JP2020517422A - ペレットを搬入する方法 - Google Patents

Abstract

ペレットをレセプタクルに搬入する方法は、加圧流体を使用して、レセプタクル内部の複数の高さにおいて仮想ブランケットを形成し、落下するペレットの加速度を低減し、ペレットの穏やかな搬入を提供する。

Description

背景
本願は、２０１７年４月２０日付けで出願された米国仮特許出願第６２／４８７，５２７号への優先権を主張するものであり、この米国仮特許出願は参照により本明細書に援用される。

本発明は、ペレットをレセプタクルに搬入する、例えば、触媒を化学反応器又は炉の垂直反応管に搬入する等の方法に関する。

多くの化学反応器は基本的に、大型シェルアンドチューブ式熱交換容器であり、反応は管内部で行われ、冷却剤が容器内の管外部を循環する。炉管は開放され、下部において固定マニホルド及び上部において流出パイプに取り付けられ、ガスが垂直長さに沿って外部から噴射される。化学反応容器は、単一容量の触媒を内部に有する単純なタンクであることもでき、又は１つの大きな管であることもできる。幾つかの化学反応は、水蒸気改質炉及び１０本から５００本、又は５００本超のそのような管を有するシステムの一部であり得る他の管で生じる。これらの容器及び管のいずれでも、通常はペレットの形態の触媒（及び触媒ではない他のタイプのペレット）を管又は容器に搬入し得る。ペレットは定期的に交換される。

管はかなり長くなり得、数階の高さの構造内に収容される。ペレットは、重力により管を流れ得るように、管の上部より上の高さまで数階の高さを輸送され得る。例えば、多くの炉内の管は４５フィート（１５ｍ）を超え得る。

触媒業界では、変換効率を改善する、より高品質の触媒を製造する取り組みが行われている。変換効率は、触媒の初期品質のみならず、触媒ペレットの搬入効率によっても影響を受ける。ペレットは各反応管又は炉管に慎重に搬入されて（１つの反応器内には数千の管があり得る）、各管を均一に充填しようとする。

触媒ペレットは多くの場合、非常に脆い、すなわち、非常に壊れやすく砕けやすい。より高性能な品質の触媒を得る触媒製造業者側の努力により、結果として、触媒ペレットは、圧壊強度がより低く、更により繊細になった。取り扱い中、特に搬入プロセス中、ペレットの劣化を回避することが望ましい。ペレットを４５フィートの長さの反応管又は炉管に落下させると、ペレットは高い確率で破砕し劣化することになり、これは望ましくない。

長い管を落下するペレットは、かなりの速度及び運動エネルギーに達し、これらは、管の底部又は他のペレットの上に着地する際、散逸されなければならない。ペレットがエネルギーを散逸し、静止するには時間がかかり得る。幾つかのペレットは、単に各管をその長さ落下することにより砕け得る。ペレットに、他のペレットが上に搬入される前にペレットが静止するための十分な時間が与えられない場合、充填密度が下がる恐れがあり、充填密度の低下は望ましくない。

従来、ペレットが管を落下する際、ペレットの速度及び運動エネルギーを低減するために、ペレットが受け取り管を通って下方に流れる際にペレットが衝突又は沿って摺動する、バネ、「ウィスカ」、螺旋状ランプ、及び他の機械的装置を含め、多くの装置及び方法が使用されてきた。不都合なことに、これらの機械的装置へのペレットの繰り返しの衝突も、脆いペレットを劣化させる傾向がある。

ペレットへのダメージを低減し、充填密度を改善するために、速度及び運動エネルギーを低減して、これらのペレットを反応管又は炉管（又は他のレセプタクル）に搬入する装置及び方法が必要とされている。

概要
本発明は、加圧ガス（圧縮空気等）を使用して、ペレットが落下する際、ペレットの加速度を重力に起因したペレットの自然加速度未満に低減する、ペレットをレセプタクルに搬入する搬入装置及び搬入方法に関する。圧縮空気は、受け取り管又は他のレセプタクル（ボックス又は反応容器等）の長さに沿った複数の高さ位置で解放され、落下するペレットに複数の空気の「仮想ブランケット」を提供し、受け取り管又は他のレセプタクルの長さに沿うペレットの加速度を低減するためにペレットに衝突し、各ペレットのソフトランディングを可能にする。

シェルアンドチューブ型の化学反応容器の概略を示す断面図である。 図１の反応器の上管シートの平面図である。 １つの反応管、管シート、及びペレットの切り欠き概略断面図であり、反応管の上部開口部にわたるペレットの架橋を示し、反応管内部の触媒架橋を示す。 図３と同様であるが、反応管の上に、反応管の直径よりも小さな直径を有し、管に搬入が行われているとき、反応管内部へのペレットの架橋を回避する、反応管に向かう開口部を有する表面が追加された切り欠き概略断面図である。 管内部へペレットを減速して搬入することに使用される管の側面図である。 ペレットが搬入される管内部での図５の管の側面図である。 図６と同様であるが、管内部に搬入されているペレットを示す側面図である。 図４と同様であるが、搬入スリーブを使用する側面図である。 図６と同様であるが、管の挿入及び引き抜きにモータ及びエンコーダを有するホースリールを使用する装置の側面図である。 図９と同様であるが、ホッパー、スケール、及び漏斗がペレットの搬入に使用されることを示す側面図である。

図１は典型的な化学反応容器１０を示し、典型的な化学反応容器１０はシェルアンドチューブ式熱交換器であり、上管シート１２及び下管シート１４を有し、複数の垂直反応管１６が管シート１２、１４に対して溶接され又は拡管されて、密に詰められた管束を形成する。管シート１２と１４との間に延びる１本から数百本、更には数千本の円筒管１６があり得る。各管１６は、上管シート１２に隣接する上端部と、下管シート１４に隣接する下端部とを有し、管１６は、触媒又は他のペレットを反応管１６内部に保持するクリップが下端部にあることを除き、両端部において開かれる。上管シート１２及び下管シート１４は、管１６の外径のサイズの複数の開口部を有し、各管１６は、上管シート１２及び下管シート１４の各開口部内に配置される。

容器１０は、上部ドーム（又は上部ヘッド）１３及び下部ドーム（又は下部ヘッド）１５並びに容器１０内部の管シート１２、１４にアクセスするための人道１７を含む。人道は、反応器の動作中、閉鎖されるが、触媒取り扱い中等、アクセスのために開かれる。ここでは、反応管１６は、化学反応を促進する触媒ペレットで充填される。（同様の形状のシェルアンドチューブ式熱交換器が、ボイラー、炉、又は他の熱交換器等の他の目的で使用され得ることに留意し得る）。

この特定の反応容器１０はかなり典型的である。管の長さは５フィートから６５フィートの範囲であり得、反応容器１０は構造的鋼鉄スキッド又は枠組み（図示せず）で囲まれ、構造的鋼鉄スキッド又は枠組みは、反応容器１０の管シート高さへのアクセス並びに中間高さ及び反応容器１０の上部開口部の高さ又はその近傍にあり得る最も高い高さへのアクセスのための階段又はエレベーターを含む。２ヶ月ごとから４８ヶ月ごと以上であることができる一定期間ごとに、触媒の効率が落ち、生産性が落ち、又は「被毒されたもの」になると、触媒は取り替えられ、古い触媒は取り除かれ、新しい分量の触媒が反応容器１０の管１６内に設置される。触媒の取り扱いはまた、緊急時、未定であり通常望ましくないスケジュールで行う必要があることもある。

触媒交換作業は反応器の完全なシャットダウンを含み、これは生産損失に起因したかなりのコストを生じさせる。本明細書に示され記載される搬入装置は、新しい反応器での初期搬入及び触媒交換作業の両方に使用することができる。（上部開口部から下方に延びるレセプタクルにペレットを搬入すべき他の状況で使用することもできる）。ペレットの穏やかな搬入を行いながら、それでもなお、反応器のシャットダウンによって生じる生産損失及び付随コストを最小に抑えるために、搬入を含む触媒交換作業に必要な時間量を最小に抑えることが望ましい。

図２は、複数の反応管１６を含む（下管シート１４と同一の）図１の上管シート１２の概略平面図である。図３に示されるように、触媒ペレット１８は、触媒を反応管１６に搬入しようとする際、反応管１６（レセプタクル）の開放上端部を架橋する可能性があり、これは、ペレットが反応管１６に入るのを妨げる。さらに、２つ以上のペレット１８が反応管の上部開口部にほぼ同時に落下する場合、管１６内部を架橋して橋の下に空隙又は空間を作り出す触媒の橋を形成し、触媒が反応管１６を均一且つ完全に充填するのを妨げ、反応管１６の非均一で望ましくない触媒搬入に繋がるのに有利な状況になる。

反応管１６内部の触媒ペレット１８の橋形成を回避するために、設置者は、反応管１６の内径よりも小さな直径の開口部３４を有し、それにより、反応管１６へのペレット１８のフローを制限し、管１６内部での橋形成を回避する型板２０（図４に示される）又は搬入スリーブ（図８の搬入スリーブ２１と同様）に頼ってきた。（すなわち、ペレットが「一列縦隊」で又はいかなるときでも管の全径に広がることができないほど十分に少数で一度に管１６を通って流れる場合、橋形成は生じない）。炉又は改質管の内径（通常、４インチ以上の範囲）は、これらの管に搬入されるペレットの最大寸法よりもはるかに大きいため、この橋形成状況が炉又は改質管ではあまり生じないことに留意されたい。

図１及び図５〜図８は、より詳細に後述するように、各受け取り管又はレセプタクル１６に挿入されて、ペレットを減速して搬入することに役立つ、ポリエチレン管等の薄く可撓性がある中空のガス注入管２２を示す。

図５を参照すると、ガス注入管２２は垂直離間され、半径方向で位置合わせされた複数の開口部２４を含み、各開口部２４は、注入管２２の壁を貫通し、加圧流体（圧縮空気２６等、図６参照）を注入管２２の内部から注入管２２の外部及び受け取り管又はレセプタクル１６の内部に流す流通を提供する。注入管２２の第１の端部３０はレセプタクル１６に挿入される。注入管２２の第２の端部３１は、図６に示されるように、圧縮空気源から加圧空気２６を受け取る。（加圧空気２６は、第２の端部３１から注入管２２に流入し、複数の開口部２４を通って注入管２２から出てレセプタクル１６に入る。）次に、加圧空気２６は、図７に示されるように、受け取り管１６の上部における真空マニホルド３８を通って受け取り管１６から流出し、真空源３６に流入する。

加圧空気２６は、注入管２２の各開口部２４のすぐ外側に複数の局所的な「仮想ブランケット」２８を形成する。注入管２２の長さに沿った離散的な高さにおける局所的な空気圧ブランケット２８の連続は減速力を提供し、減速力は、触媒搬入プロセス中、触媒ペレット１８が受け取り管１６を通って落下する際、各触媒ペレット１８に対して作用する。

開口部２４は、１フィートごと、６インチごと、１ｍごと、又は均一若しくは非均一であり得る任意の所望の間隔で配置されて、所望の減速効果を達成し得る。開口部２４は好ましくは、半径方向に位置合わせされ、それにより、開口部２４は全て、注入管２２に対して同じ方向に力を及ぼし、注入管２２をレセプタクル１６の片側に押し付けようとする。注入管２２の第１の端部３０は好ましくは、キャップ、プラグ、管２２の熱融着、又は他の既知の手段により封止される。図８のように、型板又は搬入スリーブ２１が使用される場合、注入管２２の第１の端部３０は、型板若しくは搬入スリーブ２１又は他の搬入装置の小型開口部４０（図８参照）を通して受け取り管１６の上部に挿入され、又は注入管２２の第１の端部３０は、ペレットが受け取り管１６に向かって通る同じ開口部３４に挿入され得る。マニホルド３８及び真空ライン３６は図８に示されていないが、図７の実施形態と全く同じように、その実施形態にも存在する。注入管２２の第１の端部３０がレセプタクル１６の下部に隣接すると、搬入を開始することができる。次に、注入管２２は、ペレットがレセプタクル１６内に落下し、ペレットの高さが上昇するにつれて、注入管２２の第１の端部３０がペレットの高さの上に留まるように、ペレットがレセプタクル１６内に導入され続けるにつれ、レセプタクル１６から徐々に取り外される。

図７を参照すると、各仮想「ブランケット」２８は好ましくは、触媒ペレット１８が受け取り管１６を通って落下する際、触媒ペレット１８の下方運動を減速させるのにちょうど十分であるが、完全に停止させない、又は逆流させない強さ及び小さな微粉及び塵を受け取り管１６の上部に強制的に送るのに十分な強さである。各触媒ペレットは、注入管２２の開口部２４のそばを通る際、減速し、各ペレットは最終的に、受け取り管１６の下部におけるクリップ３２^＊（図９参照）上又は前に堆積した触媒ペレット１８の上に穏やかに降下し、レセプタクル１６内に高さが上昇するペレット群を形成する。

一実施形態では、注入管２２は、加圧流体の温度変動にも拘わらず開口部２４がほぼ同じサイズのままであるように熱的に安定もする、ポリエチレン管等の薄く可撓性がある材料で作られる。開口部は、注入管２２に沿った各位置又は任意の位置で１つ又は複数であることができ、示されていない精密オリフィスを含む様々な種類であることができる。また一実施形態では、先に説明したように、開口部２４は半径方向に位置合わせされ、それにより、加圧空気２６がオンになると、半径方向に位置合わせされた開口部２４を通って排出される加圧空気の力が、受け取り管１６の一方向に向けて注入管２２を押し（図７に示されるように）、橋を形成する傾向がなく、触媒ペレット１８が受け取り管１６の長さに沿って落下する、より制限のない空間を提供する。ここでも、仮想空気「ブランケット」２８は、各触媒ペレットに減速力を与える。受け取り管１６へのペレット１８の搬入率は、搬入プロセス中、受け取り管１６内部の橋形成を回避し、各ペレットが既に搬入された他のペレットに接触する際、管の全長に沿ったどの位置でも同じ速度を有することを保証するように制御される。

ペレットが受け取り管１６に搬入されるにつれて、注入管２２は受け取り管１６から徐々に引き出され、それにより、注入管２２の閉じられた第１の端部３０は常に、受け取り管１６内のペレットの高さから所望の距離だけ上にある。

先に説明したように、受け取り管１６の下端部は、ペレットが下部から落下しないようにするクリップ又はバネ３２^＊（図９参照）を有する。搬入プロセス中、圧縮空気が受け取り管１６の下部から逃げないようにするために、搬入プロセス中、受け取り管１６の下端部は、キャップ又はプラグ３２（図７参照）で一時的に塞ぎ得、又は図９に示されるように、プロセスは単に、触媒ペレットの上昇する層によって、受け取り管１６の下部からの圧縮空気の流出を制限し得る。

真空源３６（図７参照）はマニホルド３８に適用され、マニホルド３８は、受け取り管１６の上部において受け取り管１６の内部と流れを通じて、注入管２２を介して受け取り管１６内に注入されている空気を引き出す。触媒ペレット１８が受け取り管１６に搬入されているとき、触媒ペレット１８の取り扱い中に生成され得る任意の塵粒子又は微粉は連続して、マニホルド３８及び真空ライン３６を通して受け取り管１６外に吸引され、より密な搬入と、搬入された触媒の管又は触媒の層におけるより低い圧力降下という結果となる。高多孔性で設計された砕けやすいペレットは、塵及び微粉が除去され、最小に保たれる場合、より密に且つ均一に充填される傾向があり、これは望ましいことである。

搬入手順
ペレットを受け取り管１６に搬入するために、注入管２２の第１の端部３０は、注入管２２の第１の端部３０が受け取り管１６の下部に隣接するまで、受け取り管１６の開放上部から導入される。レーザ又は音響センサ（図示せず）等の小型ビデオカメラ、ＬＥＤ光、及び電子距離センサを注入管２２の第１の端部３０に隣接して搭載して、搬入されたペレットの上昇する層に対する注入管２２の第１の端部３０の位置をモニタ及び測定し、受け取り管１６内部のペレット１８の実際の搬入をモニタし得ることに留意されたい。

注入管２２の第１の端部３０が受け取り管１６内に導入されると、真空源３６と同様に圧縮空気源２６が作動し、ペレット１８は、型板、搬入スリーブ、又は他の搬入装置の開口部３４を通り（又は受け取り管１６の直径が、橋形成が問題ではない程十分に大きい場合、単に受け取り管１６の開放上部を通り）徐々に落下する。ペレット１８は開口部３４を通って受け取り管１６に流入する。ペレット１８が受け取り管１６を落下するにつれて、注入管２２内の各開口部２４における仮想空気「ブランケット」２８は、各ペレットの加速度を低減し、それにより、ペレットは、受け取り管１６の下部又は搬入されたペレット１８の群の上昇する層の上部にて静止するまで、低速で落下する。ペレットが搬入されるにつれて、注入管２２は受け取り管１６から徐々に持ち上げられて出され、注入管２２の第１の端部３０を受け取り管１６内の降下ペレット群の上昇する高さより所望の距離だけ上に維持する。

注入管２２を徐々に持ち上げて出すプロセスは手動で達成し得、オペレータは、注入管２２の下部にあるビデオカメラが「見ている」ものを示すビデオ表示を見て、又は注入管２２の第１の端部３０における電子距離センサからの距離読み取り値を表示するインジケータを見て、注入管２２の第１の端部３０を降下ペレット群１８の上昇する高さより所望の距離だけ上に維持する。

代替的には、図９に示されるように、注入管２２を徐々に持ち上げて出すプロセスは自動的に達成し得、コントローラ４５は、カメラ又は距離センサと、注入管２２の動きを制御するデバイスと通信し、ビデオ表示又は距離読み取り値に応答して、注入管２２の第１の端部３０をペレット１８の上昇する高さより所望の距離だけ上に維持するように注入管の徐々な取り外しを制御する。例えば、コントローラ４５はモータ／ギアボックス４１を制御し得、モータ／ギアボックス４１は、スプール又はドラム４２の回転を制御して、注入管２２をレセプタクル１６から制御された度合いで退避させ、注入管２２がペレット１８に飲み込まれないように、注入管２２の第１の端部３０を搬入ペレット１８の高さの上に維持する。回転ドラム４２上のエンコーダ４４を使用して、フィードバックをコントローラ４５に与え、レセプタクル１６からの注入管２２の挿入及び取り出しの度合いを制御し得る。

図１０は、注入管２２を持ち上げて出すプロセスを制御する更に別の代替を示す。この装置では、注入管は、先に説明したようにビデオ表示又は距離読み取り値の代わりに、スケールからの重量減読み取り値に応答して徐々に取り出される。この実施形態では、複数のペレット１８を持つホッパー４８が重量計４６により支持される。振動機５０を使用してホッパー４８を穏やかに振り、それにより、ペレットは、ホッパー４８からホッパー取り出し経路５２を介して漏斗５４上に転がり落ち、直径が狭められた漏斗出口５６を通って管１６内に落下する。スケール４６は、重量読み取りを連続して又は非常に短い間隔で行い、このデータをコントローラ４５に送信し、コントローラ４５は、ホッパー４８内のペレットの重量変化を計算し、その情報を使用して、管１６内のペレット１８の高さを特定する。コントローラ４５は信号をデバイス４１に送信し、信号は、注入管２２がペレット１８によって飲み込まれないように注入管２２の第１の端部３０を搬入ペレット１８の高さの上に維持するよう、制御された度合いでレセプタクル１６から注入管２２を退避させるスプール又はドラム４２の回転を制御する。回転ドラム４２上のエンコーダ４４は、レセプタクル１６からの注入管２２の退避速度を制御するフィードバックをコントローラ４５に提供する。

受け取り管又はレセプタクル１６にペレット１８が所望の高さまで搬入されると、マニホルド３８、注入管２２、及び任意の型板、搬入スリーブ、下部キャップ、又は他の搬入のための装置は取り外される。

上記説明は一般に、触媒ペレット又は他のペレットを垂直管化学反応器の反応管に搬入することに関するが、本構成は、上部開口部から下方に延びる他のタイプの受け取り管又は他のレセプタクルに他のタイプのペレットを搬入するのに使用することもできる。特許請求の範囲に記載される本発明の範囲から逸脱せずに、上述した実施形態に変更を行い得ることが当業者には明らかになろう。

Claims (14)

1. ペレットをレセプタクルに搬入する方法であって、
   開放上端部及び下端部を有するレセプタクルを提供するステップと、
   注入管の第１の端部を前記レセプタクルの前記開放上端部に挿入し、前記下端部近傍の位置まで下方に降ろすステップであって、前記注入管は複数の垂直離間開口部を有する、ステップと、
   加圧流体を前記注入管に注入するステップであって、前記加圧流体は前記垂直離間開口部を通って流出する、注入するステップと、
   前記加圧流体が前記注入管を通り、前記垂直離間開口部を通って流れ出る間、複数のペレットを前記開放上端部から前記レセプタクルに順次落下させるステップであって、前記加圧流体は、前記ペレットが落下する際、前記ペレットの加速度を低減する、落下させるステップと、
   を含む方法。
2. 前記ペレットが前記レセプタクル内に降下して、前記レセプタクル内で高さが上昇する降下ペレット群を形成するにつれて、前記注入管を前記レセプタクルから徐々に取り外すステップであって、前記ペレットが前記レセプタクル内に落下し続けるにつれて、前記注入管の前記第１の端部を前記降下ペレット群の前記高さよりも上に維持する、取り外すステップ
   を更に含む、請求項１に記載のペレットをレセプタクルに搬入する方法。
3. 前記レセプタクルの上部に真空を適用するステップであって、前記加圧流体を除去し、前記加圧流体により落下する前記ペレットの流れの外に積もった塵粒子を除去する、適用するステップ
   を更に含む、請求項２に記載のペレットをレセプタクルに搬入する方法。
4. 前記注入管の前記第１の端部は閉じられる、請求項３に記載のペレットをレセプタクルに搬入する方法。
5. 前記垂直離間開口部は半径方向に位置合わせされる、請求項３に記載のペレットをレセプタクルに搬入する方法。
6. 前記注入管の前記第１の端部に隣接して搭載されるカメラを更に含み、前記カメラは前記ペレットを監視する、請求項３に記載のペレットをレセプタクルに搬入する方法。
7. 前記注入管の前記第１の端部に隣接して搭載される距離センサを更に含み、前記距離センサは、前記レセプタクル内の前記降下ペレット群の高さを検出する、請求項３に記載のペレットをレセプタクルに搬入する方法。
8. コントローラを更に含み、前記コントローラは、前記距離センサ及び注入管駆動装置と通信し、前記距離センサにより測定される前記レセプタクル内の前記降下ペレット群の前記高さの上昇に応答して、前記レセプタクルからの前記注入管の取り外しを制御する、請求項７に記載のペレットをレセプタクルに搬入する方法。
9. 前記注入管の前記第１の端部は閉じられる、請求項８に記載のペレットをレセプタクルに搬入する方法。
10. 前記垂直離間開口部は半径方向に位置合わせされる、請求項９に記載のペレットをレセプタクルに搬入する方法。
11. 前記レセプタクルの前記下端部は、前記ペレットが前記レセプタクル内に搬入中である間、一時的に閉じられ、前記レセプタクルの前記下端部は、前記ペレットが搬入完了すると、再び開放される、請求項１０に記載のペレットをレセプタクルに搬入する方法。
12. 前記レセプタクルの前記下端部は、前記ペレットが前記レセプタクル内に搬入中である間、一時的に閉じられ、前記レセプタクルの前記下端部は、前記ペレットが搬入完了すると、再び開放される、請求項３に記載のペレットをレセプタクルに搬入する方法。
13. 前記注入管を前記レセプタクルから徐々に取り外すステップは、コントローラにより制御され、前記コントローラは、注入管駆動装置、注入管スプールエンコーダ、及びカメラ、距離センサ、及び重量計からなる少なくとも１つの群と通信して、前記注入管の徐々な取り外しを自動的に制御する、請求項２に記載のペレットをレセプタクルに搬入する方法。
14. 前記注入管を前記レセプタクルから徐々に取り外すステップは、コントローラにより制御され、前記コントローラは、注入管駆動装置、注入管スプールエンコーダ、及びカメラ、距離センサ、及び重量計からなる少なくとも１つの群と通信して、前記注入管の徐々な取り外しを自動的に制御する、請求項３に記載のペレットをレセプタクルに搬入する方法。

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