JP6855736B2 - 気液接触装置 - Google Patents

Description

本発明は、特定ガス成分を分離、除去又は回収するガス浄化装置、ガス分離装置や、冷却装置等として使用可能な、気体−液体間の接触による物質移動又はエネルギー移動を促進する気液接触装置に関する。

従来、化学プラントや火力発電所等において、様々な種類のガスを含む排ガス等の被処理ガスから、気液接触を利用して特定のガスを分離、除去又は回収するガス分離装置が使用されている。例えば、二酸化炭素回収装置では、モノエタノールアミン水溶液等の吸収液に二酸化炭素を含むガスを接触させることによって二酸化炭素を吸収分離し、吸収した後の吸収液を加熱しながら気液接触させることによって二酸化炭素を気相に放出させて回収する。また、排ガスから有害ガス成分を除去するためのガス浄化装置や、混合ガスから特定ガス成分を分離するためのガス分離装置においても、気液接触を利用して吸収液による特定ガス成分の吸収が行われる。更に、高温の液体又はガスを冷却する冷却装置においても気液接触が利用されている。

一般的に、気液接触を行う装置は、液体とガスとの接触面積を増大させるための充填材を有し、充填材表面において液体とガスとを気液接触させて、ガス中の特定ガス成分や熱を液体に吸収させる。気液接触面積の増大に有用な充填材の具体的な形態として、様々なものが提案されている。

複雑な形状や構造の充填材は、加工や装填に手間が掛かり、製造コストや作業上の手間が大幅に増加することから、大容量の処理を行う工業分野においては、簡素な構成の充填材の使用が進められている。例えば、下記特許文献１には、エキスパンドメタル板を充填材として用いたガス分離装置が記載される。

また、下記特許文献２では、充填材上を液体が濡れ拡がる面積を増加させるように表面形状を工夫した気液接触板を用いた気液接触装置が記載されている。

国際公開第２０１３／０１５４１５号パンフレット 特開２００２−３０６９５８号公報

上述の充填材や気液接触板は、板状で比較的簡素な構造であるので、装置内への装填作業等は比較的容易である。しかし、充填材の製造加工については、手間や費用の問題が残る。又、充填材表面の形状に起因して、ガスを供給した時に流通抵抗による圧力損失が生じるため、操業時の消費エネルギーが問題となる。

この点に関し、平板（薄層材）の使用は、充填材の製造加工コストを削減可能である。この場合、多数の鉛直な平板を並列させて、上から液体を供給し、平板間の間隙にガスを供給して、平板上を流下する液体と、間隙を通過するガスとを接触させる。このような形態では、ガスの流通抵抗による圧力損失が少なく、操業時の消費エネルギーを低く抑えることが可能である。

しかし、平板を充填材として使用する場合、液体による充填材の濡れ不足によって気液接触面積の減少を生じ易い。つまり、平面上を鉛直に流下する液体は横方向に拡がり難いので、液体の分配状況が不均等であると、液体で濡れない面が生じて気液接触効率が低下する。このため、充填材の表面全体を十分に利用できるように工夫する必要がある。

本発明は、上述した問題点に鑑みて創案されたものであり、気液接触における圧力損失を抑制しつつ、濡れ不良を解消して良好且つ効率的な気液接触を実現可能な気液接触装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明者等は、充填材への液体供給について検討したところ、特定の液分配器との組み合わせにおいて良好な気液接触を実現可能であることを見出した。

本発明の一態様によれば、気液接触装置は、間隔を空けて並列する複数の鉛直な平板によって構成される充填材を有する気液接触部と、液体供給ラインを通じて前記気液接触部へ上方から液体を供給する液体供給部と、ガス供給ラインを通じて前記気液接触部へガスを導入するガス導入部とを有し、前記液体供給部は、液体を前記気液接触部へ供給するドリップポイントの密度が５００点／ｍ^２以上である液分配器を有する、導入ガスの特定成分又は熱を処理するための気液接触装置であることを要旨とする。

前記液分配器は、前記ドリップポイントから液体を自由落下によって鉛直に供給するノズル又は爪を有するとよい。前記液分配器は、重力による流動を利用して液体を前記ドリップポイントの各々へ誘導する誘導爪を有することができる。前記ドリップポイントの密度が１０００〜３０００点／ｍ^２であると好適である。

気液接触における圧力損失を抑制しつつ、良好な気液接触及び効率的な成分移行を実現できる気液接触用の充填材が得られ、操業時のエネルギー効率が良好な気液接触装置の提供が可能になる。

気液接触装置の一実施形態を示す概略構成図。 液分配器の分配管の一例を示す概略図。 液分配器の誘導爪の一実施形態を示す概略図。 気液接触装置を二酸化炭素の回収に使用した時の、二酸化炭素の吸収性能と、液分配器のドリップポイントの密度との関係を示すグラフ。

本発明の実施形態について、単なる例として、添付の図面を参照して以下に説明する。実施形態において示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、本発明を限定するものではない。尚、明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

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。気液接触装置１は、充填材２が内部に装填される容器３を有し、これらによって気液接触部が構成される。充填材２は、間隔を空けて並列する複数の鉛直な長方形の平板によって構成される。気液接触装置１は、気液接触部へ上方から液体を供給する液体供給部と、気液接触部へガスを導入するガス導入部とを有する。具体的には、液体供給部として、充填材２の上方に液分配器４が配置され、液分配器４に液体供給ライン５が接続される。液体供給ライン５を通じて液体Ｌが液分配器４へ供給され、液分配器４から充填材２へ液体Ｌが流下する。更に、ガス導入部として、容器３の下部にガス供給ライン６が接続され、ガス供給ライン６を通じ供給されるガスＧは、気液接触装置１の底部へ導入される。充填材２へ供給される液体Ｌは、鉛直に立設される平板の表面に沿って流下し、この間に、平板間の空間を上昇するガスＧと接触する。この気液接触の間に、液体Ｌは、充填材２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Ｌ’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。

四角柱状や円柱状の充填材に限らず、多角柱状の充填材や楕円柱状等の様々な柱状の充填材２を、平板を用いて構成可能である。円柱状の充填材を構成する場合、平板の形状は、円柱を軸方向に沿って等間隔に切断した平行な断面に対応する長方形であり、使用する平板の横幅は各々異なる。全ての平板を並べて充填材２を組み立てた状態で、これを円環状の側壁を有する容器３内に装填する。

上述のように、充填材２及び容器３の形状は、必要に応じて適宜設計可能であり、充填材２の形状は、様々な軸性形状から適宜選択することができる。尚、図１の実施形態における充填材２は、所定数の平板を用いて構成される充填材ユニットを１単位として、３つの充填材ユニットを鉛直方向に積み上げた３段構造に構成される。しかし、これに限定されず、必要に応じて１以上の任意の数の充填材ユニットを用いて充填材２を構成することができる。充填材ユニットの間に網板を介在させてもよく、支持構造の安定性を向上させるのに有用である。又、充填材ユニットの段毎に平板の並列方向を変えることができる。例えば、上段の平板の並列方向が下段における並列方向と垂直になるように装填すると、構造の安定性が良い。

充填材２における平板の厚さ及び間隔によって、単位容積当たりの濡れ面積（気液接触面積）、ガス流量及びガスの流通抵抗が変化するので、これらを考慮して、好適な流通空間になるように平板の数が設定される。平板の間隔は、例えば、スペーサーを介在させて固定することができる。ガス及び液体の流動を妨げないように、スペーサーの寸法及び設置位置を適宜調整すればよい。ガスと液体とを接触させる際のガスの流通抵抗は、操業時の消費エネルギーを左右する。気液接触装置１において、充填材２におけるガスＧ及び液体Ｌの流路は、並列する平板間の真っ直ぐで簡素な形状の間隙であるので、最も流通抵抗が少ない形態と言える。又、製造加工コストも低く抑えることができる。従って、操業費用を削減するには、このような並列する複数の平板を用いて充填材２を構成することが有効である。又、大容量の処理及び高速での処理が求められる気体−液体接触用の充填材として有用である。

但し、平板の表面を流下する液体Ｌの流れは、横に拡がり難い傾向がある。このため、液体によって液膜が形成されない部分が生じ易く、濡れ面積（気液接触面積）が減少する。更に、液体Ｌの流速が増加して液体が充填材表面に滞留する時間が短くなって、気液接触効率が低下する。濡れ面積の減少を抑えるには、充填材２を構成する平板の上端によって形成される水平な上面に対して極力均等に液体を分配するように、液体Ｌの供給を工夫することが肝要である。

液体を供給する手段として、例えば、噴霧装置が知られている。しかし、噴霧装置は、液体を噴出させる動力が必要である。又、噴霧ノズルから液体が円錐形に放出されるので、液体の供給面は円形となり、複数の噴霧ノズルによる液体の供給では、噴霧が重なる部分や噴霧されない部分が生じ、均等な供給は困難である。つまり、噴霧装置によって均等な液体供給が可能であるのは、充填材２の上面が、かなり小さい円形面である場合に限られる。この点に関し、液体をドリップポイントから鉛直方向に供給する液分配器４は、充填材２の上面の大きさや形状に関係なく、充填材２の上面全体にわたって液体を一様に供給することが可能であり、充填材２の上面形状に対応した設計変更を、液体の分配に影響を与えずに行うことも容易である。

平板によって構成される充填材２に液分配器を組み合わせて用いた場合には、予想以上に有効性が高まる特有の条件が存在する。詳細には、充填材の気液接触性能は、液分配器のドリップポイントの密度（面積当たりの液体の供給点数）の増加によって比例的に向上するのではなく、ドリップポイントの密度が５００〜１０００点／ｍ^２の領域と、１０００点／ｍ^２以上の領域とでは、気液接触性能が向上する度合いが明らかに異なる。気液接触性能の向上は、ドリップポイントの密度が５００点／ｍ^２付近において著しい（具体的には、後述の実施例を参照）。従って、液分配器を設ける際に、ドリップポイントの密度が５００点／ｍ^２以上のものを使用することが有効であり、ドリップポイントの密度が１０００〜３０００点／ｍ^２であるものが効率的である。ドリップポイントの密度を３０００点／ｍ^２以上に増加しても、気液接触性能の向上は相対的に小さい。

液体をドリップポイントから鉛直方向に供給する液分配器４は、概して、液体を各ドリップポイントへ誘導し分配するための分配管を主体として構成され、分配管の各ドリップポイントに、開口、細管ノズル、誘導爪等のような液体を落下させる手段が設けられる。従って、液分配器４に供給される液体は、分配管を通じて各ドリップポイントへ分配され、落下手段から自由落下して鉛直に流下し、充填材２へ供給される。

図２は、液分配器４を構成する分配管４１の一例を示す。分配管４１は、１本の水平な主管４２と、主管４２の側部から水平方向に分岐する複数の分岐管４３とを有し、分岐管４３は、主管４２の両側に平行に延伸する。主管４２及び分岐管４３の底部において、ドリップポイントに対応する位置に開口４４が形成される。

図２においては、液体の落下手段として開口４４が設けられているが、鉛直方向のノズルを設けたり、誘導爪を付設するように変更して良い。例えば、分配管４１が、金属等の塑性変形可能な素材で製造される場合に、開口４４を形成する際に、開口４４の縁部が外側に突出するような塑性加工を施して、開口から極短い管状のノズルが一体的に突出するような分配管４１に成形することができる。又、開口４４に連通する細管ノズルを接合しても良い。この場合、開口４４を分岐管４３の両側部に設けて、分岐管４３の両側に鉛直なノズルが並行に添設されるように構成しても良い。

図２では、分岐管４３の先端が円周を描くように分岐管４３の長さが設定され、分配管４１による液体の供給面が円形になるように構成されている。しかし、分岐管４３の長さを変更することによって、他の形状の供給面に液体を落下させることができる。例えば、分岐管４３の長さを同一の長さに揃えると、上面の形状が正方形又は長方形である充填材２に対して液体を均等に供給できる。

落下手段として誘導爪を付設する形態は、ドリップポイントの密度を高める上で有利である。図３は、液分配器の落下手段として誘導爪を付設する一実施形態を説明するための図であり、分岐管の鉛直方向断面図である。図３において、分岐管４３’の上部は、直線状の流出口４５を有し、主管４２から分岐管４３'に供給される液体は、流出口４５から分岐管４３’の両側に均等に溢れ出る。分岐管４３’の両側に、流出口４５の縁部から斜め下方に延伸する誘導板４６が付設される。誘導板４６の下部は、多数の平行な細片状になるように鉛直方向に切断され、細片状の部分が誘導爪４７として用いられる。誘導爪４７は、互い違いになるように１つおきに根元で屈折される。更に、斜め下方に延伸する誘導爪４７の先端部は、各々、鉛直下方に向くように先端近くで適宜屈折される。分岐管４３’内の液体Ｌの汚染を防止するために、流出口４５の上方はカバー４８によって覆われ、カバー４８の形状は、ガスの流通を阻害しないように適宜設計される。

上述のような誘導爪４７を設けることによって、分岐管４３’の流出口４５から溢れ出る液体Ｌは、重力によって誘導板４６上を流下し、誘導爪４７の先端から落下する。従って、誘導爪４７の先端がドリップポイントに一致するように調整することで、重力による流動を利用して液体をドリップポイントの各々へ誘導することができる。誘導爪４７の先端を先細に加工することによって、ドリップポイントが明確になる。誘導爪４７の長さ及び屈折を調節して誘導爪４７の先端を位置決めすることができ、ドリップポイントが均等に分布するように先端位置を調整することが可能である。

平板を薄くするに従って平板の強度が低下するので、容積当たりの気液接触面積を大きくするために薄い平板を用いる場合には、必要に応じて補強手段を用いても良い。補強手段として、例えば、平板の両側部にリブを添設したり、クリップ等を用いて支持固定する形態が挙げられるが、公知の手段から適宜選択して適用して良い。スペーサーの配置を工夫して補強効果を得ても良い。

上述のような充填材２を用いた気液接触装置１によって処理されるガスＧとして、例えば、化学プラントや火力発電所等の設備内で発生した廃ガス（排ガス）や反応ガスが挙げられ、屡々、二酸化炭素や、窒素酸化物、硫黄酸化物等の酸性ガスが特定成分として処理される。ガスＧから除去する特定成分に応じて、吸収液として使用する液体Ｌが選択され、例えば、二酸化炭素の回収除去には、環状アミン化合物やアルカノール系アミンやフェノール系アミン、アルカリ金属塩等のアルカリ剤の水溶液が屡々用いられ、硫黄酸化物の除去には、カルシウム化合物、マグネシウム化合物などのアルカリ剤の水性液が一般的に用いられる。二酸化炭素の回収において屡々用いられるモノエタノールアミン（ＭＥＡ）水溶液では、二酸化炭素との反応によって、カルバミン酸塩・アミン塩（カーバメート）、炭酸塩、重炭酸塩等が生じる。

このため、気液接触装置１を構成する各部は、上述したようなガスＧの成分や液体Ｌに含まれる化学薬剤に対して耐性を有する素材で製造される。そのような素材として、例えば、ステンレス綱、アルミニウム、ニッケル、チタン、炭素鋼、真鍮、銅、モネル、銀、スズ、ニオブ等の金属や、ポリエチレン、ポリプロピレン、ＰＴＦＥ等の樹脂が挙げられる。充填材２及びこれを構成する平板も、少なくとも表面が、上述のような、処理するガスＧ及び使用する液体Ｌとの反応（腐食）を生じない耐食性の素材で構成される。素材は、やすりがけ、サンドブラスト処理、紫外線オゾン処理、プラズマ処理などの表面加工によって表面に微小な凹凸を形成して表面粗さを付与したものであっても良く、また、コーティング等による表面の改質によって、上述のような使用条件に合うように調製した素材であってもよい。平板は、厚さが均一な平板又は薄層材であり、気液接触を行う条件に応じて、好適な強度を保持し得るように素材及び厚さを適宜選択することができる。金属線を用いた金網やパンチングメタル板、エキスパンドメタル板等の網板は、単体で自立可能な程度に強度を保持しつつ重量を減少させることが可能な板材であり、液体の濡れ広がりにおいても優れた性質を示す。従って、極めて目が細かい場合には、平板と同様の取り扱いが可能であり、気液接触装置１の充填材２を構成するために用いても良い。

尚、上述において、気液接触装置１は、ガスＧ及び液体Ｌが対向する接触形態として説明しているが、ガスＧ及び液体Ｌを気液接触部１０の上方から供給して、ガスＧ及び液体Ｌが並行する接触形態に変更することも可能である。又、気液接触装置１は、上述のような特定成分を吸収・分離・除去するための気液接触装置に限らず、種々の化学プラントのプロセスに含まれる冷却、加熱、放散等において使用される装置（冷却塔、加熱塔、放散塔（再生塔）等）に適用することも可能である。

図２に示すような分配管を用意し、細管状のノズルを主管及び分岐管の開口に付設して、液分配器の作製に用いた。この際、開口及びノズルの数を変更することによって、ドリップポイントの密度が異なる液分配器を作製した。

ステンレス綱（ＳＵＳ３０４）製の平板を用意し、等間隔で並列する平板で円柱状の充填材を構成するのに適した横幅に各平板を切断した。スペーサーを介して全ての平板を並べて充填材２を組み立てた状態で、これを、円環状の側壁を有する容器３内に装填した。この充填材２の上方に、上述で作製した液分配器の１つ（ドリップポイントの密度：１３８点／ｍ²）を設置して気液接触装置１の組立を完成した。

＜二酸化炭素の吸収処理＞
吸収液としてアミン水溶液を用意し、気液接触装置１に、２ｍ／ｓのガス流速でガス（常温の空気）を、３Ｌ／ｍ³の液ガス比（ガスの流量に対する吸収液の流量の比率）で吸収液を供給することによって、定常の液及びガスの流れを形成した後、ガスに二酸化炭素を５％添加して供給を継続した。この間に、ガスの圧力損失及び出口ガス中の二酸化炭素の濃度を測定した（測定Ｍ１）。

更に、気液接触装置１内の液分配器を、ドリップポイントの密度が異なる他の液分配器に交換して、上記と同様の気液接触及び測定を繰り返し、二酸化炭素の吸収濃度を測定した（測定Ｍ２〜Ｍ７）。測定Ｍ１における二酸化炭素の吸収性能を基準とする相対比として、測定Ｍ２〜Ｍ７の各々を評価した。結果を表１及び図４のグラフに示す。

表１及び図４によれば、二酸化炭素の吸収性能は、測定Ｍ３におけるドリップポイントの密度付近において急激に向上することが理解される。このことから、液分配器のドリップポイントの密度を５００点／ｍ²程度以上に設定すると、並列する鉛直平板による充填材の吸収性能を効率的に改善することができる。

（表１）
測定 Ｍ１ Ｍ２ Ｍ３ Ｍ４ Ｍ５ Ｍ６ Ｍ７
ドリップポイントの密度 138 331 662 1325 1658 2319 4306
二酸化炭素の吸収性能 1 1.05 1.25 1.38 1.33 1.29 1.45

気液接触装置１の充填材２を、市販の規則充填物（メラパック（商品名）、スルザーケムテック社製、稜線が傾斜した波形コルゲート板を並列させた充填物）に交換し、ドリップポイントの密度が１３８点／ｍ²の液分配器を設置して、前述と同様の気液接触及び測定を行った（測定Ｍ８）。更に、液分配器を、ドリップポイントの密度が１６５８点／ｍ²のものに変更して、同様に、気液接触及び測定を繰り返した（測定Ｍ９）。測定Ｍ８における二酸化炭素の吸収性能を基準とする相対比として、測定Ｍ９における二酸化炭素の吸収性能を評価したところ、１．１１であった。この結果から、市販の規則充填物における二酸化炭素の吸収性能は、ドリップポイントを増加させてもさほど向上しないと見なすことができる。従って、表１及び図３に示すような、液分配器のドリップポイントの密度設定による吸収性能の改善は、並列する鉛直平板による充填材との組み合わせにおいて特有な効果であり、他の充填材との組み合わせでは得られない。つまり、鉛直平板による充填材と、適正なドリップポイント数の液分配器との組み合わせによって、良好な気液接触効率を実現することができる。

操業時におけるエネルギー効率が良好な気液接触装置が提供され、圧力損失を抑制しつつ良好な気液接触及び効率的な成分移行を実現できるので、経済性の向上に基づく汎用化によって、化学処理や製造加工における効率の向上、燃焼ガス等の排ガスの処理の普及による環境汚染の防止等に貢献可能である。又、装置の軽量化や製造加工費用の削減によって、資源の有効利用にも寄与することができる。

１ 気液接触装置
２ 充填材
３ 容器
４ 液分配器
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
４１ 分配管
４２ 主管
４３，４３’ 分岐管
４４ 開口
４５ 流出口
４６ 誘導板
４７ 誘導爪
４８ カバー
Ｌ，Ｌ’ 液体
Ｇ，Ｇ’ ガス

Claims (4)

1. 間隔を空けて並列する複数の鉛直な平板によって構成される充填材を有する気液接触部と、
   液体供給ラインを通じて前記気液接触部へ上方から液体を供給する液体供給部と、
   ガス供給ラインを通じて前記気液接触部へガスを導入するガス導入部と
   を有し、前記液体供給部は、液体を前記気液接触部へ供給するドリップポイントの密度が５００点／ｍ^２以上である液分配器を有する、導入ガスの特定成分又は熱を処理するための気液接触装置。
2. 前記液分配器は、前記ドリップポイントから液体を自由落下によって鉛直に供給するノズル又は爪を有する請求項１に記載の気液接触装置。
3. 前記液分配器は、重力による流動を利用して液体を前記ドリップポイントの各々へ誘導する誘導爪を有する請求項２に記載の気液接触装置。
4. 前記ドリップポイントの密度が１０００〜３０００点／ｍ^２である請求項１〜３の何れか一項に記載の気液接触装置。

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