特許 7612601 蒸留装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-12-27

(45)【発行日】2025-01-14

(54)【発明の名称】蒸留装置

(51)【国際特許分類】

   B01D 3/22 20060101AFI20250106BHJP

   B01D 3/32 20060101ALI20250106BHJP

   B01J 19/32 20060101ALN20250106BHJP

【ＦＩ】

B01D3/22 Z

B01D3/32 D

B01D3/32 Z

B01J19/32

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2021558429

(86)(22)【出願日】2020-11-18

(86)【国際出願番号】 JP2020043064

(87)【国際公開番号】W WO2021100780

(87)【国際公開日】2021-05-27

【審査請求日】2023-10-11

(31)【優先権主張番号】P 2019208452

(32)【優先日】2019-11-19

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】502369746

【氏名又は名称】住友重機械プロセス機器株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105924

【弁理士】

【氏名又は名称】森下 賢樹

(74)【代理人】

【識別番号】100116274

【弁理士】

【氏名又は名称】富所 輝観夫

(72)【発明者】

【氏名】阿部 匡悦

【審査官】宮部 裕一

(56)【参考文献】

【文献】特開昭６０－１６１７０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６２－１６３７０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】実公昭４８－３６３８（ＪＰ，Ｙ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１７／０３６１２４２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】実開昭５８－９１４２２（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開２００３－２２０３２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０００－５０２６０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５７－１４０６０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１３／０４３１９５（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ０１Ｄ ３／２２

Ｂ０１Ｄ ３／３２

Ｂ０１Ｊ １９／３２

Ｂ０１Ｊ １０／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

気液接触装置を含む少なくとも１つの蒸留カラムと、
前記少なくとも１つの蒸留カラムを収容する円筒形状の周壁とを備え、
前記気液接触装置は、前記蒸留カラムの軸方向に沿って流れてきた処理液体を前記周壁の周方向に流して処理気体と気液接触させ、
前記気液接触装置は、前記周壁を前記軸方向から見たときに前記周壁の内部空間の一方の側において前記軸方向に重ねられた複数の第１トレイ、及び他方の側において前記軸方向に重ねられた複数の第２トレイと、
前記複数の第１トレイのうち所定の第１トレイからその下段にある前記第２トレイに向けて前記処理液体を流す第１ダウンカマー流路を定める第１ダウンカマープレートと、
前記複数の第２トレイのうち所定の第２トレイからその下段にある前記第１トレイに向けて前記処理液体を流す第２ダウンカマー流路を定める第２ダウンカマープレートとを備え、
前記第１トレイ、及び前記第２トレイは、それぞれ上面と、下面から前記上面に貫通する複数の貫通孔とを備え、
前記処理液体の一部は、前記第１ダウンカマー流路に沿って前記所定の第１トレイからその下段にある前記第２トレイに向けて流れ、前記第２トレイの上で周方向に流れ、前記第２トレイに設けられた前記複数の貫通孔を通過する前記処理気体と接触し、
前記処理液体の残りの一部は、前記第２ダウンカマー流路に沿って前記所定の第２トレイからその下段にある前記第１トレイに向けて流れ、前記第１トレイの上で周方向に流れ、前記第１トレイに設けられた前記複数の貫通孔を通過する前記処理気体と接触する、蒸留装置。

【請求項2】

前記第１ダウンカマープレート及び前記第２ダウンカマープレートは、前記第１ダウンカマー流路と前記第２ダウンカマー流路を前記蒸留装置の側面から見たときに、前記第１ダウンカマー流路と前記第２ダウンカマー流路とが交差するよう配置される、請求項１に記載の蒸留装置。

【請求項3】

前記第１トレイは、前記第２ダウンカマー流路から流れてきた前記処理液体を受ける液受け部と、
前記処理液体の流れる方向下流側において前記液受け部に隣接して配置され前記複数の貫通孔が形成された気液接触部と、
前記処理液体の流れる方向下流側において前記気液接触部に隣接して配置され前記第１ダウンカマー流路の入口に接続される排液部と、
前記液受け部と前記排液部との間に配置され、かつ前記第１トレイの前記上面に設けられたバッフルプレートとを備える、請求項１又は２に記載の蒸留装置。

【請求項4】

前記複数の第１トレイのうち上下方向において隣接する２つの前記第１トレイの間に前記処理液体を追加する処理液体追加部を備える、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の蒸留装置。

【請求項5】

前記処理液体追加部の吐出口は前記処理液体を前記第１ダウンカマープレートに向けて開口する、請求項４に記載の蒸留装置。

【請求項6】

少なくとも３つの蒸留カラムであって、各蒸留カラムが気液接触装置を備える蒸留カラムと、
前記少なくとも３つの蒸留カラムを収容する円筒形状の周壁と、
前記周壁を軸方向から見たときに弦方向に延び前記周壁内の空間を仕切る仕切り板とを備え、
前記気液接触装置は、前記仕切り板に沿って前記軸方向に流れてきた処理液体を前記周壁の周方向に流して処理気体と気液接触させる、蒸留装置。

【請求項7】

前記気液接触装置は、前記軸方向に沿って重ねられ略半円形上面を有し、かつ下面から上面に貫通する複数の貫通孔を備える複数のトレイと、
前記仕切り板と共に、前記複数のトレイのうち上段のトレイから下段のトレイに向けて前記処理液体を流すダウンカマー流路を定めるダウンカマープレートとを備え、
前記処理液体は、前記ダウンカマー流路に沿って前記軸方向に流れ、前記略半円形上面の上で周方向に流れ、前記複数の貫通孔を通過する前記処理気体と接触する、請求項６に記載の蒸留装置。

【請求項8】

前記ダウンカマープレートは前記複数のトレイの間にそれぞれ配置され、
前記軸方向に沿って配置される複数の前記ダウンカマープレートは、前記仕切り板の面に対して垂直な面を挟んで交互に配置される、請求項７に記載の蒸留装置。

【請求項9】

前記気液接触装置に対して、前記仕切り板の反対側に配置された第２気液接触装置を備え、
前記気液接触装置は、前記軸方向に沿って重ねられ略半円形上面を有し、かつ下面から上面に貫通する複数の貫通孔を備える複数の第３トレイと、
前記仕切り板と共に、上段の第３トレイから下段の第３トレイに向けて前記処理液体を流す第３ダウンカマー流路を定める第３ダウンカマープレートとを備え、
前記第２気液接触装置は、前記軸方向に沿って重ねられ略半円形上面を有し、かつ下面から上面に貫通する複数の貫通孔を備える複数の第４トレイと、
前記仕切り板と共に、上段の第４トレイから下段の第４トレイに向けて前記処理液体を流す第４ダウンカマー流路を定める第４ダウンカマープレートとを備え、
前記第３ダウンカマープレートと、前記第４ダウンカマープレートは、前記仕切り板の面方向から見たときに重複しないように配置されている、請求項６に記載の蒸留装置。

【請求項10】

前記トレイは、前記ダウンカマー流路から流れてきた液体を受ける液受け部と、
前記液受け部に隣接して配置され前記複数の貫通孔が形成された気液接触部と、
前記気液接触部に隣接して配置され前記ダウンカマー流路の入口に接続される排液部と、前記トレイの前記上面に、かつ前記液受け部と前記排液部との間に配置されたバッフルプレートとを備える、請求項７又は８に記載の蒸留装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、蒸留装置及び気液接触装置用のトレイに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、複数の成分を含有する原液から各成分を分離するための蒸留装置が知られている。蒸留装置は、装置内部で原液と、高温の気体とを接触させることで原液から所望の成分を分離する（例えば特許文献１）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開平０９－２９９７０１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本発明は、このような蒸溜装置において成分の分離効率を従来技術よりも高められる蒸溜装置を提供することを目的とする。

【0005】

上記課題を解決するために、本発明は、気液接触装置を含む少なくとも１つの蒸留カラムと、少なくとも１つの蒸留カラムを収容する円筒形状の周壁とを備え、気液接触装置は、蒸留カラムの軸方向に沿って流れてきた処理液体を周壁の周方向に流して処理気体と気液接触させる。

【発明の効果】

【0006】

この構成によれば、成分の分離効率を従来技術よりも高められる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】第１実施形態による蒸留装置の概略構成図である。

【図2】同蒸留装置の斜視図である。

【図3】同蒸留装置の断面図である。

【図4】同蒸留装置の断面図である。

【図5】同蒸留装置の断面図である。

【図6】同蒸留装置の断面図である。

【図7】第１実施形態の変形例による蒸留装置の断面図である。

【図8】第１実施形態の変形例による蒸留装置の断面図である。

【図9】第１実施形態の案内蓋の形状を例示的に示す斜視図である。

【図10】第１実施形態の更なる変形例による蒸留装置の断面図である。

【図11】第２実施形態による蒸留装置の概略構成図である。

【図12】同蒸留装置の斜視図である。

【図13】同蒸留装置の斜視図である。

【図14】同蒸留装置の断面図である。

【図15】同蒸留装置の断面図である。

【図16】同蒸留装置の断面図である。

【図17】従来技術による蒸留装置の断面図である。

【図18】従来技術による蒸留装置の断面図である。

【図19】従来技術による蒸留装置の断面図である。

【図20】従来技術による蒸留装置における気相中の成分Ｍ５の濃度勾配を示す。

【図21】第２実施形態による蒸留装置の断面図である。

【図22】同蒸留装置の断面図である。

【図23】同蒸留装置の断面図である。

【図24】同蒸留装置における気相中の成分Ｍ５の濃度勾配を示す。

【図25】第２実施形態の変形例による蒸留装置の斜視図である。

【図26】第２実施形態の更なる変形例による蒸留装置の斜視図である。

【図27】第２実施形態の変形例による蒸留装置の断面図である。

【図28】第２実施形態の更なる変形例による蒸留装置の断面図である。

【図29】第２実施形態による蒸留装置の案内蓋の形状を例示的に示す斜視図である。

【図30】第２実施形態の変形例による蒸留装置の斜視図である。

【図31】第２実施形態の変形例による蒸留装置の断面図である。

【図32】第２実施形態の更なる変形例による蒸留装置の断面図である。

【図33】第２実施形態の更なる変形例による蒸留装置の断面図である。

【図34】第２実施形態の更なる変形例による蒸留装置の断面図である。

【図35】第２実施形態の更なる変形例による蒸留装置の断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下、本発明の実施形態を説明する。なお、実施形態の説明では説明の便宜上、三次元直交座標、又は方向を示す用語を用いることがある。三次元直交座標のＺ軸は重力の作用する方向に沿って延び、＋Ｚ方向は鉛直方向上側を指し、－Ｚ方向は鉛直方向下側を指す。また、詳細は後述するが実施形態による蒸留装置は内部がほぼ平坦な仕切り板により仕切られている。±Ｘ方向は仕切り板の２つの主面がそれぞれ向いている方向を示し、一方の主面が向いている方向を＋Ｘ方向、他方の主面が向いている方向を－Ｘ方向とする。Ｙ軸は仕切り板の幅方向に延びる。Ｙ軸が延びる方向の決定の仕方については特に明確な決まりはない。

【0009】

第１実施形態による蒸留装置は、複数の蒸留カラムを１つの容器内に配置した塔垂直分割型蒸留塔型（カラムインカラム型）の蒸留装置である。第１実施形態では、内部に仕切り板を備える蒸留装置において、蒸留装置を大型化せずに従来装置よりもさらに気液接触断面積を増やせる蒸留装置について説明する。

【0010】

塔垂直分割型蒸留塔は、１カ所の原料入口から容器内に投入された原液を複数の成分に分離させ、それぞれの成分を取り出せる構造を有する。

【0011】

図１は、蒸留装置の概略構成図である。図１に示すように、蒸留装置１０は、少なくとも３つの蒸留カラムを備える。図示の例では、蒸留装置１０は第１～第３蒸留カラムＤ１，Ｄ２，Ｄ３を備える。図１において、実線矢印は蒸留装置１０内での液体の移動経路を示し、破線矢印は蒸留装置１０内での気体の移動経路を示す。

【0012】

蒸留装置１０は、Ｚ軸に沿って延び、塔頂部及び塔底部が閉じられた円筒形状の蒸留塔１２を有する。なお、蒸留塔１２の延びる方向を軸方向と呼ぶことがある。従来用いられていた蒸留装置は３塔で構成されていたのに対して、蒸留装置１０では３塔の機能を１つの充蒸留塔内に収容しており、いわゆる結合型蒸留塔を構成する。蒸留装置１０の軸方向中間には第１蒸留カラムＤ１が配置され、蒸留装置１０の塔頂付近には第２蒸留カラムＤ２が配置され、蒸留装置１０の塔底付近には第３蒸留カラムＤ３が配置される。蒸留塔１２の塔頂側には凝縮器（コンデンサー）１４が接続され、塔底側には再沸器（リボイラー）１６が接続される。蒸留装置１０は、供給される原液から沸点の異なる成分Ｍ１、成分Ｍ２、成分Ｍ３に富む液体を分離して取り出すために用いられる。

【0013】

蒸留塔１２の内部は、上方から順に第１セクションＳ１～第４セクションＳ４に分かれている。なお、蒸留塔内部のセクションの数は用途に応じて適宜選択可能である。各セクションＳ１～Ｓ４には、上昇する蒸気と下降する液体とを接触させることで物質移動を行うための気液接触装置としての充填物又はトレイが配置されている。トレイとしては、表面に無数の孔が形成され蒸留塔のＸＹ平面の断面形状に即した形状を有するプレートを用いることができる。なおトレイの構造については後述する。充填物としては、例えば、板状体や網状体を波形等に加工し、蒸留塔のＸＹ平面の断面形状に合わせてブロック状に成形された規則充填物、又はリング状等に加工された固形物を多数集合させた不規則充填物を用いることができる。

【0014】

図１に示すように、第２セクションＳ２及び第３セクションＳ３は、Ｘ軸に沿って並ぶ２つのチャンバに蒸留塔１２を仕切る仕切り板１８により仕切られている。第２セクションＳ２は、仕切り板１８を挟んで隣接する第２ａセクションＳ２ａと第２ｂセクションＳ２ｂに分かれている。第３セクションＳ３は、仕切り板１８を挟んで隣接する第３ａセクションＳ３ａと第３ｂセクションＳ３ｂに分かれている。

【0015】

仕切り板１８のＸ軸に沿った位置は、蒸留塔１２の水平断面中心を通る位置とすることが好ましい。なお、仕切り板１８のＸ軸に沿った位置はこれに限定されず、原液中の成分の比率に応じて適宜Ｘ軸に沿ってずらしてもよい。

【0016】

図１に示すように、第２ａセクションＳ２ａと第３ａセクションＳ３ａとにより第１蒸留カラムＤ１が構成され、第１セクションＳ１と第２ｂセクションＳ２ｂとにより第２蒸留カラムＤ２が構成され、第３ｂセクションＳ３ｂと第４セクションＳ４とにより第３蒸留カラムＤ３が構成される。各蒸留カラムにおける上部のセクションが低沸点成分の濃度を高めるための濃縮部として機能し、下部のセクションが高沸点成分の濃度を高めるための回収部として機能する。

【0017】

蒸留塔１２には、原液を蒸留塔１２内に供給するフィードノズル２０、及び分離された成分（本実施形態では成分Ｍ２に富む液体）を塔外に取り出すサイドカットノズル２２が設けられている。また、蒸留塔１２の頂部には、塔頂蒸気出口部２４と還流液入口部２６とが設けられている。塔頂蒸気出口部２４と還流液入口部２６は、蒸留塔１２の外部に設けられた、気体（本実施形態では成分Ｍ１に富む気体）を冷却して液化させる凝縮器１４に接続されている。凝縮器１４は、蒸留塔１２と一体に設けられてよい。また、蒸留塔１２の底部には、塔底出口部２８と塔底蒸気入口部３０とが設けられている。塔底出口部２８及び塔底蒸気入口部３０は、蒸留塔１２の外部に設けられた、液体（本実施形態では成分Ｍ３に富む液体）を加熱して蒸発させる再沸器１６に接続されている。再沸器１６は、蒸留塔１２と一体に設けられてよい。

【0018】

仕切り板１８は、蒸留塔１２の内部を複数のセクションに仕切る。仕切り板１８は蒸留塔１２の内部空間内で部分的にＺ軸に沿って延びる。仕切り板１８の＋Ｚ側及び－Ｚ側の端は蒸留塔１２の内部空間内に位置しており、蒸留塔１２内の液体又は気体は仕切り板１８の端を回り込んで仕切り板１８の一方の主面側から他方の主面側に移動できる。仕切り板１８は±Ｙ側の端部が蒸留塔１２の周壁３２の内面に固定されている。

【0019】

蒸留装置１０は気液接触装置として充填物又はトレイを使用しているが、どのセクションにどの種類の気液接触装置を配置するかについては原液の種類に応じて適宜選択可能である。例えば、フィードノズル２０よりも上側にある気液接触装置として充填物を用い、フィードノズル２０よりも下側にある気液接触装置としてトレイを用いることができる。これにより、比較的洗浄がし易いトレイを、比較的汚れが発生し易い位置に配置できる。

【0020】

次に、トレイの構造について詳述する。図２は、蒸留装置の斜視図である。より具体的には図２は、蒸留装置１０の周壁３２の一部を取り除いた状態の第２ｂセクションＳ２ｂを示す。なお、以下のトレイの構造は、仕切り板１８に面して設けられた気液接触装置に適用可能であり、第２ｂセクションＳ２ｂ以外のセクションにも適用可能である。換言すれば、以下で説明するトレイの構造は、第２ａセクションＳ２ａ、第３ａセクションＳ３ａ、第２ｂセクションＳ２ｂ、及び第３ｂセクションＳ３ｂの何れにも適用可能である。

【0021】

第２ｂセクションＳ２ｂは、液体と気体とを接触させるために用いられるトレイ４０を備える。第２ｂセクションＳ２ｂに備えられるトレイ４０の数は、１つであっても良いし複数であってもよい。トレイ４０は、略半円形状の上面４０ｕ及び下面４０ｌを備える薄い板で形成される。ここで略半円形状とは、円形を弦Ｃｈに沿って切断した形状をいう。したがって、略半円形状とは、弦Ｃｈが直径に相当する場合は半円形状を意味し、弦Ｃｈが直径に相当しない場合は弧Ｒと弦Ｃｈで囲まれる領域からなる形状を意味する。ここで、弦Ｃｈが直径に相当しない場合とは、弦Ｃｈが直径よりも＋Ｘ側にある場合、及び弦Ｃｈが直径よりも－Ｘ側にある場合の何れの場合も含む。

【0022】

トレイ４０は、弦ＣｈがＹ軸に沿って延びるよう、かつ上面４０ｕ及び下面４０ｌが仕切り板１８の主面と直交してＸＹ平面と平行になるよう配置される。またトレイ４０の弦Ｃｈは、仕切り板１８の主面に接触するように配置される。また、トレイ４０の弧Ｒは、周壁３２の内面と接触するように配置される。トレイ４０は、Ｚ軸に沿って見たときに仕切り板１８と周壁３２で囲まれており、±Ｚ方向において実質的に空間を仕切る。

【0023】

トレイ４０の上面４０ｕは、＋Ｚ方向（上方）から流れてきた液体を受ける液受け部４２と、液受け部４２に隣接して配置され気体と液体とを気液接触させる気液接触部４４と、気液接触させた液体を－Ｚ方向（下方）に向けて流すための排液部４６とで形成される。液体は、液受け部４２によって受け止められ、トレイ４０の上面に流れ、気液接触部４４を通過して排液部４６に流れる。

【0024】

液受け部４２と排液部４６は弦Ｃｈに沿って設けられる。より具体的には、トレイ４０の上面４０ｕをＸ軸に沿って（又は仕切り板１８の主面と直交する線に沿って）二等分したときに一方の側（図示の上段のトレイの例では＋Ｙ方向側）に液受け部４２が形成され、他方の側（図示の上段のトレイの例では－Ｙ方向側）に排液部４６が形成される。液受け部４２は、弦Ｃｈから＋Ｘ側に向けて所定幅だけ広がり、かつ仕切り板１８の主面に沿ってＹ軸方向に延びる、略長方形状の領域である。排液部４６は、弦Ｃｈから＋Ｘ側に向けて所定幅だけ広がり、かつ仕切り板１８の主面に沿ってＹ軸方向に延びる、略長方形状の開口である。換言すればトレイ４０と仕切り板１８との間に所定幅の開口が設けられており、この開口が排液部４６となる。

【0025】

気液接触部４４は、トレイ４０の上面４０ｕの大部分を占める略半円形状の領域である。気液接触部４４には、トレイ４０の上面４０ｕから下面４０ｌに貫通する複数の孔４８が形成されている。孔４８の大きさは、下面４０ｌから上面４０ｕに向けて流れる気体の圧力により、上面４０ｕから下面４０ｌに向けて液体が流れるのが抑制されるように設計される。

【0026】

トレイ４０は、堰構造５０を備えていてもよい。堰構造５０は、気液接触部４４と排液部４６との間に設けられ、トレイ４０の上面から＋Ｚ方向に立ち上がる壁により形成される。堰構造５０を設けることにより、気液接触部４４上の液深を保つことができる。堰構造５０は、Ｙ軸に沿って排液部４６と同一の長さを有する一枚の壁であってもよいし、Ｙ軸に沿って間欠的に隙間が形成された不連続な壁であってもよい。

【0027】

液受け部４２と排液部４６との間にはバッフルプレート５２が設けられていることが好ましい。バッフルプレート５２は、液受け部４２に流れてきた液体が気液接触部４４を通過する際の偏流を防止し、液受け部４２の液体が気液接触部４４を通過せずに排液部４６に到達するのを防止できる。バッフルプレート５２は、トレイ４０の上面４０ｕに設けられ、ＸＺ平面と平行に仕切り板１８の主面から＋Ｘ方向に延びる板である。バッフルプレート５２は、仕切り板１８の主面からＸ軸に沿う方向において気液接触部４４の中央付近まで延びていることが好ましい。

【0028】

バッフルプレート５２のＸ軸に沿った長さを調整可能にしてもよい。この場合、バッフルプレート５２の＋Ｘ側先端に延長部５４を設ける。延長部５４は、ビス等の固定手段５６を用いてバッフルプレート５２の本体に対して任意の位置で固定可能とされる。延長部のＸ軸に沿った位置を調整し、その位置で延長部５４をバッフルプレート５２の本体に対して固定することで、バッフルプレート５２の＋Ｘ方向に向けた突出長さを調整できる。これによりバッフルプレート５２と周壁３２との間の流路幅を調整できる。

【0029】

気液接触装置は、さらにダウンカマープレート５８を備える。ダウンカマープレート５８は、上段のトレイ４０から下段のトレイ４０に向けて流れる液体のための流路６０（以下、「ダウンカマー流路６０」という）を定める。ダウンカマー流路６０は、Ｚ軸に沿って延び、上段のトレイ４０の排液部４６から下段のトレイ４０の液受け部４２近傍にかけてダウンカマープレート５８と仕切り板１８との間に形成される。ダウンカマープレート５８は、トレイ４０とはＺ軸に沿って重複しない位置で、仕切り板１８と平行に延びる。より具体的にはダウンカマープレート５８は、Ｚ軸に沿って隣接するトレイ４０の間に配置される。ダウンカマープレート５８の径方向外側の端は周壁３２に固定され、径方向内側の端は仕切り板１８の表面からＸ軸に沿って延びる垂直壁部６２に固定される。したがってダウンカマー流路６０は、ＸＹ平面において仕切り板１８、周壁３２、ダウンカマープレート５８、及び垂直壁部６２によって囲まれた閉断面として形成される。ダウンカマー流路６０の＋Ｚ軸方向端は、トレイ４０の堰構造５０と連続しており、ダウンカマープレート５８はトレイ４０の弦Ｃｈに固定される。ダウンカマープレート５８の－Ｚ軸方向端は、下段のトレイ４０の上面４０ｕから所定距離だけ離れて配置され、トレイ４０の液受け部４２に向けて開口している。堰構造５０を乗り越えて排液部４６に入った液体は、ダウンカマー流路６０に沿って下段のトレイ４０に流れる。ダウンカマー流路６０内では気液接触を行わせないことが好ましい。ここで、ダウンカマー流路６０内では気液接触を行わせないとは、蒸留装置１０の構造としてダウンカマー流路６０内で積極的に気液接触を促す構成を有していないことを意味する。即ち、ダウンカマー流路６０とトレイ４０の間の空間とは連続している。従って、トレイ４０の間の空間にある気体がダウンカマー流路６０に一切流れ込まないようにすることは実質的に不可能である。よって、ダウンカマー流路６０内で気液接触を行わせないとは、気液接触を完全に防止することを意味しているのではなく、気体を積極的にダウンカマー流路６０に送り込まないことを意味している。これを実現するためには、例えばダウンカマー流路６０内に気体が入り込まないように、ダウンカマー流路６０の真下にある液受け部４２は気体を通さない構造とすることが好ましい。

【0030】

トレイ４０同士のＺ軸方向に沿った間隔は原液の種類に応じて適宜変更可能である。一例として、Ｘ軸に沿って隣接する第２ａセクションＳ２ａのトレイと、第２ｂセクションＳ２ｂのトレイをＺ軸に対して同一の高さに配置しても良いし、異なる高さに配置してもよい。

【0031】

図３及び図４は、蒸留装置の断面図である。より具体的には図３は、Ｘ軸に沿って隣接する第２ａセクションＳ２ａのトレイ４０ａと、第２ｂセクションＳ２ｂのトレイ４０ｂをＺ軸に対して同一の高さに配置した構造におけるＸＹ平面に沿った断面図である。また図４は、図３に示すトレイの下段にあるトレイを示すＸＹ平面に沿った断面図である。隣接するセクション同士でトレイの高さを同一にする場合、図３及び図４に示すように同一の高さにあるダウンカマー流路６０ａ，６０ｂ同士がＹ軸に対してずれて配置されていることが好ましい。図示の例では、仕切り板１８の一方の側にある第２ａセクションＳ２ａのトレイ４０ａ及びダウンカマープレート５８ａと、仕切り板１８の他方の側にある第２ｂセクションＳ２ｂのトレイ４０ｂ及びダウンカマープレート５８ｂとが、ＸＹ平面において周壁３２の中心に対して点対称に配置されている。このような配置により隣接するセクションにおけるダウンカマー流路６０ａ，６０ｂ同士は、Ｙ軸に沿って互いに隣接せず、ずれて配置される。また、Ｚ軸に沿って隣接するトレイ４０ａ，４０ｂは、トレイ４０ａ，４０ｂ同士がＸ軸に対して線対称に配置されている。従って、Ｚ軸に沿って隣接するトレイは、液受け部４２と排液部４６の位置がＹ軸に対して逆になっている。

【0032】

図５及び図６は、蒸留装置の断面図である。より具体的には図５は、＋Ｘ側から蒸留装置を見た縦断面図であり、図６は、－Ｘ側から蒸留装置を見た縦断面図である。ダウンカマー流路６０ａ，６０ｂの配置を分かり易くするために、図５及び図６では周壁３２を省略している。これらの図から分かるも分かるように、ダウンカマー流路６０ａ，６０ｂ同士は仕切り板１８を介して隣接していない。換言すれば、ダウンカマー流路６０ａ，６０ｂ同士は仕切り板１８の面方向から見たときに重複しないように配置される。これによりダウンカマー流路６０ａを流れる液体と、ダウンカマー流路６０ｂを流れる液体との間で熱交換が生じにくくなる。また、Ｚ軸に沿って配列されたダウンカマー流路６０ａ，６０ａに着目すると、ダウンカマー流路６０ａ，６０ａ同士はＺ軸に沿っても隣接していない。ダウンカマー流路６０ａ，６０ｂ同士が仕切り板１８を介して隣接しないように配置することで、ダウンカマー流路６０ａ，６０ｂを流れる液体間での熱伝達を最小限に抑えられる。これと同時に、Ｚ軸に沿って配列されたダウンカマー流路６０ａ，６０ａ同士をＹ軸方向にずらすことで、液体が流れる経路、即ち気液接触を起こせる経路を長くできる。

【0033】

次に、蒸留装置の作用について説明する。なお、以下の説明では、少なくとも仕切り板の＋Ｘ軸側にある第２ｂセクションＳ２ｂ及び第３ｂセクション３Ｓｂが複数段のトレイによって構成されているものとする。

【0034】

フィードノズル２０から原液が蒸留装置１０に供給されると、成分Ｍ１及び成分Ｍ２に富む気体が上側に向けて流れ、成分Ｍ２及び成分Ｍ３に富む液体が下側に向けて流れる。第１セクションＳ１では、成分Ｍ１に富む気体と成分Ｍ２に富む液体が分離され、成分Ｍ２に富む液体が第２ｂセクションＳ２ｂに上側から流れ込む。第４セクションＳ４では、成分Ｍ２に富む気体と成分Ｍ３に富む液体とが分離され、成分Ｍ２に富む気体が第２ｂセクションＳ２ｂ及び第３ｂセクション３Ｓｂに向けて流れる。このとき成分Ｍ２に富む気体は、第２ｂセクションＳ２ｂ及び第３ｂセクション３Ｓｂの複数のトレイ４０の孔４８を通過して上側に流れる。

【0035】

液体が上側から流れ込むと、液体は最上段のトレイ４０に供給される。最上段のトレイ４０の上側にダウンカマープレート５８が設けられている場合には、ダウンカマープレート５８によって形成されるダウンカマー流路６０を通して液体が最上段のトレイ４０の液受け部４２に供給される。トレイ４０の上面に到達した液体は、バッフルプレート５２を迂回するようにトレイの上面で周方向に流れる（図２及び図３の矢印Ａ参照）。液体がトレイ４０上の気液接触部４４を流れる間、気液接触が行われる。トレイ４０上に所定量以上の液体が存在する場合、液体は堰構造５０を乗り越えてダウンカマー流路６０に流れる。ダウンカマー流路６０に流れた液体は、ダウンカマー流路６０に沿って下側に流れる（図２及び図５の矢印Ｂ参照）。液体がダウンカマー流路６０の下端に到達すると、液体は下段のトレイ４０の液受け部４２上に流れる。下段のトレイ４０の液受け部４２に到達した液体は、下段のトレイ４０のバッフルプレート５２を迂回するようにトレイ４０の上面で周方向に流れる（図２及び図４の矢印Ｃ参照）。このとき液体が流れる方向（矢印Ｃ）は、上段のトレイ上で液体が流れた方向（矢印Ａ）とは蒸留装置１０の周方向逆向きとなる。

【0036】

このような蒸留装置１０によれば、液体を軸方向に流してから方向転換をさせて周方向に流して気液接触を行わせられる。これにより、装置を大型化することなく液体が気体と接触する経路を長くできる。また、液受け部４２と排液部４６とをトレイ４０の弦Ｃｈに沿って並べて配置することで、気液接触部４４の面積を大きくできる。これによりトレイ４０の表面における孔４８の数や孔４８がトレイ４０の上面４０ｕで占める面積を増やせる。

【0037】

次に、第１実施形態の変形例について説明する。

【0038】

図７は、変形例による蒸留装置の断面図である。より具体的には図７は、ＸＺ平面における断面図である。図７に示すように蒸留装置１００は、トレイ４０の液受け部４２と気液接触部４４との間に整流部１０２を備える。整流部１０２は、液受け部４２と気液接触部４４の間に配置され、トレイ４０の上面４０ｕから上向きに立ち上がる整流板である。整流部１０２をなす整流板は、Ｙ軸に沿って液受け部４２の長さと同一の長さを有する１枚の壁である。整流部１０２を設けることにより、液受け部４２から気液接触部４４に液体が流れるときに上向きの流れを作り出せる。これにより、気液接触部４４と液受け部４２の境目近傍まで気液接触部の孔４８を形成したとしても、気体の流れの抵抗による液体の流れの阻害を抑制できる。

【0039】

また、変形例による蒸留装置１００は、排液部４６と仕切り板１８との間に配置されたデフレクター１０４を備える。デフレクター１０４は、排液部４６からダウンカマー流路６０の中間まで延びる板状部材である。デフレクター１０４の上端は、トレイ４０から排液部４６に液体が流れ込むＺ軸方向における高さよりも高い位置に設けられている。デフレクター１０４の下端の位置は特に限定されず、ダウンカマー流路６０の中間の位置にある。デフレクター１０４の両端（Ｙ軸に沿った両端）は、それぞれ周壁３２及び垂直壁部６２に固定されている。デフレクター１０４のＸ軸方向の位置としては、ダウンカマー流路６０の中央であることが好ましい。このようなデフレクター１０４を設けることにより、ダウンカマー流路６０に入った液体が堰構造５０の縁を乗り越えてからダウンカマー流路６０内で飛散する距離を短くできる。これにより、ダウンカマー流路６０内で気体と接触する距離を短くし、気液接触を抑制できる。

【0040】

図８は、更なる変形例による蒸留装置の断面図である。より具体的には図８は、ＸＺ平面における断面図である。図８に示すように蒸留装置２００は、気液接触部４４における液受け部４２との境界付近の孔４８の出口に案内蓋２０２が形成されている。

【0041】

図９は、案内蓋の形状を例示的に示す斜視図である。図９（ａ）及び図９（ｂ）に示すように案内蓋２０２は、気液接触部４４に向けて開口しており、仕切り板１８側が閉じられている。案内蓋２０２は、仕切り板１８側から気液接触部４４側に向けて高さが漸増する屋根形状を有していてもよい。また図９（ｃ）に示すように案内蓋２０２は、トレイに部分的に切り込みを入れて自由端を有する舌部分２０４を形成し、舌部分２０４を持ち上げた形状としてもよい。何れの場合でも、案内蓋２０２は、＋Ｘ方向かつ＋Ｚ方向に向けて延びる傾斜形状を有している。複数の孔４８を気体が通過すると、気体はそのまま上昇せず、案内蓋２０２に沿って気液接触部４４側に案内される。このような案内蓋２０２を設けることにより、気体がダウンカマー流路６０に向かうのを抑制できる。これにより、孔４８を気液接触部４４と液受け部４２の境界付近に形成でき、孔４８の数を増やせる。

【0042】

図１０は、更なる変形例による蒸留装置の断面図である。より具体的には図１０は、ＸＺ平面における断面図である。図１０に示すように蒸留装置３００は、ダウンカマー流路６０内に液体を一時的に滞留させる滞留構造３０２を備える。滞留構造３０２は、ダウンカマープレート５８の下端に設けられた蓋部材である。蓋部材には排出部としての複数の孔３０４が設けられており、ダウンカマー流路６０内に一時的に液体を溜め、一定量の液体だけを孔３０４からトレイ４０の液受け部４２に流す。これにより、トレイ４０の液受け部４２に流す液体の量を均一にできる。

【0043】

また、滞留構造３０２と、上述した案内蓋２０２とを併用してもよい。この場合、液受け部４２には、トレイの上面から下面に貫通する複数の孔３０６が形成されている。複数の孔３０６の開口上部には、下側から流れてきた気体を気液接触部４４の方向に案内する案内蓋２０２が形成されている。このように滞留構造３０２と案内蓋２０２とを併用することで、液受け部４２にも気体が通過する孔４８を形成でき、孔４８，３０６の数を増やせる。この場合、液受け部４２に形成された孔３０６は補助貫通孔として機能する。孔３０６を通して液受け部４２において気体を液体に当てることで、液受け部４２にて液体を気液接触させられる。

【0044】

次に、本発明の第２実施形態について説明する。

【0045】

図１１は、第２実施形態による蒸留装置の概略構成図である。第２実施形態による蒸留装置は、濃縮部及び回収部が１つずつ塔内に設けられた、いわゆる単式蒸留装置に関する。

【0046】

蒸留装置４００は、Ｚ軸に沿って延び、塔頂部及び塔底部が閉じられた円筒形状の蒸留塔４０２を有する。なお、蒸留塔４０２の延びる方向を軸方向と称することもある。蒸留装置４００の軸方向中間よりも塔頂側が濃縮部Ｄ４として機能し、塔底側が回収部Ｄ５として機能する。濃縮部Ｄ４と回収部Ｄ５が１つの蒸留カラムを構成する。蒸留塔４０２の塔頂側には凝縮器（コンデンサー）４１４が接続され、塔底側には再沸器（リボイラー）４１６が接続される。蒸留装置４００は、供給される原液から沸点の異なる成分Ｍ４、成分Ｍ５に富む液体を分離して取り出すために用いられる。

【0047】

蒸留塔４０２の内部には、上昇する蒸気と下降する液体とを接触させることで物質移動を行うための気液接触装置としてのトレイ４４０が配置されている。トレイ４４０としては、表面に無数の孔が形成され蒸留塔のＸＹ平面の断面形状に即した形状を有するプレートを用いることができる。なおトレイ４４０の詳細な構造については後述する。気液接触装置の一部として、プレートに替えて充填物を用いてもよい。充填物としては、例えば、板状体や網状体を波形等に加工し、蒸留塔のＸＹ平面の断面形状に合わせてブロック状に成形された規則充填物、又はリング状等に加工された固形物を多数集合させた不規則充填物を用いることができる。

【0048】

蒸留塔４０２には、原液を蒸留塔４０２内に供給するフィードノズル４２０が設けられている。また、蒸留塔４０２の頂部には、塔頂蒸気出口部４２４と還流液入口部４２６とが設けられている。塔頂蒸気出口部４２４と還流液入口部４２６は、蒸留塔４０２の外部に設けられた、気体（本実施形態では成分Ｍ４に富む気体）を冷却して液化させる凝縮器４１４に接続されている。凝縮器４１４は、蒸留塔４０２と一体に設けられてよい。また、蒸留塔４０２の底部には、塔底出口部４２８と塔底蒸気入口部４３０とが設けられている。塔底出口部４２８及び塔底蒸気入口部４３０は、蒸留塔４０２の外部に設けられた、液体（本実施形態では成分Ｍ５に富む液体）を加熱して蒸発させる再沸器４１６に接続されている。再沸器４１６は、蒸留塔４０２と一体に設けられてもよい。

【0049】

充填物又はトレイのうち、どのセクションにどの種類の気液接触装置を配置するかについては原液の種類に応じて適宜選択可能である。例えば、フィードノズル４２０よりも上側にある濃縮部Ｄ４内の気液接触装置として充填物を用い、フィードノズル４２０よりも下側にある回収部Ｄ５内の気液接触装置としてトレイを用いることができる。これにより、比較的洗浄がし易いトレイを、比較的汚れが発生し易い位置に配置できる。

【0050】

次に、トレイの構造について詳述する。図１２は、蒸留装置の斜視図である。より具体的には図１２は、蒸留装置４００の一部を取り除いた状態を示す。図１２中の複数の矢印は液体が流れる経路を示す。

【0051】

図１２に示すように、蒸留塔４０２内には、液体と気体とを接触させるために用いられるトレイ４４０が内蔵されている。トレイ４４０の数は、１つであっても良いし複数であってもよい。トレイ４４０は、略半円形状の上面４４０ｕ及び下面４４０ｌを備える薄い板で形成される。

【0052】

トレイ４４０は、弦ＣｈがＹ軸に沿って延びるよう、かつ上面４４０ｕ及び下面４４０ｌがＸＹ平面と平行になるよう配置される。図示の例では２つのトレイ４４０が、互いの弦Ｃｈが隣接するよう配置され、蒸留塔４０２内にはこれら２つのトレイ４４０が複数段形成されている。２枚のトレイ４４０をＺ軸方向から見たときに２枚のトレイ４４０が略円形をなす。このとき、Ｙ軸と平行に延びる弦Ｃｈの＋Ｘ側に１枚のトレイ４４０が配置され、－Ｘ側に１枚のトレイ４４０が配置される。つまり、蒸留塔４０２をＺ軸方向から見たときに、２つの弦Ｃｈの両側にそれぞれ複数のトレイ４４０の層が形成されている、とも言える。

【0053】

蒸留塔４０２内には、水平方向に隣接する２つのトレイ４４０の間、つまり２つのトレイ４４０の弦Ｃｈに沿った位置に仕切り板４１８が設けられる。仕切り板４１８は、弦Ｃｈから上向きに延び、水平方向に隣接する２つのトレイ４４０の間で液体が行き来するのを防ぐ。トレイ４４０の弧Ｒは、トレイ４４０の周囲に配置された蒸留塔４０２の周壁４３２の内面と接触するように配置される。トレイ４４０は、Ｚ軸方向から見たときに仕切り板４１８と周壁４３２で囲まれており、±Ｚ方向において実質的に蒸留塔４０２内の空間を仕切る。

【0054】

トレイ４４０の上面４４０ｕは、＋Ｚ方向（塔頂側）にある上段のトレイ４４０から流れてきた液体を受ける液受け部４４２と、液受け部４４２に隣接して配置され気体と液体とを気液接触させる気液接触部４４４と、気液接触させた液体を－Ｚ方向（下方）にある下段のトレイ４４０に向けて流すための排液部４４６とで形成される。液体は、液受け部４４２によって受け止められ、気液接触部４４４を通過して排液部４４６に流れる。

【0055】

液受け部４４２と排液部４４６は弦Ｃｈに沿って設けられる。より具体的には、トレイ４４０の弦Ｃｈを二等分したときに一方の側（図示の＋Ｘ側にある上段のトレイの例では＋Ｙ方向側）に液受け部４４２が形成され、他方の側（図示の＋Ｘ側にある上段のトレイの例では－Ｙ方向側）に排液部４４６が形成される。液受け部４４２は、弦Ｃｈから＋Ｘ側に向けて所定幅だけ広がり、かつ仕切り板４１８の主面に沿ってＹ軸方向に延びる、略長方形状の領域である。排液部４４６は、弦Ｃｈから＋Ｘ側に向けて所定幅だけ広がり、かつ仕切り板４１８の主面と平行に延びる、略長方形状の開口である。換言すればトレイ４４０と仕切り板４１８との間に所定幅の開口が設けられており、この開口が排液部４４６となる。

【0056】

気液接触部４４４は、トレイ４４０の上面４４０ｕの大部分を占める略半円形状の領域である。気液接触部４４４には、トレイ４４０の上面４４０ｕから下面４４０ｌに貫通する複数の孔４４８が形成されている。孔４４８の大きさは、下面４４０ｌから上面４４０ｕに向けて流れる気体の圧力により、上面４４０ｕから下面４４０ｌに向けて液体が流れないように決定される。

【0057】

トレイ４４０は、堰構造４５０を備えていてもよい。堰構造４５０は、気液接触部４４４と排液部４４６との間に設けられ、トレイ４４０の上面４４０ｕから＋Ｚ方向に立ち上がる壁により形成される。堰構造４５０を設けることにより、気液接触部４４４上の液深を保つことができる。堰構造４５０は、Ｙ軸に沿って排液部４４６と同一の長さを有する一枚の壁であってもよいし、Ｙ軸に沿って間欠的に隙間が形成された不連続な壁であってもよい。

【0058】

液受け部４４２と排液部４４６との間にはバッフルプレート４５２が設けられていることが好ましい。バッフルプレート４５２は、液受け部４４２に流れてきた液体が気液接触部４４４を通過する際に、予め決定された経路に従わずに流れるのを防止する。つまりバッフルプレート４５２は、液体のガイドとして機能する。バッフルプレート４５２は、トレイ４４０の上面４４０ｕに設けられ、仕切り板４１８の主面からＸＺ平面と平行に±Ｘ方向に延びる板である。バッフルプレート４５２は、仕切り板４１８の主面からＸ軸に沿う方向において気液接触部４４４の中央付近まで延びていることが好ましい。

【0059】

図１３は、蒸留装置の斜視図である。図１３に示すように、バッフルプレート４５２のＸ軸に沿った長さを調整可能にしてもよい。この場合、バッフルプレート４５２の＋Ｘ側先端に延長部４５４を設ける。延長部４５４は、ビス等の固定手段４５６を用いてバッフルプレート４５２の本体に対してＸ軸に沿った任意の位置で固定可能とされる。延長部４５４の位置をバッフルプレート４５２に対して調整可能とすることで、バッフルプレート４５２の＋Ｘ方向に向けた突出長さを調整できる。

【0060】

図１２に戻り、蒸留装置４００は、さらに複数のダウンカマープレート４５８を備える。ダウンカマープレート４５８は、上段のトレイ４４０から下段のトレイ４４０に向けて、且つ弦Ｃｈを挟んでＸ軸方向反対側に向けて液体を流す流路４６０（以下、「ダウンカマー流路４６０」という）を定める。ダウンカマープレート４５８は、対向する一対のプレート４５８Ａ及びプレート４５８Ｂを有する。一対のプレート４５８Ａ及びプレート４５８Ｂは、Ｙ軸方向における一方の端が閉じられており、他方の端が周壁４３２に固定される。したがってダウンカマー流路４６０は、ＸＹ平面において周壁４３２、プレート４５８Ａ、及びプレート４５８Ｂによって囲まれた閉断面として形成される。一対のプレート４５８Ａ及びプレート４５８Ｂは、Ｘ軸方向に離れて配置される。ダウンカマー流路４６０は、一対のプレート４５８Ａ及びプレート４５８Ｂの間に形成される。ダウンカマー流路４６０は、Ｚ軸に対して傾斜している。仕切り板４１８の位置をＸ軸の原点と仮定して、ダウンカマープレート４５８により接続される２つのトレイ４４０のうち、上段のトレイ４４０が＋Ｘ側にあり下段のトレイ４４０が－Ｘ側にある場合、一対のプレート４５８Ａ及びプレート４５８Ｂの上側部分は＋Ｘ側において塔底側に向けて延び、下側部分は－Ｘ側に向けて傾斜している。つまりダウンカマー流路４６０の入口は弦Ｃｈの＋Ｘ側に形成され、出口は弦Ｃｈの－Ｘ側に形成される。反対にダウンカマープレート４５８により接続される２つのトレイ４４０のうち、上段のトレイ４４０が－Ｘ側にあり下段のトレイ４４０が＋Ｘ側にある場合、一対のプレート４５８Ａ及びプレート４５８Ｂの上側部分は－Ｘ側において塔底側に向けて延び、下側部分は＋Ｘ側に向けて傾斜している。つまりダウンカマー流路４６０の入口は弦Ｃｈの－Ｘ側に形成され、出口は弦Ｃｈの＋Ｘ側に形成される。

【0061】

１つの段は２つのトレイ４４０により構成されているため、上段のトレイ４４０から下段のトレイ４４０に向かうダウンカマープレート４５８及びダウンカマー流路４６０は各段の間に２つずつ設けられる。これら２つのダウンカマー流路４６０は、Ｙ軸方向においては隣接して配置され、且つ蒸留塔４０２を側面から（Ｙ軸に沿って）見たときに文字Ｘを描くよう交差している。このようなダウンカマー流路４６０の配置により、蒸留塔４０２内の空間を効率的に使用できる。

【0062】

ダウンカマー流路４６０の入口は排液部４４６と連続しており、ダウンカマー流路４６０の出口は、下段のトレイ４４０の液受け部４４２からＺ軸方向に所定距離だけ離れた位置にある。排液部４４６に入った液体は、ダウンカマー流路４６０に沿って下段のトレイ４４０に流れる。ダウンカマー流路４６０内では気液接触を行わせないことが好ましい。これを実現するためには、例えばダウンカマー流路４６０内に気体が入り込まないように、ダウンカマー流路４６０の真下にある液受け部４４２は気体を通さない構造とすることが好ましい。

【0063】

図１４及び図１５は、蒸留装置の断面図である。具体的には図１４は、ＸＹ平面に沿った断面図である。また図１５は、図１４に示すトレイの下段にあるトレイを示すＸＹ平面に沿った断面図である。図１６は、蒸留装置の断面図である。具体的には図１６は、ＸＺ平面に沿った断面図である。図１６において上側に配置されたトレイ４４０は図１４によって示され、下側に配置されたトレイ４４０は図１５によって示されるものとする。以下、必要に応じて該当図面における右側にあるトレイに関する説明については「トレイ４４０Ｒ」と称し、左側にあるトレイに関する説明については「トレイ４４０Ｌ」と称することがある。

【0064】

図１４乃至図１６に示すように、隣接する２つのトレイ４４０Ｒ，４４０Ｌは、蒸留塔４０２の中心軸周りに１８０度回転させたような位置関係を有する。したがって２つのトレイ４４０のうちダウンカマー流路４６０の入口及び出口の位置も１８０度回転させた位置関係を有する。図１４乃至図１６に示すように、上段の右側のトレイ４４０Ｒの排液部４４６から一方のダウンカマー流路４６０に入った液体は、下段の左側のトレイ４４０Ｌの液受け部４４２に供給される。また、上段のトレイ４４０Ｌの排液部４４６から他方のダウンカマー流路４６０に入った液体は、下段のトレイ４４０Ｒの液受け部４４２に供給される。

【0065】

以下、図１１及び図１４乃至図１６を参照しながら蒸留装置４００の作用について説明する。

【0066】

図１１を参照して、フィードノズル４２０から原液が蒸留装置４００に供給されると、成分Ｍ４に富む気体が上側に向けて流れ、成分Ｍ５に富む液体が下側に向けて流れる。成分Ｍ４に富む気体はトレイ４４０の孔４４８を通過しながら塔頂部に到達する。気体の一部は塔頂蒸気出口部４２４から回収され、残りは凝縮器４１４にて液化されて蒸留塔４０２内に戻される。蒸留塔４０２に戻された液体は、最上段のトレイ４４０のうち、＋Ｘ側又は－Ｘ側のトレイの何れかに供給される。液体は、塔頂部から塔底部に至る２つの流路のうちの一方を通って塔底部に向けて流れる。

【0067】

フィードノズル４２０から供給された原液のうち成分Ｍ５に富む液体は、２つの流路のいずれかの中間から流路に供給され塔底部に流れる。成分Ｍ５に富む液体の一部は、塔底部の塔底出口部４２８から回収され、残りの液体は再沸器４１６にて気化されて蒸留塔４０２内に戻される。再沸器４１６で発生した気体は、トレイ４４０の孔４４８を通過しながら塔頂部に向けて上昇する。

【0068】

図１４乃至図１６を参照して、登頂部から塔底部に向けて流れる液体は、２つの流路に沿って矢印Ｄ又は矢印Ｅに示すように流れる。一方の流路を通る液体は、矢印Ｄにより示すように、上段のトレイ４４０Ｒにてバッフルプレート４５２の先端側を通ってトレイ４４０Ｒの周方向に流れ、ダウンカマー流路４６０を通って下段のトレイ４４０Ｌに供給される。他方の流路を通る液体は、矢印Ｅにより示すように、上段のトレイ４４０Ｌにてバッフルプレート４５２の先端側を通ってトレイ４４０Ｌの周方向に流れ、ダウンカマー流路４６０を通って下段のトレイ４４０Ｒに供給される。双方の流路において液体は、トレイ４４０の気液接触部４４４にて塔底側から上昇してくる気体と接触する。各段にて同様の処理を繰り返し行うことで取り出される成分の純度が高くなり、蒸留塔４０２内より純度の高い成分Ｍ４及び成分Ｍ５を取り出せる。

【0069】

図１７乃至図１９は、比較例による蒸留装置の断面図である。具体的には図１７は、従来技術による蒸留装置を、図１６と同一の断面で示す。図１８及び図１９はそれぞれ、図１４及び図１５と同一の断面で示す。

【0070】

図１７乃至図１９に示すように、従来技術による蒸留装置１０００は、円形のトレイ１００２の一方の端に液受け部１００４を設け反対の端に排液部１００６を設けていた。このような蒸留装置１０００を用いた場合、液体は矢印Ｆ及び矢印Ｇに示す方向に流れる。矢印Ｆ及び矢印Ｇは、トレイ１００２の一方の端からトレイ１００２の直径に沿って他方の端に向けて延びる。つまり従来技術による蒸留装置１０００では、１つのトレイ１００２上でトレイ１００２の直径Ｌ１よりも短い距離Ｌ２に渡り気液接触を行っていた。距離Ｌ２は、液受け部１００４のトレイ中心側の端部から液受け部１００４の中心側の端部までの距離に相当する。径の小さい蒸留装置では距離Ｌ２は、直径の６０％程度である（つまりＬ２＝０．６Ｌ１）。

【0071】

図２０は、従来技術による蒸留装置における気相中の成分Ｍ５の濃度勾配を示す。同図では、図１７乃至図１９におけるトレイ１００２上の各点Ｐ１～Ｐ４における濃度勾配を示す。図１７乃至図２０に示すように、点Ｐ２と点Ｐ３はＺ軸に沿って同一直線上にあるため上段のトレイ１００２の排液部１００６付近の点Ｐ２における濃度勾配と、下段のトレイ１００２の液受け部１００４付近の点Ｐ３における濃度勾配は同一である。一般的に気液接触による気相－液相間の物質移動量は、気相中の成分濃度差の影響を受けることが知られている。点Ｐ２及び点Ｐ３においては勾配の差が少ないため、特に点Ｐ３の下流側においては物質移動量が少ないものと考えられる。

【0072】

第２実施形態による蒸留装置４００は、従来技術による蒸留装置１０００と比較して気液接触を行える距離を長くし、且つ物質移動を促進できる。以下、この点について説明する。

【0073】

図２１乃至図２３は、実施形態による蒸留装置の断面図である。図２１乃至図２３は、それぞれ図１７乃至図１９と同一の断面を示す。また図２４は、実施形態による蒸留装置における気相中の成分Ｍ５の濃度を示し、図２０に相当する図である。

【0074】

図２１乃至図２３に示すように、実施形態による蒸留装置４００は、各トレイ上において大凡、直径Ｌ１／２の円の半周分の距離Ｌ３にわたり気液接触を行える。つまり距離Ｌ３は、Ｌ１π／４（≒０．８Ｌ１）となる。このように、周方向に液体を流す構造を採用することで各トレイ上において気液接触を行える距離を長くできる。

【0075】

また、従来技術による蒸留装置１０００は１段のトレイ上で距離Ｌ２（＝０．６Ｌ１）にわたってか気液接触を行えない。これに対して実施形態による蒸留装置は１段に２枚のトレイ４４０が備えられているため、実質的に距離Ｌ３の２．５倍（＝１．６Ｌ１）にわたり気液接触を行える。つまり実施形態による蒸留装置は、従来技術と比較して処理量が大幅に増加していることが分かる。

【0076】

また図２４では、図２１乃至図２３における各点Ｐ５～Ｐ８における成分Ｍ５の濃度勾配を示す。図２２の右側のトレイ４４０から図２３の左側のトレイ４４０に向かう流路に着目すると、上段のトレイ４４０の排液部４４６付近の点Ｐ６における濃度勾配と、下段のトレイ４４０の液受け部４４２付近の点Ｐ７における濃度勾配は異なる。この濃度勾配の差により、液体が段を移動した直後にも気相－液相間で物質移動を促せる。

【0077】

このような蒸留装置４００によれば、液体を軸方向に流してから方向転換をさせて周方向に流して気液接触を行わせられる。これにより、装置を大型化することなく液体が気体と接触する経路を長くできる。また、液受け部４４２と排液部４４６とをトレイ４４０の弦Ｃｈに沿って並べて配置することで、気液接触部４４４の面積を大きくできる。これによりトレイ４４０の表面における孔４４８の数や孔４４８がトレイ４４０の上面４４０ｕで占める面積を増やせ、蒸留装置４００全体の処理量を増加させられる。この傾向は、特に蒸留装置４００の径が小さい場合に顕著に表れる。つまり、蒸留装置４００の周壁４３２内部にはトレイ４４０の他に様々な構成部品が収納されるが、構成部品の大きさは蒸留装置４００の径に関わらず略同一である。したがって、径が小さい蒸留装置４００においては周壁４３２の内部空間において構成部品が占める容積が大きくなる。構成部品の占める容積が大きくなると、孔４４８の数（孔４４８の実際の数ではなく、処理に寄与する孔４４８の数）が減少する。蒸留装置４００のように気液接触部４４４の面積を大きくして処理に寄与する孔４４８の数を増やすことで、蒸留装置４００全体の処理量を増加させられる。

【0078】

また単式蒸留装置においては、塔底部付近において蒸気負荷が低くなる傾向がある。この傾向は特に径が小さい蒸留装置において強く表れる。第２実施形態による蒸留装置４００では、気液接触を行える距離を長くできるため、蒸気負荷が比較的低い傾向にある塔底部においても安定して気液接触を行える。

【0079】

次に、第２実施形態の変形例について説明する。

【0080】

図２５は、変形例による蒸留装置の斜視図である。図２５に示すように蒸留装置５００は、トレイ４４０の液受け部４４２と気液接触部４４４との間に整流部５０２を備える。整流部５０２は、液受け部４４２と気液接触部４４４の間に配置され、トレイ４４０の上面４４０ｕから上向きに立ち上がる整流板である。整流部５０２をなす整流板は、Ｙ軸に沿って液受け部４４２の長さと同一の長さを有する１枚の壁である。整流部５０２を設けることにより、液受け部４４２から気液接触部４４４に液体が流れるときに上向きの流れを作り出せる。これにより、気液接触部４４４と液受け部４４２の境目近傍まで気液接触部の孔４４８を形成したとしても、気体の流れの抵抗による液体の流れの阻害を抑制できる。

【0081】

図２６は、更なる変形例による蒸留装置の斜視図である。また、図２６に示すようにＹ軸に沿って整流部５０２に間欠的な切込みを入れてもよい。この場合、整流部５０２は、液体の上向きの流れを作り出すとともに、流れをＹ軸方向に分散させる分散構造としても機能する。

【0082】

図２７は、変形例による蒸留装置の断面図である。変形例による蒸留装置５５０は、プレート４５８Ａとプレート４５８Ｂとの間に配置されたデフレクター５５４を備える。デフレクター５５４は、排液部４４６からダウンカマー流路４６０の中間まで延びる板状部材である。デフレクター５５４の上端は、トレイ４４０から排液部４４６に液体が流れ込むＺ軸方向における高さよりも高い位置に設けられている。デフレクター５５４の下端の位置は特に限定されず、ダウンカマー流路４６０の中間の位置であればどこでもよい。デフレクター５０４の両端（Ｙ軸に沿った両端）は、それぞれ周壁４３２及びバッフルプレート４５２（図１２参照）に固定されている。デフレクター５５４のＸ軸方向の位置としては、ダウンカマー流路４６０のＸ軸方向中央であることが好ましい。このようなデフレクター５０４を設けることにより、ダウンカマー流路４６０に入った液体が堰構造４５０の縁を乗り越えてからダウンカマー流路４６０内で飛散する距離を短くできる。これにより、ダウンカマー流路４６０内で液体が気体と接触する距離を短くできる。

【0083】

図２８は、更なる変形例による蒸留装置の断面図である。より具体的には図２８は、ＸＺ平面における断面図である。図２８に示すように蒸留装置６００は、気液接触部４４４における液受け部４４２との境界付近の孔４４８の出口に案内蓋６０２を備える。案内蓋６０２の下側に形成された孔４４８は、液受け部４４２から流れて来た液体を拡散させる拡散用貫通孔としても機能する。つまり気体が孔４４８を貫通して案内蓋６０２の下面に当たることで液受け部４４２から液体の流れ方向下流側に向けた気体の流れを作り出す。これにより、液体を拡散させて下流側に向けて流せる。

【0084】

図２９は、案内蓋の形状を例示的に示す斜視図である。図２９（ａ）及び図２９（ｂ）に示すように案内蓋６０２は、気液接触部４４４に向けて開口しており、反対側が閉じられている。案内蓋６０２は、気液接触部４４４側に向けて高さが漸増する屋根形状を有していてもよい。また図２９（ｃ）に示すように案内蓋６０２は、トレイに部分的に切り込みを入れて自由端を有する舌部分６０４を形成し、舌部分６０４を持ち上げた形状としてもよい。何れの場合でも、案内蓋６０２は、＋Ｘ方向かつ＋Ｚ方向に向けて伸びる傾斜形状を有している。複数の孔４４８を気体が通過すると、気体はそのまま上昇せず、案内蓋６０２に沿って気液接触部４４４側に案内される。このような案内蓋６０２を設けることにより、気体がダウンカマー流路４６０に向かわないようにすることができる。これにより、孔４４８を気液接触部４４４と液受け部４４２の境界付近に形成でき、孔４４８の数を増やせる。

【0085】

図３０は、更なる変形例による蒸留装置の斜視図であり、図３１は同蒸留装置の断面図である。より具体的には図３１は、ＸＺ平面における断面図である。図３０及び図３１に示すように蒸留装置７００は、ダウンカマー流路４６０内に液体を一時的に滞留させる滞留構造７０２を備える。滞留構造７０２は、ダウンカマープレート４５８の下端に設けられた蓋部材である。滞留構造７０２には複数の孔７０４（排出部に相当）が設けられている。滞留構造７０２により、ダウンカマー流路４６０内に一時的に液体を溜め、一定量の液体だけをトレイ４４０の液受け部４４２に流せる。これにより、トレイ４４０の液受け部４４２に流す液体の量を均一にできる。

【0086】

また、図３１に示すように滞留構造７０２と、上述した案内蓋６０２とを併用してもよい。この場合、液受け部４４２には、トレイ４４０の上面から下面に貫通する複数の孔７０６が形成される。複数の孔７０６の開口上部には、下側から流れてきた気体を気液接触部４４４の方向に案内する案内蓋６０２が形成されている。このように滞留構造７０２と案内蓋６０２とを併用することで、液受け部４４２にも気体が通過する孔７０６を形成でき、トレイ４４０を貫通する孔の数を増やせる。この場合、案内蓋６０２の下にある孔７０６は、滞留構造７０２の孔７０４から排出された液体を拡散させる排出液拡散用貫通孔としても機能する。また、案内蓋６０２は、滞留構造７０２の孔７０４から排出された液体を拡散させる拡散構造としても機能する。この構成により、液体が案内蓋６０２の上面に当たることで液体が液受け部４４２内で拡散して下流側に向けて流れる。

【0087】

図３２及び図３３は、更なる変形例による蒸留装置の断面図である。図３２は、ＸＹ平面に沿った断面図を示し、図３３はＸＺ平面に沿った断面図を示す。図３２及び図３３に示すように、蒸留塔４０２内を上面視したときにフィードノズル４２０が液受け部４４２の真上に位置するようフィードノズル４２０を配置してもよい。蒸留塔４０２内で液体及び気体が循環している間もフィードノズル４２０からは原液が追加され続けるため、フィードノズル４２０は処理液追加部に相当する。この例ではフィードノズル４２０は、塔底側且つ仕切り板４１８の側に向けて原液を排出する複数の排出口を有し、液受け部４４２の方向に向けて原液を供給する。この構成により、原液をＹ軸に沿って均一に供給できる。

【0088】

図３４及び図３５は、更なる変形例による蒸留装置の断面図である。図３４はＸＺ平面に沿った断面図を示す。図３４に示すように、フィードノズル４２０をダウンカマープレート４５８近傍に配置してもよい。より具体的にはフィードノズル４２０は、一対のプレート４５８Ａ及びプレート４５８Ｂのうち、液体の流れる方向下流側にあるプレート４５８Ｂに向けて原液を供給するよう配置される。フィードノズル４２０は、高さ方向において上段のトレイ４４０と下段のトレイ４４０の中間に配置されることが好ましい。図示の例では、フィードノズル４２０はプレート４５８Ｂの斜面に向けて原液を供給するよう配置されている。プレート４５８Ｂの鉛直な面に向けて原液を供給するようフィードノズル４２０を配置してもよい。このような構成により、原液が液体の流れに混ざる前に原液を一度プレート４５８Ｂの表面に当てられる。これにより、原液がプレート４５８Ｂの表面に沿って一様に分散し、原液をＹ軸に沿って均一に供給できる。

【0089】

本発明は上述の実施形態又はその変形例に限定されるものではなく、各構成は発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

【産業上の利用可能性】

【0090】

本発明は、蒸留装置の分野において産業上利用性を有する。

【符号の説明】

【0091】

１０ 蒸留装置、 １８ 板、 ３２ 周壁、 ４０，４０ａ，４０ｂ トレイ、 ４０ｌ 下面、 ４０ｕ 上面、 ４２ 部、 ４４ 気液接触部、 ４６ 排液部、 ４８ 孔、 ５２ バッフルプレート、 ５８，５８ａ，５８ｂ ダウンカマープレート、 ６０ ダウンカマー流路、 ６０ 流路、 ６０ａ，６０ｂ ダウンカマー流路、 １００ 蒸留装置、 １０２ 整流部、 １０４ デフレクター、 ２００ 蒸留装置、 ３００ 蒸留装置、 ３０２ 滞留構造、 ３０４，３０６ 孔、 ４００ 蒸留装置、 ４１８ 板、 ４３２ 周壁、 ４４０ トレイ、 ４４０ 気液接触装置、 ４４０Ｌ，４４０Ｒ トレイ、 ４４０ｌ 下面、 ４４０ｕ 上面、 ４４２ 部、 ４４４ 気液接触部、 ４４６ 排液部、 ４４８ 孔、 ４５２ バッフルプレート、 ４５８ ダウンカマープレート、 ４５８Ａ，４５８Ｂ プレート、 ４６０ ダウンカマー流路、 ４６０ 流路、 ５００ 蒸留装置、 ５０２ 整流部、 ５０４ デフレクター、 ５５０ 蒸留装置、 ５５４ デフレクター、 ６００ 蒸留装置、 ７００ 蒸留装置、 ７０２ 滞留構造

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】

【図28】

【図29】

【図30】

【図31】

【図32】

【図33】

【図34】

【図35】