JP3586865B2 - 蒸気孔を備えた接触トレー - Google Patents

Description

発明の背景
本発明は気−液接触装置、更に詳しくは精留塔及びその他の装置で使用するための新規な直交流トレーに関する。
本発明は、1993年６月17日に出願され米国特許第５、360、583号として発行された米国特許出願第08/077,613号及び1994年３月23日に出願された米国特許出願第08/216,297号の対象発明に関する。そこで、これら２件の米国特許出願の内容を本明細書に引用する。
典型的な直交流トレー装置においては、開口を有する多数の水平トレーが、カラム又はタワーとして工業界で知られている垂直方向に細長く延びる密閉容器内に装着される。各トレーは複数個のパネルから形成されており、パネルの縁領域は相互に重ね合わされてボルトによって連結されている。重ね合わせ領域に存在する開口はパネル連結ボルトを受け入れる穴のみである。液体は最上部トレーの上表面に導入される。各トレーの下流端には、ダウンカマーに到る堰が存在し、ダウンカマーはその次の下側トレーにおける無孔上流領域（「ダウンカマーシール領域」）に到る。気体はタワーの下端に導入される。液体がトレーを流過する際、気体はトレーにおける開口を通って上昇して液体中に流入し、気体と液体との間の緊密且つ活発な接触が生ずるバブル領域を形成する。隣接するパネルが重ね合わされている縁領域においては、上昇蒸気のための開口が存在しない。軽質炭化水素蒸留及び直接接触熱交換の如き高液体速度システムで使用されるタワーにおいては、各トレーのレベルはダウンカマー、バブル領域及びダウンカマーシール移行領域を含む複数群の流路を有する。
多くの直交流トレーは簡単なシーブトレー、即ち何百という円形状を有するデッキである。幾つかのトレーはトレー開口に付設された弁を有し、他のトレーは固定デフレクタを有する。1969年８月26日付けの米国特許第3,463,346号に図示及び説明されている後者の例において、各トレー開口はトレーデッキの平面に台形孔を備え、更に孔に整合せしめてその上に配置された静止デフレクタを備える。このデフレクタと隣接デッキ表面とは、孔を通過する蒸気をデッキ上の液体の流動方向に対して略横方向に指向せしめる横向き出口スロットを形成する。
発明の要点
本発明は、トレーが上流位置から下流位置まで略水平な流動方向に移動する液体本体を支持する形態の気−液接触装置の改良に関するものである。デッキには、上昇する蒸気を加圧下に液体中へ導入する孔が設けられている。
本発明においては、隣接するパネルの重ね合わされた縁領域に蒸気開口が配設され、かくしてトレーにおける孔分布がより均一なものにせしめられると共に上昇する蒸気のための開口面積がパネルの重ね合わされた縁領域に孔が存在しない場合よりも大きくせしめられる。
本発明は相互に連結された複数個のパネルから形成されたデッキを有する流体接触トレーに適用され得る。パネルは上昇する蒸気を加圧下にトレーの上面を流過する流体本体中へ導入するための孔を有する。第一のパネルは縁領域を有し、第二のパネルは第一のパネルの縁領域に重ね合わされて連結される縁領域を有する。
本発明に従えば、第二のパネルの縁領域には複数個の孔が形成され、第一の縁領域にも複数個の孔が形成され、第一のパネルの縁領域の孔が第二のパネルの縁領域の孔に重ね合わされる。これによって、上両する蒸気が重ね合わされた孔を通って重ね合わされた縁領域を流動することが可能になる。
好ましくは、各孔は流動方向に平行な長手方向軸線を有し、各孔は、デッキの平面において、その上流端における流動方向に対して横方向の最大寸法からその下流端における流動方向に対して横方向の最小寸法まで先細形状である。孔の上方にはデフレクタが配設される。各デフレクタは上流部、中央部及び下流部を有する。上流部の各々は、付随する孔の上流端においてデッキの上方を延び且つ孔の最大横方向寸法の全体に渡って存在し、孔の全体が孔に向けて流動方向に移動する液体から遮蔽されている。下流部の各々は、その孔の下流端においてデッキの上方を延び且つ孔の横方向寸法の全体に渡って存在し、蒸気が液体を下流方向に推進するのを防止する。該デフレクタの各々とそれに隣接するデッキとは、孔を通って上昇する蒸気をデッキ上の液体の流動方向に対して略横方向に指向せしめる横向き出口スロットを規定している。
出口スロットは、略0.85インチ（2.2cm）以下の上縁と、0.35インチ（0.9cm）以下の高さと、略1.5インチ（3.8cm）以下の下縁とを有するのが好ましい。孔の各々は、トレーデッキの平面において、その長手方向軸線に沿って計測した長さが1.5インチ（3.8cm）以下であり、上流幅が略1.0インチ（2.5cm）以下であり、下流幅が0.75インチ（1.9cm）以下である。孔の中心は流動方向において3.0インチ（7.6cm）以下の間隔をおいて配置され、流動方向に対して横方向において2.0インチ（5.1cm）以下の間隔をおいて配置されている。
本発明の好適実施形態においては付加的な特徴も採用されている。孔は長手方向に延びる列に配列されており、隣接して長手方向に伸びる列の孔は千鳥状にずらされていて、１個の列の孔の長手方向位置は隣接する列の２個の孔の長手方向位置の中間である。デフレクタの中央部はデッキ上にデフレクタの上流部及び下流部によって支持されている。上流バッフル部及び下流バッフル部は傾斜せしめられおり、デッキに対して鈍角をなす。各デフレクタはデッキと一体であり、平面図において孔の夫々と幾何学的に実質上同一である。出口スロットは台形であり、その周囲にはバリが形成されている。各出口スロットは略0.3インチ平方（1.9cm²）の面積を有する。これは従来のシーブトレーにおける0.5インチ（1.3cm）円形開口の面積0.2インチ平方（1.3cm²）よりも大きい。
【図面の簡単な説明】
図１は気−液接触タワーにおける直交流トレーの全体的配置を示す簡略図。
図２はダウンカマー領域、有孔活性バブル領域及び無孔ダウンカマーシール領域の概略比率を示す、図１のタワーの簡略平面図。
図３は本発明に従って構成されたトレーにおける一群の開口を示す斜面図。
図４は孔の形状、比率及び間隔を示す、トレーの一部の底面図。
図５は第４図における断面線５−５に沿った断面図。
図６はデフレクタに形成されている湾曲部及びバリを示す、図５における断面線６−６に沿った断面図。
図７は本発明の好適実施例の寸法と従来技術による２種のトレーの対応寸法との比較を示す表。
詳細な説明
図１は、本発明に従って構成された直交流トレーの基本的概念を簡略に図示している。複数個の水平トレー２が垂直タワー４内に装着され、トレー２は垂直方向に相互に離間されている。液体は液体供給ライン６によって最上部トレーに供給される。ダウンカマー通路８は各トレーの下流端部から次の下側トレーの上流端部に至る。開口（図１には図示せず）がトレーに形成されており、気体供給ライン10によってタワーの下端に導入された空気又はその他の気体がタワー中を上昇せしめられ、トレー開口を通過してトレー２における液体中へ流入せしめられる。タワーはその上端に蒸気出口を有し、その下端に液体出口を有する。
典型的なトレーの比率が図２に示されている。各トレーは無孔の上流セグメント12（ダウンカマーシール移行部）を有し、このセグメント12はダウンカマー８からの液体を受入れ、この液流を開口が位置する活性領域14（「バブリング領域」）に再指向させる。上述した如く、参照番号８はダウンカマー通路を示す。ダウンカマー通路において、液体−蒸気混合物の各成分間に解離又は分離が生ずる。分離された蒸気成分は上昇し、液体成分は次のトレーの上流端部における無孔のダウンカマーシール移行領域に供給される。
タワー４が48インチ（1.22cm）の直径を有する典型的な装置において、無孔上流セグメント12の長さL_Sは約８インチ（20cm）であり、ダウンカマー８は約10インチ（25cm）の水平寸法L_Dを有する。デッキの活性領域14は約30インチ（76cm）の長さL_Aを有する。この例は、慣用の直交流トレー設計の代表的なものである。
図２には、４個のパネル７、９、11、12から形成されたトレーデッキが図示されている。中央パネル９は長手方向に延びる縁領域9Mを有し、かかる縁領域9Mが側パネル７及び11の対応する縁領域に重ね合わされている。重ね合わせ縁領域は通常の様式によりボルトによって相互に連結されている。
図３は、デッキのパネル７及び９の、ボルト13によって相互に連結された部分を図示している。パネル９の縁領域9Mがパネル７の縁領域7Mに重ね合わされている。パネル７及び９の双方共、上方にデフィレクタ18が配設されている複数個の孔16を有する。図３には、隣接して長手方向に延びる複数個の列に配置され、そして各列毎に千鳥状にずらして配置されて、ある列の孔16の長手方向位置は隣接する列の長手方向に隣接する２個の孔16の長手方向中間である、トレーにおける孔配列が図示されている。
従来の実施形態においては、重ね合わせ領域7M及び9Mは蒸気上昇のための孔を有していない。しかしながら、本発明に従えば、かような孔が存在する。かような孔16Mはその上方に配設されたデフレクタ18Mと共にパネル９の縁領域9Mに形成され、パネル７の縁領域7Mに形成されている孔17に重ね合わされている。種々の配置が可能であるが、長手方向に引き続く２個の孔17の間に１個のボルト穴が存在するのが好ましい。
図示の孔17は台形であるが他の形状でもよい。製作上の便宜のために、１個の孔17に代えて隣接する２個の円形穴を形成することもできる。孔16及び16Mの各々は、上方に配設されたデフレクタ18を有する。図５に図示する如く、各デフレクタ18は上流部18u、中間部18m及び下流部18dを有する。中間部18mは略水平であり、上流部18uと下流部18dとは液流動方向に見て夫々上方及び下方に傾斜している。
平面図において、各デフレクタ及びその孔は幾何学的に実質上同一である。デッキの平面に形成されている孔16の寸法は図４に図示されている。その長さＬは1.5インチ（3.8cm）以下であり、その上流幅Wuは略1.0インチ（2.5cm）以下であり、その下流幅Wdは0.75インチ（1.9cm）以下である。孔の中心は流動方向に間隔S_Lをおいて位置せしめられており、間隔S_Lは略3.0インチ（7.6cm）以下である。流動方向に対して横方向の、隣接する孔列の中心線間の間隔S_Tは2.0インチ（5.1cm）以下である。
図５は、デフレクタの１個に付設されている出口スロットの形状を示す側面図である。出口スロット22は略台形である。その下縁はトレーデッキの上面によって規定されており、その上流縁、下流縁及び上縁はデフレクタの下縁によって規定されている。その上縁の長さL_uは0.85インチ（2.2cm）以下であり、その高さＨは0.35インチ（0.9cm）以下であり、そしてその下縁の長さL_Lは1.5インチ（3.8cm）以下である。
トレーを詳細に点検すると、製造工程によって、バッフル部18uおよび18dは横方向おいて上方に凸形状にせしめられ、そしてまた出口スロットの周囲にはバリが生成されている。図６は図５の線６−６に沿った断面図であり、バリ24が図示されている。局部的乱流を増大せしめることによってトレー効率を高めて、スロット縁における蒸気と液体との間の界面接触領域を増大せしめることに加えて、上記バリ24はトレーの滲出（weeping）性を向上せしめることにも寄与すると思われる。
本発明の好適実施態様に使用されている寸法は図７に図示する表に示されている。図７において、好適実施態様はMVG型として示されている。図７に図示されている表には、Ｌ型及びＳ型として示されている２個の従来のトレーの対応する寸法も示されている。
液体速度が低く蒸気速度が高い時にＬ型トレーの同伴レベルは容認し得ないものになることが、実験によって判明した。シーブトレー技術において開口を小さくすれば同伴が減少することが知られており、Ｓ型トレーの設計においては、デフレクタがない直径0.5インチ（1.3cm）の円形開口を備えた標準シーブトレーの同伴レベルと比べて好ましい同伴レベルに低減せしめることが目的とされた。Ｌ型及びＳ型トレーにおいて開口を大きくすると、工業的実施におけるファウリング（固体付着物の生成）の虞が低減される。
上述したとおりであるので、本発明によれば、性能及びコストの点で優れた流体接触トレー及び装置が提供される。かような利点は上述した実施形態とは異なったトレーにおいても実現され得ることが当業者には理解されるであろう。例えば、トレーはシーブトレー又はバルブトレーでもよい。開口は任意の形状を有することができ、デフレクタ18は省略することができる。従って、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載の骨子に含有される変形及び修正を含むことが理解されるべきである。

Claims (14)

1. 上流位置から下流位置まで略水平な流動方向に流過する液体本体を支持するための流体接触トレーにして、
   上昇する蒸気を加圧下に該液体中へ導入するための孔を有する複数個のパネルを相互に連結して形成されているデッキを具備し、
   該パネルのうちの第一のパネルは縁領域を有し、
   該パネルのうちの第二のパネルは該第一のパネルの該縁領域に重ね合わされて連結される縁領域を有し、
   該第一のパネルの該縁領域には複数個の孔が形成されており、
   該第二のパネルの該縁領域には複数個の孔が形成されており、
   該第一のパネルの該縁領域の該孔は該第二のパネルの該縁領域の該孔に重ね合わされており、上昇する蒸気は重ね合わされた該孔を通って重ね合わされた該縁領域を流動し、該縁領域の該孔によってトレーにおける孔分布がより均一なものにせしめられると共に、上昇する蒸気のための開口面積が該パネルの該縁領域に孔が存在しない場合よりも大きくせしめられている、
   ことを特徴とする流体接触トレー。
2. 該孔の各々は、該デッキの平面において、その上流端における該流動方向に対して横方向の最大寸法からその下流端における該流動方向に対して横方向の最小寸法まで先細形状であり、
   該孔の１個に夫々整合された複数個のデフレクタが配設されており、該デフレクタの各々は上流部、中央部及び下流部を有し、該中央部は該上流部及び該下流部に接続されており、
   該上流部の各々は、該孔の１個の上流端において該デッキの上方を延び且つ該孔の最大横方向寸法の全体に渡って存在し、該孔の全体を該孔に向けて該流動方向に移動する液体から遮蔽しており、
   該下流部の各々は、該孔の１個の下流端において該デッキの上方を延び且つ該孔の下流端の横方向寸法の全体に渡って存在し、蒸気が液体を下流方向に推進するのを防止しており、
   該デフレクタの各々と該デッキとは、該孔を通って上昇する蒸気を該デッキ上の液体の該流動方向に対して略横方向に指向せしめる横向き出口スロットを規定している、請求項１記載の流体接触トレー。
3. 該出口スロットの各々は、略0.85インチ（2.2cm）以下の上縁と、0.35インチ（0.9cm）以下の高さと、略1.5インチ（3.8cm）以下の下縁とを有する、請求項２記載の流体接触トレー。
4. 該上流バッフル部及び該下流バッフル部は傾斜せしめられおり、該デッキに対して鈍角をなす、請求項２記載の流体接触トレー。
5. 該デフレクタの各々は該デッキと一体であり、平面図において該孔の夫々と幾何学的に実質上同一である、請求項２記載の流体接触トレー。
6. 該出口スロットの周囲にバリを有する、請求項２記載の流体接触トレー。
7. 該出口スロットに各々は略0.3インチ平方（1.9cm²）の面積を有する、請求項２記載の流体接触トレー。
8. 該孔は長手方向に延びる列に配列されており、隣接して長手方向に延びる列の孔は千鳥状にずれされていて、１個の列の孔の長手方向位置は隣接する列の２個の孔の長手方向位置の中間である、請求項２記載の流体接触トレー。
9. 該孔の各々はその長手方向軸線に沿って計測した長さが1.5インチ（3.8cm）以下であり、上流幅が略1.0インチ（2.5cm）以下であり、下流幅が0.75インチ（1.9cm）以下である、請求項２記載の流体接触トレー。
10. 請求項２記載の流体接触トレーの複数個とタワーとの組み合わせにおいて、
    該トレーは鉛直方向に相互に間隔をおいて該タワー内に装着されており、
    該トレーの下流位置からその下方に位置するトレーの上流位置に至るダウンカマー導管手段が配設されている、
    ことを特徴とする組み合わせ。
11. 該孔の中心は該流動方向において3.0インチ（7.6cm）以下の間隔をおいて配置され、該流動方向に対して横方向において2.0インチ（5.1cm）以下の間隔をおいて配置されている、請求項２記載の装置。
12. 該孔の中心は該流動方向において3.0インチ（7.6cm）以下の間隔をおいて配置され、該流動方向に対して横方向において2.0インチ（5.1cm）以下の間隔をおいて配置されている、請求項１記載の装置。
13. 該孔の各々はその長手方向軸線に沿って計測した長さが1.5インチ（3.8cm）以下であり、上流幅が略1.0インチ（2.5cm）以下であり、下流幅が0.75インチ（1.9cm）以下である、請求項１記載の流体接触トレー。
14. 請求項１記載の流体接触トレーの複数個とタワーとの組み合わせにおいて、
    該トレーは鉛直方向に相互に間隔をおいて該タワー内に装着されており、
    該トレーの下流位置からその下方に位置するトレーの上流位置に至るダウンカマー導管手段が配設されている、
    ことを特徴とする組み合わせ。

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