JP5368644B2 - 気固接触器 - Google Patents

Description

本発明は、一般に気体と固体を接触させることに関し、より具体的には、気体入口が固体で満たされた気固接触器（ｇａｓ−ｓｏｌｉｄｓ ｃｏｎｔａｃｔｏｒ）に関する。

それだけに限らないが乾燥、加熱、冷却、粒状化または反応の実施を含む様々な目的のために材料を処理する手順の中で、気体と固体を接触させるプロセスは、多くの産業においてきわめて一般的であり、追加の固体粒子を用いて固体材料の表面積を増やすことが、一般に有益である。そうした接触器は、充填ベッド、流動ベッドまたは噴出ベッドとすることができるが、それらは、主に気体の入口および分布の設計が異なっている。気体入口は、追加の固体粒子より小さいことも大きいこともある。気体入口が固体粒子のサイズより大きいときには、気体の供給が中断されると粒子が入口を通って逆流するため、固体材料の粒子によって入口が詰まる可能性がある。気体の供給を回復させたとき、入口の一部またはすべてが固体で塞がれたままになることがある。このため、その場合には固体を接触器から取り出し、空の接触器内への気体の流れを再開させ、次いで固体を加えて内部に戻すことが必要になる可能性がある。しばしば噴出ベッド接触器と呼ばれる特定の接触器は、ただ１つの大きい入口を有することができ、そうした接触器は、ある用途にはきわめて有益であるが、気体の流れが中断すると特に塞がる傾向がある。そうした接触器は、石炭またはバイオマスの気化、ならびに四塩化ケイ素および水素と固体ケイ素の反応など、高温および高圧の動作に対して一般的になりつつある。

従来技術は主に、気体の流れの中断を防ぐこと、または入口のサイズもしくは構造を変更することに依存してきた。最も一般的な手法は、入口をきわめて小さく作製すること、入口全体にキャップ（例えば、Ｂｅｒａｎｅｋの特許文献１参照）、ボール（例えば、Ｚｈｕｂｅｒ−Ｏｋｒｏｇの特許文献２参照）などの自動閉鎖弁を用いることによって、粒子が入口に入るのを防ぐことである。他の手法は、サイホン（例えば、Ｍａｒｃｅｌｌｉｎｉの特許文献３参照）を設けることによって、固体が入口の中へ逆流するときに固体が進む距離を制限することであった。さらに他の手法は、入口が詰まることを許容し、次いで詰まりを除く別の気体の流れを供給することであった（例えば、Ｄｅｌｅｂａｒｒｅの特許文献４参照）。他の技法は、短い時間でも気体の供給が中断されないようにするためにバックアップ設備を設けることである。１つまたは少数の入口を備えた接触器の場合には、入口に固体弁を置き、気体の流れが失われた場合に弁を迅速に閉じることが可能である。

従来技術はすべて、かなりの費用を必要とし、既知の問題点を有する。ＢｅｒａｎｅｋおよびＺｈｕｂｅｒ−Ｏｋｒｏｇの文献に示されるようなキャップを設けることによって、かなり費用が増し、そうしたデバイスは、固体環境では粒子が動かなくなる、あるいは可動部に干渉するために、本質的に詰まる傾向がある。Ｍａｒｃｅｌｌｉｎｉの文献で示されるサイホンは、接触器内への気体の流れが中断されると、既に接触器内にある固体および気体が流動化した状態で接触器から流出してサイホンを通過するため、固体の逆流を抑えるものではない。したがって、Ｄｅｌｅｂａｒｒｅの文献に論じられるように、サイホンごとに止め弁が必要になる。Ｄｅｌｅｂａｒｒｅの文献で示される手法は、各オリフィスおよび弁に対して詰まりを除く別個の管を設けてそれらを作動させるものであり、したがって追加の設備を必要とし、また流動化した固体と一緒に働かない固体の流れを抑えるのに、依然としてエルボまたはサイホンに依存する。Ｄｅｌｅｂａｒｒｅの文献のものも、Ｍａｒｃｅｌｌｉｎｉの文献のように依然として止め弁を必要とすることは明らかである。

噴出ベッドの典型である大きい単一の入口を備えた接触デバイスでは、噴流を発生させるために気体の流れを鉛直にする必要がある。したがって、Ｂｅｒａｎｅｋの文献に見られるように、キャップデバイスは、流れを側面に方向付けるため有用ではない。したがって、そうした接触器では、設備バックアップおよび入口近くで作動される固体弁を有することによって、かなりの費用がかかるが、この弁では、依然として固体の流れを遮断できない可能性があるか、または必要ではないときに誤って作動する恐れがある。固体弁の開閉のタイミングは、特に難しい。また弁が部分的に開放されていると、粒子が弁の中に噴出することがあり、それによって弁のシールが急速に腐食される恐れがある。弁を閉じるのが早すぎる、または弁を誤って閉じると、場合によっては「ウォーターハンマー（ｗａｔｅｒ ｈａｍｍｅｒ）」とも呼ばれる損傷を与える圧力波が送られ、戻って気体の供給源のシステムを通過する。弁を閉じるのが遅すぎる、または弁を開くのが早すぎると、入口が詰まり、接触器の停止およびクリーンアップが起こることがある。

米国特許第３，９２１，６６３号明細書 米国特許第４，３３４，８９８号明細書 米国特許第３，８１８，６０６号明細書 米国特許第４，８８０，３１１号明細書

本発明の一目的は、ベッドの一部またはすべてを除去し、かつ入口の配管を空にすることなく、気固接触器の開始または再開を可能にすることである。

本発明の他の目的は、１つまたは複数の入口に対する固体弁の必要をなくすことである。

本発明の他の目的は、接触器への気体の流れの緊急停止を問題なく可能にすることである。

本発明の他の目的および利点は、実例および例として本発明の実施形態を開示する添付図面に関連して行われる、以下の記述から明らかになるであろう。

本発明の好ましい実施形態によれば、気固接触器を開始または再開するための装置が開示され、気固接触器は多数の固体粒子で実質的に満たされ、固体粒子より大きい直径を備えた１つまたは複数の気体入口を有する接触器は、
気固接触器の入口より下に配置されたチャンバと、
チャンバを囲むガスプレナムと、
プレナムを気体の供給源に接続する１つまたは複数の管路と、
接触器への気体の供給源が中断されたときに実質的にチャンバを満たす、（ビーズとも呼ばれる）多数の粒子と、
プレナムからチャンバの内部への気体の流路を形成するチャンバ壁内の多数の通路であって、過半数（ｍａｊｏｒｉｔｙ）のベッドの粒子より直径が小さい通路と
を備える。

気体の流れの中断後、ベッド内の粒子はチャンバの中へ落下するが、チャンバとガスプレナムの間の通路が粒子より小さいため、粒子がプレナムまたは気体の管路に入ることが防止される。気体の流れが再開されると、気体がプレナムに入り、通路を通ってチャンバに流入し、通路に最も近い粒子（ビーズ）の局所的な流動化を開始し、次第にビーズを接触器の中に正確に押し上げ、続いて噴出を回復させる。

図面は、本明細書の一部を構成し、様々な形態で実施することができる本発明の例示的な実施形態を含む。いくつかの例では、本発明に関する理解を容易にするために、本発明の様々な態様が誇張または拡大して示されている場合があることを理解されたい。

従来技術の単一の入口の気固接触器の動作を示す概略図である。 本発明を組み込んでいない、単一の入口の気固接触器に関する再開の問題を示す概略図である。 本発明の特徴を組み込んだ接触器をどのように再開するかを示す概略図である。 ファブリックフィルタ（ｆａｂｒｉｃ ｆｉｌｔｅｒ）を支持するための補強物の使用を示す概略的な切取図である。 単一の入口に反転した円錐体を利用する、本発明の特徴を組み込んだ実施形態の使用を示す概略図である。 複数の入口を有する接触器における反転した円錐体の使用を示す概略図である。 その一部を開放して粒子の除去を可能にすることができるチャンバを組み込んだ実施形態を示す概略図である。 複数の入口を備えた格子プレートの平面図を示す概略図である。

本発明は様々な形態で実施することができることを理解されたい。したがって、本明細書に開示される特定の細部は、限定的なものと解釈すべきではなく、むしろ特許請求の範囲に対する基礎として、また本発明を実質的に任意の適切に詳細なシステム、構造または方法に使用することを当業者に教示するための典型的な基礎として解釈すべきである。

図１は、単一の入口１０２を備えた従来技術の気固接触器１０１の概略図を示しており、入口１０２は、接触器１０１を満たす固体粒子１０５の直径１０４より大きい直径１０３を有し、粒子は流動化されると、接触器をベッドの高さ１０６まで満たす。流れる気体１０７は入口１０２を通って入り、粒子のベッド内に気体と粒子の噴流１０８を形成し、それによって、粒子１０５が落下して入口１０２の中に戻らないようになる。噴流の高さ１０９がベッドの高さ１０６を超えると噴流がベッドの頂部から噴出するため、接触器は噴出ベッド接触器と呼ばれる。図１では、噴流の高さ１０９はベッドの頂部に達しておらず、したがってベッドは噴出しないが、その代わりに気泡１１０を形成し、この動作手段は気泡接触器（ｂｕｂｂｌｉｎｇ ｃｏｎｔａｃｔｏｒ）または流動ベッド接触器と呼ばれる。気体が泡立つことなく噴流より上の粒子を通って流れることも可能であり、そうしたベッドは充填ベッドと呼ばれる。そうした設計はすべて同じ問題を有しており、すなわち、気体の流れが失われると、粒子１０５が落下して入口１０２の中に戻る恐れがある。２つ以上の入口を設けること、およびいくつかの入口が粒子の直径１０４より小さい直径を有し、他が粒子の直径１０４より大きい直径を有するようにすることも可能である。

図２は、単一の入口２０２を備えた従来技術の気固接触器２０１を示しており、入口２０２は、接触器２０１をベッドの高さ２０６まで満たす固体粒子２０５の直径２０４より大きい直径２０３を有している。気体の流れ２０７は、粒子が入口２０２の中に落下しないようにするには小さすぎる。結果として、入口２０２は、下流の粒子がさらに逆流するのを防止するように閉じられた弁２０８まで完全に満たされる。ベッド内の粒子の重量は、入口内の粒子２０９を押し下げ、その粒子を壁２１０に押し付ける。弁２０８を開放し、気体の流れを噴流を形成するのに十分であるはずのレベルまで増加させると、気体の流れの前面の粒子は、互いに、ならびに壁２１０に対して押し付けられる。この挙動は摩擦と同様であり、より大きい圧力が加えられた場合でさえ、流れに抵抗し、動かすことができないプラグ（ｐｌｕｇ）を生じることがしばしばである。入口内の粒子のプラグを取り出すには、プラグ内のビーズを、ベッドの重量によって加えられる力に逆らって接触器の中に押し込まなければならないことを理解することができる。

図３は、本発明の特徴を組み込んだ接触器の動作を示す概略図である。単一の入口３０２を備えた接触器３０１は、接触器３０１内のベッド３０６を形成する固体粒子３０５の直径３０４より大きい直径３０３を有している。気体透過性の壁３１３を有するチャンバ３００が単一の入口３０２の内部に配置され、単一の入口３０２の長さに沿って延びている。ガスプレナム３１０が、入口３０２のチャンバの透過性の壁３１３の外側の領域を満たしている。気体の流れ３０７がない、または不適切な気体の流れ３０７があるときには、粒子３０４がチャンバ３００を満たすプラグ３１４を形成する可能性がある。交換可能に通路３０８と呼ぶこともある、チャンバ３００の気体透過性の壁３１３内の流路３０８は、平均の粒子の直径３０４より小さい直径３０９を有している。第１の実施形態では、流路は、チャンバ壁の長さに沿って比較的均一な直径のものである。しかしながら、壁内の通路は、異なる量の開放領域を有してもよく、第２の実施形態では、チャンバの頂部にある開放領域はチャンバの底部より大きいが、それらはすべて、粒子の直径または過半数（ｍａｊｏｒｉｔｙ）の粒子の直径より小さい。チャンバ３００内の粒子を押し下げる粒子３０５のベッドの重量は、粒子３０４を気体透過性の壁３１３に押し付ける。しかしながら、ガスプレナム３１０は、実質的に粒子が入っていない状態のままである。流路３０８の直径３０９より小さい直径３１７を有する一部の小さい粒子３１６が、プレナムに入ることがある。しかしながら、こうした小さい粒子３１６のサイズまたは量は、この実施形態に関しては本明細書に記載する再開を妨げるには不十分である。図３に示す実施形態を再開するためには、気体の流れ３０７を開始し、気体が気体の供給源（図示せず）から管路３１８を通って流れるようにする。次いで気体３１８は、矢印３２０で示すように、圧力がより低いプレナム３１０の頂部３１１に近い通路３０８の一部を通過し、壁３１３の内面に沿って気泡３１２を形成し始め、粒子３０５を移動させ、壁３１３における粒子３０５間の相互に作用する力の一部に干渉し、したがって、チャンバ３００のプラグ内のビーズの粒子の摩擦を低減する。流れの矢印３２０は、初期始動中に生じる流路を示している。次いで、気体の流れ３０７が増加し、より多く気泡を形成するが、こうした追加の気泡はチャンバ３００内の下方に生じ、その結果、最終的にはプラグ全体が接触器３００の中へ上昇し、噴出を回復させる。チャンバ３００の底部３１５は、それを通る通路を有すること、または図８に示すように、固体を除去するための弁（図３には示さず）としても機能する穿孔されたプレートとすることができる。例えば滑りプレートが穿孔され、気体の流れがその穿孔部を通して注入される滑り弁を用いることによって、穿孔されたプレート８００および固体除去弁を１つのユニットに組み合わせることも可能である。

図４の実施形態は、複合的な手法を用いて形成された通路４０３を備えた、入口４０２の１つの壁４０１の拡大概略図である。ワイヤメッシュ４０５によって細い通路４０４が設けられるが、メッシュ４０５は強度が低くてもよく、また小さい孔４０６を有する。メッシュ４０５は、より大きい孔４０７およびより高い強度を有する穿孔されたプレート４０９によって支持される。この実施形態は、気体の流れ４０８の停止中にベッドの重量によって入口の壁に加えられる力と、通常動作の間に気体の流れによって引き起こされる通路全体にわたる圧力低下によって加えられる力の両方に耐えるのに十分な強度をもたらす。別法では、チャンバの壁は、それを通る適切なサイズに定められた通路を有する焼結した金属のシートから形成される。さらなる別法は、補強材料の有無にかかわらず、チャンバの壁を三角形の楔状のワイヤから形成することであり、そうしたデバイスの製造業者の１つが、Ｊｏｈｎｓｏｎ Ｓｃｒｅｅｎｓと考えられる。図５は、本発明の特徴を組み込んだ他の実施形態を示している。接触器５０１は、接触器５０１の底部およびプレナム５０３に対して適合するフランジ５０４を有する入口５０２を有しており、フランジは、ナットおよびボルトなどの留め具５０５によって互いに取り付けられる。その形のためにしばしばウィッチハット（ｗｉｔｃｈｅｓ ｈａｔ）と呼ばれる気体透過性の通路５０６は、中実リング５０８に接合された、反転した円錐体の穿孔されたプレート５０７からなる。リングは、フランジ５０４間の適所に保持される。プレナムは気体の供給源５０９を備え、それは、ナットおよびボルトなどの留め具５０５によって固定された、第２の組のフランジ５０４によって取り付けられたように示されている。この実施形態は、プレナム５０３ではボルトを外すことができ、「ウィッチハット」型の流路５０６を取り外して清浄化または交換することができるため、維持が容易である。円錐形の設計は、底部から粒子を吹き飛ばすのにも適している。

図６は、本発明の特徴を組み込んだ、複数の入口を備えた実施形態を示している。接触器６０１は複数の入口６０２を有し、そのそれぞれが、格子プレート６０３の底部に取り付けられた透過性のチャンバ６０４を有している。気体透過性のチャンバ６０４は、留め具６０５を用いて格子プレート６０３の下側に取り付けられた中実な上部リング６０８を有する、反転した円錐体の穿孔されたプレート材料６０７からなる。プレナム６１０は、気体の供給源６０９から気体を供給される。再開後、一部の粒子６１１がチャンバ６０４の中に残る可能性があるが、これは接触器の性能に影響を及ぼさないか、または最小限の影響しか及ぼさない。

図７には、他の実施形態が示されている。プレナム７１０および単一の入口７０２を備えた接触器７０１は、開放して粒子のドレインとして使用することができる下部を備えたチャンバ７０３を有している。チャンバ７０３は、ヒンジ７０８をその下端に有する穿孔されたプレート７０４、および中実なものでも穿孔されたものでもよく、底部のヒンジ７０８に取り付けられた底部プレート７０５から形成される円筒形の管を備えている。ヒンジ付きのプレート７０５は、プレナム７１０の壁７１１の底部の気密シール７０７を通って延びるピストン７０６によって開閉される。気体は、気体の供給源７０９によってプレナム７１０に供給される。

図８は、接触器８０１のシェル内に配置可能な複数の入口８０２を備えた、格子プレート８００の平面図を示している。

本発明の特徴を組み込んだ接触器の特定の実施形態は、透明な前部プレートを備えたＤ形の断面を有する、高さ約２０フィート（６．１ｍ）および直径８インチ（２０．３２ｃｍ）の接触器を備えており、したがって、内部の流れパターンを、接触器の前面の平坦なプレートを通して観察することができる。接触器は、中央に配置された直径１．２５インチ（３．１８ｃｍ）の底部入口を備えた半球形の底部区間を有する。接触器はガラスビーズのベッドを含み、粒子の大きさは７００〜８５０ミクロンの間、ベッドの高さは約１０フィート（３．０ｍ）である。

入口はガスプレナムを有し、プレナムと、本明細書に記載されるようにプレナム内に位置決めされたチャンバの穿孔された金属壁との間には、実質的に気密性のシールが存在する。穿孔された金属壁は、その内部に直径０．０１６６’’（０．０４ｃｍ）の複数の開口部を有し、開口部の面積は壁の３０％になる。

中央の底部入口は、それがＤ形の断面を有し、チャンバが接触器の入口と壁の穿孔部の最初の部分との間に長さ４インチ（１０．１６ｃｍ）の連続した部分を有することを除き、図３に示すように設計した。プレナムは、１．２５’’（３．１８ｃｍ）×２．５’’（６．３５ｃｍ）の断面を有する長方形のボックスであり、気体はプレナムの側面に送り込まれる。チャンバは、直径１．２５インチ（３．１８ｃｍ）の半円筒（Ｄ形）である。チャンバの金属壁の穿孔された長さは８インチ（２０．３２ｃｍ）、開放領域は３０％であり、その結果、気体の供給管路３１８の断面の開口部が０．３９平方インチ（２．５２ｃｍ²）であるのに比べて、４．７７平方インチ（３０．７７ｃｍ²）の開放領域が得られる。

チャンバを、１０フィート（３．０ｍ）の流動床の高さを生成するのに十分な粒子で満たし、入口への気体の流れをゆっくりと出し、ベッドの挙動を観察できるようにした。穿孔された金属壁の内側上端で、気泡が急速に生じた。次いで、流量をゆっくりと増加させ、気泡の高さを観察し、表１に示すサイズに増大させた。気体の圧力はあまり変化せず、気体の流量が増加するにつれて、ビーズのない穿孔された金属の開放領域の高さ（ギャップの高さ）がゆっくりと増加することが観察された。

流量を上げると、気泡は接触器に入り、噴出の形成を開始するまで成長した。次いで、接触器の内容物が完全に流動化した通常の動作条件になるまで、流量をさらに上げた。プレナム頂部の穿孔された金属チャンバの空いた領域の長さが約１．２５インチ（３．１８ｃｍ）にしかならず、ある量のビーズが穿孔されていないチャンバの上部に残っていることが観察された。しかしながら、これがベッドの性能または圧力の低下に影響を及ぼすとは考えられなかった。したがって、穿孔された金属の長さは、実際に必要なものよりずっと大きかった。使用可能な面積は、．７１３インチ（１．８１ｃｍ）の横断面積に比べて、０．７３５平方インチ（４．７４ｃｍ²）であった。

定常状態で動作させるときには、チャンバが、より小さい、通常動作における実際の気体の体積流量を過半数の粒子の終端速度で割ったものである横断面積を有することが好ましい。

前述の例は、本発明の少なくとも３つの有利な特徴を示している。第１には、穿孔されていない長さが入口の直径の約４倍よりずっと大きいものでない限り、厚い格子に対して、または透過性の部分と接触器への実際の入口との間に不浸透性材料の部分を必要とする入口に対して、本発明を適用することが可能である。第２には、チャンバの透過性の部分を必要以上に大きくすることの悪影響がなく、したがって、接触器内の流れの変動、および定寸の簡易化が可能になる。第３には、定寸は、孔の配列による圧力低下に関する複雑な計算ではなく、入口の孔の開口領域に約１．５の安全係数をかけたものに基づくことができる。特定の固体と入口の直径の摩擦の内角に基づいて、穿孔されていない部分の長さを本質的に制限すること、ならびに簡易化した開放領域の方式をきわめて小さい孔を有する透過性材料に適用することがあるが、ほとんどの実用的な目的に対して、前述の簡易化した手法を採用することが可能であることが当業者には明らかになるであろう。

本発明を好ましい実施形態に関連して記述してきたが、本発明の範囲を前述の特定の形態に限定するものではない。それどころか、そうした変更形態、修正形態、および添付の特許請求の範囲によって定められる本発明の趣旨および範囲内に含まれ得る等価物を包含するものである。

Claims (8)

1. 気固接触器であって、前記気固体接触器は、決められた直径または直径の範囲を有する多数の固体粒子で実質的に満たされた内部空間を有し、前記固体粒子は、１つまたは複数の入口を通って前記気固接触器に送り込まれた気体の流れによって、前記内部空間において流動化されており、前記１つまたは複数の入口は、前記固体粒子の前記決められた直径または直径の範囲より大きい直径を有し、前記気固接触器は、
   前記１つまたは複数の気体入口と前記気固接触器内の前記内部空間との間に位置付けられたプレナムと、前記プレナム内で、前記プレナムと前記内部空間との間に位置付けられた１つまたは複数のチャンバとを有し、前記１つまたは複数のチャンバが、壁を有していてそれを多数の通路が通るとともに、前記プレナムへの気体の供給源が中断されたときに前記内部空間から固体粒子を受け入れる内部の体積を有しており、前記チャンバ壁内の前記多数の通路のそれぞれが、過半数の前記固体粒子より小さい直径を有し、前記多数の通路の横断面積の合計が、前記１つまたは複数の入口の横断面積の合計に少なくとも等しく、前記気体入口から前記プレナムに入る前記気体はすべて、前記チャンバ壁内の前記多数の通路を含む通路を通過して、前記接触器の内部に入らなければならないことを特徴とする気固接触器。
2. 前記通路は、前記接触器内の流路の横断面積と少なくとも同じ大きさである、前記プレナムから前記チャンバの前記壁を通して気体を伝えるための開放領域を形成することを特徴とする請求項１に記載の気固接触器。
3. 前記壁内の前記通路は、前記チャンバの頂部において、前記チャンバの底部とは異なる量の開放領域を有することを特徴とする請求項１に記載の気固接触器。
4. 前記チャンバの前記壁は、ワイヤメッシュを含むことを特徴とする請求項１に記載の気固接触器。
5. 前記通路は、穿孔されたプレート内の孔であることを特徴とする請求項１に記載の気固接触器。
6. 前記チャンバの前記壁は、それを通る通路を形成する焼結した金属のシートを含むことを特徴とする請求項１に記載の気固接触器。
7. 前記チャンバの側面の一部またはすべては補強されていて、前記粒子によって加えられる力と、前記プレナムおよび前記チャンバの間の気体の圧力の違いによって加えられる力とのどちらか、または両方に耐えることを特徴とする請求項１に記載の気固接触器。
8. 前記チャンバの一部が開放可能になっていて、前記接触器およびチャンバから前記粒子を除くための流路を設けるようになっていることを特徴とする請求項１に記載の気固接触器。

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