JP4917439B2 - スラリーバブルコラム反応器 - Google Patents

Description

本発明はスラリーバブルコラム（柱）反応器用の熱交換システム（ＳＢＣＲ）に関する。

ＳＢＣＲが使用される多くの化学反応は発熱反応、例えば、フィッシャ・トロプシュ合成である。このため、反応器は反応器内の等温反応状態を維持するため充分な熱除去容量を要求する。さらに、フィッシャ・トロプシュ反応器内に絶えず付きまとう炉の暴走の危険がある。反応と温度の安定を維持するため、反応媒体と熱交換器間に低い温度勾配が要求される。熱交換容量と反応の安定性であるこれらの２つの要素は比較的大きな内部熱交換表面積が必要になる。

一定の容量を有するフィッシャ・トロプシュ反応器の寸法は、表層ガス速度、変換、及び触媒濃縮のようなフィッシャ・トロプシュ反応の動作パラメータの最適時期により制限される。要求される大きな内部熱交換表面との組合せから、これらのパラメータにより、反応器内部が高密度となる。このような内部により、特に、水平反応器断面領域の大部分が塞がれ、制限され、又は阻止される場合、フィッシャ・トロプシュ反応器内のスラリーフローダイナミクスに障害を来たす。これらの領域において、ガス速度が高くなりこれらの領域を通過するスラリーの流れを妨害する。局部的な循環により触媒の不均衡配分及び温度不安定が生じる。

したがって、本発明の目的は水平断面領域の制約のリスクを最小化するＳＢＣＲ用の熱交換システムを提供することである。

垂直チューブのバンドル（束）が等温反応器のための内部熱交換表面として普通に使用される。スラリーバブルコラムでの適用のため、バンドルの底部の環状分布ヘッダーと上部のコレクターヘッダーが反応ガスを通過させるために使用される。しかしながら、ヘッダーはまだガスとスラリーの流れを妨害する。したがって、本発明の目的はこの障害を減らすことである。

一般的に、高熱交換器表面密度で、ヘッダーは反応器の水平断面積の大部分を占領し、スラリーの循環に対して妨害する。問題を生じさせる他の領域は熱交換器バンドルの補強領域である。垂直熱交換機チューブは移送中の十分な機械的強度及びバンドルの起立を得るため及び反応器の動作中に乱流と振動に耐えるためチューブの長さに沿って補強することを要求する。

本応用は高熱交換器表面密度を組合すが制限された水平断面領域制限に維持するフィッシャ・トロプシュスラリーバブルコラム反応器の内部垂直熱交換器バンドル用内部垂直熱交換器バンドルの異なる配置を意図している。熱交換器表面密度は熱交換表面積を反応器体積で割ることにより示される（ｍ^２／ｍ^３）。水平断面積カバリッジは内部によりカバーされる断面積を反応器内のある高さの反応器の水平断面積により割ることにより示される（ｍ^２／ｍ^２）。

垂直チューブ熱交換器バンドルは多数のパラメータにより説明される。これらはヘッダーの直径、タイ・ロッドの直径、熱交換器チューブの直径、ピッチ、及びピッチ型を含んでいる。小さい熱交換器チューブ直径は水平断面積カバリッジ（範囲）を最小化するために有利であるが、機械強度のような他の側面がチューブ直径の最小寸法を制限する。熱交換器チューブのピッチと直径は熱交換器表面密度（熱交換器面積ｍ^２／反応器体積ｍ^３）と熱交換器チューブ（断面熱交換器チューブｍ^２／断面反応器ｍ^２）による断面カバリッジを決定する。より高いピッチはより低いカバリッジになるが、より低い表面密度になる。熱交換器ヘッダー領域は反応器水平断面積のカバリッジのための臨界領域である。最小直径はこの点で明白に有利であるが、機械的強度や給水流量のような他の特徴がヘッダーチューブの最大寸法を制限する。

本発明によれば、スラリーバブルコラム反応器のための熱交換システムが提供される。即ち、熱交換システムはコラムの長手方向に熱交換流体を伝達するための一般的に平行な熱交換チューブのバンドル（束）と、チューブに熱交換流体を供給するための又はチューブから熱交換流体を除去するためのチューブバンドルの一端部のヘッダーと、分配導管を介してヘッダーに接続された２つ又はそれ以上のサブヘッダーとを具備し、サブヘッダーはチューブに接続され、ヘッダーをチューブに接続し、さらにサブヘッダーはチューブの長手方向の少なくとも２つの異なる位置に配置され且つチューブの横断方向の少なくとも２つの異なる位置に配置されている。

このようにサブヘッダーを千鳥配列にすることにより、ヘッダー領域の異なる垂直位置での水平断面カバリッジ（範囲）が実質的に減少する。この千鳥配列は熱交換器バンドル上部と下部に適用され、熱交換器チューブの長さを一定に保つ。好ましくは、したがって、システムはチューブから熱交換流体を除去し又はチューブへ熱交換流体を供給するためのチューブバンドルの他端の第２ヘッダーと、分配導管を介して第２ヘッダーに接続された１つ又は複数の第２サブヘッダーを含み、第２サブヘッダーはチューブに接続されて、第２ヘッダーをチューブに接続し、第２サブヘッダーはチューブの長手方向の少なくとも２つの異なる位置に配置され、且つチューブの横断方向の少なくとも２つの異なる位置に配置される。

好ましくは、チューブは複数の列に配置された各サブヘッダーに接続される。サブヘッダー当たりの熱交換器チューブの数を増加させることにより、ヘッダーの全要求数を減少でき、それにより、水平断面カバリッジを減少できる。熱交換器チューブの数を増加させることはヘッダー直径の増大を要するが、適正ピッチ対ヘッダー方向を選択することがこの点において有利である。好ましくは、バンドルのチューブは方形、三角形、又は回転方形ピッチ形状で対称的に配分される。

好ましくは、システムは熱交換チューブを支持するために配置された構造的支持部材を含んでいる。好ましくは、支持部材はチューブの長手方向の離間した位置で千鳥配置形状に構成される。支持部材は好都合にはチューブに取り付けられたタイ・ロッドである。ヘッダーと同様に、タイ・ロッドも千鳥状に配列される。タイ・ロッド領域は反応器水平断面領域のカバリッジのために重要な領域である。タイ・ロッドの直径は多くの場合熱交換器チューブのピッチにより決定される。

好ましくは、タイ・ロッドは複数のグループに配置され、各グループの全てのタイ・ロッドは同一方向に伸び、タイ・ロッドの各グループは他のグループにチューブの長手方向の異なる位置に配置される。グループのタイ・ロッドは次の近傍のグループのタイ・ロッドが延びる方向に対して傾斜している方向に伸びる。グループのタイ・ロッドは次の近傍のグループのタイ・ロッドと同一方向に伸びるが、横に偏位している。熱交換器ピッチ型の選択はタイ・ロッドが要求されるレベル数に影響する。三角形ピッチは３方向を補強することを要求し、方形ピッチは２つの方向の補強を要求する。

本発明の他の態様によれば、スラリーバブルコラム反応器用の熱交換システムを提供する。即ち、この熱交換システムはコラムの長手方向に熱交換流体を伝達するための一般的に平行な熱交換チューブのバンドルと、チューブの長手方向の離間した間隔の一連のチューブ支持体とを具備し、各チューブ支持体はチューブに取り付けられたタイ・ロッドのグループから成り、各グループの全てのタイ・ロッドは同一方向に伸び、タイ・ロッドの各グループは他のグループにチューブの長手方向の異なる位置に配置され、グループのタイ・ロッドは次の近傍のグループのタイ・ロッドが伸びる方向に伸びるか、次の近傍のグループのタイ・ロッドと同一方向に伸びるが、横に偏位している。

好ましくは、グループの全てのタイ・ロッドが同一横断平面にある。好ましくは、グループは一連のグループ組に構成され、グループ組がチューブの長手方向の離間した位置に配置される。

本発明は、本質的に上述のように、熱交換システムを含むスラリーバブルコラム反応器までに及ぶ。反応器はインレットとアウトレットを有する容器の形状を有する。

本発明はインレットを介してこのような反応器に反応物質を提供する工程と、アウトレットを介して生成物を除去する工程を具備する化学反応を実施する方法に及ぶ。適切な反応はフィッシャ・トロプシュ合成であり、反応物質はＣＯ及びＨ２からなる。好ましくは、反応器は液状の反応生成物と浮遊状態の細かく分割された固体触媒を含むスラリーを含む。好ましくは、触媒は金属酸化物キャリア上のコバルトのような担持コバルト触媒からなる。酸化物キャリアは好ましくはアルミナであるが、シリカ及び／又はチタニアでもよい。

好ましくは、触媒は粒子サイズの範囲は２０−９０μｍであり、より好ましくは、４０−６０μｍである。好ましくは、触媒荷重は５０−４００ｋｇ／ｍ^３であり、より好ましくは１００−３００ｋｇ／ｍ^３である。好ましくは、反応温度は１９０−２５０℃であり、より好ましくは、２１０−２３０℃である。好ましくは、反応圧力は１５−３０バールであり、より好ましくは、１９−２２バールである。

Ｈ_２：ＣＯ比は好ましくは１．４−２．２であり、Ｃ_５＋炭化水素生成物及び収率に対する高選択性のために、より好ましくは、約１．８である。好ましくは、表層ガス速度は５−３０ｃｍ／ｓであり、好ましくは、１５−２５ｃｍ／ｓである。好ましくは、スラリー液体媒体はより高い炭化水素（Ｃ_１０−Ｃ_７０）に対する媒体からなる。

また、本発明は複数の熱交換チューブが反応器の一端から他端に冷却材を伝達するように配置されたスラリーバブルコラム反応器の断面制約を最小化する方法に及ぶ。この方法はチューブの長手方向に沿った位置で千鳥形状のチューブと関連するヘッダー及び／又はサブヘッダーを配置する工程を具備している。このような方法において、上述の熱交換システムが使用できる。

本発明は種々の方法で実際に実施でき、いくつかの実施例が以下に添付した図面を参照し例示として説明される。

図１は番号１３で示されるガス分配器に導くガスインレット（流入部）１２と、生成物アウトレット（流出部）１４及びガスアウトレット５を有するスラリーバブルコラム反応器１１を示す。反応器１１は垂直に配置された熱交換チューブ１６、給水分配アセンブリ１７、蒸気収集アセンブリ１８、及びチューブ１６のための一連の補強ゾーン１９からなる熱交換システムを収容している。

動作において、例えば、フィッシャ・トロプシュ合成反応のため、反応器１１は液化炭化水素生成物に触媒粒子のスラリーを含んでいる。ガス反応物質はインレット１２及び分配装置１３を介して供給され、触媒から又は除去されなければならない触媒と共にすでに分離された液化生成物が導出される。

反応が発熱であるので、熱が熱交換システムにより除去される。給水２１は底部でチューブ１６に供給され、反応熱が吸収されるにつれてチューブ１６で蒸気に変換する。蒸気２２はチューブ１６の上部から集められる。

分配アセンブリ１７の構成が図２及び図３に示される。アセンブリ１７はインレット２３、主ヘッダー２４、及び一連のサブヘッダー２５を含んでいる。サブヘッダー２５が分配導管２６により主ヘッダー２４に接続され、チューブ１６はサブヘッダー２５に接続される。

注目すべきは、サブヘッダー２５が水平及び垂直方向に互いに離間し、換言すると、千鳥配置に構成されている。このように、この分配アセンブリはガスの上方向への流れ及びスラリーの循環に妨害を生じない。

複数のサブヘッダーはチューブに関連して種々の方法で配置される。図４において、各サブヘッダー４１はチューブ１６の一列４２に接続される。図５において、各サブヘッダー５１はチューブ１６の２列５２、５３に接続される。図２及び図３に示される構成に対応する図６において、各サブヘッダー６１は３列６２、６３及び６４のチューブ１６に接続される。

チューブバンドルはチューブ１６に沿って垂直に離間した補強ゾーン１９のタイ・ロッドにより補強され且つ支持される。図７は補強ゾーン１９の１つの特定の垂直位置の構成を示す。各タイ・ロッド７１はチューブ１６の２列７２、７３及び７４、７５等に溶接されるが、各列のチューブ１６は１本のタイ・ロッド７１に対してのみ溶接される。

全てのチューブ１６を共に接続してバンドルを強化するため、別の組のタイ・ロッドが強化ゾーン１９の異なる（が緊密に離間して）垂直位置に異なる対のチューブ列に対して溶接される。タイ・ロッド７７が異なる垂直位置に位置決めされる１つの可能な方法が図７に破線で示される。明らかなように、タイ・ロッド７７はチューブ１６の列７３、７４及び７５、７６等に溶接されるので、タイ・ロッド７１、７７は千鳥配列され、チューブバンドルの全てのチューブ１６が共通に接続される。

第２組のタイ・ロッドのための変形構成が図７に一点鎖線で示される。ここで、タイ・ロッド７８は第１組のタイ・ロッド７１の方向に対して横断する方向に位置決めされ、完全に異なる列のチューブ、例えば、７０、７９に溶接される。

これらの構成が単一の強化ゾーン１９内でまたは１つの強化領域以上を横切るように組合せ且つ置換可能であることが理解される。全ての場合において、しかしながら、断面制約がチューブに沿って同一垂直位置で全てのチューブ１６を相互に接続するために全ての必要なタイ・ロッドを包含することを回避することにより最小化される。

図７は方形ピッチで配列されたチューブ１６を示し、図８は三角形ピッチで配列されたチューブを示す。再度、例示の特有の垂直位置で、タイ・ロッド８１がそれぞれチューブ１６の２列８２、８３及び８４、８５等に溶接され、各列のタイ・ロッドは単一のタイ・ロッドのみに溶接される。

強化ゾーン１９内の近傍の離間垂直位置で、１つの構成において、タイ・ロッド８７は図８の破線で示されるように位置決めされ、タイ・ロッド８１に対して千鳥配置される。このように、チューブバンドル内のチューブ１６は全て共通に接続される。

第２組のタイ・ロッド８８のための変形構成が一点鎖線で示され、強化ゾーン１９内の第３垂直位置でのタイ・ロッドの第３組８９のための構成が点線で示される。図７の方形ピッチ実施例のように、これらの構成は組合せ且つ置換可能であり、断面障害が同様に最小化される。

図１はスラリーバブルコラム反応器を示す概略垂直断面図である。 図２は本発明に従った熱交換器構成の側面図である。 図３は図２に示される熱交換器構成の下方から見た図である。 図４、図５及び図６は３個の熱交換器構成を示す概略平面図を示す。 図７及び図８は２個のタイ・ロッド構成を示す概略平面図である。

符号の説明

１１ スラリーバブルコラム反応器（ＳＢＣＲ）
１２ ガス・インレット
１３ ガス分布器
１４ 生成物アウトレット
１５ ガス・アウトレット
１６ チューブ
１７ 給水分配アセンブリ
１８ 蒸気収集アセンブリ
１９ 強化ゾーン
２４ ヘッダー
２５ サブヘッダー
２６ 分配導管
７１、７７、７８ タイ・ロッド

Claims (30)

1. コラム状の容器と熱交換システムとを有するスラリーバブルコラム反応器であって、
   前記コラム状の容器には、前記スラリーバブルコラム反応器の下部に配置されたガス反応物質を供給するためのガスインレットと、前記スラリーバブルコラム反応器の上部に配置されたガスアウトレットと、液体状生成物用のアウトレットと、が設けられ、
   前記熱交換システムには、
   熱交換流体をコラムの長手方向に伝達するための一般的に平行な、鉛直に伸びる熱交換チューブのバンドルと；
   熱交換流体を前記熱交換チューブに供給する又は熱交換流体を前記熱交換チューブから除去する、前記熱交換チューブのバンドルの一端にある第一ヘッダーと；
   分配導管を介して前記第一ヘッダーに接続される複数の第一サブヘッダーと；
   熱交換流体を前記熱交換チューブに供給する又は熱交換流体を前記熱交換チューブから除去する、前記熱交換チューブのバンドルの他端にある第二ヘッダーと；
   分配導管を介して前記第二ヘッダーに接続される複数の第二サブヘッダーと；
   が設けられ、
   前記第一ヘッダーと前記熱交換チューブとが、前記熱交換チューブに接続した前記第一サブヘッダーを介して接続され、
   前記第二ヘッダーと前記熱交換チューブとが、前記熱交換チューブに接続した前記第二サブヘッダーを介して接続され、
   前記複数の第一サブヘッダーは、前記熱交換チューブの長手方向の少なくとも２つの異なる位置に配置され且つ前記熱交換チューブの横断方向の少なくとも２つの異なる位置に配置され、そして、
   前記複数の第二サブヘッダーは、前記熱交換チューブの長手方向の少なくとも２つの異なる位置に配置され且つ前記熱交換チューブの横断方向の少なくとも２つの異なる位置に配置されている
   ことを特徴とするスラリーバブルコラム反応器。
2. 前記熱交換チューブが複数の列に配置された前記各サブヘッダーに接続されていることを特徴とする請求項１記載のスラリーバブルコラム反応器。
3. 前記熱交換チューブを支持するように配置された構造的支持部材をさらに具備することを特徴とする請求項１又は２に記載のスラリーバブルコラム反応器。
4. 前記支持部材が前記熱交換チューブの長手方向の異なる位置に間隔をあけて配置されていることを特徴とする請求項３記載のスラリーバブルコラム反応器。
5. 前記支持部材が前記熱交換チューブに取り付けられたタイ・ロッドを具備することを特徴とする請求項３又は４記載のスラリーバブルコラム反応器。
6. 前記タイ・ロッドが複数のグループに配置され、
   各グループの全ての前記タイ・ロッドが同一方向に伸び、そして、
   前記タイ・ロッドの各グループが他のグループに対して前記熱交換チューブの長手方向の異なる位置に配置されていることを特徴とする請求項５記載のスラリーバブルコラム反応器。
7. 一グループの前記タイ・ロッドが、隣接するグループの前記タイ・ロッドが伸びる方向に対して傾斜する方向に延びていることを特徴とする請求項６記載のスラリーバブルコラム反応器。
8. 一グループの前記タイ・ロッドが、隣接するグループの前記タイ・ロッドと同一方向に延びるが横に偏位していることを特徴とする請求項６又は７記載のスラリーバブルコラム反応器。
9. グループ内の全ての前記タイ・ロッドが同一横断平面内にあることを特徴とする請求項６−８の何れか一項に記載のスラリーバブルコラム反応器。
10. 前記グループが一連のグループの組に配置され、前記グループの組は前記熱交換チューブの長手方向の離間した位置に配置されていることを特徴とする請求項６−９の何れか一項に記載のスラリーバブルコラム反応器。
11. 前記バンドルの前記熱交換チューブは方形、三角形、又は四角形ピッチを回転させて得られる回転方形ピッチ構成で対称的に分配されていることを特徴とする請求項１−１０の何れか一項に記載のシステム。
12. コラム状の容器を有するスラリーバブルコラム反応器の一方の端部から他方の端部に冷却材を移送するよう、鉛直に伸びる熱交換チューブのバンドルが配置された、スラリーバブルコラム反応器内の断面閉塞を最小化するための方法において、
    前記スラリーバブルコラム反応器に、前記スラリーバブルコラム反応器の下部にガス反応物質を供給するためのガスインレットと、前記スラリーバブルコラム反応器の上部にガスアウトレットと、を配置し、
    さらに、液体状生成物用のアウトレットと、第一ヘッダー及び第二ヘッダーと、分配導管を介して前記第一ヘッダーに接続される複数の第一サブヘッダーと、分配導管を介して前記第二ヘッダーに接続される複数の第二サブヘッダーと、を配置し、
    前記第一ヘッダーと前記熱交換チューブとを、前記熱交換チューブのバンドルの一端に接続した前記第一サブヘッダーを介して接続し、
    前記第二ヘッダーと前記熱交換チューブとを、前記熱交換チューブのバンドルの他端に接続した前記第二サブヘッダーを介して接続し、
    前記複数の第一サブヘッダー及び前記複数の第二サブヘッダーを、前記熱交換チューブの長手方向の少なくとも２つの異なる位置に配置し且つ前記熱交換チューブの横断方向の少なくとも２つの異なる位置に配置する
    ことを特徴とするスラリーバブルコラム反応器内の断面閉塞を最小化するための方法。
13. 前記熱交換チューブがタイ・ロッドにより支持され、
    前記タイ・ロッドが複数のグループに配置され、
    各グループの全ての前記タイ・ロッドが同一方向に延びるよう構成され、そして、
    前記タイ・ロッドの各グループが他のグループに対して前記熱交換チューブの長手方向の異なる位置に配置されている
    ことを特徴とする請求項１２記載のスラリーバブルコラム反応器内の断面閉塞を最小化するための方法。
14. 一グループの前記タイ・ロッドが、隣接するグループの前記タイ・ロッドが延びる方向に対して傾斜する方向に延びていることを特徴とする請求項１２又は１３記載のスラリーバブルコラム反応器内の断面閉塞を最小化するための方法。
15. 一グループの前記タイ・ロッドが、隣接するグループの前記タイ・ロッドと同じ方向に延びるが横に偏位していることを特徴とする請求項１２―１４の何れか一項に記載のスラリーバブルコラム反応器内の断面閉塞を最小化するための方法。
16. 前記グループの全てのタイ・ロッドが同一横断平面にあることを特徴とする請求項１２−１５の何れか一項に記載のスラリーバブルコラム反応器内の断面閉塞を最小化するための方法。
17. 前記グループが一連のグループの組に配置され、この一連のグループの組が前記熱交換チューブの長手方向の離間した位置に配置されていることを特徴とする請求項１２−１６の何れか一項に記載のスラリーバブルコラム反応器内の断面閉塞を最小化するための方法。
18. 化学反応を実施する方法であって、
    インレットを介して請求項１−１１の何れか一項に記載のスラリーバブルコラム反応器に反応物質を供給する工程と、
    アウトレットを介して生成物を除去する工程と、
    を含むことを特徴とする化学反応を実施する方法。
19. 前記化学反応がフィッシャ・トロプシュ合成であり、前記反応物質が一酸化炭素と水素からなることを特徴とする請求項１８記載の化学反応を実施する方法。
20. 前記スラリーバブルコラム反応器が、液体状の反応生成物と浮遊状態の細かく分割された固体触媒とを含むスラリーを含むことを特徴とする請求項１９記載の化学反応を実施する方法。
21. 前記触媒が担持コバルト触媒からなることを特徴とする請求項２０記載の化学反応を実施する方法。
22. 前記触媒が金属酸化物キャリア上のコバルトからなることを特徴とする請求項２１記載の化学反応を実施する方法。
23. 前記金属酸化物キャリアがシリカ、チタニア及び／又はアルミナからなることを特徴とする請求項２２記載の化学反応を実施する方法。
24. 前記触媒粒子サイズが２０−９０μｍであることを特徴とする請求項２０−２３の何れか一項に記載の化学反応を実施する方法。
25. 前記触媒荷重が５０−４００ｋｇ／ｃｍ³であることを特徴とする請求項２０−２４の何れか一項に記載の化学反応を実施する方法。
26. 前記反応温度が１９０−２５０℃の範囲内であることを特徴とする請求項１９−２５の何れか一項に記載の化学反応を実施する方法。
27. 前記反応器圧力が１５−３０バールであることを特徴とする請求項１９−２６の何れか一項に記載の化学反応を実施する方法。
28. Ｈ₂：ＣＯ比が１．４から２．２の範囲内であることを特徴とする請求項１９−２７の何れか一項に記載の化学反応を実施する方法。
29. 前記表層ガス速度が５−３０ｃｍ／ｓの範囲内であることを特徴とする請求項１９−２８の何れか一項に記載の化学反応を実施する方法。
30. 前記スラリー流体媒体がより高い炭化水素（Ｃ₁₀−Ｃ₇₀）を含むことを特徴とする請求項１９−２９の何れか一項に記載の化学反応を実施する方法。

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