(57)【要約】  加熱炭化水素流および超臨界流体を混合して、超臨界反応器の上流の完全に混合された流れを生じるための連続ミキサー。ある本体長さおよびある本体直径を有する本体と；加熱炭化水素流が通って導入される、本体に物理的に接続された、ある入口直径を有する炭化水素入口と；本体に物理的に接続され、かつ超臨界反応器に流体的に接続された、ある出口直径を有する混合された流れ出口と；本体の中心を通って炭化水素入口から混合された流れ出口まで延びる横断軸と；超臨界流体が通って注入される、横断軸に沿って配列されたポート配列で配置され、あるポート直径およびポート角度をそれぞれ有する、本体に物理的に接続された複数の流体ポートとを含む連続ミキサー。
2018513892.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超臨界反応器内における、前記超臨界反応器の上流の連続ミキサーによって生じる完全に混合された流れの炭化水素転化のための方法であって：
加熱炭化水素流を、前記連続ミキサーの横断軸と平行な前記連続ミキサーの炭化水素入口に導入するステップであって、前記加熱炭化水素流が、水の臨界圧よりも高い圧力および３０℃から１５０℃の間の温度を有するステップと；
前記連続ミキサーの複数の流体ポートを通じて超臨界流体を注入するステップであって、前記複数の流体ポートが、前記横断軸に沿って配列されたポート配列で配置され、前記複数の流体ポートの各流体ポートが、あるポート体積流量を有し、前記超臨界流体が、水の臨界圧よりも高い圧力および水の臨界温度よりも高い温度を有するステップと；
前記加熱炭化水素流および超臨界流体を前記連続ミキサー内で混合させて、完全に混合された流れを生じるステップであって、ミキサー内流れ中の超臨界流体対炭化水素の体積比が、前記ミキサー内流れが前記複数の流体ポートの前記流体ポートのそれぞれを通過し、かつ前記ミキサー内流れが超臨界流体のさらなる注入を受け入れるにつれて高くなり、前記完全に混合された流れが、炭化水素および超臨界流体を含み、前記完全に混合された流れが、混合された温度を有するステップと；
前記完全に混合された流れを、水の臨界圧を上回る圧力および水の臨界温度を上回る温度に維持された超臨界反応器に移すステップであって、前記完全に混合された流れ中の前記炭化水素が、前記超臨界反応器内で炭化水素転化反応を経て、排出流を生じるステップと；
前記排出流を生成物交換器内で冷却して、冷却された排出物を生じるステップであって、前記生成物交換器が、水の臨界温度を下回る温度まで前記排出流を冷却して、前記冷却された排出物を生じるように構成されたステップと；
前記冷却された排出物を減圧弁内で減圧して、生成物流を生じるステップであって、前記減圧弁が、水の臨界圧を下回る圧力まで前記冷却された排出物の圧力を減らして、前記生成物流を生じるように構成されたステップと；
気液生成物分離器内の前記生成物流を分離して、気相生成物および液相生成物を生じるステップと；
液体生成物分離器内の前記液相生成物を分離して、アップグレードされた炭化水素流および回収された流体流れを生じるステップとを含む方法。
【請求項２】
前記連続ミキサーが：
ある入口直径を有する前記炭化水素入口に物理的に接続された本体と；
前記本体に物理的に接続された、ある出口直径を有する混合された流れ出口と；
前記本体の中心を通って前記炭化水素入口から前記混合された流れ出口まで延びる前記横断軸と；
前記横断軸に対して垂直な断面軸と；
各流体ポートが、あるポート直径を有し、各流体ポートが、あるポート角度を有する、前記本体に流体的に接続された前記複数の流体ポートとをさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記超臨界流体が水である請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記ポート配列が、直線インライン、直線横断、千鳥横断、らせんパターンおよびこれらの組み合わせからなる群から選択される請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記ポート角度が１ｄｅｇ．から９０ｄｅｇ．の間である請求項２に記載の方法。
【請求項６】
前記連続ミキサーが、前記複数の流体ポートのそれぞれの間に設置された制流板をさらに含む請求項２に記載の方法。
【請求項７】
前記制流板が、オリフィスを有するオリフィスプレイスである請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記混合された温度が、１５０℃から４００℃の間である請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
加熱炭化水素流および超臨界流体を混合して、超臨界反応器の上流の完全に混合された流れを生じるための連続ミキサーであって：
ある本体長さおよびある本体直径を有する本体と；
前記加熱炭化水素流が通って前記連続ミキサーに導入される、前記本体に物理的に接続された、ある入口直径を有する炭化水素入口と；
前記本体に物理的に接続され、かつ前記超臨界反応器に流体的に接続され、ある出口直径を有する混合された流れ出口と；
前記本体の中心を通って前記炭化水素入口から前記混合された流れ出口まで延びる横断軸と；
前記横断軸に対して垂直な断面軸と；
前記本体に物理的に接続された複数の流体ポートであって、前記複数の流体ポートが、前記横断軸に沿って配列されたポート配列で配置され、前記複数の流体ポートの各流体ポートが、あるポート直径を有し、各流体ポートが、あるポート角度を有し、前記超臨界流体が、前記複数の流体ポートを通じて注入される複数の流体ポートとを含む連続ミキサー。
【請求項１０】
前記ポート配列が、直線インライン、直線横断、千鳥横断、らせんパターンおよびこれらの組み合わせからなる群から選択される請求項９に記載の連続ミキサー。
【請求項１１】
前記ポート角度が１ｄｅｇ．から９０ｄｅｇ．の間である請求項９または１０に記載の連続ミキサー。
【請求項１２】
前記連続ミキサーが、前記複数の流体ポートのそれぞれの間に設置された制流板をさらに含む請求項９〜１１のいずれか一項に記載の連続ミキサー。
【請求項１３】
前記制流板が、オリフィスを有するオリフィスプレイスである請求項１０に記載の連続ミキサー。
【請求項１４】
前記混合された温度が、１５０℃から４００℃の間である請求項９〜１３のいずれか一項に記載の連続ミキサー。
【請求項１５】
前記本体直径が０．１インチよりも大きい請求項９〜１４のいずれか一項に記載の連続ミキサー。
【請求項１６】
前記本体長さが０．５インチよりも長い請求項９〜１５のいずれか一項に記載の連続ミキサー。
【請求項１７】
前記入口直径が前記ポート直径よりも大きい請求項９〜１６のいずれか一項に記載の連続ミキサー。
【請求項１８】
混合チャンバーが、前記複数の流体ポートのうちの２つの間に位置する請求項９〜１７のいずれか一項に記載の連続ミキサー。
【請求項１９】
アップグレードされた炭化水素流を生じるためのシステムであって：
炭化水素入口を通じて加熱炭化水素流を受け入れるように構成され、かつ複数の流体ポートを通じて超臨界流体を受け入れるように構成されて、炭化水素および超臨界流体を含む完全に混合された流れを生じる連続ミキサーであって：
ある本体長さおよびある本体直径を有し、前記加熱炭化水素流および前記超臨界流体が前記本体内で混合して、前記完全に混合された流れを生じる本体と；
前記本体に物理的に接続された、ある入口直径を有する前記炭化水素入口と、
前記本体に物理的に接続され、かつ前記超臨界反応器に流体的に接続され、ある出口直径を有する混合された流れ出口と、
前記本体の中心を通って前記炭化水素入口から前記混合された流れ出口まで延びる横断軸と、および
前記本体に物理的に接続された複数の流体ポートであって、前記複数の流体ポートが、前記横断軸に沿って配列されたポート配列で配置され、前記複数の流体ポートの各流体ポートが、あるポート直径を有し、各流体ポートが、あるポート角度を有し、前記超臨界流体が、前記複数の流体ポートを通じて注入される複数の流体ポートとを含む連続ミキサーと；
前記連続ミキサーに流体的に接続された、排出流を生じるように構成された超臨界反応器と；
前記超臨界反応器に流体的に接続された、水の臨界温度を下回る温度まで前記排出流を冷却して、冷却された排出物を生じるように構成された生成物交換器と；
前記生成物交換器に流体接続された、前記冷却された排出物の圧力を、水の臨界圧を下回る圧力まで減らして、生成物流を生じるように構成された減圧弁と；
前記減圧弁に流体的に接続された、前記生成物流を分離して、気相生成物および液相生成物を生じるように構成された気液生成物分離器と；
前記気液分離器に流体接続された、前記アップグレードされた炭化水素流および回収された流体流れを生じるように構成された液体生成物分離器であって、前記アップグレードされた炭化水素流とを含むシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、混合のための装置および方法に関する。さらに具体的には、本発明は、超臨界反応器の上流の炭化水素および超臨界流体を混合するための装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
超臨界水反応は、触媒または水素がない状態での重質油のアップグレードに効果的であることが示されている。炭化水素転化反応は、ガソリンおよびディーゼル油などの石油系燃料の品質を向上させることが既知である。
【０００３】
水などの超臨界流体は、炭化水素転化反応において効果的である。超臨界流体は、炭化水素の溶媒として働き、炭化水素を超臨界流体に溶解させる。超臨界流体は必要であるが、その理由は、超臨界流体と混合されずに超臨界流体の臨界点を上回る温度に炭化水素が暴露された場合に、大きな炭化水素分子は、最終的に不溶性の固体コークスに転化される、さらに大きな分子に縮合する傾向があるためである。超臨界流体は、溶媒として、このような不要な反応を防ぐことができる。
【０００４】
炭化水素と相互作用する任意の超臨界流体を使用することができるが、水は、その環境上の利益と存在量から、業界において使用および試験される、最も一般に好まれる超臨界流体である。超臨界水は、その低い誘電率から、炭化水素に対して有機溶媒のように振る舞う。炭化水素転化反応において、超臨界水は、炭化水素を分散させる希釈剤となり得る。
【０００５】
超臨界水のもとで炭化水素を反応させる際の重要なステップのうちの１つは、２つの流体を混合するステップである。混合がよいほど、反応器内のコークスの生成が減少しやすい。超臨界水に溶解しない炭化水素の分離された部分は、反応器内で容易に固体コークスに転化することができる。まだ明確に理解されていないが、炭化水素と超臨界水の間の混合は段階的に起こる。第１に、軽質炭化水素が蒸発によって超臨界水中に拡散し、単相を形成する。溶解した軽質炭化水素を含む超臨界水は、純粋な超臨界水よりも炭化水素に対する溶解度が高い。第２に、超臨界水は、第１の段階で蒸発しない大きな炭化水素の一部に溶け込む。この第２の段階は均一相になる傾向があるが、相が完全に均一にならずに、超臨界水中に分散した、ごく小さな炭化水素の液滴を含む可能性がある。本明細書において用いられるとき、「分散した（ｄｉｓｐｅｒｓｅｄ）」とは、液体全体にわたって均一またはほぼ均一に分離することを意味する。次の段階で、超臨界水への溶解が困難であるアスファルテン部分が、超臨界水によって膨潤する。膨潤したアスファルテン部分（凝集したアスファルテン）は最終的に、はじけて、または壊れて炭化水素の小さい液滴を形成し、これは、次いで、超臨界水と混合することができる。
【０００６】
アスファルテン部分は、超臨界水と混合することが最も困難な炭化水素の部分である。炭化水素原料、特に、アスファルテン部分と超臨界水との混合には多くの未知の変動要素があり、したがって、制御が難しい。アスファルテンは、樹脂、芳香族化合物および飽和化合物などの他の分子を利用して、炭化水素流中で安定化される。特に、樹脂および芳香族化合物は、アスファルテンを炭化水素マトリックス中に分散させる界面活性剤として働く。アスファルテン転化前の樹脂および芳香族化合物の破壊は、コークス生成に寄与するアスファルテンの凝集につながる。反応器に入る前にアスファルテンをできる限り完全に超臨界水中に分散させて、反応器内でのコークス生成につながる分子間縮合反応を防ぐことが重要である。アスファルテンの分散に加えて、超臨界水は樹脂および芳香族化合物を溶解する。しかし、樹脂および芳香族化合物の溶解と、アスファルテンの分散は、アスファルテンの凝集を防ぐために注意深くバランスを取り、管理しなければならないである。このバランスを管理する１つの方法は、アスファルテンを十分に分散した状態に保ちながら、樹脂および芳香族化合物を段階的に溶解または抽出することである。
【０００７】
炭化水素転化反応において超臨界流体の効果を最大にするためには、高温で運転される反応器にかける前に、炭化水素原料を超臨界流体と非常に良好に混合しなければならない。
【０００８】
現行の混合ユニットは、混合Ｔ字管、および超音波発生装置などのメカニカルミキサーを含む。混合Ｔ字管は、２つの入口ポート、１つの出口ポートを有する配管ユニットであり、熱電対用に任意選択のポートを含むことができる。炭化水素と超臨界流体とを混合する場合、１つの入口ポートが炭化水素用、１つの入口ポートが超臨界流体用である。混合Ｔ字管は混合の手段を提供するが、このＴ字管により得られる２つの流体間の界面は限られ、これは、混合の程度を制限し得る。超音波発生装置は、非常に高度な機器を使用して、ほぼ「完全な」混合を実現する。しかし、超音波エネルギーを発生させるのに不可欠な、この非常に高度な機器を使うには大量のエネルギーが必要であり、電気的故障の恐れがある。また超音波発生装置の表面は、高エネルギー振動によって侵食される可能性がある。さらに、高エネルギー振動は、連結されたプロセスラインの一部において機械的故障を引き起こす可能性がある。
【０００９】
したがって、大量のコークス、または運転コストの大幅な増加をもたらさない、重質油と超臨界流体との効率的な接触を容易にするため混合ユニットが必要とされている。
【発明の概要】
【００１０】
本発明は、混合のための装置および方法に関する。さらに具体的には、本発明は、超臨界反応器の上流の炭化水素および超臨界流体を混合するための装置および方法に関する。
【００１１】
本発明の第１の態様において、超臨界反応器内における、超臨界反応器の上流の連続ミキサーによって生じる完全に混合された流れの炭化水素転化のための方法が提供される。本方法は、加熱炭化水素流を、連続ミキサーの横断軸と平行な炭化水素入口に導入するステップであって、加熱炭化水素流が、水の臨界圧よりも高い圧力および３０℃から１５０℃の間の温度を有するステップと、連続ミキサーの複数の流体ポートを通じて超臨界流体を注入するステップであって、複数の流体ポートが、横断軸に沿って配列されたポート配列で配置され、複数の流体ポートの各流体ポートが、あるポート体積流量を有し、超臨界流体が、水の臨界圧よりも高い圧力および水の臨界温度よりも高い温度を有するステップと、加熱炭化水素流および超臨界流体を連続ミキサー内で混合させて、完全に混合された流れを生じるステップであって、ミキサー内流れ中の超臨界流体対炭化水素の体積比が、ミキサー内流れが複数の流体ポートの流体ポートのそれぞれを通過し、かつミキサー内流れが超臨界流体のさらなる注入を受け入れるにつれて高くなり、完全に混合された流れが、炭化水素および超臨界流体を含み、完全に混合された流れが、混合された温度を有するステップと、完全に混合された流れを、水の臨界圧を上回る圧力および水の臨界温度を上回る温度に維持された超臨界反応器に移すステップであって、完全に混合された流れ中の炭化水素が、超臨界反応器内で炭化水素転化反応を経て、排出流を生じるステップと、排出流を生成物交換器内で冷却して、冷却された排出物を生じるステップであって、生成物交換器が、水の臨界温度を下回る温度まで排出流を冷却して、冷却された排出物を生じるように構成されたステップと、冷却された排出物を減圧弁内で減圧して、生成物流を生じるステップであって、減圧弁が、冷却された排出物の圧力を水の臨界圧を下回る圧力まで減らして、生成物流を生じるように構成されたステップと、気液生成物分離器内で生成物流を分離して、気相生成物および液相生成物を生じるステップと、液体生成物分離器内で液相生成物を分離して、アップグレードされた炭化水素流および回収された流体流れを生じるステップとを含む。
【００１２】
本発明の特定の実施形態において、連続ミキサーはさらに、ある入口直径を有する炭化水素入口に物理的に接続された本体と、本体に物理的に接続された、ある出口直径を有する混合された流れ出口と、本体の中心を通って炭化水素入口から混合された流れ出口まで延びる横断軸と、横断軸に対して垂直な断面軸と、および各流体ポートが、あるポート直径を有し、各流体ポートが、あるポート角度を有する、本体に流体的に接続された複数の流体ポートとを含む。本発明の特定の実施形態において、超臨界流体は水である。本発明の特定の実施形態において、ポート配列は、直線インライン、直線横断、千鳥横断、らせんパターンおよびこれらの組み合わせからなる群から選択される。本発明の特定の実施形態において、ポート角度は１ｄｅｇ．から９０ｄｅｇ．の間である。本発明の特定の実施形態において、連続ミキサーはさらに、複数の流体ポートのそれぞれの間に設置された制流板を含む。本発明の特定の実施形態において、制流板は、オリフィスを有するオリフィスプレイスである。本発明の特定の実施形態において、混合された温度は１５０℃から４００℃の間である。
【００１３】
本発明の第２の態様において、加熱炭化水素流および超臨界流体を混合して、超臨界反応器の上流の完全に混合された流れを生じるための連続ミキサーが提供される。連続ミキサーは、ある本体長さおよびある本体直径を有する本体と、加熱炭化水素流が通って連続ミキサーに導入される、本体に物理的に接続された、ある入口直径を有する炭化水素入口と、本体に物理的に接続され、かつ超臨界反応器に流体的に接続され、ある出口直径を有する混合された流れ出口と、本体の中心を通って炭化水素入口から混合された流れ出口まで延びる横断軸と、横断軸に対して垂直な断面軸と、および本体に物理的に接続された複数の流体ポートであって、複数の流体ポートが、横断軸に沿って配列されたポート配列で配置され、複数の流体ポートの各流体ポートが、あるポート直径を有し、各流体ポートが、あるポート角度を有し、超臨界流体が、複数の流体ポートを通じて注入される複数の流体ポートとを含む。
【００１４】
本発明の特定の実施形態において、ポート配列は、直線インライン、直線横断、千鳥横断、らせんパターンおよびこれらの組み合わせからなる群から選択される。本発明の特定の実施形態において、ポート角度は１ｄｅｇ．から９０ｄｅｇ．の間である。本発明の特定の実施形態において、連続ミキサーはさらに、複数の流体ポートのそれぞれの間に設置された制流板を含む。本発明の特定の実施形態において、制流板は、オリフィスを有するオリフィスプレイスである。本発明の特定の実施形態において、混合された温度は１５０℃から４００℃の間である。本発明の特定の実施形態において、本体直径は０．１インチよりも大きい。本発明の特定の実施形態において、本体長さは０．５インチよりも長い。本発明の特定の実施形態において、入口直径はポート直径よりも大きい。本発明の特定の実施形態において、混合チャンバーは、複数の流体ポートのうちの２つの間に位置する。
【００１５】
本発明の第３の態様において、アップグレードされた炭化水素流を生じるためのシステムが提供される。システムは、炭化水素入口を通じて加熱炭化水素流を受け入れるように構成され、かつ複数の流体ポートを通じて超臨界流体を受け入れるように構成されて、炭化水素および超臨界流体を含む完全に混合された流れを生じる連続ミキサーを含み、連続ミキサーは、ある本体長さおよびある本体直径を有し、加熱炭化水素流および超臨界流体が本体内で混合して、完全に混合された流れを生じる本体と、本体に物理的に接続された、ある入口直径を有する炭化水素入口と、本体に物理的に接続され、かつ超臨界反応器に流体的に接続され、ある出口直径を有する混合された流れ出口と、本体の中心を通って炭化水素入口から混合された流れ出口まで延びる横断軸と、および本体に物理的に接続された複数の流体ポートであって、複数の流体ポートが、横断軸に沿って配列されたポート配列で配置され、複数の流体ポートの各流体ポートが、あるポート直径を有し、各流体ポートが、あるポート角度を有し、超臨界流体が、複数の流体ポートを通じて注入される複数の流体ポートとを含む。システムはさらに、連続ミキサーに流体的に接続された、排出流を生じるように構成された超臨界反応器と、超臨界反応器に流体的に接続された、水の臨界温度を下回る温度まで排出流を冷却して、冷却された排出物を生じるように構成された生成物交換器と、生成物交換器に流体接続された、冷却された排出物の圧力を、水の臨界圧を下回る圧力まで減らして、生成物流を生じるように構成された減圧弁と、減圧弁に流体的に接続された、生成物流を分離して、気相生成物および液相生成物を生じるように構成された気液生成物分離器と、気液分離器に流体接続された、アップグレードされた炭化水素流および回収された流体流れを生じるように構成された液体生成物分離器であって、アップグレードされた炭化水素流を含む。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
これらおよび他の本発明の特徴、態様および利点は、以下の説明、特許請求の範囲および添付図面を参照することでよりよく理解されるであろう。しかし、図面は、本発明のいくつかの実施形態のみを示しており、したがって、本発明の範囲は、等しく効果的な他の実施形態が認められるため、その範囲を限定するものと見なされるべきではないことに留意されたい。
【００１７】
【図１】本発明による炭化水素原料をアップグレードする方法の１つの実施形態のプロセス図である。
【００１８】
【図２】先行技術による混合ユニットのある実施形態のブロック図である。
【００１９】
【図３】本発明による連続ミキサーのある実施形態のブロック図である。
【００２０】
【図４ａ】本発明による連続ミキサーのある実施形態の側面図である。
【００２１】
【図４ｂ】本発明による連続ミキサーのある実施形態の正面図である。
【００２２】
【図４ｃ】本発明による連続ミキサーのある実施形態の上面図である。
【００２３】
【図４ｄ】本発明による連続ミキサーのある実施形態の側断面図である。
【００２４】
【図５ａ】本発明による連続ミキサーのある実施形態の側面図である。
【００２５】
【図５ｂ】本発明による連続ミキサーのある実施形態の正面図である。
【００２６】
【図５ｃ】本発明による連続ミキサーのある実施形態の上面図である。
【００２７】
【図５ｄ】本発明による連続ミキサーのある実施形態の側面図である。
【００２８】
【図６ａ】本発明による連続ミキサーのある実施形態の側面図である。
【００２９】
【図６ｂ】本発明による連続ミキサーのある実施形態の正面図である。
【００３０】
【図６ｃ】本発明による連続ミキサーのある実施形態の上面図である。
【００３１】
【図７ａ】本発明による連続ミキサーのある実施形態の側面図である。
【００３２】
【図７ｂ】本発明による連続ミキサーのある実施形態の正面図である。
【００３３】
【図７ｃ】本発明による連続ミキサーのある実施形態の上面図である。
【００３４】
【図７ｄ】本発明による連続ミキサーのある実施形態の正面図である。
【００３５】
【図８】本発明による混合チャンバーを有する連続ミキサーのある実施形態の側面図である。
【００３６】
【図９】本発明による混合チャンバーを有する連続ミキサーのある実施形態の側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下の詳細な説明は、例示の目的のために多くの特定の詳細を含むが、以下の詳細の多くの例、変形および改変が本発明の範囲内および趣旨内であることを当業者なら理解するであろうことが理解される。したがって、本明細書に記述され、添付図面に記載される本発明の例示的な実施形態は、特許請求の範囲に記載の発明に関して、一般性を失うことなく、制限を加えることなく記載される。
【００３８】
本発明は、超臨界流体の炭化水素流への連続注入のための装置、および炭化水素をアップグレードするプロセスにおいて連続ミキサーを使用するための方法を提供する。超臨界流体と炭化水素とを確実に混合するために、炭化水素および超臨界流体は、混合物を超臨界反応条件の反応器にかける前に混合される。反応器の前に超臨界流体と炭化水素とを確実に混合することが重要であるが、その理由は、反応器が、混合された流れと同じ温度か、それよりも高い温度であるためであり、反応器が、混合ユニットよりも長い滞留時間を有するためである。したがって、炭化水素は、反応器に達すると反応し始め、反応器内で反応する時間が十分ある。炭化水素が反応器に達する前に超臨界流体と十分混合されていない場合は、反応器内の反応はコークスを生成する可能性があり、これは望ましくない。典型的な超臨界反応器において、炭化水素が反応し始める前に炭化水素と超臨界流体とを完全に混合する時間は不十分であり、したがって、炭化水素および超臨界流体の十分混合された流れを生じるためには、反応器の上流での混合が必要である。炭化水素原料へ水を連続注入すると、樹脂および芳香族化合物の連続溶解により、良好な混合を実現することができる。連続ミキサー内で水対油比が増加するとき、連続混合が有益になり得るが、その理由は、初期の段階で、水対油比が低いとき、より少ない芳香族化合物および樹脂が少量の水に溶解されるため、アスファルテンを少量の水に十分分散させることができるためである。したがって、連続混合の少なくとも１つの目的は、アスファルテンを分散した状態に維持することである。改善された混合は、超臨界水条件下での炭化水素の液相生成物へのより高い転化率につながる。連続ミキサーへの超臨界流体の複数の注入の利点のうちの１つは、これが局所的な濃度勾配を減少させることであり、局所的な高い濃度勾配はコークス生成につながる可能性がある。超臨界水の複数の連続注入の第２の利点は、炭化水素生成物の液収率の増加である。
【００３９】
超臨界流体は、その臨界点を上回る温度および圧力において、気体と液体の間の相境界が消滅するものである。本発明において有用な超臨界流体には、ペンタン、トルエンおよび水が含まれる。水は、水の臨界温度および臨界圧を上回る超臨界流体である。水の臨界温度は３７３．９４６℃（７０５．１０２８°Ｆ）である。水の臨界圧は２２．０６ＭＰａ（３，２１２ｐｓｉ）である。ペンタンの臨界温度は１９６．７℃である。ペンタンの臨界圧は３．３６ＭＰａである。トルエンの臨界温度は３１８．６４℃である。臨界圧は４．１０９ＭＰａである。
【００４０】
図１を参照すると、本発明の連続ミキサーを使用して炭化水素をアップグレードするためのプロセスが記載されている。炭化水素流１５が炭化水素ポンプ１２０に供給されて、加圧炭化水素流２０を生じる。炭化水素流１５は、炭化水素転化反応の恩恵を受けるであろう炭化水素の任意の源からのものにすることができる。例示的な炭化水素源には、石油系炭化水素、石炭系炭化水素および生体材料系炭化水素が含まれる。本発明の少なくとも１つの実施形態において、炭化水素流１５は、環境条件で気相中の炭化水素を含む。
【００４１】
加圧炭化水素流２０は、水の臨界圧よりも高い圧力、２２．１ＭＰａである。本発明の少なくとも１つの実施形態において、加圧炭化水素流２０の圧力は、流体流れ２中の流体の臨界圧よりも高い。本発明の少なくとも１つの実施形態において、加圧炭化水素流２０の圧力は約２５ＭＰａである。本発明の少なくとも１つの実施形態において、加圧炭化水素流２０の圧力は約２５ＭＰａよりも高い。
【００４２】
加圧炭化水素流２０が炭化水素交換器１３０に供給されて、加熱炭化水素流３０を生じる。炭化水素交換器１３０は、加圧炭化水素流２０を、約１５０℃の温度まで、あるいは約１５０℃を下回る温度まで、あるいは約３０℃から約１５０℃の間の温度まで、あるいは約５０℃から約１５０℃の間の温度まで、あるいは約５０℃から１００℃の間の温度まで加熱する。加圧炭化水素流２０は、室温を上回る温度まで加熱されるが、その理由は、炭化水素流と超臨界水とを室温で混合し、次いで、混合された流れを水の臨界温度を上回る温度まで加熱すると、炭化水素流のための「予熱」ステップがないことによる加熱のために必要な時間の長さのために、コークス生成を誘発する可能性があるからである。長い加熱段階の間、アスファルテンは、コークスに容易に転化することができる凝集体を形成する。好ましい例において、加圧炭化水素流２０は、約１５０℃を下回る温度まで、より好ましくは約１００℃まで予熱され、次いで、１５０℃を上回る温度まで加熱される前に超臨界水と混合される。水の加熱とは別の第１の予熱ステップは、局所的なアスファルテン（ａｓｐｈａｌｔｈｅｎｅ）などのコークス前駆体の生成を防ぐことができるが、その理由は、アスファルテンが凝集体を形成する時間がないためである。また、生成ユニット全体の熱均衡が望まれる場合、別の加圧および予熱は、反応器排出物からのよりよいエネルギー回収を可能にする。流体流れ２および炭化水素流１５は別々に加圧および加熱される。
【００４３】
流体流れ２が高圧ポンプ１００に供給されて、加圧流体流れ５を生じる。流体流れ２は、その流体の超臨界条件で炭化水素と混合して、炭化水素の反応媒体として役目を果たすことができる任意の流体にすることができる。流体流れ２中の使用のための例示的な流体には、水、ペンタンおよびトルエンが含まれる。本発明の少なくとも１つの実施形態において、流体流れ２は水である。
【００４４】
加圧流体流れ５は、加圧流体流れ５中の流体の臨界圧よりも高い圧力である。本発明の少なくとも１つの実施形態において、加圧流体流れ５の圧力は２２．１ＭＰａよりも高い。本発明の少なくとも１つの実施形態において、加圧流体流れ５は２５ＭＰａである。本発明の少なくとも１つの実施形態において、加圧流体流れ５は２５ＭＰａよりも高い。加圧流体流れ５が流体熱交換器１１０に供給されて、超臨界流体１０を生じる。
【００４５】
流体熱交換器１１０は、加圧流体流れ５を、加圧流体流れ５中の流体の臨界温度を上回る温度まで加熱する。超臨界流体１０は、流体の臨界温度および臨界圧を上回る条件において超臨界流体である。本発明の少なくとも１つの実施形態において、超臨界流体１０は、水の臨界圧および臨界温度を上回る超臨界水である。
【００４６】
超臨界流体１０および加熱炭化水素流３０が連続ミキサー１４０に供給されて、完全に混合された流れ４０を生じる。超臨界流体１０中の超臨界流体が水である実施形態において、標準環境温度および圧力（ＳＡＴＰ）の連続ミキサー１４０に入る水対炭化水素の体積比は、約１：１０から約１：０．１の間、あるいは約１：１０から約１：１の間である。超臨界流体１０中の超臨界流体がペンタンである実施形態において、標準環境温度および圧力（ＳＡＴＰ）の連続ミキサー１４０に入るペンタン対炭化水素の体積比は、約１：１０から約１：０．１の間、あるいは約１：１０から約１：１の間である。超臨界流体１０中の超臨界流体がトルエンである実施形態において、標準環境温度および圧力（ＳＡＴＰ）の連続ミキサー１４０に入るトルエン対炭化水素の体積比は、約１：１０から約１：０．１の間、あるいは約１：１０から約１：１の間である。
【００４７】
完全に混合された流れ４０は、混合された温度を有する。混合された温度は、完全に混合された流れ４０の温度である。混合された温度は、約１５０℃から約４００℃の間、あるいは約１５０℃から約３７３℃の間、あるいは約１５０℃から約３５０℃の間、あるいは約２００℃から約３５０℃の間、あるいは約２５０℃から約３５０℃の間、あるいは３５０℃から約４００℃の間である。完全に混合された流れ４０の圧力は、超臨界流体１０中の流体の臨界圧を上回る。
【００４８】
完全に混合された流れ４０が超臨界反応器１５０に供給されて、排出流５０を生じる。超臨界反応器１５０は、超臨界流体１０中の流体の臨界温度および臨界圧以上に維持される。完全に混合された流れ４０中に存在する炭化水素は、超臨界反応器１５０内で転化反応を経る。本明細書において用いられるとき、「転化反応（ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ  ｒｅａｃｔｉｏｎ）」または「炭化水素転化反応（ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎ  ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ  ｒｅａｃｔｉｏｎ）」は、供給分子を他の分子に転化する任意の反応を指し、クラッキング、脱硫、脱金属、脱窒、脱酸素、異性化、アルキル化、環化、芳香族化、および熱エネルギーの存在下で起こるその他の反応を含む。転化反応は、「アップグレード（ｕｐｇｒａｄｉｎｇ）」よりも広い意味を包含するが、その理由は、アップグレードが、重い分子を軽い分子に転化して、ＡＰＩ比重を増加させる狭い反応を指すからである。超臨界反応器１５０内の完全に混合された流れ４０の滞留時間は約１０秒より長く、あるいは約１０秒から約５分の間、あるいは約１０秒から１００分の間である。超臨界反応器１５０内の完全に混合された流れ４０の滞留時間は、目標とする転化レベルに基づいて選択することができる。超臨界反応器１５０内の完全に混合された流れ４０の滞留時間は、連続ミキサー１４０内の滞留時間よりも長い。本発明の少なくとも１つの実施形態において、触媒を超臨界反応器１５０に加えて、転化反応に触媒作用を及ぼすことができる。本発明の少なくとも１つの実施形態において、超臨界反応器１５０には触媒がない。本発明の少なくとも１つの実施形態において、外部から供給される水素を超臨界反応器１５０に加えることができる。本発明の少なくとも１つの実施形態において、超臨界反応器１５０には外部から供給される水素がない。
【００４９】
排出流５０が生成物交換器１６０に供給されて、冷却された排出流６０を生じる。冷却された排出流６０は、流体流れ２中の流体の臨界温度を下回る温度である。
【００５０】
冷却された排出流６０が減圧弁１７０に供給されて、生成物流７０を生じる。生成物流７０は、流体流れ２中の流体の臨界圧を下回る圧力である。
【００５１】
生成物流７０が気液生成物分離器１８０に供給されて、気相生成物８０および液相生成物８５を生じる。
【００５２】
液相生成物８５が液体生成物分離器１９０に供給されて、アップグレードされた炭化水素９０および回収された流体９５を生じる。アップグレードされた炭化水素９０は、炭化水素流１５と比べて高い芳香族含有量およびより低い流動性を有する。アップグレードされた炭化水素９０の液収率は、９６％よりも高く、あるいは９７％よりも高く、あるいは９７．５％よりも高く、あるいは９８％よりも高い。
【００５３】
先行技術による混合ユニットを図２に示す。炭化水素流は、混合ユニットの一端で供給され、超臨界水は混合ユニットの中央で供給される。従来の混合ユニットは、金属パイプからなるスタティックミキサーであることもある。
【００５４】
図３は、本発明のある実施形態によるブロック図を示す。加熱炭化水素流３０は、連続ミキサー１４０の一端で供給される。超臨界流体１０は複数の流れに分離され、連続ミキサー１４０内を流れる加熱炭化水素流３０に注入される。超臨界流体１０を加熱炭化水素流３０に注入するステップは、超臨界流体１０を加熱炭化水素流３０中に分散させ、分散した超臨界流体１０に加熱炭化水素流３０中の炭化水素を溶解させる。超臨界流体１０を複数の流れで注入できると、超臨界流体の段階的な添加が可能になる。超臨界流体１０が分離される流れの数は、超臨界流体１０の体積流量、超臨界流体１０の温度および連続ミキサー１４０のサイズによって決まる。加熱炭化水素流３０および超臨界流体１０は、連続ミキサー１４０内で混合して、完全に混合された流れ４０を生じる。連続ミキサー１４０は、層流、乱流および遷移流の状態にわたって、超臨界流体１０と加熱炭化水素流３０とを混合することが可能である。連続ミキサー１４０内の流れの状態の適切なバランスを実現および維持することが連続ミキサー１４０の設計の重要な側面である。炭化水素と超臨界流体は、乱流状態でないときでさえも、局所的な不安定性によって混合することができる。乱れが大きすぎると、芳香族化合物および樹脂があまりに速く抽出されて、凝集したアスファルテンが生じる可能性がある。本明細書において用いられる「完全な混合（ｉｎｔｉｍａｔｅ  ｍｉｘｉｎｇ）」は、超臨界流体１０および炭化水素流３０が単独であるよりも均質な混合物になる傾向がある、十分混合された流れを実現する混合を指す。
【００５５】
連続ミキサー１４０の詳細は、図４ａ〜４ｄ、図５ａ〜５ｃ、図６ａ〜６ｃおよび図７ａ〜７ｄを参照して本明細書に記述される。図４ａ〜ｄを参照して、連続ミキサー１４０のある実施形態を示す。加熱炭化水素流３０が、炭化水素入口１４２を通じて連続ミキサー１４０の本体１４１に供給される。
【００５６】
本体１４１は、加熱炭化水素流３０と超臨界流体１０との完全な混合を容易にする任意の形状および寸法のものにすることができる。例示的な形状には、円柱（管）、立方体および直方体が含まれる。好ましい実施形態において、本体１４１は円柱である。本体１４１が円柱である本発明の実施形態において、本体１４１の寸法は、本体直径および本体長さを含む。本体１４１が立方体または直方体である本発明の実施形態において、本体寸法は、本体幅および本体長さを含む。本体１４１は、機械的故障または欠陥が発生することなく、流体流れ２中の流体の臨界圧を上回る内圧に耐えるよう設計される。本体１４１は、得られる構造物が内部の設計圧力を満たす限り、１片の金属から、無垢のブロックを穿孔、溶接、そうでなければ継合して造ることができる。本体１４１の本体直径は、本体１４１の構造材料の厚さを含めて、または含めずに測定することができる。言い換えれば、本体直径は、（材料厚さを含まない）内径または（材料厚さを含む）外径として表すことができる。特に記載のない限り、本明細書の本体直径は本体１４１の内径を指す。本体直径は、０．１”（インチ）よりも大きく、あるいは約０．５”よりも大きく、あるいは約１”よりも大きく、あるいは約２”よりも大きく、あるいは約３”よりも大きく、あるいは約３”から約５”の間、あるいは約５”から約６”の間、あるいは約６”から約１２”の間であり、あるいは１２”よりも大きい。少なくとも１つの実施形態において、本体１４１は、本体直径が標準的なパイプサイズから選択されるように、標準的なパイプにすることができる。
【００５７】
本体１４１の本体長さは、加熱炭化水素流３０および超臨界流体１０の体積流量、超臨界流体１０の温度ならびに流体ポート１４６の数に基づいて完全な混合を促進するために、任意の長さにすることができる。本体１４１の本体長さに対する超臨界流体１０の温度の影響に関して、超臨界流体１０の温度の設計がより高い（より高温）ほど、超臨界反応器１５０に入る前の炭化水素の高温への暴露を低減するために、本体１４１の本体長さの設計は短くなる。本体長さは、約０．５”から約２４”の間、あるいは約１”から約２４”の間、あるいは約２”から約２４”の間、あるいは約３”から約２４”の間、あるいは約４”から約２４”の間、あるいは約５”から約２４”の間、あるいは約６”から約２４”の間、あるいは約７”から約２４”の間、あるいは約８”から約２４”の間、あるいは約９”から約２４”の間、あるいは約１０”から約２４”の間、あるいは約１１”から約２４”の間、あるいは約１２”から約２４”の間、あるいは約１４”から約２４”の間、あるいは約１６”から約２４”の間、あるいは約１８”から約２４”の間、あるいは約２０”から約２４”の間、あるいは約２２”から約２４”の間であり、あるいは約２４”より長い。
【００５８】
炭化水素入口１４２は入口直径１４８を有する。好ましい実施形態において、連続ミキサー１４０は、１つの炭化水素入口１４２を有する。本発明の少なくとも１つの実施形態において、連続ミキサー１４０は、２つの炭化水素入口１４２を有する。入口直径１４８は、炭化水素入口１４２の直径である。入口直径１４８について本明細書において言及される値は、特に記載のない限り、炭化水素入口１４２の構造材料の厚さを含まない内径を意味する。入口直径１４８は、０．１”よりも大きく、あるいは約０．５”よりも大きく、あるいは約１”よりも大きく、あるいは約２”よりも大きく、あるいは約３”よりも大きく、あるいは約３”から約５”の間であり、あるいは約５”から約６”の間であり、あるいは約６”から約１２”の間であり、あるいは１２”よりも大きい。本発明の少なくとも１つの実施形態において、入口直径１４８は、本体１４１の本体直径と同じである。本発明の少なくとも１つの実施形態において、炭化水素入口１４２は、標準的なノズル寸法を有するノズルである。
【００５９】
本体１４１は、本体１４１の中心を通って炭化水素入口１４２から混合された流れ出口１４３まで延びる横断軸１４４を有する。断面軸１４５は、横断軸１４４に対して垂直に本体１４１を通る。
【００６０】
超臨界流体１０は、流体ポート１４６を通じて注入される。各流体ポート１４６は、ポート体積流量を有する。各流体ポート１４６のポート体積流量は、その流体ポート１４６を通じて注入される流体の流量である。本発明の少なくとも１つの実施形態において、ポート体積流量は、各流体ポート１４６間で同じである。本発明の少なくとも１つの実施形態において、ポート体積流量は、各流体ポート１４６間で異なる。本明細書全体にわたって、体積流量への言及は、他に指定がない限り、標準環境温度および圧力（ＳＡＴＰ）の体積流量への言及である。体積流量はＳＡＴＰで定義され、運転条件ではない。その理由は、液体または気体流体を加熱すると流体の体積が膨張するためであり、したがって、一貫性を保つために、体積流量はＳＡＴＰで定義される。ＳＡＴＰは、２５℃および０．９８７ａｔｍ（１００．００７７７５ｋＰａ）である。本発明の少なくとも１つの実施形態において、流体ポート１４６内を流れる超臨界流体１０の見掛け速度に対して制限はない。
【００６１】
流体ポート１４６は、本体１４１の本体長さに沿って延在する。流体ポート１４６の数は、超臨界流体１０の体積流量、流体ポート１４６間の所望の圧力損失、超臨界流体１０の温度および連続ミキサー１４０のサイズによって決まる。流体ポート１４６の数に対する超臨界流体１０の温度の影響に関して、超臨界流体１０の温度がより高いほど、流体ポート１４６の設計数を増やす。超臨界流体１０の温度が加熱炭化水素流３０の温度を上昇させる速度を最小にし、したがって、ミキサー内流れ３２の加熱速度を最小にするためである。少なくとも２つの流体ポート１４６、あるいは３つの流体ポート１４６、あるいは４つの流体ポート１４６、あるいは５つの流体ポート１４６、あるいは６つの流体ポート１４６、あるいは７つの流体ポート１４６、あるいは８つの流体ポート１４６、あるいは９つの流体ポート１４６、あるいは１０の流体ポート１４６、あるいは１０より多い流体ポート１４６が存在し得る。本発明の少なくとも１つの実施形態において、流体ポート１４６はキャピラリーを形成することができる。
【００６２】
流体ポート１４６は、本体１４１の横断軸１４４および断面軸１４５に沿ってポート配列で配列される。ポート配列は、超臨界流体１０と加熱炭化水素流３０との完全な混合を容易にする、横断軸１４４、断面軸１４５に沿った、および本体１４１の外表面の周りの流体ポート１４６の任意の構成にすることができる。例示的なポート配列には、直線インライン、直線横断、千鳥横断、らせんパターン、これらの組み合わせ、および連続ミキサー１４０内の完全な混合を可能にするその他の任意のパターンが含まれる。図４ａ〜４ｄに示す通り、ポート配列は直線インラインである。図５ａ〜ｃは、直線横断ポート配列の流体ポート１４６を有する連続ミキサー１４０のある実施形態を示す。図５ｄは、千鳥横断ポート配列の４つの流体ポート１４６を有する連続ミキサーのある実施形態を示す。図７ａ〜ｃは、らせんパターンポート配列の４つの流体ポート１４６を有する連続ミキサー１４０のある実施形態を示す。図７ｄは、らせんパターンポート配列を有する３つの流体ポート１４６を有する連続ミキサー１４０のある実施形態を示す。
【００６３】
流体ポート１４６はポート直径１４９を有する。ポート直径１４９は、流体ポート１４６の直径である。ポート直径１４９について本明細書において言及される値は、特に記載のない限り、流体ポート１４６の構造材料の厚さを含まない内径を意味する。流体ポート１４６のポート直径１４９は、約０．１”よりも大きく、あるいは約０．１”から約１”の間、あるいは約０．２”から約１”の間、あるいは約０．３”から約１”の間、あるいは約０．４”から約１”の間、あるいは約０．５”から約１”の間、あるいは約０．６”から約１”の間、あるいは約０．７”から約１”の間、あるいは約０．８”から約１”の間、あるいは約０．９”から約１”の間であり、あるいは約１”よりも大きい。本発明の少なくとも１つの実施形態において、ポート直径１４９は０．１”未満である。本発明の少なくとも１つの実施形態において、ポート直径１４９は、ポート直径入口直径１４８と異なる。本発明の少なくとも１つの実施形態において、ポート直径１４９は入口直径１４８未満である。本発明の少なくとも１つの実施形態において、連続ミキサー１４０の各流体ポート１４６は、同じポート直径１４９を有する。本発明の少なくとも１つの実施形態において、連続ミキサー１４０の各流体ポート１４６は、異なるポート直径１４９を有する。本発明の少なくとも１つの実施形態において、連続ミキサー１４０の流体ポート１４６の多くとも２つの異なる直径が存在する。
【００６４】
流体ポート１４６はポート角度１４７を有する。ポート角度１４７は、連続ミキサー１４０の流体ポート１４６と本体１４１との間の角度である。図４ａ〜４ｄにおいて、ポート角度１４７は９０°である。図６ａ〜ｃは、９０°未満のポート角度１４７を有する流体ポート１４６を有する連続ミキサー１４０のある実施形態を示す。全体にわたって、用語「ｄｅｇ．」は、度（°）の記号と同義で用いられる。ポート角度１４７は、約１°から約９０°の間、あるいは約１０°から約９０°の間、あるいは約２０°から約９０°の間、あるいは約３０°から約９０°の間、あるいは約４０°から約９０°の間、あるいは約４５°から約９０°の間、あるいは約５０°から約９０°の間、あるいは約６０°から約９０°の間、あるいは約７０°から約９０°の間、あるいは約８０°から約９０°の間にすることができる。本発明の少なくとも１つの実施形態において、ポート角度１４７は９０°である。本発明の少なくとも１つの実施形態において、ポート角度１４７は４５°である。本発明の少なくとも１つの実施形態において、ポート角度１４７は４５°未満である。本発明の少なくとも１つの実施形態において、ポート角度１４７は４５°から９０°の間である。
【００６５】
本発明の少なくとも１つの実施形態において、流体ポート１４６を通じて注入された超臨界流体１０は、各流体ポート１４６を通じて同じ温度である。本発明の少なくとも１つの実施形態において、流体ポート１４６を通じて注入された超臨界流体１０は、各流体ポート１４６を通じて異なる温度である。本発明の少なくとも１つの実施形態において、各流体ポート１４６内の超臨界流体１０の温度は、流体ポート１４６、および各流体ポート１４６から流体熱交換器１１０の下流の分離配管または管に戻る個々のラインの断熱材の厚さを調節することによって調節することができる。
【００６６】
加熱炭化水素流３０および超臨界流体１０は、本体１４１内で混合して、ミキサー内流れ３２を生じる。ミキサー内流れ３２の組成は、別の流体ポート１４６を通じて超臨界流体１０がそれぞれ加えられながら本体１４１内を進むにつれて変化する。本発明の少なくとも１つの実施形態において、ミキサー内流れ３２には加熱炭化水素流３０の液滴がない。本発明の少なくとも１つの実施形態において、ミキサー内流れ３２中の炭化水素は、液滴として留まるアスファルテン部分を除いて、ミキサー内流れ３２中の超臨界流体にかなり溶解する。本発明の少なくとも１つの実施形態において、ミキサー内流れ３２中で接触が起こると、超臨界流体中の炭化水素の分散および／または溶解が起こる。本発明の少なくとも１つの実施形態において、ミキサー内流れ３２はエマルジョンである。本発明の少なくとも１つの実施形態において、ミキサー内流れ３２のミキサー内温度は、炭化水素クラッキング反応が起こる温度を下回る点に維持される。炭化水素クラッキング反応を防ぐことが好ましいが、その理由は、いずれの反応もラジカルによって開始されるという点でクラッキング反応がコーキング反応と対称的であり、炭化水素クラッキング反応を避けることによって、コーキング反応を最小限にすることができて、これが、コークスまたはスラッジ状コークス前駆体の生成を最小限にするからである。コークスまたはスラッジ状コークス前駆体を避けることが望ましいが、その理由は、この物質が、ミキサー内流れ３２の流れを阻害または制限して、プロセスの不安定性につながる可能性があるからである。本発明の少なくとも１つの実施形態において、ミキサー内流れ３２は、４００℃未満のミキサー内温度を有する。本発明の少なくとも１つの実施形態において、ミキサー内流れ３２は、１５０℃から４００℃の間のミキサー内温度を有する。本発明の少なくとも１つの実施形態において、本体１４１は、ミキサー内流れ３２の一定のミキサー内温度を維持する発熱体を有する。例示的な発熱体には、ヒートトレースおよび断熱材が含まれる。
【００６７】
ミキサー内流れ３２は、混合された流れ出口１４３を通じて本体１４１を出る。本発明の少なくとも１つの実施形態において、連続ミキサー１４０には、複数の混合された流れ出口１４３がない。１つの出口のための連続ミキサー１４０を設計することが好ましいが、その理由は、出口が複数あると、各出口を通る等しい流量の制御が困難になるからである。各出口が同じ内径および長さを有すると仮定しても、温度が違えば流量に影響し、出口流れ中の未溶解の成分の沈降によって、出口のうちの１つが詰まる可能性がある。混合された流れ出口１４３は、出口直径を有する。出口直径は、混合された流れ出口１４３の直径である。好ましい実施形態において、連続ミキサー１４０は、１つの混合された流れ出口１４３を有する。出口直径は、炭化水素入口１４２の直径である。出口直径について本明細書において言及される値は、特に記載のない限り、出口直径の構造材料の厚さを含まない内径を意味する。混合された流れ出口１４３の出口直径は、０．１”よりも大きく、あるいは約０．５”よりも大きく、あるいは約１”よりも大きく、あるいは約２”よりも大きく、あるいは約３”よりも大きく、あるいは約３”から約５”の間であり、あるいは約５”から約６”の間であり、あるいは約６”から約１２”の間であり、あるいは１２”よりも大きい。本発明の少なくとも１つの実施形態において、出口直径は、本体１４１の本体直径と同じである。本発明の少なくとも１つの実施形態において、混合された流れ出口１４３は、標準的なノズル寸法を有するノズルである。
【００６８】
本発明の少なくとも１つの実施形態において、連続ミキサー１４０の本体１４１は制流板１４１５を含む。特定の理論によって制限されることなく、制流板はミキサー内流れ３２の不安定性を増大させ、したがって、混合を促進すると考えられる。不安定性は、反応器内のコークスおよび他の重い物質の沈殿を防ぐ役割を果たす。不安定な流れは、局所的に不規則であり、高い拡散率を有し、高い散逸を有することが特徴である。流れが不安定であるほど、超臨界流体内で炭化水素はより混合され、コークスが生成する可能性が低くなる。制流板１４１５は、各流体ポート１４６の混合点の下流に配置される。「混合点（ｍｉｘｉｎｇ  ｐｏｉｎｔ）」は、連続ミキサー１４０内の、流体ポート１４６を通じて注入される超臨界流体１０がミキサー内流れ３２と出会う点である。この点に関して、制流板１４１５は、既に混合し始めた流れの混合を促進する。本発明の少なくとも１つの実施形態において、制流板１４１５は、ミキサー内流れ３２と、流体ポート１４６を通じて注入される超臨界流体１０との混合点から離れて配置される。本発明の少なくとも１つの実施形態において、制流板１４１５はオリフィス板であり、オリフィス直径は本体直径よりも小さい。本発明の少なくとも１つの実施形態において、制流板１４１５は、焼結金属を含むフィルターである。本発明の少なくとも１つの実施形態において、制流板１４１５は、金属膜を含むフィルターである。本発明の少なくとも１つの実施形態において、制流板１４１５には熱電対がない。本発明の少なくとも１つの実施形態において、制流板１４１５は、連続ミキサー１４０内の各混合点の下流に配置される。本発明の少なくとも１つの実施形態において、混合点よりも少ない数の制流板１４１５が存在する。少なくとも１つの実施形態において、制流板１４１５は、流体の流れの方向の、第１の流体ポート１４６の上流に配置することができる。すべての流体ポートの上流に制流板を配置することによって、ミキサー内流れ３２中の炭化水素の何らかの可能性のある温度および濃度の勾配を減少させることができる。これは、ミキサー内流れ３２中の炭化水素の混合を促進することができて、超臨界流体との下流の混合に対して有益な効果を有することができる。制流板１４１５は、連続ミキサー１４０内に任意の組み合わせで、流体ポートの上流、間または下流に複数または単独で配置することができる。
【００６９】
図８は、２つの本体１４１の間に混合チャンバー１４０５を含む、連続ミキサー１４０のある実施形態を示す。混合チャンバー１４０５は、混合チャンバー１４０５内のミキサー内流れ３２中に存在する炭化水素と超臨界流体との完全な混合を容易にする任意の形状および寸法にすることができる。本発明の少なくとも１つの実施形態において、混合チャンバー１４０５は撹拌機を含む。本発明の少なくとも１つの実施形態において、混合チャンバー１４０５内のミキサー内流れ３２の滞留時間であるチャンバー滞留時間は、短くとも１秒、あるいは１秒から５秒の間、あるいは２秒から４秒の間である。混合チャンバー１４０５は、混合チャンバー１４０５内で反応が起こらないようにするチャンバー滞留時間を有するよう設計される。
【００７０】
図９は、本体１４１の下流に尾管１４２５を含む、連続ミキサー１４０のある実施形態を示す。尾管１４２５は、ミキサー内流れ３２のさらなる混合のための追加容積を提供する。本発明の少なくとも１つの実施形態において、連続ミキサー１４０は、本体１４１の下流に２つの尾管を含む。尾管１４２５は、ミキサー内流れ３２の完全な混合を容易にする任意の形状または寸法にすることができる。尾管１４２５の例示的な形状には、円柱、直方体およびらせん（またはコイル状）が含まれる。本発明の少なくとも１つの実施形態において、尾管１４２５は円柱である。本発明の少なくとも１つの実施形態において、尾管１４２５はらせんである。尾管１４２５は、尾管直径を有する。本発明の少なくとも１つの実施形態において、尾管１４２５は、尾管直径が標準的なパイプサイズから選択されるような標準的なパイプである。尾管１４２５は、ある尾長を有し、これは、尾管１４２５の長さである。尾管１４２５がコイル形である、ある実施形態において、長さは、尾管１４２５のコイルをまっすぐにして、端から端まで測定した場合と等しい長さである。本発明の少なくとも１つの実施形態において、尾管１４２５の尾長は、本体１４１の本体長さの少なくとも２倍である。本発明の少なくとも１つの実施形態において、尾管１４２５の尾長は、本体１４１の本体長さの２倍である。本発明の少なくとも１つの実施形態において、尾管１４２５の尾長は、本体１４１の本体長さの２倍よりも短い。本発明の少なくとも１つの実施形態において、尾管１４２５の尾長は、本体１４１の本体長さと等しい。本発明の少なくとも１つの実施形態において、尾管１４２５の尾長は、本体１４１の本体長さよりも短い。
【００７１】
本発明の少なくとも１つの実施形態において、尾管１４２５内の温度は４００℃未満に維持される。本発明の少なくとも１つの実施形態において、尾管１４２５内の温度は１５０℃から４００℃の間に維持される。本発明の少なくとも１つの実施形態において、尾管１４２５は、一定を維持する発熱体を有する。例示的な発熱体には、ヒートトレースおよび断熱材が含まれる。
【００７２】
本発明の少なくとも１つの実施形態において、連続ミキサー１４０には、超音波発生装置または超音波エネルギーの源がない。本発明の少なくとも１つの実施形態において、炭化水素転化のためのプロセスには、超音波発生装置または超音波エネルギーの源がない。
【００７３】
加熱炭化水素流３０は、流体ポート１４６を通じて超臨界流体１０に注入することができず、超臨界流体１０は、炭化水素入口１４２を通じて連続ミキサー１４０に入る。このような設計においては、初期の相対的な油に対する水の割合高くなり（油よりも水が多いことを意味する。）、場合によっては、超臨界水の流量は、１つの流体ポートを通る油の流量の４倍もの量になり得る。炭化水素流の芳香族成分および樹脂成分は、アスファルテンを十分に分散した状態で安定化するが、油に対する水の割合が高いとき、容易に溶解される。この設計は、芳香族化合物と樹脂との混合を可能にするが、アスファルテンは、芳香族および樹脂安定剤がなければ、超臨界水により膨潤して、アスファルテンのごく小さな液滴を生じる可能性がある。アスファルテンのごく小さな液滴は、水の臨界点までの温度の急激な上昇にさらされると、コークスが生成される。
【００７４】
［実施例１］１つの炭化水素入口およびインラインポート配列の４つの流体ポートを有する連続ミキサーを使用して、炭化水素を転化するためのプロセスをシミュレートした。。超臨界流体をこの実施例では超臨界水を、４つの等しい流れに分割して、各流体ポートを通る体積流量が標準環境温度および圧力（ＳＡＴＰ）で２５ｍｌ／ｍｉｎになるように４つの流体ポートに注入した。加熱炭化水素流の体積流量が標準環境温度および圧力で１００ｍｌ／ｍｉｎになるように、加熱炭化水素流を、炭化水素入口を通じて連続ミキサーに供給した。１００ｍｌ／ｍｉｎの加熱炭化水素流が、炭化水素入口に最も近い流体ポートを通じて注入された２５ｍｌ／ｍｉｎの超臨界水と混合して、油に対する水の体積割合が０．２５〜１を有するミキサー内流れを生じた。０．２５〜１の割合は、すべての樹脂および芳香族化合物を加熱炭化水素流に吸収するには低すぎるため、樹脂および芳香族化合物は依然としてアスファルテンを分散させていた。次いで、１２５ｍｌ／ｍｉｎのミキサー内流れは、次の流体ポートを通じて注入された２５ｍｌ／ｍｉｎの超臨界水と混合して、ミキサー内流れ中で０．５〜１の油に対する水の体積割合を生じた。次いで、１５０ｍｌ／ｍｉｎのミキサー内流れは、第３の流体ポートを通じて注入された２５ｍｌ／ｍｉｎの超臨界水と混合して、０．７５〜１の油に対する水の体積割合を生じた。０．７５〜１の体積割合は、ミキサー内流れ中の炭化水素からほぼすべての樹脂および芳香族化合物を抽出するのに十分である。樹脂および芳香族化合物の溶解により、アスファルテンは凝集し始める。ほぼ同時に、超臨界水がアスファルテンを膨潤させ始め、次いで、炭化水素のごく小さな液滴にはじける。最後に、１７５ｍｌ／ｍｉｎのミキサー内流れが２５ｍｌ／ｍｉｎの最後の流体ポートに出会い、混合して１対１の油に対する水の体積割合を生じる。１対１の体積割合は、アスファルテンから生じたごく小さな液滴を溶解または分散させるのに十分である。凝集体相内のアスファルテン間の縮合反応を避けるために、ミキサー内流れの温度を４００℃未満に維持した。
【００７５】
［実施例２］１つの炭化水素入口およびインラインポート配列の３つの流体ポートを有する連続ミキサーを使用して、炭化水素を転化するためのプロセスをシミュレートした。。超臨界流体、この実施例では超臨界水を、３つの等しい流れに分割して、各流体ポートを通る体積流量が標準環境温度および圧力（ＳＡＴＰ）で２０バレル／日になるように３つの流体ポートを通じて注入した。加熱炭化水素流の体積流量が標準環境温度および圧力で６０バレル／日になるように、加熱炭化水素流を、炭化水素入口を通じて連続ミキサーに供給した。超臨界水の温度は、各流体ポート間で異なるように制御される。炭化水素入口に最も近いポートを通る超臨界水の温度を５００℃に制御した。次のポートを通る超臨界水の温度を５５０℃に制御した。最後のポートを通る超臨界水の温度を６００℃に制御した。６０バレル／日の加熱炭化水素流が、炭化水素入口に最も近い流体ポートを通じて注入された２０バレル／日、５００℃の超臨界水と混合して、２９５℃の温度を有するミキサー内流れを生じた。２９５℃の温度は、樹脂および芳香族化合物に対する十分な溶解度を有するには低すぎる。樹脂および芳香族化合物は部分的に溶解される一方、良好に分散したアスファルテンを保つ。次いで、８０バレル／日のミキサー内流れは、次の流体ポートを通じて注入された２０バレル／日、５５０℃の超臨界水と混合して、ミキサー内流れの温度を３６４℃の温度まで上昇させた。この温度で、水は、アスファルテンを膨潤させ始める一方、炭化水素転化反応を抑制した。次いで、１００バレル／日のミキサー内流れは、第３の流体ポートを通じて注入された２０バレル／日、６００℃の超臨界水と混合して、ミキサー内流れの温度を３７３℃の温度まで上昇させた。この温度で、アスファルテンのごく小さな液滴が超臨界水中に分散し始める。
【００７６】
［実施例３］図１に示すプロセスに基づいて実施例３をシミュレートした。炭化水素流１５を炭化水素ポンプ１２０に供給して水の臨界圧よりも高い圧力まで加圧し、加圧炭化水素流２０を生じた。加圧炭化水素流２０を炭化水素交換器３０に供給して５０℃の温度まで加熱し、加熱炭化水素流３０を生じた。流体流れ１５、この実施例では水を高圧ポンプ１００に供給して水の臨界圧よりも高い圧力まで加圧し、加圧流体流れ５を生じた。加圧流体流れ５を流体熱交換器１１０に供給して水の臨界温度よりも高い温度まで加熱し、超臨界流体１０を生じた。次いで、超臨界流体１０を、ＳＡＴＰで２０バレル／日の流量をそれぞれ有する３つの流れに分割した。連続ミキサー１４０は完全に混合された流れ４０を生じた。完全に混合された流れ４０は、水の臨界温度を上回り、４００℃を下回る温度および水の臨界圧よりも高い圧力を有する。完全に混合された流れ４０を、炭化水素が転化反応を経る超臨界反応器１５０に供給した。超臨界反応器内の流体の滞留時間は１０秒未満であった。超臨界反応器１５０は排出流５０を生じる。
【００７７】
【表１】
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【００７８】
【表２】
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【００７９】
［比較例．実施例４］実施例４では、図２による混合ユニットと、図１のプロセス図に基づいてシミュレートしたプロセス内の本発明の連続ミキサー１４０とを比較した。
【００８０】
炭化水素流１５および流体流れ２に関して、２つのシミュレーションにおいて同じ供給条件を用いた。これらの条件を表３に示す。炭化水素流１５を２４Ｌ／日で炭化水素ポンプ１２０に供給して、水の臨界圧よりも高い圧力である２５ＭＰａまで加圧し、加圧炭化水素流２０を生じた。加圧炭化水素流２０を炭化水素交換器３０に供給して、水の臨界温度未満である１２５℃の温度まで加熱し、加熱炭化水素流３０を生じた。流体流れ１５、この実施例では水を標準環境温度および圧力で測定した２４Ｌ／日で高圧ポンプ１００に供給して、水の臨界圧よりも高い圧力である２５ＭＰａまで加圧し、加圧流体流れ５を生じた。加圧流体流れ５を流体熱交換器１１０に供給して、水の臨界温度よりも高い温度である４５０℃まで加熱し、超臨界流体１０を生じた。水（超臨界流体１０）対炭化水素（加熱炭化水素流３０）の体積比は１：１（ｖｏｌ：ｖｏｌ）であった。
【００８１】
【表３】
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【００８２】
シミュレーションにおいて、図２による０．１２インチ（０．３０４８ｃｍ）の内径を有する混合Ｔ字管として混合ユニットをモデル化した。混合ユニットへの炭化水素入口を、０．２５インチ（０．６３５ｃｍ）の外径を有する管としてモデル化した。超臨界水入口を、０．２５インチ（０．６３５ｃｍ）の外径を有する管としてモデル化した。混合ユニットによって生じる合わせた流れを超臨界反応器１５０に供給した。超臨界反応器１５０を、１Ｌの内容積を有する管状容器としてモデル化した。混合ユニットの下流の流れの運転条件を表４に示す。炭化水素流およびアップグレードされた炭化水素流の成分の比較を表５に示す。図２の混合ユニットを使用して得られた液収率は９５ｗｔ％であった。
【００８３】
【表４】
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【００８４】
【表５】
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【００８５】
０．１２５インチの内径を有する入口直径１４８を有する１つの炭化水素入口１４２を有する連続ミキサー１４０をモデル化した。連続ミキサー１４０を、５インチ（ｃｍ）の本体長さならびに０．３７５インチの外径（Ｏ．Ｄ．）および０．１２５インチ（Ｉ．Ｄ．）の本体直径を有する円柱（管）としてモデル化した。各流体ポート１４６がＳＡＴＰで６Ｌ／日の体積流量を有するように、超臨界流体１０の体積流量を、４つの流体ポート１４６間で均等に分割した。流体ポート１４６を直線インラインポート配列で配置した。外径０．２５インチおよび内径０．０６２５のポート直径１４９ならびに各流体ポート１４６の間隔１インチで流体ポート１４６をモデル化した。各流体ポート１４６間に配置される内径（穴のサイズ）０．０６２５インチの制流板１４１５を、合計３つの制流板１４１５についてモデル化した。混合された流れ出口１４３を、外径０．２５インチの超臨界反応器１５０に接続するようモデル化した。超臨界反応器１５０を、１Ｌの内容積を有する管状容器としてモデル化した。連続ミキサー１４０の下流の流れの運転条件を表６に示す。炭化水素流およびアップグレードされた炭化水素流の成分の比較を表７に示す。連続ミキサー１４０を使用して得られた液収率は９７ｗｔ％であった。図２によるミキサーおよび連続ミキサー１４０を使用して生じたアップグレードされた炭化水素流の比較を表８に示す。
【００８６】
【表６】
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【００８７】
【表７】
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【００８８】
【表８】
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【００８９】
この結果は、超臨界流体、この実施例では水、と炭化水素とのよりよい混合を実現する連続ミキサー１４０が、生成物のより高い液収率および改善された品質をもたらすことを示す。
【００９０】
本発明を詳細に説明してきたが、本発明の原理および範囲から逸脱することなく、本明細書においてさまざまな変更、置換および変形が行われ得るものと理解されるべきである。したがって、本発明の範囲は、以下の請求項およびそれらの適切な法的均等物によって決定されるべきである。
【００９１】
単数形「１つの（ａ、ａｎ）」および「その（ｔｈｅ）」は、文脈がそれ以外に明確に定めていなければ、複数の指示対象を含む。
【００９２】
任意選択の（ｏｐｔｉｏｎａｌ）または任意選択で（ｏｐｔｉｏｎａｌｌｙ）は、続いて記載される事象または状況が発生しても、発生しなくてもよいことを意味する。説明には、事象または状況が発生する場合の例、および事象または状況が発生しない場合の例が含まれる。
【００９３】
範囲は、本明細書において、およそのある特定の値から、かつ／またはおよその別の特定の値までと表されることがある。このような範囲が表されるとき、別の実施形態は、前記範囲内のすべての組み合わせと共に、一方の特定の値から、かつ／または他方の特定の値までと理解されるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図４ｃ】
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【図４ｄ】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図５ｃ】
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【図５ｄ】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図６ｃ】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図７ｃ】
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【図７ｄ】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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