JP3926563B2 - 二次羽根を備えた蒸気／液体接触サイクロン - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、サイクロン式蒸気／液体接触装置と、流動接触分解等の蒸留またはそれに関連する物質移動または熱伝達用途にこれを使用する方法とに関する。本発明は、最初に液体を除去するレベルよりも上方の位置でサイクロンに設けられた第２の羽根を用いること、および、サイクロンの基部の領域でのスピンを最小とすることに関する。
【０００２】
サイクロンセパレータは、気体から固体を分離し、液体から気体を分離するための公知の装置である。典型的なサイクロンセパレータの設計は、ニューヨーク市マグローヒルブックカンパニー（McGraw-Hill Book Company）が出版したＰｅｒｒｙ’ｓ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ’ Ｈａｎｄｂｏｏｋに例示されている。
【０００３】
サイクロン内に羽根（ベーン (vane) ）を使用することは公知である。羽根は、気体の流れを誘導し、液体または固体の連行を最小限にするために使用される。米国特許第３,９６９,０９６号（Ｈｅｒｂｅｒｔ）には、複数の羽根付き気体入口を有するサイクロンセパレータが開示されている。気体入口は、円形経路の中に入る気体を気体出口管からそらせるように配置された（ルーバーのような）細長い入口開口から構成される。
【０００４】
米国特許第３,７０７,８３０号（Ｇｕｓｔａｖａｓｓｏｎ）には、円錐形収束入口部分を備えた円筒形シェルを有するサイクロンセパレータが開示されている。ガイド羽根のリングが出口内に配置され、流入する気体に回転する流れを与える。リングは、軸方向に移動可能である。
【０００５】
米国特許第５,６８３,４９３号（Ｓｔｏｂｅｒ）には、本発明の１つの実施態様に述べられるものと類似した密に詰められたサイクロンが開示されている。しかし、好適な実施態様において、蒸気および連行液体は、サイクロンの基部のタブによって回転する様式で上方へ方向づけられる（または案内される）。本発明では、１つの実施態様において、基部にスピンゾーンを有さない密に詰められた（または充填された）サイクロンが開示されている。
【０００６】
図１は、液体がサイクロンの床１１近傍に導入される蒸気／液体接触用のサイクロン装置１０を示す。バレル１２は、点線で引かれ、装置の他の部品とは区別される。図１に示されるように、液体は、サイクロンバレル内に軸方向に配置される降水管１３を通って導入されることが好ましい。あるいは、プレナムを通って導入されてもよく、その場合は、上方のトレイから降水管によって供給される（この実施態様は図示されていない）。
【０００７】
蒸気がサイクロンの基部を通って上昇する際に、蒸気はオリフィスを通り、それによって蒸気にスピンが与えられる。米国特許第３,９６９,０９６号等の特許に示されるように、サイクロンの入口に位置してスピンを与える羽根等の装置の概念は公知である。これらの羽根は、サイクロンの基部で穴と一体的に形成されることが好ましい。気体は次いで液体に回転作用を与える。液体は、サイクロンの外部へ捨てられることが好ましい。サイクロンのバレルの開口によって、液体はサイクロンから出ることができる。これらの開口内または近傍のフラップまたはバッフルを使用して、液体を開口から外へ出す補助ができる。バレル上の環状ハットも使用して、バレルの頂部から合流する液体を捉えてこの液体を下方へ方向づけることができる。図１に示される従来の装置を使用する場合には、液体が蒸気のスピン作用を低下させることもある。これによって、サイクロンの液体収集効率が落ちる（または低下する）。
【０００８】
米国特許第３,４９８,０２８号（Ｔｒｏｕｗ）には、大量の液体供給を収容しなければならないときに、液体と蒸気とを接触させるための容器が例示されている。液体は、中心に向けて内側に延びる水平管を通って容器の底部に加えられる。蒸気は容器内を垂直に上昇する。蒸気および液体は容器の底部で混合され、蒸気は連行液体とともに上昇する。
【０００９】
シェル国際研究所（Ｓｈｅｌｌ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ）に譲渡された英国特許第１,０７０,７７７号には、カラムの基部に位置する少なくとも１つの管状液体／気体接触装置を有する液体／気体接触用のカラムに装着するためのトレイが例示される。米国特許第５,６８３,６２９号には、まず英国特許第１,０７０,７７７号に開示された液体送出装置が、上方に方向づけられた開口を有する複数の平行チャネルをさらに具備する。これによって気体内の連行液体が増加し、それによって熱伝達を改良する。
【００１０】
従来のサイクロンにおいて、液体が降水管またはプレナムを経由してサイクロンに入った後に、スピンが蒸気および連行液体に与えられる。蒸気および連行液体は、次いで、上方へ移動して、バレル内のスロットまたは他の穿孔を経由して、またはバレルの頂部の環状ハットによって、液体が除去されるゾーンに入る。
【００１１】
本発明は、少なくとも２セット（または組）のスピン付与要素（羽根等）を有するサイクロンの発明と、図２に示すようなサイクロンに生じる液体と蒸気との分離の方法の発明に関する。図２に示されるように、サイクロン内で、サイクロンの基部の上方にいくらかの距離をおいて二次（または第２の）スピン羽根を配置することによって更なるスピンを蒸気に与え、これによってサイクロンの液体収集効率を補助する。これによって、蒸気とともに上方へ運ばれてサイクロンから出る液体の量が減少する。この型の液体連行は、分別効率を低下させたり、蒸留カラムをあふれさせる（またはフラッディングを生じさせる）可能性があるため、分別装置には通常望ましくない。スピンが最小になるゾーンがサイクロンの基部に設けられてもよい。
【００１２】
本発明では、少なくともある程度の液体除去が最終（最上）スピン付与要素の下側で始まる。これらの要素は、２組のスピン羽根の別々のセットであることが好ましく、サイクロンバレルの出口スロットは上側セットのスピン羽根の下側で始まる。降水管またはプレナムを経由してサイクロンに入った後に、蒸気および連行液体は、サイクロンの基部で、スピンを与える羽根または他の装置のないゾーンに入ることが好ましい。蒸気および連行液体は、サイクロンを通って上方へ移動して、スピン羽根に遭遇し、これによって連行液体の一部はバレルの壁の方へ方向づけられ、そこでスロット（または液体出口）を経由して除去される。蒸気および残りの連行液体は、次いで第２のセットのスピン羽根に遭遇し、これが連行液体にスピンを与え、そのため、バレルの側面のスロットまたは穴等の穿孔を経由して、または、サイクロンの頂部の環状ハットを通って、液体は効率的に除去される。
【００１３】
液体除去用の最初のゾーンとスピン羽根の第２のセットとの間には重なり合い（またはオーバーラップ）があってもよい。
【００１４】
液体は、この装置のバレルを出る際に、かなりの上昇速度を有することがあり、これが所望の液体収集の妨げとなる可能性がある。上向きの運動量を低減するための手段をサイクロン外部に配置することによって、液体収集を補助（または支援）することができる。様々な羽根またはバッフルがこの手段として作用することができる。バレルに追加装置を固定するのとは対照的に、これらの羽根をバレル材料から一体的に形成することによって、製作を簡略化することができる。図３は、好適な手段を示しており、これは複数のキャップ羽根である。これらのキャップ羽根は、出口穴の頂部に沿って置かれてもよく、さらに、穴を横切って複数の高さに置かれてもよい。
【００１５】
モービル社の流動接触分解（ＦＣＣ）ユニットの多くは、下流気体プラントによって制限される。本発明のサイクロンは、非ボトルネック気体プラント、および様々な他の大気圧および高圧塔を補助することができる。その容量利益は、中程度の流速の状態（塔面積の１ｍ²につき約０．１３６〜３３．９５ｌ／秒）でおそらく最高である。これは、いくらかの圧力低下が起こっても、より低い液体負荷、及び真空塔で見られるような非常に高い蒸気速度の状態でも高い容量を保持する。
【００１６】
本発明は、改良されたサイクロン設計（または構成）と、この改良されたサイクロン設計（または構成）を使用する液体と蒸気とを分離する方法とに関する。図１に例示する先行技術に記載されているように、羽根１４は、液体と蒸気とが混ざるサイクロン入口に配置されることが多い。蒸気は篩穴１５を通って入る。液体は、降水管１３を通って降下し、サイクロン床１１近傍の出口を通ってサイクロンの接触領域に入り、蒸気と混合される。蒸気および連行液体がサイクロンバレル内で上昇する。液体は、サイクロンバレルの外側壁へスピンし、出口１６を通って出る。図２は、二次羽根２１の配置を示す。本発明の二次羽根２１は、サイクロンのバレル内のいずれにも位置してもよい。好適な高さは、サイクロンの高さの中点（または中央部）近傍である。これによって、液体の大部分をサイクロンの下部から排出して、従って二次羽根に接触する流体はわずかな量の液体を伴って主に蒸気となる。
【００１７】
二次羽根の幾何学的形状に制限はない。実際に、羽根の幾何学的形状は、圧力降下および製造コストを最小限にする等の面を考慮に入れて、所望の量のスピン作用をもたらすように選択される。２セット以上の二次羽根があってもよい。単一のらせん形状の二次羽根であってもよい。サイクロンの高さの５〜２５％を占める１組の二次羽根２１を使用することが好ましい。まっすぐな（カールしていない）羽根を使用する場合には、図２に示されるように、垂直に対して好適な角度は３０〜６０度であり、より好ましくは４０〜５５度である。羽根はバレルの中心から、または（中央降水管を使用するのであれば）降水管の表面から、サイクロンの壁へ、または、サイクロンの壁から距離ｄの範囲内で延びることが好ましく、ここでｄはサイクロンの直径の０．０２〜０．１倍に等しい。
【００１８】
サイクロンバレルは円筒形であってもよく、その内部で蒸気と液体とを循環させることができるような六角形若しくは八角形を含むいずれかの形状であってよい。隣合うサイクロンは接触していてもよいし、離れていてもよい。サイクロンによって取り囲まれる領域は、所定のレベルで全領域の４０〜８５％であることが好ましい。本明細書に記載のサイクロン装置は、様々な方法で容器に装着されることができ、蒸気／液体接触を達成する。１つの配置形態において、サイクロンバレルはその基部で水平シートに固定されており、これは個別のトレイの形態を取り、容器壁に取り付けられる。円形の降水管は液体を１つのトレイから下側のトレイへ運び、各降水管は下側のトレイのサイクロンバレル内で終端する。各サイクロンの上方には空間があり、サイクロンを備えたトレイの重量は、トレイを介して容器壁へ伝達される。
【００１９】
もう１つの配置形態において、サイクロンバレルは、上側の水平シートのレベルへ上方へ延びてもよく、シートとそのサイクロンとの重量は、主に下側のレベルのサイクロンによって支えられる。この配置形態において、サイクロン装置は、製作コストおよび設置コストを減少することができる構造化されたパッキング（充填物）の一部になる。
【００２０】
液体が本発明のサイクロンのバレルを出るときに、その液体は所望の液体収集の妨げとなり得るかなりの上昇速度を有することがある。したがって、上昇運動量を弱めるための手段をサイクロン外部に配置することによって、液体収集を支援することができる。様々な羽根またはバッフルをこの手段として用いることができる。図３は、複数のキャッピング羽根３１である好適な手段を示す。これらのキャッピング羽根３１は、出口穴の頂部に沿って配置されてもよく、さらに、穴を横切って複数の高さに配置されてもよい。
【００２１】
図４は、バレル１２の床１１近くの部分にスピン羽根がない（非スピンゾーン４１）サイクロンを示す。もっとも簡単な場合には、基部プレートに単なる篩穴１５を有している。これは、５．０８〜５０．８ｃｍ、好ましくは７．６２〜２４．５ｃｍの高さのサイクロンの基部に蒸気／液体接触の非スピンゾーン４１を与える。これは、物質移動のための優れた蒸気／液体接触を提供する。この非スピンゾーンには、バレルに出口スロットがない。１つの変形例において、このゾーンは、例えば構造化された波形パッキング、グリッド、無作為パッキングまたはメッシュ等のある種のパッキングで、または他のバッフル又は羽根によって充填され、蒸気／液体接触を促進する。
【００２２】
この非スピンゾーン４１の上方に、１セットの一次スピン羽根４２があり、上昇する蒸気／液体混合物にスピンを与える。この一次セットのスピン羽根４２の上方で、サイクロンのバレルの出口スロット１６が始まる。１セットの二次スピン羽根４３は、出口スロットのもっとも低い開口の多少上方に位置する。この配列は図４に示されている。充填された非スピンゾーン５１が図５に示される。図５は、液体収集用の環状ハット５２を示す。二次羽根４２の好適な高さは、スロット部分のほぼ中間である。二次羽根は、バレルのスロット部分の全体の高さまで、すなわち、一次羽根のすぐ上から延びてもよいし、または場合によっては、スロット部分の中へ一次羽根が上向きに延びるように、従って１つの細長いスピン付与ゾーンが存在するように見えてもよい。液体抜き取りは、スピン付与ゾーンの頂部の下方に位置する通し出口の頂部の下側で始まることが注目される。しかし、別個の二次羽根を有することが好ましく、二次羽根はサイクロンの総高さの約５〜２５％のみを占めることが好ましい。図３に例示されるように、バレルの外側にはスプラッシキャップ３１等のバッフルが好適である。
【００２３】
図４、５に例示されるサイクロンの床または基部１１の好適な穿孔パターンは、篩穴１５の均一なパターンであり、直径０．３〜０．６インチである。しかし、液体が大量に流出することを防止するのに十分に小さいサイズであって、蒸気が通ることができるものであればサイクロンの床の開口は種々の型のものであっても許容できる。これらの開口は、スロット等の様々な形状であってもよく、不均一な空間的分布を有することもでき、これらの開口に組み合わせられた弁または羽根等の様々な型の硬質製品（またはハードウェア）を有することもできる。これらの開口は、処理液体の０．５〜３．０インチヘッド（圧力頭）の圧力降下を基部プレートに生じさせる生み出すサイズであることが好ましい。
【００２４】
図１〜３の発明についても、スピン羽根と液体出口手段とが上方に載せられている非スピンゾーンのこの配列は、トレイ上の独立したバレルにも、または、相互に接触して、それらの間の残りの空間が液体降水管を規定するように密に詰められたサイクロンバレルにも適用することができる。バレルは、円形であっても円錐形であってもよく、または直立側面部分を含んでもよい。米国特許第５,６８３,４９３号は、密に詰められたサイクロンに関するが、基部に非スピンゾーンはなく、二次スピン羽根もない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来のサイクロンの構成を示しており、液体は中央降水管を下方へ移動し、蒸気は上方へ移動する。蒸気および液体は、最初に、サイクロンの基部においてスピン羽根の近傍で互いに接触する。
【図２】 サイクロンの高さの中点（または中央部）近傍に二次羽根がさらに付加された従来の構成を示す。
【図３】 サイクロンを出る液体の上向きの運動量を弱めるためにサイクロンの外側に設け得るキャッピング羽根を示す。
【図４】 バレルの床にスピン羽根のないサイクロンの構成を例示する。代わりに篩穴が用いられる。
【図５】 充填された非スピンゾーンの追加特徴を備えた図４のサイクロン構成を例示する。

Claims (6)

1. 蒸留または分別プロセスで蒸気と液体との接触に使用するのに適切なサイクロン装置であって、
   （ａ）床と、
   （ｂ）上端と下端とを有する連続した側壁であって、前記下端は前記床内で終端し、前記上端は、別のサイクロン装置の床に隣接してもよい上部サイクロン領域を規定し、前記側壁は、前記床より上方でかつ前記上部サイクロン領域より下方に接触容積を規定する連続した側壁と、
   （ｃ）前記床内の少なくとも１つの蒸気開口であって、その中を通って蒸気が前記接触容積へ流れることができる蒸気開口と、
   （ｄ）少なくとも１つの流体降水管であって、
   （１）上側部分と下側部分とを有する降水管側壁であって、前記上側部分は前記上部サイクロン領域に位置し、前記下側部分は前記サイクロン床の上方の位置まで延びて下側部分端部を有する降水管側壁と、
   （２）前記降水管の前記下側部分端部の近くに位置する少なくとも１つの降水管ポートであって、液体が流れることができる開口を前記降水管側壁に規定する少なくとも１つの降水管ポートと
   を具備する少なくとも１つの液体降水管と、
   （ｅ）前記連続した側壁に位置する少なくとも１つの液体出口であって、液体が流れることができる開口を前記連続した側壁に規定する少なくとも１つの液体出口と、
   （ｆ）蒸気および連行液体にスピンを与える少なくとも２セットのスピン装置であって、前記連続した側壁において前記少なくとも１つの液体出口が、第１のセットのスピン装置と第２のセットのスピン装置との間に位置するように設けられている少なくとも２セットのスピン装置と、
   を具備するサイクロン装置。
2. サイクロン装置の床に隣接して非スピンゾーンを有する請求項１に記載のサイクロン装置。
3. 少なくとも１つの液体出口が、少なくとも、第１のセットのスピン装置と第２のセットのスピン装置との間の側壁に位置する請求項１または２に記載のサイクロン装置。
4. 前記サイクロン装置の前記連続した側壁が、円筒形、円錐形、六角形または八角形からなる群から選択される形状を形成する請求項１、２または３に記載のサイクロン装置。
5. スピン装置の１つのセットが、サイクロン装置の高さの中間近くに位置する請求項１〜４のいずれかに記載のサイクロン装置。
6. スピン装置の１つのセットが、サイクロン装置の高さの５〜２５％を占める請求項１〜５のいずれかに記載のサイクロン装置。

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