JP5027147B2 - 機器に用いられる気液相混合物のための分配装置 - Google Patents

Description

本発明は、機器の横断面にわたって気相および液相を均一に分配するための、機器に用いられる気液相混合物のための分配装置に関する。

化学的なプロセスにおいては、気相および液相を、特に気液相混合物の形で少なくとも１つの供給開口を介して機器に導入することがしばしば必要となる。この供給開口の水力直径（hydraulisch. Durchmesser）は機器の水力直径に比べて小さく形成されていてよい。このような水力直径比およびこれに伴う流れ特性ならびに気相と液相との間に形成される密度差に基づき、特に機器の横断面にわたって気相の不均一な分配が生じる。このことは、とりわけ機器内に連続的な固定層が配置されているか、あるいはまた固体粒子、たとえば触媒で充填された接触管または熱金属薄板プレート（Thermoblechplatte）の間のギャップが存在している場合には問題を招く。しかし、既に供給部においても、相応する流れ特性に基づき、気相と液相とのある程度の分離あるいはまた気相と液相との不均一な導入が生じる恐れがあり、このことは導入流の均一化を必要とする。

さらに、２相の混合物の供給および機器の横断面にわたる２相の混合物の均一な分配が問題となることが判った。なぜならば、気液分布における変化または２つの相における成分組成における変化により、この２相混合物に付加的な自由度が与えられるからである。すなわち、相の不均一な分配は平衡のシフト、ひいては個々の相の成分組成の局所的な変化を生ぜしめる恐れがある。たとえば、気相により不十分にしか到達されない縁領域では、液相からの成分の蒸発が生じ得るので、液相中の当該成分の濃度が減少してしまう。

気相と液相とが導入される化学的な反応のための機器は、とりわけ中央の円筒形または角柱形の部分を有しており、この部分において化学的な反応が行われる。化学的な反応は場合によっては触媒され、この場合、機器内には連続的な固定層、触媒または触媒粒子で充填された接触管または互いの間に配置されたギャップを備えた熱金属薄板プレートが設けられている。両端部において機器はカバーまたは底部によって閉鎖されている。このカバーまたは底部は、たとえば平坦にまたは湾曲させられて、皿形底部（Kloepperboeden）、３つの曲率中心を有する曲面から成るざる底球面（Korbbogenboeden）または球殻体（Kugelschalen）の形に形成されている。

下側の底部の範囲では、気液相混合物が、供給装置に設けられた供給開口を介して機器内に導入され得る。気液相混合物が供給開口を介して機器の内室に流入すると、この内室において気相の凝集（Koaleszenz）によって大きな気泡または気体噴流の形成が生じ得る。このような気泡または気体噴流は中央で上昇して、場合によっては固定層の表面もしくは接触管が配置されている管底部の表面に衝突する。これとは異なり、機器の外側の範囲は気相によって不十分にしか到達されず、これにより局所的に変えられた分布が生じる。事情によっては付加的に１種または数種の成分の相転移が行われ、これによって局所的に変えられた平衡が生ぜしめられる。このことは機器内で反応条件の不統一性を生ぜしめ、これによって化学的な反応は最適に行われなくなる。しかし既に供給部においても、両相の不均一な分配が生じ得る。さらに、種々異なる大きさの気泡も、機器横断面にわたって両相の望ましくない不均一な分配を生ぜしめる。

気液相混合物の分配の均一化を達成して、前記問題を回避するためには、供給開口の範囲で分配装置を使用することが必要となる。連続的な液相、たとえば気泡柱を有する機器内でのガス分配の均一性のために使用されるガス分配器に倣って、多孔質の焼結プレート、孔付きプレートおよび篩底部が知られている。機器内に気相が導入されると、たとえば孔付きプレートまたは焼結プレートの形の取付け部材は圧力損失に基づき、プレートの下方における気相のせき止めを発生させる。これにより、気相は流れ抵抗を最小限に抑えるために気相の、横断面にわたって均一な通流を持って反応する。これにより、気体は液体中に分散され、これによって熱交換および物質交換のための大きな相境界面が得られる。圧力損失を生ぜしめるこのような静的な取付け部材は機器の広い横断面を覆っており、これにより高い圧力損失が記録され得る。このような高い圧力損失は運転コストを高める。このような取付け部材は固定層を備えた機器における使用時では、その背後に位置する固定層への接近を困難にする。このような接近は、触媒固定層の場合に消費された触媒を交換するために特に必要となり得る。しかし、このような取付け部材は、両相が流れに施されるような機器のためには、均一化のために不適当であることが判った。

それに対して、このような取付け部材は多相の多成分系においては、局所的に変えられた気液分配を生ぜしめる。このような非定常な効果は特に液相の流れ運動を生ぜしめる恐れがある。このような流れ運動は、圧力損失の水平ではない配向を生ぜしめる取付け部材によって両相の一層の分離をもたらす。

気相の分配装置としては、同じく案内金属薄板も知られている。このような案内金属薄板には気体噴流が衝突して、この気体噴流が個々の気泡もしくは個々の噴流に崩壊する。しかし、これによって、よく知られているように、気液相混合物の均一な分配に関しては、上で挙げた問題の低減しか達成されず、これらの問題の解決には至らない。

管底部に収納されていて、かつ分配の均一化のための多数の供給開口を有しているリング分配器は、大きな取付け体積を必要とする。なぜならば、均一な分配のためには多数の開口を備えた複数のリングが必要となるからである。気液分配のシフトを生ぜしめないようにするためにリング分配器の内部に２相混合物の単一な流れが保証されていなければならないことが問題となることが判った。

これに対して本発明の課題は、機器の全横断面にわたって均一となる分配を達成するために、上で挙げた不都合を有しない、機器のための特に２相の混合物として供給される気相および液相のための分配装置を提供することである。特に、相の一定の組成において機器の全横断面にわたる均一な分布が保証されていることが望ましく、この場合、当該分配装置は構造的に単純でかつ相応して廉価であることが望ましい。さらに、当該分配装置は基本的にあらゆる形式の気液接触機器、有利には固定層が配置されている機器または管板に溶接されて、かつ触媒粒子で充填されている多数の接触管を備えた管群機器のために適していることが望ましい。さらに、当該分配装置は、内部に配置された熱金属薄板プレートを備えた機器のためにも適していることが望ましく、この場合、これらの熱金属薄板プレートの間には、粒子状の不均一触媒で充填されているギャップが設けられている。

この課題は、機器に用いられる気液相混合物のための分配装置であって、気相と液相とが、少なくとも１つの供給開口を介して機器の内室へ導入されるようになっている形式のものにおいて、機器内に水平に配置された分配プレートが、複数の貫通開口を備えた活性面と、下方へ向かって延びる縁部とを有しており、しかも前記分配プレートが、機器の横断面全体にわたって延びていないことを特徴とする、機器に用いられる気液相混合物のための分配装置により解決される。

本発明の有利な実施態様では、分配装置が第２の分配プレートによって補填される。この第２の分配プレートは供給開口と第１の分配プレートとの間に配置されており、この場合、この第２の分配プレートは多数の貫通開口を備えた活性面と、下方へ向かって延びる縁部とを有していて、十分に前分配器として働く。

本発明による分配装置が使用される機器は、特に、たとえば保持格子に固定層が配置されているような機器または多数の接触管が管板に溶接固定されているような管群機器である。この場合、気液相混合物は一方のフードに設けられた少なくとも１つの供給開口を介して供給され、たとえば接触管によって案内されて、他方のフードを介して機器から引き出される。

これまで発生していた、２相混合物の不均一な分配は特に、供給開口の水力直径（hydraulisch. Durchmesser）が機器の水力直径よりも数倍だけ小さく形成されていることにより発生する。「水力直径」は、流体力学において流路の面の４倍対開口の周長の比で表される。気相と液相との間の密度差に基づき、２相混合物の気泡は一層迅速に上昇するか、もしくは供給開口における凝集特性により、大きな気泡または気体噴流が形成され得るので、気相は高い速度で十分に中央において上昇する。しかし、たとえば湾曲させられた供給管路によっても、既にこの供給開口において大きな気泡の形成が行なわれ得る。このような気泡は機器への供給時に前記問題を招いてしまう。

本発明による分配装置の機能形式は、分配装置における気相と液相との分離に基づいている。分配プレートの下方で縁部により画定された室内にガスクッションが形成され、この場合、液相は活性面に設けられた貫通孔を通って流れなくなる。それどころか、液相は分配装置の、下方へ向かって延びる縁部の側方傍らを通って流れて、分配装置と機器の内壁との間の自由な環状室を通流し、そして分配プレートの上方で機器の横断面全体にわたって分配される。気相は分配プレートの貫通開口によって分配器横断面にわたって均一に液体中に分散される。これにより、分配器の横断面にわたって２相の多成分系の一定の分配が達成される。

形成されたガスクッションの高さは、分配プレートによるガス流の、形成される圧力損失、液相の圧力損失および気体と液体との流体静力学的な圧力差に関連して生ぜしめられる。したがって、気相と液相との間の密度差、気体体積流もしくは負荷状況および分配プレートの貫通開口の個数および直径に応じて、著しく互いに異なっていてよいガスクッション高さが生ぜしめられる。

分配プレートは場合によっては機器内に水平方向に配置される。これにより、分配プレートの下方に形成されたガスクッションは一定の高さを有する。分配プレートのできるだけ正確な水平方向の位置調整のためには、たとえば機器の内壁に結合部材が溶接により取り付けられている。これらの結合部材を介して分配装置が結合され得る。しかし、流れ方向で続いている取付け部材、たとえば管板または機器のカバーもしくは底部を用いた固定も考えられる。

分配装置のこのような配置に基づき、分配プレートの上方には、活性面の貫通開口のところで分散された気相の上昇方向に対して直交する横方向において液相の流れが形成され得るようになる。分散された気泡の上昇方向に対するこのような横方向流の影響を十分に最小限に抑えるために、本発明の１実施態様では、液相のできるだけ小さな流速を得ることが目標とされる。このことは、液相の流れに大きな面が提供されることにより達成される。分配プレートの横断面は、一方では機器のできるだけ全横断面が、分配装置において分散された気相によって負荷され、他方では液相の流速が小さくなるように設定される。この視点のもとで、分配プレートの形状は機器のジオメトリ（幾何学的形状）に応じて、円形、多角形またはあらゆる別の任意の形状を有していてよい。

分配プレートと機器の可能な取付け部材、たとえば管板との間の間隔は、分配プレート上方で小さな流速を有する液相の横方向流が可能となるように設定されていて、したがって物質系および生ぜしめられる体積流に関連している。特にこの間隔は、液相と気相との間の分配が機器の横断面にわたり均一化されることを保証する。

分配プレートの活性面における貫通開口の個数および配置は、機器の構成に左右される。機器が、固定層の、保持格子に配置された触媒粒子または管板に溶接固定された、触媒粒子で充填された接触管のような装置を有していると、本発明による分配装置は、機器の横断面が２相混合物で均一に負荷されることを保証する。活性面の貫通開口は使用に応じて種々異なる形状、たとえば孔またはスリットを有していてよく、分配装置の内部においても変化され得る。管群反応器として形成された機器の場合には、分配プレートの活性面の孔配置パターン（Lochspiegel）が、管板に溶接固定された接触管の管端面における管配置パターン（Rohrspiegel）にできるだけ相応して形成されているので、分配プレートの活性面の貫通開口はそれぞれ接触管の対応する開口の下方に配置されている。管群反応器として形成された機器の有利な実施態様では、接触管の内径が２５〜３００ｍｍ、有利には３０〜１００ｍｍ、特に４０〜７０ｍｍに設定される。分配プレートの活性面の貫通開口の直径は１つの接触管の内径の０．５〜２０％である。適当な直径比は、有利には１：１０〜１０：１の気体体積流対液体体積流範囲にある、生ぜしめられた体積流割合において十分なガスクッションが生ぜしめられる必要性から決定される。

分配装置の、下方へ向かって延びる縁部の高さは、機器に生ぜしめられる負荷状況とは無関係にガスクッションの十分な高さが形成されるように設定される。したがって、気相が分配プレートの貫通開口を通じてのみ分散され、かつ液相流によっては連行されないことが保証されている。前記縁部の可能な高さは、０．０１〜０．６ｍの範囲、有利には０．０５〜０．２５ｍの範囲にある。

分配装置が、当該機器を閉鎖するフード内に配置されていると、下方へ向かって延びる縁部を、軽度の傾斜付けによってフードの輪郭に適合させることが有利である。これにより組付け高さは減じられる。

幾つかの物質系においては、分配装置における気相と液相との十分な分離が生じず、ひいては本発明による分配装置の機能形式のために必要となる、ガスクッションの、分配器の横断面にわたり一定となる高さの形成が生じなくなる。また、際立った凝集特性または供給の不均一性も、ガスクッションの高さにおける不安定性を招き、これにより分配装置の機能形式は著しく損なわれる。この場合、２つの分配プレートを備えた分配装置が有利であることが判った。有利には供給開口と第１の分配プレートとの間で中央に配置されている第２の分配プレートが、前分配器として働く。

このような前分配器は上昇する気相の最初の均一化のために働き、この場合、前分配プレートにわたる、上昇する気泡の単一のサイズは必要とならない。気相は第２の分配プレートの活性面に配置された貫通開口を通じて流れると同時に、傍らを流れる液層流内に分散する。

このような本発明による分配装置の第２の分配プレートは、第１の分配プレートの直径よりも小さな直径を有していてよい。この場合、第２の分配プレートは、分配プレートの直径と供給開口の直径との間にある寸法を有していると有利である。前分配器の機能形式は主として、とりわけ上昇する大きな気泡の分解によって気相の最初の均一化を行うことに認められる。第２の分配プレートの活性面の貫通開口の直径は、開口の個数と開口の直径とから生ぜしめられる全開口面が、第１の分配プレートの対応する全開口面よりも１．５〜３倍だけ大きく形成されるように設定される。

択一的には、前分配器として働く第２の分配プレートの縁部が、この第２の分配プレートに対してある程度の角度を成して外方へ向かって傾けられていて、同じく複数の孔を備えていてよい。したがって、第２の分配プレートは円錐台形周壁の形を有しており、この場合、中央の平坦な範囲と、外周範囲とが包含されている。気体通過のための中央の範囲と外周範囲とに設けられた貫通開口はこの場合、制限されていない。これらの貫通開口は孔、スリットまたは別の開口形状として形成されていてよい。中央範囲と外周範囲とに設けられた貫通開口は互いに異なっていてよい。前分配器の下にせき止められた気相の、傍らを流れる液相内への分散を促進するためには、外周範囲に設けられた貫通開口が、中央範囲に設けられた貫通開口よりも大きく形成されていると有利である。分配器と前分配器とは、前組立された１つのユニットとして互いに結合されると有利である。

しかし、前分配器はリングとして形成されていてもよく、その場合、このリングの縁部はギザ歯を有している。このような冠状の前分配器により、上昇する気泡がギザ歯のところで分解されて、前分配されて上昇するようになる。

膨大な実験により、機器の横断面にわたる気液相混合物の分配における不均一性の問題が、上で規定された分配装置によって簡単に解決され得ることが判った。これにより、機器の横断面にわたる不均一性は気相に関しても、相の組成に関しても回避される。

以下に、本発明を図面につき詳しく説明する。

図１は、下側のフードに設けられた分配装置の実施例を示す、管群反応器として形成された機器の縦断面図であり；
図２は、管群反応器として形成された機器およびその下に位置する分配装置の横断面図であり；
図３は、前分配器を備えた本発明による分配装置の有利な実施例を示す機器の縦断面図であり；
図４は、前分配器として働く第２の分配プレートの択一的な別の実施例を示す概略図である。

図１に示した縦断面図には、機器２が示されている。この機器２は中央の円筒状の部分を備えており、この円筒状の部分の両端部は各１つの半球状のフード３によって閉鎖されている。図１に示した実施例では例示的に下側のフード３の中央部に配置されている供給開口４を介して、気液相混合物が器具２の下側のフード３に導入されて、分配装置１を介して均一に分配される。分配装置１は活性面６を備えた分配プレート５と縁部７とを有しており、この縁部７は供給開口４の方向に延びている。供給開口４の上に配置されている活性面６は円形または多角形の横断面を有していて、複数の貫通開口８を備えており、これらの貫通開口８を通じて、せき止められた気相が分散する。

下方へ向かって供給開口４の方向に延びる縁部７は、平坦な活性面６に対して所定の角度で傾けられていてよい。これにより、縁部７は円錐台形周壁の形を形成する。これにより、縁部７はフード３の輪郭に適合し、これによってフード３の高さは減少する。

図１に示した実施例では、機器２が管群反応器として形成されている。この管群反応器は中央の円筒状の部分を備えており、この円筒状の部分では管板１０に複数の接触管９が配置されている。下側の管板１０の下方には、たとえば保持格子１１が配置されている。分配装置１は、分配プレート５と下側の管板１０との間に間隔が形成されて、活性面６に対して直交する横方向に小さな速度を有する液相の流れが生ぜしめられるように機器２内に配置されている。このような横方向流により、分配装置１の活性面６の貫通開口８を通じて分散された気泡は変向されず、活性面６に対して十分に垂直に上昇する。

図２には、管群反応器として形成された機器２の横断面が示されている。この機器２は、該機器２の下側の範囲に配置された分配装置１を備えている。分配プレート５の活性面６は多角形の横断面を有しており、これにより液相には機器２の内壁１２と分配プレートの縁部１３との間の周辺範囲において大きな流過横断面が提供されている。

図２からは、管群反応器の接触管９の管配置パターン（Rohrspiegel）が明らかである。接触管９は機器２の横断面にわたって均一に分配されていて、有利には３０〜１００ｍｍの範囲にある内径１４を有している。各接触管９の中心下方には、それぞれ分配プレート５の貫通開口８が位置しており、この貫通開口８は０．５〜２０％の範囲にある接触管に対する開口比を有している。

図３には、前分配器１５を備えた分配装置１が示されている。この前分配器１５は図１および図２に示した実施例による分配プレート５（「第１の分配プレート５」と呼ぶ）の下方で供給開口４の方向に配置されている。前分配器１５は分配プレート１６（「第２の分配プレート１６」と呼ぶ）を有しており、この第２の分配プレート１６は第１の分配プレート５よりも小さな直径を有している。第２の分配プレート１６は活性面１７と複数の貫通開口１８とを備えている。第２の分配プレート１６からは、下方へ向かって供給開口４の方向に縁部１９が延びている。この縁部１９は第２の分配プレート１６に対して直角に下方へ向かって延びているか、または分配プレート１６に対して角度を成して位置していてよい。

図３に示した分配装置は特に、供給開口４において、第１の分配プレート５の下方のガスクッションにおける非定常性を生ぜしめる大きな気泡の形成が生じ得るような物質系において使用される。

図４に示した実施例では、縁部１９が第２の分配プレート１６に対して所定の角度を形成しており、これにより前分配器１５のためには円錐台形周壁の形が得られる。この場合、傾けられた縁部１９にはパーフォレーション（穿孔）２０が設けられており、このパーフォレーション２０によって気相は活性面１７の貫通開口１８に対して付加的に分散する。

縁部１９は平滑な縁範囲２１を有しているか、または縁範囲に設けられた多数のギザ歯を有していてよく、これらのギザ歯では気相が、傍らを流れる液相内へ分散する。

下側のフードに設けられた分配装置の実施例を示す、管群反応器として形成された機器の縦断面図である。 管群反応器として形成された機器およびその下に位置する分配装置の横断面図である。 前分配器を備えた本発明による分配装置の有利な実施例を示す機器の縦断面図である。 前分配器として働く第２の分配プレートの択一的な別の実施例を示す概略図である。

Claims (8)

1. 複数の接触管（９）を備えた管群反応器（２）であって、接触管（９）が管板（１０）に溶接固定されていて、管群反応器（２）の円筒状の部分内に配置されており、該円筒状の部分の下端部と上端部とがそれぞれフード（３）によって閉鎖されており、気液相混合物が、下側のフード（３）に設けられた供給開口（４）を介して供給されて、上側のフード（３）を介して当該管群反応器（２）から導出されるようになっており、最も下の管板の下方に気液相混合物のための分配装置（１）が配置されており、該分配装置（１）が、管群反応器（２）内に水平に配置された第１の分配プレート（５）を有しており、該第１の分配プレート（５）が、複数の貫通開口（８）を備えた活性面（６）と、下方へ向かって延びる縁部（７）とを備えており、管群反応器（２）内に水平に配置された第１の分配プレート（５）が、管群反応器（２）の全横断面にわたって延びておらず、該第１の分配プレート（５）の下方に前分配器（１５）が設けられており、該前分配器（１５）が、供給開口（４）と第１の分配プレート（５）との間の第２の分配プレート（１６）を備えており、該第２の分配プレート（１６）が、複数の貫通開口（１８）を備えた活性面（１７）と、下方へ向かって延びる縁部（１９）とを有していることを特徴とする管群反応器。
2. 第１の分配プレート（５）が、円形または多角形の横断面を有している、請求項１記載の管群反応器。
3. 第１の分配プレート（５）の下方に、ギザ歯状の縁範囲（２１）を備えた縁部（１９）を有する前分配器（１５）が配置されている、請求項１または２記載の管群反応器。
4. 前分配器（１５）の第２の分配プレート（１６）が、第１の分配プレート（５）の相応する開口面積よりも１．５〜３倍だけ大きく形成されている、開口の個数と横断面とから規定された全開口面積を有している、請求項１から３までのいずれか１項記載の管群反応器。
5. 第２の分配プレート（１６）の縁部（１９）が、第２の分配プレート（１６）本体に対して９０゜よりも大きな角度を持って延びている、請求項１から４までのいずれか１項記載の管群反応器。
6. 第２の分配プレート（１６）本体と前記縁部（１９）とに、スリットの形状、孔の形状および／または別の形状を有する貫通開口が配置されている、請求項５記載の管群反応器。
7. 第１の分配プレート（５）が、触媒固定層のための保持格子（１１）に対して０．０１〜０．４ｍの間隔を置いて配置されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の管群反応器。
8. 分配装置（１）の第１の分配プレート（５）の活性面（６）に設けられた貫通開口（８）の個数および配置が、管板（１０）における接触管（９）の管配置パターンに相当している、請求項１から７までのいずれか１項記載の管群反応器。

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