蒸留

沸点差を利用して混合物を分離・濃縮する操作のことを蒸留といいます。化学プラントや石油プラントで最もよく使用されている分離方法です。

Txy線図、Pxy線図のような線図上において、沸点曲線と露点曲線を平行に繋いだ線をタイラインといい、この線上で物質収支が成り立つ関係のことをてこの原理といいます。

ある2成分がどれだけ蒸留分離しやすいのかを示す指標を相対揮発度、もしくは比揮発度といいます。相対揮発度αABがわかれば気液平衡曲線が書けるため、蒸留において重要な指標と言えます。

蒸留塔の塔頂から流出した蒸気を凝縮させて液にし、塔内へ戻す操作のことを還流といいます。精留塔においては還流をすることが必須条件になっています。

充填塔の操作において液流速を一定に保ち、ガス速度を増加させていった場合に、ガス速度がある値を超えると、ガスの圧力損失が急激に増加し、液ホールドアップが増加し始めます。この点をローディング、もしくはローディング点といい、このときのガス速度をローディング速度といいます。

充填塔の操作においてガス速度を速くし過ぎると、液が塔内を流下できなくなりガスによって持ち上げられてしまいます。この結果、塔底から液が出てこなくなり塔頂から液が溢れ出します。この状態をフラッディング(溢汪　いつおう)といい、フラッディングが始まる点をフラッディング点と呼びます。

塔内のガス流速が速い場合に、トレイ上や充填物表面の液滴がガスに同伴し上段へ運ばれる現象をエントレインメント(飛沫同伴)といいます。

ある2成分の気液平衡関係を表わすグラフのことをxy線図といいます。2成分のうち沸点が低い方をプロットするのが蒸留分野の慣習となっています。

ある2成分において、圧力を一定とした場合の液相組成x、気相組成y、温度Tの関係を表わすグラフのことをTxy線図といいます。

ある2成分において、温度を一定とした場合の液相組成x、気相組成y、圧力Pの関係を表わすグラフのことをPxy線図といいます。

塔内にトレイ(棚段)を設置し、トレイ上に保持されている液中にガスを分散させて気液接触させる装置のことを棚段塔といいます。

棚段塔に使用される液を保持するための板をトレイ(棚段)といいます。トレイ上に保持した液と塔底から登ってくるガスを接触させるために、トレイにはガスの通り穴が多数空いています。

棚段塔において、トレイの小孔(ガスの通り穴)から液が漏れる現象をウィーピングといいます。
ウィーピングが起こっても塔を運転することはできますが、トレイ上の液深が低くなり気液接触の効率が悪化してしまいます。

充填塔内にランダムに充填するタイプの充填物を不規則充填物といいます。詳細な設計データは各文献やカタログ、計算ソフトに任せるとして、ここでは代表的な充填物を各世代ごとに簡単に紹介します。

規則充填物とは、充填塔内に設置した充填物が規則的な構造を持っているもののことをいいます。トレイと比較して規則充填物は圧力損失が少ないため、特に真空蒸留系に好んで使用されるようになりました。

HETPはHeight Equivalent to a Theoretical Plateの略で、理論段数1段と同等の性能となる充填高さを表わします。段塔の考え方である理論段数をそのまま充填塔に利用できるため、非常に便利な指標です。

蒸留計算の手法自体は確立されているのですが、蒸留塔の能力計算となると途端に実測値と計算値が合わなくなることがよくあります。本記事では、化学メーカーの設計担当者が実務で既設プラントの蒸留計算をするときに気をつけていることを5つ紹介します。

理論段数を作図で簡便に求める方法のことを、McCabe-Thiele(マッケーブ-シール)の階段作図といいます。この方法は蒸留塔の操作を図で表すことで、蒸留操作を直感的に理解できる点が非常に優れています。

理想的な条件を考えると、トレイの各段では気液平衡に達しています。このときに、要求される塔出口のスペックを満たすために必要なトレイ段数のことを理論段数といいます。