JP6923996B2 - トレイ塔 - Google Patents

Description

本発明は化学プラントの主要な機器である蒸留装置に関し、その内部品である改善されたダウンカマーとトレイに関する。

蒸留装置は、化学プラントにおける反応物やその他からの原料の精製分離により最終製品を得るための主装置であり、その性能は製品品質や原単位を大きく左右するので、性能を保ちつつ高負荷を処理できるトレイの開発は経済的に重要な課題である。蒸留塔インターナルとしてはトレイ以外にも充填物（パッキングと称す）があり、その低い圧力損失の特性により真空領域での利用には実績が多いが、汚れが多い成分の蒸留や常圧以上特に０．５ＭＰａ以上の高圧力領域での蒸留ではトレイ利用が効果的である。

蒸留は取り扱う気液混合流体中の成分揮発度の違いを利用して混合物から成分に分離精製する単位操作である。蒸留装置を構成する複数枚存在するトレイ上において孔やバルブで構成される開口部を下段トレイから上昇してくる気体が通り、トレイ上に付随するダウンカマーを通して上段トレイから液が下降してくる。この気液が混合して気液接触する蒸留によってトレイ上で液流れ中の揮発度が高い成分が気体流れ中に移行してそれと入れ代りに気体流れ中の揮発度が小さい成分が液流れ中に移行して分離精製が行われる。

ダウンカマーは、その役割としてトレイから流入する気液混合流体から気体を分離して上段トレイに戻れる（以降ベーパーリリースと称す）ようにすることである。そのために一般にはダウンカマーの断面積を通る液流速が遅くなるように、断面積を広く確保する必要がある。

ダウンカマーのもう一つの役割として液量を保持（以降バックアップと称す）してトレイ上の気液混合による圧力変動があっても気体が下段トレイから上段トレイに吹き抜けないようにすることである。このバックアップ高さはトレイを通る気体の圧力損失相当分＋トレイ上の液高さ相当分＋ダウンカマー出入りの圧力損失相当分の総和なので、トレイ上の液高さ相当分を相殺してトレイ上の液高さより上方に液ダウンカマー底部をあげる方法がある。その場合ダウンカマー底部からの液流出方向は、底部直下または塔壁から離れる向きであった。

気体がトレイ上の多数の開口部（孔やキャップ）を通して上昇して、ダウンカマーからの液と混合するときに丸孔を開口部とするのがシーブトレイであり、キャップを用いるのがバルブトレイである。前者では気体は液中を垂直方向に上昇するが、後者ではキャップに気体が衝突して液中を横方向に拡散してから上昇するのでより物質移動効果があり、しかも可動キャップの場合は圧力損失が均一に一定となり、かつ低気体流量でもキャップが閉まり、液漏れを防ぐので運転操作が安定となる利点を有している。気体の処理量を増やすためには、トレイ上の開口部を増やすことが必要であり、従来多く用いられていた４０ｍｍ前後の口径のキャップをより小口径に変えて個数と開口部を増やす工夫も行われている。ただしキャップの場合はキャップを収める外枠やトレイフロアに留める爪が必要のためキャップ１個あたりの占有面積がキャップ面積以上に必要となる。またシーブ孔や固定型のキャップの場合は気体負荷が変わっても開口部面積は同一のため、特に気体負荷が減少したときに上昇気体圧力が液重量より小さくなると開口部からの液漏れが起きて物質移動が不十分になるという現象（以降ウイーピングと称する）となり、性能低下により次第に運転不能となるという問題点がある。

本発明は、従来技術としては公知の前記技術を踏まえて気液流量の負荷が大きくなっても蒸留性能を維持できるようにダウンカマーをより高液負荷でも処理して、かつトレイ面上での改良キャップにより高気体負荷が処理する。また気体負荷に応じてボウルキャップを開口孔上下に可動させて圧力損失を均一化させ、低負荷気体でも運転可能とすることを目的とする。

前述した目的を達成するため、本発明のトレイ塔は、その第１の発明原理として、「蒸留塔であるトレイ上にある液が下段のトレイに移動する降下管（以降ダウンカマーと称す）のなかに気液分離板（以降ベーパーリリースバッフルと称す）を垂直に設置する。またまたダウンカマーへの流入堰（堰＝せき）（以降アウトレットウェアと称す）垂直高さは維持したままトレイ中央側に向けて４５度傾斜させた構造。」になっている。すなわち、ダウンカマーに設置したベーパーリリースバッフルの下端はダウナカマー液中、上端はトレイ上の気相中にすることにより、ダウンカマーに流入した気液混合物中の同伴気体は塔壁とバッフルとの間から気相中に戻り、液のみの重力流れとなってより高流速で流すことが可能となることを特徴としている。またダウンカマーへのアウトレットウェアを傾斜させトレイ側に４５度とすることにより、ダウンカマー流入面積が増大するので流入流体に同伴した気体がトレイ上に戻り易いようになる。

また、本発明のトレイ塔は、その第２の発明原理として、「トレイ面上にある１個ないし複数の孔上部に中空半球ないし中空半楕円の下部部分で高さが球ないし楕円半径の１／２以下のキャップ（以降ボウルキャップと称す）を設置して、ボウルキャップ底部の中心に中空支持細管を設けてその中空支持細管を孔からそのトレイ裏側まで通して、他のキャップの中空支持細管とともに網に固定して可動とした構造。」になっている。
すなわち、ダウンカマーを除くトレイ上にボウルキャップを設置する。これは底部が球ないし楕円状となっているため気体が流れる際の圧力損失が少なくなり、かつ枠（フレーム）や爪（フック）が不要のため、デッド面積が少なくなりより多くのキャップ設置が可能となる。またキャップ底部に中空支持細管を設けて、液がキャップ内面に滞留しないようする。またその細管はトレイ下部で少なくとも１個以上のキャップ細管とともに同一の網に取付け、キャップの可動時に網が同一に作動してキャップがトレイに引っ掛かったり、作動が不均一にならないようになる。これにより気体が低負荷になったときにはキャップは孔閉止方向に動き、ウィーピングを防ぐことも可能となる。

さらに、本発明のトレイ塔は、その第３の発明原理として、「上記した第１の発明原理のダウンカマー底部部分を下にあるトレイ上の液高さより上方に設置して、液の流出部開口部を塔壁に向けて、さらにその開口部上方に塔壁からダウンカマー側面に向けて開口部と同等以上の断面積を持つベーパー逆流防止のための邪魔板（以降バイパスカットバッフルと称す）を水平に設置した構造」になっている。
すなわち、ダウンカマー底部をトレイ上の液高より上方にあげることによりその下方のトレイ面上により多数のキャップを設置できるようにして、かつダウンカマーの下部開口部を塔壁側に向けて設置して液を塔壁側に向けて流出させ、液が気体と接触して下段へのダウンカマーまでのフローパス距離を長くして蒸留効果を向上させる。更にダウンカマー下部開口部より上方にバッフルを設置して低負荷や運転開始時のときに気体がダウンカマー内を上段トレイに向かってバイパスしないようにすることを特徴としている。

以下、図面において、同一またおおむね同一の要素については同一の符号を付してある。
（１）本実施形態のトレイ塔は、複数の孔を有する水平板状にそれぞれ形成されており、上下方向において段状に配置される複数のトレイ１と、前記トレイ１における前記孔の幅よりも大きな幅を有するとともに下方に凸のボウル状に形成されており、所望の圧力の蒸気が前記孔の下方から上方に向かって前記孔を通過するときに複数の前記孔の上方かつ前記トレイ１から所定の距離だけ離した位置にそれぞれ配置されるボウルキャップ７と、上方開口部及び下方開口部５を有するとともに前記孔の幅よりも小さな幅を有する管状にそれぞれ形成されており、各段に配置された前記トレイ１の間をそれぞれ接続する複数のダウンカマー２と、水平板状にそれぞれ形成されており、前記ダウンカマー２の内部であって前記ダウンカマー２における下方開口部５よりも上方にそれぞれ配置される複数のバイパスカットバッフル６と、を備えることを特徴とする。
これにより、上記の「課題を解決するための手段」の欄でも記載の通り、本実施形態のトレイ塔は、ボウルキャップ７が湾曲面を有するために、従来から存在する水平板状のバルブと比較して、トレイ１に配置された孔を通過する蒸気が流れる際に圧力損失を少なくすることができるという効果を奏する。また、本実施形態のトレイ塔は、ダウンカマー２の内部にバイパスカットバッフル６があるため、ボウルキャップ７に対して所望する蒸気の圧力がかからない低負荷時や運転開始時のときに、蒸気がダウンカマー２の内部を通過して上段トレイにバイパスすることを防止することができるという効果を奏する。
（２）本実施形態のトレイ塔は、上方排出穴及び下方排出穴を有するとともに前記孔の幅よりも小さな幅を有する管状にそれぞれ形成されており、前記トレイ１における複数の前記孔をそれぞれ通過し、かつ、前記上方排出穴がそれぞれの前記ボウルキャップ７を貫通するように前記ボウルキャップ７にそれぞれ接続する複数の中空支持細管と、を更に備えることを特徴とする。
これにより、上記の「課題を解決するための手段」の欄でも記載の通り、本実施形態のトレイ塔は、ボウルキャップ７に中空支持細管を貫通させたことにより、ボウルキャップ７の内部に液体が滞留したとしても、中空支持細管を通してその液体をボウルキャップ７の外部に排出することができる。
（３）本実施形態のトレイ塔は、それぞれの前記トレイ１の下方において同一の前記トレイ１に配置された複数の前記孔をそれぞれ通過する複数の前記中空支持細管をそれぞれ連結する網板状に形成されており、所望の蒸気の圧力が前記ボウルキャップ７に加わったときに前記中空支持細管を介して前記ボウルキャップと共に浮き上がる程度の重さに構成されている連結網８と、を更に備えることを特徴とする。
これにより、上記の「課題を解決するための手段」の欄でも記載の通り、本実施形態のトレイ塔は、連結網８が中空支持細管を介してボウルキャップ７に連結しており、前記ボウルキャップ７、中空支持細管及び連結網８の自重によって所望の蒸気の圧力が前記ボウルキャップ７に加わっていない低負荷のときは複数の前記ボウルキャップ７が前記トレイ１に配置された複数の前記孔をほぼ同時に閉じることができるので、低負荷の際に生じやすいウィーピングを防ぐことができる。

図１においてベーパーリリースバッフルを塔壁より、１０ｍｍから５０ｍｍの距離でアウトレットウェアと平行に設置する。その深さはトレイ面より下方に最大ダウンカマー長さの１／２、高さは段間長さの１／３から１／２の高さまでとして上端は必ず気相部分となるようにする。バッフルの左右の横は塔に密着するようにして頂部および底部は気体が気液混合状態からよく抜け出せるように空けておく。

図１および図３においてアウトレットウェアをトレイ中央側に向けて４５度傾けて設置する。垂直高さは、トレイの基本性能を満たすようにあらかじめ化工計算により決める。

図２において中空半球ないし中空半楕円球の底部から１／５から１／３の高さで孔より大きい投影直径で切断したボウルキャップの底部中心から中空支持細管を延ばして、同様の少なくとも１個以上の中空支持細管をトレイの下側で共通の網に設置する。キャップ、細管および網はメタルを一般とするがそれ以外でも材質は問わない。中空支持細管によりプラント停止時にボウル内の液が下段トレイにドレン排出されるようになる。

図３においてダウンカマー底部の塔壁側に向けて液出口流速が高くとも１．０ｍ／ｓ以以下、望ましくは０．５ｍ／ｓ前後となるように開口部を設ける。

図４において開口部と塔壁との最大距離と同じ長さ以上でかつ同じ長さの１／２以上の高さでかつアウトレットウェアと同じ幅のバイパスカットバッフルをダウンカマー内にその底面の上方に設置する。

複数のトレイにあるダウンカマーのベーパーリリースバッフルとアウトレットウェアおよびボウルキャップ（３個）を説明する概要図である。 トレイ開口部上のボウルキャップ（２個）、中空支持細管および網の構造を示す概要図である。 塔内部を側面から切り出した図であり、ダウンカマー底部の液出口開口部およびバイパスカットバッフルおよびボウルキャップ（８個）を流れる気液の流れを説明する部分断面図である。 バイパスカットバッフルの位置関係および寸法を説明する部分断面図である。

注意書き：以下の符合は図面に記載された丸番号から「〇」を省略している。
１ トレイフロア
２ ダウンカマー
３ ベーパーリリースバッフル
４ アウトレットウェア
５ ダウンカマー液出口（＝下方開口部）
６ バイパスカットバッフル
７ ボウルキャップ
８ 網（＝連結網）

Claims (3)

1. 複数の孔を有する水平板状にそれぞれ形成されており、上下方向において段状に配置される複数のトレイと、
   前記トレイにおける前記孔の幅よりも大きな幅を有するとともに下方に凸のボウル状に形成されており、所望の圧力の蒸気が前記孔の下方から上方に向かって前記孔を通過するときに複数の前記孔の上方かつ前記トレイから所定の距離だけ離した位置にそれぞれ配置されるボウルキャップと、
   上方開口部及び下方開口部を有する管状にそれぞれ形成されており、各段に配置された前記トレイの間をそれぞれ接続する複数のダウンカマーと、
   水平板状にそれぞれ形成されており、前記ダウンカマーの内部であって前記ダウンカマーにおける下方開口部よりも上方にそれぞれ配置される複数のバイパスカットバッフルと、
   を備えることを特徴とするトレイ塔。
2. 上方排出穴及び下方排出穴を有するとともに前記孔の幅よりも小さな幅を有する管状にそれぞれ形成されており、前記トレイにおける複数の前記孔をそれぞれ通過し、かつ、前記上方排出穴がそれぞれの前記ボウルキャップを貫通するように前記ボウルキャップにそれぞれ接続する複数の中空支持細管と、
   を更に備えることを特徴とする請求項１に記載のトレイ塔。
3. それぞれの前記トレイの下方において同一の前記トレイに配置された複数の前記孔をそれぞれ通過する複数の前記中空支持細管をそれぞれ連結する網板状に形成されており、所望の蒸気の圧力が前記ボウルキャップに加わったときに前記中空支持細管を介して前記ボウルキャップと共に浮き上がる程度の重さに構成されている連結網と、
   を更に備えることを特徴とする請求項２に記載のトレイ塔。

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