JP5242157B2 - スラリー気泡塔の反応器 - Google Patents

Description

本発明は、３相反応器またはスラリー気泡塔の反応器（ＳＢＣＲ）におけるガスディストリビュータの配列に関する。

ＳＢＣＲは、多くの化学反応、特に、反応物がガス状である反応を行わせるために用いられ、生成物は、液体を含み、固形触媒が必要とされる。このような反応では、ガス状反応物は、液状反応性生物を含有してもよい液状媒体中の微細触媒のスラリーに導入される。ガスの導入はガスディストリビュータを使用して達成される。

スラリー気泡塔のためのガスディストリビュータは、下記の項目を含む幾つかの重要な要件を満たすべきである。

ガスは、全体の反応器の横断面領域にわたって一様に分布されるべきである。

触媒粒子は、十分に分散されるべきである。

特に反応の底部における淀み帯域が、回避されなければならない。

計画的な或いは未計画の反応器の稼動停止中のガスディストリビュータへの触媒粒子の侵入が最小にされなければならない。

反応器の壁部および内部品の腐食が、回避されるべきである。

ディストリビュータは、触媒の許容不可能な摩損を誘発すべきでない。

圧力降下は、経済的な理由で低いべきである。

本発明は、これらの目標をこころに留めてなされた。

フィッシャー-トロプシュ法において合成ガスをスラリー気泡塔中に分布して注入するための手段を教示している幾つかの参考資料がある。いままでのところ、本発明の特徴、例えば、ノズルに関する幾何学的要件を教示している参考資料が無かった。

流動化床またはスラリー反応器へのガスの導入のための２つの異なる解決策、すなわち、１段階装置および２段階装置、が存在している。

２段階装置では、ガスは、まず、プレナム室への注入装置を通して反応器に導入され、その後、ガスは、反応器の全体横断面領域を覆うガス分布プレートを通して分布される。

１段階装置では、たった１つのガススパージャーが使用され、ガスは、反応器の全体横断面領域の諸部分を覆う供給ノズルの集成体を通して反応器に注入される。熱交換器のような内部品を備えた反応器では、ほとんどの場合に、パイプグリッドまたはスパージャーを備えた１段階装置があれば十分である。下向きノズルは、ガスの流れが停止されれば、触媒粒子によるスパージャーの詰りを防ぎ、そして触媒を再分配するのにより効果的である。また、下方のガスの噴出が、上方の噴出よりいくらか良好な気泡の形成をもたらす。

米国特許出願第２００１／００１８４６２号は、反応器の底部から突出している１組の上向きのガスインジェクターを有するガス分布グリッドを開示している。スロート／円錐ガスインジェクターは、ここでは、明らかに２段階装置の例である。

米国特許出願第２８５３３６９号には、反応器の底部に向けて下方に向けられることができるガス入口ノズルが示されている。ガス分布パイプの２つの別の構成が示されている。

米国特許出願第５６２０６７０号は、上昇する気泡と分散された触媒粒子を含有するスラリー媒体との良好な混合を達成するには、反応器の横断面を横切るように一様に供給される合成ガスの一様な分布が必要であることを述べている。ガスディストリビュータは、オリフィスまたは多孔性金属スパージャーよりなってもよい。オリフィスを使用している好適な設計は、反応器の低頭部の外径に倣うようにして嵌め合わされた同心のリングまたはトロイダルマニホールドよりなり、最も大きい直径のリングは最も高い高さにあり、最も小さい直径のリングは最も低い高さにある。オリフィスは、上方または下方、またはそれらの両方に向いて設置されることができる。

米国特許出願第４４４３５５１号は、ガスをガスディストリビュータからノズルを通して高速で送出すディストリビュータを開示しており、ノズルにおける腐食が減少される。このディストリビュータの主な用途は、流体接触クラッキング方法に使用される使用済み触媒の再生に使用するための酸素含有ガス用のディストリビュータとしてである。ランス型ディストリビュータならびに３０ないし７５°下方に向いているノズルが使用されてもよい。ガスディストリビュータは、異なる水平方向の高さに位置されてもよい管状リングの形状を有することができる。

本発明の１つの態様によれば、使用中、固形粒子が懸濁されている液相よりなる或る容量のスラリーを収容するように配置されたスラリー帯域と、このスラリー帯域の上方のガス空間と、ガスをスラリー帯域に供給するように配置されたガス供給装置と、ガス空間からのガス出口と、液体出口とを具備しているスラリー気泡塔の反応器であって、前記ガス供給装置が、ガス供給／分布手段および１組のガスノズルを備えており、前記ガス供給／分布手段が、ガスを１組のガスノズルに送出すように配置されており、前記ノズルが、下方に開口していて、使用中、ガスを反応器のスラリー帯域に注入し、それによりスラリー中に長さＬの下方に延びているガスジェットを形成するように配置されており、ノズルの数および構成が、反応器の横断面を横切っていて、１ｍ^２あたり７５個の均等に分布されたノズルの最小密度に対応するノズルの分布を与えるように選択されており、各ノズルの開口部が、反応器の底部の表面から直交方向の距離Ｄ（Ｄ＝０.７５ないし１.５Ｌ）のところに位置されている、スラリー気泡塔の反応器が提供される。

このように、反応器の底部に沈降する傾向のあるいずれの触媒粒子もが、ガスジェットによって遊離され、運動状態に保たれ、流れが止められるなら、下向きのノズルがガスディストリビュータの詰りを防ぐ。

好ましくは、ガス供給／分布手段は、ガス供給手段と、別体のガス分布手段とよりなり、これらの手段は、好ましくは、管状である。好ましくは、管状のガス供給手段は、１つまたはそれ以上の供給入口と、複数の管状のガス分布手段とに連結されており、ノズルは、前記複数の管状のガス分布手段に沿って配置されている。

ガスの半径方向の分布の差を回避するために、ノズルの圧力降下は、好ましくは、ガス分布パイプにおける動圧と比較して十分に大きくあるべきであり、すなわち、半径方向の不均衡の分布を回避するために、最小のパイプの直径があらねばならない。ガスディストリビュータの横断面積は、好ましくは、少なくともパイプにおけるノズルの面積の合計の２倍であるべきである。

好適な実施の形態では、管状のガス供給手段は、反応器の全体幾何形状に対して中央に位置された１つのガス供給入口から半径方向に延びている２つまたはそれ以上の管状構造体よりなり、管状のガス分布手段は、各管状のガス分布手段が連結されているガス供給手段よりなる管状構造体の夫々の軸線に対して概ね直交方向に設けられている。分布手段は、各々の中心線が夫々の垂直平面にある同心リングまたは管状トロイドまたはそれらの一部の形状であってもよく、また形状が部分球状であるパイプグリッドの形態をとってもよい。

好ましくは、寸法Ｌは、５ないし２０ｃｍ、より好ましくは、１０ないし１５ｃｍである。好ましくは、ガスノズルの開口部の直径は５ｍｍに等しいか或いはそれより大きく、また１２ｍｍ未満であってもよく、好ましくは、６ないし１０ｍｍである。

好ましくは、ノズルの開口部は、生じられたガスのジェットの主軸線が垂線に対して４５°以下の傾斜を有するように配置されている。好ましくは、水平面に対するノズルの分布は、１ｍ^２のいずれかの任意に位置された円形領域に少なくとも７５個のノズルを設けるような分布である。

好ましくは、反応器の底部は、湾曲された形状または部分球形の形状を有しており、ガス分布手段は、この形状にほぼ一致している。好ましくは、ノズルの開口部は、この形状に一致する仮想の表面にある。好ましくは、ノズルの少なくとも９５％の開口部は反応器の底部から等距離である。好ましくは、ノズルの開口部は、反応器が使用中であるとき、ガスのジェットを反応器の底部の表面に向けて直交方向に差し向けるように構成されている。ノズルは、分布手段の壁部を通して形成されたオリフィスにより構成されてもよい。従って、ノズル出口と、ノズルからのガスジェットの長さに近い反応器の底部との間に距離をおいて位置された半球状の形状を有するガスディストリビュータパイプグリッドが好ましい。ノズル出口と反応器の底部との間の距離がノズルからのガスジェットの長さより著しく大きいなら、反応器の底部に触媒粒子の層が生じる。何故なら、ガスジェットの下の液体の移動が低速であるからである。（各ノズルからのガスジェットの長さは、代表的には、２０ｍｍ未満である。）ノズル出口と反応器の底部との間の距離がガスジェットの長さより著しく小さいなら、ノズルの下の反応器の底部の腐食が厳しい問題であるかも知れない。平らなガスディストリビュータでは、ノズル出口と反応器の底部との間の距離は変化する。その結果は、反応器の底部の幾つかの部分における腐食問題であることができ、他方、触媒粒子の堆積が他の部分における問題であることができる。

ガスディストリビュータパイプグリッドの半球形の形状では、ノズルの各々と反応器の底部との間の距離は、一定であることができる。

ノズルからの高いガス速度、すなわち、高いエネルギ定数では、触媒粒子の摩損も増大する。従って、ガス速度は、できるだけ低いが、ガスの軸方向の不均衡な分布を回避するのに十分に高いノズルの圧力降下をもたらすのに十分に高くあるべきである。

実験の結果、ガスジェットの下方では、液体の循環が低いことを示した。従って、反応器の底部における淀み帯域を回避し、同時に、反応器の底部における腐食を最小にするために、ノズル出口と反応器の底部との間の距離は、推定されたジェットの長さと同じ範囲内であるべきである。反応器の底部が半球形の形状を有する場合、全体の反応器の横断面領域にわたるノズル出口と反応器の底部との間の同じ距離を達成するために、ガスディストリビュータもまた、同じ半球形の形状を有するべきである。

または、本発明は、ガス供給装置により以上に説明したような反応器にガス状反応物を供給することを備えている、ガス状反応物を含む化学反応を行わせる方法に及んでおり、この方法において、反応器は、液相および固形触媒粒子を含有している或る容量のスラリーを収容し、前記触媒粒子は、ガス供給装置からの気泡を上昇させることによってスラリー中に懸濁状態に維持される。

好ましくは、各個々のノズルを通って流れるガスは、１５０００ｋｇ／ｍｓ^２未満、より好ましくは、１０，０００ｋｇ／ｍｓ^２未満の動圧、例えば、５，０００ないし８，０００ｋｇ／ｍｓ^２の範囲の圧力を及ぼす。半球状のパイプグリッドの形状では、ノズルについての静水圧の差がある。静水圧の差に起因したガスの軸方向の分布の差を回避するために、好ましくは、反応器における最も高く位置されたノズルと最も低く位置されたノズルとの間の静水圧の差は、個々のノズルを横切る圧力降下の１０倍より小さい。好ましくは、長さＬおよび距離Ｄは、式Ｄ＝０.８ないし１.４Ｌ、最も好ましくは、Ｄ＝０.９ないし１.２１を満足する。

この方法は、フィッシャー-トロプシュ合成反応、例えば、反応温度は、１５０ないし３００℃の範囲内であり、反応温度が、１７５ないし２５０℃の範囲内であり、反応圧力が１ないし１００バールの範囲内である反応に適用されてもよい。好ましくは、温度は、２００ないし２３５℃の範囲内であり、圧力は、好ましくは、１５ないし２５バールの範囲内である。

本発明の第２の態様によれば、使用中、固形粒子が懸濁されている液相よりなる或る容量のスラリーを収容するように配置されたスラリー帯域と、このスラリー帯域の上方のガス空間と、ガスをスラリー帯域に供給するように配置されたガス供給装置と、ガス空間からのガス出口と、液体出口とを備えているスラリー気泡塔の反応器であって、ガス供給装置が、ガス供給／分布手段および１組のガスノズルを備えており、ガス供給／分布手段が、ガスを１組のガスノズルに送出すように配置されており、ノズルが、下方に開口していて、使用中、ガスを反応器のスラリー帯域に注入し、それによりスラリー中に長さＬの下方に延びているガスジェットを形成するように配置されており、ノズルが、反応器の横断面を横切ってほぼ一様に分布されていて、沈降している触媒粒子を遊離させるためにそれらのガスジェットを反応器の底部に向けて差し向けるように配置されている、スラリー気泡塔の反応器が提供される。

本発明の第３の態様によれば、使用中、固形粒子が懸濁されている液相よりなる或る容量のスラリーを収容するように配置されたスラリー帯域と、このスラリー帯域の上方のガス空間と、ガスをスラリー帯域に供給するように配置されたガス供給装置と、ガス空間からのガス出口と、液体出口とを備えているラリー気泡塔の反応器であって、ガス供給装置が、ガス供給／分布手段および１組のガスノズルを備えており、ガス供給／分布手段が、ガスを１組のガスノズルに送出すように配置されており、ノズルが、下方に開口していて、使用中、ガスを反応器のスラリー帯域に注入し、それによりスラリー中に長さＬの下方に延びているガスジェットを形成するように配置されており、ノズルの数および構成が、反応器の横断面を横切っていて、１ｍ^２あたり７５個の均等に分布されたノズルの最小密度に対応するノズルの分布を与えるように選択されている、スラリー気泡塔の反応器が提供される。

本発明の第４の態様によれば、使用中、固形粒子が懸濁されている液相よりなる或る容量のスラリーを収容するように配置されたスラリー帯域と、このスラリー帯域の上方のガス空間と、ガスをスラリー帯域に供給するように配置されたガス供給装置と、ガス空間からのガス出口と、液体出口とを具備しているスラリー気泡塔の反応器であって、ガス供給装置が、ガス供給／分布手段および１組のガスノズルを備えており、ガス供給／分布手段が、ガスを１組のガスノズルに送出すように配置されており、ノズルは、下方に開口していて、使用中、ガスを反応器のスラリー帯域に注入し、それによりスラリー中に長さＬの下方に延びているガスジェットを形成するように配置されており、各ノズルの開口部が、反応器の底部の表面から直交方向の距離Ｄ（Ｄ＝０.７５ないし１.５Ｌ）のところに位置されている、スラリー気泡塔の反応器が提供される。

本発明の第５の態様によれば、使用中、固形粒子が懸濁されている液相よりなる或る容量のスラリーを収容するように配置されたスラリー帯域と、このスラリー帯域の上方のガス空間と、ガスをスラリー帯域に供給するように配置されたガス供給装置と、ガス空間からのガス出口と、液体出口とを備えているスラリー気泡塔の反応器であって、ガス供給装置が、ガス供給／分布手段および１組のガスノズルを備えており、ガス供給／分布手段が、ガスを１組のガスノズルに送出すように配置されており、ノズルが、下方に開口していて、使用中、ガスを反応器のスラリー帯域に注入し、それによりスラリー中に長さＬの下方に延びているガスジェットを形成するように配置されており、ガス供給手段およびガス分布手段が、管状であり、ガス供給手段が、１つまたはそれ以上の供給入口と、複数の管状のガス分布手段とに連結されており、ノズルが、前記複数の管状のガス分布手段に沿ってほぼ一様に配置されている、スラリー気泡塔の反応器が提供される。

本発明の第１の態様の好適な特徴は、第２、第３、第４および第５の態様に均等に適用可能であってもよい。

また、本発明は、反応を実施するために本発明による反応器を作動する方法と、これらの反応の生成物と、種々の後処理操作を備えている更なる方法と、これらの更なる方法の生成物とにも及んでいる。

この明細書に使用されている幾つかの語を以下により詳細に説明する。

ガス柱が、ノズル口を通ってスラリー相の中へ流れるガスによりノズルに形成される。この柱は、特に、周囲の液相からの液滴として、隔離された量の液相を含有してもよい。しかしながら、この柱内では、ガス相は、連続相である。長さＬは、ノズル口を通るガスの流れの主方向におけるジェットの長さである。

ガスの動圧：これは、化学および物理のハンドブックには、「流体速度×２乗化流体速度の２分１に等しいガスの運動から生じる流体の圧力」、すなわち、ｑ＝０.５ｒｖ^２として定められており、これらは、化学および物理のハンドブックに定義されている運動エネルギ用のものと同じ単位である。かくして、「かくして流体パーセルの単位容量あたりの運動エネルギは０.５ｒｖ^２（ｒは密度であり、ｖはパーセルの速度である）である」。この定義に基づいて、運動エネルギは、単位（ｋｇ／ｍ^３）^＊（ｍ^２／ｓ^２）＝ｋｇ／ｍｓ^２を有する。

本発明は、種々の方法で実施されてもよく、幾つかの実施の形態を例として以下に説明する。

本発明は、種々の方法で実施され得、幾つかの実施の形態を例として以下に説明する。

ガスディストリビュータ１１が、反応器１２の底部に位置されている。このガスディストリビュータ１１は、主ガス供給パイプ１３と、３つのガスマニホールド１４と、マニホールド１４の下側の一連の同心の管状分配リング２０、２１、２２、２３、２４とを備えている。リング２２ないし２４は、夫々のガス供給管３０、３１、３２、３３、３４によってマニホールド１４に連結されている。５つのリングが図示されているが、反応器およびリング自身の寸法のような種々の要因によっては、もっと少ない或いはもっと多いリングが設けられることができる。

反応器１２の底部は湾曲されており、リング２０ないし２４と反応器の内面との間にほぼ一定の間隔を維持するために、反応器内のリング２０ないし２４の高さは、半径方向外側の方向に増大している。これは、供給管３０ないし３４のための適切な長さを選択することによって達成される。

リング２０ないし２４の各々には、リング２０ないし２４に沿ってほぼ等しく間隔を隔てられている一連のノズルが形成されており、また、これらのノズルは、隣接したリングのノズルから同様に間隔を隔てられている。これらのノズルは、図３および図４により詳細に示されている。

図３は、リング２０における簡単な穴４０の形態のノズルを示している。図４は、孔５１を有するカウル５０により覆われたリング２０における穴５２の形態の別のノズルを示している。各々の場合、穴４０または孔５１は、下方に向いており、より詳細には、反応器１１の底部の内面に向けて下方に且つ直交方向に向いている。

使用中、反応ガスは、供給パイプ１３まで移送されて３つのマニホールド１４に入り、そこから管３０ないし３４を経てリング２０ないし２４に入り、そしてノズル４０（または５０、５１）を通して反応器帯域１２におけるスラリーに注入される。このように、各ノズルは、スラリーの中へ下方ガスジェットを生じる。これらのジェットは反応器１１の表面を流れて触媒の沈降を防ぐ、且つ触媒を運動状態に保つ。

図１、図２および図３による実際の実施の形態のパラメータは下記のごとくである。

反応器の高さ ２５ｍ
反応器の直径 ２.７ｍ
反応器の圧力 １９.５バール
反応器の温度 ２２５℃
供給ガスの組成
Ｈ_２ ５９モル％
ＣＯ ２８モル％
ＣＯ_２ １１モル％
Ｎ_２ ２モル％
ガスの速度 ０.１８ｍ／秒
触媒の粒子濃度 ２０重量％
ガスの滞留量 ０.２５
密度、スラリー ８０２ｋｇ／ｍ^３
ガス流量（体積） １.０ｍ^３／秒
オリフィスの総数 ５５０
ジェットの長さ（すなわち、Ｌ） １２.５ｃｍ
平均圧力降下
オリフィス ０.１９バール
オリフィスガス速度 ４５ｍ／秒
オリフィスの直径 ７.５ｍｍ
オリフィス間の平均距離 ３.７５ｃｍ
最小の管の直径 ５.５ｃｍ（Ｉ.Ｄ.）
最小のオリフィス圧力降下 ０.１７バール
動圧力 ６９００ｋｇ／ｍｓ^２
下記の例において本発明を更に示す。

例１．下向きのノズルを備えたガスディストリビュータからのガスジェットの長さ
室温および大気圧で作動される５０ｃｍ直径の低温流反応器を水で満たした。２０個の下向きのノズルを備えたガスディストリビュータを通して空気を反応器に供給した。２つの異なるノズル口径（１.９ｍｍ、２.５ｍｍ）を試験した。ガスの流量を変え、その結果生じたガスジェットの長さを測定した。

室温においてだが高い圧力で作動される直径２０ｃｍの他の反応器を炭化水素液で満たした。単一の下向きノズルを通して窒素を反応器に供給した。２つの異なるノズル口径（５ｍｍ、１０ｍｍ）を有するノズルを試験した。圧力およびガスの流量を変え、その結果生じたガスジェットの長さを測定した。結果を図５に示してあり、図５には、測定されたガスジェットの長さが、０.５ρｖ_ｏｒ ^２（ρはガスの密度であり、ｖ_ｏｒはノズル口を通るガスの速度である）として表されるガス中のエネルギ含量の関数として示されている。図５からわかるように、ガスのエネルギ含量と、ガスジェットの結果的な長さとの間には、明白な関係があり、この関係を使用してガスジェットの長さを推定し、それによりノズルの出口と反応器の底部との間の必要な距離を定めることができる。

例２．下向きのノズルを備えたガスディストリビュータからの触媒の摩損
例１からの２０ｃｍ直径の反応器を炭化水素液および３０重量％のアルミナ粒子で満たした。反応器の圧力を７.７バールに保った。各々が５ｍｍの直径およびほぼ７０ｍ／秒のノズル速度を有する４つの下向きノズルを備えたガスディストリビュータを通して窒素を反応器に供給した。アルミナ粒子の粒径分布を測定することにより、アルミナ粒子の摩損を測定した。図６には、アルミナ粒子の１０％部分の粒径が、操業時間の関数として示されている。図６は、操業中ほぼ１５０時間後に、粒子の１０％が１０μｍまたはそれより小さい粒径を有することを示している。これは、実験の開始時にほぼ６０μｍの数と比較して、アルミナ粒子が、このガスディストリビュータの設計では深刻な摩損を受けることをはっきり示している。

同じ反応器における他の実験では、同じ反応器の条件で、１０ｍｍの直径を有する４つの下向きノズルを備えたガスディストリビュータをほぼ１７ｍ／秒のノズル速度で使用した。また、アルミナ粒子の粒径分布を測定することによってアルミナ粒子の摩損を測定した。結果が図６に示されている。図６からわかるように、１０％部分の粒径はほぼ７５０時間の間、ほとんど変化しないままであり、このガスディストリビュータでは、触媒摩損が問題ではないことを示している。

これらの実験は、摩損を回避するためにノズル速度が低くあるべきであることを示している。

例３．下向きノズルを備えたガスディストリビュータの設計
ガスディストリビュータは、２.７ｍｍの直径および２５ｍのスラリー高さを有し、１９.５バールの圧力および２２５℃の温度で作動され、５８.４％のＨ_２と、２７.８％のＣＯと、１１.８％のＣＯ_２と、２％のＮ_２とよりなる、１７６３ｋｍｏｌ／時の合成ガス用に設計されているスラリー気泡塔の反応器用に設計されるべきである。このガスディストリビュータは、下向きノズルを備えた半球形状のパイプグリッドガスディストリビュータよりなる。

各ノズルが反応器の断面領域のほぼ１ｄｍ^２に及んでいるので、ほぼ６００個のノズルが必要である。

２つのノズル間の最も大きい軸方向距離はほぼ２５ｃｍである。８００ｋｇ／ｍ^３のスラリー密度および０.２５のガス空隙率では、これらのノズル間の異なる静水圧は１５ｍバールにある。ノズル圧力降下は少なくとも１０倍高くあるべきであるので、最小のノズル圧力降下は０.１５バールになる。

下記の表１には、ノズル速度およびノズル直径の異なる組合せ、ならびにその結果の算出されたノズル圧力降下および推定されたガスジェットの長さが示されている。表１からわかるように、算出された圧力降下は、表におけるノズル速度のすべての値についての最小の圧力降下より大きい。触媒の摩損をできるだけ低く保つために、このノズル速度について、できるだけ低い値が選択されるべきである。

表１
ノズル口速度（ｍ／秒） ４５ ５０ ５５ ６０
ノズル口直径（ｍ／ｍ） ７.０ ６．７ ６.３ ６.１
圧力降下（バール） ０.１９ ０.２４ ０.３０ ０.３５
ガスジェットの長さ（ｃｍ） １２.４ １４.０ １５.９ １７.３
例４.ノズルの大きさおよび摩損
実験は、所定の流量では、５ｍｍの口のノズルが高すぎる触媒の摩損を与え、他方、６.５ｍｍ（および１０ｍｍ）のノズルが触媒の摩損を与えなかったことを示した。これらの実験では、ノズルの直径およびノズル速度が唯一の変数であるように、ガスの流量を一定に保った。結果が図６および図７に示されている。これらの結果は、異なる物性を有するアルミナ粒子の２つの異なるバッチが使用されたので、２つの異なる図に示されている。

触媒の耐摩損性は、非常に重要なパラメータである。高い耐摩損性を有する触媒は、低い耐摩損性を有する触媒より高いノズル速度（それにより高い動圧）に耐えることができる。なお、報告された実験に使用された触媒は比較的高い耐摩損性を有していた。

表２
ノズルの直径（ｍｍ） ノズル速度（ｍ／秒） 動圧（ｋｇ／ｍｓ^２）
５ ６８ １９０５０
６.５ ４１ ６８７５
表２には、実験におけるノズルの直径、ノズル速度および動圧が示されている。この表は、実験に使用された触媒が４０ｍ／秒のノズル速度および７０００ｋｇ／ｍｓ^２の動圧に耐えることができることを示している。

ジェットの長さと動圧（運動エネルギ）との関係が示されている図５を見てこれらの数を覚えていて、スラリー気泡塔ガスディストリビュータが触媒の摩損を回避するために図５の左側における数を与えるように設計され且つ作動されることを意味している。更に、ジェットの長さが１０ないし１５ｃｍ程度であり、確実に２０ｃｍより大きくないことを意味している。（他の触媒がほとんど著しく高い耐摩損性を有しそうにないので、他の触媒はおそらく５ｍｍのノズルに耐えるであろう。）
ガスの軸方向不均衡分布を回避するために、ノズルを通る最小の圧力降下を与えるために、或る程度の最小のガス速度が必要である。

例５．大規模の気泡塔の設計
大規模の気泡塔用のガスディストリビュータが如何に設計されているかを以下に示す。この設計原理は、いずれの反応器の幾何形状および条件についても使用されることができる。

反応器の設計パラメータ
反応器の高さ ２ｍ
反応器の直径 ２.７ｍ
圧力 １９.５バール
温度 ２２５℃
ガス流量 １７６３ｋｍｏｌ／時
ガス密度 ６.９ｋｇ／ｍ^３
このガスディストリビュータの設計における主な原理は、すべてのノズルが反応器の底部までの同じ距離を有するべきであると言う点である。反応器の底部は、平らであるが、半球形の形状を有するので、ノズルは、異なる軸方向の高さに位置される。ガスの軸方向分布の差を回避するために、ノズルの圧力降下ＤＰ_ｏｒは、少なくとも、最も大きい軸方向距離を有するノズル間の静水圧差より高い大きさの程度であるべきである。この静水圧差は下記の等式から得られる。

ＤＰ_{ｏｒ、軸方向}＝ρ_ｓｌ ^＊ｇ^＊ＤＬ_軸方向 ^＊（１−ｅ）
上記式において、ＤＰ_{ｏｒ、軸方向}は、最も大きい距離を有するノズル間の静水圧差であり、
ρ_ｓｌは、スラリーの密度であり、
ｇは、重力定数であり、
ＤＬ_軸方向は、最も大きい距離を有するノズル間の距離であり、
ｅは、ガス滞留量である。

以上のパラメータのための代表的な数を使用することにより、ρ_ｓｌ＝８００ｋｇ／ｍ^３、およびｅ＝０.２５であり、ＤＬ_軸方向＝２９ｃｍのための値を選択すると、ＤＰ_{ｏｒ、軸方向}は、１７ミリバールになり、その結果、最小のノズル圧力降下、ＤＰ_{ｏｒ、ｍｉｎ}、は１７ミリバール^＊１０＝０.１７バールになる。

以上に挙げた直径を有する反応器については、５５０に等しいノズルの数、Ｎ_ｏｒが選択される。各ノズルを通るガスの速度ｕ_ｏｒは、下記の等式により定められる。

ｕ_ｏｒ＝Ｃ_ｄ、ｏｒ ^＊（２^＊ＤＰ_{ｏｒ、ｍｉｎ}／ρ_ｇ）０.５
上記式において、Ｃ_ｄ、ｏｒは、レイノルズ数Ｒｅが３０００より高い場合には、０.６に等しく設定されたオリフィス係数であり、ｐｇは、ガスの密度である。

（前述の等式は、圧縮不可能な流れを有する条件については、すなわち、ｕ_ｏｒ＜０.３^＊ｃならば（この式中、ｃは、方法の条件での音速である）、有効であるだけである。この例において与えられるような条件では、ｕ_{ｏｒ、ｍａｘ}は、ほぼ１８５ｍ／秒であると推定される。

各ノズルの直径ｄ_ｏｒは、下記の等式から算出されることができる。

Ｊ＝ｐ／４^＊ｄ_ｏｒ２^＊ｕ_ｏｒ ^＊Ｎ_ｏｒ
上記式中、Ｊは、スラリー反応器への容積ガス流量である。

所定のノズル速度では、その結果生じるノズルの圧力降下およびノズルの直径を算出することができる。この場合、７.３４ｍｍのノズルの直径および０.１９バールのノズルの圧力降下が生じる４５ｍ／秒のノズル速度が選択された。

算出されたノズルの圧力降下は、以上で算出された０.１７バールの最小値より高く、ガスの軸方向の不均衡な分布が無いことを示している。

各ノズルを通るガスの流量の結果、前述の７０００の値より低い６９２０ｋｇ／ｍｓ^２の動圧が生じ、触媒の摩損が問題ではないことを示している。

動圧とジェットの長さ（図５）との関係に基づいて、ジェットの長さは、ノズルの出口と全体の反応器の横断面領域にわたる反応器の底部との間の近似距離であるべきである１２.４ｃｍであると推定される。

ノズルは、全体の反応器の横断面領域にわたって分布されなければならない。この領域では、設計は、反応器の横断面領域にわたって一様に半径方向に分布された５つのリングを使用しており、軸方向の差は反応器の底部の半球状の形状に対応する。ガスの半径方向の不均衡分布を回避するために、ノズルの圧力降下ＤＰ_ｏｒは、ガスディストリビュータ管における動圧と比較して十分に大きいべきであり、下記の基準が満たされなければならない。

Ａ_パイプ／ＳＡ_ｏｒ＞ｓｑｒｔ（１０）^＊Ｃ_ｄ、oｒ
これは、Ｃ_ｄ、oｒが０.６に等しい場合、パイプの面積が少なくともパイプにおけるノズル面積の総計の２倍であるべきである。従って、前記式は、ガスディストリビュータ管における最小の管の内径を定める。

反応容器の底部におけるガスディストリビュータの頂平面図である。 明確のために簡単化された図１の線Ａ−Ａ上の横断面図である。 単純なノズルの断面図である。 ノズルの別の形態の断面図である。 圧力およびガスの流量を変えて生じたガスジェットの長さを測定した場合の結果を示す図である。 ノズルの直径およびノズル速度が唯一の変数であるようにガスの流量を一定に保ったときのアルミナ粒子の１０％部分の粒径を操業時間に対して示している図である。 ノズルの直径およびノズル速度が唯一の変数であるようにガスの流量を一定に保ったときのアルミナ粒子の１０％部分の粒径を操業時間に対して示している図である。

Claims (24)

1. 使用中、固形の触媒粒子が懸濁されている液相よりなる所定量のスラリーを収容するように配置されたスラリー帯域と、このスラリー帯域の上方のガス空間と、ガスをスラリー帯域に供給するように配置されたガス供給装置と、ガス空間からのガス出口と、液体出口とを具備するスラリー気泡塔の反応器であって、
   前記ガス供給装置は、ガス供給／分布手段および１組のガスノズルを備えており、このガス供給／分布手段は、ガスを前記１組のガスノズルに送出すように配置されており、これらノズルの開口部は、下方に開口していて、使用中、ガスをこの反応器のスラリー帯域に注入して、スラリー中に長さＬの下方に延びるガスジェットを形成するように配置されており、 前記ノズルの数および構成は、反応器の横断面内で、１ｍ^２あたり７５個の均等に分布されたノズルの最小密度に対応するノズルの分布を与えるように選択されており、各ノズルの前記開口部は、反応器の底面から直交方向の距離Ｄのところに位置されており、Ｄ＝０.７５ないし１.５Ｌである、スラリー気泡塔の反応器。
2. 前記ガス供給／分布手段は、ガス供給手段と、別体のガス分布手段とよりなる、請求項１に記載の反応器。
3. 前記ガス供給手段および前記ガス分布手段は、管状である、請求項２に記載の反応器。
4. 前記管状のガス供給手段は、１つまたはそれ以上の供給入口と、複数の管状のガス分布手段とに連結されており、前記ノズルは、前記複数の管状のガス分布手段に沿って配置されている、請求項３に記載の反応器。
5. 前記ガス分布手段の横断面積は、前記複数のノズルの面積の合計の少なくとも２倍である、請求項３または請求項４に記載の反応器。
6. 前記管状のガス供給手段は、反応器の全体幾何形状に対して中央に位置された１つのガス供給入口から半径方向に延びている２つ以上の管状構造体よりなり、また、前記管状のガス分布手段は、各ガス分布手段が連結されているガス供給手段を構成するり管状構造体の夫々の軸線に対してほぼ直交して設けられている、請求項３ないし５のうちのいずれか１つの項に記載の反応器。
7. 前記管状のガス分布手段は、同心リングまたは管状トロイド、またはこれらの一部の形状である、請求項３ないし６のうちのいずれか１つの項に記載の反応器。
8. 前記管状のガス分布手段は、各々の中心線が夫々の垂直平面にある湾曲された管の形状である、請求項３ないし６のうちのいずれか１つの項に記載の反応器。
9. 前記ガス分布手段は、形状が部分球状であるパイプグリッドの形態をとっている、請求項３ないし８のうちのいずれか１つの項に記載の反応器。
10. 前記長さＬは、５ないし２０ｃｍである、請求項１ないし９のうちのいずれか１つの項に記載の反応器。
11. 前記ガスノズルの開口部の直径は、５ｍｍ以上である、請求項１ないし１０のうちのいずれか１つの項に記載の反応器。
12. 前記ノズルの開口部は、形成されたガスのジェットの主軸線が垂線に対して４５°以下の傾斜を有するように配置されている、請求項１ないし１１のうちのいずれか１つの項に記載の反応器。
13. 水平面に対する前記ノズルの分布は、１ｍ^２の任意に位置された円形領域内に少なくとも７５個のノズルを設けるような分布である、請求項１ないし１２のうちのいずれか１つの項に記載の反応器。
14. 反応器の底部は、湾曲された形状または部分球形の形状を有しており、前記ガス供給／分布手段は、この形状にほぼ一致している、請求項１ないし１３のうちのいずれか１つの項に記載の反応器。
15. 反応器の底部は、湾曲された形状または部分球形の形状を有しており、前記ノズルの開口部は、この形状に一致する仮想の表面にある、請求項１ないし１４請求項のうちのいずれか１つの項に記載の反応器。
16. 前記１組のノズルの少なくとも９５％の開口部は、反応器の底部から等距離にある、請求項１ないし１４のうちのいずれか１つの項に記載の反応器。
17. 前記１組のノズルの開口部は、反応器が使用中であるとき、ガスのジェットを反応器の底部の表面に向けて垂直に向けるように構成されている、請求項１ないし１６のうちのいずれか１つの項に記載の反応器。
18. 前記ノズルは、前記ガス供給／分布手段の壁部を通して形成されたオリフィスにより構成されている、請求項１ないし１７のうちのいずれか１つの項に記載の反応器。
19. ガス状反応物を含む化学反応を行わせる方法であって、ガス供給装置により請求項１ないし１８のうちのいずれか１つの項に記載の反応器にガス状反応物を供給することを具備しており、この方法において、反応器は、液相および固形の触媒粒子を含有している所定容量のスラリーを収容し、前記触媒粒子は、ガス供給装置からの気泡を上昇させることによってスラリー中に懸濁状態に維持される、化学反応を行わせる方法。
20. 各個々のノズルを通って流れるガスは、１５０００ｋｇ／ｍｓ^２未満の動圧を前記スラリーに及ぼす、請求項１９に記載の方法。
21. 反応器における最も高く位置されたノズルと最も低く位置されたノズルとの間の静水圧差は、個々のノズルを横切る圧力降下の１０倍より小さい、請求項１９または２０に記載の方法。
22. 前記長さＬと距離Ｄとは、式Ｄ＝０.８ないし１.４Ｌを満足する、請求項１９ないし２１のうちのいずれか１つの項に記載の方法。
23. 前記化学反応は、フィッシャー-トロプシュ合成であり、反応温度は、１５０ないし３００℃の範囲内であり、反応圧力は、１ないし１００バールの範囲内である、請求項２２に記載の方法。
24. 前記反応圧力は、１０ないし５０バールの範囲内である、請求項２３に記載の方法。

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