JP6812440B2 - 充填材及びその製造方法 - Google Patents
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Description
充填材を用いた気液接触装置は、例えば、図1のように概略的に記載することができる。平板材Fを用いた充填材1は、気液接触装置2の容器3内に装填され、気体−液体接触用の充填材として使用することができる。充填材1の上方に配置される散布管4から充填材1へ液体Aを散布するために、液体供給ライン5を通じて液体Aが散布管4へ供給される。ガス供給ライン6を通じてガスGを気液接触装置2へ供給すると、液体は、充填材1の平板材F上を平面に沿って流下し、上昇するガスGと接触する。この気液接触の間に、液体は、充填材1上で液膜を形成して、例えば、ガスG中の特定成分を吸収し、特定成分が除去されたガスG’は、容器3頂部に接続されるガス排出ライン7を通じて外部へ放出される。吸収液として機能した液体A’は、容器3の底部に貯留された後、底部に接続される排液ライン8を通じて外部へ排出される。充填材1は、長方形の平板材を立位に設置したものを使用し、気液接触装置2において、充填材1におけるガスG及び液体Aの流路は、所定間隔で並列する平板材間の真っ直ぐで簡素な薄層形状の間隙である。従って、流通抵抗が少なく、製造加工コストも削減可能であり、板材間の間隔を適宜調整してガス流量を制御できる。
図4は、実験によって液膜表面Saの形状を測定した結果を示すグラフである。実験測定においては、図3のような充填材要素10(SUS304鋼製、壁部間距離:50mm、使用時の液膜形成面の水平面に対する角度β:60°)に液体として水(20℃、ウェーバー数We=0.8)を供給して液膜形成面Sf上を流下させて液膜を形成し、ニードルプローブPを用いた触針法に従って液膜表面Saの位置(液膜高さh)が測定される。壁部Wの側面Swからの距離xと、液膜高さh(本体部Bの液膜形成面を基準とする)との関係をグラフに示すことによって、図4のような液膜の表面形状が得られる。図4のグラフから、充填材要素10の曲面部Scにおける曲率半径Rsを変更することによって液膜の形状が変化することが解る。図4において、曲率半径Rsが1〜3mmの範囲では明らかに液膜高さの最小化領域が存在する液膜形状を示すが、曲率半径Rsの増加につれて最小化領域が縮小して、曲率半径Rs=6mmにおいて消失する。従って、図4の測定における設定条件では、充填材要素10の曲面部Scにおける曲率半径Rsの最適値は6mm程度となる。このように、壁部Wと本体部Bとの境界に設ける曲面部Scの曲率を変えて液膜の表面形状の変化を調べることによって、液膜の表面形状に最小化領域が現れないような最適な曲率を決定することができる。従って、所望の気液接触条件においてこのような測定を行うことで、好適な充填材要素の形状を設計できる。
We = (ρ×U2×δ)/σ (1)
前述のウェーバー数Weを示す式(1)において、Nusseltの理論式による液体の平均速度U及び液膜の平均厚さδは、液膜流れの幅方向単位長さ当たりの流量Γ(m2/s)を用いて、下記式(2)のように表される(式中、gは、重力加速度、βは、液膜形成面の水平面に対する角度)。従って、式(1)及び(2)から、液膜の平均厚さδは、ウェーバー数Weに対して式(3)のように求められる。
(Rc−δc)=Rc×cosθR (6)
Rc = δc/(1−cosθR) (7)
λ=2π(2(δN−δm)R)1/2
実験測定によって曲面部の曲率半径Rsの最適値を決定するには、充填材要素の素材を用いて、異なる曲率半径Rsで曲面部を設けた充填材要素の候補を作製し、各充填材要素を用いて、前述したような液膜の表面形状又は臨界ウェーバー数Wecの測定を繰り返し行う。
長さが60mmのステンレス鋼(SUS304)製の平板材を用意し、断面が長方形の流路(横幅<50mm、深さ<5mm)を平板材の長さ方向に沿って形成した。この作業は、放電加工による削り出し、及び、φ20mmのエンドミルを用いた仕上げによって行った。更に、ラジアスエンドミルを用いて、流路の底面及び側面に加工を加えて、横幅が50mm、深さが5mmで、流路底面の両側に円柱面状に湾曲した曲面部(曲率半径Rs=1.0mm)を有する形状に仕上げた。
上述の流路を形成した平板材を、充填材要素10の試料として用いて、液膜表面の形状測定を以下のように行った。
液膜表面の形状測定と同様に平板材を設置し、流路に水を供給する際に、流量を徐々に増加させた。これによって、流路底面上に形成される液膜が拡がり、ドライアウト領域が消滅して流路底面全体に液膜が形成された時の水の流量を決定した。これを用いて、式(1)から臨界ウェーバー数Wecを計算した。得られた臨界ウェーバー数と曲面部の曲率半径との関係をグラフに示すと、図6のようになった。
流路に供給する液体を、エタノール濃度(質量値)が20%の水溶液(20℃、ウェーバー数We=0.8)に代えたこと以外は同様にして、上述の液膜表面の形状測定を繰り返した。流路の側面からの距離と液膜高さとの関係を示すグラフを作成したところ、図7のような表面形状が得られた。この結果から、曲面部の曲率半径Rsと臨界ウェーバー数Wecとの関係を求めたところ、図9のようなグラフが得られた。このグラフにおいて、臨界ウェーバー数Wecが最小になる最適な曲率半径Rsは、約6.0mmであった。
流路に供給する液体を、グリセリン濃度(質量値)が60%の水溶液(20℃、ウェーバー数We=0.8)に代えたこと以外は同様にして、上述の液膜表面の形状測定を繰り返した。流路の側面からの距離と液膜高さとの関係を示すグラフを作成したところ、図8のような表面形状が得られた。この結果から、曲面部の曲率半径Rsと臨界ウェーバー数Wecとの関係を求めたところ、図10のようなグラフが得られた。このグラフにおいて、臨界ウェーバー数Wecが最小になる最適な曲率半径Rsは、約6.5mmであった。
2 気液接触装置
3 容器
4 散布管
5 液体供給ライン
6 ガス供給ライン
7 ガス排出ライン
8 排液ライン
10,10A〜10I 充填材要素
B 本体部
W 壁部
Sw 側面
Sc 曲面部
Sf 液膜形成面
Sa 液膜表面
A,A’ 液体
F 平板材
G,G’ ガス
Z リブ
Rt 最小化領域
Claims (7)
- 立位に設置される少なくとも1つの薄層状の充填材要素を有する気液接触用の充填材であって、前記薄層状の充填材要素は、
液流れ方向に伸長する平面状の液膜形成面を有する本体部と、
液流れ直線方向に沿って伸長し、前記液膜形成面に対して立設される少なくとも1つの壁部と
を有し、前記壁部の側面は、前記液膜形成面と接続する根元において、前記液膜形成面に連続するように湾曲する曲面部を有し、
前記曲面部は、円柱面に沿った凹面であって、液体によって前記液膜形成面に形成される液膜における臨界ウェーバー数が最小となる曲率半径で湾曲する充填材。 - 前記壁部は、前記液膜形成面に対して実質的に垂直に設けられ、前記壁部の側面は、前記液膜形成面に対して垂直であって前記曲面部に連続する平面部を有する請求項1に記載の充填材。
- 前記充填材要素は、前記液膜形成面の両側端に1対の前記壁部を有する請求項1又は2に記載の充填材。
- 前記壁部の位置が揃うように並列状態に組み立てられる複数の前記充填材要素を有する請求項1〜3の何れか一項に記載の充填材。
- 立位に設置して使用される少なくとも1つの薄層状の充填材要素を有する充填材の製造方法であって、
平面状の液膜形成面を有する本体部と、直線方向に沿って前記液膜形成面に対して立設される少なくとも1つの壁部とを有する薄層状の充填材要素であって、前記壁部の側面が、前記液膜形成面と接続する根元において、前記液膜形成面に連続するように湾曲する曲面部を有する前記薄層状の充填材要素を設計する設計工程であって、前記曲面部は、円柱面に沿った凹面である前記設計工程と、
充填材の使用における前記液膜形成面の水平面に対する角度、使用する液体の物性、及び、液体の充填材要素との接触に関する特性に応じて、前記曲面部の曲率半径の最適値を決定する決定工程と、
原料素材を用いて、設計された前記薄層状の充填材要素を作製する作製工程と
を有し、前記決定工程で決定された曲率半径の最適値は、液体によって前記液膜形成面に形成される液膜における臨界ウェーバー数が最小となる曲率半径であり、前記最適値を、前記設計工程で設計される充填材要素に適用する充填材の製造方法。 - 前記設計工程において、前記壁部は、前記液膜形成面に対して実質的に垂直であり、前記壁部の側面は、前記液膜形成面に対して垂直であって前記曲面部に連続する平面部を有するように設計される請求項5に記載の充填材の製造方法。
- 前記設計工程において、前記充填材要素は、前記液膜形成面の両側端に1対の前記壁部を有するように設計される請求項5又は6に記載の充填材の製造方法。
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