JP2007530275A - スラリー気泡塔の反応器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 このスラリー気泡塔の反応器は、使用中、固形粒子が懸濁されている液相よりなる或る容量のスラリーを収容するように配置されたスラリー帯域と、このスラリー帯域の上方のガス空間と、ガスをスラリー帯域に供給するように配置されたガス供給装置(11)と、ガス空間からのガス出口と、液体出口とを備えている。ガス供給装置(11)は、ガス供給パイプ(13)と、ガスマニホールド(14)と、管状の分布リング(20ないし24)と、1組のガスノズル(40)を備えている。ノズル(40)は、下方に開口していて、使用中、ガスを反応器(11)のスラリー帯域に注入し、それによりスラリー中に長さLの下方に延びているガスジェットを形成するように配置されている。ノズル(40)は、反応器(11)の横断面を横切ってほぼ均等に分布されていて、沈降する触媒粒子を遊離するために、それらのガスジェットを反応器(11)の底部に向けて差し向けるように配置されている。
【選択図】 図1
Description
反応器の直径 2.7m
反応器の圧力 19.5バール
反応器の温度 225℃
供給ガスの組成
H2 59モル%
CO 28モル%
CO2 11モル%
N2 2モル%
ガスの速度 0.18m/秒
触媒の粒子濃度 20重量%
ガスの滞留量 0.25
密度、スラリー 802kg/m3
ガス流量(体積) 1.0m3/秒
オリフィスの総数 550
ジェットの長さ(すなわち、L) 12.5cm
平均圧力降下
オリフィス 0.19バール
オリフィスガス速度 45m/秒
オリフィスの直径 7.5mm
オリフィス間の平均距離 3.75cm
最小の管の直径 5.5cm(I.D.)
最小のオリフィス圧力降下 0.17バール
動圧力 6900kg/ms2
下記の例において本発明を更に示す。
室温および大気圧で作動される50cm直径の低温流反応器を水で満たした。20個の下向きのノズルを備えたガスディストリビュータを通して空気を反応器に供給した。2つの異なるノズル口径(1.9mm、2.5mm)を試験した。ガスの流量を変え、その結果生じたガスジェットの長さを測定した。
例1からの20cm直径の反応器を炭化水素液および30重量%のアルミナ粒子で満たした。反応器の圧力を7.7バールに保った。各々が5mmの直径およびほぼ70m/秒のノズル速度を有する4つの下向きノズルを備えたガスディストリビュータを通して窒素を反応器に供給した。アルミナ粒子の粒径分布を測定することにより、アルミナ粒子の摩損を測定した。図6には、アルミナ粒子の10%部分の粒径が、操業時間の関数として示されている。図6は、操業中ほぼ150時間後に、粒子の10%が10μmまたはそれより小さい粒径を有することを示している。これは、実験の開始時にほぼ60μmの数と比較して、アルミナ粒子が、このガスディストリビュータの設計では深刻な摩損を受けることをはっきり示している。
ガスディストリビュータは、2.7mmの直径および25mのスラリー高さを有し、19.5バールの圧力および225℃の温度で作動され、58.4%のH2と、27.8%のCOと、11.8%のCO2と、2%のN2とよりなる、1763kmol/時の合成ガス用に設計されているスラリー気泡塔の反応器用に設計されるべきである。このガスディストリビュータは、下向きノズルを備えた半球形状のパイプグリッドガスディストリビュータよりなる。
ノズル口速度(m/秒) 45 50 55 60
ノズル口直径(m/m) 7.0 6.7 6.3 6.1
圧力降下(バール) 0.19 0.24 0.30 0.35
ガスジェットの長さ(cm) 12.4 14.0 15.9 17.3
例4.ノズルの大きさおよび摩損
実験は、所定の流量では、5mmの口のノズルが高すぎる触媒の摩損を与え、他方、6.5mm(および10mm)のノズルが触媒の摩損を与えなかったことを示した。これらの実験では、ノズルの直径およびノズル速度が唯一の変数であるように、ガスの流量を一定に保った。結果が図6および図7に示されている。これらの結果は、異なる物性を有するアルミナ粒子の2つの異なるバッチが使用されたので、2つの異なる図に示されている。
ノズルの直径(mm) ノズル速度(m/秒) 動圧(kg/ms2)
5 68 19050
6.5 41 6875
表2には、実験におけるノズルの直径、ノズル速度および動圧が示されている。この表は、実験に使用された触媒が40m/秒のノズル速度および7000kg/ms2の動圧に耐えることができることを示している。
ガスの軸方向不均衡分布を回避するために、ノズルを通る最小の圧力降下を与えるために、或る程度の最小のガス速度が必要である。
大規模の気泡塔用のガスディストリビュータが如何に設計されているかを以下に示す。この設計原理は、いずれの反応器の幾何形状および条件についても使用されることができる。
反応器の高さ 2m
反応器の直径 2.7m
圧力 19.5バール
温度 225℃
ガス流量 1763kmol/時
ガス密度 6.9kg/m3
このガスディストリビュータの設計における主な原理は、すべてのノズルが反応器の底部までの同じ距離を有するべきであると言う点である。反応器の底部は、平らであるが、半球形の形状を有するので、ノズルは、異なる軸方向の高さに位置される。ガスの軸方向分布の差を回避するために、ノズルの圧力降下DPorは、少なくとも、最も大きい軸方向距離を有するノズル間の静水圧差より高い大きさの程度であるべきである。この静水圧差は下記の等式から得られる。
上記式において、DPor、軸方向は、最も大きい距離を有するノズル間の静水圧差であり、
ρslは、スラリーの密度であり、
gは、重力定数であり、
DL軸方向は、最も大きい距離を有するノズル間の距離であり、
eは、ガス滞留量である。
上記式において、Cd、orは、レイノルズ数Reが3000より高い場合には、0.6に等しく設定されたオリフィス係数であり、pgは、ガスの密度である。
上記式中、Jは、スラリー反応器への容積ガス流量である。
これは、Cd、orが0.6に等しい場合、パイプの面積が少なくともパイプにおけるノズル面積の総計の2倍であるべきである。従って、前記式は、ガスディストリビュータ管における最小の管の内径を定める。
Claims (28)
- 使用中、固形粒子が懸濁されている液相よりなる所定量のスラリーを収容するように配置されたスラリー帯域と、このスラリー帯域の上方のガス空間と、ガスをスラリー帯域に供給するように配置されたガス供給装置と、ガス空間からのガス出口と、液体出口とを具備するスラリー気泡塔の反応器であって、前記ガス供給装置は、ガス供給/分布手段および1組のガスノズルを備えており、このガス供給/分布手段は、ガスを前記1組のガスノズルに送出すように配置されており、これらノズルは、下方に開口していて、使用中、ガスをこの反応器のスラリー帯域に注入して、スラリー中に長さLの下方に延びるガスジェットを形成するように配置されており、前記ノズルの数および構成は、反応器の横断面を横切っていて、1m2あたり75個の均等に分布されたノズルの最小密度に対応するノズルの分布を与えるように選択されており、各ノズルの開口部は、反応器の底面から直交方向の距離Dのところに位置されており、D=0.75ないし1.5Lである、スラリー気泡塔の反応器。
- 前記ガス供給/分布手段は、ガス供給手段と、別体のガス分布手段とよりなる、請求項1に記載の反応器。
- 前記ガス供給手段および前記ガス分布手段は、管状である、請求項2に記載の反応器。
- 前記管状のガス供給手段は、1つまたはそれ以上の供給入口と、複数の管状のガス分布手段とに連結されており、前記ノズルは、前記複数の管状のガス分布手段に沿って配置されている、請求項2に記載の反応器。
- 前記ガス分布手段の横断面積は、前記複数のノズルの面積の合計の少なくとも2倍である、請求項3または請求項4に記載の反応器。
- 前記管状のガス供給手段は、反応器の全体幾何形状に対して中央に位置された1つのガス供給入口から半径方向に延びている2つ以上の管状構造体よりなり、また、前記管状のガス分布手段は、各ガス分布手段が連結されているガス供給手段を構成するり管状構造体の夫々の軸線に対してほぼ直交して設けられている、請求項3ないし5のうちのいずれか1つの項に記載の反応器。
- 前記管状のガス分布手段は、同心リングまたは管状トロイド、またはこれらの一部の形状である、請求項3ないし6のうちのいずれか1つの項に記載の反応器。
- 前記管状のガス分布手段は、各々の中心線が夫々の垂直平面にある湾曲された管の形状である、請求項3ないし6のうちのいずれか1つの項に記載の反応器。
- 前記ガス分布手段は、形状が部分球状であるパイプグリッドの形態をとっている、請求項3ないし8のうちのいずれか1つの項に記載の反応器。
- 前記Lは、5ないし20cmである、前記全ての請求項のうちのいずれか1つの項に記載の反応器。
- 前記ガスノズルの開口部の直径は、5mm以上である、前記全ての請求項のうちのいずれか1つの項に記載の反応器。
- 前記ノズルの開口部は、形成されたガスのジェットの主軸線が垂線に対して45°以下の傾斜を有するように配置されている、前記全ての請求項のうちのいずれか1つの項に記載の反応器。
- 水平面に対する前記ノズルの分布は、1m2の任意に位置された円形領域内に少なくとも75個のノズルを設けるような分布である、前記全ての請求項のうちのいずれか1つの項に記載の反応器。
- 反応器の底部は、湾曲された形状または部分球形の形状を有しており、前記ガス分布手段は、この形状にほぼ一致している、前記全ての請求項のうちのいずれか1つの項に記載の反応器。
- 反応器の底部は、湾曲された形状または部分球形の形状を有しており、前記ノズルの開口部は、この形状に一致する仮想の表面にある、前記全ての請求項のうちのいずれか1つの項に記載の反応器。
- 前記ノズルの少なくとも95%の開口部は、反応器の底部から等距離である、前記全ての請求項のうちのいずれか1つの項に記載の反応器。
- 前記ノズルの開口部は、反応器が使用中であるとき、ガスのジェットを反応器の底部の表面に向けて垂直に向けるように構成されている、前記全ての請求項のうちのいずれか1つの項に記載の反応器。
- 前記ノズルは、前記分布手段の壁部を通して形成されたオリフィスにより構成されている、前記全ての請求項のうちのいずれか1つの項に記載の反応器。
- ガス状反応物を含む化学反応を行わせる方法であって、ガス供給装置により請求項1ないし18のうちのいずれか1つの項に記載の反応器にガス状反応物を供給することを具備しており、この方法において、反応器は、液相および固形触媒粒子を含有している所定容量のスラリーを収容し、前記触媒粒子は、ガス供給装置からの気泡を上昇させることによってスラリー中に懸濁状態に維持される、化学反応を行わせる方法。
- 各個々のノズルを通って流れるガスは、15000kg/ms2未満の動圧を及ぼす、請求項19に記載の方法。
- 反応器における最も高く位置されたノズルと最も低く位置されたノズルとの間の静水圧差は、個々のノズルを横切る圧力降下の10倍より小さい、請求項19または20に記載の方法。
- 前記長さLと距離Dとは、式D=0.8ないし1.4Lを満足する、請求項19ないし21のうちのいずれか1つの項に記載の方法。
- 反応は、フィッシャー-トロプシュ合成であり、反応温度は、150ないし300℃の範囲内であり、反応温度は、175ないし250℃の範囲内であり、反応圧力は、1ないし100バールの範囲内である、請求項22に記載の方法。
- 反応圧力は、10ないし50バールの範囲内である、請求項23に記載の方法。
- 使用中、固形粒子が懸濁されている液相よりなる所定容量のスラリーを収容するように配置されたスラリー帯域と、このスラリー帯域の上方のガス空間と、ガスをスラリー帯域に供給するように配置されたガス供給装置と、ガス空間からのガス出口と、液体出口とを具備しているスラリー気泡塔の反応器であって、前記ガス供給装置は、ガス供給/分布手段および1組のガスノズルを備えており、前記ガス供給/分布手段は、ガスを1組のガスノズルに送出すように配置されており、これらノズルは、下方に開口していて、使用中、ガスを反応器のスラリー帯域に注入し、それによりスラリー中に長さLの下方に延びているガスジェットを形成するように配置されており、前記ノズルは、反応器の横断面を横切ってほぼ一様に分布されていて、沈降している触媒粒子を遊離させるためにそれらのガスジェットを反応器の底部に向けて差し向けるように配置されている、スラリー気泡塔の反応器。
- 使用中、固形粒子が懸濁されている液相よりなる所定の容量のスラリーを収容するように配置されたスラリー帯域と、このスラリー帯域の上方のガス空間と、ガスをスラリー帯域に供給するように配置されたガス供給装置と、ガス空間からのガス出口と、液体出口とを具備しているスラリー気泡塔の反応器であって、前記ガス供給装置は、ガス供給/分布手段および1組のガスノズルを備えており、前記ガス供給/分布手段は、ガスを1組のガスノズルに送出すように配置されており、前記ノズルは、下方に開口していて、使用中、ガスを反応器のスラリー帯域に注入し、それによりスラリー中に長さLの下方に延びているガスジェットを形成するように配置されており、前記ノズルの数および構成は、反応器の横断面を横切っていて、1m2あたり75個の均等に分布されたノズルの最小密度に対応するノズルの分布を与えるように選択されている、スラリー気泡塔の反応器。
- 使用中、固形粒子が懸濁されている液相よりなる或る容量のスラリーを収容するように配置されたスラリー帯域と、このスラリー帯域の上方のガス空間と、ガスをスラリー帯域に供給するように配置されたガス供給装置と、ガス空間からのガス出口と、液体出口とを具備しているスラリー気泡塔の反応器であって、前記ガス供給装置は、ガス供給/分布手段および1組のガスノズルを備えており、前記ガス供給/分布手段は、ガスを1組のガスノズルに送出すように配置されており、前記ノズルは、下方に開口していて、使用中、ガスを反応器のスラリー帯域に注入し、それによりスラリー中に長さLの下方に延びているガスジェットを形成するように配置されており、各ノズルの開口部は、反応器の底部の表面から直交距離D=0.75ないし1.5Lのところに位置されている、スラリー気泡塔の反応器。
- 使用中、固形粒子が懸濁されている液相よりなる或る容量のスラリーを収容するように配置されたスラリー帯域と、このスラリー帯域の上方のガス空間と、ガスをスラリー帯域に供給するように配置されたガス供給装置と、ガス空間からのガス出口と、液体出口とを具備しているスラリー気泡塔の反応器であって、前記ガス供給装置は、ガス供給/分布手段および1組のガスノズルを備えており、前記ガス供給/分布手段は、ガスを1組のガスノズルに送出すように配置されており、前記ノズルは、下方に開口していて、使用中、ガスを反応器のスラリー帯域に注入し、それによりスラリー中に長さLの下方に延びているガスジェットを形成するように配置されており、前記ガス供給手段および前記ガス分布手段は、管状であり、前記ガス供給手段は、1つまたはそれ以上の供給入口と、複数の管状のガス分布手段とに連結されており、前記ノズルは、前記複数の管状のガス分布手段に沿ってほぼ一様に配置されている、スラリー気泡塔の反応器。
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