JP3900222B2 - 二相系下降流式液体分配装置 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、トレイに続く容器の断面積に対する液体分配を改善する液体分配トレイ装置に関する。この装置は、液体および蒸気の相を緊密に接触させ、それによって熱および組成平衡を達成する。この装置は、通常水素処理(hydroprocessing) 反応器に使用される。
液体分配装置の公知の仕様の多くは、４つのカテゴリーのいずれかに分類される。その第一は、床との接触の前に液体を多数の流れに系統的に細分化するための一連のトラフおよび溢流ぜき(overflow weirs)である。この種類は、液体接触器または向流吸収器においてしばしば使用される。この種類の例は、米国特許第5,192,465 号明細書に記載されている。
【０００２】
液体分配装置の第二の種類は、多孔水平トレイである。これは、穿孔部分の回りにノッチ付きのせきを有していても、有していなくてもよい。このトレイは、蒸気流のためのチムニーを有していてもよい。この種類の分配装置は、より精密な最終液体分配トレイと共に粗い液体分配のために使用することができる。この種類の例は、米国特許第4,836,989 号明細書に記載されている。
【０００３】
第三の種類の液体分配装置は、チムニートレイである。この装置では、水平トレイ上に通常は正方形または三角形のピッチパターンに設置された多数のスタンドパイプが使用される。このスタンドパイプは、通常液体の通過のために側面に孔を有している。このスタンドパイプの頂部は開口しており、チムニーの中心部を通って蒸気が流れる。いくつかの仕様では、上記の大部分を処理するために特別な蒸気ダウンカマーチムニーが使用される。この種類は、米国特許第4,126,540 号明細書および同第3,353,924 号明細書から公知である。
【０００４】
第四の種類の液体分配装置は、バブルキャップトレイである。この装置では、水平トレイに規則正しく設置された多数のバブルキャップが使用される。
このバブルキャップは、スタンドパイプと同心のキャップである。このキャップの側面には蒸気流のためのスロットがある。米国特許第5,158,714 号明細書に記載されているように、液体はキャップの下を流れ、そして蒸気と共に環状部分を上に流れ、そしてスタンドパイプの中心を通って下に流れる。
【０００５】
本発明による装置は、「蒸気上昇分配トレイ(vapour lift distribution tray) 」と称される。これは、容器内に水平に保持される。このトレイは、組立式または一体式トレイのどちらでもよい。組立式であっても一体式であっても、全てのトレイ端部はガスケットで閉じられるかまたはシールされ、実質的に漏洩のない表面を形成する。
【０００６】
このトレイには、表面上に等しく間隔を置いた孔が設けられる。この孔は、丸形、正方形、長方形またはその他の幾何学的形状であることができる。この孔は、正方形、三角形、放射状またはその他の対称的なパターンのいずれかで最適に間隔をあけて設けられる。この水平トレイが組み立て式である場合には、この穿孔はそれぞれのトレイセクションに最適に設けることができる。全ての場合において、全ての穿孔間にほとんど等しい間隔を設け、そして水平トレイ全体にわたって水平トレイ部分と穿孔部分との比率をほとんど等しくするために、最適なパターンが使用される。
【０００７】
それぞれの穿孔には、「蒸気上昇管(vapour lift tube)」と称される逆Ｕ字型の装置が取り付けられる。この蒸気上昇管は、漏洩のないようにトレイに取り付けられる。
トレイの下側には、ドリップエッジがそれぞれの穿孔に設けられる。これは、トレイを通して蒸気上昇管を伸ばすことによって、別個の部品をトレイに取り付けることによって、トレイを下に押し出すことによって、またはその他の等価の手段によって達成される。
【０００８】
蒸気上昇管の仕様の概念は、図１に示されている。逆Ｕ字型の一方の脚部（下降流管１）は脚部間の開口部４で開口している。これによって、この装置はトレイを通る流通路を提供する。すなわち、短脚部の端部を通った導入、短脚部を通った垂直な流れ、逆Ｕ字型の頂部での方向転換、長脚部を通った下降流およびトレイの下の長脚部の開口端部を通った排出である。
【０００９】
垂直なスロット５が、長脚部の反対側において短脚部の側面に切り込まれている。スロットの頂部は、脚部間の内部開口部の底部と同じ高さか、または下にある。この代わりに、長脚部の近傍または反対側の短脚部の側面に２つ以上のスロットを切り込むことができる。
操作の際に、液面がトレイ上に確立される。蒸気上昇管上の液面は、短脚部の底部より上であるが、短脚部のスロットの頂部より下である。蒸気は、短脚部のスロットを通って流れ、蒸気上昇管の内側と外側の間で圧力損失が生じる。蒸気上昇管の内側の低い圧力のために、液面は、蒸気上昇管の外側よりも内側の方が高い。蒸気および液体は、短脚部内で混合され、その際蒸気は液体を上昇させて短脚部および長脚部の間の接続壁面を超えて流す。液体は部分的に解放され、接続壁面を超え、そして長脚部を下に流れる。トレイの下の開口部において、液体はドリップエッジから排出され、液体および蒸気はさらに解放される。
【００１０】
この代わりの態様の蒸気上昇管の仕様が、図２、３、４および５に示されている。図１では、逆Ｕ字型の脚部は、正方形または長方形の断面を有している。図２では、この装置は、単一の円形の管６からなり、短脚部および長脚部を形成する垂直なバッフル７を有している。図３では、この装置は、一対の同心円ではない円形の管８および９からなる。長脚部は、より小さい直径の管９であり、短脚部は、より大きな管８の内側の環状の空間10である。図４では、Ｍ字型装置が使用され、その際外側の脚部は短脚部に等しく、中間の脚部は長脚部に等しい。液体および蒸気負荷が高い場合には、この種類が使用される。図５は、中間の脚部が円形の管である点を除いて、図４と同様の基本コンセプトである。全ての種類において、頂部は平坦な板として描かれているが、円形、丸屋根、ピークまたはその他幾何学的であることができる。
【００１１】
好ましい類の蒸気上昇管は、図５に示される仕様である。この種類は、機能性のために必要な幾何学関係を保持して、広範囲にわたる蒸気−液体負荷で操作するために設計することができ、そして経済的および効率的に組み立てることができる。
公知のトラフタイプの分配装置は、機械的に複雑であり、そして水平性に対して非常に敏感である。トラフ間の移動の仕様に応じては、分配の品質は、汚れに対しても敏感である。
【００１２】
公知の多孔板仕様は、チムニー仕様と類似している。チムニー仕様は、広範囲にわたる液体／蒸気負荷のために設計することができ、そして汚れに対して敏感ではないので、好ましい。
チムニータイプ仕様に対する本発明による蒸気上昇管装置の長所は、蒸気上昇管を用いることによって著しく広いターンダウン範囲が可能となるところにある。液流が減少すると、適切に設計されるチムニーは、より高くしなければならないか、または側面により小さな孔を設けなければならない。組立の寛容性、取り付け方および操作負荷のための偏りのために、全ての分配装置は容器内において同一の高さでなくてもよい。同一の高さのターンダウンにおいて、いくつかの孔は液体で覆われるが、その他は覆われない。この結果、トレイの下の表面において液体分配は均等ではなくなる。適切な仕様では、蒸気上昇管仕様は、異なる高さでの蒸気上昇管の間の液流の差違を、チムニータイプ仕様によって達成されるものよりも良好に低減する。チムニータイプ仕様に対する蒸気上昇管のその他の長所は、液体および蒸気相の接触が増加することにある。蒸気上昇管の上昇流部分において起こる緊密な接触によって、チムニートレイで達成されるよりも、熱および組成平衡に近づけることができる。
【００１３】
この蒸気上昇管装置は、概念ではバブルキャップ装置に類似しているが、いくつかの長所を有している。蒸気上昇管はより小さいので、良好な液体の分配を達成するために、より多く分配トレイに配置することができる。さらに、通常の配置間隔パターンは、正方形または三角形のピッチであるので、容器壁面の近傍において液体分配網に通常ギャップがある。より小さい配置間隔では、これらのギャップの大きさはより小さくなる。トレイの下の全体的な湿潤効率(wetting efficiency)は、より大きなピッチよりもより小さなピッチの方が良好である。バブルキャップ仕様のトレイは、比較的大きな配置間隔に制限され、そして追加的な手段、例えばShih特許に記載されているせん断板が、キャップからの液流を改善するために試みられてきた。配置間隔を小さくしてバブルキャップの数を増加させることによって、分配点の数は増加するが、それぞれのキャップを通る液体／蒸気流関係に対して負の影響がある。より多くのバブルキャップを使用することによって、バブルキャップを小さくする必要があり、それに伴いスロットを小さくするか、またはスロットの数を減らす必要がある。汚れを考慮するとスロットには最低の大きさがあるので、より小さなスロットは実際には使用されない。より少ないスロットを使用すると、環状部分に蒸気を導きそして液相との接触効率を悪くするので、望ましくない。蒸気上昇管のその他の長所は、その単純さにあり、それによってより容易にそして低コストで工程条件により定められる最適のサイズで組み立てられる。
【００１４】
このトレイが使用される多くの工程、例えば水素処理反応器では、ターンダウン操作の間中およびその際に蒸気および液相割合および物理的特性において広範囲の変化が可能である。組立の寛容性および取り付け方のために、分配トレイの水平性に避けられない変化が生じる。導入分配器または急冷帯域ミキサーから分配トレイ上に滴下される液体は均一には分配されず、そして飛散、波または水圧頭(hydraulic head)のためにトレイを横切る液高勾配を生じる。蒸気上昇管概念を用いた最適化された液体分配仕様は、トラフ分配器、単純な多孔板分配トレイ、チムニータイプ分配トレイまたは同心円バブルキャップ分配トレイの最適化された仕様により得られるものよりも、トレイの下の液体分配を良好にする。
【００１５】
本発明による液体分配トレイは、通常水素処理反応器に使用される。反応器の断面積全体にわたって液体反応物を均一に分配することによって、与えられた高さにおいて全ての触媒が均一に湿潤する。従って、与えられた高さにおいて全ての触媒が同一の効率で操作され、これによって反応器の全体の効率が上昇する。さらに、均一な液体分配により、反応器の均一な放射状の温度分布が保持される。これにより、反応器温度ピークが最少化され、これは全体にわたってコーキングおよび触媒失活速度を低減する。従って、反応器は、より効率的にそしてより長いサイクルで操作される。必要な触媒の減少、処理能力の増加および／またはサイクルの長期化によって価値が達成される。この装置は、どのような二相系下降流反応器または接触器にも使用することができる。代表的な適用範囲は、水素処理、水素化分解、芳香族飽和化、接触脱ろうおよび水素化精製反応器である。
【００１６】
蒸気上昇管の分配性能を、従来のバブルキャップ（米国特許第3,218,249 号明細書の実施例IV）に対して、大気圧下に大気温度で水および空気を用いて試験した。
この試験に使用したバブルキャップは、上記の米国特許に記載されている。寸法は以下の通りである：上昇管(riser) は外径79mm、壁厚2.11mm、高さ180mm の鋼管である。キャップは、111mm の内径の鋼管からなり、壁厚2.11mm、高さ129mm であり、平坦な鋼板で頂部が閉じられている。上昇管とキャップの間の環状空間にスペーサーを取り付ける。それぞれのキャップには７つの均等に配置された幅6.4mm および高さ64mmのスロットを設ける。上昇管の頂部からキャップの内壁までの垂直高さは19mmである。
【００１７】
この試験に使用した蒸気上昇管は、図４に示されている。
トレイに取り付けた２つの同一の分配器を用いた試験用具を用いて試験を行った。２つの分配器は、10mm離れた高さに取り付けた。水および空気は、速度を制御されてトレイに導入される。２つの分配器のそれぞれから出る水は、一定時間で同時に２つの容器に回収される。低い分配器からの流れと高い分配器からの流れを見出すために、容器の内容物の重量を測定する。
【００１８】
トレイ高さに対する分配器からの液流の感度を以下のように測定した。
【００１９】
【数１】

式中、W ^low は、低い分配器から回収される液体の重量である。
W ^highは、高い分配器から回収される液体の重量である。
トレイへの水および空気流は、水素処理反応器の実際の蒸気／液体負荷条件をシミュレートするために変化させる。水素処理反応器では、蒸気／液体流は、油の組成、処理ガスの割合および組成および反応器の操作圧力および温度に応じてユニットからユニットまでで変化する。３つの代表的な蒸気／液体負荷、すなわち高液体負荷、中程度の液体負荷および低液体負荷において実験でシミュレートした。
【００２０】
反応器において、蒸気／液体流は、低い反応器温度および新しい触媒（運転開始時：SOR ）での操作と高い反応器温度および失活した触媒（運転終了時：EOR ）での操作とでは異なる。この作用も試験でシミュレートした。
下記の表１に示した水／空気負荷で、両方の種類の分配器を試験した。
表１：試験条件
【表１】

式中、H _dry は、液体で覆われないスロットの平均垂直高さ(mm)である。
H は、スロットの全体の高さ(mm)である。
Q _a ^SOR は、SOR 反応器条件をシミュレートするために実験で使用した空気流の容量(m³/hr) である。
Q _a ^EOR は、EOR 反応器条件をシミュレートするために実験で使用した空気流の容量(m³/hr) である。
【００２１】
Q _w ^SOR は、SOR 反応器条件をシミュレートするために実験で使用した水流の容量(m³/hr) である。
Q _w ^EOR は、EOR 反応器条件をシミュレートするために実験で使用した水流の容量(m³/hr) である。
式(1) で定義される10mmの高さの違いに対する液流の感度に対して測定した分配性能は、従来のバブルキャップに対しては表２に、そして蒸気上昇分配器に対しては表３に示す。

表から分かるように、蒸気上昇管は、バブルキャップ分配器よりも著しく良好な分配性能を示す。平均した液流の高さに対する感度は、バブルキャップ分配器のものが蒸気上昇分配器のものよりも約４倍高い。
【００２２】
本発明をその特定の態様に関して記載したが、その他の多くの態様および変法およびその他の用途が当業者には自明である。従って、本発明は特定の記載ではなく、請求の範囲によってのみ限定されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明による蒸気上昇管の第一の態様を示している。
【図２】図２は、本発明による蒸気上昇管のその他の態様を示している。
【図３】図３は、本発明による蒸気上昇管のその他の態様を示している。
【図４】図４は、本発明による蒸気上昇管のその他の態様を示している。
【図５】図５は、本発明による蒸気上昇管のその他の態様を示している。

Claims (2)

1. 二相系の並流の下降流容器に使用するための液体−蒸気分配装置において、該液体−蒸気分配装置が
   トレイと容器壁との接続部でガスケットで閉じられるかまたはシールすることによって組立られかつ取り付けられた水平トレイからなり；
   該水平トレイに同一サイズで同一幾何学的横断面形状を有する多数の孔が穿孔されており、そして
   該孔が水平トレイの表面上にほとんど等しい間隔を置いて分布されており、その際水平トレイのそれぞれの穿孔部に、上昇流／移動管部分および下降流管部分で構成される蒸気上昇管が取り付けられており、該上昇流／移動管部分が上昇流帯域および下降流管部分の頂部で移動流帯域を形成する管であり、下降流帯域を形成する下降流管部分が該孔と同じ幾何学的な横断面形状を有しそして漏洩防止シールを施すことによって水平トレーに取り付けられておりそして蒸気上昇管の１つまたは２つの上昇流管部分がそれの側面に切り込まれた一つ以上の垂直なスロットを有している、上記装置において、
   蒸気上昇管の１つまたは２つの上昇流管部分の一方向の側面が下降流管部分に接して取り付けられていることを特徴とする、上記装置。
2. 蒸気上昇管がＭ字型であるかまたは逆Ｕ字型の装置である、請求項１に記載の液体−蒸気分配装置。

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