JP2015503082A - 混合器/流量分配器 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、「混合器/流量分配器(Mixer/Flow Distributors)」という名称の2011年12月20日出願の米国特許仮出願第61/578,086号及び2012年2月7日出願の欧州特許出願第12154200.5号に対する優先権を主張し、これらの開示全体は、引用によって本明細書に組み込まれる。
実施形態において、混合器−分配器は、逆流再生床反応炉システム内で利用される。そのような反応炉システムは、1回の循環が例えば酸化(再生)段階と吸熱反応段階とを含む二段階非対称循環反応を生成する(例えば、連続的又は半連続的に)ために使用することができる。適切な反応炉システムは、全てがその全体が引用によって本明細書に組み込まれている米国特許出願公開第2007/0191664号明細書、米国特許第7,491,250号明細書、米国特許出願第61/349,464号明細書、並びに米国特許出願公開第2007/0144940号明細書、及び第2008/0142409号明細書に記載されているものを含む。代表的な逆流再生床反応炉システムの例を図1に示している。「反応炉」という表現は、その全体が引用によって本明細書に組み込まれている米国特許第7,943,808号明細書に開示されているもののような反応炉の組合せ及びシステムを含む化学変換のための機器及びその組合せを意味する。反応炉は、第1の(「回収熱交換器」)ゾーン7、混合−分配ゾーン13、及び第2の(「反応」)ゾーン1という3つのゾーンを含む。ゾーン1及び7の各々は、少なくとも1つの再生床を含み、この場合に、「再生床」という表現は、熱を累積して伝達するのに有効な材料を含む反応炉床を意味する。一部の実施形態において、再生床は、例えば、ガラス又はセラミックのビーズ又は球体、金属のビーズ又は球体、セラミック(例えば、アルミナ、シリカ、イットリア、ジルコニアなど、及びこれらの混合物を含む)又は金属のハニカム材料、セラミックチューブ、押出成形モノリス、触媒のような床材料又は充填材料を含む。第1及び第2の反応炉床は、同じ形状及びサイズのものとすることができるが、これは必須ではない。この実施形態において、ゾーン13は、例えば、板3、4、及び5、渦流手段、バッフル板6のような任意的な構成要素を含む図3A〜図3C及び図4の混合器−分配器を含む。
熱分解段階の開始時には、反応ゾーン1は増加した温度にあり、回収熱交換器ゾーン7は、反応ゾーン1よりも低い温度にある。反応ゾーン1の第1の端部3内に、第1の混合物(反応物供給物、例えば、熱分解供給物)が管路2046を通じて導入される。
実施形態において、第1の混合物は、炭化水素を含み、任意的に分子水素及び/又は希釈剤を更に含む。炭化水素の種類は重要ではなく、例えば、炭化水素は、熱分解反応炉への入口において存在する温度、圧力、及び組成の条件下で気相にないものを含む不揮発性炭化水素さえも含むことができる。
実施形態において、第2の混合物は、第2の混合物の重量を基準として≧1.0重量%の不飽和化合物と、≧1.0重量%の可燃性不揮発物とを含む。任意的に、第2の混合物は、水素、メタン、エタン、又は希釈剤のうちの1つ又はそれよりも多くを更に含み、任意的に、ベンゼン、≧3個の炭素原子を有するパラフィン(イソ−、シクロ−、及び/又は直鎖)などを更に含む。
再生は、熱分解段階に向けて反応炉システムを熱的に再生するために熱を(i)混合−分配ゾーン13から、更に任意的に(ii)回収熱交換器ゾーン7から反応ゾーン1に伝達する段階を有する。第1の反応物と第2の反応物、例えば、燃料と酸化剤を混合かつ分配させることにより、ゾーン13の近くで第4の混合物(再生ガス、例えば、燃焼ガス)が生成される。第1の反応物(燃料を含む)は、管路305を通じて回収熱交換器ゾーン7に誘導される。第2の反応物(酸化剤を含む)は、管路3051を通じて回収熱交換器ゾーン7に誘導される。任意的に、第1の反応物を燃料通路14内に誘導するために、第1の分配手段(D1)を利用することができ、及び/又は第2の反応物を酸化剤通路15内に誘導するために、第2の分配器手段(例えば、プレナム206B)を利用することができ、燃料通路及び酸化剤通路は、回収熱交換器ゾーン7に配置される。燃料通路と酸化剤通路は、実質的に独立した流路であるので(例えば、互いの流体連通が殆ど又は全くない)、第1の反応物と第2の反応物の混合は、一般的にゾーン13まで発生せず、ゾーン13において、第1の反応物と第2の反応物が組み合わされて第4の混合物が生成される。第4の混合物の燃料成分の少なくとも一部分の酸化から少なくとも部分的に導出される第5の混合物は、プレナム206A及び管路2066を通じて反応炉システムから離れるように誘導される。
第4の混合物は、第1及び第2の反応物を含む。第1の反応物は、第1の反応物の重量を基準として例えば≧10.0重量%の燃料、一例として≧50.0重量%の燃料を含むことができる。第2の反応物は、第2の反応物の重量を基準として例えば≧10.0重量%の酸化剤、一例として≧20.0重量%の酸化剤を含むことができる。燃料は、第1の混合物を導出するのに利用されるものと同じ原材料から導出することができる。任意的に、燃料は、第1の混合物と実質的に同じ組成を有する。
第5の混合物は、(i)第4の混合物の燃料と酸化剤との互いの発熱反応、及び反応炉内の可燃性不揮発物との発熱反応から導出される生成物、任意的に(ii)第4の混合物中に希釈剤が存在する場合の希釈剤、及び/又は(iii)未反応の燃料及び酸化剤を含む。燃料と酸化剤の発熱反応が炭化水素の燃焼を有する場合に、又は第4の混合物中に希釈剤(N2又はH2S等)が存在する場合には、第5の混合物は、二酸化炭素を含むことができ、かつ硫黄酸化物、窒素酸化物などを更に含むことができる。
本発明の混合器−分配器(実施例1)を利用することにより、従来技術の混合器(実施例2)に優る改善された混合−分配性能が与えられ、これは、第4の混合物の分配が改善され、より効率的な酸化段階が誘導されることを示している。特に、実施例1の混合器−分配器は、(i)有意に低いMDと、(ii)実施例2の混合器−分配器のものと同じか又はそれよりも良好な圧力降下、TV、及びMEの値とを有する。
Claims (25)
- (a)燃料を少なくとも1つの第1の管路を通じて、かつ酸化剤を少なくとも1つの第2の管路を通じて誘導する段階であって、第1及び第2の管路が反応炉システムの回収ゾーンに配置されている段階と、
(b)混合−分配ゾーン内で前記燃料の少なくとも一部分を前記酸化剤の少なくとも一部分と組み合わせて反応させ、熱と第1の反応生成物を生成する段階であって、該混合−分配ゾーンが、(i)前記反応炉システム内、かつ(ii)前記回収ゾーンの下流で反応ゾーンの上流に配置され、該混合−分配ゾーンが、分配不良≦15.0%、圧力降下≦0.3バール、及び組合せ燃料−酸化剤流量≧10.0kg/hを有する混合器−分配器を含む生成する段階と、
(c)前記反応生成物を前記反応ゾーンを通じて誘導し、前記熱の少なくとも一部分を該反応生成物から該反応ゾーンに移送する段階と、を備えている、
ことを特徴とする再生方法。 - 前記混合器−分配器は、分配不良≦10.0%、圧力降下≦0.1バール、及び組合せ燃料−酸化剤流量≧100.0kg/hを有する、
請求項1に記載の方法。 - 前記混合器−分配器は、混合効率≧75.0重量%を有する、
請求項1又は2に記載の方法。 - 前記混合器−分配器は、温度変動性≦60.0℃を有する、
請求項1ないし3のいずれか1項に記載の方法。 - 前記混合器−分配器は、0.1から1.3までの範囲のスワール数を有する渦流手段を備えている、
請求項4に記載の方法。 - 前記混合器−分配器は、第1の場所にある複数の第1のオリフィスと、少なくとも1つの第2のオリフィスであって、該第1の場所が前記燃料−酸化剤流れに関して第2の場所の上流にある第1および第2のオリフィスと、
前記オリフィス以外を通って前記混合器−分配器を通る燃料−酸化剤流れを実質的に阻止するための手段を備え、
前記第1の場所でのオリフィスの数が、前記第2の場所でのオリフィスの数よりも多い、
ことを特徴とする、
請求項1ないし5のいずれか1項に記載の方法。 - (i)前記第2の場所での少なくとも1つのオリフィスが、前記混合−分配ゾーンと実質的に同軸であり、(ii)前記第1の場所での前記オリフィスの数は、該第2の場所での前記オリフィスの数の2倍から8倍までの範囲にある、
請求項6に記載の方法。 - 前記流れ阻止手段は、前記第1の場所に近い第1の板と前記第2の場所に近い第2の板とを含み、前記第1のオリフィスは、該第1の板内の穴であり、前記第2のオリフィスは、該第2の板内の穴である、
請求項6又は7に記載の方法。 - 前記第1及び第2の板は、実質的に平行かつ同軸であり、
前記第2のオリフィスは、(i)前記第2の板とかつ(ii)前記混合−分配ゾーンと実質的に同軸である、
請求項6ないし8のいずれか1項に記載の方法。 - (i)前記第1及び第2の板は、実質的に円形の断面のものであり、
(ii)Ap1が、Ap2の±10.0%内であり、
(iii)Ah1が、Ah2の±10.0%内であり、
(iv)Ap1≧2.0Ah1であり、
(v)Tp1及びTp2が、各々≦0.5・Dpであり、かつ
(vi)Sp1-p2が、0.25・Sbから5.0・Sbまでの範囲にある、
請求項6ないし9のいずれか1項に記載の方法。 - 前記混合器−分配器は、実質的に円形の断面の第3、第4、及び第5の穴あき板を更に含み、該第5の板は、前記第1の板の上流にあり、該第3の板は、前記第2の板の下流にあり、該第4の板は、該第3の板の下流にあり、
(i)前記第5の板は、前記第1の板内の穴数の3倍から6倍までの範囲の穴数を有し、Ap5が、Ap1の±10.0%内であり、Ah5が、Ah1の±10.0%内であり、Tp5が、Tp1の±10.0%内であり、Sp1-p5が、Sp1―p2の±10.0%内であり、
(ii)前記第3の板は、前記第1の板と実質的に同じ穴数を有し、Ap3が、Ap1の±10.0%内であり、Ah3が、Ah1の±10.0%内であり、Tp3が、Tp1の±10.0%内であり、Sp2-p3が、Sp1―p2の±10.0%内であり、
(iii)前記第4の板は、前記第5の板と実質的に同じ穴数を有し、Ap4が、Ap1の±10.0%内であり、Ah4が、Ah1の±10.0%内であり、Tp4が、Tp1の±10.0%内であり、Sp3-p4が、Sp1―p2の±10.0%内である、
請求項6ないし10のいずれか1項に記載の方法。 - 板1−5のうちの1つ又はそれよりも多くが、イットリア、ジルコニア、アルミナ、又はシリカのうちの少なくとも1つを含む、
請求項6ないし11のいずれか1項に記載の方法。 - 前記混合器−分配器は、0.5から1.5までの範囲のL:D比を有する、
請求項1ないし12のいずれか1項に記載の方法。 - 前記反応させる段階は、前記反応炉の少なくとも一部分を温度≧1.40×103℃まで加熱し、該反応させる段階は、圧力≧1.0バールで行われる、
請求項1ないし13のいずれか1項に記載の方法。 - 前記燃料は、混合物であり、該混合物は、該混合物の重量を基準として≧10.0重量%炭化水素を含む、
請求項1ないし14のいずれか1項に記載の方法。 - 前記燃料は、該燃料の重量を基準として≧25.0重量%メタンを含む、
請求項1ないし15のいずれか1項に記載の方法。 - 前記酸化剤は、該酸化剤の重量を基準として≧10.0重量%分子酸素を含む、
請求項1ないし16のいずれか1項に記載の方法。 - 段階(a)中に前記第2の管路を通じて希釈剤を誘導する段階を更に含むことを特徴とする請求項1から請求項17のいずれか1項に記載の方法。
- 前記混合器−分配器は、(i)前記混合−分配ゾーンの容積、(ii)回収熱交換器ゾーンの容積、及び(iii)前記反応ゾーンの容積の和の≦10.0%の合計容積を有する、
請求項1から18のいずれか1項に記載の方法。 - 前記反応炉システムは、前記熱の少なくとも一部分を利用する熱分解によって不飽和炭化水素を生成する、
請求項1ないし19のいずれか1項に記載の方法。 - 再生逆流反応炉の混合−分配ゾーン内で燃料と酸化剤の流れを混合かつ分配するための混合器−分配器であって、
(a)少なくとも1つの第1のバッフル及び複数の第1のオリフィスであって、該第1のバッフル及び複数の第1のオリフィスが、混合器−分配器内の第1の場所に位置決めされた前記少なくとも1つの第1のバッフル及び複数の第1のオリフィスと、
(b)少なくとも1つの第2のバッフル及び少なくとも1つの第2のオリフィスであって、該第2のバッフル及び第2のオリフィスが、混合器−分配器内の第2の場所に配置され、(i)前記第1の場所が、前記燃料−酸化剤流れに関して該第2の場所の上流にあり、(ii)該第1の場所が、該第2の場所よりも多い数のオリフィスを有する前記少なくとも1つの第2のバッフル及び少なくとも1つの第2のオリフィスと、
(c)前記混合−分配ゾーンの内側境界であって、前記第1及び第2のオリフィス以外を通って該混合−分配ゾーンを通る前記流れを実質的に阻止するために(i)前記第1のバッフルの周囲及び前記第2のバッフルの周囲に接続されるか、又は(ii)該第1及び第2のバッフルの周囲に十分に近いかのいずれかである前記内側境界と、を備えている、
ことを特徴とする混合器−分配器。 - (a)前記第1のバッフルは、前記第1の場所の近くに第1の穴あき板を含み、前記第2のバッフルは、前記第2の場所の近くに第2の穴あき板を含み、該第1の板の穴が、前記第1のオリフィスであり、該第2の板の穴が、前記第2のオリフィスであり、
(b)前記第2の場所での少なくとも1つのオリフィスが、前記混合−分配ゾーンと実質的に同軸であり、
(c)前記第1の場所でのオリフィスの数が、前記第2の場所でのオリフィスの数の2倍から8倍までの範囲にある、
請求項21に記載の混合器−分配器。 - 前記混合−分配ゾーンは、実質的に均一な断面積のものであり、
(i)前記第1及び第2の板は、同軸であって実質的に円形の断面のものである実質的に平行な板であり、
(ii)前記第1の板の穴が、実質的に円形の断面のものであり、かつR1p1に沿って等間隔であり、
(ii)前記第2のオリフィスは、(i)前記第2の板及び(ii)前記混合−分配ゾーンと実質的に同軸であり、
(iii)Ap1が、Ap2の±10.0%内であり、
(iv)Ah1が、Ah2の±10.0%内であり、
(v)Ap1≧2.0Ah1であり、
(vi)Tp1及びTp2が、各々≦0.5・Dpであり、
(vii)Sp1-p2が、0.25・Sbから5.0・Sbまでの範囲にある、
請求項21又は22に記載の混合器−分配器。 - 混合器−分配器が、実質的に円形の断面を有する第3、第4、及び第5の穴あき板を更に含み、該第5の板は、前記第1の板の上流にあり、該第3の板は、前記第2の板の下流にあり、該第4の板は、該第3の板の下流にあり、
(i)前記第5の板は、前記第1の板内の穴数の3から6倍までの範囲の穴数を有し、Ap5が、Ap1の±10.0%内であり、Ah5が、Ah1の±10.0%内であり、Tp5が、Tp1の±10.0%内であり、Sp1-p5が、Sp1―p2の±10.0%内であり、
(ii)前記第3の板は、前記第1の板と実質的に同じ穴数を有し、Ap3が、Ap1の±10.0%内であり、Ah3が、Ah1の±10.0%内であり、Tp3が、Tp1の±10.0%内であり、Sp2-p3が、Sp1―p2の±10.0%内であり、
(iii)前記第4の板は、前記第5の板と実質的に同じ穴数を有し、Ap4が、Ap1の±10.0%内であり、Ah4が、Ah1の±10.0%内であり、Tp4が、Tp1の±10.0%内であり、Sp3-p4が、Sp1―p2の±10.0%内であり、
(iv)混合器−分配器が、0.5から1.5までの範囲のL:D比を有し、
(v)混合器−分配器が、0.1から1.3までの範囲のスワール数を有する渦流手段を含み、
(vi)δ1が、0.0°から30.0°までの範囲にあり、δ2が、0.0°から60.0°までの範囲にあり、
(vii)板1−5のうちの1つ又はそれよりも多くが、イットリア、ジルコニア、アルミナ、又はシリカのうちの少なくとも1つを含む、
請求項21ないし23のいずれか1項に記載の混合器−分配器。 - 炭化水素変換処理であって、
(A)燃料及び酸化剤を少なくとも1つの混合器−分配器を含む反応炉に供給する段階と、
(B)前記燃料及び酸化剤を燃料−酸化剤流れ方向に前記混合器−分配器まで移送する段階と、
(C)前記燃料−酸化剤流れを前記混合器−分配器内で混合かつ分配し、前記反応炉の少なくとも一部分を温度≧800℃まで加熱するのに十分な該燃料の少なくとも一部分と該酸化剤の少なくとも一部分を発熱反応させる段階であって、該混合器−分配器が、
(a)少なくとも1つの第1のバッフル及び複数の第1のオリフィスであって、該第1のバッフル及び複数の第1のオリフィスが、前記混合器−分配器内の第1の場所に位置決めされた前記少なくとも1つの第1のバッフル及び複数の第1のオリフィス、
(ii)少なくとも1つの第2のバッフル及び少なくとも1つの第2のオリフィスであって、該第2のバッフル及び第2のオリフィスが、前記混合器−分配器内の第2の場所に配置され、(a)前記第1の場所が、前記燃料−酸化剤流れに関して該第2の場所の上流にあり、(b)該第1の場所が、該第2の場所よりも多い数のオリフィスを有する前記少なくとも1つの第2のバッフル及び少なくとも1つの第2のオリフィス、及び
(iii)混合−分配ゾーンの内側境界であって、前記第1及び第2のオリフィス以外を通って該混合−分配ゾーンを通る前記燃料−酸化剤流れを実質的に阻止するために(a)前記第1のバッフルの周囲及び前記第2のバッフルの周囲に接続されるか、又は(b)該第1及び第2のバッフルの周囲に十分に近いかのいずれかである前記内側境界、
を含む前記発熱反応させる段階と、
(D)アルカンを含む第1の混合物を前記燃料−酸化剤流れ方向とは実質的に逆である方向に前記加熱された反応炉まで供給する段階と、
(E)前記第1の混合物を前記加熱された反応炉内で温度≧800℃に露出し、該第1の混合物のアルカンの少なくとも一部分を不飽和化炭化水素に変換するのに十分な熱を該反応炉から抽出する段階と、を備えている、
ことを特徴とする処理。
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