JP4854408B2 - 気固分離器の設計方法 - Google Patents

Description

本発明は固体粒子と気体の混合物を夫々に分離するための気固分離器の設計方法に関する。

粒子状の固体を触媒または熱媒体とし、反応物と接触させる反応系は古くから知られている。このような反応系である流動床式反応器の中には濃厚流動層（気泡流動層）を用いるもの、高速移動層（高速流動層）を用いるもの等がある。固体粒子と気体の接触時間を短くする必要のある反応（短接触時間反応）には高速移動層が用いられている。現在、重質油等を原料油としてガソリンを製造している流動接触分解装置においてはライザーと呼ばれる上昇流型高速移動層反応器が主流となっている。理由は触媒性能の向上に伴い接触時間を短くすることが可能となり、これによってガソリン等の好ましい生成物の選択性が上がり、好ましくない過分解反応が抑制できるようになったことによる。

高速移動層反応器においては生成物気体と粒子状固体触媒の混合物が反応器出口から流出するが、短接触時間反応が要求されるこの種の装置では混合物から粒子状固体触媒をいかに迅速に分離できるかが重要な課題であり分離器の性能が重要となる。

このような気固分離器として、例えば、特許文献１〜３に示すものが知られている。
特開平１０−２４９１２２号公報 米国特許６１４６５９７号明細書 特開平１０−２４９１２１号公報

しかしながら、従来の気固分離器では分離効率が十分でないことが判明した。本発明は上記課題に鑑みて創案されたもので、従前のものに比して一段と気体と固体との分離効率の高い気固分離器の設計方法を提供することにある。

本発明にかかる気固分離器の設計方法は、下端が閉じられると共に上端が開口した、鉛直方向に延びる内筒と、内筒を外方から同軸状に覆うと共に上端側には外部に連通する気体抜出口が形成された外筒と、を具備し、内筒における下端側の側面には、軸方向に延びる長さＬの長孔が円周方向に複数形成され、長孔夫々の一方の長辺縁部には外方に突出すると共に各長孔を覆うように周方向に傾斜された案内羽根が設けられた気固分離器の運転方法である。そして、内筒の開口から下向きに供給する気体及び固体粒子の混合物を断面平均線速度をＵ［ｍ／ｓ］、固体粒子の粒子密度をρ_ｐ［ｋｇ／ｍ^３］、固体粒子の平均粒径をｄ_ｐ［ｍ］、気体の粘度をμ［Ｐａ・ｓ］としたときに、長孔の長さＬを、ストークス数Ｓｔ＝（ρ_ｐｄ_ｐ ^２／（１８μ））・Ｕ／Ｌ≧０．３を満たすよう定める。

本発明により設計された気固分離器によれば、固体粒子及び気体の混合物を内筒の開口から下向きに供給すると、この混合物は、内筒の各長孔から下向きに外筒内へ排出される。排出されたガスは、案内羽根の内面に沿ってやや旋回されつつさらに下向きに進む。ここで、混合物中の一部の固体粒子は案内羽根の内面に衝突し、衝突した固体粒子はそのまま案内板の内面に沿って下向きに落下する。その他の固体粒子を含む気体は、外筒の上部に気体抜出口が設けられているために、向きが上向きに反転され、隣の長孔の縁部に設けられた案内羽根の外面に沿って上向きに流れ、その後、気体抜出口から排出される。そして、この気体の流れが下向きから上向きに反転する際に、気体に同伴していた固体粒子は、その慣性や自重のために気体から分離され、下方に向かって旋回しながら主として内壁上に沿って下降する。

特に、本発明では、長孔の長さＬが、無次元ストークス数Ｓｔが０．３以上、好ましくは、０．４以上となるように設計されている。これにより、固体粒子は長孔の下部から外筒へ排出されることとなり、固体粒子が気体から分離されやすくなる。したがって、良好な分離特性を実現できる。

本発明によれば、従前に比して一段と気体と固体との分離効率の高い気固分離器が提供される。

（第１実施形態）
以下では、図面を用いて本発明を詳細に説明する。図１〜４は第１実施形態にかかる気固分離器の一形態を示すもので、図１は一部破断斜視図、図２は図１の気固分離器の縦断面図、図３は気固分離機をＩＩＩ−ＩＩＩ面で切断した横断面図、図４は案内羽根付近の流れを示す斜視図である。

気固分離器１００は、同軸状に固着された内筒１０及び外囲器を兼ねた外筒２を主体に略筒状の二重構造に構成されており鉛直方向に延びた姿勢で使用される。

（内筒）
内筒１０は、鉛直方向に延びる有底円筒状で上端が開口して導入口１を形成しており、この導入口１からは粒子と気体の混合物が導入されることになる。下端は底板１１によって封止されている。

内筒１０の寸法についてはその外直径Ｄ３は好ましくは上流側に直結される図示しない混合物移送管と同一であることが好ましいが、内筒１０を通過する混合物の適度な線速度を得るためにサイズダウンしてもサイズアップしても良い。具体的には内筒１０の混合物の下向き断面平均線速度Ｕが少なくとも３ｍ／ｓ以上となるように定められることが好ましい。好ましくは、３〜３０ｍ／ｓ、より好ましくは１０〜２０ｍ／ｓのうちのいずれかとなるように内筒の直径が決められることが好ましい。Ｕが３ｍ／ｓを下回ると、ストークス数Ｓｔを０．３以上に維持することが困難になるという問題が生ずる。

内筒１０の底板１１側の側面には、その円周等分部位に複数個（図では１２個）の軸方向に延びる狭幅矩形状の長孔（スリット）４が形成されている。

長孔４の数及び開口面積は、内筒１０に供給された気体と固体粒子との混合物の下向き断面平均線速度を３〜３０ｍ／ｓのいずれかとした時に、各長孔４を通過する混合物の断面平均線速度が２０ｍ／ｓ以下、好ましくは１５ｍ／ｓ以下となるよう決定されることが好ましい。各長孔４を通過する混合物の線速度Ｕ_４は、内筒１０の内直径Ｄ３’（≒Ｄ３）、内筒１０を降下する混合物の断面平均線速度Ｕ_１０、長孔４の開口面積Ｓ、長孔の数ｎを使用して、（π／４）（Ｄ３’）^２・Ｕ_１０＝Ｓ・ｎ・Ｕ_４により求めることができる。長孔４の面積Ｓが決まるとそれに応じて長孔４の幅Ｗと長さＬが決定できる。長孔４を通過する混合物の線速度が２０ｍ／ｓより大きい場合は、粒子に与えられる横向きの力が多くなるために、長孔４の比較的上側から固体粒子が排出され、後述するようにガスの流れが下向きから上向きに反転する際に、固体粒子がガスに同伴されやすくなり、分離効率が低下する。また、長孔４、案内羽根５、外筒２の側壁の磨耗が激しくなるため好ましくない。一方、下限については特に制限はないが、長孔４を通過する混合物の断面平均線速度が３ｍ／ｓより小さい場合は混合物の速度が遅く、遠心力が十分に働かず分離が不十分になる傾向がある。したがって、内筒１０に供給された混合物の下向き断面平均線速度を３〜３０ｍ／ｓのいずれかとした時に、長孔４を通過する混合物の断面平均線速度を３ｍ／ｓ以上とすることが好ましい。

長孔の鉛直方向長さＬは、以下のようにして定められる。内筒４の開口から下向きに供給する気体及び固体粒子の混合物を断面平均線速度をＵ［ｍ／ｓ］、固体粒子の粒子密度をρ_ｐ［ｋｇ／ｍ^３］、固体粒子の平均粒径をｄ_ｐ［ｍ］、気体の粘度をμ［Ｐａ・ｓ］としたときに、無次元ストークス数Ｓｔ＝（ρ_ｐ・ｄ_ｐ ^２／（１８μ））・Ｕ／Ｌ≧０．３、好ましくは、Ｓｔ≧０．４を満たすように定められる。
実用に適する長孔４の水平方向の幅Ｗは、上述の条件を満たす範囲で、内筒１０の円周長さＬ1を用いて例えば次式で表すことができる。

スリットの幅Ｗ＝３mm〜Ｌ1／４、好ましくは Ｗ＝Ｌ1／１６〜Ｌ1／６４

これら長孔４の夫々の一方の長辺縁部には、外方に突出する長尺湾曲板状の案内羽根５が設けられている。すなわち、案内羽根５は長孔４と同数、それぞれ長孔４の一方の長辺縁部に沿って設けられている。これらの案内羽根５は、内筒径方向と一定角度を成している、すなわち、各案内羽根５は、各長孔４を覆うように一定円周方向に傾斜して設けられている。傾斜形状は図１及び図３に例示したように湾曲していても良いし、或いは図５の（ａ）に横断面図で示すように平板状であっても良く、さらに、図５の（ｂ）のように途中で折れた板状でもよい。湾曲する場合には、図３に示すように、長孔４に面する側が凹面となるような曲面、特に、断面円弧となることが好ましい。断面円弧となる場合には、半径ｒで頂角が７０〜１２０度であり、内筒１０の外直径をＤ３とし、中央外筒２ａの内直径をＤ１としたときに、０．４×（Ｄ１−Ｄ３）≦ｒ≦０．５×（Ｄ１−Ｄ３）とすることが好ましい。

分離器総体として円滑な動作が得られるように、全ての案内羽根５は同一形状とし円周等分点に位置するように取り付けることが好ましい。なお、一つの長孔４に対応して複数部に分割された構成の案内羽根５をそれぞれ設けることもできる。

各案内羽根５の半径方向突出長さＰ（図３参照）、すなわち、（（内筒１０の中心Ｃと案内羽根５の先端Ｆとの距離Ｒ）−０．５×内筒１０の外直径Ｄ３）は、中央外筒２ａの内直径をＤ１として次式のように設定することが好ましい。

案内羽根の突出長さＰ＝（Ｒ−０．５×Ｄ３）＝０．５×（Ｄ１−Ｄ３）×ｂ、ここでｂは０.２〜０.９９、好ましくは０.７〜０.９５である。

ｂが０．２より小さい、すなわち案内羽根５の半径方向突出長さＰが小さすぎる場合は長孔４から噴出した気流の反転が明確に行われず好ましくない。ｂが０．９９より大きい、すなわち案内羽根の半径方向突出長さＰが大きすぎる場合は外筒と案内羽根の隙間が小さくなりすぎ、案内羽根等と外筒が接触するため好ましくない。

また案内羽根５の鉛直方向長さについては、長孔４の鉛直方向長さＬと同程度とすることが好ましいが、次のように規定し得る。

案内羽根５の最小高さ＝長孔４の長さＬ／２
案内羽根５の最大高さ＝外筒２の長さ
好ましくは長孔４の長さＬ以上かつ０. ８×外筒２の長さである。

長孔４の数ｎについては図示例では１２個であるが、これに限定されることはなく２以上であれば良い。好ましくは８〜１６個、より好ましくは１０〜１４個を採用するのが良い。長孔４の数が単一（２個より少ない）では内外筒間隙にて分離に必要な気流の反転を良好に形成できず不都合であるし、内筒１０の直径等のサイズにも依るが一般には１６個を越える長孔を設けても分離器が徒に複雑・高価となるだけであって、さしたる分離効率の向上は認められなくなる。

（外筒）
外筒２はこの内筒１０を外方から覆って同軸状に位置する筒状体である。外筒２は、上から順に、気体案内筒２ｃ、円筒状の中央外筒２ａ、円錐筒２ｄ、及び、粒子抜出管２ｅから構成されている。特に、中央外筒２ａが、内筒１０における複数の長孔４が形成された部分１０ａを取り囲むように形成されている。中央外筒２ｂは、内筒１０の底板１１よりさらに下に伸びていることが好ましい。

本実施形態では、内筒１０の外直径Ｄ３としたときに、中央外筒２ａの内直径Ｄ１は、内筒１０内を混合物が１．５ｍ／ｓの断面平均線速度で下降する場合に、中央外筒２ａと内筒１０との間を上昇する気体の断面平均線速度Ｕ_ｄが、６ｍ／ｓ以下、好ましくは５ｍ／ｓ以下となるように設定されることがこのましい。断面平均線速度Ｕ_ｄは、内筒１０の外直径Ｄ３及び内直径Ｄ３’（≒Ｄ３）、内筒１０を降下する混合物の線速度Ｕ_１０、混合物中のガスの体積分率をε、中央外筒２ａの内直径をＤ１とすると、（π／４）（Ｄ３’）^２・Ｕ_１０・ε＝（π／４）（（Ｄ１）^２−（Ｄ３）^２）・Ｕ_ｄにより求めることができる。なお、通常、εはほぼ１と近似できる。

Ｕ_ｄが６ｍ／ｓを超えると、上昇気流に固体粒子が同伴されやすくなり、固体を分離しにくくなる。なお、Ｕ_ｄの下限は特には存在しないが、分離器内の気体の滞留時間削減の観点から、２ｍ／ｓ以上であることが好ましい。

なお、Ｄ１は、上の条件を満たす範囲で、１．１×Ｄ３〜５×Ｄ３とすることができ、さらに、１．１×Ｄ３〜３×Ｄ３とすることができる。

また、中央外筒２ａの高さをＬａとしたときに、Ｌａを内筒１０の内直径Ｄ３の０．８〜１０倍とすると好適である。滞留時間を短くする点を重視すれば、好ましくは、長孔４の鉛直方向長さに合わせてＬａを短くする。具体的には、Ｌａは、Ｄ３の１〜５倍が好ましい。また、中央外筒２ａの好適な高さＬａは、長孔４の鉛直方向長さＬを用いて例えば次式で表すことができる。

長孔の鉛直方向長さＬ＝Ｌａ×ａ、ここでａは０.１〜０.９９、好ましくは０. ７〜０. ９５である。

中央外筒２ａの上には、中央外筒２ａよりも径が小さくされた円筒状の気体案内筒２ｃが配置され、気体案内筒２ｃの側面の対向位置２箇所には気体抜出口６が形成されている。気体抜出口６には、外部に連通すると共に半径方向に伸びた気体抜出管７がそれぞれ接続されている。気体抜出管７は、上方又は下方に傾斜していても良い。

一方、中央外筒２ａの下端には、下方に向かって径が縮小する円錐部２ｄ、及び、小径の粒子抜出管２ｅがこの順に接続されている。粒子抜出管２ｅの下端の粒子抜出口３から粒子が排出される。粒子抜出管２ｅの粒子抜出口３からは定常的なガスの排出はなされず、気体抜出管７を通してのみ気体が定常的に排出されるようになっている。また、外筒２と、内筒１０とは、長孔４のみを介して連通している。粒子抜出管２ｅの粒子抜出口３の開口径は、内筒１０の外直径Ｄ３の０．６〜２倍であることが好ましい。

上述各部は、化学反応に耐える適宜素材を用いて形成される。例えば、ステンレスは加工性に優れ耐薬品性も良いので適材といえる。その他、異なる素材を適宜組み合わせて各部を構成しても良い。要は、必要な剛性と耐性が得られれば足りる。

続いて、本実施形態の運転方法及び作用を説明する。気固分離器に対して上方の混合物導入口１から気体（粘度μ［Ｐａ・ｓ］）および固体粒子（平均粒径ｄ_ｐ［ｍ］、粒子密度ρ_ｐ［ｋｇ／ｍ^３］からなる混合物を内筒１０へと所定速度で下向きに断面平均線速度Ｕ［ｍ／ｓ］で導入する。固体粒子は特に限定されないが、例えば、平均粒径ｄ_ｐが１〜５００μｍ程度、粒子密度ρ_ｐが１．５〜２．５ｇ／ｃｍ^３程度の流動接触触媒（ＦＣＣ）等が挙げられる。また、気体の粘度μは、通常、0.001〜0.000005Ｐａ・ｓ程度である。

内筒１０の下端部は底板１１により封鎖されていて、導入開始直後だけは固体粒子の一部は該底板に直接衝突することになるが、次第に固体粒子層（触媒床）が形成されて底板は固体粒子の衝突・衝撃から保護される。

定常的に図の上から下に向かう混合物の流れは、底板及び粒子層に遮られて横方向（水平方向）への速度を与えられ、内筒１０の側面に設けられた複数の長孔（スリット:５）から図２及び図４に表すように側方下向きに飛び出す。ここで、実線矢印が気体の流れを表し、点線矢印が固体粒子の流れを表す。

その後、気体は、図４に示すように、長孔４から下向きに流れ出た後、案内羽根５の内面５ａに案内されて、鉛直軸を上から見て図示時計回りに少し旋回され、その後、時計回りに隣接する案内羽根５の外面５ｂに沿って上昇し、その後、気体抜出口６から排出される。

一方、固体粒子の一部は、案内羽根５の内面５ａに衝突してそのまま内面に沿って下向きに移動する。また、その他の粒子の大部分は、気体の流れが下向きから上向きに反転する際に、粒子の慣性や自重により気体と共に速度が反転せず、気体の流れから離脱してそのまま下方に進み、図２に示すように、円錐部２ｄの内面に沿って旋回し、粒子抜出口３から排出されることとなる。

このようにして気体と固体粒子との混合物は、気体と固体粒子とに分離される。

そして、本願発明では、特に、長孔４の鉛直方向長さＬが、Ｓｔが所定の条件を満たすように設定されている。したがって、粒子の気体に対する追従性が少なく、固体粒子が長孔４の比較的下部から排出されることとなる。したがって、その後気体が上向きに反転される際に固体粒子がそのまま下方に分離されやすい。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態について図８を参照して説明する。重質油を原料油としてガソリンを製造する流動接触触媒装置に本気固分離器を再生する際には、粒子抜出口３からの排出される触媒は、粒子群の隙間にガスを含んでいると共に、粒子には重質油が吸着されている。したがって、粒子抜出口３からの触媒は、通常、図示しないストリッピング装置に供給され、スチーム等の不活性ガスによりこれらが除去される。

そして、短接触時間反応においては、上記ストリッピング装置が問題となることがある。すなわち、ストリッピング装置内における触媒の滞留時間は概して長いため、ストリッピングが完了するまでの時間は反応が継続されているという点である。従って、このような余分な反応を避け、また、気体の一部が粒子抜出口からストリッピング装置に導入されるという好ましくない現象が起こった場合の影響を無くすために滞留時間の短い（装置容積の小さい）プレ・ストリッピング装置を設置することが好ましいことがある。

本実施形態の固気分離器が第一実施形態と異なる点は、気固分離器の下部にプレ・ストリッピング機構１３を組み込んで外筒２の下方でプレ・ストリッピングを可能としたことである。

具体的には、中央外筒２ａの下部にさらに外筒２ｇがさらに設けられると共に、内面に数段のバッフル１４が設けられている。また、内筒１０の底板１１の下にさらに内筒１０ｇが伸びており、内筒１０ｇの周面にも数段のバッフル１４が設けられている。さらに、外筒２ｇ内かつ内筒１０ｇの下方には、環状のスチーム供給手段１２が設けられている。そして、粒子抜出口３は外筒２ｇのプレ・ストリッピング装置１３より下方に接続される。粒子抜出口３から抜き出された固体粒子は、図示しないストリッピング装置に導入される。なお、運転方法は、第一実施形態と同様である。

このような固気分離器においては、外筒２の上部で分離された固体粒子は、バッフル１４によって分散されつつ落下し、スチーム供給手段１２から供給されるスチームにより、プレ・ストリッピングがなされる。このプレ・ストリッピング機構１３から発生するガスおよびオイルベーパー、ストリッピングスチーム等はプレ・ストリッピング装置から系外に排出するのではなく、当該気固分離器に直接導入されることとなる。これによりプレ・ストリッピング効果が向上すると共に設備が省力化できる。なお、プレ・ストリッピング機構を導入しても、分離効率の低下はほとんど認められない。

なお、本実施形態では、外筒２ｇ及び内筒１０の表面に設けられたバッフル１４によって固体粒子を分散させる方式のプレ・ストリッピング機構（装置）を用いているが、これに限定されることはなくパーフォレイテッドトレイ（穴あき盤）や濃厚流動層を用いる方式のプレ・ストリッピング装置相当の機構なども採用することができる。

（実施例１〜３）
以下の条件の、図１〜図４のような形態の気固分離器を用いて、平均粒径ｄ_ｐ＝６０μｍの粒子密度ρ_ｐ＝１．２ｇ／ｃｍ^３の固体粒子を含む粘度μ＝０．００００２３Ｐａ・ｓの空気の分離の実験を行った。気固分離器のスケール及び条件は、図７のようにした。すなわち、長孔の各面積は維持しつつ、長孔の長さを変えて、それぞれ、Ｓｔ＝０．４５，０．３２，０．６５とした。触媒捕集率（単位：％）＝（固体抜き出し口から抜き出された固体の重量）／（分離器に供給された触媒の重量）とした。

（比較例１）
さらに、長孔の長さを代えて、ストークス数Ｓｔ＝０．２１とする以外は実施例１と同様にした。

図１は、第一実施形態にかかる気固分離器の一部破断斜視図である。 図２は、図１の気固分離器の縦断面図である。 図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。 図４は、図１の案内羽根近傍の拡大斜視図である。 図５は、図３の案内羽根の変形例を示す断面図であり、（ａ）は平板状、（ｂ）は折れ板状のものである。 図６は、第２実施形態にかかる気固分離器の縦断面図である。 図７は、実施例及び比較例についての条件及び結果の表である。

符号の説明

２…外筒、２ａ…中央外筒、３…気体抜出口、４…長孔、５…案内羽根、６…開口、１０…内筒、１００、１０２…気固分離器。

Claims (1)

1. 下端が閉じられると共に上端が開口した、鉛直方向に延びる内筒と、
   前記内筒を外方から同軸状に覆うと共に前記上端側には外部に連通する気体抜出口が形成された外筒と、を具備し、
   前記内筒における前記下端側の側面には、軸方向に延びる長さＬ［ｍ］の長孔が円周方向に複数形成され、
   前記長孔夫々の一方の長辺縁部には外方に突出すると共に前記各長孔を覆うように周方向に傾斜された案内羽根が設けられた気固分離器の設計方法であって、
   前記内筒の開口から下向きに供給する気体及び固体粒子の混合物を断面平均線速度をＵ［ｍ／ｓ］、前記固体粒子の粒子密度をρ_ｐ［ｋｇ／ｍ^３］、前記固体粒子の平均粒径をｄ_ｐ［ｍ］、前記気体の粘度をμ［Ｐａ・ｓ］としたときに、前記長孔の長さＬを、
   無次元ストークス数Ｓｔ＝（ρ_ｐ・ｄ_ｐ ^２／（１８μ））・Ｕ／Ｌ≧０．３を満たすように定める気固分離器の設計方法。
   

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