(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料と、前記原料と反応する反応ガスとが混合された混合流体の供給を受け、前記原料と前記反応ガスとを反応させて反応済流体を出力する反応器と、
前記反応器からの反応済流体と、前記反応器に供給される前記混合流体との間で熱交換を行う熱交換器と、
前記反応器と前記熱交換器との間に設けられ、前記混合流体を昇圧することにより該混合流体の温度を上昇させる、または前記反応済流体を昇圧することにより該反応済流体の温度を上昇させる圧縮機と、
を備えることを特徴とする反応装置。
【請求項２】
前記圧縮機は、前記反応器の上流側に設けられ、前記混合流体を昇圧することにより、前記混合流体の温度を上昇させることを特徴とする請求項１に記載の反応装置。
【請求項３】
前記圧縮機は、前記混合流体を昇圧することにより、前記混合流体の温度を前記反応器での前記原料と前記反応ガスの反応に必要な入口温度以上に上昇させることを特徴とする請求項２に記載の反応装置。
【請求項４】
前記圧縮機は、前記反応器の下流側に設けられ、前記反応済流体を昇圧することにより、前記反応済流体の温度を上昇させることを特徴とする請求項１に記載の反応装置。
【請求項５】
昇圧された前記反応済流体を前記熱交換器で熱交換後、降圧し前記圧縮機の動力としてエネルギー回収することを特徴とする請求項４に記載の反応装置。
【請求項６】
前記熱交換器に供給される混合流体の圧力を、前記熱交換器に供給される反応済流体の圧力よりも低く設定したことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の反応装置。
【請求項７】
温度−エンタルピー線図において、前記熱交換器に供給される混合流体のヒートコンテントカーブと、前記熱交換器に供給される反応済流体のヒートコンテントカーブとが平行な形状となるように、前記熱交換器に供給される混合流体の圧力を、前記熱交換器に供給される反応済流体の圧力よりも低く設定したことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の反応装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反応器において原料と反応ガスとを反応させる反応装置に関し、特にナフサ等を水素ガスと反応させて水素化脱硫する反応装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
原油を蒸留分離して得られるナフサは、硫黄分を含有している。通常、ナフサ中の硫黄分は、自動車排ガスを完全燃焼させるマフラー触媒、または水素製造における水蒸気改質触媒を被毒させる原因となったり、燃焼時に有害なガス（ＳＯｘ）を発生させて大気汚染の原因となるため、脱硫処理が施される。このナフサの脱硫処理には、硫黄分を含むナフサを触媒の存在下で水素と反応させてガス状の硫化水素として脱硫する水素化脱硫装置が用いられる（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
図１は、従来の水素化脱硫装置を説明するための図である。図１に示すように、水素化脱硫装置５０に供給されたナフサ６４は、ポンプ５８によって昇圧された後、圧縮機６０により圧縮された水素６６と混合されて熱交換器５６の低温側入口５６ｃに供給される。ナフサ６４と水素６６の混合流体６８の圧力は、脱硫反応器５２での脱硫反応に必要とされる入口圧力以上の圧力、たとえば２．２ＭＰａＧ程度とされる。
【０００４】
熱交換器５６において、混合流体６８は、脱硫反応器５２から高温側入口５６ａに供給された反応済流体７０との熱交換により加熱される。熱交換器５６で加熱された混合流体６８は、ほぼ全量がガス化されて、その後、加熱器５４に供給され、脱硫反応器５２における脱硫反応に必要な入口温度以上の温度、たとえば３００℃以上に加熱される。
【０００５】
加熱器５４から流出された混合流体６８は、脱硫反応器５２に供給され、混合流体６８中のナフサ６４は、触媒の存在下、硫黄分が硫化水素に転換されて脱硫される。脱硫反応器５２から流出された脱硫ナフサ、硫化水素および未反応水素を含む反応済流体７０は、熱交換器５６で脱硫前の混合流体６８と熱交換して冷却後、さらに冷却器６２により所定温度まで冷却される。
【０００６】
その後、反応済流体７０は、図示しない気液分離器に送られ、液体のナフサと、気体の硫化水素および水素とが分離される。このようにして脱硫されたナフサは、次の工程に送られる。
【特許文献１】特開２００７−２３８８３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したように、従来の水素化脱硫装置では、ナフサと水素を脱硫反応に必要な入口温度まで加熱するために加熱器を用いており、加熱器で混合流体に与えた熱量と同程度の熱量が冷却器にて反応済流体から系外に排出されている。さらに、この加熱器は、エクセルギー率の高い化学エネルギーである燃料を燃焼して、エクセルギー率の低い数百度程度の熱エネルギーに変換しており、大きなエクセルギー損失が発生している。
【０００８】
本発明は、こうした状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、反応装置の省エネルギーを図るとともに、系全体のエクセルギー損失を低減できる反応装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明のある態様の反応装置は、原料と、原料と反応する反応ガスとが混合された混合流体の供給を受け、原料と反応ガスとを反応させて反応済流体を出力する反応器と、反応器からの反応済流体と、混合流体との間で熱交換を行う熱交換器と、反応器と熱交換器との間に設けられ、混合流体または反応済流体を昇圧する圧縮機を備える。
【００１０】
この態様によると、反応器と熱交換器との間に圧縮機を設け、混合流体または反応済流体を昇圧する構成としたので、混合流体と反応済流体のヒートコンテントカーブを略平行にすることが可能となり、熱交換器での現実的な熱交換量を増加させることにより、加熱器での熱供給を低減または不要とすることができる。さらに、圧縮機の断熱圧縮による温度上昇を利用することにより、省エネルギーを図り、エクセルギー損失が多くなる系での加熱器の負荷を減らすことができるので、エクセルギー損失を低減することができる。
【００１１】
圧縮機は、反応器の上流側に設けられ、混合流体を昇圧することにより、混合流体の温度を上昇させてもよい。また、圧縮機は、反応器の上流側に設けられ、混合流体を昇圧することにより、混合流体の温度を反応器での反応に必要な所定の入口温度以上に上昇させてもよい。この場合、加熱器を用いずに反応装置を構成できるので、省エネルギーを図りエクセルギー損失の低減を図ることができる。
【００１２】
圧縮機は、反応器の下流側に設けられ、反応済流体を昇圧することにより、反応済流体の温度を上昇させてもよい。また、熱交換器の混合流体出口の温度を反応器での反応に必要な所定の入口温度以上に上昇させてもよく、熱交換器を出た反応済流体を降圧しエキスパンダー等で動力回収することで、省エネルギーを図りエクセルギー損失を低減することができる。
【００１３】
熱交換器に供給される混合流体の圧力を、熱交換器に供給される反応済流体の圧力よりも低く設定してもよい。また、温度−エンタルピー線図において、熱交換器に供給される混合流体のヒートコンテントカーブと、熱交換器に供給される反応済流体のヒートコンテントカーブとが略平行な形状となるように、熱交換器に供給される混合流体の圧力を、熱交換器に供給される反応済流体の圧力よりも低く設定してもよい。
【００１４】
なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システム、記録媒体、コンピュータプログラムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、省エネルギーを図り、エクセルギー損失を低減することが可能な反応装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
（第１の実施の形態）
図２は、本発明の第１の実施の形態に係る反応装置１０を示す図である。ここでは、反応装置１０を、ナフサを水素化脱硫する水素化脱硫装置として用いる例について説明する。図２に示すように、反応装置１０は、反応器１２と、熱交換器１４と、圧縮機１６と、ポンプ１８と、冷却器２０とを備える。
【００１７】
反応器１２は、反応器入口１２ａに接続された接続配管２９を介して原料としてのナフサ２２と、ナフサ２２中の硫黄分と反応する反応ガスとしての水素２４とが混合された混合流体３０の供給を受ける。反応器１２中には、ニッケル、コバルト、モリブデンなどの触媒金属をアルミナに担持した触媒が充填されている。反応器１２内に導入された混合流体３０中のナフサ２２は、触媒の存在下、硫黄分が水素２４と反応して硫化水素に転換され、脱硫される。脱硫ナフサ２３、硫化水素２５および未反応水素２６を含む反応済流体４０は、反応器１２の反応器出口１２ｂから流出される。
【００１８】
熱交換器１４は、反応器１２からの反応済流体４０と、脱硫前の混合流体３０との間で熱交換を行う。熱交換器１４の高温側入口１４ａは、接続配管３２を介して反応器１２の反応器出口１２ｂと接続されている。また、熱交換器１４の高温側出口１４ｂは、接続配管３３を介して冷却器２０の冷却器入口２０ａと接続されている。
【００１９】
一方、熱交換器１４の低温側入口１４ｃには、接続配管３４が接続されている。熱交換器１４の低温側入口１４ｃには、接続配管３４を介してポンプ１８で昇圧された脱硫前のナフサ２２と水素２４の混合流体３０が供給される。また、熱交換器１４の低温側出口１４ｄには、接続配管３５が接続され、反応済流体４０との熱交換により加熱された混合流体３０が流出される。なお、本明細書では、流体が熱交換器１４の高温側入口１４ａから供給されて高温側出口１４ｂから流出されることを「高温側」と呼び、流体が低温側入口１４ｃから供給されて低温側出口１４ｄから流出されることを「低温側」と呼ぶ。
【００２０】
冷却器２０は、熱交換器１４での熱交換にて冷却された反応済流体４０の供給を受け、反応済流体４０をさらに冷却して冷却器出口２０ｂより流出する。冷却器出口２０ｂには、接続配管３７の一端が接続され、冷却により凝縮された脱硫ナフサ２３を含む反応済流体４０が流出される。
【００２１】
接続配管３７の他端は、図示しない気液分離器に接続され、脱硫ナフサ２３と、硫化水素２５および未反応水素２６とが分離される。分離された脱硫ナフサ２３は、次工程に送られる。
【００２２】
圧縮機１６は、反応器１２と熱交換器１４の間に設けられる。第１の実施の形態では、圧縮機１６は、反応器１２の上流側に設けられる。すなわち、図２に示すように、圧縮機１６の圧縮機入口１６ａは、接続配管３５を介して熱交換器１４の低温側出口１４ｄと接続される。また、圧縮機１６の圧縮機出口１６ｂは、接続配管２９を介して反応器１２の反応器入口１２ａに接続される。
【００２３】
このように配設された圧縮機１６は、混合流体３０を反応器１２での脱硫反応に必要な所定の入口圧力以上に昇圧する。入口圧力は、たとえば２．０ＭＰａＧ程度である。この圧縮機１６による昇圧にともなって、混合流体３０の温度は、断熱圧縮により上昇する。圧縮機１６は、混合流体３０の温度が反応器１２での脱硫反応に必要な所定の入口温度以上に上昇するように、混合流体３０を圧縮する。反応器１２の入口温度は、たとえば３００℃程度である。
【００２４】
以上のように構成された反応装置１０の動作について説明する。ここでは、反応器１２の入口温度が３００℃、入口圧力が２ＭＰａＧとして説明する。
【００２５】
ポンプ１８に供給されたナフサ２２は、接続配管３４において水素２４と混合され、混合流体３０として熱交換器１４の低温側入口１４ｃに供給される。熱交換器１４の低温側入口１４ｃにおける混合流体３０の圧力は、たとえば１．３ＭＰａＧ程度、温度は２４℃程度に設定する。
【００２６】
熱交換器１４に供給された混合流体３０は、反応器１２から熱交換器１４の高温側入口１４ａに供給された反応済流体４０との熱交換により加熱され、低温側出口１４ｄから流出される。熱交換器１４の高温側入口１４ａにおける反応済流体４０の温度が３００℃程度とすると、熱交換器１４の低温側出口１４ｄにおける混合流体３０の温度は熱交換により２８６℃程度に上昇する。
【００２７】
熱交換器１４により加熱された混合流体３０は、圧縮機１６の圧縮機入口１６ａに供給される。圧縮機１６により、混合流体３０は、圧力が出口圧力２．０ＭＰａＧ以上となるように圧縮されるとともに、断熱圧縮により温度が出口温度３００℃以上に上昇される。
【００２８】
その後、混合流体３０は、反応器１２に供給され、混合流体３０中のナフサ２２は、触媒の存在下、硫黄分が硫化水素２５に転換されて脱硫される。脱硫反応によって生成された脱硫ナフサ２３、硫化水素２５および未反応水素２６は、反応済流体４０として反応器１２の反応器出口１２ｂから流出され、接続配管３２を通って熱交換器１４の高温側入口１４ａに供給される。
【００２９】
熱交換器１４に供給された反応済流体４０は、低温側入口１４ｃに供給された混合流体３０と熱交換が行われ、冷却されて高温側出口１４ｂより流出される。たとえば、高温側出口１４ｂにおける反応済流体４０の温度は３７℃程度まで冷却される。
【００３０】
熱交換器１４の高温側出口１４ｂから流出された反応済流体４０は、接続配管３３を通って冷却器２０の冷却器入口２０ａに供給される。冷却器２０において反応済流体４０はさらに冷却される。その後、反応済流体４０は、気液分離器にて脱硫ナフサ２３と、硫化水素２５および未反応水素２６とが分離される。分離された脱硫ナフサ２３は、次工程に送られ、硫化水素２５と未反応水素２６は、硫化水素除去装置にて硫化水素２５が除去される。
【００３１】
このように、第１の実施の形態に係る反応装置１０は、反応器１２の反応器入口１２ａと熱交換器１４の低温側出口１４ｄとの間に圧縮機１６を設けたので、混合流体３０を昇圧するとともに、断熱圧縮により混合流体３０の温度を上昇させることができる。反応器１２での脱硫反応に必要な所定の入口温度以上となるよう圧縮機１６を動作させることにより、加熱器を不要とすることができるので、省エネルギーを図りエクセルギー損失を低減することができる。
【００３２】
図２では、圧縮機１６により混合流体３０の温度が反応器１２の入口温度以上になるよう構成したが、圧縮機１６の前段または後段に加熱器を設け、混合流体３０の昇温を圧縮機１６と加熱器とで分担する構成としてもよい。この場合、加熱器の負荷を減らすことができるので、省エネルギーを図りエクセルギー損失を低減することができる。
【００３３】
図３は、熱交換器における温度−エンタルピー線図を示す図である。図３において、横軸はエンタルピーを表し、縦軸は温度を表す。図３において、ヒートコンテントカーブ９０は、熱交換器の高温側に供給される反応済流体のヒートコンテントカーブを示す。以下においては適宜、ヒートコンテントカーブ９０を高温側ヒートコンテントカーブ９０と呼ぶ。反応器の反応器入口に供給される混合流体の圧力、温度が等しいとすれば、反応器から熱交換器の高温側入口までの系は同じであるので、図１の水素化脱硫装置５０と図２の反応装置１０は、同じ高温側ヒートコンテントカーブ９０となる。
【００３４】
ヒートコンテントカーブ９２は、図１に示す熱交換器５６の低温側に供給される混合流体６８のヒートコンテントカーブを示す。また、ヒートコンテントカーブ９４は、図２に示す熱交換器１４の低温側に供給される混合流体３０のヒートコンテントカーブを示す。以下においては適宜、ヒートコンテントカーブ９２、９４を、それぞれ低温側ヒートコンテントカーブ９２、９４と呼ぶ。
【００３５】
各ヒートコンテントカーブ９０、９２、９４は、気液相から気相に変化する変化点９０ａ、９２ａ、９４ａをそれぞれ有する。図１に示す水素化脱硫装置５０の場合、熱交換器５６の低温側入口５６ｃにおける混合流体６８の圧力（２．２ＭＰａＧ）が、高温側入口５６ａにおける反応済流体７０の圧力（２．０ＭＰａＧ）よりも高いので、図３に示すように、低温側ヒートコンテントカーブ９２の変化点９２ａが高温側ヒートコンテントカーブ９０の変化点９０ａに比して、より高温で高エンタルピーの位置となる。
【００３６】
熱交換器では、一般に、高温側と低温側の温度差を小さくして熱交換の能力を高めていくと、高温側ヒートコンテントカーブと低温側ヒートコンテントカーブが近づいていき、高温側ヒートコンテントカーブと低温側ヒートコンテントカーブとが接するまで近接させることができる。この高温側ヒートコンテントカーブと低温側ヒートコンテントカーブとが接した状態が、その熱交換器の熱交換効率が最も高い状態である。高温側ヒートコンテントカーブと低温側ヒートコンテントカーブの全体が一致した状態が、最も理想的な熱交換効率を実現する状態である。
【００３７】
図１に示す水素化脱硫装置５０の場合、上述したように、低温側ヒートコンテントカーブ９２の変化点９２ａが高温側ヒートコンテントカーブ９０の変化点９０ａに比して、より高温で高エンタルピーの位置となっているので、高温側と低温側の温度差を小さくして熱交換器５６の能力を上げていったときに、高温側ヒートコンテントカーブ９０の変化点９０ａと低温側ヒートコンテントカーブ９２の気液相領域（ヒートコンテントカーブ９２において、変化点９２ａよりもエンタルピーが低い領域）が接してしまい、それ以上熱交換器５６の能力を上げても高温側ヒートコンテントカーブ９０と低温側ヒートコンテントカーブ９２を近接させることができない。つまり、熱交換器５６の熱交換効率を高めるのに限界がある。
【００３８】
本実施の形態に係る反応装置１０では、熱交換器１４の後段に圧縮機１６を配置する構成としているので、熱交換器１４の低温側入口１４ｃにおける混合流体３０の圧力（１．３ＭＰａＧ）を、高温側入口１４ａにおける反応済流体４０の圧力（２．０ＭＰａＧ）よりも小さく設定することができる。これにより、図３の低温側ヒートコンテントカーブ９４に示すように、低温側ヒートコンテントカーブ９４の変化点９４ａの温度が高温側ヒートコンテントカーブ９０の変化点９０ａより低温となり、さらにこれら２つの変化点のエンタルピーがほぼ等しくなるので、低温側ヒートコンテントカーブ９４を、高温側ヒートコンテントカーブ９０と略平行な形状とすることができる。高温側ヒートコンテントカーブ９０と低温側ヒートコンテントカーブ９４を略平行な形状となるように熱交換器１４の低温側入口１４ｃにおける混合流体３０の圧力を、高温側入口１４ａにおける反応済流体４０の圧力よりも小さく設定することにより、熱交換器１４の能力を高めて高温側ヒートコンテントカーブ９０と低温側ヒートコンテントカーブ９４とをより近接させることができるので、熱交換器１４の熱交換効率を高めることができる。
【００３９】
このように、本実施の形態に係る反応装置１０は、熱交換器１４の熱交換効率を高めることができるので、熱交換器１４を通過した反応済流体４０の温度をより下げることができる。その結果、加熱器が不要となり、圧縮機による断熱圧縮による温度上昇で反応器入口温度以上とすることが可能となり、冷却器２０の負荷が低減され、省エネルギーを図り、エクセルギー損失を低減することができる。
【００４０】
また、本実施の形態に係る反応装置１０では、熱交換器１４後段の圧縮機１６により反応器１２の入口圧力以上に昇圧する構成としているので、熱交換器１４の低温側入口１４ｃに供給される水素２４を昇圧するための圧縮機（図１における圧縮機６０）を不要とすることができる。本発明者によるシミュレーションでは、従来の水素化脱硫装置５０での熱供給を１００％とすると、第１の実施の形態に係る反応装置１０での熱供給は２０％となり、省エネルギー率は、８０％となる。
【００４１】
（第２の実施の形態）
図４は、第２の実施の形態に係る反応装置１００を示す図である。図４に示す反応装置１００は、圧縮機１６を反応器１２の下流側に設けている点が第１の実施の形態に係る反応装置１０と異なる。すなわち、図４に示すように、反応器１２の反応器出口１２ｂは、接続配管３２を介して圧縮機１６の圧縮機入口１６ａに接続されている。また、圧縮機１６の圧縮機出口１６ｂは、接続配管３６を介して熱交換器１４の高温側入口１４ａに接続されている。このように配設された圧縮機１６は、反応器１２より流出された反応済流体４０を圧縮するとともに、断熱圧縮により反応済流体４０の温度を上昇させる。また、反応装置１００では、反応器１２における入口圧力を確保するために、水素２４を圧縮する圧縮機１７が設けられている。
【００４２】
以上のように構成された反応装置１００の動作について説明する。ここでも、反応器１２の入口温度が３００℃、入口圧力が２ＭＰａＧである場合の動作について説明する。
【００４３】
ポンプ１８に供給されたナフサ２２は、接続配管３４において圧縮機１７により圧力が高められた水素２４と混合され、混合流体３０として熱交換器１４の低温側入口１４ｃに供給される。熱交換器１４の低温側入口１４ｃにおける混合流体３０の圧力は、たとえば２．２ＭＰａＧ程度、温度は２７℃程度に設定する。
【００４４】
熱交換器１４に供給された混合流体３０は、圧縮機１６により昇圧および昇温された反応済流体４０との熱交換により加熱され、低温側出口１４ｄから流出される。たとえば、圧縮機１６により反応済流体４０が２．５ＭＰａＧ程度に昇圧され、３５０℃程度に昇温された場合、混合流体３０は熱交換により３２０℃程度に上昇する。
【００４５】
その後、混合流体３０は、反応器１２に供給され、混合流体３０中のナフサ２２は、触媒の存在下、硫黄分が硫化水素２５に転換されて脱硫される。脱硫反応によって生成された脱硫ナフサ２３、硫化水素２５および未反応水素２６は、反応済流体４０として反応器１２の反応器出口１２ｂから流出され、接続配管３２を通って圧縮機１６の圧縮機入口１６ａに供給される。反応済流体４０は圧縮機１６により昇圧されるとともに、断熱圧縮によりたとえば３５０℃程度に昇温される。圧縮機１６により昇温された反応済流体４０は、低温側入口１４ｃに供給された混合流体３０と熱交換を行い、冷却されて高温側出口１４ｂより流出される。その後、エキスパンダー４１にて反応済流体４０の降圧による動力としてのエネルギー回収が行われる。その後の動作は、図２に示す反応装置１０と同様である。
【００４６】
このように、第２の実施の形態に係る反応装置１００では、反応器１２の下流側に圧縮機１６を設けたので、反応器１２から流出された反応済流体４０を圧縮するとともに、断熱圧縮により反応済流体４０の温度を上昇させることができる。熱交換器１４の高温側入口１４ａに高温の反応済流体４０を供給できるので、圧縮機１６を設けない場合よりも混合流体３０の温度を上昇させることができる。熱交換で混合流体３０の温度が反応器１２の入口温度以上となるよう圧縮機１６を動作させることにより、加熱器を不要とすることができるので、エクセルギー損失を低減することができる。また、反応済流体４０の降圧による動力としてのエネルギー回収ができるので、省エネルギーが図れる。
【００４７】
第２の実施の形態に係る反応装置１００では、熱交換器１４の低温側入口１４ｃにおける混合流体３０の圧力は、反応器１２の入口圧力によって決まり、熱交換器１４の高温側入口１４ａに供給される反応済流体４０を昇圧する構成としている。従って、第１の実施の形態に係る反応装置１０と同じように、熱交換器１４の低温側入口１４ｃにおける混合流体３０の圧力（２．２ＭＰａＧ）を、高温側入口１４ａにおける反応済流体４０の圧力（２．５ＭＰａＧ）よりも小さく設定することができる。これにより、高温側ヒートコンテントカーブの変化点と、低温側ヒートコンテントカーブの変化点とのエンタルピーの差分が小さくなり、高温側ヒートコンテントカーブを、低温側ヒートコンテントカーブと略平行な形状とすることができる。低温側ヒートコンテントカーブと高温側ヒートコンテントカーブを略平行な形状となるように、高温側入口１４ａにおける反応済流体４０の圧力を高めて熱交換器１４の低温側入口１４ｃにおける混合流体３０の圧力を高温側入口１４ａにおける反応済流体４０の圧力よりも小さく設定することにより、熱交換器１４の能力を高めて低温側ヒートコンテントカーブと高温側ヒートコンテントカーブとをより近接させることができるので、熱交換器１４の熱交換効率を高めることができる。
【００４８】
（第３の実施の形態）
図５は、第３の実施の形態に係る反応装置２００を示す図である。図５に示す反応装置２００は、灯油２１０を水素化脱硫するための水素化脱硫装置である。反応装置２００は、圧縮機１６に代えて、反応器１２と熱交換器１４との間に昇温部２２０が設けられている点が、第１の実施の形態に係る反応装置１０と異なる。
【００４９】
昇温部２２０は、気液分離器２１２と、圧縮機２１４と、ポンプ２１６と、を備える。気液分離器２１２の入口２１２ａは、接続配管３５を介して熱交換器１４の低温側出口１４ｄに接続されている。
【００５０】
気液分離器２１２の気体出口２１２ｂは、接続配管２１８を介して圧縮機２１４の圧縮機入口２１４ａに接続されている。圧縮機２１４の圧縮機出口２１４ｂは、接続配管２９を介して反応器１２の反応器入口１２ａに接続されている。一方、気液分離器２１２の液体出口２１２ｃは、接続配管２２２を介してポンプ２１６の入口２１６ａに接続されている。ポンプ２１６の出口２１６ｂは、接続配管２２４を介して接続配管２９に接続されている。
【００５１】
以上のように構成された反応装置２００の動作について説明する。ここでは、反応器１２の入口温度が２８４℃、入口圧力が４．３ＭＰａＧである場合の動作について説明する。
【００５２】
ポンプ１８に供給された灯油２１０は、接続配管３４において圧縮機１７により昇圧された水素２４と混合され、混合流体２３０として熱交換器１４の低温側入口１４ｃに供給される。熱交換器１４の低温側入口１４ｃにおける混合流体２３０の圧力は、たとえば３．５ＭＰａＧ程度、温度は３８℃程度に設定する。
【００５３】
熱交換器１４に供給された混合流体２３０は、反応器１２から熱交換器１４の高温側入口１４ａに供給された反応済流体２４０との熱交換により加熱され、低温側出口１４ｄから流出される。熱交換器１４の高温側入口１４ａにおける反応済流体２４０の温度が２８９℃程度とすると、熱交換器１４の低温側出口１４ｄにおける混合流体２３０の温度は熱交換により２８０℃程度に上昇する。この熱交換器１４の低温側出口１４ｄにおいて、混合流体２３０は、気体の水素２４と液体の灯油２１０が混合された状態にある。
【００５４】
熱交換器１４により加熱された混合流体２３０は、気液分離器２１２の入口２１２ａに供給される。気液分離器２１２は、混合流体２３０を、気体の水素２４と液体の灯油２１０とに分離する。
【００５５】
気液分離器２１２にて分離された水素２４は、接続配管２１８を介して圧縮機２１４に供給される。圧縮機２１４により、水素２４は昇圧されるとともに、断熱圧縮により温度が２９０℃程度に上昇される。一方、気液分離器２１２にて分離された灯油２１０は、接続配管２２２を介してポンプ２１６に供給される。ポンプ２１６により加圧された温度２８１℃程度の灯油２１０は、接続配管２２４を介して接続配管２９に供給され、そこで圧縮機２１４から流出された水素２４と混合され、温度が２８４℃の混合流体２３０として反応器１２に供給される。
【００５６】
反応器１２において、混合流体２３０中の灯油２１０は、触媒の存在下、硫黄分が硫化水素２５に転換されて脱硫される。脱硫反応によって生成された脱硫灯油２５０、硫化水素２５および未反応水素２６は、圧力４．０ＭＰａＧ、温度２８９℃の反応済流体２４０として反応器１２の反応器出口１２ｂから流出され、接続配管３２を通って熱交換器１４の高温側入口１４ａに供給される。
【００５７】
熱交換器１４に供給された反応済流体２４０は、低温側入口１４ｃに供給された混合流体２３０と熱交換が行われ、冷却されて高温側出口１４ｂより流出される。たとえば、高温側出口１４ｂにおける反応済流体２４０の温度は、５２℃程度まで冷却される。
【００５８】
熱交換器１４の高温側出口１４ｂから流出された反応済流体２４０は、接続配管３３を通って冷却器２０の冷却器入口２０ａに供給される。冷却器２０において反応済流体２４０はさらに冷却される。その後、反応済流体２４０は、気液分離器２６０にて脱硫灯油２５０、硫化水素２５、未反応水素２６が分離される。硫化水素２５は、たとえば接続配管２７０への注入水に溶解させ、気液分離器２６０から脱硫灯油２５０とは別に流出される。分離された脱硫灯油２５０は、次工程に送られ、未反応水素２６は、再び脱硫に用いられる。
【００５９】
このように、第３の実施の形態に係る反応装置２００では、反応器１２の反応器入口１２ａと熱交換器１４の低温側出口１４ｄとの間に昇温部２２０を設けたので、混合流体２３０に液体である灯油２１０と気体である水素２４が混在する場合であっても、混合流体２３０の温度を上昇させることができる。従来、灯油の脱硫装置では、熱交換器の後段に加熱器を設け、灯油と水素の混合流体を加熱して反応器に供給する構成であったが、反応器１２での脱硫反応に必要な所定の入口温度以上となるよう昇温部２２０を動作させることにより、加熱器を不要とすることができるので、省エネルギーとエクセルギー損失を低減することができる。本発明者によるシミュレーションでは、熱交換器の後段に加熱器を用いた従来の装置での熱供給を１００％とすると、第３の実施の形態に係る反応装置２００での熱供給は１７％となり、省エネルギー率は、８３％となる。
【００６０】
図５では、昇温部２２０により混合流体２３０の温度が反応器１２の入口温度以上になるよう構成したが、昇温部２２０の前段または後段に加熱器を設け、混合流体２３０の昇温を昇温部２２０と加熱器とで分担する構成としてもよい。この場合、加熱器の負荷を減らすことができるので、省エネルギーとエクセルギー損失を低減することができる。
【００６１】
第３の実施の形態に係る反応装置２００では、熱交換器１４の後段に昇温部２２０を設ける構成としているので、熱交換器１４の低温側入口１４ｃにおける混合流体２３０の圧力（３．５ＭＰａＧ）を、高温側入口１４ａにおける反応済流体２４０の圧力（４．０ＭＰａＧ）よりも小さく設定することができる。これにより、低温側ヒートコンテントカーブを、高温側ヒートコンテントカーブと略平行な形状とすることができる。低温側ヒートコンテントカーブと高温側ヒートコンテントカーブを略平行な形状となるように、熱交換器１４の低温側入口１４ｃにおける混合流体２３０の圧力を、高温側入口１４ａにおける反応済流体２４０の圧力よりも小さく設定することにより、熱交換器１４の能力を高めて高温側ヒートコンテントカーブと低温側ヒートコンテントカーブとをより近接させることができるので、熱交換器１４の熱交換効率を高めることができる。
【００６２】
以上、本発明を実施例をもとに説明した。この実施例は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
【００６３】
上述の実施の形態では、反応装置を炭化水素系原料のナフサと灯油の水素化脱硫装置として用いる場合の実施の形態について説明したが、上述の実施の形態に係る反応装置は、反応器において高温、高圧条件で反応を行う処理であれば、どのような原料に対しても適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】従来の水素化脱硫装置を説明するための図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る反応装置を示す図である。
【図３】熱交換器における温度−エンタルピー線図を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る反応装置を示す図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態に係る反応装置を示す図である。
【符号の説明】
【００６５】
１０、１００、２００  反応装置、  １２  反応器、  １４  熱交換器、  １６  圧縮機、  ５６  熱交換器、  ６０  圧縮機、  ６８  混合流体、  ７０  反応済流体、  ３０  混合流体、  ４０  反応済流体、  ２１２  気液分離器、  ２２０  昇温部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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