JP5749775B2

JP5749775B2 - 炭化水素原料を分解するプロセス

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Publication number: JP5749775B2
Application number: JP2013206517A
Authority: JP
Inventors: ジュニア，レオンス・フランシスカスターノス，; ティン・イーチャン，; ロナルド・ユージーンピーパー，; ノーマン・ポールコルブ，
Original assignee: Lummus Technology Inc; ABB Lummus Crest Inc
Current assignee: Lummus Technology LLC
Priority date: 2009-04-06
Filing date: 2013-10-01
Publication date: 2015-07-15
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Description

本発明は、流動式接触分解プロセス（ＦＣＣ）等の炭化水素原料を分解するプロセスに関する。

精錬産業及び化学プロセス工業やその他さまざまな加工産業において、微粉固体床にガス流を注入して、固体床の断面全体に均一にガスを分散させることが求められる場合が多々ある。この場合、固体床へのガス媒体の均一かつ密接な接触が促進され、この結果、気体と固体との間の化学反応及び／又は気体と固体との間の物質移動が進むように、ガス注入の設計が行なわれる。

流動床にガスを注入する装置では、通常、穴のあいた平板グリッド、パイプグリッド型システム、又は、１組の同心円リングが用いられる。このような分配器の設計は、流動床の断面を可能な限り広く物理的に被覆し、流動床全体にわたるガスの均一な分散を促進させる。平板分散器の下方の空間に、又は、パイプグリッド型及び／又はリング型分散器のメインヘッダー内に、中央のガス源からガスが導入される。導入されたガスは、パイプグリッド型又はリング型システム全体に流れ、流動床内にガスを均一に分散させる複数のノズルを介して流動床内に放出される。プレートグリッド型分散器は、通常、完全に平らではなく、わずかに凹凸があるため、ガスにより発生する圧力及び／又は固体床の重量に耐えることができる。プレートグリッド型分散器は、ノズルを備えるものもノズルを備えないものもあるが、通常、プレートに配置された孔パターンのみを用いて、ガスを流動床に流す。固体流動床用のガス分散器の他の例としては、ドーム型分散器やいわゆる「マッシュルーム型」分散器が挙げられる。

ガス媒体を均一に分散させるために、注入ノズルは、通常、分配ヘッダーから固体床内に注入ノズルを通ってガスが流れる際に圧力降下が生じるような断面積を持つように設計される。注入ノズル全体にわたる正の圧力降下を維持することにより、放出位置において固体床内の圧力変動が生じた場合でも、すべての注入ノズルに均等にガスを流すことができる。固体床を通ってガスが上向きに流れると、固体床が「流動化」し、液体のように作用し始める。このような固体流動床は、対応する密度と深さとを有する液体と同様に、固体流動床の深さ及び気体／固体混合物の密度に比例する圧力を発生させる。通常、このような固体流動床は、深さが数フィート（＝０．７〜１ｍ）から約３０フィート（＝９ｍ）以上の範囲であり、測定密度が数ポンド／立方フィート（＝３２〜４８ｋｇ／ｍ³）から４０ポンド／立方フィート（＝６４０ｋｇ／ｍ³）以上の範囲である。この結果、固体流動床により発生する圧力は、１ポンド／平方インチ（ｐｓｉ）という低い圧力から１０ｐｓｉ以上という高い圧力までの範囲である。さらに、固体床は乱れが生じることも多く、この結果、固体床内の任意の位置における圧力が時間と共に変動し、また、固体床の所定の深さにおいて場所により変動する。このため、固体床内におけるガス分散器の位置で予測される圧力変動を克服するのに十分な圧力降下を実現するように、ガス分散器の設計を行なうことが重要である。ガス分散器の設計に関する「経験則」は、最低限の圧力降下が、下向きの注入ノズルの場合に固体床圧力降下の１５％であり、上向きの注入ノズルの場合に固体床圧力降下の３０％である、ということである。

ガス媒体を均一に分散させるために最小限の圧力降下を維持することに加えて、比較的高い速度でガスが固体床内に放出されるように、注入ノズルの設計が行なわれる。ガスの速度が低すぎると、圧力変動により、一時的に、固体が逆向きに押し返されて、固体床から注入ノズル内に逆流する。このように注入ノズル内に固体が逆流すると、固体が詰まって固体塊が形成される可能性があり、これにより固体の連続的な研磨作用及び／又は注入ノズルの閉塞が生じ、注入ノズルの腐食につながる可能性があるため、望ましくない。さらに、固体が注入ノズル内に圧入されると、メインヘッダー内に進入し、ガス流にのって、さらに下流側の１つ以上の注入ノズル内に排出される。このような場合、固体がヘッダー内に進入する際に通るノズルから下流側にある１つ以上の注入ノズルに深刻な腐食が生じる可能性がある。固体の注入ノズル内への逆流を防ぐためには、ノズル内の速度を、所定の最低値、たとえば、約２０フィート（＝約６ｍ）／秒（ｆｐｓ）、より上に維持する必要がある。

流動床におけるガス分散における大きな問題は、固体床への放出位置におけるインジェクター・ノズルの腐食である。長期間にわたるインジェクターの放出端部における固体粒子の衝撃により、インジェクター端部が次第に摩耗する。摩耗が進むにつれて、ノズル端部が腐食して、インジェクター・ノズルがヘッダーを貫通する取り付け位置が破壊される。この結果、ヘッダーに穴があき、分配器の性能が失われる。このような場合、グリッド又はリングの性能を回復するためには、費用も時間もかかる修理が必要になる。

石油精製業において広く用いられている微粉固体床を用いるプロセスは、流動式接触分解（ＦＣＣ）プロセスである。ＦＣＣプロセスを用いて、重質軽油流を分解して、ガソリンや軽質炭化水素等、有用性の高い軽質生成物を製造する。ＦＣＣプロセスは、粉末形状の固体触媒を用いて、軽油の炭素−炭素原子結合の切断を促進し、ガソリンの沸点範囲に存在する小さな分子を形成する。ガソリン製品に加えて、プロセスは、さらに、回収後に有用性の高い生成物に変換されるプロパンやブタン等の軽いガスを生成する。流動式接触分解は、石油精製において、最も広く用いられている「変換」プロセスであり、１９４０年代初頭にこのプロセスが開始されて以来、ＦＣＣの生産量は、数百万バレル／日である。このように、ＦＣＣプロセスは、大きな経済的価値を有し、米国の石油精製所のみならず、世界中の多くの精製所で最も収益の高い部門である。

ＦＣＣプロセスで用いられる触媒は、結晶質及び非晶質のシリカ及びアルミナを主成分とする微粉固体である。粉末触媒を用いることは、ＦＣＣプロセスの成否を決める重要なファクターであり、「流動化」として知られるプロセス工程全体の進行につながる。微粉末触媒は、空気等のガスにより適切にエアレーション又は「流動化」が行われた場合に、流体として働く。流動化した粉末は、液体と同様に、筋になって流れ、容器内で水平面を形成する。流動化した粉末は、さらに、流体と同様に、容器内で、又は、鉛直方向のスタンドパイプ内で、混合物の密度及び深さに比例する水頭圧力を生じる。また、ガス流の速度が十分であれば、粉末は、ガス流により空気輸送される。容器間における粉末触媒の流動性は、実行可能な接触分解プロセスの開発に極めて有用である。触媒ペレットの固定床を用いる初期の試みには、堆積した分解副生成物である「コークス」を除去するために、触媒の再生を頻繁に行う必要性があるという、大きな問題があった。炭素を主成分とし、水素及び硫黄を含有するコークスは、触媒を失活させるため、燃焼行程で除去する必要がある。「流動可能な」触媒を用いることにより、ＦＣＣユニットの反応容器と再生容器との間で触媒を連続的に循環させることができるため、反応工程と再生工程とを実施するための循環プロセスを必要としない。

ＦＣＣプロセスにおいて、再生器の容器内で大量の空気を用いて、触媒からコークスを取り除き、触媒活性を回復させる。空気は、通常、パイプグリッド型又はリング型分配器によりコークス化触媒床に注入される。ＦＣＣプロセスは、さらに、使用済み触媒を蒸気に接触させるストリッピング部において、大型のパイプ型又はリング型分配器を用いて、触媒が再生器に送られる前に、同伴炭化水素を除去する。ＦＣＣプロセスの別の工程では、小型のパイプ型又はリング型分配器を用いて、蒸気又は空気を注入し、粉末触媒を「流動状態」又は「エアレーション状態」に保持する。上述したように、ＦＣＣプロセスの各領域で用いられる注入ノズルは、腐食する可能性がある。

注入ノズルの設計を改良して、腐食の悪影響を減らし、分配器の耐用年数を延ばすために様々な試みがなされてきた。このような試みとしては、たとえば、特殊な合金及びセラミック材料を用いて、注入ノズル自体を硬くして、耐食性を高くし、金属メッキや難溶性層等の硬い表面仕上げで注入ノズルの放出端部を保護する方法、及び／又はノズルの設計を変更する方法が挙げられる。

ＦＣＣ再生器用の空気分配器で現在行なわれている最先端の設計技術は、パイプグリッド型分配器と２段注入ノズル設計を利用するものである。このような設計を図１Ａに示す。図１Ａは、３つの同じグリッドを三角形に配置させ、ＦＣＣ再生器の円形断面を被覆するパイプグリッド型分配器の平面図である。図１Ｂは、グリッドを支持する３本の分岐を有する空気供給主管が底面から接続される様子を示す１つのパイプグリッドの立面図である。すべてのグリッドは、粉末触媒床において、同じ高さに配置され、空気が放出される圧力をできるだけ均一にする。図１Ｃは、鉛直方向から４５度の角度で下向きにノズルが配置される様子を示す１つのグリッドアームの断面図である。このパイプグリッドの設計は、非常に効率が高く、触媒床の断面全体にわたって物理的に空気が分散され、コークスの燃焼が均一に行なわれる。

図１Ｄは、「ボルダ（Borda）チューブ」と呼ばれる２段チューブを用いる１つの空気注入ノズルの断面図を示す。図１Ｅないし図１Ｈは、１つのグリッドアーム内におけるノズル配置をさまざまな方向から見た図である。金属製のグリッドアームを耐食処理を施した難溶性物質で被覆することにより、グリッドアーム自体のみならず注入ノズル全体も、触媒粒子の摩耗作用による腐食から守られる。

ボルダチューブすなわち２段チューブは、入口側端部に同心円オリフィスを備えるストレート型のチューブである。ボルダチューブの設計において、グリッド全体にわたって均一な空気分散を促進するのに十分な圧力降下を与えるように、オリフィスの大きさが設定される。ここで、圧力降下は、通常、約１から３ｐｓｉの範囲内である。オリフィスの下流側に接続される大径管状部は、ガスの速度を低下させ、固体床への放出速度が過剰な腐食及び／又は触媒の磨滅を生じさせないようなレベルにする。たとえば、Joseph W. Wilson「流動性接触分解（Fluid Catalytic Cracking）」、140-141ページ、Penwell出版、１９９７年に、ＦＣＣ用注入ノズルとしてボルダチューブを使用する構成が詳述されている。

ノズルオリフィスの下流側でチューブ内に十分な流れを形成するためには、ボルダチューブの推奨される長さは、最低限、チューブ直径の６倍なければならない。実際に、ノズルが短すぎると、放出部分における流れが乱れて、ノズル先端の腐食が過剰に進む原因となる。

ボルダチューブの設計、並びに、ノズルの構造体及び／又はノズル先端保護のために硬い材料を用いることにより、ＦＣＣプロセスにおけるグリッド型分配器の耐用年数がかなり長くなったが、このような設計でも腐食摩耗が生じるため、グリッドアームの個々のノズルの定期的な交換又はグリッドアーム全体の交換が必要である。このような修理は難しく、計画的な休止期間の間に日常保守を行なうために必要な時間を増大させる可能性がある。

ＦＣＣ触媒再生プロセスで用いられる空気分配器の他の例が、米国特許第4,223,843号に開示されている。空気分配器は、ヘッダーリングと円筒形筺体内に複数のノズルを備え、各ノズルは、高圧の空気を排出するための分岐穴を持つように形成される。各ノズルの分岐穴は、使用済み触媒を破壊することなく、最大気流速度を与えることができるように、７°未満の半角で形成される。

米国特許第4,460,130号に開示されるインジェクター・ノズルは、中心開口部とノズルから中心流路に伸長する入口とを備えるマニホールドの外側に配置される。ノズルの中心開口部の流れ方向における断面積が、少なくとも１つの位置において、入口の断面積よりも小さいことによって、中心流路から入口及びノズルを通って流れるガス流における圧力降下の大部分はノズルに起因するものである。中心開口部は１５°未満の角度で外側に分岐され、噴出及び渦電流の形成を防ぐ。

したがって、腐食摩耗の少ないガス分配装置が求められている。

本発明の一つの態様は、第１のガス分配装置から供給されるストリッピング媒体を介して分離容器内で炭化水素分解生成物から使用済み触媒を分離し、塔頂炭化水素留分と使用済み触媒留分とを回収する工程と、第２のガス分配装置から供給される再生ガスとの接触を介して前記使用済み触媒留分を再生容器内で再生し、高温再生触媒粒子を回収する工程と、を備える炭化水素原料を分解するプロセスである。そして、第１のガス分配装置と第２のガス分配装置の少なくとも一方が、ガス源及び複数の注入ノズルに流体連結する分配マニホールドを備える。さらに、前記複数の注入ノズルの各注入ノズルが、前記分配マニホールド内に配置される流入口と流出口とを有するチューブを備えるとともに、前記流入口が、前記チューブに沿って円周方向に沿って配置される複数の径方向流量制限オリフィスを備え、前記複数の径方向流量制限オリフィスが、前記チューブに沿って、前記流入口側の前記チューブの軸端部から長さＬの範囲内に配置され、前記長さＬが前記チューブの内径の２倍未満である。

本発明の別の態様は、炭化水素原料を分解するプロセスに関し、ガス分配装置で用いられる注入ノズルが流入口と流出口とを有するチューブを備えるとともに、前記流入口が流量制限部を囲む環状オリフィスを備え、前記流出口が前記分配マニホールドの外周の外側にあってもよい。

本発明の別の態様は、炭化水素原料を分解するプロセスであって、ガス分配装置で用いられる注入ノズルが流入口と流出口とを有するチューブを備え、前記チューブの長さが前記流出口の内径の少なくとも５倍であってもよい。

本発明の他の態様や効果は、以下の本発明の詳細な説明及び請求項の記載から明らかになるであろう。

従来のパイプグリッド型分配器を示す平面図。従来のパイプグリッド型分配器を示す立面図。

ボルダ（Borda）チューブ注入ノズルを備える図１Ａに示す従来のパイプグリッド型分配器のグリッドアームを示す断面図。

図１Ｃで用いられるボルダ（Borda）チューブの詳細図。

図１Ｃに示すグリッドアーム内におけるボルダ（Borda）チューブの配置を示す斜視図。図１Ｃに示すグリッドアーム内におけるボルダ（Borda）チューブの配置を示す斜視図。図１Ｃに示すグリッドアーム内におけるボルダ（Borda）チューブの配置を示す斜視図。図１Ｃに示すグリッドアーム内におけるボルダ（Borda）チューブの配置を示す斜視図。

本発明の実施例における注入ノズルを示す断面図。本発明の実施例における注入ノズルを示す入口側端面図。

本発明の実施例における注入ノズルを含むパイプ分配器グリッドアームの断面図。

本発明の実施例における注入ノズルを含むパイプ型分配器のグリッドアームの断面図。

本発明の実施例における注入ノズルを含む平板分配器を備える容器の断面図。

計算流体力学（ＣＦＤ）解析により得られた標準的なボルダ（Borda）チューブ注入ノズルの内部フローパターンを示す図。計算流体力学（ＣＦＤ）解析により得られた標準的なボルダ（Borda）チューブ注入ノズルの内部フローパターンを示す図。計算流体力学（ＣＦＤ）解析により得られた標準的なボルダ（Borda）チューブ注入ノズルの内部フローパターンを示す図。計算流体力学（ＣＦＤ）解析により得られた標準的なボルダ（Borda）チューブ注入ノズルの内部フローパターンを示す図。計算流体力学（ＣＦＤ）解析により得られた標準的なボルダ（Borda）チューブ注入ノズルの内部フローパターンを示す図。

ＣＦＤアニメーションによる標準的なボルダ（Borda）チューブ注入ノズルの連続フレームを示す図であって、オリフィスからの噴出の動き及び不安定さ並びにチューブ端部まで不安定さが持続する様子を示す図。ＣＦＤアニメーションによる標準的なボルダ（Borda）チューブ注入ノズルの連続フレームを示す図であって、オリフィスからの噴出の動き及び不安定さ並びにチューブ端部まで不安定さが持続する様子を示す図。ＣＦＤアニメーションによる標準的なボルダ（Borda）チューブ注入ノズルの連続フレームを示す図であって、オリフィスからの噴出の動き及び不安定さ並びにチューブ端部まで不安定さが持続する様子を示す図。ＣＦＤアニメーションによる標準的なボルダ（Borda）チューブ注入ノズルの連続フレームを示す図であって、オリフィスからの噴出の動き及び不安定さ並びにチューブ端部まで不安定さが持続する様子を示す図。ＣＦＤアニメーションによる標準的なボルダ（Borda）チューブ注入ノズルの連続フレームを示す図であって、オオリフィスからの噴出の動き及び不安定さ並びにチューブ端部まで不安定さが持続する様子を示す図。ＣＦＤアニメーションによる標準的なボルダ（Borda）チューブ注入ノズルの連続フレームを示す図であって、オリフィスからの噴出の動き及び不安定さ並びにチューブ端部まで不安定さが持続する様子を示す図。ＣＦＤアニメーションによる標準的なボルダ（Borda）チューブ注入ノズルの連続フレームを示す図であって、オリフィスからの噴出の動き及び不安定さ並びにチューブ端部まで不安定さが持続する様子を示す図。ＣＦＤアニメーションによる標準的なボルダ（Borda）チューブ注入ノズルの連続フレームを示す図であって、オリフィスからの噴出の動き及び不安定さ並びにチューブ端部まで不安定さが持続する様子を示す図。ＣＦＤアニメーションによる標準的なボルダ（Borda）チューブ注入ノズルの連続フレームを示す図であって、オリフィスからの噴出の動き及び不安定さ並びにチューブ端部まで不安定さが持続する様子を示す図。ＣＦＤアニメーションによる標準的なボルダ（Borda）チューブ注入ノズルの連続フレームを示す図であって、オリフィスからの噴出の動き及び不安定さ並びにチューブ端部まで不安定さが持続する様子を示す図。ＣＦＤアニメーションによる標準的なボルダ（Borda）チューブ注入ノズルの連続フレームを示す図であって、オリフィスからの噴出の動き及び不安定さ並びにチューブ端部まで不安定さが持続する様子を示す図。

ＣＦＤ解析に基づくボルダ（Borda）チューブと変型ボルダ（Borda）チューブの内部フローパターンを示す図。ＣＦＤ解析に基づくボルダ（Borda）チューブと変型ボルダ（Borda）チューブの内部フローパターンを示す図。ＣＦＤ解析に基づくボルダ（Borda）チューブと変型ボルダ（Borda）チューブの内部フローパターンを示す図。ＣＦＤ解析に基づくボルダ（Borda）チューブと変型ボルダ（Borda）チューブの内部フローパターンを示す図。ＣＦＤ解析に基づくボルダ（Borda）チューブと変型ボルダ（Borda）チューブの内部フローパターンを示す図。

ＣＦＤ解析に基づく本発明の実施例における注入ノズルの内部フローパターンを示す図。ＣＦＤ解析に基づく本発明の実施例における注入ノズルの内部フローパターンを示す図。ＣＦＤ解析に基づく本発明の実施例における注入ノズルの内部フローパターンを示す図。ＣＦＤ解析に基づく本発明の実施例における注入ノズルの内部フローパターンを示す図。ＣＦＤ解析に基づく本発明の実施例における注入ノズルの内部フローパターンを示す図。

ＣＦＤ解析に基づく本発明の実施例における注入ノズルの内部フローパターンを標準的なボルダ（Borda）チューブの内部フローパターンと比較した図。ＣＦＤ解析に基づく本発明の実施例における注入ノズルの内部フローパターンを標準的なボルダ（Borda）チューブの内部フローパターンと比較した図。ＣＦＤ解析に基づく本発明の実施例における注入ノズルの内部フローパターンを標準的なボルダ（Borda）チューブの内部フローパターンと比較した図。ＣＦＤ解析に基づく本発明の実施例における注入ノズルの内部フローパターンを標準的なボルダ（Borda）チューブの内部フローパターンと比較した図。ＣＦＤ解析に基づく本発明の実施例における注入ノズルの内部フローパターンを標準的なボルダ（Borda）チューブの内部フローパターンと比較した図。ＣＦＤ解析に基づく本発明の実施例における注入ノズルの内部フローパターンを標準的なボルダ（Borda）チューブの内部フローパターンと比較した図。

本発明の一態様は、固体流動床にガス流を注入するための装置等に関する。詳しくは、本発明の実施形態は、注入ノズルの腐食を抑制又は防止可能なガス速度プロファイルを提供する注入ノズルに関する。

注入ノズルは、ガス分配マニホールドに流体連結する流入口と、容器等に流体連結する流出口と、を備えるものでもよい。本発明の実施例における注入ノズルの流入口は、ノズル軸に平行な、ノズル軸に垂直な、又は、ノズル軸を横切る、１つ以上の流路を備えるものでもよい。ノズルにおける所望の圧力降下、安定したガス速度プロファイル、ノズル流出口に中心がある均一な速度プロファイル及び流動化される固体粒子の磨滅を引き起こす可能性のある速度に満たない最大速度の１つ又は複数を生じるように、流路をノズル上で設計及び分配配置するようにしてもよい。

実施例に従う注入ノズルの例を図２ないし図９に示す。各図において、注入ノズルの外形を円形／円筒形で図示しているが、正方形、長方形、六角形、八角形等、他の形状／外形でもよい。また、以下の説明における「直径」は、円形以外の形状の場合には、「直径と同等のもの」に読み替えられる。

図２Ａ（断面図）及び図２Ｂ（入口側端面図）に、本発明の実施例における注入ノズルを例示する。注入ノズル１０は、流入口と流出口１６とを有するチューブ１２を備えるものでもよい。流入口は、チューブ１２の円周方向に沿って配置される複数の径方向流量制限オリフィス１７を備えるように形成されてもよい。ここで、「複数」は、図示された数にかかわらず、２つ以上を意味する。図２Ｂに示すように、流れ開口部を持たないバックプレート１８で流入口に蓋をして、径方向流量制限オリフィス１７を介してチューブ１２内に径方向にガスを流すものでもよい。

径方向流量制限オリフィスの数及び直径を、チューブ１２における所望の圧力降下に応じて決めるようにしてもよい。複数の径方向流量制限オリフィス１７を、チューブ１２の円周方向に沿って一列に配置するようにしてもよい。他の実施例において、径方向流量制限オリフィスを円周方向に沿って複数列に配置するようにしてもよい。

径方向流量制限オリフィスの直径Ｄ₀に対するチューブ流出口の内径Ｄ_Tの比は、２：１より大きいものでもよい。他の実施例において、径方向流量制限オリフィスの直径Ｄ₀に対するチューブ流出口の内径Ｄ_Tの比は、２：１ないし２０：１の範囲内でもよい。

複数の径方向流量制限オリフィスは、流入口側のチューブの入口側軸端部から長さＬの範囲内に配置されるものでもよい。長さＬは、ある実施例において、流出口１６の内径の２倍未満でもよい。別の実施例において、流出口１６の内径の１．５倍未満でもよい。また別の実施例において、流出口１６の内径の１倍未満でもよい。さらに別の実施例において、流出口１６の内径の０．５倍未満でもよい。他の実施例において、製造可能性と構造的整合性の両方を考慮して、径方向流量制限オリフィスを可能な限り軸端部に近づけて配置させるようにしてもよい。

図３Ａ（側面図）及び図３Ｂ（入口側端面図）に、本発明の実施例における注入ノズルを例示する。注入ノズル１０は、流入口２４と流出口２６とを有するチューブ１２を備えるものでもよい。流入口２４は、たとえば、入口板２８に軸方向に沿って配置される複数の軸方向流量制限オリフィス２７を備えるように形成されてもよい。

図３Ｂに示すように、軸方向流量制限オリフィス２７は、均一な間隔で入口板２８上に配置されるものでもよい。均一な間隔にすることにより、製造が容易になり、かつ、構造的整合性がとれる。さらに重要なことは、均一な間隔で軸方向流量制限オリフィスを形成することにより、均一で、中心を流れるフロープロファイルが得られる。

同じ構成要素を同じ番号で表わした図３Ａと図４Ａとを比較して、所望の圧力降下又は速度プロファイルが得られるように、軸方向流量制限オリフィス２７の長さＬ₀を決めるようにしてもよい。ある実施例において、軸方向流量制限オリフィス２７内の流れを安定化させ、より均一な速度プロファイルでオリフィスから流れが流出し、結果として、流出口２６において、より均一な速度プロファイルが得られるように、長さＬ₀を決めるようにしてもよい。たとえば、長さＬ₀は、ある実施例において、軸方向流量制限オリフィスの直径の少なくとも４倍でもよい。別の実施例において、軸方向流量制限オリフィスの直径の少なくとも５倍でもよい。

オリフィス出口側端部３２から流出口２６までの長さは、安定して均一な速度プロファイルを得るのに十分な長さが必要である。複数の流量制限オリフィスの軸長に対するチューブの軸長の比は、ある実施例において少なくとも４：１でもよく、別の実施例において、５：１ないし５０：１の範囲内でもよい。

軸方向流量制限オリフィスの数及び直径を、チューブ１２における所望の圧力降下に応じて決めるようにしてもよい。軸方向流量制限オリフィスの直径に対するチューブ流出口の内径の比は、ある実施例において２：１より大きいものでもよく、別の実施例において２：１ないし２０：１の範囲内でもよい。

同じ構成要素を同じ番号で表わした図５Ａ（側面図）及び図５Ｂ（入口側端面図）に示すように、軸方向流量制限オリフィス２７をテーパさせるようにしてもよい。たとえば、軸方向流量制限オリフィス２７は、オリフィス入口側端部３０からオリフィス出口側端部３２に向かって直径が増大するものでもよい。ここで、外径のテーパ角度αは、ある実施例において、最大で約１５°、別の実施例において、約５°ないし１５°の範囲、また別の実施例において、７．５°ないし１２．５°の範囲でもよい。

図６Ａ（側面図）及び図６Ｂ（入口側端面図）に、本発明の実施例における注入ノズルを例示する。注入ノズル６０は、流入口６４と流出口６６とを有するチューブ６２を備えるものでもよい。流入口６４は、たとえば、流量制限部７０を囲む環状オリフィス６８を備えるように形成されてもよい。図６Ａに示すように、流量制限部７０は、チューブ６２の入口側端部の中心に懸架されたディスク７０Ｄを備えるものでもよい。

環状オリフィス６８の幅Ｗを、ノズル６０における所望の圧力降下等のファクターに基づいて、決めるようにしてもよい。ディスク７０Ｄの直径は、ある実施例において、チューブ６２の内径の０．５ないし０．９５倍の範囲でもよい。別の実施例において、チューブ６２の内径の０．６ないし０．８５倍の範囲でもよい。

同じ構成要素を同じ番号で表わした図６Ａと図７Ａとを比較して、所望の圧力降下又は速度プロファイルが得られるように、流量制限オリフィス７０の長さＬ_Aを決めるようにしてもよい。ある実施例において、環状オリフィス６８内の流れを安定化させ、より均一な速度プロファイルでオリフィスから流れが流出し、結果として、流出口６６において、より均一な速度プロファイルが得られるように、長さＬ_Aを決めるようにしてもよい。たとえば、長さＬ_Aは、ある実施例において、幅Ｗの少なくとも４倍でもよい。別の実施例において、幅Ｗの少なくとも５倍でもよい。

環状オリフィスの出口側端部から流出口６６までの長さは、安定して均一な速度プロファイルを得るのに十分な長さが必要である。環状オリフィスの長さＬ_Aに対するチューブの軸長Ｌ_Tの比は、ある実施例において少なくとも４：１でもよく、別の実施例において、５：１ないし５０：１の範囲内でもよい。

同じ構成要素を同じ番号で表わした図８Ａ（側面図）、図８Ｂ（入口側端面図）、図９Ａ（側面図）及び図９Ｂ（入口側端面図）に示すように、円錐形の流量制限部７０Ｃを用いて、環状オリフィス６８をテーパさせるようにしてもよい。たとえば、環状オリフィス６８は、オリフィス入口側端部からオリフィス出口側端部に向かって直径が増大するものでもよい。ここで、外径のテーパ角度βは、ある実施例において、最大で約１５°、別の実施例において、約５°ないし１５°の範囲、また別の実施例において、７．５°ないし１２．５°の範囲でもよい。図９Ａに示すように、円錐形流量制限部７０Ｃの出口側端部を切り取るようにしてもよい（結果として、円錐台形流量制限部７０Ｆが得られる）。

本発明の実施例における注入ノズルは、上述したように、安定した速度プロファイルを与えることができる。このような注入ノズルは、ノズル出口に中心がある均一な速度プロファイルを与えることができる。また、本発明の実施例における注入ノズルは、高速度領域の発生や粒子の磨滅につながる噴出の局在化を防ぐことができる。さらに、本発明の実施例における注入ノズルは、ノズルの出口側近傍における負の軸流速度領域を防ぐことができ、その結果、ノズルの腐食速度を遅くすることができる。

上述した注入ノズルはガス分配装置に配置される。本発明の実施例における注入ノズルは、気相のみを固体流動床に分散させるような構成であればどのようなガス分配装置にでも用いることができる。利用可能な分配装置の例としては、平板分配器、パイプグリッド型システム、リング型分配器、ドーム型分配器及びマッシュルーム型分配器等が挙げられる。このような分配器は、さまざまな反応を行なったり、気体と固体間の物質移動を行なったりするための容器、たとえば、ＦＣＣ触媒再生容器、気相重合容器、石炭ガス化容器、鉄鉱石還元容器等、に配置されるものでもよい。

同じ構成要素を同じ番号で表わした図１０及び図１１に、本発明の実施例における注入ノズルをガス分配装置に配置した様子を示す。ガス分配装置８０は、（図示しない）リング型分配器を含み、ガス源に流体連結するガス分配マニホールド８２と複数の注入ノズル８４とを備えるものでもよい。注入ノズルは、各々、分配マニホールド内に配置される流入口８６と流出口８８とを備えるものでもよい。ある実施例において、図１０に示すように、流出口８８が、ガス分配マニホールド８２の外周８９に近接して配置されるものでもよい。別の実施例において、図１１に示すように、流出口８８が、ガス分配マニホールド８２の外側に突出して配置されるものでもよい。

同様に、同じ構成要素を同じ番号で表わした図１２及び図１３に、本発明の実施例における注入ノズルをガス分配装置に配置した様子を示す。ガス分配装置９０は、容器９２内に平板分配器９１を有し、ガス源９４に流体連結するガス分配マニホールド９３と複数の注入ノズル９４とを備えるものでもよい。注入ノズルは、各々、分配マニホールド内に配置される流入口９６と流出口９７とを備えるものでもよい。ある実施例において、図１２に示すように、流出口９７が、平板９９の上表面９８に近接して配置されるものでもよい。別の実施例において、図１３に示すように、流出口９７が、平板９９の上表面９８の上側に突出して配置されるものでもよい。

上述したように、本発明の実施例における注入ノズルを、たとえば、ＦＣＣ触媒再生に利用されるガス分配装置で用いることができる。本発明の実施例における注入ノズルを、さらに、参照することにより本明細書に組み込まれる米国特許第5,314,610号の図１を参照して説明されるように、他の分解プロセスに用いることもできる。米国特許第5,314,610号に記載されるように、接触分解反応容器内への蒸気や窒素等のストリッピング媒体の注入や、使用済み触媒からのコークスの燃焼除去のための酸素または空気の注入に、ガス分配装置を用いることもできる。

実施例

以下、モデリング法による実施例を説明する。実施例は実際に行なったものであるが、適用法に準拠して、ここでは過去時制ではなく現在時制で説明する。

「計算流体力学（computational fluid dynamics:ＣＦＤ）を用いたシミュレーションの結果を、本発明の実施例における注入ノズルとボルダ（Borda）チューブ及び変型ボルダ（Borda）チューブと比較する。図１４ないし図１７に示すように、ＣＦＤを用いて、所定の注入ノズル構成におけるフローパターンの試験と比較とを行なう。以下で説明するように、本発明の実施例における注入ノズルは、流れが不安定化する可能性や、ノズル先端部が腐食摩耗する可能性を抑制することができる。各注入ノズル構成において、気流と圧力降下が同じであると仮定して、同一の条件で、ＣＦＤを用いたシミュレーションを行なう。

比較例１

図１４Ａないし図１４Ｅに、流動床におけるガス分配に広く用いられている標準的なボルダ（Borda）型注入ノズルに関するＣＦＤの結果を示す。ノズルの長さは９インチ（＝２２．９ｃｍ）、出口における内径は１．５インチ（＝３．８１ｃｍ）、入口側オリフィスの直径は１．０４インチ（＝２．６４ｃｍ）である。図１４Ａはガス分配ヘッダーの断面図であり、ヘッダー、ボルダチューブ及び周囲の固体床内部の流速ベクトルを示す。予測されるように、ガスがオリフィスを通って加速され、オリフィスの下流側に配置される大径のボルダチューブ内に分岐される際に、高速の噴出が生じる。

図１４Ｂにヘッダー断面とボルダチューブとを通り抜けて固体床まで達する単一平面上の速度ベクトルを示す。ヘッダー内における全体的なガス流の方向に平行になるように、平面の方向を合わせる。ＣＦＤの結果から、ヘッダー内のガス流によってオリフィスから出るガス噴射が影響を受けることがわかる。さらに、ＣＦＤアニメーションにより、ガス噴射が安定ではなく、ボルダチューブ内部で左右にふらつくことがわかる。

図１４Ｃ及び図１４Ｄは、２つの異なる方向、すなわち、ヘッダー内のガス流の方向とガス流の方向に垂直な方向、から見たオリフィスからのガス噴出の拡大スナップショットである。これらの図から、オリフィスからの噴出がヘッダー内のガス流に影響されることが明らかである。

図１４Ｅに、ヘッダー内におけるガス流の方向に平行になるように平面の方向を合わせた、ボルダチューブの中心を通る単一平面に沿った図を示す。驚くべきことに、ノズルが推奨される最低限の長さ−直径比（Ｌ／Ｄ）＝６．０を有しているにもかかわらず、ガス噴出の不安定さは、ノズルの端部を越えて、固体流動床まで持続している。さらに、ガス噴出の不安定さにより、チューブの一部において、負の軸流速度が生じる。ノズル入口の端面図である図１５Ａに示すように、また、噴出がボルダチューブ内で左右に動く様子を示すボルダチューブ注入ノズルのＣＦＤ解析による連続（等時間間隔）スナップショットである図１５Ｂないし図１５Ｋに示すように、ＣＦＤのアニメーションから、負の速度領域は安定ではなく、チューブ内で左右に移動することがわかる。これらの結果から、このノズル設計では、固体が負の軸流速度領域のみに逆流して、ガス噴出がチューブ内で左右反転する際に、固体を高速で射出可能なことが明らかである。この不安定なガス噴出の挙動は、所定期間使用後にこの型のノズルにおいて観察された摩耗パターンに一致する。

比較例２−５

図１６ないし図２０（比較例１−５）に、さまざまな変型ボルダチューブ注入ノズル構成の軸平面に沿ったスナップショットを示す。すべての注入ノズルを、インジェクター全体にわたり２．１ｐｓｉの一定の圧力降下を与えるような大きさのオリフィス開口部を用いて、同一の入口圧力条件下で評価する。各ノズルの長さは９インチ（＝２２．９ｃｍ）で、内径は１．５インチ（＝３．８１ｃｍ）である（Ｌ／Ｄ＝６）。

比較例１（再掲）：図１６にシングルオリフィス型の標準的なボルダチューブを示す。これは、図１４及び図１５に示したものと同じであるが、参照のために再掲する。

比較例２：図１７に示すボルダチューブは、オリフィス間の間隔が０．７５インチ（＝１．９１ｃｍ）のダブルオリフィス型（各オリフィスの長さは１／４インチ（＝０．６４ｃｍ）で直径が１．０４インチ（＝２．６４ｃｍ））である。ＣＦＤの結果から、標準的なボルダチューブと比較して、噴出の安定性や、ノズルチューブ内における負の軸流速度領域の存在に関して改善が見られない。

比較例３：図１８に示すオリフィスは、下流側端部に短い傾斜部を備える。この比較例でも、噴出の安定性や、ノズルチューブ内における負の軸流速度領域の存在に関して改善が見られない。

比較例４：図１９Ａ（側面図）及び図１９Ｂ（ノズル入口の端面図）に示すように、オリフィスの厚み（長さ）を１／４インチ（＝０．６４ｃｍ）から１インチ（＝２．５４ｃｍ）に変化させる。ＣＦＤの結果から、この構成では不安定さが減少し、負の速度領域の位置がより安定化するものの、負の軸流速度の領域が存在する。

比較例５：図２０Ａ（側面図）及び図２０Ｂ（ノズル入口の端面図）に示すように、大径ノズルがオリフィスの出口側端部に長い傾斜部を備える。この構成では、速度プロファイルが非常に安定であるが、ガス噴出はチューブの中心ではなく、安定ではあるが、比較的大きな面積の負の軸流速度領域が見られる。

図１６ないし図２０に示すボルダチューブ及び変型ボルダチューブのＣＦＤ解析の結果は、ガス注入ノズルにおいて望ましくない流れ特性である不安定な流れ及び／又は負の軸流速度を示す。

実施例１−５

図２１ないし図２５（実施例１−５）に、本発明の実施例に従う注入ノズルの軸平面に沿ったスナップショットを示す。すべての注入ノズルを、比較例１ないし５と同様の条件（インジェクター全体にわたり２．１ｐｓｉの一定の圧力降下を与えるような大きさのオリフィス開口部を用いて、同一の入口圧力条件）で評価する。各ノズルの長さは９インチ（＝２２．９ｃｍ）で、内径は１．５インチ（＝３．８１ｃｍ）である（Ｌ／Ｄ＝６）。

実施例１：図２１Ａ（側面図）及び図２１Ｂ（ノズル入口の端面図）に、図６Ａ及び図６Ｂを参照して上述した実施例のオリフィスと同様のオリフィスのＣＦＤ解析の結果を示す。このオリフィス構成は、注入ノズルの入口の中心に懸架された平らなディスク（直径０．７５インチ（＝１．９１ｃｍ）で長さ１／４インチ（＝０．６４ｃｍ））を囲む環状開口部を備える。このノズルは、非常に安定な速度プロファイルを持つが、速度プロファイルの中心は出口ではない。さらに、逆流が生じ得る局在化領域が存在する可能性があり、ノズルの製造が難しい。

実施例２：図２２Ａ（側面図）及び図２２Ｂ（ノズル入口の端面図）に、図９Ａ及び図９Ｂを参照して上述した実施例のオリフィスと同様のオリフィスのＣＦＤ解析の結果を示す。このオリフィス構成は、ノズルの入口に懸架されたテーパされた円錐形により環状オリフィス開口部が形成される。このノズルは、安定性の観点からは図２１Ａ及び図２１Ｂのノズルと同様に機能するが、速度プロファイルの中心がノズルチューブのほぼ中央にある、という改善が見られる。ただし、ノズルの製造が難しい。

実施例３：図２３Ａ（側面図）及び図２３Ｂ（ノズル入口の端面図）に、図３Ａ及び図３Ｂを参照して上述した実施例のオリフィスと同様のオリフィスのＣＦＤ解析の結果を示す。このオリフィス構成は、７個の小さなオリフィスを備え、シングルオリフィスと同様の圧力降下を示す。この構成では、速度プロファイルはかなり安定であり、ノズル出口における速度プロファイルは非常に高い均一性を示す。負の軸流速度の領域が存在するが、ノズルの入口側の半分に限定され、ノズル先端には到達しない。

実施例４：図２４Ａ（側面図）及び図２４Ｂ（ノズル入口の端面図）に、図４Ａ及び図４Ｂを参照して上述した実施例のオリフィスと同様のオリフィスのＣＦＤ解析の結果を示す。このオリフィス構成は、実施例３と同様のマルチオリフィス（７穴）構成であるが、オリフィス薄板（１／４インチ（＝０．６４ｃｍ））が厚板（１インチ（＝２．５４ｃｍ））に置き換えられている。オリフィス厚板を用いることにより、実施例３と比較して、速度プロファイルの安定性が向上し、注入ノズル出口における速度プロファイルが非常に高い均一性を示す。さらに、実施例３の薄板オリフィス構成よりも早く、速度プロファイルが均一になる。

実施例５：図２５Ａ（側面図）及び図２５Ｂ（ノズル入口の端面図）に、図２Ａ及び図２Ｂを参照して上述した実施例のオリフィスと同様のオリフィスのＣＦＤ解析の結果を示す。このオリフィス構成は、バックプレート上ではなく、チューブの側面に配置されるマルチオリフィス（８穴）構成である。バックプレートには開口部は存在しない。オリフィス領域は、前述したすべての構成と同様に、全体のノズル圧力降下が同じ２．１ｐｓｉになるような大きさに設定されている。ＣＦＤの結果から、この構成が安定した均一な速度プロファイルを持つことがわかる。ＣＦＤアニメーションの結果によれば、速度プロファイルで検出される動きはほとんど存在しない。さらに、比較例１の標準的なボルダチューブと比較して、このノズル設計は製造が容易である。

実施例６：図２６ないし図３１に、図２Ａ及び図２Ｂに示すオリフィスと同様のオリフィスのＣＦＤ解析の結果を、比較例１の標準的なボルダチューブのＣＦＤ解析の結果と比較する（便宜上、図１６に示した比較例を図２７、２９及び３１に再掲する。ここで、図２７Ｂ、図２９Ｂ及び図３１Ｂは側面図であり、図２７Ａ、図２９Ａ及び図３１Ａはノズル入口の端面図である）。オリフィス構成は、バックプレート上ではなく、チューブの側面に配置される８穴のマルチオリフィス構成（図２６Ａ（端面図）及び図２６Ｂ（ノズル入口の側面図）、６穴のマルチオリフィス構成（図２８Ａ（端面図）及び図２８Ｂ（ノズル入口の側面図）、４穴のマルチオリフィス構成（図３０Ａ（端面図）及び図３０Ｂ（ノズル入口の側面図）である。バックプレートには開口部は存在しない。オリフィス領域は、前述したすべての構成と同様に、全体のノズル圧力降下が同じ２．１ｐｓｉになるような大きさに設定されている。ＣＦＤの結果から、標準的なボルダチューブと比較して、これらの構成が安定した均一な（経時変動が抑制された）速度プロファイルを持つことがわかる。また、ＣＦＤの結果から、８穴、６穴、４穴の順に、出口側速度における均一性が向上することがわかる。

上述したように、本発明の実施例における注入ノズルは、安定した速度プロファイル、注入ノズル出口における均一な速度及び負の流速を有する領域の限定のうち、１つ又は複数の効果を達成することができる。このような注入ノズルを用いることにより、腐食の抑制、触媒摩耗の抑制及びガス分配の向上のうち、１つ又は複数の効果が得られる。

以上、いくつかの実施例を説明したが、当業者には自明のように、本発明の要旨の範囲内でさまざまに変形・変更可能である。本発明の要旨は、特許請求の範囲の記載によってのみ限定されるものである。

Claims

流動式接触分解プロセス（ＦＣＣ）等の炭化水素原料を分解するプロセスであって、
触媒再生器から得られる高温再生触媒粒子をライザー・リアクタ内で炭化水素原料と接触させて、炭化水素分解生成物と使用済み触媒とを含む流出物を形成する工程と、
第１のガス分配装置から供給されるストリッピング媒体を介して分離容器内で前記炭化水素分解生成物から前記使用済み触媒を分離し、塔頂炭化水素留分と使用済み触媒留分とを回収する工程と、
第２のガス分配装置から供給される再生ガスとの接触を介して前記使用済み触媒留分を再生容器内で再生し、前記高温再生触媒粒子を回収する工程と、を備え、
前記第１のガス分配装置と前記第２のガス分配装置の少なくとも一方が、
ガス源及び複数の注入ノズルに流体連結する分配マニホールドを備え、
前記複数の注入ノズルの各注入ノズルが、前記分配マニホールド内に配置される流入口と流出口とを有するチューブを備え、
前記流入口が、前記チューブの周りに前記チューブの円周方向に沿って配置される複数の径方向流量制限オリフィスを備え、
前記複数の径方向流量制限オリフィスが、前記チューブに沿って、前記流入口側の前記チューブの軸端部から長さＬの範囲内に配置され、前記長さＬが前記チューブの内径の２倍未満である、
プロセス。
請求項１に記載のプロセスであって、
前記流出口が前記分配マニホールドの外周に近接して配置される、
プロセス。
請求項１に記載のプロセスであって、
前記流出口が、前記分配マニホールドの外周の外側にある、
プロセス。
請求項１に記載のプロセスであって、
前記複数の径方向流量制限オリフィスに近接する前記チューブの軸端部に蓋がされている、
プロセス。
請求項１に記載のプロセスであって、
前記径方向流量制限オリフィスの直径に対する前記流出口の内径の比が、２：１よりも大きい、
プロセス。
請求項１に記載のプロセスであって、
前記流入口が、前記チューブに沿って、前記径方向流量制限オリフィスが配置される範囲に、前記径方向流量制限オリフィスに加えて又は代えて複数の流量制限オリフィスを備え、
前記複数の流量制限オリフィスが、前記チューブの入口側端部に設けた入口板に配置され、
前記複数の流量制限オリフィスが、前記チューブの軸方向に沿って配置される、
プロセス。
請求項６に記載のプロセスであって、
前記複数の流量制限オリフィスの軸長に対する前記チューブの軸長の比が、少なくとも４：１である、
プロセス。
請求項６に記載のプロセスであって、
前記流量制限オリフィスの直径に対する前記流出口の内径の比が、２：１よりも大きい、
プロセス。
請求項１に記載のプロセスであって、
前記チューブの長さが、前記流出口の内径の少なくとも５倍である、
プロセス。
流動式接触分解プロセス（ＦＣＣ）等の炭化水素原料を分解するプロセスであって、
触媒再生器から得られる高温再生触媒粒子をライザー・リアクタ内で炭化水素原料と接触させて、炭化水素分解生成物と使用済み触媒とを含む流出物を形成する工程と、
第１のガス分配装置から供給されるストリッピング媒体を介して分離容器内で前記炭化水素分解生成物から前記使用済み触媒を分離し、塔頂炭化水素留分と使用済み触媒留分とを回収する工程と、
第２のガス分配装置から供給される再生ガスとの接触を介して前記使用済み触媒留分を再生容器内で再生し、前記高温再生触媒粒子を回収する工程と、を備え、
前記第１のガス分配装置と前記第２のガス分配装置の少なくとも一方が、
ガス源及び複数の注入ノズルに流体連結する分配マニホールドを備え、
前記複数の注入ノズルの各注入ノズルが、前記分配マニホールド内に配置される流入口と流出口とを有するチューブを備え、
前記流入口が流量制限部を囲む環状オリフィスを備え、
前記流量制限部が、前記流入口の中心に懸架されたディスクを備え、
前記流出口が前記分配マニホールドの外周の外側にある、
プロセス。
請求項１０に記載のプロセスであって、
前記流出口が前記分配マニホールドの外周に近接して配置される、
プロセス。
請求項１０に記載のプロセスであって、
前記流量制限部が、円錐形又は円錐台形である、
プロセス。