JP4997161B2 - 流れ分配器及び流れ分配システム - Google Patents

Description

本発明は、例えば製油所設備などに適する流れ分配器及び流れ分配システムに関する。

従来、製油所設備では、気液混相流体の流れの分配は、通常、Ｔ字状の分岐管を使用していた。しかし、この場合、気液混相流体は二相の物性が互いに異なることから重力の影響等で各相の流れが不均一になる。従って、気液混相流体の流れを均等に分配、すなわち、気液の割合がそれぞれ同等となるように流れを分配することが困難であるという問題があった。また、Ｔ字状の分岐管以外に、特許文献１〜６に示すように気液混相流体の流れを複数に分配する流れ分配器も知られている。
特許３４８０３９２号公報 実公平３−３８５９８号公報 特許３４０８６７７号公報 特許３３８７３８７号公報 特開２００３−９０６４６号公報 特開平７−１２４２９号公報

しかしながら、これらの流れ分配器では、構造が複雑で耐久性も劣るという問題があった。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、気相、液相、固相等の各相の割合がそれぞれほぼ同等となるように気液混相流体や固液混相流体等の互いに異なる２相以上を含む混相流体の流れを分配でき、しかも構造が簡単で耐久性にも優れる流れ分配器及び流れ分配システムを提供することを目的とする。

本発明に係る流れ分配器は、流体が流入する流入管と、複数の流出管と、第一仕切体と、第二仕切体と、を備える。複数の流出管は、流入管の端部に開口しその開口が流入管の中心軸を取り囲むように配置されている。第一仕切体は、流入管内における流出管側に配置され、流入管の中心軸から半径方向外側に伸びる板を、流出管の開口の数有する。第二仕切体は、第一仕切体よりも流出管から離れて配置され、流入管の中心軸から半径方向外側に伸びる板を、流出管の開口の数有する。そして、流入管の軸方向から見て、第二仕切体の板は、前記第一仕切体の各板間にそれぞれ配置されている。

これによれば、第二仕切体で分割された流れが、第一仕切体により更に分割された上で、開口を介して各流出管に分配される。したがって、気相、液相、固相の各相の割合がそれぞれほぼ同等となるように混相流体の流れを容易に分配できる。また、このような流れ分配器は構造が簡単で耐久性にも優れる。

ここで、流入管の軸方向から見て、第一仕切体の板は流出管の各開口間にそれぞれ配置されていることが好ましい。これにより、第１仕切体により分割された混相流体を、ひとつの開口から選択的に排出させられる。

また、流入管の軸方向から見て、第一仕切体の板は前記流出管の各開口上にそれぞれ配置されていることも好ましい。これにより、流出管の開口においてさらに流れを分割する効果が得られる。

ここで、複数の流出管の開口は流入管の軸周りに等角度間隔で配置され、第一仕切体の各板及び第二仕切体の各板はそれぞれ流入管の軸周りに等角度間隔で配置されることが好ましい。これによれば、流れを等容積分配することが容易である。

また、第二仕切体よりも流出管から離れて配置され、流入管の中心軸から半径方向外側に伸びる板を流出管の開口の数有する第三仕切体をさらに備え、流入管の軸方向から見て、第三仕切体の板は、第二仕切体の各板間にそれぞれ配置されることも好ましい。これにより、より均一分配性能に優れる。

本発明に係る流れ分配システムは、混相流体を混合する混合器と、混合器の下流側に接続された上述の流れ分配器と、を備える流れ分配システムである。

気相、液相、固相等の各相の割合がそれぞれほぼ同等となるように混相流体の流れを分配でき、しかも構造が簡単で耐久性にも優れる流れ分配器及び流れ分配システムを提供できる。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一または相当要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。また、各図面の寸法比率は、必ずしも実際の寸法比率とは一致していない。

（第一実施形態）
図１は、第一実施形態に係る流れ分配システム１００の概略側面図である。この流れ分配システム１００は、ラインＬ１を介して流入した気液混相流体を混合する混合器１０と、混合器１０から供給された気液混相流体の流れを分配する流れ分配器３０とを備える。流れ分配器３０で分配された流体は流出管３８を介してそれぞれ外部に排出される。

混合器１０は、気相と液相との混相流体を混合又は攪拌して、流体の均一性を高め、気相や液相の偏在を抑制する装置である。混合器１０の具体的形態は特に限定されないが、例えば、固定された邪魔板や多孔板により流れに対して剪断力等を与えることにより流体を混合攪拌する静的攪拌器（スタティックミキサー）や、流体中で攪拌翼を回転等させて流体の混合攪拌を行う動的攪拌器等を使用することができる。

続いて、図２〜図４を参照して、流れ分配器３０について説明する。流れ分配器３０は、上流側から順に、混合器１０との接続管３１、管径を拡大する拡径管３３、第二仕切体５２を備える第二管４２、第一仕切体５１を備える第一管４１、第一管４１の出口端部を閉じるフランジ板３５、流体の流れを分岐する複数の流出管３８を主として備えている。第一管４１及び第二管４２が流入管４４を構成している。

拡径管３３の下流側の端部はフランジ３３ｆとされ、第二管４２の両端にはフランジ４２ｆが設けられ、第一管４１の両端にはフランジ４１ｆが設けられている。拡径管３３のフランジ３３ｆと第二管４２のフランジ４２ｆとが対向し、第二管４２のフランジ４２ｆと第一管４１のフランジ４１ｆとが対向し、第一管４１のフランジ４１ｆとフランジ板３５とが対向し、各フランジを貫通するボルト３９ａ及びナット３９ｂによりフランジ同士が固定され、これにより、拡径管３３からフランジ板３５までの流路が形成されている。

接続管３１及び拡径管３３の長さは、混合器１０で混合された気液混相流体の相分離を抑制すべく必要最小限の長さとすることが好ましい。

第一管４１の軸方向長さ及び第二管４２の軸方向長さは特に限定されないが、例えば、それぞれ、３０〜３００ｍｍとすることができる。また、第一管４１及び第二管４２の内径も特に限定されないが、例えば１００〜５００ｍｍとすることができる。

フランジ板３５には、複数の流出管３８が貫通固定されている。具体的には、図３（ａ）に示すように、流出管３８の開口３８ａが流入管４４の中心軸を取り囲むように配置されている。また、フランジ板３５に垂直な方向から見て、開口３８ａの中心が中心軸周りに等角度間隔で配置されている。また、中心軸からの各開口３８ａまでの距離は同一とされている。また、図２に示すように、流出管３８は、フランジ板３５から外に向かって、流入管４４の軸方向と平行に伸びている。さらに、流出管３８の内径はそれぞれ同一とされている。

第一管４１内には第一仕切体５１が固定され、第二管４２内には第二仕切体５２が固定されている。詳しくは、第一仕切体５１は、例えば、図４等に示すように、流入管４４の中心軸に沿って配置された軸５１ｂと、軸５１ｂから半径方向外側に伸びる複数の板５１ａを有している。同様に、第二仕切体５２は、流入管４４の中心軸に沿って配置された軸５２ｂと、軸５２ｂから半径方向外側に伸びる複数の板５２ａを有している。板５１ａの数及び板５２ａの数は、それぞれ、流出管３８の開口３８ａの数に等しい。また、各仕切体５１、５２の板５１ａ，５２ａは概ね矩形板形状をなしている。板５１ａ，５２ａの軸方向長さは、第一管４１、第二管４２の長さとそれぞれ対応しており、第一仕切体５１はフランジ板３５と接触している。また、板５１ａ，５２ａの半径方向長さは、その先端エッジが第一管４１や第二管４２の内面に接触できるようにされており、第一仕切体５１の板５１ａの先端が第一管４１の内面に溶接等により固定され、第二仕切体５２の板５２ａの先端が第二管４２の内面に溶接等により固定されている。

フランジ板３５に垂直な方向、すなわち、流入管４４の軸方向から見て（例えば、図３（ａ）及び図４参照）、第一仕切体５１の板５１ａは、流出管３８の各開口３８ａ間にそれぞれ１つずつ配置されている。これにより、一対の板５１ａ及び第一管４１の内壁に囲まれた各セルＣ４１の流体は、１つの流出管３８の開口３８ａからそれぞれ選択的に排出されることとなる。

また、フランジ板３５に垂直な方向、すなわち、流入管４４の軸方向から見て（例えば、図４参照）、第二仕切体５２の板５２ａは、第一仕切体５１の板５１ａ間にそれぞれ１つずつ配置されている。これにより、一対の板５２ａ及び第二管４２の内壁に囲まれた各セルＣ４２の流体は、第一仕切体５１の板５１ａにより２つに分割されてセルＣ４１に流入することとなる。

さらに、各板５１ａ，５２ａは、流入管４４の軸方向から見て、それぞれが中心軸５１ｂ、５２ｂ周りに等角度間隔、すなわち、中心軸をはさんで２枚の板がなす角がそれぞれ同一となるように配置されている。

このような流れ分配器３０は、流体の流れ方向が鉛直方向となるように配置することが好ましいが、これ以外の例えば水平方向となるように配置しても実施は可能である。

また、流れ分配器３０の材質としては、例えば、鋼、ステンレス等の材料が挙げられる。特に、鍛造加工することにより、様々な形状、分配数に対応可能である。

さらに、本実施形態で使用される流体は、気液混相流体、すなわち、気相と液相とを含む流体である。

続いてこのような、流れ分配システム１００の作用について説明する。

ラインＬ１を介して気液混相流体が混合器１０に流入すると、混合器１０内で二相の流体が混合され、液相と気相との比率が全体にわたってほぼ均一になる。続いて、このようにしてほぼ均一とされた混相流体の流れが流れ分配器３０内に流入する。第二管４２に流入することにより流れが第二仕切体５２により各セルＣ４２ごとに分割される。そして、更に、混相流体が第一管４１に流入することにより、各セルＣ４２の流れが、第一仕切体５１により各セルＣ４１に分割される。その後、各セルＣ４１の混相流体は、対応する流出管３８からそれぞれ排出される。

そして、本実施形態によれば、セルＣ４２から出た混相流体の流れがセルＣ４１に入る際に２つに分割される。また、構造も簡単で、製造が容易であると共に耐久性も高くなり、メンテナンスもしやすい。

また、第一仕切体５１が第一管４１内に固定され、第二仕切体５２が第二管４２内に固定され、第一管４１と第二管４２とをフランジで固定しているため、分解清掃が特に容易である。

（第二実施形態）
図５及び図６を参照して、第二実施形態について説明する。第二実施形態において第一実施形態と異なる点は、流れ分配器３０のみであるのでこれについてのみ説明する。

本実施形態の流れ分配器３０が第一実施形態の流れ分配器３０と異なる第一の点は、第一仕切体５１及び第二仕切体５２の構造、固定方法、及び、位置である。第一仕切体５１及び第二仕切体５２は１つの軸５１ｂを共有している、すなわち、各板５１ａ，５２ａがそれぞれ軸５１ｂに固定されていて、第一仕切体５１及び第二仕切体５２が一体化している。さらに、軸５１ｂがフランジ板３５の中心を貫通して、フランジ板３５に対してナット３９ｃにより固定されている。そして、第一仕切体５１及び第二仕切体５２の各板５１ａ，５２ａは、第一管４１の中に配置されている。また、第一管４１は、両端にいずれもフランジを有さず、第一管４１は、第二管４２のフランジ４２ｆ及びフランジ板３５のフランジ３５ｆにより挟まれ、ボルト３９ａ及びナット３９ｃにより第二管４２、第一管４１、及びフランジ板３５が固定されている。

第２の相違点は、流出管３８の延在方向である。本実施形態では、ボルト３９ｃにより仕切体５１、５２をフランジ板３５の中心に固定するため、各流出管３８の延在方向が、流入管４４の軸方向でなく、フランジ板３５から離れるにしたがって軸線から離れるようにフランジ板３５に対して傾斜して固定されている。

本実施形態でも第一実施形態と同様の作用効果を奏する。

（第三実施形態）
図７を参照して、第三実施形態について説明する。第三実施形態において第一実施形態と異なる点は、流れ分配器３０の流出管３８の開口３８ａの位置のみであるのでこれについてのみ説明する。

本実施形態では、流入管４４の軸方向から見て、第一仕切体５１の板５１ａが、流出管３８の各開口３８ａ上に配置されるように、流出管３８が配置されている。これにより、一対の板５１ａ及び第一管４１の内壁に囲まれた各セルＣ４１の流体の一部同士が合流して、１つの流出管３８の開口３８ａから排出されることとなる。したがって、流出管３８の開口において、さらに、分割効果が得られるので好ましい。なお、このような流出管３８の開口３８ａの配置を、第二実施形態の流れ分配器３０に適用してもよいことは言うまでもない。

（第四実施形態）
図８を参照して、第四実施形態について説明する。第四実施形態において第三実施形態と異なる点は、第二仕切体４２の流れ方向上流側に、第三仕切体５３、及び第四仕切体５４を備える点である。第三仕切体５３、第四仕切体５４は、それぞれ、第１仕切体５１、第二仕切体５２と同様に、板５３ａ、軸５３ｂ、及び、板５４ａ、軸５４ｂを備え、流入管の軸方向から見て、第三仕切体５３の板が、第二仕切体５２の各板間にそれぞれ配置され、第四仕切体５４の板が、第三仕切体５３の各板間にそれぞれ配置されている。このように、仕切体の数が増えることにより、分割がより多く行われ、より均一分配性能に優れることとなる。なお、第一実施形態や第二実施形態において、同様に、第三仕切体及び第四仕切体を設けても構わないことは言うまでもない。

なお、本発明は上記実施形態に限定されず様々な変形態様が可能である。例えば、上記実施形態では、流出管３８の数は４であるが、２以上であればいくつでも構わない。また、流出管３８の径、すなわち開口３８ａは互いに同一でなくてもよい。また、流入管４４の軸方向から見て、流出管３８の各開口３８ａが等角度間隔でなく配置されていてもよい。また、第一仕切体５１の板５１ａが等角度間隔でなく配置されていてもよい。さらに、第二仕切体５２の板５２ａが等角度間隔でなく配置されていてもよい。例えば、いずれかの流出管３８の開口３８ａの径が、他の開口の径よりも大きい場合には、この開口に対応する一対の板５１ａ同士がなす角を他に比べて広くすることが好ましい。本発明では、等体積分配でなく、異なる体積に分配する場合であっても、気相と液相との比率をほぼ同じにした状態で分配が可能である。また、中心軸からの各開口３８ａまでの距離は、必ずしも同一でなくても実施可能である。さらに、仕切体５１、５２の板５１ａ，５２ａの形状も必ずしも矩形板状でなくてもよい。さらに、上記実施形態は、仕切体を流れ方向に２つ、あるいは４つ備えるが、流れ方向に３つ、あるいは、５つ以上の仕切体を備えてもよく、この場合、各隣接する仕切体の組み合わせにおいて、それぞれ、流入管の軸方向から見て、一方の仕切体の板が、他方第一仕切体の各板間にそれぞれ配置されていることが好ましい。

また、上記の実施形態では、液相と気相とを含む気液混相流体の流れを分配しているが、混相流体であればこれに限定されない。例えば、気相と粒子群である固相とを含む固気混相流体や、固相と液相とを含む固液混相流体や、固相と液相と気相とを含む気液固混相流体等でも構わない。例えば、固気混相流体としては、ＦＣＣ（流動接触分解）装置における触媒ＦＣＣ触媒粒子とガスとを含む固気混相流体等が挙げられる。より具体的には、例えば、ＦＣＣ触媒粒子をガスにより気流搬送して磁気分離器に供給する際には、磁気分離器の複数の入口に対して固気混相流体を分割して供給する必要があるが、上述の流れ分配器を用いると、この際にガスと粒子との割合を均一に分割して複数の入口に供給することが容易となる。

図１は、第一実施形態に係る流れ分配システムの概略模式図である。 図２は、図１の流れ分配器３０の側面図である。 図３（ａ）は図２のＩＩＩａ−ＩＩＩａ線に沿った矢視図、図３（ｂ）は図２のＩＩＩｂ−ＩＩＩｂ線に沿った矢視図である。 図４は、図２の一部破断斜視図である。 図５は、第二実施形態に係る流れ分配器３０の一部破断側面図である。 図６は、図５のＶＩ−ＶＩ線に沿った矢視図である。 図７は、第三実施形態に係る流れ分配器３０の一部破断斜視図である。 図８は、第四実施形態に係る流れ分配器３０の一部破断斜視図である。

符号の説明

１０…混合器、３０…流れ分配器、３８…流出管、３８ａ…開口、４１…第一管、４２…第二管、４４…流入管、５１…第一仕切体、５１ａ…板、５２…第二仕切体、５２ａ…板、１００…流れ分配システム。

Claims (6)

1. 流体が流入する流入管と、
   前記流入管の端部に開口し、前記開口が前記流入管の中心軸を取り囲むように配置された複数の流出管と、
   前記流入管内における前記流出管側に配置され、前記流入管の中心軸から半径方向外側に伸びる板を、前記流出管の開口の数有する第一仕切体と、
   前記第一仕切体よりも前記流出管から離れて配置され、前記流入管の中心軸から半径方向外側に伸びる板を、前記流出管の開口の数有する第二仕切体と、を備え、
   前記流入管の軸方向から見て、前記第二仕切体の板は、前記第一仕切体の各板間にそれぞれ配置された、流れ分配器。
2. 前記流入管の軸方向から見て、前記第一仕切体の板は前記流出管の各開口間にそれぞれ配置されている前記請求項１記載の流れ分配器。
3. 前記流入管の軸方向から見て、前記第一仕切体の板は前記流出管の各開口上にそれぞれ配置されている前記請求項１記載の流れ分配器。
4. 前記複数の流出管の開口は前記流入管の軸周りに等角度間隔で配置され
   前記第一仕切体の各板及び前記第二仕切体の各板はそれぞれ前記流入管の軸周りに等角度間隔で配置された請求項１〜３のいずれか記載の流れ分配器。
5. 前記第二仕切体よりも前記流出管から離れて配置され、前記流入管の中心軸から半径方向外側に伸びる板を前記流出管の開口の数有する第三仕切体をさらに備え、前記流入管の軸方向から見て、前記第三仕切体の板は、前記第二仕切体の各板間にそれぞれ配置された請求項１〜４のいずれか記載の流れ分配器。
6. 混相流体を混合する混合器と、前記混合器の下流側に接続された請求項１〜５のいずれか記載の流れ分配器と、を備える流れ分配システム。

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