JP2014529351A - 溶融塩回転気泡塔、これを利用した反応器、及び関連する方法 - Google Patents

Abstract

化学反応を実行する為の反応器、並びに、関連する部品、システム、及び方法を提供する。一実施形態によれば、炉と、炉による加熱の為に配置されたるつぼと、を含む反応器が提供される。るつぼは、溶融塩浴槽を収容してよい。下降管が、軸に沿って、内部るつぼ内に少なくとも部分的に配置される。下降管は、導管を含み、導管は、炭素供給源と連通している第１の端部と、導管の第２の端部にある、炭素原料をるつぼに投入する為の出口と、を有する。第１の端部と第２の端部との間の導管内に少なくとも１つの開口が形成され、これによって、るつぼ内に収容された反応物質成分が導管を通じて循環することが可能になる。るつぼの底部部分を通じて、酸化原料をガス気泡の形態で投入して、他の原料と反応させてよい。【選択図】図１

Description

関連出願の相互参照
本出願は、参照によりその全てが本明細書に組み込まれている、２０１１年７月２１日に出願された米国特許非仮出願第１３／１８８，２０２号（発明の名称「溶融塩回転気泡塔、これを利用した反応器、及び関連する方法（ＭＯＬＴＥＮ ＳＡＬＴ ＲＯＬＬＩＮＧ ＢＵＢＢＬＥ ＣＯＬＵＭＮ， ＲＥＡＣＴＯＲＳ ＵＴＩＬＩＺＩＮＧ ＳＡＭＥ ＡＮＤ ＲＥＬＡＴＥＤ ＭＥＴＨＯＤＳ）」）の優先権及び利益を主張するものである。
政府の権利

本発明は、ウェスタンハイドロジェン（Ｗｅｓｔｅｒｎ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ）とバッテルエネルギアライアンス（Ｂａｔｔｅｌｌｅ Ｅｎｅｒｇｙ Ａｌｌｉａｎｃｅ， ＬＬＣ）との間の共同研究開発契約（Ｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ａｇｒｅｅｍｅｎｔ）の下、米国エネルギ省（Ｕ．Ｓ． Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ）から授与された契約番号第ＤＥ−ＡＣ０７−０５ＩＤ１４５１７号でなされたものである。米国政府は、本発明において一定の権利を有する。

本発明は、主に、ガスの生成に使用される反応器及びシステムに関し、特に、アルカリ金属反応器などの反応器において使用される部品及び方法に関する。

炭化水素ベースの燃料（例えば、石油製品、天然ガスなど）は、今に至るまで、全世界のエネルギ生産の主要な源であり続けている。全世界の石油埋蔵量の予測、より「自然の」又は環境に優しいエネルギを提供したいという願望、及び他の多くの問題が、個人、企業、及び政府を、可能な代替エネルギ生産の研究へと突き動かしている。こうした研究及び開発の取り組みは、既存の、既知のエネルギ源からエネルギを生産する技術、システム、及び方法を改良する為の探求を含んでいた。例えば、従来の技術では到達しにくい地球物理学的場所にある石油を抽出する可能性に関する取り組みが行われてきた。更に、既存のエネルギプロセスを、より効率的な、より費用効率が高い、より環境に優しいものにする取り組みが行われてきた。

更には、過去にはほとんど無視されてきた埋蔵場所からエネルギを抽出することに焦点を当てる取り組みが行われてきた。場合によっては、そのような資源又は埋蔵場所が無視されてきたのは、それらが、他の利用可能な資源ほど炭素が豊富ではなかった為である。又、場合によっては、単純に、資源を利用可能なエネルギ形態に変換することがより困難だった為である。例えば、タールサンドやオイルシェールなどの資源から石油を抽出する取り組みは、かなり行われてきた。過去における、そのような資源からの石油の抽出は、技術的には可能であっても、これまでは、非効率的であり、環境に優しくないと考えられてきた。

現在は、他の既存の代替エネルギ源の改良に加えて、潜在的な新しいエネルギ源にも焦点を当てた研究が行われている。例えば、ソーラー技術、風力エネルギ生産、バイオ燃料生産、及び水素生産を改良する取り組みが、全て現在進行中である。しかしながら、当業者であれば理解されるように、こうした取り組みの全てが、様々な障害に直面している。それらは、経済的障害の場合や、政治的障害の場合や、科学的障害の場合がある。

そこで、目下の要望としてあるのが、新しいエネルギ源を提供することと、エネルギ抽出の取り組みを改良することと、既存のプロセス及び技術を改良することとにより、エネルギを、より効率的に、より豊富に、且つ、より環境に優しく提供することである。

本発明の実施形態は、ガスの生成に使用される反応器、並びに、この反応器が使用されてよいシステム及びプロセスに関する。更に、本発明の様々な実施形態が、反応器内で使用される部品に関する。

本発明の一実施形態によれば、反応器が提供される。反応器は、炉と、炉による加熱の為に配置されたるつぼであって、内部容積を画定しているるつぼと、を含む。下降管が、内部るつぼ内に少なくとも部分的に配置され、下降管は導管を含み、導管は、第１の端部に入口を有し、第２の端部に出口を有する。下降管は更に、第１の端部と第２の端部との間の導管内に形成された少なくとも１つの開口を有する。上記出口及び上記少なくとも１つの開口は、るつぼ内に収容される任意の液体原料に対して再循環経路を設けるように構成されている。

一実施形態では、上記少なくとも１つの開口は、その一端がテーパ状であってよい。更に、上記少なくとも１つの開口は、第１の端部と第２の端部との間の導管内に複数の開口を含んでよい。特定の一実施形態では、下降管の断面積は、長手軸にほぼ垂直な方向では、るつぼの、長手軸にほぼ垂直な方向での断面積の約半分である。下降管をるつぼ内の所望の位置に維持する為に、複数のガイド部材が導管と結合されてよい。更に、出口を通って流れる任意の流体を所望の方向又はパターンで方向づける為に、導管に分流構造物が関連付けられてよい。

特定の一実施形態では、酸化原料を投入する為の入口が、るつぼの下端に設けられる。るつぼの底部内に多孔円板又はスクリーンが配置されてよく、これによって、るつぼ内に収容された液体に酸化原料が投入された場合に、液体内に複数のガス気泡が形成される。

本発明の別の実施形態によれば、ガス処理システムが提供される。本システムは、酸化原料の供給源と、炭化水素原料の供給源と、反応器と、を含む。反応器は、炉と、炉による加熱の為に配置されたるつぼを含む。るつぼは、内部容積を画定し、触媒材料を収容する。下降管が、軸に沿って上記内部るつぼ内に少なくとも部分的に配置されている。下降管は導管を含み、導管は、第１の端部と、第２の端部と、第１の端部と第２の端部との間にある少なくとも１つの開口と、を有する。導管の第１の端部は、炭化水素原料の供給源と流体連通しており、第２の端部は、るつぼの内部容積への出口を備える。上記出口及び上記少なくとも１つの開口は、るつぼ内での触媒材料の再循環経路を画定している。酸化原料の供給源は、るつぼの下部に形成された入口と結合されてよい。るつぼの下部に多孔構造物が設置されてよく、酸化原料は、まず、この多孔構造物を通過し、次に、複数のガス気泡として、るつぼ内に収容された触媒材料に入っていく。

特定の一実施形態では、本システムの触媒材料は、塩（例えば、炭酸ナトリウムなど）を含む。炭化水素原料の供給源は、残留ビチューメンを含んでよく、酸化原料の供給源は、水を含んでよい。

本発明の更に別の実施形態によれば、反応器のるつぼの内部容積内で使用される下降管が提供される。下降管は、第１の端部及び第２の端部を有する導管を含む。分流構造物が、導管の第２の端部と隣接して配置され、導管と結合されている。少なくとも１つの開口が、第１の端部と第２の端部との間の導管内に形成されている。複数のガイド部材が、導管と結合されてよく、導管から半径方向外側に延びてよい。はねよけが、導管と結合されてよく、導管の上記少なくとも１つの開口と第１の端部との間に配置されてよい。特定の一実施形態では、分流器は、ほぼ球状の形状を呈してよい。

本発明の更なる実施形態によれば、反応器内での反応を制御する方法が提供される。本方法は、るつぼ内に塩浴槽を設けるステップと、るつぼ内に少なくとも部分的に配置されている導管を通じて、塩浴槽に炭化水素原料を投入するステップと、るつぼの底部部分において、塩浴槽に酸化原料を投入するステップと、導管を通る、塩浴槽の再循環経路を設けるステップと、を含む。

本方法は、導管内に１つ以上の開口を設けるステップと、上記開口を通じて塩浴槽を流し、導管を通じて戻すステップと、を含んでよい。酸化原料は、るつぼの底部のそばの場所にある塩浴槽に、複数の気泡として投入されてよく、これによって、塩浴槽が上昇し、導管内の上記開口に流れ込む。

一実施形態では、塩浴槽を設けるステップは、炭酸ナトリウムを提供するステップを含んでよく、酸化原料は、水として提供されてよく、炭化水素原料は、残留ビチューメンとして提供されてよい。

以下に記載されるように、これらの装置、システム、及び方法には、他の様々な部品や動作が含まれてよく、これは、当業者であれば理解されるところであろう。

以下の詳細説明を読み、図面を参照することにより、本発明の上述の利点及び他の利点が明らかになるであろう。

本発明の一実施形態による反応器を含むシステムを示す概略図である。 本発明の一実施形態による反応器の斜視図である。 図１に示された反応器の斜視図であって、反応器の一部品の部分断面を示している図である。 本発明の一実施形態による、図２及び図３に示された反応器において使用されてよい一部品の斜視図である。 本発明の一実施形態による、図２及び図３に示された反応器において使用されてよい一部品の斜視図である。 本発明の一実施形態による、反応器内の原料の流れを示す概略図である。 本発明の一実施形態による、反応器の部品の斜視図である。 本発明の一実施形態による、反応器の部品の斜視図である。 本発明の一実施形態による、様々な反応器部品の断面図である。

これまで、人類のエネルギ需要に応える上で、エネルギ変換、エネルギ効率、及び資源の最適利用に焦点を置いた、有意義な取り組みが行われてきた。本開示では、所与の原料からエネルギ源（例えば、水素又は他のガス）を抽出する際に使用されてよい反応器について説明する。又、本開示においては、そのような反応器に関連付けられた様々な部品及び方法についても説明する。本明細書に記載の本発明の一実施形態は、アルカリ金属改質（ＡＭＲ）と称される方法で原料を処理するアルカリ金属反応器を含む。しかしながら、本発明の各種態様は、多種多様なエネルギ変換に適用可能であってよい。

ＡＭＲプロセスを使用することの利点は、広範囲の供給原料を、より有用なエネルギ源に改質することが可能なことである。供給原料は、主に酸化原料及び何らかの形の炭化水素を含むが、炭素そのものも使用可能である。一実施形態では、炭化水素原料は、「残油」と称されることもある残留ビチューメン原料を含んでよい。残油原料は、減圧残油（ＶＲ）と称されることもあってよい。減圧残油（ＶＲ）原料は、舗装タール又はアスファルトとよく似ており、原油の減圧蒸留時に生成されてよい。これらの原料は、一般には、経済的価値が低いと考えられている。残油の組成は、当業者であれば認識されるように、大部分が炭素であり、加えて、少ない割合の水素と、更に少ない割合の硫黄及び他の微量元素とを含む。

本発明の１つのＡＭＲプロセスによれば、使用済み廃棄物と水とを、高温のアルカリ金属塩浴槽に投入してよい。結果として化学反応が起こり、水素と、一酸化炭素と、二酸化炭素とが、他の何種類かのあまり重要ではないガスとともに発生する。塩浴槽を収容するるつぼの加熱には、高温炉を使用してよい。所望の温度に達して、残油及び水の両方を塩浴槽に投入すると、塩浴槽が触媒として動作して、所望のガス生成物が生成される。結果として得られたガスを分離して、純ガス、即ち、水素、一酸化炭素、及び二酸化炭素として販売することが可能である。或いは、これらのガスを結合して、肥料、化学物質、燃料、及び他の製品の生産に使用される合成ガスにすることが可能である。そのようなプロセスの一例が、２０１１年７月２１日に出願された米国特許出願第１３／１８８，１６７号明細書（発明の名称「合成ガス及び燃料ガスを生産するシステム及びプロセス（ＳＹＳＴＥＭ ＡＮＤ ＰＲＯＣＥＳＳ ＦＯＲ ＴＨＥ ＰＲＯＤＵＣＴＩＯＮ ＯＦ ＳＹＮＧＡＳ ＡＮＤ ＦＵＥＬ ＧＡＳＳＥＳ）」）において説明されており、この開示の全てが参照によって本明細書に組み込まれている。

まず図１を参照すると、上述されたような供給原料を使用してガスを生成するシステム１００及びプロセスの概要が示されている。システム１００は、酸化原料の供給源１０２を含む。一実施形態では、酸化原料の供給源１０２は、所望の化学物質により、所望の温度及び圧力で維持されている調整水を含んでよい。システム１００は更に、炭化水素原料の供給源１０４を含む。上述のように、炭化水素原料の供給源１０４は、残油原料を含んでよい。他の実施形態では、別の酸化原料及び炭化水素原料を利用してよい。酸化原料の供給源１０２と同様に、炭化水素原料の供給源１０４は、反応器１０６への投入に備えて、指定の条件（例えば、温度及び圧力）で維持されてよい。

後で詳述するが、反応器１０６は、塩又は他の原料の溶融槽を含んでよく、この溶融槽には、酸化原料及び炭化水素原料が投入され、溶融槽と反応する。一実施形態では、溶融塩は炭酸ナトリウムを含んでよく、炭化水素は残油原料として供給されてよく、酸化剤は水を蒸気形態で含んでよい。反応器１０６内で起こる化学反応によって、気体、液体、及び固体が生成される。一実施形態では、水及び残油原料を、炭酸ナトリウムの溶融塩浴槽に投入される反応成分として使用すると、炭酸ナトリウムと蒸気との相互作用から水酸化ナトリウムが生成される。そして、水酸化ナトリウム、炭素、及び水が反応して、炭酸ナトリウム及び水素が生成される。水素は、他の反応生成物とともに、ガスとして塩浴槽を離れて更に処理されるが、炭酸ナトリウムは、塩浴槽内に残って後続の反応に使用される。

様々な分離／処理システム１０８を使用して、るつぼ１１０内での反応から得られた生成物を分離及び処理したり、所望の使用可能な生成物（例えば、水素、メタン、及び他のガスなど）を提供したりしてよい。水、塩、及び他の生成物も分離されて、反応器１０６に戻されて再利用されてよい。上述のような（例えば、既に組み込まれている米国特許出願明細書（発明の名称「合成ガス及び燃料ガスを生産するシステム及びプロセス（ＳＹＳＴＥＭ ＡＮＤ ＰＲＯＣＥＳＳ ＦＯＲ ＴＨＥ ＰＲＯＤＵＣＴＩＯＮ ＯＦ ＳＹＮＧＡＳ ＡＮＤ ＦＵＥＬ ＧＡＳＳＥＳ）」）において説明されているような）システムに関連付けられた様々な制御が行われてよい。

次に図２及び図３を参照すると、本発明の一実施形態による反応器１０６が示されている。図２は、反応器１０６の斜視図を示しており、図３は、同じ反応器１０６の部品の１つを「分割」して断面を見せることにより、更なる詳細を示した図である。反応器１０６は、フレーム１１４に取り付けられた炉１１２の中に配置されたるつぼ１１０を含む。炉１１２は、例えば、ウィスコンシン州ウォータータウン（Ｗａｔｅｒｔｏｗｎ）にあるカーボライトインコーポレイテッド（Ｃａｒｂｏｌｉｔｅ， Ｉｎｃ．）から市販されているヒンジ式３ゾーン縦型管状炉であるモデルＸＳＴ−６−０−２４−３Ｃのような市販の炉を含んでよい。一実施形態では、炉１１２は、るつぼとその内容物を、所望の時間の間に約９００℃から約９３０℃又はそれ以上の温度まで加熱するように構成されてよい。更に、炉１１２は、ゾーン１１６Ａから１１６Ｃ（図３）として図示された複数のゾーンを含んでよく、これらのゾーンは個別に制御可能であり、それによって、るつぼ１１０の長さ方向の指定された場所での重点的な加熱が可能になる。図３には別々の３つのゾーン１１６Ａから１１６Ｃが示されているが、ゾーンの数がより多いか、より少ない炉も利用されてよい。

吊り上げ機構１１８をフレーム１１４に関連付けることにより、るつぼ１１０を、炉１１２に対して所望の高さに位置決めして保持することが可能である。吊り上げ機構１１８は又、清掃、修理、又は交換が必要な場合には、るつぼを吊り上げて炉１１２から外すように構成されてよい。

るつぼ１１０は、ほぼ円筒形の部材として形成されてよい。例えば、一実施形態では、るつぼ１１０は、入力系及び出力系との接続の為に、一端にキャップ１２０を有し、他端にフランジ１２２を有する３０４型ステンレス鋼管から形成されてよい。実施形態によっては、るつぼ１１０は、長さが約３フィートであってよく、３インチ又は５インチのスケジュール１０管から形成されてよい。るつぼ１１０の上部フランジ１２２に、排気ガススプール１２４が連結されている。スプール１２４は、１つ以上のガス出口１２６を有して、るつぼ１１０内で起こった反応で発生したガスを排出するように構成されてよい。更に、スプール１２４は、後で詳述されるように、内部部品（例えば、下降管構造物）を支持するように構成されてよい。スプールには、炭化水素原料（例えば、残油）などのプロセス原料を受け取る為の１つ以上の入口１３０が関連付けられてよい。実施形態によっては、スプール１２４、入口１３０、及び出口１２６は、そこを通って流れるあらゆる流体を所望の温度に維持することを支援する為に、断熱材料で覆われてよく、或いは発熱体（例えば、伝熱媒体を搬送する管体、熱伝導媒体、又は電熱テープ）でくるまれてもよい。他のプロセス原料（例えば、蒸気形態の水などの酸化原料）をるつぼ１１０に投入する為に、るつぼ１１０の底部に（例えば、端部キャップ１２０内に）別の入口１３２が配置されてよい。スプール１２４の場合と同様に、るつぼ１１０の底部にある入口１３２に関連付けられた配管及び他の部品は、本システムの熱的性能を向上させる為に、断熱又は加熱されてよい。

図４を参照して、るつぼ内に配置された様々な内部部品を示し、説明する。図４は、本明細書ではまとめて下降管１４０と称される管構造物の斜視図を示す。下降管１４０は、るつぼ１１０内に収容されている塩浴槽に残油原料を投入する際に使用される。更に、後述されるように、下降管１４０は、るつぼ１１０内に再循環経路を設けることにより、プロセス原料（例えば、水及び残油）の塩浴槽内での滞留時間を制御することを支援して、るつぼ１１０内での反応を強化するように構成されている。

下降管１４０は、導管１４２を含み、導管１４２を通ってプロセス原料が供給源（例えば、炭化水素原料の供給源１０４）からるつぼ１１０へ（従って、溶融塩浴槽へ）運搬される。導管１４２は、腐食性環境、高温、及び高圧に耐えうる材料から形成されたパイプ又はチューブであってよい。例えば、導管１４２は、下降管１４０の他の部品と同様に、ステンレス鋼材料から形成されてよい。下降管１４０の第１の端部１４４が、スプール１２４と構造的に結合されてよく、スプール１２４の１つ以上の入口１３０と流体連通する状態に置かれてよい。下降管１４０の第２の端部１４６が、バッフル又は分流器１４８と、分流器１４８のそばに形成された複数の開口１５０と、を含んでよい。これらの開口は、下降管１４０を通ってるつぼ１１０に流入する材料が自由に流れるように、且つ、下降管１４０を通って循環しうる固体があっても、それらが捕捉されたり、ひっかかったりする可能性が最小限になるように、サイズ及び形状が決定され、構成されてよい。図４に示された実施形態に見られるように、分流器１４８は、ほぼ球状の部材として形成されてよい。しかしながら、分流器１４８は、例えば、円錐状、凸状、平坦など、他の形状を呈するように構成されてもよい。分流器１４８は、プロセス原料の、導管１４２を通る、下降経路からの流れを方向転換して、プロセス原料がるつぼ１１０の底部のそばで導管１４２から半径方向により広がることを支援するように構成されている。

下降管１４０は又、導管１４２と結合されたはねよけ１５２を含む。はねよけ１５２は、反応器１０６の動作中のるつぼ１１０内での様々な成分（例えば、蒸気成分及び残油成分を収容する塩浴槽）の予想される液面に基づいて、導管１４２上に配置される。はねよけ１５２は、液体が塩浴槽から、塩浴槽より低温であろう、るつぼ１１０の上面にはねかかることを防ぐことを支援する。塩浴槽が、温度の低いこれらの面にはねかかった場合、はねかかった液体は、るつぼの上部内側表面上で凝固し、少なくとも、溶融塩の液面が下がって、場合によっては、ガスの流れを抑制したり、完全に止めてしまったりする可能性がある。ガスがるつぼ１１０を通ってスプール１２４の出口１２６まで上昇することを可能にする為に、はねよけ１５２内に、１つ以上の開口１５４が形成されてよい。更に、はねよけ１５２は、自身と（例えば、環を形成している）るつぼの壁との間に小さな空間を設けて、そこにもガスの通り道ができるようにするよう、サイズ決定されてよい。

導管１４２内に、１つ以上の堰１５６、即ち、再循環入口が形成されてよい。一実施形態では、堰１５６は、はねよけ１５２のそばであって、はねよけ１５２と導管１４２の第２の端部１４６との間に配置されてよい。後で詳述されるように、堰１５６は、溶融塩の、るつぼ内での再循環経路を提供する。一実施形態では、堰１５６は、下側部分が略テーパ状であってよい。この構成により、（例えば、残油原料の追加及び塩浴槽内でのガス気泡の形成によって）溶融塩の液面が上昇すると、堰の形状が広がっていることにより、再循環溶融塩の導管１４２への流れ込みが増える。

複数のフィン又はガイド部材１５８が、導管１４２と結合され、導管１４２から半径方向外側に延びている。ガイド部材１５８は、下降管１４０をるつぼ１１０内に配置し、下降管１４０をるつぼ１１０の長手軸１６０に沿ってほぼ中心に（即ち、長手軸１６０とほぼ同軸に）保持することを支援する。図４に示されるように、ガイド部材１５８は、導管１４２の第２の端部１４６のそばに（例えば、開口１５０及び／又は分流器１４８と隣接して）配置されてよい。しかしながら、ガイド部材１５８は、導管１４２上の他の長手方向の位置に配置されてもよい。ガイド部材１５８は、例えば、導管１４２に溶接されてよく、或いは他の、当業者には知られている、るつぼ１１０内でさらされる温度、圧力、及び化学的状況に耐えうる手段及びプロセスを用いて取り付けられてよい。図４に示されるように、３つのガイド部材１５８が、導管１４２の周りにほぼ同じ角度間隔で（例えば、約１２０°間隔で）配置されてよい。しかしながら、ガイド部材１５８は他の配置であってもよく、例えば、ガイド部材１５８の数、間隔、又は位置決めが異なってもよい。

一実施形態では、導管１４２の断面積は、るつぼ１１０の長手軸１６０に垂直な方向では（図４を参照）、るつぼ１１０の、同じ方向での断面積のほぼ半分である。そのような実施形態では、導管１４２とるつぼ１１０の内側表面との間で画定される環を上っていく液体の質量流量は、導管を下りていく液体の質量流量とほぼ同じであってよい。なお、環内の体積が大きく見えるのは、塩浴槽内のガス気泡の為であり、ガスは塩浴槽から離れて反応器１０６から出るが、液体は残って、下降管１４０内を再循環する。もちろん、他の断面積比も利用されてよく、例えば、原料の種類、原料の混合比、及びるつぼ１１０内での原料の粘度、並びに、下降管１４０の導管１４２を通る所望の再循環流量に応じて利用されてよい。

図５を参照すると、本発明の別の実施形態による別の下降管１４０’が示されている。下降管１４０’は、図４に示された下降管１４０とほぼ同様であり、第１の端部１４４、第２の端部１４６、はねよけ１５２、及び堰１５４を備える導管１４２を有する。しかしながら、分流器１４８は、導管１４２と直接には接触していない。むしろ、分流器１４８は、導管１４２の第２の端部１４４とは間隔を置き、ガイド部材１５８が、導管１４２及び分流器１４８の両方と結合されている。導管１４２の第２の端部１４６と分流器１４８との間に開口１５０が形成されており、開口１５０は、部分的には、ガイド部材１５８によって、導管１４２内を流れてきた原料の出口として画定されている。

次に図６を参照すると、下降管１４０（又は１４０’）がるつぼ１１０の内部空間内に配置された概略図が示されている。矢印１６４で示された圧力の下での注入などにより、反応物質成分（例えば、残油）が、下降管の導管１４２を通じて投入される。他の実施形態では、圧力によるのではなく、滴下などにより、導管１４２を通じて原料を投入してよい。最初、塩浴槽の液面は、図６の破線で示されるように、堰１５６の高さより低くなる。

るつぼ１１０の底部又は底部付近に、別の反応物質成分（例えば、水）を投入してよい。例えば、矢印１６６で示されるように、るつぼ１１０の底部において、入口１３２を通じて蒸気を投入してよい。入口１３２の上方の、るつぼ１１０の底部の内側に、多孔円板１７０が配置されてよい。円板１７０を通る蒸気は、小さな気泡１７２の塔として、るつぼ内の塩浴槽に入る。例えば、一実施形態では、気泡は、直径が約１／１６インチとなるように形成されてよい。塩浴槽に気泡１７２が投入されると、液面が上昇する。ガス気泡１７２とともに運ばれる、上昇する液体の塔は、堰１５６と遭遇するまで上昇し、ガスが液体から出ていくにつれて、堰１５６を通じて導管１４２に流れ込む。ガスは、液体から出て、はねよけ１５２の開口１５４を通って流れ、且つ、はねよけ１５２と、るつぼ１１０の内側表面との間に形成された環を通って流れる。最終的に、ガスは、スプールの出口１２６から外に出て、更に処理される（図２及び図３を参照）。

ガス気泡１７２が塩浴槽に投入されると、下降管１４０の導管１４２内に形成されている堰１５６との組み合わせにより、塩浴槽の循環が引き起こされ、これによって、塩浴槽が新しい気泡群に対して連続的に投入される。蒸気（又は他の反応成分ガス）の小さな気泡１７２が投入されると、（残油又は他の反応成分を含む）塩浴槽の液体に対する酸化原料の露出量又は接触面積が増え、化学反応（例えば、炭酸ナトリウムから水酸化ナトリウムへの変換）の効率が向上する。

前述のように、分流器１４８は、導管１４２を通ってるつぼに流入する原料が半径方向により広がることを支援する。更に、分流器１４８は又、多孔円板１７０を通って流れる蒸気又は他の反応成分が、外向きに流れて他の反応成分（例えば、残油）と混ざり合うようにする。分流器１４８がない場合、るつぼ１１０の底部において入口１３２から投入された反応成分は、導管１４２の底部から流れ出る反応成分に直接流入し、これらの成分の混合量（従って、これらの反応量）は、所望量より少なくなる。更に、分流器１４８がない場合、導管１４２を通ってガス気泡が上方に流れる可能性があり、場合によっては、導管１４２を通る液体の再循環が妨げられる可能性がある。

塩浴槽の回転又は再循環の動作は、残油（又は他の反応成分）の、触媒材料への天然の折り畳みを引き起こし、これを溶融浴槽に深く引き込む。例えば、炭酸ナトリウムを含む塩浴槽に反応成分としての残油及び水が投入される場合を考えると、液体を連続的に動かすことにより、炭酸ナトリウムと（化学反応によって生成された）水酸化物塩とが十分に混ざり合った状態に保たれ、分離する可能性が大幅に低減される。

又、るつぼの床面全体が（即ち、多孔円板１７２からの）気泡の放出に関与している為、これは、炭素固体がるつぼの底部に集まるのを防ぐことを支援し、炭素固体は、完全に溶解するまで、塩浴槽とともに循環され続けることに注目されたい。

図７から図９を参照すると、本発明の一実施形態による多孔円板１７０が示されている。多孔円板１７０は、例えば、蒸気又は他の反応成分が、多孔円板１７０を通って流れて、上述のような複数の気泡を形成することを可能にするように構成されたステンレス鋼メッシュ又は他の材料を含んでよい。特定の一実施形態では、多孔円板１７０は、直径が約４インチ、厚さが約１／８インチ、孔サイズが約０．５マイクロインチであってよい。もちろん、多孔円板１７０は、他の構成であってもよく、例えば、別の孔サイズであってもよい。

多孔円板１７０は、入口１７６が内部と連通している、ほぼ中空体として形成されてよい。図９に示されるように、入口１７６は、るつぼ１１０の底部部分（例えば、端部キャップ１２０）を貫通して延びて、図２に関して上述された、るつぼ１１０の入口１３２のように動作してよい。別の実施形態では、入口１７６は、るつぼ１１０の入口１３２と連通していてよく、且つ、るつぼ１１０の入口１３２と封止的に結合していてよい。

一実施形態では、多孔円板１７０は、円板１７０の上壁１７８が多孔であるように、又は、上壁１７８が流体原料の通過を可能にするように、構成されてよい。別の実施形態では、上壁１７８が多孔構造であることに加えて（又はその代わりに）、多孔円板１７０の他の部分（例えば、側壁１８０、底壁１８２、又はその両方）が、多孔構造として形成されてよい。この円板は、るつぼ１１０の長手軸１６０にほぼ垂直な方向では、るつぼ１１０のほぼ断面積いっぱいに広がって形成されてよい。円板１７０の側壁１８０及び／又は底壁が多孔材料から形成されている場合のような別の実施形態では、円板１７０は、側壁１８０とるつぼ１１０の壁との間に環又は他の空間を画定するように形成されてよい。

本発明は、様々な修正及び代替形態が可能であってよいが、本明細書では、特定の実施形態を、例として、図面に示し、詳細に説明した。しかしながら、本発明は、開示された特定の形態に限定されるものではないことを理解されたい。むしろ、本発明は、この後に添付されている特許請求の範囲によって定義される、本発明の趣旨及び範囲に収まるあらゆる修正、等価物、及び代替物を包含する。

Claims (35)

1. 炉と、
   前記炉による加熱の為に配置されたるつぼであって、内部容積を画定している前記るつぼと、
   前記内部るつぼ内に少なくとも部分的に配置されている下降管であって、前記下降管は導管を含み、前記導管は、第１の端部に入口を有し、第２の端部に出口を有し、前記第１の端部と前記第２の端部との間の前記導管内に形成された少なくとも１つの開口を有し、前記出口及び前記少なくとも１つの開口は、前記るつぼ内に収容される任意の液体原料に対して再循環経路を設けるように構成されている、前記下降管と、
   を備える反応器。
2. 前記少なくとも１つの開口は、その一端がテーパ状である、請求項１に記載の反応器。
3. 前記少なくとも１つの開口は、前記第１の端部と前記第２の端部との間の前記導管内に複数の開口を含む、請求項２に記載の反応器。
4. 前記下降管は、ほぼ、前記るつぼの長手軸に沿って延びる、請求項１に記載の反応器。
5. 前記下降管の断面積は、前記長手軸にほぼ垂直な方向では、前記るつぼの、前記長手軸にほぼ垂直な方向での断面積の約半分である、請求項４に記載の反応器。
6. 前記下降管は更に、前記導管と結合された複数のガイド部材を備え、前記複数のガイド部材のサイズ及び位置は、前記導管をほぼ前記長手軸に沿って維持するように決定される、請求項５に記載の反応器。
7. 前記るつぼと結合されたスプール構造物を更に備え、前記スプール構造物は、少なくとも１つの出口及び少なくとも１つの入口を有する、請求項６に記載の反応器。
8. 導管の入口が、前記スプール構造物の前記少なくとも１つの入口と流体連通している、請求項７に記載の反応器。
9. 前記導管の前記第２の端部に隣接して配置された分流構造物を更に備える、請求項６に記載の反応器。
10. 前記分流構造物は、ほぼ球状の形状を呈する、請求項９に記載の反応器。
11. 前記分流構造物は、前記導管の前記第２の端部から間隔を置いており、前記複数のガイド部材のそれぞれは、前記導管と前記分流構造物との間に結合されている、請求項１０に記載の反応器。
12. 前記るつぼは更に、前記導管の前記第２の端部より下方に配置された反応物質入口を含む、請求項９に記載の反応器。
13. 前記反応物質入口と前記導管の前記第２の端部との間に配置された多孔円板構造物を更に備える、請求項１２に記載の反応器。
14. 前記導管と結合されており、前記導管の前記少なくとも１つの開口と前記第１の端部との間に配置されたはねよけを更に備える、請求項１３に記載の反応器。
15. 前記るつぼ及び前記下降管は、ステンレス鋼材料から形成されている、請求項１４に記載の反応器。
16. 前記炉は、選択的制御が可能な複数の加熱ゾーンを含む、請求項１に記載の反応器。
17. 酸化原料の供給源と、
    炭化水素原料の供給源と、
    反応器と、を備えるガス処理システムであって、前記反応器は、
    炉と、
    前記炉による加熱の為に配置されたるつぼであって、内部容積を画定し、触媒材料を収容する前記るつぼと、
    軸に沿って前記内部るつぼ内に少なくとも部分的に配置されている下降管であって、前記下降管は導管を含み、前記導管は、第１の端部と、第２の端部と、前記第１の端部と前記第２の端部との間にある少なくとも１つの開口と、を有し、前記第１の端部は前記炭化水素原料の供給源と流体連通しており、前記第２の端部は前記るつぼの前記内部容積への出口を備え、前記第２の端部及び前記少なくとも１つの開口は、前記るつぼ内での前記触媒材料の再循環経路を画定している、前記下降管と、を備える、
    システム。
18. 前記触媒材料は塩を含む、請求項１７に記載のシステム。
19. 前記触媒材料は炭酸ナトリウムを含む、請求項１７に記載のシステム。
20. 前記炭化水素原料の供給源は、残留ビチューメンを含む、請求項１９に記載のシステム。
21. 前記るつぼは更に、前記導管の前記出口より下方に配置された入口を備え、前記入口は、酸化原料の供給源と流体連通している、請求項２０に記載のシステム。
22. 前記酸化原料は水を含む、請求項２１に記載のシステム。
23. 前記入口と前記導管との間に配置された多孔円板構造物を更に備える、請求項２２に記載のシステム。
24. 前記多孔円板構造物と前記導管との間に、前記導管の前記第２の端部と隣接して配置された分流構造物を更に備える、請求項２３に記載のシステム。
25. 反応器のるつぼの内部容積内で使用される下降管であって、
    第１の端部及び第２の端部を有し、軸に沿って延びる導管と、
    前記導管の前記第２の端部と隣接し、前記導管と結合された分流構造物と、
    前記第１の端部と前記第２の端部との間の前記導管内に形成された、少なくとも１つの開口と、
    前記導管と結合されており、前記導管から半径方向外側に延びている、複数のガイド部材と、
    を備える下降管。
26. 前記少なくとも１つの開口は、テーパ状の形状を呈する少なくとも一部分を含む、請求項２５に記載の下降管。
27. 前記分流構造物は、ほぼ球状の形状を呈する、請求項２５に記載の下降管。
28. 前記導管と結合されており、前記導管の前記少なくとも１つの開口と前記第１の端部との間に配置されたはねよけを更に備える、請求項２７に記載の下降管。
29. 反応器内での反応を制御する方法であって、
    るつぼ内に塩浴槽を設けるステップと、
    前記るつぼ内に少なくとも部分的に配置されている導管を通じて、前記塩浴槽に炭化水素原料を投入するステップと、
    前記るつぼの底部部分において、前記塩浴槽に酸化原料を投入するステップと、
    前記導管を通る、前記塩浴槽の再循環経路を設けるステップと、
    を含む方法。
30. 第１の端部及び第２の端部を有するように前記導管を画定するステップを更に含み、再循環経路を設ける前記ステップは、前記第１の端部と前記第２の端部との間の前記導管内に少なくとも１つの開口を設けるステップを含む、請求項２９に記載の方法。
31. 前記塩浴槽の一部分を前記導管内の少なくとも１つの開口を通じて流し、前記導管を通じて戻すステップを更に含む、請求項３０に記載の方法。
32. 前記塩浴槽の一部分を前記少なくとも１つの開口を通じて流す前記ステップは更に、前記塩浴槽の液面を、前記少なくとも１つの開口の高さまで上昇させるステップを含む、請求項３１に記載の方法。
33. 前記塩浴槽の液面を上昇させる前記ステップは、前記塩浴槽に前記酸化原料を、複数のガス気泡として投入するステップを含む、請求項３２に記載の方法。
34. るつぼ内に塩浴槽を設ける前記ステップは、炭酸ナトリウムを収容する塩浴槽を設けるステップを含む、請求項３３に記載の方法。
35. 前記塩浴槽に酸化原料を投入する前記ステップは、前記塩浴槽に蒸気を投入するステップを含み、前記塩浴槽に炭化水素原料を投入する前記ステップは、圧力下で前記塩浴槽に残留ビチューメンを注入するステップを含む、請求項３４に記載の方法。

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