JPH0663306A - 気液接触装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】精留塔内に組み込まれる多孔板の圧力損失を低
減し、精留塔の運転操作範囲の広い気液接触装置を提供
することにある。 【構成】多孔板５の半径方向に、内側方向に傾斜させて
開口した小孔８の領域を設置して構成する。 【効果】内側方向に傾斜させて開口した小孔の領域の作
用により外周部の液体を内側方向に流動できるため、多
孔板上の液膜厚さを均一にでき、圧力損失が小さく、か
つ、運転操作範囲の広い気液接触装置を提供することが
できる効果が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、空気を液化し、精留操
作により空気から窒素，酸素及びアルゴンを分離する空
気分離装置に好適な気液接触装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】気液接触装置の従来の技術には、例え
ば、特開昭５６−３３００５号気液接触装置や、特公昭
４２−４５６８号「液体と蒸気とを接触させる棚段」等
がある。多孔板上で気液接触しながら流れる液体は、重
力による自由流れであるため多孔板上の液高さは多孔板
の位置により分布がある。これらの発明はこの分布を一
定にするため、液高さの差異に応じて多孔板を傾斜させ
て精留塔に取り付けることにより、液高さの分布をほぼ
一定に保ち良好な気液接触を行なわせるもの、あるい
は、多孔板の上流の一部を傾斜させ蒸気を多孔板の下流
に吹き出させ、気液接触を行なわせるものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】空気分離装置では、精
留塔に数十段組み込まれている多孔板の圧力損失がその
まま空気圧縮機の消費電力に影響を与えるため、空気圧
縮機の吐出圧力が空気分離装置の性能を表すと言っても
過言ではない。したがって、多孔板を内蔵した精留塔の
能力を十分に発揮するには、多孔板上の気液の流動を最
良にする必要がある。気液接触装置が外筒と内筒で支持
され、液体が多孔板上を円周方向に沿って流れる、いわ
ゆる旋回流方式の気液接触装置では、液体の持つ遠心力
により半径方向に液膜の厚さに差を生じる。この液膜の
差は液体の均一な流れを阻害し、圧力損失、あるいは、
液体のよどみ、液膜の厚さの差によるウイーピング等に
より、精留効率に悪影響を与える。精留塔の圧力損失
は、空気圧縮機等の消費電力に大きく影響するため圧力
損失は極力小さくすることが望ましい。多孔板の小孔は
パンチング等により開口される。このときの圧力損失
は、「蒸留工学ハンドブック」等に記載されているよう
に、乾き圧力損失，液膜の厚さによる圧力損失，及び表
面張力による圧力損失の和で推定される。それぞれの圧
力損失を低減するためには、多孔板の小孔の孔径を大き
くする方法や、多孔板を傾斜させて液膜の厚さを小さく
する方法等がある。

【０００４】しかし、空気分離装置等に利用される多孔
板は高い精留効率を要求されるため、孔径を大きくする
ことはウイーピングの発生や気液の部分発泡を引き起こ
して精留効率を低下せしめ、また、多孔板を傾斜させて
精留塔に組み込むには、その構造が難しく装置価格の上
昇を招く恐れがある。したがって、圧力損失を低減し、
更に高い精留効率を提供するには、多孔板上の液体を均
一に、よどみなく流動させ、気液の流動を最良にするこ
とが肝要である。

【０００５】本発明は、多孔板上の気液の接触を良好に
保ち、圧力損失が小さく、かつ、ウイーピングを起こし
にくく精留塔の運転操作範囲の広い気液接触装置を提供
することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】旋回流方式の気液接触装
置により上記目的を達成するためには、多孔板上の液膜
の厚さを均一にし、圧力損失が小さく、ウイーピングを
起こしにくい多孔板を提供することにより達成される。
すなわち、パンチング等の手段で開口された小孔を持つ
多孔板を、垂直方向に開口された小孔と、内側方向に傾
斜して開口された小孔とで組み合わせて構成し、この傾
斜して開口された小孔の領域を半径方向に設置した構
造、あるいは、多孔板を傾斜させて開口した小孔で構成
した構造としたものである。

【０００７】

【作用】多孔板上に流入する液体は上方の多孔板の溢流
管から該多孔板上に流入し、重力による自然流れで多孔
板上を円周に沿って旋回しながら流動し、溢流管から下
方の多孔板へ流入する。気液接触は多孔板上においてガ
スと液体とで行なわれる。多孔板上の液体の流れは重力
による自由流れであるため、下方からの上昇ガスと気液
接触する場合、この上昇ガスの上方への流れが液体の流
れに対してスクリーンとなり、液体が滑らかに多孔板を
流動するための障害となる。つまり、多孔板の小孔を上
昇するガスの障害により、液体が滑らかに多孔板を流動
できなくなる場合がある。

【０００８】一方、多孔板上の液体は、多孔板上を旋回
しながら流動するため、液体には遠心力が発生する。こ
のため、多孔板の外周方向では液膜の厚さが大きく、逆
に内側では小さくなり、多孔板上で液膜の厚さに差を生
じる。本発明では多孔板の小孔が液体の流れ方向へ沿っ
て開口され、実質的に斜孔の形状の小孔を持った領域
が、多孔板を上昇するガスの運動エネルギーを液体の流
れの推進力に有効な作用を持つ。本発明では、斜孔の形
状の小孔を持った領域が多孔板の半径及び円周方向に設
置して構成されているため、この斜孔の形状の小孔によ
りガスの運動エネルギーが多孔板上の液体が滑らかに流
れるための力に有効に作用し、必要以上の液体の滞留、
あるいは、遠心力による多孔板上の液膜の厚さの差を防
止することができ、多孔板上の液体を均一に流動させる
ことができる。すなわち、斜孔の形状の小孔が上昇ガス
の運動エネルギーを液体の滑らかな流れとし、遠心力に
よる多孔板上の液膜の厚さの差をより均一にする作用を
持ち、良好な気液の流れと気液接触が行なえる。また、
多孔板から下降する液体が溢流管を介さずに直接多孔板
の小孔から下方の多孔板上に落下するウイーピングは、
精留効率に悪影響を及ぼす。ウイーピングの有無は小孔
の形状とともに多孔板上の液膜の厚さにより定まる。本
発明によれば液膜厚さが均一にできるため、ウイーピン
グが起こりにくく運転操作範囲が広く取れるという作用
も持つ。

【０００９】

【実施例】図１，２に、本発明の気液接触装置を組み込
んだ精留塔における第１の実施例の気液接触装置を示
す。本発明による多孔板を組み込んだ気液接触装置は、
多孔板上を液体が円周方向に沿って流れる旋回流方式で
あり、図示の実施例は、半径方向に一領域の傾斜して開
口された小孔を有する構造の気液接触装置である。図１
において、気液接触装置１は精留塔２内に数十段組み込
まれている。精留塔２は、外筒３と心金と呼ばれる内筒
４及び気液接触装置１とで構成されている。気液接触装
置１は、多数の小孔を有する多孔板５と、上方からの液
体を該多孔板５上に流入させる液受け箱６、及び液体を
下方に流出する溢流管７とで構成されている。液受け箱
６から流出した液体は多孔板５上に流入し、矢印のよう
に外筒３，外筒４に沿って旋回しながら流動して溢流管
７に流入する。一方、下方からのガスは、多孔板５の小
孔８，９より上昇し多孔板５上の液体と接触して物質移
動（精留）を行う。従来の気液接触装置では、多孔板上
の液体が円周に沿って流動するため、液体の遠心力によ
り円周の外部では液膜の厚さが大きく、逆に内部では小
さくなり、多孔板上での液膜の厚さに差を生じる。本発
明では、多孔板５を、垂直に開口された小孔９を有する
領域Ｉと、半径方向に少なくともある領域以上、内側に
傾斜して開口された小孔８を有する領域IIとで構成して
おり、その傾斜方向は、液体の流れ方向の内側に沿って
成され、具体的には少なくとも接線方向よりも内側に向
かって開口されている。

【００１０】図２において、気液接触装置１は、多孔板
５に垂直に開口された小孔９を有する領域Ｉと、傾斜し
て開口された小孔８を有する領域IIとで構成され、領域
IIの小孔８は気液接触装置１の内側に向かって開口され
ている。

【００１１】本発明は、上記のように構成されているた
め、気液接触装置１の外周部の液体は、傾斜して開口さ
れた小孔８に沿って上昇するガスのエネルギーにより、
該小孔８の開口方向に流動する力を与えられる。したが
って、図１において、液受け箱６から多孔板５に流入し
た液体は、多孔板５上では流れ方向がやや内側に向かっ
た液体１１と１２の流動となる。このため、遠心力によ
る気液接触装置１の外周部での液膜厚さは緩和され、多
孔板５上での液膜厚さの差を低減できる。また、外周部
の液体を滑らかに流動させることができるため、液体の
よどみ等も解消できる。したがって、圧力損失が小さく
高効率で、運転操作範囲の広い気液接触装置を提供する
ことができる。

【００１２】図３に多孔板の小孔の透視図を示す。本図
は液ガスの流れを具体的に説明するもので、領域Ｉでは
小孔が垂直に開口され、領域IIでは、小孔が内側方向に
傾斜して開口されている。このため、領域IIでの下方か
らのガス１３（破線）は開口方向に沿って上昇するた
め、付近を流れる液体１１（実線）は内側方向へと流動
する。このように、遠心力による液膜の厚さが大きい領
域IIでの液体は、内側方向へ流動され、均一な液膜の厚
さを得ることができる。

【００１３】図４に本発明の第２の実施例を示す。上記
第１の実施例での気液接触装置は、垂直に開口された小
孔と傾斜して開口された小孔により構成された多孔板で
あるが、本実施例では、傾斜して開口された小孔２０で
多孔板２１を構成したものである。傾斜して開口された
小孔２０の開口方向は、多孔板２１上の液流れの上流か
ら下流方向に沿って内側方向とし、好ましくは小孔２０
の半径での接線方向より内側に向かって開口される。下
方からのガス２２は、小孔２０に沿って上昇し、このガ
ス２２の流れにより多孔板２１上の液体を円滑に流動さ
せることができる。したがって、本実施例では、多孔板
上の液体をより均一に流動させることができ、その結
果、多孔板上により均一な液膜の厚さを得る効果があ
る。

【００１４】傾斜して開口された小孔の傾斜度（多孔板
の垂直方向から水平方向への角度）、小孔の大きさ、あ
るいは多孔板の開口比等は、液体の流動に関し重要な因
子となり、上記第１あるいは第２の実施例において、こ
れらの因子を組み合わせて多孔板を構成することも可能
である。この場合、傾斜度，小孔の大きさ，開口比は、
好ましくは、外周部ほど大きく、内周部に向けて漸次あ
るいは段階的に小さくなる構造となる。このようにすれ
ば、多孔板上の液体を、さらに均一に流動させることが
できる。

【００１５】図５に本発明の第３ないし第５の実施例を
示し、気液接触装置を構成する多孔板を放射状に数セグ
メントに分割し、これらのセグメントを組み合わせて気
液接触装置を構成するものである。第３の実施例では、
一つのセグメントの多孔板３０に、上記の領域Ｉ及び領
域IIの多孔板を設けて構成し、このセグメントを数枚組
み合わせて１枚の多孔板とし、気液接触装置を構成した
ものである。第４の実施例では、一つのセグメントの多
孔板３１を上記の領域Ｉ及び領域IIをそれぞれ３２及び
３３とに分割して製作し、一つのセグメントとして組み
立てたものである。また、第５の実施例では、一つのセ
グメントの多孔板３４を仕様の異なる多孔板（上記、傾
斜度，小孔の大きさ，開口比のうちの例えば傾斜度）毎
に分割して製作構成し、一つのセグメントとして組み立
てたものである。これらの実施例によれば、多孔板をよ
り簡単に製作できる効果を得る。

【００１６】また、傾斜度，小孔の大きさ，開口比の異
なるセグメントの多孔板を、円周方向に少なくとも２種
類以上組み合わせて気液接触装置を構成することもでき
る。すなわち、このような多孔板を多孔板上の液入り口
部から液出口部まで組み合わせて構成することにより、
多孔板上の液体の流動を良好にならしめる効果を得る。

【００１７】

【発明の効果】本発明によれば、旋回流方式の気液接触
装置を、垂直に開口された小孔を持つ多孔板と、多孔板
上の液体の流れ方向に沿って傾斜して開口された小孔を
持つ多孔板とで構成し、あるいは、傾斜して開口された
小孔のみを持つ多孔板で構成することにより、多孔板上
の液膜の厚さを均一にでき、更に、液体の流れのよどみ
も低減でき、それにより圧力損失が小さく良好な気液接
触が得られ、かつ、運転操作範囲の広い気液接触装置を
提供することができる効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の気液接触装置の平面図
を示す。

【図２】本発明の第１の実施例の気液接触装置の断面図
を示す。

【図３】本発明の多孔板の透視図を示す。

【図４】本発明の第２の実施例の気液接触装置の断面図
を示す。

【図５】本発明の第３ないし第５の実施例の気液接触装
置の平面図を示す。

【符号の説明】

１…気液接触装置、２…精留塔、５…多孔板、８，９…
小孔、１１，１２…液体、１３…ガス。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】多数の小孔を有する多孔板と溢流管を有す
   る気液接触装置に、上方から液体を下降させ、下方から
   ガスを上昇させて該気液接触装置上で液体とガスとを接
   触させて精留操作を行ない、液体は多孔板上を円周方向
   に沿って流動するようにした気液接触装置において、該
   気液接触装置が垂直方向に開口された小孔を有する多孔
   板と、半径方向に少なくとも一領域以上傾斜して開口さ
   れた小孔を有する多孔板とで構成されたことを特徴とす
   る気液接触装置。
2. 【請求項２】前記多孔板は、傾斜されて開口された小孔
   により構成されたことを特徴とする請求項１記載の気液
   接触装置。
3. 【請求項３】前記傾斜されて開口された小孔はその開口
   方向が少なくともその半径での接線方向より内側である
   ことを特徴とする請求項１，請求項２記載の気液接触装
   置。
4. 【請求項４】前記小孔を開口した多孔板を放射状に数セ
   グメントに分割し、該セグメントを組み合わせて気液接
   触装置として構成したことを特徴とする請求項１及至請
   求項３記載の気液接触装置。
5. 【請求項５】前記垂直方向に開口された小孔を持つ多孔
   板と、傾斜されて開口された小孔を持つ多孔板とを別々
   に構成し、組み合わせて、一セグメントとし、気液接触
   装置として構成したことを特徴とする請求項４記載の気
   液接触装置。
6. 【請求項６】前記傾斜度、小孔の大きさ、開口比の異な
   った多孔板を別々に構成し、半径方向に、少なくとも２
   種類以上組み合わせて、一セグメントとし、気液接触装
   置として構成したことを特徴とする請求項４記載の気液
   接触装置。
7. 【請求項７】前記傾斜度、小孔の大きさ、開口比の異な
   った多孔板を一セグメントとし、該セグメントの多孔板
   は、円周方向に、少なくとも２種類以上組み合わせて気
   液接触装置として構成したことを特徴とする請求項６記
   載の気液接触装置。