JP2007533419A - 2相ストリームを所望の気体/液体比を有する2つ以上のストリームに分割するためのデバイス - Google Patents
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Abstract
Description
発明の分野
本発明は、軽相流体(または軽い相から成る流体)および重相流体(または重い相から成る流体)から成る2相流入ストリーム(例えば、気体と液体とから成るストリーム)を2またはそれよりも多い流出ストリームに分けるためのデバイスに関する。本デバイスでは、各々の流出ストリームの気体/液体比が所望なものとなる。各々の流出ストリームの流速は、必ずしも同じにする必要はない。限定するものではないが、本発明は、並列な熱交換器、炉管(または煙管)、空気冷却器、化学反応器または配管設備に供給されるようにパイプまたはチャンネル内を流れる2相プロセス・ストリームを分割するのに適している。
2相ストリームを分けるには多くの処理ユニットが必要とされ、シンプルな対称的なパイピング・スプリット(または配管スプリット、piping split)またはT字管を使用するレベルから、より高性能な2相ストリーム・スプリッターを使用するレベルまで種々の手段が従来から用いられている。
常套的に、2相ストリームを分けるに際しては、標準的なT字管を使用して対称的なパイプ・スプリットを構成したり、相に応じて各々の分岐管へと2相ストリームを均等に分配したりしている。2相ストリームを4つの流出ストリームへと分ける対称的なパイピング・スプリットの例を、図1の等角投影図で示す。2相流入ストリームは、流入パイプ1内を流れている。
羽根、バッフル(または邪魔板)およびスタティック・ミキサー等のパイプ・インターナル(または挿入物、insert)を使用することによって、標準的なT字管の分割性能を向上させる試みが為されている。
産業上利用される流れ機構を予測することは、流れ機構マップ(flow regime map)が正確さを欠くために困難である。ほとんどの流れ機構は、径が小さいパイプ(2インチ未満の径を有するパイプ)内に供された空気および水に対する2相流れ機構データに主に基づいている。それゆえ、例えばハイドロプロセッシング・ユニット(hydroprocessing unit)等の高温・高圧の炭化水素/水素系では、流れ機構マップが不正確となってしまう。
米国特許第5059226号には、遠心力を利用した2相流れスプリッターが記載されている。遠心力スプリッターは、渦流室23へとつながる流体入口28を接線方向に有している。渦流室の底部には、旋回する気体および液体を出口開口部36を介して出口チャンネル37へと導く中央ハブ38および羽根部(vane)39が設けられている。しかしながら、液体相を分配する推進力が何であるかは容易に理解することができない。また、デバイスの一方の側部に1つだけ入口28が設けられており、流体の入口が対称的にはなっていない。渦流室の内壁に沿って液体が旋回するものの、非対称な設計に起因して、流れおよび液体層/フィルムの厚さが一様になることを期待することはできない。結果的に、ある羽根部39が他の羽根部39よりも多くの液体を集めることになるので、液体が出口チャンバー37へと最適には分配されない。
外部エネルギーを用いて流れを分散させるデバイスの一例が、欧州特許(EP−B1)第0003202号に記載されている。流入ストリームを出口チャンネル4a,4bおよび4cへと分割するスプリットの上流には、シャフト28に設けられた回転攪拌機およびモーター32が用いられており、それらによって、液体と気体との混合物を分散させている。かかるデバイスでは、シャフト28に対して加えられた機構によって分散流れ機構を発生させているので、デバイスは、流速および流体性質の変動にかかわらず機能するものと考えられる。このようなタイプのデバイスに関連する主な問題は、水素化分解(300バールまで)等の高い圧力が用いられる場合では、シャフト28とパイプ/ベンド21との間での良好なシールを容易に達成できないことである(コスト的に安い設計ができない)。また、イニシャル・コスト、回転機のメンテナンス・コストおよびモーターの消費電力のコストも高い問題もある。
図2に、常套的な気体/液体セパレーターおよび常套的な計装機を用いて、2相流入ストリームを3つの流出ストリームへと分割する流れスプリッターの第1の例を示す。気体相は、気体流出ライン14を介して、並列に設けられた制御バルブ15a,15bおよび15cへと移送される。制御バルブの位置またはリフト(またはバルブの開き)をフロー・コントローラー16a,16bおよび16cによって制御することによって、各々の制御バルブを通る気体が所望の流速となるようにしている。ΔPトランスミッター(ΔP transmitter)とオリフィス板またはベンチュリ管等とを組み合わせたような常套の手法を用いて、流れが測定されている。フロー・コントローラーは、圧力コントローラー17とつながっている。セパレーター10で所望の圧力が維持されるように、圧力コントローラーはフロー・コントローラー16a,16bおよび16cについてのフロー設定値を変化させている。液体相13は、液体流出ライン18を介して、並列に設けられた制御バルブ19a,19bおよび19cへと移送される。制御バルブの位置またはリフト(またはバルブの開き)は、フロー・コントローラー20a,20bおよび20cによって制御され、各々の制御バルブを通る液体が所望の流速となるようにしている。ΔPトランスミッター(ΔP transmitter)と例えばオリフィス板とを組み合わせたような常套の手法を用いて、流れが測定されている。フロー・コントローラーは、圧力コントローラー21とつながっている。セパレーター10内で所望のレベルが維持されるように、レベル・コントローラーは、フロー・コントローラー19a,19b,19cについてのフロー設定値を変化させている。バルブ15a,15bおよび15cから移送される気体ストリームと、バルブ19a,19bおよび19cから移送される液体ストリームとが組み合わされることによって、3つの2相流出ストリーム22,23および24が得られることになる。
本発明は、2相流入ストリームを2つ以上の流出ストリームに分けるデバイスである。かかるデバイスは、流出流体の各々の気体/液体比(または液体に対する気体の割合)をほぼ一定とするように設計できる。
A)本発明のスプリッターでは、流出ストリームの各々の気体/液体比をほぼ一定に維持することができる。別法にて、本発明のスプリッターでは、流出ストリームの各々の気体/液体比が特定の異なる値となるように設計することができる。
B)本発明のスプリッターでは、意図する分割比がどのような分割比であっても設計することができる。また、本発明では、ある操作状態における現実の分割比が意図された分割比と異なる場合であっても、スプリッターは機能し得る。
C)本発明のスプリッターは、流入パイプ内の流れ機構がどのようなものであっても等しく好ましく機能する。
D)本願発明のスプリッターは、配管系の上流または下流のレイアウトに対してセンシティブ(または敏感)ではない。例えば、スプリッターの上流側のエルボまたはバルブ等のパイプ・フィッティングによって性能が影響を受けることはない。
E)本発明のスプリッターを使用すると、複数の流出ストリームを形成することができる。緩衝T字管(impact tee’s)を用いた対称的なパイピング・スプリットによって、2つの流出ストリーム,4つの流出ストリームまたは8つのストリーム,・・・等を形成することができるものの、本発明では、3つの流出ストリーム,6つの流出ストリーム,7つのストリームまたは9つのストリーム,・・・等を形成することができる。
F)本発明のスプリッターは、シンプルで丈夫な設計を有している。器具が使用されておらず、可動部を有していない。僅かなメンテナンスで済み、プラント作業者が注意を払う必要性もない。
G)本発明のスプリッターは、オープン・システム(open system)であり、汚れの影響はほとんど受けない。処理ユニットでスプリッターを使用しても、過圧保護する考え方が影響を受けるようなことはない。水素処理ユニットでは、スプリッターの下流側に配置されたリリーフバルブ(または安全弁)によって、スプリッターの上流側に配置された機器が過圧から保護されている。
H)下流側の圧力降下がどんなに大きくても、スプリッターの圧力降下は小さい(設計条件において〜0.05バールである)。
I)本発明のスプリッターは、コンパクトであり、コスト的に効率の良い設計となっている。
種々の工業プロセス機器の上流側では、流出流体の各々の気体/液体比が同じになるように2相ストリームを2つ以上の流出ストリームに分けることが求められている。例えば以下の事柄が挙げられる:
・プロセス用炉においては、炉管の直径が過度に大きくなるのを回避し、かつ、経済的な炉の設計ができるように、プロセス流体に対して、並列な炉管が最もよく用いられている。そのため、炉の上流側に設けられた並列な炉管に供給ストリームを分割して供給する必要がある。
・最近の処理プラントでは、組み合わされたシェル&チューブ式熱交換器などの並列に連結された熱交換器がしばしば用いられる。このように並列に連結された熱交換器を用いるのは、管束直径が過度に大きくなるのを回避するためであり、および/または、処理プラントでの熱統合(heat integration)を最適化するためである。
・束状のエアークーラーは並列に配置される場合が多い。これは、束サイズに制限があるからであり、また、流入ヘッダーの長さが過度に長い場合では、並列なエアークーラー管への流体の分配が不充分となるからである。
・トリクルベッド・リアクター(または散水ろ床リアクター、tricle bed reactor)等の化学リアクターは並列に構成され得る。高圧用途では、並列に構成すると、リアクター直径を減じることができ、全体的なリアクター・コストを下げることができる。より多くの触媒を既存のプラントに加える必要がある処理プラントを改造(または改良)する際には、経済的な観点から、既存の化学リアクターに新しい化学リアクターを直列に加えるよりも並列に加える方がしばしば非常に魅力的である。なぜなら、既存のリアクターに新しいリアクターを直列に加える場合では、全リアクターの圧力降下が相当に大きくなってしまい、ポンプおよび/またはコンプレッサーの取替え/アップグレードが必要となりコストが高くなってしまう。その一方、新しい化学リアクターを並列に加える場合では、圧力降下が実際には減少することになり、同じポンプおよびコンプレッサーであってもプラントの処理量を高くすることができる。
気体の熱容量が液体の熱容量よりも大きいので、液体に対して気体の割合が多いストリームを受け入れる炉管は、液体に対して気体の割合が少ないストリームを受け入れる炉管よりも熱くなる。そのため、最大許容管材料温度は、炉に対して見積もられている熱交換量さえ下回ることになり得る。この場合、炉によって、当初意図された熱を伝えることができなくなり、結果的に、処理ユニットの生産速度が低くなってしまう。炭化水素処理では、管金属温度がより高くなると、管の壁部におけるコークス生成速度が増加することになる。その結果、炉管のコークスを除去するユニットを早期に停止する必要がある。また、自動制御システム(流れ制御バルブ)で気体および液体を各々並列な炉管へと分配する場合では、制御システムが故障すると、1つ以上の炉管が液体流れを急に通さなくなってしまう可能性があり、結果的に、炉管が過熱状態となって破裂する場合がある。
並列な熱交換器およびエアークーラーで気体/液体比が等しくないと、全伝熱能力が相当に減少してしまう。このことは、低温ストリームの温度と高温ストリームの温度とが非常に近いクリティカルな用途の場合に特に当てはまる。例えば、伝熱システムが2つの並列な熱交換器Aおよび熱交換器Bから構成されており、熱交換器Aが、液体に対する気体の割合が高いストリームを受容し、熱交換器Bが、液体に対する気体の割合が低いストリームを受容する場合を考えてみる。熱交換器Aの推進力ΔTは、ストリームのより低い熱容量に起因して、より低くなるので、熱交換器Aでの伝熱交換量はより少なくなる。熱交換器Bの推進力ΔTは、ストリームのより高い熱容量に起因して、より高くなるので、熱交換器Bでの伝熱交換量はより多くなる。この場合、熱交換器Bでのより多い伝熱は、熱交換器Aでのより低い伝熱を補うほどに充分に多いものではなく、全体的には、熱交換器で伝えられる全熱量が減ってしまうことになる。熱交換器で予測される伝熱よりも伝熱が少なくなると、プロセスの生産速度が遅くなり、経済的に厳しい結果となり得る。
水素処理ユニットに設けられた並列な化学リアクター(例えば、トリクルベッド・リアクター)では、各々のリアクターの入口で同じ気体/液体比となることが極めて重要である。固体触媒存在下にて炭化水素成分と水素とが反応する水素処理リアクター(例えば、水素化分解リアクター)では、リアクターに供給されるフィードにおいて液体に対する気体の割合が少ないと、リアクター内での水素分圧が低くなる。その結果、反応速度が低くなったり、コークス蓄積速度が速くなったり、また、触媒が不活性化してしまうことになる。また、リアクターに供給されるフィードにおいて液体に対する気体の割合が少ないと、短い操作時間であっても、リアクターの触媒分子の高価な装填が損なわれる結果となる。
本発明のスプリッターは、必要とされる分割比(または配分割合)が得られるように設計することができる。分割比は、流出ストリームの全質量流を流入ストリームの全質量流で割ったものとして規定される。例えば、本発明では、分割比を50%/50%となるように設計できるだけでなく、分割比を5%/95%となるように設計することもできる。2相スプリッターは、制御バルブを用いておらず、全体の圧力降下が少ないオープン・システムである。そのため、分割比を決めるのは、2相スプリッター自体ではなく、下流の流れ系の水力性能(hydraulic capacity)である。分割比が2相スプリッターで意図された分割比からずれた場合であっても、スプリッターを適当に設計することによって、流出ストリームの各々において、ほぼ同じ気体/液体比を得ることができる。その理由は以下の通りである:
・カバー・プレート128、チューブ側の入口ノズル129およびチューブ側の出口ノズル130が設けられたヘッド122
・入口ノズル131および2つの流出ノズル125が設けられたシェル121
・U字管124、チューブ・シート135および13個のフロー・バッフル132から成るU字管束。
Claims (21)
- 軽相流体および重相流体から成る1またはそれよりも多い2相流入ストリーム、例えば2相の気体/液体混合物を、所望の軽相/重相比を各々有する2またはそれよりも多い2相流出ストリームに分けるためのストリーム分割デバイスであって、
相分離ベッセルまたは相分離コンテナー、および
該流出ストリームの各々に対して少なくとも1つ設けられる、2またはそれよりも多い吸引チャンネルまたは吸引導管
を有して成り、
該相分離ベッセルまたは相分離コンテナーは、
−該流入ストリームのための1またはそれよりも多い流入ストリーム入口、
−重相収集領域、および
−該重相収集領域よりも高いレベルに位置する軽相収集領域
を有して成り、また
該吸引チャンネルまたは吸引導管は、
−該重相収集領域と連通する少なくとも1つの重相入口、
−該軽相収集領域と連通し、該少なくとも1つの重相入口よりも高いレベルに位置する少なくとも1つの軽相入口、および
−デバイスの下流側の流出ストリーム流れ導管と連通する少なくとも1つの流出ストリーム出口
を有して成り、
該少なくとも1つの軽相入口が、該少なくとも1つの重相入口と該少なくとも1つの流出ストリーム出口との間に配置されている、ストリーム分割デバイス。 - 吸引導管は、1またはそれよりも多い開口部が設けられた壁部によって規定されている長尺管状要素から成り、該管状要素が例えば円形断面または矩形断面を有するパイプまたはダクトである、請求項1に記載のデバイス。
- 前記管状要素の下方端部は開口している、請求項2に記載のデバイス。
- 前記1またはそれよりも多い開口部の形状は、円形、楕円形、オーバル形、矩形および三角形から成る群から選択される形状である、請求項2または3に記載のデバイス。
- 軽相入口および重相入口は、相当に垂直に延びた単一の開口部から構成され、好ましくは前記吸引導管の長手方向に延在するスロットから成る、請求項1〜4のいずれかに記載のデバイス。
- 前記スロットの幅は前記流出ストリーム出口に向かう方向に増加している、請求項5に記載のデバイス。
- 前記スロットの幅が実質的に一定である、請求項5に記載のデバイス。
- 軽相入口で前記軽相の圧力降下が増加するように、流れ制限手段が前記吸引導管内に設けられている、請求項1〜7のいずれかに記載のデバイス。
- 前記流れ制限手段は、1またはそれよりも多いオリフィスが設けられた横断プレートを有して成り、該1またはそれよりも多いオリフィスに対して吸引導管内の流れが導かれるようになっている、請求項8に記載のデバイス。
- 流れ緩衝手段が前記流入ストリーム入口の近くに設けられており、前記流入ストリームが該流れ緩衝手段に衝突するようになっている、請求項1〜9のいずれかに記載のデバイス。
- 前記1またはそれよりも多い重相入口の最下部と前記1またはそれよりも多い軽相入口の最上部との間の垂直距離は、少なくとも約100mmで、かつ、大きくとも約1500mmであり、好ましくは400mm〜600mmであり、最も好ましくは約500mmである、請求項1〜10のいずれかに記載のデバイス。
- 2相ストリームを用いる物理的処理または化学的処理が実施される装置、および、請求項1〜10のいずれかに記載のストリーム分割デバイスを有して成り、該ストリーム分割デバイスと該装置の入口または出口とが相互に接続されている、処理設備。
- 前記装置が、前記流出ストリーム出口に接続された一組の炉管を有して成る炉を有して成る、請求項12に記載の処理設備。
- 前記装置が、前記流出ストリーム出口に接続された並列熱交換器を有して成る、請求項12に記載の処理設備。
- 前記装置が、前記流出ストリーム出口に接続された並列化学リアクターを有して成る、請求項12に記載の処理設備。
- 前記装置が、前記流出ストリーム出口に接続された並列エアークーラーを有して成る、請求項12に記載の処理設備。
- 請求項1〜10のいずれかに記載のストリーム分割デバイスを有して成る、例えばトリクルベッド・リアクターまたは触媒リアクター等の2相リアクター。
- 外側シェルを有して成り、前記相分離ベッセルが該外側シェル内に配置されている、請求項17に記載の2相リアクター。
- 請求項1〜10のいずれかに記載のストリーム分割デバイスを有して成る、熱交換器。
- 外側シェルを有して成り、前記相分離ベッセルが該外側シェル内に配置されている、請求項19に記載の熱交換器。
- 軽相流体および重相流体から成る1またはそれよりも多い2相流入ストリーム、例えば2相の気体/液体混合物を、所望の軽相/重相比を各々有する2またはそれよりも多い2相流出ストリームに分けるための方法であって、
−流入ストリームを、相境界面よりも下方の重相領域に位置する重相部と、その相境界面よりも上方の軽相領域に位置する軽相部とに少なくとも部分的に分ける工程、および
−該軽相領域の2またはそれよりも多い箇所にて、該重相部からの重相流体と該軽相部からの軽相流体とを混合することによって、該2またはそれよりも多い2相流出ストリームを形成する工程
を含んで成る、方法。
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