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発明の名称 気固分離器
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平10−249121
公開日 平成10年(1998)9月22日
出願番号 特願平9−82370
出願日 平成9年(1997)3月14日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】岡澤 英世 (外1名)
発明者 西田 昭三 (にしだ しょうぞう) / 藤山 優一郎 (ふじやま ゆういちろう)
要約 目的


構成
特許請求の範囲
【請求項1】 粒子径1〜500μm の固体粒子と気体の混合物から粒子を迅速に分離することを目的として設計され、水平方向断面矩形の鉛直に延びる分離用空間部(S) を備え一対の対面壁のみが下方で順次狭幅に接近して対向斜面(A1,A2) を形成し残る一対の対面壁は一定間隔を保った対向鉛直面(B,B) を形成するとともに上方に前記分離用空間部(S) を閉塞する天板(8) を有した角筒部(1) と、この角筒部(1) の下端に連続する筒状一定断面積の固体抜出管(4) と、同じ角筒部(1) の上端で一方の対向斜面(A1)に寄って前記天板(8) 一端近傍で開口し前記分離用空間部(S) に連通する混合物導入管(2) と、残る対向斜面(A2)に寄って前記天板(8) 他端近傍で開口し前記分離用空間部(S) に連通する気体抜出管(3) と、前記分離用空間部(S) 内部に高さ方向略中央部で前記混合物導入管(2) 下方に略水平に固設された分離板(5) とを具備したことを特徴とする気固分離器。
【請求項2】 前記混合物導入管(2) が円筒状であり、前記分離板(5) はその一端が気体抜出管側の対向斜面に接しており、且つ(W:該分離容器の幅、Dm:該混合物導入管の直径)である時にその延出長さが(W/2)〜(W−Dm)である請求項1に記載の気固分離器。
【請求項3】 導入される混合物の流量Qに基づいて混合物導入管の直径Dmが次式、 V=4Q/(Dm2 π) , 3m/s≦V≦40m/sただしDmの単位はm、Qの単位はm3 /sなる関係を満たすように直径Dmが決められている請求項2に記載の気固分離器。
【請求項4】 前記気体抜出管の直径Dgを、Dg=Dmとした請求項2に記載の気固分離器。
【請求項5】 該分離容器の高さHが、H=Dm×C 2≦C≦3なる関係を満たす請求項2に記載の気固分離器。
【請求項6】 前記分離用空間の幅Wが、W=Dm×B、(但し、2.5≦B≦3.5)
なる関係を満たす請求項2に記載の気固分離器。
【請求項7】 分離板の長さW2がWを基準として下式;
W2/W=−0.0004V2 +0.0201V+0.4437ただしVは混合物あるいは気体の線速度(m/s)を満たすよう決められている請求項6に記載の気固分離器。
【請求項8】 前記固体抜き出し管の直径Dsが、Ds=Dm×A 1≦A≦1.5なる関係を満たす請求項2に記載の気固分離器。
【請求項9】 該分離容器の奥行きLが、L=Dsなる関係を満たす請求項8に記載の気固分離器。
発明の詳細な説明
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は固体と気体の混合物を夫々に分離するための分離器に関し、更に詳しくは特に化学反応に伴い生じた気体生成物と触媒等の混合物のように混合物から固体を迅速に分離することにより短反応時間を達成することが望まれる場合等に用いて好適な高速気固分離器に関する。
【0002】
【従来の技術】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。この課題に対処するため、最近の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ではUS5,552,120 或いはUS5,538,623 等に見られるようにライザー出口の直近にサイクロンを置くクローズドサイクロンと呼ばれる分離方式が使用され始めている。
【0003】この気固分離を迅速に行うという点は接触時間が0.1〜1.5秒程度の反応条件で軽質オレフィン製造を指向するような炭化水素油の流動接触分解装置ではさらに重要になる。なぜなら反応時間が0.1〜1.5秒程度になるとサイクロンのような既存の分離器では反応器内の気体の滞留時間に対して分離器内の気体の滞留時間が相対的に大きくなり、分離器内で気体の少なくとも一部が触媒、または熱媒体である粉粒体と接触することにより、製品の品質劣化、コーク析出、収率低下をもたらすためである。
【0004】もっとも、短接触時間反応に分離器を用いる方法のほかに、触媒の分離によらず反応器出口で生成物と触媒の混合物を急冷することで反応を停止する方法も可能である。しかし、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では、触媒を高温で再生し再び反応に用いることにより触媒を熱媒体として利用しているため、触媒を分離する前に該混合物を急冷することは熱効率上好ましくない。
【0005】同様にして粉粒体状の固体を熱媒体として用いる反応でも気固分離前の急冷は好ましくない。従って、反応器出口で迅速に固体の大部分を該混合物から除去することが有効である。この一段目の分離で固体の一部が気体とともに同伴されたとしても固体の量が小さくなるため反応への寄与は小さくなり残った固体をサイクロン等の既存の分離器で時間をかけて分離しても前述した不都合はおこらない。また一段目の分離で気体に同伴した固体の引き起こす反応が無視できない場合は一段目の分離後にその気固混合物を急冷することが可能である。この場合、装置内を循環する固体の量に比べて急冷される固体の量が小さいため熱効率にそれほど悪影響を及ぼさない。
【0006】従来の反応器出口の混合物を急速分離する方法としては、例えばUS3,074,878があげられる。この中では下降流の管状反応器の中に方向偏向板を設けることにより混合物の流れを反応器の片側に寄せ、その反対側から横向きに気体を抜き出す方法を採用している。然しながら、この方法は気体の方向転換角度が90度以上とれないために分離効率が低い。その上、方向偏向板は直接混合物の衝撃を受けるため磨耗が激しいという欠点も有している。
【0007】また、同様の急速分離方法の例として特公昭60-18447があげられる。これは下降流型または上昇流型反応器に対して水平に長方形のチャンバーを設けている。混合物はこのチャンバーの一方の端から流入し、90度方向転換した後、チャンバーの反対側の端から触媒は下方に、気体は上方に抜き出している。この場合にはチャンバー内での混合物の流れの乱れが激しく、分離触媒がスムーズに触媒抜き出し口に流れず、上方に巻き上げられるために分離効率が低く、その傾向は固体供給量あるいは混合比が大きくなるに伴い顕著となる。これは主に固体がチャンバーの水平部分を固体抜き出し口まで水平に移動しなくてはならないため、固体供給量が増加すると固体抜き出しが間に合わなくなるからである。
【0008】なお、本明細書でいう分離効率とは分離器に供給された固体の内、分離器で除去された固体、すなわち固体抜き出し口から抜き出された固体の割合であり、百分率で表したものをいい下式で表される。
分離効率(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)
【0009】また本発明でいう混合比とは供給された気固混合物の中の固体の重量を気体の重量で除した数値であり下式で表される。
混合比=(固体重量)/(気体重量)
【0010】
【発明が解決しようとする課題】短接触時間で好ましい生成物の選択性を上げることをねらいとするプロセスでは接触時間をなるべく短くするとともに高転化率を維持するために高混合比を用いることが多く、そのような背景からさらに気体の滞留時間が短く分離効率の高い高速分離器が求められていた。本発明の目的は従前のものに比してより分離装置内の気体の滞留時間が短く、固体の除去率の高い気固分離器を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】水平方向断面矩形の鉛直に延びる分離用空間部(S) を備え一対の対面壁のみが下方で順次狭幅に接近して対向斜面(A1,A2) を形成し残る一対の対面壁は一定間隔を保った対向鉛直面(B,B) を形成するとともに上方に前記分離用空間部(S) を閉塞する天板(8) を有した角筒部(1) と、この角筒部(1) の下端に連続する筒状一定断面積の固体抜出管(4) と、同じ角筒部(1) の上端で一方の対向斜面(A1)に寄って前記天板(8) 一端近傍で開口し前記分離用空間部(S) に連通する混合物導入管(2) と、残る対向斜面(A2)に寄って前記天板(8) 他端近傍で開口し前記分離用空間部(S) に連通する気体抜出管(3) と、前記分離用空間部(S) 内部に高さ方向略中央部で前記混合物導入管(2) 下方に略水平に固設された分離板(5) とにより気固分離器を構成する。
【0012】〔作用〕本発明の分離器において気固混合物は分離容器の上部の一端に接続された混合物導入管から分離容器内に導入され、分離容器内で180度旋回する。その過程で固体は遠心力により分離され、分離板の下面を通って分離容器下部に接続された固体抜き出し管から分離器外へ排出される。一方気体は分離板の上面を通り、分離容器上部の混合物導入管とは逆の一端に接続された気体抜き出し管より分離器外に排出される。
【0013】
【発明の実施の形態】
〔実施例〕以下では、実施例を挙げ図面を用いて本発明を詳細に説明する。図1(a) 、(b) は本発明の気固分離器の一実施例を示すもので、図1(a) は正面断面図、図1(b) は側面図である。また、図2はこの気固分離器の正面断面図である。
【0014】この気固分離器の本体となる分離容器(角筒部(1) )は図1(a) でわかるように正面から見ると長方形の下の2端を切り落としてできる六角形の形状をしており、内部は水平方向断面矩形の鉛直に延びる分離用空間(S) となっている。換言すると、一対の対面壁のみが下方で順次狭幅に接近して対向斜面(A1,A2) を形成し残る一対の対面壁は一定間隔を保った対向鉛直面(B,B) を形成するとともに上方に前記分離用空間部(S) を閉塞する天板(8) を接合することで角筒部(1) が構成されている。
【0015】図1(b) の側面図に顕れているように角筒部(1) は前後方向に厚さ(幅)Lを持つ箱形の容器である。この角筒部(1) の上端で一方の対向斜面(A1)に寄って前記天板(8) の端部近傍で開口し前記分離用空間部(S) に連通する混合物導入管(2) が接続されており、前記天板(8) の他端近傍には他方の対向斜面(A2)に寄って開口し前記分離用空間部(S) に連通する気体抜出管(3) が接続されている。また、角筒部(1) の下面には筒状一定断面積の固体抜出管(4) が接続されている。このように角筒部(1) は底面の固体抜出管(4) の端縁部に向かって傾斜をなしている。
【0016】前記分離用空間部(S) 内部で気体抜出管(3) の下方には高さ方向略中央部には分離板(5) が略水平に固設されている。即ち、分離板(5) の一端の辺部は角筒部(1) 気体抜き出し管(3) 側の対向斜面(側壁)に接しており、側壁からの突出長さはW2となっている。角筒部(1) はこの分離板(5) によって中程まで上下に区画され、混合物導入管側には内部の分離用空間部(S) 上下を結ぶ連通路(7) が形成されている。この連通路の幅は(W−W2)となる。
【0017】混合物導入管(2) から系内すなわち分離用空間部(S) へと導入された気固混合物は混合物導入管(2) 、角筒部(1) の上半部分、気体抜出管(3) によって形成されるU字型の通路を方向を変えながら通過するときに遠心力によって気体と固体の分離が行われる。遠心力により分離された固体は前述した連通路(7) を通って角筒部の下部へと落下して、固体抜出管(4) から系外に排出される。
【0018】この場合の遠心力による気固の分離速度は混合物の線速度によって変化する。線速度が大きければ分離が速く、分離器がなす通路での180度の旋回の初期に分離が終わってしまう。この場合は分離板(5) の長さLを大きくした方が分離効率が高い。これは固体への遠心力が強く混合物導入管から分離容器に入った混合物中の固体がほとんど旋回せずに直進するため連通路(7) を狭くしても大部分の固体が通路を通ることができるからであり、かつ分離板が長いことにより分離容器下部からの固体の巻き上げが防止できるからである。
【0019】逆に混合物の線速度が小さいときは分離速度が遅く、180度の旋回の後期にならないと分離が終了しない。この場合はW2を小さくした方が良い。これは分離板(5) が長すぎると分離が間に合わない固体が分離板(5) の上部に入り込んでしまうためである。分離板(5) が短いと通路が大きくなってしまうが、気体の線速度が小さいため角筒部(1) 下部からの固体の巻き上げは問題とならない。
【0020】分離板(5) の長さW2は具体的にはWを基準として下式に準じて決定されることが好ましい。
W2/W=−0.0004V2 +0.0201V+0.4437;
V:混合物あるいは気体の線速度(m/s)
【0021】混合物導入管の直径Dmは該分離器に供給される混合物の流量から、混合物の線速度を適当な値にするべく決定される。具体的には混合物線速度が3〜40m/s、好ましくは5〜20m/sとなるよう調整される。混合物線速度が3m/sより小さいときは分離容器内での混合物の旋回速度が小さすぎて十分な分離が行われない。一方混合物線速度が40m/sより大きいと分離器の磨耗が激しくなって好ましくない。
【0022】前記気体抜出管の直径Dgは混合物導入管の直径Dmとほぼ等しいことが望ましい。これは混合比が大きいときでも体積比で見ると気体の量に比べて固体の量が非常に小さいため、DmがDgと等しければ混合物あるいは気体の線速度が一定となりスムーズに分離が行われるからである。ただし混合比が20以上のときはDgをDmの80%まで小さくしても差し支えない。
【0023】固体抜抜出管の直径DsはDmの1〜1.5倍、好ましくは1.2〜1.3倍であることが好ましい。1倍より小さい場合は固体の抜き出し速度が遅くなり好ましくない。1.5倍より大きいときは気体の存在しうる空間が大きくなりすぎ結果的に分離器内の気体の滞留時間が無駄に大きくなるため好ましくない。
【0024】混合物導入管(2) 、気体抜出管(3) 、固体抜出管(4) は必ずしも円筒である必要はなく、断面の等しい四角柱型の管であっても良い。角柱体の幅WはDmの2.5〜3.5倍、好ましくは3倍であることが好ましい。2.5倍より小さいと混合物導入管(2) と気体抜出管(3) の距離が狭くなりすぎて製造が困難となる。また3.5より大きいと混合物導入管(2) 、角筒部(1) の上部と気体抜出管(3)で形成する流路がU字型を成しえなくなり、遠心力がうまく働かず分離効率が低下する。
【0025】分離容器としての角筒部(1) の奥行きLはDsと等しいことが望ましい。Dsより小さいときは各導入管、抜き出し管を角筒部(1) に接続できなるからであり、Dsより大きいと分離に関係のない無駄な空間を作ることになり、分離器内の気体の滞留時間が大きくなるため好ましくない。
【0026】また、角筒部(1) の高さHはDmの2〜3倍であることが望ましい。2より小さいと分離板(5) で仕切られた角筒部(1) 上部の空間が小さくなりすぎ圧力損失が大きくなるため好ましくない。値が3より大きいと分離容器内の気体の滞留時間が大きくなるため好ましくない。
【0027】前記分離板(5) が挿入される位置は該角筒部(1) と分離板(5) の距離がDmの1〜1.5倍となるよう決められることが望ましい。1より小さいと分離板(5)で仕切られた角筒部(1) 上部の空間が小さくなりすぎ圧力損失が大きくなるため好ましくない。1.5より大きいと分離容器内の気体の滞留時間が大きくなるため好ましくない。
【0028】角筒部(1) の底面がなす斜面(6) の水平面との角度θは使用する固体の安息角θ’より5〜10度大きいことが好ましい。θが小さすぎると固体の固体抜き出し管への流れが妨げられ好ましくない。θが大きすぎると結果的にHが大きくなり気体の滞留時間が大きくなるため好ましくない。
【0029】斜面(6) の形成方法としては、図2にて示すように角筒部(1) の底面は水平面に製造し、そこに三角形の耐浸食性のあるライニング材を固設することで達成しても良い。特にこの手法は混合物導入管側の斜面(6) 部分は稼働時に固体の衝突が多いから浸食を防ぐ意味でも好ましい。
【0030】以下、本発明を適用した実施例で実際に得られた実験結果を挙げる。各例においては第1図に示す好ましい形態のものであって各部の寸法が下記第1表に示すような数値である分離器群を使用した。固体には重質油から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触媒を用いた。この触媒の平均粒径は63ミクロン、カサ比重は0.85g/cm3 である。また、気体には常温の空気を用いた。混合比は20であった。
【0031】
【表1】

【0032】〔実施例1〕;表1に示した各部寸法の分離器で得られた結果は、上記条件下で気体の線速度4、10、20m/sに対して分離効率は夫々90、88、86%であった。また分離器内の気体の滞留時間は夫々0.07、0.022、0.011秒であった。
【0033】〔実施例2〕;分離板の長さW2を70mmとした他は全て実施例1と同様な条件で実験を行った。このとき気体の線速度4、10、20m/sに対して分離効率は91、89、85%であった。また分離器内の気体の滞留時間は0.07、0.025、0.013秒であった。
【0034】〔実施例3〕;分離板の長さW2を60mmとした他は全て実施例1と同様な条件で実験を行った。このとき気体の線速度4、10、20m/sに対して分離効率は93、86、79%であった。また分離器内の気体の滞留時間は0.08、0.03、0.015秒であった。
【0035】〔比較例1〕;実施例1と各部の寸法が同一で容器1の底面が水平な分離器を使用した。この例では分離容器1の底面には固体が堆積し、静止床を形成した。この部分からの固体の巻き上げが増加したため分離効率は低下し、70%に留まった。
【0036】以上説明した本発明による分離器は粉粒体状の固体を触媒または熱媒体として気体または液滴と接触させて反応を行わせる装置において、反応により生じた固体と気体生成物の混合物から固体を迅速に分離することにより短反応時間を達成することが望まれる場合に好ましく用いられる。特に固体供給量が多いか、または混合比が高い場合により好ましく用いられるもので、例として重質油の流動接触分解によるガソリンの製造装置(FCC)やFCCよりさらに高温、短接触時間で軽質オレフィンを製造する装置などがあげられる。
【0037】本発明の主な利点は気固混合物を180度旋回させることにより迅速に固体の除去を行う点にある。このため分離器内の気体の滞留時間が非常に短い。また固体抜き出し口が分離容器の下部中央に接続されており、分離容器底面に水平部分が無く固体抜き出し口に向かって傾斜しているため、固体の抜き出しが非常にスムーズである点も本発明の大きな特徴である。このため固体の供給量あるいは混合比が大きくなっても分離効率が低下しない。
【0038】さらに分離容器中央に分離板を設けたことに対応して、分離容器下部から気体抜き出し口に向かっての固体のまきあげを防止できる。なお、固体の衝突による磨耗は混合物導入口直下の分離容器底面で激しいが、この部分を図2で示したのように水平の分離容器底面と三角形の防護材で形成することにより磨耗による障害を回避できる。また、分離板の磨耗も同様に激しいが、分離板自体の厚さを必要に応じて大きくできるので問題とならない。
【0039】
【発明の効果】以上説明した如く本発明の気固分離器は、水平方向断面矩形の鉛直に延びる分離用空間部(S) を備え一対の対面壁のみが下方で順次狭幅に接近して対向斜面(A1,A2) を形成し残る一対の対面壁は一定間隔を保った対向鉛直面(B,B) を形成するとともに上方に前記分離用空間部(S) を閉塞する天板(8) を有した角筒部(1)と、この角筒部(1) の下端に連続する筒状一定断面積の固体抜出管(4) と、同じ角筒部(1) の上端で一方の対向斜面(A1)に寄って前記天板(8) 一端近傍で開口し前記分離用空間部(S) に連通する混合物導入管(2) と、残る対向斜面(A2)に寄って前記天板(8) 他端近傍で開口し前記分離用空間部(S) に連通する気体抜出管(3) と、前記分離用空間部(S) 内部に高さ方向略中央部で前記混合物導入管(2) 下方に略水平に固設された分離板(5) とにより構成されており、結果、処理対象が高混合比の場合にも対応でき従前のものに比して装置内の気体の滞留時間がより短く、固体の除去率も高い気固分離器が得られる。




 

 


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