JP2506625B2 - 石炭液化残渣の粘度推定方法 - Google Patents

石炭液化残渣の粘度推定方法

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  • Production Of Liquid Hydrocarbon Mixture For Refining Petroleum (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】石炭の液化プロセスにおいては、
プロセスの最終段階で反応生成物から液状生成物として
の液化油成分と、それ以外の、未反応炭、重質成分、あ
るいは触媒を含む液化残渣成分とを分離する必要があ
る。
【0002】この分離には種々の方法があるが、例えば
減圧蒸留塔において塔頂から液状成分を取り出し、塔低
部から残渣成分を抜き出す方法があげられる。
【0003】その際、蒸留塔低部から下方向に接続した
管を通して、残渣の自重を利用して抜き出すのが一般的
である。
【0004】減圧蒸留塔における残渣の抜き出し性は、
液化プラント全体の安定な操業に大きな影響を与える。
【0005】すなわち、減圧蒸留塔において残渣が何ら
かの理由で抜き出し不能になった場合には、目的とする
液状生成物を安定に得ることができなくなり、操業の連
続性を著しく阻害することになる。
【0006】本発明は、このように減圧蒸留塔において
製品である液化油と液化残渣を分離する過程で、残渣の
流動性が操業に大きく寄与する場合に、その粘度を迅速
にしかも精度良く推定する方法に関するものである。
【0007】
【従来の技術】石炭の液化に関する研究は歴史的にも古
く、多くの研究がなされてきた。
【0008】液化反応生成物から液化油を得るために
は、プロセスの最終段階で液化油と固体を含む液化残渣
とを分離する必要がある。
【0009】これらの分離については種々の方法がある
が、例えば減圧蒸留塔で反応生成物中の成分の沸点差を
利用して分離する方法がある。
【0010】減圧蒸留塔を利用して液状成分である液化
油と残渣とを分離するためには、通常の操業において5
0mmHg程度の減圧下で行う。
【0011】この減圧蒸留塔からの残渣の抜き出し性
は、残渣の流動性に依存するところが大である。
【0012】その流動性の一つの尺度である粘度を、例
えば回転粘度計を用いて測定することによって、残渣粘
度の温度に対する変化を直接知ることができる。
【0013】一般的には石炭液化生成物を減圧蒸留塔で
分離する場合に、その分離温度を高くすれば残渣の流動
性は悪くなり、逆に分離温度を低くすれば流動性は良く
なる。
【0014】したがって、残渣粘度の測定結果を基に減
圧蒸留塔の操業温度を適宜最適な値に保つことで液化プ
ロセスの安定操業を行い得る。
【0015】しかし、残渣の粘度を上で述べたような回
転粘度計による方法で知るためには、減圧蒸留塔から抜
き出される残渣を一々サンプリングし、そのたびに粘度
を測定しなくてはならない。
【0016】しかも、液化プロセスの操業条件(反応温
度、反応圧力、気/液比など)が変化するごとに残渣の
性質も変化するため、全体の操業を安定に保つためには
残渣のサンプリングと粘度測定を頻繁に行わなければな
らない。
【0017】しかし、このようにして粘度の測定結果を
得るためには、サンプリング試料の加熱や粘度測定中の
温度変化を明確にするなどでかなり時間がかかるのが一
般的である。
【0018】したがって、粘度の測定結果を実際の操業
に適切にフィードバックするには実効性の点で問題があ
る。
【0019】
【発明が解決しようとする課題】このように石炭液化プ
ラントにおいてプロセス全体の安定操業に大きな影響を
与える残渣の粘度を、プラントの操業条件や残渣の物理
的性質などから簡便かつ迅速に、しかも精度よく予測す
る手法が必要となるが、今までのところこのような手法
は全く見あたらない。
【0020】
【課題を解決するための手段および作用】前述の問題を
解決するために、本発明者らは石炭処理能力1トン/日
の石炭液化プラントで得られた石炭液化残渣の粘度測定
を行い、液化プラントの操業条件を加味した何らかの方
法で推定するべく検討を加えたところ、液化プラントの
操業条件(反応温度、反応圧力、触媒使用量、気/液
比)、残渣の軟化温度、および残渣中の灰分の物理的性
質を知ることで残渣の粘度を推定できる方法を見い出す
に至った。
【0021】以下、その具体的方法について作用ととも
に説明する。
【0022】石炭液化残渣の流動性については、残渣中
の灰分濃度によって規定されるとの考えに基づき、液化
プラントにおける残渣の流動性限界の尺度としては灰分
濃度が用いられる。
【0023】一方、よく知られているように、石炭は炭
素、水素、酸素を主成分とする炭素質部分と酸化アルミ
ニウム(Al23)、酸化珪素(SiO2)、酸化カル
シウム(CaO)を主成分とする灰分から構成されてい
る。
【0024】石炭液化反応で生成する液化残渣について
も反応による変質や灰分濃度の違いはあるものの、基本
的には元の石炭と同様に炭素質部分と灰分とから構成さ
れるものと考えられる。
【0025】石炭液化残渣は通常室温近傍では固体状態
であるが、多くの残渣は加熱すると通常120℃以上の
温度で溶融を開始(軟化)する。このような温度で溶融
するのは炭素質部分であり、灰分は溶融しない。
【0026】したがって、この溶融開始の状態は液体で
ある炭素質部分に固体である灰分が懸濁した状態である
とみなせる。
【0027】このような懸濁溶液の粘度を記述する式に
ついては種々のものが提案されているが、例えば文献
(森ら:化学工学,20(1956),p.488)に
よれば、多くの粒子について懸濁溶液の相対粘度ηrを
懸濁物質粒子の体積濃度ψνの関数として下記の式で
表すことができる。
【0028】 ηr=1+(3/φc)/{1/ψν−1/ψνc} ・・・ ηr:懸濁溶液の相対粘度 (−) φc:懸濁粒子の表面係数 (−) ψν:懸濁粒子の体積濃度 (−) ψνc:懸濁溶液中における懸濁粒子の限界体積濃度
(−)(=ρb/ρp) ρb:懸濁粒子のかさ比重 (−) ρp:懸濁粒子の見かけ比重 (−)
【0029】ここで相対粘度ηrは懸濁溶液の母液の粘
度ηoに対する懸濁溶液の粘度ηの比として次の式で
定義される。
【0030】ηr=η/ηo ・・・ 従って、η=ηr×ηo ・・・ となる。
【0031】すなわち、懸濁溶液の相対粘度ηrは式
から懸濁物質の物理的性質(表面係数φc、かさ比重ρ
b、見かけ比重ρp)と体積濃度ψνがわかれば計算で
きる。
【0032】したがって、母液の粘度ηoが既知であれ
ば懸濁液の粘度ηは相対粘度ηrと母液の粘度ηoの積
として式より容易に計算することができる。
【0033】この方法を石炭液化残渣に適用するため
に、ワンドアン炭とイリノイNO.6炭の液化残渣につ
いて行った実験結果を次に説明する。
【0034】ワンドアン炭とイリノイNO.6炭の灰分
について表面係数、かさ比重、および見かけ比重を求め
た結果の一例を表1に示す。
【0035】ここで、表面係数は投影法によって、かさ
比重は容量200ccのメスシリンダーへ一定量の灰分
を充填した際の体積から、また、見かけ比重はピクノメ
ーター法でそれぞれ測定した値である。
【0036】なお、用いた灰分は、石炭の工業分析で灰
分濃度を求める方法(JIS M―8812)に基づき
液化残渣から炭素質部分を取り除いて得たものである。
【0037】一方、残渣中の炭素質部分の粘度について
は、その化学的構造を乱すことなく灰分と分離して取り
出すことは難しく、従って、この部分の粘度を直接測定
することは不可能である。
【0038】しかし、式または式を変形して得られ
る下記式から残渣中の炭素質部分の粘度ηoを求める
ことができる。 ηo=η/ηr ・・・
【0039】さらに、残渣中の灰分を炭素質部分に対す
る懸濁物質として取り扱えるならば、上述の方法で求め
られる炭素質部分の粘度は灰分濃度によらず一定の値を
示すはずである。
【0040】そこで、ワンドアン炭液化残渣(灰分濃
度;26.9重量%)及びイリノイNO.6炭液化残渣
(灰分濃度;26.5重量%)にそれぞれの残渣から上
述の方法で得た灰分を添加して灰分濃度を変化させ、粘
度測定を行った。
【0041】温度を変化させて得られた残渣の粘度ηの
測定結果と式から求めた炭素質部分の粘度ηoを図1
(イリノイNO.6炭液化残渣)及び図2(ワンドアン
炭液化残渣)に示す。
【0042】どちらの石炭の液化残渣も炭素質部分の粘
度ηoは灰分濃度に関係なくほぼ同じ値を示している。
【0043】すなわち、溶融している石炭液化残渣中の
灰分は懸濁物質として扱えることがわかる。
【0044】したがって、残渣の粘度ηは残渣中の灰分
の濃度(体積濃度)、表面係数、かさ比重、および見か
け比重から計算される相対粘度ηrと、炭素質部分の粘
度ηoから計算されることが示された。
【0045】この炭素質部分の粘度ηoを求めるには、
残渣の粘度ηと測定した残渣中に含まれる灰分の物理的
性質を、同一の石炭から得られる液化残渣について、少
なくとも1回は測定することが必要である。
【0046】一方、実際の液化プラントの操業データか
ら液化残渣中の灰分濃度は、使用石炭ごとに異なり、反
応温度、反応圧力、触媒使用量、気/液比といった操業
条件および残渣の軟化温度と一定の関係にあることがわ
かっている。
【0047】その関係の一例をイリノイNO.6炭の場
合について図3に示す。
【0048】なお、図3におけるkey〜は表3に
示すものである。
【0049】このように、液化に供する石炭とプラント
の操業条件がわかれば減圧蒸留塔で得られる残渣の灰分
濃度を推定できる。
【0050】従って、石炭液化残渣の粘度は液化プラン
トの操業条件と残渣中の灰分の物理的性質、および残渣
の軟化温度から推定することが可能である。
【0051】なお、本発明ではワンドアン炭およびイリ
ノイNO.6炭の液化残渣について検討を行った結果を
示したが、このような手法は溶融した炭素質部分に灰分
が懸濁した状態で存在すると見なせる石炭の液化残渣に
ついては適用可能であり、上記2種の石炭液化残渣に限
定するものではない。
【0052】また、本発明によって粘度を推定可能な灰
分濃度の上限は、溶融残渣の炭素質部分に対して灰分の
濃度が限界体積濃度ψνcになるまでの範囲であり、こ
の値は概ね残渣全体の40重量%程度である。
【0053】また、本発明による粘度推定が可能な温度
範囲は妥当な残渣の粘度測定が可能な範囲であり、その
上限は概ね液化残渣の温度が350℃程度、下限は粘度
測定装置の測定温度範囲を越えない温度で、この温度は
当然残渣によって異なる。
【0054】
【実施例】表2に1トン/日の石炭液化プラントで得ら
れたイリノイNo.6炭の残渣について、操業条件と残
渣の軟化温度、並びに図3の関係から求めた灰分濃度を
示す。
【0055】この残渣中の灰分濃度から式によって相
対粘度ηrを求め、また、図1から所定の温度における
炭素質部分の粘度を求めて、両者のかけ算で得られた粘
度の計算値と、回転粘度計で実際に測定した残渣の粘度
の実測値についてその関係を図4に示した。
【0056】一方、ワンドアン炭液化残渣についても同
様の手法で求めた残渣粘度の計算値と実測値の関係を図
5に示した。
【0057】どちらの液化残渣についても粘度の計算値
と実測値は非常によく一致しており、実用上の精度とし
てはこの程度で十分である。
【0058】
【発明の効果】以上のように、本発明は石炭液化プラン
トにおいて液化反応生成物から減圧蒸留塔で残渣を分離
する際の残渣の流動性に関し、本発明によってその粘度
を予め推定することができる。
【0059】このため減圧蒸留塔における操業を常に円
滑にコントロールすることが可能になり、ひいては液化
プラント全体の安定操業にもつながって、技術的、経済
的な効果が大きい。
【0060】
【表1】
【0061】
【表2】
【0062】
【表3】
【図面の簡単な説明】
【図1】イリノイNO.6炭液化残渣について、温度に
対する、残渣の粘度及び残渣中の炭素質部分の粘度の変
化を示す図である。
【図2】ワンドアン炭液化残渣について、温度に対す
る、残渣の粘度及び残渣中の炭素質部分の粘度の変化を
示す図である。
【図3】イリノイNO.6炭液化残渣について、残渣の
軟化温度と灰分濃度との関係を示す図である。
【図4】イリノイNO.6炭の液化残渣について、本発
明による残渣粘度の計算値と実際に測定した残渣粘度の
実測値との対応を示す図である。
【図5】ワンドアン炭の液化残渣について、本発明によ
る残渣粘度の計算値と実際に測定した残渣粘度の実測値
との対応を示す図である。

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 石炭液化プロセスで得られる液化残渣の
    粘度を、液化プラントの操業条件、残渣の軟化温度、お
    よび残渣中の灰分の物理的性質から推定することを特徴
    とする石炭液化残渣の粘度推定方法。
  2. 【請求項2】 液化プラントの操業条件として、反応温
    度、反応圧力、触媒使用量、および気/液比を用いるこ
    とを特徴とする請求項(1)に記載の石炭液化残渣の粘
    度推定方法。
  3. 【請求項3】 残渣中の灰分の物理的性質として、表面
    係数φc、かさ比重ρb、および見かけ比重ρpを用い
    ることを特徴とする請求項(1)または(2)に記載の
    石炭液化残渣の粘度推定方法。
  4. 【請求項4】 初めに残渣中の灰分について表面係数φ
    c、かさ比重ρb、および見かけ比重ρpを測定し、か
    さ比重ρbと見かけ比重ρpから下記式により残渣中
    の灰分の限界体積濃度 ψνc=ρb/ρp ・・・ ψνcを求め、次に液化プラントの操業条件である反応
    温度、反応圧力、触媒使用量、及び気/液比に依存する
    残渣の軟化温度と残渣中の灰分濃度との関係から残渣中
    の灰分の体積濃度ψνを求め、下記式により残渣の ηr=1+(3/φc)/{1/ψν−1/ψνc} ・・・ 相対粘度ηrを求めたのち、残渣の炭素質部分の粘度η
    oと温度との関係から必要とする温度における残渣の炭
    素質部分の粘度ηoを求め、下記式より η=ηr×ηo ・・・ 推定したい温度における残渣の粘度ηを推定することを
    特徴とする請求項(1)〜(3)のいずれかに記載の石
    炭液化残渣の粘度推定方法。
  5. 【請求項5】 残渣の軟化温度が120℃〜190℃、
    残渣中の灰分濃度が40重量%以下の範囲で推定するこ
    とを特徴とする請求項(1)または(2)または(3)
    または(4)に記載の石炭液化残渣の粘度推定方法。
  6. 【請求項6】 液化残渣の粘度が40dPa・sec以
    下の値を示す温度、または液化残渣の温度が350℃以
    下の範囲で粘度を推定することを特徴とする請求項
    (1)〜(5)のいずれかに記載の石炭液化残渣の粘度
    推定方法。
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JP3347890B2 (ja) * 1994-09-16 2002-11-20 三菱電機株式会社 直流電動機
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FR2782341B1 (fr) * 1998-08-11 2000-11-03 Technip Geoproduction Installation d'exploitation d'un gisement en mer et procede d'implantation d'une colonne montante

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