JP2008528248A - ２相下降並流ベッセル用分配装置 - Google Patents

Abstract

下方へと流れる蒸気および液体を、ベッセルの断面を横断するように均一に分配させる分配トレイ。かかる分配トレイでは、トレイ上方へと上向きに延在する下降管に複数の穴が設けられている。下降管は、上端開口部と下端開口部とを有し、流体をトレイ上方からトレイ下方に流れさせることができる。液体導管は、各下降管に対し、トレイ上の液体溜めに浸かった液体入口と、液体上昇流部と、下降管と流体連通した設置高さの異なる液体開口部とが設けられている。流れ領域縮小部と、液体分配改良手段とを、下降管の出口に使用してもよい。運転時、蒸気は下降管の上端開口部に流入する。液体は、トレイ上の液体溜めに収集され、液体入口を通って液体導管内に流れた後、上向きに液体導管を通る。そして、液体は、液体開口部を通って下降管内に流入し、蒸気下降流と混合される。得られた２相ストリームは、液体の広がりを促進させる手段を通過するに先立って、液体の分散を促進する「流れ領域縮小部」をより速い速度で通過する。２相ストリームは、最終的には、下降管の下端開口部を介して分配装置から流出する。

Description

本発明は、蒸気と液体とを２相下降並流（two-phase concurrent downflow）としてベッセル断面を横断するように均一に分配（distribute）させる装置に関する。本発明は、限定するわけではないが、水素リッチな処理ガスと炭化水素の液体とを水素処理反応器（例えば、水素処理または水素化分解反応を行う反応器）の触媒床に対して分配させる用途に好適である。

２相下降並流ベッセル用の多くの分配トレイの設計は、文献や特許に記載されている。２相下降並流ベッセルの設計の多くは以下に示す２つのカテゴリーのいずれかに属する：

チムニータイプの分配トレイ
これらの分配器は水平なトレイプレートから成る。トレイプレートは、トレイプレートの上方へと延在する複数のチムニーを備えている。チムニーはトレイプレート全体にわたって蒸気流用フローチャネルを形成している。初期の分配トレイの設計では、トレイプレートに液体が流れる液体開口部が設けられている。現在使用される分配トレイの設計では、液体が流れる側部液体開口部がチムニー側部に１以上設けられている。これらの側部液体開口部は１つ以上の異なる高さにあり、大きさや形状に違いがあり得る。液体開口部の全流れの領域は、トレイ上を、ある液面レベル（液体レベル）に保持するように選択されている。蒸気チムニーの全断面積は、トレイ全体にわたって低い圧力降下を得るように選択されている。液体開口部を通過する液体流れの推進力が主に液体開口部上に位置する液体の液頭であって、チムニーを通過する蒸気流によって生じる圧力降下でない。

チムニータイプの分配トレイの例が、米国特許第４，７８８，０４０号公報に開示されている。予備分配トレイ５６が最終分配トレイ６６の上に使用される。最終分配トレイ６６は、液体流れのための液体開口部／穴８４と蒸気流れのための蓋付きのチムニー６２を備えている。また、チムニー６２は、液体流れのための側部液体開口部９０を備えている。トレイプレート又はその付近に液体開口部を備えた分配トレイは、汚れや目詰まりの影響を受けやすいといえる。なぜなら、微粒子状の不純物はトレイ上で沈殿する傾向があり、液体開口部を目詰まりさせるからである。

チムニータイプの分配トレイの別の例が、米国特許第４，１２６，５４０号公報に開示されている。この分配トレイは複数のチムニー３１を備えたトレイプレート３３から成る。各チムニーは、液体流れ３４のための側部液体開口部を１以上備えている。全ての液体開口部はトレイプレートから高さＨの位置に設けられている。穴開きプレート３２がチムニーの上に配置されている。穴開きプレートには穴３０が設けられている。穴はチムニー３１の上のプレート３２に直接備えられているのではない。このようにして、チムニーの上側開口端へと液体が直接流れ込むのを防止している。液体の直接的な流れ込みを防止する別の方法は、チムニーキャップ２４を使用する方法である。このようなトレイは汚れや目詰まりに対して改良された耐性を有するものである。なぜなら、液体開口部がより高い高さにあるので、液体開口部を目詰まりさせることなく粒子状不純物がトレイ上に沈殿しうるからである。ある１つのみの高さ（又は一定の高さ）に液体開口部を備えるチムニートレイの設計の欠点は液体流れのレンジアビリティが乏しいことである。低速の液体流れでは、レベルは液体開口部に位置し、各チムニーを通過する液体流れは液体深さ変化に対して非常に敏感となり、このことは常にトレイに現れる。高速の液体流れでは、液体は最も低い高さのチムニーをオーバーフローし液体の分配不良を引き起こすことになる。

米国特許第５，４８４，５７８号公報には、予備分配トレイ１７と最終分配トレイ１８とから成る分配システムが開示されている。最終分配トレイ１８は異なる複数のチムニー３３および３４を備えたチムニータイプのトレイである。チムニーは、１以上の異なる高さに液体流れのための側部液体開口部を備えている。チムニー３３はチムニー３４より低い高さに１以上の液体開口部を有する。このようにして、分配トレイの液体流れのレンジアビリティを増加させている。チムニーにはノッチ３８が設けられており、液体がチムニーをオーバーフローする際の液体の分配不良を低減させている。

チムニーの内側の下降流の流速は低くする必要がある。従って、引用した公報のチムニーでは、流出フローパターンは、通常、チムニーのドリップエッジからほぼ垂直落下する液体の有するフローパターンと関係が低いといえる。チムニーをどれくらいの間隔で配置することができるかには制限がある。多くのチムニーをトレイ上に接近して配置すれば、チムニー当たりの液体流れが少なくなる。したがって、トレイ上に所望の液面レベルを保持するためには液体開口部の面積を低減する必要がある。液体開口部の大きさが約１５〜３０ｍｍ^２より小さければ、液体開口部は汚れや目詰まりの影響を受けやすくなる。言い換えれば、液体開口部の目詰まりを排除するなら、最大チムニー密度が存在することになる。水素処理反応器用の典型的なチムニートレイの設計では、液体開口部の目詰まりを防止すべく、最大チムニー密度は平方メートル当たり５０〜１００個のチムニーの範囲となる。分配ポイントまたはチムニーの数を制限し、各チムニーの下方ポイントにおける液体流れや隣接するチムニーの間の領域に液体流れがないことを排除するために、各チムニーの出口では液体がある程度分配されることが望ましい。

米国特許第５，４０３，５６１号公報は、分配トレイ２２に設けられたチムニー２４の出口に円錐形の噴霧手段２３を使用することを記載している。噴霧手段は、逆円錐形つる巻線の形状に金属のリボンを巻いたものから成っていてもよい。円錐形の蒸気／液体の霧に起因して、各チムニーの出口において良好な局所的な液体分配が可能となる。蒸気および液体の噴霧は重なり合い、固定床１８の表面に突き当たると考えられる。

如何に良好な局所的液体分配を各チムニー出口で達成することができるかについての第２の例が、米国特許第６，６１３，２１９号公報に示されている。かかる公報では、分配システム２８（例えば、穴開きプレート）をチムニーの下方に使用して、液体を分配させている。

各チムニー出口において局所的な液体の分配を改良する第３の例が、国際公開特許第００／５３３０７号公報に示されている。かかる公報では、放射状に配列された波形のプレート２２、２２ａ、２２ｂから成る流れ分配要素１０がチムニー１４の出口１２内に挿入されており、円錐形の霧を形成している。波形プレート間の小さいサイズのフローチャネルでは、固形不純物によって目詰まりしやすい。

上述の全てのチムニートレイにおける欠点は、チムニーの入口での低流速および圧力降下を達成するために全チムニー領域を大きくしなければならない点である。蒸気がチムニーに流入することによる圧力降下が過剰ならば、この圧力降下は側部液体開口部全体にわたって圧力降下を増加させる。その結果、分配トレイの液体流れのレンジアビリティを低減させる。すなわち、低速液流と高速蒸気流を用いて操作する場合、液面レベルがより低くなり、高速液流と低速蒸気流を用いて操作する場合、液面レベルはより高くなる。更に、トレイ全体にわたる液体深さの変化に対する「各チムニーから得られる液流の感度」は、チムニーへの蒸気流入による圧力降下の増加に伴って増加することになる。なぜなら、液面レベルが液体開口部を通過する時に液体流速の大きな変化が生じるからである。

工業的用途では、チムニーは全分配トレイ領域の３０％までを占有してもよい。したがって、トレイプレートを横断する液体流れに対する抵抗は存在し、トレイ上に液面レベルに勾配が生じうる。液面レベルの勾配は液体の分配不良をもたらす。チムニーへと液体が直接流れ込むことを防止するチムニーキャップは、工業的設計では全チムニー領域の５０％までを占有してもよい。従って、上方から分配トレイに入る大部分の量の液体は、これらのキャップに当たる。その結果、キャップに当たった液体はキャップの縁へと流れ、チムニーに入る蒸気を通じて落下する。したがって大部分の量の液体が蒸気によってチムニーへと引き込まれる場合があるので、側部液体開口部を迂回し液体分配不良が引き起こされることになる。

バブルキャップタイプの分配トレイ
これらの分配器はチムニータイプの分配トレイとは全く異なる操作方式を有する。静液頭（又は静水頭）がチムニー分配トレイにおける液体分配のための推進力となるが、バブルキャップトレイにおける液体分配のための推進力は蒸気流である。バブルキャップ分配器は、水平トレイプレートから成る。複数の分配ユニットまたはバブルキャップがトレイプレート全体にわたって蒸気流れおよび液体流れのために備えられている。各バブルキャップは、上昇流チャネルと下降流チャネルとから成る逆Ｕ字型の流れ導管である。各上昇流チャネルの下側部分は１以上の側部蒸気開口部（典型的には垂直スロットまたは逆Ｖ字型ノッチ）を備えている。下降流チャネルはトレイプレートを貫通するように延在している。蒸気は各上昇流チャネルの下側部分に位置する側部蒸気開口部を通り、これによってトレイ上の蒸気空間から上昇流チャネルの内側へと圧力降下を発生させる。この圧力降下に起因して、液体は上昇流チャネルへと持ち上げられることになり蒸気と混合される。得られる２相混合物は上昇流チャネルを通って上昇して流れ、内部堰を経て下降流チャネルを通って下降して流れた後、分配ユニットから流出してトレイの下方へと流れていく。

常套のバブルキャップ分配トレイの例が、米国特許第３，２１８，２４９号公報に開示されている。分配トレイは、複数の筒状の下降管２６を備えたトレイプレート１８から成り、下降流チャネルとして機能している。キャップ２８は各下降管を覆い、したがってキャップと下降管間に環状の上昇流チャネルを形成する。キャップは図６に示されるようにスロットを備えている。操作時、液面レベルはトレイ上のスロットの中間のレベルに達する。蒸気はスロットの乾燥した上側部分を通過する。したがって、圧力降下がキャップの外側から環状上昇流チャネルの内側に生じる。この圧力降下に起因して、液体はトレイ上の液体溜めから環状上昇流チャネルへと持ち上げられることになり、蒸気と混合される。得られる２相ストリームは、まず、環状上昇流チャネルを通って上へと流れる。次いでストリームは下降管の上側エッジから成る内部堰を経て１８０°ターンする。最終的には２相ストリームは下降管を通って下へと流れてバルブキャップから流出し、トレイプレート１８の下方へと流れていく。

バブルキャップ分配ユニットの下降管およびキャップは、米国特許第５，９４２，１６２号号公報に例示されるように、多くの異なる形状および配列を有してもよく、この公報では正方形および角型のキャップおよび下降管が、円状形状に加えて示唆されている。

バブルキャップ分配器は性能上の問題を主に３つ有している：
１．各分配ユニットからの液体流れはトレイプレート全体にわたる液体深さの変化に対してきわめて敏感である。このことは、高い蒸気負荷を伴う用途の場合には特にあてはまる。
２．上記１で述べた性能上の問題を低減するために、バブルキャップ分配器は、装置の内側の２相流速をできるだけ低くなるように設計する必要がある。下降流ベッセル内の蒸気および液体の流速は他のパラメータによって設定されるので、バブルキャップ内の利用可能な流れの領域、上昇流領域、内部堰を経た流れ領域および下降流領域は、所望の低速２相流速を達成するために最大にする必要がある。その結果、バブルキャップは分配トレイプレートの全領域の大きい割合を占めている。工業的設計では、トレイ領域の約５０％までがバブルキャップによって占有され、同時に液面レベルは典型的にわずか５０〜１００ｍｍと低い。その結果、トレイプレートを横断して液体が流れるために、隣接するバブルキャップ間の水平な液体流速は高くなり、トレイ上に大きな液面レベル勾配が摩擦損失により生じてしまう。液面レベル勾配は、液体分配不良をもたらす。液流横断に対する抵抗およびそれゆえの液面レベル勾配は、摩擦損失がより大きいために、丸い断面を有するバブルキャップの場合よりも角型の断面を有するバブルキャップの場合の方が大きい。
３．圧力勾配が分配トレイ上の蒸気空間に存在する。各バブルキャップからの液体流れは、このような圧力差に対する感度が高い。

米国特許第６，７６９，６７２号公報では、トレイプレート全体にわたる液体深さの変化に対する各バブルキャップからの液体流れの感度が著しく低減したバブルキャップタイプの分配トレイが開示されている。改良されたバブルキャップは２つの異なるタイプの上昇流チャネル：高蒸気流だが低液流の上昇流チャネル１６と、低蒸気流と高液流を有する上昇流チャネル１５とを有する。しかしながら、バブルキャップはトレイ領域の大きい割合を占め、トレイを横断する液体流れによる液流レベル勾配は問題である。

上述したように、バブルキャップにおける２相流速はできるだけ低く維持せねばならない。これはバブルキャップにおける摩擦圧力損失を低減するためである。摩擦圧力損失が小さくなると、トレイ全体にわたる液体深さの不可避の変化に対する「各バブルキャップからの液体流れの感度」が低減することにつながる。そのため、液体分配のために種々のインサート（又は挿入物insert）を用いることによって各バブルキャップの出口での液体の局所的な分配または分配を改良する試みは、失敗であった。このような試みの一例が米国特許第５，１５８，７１４号公報に示されている。インサートは流れの規制の役目を果たし摩擦圧力損失を増加させる。その結果、インサートまたは他の流れ規制部を備えたバブルキャップは、トレイ全体にわたる液体深さの不可避の変化に対する「各バブルキャップからの液体流れの感度」を著しく増加させることを示し、望ましくはなくトレイ一面への液体分配が不十分となる。トレイ一面への不十分な液体分配は、バブルキャップ出口での局所的な液体の分配を改良することで埋め合わせることはできない。

分配トレイの適切な性能についての基準
好適な分配トレイは、以下の基準を満たさねばならない。

Ａ）トレイにおける液体の深さの変化に関係なく、分配トレイの各分配ユニットからの液体流速はほぼ同じでなくてはならない。液体の深さの変化に対する感度は、「１／２インチ水平からずれた条件（ｏｕｔ−ｏｆ−ｌｅｖｅｌ）」に起因する液体分配不良（%Mal inch）として定量化される：

式１

工業的水素処理ユニットでは、ある分配ユニットから別の分配ユニットへの液体の深さの変化（水平からのずれ条件）は常に存在する。理由は以下の通りである：

１）支持リング（それゆえトレイプレート）は完全なレベルにはない（例図１参照）。
２）トレイプレートおよび／またはトレイ支持ビームはその負荷により撓んでしまう。
３）製作公差によりトレイの個々の分配ユニットの高さには位置ずれが存在する。
４）液体表面は、分配トレイ上の極めて激しい条件と、上から液体が落下することにより波立っている。
５）液体がトレイを横断して流れることにより、トレイ上にはしばしば顕著な液面レベル勾配がある。ベッセル中心線からベッセル壁に向かう放射状の流れがしばしば存在する。

製作および取り付け公差に起因する工業的反応器における典型的なレベル差は（１、２および３地点で）約０．５インチである。

Ｂ） トレイ領域ｍ^２当たりの分配ユニットの個数は多いことが求められる。１ｍ^２当たりに約９０個の分配ユニットを備え、分配トレイの下方に配置された１インチの直径の不活性ボールの２００ｍｍ厚さの層によって生じさせた液体分配は、この不活性粒子層の出口で均一な液体分配を生じる。この出口は典型的に触媒性反応器における活性触媒床への入口である。各分配ユニットを流出する液体の局所的な分配を改良するための手段が使用される場合では、１ｍ^２当たり９０個未満の分配ユニットが望ましい場合もある。分配ユニットは触媒床にできるだけ均一に設けられる。反応器壁、温度計保護管または支持構造の付近において、分配ユニットが設けられない領域をなくす。

Ｃ） 分配器は、スケールや粒子等の汚れに対して耐性を有している必要がある。このような固形不純物は常に工業的用途では存在する。

Ｄ） 幾分かの液体は、蒸気相とともに流れ、分配ユニットを通る蒸気通路を通る。これによってもたらされる液体分配不良を最小限にするべきである。

Ｅ） 分配トレイに流入する液体は均一に分配されない。大量の液体を受容する分配トレイ領域もあれば、液体を全く受容しない領域もある（例図２参照）。したがって、液体がある領域から別の領域へ、過剰に液面レベル勾配を生じることなくトレイを横断して流れることができることが重要である。

Ｆ） 分配トレイ上の蒸気空間には圧力勾配が存在する。なぜなら、入口の分配体または内部に設けられた混合部からの高速流出ストリームの運動エネルギーが圧力上昇へと変換され、反応器壁付近の圧力が典型的に反応器中央付近の圧力より高くなるからである（例図３参照）。工業的反応器内の典型的な圧力差は約５０Ｐａである。これらの圧力差にかかわらず、分配トレイの各分配ユニットからの液体流速はほぼ同じでなくてはならない。圧力差に対する感度は、分配トレイ上の蒸気空間における５０Ｐａの圧力差による液体分配不良として定量化される：

式２

尚、分配トレイ上の蒸気空間における圧力差はレベル差につながることに留意されたい。低圧の領域では、レベルは上昇し、高圧の領域では、レベルは下降する（例図３参照）。%Mal^50Paは圧力とレベル効果との組合せから生じる液体分配不良である。

例図１

例図２

例図３

本発明は、新しい系統の２相下降並流ベッセル用分配トレイを提案するものである。つまり、本発明に際しては、上述した分配トレイの適切な性能に関する６つの基準全てを満足させるべく開発が行われた。

本発明はチムニータイプの分配トレイの原理とバブルキャップタイプの分配トレイの原理との双方を組み合わせたものである。したがって、本発明での液体分配の推進力は、トレイ上の液体カラムの静水頭と装置を通過する蒸気流との組合せである。

分配トレイの１つの設計では、トレイプレートが、トレイプレートの上方へと延在する複数の下降管（downcomer）を備えている。下降管はトレイの上方の蒸気空間と流体連通する上側開口端、および、トレイの下方の空間と連通する下側開口端を有する。下降管は蒸気と液体とがトレイを通り抜けるためのチャネルとしての役目を果たす。また、液体導管は、各下降管に対して設けられている。液体導管は、トレイ上の液体溜めに浸かった液体入口、液体の上昇流のためのセクション（または領域もしくは部分）、および、下降管と流体連通する種々の高さに位置する液体開口部を備えている。液体導管が用いられることによって、液体溜めから下降管へと液体が輸送される。下降管の下側端部には、局所的な液体の分散もしくは広がりを促進させる手段が設けられている。例えば、羽根（vane）、バッフル、リボン、穴開き若しくは穴なしの波形プレート、穴開き若しくは穴なしの平坦プレート、または、穴開き若しくは穴なしの湾曲プレートが下降管の下側端部に設けられる。

蒸気の大部分は下降管の上側開口端を通って流れるので、摩擦および加速による圧力降下が生じる。この圧力降下に起因して、液体入口を介して液体導管内へと液体が持ち上げられることになる。液体導管における液面レベルは、幾つかのまたは全ての液体開口部の上方に位置するので、液体が液体開口部を通って下降管へと流れることになり、下降管内で「下向きに流れる蒸気」と混合されることになる。得られる２相混合物は下降管を通って流下し、液体の広がりを促進する手段を通り抜けた後、下降管から流出する。

液体および蒸気の広範囲の流速による液体深さの変化またはトレイプレート全体にわたる蒸気入口圧力の変化にもかかわらず、分配トレイ上の全ての分配ユニットを通過する液体流れおよび蒸気流れをほぼ同じに維持できるという点で、分配トレイは著しく改良された分配性能を有する。液体導管内では液体の初期の上昇流に起因して、スケールや粒子は液体開口部の上流で沈殿し得る。したがって、分配器は従来のチムニートレイより汚れや目詰まりの影響を受けにくい。下降管および液体導管から成る分配ユニットは非常にコンパクトである。分配ユニットはトレイ領域で小さい割合を占めるにすぎない。したがって、トレイを横断する液体流れに対する抵抗は低くなっており、液体開口部を迂回して気体入口を通る液体の量は従来のチムニートレイの場合よりも非常に少ない。

発明を実施するための形態

工業用水素処理反応器では、反応物たる２相混合物は、固体の触媒粒子の固定床を通過して並流状態で下方へと流れる。このような反応器での理想的な流れパターンは栓流（またはプラグ流）である。栓流では、液体が（空の反応器に基づいて）反応器の断面の全てのポイントで同じ速度で下方へと流れる。理想的な栓流の場合では、蒸気相についても同じことが言える。つまり、栓流では、蒸気が（空の反応器に基づいて）反応器の断面の全てのポイントで同じ速度で下方へと流れる。

工業用反応器では、非理想の分配トレイ、不均等な触媒の装填および／または触媒粒子間の空間に存在する析出物に起因して、栓流は達成されない。したがって、触媒床の幾分かの領域では、液体流速は平均より高く、蒸気速度は平均より低い。蒸気に比べて液体の熱容量が高いために、流路１メートル当たりの温度上昇（℃）はこれらの領域では低くなる。同様に、触媒床の別の領域では、液体流速は平均より低く、蒸気速度は平均より高い。そして蒸気に比べて液体の熱容量が高いために、流路１メートル当たりの温度上昇（℃）はこれらの領域では高くなる。

その結果、たとえ反応混合物が反応器入口で均一な温度を有していても、流体が触媒床を通過するので、触媒床の幾分かの領域は他より熱くなる。更に、反応速度は温度が上昇するにつれて増すので、この効果が促進される傾向にある：触媒床の熱い領域は大きい反応速度を有するので、触媒床の熱い領域では冷たい領域よりも更に熱を放出する。

触媒床の熱い領域と冷たい領域との間に反応速度の差が生じるために、流体の化学組成についても差が生じる。

水平面での温度および化学組成における不均一は以下の幾つかのマイナス（負）の結果をもたらす：

全ての水素処理触媒が操作時に不活性化する。触媒活性の減衰を補うために、平均床温度を稼動中は上げる。時間内のいくつかの時点、運転末期には、触媒床のピーク温度はその最大限可能な値に達する。この時点で全工程のユニットを運転停止させる必要があり、触媒を再生または取り替えなければならない。ここで、水平面で温度が不均一である場合には、より早い段階でより低い平均床温度で運転末期が生じる。不均一温度に起因して運転停止が高頻度で生じることは、生成物の損失、触媒消費量の増加および追加の労力の点で、精製業者にとって高コストな負担を強いられる。

また、不均一であると、化学変化の程度（進行度）が不均一になることである。つまり、反応原系の一部はより変化するが、反応原系の残りの部分はあまり変化しないことになる。従って、得られたものは全体的により低級な製品品質となり得る。

第１の例として、硫黄含有炭化水素成分およびＨ_２を、硫黄を含まない炭化水素成分とＨ_２Ｓとに変換するディーゼル水素処理反応器について説明する。不均一な温度が存在する場合には、原料オイルの一部は、より高温となり、かつ、上述したように液体が低速となるために、より低空間速度で反応が行われ得る。原料オイルの別の一部はより低温となり、液体が高速のために、より高空間速度で反応が行われる。結果、有機硫黄は低温で高空間速度を有する領域を通過して触媒床を「迂回」する傾向にある。この迂回によって、全生成物中の有機硫黄含有量が著しく増加する。有機硫黄含有量を製品仕様に合わせるためには、精製業者は供給速度を減らすか、反応器操作温度を上げて不均一な温度および組成を補償する必要がある。しかしながら、供給速度を減らすことは生成物の損失の点で著しいコストアップにつながる。また、反応器温度を上げることは、エネルギー消費量を増加させ、触媒再生／取り替えのための運転停止回数の増加に伴って運転期間を減少させることにつながる。運転停止回数の増加は、上述したように著しいコストアップにつながる。

第２の例として、高分子量炭化水素成分およびＨ_２を低分子量炭化水素成分へと変換する水素化分解反応器について説明する。ここでも、不均一な温度が存在する場合には、原料オイルの一部は、より高温となり、液体が低速のために、より低空間速度で反応が行われ得る。原料オイルの別の一部は、より低温となり、液体が高速のために、より高空間速度で反応が行われ得る。その結果、高分子量の原料オイルの一部は「過剰分解」されることになり、望ましくないＣ_１〜Ｃ_４のガスと低分子量のナフサ成分の生成物が著しく増加してしまう一方、高分子量の原料オイルの別の一部はあまり変化されない。したがって、所望の生成物への水素化分解反応の選択性は低下してしまい、高分子量原料成分のより低分子量生成物成分への変換も全体的に低下する。両方の効果は、精製業者に著しいコストアップを強いる。

触媒床の水平面における温度および化学組成の不均一は工業用水素処理反応器では避けることができない。しかし、かかる不均一は、好適な反応器インターナル（例えば、分配トレイおよび内蔵された混合部）を使用することによって最小限にすることができる。

次に図１を参照して説明する。図１は、インターナルと、炭化水素留分の水素処理のための３個の触媒固定層と、入口温度を制御するための「第２触媒床および第３触媒床への冷却流体の噴射」とを備えた典型的な反応器を示す。図１は触媒床およびインターナルよりも分配トレイの典型的な位置を示すことを目的としている。

反応器は、蒸気／液体入口ノズル２を有する圧力シェル１から成る。高速の入口噴射が分配トレイに衝突する（このことは液体再飛散、波および圧力勾配をもたらしうる）のを防ぐために、高速の入口ストリームは、入口分配部３で減衰させる。入口分配部の下方には第１分配トレイ４が配置されており、蒸気と液体とが均一に反応器断面全体に分配する。分配した流体は第１触媒床５に入る。触媒床５は触媒スクリーンまたは支持グリッド１１によって支持される。通常大きな力が支持グリッド１１に作用するので、これらの力を吸収するために、支持ビーム１２がしばしば必要とされる。冷却流体が、冷却ノズルおよび分配器８を通って、第１触媒床から排出された蒸気および液体に添加されてもよい。そして、蒸気と液体との混合物は、内蔵された混合部９を通るように流れる。混合部９ではストリームの温度および組成が平衡となる。衝突部材１０が混合部出口に配置されている。衝突部材１０は、高速の噴射が分配トレイに衝突する（このことは液体再飛散、波および圧力勾配をもたらしうる）のを防ぐために、高速の混合部の出口ストリームを減衰させる。次いで、２相ストリームは、第２分配トレイ４に入る。第２分配トレイでは反応器の断面全体にわたって均一に蒸気と液体とが分配され、分配された流体が第２触媒床６に入っていく。

触媒床６は触媒スクリーンまたは支持グリッド１１によって支持されている。通常大きな力が支持グリッド１１に作用するので、これらの力を吸収するために支持ビーム１２がしばしば必要とされる。冷却流体が、冷却ノズルおよび分配器８を通って、触媒床６を出た蒸気および液体に添加されてもよい。蒸気と液体の混合物は、内蔵された混合部９を通るように流れる。混合部９ではストリームの温度および組成は平衡となる。衝突部材１０は混合部出口に配置されている。かかる衝突部材１０も高速の噴射が分配トレイに衝突する（このことは液体再飛散、波および圧力勾配をもたらしうる）のを防ぐために、高速の混合部の出口ストリームを減衰させる。次いで、２相ストリームは、第３分配トレイ４に入る。第３分配トレイでは反応器の断面全体にわたって均一に蒸気と液体とが分配され、分配された流体が第３触媒床７に入っていく。

第３触媒床は、圧力シェル１の底の不活性な支持物質１３上に配置されている。出口収集器１４が触媒／不活性粒子スクリーンとして反応器出口に使用され、第３床７の底部では均一な流れ分配が達成される。蒸気と液体は出口収集器１４を通って流れ出口ノズル１５から排出され反応器を出ることになる。

触媒床を３個より多く設けてもよいし、あるいは、触媒床を３個以下設けてもよい。反応器内の分配トレイの総数は触媒床の数と等しいことが多い。スケール収集用および液体の粗分配用の予備分配トレイ（図１に示さない）が分配トレイ４のいずれか上流側に用いられてもよい。予備分配トレイの使用は、分配トレイ４上の液面レベル勾配および液体しぶきを低減させ、通常、分配トレイ４上の蒸気空間の圧力勾配を低減し、固形不純物に起因した分配トレイ４の分配器が目詰まりする可能性を低減する。尚、予備分配トレイは更に反応器のより高い位置に配置される。

図２、３、５、６、７、８および９は本発明における分配トレイの代替的な構造を表す。図は発明およびその代替的な構造を特徴付けるためのみに示される。これらは、開示される概念の範囲を限定したり、実用的な図面の役目を果たすことを意図してはいない。また、これらは発明概念の範囲に制限を設けるものと解釈されるべきではない。図面によって示される相対的な寸法は工業的実施の形態と同じではなく又は比例するものではない。

本発明の分配トレイの実施形態は図２Ａ、２Ｂ、２Ｃおよび３に示される。図２Ａは線分Ａ−Ａに沿って切り取った分配ユニットの上からの断面図である。図２Ｂは、図２Ａの線分Ｂ−Ｂに沿って切り取った分配ユニットの側面の断面図である。図２Ｂの矢印は分配ユニットを通過する流体の流路を示す。図２Ｃは図２Ａの線分Ｃ−Ｃに沿って切り取った分配ユニットの側面の断面図である。図３は分配トレイの一部の上からの簡略化した断面図であり、トレイプレート上に配置された分配ユニットの配列を示す。

分配トレイは、三角ピッチ状に均一に配置された同一の分配ユニットを数多く備えたトレイプレート２０から成る。トレイプレート２０は典型的に、数個のトレイセグメントから組み立てられ、各トレイセグメントは反応器のマンウェイノズルを通過することができる。トレイプレート２０は典型的に、反応器の中央付近にマンウェイを備え、触媒充填時および点検時の人や装置用の通路を提供する。支持構造物、たとえば、内側ベッセル壁に溶接される支持リングおよび支持ビームは、通常トレイプレートを支持するために、必要とされる。トレイプレート２０は複数の穴を三角ピッチ状に備えている。円状（または円筒形状）の下降管２１は各穴を通って下向きに取り付けられる。

必要に応じて、流れ領域縮小部、たとえば、下降管２１と同心の２つの円状オリフィス２３および２４から成る流れ領域縮小部を、下降管の内側に設けてもよい。４個の角型の切欠き部（開口部）２５が下降管２１の下側エッジに設けられる。穴開きプレート（または穿孔プレート）３５は下降管２１の下に設けられる。流れ領域縮小部を提供し下降管出口での液体分散を改良するための他の手段、たとえば、羽根、バッフル、リボン、充填物、穴開き若しくは穴なしの波形の平坦プレートまたは湾曲プレートを用いてもよい。

必要に応じて、下降管の蒸気入口は、流れ領域縮小部（例えば、下降管２１と同心の円形状パイプピース３２から成る流れ領域縮小部）を有していてもよい。

液体導管は、側壁２２および上壁３３から形成され、下降管２１の外側壁に取り付けられている。液体開口部２６が種々の高さで設けられており、液体導管から下降管への流体通路を形成している。

トレイプレート２０と下降管２１との間の接続、側壁２２と下降管２１との間の接続、上壁３３と側壁２２との間の接続、上壁３３と下降管２１との間の接続および上壁３３とパイプピース３２との間の接続は気密である。

操作に際しては、液体はトレイプレート２０上の液体溜め３０に収集され、蒸気相２９
が液体溜め３０の上に存在する。トレイプレート上の乱流条件のために、通常、相分離は完了しない。このことは、幾分かの気泡が液体内に存在し、液滴が蒸気内に存在することを意味する。蒸気は、パイプピース３２を通って下降管２１へと流入するが、常套のチムニートレイの設計に比べて比較的速い流速で流れる。したがって、下降管２１の外側から内側へと圧力降下が生じる。この圧力降下に起因して、液体が液溜め３０から液体導管３４へと持ち上げられる。その結果、液体導管３４内の液面レベル２８は、通常、液体入口と液体導管内の流れの摩擦損失に依存するが、トレイプレート２０における液面レベル２７よりも高くなる。液体導管内の液体はまず、上方へと流れ、次いで液体導管内の液面レベル２８の高さ以下の位置に設けられている液体開口部２６を通る。液体が、液体開口部を介して下降管２１に流入し、ここで「下降管内を下向きに流れる蒸気」と混合された後、流体はオリフィス２３および２４からなる流れ領域縮小部へと入る。オリフィスでは、流速はより良好な液体分配のために速くなる。分配された２相混合物は次に、穴開きプレート３５によって４個の開口部２５を通って分配される。流体ストリームの一部はプレート３５の穴を垂直方向に通過し、残りの流体は水平方向に開口部２５を通過する。穴開きプレート３５の穴は十分に小さいので、分配トレイの下方へと高速に噴射されることがなく、分配トレイの下方に設けられている粒子が動かされることが防止されている。

分配ユニット３１は通常、全ての操作の場合（すなわち、蒸気流れと液体流れの全ての関連する組み合わせ）について、トレイ上の液面レベル２７が側壁２２の下側エッジとパイプピース３２の上側エッジの間となるように設計される。通常これを達成するために調節される分配器の寸法としては、液体開口部２６の大きさ、数および高さ、液体導管３４の断面積、下降管２１の断面積およびパイプピース３２の断面積がある。

本発明の分配性能は、以下に説明するように、トレイ圧力降下を増加させることで改良される。オリフィス２３および２４から成る流れ領域縮小部の断面積および開口部２５および穴開きプレート３５から成る「液体の広がりを促進する手段」は、通常、全体的に良好なトレイ圧力降下が達成され、かつ、液体の分散が達成されるような大きさに形成されている。トレイ圧力降下が大きすぎる場合では、操作時にトレイプレートに大きな負荷が加わり、より強力なトレイ支持を必要とし、トレイセグメント間の接続部を通過する望ましくない液漏れを増加させ、トレイの機械的な設計をより複雑化させる。また、トレイ圧力降下が大きすぎると、プロセス・ユニットのイニシャル・コストおよびランニング・コストの両方が増す。分配トレイにより強力な支持構造が求められるために、かつ、上流の装置の圧力を増加させる設計のために、イニシャル・コストは増加する。一方、ガスまたは蒸気および液体を反応器に供給するポンプおよびコンプレッサに更なるエネルギーが必要となるために、ランニング・コストは増加する。

式（１）で定義される分配不良を低減する観点で、常套のチムニートレイ、たとえば、米国特許第５，４８４，５７８号公報に記載されているチムニートレイに比べて本発明の性能が改良されているが、その主な理由は２つである。

理由１：液体導管３４の液体封止機能のために、液体導管内側の液面レベル２８以上の高さに位置する液体開口部２６を通過する蒸気流が非常に少ない又は全くない。したがって、液体表面２８での圧力は同じ高さでの下降管内の圧力に近い。その結果、液体開口部２６を通る液体流れを推進する圧力降下は、主に液体導管内側の液体開口部上に位置する液体部分の静圧力である。これは、推進力が側部液体開口部上の液体高さおよびチムニーへの蒸気流による圧力降下の両方である常套のチムニートレイと異なるものである。その結果、本発明の分配ユニットでは、液面レベル２８が増減して液体開口部２６を通過する場合の液体流れの段階的変化は、常套のチムニートレイほど大きくない。

理由２：もし同じトレイ上において「高い分配ユニット」よりも低い位置に「本発明の分配ユニット」を想定した場合、液面レベル２７および２８は、その「高い分配ユニット」よりも高くなる。したがって、液体開口部の上にはより高い液体カラムがあり（開口部を通過する液体流れのための推進力はより大きくなり）、（表面２８の下の）液体流れに利用可能な液体開口部の領域もより大きくなり得る。したがって、「低い分配ユニット」は「高い分配ユニット」よりも多くの液体を通す。しかしながら、「低い分配ユニット」と「高い分配ユニット」が同じトレイプレート上に配置されるので、２つの分配ユニットのそれぞれを通過する際の全圧力降下は同じである必要がある。トレイの圧力降下の大部分が、オリフィス２３および２４内の流れ領域縮小部と液体分配改良手段、開口部２５および穴開きプレート３５にて生じる。「低い分配ユニット」では、これらの部分を通過する液体流速がより大きいので圧力降下の増加につながる。「低い分配ユニット」を補うために、「高い分配ユニット」よりも少ない蒸気を通し、２つのユニットを通る圧力降下を互いに同じにする。低いユニットを通過する蒸気流を減らすことは、下降管２１への蒸気流入による圧力降下の減少につながるので、液体導管の内部の液面レベル２８は下がる。液面レベル２８が下がると、液体開口部２６を通過する液体流れの低下につながる。

したがって、本発明の分配ユニットは、トレイ上の液体深さの変化または異なる分配ユニットの高さの違いに対してある種の補償的対応策を有しており、これは常套のチムニートレイは有していないものである。低い分配ユニットでは、高い分配ユニットに比べて、液面レベル２８が液面レベル２７より低い。この補償的効果は、式（１）で定義される「水平からのずれ条件による液体の分配不良」を低減する傾向にある。

先行技術と比べた本発明の他の利益には次のものがある：
・蒸気液体流のレンジアビリティが改善される
・下降管２１の各々から得られる局所的な液体／広がりが良好となる
・式（２）で定義される「トレイ上の蒸気空間における圧力変化に起因して生じる液体分配不良」が減じられる
・初期にて上方向へと液体が流れるので、液体開口部２６の汚れおよび目詰まりリスクが低減すること（スケールおよび粒子が液体開口部２６に達する前にこれら固形分が分離または沈殿され得る）

先行技術のチムニートレイと違い、高速の蒸気が、分配性能に悪影響を及ぼすことなく下降管２１およびパイプ３２内に存在し得る。その結果、本発明の分配トレイは、下降管の全断面積を小さく設計することができる。結果、トレイ領域において分配ユニットが占める割合はより小さくなる。このことは以下のような利益をもたらす：

１．トレイプレートを横断する水平な液体流れに利用される流れ領域が大きい。従って、この横断流に起因する液面レベル勾配は小さくなり、トレイの分配性能に悪影響を及ぼさない。
２．トレイ２０上のパイプピース３２の全断面積が小さいので、分配ユニットの上にキャップが必要でない。分配ユニットの上にキャップが必要ないのは、液体開口部２６を迂回して下降管の上側端を通る液体が少量しかないからである。
３．隣接する分配ユニット間のクリーニングレーンが幅広いために、反応器を運転停止した際に行うトレイのクリーニングがより容易である。尚、クリーニングは典型的に高圧ウォータージェットを用いて行われる。
４．トレイセグメントの組み立ておよび分解がより容易である。なぜなら、分配ユニット間には、道具や人が利用しやすいような領域が多く存在するからである。

本発明の分配トレイの性能を、以下の３つの他のタイプの分配トレイの性能と比較した。

１．チムニー内に蒸気の速度が低くなるように設計された常套のチムニートレイ
２．出口における液体分配および液体分配が大きい「チムニー内の蒸気速度が大きいチムニートレイ」
３．常套のバブルキャップトレイ

分配性能は内径４．５ｍの水素処理反応器に対応する仕様で評価した。分配トレイへの実際の液体の体液流量は、５３ｍ^３／ｈｒ〜６６３ｍ^３／ｈｒであり、これは反応器において２トン／ｍ^２／ｈｒ〜２５トン／ｍ^２／ｈｒの液体流束に相当する。トレイへの実際の蒸気の体積流量は５，３７０ｍ^３／ｈｒ〜１９，２４３ｍ^３／ｈｒの範囲で変化する。使用した蒸気および液体の特性を表１に示す。分配器性能は、適当な操作流量範囲をカバーするために、３０個の「液体流れと蒸気流れとの組合せ」について評価した。液体流れと蒸気流れとの組合せは表２に示す。

４個の全ての分配トレイは、流体流れおよび上述の特性について最適な性能を達成するように設計された。評価に用いたチムニーおよびバブルキャップの図面を図４Ａ、４Ｂおよび４Ｃに示す。本発明の評価に用いた分配器の図面を図２Ａ、２Ｂ、２Ｃおよび３に示す。使用された分配トレイ上の分配ユニットの数とピッチを表３に示す。分配トレイの性能は常に分配器の高さを増すことによって向上し得る。触媒反応器の圧力シェルは装置の高価な部分であり、高い分配器ほど多くの反応器空間を取り、反応器の大きさとコストを増加させることになる。公平な比較を行うために、４個全ての分配トレイについて、トレイプレート上の分配ユニット全体の高さは２４０ｍｍとした。

まず、図４Ａ、４Ｂおよび４Ｃを参照して説明を行う。図４Ａは、評価に用いた低速チムニー分配トレイのチムニーの１つの側面を表した断面図である。図面の矢印は流体流路を示す。チムニー４０は、内径５４．８ｍｍおよび外径６０．３ｍｍとなった２インチの通常直径のパイプから成る。チムニーはトレイプレート４１を貫通するように配置されている。チムニーはトレイプレートの上に２２６ｍｍ延在している。直径８５ｍｍの円状キャップ４２がチムニーの上方に配置されている。キャップ４２はトレイプレートから２４０ｍｍの高さに配置される。チムニー４０は５個の円状液体開口部４３を備えている。円状液体開口部４３は垂直方向に等間隔に配置され、全て５．９ｍｍの直径を有する。最下部の液体穴の中心はトレイプレートの上５０ｍｍの高さにある。隣接する液体穴間の垂直方向の間隔は３５ｍｍである。

図４Ｂは、評価に用いた高速チムニー分配トレイのチムニーの１つの側面を表した断面図である。図面の矢印は流体流路を示す。チムニー４４は、内径４２．８ｍｍおよび外径４８．３ｍｍとなった1・１／２インチの通常直径のパイプから成る。チムニーはトレイプレート４５を貫通するように配置されている。チムニーはトレイプレートの上に２４０ｍｍ延在している。トレイ上のチムニーの全断面積が小さいので、チムニーキャップは使用されていない。チムニー４４は５個の円状液体開口部４６を備えている。円状液体開口部４６は垂直方向に等間隔に配置され、全て８．２ｍｍの直径を有する。最下部の液体穴の中心はトレイプレートの上５０ｍｍの高さにある。隣接する液体穴間の垂直方向の間隔は３８ｍｍである。液体分配のためのインサート４７は、チムニー４４の出口に配置され、チムニーから排出される液体分配を良好なものとする。

図４Ｃは、評価に用いたバブルキャップ分配トレイのバブルキャップユニットの１つの側面を表した断面図である。図面の矢印は流体流路を示す。バブルキャップは下降管４８から成り、これはトレイプレート４９を貫通するように配置される。下降管４８は、内径４２．８ｍｍおよび外径４８．３ｍｍとなった1・１／２インチの通常直径のパイプから成る。トレイプレートの上に延在する下降管の高さは２２５ｍｍである。キャップ５０は下降管を同心状に覆うものであり、内径６６．９ｍｍおよび外径７３．０ｍｍとなった２・１／２インチの通常直径のパイプで構成されている。キャップの上側端は円状プレート５２で閉じている。キャップ５０の下側エッジはトレイプレートの上５０ｍｍの高さにある。円状プレート５２はトレイプレートの上２４０ｍｍの高さにある。キャップの側壁は６個の垂直で角型のスロット５１を備えている。角型のスロット５１はキャップの周囲に沿って均等に分布する。各スロットは高さ９０ｍｍ、幅３．５ｍｍである。

３０個の「蒸気流れ−液流れの組合せ」を用いた４個の分配トレイのそれぞれについて、トレイプレート上の液面レベル、式（１）に定義される「１／２インチ水平からのずれによる液体分配不良」、式（２）に定義される「５０Ｐａ圧力差による液体分配不良」、トレイを横断する液体流れおよび分配ユニット内部の流速によって生じるトレイ上の液面レベルの最大差を表４、５、６および７に示す。

ここで、４個の分配器の性能を、上述した分配トレイの適正性能に関する６個の基準に基づいて検討する。

基準Ａ：
表４に見られるように、低速チムニートレイの液面レベルは概して液体流れに依存する。高速液流ではレベルは高い。低速液流ではレベルは低い。低い液体流速では液面レベルが低くなる結果、１／２"非水平に起因した分配不良（maldistribution due to 1/2" out-of-level）は高くなる（ｎｏ．１〜１０のデータセットおよびｎｏ．１５データセット参照）。ｎｏ．５のデータセットでは、１／２"非水平に起因した分配不良は２００％と高く、これはより高いチムニーを通過する液体流れがないことに伴う完全な分配不良を示している。したがって、低速チムニートレイは、求められる液体流れのレンジアビリティを有していない。３０個の全データセットについて１／２"非水平に起因した分配不良は３３．６％である。

表４と５を比較すると、低速液流と高速蒸気流を有するデータセットでは、たとえ最大液面レベル（データセットｎｏ．２６）が高速チムニートレイでより高いとしても、高速チムニートレイ上の液面レベルは低速チムニートレイ上の液面レベルより低いことが理解されうる。チムニートレイの液体流れのレンジアビリティはチムニーの流速増加に伴って減少する。高速チムニートレイでは、チムニーに入る蒸気の圧力降下は高く、かかる圧力降下は、トレイへの蒸気流が増加する場合に著しく増加する。したがって、蒸気流が増加する場合には、側部液体開口部を横断する圧力降下も増加し、液体開口部はより多くの液体を通過させ始める。したがって、トレイ上の液面レベルは、液体開口部を通過する液体流れがトレイに供給される液体流れと等しくなるまで、降下することになる。低速液流と高速蒸気流とを有するデータセットにおいて、液面レベルが低いことは液体開口部を横断する圧力降下が高いことに結びつくので、高速チムニーの液面レベルが低いことは１／２"非水平に起因した分配不良が低速チムニーより高くなる。３０個の全データセットについて１／２"非水平に起因した分配不良は６０．７％であり、低速チムニーの約２倍である。

表６に見られるように、バブルキャップトレイ上の液面レベルは概して液体流速に依存しておらず、蒸気流速に依存している。高速蒸気では液面レベルは低く、低蒸気流速では液面レベルは高い。３０個の全データセットについて１／２"非水平に起因した分配不良は５２．０％であり、これは高速チムニーとほぼ同じである。

表７に見られるように、本発明の分配トレイは、蒸気流れおよび液体流れの全範囲にわたって十分に満足のいく「１／２"非水平に起因した分配不良」を有する。分配不良は一般的に低速液流かつ低速蒸気流で僅かにより高くなる。３０個の全データセットについて１／２"非水平に起因した分配不良は１７．９％であり、これは他の３種類の分配器より著しく低いといえる。４種類の分配器の平均分配不良の割合（％）はプロット１で比較することができる。

基準Ｂ：
表３に見られるように、各分配ユニットから排出される液体の分散または広がりが比較的低い分配トレイ（すなわち、低速チムニートレイおよびバブルキャップトレイ）は９０ユニット／ｍ^２以上の分配器密度を有している。よって、活性触媒床の入口での均一な分配は達成されるべきである。各分配ユニットの出口で液体が分散およびある程度の広がるように設計された分配トレイ（すなわち、高速チムニートレイおよび本発明の分配トレイ）では、分配ユニット密度は９０ユニット／ｍ^２未満であるが、分配ユニットの出口に液体分配のためにインサートが用いられており、活性触媒の入口での均一な液体分配が達成されるようにしている。

基準Ｃ：
４種類の全ての分配器では、トレイプレート上のスケールや粒子の層の堆積は５０ｍｍの厚さまでが許容されるように設計されている（つまり、５０ｍｍの厚さを越えると、穴やフローチャネルの汚れおよび目詰まりに起因して分配性能に影響が及ぶことになる）。したがって、４種類の全ての分配トレイは汚れおよび目詰まりに対して良好な耐性を有する。バブルキャップおよび本発明の分配ユニットは２個のチムニートレイより汚れに対して良好な耐性を有する。バブルキャップでは、スロットを通過する高蒸気流速がスロットを清潔で汚れなく維持する傾向にある。本発明の分配トレイでは、液体導管内の全液体が初期に上昇する流れがあるので、スケールや粒子が液体開口部に到達する前に、これらの固形分がトレイ上に沈殿し得る。

基準Ｄ：
低速チムニートレイのチムニーは、反応器の断面積の２４．２％を占めしている。チムニーキャップは反応器の断面積の４８．２％を占めている。したがって、上から分配トレイ上に落下する液体の大部分はキャップに当たることになる。この液体はキャップエッジへと流れ、チムニーに入る水平な蒸気流を通って落下せねばならない。液体の大部分は蒸気にエントレインされる。したがって、かかる液体は側部液体開口部を迂回することになり、液体分配不良につながる。

高速チムニートレイのチムニーは、反応器の断面積の５．９％を占めるにすぎない。チムニーキャップは必要でない。なぜなら、チムニーの上側開口端に衝突し、側部液体開口部を迂回してチムニーを通過する「上方から分配トレイ上に落下する液体」は僅かであるからである。

バブルキャップでは、エントレインされた幾らかの液体が蒸気と共にスロットの上側部へと流入する。しかしながら、エントレインされた液体が蒸気と共にスロットに流入する場合には、液体溜めから持ち上げられる液体がより少なくなるので、バブルキャップの設計は、エントレインされる液体を補償するように行われ得る。

本発明の分配トレイは、小さい下降管領域を有している。したがって、高速チムニートレイのように、下降管の上側開口端に衝突し、液体導管を迂回して下降管を通過する「上方から分配トレイ上に落下する液体」は僅かである。

基準Ｅ：
表４、５、６および７に見られるように、トレイを横断する液体流れによって引き起こされるレベル差は、トレイへと流れる液体流速の増加に伴って増加する。

高速チムニートレイおよび本発明の分配トレイは、それぞれ最大１．４ｍｍおよび最大３．３ｍｍの比較的低いレベル差を有している。

低速チムニートレイはチムニー断面積がより大きいために、８．０ｍｍまでの高いレベル差を有している。

バブルキャップトレイでは、トレイ領域を占めるキャップの割合が大きいため、また、液面レベルがより低いために、５０ｍｍを超える許容できないほど大きなレベル差となる。この大きいレベル差を「１／２インチ非水平に起因した大きい分配不良」と比較した場合、高液体流速でのバブルキャップトレイから生じる液体分配不良は相当なものであると結論付けることができる。

基準Ｆ：
４種類の分配器のそれぞれについて、分配トレイ上の蒸気空間における５０Ｐａ圧力差によって生じる液体分配不良を、表４、５、６および７に示すと共に、プロット１ではそれらを比較している。高速チムニートレイおよびバブルキャップトレイでは、それぞれ５０Ｐａ圧力差による液体分配不良（平均値）が４４．９％および３０．２％であり、圧力変化に対する感度が高いといえる。低速チムニートレイでは、圧力変化による影響を受けにくく、５０Ｐａ圧力差による液体分配不良（平均値）は１６．８％である。本発明の分配トレイでは、５０Ｐａ圧力差による液体分配不良（平均値）がわずか１０．４％であり、本発明の分配トレイは、圧力変化に対して最も低い感度を有している。

プロット１

上記６つの基準に基づいて、４種類の分配トレイの比較を纏めたものを表８に示す。表８から判るように、本発明の分配トレイは、最適な分配トレイであるといえる。

次に、本発明の別の実施形態について説明する。液体導管は、分配ユニット当たり１個以上使用してもよい。液体溜めから液体導管を通って下降管に入る液体流れの流体抵抗は、典型的には液体開口部によって主に得られる。しかしながら、液体導管の入口にまたは液体導管内部に開口部または規制部を設けることによって、所望の流体抵抗を達成してもよい。液体開口部は、いずれの形状を有していてもよく、例えば円状、角型状またはテーパ状ノッチを有してもよい。液体導管の断面領域は、いずれの形状を有していてもよく、例えば円状、楕円状、三角形状、角型状、多角形状、環状またはこのような形状を組み合わせた形状を有していてもよい。下降管の断面領域は、いずれの形状を有していてもよく、例えば、円状、楕円状、三角形状、角型状、多角形状またはこのような形状を組み合わせた形状を有していてもよい。還元領域部の断面領域は、いずれの形状、たとえば、事例の円状、楕円状、三角形状、角型状、多角形状、環状またはこのような形状からなるいずれかの形状を有してもよい。「下降管出口で液体の広がりを促進する手段」および「流れ領域縮小部」は必ずしも使用しなくてもよい。衝突プレートを下降管出口の下に用いて、噴射される速度を落としてよく、それによって、下方に存在する不活性成分または触媒粒子が動くのが防止され、液体の広がりが促進する。衝突プレートは平坦でも湾曲していてもよく、いずれの他の形状を有してもよい。衝突プレートは頑丈なものであってよく、穴や開口を有してもよい。

本発明の分配ユニットの別の実施形態の一例を図５Ａ、５Ｂおよび５Ｃに示す。図５Ａは、図５Ｂおよび５Ｃの線分Ａ−Ａに沿って切り取った分配ユニットの上からの断面図である。図５Ｂは、図５Ａの線分Ｂ−Ｂに沿って切り取った分配ユニットの側面の断面図である。図５Ｂにおける矢印は、分配ユニットを通過する流体の流路を示す。図５Ｃは、図５Ａの線分Ｃ−Ｃに沿って切り取った分配ユニットの側面の断面図である。

分配トレイは、複数の分配ユニット７５を備えたトレイプレート６０から成る。各分配ユニット７５は角型状の下降管６１から成り、これはトレイプレート６０に穴を通過するように下向きに取り付けられる。角型状チャネル６８およびバッフル６９から成る流れ領域縮小部が下降管内に備えられる。２個の液体導管は、液体溜め７１から下降管６１への液体流れを可能にする。第１液体導管７７は角型の断面を有し、側壁６２および上壁６３および下壁６７から形成されている。液体溜めから第１液体導管７７を通って下降管に流入する液体流れの流体抵抗は、直列の２個の規制部：１個の角型の入口開口部６６および垂直方向のスロット６４から成る液体開口によってもたらされる。第２液体導管７６は、角型の下降管６１の内側壁と角型チャネル６８の外側壁とによって形成される。液体溜めから第２液体導管を通って下降管に流入する液体流れの流体抵抗は、円状の入口開口部６５によってもたらされる。液体の広がりを改良するための手段７０が、下降管出口に使用される。これらの手段は、羽根、バッフル、リボン、充填物、穴開き若しくは穴なしの波形の平坦プレートまたは湾曲プレートから成るものでもよい。

側壁６２と下降管６１との間の接続、上壁６３と側壁６２との間の接続、上壁６３と下降管６１との間の接続、底壁６７と側壁６２との間の接続、底壁６７と下降管６１との間の接続、下降管６１とトレイプレート６０との間の接続、バッフル６９と下降管６１との間の接続およびバッフル６９とチャネル６８との間の接続は、全て実質的に液密かつ気密である。

操作に際しては、蒸気７２は下降管６１の上側開口端を通るように流れる。したがって、下降管６１の外側から内側へと圧力降下が生じる。この圧力降下に起因して、液体が液溜め７１から第１液体導管７７および第２液体導管７６にまで持ち上げる。第１液体導管７７内の液体は、まず、流れ規制部（または流れ制限部、flow restriction）の役割を果たす入口開口部６６を通って流れる。次いで、液体は、上方へと流れ、垂直スロット６４から成る液体開口部を通った後、「下降管６１内を下降するように流れる蒸気」と混合される。第２液体導管７６内の液体は、まず、流れ規制部の役割を果たす入口開口部６５を通って流れる。次いで、液体は、チャネル６８と下降管６１の間を上方へと流れ、最終的にはチャネル６８の上側エッジをチャネル６８内へとオーバーフローする。ここで、液体は「下降して流れる２相混合物」と混合されることになる。チャネル６８で表される流れ領域規制部内の流速が増加することが、部分的または完全な液体分配をもたらす。そして、チャネル６８を出る「分配された２相噴射」は、液体分配改良手段７０を通ることになる。この手段７０によって、分配ユニット７５から排出された液体がある程度の分配に付される。

図５Ｃの液体開口部６５では、分配ユニット７５の外側から容易にクリーニングできるのに対して、図２Ｃの下側の液体開口部２６では狭い下降管を介してクリーニングしなければならず、多少の困難を伴うものである。従って、図５の分配ユニットは図２の分配ユニットを上回る利益を有するといえる。例えば溶接して固定されるアタッチメントを用いて液体導管を下降管に固定すればよい。液体導管を、分解したり、下降管から取り外すことができれば、図２Ｃの液体開口部２６のクリーニングに際して、より容易なアクセスが可能となる。

本発明の上述した例では、液体導管内の流れ方向は一般的に上向きであった。しかし、本発明による分配ユニットは、液体導管内の流れ方向が他の一般的な流れ方向（例えば、下降流）を有するように設計することができる。かかる本発明の分配ユニットの実施形態の例を図６Ａ、６Ｂおよび６Ｃに示す。かかる実施形態では、分配ユニットが、第１下降流部に次いで第２上昇流部を備えたＵ型液体導管を有している。

図６Ａは、図６Ｂおよび６Ｃの線分Ａ−Ａに沿って切り取った分配ユニットの上からの断面図である。図６Ｂは、図６Ａの線分Ｂ−Ｂに沿って切り取った分配ユニットの側面の断面図である。図６Ｂにおける矢印は、分配ユニットを通過する流体の流路を示す。図６Ｃは図６Ａの線分Ｃ−Ｃに沿って切り取った分配ユニットの側面の断面図である。

分配トレイは、複数の分配ユニット９１を備えたトレイプレート８０から構成される。各分配ユニットは円状の下降管８１から成る。下降管８１はトレイプレート８０に取り付けられている。流れ縮小領域部が下降管内に備えられている。かかる流れ縮小領域部は、トレイプレート８０を貫通するように配置された円状パイプ８３から成る。円状パイプはトレイプレートの下方へと下向きに伸び、液滴エッジ８６を供する。液体導管８８の第１下降流部は、下降管８１とトレイプレート８０に取り付けられた側壁８２とから構成されている。下降管８１とトレイプレート８０との間の接続、円状パイプ８３とトレイプレート８０との間の接続、側壁８２とトレイプレート８０との間の接続、および側壁８２と下降管８１との間の接続は、実質的に液密かつ気密である。異なる高さの４個の円状液体開口部８４が側壁８２に設けられている。トレイプレート付近の下降管には、角型開口部８５が設けられている。かかる角型開口部８５は、液体導管の第１下降流部から第２上昇流部への液体流れを可能にする。

キャップを用いて、下降管８１の上側開口端および液体導管８８へと液体が直接流れるのを防止してもよい。尚、下降管および液体導管の上端部の断面は比較的小さいので、キャップ図示は省略した。

操作に際しては、蒸気９０は下降管８１の上側開口端を通るように流れる。したがって、下降管８１の外側から内側へと圧力降下が生じる。この圧力降下に起因して、液体導管８８の第１下降流部から液体導管８８の第２上昇流部へと液体が流れることになる。開口部８５の大きさは、低速液流および高速蒸気流を用いた操作の場合、通常、液体導管８８の第１下降流部の液面レベル９３が液体導管８８の第２上昇流部の液面レベル９２より低くなるように選択される。同様に、高速液流および低速蒸気流を用いた操作の場合、開口部８５の大きさは、液面レベル９３が液面レベル９２より高くなるように選択される。トレイ上の液面レベル８７と液面レベル９３の差は、液体が、液面レベル８７の下方にある液体開口部８４を通って流れるための推進力となる。液体溜め８９からの液体は、液体開口部８４を通って液体導管８８へと流れた後、下方へと流れる。次いで、液体は、開口部８５を通って、下降管８１および円状パイプ８３で規定される環状流れ領域を上方へ流れることになる。液体はパイプ８３の上側エッジ部をオーバーフローすることになり、液体が「下降管内を下降して流れる蒸気」と混合される。得られる２相混合物はパイプ８３を通って流れ、トレイの下方向に向かって流れパイプから排出される。

分配ユニット９１の外側から液体導管８８の上部の内部蒸気空間への圧力降下は非常に小さくまたは圧力降下は全くないので、図６での分配器は、上記「理由１」のために常套のチムニートレイに比べて低減された分配不良を示す。しかしながら、いくつかの液体開口部８４は、液体を液体表面９３の上の蒸気空間に通しうるので、分配ユニット９１について本発明の分配器の上述の例ほど、分配不良が低減される「理由２」を主張し得ない。これは、レベル９３の上に配置される液体開口部８４を通るような液体流れが、「蒸気が下降管８１の上側開口端に入ることに起因した圧力降下」によって影響されないからである。

本発明の先の例に比べて分配トレイ９１の他の欠点は次の通りである：
１．図６に示されるように、キャップが分配トレイ上に使用されない場合、液体導管８８の上側部から幾分かの液体が収集されてしまう。その結果、多くの液体が液体開口部８４を迂回してしまうことになる。迂回する液体はトレイ全体に均一に分配されない。
２．開口部８５の上流側のＵ型液体導管の底部ではスケールおよび粒子が集積し得る。このような固形分は開口部８５を目詰まりさせ得る。そして、かかる開口部の目詰まりによって、液体が下降管８１へとオーバーフローすることになる。オーバーフローした液体はトレイ全体に良好に分配されない。

本発明の先の例では、蒸気流が液体導管を通過しないように液体封止が設けられている、液体封止は、液体導管の少なくとも一部に上昇流がもたらされることによって達成される。また、本発明は、この液体封止のない設計であってもよい。この場合、蒸気の大部分は下降管の上側開口端を通って流れるが、高速蒸気および／または低速液流を用いた操作では、少量の蒸気が液体導管を通って流れることになる。このような分配器の例を図７に示す。

図７Ａは、図７Ｃおよび７Ｄの線分Ａ−Ａに沿って切り取った分配ユニットの上からの断面図である。図７Ｂは、図７Ｃおよび７Ｄの線分Ｂ−Ｂに沿って切り取った分配ユニットの上からの断面図である。図７Ｃは、図７Ａおよび７Ｂの線分Ｃ−Ｃに沿って切り取った分配ユニットの側面の断面図である。図７Ｄは、図７Ａおよび７Ｂの線分Ｄ−Ｄに沿って切り取った分配ユニットの側面の断面図である。図７Ｃおよび７Ｄにおける矢印は、分配ユニットを通過する流体の流路を示す。

分配トレイは、複数の分配ユニット１１１を備えたトレイプレート１００から構成される。各分配ユニットは角型および半円状の形状からなる断面を有する下降管１０１から成る。下降管１０１はトレイプレート１００に穴を介して取り付けられる。液体導管１１２は、下降管１０１およびトレイプレート１００に取り付けられている半円状の壁１０２から成る。下降管１０１とトレイプレート１００との間の接続、半円状の壁１０２とトレイプレート１００との間の接続および半円状の壁１０２と下降管１０１との間の接続は、全て実質的に液密かつ気密である。プレート１０３はキャップとしての役割を果たし、液体導管１１２の上側端および下降管１０１へと液体が直接流れ込むのを防止する。２個の角型蒸気開口部１０７は、下降管１０１の上部に設けられている。角型蒸気開口部１０７は、下降管への蒸気流入を可能にする。２個の円状の穴１１４は半円状の壁１０２の上部に設けられている。円状の穴１１４、液体導管１１２への蒸気流入を可能にする。円状穴１０５およびテーパ状スロット１０６は、半円状の壁１０２に液体開口部として設けられる。３個の円状開口部１１３は流れ規制部としての役割を果たし、トレイプレート付近の下降管に設けられ、蒸気／液体が液体導管１１２から下降管１０１に流れるのを可能にする。下降管１０１の下側開口端の下には、衝突プレート１０４が配置されている。衝突プレート１０４によって、下降管から排出された２相噴射流れの速度が低下することになり、下方に配置される粒子に高速の噴射流れが達するのを防止しており、また、液体の広がりがある程度確保される。

操作に際しては、蒸気１０９の大部分が２個の角型開口部１０７を通って流れることになる。したがって、下降管１０１の外側から内側へと圧力降下が生じる。液体１０８は液面レベル１１０の下方に位置する液体開口部１０５および液体開口部１０６を通って流れる。また、蒸気は円状穴１１４および液面レベル１１０の上方に位置する開口部１０５および液体開口部１０６を通って流れる。蒸気および液体は液体導管１１２内を下向きに、流れ規制部１１３を通って下降管１０１へと流入し、ここで、かかる２相ストリームが「下降管内を流れる蒸気」と混合される。「開口部１１４、１０５および１０６を通り、液体導管１１２を通り、開口部１１３を通ることに起因した全圧力降下」が「開口部１０７を通り、下降管を通り、流れ規制部１１３からの２相ストリームと混合されるポイントに到るまでの蒸気流れの圧力降下」と等しくなるまで、液体導管１１２を通る経路を取った蒸気量は調整される。流れ規制部または開口部１１３は、液体導管１１２を通過する蒸気流を減らし、よって下降管に入る蒸気よりも液体導管に入る蒸気の流速を著しく低くする。液体導管に入る蒸気が低速であることは、分配ユニット１１１の外側から液体導管１１２の内側への圧力降下が低く、よって式（１）で定義される分配不良が低いことにつながる。

しかしながら、開口部１１４、１０６および１０５を通過する蒸気流のために、分配ユニット１１１の外側から液体導管１１２の内側への圧力降下が僅かにある。したがって、上述の「理由１」の利益が減少するので、図７の分配器は本発明の先の例に比べて分配不良の程度が僅かに高いことを示す。液体開口部１０５および１０６は液体を液体導管１１２内の蒸気空間に通すことになるので、上述の分配不良低減の「理由２」は分配ユニット１１１にとって妥当でない。

本発明の先の例と比較した「これら２つの欠点」にもかかわらず、分配ユニット１１１は、常套のチムニー分配トレイに比べて改良された性能を示す。なぜなら、分配ユニット１１１は、式（１）で定義される分配不良を著しく増加させることなく、小さい断面積を有し、下降管１０１内の蒸気流速が高くなるように設計されうるからである。小さい分配ユニットの顕著な利益は既に説明した。

高速液流および低速蒸気流を用いて操作する場合、液面レベルは、図６の分配ユニットのように、導管１１２内で上がることになる。この場合には、蒸気は導管１１２または開口部１１３を通って流れることはない。

本発明の実施形態の先の全ての例では、１個の分配トレイに対して設けられる分配ユニットは全て同じであった。しかし、異なる分配ユニットを１個の分配トレイに使用してもよい。本発明の実施形態の先の全ての例では、蒸気流用下降管および液体導管は同じアセンブリまたは分配ユニットの一部分である。しかし、蒸気流用下降管および液体導管はトレイ上の別々のアセンブリまたは分配ユニットに備えられてもよい。図８および図９はこのような分配トレイの例を示す。

図９は、下降管および液体導管が別個に設けられた分配トレイの一部の上からの概略図である。図８Ａは、線分Ａ−Ａに沿って切り取った１個の下降管および１個の液体導管の上からの断面図である。図８Ａは、図９の点線で示された分配トレイ部分に対応する。図８Ｂは、図８Ａの線分Ｂ−Ｂに沿って切り取った分配ユニットの側面の断面図である。図８Ｃは、図８Ａの線分Ｃ−Ｃに沿って切り取った液体導管の側面の断面図である。図８Ｄは、図８Ａの線分Ｄ−Ｄに沿って切り取った下降管の側面の断面図である。図８Ｂ、８Ｃおよび８Ｄにおける矢印は、分配ユニットを通過する流体の流路を示す。

分配トレイは、複数の液体導管１３３を備えたトレイプレート１２０から構成される。液体導管はトレイプレート上に正方形ピッチで配置される。複数の下降管１３４も同様に備えられている。下降管１３４は液体導管の２倍の間隔の正方形ピッチに配置され、１個の下降管から４個の隣接する液体導管の各々までの距離は同じとなっている。

各液体導管１３３は、トレイプレート１２０に穴を介して取り付けられた円状パイプ１２１から成る。パイプ１２１の上側端には蒸気入口が、パイプ１２１の直径に沿ってパイプ壁２箇所にて１個の垂直な切り込みと１個の水平な切り込みとによって形成されている。パイプ１２１と同じ直径を有する円状キャップ１２２はパイプ１２１の上側の半円状のエッジに同心状に取り付けられている。このようにして、半筒型形状の液体導管に蒸気入口１２８が形成される。パイプ１２１は異なる大きさの６個の円状液体開口部１２７を備えている。液体開口部は、パイプ１２１の周囲に沿って等間隔に３個の垂直な列状に配置される。これらの３個の列のそれぞれには、２個の開口部が配置されている。環状プレート１２５は液体導管の出口に挿入されており、流れ領域縮小部または円状流れ規制部１２６を形成している。パイプ１２１とトレイプレート１２０との間の接続は実質的に液密かつ気密である。

各下降管１３４は、トレイプレート１２０に穴を介して取り付けられた円状パイプ１２３から成る。液体導管と同様、蒸気入口が、パイプ１２３の上側端に、パイプ１２３の直径に沿ってパイプ壁２箇所に１個の垂直な切り込みと１個の水平な切り込みとによって形成されている。パイプ１２３と同じ直径を有する円状キャップ１２４はパイプ１２３の上側の半円状のエッジに同心状に取り付けられている。このようにして、半筒型形状の下降管に蒸気入口１２９が形成されている。パイプ１２３とトレイプレート１２０との間の接続は実質的に液密かつ気密である。

操作に際しては、蒸気１３１の大部分が蒸気入口１２９およびパイプ１２３を通るように流れることになる。液体１３０は、液面レベル１３２の下方に位置する液体開口部１２７を通って流れる。蒸気入口１２９に入らない残りの蒸気は液面レベル１３２の上方に位置する開口部１２７および蒸気入口１２８を通って流れることになる。蒸気および液体は液体導管１３３内を下降し、流れ規制部１２６を通って流れ、分配トレイを出る。液体導管１３３を通る全圧力降下が下降管１３４を通る蒸気流による全圧力降下と等しくなるまで、液体導管１３３を通る経路を取った蒸気量が調節される。流れ規制部１２６は、液体導管１３３を通過する蒸気流を減らすので、下降管１３４に入る蒸気よりも液体導管１３３に入る蒸気の流速を著しく低くすることを可能とする。液体導管に入る蒸気が低速であることは、蒸気空間１３１の外側から液体導管１３３の内側蒸気空間への圧力降下が低く、よって式（１）で定義される分配不良が低下する。

蒸気入口１２８および液体開口部１２７の乾燥区画を通過する蒸気流のために、分配ユニットの外側から液体導管１３３の上部の内側蒸気空間への圧力降下が僅かにある。したがって、上述の「理由１」の利益が減少するので、図７の分配器と同様に図８および９の分配器では、図２、３、５および６に示す本発明の例に比べて分配不良の程度が僅かに高くなる。液体開口部１２７は液体をパイプ１２１内の蒸気空間に通すので、上述の分配不良低減の「理由２」が図８および９の分配トレイにとっては妥当しない。

図２、３、５、および６に示す分配ユニットの例に比べた「これら２つの欠点」にもかかわらず、分配ユニット１３３／１３４は常套のチムニー分配トレイに比べて改良された性能を示す。なぜなら、分配ユニット１３３／１３４は、式（１）で定義される分配不良を著しく増加させることなく、小さい断面積を有し、下降管１３４内で蒸気流速が速くなるように設計されうるからである。小さい分配ユニットの顕著な利益は既に説明した。

高速液流および低速蒸気流を用いた操作の場合、液面レベルは、パイプ１２１内で上昇する。この場合には、蒸気は液体導管１３３または流れ規制部１２６を通って流れることはない。

分配ユニットの典型的な高さは、１００ｍｍ〜５００ｍｍ、より好ましくは１５０〜３００ｍｍである。分配器密度は、典型的には、トレイ１平方メートル当たり２５〜１５０個の分配ユニットである。１平方メートル当たり４０〜１００個の分配ユニットとなる分配器密度がより好ましい。トレイ上の分配ユニットのピッチは、典型的には、三角形ピッチまたは正方形ピッチである。下降管の断面積のトータルは、典型的には、トレイ面積の１％〜１０％である。各液体導管の断面積は、典型的には、１５０ｍｍ^２〜１５００ｍｍ^２である。流れ領域縮小部の断面積は、典型的には、下降管断面積の２０％〜１００％である。

本発明についての補足説明
ベッセルの断面全体にわたって蒸気および液体を下向きに流す均等分配装置では、下向きに流れる蒸気および液体は、略水平なトレイによって妨げられ、これによって蒸気および液体はトレイに一定間隔を空けて配置された開口部を通過して流れることとなる。ここで一定間隔を空けて配置された開口部は、「液体の大部分を輸送するための液体導管」と、「蒸気の大部分をトレイプレートの上からトレイに一定間隔を空けて配置された開口部を通って輸送するための下降管」とに連結されており、液体導管を通過する蒸気流速は、２つの代替的な方法１および２の一方または両方によって最小限にされる。

方法１：前記液体導管において、略上方向の液体流れを有する少なくとも１つのセクションを備え、それによって、トレイの少なくとも１つの操作モード時に、液体中に蒸気が溶解したり引き込まれたりするよりも、蒸気が液体導管を通過して流れるのを防ぐ液体封止を形成する。

方法２：液体導管を通過する蒸気流が制限されるように、液体導管および下降管の相対的流体抵抗を設計しており、それによって、少なくとも１つの垂直方向の高さについて少なくとも１つのトレイの操作モードでは、与えられた垂直方向の高さにおいて液体導管の内部の絶対圧力が、同じ垂直方向の高さにおける下降管内部の絶対圧力より高くなる。

好ましくは、(P_sur-P_lc)/(P_sur-P_vd)は０．９未満である。P_surは前記トレイ上の周辺蒸気空間における絶対圧力であり、P_lcは与えられた垂直方向の高さにおける液体導管内部の絶対圧力であり、P_vdは同じ垂直方向の高さにおける下降管内部の絶対圧力である。(P_sur-P_lc)/(P_sur-P_vd)は０．９未満であることは、液体下降管に入る蒸気による圧力降下が下降管を入る蒸気による圧力降下の９０％未満であることを意味している。

好ましくは、下降管内の流れの流れ方向は略下向きである。

好ましくは、下降管内では、流れが上昇することになるセクション（upwards flow sections）は存在していない。

少なくとも１つの操作モードにおいて、液体導管内の最小蒸気流速は下降管内の最小蒸気流速未満である。

少なくとも１つの操作モードにおいて、液体導管内の最小蒸気流速は下降管内の最小蒸気流速の７５％未満である。

好ましくは、水平なトレイ上の全液体導管の全断面積（＝「液体導管の断面積を全て足し合わせた面積」）は、前記水平なトレイ上の全下降管の全断面積（＝「下降管の断面積を全て足し合わせた面積」）よりも小さい。

好ましい実施形態では、下降管は、流れ領域を低減して流速を増加させる流れ領域縮小部を１つ以上有する。流れ領域縮小部によって、液体の分散が促進される。

液体の広がりおよび分散を改良する手段（means for improved liquid spread and dispersion）、たとえば、羽根、バッフル、リボン、波形プレート、穴開きプレートまたは他のインサートが下降管の出口に使用してもよい。

また、液体の分散および広がりを改良するために、衝突プレート、たとえば、穴開き若しくは穴なしの平坦プレートまたは湾曲プレートを下降管出口の下方に使用してもよい。

下降管の上方にキャップを設けることによって、下降管の上側開口端へと液体が直接的に流れ込むことを防止してもよい。

また、液体導管の上方にキャップを設けることによって、液体導管へと液体が直接的に流れ込むことを防止してもよい。

下降管がトレイの上方空間と連通する第１開口端を有してもよく、液体導管が、かかるトレイの上方空間と流体連通する１以上の入口開口部と、かかる下降管と流体連通する１以上の出口開口部を有してもよい。液体導管の入口開口部は下降管の前記第１上側開口端よりも低い高さに配置される。

ある実施形態では、バイパスがトレイの前記開口部の第１列を超えてまたは通って設けられ、下降管がトレイの前記開口部の第２列を超えてまたは通って取り付けられる。

図１は、炭化水素留分の水素処理のために３つの触媒床を有する典型的な反応器の概略図である。 図２Ａは、本発明の分配トレイの実施形態の例を表しており、線分Ａ−Ａに沿って切り取った上からの断面図である。 図２Ｂは、本発明の分配トレイの実施形態の例を表しており、図２Ａの線分Ｂ−Ｂに沿って切り取った側面の断面図である。図２Ｂの矢印は分配ユニットを通過する流体の流路を示す。 図２Ｃは、本発明の分配トレイの実施形態の例を表しており、図２Ａの線分Ｃ−Ｃに沿って切り取った側面の断面図である。 図３は、本発明の分配トレイの実施形態の例を表しており、分配トレイの一部の上からの簡略化断面図である。三角ピッチ状に設けられた５個の分配ユニットを示している。 図４Ａは、先行技術の分配ユニット（本発明の分配トレイとの比較評価に用いた分配ユニット）を示しており、低速チムニーの側面の断面図を示している。 図４Ｂは、先行技術の分配ユニット（本発明の分配トレイとの比較評価に用いた分配ユニット）を示しており、高速チムニーの側面の断面図を示している。 図４Ｃは、先行技術の分配ユニット（本発明の分配トレイとの比較評価に用いた分配ユニット）を示しており、バブルキャップ分配ユニットの側面の断面図を示している。 図５Ａは、本発明の分配ユニットの実施形態の例を示しており、図５Ｂおよび５Ｃの線分Ａ−Ａに沿って切り取った分配ユニットの上からの断面図である 図５Ｂは、本発明の分配ユニットの実施形態の例を示しており、図５Ａの線分Ｂ−Ｂに沿って切り取った分配ユニットの側面の断面図である。図５Ｂにおける矢印は分配ユニットを通過する流体の流路を示す。 図５Ｃは、本発明の分配ユニットの実施形態の例を示しており、図５Ａの線分Ｃ−Ｃに沿って切り取った分配ユニットの側面の断面図である。 図６Ａは、本発明の分配ユニットの実施形態の例を示しており、図６Ｂおよび６Ｃの線分Ａ−Ａに沿って切り取った分配ユニットの上からの断面図である。 図６Ｂは、本発明の分配ユニットの実施形態の例を示しており、図６Ａの線分Ｂ−Ｂに沿って切り取った分配ユニットの側面の断面図である。図６Ｂにおける矢印は、分配ユニットを通過する流体の流路を示す。 図６Ｃは、本発明の分配ユニットの実施形態の例を示しており、図６Ａの線分Ｃ−Ｃに沿って切り取った分配ユニットの側面の断面図である。 図７Ａは本発明の分配ユニットの実施形態の例を示しており、図７Ｃおよび７Ｄの線分Ａ−Ａに沿って切り取った分配ユニットの上からの断面図である。 図７Ｂは、本発明の分配ユニットの実施形態の例を示しており、図７Ｃおよび７Ｄの線分Ｂ−Ｂに沿って切り取った分配ユニットの上からの断面図である。 図７Ｃは、本発明の分配ユニットの実施形態の例を示しており、図７Ａおよび７Ｂの線分Ｃ−Ｃに沿って切り取った分配ユニットの側面の断面図である。図７Ｃにおける矢印は、分配ユニットを通過する流体の流路を示す。 図７Ｄは、本発明の分配ユニットの実施形態の例を示しており、図７Ａおよび７Ｂの線分Ｄ−Ｄに沿って切り取った分配ユニットの側面の断面図である。図７Ｄにおける矢印は、分配ユニットを通過する流体の流路を示す。 図８Ａは、本発明の分配トレイの実施形態の例を示しており、図９の点線で示されたトレイ部分の上からの断面図である。 図８Ｂは、本発明の分配トレイの実施形態の例を示しており、図８Ａの線分Ｂ−Ｂに沿って切り取ったトレイ部分の側面の断面図である。図８Ｂにおける矢印は、分配ユニットを通過する流体の流路を示す。 図８Ｃは、本発明の分配トレイの実施形態の例を示しており、図８Ａの線分Ｃ−Ｃに沿って切り取った液体導管の側面の断面図である。図８Ｃにおける矢印は、分配ユニットを通過する流体の流路を示す。 図８Ｄは、本発明の分配トレイの実施形態の例を示しており、図８Ａの線分Ｄ−Ｄに沿って切り取った下降管の側面の断面図である。図８Ｄにおける矢印は、分配ユニットを通過する流体の流路を示す。 図９は、本発明の分配トレイの実施形態の例を示しており、分配トレイの一部の上からの概略図である。

Claims (44)

1. 実質的に水平な液体収集トレイの下方において２相下降並流ベッセルの断面領域を横断するように液体および蒸気の下降流を均一に分配させる方法であって、
   − 該トレイ上の液体溜めに液体を収集する工程、
   − 該液体溜め上方の蒸気空間に蒸気を収集する工程、
   − 該トレイを通過するように該蒸気と該液体とを下方へと導く複数の分配ユニットを供する工程、ここで、該分配ユニットの各々は、下降管、液体導管および蒸気／液体混合領域を有して成り、
   − 該蒸気空間内に位置し、蒸気を該蒸気空間から該蒸気／液体混合領域にまで導くための蒸気入口を該下降管が有し、
   − 該液体導管が、１またはそれ以上の開口部を備えた壁を有して成り、該１またはそれ以上の開口部が該トレイ上方に位置し、該１またはそれ以上の開口部と該トレイとの間の距離が該開口部ごとに異なっており、液体は、該液体溜めから該開口部を通過して該蒸気／液体混合領域にまで流れ、該蒸気／液体混合領域では、該液体導管からの液体と該下降管からの蒸気とが合流することによって１つのストリームが得られるようになっており、
   − 該下降管通るように該蒸気の大部分を該蒸気入口から該蒸気／液体混合領域にまで通過させる工程、
   − 該液体導管が用いられることによって実質的に全ての該液体を該液体溜めから該１またはそれ以上の開口部を通して該蒸気／液体混合領域へと通過させる工程、
   − 該蒸気／液体混合領域から該トレイの下方空間へと該蒸気および該液体を通過させる工程、および
   − 該壁に隣接し、該開口部のいずれか１つよりも上流側であって該液体の表面の直ぐ上方のポイントにおける蒸気圧力と、該開口部の該いずれか１つより下流側であって該液体の表面と同じレベルにおける蒸気圧力との圧力差を低減させる工程
   を含んで成る、方法。
2. 前記壁を貫通する２またはそれ以上の開口部が前記トレイの上方の位置に設けられており、該開口部と該トレイとの間の距離が該開口部ごとに異なる、請求項１に記載の方法。
3. 前記液体導管の少なくとも一部を通るように液体を上方向に流し、前記蒸気／液体混合領域の前に液体封止を形成することによって、前記圧力差を小さくしており、それによって、前記液体に蒸気がエントレインされ又は前記液体内に蒸気が溶解することを除き、蒸気が該液体導管を流れることを防止する、請求項１または２に記載の方法。
4. オリフィス、バッフル、羽根、波形プレート、充填物、穴開きプレートなどの流れ規制部が、前記蒸気／液体混合領域の下流に設けられており、それによって、前記蒸気／液体混合領域から前記トレイの下方空間に至るまでの２相圧力降下を増大させ、前記分配ユニットのいずれか１つに液体が流れる前記トレイ上の液面レベルの変化に対する感度を低下させる、請求項３に記載の方法。
5. 前記２相圧力降下が、前記トレイの上方の前記蒸気空間から前記トレイの下方の蒸気空間までにおける全圧力降下の５０％を超える、請求項４に記載の方法。
6. 前記２相圧力降下が、前記トレイの上方の前記蒸気空間から前記トレイの下方の蒸気空間までにおける全圧力降下の８０％を超える、請求項４に記載の方法。
7. 前記開口部の下流側であって、前記蒸気／液体混合領域の上流側において、流れ領域縮小部またはオリフィスなどの流れ障害部を設け、前記液体導管を通る蒸気流れを減少させることによって、前記圧力差を小さくする、請求項１または２に記載の方法。
8. 前記流れ障害部での圧力降下が、前記トレイの上方の前記蒸気空間から前記蒸気／液体混合領域までにおける全圧力降下の２５％を超える、請求項７に記載の方法。
9. 前記流れ障害部での圧力降下が、前記トレイの上方の前記蒸気空間から前記蒸気／液体混合領域までにおける全圧力降下の５０％を超える、請求項７に記載の方法。
10. 前記流れ障害部での圧力降下が、前記トレイの上方の前記蒸気空間から前記蒸気／液体混合領域までにおける全圧力降下の７５％を超える、請求項７に記載の方法。
11. 前記下降管内の流れの流れ方向が略下方方向である、請求項１〜１０のいずれかに記載の方法。
12. 前記分配ユニットの前記液体導管および前記下降管が前記トレイを貫通するように延在しており、
    前記蒸気／液体混合領域がトレイプレートの下方に位置する、請求項１〜１１のいずれかに記載の方法。
13. 羽根、バッフル、リボン、波形プレートまたは穴開きプレートなどの液体の分散および広がりを促進させる手段を用いることによって、前記ストリームをより広範に分散させ広げる、請求項１〜１２のいずれかに記載の方法。
14. 前記蒸気空間から前記蒸気入口内へと流体が直接的に流れ込むことが防止されるように前記蒸気入口の上方にキャップを配置する、請求項１〜１３のいずれかに記載の方法。
15. 前記トレイに設けられた全ての前記液体導管の水平方向の断面積を足し合わせた面積が、前記トレイに設けられた全ての前記下降管の水平方向の断面積を足し合わせた面積よりも小さくなっている、請求項１〜１４のいずれかに記載の方法。
16. 前記蒸気入口が、いずれの前記開口部よりも高い位置に設けられている、請求項１〜１５のいずれかに記載の方法。
17. ２相下降並流ベッセルの断面領域を横断するように液体および蒸気の下降流を均一に分配させる装置であって、
    − 下方へと流れる蒸気および液体の流れを阻止する実質的に水平な液体収集トレイであって、該液体を該トレイ上の液体溜めに収集し、該蒸気を該液体溜め上方の蒸気空間に収集する液体収集トレイ、
    − 該蒸気と該液体とを該トレイを通過するように下方へと導く複数の分配ユニットであって、該分配ユニットの各々が、下降管、液体導管、蒸気／液体混合領域および合流導管を有して成り、
    − 該下降管の上端には蒸気入口が設けられており、該下降管では、該蒸気の大部分が該蒸気空間から該蒸気／液体混合領域にまで導かれるように該蒸気入口を介して該蒸気空間から該蒸気／液体混合領域に至るまでフローチャネルが形成されており、
    −該液体導管が、１またはそれ以上の開口部を備えた壁を有して成り、該１またはそれ以上の開口部が該トレイ上方に位置し、該１またはそれ以上の開口部と該トレイとの間の距離が該開口部ごとに異なっており、実質的に全ての液体が該液体溜めから該蒸気／液体混合領域にまで導かれるように該開口部を介して該液体溜めから該蒸気／液体混合領域に至るまで液体のためのフローチャネルが形成されており、
    − 該合流導管では、該蒸気／液体混合領域から該トレイの下方の位置に至るまでフローチャネルが形成されており、
    −該壁に隣接し、該開口部のいずれか１つよりも上流側であって該液体の表面の直ぐ上のポイントにおける蒸気圧力と、該開口部の該いずれか１つより下流側であって該液体の表面と同じレベルにおける蒸気圧力との圧力差を低減させる手段
    を有して成る、装置。
18. 前記壁を貫通する２またはそれ以上の液体開口部が前記トレイの上方の位置に設けられており、該液体開口部と該トレイとの間の距離が該液体開口部ごとに異なっている、請求項１７に記載の装置。
19. 前記蒸気／液体混合領域の上流側に設けられ、前記液体溜めから前記蒸気／液体混合領域に向かう方向に上方向へと延在する前記液体導管の少なくとも一部によって、前記圧力差の低減が達成されており、その場合、
    該液体導管の該少なくとも一部を通るように液体を上方向に流し、該蒸気／液体混合領域の前に液体封止を形成することによって、該圧力差が低減されており、それによって、前記液体に蒸気がエントレインされ又は前記液体内に蒸気が溶解することを除き、蒸気が該液体導管を流れることが防止される、請求項１７または１８に記載の装置。
20. オリフィス、バッフル、羽根、波形プレート、充填物、穴開きプレートなどの流れ規制部が、前記蒸気／液体混合領域の下流に設けられており、それによって、前記蒸気／液体混合領域から前記トレイの下方空間に至るまでの２相圧力降下を増大させ、前記分配ユニットのいずれか１つに液体が流れる前記トレイ上の液面レベルの変化に対する感度を低下させる、請求項１９に記載の装置。
21. 前記流れ規制部における流れ面積の最小値が、前記蒸気／液体混合領域における流れ面積の８０％未満である、請求項２０に記載の装置。
22. 前記流れ規制部における流れ面積の最小値が、前記蒸気／液体混合領域における流れ面積の６０％未満である、請求項２０に記載の装置。
23. 前記液体導管の全ての入口開口部が前記液体溜めに浸かることによって、前記液体導管に蒸気が入り込むことを防止する前記液体封止が形成されている、請求項１９〜２２のいずれかに記載の装置。
24. 前記液体導管と前記蒸気／液体混合領域との間の壁に前記開口部が設けられ、液体導管の出口が形成されている、請求項１９〜２３のいずれかに記載の装置。
25. 前記開口部の下流側、かつ、前記蒸気／液体混合領域の上流側において、流れ領域縮小部またはオリフィスなどの流れ障害部が設けられており、その結果、前記液体導管を通る蒸気流れが減少し、前記圧力差が小さくなる、請求項１７または１８に記載の装置。
26. 前記液体溜めと前記液体導管との間の壁に前記開口部が設けられ、液体導管の液体入口が形成されている、請求項２５に記載の装置。
27. 前記液体導管には、前記蒸気空間内に位置する蒸気用の入口開口部が設けられており、それによって、前記壁の両端における圧力が等しくなり、前記圧力差がより小さくなる、請求項２５または２６に記載の装置。
28. 前記蒸気用の入口開口部を介して前記液体導管内へと液体が直接的に流れ込むことが防止されるように、前記蒸気用の入口開口部の上方にキャップが設けられている、請求項２７に記載の装置。
29. 前記流れ障害部における流れ面積の最小値が、前記液体導管の内側断面積の８０％未満である、請求項２５〜２８のいずれかに記載の装置。
30. 前記流れ障害部における流れ面積の最小値が、前記液体導管の内側断面積の６０％未満となっている、請求項２５〜２８のいずれかに記載の装置。
31. 前記流れ障害部における流れ面積の最小値が、前記液体導管の内側断面積の５０％未満となっている、請求項２５〜２８のいずれかに記載の装置。
32. 前記下降管内の流れの流れ方向が略下方方向である、請求項１７〜３１のいずれかに記載の装置。
33. 前記分配ユニットの前記液体導管および前記下降管が前記トレイを貫通するように延在しており、
    前記蒸気／液体混合領域がトレイプレートの下方に位置しており、更に、
    前記合流導管が、前記トレイの下方にて前記２相下降並流ベッセルの一部を成している、請求項１７〜３２のいずれかに記載の装置。
34. オリフィス、羽根、バッフル、リボン、波形プレートまたは穴開きプレートなどの液体の分散および広がりを促進させる手段が、前記合流導管の内部または下流に設けられており、前記分散ユニットから流出する液体および蒸気の局所的な分散および広がりが促進される、請求項１７〜３３のいずれかに記載の装置。
35. 前記蒸気空間から前記蒸気入口を通って前記下降管内へと流体が直接的に流れ込むことが防止されるように、前記蒸気入口の上方にキャップが配置されている、請求項１７〜３４に記載の装置。
36. 前記トレイに設けられた全ての前記液体導管の水平方向の断面積を足し合わせた面積が、前記トレイに設けられた全ての前記下降管の水平方向の断面積を足し合わせた面積よりも小さくなっている、請求項１７〜３５のいずれかに記載の装置。
37. 前記蒸気入口が、いずれの前記開口部よりも高い位置に設けられている、請求項１７〜３６のいずれかに記載の装置。
38. １つのトレイに対して、構成の異なる分配ユニットが複数用いられている、請求項１７〜３７のいずれかに記載の装置。
39. ２またはそれ以上の前記液体導管が前記分配ユニットで用いられている、請求項１７〜３８のいずれかに記載の装置。
40. ２またはそれ以上の前記下降管が前記分配ユニットで用いられている、請求項１７〜３９のいずれかに記載の装置。
41. ２相下降並流ベッセルの断面領域を横断するように液体および蒸気の下降流を均一に分配させる装置であって、
    − 下方へと流れる蒸気および液体の流れを妨害し、かつ、該液体を該トレイ上の液体溜めに収集し、該蒸気を該液体溜めの上方の蒸気空間に収集する実質的に水平な液体収集トレイ、ならびに
    − 該蒸気と該液体とを該トレイを通過するように導く複数の分配ユニット
    を有して成り、
    − 該分配ユニットの各々は、下降管および液体導管を有して成り、
    〇 下降管は、該トレイを貫通するように該蒸気空間から該トレイの下方空間へと延在しており、
    ・ 該液体溜めの通常の最大深さよりも大きい第１距離に相当する分だけ該トレイから上方に位置し、通常、該蒸気空間内に位置することになる蒸気入口が該下降管に設けられており、また、
    ・ 該下降管では、該トレイの下方の空間に蒸気／液体出口が設けられており、
    〇 液体導管は壁部を有しており、
    ・ 該液体溜めの通常の最小深さよりも小さい第２距離に相当する分だけ該トレイから上方に位置し、通常、該液体溜めの表面レベルより下方に位置することになる液体入口が該液体導管の該壁部に設けられており、また
    ・ 該液体入口の上方に位置し、かつ該下降管の壁部の対応する開口部に連通する１またはそれ以上の液体出口が該液体導管の該壁部に設けられている、
    装置。
42. 前記トレイの上方に２またはそれ以上の液体出口が設けられており、該液体出口と該トレイとの間の距離が該液体出口ごとに異なっている、請求項４１に記載の装置。
43. 前記下降管において、少なくとも１つの前記開口部、好ましくは全ての前記開口部の下流側に流れ領域縮小断面部などの流れ規制部が設けられている、請求項４１または４２に記載の装置。
44. 前記下降管の前記壁部が、前記液体導管の前記壁部を成している、請求項４１〜４３のいずれかに記載の装置。

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