JP5559428B2 - 液体重質炭化水素フィードストックのガス状生成物への変換 - Google Patents

Description

本発明は、「液体」重質炭化水素フィードストック（feedstocks）から軽質オレフィン、メタン及び他のより高価値のガス状炭化水素を生じさせるための方法及び装置に関する。

液体重質炭化水素フィードストックは、周囲条件の流動可能であるか又は高められた温度条件で流動可能にすることができる粘性液体又は半固体材料である。これらの材料は、典型的に原油のような炭化水素材料の処理からの残渣である。

例えば、原油の精製における第１の工程は、通常、炭化水素の複合混合物を揮発性の異なる画分に分離するための蒸留である。典型的な第１工程の蒸留には、より高い温度では熱分解に至ることがありうるため、実際の温度が約６５０°Ｆを超えることなく、できるだけ多くの炭化水素含量を気化するために大気圧での加熱が必要である。常圧で蒸留されない留分は、一般に「常圧石油残渣（atmospheric petroleum residue）」と称する。実際の温度が約６５０°Ｆまでは、さらにより多くの材料を気化することができるため、留分を真空下でさらに蒸留してもよい。残っている蒸留不可能な液体は、「減圧石油残渣（vacuum petroleum residue）」と称する。常圧石油残渣及び減圧石油残渣は、本発明の目的にとっての液体重質炭化水素材料とみなされる。

液体重質炭化水素材料は、相対的な意味で、その高粘度及び低い揮発性、並びに硫黄のような不純物の増強された濃度のため、例えば、燃料として低価値の材料である。例えば、減圧石油残渣中の硫黄濃度は、典型的に原油中の硫黄濃度の少なくとも約２．５倍である。

石油残渣の場合、残渣留分は、典型的に、出発原油の２０質量％より多くを構成し、そして場合により、重質原油の場合、出発原油の５０質量％より多くを構成し、そのため、残渣を、例えばより軽質炭化水素液及びガスのようなより高価値の生成物に変換することは大いに奨励される。

液体重質炭化水素材料を、破壊的熱分解（destructive thermal decomposition）にかけて分解された液体及びガス、並びにより低価値の固体石油コークスを得てもよい。熱分解のための反応器は、コークス器と称し、そして流動床反応器又は固定ドラムであってもよい。生成した液体生成物がより高価値であっても、他の石油生成物とブレンドするべく、水素との反応によってさらにグレードアップすることがなお必要である。

液体重質炭化水素材料の他の販路としては、残留燃料油を製造するためのより低い粘度の蒸留物とのブレンディング、又は舗装用若しくは屋根用アスファルトとして使用が含まれ、それらは、また低価値の用途とみなされる。

また、接触及び非接触（熱）ガス化法により液体重質炭化水素材料を低及び中ＢＴＵガス（合成ガス及びメタン富化合成ガス）に変換してもよい。メタン及び他の付加価値ガスを製造するための触媒源、水素、一酸化炭素及びスチームの存在下、高められた温度及び圧力でのこのような材料の接触ガス化（水添メタン化）は、例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４及び特許文献５に開示されている。

しかしながら、液体重質炭化水素材料からメタンと共に軽質オレフィンのようなさらにより高価値生成物及び他のより高価値ガス状炭化水素を製造することができる方法がなお必要とされている。一つのこのような方法は、特許文献６に開示されており、ここでは、常圧石油残渣を最初に水素化し、次いで減圧蒸留して液相及び減圧残渣相にした。生成したより軽質の液相を、次いでスチームの存在下で熱分解（非接触的熱分解）してオレフィンを生じる。しかしながら、この方法は、常圧石油残渣のより軽質部分しか利用しておらず、かなりの量のさらなる残留材料が残っていると考えられる。

液体重質炭化水素材料をグレードアップするための接触法は、特許文献７に開示されているが、開示された方法は、中間分子量の液体生成物を対象としており、そして低分子量のガス状生成物ではない。詳しくは、開示された方法は、担持されたアルカリ金属触媒を含む第１の反応領域中で、１５０ｐｓｉｇより上の圧力、そして約７００°Ｆと１１００°Ｆの間の温度で、材料を水素及び酸化炭素含有ガスと接触させることによって、液体重質炭化水素材料を硫黄が低下された「常圧液体炭化水素生成物」（７０°Ｆを超える大気中の沸点を有する）及び水素含有ガスに変換する。固形物質（コークス）も製造され、それは担持されたアルカリ金属触媒上に付着している。次いで、担持されたアルカリ金属触媒の一部を第２の反応領域に送り、ここで、それをスチーム及び場合により酸素で接触させて１５０ｐｓｉｇより上の圧力、そして１２００°Ｆより上の温度で付着した炭素を消費し、それによって担持触媒を再生し、そして水素、酸化炭素含有ガス及び第１の反応領域のための熱エネルギーを製造する。熱再生支持体は、第１の反応領域に送り戻される。従って、この方法の第１の反応領域は、本質的にコークス器ユニットであり、そして第２の反応領域は、本質的にガス化ユニットである。この方法からの所望の液体生成物は、例えば、ガソリン、暖房用油及びガスオイルカットを含む。液体生成物中に不飽和化合物が発生するが、実際のところ、開示された方法の記載された便益は、不飽和成分が有害であるため、例えばガソリン生成物中の不飽和成分を低下させることである。また、エチレン及びプロピレンのような軽質オレフィンの製造の開示もない。

また、例えば、特許文献８、特許文献９、特許文献１０、特許文献１１、特許文献１２及びその中に引用された他の開示を含むいくつかの文献は、さまざまな残渣フィードストックからのオレフィンの製造を開示している。一般に、これらの開示では、高められた温度及び短接触時間で、石油残渣フィードストックを、加熱された固形物及び場合により触媒成分（それは、加熱された固形物と同じ又は別の成分であってもよい）の流動床と接触させる。蒸気相を軽質オレフィン及び他の軽質炭化水素と共に製造し、そしてコークスを加熱された粒子上に付着させる。コークスコーティングされた粒子を再生し、そして典型的にコークスを燃焼することによって加熱する。触媒は、典型的に耐火性金属酸化物及びアルミン酸塩のような酸性成分、ゼオライト及び使用済みの流動接触分解触媒、バナジウムリッチ煙道微粒子（flue fines）、使用済みのボーキサイト及び混合物である。

既存の方法にも関わらず、低価値の液体重質炭化水素材料を軽質オレフィン及びアルカンを含むより高価値のガス状生成物混合物に変換するためのさらなる方法がなお必要とされている。

ＵＳ６９５５６９５ ＵＳ２０１０／００７１２６２Ａ１ ＵＳ２０１０／００７６２３５Ａ１ ＷＯ２０１０／０３３８４８Ａ２ ＷＯ２０１０／０４８４９３Ａ２ ＵＳ３８９８２９９ ＵＳ３８１６２９８ ＵＳ４９７５１８１ ＵＳ４９８００５３ ＵＳ６１７９９９３ ＵＳ６３０３８４２ ＷＯ２００７／１４９９１７Ａ１

一態様において、本発明は、液体重炭化水素材料からガス状原生成物流（gaseous raw product stream）を生じさせる方法であって、
（ａ）ガス状担体中に液体重炭化水素材料を分散させて分散重炭化水素フィード（feed）を生成する工程；
（ｂ）熱エネルギー及びスチーム、並びに場合により一酸化炭素及び水素を含む過熱ガスフィード流を、アルカリ金属含浸炭素質担体の床を含む反応器に導入する工程；
（ｃ）場合により酸素リッチ流を反応器に導入して熱エネルギー、並びに場合により、一酸化炭素及び水素をその場で生じさせる工程；
（ｄ）分散重質炭化水素フィードを、アルカリ金属含浸炭素質担体の床の存在下、高圧で、そして約１１００°Ｆから約１４００°Ｆまでの温度でスチーム、一酸化炭素及び水素と接触させてメタン、エチレン及びプロピレンの一方又は両方、並びにエタン及びプロパンの一方又は両方を含む原ガス状混合物（raw gaseous mixture）を生じさせる工程；及び
（ｅ）ガス状原生成物流として反応器から原ガス状混合物の流れを取出す工程、
を含み、
ここにおいて、工程（ｄ）中の反応が、合成ガス要求（syngas demand）を有し、そして合成ガス要求が過熱ガスフィード流中に存在しうる一酸化炭素及び水素によって、そして工程（ｃ）で生じうる一酸化炭素及び水素によって少なくとも実質的に満たされる、上記方法を提供する。

本発明による方法は、例えば、より低価値の液体重質炭化水素フィードストックから、より高価値のガス状生成物を製造するのに有用である。

これらの及び他の実施態様、本発明の特徴及び利点は、以下の詳細な説明を読解することで当業者によってより容易に理解される。

縦型流動床反応器中で液体重質炭化水素材料から低級アルカン及び低級オレフィンを含むガス状原生成物流が製造される、本発明による方法の第１の実施態様の図である。 横型移動床反応器中で液体重質炭化水素材料から低級アルカン及び低級オレフィンを含むガス状原生成物流が製造される、本発明による方法の第２の実施態様の図である。

詳述
本発明は、液体重質炭化水素材料を最終的に有意量の軽質オレフィン及び軽質アルカンを含むガス状生成物流に変換する方法に関する。さらなる詳細を下に提供する。

本説明に関して、本明細書に記載されたすべての刊行物、特許出願、特許及び他の参照文献は、特に明記しない限り、完全に記載されたかのようにすべての目的についてそれらの全体として参照により本明細書に明確に組み込まれている。

特に定義しない限り、本明細書に用いられるすべての技術及び科学用語は、本開示が属する当業者に一般に理解されるのと同じ意味を有する。矛盾がある場合は、定義を含む本明細書を参照のこと。

特に明確に記載された場合を除いて、登録商標は、大文字で示されている。

本開示を実施又は試験する際、本明細書に記載されたものと類似の又は同等の方法及び材料を用いることができるが、適した方法及び材料は、本明細書に記載されている。

特に明記しない限り、すべてのパーセンテージ、部、比率、などは質量による。

特に明記しない限り、ｐｓｉ単位で表された圧力は、ゲージであり、そしてｋＰａ単位で表された圧力は、絶対単位系である。

量、濃度、又は他の値若しくはパラメーターが、範囲又は上方及び下方値のリストとして与えられている場合、これは、範囲が別々に記載されるかどうかにかかわらず、任意の上方及び下方レンジ限界の任意の対から構成されるすべての範囲を具体的に開示していると理解すべきである。数値の範囲が、本明細書において列挙されている場合、特に明記しない限り、範囲は、その終点、並びに範囲内のすべての整数及び分数を包含するものとする。本開示の範囲は、範囲を定義する場合、列挙された具体的な値に限定されるものではない。

値又は範囲の終点を記載する際に「約」という用語が用いられる場合、開示は、記載された具体的な値又は終点を包含すると理解しなければならない。

本明細書に用いられるように、「含む」、「含んでいる」、「包含する」、「包含している」、「有する」、「有している」という用語又はそれらのすべての他の変化形は、非排他的な包含を網羅することを意図する。例えば、要素のリストを含む工程、方法、物品又は装置は、必ずしもそれらの要素だけに限定されるわけではなく、明確に記載されてない又はこのような工程、方法、物品若しくは装置に固有の他の要素を包含することができる。さらに、明確に反対のことが記載されてなければ、「又は」は、包含的な又はのことであり、排他的又はのことではない。例えば、条件Ａ又はＢは、以下：Ａは真であり（又は存在し）かつＢは偽である（又は存在しない）、Ａは偽であり（又は存在しない）かつＢは偽である（又は存在する）、並びにＡ及びＢは真である（又は存在する）のいずれか１つによって満たされる。

本明細書におけるさまざまな要素及び成分を記載するための「単数形」の使用は、単に便宜上のものであって開示の一般的な意味を示しているに過ぎない。この記述は、１つ又は少なくとも１つを包含すると解釈すべきであり、そして別途、意味することが明らかでなければ単数形は複数形も包含する。

本明細書に用いられる「実質的な部分」という用語は、本明細書において特に定義されなければ、約９０％を超える当該材料（referenced material）、好ましくは約９５％を超える当該材料、そしてより好ましくは約９７％を超える該当物質を意味する。パーセントは、分子（例えばメタン、二酸化炭素、一酸化炭素及び硫化水素）について言及するときは、モル基準であり、そしてその他は、質量基準である。

本明細書に用いられる「大部分」という用語は、本明細書において特に定義されなければ、当該材料の約５０％を超えることを意味する。パーセントは、パーセントは、分子（例えばメタン、二酸化炭素、一酸化炭素及び硫化水素）について言及するときは、モル基準であり、そしてその他は、質量基準である。

「減損された（depleted）」という用語は、減少したのと同じ意味である。例えば、流れから材料の実質的な部分が減損されることにより、その材料が実質的に減損された材料減損流が生成される。

本明細書に用いられる「炭素質」という用語は、炭化水素と同じ意味である。

本明細書に用いられる「炭素質材料」という用語は、有機炭化水素含量を含有する材料である。炭素質材料は、本明細書に定義されたようにバイオマス又は非バイオマス材料として分類することができる。

本明細書に用いられる「バイオマス」という用語は、植物由来のバイオマス及び動物由来のバイオマスを包含する、近来（例えば、過去１００年以内）の生存生物から誘導された炭素質材料のことである。明確にするため、バイオマスは、石炭のような化石由来の炭素質材料を包含しない。例えば、以前に組み込まれたＵＳ２００９／０２１７５７５Ａ１及びＵＳ２００９／０２１７５８７Ａ１を参照のこと。

本明細書に用いられる「植物由来のバイオマス」という用語は、限定されるわけではないが、サトウモロコシ、バガス、サトウキビ、タケ、雑種ポプラ、雑種ヤナギ、ネムノキ属の木、ユーカリ、アルファルファ、クローバー、アブラヤシ、スイッチグラス、スーダングラス、キビ、ヤトロファ、及び茅（例えばMiscanthus x giganteus）のような緑色植物、作物、藻類及び樹木に由来する材料を意味する。さらにバイオマスには、トウモロコシの穂軸及び皮、トウモロコシの茎葉、わら、木の実の殻、植物油、カノーラ油、ナタネ油、バイオディーゼル、樹皮、木材チップ、おがくず、庭ごみのような農業栽培、処理及び／又は分解からの廃棄物が包含される。

本明細書に用いられる「動物由来のバイオマス」という用語は、動物の飼育及び／又は利用から生じた廃棄物を意味する。例えば、バイオマスには、家畜糞尿、グアノ、家禽厩肥、動物性脂肪、及び都市固形廃棄物（municipal solid wastes）（例えば、下水汚物）のような家畜の飼育及び処理からの老廃物が含まれるが、これらに限定されるわけではない。

本明細書に用いられる「非バイオマス」という用語は、本明細書に定義された「バイオマス」という用語によって包含されないそれらの炭素質材料を意味する。例えば、非バイオマスには、無煙炭、瀝青炭、亜瀝青炭、褐炭、石油コークス、アスファルテン、液状石油残渣又はそれらの混合物が含まれるが、それらに限定されるわけではない。例えば、ＵＳ２００９／０１６６５８８Ａ１、ＵＳ２００９／０１６５３７９Ａ１、ＵＳ２００９／０１６５３８０Ａ１、ＵＳ２００９／０１６５３６１Ａ１、ＵＳ２００９／０２１７５９０Ａ１及びＵＳ２００９／０２１７５８６Ａ１を参照のこと。

本明細書に用いられる「石油コークス」及び「ペットコーク」という用語には、（ｉ）石油精製で得られる高沸点炭化水素留分の固体熱分解産物（重質残渣−「残油ペットコーク」）；及び（ｉｉ）タールサンド処理の固体熱分解産物（瀝青砂又はオイルサンド−「タールサンドペットコーク」）の両方が包含される。このような炭化生成物には、例えば、生ペットコーク（green petcoke）、か焼ペットコーク（calcined petcoke）、ニードルペットコーク（needle petcoke）及び流動床ペットコークが包含される。

また、残油ペットコークは、例えば、重質残留原油（液状石油残渣）を改質するために用いられるコーキングプロセスによって原油から誘導することができ、そのペットコークは、少量成分として、コークス質量に基づいて、典型的に１．０質量％又はそれ未満、そして典型的に０．５質量％又はそれ未満の灰分を含有する。典型的に、このような低灰分コークス中の灰分は、ニッケル及びバナジウムのような金属を含む。

タールサンドペットコークは、例えば、オイルサンドを改質するために用いられるコーキングプロセスによってオイルサンドから誘導することができる。タールサンドペットコークは、少量成分として、タールサンドペットコークの全質量に基づいて、典型的に約２質量％〜約１２質量％の範囲、そしてより典型的に約４質量％〜約１２質量％の範囲の灰分を含む。典型的に、このような高灰分コークス中の灰分は、シリカ及び／又はアルミナのような物質を含む。

石油コークスは、典型的に０．２〜約２質量％（全石油コークス質量に基づいて）の範囲の本質的に低い水分含量を有する。

石油コークスは、全石油コークス質量に基づいて少なくとも約７０質量％の炭素、少なくとも約８０質量％の炭素、又は少なくとも約９０質量％炭素を含むことができる。典型的に、石油コークスは、石油コークスの質量に基づいて約２０質量％未満の無機化合物を含む。

本明細書に用いられる「アスファルテン」という用語は、室温で芳香族炭素質固形物であり、そして例えば、原油及び原油タールサンドの処理から誘導することができる。

本明細書に用いられる「石炭」という用語は、泥炭、褐炭、亜瀝青炭、瀝青炭、無煙炭又はそれらの混合物を意味する。特定の実施態様において、石炭は、全石炭質量に基づいて約８５％未満、又は約８０％未満、又は約７５％未満、又は約７０％未満、又は約６５％未満、又は約６０％未満、又は約５５％未満、又は約５０質量％未満の炭素含量を有する。別の実施態様において、石炭は、全石炭質量に基づいて、約８５％まで、又は約８０％まで、又は約７５質量％までの範囲の炭素含量を有する。有用な石炭の例としては、Illinois #6、Pittsburgh #8、Beulah (ND)、Utah Blind Canyon、及びPowder River Basin (PRB)石炭が含まれるが、それらに限定されるわけではない。無煙炭、瀝青炭、亜瀝青炭及び褐炭の石炭は、それぞれ乾燥基準で石炭の全質量により約１０質量％、約５〜約７質量％、約４〜約８質量％、そして約９〜約１１質量％の灰分を含有してもよい。しかし、任意の特定の石炭供給源の灰分含量は、石炭の等級及び供給源に左右され、これは当業者によく知られている。例えば、“Coal Data: A Reference”, Energy Information Administration, Office of Coal, Nuclear, Electric and Alternate Fuels, U.S. Department of Energy, DOE/EIA-0064(93), February 1995を参照のこと。

石炭の燃焼により生じる灰分は、当業者によく知られているように、典型的にフライアッシュ及びボトムアッシュの両方を含む。瀝青炭からのフライアッシュは、フライアッシュの全質量に基づいて約２０〜約６０質量％のシリカ及び約５〜約３５質量％のアルミナを含むことがある。亜瀝青炭からのフライアッシュは、フライアッシュの全質量に基づいて約４０〜約６０質量％のシリカ及び約２０〜約３０質量％のアルミナを含むことがある。褐炭からのフライアッシュは、フライアッシュの全質量に基づいて約１５〜約４５質量％のシリカ及び約２０〜約２５質量％のアルミナを含むことがある。例えば、Meyers, et al. “Fly Ash. A Highway Construction Material,” Federal Highway Administration, Report No. FHWA-IP-76-16, Washington, DC, 1976を参照のこと。

瀝青炭からのボトムアッシュは、ボトムアッシュの全質量に基づいて約４０〜約６０質量％のシリカ及び約２０〜約３０質量％のアルミナを含むことがある。亜瀝青炭からのボトムアッシュは、ボトムアッシュの全質量に基づいて約４０〜約５０質量％のシリカ及び約１５〜約２５質量％のアルミナを含むことがある。褐炭からのボトムアッシュは、ボトムアッシュの全質量に基づいて約３０〜約８０質量％のシリカ及び約１０〜約２０質量％のアルミナを含むことがある。例えば、Moulton, Lyle K. “Bottom Ash and Boiler Slag,” Proceedings of the Third International Ash Utilization Symposium, U.S. Bureau of Mines, Information Circular No. 8640, Washington, DC, 1973を参照のこと。

メタンのような材料は、その由来の起源に応じて上の定義下でバイオマス又は非バイオマスであることができる。

「非ガス状」材料は、周囲条件で実質的に液体、半固体、固体又は混合物である。例えば、石炭、ペットコーク、アスファルテン及び液状石油残渣は、非ガス状材料であるのに対して、メタン及び天然ガスは、ガス状材料である。

「ユニット（unit）」という用語は、単位操作のことである。１つより多い「ユニット」が存在すると記載された場合、それらのユニットは、並列方式で運転される。しかしながら、１つの「ユニット」は、１つを超えるユニットを、状況に応じて直列に又は並列に含んでもよい。例えば、酸性ガス除去ユニットは、硫化水素除去ユニットの後に直列に二酸化炭素除去ユニットを含んでもよい。別の例として、汚染物質除去ユニットは、第１の汚染物質のための第１の除去ユニットの後に直列に第２の汚染物質のための第２の除去ユニットを含んでもよい。さらに別の例として、圧縮器は、流れを第１の圧力に圧縮するための第１の圧縮器、その後、連続してさらに流れを第２の（より高い）圧力に圧縮するための第２の圧縮器を含んでもよい。

「合成ガス要求」という用語は、反応器中の実質的に定常状態の合成ガス収支の維持のことである。全体として望ましい定常状態反応では、水素及び一酸化炭素が生じ、そして相対的な収支で消費され、そして典型的に水素及び一酸化炭素がガス状生成物の一部として取出されると考えられる。従って、この反応収支を実質的に維持するために少なくとも必要な量で水素及び一酸化炭素を反応器に加えなければならない（及び／又は下で議論するように、場合により供給された酸素によりその場での燃焼／酸化反応により別に生成する）。本発明の目的では、反応のために「加え」なければならない水素及び一酸化炭素の量（反応器に送る及びその場で生成する）が、「合成ガス要求」である。

「スチーム要求」という用語は、反応器に加えなければならないスチームの量のことである。スチームは、例えば、過熱ガスフィード流、分散重質炭化水素流、場合による酸素リッチ流中のスチームを介して及び／又は別のスチーム流として加えることができる。加えるべきスチームの量（及び源）を、下にさらに詳細に議論する。フィードストック又は代替触媒フィードの任意の水分含量の蒸発からその場で生じたスチームは、スチーム要求を満たすのを助けることができるが；しかしながら、反応器の運転温度よりも低い温度で、その場で生成された又は反応器に送られた任意のスチームは、反応の「熱要求」に影響があることに留意しなければならない。

「熱要求」という用語は、下でさらに詳述するように、工程（ｄ）の反応を実質的な熱収支に保つために反応器に加えなければならない熱エネルギー量のことである。

本明細書における材料、方法及び例は、単なる具体例であり、そして特に明記された場合を除いて、限定しようとするものではない。

液体重質炭化水素材料
本発明は、「液体重質炭化水素材料」の処理に関するものであって、それは、本発明によれば、本発明の方法に使用するために、材料をガス状担体中に分散することができるように、周囲条件で流動可能な液体であるか又は本方法の供給条件（下にさらに詳細に議論する）として用いられる高められた温度条件で流動可能な液体にすることができる粘性液体若しくは半固体炭素質材料である。

液体重質炭化水素材料の非限定的な例としては、減圧残渣；常圧残渣；重質及び改質石油原油（reduced petroleum crude oils）；ピッチ、アスファルト及び瀝青（天然由来の及び石油精練法から生じた）；タールサンドオイル；シェールオイル；接触分解法からの残液；石炭液化残液；及び石油ワックス留分のような有意量の重質又は粘稠材料を含む他の炭化水素フィード流が含まれる。

液体重質炭化水素材料は、一般に液体重質炭化水素マトリックス内に分散されており、そして本方法の供給条件として用いられる高められた温度条件で固体のままである、少量の固体炭素質材料、例えば石油コークス及び／又は固体アスファルテンを本質的に含んでもよい。

さらに、本発明に使用するために少量の固体炭素質材料を液体重質炭化水素材料に加えてもよい。このような固体炭素質材料の非限定的な例としては、石油コークス、固体アスファルテン、石炭及びバイオマスが含まれる。再利用／代替アルカリ金属含浸炭素質担体は、液体重質炭化水素材料に加えられた固体炭素質材料であってもよい。典型的に、固体炭素質材料は、液体重質炭化水素マトリックス内の分散に適した粒径でなければならないが、また、得られた材料が、分散重質炭化水素フィードの調製に用いられるガス状担体中に分散可能である限り、液体重質炭化水素材料でコーティングされた微粒子形態で部分的に用いてもよい。

分散液体重質炭化水素フィードの炭素質含量は、主に液体重質炭化水素材料を含まなければならない。

一般的な方法の情報
本発明の実施態様において、図１及び２に説明するように、混合容器又は機器（１２０）中で液体重質炭化水素材料流（１０）をガス状担体流（１５）と合わせ、ここで、液体重質炭化水素材料をガス状担体中に分散させて分散重質炭化水素フィード流（２０）を生じさせる。一実施態様において、液体重質炭化水素材料をガス状担体中で霧化して霧化された重質炭化水素フィード流を生じさせる。

分散は、慣用の手段により、例えば、静的ミキサーを備えたオンラインミキサー中で行って注入された適当な量のスチームを有する特定の速度で流れているフィード流と混合してフィードのスチームリッチ分散を行うことができ、又は分散は、反応器（１００／２００）への供給口（１１６）の部分として注入ノズルで行うことができる。

適したガス状担体には、例えば、スチーム、二酸化炭素、合成ガス（一酸化炭素及び水素を含む混合物）、窒素のような不活性ガス及び上記の混合物が含まれる。典型的に、ガス状担体は、スチーム、又はスチームの主な若しくは実質的な部分と、場合により上に記載された少量の１つ又はそれ以上の他のガスとの混合物である。一実施態様において、ガス状担体流は、望ましくは二酸化炭素が超臨界であるような条件下で二酸化炭素と混合されたスチームである。

ガス状担体流（１５）は、典型的に過熱され、そして液体重質炭化水素材料流（１０）は、合わせた後、生成した分散重質炭化水素流（２０）が、さらに加熱することなく反応器（１００／２００）に送るのに適した高められた温度になるような温度に加熱されるが、しかし、必要に応じて、慣用の手段によりさらなる加熱を用いてもよい。分散重質炭化水素フィード流（２０）の温度は、典型的に、分散重質炭化水素流の反応器（１００／２００）中への供給点（１１６）で約９００°Ｆ（約４８２℃）若しくはそれ未満、又は約８５０°Ｆ（約４５４℃）若しくはそれ未満であり、早期コークス形成及び供給点（１１６）の閉塞可能性を最小限にするのを助ける。

また、分散重質炭化水素フィード流（２０）の圧力は、分散重質炭化水素流の反応器（１００／２００）中への供給点（１１６）よりも高くなければならない。必要に応じて、分散重質炭化水素フィード流（２０）を反応器（１００／２００）に送る前に、必要により慣用の手段によって混合容器（１２０）後で圧縮してもよい。

望ましくは、上に示したように、二酸化炭素を、ガス状担体流（１５）として又はその成分として用いる場合、分散重質炭化水素フィード流（２０）の温度及び圧力条件は、二酸化炭素が超臨界状態にあるようなものである。

また、分散重質炭化水素フィード流（２０）の一部として補足又は補給触媒を含んでもよい。

図１の反応器（１００）は、分散重質炭化水素フィード流（２０）が送られる、アルカリ金属含浸炭素質担体の縦型床（１１０）を含む。図２の反応器（２００）は、分散重質炭化水素フィード流（２０）が送られる、アルカリ金属含浸炭素質担体の横型床（２１０）を含む。

アルカリ金属含浸炭素質担体は、アルカリ金属触媒及び場合により１つ又はそれ以上の共触媒材料を含有する炭素支持体である。適したアルカリ金属含浸炭素質担体の例は、例えば、ＵＳ３９５８９５７及びＵＳ２０１０／０１２１１２５Ａ１に開示されたものを含む。さらなる詳細を下に提供する。

また、スチーム並びに場合により水素及び一酸化炭素を含む過熱ガス流（２５）も、反応器（１００／２００）に送られる。一実施態様において、過熱ガス流（２５）は、水素及び一酸化炭素を含む。過熱ガス流（２５）の水素及び一酸化炭素含量は、合成ガス発生器中で生じさせることができ、それは、下で議論するように過熱ガス流（２５）又はガス状担体流（１５）及び／又は分散重質炭化水素フィード流（２０）のような他のプロセス流を過熱するために用いることもできる。

反応器（１００／２００）では、分散重質炭化水素炭素フィードをスチーム、水素及び一酸化炭素と、並びに床（１１０／２１０）と接触させ（アルカリ金属含浸炭素質担体の存在下で）、ここで、多くの化学的及び物理的プロセスが行われると考えられる。

成果は、メタン、エチレン及びプロピレンの一方又は両方（典型的に両方の混合物）、並びにエタン及びプロパンの一方又は両方（典型的に両方の混合物）、並びに分子量を高める少量のさらなる炭化水素材料（飽和及び／又は不飽和）、及び下で議論するような他の任意の成分及び汚染物質を含む原ガス状混合物の生成である。

反応器（１００／２００）中の温度は、約１１００°Ｆ（約５９３℃）から、又は約１２００°Ｆ（約６４９℃）から、約１２５０°Ｆ（約６７７℃）から、約１４００°Ｆ（約７６０℃）まで、又は約１３５０°Ｆ（約７３２℃）までである。

反応器（１００／２００）中の圧力は、典型的に約５０ｐｓｉｇ（約４４６ｋＰａ）から、又は約１００ｐｓｉｇ（約７９１ｋＰａ）から、又は約２５０ｐｓｉｇ（約１８２５ｋＰａ）から、又は約４５０ｐｓｉｇ（約３２０４ｋＰａ）から、約１０００ｐｓｉｇ（約６９９６ｋＰａ）まで、又は約６００ｐｓｉｇ（約４２３８ｋＰａ）まで、又は約５５０ｐｓｉｇ（約３８９４ｋＰａ）まで高められる（大気圧よりも高い（superatmospheric））。

反応器（１００／２００）中の温度及び圧力条件は、最終的な生成物の混合比（エチレン対プロピレン、エタン対プロパン）に有意な影響があると考えられ；従って、所望の生成物の混合比は、反応器（１００／２００）の運転温度及び圧力条件を決定する際に重要な要因である。

原ガス状混合物の生成に加えて、フィードの炭素含量の一部は、固体として、例えばコークスとして炭素質担体上に付着すると考えられる。また、反応器（１００／２００）中の温度及び圧力条件は、コークス形成の量（原ガス状混合物への変換に対して）に有意な影響があると考えられ、それはまた、最終的な原ガス状混合物に影響を与える。

また、反応器（１００／２００）中の条件に応じて、炭素質担体材料（最初の又は付着されたコークス）からの炭素含量の一部、及び重質炭化水素フィードは、合成ガス混合物（一酸化炭素及び水素）にガス化されるか又はメタン富化合成ガス（メタン、一酸化炭素及び水素）に水添メタン化され、それはさらにメタン化されるか、又は別途、反応器（１００／２００）中で原ガス状混合物の部分として変換されうる。ガス化／水添メタン化は、反応器（１００／２００）中、例えば、床（１１０／２１０）の一部（図示せず）若しくは反応器（１００／２００）の別の区画（図示せず）、又は別の反応器（図示せず）中で促進することができる。

炭素質担体材料に付着する炭素材料の量が、炭素質担体材料から除去される材料の量と実質的に収支が保たれるという点で、反応器（１００／２００）中の反応は、収支が保たれていることが望ましい。しかしながら、実際には、アルカリ金属含浸炭素質担体材料は、例えばブリード流（３５）を介して反応器（１００／２００）から定期的に除去され、そして新たな及び／又は再生されたアルカリ金属含浸炭素質担体材料が、例えば触媒フィードライン（４０）を介して反応器（１００／２００）に送られる。アルカリ金属含浸炭素質担体材料の再生は、例えば、下で議論するように別のガス化／水添メタン化反応器中で行うことができる。

なんら特定の理論に拘束されるものではないが、これらの機構のすべて（下に記載された場合による部分酸化、及びおそらく他のものを含む）は、最終的な原ガス状混合物の組成に寄与すると考えられ、それは、炭化水素成分に加えて、反応条件並びに液体重質炭化水素材料の組成及び炭素質担体に応じて、典型的に未変換のスチーム、並びに水素、一酸化炭素、二酸化炭素、硫化水素及びアンモニアのような他の任意成分を含む。

反応器（１００／２００）中の液体重質炭化水素材料の変換は、全体として吸熱性である。さらに、反応器（１００／２００）の運転温度よりも低い温度で反応器（１００／２００）に供給されうる任意のフィードをその場で加熱するのに必要なものを含むプロセス熱損失がある。結果的に、熱エネルギーを反応器（１００／２００）に加える及び／又はその場で生じさせて熱収支を維持しなければならない。上に定義された通り、熱収支を維持するために反応器（１００／２００）に加えなければならない熱エネルギーの量は、反応の熱要求である。

下で議論するように、場合により、酸素リッチ流（３０）を反応器（１００／２００）に送って、例えば、温度調節を助ける、及び／又はその場でさらなる水素及び一酸化炭素を供給してもよい。

生成したガス状原生成物流（５０）は、典型的に、例えば、冷却／クエンチング及び熱回収、連行された固体分離、成分分離（例えば、オレフィン含量を回収するため、アンモニア及び水素除去）、成分アップグレード（例えば、酸性ガス除去、脱硫、シフト及び／又はメタン化）及び成分消費（例えば、動力／スチーム／熱生成のための燃焼及び／又は合成ガス／熱／スチーム生成のための部分酸化）を含む１つ又はそれ以上の下流処理工程にかけられる。さらなる詳細及び実施態様を、下に提供する。

反応器（１００／２００）
幾つかのタイプのガス化反応器のいずれかを、反応器（１００／２００）に用いることができる。適した反応器には、向流固定床、並流固定床、流動床、又は噴流若しくは移動床反応室である反応室を有するものが含まれる。図１の反応器（１００）は、縦型の配置であり、そして典型的に流動床反応器である。

反応器（１００）は、例えば「下に流れる（flow down）」向流配置であることができ（図１に詳しく示した通り）、ここで、床（１１０）を通してより重い成分のいくつかが下に流れるように、分散重質炭化水素フィード（２０）は、より高地点で導入され、ガス（例えば過熱ガスフィード流（２５））は、上方向に流れ、そして流動床より上の除去地点（１１８）で除去され、そしてより重い成分（例えば「使用済みの」触媒粒子）は、床（１１０）の近くの又はそれより下の地点（例えばブリードライン（３５））から除去される。別法として、反応器（１００）は、「上に流れる（flow up）」並流配置であることができ、ここで、分散重質炭化水素フィード（２０）は、ガス（例えば過熱ガスフィード流（２５））と共に流れが床（１１０）の上に向かうようにより低い地点で送られる。

両タイプの反応器（１００）の配置において、典型的に流動化されないより大きな粒子のために反応器（１００）の底部に捕集ゾーン（１１２）があり、そして反応器（１００）から取出すときに原ガス状混合物から粒子状物質の離脱を助けるために反応器（１００）の最上部に離脱領域（disengagement zone）（１１４）がある。

図２の反応器（２００）は、移動床である床（１２０）を有する横型配置である。典型的にこのような配置では、分散重質炭化水素フィード流（２０）、過熱ガスフィード流（２５）及び触媒フィードライン（４０）を反応器（２００）の一方の末端で送り、そしてガス状原生成物流（５０）及び触媒ブリード流（３５）を反応器（２００）のもう一方の末端で取出す。

反応器（１００／２００）は、高圧及び温度で運転されるため、触媒床の除去及び補充は、圧力下で反応器（１００／２００）の反応室へ及びそれからの適当な炭素質担体の導入及び回収が必要である。当業者は、スターフィーダー、スクリューフィーダー、回転ピストン及びロックホッパーを包含する、高い圧力及び／又は温度環境を有する反応室中に及びそれから炭素質担体を供給する及び取出すための供給口及び排出口に精通している。入口及び排出口は、交互に用いられるロックホッパーのような２つ又はそれ以上の圧力バランスのとれた要素を含むことができることを理解すべきである。場合により、炭素質担体は、反応器（１００／２００）の運転圧力より上の圧力条件で調製又は再生することができ、そのため炭素質担体を、さらなる加圧／減圧なしに反応器（１００／２００）に直接通し、そしてそこから除去することができる。加圧用のガスは、窒素のような不活性ガス又はより典型的に過熱スチーム及び／又は二酸化炭素の流れであることができる。

反応器（１００／２００）中のガス流速は、反応器中の所望の滞留時間を達成するようになっており、それは広く変化することができる。

特定の実施態様において、反応器（１００／２００）中のガス流速、分散重質炭化水素フィード（２０）の反応器（１００／２００）中への供給点（１１６）、及びガス状原生成物流（５０）の反応器（１００／２００）からの除去地点（１１８）は、任意の供給点（１１６）から任意の除去地点（１１８）までの蒸気相の滞留時間が、約２秒未満、又は約１．５秒若しくはそれ未満、又は約１秒若しくはそれ未満、又は約０．５秒若しくはそれ未満のような短期間であるようになっている。このような短い滞留時間を達成するには、ガス流速は、典型的に約５０ｆｔ／秒（約１５．２ｍ／秒）若しくはそれより速い、又は約６０ｆｔ／秒（約１８．３ｍ／秒）若しくはそれより速い。

特定の実施態様において、より長い滞留時間を用いてもよく、そして反応器（１００／２００）中の典型的なガス流速は、約０．１ｆｔ／秒（約０．０３ｍ／秒）から、又は約０．５ｆｔ／秒（約０．１５ｍ／秒）から、又は約１ｆｔ／秒（約０．３ｍ／秒）から、約２．０ｆｔ／秒（約０．６ｍ／秒）まで、又は約１．５ｆｔ／秒（約０．４５ｍ／秒）までであることができる。

別の実施態様において、分散重質炭化水素フィードについて複数の供給点があり、ここにおいて、少なくとも１つの供給点から任意の除去地点までの蒸気相の滞留時間は、約２秒未満、又は約１．５秒若しくはそれ未満、又は約１秒若しくはそれ未満、又は約０．５秒若しくはそれ未満のような短い期間である。

また、酸素リッチガス流（３０）が反応器（１００／２００）に送られる場合、炭素質担体及び潜在的に重質炭化水素フィードストックからの炭素含量の一部も酸化／燃焼反応で消費されて補足的な熱エネルギー並びに一酸化炭素及び水素を生じることができる。反応器（１００／２００）に供給される酸素の量を変動させることで好都合なプロセス制御を得ることができる。酸素量を増やすと酸化／燃焼が増強され、そのため、その場での熱及び合成ガス生成が高まる。反対に、酸素量を減らすと、その場での熱及び合成ガス生成が低下する。

酸素リッチガス流（３０）は、使用する場合、反応器中への精製酸素、酸素−空気混合物、酸素−スチーム混合物、又は酸素−不活性ガス混合物の直接注入のような任意の適した手段によって反応器（１００／２００）に送ることができる。例えば、ＵＳ４３１５７５３及びChiaramonte et al., Hydrocarbon Processing, Sept. 1982, pp. 255-257を参照のこと。

酸素リッチガス流（３０）は、典型的に標準空気分離技術により生成され、そして高純度の酸素流（約９５％又はそれ以上の容積百分率の酸素、乾量基準）として送ってもよい。しかしながら、典型的に、酸素リッチガス流は、スチームとの混合物として提供され、そして約４００°Ｆ（約２０４℃）から、又は約４５０°Ｆ（約２３２℃）から、又は約５００°Ｆ（約２６０℃）から、約７５０°Ｆ（約３９９℃）まで、又は約７００°Ｆ（約３７１℃）まで、又は約６５０°Ｆ（約３４３℃）までの温度で、そして反応器（１００／２００）中に存在するよりも少なくともわずかに高い圧力で導入される。

反応器（１００）のような縦型流動床反応器に供給する場合、酸素リッチガス流（３０）は、反応器中でホットスポットの形成を回避するため、そしてガス状生成物の燃焼を回避するため、床（１１０）より下の地点で典型的に導入される。反応器（１００）の別の領域の炭素と対照的に、流動化されない粒子中の炭素が優先的に消費されるように、酸素リッチガス流（３０）は、例えば、典型的に反応器の底（例えば、反応器（１００）の底のグリッド又はプレート（図示せず）の下）における、流動化されない粒子が集まる反応器（１００）の捕集ゾーン（１１２）に都合よく導入することができる。

反応器（２００）に供給される場合、酸素リッチガス流（３０）は、反応器（２００）中でホットスポットの形成を回避するために、典型的に、粒子の流動が良好な地点で、床底（２１０）で導入される。

なんら特定の運転理論に拘束されるものではないが、本発明に関して用いられる運転条件下では、反応器（１００／２００）中では水添メタン化／ガス化のいくつかのレベルが生じると考えられる。水添メタン化／ガス化は、例えば、以下を含むいくつかの異なる反応を含むことができる：
スチーム炭素：Ｃ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ＋Ｈ₂ （Ｉ）
水性ガスシフト：ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→Ｈ₂＋ＣＯ₂ （ＩＩ）
ＣＯメタン化：ＣＯ＋３Ｈ₂→ＣＨ₄＋Ｈ₂Ｏ （ＩＩＩ）
水素添加ガス化：２Ｈ₂＋Ｃ→ＣＨ₄ （ＩＶ）

水添メタン化反応では、最初の３つの反応（Ｉ〜ＩＩＩ）が優勢であり、以下の全体的反応を生じる：
２Ｃ＋２Ｈ₂Ｏ→ＣＨ₄＋ＣＯ₂ （Ｖ）

水添メタン化では、一酸化炭素及び水素が生じ、そして相対的な収支で消費され、そしてその中の水添メタン化反応及びそれ自体は、メタン富化合成ガスを生じる。

標準スチームガス化反応では、反応（Ｉ）が優勢である。酸素が利用可能である場合、部分燃焼／酸化も起こりうる。

水添メタン化は触媒的プロセスであり、そして上に示したように、アルカリ金属含浸炭素質担体の存在下である程度起こると考えられる。標準ガス化は、典型的に非触媒的（熱プロセス）であるが、反応（Ｉ）は、アルカリ金属触媒の存在によって促進することができる。

反応器（１００／２００）中の温度及び圧力条件では、床（１１０／２１０）中で、通常のガス化よりも水添メタン化が一般に優勢である。水添メタン化条件は、下の「触媒床再利用／再生」の節に組み込まれたさまざまな文献に一般に開示されている。

望ましくは、反応器（１００／２００）中の条件は、アルカリ金属含浸炭素質担体の炭素含量の少なくとも一部（最初の炭素含量又はより望ましくは担体上に付着したコークスのいずれか）を、水添メタン化して原ガス状混合物のメタン含量を高め、そして最終的にガス状原生成物流（５０）が反応器（１００／２００）から取出されるようになっている。

特定の実施態様において、反応条件は、アルカリ金属含浸炭素質担体上の炭素材料の付着及びそれからの炭素の消費（ガス化、水添メタン化、燃焼及び／又は部分酸化を経て）は、実質的に収支がとれるようであることが望ましい。

別の実施態様において、反応条件は、アルカリ金属含浸炭素質担体上の炭素材料の付着が、アルカリ金属含浸炭素質担体から炭素の消費よりも大きくなるようであることが望ましい。そのような場合、アルカリ金属含浸炭素質担体は、ブリードライン（３５）を経て反応器（１００／２００）から除去することができ、ここで、それは、例えば、別の反応器（図示せず）中で、例えば下の「触媒床再利用／再生」の節に組み込まれたさまざまな文献に開示されたような別の水添メタン化反応器中で、アルカリ金属含浸炭素質担体から炭素のガス化、水添メタン化、燃焼及び／又は部分酸化を経て再生することができる。

上に示したように、反応器（１００／２００）中で行われる反応は、合成ガス要求、スチーム要求及び熱要求を有する。組み合わせたこれらの条件は、反応器（１００／２００）の運転条件及びプロセスの他の部分を決定する際に重要な要因である。

典型的に、反応器（１００／２００）に供給されるスチーム：液体重質炭化水素フィードの全体的な質量比は、約０．５若しくはそれを超える、又は約０．７５若しくはそれを超える、又は約１若しくはそれを超える、又は約１．５（若しくはそれを超える）、約６（若しくはそれ未満）まで、又は約５（若しくはそれ未満）まで、又は約４（若しくはそれ未満）まで、又は約３（若しくはそれ未満）まで、又は約２（若しくはそれ未満）までである。スチーム要求は、分散重質炭化水素流（２０）、過熱ガスフィード流（２５）及び（存在する場合）酸素リッチ流（３０）中のスチームによって満たさねばならないが；しかしながら、必要に応じて、これらの流れとは別にさらなるスチームを反応器（１００／２００）に加えてもよい。

好都合なことに、プロセス用のスチームは、プロセス熱捕捉（例えば廃熱ボイラー中で生じ、一般に「プロセススチーム」又は「プロセス生成スチーム」と称する）を通して他のプロセス操作から生じ、そしていくつかの実施態様では、プロセス生成スチームとして単独で供給される。例えば、熱交換器ユニット又は廃熱ボイラーによって、及び／又はガス状原生成物流（５０）中に存在しうる合成ガス含量を転化及び／又はメタン化するような他の下流ガス処理工程から生じたプロセススチーム流を、最終的に反応器（１００／２００）に送ることができる。

特定の実施態様において、本明細書に記載された全プロセスは、反応のためのスチーム要求（圧力及び量）が、その中の異なる段階でプロセス熱との熱交換により満たすことができるように少なくとも実質的にスチームニュートラル（steam neutral）であり、又は過剰のスチームが生成され、そして例え発電に用いることができるようにスチームポジティブ（steam positive）である。望ましくは、プロセス生成スチームは、約９５質量％を超える、又は約９７質量％を超える、又は約９９質量％を超える、又は約１００質量％若しくはそれを超える水添メタン化反応のスチーム要求を占める。

上にも示したように、反応器（１００／２００）中の反応は、吸熱性であることに加えてプロセス熱損失があるため、反応器（１００／２００）に熱を加えなければならない。過熱フィードガス流（２５）及び分散重質炭化水素流（２０）の添加に加えて酸素リッチガス流（３０）（存在する場合）から反応器（１００／２００）に導入された酸素の存在下で、場合により炭素の部分的なその場での燃焼／酸化は、実質的に反応の熱要求を満たすのに十分でなければならない。

反応器（１００／２００）中の温度は、例えば、反応器（１００／２００）に供給された、過熱フィードガス流（２５）の量及び温度、並びに場合により酸素又は別に供給された過熱スチーム（上で議論したように）の量を調節することによって制御することができる。

プロセス全体の成果は、フィードストック及び炭素質担体に用いた炭素質材料の性質に応じて、典型的に微量を超えるメタン、エタン、プロパン、エチレン及びプロピレン、並びに未反応のスチーム、連行された微粒子及び場合により、水素、二酸化炭素、一酸化炭素、硫化水素及びアンモニアのような他の成分及び汚染物質を含むガス状原生成物流（５０）として反応器（１００／２００）から取出される原生成物である。

ガス状原生成物流（５０）は、反応器（１００／２００）を出ると、典型的に少なくとも約３０ｍｏｌ％（乾量基準）の低級アルカン（メタン＋エタン＋プロパン）、及び／又は少なくとも約８ｍｏｌ％の低級オレフィン（エチレン＋プロピレン）を含む。

アルカリ金属含浸炭素質材料及び床（１１０／２１０）
床（１１０／２１０）に用いられるアルカリ金属含浸炭素質材料は、メタン、エタン、プロパン、エチレン及びプロピレンが反応から生じる主な炭化水素ガス状生成物であるように、反応器（１００／２００）中で行われる反応に触媒作用を及ぼすのに有効な量のアルカリ金属を含む粒状バイオマス及び／又は非バイオマスのような粒状炭素質担体材料である。

炭素質担体は、衝撃粉砕（impact crushing）及び湿式又は乾式研削（wet or dry grinding）のような当分野で知られたなんらかの方法に従って、１つ又はそれ以上の炭素質材料を別々に又は一緒に粉砕及び／又は研削して１つ又はそれ以上の炭素質微粒子を得ることにより調製することができる。炭素質材料源の粉砕及び／又は研削に用いる方法に応じて、生成した炭素質微粒子を分粒して（すなわち、大きさに従って分離する）反応器（１００／２００）に使用するための適当な炭素質担体を得てもよい。

当業者に知られた任意の方法を用いて微粒子を分粒することができる。例えば、分粒は、スクリーニング又は微粒子をスクリーン若しくは多くのスクリーンに通過させることによって実施することができる。スクリーニング装置には、グリズリー、バースクリーン及び網篩が包含されうる。スクリーンは、静的機構又はスクリーンを振盪若しくは振動させる一体化機構（incorporate mechanisms）であることができる。別法として、分級を用いて炭素質微粒子を分離することができる。分級装置としては、鉱石選別機、ガスサイクロン、液体サイクロン、レーキ分級器、回転式トロンメル又は流動型分級器が包含されうる。また、炭素質材料は、研削及び／又は粉砕前に分粒又は分級することもできる。

典型的に、炭素質担体は、約２５ミクロンから、又は約４５ミクロンから、約２５００ミクロンまで、又は約５００ミクロンまでの平均粒径を有する細かい微粒子として供給される。当業者は、炭素質微粒子に適した粒径を容易に決定することができる。例えば、流動床反応器を用いる場合、このような炭素質微粒子は、流動床反応器中に用いるガス速度で炭素質材料の流動化開始を可能にする平均粒径を有することができる。

床（１１０）に望ましい粒径範囲は、流動化条件に応じてゲルダートＡ及びゲルダートＢの範囲（２つの間の重複部分を包含する）にあり、典型的に、限定された量の細かい（約２５ミクロンより下）及び粗い（約２５０ミクロンより大きい）材料を有する。

床（２１０）に望ましい粒径範囲は、約４０ミクロンから、又は約２００ミクロンから、又は約４００ミクロンから、約２０００ミクロンまで、又は約１０００ミクロンまで、又は約８００ミクロンまでの範囲であり、典型的に限定された量の細かい及び粗い材料を有する。

アルカリ金属含浸炭素質材料は、例えば、以前に組み込まれた文献に開示されたさまざまな水添メタン化法から生じたような水添メタン化チャー副生成物であることができる。例えば、以前に組み込まれたＵＳ２０１０／０１２１１２５Ａ１を参照のこと。

新たな炭素微粒子（例えば、活性化された炭素支持体のような）を用いる場合、例えば、以前に組み込まれたＵＳ３９５８９５７に開示されたように又は水添メタン化法のための粒状炭素質材料の調製について記載されたように触媒をその材料上に装填してもよい。例えば、ＵＳ２００９／００４８４７６Ａ１、ＵＳ２０１０／０１６８４９５Ａ１及びＵＳ２０１０／０１６８４９４Ａ１を参照のこと。

典型的に、アルカリ金属は、約０．０１から、又は約０．０５から、又は約０．１から、又は約０．２から、約１まで、又は約０．８まで、又は約０．６まで、又は約０．５までの範囲の触媒化微粒子中の炭素原子に対するアルカリ金属原子の比率を提供するのに十分な量で触媒化微粒子中に存在する。適したアルカリ金属は、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム及びそれらの混合物である。特に有用なのは、カリウム源である。

適したアルカリ金属化合物としては、アルカリ金属炭酸塩、炭酸水素塩、ギ酸塩、シュウ酸塩、アミド、水酸化物、酢酸塩、又は同様の化合物が含まれる。例えば、触媒は、１つ又はそれ以上の炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸ルビジウム、炭酸リチウム、炭酸セシウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化ルビジウム又は水酸化セシウム、そして特に炭酸カリウム及び／又は水酸化カリウムを含むことができる。

場合により共触媒又は他の触媒添加剤、例えば下の「触媒床再利用／再生」の節に組み込まれた水添メタン化文献に開示されたものを用いてもよい。

触媒床再利用／再生
反応器（１００）のような流動床反応器では、典型的に、汚染物質が蓄積されるため、床（１１０）の一部を除去し、そして時々交換する必要がある。床交換の量及び頻度は、主にどれくらいのコークスが炭素質担体上に付着し、そして残るかという要因による。他の要因としては、例えば、灰分の量及び担体粒子上に付着しうる液体重質炭化水素フィードの他の汚染物質含量又は他に「停滞（tie-up）」触媒成分が含まれる。

反応器（２００）のような移動床反応器では、床（２１０）の一部を除去し、そして再循環させる。また、床交換の量及び頻度は、主にどれくらいのコークスが炭素質担体上に付着し、そして残るかという要因にある。

炭素質担体は、ロックホッパーシステムのような排出口を通して反応器（１００／２００）から定期的に又は連続的に取出すことができるが、他の方法は、当業者に知られている。

上に示したように、アルカリ金属炭素質担体からコークス付着物を除去する１つの方法は、担体粒子からの炭素をメタン富化合成ガス及びチャー副生成物に水添メタン化することである。水添メタン化反応器（図示せず）からチャー副生成物を除去し、そして触媒フィードライン（４０）を介して反応器（１００／２００）に戻して再利用することができる。接触ガス化／水添メタン化法及び条件は、例えば、ＵＳ３８２８４７４、ＵＳ３９９８６０７、ＵＳ４０５７５１２、ＵＳ４０９２１２５、ＵＳ４０９４６５０、ＵＳ４２０４８４３、ＵＳ４４６８２３１、ＵＳ４５００３２３、ＵＳ４５４１８４１、ＵＳ４５５１１５５、ＵＳ４５５８０２７、ＵＳ４６０６１０５、ＵＳ４６１７０２７、ＵＳ４６０９４５６、ＵＳ５０１７２８２、ＵＳ５０５５１８１、ＵＳ６１８７４６５、ＵＳ６７９０４３０、ＵＳ６８９４１８３、ＵＳ６９５５６９５、ＵＳ２００３／０１６７９６１Ａ１、ＵＳ２００６／０２６５９５３Ａ１、ＵＳ２００７／００００１７７Ａ１、ＵＳ２００７／００８３０７２Ａ１、ＵＳ２００７／０２７７４３７Ａ１、ＵＳ２００９／００４８４７６Ａ１、ＵＳ２００９／００９００５６Ａ１、ＵＳ２００９／００９００５５Ａ１、ＵＳ２００９／０１６５３８３Ａ１、ＵＳ２００９／０１６６５８８Ａ１、ＵＳ２００９／０１６５３７９Ａ１、ＵＳ２００９／０１７０９６８Ａ１、ＵＳ２００９／０１６５３８０Ａ１、ＵＳ２００９／０１６５３８１Ａ１、ＵＳ２００９／０１６５３６１Ａ１、ＵＳ２００９／０１６５３８２Ａ１、ＵＳ２００９／０１６９４４９Ａ１、ＵＳ２００９／０１６９４４８Ａ１、ＵＳ２００９／０１６５３７６Ａ１、ＵＳ２００９／０１６５３８４Ａ１、ＵＳ２００９／０２１７５８２Ａ１、ＵＳ２００９／０２２０４０６Ａ１、ＵＳ２００９／０２１７５９０Ａ１、ＵＳ２００９／０２１７５８６Ａ１、ＵＳ２００９／
０２１７５８８Ａ１、ＵＳ２００９／０２１８４２４Ａ１、ＵＳ２００９／０２１７５８９Ａ１、ＵＳ２００９／０２１７５７５Ａ１、ＵＳ２００９／０２２９１８２Ａ１、ＵＳ２００９／０２１７５８７Ａ１、ＵＳ２００９／０２４６１２０Ａ１、ＵＳ２００９／０２５９０８０Ａ１、ＵＳ２００９／０２６０２８７Ａ１、ＵＳ２００９／０３２４４５８Ａ１、ＵＳ２００９／０３２４４５９Ａ１、ＵＳ２００９／０３２４４６０Ａ１、ＵＳ２００９／０３２４４６１Ａ１、ＵＳ２００９／０３２４４６２Ａ１、ＵＳ２０１０／０１２１１２５Ａ１、ＵＳ２０１０／０１２０９２６Ａ１、ＵＳ２０１０／００７１２６２Ａ１、ＵＳ２０１０／０１６８４９５Ａ１、ＵＳ２０１０／０１６８４９４Ａ１、ＵＳ２０１０／０２９２３５０Ａ１、ＵＳ２０１０／０２８７８３６Ａ１、ＵＳ２０１０／０２８７８３５Ａ１、ＵＳ２０１１／００３１４３９Ａ１、ＵＳ２０１１／００６２０１２Ａ１、ＵＳ２０１１／００６２７２２Ａ１、ＵＳ２０１１／００６４６４８Ａ１、ＵＳ２０１１／００８８８９６Ａ１、ＵＳ２０１１／００８８８９７Ａ１、ＷＯ２０１０／０４８４９３Ａ２及びＧＢ１５９９９３２；それぞれ２０１０年１２月１６日に出願された米国特許出願第１２／９７０，１０５号（代理人整理番号ＦＮ−００５７ ＵＳ ＮＰ１，表題Integrated Enhanced Oil Recovery Process）及び同第１２／９７０，１１１号（代理人整理番号ＦＮ−００５８ ＵＳ ＮＰ１，表題Integrated Enhanced Oil Recovery Process）；２０１１年２月２１日に出願された米国特許出願第１３／０３１４８６号（代理人整理番号ＦＮ−００５９ ＵＳ ＮＰ１，表題Integrated Hydromethanation Fuel Cell Power Generation）；２０１１年３月３日に出願された米国特許出願第１３／０３９９９５号（代理人整理番号ＦＮ−００６０ ＵＳ ＮＰ１，表題Integrated Hydromethanation Fuel Cell Power Generation）；並びに２０１１年４月２６日に出願された米国特許出願第１３／０９４４３８号（代理人整理番号ＦＮ−００６１ ＵＳ ＮＰ１，表題Hydromethanation of a Carbonaceous Feedstock with Vanadium Recovery）に開示されている。

処理後のメタン富化合成ガスは、例えば、下記のように合成ガス発生器用のフィードとして用いることができ、又は別途、上に組み込まれた水添メタン化文献に記載されたように精製／処理／使用することができる。

コークス付着物は、以前に組み込まれたＵＳ３８１６２９８に開示されたように、熱ガス化を経てアルカリ金属炭素質担体から除去することもできる。

水添メタン化及び熱ガス化の両方から生じた固体は、熱く、そして熱い固体として反応器（１００／２００）に戻して再循環させることができる。そうすることで反応器（１００／２００）中の反応の熱要求が低下する。

ガス処理
反応器（１００／２００）を出るガス状原生成物流（５０）は、反応器（１００／２００）の運転温度及び圧力付近である。

典型的に、ガス状原生成物流（５０）を、まず最初に、約１１００°Ｆ（約５９３℃）未満のような、オレフィンを消費しうる反応を停止する温度にクエンチし、次いで固体分離にかけて連行された固体を除去する。クエンチング及び固体除去は、例えば、反応器（１００／２００）の中及び／又は外に組み込まれた微粒子除去ユニット（図示せず）中のような当業者に知られた任意のやり方で行うことができる。クエンチングは、熱交換により行うことができ、そして固体除去は、例えば、単又は多段式サイクロン中で水性（スチーム又は水）及び／又は有機媒体（例えば熱分解油又は添加残油フィードストック）との接触により行うことができ、生成したクエンチされたガス状原生成物流をさらなる処理に送り、そしてクエンチング媒体及び分離された固体をさらなる処理のため反応器（１００／２００）に戻す。

クエンチ後の微粒子除去のさらなる段階は、例えば、さらなるサイクロン分離器、場合により続いてベンチュリスクラバー中で行うことができる。

１つ又はそれ以上の熱交換器ユニットを介して、クエンチされたガス状原生成物流からさらなる熱エネルギーを除去することができ、そして回収された熱エネルギーを用いてプロセス中の他の場所で使用するためのスチームを生成することができる。

所望の最終生成物に応じて、クエンチされたガス状原生成物流を当業者に一般に知られたさらなる処理工程、例えば、オレフィン分離、脱硫、酸性ガス除去、水／ガスシフト及びメタン化にかけることができる。

一実施態様において、クエンチされたガス状原生成物流からオレフィン及び酸性ガスを除去し、そして生成したスイート化ガス流の少なくとも一部を、部分酸化反応器のような合成ガス発生器に送り、炭化水素含量をさらなる水素及び一酸化炭素含量及び熱エネルギーに改質／部分酸化し、それを用いて、過熱ガスフィード流（２５）を生じさせることができる。また、生成したスイート化ガス流の一部を、過熱及び／又はスチーム生成のための熱エネルギー（例えば、燃焼又は外部メタン化を経て）を生成するために用いることもできる。

一実施態様において、合成ガス発生器は、ガスフィード部分酸化／改質法、例えば非接触ガス部分酸化、接触自己熱改質又は触媒流−メタン改質法を用いる。これらの方法は、一般に関連分野でよく知られている。例えば、Rice and Mann, “Autothermal Reforming
of Natural Gas to Synthesis Gas, Reference: KBR Paper #2031,”Sandia National Laboratory Publication No. SAND2007-2331 (2007); 及び Bogdan, “Reactor Modeling and Process Analysis for Partial Oxidation of Natural Gas”, printed by Febodruk, B.V., ISBN: 90-365-2100-9 (2004)を参照のこと。

本発明に関連した使用に潜在的に適した技術及び反応器は、Royal Dutch Shell plc、Siemens AG、General Electric Company、Lurgi AG, Haldor Topsoe A/S、Uhde AG、KBR Inc.及びその他から商業的に入手可能である。

非接触ガス部分酸化及び自己熱改質では、酸素リッチガス流をガスフィード流と共に合成ガス発生器に送る。場合により、スチームも合成ガス発生器に送ってもよい。スチーム−メタン改質では、スチームをガスフィード流と共に反応器に送る。また、場合により、二酸化炭素、水素及び／又は窒素のような少量の他のガスを合成ガス発生器に送ってもよい。

さまざまな反応器及び技術の、反応及び他の操作条件、並びに装置及び配置は、一般的な意味において当業者に知られており、そして最も広い意味で本発明にとって重要ではない。

合成ガスの生成に加えて、合成ガス発生器中の反応は、熱エネルギーも生じる。上に示したように、この熱エネルギーの一部は、場合により回収し、そして例えばボイラー供給水からのプロセススチーム、又は代わりに熱／過熱他のプロセス流の生成に用いてもよい。

マルチトレイン法
本発明のプロセスにおいて、各プロセスは、１つ又はそれ以上の処理ユニットで実施してもよい。例えば、１つ又はそれ以上のフィードストック調製単位操作からのフィードストックを用いて１つ又はそれ以上の反応器に供給してもよい。同様に、１つ又はそれ以上の反応器によって生じた原生成物ガス流を、１つ又はそれ以上のガス処理ユニット中で別々に又はそれらの組み合わせにより処理又は精製してもよい。

特定の実施態様において、プロセスは、２つ又はそれ以上の反応器（例えば、２〜４個の反応器）を用いる。このような実施態様において、プロセスは、フィードストック及び過熱ガス流を最終的に複数の反応器に提供するために反応器の前に、分岐的処理ユニット（divergent processing units）（すなわち、反応器の総数より多い）又は収束的処理ユニット（convergent processing units）（すなわち、反応器の総数より少ない）；及び／又は複数の反応器によって生じた原ガス状生成物流を処理するための反応器の後に分岐的又は収束的処理ユニットを含んでもよい。

システムが収束的処理ユニットを含む場合、収束的処理ユニットのそれぞれは、収束的処理ユニットへの全フィード流の１／ｎ部分より多くを受け入れる容量を有するように選ぶことができ、ここで、ｎは収束的処理ユニットの数である。同様に、システムが分岐的処理ユニットを含む場合、分岐的処理ユニットのそれぞれは、収束的処理ユニットに供給する全フィード流の１／ｍ部分より多くを受け入れる容量を有するように選ぶことができ、ここで、ｍは分岐的処理ユニットの数である。

特定の実施態様の例
方法の特定の実施態様は、方法が、工程（ａ）、（ｂ）、（ｄ）及び（ｅ）が連続的なやり方で操作される連続法であるものである。

別の特定の実施態様は、液体重質炭化水素材料が１つ又はそれ以上の供給点で反応器に送られ、ガス状原生成物流が１つ又はそれ以上の取出し点で反応器から取出され、そして供給点から取出し点までの蒸気滞留時間が約２秒未満であるものである。

別の特定の実施態様は、ガス状担体が、過熱スチーム又は過熱スチームと二酸化炭素との混合物を主に含む又は実質的に含むものである。

別の特定の実施態様において、過熱ガス流は、ガスベースの合成ガス発生器、例えば、非接触部分酸化法又は自己熱改質法を用いるものからの一酸化炭素及び水素を含み、ここにおいて、酸素リッチガス流は、メタン含有フィードと共に合成ガス発生器に送られる。一実施態様において、メタン含有フィードは、ガス状原生成物流からのメタンを含む。別の実施態様において、ガス状原生成物流は、処理されてオレフィン含量の実質的な部分が除去されてオレフィン減損（olefin-depleted）生成物流を生じ、そしてオレフィン減損生成物流の少なくとも一部は、メタン含フィードとして合成ガス発生器に送られる。

別の特定の実施態様は、酸素リッチガス流が、定期的に又は連続的に反応器に供給され、そして供給される酸素の量が、プロセス制御として変化して、例えば反応器中の温度制御を助けるものである。酸素が反応器に供給されると、炭素は、部分酸化／燃焼されて熱エネルギー（並びに典型的に若干量の一酸化炭素及び水素）を生じる。反応器に供給される酸素の量を、増やす又は減らして消費される炭素量を増やし、そして結果的に、反応器中でその場で生じる熱エネルギーの量を増やすことができる。そのような場合、その場で生じたこの熱エネルギーは、反応の熱要求、そしてさらに過熱ガスフィード流に供給された熱エネルギー量を低下させる。

別の特定の実施態様は、熱エネルギーの少なくとも一部がガス状原生成物流から回収され、そして回収された熱エネルギーの少なくとも一部を用いて、プロセスに使用するためのスチームを生じるものである。

別の特定の実施態様は、床のブリード流が反応器から取出され、ブリード流が水添メタン化されてメタン富化合成ガス流及び副生成物チャーを生じさせるものである。一実施態様において、メタン富化合成ガスの少なくとも一部は、合成ガス発生器のためのメタン含有フィードとして用いられる。別の実施態様において、副生成物チャーの少なくとも一部は、再利用触媒床として反応器に戻る。

別の特定の実施態様は、床のブリード流が反応器から取出され、そしてブリード流がガス化されて水素、一酸化炭素及び熱エネルギーを含む合成ガス流を生じさせるものである。一実施態様において、過熱ガスフィード流は、合成ガス流の少なくとも一部を含む。

実施例
内径２インチ、高さ４フィートのカラムに、カリウム触媒を含浸させた炭素チャー（９００ｇ）を充填した。チャーは、パウダーリバー盆地（powder river basin）（ＰＲＢ）石炭に由来し、そして約０．２９Ｋ／Ｃ含量を含んだ。
また、床材料として無触媒活性化炭素を用いて１回運転を行った。

以下のおよその組成：Ｃ＝８９．３％；Ｈ＝８．６％；Ｓ＝１．８％；Ｎ＝０．４％；Ｖ＝８０ｐｐｍを有する石油残渣を用いた。

カラムの底にスチーム、水素、一酸化炭素及び窒素の過熱ガス混合物を流すことによって炭素チャーを床中で流動化した。

石油残渣を、過熱スチームとの混合によって霧化し、そして１３００°Ｆでカラムに送った。

反応器中の温度は、約１３００°Ｆであり、そしてガス速度は約０．４〜１．２５フィート／秒であり、霧化された残渣フィードについて滞留時間は約１秒となった。

各運転は、コークス形成のための供給注入ポートの目詰まりのため約２時間持続した。

各運転後、赤外分光法（ＩＲ）及びガスクロマトグラフィー（ＧＣ）を用いて炭化水素種について捕捉されたガスを分析した。炭素収支は、回収されたガス及び床材料においても実施された。典型的に、＞９０％の炭素収支が達成された。

実施例１
第１の運転を１３００°Ｆ及び１５０ｐｓｉｇで行って触媒床対無触媒床の効果を比較した。表１に結果を示す。

結果から分かるように、床材料中の触媒の存在は、フィードストックの低級オレフィン及びアルカンへの変換において有意な効果を有した。

実施例２
上に記載された条件であるが、様々な圧力５０ｐｓｉｇ、１５０ｐｓｉｇ、２９５ｐｓｉｇ及び５００ｐｓｉｇで触媒床を用いて４回運転を行った。
結果を、表２及び３に示す。

結果から分かるように、圧力は生成物分布において有意な影響を有する。好都合なことに、圧力が高くなると、コークス形成が低下し、そして、結果的に、フィード（軽質アルカン及びオレフィン）の単位当たりの生成物収量がより高く全体として望ましくなると考えられる。

Claims (10)

1. 液体重炭化水素材料からガス状原生成物流を生じさせる方法であって、
   （ａ）ガス状担体中に液体重炭化水素材料を分散させて分散重炭化水素フィードを生成する工程；
   （ｂ）熱エネルギー及びスチームを含む過熱ガスフィード流を、アルカリ金属含浸炭素質担体の床を含む反応器に導入する工程；
   （ｄ）分散重質炭化水素フィードを、アルカリ金属含浸炭素質担体の床の存在下、高圧で、そして１１００°Ｆ（５９３℃）から１４００°Ｆ（７６０℃）までの温度でスチーム、一酸化炭素及び水素と接触させてメタン、エチレン及びプロピレンの一方又は両方、並びにエタン及びプロパンの一方又は両方を含む原ガス状混合物を生じさせる工程；及び
   （ｅ）ガス状原生成物流として反応器から原ガス状混合物の流れを取出す工程、を含み、
   ここにおいて、
   （１）（Ａ）過熱ガスフィード流はさらに一酸化炭素及び水素を含む、又は
   （Ｂ）当該方法はさらに（ｃ）酸素を反応器に導入して熱エネルギー、一酸化炭素及び水素をその場で生じさせる工程を含む、又は、
   （Ｃ）上記（Ａ）と（Ｂ）の両方である；そして
   （２）工程（ｄ）中の反応において要求される合成ガスは、工程（ｂ）の過熱ガスフィード流中に存在しうる一酸化炭素及び水素によって、工程（ｃ）で生じうる一酸化炭素及び水素によって、そして工程（ｄ）のその場で生じうる一酸化炭素及び水素によって満たされる、
   上記方法。
2. 液体重炭化水素材料を１つ又はそれ以上の供給点で反応器に送り、ガス状原生成物流を１つ又はそれ以上の取出し点で反応器から取出し、そして供給点から取出し点までの蒸気滞留時間が、２秒未満であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 原ガス状生成物流が、メタン＋エタン＋プロパンの合計（乾量基準）で少なくとも３０ｍｏｌ％、及びエチレン＋プロピレンの合計（乾量基準）で少なくとも８ｍｏｌ％を含むことを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
4. 液体重炭化水素材料をガス状担体中で霧化して分散重炭化水素フィードを生じさせることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. ガス状担体が、過熱スチームを主に含むことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. 高圧が最大で１０００ｐｓｉｇ（６９９６ｋＰａ）までであることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. 酸素リッチガス流を反応器に送ることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
8. 反応器が反応器の底部に捕集ゾーンを含み、そして酸素リッチガス流を捕集ゾーンに送ることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
9. 床のブリード流を反応器から取出し、そしてブリード流を水添メタン化してメタン富化合成ガス流及び副生成物チャーを生じさせることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
10. 副生成物チャーの少なくとも一部を再利用触媒床として反応器に戻すことを特徴とする、請求項９に記載の方法。

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