JP2023531604A - 熱分解油を加工するためのシステムおよび方法 - Google Patents

熱分解油を加工するためのシステムおよび方法 Download PDF

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Abstract

熱分解油を加工するシステムおよび方法が開示されている。熱分解油は、ガムおよび/またはガム前駆体ならびに他のヘテロ原子含有成分を捕捉、および/または吸着する吸着剤によって処理され、その処理によって前記熱分解油から前記ガムおよび/またはガム前駆体を除去して精製熱分解油を生成させる。前記精製熱分解油は、次いで、オレフィン類および芳香族類を含む化学物質を生成するためにクラッキングされ得る。

Description

本願は、2020年6月16日に出願された米国仮特許出願第63/039,868号の優先権の利益を主張し、その全内容は参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
本発明は、一般に、熱分解油(pyoil)を加工するシステムおよび方法に関する。より具体的には、本発明は、より安定な熱分解油生成物および/またはクラッキング用のより望ましい熱分解油原料を生成するために熱分解油を前処理するためのシステムおよび方法に関する。
プラスチックは、産業用途および家庭用途において、至る所に存在している。毎日何トンものプラスチックが生産される一方で、廃プラスチックは、その非常に長い自然分解プロセスにより、深刻な環境問題を引き起こしている。そのため、プラスチックの再利用および/またはリサイクルのための様々なプロセスが、過去数十年にわたり検討されてきた。
混合プラスチックの熱分解は、高温でプラスチックを分解し、熱分解油を生成することを含むプロセスである。熱分解油は、液体燃料として直接使用され得、高価値の化学物質を生成するために、さらに処理され得る。しかし、混合プラスチックから生成される熱分解油は、一般的に、反応性の高い化学物質を多く含むため劣化が早く、輸送中およびさらなる加工段階で、ガム(gums)が生成される。そのため、熱分解油が、容器および/または化学処理装置を(その中に含まれる微量な酸素によって処理および/または加工されて)汚染することは、かなり一般的である。
次に、本発明に関連して、少なくとも20の実施形態について説明する。実施形態1は、熱分解油を加工する方法である。この方法は、前記熱分解油を吸着剤で処理するステップであって、その処理によって前記熱分解油からガムおよび/またはガム前駆体を除去して精製熱分解油を生成する、ステップと、オレフィン類および芳香族類を生成するのに十分な反応条件下で、前記精製熱分解油をクラッキングするステップと、を含む。実施形態2は、前記処理するステップが、前記熱分解油の安定性を高めるように、さらに構成される、実施形態1の方法である。実施形態3は、前記処理するステップが、(a)酸素含有化合物、(b)窒素含有化合物、(c)塩素含有化合物、(d)多核芳香族類および高沸点留分(heavy tails)(C20+)、(e)ケイ素含有化合物、ならびに(f)重金属のうちの少なくとも1つ以上を前記熱分解油から除去するに十分な加工条件下で、吸着剤に前記熱分解油を流すことを含む、実施形態1または2の方法である。実施形態4は、前記吸着剤が、ガード床(guard bed)、精製カラム、攪拌タンク、流動床、またはそれらの組み合わせに含まれる、実施形態3の方法である。実施形態5は、前記吸着剤が、活性炭(炭素)、モレキュラーシーブ、漂白粘土、シリカヒドロゲル、イオン性樹脂、硬化卵殻粉末、またはそれらの組み合わせを含む、実施形態3および4のいずれかの方法である。実施形態6は、前記モレキュラーシーブが、前記熱分解油の色を明るくする、全有機窒素を低減する、前記熱分解油の密度を低減する、前記熱分解油中の含塩素化合物(chlorinates)濃度を低減する、前記熱分解油の含酸素化合物(oxygenates)を低減する、下流装置の腐食および/もしくは汚染を最小限に抑える、またはそれらの組み合わせを行うように構成されている、実施形態5の方法である。実施形態7は、前記モレキュラーシーブが、K12[(AlO12(SiO12]・nHO、Na12[(AlO12(SiO12]・nHO、Ca4,5[(AlO12(SiO12]・nHO、Na86[(AlO86(SiO106]・nHO、またはそれらの組み合わせを含む、実施形態5または6のいずれかの方法である。実施形態8は、前記モレキュラーシーブが、3~10Åの細孔径を有する、実施形態5から7のいずれかの方法である。実施形態9は、前記吸着剤が10~8000m/gの範囲内の表面積を有する、実施形態5から8のいずれかの方法である。実施形態10は、前記酸素含有化合物および/または前記窒素含有化合物が、脂肪族酸類、芳香族酸類、ニトリル類、アミン類、アルデヒド類、脂肪族/環状ケトン類、環状アミド類、脂肪族/芳香族アルコール類、ジオール類、エステル類、エーテル類、脂肪族/環状含塩素化合物類、フラン類、インドール類、キノリン類、フェノール化合物、インドール化合物類、酸性化合物類、アルコール類、アミン類、またはそれらの組み合わせを含む、実施形態3から9のいずれかの方法である。実施形態11は、前記酸素含有化合物および/または前記窒素含有化合物が、2-ヘプタデカノン、2-ペンタノン、カプロラクタム、3-ヘプタノール、メチル(イソ2)、オクタデカンニトリル、オレアニトリル(oleanitrile)、シクロペンタノン、トライデカンニトリル(traidecanenitrile)、ヘプタン酸、ドデカノフェノン(doedecanophenone)、2-シクロペンテノール、1-ブタノール、安息香酸、ヘキサンニトリル、トリデカンニトリル、2-シクロペンテン-1-オン、2-ヒドロキシ-3-メチル-、フェノール、C5置換(イソ2)、2-シクロペンテン-1-オン、3-エチル-2-ヒドロキシ、またはそれらの組み合わせを含む、実施形態10の方法である。実施形態12は、前記処理するステップにおける加工条件が、10~100℃の加工温度を含む、実施形態1から11のいずれかの方法である。実施形態13は、前記処理するステップにおける加工条件が、0.1~10バールの加工圧力を含む、実施形態1から12のいずれかの方法である。実施形態14は、前記吸着剤が、前記熱分解油の炭化水素クラッキング値に、実質的に影響を与えないか、または全く影響を与えない、実施形態1から13のいずれかの方法である。実施形態15は、前記クラッキングが、スチームクラッキングを含む、実施形態1から14のいずれかの方法である。実施形態16は、前記スチームクラッキングが、750~900℃のクラッキング温度で行われる、実施形態15の方法である。実施形態17は、前記スチームクラッキングが、1~4000msの滞留時間で行われる、実施形態15および16のいずれかの方法である。実施形態18は、熱再生、熱/真空再生により前記吸着剤を再生するステップ、強酸または強塩基性溶液でリンスするステップ、前記吸着剤を溶媒でリンスするステップ、またはそれらの組み合わせをさらに含む、実施形態1から17のいずれかの方法である。実施形態19は、沈降、濾過、サイクロン、またはそれらの組み合わせを経て前記精製熱分解油から前記吸着剤を除去するステップをさらに含む、実施形態1~18のいずれかの方法である。
実施形態20は、熱分解油を加工する方法である。この方法は、前記熱分解油を1つ以上の非シリカベースの吸着剤で処理するステップであって、その処理によって前記熱分解油からガムおよび/またはガム前駆体を除去して精製熱分解油を生成する、ステップと、前記精製熱分解油を液体燃料として利用するステップと、を含む。
全体として、混合プラスチックに由来する熱分解油を加工または貯蔵するためのシステムおよび方法は存在するが、従来のシステムおよび方法の少なくとも前述の欠点を考慮すると、この分野における改善の必要性はいまだ存在する。
プラスチックに由来する熱分解油を処理するシステムおよび方法に関連する上述の問題の少なくとも一部に対する解決策が、見出された。その解決策は、熱分解油を吸着剤で処理して、(1)ガムおよび/またはガム前駆体を前記熱分解油から除去し、および/または(2)前記熱分解油の安定性を高め、それによって精製熱分解油の汚染および腐食を低減すること、を含む熱分解油の処理方法に在る。さらに、前記処理するステップ後の前記精製熱分解油は、クラッキングされ得、オレフィン類および芳香族類(例えば、BTX)を含む高価値生成物を生成し、前記熱分解油の価値を高めることができる。さらに、前記熱分解油は混合プラスチックから得ることができ、そのことで、プラスチックによって引き起こされる汚染を低減することができる。前記吸着剤は、表面積の大きい物質(例えば、モレキュラーシーブおよび活性炭)、または酸性汚染物質もしくは塩基性汚染物質を標的とする特定のアクティブターゲット(例えば、イオン交換樹脂)を含み得、このことで、ガム前駆体および/または酸化剤を除去するための吸着効率を大幅に向上させることができる。したがって、開示された方法は、熱分解油を加工するための従来の方法を超える技術的成果を提供する。
本発明の実施形態は、熱分解油を加工する、ある方法を含む。この方法は、前記熱分解油を吸着剤で処理し、その処理によって前記熱分解油からガムおよび/またはガム前駆体を除去して精製熱分解油を生成することを含む。本方法は、オレフィン類および芳香族類を生成するのに十分な反応条件下で、前記精製熱分解油をクラッキングすることを含む。
本発明の実施形態は、熱分解油を加工する、ある方法を含む。この方法は、(a)酸素含有化合物、(b)窒素含有化合物、(c)塩素含有化合物、(d)多核芳香族類および高沸点留分(C20+)、(e)ケイ素含有化合物、および(f)重金属のうちの少なくとも1つ以上を前記熱分解油から除去して精製熱分解油を生成するの十分な加工条件下で、吸着剤に熱分解油を流すことを含む。この方法は、オレフィン類および芳香族類を生成するのに十分な反応条件下で、前記精製熱分解油をクラッキングすることを含む。
本発明の実施形態は、熱分解油を加工する、ある方法を含む。この方法は、(a)酸素含有化合物、(b)窒素含有化合物、(c)塩素含有化合物、(d)多核芳香族類および高沸点留分(C20+)、(e)ケイ素含有化合物、および(f)重金属のうちの少なくとも1つ以上を前記熱分解油から除去し、精製熱分解油を生成するのに十分な加工条件下で、吸着剤を含むガード床(guard bed)、精製カラム、流動床、および/または撹拌タンクに通して熱分解油を流すことを含む。この方法は、オレフィン類および芳香族類を生成するのに十分な反応条件下で、前記精製熱分解油をスチームクラッキングすることを含む。
本発明の実施形態は、熱分解油を加工する、ある方法を含む。この方法は、1つ以上の非シリカ系吸着剤で前記熱分解油を処理し、その処理によって前記熱分解油からガムおよび/またはガム前駆体を除去して、精製熱分解油を生成することを含む。この方法は、前記精製熱分解油を液体燃料として利用することを含む。
本明細書で使用されている様々な用語およびフレーズの定義を、以下に示す。
「約(about)」または「約(approximately)」という用語は、当業者によって理解されるものに近いと定義される。1つの非限定的な実施形態において、この用語は、10%以内、好ましくは5%以内、より好ましくは1%以内、および最も好ましくは0.5%以内であると定義される。
「重量%」、「体積%」、または「モル%」という用語は、それぞれ、成分を含む物質の総重量、総体積、または総モル数を基準とした、成分の重量割合、成分の体積割合、または成分のモル割合を意味する。非限定的な例では、前記物質100g中に10モルの成分が含まれていると、10モル%の成分である。
「実質的に」という用語とその変形は、10%以内、5%以内、1%以内、または0.5%以内の範囲を含むように定義される。
特許請求の範囲および/または明細書で使用される場合の「阻害する」、「低減する」、「防止する」、もしくは「回避する」という用語またはこれらの用語の任意の変形は、所望の結果を達成するための任意の測定可能な減少または完全な阻害を含む。
「効果的な」という用語は、その用語が明細書および/または特許請求の範囲で使用される場合、所望の、期待される、または意図される結果を達成するのに適切であることを意味する。
用語「ガム」は、その用語が明細書および/または特許請求の範囲で使用される場合、液体熱分解油から相変化した固体および/またはクリーム状および/または半固体部分を意味する。本発明の実施形態において、「ガム」は、溶液および/または液体に溶解するかまたは沈殿(crash out)する、400ダルトンの平均分子量を有する成分を含み得る。多くのクラッキングされたガソリン、特に未精製のガソリンは、ある条件下で沈着した厚い樹脂性物質であり、ガムを含み得る。例えば、暗闇状態または拡散光状態で長時間放置すると、「ガム」として知られる半流動性物質が油の底に茶色の粘着性の塊として徐々にたまることが一般的である。また、クラッキングされたガソリンおよび/または熱分解油を含む液状生成物を銅皿に入れ蒸発させることによって得られる黒褐色の硬い樹脂性残留物も、「ガム」の一例として挙げることができる。
用語「安定性」は、その用語が本明細書および/または特許請求の範囲で使用される場合、熱分解油組成物が化学反応によって経時的に変化しないことを意味する。本発明の実施形態において、「安定性」は、吸着剤による反応性物質の洗浄/捕捉により、(吸着剤によって処理された)熱分解油の反応性が制限されるか、または全くないことを、意味し得る。その結果、ガムの形成またはその他の色の変化が実質的に生じないか、またはそれ以上生じず、精製後、特性は長い期間変化しない。
特許請求の範囲または明細書において「含む(comprising)」、「含む(including)」、「含む(containing)」、または「有する(having)」という用語のいずれかと組み合わせて使用される場合の「1つの(a)」または「1つの(an)」という用語の使用は、「1つ」を意味し得るが、「1つ以上」、「少なくとも1つ」、および「1つまたは1を超える」の意味とも矛盾しない。
「含む(comprising)」(および「含む(comprise)」や「含む(comprises)」などの含む(comprising)の任意の形態)、「有する(having)」(および「有する(have)」や「有する(has)」などの有する(having)の任意の形態)、「含む(including)」(および「含む(includes)」や「含む(include)」などの含む(including)の任意の形態)または「含む(containing)」(および「含む(contains)」や「含む(contain)」などの含む(containing)の任意の形態)は、包括的またはオープンエンドであり、追加の引用されていない要素または方法のステップを除外するものではない。
本発明のプロセスは、本明細書中に開示されている特定の成分、構成要素、組成物などから「構成される(comprise)」、「本質的に構成される(consist essentially of)」、または「からなる(consist of)」可能性がある。
用語「主に(primarily)」は、その用語が本明細書および/または特許請求の範囲で使用される場合、50重量%、50モル%および50体積%のいずれかを超えることを意味する。例えば、「主に」は、50.1重量%から100重量%およびそれらの間のすべての値および範囲を、50.1モル%から100モル%およびそれらの間のすべての値および範囲を、または、50.1体積%から100体積%およびそれらの間のすべての値および範囲を含み得る。
本発明の他の目的、特徴および利点は、以下の図面、詳細な説明および実施例から明らかになるであろう。しかし、図面、詳細な説明および実施例は、本発明の特定の実施形態を示しているが、単に例示として記述され、限定を意味するものではないことを理解すべきである。さらに、本発明の趣旨および範囲内での変形および変更は、当業者にはこの詳細な説明から明らかになるであろうことが意図されている。さらなる実施形態においては、特定の実施形態からの特徴を、他の実施形態からの特徴と組合せてもよい。例えば、一つの実施形態からの特徴は、他のいずれかの実施形態からの特徴と組み合わせることができる。さらなる実施形態において、追加的な特徴が、本願明細書に記載されている特定の実施形態に追加され得る。
より完全な理解のために、添付図面とともに解釈して以下の説明に関して言及する。
本発明の実施形態による、熱分解油を加工するためのシステムの概略図を示す。 本発明の実施形態による、熱分解油の加工方法に関する概略フローチャートを示す。 異なる物質および/またはプロセス(左から右へ:モレキュラーシーブ、空気パージ、ブランク、およびブランク)で処理した熱分解油の写真を示す。 図3Aの試料に対応する、熱分解油試料におけるガム形成のグレースケール分析を示す。 異なる量のモレキュラーシーブの下でのガムの形成を示す。 図3Cの各試料についての底部のガムの沈着および処理された熱分解油の色を示す。 0日目における、異なるタイプのモレキュラーシーブでの熱分解油中のガム形成の写真を示す(図4Aは直立バイアルを示す)。 0日目における、異なるタイプのモレキュラーシーブでの熱分解油中のガム形成の写真を示す(図4Bは底部を上にしたバイアルを示す)。 30日目における、異なるタイプのモレキュラーシーブでの熱分解油中のガム形成の写真を示す(図4Cは直立バイアルを示す)。 30日目における、異なるタイプのモレキュラーシーブでの熱分解油中のガム形成の写真を示す(図4Dは底部を上にしたバイアルを示す)。 モレキュラーシーブ(中央)および活性炭(右)で処理した熱分解油試料におけるガム形成および色変化の比較を示す。 異なるモレキュラーシーブで処理された熱分解油の色の写真を示す。 図6Aに示される試料におけるRGB%の変化を示す。 異なる量のモレキュラーシーブでの処理による熱分解油の色変化を示す。 異なる量の活性炭での処理による熱分解油の色変化を示す。 異なる量のモレキュラーシーブで処理した場合の、熱分解油における暗さの変化のグレースケール分析を示す。 異なる量の活性炭で処理した場合の、熱分解油における暗さの変化のグレースケール分析を示す。 図8Aの試料に対応するRGB%の結果を示す。 図8Bの試料に対応するRGB%の結果を示す。 モレキュラーシーブおよび活性炭で処理した熱分解油における全有機窒素(TON)の変化を示す。 モレキュラーシーブおよび活性炭で処理した熱分解油における密度の変化を示す。 未処理の熱分解油、およびモレキュラーシーブと活性炭とを使用して処理した熱分解油についての炭化水素組成(炭素数)の変化を示す。 モレキュラーシーブと活性炭とで処理した熱分解油における選択された塩素化種の変化を示す。
現在、熱分解油、特にプラスチックの熱分解から得られる熱分解油は、ガムまたはガム前駆体含有量が多く、その結果、熱分解油の高ガム形成、低い安定性および高酸性度がもたらされる。従って、化学プラントにおける熱分解油の貯蔵、輸送、および/または加工の難易度が高く、その結果、熱分解油は燃料として直接燃焼されるされることが多い。本発明は、これらの問題の少なくとも一部に対する解決策を提供する。この解決策は、熱分解油を加工する方法を前提とする。この方法は、まず、熱分解油を吸着剤で処理して、前記熱分解油からガムおよび/またはガム前駆体を除去し、それによって前記熱分解油の腐食性および汚染リスクを低減させることを含む。さらに、ガム前駆体を除去することにより、貯蔵、輸送、およびさらなる加工に対する熱分解油の安定性を大幅に向上させることができる。さらに、処理するステップによって生成された精製熱分解油は、軽質オレフィン(C~Cオレフィン)、Cオレフィン、およびBTX(ベンゼン、トルエン、およびキシレン)を含むオレフィンなどの高価値化学物質を生成するためのクラッキングプロセスにおいて、使用され得る。本発明のこれらおよび他の非限定的な態様は、以下のセクションでさらに詳細に記載される。
A.熱分解油を加工するためのシステム
本発明の実施形態において、開示されたシステムは、精製ユニットおよびクラッキングユニットを含み得る。本発明の実施形態によれば、前記システムは、クラッキングユニットの汚染および腐食を低減させて、熱分解油からの高付加価値化学物質の生成を容易にするように、構成される。図1を参照すると、熱分解油を加工するためのシステム100の模式図が示されている。
本発明の実施形態によれば、システム100は、(1)熱分解油ストリーム11の熱分解油からガムおよび/またはガム前駆体を除去し、および/または(2)前記熱分解油の安定性を高めて精製熱分解油を含む熱分解油ストリーム12を生成するよう構成された精製ユニット101を含む。熱分解油ストリーム11は、混合プラスチックの熱分解によって得られる熱分解油を含み得る。本発明の実施形態において、精製ユニット101は、吸着剤を含み得る。前記吸着剤は、(a)酸素含有化合物、(b)窒素含有化合物、(c)塩素含有化合物、(d)多核芳香族類および高沸点留分(C20+)、(e)ケイ素含有化合物、および(f)重金属のうちの少なくとも1つ以上を、熱分解油ストリーム11の熱分解油から捕捉、吸着、および除去し、それによって前記熱分解油からガムおよび/またはガム前駆体を除去して前記熱分解油の安定性を向上させるように構成される表面領域の物質を含む。本発明の実施形態では、前記吸着剤は、ガムまたはガム前駆体ではない他のヘテロ原子含有化合物、をさらに除去するように構成されている。本発明の実施形態において、前記吸着剤は、ガムまたはガム前駆体ではない他の酸素含有化合物、窒素含有化合物、塩素含有化合物、をさらに除去するように構成されている。
本発明の実施形態において、前記酸素含有化合物および/または前記窒素含有化合物は、脂肪族酸類、芳香族酸類、ニトリル類、アミン類、アルデヒド類、脂肪族/環状ケトン類、環状アミド類、脂肪族/芳香族アルコール類、ジオール類、エステル類、エーテル類、脂肪族/環状含塩素化合物類、フラン類、インドール類、キノリン類、フェノール化合物、インドール化合物類、酸性化合物類、アルコール類、アミン類またはそれらの組合せを含み得る。前記酸素含有化合物および/または窒素含有化合物としては、2-ヘプタデカノン、2-ペンタノン、カプロラクタム、3-ヘプタノール、メチル(イソ2)、オクタデカンニトリル、オレアニトリル、シクロペンタノン、トライデカンニトリル(traidecanenitrile)、ヘプタン酸、ドデカノフェノン(doedecanophenone)、2-シクロペンテノール、1-ブタノール、安息香酸、ヘキサンニトリル、トリデカンニトリル、2-シクロペンテン-1-オン、2-ヒドロキシ-3-メチル、フェノール、C5置換(イソ2)、2-シクロペンテン-1-オン、3-エチル-2-ヒドロキシ-、またはそれらの組合せが、挙げられる。
本発明の実施形態において、精製ユニット101の例示的な吸着剤は、活性炭(炭素)、モレキュラーシーブ、漂白粘土、シリカヒドロゲル、イオン性樹脂、硬化卵殻粉末、およびそれらの組み合わせを含み得る。精製ユニット101は、組み合わせた吸着剤を含み得、ここで吸着剤の種類は、熱分解油から除去されるべき化合物の種および濃度に基づいて選択される。前記吸着剤は、10~8000m/gの範囲、ならびに10~50m/g、50~100m/g、100~400m/g、400~700m/g、700~1000m/g、1000~2000m/g、2000~4000m/g、4000~6000m/g、および6000~8000m/gの範囲を含むそれらの間のすべての範囲および値の表面積を、有し得る。本発明の実施形態によれば、精製ユニット101の吸着剤は、モレキュラーシーブを含み、前記モレキュラーシーブは、熱分解油の色を明るくし、熱分解油の全有機窒素を低減し、熱分解油の密度を低減し、熱分解油中の含塩素化合物の濃度を低減し、熱分解油の含酸素化合物を低減し、下流装置の腐食および/もしくは汚染、またはそれらの組み合わせを最小限に抑えるように構成されている。本発明の実施形態において、前記モレキュラーシーブは、K12[(AlO12(SiO12]・nHO、Na12[(AlO12(SiO12]・nHO、Ca4,5[(AlO12(SiO12]・nHO、Na86[(AlO86(SiO106]・nHO、またはこれらの組合せを含む。前記モレキュラーシーブは、3~10Åの細孔径、ならびに3~4Å、4~5Å、5~6Å、6~7Å、7~8Å、8~9Å、および9~10Åの範囲を含むその間のすべての範囲および値の細孔径を有し得、顆粒、フレーク、ビーズ、粉末、またはそれらの組み合わせの形態であり得る。
本発明の実施形態において、前記吸着剤は、活性炭(炭素)を含む。前記活性炭は、1~100Åの範囲の細孔径を有し得、前記活性炭は、10~8000m/gの表面積を有し得る。本発明の実施形態において、精製ユニット101は、ガード床、精製カラム、流動床、攪拌タンク、またはそれらの組み合わせを含み得る。精製ユニット101内の吸着剤は、固定床および/または流動床を形成してもよいし、攪拌タンク内に分散させてもよい。
本発明の実施形態によれば、精製ユニット101の出口は、精製ユニット101からクラッキングユニット102に精製熱分解油ストリーム12が流れるように、クラッキングユニット102と流体連通している。本発明の実施形態において、クラッキングユニット102は、精製熱分解油ストリーム12の精製熱分解油をクラッキングして、オレフィン類および芳香族類を含む生成物ストリーム13を生成するように、構成され得る。本発明の実施形態において、クラッキングユニット102は、スチームクラッカー、ハイドロクラッカー、および/または流動接触分解装置(fluid catalytic cracker)を含み得る。本発明の実施形態において、クラッキングユニット102は、スチームクラッカー、ハイドロクラッカー、および/または流動接触分解装置に流入する前に前記精製熱分解油を水素化処理するように構成された、スチームクラッカー、ハイドロクラッカー、および/または流動接触分解装置の上流に設置される水素化処理装置を、含み得る。生成物ストリーム13は、軽質オレフィンおよびBTX(ベンゼン、トルエン、およびキシレン)を含み得る。
本発明の実施形態において、精製ユニット101は粉末形態の吸着剤を含み、システム100は、精製ユニット101とクラッキングユニット102との間に設置される分離ユニットを、含み得る。前記分離ユニットは、精製熱分解油ストリーム12がクラッキングユニット102に流される前に、精製熱分解油ストリーム12から吸着剤を分離するように構成され得る。本発明の実施形態において、前記分離ユニットは、沈降ユニット、膜、濾過ユニット、サイクロンユニット、またはそれらの組み合わせを含み得る。
本発明の実施形態によれば、システム100は、ガムおよび/またはガム前駆体を除去して再生吸着剤を生成するために精製ユニット101から吸着剤(飽和または部分的に飽和)を再生するように構成された吸着剤再生ユニットを、含み得る。吸着剤再生ユニットの代替として、または吸着剤再生ユニットに加えて、精製ユニット101が熱分解油ストリーム11の処理に使用されない場合、精製ユニット101において吸着剤(飽和または部分飽和)は、再生され得る。本発明の実施形態において、精製ユニット101の、飽和または部分的に飽和した吸着剤の少なくとも一部は、再生されずに廃棄され得る。
熱分解油の加工方法
熱分解油を加工する、ある方法が見出された。この方法は、従来の方法と比較して、熱分解油に起因する貯蔵中および/または化学的生成プロセス中の汚染および/または腐食を、低減することができる。図2に示すように、本発明の実施形態は、熱分解油を加工するための方法200を含む。方法200は、図1に示され、上述したように、システム100によって実施され得る。本発明の実施形態によれば、ブロック201に示すように、方法200は、熱分解油ストリーム11の熱分解油を精製ユニット101の吸着剤で処理し、その処理によって熱分解油からガムおよび/またはガム前駆体を除去し、および/または熱分解油の安定性を高めて、精製熱分解油を含む精製熱分解油ストリーム12を生成することを含む。本発明の実施形態において、ブロック201で処理するステップは、ガムまたはガム前駆体ではない他のヘテロ原子含有化合物をさらに除去するように、構成される。本発明の実施形態において、ブロック201で処理するステップは、ガムまたはガム前駆体ではない他の酸素含有化合物、窒素含有化合物、塩素含有化合物をさらに除去するように、構成されている。本発明の実施形態において、前記熱分解油は、混合プラスチックの熱分解から得られる熱分解油を含み、前記熱分解油は、100~600℃の沸点範囲を有する。混合プラスチックの熱分解から得られる熱分解油は、20~600℃の沸騰曲線範囲を有し得る。
本発明の実施形態において、ブロック201で処理するステップは、熱分解油から(a)酸素含有化合物、(b)窒素含有化合物、(c)塩素含有化合物、(d)多核芳香族類および高沸点留分(C20+)、(e)ケイ素含有化合物(例えばシロキサン)、および(f)重金属のうちの少なくとも1つ以上を除去するに十分な加工条件下で、精製ユニット101の吸着剤に通して熱分解油を流すことによって、熱分解油を処理すること、を含み得る。本発明の実施形態において、前記吸着剤は、(a)酸素含有化合物、(b)窒素含有化合物、(c)塩素含有化合物、(d)多核芳香族類および高沸点留分(C20+)、(e)ケイ素含有化合物、および(f)重金属を捕捉、吸着、および/または吸着するように、構成されている。本発明の実施形態において、ブロック201での処理ステップについての加工条件は、10~100℃、ならびに10~20℃、20~30℃、30~40℃、40~50℃、50~60℃、60~70℃、70~80℃、80~90℃、および90~100℃の範囲を含むその間のすべての範囲および値の温度を含む。ブロック201での処理ステップの加工条件は、0.1~10バールの圧力をさらに含み得る。本発明の実施形態において、精製ユニット101の吸着剤は、活性炭(炭素)、モレキュラーシーブ、漂白粘土、シリカヒドロゲル、イオン性樹脂、硬化卵殻粉末、およびそれらの組み合わせを含み得る。精製ユニット101は、吸着剤の種類が熱分解油から除去されるべき化合物の種および濃度に基づいて選択される、組み合わせた吸着剤を、含み得る。本発明の実施形態では、精製ユニット101の吸着剤は固定床において構成され、ブロック201での処理ステップの加工条件は、0.1~10hr-1、ならびに0.1~0.5hr-1、0.5~1hr-1、1~2hr-1、2~4hr-1、4~6hr-1、6~8hr-1、および8~10hr-1の範囲を含むそれらの間のすべての範囲および値の、単位時間当たりの重量空間速度を、さらに含み得る。本発明の実施形態において、精製ユニット101の吸着剤は、攪拌タンクに分散され、ブロック201での処理ステップの加工条件は、1分~10時間、ならびに1~10分、10~30分、30分~1時間、1~2時間、2~3時間、3~4時間、4~5時間、5~6時間、6~7時間、7~8時間、8~9時間、および9~10時間を含む、それらの間のすべての範囲および値の攪拌時間を、さらに含み得る。本発明の実施形態において、プラスチックの熱分解によって生成された熱分解油は、他の前処理(例えば、アルカリによるリンスなど)なしに、前記吸着剤に直接流され得る。本発明の実施形態において、ブロック201で使用される精製ユニット101の吸着剤は、任意の添加化学物質を、含まなくてもよい。
本発明の実施形態において、ブロック201での処理は、さらに、熱分解油の暗色を低減すること、全有機窒素を低減すること、熱分解油の密度を低減すること、熱分解油中の含塩素化合物を低減すること、熱分解油の含酸素化合物を低減すること、下流装置での腐食および/もしくは汚染を最小限に抑えること、またはそれらの組み合わせを行うように、構成される。
本発明の実施形態において、精製熱分解油ストリーム12は、0.01~2.5重量%の酸素含有化合物、0.01~0.1重量%の窒素含有化合物、0.0001~0.01重量%の塩素含有化合物、0.5~10重量%の多核芳香族類および高沸点留分(C20+)、0.0001~0.01重量%のケイ素含有化合物、および/または0.0001~0.01重量%の重金属を含む。
本発明の実施形態によれば、ブロック202に示すように、方法200は、精製ユニット101が粉末形成吸着剤を含む場合、分離ユニットにおいて精製熱分解油ストリーム12から吸着剤を任意に除去することを含む。本発明の実施形態において、ブロック202で除去するステップは、精製熱分解油ストリーム12から吸着剤を沈降させること、精製熱分解油ストリーム12を濾過すること、ならびに/またはサイクロンユニットおよび/または膜ユニットで精製熱分解油ストリーム12を処理すること、を含む。
本発明の実施形態によれば、ブロック203に示されるように、方法200は、クラッキングユニット102において、生成物ストリーム13中にオレフィン類および芳香族類を生成するのに十分な反応条件下で、精製熱分解油ストリーム12の精製熱分解油をクラッキングするステップ、を含む。本発明の実施形態において、ブロック203での反応条件は、750~900℃の反応温度、および1~4000msの滞留時間を含む。本発明の実施形態において、ブロック203でクラッキングするステップは、スチームクラッキングプロセス、流動接触分解プロセス、ハイドロクラッキングプロセス、および/または水素化処理プロセスを含む。本発明の実施形態において、生成物ストリーム13は、10~50重量%のオレフィンを含む。
本発明の実施形態によれば、ブロック204に示すように、方法200は、精製ユニット101から部分飽和吸着剤または飽和吸着剤を再生して再生吸着剤を生成することを含む。本発明の実施形態では、ブロック204で再生するステップは、飽和吸着剤または飽和吸着剤 を燃焼(熱再生)すること、真空再生および熱再生すること、強酸または強塩基性溶液でリンスすること、および/または極性有機溶媒(例えば、テトラヒドロフラン(THF))でリンスすることを、含み得る。本発明の実施形態では、飽和吸着剤または飽和吸着剤 の少なくとも一部は、再生されずに廃棄され得る。
本発明の実施形態を、図2のブロックを参照して説明してきたが、本発明の動作は、図2に示される特定のブロックおよび/またはブロックの特定の順序に限定されないことを理解されたい。したがって、本発明の実施形態は、図2のものとは異なるシーケンスで様々なブロックを使用して本明細書中に記載するような機能を提供することができる。
本明細書中で説明するシステムおよびプロセスはまた、示されていないが、化学的加工の当業者には公知の様々な装置も含み得る。例えば、一部のコントローラ、パイプ、コンピュータ、バルブ、ポンプ、ヒータ、熱電対、圧力インジケータ、ミキサー、熱交換器などは示されていない場合がある。
本発明の開示の一部として、以下に具体的な実施例を挙げる。実施例は、例示のみを目的としており、本発明を限定することを意図していない。当業者であれば、本質的に同じ結果をもたらすために変更または修正することができるパラメータを容易に認識するであろう。
実施例1(吸着剤による熱分解油の処理)
20mLバイアル中の10mLの熱分解油に、モレキュラーシーブ、および活性炭などを含む各種吸着材を約0.1~2g添加した。この混合物を数日間保管すると、ガムの沈着が観察された。
モレキュラーシーブおよび空気パージ(He、N、空気)を使用して熱分解油を処理し、これを未処理の対照と比較した。図3A(視覚)および図3B(図3Aの各バイアルに対応するグレースケール値)に示す結果は、モレキュラーシーブがガム形成を防止できることを明確に示している。ガム形成の定量的グレースケール値(図3B)は、熱分解油を空気で1分間パージしても、ガム形成に有意な影響を及ぼさないことを示している。
図3A~3Dにおいて、ブランク(対照)と比較して、空気でパージしても、ガム形成は有意に減少しなかった。熱分解油ガム形成に対するモレキュラーシーブの量依存的な有効性が観察され、モレキュラーシーブの量(左から右に、0.1g、0.5g、1g、1.5g、2.0g のモレキュラーシーブ)とガム形成との間の、正の相関が確認された(図3Cおよび図3D)。
組成(K12[(AlO12(SiO12]・nHO;Na12[(AlO12(SiO12]・nHO;Ca4,5[(AlO12(SiO12]・nHO;Na86[(AlO86(SiO106]・nHO)および多孔度(3~10オングストローム)の異なるいくつかの市販のモレキュラーシーブを、図4A~図4Dに示すように、N2パージ熱分解油試料およびブランク熱分解油試料に対して試験した。3AはK12[(AlO12(SiO12]・nHOに対応し、4Aは多孔度および形態(ビーズ/パレット)が異なるNa12[(AlO12(SiO12]・nHOに対応し、5AはCa4,5[(AlO12(SiO12]・nHOに対応し、13XはNa86[(AlO86(SiO106]・nHO)に対応している。
結果は、試験したモレキュラーシーブのほとんどが、ガム形成の低減に有効であったことを明確に示している。モレキュラーシーブと同様に、活性炭においても、図5に示すようにガム形成の低減が確認された。さらに、濃度依存性実験では、ガムの防止において活性炭の有効性が有意に高いことが示唆される。
実施例2(吸着剤による熱分解油の処理)
20mLバイアル中の10mLの熱分解油に、モレキュラーシーブ、および活性炭などを含む各種吸着材を約0.1~2g添加した。この混合物を一定期間保管した。試料の色の変化、全有機窒素の変化、酸素含有化合物の変化について検査した。色の変化を、目視検査ならびにグレースケールおよびRGB%分析によってチェックした。密度を、比容積に対する重量測定法によって測定した。塩素化種を、GC×GC-HRMSシステムで検出および定量した。全有機窒素含有量を、アイソクラティックGC-NCDシステムで測定した。含酸素化合物の測定は、包括的なGC×GC-HRMSシステムにより行った。熱分解油の含酸素化合物は、熱分解油の直接注入により測定し、モレキュラーシーブ/活性炭捕捉成分は、テトラヒドロフランで抽出した後、GC×GCに注入して測定した。
異なるタイプのモレキュラーシーブの実験により、熱分解油の暗さを低減することに関する異なる有効性レベルが明らかになった(図6A~図6B)。RGB%ベースの分析(図6B)は、主に赤(正)および青(負)の色成分が、熱分解油の色を明るくすることによって影響を受けることを明らかにした。さらなる投与量依存性(0.1~2g)の研究により、図7A(モレキュラーシーブ)および7B(活性炭(木炭))に示すように、モレキュラーシーブおよび活性炭の両方が、熱分解油の色の低減において高い正の相関関係を有することが明らかになった。
熱分解油の色に対する量依存効果についてのグレースケールの定量的分析により、さらに、同様の結果が正当であると示された(図8A~8B)。比較すると、活性炭は、熱分解油の暗い色を低減するのに、より良い効力を有する。量依存的な暗さの低減に関するRGB%ベースの結果(図8C~図8D)により、モレキュラーシーブの場合、熱分解油の色を明るくすることによって、赤(正に)および青(負に)の色成分が影響を受けることが、確認された。一方、活性炭では、緑の色成分は正の関係を示したが、赤と青の色成分の変化には明確な相関関係が見られなかった。
この結果は、さらに、微孔性モレキュラーシーブおよびメソポーラス活性炭が、さまざまな親和力で、異なるクラスの化合物を吸収することを示唆している。
全有機窒素の低減:図9に示すように、アイソクラティックGC-NCDシステムによって測定した全有機窒素含有量(TON)により、未処理のブランクの熱分解油と比較して、モレキュラーシーブおよび活性炭処理熱分解油の両方で、TONの有意な低減が確認された。活性炭では、モレキュラーシーブと比較して、より良好なTONの低減が示された。このことは、モレキュラーシーブと活性炭とにより有意に捕捉される、カラーボディと窒素含有化合物との間に、強い相関関係があることを示している。
密度の低減:図10に示すように、モレキュラーシーブと活性炭との両方の用量依存的な処理により、処理された熱分解油の密度が低減された。最大適用量では、従来の凝縮物に対して、モレキュラーシーブおよび活性炭によってそれぞれ、約15%および30%の密度の低減がもたらされた。
詳細な炭化水素基タイプ分析(PINA)により、活性炭およびモレキュラーシーブは共に重質炭化水素を低減させ、その低減量は活性炭処理の場合に有意に高かったことが判明した(図11)。これらの重質炭化水素の低減は、処理された熱分解油の密度の低減の一因となった。
含塩素化合物の低減:含塩素化合物の種解析(speciation)により、モレキュラーシーブおよび活性炭の両方の処理により含塩素化合物が低減することが、明らかになった。図12の代表的な含塩素化合物のいくつかに示されるように、モレキュラーシーブおよび活性炭の処理によって、有意な低減が観察された。このことから、これらの処理が熱分解油中の総含塩素化合物を低減させ得ることが、明確に示された。
含酸素化合物の低減:包括的なGC×GC-HRMS分析により、未処理の熱分解油と比較して、モレキュラーシーブおよび活性炭で処理した熱分解油が、対照よりも有意に少ない量の含酸素化合物を含むことが明らかになった。詳細な分析により、カルボン酸類、フェノール類、ケトン類、アルデヒド類が、熱分解油に存在する含酸素化合物の主な寄与因子であり、処理後の熱分解油からは著しく除去されることが明らかになった。活性炭で処理した熱分解油では、かなりの量の含酸素化合物が除去されたが、カルボン酸類は一部残存していた。一方、活性炭で処理した熱分解油では、モレキュラーシーブの場合と比較して、ジ-/ポリ-芳香族化合物の著しい低減が認められた。
ヘテロ原子のさらなる詳細な分析により、望ましくないヘテロ原子の大部分が最大30倍(活性炭)または140倍(モレキュラーシーブ)まで減少し、検出不可能な限界まで減少したことが明らかになった(表1、2、3参照)。
テトラヒドロフランによって捕捉および/または吸着された成分を抽出することによって、処理されたモレキュラーシーブおよび活性炭をさらに分析すると、モレキュラーシーブは、主に残留長鎖パラフィン系炭化水素とともに含酸素化合物を捕捉し、一方、活性炭は、残留パラフィン系炭化水素とともに含酸素化合物とジ/ポリ-芳香族化合物との両方を捕捉および/または吸着したことが、判明した。この結果は、図8Cおよび図8Dに示したモレキュラーシーブおよび活性炭のRGB%の変化に関する知見を裏付けるものである。
本出願の実施形態およびそれらの利点を詳細に説明してきたが、さまざまな変形、置換および変更を、添付クレームによって定義される実施形態の趣旨および範囲から逸脱することなく行えることを理解すべきである。また、本出願の範囲は、明細書に記載されている事柄、手段、方法およびステップに関するプロセス、マシン、製造、構成の特定の実施形態に限定されることは意図されていない。当業者は、事柄、手段、方法またはステップに関する上記の開示、プロセス、マシン、製造、構成から容易に認識するであろうが、実質的に同じ機能を実行するか、または、本願明細書に記載されている対応する実施形態と実質的に同じ結果を実現する既存のまたは後に開発されるものを利用してもよい。したがって、添付クレームは、事柄、手段、方法またはステップに関するこのようなプロセス、マシン、製造、構成がそれらの範囲内に含まれることが意図されている。

Claims (20)

  1. 熱分解油を加工する方法であって、前記方法が、
    前記熱分解油を吸着剤で処理するステップであって、その処理によって前記熱分解油からガムおよび/またはガム前駆体を除去して精製熱分解油を生成する、ステップ;および
    オレフィン類および芳香族類を生成するのに十分な反応条件下で、前記精製熱分解油をクラッキングするステップを含む、方法。
  2. 前記処理するステップが、前記熱分解油の安定性を高めるように、さらに構成される、請求項1に記載の方法。
  3. 前記処理するステップが、(a)酸素含有化合物、(b)窒素含有化合物、(c)塩素含有化合物、(d)多核芳香族類および高沸点留分(C20+)、(e)ケイ素含有化合物、ならびに(f)重金属のうちの少なくとも1つ以上を前記熱分解油から除去するに十分な加工条件下で、吸着剤に前記熱分解油を流すことを含む、請求項1または2に記載の方法。
  4. 前記吸着剤が、ガード床、精製カラム、攪拌タンク、流動床、またはそれらの組み合わせに含まれる、請求項3に記載の方法。
  5. 前記吸着剤が、活性炭(炭素)、モレキュラーシーブ、漂白粘土、シリカヒドロゲル、イオン性樹脂、硬化卵殻粉末、またはそれらの組み合わせを含む、請求項3に記載の方法。
  6. 前記モレキュラーシーブが、前記熱分解油の色を明るくする、全有機窒素を低減する、前記熱分解油の密度を低減する、前記熱分解油中の含塩素化合物濃度を低減する、前記熱分解油の含酸素化合物を低減する、下流装置の腐食および/もしくは汚染を最小限に抑える、またはそれらの組み合わせを行うように構成されている、請求項5に記載の方法。
  7. 前記モレキュラーシーブが、K12[(AlO12(SiO12]・nHO、Na12[(AlO12(SiO12]・nHO、Ca4,5[(AlO12(SiO12]・nHO、Na86[(AlO86(SiO106]・nHO、またはそれらの組み合わせを含む、請求項5に記載の方法。
  8. 前記モレキュラーシーブが、3~10Åの細孔径を有する、請求項5に記載の方法。
  9. 前記吸着剤が、10~8000m/gの範囲内の表面積を有する、請求項5に記載の方法。
  10. 前記酸素含有化合物および/または前記窒素含有化合物が、脂肪族酸類、芳香族酸類、ニトリル類、アミン類、アルデヒド類、脂肪族/環状ケトン類、環状アミド類、脂肪族/芳香族アルコール類、ジオール類、エステル類、エーテル類、脂肪族/環状含塩素化合物類、フラン類、インドール類、キノリン類、フェノール化合物、インドール化合物類、酸性化合物類、アルコール類、アミン類、またはそれらの組み合わせを含む、請求項3に記載の方法。
  11. 前記酸素含有化合物および/または前記窒素含有化合物が、2-ヘプタデカノン、2-ペンタノン、カプロラクタム、3-ヘプタノール、メチル(イソ2)、オクタデカンニトリル、オレアニトリル(oleanitrile)、シクロペンタノン、トライデカンニトリル(traidecanenitrile)、ヘプタン酸、ドデカノフェノン(doedecanophenone)、2-シクロペンテノール、1-ブタノール、安息香酸、ヘキサンニトリル、トリデカンニトリル、2-シクロペンテン-1-オン、2-ヒドロキシ-3-メチル-、フェノール、C置換(イソ2)、2-シクロペンテン-1-オン、3-エチル-2-ヒドロキシ、またはそれらの組み合わせを含む、請求項10に記載の方法。
  12. 前記処理するステップにおける加工条件が、10~100℃の加工温度を含む、請求項1または2のいずれかに記載の方法。
  13. 前記処理するステップにおける加工条件が、0.1~10バールの加工圧力を含む、請求項1または2のいずれかに記載の方法。
  14. 前記吸着剤が、前記熱分解油の炭化水素クラッキング値に、実質的に影響を与えないか、または全く影響を与えない、請求項1または2のいずれかに記載の方法。
  15. 前記クラッキングが、スチームクラッキングを含む、請求項1または2に記載の方法。
  16. 前記スチームクラッキングが、750~900℃のクラッキング温度で行われる、請求項15に記載の方法。
  17. 前記スチームクラッキングが、1~4000msの滞留時間で行われる、請求項15に記載の方法。
  18. 熱再生、熱/真空再生により前記吸着剤を再生するステップ、強酸または強塩基性溶液でリンスするステップ、前記吸着剤を溶媒でリンスするステップ、またはそれらの組み合わせをさらに含む、請求項1または2のいずれかに記載の方法。
  19. 沈降、濾過、サイクロン、またはそれらの組み合わせを経て前記精製熱分解油から前記吸着剤を除去するステップをさらに含む、請求項1または2のいずれかに記載の方法。
  20. 熱分解油を加工する方法であって、前記方法が、
    前記熱分解油を1つ以上の非シリカベースの吸着剤で処理するステップであって、その処理によって前記熱分解油からガムおよび/またはガム前駆体を除去して精製熱分解油を生成する、ステップ;および
    前記精製熱分解油を液体燃料として利用するステップを含む、方法。
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