JP2002504620A - 低分子オレフィン製造プロセス、炭化水素熱分解反応装置並びに分解ガス急冷装置 - Google Patents

低分子オレフィン製造プロセス、炭化水素熱分解反応装置並びに分解ガス急冷装置

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Abstract

(57)【要約】 炭化水素の熱分解によって低分子オレフィン類を生成するプロセスと装置であって、出発原料の予熱と蒸発、前記原料と蒸気希釈剤との混合、その結果得た混合物を翼配列回転反応装置内で回転する動翼の流体力学的抗力によって混合物内部に発生する熱により、前記反応装置内部において熱分解し、分解ガスを急冷した後に分離することから構成される。前記反応混合物の熱分解温度への加熱が、熱分解の反応時間と比較して取るに足らないほどの短い時間内で翼配列回転式反応装置の作動空隙部で循環している熱した熱分解ガスとの混合によって達成される。前記プロセスは低分子オレフィン類の収量を向上させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 ［発明の属する技術分野］ 本発明は石油化学工業、特に炭化水素の熱分解による低分子オレフィンの生成
に関する。
【０００２】 ［発明の背景］ 現在、炭化水素の熱分解は、エチレン、プロピレンなど低分子オレフィンの商
業生産の基本的プロセスになっている。原料として使用されるのは２個以上の炭
素分子を有する炭化水素である。業界では一般に石油精製ガス、ナフサ、軽油留
分などを利用している。
【０００３】 一般に認められている技術において、揮発して蒸気と混合された原料を熱分解
炉の放射部の分解チューブに供給し、そこで混合物を急速加熱する。熱分解反応
は大量の熱を吸収する。出口温度が７５０〜９５０℃に達する分解後のガスは急
冷されてガス分留プラントに運ばれ、ここでエチレン、プロピレン、ブタジエン
、メタン、水素その他の熱分解生成物に分離される。エチレンは熱分解生成物の
中で最も価値の高いものである。
【０００４】 炭化水素の熱分解ではパイロカーボンが常時放出され、その一部は煤の粒子と
なって分解ガスの流れによって運び去られるが、別の一部はコークスとなって分
解チューブと下流の装置の壁部に析出する。コークスの析出物により分解チュー
ブの圧力降下が増大し反応域への本来の熱伝達が低下することによって分解チュ
ーブが過熱するに至る。また、熱分解プラントの生産性が下がり低分子オレフィ
ンの収量が落ちることになる。したがい、コークス析出物は定期的に除去する。
これは通常空気若しくは空気と蒸気の混合物を燃焼させて除去する。
【０００５】 熱分解による反応は、オレフィンを生成する一次反応と生成されたオレフィン
を消費する二次反応に分別することができる。これらの反応は、一次二次とも温
度の上昇につれて加速されるが、一次反応の加速度は二次反応の加速度よりも高
い。一次反応の反応速度は圧力に依存しないが、二次反応の速度は圧力が増大す
ると共に減少する。 従って、オレフィン収量を大きくするためには、反応域における炭化水素の分
圧を下げ、調節限界内でプロセス温度を上げるようにする。
【０００６】 炭化水素分圧は水蒸気希釈剤を添加すれば下げることができる。水蒸気希釈剤
の最適量は原料炭化水素の成分如何による。エタンやプロパンなどの軽量原料の
場合には、水蒸気の量は通常は原料質量の２０〜４０％である。軽油など重量原
料の場合には、水蒸気の量を供給原料の８０〜１００％まで上げることができる
。熱分解温度を９５０〜１０００℃よりも高くするとコークスの生成量が急激に
加速し、エチレンを犠牲にして価値の低いアセチレンの収量が増大することにな
るので、好ましくない。
【０００７】 商用管状分解反応装置の短所には以下のようなものがある。 ａ）分解チューブの壁体を通して大量の熱を反応域に伝達しなくてはならない。
大量の熱流のために分解チューブ壁面の温度がプロセス流れの温度を遥かに超え
るため、コークスの生成が強くなり望ましい生成物の収量が低下する。熱伝達条
件上熱分解域を通過する原料流量を大きくする必要があるので、この部域では圧
力を下げることができない。 ｂ）分解チューブを通しての原料加熱率が不十分である。そのため、比較的低い
温度で生成し、更にはますます強く加熱される部域を通して運ばれる好ましいオ
レフィンの出発量が種々の条件下で長く滞留し過ぎるので、二次反応の強度が高
くなる。このような短所はナフサや軽油など広範囲の石油留分の熱分解で際立っ
て目立つようになる。これらの石油留分には、高温で分解される低分子炭化水素
のように簡単に分解される高分子炭化水素がある。
【０００８】 米国特許５３００２１６は、高強度の定常衝撃波を通過することにより水蒸気
の存在下で炭化水素を熱分解する方式及び装置を開示している。管式加熱器で約
１０００℃に過熱された蒸気を約２．７ＭＰａの圧力で超音速ノズルから直列配
置した混合域と熱分解域のある反応装置に導入する。混合域においては、約６２
７℃まで予熱されたエタンなどの炭化水素原料をミキサを通して超音速蒸気流に
導入する。その結果、混合物は熱分解反応を開始するに必要な温度よりも低い温
度の超音速プロセス流れが形成される。前記混合域と熱分解域の間にはひとつの
直接圧縮衝撃、すなわち、連続的定常衝撃波ができる。この圧縮衝撃を通過する
場合、超音速プロセス流れの運動エネルギーが熱に変換される。圧縮衝撃のすぐ
下流においては、プロセス流れの速度が音速以下のレベルに落ち、温度は０．９
ＭＰａの絶対圧で約１０００℃まで上昇する。プロセス流れは０．００５〜０．
０５秒の間熱分解域を通過するが、この間その温度は熱分解反応によって吸収さ
れる熱を犠牲にして約８６３℃にまで落ちる。エタンのエチレンへの転換率は７
０％に達する。分解ガスは急冷装置を通過して熱交換機の下を流れ、更にガス分
離部にまで運ばれる。この装置内では、管状熱分解反応装置の上記短所がすべて
取り除かれる。原料は最も速く最大熱分解温度に達し、熱分解セクションの壁体
は反応域への熱伝達には利用されない。しかし、これと同時に炭化水素の質量当
たりの所要蒸気量は約５００〜６６７％にならなくてはならない。これとの関連
において生成エチレン単位あたりのエネルギー消費量は極めて高く本来的には低
減不可能である。
【０００９】 すなわち、これにより現在のエネルギー・コストとオレフィン・コストとの相
互関係においては前記装置は競争力を失う。 米国特許４４２６２７８は、蒸気加熱装置、過熱蒸気を炭化水素と混合するた
めの装置、放射ブロック内分解チューブを内臓する管状熱分解反応装置を開示し
ている。過熱器から１０００〜１５００℃の温度で供給される蒸気は炭化水素原
料と混合されるのですぐに熱分解反応を開始するに必要な混合物温度が得られる
。この反応装置においては上記の短所（ｂ）が部分的にではあるが除去される。
しかしながら、１１００℃の温度では、蒸気は炭化水素質量比率で１８５〜２７
５％の量、１４３０℃では１２０％の量だけ供給されなくてはならない。 このような高温で過熱蒸気を調製することは極めて困難であり、エネルギー消費
量も甚だ大きい。
【００１０】 米国特許３５７９６０１は、原料が分解チューブ内の、その長さに沿う幾つか
の個所に導入されるような管状熱分解反応装置を開示している。導入された原料
のすべての部分は、上流側の分解チューブから系内に入る熱した熱分解ガスと殆
ど即座に混合してしまうため、すぐに熱分解反応を開始するに十分な温度に達す
る。更に、熱分解は分解チューブの壁体を通して供給される熱によって維持され
る。この発明は短所（ｂ）を部分的に排除しているものの、短所（ａ）は手つか
ずのまま残る。オレフィンその他の不飽和炭化水素の収量が上昇し、コークスの
析出とメタンの生成が低減する。この発明の短所は分解チューブの構成が複雑に
なりすぎて、加熱器の放射室内に収納することが難しくなっている点である。ソ
ビエト連邦の発明者証１１８９８７１は、ナフサと軽油を熱分解するプロセスを
開示している。原料は２０〜４０℃ごとに時間間隔をおいて沸騰して出る幾つか
の留分に分離される。このようにして調製される小幅留分は、各留分に適した最
適熱条件の下で個別の分解チューブ内で熱分解される。このプロセスは短所（ｂ
）を減退させ、低分子オレフィンの収量を高め、コークスの生成を低減すること
ができるが、このプロセスを技術的に実現するについては、放射室の構造が本質
的に複雑になる、という難点がある。
【００１１】 何故かというと、原料の流量と流量との相互関係が不安定な条件下で幾つかの
分解チューブ内で個別に熱状態を創出する必要があるからである。 米国特許４２６５７３２は、アキシャル型の多段翼配列装置の構造をした反応
装置で炭化水素ガスを熱分解するプロセスが開示されている。熱分解に要する熱
は、駆動装置によって回転される動翼の流体力学的抗力による一定量の反応ガス
の中で直接発生する。
【００１２】 この発明では短所（ａ）が完全に払拭されるものの、短所（ｂ）は除去されな
い。プロセス実現のために必要であるにも拘わらず、炭化水素熱分解の温度下で
作動できるアキシャル型多段翼配列装置はこれまで製作されていない。 米国特許５２７１８２７は、分解チューブ出口と急冷装置入口の間に断熱管状
反応装置を配備した管状熱分解炉を開示している。断熱管状反応装置内で、外部
から熱の供給を受けずに反応流体の本来の熱を犠牲にして熱分解が行われる。断
熱管状反応装置を使用しているので熱分解に必要なエネルギー消費を節減するこ
とができる。
【００１３】 熱分解プラントに必須の構成要素は、分解後反応装置から出るガスを好ましく
ない２次反応を停止させる温度にまで急冷する手段である。前記急冷には、蒸気
、水、軽熱分解タールの注入による直接急冷と熱交換機を用いる間接急冷がある
。直接急冷は通常は軽油の熱分解に適用されている。低分子炭化水素の熱分解に
おいて、熱交換装置における間接急冷は、通常は同時に高圧蒸気を発生させなが
ら適用する。
【００１４】 ＰＣＴ出願 ＷＯ ９５／３２２６３は、分解ガスを急冷する装置を請求して
いる。この装置は１枚の壁体で分割された２つのスペースから成っている。分解
ガスは前記スペースの一方を形成するチューブに流入し、冷却水を他方のスペー
スで沸騰させる。これらのチューブの径が小さいため、この種の装置では流体抵
抗が大きくなり、コークス生成にさらされる。通常、パージング後の装置を通し
ての圧力降下は０．０２〜０．０３ＭＰａに満たず、コークス化した状態では０
．０７ＭＰａ以上に達する。これにより、上流側熱分解反応装置の内圧が高まり
、その結果オレフィンの収量が低減する。熱伝達チューブの径を大きくすれば、
装置を通しての圧力降下を少なくすることが可能かも知れないが、そうなれば急
冷速度も減少することになるから、そのような問題解決策は当を得たものではな
い。
【００１５】 ［発明の概要］ 本発明の目的は、炭化水素の熱分解、炭化水素熱分解用反応装置、並びに分解
ガス急冷装置によって低分子オレフィンを生成するプロセスを創製することにあ
る。 本プロセスにおいて、 （ａ）熱は反応域を囲繞する壁体を通して当該域に伝達されるのではない、 （ｂ）炭化水素原料を熱分解温度にまで加熱することは、熱分解反応の持続時間
に較べれば取るに足りない時間で許容される。 （ｃ）原料炭化水素重量当たり蒸気希釈剤の添加量は既存熱分解プラントでの調
節限界を超えない。
【００１６】 上記グループのうち最初の発明は、炭化水素の熱分解により低分子オレフィン
を生成するプロセスである。このプロセスには以下の段階が含まれる。すなわち
、出発原料を予熱し蒸発させること、前記原料を蒸気希釈剤と混合すること、翼
配列回転反応装置の中で回転する動翼の流体力学的抗力により反応混合物内部に
発生する熱によって混合物を前記反応装置内で熱分解温度に加熱すること、分解
ガス及びその分離物を急冷すること。本プロセスにおいては、翼配列反応装置の
作動空隙内で循環する熱せられた熱分解ガスと混合する熱分解反応の持続時間と
較べれば無視できるほどの短時間で反応混合物が熱分解温度にまで加熱される。
原料と蒸気希釈剤の予熱は２段階で実施することができる。その第二段階は、反
応装置を出る分解ガスから取り上げた熱によって熱交換機内で行われる。
【００１７】 米国特許４２６５７３２と比較すれば明らかに相異することが分かるように、
本発明の新規プロセスでは、熱分解したばかりでありながら反応装置の作動空隙
内で循環しているホット・ガスと混合することにより、反応混合物を最大熱分解
温度まで瞬時に加熱して所期のオレフィン収量を上げる。翼配列反応装置を出て
いく分解ガスの熱は、原料と反応装置に入る蒸気希釈剤を予熱するのに利用され
るので、加熱セクションと冷却セクションにおける圧力差を低減して熱交換機の
構造を簡素化しプロセスを実施するためのエネルギー消費を削減することができ
る。
【００１８】 前記グループのうち第二の発明は、炭化水素熱分解用の新規反応装置である。
前記反応装置には複数の配向性静翼を配備したハウジング、原料供給用吸い込み
ニップル、分解ガスを逃がすための吐き出しニップル、並びに翼クラウンを配備
した作動ホイールが当着してある。前記ハウジングには熱した熱分解ガスを循環
させるための環形空隙部があり、ここに配向性静翼が位置している。前記空隙部
は前記作動ホイール周辺の翼クラウン部を囲繞し、吸い込みニップルと吐き出し
ニップルが前記空隙部と通底している。
【００１９】 反応装置のハウジングはケーシングと耐熱内皮部から構成しケーシングと内皮
を一緒に緊結してもよい。ケーシングの内面は断熱材とすることができる。 米国特許４２６５７３２とは全く異なり、本発明による反応装置は、熱せられ
た熱分解ガスを殆ど瞬時にしかるべく混合することによって原料と蒸気希釈剤の
混合物を最大熱分解温度にまで加熱することができ、したがって低分子オレフィ
ンの収量が向上する。 前記反応装置の今一つの長所は、これを単段反応装置としかつ広く知られ現在
技術的に応用されている材質のものとすることを可能にするルーバ／ダンパ構成
である。
【００２０】 グループ第三の発明は、分解ガスを急冷する装置である。この装置には加熱冷
却中の流体のための、壁体で隔てられた２つの空間を有する熱交換機が内臓され
ている。 また、Ｔ字管並びにノズル、吸い込みチャンバと混合チャンバのあるエゼクタ
が配備されている。混合チャンバとＴ字管ニップルのひとつが冷却流体の空間と
通底し、吸い込みチャンバはＴ字管の別なニップルに接続している。 分解されたガスを急冷するための装置がこのような構成になっていることによ
り、急冷時間が短い上装置の圧力降下も少ないため、上流側反応域の圧力が低く
低分子オレフィンの収量を上げるという主目標の達成に貢献している。
【００２１】 ［好ましい実施例の態様］ 前記プロセスを実現するための装置（図１）には、予熱器１、分解ガスを急冷
する装置２と３、反応装置４、シャフト６によって反応装置４と、排気管７によ
って予熱器１とを接続するガスタービン・エンジン５が含まれる。 第一段における原料と蒸気希釈剤の予熱は予熱器１で行われる。外部のソース
（図示しない）から系内に入る炭化水素原料は、多管円筒型熱交換機として構成
されている予熱器１に圧送される。ガスタービン・エンジン５からの排気ガスは
、前記熱交換機のチューブとチューブの間の空間に排出される。予熱器１には外
部ソース（図示せず）から水が圧送されるが、この水は予熱器の中で蒸発し、こ
れによる蒸気希釈剤が炭化水素原料と混合される。
【００２２】 第二段における原料と蒸気希釈剤の予熱は、反応装置から出ていく分解ガスの
熱を利用して分解ガスを急冷する装置２と３で行われる。以下に分解ガス急冷装
置について詳しく説明する。 分解ガス急冷装置２と３から系内に入る原料と蒸気希釈剤の混合物は翼配列反
応装置４内に移送される。熱せられた熱分解ガスは反応装置の環形作動空隙部に
沿って循環され、熱分解に必要な熱は翼を配設した回転作動ホイールの炭化水素
抗力効果により直接反応混合物の内部に生成される。反応混合物を熱分解温度に
まで加熱することは、熱分解反応自体の持続時間に較べ取るに足りない短い時間
でこの混合物を熱せられた熱分解ガスと混合することによって達せられる。以下
に反応装置の構造について詳述する。
【００２３】 反応装置４から系内に入る分解ガスは、フロー・デタッチメント域を形成させ
ないように円滑な形状にした相互接続配管を通して急冷装置２と３に送給される
。これらの相互接続配管の容積はすべて同一としている。 分解ガスは装置２と３で急冷されてからガス分留プラント（図示せず）内に張
り込まれる。図１に示すのは分解ガスを急冷する２基の装置であるが、本発明の
実施例ではこの装置の数は限定されていない。
【００２４】 反応装置の駆動装置としてガスタービン・エンジン５が用いれられている。図
１に示すガスタービン・エンジンは、作動流体の中間加熱器や中間冷却器のない
単純な熱力学サイクルとしている。駆動装置としてはより複雑なサイクルで作動
するガスタービン・エンジンや蒸気タービン若しくは電動機を使用してもよい。 炭化水素原料と混合する水の量と許容最終温度は原料の組成による。原料が通
常の炭化水素ガスの場合には、水の添加量は炭化水素重量比で３０〜４０％とし
てよい。第二予熱後の反応混合物の温度は６５０℃を超えてはならない。ナフサ
や軽油など通常液状の炭化水素が原料として使用される場合には、水の量は炭化
水素重量比で８０〜１００％としてよく、第二予熱後の反応混合物の温度は５５
０〜６００℃を超えてはならない。
【００２５】 反応装置の動作を決定する基本パラメータと基本パラメータの間には以下の関
係がある。 τ＝ＶｘｄｘＨ／Ｐ ここで、τ（秒）は、反応混合物の反応装置内平均滞留時間、 Ｖ（ｍ３）は反応装置作動空間の容積、 ｄ（ｋｇ／ｍ３）は反応装置作動空間内の反応混合物の平均密度、 Ｈ（Ｊ／ｋｇ）は反応装置作動空間内の反応混合物に伝達されるエネルギー、 Ｐ（Ｗ）は反応装置作動空間内に伝達される力である。
【００２６】 反応装置作動空間内で反応混合物に伝達される筈のエネルギーは、同種原料で
作動する従来の管状熱分解炉の放射コイルを流れるプロセス流に伝達される熱量
とほぼ同じである。エタンの熱分解の場合、このエネルギーは蒸気で希釈した原
料ｋｇ当たり約２．５〜３．４ＭＪでなくてはならない。その他の炭化水素では
このエネルギーは約１．７〜２．３ＭＪ／ｋｇでなくてはならない。 反応混合物の反応装置作動空間内平均滞留時間は約０．０３〜０．１秒とする
ことができる。 系内に入ってくる原料／蒸気混合物を反応装置に入る時の温度から熱分解温度
にまで加熱する時間間隔は、処理反応混合物と混合する持続時間として定義され
、０．００１秒以下である。反応装置の作動空間内に反応混合物が滞留する時間
に較べれば取るに足りないほど短い時間である。 反応混合物の平均密度は、平均圧、反応装置の作動空間内平均温度並びに反応
混合物の平均分子量で定義される。
【００２７】 反応装置の作動空間内平均圧は、０．０５〜０．２ＭＰａ（絶対値）、より好
ましくは０．０８〜０．１２ＭＰａ（絶対値）に調節することができる。 反応装置作動空隙部の平均ガス温度は、原料の組成、反応域内の指定転換時間
と滞留時間に依る。軽量原料と高い転換率は、より高い温度を要求するが、大気
中及び真空中の軽油のような重量原料や低い転換率の場合にはより低い温度が必
要である。
【００２８】 オペレータは反応装置作動空隙部のガス温度並びに蒸気希釈剤を調製するため
の炭化水素原料と水との比率を設定する。設定温度は、ガスタービン・エンジン
に送給される燃料ガスの流量を調節する自動制御システムによって維持される。
したがい、反応装置の反応域における温度は、原則として従来の管状炉の場合と
同じように、すなわち、燃料ガスの流量と原料の流量との比率を変えることによ
って調製する。違いは、新規反応装置の過渡的プロセスが１０〜１００倍も速く
終了する点である。
【００２９】 反応装置と分解ガスを急冷する装置からコークスを除去するには、予熱器１へ
の炭化水素原料の送給を停止しなくてはならない。反応装置の作業空隙部の温度
は、熱分解中の温度と殆ど同じに維持しなくてはならない。ガス化反応の結果で
は、過熱蒸気が反応装置４並びに移送チューブや分解ガスを急冷する装置２と３
からコークス析出物を除去する。系外へ出ていく流れは後燃え装置（図示せず）
内に運ばれる。コークス除去プロセスは系外に出ていく流れを分析することによ
って制御される。一酸化炭素と二酸化炭素の含有量があらかじめ定められた値に
落ちるとコークス除去が停止し、炭化水素原料の供給が再開される。このような
バーンアウトを空気ないし空気／蒸気バーアウトと比較した場合の前者の利点は
、反応が吸熱性であることで、これにより構造材質が局所的に過熱する危険性が
回避できる。いまひとつの利点は、反応装置内部の還元条件があらゆる動作範囲
で保持されるため、酸化条件の下では不安定な耐熱金属をベースとする耐熱合金
、例えばウォルフラム、モリブデンないしニオブ系合金から反応装置の最重要要
素を製作できることである。
【００３０】 本プロセスにおいては、原料の熱分解は作動空隙部で、更には熱分解ガスを急
冷装置に送給する移送配管内では連続して進行する。反応装置の作動空隙部内の
流体力学的動態は、理想的な混合装置に特有の状態に近く、反応物の濃度はこの
空隙部全体を通じて均一になっている。これにより前記プロセスは従来の管状反
応装置のプロセスとも米国特許４２６５７３２が開示しているプロセスとも異な
る。
【００３１】 反応装置の作動空間における熱分解は、高濃度の分解直後での生成物の存在下
で進行するので、熱分解反応は自触媒現象によって加速される。このため、熱分
解はより低い温度でも実行することができ、したがってプロセスの選択性を高め
ることが可能である。このことは、米国特許３５７９６０１に記述されている熱
分解ガス存在下での炭化水素熱分解に関する実験によって確認されている。 移送配管内部では熱分解は断熱的に、すなわち、外部からの熱の供給なしに進
行する。ここで実現している流体力学的動態は、管状反応装置におけるような理
想的変位の装置に特有な状態に近い。断熱ランが利用可能であることにより、熱
分解プロセスで消費するエネルギーを節減し、またオレフィン収量を増大するこ
とができる。
【００３２】 炭化水素熱分解用回転式翼配列反応装置（図２と図３）には、ケーシング８と
蓋部９及び１０を収納したハウジングが内臓されている。ケーシング８と蓋９及
び１０の内面は断熱材１１、１２及び１３で覆われている。また、このハウジン
グは、ケーシング８と一緒に緊結された機素１４並びに蓋部９及び１０と一緒に
緊結された機素１５及び１６で形成された耐熱内皮部を収納している。配向性翼
１７と１８は機素１４と一緒に緊結されている。配向性翼１９と２０は機素１５
及び１６と一緒に緊結されている。ケーシング８には原料を送給するためのニッ
プル２１と分解ガスを逃がすためのニップル２２が配備されている。回転子はシ
ャフト２３並びに作動翼２５を配設した作動ホイール２４から成っている。 後者は作動ホイール２４の翼クラウンになっている。シャフト２３はラジアル軸
受２６とラジアル・スラスト軸受２７によって支持され、二重ラビリンス・パッ
キン２８と２９によって複数の溝内に密封されているが、蒸気は前記溝の外側（
図示せず）から注入される。
【００３３】 各作動翼２５（図４と図５）には尾部３０があり、この尾部によって作動翼が
作動ホイール２４の外縁部に固定されてありみぞ型鎖錠部を形成している。翼２
５において、原料と冷却剤として使用される蒸気希釈剤との混合物を通すための
放射状溝部部３１が設けてある。
【００３４】 反応装置の動作は次の通りである。送給ニップル２１を経由して揮発した原料
と蒸気希釈剤との混合物がケーシング８と耐熱内皮との間の空隙部に入り、更に
作動ホイール２４と作動翼２５の内部に形成された溝部を経由して環形作動空隙
部に入るが、前記空隙部には作動翼２５と配向性翼１７、１８、１９及び２０が
配設されている。今度は、環形空隙部に沿って循環する処理済み流体が配向性静
翼及び回転作動翼と多点接触することにより、左右両方向の渦輪状に巻き上げた
２本の螺旋状の流線を創出している。従って、熱分解ガス循環で２本の通底ルー
プが形成されていることになる。熱は熱吸収性反応によって吸収されるが、これ
は反応装置の作動空間内で連続的に進行する。したがい、この熱は運動エネルギ
ーを熱エネルギーに転換することによって発生した熱の流れ込みによって補償さ
れる。
【００３５】 前記循環ループに伝達される力は、回転子の周速度と経線速度及び処理済み流
体の密度の積に比例する。経線速度の増加と共に回転子によって放散された力は
前記流体における速度が音速の０．６４〜０．７倍、例えば約４００〜５００ｍ
／ｓに達するまで増大する。経線速度がこれより高くなると、回転子により反応
域に放散された力は翼の高さに沿った流体平均密度が低下するため急激に低減す
る。これは渦輪の中心部における圧力がその周辺の圧力よりも低いという事実に
関連している、この圧力低下は流体の経線速度に依る。
【００３６】 反応流体は作動翼の上を通過するたびに付加的運動エネルギーを付与されるが
、このエネルギーは次の通過までの時間内に熱に転換される。このような現象が
発生するのは、一部は流体が音速の壁を通過する時の流体の局所的推移の場所で
発生する静圧縮衝撃を通過するからであり、一部は渦形成のためである。付加さ
れる運動エネルギーは、回転子の周速度と流体の経線速度の積に比例する。例え
ば、回転子の周速度が３００〜４００ｍ／ｓの場合には、このエネルギーは約７
０〜１５０ｋＪ／ｋｇになることがある。循環ループ内部に滞留している間、原
料の粒子一粒一粒は平均で数十回回転子の作動翼の上を通過する筈である。
【００３７】 従来型の管状炉と比較した場合の動翼配列反応装置の利点は、その反応域を囲
繞する壁部が熱伝達には利用されないので、壁体冷却がない場合には、その温度
が僅かながら反応流体の温度と異なる。反応域内の壁体の低温と低圧は、従来の
管状炉における低温と低圧に比較してプロセス選択性や同種原料を処理する時の
生成物収量向上に繋がるものと期待させるものである。装置が始動に至る時間の
短いこと、その作動と制御が完全自動化できることは、生成物収量増大に寄与す
る。
【００３８】 分解ガスを急冷する装置（図６）は、「チューブ・イン・チューブ」式熱交換
機を内臓し、前記熱交換機は外部チューブ３２、内部チューブ３３、分解ガスを
送給するための吸い込みニップル３４、吐き出しニップル３５、チューブ間空間
と通底する冷却剤送給用吸い込みニップル３６と吐き出しニップル３７、ノズル
３８を内包するエゼクタ、吸い込みチャンバ３９、並びに混合チャンバ４０から
構成される。ノズル３８は吸い込みニップル３４と接続している。内部チューブ
３３も一端は混合チャンバ４０と他端はＴ字管４１を経由して吸い込みチャンバ
３９と分解ガス排気ニップル３５と接続している。急冷装置の外表面は断熱材４
２で覆われている。
【００３９】 ニップル３４から系内に入るホットガスは、ノズル３８によって吸い込みチャ
ンバ３９内にある冷却済みガスを吸い込むジェット流になる。その結果混合物は
内部チューブ３３の中を流れて冷却され、ニップル３６からニップル３７の方向
に外部チューブ３２と内部チューブ３３のチューブ間空間を通って流体にその熱
を戻す。冷却された混合物の若干部分は吸い込みチャンバ３９に入り、残りの部
分はニップル３５を経て装置から出ていく。
【００４０】 冷却後の分解ガスの温度は、ニップル３５から出た後約３５０〜４００℃にな
ることがある。内部チューブ内の混合物の質量比は反応装置から出る分解ガスの
質量比の約２〜２．５倍に達し、混合チャンバ４０内で形成される混合物の温度
は６２０〜６６０℃に達することがある。 分解ガスの急冷時間は、もっぱらノズル３８によって形成されるジェット流を
チャンバ４０から出る冷却ガスと混合する時間によって定まり、数ミリセカンド
程度になることがある。内部チューブ３３の径は圧力抵抗が余り大きくならない
程度の径としている。
【００４１】 分解ガスを急冷する装置に内臓される熱交換機は、「チューブ・イン・チュー
ブ」型以外のものならどんな構造のものでもよい。加熱された流体と冷却された
流体との間の微妙な圧力差並びに圧力絶対値が小さいため、プレート型熱交換機
その他急冷装置より質量、コストともに少ない熱交換機を定常的に利用すること
が可能になる。
【００４２】 ［産業上の利用可能性］ 本発明は、管状熱分解炉の代わりに新規構造のものとし同じくらい先端的なエ
チレン製造プラントに使用することを意図している。新規プロセスで調製する熱
分解生成物の組成は、同一原料で稼働している既存の炉における組成とは殆ど同
じである。したがって、前記プロセスの使用によって分留プラントやガス分離プ
ラントを変更する必要は殆どない。
【００４３】 新規装置の場合、作動流体の冷却器や中間予熱器なしに小型のガスタービン・
エンジンを使用することができる。前記エンジンの効率は４００〜５００℃の排
気ガス温度で通常２６〜３５％である。このようなエンジンのうち最良のものは
、排気ガス温度５７０℃で４２％の効率である。排気ガスが高温であることによ
って、原料の蒸発と予熱、蒸気希釈剤の調製並びにガス分離プラントのコンプレ
ッサを駆動するに十分な量の過熱蒸気の生成のためにその熱を効率的に利用する
ことができる。燃料としては、ガス分離プラントで分解ガスから分離したメタン
／水素留分や天然ガスを使用することができる。ガスタービン・エンジンのたて
る騒音は、従来の熱分解炉で音響ガスバーナがたてる騒音を超えるものではない
。
【００４４】 ガスタービン・エンジンから排気ガスを逃がすについては、通常管状炉で使用
している煙突と同様の煙突を使用することができる。炭化水素原料能力が年間約
８万トンの熱分解プラントの場合、約８〜１２メガワットのガスタービン・エン
ジンが必要になる筈である。このようなエンジンはシリーズものとして製作され
ており、ガス給送幹線パイプラインのガスポンプ輸送基地のガスブロワーとして
連続負荷装入条件下で長期稼働が可能である。このようなエンジンの最大耐久時
間は１０万時間に達することがある。
【００４５】 新規熱分解装置を設計するに当たっては、ガスタービン・エンジンの製造業者
が使用している材料、運転操作経験及びテクノロジーを利用するのが実際的であ
ろうと思われる。反応装置とそのガスタービン駆動装置を同じ工場で製作する場
合には、熱分解装置はコンパクトかつすぐに使用できる集合体として共通の枠組
みの中で構成することができる。
【図１】 低分子オレフィンを生成するプロセスを実現するための装置の概略図である。
【図２】 炭化水素熱分解用反応装置の断面図である。
【図３】 図２のＡ−Ａ線で切断した横断面図である。
【図４】 反応装置の放射状作動翼の断面図である。
【図５】 図４のＢ矢視図である。
【図６】 分解ガスを急冷する装置の断面図である。
【手続補正書】
【提出日】平成１２年１２月１５日（２０００．１２．１５）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 出発原料の予熱と蒸発、前記原料と蒸気希釈剤との混合、そ
    の結果得た混合物を翼配列回転反応装置内で回転する動翼の流体力学的抗力によ
    って混合物内部に発生する熱により、前記反応装置内部において熱分解温度にま
    で過熱し、分解ガスを急冷した後に分離することから構成されるもので、前記混
    合物の熱分解温度への加熱が、熱分解の反応時間と比較して取るに足らないほど
    の短い時間内で翼配列回転式反応装置の作動空隙部で循環している熱した熱分解
    ガスとの混合によって達成される炭化水素の熱分解による低分子オレフィン製造
    プロセス。
  2. 【請求項２】 原料と蒸気希釈剤の予熱が２段階でなされ、第二段階におい
    ては前記予熱が翼配列回転反応装置から系外に出ていく分解ガスに含まれる熱を
    利用することによって熱交換機の中でなされる請求項１のプロセス。
  3. 【請求項３】 配向性静翼を配備したハウジング、原料送給用吸い込みニッ
    プル、分解ガスを逃がすための吐き出しニップル並びに翼クラウンを配備した作
    動ホイールから構成され、前記ハウジングには熱した熱分解ガスを循環させるた
    めの環形空隙部が配設され、前記空隙部は配向性静翼が内包されて周辺部に沿っ
    て作動ホイールの翼クラウンを囲繞し、かつまた原料送給用吸い込みニップルと
    分解ガスを逃がすための吐き出しニップルが前記空隙部と通底しているような炭
    化水素熱分解反応装置。
  4. 【請求項４】 ハウジングが耐熱内皮と一緒に緊結されたケーシングで構成
    され、前記ケーシングの内面が断熱材で覆われている請求項３の反応装置。
  5. 【請求項５】 冷却され加熱された流体のための壁体で隔てられた複数の空
    間を有する熱交換機からなり、Ｔ字管並びにノズルのついたエゼクタ、吸い込み
    チャンバと混合チャンバを配設し、エゼクタの混合チャンバとＴ字管のニップル
    のひとつが冷却流体の空間と通底し、エゼクタの吸い込みチャンバがＴ字管の別
    なニップルと接続しているような分解ガス急冷装置。
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