(57)【要約】高せん断処理された流れを生み出すために、第一硫黄含有量を有するサワーオイルを、塩基及び無機塩からなる群から選定される少なくとも１つの脱硫剤が存在する状態で高せん断にさらすことと、硫黄元素が含まれる、硫黄を豊富に含む製品及び、第一硫黄含有量より少ない第二硫黄含有量を有するスウィートニングされた石油製品の両者を、高せん断処理された流れから分離することとによって、硫黄をサワーオイルから除去する方法。少なくとも１つのロータと、少なくとも１つの相補的形状のステータとを含む、少なくとも１つの高せん断装置と、硫黄を豊富に含む製品及びスウィートニングされた石油を、高せん断処理された流れから分離するように構成される、少なくとも１つの分離装置とを介する、サワーオイルの硫黄含有量を削減するためのシステム。
2013533371.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
硫黄をサワーオイルから除去する方法であり、
（ａ）高せん断処理された流れを生み出すために、第一硫黄含有量を有する前記サワーオイルを少なくとも１つの脱硫剤が存在する状態で高せん断にさらすことを含み、
前記少なくとも１つの脱硫剤は、塩基及び無機塩からなる群から選定され、
（ｂ）硫黄を豊富に含む製品及び、スウィートニングされた石油製品の両者を、前記高せん断処理された流れから分離することを含み、
前記硫黄を豊富に含む製品は硫黄元素を含有し、
前記スウィートニングされた石油製品は前記第一硫黄含有量より少ない第二硫黄含有量を有する、
方法。
【請求項２】
（ａ）前記サワーオイルを前記少なくとも１つの脱硫剤が存在する状態で高せん断にさらすことは、懸濁液を少なくとも10,000s-1のせん断速度にさらすことを含む、請求項１の方法。
【請求項３】
（ａ）前記サワーオイルを前記少なくとも１つの脱硫剤が存在する状態で高せん断にさらすことは、前記懸濁液を少なくとも20,000s-1のせん断速度にさらすことを含む、請求項２の方法。
【請求項４】
前記少なくとも１つの脱硫剤は、アンモニア、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、硫酸アンモニウム、炭酸カルシウム、水素、過酸化水素、モノエタノールアミン（MEA）、ジグリコールアミン（DGA）、ジエタノールアミン（DEA）、ジイソプロパノールアミン（DIPA）、及びメチルジエタノールアミン（MDEA）からなる群から選定される、請求項１の方法。
【請求項５】
前記少なくとも１つの脱硫剤は、硫酸アンモニウム、及び水酸化アンモニウムからなる群から選定される、請求項４の方法。
【請求項６】
前記サワーオイル及び、前記少なくとも１つの脱硫剤が、約50:50の体積割合の比でもたらされる、請求項１の方法。
【請求項７】
前記第一硫黄含有量は約0.5から6重量パーセントの範囲である、請求項１の方法。
【請求項８】
前記第二硫黄含有量は前記第一硫黄含有量の50%より少ない、請求項７の方法。
【請求項９】
前記第二硫黄含有量は前記第一硫黄含有量の10%より少ない、請求項７の方法。
【請求項１０】
前記第二硫黄含有量は0.5重量パーセントより少ない、請求項１の方法。
【請求項１１】
（ａ）前記サワーオイルを前記高せん断にさらすことは、前記サワーオイルと、前記少なくとも１つの脱硫剤とを、少なくとも１つのロータと、少なくとも１つの相補的形状のステータとを含む高せん断装置に導入することを含む、請求項１の方法。
【請求項１２】
前記高せん断は、少なくとも10,000s-1のせん断速度を含み、
前記せん断速度はせん断間隙で割られる先端速度として規定され、
前記先端速度はπＤｎとして規定され、Ｄは前記少なくとも１つのロータの直径であり、ｎは回転数である、
請求項１１の方法。
【請求項１３】
前記高せん断は、少なくとも20,000s-1の前記せん断速度を含み、
前記せん断速度は前記せん断間隙で割られた前記先端速度として規定され、
前記先端速度はπＤｎとして規定され、Ｄは前記少なくとも１つのロータの直径であり、ｎは回転数である、
請求項１２の方法。
【請求項１４】
前記サワーオイルを少なくとも10,000s-1の前記せん断速度にさらすことは、前記少なくとも１つのロータの先端に、少なくとも約1034.2MPa（150,000psi）の局所的な圧力を生じる、請求項１１の方法。
【請求項１５】
（ａ）は、少なくとも約23m/secの前記少なくとも１つのロータの前記先端速度をもたらすことを含み、
前記先端速度はπＤｎとして規定され、Ｄは前記少なくとも１つのロータの直径であり、ｎは回転数である、
請求項１１の方法。
【請求項１６】
前記少なくとも１つのロータと、前記少なくとも１つの相補的形状のステータとの間の最小距離である前記せん断間隙は、約5μmより小さい、請求項１１の方法。
【請求項１７】
（ａ）は前記サワーオイルを、少なくとも１つのＡＰＩ調整ガスが存在する状態で前記高せん断にさらすことを含み、
前記ＡＰＩ調整ガスは、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、メタン、及びエタンからなる群から選定される少なくとも１つの化合物を含む、
請求項１の方法。
【請求項１８】
前記サワーオイルは第一ＡＰＩ比重を有し、
前記スウィートニングされた石油製品は第二ＡＰＩ比重を有し、
前記第二ＡＰＩ比重は前記第一ＡＰＩ比重より大きい、
請求項１７の方法。
【請求項１９】
前記ＡＰＩ調整ガスは、随伴ガス、非随伴ガス、ＦＣＣオフガス、コークスオフガス、熱分解ガス、水素化脱硫オフガス、触媒性分解オフガス、熱分解オフガス、及びそれらの組み合わせからなる群から選定される、請求項１７の方法。
【請求項２０】
前記高せん断処理された流れは約5、4、3、2、又は1μm以下の平均直径を有する前記ＡＰＩ調整ガスの気泡を含む、請求項１９の方法。
【請求項２１】
前記ＡＰＩ調整ガスの気泡は約100nm以下の平均直径を有する、請求項２０の方法。
【請求項２２】
前記サワーオイルは第一ＡＰＩ比重を有し、
前記スウィートニングされた石油は第二ＡＰＩ比重を有し、
前記第二ＡＰＩ比重は前記第一ＡＰＩ比重より大きい、
請求項１の方法。
【請求項２３】
前記サワーオイルは、当該方法が実施される場所に近接した場所で、地中から抽出されたものである、請求項１の方法。
【請求項２４】
前記硫黄を豊富に含む製品は黄色である、請求項１の方法。
【請求項２５】
（ｂ）前記硫黄を豊富に含む製品及び、前記スウィートニングされた石油製品を、前記高せん断処理された流れから分離することの後に残るのは、前記少なくとも１つの脱硫剤を含む残留流れであり、
当該方法はさらに（ｃ）前記残留流れ内の前記少なくとも１つの脱硫剤の少なくとも一部を（ａ）に再循環させることを含む、
請求項１の方法。
【請求項２６】
アンモニア水が（ａ）で始動中に利用され、硫酸アンモニウムが（ａ）で生成され、（ｂ）で分離され、（ｃ）で脱硫剤として（ａ）に再循環され、
前記アンモニア水は所望の前記第二硫黄含有量を維持するために必要なときのみ（ａ）に導入される、
請求項２５の方法。
【請求項２７】
前記サワーオイルはさらに、重金属及び塩化物からなる群から選定される少なくとも１つの不純物を含む、請求項１の方法。
【請求項２８】
前記少なくとも１つの不純物のうちの少なくとも１つは、前記硫黄を豊富に含む製品とともに前記高せん断処理された流れから分離される、請求項２７の方法。
【請求項２９】
前記少なくとも不純物はバナジウム、水銀、及び塩化物から選定される、請求項２８の方法。
【請求項３０】
前記硫黄を豊富に含む製品はほぼ乾燥した製品として分離される、請求項１の方法。
【請求項３１】
（ｂ）分離することは、遠心分離、濾過、又はそれらの組み合わせを含む、請求項１の方法。
【請求項３２】
サワーオイルの硫黄含有量を削減するためのシステムであり、
少なくとも１つの高せん断装置を含み、
前記少なくとも１つの高せん断装置は、少なくとも１つのロータと、少なくとも１つの相補的形状のステータとを含み、前記サワーオイルを高せん断にさらし、スウィートニングされた石油を含む高せん断処理された流れを生み出すように構成され、
前記少なくとも１つの高せん断装置は、その中の内容物を少なくとも10,000s-1のせん断速度にさらすように構成され、
前記せん断速度はせん断間隙で割られる先端速度として規定され、
前記先端速度はπＤｎとして規定され、Ｄは前記少なくとも１つのロータの直径であり、ｎは回転数であり、
少なくとも１つの分離装置を含み、
前記少なくとも１つの分離装置は、硫黄を豊富に含む製品及び前記スウィートニングされた石油を、前記高せん断処理された流れから分離するように構成される、
システム。
【請求項３３】
前記少なくとも１つのロータは少なくとも約23m/secの前記先端速度をもたらすように構成される、請求項３２のシステム。
【請求項３４】
前記少なくとも１つのロータは少なくとも40m/secの前記先端速度をもたらすように構成される、請求項３２のシステム。
【請求項３５】
前記少なくとも１つのロータは、前記少なくとも１つのステータから約5μmより小さい前記せん断間隙によって分離され、
前記せん断間隙は前記少なくとも１つのロータと、前記少なくとも１つのステータとの間の最小距離である、
請求項３２のシステム。
【請求項３６】
操作中に前記少なくとも１つのロータの回転によりもたらされる前記せん断速度は、少なくとも20,000s-1である、請求項３２のシステム。
【請求項３７】
塩基及び無機塩から選定される少なくとも１つの脱硫剤、
一酸化炭素、二酸化炭素、水素、メタン、及びエタンから選定される少なくとも１つの要素を含む少なくとも１つのＡＰＩ調整ガス、又は、
前記脱硫剤及び前記ＡＰＩ調整ガスの両者を、
前記少なくとも１つの高せん断装置の上流の前記サワーオイルに、又は前記少なくとも１つの高せん断装置に直接導入するための、１つ以上のラインをさらに含む、
請求項３２のシステム。
【請求項３８】
前記少なくとも１つの脱硫剤を、前記少なくとも１つの分離装置から前記少なくとも１つの高せん断装置に再循環させるための再循環ラインをさらに含む、請求項３２のシステム。
【請求項３９】
前記少なくとも１つの分離装置はほぼ乾燥した硫黄製品をもたらすように構成される、請求項３２のシステム。
【請求項４０】
前記少なくとも１つの高せん断装置は、少なくとも２つの発生器を含み、前記各発生器は前記ロータ及び前記相補的形状のステータを含む、請求項３２のシステム。
【請求項４１】
一方の前記発生器からもたらされる前記せん断速度は、他方の前記発生器からもたらされる前記せん断速度より大きい、請求項４０のシステム。
【請求項４２】
前記少なくとも１つの分離装置は、遠心分離機及び濾過装置からなる群から選定される、請求項３２のシステム。
【請求項４３】
前記少なくとも１つの分離装置は前記遠心分離機を含む、システム４２のシステム。
【請求項４４】
当該システムは閉ループのシステムである、請求項３２のシステム。
【請求項４５】
可動式ユニット、モジュール式ユニット、またはその両者として構成される、請求項３２のシステム。
【請求項４６】
加熱装置、蒸留装置、沈殿槽、及びそれらの組み合わせからなる群から選定される装置を含まない、請求項３２のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
連邦支援の研究又は開発に関する記載
非適用。
【０００２】
技術的分野
本発明は概して石油から硫黄を除去することに関する。より具体的には、本発明は原油をスウィートニングするためのシステム及び方法に関する。さらにより具体的には、本発明は高せん断を介して石油から硫黄を取り除くシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
原油は概して相当量の硫化水素と結合しており、様々な他の有機及び無機の硫黄化合物を含む。原油及び天然ガスのような天然の化石燃料は、硫化水素、二酸化硫黄、及びメルカプタンのような硫黄化合物の相当な濃度の硫黄化合物を含み、‘サワー’と称される。硫黄化合物は化石燃料から長時間発生する場合があり、これらの化合物の発生は重大な環境及び安全性の問題を生み出す。硫化水素及び二酸化硫黄を含む、様々な硫黄化合物の排出は規制されている。強化された規制及び制約のために、原油から硫黄化合物を取り除くことが望ましい。
【０００４】
自然発生する低硫黄原油の不足は増加し続けている。汚染防止への重視が増し、結果として硫黄含有量の低い原油への需要があるので、硫黄を削減した原油の経済的生産に対する必要性が高まっている。
【０００５】
強化された規制及び制約を満たすことに加え、原油から硫黄を除去することは、他の理由において望ましい。原油からの硫黄化合物の発生が重大な環境及び安全性の問題を生み出すだけでなく、これらの化合物はまた、パイプラインと貯蔵タンクと下流の製油装置と同様に、油井の金属部品を腐食し得る。この腐食は金属部品の腐食及び／又は脆性をもたらす。加えて、製油において、下流の工程は硫黄の存在に感受性を示す触媒を利用することがある。
【０００６】
従来の石油製油所では、硫黄は概して原油が精留された後に除去される。硫黄除去は一般的に、しばしば極端な操作条件を要求する様々な脱硫工程の利用と、しばしば高い維持費を伴う高価な装置の導入とを含む。従来の硫黄除去に対する先行技術工程の例は、米国特許第１，９４２，０５４号、１，９５４，１１６号、２，１７７，３４３号、２，３２１，２９０号、２，３２２，５５４号、２，３４８，５４３号、２，３６１，６５１号、２，４８１，３００号、２，７７２，２１１号、３，２９４，６７８号、３，４０２，９９８号、３，６９９，０３７号、及び３，８５０，７４５号に見られ、各々の開示は本開示に反しない全ての目的に対して、ここにその全体が導入される。
【０００７】
従って、原油から硫黄を除去するシステム及び工程に対する要望が産業にある。システム及び手法は、原油のスウィートニングが地中から石油を取り出すのに近接するようにするのが望ましい。システム及び手法はまた、原油のＡＰＩ比重を増幅させるため、及び／又は重金属のような他の不純物を原油から除去するために利用され得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第１，９４２，０５４号明細書
【特許文献２】米国特許１，９５４，１１６号明細書
【特許文献３】米国特許２，１７７，３４３号明細書
【特許文献４】米国特許２，３２１，２９０号明細書
【特許文献５】米国特許２，３２２，５５４号明細書
【特許文献６】米国特許２，３４８，５４３号明細書
【特許文献７】米国特許２，３６１，６５１号明細書
【特許文献８】米国特許２，４８１，３００号明細書
【特許文献９】米国特許２，７７２，２１１号明細書
【特許文献１０】米国特許３，２９４，６７８号明細書
【特許文献１１】米国特許３，４０２，９９８号明細書
【特許文献１２】米国特許３，６９９，０３７号明細書
【特許文献１３】米国特許３，８５０，７４５号明細書
【特許文献１４】米国特許出願１２／４７６，４１５号明細書
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】ゴゲート（Gogate）他の“キャビテーション：技術の展望（Cavitation: A technology onthe horizon）”カレントサイエンス（CurrentScience）、91（No.1）：35-46（2006）
【発明の概要】
【００１０】
本明細書で、硫黄をサワーオイルから除去する方法が開示され、当該方法は、（ａ）高せん断処理された流れを生み出すために、第一硫黄含有量を有するサワーオイルを、塩基及び無機塩からなる群から選定される少なくとも１つの脱硫剤が存在する状態で、高せん断にさらすこと、及び（ｂ）硫黄元素を含有する硫黄を豊富に含む製品及び、第一硫黄含有量より少ない第二硫黄含有量を有するスウィートニングされた石油製品の両者を、高せん断処理された流れから分離することを含む。実施形態において、サワーオイルを少なくとも１つの脱硫剤が存在する状態で高せん断にさらすこと（ａ）は、懸濁液を少なくとも10,000s-1のせん断速度にさらすことを含む。実施形態において、サワーオイルを少なくとも１つの脱硫剤が存在する状態で高せん断にさらすこと（ａ）は、懸濁液を少なくとも20,000s-1のせん断速度にさらすことを含む。実施形態において、少なくとも１つの脱硫剤は、アンモニア水、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、硫酸アンモニウム、炭酸カルシウム、水素、過酸化水素、モノエタノールアミン（MEA）、ジグリコールアミン（DGA）、ジエタノールアミン（DEA）、ジイソプロパノールアミン（DIPA）、及びメチルジエタノールアミン（MDEA）からなる群から選定される。実施形態において、少なくとも１つの脱硫剤は、硫酸アンモニウム及び水酸化アンモニウムからなる群から選定される。
【００１１】
実施形態において、サワーオイル及び、少なくとも１つの脱硫剤が、約50:50の体積割合の比でもたらされる。実施形態において、第一硫黄含有量は約0.5から6重量パーセントの範囲である。実施形態において、第二硫黄含有量は第一硫黄含有量の50%より少ない。実施形態において、第二硫黄含有量は第一硫黄含有量の10%より少ない。実施形態において、第二硫黄含有量は0.5重量パーセントより少ない。実施形態において、サワーオイルを高せん断にさらすこと（ａ）は、サワーオイルと少なくとも１つの脱硫剤とを、少なくとも１つのロータ（rotor）と少なくとも１つの相補的形状のステータ（stator）とを含む高せん断装置に導入することを含む。高せん断は少なくとも10,000s-1のせん断速度を含み、前記せん断速度はせん断間隙で割られる先端速度として規定され、前記先端速度はπＤｎとして規定され、Ｄは少なくとも１つのロータの直径であり、ｎは回転数である。実施形態において、高せん断は少なくとも20,000s-1のせん断速度を含み、前記せん断速度はせん断間隙で割られた先端速度として規定され、前記先端速度はπＤｎとして規定され、Ｄは少なくとも１つのロータの直径であり、ｎは回転数である。
【００１２】
実施形態において、サワーオイルを少なくとも10,000s-1のせん断速度にさらすことは、少なくとも１つのロータの先端に、少なくとも約1034.2MPa（150,000psi）の局所的な圧力を生み出す。実施形態において、（ａ）は、少なくとも約23m/secの少なくとも１つのロータの先端速度をもたらすことを含み、前記先端速度はπＤｎとして規定され、Ｄは少なくとも１つのロータの直径であり、ｎは回転数である。実施形態において、少なくとも１つのロータと、少なくとも１つの相補的形状のステータとの間の最小距離であるせん断間隙は、約5μmより小さい。
【００１３】
実施形態において、（ａ）はサワーオイルを、少なくとも１つの脱硫剤とＡＰＩ調整ガスとが存在する状態で高せん断にさらすことを含み、前記ＡＰＩ調整ガスは、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、メタン、及びエタンからなる群から選定される少なくとも１つの化合物を含む。実施形態において、サワーオイルは第一ＡＰＩ比重を有し、スウィートニングされた石油製品は第二ＡＰＩ比重を有し、第二ＡＰＩ比重は第一ＡＰＩ比重より大きい。実施形態において、ＡＰＩ調整ガスは、随伴ガス、非随伴ガス、ＦＣＣオフガス、コークス（coker）オフガス、熱分解ガス、水素化脱硫オフガス、触媒性分解オフガス、熱分解オフガス、及びそれらの組み合わせからなる群から選定される。実施形態において、高せん断処理された流れは約5、4、3、2、又は1μm以下の平均直径を有する前記ＡＰＩ調整ガスの気泡を含む。実施形態において、ＡＰＩ調整ガスの気泡は約100nm以下の平均直径を有する。
【００１４】
実施形態において、サワーオイルは第一ＡＰＩ比重を有し、スウィートニングされた石油は第二ＡＰＩ比重を有し、第二ＡＰＩ比重は第一ＡＰＩ比重より大きい。サワーオイルは、方法が実施される場所に近接した場所で、地中から抽出され得る。実施形態において、硫黄を豊富に含む製品は黄色である。
【００１５】
実施形態において、（ｂ）（硫黄を豊富に含む製品及び、スウィートニングされた石油製品を、高せん断処理された流れから分離すること）の後に残るのは、少なくとも１つの脱硫剤を含む残留流れであり、方法はさらに（ｃ）残留流れ内の少なくとも１つの脱硫剤の少なくとも一部を（ａ）に再循環させることを含む。実施形態において、アンモニア水が（ａ）で始動中に利用され、硫酸アンモニウムが（ａ）で生成され、（ｂ）で分離され、（ｃ）で脱硫剤として（ａ）に再循環され、アンモニア水は所望の第二硫黄含有量を維持するために必要なときのみ（ａ）に導入される。
【００１６】
実施形態において、サワーオイルはさらに、重金属及び塩化物からなる群から選定される少なくとも１つの不純物を含む。実施形態において、少なくとも１つの不純物のうちの少なくとも１つは、硫黄を豊富に含む製品とともに高せん断処理された流れから分離される。実施形態において、少なくとも不純物はバナジウム、水銀、及び塩化物からなる群から選定される。
【００１７】
実施形態において、硫黄を豊富に含む製品はほぼ乾燥した製品として分離される。実施形態において、（ｂ）で分離することは、遠心分離、濾過、又はそれらの組み合わせを含む。
【００１８】
本明細書ではまた、サワーオイルの硫黄含有量を削減するためのシステムが開示され、当該システムは、少なくとも１つの高せん断装置と少なくとも１つの分離装置とを含み、前記少なくとも１つの高せん断装置は、少なくとも１つのロータと、少なくとも１つの相補的形状のステータとを含み、サワーオイルを高せん断にさらし、スウィートニングされた石油を含む高せん断処理された流れを生み出すように構成され、その中の内容物を少なくとも10,000s-1のせん断速度にさらすように構成され、前記せん断速度はせん断間隙で割られる先端速度として規定され、前記先端速度はπＤｎとして規定され、Ｄは少なくとも１つのロータの直径であり、ｎは回転数であり、そして、前記少なくとも１つの分離装置は、硫黄を豊富に含む製品及びスウィートニングされた石油を、高せん断処理された流れから分離するように構成される。
【００１９】
実施形態において、少なくとも１つのロータは少なくとも約23m/secの先端速度をもたらすように構成される。実施形態において、少なくとも１つのロータは少なくとも40m/secの先端速度をもたらすように構成される。実施形態において、少なくとも１つのロータは、少なくとも１つのステータから約5μmより小さいせん断間隙によって分離され、前記せん断間隙は少なくとも１つのロータと、少なくとも１つのステータとの間の最小距離である。実施形態において、操作中に少なくとも１つのロータの回転によりもたらされるせん断速度は、少なくとも20,000s-1である。
【００２０】
システムはさらに、塩基及び無機塩からなる群から選定される少なくとも１つの脱硫剤と、一酸化炭素、二酸化炭素、水素、メタン、及びエタンからなる群から選定される少なくとも１つの要素を含む少なくとも１つのＡＰＩ調整ガスとを導入するための１つ以上のライン、又は、脱硫剤及びＡＰＩ調整ガスの両者を、少なくとも１つの高せん断装置の上流のサワーオイルに、及び／又は少なくとも１つの高せん断装置に直接導入するための１つ以上のラインを含み得る。
【００２１】
システムはさらに、少なくとも１つの脱硫剤を、少なくとも１つの分離装置から少なくとも１つの高せん断装置に再循環させるための再循環ラインを含む。実施形態において、少なくとも１つの分離装置はほぼ乾燥した硫黄製品をもたらすように構成される。実施形態において、少なくとも１つの高せん断装置は、少なくとも２つの発生器（generator）を含み、前記各発生器はロータ及び相補的形状のステータを含む。一方の発生器からもたらされるせん断速度は、他方の発生器からもたらされるせん断速度より大きい場合がある。少なくとも１つの分離装置は、遠心分離機及び濾過装置からなる群から選定され得る。実施形態において、少なくとも１つの分離装置は遠心分離機を含む。
【００２２】
実施形態において、システムは閉ループのシステムである。システムは、可動式ユニット、モジュール式ユニット、またはその両者として構成され得る。実施形態において、システムは、加熱装置、蒸留装置、沈殿槽、及びそれらの組み合わせからなる群から選定される装置を含まない。
【００２３】
上述の方法又はシステムのある実施形態は、触媒／脱硫剤の使用を削減し、流体処理能力を増加させ、より低い温度及び／圧力での操作を可能にし、及び／又は資本及び／又は操作費用を削減することにより、全体の費用削減をもたらす可能性がある。これら及び他の実施形態と、潜在的利点とは、以下の詳細説明及び図面で明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
本発明の好ましい実施形態のより詳細な説明のために、ここで添付の図面を参照されたい。
【図１】本開示の実施形態による、外部高せん断混合器／分散器を含む高せん断システムの概略図である。
【図２】開示のシステムの実施形態で使用するのに適した高せん断混合装置の長手方向の断面図である。
【図３】本開示の実施形態による、硫黄を石油から除去する方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
表記及び命名
本明細書で使用される、‘ディスパージョン（dispersion）’という用語は互いにすぐに混合及び溶解しない、少なくとも２つの区別可能な物質（又は‘相’）を含む、液化した混合物を言う。本明細書で使用される、‘ディスパージョン’は‘連続した’相（又は‘基質（matrix）’）を含み、他の相又は物質の不連続な液滴、気泡、及び／又は粒子をそこに保持する。故にディスパージョンという用語は、液体の連続した相の中に留まる気泡を含む泡、第一液体と混合しない第二液体を含む連続した相の全体に、第一液体の液滴が分散されるエマルジョン、及び、固体粒子が全体に分配される連続した液相を言う。本明細書で使用される、‘ディスパージョン’という用語は、気泡が全体に分配される連続した液相、固体粒子（例えば固体の硫黄又は触媒）が全体に分配される連続した液相、連続した相にほぼ溶解しない第二液体の液滴が全体に分配される第一液体の連続した相、固体粒子、混合しない液滴、及び気泡のうちの１つ又は組み合わせが全体に分配される液体を包含する。よって、ディスパージョンは、組み合わせのために選定された材料の種類に応じて、いくつかの場合においては同質の混合物（例えば液体／液相）、又は異質の混合物（例えば気体／液体、固体／液体、又は気体／固体／液体）として存在することができる。例えばディスパージョンは、ガス（例えばＡＰＩ調整ガス）の気泡、及び／又は混合しない相（例えば石油又は脱硫剤）の１つの流体（例えば脱硫剤又は石油）の液滴を含み得る。
【００２６】
‘全て又は一部の’という表現は、本明細書で‘全て又は全体のある割合の’又は‘全て又はいくつかの構成部分の’という意味で使用される。
【００２７】
本明細書で使用される、“脱硫剤”という用語はｐＨエンハンサ（enhancer）を含む。‘ｐＨエンハンサ’という表現は、そこに加えられたときに、溶液のｐＨを変える化合物を言う。後述で更に説明されるように、脱硫剤は塩基性又は酸性の場合がある。実施形態において、脱硫剤は塩基である。脱硫剤は腐食性である場合がある。実施形態において、脱硫剤は、アンモニア、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、硫酸アンモニウム、炭酸カルシウム、水素、過酸化水素、モノエタノールアミン（MEA）、ジグリコールアミン（DGA）、ジエタノールアミン（DEA）、ジイソプロパノールアミン（DIPA）、及びメチルジエタノールアミン（MDEA）からなる群から選定される。実施形態において、脱硫剤はアンモニア水である。実施形態において、脱硫剤は28%のアンモニア水（28%NH4OH）である。実施形態において、脱硫剤は無機塩を含む。実施形態において、脱硫剤は炭酸カルシウムを含む。実施形態において、脱硫剤は硫酸アンモニウムを含む。
【００２８】
詳細説明
概説。本明細書で石油をスウィートニングするためのシステム及び方法が開示される。スウィートニングされる石油は原油又は原油由来の石油である。システムは、反応／混合装置内で制御された環境で反応物質の急速な接触及び混合をもたらすように、外部の高せん断機械装置を含む。開示のシステム及び方法を介して、石油中の硫化水素及び硫黄化合物は乾燥した（またはほぼ乾燥した）形態の硫黄として、望ましくない排出物を生み出すことなく、除去されることが可能である。システム及び方法は油源（例えば坑井現場）で石油から硫黄を除去するために利用され得る。システムは全体がモジュール式及び／又は可動式で、原油の油源に近接してサワー原油をスウィートニングするために利用可能であることが望ましい。実施形態において、システムは閉ループとして操作可能である。
【００２９】
実施形態において、システム及び方法は、広範な（atmosphericglobal）操作条件での石油の脱硫を可能にする。開示のシステム及び方法によって生じる硫黄含有量の削減は、更なる下流での脱硫工程の必要性を無くし得る。
【００３０】
本明細書に記載の外部の高せん断装置（ＨＳＤ）又は混合器を含む反応装置アセンブリは、物質移送の制限を減らし、それにより触媒性の場合がある反応が運動学的な限界により近く達することを可能にする。高せん断の使用を介して接触を向上させることは、従来の工程とくらべて、処理能力の増加、及び／又は使用する触媒（例えば、ある実施形態ではアンモニア／硫酸アンモニウム）の量の削減を可能にすることがあり、及び／又はさもなければ起こると予想されない反応を起こすことを可能にすることがある。
【００３１】
原油をスウィートニングするための高せん断システム。硫黄を石油から除去するための高せん断システム１００は、ここで図１への参照を伴って説明され、図１は本開示の実施形態による高せん断システム１００の工程のフローチャートである。代表的システムの基本部品は外部高せん断装置（ＨＳＤ）４０及び単数もしくは複数の分離ユニット１０を含む。石油をスウィートニングするシステム１００はさらにポンプ５及び／又は油源１５を含み得る。これらの部品の各々はさらに、後述でより詳細に説明される。脱硫システム１００はモジュール式及び／又は可動式ユニット（例えばスキッド（skid）ユニット）として構成され得る。モジュール式／可動式ユニットとして構成することは、例えば坑口で利用するのに便利な場合がある。脱硫システム１００は、例えば100、250、500、900、1500、2000、3000、4000、若しくは5000gpm以上、又はそこに包含される範囲であるような、いかなる所望の体積流量に対しても設計され得る。
【００３２】
ライン２１は、原油を含む供給物をポンプ５内に導入するためにポンプ５に連結される。ライン１３はポンプ５をＨＳＤ４０に連結させ、ライン１９は高せん断処理された流れをＨＳＤ４０から運搬する。フローライン１９はＨＳＤ４０からの高せん断処理された流れが流れ込むラインである。分離ユニット１０は、例えば高せん断処理された製品のフローライン１９を介して、流動的にＨＳＤ４０に連結される。分離ユニット１０は１つ以上の流出口を含み得る。例えば、図１の実施形態では、分離ユニット１０は第一分離器流出口１６、第二分離器流出口１７、及び第三分離器流出口２０を含む。
【００３３】
後述の高せん断機の工程の記載を読むことで明らかであるように、所望により、ＨＳＤ４０と分離ユニット１０との間、又はポンプ５若しくはＨＳＤ４０の前方に付加的な部品又は処理段階を組み込むことが可能である。例えば、分離ユニット１０からの材料（例えば、ｐＨエンハンサ及び／又は脱硫材料）がＨＳＤ４０に再循環され得るように、ライン１７はライン２１、ライン２２、又はライン１３に連結されることが可能である。スウィートニングされた原油は、例えば第一分離器流出口１６を介して、システム１００から除去され得る。
【００３４】
実施形態において、１つ以上のライン２２は脱硫剤反応物質（例えばアンモニア）及び／又はＡＰＩ調整ガスをＨＳＤ４０に導入するように構成される。ライン２２は未使用の反応物質をＨＳＤ４０に直接導入する場合があり、又は未使用の反応物質をライン１３に導入する場合がある。
【００３５】
高せん断装置４０。高せん断石油脱硫システム１００は１つ以上の高せん断装置４０を含む。外部高せん断装置（ＨＳＤ）４０はまた、時には高せん断混合器と称され、ライン１３を介して流入流れを受け入れるために構成される。ライン２２は（例えば未使用の、又は分離ユニット１０から再循環された）脱硫剤、及び／又はＡＰＩ調整ガスをＨＳＤ４０に導入するように構成され得る。若しくは、ＨＳＤ４０は別途の流入ラインを介して脱硫剤と原油とを受け入れるために構成され得る。図１の実施形態では、原油をスウィートニングするためのＨＳＤが１つのみ図示されているが、システムのいくつかの実施形態は２つ以上のＨＳＤを含み得ることを理解されたい。２つ以上のＨＳＤは直列又は並列な流れで配置されることが可能である。実施形態において、原油をスウィートニングするシステム１００は単一のＨＳＤ４０を含む。
【００３６】
ＨＳＤ４０はロータ／ステータの組み合わせを含む１つ以上の発生器を利用する機械的装置で、各々はステータとロータとの間に間隙を有する。各発生器の組におけるロータとステータとの間の間隙は不変な場合もあり、調整可能な場合もある。ＨＳＤは、その中にある構成要素を回転速度で効果的に接触させることが可能なように構成される。ＨＳＤは、囲み（enclosure）又はハウジング（housing）を含んでいて、その内部の流体の圧力及び温度が制御可能である。
【００３７】
高せん断混合装置は、流体混合におけるそれらの能力に基づいて３つの一般的な階級に分類される。混合は流体内の粒子の大きさ又は不均質な種を減少させる工程である。混合の程度又は徹底性の１つの測定基準は、混合装置が流体粒子を分散させるために発生させる単位体積あたりのエネルギ密度である。階級は供給されるエネルギ密度に基づいて区分される。サブミクロンから50ミクロンの範囲の粒子サイズを有する混合物又はエマルジョンを常に生み出すのに十分なエネルギ密度を有する工業用混合器の３つの階級は、均質化バルブシステム、コロイドミル、及び高速混合器を含む。均質化バルブシステムシステムと称される第一階級の高エネルギ装置では、処理される流体は非常に高い圧力の下で間隙が狭いバルブを通り低圧力の環境に送り込まれる。バルブに亘る圧力勾配、及び結果として発生する乱流並びにキャビテーションは、流体内の粒子を壊すように作用する。これらのバルブシステムは最も一般的に牛乳の均質化で使用され、サブミクロンから約1ミクロンの平均粒子サイズを生成することが可能である。
【００３８】
エネルギ密度スペクトルの反対側にあるのは、低エネルギ装置と称される第三階級の装置である。これらのシステムは通常、処理される流体のタンク内で高速に回転するパドル又は流体ロータを有し、より一般的な用途の多くは食料製品である。これらの低エネルギシステムは、20ミクロンより大きな平均粒子サイズが、処理される流体内で許容されるときに習慣的に使用される。
【００３９】
低エネルギ装置と均質化バルブシステムとの間には、流体に供給される混合エネルギ密度の観点において、コロイドミル及び他の高速ロータ−ステータ装置があり、それらは中間エネルギ装置として区分される。一般的なコロイドミル構成は、円錐形又は円盤形のロータを含み、このロータは厳密に制御されたロータ−ステータの間隙によって相補的な液冷のステータから離されており、この間隙は一般に0.025mmから10mm（0.001-0.40インチ）である。ロータは通常、直接的な駆動又はベルト機構を通して電気モータによって駆動される。ロータは高速で回転するので、ロータの外表面とステータの内表面との間に流体を送り込み、間隙で発生したせん断力が流体を処理する。適正な調整を有する多くのコロイドミルは、処理された流体中の平均の粒子サイズを0.1から25ミクロンにする。これらの性能は、コロイドミルを様々な用途に対して適切にし、その用途は化粧品、マヨネーズ、又はシリコン／銀アマルガム形成、屋根葺き用タール材の混合に要求されるような、コロイド及び油／水ベースの乳化処理を含む。
【００４０】
ＨＳＤはその中にある反応物質に加えられる機械的な力を作り出す少なくとも１つの回転要素を含む。ＨＳＤはクリアランスによって離された少なくとも１つのステータと、少なくとも１つのロータとを含む。例えば、ロータは円錐形又は円盤形状で、相補的形状のステータから離れている。実施形態において、ロータ及びステータの両者は、相補的形状の先端を有する、周方向に間隔を置いた複数のリングを含む。リングはロータ又はステータを取り囲む単一の表面又は先端を含み得る。実施形態において、ロータ及びステータの両者は、２つより多くの周方向に間隔を置いたリング、３つより多くのリング、又は４つより多くのリングを含む。例えば、実施形態において、３つの発生器の各々は、各々３つの相補的リングを有するロータ及びステータを含み、それにより処理された材料は９つのせん断間隙又はＨＳＤ４０を横切るステージを通過する。若しくは、３つの発生器の各々は４つのリングを含む場合があり、それにより処理された材料は１２のせん断間隙又はＨＳＤ４０を横切るステージを通過する。いくつかの実施形態では、ステータは各発生器（ロータ／ステータの組）のロータとステータとの間に所望のせん断間隙を得るように調整可能である。各発生器は、所望の回転をもたらすために構成される適切な駆動システムによって駆動され得る。
【００４１】
いくつかの実施形態では、ＨＳＤ４０は単一ステージの分散チャンバ（つまり、単一のロータ／ステータ組、単一の高せん断発生器）を含む。いくつかの実施形態では、ＨＳＤ４０は複数ステージの直列分散器であり、複数の発生器を含む。ある実施形態では、ＨＳＤ４０は少なくとも２つの発生器を含む。他の実施形態では、ＨＳＤ４０は少なくとも３つの発生器を含む。いくつかの実施形態において、ＨＳＤ４０は複数ステージの混合器で、さらに後述で記載されるように、それゆえにせん断速度（先端速度に比例し、ロータ／ステータの間隙の幅に逆比例して変化する）は流れの経路に沿った長手方向の位置で変化する。
【００４２】
本開示によると、ＨＳＤ４０内の少なくとも１つの表面は、本開示に反しない全ての目的について参照によりここに導入される、米国特許出願１２／４７６，４１５号に記載されているように、所望の反応を触媒するのに適する触媒で製作、含浸、又はコーティングできる。例えば、実施形態において、少なくとも１つのロータ、少なくとも１つのステータ、又は少なくとも１つのロータ／ステータの組（つまり、少なくとも１つの発生器）の全て又は一部が適切な触媒で製作、コーティング、又は含浸される。いくつかの用途では、２つ以上の異なる触媒を利用することが望ましいことがある。このような場合、発生器は第一触媒材料で製作、含浸、又はコーティングされたロータと、第二触媒材料で製作、コーティング、又は含浸された対応するステータとを含み得る。若しくは、ロータの１つ以上のリングが第一触媒で製作、コーティング、又は含浸され、ロータの１つ以上のリングが第二触媒で製作、コーティング、又は含浸され得る。若しくは、ステータの１つ以上のリングが第一触媒で製作、コーティング、又は含浸され、ステータの１つ以上のリングが第二触媒で製作、コーティング、又は含浸され得る。ステータ、ロータ、又は両者の接触表面の全て又は一部は、触媒材料で製作又はコーティングされ得る。
【００４３】
ＨＳＤ４０の接触表面は白金のような多孔性の焼結された触媒材料から製作され得る。実施形態において、接触表面は多孔性の焼結された触媒材料でコーティングされる。用途において、ＨＳＤ４０の接触表面は焼結された材料でコーティングまたは製作され、その後所望の触媒を含浸される。焼結された材料は、セラミックであることがあり、又は例えばステンレス鋼又は擬ベーマイトのような金属粉末から作られることがある。焼結された材料の細孔はミクロン又はサブミクロンの範囲であり得る。細孔の大きさは所望の流れ及び触媒効果が得られるように選定されることが可能である。より小さな細孔の大きさは反応物質を含む流体と触媒との間の接触を改良させ得る。多孔性材料（セラミック又は焼結された金属）の細孔の大きさを変えることで、触媒の有効な表面積を所望の値に調整できる。焼結された材料は、例えば、容量パーセント約70%から容量パーセント約99%の焼結された材料、又は、容量パーセント約80%から容量パーセント約90%の焼結された材料を含み、残りの容量は細孔で占められる。
【００４４】
実施形態において、ロータ／ステータの先端によって規定されるリングは開口部（つまり、歯又は溝）を含まず、それにより、従来の分散器に概して存在する開口部又は溝を通過させることで触媒を迂回させるのではなく、反応物質のほぼ全部が焼結された材料の細孔を強制的に通される。このようにして、例えば、反応物質は焼結された材料を強制的に通され、従って触媒と接触される。
【００４５】
実施形態において、接触表面が製作される焼結された材料はステンレス鋼又は青銅を含む。焼結された材料（焼結された金属又はセラミック）は不動態化され得る。そして触媒がそこに適用され得る。触媒は業界で周知の手段によって適用され得る。そして接触表面は金属酸化物（例えばステンレス鋼）を生成するためにか焼される。第一の金属酸化物（例えばステンレス鋼酸化物）は第二金属でコーティングされ、再びか焼され得る。例えば、ステンレス鋼酸化物はアルミニウムでコーティングされ、アルミニウム酸化物を生成するためにか焼され得る。後続の処理で他の材料を与え得る。例えば、アルミニウム酸化物はシリコンでコーティングされ、か焼され、シリカをもたらす。いくつかのか焼／コーティング段階が所望の接触表面及び触媒をもたらすように利用され得る。このようにして、接触表面の形成、又は接触表面のコーティングのいずれかを行なった焼結された材料は様々な触媒を含浸し得る。例えば、他のコーティング技術は、シリコンウェーハを金属でコーティングするのに一般的に使用されるような、金属蒸着又は化学蒸着である。
【００４６】
いくつかの実施形態では、ステータとロータとの間の最小クリアランス（せん断間隙幅）は約0.025mm（0.001インチ）から約3mm（0.125インチ）の範囲である。せん断間隙は約5マイクロメートル（0.0002インチ）から約4mm（0.016インチ）の範囲の場合がある。実施形態において、せん断間隙は5、4、3、2、又は1μmの範囲である。いくつかの実施形態にでは、ステータとロータとの間の最小クリアランス（せん断間隙幅）は約1μm（0.00004インチ）から約3mm（0.012インチ）の範囲である。いくつかの実施形態では、ステータとロータとの間の最小クリアランス（せん断間隙幅）は約10μm（0.0004インチ）より小さく、約50μm（0.002インチ）より小さく、約100μm（0.004インチ）より小さく、約200μm（0.008インチ）より小さく、約400μm（0.016インチ）より小さい。ある実施形態では、ステータとロータとの間の最小クリアランス（せん断間隙幅）は約1.5mm（0.06インチ）である。ある実施形態では、ステータとロータとの間の最小クリアランス（せん断間隙幅）は約0.2mm（0.008インチ）である。ある構成では、ロータとステータとの間の最小クリアランス（せん断間隙）は少なくとも1.7mm（0.07インチ）である。ＨＳＤによって生み出されるせん断速度は流れの経路に沿った長手方向の位置で変化し得る。いくつかの実施形態では、ロータは、ロータの直径及び所望の先端速度に応じた速度で回転する。いくつかの実施形態では、ＨＳＤはステータとロータとの間に不変のクリアランス（せん断間隙幅）を有する。若しくは、ＨＳＤは調整可能なクリアランス（せん断間隙幅）を有する。
【００４７】
先端速度は、単位時間あたりにロータの先端が移動した周方向距離である。故に、先端速度はロータの直径及び回転数の関数である。先端速度（例えば毎分のメートル）は、Rをロータの半径（例えばメートル）として、ロータ先端によって描かれる円周距離2πRを回転数（例えば毎分の回転数、rpm）で掛けることで計算され得る。回転数は250rpmより大きく、500rpmより大きく、1000rpmより大きく、5000rpmより大きく、7500rpmより大きく、10,000rpmより大きく、13,000rpmより大きく、又は15,000rpmより大きいことがある。回転数、流速、及び温度は所望の製品特性を得るために調整され得る。もしチャネリングが起き、硫黄除去が不適当な場合、望ましくないチャネリングを最小にするために回転数が増加され得る。若しくは又は加えて、第一ＨＳＤからの高せん断処理された材料は第二又は後続のＨＳＤ４０に導入され得る。
【００４８】
ＨＳＤ４０は22.9m/s（4500ft/min）を超過する先端速度をもたらすことがあり、ある用途においては、40m/s（7900ft/min）、50m/s（9800ft/min）、100m/s（19,600ft/min）、150m/s（29,500ft/min）、200m/s（39,300ft/min）、又は225m/s（44,300ft/min）以上をも超過し得る。実施形態において、先端速度は約5.1m/s、23m/s、若しくは50m/sから、約23m/s、50m/s、100m/s、150m/s、200m/s、若しくは225m/sまでの範囲、又はその中の範囲（例えば、約50m/sから約225m/s）である。本開示の目的のために、‘高せん断機’という用語は、機械的なロータステータ装置（例えばコロイドミル又はロータ−ステータ分散器）を言い、この装置は先端速度が5.1m/s（1000ft/min）又は上述で示された値を超過することが可能で、反応される製品の流れに駆動エネルギを送り込むために外部の機械駆動の動力装置を必要とする。反応物質を、固定触媒で製作され、コーティングされ、又は含浸され得るロータ部材と接触させることで、大きなエネルギが反応に伝達される。ＨＳＤ４０のエネルギ消費は概して非常に低い。温度は所望の硫黄除去を生じさせるように、所望に応じて調整され得る。
【００４９】
いくつかの実施形態において、ＨＳＤ４０は少なくとも22.9m/s（4500ft/min）の先端速度で少なくとも300L/hを供給することが可能である。消費電力は約1.5kWである場合がある。ＨＳＤ４０は高速の先端速度と非常に小さなせん断間隙とを組み合わせて、処理されている材料に対して大きなせん断を生み出す。せん断の量はＨＳＤ４０内の流体の粘度に依存する。従って、ＨＳＤ４０を運転する間に、上昇した圧力及び温度の局所的な範囲がロータの先端に作り出される。いくつかの場合では、局所的に上昇した圧力は約1034.2MPa（150,000psi）である。いくつかの場合では、局所的に上昇した温度は約500℃である。いくつかの場合では、これらの局所的な圧力及び温度の上昇はナノ、若しくはピコ秒持続する。
【００５０】
流体へのエネルギ入力の近似値（kW/L/min）は、動力エネルギ（kW）及び流体の出力（L/min）を測定することで推定できる。上述のように、先端速度は、流体に加えられる機械的な力を作り出している１つ以上の回転要素の末端に関する速度（ft/min又はm/s）である。実施形態において、エネルギ消費量は少なくとも約1000W/m3、5000W/m3、7500W/m3、1kW/m3、500kW/m3、1000kW/m3、5000kW/m3、7500kW/m3、又はそれより大きい。実施形態において、ＨＳＤ４０のエネルギ消費量は、その中にある流体の立法メートルあたりで1000ワットより大きい。実施形態において、ＨＳＤ４０のエネルギ消費量は約3000W/m3から約7500kW/m3の範囲である。実施形態において、ＨＳＤ４０のエネルギ消費量は約3000W/m3から約7500kW/m3の範囲である。実際の必要なエネルギ入力は、原料を分散し混合するために要求される力学的エネルギと同様に、ＨＳＤ内で起きている反応、例えば、吸熱及び／又は発熱反応の関数である。いくつかの用途において、ＨＳＤ内で起きる発熱反応の存在は、動力入力から必要とされる反応エネルギのいくらか又はほぼ全てを軽減する。ガスを液体内に分散させるときは、エネルギの要求は著しく少ない。
【００５１】
せん断速度は先端速度をせん断間隙幅（ロータとステータとの間の最小クリアランス）で割ったものである。ＨＳＤ４０で発生するせん断速度は20,000s-1より大きいことがある。いくつかの実施形態では、せん断速度は少なくとも30,000s-1又は少なくとも40,000s-1である。いくつかの実施形態では、せん断速度は30,000s-1より大きい。いくつかの実施形態では、せん断速度は少なくとも100,000s-1である。いくつかの実施形態では、せん断速度は少なくとも500,000s-1である。いくつかの実施形態では、せん断速度は少なくとも1,000,000s-1である。いくつかの実施形態では、せん断速度は少なくとも1,600,000s-1である。いくつかの実施形態では、せん断速度は少なくとも3,000,000s-1である。いくつかの実施形態では、せん断速度は少なくとも5,000,000s-1である。いくつかの実施形態では、せん断速度は少なくとも7,000,000s-1である。いくつかの実施形態では、せん断速度は少なくとも9,000,000s-1である。ロータがより大きな直径を有する実施形態では、せん断速度は約9,000,000s-1を超過し得る。実施形態において、ＨＳＤ４０によって発生したせん断速度は20,000s-1から10,000,000s-1の範囲である。例えば、ひとつの用途では、ロータ先端速度は約40m/s（7900ft/min）で、せん断間隙幅は0.0254mm（0.001インチ）で、1,600,000s-1のせん断速度を生み出す。他の用途では、ロータ先端速度は約22.9m/s（4500ft/min）で、せん断間隙幅は0.0254mm（0.001インチ）で、約901,600s-1のせん断速度を生み出す。
【００５２】
いくつかの実施形態において、ＨＳＤ４０はコロイドミルを含む。適切なコロイドミルは例えば、ノースカロライナ州ウィルミントンのIKA（商標登録）ワークス社（IKA（商標登録）Works, Inc.）、及び、マサチューセッツ州ウィルミントンのAPVノースアメリカ社（APV North America, Inc.）で製造される。いくつかの場合では、ＨＳＤ４０はIKA（商標登録）ワークス社のDISPAX REACTOR（商標登録）を含む。
【００５３】
いくつかの実施形態では、外部ＨＳＤの各ステージは交換可能な混合具を有し、融通性を提供する。例えば、ノースカロライナ州ウィルミントンのIKA（商標登録）ワークス社とマサチューセッツ州ウィルミントンのAPVノースアメリカ社とのDR2000/4 DISPAX REACTOR（商標登録）は３ステージの分散モジュールを含む。このモジュールは、各ステージに対して微細（fine）、中間（medium）、粗（coarse）、及び超微細（super-fine）の選択を伴う３つまでのロータ／ステータの組み合わせ（発生器）を含み得る。これは流れ方向に沿ったせん断速度の変化を許容する。いくつかの実施形態では、ステージの各々は超微細発生器で作動される。
【００５４】
実施形態において、大型化されたDISPAX（商標登録）反応装置が利用される。例えば、実施形態において、ＨＳＤ４０はSUPER DISPAXREACTOR（商標登録）DRS 2000を含む。ＨＳＤユニットは毎時125,000リットルの流量を有するDR 2000/50である場合があり、又は40,000リットル／時の流量を有するDRS 2000/50の場合もある。DRSユニット内で滞留時間が増加するので、その中の流体はより多くのせん断の影響を受ける。ここで図２を参照すると、適切なＨＳＤ２００の長手方向の断面図が示される。図２のＨＳＤ２００は３つのステージすなわちロータ−ステータの組み合わせ２２０、２３０、及び２４０を含む分散装置である。ロータ−ステータの組み合わせは発生器２２０、２３０、２４０又は制限のないステージとして既知であろう。３つのロータ／ステータの組、すなわち発生器２２０、２３０、及び２４０は駆動軸２５０に沿って直列に並んでいる。
【００５５】
第一発生器２２０はロータ２２２及びステータ２２７を含む。第二発生器２３０はロータ２２３及びステータ２２８を含む。第三発生器２４０はロータ２２４及びステータ２２９を含む。各発生器について、ロータは入力２５０によって回転可能に駆動され、矢印２６５に示されるように軸２６０周りに回転する。回転方向は矢印２６５に示されるものと反対の場合もある（例えば、回転軸２６０周りに時計回り又は反時計回り）。ステータ２２７、２２８、及び２２９はＨＳＤ２００の壁２５５に固定可能に結合され得る。本明細書で上述のように、各ロータ及びステータは相補的形状の先端のリングを含むことがあり、各発生器内のいくつかのせん断間隙をもたらす。
【００５６】
本明細書で上述のように、各発生器はロータとステータとの間の最小距離であるせん断間隙幅を有する。図２の実施形態では、第一発生器２２０は第一せん断間隙２２５を含み、第二発生器２３０は第二せん断間隙２３５を含み、第三発生器２４０は第三せん断間隙２４５を含む。実施形態において、せん断間隙２２５、２３５、２４５は約0.025mmから約10mmの範囲の幅を有する。若しくは、処理は、間隙２２５、２３５、２４５が約0.5mmから約2.5mmの範囲の幅を有するＨＳＤ２００の利用を含む。ある場合においては、せん断間隙幅は約1.5mmで維持される。若しくは、せん断間隙２２５、２３５、２４５の幅は、発生器２２０、２３０、２４０によって異なる。ある場合においては、第一発生器２２０のせん断間隙２２５の幅は、第二発生器２３０のせん断間隙２３５の幅より大きく、このせん断間隙２３５の幅は一方で第三発生器２４０のせん断間隙２４５の幅より大きい。上述のように、各ステージの発生器は交換可能で、融通性を提供する。ＨＳＤ２００は、せん断速度が同じに留まる、又は流れの方向２６０に沿って長手方向に段階的に増加若しくは減少するように構成され得る。
【００５７】
発生器２２０、２３０、及び２４０は粗、中間、微細、及び超微細の特徴を含み、ロータ及び相補的ステータ上に異なる数の相補的リング又はステージを有する。ロータ２２２、２２３、及び２２４、並びにステータ２２７、２２８、及び２２９は歯付の設計であることがある。各発生器は２つ以上の組の相補的ロータ−ステータリングを含み得る。実施形態において、ロータ２２２、２２３、及び２２４は３つ以上の組の相補的ロータ／ステータリングを含み得る。実施形態において、ロータ及びステータは歯を含まず、故に反応物質を多孔性材料の細孔に強制的に通す。
【００５８】
ＨＳＤ４０は大型又は小型の装置の場合がある。実施形態において、システム１００は毎分100ガロンより少ない量から毎分5000ガロンより多い量を処理するために使用される。実施形態において、１つ以上のＨＳＤ４０は少なくとも100、500、750、900、1000、2000、3000、4000、5000gpm又はそれより多くを処理する。大型のユニットは1000gal/h（24バレル/h）を生み出し得る。ロータの内径は所望の用途に適するサイズであり得る。実施形態において、ロータの内径は約12cm（4インチ）から約40cm（15インチ）である。実施形態において、ロータの直径は約6cm（2.4インチ）である。実施形態において、ステータの外径は約15cm（5.9インチ）である。実施形態において、ステータの直径は約6.4cm（2.5インチ）である。いくつかの実施形態において、ロータは直径60cm（2.4インチ）で、ステータは直径6.4cm（2.5インチ）で、約4mmのクリアランスをもたらす。ある実施形態では、３つのステージの各々は多数の組の相補的ロータ／ステータリングを含む超微細発生器で運転される。
【００５９】
ＨＳＤ２００は流入口２０５でライン１３から流体の混合物を受け入れるために構成される。さらに後述で説明されるように混合物は反応物質を含む。実施形態において、反応物質は石油及び脱硫剤を含む。実施形態において、反応物質は原油及び脱硫剤を含む。実施形態において、反応物質は原油及びアンモニア水を含む。実施形態において、反応物質は原油及び硫酸アンモニウムを含む。実施形態において、反応物質は原油及び水酸化カリウムを含む。実施形態において、反応物質は原油及び腐食剤を含む。実施形態において、さらに後述で説明されるように、反応物質はさらに少なくとも１つのＡＰＩ調整ガスを含む。流入口２０５に入る供給流れは、スウィートニングされた石油の製品が生み出されるように、発生器２２０、２３０、そして２４０へ次々と送り込まれる。製品は流出口２１０（及び図１のライン１９）を介してＨＳＤ２００を出る。各発生器のロータ２２２、２２３、２２４は、固定されたステータ２２７、２２８、２２９と比べて高速で回転し、高いせん断速度をもたらす。ロータの回転は、流入口２０５に入る供給流れのような流体を、せん断間隙を通って（そして、存在するときは、ロータの歯の間の間隙及び、ステータの歯の間の間隙を通って）外向きに送り込み、局所的な高せん断状態を作り出す。流体が流れるせん断間隙２２５、２３５、及び２４５内（そして、存在するときは、ロータの歯とステータの歯との間の間隙内）の流体にかかる高せん断力が流体を処理し、脱硫された石油製品を作り出す。製品はスウィートニングされた石油及び放出された硫黄を含むエマルジョンを含み得る。後述で説明されるように、高せん断処理された流れ１９は使用された脱硫剤、過剰脱硫剤、変性した脱硫剤、又はそれらの組み合わせのいくつかを含み得る。製品は高せん断流出口２１０（図１のライン１９）を介してＨＳＤ２００を出る。
【００６０】
上述のように、ある場合においては、ＨＳＤ２００はノースカロライナ州ウィルミントンのIKA（商標登録）ワークス社、及び、マサチューセッツ州ウィルミントンのAPVノースアメリカ社のDISPAXREACTOR（商標登録）を含む。様々な流入口／流出口接続、馬力、先端速度、出力rpm、及び流量を有する、いくつかの型が入手可能である。ＨＳＤの選定は、例えば処理能力の選定に依存する。例えばIKA（商標登録）DR2000/4型は、ベルト駆動、4M発生器、PTFEシーリングリング、流入口フランジの25.4mm（1インチ）サニタリクランプ、流出口フランジの19mm（3/4インチ）サニタリクランプ、2HP動力、7900rpmの出力速度、流量（水）およそ300―700L/h（発生器に依る）、及び9.4-41m/s（1850ft/minから8070ft/min）の先端速度を含む。大型化は複数のＨＳＤを使用する、又はより大きなＨＳＤを利用することで実行され得る。より大きな型を使用する大型化は容易に実行され、より大きなＨＳＤユニットによる結果は、実験室規模の装置の効率に対して、いくつかの場合において改良された効率をもたらし得る。大型ユニットはDISPAX（商標登録）2000/ユニットである場合がある。例えば、DRS2000/5ユニットは51mm（2インチ）の大きさの流入口、及び38mm（1.5インチ）の流出口を有する。
【００６１】
実施形態において、ＨＳＤ４０又はその部分は耐火性／耐腐食性材料から製造される。例えば、焼結された金属、INCONEL（商標登録）合金、HASTELLOY（商標登録）材料が使用され得る。例えば、脱硫剤は非常に腐食性が高いことがあるため、様々な用途において、ＨＳＤ４０のロータ、ステータ、及び／又は他の部品は耐火性材料（例えば焼結された金属）で製造され得る。
【００６２】
分離ユニット１０。石油脱硫システム１００は１つ以上の分離ユニット１０を含む。分離ユニット１０は異なる密度の相及び／又は材料を分離するために構成されるどのようなタイプの分離器でも可能である。実施形態において、分離ユニット１０は遠心分離機、上デカンタ、及び濾過ユニットから選定される。実施形態において、分離ユニット１０は１つ以上の遠心分離機を含む。実施形態において、分離ユニット１０は単一の遠心分離機を含む。実施形態において、分離ユニット１０は１つ以上の濾過ユニットを含む。分離ユニット１０は連続的に、ほぼ連続的に、又はバッチ式で運転可能である。１つ以上の分離ユニット１０は直列に又は並列に構成され得る。並列運転のために、流出ライン１９は高せん断処理された製品を複数の分離ユニット１０に導入するように分枝させても良い。実施形態において、分離ユニット１０で分離される成分は、硫黄、スウィートニングされた石油、脱硫剤、又はそれらの組み合わせから選定される。図１の実施形態では、分離ユニット１０は第一分離流出ライン１６、第二分離流出ライン１７、第三分離流出ライン２０を含む。
【００６３】
分離ユニット１０は、分離器設計の業界で周知のように、次の構成要素のうち１つ以上を含み得る。加熱及び／又は冷却性能、圧力測定器具類、温度測定器具類、１つ以上の注入口、及び液面調整装置。例として、加熱及び／冷却器具は例えば熱交換器を含み得る。
【００６４】
熱伝達装置。処理される流体を加熱するための内部又は外部の熱伝達装置はまた、様々なシステムで検討される。例えば、反応物質は当業者に周知のいかなる方法によっても予熱され得る。１つ以上のこのような熱伝達装置に適切ないくつかの位置は、ポンプ５とＨＳＤ４０との間、ＨＳＤ４０とフローライン１９との間、及び、第二分離器流出口１７の流体がＨＳＤ４０に再循環されるときはフローライン１７とポンプ５との間である。ＨＳＤは、ＨＳＤ内部の温度を部分的又は完全に制御するために、冷却、例えば水冷される、内部シャフトを有することがある。このような熱伝達装置のいくつかの非限定的な例は、当技術で周知のように、シェル、チューブ、プレート、コイル熱交換器である。
【００６５】
ポンプ。高せん断石油脱硫システム１００はポンプ５を含み得る。ポンプ５は連続的又はほぼ連続的な操作のいずれかのために構成され、ＨＳＤ４０及びシステム１００を通る制御された流れをもたらすことが可能ないかなる適切なポンプ装置であっても良い。用途において、ポンプ５は202.65kPa（2atm）より大きな圧力、又は303.97kPa（3atm）より大きな圧力をもたらす。ポンプ５はロジャーポンプカンパニー（Roger Pump Company）（ジョージア州、コマース）のロジャータイプ（Roger Type）1ギアポンプである場合があり、デイトンエレクトリック社（Dayton Electric Co）（イリノイ州、ナイルズ）のデイトン増圧ポンプ（Dayton PressureBooster Pump）2P372E型は１つの適切なポンプである。ポンプの全ての接触部分は、例えば316ステンレス鋼のような、ステンレス鋼を含むのが好ましい。システムのいくつかの実施形態では、ポンプ５は約2026.5kPa（20atm）より大きな圧力の性能がある。ポンプ５に加えて、１つ以上の付加的な高圧ポンプが図１に図示されるシステムに含まれ得る。例えば、ポンプ５に類似し得るブースターポンプが、フローライン１９への圧力を増加させるために、ＨＳＤ４０及びフローライン１９に含まれる場合がある。油源１５が油井であるとき、つまり、高せん断システム１００が油井の近くに位置するとき、原油は圧力下で導入され、ポンプ５は利用されない場合がある。
【００６６】
合成ガスを生み出すための高せん断工程。石油をスウィートニングする工程はここで図３について説明され、図３は本開示の実施形態によるスウィートニングされた石油の生成方法３００の概略である。工程３００は、３１０で石油及び脱硫剤を供給すること、３２０で石油と脱硫剤とを密に混合し高せん断処理された流れを生み出すこと、及び、３３０で高せん断処理された流れからスウィートニングされた石油を抽出することを含む。硫黄除去システムは閉ループとして操作可能である。実施形態において、開示の方法を介して石油を脱硫するために、蒸溜、沈殿槽、及び／又は外部加熱は要求されない。
【００６７】
スウィートニングされる石油及び脱硫剤の供給３１０。工程３００はスウィートニングされる石油の供給、及び脱硫剤３１０の供給を含む。スウィートニングされる石油は原油である場合がある。処理される石油は油井からの抽出に従って直接導入され、故に上昇した温度及び／又は圧力を有することがある。実施形態において、加熱が利用されず、システムは大気温にさらされる。実施形態において、油源１５は油井を含む。実施形態において、スウィートニングされる石油は貯蔵ユニット内に保持される。故に、実施形態において、当技術で周知のように、油源１５は貯蔵槽を含む。
【００６８】
スウィートニングされる石油は有機的及び／又は無機的形態の硫黄を含み得る。例えば、スウィートニングされる石油は、例えば、硫化水素、有機硫化物、有機ジスルフィド、メルカプタン（チオールとしても知られる）、並びに、チオフェン、ベンゾチオフェン、及び関連化合物のような芳香環化合物を含み得る。芳香環化合物中の硫黄は、ここでは‘チオフェン硫黄’と称される。油頁岩から抽出された液体油は、タールサンド由来の液体油と同様に合成原油と称される。スウィートニングされる石油は石油又は合成原油である場合がある。スウィートニングされる石油は精製油又は使用済みの精製油である場合がある。処理される石油はまた、塩化物、水銀、バナジウム、及び／又は、後述で説明されるように、開示の硫黄除去工程の間に有利に除去され得る他の重金属を含み得る。
【００６９】
実施形態において、スウィートニングされる石油を供給することは、１つ以上の原油を供給することを含む。原油は、一般的に微量金属と同様に少量の硫黄、窒素、及び炭化水素の酸素誘導体を含む、炭化水素の複合混合物を自然に生じている。原油は、外見及び組成形態が油田によって変化する、多くの異なる炭化水素化合物を含む。原油は、粘稠度が水からタールのような固体、色が透明から黒の幅がある。‘平均的な’原油は約84%の炭素、14%の水素、1%-3%の硫黄、及び1%より少ない、窒素、酸素、金属、及び塩の各々を含む。原油は概して、同様の炭化水素分子の主な割合に基づいて、パラフィン基、ナフテン基、芳香族基として区分される。混合基原油は、様々な量の炭化水素の各タイプを含む。精製油のベースストック（base stock）は通常２つ以上の異なる原油の混合物を含む。
【００７０】
比較的単純な原油分析は、原油をパラフィン基、ナフテン基、芳香族基、又は混合基として区分するのに使用される。１つの分析方法（アメリカ鉱山局）は蒸溜に基づき、他の方法（UOPの’K’ファクター）は比重及び沸点に基づく。より包括的な原油分析は、原油の価値（つまり、有効な製品の産出量と質）及び処理パラメータを推定するのに利用され得る。原油は一般的に産出構造によって分類される。
【００７１】
原油はまた、ＡＰＩ（アメリカ石油協会）比重の観点で規定される。ＡＰＩ比重は石油製品の密度を表す任意の尺度である。ＡＰＩ比重が高いほど、原油は軽質である。例えば、軽質な原油はＡＰＩ比重が高く、比重が低い。低炭素で、高水素で、ＡＰＩ比重が高い原油は通常、パラフィンが豊富で、より大きな比率のガソリン及び軽質石油製品を発生する傾向があり、一方で、高炭素で、低水素で、ＡＰＩ比重が低いものは芳香族化合物が豊富である。
【００７２】
相当量の硫化水素、又は他の反応性硫黄化合物を含む原油は‘サワー’と称される。より少ない硫黄を含む原油は‘スウィート’と称される。この規定に対する重要な例外は、その硫化水素の含有量に関わらず常に‘サワー’と見なされるウェストテキサス原油、及び、そこに含まれる硫黄化合物は反応性が高くないので‘サワー’と見なされないアラビアの高硫黄原油である。３１０で原油を供給することは、サワー原油から１つ以上を選定したものを供給することを含む。サワー原油は、低ＡＰＩ原油、高ＡＰＩ原油、中ＡＰＩ原油、パラフィン基原油、ナフテン基原油、芳香族基原油、混合基原油、又はそれらの組み合わせである場合がある。表１は、様々な原油の一般的な特徴、特性、及びガソリン性能を示す。実施形態において、３１０でスウィートニングされる石油を供給することは、表１に示されるものと同様の１つ以上の石油を供給することを含む。
【表１】
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【００７３】
スウィートニングされる石油は約5、4、3、2、又は1重量パーセントの硫黄を含み得る。実施形態において、スウィートニングされる石油は約0.2から約20ppmの硫黄を含む。実施形態において、スウィートニングされる石油は約0.2から約10ppmの硫黄を含む。実施形態において、スウィートニングされる石油は約5から約10ppmの硫黄を含む。実施形態において、スウィートニングされる石油は約0.1から約5ppmのチオフェン硫黄を含む。
【００７４】
３１０でスウィートニングされる石油及び脱硫剤を供給することは、少なくとも１つの脱硫剤を供給することを含む。実施形態において、石油及び脱硫剤を供給することは、石油と脱硫剤とが50:50の体積の混合物を供給することを含む。実施形態において、脱硫剤は塩基である。脱硫剤は腐食性の場合がある。実施形態において、脱硫剤は、アンモニア、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、硫酸アンモニウム、炭酸カルシウム、水素、過酸化水素、モノエタノールアミン（MEA）、ジグリコールアミン（DGA）、ジエタノールアミン（DEA）、ジイソプロパノールアミン（DIPA）、及びメチルジエタノールアミン（MDEA）からなる群から選定される。実施形態において、脱硫剤はアンモニア水である。実施形態において、脱硫剤は28%のアンモニア水（28%NH4OH）である。実施形態において、脱硫剤は無機塩類を含む。実施形態において、脱硫剤は炭酸カルシウムを含む。実施形態において、脱硫剤は硫酸アンモニウムを含む。硫酸アンモニウムは（アンモニア水がＨＳＤ４０に脱硫剤として最初に導入されるとき）ＨＳＤ４０内で形成され、脱硫剤として使用するために再循環され得る。若しくは、硫酸アンモニウムは購入されＨＳＤ４０に導入されることがある。若しくは、硫酸アンモニウムは、例えば乾燥した硫酸アンモニウム及び水から、その場で生み出され得る。
【００７５】
石油と脱硫剤との密な混合３２０。工程３００は３２０で、スウィートニングされる石油と脱硫剤とを密に混合することを含む。密に混合することは、高せん断処理された流れを生み出すために、スウィートニングされる石油及び脱硫剤を高せん断にさらすことを含む。実施形態において、スウィートニングされる石油及び脱硫剤を高せん断にさらすことは、さらに後述で説明されるように、少なくとも10,000s-1、少なくとも20,000s-1、少なくとも30,000s-1、又はそれより大きなせん断速度にさらすことを含む。実施形態において、石油と脱硫剤との密な混合３２０は、図１に示されるように、スウィートニングされる石油（例えばライン２１及び１３を介して）と、脱硫剤（例えばライン２２を介して）とをＨＳＤ４０に導入することを含む。
【００７６】
ここで図１を参照すると、石油と脱硫剤との密な混合３２０は、スウィートニングされる石油を油源１５からＨＳＤ４０に導入することを含み得る。ポンプ５は石油をＨＳＤ４０に送り込むために使用される。脱硫剤はライン２２又はシステム１００全体の他の場所から、ライン１３に導入され得る。例えば、未使用の又は補給（makeup）のアンモニアがライン２２を介して導入され得る。実施形態において、ガスがスウィートニングされる石油及び脱硫剤と共にＨＳＤ４０に導入される。例えばガスは、ライン２２を介して、付加的な流入ラインを介してＨＳＤ４０に導入されることがあり、ＨＳＤ４０に直接導入されることがあり、又は油源１５から導入された石油中に存在することがある。ライン２２が脱硫剤を導入するために利用されるとき、第二ラインがガスをライン１３に導入し得る。
【００７７】
脱硫剤と共にガスをＨＳＤ４０に導入することは、結果としてスウィートニングされた原油のＡＰＩを変化させるために利用され得る。概して、原油の製油は大幅な量の製油関連ガスを生み出す。概して原油の5%ほどが、製油作業中に様々なガスに変換される。このようなガスは一般的に燃料として使用されるか、燃焼される。特に次第に排出制約が厳しくなっていることを考慮すると、このようなガスをＡＰＩの向上のために使用することは、このようなガスを燃焼するより望ましい場合がある。加えて、ＡＰＩ調整ガスを脱硫剤と共にＨＳＤを通過させることは、ガスを清浄する（つまり（硫化水素のような）硫黄をそこから除去する）のに役立つことがある。ガスの大部分はＨＳＤ内の反応で消費され得る。残ったガスはＨＳＤ４０に再循環される、燃焼される、又は燃料として使用される。
【００７８】
方法は、原油をその中にある揮発性化合物を減らすことでＡＰＩ比重を変化させ、及び／又は安定させ、またそこからの硫黄を除去することで石油をスウィートニングするのに役立つことがある。ガスを加えなくても、スウィートニングされる石油と脱硫剤とを密に混合することは効果的にＡＰＩ比重を上昇させ得ることに留意されたい。例えば、チオフェン化合物を含む原油から硫黄を除去することは、そこに導入されたサワー原油より高いＡＰＩ比重を有するスウィートニングされた石油をもたらし得る。
【００７９】
製油関連ガスは、様々な量の、例えば、二酸化炭素、一酸化炭素、水素、メタン、エタン及び／又は硫化水素を含み得る。実施形態において、ＡＰＩ調整ガスは二酸化炭素であり、又は二酸化炭素を含む。加えて、原油は随伴ガスとともに地中から抽出され得る。随伴ガスは、タンク内に存在する高圧の原油に溶解したガス、又は石油上にガスキャップとして存在するガスである。随伴ガスは天然ガスを含む。非随伴ガスもまた利用可能な場合がある。本明細書で‘非随伴ガス’という表現は、業界で周知のように、石油が存在しないタンク内で得られるガスを言う。脱硫剤と共にＨＳＤに導入されるガスは、FCCオフガス、熱分解ガス、随伴ガス、水素化脱硫オフガス、接触分解オフガス、熱分解オフガス、非随伴ガス、及びそれらの組み合わせから選定され得るが、それらに限定はされない。例えば、製油におけるFCC触媒の再生によっては、かなりの量のCO及び／又はCO2を生み出し、これらは脱硫剤と共にＨＳＤに導入され得る。ガスは随伴ガス、非随伴ガス、製油関連ガス、メタン、エタン、一酸化炭素、二酸化炭素、水素、及びそれらの組み合わせから選定され得る。実施形態において、随伴ガスと共に地中から抽出された原油は、安定性及び／又はそのＡＰＩ比重を調整し、そこから硫黄を除去するために、ＨＳＤ４０を介して脱硫剤と密に混合される（圧力低減前が望ましい）。実施形態において、地中から抽出された原油（随伴ガスを伴う、又は伴わない）は、その安定性／ＡＰＩ比重を調整し、そこから硫黄を除去するために、ＨＳＤ４０を介して非随伴ガス及び脱硫剤と密に混合される。ＨＳＤ４０内の硫黄の除去はガスと原油との相互作用を増幅し、ＨＳＤ４０に導入されたガスの相当な量が消費され得る。原油におけるバナジウム及び触媒特性を有する他の金属の存在は、原油とＡＰＩ調整ガスとの反応を増幅させ得る。
【００８０】
ここで図１を参照すると、存在するとき、ポンプ５はスウィートニングされる石油をライン１３を通して送り込み、圧力を増加させてＨＳＤ４０に供給するように作動でき、高せん断機（ＨＳＤ）４０及び高せん断システム１００全体に制御された流れをもたらす。いくつかの実施形態では、ポンプ５はライン１３内のＨＳＤ流入流れの圧力を200kPa（2atm）より大きく、又は約300kPa（3気圧）より大きく増加させる。このように、高せん断システム１００は、合成ガスの生産を増幅させるために、高せん断と圧力とを組み合わせることがある。上述のように、原油が坑口又は坑井現場でスウィートニングされるとき、石油は地中から抽出されるのに適した圧力を有することがあり、この場合、ポンプ５は利用されない。
【００８１】
高せん断装置４０内で、脱硫剤と任意でＡＰＩ調整ガスとが、スウィートニングされる石油と密に混合される。ＨＳＤ４０内の温度、せん断速度、及び／又は滞留時間は所望の硫黄除去を生じさせるために制御され得る。例えば、操作パラメータは、所望より少ない硫黄含有量を有するスウィートニングされた石油を生み出すように選定／調整され得る。所望の硫黄含有量は2重量パーセントの硫黄より少なく、1.5重量パーセントの硫黄より少なく、1.0重量パーセントの硫黄より少なく、0.75重量パーセントの硫黄より少なく、0.5重量パーセントの硫黄より少なく、又は約0.25重量パーセントの硫黄より少ないもので有り得る。
【００８２】
石油及び脱硫剤（及び任意でＡＰＩ調整ガス）を高せん断にさらすことは、脱硫剤若しくは石油の液滴、又はＡＰＩ調整ガスの気泡を含む、エマルジョン又はディスパージョンをもたらし得る。実施形態において、液体のナノの液滴及び／又はミクロの液滴、及び／又は、ＡＰＩ調整ガスのナノの気泡及び／又はミクロの気泡を含む、エマルジョン又はディスパージョンが形成される。実施形態において、エマルジョン中内の液滴、及び／又はディスパージョン内の気泡は、約5、4、3、2、又は1μmより小さい平均直径を有する。実施形態において、エマルジョン内の液滴、及び／又はディスパージョン内の気泡は、ナノメートルの範囲、ミクロンの範囲、又はサブミクロンの範囲の平均粒径を有する。
【００８３】
ＨＳＤ内で、内容物が高せん断にさらされる。例となる実施形態において、高せん断装置は、上述のように、高せん断で、ステータと組み合わされた3つのロータで構成され、直列に並んだ、3ステージの分散装置で、IKA（商標登録）DR2000/4型のような、市販の分散器を含む。分散器は内容物を高せん断にさらすために使用される。ロータ／ステータの組は、例えば図２に図示されるように構成される。このような実施形態において、供給はライン１３を介して高せん断装置に入り、周方向に間隔を置いた第一ステージせん断開口部を有する第一ステージのロータ／ステータの組み合わせに入る。第一ステージを出る粗混合物は、第二ステージせん断開口部を有する、第二ロータ／ステータステージに入る。第二ステージから出る混合物は、第三ステージせん断開口部を有する第三ステージのロータ／ステータの組み合わせに入る。発生器のロータ及びステータは周方向に間隔を空けた相補的形状のリングを有することがある。高せん断処理された流れはライン１９を介して高せん断装置を出る。いくつかの実施形態では、せん断速度は流れの方向２６０に沿って段階的に長手方向に、又は１つの発生器のリングの内側の組から、同じ発生器のリングの外側の組に向けて増加する。他の実施形態では、せん断速度は流れ方向２６０に沿って段階的に長手方向に、又は１つの発生器のリングの内側の組から、同じ発生器のリングの外側の組（軸２００から外側）に向けて減少する。例えば、いくつかの実施形態では、第一ロータ／ステータステージのせん断速度は後続のステージのせん断速度より大きい。例えば、いくつかの実施形態では、第一ロータ／ステータステージのせん断速度は、次のステージのせん断速度より大きい、又は小さい。他の実施形態では、せん断速度は流れ方向に沿ってほぼ一定で、ステージまたは複数のステージで同じである。もしＨＳＤ４０が例えばPTFEシールを含むならば、シールは業界で周知の適切な技術を使用して冷却され得る。ＨＳＤ４０はＨＳＤ４０内の温度を制御するのに使用され得るシャフトを中心に含み得る。例えば、ライン２２を流れる脱硫剤はシールを冷却するために使用され、その際、高せん断装置に入る前に予熱され得る。
【００８４】
ＨＳＤ４０のロータは、ロータの直径及び、所望の先端速度に応じた速度で回転するように設定される。上述のように、ＨＳＤ（例えばコロイドミル又は歯付のリム分散器）はステータとロータとの間に不変のクリアランス、又は調整可能なクリアランスのいずれかを有する。
【００８５】
いくつかの実施形態では、ＨＳＤ４０は、少なくとも22m/s（4500ft/min）、40m/s（7900ft/min）、及び225m/s（45,000ft/min）以上を超過し得る公称先端速度で少なくとも300L/hを供給する。消費電力は所望に応じて約1.5kW以上の場合がある。ＨＳＤ４０の回転せん断ユニット又は回転要素の先端における瞬間的な温度及び圧力を測定するのは難しいが、密に混合された反応物質によって見られる局所的な温度は、高せん断状態の下で500kg/cm2を超過する圧力で、500℃を超過することがあると推定される。
【００８６】
温度、圧力、空間速度、ＡＰＩ調整ガス組成、及び／又は脱硫剤とスウィートニングされる石油の比率の状態は、所望の硫黄除去を生じさせるように調整され得る。このようなパラメータは、処理される原油の組成が変化するのに合わせて調整され得る。いくつかの実施形態では、操作温度及び圧力は、原油が坑口を出る温度及び圧力によって定められる。ＨＳＤ内の滞留時間は一般的に低い。例えば、滞留時間はミリ秒の範囲であることがあり、約10、20、30、40、50、60、70、80、90、又は約100ミリ秒である場合があり、約100、200、300、400、500、600、700、800又は約900ミリ秒である場合があり、秒の範囲であることがあり、又はその間の範囲であることがある。
【００８７】
上述のように、原油と脱硫剤とを密に混合することは、原油を１つ以上のＨＳＤ４０を通過させることを含む。原油と脱硫剤とを密に混合することは、原油を直列又は並列の２つ以上のＨＳＤ４０を通過させることを含む。原油と脱硫剤とを密に混合することは、原油を直列及び／又は並列の３つ以上のＨＳＤ４０を通過させることを含む。付加的なＡＰＩ調整ガス及び／又は脱硫剤は各後続のＨＳＤに導入され得る。
【００８８】
理論により限定する意思はないが、アンモニア水及び／又は硫酸アンモニウムが脱硫剤としてＨＳＤ４０に導入されると、ＨＳＤ４０内に存在する硫酸アンモニウムが繰り返し硫黄を放出し、さらなる硫黄を石油から抽出する。硫黄元素の存在は、塩化物、水銀、バナジウム、及びスウィートニングされる石油に存在し得る他の重金属の除去を生じさせるであろう。故に、硫黄除去は開示のシステム及び方法を介して、塩化物、及び／又は重金属の除去と組み合わされ得る。
【００８９】
理論により限定する意思はないが、ＨＳＤ４０内の状態は、さもなければ熱力学的に好ましくない反応を発生させると考えられる。実施形態において、ＨＳＤ４０に導入される脱硫剤はアンモニア水又は硫酸アンモニウムを含む。ＨＳＤ４０内で形成された、又は脱硫剤として導入された（例えば、さらに後述で説明されるようにライン２２を介してＨＳＤ４０に導入された、又は分離ユニット１０から再循環された）硫酸アンモニウムは連続して石油から硫黄を除去する。故に硫酸アンモニウムは脱硫での触媒として考えられ、継続的に硫黄を石油から除去し、硫黄元素を解放し（せん断／圧力による）、後続の硫黄分子を石油から抽出する。
【００９０】
スウィートニングされた石油の分離３３０。高せん断の硫黄除去方法３００はさらにスウィートニングされた石油の抽出３３０を含む。スウィートニングされた石油の抽出３３０は、スウィートニングされた石油を高せん断処理された流れ１９から分離することを含む。密に混合する間３２０、脱硫剤は新しい形態に変換され得る。例えば、未使用のアンモニア水がスウィートニングされる石油と共にＨＳＤ４０に導入されると、ＨＳＤ４０内で硫酸アンモニウムが生じる。故に、スウィートニングされた石油の抽出は、スウィートニングされた石油を硫黄及び脱硫剤から分離することを含み、この脱硫剤はＨＳＤ４０に最初に導入された同じ脱硫剤を含むことがあり、又はＨＳＤ４０内で形成された脱硫剤（例えば硫酸アンモニウム）を含むことがある。実施形態において、脱硫剤は第二分離器流出口１７を介して分離ユニット１０から抽出され、スウィートニングされた石油は第一分離器流出口１６を介して分離ユニット１０から除去され、（固体の）硫黄は第三分離器流出口２０を介して分離ユニット１０から除去される。上述のように、実施形態において、ＡＰＩ調整ガスは脱硫剤及び石油と共にＨＳＤ４０に導入される。未反応のガス又は生成されたガスは、分離ユニット１０の上流で除去されることがあり、又は分離ユニット１０から除去されることがある。いかなる未反応又は生成ガスも、所望に応じてＨＳＤ４０又は異なるＨＳＤに再循環され、又は燃料として使用され若しくは燃焼され得る。
【００９１】
上述で説明されるように、分離ユニットは遠心分離機、濾過装置（例えば、フィルタプレス）、デカンタ、及びそれらの組み合わせから選定され得る。実施形態において、分離ユニット１０は１つ以上の遠心分離機である。
【００９２】
実施形態において、ＨＳＤ４０に導入された、又はそこで形成された脱硫剤は硫黄除去工程において触媒として作用する。このような場合において、例えば、アンモニア水を含む脱硫剤がＨＳＤ４０に導入される（そしてＨＳＤ４０内で硫酸アンモニウムが形成される）と、又は硫酸アンモニウムがＨＳＤ４０に導入されると、高せん断処理された流れ１９から分離された脱硫剤は、第二流出ライン１７の内容物の一部がＨＳＤ４０に再循環され得るよう、第二流出口１７をライン２２、ライン２１、又はライン１３と流動的に接続することにより、又は、ライン１７の内容物（又はその一部）を直接ＨＳＤ４０に導入することにより、分離ユニット１０からＨＳＤ４０に再循環される。分離された脱硫剤はＨＳＤ４０に導入された同じ脱硫剤（例えば、ＨＳＤ４０に導入された未反応のアンモニア水又は硫酸アンモニウム）又は、ＨＳＤ４０内で形成された脱硫剤（例えば、アンモニア水をＨＳＤ４０に導入することでＨＳＤ４０内で形成された硫酸アンモニウム）を含み得る。脱硫剤の再循環は、脱硫で利用される脱硫剤の量を減らすために、望ましい場合がある。例えば、初めにアンモニア水がライン２２を介してＨＳＤ４０に導入され得る。ＨＳＤ４０内で硫酸アンモニウムが形成され、それはスウィートニングされるオイルから硫黄をそれぞれ抽出する。硫酸アンモニウムは（第一流出口１６を介して分離ユニット１０を出る）スウィートニングされた石油製品及び、（第三流出口２０を介して分離ユニット１０を出る）固体の除去された硫黄から分離され、硫酸アンモニウムのいくらか、又は全てがＨＳＤ４０に再循環される。このような場合において、未使用のアンモニア水を導入することは、十分な硫酸アンモニウムが生成されてＨＳＤ４０に再循環するのに利用可能であるときに、終了し得る。これは、例えば、アンモニア水は注意深く取り扱われなくてはならず、そして特に大規模運転のために、未使用の脱硫剤を多量に使用するよりも再循環された材料を利用することで、費用を大幅に減らすことができるので望ましい。硫酸アンモニウムが販売製品として又は他で使用するのに望ましいのであれば、硫酸アンモニウムは再循環されないことがある。若しくは、又は加えて、硫酸アンモニウムはシステム１００を通して再循環され、硫黄は主に硫黄元素（例えば硫黄結晶）として除去される。
【００９３】
他の実施形態では、脱硫剤は運転の間に使い尽くされ、変化した脱硫剤は再循環されずに、第二流出口１７を介してシステム１００から除去される。例えば、腐食剤が脱硫剤として利用されるとき、逆反応（reverse）せず石油から更なる硫黄を抽出しないNaClが形成されることがある。このような場合では、必要に応じて、運転の間に未使用の腐食剤がＨＳＤ４０に連続して導入される必要がある。
【００９４】
スウィートニングされた石油の生産。分離ユニット１０から除去されたスウィートニングされた石油は、スウィートニングされる石油より低い硫黄含有量を含む。スウィートニングされた石油は2重量パーセントより少ない硫黄、1.5重量パーセントより少ない硫黄、1.0重量パーセントより少ない硫黄、0.75重量パーセントより少ない硫黄、0.5重量パーセントより少ない硫黄、又は0.25重量パーセントより少ない硫黄の硫黄含有量を有することがある。実施形態において、スウィートニングされた石油の硫黄含有量は、スウィートニングされる石油の硫黄含有量の90、80、70、60、50、40、30、20、又は10%より少ない。例えば、スウィートニングされた石油はＨＳＤ４０に導入された原油の硫黄含有量の10%を含み得る。
【００９５】
実施形態において、塩化物は脱硫の間に除去される。塩化物は例えば、塩化ナトリウム又は塩化アンモニウムとして除去される。実施形態において、スウィートニングされた石油の塩化物含有量は、スウィートニングされる石油の塩化物含有量の約50%、40%、30%、20%、15%より少なく、又は約10%より少ない。
【００９６】
上述のように、石油から硫黄を除去することは、原油のＡＰＩ比重を有利に変え得る。加えて、スウィートニングされる石油及び脱硫剤と共にガスをＨＳＤ４０に導入することは、ＡＰＩ比重及び／又は石油の安定性をさらに増幅させる。実施形態において、スウィートニングされた石油製品のＡＰＩはスウィートニングされる石油のＡＰＩの少なくとも、又は約1.25、1.5、若しくは2倍である。実施形態において、原油のＡＰＩは本開示の方法を介して約15から約30に、約5から約20に、又は約10から約20に増加される。
【００９７】
第三流出口２０を介して分離ユニット１０から除去された硫黄は、固体の硫黄を含み、概して黄色に見える。硫黄は、標準の（regular）硫黄または重合（poly）硫黄として存在し得る。除去された硫黄内には、例えばS8、S7、S6、又はそれらの組み合わせである、硫黄の様々な同素体が存在し得る。脱硫剤がアンモニアを含むときは、硫黄はまた硫酸アンモニウムとして除去される。硫黄は濾過ケーキとして、懸濁液として、又は乾燥製品として、例えば遠心分離機から除去される。
【００９８】
複数パス操作。図１に示される実施形態において、システムは単一パス操作用に構成されている。ＨＳＤ４０の出力は、後続のＨＳＤを通過し得る。いくつかの実施形態では、フローライン１９の内容物又は、その一部を、第二パスの間にＨＳＤ４０を通過させることが望ましい。この場合、フローライン１９の少なくとも一部はフローライン１９から再循環され、任意でポンプ５によってライン１３に、そこからＨＳＤ４０に送り込まれ得る。付加的な反応物質（例えばＡＰＩ調整ガス及び／又は脱硫剤）はライン２２を介してライン１３に注入され、又は直接ＨＳＤに加えられる。他の実施形態では、流出ライン１９内の生成物は分離ユニット１０より先に第二ＨＳＤに流れ込む。今までに実施された実験で見られる硫黄除去の速さによって（後述の例を参照）、複数パス操作は必要でない、又は望ましくないことがあると考えられる。
【００９９】
複数のＨＳＤ。いくつかの実施形態では、ＨＳＤ４０のような、又は異なって構成される、２つ以上のＨＳＤが直列で配置され、更なる反応を促進するために使用される。実施形態において、反応物質は複数のＨＳＤ４０を直列又は並列な流れで通過する。実施形態において、第二ＨＳＤは分離ユニット１０の下流に置かれ、それにより第一流出口１６を介して分離ユニット１０を出るスウィートニングされた石油は、そこから残留している硫黄を除去するために、後続のＨＳＤに導入され得る。複数のＨＳＤ４０が直列で運転されるとき、付加的な反応物質を各ＨＳＤの流入供給流れに注入され得る。例えば、付加的なＡＰＩ調整ガス及び／又は脱硫剤は第二又は後続のＨＳＤ４０に導入され得る。いくつかの実施形態では、複数のＨＳＤ４０が並列で運転され、そこからの流出生成物は１つ以上のフローライン１９に導入される。
【０１００】
特徴。液体、気体、及び固体を含む化学反応の速度は、接触時間、温度、及び圧力に依存する。異なる相の２つ以上の原材料、又は非混合性材料を反応させるのが望ましい場合、反応速度を制御する制限要素の１つは反応物質の接触時間を含む。反応速度が加速されるとき、滞留時間が減少することがあり、その結果、得られる処理能力が増加する。
【０１０１】
ＨＳＤによってもたらされる反応物質の密な接触は、単純な混合より早く及び／又はより完全な硫黄除去を可能にし及び／又はもたらす。実施形態において、外部ＨＳＤを介して反応物質を混合することを含む本開示の工程を使用することは、従来の構成及び方法と比べて使用する触媒（例えば、硫酸アンモニウム）の量を減らし、及び／又は硫黄除去を増加させる。
【０１０２】
特定の理論に限定する意思はないが、高せん断混合のレベル及び程度は、物質移動の速度を増加させ、局所的な非理想的な状態（熱力学の観点で）を生み出すことがあると考えられ、前記状態は、ギブスの自由エネルギ予測に基づき、さもなければ起こると予想されない反応を起こし、及び／又は予想される反応の速度又は範囲を増加させる。例えば、原油とアンモニア水との従来の混合では、硫酸アンモニウムが生じ得るが、硫酸アンモニウムの触媒効果と、ＨＳＤ内で受ける高い圧力／せん断で硫黄を放出することにより、硫酸アンモニウムによってスウィートニングされる石油からの付加的な硫黄を継続的に除去することとは、生じないと予想される。局所的な非理想的な状態は、ＨＳＤ内で生じ、結果として、局所的な圧力にあると考えられる最も著しい増加を伴い、温度及び圧力が上昇すると考えられる。ＨＳＤ内の圧力及び温度の増加は瞬間的で、局所的で、ＨＳＤを出るとすぐにバルク（bulk）又は平均システム状態に戻る。理論により限定する意思はないが、いくつかの場合において、ＨＳＤは１つ以上の反応物質を遊離基に解離するのに十分な強度のキャビテーションを誘発し、このことは化学的反応を強化し又は、さもなければ要求されるであろう条件と比べてより厳密でない条件で反応が行われることを可能にする。キャビテーションはまた、局所的な乱流及び液体の微小循環（音響流）を生み出すことで運搬工程の速度を増加させる。化学的／物理的処理用途におけるキャビテーション現象の適用の概要はゴゲート（Gogate）他の“キャビテーション：技術の展望（Cavitation: A technology on the horizon）”カレントサイエンス（Current Science）、91（No.1）：35-46（2006）で示される。本システム及び方法のある実施形態のＨＳＤはキャビテーションを含むことがあり、それにより１つ以上の反応物質は遊離基に解離され、そして反応する。実施形態において、ロータ／ステータの先端における極度な圧力が液相反応を起こし、キャビテーションは含まれない。
【０１０３】
様々な寸法、大きさ、量、体積、速度、及び他の数的パラメータ及び数字は、本発明の原理の説明及び例示の目的のために使用され、本発明を説明、記載、又はさもなければここで提示される数的パラメータ及び数字に限定する意図はない。同様に、特に提示されない限り、段階の順序は重要と見なされない。後述で説明される実施形態の異なる教示は、別途又は、所望の結果を生み出すために適切な組み合わせで採用される。
【０１０４】
本発明の好ましい実施形態が示され、記載されたが、当業者はその改良を本発明の精神及び教示から逸脱することなく行うことが可能である。本明細書に記載の実施形態は、例示のみであり、限定する意図はない。本明細書に開示の発明の多くの変更や改良が可能であり、発明の範囲内である。数的範囲又は限定が明記されるところでは、このような明確な範囲または限定は、明記される範囲又は限定に含まれる大きさのような反復の範囲又は限定（例えば、約1から約10というのは、2、3、4などを含み、0.10より大きいというのは0.11、0.12、0.13などを含む）を含むことを理解されたい。請求項の要素に関して‘任意の（optionally）’という用語を使用することは、対象の要素が要求される、又は要求されないことを意味する目的がある。選択肢の両者は請求の範囲内であるという目的がある。含む（comprise）、含む（include）、有する（having）などのようなより広義な用語の使用は、から成る（consisting of）、から原則的に成る（consistingessentially of）、からほぼ成る（comprisedsubstantially of）などのようなより狭義な用語の根拠を与えるものと理解されたい。
【０１０５】
従って、保護の範囲は上述の記載によっては限定されないが、以下の請求項によってのみ限定され、その範囲は請求項の主題の全ての均等物を含む。各々及び全ての請求項は本発明の実施形態として、本明細書に導入される。故に、請求項はさらなる説明であり、本発明の好ましい実施形態への追加である。本明細書に引用される全ての特許、特許出願、及び刊行物の開示は、それらが本明細書の記載を補足する例示、工程、又は他の詳細を提供する限りにおいて、参照をもって本明細書に導入される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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