『海川翻訳チームオリジナル』固定（単相管充填剤）床反応器の圧損

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英語のタイトル：Pressure Drop In Fixed (Single Phase Tubular Packed) Bed Reactors
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原文の著者：ankur2061
翻訳者ID：@芽芽_ITZK
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こんにちは。今日の内容は、固定床反応器の圧損についてです。 固定床反応器において理論的な圧力降下を引き起こす要因について調べてみましょう。設計圧損は、理論的な圧損の安全限界を考慮して決定すべきである。 “「圧降」：気体および液体の場合、いずれも「オイラー」方程式に基づいて計算される。(ΔP/L) = K*Re*(150 + 1.75*Re)*((1 – ε) / ε)^3*(μ^2 / (ρ*Dp^3)) ここで、(ΔP/L)は床面の圧降を表し、単位はkPa/mまたはpsi/ftである。Reはレイノルズ数で、無次元値であり、W*Dp/(μ*(1 - ε))で表される。εは空隙率で、無次元値である。新しく包装された触媒の空隙率は以下の通りである。

触媒の種類　充填方法　空隙率、ε
1/16インチ（1.6mm）　円筒形　ストラップ式　0.45　密着式　0.35
1/20インチ（1.3mm）および1/10インチ（2.6mm）　ASQストラップ式　0.47　密着式　0.40
1/8インチ（3.2mm）　板状積層　0.41

μは、現在の条件における気体または液体の粘度で、単位はKg/mである。（ポンド/ft·hr）K = 次元定数 = 0.001（メートル法）= 1.665E-11（USC）
ρ = 現在の条件における気体または液体の密度、kg/m³（lb/ft³）
Dp = 粒子の等価直径、m（ft）
W = 原子炉の断面積に基づく液体または気体の質量フラックス、kg/s·m²（lb/hr·ft²）

粒子の等価直径は、円柱形の圧力損失を計算するために使用され、次の式で求められる：
Dp = 3*D*L / (2*L + D)
ここで、
Dp = 粒子の等価直径、m（ft）
D = 粒子の実際の直径、m（ft）
L = 粒子の平均長さ、m（ft）

「オイラー」定数は150および1.75であり、これらはさまざまな粒子系から得られた圧力損失データに基づいて決定されている。与えられた特殊な形状の粒子に対して、この方程式とこれらの定数を用いると、圧力損失の予測において明らかな誤差が生じることがある。また、ベッドの空隙率や等価粒子径の推定値を用いるため、圧力損失の計算ではしばしば誤差が生じる。これらの誤差は、粒子密度と粒子サイズの不確実性によって生じるものである。靴下型充填法：20世紀70年代以前において、固定床反応器へ触媒を充填する標準的な方法は靴下型充填法であった。靴下型の追加装置を使用する際、キャンバス製のパイプが触媒を反応器の人孔入口から反応器内の触媒層の底部まで送ります。このキャンバス製のパイプは、反応器の入口にある投入ホッパーやフンネルに取り付けられており、この方法によって袋を使って触媒を反応器内の床に積み上げることで、単一の粒子（特に円柱状のもの）が安定した水平な静止状態に留まるのを防ぎます。円筒形触媒が様々な水平および垂直位置に重ねられる。 円筒形触媒をランダムな方向に積み重ねることで、触媒同士の間に架橋や隙間が生じる。反応器の運転中、これらの橋や隙間はしばしば崩壊する。ベッドの密度は、ベッドの深さが浅くなるにつれて増加する。 密着型充填：1970年以降、製油所、触媒メーカー、および触媒充填業者は、隙間やブリッジを大幅に減少させることができる密着型充填装置を開発してきました。密着型の装填により、触媒層の密度は17％増加する。 また、靴下型の添加法とは異なり、密着型の添加法では、触媒を均一に分布させるために人が反応器内に入る必要はない。反応器内の作業員は、触媒を圧迫しないように、空気を呼吸できる靴と重量バランスの取れた靴を着用する必要がある。 触媒粒子（具体的には円筒形）を反応器内に導入することで、各円筒が触媒表面に自由に落下し、密着充填が完了する。他の円筒形触媒に衝突される前、単独の円筒形触媒は水平で静止した位置にあると仮定する。このような場合、円筒形触媒は水平に配置される傾向があり、架橋や空隙が生じる可能性をできるだけ減らすためです。 層高上昇による圧力降下：反応器においてあまり一般的ではない上流操作において、上記の式で計算される圧力降下は、理論的な層高上昇による圧力降下以下に保たれなければならず、できれば50％未満、いかなる場合でも75％を超えてはならない。床の上昇によって生じる理論的な圧力降下は、次の式で表されます：
(ΔP/L)BL = K*(ρp – ρ)*(1 – ε)

ここで：
(ΔP/L)BL = 床の上昇によって生じる理論的な圧力降下、単位：kPa/mまたはpsi/ft
ρp = 触媒粒子の密度、単位：kg/m3またはlb/ft3
ρ = 現在の条件における気体および液体の密度、単位：kg/m3またはlb/ft3
ε = 床の孔隙率、無次元
K = 次元定数、値：0.0098（メートル法）、0.00694（USC法）

ノズルの入口で生じる圧力降下：
ノズルの入口で生じる圧力降下は、以下の式の合計です：
ΔPe = (K*ρ*(UL – UI)^2) / 2
ΔPi = (1.3*K*ρ*UI^2) / 2
ΔPb = (0.5*K*ρ*UL^2) / 2

ここで、
ΔPe = 分配器の入口部分での急激な膨張によって生じる圧力損失、単位：kPaまたはpsi
ΔPi = 気体が分配器の底面に衝突することによって生じる圧力降下、単位：kPaまたはpsi
ΔPb = 分配器の入口部分の隙間によって生じる圧力降下、単位：kPaまたはpsi

ρ = 現在の条件における気体および液体の密度、単位：kg/m3またはlb/ft3
UI = 分配器の入口部分の流速、単位：m/sまたはft/sec
UL = 外部配管の流速、単位：m/sまたはft/sec
K = 次元定数、値：0.001（メートル法）、2.156E-4（USC法）

サンプラーおよび出口ノズルによって生じる圧力降下：
サンプラーおよび出口ノズルによって生じる圧力降下は、以下の式の合計です：
ΔPs = (2.8*K*ρ*US^2) / 2
ΔPc = (0.5*K*ρ*UL^2) / 2

ここで、
ΔPs = 孔やサンプラーの溝からの漏れによって生じる圧力降下、単位：kPaまたはpsi
ΔPc = 出口ノズルの急激な収縮によって生じる圧力降下、単位：kPaまたはpsi
US = 孔や溝を通過する流体の速度、単位：m/sまたはft/sec
K = 次元定数、値：0.001（メートル法）、2.156E-4（USC法）