JPWO2015151912A1 - 充填材の製造方法及び充填材 - Google Patents

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Abstract

充填材の製造方法は、気液接触させる気体及び液体の種類及び使用する主板（１１）を決定する主条件決定工程（Ｓｔｅｐ１）と、接触角（θｓ）と液膜長さ比（Ｌｗ／Ｌｔ）との関係を算出する数値解析工程（Ｓｔｅｐ２）と、リブ（１２）の配置（間隔）を決定するリブ配置決定工程（Ｓｔｅｐ３）と、リブ条件を決定するリブ条件決定工程（Ｓｔｅｐ４）と、接触角（θｓ）及び強度要求を満たすリブ（１２）の流れ方向長さの最小値（Ｌｒｍｉｎ）を算出するリブ特性決定工程（Ｓｔｅｐ５）と、液膜長さ（Ｌｗ（θｓ））が最小値（Ｌｒｍｉｎ）より大きいか否かを確認する最小値条件確認工程（Ｓｔｅｐ６）と、最小値（Ｌｒｍｉｎ）から液膜長さ（Ｌｗ（θｓ））の範囲内でリブ（１２）の流れ方向長さ（Ｌｒ）を決定するリブ長さ決定工程（Ｓｔｅｐ７）と、を有する。

Description

本発明は、充填材の製造方法及び充填材に関し、特に、排ガス等の処理ガスに含まれる二酸化炭素等の分離対象ガスを反応液と化学反応させて分離又は回収するためのガス分離装置に適した充填材の製造方法及び充填材に関する。
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処理ガスから特定のガスを分離するガス分離装置（例えば、蒸留塔、吸収塔、精製塔等）が使用されている。これらのガス分離装置は、モノエタノールアミン水溶液等の反応液と二酸化炭素等の分離対象ガスとを化学反応させることによって分離対象ガスを分離又は回収している。また、ガス分離装置は、反応液と分離対象ガスとの接触面積を増大させる充填材を有し、該充填材表面で反応液と分離対象ガスとを気液接触させて化学反応させている。
しかしながら、表面張力の影響により、反応液が充填材の表面を均一に流れない場合があり、充填材表面を流れる反応液の液膜が収束（以下、「液膜破断」と称する。）して、反応液と分離対象ガスとの接触面積が減少することがある。また、気液接触面積が減少することによって、反応液が収束して反応液の流速が増加してしまい、充填材表面における反応液の滞留時間が短くなってしまう。その結果、反応液と分離対象ガスとの化学反応量が少なくなるという問題があった。
そこで、特許文献１に記載された気液接触装置では、格子状断面を有する管状構造体により構成された充填材を有し、充填材の気液接触面は、中心線平均粗さ５０μｍ以上の粗面部、複数の穿設孔を有する多孔面部又は網状物からなるように構成されている。かかる構成により、気液接触面積を増加させることができ、気液接触効率を向上させることができる。また、特許文献２には、気液接触面が板状体（充填材）の表面に網状体を貼着した素材により構成されたものが開示されている。
特開平６−２１０１２１号公報 特開平６−２６９６２８号公報
しかしながら、上述した特許文献１や特許文献２に記載されたような、管状構造体の充填材では、充填材の重量が増加しやすく、装置全体が重量化又は大型化してしまうという問題があった。また、充填材に対するガス（気体）の流路が狭くなりやすいことから、ガス流路面積を確保するために装置全体が大型化してしまうという問題があった。
また、特許文献２に記載されたような板状体の充填材では、金網や立体編物等の網状体の剛性が低いことから単体で自立させたり、板状体の間隔を均一に形成したりすることが難しく、板状体等の支持部材が必要となり充填材の重量が増加してしまうという問題があった。
本発明は、上述した問題点に鑑み創案されたものであり、液膜破断し難く、軽量化を図ることができる、充填材の製造方法及び充填材を提供することを目的とする。
本発明によれば、気液接触面を構成する液膜を形成する主板を備えた充填材の製造方法において、前記液膜の流れ方向に沿ってリブを配置する際に、前記リブの表面における前記液膜の接触角と前記主板の流れ方向長さに対する前記液膜が破断するまでの液膜長さの比率を示す液膜長さ比との関係を算出し、前記接触角と前記液膜長さ比との相関関係に基づいて前記リブの設計条件を決定する、ことを特徴とする充填材の製造方法が提供される。
前記リブは、前記液膜長さ比が所定の基準値を満たすように前記接触角が調整されてもよいし、前記液膜が破断しないように前記リブの流れ方向長さが調整されてもよい。
また、前記充填材の製造方法は、気液接触させる気体及び液体の種類及び前記主板の条件を決定する主条件決定工程と、前記接触角と前記液膜長さ比との関係を算出する数値解析工程と、前記リブの配置を決定するリブ配置決定工程と、前記リブの材質及び表面形状を決定するリブ条件決定工程と、前記接触角及び強度要求を満たす前記リブの流れ方向長さの最小値を決定するリブ特性決定工程と、前記接触角に対する液膜長さが前記強度要求を満たす流れ方向長さの最小値より大きいか否かを確認する最小値条件確認工程と、前記強度要求を満たす流れ方向長さの最小値から前記接触角に対する液膜長さまでの範囲内で前記リブの流れ方向長さを決定するリブ長さ決定工程と、を有していてもよい。
また、本発明によれば、気液接触面を構成する液膜を形成する主板を備えた充填材において、前記液膜の流れ方向に沿って配置される複数のリブを有し、前記リブは、前記リブの表面における前記液膜の接触角と前記主板の流れ方向長さに対する前記液膜が破断するまでの液膜長さの比率を示す液膜長さ比との関係を算出してから前記接触角と前記液膜長さ比との相関関係に基づいて設計されている、ことを特徴とする充填材が提供される。
前記リブは、前記液膜長さ比が所定の基準値を満たすように前記接触角が調整されていてもよいし、前記液膜が破断しないように前記リブの流れ方向長さが調整されていてもよい。また、前記リブは、千鳥状に配置された金具であってもよい。
前記リブは、前記充填材を複数並列に配置した際に、隣接する充填材の裏面に接触するように構成されていてもよい。さらに、前記リブは、前記主板に対する垂直方向に一列に整列するように配置されていてもよい。また、前記主板は、エキスパンドメタルにより構成されていてもよい。
本発明者らは、充填材について鋭意研究した結果、充填材の主板にリブを配置した場合、リブの濡れ性が液膜破断に影響することを解明した。例えば、リブの濡れ性が良すぎると主板表面に形成されたリブ近傍の液膜がリブの表面に持って行かれ、リブと主板との境界部近傍において液膜の薄い部分が形成され、液膜が破断する要因となってしまう。また、リブの濡れ性が悪いと主板表面に形成されたリブ近傍の液膜がリブの表面に載らず、リブと主板との境界部において液膜の薄い部分が形成され、液膜が破断する要因となってしまう。本発明者らは、かかる知見に基づいて上述した発明を創案した。
上述した本発明の充填材の製造方法及び充填材によれば、リブの接触角と液膜長さ比との相関関係に基づいてリブの設計条件を決定するようにしたことから、リブの接触角を液膜破断し難い数値に調整したり、液膜破断が生じ難い長さに調整したりすることができる。また、主板の表面にリブを配置することにより、リブにより主板を補強することができ、充填材の軽量化を図ることもできる。
図１は、本発明の一実施形態に係る充填材を使用したガス分離装置を示す図であり、（ａ）はその全体構成図であり、（ｂ）は充填材の断面図である。 図２は、本発明の一実施形態に係る充填材の製造方法を示すフロー図である。 図３は、リブの接触角と液膜長さ比との相関関係を示す図であり、（ａ）は相関関係図、（ｂ）は解析モデル、を示している。 図４は、リブの接触角と液膜長さ比との関係示す概念図である。 図５は、本発明の一実施形態に係る充填材を示す斜視図であり、（ａ）はその第一例、（ｂ）はその第二例、（ｃ）はその第三例、（ｄ）はその第四例、を示している。 図６は、リブの断面図であり、（ａ）は図５（ｄ）に示した第四例、（ｂ）は第一変形例、（ｃ）は第二変形例、（ｄ）は第三変形例、（ｅ）は第四変形例、（ｆ）は第五変形例、を示している。 図７は、本発明の実施形態に係る充填材を複数並列に配置した状態を示す図であり、（ａ）は配置の第一例、（ｂ）は配置の第二例、を示している。
以下、本発明の一実施形態について図１〜図７を用いて説明する。ここで、図１は、本実施形態に係る充填材を使用したガス分離装置を示す図であり、図１（ａ）は全体構成図、図１（ｂ）は充填材の断面図、を示している。図２は、本実施形態に係る充填材の製造方法を示すフロー図である。
本実施形態に係る充填材１を使用したガス分離装置２は、図１（ａ）に示したように、反応容器３内に配置された板状の充填材１の表面に反応液Ｒを流下させ、且つ、反応容器３内に分離対象ガスを含む処理ガスを供給する。反応液Ｒが充填材１の表面を流下している間、この表面には反応液Ｒの液膜が形成される。反応容器３内の処理ガスはこの液膜に接触し（いわゆる気液接触が生じ）、これにより分離対象ガスが化学反応して、処理ガスから分離し、分離した処理ガスは回収される。充填材１は、例えば、図２に記載されたフロー図に基づいて製造されている。
反応容器３は、略筒状の形状を有し、ガス分離装置２の外殻を形成する。反応容器３の上部には、反応液Ｒをガス分離装置２内に供給する反応液供給ライン３１が配置されている。反応液Ｒは、化学プラントや火力発電所等の設備内で精製して後に、反応液供給ライン３１に供給するようにしてもよい。或いは、反応液Ｒは、精製された反応液Ｒを貯留する貯液槽から反応液供給ライン３１に供給するようにしてもよい。
また、反応液供給ライン３１は、充填材１の上部に配置された散布管４に接続されている。散布管４は、充填材１の上部に並列して又は格子状に配置されている。各散布管４の下部には、反応液Ｒを放出する開口部が形成されている。なお、散布管４は図示した構造に限定されるものではなく、散布ノズル等、従来から一般に使用されている散布手段を適宜使用することができる。
また、反応容器３の下部には、処理ガスをガス分離装置２内に供給する処理ガス供給管３２が配置されている。処理ガスは、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）や反応ガスであり、前工程の設備から処理ガス供給管３２に供給される。なお、ここでは、反応液Ｒを反応容器３の上方から下方に流下させ、処理ガスを反応容器３の下方から上方に送流するように構成しているが、かかる構成に限定されるものではなく、例えば、処理ガスも反応容器３の上方から下方に送流するようにしてもよい。
また、反応容器３の底部には、充填材１を通過して処理ガスと化学反応した使用済みの反応液（廃液）Ｒを回収するための廃液排出ライン３３が接続されている。使用済みの反応液Ｒ（廃液）は、反応容器３の底部に一時的に貯留され、適宜、廃液排出ライン３３から外部に排出され回収される。
また、反応容器３の天井部には、充填材１を通過して反応液Ｒと化学反応し、分離対象ガスが除かれた処理ガス（廃処理ガス）を排出する廃処理ガス排出ライン３４が接続されている。処理済みの処理ガス（廃処理ガス）は、煙突から大気中に放出されたり、次工程の処理設備に搬送されたりする。
なお、反応容器３には、従来のガス分離装置２と同様に、必要に応じて、廃処理ガスを冷却する冷却装置やドレンを排出するドレン回収装置等を配置するようにしてもよい。
充填材１は、例えば、図１（ｂ）に示したように、気液接触面を構成する反応液Ｒの液膜を形成する主板１１と、反応液Ｒの液膜の流れ方向に沿って配置されるリブ１２と、を有している。主板１１は、例えば、エキスパンドメタルによって構成される。しかしながら、主板１１は金属薄板によって構成されてもよい。主板１１の材質や形状（長さ×幅）は、反応容器３の大きさ、処理ガス及び反応液Ｒの種類や濃度等によって、予め決定（選定）される。
エキスパンドメタルは、ステンレス製板、アルミニウム製板、鋼板等の金属板に千鳥状の切れ目（スリット）を入れ、当該切れ目の延伸方向と略直交する方向に金属板を引き伸ばして網目状に加工した板材である。主板１１としてエキスパンドメタルを採用することにより、エキスパンドメタルの網目構造によって、一定の強度を保ったまま重量を軽くすることができ、エキスパンドメタル単体で自立させることも可能である。また、エキスパンドメタルを使用することにより、主板１１の表面に複数の開口部や凹凸を容易に形成することができ、液膜の保持性能を向上させることができ、反応効率を向上させることができる。
ところで、図１（ｂ）に示したように、主板１１及びリブ１２を有する充填材１では、リブ１２の濡れ性によって、主板１１に形成された液膜の一部がリブ１２の表面に持って行かれ、リブ１２の近傍に液膜の薄い部分（以下、薄肉部Ｒｔ）が形成される。本発明者らは、この薄肉部Ｒｔが液膜破断に影響を与えることを解明し、本発明を創案した。
本実施形態に係る充填材の製造方法は、図２に示したように、気液接触面を構成する液膜を形成する主板１１を備えた充填材１の製造方法である。この製造方法は、液膜の流れ方向に沿ってリブ１２を配置する際に、リブ１２の表面における液膜の接触角θｓと主板１１の流れ方向長さＬｔに対する液膜が破断するまでの液膜長さＬｗの比率を示す液膜長さ比Ｌｗ／Ｌｔとの関係を算出し、接触角θｓと液膜長さ比Ｌｗ／Ｌｔとの相関関係に基づいてリブ１２の設計条件を決定する。
具体的には、本実施形態に係る充填材１の製造方法は、気液接触させる気体（処理ガス）及び液体（反応液Ｒ）の種類及び主板１１の条件を決定する主条件決定工程Ｓｔｅｐ１と、リブ１２の接触角θｓと液膜長さ比Ｌｗ／Ｌｔとの関係を算出する数値解析工程Ｓｔｅｐ２と、リブ１２の配置を決定するリブ配置決定工程Ｓｔｅｐ３と、リブ１２の材質及び表面形状を決定するリブ条件決定工程Ｓｔｅｐ４と、リブ１２の接触角θｓ及び強度要求を満たすリブ１２の流れ方向長さの最小値Ｌｒｍｉｎを決定するリブ特性決定工程Ｓｔｅｐ５と、リブ１２の接触角θｓに対する液膜長さＬｗ（θｓ）が強度要求を満たすリブ１２の流れ方向長さの最小値Ｌｒｍｉｎより大きいか否かを確認する最小値条件確認工程Ｓｔｅｐ６と、リブ１２の流れ方向長さの最小値Ｌｒｍｉｎからリブ１２の接触角θｓに対する液膜長さＬｗ（θｓ）までの範囲内でリブ１２の流れ方向長さＬｒを決定するリブ長さ決定工程Ｓｔｅｐ７と、を有している。
主条件決定工程Ｓｔｅｐ１は、数値解析に必要な条件（以下、「主条件」と称する。）を決定する工程である。対象となる処理ガス（気体）とそれを処理する反応液Ｒ（液体）及び使用する主板１１の条件を決定することにより、例えば、気体の密度ρｇ[kg/m3]及び粘度μｇ[Pa・s]、液体の密度ρｌ[kg/m3]、粘度μｌ[Pa・s]、表面張力[N/m]、主板１１に対する接触角θｍ[°(deg)]、流量Ｑｌ[m3/s]、主板１１の幅Ｗ[m]、流れ方向長さＬｔ[m]、水平面に対する主板１１の傾斜角α[°(deg)]等の主条件に関する数値を決定することができる。
数値解析工程Ｓｔｅｐ２は、数値流体力学 (Computational Fluid Dynamics)に基づいて液膜の流れを解析する工程である（いわゆる、ＣＦＤ解析）。この解析では、一流体モデルにおける質量保存式（連続の式）及び運動量保存式（Navier-Stokes方程式）を解くことで、三次元非定常流れの数値的な解析結果を得る。なお、この解析には、例えば、汎用熱流体解析ソフトウェアであるＦＬＵＥＮＴ（登録商標、ＡＮＳＹＳ社）を用いてもよい。また、気液界面の挙動は、界面追跡法の一つであるＶＯＦ（Volume of Fluid）モデルを用いて予測している。また、乱流モデルは使用せず、液体の流入境界は液膜厚さ一定で規定し、一様流速で流入する条件を与え、主板１１及びリブ１２はNo-slip条件とし、その他の境界面は静圧規定の流出境界としている。かかるＣＦＤ解析は、既知の解析手法であることから、ここでは詳細な説明を省略する。
この数値解析工程Ｓｔｅｐ２では、リブ１２の接触角θｓと液膜長さ比Ｌｗ／Ｌｔとの相関関係を示すθｓ−Ｌｗ図（相関関係図）を作成し、液膜長さＬｗが最大となるときの接触角θｓｍａｘを算出する。
ここで、図３は、リブの接触角と液膜長さ比との相関関係を示す図であり、（ａ）は相関関係図、（ｂ）は解析モデル、を示している。図３（ｂ）に示したように、数値解析工程Ｓｔｅｐ２において使用される充填材１の解析モデルは、幅Ｗ、流れ方向長さＬｔ、傾斜角αを有する主板１１に対して、両側部に流れ方向長さＬｒのリブ１２を配置し、上述した条件で主板１１の上端部から液体を流入させたものである。また、図示したように、液膜破断を生じた位置までの距離（液膜が破断するまでの液膜長さ）をＬｗとしている。
図３（ａ）は、ＣＦＤ解析によって得られたリブ１２の接触角θｓと液膜長さ比Ｌｗ／Ｌｔとの相関関係図である。この解析では、気体として空気、液体として水、主板１１としてステンレス鋼を想定している。また、傾斜角αを６０°、雰囲気温度を２０℃とした。このＣＦＤ解析結果は、接触角θｓが９０〜１００°の範囲で液膜長さ比Ｌｗ／Ｌｔが１．０となっていることを示している。つまり、液膜長さＬｗが最大となるときの接触角θｓｍａｘの範囲は９０〜１００°と算出される。
また、液膜長さ比Ｌｗ／Ｌｔは、接触角θｓが０°から９０°に接近するに連れて二次関数的に大きくなる。また、接触角θｓが１００°を超えると急激に低下する。ここで、図４は、リブの接触角と液膜長さ比との関係示す概念図である。図４は、接触角θｓ＝２０°，５０°，７０°，９０°，１２０°の場合における充填材１の様子を図示しており、同図の上段は接触角θｓのイメージ図、同図の下段は液膜流れの平面図である。
接触角θｓ＝２０°，５０°，７０°の場合には、リブ１２の濡れ性が良いことから、リブ１２の近傍の液膜がリブ１２の表面に持って行かれやすく、図１（ｂ）に示したように、液膜に薄肉部Ｒｔが形成されやすい。したがって、接触角θｓが小さいほど（濡れ性が良いほど）、液膜長さＬｗは短くなる。
接触角θｓ＝９０°の場合には、主板１１に形成された液膜の表面がリブ１２に対して垂直に接触することから、リブ１２の表面に持って行かれる液膜の量が少なく、液膜に薄肉部Ｒｔが形成され難い。したがって、液膜破断し難く、図示したように、主板１１の表面を全面濡れの状態（液膜長さ比Ｌｗ／Ｌｔ＝１．０）にすることができる。
接触角θｓ＝１２０°の場合には、リブ１２の濡れ性が悪いことから、リブ１２の表面に液膜が載らず、リブ１２の表面で液膜の薄肉部が形成されやすい。したがって、液膜は容易にリブ１２から離脱し、図示したように、液膜破断することとなる。
このように、リブ１２の接触角θｓと液膜破断（すなわち、液膜長さＬｗ）とは相関関係を有し、図３（ａ）に示したθｓ−Ｌｗ図を作成することにより、リブ１２の設計条件や特性を決定することができる。
リブ配置決定工程Ｓｔｅｐ３は、充填材１の設計条件に見合うリブ１２の流れ方向長さＬｒを決定する工程である。本実施形態では、リブ１２の間隔を固定した上で、強度要求と濡れ性とのバランスに基づいてリブ１２の流れ方向長さＬｒを決定する場合を図示している。なお、リブ１２の配置（間隔）を変更する場合は、実質的にスタートからやり直すこととなる。
リブ条件決定工程Ｓｔｅｐ４は、少なくともリブ１２の材質や表面形状（例えば、表面粗さ）等の設計条件（以下、「リブ条件」と称する。）を決定する工程である。図３（ａ）に示したθｓ−Ｌｗ図は、どの気体や液体を選択した場合、どの主板１１を使用した場合であっても、概ね同様の相関関係を有するものと推察される。したがって、例えば、リブ１２に対する液体の接触角θｓが９０°となるようにリブ１２の材質や表面形状を調整すれば、液膜長さＬｗを長くすることができ、液膜破断を抑制することができる。
なお、リブ１２の製作時に表面形状を変更する手段としては、リブ１２の材質を変更する、表面粗さを変更する（やすりがけ、サンドブラスト処理等）、表面にコーティングを施す、表面に微細凹凸を形成する、表面に紫外線オゾン処理やプラズマ処理を施す等の手段が考えられる。
また、接触角θｓは、主板１１の表面に流れる液体の物性（密度、表面張力、粘度等）によっても変化することから、液体の吸収性能に影響しない範囲内で液体の物性を変更することにより、接触角θｓを調整することもできる。したがって、リブ１２の材質や表面形状の調整に替えて又は加えて、液体の物性を調整することによっても、接触角θｓを所定の数値（例えば、９０°）となるように調整することができる。
このリブ条件決定工程Ｓｔｅｐ４では、数値解析工程Ｓｔｅｐ２で作成したθｓ−Ｌｗ図を参酌しながら、リブ１２の材質及び表面形状を決定する。このとき、リブ１２の接触角θｓが、液膜長さＬｗが最大となるときの接触角θｓｍａｘに近くなるように決定することが好ましい。また、例えば、接触角θｓの数値を参照しながら、リブ１２の液膜長さ比Ｌｗ／Ｌｔが所定の基準値（例えば、０．８以上、０．９以上、１．０等）を満たす範囲内でリブ条件を決定するようにしてもよい。また、例えば、液膜長さ比Ｌｗ／Ｌｔの数値を参照しながら、リブ１２の接触角θｓが所定の基準値（例えば、８０〜１１０°、９０〜１００°、９０°等）を満たす範囲内でリブ条件を決定するようにしてもよい。
リブ特性決定工程Ｓｔｅｐ５は、決定したリブ１２の設計条件に基づいてリブ１２の接触角θｓや強度要求を満たすリブ１２の流れ方向長さの最小値Ｌｒｍｉｎ等の特性（以下、「リブ特性」と称する。）を決定する工程である。リブ１２の接触角θｓは、リブ条件決定工程Ｓｔｅｐ４において、θｓ−Ｌｗ図を参酌することにより決定される。強度要求を満たす流れ方向長さの最小値Ｌｒｍｉｎは、リブ１２のＦＥＭ (有限要素法)解析により算出してもよいし、圧縮試験等の試験により算出してもよい。
最小値条件確認工程Ｓｔｅｐ６は、リブ特性決定工程Ｓｔｅｐ５で決定されたリブ特性と数値解析工程Ｓｔｅｐ２により作成されたθｓ−Ｌｗ図（相関関係図）とに基づいて、リブ１２の接触角θｓに対する液膜長さＬｗ（θｓ）を算出し、この液膜長さＬｗ（θｓ）がリブ特性決定工程Ｓｔｅｐ５で算出した流れ方向長さの最小値Ｌｒｍｉｎより大きいか否かを確認する工程である。
例えば、Ｌｗ（θｓ）≦Ｌｒｍｉｎの場合に、リブ１２の流れ方向長さＬｒをＬｒ≦Ｌｗ（θｓ）の範囲で設定すると、液膜破断を抑制することができても強度要求を満足することができない。また、Ｌｗ（θｓ）≦Ｌｒｍｉｎの場合に、リブ１２の流れ方向長さＬｒをＬｗ（θｓ）＜Ｌｒ≦Ｌｒｍｉｎの範囲で設定すると、強度要求を満足することができないだけでなく、液膜破断を抑制することもできない。
そこで、本実施形態では、リブ特性が少なくともＬｒｍｉｎ＜Ｌｗ（θｓ）の条件を満足するか否かを確認している。この条件を満足しない場合（Ｎ）には、リブ条件決定工程Ｓｔｅｐ４に戻り、リブ条件の見直しを行う。一方、この条件を満足する場合（Ｙ）には、リブ１２の流れ方向長さＬｒを決定するリブ長さ決定工程Ｓｔｅｐ７に移行する。
リブ長さ決定工程Ｓｔｅｐ７は、最終的にリブ１２の流れ方向長さＬｒを決定する工程である。このとき、リブ１２の流れ方向長さＬｒは、Ｌｒｍｉｎ＜Ｌｒ＜Ｌｗ（θｓ）の条件を満足するように決定される。リブ１２の流れ方向長さＬｒは、充填材１の強度部材としても機能することから、強度要求を満足している必要がある。したがって、リブ１２の流れ方向長さＬｒは、強度要求を満たすリブ１２の流れ方向長さの最小値Ｌｒｍｉｎよりも大きいことが要求される。また、リブ１２の流れ方向長さＬｒは、液膜破断を抑制する長さを有する必要がある。また、Ｌｒ＝Ｌｗ（θｓ）に設定すると、液膜破断が不安定になる可能性がある。したがって、リブ１２の流れ方向長さＬｒは、接触角θｓにおける液膜長さＬｗ（θｓ）より小さい数値であることが好ましい。
例えば、リブ特性決定工程Ｓｔｅｐ５において決定された、強度要求を満たすリブ１２の流れ方向長さの最小値Ｌｒｍｉｎが、主板１１の流れ方向長さＬｔに対する比率で表現した場合に、Ｌｒｍｉｎ／Ｌｔが０．１であるとする。また、リブ特性決定工程Ｓｔｅｐ５において決定された、リブ１２の接触角θｓが７０°とした場合、図３（ａ）に示した相関関係図より、リブ１２の液膜長さ比Ｌｗ／Ｌｔは０．３と算出される。したがって、リブ１２の流れ方向長さＬｒは、主板１１の流れ方向長さＬｔに対する比率で表現した場合に、０．１＜Ｌｒ／Ｌｔ＜０．３の範囲内で決定される。
ところで、図２に示したフロー図において、リブ１２の材質、表面形状等の設計条件（リブ条件）が予め決定している場合には、リブの配置（間隔）を調整することで、θｓ−Ｌｗ図、すなわち、接触角θｓにおける液膜長さＬｗ（θｓ）を変えたり、液体の物性を変更することで接触角θｓを調整したりすることができる。したがって、最小値条件確認工程Ｓｔｅｐ６の条件を満足しない場合には、フロー図のスタートに戻って、主条件決定工程Ｓｔｅｐ１及びリブ配置決定工程Ｓｔｅｐ３からやり直すようにしてもよい。
次に、上述した充填材の製造方法により製造された充填材１について説明する。ここで、図５は、本実施形態に係る充填材を示す斜視図であり、（ａ）は第一例、（ｂ）は第二例、（ｃ）は第三例、（ｄ）は第四例、を示している。
図５（ａ）〜図５（ｄ）に示した各例は、上述した製造方法により製造された充填材１を示している。すなわち、充填材１は、気液接触面を構成する液膜を形成する主板１１と、液膜の流れ方向に沿って配置される複数のリブ１２とを有し、リブ１２は、リブ１２の表面における液膜の接触角θｓと主板１１の流れ方向長さＬｔに対する液膜が破断するまでの液膜長さＬｗの比率を示す液膜長さ比Ｌｗ／Ｌｔとの関係を算出してから接触角θｓと液膜長さ比Ｌｗ／Ｌｔとの相関関係に基づいて設計されている。例えば、リブ１２は、リブ１２に対する反応液Ｒの接触角θｓによって規定される、主板１１上の反応液Ｒの液膜が破断しない状態が得られる最大値以下で、且つ、リブ１２の機械的強度が確保される最小値以上に設定される流れ方向長さＬｒを有する。
図５（ａ）に示した第一例に係る充填材１では、主板１１の両側部に一対のリブ１２が配置されている。ここで、主板１１は、例えば、エキスパンドメタルにより構成されるが、金属薄板であってもよい。リブ１２は、主板１１に対して垂直に立てられ、液膜の流れ方向（即ち、主板１１の上部から下部に向かう方向）に延伸している。リブ１２は、例えば、金属板により構成されるが、エキスパンドメタルであってもよい。また、ここでは、リブ１２が液膜長さ比Ｌｗ／Ｌｔ＝１．０の場合を図示しているが、かかる構成に限定されるものではない。実際には、リブ１２は、上述したフローによって決定されたリブ１２の流れ方向長さＬｒとなるように形成される。なお、リブ１２が液膜長さ比Ｌｗ／Ｌｔが十分に小さい数値である場合には、リブ１２を液膜の流れ方向に沿って複数配置するようにしてもよい。
図５（ｂ）に示した第二例に係る充填材１では、リブ１２の本数が、第一例におけるリブ１２の本数よりも増えている。ここでは、リブ１２が四本の場合を図示しているが、三本であってもよいし、五本以上であってもよい。また、リブ１２は、必ずしも両側部に配置されていなくてもよい。また、気液接触効率を均一にするためには、リブ１２は全て同じ条件により設計され、均等な間隔で配置されていることが好ましい。
図５（ｃ）に示した第三例に係る充填材１では、リブ１２が主板１１の一部を、例えば折り曲げ加工で、変形させることで形成されている。ここでは、リブ１２が液膜長さ比Ｌｗ／Ｌｔ＝１．０の場合を図示しているが、かかる構成に限定されるものではない。実際には、リブ１２は、上述したフローによって決定されたリブ１２の流れ方向長さＬｒとなるように形成される。また、リブ１２を液膜の流れ方向に沿って複数配置する場合には、主板１１の一部分のみを切り起こしてリブ１２を形成するようにしてもよい。
図５（ｄ）に示した第四例に係る充填材１では、主板１１の表面に複数の短いリブ１２が配置されている。リブ１２は、例えば、千鳥状に配置された金具（金属製の部品）により形成され、スポット溶接により主板１１に接続される。各リブ１２の流れ方向長さＬｒは、上述したフローによって決定される。なお、リブ１２の配置は、千鳥状に限定されるものではなく、例えば、格子状であってもよい。
ここで、図６は、リブ１２の断面図であり、（ａ）は図５（ｄ）に示した第四例、（ｂ）はリブ１２の第一変形例、（ｃ）はリブ１２の第二変形例、（ｄ）はリブ１２の第三変形例、（ｅ）はリブ１２の第四変形例、（ｆ）はリブ１２の第五変形例、を示している。図６（ａ）に示したように、図５（ｄ）に示した第四例におけるリブ１２は、主板１１に接続されるフランジ部１２ａと、フランジ部１２ａ間で四角形状（例えば、矩形、台形等）に突出した凸部１２ｂと、を有している。
図６（ｂ）に示したリブ１２は角型の略Ｃ字形状断面を有しており、図の下側の面が主板１１に接続される。図６（ｃ）に示したリブ１２はＬ字形状断面を有している。図６（ｄ）に示したリブ１２は内角が９０°のＺ字形状断面を有している。Ｚ字の内角は９０°未満であってもよい。図６（ｅ）に示したリブ１２は四角形状断面を有している。リブ１２は、三角形状断面を有していてもよい。
図６（ｆ）に示したリブ１２は、充填材１の第四例におけるリブ１２と同様に、フランジ部１２ａ及び凸部１２ｂを有し、凸部１２ｂが滑らかに曲線状に突出するように形成されたものである。また、フランジ部１２ａの外側部を上側に湾曲させて、リブ１２が波形断面を有するようにしてもよい。
次に、反応容器３内に充填材１を配置した状態について説明する。ここで、図７は、本実施形態に係る充填材を複数並列に配置した状態を示す図であり、（ａ）は配置の第一例、（ｂ）は配置の第二例、を示している。
反応容器３は、例えば、円筒形状を有しており、この内部に複数の充填材１が並列に配置されている。充填材１には、例えば、図５（ｄ）に示した第四例に係る充填材１が使用される。図７（ａ）は、主板１１にリブ１２が接続された面を図の上向きにした状態で並列に配置された複数の充填材１を示している。したがって、全ての充填材１は、リブ１２が図の矢印方向に突出した状態となるように配置されている。なお、図の最上部に配置される充填材１′は、表面側に隣接する充填材１が存在しないことから、主板１１のみによって構成するようにしてもよい。
また、リブ１２の先端は、隣接する充填材１の裏面に密着するように配置される。かかる構成により、リブ１２は、充填材１の強度部材として機能するとともに、充填材１の間隔を一定に保持するスペーサとしても機能する。
また、リブ１２は、主板１１に対する垂直方向に一列に整列するように配置されていることが好ましい。かかる構成により、充填材１の集合体の強度を向上させることができ、主板１１の歪みを効果的に抑制することができる。なお、ここでは、全てのリブ１２が一列に整列する場合について図示したが、かかる配置に限定されるものではなく、部分的にリブ１２を一列に整列するように配置してもよい。また、リブ１２を整列させる際の中心線は直線状に限定されず、曲線状であってもよい。
図７（ｂ）は、図の上側と下側とで向きを異ならせた充填材１を示している。具体的には、主板１１にリブ１２が接続された面を図の上向きにした状態で、複数の充填材１を下から中央部まで並列に配置するとともに、主板１１にリブ１２が接続された面を図の下向きにした状態で、複数の充填材１を上から中央部まで並列に配置している。なお、図の中央部に配置される充填材１′には、両面にリブ１２が密着していることから、主板１１のみによって構成されるものを使用することが好ましい。
上述した充填材１を用いたガス分離装置２（図１（ａ）参照）は、例えば、火力発電所内の前処理塔や吸収塔に適用することができる。例えば、吸収塔に本実施形態に係るガス分離装置２を適用した場合、処理ガスは前処理塔から供給される排ガスであり、分離対象ガスは二酸化炭素であり、反応液Ｒはアミン化合物水溶液である。具体的には、反応液Ｒは、例えば、モノエタノールアミン（ＭＥＡ）水溶液であり、二酸化炭素と反応して、カルバミン酸塩・アミン塩（カーバメート）、炭酸塩、重炭酸塩等を発生させる。
なお、本実施形態に係る充填材１は、蒸留、精製、吸収等の化学プロセスを含む種々の化学プラントにおいて使用される装置（蒸留塔、精製塔、吸収塔等）に適用することができる。また、分離対象ガスは、二酸化炭素に限定されるものではなく、ＮＯｘ、ＳＯｘ等の酸化ガスであってもよいし、反応液Ｒは、アミン化合物水溶液に限定されるものではなく、分離対象ガスに適した反応液Ｒを任意に選択することができる。
本発明は上述した実施形態に限定されない。例えば、図７（ａ）及び図７（ｂ）に示した充填材１の各配置は、上述の各例に係る充填材１にも適用することができる等、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能である。

Claims (9)

  1. 気液接触面を構成する液膜を形成する主板を備えた充填材の製造方法において、
    前記液膜の流れ方向に沿ってリブを配置する際に、
    前記リブの表面における前記液膜の接触角と前記主板の流れ方向長さに対する前記液膜が破断するまでの液膜長さの比率を示す液膜長さ比との関係を算出し、
    前記接触角と前記液膜長さ比との相関関係に基づいて前記リブの設計条件を決定する、
    ことを特徴とする充填材の製造方法。
  2. 前記リブは、前記液膜長さ比が所定の基準値を満たすように前記接触角が調整される、
    又は、前記液膜が破断しないように前記リブの流れ方向長さが調整される、ことを特徴とする請求項１に記載の充填材の製造方法。
  3. 気液接触させる気体及び液体の種類及び前記主板の条件を決定する主条件決定工程と、前記接触角と前記液膜長さ比との関係を算出する数値解析工程と、前記リブの配置を決定するリブ配置決定工程と、前記リブの材質及び表面形状を決定するリブ条件決定工程と、前記接触角及び強度要求を満たす前記リブの流れ方向長さの最小値を決定するリブ特性決定工程と、前記接触角に対する液膜長さが前記強度要求を満たす流れ方向長さの最小値より大きいか否かを確認する最小値条件確認工程と、前記強度要求を満たす流れ方向長さの最小値から前記接触角に対する液膜長さまでの範囲内で前記リブの流れ方向長さを決定するリブ長さ決定工程と、を有することを特徴とする請求項１に記載の充填材の製造方法。
  4. 気液接触面を構成する液膜を形成する主板を備えた充填材において、
    前記液膜の流れ方向に沿って配置される複数のリブを有し、
    前記リブは、前記リブの表面における前記液膜の接触角と前記主板の流れ方向長さに対する前記液膜が破断するまでの液膜長さの比率を示す液膜長さ比との関係を算出してから前記接触角と前記液膜長さ比との相関関係に基づいて設計されている、
    ことを特徴とする充填材。
  5. 前記リブは、前記液膜長さ比が所定の基準値を満たすように前記接触角が調整されている、又は、前記液膜が破断しないように前記リブの流れ方向長さが調整されている、ことを特徴とする請求項４に記載の充填材。
  6. 前記リブは、千鳥状に配置された金具である、ことを特徴とする請求項４又は５に記載の充填材。
  7. 前記リブは、前記充填材を複数並列に配置した際に、隣接する充填材の裏面に接触するように構成されている、ことを特徴とする請求項４〜６の何れか一項に記載の充填材。
  8. 前記リブは、前記主板に対する垂直方向に一列に整列するように配置されている、ことを特徴とする請求項７に記載の充填材。
  9. 前記主板は、エキスパンドメタルにより構成されている、ことを特徴とする請求項４〜８の何れか一項に記載の充填材。
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