(57)【要約】本発明は、アルキル化反応器又は熱交換器の管シート（２４ｂ）を横断する入口ノズル（２３）から出て来る蒸気／液体流を分配することを特徴とする。流れ分配器（５０）は、入口ノズル（２３）から出て来る２相流を捕え、これを管シート（４ｂ）に向かって転回させ、管シート（２４ｂ）を横断して均一な混合物を配送する。流れ分配器（５０）は、反応器又は熱交換器のチャンネルヘッド（２４）に配置する。入口ノズル（２３）の壁から液体膜を除去するため、流れ分配器（５０）内にトリップリング（５２）及び角張ったトリップタブを設ける。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャンネルヘッドを有するシェルであって、該チャンネルヘッドは、入口ノズル、及び隔壁により分離された出口ノズルを有する該シェルと；複数のｕ形管を搭載するため、前記シェルの長さを横断して設けた管シートであって、該ｕ形管は、前記チャンネルヘッドの入口側からシェルの長さを横断して、該チャンネルヘッドの出口側までＵターンを形成する該管シートと；を備えたアルキル化反応器において、
前記チャンネルヘッドの入口側に入る流体を前記管シートの入口側上方に均一に分配するため、該チャンネルヘッドの入口側内に設けた流れ分配器を更に備え、該流れ分配器は、チャンネルヘッド入口側の入口ノズルを密封可能に囲むため、入口側を有すると共に、前記流体流を入口方向から前記管シート及び更に前記ｕ形管の入力側に向かって転回させるようにした多様性ホーン形ダクトである該アルキル化反応器。
【請求項２】
前記ホーン形ダクトが、管シートから隔離される請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記入口ノズル内部の液体流を取り除くため、流れ分配器の入口側上に設けたトリップリングを更に有する請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記トリップリングの直ぐ下流に、その円周の周りの流れ分配器の入口側の壁内に食い込んだ複数の窓を更に有する請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記分配器の屋根上を流れる液体膜を取り除くため、流れ分配器の内面の頂部に固定したトリップバーを更に有する請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記ホーン形ダクトが、管シートの入力管を密封可能に囲む請求項１に記載の装置。
【請求項７】
蒸気又は液体を前記入口チャンネルヘッドの残部と連通させるため、通気窓を更に有する請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記入口ノズル内部の液体流を取り除くため、流れ分配器の入口側上に設けたトリップリングを更に有する請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記トリップリングの直ぐ下流にその円周の周りの流れ分配器の入口側の壁内に食い込んだ複数の窓を更に有する請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記流れ分配器の屋根上を流れる液体膜を取り除くため、該分配器の内面の頂部に固定したトリップバーを更に有する請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
チャンネルヘッドを有するシェルであって、該チャンネルヘッドは、入口ノズル、及び隔壁により分離された出口ノズルを有する該シェルと；複数のｕ形管を搭載するため、前記シェルの長さを横断して設けた管シートであって、該ｕ形管は、前記チャンネルヘッドの入口側から出口チャンネルヘッドまでシェルの長さを横断する該管シートと；を備えた熱交換器において、
前記チャンネルヘッドの入口側に入る流体を前記管シートの入口側上方に均一に分配するため、該入口チャンネルヘッド内に設けた流れ分配器を更に備え、該流れ分配器は、前記チャンネルヘッド入口側の入口ノズルを密封可能に囲むため、入口側を有すると共に、前記流体流を入口方向から前記管シート及び更に前記ｕ形管の入力側に向かって転回させるようにした多様性ホーン形ダクトである該熱交換器。
【請求項１２】
前記ホーン形ダクトが、管シートから隔離される請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記入口ノズル内の液体流を取り除くため、流れ分配器の入口側上に設けたトリップリングを更に有する請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記トリップリングの直ぐ下流にその円周の周りの流れ分配器の入口側の壁内に食い込んだ複数の窓を更に有する請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記分配器の屋根上を流れる液体膜を取り除くため、流れ分配器の内面の頂部に固定したトリップバーを更に有する請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記ホーン形ダクトが、管シートを密封可能に囲む請求項１１に記載の装置。
【請求項１７】
前記入口ノズル内の液体流を取り除くため、流れ分配器の入口側上に設けたトリップリングを更に有する請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記トリップリングの直ぐ下流にその円周の周りの流れ分配器の入口側の壁内に食い込んだ複数の窓を更に有する請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記流れ分配器の屋根上を流れる液体膜を取り除くため、該分配器の内面の頂部に固定したトリップバーを更に有する請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
アルキル化反応器の管シートを横断する液体流を均一に分配する方法において、
液体流をアルキル化反応器の入口チャンネルヘッド内に向ける工程、
前記液体流の方向を入口チャンネルヘッド内で約９０度変化させる工程、
前記液体流を、その流れ方向を変化させながら強制的に分岐させる工程、及び
前記液体流を管シートの入口側上方に均一に向ける工程、
を含む該方法。
【請求項２１】
熱交換器の管シートを横断する液体流を均一に分配する方法において、
液体流を熱交換器の入口内に向ける工程、
前記液体流の方向を熱交換器入口内で約９０度変化させる工程、
前記液体流を、その流れ方向を変化させながら強制的に分岐させる工程、及び
前記液体流を管シートの入口側上方に均一に向ける工程、
を含む該方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の分野
本発明は、アルキル化反応器のチャンネルヘッド内の反応器炭化水素流出流の分配を向上して、反応器の冷却を改良すると共に、管の汚染及び腐蝕を最小にする流れ分配器に関する。一般的に言えば、本発明は、熱交換器のチャンネルヘッドに液体／蒸気の組合わせ流で入る熱交換器のチャンネルヘッドでの液体の分配を改良するのに利用できる。
【背景技術】
【０００２】
関連技術の説明
アルキル化方法では、イソブタンは、硫酸又は塩酸エマルジョンの存在下に軽質オレフィンと反応させる。このオレフィン分子の炭素数及び異性体構造に応じて、オクタン価が８０台から１００という高い範囲の分岐鎖イソパラフィンが生じる。硫酸法では、反応は、通常、４．４℃（４０°Ｆ）〜１０℃（５０°Ｆ）で起こり、冷却を必要とする。
【０００３】
当業者に公知の方法の概略を図１に示す。この方法では、液相オレフィン１０及びイソブタン１２は、約４．４℃（４０°Ｆ）で反応器１４に連続的に供給される。混合羽根車１６により、反応器１４中に混和不能の炭化水素と硫酸とのエマルジョンが形成される。また混合羽根車１６は、エマルジョンを、反応器１４内の冷却管（図示せず）を横断して循環させる。エマルジョンは、反応器１４からライン１７を通って沈降タンク１８に押し上げられ、ここで炭化水素相及び酸相が分離する。次いで酸は、重力によりライン２０を通って反応器１４に戻される。動力用アルキレート、過剰のイソブタン、プロパン及びノーマルパラフィンを含有する炭化水素相は、沈降タンク１８からライン１９を通ってフラッシュバルブ２２に放出された後、反応器１４のチャンネルヘッド２４の入口ノズル２３に進入する。チャンネルヘッド２４の入口ノズル２３から、炭化水素蒸気及び液体が、管束２６（図２参照）内に流れ、出口ノズル２５から出て行く。この管束は、Ｕ形管を例えば３００〜１０００＋備えることができる。過剰のイソブタン及び軽質炭化水素の一部は、反応器流出流として気化し、Ｕ管内に流れ、これによりプロセスを冷却する。反応器流出流３０は、フラッシュドラム３２に進行する。フラッシュドラム３２からの蒸気は、圧縮機３４で圧縮され、冷却機３６及び次いでライン３７ａを通って分離器３７に向かう。分離器３７からのプロパンに富む流れ３７ｃは、脱プロパン塔３８で精留され、ＬＰＧ生成物流３８ａは、このユニットからパージされる。フラッシュドラム３２からの液体流３５ａは、脱イソブタン塔３５で精留される。塔底のアルキレート３５ｃは、このユニットから出て、通常、ガソリン配合に向かう。ノーマルブタンサイドドロー（ｓｉｄｅ  ｄｒａｗ）流３５ｂもこのユニットを出る。未反応イソブタンに富む塔頂流３５ｄは、分離器３７からのイソブタンに富む流れ３７ｂ及び脱プロパン塔３８からの流れ３８ｂと組合わさって、反応器１４に再循環される。
【０００４】
アルキル化反応器の管束アッセンブリーについての工業規格設計は、数百のＵ形管を含んでよい。管アッセンブリー２６を有する通常のチャンネルヘッド２４を図２に示す。チャンネルヘッド２４の隔壁２４ａは、チャンネルヘッドを入口側２３ａと出口側２５ａとに分離する。フラッシュバルブ２２からの反応器流出流である蒸気／液体流は、入口ノズル２３から入り、チャンネルヘッド２４の入口室２３ａ中に進行する。この設計には、幾つかの基本的欠陥がある。２相流は、既にフラッシュし始めているので、かなりの高速度でチャンネルヘッド２４の入口室２３ａに入り、隔壁２４ａに衝突する。入って来る流れを、管束２６が載った管シート２４ｂに向かって転回させる対策はなされていない。若干の流れは、管シートに取付けたＵ形管（管束２６を有する）の入口端に向かって曲がり、また若干の流れは、管シートから離れて半楕円ヘッド２４中に流れる。ヘッド２４の入口側２３ａに循環する流れは、巻き戻り（ｃｕｒｌ  ｂａｃｋ）、（入口ノズル２３から）上昇する入口ジェットの周りを通って、管束２６の外側、即ち周囲に配置されたＵ形管に入る。液体相は、蒸気相よりも遥かに濃いので、液体の大部分は、管シート２４ｂの入口管の中心に向かって転回するか、或いは隔壁２４ａに衝突する。ヘッド２４の入口側２３ａから巻き戻って、管束２６の外側管を流通する蒸気は、液体に欠けるので、熱伝達が非常に遅い。当業界の経験から、汚染及び管の漏洩による問題は、一般に外側管で観察され、流れの分配は不十分であることが確認されている。
【０００５】
入って来る流れを複数の流れに分割する内部羽根を取り入れた発明も文献に報告されている。（ＵＳＰ  ５，５３１，２６６、同５，６２５，１１２及び同５，８１１，６２５参照）
入って来る流れを複数の流れに分割する方法として、反応器のチャンネルヘッド内に配置した小径管の束を用いて行うことが報告されている。
この公知文献には、アルキル化方法において、冷却を改良すると共に、腐蝕を最小にすることにより管束の寿命を延ばすため、ここに説明したような流れ分配器を使用することについて報告されていない。
【特許文献１】ＵＳＰ  ５，５３１，２６６
【特許文献２】ＵＳＰ  ５，６２５，１１２
【特許文献３】５，８１１，６２５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
これと同じ装置を用いて、同様に構成した熱交換器チャンネルヘッドの管シート上で２相入口流中の液体の分配を改良できる。固定管シート、Ｕ管、浮きヘッド等の各種シェル及び管熱交換器において、入って来る液体フラクションが均一に気化することを所望する場合、本発明は、前記均一な分配を促進する。この均一な分配は、熱交換器において、液体の気化及び熱伝達を向上する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
発明の概要
チャンネルヘッドを持ったシェルであって、該チャンネルヘッドは、入口ノズル、及び隔壁により分離された出口ノズルを有する該シェルと；複数のｕ形管を搭載するため、前記シェルの長さを横断して設けた管シートであって、該ｕ形管は、前記チャンネルヘッドの入口側からシェルの長さを横断して、該チャンネルヘッドの出口側までＵターンを形成する該管シートと；を備えたアルキル化反応器において、
前記チャンネルヘッドの入口側に入る流体を前記管シートの入口側上方に均一に分配するため、該チャンネルヘッドの入口側内に流れ分配器を更に備え、該流れ分配器は、チャンネルヘッド入口側の入口ノズルを密封可能に囲むため、入口側を有すると共に、前記流体流を入口方向から前記管シート及び更に前記ｕ形管の入力側に向かって転回させるようにした多様性ホーン形ダクトである改良。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図面の簡単な説明
図１は、従来技術のシステムについての通常のアルキル化ユニットプロセスフローダイヤグラムの概略図である。
図２は、従来技術のアルキル化反応器についての通常の工業規格設計の断面図である。
図３Ａは、本発明による流れ分配器の側断面図である。
図３Ｂは、本発明による流れ分配器の他の一例の側断面図である。
図４Ａは、トリップリング及び吸引器スロットの詳細を示す断面図である。
図４Ｂは、トリップリング及び吸引器スロットの詳細を示す他の断面図である。
図５Ａは、トリップリング及び角張ったトリップバーを有する流れ分配器の正面図である。
図５Ｂは、流れ分配器の角張ったトリップバー部分の正面図である。
図５Ｃは、トリップリング及び角張ったトリップバーを有する流れ分配器の他の正面図である。
図６Ａは、図３の流れ分配器の後部の図を示す。
図６Ｂは、図３の流れ分配器の前部の図を示す。
図６Ｃは、図３の流れ分配器の頂部の図を示す。
図７は、第１表のデータを得るために用いた管シート及び管構成の概略図である。
【０００９】
発明の説明
前述の工業規格設計の主な欠点は、管シートを横断する不十分な流れ分配に的を絞っていないことである。当業界の傾向は、圧力降下を増大させる制限オリフィスを使用することにより、管入口を変更することである。これにより、流れ中の液体フラクションは増大し、また恐らく液滴の大きさは増大するが、流れ分配を十分には改良しない。実際に、管挿入物を使用する当業界の傾向は、蒸気相及び液体相の完全な分離を起こすことにより、不十分な流れ分配を悪化させる。
【００１０】
公的専門分野で報告された発明とは異なり、出願人の発明は、内部羽根又は邪魔板により入口流を多数の流れに分割する必要がない。内部羽根や邪魔板は、チャンネルヘッド内で溶接しなければならず、したがって、反応器の入口ノズルを休止し、閉塞する。ここに開示した入口装置の設計は、一般に熱交換器のような管束アッセンブリーに対する流れ分配の改良に広く利用できる。
【００１１】
出願人の発明は、時には接触器とも言われる従来技術で公知のアルキル化反応器の改良に向けたものである。アルキル化反応において、主な制限の１つは、反応器温度である。エマルジョンから反応器流出流までの全熱伝達を増大させることにより、反応器温度を低下させると、速度（及び収率）が大きく上昇する。
【００１２】
全熱伝達速度は、管束を有する複数の管を通る蒸気／液体流の分配の程度により大きく影響される。従来技術で知られている通り、外側、即ち周囲の管内のように液体が不足した管では、熱伝達速度が非常に遅い。したがって、管束を横断する分配の不十分な液体流は、全熱伝達を著しく低下させる。管の幾つかが最小の液体を見て、これにより一層高温で（ｈｏｔｔｅｒ）運転する場合、分配が不十分な流れは、管の腐蝕を促進し、続いて管の漏れを起こす。アルキル化ユニットで通常、経験するのは、管の漏れは、ユニットの停止及び管束アッセンブリーの早すぎた交換の主な原因となることである。
【００１３】
ここに開示した発明は、入口ノズルから出て来る蒸気／液体流を受け取り、次いでこれを管シートの入口側を横断して均一に分配する方法及び装置に向けたものである。この方法及び装置は、図３Ａに示すような流れ分配器５０を用いることにより達成される。流れ分配器５０は、図３Ａに示すように、反応器チャンネルヘッドの入口ノズル２３に取付ける。流れ分配器５０は、チャンネルヘッド２４内の入口ノズル２３に平溶接される。流れ分配器５０の内部横断面は、図３Ａに示すように、カーブしたロートの横断面と同様で、入口ノズル２３の入口の横断面から管シート２４ｂ（取付けた管束２６は図示せず）の管シート２４ｂに向かう排出部の横断面まで連続的に変化する。この横断面面積の変化は、平滑であっても或いは図３Ａに示すように、幾つかの段階に斜め継ぎしてもよい。流れ分配器５０は、入口ノズル２３から出て来る反応器流出流の２相流を受け取り、これを分岐させながら、約９０度転回させ、次いで均一な混合物を管シート２４ｂの入口管（図示せず）を横断して配送する。流れ分配器５０の面と管シート２４ｂとの間は、１／１６インチ〜３インチのオーダーの分離５３が維持されている。この間隔５３は、このホーン内の蒸気及び液体をチャンネルヘッド２４の残部と連通させるために必要である。この連通の目的の一部は、以下に説明するように、複数の管に入る液体が、吸引によりスロット５２ａを通って収集するためである。図３ｂに示す他の実施態様では、流れ分配器５０の面５０ｂは、管シート２４ｂと接触して配置してもよい。この実施態様では、管２６に入らない液体を排出すると共に、蒸気をチャンネルヘッドの残部と連通させるため、流れ分配器５０には、排出孔５０ｃ及び／又は通気孔５０ｄを設ける必要がある。
【００１４】
入口ノズル２３からチャンネルヘッド２４に入る流れは、蒸気と液体との混合物である。但し、液体の一部は、入口パイプ及びノズル２３の内径に沿った膜として存在する。図３Ａ、３Ｂ及び更に詳細には図４Ａに示すように、流れ分配器５０の入口には、トリップ（ｔｒｉｐ）リング５２が取付けてある。トリップリング５２は、液体膜を取り除き、これをばらばらにして液滴にするのを助ける。次に、この液滴は、流れ分配器５０を通る（ｔｈｒｏｕｇｈ）蒸気により搬送される。スロット（又は窓）５２ａは、図４Ａ、４Ｂに示すように、流れ分配器５０（円周の周り）の底部沿いに、かつ底部を貫通して（ｔｈｒｏｕｇｈ）切断されている。スロット５２ａは、トリップリング５２の直ぐ下流に配置される。トリップリング５２の“ベンチュリ”作用は、チャンネルヘッド２４の底部２４ｃに蓄積する液体をスロット５２ａから流れ分配器５０中に吸引し、これにより液体相の分配を更に向上することである。
【００１５】
図５Ａ〜５Ｃにおいて、蒸気／液体混合物は、分配器５０の外形（ｃｏｎｔｏｕｒ）により約９０°転回すると、液体膜は、流れ分配器５０の屋根５０ａの内側上で発達し始める。分配器５０の屋根に配置した角張ったトリップバー５４は、この液体膜を取り除いて液滴を生じさせ、更に流れ分配を改良するのに役立つ。
【００１６】
図５Ａ〜５Ｃは、流れ分配器５０、トリップリング５２及びトリップバー５４の外観を示す。トリップバー５４は、流れ分配器５０の屋根５０ａ上に流れ方向に対し約２０〜１８０度、好ましくは１２０度で設けられている。トリップバー５４は、分配器５０の屋根５０ａ上の液体膜をばらばらにして液体分配の均一性を向上する。トリップバー５４としては、バーを別個の断片に分け、各断片を個々に屋根５０ａ上に設けるなどの他の実施態様も挙げられる。更に別の実施態様では、トリップバーは、バーに“溝”又は“Ｖ字型切り込み”カットを入れて、ぎざぎざにしてもよい。
【００１７】
図６Ａ〜６Ｃは、分配器５０のそれぞれ後部、前部、頂部の図を示す。
出願人の発明は、工業規格に比べて、アルキル化反応器の管束２６の入口管を横断する蒸気／液体流の分配を著しく改良する。この分配は、入口ノズル２３を通る入口流の隔壁２４ａへの衝突を防止することにより達成される。その代わり、流れ分配器５０が、入口流を広げながら、流れ方向を約９０度変え、この流れを管シート２４ａの入口側の横断に均一に向ける。ここに説明した流れ分配器５０は、入口流を複数の流れに均等に分割することに依存するものではない。この改良流れ分配器は、反応器を低温で操作することにより、能力を増大すると共に、収率を改良できる。更に、管束２６を横断する流れの一層良好な均一性により、管の汚染及び腐蝕が最小となり、その結果、管束アッセンブリーの寿命の伸びることが期待される。
以上説明した流れ分配器は、この方法についての詳細な２相流コンピューターシミュレーションを用いると共に、市販のアルキル化反応器チャンネルヘッドのスケール雛型をテストすることにより発展した。
【００１８】
図７は、第１表のデータを得るために用いた管レイアウト配列を持つ管シートを示す。現存の設計（従来技術）及び新しく考案した流れ分配器５０について、チャンネルヘッド２４に流入し、管シートを横断する蒸気／液体２相流をシミュレートした。本発明では、第１表に示すように、管束を横断する流れの分配に顕著な改良が見られた。管シートを横断する液体の分配は、スケール雛型の各管から出る液体の流速を測定することにより求めた。スケール雛型は、図７に示すように、４８本の管を配列した管アッセンブリーからなる。第１表は、各管列からの液体流速を、チャンネルヘッドに対する入口での全液体の百分率として示す。
【００１９】
実験の結果（第１表参照）、ここで示し説明したような流れ分配器５０を用いた場合、管シート２４ｂの入口管を横断する蒸気／液体流の分配に顕著な改良を示した。出願人の発明は、一層効率的かつ強靭であり、特に羽根や邪魔板を含まないので、現存のアルキル化反応器で殆ど費用や危険もなく実施できる。
【００２０】
【表１】
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【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】従来技術のシステムについての通常のアルキル化ユニットプロセスフローダイヤグラムの概略図である。
【図２】従来技術のアルキル化反応器についての通常の工業規格設計の断面図である。
【図３Ａ】本発明による流れ分配器の側断面図である。
【図３Ｂ】本発明による流れ分配器の他の一例の側断面図である。
【図４Ａ】トリップリング及び吸引器スロットの詳細を示す断面図である。
【図４Ｂ】トリップリング及び吸引器スロットの詳細を示す他の断面図である。
【図５Ａ】トリップリング及び角張ったトリップバーを有する流れ分配器の正面図である。
【図５Ｂ】流れ分配器の角張ったトリップバー部分の正面図である。
【図５Ｃ】トリップリング及び角張ったトリップバーを有する流れ分配器の他の正面図である。
【図６Ａ】図３の流れ分配器の後部の図を示す。
【図６Ｂ】図３の流れ分配器の前部の図を示す。
【図６Ｃ】図３の流れ分配器の頂部の図を示す。
【図７】第１表のデータを得るために用いた管シート及び管構成の概略図である。
【符号の説明】
【００２２】
１０      液相オレフィン
１２      イソブタン
１４      反応器
１６      混合羽根車
１８      沈降タンク
２３      入口ノズル
２３ａ    入口側
２４      チャンネルヘッド又は半楕円ヘッド
２４ａ    隔壁
２４ｂ    管シート
２４ｃ    底部
２５      出口ノズル
２５ａ    出口側
２６      管束
３０      流出流
３２      フラッシュドラム
３４      圧縮機
３５      脱イソブタン塔
３６      冷却機
３７      分離器
３８      脱プロパン塔
５０      流れ分配器
５０ａ    屋根
５０ｂ    面
５０ｃ    排出孔
５０ｄ    通気孔
５２      トリップリング
５２ａ    スロット又は窓
５３      分離
５４      トリップバー
【図１】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
2005526884.tif 000009
【図４Ａ】
2005526884.tif 000010
【図５Ｂ】
2005526884.tif 000011
【図５Ｃ】
2005526884.tif 000012
【図６Ａ】
2005526884.tif 000013
【図６Ｂ】
2005526884.tif 000014
【図６Ｃ】
2005526884.tif 000015
【図７】
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【国際調査報告】
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2005526884.tif 000018