JPS585691B2 - 多段交換反応塔 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、疎水性触媒を用いて水一水素系の交換反応に
よる水素同位体の濃縮を行わせる装置に関するものであ
って、特に重水製造用として好適な多段交換反応塔に関
するものであシ、反応塔の設備容積（又は設備費用）対
同位体収量率の向上を目的とする。

従来疎水性触媒を使用し、中間媒体として水蒸気を介在
させ水素一水蒸気間水素同位体交換反応を行なう疎水性
触媒部と、水蒸気一水間水素同位体交換反応をする気液
接触部とを分離した多段交換反応塔が知られている（特
開昭５３−６０４９４号）。

この様な交換反応塔の一例を第１図に示す。

反応塔１内には、多孔板２の上面に沿って液体（水）が
流れるようにした気液接触部３と、疎水性粒状担体表面
に白金を付着させた触媒粒を充填した疎水性触媒４とが
間隔をおいて設けられて一つの段をなし、かかる段を多
数積み重ねて反応塔を構成する。

疎水性触媒部４の上下に位置する気液接触部３は相互に
溢流管６により連絡されている。

この従来の交換反応塔で重水を製造する際には重水素を
含んだ水素カスを交換反応塔の下方から上方に向けて流
し、他方溢流管６を流下してきた水は多孔板２の上面に
沿って水素の流れ方向と直交する方向に流れその多孔板
の端から溢流管６を通ってその下の多孔板へと流れ落ち
る。

重水素を含んだ水素ガスは気液接触部３を通過するとき
水を水蒸気の形で運び出し、そしてこの水素と水蒸気と
の混合物が疎水性触媒部４を通過する。

このとき水素ガスから重水素が水蒸気に移る（水素同位
体交換反応）。

このようにして水素ガスから重水素を受けとった水蒸気
は水素ガスと共に気液接触部３を通過する。

このときまた水蒸気と水との間で水素同位体交換反応が
行われ、水蒸気中の重水素は水に移動する。

従って塔頂より落下する水け塔底に向って降下するにつ
れてその中に重水素が濃縮されていく。

重水製造のプロセスで重水の収量を高めるためには交換
反応塔を環流する水素ガスの流量を増大する必要がある
。

水素ガスの流量を増大するため水素ガスを加圧していき
反応塔内の空洞速度を増大していくと気液接触部３の水
を噴き上げてしまって反応塔は正常な動作をすることが
できナくナる。

又、この従来構造では水素ガスが気液接触部３を通過す
るとき大きな圧力損失が生じる。

この圧力損失を低減するため孔板上の水位又は液高を低
減すると、気液接触効率を低下させてしまう。

又、交換反応を高めようとして径の小さい触媒粒を使用
すると触媒層の目詰りを生へ多孔板からその下の触媒層
に漏洩した水が触媒層に溢れてしまう、いわゆる溢江現
象が発生する。

このようなことで従来の反応塔の構造では重水の収量を
高めるための改善は殆んど不可能であった。

本発明はこの様な従来技術の多段交換反応塔の欠点を排
除して重水製造のプロセスで設備容積対重水収量を高め
ることができる多段交換反応塔を提供することを目的と
するものである。

この目的は、稠密状態に充填した充填材の表面に沿って
水を分布流下させ、塔頂へ向う水素と水蒸気とに会合さ
せる気液接触部、この気液接触部から離して設置し、水
素と水蒸気との間で気相交換反応を行わせる触媒部、前
記の気液接触部の底面へ向う水素と水蒸気は通過させる
が前記の底面から流出する水を通過させない仕切部材、
及びこの仕切部材が集めた水を受けて前記の触媒部を貫
通する水路を通して下段の気液接触部の頂部に散布する
装置を備える多段交換反応塔の構成により達成される。

第２、３図を参照して以下に本発明の実施例について詳
述する。

第２図はこの発明に係る多段交換反応塔の第１の実施例
ゆ説明図である。

反応塔２１内では稠密状態に充填した充填材の表面に沿
って水を分布流下させ、塔頂へ向う水素と水蒸気とに会
合させる気液接触部２２、この気液接触部から下方に離
して設置され、塔頂へ向う水素と水蒸気との間で気相交
換反応を行わせる触媒部２３、前記の気液接触部底面へ
向う水素と水蒸気は通過させるが前記の底面から流出す
る水を通過させない仕切部林ヘ及びこの仕切部材が集め
た水を受けて前記の触媒部を貫通する水路２６を通し下
段の気液接触部の頂部に散布する装置２４が水一水素同
位体交換反応段を構成し、そしてこの構成体が多数積み
重ねられて交換反応塔を構成している。

反応塔の触媒部は疎水性材料乃至は疎水性処理を施した
０．１〜５ｍｍＢの粒状乃至は円筒状の多孔性担体に周
期律表第８族の金属より選択された少なくとも一種類の
触媒金属、特に白金を担持した水一水素系同位体交換用
触媒を充填して構成しても、又疎水性材料乃至は疎水性
処理を施した多孔体発泡体もしくはハニカム担体に上記
触媒金属を担持させたものをカラムとして構成してもよ
い。

重水素を含んだ水素ガスは交換反応塔の下方から上方に
向って流ね、水は散布装置により気液接触部２２、２２
′上に散布される。

この実施例では気液接触部にはステンレス製の稠密な網
状構造体であるスルザーパックド力ラム（商品名）が使
用された。

気液接触部は通常の工業的蒸留塔に使用されている充填
材（例えばラッピリング、マクマホンパッキング、ディ
クソンパッキング等）を充填しても良いが、効率の良い
スルザーパックドカラム（商品名）を使用することが適
当である。

散布された水はスルザーバックドカラムを、その網状構
造体の表面に膜となって広がって緩慢に浸透していく。

交換反応塔の下方から上方に向って流れた水素カスは、
交換反応塔の下段のスルザーパツクドカラム２２′を通
過するとき飽和蒸気圧分の水蒸気でもって加湿されて上
昇し触媒部２３を通過する。

この時触媒部２３では水素ガスと飽和水蒸気の水との間
で触媒を介して水一水素同位体交換反応が行われ、水素
ガス中の重水は水蒸気相に移行する。

触媒層を出た水素ガスから重水素を受けとっている反応
後の水蒸気は水素ガスと共に更に上昇し仕切部材を構成
している漏斗状多孔板２５の気孔を通り抜け上段のスル
ザーパツクドカラム２２中で、塔頂より塔底へ向う遅滞
させられた水と会合する。

このとき水蒸気中に富化した重水は遅滞させられた液体
の水に移行する。

スルザーパツクドカラム２２より下方へ浸出した重水の
富化した水は、スルザーパックドカラム２２の底面に向
って広がる漏斗状の多孔板２５に受けられ、そして触媒
部２３を貫通する垂直管路２６に導かれ、そして下段の
スルザーパツクドカラム２２′の頂面に広がるデイスト
リビュータ２４に導かれ、ディストリビュータにて下段
のスルザーパックドカラム２２’の頂部に散布される．
スルザーパックドカラムの底面に向って広がる漏斗状の
多孔板２５は、ガスは通過できるが液体は落下しないよ
うな細孔をもった撥水性乃至は撥水性処理をした多孔板
で構成するのが好ましい。

又ディストリビュータ２４は細孔より水がシャワー状に
排出されスルザーパツクドカラム２２′上に均一に水を
散布するような構造としている。

細孔からは絶えず水が流出しているのでガスがこれらの
細孔を通って直接スルザーパツクドカラムに流れること
はない散布された重水の富化した水は下段の交換反応要
素を同様にして次々と通っていきそれにつれて重水が水
に富化されていく。

第１の実施例の５段からなる多段反応塔の特性を求めた
。

触媒部２３には粒径０．２ｍｍωのスチレンージビニル
ベンゼン共重合体の粒子に０．５Ｗ％白金を担持させた
疎水性触媒を層高ＩＱｍｍに充填した。

気液接触部２２にはスルザーパックドカラム（商品名）
を１５０ｍｍの高さに充填した。

塔頂より９．４０モル係の重水を供給し、塔底より天然
重水素濃度（１００ｐｐｍ）の水素カスを上記の重水と
等モルの流量で供給した。

塔頂より排出する交換反応後の水素ガス中の重水素濃度
を測定して交換塔の効率ηを次式から求めた。

ここでｙ。

は水一水素同位体交換反応が触媒部においても気液接触
部においても１００係の効率で反応が遂行された場合の
塔頂における水素ガス中の重水素濃度（モル分率）であ
り、ｙｏ，ｙｔはそれぞれ塔底、塔頂における水素ガス
中の重水素濃寒である。

水素ガスの塔内空筒速度の変化に対し塔効率の実験結果
を第１表に示す。

この結果から明らかなように水素ガスの流量の増加によ
る塔効率の底下は少く、又圧損失も小さい。

第３図は本発明の多段交換反応塔の第２の実施例の説明
図である。

第１の実施例と同様に反応塔３１は１段ごとに、稠密状
態に充填した充填材の表面に沿って水を分布流下させ、
塔頂へ向う水素と水蒸気とに会合させる気液接触部３２
、この気液接触部から離して設置し水素と水蒸気との間
で気相交換反応を行わせる触媒部３３、前記の気液接触
部の底面へ向う水素と水蒸気は通過させるが前記の底面
から流出する水を通過させない仕切部材３５．３８、及
びこの仕切部材が集めた水を受けて前記の触媒部を貫通
する水路３６を通し下段の気液接触部３２’の頂部に散
布する装置３４を備えている。

重水素を含んだ水素ガスは交換反応塔の下方から上方に
向って流れ、水は散布装置により気液接触部３２．３２
’上に散布される。

気液接触部１３２は第１の実施例と同様にステンレス製
の稠密な網状構造体であるスルザーパックドカラム（商
品名）を使用した。

散布された水はスルザーパックド力ラムの中を浸透して
いき、長時間経過してその底面から浸出する。

一方、交換反応塔の下方から上方に向う水素ガスは、交
換反応塔の下段のスルザーパツクド力ラム３２′を通過
するとき飽和水蒸気で加湿され、この水素ガスと水蒸気
との混合物が触媒部３３を通過する。

この時触媒部３３で水素ガスと飽和水蒸気の水との間で
触媒を介して水一水素系同位体交換反応が行われ、水素
ガス中の重水素は水蒸気の水に移行する。

水素ガスから重水素を受けた水蒸気は水素ガスと共に更
に上昇し、上段のスルザーバツクド力ラム３２中で前記
の塔頂より塔底へ向う遅滞させられた水と長時間会合し
、水蒸気中に富化した重水は水に移行する。

スルザーパツクドカラム３２より下方へ流出した重水の
富化した水は触媒部３３の上面に配置された板３８とこ
の板に植立して帽体を有している管３５上に流下する。

この流下水は前記の板と触媒部３３を貫通している垂直
管路３６に導かれ、それから下段の気液接触部のスルザ
ーパツクド力ラム３２′の頂面に広がるディストリビュ
ータ３４に至り、このデイストリビュータによって下段
のスルザーパックド力ラム３２′上に散布される。

この散布された重水の富化した水は第１の実施例と同様
に下段の交換反応要素を次々に通り、それにつれて重水
は更に水に富化されていく。

第２の実施例の５段から成る多段反応塔の特性を求めた
。

触媒部には粒径３ｍｍ＠の多孔質テフロン粒子に０．５
Ｗ％の白金を担持させた疎水性触媒を層高５５ｍｍに充
填した。

その他は第１の実施例の多段反応塔の場合と全く同様で
ある。

その試験の結果を第２表に示す。

既に述べたように、第１図の従来構造の場合水素ガス空
筒速度を０．３ｍ／ｓｅｃ以上にすると気液接触部３の
水を上段の触媒部４まで吹上げてしまうのでそれ以上水
素ガスの流量を増大することはできなかったが、本願発
明の場合水素ガス流量を増大してもそのようなおそれは
全くない。

第２表の例では従来構造の場合の流量上限の３倍まで水
素ガス流量を増大したが、塔効率もそれ程低減していな
い。

このため例えば重水製造の場合同じ一日当りの収竜に対
し本発明の反応塔は同じ高さの従来構造の反応塔の約３
分の１の横断面積を必要とするに過ぎず、塔内容積は約
３分の１となり、塔建設費用は著しく低減する。

又、圧損失も小さいため水素ガス圧送のための設備の利
用率も従来構造に比して高い。

以上重水製造の場合を例にとって説明したが、この発明
に係る多段交換反応塔は重水製造のみならず重水中のト
リチウム除去或は軽水中のトリチウム除去等にも当然使
用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の多段交換反応塔の構造を示す。 第２図及び第３図は本発明による多段交換反応塔の実施
例を示す。 （図中１，２１，３１・・・・・・多段交換反応塔、２
・・・・・・多孔板、３，２２，２２’，３２，３２’
・・・・・・気液接触部、４，２３，３３・・・触媒部
、２４，２６，３４，３６・・・・・・散布装置、２５
・・・・・・漏斗状多孔板、２６，３６・・・・・・管
路、２４，３４・・・・・・ディストリビュータ、３５
・・・・・・帽体を有する管、３８・・・・・・板っ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 水と水素との間で水素同位体交換反応を行わせるた
   めの多段交換反応塔において、 稠密状態に充填した充填材の表面に沿って水を分布流下
   させ、塔頂へ向う水素と水蒸気とに会合させる気液接触
   部； この気液接触部から離して設置し、水素と水蒸気との間
   で気相交換反応を行わせる触媒部：前記の気液接触部の
   底面へ向う水素と水蒸気は通過させるが前記の底面から
   流出する水を通過させない仕切部材；及び この仕切部材が集めた水を受けて前記の触媒部を貫通す
   る水路を通し下段の気液接触部の頂部に散布する装置； を備えたことを特徴とする多段交換反応塔。 ２ 前記の仕切部材が上段の気液接触部の底面に向って
   広がる漏斗状の多孔板であり、前記の散布装置が下段の
   気液接触部の頂面に広がるデイストリビュータと前記の
   触媒部を貫通し漏斗状多孔板とディストリビュータとを
   接続する管路とを有することを特徴とする特許請求の範
   囲第１項に記載の多段交換反応塔。 ３ 前記仕切部材が、前記の触媒部の上面に配置された
   板とこの板に植立して帽体を有している管とから成り、
   前記の散布装置が下段の気液接触部の頂面に広がるディ
   ス｝リビュータと前記の触媒部を貫通し前記の板とディ
   ストリビュータとを接続する管路とを有することを特徴
   とする特許請求の範囲第１項に記載の多段交換反応塔。 ４ 前記の充填材が網状構造体であることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項に記載の多段交換反応塔。