1 1 4 3
論
文
2.4ton/day石
炭 直 接 水 添 液 化PDU
反 応 器 内 の ガ ス ホ ー ル ドア ップ
(キ ー ワ ー ド 石 炭,液 化,反 応 器,ガ ス ホ ー ル ドア ップ,測 定 法) 1991.4.3受 理 日 本 鋼 管 株 式 会 社 山 口 宏*1, 小 川 高 志*1, 横 山 敬*2 1. 緒 言 石 炭 液 化 反 応 系 は高 温 高 圧 の 気 液 固 三 相 系 で あ り, ガ ス ホ ー ル ドア ップ は反 応 器 内 の 流 動 お よ び反 応 特 性 を評 価 す る上 で もっ と も重 要 な 因 子 の ひ とつ で あ る1)。 す な わ ち,ガ ス ホ ー ル ドア ップ は ス ラ リー の 反 応 器 内 滞 留 時 間 に 直接 影 響 を及 ぼ し,反 応 率 や 生 成 物 収 率 を 左 右 す る 。 した が って,気 液 固 三 相 流 動 層 につ い て は, ガ ス ホ ー ル ドア ップ を 中心 と した実 験 的研 究 が 従 来 か ら行 な わ れ,多 数 の相 関式2)3)が提 出 され て きた 。 しか しな が ら,こ れ まで の研 究 の 大 半 は常 温 常 圧 の水/空 気 系 に関 す る もの で あ り,こ れ に比 べ る と高 温 高 圧 下 で の 実 測 結 果 の 蓄 積 は き わめ て 少 な い。 米 国 のEDSプ ロ セ ス の パ イ ロ ッ トプ ラ ン ト4)やSRC-IIプ ロ セ ス の デ モ ンス ト レー シ ョ ン プ ラ ン ト5)で は,気 液 お よ び 気 液 固 系 コ ー ル ドモ デ ル で の 測 定 や 気 液 固 ホ ッ トモ デ ル で の 放 射 性 トー サ ー法 に よ る測 定 が 実 施 さ れ,既 往 の デ ー タ と比 較 し なが ら高 温 高 圧 の 液化 反 応 器 内 の ガ ス ホ ー ル ドア ップ を検 討 した 結 果 が 報 告 さ れ て い る。 そ れ に よ れ ば,常 温 高 圧 系 で の ガ ス ホ ール ドア ップ は 一 般 に常 温 常 圧 系 よ り大 き くな る こ とが 明 ら か に され て い る。 こ れ に対 し,高 温 高 圧 系 で は圧 力 効 果 ば か りで な く気 液 平 衡 に対 す る 温 度 効 果 に よ り気 相 お よび 液 相 の 体 積 変 化 が 加 わ っ て,ガ ス ホ ー ル ドア ップ の 変 化 は 複 雑 に な る と思 わ れ るが,こ れ に 関 す る信 頼 度 の 高 い デ ー タ は,お もに 測 定 の 難 しさ か ら これ ま で ほ とん ど 報 告 され て い な い。 著 者 ら は,石 炭 処 理 量 が2.4ton/dayの 直接 水 添 液 化 PDU (Process Development Unit)を 開 発,運 転 し,反 応 器 内 の流 動 状 態,物 質 移 動,熱 移 動 な ど に 関 す る 基 礎 デ ー タ を取 得 して きた6)7)。 本 論 文 で は,ク レオ ソ ー ト油/水 素 ガ ス 系,ア ン トラセ ン油/水 素 ガス 系, 石 炭 ス ラ リー/水 素 ガ ス 系 につ い て,常 温 高 圧 あ る い は 高 温 高 圧 下 で3種 の 異 な っ た方 法 に よ りガ ス ホ ー ル ドア ップ を測 定 し,こ れ に対 す る圧 力,温 度 お よび ガ ス空 塔 速 度 の 影 響 を検討 した結 果 につ い て報 告 す る。 2. 実 験 装 置 と方 法 2.4ton/day石 炭 液 化PDUプ ロ セ ス の フ ロ ー シ ー ト をFig.1に 示 す 。 反 応 器 は 内 径240mmφ,高 さ 2,400mmの 塔 を三 塔((4)∼(6))直 列 に連 結 した もの で あ る。 ガ ス は ス ラ リ ー加 熱 器,反 応 器 三 塔((4),(5)お よ び(6))そ れ ぞ れ の 入 口 か ら吹 き込 む こ とが で きる 。 これ らの反 応 器 内 の ガ ス ホ ー ル ドア ップ の 測 定 は 常 温, 高 圧 の冷 油 条 件(ク レオ ソ ー ト油/水 素 ガ ス系),高 温 高 圧 の 熱 油 条 件(ア ン トラ セ ン油/水 素 ガ ス 系)お よ び 高 温,高 圧 の 液 化 反 応 条 件(石 炭 ス ラ リー/水 素 ガ ス 系)で 行 っ た 。 冷 油 お よ び熱 油 条 件 で は ガ ス の 吹 き 込 み は ス ラ リ ー加 熱 器,反 応 器A塔((4))そ れ ぞ れ の
slurry tank reactor B pump reactor C preheater hot separator reactor A letdown valve
Fig.1
Flow sheet of 2.4ton/day
NKK direct coal
li-quefaction process
*1応 用 技 術 研 究 所 川 崎 市 川 崎 区 南 渡 田 町1-1 *2ケ ミカ ル開 発 セ ン タ ー 千代 田 区丸 の 内1-1-2
入 口 の み と し,反 応 器 三塔 そ れ ぞ れ の ガ ス 流 量 は 同 一 と した 。Tables 1&2に これ ら の 運 転 条 件 を示 す 。 石 炭 ス ラ リ ー は100mesh以 下 に粉 砕 した イ リ ノ イNo.6 炭,合 成 硫 化 鉄 触 媒 お よ ひ箔 炭 か ら得 た 液 化 油(プ ロ セ ス循 環 溶 剤)を100:5:150の 重 量 比 で混 合 した もの で あ る 。 実 験 に用 い た石 炭,ク レ オ ソー ト油,ア ン ト ラ セ ン油 お よび 触 媒 の 性 状 をTables 3∼5に 示 す 。 ま た,ガ ス ホ ー ル ドア ップ εG[-]の 測 定 は つ ぎの3種
Table 1 Experimental conditions for room-temperature creosote oil/hydrogen and high-temperature anthracene oil/hydrogen systems
* gas shut
-down" method ** gas purge" method *** neutron attenuation techniq
ue"
Table 2 Coal liquefaction conditions for Run 900
Table 3 Properties of Illinois No.6 coal
dry ash free a volatile matter
**by difference b fixed carbon
*** dr
2.4ton/day石 炭 直 接 水 添 液 化PDU反 応 器 内 の ガ ス ホ ー ル ド ア ッ プ(山 口 他) 1 1 4 5
Table 4 Result of ultimate analysis of solvents
Table 5 Relevant properties and composition of catalyst
* Density ** S
urface area *** Mean particle size
の 方 法 に よっ た。 (a) ガ ス遮 断法(GS法):冷 油 条件,熱 油 条 件 (b) 中性 子 減 衰 法(NAT法):冷 油 条件 (c) ガ スパ ー ジ法(GP法):冷 油 条 件,熱 油 条 件 お よび 液化 反 応 条 件 以 下 に これ らの方 法 の 詳 細 を記 述 す る 。 (a) ガ ス遮 断 法(GS法) この 方 法 で は,反 応 器 内 の 圧 力 や 温 度,液 流 量,ス ラ リー 加 熱 器 ガ ス 流 量,反 応 器 ガ ス 流 量(反 応 器 三 塔 そ れ ぞ れ の ガ ス 流 量 は 同 一)を 所 定 の 値 と した 後,液 は流 通 させ た状 態 で 加 熱 器(3)と反 応 器(4)への ガ ス の流 通 を 瞬 時 に停 め,反 応 器 下 流 の 高 温 分 離 槽(7)の液 面 レ ベ ル の 変 化 か ら反 応 器 三塔((4),(5)お よ び(6))に お け る平 均 の εGを 決 定 す る。 す な わ ち,液 面 は ガ ス の 流 通 が 停 止 した 後,供 給 液 が 反 応 器 内 で ガ ス が 占 め て い た 体 積 を満 たす まで 変化 しな い の で,こ の時 間t[s]を 測 定 す る こ と に よ り,反 応 器 全 容積Vr[cm3]に 対 す る εGを 原 料 液 質 量 流 量W[g/s],反 応 器 内 の 液 密 度 ρL [g/cm3]と 原 料 液 の 反 応 器 内 の 蒸発 率 β[-]か ら εG=1-(1-β)Wt/(ρLVr) ( 1 ) を 求 め た。 ま た,圧 力P[MPa],温 度T[K]に お け る ガ ス 空 塔 速 度UG[cm/s]は 反 応 器 へ の ガ ス 流 量Q1 [cm3/s],反 応 器 内 で の 原 料 液 蒸 発 速 度 をQ2[cm3/s], 反 応 器 断 面積 をA[cm2]と す る と, UG=(Q1+Q2)(T/273)/(10.02AP) ( 2 ) と与 え られ る。 Eqs.(2)&(3)に お い て,冷 油 条 件(ク レ オ ソ ー ト油 /水 素 ガ ス系)の 場 合 は 液 の 蒸 発 は 無 視 で き,β=0 で あ る。 ま た,熱 油 条 件(ア ン トラ セ ン油/水 素 ガス 系)の 場 合 に は,ア ン トラセ ン油 の 蒸 発 を考 慮 し液 密 度 ρLと ガス 空 塔 速 度UGを 計 算 した。 こ の場 合,ア ン トラセ ン油/水 素 ガ ス 系 の 高 温,高 圧 下 で の 反 応 器 内 の 気 液 平 衡 組 成 を 気 液 平 衡 計 算 プ ロ グ ラ ム
「PROCESS」 のGrayson Streed法 で計 算 し,β,ρL お よ び溶 剤 の蒸 発 成 分 の ガ ス密 度 ρG*[g/cm3]を 得, さ らに,反 応 器 へ の ア ン トラセ ン油 供 給 量Wか ら溶 剤 蒸発 速 度Q2を Q2=Wβ/ρG* ( 3 ) の 関 係 式 よ り求 め た 。 ま た,熱 油 条 件 で は,ガ ス 遮 断 後 は油 中 に 残 存 す る と考 え られ る気 泡 の ホ ー ル ドア ッ プ は非 常 に 小 さ く,気 液 界 面 は完 全 に分 離 す る と仮 定 し解 析 した。 (b) 中性 子 減 衰 法(NAT法) この 測 定 装 置 をFig.2に 示 す 。 こ の 装 置 はCSIRO 法8)の 一 部 を ガ ス ホ ー ル ドア ップ 測 定 に応 用 した もの (1) reactor A (2) reactor B (3) tracer tank (4) pump (5) tracer inject i o n pu m p (6) neutron sour c e (7) detector (8) counter
Fig. 2 Schematic
diagram
for neutron attenuation
technique (NAT)
(1) reactor (2)△p ceil (3) purge gas
Fig. 3 Schematic diagram for gas purge method
で あ る。 反 応 器 出 口 管 部 に は,中 性 子 線 源(中 性 子 源252Cf)と3He中 性 子 計 数 管 を設 け て あ り,同 管 中 の 流 体 が ガ ス か ら液 に 変 る と中性 子 計 数 管 の カ ウ ン タ ー 数 が 顕 著 に 変 化 す る こ と を利 用 す る もの で あ る。 す な わ ち,冷 油 運 転 時 に ガ ス を瞬 間 的 に遮 断 した 後,反 応 器 か ら液 が 流 出 す る まで の時 間 を測 定 し,遮 断 法 の 場 合 と同 様 に,Eq.(1)よ り εGを,ま た,Eq.(2)よ りUG を算 出 した 。 (c) パ ー ジ法(GP法) この 方 法 は 反 応 器 内 の 流 体 の高 さ方 向 の差 圧 を測 定 して,ガ ス ホ ー ル ドア ッ プ を決 定 す る もの で あ る。 測 定 シ ス テ ム の フ ロ ー シ ー トをFig.3に 示 す 。 反 応 器 の 上 部 と下 部 に は,図 の よ う に,ガ スパ ー ジ 管 が2本 設 置 して あ り,そ れ ぞ れ の 管 か ら水 素 ガ ス を同 一 流 量 で 液 中 に 吹 込 ん だ と きの差 圧 を 測 定 して εGを 算 出 し た。 た だ し,水 素 ガ ス 吹 込 み 流 量 は,反 応 器 へ の供 給 ガ ス 流 量 に対 して 無 視 で き る程 度 に制 限 した。 こ の よ う な 条 件 で,上 記 の 差圧 を △P[MPa],上 下 の ガ ス吹 き込 み 管 の 間 隔 をL[cm](本 実 験 で は 反 応 器A塔 で は 195.4cm,B塔 で は191.2cm),高 温 高 圧 下 で の 液,ガ ス お よ び 固体 そ れ ぞ れ の密 度 を ρL,ρGお よ び ρs, そ れ ぞ れ の ホ ー ル ドア ップ を εL,εGお よ び εSと す る と, △P/L=9.81(ρGεG+ρLεL+ρsεs)/105 ( 4 ) εG+εL+εs=1 ( 5 ) で あ る。 冷 油 条 件(ク レオ ソー ト油/水 素 ガ ス 系)で は,ク レ オ ソ ー ト油 の蒸 発 が な く(β=0),固 体 も存 在 しな い(εS=0)の で,ク レオ ソ ー ト油 と水 素 ガ ス の そ れ そ れ の 密 度 と差 圧 デ ー タ か ら,Eqs.(4)&(5)よ り εG を求 め た 。 また,熱 油 条 件(ア ン トラセ ン油/水 素 ガ ス 系)で は εS=0で はあ るが ア ン トラセ ン油 の 蒸 発 が あ る た め,ガ ス 遮 断 法 の 場 合 と同様 に ア ン トラセ ン油 /水 素 ガ 系 の 高 温 高 圧 の 反 応 器 内 の 気 液 平 衡 計 算 を行 な い,ア ン トラセ ン油 の 蒸 発 率 お よ び蒸 発 速 度,高 温 高 圧 下 で の液 体 と ガ ス の 密 度 を求 め,Eqs.(4)&(5)か ら εG,ま た,Eqs.(2)&(3)よ りUGを 計 算 した 。 こ れ らの 場 合 に対 し,液 化 反 応 条 件 で の εGを 算 出 す る に は ρG,ρL,ρS,εLお よび εSを 知 らな けれ ば な らな い が,こ こ で は こ れ ら を反 応 器 内部 流体 の 直 接 サ ンプ リ ン グ に よ る試 料 の 解 析 結 果 お よ び 文 献 値 か ら与 え た。 直接 サ ン プ リ ング で はFig.3の 反 応 器 内 高 さ方 向差 圧 測 定 用 ガ ス パ ー ジ 管 を用 い,高 温 高圧 の 反 応 器 内 の 流 体 を直 接 採 取 し,こ れ を常 温 常 圧 に して 液 状 ス ラ リ ー を得 た。 ガ ス ホ ー ル ドア ッ プ を測 定 し た Run900の 直接 サ ン プ リ ング の 結 果 か ら だ け で は ρG, ρL,ρS,εLお よ び εSの す べ て を推 定 で きな か っ た た め,Run800の 結 果 も用 い た 。 直接 サ ンプ リ ング測 定 条 件(Runs800&900)をTable.6に 示 す 。Run800 の 直 接 サ ンプ リ ング の結 果 か ら以 下 の よ うに仮 定 して, 各 物 性値 を推定 した。 i) 直 接 サ ン プ リ ン グ に よ り得 ら れ た ス ラ リー試 料 は高 温 高 圧 の 反 応 器 内 で も ス ラ リー と して 存 在 し た もの7)で あ り,試 料 中 の トル エ ン不 溶 分(TI分) は固 体,可 溶 分(TS分)は 液 体 で あ る 。 ii) 高 温 高 圧 の 反 応 器 内 の 固 体 と液 体 との ホ ー ル ド ア ップ比 εs/εLは,直 接 サ ンプ リ ングで 得 た 試 料 中 のTI分 とTS分 との ホ ー ル ドア ップ 比 ε'S/ε'L に等 し く,以 下 の 関係 式 が成 立 す る 。 ε's-1-ε'L=εs/(εL+εs) ( 6 ) iii) 固体 の密 度 ρsは 温度,圧 力 に依 存 せ ず,直 接 サ ンプ リ ング で得 た 試料 のTI分 の常 温,常 圧 の 密 度 ρTI(1.42g/cm3)に 等 しい 。 iv) 直 接 サ ン プ リ ン グで 得 ら れ た 試 料 のTS分 は 重 質 油 留 分 に相 当 し7),重 質 油 留 分 の密 度 は圧 力 に よ りほ とん ど変 化 し な い の で,常 圧 の 液化 温 度 に お け る 値0.865g/cm3(SRC-IIプ ロ ジ ェ ク ト計 算 シ ー ト9)10))を 液 体 密 度 ρL(=ρTS)と す る。 ま た,Run800の 条 件 で 直 接 サ ン プ リ ング した 反応 器 内流 体 中 のTS分 お よ びTI分 の常 温 常 圧 に お け る重 量 分 率 とTS分 お よ びTI分 の 高 温 高 圧 下 の密 度 の推 定 値 ρTS=0.865g/cm3,ρTI=1.42g/cm3か ら,高 温 高 圧 に お け る試 料 中 の 固相 の ホ ー ル ドア ップ ε'sを 求 め た結 果 をTable7に 例 示 す る 。 表 か ら こ の値 が 大 約0.20と
2.4ton/day石 炭 直 接 水 添 液 化PDU反 応 器 内 の ガ ス ホ ー ル ド ア ッ プ(山 口 他) 1 1 4 7
Table 6 Reactor operating conditions for direct sampling
Table 7 ƒÃ'S obtained by direct sampling
of reactor contents ほ ぼ一 定 で あ り, εL=4εS ( 7 ) の 関係 式 を得 た。 つ ぎ に,高 温 高 圧 下 の反 応 器 内 の 気 相 の 密 度 は以 下 の よ う に推 定 した 。Run900の 直 接 サ ン プ リ ン グの 解 析 結 果 よ り,石 炭 液 化 反 応 は初 期 にお い て きわ め て 速 く,反 応 器 内部 の 流 体 物 性 は 三塔 の 反 応 器 の 内 の 一 塔 目(A塔)に お い て も,原 料 ス ラ リー よ りは む し ろ 反 応 器 下 流 の 高 温 分 離 槽 で の 液 化 油 ス ラ リ ー にか な り近 か っ た7)。 そ こで,Run900で 得 られ た 液 化 油 ス ラ リ ーの 主 要 成 分 を分 析 し,こ れ ら の主 要 成 分 よ りな る 液 化 油 ス ラ リ ー と反 応 器 出 口の ガ ス組 成 を 有 す る ガ ス に つ い て,ガ ス ホ ー ル ドア ッ プ測 定 時 の 温 度,圧 力 条 件 下 の 気 液 平 衡 組 成 を気 液 平 衡 計 算 プ ロ グ ラ ム 「PROCESS」 のGrayson Streed法 に よ り計 算 し
た。 そ の 結 果,反 応 器 内 の 気 相 の 密 度 ρGは 0.055g/cm3と 推 定 され た 。以 上 の よ うに推 定 した ρG, ρL,ρSお よ び εLと εSと の 関 係 を表 すEq.(7),お よ びRUN900の 差 圧 △Pに 関 す る実 測 値 か ら,Eq.(4) &(5)を 用 い て高 温 高 圧 下 の εGを 求 め た。 3. 結 果 お よ び 考 察 3.1 冷 油 条 件 にお け る ガス ホ ー ル ドア ップ Run600∼900で 冷 油 条 件 で 運 転 した と き の ガ ス ホ ー ル ドア ップ εGを 上 述 の ガ ス遮 断 法,中 性 子 減 衰 法 お よ び パ ー ジ 法 に よ り測 定 した 結 果 をFig.4に 示 す。 図 か ら,εGは 測 定 法 に よ っ て あ ま り変 らず,水 素 ガ ス の 空 塔 速 度UGと と も に増 加 す る こ と が わ か る。Fig. 5は こ の よ うな εGのUGに よ る増 加 をガ ス 遮 断 法 に よ り種 々 の 圧 力Pで 測 定 し た結 果 で あ る。P≦12.7MPa で は,εGは 圧 力 と と もに 増 加 す る が,そ れ 以 上 の 圧 力 で は ほ とん ど変 化 せ ず,P≧12.7MPaで の εGはP= 5.4MPaの と きの約2倍 と な って い る。 井 戸 川 ら11∼13) は水/空 気 系 の 場 合 に は εGの 増 加 は 気 泡 径 の 減 少 に 対 応 し,気 泡 径 は圧 力 が5.4MPa以 上 に な る とほ と ん ど変 化 せ ず,気 泡 径 に対 す る表 面 張 力 等 の影 響 もほ と ん ど認 め られ な い こ と を明 らか に して い る。 本 実験 の 場 合 は気 液 物 性 が 空 気/水 系 とは か な り異 な る の で, εGが 一 定 とな る圧 力 は 一 致 しな い が 圧 力 依 存 性 は
Fig. 4 Gas hold-ups for room-temperature
creosote
oil/hydrogen
system obtained by three
diffe-rent methods
Fig. 5 Change of gas hold-up with superficial gas
velocity for room-temperature
creosote
oil/
hydrogen system
気 泡 径 や気 泡 上 昇 速 度 の 変 化 を反 映 した もの と考 え ら れ よ う。
3.2 熱 油 条 件 に お け る ガス ホ ール ドア ップ
Fig. 6 Relationship between ƒÃG and UG for
high-temperature anthracene oil/hydrogen system
Fig. 7 Relationship between ƒÃG and UG for coal
slurry/hydrogen system 上 と同 様 に,熱 油 条 件 で 運 転 した と きのRun600∼ 900に お け る εGを ガ ス遮 断 法 とパ ー ジ法 に よ り測 定 し た結 果 をFig.6に 示 す。 図 に は 比 較 の ため,冷 油 条 件 のP≧12.8MPaで の εGの 実 測 値 も1点 鎖 線 で 示 す 。 こ れ をみ る と,εGは 冷 油 条 件 の12.8MPa以 上 の場 合 とほ とん ど変 らず,UGと と も に増 加 す る こ とが わ か る。 さ ら に,19.6∼24.5MPaの 圧 力 範 囲 で は,εGの 圧 力
2.4ton/day石 炭 直 接 水 添 液 化PDU反 応 器 内 の ガ ス ホ ー ル ドア ッ プ(山 口 他) 1 1 4 9 に よ る 変 化 は ほ と ん どみ られ な い。 また,冷 油 条 件 の 場 合 と同 様 に,こ の 場 合 に も ガ ス遮 断,パ ー ジ両 法 に よ る εGの 実 測 値 は ほ ぼ 一 致 して い る。 す な わ ち,熱 油 条 件 の 場 合 に も ア ン トラ セ ン油 の 蒸 発 を と も な う高 温 高 圧 下 の気 液 平衡 を ガス 密 度 ρG,液 密 度 ρLお よ び ガ ス空 塔 速 度UGに 考 慮 す れ ば,εGは 冷油 条件 の場 合 と 同一 のUG依 存 性 を示 す こ とが 明 らか で あ る。 3.3 液 化 反 応 条件 に お け る ガ ス ホ ール ドア ップ 差 圧 △PのUGに 対 す る依 存 性 を回 帰 分析 した結 果, つ ぎの よ うな 相 関式(相 関係 数=0.724)を 得 た 。 △P=(14.95-0.910UG)/103 ( 8 ) た だ し,Eq.(8)の 適 用 範 囲 はUG=3.0∼4.5cm/sで あ る。 上 式 お よ びEqs.(5)&(7)と ガ ス 密 度 ρG(・= 0.055g/cm3),液 密 度 ρL(=0.865g/cm3)お よび 固 体 密 度 ρs(=1.42g/cm3)か らEq.(4)は εG=0.212+0.052UG(3.0≦UG≦4.5) ( 9 ) とな る。 本 式 に よ り求 め た液 化 反 応 条 件 下 の εGと 熱 油 条 件 の 場 合 の εGを 比 較 した結 果 をFig.7に 示 す。 図 を み る と,液 化 反 応 条 件 と熱 油 条 件 で 測 定 さ れ た εG が ほ ぼ 等 しい こ とが わ か る。 こ れ は,液 化 反 応 条 件 で は 液化 反 応 に よ り石 炭 粒 径 が 減 少 して ス ラ リ ー 中 の石 炭 粒 子 濃 度 が小 さ くな り,液 物 性 に対 す る 固 体 粒 子 の 影 響 が 小 さ くな る た め と考 え られ る。 さ らに,εGの UGに よ る変化 は,上 述 の よ うに 液 の 蒸発 を と もな う気 液 平 衡,液 化 反 応 の 進 行 を ρGや ρL,εL,εS,UG な ど に適 切 に 考 慮 す れ ば,冷 油 条 件,熱 油 条 件,液 化 反 応 条 件 の い ず れ の場 合 もほ ぼ 同様 に 記 述 で きる こ と が 明 らかで あ る。 3.4 従 来 デ ー タ との 比 較 Fig.8は 本 実 験 の 液 化 反 応 条 件 下 で得 られ た実 測 結 果 を,EDS液 化 法4),SRC-II液 化 法5)お よび常 温 常
Fig. 8 Comparison of gas hold-ups measured in different pilot-scale reactors
圧 の水/空 気 系 気 泡 塔14)に つ い て報 告 され て い る結 果 と比 較 した もの で あ る。 図 か ら,常 温 常 圧 の 水/空 気 系 気 泡 塔 の場 合 の εGは 前 三 者 と比 べ て 約1/3と は な は だ し く小 さ い こ とが わ か る 。 そ れ に対 し,液 化 反 応 条 件 下 で の εGは,装 置 の 形 状,規 模 や 石 炭 ス ラ リ ー の 性 状,反 応 圧 力 な どの 操 作 条 件,測 定 法 が 異 な る に も か か わ らず,ほ ぼ等 しい 。 さ らに,こ こ で は省 略 した が こ れ らの εGの 変 化 は常 温 にお い て15MPaま で の 高圧 の 水/空 気 系 で得 られ た結 果11∼13)とほ ぼ一 致 した 。 4. 結 論 2.4ton/day石 炭 直接 水 添 液 化 プ ロ セ ス の 内 径240mm φ,高 さ2400mmの 塔 を三 塔 直 列 に 連 結 し た反 応 器 内 の ガ ス ホ ー ル ドア ッ プ εGを ガ ス 遮 断 法,中 性 子 減 衰 法,ガ スパ ー ジ 法 の3種 の 方 法 に よ り冷 油 条 件(常 温 高圧 ク レ オ ソ ー ト油/水 素 ガ ス系),熱 油 条 件(高 温 高 圧 ア ン トラセ ン油/水 素 ガ ス系)お よ び液 化 反 応 条 件 (高 温 高 圧 石 炭 ス ラ リー/水 素 ガ ス 系)に お い て 測 定 し,本 実 験 範 囲で 以 下 の 結 論 を得 た 。 1) 冷 油 条 件 に お け る εGは 測 定 法 に よ り大 差 な く, ガ ス 空塔 速 度UGと と も に増 加 した 。 また,εGは 圧 力 が12.8MPaま で の範 囲 で は圧 力 と と もに増 加 した が, そ れ 以 上 の圧 力 で は 変 化 しな か った 。 この よ うな 変 化 は圧 力 に よ る気 泡 径 の 変 化 を反 映 した もの と推 察 され る。 2) 熱 油 条 件 で の εGのUGに よ る変 化 は,高 温 高圧 下 で の ア ン トラセ ン油 軽 質 分 の 気 相 へ の 蒸 発 を ρG, ρLお よ びUGに 考 慮 す る と,冷 油 条 件 とほ ぼ 同 一 の結 果 とな っ た。 3) 液 化 反 応 条 件 に お け る εGは,既 存 の 液 化 反 応 条 件 で の測 定 お よ び高 圧 の 水/空 気 系 の 結 果 と お お よ そ一 致 した。 (謝 辞) 本 研 究 は 新 エ ネ ル ギ ー ・産 業 技 術 総 合 開 発 機構 (NEDO)の 委 託 に よ り実 施 し た もの で あ り,発 表 を 許 可 い た だい たNEDOの 皆 様 に感 謝 い た します 。 文 献
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Reactor
of 2.4ton/day
Direct Coal Liquefaction
Process
Hiroshi YAMAGUCHI,
Takashi OGAWA
and Takashi YOKO
Y A M
A
(NKK Corporation)
SYNOPSIS:-Gas hold-ups were measured in a 240mm dia . and 2400mm high
three-columns-in-series reactor of the 2.4ton/day NKK direct coal liquefaction process . All
measurements were carried out under high pressure in i) two-phase creosote oil/ hydrogen
system at room temperature, ii) two-phase anthracene oil/hydrogen and iii) three-phase
Illi-nois No.6 coal slurry/hydrogen systems at high temperature by the following three
diffe-rent methods; "gas shut-down", "neutron attenuation" and "gas purge" techniques .
For system i), the gas hold-up, ƒÃG, obtained by the three methods showed no
signifi-cant difference and increased with the superficial gas velocity , UG. ƒÃG at a given UG
in-creased with the pressure up to 12.8MPa and then leveled off with the further pressure
in-crease. These variations of ƒÃG could possibly be attributed to those of the bubble size . The
change of ƒÃG with UG for system ii) was found to be equivalent to that for system i) , if
changes in UG and the gas-liquid equilibrium composition due to evaporation of light
anthracene oil fractions to the gas phase were appropriately evaluated . Furthermore, ƒÃGS
for system iii) agreed reasonably well with those reported for coal liquefaction pilot plants
and high pressure bouble column.
Key Words
