トレイの種類と選び方|シーブ・バルブ・バブルキャップ

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トレイ塔に決めたら、次はどのトレイを使うかです。

選択肢は実質3つ。シーブ（多孔板）・バルブ・バブルキャップ（泡鐘）です。歴史的には主役が交代してきました。その理由を知ると、選び方が見えてきます。

この記事は蒸留シリーズ「塔の設計判断」の1本です。全体像は蒸留の完全ガイドにまとめています。

1. トレイ1枚の構造

形式の前に、どのトレイにも共通する3つの部品を押さえます。

• 気液接触部：穴やキャップ。下から来た蒸気がここを抜けて液に入る。形式の違いはここ
• ウェア（堰）：液の高さを決める堰。液深＝接触時間を作る。高いほど効率は上がるが圧力損失も増える
• ダウンカマー：液が下の段へ降りる通路。ここが詰まると即フラッディング

蒸気は穴を上へ、液はウェアを越えてダウンカマーを下へ。この直交する2つの流れが1段の中で成立していることが、トレイが機能する条件です。

2. 3つの形式

3. なぜ主役が入れ替わったのか

かつての主役はバブルキャップでした。穴の上にキャップを被せた構造で、蒸気はキャップ側面のスロットから液に入ります。この構造だと蒸気が止まっても液が抜けない——液シールが効くので、低負荷でも段が死にません。

ただし部品点数が多く高価で、圧力損失も大きい。キャップの中に汚れも溜まります。

これを置き換えたのがシーブトレイです。板に穴を開けただけで、安く、軽く、圧力損失も小さい。弱点は「低負荷で液が漏れる」ことでした。

この弱点が実用上の問題にならなくなった理由が、データの蓄積です。FRI（Fractionation Research Inc.）による詳細な実験により、シーブトレイは安定した性能が発揮できるようになりました。どこまで負荷を下げられるか、どう設計すれば漏れないかが分かったので、安価な形式を安心して使えるようになったわけです。

これは段効率の話と同じ構図です。予測できない量は、実験データの蓄積が埋める。設計の進歩は理論だけでは起きません。

4. バルブトレイを選ぶとき

バルブトレイは、穴の上に動く弁板を載せた形式です。蒸気が多いと弁が持ち上がって開口が広がり、少ないと下がって塞がる。開口面積が負荷に応じて変わるのが本質です。

これにより広い安定操作範囲が得られます。低負荷では弁が閉じるのでウィーピングを抑えられる。ターンダウンが要求される塔ではバルブトレイが有力です。

選ぶときの注意点は可動部があることです。

• 重合しやすい系・析出する系では弁が固着する。固着した弁は開いたままか閉じたままになり、性能が読めなくなる
• 長期運転では弁の摩耗・脱落がある。定期修理で目視確認する項目になる

汚れる系ではシーブの単純さが効きます。「動く部品がない」こと自体が信頼性だという判断です。

5. ダウンカマーを軽視しない

形式の議論は接触部に集まりがちですが、実務でトラブルになるのはダウンカマー側のことが多いです。

ダウンカマーは液が下りる通路であると同時に、液に同伴した泡を抜く場所でもあります。ここで気泡が抜けきらないと、見かけの液密度が下がって流れにくくなり、液が溜まる。溜まればフラッディングです。

だからダウンカマーには必要な滞留時間が要ります。発泡しやすい系ほど余裕が必要で、そのぶん断面を取ると気液接触部が狭くなる。塔断面をどう配分するかという設計判断がここにあります。

ユーザー側として仕様書で伝えるべきは、系が発泡するかどうかです。これはメーカーには分かりません。運転経験や小試験から分かっているなら、必ず伝えてください。

まとめ

トレイはシーブ・バルブ・バブルキャップの3形式で、現在の標準はシーブです。安く単純で、FRIの実験データにより性能が確立したことが普及の理由でした。ターンダウンが要るならバルブトレイですが、可動部の固着に注意します。そして形式より効いてくるのがダウンカマーの設計で、発泡性の情報はユーザー側からしか出せません。

次の記事：充填物の種類と選び方｜規則充填と不規則充填

参考文献

• 大江修造『絵とき「蒸留技術」基礎のきそ』日刊工業新聞社, 2008, 第4章（棚段および充填物の例。シーブトレイとFRIの実験、バブルキャップからの置き換え、バルブトレイの安定操作範囲）　Amazonで見る
• 化学工学会編『化学工学便覧 改訂五版』丸善, 第9章 9・11「棚段塔」（トレイの水力学、ダウンカマーの滞留時間）　最新版をAmazonで見る
• 『プロセス機器構造設計シリーズ2 塔槽類』化学工業社（トレイ形式と製作コスト）