JP4554372B2 - リブ付きダウンカマー壁の構成および方法 - Google Patents

Description

（関連出願）
本出願は、２００２年１１月２２日出願の米国仮出願第６０／４２８４９０号の優先権を主張するものである。先の仮出願の内容は参照によりここに組み込まれる。

本発明の分野は流体分配に関し、詳細には蒸留および吸収塔における流体分配に関する。

蒸留、吸収、急冷および洗浄塔への供給流、ポンプ循環流、還流は一般に、配管分配器により導入される。公知の配管分配器の大部分は開口（例えば、スロットまたは穴）を有し、その開口から噴射する液体含有ジェットを分散させる。典型例は米国特許第５，０１４，７４０号明細書に記載されており、そこでは、複数のジェットを分配器の配管に沿ってさまざまな角度で配置して、広い分配を保証している。あるいは、配管分配器が流体を衝突壁に向けて放出する開口を有し、流体流れを分散させることができる。例示的構成は米国特許第４，８５５，０８９号明細書に記載されており、そこでは、衝突壁はさらに流体の横方向分配のための波形部分を有する。

流入する流体が液体および気体の両方からなる場合、一般にジェットは、開口（開口は通常、壁面の方向にある角度を持つ）からわずかに離して配置されることが多い垂直または傾斜壁、通常ダウンカマーまたは衝突バッフルの壁面の方向に向けられる。このように、壁面はジェットを分散させ、ジェットが気体を含む場合、壁面はさらに上方に流れる気体と下方に流れる液体を分離する。

導入された流体の均一分配を達成するために、塔内の配管分配器の穴またはスロットから出る流体の速度は一般に、配管内の流体速度の約２倍から３倍以上でなければならない。これは、穴（またはスロット）部分での高速または配管内での低速のいずれかを用いることを必要とする。穴部分での高速は、過剰な分散（ｓｐｌａｓｈ）、乱れおよびエントレインメントを生じる傾向があるため、望ましくないことが多い。一方、配管内での低速もまた、高価なノズルおよび内部配管を必要とし、他の塔の内部（例えばトレー）に干渉する可能性があるため、望ましくないことが多い。

したがって、公知の配管分配器の構成は、穴（またはスロット）部分の速度が配管部分の速度とほぼ一致する妥協点を基本としている。不都合な点は、このような構成は一般に、きわめて不利な分配特性を示すことである。最も重要なことは、流れが配管から出るときに配管内部の流れ方向の水平方向運動量が残り、この結果、配管末端近くの比較的高速の流れと配管の始端近くの低速流れとを生成する。配管末端近くの比較的高速の液流により、液を受けるユニット内（例えば、配管分配器の下の蒸留トレー）に不均一分配を発生させる。

したがって、当技術分野で公知の多くの配管分配器構成および方法があるが、それらのすべてまたは大部分は１つ以上の欠点を有する。したがって、配管分配器の改良された構成および方法を提供する必要性が現在も存在する。

本発明は各種の容器、特に化学処理塔内の流体分配を改良する構成および方法に関し、本発明では１つ以上の流れ妨害要素が流体受面における流体の不均一分配を防止または低減する。

本発明の主題の１つの態様においては、容器はこの容器により少なくとも部分的に囲まれる配管分配器を有し、配管分配器はさらに複数の開口を有する。垂直または傾斜した流体受面は配管分配器からわずかに離して（および好ましくは、下に）配置され、流体受面は複数の開口から出る液体含有流体を受け、液体含有流体は、流体が流体受面に衝突するとき配管流れ方向に水平方向運動量を有し、流体受面は流体受面上の流れの水平方向運動量を低減または消滅させる流れ妨害部分を備える。

本発明の主題の特に好ましい態様においては、流体（例えば、塔供給流、ポンプ循環流、または容器への還流）は容器の垂直軸に対して２５°から６０°の角度で流体受面に衝突し、および／または流体受面は容器の垂直軸に対して０°から４５°の角度を形成する。このように、考えられる流体受面には、衝突バッフル、ダウンカマー、または疑似ダウンカマーが挙げられる。

特に考えられる流れ妨害部分は、水平方向運動量に実質的に垂直の流体受面に結合するリブと、水平方向運動量に実質的に垂直の流体受面のくぼみと、および／または複数の規則的またはランダムに配置された、流体受面の突出部（またはくぼみ）とを備える。

したがって、処理容器内の流体分配を改良するための特に考えられる方法は、傾斜した流体受面を配管分配器からわずかに離して配置する１つの工程を含み、流体受面が配管分配器の複数の開口から出る液体含有流体を受け、液体含有流体は、流体が流体受面に衝突するとき配管流れ方向に水平方向運動量を有する。別の工程においては、流れ妨害部分を流体受面内に設けることにより、流体受面上の流体の水平方向運動量を低減または消滅させる。

本発明のさまざまな目的、特徴、態様および利点は、本発明の好ましい実施形態の以下の詳細な説明から明らかになるであろう。

発明者らは、配管分配器から出る液体含有流体の、不均一分配または他の望ましくない効果を生じる運動量を低減または消滅させる構造を備えることにより、容器内の流体分配、特に蒸留または吸収塔内の流体分配を、大幅に改良できることを見出した。

これより、本発明者らは配管分配器を少なくとも部分的に囲む容器を考え、この配管分配器は複数の開口を有し、流体が複数の開口から流れ出し、流体は複数の開口から流れ出すときに水平方向運動量を有する。さらに、傾斜したまたは垂直の流体受面は流れ方向に水平方向運動量を有する流体の少なくとも一部を受け、流体受面は水平方向運動量を低減する構造体を備える。

図１に示す、本発明の主題の特に好ましい実施形態においては、容器１００は、流体流れ１２０を疑似ダウンカマーの流体受面１３０の方向に導く複数の開口（図示せず、図２を参照）を持つ分配配管１１０を有する配管分配器を備える。流体受面１３０は、流体を受ける表面が容器の垂直軸と約０°から４５°の角度を形成するように容器に結合される。一般に流体受面は配管分配器に近接して配置される（例えば、一般に１０ｃｍから約３ｍの距離で、配管分配器の完全に下、または配管分配器の下から上に突き出るように配置される）。流体流れ１２０は垂直（点線）に対して約２５°の角度を形成し、比較的大きい水平方向運動量を有する（すなわち、流体を容器の内壁の方向に向けるのに十分な水平方向運動量）。図２は図１の装置の部分側面図であり、容器２００は流体流れ２２０（流体２２２の水平方向流れ）を疑似ダウンカマーの流体受面２３０の方向に導く複数の開口２１２を持つ分配配管２１０を備える。流体受面２３０は、流れ方向の水平方向運動量を低減および／または消滅させる複数のリブ２３２を有する。

配管が疑似ダウンカマー内に排出する従来の公知の構成では、液水頭は理論的にダウンカマーにより生成され、これにより液不均一分配を少なくともある程度までに均一化する必要があることは、一般に理解されるであろう。しかし実際には、ジェットで流れ出る流体の水平方向運動量により、均一化は達成されないことが多い。均一化の欠如は低液体負荷において特に重大である。このような場合においては、一般に、疑似ダウンカマーの下の間隙を大きく保って、詰まりを防止する必要がある。結果的に、疑似ダウンカマー内の水頭が大幅に減少し、液の不均一の是正を妨げることになる。均一化の欠如は、配管分配器がダウンカマーまたは衝突バッフルの外側壁に向かって排出する場合にはさらに重大である。このような場合においては、液がトレーに入る前に、再分配装置が存在しない。

さらに、分配配管から流れ出る液が、分配器配管の入口端から入口の反対側の容器壁面に向かう水平方向運動量を有することは認識されるべきである。したがって、分配器穴から出る液はダウンカマー（設置されている場合）の内壁に衝突し、壁面に沿って下方に偏向するが、入口端から入口の反対側の容器外壁方向に液を導く水平方向運動量を保持する。このような公知の構成の結果は、ダウンカマーの外壁端に達する過剰な液と、分配器配管の入口近くのダウンカマーの部分の比較的少ない液とを生じ、これが下流側トレーに送られ、最後には効率損失および早期の詰まりを発生させる可能性がある。均一化の欠如は、供給流体が容器の一方の壁面の分配器配管に入り、容器を横切って反対壁面に流れる場合に、特に重大になる。

これに反して、本発明の主題による構成は、ダウンカマーの壁面に流れ妨害部分（例えば、リブ）を設けることにより、配管分配器からの流体の不均一分配を大幅に低減する。このような構成により、液を容器外壁方向に押し出す水平方向運動量を低減または消滅させ、液を下方に導く。本発明の主題の１つの好ましい実施形態においては、流れ妨害部分は、液がダウンカマー壁面に衝突するところでダウンカマー壁面の内面に等間隔（例えば、６インチ）で離れているリブである。ここで使用する用語「流れ妨害部分」は、流体が流体受面（例えば、衝突バッフル、ダウンカマー、または疑似ダウンカマー）に接触すると、流体の水平方向運動量を低減または消滅させる構造体のすべてを指す。

適切な流れ妨害部分の特定の形状に関しては、一般に、リブ（ダウンカマー全体に延び、１．５インチ幅を有する）以外のさまざまな形状も適切であると考えられる。別の構造体としては、波形リブ、ジグザグ形リブ、ノッチ付きリブ、規則的または不規則形状の要素などの、少なくともある程度の水平方向流れを低減させる要素が挙げられる。あるいは、流体受面はさらに１つ以上のくぼみ（例えば、垂直または傾斜した溝）を有するか、または垂直な波形とすることもできる。さらに考えられる別の態様においては、適切な流れ妨害部分はさらに、複数の規則的またはランダムに配置された突起部および／またはくぼみ要素を含む。図３は流体受面の適切な流れ妨害部分の例示的集合を示しており、流体受面３３０は複数の突起障壁（例えば、１／１６インチ幅、１インチ高さ）が水平方向流れの破壊要素のグループを形成する第１グループの流れ妨害部分３３２Ａを有する。第２グループの流れ妨害部分は３３２Ｂで示されており、複数の並列溝（例えば、１インチ幅、１インチ深さ）が水平方向流れの破壊要素のグループを形成する。第３グループの流れ妨害部分３３２Ｃは、水平方向流れの破壊要素のグループとして、ランダムまたは十字型の複数のランダムに配置された突起要素（例えば、１／２インチ直径、１／２インチ高さ）を有する。第４グループの流れ妨害部分３３２Ｄは、水平方向流れの破壊要素のグループとして、ランダムまたは三角形の複数の規則的に配置された突起要素（例えば、１／２インチ幅、１／２インチ高さ）を有する。

したがって、適切な流れ妨害部分の数は大幅に変化する。例えば、流れ妨害部分がリブを備える場合、２個から１０個のリブ（ダウンカマー壁面当たり）が適正である。一方、流れ妨害部分が比較的小型の構造体を備える場合、１０から数百個（およびそれ以上）が考えられる。流れ妨害部分の特定の形状および配置に応じて、流れ妨害部分が流体の水平方向運動量を消滅させない場合でも、少なくとも低減させる限り、高さ／深さ、幅および相互の距離は大幅に変更できることは理解されるべきである。さらに、流れ妨害部分は、ダウンカマー壁に任意の方法（例えば、着脱可能または恒久的に取り付け）で結合できる（結合が作動中に構造を維持する限り）、ことも考えられる。あるいは、流体を受ける流体受面の形状を、この受面に衝突する流体の水平方向流れを低減させる形状（例えば、垂直波形、または傾斜した波形）にできる、ことも考えられる。

考えられる構成は、比較的大きいトレー（すなわち、５フィートから１０フィートより大きい内径）と、垂直または傾斜したバッフル（例えば、ダウンカマー壁）方向に流体を放出する配管分配器を有する他の小型の塔とにおける、供給流および／または還流分配を改良するのに特に適する。多くの場合、改良された分配は、塔の動作パラメータに小さな影響（あるとすれば）を与えるだけである、ことは認識されるべきである。しかし、特に塔がサブクール多成分の供給を受ける場合、改良された分配は主な詰まりを低減または消滅し、効率を向上させる。

蒸留または吸収塔の適正な動作のために、一般に、液分配が塔の断面の全域で均一であることが重要である。これは、常に供給流または還流（および液流れの大部分である）が従来の公知の塔内に導入されることを意味し、液が均一に、塔内の分配に大きな影響を与えないように導入されることが重要である。ここに提示した本発明の主題による構成を用いる場合、流量が大きく変化する可能性があることは認識されるべきである。しかし、本発明の構成は５０ガロン／分あるいはそれ以上の液を含む流れの分配に対して特に有効である。好ましくは、考えられる流体は炭化水素、水性、有機および無機供給流、ポンプ循環流、および／または還流を含み、これらの供給流は液成分を含み、また蒸気成分を含んでもよい。これら流れの組成は、純粋な生成物を生成する塔への還流の場合におけるほぼ純粋な物質から、多成分蒸留および吸収のための塔へのより一般的な還流および供給流れの場合における任意の数の異なる化合物の複合混合物まで、変化する。

適切な流体受面に関しては、これらの点から、すべての公知の流体受面がここでの使用に適すると考えられる、ことは理解されるべきである。特に好ましい流体受面には、衝突バッフル、ダウンカマー、または疑似ダウンカマーが挙げられる。さらに、配管分配器と流体受面との間の特定の距離は大幅に変化する可能性があり、適正な距離は一般に、少なくとも一部は、流量、流体ジェットの相対角度、および／または流体組成により決定される、ことも理解されるところである。同様に、流体受面の角度は大幅に変化する可能性がある。しかし、一般に、流体受面の角度（仮定の垂直軸に対する）は０°から４５°であるのが望ましい。したがって、用語「傾斜した流体受面」は垂直の流体受面も含む。

流体受面の角度に応じて、流体ジェットが配管分配器から噴出する角度（仮定の垂直軸に対する）は大幅に変化する。ただし、特に好ましいジェット角度は１５°から６０°を含む。さらに、角度の少なくとも一部は、配管分配器の特定の構成により決定される、ことは認識されるべきである。適切な配管分配器は公知のすべての配管分配器、特に、流体流れの方向が同一でない少なくとも２つの配管を有する分配器を含む。配管分配器の開口に関しては、複数の円形または矩形開口を１列または複数列に配置して、１つ以上組の流体ジェットを形成することが望ましい。しかし、他の多くの公知の開口および配置も考えられる（例えば、配管分配器の側面に配置された円形、矩形、正方形、長円形、または三角形開口）。

したがって、本発明者らは、少なくとも一部が容器で囲まれている配管分配器を備える処理容器（最も好ましくは、蒸留、吸収、急冷または洗浄塔）であって、配管分配器が複数の開口を有する、処理容器を考える。考えられる容器はさらに、配管分配器の下に配置された傾斜した流体受面を備え、流体受面は複数の開口から出る液体含有流体を受ける。別の観点から見ると、処理容器における流体分配を改良する方法は、このように、傾斜した流体受面を配管分配器からわずかに離して配置する１つの工程を含み、流体受面が配管分配器の複数の開口から出る液体含有流体を受け、液体含有流体は、流体が流体受面に衝突するとき配管流れ方向に水平方向運動量を有する。別の工程においては、流れ妨害部分を流れ受面内に設けることにより、流体受面上の流体の水平方向運動量を低減させる。容器に関しては、流体受面、配管分配器、流体、流れ妨害部分、および前述と同様な方法に対する別の要素、同一の考察が当てはまる。

このように、改良された流体分配の特定の実施形態および用途を開示してきた。しかし、当業者には、本明細書における本発明の構想から逸脱することなく既に述べたもの以外の多くの修正形態が可能であることは明らかである。したがって、本発明の主題は添付の特許請求の範囲の精神を除いては限定されることはない。さらに、明細書および特許請求の範囲の両方の解釈において、すべての用語は文脈に整合する最も広い可能な意味に解釈されるべきである。詳細には、用語「備える」および「含む」は、非排他的意味の要素、部品、または工程を指し、参照要素、部品、または工程が、存在するかまたは利用でき、あるいは明白に参照されない他の要素、部品、または工程と組合せできることを示す、と解釈されるべきである。

本発明の主題による配管分配器構成の例示的概略図である。 異なる視点からの、図１の配管分配器構成を示す図である。 流体受面上の各種の例示的流れ妨害部分を示す図である。

Claims (14)

1. 容器により少なくとも部分的に囲まれる、複数の開口を有する配管分配器と、
   配管分配器に近接して配置された傾斜する流体受面と、を備え、
   流体受面は複数の開口から出る液体含有流体を受け、
   液体含有流体は、流体が流体受面に衝突するとき、配管流れ方向の水平方向運動量を有し、流体は容器の垂直軸に対して１５°から６０°の角度で流体受面に衝突し、
   流体受面は、流体が該受面に衝突するところに流体受面上の流体の水平方向運動量を低減する流れ妨害部分を備える、容器。
2. 流体受面は容器の垂直軸に対して０°から４５°の角度を形成する、請求項１に記載の容器。
3. 流体受面は衝突バッフルからなる、請求項２に記載の容器。
4. 流体受面はダウンカマーまたは疑似ダウンカマーの壁面からなる、請求項２に記載の容器。
5. 流体は容器に対して供給流、ポンプ循環流、または還流である、請求項２に記載の容器。
6. 流れ妨害部分は水平方向運動量に実質的に垂直に流体受面に結合されるリブを備える、請求項２に記載の容器。
7. 流れ妨害部分は水平方向運動量に実質的に垂直に流体受面にくぼみを備える、請求項２に記載の容器。
8. 流れ妨害部分は複数の規則的またはランダムに配置された、流体受面からの突起部を備える、請求項２に記載の容器。
9. 容器は蒸留、吸収、急冷または洗浄塔である、請求項１に記載の容器。
10. 容器内の流体分配を改良する方法であって、
    配管分配器の下に傾斜した流体受面を配置し、流体受面は配管分配器の複数の開口から出る液体含有流体を受け、
    液体含有流体は、流体が流体受面に衝突するとき、配管流れ方向に水平方向運動量を有し、流体は容器の垂直軸に対して１５°から６０°の角度で流体受面に衝突し、
    流れ妨害部分を流体が該受面に衝突するところで流れ受面に設けることにより、流れ妨害部分が流れ受面上の流体の水平方向運動量を低減させることを含む、方法。
11. 流体受面は容器の垂直軸に対して０°から４５°の角度を形成する、請求項１０に記載の方法。
12. 流れ妨害部分は水平方向運動量に実質的に垂直に流体受面に結合されるリブを備える、請求項１１に記載の方法。
13. 流れ妨害部分は水平方向運動量に実質的に垂直に流体受面にくぼみを備える、請求項１１に記載の方法。
14. 流れ妨害部分は複数の規則的またはランダムに配置された、流体受面からの突起部を備える、請求項１１に記載の方法。

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