JP2003525729A - 液体分配器及びその運転方法 - Google Patents
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Abstract
Description
えた充填塔及び/又は充填体(Fuellkoerper)塔のための液体分配
器に関する。
交換のためのそらせ手段を有する塔が使用される。これらのそらせ手段は、ラン
ダムに配分された充填体としての、例えばベルトレー、トンネルトレー、デュア
ルフロートレー、シーブトレーあるいはバブルトレーのようなトレーか、又は規
則的な充填物としての、例えばラシヒリング、ポールリング又はサドルのような
ものから構成される。規則的な充填物の場合、交差流路(交差流れ)構造の配置
が技術的な適用のために幅広く使用される。商業的に入手可能なタイプは、例え
ば、D−40705 HildenのMonts GmbH社のMontz A
3、BSH及びB1タイプ、CH−8408 WinterthurのSulz
er Chemtech AG社のSulzer BX、CY及びMellap
akタイプ、Kansas 67208(米国)、 WichitaのKoch
−Glitsch社のFLEXIPACタイプ、そしてオハイオ 44309(
米国)、AkronのNorton社のIntaloxタイプである。
たり液体と気体の分布を最大限可能な限り均一にすることが必要である。気体の
均一な分配は、充填体及び充填物自体における不可避の圧力損失が塔断面にわた
る気体流の非常に均一な分布を保証し、そしてそれが大抵の用途にとって十分で
あるため、簡単に実現することができる。
を避けるため、反応器断面にわたり液体を均一に分配するという問題がある。こ
うして、液体のための分配装置を使用するのが有利であることが分かっている。
できるに過ぎない。液体のための特別な分配器が必要である。当該技術において
は、液体のせき止め、自由なオーバーフロー又は噴霧の原理を基にして運転する
多数の分配器の構成が利用可能である。K.Sattler,“Thermis
che Trennverfahren”(1988),VCH Verlag
sgesellschaft mbH,D−69451 Weinheimの2
26〜231ページに、技術的に使用することができる分配器の構成の大要が見
いだされる。
れているエッジディフレクタに見られ、液体は塔壁から遠ざかるよう案内されて
塔壁からいくらか離れたところで再度解放される。塔断面の残りの領域でどのよ
うにして液の細流の密度を均一にすることができるかについては、記載されてい
ない。
こうして達成することができる分配の特性は限定され、そのためこの分配の原理
は単純な観測やあるいはガス洗浄の場合にのみ使用可能である。
わたって広がる通常は枝分かれした流路へ、オーバーフロー装置を越えて分配す
る分配器である。
であり、そして塔断面にわたり均一な液体の分布を保証するために、精確に水平
に配向されなくてはならない。同じように、下側に開口部を持つ管が、当該管の
システムにより覆われた断面にわたり液を分配することができる。ここでも、管
はできるだけぴったり水平に配向されなくてはならない。
性に関しより強く要求される用途では、せき止めの原理を基礎に運転する分配装
置が利用される。この場合、液は、オーバーフロー堰を越えず流路の下方領域の
細い開口部を越えて流路から流出する。運転状態での液のせき止め高さは一般に
0.05〜0.15mになるので、分配装置の水平の配向に関する不精確さはオ
ーバーフローの原理により運転するものほど重要ではない。とは言え、製作費は
相当高くなる。これらの構成の例は、ヨーロッパ特許第374443号明細書、
ヨーロッパ特許第462048号明細書、ヨーロッパ特許第462049号明細
書、ヨーロッパ特許第434510号明細書、ドイツ特許出願公開196156
45号明細書、米国特許第4476069号明細書、米国特許第5501079
号明細書、米国特許第5192465号明細書、及び米国特許第5518667
号明細書である。
毛管分配効果を利用する特別な構成が使用される。ヨーロッパ特許第51227
7号明細書と米国特許第4432913号明細書に実例が記載されている。
欠的に作動させることである。米国特許第4776989号明細書に実例が見ら
れる。
ら調整することができる分配器が記載されている。
でもって液を交換するのを追加して可能にする収集分配装置が記載されている。
として使用するようにされる構造的に費用のかかる装置が記載されている。この
装置の気体が流れる部分には充填物が収容され、それらが物質交換を持続させ、
そしてそれが残りの物質交換構成要素の気体処理量を決定する。
、多数の層に重ねて配置される分配流路を集めたものを、気体と液体が単一の流
れでもって横切る。これは物質交換を増進する。
た液の供給のため全ての原料供給箇所に、設けられなくてはならない。更に、大
がかりな分離の場合、塔の多数箇所に、液のための中間分配器を設けるのが通例
である。これらの中間分配器は、エッジフロー又はストリームフローの場合のよ
うな不十分な液の分配の不都合な影響を抑制する。
である。とりわけ、物質交換充填物から流出して再分配されるべき液は、最初に
液コレクタ2で集められ、そして集合トラフ3によりダウンカマー管4と液分配
器5へ案内されるので、塔1(図1)での液の再分配は費用がかかる。コレクタ
、集合トラフ、ダウンカマー管及び分配器の全体集成装置についての最小限の高
さは、より小さな塔径の場合でも、約1mであり、そして大きな塔径の場合、標
準的に1.5〜約2mである。塔にはこれらの装置が複数必要なので、これは塔
の高さを約25%まで増加させそして資本経費をより高くするもとになる。
る二つの液相の均一な分配を高い信頼性で保証することができない点で、困難が
生じる。相分裂の場合には、相分裂している両方の液を最初に分離だけして、次
にそれらを二つの別々の分配装置を通して導入するのが、通常は最良である。
最小限の高さで、最適な分配及び再分配を行うようにするのが、本発明の目的で
ある。
を保証しかくしてせき止めととりわけ層のフラッディングを保証するよう、それ
より上方及びそれより下方にある層の表面積より1.5〜10倍大きい、好まし
くは2〜3倍大きい、比表面積を持つことでもって達成される。
な装置を提供する。それは充填体塔及び充填塔向けに好適であるが、とりわけ充
填塔で使用するのに適している。驚くべきことに、この分配の方法は、液体コレ
クタ、集合流路、ダウンカマー管及び分配装置のような追加の構成要素を必要と
せずに実施することができる。本発明により改造を行い及び/又は完成をみるこ
とによって、物質交換にとって効果的であるそらせ手段が液の分配効果を達成す
ることができる。液の分配がなされる塔の領域は更に物質交換に関与する。これ
は塔の構造上の高さを減少させる。その上、この新しいタイプの分配器は、相の
解体を生じさせることなく二相の液体混合物の分配をも可能にする。
として示される薄い充填床層7、又は以下において分配層8として示される充填
体(充填物本体)の層が、通常の充填物6又は充填体9よりも単位体積当たりの
大きな表面積と小さな動水直径とが得られるのを可能にする、ということが見い
だされた(図2)。この分配充填物は好ましくは、例えば円形の孔の形をした打
ち抜き孔を有し、全面積に対する孔の割合は2〜80%、好ましくは10〜30
%になる。Montz BSHタイプの商業的に入手できる充填物の場合のよう
に、出発材料として例えばエキスパンデッドメタルを使用することにより、打ち
抜き孔の効果を生じさせることが可能である。充填層の体積比表面積は蒸留充填
物よりも約1.5〜10倍、好ましくは約2〜2倍大きい。
、とりわけ広く使用される交差流路構造のそれらの、分配充填物用に使用するこ
とができる。図3は、交差流路構造を備えたそのような充填物の部分を示してい
る。この幾何学的構成は、分配充填物7にとって好ましいように孔をたくさん設
ける場合にあっても、なおも強度が高く且つとりわけ圧縮強度が高いので、殊の
外有利である。適当な充填物形状寸法の実例は、D−40705 Hilden
のMonts GmbH社のMontz A3及びB1タイプ、CH−8408 WinterthurのSulzer Chemtech AG社のSulz
er BX、CY及びMellapakタイプ、Kansas 67208(米
国)、WichitaのKoch−Glitsch社のFLEXIPACタイプ
、そしてオハイオ 44309(米国)、AkronのNorton社のInt
aloxタイプである。同様に平坦で平行な個別の構成要素を使用する国際公開
第93/19335号パンフレット、国際公開第98/50752号パンフレッ
ト、国際公開第98/55221号パンフレット、ヨーロッパ特許出願公開第1
90435号明細書、ヨーロッパ特許第201614号明細書、ヨーロッパ特許
出願公開第270050号明細書、ヨーロッパ特許第401580号明細書、ヨ
ーロッパ特許出願公開第454179号明細書、ヨーロッパ特許第516087
号明細書、スイス特許第547120号明細書、米国特許第3664095号明
細書、米国特許第4710326号明細書に、更なる例を見ることができる。例
えばヨーロッパ特許出願公開第068862号明細書に記載されたように、部分
的に交差流路構造でなく塔の軸線に対して平行ならせん巻きの構成を使用するこ
とも可能である。更に、分配充填物は、例えばヨーロッパ特許第418338号
明細書に記載のような構造の形態で製作することができる。更なる可能性は、触
媒単一体において通例でありそして例えばヨーロッパ特許出願公開第60696
4号明細書に記載されたように、長方形の断面を持つ構成を利用する。これらも
塔の軸線に対して平行な構成を持つことができる。
分配充填物の場合のように、主としてその体積比表面積である。
によるフラッディングに帰する。残りの塔充填物又は充填体は膜フローの範囲で
のみ運転されるが、動水直径が小さいため、薄い分配充填物7と分配層8は、そ
れらのフラッディング運転のためフラッディングした状態を有する。分配充填物
7の孔と分配層8の孔のため、液は連通管の原理と同様の様式で塔断面のすみず
みに広がることができ、そして比較的に、それらの下方端部で下向きに流れるこ
とができる。
転されるときに得られる。そのとき結果として生じる圧力損失は液体分配器当た
り約1〜5mbarになることがあり、そして運転圧力として標準圧力、加圧又
は約20mbarより高い中程度の減圧が使用される場合にフラッディングした
状態を縮小する。試験から、驚くべきことに、せき止め領域においてさえ実際に
分配効果が低下するが、それにもかかわらず分配効果はとりわけ中間分配器を用
いる技術的目的にとっては十分である、ということが示された。この領域では圧
力損失は分配器当たり約0.2〜1mbarであって実質的により小さく、そし
て低い運転圧力の場合の適用の可能性への門戸を開く。
きないが、分配充填物7と分配層8のせき止め効果は分離効率を更に増加させる
。Karlsruhe大学の熱処理技術研究所のB.Kaibelによる「蒸留
充填物の本体と分離効率の改良の研究」と題された1999年の論文で、交互の
薄い充填層と小さな動水直径及び通常の充填層との組み合わせが研究された。薄
い充填層での液のせき止めによって、分離効率を高さに関して最高50%まで上
昇させることができるということが分かった。しかし、この研究では、薄い充填
層の液の再分配効果に関しては何も示されていない。
て、記載されている。液の分配効率の示唆はそれらには見いだされない。それど
ころか、高さが可変の構成で充填物を使用する目的は、とりわけ充填層の下方の
領域において、フラッディングの状態を回避するというものである。これは気体
と液体のより多くの処理量を可能にするものである。
隣接した充填エレメントの間隔を増加させようとしている。別の可能性として、
充填層の下方端部での、例えば各二番目の充填エレメントでの、材料の一部の部
分的又は完全な除去が記載されている。このアプローチは、充填層の下方端部で
の液のせき止めを少なくするのに役立つ。液の分配効果は起こらない。
変更できる手段が記載されている。通常ほど真っ直ぐではなくてS字状である屈
曲部が、充填層の下方及び上方端部での屈曲又は曲げの方向がほぼ垂直になるよ
うに配列される。このアプローチも液のせき止めを減らそうとするものであり、
液の分配効果を生じさせない。
部が垂直になっている高さ可変構成の充填物が記載されている。この場合にも液
のせき止めは妨げられてしまう。液の分配効果はない。
差流路構造を備えた充填物が記載されている。液分配効果のあるこの装置では、
目的とするフラッディングを起こした状態を達成することができない。
状態は、ドイツ特許第2921270号明細書に基本的に記載された個別のシー
ト金属エレメントの新しい配置によって作り出すことができる。この個別のシー
ト金属プレートは、それぞれの下方端部において最大の流動抵抗が生じるように
、図4に示したように取り付けられる。更に、これらの個別のシート金属プレー
トは、フラッディングを起こした状態での液の横方向の分配を維持するために、
少なくとも流動抵抗が一番大きい部分的領域に孔があいている。好ましくは、分
配充填物も、一番大きい流動抵抗のない部分的領域に孔があいている。この領域
における全面積に対する孔の割合は、2〜80%であるべきであり、好ましくは
10〜30%である。これは更に、気泡状態を作ることにより分配充填物の領域
全体が横方向の液体の交換を可能にするので、横方向の液体の分配を維持する。
ターンが上方端部におけるよりも水平に関してより一層傾斜している構成も可能
である(図5)。この場合にも、分配充填物7は好ましくは、弓状屈曲パターン
の分配充填物と同様の孔を備えている。
らの上方に液の横方向の交換を行うことができる自由な空間10を設けることも
可能である。泡立つ液は、薄い分配充填物7又は分配層8の上方で自ら自由に分
配することができる。図6は、シーティングリング11とシーティンググレート
12を用いたこの目的用の一つの態様の構造の可能性を示している。とは言え、
液の横方向の交換を可能にする空間のこのほかの随意の構成を使用することがで
きる。
填物と比べて増加した流動抵抗と泡立ち状態をもたらすその他の装置を使用する
ことができる(図7)。例えば、ワイヤメッシュ又はワイヤネット又は巻かれた
充填物の1又は2以上の層を使用することが可能である。更なる可能性は、例え
ば一体式であることができる、バブルプレート又は開放気孔発泡構造体を使用す
ることである。これらの手段は、例えばバブルプレート上でワイヤネット又は充
填体又は発泡構造体の構成を使用することができるように、随意のやり方で組み
合わせることができる。いずれの場合も、分配特性を向上させるため、2以上の
分配充填物7を一方の上に直接配置することができる。
なることが分かった。
転範囲が殊の外広く且つ安定していることが分かった。これは、その構造上の構
成がより費用のかかるものであって製作費がより高くなることを埋め合わせる。
処理量に関して運転範囲が有意に変動しない場合には、例えばワイヤメッシュに
ついての、それぞれの分離の問題に対して開発されている解決策を使用すること
ができる。とは言え、負荷状態も変動する許容可能な運転を行うためには、交差
部分が減少した規則充填を使用することが推奨される。
き止めするのみである改造された分配充填物は、充填塔で使用できるのみならず
、充填体塔でも使用でき、液体分配器として機能する。しかし、ここでは、これ
らの充填層は精確に水平に作りつけられることが要求される。これは、トレー塔
がトレーを受け取る場合のように、サポートリング11をサポートグレート12
と組み合わせて用いて、最もうまく達成することができる。
あるべきであり、好ましくは少なくとも0.02m、そしてより好適には0.0
3〜0.05mである。塔径がより大きい場合、これらの値は大きくすることが
できる。分配充填物又は分配層の高さは、好ましくは次の関係、 H=0.02m+0.01*D に従って決定することが推奨され、この式のDは塔の直径である。分配特性に関
しての要求がより多い場合には、これらの値を2倍にすることが推奨される。
ことも可能である(図8)。
参照することができ、とりわけ物質交換充填物6又は充填体9との比較のため各
社により配布されている小冊子も参照することができる。分配充填物7及び分配
層8をフラッディングを起こした状態で運転しようとする場合には、単位体積当
たりの分配充填物及び分配層の表面積を物質交換充填物6及び充填体9の場合の
2倍ほど大きくするよう選ぶのが、大まかな通則である。これは、通常はフラッ
ディングを起こす負荷の約70〜80%を許容するよう仕切りを設定すべきであ
るという通則に基づいている。フラッディング点での、気体速度に気体密度の0
.5乗をかけたものとして定義される気体のローディング係数又はFファクター
は、動水直径の0.5乗に比例するので、直接的に、比表面積が2倍になると、
フラッディングを起こした状態を達成できるということになる。充填物及び充填
体の動水直径は、一般に、4/比表面積で与えられる。従って、例えば、比表面
積250m2/m3の蒸留充填物について言えば、比表面積500m2/m3の分配
充填物7が適当である。
物におけるように、60°〜90°に達することができる。とは言え、それより
大きいあるいは小さい角度を使用してもよい。
持つ外形にはされず、むしろ丸くされて、屈曲半径は折り曲げ幅の約10〜20
%に達する。
の値がより好ましい。
する。
に動的に充填し(例えばハンマーでたたいて)、あるいは静的に充填する(例え
ば重量をかけて)。この特徴の効果は、使用する充填物材料に依存し、当該技術
の研究者に知られている。
せることができる。ここでの予備分配器、例えばノズルは、液を大きな面積に粗
く分配するのに効果的であることができる。予備分配器の下に配置される分配充
填物又は分配層でもって、細かな分配がなされる。
ディングと液のローディングがともに、分配充填物7及び分配層8においてフラ
ッディングを起こした状態が確立されるよう、あるいは低下した圧力損失を適用
する場合には、少なくとも液のせき止めがなされるよう調節される、分配充填物
7又は分配層8を備えた塔を運転する方法を包含する。更に別の方法では、2相
液体混合物を事前に相分離せずに分配する。
Claims (13)
- 【請求項1】 特に水平に配置されそして熱交換及び/又は物質交換に関与
する個々の層を備えた充填塔及び/又は充填体塔のための液体分配器であって、
塔の少なくとも一つの層(7、8)がより大きな密度を有し、それとともにせき
止めるためそしてとりわけフラッディングを起こすように形作られていて、且つ
、液体の分配のため、当該少なくとも一つの層の上方及び下方にある層の表面積
よりも1.5〜10倍、好ましくは2〜3倍大きい比表面積を有することを特徴
とする液体分配器。 - 【請求項2】 前記分配層、とりわけ充填物層、の高さがおよそ0.01〜
0.2m、とりわけ0.02〜0.04mであることを特徴とする、請求項1記
載の液体分配器。 - 【請求項3】 前記分配層、とりわけ充填物層が、とりわけ円形の孔の形を
した孔を有し、全面積に対する孔の割合が約2〜80%、好ましくは10〜30
%であることを特徴とする、請求項1又は2記載の液体分配器。 - 【請求項4】 前記孔の平面での割合が充填物の高さの全体にわたり変動す
ること、そして好ましくは前記孔の平面での割合が底部から上部の充填物端にか
けて低下していることを特徴とする、請求項3記載の液体分配器。 - 【請求項5】 前記分配層、とりわけ分配充填物が、好ましくは交差流路構
造を備えるよう形作られており、側表面が互いに当接している複数のストリップ
であって長手方向を横切るリブを備えた複数のストリップから構成されていて、
当該ストリップが、互いに接触するストリップのリブが互いに交差し、そして0
.01〜0.2m、好ましくは0.02〜0.05mの高さと、それより上方及
び下方にある層又は充填物よりも1.5〜10倍、好ましくは2〜3倍大きい体
積比表面積とを有するよう配置されていることを特徴とする、請求項1から4ま
での一つに記載の液体分配器。 - 【請求項6】 前記分配層の上方に、スペーサエレメントにより切り離され
て、液の横方向の交換が行われる、高さ0.01〜0.2m、好ましくは0.0
2〜0.04mの自由な空間が設けられていることを特徴とする、請求項1から
5までの一つに記載の液体分配器。 - 【請求項7】 前記分配層における規則充填物が、側表面が互いに当接して
いる複数のストリップであって長手方向を横切るリブを備えた複数のストリップ
から構成され、交差流路構造を備えるよう形作られており、当該リブは、相互に
接触しているストリップのリブが互いに交差し、且つお互いどうし平行に位置す
る弓形になってそれにより当該弓形が好ましくは円弧状のセグメントパターンを
持ちそして充填物の下方端部におけるリブが水平に関し10°〜40°、好まし
くは20°〜30°の角度を有し、且つ、上方端部が45〜88°、好ましくは
50〜65°の角度を有するよう配置されていて、そしてこれらの傾きが充填物
の上方端部で同じか反対の方向にあり、充填層の高さが0.05〜0.5m、好
ましくは0.1〜0.2mに達していることを特徴とする、請求項1から6まで
の一つに記載の液体分配器。 - 【請求項8】 前記好ましくは円弧状の弓形パターンが多数の真っ直ぐな部
分により近似され、前記充填層の下方端部におけるパターンが当該充填層の上方
端部におけるよりも水平に対して弱く傾斜していることを特徴とする、請求項7
記載の液体分配器。 - 【請求項9】 断面積の低下した前記充填物の曲がりにより形成されている
屈曲部の角度が約60〜90°に達し、そして屈曲部が好ましくは鋭いかどを持
たずに丸く形作られていて、それにより屈曲部の半径が折り曲げ部の幅の約10
〜20%に達していることを特徴とする、請求項6から8までの一つに記載の液
体分配器。 - 【請求項10】 せき止めとフラッディングが、低下した流動交差部によっ
て、充填物又は充填体用途と比べて流動抵抗が増加している当該分配器の領域に
おいてなされ、そしてバブルトレーに代わりあるいはそれに加えて、1層又は好
ましくは2層以上のワイヤメッシュもしくはワイヤネット、ストリップもしくは
織物ウェブ製の充填ロール、例えば一体もののような開放気孔の構造体、が使用
されることを特徴とする、請求項1から9までの一つに記載の液体分配器。 - 【請求項11】 請求項1から10までの一つに記載の分配充填物又は分配
層を備えた接触装置を運転する方法であって、ガスのローディング、液のローデ
ィング、あるいはガスのローディングと液のローディングがともに、当該分配充
填物において及び当該分配層においてフラッディングの状態が設定されるよう、
あるいは低圧力損失の場合には、少なくとも液のせき止めがなされるよう、設定
されることを特徴とする接触装置運転方法。 - 【請求項12】 2相の液体混合物を分配し、この液の分配を分離容器での
事前の相分離なしに行うことを特徴とする、請求項11記載の方法。 - 【請求項13】 液体を触媒充填物の上端に分配しそして随意に触媒本体内
に分配するため、分配充填物又は分配層を使用し、それによりそれらの動水直径
を、選ばれた運転状態において、当該分配充填物又は分配層でフラッディング状
態が生じるように選ぶことを特徴とする、気体と液体の向流を用いて固定床反応
器を運転するための請求項11又は12記載の方法。
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