JP2010520367A - 水素化脱硫、水素化脱窒素、又は水素化仕上のためのシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

硫黄含有化合物を含む液相に分散される平均直径が１μｍ未満の水素含有気泡を含む分散体を形成することによる水素化脱硫の方法である。水素の分散体を液体の連続相中に作り出すために水素含有ガス及び液体を含む流体混合物を２０，０００ｓ^−１を超えるせん断速度下におくこと、及び分散体を反応器生成物が取り除かれる固定層水素化脱硫反応器に導入することによって、硫黄含有化合物を含む液体ストリームを脱硫することである。また、水素化脱硫のための装置のシステムも示されている。

Description

連邦政府に支援された研究又は開発に関する記述
適用されない。
本発明は、概して液体ストリームにおける水素化脱硫（hydrodesulfurization）、水素化脱窒素（hydrodenitrogenation）、及び／又は二重結合の飽和に関する。より詳細には、本発明は液体ストリームにおける水素化脱硫、水素化脱窒素、及び／又は二重結合の飽和を改善するための高せん断のシステム及び方法に関する。

水素化処理は様々な触媒による水素化の方法を指す。周知な水素化処理には水素化脱硫、水素化脱窒素及び水素化脱金属（hydrodemetallation）があり、残留物含有油などの供給原料は、水素の存在下において、高められた温度及び圧力条件の下で触媒と接触することで、硫黄化合物は硫化水素へ転換され、窒素化合物はアンモニアへ転換され、金属は触媒に（通常は硫化物として）沈着される。

最近の燃料、ディーゼル及びガソリン中の硫黄レベルに関する規制上の要件により、硫黄除去のより効果的な方法に対するより大きな要望が生じている。ナフサから減圧残油に及ぶ水素化処理をされる供給原料と、多くの応用における生成物とは、環境的に受け入れ可能な無公害燃料として使用されている。

水素化処理操作の特徴は、例えば水素化分解と対比すると分子サイズ分布において本質的な変化がないことである。水素化脱硫（ＨＤＳ）は水素化処理のサブカテゴリーであり、触媒化学方法は天然ガス並びにガソリン又は石油、ジェット燃料、ケロシン、ディーゼル燃料及び燃料油などの精製された石油生成物から硫黄を取り除くために使用されている。硫黄を取り除く目的は移動車両への動力供給又は燃料としての燃焼における燃料の使用に起因して排出される硫黄酸化物を減少させることである。石油精製産業において、ＨＤＳユニットはまた、よく水素化処理装置と称される。従来の水素化脱硫において、炭素質流体及び水素は触媒存在下で高温及び高圧で処理される。硫黄は、例えばクラウスプロセス（Claus process）を介して酸化されて元素硫黄となる硫化水素（Ｈ_２Ｓ）ガスに還元される。

水素化脱硫（ＨＤＳ）は硫黄規格の規制強化を考慮するとますます重要な役割を果たすと考えられる一方で、水素化脱窒素（ＨＤＮ）は炭化水素ストリームが効果的な後の改善工程を可能とするために経ることが出来る他の工程である。また、例えば二重結合を飽和させることによる炭化水素ストリームの水素化仕上又は改善は、特にナフサストリームにとって重要な改善工程である。

汚染防止のための除去に加えて、硫黄もまた下流ストリーム工程の触媒が硫黄の存在によって汚染される状況にあるために取り除かれる。例えば、貴金属触媒（例えば白金及び／又はレニウム）がナフサストリームのオクタンの割合を高めるために使用される触媒改質ユニットにおいて使用されるとき、硫黄はナフサストリームから取り除かれる。

炭素質流体から硫黄含有化合物を取り除くための以前の多数の方法及びシステムは高価であり、厳しい反応条件を含み、かなりの量の硫黄含有化合物の除去に対して不適切であり、また、特定の化学構造を持つ硫黄含有化合物の除去に対しては効果がなく、及び／又は大量の流体に容易にスケールアップできない。

従って、炭素質流体ストリームを水素化脱硫、水素化脱窒素、及び水素化仕上するための方法の改善に対する要望が産業界にある。

欧州特許第０９６４７４５号明細書 米国特許第６２５１２６３号明細書 特開平１１−０９２７７２号公報 米国特許第６４１３４１３号明細書

水素化脱硫、水素化脱窒素及び水素化仕上を改善するための高せん断システム及び方法が開示されている。ある実施形態に従って、水素化脱硫、水素化脱窒素、水素化仕上、又はそれらの組み合わせの方法は、炭化水素を含む液相中に分散される水素含有ガスの気泡を有する分散体の形成を含むことが示されており、そこにおいて気泡の平均直径は１．５μｍ未満である。ある実施形態において、液相中の硫黄含有化合物の少なくとも一部は硫化水素ガスを形成するために還元される。ある実施形態において、液相中の窒素含有化合物の少なくとも一部はアンモニアに転換される。ある実施形態において、炭化水素における不飽和炭素−炭素二重結合の少なくとも一部は水素化によって飽和される。高せん断混合は時間、温度及び圧力条件の改善を提供できる可能性があり、それによって多相反応物間の化学反応を加速させる。気泡の平均直径は１μｍ未満である。ある実施形態において、気泡の平均直径は４００ｎｍ以下である。

液相は液体天然ガス、原油、原油留分、ガソリン、ディーゼル、ナフサ、ケロシン、ジェット燃料、燃料油及びそれらの組み合わせから成る群より選択される炭化水素を含む。分散体を形成することは水素含有ガス及び液相の混合物を約２０，０００ｓ^−１を超えるせん断速度下におくことを含むことができる。分散体を形成することは高せん断装置内で水素含有ガスと液相とを接触させることを含み、高せん断装置は少なくとも１つの回転子を備え、前記少なくとも１つの回転子は分散体の形成の間、少なくとも２２．９ｍ／ｓ（４，５００ｆｔ／ｍｉｎ）の先端速度で回転する。高せん断装置は少なくとも１つの回転子の先端において少なくとも約１０３４．２ＭＰａ（１５０，０００ｐｓｉ）の局所圧力を作り出す。ある実施形態において、高せん断装置のエネルギー消費は１０００Ｗ／ｍ^３を超える。

方法は分散体を水素化脱硫、水素化脱窒素、水素化仕上、又はそれらの組み合わせに対して活性を有する触媒と接触させることを更に含むことができる。触媒はコバルトモリブデン、ルテニウム、及びそれらの組み合わせから成る群より選択される金属を含むことができる。

また、水素含有ガスと、硫黄含有化合物、窒素含有化合物、不飽和結合、又はそれらの組み合わせを含む液体とを含む流体混合物を、液体の連続相中で水素の分散体を作り出すために外部高せん断装置において２０，０００ｓ−１を超えるせん断速度下におくこと、及び反応器生成物が取り除かれる固定層に分散体を導入すること、、を含んだ水素化脱硫、水素化脱窒素、または水素化仕上のための方法が開示されており、そこで固定層反応器は水素化脱硫、水素化脱窒素、水素化仕上、またはそれらの組み合わせに対して効果的である触媒を含む。方法は更に、反応器生成物をガスストリームと脱硫炭化水素液体生成物を含む液体生成物ストリームとに分離すること、ガスストリームから硫化水素を揮散させ、硫化水素希薄ガスストリームを産生すること、硫化水素希薄ガスストリームの少なくとも一部分を外部高せん断装置に再利用することを含む。方法は更に、脱硫炭化水素液体生成物の改質を含む。水素は改質から回収され、回収された水素の少なくとも一部分は再利用可能である。分散体中の水素気泡の平均気泡直径は約５μｍ未満である。分散体は大気圧下で少なくとも約１５分間安定である。流体にせん断を加えることは、流体を少なくとも２つの発生器を備える高せん断装置内に導入することを含む。

また、約０．０２ｍｍから約５ｍｍの範囲のせん断ギャップによって間隔の空いた少なくとも１つの回転子及び少なくとも１つの固定子を備える少なくとも１つの高せん断混合装置を含んだ水素化脱硫、水素化脱窒素、又は水素化仕上のためのシステムが開示されている。前記せん断ギャップは少なくとも１つの回転子と少なくとも１つの固定子との間の最小限の隙間であり、高せん断混合装置は少なくとも１つの回転子が２２．９ｍ／ｓ（４，５００ｆｔ／ｍｉｎ）の範囲を超える先端速度を作り出すことが可能で、ポンプは液相を含む液体ストリームを高せん断混合装置に運ぶように構成されている。システムは更に高せん断装置からの分散体を受け取り、及び所定の圧力及び温度を維持するために構成された容器を備えている。

少なくとも１つの高せん断混合装置は、硫黄含有種及び炭化水素を含む液相、窒素含有種及び炭化水素を含む液相、及び不飽和炭化水素を含む液相から選択される液相中の水素含有気泡の分散体を作り出すために構成されており、分散体の平均気泡直径は４００ｎｍ未満である。ある実施形態において、少なくとも１つの高せん断混合装置は少なくとも４０．１ｍ／ｓ（７，９００ｆｔ／ｍｉｎ）の少なくとも１つの回転子の先端速度を作り出すことができる。いくつかの実施形態において、システムは少なくとも２つの高せん断混合装置を備えている。

また、本明細書には水素化脱硫、水素化脱窒素及び水素化仕上反応器から選択される反応器を備える水素化脱硫、水素化脱窒素、又は水素化仕上のためのシステムが開示されており、前記反応器は固定触媒層、並びに液体と水素ガスとを含む流体ストリームのための導入口及び生成物分散体のための排出口を含む高せん断装置を備えており、前記高せん断装置の排出口は反応器の導入口と流体的に連結しており、前記高せん断装置は水素気泡の分散体を作り出すことができ、気泡の直径は液体中で約５μｍ未満である。高せん断装置は５．０８ｍ／ｓ（１０００ｆｔ／ｍｉｎ）を超える先端速度を有する高せん断ミルを備えている。高せん断装置は２０．３ｍ／ｓ（４０００ｆｔ／ｍｉｎ）を超える先端速度を有している。

水素化脱硫、水素化脱窒素、又は水素化仕上のためのシステムにおいて、固定層反応器と、水素化脱硫、水素化脱窒素、水素化仕上又はそれらの組み合わせに効果的な触媒を含む反応器と、反応器の上流に位置する外部高せん断装置を含むことによる改善と、回転子及び固定子の間にせん断ギャップを有する回転子及び固定子を備えた少なくとも１つの発生器を有する外部高剪断装置とを含み、前記外部高せん断装置は、水素ガスと硫黄含有種及び炭化水素を含む液相、窒素含有種及び炭化水素を含む液相、及び不飽和炭化水素を含む液相から選択され液相とを含む流体ストリームのための導入口を備え、高せん断装置は流体において１０００Ｗ／ｍ^３を超えるエネルギー消費をもたらす。ある実施形態において、高せん断装置は少なくとも２つの発生器を備えている。ある実施形態において、１つの発生器から提供されるせん断速度は他の発生器から提供されるせん断速度を超える。

いくつかの実施形態において、システムは炭化水素を含む液体ストリームを高せん断混合装置内に運ぶために構成されたポンプを更に備えている。いくつかの実施形態において、システムは高せん断装置から分散体を受け取るために構成された容器を更に備えている。システムのいくつかの実施形態は、外部加圧高せん断反応器の使用を介して、大容量反応器を必要とすることなく炭素ストリームの水素化脱硫、水素化脱窒素、又は水素化仕上を可能とする。

上述した方法又はシステムのある実施形態は、その他に可能なものよりも更に最適な時間、温度及び圧力条件を提供可能であり、多相プロセスの速度を向上できる可能性がある。上述した方法又はシステムのある実施形態は、低い温度及び／又は圧力で操作することによる全体的なコストの削減を行うことで、消費される単位触媒当たりの生産量を増加させ、反応時間を減少させ、及び／又は資本及び／又は操作コストを減少させる。これら及びその他の実施形態及び潜在的利点は以下の詳細な説明及び図面において明らかとなる。

本発明の好ましい実施形態のより詳細な説明のために、添付の図面が参照される。

外部高せん断分散を含む本開示の実施形態に基づく多相反応システムの図である。 外部高せん断分散を含む本開示の他の実施形態に基づく多相反応システムの図である。 システムの実施形態において使用されるように、多段高せん断装置の長手方向断面図である。 実施例１における水素化脱硫方法のために使用される装置の図である。

注釈及び用語
本明細書で使用されている用語「分散体（dispersion）」は、互いに容易に混合及び溶解しない少なくとも２つの異なる物質（又は「相」）を含む液化混合物を指す。本明細書で使用されている場合、「分散体」は、「連続」相（又は「基質」）を含み、前記連続相は他の相又は物質の不連続な液滴、気泡、及び／又は粒子をそこに抱える。従って用語、分散体は、液体連続相中に懸濁される気泡を含むフォーム（foams）、第１の液体の液滴は第１の液体が混ざらない第２の液体から構成される連続相全体に分散される乳化物、及び個体粒子が全体に分配されている連続液相を指す。本明細書で使用されている用語「分散体」は、気泡が全体に分配されている連続液相、固体粒子（例えば固形触媒）が全体に分配されている連続液相、連続相中でほぼ溶けない第２の液体の液滴が全体に分配されている第１の液体の連続相、並びに固体粒子、不溶性液滴、及び気泡の任意の１つ又は組み合わせが全体に分配されている液相を網羅している。従って、分散体は組み合わせに選択される材料の性質に依存して、いくつかの場合においては均一混合物（例えば、液体／液体相）として、又は不均一混合物（例えば、気体／液体、固体／液体、又は気体／固体／液体）として存在する。

概要．
液体、気体及び固体を含む化学反応の速度は、接触時間、温度、及び圧力に依存する。２つ又はそれ以上の異なる相（例えば、固体と液体；液体と気体；固体、液体及び気体）の原料を反応させることが望まれる場合、反応速度を制御する制限要素の１つに反応物の接触時間が含まれる。不均一触媒反応の場合において、触媒が更なる反応物に触媒作用を及ぼすように触媒の表面から反応生成物を除去するという付加的な律速因子がある。反応物及び／又は触媒のための接触時間は、多くの場合、化学反応に含まれる２つ又はそれ以上の反応物との接触をもたらす混合により制御される。

本明細書に説明されているように、外部高せん断装置又は混合器を備える反応器アセンブリによって、物質移動の制限を減少させることができ、それにより反応は動力学的限界により接近することが可能となる。反応速度が加速されると残留時間は減少するため、得られる処理量は増加する。生成物収量は高せん断システム及び方法の結果、増加するであろう。或いは、既存の方法の生成物収量が許容範囲であれば、適した高せん断を組み込むことによって必要な残留時間を減少させることで、従来の方法よりもより低い温度及び／又は圧力で使用できる可能性がある。

更に、理論によって制限されることは望まないが、本明細書に説明されているように、外部高せん断装置又は混合器を備える反応器アセンブリから提供される高せん断条件により、反応が従来少しも起こることが予測されない広範な操作条件下での水素化脱硫が可能であると考えられている。システム及び方法の考察は水素化脱硫を参照して行われているが、開示されるシステム及び方法は、炭化水素ストリームの水素化脱窒素又は水素化仕上にも応用できると考えられる。

水素化脱硫のためのシステム．
高せん断水素化脱硫システムは現在、図１に関連して示されており、図１は硫黄含有種を含む流体の水素化脱硫のための高せん断システム１の実施形態におけるプロセスフロー図である。代表的システムの基本的な構成要素には、外部高せん断混合装置（ＨＳＤ）４０、容器１０、及びポンプ５が含まれる。図１に示すように、高せん断装置４０は容器／反応器１０の外部に位置する。これらの夫々の構成要素は更に以下において詳細に説明されている。ライン２１は硫黄含有化合物を含む炭素質流体を導入するためにポンプ５に接続されている。ライン１３はポンプ５をＨＳＤ４０と連結させて、ライン１８はＨＳＤ４０を容器１０と連結させている。ライン２２は水素含有ガス（例えばＨ_２）を導入するためにライン１３に接続することができる。或いは、ライン２２はＨＳＤ４０の導入口に接続されてもよい。ライン１７は未反応水素、硫化水素生成物及び／又はその他の反応ガスを取り除くために容器１０に接続できる。追加の構成要素又は工程段階は、以下に説明される高せん断水素化脱硫方法の説明を読むことによって明らかとなるように、必要に応じて容器１０とＨＳＤ４０との間、又はポンプ５又はＨＳＤ４０の前に組み込むことができる。例えばもし望む場合、ライン２０は、多重パス操作を提供するために、下流位置から（例えば、容器１０から）ライン２１又はライン１３に接続可能である。

高せん断装置水素化脱硫システムは、硫化水素ガスが容器１０内の生成物から取り除かれる下流処理ユニットを含んでいてもよい。図２は外部高せん断分散装置４０を備える本開示の他の実施形態に基づく高せん断水素化脱硫システム３００の図である。図２の実施形態において、高せん断水素化脱硫システム３００は、更にガス分離容器６０、硫化水素吸収装置３０及び再沸騰ストリッパー蒸留塔７０を備えている。

ある実施形態において、高せん断脱硫システムは、更に容器１０の下流にガス分離容器を含む。ガス分離容器６０は、硫化水素及び炭素質液体を含む容器１０からの生成物の少なくとも１部のための導入口と、硫化水素を含むガスストリームのための排出口ライン４４と、硫黄含有化合物が取り除かれた液体のためのガス分離器液体排出口ライン４９とを備える。

高せん断水素化脱硫システム３００は更に吸収装置３０を備えている。吸収装置３０は、排出口ライン４４を介してガス分離器６０を出るガスストリームの少なくとも１部のための導入口、少量のアミンストリームのための導入口４７、豊富なアミンストリームのための排出口４８、及び硫化水素が取り除かれた清浄ガスのための排出口ライン５４を備えることができる。ライン４５はガス分離器ガス排出口ライン４４に流体的に接続されており、ガス分離器排出口ライン４４内の硫化水素含有ガスの一部を更なる工程に向かわせるために使用される。ライン５３は吸収装置ガス排出口ライン５４内の清浄ガスの一部を更なる工程に向かわせることができる。ライン１７は高せん断装置４０に戻すよう吸収装置排出口ライン５４内の清浄ガスの一部を向かわせることができる。例えば、ライン１７は新たな水素含有ガスを含むライン４１に流体的に接続されることにより、分散可能な水素含有ガスライン２２が供給される。

また、高せん断システム３００は蒸留塔７０を備えている。蒸留塔７０は、例えば再沸騰ストリッパー蒸留塔７０である。蒸留ユニット７０は、ガス分離器６０からのガス分離器液体排出口ライン４９と流体連通している導入口、低沸点生成物ストリームのための排出口５１、及び硫黄含有化合物が取り除かれた炭素質液体を含む液体生成物のための排出口５２を備えている。排出口５１はライン４５に流体的に接続されている。

高せん断水素化脱硫システム３００は、容器１０の排出口ライン１６上に位置して容器１０から出る熱い反応生成物を部分的に冷却するよう機能する熱交換器８０を更に備える。いくつかの応用において、熱交換器８０はライン２１の反応器供給を予熱するために使用できる。熱交換器８０は、例えば水冷却である。ある実施形態において、排出口ライン４２の熱交換された反応器生成物は減圧される。減圧は圧力制御装置５０を介して行われる。ある実施形態において、排出口ライン４２は熱交換器８０と圧力制御装置５０とを流体的に連結している。圧力制御装置５０は排出口ライン４２中の流体を約３０３．９ｋＰａ−５０６．６ｋＰａ（３から５気圧）の圧力まで減少できる。圧力制御装置５０からの排出口ライン４３はガス分離器６０と圧力制御装置５０とを流体的に連結している。排出口ライン４３を介して圧力制御装置５０から出る液体及びガスの混合物は、例えば約３５℃及び３０３．９ｋＰａ−５０６．６ｋＰａ（３から５気圧）の絶対圧力でガス分離器容器６０に入る。

高せん断混合装置．
場合によって高せん断装置又は高せん断混合装置とも称される外部高せん断混合装置（ＨＳＤ）４０は、硫黄含有化合物及び水素分子を含む炭素質流体を有する導入口ストリームをライン１３を介して受け取るように構成される。若しくは、ＨＳＤ４０は別の導入口ライン（図示されない）を介して液体及びガス反応物ストリームを受け取るように構成可能である。図１には１つの高せん断装置のみが示されているが、システムのいくつかの実施形態は直列又は並列フローに配列された２つ又はそれ以上の高せん断混合装置を有することができると解されるべきである。ＨＳＤ４０は回転子／固定子の組み合わせを備える１つ又はそれ以上の発生器を利用する機械的装置であり、夫々の回転子／固定子の組み合わせは固定子と回転子との間に隙間を有している。夫々の発生器セットにおける回転子と固定子との間の隙間は固定されているか又は調整可能である。ＨＳＤ４０は高せん断装置内を通って流れる反応物混合物におけるサブミクロン及びミクロンサイズの気泡を形成可能なように構成されている。高せん断装置は、反応混合物の圧力及び温度が制御できるように、囲い又は枠体を備えている。

高せん断混合装置は一般的に流体を混合させるそれらの能力を基に３つの一般的クラスに分けられる。混合は流体内で粒子又は不均一種のサイズを減少させる方法である。混合の程度又は完全さの１つの測定基準は、流体粒子を分離させるための混合装置が発生させる単位体積当たりのエネルギー密度である。クラスは分配されるエネルギー密度に基づいて区別される。サブミクロンから５０μｍの範囲の粒子サイズの混合物又は乳化物を一貫して生産するために十分なエネルギー密度を有する工業的混合器の３つのクラスは、均一バルブシステム、コロイドミル及び高速混合器を含む。均一バルブシステムと称される高エネルギー装置の第１クラスにおいて、処理される流体は非常に高い圧力によって狭い隙間バルブを通過して低圧環境下に送り込まれる。バルブを挟んだ圧力勾配並びに結果的に生じる乱流及びキャビテーションは、流体中のあらゆる粒子を破壊するように作用する。これらのバルブシステムは通常ミルクの均一化に使用されており、サブミクロンから約１μｍの範囲の平均粒子径が得られる。

エネルギー密度スペクトルの反対端に位置するものは、低エネルギー装置と称される第３クラスの装置である。これらのシステムは一般的に、処理される流体の貯蔵容器内で高速回転するパドル又は流体回転子を有しており、多数のより一般的な応用は食品である。２０μｍを超える平均粒子サイズが処理された流体において許容範囲であるとき、これらの低エネルギーシステムは通例使用される。

流体に伝達される混合エネルギー密度の観点から、低エネルギー装置と均一化バルブシステムの間には、中間エネルギー装置として分類されるコロイドミル及びその他の高速回転子固定子装置がある。一般的なコロイドミルの形状は、通常０．０２５４ｍｍから１０．１６ｍｍ（０．００１−０．４０インチ）の間で厳密に制御された回転子−固定子の隙間によって、相補的形状である液体冷却固定子から離れている円錐又は円盤状の回転子を含む。回転子は一般的に直接駆動又はベルト機構を介して電気モータによって駆動される。回転子が高速で回転するとき、回転子の外側と固定子の内側との間に流体を送り込んで、隙間で発生するせん断力により流体を処理する。適切な調節装置を備える多くのコロイドミルは、処理された流体中において０．１−２５μｍの平均粒子サイズをもたらす。これらの能力により、コロイドミルは化粧品、マヨネーズ、又はシリコン／銀アマルガム形成から屋根用タールの混合に要求されるように、コロイド及び水中油乳化物処理を含めた様々な応用に適している。

先端速度は単位時間当たりの回転子の先端が移動した円周距離である。従って、先端速度は回転子の直径及び回転数の関数である。先端速度（例えば分当たりのメートル）は、回転子先端が移動する円周距離２πＲに回転数（例えば分あたりの回転数、ｒｐｍ）を掛けることによって算出でき、Ｒは回転子の半径（例えばメートル）である。例えば、コロイドミルは先端速度が２２．９ｍ／ｓ（４５００ｆｔ／ｍｉｎ）を超えて、及び４０ｍ／ｓ（７９００ｆｔ／ｍｉｎ）を超える可能性がある。本開示の目的のために、用語「高せん断」は、５．１ｍ／ｓ（１０００ｆｔ／ｍｉｎ）を超える先端速度が可能であり、反応させるためにエネルギーを生成物ストリーム中に加えるための外部機械的動力駆動装置を必要とする機械的回転子固定子装置（例えばコロイドミル又は回転子−固定子分散器）を指す。例えば、ＨＳＤ４０において２２．９ｍ／ｓ（４５００ｆｔ／ｍｉｎ）を超える先端速度に到達可能であり、４０ｍ／ｓ（７９００ｆｔ／ｍｉｎ）を超える可能性がある。いくつかの実施形態において、ＨＳＤ４０は少なくとも２２．９ｍ／ｓ（４５００ｆｔ／ｍｉｎ）の先端速度で少なくとも３００Ｌ／ｈの運搬能力を有する。電力消費は約１．５ｋＷである。ＨＳＤ４０は処理される材料に対して大きなせん断を作り出すために、高先端速度は非常に小さいせん断ギャップを併用している。せん断量は流体の粘度に依存する。それにより、高められた圧力及び温度である局所領域は高せん断装置の稼動中に回転子の先端で作り出される。いくつかの場合において、局所的に高められた圧力は約１０３４．２ＭＰａ（１５０，０００ｐｓｉ）である。いくつかの場合において、局所的に高められた温度は約５００℃である。いくつかの場合において、これらの局所的圧力及び温度の上昇はナノ又はピコ秒持続する。

流体へのエネルギー導入量（ｋＷ／Ｌ／ｍｉｎ）の概算は、モーターエネルギー（ｋＷ）及び流体出力（Ｌ／ｍｉｎ）を測定することによって見積もることができる。上述したように、先端速度は反応物に適用される機械力を作り出す１つ又は複数の回転因子末端と関連している速度（ｆｔ／ｍｉｎ又はｍ／ｓ）である。ある実施形態において、ＨＳＤ４０のエネルギー消費量は１０００Ｗ／ｍ^３を超える。ある実施形態において、ＨＳＤ４０のエネルギー消費量は約３０００Ｗ／ｍ^３から約７５００Ｗ／ｍ^３の範囲である。

せん断速度はせん断ギャップ幅（回転子と固定子との間の最小限の隙間）で割った先端速度である。ＨＳＤ４０において発生するせん断速度は２０，０００ｓ^−１を超える。いくつかの実施形態において、せん断速度は少なくとも４０，０００ｓ^−１である。いくつかの実施形態において、せん断速度は少なくとも１００，０００ｓ^−１である。いくつかの実施形態において、せん断速度は少なくとも５００，０００ｓ^−１である。いくつかの実施形態において、せん断速度は少なくとも１，０００，０００ｓ^−１である。いくつかの実施形態において、せん断速度は少なくとも１，６００，０００ｓ^−１である。ある実施形態において、ＨＳＤ４０において発生するせん断速度は２０，０００ｓ^−１から１００，０００ｓ^−１の範囲である。例えば、１つの応用において、回転子先端速度は約４０ｍ／ｓ（７９００ｆｔ／ｍｉｎ）であり、せん断ギャップ幅は０．０２５４ｍｍ（０．００１インチ）であり、１，６００，０００ｓ^−１のせん断速度を作り出す。他の応用において、回転子先端速度は約２２．９ｍ／ｓ（４５００ｆｔ／ｍｉｎ）であり、せん断ギャップ幅は０．０２５４ｍｍ（０．００１インチ）であり、９０１，６００ｓ^−１のせん断速度を作り出す。

ＨＳＤ４０は水素を炭素質流体を含む主要液相（連続相）へ高分散又は移動させることが可能であり、これは硫化水素を含む生成物ストリームを作るために炭素質流体中で水素の少なくとも１部と硫黄含有化合物とを反応させるような条件では通常混合しない。ある実施形態において、炭素質流体は更に触媒を含む。いくつかの実施形態において、ＨＳＤ４０はコロイドミルを備える。好ましいコロイドミルは、例えばノースカロライナ州ウィルミントン（Wilmington，NC）のＩＫＡ（登録商標）ワークス，インコーポレーテッド（IKA（R）Works Inc．）及びマサチューセッツ州ウィルミントン（Wilmington，MA）のＡＰＶ ノース アメリカ，インコーポレーテッド（APV North America，Inc．）によって製造されている。いくつかの実施例において、ＨＳＤ４０はＩＫＡ（Ｒ）ワークス，インコーポレーテッドのディスパックス リアクター（登録商標）（Dispax Reactor(R)）を備えている。

高せん断装置は反応物に適用される機械力を作り出す少なくとも１つの回転要素を備えている。高せん断装置は間隔の空いた少なくとも１つの固定子及び少なくとも１つの回転子を備えている。例えば、回転子は円錐又は円板形状であり、相補的な形状の固定子と隔てられている。ある実施形態において、回転子及び固定子の両方は複数の円周方向に間隔の空いた歯を備えている。ある実施形態において、固定子は夫々の発生器（回転子／固定子セット）の回転子と固定子との間に所望のせん断隙ギャップを得るために調節可能である。回転子及び／又は固定子の歯の間の溝は、乱流を増加するために別の段階と方向が互い違いとなる。夫々の発生器は必要な回転を提供するように構成されている任意の好ましい駆動システムによって駆動可能である。

いくつかの実施形態において、固定子と回転子との間の最小限の隙間（せん断ギャップ幅）は約０．０２５４ｍｍ（０．００１インチ）から約３．１７５ｍｍ（０．１２５インチ）の範囲である。ある実施形態において、固定子と回転子との間の最小限の隙間（せん断ギャップ幅）は約１．５２ｍｍ（０．０６０インチ）である。ある実施形態において、固定子と回転子との間の最小限の隙間（せん断ギャップ幅）は少なくとも約１．７８ｍｍ（０．０７インチ）である。高せん断装置によって作り出されるせん断速度は流路に沿った長手方向位置によって異なってもよい。いくつかの実施形態において、回転子は回転子の直径及び所望の先端速度に見合う速度で回転するよう設定される。いくつかの実施形態において、高せん断装置は固定子と回転子との間の固定された隙間（せん断ギャップ幅）を有する。或いは、高せん断装置は調節可能な隙間（せん断ギャップ幅）を有する。

いくつかの実施形態において、ＨＳＤ４０は１段式分散チャンバーを備えている（すなわち１段式回転子／固定子の組み合わせ、１段式発生器）。いくつかの実施形態において、高せん断装置４０は多段直列分散器であり、複数の発生器を備えている。ある実施形態において、ＨＳＤ４０は少なくとも２つの発生器を備えている。その他の実施形態において、高せん断装置４０は少なくとも３つの高せん断発生器を備えている。いくつかの実施形態において、高せん断装置４０は多段混合器であり、それにより、以下に更に説明するように、せん断速度（上述したように、先端速度に比例して、及び回転子／固定子ギャップ幅に反比例して変化する）は流路に沿った長手方向位置によって異なる。

いくつかの実施形態において、外部高せん断装置の夫々の段階は交換可能な混合器具を備えていることにより、柔軟性をもたらす。例えば、ノースカロライナ州ウィルミントンのＩＫＡ（Ｒ）ワークス，インコーポレーテッド及びマサチューセッツ州ウィルミントンのＡＰＶ ノース アメリカ，インコーポレーテッドのＤＲ２０００／４ディスパックスリアクター（登録商標）は３段階分散モジュールを備えている。このモジュールは、夫々の段階において細かい、中間、粗い、非常に細かいの選択肢を持った最大で３つの回転子／固定子の組み合わせ（発生器）を備えることができる。これにより、所望の気泡サイズ（例えば水素気泡）の狭い分布を有する分散体を作り出すことができる。いくつかの実施形態において、段階の各々は非常に細かい発生器を備えた状態で稼働される。いくつかの実施形態において、発生器セットの少なくとも１つは約５．０８ｍｍ（０．２０インチ）を超える回転子／固定子の最小限隙間（せん断ギャップ幅）を有する。代替実施形態において、発生器セットの少なくとも１つは約１．７８ｍｍ（０．０７インチ）を超える回転子／固定子の最小限隙間を有する。

図3を参照すると、好ましい高せん断装置２００の長手方向横断面が示されている。図３の高せん断装置２００は３つの段階又は回転子−固定子の組み合わせを備える分散装置である。高せん断装置２００は３つの段階又は回転子−固定子の組み合わせ、２２０、２３０及び２４０を備える分散装置である。回転子−固定子の組み合わせは発生器２２０、２３０、２４０又は制限なしの段階として知られている。３つの回転子／固定子セット又は発生器２２０、２３０、及び２４０は駆動軸２５０に沿って1直線に配列されている。

第１の発生器２２０は回転子２２２及び固定子２２７を備えている。第２の発生器２３０は回転子２２３及び固定子２２８を備えている。第３の発生器２４０は回転子２２４及び固定子２２９を備えている。夫々の発生器のために、回転子は動力２５０によって回転自在に駆動されて、矢印２６５に示すように軸２６０周りに回転する。回転の方向は矢印２６５に示される方向とは反対であっても良い（例えば、回転２６０の軸周りに時計回り、反時計回り）。固定子２２７、２２８及び２２９は高せん断装置２００の壁２５５に固定して結合されている。

上述したように、夫々の発生器は回転子と固定子との間の最小限の隙間であるせん断ギャップ幅を有している。図３の実施形態において、第１発生器２２０は第１せん断ギャップ２２５を有し；第２発生器２３０は第２せん断ギャップ２３５を有し；第３発生器２４０は第３せん断ギャップ２４５を有している。ある実施形態において、せん断ギャップ２２５、２３５、２４５は約０．０２５ｍｍから約１０．０ｍｍの範囲の幅を有している。或いは、方法はギャップ２２５、２３５、２４５が約０．５ｍｍから約２．５ｍｍの範囲の幅を有している高せん断装置２００の利用を含んでいる。ある実施例において、せん断ギャップ幅は約１．５ｍｍに維持されている。或いは、せん断ギャップ２２５、２３５、２４５の幅は発生器２２０、２３０、２４０によって異なる。ある実施例において、第１発生器２２０のせん断ギャップ２２５の幅は第２発生器２３０のせん断ギャップ２３５の幅より広く、第２発生器２３０のせん断ギャップ２３５の幅は同様に第３発生器２４０のせん断ギャップ２４５の幅より広い。上述したように、夫々の段階の発生器は交換可能であることにより、柔軟性をもたらす。高せん断装置２００はせん断速度が流れ２６０の方向に沿った長手方向において段階的に増加するように構成されている。

発生器２２０、２３０及び２４０は細かい、中間、粗い、非常に細かい、の特性を備えることができる。回転子２２２、２２３及び２２４、並びに固定子２２７、２２８及び２２９は歯状構造とすることもできる。夫々の発生器は２つ又はそれ以上の回転子−固定子歯のセットを備えている。ある実施形態において、回転子２２２、２２３及び２２４は、夫々の回転子の外周回りに円周方向に離間した１０以上の回転子歯を備えている。ある実施形態において、固定子２２７、２２８及び２２９は、夫々の固定子の外周回りに円周方向に離間した１０以上の固定子歯を備えている。ある実施形態において、回転子の内部直径は約１２ｃｍである。ある実施形態において、回転子の直径は約６ｃｍである。ある実施形態において、固定子の外径は約１５ｃｍである。ある実施形態において、固定子の直径は約６．４ｃｍである。いくつかの実施形態において、回転子は６０ｍｍ、固定子は６４ｍｍの直径であり、約４ｍｍの隙間を提供する。ある実施形態において、夫々の３つの段階は非常に細かい発生器を備えた状態で稼働されており、約０．０２５ｍｍから約４ｍｍの間のせん断ギャップを備えている。固形粒子が高せん断装置４０を通して送られる態様の応用において、適したせん断ギャップ幅（回転子と固定子との間の最小限の隙間）は粒子サイズを適切に減少させて、及び粒子の表面積を増加させるために選択可能である。ある実施形態において、これは粒子をせん断及び分散することよって触媒の表面積を増加させるために有益である。

高せん断装置２００は、導入口２０５でライン１３から反応物ストリームを受け取るように構成されている。反応混合物は分散相としての水素、及び連続層としての炭素質液体を含む。供給ストリームはさらに粒状の固形触媒化合物を含む。導入口２０５に入る供給ストリームは、生成物分散体が形成されるように、発生器２２０、２３０及び２４０を介して連続して送り込まれる。生成物分散体は排出口２１０（及び図１のライン１８）を通って高せん断装置２００を出て行く。夫々の発生器の回転子２２２、２２３、２２４は固定された固定子２２７、２２８、２２９に対して高速で回転することで高せん断速度を提供する。回転子の回転は導入口２０５に入る供給ストリームせん断ギャップを通過を通って（もし存在すれば、回転子歯の間の隙間、及び固定子歯の間の隙間を通って）外向きに流体を送り出すことで、局所的高せん断状態を作り出す。流体が流れて通るせん断ギャップ２２５、２３５及び２４５（及び存在するときは回転子歯と固定子歯との間の隙間）における流体に加えられる高せん断力は、流体を処理して生成物分散体を作り出す。生成物分散体は高せん断排出口２１０（及び図１のライン１８）を介して高せん断装置２００を出る。

生成物分散体は平均気泡サイズが約５μｍ未満である。ある実施形態において、ＨＳＤ４０は平均気泡サイズが約１．５μｍ未満の分散体を生産する。ある実施形態において、ＨＳＤ４０は平均気泡サイズが約１μｍ未満の分散体を生産する。好ましくは気泡は直径がサブ−ミクロンである。ある実施形態において、平均気泡サイズは約０．１μｍから約１．０μｍである。ある実施形態において、ＨＳＤ４０は平均気泡サイズが４００ｎｍ未満の分散体を生産する。ある実施形態において、ＨＳＤ４０は平均気泡サイズが１００ｎｍ未満の分散体を生産する。高せん断装置２００は少なくとも約１５分間大気圧下で分散状態を維持できる気泡を含む分散体を生産する。

理論に制限されることなく、乳化化学において液体中に分散されるサブ−ミクロン粒子、又は気泡は主としてブラウン運動効果を通じて運動することが知られている。高せん断装置２００によって作り出される生成物分散体における気泡は、固体触媒粒子の境界層を通過する優れた運動性を有しており、それにより反応物の高められた移動を介して触媒反応を促進して加速させる。

ある実施形態において、高せん断装置２００はノースカロライナ州ウィルミントンのＩＫＡ（登録商標）ワークス，インコーポレーテッド及びマサチューセッツ州ウィルミントンのＡＰＶ ノース アメリカ，インコーポレーテッドのディスパックス リアクター（登録商標）を備えている。様々な導入口／排出口接続、馬力、先端速度、出力ｒｐｍ、及び流速を有したいくつかのモデルが利用可能である。高せん断装置の選択は、処理能力要求と外部高せん断装置２００の排出口２１０を出るライン１８（図１）の分散体における所望の粒子又は気泡サイズとに依存する。例えば、ＩＫＡ（登録商標）モデルＤＲ２０００／４はベルト駆動、４Ｍ発生器、ＰＴＦＥシーリングリング、２５．４ｍｍ（１インチ）の導入口フランジ用衛生クランプ、１９ｍｍ（３／４インチ）の排出口フランジ用衛生クランプ、２馬力の出力、７９００ｒｐｍの出力速度、（発生器に依存する）約３００−７００Ｌ／ｈの（水の）流動能力、９．４−４１ｍ／ｓ（１８５０ｆｔ／ｍｉｎから８０７０ｆｔ／ｍｉｎ）の先端速度を含む。

容器．
容器又は反応器１０は上述した転換反応を実行するために多相反応を拡大することができる任意のタイプの容器である。例えば、連続又は半連続撹拌タンク反応器、又は１つ若しくは複数のバッチ反応器は直列若しくは並列で使用される。いくつかの応用において、容器１０は塔反応器であり、その他の応用においては管状反応器か又は複合管状反応器である。図１に２つ示されているように（ライン１４及び１５）、任意の数の反応器導入口ラインが想定される。導入口ラインはシステム稼動中に触媒溶液又はスラリーを受け取るために容器１０に接続される触媒導入口ライン１５である。容器１０はガスを抜くための出口ライン１７、及び生成物ストリームのための排出口生成物ライン１６を備えている。ある実施形態において、容器１０は複数の反応器生成物ライン１６を備えている。

水素化反応は適した時間、温度及び圧力条件が存在すればいつでも起こるであろう。この意味において、水素化は、温度及び圧力条件が適切であれば、図１のフロー図の任意の場所で起こる可能性がある。循環スラリーをベースとした触媒が利用される場合、反応は図１に示される容器１０の外側部分で起こりやすい。それでもなお分離された反応器／容器１０が多くの場合残留時間を増加させること、撹拌及び加熱及び／又は冷却のために好ましい。反応器１０が利用される場合、反応器／容器１０は固定層反応器、流動層反応器、又は輸送層反応器であり、触媒が存在してそれが水素化の速度に影響するため、水素化反応を起こすための主要な場所となるであろう。

従って、容器１０は水素化脱硫を拡大することができる任意のタイプの反応器である。例えば、容器１０は直列又は並列の１つ又は複数のタンク又は管状反応器を備えている。高せん断方法１によって実行される反応は、触媒が反応混合物の他の要素として同じ相に存在する均一系触媒反応、又は固形触媒を含む不均一系触媒反応を含む。選択的に、以下の実施例１に説明されるように、水素化脱硫反応は高せん断装置４０の使用によって触媒の使用なしで起こる可能性がある。容器１０が利用されるとき、容器１０はスラリー反応器、固定層反応器、トリクルベッド反応器、流動層反応器、気泡カラム、又は当業者に周知のその他の方法で操作される。いくつかの応用において、外部高せん断装置４０の組み込みは、例えばスラリー反応器としてのトリクルベッド反応器の稼働を可能にする。これは反応のために有用であり、当該反応は、例えば、水素化脱窒素、水素化脱硫、及び水素化脱酸素を含むが、これらに制限されない。

容器１０は、１つ又は複数の次の要素を含むことが可能であり、撹拌システム、加熱及び／又は冷却機能、圧力測定器具、温度測定器具、１つ又は複数の注入部、及び水位制御装置（図示されない）などの反応容器設計の技術分野において知られているものを含む。例えば、撹拌システムはモーター駆動混合器を含む。加熱及び／又は冷却装置は、例えば熱交換器を含む。或いは、いくつかの実施形態において、多くの転換反応はＨＳＤ４０内で起こるため、いくつかの場合において容器１０は主として貯蔵容器として機能する。一般的にあまり望まれないが、いくつかの応用において更に以下に説明するように、特に複合高せん断装置／反応器が直列で使用される場合、容器１０は除くことができる。

伝熱装置．
上述した容器１０の加熱／冷却機能に加えて、処理ストリームを加熱又は冷却するためのその他の外部又は内部伝熱装置は、また、図１に図示される実施形態の変形形態において考慮される。例えば、反応が発熱反応であれば、反応熱は当業者に周知の任意の方法容器１０から取り除くことができる。また、外部加熱及び／又は冷却伝熱装置の使用も考慮される。システム１が多重パスモードにおいて操作されるとき、１つ又は複数のそれらの伝熱装置のためのいくつかの好ましい場所は、ポンプ５とＨＳＤ４０との間、ＨＳＤ４０と容器１０との間、及び容器１０とポンプ５との間である。それらの伝熱装置のいくつかの制限されない実施例は、当業者に周知なように、シェル（shell）及び管（tube）、板（plate）及びコイル（coil）状の熱交換器である。

ポンプ．
ポンプ５は連続又は半連続稼働のどちらかで構成されており、ＨＳＤ４０及びシステム１を通る制御された流れを可能にするように、２０２．６５ｋPa（２気圧）の圧力、好ましくは３０３．９７５ｋＰａ（３気圧）の圧力を提供できる任意の適したポンプ装置である。例えば、ローパー ポンプ カンパニー（Roper Pump Company）（ジョージア州コマース（Commerce Georgia））のローパー タイプ １ 歯車ポンプ（Roper Type １ gear pump）、デイトン エレクトリック コーポレーション（Dayton Electric Co）（イリノイ州ナイルズ(Niles，IL)）のデイトン圧力増圧ポンプモデル２Ｐ３７２Ｅ（Dayton Pressure Booster Pump Model 2P372E）は１つの適したポンプである。好ましくは、ポンプの全ての接触部分は例えば３１６ステンレス鋼などのステンレス鋼から成る。システムのいくつかの実施形態において、ポンプ５は約２０２６．５ｋＰａ（２０気圧）を超える圧力が可能である。ポンプ５に加えて、１つ又は複数の付加的高圧力ポンプ（図示されない）が図１に図示されるシステムに含まれてもよい。例えば、ポンプ５と同様の増圧ポンプは、容器１０内の圧力を増圧させるためにＨＳＤ４０と容器１０との間に備えられて、又はリサイクルポンプは容器１０からＨＳＤ４０へガスを再循環するためにライン１７に配置される。他の実施例として、ポンプ５と同様の補足的な供給ポンプは、追加の反応物又は触媒を容器１０へ導入するために備えることができる。

硫黄含有化合物を含む炭素質流体の水素化脱硫による硫化水素の製造．
高せん断脱硫システム１の操作を今から図１を参照しながら説明する。流体の水素化脱硫のための操作において、分散可能な水素含有ガスストリームはライン２２を通ってシステム１内に導入され、そしてライン１３において硫黄含有化合物を含む液体ストリームと混合される。本明細書に開示されているシステム及び方法によって還元されて流体から除去される硫黄含有化合物を含む液体ストリームには様々な種類がある。ある実施形態において、流体は炭素を含み、炭素質流体と称される。炭素質流体中の炭素は炭素含有化合物又は材料の一部である。炭素含有化合物又は材料は炭化水素であってもよい。炭素質流体は限定されないが化石燃料、原油又は原油留分、ディーゼル燃料、ガソリン、ケロシン、軽油、石油留分、及びそれらの組み合わせなどの液体炭化水素を含む。他のタイプの炭素質流体は液化石油ガスなどの液化炭化水素を含む。ある実施形態において、炭素質流体は石油を基礎とした流体である。ライン１３における液体ストリームは、例えばナフサ、ディーゼル油、重油、及びそれらの組み合わせを含む。

ある実施形態において、開示されたシステム及び方法は水素化仕上のために使用される。石油精製において、水素化仕上は、低粘度ナフテン油及び中間粘度ナフテン油の性質を向上させるために、水素存在下で実行される方法である。また、水素仕上はパラフィンワックスに適用されて、望ましくない成分を取り除くことができる。水素化仕上は水素を消費し、酸処理よりも多く使用される。今日の基油プラントにおける最終段階で、水素化仕上は基油を最終精製するために高度な触媒及び（１，０００ｐｓｉを超える）高圧を使用する。水素化仕上によって、残留不純物は安定基油分子に転換される（例えばＵＶ安定）。また、水素化仕上は、直留潤滑油留分（straight-run lube distillates）の完成潤滑油生成物への水素化処理と、水素化分解又は溶媒抽出によって事前に精製された油の仕上げとの両方を指して使用されている。これらの潤滑油生成物はナフテン及びパラフィン油を含む。開示されたシステム及び方法は炭化水素質（hydrocarbonaceous）供給ストリーム中の二重結合を飽和させるために使用可能である。

ある実施形態において、供給ストリームはコーカー（coker）ナフサなどの熱分解された石油留分、FCCナフサなどの接触分解された石油留分、又はそれらの組み合わせを含む。ある実施形態において、液体供給ストリームはガソリン沸騰範囲において沸騰するナフサ留分を含む。ある実施形態において、液体供給ストリームはガソリン沸騰範囲で沸騰するナフサ留分を含む。ある実施形態において、炭素質供給ストリームは接触分解された石油留分を含む。ある実施形態において、炭素質供給ストリームは１４９℃（３００°Ｆ）から２６０℃（５００°Ｆ）の範囲内の沸騰範囲のＦＣＣナフサ留分を含む。ある実施形態において、炭素質供給ストリームは熱分解された石油留分を含む。ある実施形態において、炭素質供給ストリームは１６５℃（３３０°Ｆ）から２１５℃（４２０°Ｆ）の範囲内の沸騰範囲を有するコーカーナフサを含む。ある実施形態において、炭素質供給ストリームはＦＣＣ Ｃ６＋ ナフサを含む。

ライン１３における硫黄含有化合物を含む液体はこれらに制限されることはないが、チオール、チオフェン、有機硫化物及び二硫化物、並びにその他のものなどの様々な有機硫黄化合物を含む。水素含有ガスはほぼ純粋な水素、又は水素を含むガスストリームである。理論に制限されることは望まないが、水素は、硫化物を取り除くことによる陰イオン空位の発生、水素化分解「Ｃ−Ｘ化学結合の開裂であり、Ｃは炭素原子であり、Ｘは窒素原子（水素化脱窒素）、酸素原子（水素化脱酸素）、又は硫黄原子（水素化脱硫）」、及び水素化（最終結果は水素の添加）を含む多面的役割を果たす。

ある実施形態において、水素含有ガスは、ライン１３の液体反応物ストリーム（すなわち炭素質流体）と混合することに代えて、ＨＳＤ４０に直接供給される。ライン２１を通って液体反応物（硫黄含有化合物を含む炭素質流体）を送り出し、及び圧力を上昇させてＨＳＤ４０に供給するためにポンプ５を操作することで、高せん断装置（ＨＳＤ）４０及び高せん断システム１全体にわたって制御された流れを提供できる。いくつかの実施形態において、ポンプ５は２０２．６５ｋＰａ（２気圧）を超えて、好ましくは約３０３．９７５ｋＰａ（３気圧）を超えるまでＨＳＤ導入口ストリームの圧力を増加させる。このようにして、高せん断システム１は反応物の完全な混合を促進させるために高せん断を圧力と組み合わせることが可能である。

ある実施形態において、反応物及び、もし存在すれば触媒（例えば、水溶液及び触媒）は最初に容器１０内で混合される。反応物は例えば導入口ライン１４及び１５を介して容器１０に入る。任意の数の容器導入口ラインが考えられ、（ライン１４及び１５によって）２つが図１に示されている。1つの実施形態において、容器１０には触媒が充填されており、もし必要であれば触媒は触媒製造供給元から推奨される方法に基づいて活性化することができる。

送り出した後、水素及び液体反応物（ライン１３における炭素質ストリーム中の硫黄含有化合物）はＨＳＤ４０内で混合されて、前記ＨＳＤ４０は、炭素質流体において水素含有ガスの細かい分散体を作り出すように機能する。ＨＳＤ４０において、水素含有ガス及び炭素質流体は高度に分散されることによって、溶液中への優れた溶解及び反応物混合の促進をするためにガス反応物のナノ気泡、サブミクロンサイズの気泡、及び／又はマイクロ気泡が形成される。例えば、直列に配置されて固定子と組み合わされる３つの回転子を備えて構成される高せん断３段階分散装置である分散機ＩＫＡ（登録商標）モデルＤＲ２０００／４は、硫黄含有化合物（すなわち「反応物」）を含む液状媒体中に分散可能な水素含有ガスの分散体を作り出すために使用される。回転子／固定子のセットは、例えば図３に示されるように構成されている。混合された反応物はライン１３を通して高せん断装置に入り、第１段階の回転子／固定子の組み合わせに入る。第１段階の回転子及び固定子はそれぞれ円周方向に間隔の空いた第１段階の回転子歯及び固定子歯を有している。第１段階を出て行く粗い分散体は第２回転子／固定子段階に入る。また、第２段階の回転子及び固定子は夫々円周方向に間隔の空いた回転子歯及び固定子歯を備えている。第２段階で生じる減少した気泡サイズの分散体は、夫々回転子歯及び固定子歯を有する回転子及び固定子を備える第3段階回転子／固定子の組み合わせに入る。分散体はライン１８を介して高せん断装置を出る。いくつかの実施形態において、せん断速度は流れ２６０の方向に沿った長手方向に段階的に増加する。

例えば、いくつかの実施形態において、第１回転子／固定子段階におけるせん断速度は、後の段階のせん断速度より大きい。その他の実施形態において、せん断速度は夫々の段階でほぼ同じであり、流れの方向に沿ってほぼ一定である。

高せん断装置４０がＰＴＦＥシールを有する場合、シールは当業者に周知の任意の適した技術を用いて冷却することができる。例えば、ライン１３を流れる反応物ストリームは、シールを冷却するために使用され、その際、高せん断装置４０に入る前に望み通りに予熱される。

ＨＳＤ４０の回転子は、回転子の直径と所望の先端速度に比例した速度で回転するように設定される。上述したように、高せん断装置（例えばコロイドミル又は鋸歯リム分散機（toothed rim disperser））は固定子と回転子との間の固定された隙間を有するか又は調節可能な隙間を有している。ＨＳＤ４０は水素含有ガスと反応物液体（すなわち、硫黄含有化合物を含むライン１３の液体ストリーム）とが完全に混合するように機能する。方法のいくつかの実施形態において、反応物の輸送抵抗は、反応の速度が約５％を超えて増加するように、高せん断装置を稼動することで減少される。方法のいくつかの実施形態において、反応物の輸送抵抗は、反応の速度が５倍を超えて増加するように、高せん断装置を稼動することで減少される。いくつかの実施形態において、反応の速度は少なくとも１０倍増加する。いくつかの実施形態において、速度は約１０から約１００倍の範囲で増加する。

いくつかの実施形態において、ＨＳＤ４０は少なくとも４５００ｆｔ／ｍｉｎ、それは７９００ｆｔ／ｍｉｎ（４０ｍ／ｓ）を超えてもよい先端速度で少なくとも３００Ｌ／ｈで運ぶ。電力消費は約１．５ｋＷである。ＨＳＤ４０における回転せん断ユニット又は回転要素の先端における瞬間の温度及び圧力の測定は困難であるが、完全に混合された反応物に見られる局所的な温度は５００℃を超えており、圧力においてキャビテーション条件の下で５００ｋｇ／ｃｍ^２を超えて見積もられる。高せん断混合は水素含有ガスがミクロン又はサブミクロンサイズの気泡で分散されるという結果になる。いくつかの実施形態において、結果的に生じる分散体は平均気泡サイズが約１．５μｍ未満である。それにより、ライン１８を介してＨＳＤ４０を出て行く分散体はミクロン及び／又はサブミクロンサイズの気泡を含む。いくつかの実施形態において、平均気泡サイズは約０．４μｍから約１．５μｍの範囲である。いくつかの実施形態において、結果的に生じる分散体は平均気泡サイズが１μｍ未満である。いくつかの実施形態において、平均気泡サイズは約４００ｎｍ未満であり、いくつかの場合において約１００ｎｍである。多くの実施形態において、マイクロ気泡分散体は少なくとも１５分間大気圧で分散を維持できる。

一旦分散されると、結果的に生じる気体／液体又は気体／液体／固体分散体は、図１に示されているように、ライン１８を介してＨＳＤ４０を出て容器１０に供給される。結果的に容器１０に入る前の反応物の完全な混合によって、大部分の化学反応は触媒の有無にかかわらずＨＳＤ４０内で行われる。それに応じていくつかの実施形態において、反応器／容器１０は主として加熱して生成物である硫化水素ガスを炭素質流体から分離させるために使用される。代替的に、又は付加的に、容器１０は大部分の硫化水素生成物が生産される主要な反応容器として機能する。例えば、ある実施形態において、容器１０は触媒の固定層を備える固定層反応器である。

容器／反応器１０は連続又は半連続フローモードで操作されるか、又はバッチモードで操作可能である。容器１０の内容物は加熱及び／又は冷却機能（例えば冷却コイル）、及び温度測定器具を用いて特定の反応温度に維持することができる。容器内の圧力は適切な圧力測定器具を用いて監視されて、容器内の反応物の水位は当業者に周知の技術を用いた水位制御装置（図示されない）を用いて制御可能である。内容物は連続的に又は半連続的に撹拌される。

触媒．
触媒が硫黄含有種の還元を促進させるために使用される場合、触媒はスラリー又は触媒ストリームとしてライン１４及び／又は１５を介して容器１０内に導入される。代替的に、又は選択的に触媒はシステム１の他の場所に加えられてもよい。例えば、触媒スラリーはライン２１に注入される。いくつかの実施形態において、ライン２１は、流れている炭素質流体ストリーム、及び／又は例えばライン１６を介してライン２１に接続されている容器１０からのリサイクルストリームを含んでいる。

ある実施形態において、容器／反応器１０は水素化脱硫に適した当業者に周知の任意の触媒を含む。適切な可溶性触媒は担持された金属硫化物である。ある実施形態において、金属硫化物は硫化モリブデン、硫化コバルト、硫化ルテニウム、及びそれらの組み合わせから選択される。ある実施形態において、触媒は硫化ルテニウムを含む。ある実施形態において、触媒は硫化モリブデンと硫化コバルトの２成分の組み合わせを含む。ある実施形態において、担体はアルミナを含む。ある実施形態において、触媒はコバルト及び／又はモリブデンを含浸させたアルミナを基礎としたものを含む。水素化脱硫段階において使用される触媒は適切な耐熱性担体において第ＶＩ族及び／又は第ＶＩＩＩ族金属から作られる従来の脱硫触媒であってもよい。ある実施形態において、水素化処理触媒はシリカ、アルミナ、シリカ−アルミナ、シリカ−ジルコニア、シリカ−チタニア、酸化チタン、及び酸化ジルコニウムから成る群より選択される耐熱性担体を含む。第ＶＩ族金属はモリブデン又はタングステンであり、第ＶＩＩＩ族金属は通常ニッケル又はコバルトである。水素化脱硫触媒は混合硫化物を含浸させた高表面積のγ−アルミナ担体、通常はコバルト−モリブデン又はニッケル−モリブデンを含む。ある実施形態において、水素化脱硫触媒はモリブデン、コバルト、ニッケル、鉄及びそれらの混合物から成る群より選択される少量のその他の金属を伴う二硫化モリブデンを含む。ある実施形態において、触媒は酸化亜鉛を含む。ある実施形態において、触媒は従来の事前に硫化されたモリブデン及びニッケル及び／又はコバルト水素化処理触媒を含む。

ある実施形態において、触媒はアルミノケイ酸塩構造をしている。ある実施形態において、触媒は中間細孔径のゼオライト、例えばＺＳＭ−５のトポロジーを有するゼオライトである。触媒は水素及び硫黄がそこに存在するため反応領域において化学反応を受けやすいが、触媒は最初に炭素供給ストリームと接触するときは酸化物又は硫化物の構造をしている。システム及び方法が水素化脱窒素に焦点を当てている場合、アルミナ触媒上でコバルトで活性化されたモリブデンは水素化脱硫のために選択可能である。水素化脱窒素のために、アルミナ触媒上でニッケルで活性化されたモリブデンは好ましい触媒である。

触媒は、高められた温度で水素ガスと接触させることによって、又は例えば空気中又はその他の酸素含有ガス中で燃焼させることによって再生可能である。

ある実施形態において、容器１０は適切な触媒の固定層を備えている。いくつかの実施形態において、触媒はライン１５を介して容器１０に連続的に加えられる。ある実施形態において、外部加圧式高せん断装置反応器の使用は、以下の実施例１で更に説明するように触媒の必要無く水素化脱硫が可能である。

反応物の大半の又は広範な操作温度はそれらの引火点以下で維持されることが好ましい。いくつかの実施形態において、システム１の操作条件は約１００℃から約２３０℃の範囲の温度を含む。ある実施形態において、温度は約１６０℃から約１８０℃の範囲である。ある特定の実施形態において、容器１０内の反応温度は、特に約１５５℃から約１６０℃の範囲である。いくつかの実施形態において、容器１０内の反応圧力は約２０２．６５ｋＰａ（２気圧）から約５．６ＭＰａ−６．１ＭＰａ（５５−６０気圧）の範囲である。いくつかの実施形態において、反応圧力は約８１０．６ｋＰａから約１．５ＭＰａ（８気圧から約１５気圧）の範囲である。ある実施形態において、容器１０は大気圧か又はその近くで操作される。ある実施形態において、例えばナフサ水素化仕上のために、容器１０の圧力は約３４５ｋＰａ（５０ｐｓｉ）から約１０．３ＭＰａ（１５００ｐｓｉ）であり、反応温度は約２６０℃（５００°Ｆ）から約４２７℃（８００°Ｆ）の範囲である。ある実施形態において、例えばナフサ水素化仕上のために、容器１０の圧力は約２．０ＭＰａ（３００ｐｓｉ）から約６．９ＭＰａ（１０００ｐｓｉ）の範囲であり、反応温度は約３７１℃（７００°Ｆ）から約４２７℃（８００°Ｆ）の範囲である。

選択的に、分散体は必要に応じて容器１０に入る前に更に処理される。容器１０において、水素化脱硫は水素による還元を介して起こる／継続する。容器の内容物は連続的に又は半連続的に撹拌されて、反応物の温度は（例えば、熱交換器を使用して）制御され、容器１０内の流体の水位は標準技術を用いて制御される。硫化水素ガスは、特定の応用に対して望まれるように連続的に、半連続的に又はバッチ式で生産される。生産される硫化水素ガス生成物はガスライン１７を介して容器１０を出る。このガスストリームは、例えば硫化水素ガス生成物と同様に未反応の水素を含む。ある実施形態において、反応物は、ガスストリームが約６重量％未満の未反応水素を含むように選択される。いくつかの実施形態において、ライン１７の反応ガスストリームは約１重量％から約４重量％の水素を含む。ライン１７を介して取り除かれる反応ガスは更に処理されて、成分は必要に応じて再利用可能である。

反応生成物ストリームはライン１６によって容器１０を出る。ある実施形態において、ライン１６の生成物ストリームは、以下に更に説明するように、溶解した硫化水素ガスを含み、そこから硫化水素を取り除くように処理される。その他の実施形態において、硫化水素ガス生成物はライン１７を介して容器１０を出て、硫黄含有化合物が取り除かれた炭素質流体を含む液体生成物はライン１６を介して容器１０から出る。

多重パス操作．
図１に示される実施形態において、システムは単一パス用に構成されており、容器１０からの排出物１６は硫黄及び炭素質流体回収のために直接更なる処理に向かう。いくつかの実施形態において、第２パスの間に、容器１０の内容物、又は未反応硫黄含有化合物を含む液体留分、をＨＳＤ４０を通過させることが望まれる。この場合において、ライン１６は、少なくとも一部のライン１６の内容物が容器１０から再循環されて、ポンプ５によってライン１３に、それ故にＨＳＤ４０に送り込まれるように、点線２０によって示される通りにライン２１に連結可能である。追加の水素含有ガスはライン２２を介してライン１３に注入されるか又は高せん断装置に直接加えられる（図示されない）。その他の実施形態において、ライン１６の生成物ストリームは、高せん断装置４０に再循環される生成物ストリームにおいて脱硫されていない液体の一部を再循環する前に更に処理される（例えば硫化水素ガスがそこから取り除かれる）。

多重高せん断混合装置．
いくつかの実施形態において、ＨＳＤ４０のような又は異なる構成である２つ又はそれ以上の高せん断装置は、直列に配置されて、反応を更に促進させるために使用される。それらの操作はバッチ又は連続モードのどちらかである。単一パス又は「貫流（once through）」方法が望まれるいくつかの実施例において、直列に配置された複数の高せん断装置の使用も有益である。複数の高せん断装置が直列に稼働されるいくつかの実施形態において、容器１０は省略可能である。例えば、ある実施形態においてライン１８の排出口分散体は第２高せん断装置に供給される。複数の高せん断装置４０が直列に稼働される場合、追加の水素ガスは夫々の装置の導入口供給ストリーム内に注入される。いくつかの実施形態において、複数の高せん断装置４０は並列に稼働されて、そこからの排出口分散体は１つ又は複数の容器１０に導入される。

下流処理．
図２は高せん断システム３００の他の実施形態の図であり、上述した高せん断装置４０は製油所で見られるような従来の工業用水素化脱硫ユニットに組み込まれている。ＨＳＤシステム３００はポンプ５を備えており、それによって水素化脱硫される液体を含む液体ポンプ導入口ライン２１は水素化脱硫方法を促進させるために外部高せん断装置４０に送り込まれる。本発明において、高せん断装置４０は、通常水素化脱硫される石油生成物において見られる上述されるような硫黄含有化合物に水素含有ガス２２を混合して反応させるために利用される。ライン２１の液相供給ストリームの圧力はポンプ５によって増加される。上述したように、ポンプ５は容積式、又は歯車ポンプであってもよい。ライン１３のポンプ排出口ストリームは、ライン２２を介して分散可能な水素含有反応物ストリームと混合されて、高せん断装置導入口ライン１３を介して外部高せん断装置４０の導入口（例えば図３の２０５）に導入される。容積式ポンプ（又は歯車ポンプ）５は、ガス液体混合物を外部高せん断装置４０の導入口に供給して測定する。上述したように、外部高せん断装置４０内の混合は、水素のマイクロ気泡（及び／又はサブマイクロメーターサイズの気泡）を含む分散体を作り出し、水素を有機供給原料における硫黄化合物と反応させるための反応条件を促進させる。従って、ライン１８の高せん断装置排出口ストリームは上述したように、ミクロン及び／又はサブミクロンサイズの気泡分散体を含む。従来通りに液体供給は、ライン２１を介して高められた圧力で送り込まれて、水素を豊富に含む再利用ガスを含むライン２２のガスに混合され、結果的に生じる混合物は（おそらく熱交換器を介して熱交換することによって）予熱されて、そして予熱された供給ストリームは湯沸かし器（図示されない）に送られて、そこで供給混合物は容器１０に入る前に気化されて高い温度まで加熱される。それとは対照的に、高せん断水素化脱硫システム３００において、高せん断装置４０からのライン１８の分散体は、炭素質液体及び硫黄含有化合物を含む液相中の水素含有気泡の分散体を含む。固定層反応器１０内では、水素化脱硫は、ライン１８の反応器導入口分散体が触媒の固定層を通るときに起こる。ある実施形態において、反応器１０はトリクル層反応器を備えている。ある実施形態において、反応器１０における水素化脱硫反応は、触媒存在下で１００℃から４００℃の範囲の温度及び１０１．３２５ｋＰａ−１３．２ＭＰａ（１気圧から１３０気圧）の絶対圧力の範囲の高められた圧力で実行される。

ライン１６の熱い反応生成物は熱交換器８０を通して流れる事により部分的に冷却でき、又熱交換器８０はライン２１における反応器供給を予熱するために作動する。そしてライン４２の熱交換された反応器生成物ストリームは、約３０３．９ｋＰａ−５０６．６ｋＰａ（３から５気圧）まで減圧（圧力制御装置ＰＣ、５０に示される）される前に、水冷熱交換器を通って流れる。ライン４３における結果的に生じる液体とガスの混合物は、例えば、約３５℃、絶対圧力３０３．９ｋＰａ−５０６．６ｋＰａ（３から５気圧）でガス分離容器６０に入る。

ガス分離容器６０からのライン４４の水素が豊富なガスは、含まれる反応生成物である硫化水素を取り除くためにアミン接触器３０に送られる。また、アンモニアは生成物ガスから取り除かれて、例えば、肥料用途のために回収される。ライン５４の硫化水素が含まれていない水素が豊富なガスの一部は、高せん断装置４０及び反応器１０において再び使用するためにリサイクルされる一方、ライン５３はライン５４を介して硫化水素を含まず水素が豊富なガスをどこかの一部に向かわせる（例えばパージなど）。ガス分離容器６０からのライン４４における硫化水素が豊富なガスの一部は以下に更に説明するようにライン４５を介してライン４４から分離される。ライン４８の硫化水素が豊富なアミンストリームにおいてアミンガス処理ユニット３０によって取り除かれて回収される硫化水素は（例えばクラウスプロセス（Claus process）ユニットにおいて）更に硫黄元素に転換される。クラウスプロセスは、硫化水素ガスを酸化することによって、水を生産して硫黄元素を回収するために使用される。

ガス分離容器６０からのライン４９の液体ストリームは下流処理のために送られる。図２において、例えば下流処理は再沸騰ストリッパー蒸留塔７０を備えており、そこで酸性ガスは、脱硫液体生成物を含むライン５２の下部ストリームからガスライン５１中へ取り除かれる。ライン５１における反応生成物液体のストリッピング由来の酸性ガスは、随意にライン４５における酸性ガスと共に中心処理プラントへ送られる。ストリッパー７０からのライン５１における頂部酸性ガスは水素、メタン、エタン、硫化水素、プロパン、おそらくブタン及び重炭化水素を含む。このガスの処理（図２に示されていない）によりプロパン、ブタン、及びペンタン又は重化合物は回収される。残留水素、メタン、エタン、及びいくらかのプロパンは製油所の燃料ガスとして使用できる。ライン２１の液体供給がオレフィンを含む場合、ライン５１の頂部酸性ガスは、また、エタン、プロペン、ブテン、及びペンテン又は重化合物を含む。導入口４７を介して吸収装置３０に導入されたアミン溶液は、製油所内の主要アミンガス処理ユニット（図２に図示されない）から誘導され、吸収装置排出口ライン４８における硫化水素が豊富なアミンは製油所の主要アミンガス処理ユニット（図２に図示されない）に戻る。

ライン５２における水素化処理／水素化仕上された液体生成物は、例えばオクタンの値を増加させるために（それは水素化処理／水素化仕上を介して減少される）触媒改質工程に送られる。ライン５２における脱硫生成物の触媒改質は実施形態においてＨＳＤ４０で再利用される水素を生産する。

高せん断装置４０内で生産されるライン１８の分散体中のマイクロメータサイズ及び／又はサブマイクロサイズの水素気泡の表面積における増加は、ライン２１を介して導入される供給ストリーム内で水素ガスを硫黄化合物とより迅速及び／又は完全に反応させる結果となる。上述したように、付加的な利益は、容器１０を低温及び低圧で稼働させることによって運転及び資本コストをどちらも削減することができる能力である。低温での水素化処理／水素化仕上装置１０の操作は、炭素質供給ストリームの望まないオクタンの減少を最小限にすることが可能である。本発明の利益は、小さい反応器の設計、及び／又は低い温度及び／又は圧力での反応器の操作、及び触媒除去の可能性による早いサイクル時間、処理量の増加、運転費用の減少及び／又は資本支出の減少を含むが、これらに制限されない。

ある実施形態において、本開示の高せん断水素化脱硫システム及び方法は、全体の硫黄量を１００万分の１の範囲まで減少させるのに適しており、それによって次の触媒改質段階（例えば次のナフサの触媒改質）における貴金属触媒の汚染を防ぐ／減少させる。ある実施形態において、供給原料はディーゼル油を含み、ＨＤＳシステム及び方法は、超低硫黄ディーゼル（ＵＬＳＤ）に適合するように燃料の硫黄含有量を減少させるよう機能する。ある実施形態において、燃料の硫黄含有量は重量で約３００ｐｐｍ未満である。ある実施形態において重量で約３０ｐｍ未満である。その他の実施形態において重量で約１５ｐｍ未満である。

また、水素化分解反応は供給原料の窒素含有量を減少させるために使用できる（水素化脱窒素又はＨＤＮ）。ある実施形態において、供給ストリームの水素化脱硫のためのシステム及び方法もまた、同様にストリームを同時にいくらか脱窒素するために機能する。また、開示されたシステム及び方法は、炭化水素を飽和（水素化）することによって、例えばオレフィンをパラフィンに転換するために使用される。ある実施形態において、開示されたシステム及び方法はオレフィンの飽和のために単独で使用されるか、又は同時に脱硫、脱窒素及び／又はアルケンを対応するアルカンへ飽和させるために使用できる。開示されたシステム及び方法は非炭化水素成分（例えば硫黄、窒素など）を取り除くため、及び／又は色、粘度指標、阻害応答、酸化及び熱的安定性などの生産された油の物理化学の特性を向上させるために水素化仕上方法（例えば、ナフサを含むストリームの水素化仕上）として使用できる。

ＨＳＤ４０による反応物の改良された混合の応用は炭素質ストリームの優れた水素化脱硫を可能とする。いくつかの実施形態において、改良された混合はプロセスストリームの処理量の増加を拡大する。いくつかの実施形態において、高せん断混合装置は既存の工程に組み込まれており、それによって生産量の増加（すなわちより多くの処理量）を可能とする。単に反応器の圧力を増加させることによって水素化脱硫の程度を増加させようと試みるいくつかの方法と対比して、外部高せん断混合による優れた分散及び接触は、反応速度を維持又はさらに増加させる一方で、多くの場合において全体的な操作圧力を減少させることができる。特定の理論に制限されることは望まないが、高せん断混合のレベル又は程度は、物質移動の速度を増加させるのに十分であり、また、その他の場合ではギブスの自由エネルギー予測を基にして起こる事が予測されない反応を起こすことが可能な局所的な非理想条件を作り出すと考えられている。局所的な非理想条件は高せん断装置内で起こり、その結果、局所的圧力において存在すると想定される最も重要な増加を伴って温度及び圧力が増加すると考えられている。高せん断装置内での温度及び圧力の増加は、瞬時及び局所的であり、一旦高せん断装置を出ると即座に残り大部分の又は平均のシステム状態に戻る。いくつかの場合において、高せん断混合装置は１つ又は複数の反応物を遊離基へと解離させるために十分な強度のキャビテーションを誘発させ、遊離基は化学反応を増強させるか、又はその他の場合に要求されるよりも緩和された条件で反応が起こることを可能にする。また、キャビテーションは局所乱流及び液体マイクロ循環（音響ストリーム）を作り出すことによって移動工程の速度を増加できる。化学的／物理的工程の応用におけるキャビテーション現象の応用の概要はゴゲート（Gogate）他「キャビテーション：技術の展望」、カレント サイエンス ９１（Ｎｏ．１）：３５−４６（２００６）（「Cavitation：A technology on the horizon」Current Science 91（No.1）：35-46（2006））によって提供されている。本システム及び方法のある実施形態の高せん断混合装置はキャビテーションを誘発し、それによって水素及び硫黄含有化合物は遊離基に解離されて、そして硫化水素ガスを含む生成物を生産するために反応する。

いくつかの実施形態において、本明細書に説明されているシステム及び方法は、外部高せん断装置４０を使用しない以前可能であったものより小さく及び／又は少ない資本集約的工程の設計を可能にする。開示されている方法のある実施形態の潜在的利点は、既存の方法からの操作コストの減少及び生産の増加である。開示された方法のある実施形態は、新しい方法の設計のための資本コストを減少させる利点を付加的に提供する。ある実施形態において、高せん断装置４０で硫黄含有化合物を含む炭素質流体に水素含有ガスを分散させることは未反応硫黄含有化合物の量を減少させる。水素化脱硫のための本システム及び方法のいくつかの実施形態の潜在的利点は、小さい反応器の設計、及び／又は低い温度及び／又は圧力での反応器の操作の可能性による早いサイクル時間、処理量の増加、高転換、操作費用の減少及び／又は資本支出の減少を含むが、これらに制限されない。

ある実施形態において、外部高せん断装置４０を介した反応物混合を含む開示された方法の使用により、容器／反応器１０内で以前可能であったものより低い温度及び／又は圧力の使用が可能となる。ある実施形態において、方法は外部高せん断装置４０を既存の工程に組み込むことを含み、それによって外部高せん断装置４０内の反応の運転温度及び／又は圧力を減少させて、及び／又は高せん断装置４０なしで行われる工程からの生産量の増加（より多くの処理量）を可能にする。ある実施形態において、容器１０は、外部高せん断装置４０内で大部分の反応が起こるため、主として流体を冷却させるために使用される。ある実施形態において、容器１０は大気圧近くで操作される。ある実施形態において、大部分の反応は外部高せん断装置４０内で起こる。ある実施形態において、水素化脱硫は触媒の使用無しで主に高せん断装置で起こる。

水素による液相還元による炭素質流体の水素化脱硫のための本方法及びシステムは、反応器／高せん断装置内で制御された環境において化学成分の迅速な接触及び混合を提供するために、外部高せん断機械的装置を使用する。高せん断装置は、反応における物質移動の制限を減少させることにより、反応速度全体を上昇させて、十分な反応が起こることが予測されない広範な稼働条件下での硫黄と水素との十分な反応が可能となる。

実施例１：高せん断を使用した水素化脱硫
ノースカロライナ州ウィルミントンのＩＫＡ ワークス，インコーポレーテッドから購入した外部ＩＫＡ ＭＫ ２０００ ミル（高せん断反応器／装置４０）は１０リットルの撹拌反応容器１０に接続された。本実施例において水素化脱硫方法のために使用される装置は図４に図式的に示されている。

１０リットルの反応容器１０は、直径１０インチのステンレス鋼管の一部に基板と撹拌器軸及びシールが備えられた上板とを溶接することにより作成された。パドル撹拌器１１０は容器１０の内容物を撹拌するよう機能する。

容器１０に８リットルの高硫黄中東原油が充填された。この油の分析結果が表１に示されている。

容器１０は密閉され、加熱されながら循環が開始された。再循環ポンプ５は、ローパー ポンプ カンパニー（コマース、ジョージア州）のローパー タイプ １ 歯車ポンプであった。システム４００は撹拌器１１０及び加熱マントル１２０を有する容器１０を備えていた。基油は、内部パドル撹拌器１１０及び冷却コイル１２５を有する圧力容器１０に入れられた。また、容器１０はガス注入弁１５、圧力逃がし弁１７、放出弁２０、温度計２及び圧力計３を備えていた。加熱マントル１２０は容器／反応器１０を加熱するために使用された。

水素ガス２２は周辺温度で高せん断ユニット４０の導入口に供給されて、ガス流は供給マニホールド（manifold）（図示されない）と反応器高せん断装置４０との間の圧力逃がし弁（図示されない）によって制御された。水素化反応は水素の反応器への流れを維持して、指定された時間の間、特定の温度を維持しながら実行された。精製された水素ガス、標準ＩＳ：ＨＹ２００、精製度９９．９％（＋）を有するII等級はエアガス コーポレーション（Airgas Corp．）から得られた。必要に応じて当業者に周知の水素化脱硫触媒が使用可能であったが、本実験では触媒は使用されなかった。

高せん断装置４０は６０Ｈｚに設定された。油は２時間以上にわたって１５０℃に（加熱マントル１２０を使用して）加熱されて、高せん断装置４０は８５Ｈｚまで上げられた。ポンプ５からの排出圧力は１４０ｐｓｉｇであり、容器１０の圧力は５０ｐｓｉｇであった。

真空は、水で冷却されたコンデンサ１３０を通して容器１０内で引かれた。これは、水素化脱硫工程で生産される過剰な水素、硫化水素、アミン、水及びその他の揮発物を弁１７を介して放出するために使用された。

水素化脱硫方法は更なる時間続けられた。反応器内で測定された温度は１６８℃まで上昇して運転は停止され、水素化脱硫油生成物が反応器から取り除かれた後に油は室温まで冷却されて、その組成は同定された。

水素化脱硫油の分析結果は表２に示されている。

表２の結果は本開示の高せん断システム及び方法を使用したことによる５０％を超える原油の硫黄含有量の低下を示している。

発明における好ましい実施形態が示されて説明される一方で、それらの修正は発明の精神及び教示を逸脱することなく当業者によって行うことができる。本明細書で説明された実施形態は単なる例示であり、制限されるものではない。本明細書に開示された発明の多数の変更及び修正は可能であり、発明の範囲内である。数値の範囲又は限定が明示的に定められているところでは、そのような明示された範囲又は限定は明示的に定められた範囲又は限定の範囲内で同等の値の反復範囲又は限定を含むと解されるべきである（例えば、約１から約１０は２、３、４等を含む；０．１０を超えるは０．１１、０．１２、０．１３等を含む）。特許請求の範囲のあらゆる要素に関して用語「選択的（optionally）」の使用は、対象の要素は必要であるか、若しくは必要でないと意味することを意図する。両方の選択肢は請求項の範囲内であると考えられる。含む（comprises、includes）、有する（having）などの広域的用語の使用は、から成る（consisting of）、基本的に・・から成る（consisting essentially of）、実質的に・・・を含む（comprised substantially of）及びそれと同等の狭い用語の補助を提供すると解されるべきである。

従って、保護の範囲は上記に示した説明によって制限されないが、以下の請求項によってのみ制限され、範囲は請求項の主要な問題の同等なもの全てを含む。夫々及び全ての請求項は本発明の実施形態として明細書に組み込まれている。従って、請求項は更なる説明であり、本発明の好ましい実施形態への追加である。全ての特許、特許出願、及び本明細書中に引用される公開の開示は、それらが提供する実施例、手順又は補助的に本明細書に示された他の詳細の補足内で参考資料によって本明細書に組み込まれている。

Claims (20)

1. 水素化脱硫、水素化脱窒素、水素化仕上、又はそれらの組み合わせのための方法であって、
   炭化水素を含む液相に分散される水素含有気泡を含む分散体を形成することを含み、気泡の平均直径は１．５μｍ未満である方法。
2. 気泡の平均直径は１μｍ未満である請求項１の方法。
3. 液相は液体天然ガス、原油、原油留分、ガソリン、ディーゼル、ナフサ、ケロシン、ジェット燃料、燃料油及びそれらの組み合わせから成る群より選択される炭化水素を含む請求項１の方法。
4. 分散体を形成することは、水素含有ガス及び液相の混合物を２０，０００ｓ^−１を超えるせん断速度を適用することを含む請求項１の方法。
5. 分散体を形成することは高せん断装置内で水素含有ガス及び液相を接触させることを含み、高せん断装置は少なくとも１つの回転子を含み、及び少なくとも１つの回転子は分散体を形成する間少なくとも２２．９ｍ／ｓ（４，５００ｆｔ／ｍｉｎ）の先端速度で回転する請求項１の方法。
6. 高せん断装置は少なくとも１つの回転子の先端で少なくとも１０３４．２ＭＰａ（１５０，０００ｐｓｉ）の局所圧力を作り出す請求項５の方法。
7. 高せん断装置のエネルギー消費は１０００Ｗ／ｍ^３を超える請求項５の方法。
8. 水素化脱硫、水素化脱窒素、水素化仕上、又はそれらの組み合わせに対して活性を有する触媒に分散体を接触させることを含む請求項１の方法。
9. 触媒はコバルトモリブデン、ルテニウム、及びそれらの組み合わせから成る群より選択される金属を含む請求項８の方法。
10. 水素化脱硫、水素化脱窒素、又は水素化仕上のための方法であって、
    水素含有ガスと硫黄含有化合物、窒素含有化合物、不飽和結合、又はそれらの組み合わせを含む液体とを含む混合物を高せん断装置内で２０，０００ｓ^−１を超えるせん断速度を適用することによって、液体の連続相に水素の分散体を形成すること、及び
    分散体を反応器生成物が取り除かれた固定層反応器に導入することを含み、
    固定層反応器は水素化脱硫、水素化脱窒素、水素化仕上、又はそれらの組み合わせのために効果的である触媒を含む方法。
11. 反応器生成物をガスストリームと脱硫炭化水素液体生成物を含む液体生成物ストリームとに分離すること、
    硫化水素をガスストリームから取り除くことで低硫化水素ガスストリームを作ること、及び
    低硫化水素ガスストリームの少なくとも一部を外部高せん断装置に再循環すること
    を含む請求項１０の方法。
12. 脱硫炭化水素液体生成物を改質することを含む請求項１１の方法。
13. 改質する工程から水素を回収すること及び回収された水素の少なくとも一部を再利用することを含む請求項１２の方法。
14. 水素化脱硫、水素化脱窒素、又は水素化仕上のための装置であって、
    せん断ギャップで隔てられている回転子及び固定子を有する少なくとも１つの発生器を備えた少なくとも１つの高せん断混合装置、及び
    液相を含む液体ストリームを高せん断混合装置へ運ぶために構成されたポンプ
    を備え、せん断ギャップは回転子と固定子との間の最小限の隙間であり、高せん断混合装置は２２．９ｍ／ｓ（４，５００ｆｔ／ｍｉｎ）を超える回転子の先端速度を作り出すことができる装置。
15. 少なくとも１つの高せん断混合装置は、硫黄含有種及び炭化水素を含む液相；窒素含有種及び炭化水素を含む液相；及び不飽和炭化水素を含む液相から選択される液相中に水素含有気泡の分散体を作り出すために構成されており、分散体の平均気泡直径は４００ｎｍ未満である請求項１４の装置。
16. 少なくとも２つの高せん断混合装置を備える請求項１４の装置。
17. 少なくとも２つの発生器を備える請求項１４の装置。
18. １つの発生器から提供されるせん断速度は他の発生器によって提供されるせん断速度より大きい請求項１７の装置。
19. 水素化脱硫、水素化脱窒素、及び水素化仕上のための装置であって、
    水素化脱硫、水素化脱窒素、及び水素化仕上反応器から選択される反応器であって、固定触媒層を備えている反応器、及び
    液体及び水素ガスを含む流体ストリームのための導入口及び生成物分散体のための排出口を備える高せん断装置
    を備え、高せん断装置の排出口は反応器の導入口と流体的に連結しており、高せん断装置は液体中に気泡直径が５μｍ未満である水素気泡の分散体を作り出すことができる装置。
20. 高せん断装置は５．０８ｍ／ｓ（１０００ｆｔ／ｍｉｎ）を超える先端速度を有する高せん断ミルを備えている請求項１９の装置。

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