(57)【要約】  いくつかの軸方向／半径方向ロータ３が取り付けられた中心シャフト１と、ロータの上流側に配置された複数の固定ベーン２と、ロータの下流側に配置された混合空間とを備える、プロセス流体中で化学反応を行うための装置１００であって、混合空間は、ロータによってプロセス流体に付与された機械的エネルギーを前記プロセス流体の内部エネルギーに変換し、プロセス流体中で少なくとも１つの化学反応が発生する条件を確立するように構成される装置１００が提供される。装置の関連する構成、方法および使用がさらに提供される。【選択図】図１Ａ
2021534969.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロセス流体中で化学反応を行うための装置（１００、１００Ａ）であって、
−いくつかの軸方向／半径方向ロータが取り付けられた中心シャフト（１）であって、各々の前記ロータは前記中心シャフトに取り付けられたディスク（３ａ）の周囲にわたって配置された複数の軸方向／半径方向ロータブレード３を備える、中心シャフト（１）と、
−前記ロータの上流側に配置された複数の固定ベーン（２）と、
−前記ロータの下流側に配置されたベーン無しおよび／またはベーン付き混合空間として設けられた混合空間（４）と、
を備える、装置（１００、１００Ａ）であり、
前記混合空間は、前記ロータによって前記プロセス流体に付与された機械的エネルギーを前記プロセス流体の内部エネルギーに変換し、前記プロセス流体中で少なくとも１つの化学反応が発生するための条件を確立するように構成される、装置（１００、１００Ａ）。
【請求項２】
前記中心シャフト上に連続して取り付けられた少なくとも２つのロータを備える、請求項１に記載の装置（１００、１００Ａ）。
【請求項３】
前記複数の固定ベーン（２）、前記複数の軸方向／半径方向ロータブレード（３）、および前記混合空間（４）は、完全なエネルギー変換サイクルを仲介するように構成されたプロセス段を実現する、請求項１または請求項２のいずれか一項に記載の装置（１００、１００Ａ）。
【請求項４】
前記固定ベーンは、前記ロータの特定の仕事能力を制御するように、プロセス流体流を所定の方向に前記ロータへと方向付けるように構成された入口案内ベーンである、いずれかの先行する請求項に記載の装置（１００、１００Ａ）。
【請求項５】
前記固定ベーンは、前記プロセス流体流を、予旋回を伴って、本質的に軸対称子午面Ｘ−ｒに沿った方向に前記ロータへと方向付けるように構成される、いずれかの先行する請求項に記載の装置（１００、１００Ａ）。
【請求項６】
前記ロータブレードは、前記ロータの回転時に、前記固定ベーンから本質的に軸方向のプロセス流体流を受け取り、前記流れを、旋回を伴って本質的に半径方向へさらに変化させ、その結果、前記プロセス流体の接線速度を増加させることによって機械的エネルギーを前記プロセス流体に付与するように構成される、いずれかの先行する請求項に記載の装置（１００、１００Ａ）。
【請求項７】
前記ロータは、前記ロータブレードのプロファイルならびに寸法および前記ディスク上の前記ロータブレードの配置に関して、前記プロセス流体への機械的エネルギー投入を制御するように構成される、いずれかの先行する請求項に記載の装置（１００、１００Ａ）。
【請求項８】
前記少なくとも１つのロータは、前記複数のロータブレード（３）を覆うように構成されたシュラウド（３ｂ）を備える、いずれかの先行する請求項に記載の装置（１００、１００Ａ）。
【請求項９】
前記混合空間は、前記プロセス流体の運動エネルギーまたは機械的エネルギーを前記プロセス流体の内部エネルギーに変換するように構成される、いずれかの先行する請求項に記載の装置（１００、１００Ａ）。
【請求項１０】
前記混合空間（４）は、少なくとも屈曲部（４１）とそれに続く戻り流路部（４２）とを備える導管によって実現される、いずれかの先行する請求項に記載の装置（１００、１００Ａ）。
【請求項１１】
各々の段内の前記混合空間（４）は、その幾何学的形状パラメータおよび／または寸法パラメータに関して調整可能に構成される、いずれかの先行する請求項に記載の装置（１００、１００Ａ）。
【請求項１２】
前記混合空間（４）内の前記屈曲部（４１）および前記戻り流路部（４２）のいずれか一方は、少なくとも形状、長さ、断面、および前記装置内の空間的配置に関して調整可能である、請求項１０に記載の装置（１００、１００Ａ）。
【請求項１３】
前記混合空間（４）は、一つまたは複数の固定ベーン、タービュレータ装置、スロットル装置、細目の金網、流れガイド、スロットなどを含むがこれらに限定されない、少なくとも１つの追加の構成要素をさらに備える、いずれかの先行する請求項に記載の装置（１００、１００Ａ）。
【請求項１４】
前記混合空間（４）は、ディフューザ（４ｂ）を備える、いずれかの先行する請求項に記載の装置（１００、１００Ａ）。
【請求項１５】
前記ディフューザは、ベーン付きまたはベーン無しのディフューザである、いずれかの先行する請求項に記載の装置（１００、１００Ａ）。
【請求項１６】
前記固定ベーン（２）および／または前記ロータブレード（３）は、予め設定されたように、または製造されたように、少なくともその寸法、位置合わせ、および空間的配置に関して、各々の段内で変化する、いずれかの先行する請求項に記載の装置（１００、１００Ａ）。
【請求項１７】
前記固定ベーン（２）および／または前記ロータブレード（３）は、前記装置の動作中に、少なくともその寸法、位置合わせ、および空間的配置に関して、各々の段内で個別に調整可能である、いずれかの先行する請求項に記載の装置（１００、１００Ａ）。
【請求項１８】
前記中心シャフトおよび前記少なくとも１つの段を取り囲むように構成されたハウジング（２０）をさらに備える、いずれかの先行する請求項に記載の装置（１００、１００Ａ）。
【請求項１９】
モジュール構造として構成され、前記ハウジング（２０）は連続して配置されるいくつかのモジュール（２１、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ、２２）によって実現される、いずれかの先行する請求項に記載の装置（１００、１００Ａ）。
【請求項２０】
少なくとも１つの無排気モジュール（２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ）および排気モジュール（２２）を備える、いずれかの先行する請求項に記載の装置（１００、１００Ａ）。
【請求項２１】
前記排気モジュール（２２）は、前記中心シャフトによって画定される前記装置の水平軸に対して円周方向に配置されたプロセス流体排出用の少なくとも１つの出口ライン（１２）を備え、前記排気モジュールにおいて、前記混合空間は、前記出口ラインの内側に設けられた排気混合空間（４ａ）である、いずれかの先行する請求項に記載の装置（１００、１００Ａ）。
【請求項２２】
前記排気モジュール（２２）は、注入ポート、パイプ、マニホールドなどを含むがこれらに限定されない、少なくとも１つの追加の構成要素をさらに備える、いずれかの先行する請求項に記載の装置（１００、１００Ａ）。
【請求項２３】
前記モジュール構造内において、前記段は、少なくとも１つのモジュールによって実現される、いずれかの先行する請求項に記載の装置（１００、１００Ａ）。
【請求項２４】
流体の流れ方向の最も上流側に配置され、前記中心シャフトによって画定される前記装置の水平軸に対して円周方向に配置された少なくとも１つの吸気ライン（１１）を介して原料含有プロセス流体を受け取るように構成された入口モジュール（２１）をさらに備える、いずれかの先行する請求項に記載の装置（１００、１００Ａ）。
【請求項２５】
前記段は、前記入口モジュール（２１）および前記排気モジュール（２２）によって実現される、いずれかの先行する請求項に記載の装置（１００、１００Ａ）。
【請求項２６】
前記モジュール構造内のモジュールの数は、前記入口モジュール（２１）と前記排気モジュール（２２）との間に設けられた前記少なくとも１つの無排気モジュール（２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ）の追加、交換、および／または取り外しによって調整可能である、いずれかの先行する請求項に記載の装置（１００、１００Ａ）。
【請求項２７】
前記ハウジング（２０）の内部は、前記固定ベーン（２）、前記軸方向／半径方向ロータブレード（３）、および前記混合空間（４）に近接するように構成される、いずれかの先行する請求項に記載の装置（１００、１００Ａ）。
【請求項２８】
前記ハウジング（２０）は、前記装置の水平断面に沿って見たときに上部（２０１）および下部（２０２）をさらに備え、前記上部は、各々のモジュール内に前記混合空間（４）を形成する少なくとも前記流路の前記屈曲部（４１）を含むように構成される、いずれかの先行する請求項に記載の装置（１００、１００Ａ）。
【請求項２９】
前記上部（２０１）は、前記戻り流路部（４２）の少なくとも一部を含むようにさらに構成される、いずれかの先行する請求項に記載の装置（１００、１００Ａ）。
【請求項３０】
各々の個々のモジュール内の前記ハウジングの前記上部（２０１）は、取り外し可能かつ交換可能に構成される、いずれかの先行する請求項に記載の装置（１００、１００Ａ）。
【請求項３１】
いくつかの触媒表面で構成される、いずれかの先行する請求項に記載の装置（１００、１００Ａ）。
【請求項３２】
前記ハウジング（２０）は、最大で３０ｍｍ、好ましくは５〜２０ｍｍの範囲内の厚さを有する壁で構成される、いずれかの先行する請求項に記載の装置（１００、１００Ａ）。
【請求項３３】
各々のプロセス段および／または各々のモジュールは、その構造および／またはその動作に対する制御性に関して、他の段および／またはモジュールから独立して実現される、いずれかの先行する請求項に記載の装置（１００、１００Ａ）。
【請求項３４】
前記入口モジュール（２１）と前記排気モジュール（２２）との間に配置された前記少なくとも１つの無排気モジュール（２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ）に接続可能な追加の精製設備および／または熱交換設備（６）をさらに備える、いずれかの先行する請求項に記載の装置（１００、１００Ａ）。
【請求項３５】
炭化水素含有原料の熱的または熱化学的クラッキングのためのいずれかの先行する請求項に定義された装置の使用。
【請求項３６】
好ましくは中量および軽量炭化水素画分を含有する炭化水素原料を処理すること、ガス化炭水化物含有原料物質を処理すること、ガス化グリセリド含有原料物質ならびに／もしくは脂肪酸含有原料物質を処理すること、およびガス化セルロース系バイオマス材料を処理することからなる群から選択される少なくとも１つの手順を実行するための請求項３５に記載の使用。
【請求項３７】
並列または直列に機能的に接続された、請求項１〜３４のいずれか一項に記載の少なくとも２つの装置を含む構成。
【請求項３８】
前記少なくとも２つの装置は、互いに鏡像関係になるように接続され、そのことにより、それらのシャフトは少なくとも機能的に接続される、請求項３７に記載の構成。
【請求項３９】
プロセス流体中で化学反応を行うための方法であって、
ａ．装置（１００、１００Ａ）であって、
−いくつかの軸方向／半径方向ロータが取り付けられた中心シャフト（１）であって、各々の前記ロータは前記中心シャフトに取り付けられたディスク（３ａ）の周囲にわたって配置された複数の軸方向／半径方向ロータブレード（３）を備える、中心シャフト（１）と、
−前記ロータの上流側に配置された複数の固定ベーン（２）と、
−前記ロータの下流側に配置された混合空間（４）と、
を備える、装置（１００、１００Ａ）であり、
前記複数の固定ベーン（２）、前記複数の軸方向／半径方向ロータブレード（３）、および前記混合空間（４）は、プロセス段を実現する、装置（１００、１００Ａ）
を得ることと、
ｂ．前記プロセスによって課される要件を満たすプロセス流体流量に達するように、前記ロータの回転速度を所定の速度または速度範囲に調整することと、
ｃ．前記原料含有プロセス流体の予熱レベルを調整することと、
ｄ．その後、前記混合空間において前記ロータによって前記プロセス流体に付与された機械的エネルギーが前記プロセス流体の内部エネルギーに変換され、そのことにより前記プロセス流体中の化学反応の発生を促進するように、前記少なくとも１つの段を通して原料含有プロセス流体流を方向付けることと、
を含む、方法。
【請求項４０】
前記原料は、炭化水素を含む、請求項３９に記載の方法。
【請求項４１】
滞留時間および／または収率は、前記混合空間の幾何学的形状パラメータおよび／または寸法パラメータをモジュール式に変更することによって、各々の段内で個別に調整可能である、請求項３９または４０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４２】
前記原料含有プロセス流体流量は、動作中に調整可能である、請求項３９〜４１のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転ターボ機械の分野に関する。特に、本発明は、化学反応を行うための回転装置、関連する構成、方法および使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
化学反応、特に、熱分解またはクラッキングなどの様々な熱的プロセスおよび熱化学プロセスは、従来、石油精製所および石油化学プラントで利用されている。不安定な価格設定および制限的な環境政策要件を背景とした世界的なエネルギー需要の増大を受けて、石油・ガス業界は、エネルギー効率の向上および環境フットプリントの低減を伴う生産技術の開発など、数々の課題に直面している。これらはまた、主な石油化学プロセスの１つ、すなわち低級（低分子量）オレフィンの大量生産の開発について考慮すべき問題である。
【０００３】
エチレン、プロピレンおよびブチレンなどの低分子オレフィンは、石油化学産業の主成分であり、プラスチック、ポリマー、エラストマー、ゴム、発泡体、溶媒および化学中間体、さらに炭素繊維を含む繊維およびコーティングの商業生産における基本構成要素としての役割を果たす。ナフサまたは軽油などの中量炭化水素およびペンタン、ブタン、プロパン、ならびにエタンのような軽質炭化水素の軽量で実質的に不飽和の重合性成分への熱分解を含む、低級オレフィン生産のための既存の技術は、一般に、管状炉内で実施される。後者は、熱分解プロセスに厳しい制限を課す。つまり、動作が熱伝達に基づくということから、反応管内部の良好な温度分布を維持することは、依然として課題である。
【０００４】
概して、炭化水素のクラッキングは、典型的には、少なくともプロセス温度、滞留時間（単数または複数）および炭化水素の分圧を調節することによって最適化される。従来のクラッキング炉では、上述の反応速度パラメータに対する制御性は、既存の反応器の解決策の構造によって課される制限のために制限される。
【０００５】
例えば、従来の管状反応器では、熱エネルギーは反応器壁を通して反応空間に送達され、そのことにより、反応装置は熱交換器として作用する。管壁からプロセス流体への熱伝達にはその物理的限界があるため、いくつかの例では、例えば所望の反応結果を達成するために温度を上昇させることは、不可能である。さらに、従来の管状（軸方向）反応器の反応空間内の圧力を変化させる／制御することは困難である。
【０００６】
したがって、管状炉内の不十分な原料加熱速度のために、熱分解プロセスの持続時間が増加し、その結果、初段で形成されたときに、オレフィンが、二次反応に入り始めるのに十分に長い時間にわたって反応器炉内に存在し、したがって目的生成物の結果を大幅に低減するという状況になる。二次生成物の１つはコークスであり、これは管内の熱伝達問題および下流側機器の汚れを引き起こす。
【０００７】
さらに、既存の反応器の解決策では、温度勾配が非常に高い。したがって、反応器壁に沿った温度は、典型的には、その中心（反応室全体に沿って見た場合）と比較して非常に高い。流体の流れは、反応器壁に隣接する領域よりも中心において速いので、大きな温度勾配は、深刻なコーキング問題を引き起こす。
【０００８】
さらに、既存の反応器の解決策では、滞留時間（原料含有プロセス流体が反応空間内に存在する時間）は、依然として最適化の範囲外である。
【０００９】
従来の技術は、一度に従来の熱分解炉を使用することが、熱伝達速度の変更および／またはそれに応じた反応温度パラメータならびに反応結果の調整に関して、それらの技術的限界に既に達していることから、上述の問題に対する合理的な解決策を提供しない。
【００１０】
このように、熱分解による低分子量炭化水素の従来の製造プロセスでは、プロセス全体にわたって制御性に欠けるという大きな問題があり、そこから次のような様々な二次的な問題が生じる。（１）管状炉反応器の低い性能係数、（２）貴重な原料材料の損失、（３）長い反応時間、（４）大きい二次反応速度、（４）高いエネルギー消費、（５）最適でない（実現可能な値未満の）生成物収率および選択性。
【発明の概要】
【００１１】
本発明の目的は、関連技術の限界および欠点から生じるそれぞれの問題を解決する、または少なくとも軽減することである。上記目的は、プロセス流体中で化学反応を行うための装置、関連する構成、方法および使用の様々な実施形態によって達成される。したがって、本発明の一態様では、独立請求項１に定義されている内容に従って、プロセス流体中で化学反応を行うための装置が提供される。
【００１２】
一実施形態では、前記装置は、いくつかの軸方向／半径方向ロータが取り付けられた中心シャフトであって、各々の前記ロータは中心シャフトに取り付けられたディスクの外周にわたって配置された複数の軸方向／半径方向ロータブレードを備える、中心シャフトと、ロータの上流側に配置された複数の固定ベーンと、ロータの下流側に配置されたベーン無しまたはベーン付き混合空間として設けられた混合空間とを備え、混合空間は、ロータによってプロセス流体に付与された機械的エネルギーを前記プロセス流体の内部エネルギーに変換し、プロセス流体中で少なくとも１つの化学反応が発生する条件を確立するように構成される。
【００１３】
一実施形態では、前記装置は、中心シャフト上に連続して取り付けられた少なくとも２つのロータを備える。
【００１４】
いくつかの実施形態では、複数の固定ベーン、複数の軸方向／半径方向ロータブレード、および混合空間は、完全なエネルギー変換サイクルを仲介するように構成されたプロセス段を実現する。
【００１５】
一実施形態では、前記装置において、固定ベーンは、好ましくは、ロータの特定の仕事能力を制御するように、プロセス流体流を所定の方向にロータへと方向付けるように構成された入口案内ベーンである。前記固定ベーンは、好ましくは、プロセス流体流を、予旋回を伴って、本質的に軸対称子午面Ｘ−ｒに沿った方向にロータへと方向付けるようにさらに構成される。
【００１６】
一実施形態では、前記装置において、ロータブレードは、ロータの回転時に、固定ベーンから本質的に軸方向のプロセス流体流を受け取り、前記流れを、旋回を伴って本質的に半径方向へさらに変化させ、その結果、プロセス流体の接線速度を増加させることによって機械的エネルギーをプロセス流体に付与するように構成される。
【００１７】
一実施形態では、前記装置において、ロータはさらに、ロータブレードのプロファイルならびに寸法およびディスク上のロータブレードの配置に関して、プロセス流体への機械的エネルギー投入を制御するように構成される。
【００１８】
一実施形態では、該装置に設けられた少なくとも１つのロータは、複数のロータブレードを覆うように構成されたシュラウドを備える。
【００１９】
一実施形態では、前記装置において、混合空間は、好ましくは、プロセス流体の運動エネルギーまたは機械的エネルギーを前記プロセス流体の内部エネルギーに変換するように構成される。前記混合空間は、好ましくは、少なくとも１つの屈曲部とそれに続く戻り流路部とを備える導管によって実現される。実施形態では、各々の段内の混合空間は、その幾何学的形状パラメータおよび／または寸法パラメータに関して調整可能に構成される。前記混合空間において、屈曲部および戻り流路部のいずれか一方は、好ましくは、少なくとも形状、長さ、断面および装置内の空間的配置に関して調整可能に構成される。
【００２０】
いくつかの実施形態では、混合空間は、一つまたは複数の固定ベーン、タービュレータ装置、スロットル装置、細目の金網、流れガイド、スロット、および挿入可能ならびに／もしくは取り外し可能な構成要素などを含むがこれらに限定されない、少なくとも１つの追加の構成要素をさらに備える。混合空間は、ベーン付きまたはベーン無しであり得るディフューザをさらに備え得る。
【００２１】
一実施形態では、前記装置内の固定ベーンおよび／またはロータブレードは、好ましくは、予め設定されたように、または製造されたように、少なくともその寸法、位置合わせ、および空間的配置に関して、各々の段内で変化するように構成される。一実施形態では、前記固定ベーンおよび／またはロータブレードは、該装置の動作中に、少なくともその寸法、位置合わせ、および空間的配置に関して、各々の段内で個別に調整可能に構成される。
【００２２】
一実施形態では、該装置は、中心シャフトおよび少なくとも１つの段を取り囲むように構成されたハウジングをさらに備える。
【００２３】
一実施形態では、該装置は、モジュール構造として構成され、ハウジングは、連続して配置されるいくつかのモジュールによって実現される。該装置は、少なくとも１つの無排気モジュールおよび排気モジュールを備えるようにさらに構成される。
【００２４】
一実施形態では、排気モジュールは、中心シャフトによって画定される該装置の水平軸に対して円周方向に配置されたプロセス流体排出用の少なくとも１つの出口ラインを備え、排気モジュールにおいて、混合空間は、出口ラインの内側に設けられた排気混合空間である。前記排気モジュールは、注入ポート、パイプ、マニホールドなどを含むがこれらに限定されない、少なくとも１つの追加の構成要素をさらに備え得る。
【００２５】
いくつかの実施形態では、上述のモジュール構造において、段は、少なくとも１つのモジュールによって実現される。
【００２６】
一実施形態では、該装置は、流体の流れ方向の最も上流側に配置され、中心シャフトによって画定される該装置の水平軸に対して円周方向に配置された少なくとも１つの吸気ラインを介して原料含有プロセス流体を受け取るように構成された入口モジュールを備えるようにさらに構成される。
【００２７】
一実施形態では、段は、入口モジュールおよび排気モジュールによって実現される。
【００２８】
一実施形態では、モジュール構造内のモジュールの数は、入口モジュールと排気モジュールとの間に設けられた少なくとも１つの無排気モジュールの追加、交換、および／または取り外しによって調整可能である。
【００２９】
一実施形態では、該装置のハウジングは、固定ベーン、軸方向／半径方向ロータブレード、および混合空間に近接するように構成される。
【００３０】
さらなる実施形態では、ハウジングは、該装置の水平断面に沿って見たときに上部および下部をさらに備え、前記上部は、各々のモジュール内に混合空間を形成する少なくとも流路の屈曲部を含むように構成される。
【００３１】
一実施形態では、前記上部は、戻り流路部の少なくとも一部を含むようにさらに構成される。
【００３２】
一実施形態では、個々のモジュール内のハウジングの前記上部は、取り外し可能かつ交換可能に構成される。
【００３３】
一実施形態では、前記装置において、ハウジングは、最大で３０ｍｍ、好ましくは５〜２０ｍｍの範囲内の厚さを有する壁でさらに構成され得る。
【００３４】
一実施形態では、該装置は、いくつかの触媒表面で構成される。
【００３５】
一実施形態では、前記装置において、各々のプロセス段および／または各々のモジュールは、その構造および／またはその動作に対する制御性に関して、他の段および／またはモジュールから独立して実現される。
【００３６】
一実施形態では、該装置は、入口モジュールと排気モジュールとの間に配置された少なくとも１つの無排気モジュールに接続可能な精製設備および／または熱交換設備などの追加の設備をさらに備える。
【００３７】
別の態様では、独立請求項３５に定義されている内容に従って、炭化水素含有原料の熱的または熱化学的クラッキングのための前記装置の使用が提供される。
【００３８】
さらなる態様では、独立請求項３７に定義されている内容に従って、いくつかの以前の態様に係る少なくとも２つの装置を含む構成が提供される。
【００３９】
さらに別の態様では、独立請求項３９に定義されている内容に従って、プロセス流体中で化学反応を行うための方法が提供される。
【００４０】
本発明の有用性は、その各々の特定の実施形態に応じて様々な理由から生じる。本開示の反応器のモジュール構造は、例えば顧客の特定の要求を満たすようにカスタマイズされた、場合に応じた解決策を提供することが可能である。したがって、本明細書で開示される解決策は、反応器内の別個のモジュールの追加および除去（任意選択で交換を伴う）を可能にし、その結果、反応器内のいくつかのプロセス段の変更を可能にする。例えば、最初は単段の反応装置は、単段構造は１段で必要量のエネルギーを伝達することができないことが判明した場合には、２段以上を備える構造に容易に拡張され得る。
【００４１】
モジュール式であることに加えて、本発明の解決策はさらに、完全に拡張可能であり、したがって、本明細書で開示される反応器は、本質的に任意のサイズおよび容量の精製設備用に構成され得る。拡張性とは、個々の反応装置のサイズ（およびそれに応じて、その容量）の変更を指す。反応器は、既存の機械と比較してはるかに大きな規模に拡張可能であり、一般に、反応器の拡張性は、その出力要件および／またはシャフト／ロータ速度に比例する。
【００４２】
モジュール式の解決策として反応装置を提供することにより、そのプロセス機能性の向上に関していくつかの利点を得ることが可能になる。特に、本明細書で開示される構造は、滞留時間（原料含有プロセス流体が反応空間内に存在する時間）を極めて高い精度で制御することを可能にする。これは、混合空間（単数または複数）の幾何学的形状に関連するパラメータおよび／または三次元構成パラメータを微調整することによって達成される。滞留時間は、一定温度での一次生成物と二次生成物との比に影響を及ぼす。したがって、短い滞留時間では、目的生成物（ここでは、軽質オレフィン）の形成をもたらす一次反応が優位であるが、より長い滞留時間は、二次反応の増加につながり、コークス形成をもたらす。
【００４３】
ハウジングの所定の部分を交換することによって、各々のモジュールまたはモジュール群内で、滞留時間のさらなる制御が達成され得る。交換可能なモジュールおよび／または交換可能な部分を設けることにより、反応器の容易なメンテナンスが可能になり、汚れ／コーキングに対する効果的な解決策が提供される。
【００４４】
従来の管状反応器では、熱は管壁を通して流体に伝達される（したがって、基本的に前記反応器は熱交換装置である）。本明細書で提供される解決策では、反応器は、反応流体（単数または複数）／プロセス流体（単数または複数）に空気力学的作用によって内部的におよび直接的にエネルギーを投入するように構成される。
【００４５】
その結果、本発明の反応装置は、反応流体中の最高温度よりも低い表面温度を有する。これは、一方では反応器内の最高温度を低下させ、他方ではコークスが形成されて反応器の固体表面上に堆積する可能性を低減する。
【００４６】
本発明の解決策により、従来の反応装置と比較して、プロセス流体中の著しく低い表面温度および低い温度差を達成することが可能になる。したがって、本明細書で提示される反応装置は、流体温度の制御を可能にし、そのことにより、温度均一性が向上し、それに応じて温度差が低減され得る。
【００４７】
反応流体へのエネルギー投入は、さらに高度に制御可能である。
【００４８】
例示的な構成では、本開示の反応器は、有利には、１〜１００ｋｇ／秒の範囲内の容量を有する高流量反応器として提供される。上述したように、本明細書で提示される解決策は、十分に拡張可能であり、したがって、反応器の容量は、そのサイズに大きく依存する。例示的な範囲としては、１０〜１５ｋｇ／秒、２５〜５０ｋｇ／秒、または７５〜１００ｋｇ／秒が挙げられる。実際に、反応器は、１００ｋｇ／秒を超える容量値を達成するように構成され得るが、いくつかの例では、装置をより大きなサイズおよび／または体積に拡大することは、その出力要件ならびに速度要件によって、およびコスト効率を考慮することによって制限され得る。
【００４９】
従来の機械に対する本発明の解決策、例えば、軸方向およびトロイダル解決策の以下の利点がさらに確認され得る。
−仕事能力の向上（先行技術の解決策と比較して約４００％）、
−小型化（製造コストの低減）、
−段間の流れ混合が回避される、
−滞留時間、圧力および温度（全部で収率に寄与する）は、各段において高精度で制御可能である。既存の概念のいずれも、上述の３つのパラメータを全てまとめて制御することができない、
−温度分布が周方向に均一であり、クリアランスがより小さく、コーキングが低減される。
【００５０】
用語「熱分解」および「クラッキング」は、本開示において、重い炭化水素含有化合物の軽い炭化水素含有化合物への熱分解のプロセスに関する同義語として主に使用される。
【００５１】
「いくつかの」という表現は、本明細書では、一（１）から始まる任意の正の整数、例えば、１、２、または３を指す。「複数の」という表現は、本明細書では、二（２）から始まる任意の正の整数、例えば、２、３、または４を指す。
【００５２】
用語「第１の」および「第２の」は、本明細書では、明示的に別段の定めがない限り、特定の順序または重要度を示すのではなく、ある要素を別の要素と単に区別するために使用される。
【００５３】
用語「流体」および「プロセス流体」は、本開示では、主にガス状物質、例えば、好ましくは希釈剤の存在下で、反応装置の内部を通って案内されるガス状原料流を指す。
【００５４】
用語「ガス化」という用語は、本明細書では、物質が任意の可能な手段によってガス状態に変わることを示すために使用される。
【００５５】
用語「流体力学的」は、本明細書では、本開示では主にガスで表される流体の動態を示すために使用される。したがって、前記用語は、本開示では、用語「空気力学的」と同義語として使用される。
【００５６】
本発明の異なる実施形態は、詳細な説明および添付図面を考慮することによって明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１Ａ】いくつかの実施形態に係る装置１００を示す図である。
【図１Ｂ】いくつかの実施形態に係る装置１００を示す図である。
【図２Ａ】いくつかの他の実施形態に係る装置１００Ａを示す図である。
【図２Ｂ】いくつかの他の実施形態に係る装置１００Ａを示す図である。
【図３】いくつかの実施形態に係る、装置の排気モジュールの横断面図である。
【図４】いくつかの実施形態に係る、装置内の固定の関連要素およびロータ関連要素を示す、横断線を通した部分図である。回転方向、角度（Ω，ω）および入口における接線速度（ｒ１ω）および出口における接線速度（ｒ２ω）が示されている。
【図５】冷却システムなどの追加の設備をさらに備える装置の一実施形態を示す図である。
【図６Ａ−Ｂ】固定の関連要素およびロータ関連要素の例示的な構成の概略図である。
【図６Ｃ】いくつかの実施形態に係る、装置の例示的なプロセス段の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００５８】
本発明の詳細な実施形態について、添付図面を参照しながら、本明細書に開示する。図面を通して同一の部材を示すのに同一の参照番号が使用されている。
【００５９】
図１Ａおよび図２Ａは、様々な実施形態に係る、プロセス流体中で化学反応を行うための反応装置（以下、反応器）の様々な実施形態の基礎となる概念を１００、１００Ａで示す。
【００６０】
反応器１００、１００Ａは、遠心圧縮機または遠心ポンプの設計に概ね従うラジアルターボ機械として構成される。用語「遠心」は、装置内の流体の流れが半径方向であることを意味し、したがって、装置は、本開示では、「半径流装置」と呼ばれ得る。
【００６１】
反応器１００、１００Ａは、プロセス流体中で少なくとも１つの化学反応を行うように構成される。いくつかの例示的な実施形態では、反応器は、炭化水素含有原料、特に、流動炭化水素含有原料の熱的変換または熱化学的変換のために構成される。「炭化水素含有原料」とは、本明細書では、主に炭素および水素を含む流動有機原料物質を指す。しかしながら、いくつかの例では、反応器は、酸素含有炭化水素誘導体、セルロース系原料および／または植物油系原料などの酸素含有原料物質を処理するように構成され得る。したがって、本明細書で提案される反応器の利用可能性は、炭化水素原料の従来の定義によって課される限界を超える。
【００６２】
反応器１００、１００Ａは、ガス化原料を処理するように構成され、プロセス流体は、ガス状態で提供される。代替構成では、本質的に液体の原料物質の処理は除外されない。
【００６３】
熱分解反応において、原料は、典型的には、生成物収率を高めるために希釈剤（単数または複数）を含有する。反応器１００、１００Ａは、有利には、少なくとも１の希釈剤 、好ましくは、例えば（水）蒸気、チッ素（Ｎ２）またはアルゴンなどの希釈ガスによって希釈された原料を受け入れるように構成される。いくつかの例では、希釈剤は、反応物および反応生成物に対して本質的に０の反応度を有する不活性ガス媒質（例えば、窒素、アルゴン）である。任意の他の適切な希釈剤、好ましくは、希釈ガスが使用され得る。したがって、装置１００、１００Ａを通って伝播されるプロセス流体は、前記少なくとも１つの希釈剤を含む。
【００６４】
したがって、反応器１００、１００Ａは、水平（長手方向）軸（Ｘ−Ｘ’；水平軸に沿ったプロセス流体流は矢印で示されている）に沿って配置された中央シャフト１と、前記シャフト１に取り付けられたいくつかのロータユニット（以下、ロータ）とを備える。いくつかの構成では、反応器は、少なくとも１つのロータを備え、好適な構成では、反応器は、中心シャフト上に順次（連続して）取り付けられた２つ以上のロータを備える。
【００６５】
反応器１００、１００Ａは、シャフトおよびシャフトに取り付けられたロータを回転させるように構成された、電気モータ、蒸気タービンまたはガスタービンなどの少なくとも１つの駆動ユニット（図示せず）をさらに備える。
【００６６】
各々の前記ロータユニットは、中心シャフト１に取り付けられたディスク３ａの周囲にわたって配置された複数のロータブレード３を備える。ディスク上に配置されたされた前記複数のロータブレードはまとまって、ロータブレードアセンブリまたはロータブレード翼列を形成する。前記ロータブレード３は、軸方向／半径方向ロータブレードとして構成され得る、あるいは、ロータブレードは、主に半径方向ロータブレードとして構成され得る。軸方向／半径方向ロータブレードの定義は、以下のように説明可能である。図４に示されているように、プロセス流体は、本質的に水平方向Ｘ−Ｘ’の軸方向に（接線方向の渦を伴って、または伴わずに）ロータに入り、子午面で見たときに、主として、概ね半径方向（すなわち、装置の中心シャフトによって画定される水平軸Ｘ−Ｘ’から半径方向外向き）である方向にロータから出る。子午面図（２次元）は、反応器１００、１００Ａを通る水平横断面として示されている。主に半径方向ロータブレードが図６Ｃに示されている。全体として、ロータブレード３は、高段仕事量のための高負荷遠心インペラブレードである。ロータは、さらに仕事能力を向上させるスプリッタブレードを含むように構成され得る。スプリッタブレードを有するロータについては、図６Ｂを参照しながら以下でさらに詳細に説明する。
【００６７】
反応器１００、１００Ａは、ロータの上流側に配置された複数の固定（ステータ）ベーン２をさらに備える。前記複数の固定ベーンはまとまって、ロータの上流側に本質的に環状のアセンブリとして設けられたステータベーン翼列（ステータ）を形成する。
【００６８】
好適な構成では、反応器１００、１００Ａは、ロータの下流側に配置された混合空間４をさらに備える。
【００６９】
用語「上流側」よび「下流側」は、本明細書では、（図１Ａ、図２Ａの軸Ｘ−Ｘ’に沿った）反応器全体にわたるプロセス流体流の方向における、所定の部品または構成要素（本明細書では、ロータ）に対する構造部品または構成要素の空間的および／または機能的構成を指す。
【００７０】
固定ベーン２は、有利には、（入口）案内ベーン（ＩＧＶ）として設けられ、（入口）案内ベーンは、中心シャフトの周りのそのプロファイル、寸法、および配置に関して、プロセス流体流を所定の方向にロータへと方向付けして、例えば、ロータ固有の仕事能力を制御し、いくつかの例では、最大化するように構成される。ステータ２は、固定構造として設けられているので、プロセス流体にエネルギーを加えることはない。しかしながら、ステータベーンは、必要な／必要とされる予旋回をプロセス流体に加え、ロータが前記プロセス流体への（機械的）エネルギー投入を最大化することを可能にするように、構成される。これは、プロセス流体を所定の必要な（例えば、プロセスパラメータに必要な）角度および速度でロータに流入させるようにステータベーンを寸法決めすることによって達成される。流体がロータブレードに流入する角度（入口角度）は、（ステータ２の下流側に配置された）ロータ３がどれほどのエネルギーを流体に付与するかはその角度に依存するので、ここで最も重要なパラメータである。
【００７１】
固定ベーン２はさらに、プロセス流体流を、本質的に軸対称子午面Ｘ−ｒ（図１Ａ、図４）に沿った方向にロータへと方向付けするように構成される。
【００７２】
したがって、プロセス流体流は、本質的に軸方向に（図１Ａ、図２Ａの平面Ｘ−Ｘ’に沿った矢印で示されている）複数のロータブレード３へと流入する。軸方向／半径方向ロータブレード３はさらに、ロータの回転時に、固定ベーン２から前記本質的に軸方向のプロセス流体流を受け取り、前記流体流を本質的に半径方向（図４）にさらに変化させ、その結果、プロセス流体の接線速度（周速度）を増加させることによって機械的エネルギーをプロセス流体に付与するように構成される。したがって、接線速度の増加は、流体の運動エネルギーの増加をもたらす。
【００７３】
図４を参照すると、図４にはステータベーン２およびロータブレード３の互いに対する構成が示されている。水平軸（Ｘ）を中心としたロータの回転の方向は、矢印で示されている。ロータの角速度はΩ（ω，オメガ）で示されており、ブレードの接線速度または周速度はｒωに等しく、ｒはロータの半径である。図４は、ロータに流入する流体流のベクトル三角形（ｒ１ω，Ｖ１，Ｗ１）とロータから流出する流体流のベクトル三角形（ｒ２ω，Ｖ２，Ｗ２）を示しており、ベクトルＷは相対（流れ）速度であり、ベクトルＶは絶対（流れ）速度であり、流れの方向も示している。
Ｖ＝Ｗ＋（ｒω）
【００７４】
図４から、ステータ２を出てロータ３に入る本質的に軸方向の流体流（Ｖ１）は、前記ロータの回転時に、装置の中心シャフトによって画定される水平軸（Ｘ）から半径方向外側にロータブレードによってさらに案内されることが分かる（Ｖ２；ロータブレードを出る流体流）。用語「半径方向」または「半径方向に」は、本開示では、中心シャフト１によって画定される装置１００の水平（長手方向）軸（Ｘ）と本質的に直交する方向（単数または複数）を示すために使用される。
【００７５】
いくつかの例では、ロータブレードの周速度は、少なくとも１５０ｍ／秒になるように適合される。いくつかの例では、前記周速度は、１５０〜３５０ｍ／秒の範囲に調整され得る。周速度を１５０ｍ／秒の速度未満に低下させることは、ロータ負荷容量が低くなりすぎるので望ましくない。
【００７６】
このことにより、ロータは、ロータブレードのプロファイルならびに寸法およびディスク上のロータブレードの配置に関して、プロセス流体への機械的エネルギー投入を最大化するように構成される。
【００７７】
いくつかの例では、少なくとも１つのロータは、複数のロータブレード３を覆うように構成されたシュラウド３ｂをさらに備えることが好ましい。シュラウド無しロータは、漏れ流（覆われていない回転ブレード上で「漏れる」流れ）、いくつかの例では、逆漏れ流に関連する高い損失のために、効率が悪くなる傾向がある。シュラウド３ｂなどのロータカバーは、そのような漏れを効果的に防止する、または少なくとも最小限に抑える。さらに、シュラウドは、シュラウドがなければ段間で生じ得る流体の逆流および有害な流れ混合を防止する。
【００７８】
いくつかの例では、該装置１００、１００Ａが、シュラウド付きロータとシュラウド無しロータの両方を備えることが好ましい。シュラウド無しロータでは、より高い回転速度でのロータの動作が可能であり、その結果、いくつかのシュラウド無しロータとそれに続くいくつかのシュラウド付きロータとを有する構成は、「マルチロータ」構成（例えば、中心シャフト上に連続して配置された少なくとも５つのロータを備える）において、反応条件を調整するという点で有益であり得る。
【００７９】
ロータは、プロセス流体に機械的エネルギーを付与するように構成されるが、ロータの下流側に位置する混合空間４は、プロセス流体の機械的エネルギーを前記プロセス流体の内部エネルギーに変換するようにさらに構成される。混合空間４において、ロータから到着する高速流体流は、大幅なエントロピー増加を伴って拡散され、そのことにより、流れは、運動エネルギーを反応（プロセス）流体の内部エネルギーに消散させ、その結果、長い炭素−水素（Ｃ−Ｈ）鎖間の化学結合を分解するために必要とされる熱エネルギーを提供する。流体の内部エネルギーの増加は、流体温度の上昇をもたらす。したがって、プロセス流体中に存在する高分子量化合物は、効果的にサイズ低減される。
【００８０】
これに対して、従来の管状反応器では、機械的エネルギーは熱に変換され、管壁を通して伝達される。基本的に、前記従来の管状反応器は熱交換装置である。しかしながら、本発明の装置１００、１００Ａは、エネルギーを直接分子に加えるように構成される。したがって、機械的エネルギーは、空気力学作用によって消散する。
【００８１】
反応器１００、１００Ａにおいて、複数の固定ベーン２（ロータの上流側）、複数の軸方向／半径方向ロータブレード３、および混合空間４は、完全なエネルギー変換サイクルを仲介するように構成されたプロセス段（以下、段）を実現する。エネルギー変換サイクルの間、流体の機械的エネルギーは運動エネルギーに変換され、さらに流体の内部エネルギーに変換され、続いて流体温度が上昇し、前記流体中で化学反応が発生する。
【００８２】
図１Ｂおよび図２Ｂを参照すると、混合空間は、ここでは、少なくとも屈曲部４１とそれに続く戻り流路部４２とを備える導管によって実現される。各々の段内で、前記混合空間４は、その幾何学的形状パラメータおよび／または寸法パラメータに関して調整可能に構成される。したがって、混合空間４内の屈曲部４１および戻り流路部４２のいずれか一方は、少なくとも形状、長さ、断面、および装置１００、１００Ａ内のその空間的配置に関して調整可能である。
【００８３】
湾曲部４１は、有利には、Ｕ字形屈曲部として設けられるが、例えばＳ字形屈曲部などの他の構成も除外されない。
【００８４】
混合空間４の前述のパラメータを変化させることによって、滞留時間（プロセス流が各々の混合空間内に存在する時間）および反応収率が高精度で制御され得る。例えば、屈曲部４１および／または戻り流路部４２の長さおよび／または直径を増加させることにより、プロセス流体のエントロピー増加を最大化し、および／または加速させることが可能になり、そのことがロータの機械的エネルギーを流体に迅速に伝達するための条件を生み出す。したがって、混合空間４は、化学反応（単数または複数）が主に発生する反応空間を実現する。
【００８５】
混合空間４は、絶対流れ方向を制御するための一つまたは複数の固定ベーン、乱流促進装置（タービュレータ装置）、スロットル装置、細目の金網、流れガイド、スロット、および挿入可能ならびに／もしくは取り外し可能な構成要素など（図示せず）を含むがこれらに限定されない、少なくとも１つの追加の構成要素をさらに備える。追加の構成要素は、プロセス流体のエントロピー増加を最大化する点で有益であり得る。上述の追加の構成要素はさらに、反応器の動作中も、混合空間の追加の調整性を可能にする。
【００８６】
いくつかの構成では、装置１００、１００Ａは、図２Ｂおよび図６Ａおよび図６Ｂに示されているように、ディフューザ４ｂを備える。ディフューザは、有利には、ロータ３の下流側、混合空間４内、屈曲部４１内、および／または戻り流路部４２の少なくとも一部内に配置される。ディフューザは、出口案内ベーン（図６Ａ、図６Ｂ）とも呼ばれる複数の固定ベーン４ｂを備えるベーン付きディフューザとして、またはベーン無しディフューザとして構成され得る。固定ディフューザベーンは、混合空間の内部を画定する壁に直接配置され得、および／またはリング、ブラケットなどの補助設備によって壁に接続され得る。
【００８７】
図６Ａおよび図６Ｂは、ロータの下流側に配置されたロータブレード３および固定ベーン４ｂ（ディフューザベーン）の例示的な構成と、それらの互いに対する構成とを概略的に示す。図６Ａおよび図６Ｂに示されているロータの例示的な動作パラメータが以下の表１に要約されている。
【表１】
2021534969.tif 000003
【００８８】
図６Ｂは、主ロータブレード３と交互に配置された複数のスプリッタブレード３１を備えるロータ流路の代替構成を示す。スプリッタブレード３１は、ブレードの後部におけるブレード負荷を低減し、仕事能力および貫流能力を高めるように構成される。例示的な構成では、ロータブレードの典型的な数は６４個（３２個の主ブレード＋３２個のスプリッタブレード）である。
【００８９】
ロータブレードは、例えばロータ入口においてチョーク流れモードを実現するように構成され得、このことにより流れの容量が正確に制御され得る。動作条件の大部分において、ステータベーン入口においてもチョーキングが得られ、このことにより、ロータを通る実際のよどみ点圧力を上昇させることにより（ベーン無し混合空間４における損失を考慮して）、ステータの絶対流量が制御され得る。チョーク流れモードは、ここでは、流速が超音速であるブレード列の入口における制限された流れの容量に関連するモードである。
【００９０】
図６Ｃは、プロセス段の子午面図を概略的に示す（入口流スワーラは図示せず）。段入口および段出口は矢印で示されている。したがって、図６Ｃは、ロータ３と、ディフューザベーン（出口案内ベーン）４ｂが位置する混合空間４の部分とを示す。混合空間４内のベーン無し空間は、混合を可能にする。図６Ｃに示されているような段設計は、６０ｋｇ／秒の公称流量を有し、これは、１時間当たり原料２１６トンに相当する。
【００９１】
図６Ｃから分かるように、比較的大きなベーン無し空間（４）が、ロータブレード３の後縁と固定出口案内ベーン４ｂの前縁との間に設定されることで、流体流のさらなる混合が可能になり、そのことにより、よどみ点圧力が低減される。
【００９２】
固定ベーン２（ロータの上流側）、ロータブレード３および／または固定ベーン４ｂ（ロータの下流側）の寸法、位置合わせおよび空間的配置は、好ましくは、設計（製造）によってまたは操作によって各々の段内で個別に調整可能であることが好ましい。したがって、固定ベーンおよび／またはロータブレードは、予め設定されたように（動作前および／または動作中に設定されたように）、または製造されたように、少なくともそれらの寸法、位置合わせおよび空間的配置に関して、各々の段内で変化し得る。段ごとに可変であることに加えて、前記固定ベーンおよび／またはロータブレードは、固定され（調整不可能）、装置の動作中に個々に調整可能であるように構成され得る。
【００９３】
反応器１００、１００Ａ内のプロセス流体の所望の温度、例えば９００℃または１０００℃までの加熱、好ましくは、２つまたは３つの初段内で行われる。その後、温度は出口（排出）まで本質的に一定に維持される。
【００９４】
装置１００、１００Ａは、少なくとも１つの入口１１および少なくとも１つの出口１２を有するケーシングまたはハウジング２０をさらに備える。ハウジング２０は、中心シャフト１および少なくとも１つの段を取り囲むように構成される。
【００９５】
図１Ａに示されている構成では、ハウジング２０は、その全長に沿って本質的に一定の断面を有する。
【００９６】
１００で示されている装置のいくつかの追加の構成は、（切頭）円錐の形態のハウジング（図示せず）の設置を含む。
【００９７】
図２Ａに示されている構成では、ハウジング２０は、少なくとも１つのプロセス段を形成する固定ベーンと軸方向／半径方向ロータブレードと混合空間とを含む（近接する）閉鎖空間として設けられる。前記ハウジングの内部および任意で外部形状は、前記プロセス段を構成する要素の形状に本質的に沿うように構成される。したがって、いくつかの例では、ハウジング２０は、その内部にわたって可変断面積を有する（図２Ａ）。
【００９８】
モジュール構造として構成された反応器１００、１００Ａを示す図１Ｂ、図２Ａを参照すると、ハウジング２０は、連続して配置されるいくつかのモジュール２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄによって実現される。図１Ｂ、図２Ａに示されている構成は、モジュールの数および構成に関して例示的な構成であり、図２Ａの構成は、反応器１００、１００Ａの特定の実施形態に応じて変化し得る。
【００９９】
反応器１００、１００Ａはさらに、少なくとも１つの無排気モジュールおよび排気モジュールを備えるように構成される。無排気モジュールとは、本明細書では、上流側から下流側へのプロセス流体流の循環を可能にする構造体を指す。排気モジュールは、生成物含有流体流を反応器１００、１００Ａから排出するモジュールである。
【０１００】
排気モジュール２２は、例えば生成物含有プロセス流体を排出するための管またはパイプとして構成された少なくとも１つの出口ライン１２を備え、前記ライン１２は、中心シャフトによって画定される水平軸（Ｘ−Ｘ’）に対して円周方向に配置される。図１Ａ、２Ａでは、出口ライン１２は、水平軸Ｘ−Ｘ’に対して本質的に垂直方向に配置される。
【０１０１】
排気モジュール２２は、ロータ３と、出口ライン１２の内側に設けられた排気混合空間４ａとして構成された混合空間とを含む。排気モジュール２２の断面図が図３に示されている。前記排気モジュール２２はさらに、ポート、パイプ、マニホールドなど（図示せず）などの、流体の注入および／または採取のために構成された少なくとも１つの追加の構成要素を備える。
【０１０２】
反応器１００、１００Ａはさらに、プロセス流体流の方向の最も上流側に配置された入口モジュール２１を備える。ほとんどの場合、前記入口モジュールは、一連のモジュールの第１番目のモジュールとして提供される。入口モジュール２１は、水平軸Ｘ−Ｘ’に対して円周方向に配置された少なくとも１つの吸入ライン１１（入口）を介して原料含有プロセス流体を受け入れるように構成される。
【０１０３】
入口モジュールは、ロータへの高度に旋回した流れを生成するために、スクロール入口などの追加の入口ポート１３をさらに備え得る。
【０１０４】
いくつかの例では、反応器１００、１００Ａは、単段装置として構成される。そのような場合、段は、入口モジュール２１および排気モジュール２２によって実現される。
【０１０５】
しかしながら、必要量のエネルギーを１段で伝達することができない場合、多段装置が必要となる。そのような場合、反応器１００、１００Ａは、少なくとも１つの無排気モジュール（２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄなど）によって段が実現される多段モジュール構造として構成される。多段反応器は、少なくとも２つの段によって実現され得る。いくつかの例では、多段装置は、無排気モジュール２０Ａ（２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ）、入口モジュール２１および出口（排気）モジュール２２によって実現された少なくとも１つの段を備え得る。当業者には明らかなように、反応器１００、１００Ａは、図１Ｂ、図２Ａに示されている数を超えるいくつかの無排気モジュールを用いて実施され得る。
【０１０６】
入口モジュール２１と出口モジュール２２との間に配置された（無排気）モジュール２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄはさらに、中央モジュールと呼ばれ得る。
【０１０７】
上述の実施形態に従って構成された反応器１００Ａ、１００Ａは、設計パラメータの比較的大きい変動に対する公差を有する。特に、多段の解決策は、各々が異なる体積流量／体積流容量を有するいくつかの段を用いて構成され得る。したがって、仕事量要件および／または滞留時間は、各々の段内で別々に調整／調節され得る。
【０１０８】
全ての構成１００、１００Ａにおいて、質量流量は、ロータサイズの変更（直径、4倍増加）および／またはブレード高さの変更（線形増加）によって、任意選択的に段ごとに、容易に調整可能である。ロータブレードの可変高さは、ロータディスク３ａの軸方向位置を調整することによって達成され得、このことにより、同様の設計を有する異なる段を通る体積流量を変化させることができる。上述した方法で（ロータ）ブレード高さを変更することにより、ディスク応力が反応プロセスの終わりに近づくにつれて（すなわち、反応装置の終わりに近づくにつれて）配分されるので、反応器を通る体積流容量を増加させることができ、この場合、温度および仕事量要件の両方が最も高くなる。
【０１０９】
ロータ性能は、ブレード高さの増加の影響をほとんど受けないので、半径流反応器は、スプリッタブレードを有する複数の主ブレード（例えば、３２＋３２の解決策）を備えるロータユニット（単数または複数）を用いて設計され得、このことは、拡張性の向上を可能にする。
【０１１０】
モジュール２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ、２１、２２は、任意選択で関連するシール（単数または複数）（図示せず）と組み合わされた少なくとも１つの軸受５によって相互接続される。モジュール構造により、入口モジュールと排気モジュールとの間に設けられた少なくとも１つの無排気モジュールの追加、交換、および／または取り外しによって、モジュール構造内のモジュールの数の調整が可能になる。
【０１１１】
中心シャフト１は、例えば、ヒルトジョイント（図示せず）などの適切なカップリングによって互いに接合された少なくとも２つの部品でさらに構成され得る。ヒルトギア（単数または複数）を利用することは、これらのギアが設けられた結合要素が、それらの形態によって、および力付与機構によって（シャフト）回転時に自動調心するので、特に有益である。
【０１１２】
いくつかの構成では、ハウジング２０は、反応器の水平断面に沿って見た場合に（水平分割）、上部および下部をさらに備える。図１Ｂ、図２Ｂは、２０Ｄにおいて、上部２０１および下部２０２を備えるハウジングを示す。
【０１１３】
前記上部２０１は、各々の対応する段および／またはモジュール内に混合空間４を形成する流路の少なくとも屈曲部４１を含むように構成される。いくつかの例では、上部２０１は、例えば戻り流路部４２の少なくとも一部およびロータディスクの少なくとも一部をさらに含むように構成され得る。
【０１１４】
いくつかの構成では、各々の個々のモジュール内のハウジングの前記上部２０１は、取り外し可能かつ交換可能に実現され得る。このような構成は、反応パラメータのさらなる調整性を可能にし、さらに、コーキング問題を完全に解決するための単純でコスト効率の高いアプローチを提供する。例えば、図１Ｂ、図２Ｂ（破線のボックス）は、混合空間４の屈曲部４１を含む例示的なモジュール２０Ｄの上部２０１を示す。破線のボックス２０１内では、最下部のアイテムは、混合空間の屈曲部４１（例えば、Ｕ字屈曲部など）のみを含む。したがって、前述の部分（上部）２０１を備えるモジュール内のプロセス流体の滞留時間が短縮される。
【０１１５】
同じ破線ボックス２０１（図１Ｂ、図２Ｂ）内の最上部のアイテムは、混合空間４の屈曲部４１（例えば、Ｕ字屈曲部など）と、さらに戻り流路部４２の一部とを含む。したがって、そのような部分（上部）２０１を備えるモジュール内のプロセス流体の滞留時間は増加し得る。
【０１１６】
上部２０１を各々のモジュール内で個別に交換することによって、滞留時間が高精度で制御され得る。さらに、この構成は、反応器のメンテナンスを容易にすることを可能にし、および／または汚れ／コーキング問題に対する解決策を提供する。実際に、個々のモジュールおよび／またはその部品の取り外し（例えば、個々のモジュール内の上部２０１の解体）、それに続く洗浄および／または交換は、（多段）装置全体のサービスおよびメンテナンスよりもかなり簡単で、迅速で、コスト効率の高い代替作業である。
【０１１７】
反応器１００、１００Ａは、最大で３０ｍｍ、好ましくは、５〜２０ｍｍの範囲内の厚さの壁を有するハウジング２０を備えるようにさらに構成される。
【０１１８】
非常に薄い壁を有することによって、その機械的完全性を達成または維持することがより容易になる。このような薄壁ケーシングでは、予熱がより容易である。さらに、金属薄板の利用は、熱応力の大幅な低減を可能にし、その結果、それに応じて、建設コストおよびメンテナンスコストも低減され得る。
【０１１９】
本開示の反応器１００、１００Ａの概念は、各々の個々の段および／またはそのモジュール内の反応プロセス関連パラメータを極めて高い精度で制御（監視および調整／修正）するという効果がある。したがって、反応器１００、１００Ａにおいて、各々のプロセス段および／または各々のモジュールは、その構造および／またはその動作（単数または複数）に対する制御性に関して、他の段および／またはモジュールから独立して実現される。
【０１２０】
各々の個々の段および／またはモジュール内の混合空間の寸法調整性と同様に、各々の個々の段内の固定構成要素およびロータ関連構成要素の構造的／寸法調整性は、各々の個々の段および／またはモジュールに関する（反応）プロセスの動作特性／機能特性を調整することを可能にする。上述したように、各々の段および／またはモジュール内の前述の構造的構成要素を修正することによって、流体流関連パラメータ（体積、速度、滞留時間など）が、段ごとおよび／またはモジュールごとに高精度で制御され得る。
【０１２１】
さらに、反応器１００、１００Ａは、各々の段および／またはモジュール内の圧力および温度分布に対する制御性を実現するための様々な手段をさらに備え得る。したがって、反応器は、有利には各々の混合空間４内に（好ましくは、戻り流路部４２内に）配置された、各々の個々の段またはいくつかの選択された段における圧力解放のための手段（圧損要素）を備え得る。後者は、反応器１００、１００Ａを１、０１３２５バール（絶対圧、abs）に等しい低い圧力（大気圧）で、または１〜０バール（ａｂｓ）の真空範囲で操作するのを可能にする。
【０１２２】
上述したような混合空間（単数または複数）４は、段全体を通して必要なレベルで圧力を維持するように構成され得る。このことにより、例えば、軸方向の解決策と比較して、例えば、反応器１００、１００Ａ全体を通して大きな圧力変動が達成することが可能になる。
【０１２３】
圧力降下および温度を制御することにより、反応収率は、より良好な制御性で管理され得る。
【０１２４】
全体として、様々な構造パラメータ、特に断面／混合面積および長さ／体積に関して、混合空間４を調整することによって、滞留時間、圧力および温度の制御性が著しく向上する。上述の混合空間関連パラメータは、独立して変更され得る。短い滞留時間、低い圧力および高い温度（全て各々の段で制御可能）は、高転化率および高収率に効率的に寄与し、コーキングを低減する。
【０１２５】
さらに、反応器１００、１００Ａは、それに応じて、全ての段またはいくつかの選択された段内のロータにおける圧力を調整するための手段をさらに備え得る（図示せず）。
【０１２６】
いくつかの構成では、反応器１００、１００Ａは、特定のプロセス段（単数または複数）において圧力を上昇させるための手段（図示せず）をさらに備え得る。例えば、最終プロセス段（例えば、排気モジュールのすぐ上流側に配置された無排気モジュールおよび／または排気モジュール）における圧力を所定の値まで上昇させることによって、前記最終プロセス段における滞留時間は最小限に抑えられ得、それに応じて収率が増加し得る。したがって、前記最終段における高い圧力の生成は、体積流の大幅な減少の原因となり、結果的に下流側機器（例えば、冷却機器）を小型化することが可能になる。関連する節約は、資本投資に大きく影響し得る。
【０１２７】
いくつかの例では、２〜４バール（ａｂｓ）への圧力上昇が好ましいが、圧力値の調整は所望の収率に大きく依存する。圧力上昇は、好ましくは、本質的に一定の温度で実施される。
【０１２８】
熱力学の観点から、軽質オレフィンを生成するための熱分解反応を低圧で行うことが好ましく、この場合、望ましくない縮合プロセスは不利である。このため、従来の管状炉は、出口においてほぼ大気圧で動作する。しかしながら、従来の炭化水素クラッキング炉には効果的な圧力制御のためのツールが存在しないため、反応装置全体にわたるこのような低圧（大気圧）での動作は未だ可能ではなかった。最新の解決策は、とりわけ、反応装置全体にわたる圧力パラメータの調整の柔軟性を高めることができる。
【０１２９】
同様に、炭化水素の分圧は、各々の段および／またはモジュール内に希釈剤注入手段（ポート、弁、ベントなど）を設けることによって、段ごとに調整され得る。希釈剤含有量が増加するにつれて、炭化水素分圧は低下し、その結果、軽質オレフィン（単数または複数）などの目的生成物（単数または複数）の収率が向上し、コークス堆積物が減少する。例えば、分圧を低下させると（例えば、３０ｐｓｉａすなわち約２０７ｋＰａから１０ｐｓｉａすなわち約６９ｋＰａへ）、最大炭化水素生成物収率は本質的に高い（約８０％）転化率で著しく改善され得ることが実証され、認められている。
【０１３０】
反応収率を最適化するために、希釈剤に加えて、原料および／または他の試薬の注入が、各々の個々の段および／またはモジュールに対して実施され得る。
【０１３１】
図５をさらに参照すると、図５は、追加の精製設備および／または熱交換設備６を備える例示的な反応装置１００を示す。１００Ａで示されている装置も同じ設備を備え得ることを明らかにすべきである。追加の設備６は、好ましくは、マニホールド／配管構成７によって入口モジュール２１と排気モジュール２２との間に設けられた少なくとも１つの（中央）無排気モジュール２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄに接続可能である。前記マニホールドは、例えば、反応器からプロセス流体を採取し、前記プロセス流体を設備６へと案内するための導管アーム７ａとして構成された少なくとも１つのラインと、プロセス流体を反応器へと戻すように案内するための少なくとも１つのライン７ｂとを備える。
【０１３２】
いくつかの実施形態では、追加設備６は、少なくとも１つの導管７ａを介して案内されるプロセス流体を冷却する熱交換設備として構成される。一例として、設備６は、９００〜１０００℃に加熱されたプロセス流体を約７００℃まで冷却するように配置され得る。冷却された流体は、導管７ｂを介して反応器へとさらに方向付けられる。本質的に反応の「中間点」のプロセスの冷却により、反応収率をさらに最適化することが可能になる。
【０１３３】
上述の構成は、バイオマス由来原料の熱分解を行うのに特に有利である。
【０１３４】
いくつかの他の実施形態では、追加設備６は、例えば、水素抽出および／または回収のために構成された精製設備として構成され得る。そのような場合、流入するプロセス流体（すなわち、装置１００、１００Ａから抽出されたプロセス流体）は、脱水素化処理または一連の処理を受け、その後、脱水素流体はパイプ７ｂを介して装置へと戻るように方向付けられる。このような構成により、水素（Ｈ２）のさらなる回収が可能になる。
【０１３５】
いくつかの実施形態では、設備６は、例えば熱交換器と水素抽出設備とを組み合わせるように構成され得る。実際に、システム６は、任意の他の抽出および／または精製設備をさらに含み得る。
【０１３６】
いくつかの例では、プロセス流体が抽出され、同じ無排気モジュールに戻される。いくつかの他の例では、プロセス流体は、抽出モジュールに続いて配置された任意の無排気モジュールに戻される。「抽出」および「戻し」モジュールの両方が、入口モジュールと排気モジュールとの間に、および／または最終プロセス段の前に配置されることが好ましい。
【０１３７】
全てのプロセス流体が冷却システム６内に案内され、したがって、反応器を本質的に「空にする」ことが好ましい。しかしながら、材料の部分採取は除外されない。いずれの場合も、プロセス流を冷却システム６内に（完全にまたは部分的に）案内し、および／または冷却された流体と加熱された流体との混合を回避するために、少なくとも１つの隔壁が反応器１００、１００Ａ内に配置され得る。
【０１３８】
少なくとも２つの反応装置１００、１００Ａを並列または直列に接続すると、反応器アセンブリが実現され得る（図示せず）。前記装置間の接続は、機械的および／または機能的接続であり得る。少なくとも２つの個々の物理的に一体化された、または一体化されていない個々の反応器１００、１００Ａ間の結合時に、機能的な（例えば、化学的性質に関して）接続が実現され得る。物理的に一体化されていない場合、少なくとも２つの装置１００、１００Ａ間の結合は、いくつかの補助設備（図示せず）を介して実現され得る。いくつかの形態では、構成は、互いに鏡像関係になるように接続された少なくとも２つの装置を備え、前記少なくとも２つの装置は、それらの中心シャフトを介して少なくとも機能的に接続される。そのような鏡像関係の構成は、機械的に直列に（順に）接続された少なくとも２つの装置１００、１００Ａを有するものとしてさらに定義され得るが、機能的（例えば、化学的）接続は、並列に（列状に）接続されているものと見なされ得る。
【０１３９】
いくつかの例では、前述の「鏡像関係」構成は、少なくとも２つの入口と、該構成の本質的に中心に配置された共通の排気（排出）モジュールとを備えるようにさらに変更され得る。
【０１４０】
さらなる態様において、反応装置１００、１００Ａの使用は、炭化水素含有原料の熱的または熱化学的クラッキングのために提供される。
【０１４１】
選択された実施形態では、反応器１００、１００Ａは、好ましくは中量および軽量炭化水素画分を含有する炭化水素原料を処理すること、ガス化炭水化物含有原料物質を処理すること、ガス化グリセリド含有原料物質ならびに／もしくは脂肪酸含有原料物質を処理すること、およびガス化セルロース系バイオマス材料を処理することからなる群から選択される少なくとも１つの手順を実行するように構成され得る。このことにより、反応器１００、１００Ａは、例えば、バイオ系原料に由来する酸素含有原料を処理するように構成可能である。可能な応用分野は、例えば、植物油または動物性脂肪の対応するアルカンへの直接触媒水素化などのプロセスにおいて、再生可能燃料を生成するためのバイオマス系またはバイオマス由来の物質の精製を含む。さらに、反応器は、バイオベースの熱分解ガスまたは合成ガスの価格安定化（ガス状物質の増大または精製）のために構成され得る。
【０１４２】
別の態様では、プロセス流体中で化学反応を行うための方法が提供される。前記方法は、少なくとも以下のステップを含む。
ａ．いくつかの軸方向／半径方向ロータが取り付けられた中心シャフト１であって、各々の前記ロータは中心シャフトに取り付けられたディスクの周囲にわたって配置された複数の軸方向／半径方向ロータブレード３を備える、中心シャフトと、ロータの上流側に配置された複数の固定ベーン２と、ロータの下流側に配置された混合空間４とを備える装置１００、１００Ａであって、複数の固定ベーン２、複数の軸方向／半径方向ロータブレード３、および混合空間４がプロセス段を実現する反応装置１００、１００Ａを得ること、
ｂ．プロセスによって課される要件を満たすプロセス流体流量に達するように、ロータの回転速度を所定の速度または速度範囲に調整すること、
ｃ．原料含有プロセス流体の予熱レベルを調整すること、および
ｄ．その後、混合空間においてロータによってプロセス流体に付与された機械的エネルギーが前記プロセス流体の内部エネルギーに変換され、そのことによりプロセス流体中の化学反応の発生を促進するように、少なくとも１つの段を通して原料含有プロセス流体流を方向付けること。
【０１４３】
原料含有プロセス流体の予熱レベルを調整することによって、反応の開始が高精度で制御され得、ひいては、反応収率および生成物成分を最適化することが可能になる。
【０１４４】
いくつかの実施形態では、原料は炭化水素を含む。場合によっては、原料は、少なくとも１つのアルカン原料（エタン、プロパン、ブタン）、ナフサ原料、軽油、および／または本質的に低分子量の炭化水素、好ましくは不飽和炭化水素、例えばオレフィン（エチレン、プロピレン、ブチレン）およびアセチレンを製造するのに適した任意の他の原料を含む。
【０１４５】
滞留時間および／または収率は、混合空間４の幾何学的形状パラメータおよび／または寸法パラメータをモジュール式に変更することによって、各々の段内で個別に調整可能であることが好ましい。上述したように、このような構成により、汚れ／コーキングを防止する、または少なくとも大幅に低減することができる。さらに特定の段における滞留時間および仕事量を調整することにより、特に好ましい反応生成物の収率を制御することが可能になる。
【０１４６】
さらなる実施形態では、原料含有プロセス流体流量は、動作中に調整可能である。これは、例えば、可変角度固定ベーン構成によって実施され得る。このような制御性は、エチレンプラントにおけるプロセスを制御するために特に重要である。
【０１４７】
いくつかの実施形態では、該方法は、排気モジュールの上流側に配置された無排気モジュール内および／または排気モジュール内の圧力を上昇させることをさらに含む。
【０１４８】
さらなる実施形態では、該方法は、少なくとも１つの流体採取ライン７ａを介して反応器１００、１００Ａからプロセス流体を回収することと、プロセス流体が冷却される冷却システム６内へと前記プロセス流体を案内することと、その後、冷却されたプロセス流体を少なくとも１つの流体戻しライン７ｂを介して反応器内へ戻すように案内することとをさらに含み得る。
【０１４９】
技術の進歩により、本発明の基本概念が様々な方法で実施され得ることは、当業者には明らかである。本発明およびその実施形態は、概して、添付の請求項の範囲内で変化し得る。
【図１Ａ】
2021534969.tif 000004
【図１Ｂ】
2021534969.tif 000005
【図２Ａ】
2021534969.tif 000006
【図２Ｂ】
2021534969.tif 000007
【図３】
2021534969.tif 000008
【図４】
2021534969.tif 000009
【図５】
2021534969.tif 000010
【図６】
2021534969.tif 000011
【国際調査報告】
2021534969.tif 000012
2021534969.tif 000013
2021534969.tif 000014