JP2009520584A - 分散床 - Google Patents

Abstract

本発明は分散床に関し、流動床を形成することができる特に固体粒子を積載したプロセスガスを、分散床の上に配置された、特に熱的な金属学的な供給素材の処理のための反応炉４の炉壁によって形成されたプロセスチャンバ３内に均一に導入するための、特にノズル分散床に関する。この分散床は複数の開口部を有している。分散床中の開口部の壁近傍の配置は、反応炉壁上の堆積物を回避することを可能にする。特別な配置はノズル及びガイドチューブに関している。

Description

本発明は分散床に関し、流動床を形成することができる、特に固体粒子を積載したプロセスガスを、供給素材の、特に熱的な金属学的処理のための分散床の上に配置された反応炉の炉壁によって形成されたプロセスチャンバ内に均一に導入するための、特にノズル分散床に関する。この分散床は複数の開口部を有している。

分散床は、反応炉内へのプロセスガスの制御された導入又は分散を行う。このタイプの反応炉は、例えば流動床の原理に基づいて操業され、プロセスガスの流れは、反応炉中において処理される、通常は小片形態にある物質を流動床に保持する。

プロセスガスの反応炉中における分散を確実とするために分散床を使用することが従来技術から知られている。

このタイプの反応炉の操作に伴う基本的な問題は、反応炉壁あるいは分散床それ自体の別の領域における堆積物にかかる問題である。これら問題は不十分な流動化しか生じていない領域が存在することによって引き起こされる場合があり、よって固体物質は、固まる傾向がある場合には、上記場所において固体の集塊を形成する場合があり、棚吊り（ｓｔｉｃｋｉｎｇ）として知られている。これらは、一方では反応炉の有効な容積を削減し、他方では内部の構成部品を機能させない方向に影響するか、又はそれらの機能を完全に失わせる場合があり、例えば熱交換チューブの場合においては、その熱伝導が大幅に減少される場合がある。

特許文献１は、流動床ユニットにおけるガスの流れを改善するための装置を開示している。しかし、この装置の欠点は、特に反応炉容器の領域における堆積物が、図示されている分散床によっては十分に回避することができないという点である。
国際出願第９８／５５２１８号パンフレット Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｎ ｊｅｔ ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ ｉｎ ｓｅｍｉ−ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ ｇａｓ−ｆｌｕｉｄｉｚｅｄ ｂｅｄｓ

従来技術に鑑み、本発明の目的は、従来技術の欠点を克服すること、及び反応炉チャンバ全体における棚吊りを大幅に回避する分散床を提供することである。

本発明の目的は、請求項１の特徴部分に対応する方法で達成される。

棚吊りは、反応炉中における特に低い流速の領域における問題を代表しており、これは、この領域においては殆ど流動が生じず、よって固体物質から固体物質の架橋を破壊するために利用可能なモーメントが殆どないことによる。ケーキングの例は、反応炉壁の分散床の領域において生じることが多い。本発明による分散床は、壁近傍の開口部が、反応炉壁から中心までの距離が開口部の直径の多くとも１〜１０倍、特に２倍である距離にあるように配置されている。壁近傍という文言は、ここでは外側端縁から測定した場合に直径の約５〜２０％の範囲を意味するものとして理解される。

よって、従来技術と比較すると、開口部は反応炉壁により近く配置されている。従って、十分に大きな流速と、この大きな流速による十分なプロセスガスの流量が反応炉壁の領域にも存在することが保証され、よって棚吊りの発生が回避される。壁近傍の開口部が反応炉壁のできるだけ近くに設けられるという配置は、反応炉中において処理されている物質の、小片形状又は微粒子形状での堆積につながる、低流速の流れの層の壁近傍における形成を回避する。開口部の直径に応じた距離を適用することによって、流れの状況を、対応して影響されるか、又は順応させることができる。

本発明による分散床の特別な実施形態では、分散床の半径に対する、壁近傍の開口部の中心軸と分散床の中心軸との間の距離の比は、０．９〜１である。この特別な構成によって、有利な貫通流れと、それによる流動床の形成が可能となる。

本発明による分散床の１つの特定の実施形態では、壁近傍の開口部は１〜５の円に、特に３つの円に環状に配置されている。この独特な配置形態によって、特に円形の断面を有する反応炉において、有利な貫通流れ又は反応炉へのプロセスガスの流入が可能となる。これによって、開口部のない分散床の壁近傍の領域を回避することができ、ケーキングの傾向のある領域を排除することができる。それぞれの円の開口部は壁から同一の距離において同様に配置される。それぞれの円の開口部の角度位置は、流れの状態の順応に対する必要性に応じて変化させることができる。しかし、円における開口部を、開口部が半径方向の線にそれぞれ配置されるように固定することも考えられる。

さらに、開口部のこの配置を、円形状の断面ではなく、例えば多角形状の断面形状を有する反応炉に対して設けることもまた考えられる。断面の状態に対して開口部の配置を適応させることによってもまた、コーナー部分における堆積を良好に回避することが可能となる。

本発明による分散床の１つの特別な実施形態では、壁近傍の開口部は、反応炉内壁に平行に１〜５列、特に２列に配置されている。この構成は、特に、例えば多角形状の断面を有する反応炉の場合に使用される。本発明による配置によって、流れの状態を有利に適応させることができる。

本発明による分散床の有利な実施形態によれば、壁近傍の開口部のうちの少なくとも１つは、反応炉壁の少なくとも１つに沿って配置されている。壁近傍の開口部は、開口部の軸が最も近い反応炉壁に位置合わせされるように配置、すなわち開口部の軸が壁に少なくとも平行であるように配置される。開口部と反応炉壁との間の距離が短いこの配置は、反応炉壁が非常に良好な流れに曝されるという効果を達成している。ケーキングの発生はこのように回避することができる。

本発明による分散床の１つの特定の実施形態では、壁近傍の開口部のうちの少なくとも１つが反応炉壁のうちの少なくとも１つと±１５°、好ましくは±５°の角度を形成している。この配置によって、壁の少なくとも１つに対して流れを方向付けることを可能とし、ケーキングの発生は目的とされたように防止することができる。

本発明による分散床の有利な構成では、開口部は少なくとも部分的に円状に配置され、少なくとも２つの円の開口部は互いに対して周方向にずれて、特に内側方向の隣接する円の開口部がその外側の円の開口部の間に配置されるように、配置されている。開口部の半径方向の分布は、プロセスガスのより均一な分散が達成されるのを可能とする。

本発明による分散床の１つの可能な実施形態では、分散床の縁領域における単位面積当たりの壁近傍の開口部の数は、分散床の壁から離れた領域における単位面積当たりの壁から離れた開口部の数より多い。反応炉壁の領域における開口部の数が多いことは、ケーキングの発生が効果的に回避されるように流れの状態に影響することを可能にする。特に、例えば隅部分におけるような、反応炉の重要な領域におけるケーキングの発生を、局所的に多数の開口部によって対応して回避することができ、局所的な流れの状態を改善することができる。

本発明による分散床の１つのさらなる可能な実施形態では、壁近傍の開口部は、壁から離れた開口部より大きな直径、好ましくは１０〜５０％、特に２０％大きな直径を有し、より多くのプロセスガスを壁近傍の領域に導入することができる。開口部の数という方法による流れの適応とは別に、直径という方法によ適応もまた可能であり、よって反応炉中の流れの状態はよりよく影響されるか、又は適応され得る。

本発明による分散床の特別な実施形態によれば、少なくとも１つの壁近傍の開口部は、反応炉壁の１つに平行に配置されているとともに、分散床に垂直な方向に対し±１５°、好ましくは±５°の角度で傾斜している。開口部は、プロセスガスの流れの主方向に対して傾斜した目的とした流れを導入するために、分散床に垂直な方向に対し傾斜させることができる。ここでも同様に、この方法は目的とした壁近傍の流れを設定する効果を有し、よってケーキングの発生を防止することができる。特別な構成において、傾斜は半径方向に位置決めされ、よって開口部は壁の少なくとも１つに向かって方向付けられるか、又は壁の少なくとも１つから離れるように方向付けることができる。

開口部の直径、ガスの圧力、及びガスが開口部から出るときに形成するプロセスガスの噴流の間隔位置は、プロセスの状態に応じて固定することができる。横方向の追加的な流れの成分は、流れが柔軟に影響されるか、又は最適化されることを可能にする。

本発明による分散床の１つの特定の有利な実施形態では、壁近傍の開口部の少なくとも１つは、開口部において形成され、計算された噴流の侵入深さを有するプロセスガスの噴流が反応炉壁にあたるように、反応炉壁に対して位置決めされている。噴流の侵入深さは、当業者によって、ノズルから広がる噴流の恒常的なガス空間の侵入の深さを意味するものとして理解される。１９８０年代からのＫｎｏｗｌｔｏｎとＨｉｒｓａｎによるこの定義は、例えば非特許文献１のような、多数の出版物から採用されている。

これは乱流を増加させ、この乱流は冶金学的プロセスに対し有利である。

本発明による分散床の代替的な有利な実施形態に対応するように、壁近傍の開口部のうちの少なくとも１つは、計算された噴流貫通深さの７０〜１３０％、好ましくは９０〜１１０％を有して開口部において形成されたプロセスガスによって反応炉壁にあたるように、反応炉壁に対して位置合わせされている。動作試験によって、最適な動作状態がこの特別なプロセス制御で達成されることが示された。

本発明による分散床の好適な実施形態によれば、壁近傍の開口部は、壁から離れた開口部とは異なって配列されている。壁に近い開口部と壁から離れた開口部との配列の非同一性によって、反応炉壁に生じている流れの状態への影響を、目的とされた影響とすることができる。特に、壁に近い開口部と壁から離れた開口部との配列の非同一性は、特別な流れ状態を設定することを可能とし、よって反応炉は次いで、ケーキングが生じた場合に、適合された分散床によって改善されるか、又は最適化される。開口部の１つの可能な配置は、壁近傍の開口部が反応炉の壁に向かう配列を提供し、壁から離れたノズルは、分散床に対して垂直であるように位置決めすることができる。

本発明による分散床の有利な構成では、開口部のうちの少なくとも１つは、その所定の位置に設定可能なノズルを有している。ノズルの設置は、開口部における流れの状況をより目的としたように設定することを可能とする。ノズルの設置は、ノズルにおける流れ、及びそれによるノズルにおいて形成された噴流が分散床自体から独立して固定されることを可能にする。さらに、ノズルは分散床とは異なる材料から生産され、よってより廉価に作成されプロセスに適用される。ノズルの位置、すなわち分散床に対するノズルの軸の設定によって、流れの状態は目的としたように設定することができ、反応炉壁における流れをさらに目的とするように固定することが可能になり、ノズル及びガイドチューブの領域におけるケーキングの発生が回避される。

本発明による分散床の特別な実施形態では、所定の位置にセットすることができるノズルはガイドチューブを備えており、ガイドチューブの内径はノズルの最小径の１〜１０倍好ましくは２〜７倍である。ガイドチューブはノズルに接近する流れを安定化させる効果を有し、よってさらなる改善を達成する。ノズルに比べて大きなサイズのガイドチューブによって、非常に良好な接近する流れ及びノズルにおいて分散されていない流れが保障され得る。

厚い分散床の場合には、ガイドチューブの使用の故に、高速の領域を短いノズルの使用によって小さい領域に制限することが可能となる。ケーキングの発生はこのように回避することができる。ノズルの交換時のような分散床の保守の場合に、この作業は分のに対する長い使用寿命が高い信頼性で達成される。

本発明による分散床の代替的な特別な実施形態では、ガイドチューブの長さは分散床の厚さの少なくとも７０％に対応する。ガイドチューブの長さは、例えば分散床の構造のような構造的な条件と、潜在的にその支持構造とに適合させることができ、よって望ましい流れの状況を設定することができる。

本発明による分散床の有利な実施形態によれば、ガイドチューブは耐火材料から構成され、よって高温負荷でのプロセスの場合においてさえ、長い使用寿命を達成することができる。

本発明による分散床の特別な実施形態による方法においては、ノズルの軸はガイドチューブ及び／又は分散床の開口部の軸に対して傾斜するように配置されている。この配置によって、例えば、ガイドチューブへのプロセスガスの直接的な接近が可能となる。ガイドチューブの軸に対して傾斜したノズルの軸によって、それぞれのノズルにおける流れと、それによるプロセスガスの噴流の位置とを有利に適合することができる。いずれの流れのパターンをも、このように設定することができる。

本発明による分散床の代替的な特別な実施形態に対応する方法においては、ガイドチューブは屈曲部を有している。この設計によって、ガイドチューブの第１の真直ぐな部分へのノズルの挿入が可能となり、さらなる真直ぐな部分の軸は通常分散床に対して直角となっている。また、この方法はノズルの空間的な位置を有利に設定することを可能としている。

本発明による分散床の有利な構成では、ノズルは略円筒形又は略円錐形状のノズルの開口部を有している。ノズルの両形状は単純な形状によって区別されており、よって生産するのに好ましい。さらに、これら基本的な形状はプロセスチャンバ中のプロセス条件への適合を可能とし、よってプロセスガスの噴流はこれら形状及び乱流に対して、及びそれによる噴流の侵入深さに対して設定することができる。

本発明による分散床の特別な実施形態では、ノズルは金属から成る。金属製のノズルは、コストが安く、機械的に安定で、動作試験において好結果であることが証明された。また、金属製のノズルは良好に機能する。

本発明による分散床のさらなる特別な実施形態によれば、ノズルは分散床又はガイドチューブに溶接接続又はフランジによって接続されている。これら単純な取り付け方法によって、分散床にノズルを安価に設けることができ、保守又は修理が簡単となる。

本発明は、添付の図面に基づいて、より詳細に記載される。図面は本発明による分散床の可能な構成を示すだけであり、これら構成への制限を構成するものではない。

図１では、分散床は平面図に表わされている。分散床の開口部５、６と、取り付けられたノズル及びガイドチューブは、小さな円によって図的に示されているだけである。反応炉は円形状である。壁近傍の開口部５は、ここでは円８上に配置されており、よって、壁近傍の開口部５は全て反応炉壁から等距離にある。また、壁近傍の開口部は１つ以上の円８に配置することもでき、これら円は、反応炉の中心に対して同心円状にそれぞれ配置されている。壁から離隔している開口部６は、異なるパターン、及び異なる壁から離隔している分散床の単位面積当たりの数で配置することができる。流量を最適化するために、全ての開口部の配置を反応炉又はプロセスに対して適合させることができる。

また、図１は壁近傍の円筒状ノズル７の図的配置を示し、方向Ｘは半径方向の線を示している。ノズルの傾斜角度αは、要求に従って適合させることができる。

図２は、反応炉内に配置された、本発明による分散床を立面断面図に示している。反応炉は反応炉壁４によって示されている。プロセスチャンバ３中の、ノズルが示されている分散床の上には流動床２がある。分散床１を本発明によって構成することによって、分散床１の上及び反応炉壁４の上の堆積物が回避できることを意味している。ノズル７は、ノズル自体の軸に対して傾斜するように、又は分散床１に対して垂直な方向に平行であるように挿入することができる。壁近傍のノズルの本発明による配置は有利であるが、またそれらは反応炉壁４に向かうようにすることもでき、これは特に図２には示されていない。

図３には、分散床１中にガイドチューブ８を有するノズル７が示されている。特別な実施形態として、屈曲部９を有するガイドチューブが示されており、ノズル７及びプロセスガスの噴流の方向に接近する流れを、対応して適合させるのを可能としている。

図４では、開口部を有する分散床１が反応炉１０中に配置されており、分散床の上の反応炉壁４は、分散床に対して傾斜するように構成されている。

図５では、分散床１の特別な構成が示されており、壁近傍の開口部５が列を成して配置されている。壁近傍の開口部５はこの場合、中心軸ＣからＸより大きく、かつ反応炉の内径Ｒより小さい半径を有する領域内に配置されている。

本発明による分散床の平面図である。 反応炉中における、ノズルを備えた本発明による分散床の立面図である。 反応炉中における、ノズルとガイドチューブとを備えた本発明による分散床の立面図である。 反応炉中の分散床の構成図である、 特別な構成の本発明による分散床の図である。

符号の説明

１・・・分散床
２・・・流動床
３・・・プロセスチャンバ
４・・・反応炉壁
５、６・・・開口部
７・・・ノズル
８・・・ガイドチューブ
９・・・屈曲部
１０・・・反応炉
Ｃ・・・中心軸
Ｘ・・・半径方向

Claims (21)

1. 場合により流動床（２）を形成するための、特に固体粒子を積載したプロセスガスを、前記分散床の上に配置され、特に熱的な供給素材の金属学的処理のための反応炉の炉壁（４）によって形成されたプロセスチャンバ（３）内に均一に導入するための、特にノズル分散床である分散床（１）であって、複数の開口部を有する分散床（１）において、
   該分散床はいわゆる壁近傍の開口部（５）を有し、該壁近傍の開口部は、反応炉壁（４）からの前記開口部の中心軸の距離が、前記開口部の直径の１〜１０倍以下、特に２倍である距離に配置されている、及び／又は前記分散床の半径に対する、壁近傍の開口部（５）の前記中心軸と前記分散床（１）の中心軸との間の距離の比が０．９〜１であることを特徴とする分散床（１）。
2. 前記壁近傍の開口部は、１つ〜５つの円状に、特に２つの円（６）状に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の分散床（１）。
3. 前記壁近傍の開口部は、反応炉内壁に平行に、１〜５列に、特に２列に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の分散床（１）。
4. 前記壁近傍の開口部（５）の少なくとも１つは、前記反応炉壁のうちの少なくとも１つに沿って配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の分散床（１）。
5. 前記壁近傍の開口部（５）のうちの少なくとも１つは、前記反応炉壁（４）のうちの少なくとも１つと±１５°、好ましくは±５°の角度を形成していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の分散床（１）。
6. 前記開口部（５）は、少なくとも部分的に円状に配置され、少なくとも２つの前記円の開口部は、特に内側方向に隣接する前記円の開口部がその外側の円の開口部の間に配置されるように、円周方向に互いに対してずれて配置されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の分散床（１）。
7. 前記分散床の端部領域における単位面積当たりの壁近傍の開口部（５）の数は、前記壁から離れた領域における単位面積当たりの前記壁から離れた開口部（６）の数より多いことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の分散床（１）。
8. 前記壁近傍の開口部（５）は、前記壁から離れた開口部（６）に対して、好ましくは１０〜５０％、特に２０％大きな直径を有し、よってより多くのプロセスガスが前記壁近傍の領域に導入され得ることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の分散床（１）。
9. 前記壁近傍の開口部（５）の少なくとも１つは、前記反応炉壁のうちの１つに対して平行に、及び／又は±１５°、好ましくは±５°の角度を傾斜して配置されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の分散床（１）。
10. 前記壁近傍の開口部（５）のうちの少なくとも１つは、前記反応炉壁（４）が、計算された噴流侵入深さを有して開口部において形成された前記プロセスガスの噴流によって衝突されるように、前記反応炉壁（４）に対して位置合わせされていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の分散床（１）。
11. 前記壁近傍の開口部（５）のうちの少なくとも１つは、前記反応炉壁（４）が、計算された噴流侵入深さの７０〜１３０％、好ましくは９０〜１１０％を有して開口部において形成された前記プロセスガスの噴流によって衝突されるように、前記反応炉壁（４）に対して位置合わせされていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の分散床（１）。
12. 前記壁近傍の開口部（５）は、前記壁から離れた開口部（６）とは異なって整列されていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の分散床（１）。
13. 前記開口部（５、６）のうちの少なくとも１つは、所定の位置に設置することができるノズル（７）を有することを特徴とする請求項１〜１２に記載の分散床（１）。
14. 前記所定の位置に設置することができるノズル（７）はガイドチューブ（８）を備え、該ガイドチューブ（８）の内径は、前記ノズルの最小直径の１〜１０倍、好ましくは２〜７倍であることを特徴とする請求項１３に記載の分散床（１）。
15. 前記ガイドチューブ（８）の長さは、前記分散床（１）の厚さの少なくとも７０％に対応することを特徴とする請求項１４に記載の分散床（１）。
16. 前記ガイドチューブ（８）は、耐火材料から成ることを特徴とする請求項１４又は１５に記載の分散床（１）。
17. 前記ノズルの軸は、前記ガイドチューブ（８）及び／又は前記分散床の前記開口部（５、６）に対して傾斜するように配置されていることを特徴とする請求項１４〜１６のいずれか一項に記載の分散床（１）。
18. 前記ガイドチューブ（８）は屈曲部（９）を有することを特徴とする請求項１４〜１７のいずれか一項に記載の分散床（１）。
19. 前記ノズル（７）は、略円筒形状又は略円錐形状のノズル開口部を有することを特徴とする請求項１〜１８のいずれか一項に記載の分散床（１）。
20. 前記ノズル（７）は金属からなることを特徴とする請求項１〜１９のいずれか一項に記載の分散床（１）。
21. 前記ノズル（７）は、溶接接続によって、又はフランジによって前記分散床（１）に接続されていることを特徴とする請求項１〜２０のいずれか一項に記載の分散床（１）。

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