JPS5832192B2 - コ−キングノボウシホウホウ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は流動層型反応装置にて残留炭素分の多い重質炭
化水素油を熱分解するために、原料炭化水素油を混気式
ノズルを用いて流動層反応器へ供給するに際して、原料
ノズル外壁面及びノズル近辺の流動層反応器壁面へのコ
ーキング物質の蓄積（ニア−キング）を防止する新規な
方法に関するものである。

残留炭素分の多い重質炭化水素油を熱分解するに際して
は、極めて多量のコーキング物質が析出するので、重質
炭化水素油の熱分解を実施するための装置としては、残
留炭素分を全く含有していないナフサ等の留出油の熱分
解に使用される管式熱分解炉は全く使用できず、通常流
動層型反応装置が使用される。

流動層型反応装置を使用すれば、生成するコーキング物
質の大部分を流動層粒子に付着せしめ、それを適当な方
法、例えば燃焼等によって容易に除去できるから、残留
炭素の多い重質炭化水素油の熱分解を支障なく行なうこ
とができる。

このような流動層型反応装置で重質炭化水素類を熱分解
する方法としては、例えば特公昭４５−３６２８９号に
提案されている２塔式粒子循環型流動層反応装置を用い
る方法がある。

この方法の概要を説明すると、加熱塔で加熱された、或
は他の適当な方法で加熱された熱媒体粒子が流動層反応
器に於いて、その底部及び（或は）側面から吹込まれた
流動化用のガス、例えばスチームによって流動化され、
流動層反応器内の温度は熱分解温度に保たれる。

分解温度は目的とする製品によって異なるが、例えば燃
料油を目的とする場合には５００〜７００℃、オレフィ
ン類を目的とする場合には７００〜８５０℃、燃料ガス
を目的とする場合には９００℃以上が通常採用される。

原料重質炭化水素油は流動層反応器の中間から流動層中
に供給される。

残留炭素分の多い重質炭化水素は予熱温度を高くしても
全量を完全に気体状にする事ができないので、少なくと
もその一部分は液体状で供給される。

このさい、流動層内に供給された重質炭化水素油が速や
かに熱分解され、又コーキング物質の粒子への付着を容
易がり最大限に行なわせるために、原料重質炭化水素油
の液状部分が流動層中で微細化された状態（噴霧状態）
になるように供給されることが必要である。

生成した分解ガスは流動層反応器の頂部からサイクロン
に導かれて、分解ガスに同伴された熱媒体粒子は分離除
去され、更に冷却器、蒸留系に導かれて製品が取出され
る。

一般的に液体を微細化して噴霧する方法は多数知られて
いる。

その代表的なものは温気式ノズルを用いる方法と圧力噴
霧ノズルを用いる方法とである。

混気式ノズルとは、気体と液体とを混合して気体の運動
エネルギー或は気体の圧力を液体を微細化するエネルギ
ーに転稼する事を主要な原理としている。

混気式ノズルを大別すると内部混気式ノズルと外部混気
式ノズルとに分類できる。

内部混気式ノズルとは液体の通路に気体を予め混合して
、通路の先端から高速度で噴射する事により液体を微細
化するノズルである。

外部混気式ノズルとは、液体が液体の通路を出た直後に
流体通路出口に密着して開口している気体の通路から高
速度で気体を噴霧させ、液体を吹きとばす事によって液
体を微細化するノズルである。

気体の一部を内部混気し、他の部分を外部混気させるよ
うな内部混気式ノズルと外部混気式ノズルとを組合わせ
たノズルもある。

これ等混気式ノズルは気体を混合する個所が液体通路内
であるか外であるかだけの相異であって、先に述べたよ
うに液体を微細化する基本原理は全く同様である。

圧力噴霧ノズルとは、液体の供給圧力を高く保ち、小さ
な孔から高速度で噴射させる事によって、主として液体
の圧力を液体を微細化するエネルギーに転稼する事を液
体微細化の基本原理としている。

高温の流動層への重質炭化水素油吹込みノズルとしては
、以下に述べる理由から混気式ノズルの方が圧力噴霧ノ
ズルよりは優れていると考えられる。

第１に、重質炭化水素油は一般に粘度が高いため、圧力
噴霧ノズルでは極めて高い圧力が要求されるが（例えば
２０〜３０ ｋｇ／ｃｖｔＧ ）、混気式ノズルでは液
体及び気体の圧力は夫々最大で３〜５に９／ｃｒＡＱ程
度と低くおさえる事ができる。

第２には、混気式ノズルでは微細化した液滴が高速気流
に乗って、流動層全面に均一に分散される事が期待でき
るからである。

混気式ノズルにて重質炭化水素油を流動層反応器に吹込
むに際してそう遇する困難は、ノズル外壁面及びノズル
付近の流動層反応器壁面へのコーキング物質の蓄積が著
しい事である。

かかるコーキング物質の蓄積がおこると、重質炭化水素
油の流動層中での分散を著しく阻害し、また長時間の運
転では蓄積量は更に多量となり、反応器内部が狭められ
るため、良好な流動層の運転を維持することが困難にな
る。

例えば特公昭４５−３６２８９号に提案されているよう
な循環型流動層反応装置の場合には、粒子の循環量の低
下をひき起し、その結果所定の反応温度が維持できなく
なり、運転を停止せざるを得なくなる事もある。

かかるノズル付近のコーキング物質の蓄積の問題は通常
のボイラー等の燃焼装置においても見られるが、原料供
給に伴う各種の条件及びコーキング物質の蓄積の意義等
が、本発明で使用する流動層熱分解装置と燃焼装置とで
は著しく異なるものである。

即ち、粒子の存否により、塔内ガス流及び微細化された
重質炭化水素油液滴の動きが異なるため、コーキング物
質の蓄積、成長の状況も異なる。

又、燃焼と分解という塔内において進行する反応の相違
によってもコーキング物質の生成状況は異なる。

燃焼装置においては酸素が存在するため燃焼反応を利用
してコーキング物質の蓄積を防止することもある程度可
能である。

しかしながら分解反応は実質的に無酸素の状況で実施さ
れるため、コーキング物質の蓄積防止は容易ではない。

又蓄積したコーキング物質の除去に関する考え方も大き
く相違している。

燃焼装置は通常はぼ大気圧近辺で運転されるため、ノズ
ルの交換は極めて容易であり、ノズル付近にコーキング
物質が蓄積したら、ノズル自身を交換する事を常として
いる。

これに対し、流動層反応器で熱分解する場合には、その
目的から明らかなように分解生成ガスは冷却器、分留精
製装置等に接続させるため一般に加圧（例えば１ｋｇ／
ｃｒｉｉに、程度）で運転される。

そのため、及び粒子が存在しているためにノズルの交換
は極めて困難である。

上に述へた如く、ノズル付近のコーキング物質の蓄積の
問題は、本発明で使用する流動層反応装置における方が
、燃焼装置におけるより遥かに解決が困難であり、しか
もこの問題が解決されないと、先に述べたように運転に
重大な障害が生ずるので、長時間の連続運転においても
実質上障害にならない程度までにノズル付近におけるコ
ーキング物質の蓄積量を減少させる事が是非必要である
。

この問題を解決するために、従来様々の試みがなされた
が、なんら有効な解決策は見出されなかった。

例えばいかにノズルの操作条件（例えば気体流量、気体
の噴射速度等）を変えても、上記の困難は解決すること
はできない。

本発明者らは、上記の問題を解決するためにノズル付近
の熱媒体粒子及び流体の運動に関して詳細な観察と考察
を行なうことによってコーキング物質の蓄積の機構を解
明し、これに基づいて本発明を完成したものである。

本発明は、重炭化水素油を流動層反応器にて５００℃以
上の温度で熱分解するために、重質炭化水素油を混気式
ノズルを使用し噴霧用ガスの作用により噴霧流として流
動層反応器に吹込む際にして、該噴霧流の側面部に形成
される渦部に、該噴霧用ガスとは別個に渦消去用ガスを
吹込む事により、渦を消し或は渦部の減圧度を減少させ
ることを特徴とする、ノズル外壁面及びノズル付近の流
動層反応器壁面へのコーキング物質の蓄積を防止する方
法である。

以下に本発明をより詳細に説明する。

最初に、本発明者らによって始めて見出されたノズル付
近におけるコーキング物質の蓄積の機構を、図１を参照
しながら説明する。

図１において、■は混気式ノズルであり、案内管■に挿
入されている。

混気式ノズルでは、内部混気式、外部混気式及びそれら
の混合型のいずれの形式であっても高速度の気体が流動
層■中に吹込まれるためノズル先端から高速ガス流部分
（噴流）が形成される。

ノズル先端でのガスの線速度は流動層の温度及び圧力の
もとで、通常数十ｍ／ｓｅｃ、〜数百７！Ｌ／ｓｅｃ、
である。

噴流は周囲からガスを大量に吸入して、下流に行くに従
って噴流の中心速度は減速され、噴流の巾は広がってい
く。

即ち、流体力学のベルヌイの定理が教えるように、噴流
の静圧は噴流から離れた地点における圧力よりも低くな
るため周囲からガスを吸入する。

吸入するガス量が多量のために、周囲から流入するガス
量だけでは不足し下流の噴流自身のガスを再吸入する事
になる。

その結果噴流の側面部■は渦を形成する事になる。

渦部■はその周辺部よりも低い圧力となり、又粒子濃度
も比較的小さい。

先に述べた事から明らかであるが、渦部には流動化用の
ガスはもちろんの事ノズルから吹込まれたガス及び分解
生成ガス及び微細化された原料重質炭化水素油の液滴等
の一部も巻き込まれ、更に噴流に吸入される。

流動層のように粒子が存在しているとガスの流れに対す
る粒子の抵抗が大きいため、粒子濃度の高い流動層部■
から■に流れ込むガスの量は制限を受け、噴流の下流部
から、分解生成ガス及び微細化された原料重質炭化水素
油の液滴が巻込まれる割合が大きくなる。

渦部に巻き込まれた分解生成ガス及び微細化された重質
炭化水素油の液滴はノズル外壁面■及び流動層反応器壁
面■と接触し、ここにコーキング物質の蓄積を生じせし
めるのである。

通常■及び■のコーキング物質は連続して成長する事も
多く、反応器壁面等に凸凹がある場合には凹部に入り込
んだコーキング物質が根となり容易に剥離しない堅固な
状態をつくり出す。

本発明者らは、上記のようにして形成される渦部に渦消
去用ガスを吹込むことにより、渦を消去するか或いは渦
を完全には消去し得ないにしても渦部の減圧度を減少さ
せることによって、ノズルの外壁面及びノズル付近の反
応器壁面へのコーキング物質の蓄積を著しく防止する事
ができることを見出し本発明を完成したのである。

即ち、本発明の方法では、渦消去用ガスを吹込むことに
より、渦を消し或は渦部の減圧度を減少させ、これによ
り、分解生成ガス及び微細化された原料重質炭化水素油
の渦への巻込み量を無くし或いは減少させることが可能
となり、その結果、コーキング物質の蓄積を防止するこ
とができるのである。

本発明の方法を実施するに当り、流動層反応器は適当な
方法で加熱された流動層の熱媒体粒子によって所定温度
に維持される。

加熱の方法としては例えば２塔式循環型反応装置に於い
ては加熱塔に加熱塔外に設置された燃焼装置で発生した
燃焼ガスを吹込む事により、或は加熱塔に直接燃料と酸
素又は空気を吹込むことによって燃料を燃焼させる事に
より、或は、加熱塔に酸素を吹込み熱媒体粒子に付着し
たコーキング物質を燃焼させる事により加熱塔内にある
粒子が加熱し、その粒子を流動層に移動する事により流
動層反応器は所定温度に保たれる。

反応熱を供給して冷えた粒子は加熱塔に循環移動され再
び加熱される。

使用される熱媒体粒子は砂、耐火物粒、コークス粒等で
あるが、摩耗が少ないとかその他の理由からコークス粒
がより好ましく使用される。

粒径範囲は加熱方式或は循環形式によっても相違するが
通常０．０４〜１０７ＩＬｒＩＬ程度が使用される。

流動層反応器にて重質炭化水素油を熱分解する温度は５
００℃以上が採用される。

例えば製品として燃料油を目的とする場合には５００〜
７００℃、オレフィン類を目的とする場合には７００〜
８５０℃、燃料ガスを目的とする場合には９００℃以上
が通常採用される。

原料重質炭化水素は一般的に粘度が高いので、予熱器等
によって予熱され、粘度が下げられる。

その際原料の一部は蒸留されて気体となり、一部は液状
のままである。

流動層内に供給された重質炭化水素油が速やかに熱分解
され、又コーキング物質の粒子への付着を容易がり最大
限に行なわしめる為に、原料炭化水素油の液状部分が流
動層中で微細化された状態になるように、混気式ノズル
が用いられる。

使用する混気式ノズルは内部混気式、外部混気式或は両
者の混合形式のいずれの形式でもかまわない。

原料炭化水素油を噴霧流として流動層反応器に吹込むた
めに、混気式ノズルで使用する気体（噴霧用ガスと称す
る）は反応及び装置の運転に支障のないガスが使用され
る。

例えば、流動化用のガスと同一種類のガスが好ましいが
、反応或はノズル操作に支障ないガスであれば他のガス
も使用できるが、少なくとも重質油と混合する時点では
すでに気体状になっている事が必要である。

種々の観点からスチームが最も好ましい。

必要とする噴霧ガス量は主として重質炭化水素油の物性
及び蒸留特性によって変化する。

即ち、原料の予熱温度に於ける液体部分の粘度が高い程
、又液体として残留する部分の量の多い程犬量の噴霧ガ
ス量が必要である。

例えば液体部分の粘度が５００ ｃｐ以下である場合に
は、噴霧用ガス流量は重量流量（例えばｋｇ／Ｈｒで表
わす。

）で原料の液体部分の重量流量（例えばｋｇ／Ｈｒで表
わす。

）の０．１５倍、好ましくは０．３０倍が採用される。

又ノズル先端での噴霧用ガスの速度は、噴霧用ガスを理
想気体と考えて、噴霧用ガス通路での噴霧用ガスの温度
及び常圧に換算して５０ｍ１ｓｅｃ。

〜１０００ ｍ／ ｓｅｃ、程度である。

これ等原料の液体部分を微細化するための条件は、特別
に本発明を制限するものではない。

ノズルは１個の流動反応器に２個以上設置してもかまわ
ない。

また１個のノズルに２個以上の原料重質炭化水素油の通
路或は２個以上の噴霧用ガスの通路があってもよい。

本発明の方法の特徴は、渦消去用ガスを噴霧用ガス流（
噴流）の周囲に発生する渦部に吹き込むことにあるが、
この渦消去用ガスと噴霧用ガスとは明確に区別されるべ
きものであることが認識されねばならない。

何故ならば噴霧用ガスは原料炭化水素油の液状部分を微
細化された状態（噴霧状態）にするために吹き込まれる
ものであり、これによって渦部が形成されることは既に
述べた通りである。

これに反し、渦消去用ガスは、渦部を消去せんとして吹
き込まれるものであって、両者のガスはその機能が全く
異なるからである。

渦消去用ガスとして使用される気体の種類は、噴霧用ガ
スと同一種類のものが好ましいが、反応等に支障なげれ
ば他種類のガスでもかまわない。

本発明の方法において形成される渦部の大きさは噴霧用
ガス量或は噴霧用ガスの速度等により異なるが、前記の
速度範囲にあってはほぼ次記の範囲以内と考えられる。

即ちノズルの中心軸と平行な軸を有し、噴霧流体が流動
層中に吹込まれる通路の流動層中での開口部を全て内部
に含有する円管のうち最小の直径を有するものの直径を
Ｄとする（例えば１個のノズル中に噴霧流体の通路が３
個あるとすれば、それら３個の通路の開口部に外接する
円の直径がＤである）。

前記円管の中心軸とノズル先端面との交点を中心として
直径が３０Ｄの球面内に、はぼ渦部は形成される。

従って本発明の方法では、渦消去用ガスをこの球面内に
吹きこめばよい。

一般に渦消去用ガスは噴流の近傍に吹き込めば、渦消去
用ガスは渦部に吹き込まれるようになる。

また、ノズルは一般に引きぬいて清掃できるように案内
管の内に挿入される事が多いが、その場合にはノズルと
案内管との間に消去用ガスを流す事が好ましい。

渦消去用ガスの流量は噴霧用ガス重量流量と原料炭化水
素油の予熱温度における気体部分の重量流量（例えばｋ
ｇ／Ｈｒ）とを加えた値の０．１５倍以上好ましくは０
．２０倍以上の重量流量とすることが望ましい。

また渦消去用ガスの吹込み口に於ける線速度は噴霧用ガ
スの線速度より小さくする事が好ましい。

即ち渦消去用ガスの線速度が余り大きすぎる場合には、
噴霧用ガス、分解ガス及び微細化された原料炭化水素油
等が渦消去用ガス流に逆に吸入されるため、渦消去用ガ
ス通路外壁等にコーキング物質を蓄積する恐れがあるか
らである。

以下本発明を実施例によって説明する。

実施例 １ 図２に示すような流動層反応装置にて、重質炭化水素油
の熱分解を行った。

図２の装置を簡単に説明する。

この装置は例えば特公昭４５３６２８９号に提案されて
いるような２塔式粒子循環型流動層反応装置である。

■は加熱塔で、熱媒体粒子は塔に吹込まれる燃焼排ガス
によって加熱される。

加熱された熱媒体粒子は反応塔■に移動し、更に■から
■に移動するという具合に両塔を循環している。

反応塔■においては塔の底部及び側面部からスチーム■
が吹込まれ、熱媒体粒子は流動化している。

原料は■から供給され、水蒸気の存在下で熱分解される
。

生成した分解ガスは反応塔の頂部■から配管■を通り、
サイクロン■に導かれ、分解ガスに同伴されている熱媒
体粒子が分離される。

分解ガスは更に配管■を通り、冷却器■で２次反応が起
らぬ温度（例えば３５０℃程度以下）に冷却された後分
留系に導かれ各製品が取出される。

本実施例では熱媒体粒子として平均径０．８ｍｍのコー
クス粒子を使用した。

反応塔径は３６０ｍｍである。

原料供給ノズルは同一形状、同一寸法の図３に示されて
いる如き混気式ノズルを３本使用し、この３本のノズル
が反応塔の同−断面内にあって夫々のノズルの中心軸が
互いに１２００の角度をなすように配置し、且つ各ノズ
ルの中心軸は反応塔の中心軸と直交するように設置した
。

使用したノズルの外径は３４間であり、それぞれのノズ
ルは内径４１．６ｍｍの案内管（図１の■で示す如きも
の）に挿入されている。

また各ノズルの先端面は反応塔壁の内面と同一面となる
ように（即ちノズルの先端が反応塔内に突出していない
）設置した。

図３に示す混気式ノズルは、ノズルの操作条件を変える
ことによって外部混気、内部混気及びそれ等のいずれの
形式のノズルとしても使用し得る可変タイプのものであ
り、本実施例においては、これを内部混気式ノズルとし
て使用した。

本実施例で使用した原料は、中東原油の減圧蒸留塔残渣
油で、針入度８０〜ｉｏｏ残渣炭素分は２３ｗｔ％であ
った。

原料は２００℃に予熱され３本のノズルに夫々５０に！
９／Ｈｒ供給された。

予熱温度に於いては原料は気化する部分はなく、全量液
体状である。

粘度は４０ ｃｐであった。熱分解の反応条件は反応温
度７５０℃、反応圧力０．１〜０．３ ｋｇ／ｃｒｔｔ
Ｇであり、流動化用スチームは合計で１２０ｋｇ／Ｈｒ
であった。

また噴霧用ガスとしてスチームを使用し、各ノズルとも
６０ｋｇ／Ｈｒの流量で、内部混気式となるように供給
した。

この噴霧用スチームは２５０℃に予熱されており、ノズ
ル先端での噴霧用スチームの線速度は７９０ｍ ／ ｓ
ｅｃ 、であったざ渦消去用ガスとしてはスチームを用
いノズルと案内管との間から各ノズルとも２０ｋｇ／Ｈ
ｒ吹込んだ。

渦消去用スチームは２５０℃に予熱されており、吹込み
速度は２９ｍ ／ ｓｅｅ 、であった。

上記の条件で連続７６０時間の運転を行ったが、運転中
は何ら困難な事は起らず、運転後解体点検したが、その
結果ノズル外壁面及びその付近の反応器壁面にはコーキ
ング物質の蓄積は認められなかった。

実施例 ２ ノズルの操作条件を下記の如く変更した以外は全て実施
例１と全く同一条件にて熱分解を行った。

即ち、使用した流動層反応装置、原料、反応条件、渦消
去用ガスの吹込み条件等電て実施例１と同一であったが
、使用した３本の可変式混気ノズルをいずれも内部混気
と外部混気との混合形式のノズルとして使用した。

即ち、原料は２００℃に予熱され各ノズルに夫々５０ｋ
ｇ／Ｈｒ供給された。

噴霧用ガス量は各ノズル夫々内部混気噴霧用スチームは
５０ｋｇ／Ｈｒ、外部混気噴霧用スチームは１０ｋｇ／
Ｈｒの合計６０ｋｇ／Ｈｒで供給した。

噴霧用スチームは２５０℃に予熱されており、ノズル先
端での線速度は内部混気噴霧用スチームは６５９ｍｌ
ｓｅｃ、 、外部混気噴霧用スチームは８２８ ｍｌ
ｓｅｃ 、であった。

渦消去用スチームは実施例１と同一で、各ノズルとも２
０ｋｇ／Ｈｒ、吹込み速度は２９ ｍｌ ｓｅｃ 、で
あった。

連続４１０時間の運転を行ったが、運転中例ら困難なこ
とは起らなかった。

運転後、解体点検したが、ノズル外壁面及びその付近の
反応器壁面にはコーキング物質の蓄積は認められなかっ
た。

比較例 １ 渦消去用スチームを全く供給せず、他の条件は全て実施
例１と全く同一にして運転した。

原料供給３５０時間後に流動層の流動化状態が不良にな
り、又両塔間の粒子の循環量の低下が認められたので緊
急停止した。

解体点検した結果ノズル近辺から成長したコーキング物
質はほぼ反応器断面を全面おおってしまう程の巨大な塊
となってち・た。

比較例 ２ 渦消去用スチームを全く供給せず、他の条件は全て実施
例２と全く同一にして運転した。

原料供給２１０時間後に正常停止し解体点検した。

その結果３本のノズルとも、ノズル先端部から５０〜１
００關程度の長さの円錐形のコーキング物質が成長して
いた。

更に長時間運転を続行した場合には比較例１のような巨
大なコーキング物質に成長じていくものと推定される。

【図面の簡単な説明】

図−１、ノズル付近へのコーキング物質の蓄積の機構を
説明するための概念図、図−２、実施例１．２及び比較
例１．２で使用した流動層反応装置の構成図、図−３、
実施例１．２及び比較例１．２で使用した混気式ノズル
の断面図。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 重質炭化水素油を流動層反応器にて５００℃以上の
   温度で熱分解するために、重質炭化水素油を混気式ノズ
   ルを使用し噴霧用ガスの作用により噴霧流として流動層
   反応器に吹込むに際して、該噴霧流の側面部に形成され
   る渦部に、該噴霧用ガスとは別個に渦消去用ガスを吹込
   む事により、渦を消し或は渦部の減圧度を減少させるこ
   とを特徴とする、ノズル外壁面及びノズル付近の流動層
   反応器壁面へのコーキング物質の蓄積を防止する方法。