JP2004216372A - バッフルを有する改良された多相混合装置 - Google Patents

Abstract

【課題】バッフルを有する改良された多相混合装置を提供する。
【解決手段】本発明は、触媒反応器の高さが制約された床間空間において、圧力損失の増大なしに、クエンチガスとプロセス流体をより効果的に混合する装置を提供する。本装置は、二相系のガス相を混合するに際し、既存の混合容積の効率を向上する。クエンチ域の混合装置には、蒸気および液体を受容するためのコレクショントレー、並びに蒸気および液体をコレクショントレーの下の混合室に流下させるための溢流路が含まれる。混合室は形状が環状であり、堰が取り付けられた中央出口を有する。中央出口は液体が下の分配トレーに送られるようにする。垂直かつ連続した強固なバッフルが、コレクショントレーの下側に取り付けられる。これは、中央出口と溢流路の間に配置される。
【選択図】なし

Description

本発明は、一般に、プロセスガスと液体を混合するためのシステム、より詳しくは、床間クエンチおよび混合システムを含み、固定された機器を用いる並流ダウンフロー反応器に関する。

燃料油および潤滑油の固定床水素処理装置においては、ガス状および液体の反応体は、通常、複数の固体触媒の床を通って流下する。触媒反応から熱が放出され、床から下向きに、温度を距離と共に上昇させる。床間に低温の水素リッチガスを導入して温度上昇をクエンチし、また反応によって消費された水素を補充する。効果的なクエンチ域の三つの要件は、横方向のガス混合、横方向の液体混合およびクエンチガス混合である。

プロセスガスおよび液体中へのクエンチガスの導入およびその混合は、床間空間で行なわれなければならない。この空間は燃料油槽の直径全体に亘って広がるが、軸方向については一つの槽の半径より短いことがしばしばある。支持ビーム、配管その他の障害物もまた床間領域を占める。そのため特定の装置では、制限された容積内で、効率的な二相混合を行なうことを求められる。

クエンチ域の性能が不十分なことは、二つの方法で示される。先ず、クエンチ域は、その前にある床の出口における横方向の温度差を消滅できず、最悪の場合にはそれを増幅する。効果的なクエンチ域は、横方向の温度差が約３０〜４０℃（約５０〜７５゜Ｆ）、またはそれ以上のプロセス流体を受容し、それを十分均一化して、次の床の入口における温度差が３℃（５゜Ｆ）を超えないようにすることができるべきである。不十分な性能の第二の兆候は、クエンチガスの速度が上昇するにつれて、クエンチ域に続く入口温度の差が増大することである。これは、クーラーガスと高温のプロセス流体の混合が不十分であることを示す。

クエンチ域の性能が不十分だと、反応器の運転が種々制約を受ける。床間混合で温度差を消滅できない場合、プロセス流体が反応器を下向きに移動する際に、温度差が持続または増大する。いかなる床においても、ホットスポットはその領域における触媒の急速な失活をもたらし、これが全反応器サイクル期間を短縮する。生成物の選択性は、典型的には高温でより劣る。即ち高温域は、色相、粘度および他の品質を規格外れにする原因となりうる。また、温度が或る値（一般的には４２５〜４５０℃（約８００〜８５０゜Ｆ））を超えると、それがいかなる点であっても、発熱反応が自己加速し、触媒、槽または下流の装置を損傷する可能性のある暴走に至る恐れがある。これらの障害を認識して、不十分な内部機器を用いて運転される精製装置では、これらの温度の制約を回避するため、収率または処理量を犠牲にしなければならない。設計を遥かに超える原料速度で水素処理装置を運転することが求められる現在の製油所の経済状態では、クエンチ域の設計を最適化することが、有用かつ安価なボトルネック排除手段である。

特許文献１には、クエンチ域の設計方法が開示されている。この設計の本質的な特徴は、混合容積内に与えられた回転流である。これは、流体の滞留時間を増大し、反応器の異なる側から来る液体とガスを繰り返し接触させる。この設計は、液体混合に対して重要である。より最近の研究では、これはガス混合器としては中程度に過ぎないことが示されている。燃料油の精製におけるより高い転化率およびより高い水素循環速度への傾向は、気／液比に言い換えられる。これに対しては、この設計は充分に適していない。高さが制約された装置は、この特許に開示されたタイプの、ガスと液体相の両方を効果的に混合するのに十分な深さを有する混合室に適したものとはなりえない。

特許文献２に開示されている床間混合システムは、ガス混合が最重要事項である場合、上記の設計に勝るいくつかの向上点を提供する。この機器も、やはり渦流室に基くが、これはまた、混合を向上するために、少なくとも三つの高度に限定的な流れ要素を含む。これは、必然的に圧力損失を増大する。前記のシステムのように、このクエンチ域は、ガスと液体を単一の室内で同時に混合する。

特許文献３に開示されている他のシステムもまた、床間空間におけるクエンチガスとプロセス流体の混合を向上する。このシステムでは、二つの反応体のそれぞれについて別個の混合域を用い、圧力損失同様に空間および容積の要件を最少にしつつ、混合条件の柔軟性を持たせている。しかし、この装置の効率は、床間入口で達成される相分離の程度に敏感であり、従って全ての条件下で、および特定の反応体の特性に関して、所望通りに機能しないことがある。

米国特許第４，８３６，９８９号明細書 米国特許第５，４６２，７１９号明細書 米国特許第６，１８０，０６８号明細書 同時係属米国特許出願第１０／３５８，７６０号明細書

本発明は、反応器の床間空間において、クエンチガスおよびプロセス流体をより効果的に混合するための装置を提供する。即ち、本装置は、限定された高さを有する床間空間において、圧力損失を増大することなく用いられるように構成される。本装置は特に、二相系のガス相を混合するに際して、既存の混合容積の効率を向上する。

本発明によれば、反応器内クエンチ域の分配器／混合装置は、蒸気および液体を受容するための、反応器内触媒床の下に配置されたコレクショントレーを含む形態である。蒸気および液体を、コレクショントレーの上から、コレクショントレーの下に配置された混合室に流下するための溢流路（通常は二つ）が提供される。混合室は出口を有し、これは、従来の円形の反応器においては、環状室内の中央開口である。混合室は、その上のコレクショントレーと共に、ガス混合容積を定める。ここで、トレーの上から混合容積に入るガスを、反応器を通って下向きに送る前に混合することができる。コレクショントレーの下側にバッフルが取り付けられ、混合室出口と溢流路の間に配置される。バッフルは通常、実質的に垂直の強固な壁構造として形成され、連続した周辺バッフルをコレクショントレーの下側に有する。

バッフルの直径は、典型的には、液体堰を形成する直立したリムによって定められる混合室出口の直径より大きい。混合室のリムと、溢流路の半径方向の配置の間という好ましい配置では、その直径は、溢流路の半径方向の配置によって定められる直径より小さい。

本発明の他の態様は、バッフルの直径範囲内でガス混合容積の天井の高さを増大し、ガス混合に利用可能な容積の増分を増大することによる、ガス相混合に関する向上を提供する。この増大は、コレクショントレー上に突き出したキャップ構造によって達成される。

図１は、多床ダウンフロー反応器の一部の、床間領域における断面を簡略化して示す。ダウンフロー反応器の全般的な形態（グリッド、分配器板の支持体など、明瞭性のために示されていない細部がそれである）は従来のものである。反応器の壁１０および触媒支持グリッド１１は、上部触媒床その他の微粒子固体を支持し、その上を液体が、反応体または反応生成物として含まれる何らかの蒸気と共に流れる。明瞭性のために、触媒は示されていない。支持グリッドは従来型のものであり、直接的に、または支持ボールを用いて触媒の支持体を提供する。これにより、液体および蒸気は、上部触媒床を出てグリッドを通り、下の分配器システムに流下することが可能となる。コレクショントレー１２は、触媒支持グリッド１１の下に配置され、上部触媒床を出た液体を収集する。蒸気注入点は、ここでは水平に配置された、一般に「スパイダー」として知られるスパージャー（複数の放射状のアームを有する）によって提供される。蒸気注入ライン１４に接続されるスパイダー１３は、注入された蒸気の均一な初期分配を提供する。例えば、接触水素化脱硫（ＣＨＤ）装置などの水素処理反応器においては、この点で水素をクエンチとして注入することができる。他の蒸気注入装置を用いてもよく、所望により、このレベルにおいて蒸気除去装置を提供してもよい。例えば、槽の壁１０に向かって外向きに伸びる水平リングを用いて、クエンチ流を反応器の中心に方向付けてもよい。使用しうる蒸気注入装置の他の例は、二つの出口を有し、「Ｔ」字型を形成しうる水平管である。

コレクショントレー１２には複数の溢流路１５が提供され、液体のプールが、溢流路を通って下の混合室１６に送られる前に、トレー１２上に蓄積するようになっている。溢流路は、流下する液体および蒸気の通路１７を提供する直立した下降管を含む。溢流路は、コレクショントレー１２の下に出口１８を有する。これは、横方向および接線方向に、環状の混合室１６に面している。混合室１６は、コレクショントレー１２に固定された円筒形垂直壁部１９、および液体のプールを混合室内に提供するための直立したリム２１を有する下部環状トレー２０を含む。溢流路１５の側部に面する出口１８は、混合室１６内の液体に回転または渦巻き運動を与え、これがこの点における液体の良好な混合および温度平衡を促進する。液体は、端部またはリム２１を超えて溢れ、環状の混合室１６の中央アパーチャの真下に配置されるデフレクター２２上に落下する。

図１および図２に示されるように、コレクショントレー１２の下側に、実質的に垂直の連続的な外辺部の強固な壁からなるバッフル５２が取り付けられる。本発明の好ましい実施形態においては、バッフル５２の直径は、混合室のリム２１の直径より大きく、溢流路の出口１８により定められる直径より小さい。図からわかるように、バッフル５２は、完全に溢流路１５によって定められる直径の内側に、かつ完全に混合室１６のリム２１によって定められる直径の外側に配置されるような大きさおよび配置であること、即ち、半径方向に関し、溢流路と直立したリムの位置の間に配置されることが好ましい。

図１は、液体の溢出物を受けるためのデフレクター２２を示すが、図２は、デフレクター２２の代わりにフラッシュパン２１０が用いられている別の実施形態を示す。図２の実施形態において、フラッシュパン２１０は、混合部を出る流体が分配器トレー３０に輸送される前に、その運動量を低減するように機能するという点で、デフレクター２２と同様に機能する。図２の実施形態には示されていないが、図１の最終分配器トレー４０など、更なる最終分配器トレーを用いてもよい。

本発明は、ダウンフロー反応器における混合性能に関して、少なくとも三つの有益な特徴を提供する。第一に、本発明のバッフル５２は、混合容積を通るガスの短絡を防止し、これにより反応器内の異なる領域から来るガスと液体間の繰り返し接触を促進する。第二に、バッフル５２は、混合室１６における液体のレベルを低下させ、これにより二相混合の回転流のための外側の環状領域を生じる。第三に、バッフル５２は、混合室１６の出口の上のバッフル５２内側に、主にガスが充満した領域を分離し、これによりガス相の混合を促進する。

ガス混合に利用可能な容積の増分を増大することによって、ガス相の混合を向上することができる。これは、バッフル５２の直径以内の混合容積の天井の高さを増大することによってなしうる。図３は、この向上をもたらすトレーの形態を示す。ガス混合容積の増大は、コレクショントレー１２の上に突き出したキャップ構造３１０によって達成される。キャップ構造３１０は、コレクショントレー１２の上に伸び、完全にトレーの構成物として形成されうる。キャップ構造３１０は、コレクショントレー１２の中央開口部を覆うように配置され、従って中央開口部に等しいか、またはそれより大きな直径を有する。好ましい実施形態においては、キャップ構造３１０は、コレクショントレー１２とリングスパージャー４１０の間の距離より高さが低く、その距離の１／２〜１／３であってよい。キャップ構造は、好ましくは、トレーの下のガス混合容積を増大することに加え、分配器トレーを通じてガスのスリップストリームを混合室に送るための流路も提供し、２００３年２月５日に提出された特許文献４（出願人の整理番号：Ｐ２００３Ｊ００１）に開示されているように、ガスのスリップストリームがトレー上の領域からトレーの下の混合室に送られる際に、ガスのスリップストリームに渦巻き運動を付与する。トレーの上のキャップ内にガス入口孔３１１が提供され、またガスがトレーを通って送られる際、ガスに所望の渦巻き運動がもたらされるように、キャップ内部に渦巻き羽根３１２が提供される。渦巻き羽根は、特許文献４に開示されているように形成してもよい。好ましくは、キャップ３１０には張り出し縁３１３が取り付けられ、キャップ周りを上から降下する液体が、ガスのスリップストリームの入口孔３１１中に引き込まれる程度が低減される。

図４は、本発明の多床反応器の平面図であり、コレクショントレー１２から上向きに突出する高いキャップ３１０を示す。示されるように、バッフル５２は、反応器の中心部にあり、かつ混合室１６の内部にある環状の突出物からなり、その直径は、リム２１のそれより大きく、溢流路出口１８の位置によって定められるものより小さい。

図１は、他の図に示されていない反応器の詳細を多く示す。図１／図２の実施形態の場合（示されていないが、上記図３／図４の実施形態にも適用可能）、デフレクター２２は第一の粗分配トレー３０に固定される。これは、反応器を横切る液体および蒸気を、まず大まかに分配する。第一の分配トレー３０は、中央のデフレクター２２を取り巻く領域に、多数の液体ダウンフローアパーチャ３１を有して提供される。一般に、液体のプールはトレー２０上に蓄積した後これらのアパーチャを覆い、そのためにそれらを通る蒸気の流れが妨げられる。蒸気を反応器下部に流すために、複数の蒸気チムニー３２を提供し、トレー周りにリング状に（適切には、反応器の流れ域を均等に二分割する円周の近傍の点）に配置してもよい。蒸気チムニーの数は、従来のように、所望の流速その他の条件に従って選択される。蒸気チムニーは、それぞれ、頂部が開口した孔なしの直立したチューブ３３を含み、第一の分配トレー３０から上向きに伸びる。各チムニーチューブの頂部周りには多数のスロット３４が提供される。トレー３０上の液体のレベルが増大し、トレーを通る更なる流れがフラッディングしないようにすることが必要な点まで至る恐れがある場合には、これが液体流れの堰として機能する。スロット３４は、いかなる望ましい形態のものであってもよい。例えば、示されるような、直線的な側部を有する平底のスロットでもよく、弓形でもよく、また、チムニー頂部の直下にアパーチャが形成され、液体がチムニーから下向きに溢流することを制御するものでもよい。チムニーから流下するいかなる液体も、確実に均等に分配されるようにするために、チムニーは、好ましくは、トレー３０の下のチムニー下端に分配板を有する。これは板３５によって形成され、液体アパーチャ３６がそこに形成される。蒸気がチムニーから流出可能であるように、チムニー下端の周辺に蒸気出口３７が提供される。大量の液体がチムニーを流下する場合、液体がそれらを通って流れることを、これらの出口が可能にする。

第二および最終分配トレー４０は、多数の気／液下降管を有する平板４１を含み、蒸気および液体を下の触媒床（図示せず）上に分配する多くの点が提供される。各下降管は、板４１から上向きに伸びる直立したチューブ４２を含む。各チューブは、その側部にアパーチャ４３を有する。これは、正常運転の際に板４１上に形成される液体プールの頂部より下に配置される。下降管内の全てのアパーチャの数およびサイズは、所望の流速に従って選択される。また一般に、第二の分配板のレベルの変動に関わらず、液体流れの最良の均一性が達成されるように、アパーチャが完全に浸漬されることが好ましい。

各アパーチャへの液体の流速は、アパーチャ上の液体の高さの平方根に比例して変動するので、下降管への液体の流速は、分配板４０のレベルの変動に対し比較的鈍感である。しかし、このトレー上の液体のレベルが、アパーチャが部分的に覆われない点にまで下がった場合には、トレーの水平レベルの変動は、反応器を横切る流速を比較的大きく変動させる。この理由から、アパーチャを完全に浸漬させる運転が好ましい。蒸気が下部触媒床に入り、そこを下降することを可能にするため、下降管は頂部で開口している。しかし、第一の粗分配板からの液体が直接下降管に入り、設計流速からの予測できない変動が生じるのを防ぐため、下降管の開口した頂部の上にバッフル４４が置かれる。加えて、第二のトレー上の液体レベルがその正常な高さを超えて増大する恐れがある場合、更なる液体の流れに備えられるように、下降管は頂部に液体堰を有する。蒸気のチムニーを用いる場合、堰はいかなる都合のよい形状であってもよいが、適切には、スロット４５によって定められた直立のスロット付き堰である。下降管の底は開口し、蒸気および液体が下部触媒床に流れることを可能とする。

本発明の分配システムは、クエンチガスまたは他の蒸気の反応器中への注入、蒸気、液体および注入ガスの混合と共に、反応器を横切る分配を向上する。スパイダーの代わりに適切な注入手段を有するこのシステムを、液体クエンチと共に用いてもよい。加えて本システムは、形状が比較的小型であり、分配の均一性を同程度にもたらしうる他の分配システムに比べて、反応器内に占める空間が相対的に少ない。第一の分配板上で蒸気と液体を別個に分配することは、二相分配に伴う潜在的な問題の発生を防止し、分配過程の終わりで初めて、最終分配トレー上の気／液下降管を通って液体が各蒸気ストリーム中に注入される。本システムは更に、上記したように、製造中に生じる許容度の変動に対して比較的鈍感であり、変動する条件下での運転の際に、優れた分配の均一性および気／液接触を提供する。このシステムはまた、クエンチ注入なしでも用いられ、長い触媒床における液体混合、並びに液体および蒸気の再分配が向上される。

一定の運転条件における、バッフルおよびキャップが付加された本発明の混合システムの混合性能を、特許文献１に開示されているタイプのシステムのそれと比較して下記表１に示す。測定値は、ガス相中のトレーサー濃度を測定することによって得られた。報告値は、ガス混合指数のものである。

上記の表において、報告されたガス混合指数は、１００からトレーサー濃度の標準偏差を減じたものと定義される。トレーサー濃度は、混合室１６の下の槽の周りに一定の間隔を置いて配置された八つの試料採取位置から得た平均濃度（％）として表される。表に報告された異なる混合指数は、混合容積の上流の異なるトレーサー注入位置に対応する。平均は、各注入位置によって表される反応器の断面の画分を反映ように重み付けされる。これは、コレクショントレー１２の上の容積の外形および対称性によって決定される。注入位置１〜６に対する重みは、それぞれ２、２、２．５、４、３および１である。明らかなように、本発明を用いた場合のガス相混合の向上は実質的なものであり、このガス相混合の向上は、クエンチ混合を犠牲にして達成されなるものではなく、それ自体もバッフルを用いることによって向上する。

本発明は、流下するガスと液相の断続的な混合および／またはクエンチを必要とするいかなる多床接触反応器またはコンタクター（特に、混合容積内の回転流を利用する場合）においても用いることができる。本発明は特に、非常に限定された床間高さを有する装置に関して好都合である。更に、本明細書に開示されたバッフルの向上によって既存のクエンチ装置を改装し、比較的容易に開示された利点を達成することができる。

本発明の分配システムを示す、多床反応器の一部の縦断面である。 図１と類似であるが、更に簡略化された多床反応器の縦断面である。 本発明の、ガス混合を向上するためのキャップ構造を含む気−液混合システムを示す立面図である。 図３のシステムの平面図である。

符号の説明

１０ 反応器壁
１１ 触媒支持グリッド
１２ コレクショントレー
１３ スパイダー
１４ 蒸気注入ライン
１５ 溢流路
１６ 混合室
１７ 流路
１８ 溢流路出口
１９ 円筒形の垂直の壁部分
２０ 下部環状トレー
２１ リム
２２ デフレクター
３０ 粗分配トレー
３１ 液体流下アパーチャ
３２ 蒸気チムニー
３３ 孔なし直立チューブ
３４ スロット
３５ 板
３６ 液体アパーチャ
３７ 蒸気出口
４０ 最終分配トレー
４１ 平板
４２ 直立チューブ
４３ アパーチャ
４４ バッフル
４５ スロット
５２ バッフル
２１０ フラッシュパン
３１０ キャップ構造
３１１ ガス入口孔
３１２ 渦巻き羽根
３１３ 張り出し縁
４１０ リングスパージャー

Claims (10)

1. ダウンフロー反応器を横切って蒸気および液体を分配し、ガスおよび液体を混合するための分配器／混合システムであって、
   （ｉ）蒸気および液体を受容するためのコレクショントレー；
   （ｉｉ）前記コレクショントレーの下の、少なくとも一つの出口を有する混合室；
   （ｉｉｉ）蒸気および液体を、前記コレクショントレーの上から前記混合室に流下させるための少なくとも一つの溢流路；および
   （ｉｖ）前記コレクショントレーの下側に取り付けられ、前記混合室の出口と前記溢流路の間に配置されるバッフル
   を含むことを特徴とする分配器／混合システム。
2. 前記コレクショントレーの上にガスを注入するための手段を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の分配器／混合システム。
3. 前記ガスを注入するための手段は、スパイダーであることを特徴とする請求項２に記載の分配器／混合システム。
4. 前記混合室は、環状であり、液体堰を形成するように直立したリムを有する中央の円形出口を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の分配器／混合システム。
5. 前記バッフルの直径は、前記混合室出口の直径より大きく、前記コレクショントレーの溢流路の配置を定める直径より小さいことを特徴とする請求項４に記載の分配器／混合システム。
6. 前記コレクショントレーの上に突き出し、前記コレクショントレーの下のガス混合のための容積を増大するキャップを更に含むことを特徴とする請求項４に記載の分配器／混合システム。
7. 前記キャップは、コレクタートレーの上に配置された触媒支持グリッドまでの距離の少なくとも１／３伸びることを特徴とする請求項６に記載の分配器／混合システム。
8. ダウンフロー反応器であって、横切って蒸気および液体を分配するために、請求項１〜７のいずれかに記載の分配器／混合システムを有することを特徴とするダウンフロー反応器。
9. 多床反応器であって、前記分配器／混合システムは、前記反応器の床間に配置されることを特徴とする請求項８に記載のダウンフロー反応器。
10. 多床反応器であって、該反応器の床間に配置された前記分配器／混合システムは、クエンチガスのためのインジェクターを含むことを特徴とする請求項９に記載のダウンフロー反応器。

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