JP7368415B2 - 触媒急速熱分解プロセスによってバイオマスを低硫黄、低窒素、及び低オレフィン含有量のbtxに転換するためのプロセス - Google Patents

触媒急速熱分解プロセスによってバイオマスを低硫黄、低窒素、及び低オレフィン含有量のbtxに転換するためのプロセス Download PDF

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Description

関連出願
本出願は、2014年7月1日出願の米国仮特許出願第62/019,868号に対する優先権を主張する。
序文
産業化時代初期の頃から、人々の旅行及び消費財への欲求により、石炭及び油等の典型的に地中深くから得られる化石燃料の消費は増え続けている。採鉱及び掘削による化石燃料の抽出は、環境対策費用及び政治的費用を伴うことが多い。その上、より採掘し易い化石燃料源は使い果たされてきているため、水圧破砕及び深海掘削等のより高価な抽出技術の追及を余儀なくされている。さらに、化石燃料の消費は、一般的に二酸化炭素の形態で大気中炭素の濃度を増加させる。
これらの問題を解決するために、バイオマスを燃料及び他の有用な化学物質に転換する膨大な取り組みが行われてきた。化石燃料とは異なり、バイオマスは再生可能かつカーボンニュートラルである。つまり、バイオマスは成長時に大気中炭素を消費するため、バイオマス由来の燃料及び化学物質は大気中炭素の増加を引き起こさない。
バイオマスに関する研究のほとんどは、植物油、デンプン、及び糖を含む精製バイオマスの転換に関するものであるが、しかしながら、これらの種類の精製バイオマスは食糧としても消費され得るため、農業廃棄物(バガス、藁、コーンストーバ、コーン皮等)、エネルギー作物(スイッチグラス及びススキ等)、木片及びおがくず等の樹木及び林業廃棄物、製紙工場の廃棄物、プラスチック廃棄物、再生プラスチックまたは藻類等(総じてセルロース系バイオマスとも称される)の非食糧バイオマスの転換には、さらに高い有用性がある。この非食糧バイオマスは一般的に、リグニン、ヘミセルロース、及びセルロースという3つの主成分を含む。
バイオマスから燃料及び化学物質を生成するには、その原料の性質のため、従来の石油系転換プロセスとは異なる特殊な転換プロセスを必要とする。高温、固体原料、高濃度の水、通常と異なる分離、及び酸化した副産物は、石油のアップグレーディングで見られるものとははっきりと異なるバイオマス転換の特徴の一部である。このため、バイオマスから化学物質を効率的に生成するために乗り越えなければならない多くの課題が存在する。
リグニン、セルロース、及びヘミセルロース等の様々なバイオマス由来のポリマー材料を熱分解して、芳香族物質、オレフィン、CO、CO2、水、及び他の生成物の混合物を生成できることはよく知られている。特に望ましい形態の熱分解は、触媒急速熱分解(CFP)として既知であり、芳香族物質、オレフィン、及び様々な他の材料の混合物を生成するために触媒流動層反応器中でのバイオマスの転換を含む。芳香族物質には、芳香族物質の中でも特にベンゼン、トルエン、キシレン(総じてBTX)、及びナフタレンが挙げられる。オレフィンには、エチレン、プロピレン、及びより少ない数のより高分子量のオレフィンが挙げられる。BTX芳香族物質は高い価値があり、容易に輸送される。
バイオマスは、少量の硫黄及び窒素を含有する。これらのヘテロ原子の含有量は、バイオマスの原料、及びそれがどのように扱われたのか、または処理されたのかによって大きく異なる。
CFPプロセスの原廃液は、芳香族物質、オレフィン、酸素化物、パラフィン、H2、CH4、CO、CO2、水、炭化物、灰分、コークス、触媒微粒子、有機硫黄及び窒素化合物、ならびに他の化合物を含む複合混合物である。この複合混合物からの種々の成分の分離、回収、及び精製は、十分に解決されていない課題を示す。
BTXを生成する従来のプロセスは、触媒改質油または熱分解ガソリン等の石油源を利用する。これらの石油由来流から化学品質のベンゼン、トルエン、キシレン、及び他の生成物を生成するために、プロセスは、硫黄、窒素、及びオレフィン不純物の含有量を低減し、工業規格を満たすように開発されてきた。
石油由来原料からの従来のBTX生成では、蒸留によって原油からナフサ留分が分離され、典型的には各1ppm未満の低硫黄及び低窒素含有量をもたらすために水素化処理され、次いでナフサ改質に供されて、ナフテン、パラフィン、及びオレフィンをベンゼン等の単環芳香族生成物及び様々なアルキル化フェニル環化合物に転換する。ナフサ中の有機酸素含有量は、超低量であり、無視してよいと考えられる(例えば、Catalytic Naphtha Reforming,第2版,G.J.Antos,A.M.Aitani,編,Marcel Dekker,2005を参照されたい)。改質の前にナフサを水素化処理することで、硫黄化合物によって毒される貴金属改質触媒の活性及び寿命を保護し、さらに硫黄及び窒素等の望ましくないヘテロ原子が少なく、かつ望ましくないジエンが少ない芳香族富化生成物も提供し、さもなければジエンは下流のポリマー生成プロセス及び生成物を汚染するだろう。液体-液体抽出、蒸留、結晶化、及び/または選択的液体-固体吸着プロセスの組み合わせにより、改質油混合物中のBTX芳香族物質は、ベンゼン、トルエン、及びキシレン異性体の高純度の個別の生成物に分離され、この中ではp-キシレンがポリエステルに対して最も価値がある。各個別の芳香族生成物の純度は、典型的には99.5%以上である。有機硫黄及び有機窒素含有量は、各々百万分の1部未満である。ジエン及びオレフィン含有量は、典型的には臭素指標試験(100gの材料と反応する臭素のmg、ASTM D5776及びASTM D1492)を用いて測定される。芳香族生成物の典型的な規格は、100未満の臭素指標値を必要とし、一部の生成物は20以下を必要とする。BTX生成物中の有機酸素含有量に対する既知の規格は存在せず、これは恐らく、石油由来プロセスでは発生頻度が低いためである。
軽質オレフィンを生成するための炭化水素蒸気クラッキングの副産物として生成される熱分解ガソリン(「パイガス(pygas)」)は、現在二番目に主要な産業用BTX供給源である。スチームクラッカーは、天然ガス及び/若しくは石油精製からのエタン、プロパン、及び/若しくはブタン、または天然ガスに関連付けられる液体及び石油源からのより重質のC5+炭化水素ナフサ若しくは蒸留油供給源をエチレン及びプロピレンに転換し、これらはポリマー生成において下流で使用される。パイガスは、芳香族物質、特にベンゼンに豊富であり、相当量のジエン及びシクロ-ジエン化合物、スチレン、ならびにシクロ-オレフィンを含有し、低水準の有機硫黄化合物を含有し得る。組成範囲は、30~80重量%の芳香族物質、2~20重量%のモノオレフィン、1~20重量%のジ-オレフィン、及び40~3000ppmの硫黄である(米国特許第4,059,504号)。パイガスは、ごくわずかな量の有機窒素及び有機酸素化合物を有すると考えられている(米国特許第3,625,879号)。主に貯蔵不安定性の問題のため、典型的にパイガスは、ジエン及びビニル-芳香族含有量を低減させるように水素化処理され、さらにこれはゴム及びタール形成に対して生成物を安定化させる。水素化処理の第2段階を使用して、硫黄の水準をBTX芳香族生成物の規格まで低減させることができる。
CFPから生成されるBTX含有流の組成は、触媒改質油または熱分解ガソリンのいずれの組成とも異なり、このため、そこからの生成物の精製に関して異なる課題が存在する。単一ステップの触媒急速熱分解プロセスにおいて生成される生成物流からのバイオマス由来のBTXの許容可能な水準の硫黄、窒素、及びオレフィン含有量までの精製は、これまでに報告されていない。
石油由来のBTX富化プロセス流の精製は、長年にわたり研究開発が盛んな分野であるが、これまでのプロセスは、CFPプロセスから回収及び分離された通常と異なるBTX混合物を効率的に処理するようには開発されていない。Goodallらは米国特許出願第2012/0116138A1号において、バイオマスに由来する、またはバイオマスから抽出される油が、ヘテロ原子S、N、O、及びPならびに金属または半金属の除去、水素の添加による二重結合及び/または芳香族物質の飽和によってアップグレードされ得ることを提案する。著者らは、高濃度のS、N、及びOを含有するバイオ原油の精製を懸念しており、触媒熱分解プロセスから分離されるBTX富化流のアップグレーディングに対処していない。Flowersらは国際公開第2013089799 Al号において、中間液を形成するための溶媒中での蒸解によってバイオマスから燃料を生成するためのプロセス、及びそれに続く「燃料ブレンド中の任意の残りの酸素、硫黄、または窒素の量を低減させる、または除去するための水素化処理」を含み得るアップグレーディングプロセスを記載する。Flowersは、触媒熱分解プロセスから生じるBTX富化混合物に適用されるプロセスを記載せず、同じステップでオレフィン及び/またはジエンを水素化するプロセスも記載しない。Rileyらの米国特許第2011/0230693 Al号では、芳香族流から硫黄を除去するためのプロセスが記載されているが、窒素化合物若しくは酸素化物の除去またはオレフィン及びジエンの水素化は記載されておらず、CFPから生じるBTX富化流への適用も記載されていない。米国特許第2011/0275869 Al号において、Prochazkaらは、水素の有無を問わず熱分解によってリグニンを含有するバイオマスをアップグレーディングするためのプロセスを記載し、その生成物は脱アルキル化されて、芳香族物質に富んだ脱アルキル化流、芳香族物質に富んだ非脱アルキル化流、及び芳香族物質が枯渇した流れを生成し、これは合成ガスを生成するためのさらなるプロセスである。芳香族物質が枯渇した流れは、任意に硫黄を除去するように処理され得るが、脱アルキル化または非脱アルキル化芳香族物質流に対する水素化等のヘテロ原子除去プロセスは示されておらず、オレフィン及び/またはジエンの水素化も記載されておらず、窒素または酸素不純物の除去も含まれていない。
このため、触媒熱分解プロセスの生成物の廃液から生成される芳香族生成物を回収、分離、及び精製するための改善されたプロセスが依然として必要とされている。本発明は、高温の廃液を急冷し、複合生成混合物を分離し、硫黄及び窒素を含有する不純物を除去し、オレフィン、ジエン、及び酸素化物を水素化し、有効成分を回収する、回収、分離、及び精製プロセスを提供する。
驚くべきことに、バイオマスの触媒急速熱分解、硫黄、窒素、及び酸素を含有する化合物を除去するための水素化処理による混合BTX流の分離及び精製、ならびにオレフィン及びジエンの水素化によって、高度に精製されたベンゼン、トルエン、及びキシレン(BTX)流が生成され得ることがわかっている。1つの実施形態では、本発明は、触媒熱分解プロセスの生成物流から芳香族化学物質を生成するための方法を含み、生成物流を(好ましくは水で)急冷することと、第1の液相及び第1の気相を分離して、第1の気相から芳香族物質を回収することと、芳香族物質の少なくとも一部を水素化処理することと、を含む。別の実施形態では、水素化処理された芳香族流は、50ppmw(重量による百万分率)未満、若しくは10ppmw未満、若しくは1ppmw未満の硫黄含有種、または25ppmw未満、若しくは10ppmw未満、若しくは1ppmw未満の窒素を含有する有機種、または100ppmw未満、50ppmw未満、若しくは10ppmw未満、若しくは1ppmw未満の酸素化物、または1,000ppmw未満、若しくは500ppmw未満、若しくは100ppmw未満、若しくは20ppmw未満のジエンを含み、または100未満、若しくは50未満、若しくは25未満、若しくは15未満、若しくは10未満の臭素指標を有し、またはこれらのいくつかの組み合わせを含む。いくつかの実施形態では、第1の液相は有機画分及び水性画分に分離され、有機画分のすべてまたは一部は水素化処理されて、精製有機相を形成する。フェノール、クレゾール、またはフェノール及びクレゾールの組み合わせの濃度は、水素化処理ステップにおいて少なくとも50%低減することができる。場合によっては、方法は生成物流に適用され、無水及び無固体基準で、触媒熱分解プロセスの生成物流は、質量%基準の計算で20~60%、または25~55%、または30~50%、または少なくとも20%、または少なくとも25%、または少なくとも30%のCOを含む。いくつかの実施形態では、供給流中の芳香族物質の1重量%未満が、水素化処理ステップにおいて水素化される。好ましくは、本発明の方法によって生成される混合BTX流は、20ppmw未満、または10ppmw未満、または5ppmw未満、または1ppmw未満のメルカプタン硫黄種を含有する。別の実施形態では、本発明は、触媒熱分解プロセスの生成物流から芳香族化学物質を生成するための方法を含み、生成物流を(好ましくは水で)急冷することと、第1の液相及び第1の気相を分離して、第1の気相から芳香族物質を回収することと、第1の気相を凝縮して、第1の気相から第2の液相及び第2の気相を生成することと、を含む。芳香族物質の少なくとも一部は、第2の気相中で水素化処理され得る。別の実施形態は、触媒熱分解プロセスの生成物流から芳香族化学物質を生成するための方法を含み、生成物流を(好ましくは水で)急冷することと、第1の液相及び第1の気相を分離することと、第1の気相を凝縮して、第2の液相及び第2の気相を分離することと、第1の気相若しくは第2の気相またはそれらの組み合わせを接触溶媒と接触させて、第3の液相及び第3の気相を生成することと、第2の液相及び第3の液相から芳香族物質を回収することと、任意に、芳香族物質の少なくとも一部を水素化処理することと、を含む。別の実施形態では、第2の液相の一部、第3の液相の一部、または第2及び第3の液相の組み合わせの一部は水素化処理され、別の実施形態では、第2及び第3の液相は分画システムに移り、液相はベンゼン富化、トルエン富化、及びキシレン富化生成物流に分画される。いくつかの好ましい実施形態では、水素化処理装置反応器への水素原料は反応器に貫流し、反応器の注入口へは再循環されない。いくつかの好ましい実施形態では、水素化処理装置反応器への水素原料は、反応流出液体から分離され、反応器に再循環される。いくつかの好ましい実施形態では、反応器からの水素富化流出蒸気は、水素化反応からの副産物気体を除去するためにアミンスクラビングユニットで処理される。
本発明は、本発明の方法のうちのいずれかによって生成される有機液体生成物流または混合BTX流、例えば、50ppmw(重量による百万分率)未満、若しくは10ppmw未満、若しくは1ppmw未満の硫黄含有種を含む混合BTX流、20ppmw未満、若しくは10ppmw未満、若しくは5ppmw未満、若しくは1ppmw未満のメルカプタン硫黄種を含む混合BTX流、または20ppmw未満、若しくは10ppmw未満、若しくは5ppmw未満、若しくは1ppmw未満のチオフェン硫黄種を含む混合BTX流、または25ppmw未満、若しくは10ppmw未満、若しくは1ppmw未満の窒素を含有する有機種を含む混合BTX流、または100ppmw未満、50ppmw未満、若しくは10ppmw未満、若しくは1ppmw未満の酸素化物を含む混合BTX流、または1,000ppmw未満、若しくは500ppmw未満、若しくは100ppmw未満、若しくは20ppmw未満のジエンを含む混合BTX流、または100未満、若しくは50未満、若しくは25未満、若しくは10未満の臭素指標を有する混合BTX流、または1重量パーセント未満、若しくは0.1重量パーセント未満、若しくは0.01重量パーセント未満、若しくは0.001重量パーセント未満のフェノール種を含む混合BTX流、または15ppmw未満の硫黄若しくは10ppmw未満の硫黄を含む、本発明のプロセスによって生成される水素化処理されたC9+重質芳香族流、好ましくは20を超えるセタン価を有するC9+重質芳香族流も含む。本発明は、その後にハイドロクラッカーにおいて処理される、本発明のプロセスによって生成されるC9+芳香族物質を含む生成物流も含む。
本発明は、本発明の生成物の用途も提供し、例えば、生成物をディーゼル燃料用のブレンド基材として、またはガソリンのブレンド基材として、またはジェット燃料のブレンド基材として使用する。
本発明は、方法、装置、及びシステム(装置にプロセス流(つまり、流体組成物)を加えたものを含み、温度または圧力等の条件によってさらに特徴付けられ得る)を含む。本発明は、本発明の方法によって作製される生成混合物も含む。このため、本明細書の説明のうちのいずれかは、本発明の方法、装置、組成物、及びシステムに適用される。
本発明の種々の態様の利点には、収量の増大、エネルギー効率の改善、特に望ましい生成物及び生成混合物の単離、汚染の低減、ならびに工業純度規格を満たす生成物が挙げられる。
用語
芳香族物質-本明細書で用いる場合、「芳香族物質」または「芳香族化合物」という用語は、例えば、単芳香族環系(例えば、ベンジル、フェニル等)及び縮合多環式芳香族環系(例えば、ナフチル、1,2,3,4-テトラヒドロナフチル等)等の1つ以上の芳香族基を含む炭化水素化合物(複数可)を指すために使用される。芳香族化合物の例には、ベンゼン、トルエン、インダン、インデン、2-エチルトルエン、3-エチルトルエン、4-エチルトルエン、トリメチルベンゼン(例えば、1,3,5-トリメチルベンゼン、1,2,4-トリメチルベンゼン、1,2,3-トリメチルベンゼン等)、エチルベンゼン、スチレン、クメン、メチルベンゼン、プロピルベンゼン、キシレン(例えば、p-キシレン、m-キシレン、o-キシレン)、ナフタレン、メチル-ナフタレン(例えば、1-メチルナフタレン)、アントラセン、9.10-ジメチルアントラセン、ピレン、フェナントレン、ジメチル-ナフタレン(例えば、1,5-ジメチルナフタレン、1,6-ジメチルナフタレン、2,5-ジメチルナフタレン等)、エチル-ナフタレン、ヒドリンデン、メチル-ヒドリンデン、及びジメチル-ヒドリンデンが挙げられるが、これらに限定されない。いくつかの実施形態では、単環及び/または多環の芳香族物質も生成され得る。芳香族物質は、ヘテロ原子置換基、すなわち、フェノール、クレゾール、ベンゾフラン、アニリン、インドール、チオフェン等を含有する単環及び多環化合物も含む。
バイオマス-本明細書で用いる場合、「バイオマス」という用語は、当該技術分野におけるその従来の意味が与えられ、再生可能な任意の有機エネルギー源または化学物質を指すために使用される。その主な成分は、(1)樹木(木材)及びすべての他の植物、(2)農産物及び農業廃棄物(コーン、果実、廃物エンシレージ等)、(3)藻類及び他の海洋植物、(4)代謝廃棄物(肥料、下水)、ならびに(5)セルロース系都市廃棄物であり得る。バイオマス材料の例は、例えば、Huber,G.W.ら,“Synthesis of Transportation Fuels from Biomass:Chemistry,Catalysts,and Engineering,”Chem.Rev.106,(2006),pp.4044-4098で概説されている。
バイオマスは、燃料としての用途または工業生産に転換することが可能な、従来は生きている生物材料、及び近年では死んでいる生物材料と定義されている。バイオマスとしての基準は、燃焼プロセスにおける炭素の放出が、かなり短期間にわたって平均して純増加をもたらさないように、材料が炭素循環に最近加わっている必要があることである(このため、泥炭、亜炭、及び石炭等の化石燃料は、それらの燃焼が大気中二酸化炭素の純増加をもたらすように長期間にわたって炭素循環に加わっていない炭素を含有するため、この定義ではバイオマスとは見なされない)。最も一般的には、バイオマスは、バイオ燃料用として栽培される植物質を指すが、繊維、化学物質、または熱の生成用に使用される植物質または動物質も含む。バイオマスは、都市廃棄物、植物性廃棄物(切断された草若しくは花、及び切り落とした生垣等の庭園または公園の廃棄物から成る生体分解性廃棄物)、動物肥料を含む農業の副産物、食品加工廃棄物、下水汚泥、及び木材パルプまたは藻類からの黒液を含む、燃料として燃やすことができる、または化学物質に転換することができる生体分解性廃棄物または副産物も含み得る。バイオマスは、地質学的プロセスによって石炭、油頁岩、または石油等の物質に変換された有機材料を除外する。バイオマスは、根、茎、葉、種子殻、及び果実のすべてが潜在的に有用なススキ、トウダイグサ、ヒマワリ、スイッチグラス、麻、コーン(トウモロコシ)、ポプラ、ヤナギ、サトウキビ、及び油椰子(パーム油)を含む植物から、典型的に幅広く栽培される。処理装置へ導入するための原材料の処理は、その装置の要求及びバイオマスの形態によって異なり得る。
臭素指標-臭素指標とは、100グラムの試料によって吸収される臭素の量をミリグラムで表したものである。
臭素価-臭素価とは、100グラムの試料によって吸収される臭素の量をグラムで表したものである。
触媒-本発明に関連して有用な触媒成分は、当該技術分野で既知、または当業者に理解されるだろう任意の触媒から選択され得る。触媒は、反応を促進する、及び/または生じさせる。このため、本明細書で用いる場合、触媒は、化学プロセスの活性化エネルギーを低下させる(速度を上昇させる)、及び/または化学反応における生成物若しくは中間物の分布を改善する(例えば、形状選択的触媒)。触媒され得る反応の例には、脱水和、脱水素、異性化、水素移行、芳香族化、脱カルボニル、脱炭酸、アルドール縮合、分子クラッキング、及び分解、ならびにそれらの組み合わせが挙げられる。触媒成分は、当業者に理解されるように、酸性、中性、または塩基性と見なすことができる。
触媒急速熱分解に関して、特に有利な触媒には、孔径(例えば、典型的にはゼオライトに関連付けられるメソ多孔及び孔径)、例えば、約100オングストローム(Å)未満の、約50Å未満の、約20Å未満の、約10Å未満の、約5Å未満の、またはより小さい平均孔径に従って選択される内部気泡を含有するものが挙げられる。いくつかの実施形態では、約5Å~約100Åの平均孔径を有する触媒が使用されてもよい。いくつかの実施形態では、約5.5Å~約6.5Åまたは約5.9Å~約6.3Åの平均孔径を有する触媒が使用されてもよい。場合によっては、約7オングストローム~約8Åまたは約7.2Å~約7.8Åの平均孔径を有する触媒が使用されてもよい。
CFPのいくつかの好ましい実施形態では、触媒は、天然に生じるゼオライト、合成ゼオライト、及びそれらの組み合わせから選択されてもよい。ある特定の実施形態では、触媒は、当業者に理解されるようにZSM-5ゼオライト触媒であってもよい。任意に、このような触媒は、酸性部位を含んでもよい。他の種類のゼオライト触媒には、特に、フェリエライト、ゼオライトY、ゼオライトベータ、モルデナイト、MCM-22、ZSM-23、ZSM-57、SUZ-4、EU-1、ZSM-11、(S)A1P0-31、SSZ-23が挙げられる。他の実施形態では、例えば、W0x/Zr02、リン酸アルミニウム等の非ゼオライト触媒が使用されてもよい。いくつかの実施形態では、触媒は、金属及び/または金属酸化物を含んでもよい。好適な金属及び/または酸化物には、例えば、特にニッケル、パラジウム、白金、チタニウム、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、亜鉛、銅、ガリウム、及び/またはそれらの酸化物のうちのいずれかが挙げられる。場合によっては、触媒の活性または構造を変更するために、希土類元素から選択されるプロモーター要素、すなわち、元素57-71、セリウム、ジルコニウム、またはこれらの組み合わせに対するそれらの酸化物が含まれてもよい。加えて、場合によっては、所望の生成物を選択的に生成するように、触媒の特性(例えば、孔構造、種類、及び/または酸部位の数等)が選択されてもよい。
水素化処理装置で使用するのに好適な水素化処理触媒は、既知の従来の水素化処理触媒であり、高表面積支持材料、好ましくはアルミナ若しくはシリカまたはアルミナ及びシリカの混合物上で少なくとも1つのVIII族金属(好ましくは鉄、コバルト、及びニッケル、より好ましくはコバルト及び/またはニッケル)ならびに少なくとも1つのVI族金属(好ましくはモリブデン及びタングステン)から成るものを含む。他の好適な水素化処理触媒には、ゼオライト系触媒、ならびに貴金属がロジウム、ルテニウム、イリジウム、パラジウム、及び白金から選択される貴金属触媒が挙げられる。2種類以上の水素化処理触媒が同じ反応容器中で使用されることは、本明細書のプロセスの範囲内である。VIII族金属は、典型的には約0.5~約20重量パーセント、好ましくは約0.5~約10重量パーセントの範囲の量で存在する。VI族金属は、典型的には約1~約25重量パーセント、及び好ましくは約1~約12重量パーセントの範囲の量で存在する。水素化処理のためのいくつかの例示的触媒を上述するが、他の水素化処理触媒及び/または水素化脱硫触媒も特定の原料及び所望の廃液品質に応じて使用されてもよい。
オレフィン-本明細書で用いる場合、「オレフィン」または「オレフィン化合物」(別名「アルケン」)という用語は、当該技術分野におけるそれらの通常の意味が与えられ、二重結合によって結合された1つ以上の炭素原子の対を含有する任意の不飽和炭化水素を指すために使用される。オレフィンは、環状及び非環状(脂肪族)オレフィンの両方を含み、その中で二重結合は、それぞれ環式(閉鎖環)の部分または開鎖グループの部分を形成する炭素原子間に位置する。加えて、オレフィンは、任意の好適な数の二重結合を含んでもよい(例えば、モノオレフィン、ジオレフィン、トリオレフィン等)。2つの二重結合を有するオレフィンは、しばしばジエンと称される。オレフィン化合物の例には、特にエテン、プロペン、アレン(プロパジエン)、1-ブテン、2-ブテン、イソブテン(2メチルプロペン)、ブタジエン、及びイソプレンが挙げられるが、これらに限定されない。環状オレフィンの例には、特にシクロペンテン、シクロヘキセン、シクロヘプテンが挙げられる。トルエン等の芳香族化合物は、オレフィンとは見なされないが、しかしながら、芳香族部分を含むオレフィン、例えばベンジルアクリレートまたはスチレンは、オレフィンと見なされる。
酸素化物-酸素化物は、アルコール(メタノール、エタノール等)、酸(例えば、酢酸、プロピオン酸等)、アルデヒド(例えば、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド等)、エステル(例えば、酢酸メチル、酢酸エチル等)、エーテル(例えば、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル等)、酸素含有置換基を有する芳香族物質(例えば、フェノール、クレゾール、安息香酸等)、環状エーテル、酸、アルデヒド、及びエステル(例えば、フラン、フルフラール等)等の、その構造に少なくとも1つの酸素原子を含有する任意の有機化合物を含む。
熱分解-本明細書で用いる場合、「熱分解」及び「熱分解すること」という用語は、当該技術分野におけるそれらの従来の意味が与えられ、化合物、例えば固体炭化水素系材料を、好ましくはO2を添加することなく、またはO2を伴わずに熱によって、1つ以上の他の物質、例えば、揮発性有機化合物、気体、及びコークスに変換することを指すために使用される。好ましくは、熱分解反応チャンバ中に存在するO2の体積分率は、0.5%以下である。熱分解は、触媒の使用の有無にかかわらず行うことができる。「触媒熱分解」とは、触媒の存在下で実施される熱分解を指し、以下により詳細に記載されるステップを含み得る。触媒熱分解プロセスの例は、例えば、Huber,G.W.ら,“Synthesis of Transportation Fuels from Biomass:Chemistry,Catalysts,and Engineering,”Chem.Rev.106,(2006),pp.4044-4098で概説されている。
回収-成分の回収は、反応器廃液流中に存在するその成分の量と比較した回収される生成物流(複数可)中に存在するその成分の割合(または百分率)である。例えば、10グラムの生成物Aが原廃液中に存在し、8.5グラムの生成物Aが回収される生成物流(複数可)に存在する場合、Aの回収は、8.5/10または0.85(85%)である。
CFP反応技術-CFPに適した装置及びプロセス条件の例は、Huberらの米国特許第8,277,643号及びHuberらの米国特許出願第2013/0060070A1号に記載されており、これらは参照により本明細書に組み込まれる。バイオマスのCFPの条件には、以下の特徴のうちの1つまたは任意の組み合わせが挙げられる(これは、本発明の広範な態様を制限することを意図しない):ゼオライト触媒、ZSM-5触媒;次の金属のうちの1つ以上を含むゼオライト触媒:チタニウム、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、白金、パラジウム、銀、リン、ナトリウム、カリウム、マグネシウム、カルシウム、タングステン、ジルコニウム、セリウム、ランタン、及びそれらの組み合わせ;流動層、循環層、若しくはライザー反応器;300°~1000℃の範囲の動作温度;ならびに/または0.1~40の固体触媒対バイオマス質量比。
バイオマスを芳香族物質に転換するためのプロセスを例示する。 バイオマスのCFPからBTXを回収するための回収及び急冷システムの概略図を示す。 BTX分離及び精製プロセスの概略図を示す。
図1は、バイオマスを芳香族物質(BTX)及び他の成分(C9+)に転換するための例示的プロセスを示す。バイオマスは、チッピング、乾燥、粉砕、若しくは他のプロセス、またはこれらのいくつかの組み合わせによって、段階10で導入及び調製される。調製されたバイオマスは、再循環ガスまたは輸送流体とともにCFP反応器に導入される。CFP反応器は、再循環ガスまたは他の流体の一部によって流動化される流動層触媒反応器である。CFP反応器からの生成物は、1つ以上のサイクロン中の流体流とともに運ばれる触媒、鉱物、または炭化物のいくつかから分離される。サイクロンからの触媒及び反応器から除去される他の触媒は、その中でコークス及び炭化物が燃焼される触媒再生システム50内で再生されて反応器に戻されるか、または単純に反応器に戻される。原流体生成物は、生成物回収システム30に送られ、ここで液体生成物のベンゼン、トルエン、キシレン、ナフタレン、酸素化物、及び他の有用な生成物は温度を下げるために急冷され、非凝縮性気体、すなわち、CO、CO2、CH4、H2、ならびに軽質オレフィン及びパラフィン、ならびに水、炭化物、コークス、灰分、及び触媒微粒子から回収及び分離される。気体の一部はパージされ、一部はCFP反応器中で使用するために任意に再循環される。BTX及び他の生成物の粗混合物は分離ステップ40で種々の画分に分離され、再循環され得るか若しくは水処理システムに送られ得る、あるいは利用され得る水性流、C9+、酸素化物、及び他の材料を含有する重質画分、ならびにベンゼン、トルエン、及びキシレンの種々の画分を生成する。C9+芳香族物質から分離された粗BTX流の一部は、S、N、及びOを含有する化合物を除去し、オレフィン及びジエンを飽和するための水素化処理によって精製され得る。粗C9+画分は、S、N、及びOを含有する化合物を除去し、オレフィン及びジエンを飽和するために水素化処理によって同様に精製され得る。
図2は、バイオマスCFPプロセスからベンゼン、トルエン、キシレン、酸素化物、及びC9+生成物を生成するための急冷及び回収システムの概略図を示す。図2では、CFP反応器100は高温で生成物流を生成し、その生成物流は熱交換器110中で冷却され、温度を下げるために急冷システム120に送られる。熱交換器110の前に、原生成物廃液は、混合物中の固体のほとんどを除去する少なくとも1つのサイクロン(図1、20を参照されたい)を通過する。1つの選択肢では、ベンチュリースクラバーが急冷システムの上流に位置し、炭化物、コークス、触媒、及び灰分を含むさらなる粒子状物質を除去する。急冷システム120は、水流を気体状の生成物流と接触させる。この急冷用の水は、バイオマスの熱分解及び触媒転換によって作られる反応生成水を含んでもよい。急冷システム120からの生成物流は、水ならびにC9+芳香族物質、酸素化物、及び他の化合物を含む有機物を含む凝縮流、ならびにベンゼン、トルエン、キシレン、CO、CO2、CH4、N2、H2、C2-C4オレフィン及びパラフィン、ならびに他の化合物を含む固体及び気体/蒸気生成物流を含む。急冷システム120からの気体/蒸気生成物流は、圧縮機130及び熱交換器131に移る。熱交換器131は、流れを冷却し、回収可能な炭化水素生成物を凝縮する。この冷却及び凝縮は、任意に、空冷式、水冷式、または冷却水冷式交換器、またはこれらのいくつかの組み合わせによって実施され得る。圧縮及び冷却された生成物流は、3相分離器140に移る。140からの気体流(流れ14)は、BTX分離から得られる吸収液体流またはプロセスから回収される他の液体流を含有する混合キシレンによって気体の不純物が除去される吸着装置150に送られ、気体からBTXを回収する。150からの液体生成物(流れ15)は、任意に140からの液相(流れ20)と組み合わされてもよく、組み合わされた生成物流は、図3でより詳細に説明されるBTX分離ユニット200に送られてもよい。あるいは、140及び150からの液体流は、図3の蒸留ユニット210に別々に送られてもよい。より軽質の成分及び固定ガス(CO、CO2、H2、CH4、N2、C2-C4オレフィン、及びアルカン等)を含む吸着装置150からの気体流は、触媒を流動化するために部分的に反応器に送り返され、さらなる芳香族生成物を生成するためにバイオマスの存在下で反応することができる反応性オレフィン源を提供する。反応器の流動化及びオレフィン反応要件を超える任意の気体は、他のプロセスの用途に使用されてもよく、燃焼されてもよく、またはパージされてもよい。相分離器140からの水性流は、水パージ流に送られる。急冷システム120からの水及び高沸点成分は、水性物/有機物分離器170に送られる。C9+芳香族物質を含む170からの有機物相(流れ19)は、ポンプ172によって吸い出され、貯蔵するために送られるか、または一部がプロセスで使用されてもよい。170からの水相(流れ17)は、ポンプ171において吸い出され、流れの一部は任意の空気冷却器180、熱交換器181を通過し、急冷システムへ再循環される。粒子状物質、炭化物、及び触媒微粒子を有機流及び水性流から除去するために、フィルター(図示されない)が分離器170の後に、またはフロースキームの他の位置に位置付けられてもよい。残りの水は、システムからパージされ、水処理に送られる。
ベンチュリースクラバーは、当該技術分野で既知であり、典型的にベンチュリースクラバーは、集束部、スロート部、及び拡散部の3つの区分から成る。流入気体流は集束部に進入し、その領域が減少するにつれて気体速度は上昇する。液体は、スロート部で、または集束部の入口のいずれかで導入される。小さいスロート部内に超高速で移動させられる流入気体は、その壁から液体を剪断し、膨大な数の極めて小さい小滴を生成する。粒子及び気体の除去はスロート部内で生じ、流入気体流は小さい液滴の霧と混合される。次いで流入流は、それを減速させる拡散部を通って退出する。液体及び粒子状物質は、ベンチュリーの下で収集され、蒸気は側部へ退出する。1つの非限定的な例として、ベンチュリーシステムは米国特許第5,279,646号に記載されており、これは参照により本明細書に組み込まれる。
表1は、種々のプロセス流中のオレフィン、ジエン、硫黄、窒素、及び酸素成分の典型的な分布を示す。ベンゼン、トルエン、キシレン、BTXの混合流、または重質芳香族物質流(C9+)の商業規格を満たすために除去されなければならない種の含有量及び量は、従来のプロセスで水素化処理によって除去される不純物の混合物とは異なる。
表2は、CFPプロセスからの生成物流中で識別される硫黄汚染物質種の同一性を示す。バイオマスは比較的控えめな濃度の硫黄種を含有し、ほとんどのバイオマスアップグレーディングプロセスは燃料生成を目的としているため、これらの種を除去するためのプロセスは開発されていない。混合物は、ベンゼン、トルエン、キシレン、または燃料油等の蒸留では所望の生成物から分離され得ない種を含有する。このため、生成物の許容可能な品質の商業化学物質に、それらの除去のためのプロセスが必要である。
表3では、典型的にはCFP、ナフサ改質、及びクラッキング(パイガス)において生成されるBTX流を比較する。粗CFP混合物はナフサ改質油及びパイガスよりも大きな割合のトルエンを含有するため、その組成は著しく異なる。粗CFP生成物は、ナフサ改質油よりもはるかに高いベンゼン含有量及びパイガスよりもはるかに高いキシレン含有量も有する。粗CFP生成物は、ナフサ改質油またはパイガスのいずれかよりも少ないC8(エチルベンゼン及びスチレン)、少ないC9+芳香族物質、及び少ない非芳香族化合物を含有する。化学物質の商業規格を満たすために除去されなければならない汚染物質の混合物は、CFPプロセスからの粗BTXとは全く異なり、流れの水素化処理において異なる課題を示す。ナフサ改質油流が、粘土処理器(clay treaters)での吸着によって、または選択的水素化によって除去される汚染物質として主にオレフィン及びジエンを含有する一方、CFP生成物はオレフィン及びジエンだけではなく、さらに硫黄、窒素、及び酸素炭化水素種を含有し、これらは除去される必要がある。パイガスが、有意量の硫黄及び窒素化合物ならびにCFPからの粗BTXと比較して超高水準のジエンを含有する一方、CFPプロセス流は、パイガスには本質的に不在である酸素化物種を含有する。このため、CFPプロセスからの粗BTX流に関する精製の問題は、ナフサ改質油またはパイガスのいずれかに関するものとは異なり、より複雑である。

図3は、キシレン(X)からベンゼン及びトルエン(BT)を精製及び分離するための予備精製及び分離スキームを要約する。図2の回収システムからの混合BTX流(流れ20)は、図2の吸着装置150からの液体流と混合され、任意に昇圧に圧縮され、熱交換器202中で高温の混合キシレン生成物によって加熱されるか、あるいは加熱され、流れ29を形成し、次いで水素化処理装置260に供給される。水素を含有する気体の流れも水素化処理装置260に供給される。硫黄及び窒素化合物は水素化され、H2S、COS、及びNH3を生成し、その一部は流れ30として水素化処理装置から退出する。酸素化物は水素化処理装置260で水素化され、水を形成してもよい。流れ29のオレフィン及びジエンは、同様に水素化処理装置260で水素化される。1つの実施形態では、水素化処理は2段で行われる。水素化処理装置260からの液体生成物は、蒸気-液体分離器270に供給される。蒸気-液体分離器からの気体流32は、他のプロセスに送られるか、または任意に、H2S、NH3、及び他の化合物を除去するようにアミンスクラバー(図示されない)で不純物が除去され、次いで圧縮され(図示されない)、水素化処理装置260に再循環されてもよい。蒸気-液体分離器260からの液体生成物流31は、任意に熱交換または他の方法で冷却され、圧力が調整され、次いでその冷却された減圧流は、蒸留カラム210に供給される。
蒸留カラム210は、高圧蒸気で退出流(take-off stream)を再沸することによって加熱されるが、天然ガス燃料炉を用いる再沸等の他の方法は、本発明の範囲内であると想定される。BT混合物を含む生成物の軽質画分は、凝縮器212に移り、凝縮された液体は収集器230内に収集される。この軽質画分は、任意に、空冷され得るか、水冷され得るか、若しくは冷却水冷され得るか、またはこれらのいくつかの組み合わせであり得る。凝縮された液体の画分は、ポンプ240によって蒸留カラム210に戻され、残りのBT流は、さらなる精製のため、貯蔵するために送られる。BT凝縮からの塔頂蒸気は、CO炉ボイラー内で燃焼されて蒸気を生成するか、または任意にガスタービンに送られてサイクルスキームと組み合わせて電気を生成するか、または熱酸化装置若しくはフレアに送られるか、またはCFPプロセスで用いられてもよく、または他で使用されてもよい。収集器230内に収集された凝縮された水相は、水処理に送られる。キシレン富化画分の一部は、進入する粗BTX混合物を加熱するためにポンプ220によって蒸留カラム210から吸い出され、熱交換器204中で冷却され、図2の吸着装置150に送られる。残りのキシレン富化画分は、貯蔵及びさらなる精製のために送られる。蒸留カラム210からの下端部(流れ25)は、蒸気(図示されない)を上げるために熱交換され、任意に冷却され、貯蔵のためにポンプ250によって吸い出されるか、またはさらにアップグレードされる。図2の流れ19及び図3の流れ25は、任意に組み合わせられ、任意に第2の水素化処理装置に送られるか、または各々が個別に水素化処理されてもよい。
図2の吸着装置150は、当業者に既知の従来の吸着装置システムであってもよい。吸着装置は、充填層吸着装置であってもよい。好ましい吸着装置溶媒は、混合キシレン流である。混合キシレン流が吸着装置流体として使用される場合、吸着装置は、-20~50C、または-5~30C、または最も好ましくは5C~10Cの比較的低い動作温度で動作される。吸着装置は、100kPa~2000kPa若しくは200kPa~2000kPa、または最も好ましくは500kPa~1500kPaの昇圧で動作される。吸着装置150に対する液体混合キシレン対蒸気の供給比は、モル基準、すなわち、蒸気のモルで割った混合キシレンのモルで、0.001~2、または0.002~1、または0.005~0.5、またはより好ましくは0.01~0.1の範囲であってもよく、または0.1未満、または0.05未満、または0.02未満であってもよい。蒸留カラム210は、当業者に既知の従来の蒸留カラムであってもよく、少なくとも5、または少なくとも10、または少なくとも20、または少なくとも30、または少なくとも50の蒸留の理論プレートまたは理論段を含む。いくつかの実施形態では、蒸留カラム210は、水素化処理装置260の前に位置付けられてもよい。
図3の水素化処理装置260は、炭化水素飽和を上昇させる、硫黄を含有する化合物の濃度を低減させる、及び供給流の窒素化合物の濃度を低減させるのに有効な分子間相互作用が生じ得るのに十分な温度及び時間で、BTX原液体と水素を効率的にまとめる任意の反応器設計であり得る。水素化は、気相中で、または多相トリクル層反応器中で生じ得る。処理に用いられる反応条件は、選択される特定の反応器設計及び個別の種の温度に部分的に依存するが、通常、約20℃~約350℃の反応温度及び約5バール~約100バールの気体圧力が好ましい。有利には、この接触ステップは、0.1時間-1を超える液空間速度で行われてもよい。
反応器動作条件での水素化処理装置中の気体対液体の体積比(「G:L比」)は、約0.1~20:1、より典型的には0.1~約10:1の範囲であり得る。本発明のプロセスは、1つ以上の水素化処理装置反応容器を有するシステムを用いて行われ得る。いくつかの実施形態では、システムは、上流容器からの廃液が下流容器に対する原料を含むように直列につながれた2つ以上の反応容器を含む。反応容器は、触媒を含有する1つ以上の触媒層を含有し得る。いくつかの実施形態では、反応容器は2つ以上の触媒層を含有し得るか、及びまたは、反応器システムは2つ以上の反応容器を含んでもよい。一般的に、各反応容器は、混合BTX原料または上流反応容器からの廃液のためのもの及び水素含有処理気体のためのもの等の1つ以上の注入口を備える。容器は、BTX生成物(廃液)及び/または消耗された処理気体のためのもの等の1つ以上の放出口をさらに備える。任意に、反応器の長さに沿って気体注入ポートが離間され、温度を制御し、混合を改善することができる。任意に、液体再分布固定具が水素化処理装置の段の間に位置付けられ、液体分布及び気体-液体混合を改善することができる。
水素化処理装置の触媒層は、上向流、下向流、または水平流構造を含む任意の好適なモードに従って動作され得る。さらに、触媒層は、並流または向流の気体/液体流を使用して動作され得る。並流では、気体及び液体が同じ方向に移動する一方、向流では、気体及び液体は逆方向に移動する。例えば、異なる構造及び流動様式下で独立して動作する複数の反応器を有するシステムを含む、触媒層構造及び流動様式の任意の組み合わせが好適である。
本発明のいくつかの実施形態では、プロセスは、未反応水素が水素化処理プロセスにおいて効率的に利用され得るように、水素含有処理気体の未反応部分を水素化処理反応器に再循環させる能力を含む。したがって、いくつかの実施形態では、反応器は、気体が再循環されることを可能にする注入弁及び放出弁を有する。他の実施形態では、再循環気体は、反応容器に注入する前に水素含有処理気体に添加される。典型的には、再循環流は、反応器に再び入れられる前にNH3、H2S、COS、及び他の望ましくない成分を除去するように不純物が除去される。
水素化処理装置で使用するのに好適な水素化処理触媒は、任意の既知の従来の水素化処理触媒であり、高表面積支持材料、好ましくはアルミナ若しくはシリカまたはアルミナ及びシリカの混合物上で少なくとも1つのVIII族金属(好ましくは鉄、コバルト、及びニッケル、より好ましくはコバルト及び/またはニッケル)ならびに少なくとも1つのVI族金属(好ましくはモリブデン及びタングステン)から成るものを含む。他の好適な水素化処理触媒には、ゼオライト系触媒、ならびに貴金属がロジウム、ルテニウム、イリジウム、パラジウム、及び白金から選択される貴金属触媒が挙げられる。2種類以上の水素化処理触媒が同じ反応容器中で使用されることは、本明細書のプロセスの範囲内である。VIII族金属は、典型的には約0.5~約20重量パーセント、好ましくは約0.5~約10重量パーセントの範囲の量で存在する。VI族金属は、典型的には約1~約25重量パーセント、及び好ましくは約1~約12重量パーセントの範囲の量で存在する。水素化処理のためのいくつかの例示的触媒を上述するが、他の水素化処理触媒及び/または水素化脱硫触媒も特定の原料及び所望の廃液品質に応じて使用されてもよい。触媒及び水素化処理条件は、水素化処理装置への原料の芳香族物質中の芳香族炭素-炭素結合の5%未満、または2%未満、または1%未満の水素化を達成するように選択され得る。本明細書に記載の急冷システムは、CFPプロセスからの生成物の回収において様々な利点を有する。急冷は、生成蒸気を冷却し、重質芳香族物質及び酸素化物とともに反応生成水を凝縮する。全生成物の急冷システムへの流入温度は、200~620C、または400~550C、または好ましくは425~500Cの範囲であり得る。水対気体供給の比率は、重量で0.1:1~100:1、または重量で0.5:1~20:1、または重量で1:1~10:1、または重量で2:1~5:1の範囲であり得る。水による急冷は、重質C9+炭化水素、フェノール及びクレゾール等の酸素化物の大部分を除去し、さもなければC9+材料のいくつかの成分の高融点、例えば、ナフタレンの80℃の融点によって不可能である冷却によるさらなる下流蒸気処理を可能にする。本発明のいくつかの実施形態では、図2の急冷システム120からの塔頂蒸気流12の温度は、10℃~200℃、または20℃~150℃、または30℃~100℃、または40℃~80℃、または50℃~70℃である。急冷システムからの蒸気流の塔頂圧力は、100kPa~2000kPa、または150kPa~1500kPa、または200kPa~1000kPa、または300kPa~700kPaの範囲であり得る。急冷からの塔頂蒸気は、芳香族物質のほとんどを含有する。この蒸気は次いで、BTX及び他の芳香族化合物を回収するためにさらに処理される。
急冷は、反応器サイクロンから持ち越される炭化物、コークス、灰分、及び触媒微粒子等の粒子状物質材料を除去する水洗浄としても機能し得る。これらの粒子は液相に貯留してもよく、濾過または当業者に既知の他の下流プロセスステップによってシステムから除去され得る。収集された固体は、任意に触媒再生ステップに戻されてもよく、または有効成分の分離及び回収のために収集されてもよい。水急冷システムでの微粒子状物質の除去は、他の下流設備、特に再循環圧縮機を損傷から保護する。別の利点は、プロセスが定常状態で動作するとき、急冷に必要とされる水をプロセスにおいて生成することができ、起動に必要とされる水以外はプロセスを水源とは無関係にすることである。
本発明の好ましい実施形態は、生成物回収において混合キシレン流を用いる。別の好ましい実施形態は、キシレン、ナフタレン、C9+混合物、またはこれらのいくつかの組み合わせ等のプロセスに既に存在する流れである吸収流体(溶媒)を使用し、このため新たな溶媒がプロセスに導入される必要はない。別の実施形態では、熱交換器131を退出する圧縮及び冷却された流れは、別個の3相分離器140を使用せずに吸着装置150に直接入る。この場合、吸着装置150は、3相を分離するだけでなく、芳香族化合物を蒸気から有機液相に吸収するように機能する。混合キシレン副流カット等のBTXカラムからの流れは、溶媒を生成するという目的に役立ち得るか、またはC9+/水分離器から回収され得、ゆえに溶媒抽出/回収システムを必要としない。プロセス及び回収スキームに既に存在する流れの使用は、著しい経済的利点を提供し、プロセスを起動時以外は溶媒供給とは無関係にする。
任意に、図2及び3に示されるキシレン流以外の溶媒を使用して、急冷される生成蒸気からBTX生成物を回収してもよい。他の可能性のある溶媒には、流れ19、22、若しくは25等の炭化水素化合物の混合物またはそれらの画分、ベンゼン及びトルエンよりも高い沸点を有し、芳香族物質を溶解するプロセスから生じる任意の溶媒、または従来の不飽和化合物ガスプラントにおいて使用される重質炭化水素流が挙げられる。ガスプラント溶媒は蒸留範囲で沸騰する炭化水素を含み、バイオ-ディーゼル流を含んでもよい。
CFPプロセスは、400℃以上の温度で行われてもよく、図1の100からの生成物流は、典型的には300~650℃、または400~575℃、または500~550℃の温度及び100kPa~1500kPa、または200kPa~1000kPa、または300kPa~700kPa、または少なくとも200kPa、または少なくとも300kPa、または少なくとも400kPaの圧力である。(圧力は絶対圧力で示されている。)100からの原生成物流は、芳香族物質、オレフィン、酸素化物、パラフィン、H2、CH4、CO、CO2、水、炭化物、灰分、コークス、触媒微粒子、及び他の化合物のホストを含む。無水及び無固体基準で、原生成物流は、質量%基準の計算で20~60%、または25~55%、または30~50%、または少なくとも20%、または少なくとも25%、または少なくとも30%のCOを含み得る。無水及び無固体基準で、原生成物流は、質量%基準の計算で10~50%、または15~40%、または20~35%、または少なくとも5%、または少なくとも10%、または少なくとも15%、または少なくとも20%のCO2を含み得る。無水及び無固体基準で、原生成物流は、質量%基準の計算で0.1~2.0%、または0.2~1.5%、または0.3~0.75%、または少なくとも0.1%、または少なくとも0.2%、または少なくとも0.3%、または10%未満、または5%未満、または1%未満のH2を含み得る。無水及び無固体基準で、原生成物流は、質量%基準の計算で2~15%、または3~10%、または4~8%、または15%未満、または10%未満、または8%未満のCH4を含み得る。無水及び無固体基準で、原生成物流は、質量%基準の計算で2~40%、または3~35%、または4~30%、または40%未満、または35%未満、または30%未満、または20%未満のBTXを含み得る。無水及び無固体基準で、原生成物流は、質量%基準の計算で0.1~10%、または0.2~5%、または0.3~3%、または5%未満、または3%未満、または2%未満の酸素化物を含み得る。無水及び無固体基準で、原生成物流は、質量%基準の計算で1~15%、または2~10%、または3~6%のC2-C4、または少なくとも1%、または少なくとも2%、または少なくとも3%のオレフィンを含み得る。無水及び無固体基準で、原生成物流は、CO及びCO2の合計が質量%基準の計算で30~90%、または40~85%、または50~80%である蒸気混合物を含み得る。
急冷水は、-5~100℃、または20~60℃、または30~55℃、または35~50℃の温度で急冷システム120に入る。熱交換器110は、典型的には、250~600℃、または350~550℃、または400~500℃の温度まで原生成物流を冷却する。図1の熱交換器131からの、急冷される、圧縮される、冷却される生成物流は、-30~60℃、または-15~40℃、または-5~30℃、または0~10℃の温度及び100~8000kPa、または500~4000kPa、または600~2000kPaの圧力で保持される相分離器140中で分離され得る。分離器140からの有機気相は、吸着装置150中で、-30~60℃、または-15~40℃、または-5~30℃、または0~10℃の温度及び100~7000kPa、または300~4000kPa、または400~1000kPaの圧力でキシレン(または他の溶媒)流と接触させられる。
粗BTX流は、図3の202の混合キシレン流に対する熱交換によって加熱され、ここでBTX流は-10~150℃、または0~50℃、または2~20℃の温度で入り、混合キシレン流は50~300℃、または100~225℃、または150~200℃の温度で入り、蒸留ステップ210に移る。
図3の粗BTX流29は、5~85重量%、または10~70重量%、または20~55重量%、または25~40重量%のベンゼン、10~95重量%、または20~80重量%、または30~65重量%、または35~55重量%のトルエン、2~40重量%、または5~30重量%、または10~25重量%のキシレン、及び各々5重量%未満、または3重量%未満、または1重量%未満のエチルベンゼン、スチレン、及び他の芳香族物質、ならびに10重量%未満、または5重量%未満、または3重量%未満の非芳香族化合物を含み得る。粗BTX流29は、少なくとも1ppmw(重量による百万分率)、または少なくとも10ppmw、または少なくとも50ppmwの硫黄含有種を含んでもよい。粗BTX流29は、20ppmw未満、または10ppmw未満、または5ppmw未満、または2ppmw未満のメルカプタン硫黄種を含んでもよい。粗BTX流29は、少なくとも100ppmw、または少なくとも50ppmw、または少なくとも20ppmw、または少なくとも10ppmw、または少なくとも2ppmwのチオフェン硫黄種(チオフェン及び置換されたチオフェン)を含んでもよい。粗BTX流29は、少なくとも5ppmw、または少なくとも10ppmw、または少なくとも25ppmwの窒素を含有する有機種を含んでもよい。粗BTX流29は、少なくとも10ppmw、及び少なくとも50ppmw、及び少なくとも100ppmwの酸素化物を含んでもよい。粗BTX流29は、少なくとも50ppmw、または少なくとも500ppmw、または少なくとも1,000ppmwのジエンを含んでもよく、少なくとも1、または少なくとも2、または少なくとも3の臭素価を有してもよい。
図3の水素化処理されたBTX流29は、5~85重量%、または10~70重量%、または20~55重量%、または25~40重量%のベンゼン、10~95重量%、または20~80重量%、または30~65重量%、または35~55重量%のトルエン、2~40重量%、または5~30重量%、または10~25重量%のキシレン、及び各々5重量%未満、または3重量%未満、または1重量%未満のエチルベンゼン、スチレン、及び他の芳香族物質、ならびに10重量%未満、または5重量%未満、または3重量%未満の非芳香族化合物を含み得る。水素化処理されたBTX流31は、50ppmw(重量による百万分率)未満、または10ppmw未満、または1ppmw未満の硫黄含有種を含んでもよい。水素化処理されたBTX流31は、20ppmw未満、または10ppmw未満、または5ppmw未満、または1ppmw未満のメルカプタン硫黄種を含んでもよい。水素化処理されたBTX流31は、100ppmw未満、または50ppmw未満、または20ppmw未満、または10ppmw未満、または5ppmw未満、または1ppmw未満のチオフェン硫黄種を含んでもよい。粗BTX流31は、25ppmw未満、または10ppmw未満、または1ppmw未満の窒素を含有する有機種を含んでもよい。水素化処理されたBTX流31は、100ppmw未満、50ppmw未満、または10ppmw未満、または1ppmw未満の酸素化物を含んでもよい。水素化処理されたBTX流31は、1,000ppmw未満、または500ppmw未満、または100ppmw未満のジエンを含んでもよく、100未満、または50未満、または25未満の臭素指標を有してもよい。水素化処理されたBTX流31は、1重量パーセント未満、または0.1重量パーセント未満、または0.01重量パーセント未満、または0.001重量パーセント未満のフェノール種を含んでもよい。
210のBTX富化流の蒸留は、トレイ、泡鐘塔、充填塔等の従来の蒸留設備を使用する従来の方法によって実現することができる。蒸留は、大気圧未満で、大気圧で、またはより高い圧力で行われてもよい。通常は、この蒸留は、1~1,000kPaまたは10~500kPaの圧力で行われるが、100~400kPaの圧力が好ましい。
ベンゼン及びトルエン(総じてBT)富化流27は、プロセスの生成物流である。流れ27は、少なくとも80重量%、少なくとも85重量%、少なくとも90重量%、少なくとも92重量%、または80~99重量%、または85~97重量%、または90~95重量%のBTを含み得る。流れ27は、少なくとも25重量%、または少なくとも30重量%、または少なくとも35重量%、または25~70重量%、または30~60重量%、または35~50重量%のベンゼンを含み得る。流れ27は、少なくとも30重量%、または少なくとも35重量%、または少なくとも40重量%、または30~80重量%、または35~70重量%、または40~60重量%のトルエンを含み得る。流れ27は、または2重量%未満、または1重量%未満、または0.5重量%未満の酸素化物、または0.1重量%未満の酸素化物を含む。
生成物流28は、混合キシレン生成物流を含む。流れ28は、少なくとも50重量%、または少なくとも60重量%、または少なくとも70重量%、または50~95重量%、または60~90重量%、または70~85重量%のキシレン(p-、o-、及びm-キシレン)を含み得る。生成物流28は、25重量%未満、または20重量%未満、または15重量%未満、または12重量%未満、または1~25重量%、または3~20重量%、または5~15重量%のベンゼン及びトルエンを含み得る。生成物流28は、20重量%未満、または15重量%未満、または10重量%未満、または0.1~20重量%、または1~15重量%、または5~10重量%のナフタレンを含み得る。
塔頂混合BT流は、別の分画カラム(図示されない)の下流でさらに分離されるか、またはベンゼン及びトルエンは、その構造が可能にする場合、例えばそれが分割壁カラムである場合、このカラムで分離されてもよい。BTX分離カラム210は、キシレンストリッパーとしてだけではなく、分留塔としても機能する。混合キシレンは、パラ-、メタ-、及びオルト-キシレンへのさらなる分離のためにカラムの底部に残る。キシレンの異性体を分離するための従来のプロセスは、当業者に既知である。
C9+芳香族物質及び他の化合物を含有する重質炭化水素流は、ディーゼル、ジェット、またはガソリンのブレンド基材として使用されてもよい。任意に、C9+芳香族物質及び他の化合物を含有する重質炭化水素流は、より軽質の画分に水素化分解され、分離され、ディーゼル、ジェット、またはガソリンのブレンド基材として利用されてもよい。
表6は、CFPによって生成され、本発明のプロセスによって精製される典型的な水素化処理されたBTX流の組成を示す。硫黄、窒素、及び酸素を含有する化合物の濃度が、CFP生成物分離及び精製プロセスにおいて、これらの超低水準まで低減され得ることは驚くべきことである。CFP生成物分離及び精製プロセスにおいて、超低水準の非芳香族物質とともにベンゼン、トルエン、及びキシレンの濃度が超高水準で維持され得ること、ならびにCFP生成物分離及び精製プロセスにおいて、そのような低水準の臭素指標を伴ってベンゼン、トルエン、及びキシレンの濃度が超高水準で維持され得ることも驚くべきことである。

Claims (15)

  1. 1070質量%のベンゼン、2080質量%のトルエン、2~40質量%のキシレン、及び50ppmw(重量による百万分率)未満、または10ppmw未満、または1ppmw未満の硫黄含有種を含み、エチルベンゼン、スチレン及び前記ベンゼン、前記トルエン及び前記キシレン以外の1以上の芳香族基を含む芳香族物質をそれぞれ5重量%未満、及び重量%未満の非芳香族化合物を含むバイオマスから生成される混合BTX流。
  2. 20ppmw未満、または10ppmw未満、または5ppmw未満、または1ppmw未満のメルカプタン硫黄種を含む、請求項1に記載の混合BTX流。
  3. 20ppmw未満、または10ppmw未満、または5ppmw未満、または1ppmw未満のチオフェン硫黄種を含む、請求項2に記載の混合BTX流。
  4. 25ppmw未満、または10ppmw未満、または1ppmw未満の窒素を含有する有機種を含む、請求項2に記載の混合BTX流。
  5. 100ppmw未満、50ppmw未満、または10ppmw未満、または1ppmw未満の酸素化物を含む、請求項2に記載の混合BTX流。
  6. 1,000ppmw未満、または500ppmw未満、または100ppmw未満のジエンを含む、請求項2に記載の混合BTX流。
  7. 100未満、または50未満、または25未満の臭素指標を有する、請求項2に記載の混合BTX流。
  8. 1重量パーセント未満、または0.1重量パーセント未満、または0.01重量パーセント未満、または0.001重量パーセント未満のフェノール種を含む、請求項1に記載の混合BTX流。
  9. 少なくとも25質量%のベンゼン、少なくとも30質量%のトルエン、および少なくとも80重量%のベンゼンとトルエンとを含む、バイオマスから生成される混合ベンゼン-トルエン(BT)流であって、50ppmw(重量による百万分率)未満、または10ppmw未満、または1ppmw未満の硫黄含有種を含み、エチルベンゼン、スチレン及び、前記ベンゼン及び前記トルエン以外の1以上の芳香族基を含む芳香族物質をそれぞれ5重量%未満、及び10重量%未満の非芳香族化合物を含む混合BT流。
  10. 20ppmw未満、または10ppmw未満、または5ppmw未満、または1ppmw未満のメルカプタン硫黄種を含む、請求項に記載の混合BT流。
  11. 20ppmw未満、または10ppmw未満、または5ppmw未満、または1ppmw未満のチオフェン硫黄種を含む、請求項に記載の混合BT流。
  12. 25ppmw未満、または10ppmw未満、または1ppmw未満の窒素を含有する有機種を含む、請求項に記載の混合BT流。
  13. 100ppmw未満、50ppmw未満、または10ppmw未満、または1ppmw未満の酸素化物を含む、請求項に記載の混合BT流。
  14. 1,000ppmw未満、または500ppmw未満、または100ppmw未満のジエンを含む、請求項に記載の混合BT流。
  15. 100未満、または50未満、または25未満の臭素指標を有する、請求項に記載の混合BT流。
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