JP3773975B2 - 流動接触分解用高効率ノズル - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の背景】
本発明は、一般的には、霧化及び噴霧装置に関し、特に、流動接触分解ライザ反応器に液体燃料を噴霧するための装置に関する。
【０００２】
この一般的なタイプの装置は、参照することにより開示内容がここに取り入れられるＤｏｕ等の米国特許５，３０６，４１８において、詳細に示され、説明されている。一般に、液体炭化水素燃料は、蒸気のようなガスにより霧化され、ノズルを通して反応器内に排出される。Ｄｏｕ等の特許の装置において、好適な排出ノズルは、一般的な半球状の排出端を有している。この排出端は、平坦な扇形のスプレーを作り出すのに適した単一の細長いスロット状の出口穴を備えて形成されている。
【０００３】
霧化及び噴霧装置における目的は、高い効率を達成することである。本装置に関する高効率は、与えられた量の炭化水素燃料を破砕して全表面積の大きな粒子にするために、できるだけ少ない蒸気エネルギーを使うこと、に帰している。大きな表面積は、もちろん、液体を極めて細かい粒子に破砕することにより生成される。これまでは、液体炭化水素流を１５０ｐｓｉから２００ｐｓｉのオーダーのような比較的高い圧力の下でノズル装置に導くことが必要とされていた。これは、時に、精製装置が、必要な液体流の圧入を達成するために、ブースターポンプとその関連装置を用いることを要求してきたが、これには、費用が掛かることがあり、また、噴霧システムの複雑さが増すこともある。
【０００４】
【発明の概要】
本発明の全般的な目的は、液体炭化水素の流動接触分解用の、比較的高効率の新規で改良されたノズルを提供することである。
【０００５】
本発明のより詳細な目的は、液体がノズルから排出されるときに液体を霧化してより細かな粒子にする複数のスロット状出口を備えたノズルを提供することにより、上記を達成することである。
【０００６】
さらなる目的は、液体粒子の次なる排出霧化に自ら影響を与える収束スプレーを作り出すように、これらのスロット状出口を、互いに関連づけて傾けることである。
【０００７】
もう一つの目的は、これまで可能であったものよりも実質的に低い液体供給圧力下で高効率の霧化及び噴霧を可能にするような改良液体前置霧化手段を備えた流動接触分解ノズル装置を提供することである。
【０００８】
これら及びこれら以外の目的と本発明の利点は、添付図面と関連づけてなされる以下の詳細な説明から、更に明らかになるであろう。
【０００９】
【好適な実施形態の詳細な説明】
図解のために、本発明は、図面において、液体を霧化及び噴霧するための装置１０に含まれるようにして示されている。この装置は、ＦＣＣライザ反応器へ注入される液体炭化水素燃料を霧化するための流動接触分解プロセスに利用するのに特に有用である。前述のＤｏｕ等の特許は、ＦＣＣライザ反応器における、本装置と同じ一般的なタイプの装置の利用の詳細な開示を含んでいる。
【００１０】
一般に、装置１０は、好ましくは蒸気であるガス流を用いて液体燃料を霧化するための手段を含んでいる。ここで、この霧化手段は、ハルチ等の米国特許４，３４９，１５６において開示されたものと同じ一般的なタイプのものである。このような手段は、図１にいくらか図示されており、内部チャンバ１２を画定する本体１１を備えた霧化ヘッドを含んでいる。細長衝突ピン１３は、その端部がチャンバのほぼ中心に位置するように、チャンバ内に配置されている。好ましくは約１５０ｐｓｉから２００ｐｓｉの間の圧力で圧縮された液体燃料は、本体１１内の入口ポート１４を経由してチャンバ内に導入される。この入口ポートは、ピン１３の端部と所定間隔をおいて対向するように配置されている。液体流は、衝突ピンの端面にぶつかり、力学的に分散して小滴になる。同時に、液滴が更に霧化されて微粒子になるように、圧縮ジェット流は、ピンと垂直にはねている液滴をたたきながら、入口ポート１４を通ってチャンバ内へ導入され、ピンの端部を横切るように向けられ、ピンの周囲に向けられる。
【００１１】
本体１１に取り付けられ、チャンバ１２の出口１６の下流に配置されているのは、霧化された液体燃料とこれに伴う蒸気とを反応器内に噴霧するためのノズル２０である。ここで、このノズルは、排出端を画定する下流端２２を有し、細長く、一般的には円筒形の本体２１を含んでいる。ノズルの排出端２２は、一般的には半球状であり、それゆえに凸状の外表面と凹状の内表面とを含んでいる。これらの表面は、一般的に言って、ノズル２０の本体２１の縦軸上に位置した幾何学中心を有する球の断片の形状とほぼ一致した形状を有している。
【００１２】
本発明に従い、ノズル２０の排出端２２は、ノズルの軸の反対側に配置され、この軸を横切って延びる方向に長い複数の排出オリフィス２５を備えて形成されている。複数の出口オリフィスを有するノズルの排出端により、ノズルから排出された混合ガスは、ノズルの軸上に中心を合わせられた同じ様な面積の単一の排出オリフィスを有するノズルの場合よりも一層細かく霧化される。複数のオリフィスによりもたらされた一層細かい霧化の結果として、蒸気が比較的低い体積流率で装置に供給されている場合でさえ、与えられた体積の液体が比較的大きな表面積の粒子に破砕されるため、装置１０の効率は増加する。
【００１３】
図１及び図２の態様では、二つの細長い出口オリフィス２５は、ノズル２０の排出端２２の中に形成されている。これらのオリフィスは、ノズル軸の反対側に配置され、ノズル軸から等しい距離だけ間隔をおいており、上記で指摘したように、ノズルを横切って延びる方向に長くなっている。図１及び図２は、最も効果の大きいバージョンのノズルを表したものであり、この態様では、オリフィス２５は、ノズルから噴霧された各流れがノズルの排出端から離れて行くにつれて集まるように、互いに向けて傾けられている。このようにすると、各々の流れは、互いに衝突し、ノズルのすぐ外側で、より一層の霧化をもたらすようになる。各々のオリフィスは、好ましくは、ノズルの軸に対して約１０度までの角度で傾けられていると良い。
【００１４】
排出オリフィス２５は、ノズル２０の排出端２２中にフライスによって形成されていても良い。排出端が半球形状をしているため、フライスを用いた排出端の穿孔は、図２に示されるように、ノズル端から見たときに、上のオリフィスが一般的なＶ字形に見え、下のオリフィスが一般的な逆Ｖ字形に見えるように、約１０度までの角度で傾けて行われる。
【００１５】
本体２１と排出端２２との接合部に、鋭いエッジを持った環状の肩部２６を設けることにより、さらに高い効率をノズルに与えることができる。この肩部は、排出端の内径よりわずかに大きな内径を有する本体を用意する際に作製される。混合ガスがオリフィス２５に接近し、液体燃料の更なる霧化をもたらすときに、この肩部は、混合ガス中に乱れを作り出す。
【００１６】
図３及び図４に示されるノズル２０′内において、オリフィス２５′は、これらのオリフィスを通して排出される霧化済みの液体の流れがノズルから下流に進みながら互いに遠ざかるように傾けられている。このように配置することで、同等の面積の単一の細長いオリフィスを有するノズルよりも、高い効率を生み出すことができるが、その効率は、図１及び図２のノズル２０を用いて得られるものほどは大きくない。
【００１７】
比較テストから得られた次の表のデータは、単一のオリフィスを有する同様のノズルと比較したときの、二つの拡がりオリフィス２５′を備えたノズル２０′から得られる増加した効率を証明している。
【００１８】
【表１】

上記の表において、“Ｅｑ．Ｗｔ．蒸気 ％”は、液体の流率に基いた供給液体の重量に対する、装置１０に供給される蒸気の重量のパーセンテージを表す。様々な液圧のもとで比較テストを実行するにあたって、徐々に圧力を高めるために入口オリフィス１５の面積を徐々に小さくすることにより、装置１０への液体の流率は、全ての圧力のもとで一定に維持された。
【００１９】
上の四つのデータ列を中央の四つのデータ列と比較すれば、二つのノズルにほぼ等量の蒸気が供給された場合でさえ、二つの拡がりオリフィス２５′を備えたノズル２０′が、単一のオリフィスを備えたノズルよりも液体を極めて小さな粒子にするような霧化をもたらしていたことは、明らかであろう。ノズル２０′の高効率は、中央の四つのデータ列を下の四つのデータ列と比較することにより、さらに証明される。この比較からは、単一のオリフィスを備えたノズルには２倍以上の量の蒸気が供給されていたにもかからわず、二つの拡がりオリフィス２５′を備えたノズル２０′が、単一オリフィスノズルとほぼ同じ粒子サイズを実現していたことが理解されるであろう。
【００２０】
図５及び図６のノズル２０″では、二つのオリフィス２５″は傾けられておらず、代わりに、互いに平行に延びている。結果として、霧化された液体の平行な流れが、これらのオリフィスから排出されやすくなる。ノズル２０″は、ノズル２０′ほど効率的ではないが、それでも、同等の面積の単一オリフィスを備えた従来のＦＣＣノズルよりも効率的である。
【００２１】
ここで、図７を参照すると、他の形状の霧化ヘッドを有し、比較的低い圧力下で装置に導入される液体流と合わせて用いるのに特に適した接触分解、霧化及び噴霧装置１０ａが示されている。上述したものと同様の構成要素には、区別する添字“ａ”を付して同様の参照番号が与えられている。図１に示される装置１０と同様に、霧化ヘッドは、内部チャンバ１２ａを画定する本体１１ａを有しており、この内部チャンバ１２ａは、チャンバのほぼ中央に位置する端部を備えた細長衝突ピン１３を有している。圧縮液体燃料は、ピン１３の端部と対向する本体１１ａ内の入口１５ａを経てチャンバ内に導入される。同時に、蒸気の圧縮ジェットは、入口１４ａからチャンバ内に導入され、液体流蒸気の破砕と霧化を助ける。
【００２２】
さらに、比較的低い圧力下で液体流が装置に導入される場合であっても、液体の霧化を高めるために、霧化ヘッドは、衝突ピンに極めて接近した補助のガス入口を有しており、液体をさらに分解及び霧化して極めて細かい粒子にするために、圧縮されたガス又は蒸気が、前記ガス入口を通じて、入口１４ａからチャンバ内に導入された圧縮蒸気の流れを横切るように向けられ、かつ、入口１５ａから導入された液体流と直接対向する関係におかれるようになっている。
【００２３】
図解された態様において、霧化ヘッドの本体１１ａは、第２の又は補助の、ガス又は蒸気入口ポート３０を備えて形成されており、この入口ポート３０は、衝突ピン１３ａの内部に形成された軸方向通路３１と連結している。この軸方向通路３１は、ほぼ衝突ピン１３ａの長さまで延びているが、ほぼ平坦な衝突面３２を画定する端部よりは短い。この場合の衝突ピン１３ａは、細長スリーブ３４という手段により、本体１１ａ内に支持されている。このスリーブ３４は、衝突ピン１３ａを包囲するようにして、衝突ピンとほぼ同じ距離だけ、チャンバ１２ａの内部に向かって延びている。衝突ピン１３ａは、ピン１３ａの一部を取り囲む環状通路３５の外縁をスリーブ３４の内表面とともに定める外側環状凹部を有している。衝突ピン１３ａは、軸方向ピン通路３１を通り、径方向通路３６を通り、環状通路３５に沿って軸方向に進み、そして、スリーブ３４及び衝突ピン１３ａの終端間に画定された所定の計量オリフィス３８を通る、という入口ポート３０からの蒸気の導通を許すために、軸方向に間隔をあけた複数の径方向通路３６を備えて形成されている。入口ポート３０に導入される圧縮蒸気は、衝突面３２の周辺の外向き環状パターン又はさやの内部の計量オリフィス３８を出ることになる。
【００２４】
これまで通常要求されてきたものより実質的に低い圧力の下で液体が霧化チャンバ内へ導入されるときでさえ、計量オリフィス３８からの圧縮蒸気が外向きであると、液体の霧化が大きく高まることがわかった。装置１０ａは、通常要求される液体圧力である１５０−２００ｐｓｉと比較して４０から５０ｐｓｉという低い圧力下で液体流が導入されるときに、液体炭化水素燃料流の高効率霧化を可能にすることがわかった。このことは、ここで特に開示したようなものを含む様々な形状の排出オリフィスを備えた細長管状ノズルを装置１０ａの霧化ヘッドに利用する技術の当業者により理解されるであろう。
【００２５】
ここで、図８を参照すると、他の形状の霧化ヘッドを有する接触分解霧化および噴霧装置１０ｂが示されており、この装置において、上述したものと同様の構成要素には、区別する添字“ｂ”を付して同様の参照番号が与えられている。装置１０ｂの霧化ヘッドは、液体炭化水素の入口１５ｂと、図７に関して説明されたものとほぼ同様のガス又は蒸気計量オリフィス３８ｂを備えた衝突ピン１３ｂとを有している。この例において、衝突ピン１３ｂの周辺の環状チャンバ３５ｂは、スリーブ３４ｂの内表面中の凹部により画定される。入口１５ｂに導入された圧縮液体は、小滴に破砕されるべく、ピン１３ｂの衝突面３２ｂに衝突する。同時に、衝突面３２ｂを包囲する環状蒸気オリフィス３８ｂから放出された蒸気の圧縮ジェットは、霧化ヘッド本体の混合及び霧化チャンバ１２ｂ中のいたるところで、ピン１３ｂではねた液滴を直撃し、これを激しく分散させる。
【００２６】
霧化ヘッドチャンバ１２ｂは、凹状内表面４０により画定される閉塞上流端を有しており、この凹状内表面４０は、激しく分散されたチャンバ内の液滴を下流方向に向け直し、この液滴をオリフィス３８ｂ及び入口１５ｂから入ってくる蒸気及び液体の流れとさらに相互作用させ、最終的に比較的細かく霧化された液体粒子の形でノズル２０ｂを通った最終的な方向に向けるのに適用される。この例における凹表面４０は、霧化ヘッドの円筒チャンバ１２ｂの縦軸と衝突ピン１３ｂ及び液体入口１５ｂの縦軸との交差点上の幾何学中心線を持った球の断片の形状をしている。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明特有の特徴と結びついた新規で改良されたノズルを備える接触分解霧化及び噴霧装置の軸方向に沿った断面図である。
図２は、図１に示されるノズルの拡大端面図である。
図３は、図１とほぼ同様の拡大断片図であるが、本発明に係るノズルのもう一つの形態を示している。
図４は、図３に示されるノズルの拡大端面図である。
図５及び図６は、それぞれ図３及び図４と同様の図であるが、ノズルのさらにもう一つの形態を示している。
図７は、比較的低い圧力の下で装置に導入される液体流蒸気の高効率の霧化および噴霧に特に適した他の形状の前置霧化ヘッドを有する接触分解霧化および噴霧装置の縦断面である。
図８は、他のもう一つの形状の前置霧化ヘッドを有する接触分解霧化および噴霧装置の縦断面である。
本発明は、様々な変形や他の構造をとることが可能であるが、図面にはここで例示される一定の態様が示されており、これは以下で詳しく説明される。しかしながら、開示された特定の形態に発明を限定する意図はなく、逆に、本発明は、本発明の趣旨と範囲の中に含まれる全ての変形、他の構造および均等物をカバーするものであるということは、理解されるべきである。

Claims (6)

1. 液体炭化水素の流動接触分解用の装置であって、
   液体炭化水素及び蒸気の圧縮流のための入口、前記蒸気に前記液体を霧化させて微粒子にするための手段、及び霧化された液体のための出口、を有する霧化器と、
   前記出口に連結した管状の本体を有するノズルであって、前記本体は、中心軸と、凸状の外表面及び凹状の内表面を備えた排出端とを有し、前記排出端は、形状が球の切断片の形状とほぼ一致し、かつ、前記軸上に位置する幾何学中心を有する前記ノズルと、
   前記排出端を貫いて形成された二つの細長い排出オリフィスであって、前記軸の反対側に位置し、前記軸からほぼ一定の間隔をあけ、前記軸を横切って延びる方向に細長い前記排出オリフィスと、を含む装置。
2. 前記オリフィスは、前記オリフィスを通して排出された霧化済みの液体の流れが、前記ノズルの前記排出端から離れていくにつれて互いに近付くように傾けられている請求項１記載の装置。
3. 前記オリフィスは、前記オリフィスを通して排出された霧化済みの液体の流れが、前記ノズルの前記排出端から離れていくにつれて互いに遠ざかるように傾けられている請求項１記載の装置。
4. 前記オリフィスは、霧化液体の平行な流れが前記オリフィスから排出されやすいように、互いに平行に延びている請求項１記載の装置。
5. 前記本体は、円形の断面を有しており、前記排出端付近の前記本体の内径は、前記排出端の内径よりも大きくなっており、これにより、エッジの鋭い環状肩部が前記ノズル内で前記本体と前記排出端との接合部において画定されている請求項１記載の装置。
6. 液体炭化水素の流動接触分解用の装置であって、
   液体炭化水素及びガスの圧縮流のための入口、前記ガスに前記液体を霧化させて微粒子にするための手段、及び霧化された液体のための出口、を有する霧化器と、
   前記出口に連結した管状の本体を有するノズルであって、前記本体は、中心軸と、凸状の外表面及び凹状の内表面を備えた排出端とを有し、前記排出端は、形状が球の切断片の形状とほぼ一致し、かつ、前記軸上に位置する幾何学中心を有している前記ノズルと、
   前記排出端を貫いて形成され、前記軸を横切って延びる方向に細長い複数の排出オリフィスであって、前記複数の排出オリフィスの半数は、前記軸の一側に位置しており、前記複数の排出オリフィスの他の半数は、前記軸の反対側に位置している前記排出オリフィスと、
   を含む装置。

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