(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多相流体を２つ以上の流れにする分流装置であって、
該多相流体は、第１の密度を有する第１成分、および第１の密度より高い第２の密度を有する第２成分を含み、
供給端、および排出端に流動的に連結されている複数の分配導管を備えた排出端を有する垂直に配向された供給導管を含み、
分配導管は供給導管の縦軸に対して対称的に配置されて、供給導管から再分配された流れを受け取り、
排出端の上流の位置で供給導管に流動的に連結されているか、または供給導管と一体的に形成されており、多相流体に接線運動を誘発し、それによって各分配導管において実質的に同じ相分布が達成されるように、第２成分の少なくとも一部が優先的に供給導管の内壁に押し付けられるようにして供給導管中に再分配された流れを形成する流再分配要素を含み、さらに
多相流体の各相は不混和性であり、
該２つ以上の流れは、多相流と比較して、１０％以下の相含有量の相違を有しており、
該分流装置は、該２つ以上の流れを多重路燃焼式加熱器、蒸留カラム、原油装置、真空装置、改質器、水素化処理装置、又は水素化分解装置に分配する、分流装置。
【請求項２】
分配導管が、供給導管の縦軸に対して垂直に配置されている、請求項１に記載の分流装置。
【請求項３】
流再分配要素が、らせん形状を有する羽根を含む、請求項１に記載の分流装置。
【請求項４】
流再分配要素が、らせん形状を有する第２の羽根を含む、請求項３に記載の分流装置。
【請求項５】
流再分配要素が、供給端と排出端との間の供給管の内部に配置されている、請求項１に記載の分流装置。
【請求項６】
少なくとも２つの分配導管を含む、請求項１に記載の分流装置。
【請求項７】
分配導管が、衝突Ｔ字または衝突Ｙ字として構成されている、請求項１に記載の分流装置。
【請求項８】
少なくとも２つの連続して連結された流再分配要素を含む、請求項１に記載の分流装置。
【請求項９】
多相流体を各分配導管において同じ相分布を有する分配導管に分割する方法であって、
多相流体を垂直に配向された供給導管に供給するステップ、ここに多相流体が、第１の密度を有する第１成分、および第１の密度より高い第２の密度を有する第２成分を含み、
流再分配要素を用いて多相流体に接線運動を誘発して、それによって第２成分の少なくとも一部を優先的に供給導管の内壁に押し付け、供給導管中に再分配された流れを形成するステップ、
流再分配要素の下流の位置で、再分配された流れを少なくとも２つの部分に対称的に分割するステップを含み、ここで２つ以上の流れは多相流と比較して実質的に同じ相分布を有しており、
分割ステップが、供給導管の縦軸に対して対称的に配置されている少なくとも２つの分配導管を用いて行われ、しかして
該少なくとも２つの部分を、多重路燃焼式加熱器、蒸留カラム、原油装置、真空装置、改質器、水素化処理装置、又は水素化分解装置に供給する、方法。
【請求項１０】
流再分配要素が、供給導管の内部に配置されている、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
少なくとも２つの分配導管が、供給導管の縦軸に対して垂直に配置されている、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
流再分配要素が、らせん形状を有する羽根を含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
流再分配要素が、らせん形状を有する第２の羽根を含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１４】
流再分配要素が、供給導管の内部であってその供給端とその排出端との間に配置されている、請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００８年５月６日に出願された、本出願人らの同時係属中の米国特許仮出願第６１／０５０８８６号の優先権を主張するものである。
【０００２】
本発明の分野は、異なる密度を有する２つ以上の相の多相流を、同様の相組成の２つ以上の流れに分割することである。
【背景技術】
【０００３】
当分野では多くの流分離装置があり、多くの場合、供給管および分配導管の特定の配置は重要でない。しかしながら、流分離装置への供給物が多相流である場合、結果として生じる分割流の同様の（即ち、ほぼ等しい）組成を得るために、流分離装置の形状はより重要である。
【０００４】
例えば、ＷＯ２００４／１１３７８８に記載されているように、２つ以上の分配導管が分割供給物を引き出す相分離要素が提供される。または、Ｕ．Ｓ．Ｐａｔ．Ｎｏ．５，４１５，１９５および５，２１８，９８５に記載のとおり、不均一な分布を収容し、除去するために、バイパスラインと共に堰（ｗｅｉｒ）またはサンプ（ｓｕｍｐ）を供給管に連結することができる。同様に、Ｕ．Ｓ．Ｐａｔ．Ｎｏ．５，５５１，４６９に記載のとおり、不均一な分布を収容し、除去するために、バイパスラインと共に分配導管中にオリフィス板を用いることができる。さらなる既知の装置および方法において、Ｕ．Ｓ．Ｐａｔ．Ｎｏ．５，８１０，０３２に記載のとおり、分配導管中に予備分離羽根および個別のノズルを組み入れて、相の均一な分配を強化することができる。Ｕ．Ｓ．Ｐａｔ．Ｎｏ．４，５２２，２１８に示されているような、制御弁を備えた特定の管配置も用いることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２００４／１１３７８８号
【特許文献２】米国特許第５，４１５，１９５号明細書
【特許文献３】米国特許第５，２１８，９８５号明細書
【特許文献４】米国特許第５，５５１，４６９号明細書
【特許文献５】米国特許第５，８１０，０３２号明細書
【特許文献６】米国特許第４，５２２，２１８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このような既知の装置および方法は典型的に、２相流の分割において少なくとも幾つかの利点を提供するが、特に２相流が相当に異なる密度を有する２つ以上の相を含む場合、幾つかの欠点が存在する。従って、異なる密度を有する材料流を同様の相組成の２つ以上の流れに分割する、改良された装置および方法が依然として求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、場合により互いに不混和性であることのできる、異なる密度を有する少なくとも２つの相を含む多相流を分割する装置および方法に関する。好ましくは流分割に先立って、相に接線運動を誘発する再分配要素を用いて、異なる密度を有する相の径方向再分配が行われる。本明細書で用いられる用語「流体」は、流動するすべての材料、ならびに気体、液体、および固体を含むこれら自体、ならびにこれらのすべての組み合わせを指すことに留意されたい。従って、例えば多相流体は、異なる密度を有する２種の液体、液体および気体、または固体粒子が混入している液体からなることができる。
【０００８】
本発明の主題の一態様において、混合相流体（例えば、異なる密度を有する少なくとも２つの成分を含み、成分の少なくとも１つが流体である。）の分流装置は、供給端およびスプリッタ配置において排出端に流動的に連結されている複数の分配導管を有する排出部を有する供給導管を含み、分配導管は流入導管の軸に対して対称的に配置されている。流再分配要素は、供給導管に流動的に連結されており、混合相に接線運動を誘発し、それによってより高い密度の成分の少なくとも一部を優先的に供給導管の内壁に押し付けるように構成されている。流体の接線運動は、流体の旋回運動または回転運動を誘発し、用語「旋回運動」および「回転運動」は本明細書において同じ意味で用いられることに留意されたい。
【０００９】
特に企図される流再分配要素は、１つ以上の静止型ミキサとして、および／または混合相流体に旋回（回転運動）を誘発するように構成されている。従って、少なくとも一部の再分配要素は、１つ以上の湾曲（例えば、らせん状）要素を含む。さらに一般的に好ましくは、再分配要素は、供給端と排出端（もっとも典型的には２つ以上の分配導管を含む。）との間の供給管内部に配置されており、分流装置はさらに流分割要素として衝突（ｉｍｐａｃｔｉｎｇ）対称継手（例えば、分岐のためのＴ字またはＹ字継手）を含む。
【００１０】
従って、混合相流体を分流する方法は、混合相流体を供給導管に供給するステップであって、混合相流体が、第１の密度を有する第１成分、および第１の密度より高い密度を有する第２成分を含むステップ、ならびに混合相に接線運動を誘発して、それによってより高い密度の成分の少なくとも一部を優先的に供給導管の内壁に押し付けるステップを含むことになる。さらに別のステップにおいて、混合相は、流再分配要素の下流の位置で２つ以上の部分に分割される。流再分配および分割要素に関して、上記と同じ考慮事項が適用される。
【００１１】
本発明の様々な目的、特徴、態様、および利点は、添付の図面に加えて、以下の本発明の好ましい実施形態の詳細な説明からより明らかとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１Ａ】流再分配要素の代表的な形状を示す図である。
【図１Ｂ】流再分配要素の代表的な形状を示す図である。
【図１Ｃ】流再分配要素の代表的な形状を示す図である。
【図２Ａ】２つの分配導管の上流の供給導管中の第１の代表的な流分割装置を示す図である。
【図２Ｂ】図２Ａの装置における２相流体の模擬流を示す図である。
【図３Ａ】２つの分配導管の上流の供給導管中の第２の代表的な流分割装置を示す図である。
【図３Ｂ】図３Ａの装置における２相流体の模擬流を示す図である。
【図４Ａ】２つの分配導管の上流の供給導管中の第２の代表的な流分割装置を示す図である。
【図４Ｂ】図４Ａの装置における２相流体の模擬流を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明者等は、２つ以上の分配導管の上流に位置する１つ以上の流再分配要素を用いて、多相流を、多相流と比較して実質的に同じ相分布を有する２つ以上の流れに分割できることを見出し、再分配要素（典型的に供給導管のルーメン内部に配置されている。）は混合相に接線運動を付与し、第２成分の少なくとも一部を優先的に供給導管の内壁に押し付ける。本明細書で用いられる用語「実質的に同じ相分布」は、１０％以下、より典型的には５％以下の相含有量の相違を指す。例えば、多相流を分岐し、第１成分６０重量％および第２成分４０重量％を有する場合、導出された流れの一方が第１成分５６重量％および第２成分４４重量％を有するならば、分配導管において再分配要素の下流に導出された流れは実質的に同じ相分布を有すると言う。この例において、もう一方の導出された流れは、第１成分６４％および第２成分３６％を有する。
【００１４】
企図される装置および方法は、相のすべてまたは大部分が本質的に不混和性である（即ち、相の間に明確な界面を形成し、類似しない密度を有する（例えば、少なくとも１０％以上、典型的には少なくとも２５％相違））多相の流れを分割するのに特に適している。例えば、第１および第２相は、炭化水素流および非炭化水素（例えば、水）流、または液体水流および水蒸気流であることができる。本発明の主題のもっとも典型的な態様において、企図される装置は、垂直管、および下流の位置に、垂直管に流動的に連結した２つ以上の分配導管を備えた対称多分岐スプリッタ（例えば、衝突Ｔ字またはＹ字）を有し、流再分配要素は１つ以上の流再指向羽根を含み、流再分配要素はスプリッタの上流に位置している。本開示の残部において用語「衝突Ｔ字」は、２つの出口を有するスプリッタを指すために用いられるが、以下でさらに論じられるとおりすべての対称多分岐スプリッタが企図される。本明細書で用いられる用語「垂直」は、２０度以下の偏向で水平面と直角をなしている方向を指す。もっとも典型的には、これは地球の重力と平行な方向となる。
【００１５】
好ましい装置および方法は、１つ以上の流再指向要素（例えば、羽根）が好ましくは垂直管内部に位置しているか、または２相（もしくは、より多相）の分割が起こる衝突Ｔ字の上流の位置で管の内壁に連結しているため、相分離容器、堰、または導管外部の他の構造を必要としないことが特に理解されるべきである。接線方向の流れは高密度相を管の周縁に再分配するため、流再指向要素は管の内部に接線方向の流れ（例えば、旋回運動）を誘発することによって、スプリッタに入る前に多相流を調整する。従って、高密度相の流入管周縁への再分配は、流出導管に対して対称な各相の流れを促進し、これが次いで各相の各流出導管への均一な分配を促進することが認識されるべきである。
【００１６】
異なる視点から、２相を緊密に混合する静止型混合装置とは対照的に、本発明で企図される相再分配は、スプリッタ下流に向かう２相の実質的に均一であるが個別の分配を促進し、これが次いでスプリッタから出る各分配導管への２つ（以上）の相のほぼ均一な分配（即ち、各分配導管において実質的に同じ相分布）を可能にすることが認識されるべきである。このような形状は、有利には個別の相分離容器およびバイパス導管の必要性を排除する。対照的に、これまで知られているほとんどの装置および方法は、２相蒸気／液体流の比較的に均一な分割を促進する目的で、様々な特定の管および継手の配置を利用する（例えば、ＷＯ２００４／１１３７８８の図１）。または、２相流の分割を回避するために、並列の装置系列を設ける必要がある（例えば、ＷＯ２００４／１１３７８８の図４）。
【００１７】
企図される形状および方法はまた、２つ以上の分配導管を有する垂直衝突Ｔ字を用いることによって、並列の装置系列の必要性を回避する一助となり、それによって加工設備の資本コストを低減できる可能性のあることがさらに理解されるべきである。この様式で、単一管の２相流をほぼ均一に２つ以上の分配導管に分配することができる。従って、本発明で企図される装置および方法は、相の不均一な分配が機器の性能および／または能力に有害な影響を及ぼす工業用加工設備の設計および操作において特に望ましい。例えば、本明細書に提示の装置および方法は、有利には多重路燃焼式加熱器、多区画空気冷却器、大口径蒸留カラム、ならびに原油装置、真空装置、改質器、水素化処理装置（ｈｙｄｒｏｔｒｅａｔｅｒ）、および水素化分解装置（ｈｙｄｒｏｃｒａｃｋｅｒ）を含む様々な精製処理装置に一般に見出されるような並列流路を用いる他の機器への２相流の分配に用いることができる。
【００１８】
適切な流再分配要素に関して、このような構造、形状、および装置が混合相に接線運動を付与し、それによって第２成分の少なくとも一部が優先的に供給導管の内壁に押し付けられるかぎり、すべての構造、形状、および装置が適切であるとみなされることが企図される。従って、適切な流再分配要素は、供給導管内の混合相流に接線運動を付与する１つ以上の羽根、らせん要素（典型的に供給導管内部の同軸上に配置される。）、噴出口（ｊｅｔ）、またはノズルを含むことになる。
【００１９】
しかしながら、流再分配要素は、１つ以上の羽根またはブレードが混合相に接線運動を付与する静止型ミキサであることが特に好ましい。例えば、適切な再分配要素の配置は、Ｕ．Ｓ．Ｐａｔ．Ｎｏ．４，０６８，８３０（粘性流体の層流混合／ブレンドでの使用を記載）、Ｕ．Ｓ．Ｐａｔ．Ｎｏ．４，１１１，４０２（らせん軸を使用）、Ｕ．Ｓ．Ｐａｔ．Ｎｏ．４，４６１，５７９（二等辺三角形基板および羽根を使用）、ならびにＵ．Ｓ．Ｐａｔ．Ｎｏ．３，２８６，９９２（複数の湾曲要素）に教示されている静止型ミキサに見出される。流再分配要素の位置に関して、要素は一般にスプリッタの上流に配置され、装置の特定の性質が少なくともある程度、供給導管に対する位置を決定することになることが認識されるべきである。しかしながら、一般に好ましくは、流再分配要素は、場所を節約するために供給導管のルーメン内部に配置される。
【００２０】
さらに企図される再分配要素には、１つ以上の羽根または他の構造が供給導管のルーメン内部の定位置にあるものが含まれ、羽根または他の構造は静止型または移動型であることができる。例えば、静止羽根は、供給導管の内側に連結されており、および／または供給導管の内部表面の隆起もしくは施条として形成されていることができる。同様に、１つ以上のブレードは供給導管の内部に配置されていることができ、または羽根もしくは施条を有するコーンは供給導管のルーメン内に配置されていることができる。または、１つ以上の移動型、特に回転式構造を含むことができる（好ましくは、導管に対して定位置にある。）。例えば、適切な移動型構造は、モータもしくは他の動力によって能動的に駆動されることができるか、または多相流の力によって受動的に駆動されることができる、１つ以上の回転式プロペラを含む。同様に、１つ以上のコーン（好ましくは、１つ以上の羽根または施条を含む。）は、多相流体に接線運動を付与するために、導管のルーメン内に配置されていることができる。
【００２１】
再分配要素の特定の形状にかかわらず、再分配要素の形状は好ましくは固定されているが、調節可能な形状も様々な流量および／または組成を調整するのに適しているとみなされることにも留意されたい。例えば、再分配要素が、羽根、らせん状ブレード、または施条を含む場合、この羽根、ブレード、または施条の角度（典型的に、長さ単位当たりの完全回転数として表わす）は調節可能であることができる。同様に、再分配要素がプロペラを含む場合、プロペラブレードの角度は調節可能であることができる。図１Ａから１Ｃは、流再分配要素の種々の代表的な形状を示す。ここで、再分配要素１３０Ａは、供給導管１１０Ａの内側に固定して連結されている非移動型らせん状ブレードとして構成されており、再分配要素１３０Ｂは、供給導管１１０Ｂの内側に固定して連結されている（プロペラケージを介して）回転式プロペラブレードとして構成されている。さらに別の形状において、再分配要素１３０Ｃは、供給導管１１０Ｃの内側に固定して連結されている、非移動型のらせん状に配置された施条として構成されている。これらの例において、導管は、好ましくは垂直に配向されており（地球の重力と平行）、流れは再分配要素下方の位置で入り、再分配された流れは再分配要素上方の位置で分流構造（図示していない。）に衝突する。
【００２２】
一般に好ましくは、流再分配要素は、第２の高密度成分が供給導管の内壁の大部分（例えば、少なくとも５０％、より典型的には少なくとも７０％、もっとも典型的には少なくとも９０％）に押し付けられるように構成されている。図２Ａは、ブレードの先端が分割部（Ｔ字）に垂直である旋回羽根を例示的に示しており、図２Ｂは、供給導管および分配導管において推定される２相の分布を示す。さらに図２Ａに関して、分流装置２００は、供給導管２１０の排出端２１４に流動的に連結されている２つの分配導管を有する衝突Ｔ字２２０に通じる供給導管２１０を含む。供給端２１２と排出端２１４との間に流再分配要素２３０が配置されており、これはブレード先端が分配導管の縦軸に垂直であるらせん状ブレードとして構成されている。本明細書に提示した図に用いた推定では、流再分配要素の上流で２相の不均一分布を想定した（高密度相が壁の片側に偏っている。）。
【００２３】
同様に、図３Ａは、ブレードの先端が分配導管の縦軸に平行である旋回羽根を例示的に示しており（衝突Ｔ字として構成されている。）、図３Ｂは、供給導管および分配導管において推定される２相の分布を示す。図４Ａは、先端が分配導管の縦軸に平行および垂直である、２段階の連続して配置された２重旋回羽根を例示的に示しており、図４Ｂは、供給導管および分配導管において推定される２相の分布を示す。容易に明らかとなるように、すべての形状が著しい再分配を提供し、多段階および／または段階ごとに多重羽根を用いる供給導管でのより強力な２相の分配は、第２の高密度成分の供給導管の内壁へのより著しい再分配を提供する。示した代表的な推定において、図４Ｂの高密度相は、ほぼ完全に供給導管の内壁に押し付けられており、従って分配導管への供給物のより均一な分配が促進される。
【００２４】
特に好ましくは、２つの導管が望ましいとき、スプリッタ要素は単純な衝突Ｔ字を含むことができる。２つを超える流出導管が存在するとき、多分岐を有する衝突Ｔ字が好ましい。別の好ましい形状は、２つの流出導管が望ましいとき、Ｙ字スプリッタなどの、流入導管に垂直でない流出導管を有するスプリッタを用いる。同様に、例えば３つの流出導管は、対称的に３叉のスプリッタによって、４つの流出導管は対称的に４叉のスプリッタなどによって達成できる。いずれの場合も、スプリッタはもっとも好ましくは、流入導管の軸に沿って見たとき、流入導管の中心線に対称的な流出導管を伴うように構成されている。その結果として、本発明の主題の好ましい態様において、流出導管は、供給導管の縦軸に対して回転対称に配置されていることが理解されるべきである。
【００２５】
このように、多相流を分割するための特定の実施形態および適用例を開示した。しかしながら、すでに記載したものに加えて、本明細書の本発明の概念から逸脱することなく、多くのさらなる変更が可能であることが当業者には明らかである。従って、本発明の主題は、添付の特許請求の範囲の精神を除いて限定されない。さらに、明細書および特許請求の範囲の解釈において、すべての用語は文脈と矛盾しない、可能なかぎりもっとも広い意味で解釈されるべきである。具体的には、「含む」および「含んでいる」という用語は、非排他的な様式で要素、成分、またはステップを指し、言及される要素、成分、またはステップは、明白に言及されていない他の要素、成分、またはステップと共に存在し、または利用され、または組み合わせてもよいことが示されていると解釈されるべきである。
【図１Ａ】
0005734844.tif 000002
【図１Ｂ】
0005734844.tif 000003
【図１Ｃ】
0005734844.tif 000004
【図２Ａ】
0005734844.tif 000005
【図２Ｂ】
0005734844.tif 000006
【図３Ａ】
0005734844.tif 000007
【図３Ｂ】
0005734844.tif 000008
【図４Ａ】
0005734844.tif 000009
【図４Ｂ】
0005734844.tif 000010