分留塔

分留は化学工学の単位操作の一つである。 分留塔は、大量の液体を蒸留しなければならない化学プロセス産業で広く使用されている。 石油処理、石油化学、天然ガス処理、コールタール処理、醸造、液化空気分離、炭化水素系溶剤製造などであるが、最も広く使われているのは石油精製業である。 石油精製では、原料の原油が複雑な多成分混合物であるため、純粋な化合物の収量は期待できず、比較的小さな沸点範囲にある化合物群(フラクションとも呼ばれる)を分離しなければならない。 これが分別蒸留や分留の名前の由来である。

蒸留は最も一般的でエネルギー集約的な分離プロセスの一つである。 分離の効果は、塔の高さと直径、塔の高さと直径の比、および蒸留塔自体を構成する材料に依存する。 一般的な化学プラントでは、全エネルギー消費量の約40%を占めている。 工業的な蒸留は、通常、直径が約65cmから6m、高さが約6mから60m以上の「蒸留塔」または「蒸留筒」と呼ばれる大型の垂直円筒形の塔(図2のようなもの)で行われる。

図3:連続分留塔の化学工学的概略図
図4:分留塔における典型的なバブルキャップトレイの化学工学的概略図

工業用蒸留塔は通常連続定常状態で操業されている。 フィード、熱、周囲温度、または凝縮の変化によって妨害されない限り、通常、追加されるフィードの量は除去される製品の量に等しい。

リボイラーから塔に入る熱量とフィードは、オーバーヘッドコンデンサーと製品で除去される熱量に等しくなければならない。 蒸留塔に入る熱は重要な運転パラメータであり、塔に過剰または不十分な熱が加わると、発泡、ウィーピング、エントレインメント、またはフラッディングが発生する。

図3は、フィードストリームを1つの蒸留物フラクションとボトムスフラクションに分ける工業分留塔を描いている。 しかし、多くの工業用分留塔は、多成分の供給流を蒸留する塔から異なる沸点範囲を有する複数の製品を取り出すことができるように、塔の上部に間隔を置いて出口を有している。

工業用分留塔は、製品のより良い分離を達成するために、外部還流を使用する。 還流とは、図3に示すように、分留塔の上部に戻る凝縮したオーバーヘッド液体製品の部分を指す。

塔内部では、下降する還流液が上昇する蒸気の冷却と凝縮を行い、それによって蒸留塔の有効性を高めることができる。

分留塔の設計と運転は、原料の組成と目的とする製品の組成に依存する。 単純な二成分フィードの場合、McCabe-Thiele法またはFenske方程式のような分析的方法を使用することができる。

バブルキャップ「トレイ」または「プレート」は、工業用分留塔内で上昇流蒸気および下降流液体の間の良好な接触を提供するために使用される、物理装置の種類の1つである。 このようなトレイは、図4および図5に示されている。

トレイまたはプレートの効率は、一般的に、理論上の100%効率の平衡段の効率よりも低くなっている。 したがって、分留塔はほとんどの場合、理論的な気液平衡段の必要数よりも多くの実際の物理的な板を必要とする。

図5:気泡キャップを有する一対のトレイの詳細を示す図4の分留塔のセクション
図6:図4の気泡キャップを含むトレイの断面を示す。 蒸留塔の全体図

工業用途では、特に真空下で運転する場合のように塔全体の圧力損失を低くする必要がある場合、トレイの代わりに充填材を塔内に使用することがある。 この充填材は、ラッシグリングなどのランダムダンプパッキン(1~3インチまたは2.5~7.6cm幅)か、構造化したシートメタルのいずれかである。 液体はパッキンの表面を濡らす傾向があり、蒸気はこの濡れた表面を通過し、物質移動が行われる。 パッキンの形状が異なると、表面積やパッキン間の空隙も異なる。 これらの要因はいずれもパッキンの性能に影響を与える。

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