JP2007526825A - スラリー泡カラム反応器用降下管 - Google Patents

Abstract

スラリー相（１２）と、該スラリー相（１２）の上方のガス相とを有する用途のために準備されたスラリー泡カラム反応器（１１）であって、該反応器（１１）は、その中に固定された降下管（１６）を有する。該降下管（１６）は、細長い管を有し、該管は、低部（１８）と上部（１７）とを有する。該低部（１８）は、前記管の底部の領域にスラリー出口を有し、前記上部（１７）は、スラリーが前記管中に入ることができるようにしたスラリー入口と、前記管の前記上部の領域にガス出口（２１）とを有する。前記スラリー入口は、前記上部の壁に一連の溝（２２）を有する。前記上部（１７）の最上部は、使用中の前記スラリー相（１２）の表面上に伸張し、前記スラリー相（１２）上の前記ガス相（１５）と流体的に連通するために開口し、それにより、ガス出口（２１）が提供され、前記上部（１７）の前記溝（２２）は、使用中の前記スラリー（１２）の前記表面より下の位置にある。

Description

本発明は降下管を有するスラリー泡カラム反応器に関する。

降下管は、スラリー相の鉛直方向での触媒粒子のより適切で一様な分布と、スラリー泡カラム反応器（ＳＢＣＲ）内のより一様な温度とを達成するために、ＳＢＣＲの中で使用される。一般に、降下管は、ＳＢＣＲの中で鉛直に位置された管状構造で、ガスを分離する手段と、生成するガス泡の降下管構造の下端への進入の制限のための手段とを有する。

ＷＯ９８／５０４９４は、降下管の上部に位置したガス分離帯を備えた降下管を開示している。降下管の底の下の円錐形をしたバッフルが、上方に移動するガス泡が降下管中に入り込むのを防ぐ。

ＥＰ０６７４６１０中に、両端が開口され、スラリー相中に完全に沈められた降下管が示されている。この降下管の下端部は、ＳＢＣＲの底からガス泡をそらせるバッフル装置により、降下管の下端部にガス泡が入り込むことから防護される。このバッフル装置は、ＷＯ９８／５０４９４の降下管に類似した円錐形をしてもよい。

本発明の課題は、ＳＢＣＲの中の触媒粒子のより一様な鉛直分布を達成することである。

本発明によれば、スラリー相と、そのスラリー相の上方のガス相とを有する用途のために準備されたスラリー泡カラム反応器であって、この反応器の中に固定された降下管を有するスラリー泡カラム反応器が提供される。降下管は、細長い管を有し、この管は、低部と上部とを有し、低部は、管の底部の領域にスラリー出口を有し、上部は、管の頂部の領域に、スラリーが管中に入れることができるようにしたスラリー入口と、ガス出口とを有し、スラリー入口は、管の上部の壁に一以上の溝を有する。上部の最上部は、使用中のスラリー相の表面上に伸張し、スラリー相上部のガス相と流体的に連通するために、開口している。それにより、ガス出口が提供される。上部の溝は、使用中のスラリーの表面より下の位置にある。

上部は、スラリーからガス泡を分離するように整えられたガス分離手段を有することが望ましい。

ガス分離手段は分離帯を有し、分離帯は、管の低部よりも大きな断面積を有することが望ましい。分離帯の断面積は、管の低部の断面積よりも大きな２の因数であることが望ましい。降下管に対するスラリー入口の面積は、少なくとも管の上部の断面積と等しいことが望ましい。

溝は、例えば、長方形又は三角形であり得る。降下管中の溝は、降下管の軸方向に伸張していることが望ましい。溝は、互いに積み重なり、それぞれ降下管の周の周りに伸張している複数の外周行も備えてもよい。溝は、最も広い範囲で０．５〜２０ｃｍ幅で、２〜５０ｃｍ長であることが望ましく、１〜１０ｃｍ幅、１０〜４０ｃｍ長であることがさらに望ましい。溝の長さは幅より大きいことが望ましい。溝のサイズは、使用では、一般的な反応器条件下でガス泡の少なくとも８０％は、（あたかもガス泡の不規則な身体が球状のガス泡の形状を有しているような）球状のガス泡として溝を通り抜けるように整えられることが望ましい。

降下管の鉛直の長さは、使用中で、反応器中のスラリーの意図した深さの３０〜１２０％の範囲にあることが望ましい。反応器は、説明するように、複数の降下管を有することが望ましい。

導管の上部のガス分離手段によってスラリー相から分離されるガス泡は、集められ、スラリー相上のガス相へ逃がすことができることが望ましい。溝の形および大きさは、スラリーが降下管に入り込む方法とスラリーの引き続く移動とに影響を及ぼし、このことが飛沫同伴されたガス泡の分離に効果を持ち得る。

降下管がスラリー中に完全に沈められ、スラリー（及びガス泡）が上から降下管の導管に入る、降下管の設計に比較して、本発明による導管の鉛直の壁の溝の形をしているスラリーの入口は、降下管の導管の中へのスラリー相の流入及びガス泡の分離を助けるように見える。このことは、恐らく、個々の溝中の及びその溝の周りのより好都合な流れパターンにより、スラリーが導管の壁の溝を通って導管に入る前にスラリー相の流入する流れからガス泡を分ける際に、及び更に導管の内部でも、観察される。

降下管の壁のどんな実質的な部分も、一般的な条件下で触媒粒子の安息角より険しい傾きを有し、それにより、降下管の表面等の場所での触媒の堆積／沈降を防止することが望ましい。

本発明は、フィッシャー−トロプシュ合成反応を行なう反応器の使用、および、説明されるように、反応器中のフィッシャー−トロプシュ触媒を含むスラリーへ、水素ガス及び一酸化炭素ガスを供給することを含むフィッシャー−トロプシュ合成反応を進める方法まで及ぶ。

本発明は様々な方法で実施し得る。また、いくつかの実施形態を、添付の図面を参照して、例示し、ここで説明する。

図１に示される実施の形態は、本発明の原理と動作とを示す、一つの特別な実験的設定を表す。この実施の形態は、実物大の産業上の適用には相当しないことがあり得る事を理解すべきである。

反応器１１は、微細に分割された触媒粒子（参照番号１３によって概略的に示す）を含むスラリー１２を含んでいる。また、上方へ移動するガス１４、前記スラリー１２、ガス帯１５を含む。数本の降下管１６（そのうちの１本は図１中に示す）が、反応器１１内に位置している。

降下管１６は、上部１７及び低部１８を含む細長い管を備えている。上部１７は、スラリー１２の液面１９より上に伸びて、頂部で開いている。それにより、ガス出口２１が提供される。スラリーの液面１９の下に、上部は、スラリーの入口を構成する複数の鉛直の溝２２を有する。

上部１７は低部１８より径が広く、そのようにしてガス分離帯を構成する。ガス分離帯中で、溝２２を通って降下管１６に入るスラリー１２中に飛沫同伴されるガス泡が分離され、ガス出口２１を通ってガス泡が上方のガス帯１５に移動できる。

低部１８は上部１７より狭い径を持っており、反応器１１の底部の方へ下方へ伸長している。低部１８はその下端部の近傍で、（図示しない）スラリー出口を有する。

図示された実施の形態では、上部１７は、約２６０ｃｍの高さ及び約２１ｃｍの内径を有する。低部１８は、約１３００ｃｍの高さ及び約１１ｃｍの内径を有している。反応器１１は、それ自体約１６００ｃｍの高さ及び５０ｃｍの内径を持っており、約１５５０ｃｍの高さまでスラリー１６を含んでいる。これは、降下管１６の開いた頂部２１の液面の下にあり、ガス帯１５を規定する。反応器１１の頂部に（図示しない）ガス出口が存在する。

反応器１１の（図示しない）底部の近くに、ガス入口、ガス分配器及びスラリー出口が存在する。

本発明は、以下の実施例において更に説明される。使用される装置は図１に関して説明されたものである。商業的装置では、降下管は、以下の実施例中で参照する降下管とは異なる寸法を持ち得ることを理解すべきである。

実施例１
固形物を有しない参照実験
この実施例においては、降下管のスラリー入口は、ガス分離（脱気）部の三角形の開口で構成した。個々の三角形の開口は、８２ｍｍの幅、及び７８ｍｍの高さ、（つまり３１９８ｍｍ^２の入口面積）を有した。三角形の開口は、３行に配列され、各行は、７つの開口（それらは０．０６７ｍ^２の合計入口面積を与えた）を備えた。開口はすべて最上部に頂点を持っていた。上の行の三角形の開口の頂部と下の行の三角形の開口の底部との間の距離は、２２０ｍｍであった。

降下管を含んでいるカラムは、水で満たされ、空気は、反応器の底部の近傍に注入された。表面のガス速度ｕ_ｇが変えられた。スラリー入口領域Δｈ_ｔｏｐの頂部の上で拡張した液体の液面はほぼ一定に保たれた。以下の表１の中で、降下管の低部の対応する液体の速度ｕ_１が報告される。その結果は、図２にも示される。

これらの結果は、降下管の効率が、ガス速度の増加に伴って減少することを示している。しかしながら、降下管の主な機能が軸方向の触媒集中特性を減少させることで、この特性がガス速度の増加に伴い減少することを心に留めておくべきである。したがって、降下管が低いガス速度でよい効率を持っていることが最も重要である。

実施例２
スラリー入口領域の効果
実施例１と同じカラムで、中間の行の三角形の開口の全てを塞ぐことにより降下管のスラリー入口領域が３３％縮小され、変化するガス速度で降下管の液体速度を測定した。その後、上の行の三角形の開口の半分を塞ぎ、底部の行の三角形の開口の半部を塞ぐことにより、スラリー入口領域は、元々の領域の３３％まで更に減少され、液体速度を測定した。これらの結果を表２と図３に示す。

結果は、十分なスラリー入口領域を持っている重要性を示す。

実施例３
固形分を有する参照実験
今や降下管を備えたカラムは、粒子で満たされた。使用された粒子は、ＳｉＣであり、約７５ｍｍの平均粒子サイズを持っていた。粒子の集中は約２００ｇ／ｌだった。スラリー入口領域Δｈ_ｔｏｐの頂部の上の拡張した液体の液面はほぼ一定に保たれた。

下の表３中で、降下管中の対応する液体の速度ｕ_ｌが報告される。この表中に示された結果は図４中にも示されている。

実施例４
スラリー入口形状の効果
前の全ての実施例中で、スラリー入口の形状は一定に保たれた。以下の実験では、スラリー入口は、２２０ｍｍの高さで２９ｍｍの幅の長方形の開口により構成された。長方形開口の高さは、三角形のスラリー入口を有する実験では、上の行の三角形開口の頂部と下の行の三角形開口の底部との距離に等しかった。開口の数は、前述の三角形の開口と全面積がほぼ同一となるように１０とした。他の点では、実施例１に記載したのと同一の実験的設定が用いられた。

下記の表４中に結果が示される。図５では、長方形のスラリー入口装置を備えた結果が、三角形のスラリー入口装置（つまり、実施例１において報告された実験）と比較されている。

図５から分かるように、スラリー入口面積は同一であっても、長方形のスラリー入口を備えた降下管の効率は、三角形のスラリー入口を備えた降下管の効率よりも低かった。

実施例５
入口領域の大きさの効果
以下の実施例において、広い幅を有する長方形の開口を備えたスラリー入口を用いた。長方形の開口の幅は、２９ｍｍから４９ｍｍに増大され、一方高さは一定（２２０ｍｍ）に保たれた。開口の数は１０から６に減らされ、合計スラリー入口面積エリアを一定に保った。下記の表５に、結果が示される。図６で、より広い幅を有する長方形のスラリー入口を用いた実験の結果が、三角形のスラリー入口を用いた実験（つまり、実施例３で報告された実験）からの結果と比較される。

図６から分かるように、長方形のスラリー入口の場合の降下管効率は、三角形のスラリー入口を用いた場合の効率ほどもはや低くない。実際、それはより高い。

観察された振る舞いは、恐らく、スラリー入口開口の大きさの差によって引き起こされる。球状のガス泡を仮定すると、実施例の中で使用されるような形状を備えた三角形の開口は、およそ５０ｍｍより小さい径のガス泡を妨害されずに通過させるであろう。

２９ｍｍ×２２０ｍｍの寸法を有する長方形の開口の場合、２９ｍｍ未満の径を有するガス泡だけが妨害されずに通過し、一方、４９ｍｍ×２２０ｍｍの寸法を有する長方形の開口の場合、約５０ｍｍ未満の径のガス泡がほぼ妨害を受けずに通過できる。どの特定の理論にも結び付けられずに、通過できない大きな泡が短期間の間スラリー入口を塞ぐことができ、それにより、スラリー入口を通して流速を下げ、降下管中でのより低い液体速度を生じさせると信じられている。

この状況では、ＷＯ９８／５０４９４が、その中でガス泡とスラリー粒子の少なくとも一部の降下管への進入が妨げられる、すなわち、上の実施例で観察された結果に基づいて、推奨されるものとは反対の、ガス分離帯として記載された複数のバッフルを示していることが観察できる。

そこで同じ大きさのガス泡が理論的に妨げられずに通過できる、三角形のスラリー入口と長方形のスラリー入口とで異なる振る舞いが、再びどの特殊な理論にも縛られずに、スラリー泡カラム反応器中の行為方法により説明できる。乱流の場合、各ガス泡は、水平と垂直の動的速度成分ｕ_ｇ，ｈ及びｕ_ｇ，ｖをそれぞれ有する。

三角形のスラリー入口の場合、５０ｍｍ近傍の径を有するガス泡だけが、垂直速度成分が０に近い場合に、妨げられずに通過できる。長方形の入口の場合は、５０ｍｍまでの径のガス泡が、それらの垂直速度成分とは多かれ少なかれ無関係に妨げられずに通過できる。

実施例６
長方形のスラリー入口を備えたスラリー入口領域の影響
実施例２において、スラリー入口の領域が縮小された時、降下管の効率が縮小されたことを示した。実際的な理由で、スラリー入口領域は実施例２に記述された設計で増加させることは不可能であった。しかしながら、もし入口領域が増加されれば、効率を増加させることができると信じる理由があった。実施例５に記載したスラリー入口の設計の場合、長方形の開口の数を６から９に増加させることにより、スラリー入口領域を５０％増加させることができた。下記の表６に、これらの実験からの結果が示されている。図７では、長方形のスラリー入口を用いた実験からの結果が、実施例５からの結果と比較される。

図７から分かるように、全スラリー入口領域を増大させることにより、降下管中の液体速度が増大された。

実施例７
渦消滅装置の効果
降下管中の高い液体速度では、降下管の脱気部の低い部分で渦が形成され、観察される。この渦は、降下管中のガスの量を増加させ、それにより降下管効率を減少させる。この渦の形成が妨害される場合、降下管中の液体の速度は増加するべきである。これを検証するために、渦消滅装置が、脱気部と降下管の低部との間の円錐部に置かれた。あるいは、実施例３で説明されたものと同じ実験の設定が使用された。下記の表７に、結果が示される。図８に、渦消滅装置を用いた実験の結果が、使用される（つまり、実施例３において報告された実験）この装置を用いない結果と比較される。

図８から分かるように、最も低いガス速度で、もっとも高い液体速度で、降下管中で、しかしこの低いガス速度でのみ、渦消滅装置の明白な効果が見られる。

実施例９
スラリー入口領域の頂部の上の拡張された液体の液面の効果
前述した（６．６ｍの高さ）カラム、及び図１に示す降下管に全体として類似した１２．７ｃｍ（５インチ）径の降下管を備えた短い型を水で満たした。空気は、カラムの底部の近くで注入され、表面のガス速度ｕ_ｇ及びスラリー入口面積Δｈ_ｔｏｐの頂部の上の拡張した液体の液面を変化させた。その結果は、以下の表８及び図９に示す。

これらの結果は、降下管中の液体速度は、スラリー入口上の液体の液面に依存することを示している。ある液体の液面は、降下管中の十分な液体速度を得ることが必要である。液体速度はスラリー入口上の液体の液面に伴って変化するので、これはほぼ一定に保たれ、すべての前述した表中に報告されてもいる。

本発明による反応器の部分に概略化された縦断面図である。 ガス速度に反比例する液体速度のグラフである。 ガス速度に反比例する液体速度のグラフである。 ガス速度に反比例する液体速度のグラフである。 ガス速度に反比例する液体速度のグラフである。 ガス速度に反比例する液体速度のグラフである。 ガス速度に反比例する液体速度のグラフである。 ガス速度に反比例する液体速度のグラフである。 スラリー入口領域上の高さに反比例する液体速度のグラフである。

符号の説明

１１ スラリー泡カラム反応器
１２、１６ スラリー
１４ ガス
１６ 降下管
１７ 上部
１８ 低部
１９ 液面
２２ 溝

Claims (15)

1. スラリー相と、該スラリー相の上方のガス相とを有する用途のために準備されたスラリー泡カラム反応器であって、該反応器は、該反応器の中に固定された降下管を有し、該降下管は、細長い管を有し、該管は、低部と上部とを有し、該低部は、前記管の底部の領域にスラリー出口を有し、前記上部は、スラリーが前記管中に入ることができるようにしたスラリー入口と、前記管の前記上部に前記スラリーからガス泡を分離するために準備されたガス分離手段と、前記管の頂部の領域中のガス出口とを有し、前記スラリー入口は、前記管の前記上部の壁に一以上の溝を有し、前記管の前記上部の最上部は、使用中の前記スラリー相の表面上に伸張し、前記スラリー相上の前記ガス相と流体的に連通するために開口し、それにより、ガス出口が提供され、前記管の前記上部の前記溝は、使用中の前記スラリーの前記表面より下の位置にあることを特徴とするスラリー泡反応器。
2. 請求項１に記載の反応器であって、前記ガス分離手段は分離帯を有し、該分離帯は、前記管の前記低部よりも大きな断面積を有することを特徴とする反応器。
3. 請求項２に記載の反応器であって、前記分離帯の前記断面積は、前記管の前記低部の断面積よりも大きな２の因数であることを特徴とする反応器。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の反応器であって、前記降下管に対する前記スラリー入口の前記面積は、前記管の前記上部の前記断面積と少なくとも等しいことを特徴とする反応器。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の反応器であって、前記降下管に対する前記スラリー入口は、複数の長方形の溝を備えたことを特徴とする反応器。
6. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の反応器であって、前記降下管に対する前記スラリー入口は、複数の三角形の溝を備えたことを特徴とする反応器。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の反応器であって、前記降下管中の前記溝は、該降下管の軸方向に伸張していることを特徴とする反応器。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の反応器であって、前記降下管中の前記溝は、互いに積み重なり、それぞれ前記降下管の周の周りに伸張している複数の外周行中に配列されたことを特徴とする反応器。
9. 請求項６〜８のいずれか１項に記載の反応器であって、前記溝は、最も広い範囲で０．５〜２０ｃｍ幅で、２〜５０ｃｍの高さであることを特徴とする反応器。
10. 請求項９に記載の反応器であって、前記溝の高さはそれらの幅より大きいことを特徴とする反応器。
11. 請求項６〜１０のいずれか１項に記載の反応器であって、前記溝の寸法は、使用では、一般的な反応器条件下で前記ガス泡の少なくとも８０％は、球状のガス泡として前記溝を通り抜けるように整えられたことを特徴とする反応器。
12. 請求項１〜１１のいずれか１項に記載の反応器であって、前記降下管の鉛直の長さは、使用時に、前記反応器中の前記スラリーの意図した深さの３０〜１２０％の範囲にあることを特徴とする反応器。
13. 請求項１〜１２のいずれか１項に記載の反応器であって、複数の降下管を有することを特徴とする反応器。
14. 請求項１〜１３のいずれか１項に記載のスラリー泡反応器の用途であって、フィッシャー−トロプシュ合成反応を行なうための用途。
15. フィッシャー−トロプシュ合成反応を行なう方法であって、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の反応器中のフィッシャー−トロプシュ触媒を含むスラリーへ、水素ガス及び一酸化炭素ガスを供給することを含むことを特徴とする方法。

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