JP2015502843A - 吸着分離におけるエネルギー効率の改善 - Google Patents

Abstract

本発明の方法は、１台以上のプロセスポンプを可変速駆動手段で駆動することにより、この１台以上のポンプにおけるエネルギーを節約する手段を含んでなる。この発明は、吸着された製品を成分の混合物から分離するのに特に有用であり、その際、可変速駆動手段でポンプ圧送された大循環流に付随する模擬移動床吸着を用いて、既知の技術に比べてエネルギーの節約を達成する。このような改善法は、混合Ｃ８芳香族炭化水素からパラキシレンを分離する方法に特に適用できる。【選択図】図１

Description

[0001] 本願は、２０１１年１１月９日出願の米国出願第１３／２９２，７１３号の優先権を主張する。
[0002] 本発明は、液体類をポンプ輸送するのにかなりのエネルギー所要量を必要とする諸方法におけるエネルギーの節約に関する。より具体的には、本発明は炭化水素の吸着分離プロセスにおけるエネルギーの節約に関する。

[0003] 本発明は、液体類のポンプ輸送でかなりのエネルギーが消費される、石油および石油化学プロセスにおいて適用される。このような用途の具体例としては、液体供給材料をポンプ圧送して高い圧力にしたり、比較的大量の液体類が循環されるリサイクルプロセスに液体供給材料をポンプ輸送する場合である。本発明は、ポンプ流量が可変で、その結果、エネルギー要求の充足が非効率となる場合に妥当となり、特に、重要な事情で流量が低下した場合に妥当となる。

[0004] １つの具体的な用途は、ラフィネートおよび／または他の副生物を含んでなる混合物から抽出物を選択的に吸着するための連続分離プロセスにある。このようなプロセスは、炭化水素の分離、例えば、Ｃ_８芳香族炭化水素の混合物からのパラキシレンおよび／またはメタキシレンの分離、パラフィン混合物からのノルマルパラフィンの分離、またはオレフィンとパラフィンとの混合物からの特定のオレフィンの分離、に広く使用されている。一般的に、これらのプロセスは固体吸着剤を用い、この固体吸着剤は抽出物を優先的に保持して、混合物の他の成分から抽出物を分離させるようにする。

[0005] 固体吸着剤は、模擬移動床の形態を取ることが多い。この模擬移動床では、固体吸着剤の床が静止状態で保持され、様々な流れがこの床に出入する箇所は定期的に移動される。吸着剤床そのものは普通は一続きの固定された副床である。床を通る流体の流れ方向での液体投入・排出箇所の移動は、反対方向での固体吸着剤の移動を模倣している。液体投入・排出箇所の移動は、吸着剤副床同士の間に置かれた分配器と共に働く回転弁として一般的に知られている流体誘導装置により達成される。ポンプアラウンド（ポンプ循環）流は、液体を吸着剤床の底部から頂部へ循環させるポンプにより案内される。ある一定の箇所でのポンプアラウンド流の組成と容量は、各々の弁工程に応じて変わる。吸着剤床は、相当する数のポンプアラウンド流とポンプと共に２つ以上の室内に設置されてよく、２台のポンプがこのような吸着ユニットでは一般的である。変動するかなりの量の物質を１つまたは多数の吸着剤室を巡って動かすポンプアラウンドポンプは、著しいエネルギーを消費する。

[0006] 模擬移動床とその操作に関するより詳細については、米国特許第２，９８５，５８９号を参照のこと。パラキシレン分離プロセスについては、Ｍｏｗｒｙ，Ｊ．Ｒ．， Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｒｅｆｉｎｉｎｇ Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ；Ｍｅｙｅｒｓ， Ｒ．Ａ．編；ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ；Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ， １９８６；８−７９頁〜８−９９頁を参照。

米国特許第２，９８５，５８９号明細書

Ｍｏｗｒｙ，Ｊ．Ｒ．， Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｒｅｆｉｎｉｎｇ Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ；Ｍｅｙｅｒｓ， Ｒ．Ａ．編；ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ；Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ， １９８６；８−７９頁〜８−９９頁

[0007] 本発明の目的は、石油および石油化学プロセスにおける液体の可変量ポンプ圧送においてエネルギーの節約を提供することである。特に、本発明は、模擬移動床吸着法における高いポンプ圧送エネルギーの使用を緩和するのに価値がある。

[0008] 本発明の広範な態様は、吸着された化合物を２種以上の化合物を含んでなる供給流から分離するための均一圧プロセスにおける１つ以上の循環流の流量を制御し、上記１つ以上の循環流をポンプ圧送する際のエネルギーを節約する方法であって、上記分離が、複数のアクセスポイントを含んでなる１つ以上の多床吸着剤室に含まれている模擬移動床における吸着分離によりなされ、供給流および脱着剤流が各々上記１つ以上の吸着剤室に注入され、上記吸着化合物を含んでなる抽出物流およびラフィネート流が、個々のアクセスポイントを移すことにより１処理サイクル中に上記１つ以上の吸着剤室から各々別々に取出され、少なくとも１つの上記循環流が、処理サイクル中少なくとも１０％変動する流量でポンプ圧送することにより上記１つ以上の吸着剤室を通して循環される変動割合の供給材料、脱着剤、抽出物およびラフィネートを含んでなる、方法において、上記方法が、少なくとも１台のポンプを可変速駆動手段に接続させることにより上記１つ以上の循環流を循環させる１台以上のポンプを稼動させることを含んでなる、方法、を含んでなる。

[0009] より具体的な態様は、パラキシレンを混合Ｃ_８芳香族炭化水素から分離するための均一圧プロセスにおいて１つ以上の循環流の流量を制御し、上記１つ以上の循環流をポンプ圧送する際のエネルギーを節約する方法であって、上記分離が、複数のアクセスポイントを含んでなる１つ以上の多床吸着剤室に含まれている模擬移動床における吸着分離によりなされ、上記Ｃ_８芳香族炭化水素流および脱着剤流が各々上記１つ以上の吸着剤室に注入され、パラキシレンを含んでなる抽出物流およびラフィネート流が、個々のアクセスポイントを移すことにより１処理サイクル中に上記１つ以上の吸着剤室から各々別々に取出され、少なくとも１つの上記循環流が、処理サイクル中に少なくとも１０％変動する流量でポンプ圧送することにより上記１つ以上の吸着剤室を通して循環される変動割合の混合Ｃ_８芳香族炭化水素、脱着剤、パラキシレンおよびラフィネートを含んでなる、方法において、上記方法が、少なくとも１台のポンプを可変速駆動手段に接続させることにより上記循環流を循環させる１台以上のポンプを稼動させることを含んでなる、方法、である。

[0010] さらにより具体的な態様は、パラキシレンを混合Ｃ_８芳香族炭化水素から分離するための均一圧プロセスにおいて１つ以上の循環流の流量を制御し、上記１つ以上の循環流をポンプ圧送する際のエネルギーを節約する方法であって、上記分離が、複数のアクセスポイントを含んでなる１つ以上の多床吸着剤室に含まれている模擬移動床における吸着分離によりなされ、上記Ｃ_８芳香族炭化水素流および脱着剤流が各々上記１つ以上の吸着剤室に注入され、パラキシレンを含んでなる抽出物流およびラフィネート流が、個々のアクセスポイントを移すことにより１処理サイクル中に上記１つ以上の吸着剤室から各々別々に取出され、少なくとも１つの上記循環流が、処理サイクル中に少なくとも１０％変動する流量でポンプ圧送することにより上記１つ以上の吸着剤室を通して循環される変動割合の混合Ｃ_８芳香族炭化水素、脱着剤、パラキシレンおよびラフィネートを含んでなる、方法において、上記方法が、少なくとも１台のポンプを可変速駆動手段に接続させることにより上記循環流を循環させる１台以上のポンプを稼動させること；および予測負荷制御のアルゴリズムを利用してポンプと弁のタイミングを制御することにより、上記可変速駆動されたポンプの速度を操り、回転弁の割出と同時に制御位置を調節して、適正な室間流体流量を得ること、を含んでなる、方法、である。

[0011] 図１は、混合Ｃ_８芳香族炭化水素からパラキシレンを回収するための従来の模擬移動床吸着法の略図である。 [0012] 図２は、本発明のエネルギーの節約装置の箇所を示す、図１の方法の略図である。 [0013] 図３は、本発明のエネルギーの節約装置の別の配置を示す、図１の方法の略図である。

[0014] 上述のように、本発明は、石油および石油化学プロセスにおける液体の可変流量ポンプ圧送において特に該当するエネルギーの節約をもたらす。ポンプ圧送された液体流の流量が処理サイクル中に少なくとも１０％、特に２５％以上、変動した場合、流量制御弁での圧力下降と関連のエネルギー損失は処理費用に対しかなりの影響を及ぼす可能性がある。処理サイクルにおいて液体流を循環させるポンプに可変速駆動手段を用いることにより、エネルギーが節約されると思われる。

[0015] 本発明は、分離プロセスにおける１サイクル以上の処理において有用に適用できる。この発明は、大量の液体がプロセス内の吸着カラムを通して可変の流量と安定した圧力で循環される吸着分離において特に有用である。このような液体流量を制御する制御弁は、特に比較的低い流量で大きな圧力下降に見舞われる。０．２〜０．５、好ましくは０．１〜０．２ＭＰａといった小さい変動はプロセスの目的に伴い起こることがあるが、圧力が処理サイクル中故意に変えられることはない、という点で、処理サイクルは吸着剤のカラムの基部で測定したとおり均一圧力系である。

[0016] 図１は、模擬移動床の形態の固体吸着剤を用いて混合Ｃ_８芳香族炭化水素からパラキシレンを回収するための方法についての既知の技術を図示している。固体吸着剤の床は静止状態で保持され、２つ以上の室１０、２０に収容されてよい。吸着剤床そのものは通常、一続きの固定された副床である。様々な流れが床に入ったり出たりする箇所は、アクセスポイントＡを介して定期的に移動する。床を通る流体の流通方向での液体出入箇所の移動は、反対方向への固体吸着剤の運動を模倣している。液体出入箇所の移動は、吸着剤副床同士の間に置かれた分配器と共に作用する、回転弁として一般的に知られている流体誘導装置３０により達成される。回転弁は、吸着剤副床同士の間に位置するアクセスポイントＡを介して出入箇所を特定の分配器へ移動させることを達成する。ステップ時間と呼ばれる指定された時間の経過後、回転弁は１目盛分進み、先に用いられた分配器の直ぐ隣で下流の分配器に液体の入力と出力を再誘導する。

[0017] 吸着剤系の主な液体入力と出力は４つの流れからなる：すなわち、供給材料Ｆ、抽出物Ｅ、ラフィネートＲ、および脱着剤Ｄである。各流は特定の流量で吸着剤系に流れ込むか、または流れ出、各流量は別々に制御される。パラキシレンをＣ_８芳香族炭化水素の混合物から回収する場合、供給材料は少量の非芳香族炭化水素と共にキシレンとエチルベンゼンとの混合物を含んでなる。吸着剤系に導入された脱着剤は、吸着剤から供給材料の成分を移すことができる液体を含んでなる。吸着剤系から取出される抽出物は、脱着剤と共に吸着剤により選択的に吸着された、分離されたパラキシレンを含有する。吸着剤系から取出されるラフィネートは、脱着剤と共に吸着剤によりあまり選択的にでなく吸着された、他のキシレン異性体、エチルベンゼン、そして非芳香族炭化水素を含有する。関連するフラッシュ流Ｐも存在してよく、このフラッシュ流Ｐはアクセスポイントの移動の前に分配器から不適切な物質を一掃する。これらの流れは、吸着剤床１０と２０から精留塔４０と５０へ流通し、ラフィネート製品ＲＰと抽出物製品ＥＰをそれぞれ回収し、脱着剤Ｄを吸着剤室へリサイクルする。

[0018] １１と２１で表される循環流は、それぞれポンプ１２と２２により案内され、これらのポンプは、液体を１つの吸着剤床室の物理的底部から循環させて、他の吸着剤床室の物理的頂部に再び入るようにする。供給材料、脱着剤、抽出物およびラフィネートを含んでなる循環流の組成は、各弁工程に応じて変わる。主な４つの流れは吸着剤床を通って動くので、吸着剤床に入って、そこから出る混合流の組成だけでなく容量も著明に変動する。通常、この変動は、混合Ｃ_８芳香族炭化水素からパラキシレンを回収する場合には６０％にも達する。流出液１１をポンプ１２を介して第１の室１０の物理的底部から案内して、第２の室２０の物理的頂部に再び入るようにする流れは、プッシュアラウンド流と考えられ、この流れの速度は一般的に弁１４を介して圧力調節器１３により制御される。流出液２１を第２の室２０の物理的底部から案内して、第１の室１０の物理的頂部に再び入るようにする流れは、ポンプアラウンド流と考えられ、一般的に流量調節器２３と弁２４により制御される。

[0019] 図２と３は、図１に図示されたプロセスにおける本発明の可変速駆動手段の連続吸着方法における配置を示す。吸着室１００と２００は図１の室１０と２０に相当し、回転弁３００は弁３０に相当し、精留塔４００と５００は図１の４０と５０に相当する。流Ｆ、Ｅ、ＲおよびＤは図１と同様である。循環流１１０と２１０は図１の循環流１１と２１に相当する。

[0020] そのような動力損失を克服するため、本発明は制御弁を図２と３に示すような可変速ポンプと駆動装置に替えている。これらの図では、図１の吸着剤床１０、２０と回転弁３０の図示を、相当する吸着剤床１００、２００と回転弁３００、さらに相当する精留塔４００、５００でもって繰返している。これら部材の説明は図１の説明に相当しており、記載の節約のため省略する。吸着剤床１００、２００からのポンプアラウンド流１１０、２１０の流量は、それぞれ流量計１１２、２１２に示す通りであり、これらの流量計は、タービンメータ、外部センサ、その他そのような流量を提示できることが当業界で知られているどのような装置でもよい。循環ポンプ１１１、２１１は図１のポンプ１２、２２と同様に位置しているが、図２と図３のポンプは流量計１１２、２１２と制御装置１１３、２１３を介して指示された流量で可変速駆動装置により稼動される。駆動装置は、例えば直結駆動、または歯車−モータ鎖駆動、またはポンプ性能に最良のどのような結合方式で構成されてもよく、好ましくは遠心ポンプへの直結駆動方式である。駆動装置は、モータへの周波数、電圧の１つ以上を変えることにより速度が制御されるモータでよい。好ましくは、誘導電動機を遠心ポンプに接続させるが、この際、交流電圧電源の周波数を変えることにより、その速度を制御する。あるいは、駆動装置は当業界で知られているような連続可変蒸気タービンでもよい。

[0021] 図３は、制御装置１１３、２１３に接続された計器設備とバルブ装置の点で図２と異なる。図３は、流量指示計でなく流量制御弁２１４、２２４を制御装置１１３、２１３に接続している。したがって、流量が増加しているとポンプ速度がまず上昇して、制御弁を閉じ、その後、正味の流れが移行すると制御弁が開く。流量が減少していると、制御弁がまず閉じ、正味流の移行が起こった後、ポンプ速度が低下して弁を開く。可変速駆動装置や予測負荷制御と共に制御弁を使用するこのやり方は、駆動装置の大きさを減らし、流量変動からの遷移時間を均等にすることができる。

[0022] 好ましくは、可変速駆動装置は、エキスパートシステムによりエネルギーを節約するように制御される。このエキスパートシステムは、プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）、コンピュータハードウェア、コンピュータソフトウェア、デスクトップコンピュータ、メインフレームコンピュータ、サーバー、クライアント、集積回路、または他の適当な装置を含んでなってよく、これらが個々の要素または単一の装置としてシステムの１箇所またはシステムの外部に配置されている。本発明の制御システムは、吸着プロセスにおける循環流の流量を均等にするように作用する。この際、計測された流量データだけでなく、吸着プロセスの既知のパラメータや内部の数学的関係式も利用する予測負荷制御のアルゴリズムを用いるのが好ましい。用いられるアルゴリズムは、実用的にゾーン遷移制御アルゴリズム（ＺＴＣ）と呼ぶことができる。入力および出力“ゾーン”は、回転弁の割出された位置により決まるように、吸着剤床を通して移動するので、循環流の容量は既知の仕方で変化し、吸着剤床内で適切な流体流量を達成する。ラフィネートが室１００と室２００との間を移行する際、特に著しい流量変化が起こる。これらの変化をアルゴリズムにプログラムするが、この際、実際の流量データを受取る前に変化を予期して駆動装置の速度および／または制御弁を調節する。すなわち、アルゴリズムは、回転弁の割出に関連して床移行中に制御装置の位置を感知し、その後、可変速モータの速度と必要に応じ制御弁を回転弁の割出と関連して事前決定・位置決めして、振動を均等にする。さらに、アルゴリズムは上記事前決定・位置決めの精度を感知し、その後の決定・位置決めを調節できる。このように、上記システムは、予測負荷制御のアルゴリズムを利用してポンプ速度の変更のタイミングと任意の弁を制御して、回転弁の割出と並行して可変速駆動ポンプの速度を操り、制御弁の位置を調節して、適切な室間流体流量を得る。

[0023] 既知技術のポンプアラウンドポンプおよびプッシュアラウンドポンプは、変動するかなりの量の物質を吸着剤室を巡って動かすので、著しくエネルギーを消費する。比較的大きな循環混合流の著明な変動は、これらの循環ポンプにおけるエネルギー使用に大幅な非効率をもたらし、既知の技術にしたがうと、それらの循環ポンプは最大流量に対応できるよう特大でなければならない。毎時２，０００立方メートルの低い流量では、関連する制御弁での圧力低下は散逸電力２００ｋＷで３５０ｋＰａであることができた。したがって、本発明はエネルギーの節約の著明な可能性を与える。

[0024] 流量の弁制御に伴う浪費エネルギーの量を仮想吸着−分離法において算出した。平均循環流量は２，０００ｍ^３／時とし、流量はサイクルに亘り平均流量の１１９％から７５％に変動した。流量が変動したので、ポンプに必要なエネルギーの４６．３％〜６３％が制御に浪費された。２つの吸着系統で、浪費電力は９，７００メガワット時／年に達して、６３０，０００ドルに相当し、１キロワット時当たり０．０６５ドルの電力費であった。

[0025] 上記の説明は単に好ましい態様を例示したにすぎず、本発明の一般的に広い範囲を必要以上に限定することを意図したものではない、と強調しなければならない。例えば、１特性より多くの特性を同時に制御するための手順は上記の説明から容易に推定できる。同様に、当業者であれば、ステップ時間とそれぞれの流れの流量の両方がどのように調節されるのかを理解するであろう。したがって、上記の説明は範囲が狭いが、当業者であれば本発明のより広い範囲にまで外挿するにはどうすればよいかを理解するであろう。

１０ 室
１１ 循環流
１２ ポンプ
１３ 圧力調節器
１４ 弁
２０ 室
２１ 循環流
２２ ポンプ
２３ 流量調節器
２４ 弁
３０ 回転弁
４０ 精留塔
５０ 精留塔
Ａ アクセスポイント
Ｄ 脱着剤
Ｅ 抽出物
Ｆ 供給材料
Ｐ フラッシュ流
Ｒ ラフィネート
ＥＰ 抽出物製品
ＲＰ ラフィネート製品

Claims (10)

1. ２種以上の化合物を含んでなる供給流から吸着された化合物を分離するための均一圧プロセスにおける１つ以上の循環流の流量を制御し、前記１つ以上の循環流をポンプ圧送する際のエネルギーを節約する方法であって、
   前記分離が、複数のアクセスポイントを含んでなる１つ以上の多床吸着剤室に含まれている模擬移動床における吸着分離によりなされ、
   供給流および脱着剤流が各々前記１つ以上の吸着剤室に注入され、前記吸着化合物を含んでなる抽出物流およびラフィネート流が、個々のアクセスポイントを移すことにより１処理サイクル中に前記１つ以上の吸着剤室から各々別々に取出され、
   少なくとも１つの前記循環流が、前記処理サイクル中少なくとも１０％変動する流量でポンプ圧送することにより前記１つ以上の吸着剤室を通して循環される種々の割合の供給材料、脱着剤、抽出物およびラフィネートを含んでなる、方法において、
   前記方法が、少なくとも１台のポンプを可変速駆動手段に接続させることにより前記１つ以上の循環流を循環させる１台以上のポンプを稼動させることを含んでなる、方法。
2. 前記可変速駆動手段の各々が可変速モータからなる、
   請求項１の方法。
3. 前記可変速駆動手段が可変速蒸気タービンである、
   請求項１の方法。
4. さらに、前記可変速駆動されるポンプの速度を予測負荷制御のアルゴリズムを利用して操ることを含んでなる、
   請求項１〜３のいずれか１つの方法。
5. 前記流量が２５％以上変動する、
   請求項１〜３のいずれか１つの方法。
6. 前記供給流が混合Ｃ_８芳香族炭化水素を含んでなり、前記抽出物流がパラキシレンを含んでなる、
   請求項１〜３のいずれか１つの方法。
7. 前記供給流が混合Ｃ_８芳香族炭化水素を含んでなり、前記抽出物流がメタキシレンを含んでなる、
   請求項１〜３のいずれか１つの方法。
8. 前記供給流が脂肪族炭化水素と芳香族炭化水素との混合物を含んでなり、前記抽出物流がノルマルパラフィンを含んでなる、
   請求項１〜３のいずれか１つの方法。
9. 前記供給流がパラフィン系炭化水素とオレフィン系炭化水素との混合物を含んでなり、前記抽出物流がノルマルオレフィンを含んでなる、
   請求項１〜３のいずれか１つの方法。
10. 個々のアクセスポイントを移すことが、回転弁を利用することと、予測負荷制御のアルゴリズムを利用してポンプ速度の変化のタイミングを制御することを含み、
    これにより前記可変速駆動されたポンプの速度を操り、回転弁の割出と同時に制御位置を調節して、適正な室間流体流量を得る、
    請求項１〜３のいずれか１つの方法。

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