放散塔（ストリッピング）とは？原理・操作線・最小ガス量を例題で解説

液体に溶けている揮発性成分を取り除きたい。吸収液から溶質を回収し、液を再利用したい。このようなときに使われる代表的な分離操作が放散（ストリッピング）です。

放散塔では、溶質を含む液体と空気・窒素・水蒸気などのガスを接触させ、溶質を液相から気相へ移します。吸収塔とは成分移動の向きが反対であり、平衡線と操作線の位置関係も逆になります。

放散塔（ストリッピング）とは

放散塔は、液体中に溶けている揮発性成分を、接触させたガスへ移して除去・回収する装置です。英語では stripper または stripping column と呼ばれます。日本語では放散塔、脱気塔、ストリッパーなどの名称が使われます。

代表的な用途は次のとおりです。

• 地下水や排水から揮発性有機化合物（VOC）を空気へ移す
• 水中のアンモニア、二酸化炭素、溶存ガスを除去する
• 吸収工程で溶質を取り込んだ吸収液を再生する
• 液体から軽沸成分や残留溶媒を除去する
• 水蒸気を使って有機成分を留去する

放散は、液相から気相への物質移動操作です。単にガスを吹き込めばよいのではなく、気液平衡、ガス量、接触面積、温度、圧力、物質移動速度が性能を決めます。

吸収と放散の違い

項目	吸収	放散・ストリッピング
溶質の移動方向	気相から液相	液相から気相
主な目的	ガスの精製、成分回収	液の精製、溶質回収、吸収液再生
分離剤	吸収液	空気、窒素、水蒸気などのストリッピングガス
\(Y\)-\(X\) 線図	操作線が平衡線より上	操作線が平衡線より下
限界流量	最小液量	最小ガス量

吸収塔の基礎については「吸収塔とは？ガス吸収の原理・物質収支・操作線を例題で解説」で詳しく解説しています。両方を比較すると、平衡と操作線の意味がより明確になります。

向流式の充填放散塔

ここでは、液体が上から下へ、ストリッピングガスが下から上へ流れる向流式の充填塔を考えます。充填物の表面に液膜をつくり、上昇するガスと広い面積で接触させます。

塔頂では、最も濃い入口液が、溶質を含んだ出口ガスと接触します。塔底では、十分に浄化された出口液が、溶質をほとんど含まない入口ガスと接触します。この組み合わせにより、塔の両端で液からガスへの成分移動を続けやすくなります。

図解｜放散塔では、溶質を液体から気体へ追い出す

放散を起こす駆動力

液相組成 \(X\) と平衡にある気相組成を \(Y^*\) とします。実際の気相組成 \(Y\) が平衡組成より低いとき、液相から気相へ溶質が移動します。

\[
Y気相基準の放散の駆動力は、次の差で表せます。

\[
\text{放散の駆動力}\propto Y^*-Y
\]

液相基準では、実際の液相組成 \(X\) と、気相組成 \(Y\) に平衡な液相組成 \(X^*\) の差を使います。

\[
\text{放散の駆動力}\propto X-X^*
\]

どちらの基準を使っても、平衡状態に近づくほど駆動力は小さくなり、必要な接触段数や充填層高さは増えます。

モル分率とモル比

液相中の溶質モル分率を \(x\)、気相中の溶質モル分率を \(y\) とします。希薄系の物質収支では、溶質を含まない成分を基準にしたモル比 \(X,Y\) が便利です。

\[
X=\frac{x}{1-x}
\]

\[
Y=\frac{y}{1-y}
\]

• \(X\)：溶質を含まない液1 molあたりの溶質量
• \(Y\)：溶質を含まないストリッピングガス1 molあたりの溶質量
• \(L_s\)：溶質を除いた液流量
• \(G_s\)：溶質を除いたガス流量

液の蒸発やガスの溶解を無視できれば、\(L_s\) と \(G_s\) は塔内で一定とみなせます。この基準を使うと、操作線を直線で表せます。

放散塔全体の物質収支

定常状態における塔全体の溶質収支は、次式です。

\[
L_sX_{\mathrm{in}}+G_sY_{\mathrm{in}}
=L_sX_{\mathrm{out}}+G_sY_{\mathrm{out}}
\]

液から減った溶質量と、ガスへ増えた溶質量が等しいので、

\[
L_s\left(X_{\mathrm{in}}-X_{\mathrm{out}}\right)
=G_s\left(Y_{\mathrm{out}}-Y_{\mathrm{in}}\right)
\]

となります。入口液濃度、目標出口液濃度、液流量、入口ガス濃度が分かれば、必要ガス量または出口ガス濃度を求められます。

放散塔の平衡線

希薄系でヘンリーの法則が使える場合、液相組成 \(X\) と平衡な気相組成 \(Y^*\) を、次の直線で近似できます。

\[
Y^*=mX
\]

\(m\) が大きいほど、同じ液相濃度に対する平衡気相濃度が高く、一般には液からガスへ移しやすいことを示します。放散では、高温・低圧にすると揮発性成分を気相へ移しやすくなることが多いですが、必ず対象系の平衡データを確認します。

放散塔の操作線

塔底から任意の高さまでを囲んで溶質収支を立てると、

\[
L_sX+G_sY_{\mathrm{in}}
=L_sX_{\mathrm{out}}+G_sY
\]

となります。これを \(Y\) について解けば、放散塔の操作線が得られます。

\[
Y=Y_{\mathrm{in}}
+\frac{L_s}{G_s}\left(X-X_{\mathrm{out}}\right)
\]

操作線は、塔底の \((X_{\mathrm{out}},Y_{\mathrm{in}})\) と、塔頂の \((X_{\mathrm{in}},Y_{\mathrm{out}})\) を結ぶ直線です。傾きは \(L_s/G_s\) となります。

なぜ操作線は平衡線より下にあるのか

放散では、液相組成 \(X\) と平衡な気相濃度 \(Y^*\) より、実際の気相濃度 \(Y\) が低い必要があります。そのため、\(Y\)-\(X\) 線図では操作線が平衡線より下に位置します。

両線の縦方向の差 \(Y^*-Y\) が気相基準の駆動力です。操作線が平衡線へ近づくほど放散は進みにくくなり、必要な段数または塔高が増えます。

最小ガス量とは

液流量 \(L_s\) が一定のとき、ガス流量 \(G_s\) を減らすと、操作線の傾き \(L_s/G_s\) は大きくなります。操作線は平衡線へ近づき、限界では通常、塔頂側で出口ガスが入口液と平衡になります。

\[
Y_{\mathrm{out}}^*=mX_{\mathrm{in}}
\]

このときのガス流量が最小ガス量です。塔全体の物質収支から、

\[
\left(\frac{G_s}{L_s}\right)_{\min}
=\frac{X_{\mathrm{in}}-X_{\mathrm{out}}}
{Y_{\mathrm{out}}^*-Y_{\mathrm{in}}}
\]

したがって、

\[
G_{s,\min}
=L_s
\frac{X_{\mathrm{in}}-X_{\mathrm{out}}}
{Y_{\mathrm{out}}^*-Y_{\mathrm{in}}}
\]

となります。

例題：最小ガス量と実ガス量を計算する

溶質Aを含む液体を、溶質を含まない不活性ガスで処理する向流式放散塔を考えます。温度と圧力は一定で、平衡関係は \(Y^*=2.0X\) とします。

条件	記号	値
溶質を除いた液流量	\(L_s\)	\(100\ \mathrm{kmol/h}\)
入口液の溶質モル分率	\(x_{\mathrm{in}}\)	\(0.040\)
出口液の溶質モル分率	\(x_{\mathrm{out}}\)	\(0.005\)
入口ガスの溶質モル分率	\(y_{\mathrm{in}}\)	\(0\)
平衡線の傾き	\(m\)	\(2.0\)
実際のガス流量	\(G_s\)	\(1.5G_{s,\min}\)

手順1：液組成をモル比へ変換する

\[
\begin{aligned}
X_{\mathrm{in}}
&=\frac{x_{\mathrm{in}}}{1-x_{\mathrm{in}}}\\
&=\frac{0.040}{1-0.040}\\
&=0.04167
\end{aligned}
\]

\[
\begin{aligned}
X_{\mathrm{out}}
&=\frac{x_{\mathrm{out}}}{1-x_{\mathrm{out}}}\\
&=\frac{0.005}{1-0.005}\\
&=0.005025
\end{aligned}
\]

\[
Y_{\mathrm{in}}=0
\]

液から除去する溶質量は、溶質を除いた液基準で次のようになります。

\[
\begin{aligned}
L_s\left(X_{\mathrm{in}}-X_{\mathrm{out}}\right)
&=100(0.04167-0.005025)\\
&=3.664\ \mathrm{kmol/h}
\end{aligned}
\]

モル比基準の溶質除去率は、

\[
\begin{aligned}
\eta
&=\frac{X_{\mathrm{in}}-X_{\mathrm{out}}}{X_{\mathrm{in}}}\times100\\
&=87.9\%
\end{aligned}
\]

手順2：最小ガス量を求める

最小ガス量では、塔頂の出口ガスが入口液と平衡になります。

\[
\begin{aligned}
Y_{\mathrm{out}}^*
&=mX_{\mathrm{in}}\\
&=2.0\times0.04167\\
&=0.08333
\end{aligned}
\]

最小ガス量は、

\[
\begin{aligned}
G_{s,\min}
&=L_s
\frac{X_{\mathrm{in}}-X_{\mathrm{out}}}
{Y_{\mathrm{out}}^*-Y_{\mathrm{in}}}\\
&=100
\frac{0.04167-0.005025}{0.08333-0}\\
&=43.97\ \mathrm{kmol/h}
\end{aligned}
\]

手順3：実際のガス流量を決める

\[
\begin{aligned}
G_s
&=1.5G_{s,\min}\\
&=1.5\times43.97\\
&=65.96\ \mathrm{kmol/h}
\end{aligned}
\]

実際の倍率は、必要塔高、ブロワー動力、圧力損失、排出ガス処理費、運転変動への余裕を比較して決めます。

手順4：出口ガス濃度を求める

塔全体の物質収支を \(Y_{\mathrm{out}}\) について解きます。

\[
Y_{\mathrm{out}}
=Y_{\mathrm{in}}
+\frac{L_s}{G_s}
\left(X_{\mathrm{in}}-X_{\mathrm{out}}\right)
\]

\[
\begin{aligned}
Y_{\mathrm{out}}
&=0+\frac{100}{65.96}(0.04167-0.005025)\\
&=0.05556
\end{aligned}
\]

モル分率へ戻すと、

\[
\begin{aligned}
y_{\mathrm{out}}
&=\frac{Y_{\mathrm{out}}}{1+Y_{\mathrm{out}}}\\
&=\frac{0.05556}{1+0.05556}\\
&=0.05263
\end{aligned}
\]

したがって、出口ガスの溶質モル分率は約 \(5.26\%\) です。

手順5：塔の両端で駆動力を確認する

塔頂では、入口液と平衡な気相組成が \(Y_{\mathrm{out}}^*=0.08333\)、実際の出口ガス組成が \(Y_{\mathrm{out}}=0.05556\) なので、

\[
\begin{aligned}
Y_{\mathrm{out}}^*-Y_{\mathrm{out}}
&=0.08333-0.05556\\
&=0.02777>0
\end{aligned}
\]

となります。塔底では、出口液と平衡な気相組成は、

\[
\begin{aligned}
Y_{\mathrm{bottom}}^*
&=mX_{\mathrm{out}}\\
&=2.0\times0.005025\\
&=0.01005
\end{aligned}
\]

です。実際の入口ガスは \(Y_{\mathrm{in}}=0\) なので、

\[
Y_{\mathrm{bottom}}^*-Y_{\mathrm{in}}
=0.01005>0
\]

となり、塔頂・塔底のどちらにも正の放散駆動力が残っています。

ガス流量を増やすとどうなるか

ガス流量を増やしたとき	主な影響
操作線の傾き	\(L_s/G_s\) が小さくなり、操作線が平衡線から離れやすい
物質移動の駆動力	一般に大きくなり、必要な理論段数・塔高を減らしやすい
出口ガス濃度	同じ放散量なら、ガス量が多いほど薄くなる
ブロワー動力	増加する
圧力損失	増加し、フラッディングへ近づく
排出ガス処理	処理すべきガス量が増え、回収・燃焼・吸着設備が大きくなることがある

ガス量を増やすほど分離は容易になりますが、運転費と排出ガス処理の負担が増えます。塔高を低くするためにガスを過剰に流すのではなく、設備費と運転費のバランスを取ります。

空気放散と水蒸気放散の違い

項目	空気放散	水蒸気放散
ストリッピングガス	空気	水蒸気
主な用途	水中VOCや溶存ガスの除去	有機成分、臭気成分、残留溶媒の除去
温度	常温付近でも利用可能	加熱を伴うことが多い
下流処理	排出ガスの吸着・燃焼など	凝縮器で水蒸気と揮発成分を凝縮・分離
簡易モデルの注意	水の蒸発を無視できる範囲がある	蒸気の凝縮、熱収支、流量変化を考慮する必要がある

この記事の例題は、液の蒸発が小さく、不活性な非凝縮性ガスを使う等温・希薄系を想定しています。水蒸気放散では熱収支と相変化が重要であり、同じ式を無条件で使うことはできません。

温度と圧力の影響

物理放散では、一般に温度を上げる、または全圧を下げると、溶質を液相から気相へ移しやすくなります。

• 温度上昇：多くのガスで液への溶解度が低下し、放散しやすくなる
• 減圧：気相への移行が有利になり、真空ストリッピングに利用できる
• ガス予熱：液温低下や結露を抑えられる場合がある
• 液加熱：平衡は有利になるが、加熱費と溶媒蒸発量が増える

ただし、温度上昇による腐食、発泡、溶媒損失、熱分解なども確認する必要があります。

充填塔の塔高とHTU–NTU法

充填塔では、塔高 \(Z\) を移動単位高さHTUと移動単位数NTUの積で表します。

\[
Z=HTU\times NTU
\]

液相総括基準の代表的な形では、

\[
N_{OL}
=\int_{X_{\mathrm{out}}}^{X_{\mathrm{in}}}
\frac{dX}{X-X^*}
\]

となります。ここで \(X^*\) は、その位置の気相組成 \(Y\) と平衡にある液相組成です。操作線が平衡線へ近づき、駆動力 \(X-X^*\) が小さくなるほどNTUが増え、必要塔高が大きくなります。

棚段塔では、平衡線と操作線の間で階段作図を行い、理論段数を求めます。平衡線と操作線の位置は、棚段塔でも充填塔でも同じ考え方です。

塔径と付属設備

設計項目	主に支配するもの
塔径	液・ガス流量、密度、充填物、圧力損失、フラッディング速度
充填層高さ	必要除去率、平衡関係、操作線、物質移動係数、HTU・NTU
液分配器	充填物を均一に濡らし、偏流を防ぐ
ブロワー	必要ガス量と塔・配管の圧力損失
ミスト除去器	排出ガスへの液滴同伴を防ぐ
排出ガス処理	溶質の毒性、可燃性、臭気、排出規制、回収価値

放散によって液から溶質が消えても、溶質そのものがなくなるわけではありません。出口ガスへ移った溶質を、活性炭吸着、凝縮、燃焼、再吸収などで処理する必要がある場合があります。

よくある計算ミス

• 吸収と放散で成分移動の向きを逆にする
• 放散塔の操作線を平衡線より上へ描く
• モル分率 \(x,y\) とモル比 \(X,Y\) を途中で混ぜる
• 全流量と溶質を除いた流量 \(L_s,G_s\) を混同する
• 最小ガス量を実際の運転ガス量として採用する
• ガス流量を増やせば、総費用も必ず小さくなると考える
• ヘンリー定数の定義と単位を確認しない
• 液の蒸発や水蒸気の凝縮を無視できない系へ、一定流量の式を使う
• 出口ガスの処理・回収を設計範囲から外す

よくある質問

放散塔と脱気塔は同じですか？

原理は共通します。液中の溶存成分を気相へ移す装置を広く脱気塔と呼ぶことがあります。真空、加熱、空気・窒素吹き込みなど方式はさまざまで、用途によって名称が使い分けられます。

空気を多く流せば出口液濃度は必ず下がりますか？

他の条件が同じなら駆動力は大きくなりやすいですが、塔高、接触面積、物質移動係数が不足していれば、ガス量だけを増やしても目標濃度へ達しないことがあります。また、フラッディングや圧力損失が上限になります。

最小ガス量の何倍を使えばよいですか？

一律には決まりません。学習用の例では1.2～2倍などを仮定することがあります。実設計では塔高、ブロワー動力、圧力損失、排出ガス処理費、運転変動への余裕を比較して決めます。

放散塔の出口ガスはそのまま大気へ出せますか？

対象成分と濃度によります。VOC、悪臭物質、有害・可燃性成分を含む場合は、凝縮、活性炭吸着、燃焼、再吸収などの処理が必要です。関連する法令・排出基準と安全性を確認します。

放散塔と蒸留塔はどう違いますか？

放散塔は、外部から供給したガスによって液中の溶質を気相へ移す単一セクションの接触装置として扱うことが多いです。蒸留塔は、リボイラーとコンデンサーによって塔内に蒸気と液をつくり、揮発度差を利用して両製品を分離します。

まとめ

• 放散塔は、液中の揮発性成分をガスへ移して除去・回収する装置である
• 放散は吸収と逆で、溶質が液相から気相へ移動する
• 塔全体の収支は \(L_s(X_{\mathrm{in}}-X_{\mathrm{out}})=G_s(Y_{\mathrm{out}}-Y_{\mathrm{in}})\) である
• 操作線は \(Y=Y_{\mathrm{in}}+(L_s/G_s)(X-X_{\mathrm{out}})\) となる
• 放散では、操作線が平衡線より下にあり、\(Y^*-Y>0\) が必要である
• 最小ガス量では塔頂側にピンチが生じ、必要段数・塔高が無限大へ近づく
• 例題では、最小ガス量が \(43.97\ \mathrm{kmol/h}\)、実際のガス量が \(65.96\ \mathrm{kmol/h}\) となった
• ガス量を増やすと分離は容易になるが、ブロワー動力と排出ガス量が増える
• 水蒸気放散では、熱収支と凝縮を含む、より詳しい計算が必要である
• 実設計では、平衡、HTU–NTU、圧力損失、フラッディング、排出ガス処理を評価する

放散塔では、「液から減った溶質はガスへ移る」という物質収支と、「実際のガスが平衡濃度よりどれだけ薄いか」という駆動力を分けて考えることが重要です。吸収塔との違いを線図で比較できれば、最小ガス量や塔高計算の意味も理解しやすくなります。

参考資料

• University of Maryland, Baltimore County, Absorption, Stripping, and Extraction
• University at Buffalo, CE 407 Separations Course Materials
• Michigan Technological University, Mass Transfer in Absorption and Stripping Columns
• U.S. EPA, Air Stripper Design Manual
• Federal Remediation Technologies Roundtable, Air Stripping

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