JP2022179526A - ダウンフロー型水素化処理反応器のための改良された混合デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】ダウンフロー型水素化処理反応器のための改良された渦式混合デバイスを提供すること。【解決手段】本発明によれば、多床ダウンフロー型触媒反応器のための混合デバイスであって、トッププレート３４と、トッププレートと平行に延びるベースプレート３２と、混合デバイスの内部領域内に収容された複数の内向きベーン３６と、混合領域とを有し、ベースプレートの内面から延びる堰リングも、トッププレートの内面から延びるバブルキャップも有していない混合デバイスが提供される。このデバイスは、先行技術のデバイスと比較して、デバイスにおける圧力損失を減らしつつ、二相系の気相および液相の混合における既存の混合容積の全体としての混合効率の改善を提供する。典型的な水素化処理の用途として、水素化精製、水素化仕上げ、水素化分解、および水素化脱ロウが挙げられる。【選択図】図２

Description

ダウンフロー型水素化処理反応器（ｄｏｗｎ－ｆｌｏｗ ｈｙｄｒｏｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｒｅａｃｔｏｒ）のための改良された渦式（ボルテックス）混合デバイスが開示される。このようなダウンフロー型水素化処理反応器は、高い温度および圧力において水素の存在下で炭化水素系原料の触媒反応を実行するために石油および化学処理産業において使用されている。適切な水素化処理の用途として、水素化精製、水素化仕上げ、水素化分解、および水素化脱ロウが挙げられる。

固定床水素化処理反応器においては、気体および液体反応物（例えば水素および炭化水素系原料）が、固体触媒の１つ以上の床（ｂｅｄ）を通って下方へと流れる（例えばＰｅｎｉｃｋの米国特許第４，５９７，８５４号明細書を参照）。

反応物が反応器の触媒床を通って下方へと流れるにつれ、反応物が触媒物質と接触して反応し、所望の生成物を生み出す。水素などの気体反応物が消費され、触媒反応によって熱が発生する。反応器を通って下方へと移動するときの原料の温度を制御することは、得られる生成物の質および量が目標の製品に向けて最大化されることを保証するために重要である。

温度の上昇を抑え、反応によって消費された水素を補給するために、低温の水素豊富な気体を触媒床間に導入することができる。全体としての反応器の性能を維持するために、反応器内の流体の温度は可能な限り均一であるべきであり、液体および気体は、性能を最大にするために充分に混合されるべきである。床間の流体の混合が不充分であると、反応器の動作がさまざまな様相で制限される可能性がある。半径方向の温度差を床間の混合によって消すことができない場合、これらの差は、プロセス流体が反応器を下方へと移動するときに持続し、あるいは増大する。床にホットスポットが存在すると、その領域の触媒が急速に失活し、反応器の総サイクル長が短くなる可能性がある。生成物の選択性が、典型的には高温において劣る。例えば、高温領域は、色、粘度、および他の製品品質を規格外にする可能性がある。またいずれかの場所において温度が特定の値（典型的には８００～８５０°Ｆ）を超えると、発熱反応が自己加速的になり、触媒、容器、または下流の機器を損傷させかねない暴走現象につながる可能性がある。

これらの危険性ゆえに、劣悪な反応器内部ハードウェアにて操業する精製業者は、劣悪な床間の流体の混合の有害な影響を回避するために、歩留まりおよび／または処理量を犠牲にしなければならない。反応器の不均一な温度分布およびホットスポットは、触媒床間での反応物の混合および均衡化、温度および流れの不均一な分布の修正、ならびに圧力損失の最小化によって、最小限に抑えることができる。触媒床間の流体の混合は、分散器アセンブリ（ディストリビューターアセンブリ）および混合室を使用することによって達成することができる。設計をはるかに超える供給速度で水素化処理ユニットを運転することを命じる今日の精製所の経済学において、最適な床間の流体の混合は、貴重な低コストでのボトルネックの解消である。

分散器アセンブリを、多床の触媒反応器の床（ベッド）間の領域で流体を集め、混合し、分配するために使用することができる。分散器アセンブリは一般に、上方の触媒床から流れる液体および気体を集めて混合するためのトラフと、トラフにおいて中央に配置され、トラフから液体を受け取って液体および気体をさらに混合する混合デバイスまたは混合室とを含む。

混合デバイスは、流体／気体の効率的かつ徹底的な混合をもたらし、ホットスポットおよび良好でない温度分布の回避に役立つため、多くの分散器アセンブリの重要な構成要素である。

混合デバイスは、トラフから液体を受け取るための少なくとも１つの入口と、下方の触媒床へと流れを向けるための少なくとも１つの出口とを有する。混合デバイスの設計はさまざまであり、例えば流体および気体の方向を変えることによって混合を促進するリボンブレンダ（ｒｉｂｂｏｎ ｂｌｅｎｄｅｒ）およびディスクアンドドーナツ（ｄｉｓｋ－ａｎｄ－ｄｏｎｕｔ）型ミキサなどのバッフルミキサの設計が挙げられる。

別の種類のミキサは、遠心式または渦式の設計である。この種のミキサにおいては、反応器を通って下方へと流れる液体および気体の流れが集められ、円形のチャンバへと導入され、チャンバにおける数回の回転の後に、中央に位置する開口部を下方へと通過する。

存在する場合、混合デバイスは、一般に、反応器内の触媒床の間の床間空間に位置する。多くの反応器において、床間空間は、支持梁、配管、および床間空間を占める他の障害物の存在ゆえ、制限されている。これらの空間的制約ゆえ、利用可能な空間に適合するように拡大縮小された混合デバイスなど、独自のハードウェアが、限られた容積において効率的な二相混合を実行するために必要とされる。さらに、より背が低い分散器アセンブリであれば、同じ反応器の容積において触媒の装てん量を増やすことができ、したがって反応器容積の利用を改善することができる。

さまざまな種類の混合デバイスが、いくつかの特許に記載されている。例えば、米国特許出願公開第２０１４／０２３１３０８号明細書を参照されたい。本発明は、米国特許第９，０７９，１４１号明細書および第８，０１７，０９５号明細書に記載の混合デバイスなどの先行技術の渦式混合デバイスに対する特定の改良を提供する。

良好な触媒寿命、高処理量、長いサイクル長、および全体としての反応器の性能のために、充分な床間の流体の混合が重要であるがゆえに、改良された混合デバイスが必要とされている。上下方向の寸法が小さく、かつデバイスにおける圧力損失が少ないにもかかわらず、床間空間が限られている既存の反応器への後付けでの設置が可能である混合デバイスについて、継続的なニーズが存在する。

米国特許第４，５９７，８５４号明細書 米国特許出願公開第２０１４／０２３１３０８号明細書 米国特許第９，０７９，１４１号明細書 米国特許第８，０１７，０９５号明細書

本発明は、ダウンフロー型水素化処理反応器のための渦式混合デバイスに関する。この混合デバイスは、多床反応器内の触媒床間の空間における流体のより効果的な混合を提供する。この混合デバイスは、他の渦式混合デバイスと比較して、混合デバイスにおける圧力損失を軽減しつつ、二相系の気相および液相の混合における既存の混合容積の効果的な混合を提供する。このデバイスは、サイズが比較的小さいがゆえに後付けの用途によく適し、また多床反応器の床間空間において効率的な流体の混合を達成するように新規の反応器の設計に合わせて拡大縮小することも可能である。例えばフローノズルなどの多床ダウンフロー型反応器のさらなる混合および分配の構成要素と併せて、この混合デバイスは、液相および気相の効果的な混合ならびに気相および液相の互いの混合を提供する。

この混合デバイスは、内面を有するトッププレートと、トッププレートと平行に延びるベースプレートとを含む。ベースプレートは、内面およびベースプレート開口部を有する。トッププレートおよびベースプレートの両方が、各々のプレートの外縁部を定める外周部を有する。複数の内向きベーン（羽根）が、トッププレートおよびベースプレートの内面に垂直に延び、かつトッププレートおよびベースプレートの内面の間に介在し、またトッププレートおよびベースプレートは、ベーンおよび反応器流体を受け入れる内部領域がプレート間に存在するように離されている。ベーンは、トッププレートおよびベースプレートの外周部からベースプレート開口部へと内側に向けられ、ベースプレート開口部からトッププレートおよびベースプレートの外周部まで延びる領域にわたって間隔をあけて配置されている。この混合デバイスは、おおむねベースプレート開口部から混合デバイスの入口領域まで延びる混合領域を含み、入口領域は、隣り合うベーンの間にある。例えば米国特許第９，０７９，１４１号明細書などの特定の先行技術のデバイスと対照的に、本発明の混合デバイスは、ベースプレートの内面から延びる堰リングまたはトッププレートの内面から延びるバブルキャップを備えない。

さらに、本発明は、内面を有する反応器シェル内に収容された上方および下方触媒床と、上方および下方触媒床の間に介在する床間分散アセンブリとを有する多床ダウンフロー型触媒反応器であって、床間分散アセンブリが本発明による混合デバイスを含んでいる多床ダウンフロー型触媒反応器に関する。

図１～図７が、本発明による混合デバイスの代表図を示す。本発明の範囲は、これらの代表図によって限定されず、本出願の特許請求の範囲によって定められると理解されるべきである。

多床触媒反応器内に配置された本発明の混合デバイスの実施形態の概略図である。 本発明の混合デバイスの断面図である。 本発明の混合デバイス２６の半分の斜視図である。 混合デバイスの上面図である。 任意付加的なトッププレートの穴を示す本発明の混合デバイスの別の上面図である。 本発明の内側へと湾曲したベーンの配置を示す上面図である。 本発明によるスロット付きのライザの配置を示す収集プレートの斜視図である。 ライザの詳細を示す収集プレートの一部分の断面図である。

本発明の渦式混合デバイスは、技術的に公知の渦式混合デバイスを超える利点をもたらす。そのような利点として、反応器内での上下方向の寸法の縮小（床間の分散器アセンブリによって占められる反応器容積の削減）、高処理量、混合の強化、圧力損失の減少、および全体としての反応器の性能の向上が挙げられる。具体的な実施形態および利点は、本明細書に提示される詳細な説明から明らかである。しかしながら、詳細な説明、図面、および特定の例は、いくつかの好ましい実施形態を含む有益な実施形態を示し、あくまでも例示を目的としたものであり、本発明の範囲を限定しようとするものではないことを、理解すべきである。

本発明は、多床（マルチベッド）水素化処理反応器のための渦式混合デバイスに関する。多床ダウンフロー型反応器１０の一部分の断面図が、図１に示されている。反応器１０は、容器シェル１２と、充填触媒押出成形物を含む上方および下方の触媒床（それぞれ、１４および１６）とを含む。各々の触媒床１４、１６は、支持格子と、随意によるスペースクロスおよびスクリーンとで構成された格子スクリーンアセンブリ１８（触媒床１４についてのみ図示されている）上に支持され、これらはすべて技術的に周知である。格子スクリーンアセンブリは、反応器容器の内壁２２へと水平に取り付けられて触媒床１４へと上方に延びる平行な支持梁２０上に取り付けられる。

床間分散アセンブリ２４が、上下方向において触媒床１４、１６の間に配置される。床間分散アセンブリ２４は、本発明の渦式混合デバイス２６を含む。混合デバイス２６は、触媒床１４の下方に取り付けられており、かつ上方の触媒床から流れ落ちる液体および気体を受け取って混合するように構成された収集プレート２８と流体密封式に連絡する。冷却気体導入管３０が、冷却気体（例えば水素）を混合デバイス２６の上方の領域に分配する。

図２が、混合デバイス２６の断面図であり、図３が、混合デバイス２６の半分、すなわち部位２６ａの斜視図であり、図４が、混合デバイス２６の上面図である。図４Ａは、混合デバイスの別の上面図を示しており、トッププレートに設けられ、トッププレートにわたって分布する穴７４を示している。

混合デバイスは、内面３２ａを有しかつ収集プレート２８（図１）に流体密封式に連絡するよう取り付けられたベースプレート３２と、ベースプレート３２に対して実質的に水平に延びるトッププレート内面３４ａを有するトッププレート３４とを含む。トッププレートは、図４Ａに示されるように、気体の進入を可能にするように混合デバイスの上部にわたって分布するプレートの穴７４を含んでもよい。収集プレート２８は、上方の触媒床から流れ落ちた流体を収集する。

互い違いに（千鳥状に）配置された、内側へ向けられた、またはより具体的には内側に湾曲した複数のベーン３６が、ベースプレート内面３２ａとトッププレート内面３４ａとの間に固定して取り付けられ、ベースプレート内面３２ａとトッププレート内面３４ａとの間に垂直に延びている。ベーン３６は、好ましくは、ベースプレート内面３２ａおよびトッププレート内面３４ａと流体密封式に連絡する。ベーンの数は、典型的には、３～８であり、好ましくは４～６である。図４および図４Ａに示されるように、ベーンの数は６つであってよく、ベーンは、ベースプレートの外周部からベースプレート開口部４６まで広がる領域にわたって分布している。ベーンは、直線状であっても、あるいは湾曲していてもよく、好ましくは内側へと湾曲している（図４）。

図４に示されるように、各々のベーンは、トッププレート３４の外周部に隣接して取り付けられたベーンの外側端部３８と、混合デバイス２６の混合領域（本明細書において後述される）に隣接して位置する内側端部４０とを有する。ベーン３６間の開放空間が、一連の混合デバイス入口領域４２を定め、各々の入口領域４２は、隣り合うベーン３６と、それらのそれぞれの内側端部３８および外側端部４０とによって画定される領域として定義される。

収集プレート２８は、縁部によって定められた開口部６０と、収集プレート開口部６０に隣接して位置するライザ（直立部）６２とを含み、ライザ６２は、収集プレート２８から遠ざかるように混合領域へと延びている。ライザ６２は上縁部６４を有し、混合領域内に位置している。ライザの高さは、典型的には、トッププレートとベースプレートとの間の距離の２５～７５％である。図６に示されるように、収集プレート開口部およびライザは、円形であってよく、ライザは、ライザ管と称される。ライザは、典型的には、ライザの上縁部の周囲を巡って間隔をあけて位置する上縁部のスロット５８を含む（図２および図７）。収集プレート開口部６０は、それぞれ直径６０ａを有する（図２）。

動作時に、炭化水素系の液体供給物が、触媒床１４から格子スクリーンアセンブリ１８を通って環状の収集プレート２８へと落下する。冷却気体導入管３０を介して導入された冷却気体（例えば水素ガス）と混合した上方の触媒床１４からのガスが、収集プレート２８上に集まった液体と触媒床１４との間の空隙を満たす。

液体および気体は、混合デバイス入口領域４２を介して混合デバイス２６に進入し、ここでベーン３６は、液体および気体が混合デバイス２６の混合領域に進入するときに弓状または円形の流れのパターンで流れるように、液体および気体を接線方向に向ける。液体および気体は、ライザ管上端部６４を乗り越えてライザ管６２内へと流れる。気体および液体は或る程度まで混ざり合って、ライザ管６２から下方に、典型的には複数の穿孔、下降管、またはノズルを含むトレイへと流れ、次いで下方の触媒床１６へと流れる。ライザ６２の内面は、典型的には、ライザ６２内を下方へと流れるときの気体／液体の混合をさらに改善するために、穿孔されたらせんプレートを含む。

本明細書に記載の混合デバイス２６は、１日あたり数千または数万バレル（１バレル＝４３ガロン；１６４Ｌ）の原料を処理するように設計された大型の水素化処理反応器において使用されるように意図されている。典型的には、混合デバイス２６は、直径が数フィートであってよく、デバイス２６を製作するために使用される材料（例えば１／４インチ～１／２インチの鋼板）のため、製作されたときに数百ポンド（ｌｂｓ）の重量となり得る。

本発明の混合デバイス２６を、最終的なデバイス２６の製造を達成するように個々の構成部品を互いに溶接または他の方法で取り付けることによって、現場で製造することができる。この方法を用いた現場でのデバイス２６の製造は、数日を要する可能性があり、反応器ユニットの稼働を遅らせる。デバイス２６が既存の反応器の設計の更新または改良に使用される場合、（反応器内に残る残余の炭化水素物質の発火の可能性などの安全上の懸念ゆえに）反応器容器内で行われる組み立ての量を減らすことが望ましい。

新規の反応器の製造または既存の反応器の改良に必要な時間を減らすために、混合デバイス２６の一部分が、好ましくはサブアセンブリを形成するように予め組み立てられ、これらのサブアセンブリが反応器へと挿入されて組み立てられ、最終的な混合デバイス２６が形成される。

図２、図３、および図４に示される一実施形態において、混合デバイス２６は、それぞれが混合デバイス２６の半分を呈する２つの混合デバイスサブアセンブリ２６ａ、２６ｂから形成されている。各々のサブアセンブリ２６ａ、２６ｂは、それぞれ１つ以上のリフトラグ６６および６８を備える。リフトラグ６６、６８は、サブアセンブリを反応器内へと下降させ、サブアセンブリを所定の場所へと移動させることができるホイスト、クレーン、または他のデバイスに、各々のサブアセンブリ２６ａ、２６ｂを取り付けるために設けられる。

各々のサブアセンブリ２６ａ、２６ｂは、対をなすフランジ７０および７２をそれぞれ備え、フランジ７０および７２は、稼働時にサブアセンブリ２６ａ、２６ｂを動かぬように保持するようにナット／ボルトの組み合わせ（または、そのような他の適切な固定デバイス）を挿入することができる複数の開口を含み、またサブアセンブリ２６ａ、２６ｂは、稼働期の間の保守の際に混合デバイス２６の上方および下方の領域へのアクセスを可能にするために分解することができる。混合デバイス２６は、ベースプレート３２の周囲のスロットを収集プレート上の取り付けポイント７６と位置合わせすることによって収集プレートに取り付け可能である。

内側へと湾曲したベーン３６の配置が、図５に示される。当業者によって使用されるプロセス流体計算によって規定される混合デバイス２６の外径を表す円Ｒ１が、やはりプロセス流体計算によって規定される混合デバイス入口領域４２の内径を表す円Ｒ３とともに図示されている。円Ｒ２は、Ｒ１とＲ３との間の半径方向距離の半分に位置している。

図５の角度「Ａ」は、１つのベーンの外側端部について、隣接するベーンの内側端部との角度オフセットを表しており、これが、ベーンの内側端部４０について、隣接するベーンの外側端部３８の大径部分との半径方向の「重なり」をもたらす（図４を参照）。必ずしも特定の値に限定されないが、適切な角度Ａの値は、４ベーン・システムにおいて１５°であってよく、６ベーン・システムにおいて１０°であってよく、８ベーン・システムにおいて８°であってよい。角度「Ｂ」は、ベーン３６がＲ１とＲ３との間の領域において占める半径方向距離を表す。角度Ｂの代表的な値は、３６０°／（ベーンの数）であるが、これに限られるわけではない。角度「Ａ」において、ベーン３６の内面がＲ１と交わる。角度「Ａ」および「Ｂ」の和（Ａ＋Ｂ）である角度において、ベーン３６の内面がＲ３と交わる。Ａ＋Ｂ／２に等しい角度において、ベーン３６の内面はＲ２と交わる。

重なり領域における隣接ベーン間の距離「Ｄ」（すなわち図５における距離Ｒ１－Ｒ３）を、入口領域４２を定義するために変化させることができる（図４および図５）。本発明の１つの観点において、距離「Ｄ」は、先行技術の渦式混合デバイスよりも大きく、とくには米国特許第９，０７９，１４１号明細書に記載の混合デバイスよりも大きい。好ましくは、「Ｄ」は、そのような先行技術のデバイスよりも少なくとも約５％、より好ましくは少なくとも約１０％大きい。

本発明の実施形態の以上の説明は、主に例示を目的としており、本発明の本質を依然として取り入れていると考えられる多数の変種が使用可能であることが理解される。本発明の範囲を決定する際には、添付の特許請求の範囲を参照すべきである。

Claims (14)

1. 多床ダウンフロー型触媒反応器のための混合デバイスであって、
   ａ）内面と外周部とを有するトッププレートと、
   ｂ）前記トッププレートと平行に延びるベースプレートであって、内面と、外周部と、ベースプレート開口部とを有し、前記トッププレートおよび前記ベースプレートは、前記混合デバイスの内部領域を画成するように所定の距離だけ離されている、ベースプレートと、
   ｃ）前記混合デバイスの前記内部領域内に収容され、前記トッププレートの前記内面および前記ベースプレートの前記内面に垂直に延び、かつ前記トッププレートの前記内面および前記ベースプレートの前記内面の間に挿入された複数の内向きベーンであって、前記トッププレートおよび前記ベースプレートの前記外周部から前記ベースプレート開口部へと内側に向けられ、かつ前記ベースプレート開口部から前記トッププレートおよび前記ベースプレートの前記外周部まで延びる領域にわたって間隔をあけられている複数の内向きベーンと、
   ｄ）混合領域と
   を有し、
   前記ベースプレートの前記内面から延びる堰リングも、前記トッププレートの前記内面から延びるバブルキャップも有していない、混合デバイス。
2. 前記ベースプレート開口部が円形である、請求項１に記載の混合デバイス。
3. 前記ベーンが直線状であり、または湾曲している、請求項１に記載の混合デバイス。
4. 前記ベーンが内側へと湾曲している、請求項３に記載の混合デバイス。
5. 各ベーンが、前記トッププレートの前記外周部に隣接する外側端部と、前記混合領域に隣接する内側端部とを有し、前記混合デバイスが、隣り合うベーンと、前記それぞれのベーンの前記対応する内側端部および外側端部とによって画定される領域として定義される複数の入口領域をさらに有する、請求項１に記載の混合デバイス。
6. 前記混合領域は、前記入口領域を定義する領域を除いた前記トッププレートと前記ベースプレートとの間の領域として定義される、請求項５に記載の混合デバイス。
7. 各ベーンの前記内側端部が、隣接するベーンの前記外側端部と半径方向において重なっている、請求項５に記載の混合デバイス。
8. 内面を有する反応器シェル内に収容された上方および下方触媒床と、
   前記上方および下方触媒床の間に挿入された床間分散アセンブリと
   を有する多床ダウンフロー型触媒反応器であって、
   前記床間分散アセンブリは、請求項１に記載の混合デバイスを有し、前記混合デバイスは、収集プレートの上方に取り付けられ、かつ前記収集プレートと流体密封連絡し、前記収集プレートは、収集プレート開口部と、前記収集プレート開口部に隣接して前記収集プレートから延びるライザとを有し、前記ライザは、前記ベースプレート開口部を通って前記混合デバイスの前記混合領域へと延びる、多床ダウンフロー型触媒反応器。
9. 前記ベースプレート開口部、前記収集プレート開口部、および前記ライザがそれぞれ円形であり、前記ベースプレート開口部の直径が前記ライザの直径よりも大きい、請求項８に記載の反応器。
10. 前記ベーンが直線状であり、または湾曲している、請求項８に記載の反応器。
11. 前記ベーンが内側へと湾曲している、請求項１０に記載の反応器。
12. 前記混合デバイスの各ベーンが、前記トッププレートの前記外周部に隣接した外側端部と、前記混合領域に隣接した内側端部とを有し、前記混合デバイスが、隣り合うベーンと、前記それぞれのベーンの前記対応する内側端部および外側端部とによって画定される領域として定義される複数の入口領域をさらに有する、請求項８に記載の反応器。
13. 前記混合デバイスの混合領域は、前記入口領域を定義する領域を除いた前記トッププレートと前記ベースプレートとの間の領域として定義される、請求項１２に記載の反応器。
14. 各ベーンの前記内側端部が、隣接するベーンの前記外側端部と半径方向において重なっている、請求項１２に記載の反応器。

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