JP4615314B2 - 気体と固形物の向流接触装置 - Google Patents

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Description

本発明は、気体と流動固形物の向流接触のための装置に関し、特に、流体接触分解プロセスのためのストリッパーに関する。
さまざまな化学的、石油精製、および燃焼のプロセスは、効率的な物質およびまたは熱の移動を達成するために流動固体粒子を上方へ流れる気体と接触させる必要がある。このようなシステムは、そのような相の効率的な向流接触により化学反応を実行するのにも使用することができるであろう。広く使用されているそのような用途の一つは、流体接触分解(fluid catalytic cracking)(「FCC」)として知られる重要なプロセスにおけるものであり、FCCは、何年もの間、より重質な(すなわち、高沸点の)炭化水素化合物をより価値のあるより軽質の(すなわち、低沸点の)成分に変換する石油精製に使用されてきた。FCCユニットには多数のさまざまな構成が存在するが、しかし、全て実質的に、同じ機能的装置部品から成る。一般に、FCCユニットは、内部でクラッキング反応が生じる垂直管状反応器である立ち上がり管を含む。炭化水素供給物は、一般に流体の形態であり、立ち上がり管の底部に導入され、そこで、それは、高温の再生された触媒と接触する。触媒は、微細粉末の形態であり、容易に油と混合し、熱を渡して油を蒸発させ、クラッキング反応を維持する。触媒および炭化水素両方とも立ち上がり管を通って上方へと流れる。立ち上がり管内の変換を向上させるには触媒対油の比を最大にするのが有利である。立ち上がり管内の滞留時間は、一般に約10秒間より短い。立ち上がり管の頂部にある立ち上がり管末端装置は、反応生成物(気相における)を触媒から分離する。生成物蒸気は、FCCユニットから排出され、さらなる処理へと送られる。触媒粒子は、クラッキング反応によるコークスで被覆されており、再生器へと送られ、そこで、コークスは、酸化性気体(通常は空気)の流れの中で燃焼される。炭化水素蒸気雰囲気から来る触媒は、触媒中の細孔内に、および触媒粒子間に、炭化水素を有することになる。触媒を再生器へ送ることができる前に、最初に触媒から、同伴された炭化水素または触媒の細孔内に位置する炭化水素をストリッピングするのが有利である。これは一般に、触媒粒子の下向きの流れを水蒸気の上向きの流れと接触させることによって達成される。ストリッピングユニットの効率は、未回収/未除去の炭化水素が価値ある生成物の損失を表すので、重要である。未回収/未除去の炭化水素はまた、付加的な量の酸化または燃焼空気を必要とすることになるであろういっそう大量の炭化水素を燃焼することによって、再生器にさらなる負荷を掛ける。再生器はまた、より高温で作動するであろうし、この高温によって、触媒対油比が低下するであろうし、また、作動の順応性に関するユニット性能、および価値ある生成物の収率が低下するであろう。さらに、水素に富む同伴された炭化水素は、再生器内でより高い水蒸気分圧を生じるであろうし、それによって、触媒の失活が増えるであろう。
図1を参照すると、従来技術のFCCユニットの概略図が示される。軽油または真空軽油などの高沸点の供給物、あるいはさらに重質の供給物を、立ち上がり管反応器6に供給物注入ポート2を通して添加し、そこで、供給物は、再生された触媒粒子と混合する。クラッキング反応は、立ち上がり管内で完了し、クラッキングされた炭化水素および消費された触媒は、ひじ部10によって進路を変え、サイクロン12を通り、サイクロン12は、消費された触媒の大部分を生成物から分離する。サイクロン12からの蒸気は、残りの触媒粒子と共に直接、サイクロン16に送られ、サイクロン16は、残りの触媒の大部分を除去する。少量のクラッキングされた炭化水素蒸気は、分離された触媒と共に、各サイクロンのディップレッグ(dipleg)の下方に運ばれる。
消費された触媒は、サイクロン12および16のディップレッグから下へと触媒ストリッパー8内へと放出され、そこでは、一つまたは複数の段の水蒸気ストリッピングが生じる。ストリッピング水蒸気は、容器の底部にあるかあるいは容器の頂部と底部の間の所定の中間位置にあるライン19および21を介して注入される。ストリッピングされた炭化水素およびストリッピング水蒸気は、上方へ離脱器(disengager)14内へと流れ、サイクロン12の特別な開口部を通過した後に、クラッキングされた生成物と共に除去される。立ち上がり管反応器の出口において触媒とクラッキングされた炭化水素とを分離するための他の多数のサイクロン式または非サイクロン式の構成および装置がある。しかしながら、これらの他の装置および構成の目的は、同じであり、すなわち、触媒粒子をクラッキングされた炭化水素蒸気から分離することである。
ストリッピングされた触媒は、下方へ直立管26を通って水平触媒移動ライン27内へと放出される。触媒の流れは、弁36によって制御される。空気が、ライン28を介して移動ライン27内へ注入され、それによって、消費された触媒は、希釈相輸送により移動ライン27およびリフトライン29を通って再生器へと輸送される。当業者ならば、代替として利用できる他の適切な触媒輸送方法があることを理解できるであろう。
触媒は、再生器24内で空気ラインおよび空気格子分配器(図示せず)を介して添加された空気と接触させることにより再生される。触媒冷却器28を設けることができ、それによって、より高沸点の供給物を処理する特定の作動において再生器から熱を除去できる。
再生された触媒は、再生器からダクト34を介してホッパー31内へと引き出され、直立管33および弁アッセンブリ30を通り、さらに、横ライン32を通って立ち上がり管反応器の基部内へと輸送される。煙道ガスおよびいくらかの同伴触媒は、再生器24の上部の希釈相領域内へと放出される。煙道ガスに同伴された触媒は、多段のサイクロン4において煙道ガスから分離される。分離された触媒は、ディップレッグ35を通して再生器内の触媒層へと戻される。煙道ガスは、プレナム20を通して放出され、冷却して顕熱を回収し、大気中へと放出される。
典型的なFCCユニットの触媒ストリッパーは、触媒のストリッピング水蒸気との接触を促進するように円形の円錐形バッフルを使用する。円錐形バッフルは通常、触媒がバッフル上に載るのを防止するように、深く傾いている。図2は、内側に傾斜しているバッフル42と交互になった外側に傾斜しているバッフル41を含むストリッパー40内の典型的な従来知られているバッフルの構成を示す。バッフル41および42は、固体−蒸気の接触と物質移動を増加させるように、ストリッピング気体の上方への流れGに対して前後に、触媒粒子の下方への流れSを横方向にシフトする傾向がある。しかしながら、触媒物質フラックスがストリッパーを通って増加するので、物質移動(すなわち、FCCストリッパーの場合は炭化水素の除去)の効率が低下することが見出されている。ある点を超えると、この効率は非常に急激に低下することがあり得る。従って、下方へ流れる流動粒子と上方へ流れる気体との間の高効率の物質移動を達成する方法および装置が必要とされている。
ここでは、気体と、下方へ流れる流動固体粒子との向流接触のための装置が提供される。装置は、少なくとも部分的に内部空間を画成するハウジングと、このハウジングの内部空間内に配置されかつ配向された複数のバッフルとを備え、これらのバッフルは、連続して低い位置にある少なくとも第一および第二の垂直に離間したレベルに配置される。第一および第二のレベルのそれぞれは、互いに平行に配向されかつ水平配向から傾斜した少なくとも二つのバッフルから成る列を含み、それによって、下方へ流れる固形物は、ハウジングを通って滑らかに流れるが、利用できる断面領域を制限することはない。さらなる連続したレベルのバッフルが、粒子が一つのレベルから次の低いレベルに移動する間に、下方へ流れる粒子の方向を横方向にシフトするように、配置される。通常の連続層は、互いに垂直に配置されるが、しかしながら、他の回転角を、据え付けまたはプロセスの必要に見合うように使用できる。
装置は有利には、FCCユニットと組み合わせて、上方へ流れる気体と、下方へ流れる流動粒子との間の、より効率的な物質移動を達成できる。装置は、これらの相間で最大の接触が得られるように、また、これらの相間のチャネリングが防止されるように設計される。さらに、最大の「界面」表面積が、これらの相間の物質移動に利用できる。
さまざまな実施態様が、図面を参照して以下に説明される。
本発明の装置は、固体粒子と気体の向流の流れが接触する任意の用途で利用できる。通常、このような接触は、これらの相間の物質移動または化学反応実行の目的のためであるが、しかしながら、それは、熱移動の目的とすることもできる。本発明は、FCCユニット用のストリッパーでの使用に特に有利であり、図1に示すものなどのFCCユニットと有利に組み合わせることができるが、しかしながら、本発明の範囲は、そのような使用に限定されるものではない。
本発明の接触装置は、特有な構成を有する配列でバッフルプレートを利用する。図3をここで参照すると、個々のバッフル100が示されており、ここでは、バッフル100は、作動温度および他の使用条件に応じて、金属、セラミック、またはエンジニアリングプラスチック(例えば、ポリカーボネート、アクリル、塩化ポリビニル、ナイロン、アセタール、ポルスルホン、および同様のもの)などといった適切な物質から成るプレート101から製作される。
プレート101は、第一および第二の直線状側面102および103それぞれを有する。好ましくは、プレート101は、平面状であるとはいえ、湾曲したプレートも代替として利用できる。上部側面111は好ましくは、鋸歯状であり、交互の歯111aと略V字形構成のノッチ111bとを含む。ノッチは、角度αを画定し、角度αは、好ましくは約60°から120°、より好ましくは約80°から約100°、さらにより好ましくは約88°から92°の範囲とすることができる。最も好ましくは、αは90°に等しい。プレート101の下部側面112も、好ましくは、鋸歯状であり、交互の歯112aとノッチ112bとを含む。ノッチ112bも、上述したような角度αを画定する。側面112の鋸歯は、下部側面112のノッチ112bが、側面111の歯111aと垂直に整列し、側面112の歯112aが、側面111のノッチ111bと垂直に整列するように、側面111の鋸歯と互い違いになっている。
バッフルプレート101はさらに、互い違いの配列で一連の列となった複数の孔115を含む。少なくとも二つ、好ましくは4、6、またはそれを超える列の孔が、各プレート101内に存在する。例示的な目的で、列115a、115b、115c、および115dとなった孔を図3に示す。列115aおよび115cの孔は、孔115a’および115c’で例示するように、歯111aおよびノッチ112bと垂直に整列する。交互の列115bおよび115dの孔は、孔115b’および115d’で例示するように、ノッチ111bおよび歯112aと垂直に整列する。
歯、ノッチ、および孔の大きさは、固形物の粒子サイズ、処理量、その他に応じて選択できる。一例として、FCC触媒の通常の大きさ(例えば、20〜160ミクロンの直径)では、孔115の直径Mは、約0.5インチから約6インチの任意の範囲とすることができ、通常は、約1.5インチから約3.0インチである。これらの範囲の外側の寸法も、適切であれば使用できる。
バッフル100の長さLおよび幅Wは、装置の大きさに従って選択できる。通常は、長さLは、約24インチから約240インチの範囲であり、幅Wは、約6インチから約24インチの範囲である。歯から歯の距離Dは、約2.0インチから約12.0インチの任意の範囲とすることができる。これらの範囲の外側の寸法も、適切であれば使用できる。
本発明は、装置の内部を通る固形物の下方への流れをより均一に分配することにより、固体接触を促進する。限定された領域内への固形物のチャネリングは、固形物の流れが所定の方向にシフトして気体固形物接触が効果的に行われることができるので、防止される。
図4、図5、および図6をここで参照すると、固体−気体接触装置200(例えば、ストリッパー)が例示される。装置200は、内部空間を画成しかつ第一、第二、第三、および第四の側面201、202、203、204それぞれを有するハウジング205を含む。内部枠組208が、バッフル100の第一、第二、第三、および第四の列(それぞれ210、220、230、240)を支持する。バッフルは、任意のさまざまな方法で支持できる。内部枠組208は、適切な指示手段の一例である。バッフルの各列の高さHは、約3インチから約30インチの任意の範囲とすることができ、より一般には、約10インチから約18インチの範囲とすることができる。これらの範囲の外側の寸法も、適切であれば使用できる。任意の数のバッフルを、装置の大きさ、所望の処理量、および/または他の使用条件に応じて、列に配置できる。一般に、5から15のバッフルが各列に含まれるとはいえ、この範囲の外側の数も、適切であると見做されるときは使用できる。図4から図6に見ることができるように、バッフル100は、列内のバッフルは平行であるが、しかしながら、各列がさまざまな方向へ傾斜するように、傾斜している。例えば、列210内のバッフル100は、下方へ側面203の方へと傾斜しており、列220内のバッフル100は、下方へ側面204の方へと傾斜しており、列230内のバッフル100は、下方へ側面201の方へと傾斜しており、列240内のバッフル100は、下方へ側面202の方へと傾斜している。従って、固形物の下方への流れは、装置の四つの側面のそれぞれの方へとシフトしている。より詳細には、固体粒子の流れ方向の横方向の成分は、粒子が一つのレベルから次の下のレベルへ流れる間に、90°シフトする。横方向の変化は、バッフルの連続した層の回転角度に応じて、約45°から約180°までの任意のものとすることができる。
バッフル100の傾斜角度β(すなわち、水平配向に対する角度)は、好ましくは約20°から約80°、より好ましくは50°から60°の範囲である。角度βは、固形物がバッフル上に載るのも蓄積するのも防止するように十分大きい必要がある。最適な角度βは、固形物の性質、粒子径、および粒子形状に依存し得る。
バッフル間の間隔Dは、隣接するバッフルの上部縁部と下部縁部との間の重なりまたは間隙の大きさによって画定される。図7を参照すると、上部縁部および下部縁部とは、間隙も重なりもなく直接配列され得る。代替として、寸法D2’の重なりあるいは間隙が存在し得る。従って、寸法Dは、重なりまたは間隙の大きさ、およびバッフル板の角度βおよび幅Wに依存し、通常は、3から30インチの範囲とすることができるとはいえ、この範囲の外側の寸法も、適切であれば使用できる。
気体−固体接触装置200は、FCCユニット内で触媒粒子から、同伴された炭化水素蒸気をストリッピングするのに使用するとき通常は、約5秒間から200秒間の触媒滞留時間と、約5lbs/ft−secから約50lbs/ft−secの触媒流量と、約0.5lbs/1000lbs触媒から約5.0lbs/1000lbs触媒のストリッピング気体流量とに適合する大きさおよび形状とされることになる。これらの範囲は、FCCユニットでは一般的であるとはいえ、他のプロセスは、より高いまたはより低い値を必要とすることがある。
気体−固体接触装置200は、平面図において四角形の断面を有するように例示してあるが、代替として他の形状を使用できる。図8を参照すると、気体−固体接触装置200Aは、内部にバッフル100が配置されている円形断面を有する略円筒形のハウジング205Aを含む。図9は、円筒形の外側ハウジング205Bと、軸円柱206とを含む環状の気体−固体接触装置200Bを例示しており、軸円柱206は、例えば、FCCユニットの立ち上がり管部分またはその他の部分とすることができる。ストリッピングは、内側円柱206と外側ハウジング205Bとの間の環状空間内で生じ、この空間内に、気体−固体接触のためのバッフルが配置される。代替として、長円形、三角形、および同様のものなどといった他の断面形状を、206などの軸円柱と共に、またはそれなしで使用できる。
能力と効率との間の関係は、低温流れ試験での実験によって調べた。低温流れ模型実験では、実施の触媒と空気とを、工業用FCCストリッパーの実際の作動をシミュレートするのに用いる。試験は、従来技術のストリッパーと新しい装置との性能を調べるために行った。実験では、流動触媒を、ストリッパーに流入する前に、ヘリウムトレーサーガスと共に注入した。下方へ流れる触媒粒子は、上方へ流れる空気と接触した。トレーサーガスを除去する能力を、触媒流量の範囲、および、多数の装置形状および条件に亘って測定した。試料は、ストリッパーの入口および出口において、またストリッパーの高さに亘るさまざまな位置において採取し、ヘリウム濃度について分析した。
図10は、以前に知られている標準のバッフル構成を用いた、以前から知られている従来のストリッパーと比較した、新しいバッフル構成を用いた本発明の装置の測定性能を示す。本発明の装置は、物質フラックス(lbs/sec−ft)の測定範囲に亘って少なくとも95%の効率を示したが、一方、従来のストリッパー装置は、94%未満の最大効率を有し、これは、物質フラックスが増加すると共に急速に低下した。例えば、18lbs/ft−secの物質フラックスにおいて、本発明のバッフル構成の効率は、約96%であり、以前に知られていたバッフル構成の効率は、約93%であった。しかしながら、22lbs/ft−secにおいて、以前に知られていたバッフル構成の効率は、約88%に低下し、28lbs/ft−secにおいて、以前に知られていたバッフル構成の効率は、78%未満に低下したが、一方、本発明のバッフル構成の効率は、同じ範囲の物質フラックスに亘って95%を上回ったままであった。このように、以前に知られていた装置は、より低い効率を有するだけでなく、その効率は、物質フラックスが増加するにつれて、はるかに急勾配の割合で低下する。
上述した説明は、多くの詳細を含むとはいえ、これらの詳細は、本発明の範囲の限定としてではなく、本発明の好ましい実施態様の単なる例示として解釈すべきである。当業者は、添付の請求項により規定される本発明の範囲および精神の中で他の多くの可能性を構想するであろう。
従来技術のFCCユニットの概略図である。 従来技術のストリッパーの概略図である。 本発明によるバッフルプレートの正面図である。 本発明による気体−固体接触装置の斜視図である。 本発明による気体−固体接触装置の正立面図である。 本発明による気体−固体接触装置の側立面図である。 バッフル間の間隔を例示する図である。 気体−固体接触装置の交互の構成を例示する概略斜視図である。 気体−固体接触装置のさらに別の構成を例示する概略平面図である。 本発明の優れた効率を示すバッフルの性能対物質フラックスのグラフである。

Claims (16)

  1. a) 少なくとも部分的に内部空間を画成するハウジング(205)と、
    b) このハウジング(205)の内部空間内に配置された複数のバッフル(100)と、
    を備える、気体と下方へ流れる固体粒子との向流接触のための装置であって、
    これらのバッフル(100)は、連続して低い位置にある少なくとも第一および第二の垂直に離間したレベルに配置され、少なくとも第一および第二のレベルのそれぞれは、互いに平行に配向されかつ水平配向から傾斜した少なくとも二つのバッフル(100)から成る列(210;220;230;240)を含み、それによって、粒子が一つのレベルから次の低いレベルに移動する間に、横断的に下方へ流れる粒子の方向を横方向にシフトすること
    バッフル(100)はそれぞれ、バッフルの長さ(L)を画定し互いに平行で反対側にある第一および第二の鋸歯状の縁部(111;112)を有しており、各鋸歯状の縁部(111;112)は、交互のリッジ(111a;112a)とノッチ(111b;112b)とを含むこと;を特徴とする装置。
  2. バッフル(100)は、平坦状であることを特徴とする請求項1記載の装置。
  3. バッフル(100)は、一つの列の開口部(115)が、隣接する列の開口部(115)に対して互い違いの配列になるように、少なくとも二つの平行な列(115a;115b;115c;115d)に配置された複数の開口部(115)を有することを特徴とする請求項1記載の装置。
  4. 装置は、少なくとも四つのレベルを有しており、粒子の下方への流れの方向は、粒子が一つのレベルから次に続く低いレベルに移動する間に、45°から180°の角度だけ横方向にシフトされることを特徴とする請求項1記載の装置。
  5. バッフル(100)は、角度βだけ水平配向から傾斜しており、βは、20°から80°の範囲であることを特徴とする請求項1記載の装置。
  6. ハウジング(205)は、四角形の断面を有することを特徴とする請求項1記載の装置。
  7. ハウジング(205)は、円形の断面を有することを特徴とする請求項1記載の装置。
  8. 第一の鋸歯状の縁部(111)のリッジ(111a)とノッチ(111b)とは、第二の鋸歯状の縁部(112)のリッジ(112a)とノッチ(112b)に対して互い違いの配列になっていることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項記載の装置。
  9. ノッチ(111b;112b)は、角度αを画定し、αは、60°から120°の範囲であることを特徴とする請求項記載の装置。
  10. 開口部(115)はそれぞれ、1.27cm(0.5インチ)から15.24cm(6インチ)の範囲の直径を有することを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項記載の装置。
  11. 前記角度は、90°であることを特徴とする請求項記載の装置。
  12. 第三のレベルにおける下方へ流れる粒子の横方向は、第一のレベルにおける下方へ流れる粒子の横方向とは反対であり、第四のレベルにおける下方へ流れる粒子の横方向は、第二のレベルにおける下方へ流れる粒子の横方向とは反対であることを特徴とする請求項11記載の装置。
  13. バッフル(100)は、一つの列の開口部(115)が、隣接する列の開口部(115)に対して互い違いの配列になるように、少なくとも二つの平行な列(115a;115b)に配置された複数の開口部(115)を有すること
    開口部(115)はそれぞれ、1.27cm(0.5インチ)から15.24cm(6インチ)の範囲の直径を有することを特徴とする請求項1記載の装置。
  14. a) ストリッパーハウジング(205)と、
    b) ストリッパーハウジング(205)内へストリッピング気体を導入する手段と、
    c) ストリッパーハウジング(205)内に配置された複数の平坦状のバッフル(100)と、
    を備える、下方へ流れる消費された触媒粒子から、同伴する炭化水素蒸気を除去するためのストリッパーを含む流体接触分解ユニットであって、
    これらのバッフル(100)は、連続して低い位置にある少なくとも第一および第二の垂直に離間したレベルに配置され、少なくとも第一および第二のレベルのそれぞれは、互いに平行に配向されかつ水平配向から傾斜した少なくとも二つのバッフル(100)から成る列(210,220,230,240)を含み、それによって、触媒粒子が一つのレベルから次の低いレベルに移動する間に、横断的に下方へ流れる触媒粒子の方向を横方向にシフトすること
    バッフル(100)はそれぞれ、バッフルの長さ(L)を画定し互いに平行で反対側にある第一および第二の鋸歯状の縁部(111;112)を有しており、各鋸歯状の縁部(111;112)は、交互のリッジ(111a;112a)とノッチ(111b;112b)とを含むこと;を特徴とする流体接触分解ユニット。
  15. バッフル(100)は、一つの列(115a)の開口部(115)が、隣接する列(115b)の開口部(115)に対して互い違いの配列になるように、少なくとも二つの平行な列(115a;115b)に配置された複数の開口部(115)を有することを特徴とする請求項14記載の流体接触分解ユニット。
  16. 各バッフル(100)の第一の鋸歯状の縁部(111)のリッジ(111a)とノッチ(111b)とは、第二の鋸歯状の縁部(112)のリッジ(112a)とノッチ(112b)に対して互い違いの配列になっていることを特徴とする請求項14又は15記載の流体接触分解ユニット。
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