JP5228176B2 - 触媒をローディングする方法および装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、一般に、粒子材料をチューブ内に充填するための方法および装置に関する。特に、本発明の実施形態は、一般に、一次改質炉のチューブ内に触媒を充填するための方法および装置に関する。

アンモニア、水素、およびメタノールの生成に使用されるような一次改質炉は、一般に、触媒粒子で満たされる数十または数百本の熱伝達チューブを利用する。これらのチューブは最初に触媒で満たされなければならず、また、使用された触媒は定期的に新鮮な触媒と交換しなければならない。チューブへの充填中に触媒粒子がチューブ内に非常に急速に或いは不均一に導入される場合には、触媒充填物中に空隙が容易に形成され得る。また、チューブへの充填中に触媒粒子がかなりの距離を長く自由落下できる場合には、触媒粒子が割れ或いは潰れる可能性もある。空隙または潰れた触媒は、局所的な密度変化を生み出すとともに、最適な密度を下回る触媒密度をもたらす。局所的な密度変化は、チューブ間で異なるとともに、チューブにわたって圧力降下の変化を引き起こす。その結果、マルチチューブ反応装置内でのガス分布の歪みが発生するとともに、反応装置の動作中にチューブにわたって不均一の温度分布が生じる。これに伴ってチューブ内で生じた熱応力および機械的応力は、チューブの耐用年数を低下させる可能性がある。空隙を減少させるため、チューブの上部を叩いたり或いは振ったりするなどの方法によってチューブを振動させることができる。しかしながら、これは、面倒であり、充填作業を遅らせる。また、叩いたり或いは振動したりすることは、チューブを更なる機械的応力に晒す可能性がある。充填中に触媒粒子の過度な潰れまたは割れが起こる場合に、唯一の改善策は、チューブから全ての触媒を取り除いて、チューブを適切に再充填することである。これは、かなりの労力を付加するとともに、高価な触媒の損失が生じる。

密度変化を減少させるための１つの方法は、最初に触媒で満たされる軟質プラスチックなどの材料から形成される短いソックス或いはソックス状部材を利用する。触媒は、既に製造業者からソックス内に供給され得る。チューブを充填する際、触媒で満たされるソックスは、ライン上に締結されるとともに、各チューブの底部へ向けて降下される。ラインを急に動かすことにより、ソックスがその底部で開放し、触媒が最小限の自由落下を伴ってチューブ内へ流れる。しかしながら、この方法には幾つかの不都合がある。この方法を用いて１本のチューブを充填すると、通常、多くのソックスが必要となり、したがって、この方法が面倒になる。時々ソックスが時期尚早に開放し、それによって、触媒粒子は、かなりの距離を落下し、チューブの底部にぶつかる際に潰れ或いは割れるに足る重量誘導速度を得ることができる。ソックスが触媒の粒子間に空隙を含む場合には、一般に、ソックスが空になるときにチューブ内に対応する空隙が形成される。その結果、チューブにわたってほぼ均一なガス分布を確保するためにチューブを叩いたり或いは振動させたりすることに晒される。

チューブ内への触媒の良好且つ均一な充填を達成するための他の方法には、チューブを水で満たした後に、触媒を注ぎ込むというものがある。しかしながら、この方法は、その後に水を完全に除去する必要がある。水の除去およびその後の必要な乾燥は、長い時間を要する。また、使用される水は、特定の処理を必要とし、そのため、時間およびコストがかかる。

ＲＤ特許出願ＲＤ−２５３０４０−Ａは、ゆっくりと回転する装置を備えるトランスポータを用いてチューブの上部に対して触媒を加えることによりチューブを触媒で満たすための方法について記載している。触媒はダクトを通じて容器から搬送される。ダクト内には、傾いた／横断するプロペラ翼またはブラシを有するロッドが存在する。その後、触媒粒子は、触媒チューブの上端へと搬送されて、チューブ内へ滑らかに落下する。しかしながら、チューブの均一な充填を得るために、粒子はゆっくりと加えられなければならない。また、触媒は、特に充填作業の最初の部分の間にわたってかなりの長さ落下し、それにより、触媒が落下中に潰れ或いは破壊される可能性がある。したがって、粒子がチューブの垂直長さにわたって不均一に詰め込まれる可能性があり、充填時間が長く成る可能性がある。

したがって、費用効率良く製造でき且つ所与の反応装置における特定のローディング（装填）条件に対応するように容易に構造化可能な触媒ローディングツールの必要性が存在する。また、触媒粒子を破壊することなく反応チューブを均一に充填できる触媒ローディングツールの必要性が更に存在する。

本発明の実施形態は、概して述べるならば、触媒粒子の破損を防止するとともに、触媒を最適な密度でチューブ内に均一に充填する方法および装置に関する。ローディングツールは、チューブの中心線から少なくとも１つの径方向に延びるが、全ての場合においてチューブの内径よりも小さい直径を有する複数のダンパ部材を備える。例えば、１つの実施形態において、ダンパ部材は「Ｚ」字状に形成されており、各ダンパ部材がそれよりも上側あるいは下側の隣接のダンパ部材とは異なる回転配向を有している。Ｚ字状は、中心部材に沿って水平に配置することができ、あるいは、単一の補強部材から単一形態で垂直に形成することができる。他の実施形態において、ダンパは、チューブの長さに沿って直径が増大または減少するスパイラル状またはヘリカル状に形成される。

本発明の前述した特徴を詳細に理解できるように、添付図面に示される実施形態を参照することによって、先に簡単に要約された本発明を更に特定の説明を行う。しかしながら、添付図面はこの発明の単なる典型的な実施形態を示しており、したがって、その範囲を限定すると見なされるべきではないことに留意すべきである。これは、本発明が他の等しく有効な実施形態を認め得るからである。

本発明は、ローディングツールを用いることによってチューブ内に触媒のペレットを配置する触媒充填プロセスと共に使用される。ローディングツールは、ワイヤ等の材料から繰り返し形状に形成されるダンパを備えており、その場合、ダンパの少なくとも一部がチューブの長手方向に沿って略周方向にカバーするように略横断して軸方向に配置される。ダンパ部材間の距離は、ほぼ等しくてもよく、あるいは、異なっていてもよい。複数のダンパ部材は、粒子の落下速度を減少させ、真直ぐな下方経路内を粒子が落下するのを抑制する。

図１〜図４に示される実施形態において、ダンパ１０は、中心部材３０に沿って水平態様で配置される。各ダンパは、対称に形成されており、中心部１２とアーム１５とを含んでおり、アーム１５は、中心部材３０の長手方向軸に対して垂直な１つの面内において中心部１２の両側から外側へ延びている。図示の実施形態では、クロスアーム２０が各アーム１５の端部から９０度未満の角度で延びている。図２および図４に示すように、ダンパ１０は、各ダンパが隣接のダンパとは回転が異なり、且つアーム１５およびクロスアーム２０が中心部材３０とチューブ６０の内壁５５との間に形成される環状領域６５内へ延びるように、中心部材３０に沿って配置されている。回転の違いの結果は図３において明らかである。ダンパ１０と壁５５との間に接触は無いため、アームは、ペレット７０がチューブ６０の底部へ自由落下するのをアーム１５，２０によって妨げるように、十分に長く外側へ延びている。作業およびオペレータのニーズに応じて、アーム１５は、中心部材から９０度の角度で外側に延びることができ、また、クロスアーム２０は、アームから９０度の角度で同様に延びることができる。図４は、使用時のローディングツールを示している。ツールは、ツールとチューブの内壁５５との間の環状空間と同軸態様でチューブ６０内へと下げられる。その後、ペレット７０は、チューブ６０内へと落下されるとともに、それらがチューブの底部へ向かって落下するにつれて様々なダンパと接触する。ツールはチューブ内で静止したままにすることができ、ペレットがツールの底部に近づく時点で、チューブが一杯になるまでツールを周期的に上昇させることができ、あるいは、チューブが一杯になるときにツールを徐々に連続的に上方へ引き上げることができる。これらの２つの方法はいずれも、適切な機械装置を用いて手動または自動で達成することができる。

図５および図６は、他の実施形態のローディングツール１５０を示している。図示のように、ツールを形成するダンパ１０５は、複数のスパイラル形状部またはヘリカル形状部からなり、これらの形状部の各々が、隣接のスパイラルよりも僅かに増大し或いは減少した外径を有しており、また、これらの形状部が同一のワイヤまたは補強部材から形成されることが好ましい。図５は、チューブ内にロードされるペレットの自由落下を停止させるためにダンパ１０５のスパイラル形状がどのようにしてチューブの内部を実質的にカバーするのかを示す平面図である。図６を考慮すると分かるように、例えば、スパイラル１０６は、その上側のスパイラル１０７よりも直径が大きいが、次の下側のスパイラル１０８よりも小さい。図６に示される実施形態において、スパイラルは、ツールの第１の長手方向長さに沿って直径が増大し、その後、第２の長さに沿って減少する。このようにローディングツールは一貫した中心線を有し、また、ツールを形成する補強部材は、他のグループのダンパを形成する前にチューブの一部を横断することができる。いずれの場合にも、環状領域が各ダンパの外径とチューブ６０の内壁５５との間に残存する。ダンパ部材の成形、およびスパイラルの長さ、剛性、数、ワイヤの長さに沿うスパイラルの軸方向間隔等の変化は、チューブ内に満たされるべき材料およびチューブのサイズに適合させることができる。これらの変化は、ダンパが比較的安価であるため、達成することができ、且つ容易に調整することができる。図６に示すように、複数のダンパをチューブの長さに沿って使用することができ、また、ダンパ間の距離を変えることができる。

図７および図８に示される他の実施形態において、ローディングツールの各ダンパ２００は、部分的に「Ｚ」字状に形成され、所定の回転で且つ異なる態様でその上下のダンパに接続されている。各Ｚ状部は、上側水平脚部２１０と、対角線接続脚部２１５と、下側水平脚部２２０とを含んでいる。上側および下側脚部２１０，２２０は、ダンパの一定の中心線がチューブ６０の長手方向軸に対して維持されるように縮小されて中間点２２１で次のＺの脚部に連結されている。単一構造によって、ダンパ２００は、硬質材料から形成されることができるとともに、同一中心線を共有しつつ互いに回転的に異なったままである。

図７は、チューブ６０内で見える１つの配置の平面図である。Ｚ字状のダンパ２００は、チューブの内部の径方向領域のほぼ全体をカバーするように配置されている（各Ｚ字状の上側脚部２００だけが見える）。図７の実施形態において、ダンパ２００は、その上側のダンパからそれぞれ反時計周りに３０度回転され、各ダンパの水平からの相対角度が表示されている。結果は、図８に側面図で示される階段状の外観であり、図８においてチューブ６０の長さを延ばす１つの更に長いツールを形成するために、２つの完結ツールＡ，Ｂが互いに連結されている。

図７および図８の時計型の配置に加えて、形状を時計周りと反時計周りとの間で交互に回転させることができる。このように形状を「時計型にする」ことにより、ペレット７０は、ダンパにぶつからずにチューブ６０内を十分長く落下することは決して許容されていない。すなわち、チューブ内の任意の真直ぐな垂直経路に沿うダンパ間の垂直距離は、設計により最小限に抑えられる。例えば、第１のＺ字をその上側のＺ字から時計周りに３０度回転させることができる。その後、第１のＺ字の下側の第２のＺ字を第１のＺ字から反時計周りに３０度回転させることができる。この配置は、様々なＺ字の脚部がチューブ６０の長さに沿ってより等しい間隔で落下するペレットと接触する可能性が高いローディングツールを形成する。

ダンパ部材は、任意の特定の軸方向位置でチューブの断面のかなりの部分を占めていないため、硬質または柔軟にすることができるとともに、粒子が落下するのを依然として許容する。ローディングツールは、主に軸方向の両方向に移動させることができ或いは急に動かすことができるとともに、チューブが満たされるにつれてチューブから徐々に引き出され、あるいは、所定量の触媒が加えられている間、静止したままにすることができ、その後、触媒充填シーケンス間においてチューブ内で上方へ引き上げることができる。ローディングツールがチューブから取り外されると、ローディングツールがその長さに沿う弱体化した場所で複数の部分に破断される可能性がある。したがって、チューブの外側で取り扱われなければならないローディングツールの大きさは、弱体化した部分同士の間の長さに限られる。粒子は、充填完了後に取り外される漏斗を通じてチューブ内に注ぎ落ちることができる。しかしながら、当分野において公知の他の方法によって粒子をチューブに対して加えることもできる。図示の例は「Ｚ」字状を含んでいるが、ダンパは、全てが中心部材に沿って略同一となり得る様々な形状を成すことができることは言うまでもない。例えば、形状は、幾何学的に対称または均一に非対称を成すことができるとともに、チューブの中心線とチューブの壁との間に形成される環体のバランスのとれた限られたカバー範囲を与えることができる。

中心部材の最下端の高さの定期的な調整を手動で行なうことができる。これは、中心部材の最下端が触媒界面と接触するときにワイヤ部材が引張りから緩みへと変化するのを身体で感じ取ることにより達成され、これは、水域の底部と接触するオモリが付けられた釣糸からの感覚に類似している。本発明の１つの実施形態において、定期的な調整は、中心部材の最下端にセンサ部材を取り付けることによって支援することができる。このセンサ部材は、触媒界面との接触の視覚表示または聴覚表示を与えるために中心部材の上端と通信できる。

本発明の実施形態では、新規で再現可能な急速充填方法が開示されている。当該方法は粒子に対して優しく、そのため、充填動作中の粒子の潰れが回避される。チューブへの均一な充填も得られ、したがって、１つの結果として、チューブに触媒を充満させる作業中における不均一な温度分布が回避される。また、いずれも時間がかかり且つチューブにダメージを与える叩き／振動によりチューブを晒すこともなく、チューブ内において均一な密度を有する粒子も得られる。その結果、充填中に時間が節約されるとともに、チューブを叩いたりする必要がないため時間が節約される。当該方法は、簡単であり、費用効率が高く、迅速且つ容易に変更することができる。また、当該方法は、充填プロセス中に誰が特定のオペレータであるかどうかに対しては、ほんの僅かな程度しか依存しない。また、ソックス内への粒子の充填に関連する誤りも回避される。粒子における輸送形態および包装に関してかなりの自由度が得られる。

以上は本発明の実施形態に関するものであるが、本発明の基本的な範囲から逸脱することなく、本発明の他の更なる実施形態が考え出されてもよく、また、その範囲は特許請求の範囲によって定められている。

充填材チューブに対して水平に形成されるダンパ部材の１つの実施形態を示す図である。 中心部材に沿って配置される図１のダンパを示す図である。 チューブ内の図２の実施形態の平面図である。 粒子で満たされるローディングチューブ内の図２のツールを示す断面図である。 ダンパがスパイラル状に形成されたツールの他の実施形態の平面図である。 ペレットで満たされるチューブ内のスパイラル状のダンパを示す側面図である。 ダンパ部材が垂直に配置され且つ互いに対して回転される本発明の他の実施形態の平面図である。 ペレットで満たされるチューブ内の図７の実施形態を示す側面図である。

Claims (4)

1. チューブ内に固体粒子を分配するローディングツールであって、
   中心部材と、
   前記中心部材に沿って配置される複数の略同一のダンパ部材と、
   を備え、
   前記ダンパ部材の各々が、前記中心部材が貫通する円筒状の中心部と、前記中心部材から略９０度で少なくとも２つの相対する方向に前記中心部から外側へ延びる少なくとも２つの硬質で互いに反対向きのアームとを含み、前記ダンパ部材の各々が隣接のダンパ部材とは回転配向が異なり、前記アームの各々が、前記中心部材から遠位側にて自由端を形成するように終端し、
   前記アームの各々が、その先端から最大９０度の角度で延びるクロスアームを含むローディングツール。
2. 前記複数のダンパ部材が、前記中心部材の上端と下端との間で延びている請求項１に記載のローディングツール。
3. チューブ内に固体粒子を分配する方法であって、
   ローディングツールを前記チューブの内部に配置するステップであり、前記ローディングツールが、中心部材と、前記中心部材に連結される複数の略同一のダンパ部材とを有し、前記ダンパ部材の各々が、前記中心部材が貫通する円筒状の中心部と、前記中心部材から略９０度で少なくとも２つの相対する方向に前記中心部から外側へ延びる少なくとも２つの硬質のアームとを含み、前記ダンパ部材の各々が隣接のダンパ部材とは回転配向が異なり、前記アームの各々が、その先端から最大９０度の角度で延びるクロスアームを含む、ステップと、
   前記チューブに前記固体粒子を充填し、前記固体粒子を前記複数のダンパ部材の少なくとも一部に接触させるステップと、
   前記ローディングツールを前記チューブから取り外すステップと、
   を備える方法。
4. 前記固体粒子を前記チューブに充満させるときに前記ローディングツールを取り外す請求項３に記載の方法。

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