JP5007403B2 - 高温高圧水と油分の分離方法及びその分離装置 - Google Patents

Description

本発明は、超臨界水又は亜臨界水からなる高温高圧水を用いて、石油アスファルト等を重質油、中質油、軽質油及びガスからなる油分に改質した後の、これらの油分を含む高温高圧水と油分を分離する方法と、その分離装置に関するものである。

従来、超臨界水又は亜臨界水からなる高温高圧水中で、減圧残油・重質原油等の重質な炭化水素を改質した後に、軽質な生成油と水に分離する方法としては、石炭の連続転換装置（例えば、特許文献１参照。）や、改質プラント（例えば、特許文献２参照。）などが開示されている。上記特許文献１に示された石炭の連続転換装置では、超臨界状態に維持可能に形成された流動層型反応塔内部の流動媒体に超臨界状態の水とともに一酸化炭素が流動ガスとして供給され、この反応塔に接続された分留装置で超臨界水が段階的に減圧及び冷却され、更に流動層型反応塔と分留装置との間に設けられた油改質器に酸化鉄を主成分とする平均粒径が０．３〜５ｍｍの焼結粒体が充填される。また流動層型反応塔の流動媒体は酸化鉄を主成分とする平均粒径が０．３〜５ｍｍの焼結粒体であり、分留装置が重質油分離器と中質油分離器と軽質油分離器とを備え、油改質器で改質された油が重質分離器、中質分離器及び軽質分離器の順に減圧及び冷却されるように構成される。
このように構成された石炭の連続転換装置では、超臨界状態に維持可能に形成された流動層型反応塔の下部より超臨界状態の水とともに一酸化炭素が流動状態の微粉化した石炭に供給されると、石炭が軽質化されて生成した油が油改質器内の焼結粒体を触媒としてより一層軽質化された後に、分留装置により重質油、中質油及び軽質油に分離されるようになっている。

一方、特許文献２に記載された改質プラントでは、脱硫反応器で処理対象物が水熱反応によって脱硫され、脱硫反応器の処理物が低粘度化反応器で脱硫反応器の処理温度よりも高い処理温度の水熱反応によって低粘度化され、油分分離器で低粘度化反応器の処理物から油分が改質燃料として分離されるように構成される。また低粘度化反応器の処理物と脱硫反応器に供給される処理対象物とを熱交換することにより、脱硫反応器に供給される処理対象物が予熱されるように構成される。
このように構成された改質プラントでは、処理温度が相対的に低温な脱硫処理の後に処理温度が相対的に高温な低粘度化処理を行うので、処理対象物の改質処理に要する消費エネルギを低減できるようになっている。
特許第３４０２３５３号公報（請求項１〜３、段落［０００５］、段落［０００６］） 特開２００４−３３９４４３号公報（請求項１及び２、段落［００３２］）

しかし、上記従来の特許文献１に示された石炭の連続転換装置中の分留装置では、熱エネルギの回収方法が示されていないため、エネルギ効率が低下して消費エネルギが増大してしまう不具合があった。
また、上記従来の特許文献２に示された改質プラントでは、水と生成油との分離方法が不十分であり、回収された水が一部の生成油とエマルジョンを形成し、その後の水処理及び油の回収が複雑となる問題点があった。
更に、上記従来の特許文献２に示された改質プラントでは、生成油に含まれる重質成分が、圧力制御バルブ及び熱交換器に付着して、その制御性及び性能を低下させる問題点もあった。
本発明の目的は、比較的簡単な工程で熱エネルギを回収しつつ、効率良く油分と水とを分離することができる、高温高圧水と油分の分離方法及びその分離装置を提供することにある。
本発明の別の目的は、圧力調整弁等の圧力を下げる機器の制御性を低下させず、また熱交換器等の温度を下げる機器の性能を低下させることなく、効率良く油分と水とを分離することができる、高温高圧水と油分の分離方法及びその分離装置を提供することにある。

請求項１に係る発明は、図１に示すように、超臨界水又は亜臨界水からなる高温高圧水により改質して得られた重質油、中質油、軽質油及びガスからなる油分を含む高温高圧水を、第１分離手段１１にて３００〜４５０℃の範囲内の所定の温度に下げかつ５〜２２ＭＰａの範囲内の所定の圧力に下げることにより、油分のうち重質油を高温高圧水の一部とともに液相状態のままとしかつ油分の残部である中質油、軽質油及びガスを高温高圧水の残部とともに気相状態にして分離する工程と、第１分離手段１１で分離された重質油を高温高圧水の一部とともに、第２分離手段１２にて１００〜３５０℃の範囲内の所定の温度に下げかつ０．１〜４ＭＰａの範囲内の所定の圧力に下げることにより、重質油を液相状態のままとしかつ高温高圧水を気相状態にして分離する工程と、第１分離手段１１で分離された中質油、軽質油及びガスを高温高圧水の残部とともに、第３分離手段１３にて０〜５０℃の範囲内の所定の温度に下げかつ１〜１０ＭＰａの範囲内の所定の圧力に下げることにより、ガスを気相状態のままとしかつ中質油、軽質油及び高温高圧水を液相状態にして分離する工程とを含む高温高圧水と油分の分離方法である。

この請求項１に記載された高温高圧水と油分の分離方法では、先ず超臨界水又は亜臨界水からなる高温高圧水により改質された重質油、中質油、軽質油及びガスからなる油分を、第１分離手段１１にて上記改質時よりは低いけれども比較的高い所定の温度に下げるとともに、上記改質時よりは低いけれども比較的高い所定の圧力に下げることにより、重質油を高温高圧水の一部とともに液相状態のままとし、かつ中質油、軽質油及びガスを高温高圧水の残部とともに気相状態にして分離する。
次に第１分離手段１１にて高温高圧水の一部とともに分離された重質油を、第２分離手段１２にて第１分離手段１１より低い所定の温度に下げるとともに、第１分離手段１１より低い所定の圧力に下げることにより、重質油に物理溶解した高温高圧水が蒸発して重質油から分離される。これにより重質油から分離された高温高圧水を、温度を下げる機器（例えば、熱交換器）に通しても、この熱交換器に粘度の高い重質油が付着しないので、熱交換器の性能を低下させることなく、高温高圧水の持つ熱エネルギを効率良く回収できる。
一方、第１分離手段１１にて分離された中質油、軽質油及びガスと高温高圧水の残部を、第３分離手段１３にて第１分離手段１１より低い所定の温度に下げるとともに、第１分離手段１１より低い所定の圧力に下げることにより、気相（ガス）と液相（水と中質油及び軽質油）とに分離する気液分離と、水と中質油及び軽質油とに分離する油水分離とが同時に行われて、ガスと中質油及び軽質油と水とに分離される。これにより重質油から分離された中質油、軽質油及びガスと高温高圧水の残部を、第３分離手段の所定の温度に下げる機器（例えば、熱交換器）に通しても、この熱交換器に粘度の高い重質油が付着しないので、熱交換器の性能を低下させることなく、中質油、軽質油及びガスと高温高圧水の残部の持つ熱エネルギを効率良く回収できる。また重質油から分離された中質油、軽質油及びガスと高温高圧水の残部を、第３分離手段１３の所定の圧力に下げる機器（例えば、圧力調整弁）に通しても、この圧力調整弁に粘度の高い重質油が付着しないので、圧力調整弁の制御性を低下させることがない。更にエマルジョンの形成の原因となるアスファルテンやレジンといった主に重質油に含まれる成分が第１分離手段１１にて分離されるため、水と中質油及び軽質油とを分離する油水分離の際にエマルジョンを形成し難く、効率良く水と中質油及び軽質油とを分離できる。

請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明であって、更に図２に示すように、第２分離手段１２で分離された気相状態の高温高圧水を第３分離手段１３に供給する工程を更に含むことを特徴とする。
この請求項２に記載された高温高圧水と油分の分離方法では、第２分離手段１２における圧力が第１分離手段１１における圧力よりも高い場合、第２分離手段１２にて重質分から分離された水蒸気となった高温高圧水が所定の圧力に下げられた後に第３分離手段１３に供給される。これにより水蒸気となった高温高圧水の持つ熱エネルギを第３分離手段１３で更に回収できる。

請求項３に係る発明は、請求項１に係る発明であって、更に図３に示すように、第２分離手段１２，１１２が互いに並列に２系統設けられ、これら２系統の第２分離手段１２，１１２が交互に使用されるように構成されたことを特徴とする。
第１分離手段１１にて高温高圧水の一部とともに分離された重質油が、第２分離手段１２にて第１分離手段１１より低い所定の温度に下げられるとともに、第１分離手段１１より低い所定の圧力に下げられる。即ち、第２分離手段１２の圧力を下げる機器（例えば、圧力調整弁）にて高温高圧水の一部とともに分離された重質油の圧力を所定の圧力に下げることにより、同時にその温度も所定の温度に下げられる。この圧力調整弁等の各機器を粘度の高い重質油が通るため、この重質油が各機器に付着したり、或いは圧力調整弁の制御性を低下させるおそれがある。このため請求項３に記載された高温高圧水と油分の分離方法では、第２分離手段１２，１１２を互いに並列に２系統設け、所定時間毎に又は圧力調整弁の前後の圧力差に基づいて２系統の第２分離手段１２，１１２を交互に使用し、使用していない第２分離手段１２，１１２の圧力調整弁等の各機器を洗浄する。

請求項４に係る発明は、図１に示すように、超臨界水又は亜臨界水からなる高温高圧水により改質して得られた重質油、中質油、軽質油及びガスからなる油分を含む高温高圧水を、３００〜４５０℃の範囲内の所定の温度に下げかつ５〜２２ＭＰａの範囲内の所定の圧力に下げることにより、油分のうち重質油を高温高圧水の一部とともに液相状態のままとしかつ油分の残部である中質油、軽質油及びガスを高温高圧水の残部とともに気相状態にして分離する第１分離手段１１と、第１分離手段１１で分離された重質油を高温高圧水の一部とともに、１００〜３５０℃の範囲内の所定の温度に下げかつ０．１〜４ＭＰａの範囲内の所定の圧力に下げることにより、重質油を液相状態のままとしかつ高温高圧水を気相状態にして分離する第２分離手段１２と、第１分離手段１１で分離された中質油、軽質油及びガスを高温高圧水の残部とともに、０〜５０℃の範囲内の所定の温度に下げかつ１〜１０ＭＰａの範囲内の所定の圧力に下げることにより、ガスを気相状態のままとしかつ中質油、軽質油及び高温高圧水を液相状態にして分離する第３分離手段１３とを備えた高温高圧水と油分の分離装置である。

この請求項４に記載された高温高圧水と油分の分離装置では、先ず超臨界水又は亜臨界水からなる高温高圧水により改質された重質油、中質油、軽質油及びガスからなる油分を、第１分離手段１１にて上記改質時よりは低いけれども比較的高い所定の温度に下げるとともに、上記改質時よりは低いけれども比較的高い所定の圧力に下げることにより、重質油を高温高圧水の一部とともに液相状態のままとし、かつ中質油、軽質油及びガスを高温高圧水の残部とともに気相状態にして分離する。
次に第２分離手段１２にて第１分離手段１１より低い所定の温度に下げるとともに、第１分離手段１１より低い所定の圧力に下げることにより、重質油に物理溶解した高温高圧水が蒸発して重質油から分離される。これにより重質油から分離された高温高圧水を、第２分離手段１２の温度を下げる機器（例えば、熱交換器）に通しても、この熱交換器に粘度の高い重質油が付着しないので、熱交換器の性能を低下させることなく、高温高圧水の持つ熱エネルギを効率良く回収できる。
一方、第１分離手段１１にて分離された中質油、軽質油及びガスと高温高圧水の残部を、第３分離手段１３にて第１分離手段１１より低い所定の温度に下げるとともに、第１分離手段１１より低い所定の圧力に下げることにより、気相（ガス）と液相（水と中質油及び軽質油）とに分離する気液分離と、水と中質油及び軽質油とに分離する油水分離とが同時に行われて、ガスと中質油及び軽質油と水とに分離される。これにより重質油から分離された中質油、軽質油及びガスと高温高圧水の残部を、第３分離手段１３の所定の温度に下げる機器（例えば、熱交換器）に通しても、この熱交換器に粘度の高い重質油が付着しないので、熱交換器の性能を低下させることなく、中質油、軽質油及びガスと高温高圧水の残部の持つ熱エネルギを効率良く回収できる。また重質油から分離された中質油、軽質油及びガスと高温高圧水の残部を、第３分離手段１３の所定の圧力に下げる機器(例えば、圧力調整弁）に通しても、この圧力調整弁に粘度の高い重質油が付着しないので、圧力調整弁の制御性を低下させることがない。更にエマルジョンの形成の原因となるアスファルテンやレジンといった主に重質油に含まれる成分が第１分離手段１１にて分離されるため、水と中質油及び軽質油とを分離する油水分離の際にエマルジョンを形成し難く、効率良く水と中質油及び軽質油とを分離できる。

請求項５に係る発明は、請求項４に係る発明であって、更に図２に示すように、第２分離手段１２で分離された気相状態の高温高圧水を第３分離手段１３に供給する供給手段を更に備えたことを特徴とする。
この請求項５に記載された高温高圧水と油分の分離装置では、第２分離手段１２における圧力が第１分離手段１１における圧力よりも高い場合、第２分離手段１２にて重質分から分離された水蒸気となった高温高圧水が所定の圧力に下げられた後に第３分離手段１３に供給される。これにより水蒸気となった高温高圧水の持つ熱エネルギを第３分離手段１３で更に回収できる。

請求項６に係る発明は、請求項４に係る発明であって、更に図３に示すように、第２分離手段１２，１１２が互いに並列に２系統設けられ、これら２系統の第２分離手段１２，１１２が交互に使用されるように構成されたことを特徴とする。
第１分離手段１１にて高温高圧水の一部とともに分離された重質油が、第２分離手段１２にて第１分離手段１１より低い所定の温度に下げられるとともに、第１分離手段１１より低い所定の圧力に下げられる。即ち、第２分離手段１２の圧力を下げる機器(例えば、圧力調整弁）にて高温高圧水の一部とともに分離された重質油の圧力を所定の圧力に下げることにより、同時にその温度も所定の温度に下げられる。この圧力調整弁等の各機器を粘度の高い重質油が通るため、この重質油が各機器の付着したり、或いは圧力調整弁の制御性を低下させるおそれがある。このため請求項３に記載された高温高圧水と油分の分離方法では、第２分離手段１２，１１２を互いに並列に２系統設け、所定時間毎に又は圧力調整弁の前後の圧力差に基づいて２系統の第２分離手段１２，１１２を交互に使用し、使用していない第２分離手段１２，１１２の圧力調整弁等の各機器を洗浄する。

本発明によれば、重質油、中質油、軽質油及びガスからなる油分を含む高温高圧水を、第１分離手段にて所定の温度及び圧力に下げることにより、重質油を高温高圧水の一部とともに液相状態のままとしかつ中質油、軽質油及びガスを高温高圧水の残部とともに気相状態にして分離し、第１分離手段で分離された重質油を高温高圧水の一部とともに、第２分離手段にて所定の温度及び圧力に下げることにより、重質油を液相状態のままとしかつ高温高圧水を気相状態にして分離し、更に第１分離手段で分離された中質油、軽質油及びガスを高温高圧水の残部とともに、第３分離手段にて所定の温度及び圧力に下げることにより、ガスを気相状態のままとしかつ中質油、軽質油及び高温高圧水を液相状態にして分離したので、比較的簡単な工程で効率良く熱エネルギを回収できるとともに、効率良く油分と水とを分離できる。
また各分離手段の圧力を下げる機器(例えば、圧力調整弁）の制御性を低下させず、各分離手段の温度を下げる機器(例えば、熱交換器）の性能を低下させることなく、効率良く油分と水とを分離することができる。またエマルジョンの形成の原因となるアスファルテンやレジンといった主に重質油に含まれる成分が第１分離手段にて分離されるため、第３分離手段により水と中質油及び軽質油とを分離する油水分離の際にエマルジョンを形成し難く、効率良く水と中質油及び軽質油とを分離できる。

また第２分離手段で分離された気相状態の高温高圧水を第３分離手段に供給すれば、第２分離手段における圧力が第１分離手段における圧力よりも高い場合、第２分離手段にて重質分から分離された水蒸気となった高温高圧水が所定の圧力に下げられた後に第３分離手段に供給されるので、水蒸気となった高温高圧水の持つ熱エネルギを第３分離手段で更に回収できる。
また第２分離手段を互いに並列に２系統設け、これら２系統の第２分離手段を交互に使用すれば、一方の第２分離手段を通る粘度の高い重質油により、第２分離手段の圧力を調整する機器(例えば、圧力調整弁）の制御性が低下したとき、この一方の第２分離手段の使用を停止し、他方の第２分離手段を使用する。この結果、使用を停止した一方の第２分離手段の圧力調整弁等の各機器を洗浄することにより、本発明の高温高圧水と油分の分離を連続的行うことができる。

次に本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。
＜第１の実施の形態＞
図１に示すように、高温高圧水と油分の分離装置は、超臨界水又は亜臨界水からなる高温高圧水により改質して得られた重質油、中質油、軽質油及びガスからなる油分を含む高温高圧水を所定の温度に下げかつ所定の圧力に下げることにより、油分のうち重質油を高温高圧水の一部とともに液相状態のままとしかつ油分の残部である中質油、軽質油及びガスを高温高圧水の残部とともに気相状態にして分離する第１分離手段１１と、第１分離手段１１で分離された重質油を高温高圧水の一部とともに、所定の温度に下げかつ所定の圧力に下げることにより、重質油を液相状態のままとしかつ高温高圧水を気相状態にして分離する第２分離手段１２と、第１分離手段１１で分離された中質油、軽質油及びガスを高温高圧水の残部とともに、所定の温度に下げかつ所定の圧力に下げることにより、ガスを気相状態のままとしかつ中質油、軽質油及び高温高圧水を液相状態にして分離する第３分離手段１３とを備える。超臨界水や亜臨界水により改質装置で改質される物質としては、石油アスファルト、重質原油などが挙げられる。また上記改質装置内の超臨界水又は亜臨界水の温度は４００℃を越えかつ５５０℃以下であり、圧力は１５ＭＰａを越えかつ３０ＭＰａ以下であることが好ましい。更に重質油の沸点は常圧換算で３６０℃を越えるものであり、中質油の沸点は１８０℃を越えかつ３６０℃以下であり、軽質油の沸点は４０℃を越えかつ１８０℃以下である。

第１分離手段１１は、重質油、中質油、軽質油及びガスからなる油分を含む高温高圧水の圧力及び温度を下げる第１圧力調整弁１１ｂと、この第１圧力調整弁１１ｂにより圧力及び温度が下げられた重質油、中質油、軽質油及びガスからなる油分を含む高温高圧水が貯留される第１密閉容器１１ｃとを有する。第１圧力調整弁１１ｂは一端が改質装置に接続された供給管１１ａの途中に設けられ、供給管１１ａの他端は第１密閉容器１１ｃに接続される。改質装置で改質された重質油、中質油、軽質油及びガスからなる油分を含む高温高圧水は第１分離手段１１により温度が３００〜４５０℃の範囲内の所定の温度に下げられるとともに、圧力が５〜２２ＭＰａの範囲内の所定の温度に下げられる。ここで、重質油、中質油、軽質油及びガスからなる油分を含む高温高圧水の温度を３００〜４５０℃の範囲内の所定の温度に下げるとともに、圧力を５〜２２ＭＰａの範囲内の所定の温度に下げたのは、高い熱エネルギの回収率と高い軽質油及び中質油の回収率を得るためである。なお、更に高い熱エネルギの回収率と更に高い軽質油及び中質油の回収率を得るためには、温度を３４０〜４２０℃の範囲内の所定の温度に下げるとともに、圧力を１０〜２０ＭＰａの範囲内の所定の圧力に下げることが好ましい。また圧力を１０ＭＰａに下げたときは温度を３４０〜４２０℃の範囲内の所定の温度に下げ、圧力を１５ＭＰａに下げたときは温度を３６０〜４２０℃の範囲内の所定の温度に下げ、圧力を２０ＭＰａに下げたときは温度を３８０〜４２０℃の範囲内の所定の温度に下げることが更に好ましい。

第２分離手段１２は、一端が第１密閉容器１１ｃの下端に接続されたロア分岐管１２ａに設けられ第１密閉容器１１ｃから排出された重質油を高温高圧水の一部とともに所定の圧力及び所定の温度に下げる第２メイン圧力調整弁１２ｂと、ロア分岐管１２ａの他端に接続され第２メイン圧力調整弁１２ｂにより圧力が下げられた重質油を高温高圧水の一部とともに貯留する第２密閉容器１２ｃと、第２密閉容器１２ｃの下端に接続された第２ロア排出管１２ｄに設けられ第２密閉容器１２ｃ内の圧力を調整するとともに第２密閉容器１２ｃから排出される重質油の排出量を調整する第２ロア圧力調整弁１２ｅと、第２密閉容器１２ｃの上端に接続された第２アッパ排出管１２ｆに設けられ第２密閉容器１２ｃ内の圧力を調整するとともに第２密閉容器１２ｃから排出される気相状態の高温高圧水の排出量を調整する第２アッパ圧力調整弁１２ｇとを有する。第２アッパ排出管１２ｆの第２アッパ圧力調整弁１２ｇより下流側には、気相状態の高温高圧水から熱エネルギを回収するためのロア熱交換器１２ｈが設けられる。

第１密閉容器１１ｃの下端から排出された重質油は高温高圧水の一部とともに第２分離手段１２の第２メイン圧力調整弁１２ｂ、第２ロア圧力調整弁１２ｅ及び第２アッパ圧力調整弁１２ｇにより１００〜３５０℃の範囲内の所定の温度に下げられるとともに、０．１〜４ＭＰａの範囲内の所定の圧力に下げられる。ここで、圧力調整弁１２ｂ，１２ｅ，１２ｇにより重質油等の圧力のみならず温度も下がるのは、減圧に伴う断熱膨張によるものである。また第１密閉容器１１ｃの下端から排出された高温高圧水の一部は重質油に物理溶解した状態で含まれる。ここで、重質油を高温高圧水の一部とともに１００〜３５０℃の範囲内の所定の温度に下げるとともに、０．１〜４ＭＰａの範囲内の所定の圧力に下げたのは、重質油に物理溶解した高温高圧水の突沸による重質油の体積の著しい増加を防止して、重質油のハンドリングを容易にするためである。また重質油の融点は１００〜２５０℃と高いため、重質油に水が混入している場合、大気圧に減圧することで温度が低下し、重質油が固化して配管を閉塞させてしまう場合がある。このため、重質油を高温高圧水の一部とともに、第２分離手段１２により第１密閉容器１１ｃ内の温度よりは低いけれども、１５０℃以上の比較的高い温度に下げることが好ましい。具体的には、圧力を４ＭＰａに下げたときは温度を２５０〜３５０℃の範囲内の所定の温度に下げ、圧力を１ＭＰａに下げたときは１８０〜３５０℃の範囲内の所定の温度に下げ、圧力を０．１ＭＰａに下げたときは１２０〜３５０℃の範囲内の所定の温度に下げることが好ましい。なお、不活性ガス等を第２密閉容器に供給すれば、第２アッパ排出管に設けた第２アッパ圧力調整弁とロア熱交換器の順序を逆にすることができる。

第３分離手段１３は、一端が第１密閉容器１１ｃの上端に接続されたアッパ分岐管１３ａに設けられ第１密閉容器１１ｃの上端から排出された中質油、軽質油及びガスを高温高圧水の残部とともに第１の所定の温度に下げて熱エネルギを回収するメイン熱交換器１３ｂと、アッパ分岐管１３ａのメイン熱交換器１３ｂより下流側に設けられメイン熱交換器１３ｂにより温度が下げられた中質油、軽質油及びガスを高温高圧水の残部とともに所定の圧力に下げる第３メイン圧力調整弁１３ｃと、アッパ分岐管１３ａの第３メイン圧力調整弁１３ｃより下流側に設けられ第３メイン圧力調整弁１３ｃにより圧力が下げられた中質油、軽質油及びガスを高温高圧水の残部とともに第２の所定の温度に下げて更に熱エネルギを回収するサブ熱交換器１３ｄと、アッパ分岐管１３ａの他端に接続されサブ熱交換器１３ｄにより温度が下げられた中質油、軽質油及びガスを高温高圧水の残部とともに貯留する第３密閉容器１３ｅとを有する。第３密閉容器１３ｅの下端には第３ロア排出管１３ｆが接続され、この第３ロア排出管１３ｆには第３密閉容器１３ｅ内の圧力を調整するとともに第３密閉容器１３ｅから排出される液相状態の水（高温高圧水の温度及び圧力が低下したもの）の排出量を調整する第３ロア圧力調整弁１３ｇが設けられる。また第３密閉容器１３ｅの上端には第３アッパ排出管１３ｈが接続され、この第３アッパ排出管１３ｈの途中には第３密閉容器１３ｅ内の圧力を調整するとともに第３密閉容器１３ｅから排出されるガスの排出量を調整する第３アッパ圧力調整弁１３ｉが設けられる。更に第３密閉容器１３ｅの上下方向の中央には第３ミドル排出管１３ｊが設けられ、この第３ミドル排出管１３ｊには第３密閉容器１３ｅ内の圧力を調整するとともに第３密閉容器１３ｅから排出される中質油及び軽質油の排出量を調整する第３ミドル圧力調整弁１３ｋが設けられる。

上記メイン熱交換器１３ｂ、第３メイン圧力調整弁１３ｃ、サブ熱交換器１３ｄ、第３ロア圧力調整弁１３ｇ、第３アッパ圧力調整弁１３ｉ及び第３ミドル圧力調整弁１３ｋにより第３密閉容器１３ｅ内の温度が０〜５０℃、好ましくは０〜３０℃の範囲内の所定の温度に下げられ、第３密閉容器１３ｅ内の圧力が１〜１０ＭＰａ、好ましくは１〜４℃の範囲内の所定の圧力に下げられる。第３密閉容器１３ｅ内の温度を０〜５０℃の範囲内の所定の温度に下げ、第３密閉容器１３ｅ内の圧力を１〜１０ＭＰａの範囲内の所定の圧力に下げたのは、第１密閉容器１１ｃから排出された中質油、軽質油及びガスの持つ熱エネルギを回収するとともに、中質油及び軽質油と高温高圧水を、それぞれ確実に液相状態にするためである。また第３密閉容器１３ｅ内の圧力が低いと軽質油の一部がガス側（気相側）へ移行してしまい、その後の軽質油の回収が困難になるため、第３密閉容器１３ｅ内の圧力を１ＭＰａ以上とした。更に第３密閉容器１３ｅ内の温度は低い方が軽質油や水（高温高圧水の温度及び圧力が低下したもの）のガス側（気相側）への移行が少ないため、０〜５０℃の範囲のできるだけ低い温度が望ましい。なお、メイン熱交換器で十分な冷却を達成できる場合には、サブ熱交換器を省略することができる。

このように構成された分離装置を用いた高温高圧水と油分の分離方法を説明する。
先ず石油アスファルト等の原料を超臨界水又は亜臨界水からなる高温高圧水により改質して得られた重質油、中質油、軽質油及びガスからなる油分は、第１圧力調整弁１１ｂにて減圧された後に第１密閉容器１１ｃに貯留される。第１密閉容器１１ｃ内の温度は第１圧力調整弁１１ｂによる減圧操作で低下する。具体的には、第１密閉容器１１ｃ内の温度は、上記改質時よりは低いけれども比較的高い３００〜４５０℃の範囲内の所定の温度に下げられるとともに、上記改質時よりは低いけれども比較的高い５〜２２ＭＰａの範囲内の所定の圧力に下げられる。これにより、高温高圧水に溶解していた重質油の一部の溶解度が低下するので、比重の大きい重質油は高温高圧水の一部とともに第１密閉容器１１ｃの下部に移行し、中質油、軽質油及びガスは高温高圧水の残部とともに気相状態となって第１密閉容器１１ｃの上部に移行する。なお、第１密閉容器１１ｃ内の圧力が高いほど熱エネルギの回収率が高くなる。また、第１密閉容器１１ｃ内の温度が低いと、中質油の一部も液相状態となって重質油とともに回収されてしまうため、第１密閉容器１１ｃ内の温度及び圧力を上記温度範囲及び圧力範囲で適切に選定する必要がある。

第１密閉容器１１ｃの下部に貯まった重質油は高温高圧水の一部とともにロア分岐管１２ａを通り、第２メイン圧力調整弁１２ｂにて減圧された後に、第２密閉容器１２ｃに貯留される。第２密閉容器１２ｃ内の温度は第２メイン圧力調整弁１２ｂによる減圧操作で低下する。具体的には、第２密閉容器１２ｃ内の温度は、第１密閉容器１１ｃ内より低い１００〜３５０℃の範囲内の所定の温度に下げられるとともに、第１密閉容器１１ｃ内より低い０．１〜４ＭＰａの範囲内の所定の圧力に下げられる。これにより重質油に物理溶解した高温高圧水が蒸発して重質油から分離されるので、重質油は液相状態のまま第２密閉容器１２ｃの下部に移行し、蒸発して気相状態となった高温高圧水は第２密閉容器１２ｃの上部に移行する。第２密閉容器１２ｃの下部に貯まった重質油は第２ロア排出管１２ｄを通り、第２ロア圧力調整弁１２ｅで減圧された後に排出される。また第２密閉容器１２ｃの上部に貯まった気相状態の高温高圧水は第２アッパ排出管１２ｆを通り、第２アッパ圧力調整弁１２ｇで減圧された後に、ロア熱交換器１２ｈで熱エネルギが回収されて排出される。この気相状態の高温高圧水には重質油が含まれないため、第２アッパ圧力調整弁１２ｇやロア熱交換器１２ｈに粘度の高い重質油が付着しない。この結果、第２アッパ圧力調整弁１２ｇの制御性を低下させず、ロア熱交換器１２ｈの性能を低下させることなく、気相状態の高温高圧水の持つ熱エネルギを効率良く回収できる。

一方、第１密閉容器１１ｃの上部に貯まった気相状態の中質油、軽質油及びガスは気相状態の高温高圧水の残部とともに、アッパ分岐管１３ａを通り、メイン熱交換器１３ｂで冷却されかつ主な熱エネルギが回収され、第３メイン圧力調整弁１３ｃで減圧され、更にサブ熱交換器１３ｄで更に冷却されかつ熱エネルギが回収された後に、第３密閉容器１３ｅに貯留される。第３密閉容器１３ｅ内の温度はメイン熱交換器１３ｂ及びサブ熱交換器１３ｄにより低下する。具体的には、第３密閉容器１３ｅ内の温度は、第１密閉容器１１ｃ内より低い０〜５０℃の範囲内の所定の温度に下げられるとともに、第１密閉容器１１ｃ内より低い０．１〜１０ＭＰａの範囲内の所定の圧力に下げられる。これにより、気相（ガス）と液相（水と中質油及び軽質油）とに分離する気液分離と、水と中質油及び軽質油とに分離する油水分離とが同時に行われるので、ガスと中質油及び軽質油と水とに分離される。具体的には、メイン熱交換器１３ｂ、第３メイン圧力調整弁１３ｃ及びサブ熱交換器１３ｄにより、気相状態の高温高圧水が冷却・減圧されて水となり、気相状態の中質油及び軽質油が冷却・減圧されて液相状態の中質油及び軽質油となるけれども、ガスは気相状態のまま第３密閉容器１３ｅに貯留される。そして比重の最も大きい水が第３密閉容器１３ｅの下部に移行し、比重の最も小さいガスが第３密閉容器１３ｅの上部に移行し、比重が水より小さくかつガスより大きい液相状態の中質油及び軽質油が第３密閉容器１３ｅの上下方向の中央に移行する。

第３密閉容器１３ｅの下部に貯まった水は第３ロア排出管１３ｆを通り、第３ロア圧力調整弁１３ｇで減圧された後に排出される。また第３密閉容器１３ｅの上部に貯まったガスは第３アッパ排出管１３ｈを通り、第３アッパ圧力調整弁１３ｉで減圧された後に排出される。更に第３密閉容器１３ｅの上下方向の中央に貯まった液相状態の中質油及び軽質油は第３ミドル排出管１３ｊを通り、第３ミドル圧力調整弁１３ｋで減圧された後に排出される。このように第１分離手段１１で重質油から分離された中質油、軽質油及びガスを高温高圧水の残部とともに、メイン熱交換器１３ｂ、第３メイン圧力調整弁１３ｃ及びサブ熱交換器１３ｄに通しても、これらの熱交換器及び圧力調整弁に粘度の高い重質油が付着しないので、熱交換器の性能を低下させることなく、中質油、軽質油及びガスと高温高圧水の残部の持つ熱エネルギを効率良く回収できるとともに、圧力調整弁の制御性を低下させることがない。即ち、熱交換器や圧力調整弁への重質油の付着・蓄積による劣化や作動不良が発生しないため、これらの性能及び制御性を維持することができる。更にエマルジョンの形成の原因となるアスファルテンやレジンといった主に重質油に含まれる成分が第１分離手段１１にて分離されるため、水と中質油及び軽質油とを分離する油水分離の際にエマルジョンを形成し難く、効率良く水と中質油及び軽質油とを分離できる。

＜第２の実施の形態＞
図２は本発明の第２の実施の形態を示す。図２において図１と同一符号は同一部品を示す。
この実施の形態では、第２分離手段１２で分離された気相状態の高温高圧水が供給手段３１により第３分離手段１３に供給される。供給手段３１は、第２アッパ排出管１２ｆとアッパ分岐管１３ａとを接続する連通管３１ａと、この連通管３１ａに設けられ第２密閉容器１２ｃ内の気相状態の高温高圧水の圧力を下げる連通用圧力調整弁３１ｂとを有する。連通管３１ａの一端は第２アッパ排出管１２ｆのうち第２密閉容器１２ｃと第２アッパ圧力調整弁１２ｇとの間に接続され、連通管３１ａの他端はアッパ分岐管１３ａのうち第３メイン圧力調整弁１３ｃとサブ熱交換器１３ｄとの間に接続される。上記以外は第１の実施の形態と同一に構成される。
このように構成された高温高圧水と油分の分離装置では、第２密閉容器１２ｃ内の圧力が第３密閉容器１３ｅ内の圧力より高い場合、気相状態の高温高圧水が連通用圧力調整弁３１ｂにより所定の圧力に下げられた後にサブ熱交換器１３ｄに供給されるので、高温高圧水の持つ熱エネルギを更に効率良く回収できる。上記以外の動作は第１の実施の形態の動作と略同様であるため、繰返しの説明を省略する。

＜第３の実施の形態＞
図３は本発明の第３の実施の形態を示す。図３において図１と同一符号は同一部品を示す。
この実施の形態では、第２分離手段１２，１１２が互いに並列に２系統設けられる、即ち一方の第２分離手段１２と他方の第２分離手段１１２が同一に構成される。具体的には、一方の第２分離手段１２は、ロア分岐管１２ａと、第２メイン圧力調整弁１２ｂと、第２密閉容器１２ｃと、第２ロア排出管１２ｄと、第２ロア圧力調整弁１２ｅと、第２アッパ排出管１２ｆと、第２アッパ圧力調整弁１２ｇと、ロア熱交換器１２ｈとを有し、他方の第２分離手段１１２は、ロア分岐管１１２ａと、第２メイン圧力調整弁１１２ｂと、第２密閉容器１１２ｃと、第２ロア排出管１１２ｄと、第２ロア圧力調整弁１１２ｅと、第２アッパ排出管１１２ｆと、第２アッパ圧力調整弁１１２ｇと、ロア熱交換器１１２ｈとを有する。他方の第２分離手段１１２のロア分岐管１１２ａの一端は、一方の第２分離手段１２のロア分岐管１２ａのうち第１密閉容器１１ｃと第２メイン圧力調整弁１２ｂとの間に接続される。上記以外は第１の実施の形態と同一に構成される。

このように構成された分離装置を用いた高温高圧水と油分の分離方法を説明する。
先ず一方の第２分離手段１２の第２メイン圧力調整弁１２ｂを開くとともに、他方の第２分離手段１１２の第２メイン圧力調整弁１１２ｂを閉じて、一方の第２分離手段１２により第１密閉容器１１ｃから排出された重質油を高温高圧水の一部とともに処理する。そして所定の時間が経過したとき、一方の第２分離手段１２の第２メイン圧力調整弁１２ｂを閉じるとともに、他方の第２分離手段１１２の第２メイン圧力調整弁１１２ｂを開いて、他方の第２分離手段１１２により第１密閉容器１１ｃから排出された重質油を高温高圧水の一部とともに処理する。この間に、使用を停止した一方の第２分離手段１２の第２メイン圧力調整弁１２ｂ、第２密閉容器１２ｃ、第２ロア圧力調整弁１２ｅ等に付着した粘度の高い重質油を除去する。そして所定時間が経過したときに、一方の第２分離手段１２の第２メイン圧力調整弁１２ｂを開くとともに、他方の第２分離手段１１２の第２メイン圧力調整弁１１２ｂを閉じて、一方の第２分離手段１２により第１密閉容器１１ｃから排出された重質油を高温高圧水の一部とともに処理する。この間に、使用を停止した他方の第２分離手段１１２の第２メイン圧力調整弁１１２ｂ、第２密閉容器１１２ｃ、第２ロア圧力調整弁１１２ｅ等に付着した粘度の高い重質油を除去する。このように、一方の第２分離手段１２と他方の第２分離手段１１２とを交互運転して、不使用側の第２分離手段の各機器を洗浄することにより、第２メイン圧力調整弁や第２ロア圧力調整弁等の制御性を低下させることなく、重質油と高温高圧水との分離を連続的に行うことができる。
なお、第３の実施の形態では、一方の第２分離手段と他方の第２分離手段の切換え操作を所定時間毎に行ったが、第２メイン圧力調整弁又は第２ロア圧力調整弁のいずれか一方又は双方の前後に圧力センサを設け、この圧力センサの検出出力に基づいて一方の第２分離手段と他方の第２分離手段の切換え操作を行ってもよい。

次に本発明の実施例を詳しく説明する。
＜実施例１＞
原料として石油アスファルトを用い、超臨界水からなる高温高圧水による改質条件、即ち改質温度を４８０℃とし、改質圧力を２５ＭＰａとした。油分と高温高圧水の合計量を１００重量％としたとき、上記改質後の各成分を次のように設定した。重質油を８重量％とし、中質油を３重量％とし、軽質油を２重量％とし、ガスを１９重量％とし、高温高圧水を６８重量％とした。この油分を含む高温高圧水を第１分離手段により、高温高圧水と軽質油及び中質油とを気相状態で分離し、減圧残油相当の重質油を液相状態で分離し、第１分離手段の第１密閉容器の温度条件及び圧力条件を変えて上記分離挙動の変化をコンピュータを用いて計算した。その結果を図４に示す。
図４から明らかなように、第１密閉容器内の温度が高いほど水と軽質油及び中質油の気相移行率が高くなるけれども、重質油の気相への移行も多くなることが分った。また圧力の影響としては、第１密閉容器内の圧力が低圧になるほど重質油の気相側への同伴が少なくなるけれども、製品の一つである中質油の軽油が液相へ残留し易くなる傾向があることが分った。これらのことから推測される第１密閉容器内での適切な分離条件は、圧力が２０ＭＰａであるとき温度は３８０〜４２０℃であり、圧力が１５ＭＰａであるとき温度は３６０〜４２０℃であり、圧力が１０ＭＰａであるとき温度は３４０〜４２０℃であると考えられる。

＜実施例２＞
第１分離手段の第１密閉容器から排出された液相状態の重質油を高温高圧水の一部とともに第２分離手段により、高温高圧水を気相状態で分離し、重質油を液相状態で分離し、第２分離手段の第２密閉容器の温度条件及び圧力条件を変えて上記分離挙動の変化をコンピュータを用いて計算した。その結果を図５に示す。
図５から明らかなように、重質油は液相状態であり、高温高圧水は圧力が低くなるに従って気相への移行率が増加することが分った。また第２密閉容器内の圧力が０．１ＭＰａ未満になると、重質油の粘度が増大し、ハンドリングが困難になるおそれがあると考えられるため、第２密閉容器内での適切な分離圧力は０．１〜４ＭＰａの範囲内であると推測される。なお、第２密閉容器内での分離温度については、圧力が１ＭＰａであるとき温度を１８０〜３５０℃とし、圧力が４ＭＰａであるとき温度を２５０〜３５０℃とする必要であるけれども、重質油の粘度を低く維持するためには、より高い温度での分離操作が適切であると考えられる。

＜実施例３＞
第１分離手段の第１密閉容器から排出された気相状態の中質油、軽質油及びガスを高温高圧水の残部とともに第３分離手段により、ガスを気相状態で分離し、中質油及び軽質油と水とを液相状態で分離し、第３分離手段の第３密閉容器の温度条件及び圧力条件を変えて上記分離挙動の変化をコンピュータを用いて計算した。その結果を図６に示す。
図６から明らかなように、軽質油と水が気相側へ移行し難い分離条件としては、第３密閉容器内の圧力が１〜４ＭＰａの範囲内の低温条件側が適切であると考えられる。

本発明第１実施形態の高温高圧水と油分の分離装置を示す構成図である。 本発明第２実施形態の高温高圧水と油分の分離装置を示す構成図である。 本発明第３実施形態の高温高圧水と油分の分離装置を示す構成図である。 第１分離器における各油分の温度変化及び圧力変化による気相移行率を示す図である。 第２分離器における各油分の温度変化及び圧力変化による気相移行率を示す図である。 第３分離器における各油分の温度変化及び圧力変化による気相移行率を示す図である。

符号の説明

１１ 第１分離手段
１２，１１２ 第２分離手段
１３ 第３分離手段
３１ 供給手段

Claims (6)

1. 超臨界水又は亜臨界水からなる高温高圧水により改質して得られた重質油、中質油、軽質油及びガスからなる油分を含む前記高温高圧水を、第１分離手段にて３００〜４５０℃の範囲内の所定の温度に下げかつ５〜２２ＭＰａの範囲内の所定の圧力に下げることにより、前記油分のうち前記重質油を前記高温高圧水の一部とともに液相状態のままとしかつ前記油分の残部である前記中質油、前記軽質油及び前記ガスを前記高温高圧水の残部とともに気相状態にして分離する工程と、
   前記第１分離手段で分離された前記重質油を前記高温高圧水の一部とともに、第２分離手段にて１００〜３５０℃の範囲内の所定の温度に下げかつ０．１〜４ＭＰａの範囲内の所定の圧力に下げることにより、前記重質油を液相状態のままとしかつ前記高温高圧水を気相状態にして分離する工程と、
   前記第１分離手段で分離された前記中質油、前記軽質油及び前記ガスを前記高温高圧水の残部とともに、第３分離手段にて０〜５０℃の範囲内の所定の温度に下げかつ１〜１０ＭＰａの範囲内の所定の圧力に下げることにより、前記ガスを気相状態のままとしかつ前記中質油、前記軽質油及び前記高温高圧水を液相状態にして分離する工程と
   を含む高温高圧水と油分の分離方法。
2. 第２分離手段で分離された気相状態の高温高圧水を第３分離手段に供給する工程を更に含む請求項１記載の高温高圧水と油分の分離方法。
3. 第２分離手段が互いに並列に２系統設けられ、前記２系統の第２分離手段が交互に使用されるように構成された請求項１記載の高温高圧水と油分の分離方法。
4. 超臨界水又は亜臨界水からなる高温高圧水により改質して得られた重質油、中質油、軽質油及びガスからなる油分を含む前記高温高圧水を、３００〜４５０℃の範囲内の所定の温度に下げかつ５〜２２ＭＰａの範囲内の所定の圧力に下げることにより、前記油分のうち前記重質油を前記高温高圧水の一部とともに液相状態のままとしかつ前記油分の残部である前記中質油、前記軽質油及び前記ガスを前記高温高圧水の残部とともに気相状態にして分離する第１分離手段と、
   前記第１分離手段で分離された前記重質油を前記高温高圧水の一部とともに、１００〜３５０℃の範囲内の所定の温度に下げかつ０．１〜４ＭＰａの範囲内の所定の圧力に下げることにより、前記重質油を液相状態のままとしかつ前記高温高圧水を気相状態にして分離する第２分離手段と、
   前記第１分離手段で分離された前記中質油、前記軽質油及び前記ガスを前記高温高圧水の残部とともに、０〜５０℃の範囲内の所定の温度に下げかつ１〜１０ＭＰａの範囲内の所定の圧力に下げることにより、前記ガスを気相状態のままとしかつ前記中質油、前記軽質油及び前記高温高圧水を液相状態にして分離する第３分離手段と
   を備えた高温高圧水と油分の分離装置。
5. 第２分離手段で分離された気相状態の高温高圧水を第３分離手段に供給する供給手段を更に備えた請求項４記載の高温高圧水と油分の分離装置。
6. 第２分離手段が互いに並列に２系統設けられ、前記２系統の第２分離手段が交互に使用されるように構成された請求項４記載の高温高圧水と油分の分離装置。

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