(57)【要約】  本発明は、石油原料を注入するための装置および方法に関する。より詳しくは、液体石油原料が、ノズルアセンブリ装置により霧化される。その際、装置は、微細に分散される原料の略平坦な噴霧パターンを生成する注入ノズルを有する。注入ノズルはそれぞれ、個々のノズルからの異なる噴霧パターンの全体的な効果が、触媒ストリームを横切るより均一な原料の被覆面を提供するように設計される。【選択図】図１
2008527075.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流動化流の触媒粒子のストリームに炭化水素原料を注入する装置であって、
導管区域および前記導管区域内の少なくとも一つのノズルアセンブリを含み、
前記導管区域は、流動化流の触媒粒子のストリームを含み、
前記ノズルアセンブリは、前記流動化流の触媒粒子のストリームの周縁部を囲周し、かつ少なくとも二つの注入ノズルを含み、
前記各ノズルは、前記導管区域を通って流れる触媒粒子の断面を横切って前記原料全体が実質的に均一に分散されるように、実質的に平坦な噴霧パターンを生成する
ことを特徴とする炭化水素原料の注入装置。
【請求項２】
流動化流の触媒粒子のストリームに原料を注入する方法であって、
原料を、流動化流の触媒粒子の前記ストリームの周縁部を囲周する少なくとも一つのノズルアセンブリに導く工程；および
前記原料を、前記ノズルアセンブリ上に配置される少なくとも二つの注入ノズルを通して、前記流動化流の触媒粒子のストリームに注入する工程であって、前記各ノズルは、前記ノズルアセンブリを通過して流れる前記触媒粒子の断面を横切って前記原料全体が実質的に均一に分散されるように、実質的に平坦な噴霧パターンを生成する工程
を含むことを特徴とする原料の注入方法。
【請求項３】
前記装置は、原料インジェクターアセンブリであり、前記流動化流の触媒粒子は、流動接触分解装置のライザー反応器内にあり、前記導管区域は、前記ライザー反応器内にあることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記流動化流の触媒粒子は、流動接触分解装置の接触分解域内にあることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記少なくとも二つの注入ノズルは、少なくとも二つの異なる噴霧パターンを生成することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の装置または方法。
【請求項６】
前記ノズルアセンブリは、４〜１６個の注入ノズルを含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の装置または方法。
【請求項７】
前記実質的に平坦な噴霧パターンは、噴霧の流れ方向に直交して得られる噴霧の幅に対する噴霧の厚さによって表されるアスペクト比１：１未満を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の装置または方法。
【請求項８】
前記アスペクト比は、１：２〜１：５であることを特徴とする請求項７に記載の装置または方法。
【請求項９】
前記炭化水素原料は霧化され、霧化された原料は、平均液滴サイズ１０００ミクロン未満を有することを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の装置または方法。
【請求項１０】
前記ノズルは、角型または楕円型のオリフィスを有し、触媒流の軸に直交する平面に対して、触媒の軸から角度０゜〜７５゜を形成することを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の装置または方法。
【請求項１１】
前記ノズルの噴霧の角度領域は、３０°〜１１５゜であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の装置または方法。
【請求項１２】
前記少なくとも二つの注入ノズルにおいて、少なくとも一つのノズルは、前記流動化流の触媒粒子のストリーム中に延在することを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の装置または方法。
【請求項１３】
前記少なくとも二つの注入ノズルは、前記触媒ストリームの周縁部に配置され、前記少なくとも二つの注入ノズルからの噴霧パターンは、同じでも異なってもよいことを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の装置または方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、石油原料を注入するための装置および方法に関する。より詳しくは、液体石油原料は、ノズルアセンブリ装置により霧化され、その際装置は、微細に分散された液体炭化水素液滴の略平坦な噴霧パターン（分解触媒粒子に接触する）を生成する注入ノズルを有する。注入ノズルはそれぞれ、個々のノズルからの異なる噴霧パターンの全体的な効果が、流動化触媒のストリームを横切るより均一な原料の被覆面を提供するように設計され、かつノズルの位置は、流動する触媒のストリームの周縁部から触媒ストリームの内部に至る範囲であってもよい。
【背景技術】
【０００２】
石油原料の霧化は、流動接触分解（ＦＣＣ）およびコーク化などの石油プロセスにとって重要である。ＦＣＣプロセスにおいては、一般的に、高分子量の原料が、流動化触媒粒子と、ＦＣＣ装置のライザー反応器部分で接触される。原料および触媒の間の接触は、効果的な熱および物質の移動を促進するように制御されて、所望の生成物のタイプへの原料の転化率が増強される。原料の接触分解においては、触媒／油比、温度、および接触時間などの反応器条件は、所望の生成物を最大にし、かつあまり望ましくない生成物（軽質ガスおよびコークなど）の形成を最小にするように制御される。
【０００３】
ＦＣＣ反応器における触媒および油の間の接触は、典型的には数秒程度であることから、分解プロセスの効率を支配する重要な因子は、触媒である。ＦＣＣプロセスの触媒は、周知であり、非晶質または結晶質のいずれであってもよい。ＦＣＣ反応器に入る触媒は、典型的には、スチーム、分解プロセス中に生成される燃料ガスまたは軽質炭化水素ガス、もしくはそれらのある組合わせを用いて流動化される。触媒および原料の反応により、大量のガス状炭化水素、およびコークデポジットを含む廃触媒が生成される。気／固混合物は、分離装置（典型的にはサイクロン）へ通され、そこで廃触媒は、蒸気生成物から分離される。蒸気は、次いで処理されて、所望の炭化水素が回収され、廃触媒は、再生のために送られる。
【０００４】
原料および触媒の間の短い接触時間から、原料の状態はまた、重要である。原料注入のタイプは、ＦＣＣ反応器によって製造される生成物群に対して影響を有することができる。原料が、ガス状炭化水素に分解されるのには、二つの経路がある。即ち、接触的および熱的な経路である。ＦＣＣ装置における熱分解は、一般に望ましくない。何故なら、このタイプの分解は、コークに加えて、メタンなどの軽質ガスの生成をもたらすことができることからである。
【０００５】
接触分解プロセスの効率を向上するためには、原料分子を、活性触媒粒子に、可能な最大程度にかつ最短の可能時間枠内で到達させることが望ましい。上向き流の触媒は、ライザーの断面を実質的に占める流動化固体ストリームとして存在することから、最適の状態は、触媒ストリームを横切る原料の瞬間的な分散であろう。しかし、触媒ストリームを横切る原料のこれらの瞬間的な分散は、可能でない。原料の微細に分散された液滴はまた、液体の原料液滴を高温の触媒粒子と接触させる際に、蒸発速度を増加するのに望ましい。
【０００６】
原料の液滴を達成する一方法は、スチームを用いて、液滴の分散を形成することを含む。得られる分散は、スチームおよび炭化水素の二相系であり、これは、ノズルを通して、ＦＣＣのライザー反応器中に噴霧され、そこでそれは、流動化された高温の触媒に接触する。流体を、圧力下に、ノズルのオリフィスを通して押しやって、流体液滴の微細分散が形成されるプロセスは、霧化として知られる。霧化の程度は、ノズル設計の関数である。例えば、オリフィスのサイズおよび放出の幾何形状、流体の特性（例えば、密度、粘度、表面張力、およびオリフィスを横切る圧力降下）である。ＦＣＣプロセスへの原料の少なくとも一部を形成する重質（粘稠）石油留分に対して、霧化の程度を増大することは、特に難題である。
【０００７】
ＦＣＣ反応器における原料霧化のためのノズルは、多く設計されている。いくつかの提案されたノズル設計は、渦流ベーンを、ノズル自体またはノズルにつながる導管内のいずれかに用いる。他の提案された設計は、ベンチュリを、ノズルへ原料を供給する導管内に用いる。他の提案された設計には、炭化水素、およびスチームなどの分散ガスを、オリフィスに近接する混合付きノズル（ＦＣＣ反応器の中心に配置される同心ノズルを用いる炭化水素原料分配装置）を通して同心状に供給する設計、原料を、ノズル内の複数のオリフィスを通して、およびシュラウドをノズル周りに用いることにより注入する設計、並びにスチームおよび炭化水素が互いに接触する角度を制御する設計が含まれる。また、原料およびスチームの二相流体混合物を形成することが提案されている。これは、流体を、二つの別個のストリームへ分割する。これは、衝突混合域、別個のストリームを再度組合せるせん断混合域、および低圧の霧化域を通して送られる。更なる提案された設計は、単一の原料ストリームの霧化が達成されてもよいノズルである。これは、完全液体ストリームを、スチームを用いるかまたは用いることなく偏向ベーンを通して送って、自由渦が単一の全流遠心またはらせん加速室内に生じることによる。これは、鋭角または直角エッジ型のオリフィスで終わる。これらのオリフィスは、実質的に、直径が、液体炭化水素流体をライザー反応器の触媒流ストリーム中に直接供給するための原料供給ラインより小さい。最後に、一般に扇型である原料インジェクターが、霧化された原料について、実質的に扁平な噴霧を生成するために提案されている。
【０００８】
放射方向の原料注入ノズルを用いて、原料が、触媒ストリーム中に注入されることが知られる。これらのノズルは、典型的には、流動する触媒ストリームを囲周する円周帯域に配列される。ノズルは、ライザーの表面に垂直であってもよく、または角度付けされてもよい。注入ノズルはまた、注入域の機械的設計の特徴（例えば、ライザーの幾何形状）と一体化されて、その効率が向上されてもよい。
【０００９】
原料のインジェクターノズルの設計に対する向上は継続するものの、依然として、完全原料注入システムの性能をより良好にして、ＦＣＣプロセスにおける霧化された原料と触媒との接触が促進される必要性がある。
【００１０】
【特許文献１】米国特許第４，０１６，２１８号明細書
【特許文献２】米国特許第５，１７３，１７５号明細書
【特許文献３】米国特許第６，０９３，３１０号明細書
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、霧化された原料を、流動化流の触媒粒子のストリームと接触させる装置および方法に関する。一実施形態は、炭化水素原料を、流動化流の触媒粒子のストリームに注入する装置に関し、前記装置は、導管区域、および前記導管区域内の少なくとも一つのノズルアセンブリを含み、前記導管区域は、流動化流の触媒粒子のストリームを含み、前記ノズルアセンブリは、流動化流の触媒粒子の前記ストリームの周縁部を囲周し、かつ少なくとも二つの注入ノズルを含み、各ノズルは、導管区域を通って流れる触媒粒子の断面を横切って原料の全体が実質的に均一に分散されるように、実質的に平坦な噴霧パターンを生成する。
【００１２】
他の実施形態は、炭化水素原料を、流動化流の触媒粒子のストリームに注入する装置に関し、前記装置は、導管区域および前記導管区域内の少なくとも一つのノズルアセンブリを含み、前記導管区域は、流動化流の触媒粒子のストリームを含み、前記ノズルアセンブリは、流動化流の触媒粒子の前記ストリームの周縁部を囲周し、かつ少なくとも二つの注入ノズルを含み、各ノズルは、導管区域を通って流れる触媒粒子の断面を横切って原料の全体が実質的に均一に分散されるように、実質的に平坦な噴霧パターンを生成する。但し、少なくとも一つのノズルは流動化流の触媒粒子のストリーム中に延在する。
【００１３】
好ましい実施形態においては、炭化水素原料を、流動化流の触媒粒子のストリームに注入する装置は、ＦＣＣ装置のライザー反応器内にあり、導管区域は、前記ライザー反応器内にあり、原料の全体は、ライザーの導管区域を通って流れる触媒粒子の断面を横切って実質的に均一に分散される。
【００１４】
更に他の実施形態は、原料を、流動化流の触媒粒子のストリームに注入する方法に関し、前記方法は、原料を、流動化流の触媒粒子の前記ストリームの周縁部を囲周する少なくとも一つのノズルアセンブリ中に導く工程、および原料を、前記ノズルアセンブリ上に配置される少なくとも二つの注入ノズルを通して、流動化流の触媒粒子のストリームに注入する工程であって、各ノズルは、ノズルアセンブリを通過して流れる触媒粒子の断面を横切って原料の全体が実質的に均一に分散されるように、実質的に平坦な噴霧パターンを生成する工程を含む。
【００１５】
更に他の実施形態は、原料を、流動化流の触媒粒子のストリームに注入する方法に関し、前記方法は、原料を、流動化流の触媒粒子の前記ストリームの周縁部を囲周する少なくとも一つのノズルアセンブリ中に導く工程、および原料を、前記ノズルアセンブリ上に配置される少なくとも二つの注入ノズルを通して、流動化流の触媒粒子のストリーム中に注入する工程であって、各ノズルは、ノズルアセンブリを流れ過ぎる触媒粒子の断面を横切って原料の全体が実質的に均一に分散されるように、実質的に平坦な噴霧パターンを生成する工程を含む。但し、少なくとも一つのノズルは流動化流の触媒粒子のストリーム中に延在する。
【００１６】
好ましい実施形態においては、炭化水素原料を、流動化流の触媒粒子のストリームに注入する方法は、ＦＣＣ装置のライザー反応器内にあり、導管区域は、前記ライザー反応器内にあり、原料の全体は、ライザーの導管区域を流れ過ぎる触媒粒子の断面を横切って実質的に均一に分散される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
従来のＦＣＣプロセスには、ライザー反応器および再生装置が含まれ、そこで石油原料は、流動化分解触媒粒子のストリームを含むライザー反応器の初期反応域中に注入される。触媒粒子は、典型的にはゼオライトを含み、新規触媒粒子、触媒再生装置からの触媒粒子、またはそれらのある組合せであってもよい。不活性ガス、炭化水素蒸気、スチーム、またはそれらのある組合せであってもよいガスは、通常、リフトガスとして用いられて、高温触媒粒子の流動化が促進される。
【００１８】
原料に接触した触媒粒子は、生成物蒸気、およびストリッピング可能な炭化水素を含む触媒粒子、同様にコークを製造する。触媒は、反応域を廃触媒粒子として出る。これは、分離域において、反応器流出物から分離される。廃触媒粒子を反応器流出物から分離するための分離域は、サイクロンなどの分離装置を用いてもよい。廃触媒粒子は、スチームなどのストリッピング剤を用いて、ストリッピング可能な炭化水素をストリッピングされる。ストリッピングされた触媒粒子は、次いで、再生域に送られ、そこでいかなる残存する炭化水素も、燃焼され、コークが除去される。再生域においては、コーク化触媒粒子は、酸化媒体（通常、空気）と接触され、コークは、５１０℃（９５０°Ｆ）〜７６０℃（１４００°Ｆ）などの高温で酸化（燃焼）される。再生触媒粒子は、次いで、ライザー反応器へ送り戻される。
【００１９】
本明細書に記載される接触分解プロセスに適切な炭化水素原料材には、範囲２２１℃（４３０°Ｆ）〜５６６℃（１０５０°Ｆ）で沸騰する天然および合成炭化水素質油が含まれる。ガス油；１０５０°Ｆ（５６６℃）超で沸騰する物質を含む重質炭化水素質油；重質および抜頭石油原油；石油常圧蒸留ボトム；石油減圧蒸留ボトム；ピッチ、アスファルト、ビチューメン、他の重質炭化水素残油；タールサンド油；シェール油；石炭液化プロセスから誘導される液体生成物、ナフサ、およびそれらの混合物などである。
【００２０】
ＦＣＣ触媒は、非晶質（例えば、シリカ−アルミナ）および／または結晶質（例えば、ゼオライトまたはそれらの混合物を含むモレキュラーシーブ）であってもよい。好ましい触媒粒子は、（ａ）非晶質の多孔質固体酸母材（アルミナ、シリカ−アルミナ、シリカ−マグネシア、シリカ−ジルコニア、シリカ−トリア、シリカ−ベリリア、シリカ−チタニア、シリカ−アルミナ−希土類など）、および（ｂ）ゼオライト（フォージャサイトなど）を含む。母材は、三元組成物（シリカ−アルミナ−トリア、シリカ−アルミナ−ジルコニア、シリカ−アルミナ−マグネシア、およびシリカ−マグネシア−ジルコニアなど）を含むことができる。母材はまた、共ゲルの形態であってもよい。シリカ−アルミナが、母材として特に好ましく、アルミナ１０〜４０重量％を含むことができる。議論されるように、助触媒が添加されることができる。
【００２１】
主な分解成分は、分解活性および細孔サイズ７オングストローム超を有するいかなる従来の大細孔モレキュラーシーブであってもよい。これには、ゼオライトＸ、ＲＥＸ、ゼオライトＹ、超安定Ｙゼオライト（ＵＳＹ）、希土類交換Ｙ（ＲＥＹ）、希土類交換ＵＳＹ（ＲＥＵＳＹ）；脱アルミニウムＹ（ＤｅＡｌ  Ｙ）、超疎水性Ｙ（ＵＨＰＹ）、および／または脱アルミニウム化ケイ素富化ゼオライト（例えば、ＬＺ−２１０、ゼオライトＺＫ−５、ゼオライトＺＫ−４、ＺＳＭ−２０、ゼオライトベータ、およびゼオライトＬ）が含まれる。フォージャサイト、モルデナイトなどの天然ゼオライトもまた、用いられてもよい。これらの物質は、従来の処理（含浸、または希土酸化物とのイオン交換など）に付されて、安定性が増大されてもよい。好ましい大細孔モレキュラーシーブは、ゼオライトＹ、より好ましくはＲＥＹ、ＵＳＹ、またはＲＥＵＳＹである。
【００２２】
他の適切な大細孔結晶質モレキュラーシーブには、ピラー型シリケートおよび／またはクレー；アルミノホスフェート（例えば、ＡＬＰＯ４−５；ＡＬＰＯ４−８、ＶＰＩ−５）；シリコアルミノホスフェート（例えば、ＳＡＰＯ−５、ＳＡＰＯ−３７、ＳＡＰＯ−３１、ＳＡＰＯ−４０）；および他の金属アルミノホスフェートが含まれる。
【００２３】
分解触媒にはまた、拘束指数（特許文献１に定義される）１〜１２を有する中間細孔ゼオライトの形態の更なる触媒が含まれてもよい。適切な中間細孔ゼオライトには、ＺＳＭ−５、ＺＳＭ−１１、ＺＳＭ−１２、ＺＳＭ−２２、ＺＳＭ−２３、ＺＳＭ−３５、ＺＳＭ−４８、ＺＳＭ−５７、ＳＨ−３、およびＭＣＭ−２２が、単独で、または組合せで含まれる。好ましくは、中間細孔ゼオライトは、ＺＳＭ−５である。
【００２４】
ゼオライト含有触媒は、結晶子サイズ０．１〜１０ミクロン、好ましくは０．３〜３ミクロンの範囲であってもよい。無水物基準でゼオライト成分および母材の相対濃度は、幅広く変化してもよく、ゼオライト含有量は、乾燥複合物の１〜１００重量％、好ましくは１０〜９９重量％、より通常には１０〜８０重量％の範囲である。
【００２５】
触媒粒子中のゼオライト成分の量は、一般に、触媒の全重量を基準として１〜６０重量％、好ましくは５〜６０重量％、より好ましくは１０〜５０重量％の範囲であろう。議論されるように、触媒は、典型的には、複合物中に含まれる触媒粒子の形態である。粒子の形態である場合には、触媒粒子のサイズは、直径１〜１５０ミクロンの範囲であり、平均粒径６０〜７０ミクロンを有するであろう。スチーム中での人為的な不活性化の後、母材物質の表面積は、≦３５０ｍ２／ｇ、好ましくは１０〜２００ｍ２／ｇ、より好ましくは２０〜１５０ｍ２／ｇであろう。触媒の表面積は、用いられるゼオライトおよび母材成分のタイプおよび量などによるであろうものの、それは、通常、５００ｍ２／ｇ未満、好ましくは５０〜３００ｍ２／ｇ、より好ましくは５０〜２５０ｍ２／ｇ、最も好ましくは１００〜２５０ｍ２／ｇであろう。
【００２６】
反応域におけるＦＣＣプロセス条件には、温度４５０℃〜７００℃（８４２°Ｆ〜１２９２°Ｆ）、炭化水素分圧１０〜４０ｐｓｉｇ（１７０〜３７７ｋＰａ）、好ましくは２０〜３５ｐｓｉｇ（２３９〜３４２ｋＰａ）、および触媒／原料（重量／重量）比２〜２０が含まれる。その際、触媒重量は、触媒複合物の全重量である。全圧は、大気圧〜４５ｐｓｉｇ（４１１ｋＰａ）である。必要ではないものの、スチームが、同時に、原料材と共に反応域中に導入されることが好ましく、スチームは、主原料の５０重量％以下、好ましくは１〜５重量％を構成する。また、反応域中の蒸気の滞留時間は、２０秒未満、好ましくは０．１〜２０秒、より好ましくは１〜５秒であることが好ましい。
【００２７】
原料が、これらの短い反応時間で、生成物へ転化するためには、原料は、液滴に霧化されることが重要である。原料を生成物に転化するための分解プロセスの効率は、原料の物理特性（粘度、密度など）、触媒ストリームの物理特性（触媒の性質および形態）、原料の液滴サイズ、反応域中への液滴分布、原料液滴および触媒粒子の間の噴霧角度、ガスおよび液体の流速および圧力を含むプロセス条件、並びにインジェクターの設計の関数である。インジェクターの設計に影響を及ぼす更なる因子には、インジェクターのオリフィスを横切る圧力降下、原料および霧化を促進するために添加されるいかなるガスもの間の相対速度、並びにガス／液体比が含まれる。従って、分解プロセスの効率は、部分的には、原料インジェクターのタイプおよび設計による。インジェクターは、原料液滴を霧化および分散し、同様に耐久性があるべきである、即ち、閉塞および過度の機械的磨耗（例えば、触媒粒子との接触による磨耗）なしに、長期間の運転が可能であるべきである。ＦＣＣプロセスにおいては、原料は、触媒粒子の流動化ストリーム中に、原料液滴および触媒粒子の間の効率的な接触を可能にするように位置される少なくとも一つのインジェクターを通って注入される。
【００２８】
原料は、通常、温度１２０℃〜４５０℃へ予熱される。ガスは、好ましくは、原料へ添加されて、霧化過程が増強される。これらのガスには、スチーム、窒素、水素、ＦＣＣのオフガス、およびより低分子量（Ｃ６−）の炭化水素が含まれる。好ましくは、スチームが、霧化に用いられる。スチーム／原料比は、得られる原料／スチーム混合物の密度を制御することによって、霧化過程に影響を及ぼすことができる。スチームの量は、一般に、原料／スチーム混合物の重量を基準として０．１〜１０．０重量％の範囲にある。ライザー区域内で流動する流動化触媒粒子の断面は、温度、触媒密度、および触媒の質量流束などのパラメーターに関して、不均一である領域を含んでもよいことが知られる。不均一なこれらの領域は、ライザー内で流動する触媒を横切って霧化される原料の均一な分散を達成することを困難にする。商業的ＦＣＣ装置は、種々のノズル設計を含んでもよいものの、各個々のライザー反応器は、その装置内に一貫したノズル設計を用いる。即ち、用いられるノズルは、同じである。従って、これらの個々の装置は、原料の均一な分散を触媒ストリーム内に達成するという困難な課題を有する。
【００２９】
本発明の複数のノズルはそれぞれ、原料を、ライザー内の触媒ストリーム中に注入する前、またはその際に霧化する過程で、異なる噴霧パターンをもたらしてもよい。ノズルの最小数は、２個であるが、更なるノズルが、所望により用いられてもよい。ノズルの好ましい数は、４〜１６個、特には６〜８個である。好ましい噴霧パターンは、実質的に平坦な扇型パターンである。これは、例えば特許文献２に開示される。これは、その全てが本明細書に含まれる。
【００３０】
２個のノズルの場合には、好ましい配列は、それらが、ライザーの触媒ストリームの周縁部に、互いに対向して配置されるものである。更なるノズルが用いられる場合には、それらは、触媒ストリームを囲周する環状リング上にほぼ均等に間隔を置いて配置されてもよい。ノズルは、２段以上で配列されてもよく、ノズルを異なる段に含む２つ以上の環状リングが、用いられてもよい。
【００３１】
ライザー反応器内の流動化触媒ストリーム中への原料の貫入に影響を及ぼす因子には、ライザー反応器の寸法、触媒粒子の特性、触媒ストリームの流動特性、原料、および触媒ストリームに接触する原料の噴霧パターンに付随する因子、加えてノズルに付随する因子が含まれる。因子には、ライザーの直径に限定されることなく、全輸送ラインおよび装置の幾何形状、触媒の循環速度および流動密度、触媒の物理特性、原料速度、並びに原料の物理的および化学的特性が含まれる。
【００３２】
Ａ．ライザー反応器および触媒
触媒ストリーム中への原料の貫入に影響を及ぼす一因子は、ライザー反応器の直径である。触媒ストリームを横切る原料の均一な貫入の問題は、ライザーの直径が増大するにつれて、より複雑になる。ライザーの直径が大きくなるほど、そこに流動する触媒ストリームの直径および運動量は大きくなる。ライザー反応器の直径は、その際に、他の因子をもたらす。原料は、触媒のより大きな断面を貫入しなければならないだけでなく、それはまた、触媒ストリーム自体における増大する不規則性に遭遇してもよい。例えば、ストリームを横切る局所的な触媒密度、温度差、および局所的な触媒速度である。因子であってもよい他の触媒特性には、平均粒子サイズ、粒子サイズ分布、触媒粒子の容積および表面積、粒子の密度、並びに伝熱特性が含まれる。
【００３３】
Ｂ．原料の噴霧パターン
原料の噴霧パターンに影響を及ぼす因子には、噴霧パターンの形状、および噴霧液滴を構成する液滴の特性が含まれる。これらの因子には、油およびスチームの質量流速、ザウター平均油滴直径、およびノズルの出口における油の噴霧速度が含まれる。
【００３４】
噴霧パターンは、好ましくは、実質的に平坦な扇形状である。実質的に平坦とは、噴霧のアスペクト比、即ち噴霧の幅に対する噴霧の厚さ（いずれも（ノズルから離れる）噴霧の流れ方向に直交して得られる）が、一般に、１：１未満であることを意味する。本発明に関しては、アスペクト比は、一般に、実質的に１：１未満であり、インジェクター放出時には、一般に、１：２〜１：５未満であることができる。アスペクト比は、一般に、距離が、噴霧の流路に沿って増大するにつれて、徐々により小さくなる。噴霧の幅は、一般に、幅を横切る噴霧の角度の正接の関数として、インジェクターからの距離と共に直線的に増大する。噴霧の厚さ寸法は、軸方向の噴霧路に直交し、インジェクターからの距離と共に、比較的一定のままである。触媒ストリームの流れの軸に沿って、一般的な平面図から得られる扇形状は、狭い（高さ／底辺比の大きな三角形によって特徴付けられる）か、または広い（高さ／底辺比の小さい三角形によって特徴付けられる）ことができる。従って、原料の噴霧パターンは、変動されて、流動化触媒ストリーム中への貫入が最適にされ、霧化された原料および流動化触媒が、ライザーの「混合域」において接触されることができる。噴霧パターンは、以下に更に議論されるように、ノズル設計によって制御される。
【００３５】
原料の異なる噴霧パターンは、原料が、実質的に均一に、ライザー内で流動する触媒粒子の断面を横切って分散されるものである。触媒粒子の断面を横切って実質的に均一に分散されるとは、ライザーの断面における複合原料の注入噴霧の質量分布が、同じ断面を横切る触媒の質量分布と厳密に一致することを意味する。従って、このライザー断面における局所的な触媒／原料油の質量比は、全ての場所で、比較的一定のままである。触媒ストリーム中への原料の貫入は、原料インジェクターの個々の噴霧パターンの関数であることができる。個々の噴霧パターンを変動することによって、触媒ストリームを横切る原料の実質的に均一な分散が達成されることができる。
【００３６】
油およびスチームの質量流速は、原料と触媒との相互作用に影響を及ぼすことができる。また、因子は、スチームを、原料／原料インジェクター中に注入する方法である。流速は、容易に、従来の手段を用いて測定される。一般には、スチーム、または原料インジェクターの条件（温度および圧力）で実質的に蒸気である他の適切な低分子量ストリームが、炭化水素質原料と共注入されて、液滴の形成が増強される。好ましくは、蒸気および霧化された原料の混合物は、流動する触媒ストリーム中に、原料インジェクターから出口を通って注入される。スチーム／炭化水素原料の重量比は、０．００２５〜０．２、好ましくは０．００５〜０．０５、より好ましくは０．０１〜０．０３である。原料インジェクターの出口を通る混合物の質量速度は、可能な圧力降下およびオリフィスのサイズによって決定される。一般には、オリフィスが小さくなるほど、圧力降下はより高く、オリフィスからの放出速度がより高い。
【００３７】
ザウター平均油滴直径はまた、油原料が高温の触媒ストリームを貫入する効率に影響を及ぼすパラメーターである。一般には、油滴が小さくなるほど、原料の蒸発が増大される。これは、次には、原料に対するより好ましい分解条件をもたらす。例えば、原料および触媒の間の接触が増大される。しかし、蒸発速度の増大はまた、流動する触媒ストリーム中への噴霧の貫入を低減する。これは、流動する触媒ストリーム全体との全体的な接触を制限する。原料は、典型的には、予熱に付されて、原料の蒸発、従って霧化が促進される。原料は、不活性ガス、好ましくはスチームと混合されてもよい。せん断または撹拌力がまた、霧化目的のために原料に適用されてもよい。
【００３８】
急速な蒸発は、原料がより重質（例えば原料としての残油）になるにつれて、因子をこえるものになる。平均液滴サイズは、１０００ミクロン未満、好ましくは４００ミクロン未満、より好ましくは２５０ミクロン未満であることが好ましい。ザウター平均液滴直径は、典型的には、光学技術（光散乱干渉法、または液滴による単色光の平行ビームのフラウンホーファー回折など）、およびモルヴァン［Ｍａｌｖｅｒｎ］粒子選別機の操作原理によって決定される。測定される光エネルギーの分布は、噴霧の液滴直径の分布に転換され、それからザウター平均直径が計算されることができる。
【００３９】
ノズル出口における油の噴霧速度はまた、高温の循環触媒系中への油原料の貫入に影響を及ぼすことができる。運動量平衡の単純な視点から、油噴霧の速度の増大は、噴霧の運動量を増大し、流動する触媒ストリームの貫入を増大する。
【００４０】
Ｃ．ノズル
好ましい扇型噴霧は、ノズル設計を調整することによって達成される。これらの扇型噴霧は、角型または楕円型オリフィスを有するノズルを用いることによって得られることができる。扇形状自体の形態は、ノズルオリフィスのパラメーターを調整することによって、即ちオリフィスの断面積およびアスペクト比（霧化オリフィスの有効幅／高さ比）を調整することによって、制御されることができる。噴霧パターンおよび放出速度はまた、霧化オリフィスの下流のノズル噴霧のディフューザーの幾何形状を調整することによって制御されることができる。得られる噴霧の角度などのパラメーターは、放射状に発散させるための扇チップの設計により設定されることができる。実質的に平坦な扇型噴霧を生成するインジェクターについては、特許文献２および特許文献３が引用される。これは、本明細書に含まれる。個々のノズルの油噴霧の角度範囲は、３０°〜１１５°、好ましくは４５°〜７５°である。個々の噴霧パターンは、個々のインジェクター噴霧の先端でほぼ重なっていることが好ましい。
【００４１】
ノズルに関する因子は、触媒ストリームに対するノズルの位置付けである。好ましい実施形態においては、ノズルチップは、触媒ストリームの外側表面、またはその付近にある。即ち、ライザー壁に近接するか、またはその中にある。この実施形態においては、触媒ストリーム中への原料の貫入は、ノズル設計および触媒ストリームに関する運転因子、並びにライザー反応器の設計の関数である。別の実施形態においては、ノズルチップは、位置が、触媒ストリームの外側表面（周縁部）から触媒ストリームの中心付近へ変動してもよい。ノズルチップの位置を、外側表面から触媒ストリームの内部へ移動することにより、原料の貫入が向上されてもよい。ノズルの位置付けはまた、別の実施形態においては、ノズル設計、触媒条件、および特定のライザーの設計の関数である。個々のノズルは、ノズルが触媒ストリーム中に延在する場合には、周縁部から中心線またはその付近の範囲であってもよい。従って、範囲は、ライザー壁から中心線への半径距離の０〜１００％である。触媒ストリーム中に延在するノズルの場合には、距離は、好ましくは、ライザー壁から中心線への距離の１０〜７５％、より好ましくは１０〜５０％である。ライザーの中心線方向へのノズルの侵入は、配管および適切な腐食保護を、触媒流の周縁部から中央へ伸ばすことによって達成されることができるか、または触媒の流れに沿って、触媒流に対して一般に上流方向から軸方向に為されてもよい。腐食保護は、適切な被覆の形態であってもよい。これは、触媒ストリーム中に延在するノズルの一部を、流動する触媒ストリームの磨耗効果から保護するように設計される。
【００４２】
ノズルが触媒ストリームまたはライザー壁に関して形成する角度はまた、因子である。この角度は、流動化触媒ストリームの中心線に対するノズルからの原料の中心線に基づく。ノズルは、それらが触媒の流れの軸に垂直、またはライザー壁に垂直であるように構成されてもよい。ノズルはまた、触媒流の軸から角度付けられてもよい。好ましい角度は、触媒流の軸に直交する平面に対して０°〜７５°、好ましくは４５°〜６０°である。ノズルはまた、ライザー壁自体から立ち上がる棚または突出部上に位置されてもよい。
【００４３】
ノズルの好ましい配列は、触媒ストリームを円周に囲周する少なくとも一つの環状リングを含むアセンブリ内にある。ノズルの最小数は、２個、より好ましくは４〜１６個、最も好ましくは６〜１２個であり、ノズルは、周囲周りに間隔を置いて配置される。ノズルは、一つの環状リング内にあるか、またはノズルをそれぞれ含む２層以上の環状リングがあってもよい。ノズルおよび従って噴霧パターンの好ましい混合は、油噴霧と流動する触媒ストリームとの最大の接触を達成するであろうものである。ノズル間隔は、個々のノズルにより生成される噴霧の幾何学的パターン、同様にライザー寸法の関数であろう。最適の接触のためには、より多数のインジェクターが好ましく、一般に、原料インジェクターノズルの取付け高さにおけるライザーの周囲寸法によって限定される。限界は、一般に、二つの隣接する原料注入ノズルによって形成される隙間にある鋼の十分な幅が、十分な機械的強度を有する必要性によって確立されることができる。これは、ライザーの有限要素分析などの方法によって決定されることができる。
【００４４】
本発明の重要な観点は、霧化された油噴霧を調製することである。これは、個々のインジェクターを設計および統合して、原料／触媒の混合域における触媒中へ、およびそれを横切って原料をより均一に貫入する原料注入システムを提供することによる。これを、次の実施例に示す。
【実施例】
【００４５】
実施例１
ノズルと組み合わせるための噴霧パターンの形状は、ライザー内の上向き流の触媒ストリーム中への各個々の噴霧パターンの貫入によって決定される。これを、図１に示す。これは、触媒ストリーム中への異なる噴霧の貫入を示す概略図である。図１においては、Ｒは、触媒粒子のストリームの混合域の半径である。これは、ストリームの中心（一般にライザー反応器の中心）から外側端部（一般にライザー反応器の壁）まで測定される。二つの異なるタイプのノズル（タイプＡおよびタイプＢ）は、ライザー反応器の円周近くに対称的に、平面内に配置される。ノズルは、注入される噴霧の軸が、流動する触媒粒子の軸に直交する面と一致するか、またはこの面から角度９０゜未満で傾斜するかのいずれかであるように配置されてもよい。傾斜角は、ノズルの各タイプで異なってもよい。
【００４６】
タイプＢとして示されるノズルＢからの噴霧パターンは、比較的広い角度の扇型噴霧であってもよい。これは、より低い出口速度の比較的小さなザウター平均液滴直径からなる。図１に示されるように、これらのノズルは、０．５Ｒ〜Ｒの範囲の触媒ストリームの部分に接触するためのものである。ノズルは、水平から角度βで噴霧角度４５゜超を有して配置されてもよい。噴霧角度は、略三角形の噴霧の頂点を、原料ノズルの出口に形成する角度として定められる。これらのインジェクターは、典型的には、出口速度を低減するように扇型に延在することができ、また油原料の少なくとも５０重量％を、内部のスチームスパージャーにより比較的より高い分散スチーム速度で注入するように設計されることができる。
【００４７】
図１に示されるように、インジェクターノズルのタイプＡは、より狭い角度の噴霧を、比較的より大きなザウター平均直径の液滴およびより高い出口速度で提供するであろう。このタイプの噴霧パターンは、Ｒ＝０〜Ｒ＝０．５の範囲に接触するのにより良好である。これらのインジェクターは、水平から角度αで配向されてもよく、その際典型的には、α＜β（インジェクターのタイプＢ）であり、噴霧角度は、＜４５゜であってもよい。タイプＡのインジェクターは、扇型に延在しなくてもよく、また原料の５０重量％以下を、スチームが、依然として、内部のスチームスパージャーによって添加されるであろうものの、タイプＢのインジェクターに対するより少ない分散スチームで注入するように設計されることができる。
【００４８】
異なる扇型を生成する多様なノズルを、触媒ストリームの円周周りに配列することは実行可能であろう。これらのノズルを、一対組合せで配列することが好ましいであろう。このようにして、原料を、ライザー反応器内に流れる触媒を均一に横切って注入することが実行可能であろう。
【００４９】
本発明の一実施形態においては、ノズルは、上向き流の触媒ストリーム内に、異なる侵入深さで配列される。これを、図２に示す。図２は、２対のノズルを、半径Ｒを有する触媒ストリーム中に異なる侵入深さで示す概略図の平面図である。ノズルＣおよびＤは、貫入深さのみが異なる同じ扇型噴霧パターンを生成する。ノズルＣは、導管１０内に流れる触媒ストリーム１２の周縁部に位置付けされる。ノズルＤは、触媒ストリーム１２内に、約０．５Ｒで位置付けされる。このようにして、触媒ストリーム中への、およびそれを横切る原料の貫入は、触媒ストリーム内のノズルの位置付けによって制御される。
【００５０】
図１における噴霧パターンの形態、図２におけるノズルの位置付け、ノズルの数、またはそれらのある組合せを変化させて、触媒ストリームを横切る原料の均一な貫入が達成されることが実行可能であろう。
【００５１】
触媒ストリームを横切る均一な貫入の測定は、下流のライザー温度の低下、および混合域の下流の半径温度プロフィルから推測されてもよい。従って、向上された原料／触媒の接触の結果が測定される。原料／触媒がより良好に接触するほど、より迅速な温度低下が、混合域の下流のいかなる所望の軸位置においても、ライザー断面における略均一な温度プロフィルと共にもたらされる。これは、次いで、触媒ストリームを横切る原料の貫入の均一性の尺度として資する。
【００５２】
図１に示されるこれらの二段原料注入の形態について、プラント試行を、ＦＣＣＵの能力１７２ｍ３／時で行った。二つのタイプの原料ノズルを取付けた。図１の概略図を引用して、直径０．７６ｍのライザーの円周周りに均等に間隔を置いて配置された四つのタイプＡのノズルを、角度４５゜を有する噴霧が、扇チップにおける出口速度約４５ｍ／秒および目標のザウター平均直径約２７５ミクロンで噴射されるように設計した。同様に、タイプＡのノズルの上０．４ｍに配置された四つのタイプＢのノズルを、角度６０゜および出口速度６０ｍ／秒を有する噴霧が、目標のより小さなザウター平均噴霧液滴直径２２５ミクロンで提供されるように設計した。タイプＡおよびタイプＢのノズルはいずれも、水平面から４５゜傾斜された。
【００５３】
二つの比較を、一定の原料品質および運転条件（例えば、触媒の循環速度、原料の予熱温度等）で行った。ケース１においては、全原料を、タイプＡのノズルを通して、注入スチーム１．６重量％を添加しながら注入し、パージスチームを、タイプＢのノズルを通して添加した。ケース２においては、添加スチーム１．６重量％と共に全原料を、タイプＢのノズルを通して注入し、パージスチームのみを、タイプＡのノズルを通して導入した。ケース２で得られた原料／触媒の接触の向上を、上部インジェクター環の下流約３ｍに配置された熱電対からの温度の読みによって観察した。ケース２においては、平均の下流温度は、５５４℃（１０２９゜Ｆ）であり、一方ケース１においては、平均温度は、５７０℃（１０５８゜Ｆ）であった。ケース１におけるより高い温度は、より少ない吸熱分解反応が、原料液滴が高温の再生触媒に均一に接触してないことから、起こっていることを示す。より高い熱分解が、ドライガスおよびコークの収率の増大を伴って観察された。逆に、ケース２においては、より効率的な原料／触媒の接触が、より低いドライガス（Ｃ２−）およびコークの収率、並びに０．８重量％だけより高い２２１℃−転化率をもたらした。プロセス性能の向上を、次の表１に示す。
【００５４】
【表１】
2008527075.tif 000003
【００５５】
実施例２
この実施例は、原料の噴射貫入長さに対する噴射速度の効果を示す。図３は、噴射の貫入長さ（インチ）を、液滴の噴射速度（フィート／秒）の関数として示すグラフである。図３においては、噴射速度が増大するほど、触媒ストリーム中への噴霧パターンの噴射貫入長さが増大することがわかることができる。その際、他の因子は全て、一定である。
【００５６】
実施例３
この実施例は、原料の噴射貫入長さに対する原料温度の効果を示す。図４は、噴射貫入長さに対する原料の温度の効果を示すグラフである。図４に示されるように、原料温度が、一定の気／固温度で増大するほど、気／固および油滴の温度の間の温度差が減少するであろう。これはより低い蒸発速度をもたらし、次には、より長い貫入長さをもたらす。
【００５７】
実施例４
この実施例は、噴射角度（即ち、ノズル、および流動する触媒ストリームの垂直軸の間の角度）が増大するほど、噴射貫入長さに対して、強い影響を有することができることを示す。図５の噴射角度の定義は、９０゜（触媒流の軸に直交する水平面からの傾斜角）である。噴射角度が増大するほど、触媒流の軸との直交交差に近い噴霧をもたらす。逆に、噴射角度が減少するにつれて、ノズルの噴霧配向は、触媒との平行流に近づき、実質的に、原料液滴の貫入を減少する。
【００５８】
実施例５
この実施例においては、気／固および油滴の間の温度差、および貫入長さの対するその影響を検討する。図６に示されるように、気／固および油滴の間の温度差が（一定の原料温度で）増大するにつれて、蒸発速度は増大する。この蒸発速度の増大は、貫入長さの減少をもたらす。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】二つの異なる扇型噴霧パターン、および触媒ストリーム中へのそれらの貫入を示す概略図である。
【図２】触媒ストリームにおいて異なる侵入深さにある二組のノズルを示す概略図である。
【図３】触媒ストリーム中への原料の噴射貫入に対する原料の噴射速度の効果を示すグラフである。
【図４】原料の噴射貫入長さに対する原料温度の効果を示すグラフである。
【図５】噴射角度＝９０゜（水平面からのノズルの傾斜角度）である噴射貫入長さに対する噴射角度の効果を示すグラフである。
【図６】噴射貫入長さに対する気／固および油滴の間の温度差の効果を示すグラフである。
【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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【図６】
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【国際調査報告】
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