（共有）空気分離用規則充填材の性能と特徴紹介

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規則充填材は、比表面積が大きく、構造が規則的で、空隙率や流通量が大きく、圧力損失が小さく、操作弾性が大きいといった利点がある。充填塔の塔径が大きくなるにつれて、充填材の構造最適化や、高効率で低圧損、大流量を持つさまざまな規格・材質の充填材の開発、塔の充填材と内部部品の最適なマッチング、そして充填層内の液体の流動と分布に関する研究がより一層重視されるようになっている。 1960年代以降に開発されたスクリーン波形充填材とプレート波形充填材は、現在広く使用されている規則的な充填材です。 現代の規則充填材としては、まずスルザー社が挙げられる。1960年代に同社は金属製ワイヤーメッシュ製の波形充填材を開発し、1977年にはプレート状の波形タイプであるメラパック充填材を発売した。さらに1994年には、構造が新しく多通路型の優れた流れ特性を持つオプティフロー充填材を開発するなど、規則充填材の研究開発が引き続き行われていることが示されている。日本の三菱商事が販売するMc-pak充填剤は、ほとんどがMellapak充填剤をベースにしている。近年、スイスのKUHNI社のRombopak充填剤や、ドイツのRASCHIG社のRaschig-Superpak充填剤は、開発・導入が比較的成功している。 我が国は1960年代から整流充填材に関する体系的な研究開発を行っており、すでにかなり完備された科学研究・生産体制が構築されている。天津大学とイギリスのアストン大学は、UnaPakと名付けられたパルス整流充填材を共同で開発しました；清華大学と上海化工研究院は、それぞれ圧延板網波形充填材を開発した；中国石化洛陽工程会社は、LH型整流充填材を開発しました。その中で、天津大学の蒸留技術国家工程研究センターは、高性能な充填材を基に、新しいタイプの高性能波形充填材である双方向波形充填材を開発しました。この種の充填材は、物質移動比表面積が大きく、気体・液体の流路が最適化されており、横方向への拡散能力に優れている。また、目詰まり抵抗性、剛性、圧力損失、通過能力の面でも、金属製多孔板波形充填材よりも大幅に優れている。 近年、精密化学、石油化学、肥料などの産業が急速に発展するにつれて、さまざまな新型タワーフィラーの研究が注目を集めている。高性能充填剤の開発と工業的応用により、規則正しい形状を持つ充填剤、特に波形充填剤が顕著な優位性を有し、既存の充填剤の置き換えや一部の板式塔の技術改良において大きな効果を発揮することが示されている。新規充填剤の開発および大規模な工業的応用は、現在、国際的にタワー装置の研究と応用における重要な成果である。 1. 规則充填材による圧損は著しく低い。規則充填材では気液両相が膜状に接触するため、スクリーン板塔における泡状接触とは異なり、充填塔の圧損はスクリーン板塔の1/4～1/6程度である。規則的な充填材を用いた塔の操作抵抗は3.5～4.2kPaであり、底部の操作圧力は35～45kPaに過ぎない。下塔では一般的に依然としてスクリーン板塔が使用され、操作抵抗も変わらないため、下塔の操作圧力は0.05～0.06MPa低下し、通常は0.44～0.48MPaとなる。これにより、空気圧縮機の軸動力は5%～7%削減できる。 2. 规則的な充填材を用いることで分離効率が高くなる。塔内の操作圧力が低ければ低いほど、酸素、窒素、アルゴンの分離に有利となり、特に酸素とアルゴンの分離において顕著である。一般的に、酸素の回収率は1％～3％向上し、アルゴンの回収率は5％～10％向上する。実際に、空気分離装置においては酸素の回収率は99％以上、アルゴンの回収率は80％以上に達している。 蒸留塔の抽出率は、塔に供給される膨張空気の量に大きく依存しており、特にアルゴンの抽出率に大きな影響を与える。したがって、タービン式膨張機の等熵効率と増圧機の圧力上昇比を継続的に向上させることが、蒸留塔の抽出率を高めるための鍵となる。 3.規則充填物の液保持量が少ない　規則充填塔の液保持量は、一般的に塔容積の1％～6％程度であるのに対し、篩板塔の液保持量は塔容積の8％～10％となる。持液量が少ないということは、液体が塔内に留まる時間が短く、操作時の圧力損失も小さいため、変動する運転条件下での操作に有利である。整流充填塔の設計範囲は40％～120％に及ぶ。上鋼五厂の12000m3/h空分装置の整流充填塔における酸素生産量は、9000～14000mm3/hの範囲で調整可能で、運転負荷範囲は75％～117％のみとなっている。 4.規則充填材の空隙が大きい　規則充填材の空隙率は95％以上に達する。多孔板塔において、孔板の面積は塔断面の80％を占め、開口率はいずれも8%～12％であり、どちらも充填層の空隙率よりもはるかに小さい。同じ負荷において、充填塔の塔径はスクリーン板塔よりも小さい；一般的にその断面積はスクリーン板塔の約70％程度であり、大型の空気分離装置においては、塔を小型化することで輸送が容易になる。 5. 装置の起動時間が大幅に短縮される　空気分離装置の起動過程は製品が出力されない状態での運転となるため、起動時間を短縮することは同装置の省エネ・省コスト化の手段の一つである。空気分離装置の起動時間とは、膨張機の起動から酸素が得られるまでにかかる時間のことである。上塔に規則正しい形状の充填材を使用すると、通常の精留時に保持される液体量が大幅に減少し、その結果空気分離装置の起動時間が大幅に短縮される。一般的に起動時間は26～30時間程度で済む。 6. アルゴン分留物の酸素含有量は約90％程度であり、低温精留法を用いてこれを1～2×10-4％まで直接低下させる場合、精留塔には理論的に約180枚の塔板が必要となり、スクリーン塔板では300枚以上が必要となる。圧力損失は約100kPaに達し、明らかに粗アルゴンは塔外に排出できない。一方、整流充填材の高さは約45m程度必要となる。抵抗力は14～16kPaのみであるため、完全蒸留式アルゴン製造プロセスの実現が可能となった。