排出される気体の分布を等しくすることができる効果がある。

本発明の気体分配装置を模式的に図示した断面図である。 本発明の気体分配装置に使用されるキャップ、チムニー及びチムニートレイの多様な結合形態を例示した断面図である。 本発明の気体分配装置に使用されるキャップ、チムニー及びチムニートレイの多様な結合形態を例示した断面図である。 本発明の気体分配装置に使用されるキャップ、チムニー及びチムニートレイの多様な結合形態を例示した断面図である。 本発明の気体分配装置に使用されるキャップ、チムニー及びチムニートレイの多様な結合形態を例示した断面図である。 本発明の気体分配装置に使用されるキャップ、チムニー及びチムニートレイの多様な結合形態を例示した断面図である。 本発明の気体分配装置で使用されるキャップの一実施形態を例示する斜視図である。 本発明の一実施形態による気体分配装置が適用された分離壁型蒸溜カラムを示した図面である。 本発明の一実施形態による気体分配装置において、図８のＡ部分を拡大して示した図面である。 本発明の一実施形態による気体分配装置において、チムニー及びキャップ部分から気体が排出される面積を示した図面である。 本発明の一実施形態による、第１空間及び第２空間に、本発明による気体分配装置と、一般的な気体分配装置とが設置された例を示した図面である。 本発明の気体分配装置において、多様な高さに形成される気体排出口を示す図面である。 本発明の気体分配装置で使用される多様な形態の液体排出手段を例示した図面である。 本発明の気体分配装置で使用される多様な形態の液体排出手段を例示した図面である。 本発明の気体分配装置で使用される多様な形態の液体排出手段を例示した図面である。 キャップのホール周囲にも具備される気体誘導板または液面揺動防止板、及びルーバーを例示した図面である。 本発明の気体分配装置において、飛沫防止のために、キャップ上部に液体を誘導するための流路を形成する方法を示した図面である。 本発明の気体分配装置において、飛沫防止のために、キャップ上部に液体を誘導するための流路を形成する方法を示した図面である。 本発明の気体分配装置で使用される多様な形態の気体分配装置を例示した斜視図である。 本発明の気体分配装置で使用される多様な形態の気体分配装置を例示した斜視図である。 本発明の気体分配装置で使用される多様な形態の気体分配装置を例示した斜視図である。 本発明の実施形態による気体分配装置にも適用される流量調節弁の一例を示した図面である。 本発明の実施形態による流量調節弁の断面（ａ）及び作動（ｂ）を示した図面である。 本発明の実施形態による流量調節弁において、流量調節用ホールの形状を示した図面である。 本発明の他の実施形態による流量調節弁が、排出ラインに一つ設けられる例を示した図面である。 本発明の他の実施形態による流量調節弁が、排出ラインに２以上設けられる例を示した図面である。

以下、添付された図面を参照し、本発明の望ましい実施形態について詳細に説明する。本発明の説明に先立ち、関連公知機能及び構成についての具体的説明が、本発明の要旨を必要以上に不明確にすると判断される場合、それに係わる説明は省略する。

以下の説明及び図面は、当業者が、説明される装置及び方法を容易に実施することができるように、特定実施形態を例示する。他の実施形態は、構造的、論理的に、異なる変形を含んでもよい。個別構成要素と機能は、明確に要求されない限り、一般的に選択され、過程の順序は、変わることもある。いくつかの実施形態の部分と特徴は、他の実施形態に含まれるか、あるいは他の実施形態でも代替される。

本発明の気体分配装置は、図１に図示されているように、気体分配装置が必要なハウジング１０の内部を、上部空間２０と下部空間３０とで分離するチムニートレイ１１；前記チムニートレイ上部面に具備され、上部空間及び下部空間を連通させるチムニー１１０；上面と、前記上面に連結された側壁とを含む構造を有し、前記チムニー外部に、チムニーと離隔された状態に固定され、チムニー上端部のホールから供給される気体を上部空間に排出する気体排出口が形成されるように、チムニー外部をカバーするキャップ１２０；前記ハウジングの上部空間に液体を供給する液体供給手段１７０；及び前記ハウジングの上部空間から液体を排出させる液体排出手段１８０；を含み、前記気体排出口のサイズは、前記液体供給手段１７０及び液体排出手段１８０のうちいずれか１以上により、前記チムニートレイ１１上に受容される液体高を調節することによって調節されることを特徴とする。

前記ハウジング１０は、分離された２個の以上の空間を含むものであり、その形態は、特別に限定されるものではない。
前記キャップ１２０のチムニー外部に対する離隔状態は、離隔によって、チムニー上端部のホールから供給される気体が、前記気体排出口を介して上部空間に排出される状態であるならば、特別に限定されるものではない。

前記気体排出口は、（ａ）キャップに形成される１以上のホールにのみ形成されるか、（ｂ）１以上の溝を含むキャップ側壁下端部とチムニートレイ上部面との結合構造によって形成される１以上のホールによって形成されるか、（ｃ）キャップ側壁がチムニートレイ上部面に当接していない状態で、キャップとチムニーとの組み合わせ構造によって形成される空間によって形成されるか、（ｄ）キャップ側壁の一部がチムニートレイ上部面に当接し、キャップ、チムニー及びチムニートレイ上部面の組み合わせ構造によって形成される空間によって形成されるか、（ｅ）前記（ｂ）、（ｃ）または（ｄ）の気体排出口と共に、キャップの上面または側壁に形成された１以上の気体排出口をさらに含む形態によっても形成される。

前記（ａ）のように、気体排出口１２１がキャップ１２０に形成される１以上のホールにのみ形成される形態としては、図２に図示された形態を有することができる。すなわち、前記（ａ）の場合の気体排出口１２１の形態は、キャップ１２０の側壁下端部全体がチムニトレイ１１上部面に固定され、キャップ側壁及び／または上面に、気体排出口が形成される形態である。

前記キャップに形成される１以上の気体排出口の形態は、特別に限定されるものではない。すなわち、円形状、楕円形状、多角形状及びスリット形状などいかなる形態でも適用が可能である。

前記キャップ１２０に形成される１以上の気体排出口の形成位置は、特別に限定されるものではなく、必要によって適切な位置に生成することができる。

例えば、前記気体排出口がチムニートレイ１１上部面と近く形成される場合、少量の液体でも、液体高による気体分配量の調節を容易に行うことができる。

また、前記気体排出口は、キャップ１２０の側壁に形成されるが、チムニーの上端部より低い位置に形成されることが、気体分配量の調節範囲を広げるために望ましい。すなわち、気体排出口がチムニー１１０の上端部より高く形成される場合は、液体高をチムニー１１０の上端部以上に調節することができないために、気体分配量の調節に限界があることになる。

前記（ｂ）のように、気体排出口が１以上の溝を含むキャップ１２０の側壁下端部と、チムニートレイ１２１の上部面との結合構造によって形成される１以上のホールによって形成される形態としては、図３に図示された形態を例として挙げることができる。すなわち、キャップ１２０の側壁には、側壁の末端部から溝が形成されており、その溝とチムニートレイ１２１の上部面とが組み合わされ、気体排出口１２１を形成する。

前記気体排出口は、チムニーの上端部より低い位置に形成されることが気体分配量の調節範囲を広げるために望ましい。すなわち、気体排出口がチムニーの上端部より高く形成される場合は、液体高をチムニーの上端部以上に上げることができないために、気体分配量の調節に限界があることになる。

前記（ｃ）のように、気体排出口がキャップ１２０の側壁がチムニートレイ１２１の上部面に当接せず、キャップとチムニーとの組み合わせ構造によって形成される空間によって形成される形態としては、図４に図示された形態を有することができる。すなわち、キャップ１２０の側壁の長さが短く、チムニートレイ１２１の上部面に当接せず、気体排出口１２１は、キャップ側壁とチムニーとの間の空間によって形成される。

該形態の場合、前記キャップ側壁は、上面からの長さが最短である部分が、前記チムニーの上端部で最も低い部分の下まで逹してこそ、円滑に気体俳出量を調節することができ、気体分配量の調節範囲も広げることができる。すなわち、キャップ側壁の上面からの長さが最短である部分が、前記チムニーの上端部で最も低い部分より高いところに位置する場合に、は液体高をチムニーの上端部で最も低い部分以上に上げることができないために、気体分配量の調節に限界があることになる。

前記形態は、キャップ側壁下端部から上方へ形成される円、楕円、多角形、スリット形状などの多様な溝をさらに含む形態も含む。

前記（ｄ）のように、気体噴出口がキャップ側壁の一部がチムニートレイ上部面に当接し、キャップ、チムニー及びチムニートレイ上面の組み合わせ構造によって形成される空間によって形成される形態としては、図５に図示された形態を有することができる。すなわち、キャップ１２０の側壁の一部がチムニートレイ１２１の上部面に当接し、前記チムニートレイ１２１の上部面に当接していない側壁端部、チムニートレイの上部面及びチムニーによって形成される空間が気体排出口１２１を形成する形態である。

前記（ｅ）の形態、すなわち、（ｂ）、（ｃ）または（ｄ）の気体排出口と共に、キャップの上面または側壁に形成された１以上の気体排出口をさらに含む形態としては、図６に図示された形態を有することができる。前記キャップの上面または側壁に形成される気体排出口は、円形状、楕円形状、多角形状及びスリット形状からなる群から選択される１種以上の形態によっても形成される。

図７は、本発明の気体分配装置で使用されるキャップ１２０の一実施形態を例示している。しかし、本発明においてキャップの形態は、特別に限定されるものではなく、前述のように、気体排出口を形成することができる形態であるならば、いかなる形態でも構成される。例えば、キャップは、側壁に多様な形態の溝が形成された形態、側壁が斜線で斜めに切断された形態などでも構成される。

本発明のチムニー１１０の形態は、下部空間の気体を上部空間に伝達することができる形態であるならば、特別に限定されるものではない。前記チムニー１１０は、チムニートレイ１１に１以上が設けられてもよい。

図１９、図２０及び図２１は、本発明の気体分配装置で使用される多様な形態の気体分配装置を例示している。

本発明の気体分配装置において、前記気体排出口のうちには、キャップの上面に形成される気体排出口が含まれてもよい。ところで、キャップの上面に、気体排出口が形成される場合、上部から落ちる水が気体排出口に入るか、あるいは噴出される気体とぶつかり、飛沫を形成することもあるので、かような問題を防止するように、ハット(hat)を形成することが望ましい。

本発明の気体分配装置において、前記チムニー及びキャップの断面形状は、特別に限定されるものではなく、それぞれ独立して、円形、楕円形または多角形でもある。

前記キャップは、ハウジングあるいはチムニーに、固定手段によって固定されるか、あるいはチムニートレイ上面に当接する側壁下端部の一部または全部によっても固定される。

前記キャップの上面の上部面には、液体フローを誘導するための流路が形成され、前記流路は、気体排出口と異なる方向に形成されることが望ましい。

本発明の気体分配装置において、液体供給手段１７０としては、該分野に公知されたものが制限なしに使用され、例えば、ノズル、流量調節弁、多孔板（perforated plate）、ダウンカマー（downcomer）、トレイ、パッキング、スプレー装置、気液接触装置及び気体凝縮装置などが使用され、それらは１種以上の組み合わせによって、液体供給手段を構成することもできる。また、前述のような特別な装置によって構成されるものではないとしても、他の装置やシステムによって、自然に液体が供給される構造を有するものであるならば、本発明の液体供給手段として使用される。

本発明の気体分配装置において、液体排出手段１８０としては、該分野に公知されたものが制限なしにも使用され、例えば、ノズル、流量調節弁、多孔板、ダウンカマーなどが使用され、それらは１種以上の組み合わせによって、液体排出手段を構成することもできる。

前記液体排出手段を使用し、チムニートレイ上の液体高を調節する方法としては、例えば、１）ノズルをハウジング壁に高さを異ならせていくつか設け、選択的に開放するか、２）ノズルをチムニートレイの低い位置に一つだけ設け、ノズルに流量調節弁を設けて排出流量を調節するか、３）流量調節弁をチムニートレイに直接設けるか、４）チムニートレイの低い部分に多孔板をいくつか設け、各多孔板下部を分離された空間に構成し、各分離された空間にオン／オフ弁を設け、選択的に開放するか、５）チムニートレイに連結された下部方向にダウンカマーを設け、チムニートレイ上部に堰（weir）を設け、堰の高さを異ならせる方法などを挙げることができる。

前記液体排出手段は、図２２ないし図２４に図示されているように、チムニートレイに設けられる流量調節弁でもあり、前記流量調節弁は、長手方向に第１連通ホールが形成され、前記第１連通ホールと連通されるように、前記上部空間及び下部空間にそれぞれ突き抜けて形成される第１流量調節用ホールが具備される固定本体と、前記第１連通ホールに回転自在に設けられ、長手方向に第２連通ホールが形成され、回転により、前記第１流量調節用ホールと前記第２連通ホールとを選択的に連通させる第２流量調節用ホールが具備される回転本体と、前記回転本体の一側に連結され、前記回転本体を回転させる弁部材と、を含んでもよい。

前記気体分配装置は、上部空間に供給される液体を外部に排出し、下部空間から上昇する気体を上部空間に排出させるためのあらゆるシステムにも使用される。

前記外部には、上部空間の外部、または下部空間を有することができ、前記液体は、上部空間の外部に排出された後、再び下部空間にも供給される。

前記気体分配装置は、２個以上のカラムの機能を１つのカラムに合わせた分離壁型蒸溜塔、または気体を２以上の空間に、飛沫同伴なしに、少ない圧力損失で分配比率を調節する装置などに有用に使用される。

前記気体分配装置は、気体の分配比率を調節する用途以外に、分離壁型蒸溜塔ではない一般的な蒸溜塔、あるいは吸収塔や反応器の下部から供給される気体を、上部空間に等しく分布するように、圧力降下を調節する用途にも使用される。かような場合、前記装置の下部から供給される気体の量が、設計時と異なって変化する場合、本発明の気体分配装置を使用して圧力降下を変化させることにより、チムニートレイ上部に排出される気体の分布を等しくすることができる。

また、本発明の気体分配比率調節方法は、気体分配装置が必要なハウジング内部を、上部空間及び下部空間に分離するチムニートレイと、前記チムニートレイ上部面に具備され、上部空間及び下部空間を連通させるチムニーと、上面と、前記上面に連結された側壁とを含む構造を有し、チムニー上端部のホールから供給される気体を上部空間に排出する気体排出口が形成されるように、チムニー外部をカバーするキャップと、前記ハウジングの上部空間に液体を供給する液体供給手段と、前記ハウジングの上部空間から液体を排出させる液体排出手段と、を含む気体分配装置を使用する気体分配比率調節方法であって、前記液体供給手段及び液体排出手段のうちいずれか１以上により、前記チムニートレイ上に受容される液体高を調節し、気体排出口のサイズを調節することにより、気体の分配比率を調節することを特徴とする。

前記気体分配装置で記述された内容は、前記気体分配比率調節方法にいずれも適用される。従って、以下で重複する内容は、記載を省略する。

前述のところにおいて、気体分配比率調節方法は、「気体の分布程度調節方法」と異なっても表現される。

以下、本発明の気体分配装置について、２個以上のカラムの機能を１つのカラムに合わせた分離壁型蒸溜塔に適用した例を使用して、さらに詳細に説明する。

本発明の気体分配装置は、図８及び図９に図示されているように、第１区間３１の上部から供給される液体を第１区間から排出し、第２区間４１の下部から上昇する気体は、第１区間３１に排出させる。第１区間３１に排出された気体は、第１区間３１内のパッキングやトレイ、あるいはスプレー空間など気液接触区間１７にも供給される。

気液接触区間１７は、第１区間３１に排出される気体を供給されて凝縮し、液状に分離する凝縮器でもある。

該気体分配装置は、チムニートレイ１１，２１上における液面の高さ調節により、チムニー１１０の上部と側面とを、離隔された状態でカバーしているキャップ１２０の間に形成された空間の面積を調節し、気体分配比率を調節することができる。

前述の図８において、（Ａ−１）は、気体分配装置の液体排出手段であるノズルに流量調節弁が連結された例であり、（Ａ−２）は、気体分配装置に、液体排出手段として、流量調節弁が直接連結された例であり、（Ａ−３）は、気体分配装置の液体排出手段であるノズルに、流量調節ポンプが連結された例であり、（Ａ−４）は、気体分配装置の液体排出手段であるノズルに、ポンプと流量調節弁とが連結された例である。

前記例示された気体分配装置以外に、図２ないし図６に例示された気体分配装置のうちいかなる形態でも、前記分離壁型蒸溜塔に適用が可能である。

図１０に図示されているように、キャップ１２０は、底面がチムニートレイ１１の底面に当接するように設けられ、気体排出口１２１は、キャップ１２０の底面から所定高さａまで形成されるが、チムニー１１０の高さｂよりは低い位置まで形成される。それは、ホール１２１を介して、第１区間３１の液体がチムニー１１０に流入することを防止しながら、ホールの開放された面積を最大限活用し、気体分配を行うためである。

ここで、液面の高さが「ｃ」であるならば、気体排出口１２１を介して、気体の排出される面積は、「ｄ」になる。液面の高さ「ｃ」を調節することにより、気体が出る面積「ｄ」が調節される。

図１１に例示されているように、第１空間及び第２空間に設けられた、各チムニートレイ１１，２１のチムニー１１０、キャップ１２０及び気体排出口１２１の設計を異ならせるか、あるいは同一にしたり、第１空間及び第２空間に、一般的なチムニートレイ１４と、本発明によるチムニートレイ１１，２１とをそれぞれ選択的に設けたりして、本発明によるチムニートレイ１１，２１が設けられた側の液面を、前述のように調節することにより、第１空間及び第２空間の気体分配比率を調節することもできる。

図１２に図示されているように、気体排出口１２１は、多様な高さでも構成される。
図９に図示されているように、本発明の気体分配装置は、第１区間３１、あるいは第１区間３１と第２区間４１とを、それぞれ第１空間３１ａ，４１ａと第２空間３１ｂ，４１ｂとを含む複数個の分配空間に区画する縦分離壁１５をさらに含んでもよい。

その場合、チムニー１１０とキャップ１２は、第１区間３１を、第１空間３１ａと第２空間３１ｂとを区画するチムニートレイ１１、及び第２区間４１を、第１空間４１ａと第２空間４１ｂとに区画するチムニートレイ２１にそれぞれ設けられるか、あるいは選択的にも設けられる。

ただし、第２区間４１は、第１空間４１ａと第２空間４１ｂとで分離せず、１つの空間としても構成される。

チムニートレイ１１には、液体排出手段の一環として、ダウンカマー１２７を設けることができ、このとき、チムニートレイ上の液面高は、チムニートレイ１１上部の第１区間内に設けられる堰１６の高さを異ならせてして調節することができる。

前記堰１６の上端面は、チムニー１１０よりは低く、キャップ１２０に具備された気体排出口１２１の最上端線よりは高く形成し、気体分配費を最大０％：１００％に調節するようにすることが望ましい。

また、前記ダウンカマー１２７の下端面は、第２区間４１空間の液面より低くなるように、ダウンカマーシーリング構造１２６を設け、通常運転時、気体がダウンカマーを介して、上部に上がらないようにすることが望ましい。

前記ダウンカマー１２７と堰１６は、板型あるいは配管型でもって構成することができる。

また、前記液体排出手段１２９は、図１３のように、多孔板１２４でも構成され、液面高は、多様な開口面積を有する多孔板１２４の選択的組み合わせによって調節可能である。また、多孔板を利用した液面調節は、図１４のような方法で、カラム外部に設けて利用することもできる。

流量調節弁１３０あるいは流量調節ポンプ１６０は、第１区間３１上に排出される液体の量を調節するものであり、液面高を調節し、キャップ１２０側面の気体排出口１２１を介して気体が通過する開放された面積を調節する役割を行う。

液体排出手段１２９は、チムニートレイ１１，２１において、相対的に低い位置を形成することが望ましく、段差部１３，２３に１以上が設けられる。

しかし、図１５のように、液体排出手段を第１区間上に、いかなる高さにも１以上設け、総開口面積により、あるいは開放された液体排出手段の位置により、チムニートレイ内部の液面高を調節することもできる。

前記気体分配装置上部に、飛沫防止のためにエントレインメント防止装置１２５を設けることができる。

また、前記キャップのホール周囲には、図１６に図示されているように、気体案内板、あるいは液面揺動防止板１５５、ルーバー１５６などを設け、チムニートレイ上の液面の波立ちを防止することができる。

また、前記キャップ１２０の上端面には、図１７、図１８に図示されているように、上部から落下する液体と、キャップ１２０の気体排出口１２１から排出される気体とがぶつかって飛沫が形成されないように、流路を形成することもできる。

第１区間に排出される液体の流量を調節する流量調節弁は、液体フロー流量を調節するいかなる弁でも使用することができ、図２２及び図２３に図示されているように、流量調節弁１３０は、固定本体１３１、回転本体１４１、弁部材１４７を含んだ弁を使用することにより、さらに微細な調節が可能である。

固定本体１３１は、長さが長い円筒形状に形成され、段差部１３，２３に一体にも設けられる。段差部１３，２３は、液体の水位調節が容易であるように、チムニートレイ１１，２１の一部を下方に段差がつくように形成したものである。

固定本体１３１は、長手方向に第１連通ホール１３３が形成され、第１連通ホール１３３と連通されるように、上部及び下部にそれぞれ突き抜けて形成される第１流量調節用ホール１３５，１３６が具備される。１対の第１流量調節用ホール１３５，１３６は、固定本体１３１の上下部に対称になるようにも形成される。

回転本体１４１は、固定本体１３１の第１連通ホール１３３に回転自在に設けられる。
回転本体１４１は、長手方向に第２連通ホール１４３が形成され、回転によって、第１流量調節用ホール１３５，１３６と第２連通ホール１４３とを選択的に連通させる１対の第２流量調節用ホール１４５，１４６が具備される。１対の第２流量調節用ホール１４５，１４６は、回転本体１４１の上下部に対称になるようにも形成される。

図２４に図示されているように、固定本体１３１に形成される第１流量調節用ホール１３５，１３６は、固定本体１３１の長手方向に沿って、直線に形成された長ホール（ａ）または斜線に長く形成された長ホール（ｂ）、固定本体１３１の長手方向に沿って、設定間隔を置いて、直線方向または斜線方向に形成された複数の円形ホール（ｃ）、複数の四角ホール（ｄ）、複数の楕円形ホール（ｅ）中選択された１種、またはそれらの混合（mix）組み合わせのうちどの一つで成り立つことができる。

回転本体１４１に形成される第２流量調節用ホール１４５，１４６は、回転本体１４１の長手方向に沿って、直線に形成される長ホール（ａ）または斜線に長く形成された長ホール（ｂ）、回転本体１４１の長手方向に沿って、設定間隔を置いて、直線方向または斜線方向に形成された複数の円形ホール（ｃ）、複数の四角ホール（ｄ）、複数の楕円形ホール（ｅ）のうちから選択された１種、またはそれらの混合組み合わせのうちいずれか一つによってなる。

第１流量調節用ホール１３５，１３６と第２流量調節用ホール１４５，１４６は、図２３に図示された構成のうち一つを選択して混合して適用することができる。
図２４（ａ）に図示された長ホールを、第１流量調節用ホール１３５，１３６形状として採用し、図２４（ｅ）に図示された斜線方向に形成された複数個の楕円ホールを、第２流量調節用ホール１４５，１４６形状として採用する場合、第１流量調節用ホール１３５，１３６と第２流量調節用ホール１４５，１４６とが連通される部分の面積をさらに微細に調節することができ、液体供給比率をさらに正確に調節することができる。

また、図２３に図示されているように、回転本体１４１に形成される第２連通気体排出口１２１及び第２流量調節用ホール１４５，１４６は、回転本体１４１に上下部が連続するように突き抜けて一体に形成するか、あるいは回転本体１４１に、上下部が連続するように断続的に複数個を突き抜けて形成することが望ましい。

ここで、「断続的には」、第２流量調節用ホール１４５，１４６を機械加工によって形成するとき、切れる部分があるように形成するものであり、図２４に図示された（ｃ），（ｄ），（ｅ）形状に該当する。断続的に切れる部分があるように、回転本体１４１に、第２流量調節用ホール１４５，１４６を形成すれば、流量調節弁１３０の強度が補強される。

図２２に図示されているように、弁部材１４７が作動し、第１流量調節用ホール１３５，１３６に対する第２流量調節用ホール１４５，１４６のオープン程度を調節することができる。

弁部材１４７は、回転本体１４１の一側に連結されて、転本体１４１を回転させる役割を行うことにより、弁部材１４７の回転によって回転本体１４１が回転し、回転本体１４１の第２流量調節用ホール１４５，１４６が、固定本体１３１の第１流量調節用ホール１３５，１３６と連通され、第１区間３１の液体を第２区間４１に排出することができる。

すなわち、固定本体１３１の第１流量調節用ホール１３５，１３６と、回転本体１４１の第２流量調節用ホール１４５，１４６とが連通される面積により、液体の排出量が調節される。

弁部材１４７は、手動、油圧、電気、気圧、水圧、ギアのうちから選択された１種、またはそれらの組み合わせによって作動する。弁部材１４７は、カラム１０の外部に露出される流量調節弁１３０にも設けられる。

液体排出手段１２９は、段差部１３，２３に一つだけ設けられもするが、多くの流量を処理するため、または多量調節と微細調節とを区分して運転するために、１以上が設けられもし、流量調節弁１３０は、液体排出手段として、段差部に直接付着して使用することもできる（図８（Ａ−２））。

一方、図２５及び図２６に図示されているように、気体分配装置は、第１区間３１の液体を第２区間４１に排出するように、チムニートレイ１１，２１に連結される排出ライン１５３をさらに含み、流量調節弁１３０は、排出ライン１５３に、一つまたは２以上が設けられる。

流量調節弁１３０，１３０ａが排出ライン１５３に２以上設けられる場合、多量調節と微細調節とを選択的に行うことができる。

流量調節弁１３０，１３０ａは、排出ライン１５３に設けられる場合、縦方向にも設けられる。しかし、流量調節弁１３０，１３０ａは、必要によって、排出ライン１５３に横方向にも設けられることができる。

前記流量調節弁以外に、一般的に使用される流量調節弁を使用しても、前記チムニートレイにおいて液面調節は可能である。

以下、本発明の気体分配装置の作用について、例を挙げて説明する。

本発明の気体分配装置は、図９に図示されているように、第１区間３１の上部から液体が供給されれば、チムニートレイ１１，２１によって形成される第１区間３１上の第１空間３１ａと第２空間３１ｂとにそれぞれ集められ、各空間を形成するチムニートレイ１１，２１に設けられた液体排出手段１２９を介して排出される。

例えば、第１区間３１の第１空間３１ａと第２空間３１ｂとに供給された液体によって、第１区間３１の第１空間３１ａと第２空間３１ｂとにそれぞれ液体が集められ、各空間の液体排出手段１２９を介して排出される液体量によって、第１区間３１の第１空間３１ａと第２空間３１ｂとの液面高が調節される。

このとき、第１区間３１の上部から落下する液体は、チムニー１１０上部を覆っているキャップ１２０により、チムニー１１０内部に流入しない。

第１区間３１の第１空間３１ａと第２空間３１ｂとの液面高は、各チムニー１１０をカバーしているキャップ１２０から気体が排出される気体排出口１２１の面積を制御し、気体の排出面積を制御する。

すなわち、図１０に図示されているように、気体が排出されるキャップ１２０の気体排出口１２１面積ｄを液面高ｃで制御し、第１区間３１の第１空間３１ａと第２空間３１ｂとに排出される気体分配比率をそれぞれ調節することができる。

例えば、第１空間３１ａと第２空間３１ｂとに、液体供給の比率が１：１になるように設計され、気体供給の比率も、１：１になるように設計された場合、正常に運転するときは、設計された通りに分配比率が維持される。しかし、蒸溜カラムに供給される流体の組成が変わるか、あるいは所望生成物の濃度を異にするときは、各空間に供給される液体や気体の供給比率を変化させなければならない。

このとき、液体が、第１空間３１ａと第２空間３１ｂとに供給される比率を、１．２：０．８に変化させれば、第１空間３１ａと第２空間３１ｂとに設けられている気液接触区間において、圧力降下差が設計と異なって変化することになり、第１空間３１ａで圧力降下が、第２空間３１ｂでの圧力降下より大きくなる。

それにより、第２区間４１において上昇する気体は、かような圧力降下変化のために、気体が上昇する抵抗差が生じ、気体が第２空間３１ｂにさらに多く供給されることになる。

それにより、液体量が多くなった第１空間３１ａに、かえって気体量が少なくなり、蒸溜カラムの運転に好ましくない影響を与える。従って、液体分配の比率が変わるとき、気体分配比率を、所望の通り調節することが非常に重要である。

前述のような場合、第１空間３１ａに気体がさらに供給されるようにするために、第２空間３１ｂに比べ、第１空間３１ａで上昇した圧力降下に該当するほど、第２空間３１ｂに具備されたキャップ１２０液面上に開放された気体排出口１２１面積を減らせば、気液接触区間で生じた圧力降下差を補償し、気体は、第１空間３１ａと第２空間３１ｂとに均等に分配される。

ここで、第１空間３１ａにおいて、液体供給量が１．２：０．８に増加したので、それに該当するほど、第２空間３１ｂにおいて、液面上に開放された気体排出口１２１をさらに小さくすれば、気液接触区間において、所望通りに、気体と液体との比を調節することができる。

前述のところと反対に、気体分配装置の液面高調節は、第１空間３１ａの液面を低くする方法によって調節することにより、圧力降下が過多に大きくなることを防止することができる。

液面高は、例えば、図１３に図示されているように、液体排出手段として具備された多孔板１２４によっても調節されるが、このとき、多孔板は、１以上設けられ、各多孔板は、同一ホール面積を有するか、あるいは互いに異なるホール面積を有し、該多孔板下部は、それぞれ分離されおり、それぞれ分離された空間下部あるいは側面には、弁が連結されており、選択的に開閉した弁により、上部の多孔板を通過した液体が排出されるので、液面高が調節される方法である。

前記多孔板は、図１４に図示されているように、カラム１０外部に設け、第１区間の液面高調節にも使用される。

また、図１５に図示されているように、液体排出手段として具備されたノズル１２９の高さを異ならせるように１以上設け、前記ノズル１２９に連結された流量調節弁を一部あるいは全部選択的に開放するか、あるいは密閉する方法によっても調節することができる。前記ノズル１２９は、同一高さにいくつか設け、開放される総面積によって、排出される液体の量を調節することにより、液面高を調節することもできる。

また、液面高は、図９のＡ−２に図示されているように、液体排出手段として具備された流量調節弁１３０の開閉程度を調節する方法によっても調節することができる。

また、液面高は、図９のＡ−１に図示されているように、液体排出手段として具備されたノズル１２９に連結された流量調節弁１３０の開閉程度を調節する方法によっても調節することができる。

また、液面高は、図９のＡ−３に図示されているように、液体排出手段として具備されたノズル１２９に連結された流量調節ポンプ１６０の流量を調節する方法によっても調節することができる。

また、液面高は、図９のＡ−４に図示されているように、液体排出手段として具備されたノズル１２９に連結されたポンプと、それに連結された流量調節弁１３０の開閉程度とを調節する方法によっても調節することができる。

また、液面高は、液体排出手段として具備されたダウンカマー１２７上部の第１区間に設けられる堰１６の高さを調節しても調節することができる。

前述の気体分配装置と気体分配比率調節方法は、液面高調節によって、気体分配比率を制御するので、エネルギー節減を目標にする分離壁型蒸溜塔などに適用し、エネルギー節減と作動性能とを向上させることができる。

また、流量調節弁１３０は、第１流量調節用ホール１３５，１３６及び第２流量調節用ホール１４５，１４６を、図２４に図示された形状に選択的に組み合わせて採用することにより、液体排出流量調節が可能になる。

また、流量調節弁１３０は、チムニートレイ１１，２１に直接１以上設け、多量調節及び微細調節を区分して運転することができる。

また、流量調節弁１３０は、第１区間３１の液体を第２区間４１に排出するように、チムニートレイ１１，２１に連結される排出ライン１５３に１以上設けられ、液体の排出時、多量調節及び微細調節を区分して運転することができる。

前述の気体分配装置は、気体分配比率を調節するために、気体排出部に、機械的装置を付着させ、カラム外部で作動させる代わりに、液面高を調節し、各チムニー１１０をカバーするキャップ１２０の開放された気体排出口１２１の面積、あるいはキャップ１２０Ａの側面下端部と液面との間に開放された面積を調節することにより、気体分配比率を調節する方法を提供する。

また、前述の本発明の気体分配装置は、気体の分配比率を調節する用途以外に、分離壁型蒸溜塔ではない一般的な蒸溜塔、あるいは吸収塔や反応器の下部から供給される気体を、上部空間に等しく分布するように、圧力降下を調節する用途にも使用される。かような場合、前記装置の下部から供給される気体の量が、設計時と異なって変化する場合、本発明の気体分配装置を使用して圧力降下を変化させることにより、チムニートレイ上部に排出される気体の分布を等しくすることができる効果がある。

本発明の権利範囲は、前述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されているところによって定義され、本発明の技術分野において当業者が、特許請求の範囲に記載された権利範囲内で、多様な変形と改作とが可能であるということは、自明である。

Claims (14)

1. 気体分配装置が必要なハウジング内部を、上部空間及び下部空間に分離するチムニートレイと、
   前記チムニートレイ上部面に具備され、上部空間及び下部空間を連通させるチムニーと、
   上面と、前記上面に連結された側壁とを含む構造を有し、前記チムニー外部に、チムニーと離隔された状態に固定され、チムニー上端部のホールから供給される気体を上部空間に排出する気体排出口が形成されるように、チムニー外部をカバーするキャップと、
   前記ハウジングの上部空間に液体を供給する液体供給手段と、
   前記ハウジングの上部空間から液体を排出させる液体排出手段と、を含み、
   前記気体排出口のサイズは、前記液体供給手段及び液体排出手段のうちいずれか１以上により、前記チムニートレイ上に受容される液体高を調節することによって調節されることを特徴とする気体分配装置。
2. 前記気体排出口は、
   （ａ）キャップに形成される１以上のホールにのみ形成されるか、
   （ｂ）１以上の溝を含むキャップ側壁下端部とチムニートレイ上部面の結合構造によって形成される１以上のホールによって形成されるか、
   （ｃ）キャップ側壁がチムニートレイ上部面に当接していない状態で、キャップとチムニーとの組み合わせ構造によって形成される空間によって形成されるか、
   （ｄ）キャップ側壁の一部がチムニートレイ上部面に当接し、キャップ、チムニー及びチムニートレイ上部面の組み合わせ構造によって形成される空間によって形成されるか、
   （ｅ）前記（ｂ）、（ｃ）または（ｄ）の気体排出口と共に、キャップの上面または側壁に形成された１以上の気体排出口をさらに含む形態によって形成されることを特徴とする請求項１に記載の気体分配装置。
3. 前記気体排出口は、円形状、楕円形状、多角形状、ドーナツ形状及びスリット形状からなる群から選択される１種以上によって構成されることを特徴とする請求項２に記載の気体分配装置。
4. 前記キャップ側壁は、上面からの長さが最短である部分が、前記チムニーの上端部で最も低い部分の下まで逹することを特徴とする請求項１に記載の気体分配装置。
5. 前記気体排出口は、キャップ側壁に形成され、気体排出口のうち最も高い部分が、前記チムニーの上端部で最も低い部分より下に位置することを特徴とする請求項１に記載の気体分配装置。
6. 前記キャップは、ハウジングあるいはチムニーに固定手段によって固定されるか、あるいはチムニートレイ上面に当接する側壁下端部の一部または全部によって固定されることを特徴とする請求項１に記載の気体分配装置。
7. 前記キャップの上面の上部面には、液体フローを誘導するための流路が形成され、前記流路は、気体排出口と異なる方向に形成されることを特徴とする請求項１に記載の気体分配装置。
8. 前記液体供給手段は、ノズル、流量調節弁、多孔板、ダウンカマー、トレイ、パッキング、スプレー装置、気液接触装置及び気体凝縮装置のうちから選択される１種、または２種以上の組み合わせによって構成されたことを特徴とする請求項１に記載の気体分配装置。
9. 前記液体排出手段は、ノズル、流量調節弁、多孔板及びダウンカマーのうち選択される１種、または２種以上の組み合わせによって構成されたことを特徴とする請求項１に記載の気体分配装置。
10. 前記気体分配装置は、上部空間に供給される液体を外部に排出し、下部空間から上昇する気体を上部空間に排出させるための工程に使用されることを特徴とする請求項１に記載の気体分配装置。
11. 前記気体分配装置は、２個以上のカラムの機能を１つのカラムに合わせた分離壁型蒸溜塔、または２以上の空間に、気体分配比率を調節する装置に適用されることを特徴とする請求項１に記載の気体分配装置。
12. 気体分配装置が必要なハウジング内部を、上部空間及び下部空間に分離するチムニートレイと、
    前記チムニートレイ上部面に具備され、上部空間及び下部空間を連通させるチムニーと、
    上面と、前記上面に連結された側壁とを含む構造を有し、チムニー上端部のホールから供給される気体を上部空間に排出する気体排出口が形成されるように、チムニー外部をカバーするキャップと、
    前記ハウジングの上部空間に液体を供給する液体供給手段と、
    前記ハウジングの上部空間から液体を排出させる液体排出手段と、を含む気体分配装置を使用する気体分配比率調節方法であって、
    前記液体供給手段及び液体排出手段のうちいずれか１以上により、前記チムニートレイ上に受容される液体高を調節し、気体排出口のサイズを調節することにより、気体の分配比率を調節することを特徴とする気体分配比率調節方法。
13. 前記キャップ側壁は、上面からの長さが最短である部分が、前記チムニーの上端部で最も低い部分の下まで逹することを特徴とする請求項１２に記載の気体分配比率調節方法。
14. 前記気体排出口は、キャップ側壁に形成され、気体排出口のうち最も高い部分が、前記チムニーの上端部で最も低い部分より下に位置することを特徴とする請求項１２に記載の気体分配比率調節方法。