JP2024500691A - オレフィンを生成するためのシステム及び方法 - Google Patents

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Abstract

Figure 2024500691000001
１つ以上の実施形態によれば、オレフィンは、反応容器において、炭化水素供給物流を粒子状固体と接触させることによって生成され得る。反応容器は、ライザーに接続され得る。ライザーは、ライザーが、内部ライザーセグメント及び外部ライザーセグメントを備え得るように、粒子状固体分離セクションの外側シェルのライザーポートを通して延在し得る。粒子状固体分離セクションは、気体出口ポート、ライザーポート、及び粒子状固体出口ポートを含み得る。粒子状固体分離セクションは、気体／固体分離デバイス及び固体粒子収集領域を収容し得る。ライザーポートは、粒子状固体分離セクションの中心垂直軸上に位置しないように、外側シェルの側壁上に位置付けられ得る。粒子状固体は、気体／固体分離デバイスにおいてオレフィン含有生成物流から分離され得る。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０２０年１２月１６日に出願された「Ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ Ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ Ｏｌｅｆｉｎｓ」と題する米国特許出願第６３／１２６，０９５号の利益及び優先権を主張するものであり、その内容全体が参照により本開示に組み込まれる。
本明細書に記載の実施形態は、概して、化学処理に関し、より具体的には、触媒化学変換のための方法及びシステムに関する。
軽質オレフィンは、多くの種類の商品及び材料を生成するためのベース材料として利用され得る。例えば、エチレンは、ポリエチレン、塩化エチレン、又はエチレンオキシドを製造するために利用され得る。このような生成物は、製品の包装、建設、繊維などに利用され得る。したがって、エチレン、プロピレン、及びブテンなどの軽質オレフィンに対する業界需要が存在する。軽質オレフィンは、原油の精製操作からの生成物流であり得る所与の化学供給物流に応じて、異なる反応プロセスによって生成され得る。多くの軽質オレフィンは、固体粒子状触媒などの粒子状固体を用いるプロセスを通して生成され得る。
炭化水素供給物を処理して、オレフィンを生成するためのいくつかの反応器システムは、粒子状固体分離セクションの真下に位置付けられた反応容器を含み、ライザー（反応容器を分離セクションに接続する）が、反応容器から粒子状固体分離セクションの底部を通して延在する。このような設計は、粒子状固体分離セクションの底部分に環状空間を作成することによって、出口を粒子状固体分離セクションの底部の中心に置くことができなくなり、粒子状固体分離セクションを通る粒子状固体の流れに悪影響を及ぼす可能性がある。更に、このような設計では、ライザーが必要以上に長くなる可能性があり、これにより、軽質オレフィンの収率を低下させ得る望ましくない二次反応が発生し得る。更に、このような設計は、内部ライザーが高グレードの材料を必要とし得、内部ライザーによって占められる体積を考慮して分離セクションの底部の直径がより大きくなり得るあるため、プロセス装置に費用がより掛かり得る。オレフィンを生成するための改良された方法及びオレフィンを生成するための改良されたシステム構成要素が必要とされている。
現在開示されているものは、以前の設計で特定された問題に対処し得る、オレフィンを生成するための方法及びシステムである。１つ以上の実施形態では、ライザーは、粒子状固体分離セクションの底部を通して粒子状固体分離セクションに入らないため、結果として粒子状固体分離セクションを出る粒子状固体の流れ特徴が改善される。更に、本明細書に開示される実施形態では、ライザーは、粒子状固体分離セクションの底部を通して入るライザーと比較して、より短い長さを有し得る。これは、軽質オレフィンの収率を低下させる二次反応が発生し得る滞留時間の短縮をもたらし得る。
本明細書に開示される１つ以上の実施形態によれば、オレフィンは、反応容器において、炭化水素供給物流を粒子状固体と接触させることを含む方法によって生成され得る。炭化水素供給物流を粒子状固体と接触させることにより、炭化水素供給物流を反応させてオレフィン含有生成物流を形成し得る。反応容器は、ライザーに接続され得、反応容器は、ライザーの最大断面積の少なくとも３倍である最大断面積を有し得る。この方法は、ライザーを通して粒子状固体を通過させることを更に含み得る。ライザーは、ライザーが、粒子状固体分離セクションの内部領域に位置付けられた内部ライザーセグメントと、粒子状固体分離セクションの外側シェルの外側に位置付けられた外部ライザーセグメントと、を備え得るように、粒子状固体分離セクションの外側シェルのライザーポートを通して延在し得る。粒子状固体分離セクションは、粒子状固体分離セクションの内部領域を画定する、少なくとも外側シェルを備え得る。外側シェルは、気体出口ポート、ライザーポート、及び粒子状固体出口ポートを備え得る。外側シェルは、粒子状固体分離セクションの内部領域に、気体／固体分離デバイス及び固体粒子収集領域を収容し得る。ライザーポートは、粒子状固体分離セクションの中心垂直軸上に位置しないように、外側シェルの側壁上に位置付けられ得る。この方法は、気体／固体分離デバイスにおいて、オレフィン含有生成物流から粒子状固体を分離することと、オレフィン含有生成物流から分離された粒子状固体を、粒子状固体分離セクションの中心垂直軸に近接して位置する固体粒子収集領域に通過させることと、を更に含み得る。
前述の概要及び以下の詳細な説明の両方は、技術の実施形態を提示しており、また、これらが特許請求される技術の性質及び特徴を理解するための概要又は枠組みを提供することを意図していることを理解されたい。添付の図面は、技術の更なる理解を提供するために含まれ、本明細書に組み込まれ、その一部を構成する。図面は、様々な実施形態を例示し、説明とともに、技術の原則及び動作を説明するのに役立つ。更に、図面及び説明は、単なる例示であることを意図し、いかなる方式でも特許請求の範囲を限定することを意図していない。
本明細書で開示された技術の追加の特徴及び利点は、後続の詳細な説明において記載され、その説明から当業者にとって容易に部分的に明らかになるか、又は後続の詳細な説明、特許請求の範囲、並びに添付の図面を含む、本明細書に記載されるような技術を実践することによって、認識されるであろう。
本開示の特定の実施形態の以下の「発明を実施するための形態」は、以下の図面と併せて読むと最良に理解され得るが、図面では、同様の構造が同様の参照数字で示されている。
本明細書に開示される１つ以上の実施形態による、反応器セクション及び再生器セクションを備える反応器システムを概略的に示す。 本明細書に開示される１つ以上の実施形態による、反応容器及び外部ライザーセグメントを概略的に示す。 本明細書に開示される１つ以上の実施形態による、粒子状固体分離セクションを概略的に示す。 本明細書に開示される１つ以上の実施形態による、固体粒子収集領域を示す。 本明細書に開示される１つ以上の実施形態による、固体粒子収集領域を示す。 本明細書に開示される１つ以上の実施形態による、固体粒子収集領域の滞留時間分布をグラフで示す。
図面が、本質的に概略的であり、限定なしに、温度伝送器、圧力伝送器、流量計、ポンプ、バルブなどの当該技術分野で一般的に使用される流体触媒反応器システムのいくつかの構成要素を含まないことを理解されたい。これらの構成要素が、開示された本実施形態の趣旨及び範囲内にあることが知られているであろう。しかしながら、本開示に記載されているものなどの動作構成要素は、本開示に記載されている実施形態に追加され得る。
ここで、様々な実施形態をより詳細に参照し、そのうちのいくつかの実施形態が添付の図面に例示される。可能な場合はいつでも、同じ又は同様の部分を参照するために、図面全体で同じ参照番号が使用されるであろう。
炭化水素供給物流からオレフィンを生成するための方法が本明細書に開示される。このような方法は、システム部品の特定の配向などの特定の特徴を有するシステムを利用する。例えば、本明細書に記載の１つ以上の実施形態では、反応容器は、分離セクションの真下にはない。本明細書で詳細に開示される１つの特定の実施形態が、図１に示される。しかしながら、本明細書に開示及び教示される原理が、異なる様式で配向された異なるシステム構成要素を利用する他のシステム、又は様々な触媒組成物を利用する異なる反応スキームに適用可能であり得ることを理解されたい。
ここで図１を参照すると、前述の図面及び説明を参照して理解され得るように、供給化学物質は、反応器セクション２００において、触媒などの粒子状固体との接触によって反応させられ得る。粒子状固体は、反応器セクション２００において反応生成物から分離され、再生セクション３００に通過させられ得る。再生セクション３００では、粒子状固体が再生され得る。このような再生された粒子状固体は、後続の反応サイクルのために反応器セクション２００に戻して通過させられ得る。
いくつかの実施形態は、反応器システム１００と関連して本明細書に記載されているが、本明細書に記載の方法及びシステムが、再生セクション３００を使用せずに、又は粒子状固体を再生するための代替手段を用いて動作し得ることを理解されたい。したがって、再生セクション３００が、本開示の方法及びシステムの全ての実施形態において必須又は不可欠であると解釈されるべきではない。
非限定的な例では、本明細書に記載の反応器システム１００は、炭化水素供給物流から軽質オレフィンを生成するために利用され得る。軽質オレフィンは、異なる反応機構を利用することによって、多種多様な炭化水素供給物流から生成され得る。例えば、軽質オレフィンは、少なくとも脱水素反応、クラッキング反応、脱水反応、及びメタノールからオレフィンへの反応によって生成され得る。これらの反応型は、異なる供給物流及び異なる粒子状固体を利用して、軽質オレフィンを生成し得る。「触媒」が本明細書で言及される場合、それらは、図１のシステムに関して言及される粒子状固体を等しく指し得ることを理解されたい。
１つ以上の実施形態によれば、反応は、脱水素反応であり得る。このような実施形態によれば、炭化水素供給物流は、エチルベンゼン、エタン、プロパン、ｎ－ブタン、及びｉ－ブタンのうちの１つ以上を含み得る。１つ以上の実施形態では、炭化水素供給物流は、少なくとも５０重量％、少なくとも６０重量％、少なくとも７０重量％、少なくとも８０重量％、少なくとも９０重量％、少なくとも９５重量％、又は更に少なくとも９９重量％のエチルベンゼンを含み得る。１つ以上の実施形態では、炭化水素供給物流は、少なくとも５０重量％、少なくとも６０重量％、少なくとも７０重量％、少なくとも８０重量％、少なくとも９０重量％、少なくとも９５重量％、又は更に少なくとも９９重量％のエタンを含み得る。追加の実施形態では、炭化水素供給物流は、少なくとも５０重量％、少なくとも６０重量％、少なくとも７０重量％、少なくとも８０重量％、少なくとも９０重量％、少なくとも９５重量％、又は更に少なくとも９９重量％のプロパンを含み得る。追加の実施形態では、炭化水素供給物流は、少なくとも５０重量％、少なくとも６０重量％、少なくとも７０重量％、少なくとも８０重量％、少なくとも９０重量％、少なくとも９５重量％、又は更に少なくとも９９重量％のｎ－ブタンを含み得る。追加の実施形態では、炭化水素供給物流は、少なくとも５０重量％、少なくとも６０重量％、少なくとも７０重量％、少なくとも８０重量％、少なくとも９０重量％、少なくとも９５重量％、又は更に少なくとも９９重量％のｉ－ブタンを含み得る。追加の実施形態では、炭化水素供給物流は、少なくとも５０重量％、少なくとも６０重量％、少なくとも７０重量％、少なくとも８０重量％、少なくとも９０重量％、少なくとも９５重量％、又は更に少なくとも９９重量％のエタン、プロパン、ｎ－ブタン、及びｉ－ブタンの合計を含み得る。
１つ以上の実施形態では、脱水素反応は、ガリウム及び／又は白金粒子状固体を触媒として利用し得る。このような実施形態では、粒子状固体は、ガリウム及び／又は白金触媒を含み得る。本明細書に記載されるように、ガリウム及び／又は白金触媒は、ガリウム、白金、又はそれらの両方を含む。ガリウム及び／又は白金触媒は、アルミナ又はアルミナシリカ担体によって担持され得、任意選択的にカリウムを含み得る。このようなガリウム及び／又は白金触媒は、米国特許第８，６６９，４０６号に開示されており、これは、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。しかしながら、他の好適な触媒が、脱水素反応を実施するために利用され得ることを理解されたい。
１つ以上の実施形態では、反応機構は、後に燃焼が続く脱水素であり得る（同じチャンバにおける）。このような実施形態では、脱水素反応は、副生成物として水素を生成し得、酸素キャリア材料は、水素と接触して水素の燃焼を促進し、水を形成し得る。本明細書に記載のシステム及び方法のための可能な反応機構として企図されるそのような反応機構の例は、国際公開第２０２０／０４６９７８号に開示されており、その教示は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
１つ以上の実施形態によれば、反応は、クラッキング反応であり得る。このような実施形態によれば、炭化水素供給物流は、ナフサ、ｎ－ブタン、又はｉ－ブタンのうちの１つ以上を含み得る。１つ以上の実施形態によれば、炭化水素供給物流は、少なくとも５０重量％、少なくとも６０重量％、少なくとも７０重量％、少なくとも８０重量％、少なくとも９０重量％、少なくとも９５重量％、又は更に少なくとも９９重量％のナフサを含み得る。追加の実施形態では、炭化水素供給物流は、少なくとも５０重量％、少なくとも６０重量％、少なくとも７０重量％、少なくとも８０重量％、少なくとも９０重量％、少なくとも９５重量％、又は更に少なくとも９９重量％のｎ－ブタンを含み得る。追加の実施形態では、炭化水素供給物流は、少なくとも５０重量％、少なくとも６０重量％、少なくとも７０重量％、少なくとも８０重量％、少なくとも９０重量％、少なくとも９５重量％、又は更に少なくとも９９重量％のｉ－ブタンを含み得る。追加の実施形態では、炭化水素供給物流は、少なくとも５０重量％、少なくとも６０重量％、少なくとも７０重量％、少なくとも８０重量％、少なくとも９０重量％、少なくとも９５重量％、又は更に少なくとも９９重量％のナフサ、ｎ－ブタン、及びｉ－ブタンの合計を含み得る。
１つ以上の実施形態では、クラッキング反応は、１つ以上のゼオライトを触媒として利用し得る。このような実施形態では、粒子状固体は、１つ以上のゼオライトを含み得る。いくつかの実施形態では、クラッキング反応で利用される１つ以上のゼオライトは、ＺＳＭ－５ゼオライトを含み得る。しかしながら、他の好適な触媒が、クラッキング反応を実施するために利用され得ることを理解されたい。例えば、市販されている好適な触媒としては、Ｉｎｔｅｒｃａｔ Ｓｕｐｅｒ Ｚ Ｅｘｃｅｌ又はＩｎｔｅｒｃａｔ Ｓｕｐｅｒ Ｚ Ｅｘｃｅｅｄが挙げられ得る。追加の実施形態では、クラッキング触媒は、触媒的に活性な材料に加えて、白金を含み得る。例えば、クラッキング触媒は、０．００１重量％～０．０５重量％の白金を含み得る。白金は、硝酸白金として噴霧され、約７００℃などの高温で焼成され得る。理論に束縛されるものではないが、触媒への白金の添加は、メタンなどの補助燃料のより容易な燃焼を可能にし得ることが考えられる。
１つ以上の実施形態によれば、反応は、脱水反応であり得る。このような実施形態によれば、炭化水素供給物流は、エタノール、プロパノール、又はブタノールのうちの１つ以上を含み得る。１つ以上の実施形態によれば、炭化水素供給物流は、少なくとも５０重量％、少なくとも６０重量％、少なくとも７０重量％、少なくとも８０重量％、少なくとも９０重量％、少なくとも９５重量％、又は更に少なくとも９９重量％のエタノールを含み得る。追加の実施形態では、炭化水素供給物流は、少なくとも５０重量％、少なくとも６０重量％、少なくとも７０重量％、少なくとも８０重量％、少なくとも９０重量％、少なくとも９５重量％、又は更に少なくとも９９重量％のプロパノールを含み得る。追加の実施形態では、炭化水素供給物流は、少なくとも５０重量％、少なくとも６０重量％、少なくとも７０重量％、少なくとも８０重量％、少なくとも９０重量％、少なくとも９５重量％、又は更に少なくとも９９重量％のブタノールを含み得る。追加の実施形態では、炭化水素供給物流は、少なくとも５０重量％、少なくとも６０重量％、少なくとも７０重量％、少なくとも８０重量％、少なくとも９０重量％、少なくとも９５重量％、又は更に少なくとも９９重量％のエタノール、プロパノール、及びブタノールの合計を含み得る。
１つ以上の実施形態では、脱水反応は、１つ以上の酸触媒を利用し得る。このような実施形態では、粒子状固体は、１つ以上の酸触媒を含み得る。いくつかの実施形態では、脱水反応に利用される１つ以上の酸触媒は、ゼオライト（ＺＳＭ－５ゼオライトなど）、アルミナ、非晶質アルミノシリケート、酸性白土、又はこれらの組み合わせを含み得る。例えば、好適であり得る市販のアルミナ触媒としては、１つ以上の実施形態によれば、ＳｙｎＤｏｌ（Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｄｅｓｉｇｎ Ｃｏｍｐａｎｙから入手可能）、Ｖ２００（ＵＯＰから入手可能）、又はＰ２００（Ｓａｓｏｌから入手可能）が挙げられる。好適であり得る市販のゼオライト触媒としては、ＣＢＶ８０１４、ＣＢＶ２８０１４（各々Ｚｅｏｌｙｓｔから入手可能）が挙げられる。好適であり得る市販の非晶質アルミノシリケート触媒としては、シリカ－アルミナ触媒担体、グレード１３５（Ｓｉｇｍａ Ａｌｄｒｉｃｈから入手可能）が挙げられる。しかしながら、他の好適な触媒が、脱水反応を実施するために利用され得ることを理解されたい。
１つ以上の実施形態によれば、反応は、メタノールからオレフィンへの反応であり得る。このような実施形態によれば、炭化水素供給物流は、メタノールを含み得る。１つ以上の実施形態によれば、炭化水素供給物流は、少なくとも５０重量％、少なくとも６０重量％、少なくとも７０重量％、少なくとも８０重量％、少なくとも９０重量％、少なくとも９５重量％、又は更に少なくとも９９重量％のメタノールを含み得る。
１つ以上の実施形態では、メタノールからオレフィンへの反応は、１つ以上のゼオライト触媒として利用し得る。このような実施形態では、粒子状固体は、１つ以上のゼオライトを含み得る。いくつかの実施形態では、メタノールからオレフィンへの反応に利用される１つ以上のゼオライトは、ＺＳＭ－５ゼオライト又はＳＡＰＯ－３４ゼオライトのうちの１つ以上を含み得る。しかしながら、他の好適な触媒が、脱水素反応を実施するために利用され得ることを理解されたい。
１つ以上の実施形態では、化学プロセスの動作は、反応器から出て生成物流を通過させることを含み得る。生成物流は、軽質オレフィン又はスチレンなどのアルキル芳香族オレフィンを含み得る。本明細書に記載されるように、「軽質オレフィン」は、エチレン、プロピレン、又はブテンのうちの１つ以上を指す。本明細書に記載されているように、ブテンは、α－ブチレン、シス－β－ブチレン、トランス－β－ブチレン、及びイソブチレンなどのブテンの任意の異性体を含み得る。一実施形態では、生成物流は、少なくとも５０重量％の軽質オレフィンを含み得る。例えば、生成物流は、少なくとも６０重量％の軽質オレフィン、少なくとも７０重量％の軽質オレフィン、少なくとも８０重量％の軽質オレフィン、少なくとも９０重量％の軽質オレフィン、少なくとも９５重量％の軽質オレフィン、又は更に少なくとも９９重量％の軽質オレフィンを含み得る。
更に図１を参照すると、反応器システム１００は、一般に、反応器セクション２００及び再生セクション３００などの複数のシステム構成要素を備える。図１に関連して本明細書で使用される場合、反応器セクション２００は、一般に、主要なプロセス反応が起こり、粒子状固体が反応のオレフィン含有生成物流から分離される、反応器システム１００の部分を指す。１つ以上の実施形態では、粒子状固体は、使用済みであり得、これは、粒子状固体が少なくとも部分的に不活性化されていることを意味する。また、本明細書で使用される場合、再生セクション３００は、一般に、粒子状固体が燃焼などによって再生され、再生された粒子状固体が、使用済み粒子状固体上で先に燃焼された材料から、又は補助燃料から発生した気体などの他のプロセス材料から分離される、流体触媒反応器システムの部分を指す。反応器セクション２００は、一般に、反応容器２５０、外部ライザーセグメント２３２及び内部ライザーセグメント２３４を含むライザー２３０、並びに粒子状固体分離セクション２１０を含む。再生セクション３００は、一般に、粒子状固体処理容器３５０、外部ライザーセグメント３３２及び内部ライザーセグメント３３４を含むライザー３３０、並びに粒子状固体分離セクション３１０を含む。一般に、粒子状固体分離セクション２１０は、例えばスタンドパイプ１２６によって粒子状固体処理容器３５０と流体連通し得、粒子状固体分離セクション３１０は、例えばスタンドパイプ１２４及び輸送ライザー１３０によって反応容器２５０と流体連通し得る。
一般に、反応器システム１００は、炭化水素供給物及び流動化粒子状固体を反応容器２５０に供給し、炭化水素供給物を流動化粒子状固体と接触させることによって反応させて、反応器セクション２００の反応容器２５０においてオレフィン含有生成物を生成することによって動作し得る。オレフィン含有生成物及び粒子状固体は、反応容器２５０から出て、ライザー２３０を通して粒子状固体分離セクション２１０における気体／固体分離デバイス２２０に通過させられ得、そこで、粒子状固体がオレフィン含有生成物から分離され得る。次いで、粒子状固体は、粒子状固体分離セクション２１０から出て、粒子状固体処理容器３５０に輸送され得る。粒子状固体処理容器３５０において、粒子状固体は、化学プロセスによって再生され得る。例えば、使用済み粒子状固体は、酸素含有気体との接触による粒子状固体の酸化、粒子状固体上に存在するコークスの燃焼、及び粒子状固体を加熱するための補助燃料の燃焼のうちの１つ以上によって再生され得る。次いで、粒子状固体は、粒子状固体処理容器３５０から出て、ライザー３３０を通してライザー終端デバイス３７８に通過させられ得、そこで、ライザー３３０からの気体及び粒子状固体が部分的に分離される。ライザー３３０からの気体及び残留粒子状固体は、粒子状固体分離セクション３１０における気体／固体分離デバイス３２０に輸送され、そこで、残留粒子状固体が再生反応からの気体から分離される。気体から分離された粒子状固体は、固体粒子収集領域３８０に通過させられ得る。次いで、分離された粒子状固体は、固体粒子収集領域３８０から反応容器２５０に通過させられ、そこで更に利用される。したがって、粒子状固体は、反応器セクション２００と再生セクション３００との間を循環し得る。
１つ以上の実施形態では、反応器システム１００は、反応器セクション２００又は再生セクション３００のいずれかを含む場合があり、両方は含まない場合がある。更なる実施形態では、反応器システム１００は、単一の再生セクション３００及び複数の反応器セクション２００を含み得る。
更に、本明細書に記載されるように、反応器セクション２００及び再生セクション３００の構造的特徴は、いくつかの点で同様又は同一であり得る。例えば、反応器セクション２００及び再生セクション３００の各々は、反応容器（すなわち、反応器セクション２００の反応容器２５０及び再生セクション３００の粒子状固体処理容器３５０）、ライザー（すなわち、反応器セクション２００のライザー２３０及び再生セクション３００のライザー３３０）、及び粒子状固体分離セクション（すなわち、反応器セクション２００の粒子状固体分離セクション２１０及び再生セクション３００の粒子状固体分離セクション３１０）を含む。反応器セクション２００及び再生セクション３００の構造的特徴の多くが、いくつかの点で同様又は同一であり得るため、反応器セクション２００及び再生セクション３００の同様又は同一の部分は、本開示全体を通して、同じ最後の２桁を有する参照番号が提供されており、反応器セクション２００の１つの部分に関する開示が、再生セクション３００の同様又は同一の部分に適用可能であり得、逆もまた同様であることを理解されたい。
図１及び図２に示されるように、反応容器２５０は、輸送ライザー１３０の反応容器２５０への接続を画定する反応容器粒子状固体入口ポート２５２を含み得る。反応容器２５０は、ライザー２３０の外部ライザーセグメント２３２と流体連通しているか、又は直接接続されている反応容器出口ポート２５４を更に含み得る。本明細書に記載されるように、「反応容器」は、ドラム、バレル、バット、又は所与の化学反応に好適な他の入れ物を指す。反応容器は、一般に、円筒形状（すなわち、実質的に円形の直径を有する）であり得るか、あるいは、代わりに、三角形、四角形、五角形、六角形、八角形、楕円形、若しくは他の多角形の断面形状を有する角柱状、又は閉曲線状などの非円筒形状、又はこれらの組み合わせであり得る。反応容器は、本開示全体を通して使用される場合、一般に、金属フレームを含み得、金属フレームを保護し、かつ／又はプロセス条件を制御するために利用される耐火ライニング又は他の材料を更に含み得る。
一般に、本明細書に記載の流体触媒反応器システム１００の任意のシステムユニットの「入口ポート」及び「出口ポート」とは、システムユニットの開口部、穴、チャネル、開口、すき間、又は他の同様の機械的特徴を指す。例えば、入口ポートは、特定のシステムユニットへの材料の流入を可能にし、出口ポートは、特定のシステムユニットからの材料の流出を可能にする。一般に、出口ポート又は入口ポートは、パイプ、導管、チューブ、ホース、輸送ライン、又は同様の機械的特徴が取り付けられる流体触媒反応器システム１００のシステムユニットの領域、又は別のシステムユニットが直接取り付けられるシステムユニットの一部分を画定することになる。入口ポート及び出口ポートは、動作において機能的に本明細書で説明される場合があるが、それらは同様又は同一の物理的特徴を有し得、動作システムにおけるそれらのそれぞれの機能は、それらの物理的構造を制限するものとして解釈されるべきではない。ライザーポート２１８などの他のポートは、ライザー２３０がライザーポート２１８において粒子状固体分離セクション２１０内に延在する場合など、他のシステムユニットが直接取り付けられる所与のシステムユニットに開口部を備え得る。
反応容器２５０は、輸送ライザー１３０に接続され得、これは、動作中、再生された粒子状固体及び化学供給物を反応器セクション２００に提供し得る。図２に示されるように、再生された粒子状固体及び化学供給物は、反応容器２５０に収容された分配器２６０で混合され得る。再び図１を参照すると、輸送ライザー１３０を介して反応容器２５０に入る粒子状固体は、スタンドパイプ１２４を通して輸送ライザー１３０に通過させられることにより、再生セクション３００から到達し得る。いくつかの実施形態では、粒子状固体は、粒子状固体分離セクション２１０からスタンドパイプ１２２を介して輸送ライザー１３０に直接入り得、そこで、反応容器２５０に入る。これらの粒子状固体は、わずかに不活性化されている場合があるが、いくつかの実施形態では、依然として、反応容器２５０での使用に好適であり得る。
図１及び図２に示されるように、反応容器２５０は、外部ライザーセグメント２３２に直接接続され得る。一実施形態では、反応容器２５０は、反応容器本体セクション２５６と、反応容器本体セクション２５６と外部ライザーセグメント２３２との間に位置付けられた反応容器遷移セクション２５８と、を含み得る。反応容器本体セクション２５６は、一般に、反応容器遷移セクション２５８よりも大きい直径を含み得、反応容器遷移セクション２５８は、反応容器遷移セクション２５８が反応容器本体セクション２５６から外部ライザーセグメント２３２へと内向きに突出するように、反応容器本体セクション２５６の直径のサイズからライザー２３０の直径のサイズへとテーパ状であり得る。本明細書で使用される場合、システムユニットの一部分の直径とは、図１における水平方向に示されるように、その一般的な幅を指すことを理解されたい。
更に、反応容器本体セクション２５６は、一般に、反応容器本体セクション２５６の高さが粒子状固体入口ポート１５２から反応容器遷移セクション２５８まで測定される、高さを含み得る。１つ以上の実施形態では、反応容器本体セクション２５６の直径は、反応容器本体セクション２５６の高さよりも大きくあり得る。１つ以上の実施形態では、反応容器本体セクション２５６の直径の高さに対する比率は、５：１～１：５であり得る。例えば、粒子状固体処理容器本体セクション３５６の直径の高さに対する比率は、５：１～１：５、４：１～１：５、３：１～１：５、２：１～１：５、１：１～１：５、１：２～１：５、１：３～１：５、１：４～１：５、５：１～１：４、５：１～１：３、５：１～１：２、５：１～１：１、５：１～２：１、５：１～３：１、５：１～４：１、又はこれらの範囲の任意の組み合わせ若しくは部分組み合わせであり得る。
１つ以上の実施形態では、反応容器２５０は、ライザー２３０の最大断面積の少なくとも３倍である最大断面積を有し得る。例えば、反応容器２５０は、ライザー２３０の最大断面積の少なくとも３倍、少なくとも４倍、少なくとも５倍、少なくとも６倍、少なくとも７倍、少なくとも８倍、少なくとも９倍、又は更に少なくとも１０倍である最大断面積を有し得る。本明細書に記載されているように、別途明記しない限り、「断面積」とは、反応物及び／又は生成物の一般的な流れの方向に実質的に直交する平面におけるシステム構成要素の一部分の断面の面積を指す。
１つ以上の実施形態では、反応容器２５０及びライザー２３０の形状、サイズ、並びに温度及び圧力などの他の処理条件に基づいて、反応容器２５０は、高速流動床、乱流床、又はバブリング床反応器などの、等温であるか又は等温に近づく方式で動作し得、一方、ライザー２３０は、希薄相ライザー反応器などの、より大きなプラグ流方式で動作し得る。例えば、反応容器２５０は、高速流動床、乱流床、又はバブリング床反応器として動作し得、ライザー２３０は、希薄相ライザー反応器として動作し得、その結果、平均触媒及び気体流は、同時に上方に移動する。「平均流」とは、その用語が本明細書で使用される場合、一般に流動粒子の挙動に典型的であるように、純流動、すなわち、全ての上方流から後退流又は逆流を差し引いた流動を指す。本明細書に記載されるように、「高速流動」反応器とは、気体相の空塔速度がチョーキング速度より速く、動作中は半密であり得る、流動化レジームを利用する反応器を指し得る。本明細書に記載されるように、「乱流床」反応器とは、空塔速度がチョーキング速度よりも遅く、高速流動化レジームよりも密度が高い流動化レジームを指し得る。本明細書に記載されるように、「バブリング床」反応器とは、高密度床における明確に定義された気泡が２つの別個の相に存在する流動化レジームを指し得る。「チョーキング速度」とは、垂直搬送ラインで固体を希薄相モードに維持するために必要な最小速度を指す。本明細書に記載されるように、「希薄相ライザー」とは、輸送速度で動作するライザー反応器を指し得、気体及び触媒は、希薄相でほぼ同じ速度を有する。
１つ以上の実施形態では、反応容器２５０における圧力は、６．０～１００ポンド／絶対平方インチ（pounds per square inch absolute、ｐｓｉａ）（約４１．４キロパスカル（kilopascal、ｋＰａ）～約６８９．４ｋＰａ）の範囲であり得るが、いくつかの実施形態では、１５．０ｐｓｉａ～３５．０ｐｓｉａ（約１０３．４ｋＰａ～約２４１．３ｋＰａ）などのより狭い選択範囲が用いられ得る。例えば、圧力は、１５．０ｐｓｉａ～３０．０ｐｓｉａ（約１０３．４ｋＰａ～約２０６．８ｋＰａ）、１７．０ｐｓｉａ～２８．０ｐｓｉａ（約１１７．２ｋＰａ～約１９３．１ｋＰａ）、又は１９．０ｐｓｉａ～２５．０ｐｓｉａ（約１３１．０ｋＰａ～約１７２．４ｋＰａ）であり得る。本明細書では、標準（非ＳＩ）式からメートル（ＳＩ）式への単位変換には、変換の結果としてメートル（ＳＩ）式に存在し得る切り上げを示す「約」が含まれる。
追加の実施形態では、開示されたプロセスの単位時間当たりの重量空間速度（weight hourly space、ＷＨＳＶ）は、反応器における触媒１ｌｂ当たり１時間（ｈ）当たり０．１ポンド（ｌｂ）～１００ｌｂの化学供給物（ｌｂ供給物／時間／ｌｂ触媒）の範囲であり得る。例えば、反応器が、高速流動床反応器、乱流床反応器、又はバブリング床反応器として動作する反応容器２５０と、ライザー反応器として動作するライザー２３０と、を備える場合、空塔気体速度は、反応容器２５０において２フィート／秒（ｆｔ／秒、約０．６１メートル／秒、ｍ／秒）～８０ｆｔ／秒（約２４．３８ｍ／秒）、例えば、２ｆｔ／秒（約０．６１ｍ／秒）～１０ｆｔ／秒（約３．０５ｍ／秒）、ライザー２３０において３０ｆｔ／秒（約９．１４ｍ／秒）～７０ｆｔ／秒（約２１．３１ｍ／秒）の範囲であり得る。追加の実施形態では、完全にライザー型である反応器構成は、単一の高空塔気体速度で、例えば、いくつかの実施形態では、全体を通して少なくとも３０ｆｔ／秒（約９．１５ｍ／秒）で動作し得る。
追加の実施形態では、反応容器２５０及びライザー２３０における触媒の供給物流に対する比率は、重量対重量（weight to weight、ｗ／ｗ）基準で５～１００の範囲であり得る。いくつかの実施形態では、比率は、１２～３６、又は１２～２４など、１０～４０の範囲であり得る。
追加の実施形態では、触媒フラックスは、反応容器２５０において１ポンド／平方フィート秒（ｌｂ／ｆｔ２－秒）（約４．８９ｋｇ／ｍ２－秒）～３０ｌｂ／ｆｔ２－秒（約１４６．５ｋｇ／ｍ２－秒）、ライザー２３０において１０ｌｂ／ｆｔ２－秒（約４８．９ｋｇ／ｍ２－秒～２５０ｌｂ／ｆｔ２－秒（約１２２１ｋｇ／ｍ２－秒）であり得る。
更に図１を参照すると、反応器セクション２００は、反応物、生成物、及び／又は粒子状固体を反応容器２５０から粒子状固体分離セクション２１０に輸送するように作動するライザー２３０を備え得る。１つ以上の実施形態では、ライザー２３０は、一般に、円筒形状（すなわち、実質的に円形の断面形状を有する）であり得るか、あるいは、代わりに、三角形、四角形、五角形、六角形、八角形、楕円形、若しくは他の多角形の断面形状を有する角柱状、又は閉曲線状などの非円筒形状、又はこれらの組み合わせであり得る。ライザー２３０は、本開示全体を通して使用される場合、一般に、金属フレームを含み得、金属フレームを保護し、かつ／又はプロセス条件を制御するために利用される耐火ライニング又は他の材料を更に含み得る。
いくつかの実施形態によれば、ライザー２３０は、外部ライザーセグメント２３２及び内部ライザーセグメント２３４を含み得る。本明細書で使用される場合、「外部ライザーセグメント」とは、粒子状固体分離セクションの外側にあるライザーの一部分を指し、また、「内部ライザーセグメント」とは、粒子状固体分離セクション内にあるライザーの一部分を指す。例えば、図１に示す実施形態では、反応器セクション２００の内部ライザーセグメント２３４は、粒子状固体分離セクション２１０内に位置付けられ得、一方、外部ライザーセグメント２３２は、粒子状固体分離セクション２１０の外側に位置付けられる。
図１及び図３を参照すると、粒子状固体分離セクション２１０は、外側シェル２１２を備え得、外側シェル２１２は、粒子状固体分離セクション２１０の内部領域２１４を画定し得る。外側シェル２１２は、気体出口ポート２１６、ライザーポート２１８、及び粒子状固体出口ポート２２２を備え得る。更に、外側シェル２１２は、粒子状固体分離セクション２１０の内部領域２１４に、気体／固体分離デバイス２２０及び粒子状固体収集領域２８０を収容し得る。
１つ以上の実施形態では、粒子状固体分離セクション２１０の外側シェル２１２は、粒子状固体分離セクション２１０の上部セグメント２７６、中間セグメント２７４、及び下部セグメント２７２を画定し得る。一般に、上部セグメント２７６は、断面積が上部セグメント２７６において２０％を超えて変動しないように、実質的に一定の断面積を有し得る。１つ以上の実施形態では、上部セグメント２７６の断面積は、ライザー２３０の最大断面積の少なくとも３倍であり得る。例えば、上部セグメント２７６の断面積は、ライザー２３０の最大断面積の少なくとも３倍、少なくとも４倍、少なくとも５倍、少なくとも６倍、少なくとも７倍、少なくとも８倍、少なくとも９倍、少なくとも１０倍、少なくとも１２倍、少なくとも１５倍、又は更に少なくとも２０倍であり得る。更なる実施形態では、上部セグメント２７６の最大断面積は、ライザー２３０の最大断面積の５～４０倍であり得る。例えば、上部セグメント２７６の最大断面積は、ライザー２３０の最大断面積の５～４０倍、１０～４０倍、１５～４０倍、２０～４０倍、２５～４０倍、３０～４０倍、３５～４０倍、５～３５倍、５～３０倍、５～２５倍、５～２０倍、５～１５倍、又は更に５～１０倍であり得る。
更に、１つ以上の実施形態では、粒子状固体分離セクション２１０の下部セグメント２７２は、断面積が下部セグメント２７２において２０％を超えて変動しないように、実質的に一定の断面積を有し得る。下部セグメント２７２の断面積は、ライザー２３０の最大断面積よりも大きく、上部セグメント２７６の最大断面積よりも小さくあり得る。中間セグメント２７４は、中間セグメント２７４の断面積が一定ではなく、中間セグメント２７４の断面積が中間セグメント２７４全体にわたって上部セグメント２７６の断面積から下部セグメント２７２の断面積に遷移する錐台形状であり得る。
再び図３を参照すると、粒子状固体分離セクション２１０は、中心垂直軸２９９を含み得る。中心垂直軸は、中心垂直軸２９９が、粒子状固体分離セクション２１０の上部セグメント２７６、中間セグメント２７４、及び下部セグメント２７２を通過するように、粒子状固体分離セクション２１０の上部及び粒子状固体分離セクション２１０の底部を通して延在し得る。１つ以上の実施形態では、粒子状固体分離セクション２１０の上部セグメント２７６、中間セグメント２７４、及び下部セグメント２７２は、中心垂直軸２９９を中心とし得る。例えば、上部セグメント２７６及び下部セグメント２７２が実質的に円筒形である実施形態では、中心垂直軸２９９は、上部セグメント２７６の直径の中点及び下部セグメント２７２の直径の中点を通過し得る。
図１及び図３に示されるように、ライザー２３０の内部ライザーセグメント２３４は、粒子状固体分離セクション２１０のライザーポート２１８を通して延在し得る。ライザーポート２１８は、粒子状固体分離セクション２１０の外側シェル２１２における任意の開口部であり得、そこを通して、ライザー２３０の少なくとも内部ライザーセグメント２３４が、粒子状固体分離セクション２１０の内部領域２１４内に突起する。１つ以上の実施形態では、ライザーポート２１８は、粒子状固体分離セクション２１０の中心垂直軸２９９上に位置しない。このような実施形態では、ライザーポート２１８は、ライザーポート２１８が中心垂直軸２９９上に位置せず、また、ライザー２３０が中心垂直軸２９９に実質的に平行な方向に粒子状固体分離セクション２１０内に延在するように配向されないように、外側シェル２１２の側壁上に位置し得る。
１つ以上の実施形態では、内部ライザーセグメント２３４は、粒子状固体分離セクション２１０の中間セグメント２７４において粒子状固体分離セクション２１０に入る。このような実施形態では、内部ライザーセグメント２３４は、中間セグメント２７４の少なくとも一部分を通過し、上部セグメント２７６の少なくとも一部分を通過する。このような実施形態では、内部ライザーセグメント２３４は、粒子状固体分離セクション２１０の下部セグメント２７２を通過しない。更なる実施形態では、内部ライザーセグメント２３４は、上部セグメント２７６において粒子状固体分離セクション２１０に入り得、内部ライザーセグメント２３４は、上部セグメント２７６の少なくとも一部分を通過し得る。このような実施形態では、内部ライザーセグメント２３４は、下部セグメント２７２又は中間セグメント２７４を通過しない。
ここで図３を参照すると、内部ライザーセグメント２３４は、垂直部分２９６、非垂直部分２９４、及び非線形部分２９５を備え得る。本明細書に記載されるように、「非線形部分」とは、曲線又は留め継ぎ接合部を備えるライザーセグメントの一部分を指し得る。非線形部分２９５は、垂直部分２９６と非垂直部分２９４との間に位置付けられ得、垂直部分２９６及び非垂直部分２９４を接続し得る。更に、内部ライザーセグメント２３４の非垂直部分２９４は、ライザーポート２１８に近接し得る。１つ以上の実施形態では、内部ライザーセグメント２３４の非垂直部分２９４は、ライザーポート２１８に隣接するか、又は直接接続され得る。したがって、ライザー２３０は、ライザーポート２１８を通して非垂直方向に延在し得る。
再び図２を参照すると、外部ライザーセグメント２３２は、垂直部分２９１、非垂直部分２９３、及び非線形部分２９２を備え得る。非線形部分２９２は、垂直部分２９１と非垂直部分２９３との間に位置付けられ得、垂直部分２９１及び非垂直部分２９３を接続し得る。外部ライザーセグメント２３２の非垂直部分２９３は、ライザーポート２１８に近接し得る。１つ以上の実施形態では、外部ライザーセグメント２３２の非垂直部分２９３は、ライザーポート２１８に隣接するか、又は直接接続され得る。更に、外部ライザーセグメント２３２の垂直部分２９１は、反応容器２５０に近接し得る。このような実施形態では、本明細書で更に詳細に説明される伸縮継手２８２は、外部ライザーセグメント２３２の垂直部分２９１と反応容器２５０との間に位置付けられ得る。
１つ以上の実施形態では、ライザー２３０は、ライザーポート２１８を通して斜め方向に延在し得、斜め方向は、垂直から１５～７５度である。例えば、斜め方向は、垂直から１５～７５度、垂直から２０～７５度、垂直から２５～７５度、垂直から３０～７５度、垂直から３５～７５度、垂直から４０～７５度、垂直から４５～７５度、垂直から５０～７５度、垂直から５５～７５度、垂直から６０～７５度、垂直から６５～７５度、垂直から７０～７５度、垂直から１５～７０度、垂直から１５～６５度、垂直から１５～６０度、垂直から１５～５５度、垂直から１５～５０度、垂直から１５～４５度、垂直から１５～４０度、垂直から１５～３５度、垂直から１５～３０度、垂直から１５～２５度、垂直から１５～２０度、又はこれらの範囲の任意の組み合わせ若しくは部分組み合わせであり得る。１つ以上の代替的な実施形態では、ライザー２３０は、実質的に水平方向にライザーポート２１８を通過し得る。本明細書に記載されるように、「実質的に水平」方向は、水平から１５度以内、水平から１０度以内、又は更に水平から５度以内であり得る。
理論に束縛されるものではないが、ライザーポート２１８が中心垂直軸２９９上に位置せず、ライザー２３０が非垂直方式で粒子状固体分離セクション２１０に入る場合、反応容器２５０が、気体／固体分離デバイス２２０のより近くに位置し得ることが考えられる。したがって、気体及び粒子状固体は、ライザー２３０においてより短い距離を進行し、ライザー２３０内で二次反応が発生する機会を減少させることになる。このような二次反応は、軽質オレフィンの収率の低下をもたらす可能性があるため、望ましくない場合がある。
再び図３を参照すると、粒子状固体分離セクション２１０の上部セグメント２７６において、内部ライザーセグメント２３４は、気体／固体分離デバイス２２０と流体連通し得る。例えば、内部ライザーセグメント２３４の垂直部分２９６は、気体／固体分離デバイス２２０に直接接続され得る。気体／固体分離デバイス２２０は、サイクロン又は複数のサイクロンなどの、気相又は液相から粒子状固体を分離するように動作可能であり得る任意の機械的又は化学的分離デバイスであり得る。
１つ以上の実施形態によれば、気体／固体分離デバイス２２０は、２段階以上のサイクロン式分離を含み得るサイクロン式分離システムであり得る。気体／固体分離デバイス２２０が２つ以上のサイクロン式分離段階を含む実施形態では、流動流が入る第１の分離デバイスは、一次サイクロン式分離デバイスと称される。一次サイクロン式分離デバイスからの流動流出物は、更なる分離のために二次サイクロン式分離デバイスに入り得る。一次サイクロン式分離デバイスとしては、例えば、一次サイクロン、並びにＶＳＳ（ＵＯＰから市販されている）、ＬＤ２（Ｓｔｏｎｅ ａｎｄ Ｗｅｂｓｔｅｒから市販されている）、及びＲＳ２（Ｓｔｏｎｅ ａｎｄ Ｗｅｂｓｔｅｒから市販されている）の名称で市販されているシステムが挙げられ得る。一次サイクロンは、例えば、米国特許第４，５７９，７１６号、同第５，１９０，６５０号及び同第５，２７５，６４１号に記載されており、これらは各々、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。一次サイクロンを一次サイクロン式分離デバイスとして利用するいくつかの分離システムでは、１組以上の追加のサイクロン、例えば、二次サイクロン及び三次サイクロンを用いて、生成物気体から粒子状固体を更に分離する。一次サイクロン式分離デバイスが、本明細書に開示される実施形態に使用され得ることを理解されたい。
粒子状固体は、反応容器２５０からライザー２３０を通して上方に移動し、気体／固体分離デバイス２２０に入り得る。気体／固体分離デバイス２２０は、分離された粒子状固体を粒子状固体分離セクション２１０の上部セグメント２７６の底部、又は中間セグメント２７４、又は下部セグメント２７２に堆積させるように動作可能であり得る。分離された蒸気は、粒子状固体分離セクション２１０の気体出口ポート２１６においてパイプ１２０を介して流体触媒反応器システム１００から除去され得る。
ここで図１及び図３を参照すると、粒子状固体分離セクション２１０の下部セグメント２７２は、粒子状固体収集領域２８０を備え得る。１つ以上の実施形態では、粒子状固体収集領域２８０は、粒子状固体分離セクション２１０内での粒子状固体の蓄積を可能にし得る。粒子状固体収集領域２８０は、ストリッピングセクションを備え得る。ストリッピングセクションは、粒子状固体を再生セクション３００に送る前に、粒子状固体から生成物蒸気を除去するために利用され得る。再生セクション３００に輸送された生成物蒸気は燃焼されることになるため、生成物気体よりも安価な気体を利用するストリッパでこれらの生成物蒸気を除去することが望ましい。
下部セグメント２７２における粒子状固体収集領域２８０は、粒子状固体出口ポート２２２を備え得る。１つ以上の実施形態では、粒子状固体出口ポート２２２は、中心垂直軸２９９に近接して、又は更にはその上に位置し得る。１つ以上の実施形態によれば、粒子状固体収集領域２８０の底部は、粒子状固体出口ポート２２２が粒子状固体収集領域２８０の最も低い部分に位置するように曲線状であり得る。スタンドパイプ１２６は、粒子状固体出口ポート２２２において粒子状固体分離セクション２１０に接続され得、粒子状固体は、反応器セクション２００から出て、スタンドパイプ１２６を介して再生セクション３００に移送され得る。任意選択的に、粒子状固体はまた、スタンドパイプ１２２を介して反応容器２５０に戻って直接移送され得る。このような実施形態では、スタンドパイプ１２２及びスタンドパイプ１２６は各々、中心垂直軸２２９からオフセットされ得る。代替的に、粒子状固体は、輸送ライザー１３０において、再生された粒子状固体と事前混合され得る。
理論に束縛されるものではないが、ライザー２３０が粒子状固体収集領域２８０を通過しない場合、及び粒子状固体出口ポート２２２が中心垂直軸２９９上に位置する場合、粒子状固体収集領域２８０を通る粒子状固体の流れは、ライザー２３０が粒子状固体収集領域２８０を通過する設計と比較して改善され得ることが考えられる。ライザー２３０が粒子状固体収集領域２８０を通過せず、ライザーポート２１８が中心垂直軸２９９上に位置しない場合、粒子状固体出口ポート２２２は、中心垂直軸２９９上に位置し得る。したがって、粒子状固体は、プラグ流に酷似した方式で粒子状固体収集領域２８０を通して移動し得る。これは、粒子状固体収集領域２８０内の粒子状固体の滞留時間の増加をもたらす可能性があり、これは、ストリッピング又は他の企図されるプロセスが粒子状固体収集領域２８０内で発生する場合に有益であり得る。
本明細書に記載されるように、反応容器壁、分離セクション壁、又はライザー壁などのシステムユニットの部分は、炭素又はステンレス鋼などの金属材料を含み得る。加えて、様々なシステムユニットの壁は、同じシステムユニットの他の部分又は別のシステムユニットに取り付けられる部分を有し得る。場合によって、取り付け又は接続の点は、本明細書では「取り付け点」と称され、限定はしないが、溶接、接着剤、はんだなどの任意の既知の結合媒体を組み込み得る。システムの構成要素が、溶接などの取り付け点において「直接接続」され得ることを理解されたい。
高温の粒子状固体及び気体によって引き起こされる損傷を軽減するために、耐火材料を様々なシステム構成要素の内部ライニングとして使用し得る。耐火材料は、ライザー２３０並びに粒子状固体分離セクション２１０上に含まれ得る。特定の耐火材料配置及び材料の実施形態が提供されるが、それらは、開示されるシステムの物理的構造に関して限定的であると見なされるべきではないことを理解されたい。例えば、耐火ライナーは、ライザー２３０においてライザー２３０の内部表面に沿って、並びに粒子状固体分離セクション２１０の中間セグメント２７４及び上部セグメント２７６の内部表面に沿って延在し得る。耐火ライナーは、六角メッシュ又は他の好適な耐火材料を含み得る。
粒子状固体及び反応器セクション２００の他の部分の重量から反応容器２５０、より具体的には２１８のような接続された容器ノズルに印加される機械的負荷が高い場合があり、ばねを利用して、容器及び配管壁の温度差による容器の移動を可能にし得る。これらのばねは、容器が空である場合に、反応容器２５０及びノズル２１８に上方の圧力を印加し得る。容器が逆の触媒重量を有する場合、ノズル２１８に対する負荷は下方にシフトし得る。この設計原理は、ノズル２１８から見るいずれの方向の全負荷も減少させる。例えば、反応容器２５０は、ばねから吊り下げられ得るか、又はばねは、反応容器２５０の下に位置付けられ、その重量、触媒重量を支持し、熱的移動を可能にし得る。例えば、図１は、反応容器２５０において反応器セクション２００に機械的に取り付けられたばね支持体１８８を示しており、反応器セクション２００は、ばね支持体１８８によって支持構造から懸架されている。
更に、反応容器２５０及びライザー２３０は、熱膨張を受け得る。したがって、ばね支持体１８８から反応容器２５０を吊り下げるか、又はばね支持体１８８で反応容器２５０を支持することにより、反応容器２５０と外部ライザーセグメント２３２との間の張力を緩和し得る。ここで図２を参照すると、ばねの代わりに、伸縮継手２８２が、反応容器２５０と外部ライザーセグメント２３２との間に位置付けられ得る。本明細書に記載されるように、「伸縮継手」は、伸縮継手によって接合されたシステム構成要素間の応力を低減する、金属又は耐火性、プラスチック、繊維、若しくはエラストマーなどの他の好適な材料から作製されるベローズを指し得る。例えば、伸縮継手は、熱膨張及び収縮によるシステム構成要素間の応力を低減するために使用され得る。１つ以上の実施形態では、伸縮継手２８２をばね支持体と組み合わせて使用して、反応容器２５０と外部ライザーセグメント２３２との間の熱膨張によって引き起こされる応力を軽減し得る。
粒子状固体分離セクション２１０における分離後、使用済み粒子状固体は、再生セクション３００に移送される。再生セクション３００は、本明細書に記載されるように、反応器セクション２００と多くの構造的類似性を共有し得る。したがって、再生セクション３００の部分に割り当てられた参照番号は、反応器セクション２００に関して使用されたものと類似しており、参照番号の最後の２桁が同じである場合、反応器セクション２００及び再生セクション３００の所与の部分は、同様の機能を果たし得、同様の物理的構造を有し得る。したがって、反応器セクション２００に関する本開示の多くは、再生セクション３００に等しく適用され得、反応器セクション２００と再生セクション３００との間の区別は、以下で強調される。
ここで再生セクション３００を参照すると、図１に示されるように、再生セクション３００の粒子状固体処理容器３５０は、１つ以上の反応器容器入口ポート３５２と、ライザー３３０の外部ライザーセグメント３３２と流体連通するか、又は更に直接接続される、反応器容器出口ポート３５４と、を含み得る。粒子状固体処理容器３５０は、スタンドパイプ１２６を介して粒子状固体分離セクション２１０と流体連通し得、スタンドパイプ１２６は、使用済み粒子状固体を反応器セクション２００から再生セクション３００に、再生のために供給し得る。粒子状固体処理容器３５０は、気体入口１２８が粒子状固体処理容器３５０に接続する、追加の反応器容器入口ポート３５２を含み得る。気体入口１２８は、粒子状固体を少なくとも部分的に再生するために使用され得る、空気を含む補助燃料気体及び酸素含有気体などの反応性気体を供給し得る。１つ以上の実施形態では、粒子状固体処理容器３５０は、複数の追加の反応器容器入口ポートを備え得、各追加の反応器容器入口ポートは、異なる反応性流体を粒子状固体処理容器３５０に供給し得る。例えば、粒子状固体は、反応容器２５０における反応に続いてコークス化され得、コークスは、燃焼反応によって粒子状固体から除去され得る。例えば、空気などの酸素含有気体が、気体入口１２８を介して粒子状固体処理容器３５０に供給されて、粒子状固体を酸化させ得るか、又は補助燃料が、粒子状固体処理容器３５０に供給され、かつ燃焼されて、粒子状固体を加熱し得る。
図１に示されるように、粒子状固体処理容器３５０は、ライザー３３０の外部ライザーセグメント３３２に直接接続され得る。一実施形態では、粒子状固体処理容器３５０は、粒子状固体処理容器本体セクション３５６及び粒子状固体処理容器遷移セクション３５８を含み得る。粒子状固体処理容器本体セクション３５６は、一般に、粒子状固体処理容器遷移セクション３５８よりも大きい直径を含み得、粒子状固体処理容器遷移セクション３５８は、粒子状固体処理容器遷移セクション３５８が粒子状固体処理容器本体セクション３５６から外部ライザーセグメント３３２へと内向きに突出するように、粒子状固体処理容器本体セクション３５６の直径のサイズから外部ライザーセグメント３３２の直径のサイズへとテーパ状であり得る。
粒子状固体処理容器３５０及びライザー３３０が、熱膨張を受け得、上述したように、ばね支持体１８８によって支持され得ることを理解されたい。更に、粒子状固体処理容器３５０は、１つ以上の実施形態では、伸縮継手によってライザー３３０に接合され得る。例えば、伸縮継手は、粒子状固体処理容器３５０と外部ライザーセグメント３３２との間に位置付けられ得る。
更に図１を参照すると、粒子状固体分離セクション３１０は、粒子状固体分離セクション３１０の内部領域３１４を画定する外側シェル３１２を含む。外側シェル３１２は、気体出口ポート３１６、ライザーポート３１８、及び粒子状固体出口ポート３２２を備え得る。更に、外側シェル３１２は、粒子状固体分離セクション３１０の内部領域３１４に、気体／固体分離デバイス３２０及び固体粒子収集領域３８０を収容し得る。
反応器セクション２００と同様に、粒子状固体分離セクション３１０の外側シェル３１２は、粒子状固体分離セクション２１０に関して上述したように、粒子状固体分離セクション３１０の上部セグメント３７６、中間セグメント３７４、及び下部セグメント３７２を画定し得る。
再び図１を参照すると、ライザー３３０は、ライザーポート３１８を介して再生セクション３００の内部領域３１４内に延在する。１つ以上の実施形態では、ライザー３３０は、ライザーポート３１８を通して非垂直方向に延在し得る。１つ以上の実施形態では、内部ライザーセグメント３３４は、粒子状固体分離セクション３１０の下部セグメント３７２を通過しない。
図１を参照すると、外側シェル３１２は、ライザー終端デバイス３７８を更に収容し得る。ライザー終端デバイスは、内部ライザーセグメント３３４に近接して位置付けられ得る。ライザー３３０を通過する気体及び粒子状固体は、ライザー終端デバイス３７８によって少なくとも部分的に分離され得る。気体及び残りの粒子状固体は、粒子状固体分離セクション３１０における二次分離デバイス３２０に輸送され得る。二次分離デバイス３２０は、気体／固体分離デバイス２２０に関して上述したように、サイクロン又は一連のサイクロンなどの、気体から固体粒子を分離するのに好適な任意のデバイスであり得る。二次分離デバイス３２０は、分離された粒子状固体を粒子状固体分離セクション３１０の上部セグメント３７６の底部、中間セグメント３７４、又は下部セグメント３７２に堆積させ得る。したがって、粒子状固体は、重力によって上部セグメント３７６の底部又は中間セグメント３７４から下部セグメント３７２に流れ得る。
粒子状固体分離セクション３１０の下部セグメント３７２は、下部セグメント３７２における粒子状固体の蓄積を可能にし得る、固体粒子収集領域３８０を備え得る。１つ以上の実施形態では、固体粒子収集領域３８０は、酸素浸漬ゾーン、酸素ストリッピングゾーン、及び還元ゾーンのうちの１つ以上を備え得る。固体粒子収集領域３８０は、上述した粒子状固体出口ポート２２２と同様の粒子状固体出口ポート３２２を更に備え得る。
１つ以上の実施形態では、スタンドパイプ１２４は、粒子状固体出口ポート３２２と流体連通し得、再生された粒子状固体は、スタンドパイプ１２４を通して再生セクション３００から反応器セクション２００に通過させられ得る。したがって、粒子状固体は、反応器システム１００を通して連続的に再循環され得る。
以下の実施例は、本開示の特徴を例示するものであるが、本開示の範囲を限定することを意図するものではない。以下の実施例は、本明細書に開示される１つ以上の実施形態による固体粒子収集領域の性能を考察する。
実施例１：ライザー滞留時間及びプロピレン選択性
本明細書の上記に開示される実施形態による反応器システムをモデル化して、プロパン脱水素反応中のプロピレン選択性に対するライザーにおける滞留時間の影響を分析した。ライザー滞留時間の変化をプロピレン選択性の変化と比較したモデリング結果を表１に示す。
表１に示されるように、ライザー内の滞留時間が減少するにつれて、プロピレン選択性は増加した。これは、ライザー内で発生し得る二次反応の低減による可能性が高い。ライザーの滞留時間が減少するにつれて、これらの副反応が発生する機会が少なくなり、その結果、システムのプロピレン選択性が全体的に増加する。上述したように、非垂直配向で粒子状固体分離セクションに入るライザーを利用することにより、ライザーをより短くすることが可能になり得る。したがって、本開示のライザーは、より短い長さ、ひいては、望ましくない二次反応が発生し得るより短い滞留時間を有することによって、粒子状固体分離セクションの底部を通して垂直に粒子状固体分離セクションに入る従来のライザーに勝る利点を提供する。
実施例２：粒子状固体収集領域を通る粒子状固体の流れ
２つの粒子状固体収集領域を通る粒子状固体の流れをモデル化した。第１の粒子状固体収集領域４１０は、図４に示されており、粒子状固体収集領域４１０の底部に位置する単一の出口スタンドパイプ４２０を有する環状形状を有していた。出口スタンドパイプ４２０は、第１の粒子状固体収集領域４１０の中心軸４３０上に位置付けられなかった。第１の粒子状固体収集領域４１０はまた、地下鉄格子４４０で覆われたいくつかの弦梁支持体を含む。
第２の粒子状固体収集領域５１０は、図５に示されており、円筒形状と、粒子状固体収集領域５１０の底部に位置する出口スタンドパイプ５２０と、を有していた。出口スタンドパイプ５２０は、第２の粒子状固体収集領域５１０の中心軸５３０上に位置付けられた。第２の粒子状固体収集領域５１０はまた、地下鉄格子５４０で覆われたいくつかの弦梁支持体を含む。
計算流体力学（Computational fluid dynamics、ＣＦＤ）シミュレーションを行って、第１の粒子状固体収集領域及び第２の粒子状固体収集領域を通る粒子状固体の流れをモデル化した。このようにして、各容器における固体滞留時間分布（residence time distribution、ＲＴＤ）を得た。シミュレーションの目的で、第１の粒子状固体収集領域及び第２の粒子状固体収集領域の各々の直径を４６インチに設定した。各容器の底部における空塔気体速度は、０．３ｆｔ／秒であり、平均粒子状固体フラックスは、３．４ｌｂ／ｆｔ２－秒であった。更に、粒子状固体の平均ターンアラウンド時間は、８分であった。
第１の粒子状固体収集領域についてのＣＦＤシミュレーションは、粒子状固体の最短滞留時間が、容器の出口スタンドパイプ側における粒子状固体の短絡に起因して約３０秒であることを予測した。ＣＦＤシミュレーションはまた、粒子状固体の約４２％が４分未満の滞留時間を有することを予測した。第２の粒子状固体収集領域についてのＣＦＤシミュレーションは、粒子状固体の最短滞留時間が１分を超え、粒子状固体の３０％のみが４分より短い滞留時間を有することを予測した。
第１の粒子状固体収集領域及び第２の粒子状固体収集領域のＲＴＤを図６にグラフで示す。第１の粒子状固体収集領域のＲＴＤは線６１０で示され、第２の粒子状固体収集領域のＲＴＤは線６２０で示される。更に、参照のために、１つの連続撹拌槽型反応器（continuous stirred tank reactor、ＣＳＴＲ）及び３つの直列のＣＳＴＲについてのＲＴＤを図６に示す。１つのＣＳＴＲのＲＴＤは、線６３０で示され、３つの直列のＣＳＴＲのＲＴＤは、線６４０で示される。図６に示されるように、第１の粒子状固体収集領域のＲＴＤは、単一のＣＳＴＲのＲＴＤに匹敵し、第２の粒子状固体収集領域のＲＴＤは、３つの直列のＣＳＴＲのＲＴＤに匹敵する。第２の粒子状固体収集領域は、第２の粒子状固体収集領域を通る粒子状固体の流れがプラグ流に酷似しているため、第１の粒子状固体収集領域に勝る利益を提供する。したがって、より少ない粒子状固体が、粒子状固体収集領域から迅速に出て、より少ない粒子状固体が、粒子状固体収集領域に長時間保持される。これは、粒子状固体収集領域における粒子状固体のより一貫した処理をもたらす。
本開示の第１の態様では、オレフィンは、反応容器において、炭化水素供給物流を粒子状固体と接触させることを含む方法によって生成され得る。炭化水素供給物流を粒子状固体と接触させることにより、炭化水素供給物流を反応させてオレフィン含有生成物流を形成し得る。反応容器は、ライザーに接続され得、反応容器は、ライザーの最大断面積の少なくとも３倍である最大断面積を有し得る。この方法は、ライザーを通して粒子状固体を通過させることを更に含み得る。ライザーは、ライザーが、粒子状固体分離セクションの内部領域に位置付けられた内部ライザーセグメントと、粒子状固体分離セクションの外側シェルの外側に位置付けられた外部ライザーセグメントと、を備え得るように、粒子状固体分離セクションの外側シェルのライザーポートを通して延在し得る。粒子状固体分離セクションは、粒子状固体分離セクションの内部領域を画定する、少なくとも外側シェルを備え得る。外側シェルは、気体出口ポート、ライザーポート、及び粒子状固体出口ポートを備え得る。外側シェルは、粒子状固体分離セクションの内部領域に、気体／固体分離デバイス及び固体粒子収集領域を収容し得る。ライザーポートは、粒子状固体分離セクションの中心垂直軸上に位置しないように、外側シェルの側壁上に位置付けられ得る。この方法は、気体／固体分離デバイスにおいて、オレフィン含有生成物流から粒子状固体を分離することと、オレフィン含有生成物流から分離された粒子状固体を、粒子状固体分離セクションの中心垂直軸に近接して位置する固体粒子収集領域に通過させることと、を更に含み得る。
本開示の第２の態様は、ライザーが、ライザーポートを通して非垂直方向に延在する、第１の態様を含み得る。
本開示の第３の態様は、ライザーが、ライザーポートを通して斜め方向に延在し、斜め方向が、垂直から１５～７５度である、第１又は第２の態様のいずれかを含み得る。
本開示の第４の態様は、ライザーが、ライザーポートを通して実質的に水平方向に延在する、第１～第２の態様のいずれかを含み得る。
本開示の第５の態様は、内部ライザーセグメントが、垂直部分と、ライザーポートに近接する非垂直部分と、垂直部分及び非垂直部分を接続する非線形部分と、を備える、第１～第４の態様のいずれかを含み得る。
本開示の第６の態様は、外部ライザーセグメントが、反応容器に近接する垂直部分と、ライザーポートに近接する非垂直部分と、垂直部分及び非垂直部分を接続する非線形部分と、を備える、第１～第５の態様のいずれかを含み得る。
本開示の第７の態様は、反応容器が、高速流動床、乱流床、又はバブリング床反応器として動作し、ライザーが、希薄相ライザー反応器として動作する、第１～第６の態様のいずれかを含み得る。
本開示の第８の態様は、上部粒子状固体分離セクションの外側シェルの最大断面積が、ライザーの最大断面積の５～４０倍である、第１～第７の態様のいずれかを含み得る。
本開示の第９の態様は、反応容器が、反応容器本体セクション及び反応容器遷移セクションを備え、反応容器遷移セクションが、反応容器本体セクションと外部ライザーセグメントとの間に位置付けられる、第１～第８の態様のいずれかを含み得る。
本開示の第１０の態様は、反応容器本体セクションが、直径及び高さを有し、反応容器本体セクションの直径の高さに対する比率が、５：１～１：５である、第９の態様を含み得る。
本開示の第１１の態様は、反応容器が、ばね支持体によって支持される、第１～第１０の態様のいずれかを含み得る。
本開示の第１２の態様は、反応容器が、伸縮継手によって外部ライザーセグメントの垂直部分に接続される、第１～第１１の態様のいずれかを含み得る。
本開示の第１３の態様は、気体／固体分離デバイスが、１つ以上のサイクロンを備える、第１～第１２の態様のいずれかを含み得る。
本開示の第１４の態様は、ライザーが、固体粒子収集領域を通過しない、第１～第１３の態様のいずれかを含み得る。
本開示の第１５の態様は、固体粒子収集領域が、ストリッパを備える、第１～第１４の態様のいずれかを含み得る。
本開示の主題は、特定の実施形態を参照して詳細に説明されている。実施形態の構成要素又は特徴のいずれの詳細な説明も、その構成要素又は特徴が特定の実施形態又は任意の他の実施形態に必須であることを必ずしも意味しないことを理解されたい。更に、特許請求される主題の趣旨及び範囲から逸脱することなく、説明した実施形態に様々な修正及び変更を加えることができることが、当業者には明らかであるはずである。
本開示を記載及び定義する目的で、「約」又は「おおよそ」という用語は、任意の定量的比較、値、測定、又は他の表現に起因し得る固有の不確実性の程度を表現するために本開示において利用されることに留意されたい。「約」及び／又は「おおよそ」という用語はまた、問題である主題の基本的な機能に変化をもたらすことなく、定量的表現が記述の基準から変動し得る程度を表すために本開示において利用される。
以下の特許請求の範囲のうちの１つ以上は、「ここで（wherein）」という用語を移行句として利用していることに留意されたい。本技術を定義する目的で、この用語は、構造の一連の特徴の列挙を導入するために使用される制限のない移行句として特許請求の範囲に導入され、より一般的に使用される制限のない「含む（comprising）」というプリアンブル用語と同様に解釈されるべきであることに留意されたい。
第１の構成要素が第２の構成要素を「含む（comprising）」と説明される場合、いくつかの実施形態では、第１の構成要素が、その第２の構成要素「からなる（consist）」又は「から本質的になる（consist essentially of）」ことが企図されることを理解されたい。第１の構成要素が第２の構成要素を「含む」と説明される場合、いくつかの実施形態では、第１の構成要素が、少なくとも１０％、少なくとも２０％、少なくとも３０％、少なくとも４０％、少なくとも５０％、少なくとも６０％、少なくとも７０％、少なくとも８０％、少なくとも９０％、少なくとも９５％、又は更に少なくとも９９％のその第２の構成要素を含むことが企図されることを更に理解されるべきである（ここで、％は、重量％又はモル％であり得る）。
更に、「から本質的になる」という用語は、本開示において、本開示の基本的かつ新規な特徴に実質的に影響を及ぼさない定量値を指すために使用される。例えば、特定の化学成分又は化学成分の群「から本質的になる」化学組成物は、組成物が少なくとも約９９．５％のその特定の化学成分又は化学成分の群を含むことを意味することを理解されたい。
特性に割り当てられた任意の２つの定量値が、その特性の範囲を構成し得、所与の特性の全ての記述された定量値から形成される範囲の全ての組み合わせが、本開示において企図されることを理解されたい。組成物中の化学成分の組成範囲が、いくつかの実施形態では、その成分の異性体の混合物を含有すると理解されるべきであることを理解されたい。追加の実施形態では、化合物は、誘導体、塩、水酸化物などの代替形態で存在し得る。

Claims (14)

  1. オレフィンを生成するための方法であって、
    反応容器において、炭化水素供給物流を粒子状固体と接触させることであって、前記炭化水素供給物流を前記粒子状固体と前記接触させることにより、前記炭化水素供給物流を反応させてオレフィン含有生成物流を形成し、前記反応容器が、ライザーに接続され、前記反応容器が、前記ライザーの最大断面積の少なくとも３倍である前記最大断面積を有し、前記反応容器が、高速流動床反応器、乱流床反応器、又はバブリング床反応器として動作し、前記ライザーが、希薄相ライザー反応器として動作する、接触させることと、
    前記ライザーを通して前記粒子状固体を通過させることであって、前記ライザーは、前記ライザーが、粒子状固体分離セクションの内部領域に位置付けられた内部ライザーセグメントと、前記粒子状固体分離セクションの外側シェルの外側に位置付けられた外部ライザーセグメントと、を備えるように、前記粒子状固体分離セクションの前記外側シェルのライザーポートを通して延在し、前記粒子状固体分離セクションが、前記粒子状固体分離セクションの内部領域を画定する少なくとも前記外側シェルを備え、前記外側シェルが、気体出口ポート、ライザーポート、及び粒子状固体出口ポートを備え、前記外側シェルが、前記粒子状固体分離セクションの前記内部領域に、気体／固体分離デバイス及び固体粒子収集領域を収容し、前記ライザーポートが、前記粒子状固体分離セクションの中心垂直軸上に位置しないように、前記外側シェルの側壁上に位置付けられる、通過させることと、
    前記気体／固体分離デバイスにおいて、前記オレフィン含有生成物流から前記粒子状固体を分離することと、
    前記オレフィン含有生成物流から分離された前記粒子状固体を、前記粒子状固体分離セクションの前記中心垂直軸に近接して位置する前記固体粒子収集領域に通過させることと、を含む、方法。
  2. 前記ライザーが、前記ライザーポートを通して非垂直方向に延在する、請求項１に記載の方法。
  3. 前記ライザーが、前記ライザーポートを通して斜め方向に延在し、前記斜め方向が、垂直から１５～７５度である、請求項１又は２に記載の方法。
  4. 前記ライザーが、前記ライザーポートを通して実質的に水平方向に延在する、請求項１又は２に記載の方法。
  5. 前記内部ライザーセグメントが、垂直部分と、前記ライザーポートに近接する非垂直部分と、前記垂直部分及び前記非垂直部分を接続する非線形部分と、を備える、請求項１～４のいずれか一項に記載の方法。
  6. 前記外部ライザーセグメントが、前記反応容器に近接する垂直部分と、前記ライザーポートに近接する非垂直部分と、前記垂直部分及び前記非垂直部分を接続する非線形部分と、を備える、請求項１～５のいずれか一項に記載の方法。
  7. 前記上部粒子状固体分離セクションの前記外側シェルの前記最大断面積が、前記ライザーの前記最大断面積の５～４０倍である、請求項１～６のいずれか一項に記載の方法。
  8. 前記反応容器が、反応容器本体セクション及び反応容器遷移セクションを備え、前記反応容器遷移セクションが、前記反応容器本体セクションと前記外部ライザーセグメントとの間に位置付けられる、請求項１～７のいずれか一項に記載の方法。
  9. 前記反応容器本体セクションが、直径及び高さを有し、前記反応容器本体セクションの前記直径の前記高さに対する比率が、５：１～１：５である、請求項８に記載の方法。
  10. 前記反応容器が、ばね支持体によって支持される、請求項１～９のいずれか一項に記載の方法。
  11. 前記反応容器が、伸縮継手によって前記外部ライザーセグメントの垂直部分に接続される、請求項１～１０のいずれか一項に記載の方法。
  12. 前記気体／固体分離デバイスが、１つ以上のサイクロンを備える、請求項１～１１のいずれか一項に記載の方法。
  13. 前記ライザーが、前記固体粒子収集領域を通過しない、請求項１～１２のいずれか一項に記載の方法。
  14. 前記固体粒子収集領域が、ストリッパを備える、請求項１～１３のいずれか一項に記載の方法。
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