気固分離器
【課題】従前のものに比して一段と気体と固体との分離効率の高い気固分離器を提供する。
【解決手段】下端11が閉じられると共に上端1が開口した鉛直方向に延びる内筒10と、内筒10を外方から同軸状に覆うと共に内筒の上端側には外部に連通する気体抜出口6が形成された外筒2と、を具備し、内筒10における下端11側の側面には、軸方向に延びる長孔4が円周方向に複数形成され、長孔4夫々の一方の長辺縁部には外方に突出すると共に各長孔4を覆うように周方向に傾斜された案内羽根5が設けられ、外筒2における内筒10の複数の長孔4を取り囲む部分において、下部の内直径D1が、上部の内直径D2に比べて大きい。
【解決手段】下端11が閉じられると共に上端1が開口した鉛直方向に延びる内筒10と、内筒10を外方から同軸状に覆うと共に内筒の上端側には外部に連通する気体抜出口6が形成された外筒2と、を具備し、内筒10における下端11側の側面には、軸方向に延びる長孔4が円周方向に複数形成され、長孔4夫々の一方の長辺縁部には外方に突出すると共に各長孔4を覆うように周方向に傾斜された案内羽根5が設けられ、外筒2における内筒10の複数の長孔4を取り囲む部分において、下部の内直径D1が、上部の内直径D2に比べて大きい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は固体粒子と気体の混合物を夫々に分離するための気固分離器に関する。
【背景技術】
【0002】
粒子状の固体を触媒または熱媒体とし、反応物と接触させる反応系は古くから知られている。このような反応系である流動床式反応器の中には濃厚流動層(気泡流動層)を用いるもの、高速移動層(高速流動層)を用いるもの等がある。固体粒子と気体の接触時間を短くする必要のある反応(短接触時間反応)には高速移動層が用いられている。現在、重質油等を原料油としてガソリンを製造している流動接触分解装置においてはライザーと呼ばれる上昇流型高速移動層反応器が主流となっている。理由は触媒性能の向上に伴い接触時間を短くすることが可能となり、これによってガソリン等の好ましい生成物の選択性が上がり、好ましくない過分解反応が抑制できるようになったことによる。
【0003】
さらに、最近では、下降流型高速移動層反応器が提案されている。下降流反応器では、均一な気固流をうる事ができ、短時間反応により好ましい。
【0004】
高速移動層反応器においては生成物気体と粒子状固体触媒の混合物が反応器出口から流出するが、短接触時間反応が要求されるこの種の装置では混合物から粒子状固体触媒をいかに迅速に分離できるかが重要な課題であり分離器の性能が重要となる。
【0005】
このような気固分離器として、例えば、特許文献1〜3に示すものが知られている。
【特許文献1】特開平10−249122号公報
【特許文献2】米国特許6146597号明細書
【特許文献3】特開平10−249121号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、従来の気固分離器では分離効率が十分でないことが判明した。本発明は上記課題に鑑みて創案されたもので、従前のものに比して一段と気体と固体との分離効率の高い気固分離器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明にかかる気固分離器は、下端が閉じられると共に上端が開口した、鉛直方向に延びる内筒と、この内筒を外方から同軸状に覆い、内筒の上端側に外部に連通する気体抜出口が形成された外筒と、を具備し、内筒の下端側の側面には、軸方向に延びる長孔が円周方向に複数形成され、長孔夫々の一方側の長辺縁部には外方に突出すると共に各長孔を覆うように周方向に傾斜された案内羽根が設けられている。そして、外筒における内筒の複数の長孔を取り囲む部分において、内筒の下部の内直径D1が、内筒の上部の内直径D2に比べて大きい。
【0008】
本発明によれば、固体粒子及び気体の混合物を内筒の開口から下向きに供給すると、この混合物は、内筒の各長孔から下向きに外筒内へ排出される。排出されたガスは、案内羽根の内面に沿ってやや旋回されつつさらに下向きに進む。ここで、混合物中の一部の固体粒子は案内羽根の内面に衝突し、衝突した固体粒子はそのまま案内板の内面に沿って下向きに落下する。その他の固体粒子を含む気体は、外筒の上部に気体抜出口が設けられているために、向きが上向きに反転され、隣の長孔の縁部に設けられた案内羽根の外面に沿って上向きに流れ、その後、気体抜出口から排出される。そして、この気体の流れが下向きから上向きに反転する際に、気体に同伴していた固体粒子は、その慣性や自重のために気体から分離され、下方に向かって旋回しながら主として内壁上に沿って下降する。
【0009】
特に、本発明では、外筒における複数の長孔を取り囲む部分において、内筒の下部の内直径D1が内筒の上部の内直径D2に比べて大きくなっている。これにより、気体の流れが反転して上昇する際の気体の上昇速度が遅くされ、固体粒子が同伴して上昇してしまうことを効率よく妨げることができ、したがって、分離効率を著しく向上できる。
【0010】
ここで、気体の流れが反転する際に固体粒子が気体に同伴されることを効率よく抑制する観点から、1.01≦(D1/D2)≦1.3を満たすことが好ましい。1.01以下では効果が現れにくく、1.3を超えるとガスの滞留時間が長くなる。これは、短時間反応を志向するプロセスでは好ましくない。
【0011】
また、各案内羽根の半径方向突出長さPは、内筒の外直径をD3としたときに、(D2−D3)×0.1≦P≦(D2−D3)×0.5を満たすことが好ましい。これにより、効率よく反転流を形成できて好ましい。この下限を下回ると、反転流が起こりにくくなる傾向がある。
【0012】
また、外筒が、内直径がD2の上部外筒と、内直径がD1の下部外筒と、を上下に接続することにより形成され、長孔の鉛直方向長さLのうちの下から5〜50%を下部外筒が取り囲んでいることが好ましい。下部外筒の長孔を取り囲む高さが低すぎると、反転後の気体への固体粒子の同伴を抑制する効果が低く、一方、高さが高すぎても、ガスの滞留時間が長くなる。これは、短時間反応を志向するプロセスでは好ましくない。
【発明の効果】
【0013】
本発明によれば、従前に比して一段と気体と固体との分離効率の高い気固分離器が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【0014】
(第1実施形態)
以下では、図面を用いて本発明を詳細に説明する。図1〜4は第1実施形態にかかる気固分離器の一形態を示すもので、図1は一部破断斜視図、図2は図1の気固分離器の縦断面図、図3は気固分離機をIII−III面で切断した横断面図、図4は案内羽根付近の流れを示す斜視図である。
【0015】
気固分離器100は、同軸状に固着された内筒10及び外囲器を兼ねた外筒2を主体に略筒状の二重構造に構成されており鉛直方向に延びた姿勢で使用される。
【0016】
(内筒)
内筒10は、鉛直方向に延びる有底円筒状で上端が開口して導入口1を形成しており、この導入口1からは粒子と気体の混合物が導入されることになる。下端は底板11によって封止されている。
【0017】
内筒10の底板11側の側面には、その円周等分部位に複数個(図では12個)の軸方向に延びる狭幅矩形状の長孔(スリット)4が形成されている。
【0018】
長孔4の開口面積は混合物の供給量に応じて長孔4を通過する混合物の線速度が1〜40m/s 、好ましくは3〜25m/s 、より好ましくは3〜15m/s となるよう決定される。長孔4の面積が決まるとそれに応じて長孔4の幅Wと長さLが決定できる。長孔4を通過する混合物の線速度が1m/sより小さい場合は混合物の速度が遅く分離が不十分になるため好ましくない。また線速度が40m/sより大きい場合は長孔4、案内羽根5、外筒2の側壁の磨耗が激しくなるため好ましくない。
【0019】
実用に適する長孔4の水平方向の幅Wは内筒10の円周長さL1を用いて次式で表される。
【0020】
スリットの幅W=1mm〜L1/4、好ましくは W=L1/16〜L1/64
また、実用的な長孔4の鉛直方向長さLは、後述する上部外筒2aの高さLa及び下部外筒2bの高さLbを用いて次式で表される。
【0021】
スリットの長さL=(La+Lb)×a、ここでaは0. 1〜0. 99、好ましくは0. 7〜0. 95である。
【0022】
これら長孔4の夫々の一方の長辺縁部には、外方に突出する長尺湾曲板状の案内羽根5が設けられている。すなわち、案内羽根5は長孔4と同数、それぞれ長孔4の一方の長辺縁部に沿って設けられている。これらの案内羽根5は、内筒径方向と一定角度を成している、すなわち、各案内羽根5は、各長孔4を覆うように一定円周方向に傾斜して設けられている。傾斜形状は図1及び図3に例示したように湾曲していても良いし、或いは図5の(a)に横断面図で示すように平板状であっても良く、さらに、図5の(b)のように途中で折れた板状でもよい。湾曲する場合には、図3に示すように、長孔4に面する側が凹面となるような曲面、特に、断面円弧となることが好ましい。断面円弧となる場合には、半径rで頂角が70〜120度であり、内筒10の外直径をD3とし、上部外筒2aの内直径をD2としたときに、0.4×(D2−D3)≦r≦0.5×(D2−D3)とすることが好ましい。
【0023】
各案内羽根5の半径方向突出長さP(図3参照)、すなわち、((内筒10の中心Cと案内羽根5の先端Fとの距離R)−0.5×内筒10の外直径D3)は、上部外筒2aの内直径をD2として次式のように設定することが好ましい。
【0024】
分離器総体として円滑な動作が得られるように、全ての案内羽根5は同一形状とし円周等分点に位置するように取り付けることが好ましい。なお、一つの長孔4に対応して複数部に分割された構成の案内羽根5をそれぞれ設けることもできる。
【0025】
案内羽根の突出長さP=(R−0.5×D3)=(D2−D3)×b、ここでbは0.5以下であり、好ましくは0.1〜0.5、好ましくは、0.35〜0.495である。
【0026】
bが0.2より小さい、すなわち案内羽根5の半径方向突出長さPが小さすぎる場合は長孔4から噴出した気流の反転が明確に行われず好ましくない。bが0.495より大きい、すなわち案内羽根の半径方向突出長さPが大きすぎる場合は外筒と案内羽根の隙間が小さくなりすぎ、案内羽根と外筒とが接触することがある。
【0027】
また案内羽根5の鉛直方向長さについては、長孔4の鉛直方向長さLと同程度とすることが好ましいが、次のように規定し得る。
【0028】
案内羽根5の最小高さ=長孔4の長さL/2
案内羽根5の最大高さ=外筒2の長さ
好ましくは長孔4の長さL以上かつ0. 8×外筒2の長さである。
【0029】
長孔4の数については図示例では12個であるが、これに限定されることはなく2以上であれば良い。好ましくは8〜16個、より好ましくは10〜14個を採用するのが良い。長孔4の数が単一(2個より少ない)では内外筒間隙にて分離に必要な気流の反転を良好に形成できず不都合であるし、内筒10の直径等のサイズにも依るが一般には16個を越える長孔を設けても分離器が徒に複雑・高価となるだけであって、さしたる分離効率の向上は認められなくなる。上記の長孔12の数は重質油等を原料油としてガソリンを製造する流動接触分解装置に使用されている該混合物を用いた実験結果を解析して総合的に判断した結果である。本構造における長孔の数は要求される分離効率に直接影響するものであり、一般に最終的には開口面積等も考慮して実験により確認されるのが好ましい。
【0030】
例えば、内筒を通過する混合物の線速度が一定の場合を考えることにする。この場合、イ)長孔の数が同一であれば長孔の開口面積を小さくして長孔を通過する混合物の線速度を大きくする方が気流の反転による速度変化が大きくなり分離効率が上がる。しかし、逆効果としてエロージョンが進む方向となる。ロ.) 長孔からの線速度が同一であれば長孔1個当たりの開口面積を小さくして長孔4の数を増やす方が分離器全体にわたる安定した速度反転が得られ、分離効率が上がる。しかし、逆効果として分離器が複雑となる。以上の事実を踏まえると長孔の数は要求される分離効率あるいはエロージョンの程度、分離器の複雑さ等を総合的に判断し、最終的にはそれぞれの混合物を用いた実験結果により決定されることとなる。
【0031】
内筒10の寸法についてはその外直径D3は好ましくは上流側に直結される図示しない混合物移送管または反応管と同一であることが好ましいが、内筒10を通過する混合物の適度な線速度を得るためにサイズダウンしてもサイズアップしても良い。具体的には内筒10の混合物線速度が1〜100m/s、好ましくは3〜30m/s、より好ましくは10〜20m/sとなるよう内筒の直径が決められることが好ましい。
【0032】
(外筒)
外筒2はこの内筒10を外方から覆って同軸状に位置する筒状体である。外筒2は、上から順に、気体案内筒2c、上部外筒2a、下部外筒2b、円錐筒2d、及び、粒子抜出管2eから構成されている。特に、上部外筒2a及び下部外筒2bが、内筒10における複数の長孔4が形成された部分10aを取り囲むように形成されている。すなわち、上部外筒2aは、主として、各長孔4が形成された部分10aの上部を取り囲むように形成され、下部外筒2bは、主として、各長孔4が形成された部分10aの下部を取り囲むように配置されている。下部外筒2bは、内筒10の底板11よりさらに下に伸びていることが好ましい。
【0033】
本実施形態では、特に、下部外筒2bの内直径D1は、上部外筒2aの内直径D2よりも大きくされている。特に、1.01≦(D1/D2)≦1.3を満たすことが好ましい。また、内筒10の外直径D3としたときに、上部内筒2aの内直径D2が、1.1×D3〜20×D3とすることが好適である。具体的にはD2は、1.1×D3〜3×D3が好ましい。滞留時間を短くする点を重視すれば、好ましくは案内羽根5の半径方向突出長さPに合わせて可能な限りD2を小さくすることが好ましい。また、上部外筒2aの高さをLa、下部外筒2bの長さをLbとしたときに、(La+Lb)を内筒10の内直径D3の0.8〜10倍とすると好適である。滞留時間を短くする点を重視すれば、好ましくは、長孔4の鉛直方向長さに合わせて(La+Lb)を短くする。具体的には、(La+Lb)の1〜5倍が好ましい。
【0034】
また、Lb/(La+Lb)は0.05〜0.6であることが好ましい。さらに、下部外筒2bの少なくとも一部は長孔4の下部を取り囲む必要があるが、下部外筒2bが、長孔4の鉛直方向長さLのうちの下から5〜50%の部分を取り囲んでいることが好ましい。ここで、下部外筒2bのうちの内筒10の長孔4と面している部分の高さをポケット高さLcとする。
【0035】
なお、本実施形態では、上部外筒2aと下部外筒2bとはそれぞれ一定の内径の円筒とされ、上部外筒2a及び下部外筒2bは、内縁と外縁とが同一平面上に配置された円環2fにより、内径が上下方向に急激に変化するように接続されているが、図6のように、上部外筒2aと下部外筒2bとが、テーパ状の円環2fにより接続されていてもよく、また、図7のように、上部外筒2a及び下部外筒2bが、全体として下方に向かうほど内径が拡大するテーパ状とされていてもよく、要は、外筒2における複数の長孔4を取り囲む部分において、下部の直径D1が、上部の直径D2に比べて大きければよい。
【0036】
上部外筒2aの上には、上部外筒2aよりも径が小さくされた円筒状の気体案内筒2cが配置され、気体案内筒2cの側面の対向位置2箇所には気体抜出口6が形成されている。気体抜出口6には、外部に連通すると共に半径方向に伸びた気体抜出管7がそれぞれ接続されている。気体抜出管7は、上方又は下方に傾斜していても良い。
【0037】
一方、下部外筒2bの下端には、下方に向かって径が縮小する円錐部2d、及び、小径の粒子抜出管2eがこの順に接続されている。粒子抜出管2eの下端の粒子抜出口3から粒子が排出される。粒子抜出管2eの粒子抜出口3からは定常的なガスの排出はなされず、気体抜出管7を通してのみ気体が定常的に排出されるようになっている。また、外筒2と、内筒10とは、長孔4のみを介して連通している。粒子抜出管2eの粒子抜出口3の開口径は、内筒10の外直径D3の0.8〜2倍であることが好ましい。
【0038】
上述各部は、化学反応に耐える適宜素材を用いて形成される。例えば、ステンレスは加工性に優れ耐薬品性も良いので適材といえる。その他、異なる素材を適宜組み合わせて各部を構成しても良い。要は、必要な剛性と耐性が得られれば足りる。
【0039】
続いて、本実施形態の作用を説明する。気固分離器に対して上方の混合物導入口1から気体および固体粒子からなる混合物が内筒10へと所定速度で下向きに導入される。固体粒子は特に限定されないが、例えば、平均粒径が1〜500μm程度、粒子嵩密度0.6〜0.9g/cm3程度の流動接触触媒(FCC)等が挙げられる。
【0040】
内筒10の下端部は底板11により封鎖されていて、導入開始直後だけは固体粒子の一部は該底板に直接衝突することになるが、次第に固体粒子層(触媒床)が形成されて底板は固体粒子の衝突・衝撃から保護される。
【0041】
定常的に図の上から下に向かう混合物の流れは、底板及び粒子層に遮られて横方向(水平方向)への速度を与えられ、内筒10の側面に設けられた複数の長孔(スリット:5)から図2及び図4に表すように側方下向きに飛び出す。ここで、実線矢印が気体の流れを表し、点線矢印が固体粒子の流れを表す。
【0042】
その後、気体は、図4に示すように、長孔4から下向きに流れ出た後、案内羽根5の内面5aに案内されて、鉛直軸を上から見て図示時計回りに少し旋回され、その後、時計回りに隣接する案内羽根5の外面5bに沿って上昇し、その後、気体抜出口6から排出される。
【0043】
一方、固体粒子の一部は、案内羽根5の内面5aに衝突してそのまま内面に沿って下向きに移動する。また、その他の粒子の大部分は、気体の流れが下向きから上向きに反転する際に、粒子の慣性や自重により気体と共に速度が反転せず、気体の流れから離脱してそのまま下方に進み、図2に示すように、円錐部2dの内面に沿って旋回し、粒子抜出口3から排出されることとなる。
【0044】
このようにして気体と固体粒子との混合物は、気体と固体粒子とに分離される。
【0045】
そして、本願発明では、特に、下部外筒2bの内直径D1が、上部外筒2aの内直径D2よりも大きくされている。これにより、気体の速度が下向きから上向きに反転する部分における内筒10と外筒2との隙間が広くされているので、反転部分における気体の上昇速度が小さくなる。したがって、上昇ガスに同伴される固体粒子を少なくし易くなり、分離効率を高められる。
【0046】
なお、分離効率に影響する因子にはその他に、粒子径、粒子密度、気体と粒子の密度差等がある。これらはいずれも大きい方が分離効率が高くなる。
【0047】
(第2実施形態)
次に、第2実施形態について図8を参照して説明する。重質油を原料油としてガソリンを製造する流動接触触媒装置に本気固分離器を再生する際には、粒子抜出口3からの排出される触媒は、粒子群の隙間にガスを含んでいると共に、粒子には重質油が吸着されている。したがって、粒子抜出口3からの触媒は、通常、図示しないストリッピング装置に供給され、スチーム等の不活性ガスによりこれらが除去される。
【0048】
そして、短接触時間反応においては、上記ストリッピング装置が問題となることがある。すなわち、ストリッピング装置内における触媒の滞留時間は概して長いため、ストリッピングが完了するまでの時間は反応が継続されているという点である。従って、このような余分な反応を避け、また、気体の一部が粒子抜出口からストリッピング装置に導入されるという好ましくない現象が起こった場合の影響を無くすために滞留時間の短い(装置容積の小さい)プレ・ストリッピング装置を設置することが好ましいことがある。
【0049】
本実施形態の固気分離器が第一実施形態と異なる点は、気固分離器の下部にプレ・ストリッピング機構13を組み込んで外筒2の下方でプレ・ストリッピングを可能としたことである。
【0050】
具体的には、下部外筒2bの下部にさらに外筒2gがさらに設けられると共に、内面に数段のバッフル14が設けられている。また、内筒10の底板11の下にさらに内筒10gが伸びており、内筒10gの周面にも数段のバッフル14が設けられている。さらに、外筒2g内かつ内筒10gの下方には、環状のスチーム供給手段12が設けられている。そして、粒子抜出口3は外筒2gのプレ・ストリッピング装置13より下方に接続される。粒子抜出口3から抜き出された固体粒子は、図示しないストリッピング装置に導入される。
【0051】
このような固気分離器においては、外筒2の上部で分離された固体粒子は、バッフル14によって分散されつつ落下し、スチーム供給手段12から供給されるスチームにより、プレ・ストリッピングがなされる。このプレ・ストリッピング機構13から発生するガスおよびオイルベーパー、ストリッピングスチーム等はプレ・ストリッピング装置から系外に排出するのではなく、当該気固分離器に直接導入されることとなる。これによりプレ・ストリッピング効果が向上すると共に設備が省力化できる。なお、プレ・ストリッピング機構を導入しても、分離効率の低下はほとんど認められない。
【0052】
なお、本実施形態では、外筒2g及び内筒10の表面に設けられたバッフル14によって固体粒子を分散させる方式のプレ・ストリッピング機構(装置)を用いているが、これに限定されることはなくパーフォレイテッドトレイ(穴あき盤)や濃厚流動層を用いる方式のプレ・ストリッピング装置相当の機構なども採用することができる。
【0053】
(実施例1〜6)
以下の条件の、図1〜図4のような形態の気固分離器を用いて、平均粒径60μm、粒子嵩密度0.7g/cm3の固体粒子を含む温度20℃の空気の分離実験を行った。気固分離器のスケール及び条件は、図9に示す。長孔(案内羽根)の数は12とした。触媒補修率(単位:%)=(固体抜き出し口から抜き出された固体の重量)/(分離器に供給された触媒の重量)とした。
【0054】
(比較例1)
下部外筒2bの内直径D1を、上部外筒2aの内直径D2と同じにした以外は実施例1とした。
【0055】
(実施例7−11)
案内羽根の半径方向突出長さPを図10のように代える以外は、実施例1と同様にした。
【0056】
(実施例12−16)
ポケット高さを代える以外は実施例1と同様にした。
【図面の簡単な説明】
【0057】
【図1】図1は、第一実施形態にかかる気固分離器の一部破断斜視図である。
【図2】図2は、図1の気固分離器の縦断面図である。
【図3】図3は、図2のIII−III断面図である。
【図4】図4は、図1の案内羽根近傍の拡大斜視図である。
【図5】図5は、図3の案内羽根の変形例を示す断面図であり、(a)は平板状、(b)は折れ板状のものである。
【図6】図6は、図2の気固分離器の第1の変形例を示す縦断面図である。
【図7】図7は、図2の気固分離器の第2の変形例を示す縦断面図である。
【図8】図8は、第2実施形態にかかる気固分離器の縦断面図である。
【図9】図9は、実施例1−6及び比較例1の条件及び結果を示す表である。
【図10】図10は、実施例7−11の条件及び結果を示す表である。
【図11】図11は、実施例12−16の条件及び結果を示す表である。
【符号の説明】
【0058】
2…外筒、2a…上部外筒、2b…下部外筒、3…気体抜出口、4…長孔、5…案内羽根、6…開口、10…内筒、100、102…気固分離器。
【技術分野】
【0001】
本発明は固体粒子と気体の混合物を夫々に分離するための気固分離器に関する。
【背景技術】
【0002】
粒子状の固体を触媒または熱媒体とし、反応物と接触させる反応系は古くから知られている。このような反応系である流動床式反応器の中には濃厚流動層(気泡流動層)を用いるもの、高速移動層(高速流動層)を用いるもの等がある。固体粒子と気体の接触時間を短くする必要のある反応(短接触時間反応)には高速移動層が用いられている。現在、重質油等を原料油としてガソリンを製造している流動接触分解装置においてはライザーと呼ばれる上昇流型高速移動層反応器が主流となっている。理由は触媒性能の向上に伴い接触時間を短くすることが可能となり、これによってガソリン等の好ましい生成物の選択性が上がり、好ましくない過分解反応が抑制できるようになったことによる。
【0003】
さらに、最近では、下降流型高速移動層反応器が提案されている。下降流反応器では、均一な気固流をうる事ができ、短時間反応により好ましい。
【0004】
高速移動層反応器においては生成物気体と粒子状固体触媒の混合物が反応器出口から流出するが、短接触時間反応が要求されるこの種の装置では混合物から粒子状固体触媒をいかに迅速に分離できるかが重要な課題であり分離器の性能が重要となる。
【0005】
このような気固分離器として、例えば、特許文献1〜3に示すものが知られている。
【特許文献1】特開平10−249122号公報
【特許文献2】米国特許6146597号明細書
【特許文献3】特開平10−249121号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、従来の気固分離器では分離効率が十分でないことが判明した。本発明は上記課題に鑑みて創案されたもので、従前のものに比して一段と気体と固体との分離効率の高い気固分離器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明にかかる気固分離器は、下端が閉じられると共に上端が開口した、鉛直方向に延びる内筒と、この内筒を外方から同軸状に覆い、内筒の上端側に外部に連通する気体抜出口が形成された外筒と、を具備し、内筒の下端側の側面には、軸方向に延びる長孔が円周方向に複数形成され、長孔夫々の一方側の長辺縁部には外方に突出すると共に各長孔を覆うように周方向に傾斜された案内羽根が設けられている。そして、外筒における内筒の複数の長孔を取り囲む部分において、内筒の下部の内直径D1が、内筒の上部の内直径D2に比べて大きい。
【0008】
本発明によれば、固体粒子及び気体の混合物を内筒の開口から下向きに供給すると、この混合物は、内筒の各長孔から下向きに外筒内へ排出される。排出されたガスは、案内羽根の内面に沿ってやや旋回されつつさらに下向きに進む。ここで、混合物中の一部の固体粒子は案内羽根の内面に衝突し、衝突した固体粒子はそのまま案内板の内面に沿って下向きに落下する。その他の固体粒子を含む気体は、外筒の上部に気体抜出口が設けられているために、向きが上向きに反転され、隣の長孔の縁部に設けられた案内羽根の外面に沿って上向きに流れ、その後、気体抜出口から排出される。そして、この気体の流れが下向きから上向きに反転する際に、気体に同伴していた固体粒子は、その慣性や自重のために気体から分離され、下方に向かって旋回しながら主として内壁上に沿って下降する。
【0009】
特に、本発明では、外筒における複数の長孔を取り囲む部分において、内筒の下部の内直径D1が内筒の上部の内直径D2に比べて大きくなっている。これにより、気体の流れが反転して上昇する際の気体の上昇速度が遅くされ、固体粒子が同伴して上昇してしまうことを効率よく妨げることができ、したがって、分離効率を著しく向上できる。
【0010】
ここで、気体の流れが反転する際に固体粒子が気体に同伴されることを効率よく抑制する観点から、1.01≦(D1/D2)≦1.3を満たすことが好ましい。1.01以下では効果が現れにくく、1.3を超えるとガスの滞留時間が長くなる。これは、短時間反応を志向するプロセスでは好ましくない。
【0011】
また、各案内羽根の半径方向突出長さPは、内筒の外直径をD3としたときに、(D2−D3)×0.1≦P≦(D2−D3)×0.5を満たすことが好ましい。これにより、効率よく反転流を形成できて好ましい。この下限を下回ると、反転流が起こりにくくなる傾向がある。
【0012】
また、外筒が、内直径がD2の上部外筒と、内直径がD1の下部外筒と、を上下に接続することにより形成され、長孔の鉛直方向長さLのうちの下から5〜50%を下部外筒が取り囲んでいることが好ましい。下部外筒の長孔を取り囲む高さが低すぎると、反転後の気体への固体粒子の同伴を抑制する効果が低く、一方、高さが高すぎても、ガスの滞留時間が長くなる。これは、短時間反応を志向するプロセスでは好ましくない。
【発明の効果】
【0013】
本発明によれば、従前に比して一段と気体と固体との分離効率の高い気固分離器が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【0014】
(第1実施形態)
以下では、図面を用いて本発明を詳細に説明する。図1〜4は第1実施形態にかかる気固分離器の一形態を示すもので、図1は一部破断斜視図、図2は図1の気固分離器の縦断面図、図3は気固分離機をIII−III面で切断した横断面図、図4は案内羽根付近の流れを示す斜視図である。
【0015】
気固分離器100は、同軸状に固着された内筒10及び外囲器を兼ねた外筒2を主体に略筒状の二重構造に構成されており鉛直方向に延びた姿勢で使用される。
【0016】
(内筒)
内筒10は、鉛直方向に延びる有底円筒状で上端が開口して導入口1を形成しており、この導入口1からは粒子と気体の混合物が導入されることになる。下端は底板11によって封止されている。
【0017】
内筒10の底板11側の側面には、その円周等分部位に複数個(図では12個)の軸方向に延びる狭幅矩形状の長孔(スリット)4が形成されている。
【0018】
長孔4の開口面積は混合物の供給量に応じて長孔4を通過する混合物の線速度が1〜40m/s 、好ましくは3〜25m/s 、より好ましくは3〜15m/s となるよう決定される。長孔4の面積が決まるとそれに応じて長孔4の幅Wと長さLが決定できる。長孔4を通過する混合物の線速度が1m/sより小さい場合は混合物の速度が遅く分離が不十分になるため好ましくない。また線速度が40m/sより大きい場合は長孔4、案内羽根5、外筒2の側壁の磨耗が激しくなるため好ましくない。
【0019】
実用に適する長孔4の水平方向の幅Wは内筒10の円周長さL1を用いて次式で表される。
【0020】
スリットの幅W=1mm〜L1/4、好ましくは W=L1/16〜L1/64
また、実用的な長孔4の鉛直方向長さLは、後述する上部外筒2aの高さLa及び下部外筒2bの高さLbを用いて次式で表される。
【0021】
スリットの長さL=(La+Lb)×a、ここでaは0. 1〜0. 99、好ましくは0. 7〜0. 95である。
【0022】
これら長孔4の夫々の一方の長辺縁部には、外方に突出する長尺湾曲板状の案内羽根5が設けられている。すなわち、案内羽根5は長孔4と同数、それぞれ長孔4の一方の長辺縁部に沿って設けられている。これらの案内羽根5は、内筒径方向と一定角度を成している、すなわち、各案内羽根5は、各長孔4を覆うように一定円周方向に傾斜して設けられている。傾斜形状は図1及び図3に例示したように湾曲していても良いし、或いは図5の(a)に横断面図で示すように平板状であっても良く、さらに、図5の(b)のように途中で折れた板状でもよい。湾曲する場合には、図3に示すように、長孔4に面する側が凹面となるような曲面、特に、断面円弧となることが好ましい。断面円弧となる場合には、半径rで頂角が70〜120度であり、内筒10の外直径をD3とし、上部外筒2aの内直径をD2としたときに、0.4×(D2−D3)≦r≦0.5×(D2−D3)とすることが好ましい。
【0023】
各案内羽根5の半径方向突出長さP(図3参照)、すなわち、((内筒10の中心Cと案内羽根5の先端Fとの距離R)−0.5×内筒10の外直径D3)は、上部外筒2aの内直径をD2として次式のように設定することが好ましい。
【0024】
分離器総体として円滑な動作が得られるように、全ての案内羽根5は同一形状とし円周等分点に位置するように取り付けることが好ましい。なお、一つの長孔4に対応して複数部に分割された構成の案内羽根5をそれぞれ設けることもできる。
【0025】
案内羽根の突出長さP=(R−0.5×D3)=(D2−D3)×b、ここでbは0.5以下であり、好ましくは0.1〜0.5、好ましくは、0.35〜0.495である。
【0026】
bが0.2より小さい、すなわち案内羽根5の半径方向突出長さPが小さすぎる場合は長孔4から噴出した気流の反転が明確に行われず好ましくない。bが0.495より大きい、すなわち案内羽根の半径方向突出長さPが大きすぎる場合は外筒と案内羽根の隙間が小さくなりすぎ、案内羽根と外筒とが接触することがある。
【0027】
また案内羽根5の鉛直方向長さについては、長孔4の鉛直方向長さLと同程度とすることが好ましいが、次のように規定し得る。
【0028】
案内羽根5の最小高さ=長孔4の長さL/2
案内羽根5の最大高さ=外筒2の長さ
好ましくは長孔4の長さL以上かつ0. 8×外筒2の長さである。
【0029】
長孔4の数については図示例では12個であるが、これに限定されることはなく2以上であれば良い。好ましくは8〜16個、より好ましくは10〜14個を採用するのが良い。長孔4の数が単一(2個より少ない)では内外筒間隙にて分離に必要な気流の反転を良好に形成できず不都合であるし、内筒10の直径等のサイズにも依るが一般には16個を越える長孔を設けても分離器が徒に複雑・高価となるだけであって、さしたる分離効率の向上は認められなくなる。上記の長孔12の数は重質油等を原料油としてガソリンを製造する流動接触分解装置に使用されている該混合物を用いた実験結果を解析して総合的に判断した結果である。本構造における長孔の数は要求される分離効率に直接影響するものであり、一般に最終的には開口面積等も考慮して実験により確認されるのが好ましい。
【0030】
例えば、内筒を通過する混合物の線速度が一定の場合を考えることにする。この場合、イ)長孔の数が同一であれば長孔の開口面積を小さくして長孔を通過する混合物の線速度を大きくする方が気流の反転による速度変化が大きくなり分離効率が上がる。しかし、逆効果としてエロージョンが進む方向となる。ロ.) 長孔からの線速度が同一であれば長孔1個当たりの開口面積を小さくして長孔4の数を増やす方が分離器全体にわたる安定した速度反転が得られ、分離効率が上がる。しかし、逆効果として分離器が複雑となる。以上の事実を踏まえると長孔の数は要求される分離効率あるいはエロージョンの程度、分離器の複雑さ等を総合的に判断し、最終的にはそれぞれの混合物を用いた実験結果により決定されることとなる。
【0031】
内筒10の寸法についてはその外直径D3は好ましくは上流側に直結される図示しない混合物移送管または反応管と同一であることが好ましいが、内筒10を通過する混合物の適度な線速度を得るためにサイズダウンしてもサイズアップしても良い。具体的には内筒10の混合物線速度が1〜100m/s、好ましくは3〜30m/s、より好ましくは10〜20m/sとなるよう内筒の直径が決められることが好ましい。
【0032】
(外筒)
外筒2はこの内筒10を外方から覆って同軸状に位置する筒状体である。外筒2は、上から順に、気体案内筒2c、上部外筒2a、下部外筒2b、円錐筒2d、及び、粒子抜出管2eから構成されている。特に、上部外筒2a及び下部外筒2bが、内筒10における複数の長孔4が形成された部分10aを取り囲むように形成されている。すなわち、上部外筒2aは、主として、各長孔4が形成された部分10aの上部を取り囲むように形成され、下部外筒2bは、主として、各長孔4が形成された部分10aの下部を取り囲むように配置されている。下部外筒2bは、内筒10の底板11よりさらに下に伸びていることが好ましい。
【0033】
本実施形態では、特に、下部外筒2bの内直径D1は、上部外筒2aの内直径D2よりも大きくされている。特に、1.01≦(D1/D2)≦1.3を満たすことが好ましい。また、内筒10の外直径D3としたときに、上部内筒2aの内直径D2が、1.1×D3〜20×D3とすることが好適である。具体的にはD2は、1.1×D3〜3×D3が好ましい。滞留時間を短くする点を重視すれば、好ましくは案内羽根5の半径方向突出長さPに合わせて可能な限りD2を小さくすることが好ましい。また、上部外筒2aの高さをLa、下部外筒2bの長さをLbとしたときに、(La+Lb)を内筒10の内直径D3の0.8〜10倍とすると好適である。滞留時間を短くする点を重視すれば、好ましくは、長孔4の鉛直方向長さに合わせて(La+Lb)を短くする。具体的には、(La+Lb)の1〜5倍が好ましい。
【0034】
また、Lb/(La+Lb)は0.05〜0.6であることが好ましい。さらに、下部外筒2bの少なくとも一部は長孔4の下部を取り囲む必要があるが、下部外筒2bが、長孔4の鉛直方向長さLのうちの下から5〜50%の部分を取り囲んでいることが好ましい。ここで、下部外筒2bのうちの内筒10の長孔4と面している部分の高さをポケット高さLcとする。
【0035】
なお、本実施形態では、上部外筒2aと下部外筒2bとはそれぞれ一定の内径の円筒とされ、上部外筒2a及び下部外筒2bは、内縁と外縁とが同一平面上に配置された円環2fにより、内径が上下方向に急激に変化するように接続されているが、図6のように、上部外筒2aと下部外筒2bとが、テーパ状の円環2fにより接続されていてもよく、また、図7のように、上部外筒2a及び下部外筒2bが、全体として下方に向かうほど内径が拡大するテーパ状とされていてもよく、要は、外筒2における複数の長孔4を取り囲む部分において、下部の直径D1が、上部の直径D2に比べて大きければよい。
【0036】
上部外筒2aの上には、上部外筒2aよりも径が小さくされた円筒状の気体案内筒2cが配置され、気体案内筒2cの側面の対向位置2箇所には気体抜出口6が形成されている。気体抜出口6には、外部に連通すると共に半径方向に伸びた気体抜出管7がそれぞれ接続されている。気体抜出管7は、上方又は下方に傾斜していても良い。
【0037】
一方、下部外筒2bの下端には、下方に向かって径が縮小する円錐部2d、及び、小径の粒子抜出管2eがこの順に接続されている。粒子抜出管2eの下端の粒子抜出口3から粒子が排出される。粒子抜出管2eの粒子抜出口3からは定常的なガスの排出はなされず、気体抜出管7を通してのみ気体が定常的に排出されるようになっている。また、外筒2と、内筒10とは、長孔4のみを介して連通している。粒子抜出管2eの粒子抜出口3の開口径は、内筒10の外直径D3の0.8〜2倍であることが好ましい。
【0038】
上述各部は、化学反応に耐える適宜素材を用いて形成される。例えば、ステンレスは加工性に優れ耐薬品性も良いので適材といえる。その他、異なる素材を適宜組み合わせて各部を構成しても良い。要は、必要な剛性と耐性が得られれば足りる。
【0039】
続いて、本実施形態の作用を説明する。気固分離器に対して上方の混合物導入口1から気体および固体粒子からなる混合物が内筒10へと所定速度で下向きに導入される。固体粒子は特に限定されないが、例えば、平均粒径が1〜500μm程度、粒子嵩密度0.6〜0.9g/cm3程度の流動接触触媒(FCC)等が挙げられる。
【0040】
内筒10の下端部は底板11により封鎖されていて、導入開始直後だけは固体粒子の一部は該底板に直接衝突することになるが、次第に固体粒子層(触媒床)が形成されて底板は固体粒子の衝突・衝撃から保護される。
【0041】
定常的に図の上から下に向かう混合物の流れは、底板及び粒子層に遮られて横方向(水平方向)への速度を与えられ、内筒10の側面に設けられた複数の長孔(スリット:5)から図2及び図4に表すように側方下向きに飛び出す。ここで、実線矢印が気体の流れを表し、点線矢印が固体粒子の流れを表す。
【0042】
その後、気体は、図4に示すように、長孔4から下向きに流れ出た後、案内羽根5の内面5aに案内されて、鉛直軸を上から見て図示時計回りに少し旋回され、その後、時計回りに隣接する案内羽根5の外面5bに沿って上昇し、その後、気体抜出口6から排出される。
【0043】
一方、固体粒子の一部は、案内羽根5の内面5aに衝突してそのまま内面に沿って下向きに移動する。また、その他の粒子の大部分は、気体の流れが下向きから上向きに反転する際に、粒子の慣性や自重により気体と共に速度が反転せず、気体の流れから離脱してそのまま下方に進み、図2に示すように、円錐部2dの内面に沿って旋回し、粒子抜出口3から排出されることとなる。
【0044】
このようにして気体と固体粒子との混合物は、気体と固体粒子とに分離される。
【0045】
そして、本願発明では、特に、下部外筒2bの内直径D1が、上部外筒2aの内直径D2よりも大きくされている。これにより、気体の速度が下向きから上向きに反転する部分における内筒10と外筒2との隙間が広くされているので、反転部分における気体の上昇速度が小さくなる。したがって、上昇ガスに同伴される固体粒子を少なくし易くなり、分離効率を高められる。
【0046】
なお、分離効率に影響する因子にはその他に、粒子径、粒子密度、気体と粒子の密度差等がある。これらはいずれも大きい方が分離効率が高くなる。
【0047】
(第2実施形態)
次に、第2実施形態について図8を参照して説明する。重質油を原料油としてガソリンを製造する流動接触触媒装置に本気固分離器を再生する際には、粒子抜出口3からの排出される触媒は、粒子群の隙間にガスを含んでいると共に、粒子には重質油が吸着されている。したがって、粒子抜出口3からの触媒は、通常、図示しないストリッピング装置に供給され、スチーム等の不活性ガスによりこれらが除去される。
【0048】
そして、短接触時間反応においては、上記ストリッピング装置が問題となることがある。すなわち、ストリッピング装置内における触媒の滞留時間は概して長いため、ストリッピングが完了するまでの時間は反応が継続されているという点である。従って、このような余分な反応を避け、また、気体の一部が粒子抜出口からストリッピング装置に導入されるという好ましくない現象が起こった場合の影響を無くすために滞留時間の短い(装置容積の小さい)プレ・ストリッピング装置を設置することが好ましいことがある。
【0049】
本実施形態の固気分離器が第一実施形態と異なる点は、気固分離器の下部にプレ・ストリッピング機構13を組み込んで外筒2の下方でプレ・ストリッピングを可能としたことである。
【0050】
具体的には、下部外筒2bの下部にさらに外筒2gがさらに設けられると共に、内面に数段のバッフル14が設けられている。また、内筒10の底板11の下にさらに内筒10gが伸びており、内筒10gの周面にも数段のバッフル14が設けられている。さらに、外筒2g内かつ内筒10gの下方には、環状のスチーム供給手段12が設けられている。そして、粒子抜出口3は外筒2gのプレ・ストリッピング装置13より下方に接続される。粒子抜出口3から抜き出された固体粒子は、図示しないストリッピング装置に導入される。
【0051】
このような固気分離器においては、外筒2の上部で分離された固体粒子は、バッフル14によって分散されつつ落下し、スチーム供給手段12から供給されるスチームにより、プレ・ストリッピングがなされる。このプレ・ストリッピング機構13から発生するガスおよびオイルベーパー、ストリッピングスチーム等はプレ・ストリッピング装置から系外に排出するのではなく、当該気固分離器に直接導入されることとなる。これによりプレ・ストリッピング効果が向上すると共に設備が省力化できる。なお、プレ・ストリッピング機構を導入しても、分離効率の低下はほとんど認められない。
【0052】
なお、本実施形態では、外筒2g及び内筒10の表面に設けられたバッフル14によって固体粒子を分散させる方式のプレ・ストリッピング機構(装置)を用いているが、これに限定されることはなくパーフォレイテッドトレイ(穴あき盤)や濃厚流動層を用いる方式のプレ・ストリッピング装置相当の機構なども採用することができる。
【0053】
(実施例1〜6)
以下の条件の、図1〜図4のような形態の気固分離器を用いて、平均粒径60μm、粒子嵩密度0.7g/cm3の固体粒子を含む温度20℃の空気の分離実験を行った。気固分離器のスケール及び条件は、図9に示す。長孔(案内羽根)の数は12とした。触媒補修率(単位:%)=(固体抜き出し口から抜き出された固体の重量)/(分離器に供給された触媒の重量)とした。
【0054】
(比較例1)
下部外筒2bの内直径D1を、上部外筒2aの内直径D2と同じにした以外は実施例1とした。
【0055】
(実施例7−11)
案内羽根の半径方向突出長さPを図10のように代える以外は、実施例1と同様にした。
【0056】
(実施例12−16)
ポケット高さを代える以外は実施例1と同様にした。
【図面の簡単な説明】
【0057】
【図1】図1は、第一実施形態にかかる気固分離器の一部破断斜視図である。
【図2】図2は、図1の気固分離器の縦断面図である。
【図3】図3は、図2のIII−III断面図である。
【図4】図4は、図1の案内羽根近傍の拡大斜視図である。
【図5】図5は、図3の案内羽根の変形例を示す断面図であり、(a)は平板状、(b)は折れ板状のものである。
【図6】図6は、図2の気固分離器の第1の変形例を示す縦断面図である。
【図7】図7は、図2の気固分離器の第2の変形例を示す縦断面図である。
【図8】図8は、第2実施形態にかかる気固分離器の縦断面図である。
【図9】図9は、実施例1−6及び比較例1の条件及び結果を示す表である。
【図10】図10は、実施例7−11の条件及び結果を示す表である。
【図11】図11は、実施例12−16の条件及び結果を示す表である。
【符号の説明】
【0058】
2…外筒、2a…上部外筒、2b…下部外筒、3…気体抜出口、4…長孔、5…案内羽根、6…開口、10…内筒、100、102…気固分離器。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
下端が閉じられると共に上端が開口した、鉛直方向に延びる内筒と、
前記内筒を外方から同軸状に覆うと共に前記上端側には外部に連通する気体抜出口が形成された外筒と、を具備し、
前記内筒における前記下端側の側面には、軸方向に延びる長孔が円周方向に複数形成され、
前記長孔夫々の一方の長辺縁部には外方に突出すると共に前記各長孔を覆うように周方向に傾斜された案内羽根が設けられ、
前記外筒における前記内筒の複数の長孔を取り囲む部分において、下部の内直径D1が、上部の内直径D2に比べて大きい気固分離器。
【請求項2】
1.01≦(D1/D2)≦1.3を満たす請求項1の気固分離器。
【請求項3】
前記各案内羽根の半径方向突出長さPは、内筒の外直径をD3としたときに、(D2−D3)×0.1≦P≦(D2−D3)×0.5を満たす請求項1又は2に記載の気固分離器。
【請求項4】
前記外筒は、内直径がD2の上部外筒と、内直径がD1の下部外筒と、を上下に接続することにより形成され、前記長孔の鉛直方向長さLのうちの下から5〜50%を前記下部外筒が取り囲んでいる請求項1〜3のいずれかに記載の気固分離器。
【請求項1】
下端が閉じられると共に上端が開口した、鉛直方向に延びる内筒と、
前記内筒を外方から同軸状に覆うと共に前記上端側には外部に連通する気体抜出口が形成された外筒と、を具備し、
前記内筒における前記下端側の側面には、軸方向に延びる長孔が円周方向に複数形成され、
前記長孔夫々の一方の長辺縁部には外方に突出すると共に前記各長孔を覆うように周方向に傾斜された案内羽根が設けられ、
前記外筒における前記内筒の複数の長孔を取り囲む部分において、下部の内直径D1が、上部の内直径D2に比べて大きい気固分離器。
【請求項2】
1.01≦(D1/D2)≦1.3を満たす請求項1の気固分離器。
【請求項3】
前記各案内羽根の半径方向突出長さPは、内筒の外直径をD3としたときに、(D2−D3)×0.1≦P≦(D2−D3)×0.5を満たす請求項1又は2に記載の気固分離器。
【請求項4】
前記外筒は、内直径がD2の上部外筒と、内直径がD1の下部外筒と、を上下に接続することにより形成され、前記長孔の鉛直方向長さLのうちの下から5〜50%を前記下部外筒が取り囲んでいる請求項1〜3のいずれかに記載の気固分離器。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【公開番号】特開2008−18334(P2008−18334A)
【公開日】平成20年1月31日(2008.1.31)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2006−192095(P2006−192095)
【出願日】平成18年7月12日(2006.7.12)
【出願人】(301041531)財団法人 国際石油交流センター (12)
【出願人】(000004444)新日本石油株式会社 (1,898)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成20年1月31日(2008.1.31)
【国際特許分類】
【出願日】平成18年7月12日(2006.7.12)
【出願人】(301041531)財団法人 国際石油交流センター (12)
【出願人】(000004444)新日本石油株式会社 (1,898)
【Fターム(参考)】
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