JP6014601B2 - 炭化水素のクラッキング方法及び反応器並びに反応器の被覆方法 - Google Patents

炭化水素のクラッキング方法及び反応器並びに反応器の被覆方法 Download PDF

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Description

本発明は一般に、炭化水素をクラッキングする方法及び反応器並びに反応器を被覆する方法に関する。特に、本発明は、コークス付着物の堆積が望ましくない、炭化水素をクラッキングする方法及び反応器に関する。
石油化学工業において、エタン、プロパン、ブタン、ナフサ、軽油などの炭化水素は、エチレン、プロピレン、ブテンなどの軽質オレフィンを製造するのに反応器中、約30重量%(wt%)〜約70wt%の蒸気の存在下、約700℃〜870℃の温度でクラッキングされる。原油の常圧及び減圧蒸留の残油などの炭化水素は、軽質炭化水素留分及びコークスを製造するのに反応器中、約1wt%〜約2wt%の蒸気の存在下約480℃〜約600℃の範囲の温度でクラッキングされることもある。
反応器は通常、管群が通過する火室を有する熱分解炉である。管群及び対応する継手は合計数100mの長さになることがある。管群は直管又は蛇行管を含むことができる。
炭化水素クラッキングプロセス時、炭素質付着物(即ち、コークス付着物)の堆積は通常、反応器部品の内表面、例えば、炉装置の放射管内表面で起こる。放射管内表面は、徐々にコークスの層で被覆され、放射管金属温度(TMT)を上昇し、放射コイルの圧力損出を増加する。さらに、コークスの堆積は、応力破断、熱疲労、延性などの機械的特性の浸炭のための悪化によって放射管などの反応器部品の物理的特性に悪影響を及ぼす。
反応器部品のコークス除去をするには、炭化水素クラッキングを定期的に停止する必要がある。典型的に、コークス除去は、1000℃以下の温度で蒸気/空気を用いてコークス付着物を燃焼することにより行う。このようなコークス除去操作は、運転モード、炭化水素の種類及び炭化水素処理量に応じて約10〜80日間毎に必要とされ、このようなコークス除去操作のために炭化水素供給を停止する必要があるので生産ロスをもたらす。
種々の方法が、欠点である炉管内表面などの反応器部品上へのコークス堆積を克服するのに検討された。これらの方法には、合金を冶金アップグレードして炉で使用する金属基体のクロム含量を増加する方法、硫黄、硫化ジメチル(DMS)、二硫化ジメチル(DMDS)、硫化水素などの添加剤を供給原料に添加する方法及び供給原料の蒸気希釈を増加する方法がある。
米国特許第4208269号
上記の方法のいくつかは、石油化学工業で一般に用いられているが、従来技術の短所をなくすか軽減し、十分にコークス付着物の堆積を低減するかなくすことができる新規な方法及び反応器を提供することが望ましい。
1態様では、本発明は、炭化水素をクラッキングする方法を提供し、本方法は、蒸気及び炭化水素を用意し、蒸気及び炭化水素を、炭化水素に接触する内表面を有する反応器中に供給する工程を含み、内表面が式Aabcd3-δで表されるペロブスカイト材料及び無機材料の焼結生成物を含み、無機材料が酸化セリウム、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化ジルコニウム、ベーマイト及び二酸化ケイ素の1種類以上を含む。式中、0<a<1.2、0≦b≦1.2、0.9<a+b≦1.2、0<c<1.2、0≦d≦1.2、0.9<c+d≦1.2、−0.5<δ<0.5であり、Aは、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)、バリウム(Ba)及びこれらの組合せから選択され、Bは、リチウム(Li)、ナトリウム(Na)、カリウム(K)、ルビジウム(Rb)及びこれらの組合せから選択され、Cは、セリウム(Ce)、ジルコニウム(Zr)、アンチモン(Sb)、プラセオジム(Pr)、チタン(Ti)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、ガリウム(Ga)、スズ(Sn)、テルビウム(Tb)及びこれらの組合せから選択され、Dは、ランタン(La)、セリウム(Ce)、プラセオジム(Pr)、ネオジム(Nd)、プロメチウム(Pm)、サマリウム(Sm)、ユウロピウム(Eu)、ガドリニウム(Gd)、テルビウム(Tb)、ジスプロシウム(Dy)、ホルミウム(Ho)、エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)、イッテルビウム(Yb)、ルテチウム(Lu)、スカンジウム(Sc)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、イットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、テクネチウム(Tc)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、銀(Ag)、カドミウム(Cd)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、レニウム(Re)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、白金(Pt)、金(Au)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、スズ(Sn)、アンチモン(Sb)及びこれらの組合せから選択される。
別の態様では、本発明は、炭化水素に接触する内表面を有する炭化水素クラッキング用反応器を提供し、本反応器は、内表面が式Aabcd3-δで表されるペロブスカイト材料及び無機材料の焼結生成物を含み、無機材料が酸化セリウム、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化ジルコニウム、ベーマイト及び二酸化ケイ素の1種類以上を含み。式中、0<a<1.2、0≦b≦1.2、0.9<a+b≦1.2、0<c<1.2、0≦d≦1.2、0.9<c+d≦1.2、−0.5<δ<0.5であり、Aは、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)、バリウム(Ba)及びこれらの組合せから選択され、Bは、リチウム(Li)、ナトリウム(Na)、カリウム(K)、ルビジウム(Rb)及びこれらの組合せから選択され、Cは、セリウム(Ce)、ジルコニウム(Zr)、アンチモン(Sb)、プラセオジム(Pr)、チタン(Ti)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、ガリウム(Ga)、スズ(Sn)、テルビウム(Tb)及びこれらの組合せから選択され、Dは、ランタン(La)、セリウム(Ce)、プラセオジム(Pr)、ネオジム(Nd)、プロメチウム(Pm)、サマリウム(Sm)、ユウロピウム(Eu)、ガドリニウム(Gd)、テルビウム(Tb)、ジスプロシウム(Dy)、ホルミウム(Ho)、エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)、イッテルビウム(Yb)、ルテチウム(Lu)、スカンジウム(Sc)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、イットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、テクネチウム(Tc)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、銀(Ag)、カドミウム(Cd)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、レニウム(Re)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、白金(Pt)、金(Au)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、スズ(Sn)、アンチモン(Sb)及びこれらの組合せから選択される。
また他の態様では、本発明は、式Aabcd3-δで表されるペロブスカイト材料及び無機材料を含むスラリーを用意し、反応器の表面にスラリーを適用し、スラリーを焼結する工程を含み、無機材料が酸化セリウム、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化ジルコニウム、ベーマイト及び二酸化ケイ素の1種類以上を含む方法を提供する。式中、0<a<1.2、0≦b≦1.2、0.9<a+b≦1.2、0<c<1.2、0≦d≦1.2、0.9<c+d≦1.2、−0.5<δ<0.5であり、Aは、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)、バリウム(Ba)及びこれらの組合せから選択され、Bは、リチウム(Li)、ナトリウム(Na)、カリウム(K)、ルビジウム(Rb)及びこれらの組合せから選択され、Cは、セリウム(Ce)、ジルコニウム(Zr)、アンチモン(Sb)、プラセオジム(Pr)、チタン(Ti)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、ガリウム(Ga)、スズ(Sn)、テルビウム(Tb)及びこれらの組合せから選択され、Dは、ランタン(La)、セリウム(Ce)、プラセオジム(Pr)、ネオジム(Nd)、プロメチウム(Pm)、サマリウム(Sm)、ユウロピウム(Eu)、ガドリニウム(Gd)、テルビウム(Tb)、ジスプロシウム(Dy)、ホルミウム(Ho)、エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)、イッテルビウム(Yb)、ルテチウム(Lu)、スカンジウム(Sc)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、イットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、テクネチウム(Tc)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、銀(Ag)、カドミウム(Cd)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、レニウム(Re)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、白金(Pt)、金(Au)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、スズ(Sn)、アンチモン(Sb)及びこれらの組合せから選択される。
1態様では、本発明は、炭化水素をクラッキングする方法に関し、本方法は、蒸気及び炭化水素を用意し、蒸気及び炭化水素を、炭化水素に接触する内表面を有する反応器中に供給する工程を含み、内表面が式Aabcd3-δで表されるペロブスカイト材料及び無機材料の焼結生成物を含み、無機材料が酸化セリウム、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化ジルコニウム、ベーマイト及び二酸化ケイ素の1種類以上を含む。式中、0<a<1.2、0≦b≦1.2、0.9<a+b≦1.2、0<c<1.2、0≦d≦1.2、0.9<c+d≦1.2、−0.5<δ<0.5であり、Aは、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)、バリウム(Ba)及びこれらの組合せから選択され、Bは、リチウム(Li)、ナトリウム(Na)、カリウム(K)、ルビジウム(Rb)及びこれらの組合せから選択され、Cは、セリウム(Ce)、ジルコニウム(Zr)、アンチモン(Sb)、プラセオジム(Pr)、チタン(Ti)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、ガリウム(Ga)、スズ(Sn)、テルビウム(Tb)及びこれらの組合せから選択され、Dは、ランタン(La)、セリウム(Ce)、プラセオジム(Pr)、ネオジム(Nd)、プロメチウム(Pm)、サマリウム(Sm)、ユウロピウム(Eu)、ガドリニウム(Gd)、テルビウム(Tb)、ジスプロシウム(Dy)、ホルミウム(Ho)、エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)、イッテルビウム(Yb)、ルテチウム(Lu)、スカンジウム(Sc)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、イットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、テクネチウム(Tc)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、銀(Ag)、カドミウム(Cd)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、レニウム(Re)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、白金(Pt)、金(Au)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、スズ(Sn)、アンチモン(Sb)及びこれらの組合せから選択される。
ある実施形態では、Aは、ストロンチウム(Sr)及びバリウム(Ba)から選択される。Cは、セリウム(Ce)、ジルコニウム(Zr)及びマンガン(Mn)から選択される。Dは、セリウム(Ce)及びイットリウム(Y)から選択される。
ある実施形態では、ペロブスカイト材料は、SrCeO3、SrZr0.3Ce0.73、BaMnO3、BaCeO3、BaZr0.3Ce0.73、BaZr0.3Ce0.50.23、BaZr0.1Ce0.70.23、BaZrO3、BaZr0.7Ce0.33、BaCe0.5Zr0.53、BaCe0.90.13、BaCe0.850.153及びBaCe0.80.23から選択される。例えば、SrCeO3の場合、AはSrであり、CはCeあり、a=1、b=0、c=1、d=0及びδ=0である。SrZr0.3Ce0.73の場合、AはSrであり、CはZrであり、DでCeであり、a=1、b=0、c=0.3、d=0.7及びδ=0である。BaMnO3の場合、AはBaであり、CはMnであり、a=1、b=0、c=1、d=0及びδ=0である。BaCeO3の場合、AはBaであり、CはCeであり、a=1、b=0、c=1、d=0及びδ=0である。BaZr0.3Ce0.73の場合、AはBaであり、CはZrであり、DはCeであり、a=1、b=0、c=0.3、d=0.7及びδ=0である。BaZr0.3Ce0.50.23の場合、AはBaであり、CはZrであり、DはCeとYとの組合せであり、a=1、b=0、c=0.3、d=0.7及びδ=0である。
ある実施形態では、焼結生成物はBaZr0.3Ce0.73を含む。
ある実施形態では、ペロブスカイト材料はBaZr0.1Ce0.70.23である。
無機材料は、1つの材料又は複数の材料の組合せを含むことができる。ある実施形態では、無機材料は酸化ジルコニウムと酸化セリウムの組合せを含む。ある実施形態では、無機材料はベーマイトと酸化セリウムの組合せを含む。
ある実施形態では、炭化水素をクラッキングする方法は、約700℃〜約870℃の範囲の温度で実施され、蒸気/炭化水素の重量比は約3/7〜約7/3の範囲であり、炭化水素はエタン、ヘプタン、液化石油ガス、ナフサ及び軽油の1種類以上を含む。
ある実施形態では、炭化水素をクラッキングする方法は、約480℃〜約600℃の範囲の温度で実施され、炭化水素は原油の常圧及び減圧蒸留の残油を含み、蒸気の重量%(wt%)は約1wt%〜約2wt%の範囲である。
ある実施形態では、炭化水素はエタン、ヘプタン、液化石油ガス、ナフサ及び軽油の1種類以上を含む。
別の態様では、本発明は、炭化水素に接触する内表面を有する炭化水素クラッキング用反応器に関し、本反応器は、内表面が式Aabcd3-δで表されるペロブスカイト材料及び無機材料の焼結生成物を含み、無機材料が酸化セリウム、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化ジルコニウム、ベーマイト及び二酸化ケイ素の1種類以上を含む。式中、0<a<1.2、0≦b≦1.2、0.9<a+b≦1.2、0<c<1.2、0≦d≦1.2、0.9<c+d≦1.2、−0.5<δ<0.5であり、Aは、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)、バリウム(Ba)及びこれらの組合せから選択され、Bは、リチウム(Li)、ナトリウム(Na)、カリウム(K)、ルビジウム(Rb)及びこれらの組合せから選択され、Cは、セリウム(Ce)、ジルコニウム(Zr)、アンチモン(Sb)、プラセオジム(Pr)、チタン(Ti)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、ガリウム(Ga)、スズ(Sn)、テルビウム(Tb)及びこれらの組合せから選択され、Dは、ランタン(La)、セリウム(Ce)、プラセオジム(Pr)、ネオジム(Nd)、プロメチウム(Pm)、サマリウム(Sm)、ユウロピウム(Eu)、ガドリニウム(Gd)、テルビウム(Tb)、ジスプロシウム(Dy)、ホルミウム(Ho)、エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)、イッテルビウム(Yb)、ルテチウム(Lu)、スカンジウム(Sc)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、イットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、テクネチウム(Tc)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、銀(Ag)、カドミウム(Cd)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、レニウム(Re)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、白金(Pt)、金(Au)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、スズ(Sn)、アンチモン(Sb)及びこれらの組合せから選択される。
ペロブスカイト材料は、焼結前又は焼結時に無機材料と化学的に反応してもしなくてもよい。したがって、焼結生成物は、無機材料とペロブスカイト材料との組合せ又は反応生成物を含むことがある。ある実施形態では、焼結生成物は、BaZr0.3Ce0.73とCeO2との組合せを含む。ある実施形態では、焼結生成物は、ベーマイトとBaZr0.3Ce0.73との反応生成物を含む。ある実施形態では、焼結生成物は、ZnOとBaZr0.3Ce0.73との反応生成物を含む。ある実施形態では、焼結生成物は、ZrO2及びBaZr0.3Ce0.73との反応生成物を含む。ある実施形態では、焼結生成物は、ベーマイト、CeO2及びBaZr0.3Ce0.73の反応生成物を含む。ある実施形態では、焼結生成物は、SiO2とBaZr0.3Ce0.73との反応生成物を含む。
焼結生成物は、エア(大気圧)プラズマ溶射、スラリー被覆、ゾルゲル被覆、溶液被覆などの様々な方法を用いて内表面に設けた皮膜の形態とすることができる。ある実施形態では、焼結生成物をスラリー被覆方法を用いて被覆する。
反応器は炭化水素をクラッキングする反応器であればいずれでもよい。ある実施形態では、反応器は、炉管、管継手、反応容器及び放射管の少なくとも1つを含む。ある実施形態では、反応器は、内部に炉管が配置され、約500℃〜約1000℃の温度に加熱される火室を有する。
また他の態様では、本発明は、式Aabcd3-δで表されるペロブスカイト材料及び無機材料を含むスラリーを用意し、反応器の表面にスラリーを適用し、スラリーを焼結する工程を含み、無機材料が酸化セリウム、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化ジルコニウム、ベーマイト及び二酸化ケイ素の1種類以上を含む方法に関する。式中、0<a<1.2、0≦b≦1.2、0.9<a+b≦1.2、0<c<1.2、0≦d≦1.2、0.9<c+d≦1.2、−0.5<δ<0.5であり、Aは、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)、バリウム(Ba)及びこれらの組合せから選択され、Bは、リチウム(Li)、ナトリウム(Na)、カリウム(K)、ルビジウム(Rb)及びこれらの組合せから選択され、Cは、セリウム(Ce)、ジルコニウム(Zr)、アンチモン(Sb)、プラセオジム(Pr)、チタン(Ti)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、ガリウム(Ga)、スズ(Sn)、テルビウム(Tb)及びこれらの組合せから選択され、Dは、ランタン(La)、セリウム(Ce)、プラセオジム(Pr)、ネオジム(Nd)、プロメチウム(Pm)、サマリウム(Sm)、ユウロピウム(Eu)、ガドリニウム(Gd)、テルビウム(Tb)、ジスプロシウム(Dy)、ホルミウム(Ho)、エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)、イッテルビウム(Yb)、ルテチウム(Lu)、スカンジウム(Sc)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、イットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、テクネチウム(Tc)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、銀(Ag)、カドミウム(Cd)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、レニウム(Re)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、白金(Pt)、金(Au)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、スズ(Sn)、アンチモン(Sb)及びこれらの組合せから選択される。
スラリー中の無機材料及びペロブスカイト材料の量は、連続、高強度及びコークス付着防止皮膜が形成し、良好な接着強度及び耐熱衝撃性をもつのであれば、用いる特定の無機材料及びペロブスカイト材料並びに皮膜の作用条件に応じて変えることができる。ある実施形態では、無機材料/ペロブスカイト材料の重量比は、約0.1/99.9〜約99.9/0.1、好ましくは約1/9〜約9/1、さらに好ましくは約1.5/100〜約9/10である。
スラリーはさらに、有機バインダー、湿潤剤及び溶剤の1種類以上を含有してスラリーの湿潤性を向上し、スラリー粘度を調整し、良好な未処理皮膜強度を得ることができる。有機バインダー、湿潤剤及び溶剤の1種類以上をスラリーに添加する場合、スラリー中の無機材料とペロブスカイト材料の合計重量%は、約10%〜約90%、好ましくは約15%〜約70%、さらに好ましくは約30%〜約55%とすることができる。
ある実施形態では、スラリーは、BaZr0.3Ce0.73、酸化セリウム(BaZr0.3Ce0.73の10wt%〜50wt%)、グリセリン、ポリビニルアルコール(PVA)及び水を含有する。
ある実施形態では、スラリーは、BaZr0.3Ce0.73、ベーマイト(BaZr0.3Ce0.73の20wt%)、グリセリン、PVA、ポリエチレングリコールオクチルフェノールエーテル及び水を含有する。
ある実施形態では、スラリーは、BaZr0.3Ce0.73、酸化亜鉛(BaZr0.3Ce0.73の2.6wt%)、グリセリン及びPVAを含有する。
ある実施形態では、スラリーは、BaZr0.3Ce0.73、酸化ジルコニウム(BaZr0.3Ce0.73の20wt%〜50wt%)、グリセリン及びPVAを含有する。
ある実施形態では、スラリーは、BaZr0.3Ce0.73、酸化ジルコニウム(BaZr0.3Ce0.73の5wt%〜40wt%)、酸化セリウム(BaZr0.3Ce0.73の50wt%)、グリセリン及びPVAを含有する。
ある実施形態では、スラリーは、BaZr0.3Ce0.73、ベーマイト(BaZr0.3Ce0.73の20wt%)、酸化セリウム(BaZr0.3Ce0.73の50wt%)、グリセリン及びPVAを含有する。
ある実施形態では、スラリーは、BaZr0.3Ce0.73、酸化ケイ素(BaZr0.3Ce0.73の1.9wt%)、グリセリン及びPVAを含有する。
スラリーは、様々な方法、例えばスポンジング法、塗装法、遠心分離法、スプレー法、充填排出法、浸漬法の少なくともいずれかによって表面に適用できる。ある実施形態では、スラリーは、被覆する部品をスラリー中に浸漬する浸漬法により適用される。ある実施形態では、スラリーは、スラリーを被覆する物品に充填し、その後、例えば重力でスラリーを排出する充填排出法により適用される。
ある実施形態では、焼結工程は約1000℃で行う。
定義
ここで用いる用語「反応器」は、石油化学プロセスに用いる炉管、管継手、反応容器及び放射管の少なくとも1つをいうが、これらに限らない。反応器は管群が通過する火室を有する熱分解炉とすることができる。管群及び対応する継手は合計数100mの長さになることがある。管群は直管又は蛇行管を含むことができる。
ここで用いる用語「炭化水素のクラッキング工程」は、エチレン、プロピレンなどの軽質オレフィンを製造するために、エタン、プロパン、ブタン、ナフサなどの炭化水素を反応器中で約30〜70重量%(wt%)の蒸気の存在下約700℃〜870℃の温度でクラッキングするプロセスをいうが、これに限らない。原油の常圧及び減圧蒸留の残油などの炭化水素は、反応器中、約1wt%〜約2wt%の蒸気の存在下約480℃〜約600℃の範囲の温度でクラッキングされることがある。
ここで用いる用語「コークス」は、炭素質固体又は液体、或いは炭素質固体又は液体を形成する粒子又は巨大分子(これらに限らない)を意味し、これらは、石炭、石油、木材、炭化水素及び炭素を含有する他の材料に由来し、例えば、炭化水素クラッキング炉に存在するカーボンブラック、タール及び熱分解コークスを含む。
ここで用いる用語「焼結工程」は、焼結炉又は他の加熱設備中で材料を粒子が互いに接着するまで加熱することにより粉末から対象物を製造する方法をいうが、これに限らない。
本明細書に記載する数値は、低い値から高い値まで1単位ずつの増分で増加するすべての値を含む。但し、任意の低い値と任意の高い値とは2単位以上離れている。例えば、ある成分の量、又は温度、圧力、時間などのプロセス変数の値が、例えば1〜90、好ましくは20〜80、より好ましくは30〜70であると記載する場合、15〜85、22〜68、43〜51、30〜32などの値が本明細書に明確に列挙されていると考える。1未満の値については、1単位が適宜0.0001、0.001、0.01もしくは0.1であるとみなす。これらは意図していることの例にすぎず、最小値と最大値の間の数値のすべての可能な組合せが同様に本明細書に明確に記載されているとみなすべきである。
本明細書及び特許請求の範囲全体を通して用いた近似的な表示は、それが関与する基本機能に変化をもたらすことなく変動することが許される定量的表現を修飾するのに適用することがある。したがって、「約」のような用語で修飾された値は、特定された正確な値に限定されない。いくつかの例では、近似的な表示はその値を測定する計器の精度に対応する。さらに、「(単数又は複数)」は、それが修飾する物の単数個及び複数個両方を包含し、したがって1つ又は2つ以上の物の存在を意味する。
以下の実施例は、本発明を実施する上での指針を当業者にさらに提示するためのものである。したがって、これらの実施例は特許請求の範囲に規定された本発明を限定するものではない。
実施例1 BaZr 0.3 Ce 0.7 3 粉末製造
BaZr0.3Ce0.73粉末を固相反応法により製造した。化学量論的量の高純度炭酸バリウム、酸化ジルコニウム及び酸化セリウム粉末(すべて中国上海所在Sinopharm Chemical Reagent社(SCRC)製)をエタノール中で混合し、ボールミルを12時間行った。その後、得られた混合物を乾燥し、空気中1450℃で6時間か焼してBaZr0.3Ce0.73粉末を形成した。か焼粉末をアルコールと混合し、ボールミルを12時間行った。アルコールの乾燥後、微細なBaZr0.3Ce0.73粉末(d50=1.5μm)が製造された。
実施例2 スラリー製造
実施例1で製造したBaZr0.3Ce0.73粉末及び各スラリーの様々な量の他の成分(これらの成分の詳細を下記表1に示す)を高速攪拌器に取り付けたプラスチックジャー中にそれぞれ入れた。回転速度2000RPMでの3分間の攪拌後、各スラリーが製造された。
CeO2ゾル(H2O中20wt%、Alfa Aesar#12730)、ZrO2ゾル(H2O中20wt%、Alfa Aesar#12732)は米国マサチューセッツ州ワードヒル所在のAlfa Aesar社から入手した。ベーマイト粉末は中国天津所在Tianjin Chemist Scientific社から入手した。ZnOゾル(イソプロパノール中30wt%分散)は中国杭州所在Hangzhou Veking社から入手した。SiO2ゾル(水中40wt%分散、Nalco#2327)は米国イリノイ州シカゴ所在Nalco Chemical社から入手した。
スラリー1〜4では、BaZr0.3Ce0.73に対するCeO2の割合は、それぞれ0wt%、10wt%、30wt%及び50wt%であった。スラリー5では、BaZr0.3Ce0.73に対するベーマイト粉末の割合は20wt%であった。スラリー6では、BaZr0.3Ce0.73に対するZnOの割合は2.6wt%であった。スラリー7及び8では、BaZr0.3Ce0.73に対するZrO2の割合はそれぞれ20wt%及び50wt%であった。スラリー9及び10では、CeO2はBaZr0.3Ce0.73の50wt%であり、ZrO2はBaZr0.3Ce0.73粉末の5wt%又は40wt%であった。スラリー11では、CeO2はBaZr0.3Ce0.73の50wt%であり、ベーマイトはBaZr0.3Ce0.73粉末の20wt%であった。スラリー12では、SiO2はBaZr0.3Ce0.73粉末の1.9wt%であった。
実施例3 スラリーの試験片上への被覆
それぞれが10x30x1mm3の寸法をもつ310S合金から製造した複数に試験片を基体として用いた。被覆前に、基体を以下のように注意深く洗浄した。アセトン及びエタノール中それぞれで30分間超音波攪拌して有機汚染物を除去し、HCl(3.3wt%)水溶液中で30分間超音波攪拌して基体表面をエッチングし、脱イオン水中で超音波すすぎをし、圧縮空気を用いて乾燥した。
浄化後の試験片を実施例2で製造したスラリーに浸漬し、その後70mm/minの速度で試験片を引き上げた。被覆試験片を12時間室温で乾燥し、その後、炉に入れてアルゴン雰囲気中で3時間1000℃で焼結し、その後室温に冷却した。炉の昇温及び降温速度は1℃/min又は6℃/minであった。
実施例4 XRD分析
X線回折(XRD)分析を行って試験片上の皮膜を試験した。スラリー1〜4を用いて被覆した試験片で、CeO2の割合を増加しても、BaZr0.3Ce0.73ピークのシフトはないことが確認された。これにより、1000℃の温度でCeO2とBaZr0.3Ce0.73間で有意な反応は起こらなかったことがわかる。
スラリー5を用いて被覆した試験片に関しては、BaAl24、CeO2及びBaZr0.3Ce0.73がXRD分析で検出された。これはBaZr0.3Ce0.73とベーマイト(BaZr0.3Ce0.73の20wt%)間で反応が起きたが、ある量のBaZr0.3Ce0.73は反応から残存したであろうことを示す。
スラリー6を用いて被覆した試験片に関しては、BaZr0.3Ce0.73及びCeO2が皮膜のXRD分析で検出された。
スラリー8を用いて被覆した試験片に関しては、BaZr0.3Ce0.73、ZrO2、BaZrO3及びCeO2が皮膜のXRDパターンで確認された。これはBaZr0.3Ce0.73の一部がZrO2と反応したであろうことを示す。
スラリー10を用いて被覆した試験片に関しては、BaZr0.3Ce0.73、BaZrO3及びCeO2が皮膜のXRDパターンで確認された。これはBaZr0.3Ce0.73の一部がZrO2と反応したであろうことを示す。
スラリー11を用いて被覆した試験片に関しては、BaZr0.3Ce0.73、CeO2、CeAlO3が皮膜のXRDパターンで確認された。これはBaZr0.3Ce0.73、ベーマイト及びCeO2間で反応が起きたであろうことを示す。
スラリー12を用いて被覆した試験片に関しては、BaZr0.3Ce0.73、CeO2及びBa2SiO4が皮膜のXRDパターンで確認された。これはSiO2とBaZr0.3Ce0.73の一部の間で反応が起きたであろうことを示す。
実施例5 SEM分析
試験片上の皮膜を走査型電子顕微鏡(SEM)分析により調べた。BaZr0.3Ce0.73粉末の明らかな結合は、スラリー1を用いて被覆した試験片の皮膜で確認されなかった。スラリー2〜4を用いて被覆した試験片に関しては、BaZr0.3Ce0.73粉末は、スラリー1を用いて被覆した試験片の皮膜より良好に結合され、CeO2を増加するにつれて益々良好に結合された。これは、CeO2の添加及び増量で皮膜強度は大きくなることを示す。スラリー5〜12を用いて被覆した試験片に関しても、BaZr0.3Ce0.73粉末は良好に結合され、形成された皮膜はスラリー1を用いて被覆した試験片の皮膜より連続していた。これにより、無機材料を添加した場合、皮膜強度が向上したことがわかる。
実施例6 テープ試験
ASTM D3359に準じるテープ試験標準法を用いて被覆試験片への皮膜の接着強度を試験した。スラリー1を用いて被覆した試験片に関しては、テープ試験後、ほとんどの皮膜は試験片から取り除かれ、これにより、接着強度が小さいことがわかった。スラリー2〜4を用いて被覆した試験片に関しては、CeO2をBaZr0.3Ce0.73に対して10wt%から50wt%に増加するにつれてテープ試験による皮膜のダメージは低減した。スラリー1〜4を用いて被覆した試験片の皮膜接着強度はそれぞれ0B、1B、3B及び5Bであった。
このテープ試験結果は、実施例5のSEM分析による皮膜表面形態と矛盾がなかった。テープ試験及びSEM分析の両方によりCeO2ゾルがBaZr0.3Ce0.73皮膜強度を著しく高めるのに有効なバインダーであることがわかる。
実施例7 耐熱衝撃性試験
耐熱衝撃性を試験するのに、スラリー1〜12で被覆した試験片をオーブンで400℃に加熱し、その後、すばやく室温に取り出した。試験片の皮膜に剥離は確認されなかった。これにより皮膜が良好な耐熱衝撃性を有することがわかる。
実施例8 内表面皮膜
実施例2で製造したスラリー5の一部を310S合金で製造した管(外径10mm、厚さ1mm及び長さ150mm)に管の一端から充填した。なお、管の他方の端は封止されていた。充填後1分で、封止した端を開いて重力によりスラリーを排出した。管を充填及び排出時に垂直に保った。圧縮空気(圧力=0.6MP、流量=1L/h)を管に注入して湿潤スラリー皮膜をすばやく乾燥した。圧縮空気による乾燥後、管を炉に入れてアルゴン雰囲気中1000℃で3時間焼結し、その後室温に管を冷却した。炉の昇温及び降温速度は6℃/minであった。
実施例9 炭化水素クラッキング
実施例3でスラリー1〜6、11及び12を用いて被覆した試験片、実施例8で被覆した管及び内部の被覆なしの310S合金管を、一定温度範囲の実験室規模の炭化水素クラッキング炉の石英サンプルホルダー上に置き、その後、炉のドアを閉めた。アルゴンガスを100sccm(標準状態cc/min)の流量で炉中に供給した。クラッキング炉を昇温で20℃/minで880℃に加熱した。ベポライザーを30分間以内で350℃に加熱した。
クラッキング炉の温度が880℃に達し、ベポライザーの温度が350℃に達したら、ピストンポンプを用いて流量1.58mL/minでベポライザー中に水を圧送した。アルゴンガス供給を停止した。5分間後、ピストンポンプを用いて流量2.32mL/minでベポライザー中にヘプタンを圧送して気化し、ヘプタンをベポライザー中で蒸気と重量比1:1で混合した。クラッキング炉の温度を所望の温度、例えば800±5℃又は860±5℃で所望の時間維持し、その後ヘプタン及び水の圧送を停止した。クラッキング炉中のヘプタン及び蒸気の滞留時間は、特記しない限り1.5秒であった。アルゴンガスを流量100sccmで再供給した後、クラッキング炉及びベポライザーを停止した。クラッキング炉を冷却したら、アルゴンガス供給を停止し、炉のドアを開けてサンプルホルダーを取り出した。
実施例3でスラリー1〜5、11及び12を用いて被覆した試験片を850℃で5時間試験した。試験片のどの皮膜上にもコークスは観察されなかったが、すべての試験片の被覆していない部分ではコークスが認められた。これにより皮膜はコークス付着を防止することがわかる。
実施例3でスラリー6を用いて被覆した試験片を850℃で160時間試験した。被覆表面上でコークスは観察されなかったが、試験片の被覆していない部分ではコークスが認められた。これにより皮膜はコークス付着を防止することがわかる。
実施例8で被覆した管及び内部に皮膜のない310S合金管を850℃で50時間試験した。コークス付着防止試験後、管を切り開いた。被覆管の内部被覆表面上にコークスは観察されなかったが、被覆していない管の内表面上で厚さ0.33mmのコークス層が観察された。これにより、被覆管の被覆した内表面が優れたコークス付着防止性能を有することがわかる。
本発明を特定の特徴だけについて例示し、説明したが、多くの変更や改変を当業者が想起することができるであろう。したがって、特許請求の範囲は本発明の要旨に入るこのようなすべての変更や改変を含むものとする。

Claims (17)

  1. 蒸気及び炭化水素を用意し、蒸気及び炭化水素を、炭化水素に接触する内表面を有する反応器中に供給する工程を含む炭化水素のクラッキング方法であって、前記内表面が、SrCeO 3 、SrZr 0.3 Ce 0.7 3 、BaCeO 3 、BaZr 0.3 Ce 0.7 3 、BaZr 0.3 Ce 0.5 0.2 3 、BaZr 0.1 Ce 0.7 0.2 3 、BaZr 0.7 Ce 0.3 3 、BaCe 0.5 Zr 0.5 3 、BaCe 0.9 0.1 3 、BaCe 0.85 0.15 3 及びBaCe 0.8 0.2 3 から選択されるペロブスカイト材料と無機材料との焼結生成物の皮膜を含んでおり、無機材料が酸化セリウム、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化ジルコニウム、ベーマイト及び二酸化ケイ素の1種類以上を含む、炭化水素クラッキング方法
  2. 炭化水素が、エタン、ヘプタン、液化石油ガス、ナフサ及び軽油の1種類以上を含む、請求項1記載の方法。
  3. 焼結生成物がBaZr0.3Ce0.73を含む、請求項1又は請求項2記載の方法。
  4. 無機材料が酸化ジルコニウムと酸化セリウムの組合せを含む、請求項記載の方法。
  5. 無機材料がベーマイトと酸化セリウムの組合せを含む、請求項記載の方法。
  6. 炭化水素に接触する内表面を有する炭化水素クラッキング用反応器であって、
    前記内表面が、SrCeO 3 、SrZr 0.3 Ce 0.7 3 、BaCeO 3 、BaZr 0.3 Ce 0.7 3 、BaZr 0.3 Ce 0.5 0.2 3 、BaZr 0.1 Ce 0.7 0.2 3 、BaZr 0.7 Ce 0.3 3 、BaCe 0.5 Zr 0.5 3 、BaCe 0.9 0.1 3 、BaCe 0.85 0.15 3 及びBaCe 0.8 0.2 3 から選択されるペロブスカイト材料と無機材料との焼結生成物の皮膜を含んでおり、無機材料が酸化セリウム、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化ジルコニウム、ベーマイト及び二酸化ケイ素の1種類以上を含む、炭化水素クラッキング用反応器
  7. 焼結生成物が、無機材料とペロブスカイト材料の組合せ又は反応生成物を含む、請求項記載の反応器。
  8. 焼結生成物がBaZr0.3Ce0.73を含む、請求項記載の反応器。
  9. 焼結生成物がCeO2を含む、請求項記載の反応器。
  10. 内部に炉管を有し、500℃〜1000℃の温度に加熱される火室を備える、請求項記載の反応器。
  11. SrCeO 3 、SrZr 0.3 Ce 0.7 3 、BaCeO 3 、BaZr 0.3 Ce 0.7 3 、BaZr 0.3 Ce 0.5 0.2 3 、BaZr 0.1 Ce 0.7 0.2 3 、BaZr 0.7 Ce 0.3 3 、BaCe 0.5 Zr 0.5 3 、BaCe 0.9 0.1 3 、BaCe 0.85 0.15 3 及びBaCe 0.8 0.2 3 から選択されるペロブスカイト材料と無機材料とを含むスラリーを用意し、
    炭化水素クラッキング用反応器の内表面にスラリーを適用し、
    スラリーを焼結する工程を含み、無機材料が酸化セリウム、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化ジルコニウム、ベーマイト及び二酸化ケイ素の1種類以上を含む、方法
  12. スラリーがさらに有機バインダー、湿潤剤及び溶剤の1種類以上を含有する、請求項11記載の方法。
  13. スラリーが、
    (a)BaZr0.3Ce0.73、酸化セリウム、グリセリン、ポリビニルアルコール及び水、
    (b)BaZr0.3Ce0.73、ベーマイト、グリセリン、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコールオクチルフェノールエーテル及び水、
    (c)BaZr0.3Ce0.73、酸化亜鉛、グリセリン及びポリビニルアルコール、
    (d)BaZr0.3Ce0.73、酸化ジルコニウム、グリセリン及びポリビニルアルコール、
    (e)BaZr0.3Ce0.73、酸化ジルコニウム、酸化セリウム、グリセリン及びポリビニルアルコール、
    (f)BaZr0.3Ce0.73、ベーマイト、酸化セリウム、グリセリン及びポリビニルアルコール、又は
    (g)BaZr0.3Ce0.73、二酸化ケイ素、グリセリン及びポリビニルアルコール
    を含有する、請求項11又は請求項12記載の方法。
  14. 無機材料/ペロブスカイト材料の重量比が0.1/99.9〜99.9/0.1である、請求項11乃至請求項13のいずれか1項記載の方法。
  15. スラリー中の無機材料とペロブスカイト材料の合計重量%が10%〜90%である、請求項11乃至請求項14のいずれか1項記載の方法。
  16. スラリーが、スポンジング法、塗装法、遠心分離法、スプレー法、充填排出法及び浸漬法の少なくともいずれかによって表面に適用される、請求項11乃至請求項15のいずれか1項記載の方法。
  17. 焼結工程を1000℃で行う、請求項11乃至請求項16のいずれか1項記載の方法。
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