(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
触媒リアクターに用いられ、該触媒リアクターの上方触媒床と下方触媒床との間に配置されるミキシング・デバイスであって、相互に上下に配置された該触媒床を通るように該リアクターのベッセル内を並流で流れる気体または蒸気と液体とを混合するためのミキシング・デバイスであり、
該ミキシング・デバイスには、該上方触媒床から該下方触媒床へと又は該下方触媒床から該上方触媒床へと該気体および該液体が流れるように該ミキシング・デバイス内を通る流路が規定されており、
該流路が、
− 該ミキシング・デバイスの少なくとも１つの入口開口部、
− 該ミキシング・デバイスの少なくとも１つの出口開口部、
− 該流路に沿うように順次配置された第１ミキシング・オリフィスおよび少なくとも１つの第２ミキシング・オリフィス、ならびに
−ミキシング・デバイスの垂直方向の寸法ができる限り小さくなるように、該少なくとも１つの入口開口部と該少なくとも１つの出口開口部との間で延在する実質的に水平な流路セクション
を有して成り、
該第１ミキシング・オリフィスおよび該少なくとも１つの第２ミキシング・オリフィスの各々が単一の開口部を成し、液体と気体との混合流れの実質的に全体が該第１ミキシング・オリフィスおよび該第２ミキシング・オリフィスの各々を通るようになっており、
該第１ミキシング・オリフィスおよび該第２ミキシング・オリフィスには、該リアクターの少なくとも１つの操作段階の間、液体の気体中への拡散および／または気体の液体中への拡散にとって十分となる「ミキシング・オリフィスにおける混合流れのノースリップ２相流速が３ｍ／ｓ〜１５ｍ／ｓ」となるように、該混合流れの流量に対して流通領域が設けられており、また
該実質的に水平な流路セクションは、該入口開口部付近から該出口開口部付近まで延在しており、
ミキシング・オリフィスの下流側の前記流路に拡張領域流路セクションが設けられており、
該拡張領域流路セクションでのノースリップ２相流速が、対応するミキシング・オリフィスを通過する際のノースリップ２相流速よりも実質的に遅くなっており、それによって、該拡張領域流路セクションの該流れのホールド時間が増加して伝熱および物質移動がもたらされるような断面領域を該拡張領域流路セクションが有しており、また
前記拡張領域流路セクションは、前記混合流れの全体を少なくとも２つの別個の２相流れ若しくはストリームに分けるためのフロー・チャンネルを少なくとも２つ有して成り、
少なくとも２つの別個の２相ストリームの各々のノースリップ２相流速が、対応するミキシング・オリフィスを通過する際のノースリップ２相流速よりも実質的に遅くなっており、それによって、少なくとも２つのチャンネルでのホールド時間が増加して伝熱および物質移動がもたらされるような組み合わされた断面領域を該少なくとも２つのチャンネルが有している、ミキシング・デバイス。
【請求項２】
ミキシング・オリフィスにおける混合流れの前記ノースリップ２相流速は、前記リアクターの少なくとも１つの操作段階の間、３．５ｍ／ｓ〜１４．５ｍ／ｓである、請求項１に記載のミキシング・デバイス。
【請求項３】
ミキシング・オリフィスにおける混合流れの前記ノースリップ２相流速は、前記リアクターの少なくとも１つの操作段階の間、３．５ｍ／ｓ〜１４ｍ／ｓとなっている、請求項１または２に記載のミキシング・デバイス。
【請求項４】
前記第１ミキシング・オリフィスは前記入口開口部により構成され、および／または、第２ミキシング・オリフィスは前記出口開口部により構成される、請求項１〜３のいずれかに記載のミキシング・デバイス。
【請求項５】
第２ミキシング・オリフィスを１つ有して成るミキシング・デバイスであって、ミキシング・オリフィスでの前記ノースリップ２相流速が、前記リアクターの少なくとも１つの操作段階の間で４．０ｍ／ｓ〜１２．５ｍ／ｓである、請求項１〜４のいずれかに記載のミキシング・デバイス。
【請求項６】
順次配置された２つの第２ミキシング・オリフィスを有して成るミキシング・デバイスであって、ミキシング・オリフィスでの前記ノースリップ２相流速が、前記リアクターの少なくとも１つの操作段階の間、３．５ｍ／ｓ〜１０．５ｍ／ｓである、請求項１〜４のいずれかに記載のミキシング・デバイス。
【請求項７】
前記ミキシング・デバイスの一方の側部から他方の側部に至るまでの該ミキシング・デバイスの全体的な勾配は、水平面と成す角度が最大１１．５°に対応する２０％未満であり、また、
ミキシング・ボックスの個々のセグメントは、該ミキシング・デバイスの全体的な勾配が該１１．５°に対応する該２０％より大きくならない状態において、より大きい勾配を有している、請求項１〜６のいずれかに記載のミキシング・デバイス。
【請求項８】
前記拡張領域流路セクションの全ての断面領域、または、流れが分けられる前記チャンネルの全ての断面領域は、ノースリップ２相流速の最大値が、流れが組み合わされる上流側のミキシング・オリフィスでのノースリップ２相流速の２５％よりも大きくなる、請求項１に記載のミキシング・デバイス。
【請求項９】
前記拡張領域流路セクションの全ての断面領域、または、流れが分けられる前記チャンネルの全ての断面領域は、ノースリップ２相流速の最小値が、流れが組み合わされる上流側のミキシング・オリフィスでのノースリップ２相流速の１００％未満となる、請求項８に記載のミキシング・デバイス。
【請求項１０】
前記触媒リアクターは、気体および液体が下方へと並流で流され、水素化処理触媒の存在下で炭化水素と水素リッチガスとが反応する縦型水素化処理リアクターである、請求項１〜９のいずれかに記載のミキシング・デバイス。
【請求項１１】
触媒リアクターに用いられ、該触媒リアクターの上方触媒床と下方触媒床との間に配置されるミキシング・デバイスであって、相互に上下に配置された該触媒床を通るように該リアクターの実質的に縦型のベッセル内を並流で流れる気体または蒸気と液体とを混合するためのミキシング・デバイスであり、
該ミキシング・デバイスには、該上方触媒床から該下方触媒床へと又は該下方触媒床から該上方触媒床へと流れるように該気体および該液体が該ミキシング・デバイス内を通る流路が規定されており、
− 少なくとも１つの入口開口部が設けられた上側壁、
− 少なくも１つの出口開口部が設けられた底側壁、
− 該上側壁と該底側壁との間で閉空間が規定されるように該上側壁の周縁部と該底側部の周縁部との間で延在する側壁、ならびに
− 該上側壁、該底側壁および該側壁と共に該流路を規定するように該上側壁と該底側壁との間で延在する内部パーティション壁
を有して成り、
該パーティション壁が、更に、該流路に沿って順次配置される第１ミキシング・オリフィスおよび少なくとも１つの第２ミキシング・オリフィスの各々が単一の開口部を成し、それによって、液体と気体との混合流れの実質的に全体が第１ミキシング・オリフィスおよび第２ミキシング・オリフィスの各々を通るようになっており、
該リアクターの少なくとも１つの操作段階の間、液体の気体中への拡散および／または気体の液体中への拡散にとって十分となる「ミキシング・オリフィスにおける混合流れのノースリップ２相流速が３ｍ／ｓ〜１５ｍ／ｓ」となるように、該混合流れの流量に対して流通領域が第１ミキシング・オリフィスおよび第２ミキシング・オリフィスに設けられており、また
ミキシング・デバイスの垂直方向寸法ができる限り小さくなるように、該内部パーティション壁が、該上側壁、該底側壁および該側壁と共に、該少なくとも１つの入口開口部と該少なくとも１つの出口開口部との間で延在する実質的に水平な流路セクションを規定しており、該実質的に水平な流路セクションが該入口開口部付近から該出口開口部付近まで延在しており、
前記パーティション壁は、ミキシング・オリフィスの下流側の前記流路に拡張領域流路セクションが設けられるように構成されており、
該拡張領域流路セクションにおけるノースリップ２相流速が、対応するミキシング・オリフィスを通過する際のノースリップ２相流速よりも実質的に遅くなっており、それによって、該拡張領域流路セクションにおける該流れのホールド時間が増加して伝熱および物質移動がもたらされる断面領域を該拡張領域流路セクションは有しており、また
前記拡張領域流路セクションは、前記混合流れ全体を少なくとも２つの別個の２相流れ若しくはストリームに分けるためのフロー・チャンネルを少なくとも２つ有して成り、
少なくとも２つの別個の２相ストリームの各々のノースリップ２相流速が、対応するミキシング・オリフィスを通過する際のノースリップ２相流速よりも実質的に遅くなっており、それによって、少なくとも２つのチャンネルでのホールド時間が増加して伝熱および物質移動がもたらされるような組み合わされた断面領域を少なくとも２つのチャンネルが有している、ミキシング・デバイス。
【請求項１２】
前記上側壁または前記底側壁の周縁部の第１ポイントと、その個々の第１ポイントからそれぞれ最も離れた前記上側壁または前記底側壁の周縁部の個々のポイントとの間で算出される前記ミキシング・デバイスの全体的な勾配は、水平面と成す角度が最大１１．５°に対応する２０％未満である、請求項１１に記載のミキシング・デバイス。
【請求項１３】
前記上側壁および前記底側壁は、実質的に平面状となっており、相互に平行であり、また、実質的に水平になっている、請求項１１または１２に記載のミキシング・デバイス。
【請求項１４】
ミキシング・オリフィスにおける混合流れの前記ノースリップ２相流速は、前記リアクターの少なくとも１つの操作段階の間、３．５ｍ／ｓ〜１４．５ｍ／ｓである、請求項１１〜１３のいずれかに記載のミキシング・デバイス。
【請求項１５】
ミキシング・オリフィスにおける混合流れの前記ノースリップ２相流速は、前記リアクターの少なくとも１つの操作段階の間、３．５ｍ／ｓ〜１４ｍ／ｓとなっている、請求項１１〜１４のいずれかに記載のミキシング・デバイス。
【請求項１６】
前記第１ミキシング・オリフィスは前記入口開口部により構成され、および／または、第２ミキシング・オリフィスは前記出口開口部により構成される、請求項１１〜１５のいずれかに記載のミキシング・デバイス。
【請求項１７】
第２ミキシング・オリフィスを１つ有して成るミキシング・デバイスであって、ミキシング・オリフィスでの前記ノースリップ２相流速は、前記リアクターの少なくとも１つの操作段階の間で４．０ｍ／ｓ〜１２．５ｍ／ｓである、請求項１１〜１６のいずれかに記載のミキシング・デバイス。
【請求項１８】
順次配置された２つの第２ミキシング・オリフィスを有して成り、ミキシング・オリフィスでの前記ノースリップ２相流速は、前記リアクターの少なくとも１つの操作段階の間で３．５ｍ／ｓ〜１０．５ｍ／ｓである、請求項１１〜１６のいずれかに記載のミキシング・デバイス。
【請求項１９】
前記拡張領域流路セクションの全ての断面領域、または、流れが分けられる前記チャンネルの全ての断面領域は、ノースリップ２相流速の最大値が、流れが組み合わされる上流側のミキシング・オリフィスでのノースリップ２相流速の２５％よりも大きくなる、請求項１１に記載のミキシング・デバイス。
【請求項２０】
前記拡張領域流路セクションの全ての断面領域、または、流れが分けられる前記チャンネルの全ての断面領域は、ノースリップ２相流速の最小値が、流れが組み合わされる上流側のミキシング・オリフィスでのノースリップ２相流速の１００％未満となる、請求項１９に記載のミキシング・デバイス。
【請求項２１】
前記触媒リアクターは、気体および液体が下方へ並流で流され、水素化処理触媒の存在下で炭化水素と水素リッチガスとが反応する縦型水素化処理リアクターである、請求項１１〜２０のいずれかに記載のミキシング・デバイス。
【請求項２２】
下方触媒床の上方に上方触媒床を備えており、請求項１〜２１のいずれかに記載のミキシング・デバイスが設けられた触媒リアクター。
【請求項２３】
下方触媒床の上方に上方触媒床を備えており、請求項１１〜２１のいずれかに記載のミキシング・デバイスが設けられた触媒リアクターであって、
前記上側壁または前記底側壁の周縁部の第１ポイントと、その個々の第１ポイントからそれぞれ最も離れた前記上側壁または前記底側壁の周縁部の個々のポイントとの間で算出される前記ミキシング・デバイスの全体的な勾配は、水平面との間で成す角度が最大１１．５°に対応する２０％未満である、触媒リアクター。
【請求項２４】
前記上側壁および前記底側壁は、実質的に平面状になっており、相互に平行であり、また、実質的に水平になっている、請求項２３に記載のリアクター。
【請求項２５】
前記上側壁の周縁部から前記底側壁の周縁部まで延在する側壁は、前記リアクター・ベッセルの外壁の内面に適合する形状およびサイズを有している、請求項２３または２４に記載のリアクター。
【請求項２６】
前記リアクター・ベッセルの外壁が前記側壁を成している、請求項２３〜２５のいずれかに記載のリアクター。
【請求項２７】
ミキシング・デバイスと前記リアクター・ベッセル壁との間が実質的に流体の漏れることのないように連結され、それによって、気体および液体の全ての流れが該ミキシング・デバイス内を通ることになるように、プレート手段または他の遮蔽手段でもって、該側壁と該リアクター・ベッセルの外壁との間の空間を塞いでいる又は封止している、請求項２３または２４に記載のリアクター。
【請求項２８】
リアクター・ベッセルの壁に対して垂直な平面に存在する実質的に水平なミキシング・デバイスの断面積が、該リアクター・ベッセルの内部の断面積の２５％〜１００％となっている、請求項２３または２４に記載のリアクター。
【請求項２９】
第１ミキシング・オリフィスの上流のポイントまたは２つのミキシング・オリフィスの間のポイントにおいてプロセス・ストリームが冷却されるように、低温の冷却流体をリアクター・ベッセル内に流入させるためのフロー手段が設けられている、請求項２２〜２８のいずれかに記載のリアクター。
【請求項３０】
触媒リアクター内にて該触媒リアクターの上方触媒床と下方触媒床との間を並流で流れる気体または蒸気と液体とを混合する方法であって、
− 液体と気体との混合流れの全体を単一の開口部に通過させ、前記リアクターの少なくとも１つの操作段階の間で該単一の開口部におけるノースリップ２相流速が液体の気体中への拡散および／または気体の液体中への拡散にとって十分となる３ｍ／ｓ〜１５ｍ／ｓとなるように、液体と気体との混合流れの全体の断面領域を狭小化させる第１狭小工程、
− 引き続いて、該断面領域を拡張する第１拡張工程、
− 引き続いて、液体と気体との混合流れの全体を単一の開口部に通過させ、該単一の開口部におけるノースリップ２相流速が３ｍ／ｓ〜１５ｍ／ｓとなるように、液体の気体中への拡散および／または気体の液体中への拡散にとって十分となるように、前記断面領域を狭小化させる第２狭小工程、ならびに
− 全流路のうちの実質的な長さに沿って延在する流路セクションであって、少なくとも１つの実質的に水平な流路セクションを有して成る流路へと前記混合流れを導く工程
を含んで成り、
前記断面領域を拡張する拡張工程には、前記混合流れを、少なくとも２つの別個の２相流れまたはストリームに分けることが含まれる、方法。
【請求項３１】
前記実質的な長さは、前記全流路の少なくとも５０％となっている、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
第２狭小工程の後に、前記断面領域を拡張する第２拡張工程を更に含んで成る、請求項３０または３１に記載の方法。
【請求項３３】
前記リアクターの少なくとも１つの操作段階の間、混合流れの前記ノースリップ２相流速は、狭小化された際、３．５ｍ／ｓ〜１４．５ｍ／ｓとなる、請求項３０〜３２のいずれかに記載の方法。
【請求項３４】
前記リアクターの少なくとも１つの操作段階の間、混合流れの前記ノースリップ２相流速は、狭小化された際、３．５ｍ／ｓ〜１４ｍ／ｓとなる、請求項３０〜３３のいずれかに記載の方法。
【請求項３５】
前記リアクターの少なくとも１つの操作段階の間、混合流れの前記ノースリップ２相流速は、狭小化された際、４．０ｍ／ｓ〜１２．５ｍ／ｓとなる、請求項３０〜３３のいずれかに記載の方法。
【請求項３６】
第２拡張工程後において前記断面領域を狭小化する第３狭小工程が更に含まれており、液体が気体中に拡散すべくおよび／または気体が液体中に拡散すべく、前記リアクターの少なくとも１つの操作段階の間にて混合流れの該ノースリップ２相流速が、狭小化された際、３．５ｍ／ｓ〜１０．５ｍ／ｓとなる、請求項３１〜３３のいずれかに記載の方法。
【請求項３７】
第１ミキシング・オリフィスの上流のポイントまたは２つのミキシング・オリフィスの間のポイントにおいて、低温の冷却流体をリアクター・ベッセルに流入させ、それによって、プロセス・ストリームを冷却する工程を更に含んで成る、請求項３０〜３６のいずれかに記載の方法。
【請求項３８】
前記触媒リアクターは、気体および液体が下方へ並流で流され、水素化処理触媒の存在下で炭化水素と水素リッチガスとが反応する縦型水素化処理リアクターである、請求項３０〜３７のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の背景
発明の分野
本発明は、気相と液相とが並流状態で流れるベッセル内で気体（またはガス）と液体とを混合するミキシング・デバイスに関している。このデバイスでは、そのデバイスの出口から排出される混合物の温度および化学成分を均一にすることができる。本発明は、制限するわけではないが、水素化処理リアクターまたは水素化分解リアクター等の水素を処理するリアクターにおいて２つの隣接する触媒床の間で、高温の水素に富む処理ガスと高温の炭化水素液体とを冷たい冷却ストリームと共に混合するのに適している。更に、本発明は、上述のミキシング・デバイスを有して成る触媒リアクターに関しており、また、並流状態で気体と液体とを混合させる方法、そして、その方法によって得られる生成物にも関している。
【０００２】
関連技術
２相並流用のベッセルのためのミキシング・デバイスは、文献および特許公報に多く記載されている。そのようなデバイスは、ほとんど以下の６種類のタイプのいずれかに属している。
【０００３】
タイプ１：収集トレイに入口シュートが設けられたボルテックス・ミキサー
このタイプのデバイス設計の例が、米国特許第３５４１０００号に開示されている。このミキサーは、水平な収集トレイ・プレート６から構成されている。収集トレイ・プレートには、複数の傾斜したシュート３２／３４が設けられている。上述の触媒床から生じる気体と液体とから成るプロセス・ストリームの全ては、速い速度で入口シュートを通過することになる。収集トレイの下方には環状ミキシング・ボックス８が設けられている。シュートから排出される噴流は、水平方向の要素を有しており、結果的に、環状ミキシング・ボックス内でスワール流となる流体運動がもたらされる。流体は、その後、内部ワイヤー１２を通過した後、中央開口部１０を通って垂直方向下方へと流れることになる。開口部１０の出口では、低温の冷却流体が、蜘蛛の巣状に配置された穿孔分配管３０から加えられる。ミキサーの下方には、液体をラフに分配するために、ディストリビューション・トレイ（または分配トレイ）１４が配置されている。このトレイ１４は、開口部１０から排出される速い流速の流体のための緩衝プレートとしても機能している。ラフに分配するディストリビューション・トレイの下方には、液体を最終的に分配するためにディストリビューション・トレイ４が配置されている。
【０００４】
ボルテックス・ミキサーの他の例を以下に示す：
米国特許第４８３６９８９号には、米国特許第３５４１０００号のミキサーと同様のミキサーが記載されている。しかしながら、触媒床からもたらされる気体および液体と冷却流体とを好ましく混合するために、収集トレイ１２の下流側に配置された穿孔分配管ではなく、収集トレイ１２の上流側に配置された穿孔分配管１３を介して冷却流体が加えられることになる。
【０００５】
米国特許第５８３７２０８号、同５９８９５０２号および国際特許公開（ＷＯ）第０２４８２８６号には、米国特許第４８３６９８９号のミキサーと同様のミキサーが記載されている。
【０００６】
タイプ２：入口流れが放射状／水平に流れるスワール・ボックス・ミキサー
このタイプのデバイスの設計の例が、米国特許第３３５３９２４号に開示されている。
このタイプのミキサーは、収集トレイ・プレート６から構成される。収集トレイ・プレートの上方の穿孔パイプ・リング１１を介して低温の冷媒が加えられる。冷却流体と、ミキサーの上方の触媒床３からもたらされる気体および液体とは、複数の入口ポート８を介してスワール・ボックス７に導入される。上述のボルテックス・ミキサーの設計とは異なり、入口ポートからスワール・ボックス・ミキサー内へと流れるフローは、主に水平方向／放射方向となっている。入口ポートには翼部９が設けられており、その翼部９によってスワール・ボックス７内の流体にスワール運動がもたらされることになる。流体は、中央開口部１３ａを介してスワール・ボックスから排出される。中央開口部の下方においては、穿孔緩衝プレート１４に垂直バッフル１６が設けられている。
【０００７】
スワール・ボックス・ミキサーの他の例を以下に示す：
米国特許第３７８７１８９号には、米国特許第３３５３９２４号のミキサーと同様のスワール・ボックス・ミキサーが記載されている。しかしながら、スワール・ボックスの入口開口部および翼部は異なる設計となっており、中央開口部２０の下方の緩衝プレート２３は穿孔されていない。収集プレート１８の下方のミキサーから排出される流体に対して旋回運動を与える翼部２２が、ミキサー出口にて半径方向に配置される垂直バッフルと取り替えられている。
【０００８】
米国特許第５４６２７１９号には、米国特許第３３５３９２４号のミキサーと同様のスワール・ボックス・ミキサーが記載されている。気体および液体は、円筒形状バッフル２４の半径方向穿孔部をまず通った後、翼部２２に至るので、スワール・ボックス内にスワール流れ運動が生じることになる。流体は、中央開口部２１を通ってスワール・ボックスから排出された後、収集プレート２０の下方に配置された第２ミキシング・ボックスに導入される。第２ミキシング・ボックスでは、流体は、半径方向外側へと流れることになり、円筒形状壁２６の半径方向穿孔部を通ってミキサーから排出されることになる。
【０００９】
タイプ３：バブル・キャップ状ミキサー：
このタイプのミキサーの設計例は、米国特許第５１５２９６７号に開示されている。ミキサーは、収集プレート１６と、降下管１７に配置されるキャップ１８,１９とから構成されている。キャップおよび降下管は、第１混合スワール・チャンバーを規定している。キャップ１９の側壁には、角度を成す開口部が設けられている。気体および液体が角度を成す開口部を通って第１スワール・チャンバーに導入されるので、スワール運動が生じることになる。流体は、まず降下管１７の上方エッジ上を上方へと流れた後、降下管を通って下方へと流れてプレート１６の中央開口部を通ることになる。このミキサーには、流体が半径方向内側に流れるように、第１スワール・チャンバーの下方に第２スワール・チャンバーが設けられている。
【００１０】
バブル・キャップ状ミキサーの他の例を以下に示す：
米国特許第（ＵＳ−Ｂ１）６１８３７０２号には、別のバブル・キャップ状ミキサーが記載されている。ミキサーは、液体レベルをあるレベルに保持する収集プレート１１２５から構成されている。収集プレートには、プレート１１２５上の液体にスワール運動を促す垂直バッフル１１３０が設けられている。スワール運動は、パイプ１１４０から排出される冷却流体噴流によって更に強められる。収集トレイでは、円筒形状降下管１１６５上の細長い円筒形状キャップ１１５０から成るバブル・キャップ状ミキサーが、プレート１１２５の中央開口部に取り付けられている。キャップと降下管との間の環状スペースには、半渦巻き形状のバッフル１１５５が設けられている。気体は、キャップ１１５０の円筒形状壁のスロットを通って環状スペース内に導入されることになる。従って、気体は液体を環状スペースに向けて上昇させることになるので、気体と液体とが環状スペース内を上方へと流れることになる。バッフル１１５５によって環状スペース内にスワール運動がもたらされる。
【００１１】
気体および液体は、降下管を通って収集プレート１１２５の開口部を通るように下方に流れることになる。
【００１２】
バブル・キャップ状ミキサーの他の例は、米国特許第３８２４０８０号、同３８２４０８１号および同５４０３５６０号に記載されている。
【００１３】
タイプ４：気体と液体との混合を個別に行うミキサー
このタイプのミキサーの設計例は、欧州特許第７１６８８１号に開示されている。ミキサーは、中央開口部３０を備えた収集プレート２０から構成されている。中央開口部の上方には、気体を混合するための気体スワール・ボックス１００／５５が配置されている。気体スワール・ボックスには、開口部９５およびスワール手段１０５が設けられている。収集プレート２０には、液体流れのための他の開口部４０が設けられている。開口部は、液体がリアクターの中心線に向かって導かれるようにチャンネル６５と接続されている。通常の操作においては、収集プレート２０によって液体レベルがあるレベルに保持され、気体が、気体スワール・ボックス・ミキサー１００／５５内に入ることになり、中央開口部３０から気体が排出される一方、液体は、平行な液体通路４０／６５を通り、スワール・ボックス・ミキサーを迂回することになる。ミキサーの下方には、ラフに分配／緩衝を行う分配／緩衝プレート９０が配置されている。
【００１４】
米国特許第５９３５４１３号には、気体と液体との混合を個別に行うミキサーの別の例が記載されている。
【００１５】
タイプ５：流れが垂直方向のバッフルを有したミキサー
このタイプのミキサーの設計例は、米国特許第４２３３２６９号に開示されている。ミキサーは入口供給導管１２から構成されている。入口供給導管１２によって、気体および液体がミキサー内に導入されることになる。流体は、入口供給導管から流れて、ドーナツ状プレート３２,３６によって形成された２つの円形のミキシング・オリフィスを通った後、ディスク３４によって形成された１つの環状フロー制限部を通ることになる。
【００１６】
タイプ６：流れが水平方向のバッフルを有したミキサー
このタイプのミキサーの設計例は、米国特許第５６９０８９６号に開示されている。このミキサーは、触媒支持システムと一体的に構成されている。気体および液体は、環状収集トラフ２４にて収集される。冷却流体は、冷却パイプ２２および２３を通して環状収集トラフに加えられる。気体および液体は、環状収集トラフを通ることによって、支持ビーム１４と１５との間に配置されたミキサー・ボックス３０へと流れることになる。プロセス・ストリームの全ては、入口３６からミキサー・ボックス内に導入される。ミキサー・ボックスは、流れ方向を３６０°回転させる１つのフロー・チャンネルから構成されている。ミキサー・ボックスで３６０°回転させられた後、流体は、中央開口部３７から排出される。
【００１７】
米国特許第３７０５０１６号には、収集と触媒支持とを行うプレート８に配置されたスクリーン１１／１２から成るミキサーが記載されている。スクリーンは、不活性支持材料７によってカバーされている。冷却流体は、プレート８上の触媒床に供給される。気体および液体はスクリーン１１／１２を通過できる一方、不活性材料はスクリーン１１／１２を通過することができない。気体および液体は、スクリーンを通過した後、収集プレート８の中央開口部を通るように垂直方向に流れることになる。収集プレートの下方には、水平底プレート１６と垂直バッフル２０,２１,２２および２３とから構成される水平ミキシング・ボックスが配置されている。まず、中央開口部から排出された流体は２つの水平なストリームに分けられることになる。２つのストリームの各々は、更に２つのストリームに分けられ、全部で４つのストリームに分けられる。ミキサー出口では、これら４つのストリームのうちの２つのストリームが再度組み合わせられてリアクター断面領域の片側へと送られる一方、残りの２つのストリームは再度組み合わせられてリアクター断面領域の別の片側に送られることになる。最終的には、気体および液体は、穿孔トレイ２５を通って分配されることになる。
【００１８】
流れが垂直方向のバッフルを有したミキサーの別の例は、米国特許第３９７７８３４号に開示されている。複数の水平のミキシング・ボックス１３から構成されるミキサーが記載されている。触媒支持ビーム７の間にミキシング・ボックスが配置されており、冷却流体が、パイプ１１を介してミキシング・ボックスの上流側のビームの間に加えられる。
【００１９】
関連技術のミキサーの性能について
引用した全てのミキサー設計では、圧力降下（ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ｄｒｏｐ）が混合の推進力となる。しかしながら、例えば水素化処理ユニットまたは水素化分解ユニットでは、ミキサーの圧力降下が増加して付加的なコストが相当に大きくなってしまう。引用した例では、リサイクルガス・コンプレッサーのイニシャル・コストが増加し、リサイクルガス・コンプレッサーに必要な付加的な軸動力の点で操作コストが増加してしまう。２相ミキサーでは、ミキサーの所定の圧力降下に対して、良好な混合および均一な出口混合物を得るための基準が以下のように定められている。
【００２０】
Ａ）ミキサーには、流速が速くなる流れ抑制部およびミキシング・オリフィスを設ける必要がある。流速が速いと、液体が気体内へと分散したり、気体が液体内へと分散したりする。流れに分散がもたらされると、結果的に伝熱および物質移動に利用できる界面が大きくなる。また、流れが速いと、乱れの程度が大きくなり、結果的に混合状態が良くなる。更に、流れが速いと、液相と気相との間の物質移動に関する物質移動係数が大きくなり、また、液相と気相との間の熱移動に関する伝熱係数も大きくなる。
【００２１】
Ｂ）プロセス流れの全ては、ミキシング・オリフィスを通るようにしなければならない。ミキサー内に設けられた平行な流路では不十分である。なぜなら、ストリーム同士が平行なままだと接触作用がもたらされないため、均一な温度および均一なストリームの組成を得ることができないからである。
【００２２】
Ｃ）速い流速から遅い流速へと遷移する乱流条件が形成できるように、気体および液体に対してホールド時間（または保持時間）をある程度考慮する必要がある。従って、ミキサーでは、流速がより遅くなる領域をミキシング・オリフィスの下流側に備える必要がある。ホールド時間は、伝熱および物質移動に必要である。乱流条件は、複数の相を混合するのに必要である。
【００２３】
Ｄ）ミキサーの出口では、リアクターの断面領域に液体が合理的に分配または広がるようにしなければならない。ミキサーの下方にディストリビューション・トレイが配置されている場合であっても、ディストリビューション・トレイ上で液体のレベル勾配が大きくなり過ぎることを防止するために、ミキサー出口において液体がリアクター断面領域にわたって広がることがある程度必要である。例えば、全ての液体がリアクターの一方の側から排出されるミキサー設計ではかかる条件を満たしていない。
【００２４】
更に、ミキサー全体の高さは重要である。ミキサーは、リアクター／ベッセルに必要な高さをできるだけ減じることができるようにコンパクトにする必要がある。水素化処理リアクターまたは水素化分解リアクターでは、ミキサーで占められた空間は、活性触媒に対しては利用することができない。反応原系を所望の生成物に変換するために、所定の量の触媒が必要とされる。それゆえ、ミキサーによって占められる空間も、リアクターに必要なサイズ／高さを決める際に考慮される。水素および硫化水素の分圧を高くして２００バールおよび４５０℃までで操作されるように水素化分解リアクターが設計される。典型的には、リアクターは、内径が５メートルまでで設計されている。設計条件が厳しいので、水素化分解リアクターは、３４７ＳＳ等のオーステナイト系ステンレスで内側をライニングされたクロムモリブデン鋼（２．２５Ｃｒ−１．０Ｍｏ）から典型的に形成された厚いシェルを有している。リアクターの長手方向の１メートル当たりのコストは、１００万米ドル（２００２年時点）ほどの高いものとなり得る。それゆえ、よりコンパクトなミキサー設計が利用できるとなると、大きな節約になるものと考えられる。
【００２５】
現在、商業的な水素化処理または水素化分解の用途においては、タイプ１のミキサー（入口シュートが設けられたボルテックス・ミキサー）が、最も一般的なミキサー設計である。ミキサー圧力降下の大部分は、入口シュートでもたらされる。しかしながら、これらのシュートは、平行な流路を有している。それゆえ、上記Ｂ）の基準が満たされていない。更に、平らでない収集プレートに起因して、または、他の製作誤差に起因して、個々の入口シュートへと気体および液体が分配されにくくなっている。液体の多くが幾つかのシュートを通る一方、気体の多くが他のシュートを通ることになる。このような場合、入口シュートでは気体と液体とは効率的に接触しない。環状ボックス内のホールド時間は、流体を十分に３６０°回転させるのに通常十分ではなく、その結果、異なるシュートからの流体であって、リアクターの異なる側部からの流体が十分に混合されることはない。入口シュートでの流速は通常速すぎるので、環状ボックスでは液体を分離することができない。プロセス・ストリームの全ては、ミキサーの中央開口部において接触するものの、その直後、流体はリアクター断面領域にわたって広がってしまう。中央開口部の下流では伝熱および物質移動のためのホールド時間が許容される閉空間が存在していない。それゆえ、上記Ｃ）の基準も満たされていない。タイプ１のミキサーは、比較的コンパクトなミキサーである。
【００２６】
タイプ２のミキサーについて説明する。入口流れが半径方向／水平方向のスワール・ボックス・ミキサーでは、大部分の圧力降下がスワール・チャンバーの入口においてもたらされるので、上記Ｂ）の基準は満たされていない。タイプ１のミキサーと同様に、プロセス・ストリームの全ては、中央開口部にて接触することはない。しかしながら、その直後、流体はリアクター断面領域にわたって広がる。中央開口部の下流では伝熱および物質移動のためのホールド時間が許容される閉空間が存在していない。それゆえ、上記Ｃ）の基準も満たされていない。
【００２７】
タイプ１のミキサー、タイプ２のミキサーおよびタイプ３のミキサーと同様に、バブル・キャップ状ミキサーは、上記Ｂ）およびＣ）の基準を満たしていない。
【００２８】
タイプ４のミキサーについて説明する。気体および液体を別々に混合するミキサーでは、気体および液体が別々に並列にて予め混合されるように、ミキサーの圧力降下の一部が予備ミキサーでもたらされるようになっている。また、単一相のための予備ミキサーの各々は、それ自体、平行な入口シュートまたは翼部のような平行な流路から構成されている。それゆえ、このミキサーは、上記Ｂ）の基準を満たしていない。欧州特許第７１６８８１号の場合では、２相ミキシング・オリフィスが全く設けられていないので、上記Ａ）の基準も満たされていない。
【００２９】
流れが垂直方向のバッフルを有したタイプ５のボックス・ミキサーについて説明する。米国特許第４２２３２６９号には、混合特性に関して優れた設計が示されており、上記Ａ）〜Ｄ）の基準を全て満たしている。しかしながら、タイプ５のミキサーでは、ミキサーの高さが非常に大きくなるので、リアクター／ベッセルが相当な体積を占めることになる。
【００３０】
流れが水平方向のバッフルを有したタイプ６のボックス・ミキサーについて説明する。米国特許第３７０５０１６および同３９７７８３４号には、流路がより平行なミキサー設計が示されており、それゆえ、上記Ｂ）の基準を満たしていない。米国特許第３９７７８３４号については、プロセス・ストリームの全ては１つのミキシング・オリフィスと接触することがないので、上記Ａ）の基準を満たしていない。更に、米国特許第３７０５０１６号については、液体が不均一にミキサーから排出されるので上記Ｄ）の基準を満たしていない。米国特許第５６９０８９６号に記載のタイプ６のミキサーは、好ましい適当なミキサーである。しかしながら、ミキサーは上記Ｃ）の基準を満たしていない。プロセス・ストリームの全てをミキシング・オリフィスに作用させた後では、オリフィスの下流にて、伝熱および物質移動に対してホールド時間が十分となっていない。また、流体は１つの側方のみから中央オリフィスに近づくので、上記Ｄ）の基準が満たしていない。結果としてミキサー出口にて広がる液体は、不均一となっている。
【００３１】
発明の要旨
本発明は、気体と液体とが並流で流れるベッセル内においてガスと液体とを混合するためのミキシング・デバイスである。本発明は、上述したような、流れが水平であってバッフルが設けられたボックス・ミキサーに属するものである。
【００３２】
本発明の主な目的は、リアクター体積が比較的小さく、必要なエネルギーが比較的小さい混合を実施することである。
【００３３】
本発明では、このような目的および利点、ならびに他の目的および利点が、
触媒リアクターに用いられ、該触媒リアクターの上方触媒床と下方触媒床との間に配置されるミキシング・デバイスであって、相互に上下に配置された該触媒床を通るように該リアクターのベッセル内を並流で流れる気体（または蒸気）と液体とを混合するためのミキシング・デバイスであり、
該ミキシング・デバイスには、該上方触媒床から該下方触媒床へと又は該下方触媒床から該上方触媒床へと該気体および該液体が流れるように該ミキシング・デバイス内を通る流路が規定されており、
該流路が、
− 該ミキシング・デバイスの少なくとも１つの入口開口部、
− 該ミキシング・デバイスの少なくとも１つの出口開口部、
− 該流路に沿うように順次配置された第１ミキシング・オリフィス（ｆｉｒｓｔ  ｍｉｘｉｎｇ  ｏｒｉｆｉｃｅ）および少なくとも１つの第２ミキシング・オリフィス（ｓｅｃｏｎｄ  ｍｉｘｉｎｇ  ｏｒｉｆｉｃｅ）、または、該流路に沿うように順次配置された第１通路および少なくとも１つの第２通路、ならびに
−ミキシング・デバイスの垂直方向の寸法ができる限り小さくなるように、該少なくとも１つの入口開口部と該少なくとも１つの出口開口部との間で延在する実質的に水平な流路セクション
を有して成り、
該第１ミキシング・オリフィスおよび該少なくとも１つの第２ミキシング・オリフィスは、液体と気体との混合流れの実質的に全体が該第１ミキシング・オリフィスおよび該第２ミキシング・オリフィスを通るように配置されており、
該第１ミキシング・オリフィスおよび該第２ミキシング・オリフィスには、該リアクターの少なくとも１つの操作段階の間、ミキシング・オリフィスにおける混合流れ（またはミキシング・オリフィスで組み合わされた流れ）のノースリップ２相流速（ｎｏ−ｓｌｉｐ  ｆｌｏｗ  ｖｅｌｏｃｉｔｙ）が３ｍ／ｓ〜１５ｍ／ｓとなるように、好ましくは液体の気体中への拡散および／または気体の液体中への拡散にとって十分となるように、該混合流れの流量に対して流通領域が設けられており、また
該実質的に水平な流路セクションは、該入口開口部付近から該出口開口部付近まで延在しているのが好ましい、ミキシング・デバイスによって達成される。このミキシング・デバイスでは、液体と気体とが効果的に相互に作用し、リアクターの不要とされる体積が最小限度となっている。
【００３４】
また、本発明では、
触媒リアクターに用いられ、該触媒リアクターの上方触媒床と下方触媒床との間に配置されるミキシング・デバイスであって、相互に上下に配置された該触媒床を通るように該リアクターの実質的に縦型のベッセル内を並流で流れる気体（または蒸気）と液体とを混合するためのミキシング・デバイスであり、
該ミキシング・デバイスには、該上方触媒床から該下方触媒床へと又は該下方触媒床から該上方触媒床へと流れるように該気体および該液体が該ミキシング・デバイス内を通る流路が規定されており、
− 少なくとも１つの入口開口部が設けられた上側壁、
− 少なくも１つの出口開口部が設けられた底側壁、
− 該上側壁と該底側壁との間で閉空間が規定されるように該上側壁の周縁部と該底側部の周縁部との間で延在する側壁、ならびに
− 該上側壁、該底側壁および該側壁と共に該流路を規定するように該上側壁と該底側壁との間で延在する内部パーティション壁（または内部に設けられる仕切壁）
を有して成り、
該パーティション壁が、更に、該流路に沿って順次配置される第１ミキシング・オリフィスおよび少なくとも１つの第２ミキシング・オリフィスを規定するように、または、該流路に沿って順次配置される第１通路および少なくとも１つの第２通路を規定するように構成されており、それによって、液体と気体との混合流れの実質的に全体が第１ミキシング・オリフィスおよび第２ミキシング・オリフィスを通るようになっており、
ミキシング・オリフィスにおける混合流れ（またはミキシング・オリフィスで組み合わされた流れ）のノースリップ２相流速が３ｍ／ｓ〜１５ｍ／ｓとなるように、好ましくは液体の気体中への拡散および／または気体の液体中への拡散にとって十分となるように、該混合流れの流量に対して流通領域が第１ミキシング・オリフィスおよび第２ミキシング・オリフィスに設けられており、また
ミキシング・デバイスの垂直方向寸法ができる限り小さくなるように、該内部パーティション壁が、該上側壁、該底側壁および該側壁と共に、該少なくとも１つの入口開口部と該少なくとも１つの出口開口部との間で延在する実質的に水平な流路セクションを規定しており、好ましくは、該実質的に水平な流路セクションが該入口開口部付近から該出口開口部付近まで延在している、ミキシング・デバイスも提供される。
【００３５】
１つの態様において、本発明は、円筒形状リアクターの壁の間に配置される水平ミキシング・ボックス（または横置きミキシング・ボックス）であって、流れが阻害されることになる水平ミキシング・ボックスに関している。このミキシング・ボックスは、実質的に垂直方向に流れる流体をミキサー内へと導く１つ以上の開口部を有している。ミキシング・ボックスは、水平に設けられた円形の上側壁、水平に設けられた円形の底側壁、垂直に設けられた円筒形の壁（リアクターの内壁を構成し得る）を有して成る。ミキシング・ボックスの高さが最小限度となるように、ミキシング・ボックスの直径がリアクターの内径と同様または同一であることが好ましい。水平ミキシング・ボックス内には垂直フロー・バッフル（または流れを阻害する垂直に設けられた邪魔板、ｖｅｒｔｉｃａｌ  ｆｌｏｗ  ｂａｆｆｌｅ）が設けられている。垂直フロー・バッフルによって、全てのプロセス・ストリームが速い速度で流れることになるミキシング・オリフィスが形成されている。ミキシング・オリフィスに引き続いて、「Ｔ字路（ｔｅｅ）」が設けられている。「Ｔ字路」では、プロセス・ストリームが流速のより遅い２つのサイド・ストリームに分けられることになる。水平ミキシング・ボックスは、このようなミキシング・ボックスと、それに引き続くＴ字路から構成されている。そのため、まず、第１フロー制限部（ｆｉｒｓｔ  ｆｌｏｗ  ｒｅｓｔｒｉｃｔｉｏｎ）にて流体が速い速度で混合された（または組み合わされた）後、第１Ｔ字路で速度のより遅い２つのストリームに分けられることになり、その後、第２フロー制限部（ｓｅｃｏｎｄ  ｆｌｏｗ  ｒｅｓｔｒｉｃｔｉｏｎ）などにおいて速い速度で再度混合される（または組み合わされる）ことを意味している。ミキシング・オリフィスでは、液体は気体中へと拡散するので、伝熱および物質移動のための界面がより大きくなる。また、ミキシング・オリフィスでは流速が速くなるので、伝熱係数および物質移動係数が高くなって乱流状態となり、混合がもたらされることになる。それゆえ、前述のＡ）の基準が満たされている。また、全てのプロセス・ストリームは各々のミキシング・オリフィスを通過するので、前述のＢ）の基準も満たされている。そして、２つのミキシング・オリフィスの間に存在する流速のより遅い領域では、伝熱および物質移動のためのホールド時間がもたらされるので、前述のＣ）の基準も満たされている。一連のミキシング・オリフィスおよびＴ字路を通過した後、流体は、円形の水平底側壁に設けられた１つ以上の開口部を介して垂直方向に排出されることになる。好ましくは、対称的に流体が開口部に供給されることによって、液体がミキサーの下方で均等に広がることになるように、開口部はリアクターの中心線上に設けられている。それゆえ、前述のＤ）の基準も満たされている。円形の水平底側壁の開口部の下方には、緩衝プレートが設けられているので、２相の噴流の速い速度が弱められ、リアクターの断面領域にわたって液体が広がることになる。
【００３６】
水平上側壁の上方または水平上側壁と水平底側壁との間において、第１ミキシング・オリフィスの上流側に冷却流体を加えてもよい。なお、２つのミキシング・オリフィスの間に冷却流体を加えてもよい。
【００３７】
従来技術の６種類のミキサーは適切な混合性能について言えば前述のＡ）〜Ｄ）の全ての基準を満たしていないが、本発明は、かかる基準を満たしている。従来技術と比べて、本発明は、ミキサーの出口から排出されるストリームの温度および組成が均一となっている点で混合性能が向上している。更に、従来技術として説明した殆どのミキサーとは異なって、本発明は、ミキシング・ボックスのほとんどの断面領域を利用している。ミキシング・ボックスの直径が大きいので、従来技術と比べて、本発明では高さ条件を減じやすくなっている。グラフ１は、本発明のミキサーに関して計算された高さと、米国特許第４８３６９８９号のボルテックス・ミキサーに関して計算された高さとの比較（１２の商業的な水素化処理用途に対しての比較）を示している。どちらのミキサーも、１２の各々の商業的な用途に対して、全圧力降下が同じになるように設計したものである。グラフ１を参照すると、ボルテックス・ミキサーの代わりに本発明のミキサーを用いれば、３５ｍｍ〜４４０ｍｍまたは１５％〜５５％高さが減少することになる。このため、ミキサー自体の高さを低くすることができる。更に、冷却流体を供給する場合、ボルテックス・ミキサーでは、そのミキサーの上方に冷却流体用ディストリビューターを別個になるように配置する必要があるものの、本発明のミキサーでは、一体的なパーツとして冷却流体用ディストリビューターを構成することができる。米国特許第４８３６９８９号を参照されたい。別個の冷却流体用ディストリビューターを用いると、高さがある程度増えることになる。
【００３８】
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【００３９】
詳細な説明
水素化リアクターで生じる反応は発熱反応である。それゆえ、反応の間で熱が発生するので、水素化触媒の存在下で高温・高圧にて反応原系（または反応物質）が生成物に変換される際に温度が上昇することになる。
【００４０】
商業的な水素化リアクターでは、反応原系たる２相混合物が、固体触媒粒子から成る床を通るように流されることになる。かかるリアクターでの理想的なフローパターンは、リアクター断面領域のあらゆるポイントで速度（空のリアクターに基づく速度）が同じになるように下方に液体が流れるプラグ流である。気相についても、プラグ流が理想的である。即ち、気体は、リアクター断面領域のあらゆるポイントにおいて速度が同一（空のリアクターに基づく速度）となるように下方に流れることが理想的である。
【００４１】
商業的なリアクターでは、非理想的なディストリビューション・トレイ、触媒の不均一な装填および／または触媒粒子間の空隙に存在する堆積物に起因して、プラグ流を得ることはできない。それゆえ、触媒床のある領域では、液体の流速が平均よりも速くなる一方、気体の速度が平均よりも遅くなってしまう。気体に対する液体の熱容量が高いために、流路１ｍ当たりの温度上昇（℃）は、上記領域では低くなっている。同様に、触媒床の他の領域では、液体の流速が平均よりも遅くなる一方、気体の速度は平均よりも速くなる。そして、気体に対する液体の熱容量が高いために、流路１ｍ当たりの温度上昇（℃）は、上記他の領域では高くなっている。
【００４２】
結果的に、反応原系の混合物がリアクター入口で均一の温度を有する場合であっても、そのような流体が触媒床を通るので、触媒床のある領域が他の領域よりも温度が高くなってしまう。更に、そのような効果は、温度の上昇に伴って反応速度が増加するために促進されてしまう。つまり、触媒床の高温領域では反応速度が速くなっており、それゆえ、冷温領域よりも多くの熱が発生することになる。
【００４３】
触媒床の高温領域の反応速度と低温領域の反応速度との差に起因して、流体の化学組成に違いが生じることになる。
【００４４】
水平面では、そのように温度および化学組成が不均一になると、幾つかのマイナス面がもたらされる：
【００４５】
全ての水素化処理触媒は操作される間で失活してしまう。触媒の活性の低下を補償するために、触媒床の平均温度が運転の間で上げられる。ある時点（操作終了時）になると、触媒床のピーク温度が、最大限許容される値に達してしまう。このポイントでは、全てのプロセス・ユニットを停止させて、触媒を再生する又は取り替える必要がある。水平面での温度が不均一の場合では、平均床温度がより低い初期の段階で操作が終了してしまうことになる。不均一な温度に起因してプロセス・ユニットの停止を頻繁に行うと、生成量の減少、触媒の消費および付加的な労力の点でリファイナー（または精製機）のコストが高くなってしまう。
【００４６】
不均一によりもたらされる別の要素は、化学変化（または転化）の程度が均一でなくなることである。反応原系の一部はよく転化される一方、残りの反応原系はあまり転化されなくなる。その結果、全体的に生成物の品質が低下することになる。第１実施例は、硫黄を含む炭化水素とＨ２とが、硫黄を含まない炭化水素成分とＨ２Ｓとに転化されるディーゼル水素処理リアクターである。温度が均一でない場合、供給オイルの一部が、温度がより高い状態であって、また、場合によっては上述のような低い液体の流速に起因して空間速度がより遅くなった状態で反応する場合がある。そして、供給オイルの別の一部は、温度がより低い状態であって、また、場合によっては速い液体の流速に起因して空間速度がより速くなった状態で反応する場合がある。その結果、有機硫黄は、触媒床を迂回して、温度が低く空間速度が速い領域を通過するようになってしまう。このような迂回が生じると、生成物に含まれる有機硫黄が相当に増加してしまう。そのため、有機硫黄の含量に関する生成物の仕様条件を満たすために、供給速度を減少させたり、リアクター操作温度を上げたりして、不均一な温度および組成を補償しなければならない。供給速度が減じられると、生成物が減少するためにコストが上がってしまう。リアクター温度が上がると、エネルギー消費が増加して、運転時間が減少することになり、プロセス・ユニットを停止して触媒を頻繁に再生／取り替えなければならない。
【００４７】
第２実施例は、より重い炭化水素とＨ２とがより軽い炭化水素成分に転化される水素化分解リアクターである。温度が均一でない場合、供給オイルの一部が、温度がより高い状態であって、また、場合によっては低い液体の流速に起因して空間速度がより遅くなった状態で反応する場合がある。そして、供給オイルの別の一部は、温度がより低い状態であって、また、場合によっては速い液体の流速に起因して空間速度がより速くなった状態で反応する場合がある。その結果、重い供給オイルが部分的に過剰に分解されてしまうので、不要なＣ１〜Ｃ４ガスが生成して軽いナフサ成分が相当に増加してしまう一方、残りの重い供給オイルが部分的にわずかに転化されるだけとなってしまう。従って、所望の生成物に対する水素化分解ユニットの選択性（または選択性能）は減じられ、重い供給成分からより軽い生成物成分への転化率も全体的に減じられることになる。これらは、リファイナーに相当なコストをもたらすものである。
【００４８】
商業的な水素化処理リアクターでは、触媒床の水平面における温度および化学組成の不均一性は避けることのできないものである。しかしながら、適当なリアクター・インターナル（ｒｅａｃｔｏｒ  ｉｎｔｅｒｎａｌ）を取り付けると、不均一性の問題を最小限にすることができる。
【００４９】
フィード／反応原系が最初に導入される第１触媒床については、リアクターの断面領域に液体と気体とが等しく分配されるように、適切な入口ディストリビューターを設ける必要がある。このディストリビューターに入る流体は、組成的または熱的に均一となるように、ディストリビューターの上流で適当に混合されなければならない。ほとんどの場合、反応原系をリアクターに送る配管において流体を十分に混合している。
【００５０】
順次設けられる触媒床のいずれの触媒床であっても、リアクターの断面領域に液体と気体とが均等に分配されるように、適切な入口ディストリビューターを設ける必要がある。しかしながら、引き続いて設けられている触媒床に導入される入口ストリームというものは、上流側の触媒床の出口から排出された出口ストリームであって、温度および化学組成が不均一となっている場合があるストリームである。それゆえ、上流側の触媒床とディストリビューターとの間にミキシング・デバイスを配置することは必要不可欠となっている。そのようにミキシング・デバイスを配置しなければ、ある触媒床から次の触媒床へと不均一な温度および不均一な化学組成が及ぶことになり、より悪化してしまう結果となる。そこで、本発明のミキシング・デバイスは、温度および組成に関して均一な出口ストリームを形成するために用いられるものである。
【００５１】
ある触媒床から排出される高温の流体を次の触媒床に入る前に冷却するために、リアクター内の流体よりも冷たい冷却流体が、隣接する２つの触媒床の間の水素処理リアクター内に供給される場合がある。そのように冷却流体を供給すると、リアクターをほぼ等温条件で操作することができるので、運転時間が増加したり、生成物の品質が向上したりする等の幾つかの利点がもたらされることになる。そこで、本発明のミキシング・デバイスの更なる目的は、ある触媒床から排出される流体に対して低温の冷却流体を混合することによって、そのような流体が次の触媒床に入る前に温度および組成を均一にすることである。
【００５２】
図面に関して説明する。なお、本発明の代替的な態様には、限定するわけではないが、図面に表される設計が含まれている。図１は、触媒粒子から構成される２つ触媒床２,３を備えた典型的な水素化処理リアクター１の概略図である。図１は、ミキシング・デバイスの典型的な配置を触媒床および他のリアクター・インターナルに対して規定しているものである。反応原系は、入口ノズル４を介してリアクターに導入される。そして、流体は、上部ディストリビューション・トレイ５に導入されるので、気体と液体とが触媒床２に導入される前にリアクターの断面領域に対して均一に分配されることになる。触媒床２は、スクリーンまたは触媒支持グリッド６上に配置されている。触媒自体の重い重量および触媒床を通る流体流れに起因する力によって、触媒スクリーンまたは触媒支持グリッドには大きな力が通常作用することになる。それゆえ、これらの力を吸収するには支持ビーム７が通常必要とされる。ミキシング・デバイス８は、触媒支持システム６,７の下方に配置されている。冷却流体ノズル９から冷却流体を加えてもよい。ミキサーの下方には、液体を広げると共に、ミキシング・デバイスから排出される噴流の速い速度を抑制するために、緩衝デバイス１０を配置してもよい。ミキサーの下方には、気体および液体が次の触媒床３に入る前に気体および液体をリアクターの断面領域に対して均等に分配する第２ディストリビューション・トレイ１１が配置されている。生成物は、出口ノズル１２を介してリアクターから排出されることになる。
【００５３】
触媒床を２つよりも多く設けてもよい。ミキシング・デバイス８の数は、リアクター内の触媒床の数をＮとすると、典型的にはＮ―１となる。
【００５４】
図２〜図９は、本発明のミキシング・デバイスの別の構造を表している。これらの図は、代替的に本発明を特徴付けるために用いられているにすぎない。これらの図は、本明細書で開示された概念の範囲を限定するものではなく、構成を示す図として用いられている。また、それらの図は、本発明の概念の範囲を制限するものではない。図に表される相対寸法は、商業的な態様の寸法と同じはなく、また、等倍に拡大もしくは縮小した寸法でもない。
【００５５】
図２は、円形の上プレート１３、円形の底プレート１４および円筒形の側壁１５から成るミキシング・ボックス８を分解切除した斜視図を模式的に示したものである。円筒形の側壁１５は、リアクター内壁の一部を成していてもよく、または、リアクターよりも小さい直径を有した別個の壁であってもよい。好ましくは、ミキサーの高さが最小限度となるように、円筒形状の側壁１５がリアクター直径と略同じとなっている。上プレート１３の開口部１６を除いて、ミキシング・ボックスでは、リアクター１内に実質的にリークが防止された流れ障害物（ｆｌｏｗ  ｏｂｓｔｒｕｃｔｉｏｎ）が形成されている。円筒形の側壁の直径がリアクターの内径よりも小さい場合では、トレー・プレートまたは他の手段が、ミキシング・ボックス８とリアクター１の内壁との間を実質的にリークすることなく密封するのに用いられることになる。
【００５６】
冷却流体用の穿孔ディストリビューター１７を介して、冷却流体がミキシング・ボックス８内に供給される。フロー・バッフル１８,１９,２０がミキシング・ボックス内に設けられることによって、流れが混合されて高速の流れを生じる一連のミキシング・オリフィス２１,２２が形成される一方、流れが分割されて低速の流れを生じるフロー・チャンネル２３,２４が形成されている。フロー・バッフルは、開口部２１,２２,２４を除いて、実質的にリークすることなく設けられているので、流体がミキシング・オリフィス２１,２２およびフロー・チャンネル２３，２４を確実に通るように流れることになる。底プレート１４には、リアクターの中心線と同心の円形の出口開口部２５が設けられている。この円形の開口部は、第３ミキシング・オリフィスであり、ミキサーの最後のミキシング・オリフィスとして機能している。
【００５７】
図３Ａは、図２のミキサーを上から見た図である。図３Ｂは、図３Ａを線Ａ−Ａに沿って切り取った断面図である。図３Ｃは、図３Ａを線Ｂ−Ｂに沿って切り取った断面図である。図３Ａおよび図３Ｂは、円形の開口部２５と同心となるように円形の開口部２５の下方に配置された円形の緩衝プレート（ｉｍｐｉｎｇｅｍｅｎｔ  ｐｌａｔｅ）２６を示している。
【００５８】
図３Ａ,３Ｂおよび３Ｃでは、デバイスを通過する流れが矢印で示されている。運転中では、触媒床２から排出される気体および液体は開口部１６を通ってミキシング・ボックス内に流れ込む。低温の冷却流体がディストリビューター１７から加えられる。そして、全てのプロセス・ストリームがミキシング・オリフィス２１を通過するので、流速が速くなり、液体が気体内へと拡散することになる。その後、フロー・バッフル１９によって、ストリームが流速のより低い２つのストリームに分けられる。そして、この２つのストリームは、対称的に設けられている２つのチャンネル２３を流れて、次のミキシング・オリフィス２２へと流れることになる。ミキシング・オリフィス２２では、２つに分けられたストリームが速い流速で再度組み合わされることになる。ミキシング・オリフィス２２を通過した後、フロー・バッフル２０によって、ストリームが流速のより低い２つのストリームに再度分けられる。そして、２つのストリームは、対称的に設けられた２つの開口部／チャンネル２４を通って中央開口部２５へと流れることになる。その中央開口部２５は第３ミキシング・オリフィスであり、分けられたストリームが速い流速で再度組み合わされることになる。そして、最終的には、緩衝プレート２６によって、流体が半径方向外側へと向かってミキサーから排出されることになる。この緩衝プレートによって、ミキサーからディストリビューション・トレイ１１へと速い速度の噴流が直接的に供給されることが防止されている。更に、緩衝プレート２６によって、流体がディストリビューション・トレイ１１に入る前に液体がリアクターの断面領域に良好に広がることになる。なお、ディストリビューション・トレイ１１がないと、このような噴流は、ディストリビューション・トレイ１１の液面を乱す場合があり、また、液体を同伴して運んでしまう場合がある。
【００５９】
ミキシング・ボックス内の流速が比較的速いために、重力条件は、気相と液相との間の粘性力と比較して無視できる。それゆえ、ミキシング・ボックスが略水平に設けられている場合であっても、ミキシング・ボックス８内では相分離が顕著に生じることはない。
【００６０】
ミキシング・ボックス内のフロー・バッフルは種々の形状が考えられる。フロー・バッフルは、まっすぐなもの、湾曲したもの、折れ曲がったようなもの等であってもよい。フロー・バッフルは、完全に直角である必要はなく、フロー・バッフルが垂直的な要素を有していれば十分である。入口開口部１６および出口開口部１５も種々の形状が考えられ、図２および図３に示すような半扇形、長円形、円形、矩形または三角形などであってもよい。入口開口部および出口開口部の数は、双方とも１個またはそれ以上であってよい。ミキシング・ボックス自体の断面はいずれの形状であってもよい。ミキシング・ボックスの断面は、図２、図３Ａ、図３Ｂおよび図３Ｃのミキサーに示すような円形であってよく、その他、三角形、矩形または多角形であってもよい。円形または角の多い多角形が好ましい。なぜなら、ベッセルの内側断面領域と同様の断面領域を有するようにミキシング・ボックスを設計することができるからである。
【００６１】
図４Ａ、図４Ｂおよび図４Ｃにミキサーの代替的な設計の例を示す。ミキサーを流れる流路は矢印で示している。図４Ａは、そのような代替的なミキシング・ボックス８を上から見た図である。図４Ｂは、図４Ａを線Ａ−Ａに沿って切り取った断面図である。図４Ｃは、図４Ａを線Ｂ−Ｂに沿って切り取った断面図である。ミキシング・ボックスは、上側壁１３’、底側壁１４’および側壁１５’から構成されている。上側壁１３’および底側壁１４’は８角形の多角形の形状を有している。流体がミキシング・ボックス８へと流れ込むように、上側壁には２つの円形の開口部１６’が設けられている。冷却流体用の穿孔ディストリビューター１７’を用いることによって、開口部１６’の下流側の上プレート１３’と底プレート１４’との間に冷却流体が加えられる。ミキシング・ボックスの内部には、湾曲したフロー・バッフル１８’が配置されることによって、第１ミキシング・オリフィス２１’が形成されている。また、ミキシング・ボックス内にはフロー・バッフル１９’が設けられている。まず、ミキシング・オリフィス２１’で分けられたストリームが２つのチャンネル２３’を流れた後、その２つのストリームが第２ミキシング・オリフィス２２’で再度１つのストリームへと組み合わされることになる。ミキシング・オリフィス２１’に近接するフロー・バッフル１９’のコーナーが湾曲するように形成されている一方、ミキシング・オリフィス２２’に近接するフロー・バッフル１９’のコーナーが折れ曲がるように形成されている。ミキシング・オリフィス２２’の下流では、角度を成すように曲げられたフロー・バッフル２０’が配置されている。フロー・バッフル２０’は第２ミキシング・オリフィス２２’から流れてくるストリームを分けて２つのフロー・チャンネル２４’に流すようにしている。その後、分けられたストリームは、最後の第３ミキシング・オリフィス（正方形の出口開口部２５’）で再度組み合わされることになる。出口開口部２５’の下方には、緩衝プレート２６’が配置されている。
【００６２】
図２、図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃ、図４Ａ、図４Ｂおよび図４Ｃに示すミキサーは、３つのミキシング・オリフィス２１,２２および２５（または２１’，２２’および２５’）を有している。しかしながら、２またはそれよりも多くのミキシング・オリフィスを用いてミキシング・デバイスを作ることもできる。図５Ａ、図５Ｂおよび図５Ｃは、４つのミキシング・オリフィスを備えたミキシング・ボックス８の例を示している。ミキサーを流れる流路は矢印で示している。図５Ａは、ミキシング・ボックス８を上から見た図である。図５Ｂは、図５Ａを線Ａ−Ａに沿って切り取った断面図である。図５Ｃは、図５Ａを線Ｂ−Ｂに沿って切り取った断面図である。ミキシング・ボックスは、円形の上側壁１３”、円形の底側壁１４”および円筒形の側壁１５”から構成されている。上側壁には１つの矩形開口部１６”が設けられている。矩形開口部１６”は、流体をミキシング・ボックス８へと流す通路として機能し、また、第１ミキシング・オリフィスとして機能する。ミキシング・ボックス８内には冷却流体が加えられないものの、ミキシング・オリフィス１６”よりも上流側で冷却流体を加えてもよい。ミキシング・ボックスの内部にはフロー・バッフル２７”が配置されており、ミキシング・オリフィス１６”から流れてくるストリームを分けて２つのフロー・チャンネル２８”に流すようにしている。また、ミキシング・ボックスの内部にはフロー・バッフル１８”が配置されて第２ミキシング・オリフィス２１”が形成されており、分けられた全ての再度組み合わされるようになっている。更に、ミキシング・ボックスの内部にはフロー・バッフル１９”が配置されている。このフロー・バッフル１９”はミキシング・オリフィス２１”から流れてくるストリームを分けて２つのフロー・チャンネル２３”に流すようにしている。その後、分けられた２つのストリームが、第３ミキシング・オリフィス２２”で再度組み合わされることになる。ミキシング・オリフィス２２”の下流側には、フロー・バッフル２０”が配置されている。フロー・バッフル２０”は、第３ミキシング・オリフィス２２”から流れてくるストリームを分けて２つのフロー・チャンネル２４”に流すようにしており、その後、分けられた全てのストリームが、最後のオリフィスである円形状の第４ミキシング・オリフィス２５”で再度組み合わされることになる。ミキシング・オリフィス２５”の下方には、円形の緩衝プレート２６”が配置されている。
【００６３】
上述したように、流体をミキシング・ボックス８の内側からミキシング・ボックス８とディストリビューション・トレイ１１との間のスペースへと導く出口開口部の個数、配置および形状はどのようなものであってもよい。図６Ａ、図６Ｂおよび図６Ｃは、中心からずれた出口開口部２５'''を含んだミキシング・ボックス８の例を示している。ミキサーを流れる流路は矢印で示している。図６Ａは、中心からずれた出口開口部２５'''を含むミキシング・ボックス８を上から見た図である。図６Ｂは、図６Ａを線Ａ−Ａに沿って切り取った断面図である。図６Ｃは、図６Ａを線Ｂ−Ｂに沿って切り取った断面図である。ミキシング・ボックスは、円形の上側壁１３'''、円形の底側壁１４'''および円筒形の側壁１５'''から構成されている。上側壁には１つの円形の開口部１６'''が設けられている。円形の開口部１６'''は、流体をミキシング・ボックス８へと流す通路として機能し、また、第１ミキシング・オリフィスとして機能している。第１ミキシング・オリフィス１６'''の下流側では、上側壁１３'''と底側壁１４'''との間に配置された冷却流体用穿孔ディストリビューター１７'''を介して冷却流体を加えてもよい。ミキシング・ボックスの内部にはフロー・バッフル２７'''が配置されており、ミキシング・オリフィス１６'''から流れてくるストリームを分けて２つのフロー・チャンネル２８'''に流れるようにしている。また、ミキシング・ボックスの内部にはフロー・バッフル１８'''が配置されることによって第２ミキシング・オリフィス２１'''が形成されており、分けられた全てのストリームが再度組み合わされるようになっている。ミキシング・ボックス内にはフロー・バッフル２０'''が配置されており、ミキシング・オリフィス２１'''からのストリームを２つのチャンネル２４'''に流すようにしている。更に、ミキシング・ボックスの内部にはフロー・バッフル１９'''が配置されている。このフロー・バッフル１９'''は、チャンネル２４'''を流れたストリームが再度組み合わされることになる第３ミキシング・オリフィス２２'''を形成している。オリフィス２２'''を通る流れ方向は、図２、図３Ａ、図４Ａおよび図５Ａに示すミキシング・オリフィス２２、２２’および２２''を通る流れ方向とは逆であることに留意されたい。ミキシング・オリフィス２２'''を通過した全てのプロセス・ストリームは、出口開口部２５'''に通じている２つのチャンネル２３'''を通るように分けられることになる。液体を各々のチャンネル２３'''へとより一様に分割して、ディストリビューション・トレイ１１へと液体がより良く分配されるように、分割バッフル２９'''をオプションとして用いてもよい。ストリームは、２つの矩形開口部２５'''を介してミキシング・ボックスから排出されることになる。各々の出口開口部２５'''の下方には、緩衝プレート２６'''が配置されている。このようなミキサーは、ディストリビューション・トレイ１１への液体の分配および広がりの点で上述の例よりも有利となっている。これは、出口開口部２５'''がリアクターの中心に配置されておらず、流体がある側方のみから各開口部出口２５'''へとアプローチすることになるからであり、また、ミキシング・オリフィス２２'''の出口で液体が不均一に分割され���ことで開口部２５'''の各々を通る液体の流速が変わり得るからである。
【００６４】
上述したように、２またはそれよりも多くのミキシング・オリフィスを用いてミキシング・デバイスを作ることもできる。用いられるミキシング・オリフィスの数が多くなればなるほど、ミキサー全体の所定の圧力降下のために、ミキシング・ボックスの垂直方向高さをより大きくしなければならない。図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃおよび図７Ｄは、２つのミキシング・オリフィス２１*,２２*を含んだミキシング・ボックス８の例を示している。図７Ａは、ミキシング・ボックス８を上から見た図である。図７Ｂは、図７Ａを線Ａ−Ａに沿って切り取った断面図である。図７Ｃは、図７Ａを線Ｂ−Ｂに沿って切り取った断面図である。図７Ｄは、図７Ａを線Ｃ−Ｃに沿って切り取った断面図である。ミキサーを流れる流路は矢印で示している。ミキシング・ボックスは、円形の上側壁１３*、円形の底側壁１４*および円筒形の側壁１５*から構成されている。上側壁１３*には、円形の入口開口部１６*が２つ設けられている。入口開口部１６*は、気体および液体を混合チャンバー８へと流すための通路として機能する。上端および下端にて開口するシリンダー３０*が、上側壁１３*とシリンダー３０*との間でリークが実質的に生じないように各々の入口開口部１６*に取り付けられたり、または、入口開口部１６*を介して取り付けられたりしている。シリンダーの上縁にはＶ形ノッチ（Ｖ−ｎｏｔｃｈ）が設けられている。運転中では上側壁１３*によって液体があるレベルに保持されており、Ｖ形ノッチによって入口開口部１６*に入る液体流れが時間的に安定となる。従って、ミキサーに導入される液体の流速の変動が回避される。また、Ｖ形ノッチを有するシリンダー３０*は、液体を各々の入口開口部１６に分配する機能を有しており、その結果、各々の入口開口部における液体の流速が略同じとなる。チャンネル３０*は円筒形状を有するように示されているものの、その断面が、長円形、矩形、三角形または多角形などの他の形状であってもよい。シリンダー３０*の上縁はＶ形ノッチを有するように示しているものの、シリンダー３０*の液体流れ用の開口部の形状は、スロット形または円形等の他の形状であってもよい。ミキシング・ボックス８内には冷却流体が加えられないものの、円形の入口開口部１６*の上流で冷却流体を加えてもよい（図示せず）。ミキシング・ボックスの内部には、フロー・バッフル１８*が２つ配置されており、第１ミキシング・オリフィス２１*が形成されている。全てのプロセス・ストリームは、第１ミキシング・オリフィス２１*を通過するように流れることになる。ミキシング・オリフィス２１*からのストリームが分けられることで２つのフロー・チャンネル２４*に流れることになるように、ミキシング・ボックス内にはフロー・バッフル２０*が配置されている。また、ミキシング・ボックス内にはフロー・バッフル１９*が配置されることによって第２ミキシング・オリフィス２２*が形成されており、それによって、チャンネル２４*を流れたストリームが再度組み合わされることになる。第２ミキシング・オリフィス２２*を通過した全てのプロセス・ストリームは分けられて、矩形出口開口部２５に各々つがっている２つのチャンネル２３*を通るように流れることになる。各々のチャンネル２���*を通るように液体をより一様に分割して、ディストリビューション・トレイ１１へと液体がより良く分配されるように、分割バッフル２９*をオプションとして用いてもよい。ストリームは、２つの矩形開口部２５*を介してミキシング・ボックスから排出されることになる。各々の出口開口部２５*の下方には、緩衝プレート２６*が配置されている。図６Ａ、図６Ｂおよび図６Ｃに示した上述のミキサーと同様に、本発明のミキサーは、ディストリビューション・トレイ１１への液体の分配および広がりの点で有利である。これは、出口開口部２５*がリアクターの中心に配置されておらず、流体がある側方のみから各開口部出口２５*へとアプローチするからであり、また、第２ミキシング・オリフィス２２*の出口で液体が不均一に分割されることで開口部２５*の各々を通る液体の流速が変わり得るからである。なお、ミキシング・オリフィスが２つだけ用いられており、３つ以上用いられているわけではないので混合性能は僅かに減じられてしまい、このミキサーは上述のミキサーと比べて不利益となっている。ただし、このミキサーは幾つかの利点がある。ミキサーにはミキシング・オリフィスを２つしか設けていないので、所定の圧力降下に対して、ミキシング・オリフィスを３つ以上有するミキサーの場合よりもミキサーを通過する際の流速を速くすることができる。それゆえ、このミキサーでは、ミキシング・オリフィスおよびフロー・チャンネルの断面領域をより小さくすることができる。従って、ミキシング・オリフィスの必要な断面積がより小さくなり、ミキシング・オリフィスが３つ以上備わったミキサーの場合よりも高さを低くすることができる。中心のずれた２つの出口開口部２５*を有する設計であって、ミキシング・オリフィス２１*および２２*を通過する流れが同じ方向となった設計では、ミキサーの高さを更に低くすることができる。従って、ミキサーの高さが低い非常にコンパクトな設計がもたらされるので、ミキシング・デバイスに用いられるスペースがほとんどないような直径の小さいリアクターに対して用いることができるようになる。リアクターの直径が小さくなればなるほど、ディストリビューション・トレイ１１への液体の分配または広がりというものがあまり重要ではなくなる。なぜなら、ミキサーからの液体の広がりが乏しい場合、ディストリビューション・トレイ１１に導入された液面の傾きは、直径が大きいリアクターの場合ほど重要とならなくなるからである。
【００６５】
上述の例では、フロー・バッフルによって形成されるミキシング・オリフィスの断面領域は全て矩形状である。しかしながら、ミキシング・オリフィスの断面領域は、ミキシング・オリフィスにおいて全てのプロセス・ストリームが速い流速で組み合わされる（または混合される）ようなものであれば、いずれの形状であってよい。図８Ａ、図８Ｂおよび図８Ｃは、断面領域が円形状の２つのミキシング・オリフィス１６**,２２**を含んだミキシング・ボックス８を示している。図８Ａは、ミキシング・ボックス８を上から見た図を示している。図８Ｂは、図８Ａを線Ａ−Ａに沿って切り取った断面図である。図８Ｃは、図８Ａを線Ｂ−Ｂに沿って切り取った断面図である。ミキサーを流れる流路は矢印で示している。ミキシング・ボックスは、円形の上側壁１３**、円形の底側壁１４**および円筒形の側壁１５**から構成されている。上側壁１３**には、円形の入口開口部１６**が１つ設けられている。入口開口部１６**は、第１ミキシング・オリフィスとして機能し、また、流体を混合チャンバー８へと流すための通路として機能している。ミキシング・ボックス８内には冷却流体が加えられないものの、円形の入口開口部１６**の上流で冷却流体を加えてもよい（図示せず）。ミキシング・オリフィス１６**からのストリームが分けられて２つのフロー・チャンネル２８**へと流れるように、ミキシング・ボックス内にはフロー・バッフル２７**が配置されている。また、第２ミキシング・オリフィス２２**が形成されるように、ミキシング・ボックス内に別のフロー・バッフル１９**が配置されている。第２ミキシング・オリフィス２２**ではチャンネル２８**を流れた２つのストリームが再度組み合わされることになる。第２ミキシング・オリフィス２２**を通過した全てのプロセス・ストリームは分けられることによって、矩形出口開口部２５**に各々つがっている２つのチャンネル２３**を流れることになる。液体を２つの各々のチャンネル２３**へとより一様に分割して、ディストリビューション・トレイ１１へと液体がより良く分配されるように、分割バッフル２９**をオプションとして用いてもよい。ストリームは、２つの矩形開口部２５**を介してミキシング・ボックスから排出されることになる。各々の出口開口部２５**の下方には、緩衝プレート２６**が配置されている。図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃおよび図７Ｄに示した上述のミキサーと同様に、このミキサーは、ディストリビューション・トレイ１１への液体の分配および広がりの点で有利である。また、このミキサーは、混合性能は僅かに減じられてしまうので、ミキシング・オリフィスを３つ以上の設計を有したミキサーの場合よりも不利益となっている。しかしながら、上述のミキサーと同様に、ミキサーの高さが低い非常にコンパクトな設計となるので、ミキシング・デバイスに用いられるスペースがほとんどないような直径の小さいリアクターに対して用いることができるようになっている。
【００６６】
図９Ａ、図９Ｂおよび図９Ｃは、図２、図３Ａ、図３Ｂおよび図３Ｃのミキサーと同様のミキシング・オリフィスを３つ備えたミキシング・ボックスの例を示している。しかしながら、図９Ａ、図９Ｂおよび図９Ｃに示されるミキサーは、入口開口部１６***、フロー・バッフル１９***,２０***および冷却流体用ディストリビューター１７***の点で変更されている。ミキサーを流れる流路は矢印で示している。図９Ａは、ミキシング・ボックス８を上から見た図を示している。図９Ｂは、図９Ａを線Ａ−Ａに沿って切り取った断面図である。図９Ｃは、図９Ａを線Ｂ−Ｂに沿って切り取った断面図である。ミキシング・ボックスは、円形の上側壁１３***、円形の底側壁１４***および円筒形の側壁１５***から構成されている。上側壁は扇形状に一部切り欠かれており、ミキシング・ボックス８に流体を入れるための入口開口部１６***が形成されている。入口開口部１６***の下流では、上プレート１３***と底プレート１４***との間に配置される冷却流体用ディストリビューター１７***を介して冷却流体が加えられることになる。冷却流体用ディストリビューター１７***は、どのような種類であってもよく、また、ディストリビューターから出る冷却流体の排出方向はどのような方向であってもよい。なお、図面では、流体の噴流が下側に向くようになったＴ形状の穿孔ディストリビューターが示されている。ミキシング・ボックス内にフロー・バッフル１８***が２つ配置されることによって第１ミキシング・オリフィス２１***が形成されている。第１ミキシング・オリフィス２１***では、プロセス・ストリームの全てが速い流速で通過することになる。ミキシング・ボックス内には、湾曲したフロー・バッフル１９***が配置されている。そのため、ミキシング・オリフィス２１***からのストリームが分けられ、２つのチャンネル２３***を通るように流れることになり、その後、分けられた２つのストリームが第２ミキシング・オリフィス２２***で１つのストリームなるように組み合わされることになる。ミキシング・オリフィス２２***の下流には、ステップ状のフロー・バッフル２０***が配置されている。フロー・バッフル２０***によって、第２ミキシング・オリフィス２２***からのストリームが分けられることによって２つのフロー・チャンネル２４***にストリームが流れることになり、その後、全てのストリームが、円形状の最後の第３ミキシング・オリフィスたる出口開口部２５***で再度組み合わされることになる。出口開口部２５***の下流には、緩衝プレート２６***が配置されている。
【００６７】
図１に戻って説明する。ミキシング・デバイスの全ての態様において、図２のミキシング・オリフィス２１の場合のように水平方向流れを含んだミキシング・オリフィスを通過する流れの方向が、触媒スクリーンまたは触媒グリッド６の表面の下方で延在している支持ビーム７と平行となるように、ミキシング・ボックス８を方向付けることが好ましい。これによって、触媒床２の出口からミキシング・ボックス１６の入口開口部に流れる流体の圧力降下が最小限度となる。かかる領域で圧力降下が大きいと、触媒床２を通過するフロー・パターンが不均一となってしまうので望ましくない。
【００６８】
上述したミキサーの実施例の入口開口部１６は、全てミキサーの側壁１５に近接するように配置されている。このような入口開口部の配置は、上流側触媒床２の出口からミキサーの入口開口部１６へと流れる気体および液体の上述したような圧力降下が増加する傾向を伴ってしまう。このような圧力降下を減じるために、入口開口部をリアクターの中心線付近に配置してもよい。図１０Ａ、図１０Ｂおよび図１０Ｃは、ミキサーおよびリアクターの中心付近に配置された扇形入口開口部１６×を備えたミキシング・ボックス８の例を示している。図１０Ａは、ミキシング・ボックス８を上から見た図を示している。図１０Ｂは、図１０Ａを線Ａ−Ａに沿って切り取った断面図である。図１０Ｃは、図１０Ａを線Ｂ−Ｂに沿って切り取った断面図である。ミキサーを流れる流路は矢印で示している。ミキサーは２つのミキシング・オリフィスを有している。ミキシング・ボックスは、円形の上側壁１３×、円形の底側壁１４×および円筒形の側壁１５×から構成されている。上側壁１３×には、流体をミキシング・ボックス８へと流す通路として機能する扇形の入口開口部１６×が設けられている。ミキシング・ボックス８内には冷却流体が加えられないものの、扇形入口開口部１６×の上流にて冷却流体を加えてもよい（図示せず）。第１ミキシング・オリフィス２１×および第２ミキシング・オリフィス２２×が形成されるように、ミキシング・ボックス内には２つの半円形フロー・バッフル１８×が配置されている。入口開口部１６×を通過した全てのプロセス・ストリームは、第１ミキシング・オリフィス２１×に入ることになる。第１ミキシング・オリフィス２１×を通過したプロセス・ストリームは分けられて２つのチャンネル２３×を流れることになる。チャンネル２３×では気体および液体が円筒形の側壁１５×を沿って第２ミキシング・オリフィス２２×へと流れることになる。そして、第２ミキシング・オリフィス２２×において、全てのプロセス・ストリームが速い流速で再度組み合わされる。第２ミキシング・オリフィスを通過したストリームを、正方形状出口開口部２５×に入るに先立って速度のより遅い２つのストリームに分けるために、フロー・バッフル２０×をオプションとして用いてもよい。ミキサー８の高さがより低いよりコンパクトな設計を達成するために、フロー・バッフル２０×を取り除いて、その代わりに、出口開口部２５×にフロー・バッフル３１×をオプションとして配置してもよい。フロー・バッフル３１×は、第２ミキシング・オリフィスを通過した流速の速いストリームが、出口開口部２５×を通過する際に、ストリームがリアクターの一方の側だけに方向付けられることを防止する機能を有している。なお、リアクターの一方の側だけにストリームが方向付けられるならば、下方のディストリビューション・トレイへの液体の広がりが満足のいくものではなくなってしまう。出口開口部２５×および入口開口部１６×は、それを通過するストリームの流速が非常に遅いのでミキシング・オリフィスとは考えられない。出口開口部２５×の下方には、緩衝プレート２６×が配置されている。
【００６９】
再度、図１に戻って説明する。触媒支持システムは、触媒スクリーン６および支持ビーム７から構成されている。触媒支持システムとミキシング・デバイス８とは、図１では別個の構造を有するように示されている。しかしながら、本発明のミキシング・デバイスを、触媒支持システムと一体的に用いてもよい。
【００７０】
ミキシング・ボックス自体は、そのミキシング・ボックスに及ぶ圧力降下に起因する力が吸収されるように、支持ビームまたは他の構造が必要とされ得る。そのような支持ビームまたを構造はいずれの図面にも示していないが、それらをミキシング・ボックスの上方または下方に配置したり、ミキシング・ボックスおよびフロー・バッフルと一体的に用いたりしてもよい。
【００７１】
本発明のいずれの態様に対しても、小流量用排出穴を設けてもよい。ミキサーを構成するプレートは、１つのピースとして用いたり、または、幾つかのプレート・セクションを組み合わせた状態で用いたりしてもよい。通常は、幾つかの取外し可能なセクションがミキサーに用いられているために、点検および洗浄操作に際してアクセスが容易となっており、また、ミキシング・ボックスに手が届くようになっている。
【００７２】
フロー・チャンネルまたは開口部における２相ノースリップ流速は、液相と気相との間でスリップが存在しない場合の流速として規定される。このことは、液相の速度が気相の速度と同じであることを意味している。それゆえ、ノースリップ速度は、次の通りである：
【００７３】
【数１】
0004741237.tif 000003
【００７４】
ここで、Ｑｉは、チャンネルまたは開口部を通路する液体の体積流量であり、Ｑｖは、チャンネルまたは開口部を通路する気体の体積流量であり、更に、Ａは、チャンネルまたは開口部の断面積である。
【００７５】
ミキシング・ボックス８は典型的には略水平となっている。これは、リアクター１の一方の端部からもう一方の端部に至るまでのミキシング・ボックスの全体的な勾配（または傾き）が小さいことを意味している。ミキシング・ボックス８の直径は、リアクターの内径の５０〜１００％であることが典型的である。各ミキシング・オリフィスの断面領域は、ノースリップ速度が典型的には３〜１５ｍ／ｓとなるように選択されている。ミキシング・オリフィスの下流にて分けられた流れが含まれるチャンネルの断面領域は、ノースリップ流速の最大値が、対応するミキシング・オリフィスの流速の０．２５〜１．００倍となるように典型的に選択されている。上プレートから緩衝プレートまでのミキサーの高さは、１００ｍｍ（リアクター直径が小さい場合）〜５００ｍｍ以上（リアクターの直径が大きい場合）であり、種々の値を取り得る。フロー・バッフル２０および２７の水平方向の幅は、典型的には上流側のミキシング・オリフィスの最大幅の１〜３倍である。
【００７６】
３種類の異なる商業的用途に対するミキサー設計の実施例を表１に示す。表１の３つの実施例の全ては、図２、図３Ａ、図３Ｂおよび図３Ｃのミキサー設計に対応している。
【００７７】
【表１】
0004741237.tif 000004
【００７８】
本発明に関しては、一般的には以下のことがいえる：
１つの要旨において、本発明は、縦型ベッセル内において並流で流れる気体と液体とを混合するミキシング・デバイスであって、直列に順次設けられた複数の混合シーケンス（ｍｉｘｉｎｇ  ｓｅｑｕｅｎｃｅ）を気体および液体が通過する実質的に水平なミキシング・ボックスによって、気体および液体の流れを阻害するミキシング・デバイスに関する。なお、ある混合シーケンスが１つのミキシング・オリフィスとそれに続く１つのＴ字路として規定される。組み合わされた（または混合された）プロセス・ストリームが速い速度で通過することになる１つの開口部としてミキシング・オリフィスが規定される一方、あるオリフィスから流れてくる速度の速いストリームを速度がより低い２つのフロー・チャンネルに流れるように分けるストリーム・スプリット（ｓｔｒｅａｍ  ｓｐｌｉｔ）としてＴ字路が規定されている。
【００７９】
本発明のミキシング・デバイスにおいて、「実質的に水平な」ミキシング・ボックスというものは、ベッセルの一方の端部からもう一方の端部に至るまでのミキシング・ボックスの全体的な勾配が２０％未満となっており、水平面と成す角度が最大１１．５°となっているミキシング・ボックスとして規定されるものである。ミキシング・ボックスの個々のセグメントは、ベッセルの一方の端部からもう一方の端部に至るまでの全体的な勾配が２０％未満（１１．５°に相当する）であれば、より大きい勾配を有することができる。
【００８０】
更に、ベッセル壁に対して垂直な面において実質的に水平に設けられたミキシング・ボックスの断面積は、ベッセルの内側断面積の２５％〜１００％である。ミキシング・ボックスの断面積が、リアクター断面積の１００％未満である場合、ミキシング・ボックスとベッセル壁との間の面積がプレートまたは他の手段で封止されることによって、ミキシング・ボックスとベッセル壁との間を実質的に流体が漏れることのないように連結することができる。
【００８１】
第１ミキシング・オリフィスの上流または２つのミキシング・オリフィスの間においてパイプもしくはディストリビューターを介して冷却流体を加えることによって、プロセス・ストリームを冷却してもよい。
【００８２】
ミキシング・ボックスは、少なくとも２つのミキシング・オリフィスを有して成る。
【００８３】
ミキシング・オリフィスでのノースリップ２相流速は、３ｍ／ｓ〜１５ｍ／ｓである。Ｔ字路の下流側にて流れが分けられることになるチャンネルでのノースリップ２相流速の最大値は、流れが組み合わされる（または混合される）上流側のミキシング・オリフィスでのノースリップ２相流速の値の２５％よりも大きい値である。Ｔ字路の下流側にて流れ分けられるチャンネルでのノースリップ２相流速の最小値は、流れが組み合わされる（または混合される）上流側のミキシング・オリフィスでのノースリップ２相流速の値の１００％よりも小さい。
【００８４】
リアクター・ベッセルは、気体と液体とが並流で下方向へと流れる縦型水素化処理リアクターであって、水素化処理触媒の存在下で炭化水素と水素リッチガスとが反応するリアクターであってよい。
【００８５】
以上、本発明の種々の態様について説明してきた。なお、特許請求の範囲に記載された発明から逸脱することなく、種々の変更および修正が考えられる。
【００８６】
従って、例えば、ミキシング・オリフィスまたは通路のいずれかを、共通の壁で２つの以上の隣接するオリフィスまたは通路へと分割してもよい。しかしながら、現在、各々のミキシング・オリフィスまたは通路を分けない状態の方が、混合性能および防汚の点で最も良い結果が得られるものと考えられている。
【００８７】
例えば、翼部、バッフルおよびグリッド等の乱れ発生手段をミキシング・オリフィスまたは通路の上流またはミキシング・オリフィス自体または通路自体に設けてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】図１は、触媒粒子から成る２つ床２,３を備えた典型的な水素化処理リアクター１の概略図である。
【図２】図２は、円形の上側プレート１３、円形の底側プレート１４および円形の側壁１５から成るミキシング・ボックス８を分解切除した斜視図を模式的に示したものである。
【図３Ａ】図３Ａは、図２のミキサーを上から見た図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、図３Ａを線Ａ−Ａに沿って切り取った断面図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、図３Ａを線Ｂ−Ｂに沿って切り取った断面図である。
【図４Ａ】図４Ａは、別のミキシング・ボックス８を上から見た図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、図４Ａを線Ａ−Ａに沿って切り取った断面図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、図４Ａを線Ｂ−Ｂに沿って切り取った断面図である。
【図５Ａ】図５Ａは、４つのミキシング・オリフィスを含むミキシング・ボックス８を上から見た図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、図５Ａを線Ａ−Ａに沿って切り取った断面図である。
【図５Ｃ】図５Ｃは、図５Ａを線Ｂ−Ｂに沿って切り取った断面図である。
【図６Ａ】図６Ａは、中心からずれた出口開口部２５'''を含むミキシング・ボックス８を上から見た図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、図６Ａを線Ａ−Ａに沿って切り取った断面図である。
【図６Ｃ】図６Ｃは、図６Ａを線Ｂ−Ｂに沿って切り取った断面図である。
【図７Ａ】図７Ａは、２つのミキシング・オリフィス２１*,２２*を含むミキシング・ボックス８を上から見た図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、図７Ａを線Ａ−Ａに沿って切り取った断面図である。
【図７Ｃ】図７Ｃは、図７Ａを線Ｂ−Ｂに沿って切り取った断面図である。
【図７Ｄ】図７Ｄは、図７Ａを線Ｃ−Ｃに沿って切り取った断面図である。
【図８Ａ】図８Ａは、２つのミキシング・オリフィス１６*,２２*を含むミキシング・ボックス８を上から見た図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、図８Ａを線Ａ−Ａに沿って切り取った断面図である。
【図８Ｃ】図８Ｃは、図８Ａを線Ｂ−Ｂに沿って切り取った断面図である。
【図９Ａ】図９Ａは、図２、３Ａ、３Ｂおよび３Ｃのミキサーと同様のミキシング・オリフィスを３つ含んだミキシング・ボックス８を上から見た図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、図９Ａを線Ａ−Ａに沿って切り取った断面図である。
【図９Ｃ】図９Ｃは、図９Ａを線Ｂ−Ｂに沿って切り取った断面図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、扇形状入口開口部１６×を含むミキシング・ボックス８を上から見た図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、図１０Ａを線Ａ−Ａに沿って切り取った断面図である。
【図１０Ｃ】図１０Ｃは、図１０Ａを線Ｂ−Ｂに沿って切り取った断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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