JP6231116B2 - 下降流水素化処理反応器用渦式混合装置 - Google Patents

Description

本発明は、下降流水素化処理反応器用の渦式混合装置を対象としている。このような下降流水素化処理反応器は、石油化学処理産業で、高温および高圧において水素が存在する中で炭化水素系原料油の触媒反応を実施するために用いられる。例示の反応には、水素化処理、水素化仕上げ、水素化分解、および、水素化脱蝋が含まれる。

固定床水素化処理反応器では、ガスおよび液体の反応物（例えば、水素と炭化水素系原料油）が、固体触媒の１つまたは複数の床を通って下方へと流れる。（例えば、Penickへの米国特許第４５９７８５４号明細書を参照。）

反応物が反応器触媒床を通って下方へと流れるとき、反応物は触媒材料と接触し、反応して所望の生成物を生成する。水素などのガス反応物が消費され、熱が触媒反応によって発生する。原料油が反応器を通って下方へと移動するときに原料油の温度を制御することは、生成物の収率・収量の品質および量を目標生成物に向けて最大化することを確保するために重要である。

水素リッチの冷えたガスを触媒床同士の間に導入して、温度上昇を急冷し、反応によって消費される水素を補充することができる。反応器の総合的な性能を維持するために、反応器内の流体の温度はできるだけ一定であるべきであり、液体とガスとは、性能を最大にするためにしっかりと混合されるべきである。床間での流体混合が不十分だと、様々な形で反応器動作が制限される可能性がある。床間混合により径方向の温度差を解消できないときには、処理流体が反応器を下へと移動するにつれて、これらの差はそのまま持続するか、または、増加する。いかなる床におけるホット・スポットも、その領域の触媒の急速な失活をもたらし、反応器の全サイクル寿命を短縮してしまう可能性がある。生成物の選択性は、典型的には、高温においてより悪くなる。例えば、高温の領域は、色、粘性、および、その他の生成物の品質を規格外とさせる原因となる可能性がある。また、任意の点において温度が特定の値（典型的には華氏８００から８５０度）を超えると、発熱反応が自己増速して暴走事象となることがあり、触媒、容器、または下流の機器を損傷させる可能性がある。

これらの危険性のため、貧弱な反応器内部設備で運用する精製者は、床間での不十分な流体混合の悪影響を回避するために、収率および／または処理量を犠牲にしなければならない。反応器温度の不均一な分布およびホット・スポットは、触媒床同士の間での反応物の混合および平衡化、あらゆる温度および流れの不均一な分布の矯正、圧力低下の最小化によって最小限にできる。触媒床同士の間の流体の混合は、分配装置組立体と混合室の使用によって達成することができる。水素化処理ユニットが設計を大幅に超える供給速度で運転することを強いている現在の精製所の経済状態においては、床間での流体混合を最適化することで、有益で低コストにボトルネックが解消される。

分配装置組立体は、多床触媒反応器の床間の領域における流体の回収、混合、および、分配のために用いられ得る。分配装置組立体は、概して、上方の触媒床から流れる液体およびガスを回収および混合するための樋と、樋の内部の中心に配置された、樋からの液体を受け、さらに液体およびガスを混合するための混合装置または混合室とを備えている。

この混合装置は、流体／ガスの効果的で完全な混合をもたらし、ホット・スポットや不十分な温度分布を回避する助けとなるため、多くの分配装置組立体の重要な構成要素となっている。

混合装置は、樋からの液体を受けるための少なくとも１つの入口と、流れを下にある触媒床に向けるための少なくとも１つの出口とを備えている。流体およびガスの方向を変えることで混合を促進するリボン攪拌器や円板−ドーナツ型混合器など、バッフル混合器の設計を含め、混合装置の設計は異なる。

別の種類の混合器は、遠心式または渦式の設計である。この種類の混合器は、反応器を通って下へ流れる液体とガスとの流れを収集し、それらを円形のチャンバへと導入し、そこで、中心に配置された開口部を通って下方へと通過させられる前に何回か回転させられる。

混合装置は、存在する場合には、概して、反応器の触媒床同士の間の床間空間に配置される。多くの反応器において、支持梁、配管、および、床間の領域を占める他の障害物の存在により、床間空間は限られている。これらの空間の制約のため、利用可能な空間に合うような大きさとされる混合装置などの独自の設備が、結局は限定された容積となるところで効率的な二相混合を行うために必要とされる。加えて、分配装置組立体の高さがより低ければ、同じ反応器容積で触媒の搭載容積を増加できるため、反応器容積の利用を改善することができる。

米国特許第４５９７８５４号明細書

優れた触媒耐用期間、大きな処理量、長いサイクル寿命、および、総合的な反応器の性能にとっての、床間での十分な流体混合の重要性から、改善された混合装置が必要とされている。さらに、より小さい鉛直方向の設置面積を有し、限られた床間空間を有する既存の反応器に組み込まれて改装することができる混合装置は、とりわけ、必要とされる。

本発明は、下降流水素化処理反応器用の渦式混合装置を対象としている。この混合装置は、多床反応器における触媒床同士の間の空間における、より効果的な流体の混合を提供する。特に、本発明は、二相システムの気相と液相との混合において、既存の混合容積の有効性を改善する混合装置を対象としている。この装置は、その比較的小さい大きさのために、改造の用途によく適しており、多床反応器の床間空間で効率的な流体混合を達成するために、新規の反応器設計用に大きさを調整することもできる。

本混合装置は、内側表面を有する水平な上板と、上板と平行に延びる底板とを備える。底板は、内側表面と底板開口部とを備える。

複数の内方向湾曲羽根が、上板の内側表面と底板の内側表面との間で鉛直方向に延びている。鉛直な堰環が、円形開口部の近くで底板の内側表面から垂直に延びる。堰環は、堰環の上縁と堰環の直径とを有する。泡キャップが、カバー板の内側表面から混合領域へと下向きに延びる。泡キャップは、泡キャップの直径と底縁とを有し、泡キャップの直径は堰環の直径より小さく、泡キャップの底縁は堰環の上縁の下方において拡がっている。

多床触媒反応器内に据え付けられた本発明の混合装置の実施例の概略図である。 本発明の混合装置の断面図である。 混合装置２６の半分の等角図であり、図４は混合装置２６の平面図である。 混合装置の平面図である。 羽根の配置を示す平面図である。

本発明の渦式混合装置が、当技術分野で知られている渦式混合装置を超える恩恵を与えることが判明した。このような恩恵には、反応器の鉛直方向の設置面積の縮小（床間の分配装置組立体によって占められる反応器容積の減少）、大きな処理量、混合の改善、圧力損失の減少、および、総合的な反応器の性能の改善が含まれる。具体的な実施例および恩恵は、本明細書で提供される詳細な説明から明らかである。しかしながら、詳細な説明および具体的な実例は、好ましいとされるもののうちの実施例を示しているのであるが、例示の目的のためだけに意図されており、本発明の範囲を限定するようには意図されていないことが理解されるべきである。

本発明は、多床水素化処理反応器用の渦式混合装置を対象としている。図１を参照すると、多床下降流反応器１０の一部の断面図が示されている。反応器１０は、容器シェル１２と、充填触媒押出成形品を含む上方および下方の触媒床（それぞれ、符号１４および１６）とを備えている。各触媒床１４、１６は、当技術分野で周知の、支持グリッドと、任意で選択されるスペースクロス（space cloth）と、スクリーンとから構成されるグリッドスクリーン組立体１８（触媒床１４についてのみ図示されている）に支持されている。グリッドスクリーン組立体は、反応器容器内壁２２に水平に据え付けられ、触媒床１４内へと上向きに延びる平行支持梁２０に、据え付けられている。

床間分配組立体２４が、触媒床１４、１６の間で、鉛直方向に挟まれている。床間分配組立体２４は、本発明の渦式混合装置２６を備えている。本発明の混合装置２６は、触媒床１４の下に、上方から流れ落ちる液体とガスとを受けて混合するようにされた回収板２８と流体密封につながって据え付けられている。急冷ガス入口管３０は、急冷ガス（例えば、水素）を、混合装置２６の上方の領域へと分配する。

図２は混合装置２６の断面図であり、図３は混合装置２６の半分の等角図であり、図４は混合装置２６の平面図である。

混合装置は、内側表面３２ａを有し、回収板２８（図１）と流体密封につながって据え付けられた底板３２と、底板３２に対して実質的に水平に延びるカバー板内側表面３４ａを有するカバー板３４とを備えている。環状の回収板２８は、上方の触媒床から流れ落ちる流体を収集する。

複数の千鳥状にした内方向湾曲羽根３６が、底板の内側表面３２ａとカバー板の内側表面３４ａとに固定して取り付けられ、これらの間で鉛直方向に延びている。一実施例では、羽根３６は、底板の内側表面３２ａおよびカバー板の内側表面３４ａとそれぞれ流体密封につながっている。

図４に示されるように、各々の羽根は、上板３４の外周部の近位に取り付けられた羽根の外部端３８と、混合装置２６の混合領域（本明細書において以下に説明される）の近位に配置された内部端４０とを有している。羽根３６同士の間の開いた空間は、一連の混合装置入口領域４２を画定しており、各々の入口領域４２は、隣接する羽根３６とそのそれぞれの端３８、４０とに縁取られた領域として画定されている。

図２を再び参照すると、堰環（weir ring）４４が、縁４６によって画定され、中心に位置付けられた円形の底板開口部の近くで、底板３２から鉛直方向に延びている。一実施例では、堰環４４は、羽根３６の垂直高さの半分の垂直高さを有している。堰環水平板４８が、堰環の上縁５０から外向きに延びている。堰環水平板４８は、好ましくは有孔とされる。

カバー板内側表面３４ａに、好ましくは流体密閉につながって、取り付けられた円形の泡キャップ５２が、カバー板３４から下向きに、混合装置２６の混合領域の中心へと延びている（混合領域は、入口領域４２を除いた、板３２、３４の間の区域として、もしくは、別の言い方をすれば、向かい合う羽根内部端４０同士の間の区域として画定された領域として規定される）。泡キャップには、図２および図３に示されるように、キー溝を付けてもよい。

泡キャップ５２の下端５４は、距離５２ａにおいて、堰環の上縁５０の下方に延びている。泡キャップ下縁５４がキー溝付きとされた一実施例では、キー溝開口部を画定する上縁５８が、堰環の上縁５０の下方に位置付けられている。

回収板２８は、縁６０によって画定された円形の開口部を含み、回収板円形開口部６０の近くの蹴上げ管（riser tube）６２が、回収板２８から泡キャップ５２へと鉛直方向上向きに延びている。蹴上げ管６２の上縁６４は、キー溝開口部の泡キャップ上縁５８に、または、その上方に位置付けられる。

図２に示すように、堰環４４、泡キャップ５２、および、回収板開口部６０は、直径４４ａ、５２ａ、および、６０ａをそれぞれ有しており、直径の測定値は、６０ａ＜５２ａ＜４４ａの関係を有している。

運転中、炭化水素系液体の供給材料が、触媒床１４からグリッドスクリーン組立体１８を通って環状の回収板２８へと降り注ぐ。典型的には、液体は集まって、堰環の水平板４８の高さかまたはその高さを超える液面まで上昇する。急冷ガス入口管３０を介して導入された急冷ガス（例えば、水素ガス）と混合された上方触媒床１４からのガスは、環状の回収板２８上で回収された液体と触媒床１４との間の隙間を満たす。

液体およびガスは、混合装置入口領域４２を介して混合装置２６に入り、そこで、羽根３６は、液体およびガスが混合装置２６の混合領域に入るとき、液体およびガスを接線方向に向かわせて弓形または円形の流れパターンで流す。液体は、堰環４４を上へと超えて移動し（また、水平な堰板４８が有孔とされている場合は堰板４８を通って）、液体／ガスが下端５４の下およびキー溝開口部を通って泡キャップ５２内へと流れ、蹴上げ管上端６４を超えて蹴上げ管６２の中へと流れるときに、ガスと混ざり合う。そして、混ざり合ったガスおよび液体は、蹴上げ管６２から下向きに、複数の穿孔、下降管、またはノズルを含むトレイへと典型的には移動し、そして下方触媒床１６へと移動する。蹴上げ部６２の中を下向きに流れる間のガス／液体の混合をさらに改善するために、有孔螺旋板が蹴上げ部６２の内側表面に取り付けられる。

当業者であれば理解できるように、本明細書で説明されるような混合装置２６は、１日あたり何千または何万バレル（１バレル＝４３ガロン；１６４Ｌ）もの原料油を処理するように設計された、大きな水素化処理反応器での使用が意図されている。したがって、本明細書で説明される混合装置２６は、直径が数フィートあり、装置２６を構築するために使用される材料（例えば、１／４インチ〜１／２インチの鋼板）のため、組立時は数百ポンド（.lbs）の重さとなり得る。

本発明の混合装置２６は、完成した装置２６の構造を達成するように、個々の構成部品を一体に溶接やその他の取り付けによって、その場で組み立てられ得る。しかしながら、この方法を用いてその場で装置２６を組み立てることは、数日を要し、反応器ユニットの運転を遅らせる可能性があることが認識されよう。加えて、装置２６が既存の反応器の設計を更新または改造するように用いられる場合、（反応器に残る残留炭化水素系材料を発火させる可能性など、安全上の懸念のため）反応器容器内で行う組み立ての量を減らすことが望ましい。

新規の反応器を組み立てるのに、または、既存の反応器を改造するのに必要とされる時間の長さを短くするために、好ましくは、混合装置２６の一部が部分組立体を形成するようにあらかじめ組み立てられ、部分組立体が反応器に挿入され、完全な混合装置２６を形成するように組み立てられる。

図２、図３、および、図４に図示した一実施例では、混合装置２６は、各々が混合装置２６の半分を表している２つの混合装置部分組立体２６ａ、２６ｂから成る。部分組立体２６ａ、２６ｂの各々には、１つまたは複数の持ち上げ用ラグ６６、６８が設けられている。持ち上げ用ラグ６６、６８は、部分組立体を反応器内へと降下させ、部分組立体を所定位置へと操作することができる巻き上げ機、クレーン、または他の装置に、各々の部分組立体６６、６８を取り付けるために設けられている。

各々の部分組立体２６ａ、２６ｂは、ナット／ボルト（または、このような他の適切な取り付け装置）の組合せが、運転中に部分組立体２６ａ、２６ｂを所定位置で保持するように挿入され得る、嵌合するフランジ７０、７２をそれぞれ備えており、さらに、混合装置２６の上方および下方の区域へのアクセスを可能にするために、運転期間同士の間の保守中に部分組立体２６ａ、２６ｂの分解が可能となっている。

図５を参照すると、羽根３６の水平方向の配置が図示されている。当業者によって用いられるプロセス液圧計算によって規定される混合装置２６の外径を表す円Ｒ１が、これもまたプロセス液圧計算によって規定される混合装置入口領域４２の内径を表す円Ｒ３とともに、図示されている。円Ｒ２は、Ｒ１とＲ３との径方向距離の中間に位置づけられている。

図５の角度「Ａ」は、各々の対応する羽根３６の角度オフセットを表し、これは、羽根内部端４０の、隣接する羽根外部端３８のより大きな部分との径方向の重なりをもたらす。一実施例では、４枚羽根システムに対してＡ＝１５°、６枚羽根システムに対して１０°、８枚の羽根システムに対して８°である。角度「Ｂ」は、羽根３６が、Ｒ１とＲ３との間の領域内で占める径方向距離を表す。一実施例では、Ｂ＝３６０°／（羽根の数）である。角度「Ａ」において、羽根３６の内側表面がＲ１と交差する。角度「Ａ」、「Ｂ」の合計の角度（Ａ＋Ｂ）において、羽根３６の内側表面がＲ３と交差する。Ａ＋Ｂ／２に等しい角度において、羽根３６の内側表面がＲ２と交差する。

羽根３６の径方向の重なりは、角度「Ａ」によって規定されている。運転中、液体およびガスは、混合装置入口領域４２を介して混合装置２６に入り、そこで、羽根３６は、液体およびガスが混合装置２６の混合領域に入るとき、液体およびガスを接線方向に向かわせて弓形または円形の流れパターンで流す。

本発明の好ましい実施例の上記の説明は、主に例示の目的のためであり、本発明の本質を依然具体化する多くの変形が使用され得ることは、認識されよう。したがって、本発明の範囲の決定においては、以下の請求項が参照されるべきである。

Claims (14)

1. 多床下降流触媒反応器用の混合装置であって、
   ａ．内側表面を備える水平な上板と、
   ｂ．前記上板と平行に延び、内側表面と底板開口部とを備える底板と、
   ｃ．前記上板の内側表面と前記底板の内側表面との間で鉛直方向に延びる複数の内方向湾曲羽根と、
   ｄ．前記底板開口部の近くで前記底板の内側表面から鉛直方向に延び、堰環の上縁と堰環の直径とを有する鉛直な堰環と、
   ｅ．混合領域と、
   ｆ．前記カバー板の内側表面から前記混合領域へと下向きに延び、泡キャップの直径と底縁とを有する泡キャップであって、当該泡キャップの直径が前記堰環の直径より小さく、当該泡キャップの底縁が前記堰環の上縁の下方まで延びる泡キャップと
   を備える混合装置。
2. 前記鉛直な堰環が、前記堰環の上縁から外向きに延びる水平板をさらに備える、請求項１に記載の混合装置。
3. 前記堰環の水平板が有孔とされる、請求項２に記載の混合装置。
4. 前記堰環が、前記羽根の高さの半分である垂直高さを備える、請求項２に記載の混合装置。
5. 前記上板が外周部をさらに備え、各々の羽根が、前記上板の外周部に近接する外部端と、前記混合領域に近接する内部端とを備え、前記混合装置が、隣接する羽根とそれらのそれぞれ対応する内部端および外部端とによって縁取られた領域として画定された複数の入口領域をさらに備える、請求項１に記載の混合装置。
6. 前記混合領域が、前記入口領域を規定する区域を除いた、前記上板と前記底板との間の区域として規定される、請求項５に記載の混合装置。
7. 各々の羽根の前記内部端が、隣接する羽根の前記外部端と径方向で重なっている、請求項５に記載の混合装置。
8. 内側表面を備える反応器シェルに含まれる上方および下方触媒床と、
   前記上方および下方触媒床の間で鉛直方向に挟まれた床間分配組立体と
   を備える多床下降流触媒反応器であって、
   前記床間分配組立体が、回収板の上方に、回収板と流体密封につながって取り付けられた混合装置を備え、当該回収板が、回収板円形開口部と、当該回収板円形開口部の近くで当該回収板から鉛直方向上向きの蹴上げ部とを有し、
   前記混合装置が、
   ａ．内側表面を備える水平な上板と、
   ｂ．前記上板と平行に延び、内側表面と底板開口部とを備える底板と、
   ｃ．前記上板の内側表面と前記底板の内側表面との間で鉛直方向に延びる複数の内方向湾曲羽根と、
   ｄ．前記底板開口部の近くで前記底板の内側表面から鉛直方向に延び、堰環の上縁と堰環の直径とを有する鉛直な堰環と、
   ｅ．混合領域と、
   ｆ．前記カバー板の内側表面から前記混合領域へと下向きに延び、泡キャップの直径と底縁とを有する泡キャップであって、当該泡キャップの直径が前記堰環の直径より小さく、当該泡キャップの底縁が前記堰環の上縁の下方まで延びる泡キャップと
   を備え、
   前記蹴上げ部が前記泡キャップ内へと鉛直方向に延び、前記回収板円形開口部が前記泡キャップの直径より小さい多床下降流触媒反応器。
9. 前記混合装置の鉛直な堰環が、前記堰環の上縁から外向きに延びる水平板をさらに備える、請求項８に記載の反応器。
10. 前記堰環の水平板が有孔とされる、請求項９に記載の反応器。
11. 前記堰環が、前記羽根の高さの半分である垂直高さを備える、請求項９に記載の反応器。
12. 前記混合装置の上板が外周部をさらに備え、各々の羽根が、前記上板の外周部に近接する外部端と、前記混合領域に近接する内部端とを備え、前記混合装置が、隣接する羽根とそれらのそれぞれ対応する内部端および外部端とによって縁取られた領域として画定された複数の入口領域をさらに備える、請求項８に記載の反応器。
13. 前記混合装置の混合領域が、前記入口領域を規定する区域を除いた、前記上板と前記底板との間の区域として規定される、請求項１２に記載の反応器。
14. 各々の羽根の前記内部端が、隣接する羽根の前記外部端と径方向で重なっている、請求項１２に記載の反応器。

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