構造化充填物は、吸収塔や蒸留塔で使用するために特別に設計された一連の材料です。[1]構造化充填物は通常、流体が塔を通過する際に複雑な経路をたどるように配置され、異なる相間の接触面積を大きくする薄い波形の金属板または金網で構成されています。
構造化充填物は、穴あきエンボス加工された金属、プラスチック、または金網の波形シートから形成されます。その結果、傾斜した波形または流路を備えた非常に開放的なハニカム構造が得られ、表面積が比較的大きいにもかかわらず、ガス流に対する抵抗が非常に低くなります。表面の強化は、液体の広がりを最大化するように選択されます。これらの特性は、低圧および低灌漑速度の用途において、顕著な性能上の利点を示す傾向があります。波形の角度が急または大きいほど、圧力損失は低くなりますが、分離効率は低くなります。シートは、交互に積み重ねられた要素にパッケージ化され、分留塔の断面積全体を満たす充填床を形成します。分離効率を完全に利用するために、構造化充填物では、床上部の液体を注意深く分配する必要があります。充填物が最高の効率に達するには、液体の分配の変動は 1～2% 未満である必要があります。多くの平衡段階を伴う高純度アプリケーションでは、充填物を複数の充填床に設置する必要があり、その間で液体が収集され、新たに再分配されます。
歴史
構造化充填物は何十年も前から存在し、ランダムカラム充填物から進化しました。構造化充填物の第一世代は1940年代初頭に登場しました。1953年には、波形のエキスパンドメタルシートで作られたPanapakという特許取得済みの充填物が登場しました。しかし、流通の悪さとマーケティングの不足により、この充填物は成功しませんでした。第二世代は1950年代末に登場し、Goodloe、Hyperfil、Koch-Sulzerなどの非常に効率的な金網充填物が登場しました。1970年代まで、これらの充填物は理論段あたりの圧力損失が低いため、真空蒸留で最も広く使用されていました。しかし、高コスト、低容量、固形物に対する高感度のため、金網充填物の広範な利用は阻まれてきました。
1970年代末にスルザー社が導入した波形構造充填物は、構造充填塔の第3世代となりました。これらの充填物は、高い性能を維持しながら、高容量、低コスト、そして固形物に対する低感受性を特徴としています。1980年代には、特に空気分離や石油・石油化学プラントの改修において、この充填物の人気が高まりました。波形金属板で作られたこれらの構造充填物は、濡れ性を高めるために化学的または機械的に表面処理されています。その結果、充填物の濡れ面積が増加し、表面への濡れ性があまり良くない流体に対しても濡れ面積が拡大し、性能が向上しました。1999年には、CFDシミュレーションと実験に基づき、波形シート充填物の改良構造であるMellapak Plusが開発されました。この充填物は、従来の単一角度のMellapakと比較して、波形角度を変化させた新しい構造を採用しています。これにより、圧力損失が大幅に低減し、有効容量が増加しました。[2]
品種
構造化パッキンは、クリンプの高さと波形角度（水平面に対する）を変えることで、幅広いサイズで製造されます。一般的な波形角度は、45度の「Y」型パッキンと60度の「X」型パッキンの2種類です。市販のパッキン表面積は、50 m²/m³（効率は最低、容量は最高）から750 m²/m³（効率は最高、容量は最低）までの範囲です。材質は様々で、板金の場合は標準的な厚さは0.1～0.2 mm、プラスチックの場合は0.5～1 mmです。
アプリケーション
典型的な用途としては、製油所や化学プロセスプラントの精留塔、天然ガス処理[3]における酸性ガスの除去や水分含有量の低減が挙げられ、パイプライン内の結露防止に使用されます。構造化充填物は大気圧下および加圧下での用途にも適用されますが、特に真空下で行われる分離において、構造化充填物による低圧力損失の恩恵を受けることができます。そのため、構造化充填物は真空サービスにおいてほぼすべてのトレイに取って代わりました。構造化充填物は、様々な産業機器やプロセスで使用されています。
- 空気分離[4] [5]
- グリコール
- エタノールアミン
- スチレンモノマー
- トール油分留（木材パルプ製造のクラフトプロセスからロジン酸とピッチから脂肪酸を分離する）
- シクロヘキサノン/シクロヘキサノール分離[4]
- キシレン分解装置[4]
- CO2吸収装置[ 4 ]
- H2S吸収装置[ 4 ]
- エチレンオキシド吸収剤[4]
- アクリロニトリル吸収剤[4]
- 油化学品（油化学を参照）
- ファインケミカル（熱劣化を防ぐために真空蒸留が必要）
利点
構造化パッキングは、ランダムパッキングやトレイを使用する場合と比較して、次の利点があります。
- 圧力損失が低い[3] [6]
- 効率が高い（同じ塔の高さの場合）[3] [6]
- より高い容量[3] [6]
- 液体ホールドアップの減少[3]
デメリット
構造化パッキングには、ランダムパッキングやトレイを使用する場合と比べて、次のような欠点があります。
- 費用[6]
- 不均衡な分布に対する感受性の高まり[7]
参照
参考文献
- ^ ペリーの化学技術者ハンドブック
- ^ L. Spiegel、M.Duss (2014) 「構造化パッキング」。蒸留。エルゼビア、pp. 145–181
- ^ abcde Koch Glitsch. 「構造化パッキング」（PDF） . 2015年12月14日閲覧。
- ^ abcdefg Sulzer. 「構造化パッキング：エネルギー効率、革新性、そして収益性」（PDF） . 2024年6月2日閲覧。
- ^ Air Products. 「空気分離技術 - 構造化パッキング」（PDF） . 2015年12月14日閲覧。
- ^ abcd 「プラントオペレーション：パッキング」。分離プロセス。 2015年12月14日閲覧。
- ^ HA Kooijman, J. Zhou, R. Taylor (2022). Chemical Engineering and Processing – Process Intensification, Vol. 171, 108436「充填カラム内の不均一分布シミュレーションへの新しい並列カラムモデルの適用」. 2025年1月5日閲覧。
