JP2017534436A - 流動床反応器用の流体注入ノズル - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、循環流動床反応器に流体を注入するのに有用なノズルアセンブリに関する。本発明は、特に、石油残渣分及びビチューメンなどの重質油を流動コーキング反応器内に注入するのに有用なノズルアセンブリに関する。
循環流動床(CFB:circulating fluid bed)反応器は、種々の多相化学反応を行うために使用され得る周知のデバイスである。この種の反応器では、流体(ガス又は液体)が、粒状固体物質内を、固体を懸濁し、固体を流体であるかのように挙動させるほど十分に速い速度で送られる。流動化は、反応器の基部にある分配器(グリッド、スパージャ又は他の手段)を通じて注入される、空気、スチーム又は反応物ガスなどの流動化ガス(又は流動用ガス(fluidizing gas))によって維持される。CFB反応器は、現在、多くの工業用途で使用されており、この用途の中には、石油重質油の接触分解、オレフィン重合、石炭のガス化、並びに水及び廃棄物の処理がある。主要な用途の1つは循環流動床燃焼器の分野にある。この分野では、石炭又は別の高硫黄燃料が、石灰石の存在下で燃焼され、SOxの排出量を低減させる。窒素酸化物の排出量もまた、床において得られる比較的低い温度により低減される。別の用途は、流動床コーキングプロセスであり、このプロセスは流動コーキング及びその変化形であるFlexicoking(商標)として知られている。この双方とも、Exxon Research and Engineering Companyによって開発されたものである。
本出願人は、ここで、重質油原料インジェクタアセンブリの改良されたプレミクシング部を考案した。スチームとビチューメンとを混合して、噴霧化ノズルに通じる導管内に、米国特許出願公開第2012/0063961号明細書に記載されている手法で、分散した泡状の流れを発生させる改良型プレミキサは収束−発散スロート部を有するが、特徴として、噴霧化ガス、通常スチームが収束部のすぐ上流側の2つ以上のオリフィスを通じて導入され、これにより、原料を、ベンチュリ管のスロート内部の代わりにスロート内に導く。この構成は、スチームとビチューメンとの混合を高め、安定性の向上及び侵食の低減につながることが判明している。
反応器壁によって閉じ込められていて(confined)、典型的には、その主断面が最上部にある円錐台形の構成である高密度床反応部(dense bed reaction section)と、
高密度床反応部の下方にある基部領域であって、この基部領域において、高密度床反応部内で、細かく分割された固体コークス粒子の高密度床(dense bed)を流動化するための流動化ガスが注入される(in injected)、基部領域と、
その原料注入ノズルが、反応器壁の周縁部に基部領域の上方で複数の(又は様々な)高さに配置される重質油入口と、
高密度床反応部の上方にあり、高密度床反応部から分離されるプレナム又はスクラバ部と、
高密度床反応部の頂部にあるサイクロンであって、そのそれぞれが、出るガス及びコークス粒子の流れのためのサイクロン入口と、反応部の上方のプレナムへと吐出するサイクロンガス出口と、サイクロン内でガスから分離されたコークス粒子を高密度床反応部へと戻すためのサイクロンディプレグとを有する、サイクロンと、
反応器の基部領域にあり、ストリップ用スチーム(又はストリッピングスチーム)のためのストリッパシェッド及びスパージャを含むストリッピング部と、
を含む。
液体重質油原料を噴霧化スチームと組み合わせて(又は一緒にして)、気泡を含む液体原料/スチームの混合物を形成するプレミキサ部であって、プレミキサ部が、原料入口から吐出ノズルへの方向に連続する収束用領域及び発散用領域と、収束用領域と発散用領域とを接続する中心スロート部とを含み、収束用領域の進入部(又はエントリ(entry))に配置される複数の径方向スチーム入口ポートを有する、プレミキサ部と、
プレミキサ部の出口に続いて接続され、プレミキサ部から吐出ノズルまで延び、プレミキサによって形成される液体/スチームの混合物の流れを吐出ノズルへと移送する、流れ導管部(又はフローコンジットセクション)と、
流れ導管部に続いて接続される収束進入部(convergent entry)を有する吐出ノズルであって、液体原料/スチームの混合物を剪断(シヤ(shear))し、ノズルから出る際に、低減された寸法(又はサイズもしくは大きさ)の液体原料小滴を形成する、吐出ノズルと、
を含む。
ノズルアセンブリ
流動床内における原料分散の向上をもたらすための完全なノズルアセンブリを図1に示す。反応器の壁11を貫通し、反応器の内部12に入るノズルアセンブリ10は、スロットル本体プレミキサ部13を含み、スロットル本体プレミキサ部13の吐出又は下流側端部にはフランジ14が固定されている。フランジ14は、プレミキサ部の端部に適切に溶接しても、任意の他の適切な手法で、例えば、ねじ式で取り付けることにより取り付けてもよい。プレミキサから吐出ノズルまで延びる流れ導管15には、その入口又は上流側端部にフランジ16が取り付けられており、プレミキサフランジ14との流体フロー接続(fluid flow connection)を提供する。円形断面を有する流れ導管15はその先端部に吐出ノズル29を備え、反応器内部において、外部支持シュラウド17のフランジ付き端部18上のプレミキサ部とともに、通しボルト(図示せず)によって従来の手法で保持される。導管20はプレミキサ部13の入口側にフランジ式に取り付けられ、クリーニングポート21まで延出する。クリーニングポート21は、動作時には、通常、フランジ式に取り付けられたカバープレート(図示せず)によって閉じられている。クリーニングポートは、カバーが外されたクリーニングポートから吐出ノズルまで、また、ロッドが十分に小さい場合は、ノズルの内端部にある吐出口(又は吐出オリフィス)にかけてクリーニングロッドを通すことによりノズルアセンブリのファウリングの清掃を可能にするために設けられる。
プレミキサの目的は、反応器内における効果的な噴霧化のための安定な二相流を形成することである。噴霧化ノズルへと通じている、スチームと重質油原料とを混合して導管内に分散した「泡状」の流れ(又はフロー)を発生させるスロットル本体プレミキサ部の好適な構成の詳細を、図2により効果的に示す。プレミキサ13は、スチーム入口ポート30、31を有する。スチーム入口ポート30、31は、収束部32の起端に配置された入口ライン23、24からスチームを入れる。収束部32は、スロート33へと、次いで、発散部34へと通じている。スチームは、収束スロート部のすぐ先のポートを通じて、油の圧力よりも高い圧力で導入される。プレミキサを通る通路の入口直径と出口直径はほぼ同じである。
プレミキサの使用により形成された、分散し、安定した泡状の流れを、広範なノズル動作条件において維持することで、特定のノズルアセンブリの動作の柔軟性が高まる。ノズルまで通じている導管において、液体は連続相であり、気(スチーム)泡が液体中に存在する。ノズル出口部において、転相が発生してガスが連続相になり、その結果、液体の小滴がガス中に分散する。プレミキサ及び流れ調整器内の剪断(シヤ(shear))により、気泡の大きさの低減が生じる。分散した泡状の流れが完全にノズルオリフィスへと運ばれない場合、ノズルは、固体の流動床に液体原料のスラグを送る傾向がある。ノズルアセンブリは、図1に示すように、プレミキサと吐出ノズルとの間の、一定の断面を有する単純な管状の流れ導管によって良好に機能するが、流れ導管内の流れ安定器又は調整器によって、プレミキサ13の下流側の導管15内の乱流を更に安定させてもよく、また、吐出ノズルの前において分散した泡状の流れを維持してもよい。その最も単純な形態において、流れ調整器は、導管内に、断面が低減された流れ領域を有する部分を含み、この領域は、吐出ノズルの上流側において混合物の加速した流れを生成する。したがって、その最も単純な形態において、流れ調整器は、プレミキサと吐出ノズルとの間の導管内に配置されたカラーを含む。カラーは、単純な矩形の断面を有しても、角度を成した面を各側に有してもよい。いずれの場合においても、流れ調整器は、流れ導管の吐出端部への流れの安定性を向上するために、好ましくは、プレミキサと吐出ノズルとの間のその長さの第2の半分以内、つまり、プレミキサよりも吐出ノズルのより近傍に配置されることが好ましい。流れ調整器をプレミキサの近傍に配置すると、実質的にすべてのガス流量において、単純な流れ導管と比して限られた安定性の向上しかもたらさない。プレミキサと吐出ノズルとの間の流れ導管に沿う約50パーセント位置が著しい向上をもたらす一方で、いくつかの導管直径、例えば、吐出ノズルの2〜10個、好ましくは、2〜5個の管の直径内の位置は吐出ノズルにおける最適な流れの安定性をもたらす。
流れ調整器の上流側の収束領域は、混合物を加速させて、後に続く、収束領域の下流側の発散領域内での流れの広がりにより、比較的小さな泡の流れを発生させるべきである。オリフィス直前の、ノズル本体内の流路の端部に配置された第2の収束領域は、混合を、第1の収束領域により実施される混合よりも加速すべきである。約2倍の加速をもたらす領域が適切であり、かつ好適である。
第1の収束領域及び拡散領域によって生成される微細な泡の寸法(又はサイズもしくは大きさ)が更に低減される場合、比較的増加した伸張及び剪断応力にそれらを曝す必要がある。この目的のため、拡散領域では流路の直径を、第2の収束領域における所望の加速が達成され得るほど十分に増加すべきである。しかしながら、この収束領域の長さは、泡の過度の再結合を避けるように制限される必要がある。3°の収束がちょうど良いことが判明している一方で、この領域における6°の収束(全角度)はあまり有用でない。第2の収束領域における収束の角度は、したがって、通常、2〜6°、好ましくは3〜5°の範囲内である。
上に示したように、単純な円筒状ノズル(すなわち、収束進入部に続いて円錐形の出口を備える)を好適なプレミキサとともに使用してもよいが、ノズルオリフィスにディスペンサを用いることで、油と固体との接触の向上が可能になる。ディスペンサの目的は、液体を中心線から引き出して、液体の固体との接触を最大にすることである。これにより、コークス粒子をより薄い膜でより均一かつ平均的に原料でコーティングすることが可能になる。より薄い膜では拡散路が短くなるため、二次的な分解が減少する傾向にあり、その結果、液体の収率が向上する。したがって、収率の更なる向上は、主として、ノズルにディスペンサを用いることから得られる。初期の試験でいくつかの種類のディスペンサを評価した。これらには、「手裏剣型」、複数穴型、複数ローブ型、例えば、クローバ及びファン型の設計が含まれる。パタネータを用いた流束測定に基づくと、「手裏剣型」及び複数穴型の設計は、重質油小滴を液体コアから引き離すのに効果的でないことが判明した。平坦2ローブ形又はファン形の噴流噴霧パターンをもたらすクローバパターン及び2ローブパターン又はファンパターンは、噴流の流動床との相互作用において同程度の性能を有していた。好ましい複数ローブ型クローバ構成は、噴流/床相互作用試験に基づくものであり、この試験では、面積に対する外周部の比率がより高く、固体の同伴が高められたディスペンサが、全般的により良好な性能を示した。パタネータは、ノズルからの噴霧のパターンを試験するために作製された機器である。この機器は、機械的パタネーションの代わりに用いられ、その高い速度及び高い分解能により、噴霧の均一性及びパターンが重要な種々の用途に使用することが可能である。この技術は、West Lafayette,INに所在のEn’Urga Inc.により開発されたものである。この機器は、米国特許第6184989号に包含されることがEn’Urgaによって示されている。
Claims (20)
- 循環流動床反応器であって、垂直軸線の周りに円形断面を有する反応器壁と、流動化ガス用の下方入口と、前記下方流動化ガス入口の上方及び前記反応器壁の周りにある液体重質油原料及び噴霧化スチーム用の原料注入ノズルアセンブリとを有し、
前記ノズルアセンブリがそれぞれ、前記反応器壁を貫通して前記反応器内へと延び、前記反応器内に吐出口と、前記吐出口から離れた端部に前記液体重質油原料用の原料入口とを有し、各原料注入ノズルアセンブリが、
前記液体重質油原料を噴霧化スチームと組み合わせて、液体中に気泡を含む液体原料/スチームの混合物を形成するプレミキサ部であって、前記プレミキサ部が、連続する収束用領域及び発散用領域を含み、前記収束用領域の進入部に配置される複数の径方向スチーム入口ポートを有する、プレミキサ部と、
前記プレミキサ部の出口に続いて接続され、前記プレミキサ部から吐出ノズルまで延び、前記プレミキサによって形成される前記液体/スチームの混合物の流れを前記吐出ノズルへと移送する、流れ導管部と、
前記流れ導管部に続いて接続される収束進入部を有する吐出ノズルであって、前記液体原料/スチームの混合物を剪断し、前記吐出ノズルから出る際に、低減された寸法の液体原料小滴を形成する、吐出ノズルと、
を含む、
循環流動床反応器。 - 前記プレミキサ部が、前記収束用領域と前記発散用領域とを接続する中心円筒状スロート部を含む、請求項1に記載の循環流動床反応器。
- 前記ノズルアセンブリが、流れ導管部を有し、前記流れ導管部が、前記プレミキサからの前記液体原料/スチームの混合物中の前記気泡の寸法を低減するための、連続する収束領域及び発散領域を含む、請求項1に記載の循環流動床反応器。
- 前記ノズルアセンブリが、拡散領域によって分離されるタンデム型収束領域を含む流れ導管部を有する、請求項1に記載の循環流動床反応器。
- 前記吐出ノズルの出口に、円筒状噴流に比して増加した表面積を有する、同様に形成される液体噴流プルームを発生させるためのマルチローブディスペンサを含む、請求項1に記載の循環流動床反応器。
- 前記ディスペンサが、円形断面を有する中心流路を含む本体と、前記本体内の複数のローブとを有し、各ローブの壁は中空円錐部の一部分を規定し、前記中空円錐部の軸線は前記ディスペンサの中心軸線と対称に交差し、前記ディスペンサ本体内に、増加する断面積を有する、増大するマルチローブ出口通路を規定する、請求項3に記載の循環流動床反応器。
- 流動コーキング反応器であって、垂直軸線の周りに円形断面を有する反応器壁と、流動化ガス用の下方入口と、前記下方流動化ガス入口の上方及び前記反応器壁の周りにある液体重質油原料及び噴霧化スチーム用の原料注入ノズルアセンブリとを有し、
前記ノズルアセンブリがそれぞれ、前記反応器壁を貫通して当該反応器内へと延び、前記反応器内に吐出ノズルオリフィスと、前記吐出ノズルから離れた端部に前記液体重質油原料用の入口とを有し、各原料注入ノズルアセンブリが、
前記液体重質油原料を噴霧化スチームと組み合わせて、液体中に気泡を含む液体原料/スチームの混合物を形成するプレミキサ部であって、前記プレミキサ部が、連続する収束用領域及び発散用領域と、前記収束用領域と前記発散用領域とを接続する中心スロート部とを含み、前記収束用領域の進入部に配置される複数の径方向スチーム入口ポートを有する、プレミキサ部と、
前記プレミキサ部の出口に続いて接続され、前記プレミキサ部から吐出ノズルまで延び、前記プレミキサによって形成される前記液体/スチームの混合物の流れを前記吐出ノズルへと移送する、流れ導管部と、
前記流れ導管部に続いて接続される収束進入部を有する吐出ノズルであって、前記液体原料/スチームの混合物を剪断し、前記吐出ノズルから出る際に、低減された寸法の液体原料小滴を形成する、吐出ノズルと、
を含む、
流動コーキング反応器。 - 前記プレミキサ部が、前記収束用領域と前記発散用領域とを接続する中心円筒状スロート部を含む、請求項6に記載の流動コーキング反応器。
- 前記ノズル本体が、流れ導管部を有し、前記流れ導管部が、前記プレミキサからの前記液体原料/スチームの混合物中の前記気泡の寸法を低減するための、連続する収束領域及び発散領域を含む、請求項6に記載の流動コーキング反応器。
- 前記ノズルアセンブリが、拡散領域によって分離されるタンデム型収束領域を含む流れ導管部を有する、請求項6に記載の流動コーキング反応器。
- 前記原料注入ノズルがそれぞれ、前記吐出ノズルの出口に、円筒状噴流に比して増加した表面積を有する、同様に形成される液体噴流プルームを発生させるためのマルチローブディスペンサを含む、請求項6に記載の流動コーキング反応器。
- 前記ディスペンサが、円形断面を有する中心流路を含む本体と、前記本体内の複数のローブとを有し、各ローブの壁は中空円錐部の一部分を規定し、前記中空円錐部の軸線は前記ディスペンサの中心軸線と対称に交差し、前記ディスペンサ本体内に、増加する断面積を有する、増大するマルチローブ出口通路を規定する、請求項8に記載の流動コーキング反応器。
- 流動床コーキング反応器を有する流動コーキングユニットであって、
垂直軸線の周りに円形断面を有していて反応器壁によって閉じ込められている反応部と、
高密度床反応部の下方にある基部領域であって、前記基部領域において、前記高密度床反応部内で、細かく分割された固体コークス粒子の高密度床を流動化するために流動化ガスが注入される、基部領域と、
前記反応器壁の前記周縁部に前記基部領域の上方で複数の高さに配置される複数の重質油入口と、
前記反応部の上方にあり、前記高密度床反応部から分離されるスクラバ部と、
前記高密度床反応部の頂部にある少なくとも1つのサイクロンであって、各サイクロンが、前記反応部を出るガス及びコークス粒子のための入口と、前記スクラバ部へと吐出するサイクロンガス出口と、前記サイクロン内でガスから分離されるコークス粒子を前記高密度床反応部へと戻すためのサイクロンディプレグとを有する、少なくとも1つのサイクロンと、
前記反応器の前記基部領域にあるストリッピング部と、
原料注入ノズルアセンブリと
を含み、
前記原料注入ノズルアセンブリがそれぞれ、前記反応器壁を貫通して前記反応器内へと延び、前記反応器内に吐出口と、前記吐出ノズルから離れた端部に液体重質油原料用の入口とを有し、各原料注入ノズルアセンブリが、
前記液体重質油原料を噴霧化スチームと組み合わせて、液体中に気泡を含む液体原料/スチームの混合物を形成するプレミキサ部であって、前記プレミキサ部が、連続する収束用領域及び発散用領域を含み、前記収束用領域の進入部に配置される複数の径方向スチーム入口ポートを有する、プレミキサ部と、
前記プレミキサ部の出口に続いて接続され、前記プレミキサ部から吐出ノズルまで延び、前記プレミキサによって形成される前記液体/スチームの混合物の流れを前記吐出ノズルへと移送する、流れ導管部と、
前記流れ導管部に続いて接続される収束進入部を有する吐出ノズルであって、前記液体原料/スチームの混合物を剪断し、前記吐出ノズルから出る際に、低減された寸法の液体原料小滴を形成する、吐出ノズルと、
を含む、
流動コーキングユニット。 - 前記プレミキサ部が、前記収束用領域と前記発散用領域とを接続する中心円筒状スロート部を含む、請求項13に記載の流動コーキング反応器。
- 前記ノズル本体が、流れ導管部を有し、前記流れ導管部が、前記液体原料/スチームの混合物中の前記気泡の寸法を低減するための、連続する収束領域及び発散領域を含む、請求項13に記載の流動コーキングユニット。
- 前記ノズルアセンブリが、拡散領域によって分離されるタンデム型収束領域を含む流れ導管部を有する、請求項13に記載の流動コーキングユニット。
- 各原料注入ノズルアセンブリが、前記吐出ノズルの出口に、円筒状噴流に比して増加した表面積を有する、同様に形成される液体噴流プルームを発生させるためのディスペンサを含み、前記ディスペンサが、円形断面を有する中心流路を含む本体と、前記本体内の複数のローブとを有し、各ローブの壁は中空円錐部の一部分を規定し、前記中空円錐部の軸線は前記ディスペンサの中心軸線と対称に交差し、前記ディスペンサ本体内に、増加する断面積を有する、増大するマルチローブ出口通路を規定する、請求項13に記載の流動コーキングユニット。
- 前記ディスペンサが、4つのローブを含む本体を有し、各ローブの壁は中空円錐部の一部分を規定し、前記中空円錐部の軸線は前記ディスペンサの中心軸線と対称に交差し、前記ディスペンサ本体内に、増加する断面積を有する、増大する4ローブの出口通路を規定する、請求項17に記載の流動コーキングユニット。
- 前記反応器が、前記ユニット内において、コークスラインによってバーナ/ヒータに結合されており、前記コークスラインは、コークスを前記ストリッパの底部から前記バーナ/ヒータに移送するための低温コークス移送ラインと、高温コークスを前記バーナ/ヒータから前記反応器に戻すための高温コークス戻りラインとを含む、請求項13に記載の流動コーキングユニット。
- コークス移送ラインによって前記ヒータ/バーナに接続されたコークスガス化器部を含む、請求項17に記載の流動コーキングユニット。
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