(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
触媒の存在下に液体を処理ガスと反応させるための反応器であって、該反応器は、下記（ａ）〜（ｇ）：
（ａ）該液体と該ガスとの間に所望の反応を引き起こすための触媒手段を含む第１反応域を囲む連続壁
（ｂ）該液体の未反応部分を該反応器に送入するために該第１反応域の上部に配設された液体送入手段
（ｃ）該液体を該１反応域に分配するために該第１反応域の上部に配設された液体分配トレイ
（ｄ）該処理ガスの未反応部分を該反応器に送入するために該第１反応域の下部に配設されたガス送入手段
（ｅ）該液体の反応部分を該反応器から送出するために該第１反応域の下部に設けた液体送出手段
（ｆ）該処理ガスの反応部分を該反応器から送出するために該第１反応域の上部に配設されたガス送出手段
（ｇ）該液体の一部分が該反応域の一部分をバイパスすることができるように該第１反応域に設けた、上部区画と下部区画とを有する導管を含む液体バイパス手段であって、該第１反応域の該一部分をバイパスする該液体の量を調節するための液体バイパス調節手段を含む液体バイパス手段
を含み、
該上部区画は、所定のフラッディング条件で該液体分配トレイの該液体と流体連通し、そこで該液体分配トレイに蓄積した該液体により静水力学的シールを形成し、
該下部区画は、該第１反応域の下部に延在し、
また該下部区画は、該バイパス手段を通って蒸気を上昇させない手段を末端に有する
ことを特徴とする反応器。
【請求項２】
該処理ガスは、該第１反応域を通る該液体の流れと実質的に逆方向に、該第１反応域を通って流れさせることを特徴とする請求の範囲１記載の反応器。
【請求項３】
該反応器は、複数個の該反応域を含むことを特徴とする請求の範囲１記載の反応器。
【請求項４】
該反応域は、それぞれ該液体バイパス手段を含むことを特徴とする請求の範囲３記載の反応器。
【請求項５】
該反応器は、さらに下記（ａ）および（ｂ）を含むことを特徴とする請求の範囲１記載の反応器。
（ａ）該第１反応域の上部に配設された第２反応域
（ｂ）該処理ガスの流れを該液体流れと実質的に同じ方向にするために、該第２反応域の上部に配設された第２ガス送入手段
【請求項６】
該液体バイパス手段は、該液体の一部分を該第１反応域を完全にバイパスさせることを特徴とする請求の範囲１記載の反応器。
【請求項７】
該上部区画は、逆Ｕ字型に形成され、その末端が該液体分配トレイの上部に配置されることを特徴とする請求の範囲１記載の反応器。
【請求項８】
該上部区画は、上方に延在する末端と該末端の上部に配設されたキャップを有し、該キャップは該末端の下部に開く底部を含むことを特徴とする請求の範囲１記載の反応器。
【請求項９】
該液体バイパス手段は、該液体を２つ以上の連続する反応域をバイパスさせることを特徴とする請求の範囲３記載の反応器。
【請求項１０】
触媒の存在下に液体を処理ガスと反応させるための反応器であって、該反応器は、下記（ａ）〜（ｇ）：
（ａ）該液体と該ガスとの間に所望の反応を引き起こすに適した触媒を含む第１反応域を囲む連続壁
（ｂ）該液体の未反応部分を該反応器に送入するために該第１反応域の上部に配設された液体送入口
（ｃ）該第１反応域の上部に配設された液体分配トレイ
（ｄ）該処理ガスの未反応部分を該反応器に送入するために該第１反応域の下部に配設されたガス送入口
（ｅ）該液体の反応部分を該反応器から送出するために該第１反応域の下部に配設された液体送出口
（ｆ）該処理ガスの反応部分を該反応器から送出するために該第１反応域の上部に配設されたガス送出口
（ｇ）該液体の一部分が該第１反応域の一部分をバイパスすることができるように該第１反応域に配設された、上部区画と下部区画とを有する導管を含む少なくとも一つの液体バイパス管であって、該第１反応域の該一部分をバイパスする該液体の量を調節することができる液体バイパス調節器を含む液体バイパス管
を含み、
該上部区画は、所定のフラッディング条件で該液体分配トレイの該液体と流体連通し、そこで該液体分配トレイに蓄積した該液体により静水力学的シールを形成し、
該下部区画は、該第１反応域の下部に延在し、
また該下部区画は、該バイパス手段を通って蒸気を上昇させない手段を末端に有する
ことを特徴とする反応器。
【請求項１１】
該処理ガスは、該第１反応域を通る該液体の流れと実質的に逆方向に、該第１反応域を通って流れさせることを特徴とする請求の範囲１０記載の反応器。
【請求項１２】
該反応器は、複数個の該反応域を含むことを特徴とする請求の範囲１０記載の反応器。
【請求項１３】
該反応域は、それぞれ少なくとも一つの該液体バイパス管を含むことを特徴とする請求の範囲１２記載の反応器。
【請求項１４】
該反応器は、さらに下記（ａ）および（ｂ）を含むことを特徴とする請求の範囲１０記載の反応器。
（ａ）該第１反応域の上部に配設された第２反応域
（ｂ）該処理ガスの流れを該液体流れと実質的に同じ方向にするために、該第２反応域の上部に配設された第２ガス送入口
【請求項１５】
該液体バイパス管は、該液体の該一部分を該第１反応域を完全にバイパスさせることを特徴とする請求の範囲１０記載の反応器。
【請求項１６】
該上部区画は、逆Ｕ字型に形成され、その末端が該液体分配トレイの上部に配置されることを特徴とする請求の範囲１０記載の反応器。
【請求項１７】
該上部区画は、上方に延在する末端と該末端の上部に配設されたキャップを有し、該キャップは該末端の下部に開く底部を含むことを特徴とする請求の範囲１０記載の反応器。
【請求項１８】
該液体バイパス管は、該液体を２つ以上の連続する反応域をバイパスさせることを特徴とする請求の範囲１２記載の反応器。
【請求項１９】
蒸気を上方に流さない該手段は、機械的手段であることを特徴とする請求の範囲１〜１０のいずれかに記載の反応器。
【請求項２０】
蒸気を上方に流さない該手段は、水力学的シール手段であることを特徴とする請求の範囲１〜１０のいずれかに記載の反応器。
【発明の詳細な説明】
関連出願との相互参照
本発明は、1996年８月23日出願のUSSN 08/702,334の一部継続出願である。
本発明の分野
本発明は、液状の石油流または化学薬品流を処理するための反応器に関する。この流れは、少なくとも１つの相互作用域において、水素含有ガスのような処理ガスの流れに対して向流する。反応器は、１つ以上の充填床、好ましくは触媒床をバイパスするための液体流路を具備する。こうすることによって、より安定かつ効率的な容器操作が可能となる。
従来技術の説明
石油精製業界および化学処理業界において、触媒およびプロセス技術を改良することが絶えず必要とされている。このようなプロセス技術の１つである水素処理（hydroprocessing）では、ヘテロ原子の除去、芳香族分の飽和、および沸点の低下を行うことが益々必要となってきている。こうした要求を満たすために、触媒の活性を高くし反応器のデザインを改良することが必要である。向流反応器は、こうした要求を満たす一助となる可能性がある。なぜなら、並流型流通反応器よりも優れた利点が得られるからである。向流水素処理は周知であるが、その商業用途は非常に限られている。向流プロセスについては米国特許第3,147,210号に開示されており、この特許では、高沸点芳香族炭化水素の水素処理−水素添加（hydroprocessing-hydrogenation）の２段階プロセスが教示されている。最初に、供給原料を、好ましくは水素と並流させて、接触水素処理にかける。次に、水素リッチガスの流れに向流させて、硫黄感受性貴金属水素添加触媒上で水素添加を行う。米国特許第3,767,562号および同第3,775,291号には、ジェット燃料を製造するための類似のプロセスが開示されているが、この場合には、最初に水素化脱硫を行い、その後で２段階水素添加を行う。また、米国特許第5,183,556号にも、ディーゼル燃料流中の芳香族分の水素仕上げ−水素添加（hydrofining-hydrogenating）を行うための２段階並流−向流プロセスが開示されている。
米国特許第5,449,501号には、接触蒸留用にデザインされた装置が開示されている。容器であるこの蒸留装置には、触媒床の上下に位置する分留区画間を蒸気連通させるための手段を提供する蒸気流路が含まれる。容器中の蒸気は実質的にすべて、蒸気流路を通って上昇し、分留区画中においてのみ、蒸気と液体との所望の接触が行われる。
向流水素処理の概念は以前から知られているが、石油業界では、向流型流通反応器は一般に使用されていない。この主な理由は、向流フローモードで運転した場合、従来の固定床反応器では、触媒床フラッディングが起こり易いからである。すなわち、比較的高速度で処理ガスを流上させると、液体の流下が阻害される。従って、液体が触媒床を通過できない。フラッディングは望ましいものではないが、触媒床がフラッディング状態に近づくほど、触媒と反応液体との接触はよくなる。しかしながら、フラッディング開始点付近で運転した場合、そのプロセスは、圧力もしくは温度または液体流量もしくはガス流量の変動の影響を受け易くなる。このため、フラッディングを開始させるのに十分な大きさの外乱を生じる可能性があり、安定した運転状態に戻すためにプロセスユニットの運転を停止させなければならない場合もある。このような外乱は、連続的商業運転にとって極めて望ましからぬものである。
向流反応器に関連したフラッディング問題に対する１つの解決策が、本発明者らの一部による米国特許出願第08/702,334号に開示されている。その反応器では、触媒床を横切るように１つ以上のガスバイパス管が配置されており、処理ガスはこれを通って反応域をバイパスすることができる。ガスが反応域をバイパスすることができれば、反応域の前後の圧力差は、フラッディングが防止されるレベルに保たれる。出願日が本出願と同じであり発明者も本出願と同じである代理人整理番号HEN9706の米国特許出願第08/885,788号には、もう１つの解決策が記載されている。その解決策には、反応域をバイパスするガスの量を調節する単純かつ効率的な手段を備えた向流反応器が含まれる。その反応器では、所定のフラッディング状態に達する直前でのみしかも触媒床を所定のフラッディングレベルに保持するのに必要な程度までのみ、ガスを側流させる。
上記の発明は、処理ガスのバイパスを含む解決策を提供するが、流下する液体をときどきバイパスさせる必要性もまた、依然として残っている。より詳細には、(1)所定のフラッディング状態を克服または防止し、(2)反応器の運転の柔軟性が保たれるような特定のレベルに液体を保持し、(3)触媒の失活をもたらす水素不足を招くほどに厳しくガスバイパスを自動的に行う状況を回避する、のに必要な程度までのみ液体のバイパスを許容することが極めて有利である。理想的には、このような液体バイパス機能は、自動的に作動しなければならず、更に反応器の最適状態を得るべく、上記のガスバイパス法との併用が可能でなければならない。こうした改良を行えば、フラッディングが容易に起こらず、たとえフラッディングが起こっても運転を停止することなくより容易に回復させることができ、更にフラッディングの起こる前の状態での反応器の運転を可能にする向流反応器が得られるはずである。
本発明の概要
従って、本発明の目的は、フラッディングの発生を最小限に抑える向流反応器を提供することである。
本発明のもう１つの目的は、反応プロセスを停止させる必要なく、フラッディング状態からより容易に回復する向流反応器を提供することである。
このほかに、本発明の目的は、液体をバイパスさせるタイミングおよびその量の調節を自動的に行う液体バイパス能力を備えた向流反応器を提供することである。
本発明の更にもう１つの目的は、単純な液体バイパス装置を備えかつ最小限のメンテナンスで済む向流反応器を提供することである。
本発明のこれらの目的および他の目的ならびに利点は、種々の図面に含まれかつ該図面により例示されている好ましい実施態様および代替の実施態様の説明を読んだ後の当業者にはまちがいなく自明となるであろう。
従って、本発明によれば、触媒の存在下で液体を処理ガスと反応させるための反応器が提供される。この反応器は、液体と処理ガスとの所望の反応を引き起こすための触媒床を含む第１反応域を取り囲む連続壁と；反応器に液体の一部分を送入するために第１反応域の上に配設された液体送入手段と；反応器に処理ガスの一部分を送入するために第１反応域の下に配設されたガス送入手段と；反応器から液体の反応部分を送出するために第１反応域の下に配設された液体送出手段と；反応器から処理ガスの一部分を送出するために第１反応域の上に配設されたガス送出手段と；流下する液体の一部分が第１反応域の一部分をバイパスすることができるように第１反応域中に配設された液体バイパス手段であって、第１反応域の一部分をバイパスする液体の量を調節するための液体バイパス調節手段を備えた液体バイパス手段とを具備する。
好ましい実施態様では、反応器に複数の反応域が含まれ、各反応域の上に液体分配トレイが配設される。液体バイパス手段には、上部区画と下部区画を有する導管が含まれる。上部区画は、フラッディングを起こし易い所定の条件下で、液体分配トレイ中の液体と流体連通状態になって液体で静水力学的シールを形成し、それによりフラッディングを起こし易い条件下でサイホン作用を生じる。また、下部区画は、第１反応域の下に延在する。
場合により、反応器には更に、第１反応域の上に配設された少なくとも１つの反応域と、処理ガスの流れが液体の流れと実質的に同じ方向すなわち下向きになるように、この追加の反応域の上に配設された第２ガス送入手段と、が含まれていてもよい。この場合、液体供給物の一部分または全部を、追加の反応域の上から反応器に送入する。この代わりに、またはこれに加えて、第１反応域の上にある追加の反応域の下から液体供給原料を導入することもできる。このときは、場合により追加の処理ガスを同じレベルで導入し、供給原料の蒸気相が追加の処理ガスと並流状態で反応できるように、すなわち追加の反応域を通って上向並流状態で反応できるようにする。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の好ましい実施態様の断面図であり、３つの反応域が示されている。各反応域には、液体分配トレイに対して作動位置に配設された液体バイパス手段が含まれる。
図２は、図１の実施態様の詳細図であり、反応域の１つの断面を示している。
図３は、図１の好ましい実施態様であり、反応域の１つの断面を示している。
図４は、図３の実施態様の代替実施態様である。
図５は、液体バイパス手段の代替実施態様を示している。
本発明の詳細な説明
本発明の反応器は、水素含有処理ガスのようなガスを液体供給原料の流れに向流させることが有利であるいずれの石油プロセスまたは化学プロセスにも好適である。本発明の反応器を利用できる精油所プロセスとしては、重質石油供給原料をより低沸点の生成物に水素転化（hydroconversion）するプロセス；留出油沸点範囲の供給原料を水素分解（hydrocracking）するプロセス：種々の石油供給原料を水素化処理（hydrotreating）し、硫黄、窒素、および酸素のようなヘテロ原子を除去するプロセス；芳香族分を水素添加（hydrogenation）するプロセス；ワックス、特に、フィッシャー・トロプシュワックスを水素異性化（hydroisomerization）および／または接触脱蝋（catalyticdewaxing）するプロセスが挙げられるが、これらに限定されるものではない。本発明の反応器は、炭化水素供給原料の水素化処理および水素添加する反応器、具体的にはヘテロ原子が除去され、供給物中に含まれる芳香族分の少なくとも一部分が水素添加される反応器であることが好ましい。
従来の向流反応器でしばしば見られる問題を簡単に説明することは、本発明により得られる進歩を理解する助けになるであろう。向流プロセスの場合、垂直に流上するガスが、液体の下方への移動を妨害する。液体およびガスの速度が遅いときには、ゆっくりと移動するガスによる妨害は、フラッディングを起こすほど大きくはならず、反応器中の液体は、反応域中の触媒床に通して排出させることができる。しかしながら、流上するガスの速度または流下する液体の速度のいずれか一方が速すぎると、液体を触媒床に通して排出させることができない。これは「フラッディング」として知られている。床中の滞液量が増大すると、触媒床の上面に液体が蓄積し始めることがある。特定の床中でフラッディングが起こる流上ガス速度は、流下液体の速度および物理的性質ならびに触媒粒子のサイズおよび形状に依存するであろう。同様に、特定の床中でフラッディングが起こる流下液体速度もまた、流上ガスの速度および性質ならびに触媒粒子のサイズおよび形状に依存するであろう。
以下で詳細に説明するが、本発明の反応器は、従来の向流反応器よりもフラッディングの影響を受けにくい。なぜなら、本発明の反応器は、１つ以上の触媒床を通って流下する液体の一部分を選択的にバイパスさせる機能を有する流路すなわち液体バイパス手段を備えているからである。液体分配トレイからの液体送出速度が増大し、フラッディングに近い状態と関連づけられた第１の所定の閾値レベルに達した場合、流下液体の一部分は、１つ以上の触媒床をバイパスすることができる。液体送出速度が実質的に第２の所定の閾値レベル未満に低下した場合、液体のバイパスは自動的に停止する。この場合、液体バイパス手段は、流下液体の量を自動的に調節して下方の反応域に送るため、フラッディングは防止され、反応器の流体力学的運転ウィンドウは拡大する。このようなシステムは、触媒床の圧力を低下させる手段、従って、触媒接触効率を更に制御することのできる手段を提供する。特定の１つまたは複数の触媒床をバイパスしない液体は、他の触媒床（１つまたは複数）を通って所望の水素処理反応に関与するであろう。
従って、本発明の液体バイパス手段を、特に先に述べたガスバイパス法と一緒に用いた場合、運転範囲は拡大し、フラッディング点付近で反応器の運転が行えるようになる。これによって、より安定かつより効率的な反応器の運転方式が可能となる。更に、液体および蒸気の流量および温度の標準プロセス変動に対応するように反応器を安全かつ継続的に運転することができる。従って、許容できる全流量の範囲が拡大する。フラッディング点付近で運転すると、流下液体によって触媒粒子が良好に湿らされるので、接触効率は非常に良くなる。液体バイパス手段の不在下では、従来の向流反応器は、運転可能な状態を維持するために、より小さい平均液体流量で運転しなければならないであろう。
液体のバイパスを制御できれば、より大きいガス流量を使用することが可能となる。本発明の反応器の最大許容ガス流量を大きくすると、柔軟性が増して、より大きなクエンチガス（quench gas）流量および／または処理ガス流量を使用できるようになり、その結果芳香族分を飽和させる場合のように水素消費量および熱放出量の多い反応に対する適用範囲を拡大することができる。更に、ガスの取扱容量を増大させると、蒸気相生成物の発生を伴う反応に向流反応プロセスを適用することが可能となる。このような反応は、反応（例えば、水素分解）中に発生する過剰の蒸気によりフラッディングを起こす可能性がある。
また、フラッディングが起こった場合、本発明の反応器は、より容易に回復して正常な運転状態に戻る。フラッディング中には、床中の滞液が蓄積し始める可能性がある。液体レベルをチェックしないと、分配トレイ上で液体レベルが上昇する可能性もある。フラッディング状態から回復するために、こうした滞留液を排出しなければならない。液体バイパス手段は、過剰の液体を下方の触媒床に側流させ、必要な反応を行うことのできる反応器中の領域に効果的に再配置する。本明細書中に特に記載のない限り、「下流」および「上流」という用語は、流下する液体の流れに対するものである。
次に、図１について説明する。液体５と処理ガス６との所望の反応を起こすのに好適な触媒床４を有する少なくとも１つの反応域R1を取り囲む連続壁２を一般に含んでなる本発明の反応器１の一実施態様が示されている。多種多様の反応器内装置、例えば熱電対、伝熱装置、および新規性な点をもたない他の装置は、簡略化のために図から省かれている。図１では３つのこうした反応域R1、R2、R3が直列に配置された状態で示されているが、任意の特定の反応器内の反応域の数は、反応の特定の要件に依存するであろう。これについては、本明細書中で更に説明する。各反応域の直前および直後に、非反応域NR1、NR2、NR3、NR4が配設されている。これらの非反応域は、反応器１中のボイドすなわち空隙区画であってよい。液体送入手段７は、反応器１の上部付近に位置し、処理対象となる供給原料のような流入する液体５の未反応部分を反応器１に送入する。ガス送入手段８は、反応器１の底部付近に位置し、流入する処理ガス６の未反応部分を反応器１に送入する。液体送出手段９は、反応器１の底部付近に位置し、液体の反応部分を反応生成物として反応器１から送出する。同様に、ガス送出手段10は、反応器１の上部付近に位置し、ガスの反応部分を反応器１から送出する。
好ましくは分配トレイ11の形態の液体分配手段は、好ましくは反応域R1、R2、R3を横切って流下する液体５を均一に分配するために各反応域の真上に配置される。各トレイ11は、蓄積する液体を保持することのできる底面12を備え、その周囲は、容器壁２と密封可能な接触状態にある。液体が直ぐ下流の反応域を横切って分配されるように、それぞれ底面12の上方に伸びた上側末端を有する複数の短管13がトレイ11中に貫設される。以上の配置を用いると、管13の高さに達するまで、トレイ11の底面12上に液体を蓄積することが可能となる。蓄積した液体が管13の高さを超えたときのみ、トレイ11の真下の反応域を横切って液体が均一に分配される。また、上向きに移動する処理ガスが通過できるように、１つ以上のガスベント15がトレイ11中に貫設される。ガスベント15は、上流の反応域からの供給液体または反応液体が分配トレイ11をバイパスして下流の反応域に入り込むのを防止するカバーすなわちバッフル16を備えている。しかしながら、激しいフラッディング状態を起こした場合、ガスベント15は更に、滞留液排出手段としても機能する可能性がある。
図１に示されているように、液体バイパス手段17は、液体の一部分が反応域をバイパスするように、各反応域を横切って配設される。好ましい実施態様において、液体バイパス手段17は、それぞれ上部区画19と下部区画20とを有する１つ以上の液体バイパス管18を具備する。図１に示されているように、２つのこのような液体バイパス管18が各反応域を横切って配設されているが、それよりも少ないかまたはそれよりも多い数の管を使用してもよい。各液体バイパス管18は、２つの分離した非反応域間で液体を流体連通させることができる。図１の最も上の反応域R1を参照すると、両方の液体バイパス管18の下部区画20は非反応域NR2中に末端を有するが、それぞれの上部区画19は逆Ｕ字型を形成し、末端21は液体分配トレイ11の上方に所定の距離を隔てて配設される。
図２には、図１の実施態様のより詳細な図が上側反応域R1の断面図として示されている。フラッディング状態になる前、その状態にある時、およびその状態が終了した後における種々の液体レベルが示されているが、これについては液体バイパス管18の作用と関連させて更に説明する。反応器１の運転中、「標準液体レベル」（NLL）までトレイ11中に液体が蓄積すると、液体バイパス管18の末端21で静水力学的シールを形成するであろう。静水力学的シールが形成された後は、液体分配トレイ11上の液体レベルが、反応域R1への望ましからぬ速い液体送出速度に相当するレベル、すなわち図２中で「高液体レベル」（HLL）として示されているレベルに達するまで、液体バイパス管18は液体のバイパスを起こさないであろう。HLLは、バイパス管18の内面41の高さに相当し、この位置では液体バイパス管18を通って液体がバイパスを開始するであろう。反応器に入り込む液体が急増または蓄積すると、分配トレイ11上の液体レベルは上昇し、液体バイパス管18がサイホンとして機能するようになるであろう。このより高い液体レベルは、図２中に「サイホン作動液体レベル」（SLL）として示されており、バイパス管18内の内面40の高さに相当する。通常の技量を有する者には分かるであろうが、サイホンの作用は、分配トレイ11上の液体レベルが標準レベルに戻るまで下方の反応域に液体をバイパスさせるだけでなく、標準レベルよりも低いレベルまで分配トレイ11からの液体の排出を継続するであろう。このポストサイホン液体レベルは、図２に「低液体レベル」（LLL）として示されている。液体バイパス管18のサイホン動作中、触媒床４に送られる液体の流量が低減するため、望ましからぬフラッディングは防止され、触媒床全体にわたり流量が変動する可能性は最小限に抑えられる。
液体バイパス管18のサイホン動作中、液体流は下側末端20まで移動し、そこで、液柱の重量によってチェックバルブ51を開き、下方の非反応域NR2に液体を放出する。チェックバルブ51は、バルブプレート52をつりあいおもりレバー（counterweighted lever）53に連結させるヒンジ56を用いた単純な重力作動開閉機構を備えている。バイパス管18を通る液体流が中断されると、その後、バルブプレート52は下側末端20を閉鎖し、蒸気がバイパス管18を通って上昇するのを防止する。このとき、バイパス管18の上側末端19は、非反応域NR2の蒸気との流体連通ができなくなる。このことは、バイパス管18の液体排出およびサイホン動作を適切に機能させるのに重要である。非反応域NR2の静圧がバイパス管18の上側末端19と連通しないように、各バイパス管18の側面から蒸気ベント管55が突出する。ベント管55は、触媒床４の上方かつ分配トレイ11の下方の所定の高さに配設され、チェックバルブ51の密封が不完全なために漏れる可能性のある少量の蒸気をすべて通過させるのに十分なサイズを有する。従って、バイパス管18内の静圧は、分配トレイ11上の液体の上方の静圧とほぼ同じになるため、バイパス管18を分配トレイ11上の液体レベルの変化だけに応答させことが可能となる。ベント管55の出口60は、流下液体がベント管55を通ってバイパス管18に入り込むのを防止するために下向きになっている。更に、ベント管55は、バイパス管18が標準バイパス動作状態のときにベント管55を通って液体が排出されるのを最小限に抑えるために、バイパス管18の側面から上方に突出する。
図２にはチェックバルブ51の一実施態様が示されているが、当業者に周知の他の同じように有効な実施態様でチェックバルブを使用してもよい。例えば、スプリングまたは他の類似のデバイスの弾性を利用して偏倚力を加え、標準閉位置に戻してもよい。チェックバルブ51は、好ましくは反応器の常時気相の域内に配置され、ヒンジ56は、液体の接触を最小限に抑える囲いのような任意の適切な機械的シールドを用いて、スプラッシュの発生を防止するかまたは炭化水素液体との望ましからぬ接触を防止してもよい。このほか、チェックバルブ51のコンポーネントを連続的に流下液体に浸すことによってその可動部分の洗浄および潤滑が行えるように、チェックバルブ51を配置してもよい。
本明細書の図３には、図１の上側反応域R1のより詳細な断面図として本発明の好ましい実施態様が示されている。図３に示されているいくつかの番号づけされた構成要素および液体レベルは、図２のものと同じであり、両方の図に対するそれらの機能は同等であるため、説明は加えない。図２と同じように、図３は、図１の実施態様のより詳細な図であり、上側反応域R1の断面を表している。液体バイパス管18のサイホン動作中、液体流は下側末端20まで移動する。下側末端20は、非反応域NR2中にある分配トレイ65上の静置液体中に浸漬されている。バイパス管18を通る液体流が中断されると、その後、バイパス管の下側末端20中の液体レベルはトレイ65上の液体レベルよりも高いレベルに戻る。このときの高さは、NR2とNR1との圧力差によって決まり、典型的には、床４中の触媒１フィートあたり液体約１〜２インチであろう。触媒床４の上方に位置するベント管55は、トレイ65上の液体レベルの変化または床４の前後の圧力差によって液体バイパス管の作動が影響を受けないようにする。バイパス管18の底部の液体シールは、液体バイパス管を通って蒸気が流上するのを防止する。
図４は、図３に示されている実施態様の代替実施態様である。図４の構成要素はいずれについても先に説明した図２および３の構成要素と同等なものであるため、説明は加えない。図４の実施態様は、バイパス管18の下側末端20に配設された液体シールを表している。この液体シールはＵ字形を形成する。これは、上向き圧力流が防止されるように管18の底部に液体を蓄積するための手段を提供する。下側末端20中の液体の熱的劣化、例えば重合またはコークス化を防止するために、バイパス管を通って実質的に連続した液体の流れが保持されるように、バイパス管18中にオリフィス68が配置される。オリフィスは、好ましくは低液体レベルLLLよりも低くかつ分配トレイ11の上面よりも上のレベルに配置される。
サイホン動作が続くと、反応域を横切る流れは標準レベルよりも低いレベルまで低下するが、これはもちろん一時的なものである。なぜなら、サイホン作用は、最終的にはトレイ11上の液体レベルがバイパス管18の末端21よりも低くなったときに終了するからである。吸引が中断されると、反応器中の流れが触媒床４を横切って徐々に標準流量に戻るにつれて、トレイ11中の液体レベルは標準レベルに戻る。
既知のフラッディング条件に基づいて、いくつかの物理的パラメータが、使用する特定のデザインの因子として導入されるであろう。このようなパラメータとしては、液体バイパス管18の内径、末端21のレベル、SLLの高さ40、HLLの高さ41、トレイ11内に蓄積する液体の高さ、および各反応域を横切って使用される液体バイパス管18の数が挙げられる。バイパス管18に対して特定の寸法を設定する場合には、反応器の所望の安定化速度および流上する処理ガスによって加えられる圧力も考慮に入れなければならない。管の正確な寸法およびこのような管の使用本数は状況に応じて変化することは、当業者には分かるであろう。本明細書中に記載の原理を十分に理解すれば、本明細書中で説明したバイパス管18を使用する各反応器に対して、こうした計算を容易に行うことができる。
以上のデザインを採用すれば、フラッディング発生に対する応答性の確保および最適運転状態の保持を行う上での柔軟性を大幅に増大させることができる。例えば、サージングが少し起こったときに液体をバイパスさせるように、任意の特定の液体バイパス管18をデザインした場合、液体は、この特定の液体バイパス管18だけを通って反応域R1をバイパスすることができるであろう。こうした機能は、比較的低い液体レベルで液体をバイパスできるように上側末端19の位置を低くすることによって得ることが可能である。同じ反応域R1を横切るより高い上側末端19を有する他の液体バイパス管18は、このようにより小さなサージングが発生してもそれに応じてバイパスさせることはできないであろう。従って、場合にもよるが、液体バイパス管18の配列を任意の特定の反応域を横切るように配置し、そのうちのいくつかの液体バイパス管18を他の液体バイパス管の場合よりも大きいかまたは小さいサージングに応答するよう設定すれば、段階的に液体をバイパスさせることができることが分かる。同様に、いくつかの管の高さ40と高さ41の差を他の管の場合よりも大きくしてもよい。具体的には、上側末端19の最上部における管の直径を大きくすればよい。従って、サージング時にバイパスされる液体の量は最小限に抑えられるであろう。また、必要に応じて、バイパスさせる量を徐々に変化させることもできる。こうした構成をとれば、所定の範囲内の大きさのサージングに対して液体のバイパスを微調整することが可能となる。その結果、サージングが起こった後、より迅速に反応器１を安定化させることができ、より高い効率で反応器の運転が行えるようになる。
次に図５について説明する。液体バイパス手段17の逆Ｕ字型上部区画19を省略し、その代わりに直管26の上を覆うようにキャップ58を配置した本発明の代替実施態様が示されている。キャップ58は、直管26の末端27を覆うように配置され、底部開口59を有する。この実施態様では、サイホンの動作は、先の実施態様の場合と本質的に同じである。液体がバイパスされサイホン送液される正確な点は、キャップ58の高さの調節、末端27の高さの調節、および／またはキャップ58の長さの増大を行うことによって制御可能である。先にベント管55およびチェックバルブ51について説明したが、これらはいずれもこの実施態様でも使用される。
液体バイパス手段17に対する先に記載の実施態様では静水力学的シールおよびサイホン作用を利用したが、同じまたは類似の結果を生じる多くの代替デバイスを利用することも可能である。例えば、トレイ11の下方のバイパス管18内の任意の位置でバルブの開閉を行うことのできる任意の液体流感受性デバイスを利用し、液体サージングの保護機構を反応器の圧力変化とは独立して作動させることも可能である。
本明細書中で既に説明したように、処理対象となる液体供給原料５を液体送入手段７に導入することにより反応器１の運転を行う。水素含有ガスのような好適な処理ガス６を、液体供給原料５の下降流に向流するようにガス送入手段８を介して反応器１に導入する。処理ガスは反応器の底部のガス送入手段８だけから導入する必要はなく、任意の１つ以上の非反応域NR1、NR2、NR3、NR4中に導入してもよいことは分かるであろう。また、反応域R1、R2、R3中の任意の１つ以上の触媒床に処理ガスを注入することもできる。反応器中のいろいろな場所に処理ガスを導入する利点としては、反応器中の温度を制御できることが挙げられる。例えば、反応による発熱を低減させるために、反応器中のいろいろな場所に低温の処理ガスを注入することができる。
少なくとも１つの反応域中において液体の流れに対して処理ガスの少なくとも一部分が向流するかぎり、上記の場所のいずれか１つに処理ガスすべてを導入することもできるが、こうした場合も本発明の範囲内に含まれる。
本発明を実施するのに使用される反応器は、所望の反応に好適な温度および圧力で運転される。例えば、典型的な水素処理温度は約40℃〜約450℃の範囲であり、圧力は約50psig〜約3,000psig、好ましくは約50psig〜約2,500psigであろう。液体供給原料は、最初に、反応域R1の触媒床を通って流下し、そこで触媒表面上の処理ガスと反応する。生成した気相反応生成物はいずれも、流上する処理ガスにより上方に押し流される。このような気相反応生成物には、比較的低沸点の炭化水素およびヘテロ原子成分、例えばH2SおよびNH3が含まれている可能性がある。未反応供給原料および液状反応生成物はすべて、各逐次反応域R2およびR3の各逐次触媒床を通って流下する。
液体バイパス管18は、反応器の運転状態に耐えることのできる任意の材料から作製することが可能である。好適な材料としては、金属、例えばステンレス鋼および炭素鋼；セラミック材料；ならびに高性能複合材料、例えば炭素繊維材料が挙げられる。丸形の断面を有する管型流路が好ましい。管は、完全に垂直である必要はない。すなわち、管を傾斜させるかもしくは湾曲させることができる。または螺旋の形態にすることさえ可能である。一方の非反応域から他方の非反応域にバイパスさせる対象となる液体の量および速度にもよるが、管を任意のサイズにすることが可能であることは分かるであろう。また、２つ以上の反応域をバイパスすることができるように、任意の液体バイパス管を延長することが可能である。触媒または流上する処理ガスと更に接触することなく液体の一部分を反応器から取り出せるように、１つ以上の液体バイパス管がすべての下流の反応域を貫通して延在してもよい。複数の液体バイパス管を使用する場合、反応器の垂直軸を中心に同心円状に管を配置することが好ましい。
１つ以上の向流反応域の上流に１つ以上の並流反応域を配置することも可能である。例えば、供給原料の液相が下流反応域中に流下し、供給原料の気相が上流の反応域を通って流上するように、２つの反応域の間に液状供給原料を導入することができる。処理ガスが供給原料の気相と並流して上流の反応域中に流上するように、供給原料の気相の上昇流に関連させて、供給原料と同じレベルで追加の処理ガスを導入することができる。その結果、液状供給原料は、反応域の下流で導入された処理ガスと、下方の反応域において向流方式で反応するであろう。流れの方向に関係なく、別々の容器中に域を存在させることもできるし、同じ容器中に２つ以上の域を存在させることもできる。しかしながら、すべての向流域を同じ容器中に存在させることが好ましい。
本発明の実施手順は、気液向流方式の精油所システムおよび化学処理システムのいずれにも適用可能である。このようなシステムに使用するのに好適な供給原料としては、ナフサ沸点範囲にある供給原料およびより重質の供給原料、例えば中質留出油、ガス油、および残油が挙げられる。典型的には、沸点範囲は約40℃〜約1000℃であろう。本発明を実施するのに使用できるこのような供給物としては、例えば減圧残油、常圧残油、減圧ガス油（VGO）、常圧ガス油（AGO）、重質常圧ガス油（HAGO）、水蒸気分解ガス油（SCGO）、脱アスファルト油（DAO）、および軽質接触サイクル油（LCCO）が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
本発明の実施手順により処理されたいくつかの供給原料には、硫黄および窒素のようなヘテロ原子が高レベルで含まれる可能性がある。このような場合、第１反応域は、液状供給流が水素含有処理ガスの流れと共に好適な触媒の固定床を通って下方に並流する反応域であることが好ましいこともある。本明細書中で使用される「水素化処理（hydrotreating）」という用語は、硫黄および窒素のようなヘテロ原子の除去に対して主に活性を有する触媒の存在下で、芳香族分の水素添加をいくらか伴って、水素含有処理ガスが使用されるプロセスを意味する。「水素処理（hydroprocessing）」という用語には、水素化処理が含まれるだけでなく、水素添加、水素分解、および水素異性化に対して主に活性を有するプロセスも含まれる。本発明の目的に対しては、開環、特にナフテン環の開環もまた、「水素処理」という用語に含めることができる。本発明に使用するのに好適な水素化処理触媒は、任意の従来型水素化処理触媒であり、少なくとも１種の第VIII族金属、好ましくはFe、Co、およびNi、より好ましくはCoおよび／またはNi、ならびに少なくとも１種の第VI族金属、好ましくはMoまたはW、より好ましくはMoを、表面積の大きい担体材料上、好ましくはアルミナ上に担持してなる触媒が含まれる。他の好適な水素化処理触媒としては、ゼオライト系触媒ならびにPdおよびPtから選ばれる貴金属を含有する貴金属触媒が挙げられる。同一の反応器中で１種以上の水素化処理触媒を使用する場合も本発明の範囲内に含まれる。第VIII族金属は、典型的には約2〜20wt.％、好ましくは約4〜12wt.％の範囲の量で存在する。第VI族金属は、典型的には約5〜50wt.％、好ましくは約10〜40wt.％、より好ましくは約20〜30wt.％の範囲の量で存在するであろう。金属の重量パーセントはいずれも担体を基準にする。「担体を基準にする」とは、パーセントが担体の重量を基準にしたものであることを意味する。例えば、担体の重量が100gの場合、第VIII族金属20wt.％とは、第VIII族金属20gが担体上に存在することを意味する。典型的な水素化処理温度は、約100〜約430℃であり、圧力は約50psig〜約3,000psig、好ましくは約50psig〜約2,500psigである。供給原料が比較的低レベルのヘテロ原子を含有する場合には、水素化処理ステップを省略し、供給原料を直接、芳香族飽和、水素分解、および／または開環反応域に通してもよい。
水素処理の目的に対して、「水素含有処理ガス」という用語は、目的の反応に対して少なくとも有効量の水素を含有する処理ガス流を意味する。反応器に導入される処理ガス流には、水素が、好ましくは少なくとも約50vol.％、より好ましくは少なくとも約75vol.％含まれるであろう。水素含有処理ガスは補給用の水素リッチガス、好ましくは水素であることが好ましい。
第１反応域が並流水素化処理反応域である場合、該水素化処理反応域から流出する液体は少なくとも下流の反応域に送られ、そこで該液体は、流上する水素含有処理ガスの流れに向流させて触媒床に通される。供給原料の性質および品質向上の所望のレベルにもよるが、１つ以上の反応域が必要な場合もある。水素処理、好ましくはガス油が供給原料である場合の水素処理で得られる最も望ましい反応生成物は、含まれる硫黄および窒素のレベルが低減したものである。パラフィン、特に直鎖パラフィンを含有する生成物流は、ナフテンを含有するものよりも好ましいことが多く、更にナフテンを含有する生成物流は、芳香族分を含有するものよりも好ましいことが多い。こうした結果を得るために、少なくとも１種の下流触媒は、水素化処理触媒、水素分解触媒、芳香族飽和触媒、および開環触媒からなる群より選ばれるであろう。高レベルのパラフィンを含有する生成物流を得ることが経済的に可能である場合には、下流域に、好ましくは芳香族飽和域および開環域が含まれるであろう。
下流反応域の１つが水素分解域である場合、その触媒は、任意の好適な従来型水素分解触媒であることができる。典型的な水素分解触媒は、UOPに付与された米国特許第4,921,595号に記載されている。この特許は、参照により本明細書に組み入れる。このような触媒には、典型的にはゼオライト分解ベース上に担持された第VIII族金属水素添加成分が含まれる。ゼオライト分解ベースは、当技術分野においてモレキュラシーブと呼ばれることもあり、一般に、シリカ、アルミナ、および１種以上の交換可能カチオン、例えばナトリウム、マグネシウム、カルシウム、アルカリ土類金属などが含まれる。ゼオライト分解ベースは、約4〜12Åの比較的均一な直径の結晶細孔を有することを更なる特徴とする。シリカ／アルミナのモル比が約３を超える比較的大きな値、好ましくは約６を超える値であるゼオライトを使用することが好ましい。天然に産する好適なゼオライトとしては、モルデナイト、クリノプチロライト、フェリエライト、ダチアルダイト、チャバザイト、エリオナイト、およびホージャサイトが挙げられる。好適な合成ゼオライトとしては、β、X、Y、およびL結晶型、例えば合成ホージャサイト、モルデナイト、ZSM-5、MCM-22、ならびにより大きな細孔を有する種類のZSMおよびMCM系列が挙げられる。特に好ましいゼオライトは、ホージャサイト系に属するメンバであり、これについては、Tracy et al. Proc. of the Royal Soc., 1996, Vol. 452, p. 813を参照されたい。これらのゼオライトには、かなりの細孔容積がメソ細孔領域すなわち20〜500Åの領域に含まれると考えられる脱金属ゼオライトが含まれていてもよいことは分かるであろう。水素分解触媒に使用しうる第VIII族金属としては、例えばコバルト、ニッケル、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、および白金が挙げられるが、これらに限定されるものではない。好ましくは白金およびパラジウムであり、より好ましくは白金である。第VIII族金属の量は、触媒の全重量を基準に、約0.05wt.％〜30wt.％の範囲であろう。金属が第VIII族貴金属である場合、約0.05〜約2wt.％の量で使用することが好ましい。第VIII族金属が貴金属でない場合、好ましい配合物には、水素化処理触媒として先に記載したものと類似した割合で第VI族金属が含まれるであろう。水素分解条件としては、温度約200℃〜425℃、好ましくは約220℃〜330℃、より好ましくは約245℃〜315℃、圧力約200psig〜約3,000psig、時間基準液空間速度約0.5〜10V/V/Hr、好ましくは約1〜5V/V/Hrが挙げられる。
芳香族水素添加触媒としては、例えばニッケル、コバルト−モリブデン、ニッケル−モリブデン、およびニッケル−タングステンが挙げられるが、これらに限定されるものではない。貴金属触媒としては、例えば白金および／またはパラジウムをベースとする触媒、好ましくは好適な担体材料、典型的にはアルミナ、シリカ、アルミナ−シリカ、多孔質珪藻土（kieselguhr）、珪藻土（diatomaceous earth）、マグネシア、およびジルコニアのような耐火酸化物材料に担持された触媒が挙げられるが、これらに限定されるものではない。ゼオライト系担体を使用することもできる。このような触媒は、典型的には硫黄および窒素による被毒を受け易い。芳香族飽和域は、好ましくは約40℃〜約400℃、より好ましくは約260℃〜約350℃の温度、約100psig〜約3,000psig、より好ましくは約200psig〜約1,200psigの圧力、および約0.3V/V/Hr〜約2.0V/V/Hrの時間基準液空間速度（LHSV）で運転される。
本発明で使用される反応器中の液相は、典型的には供給物中のより高沸点成分であろう。気相は、典型的には水素含有処理ガスと、ヘテロ原子不純物と、新しい供給物中の蒸発したより低沸点の成分と、更に水素処理反応の軽質生成物との混合物であろう。向流反応域の触媒床中の気相は、流上する水素含有処理ガスにより上方に押し流され、更なる処理のために回収され、分別され、または継続流動（pass along）されるであろう。依然として気相流出物を更なる水素処理にかける必要がある場合、追加の水素処理触媒を含有する気相反応域に送入し、好適な水素処理条件に暴露して更なる反応を行うことができる。非反応域により分離された同一容器中にすべての反応域を存在させることもできるし、別々の容器中に任意の反応域を存在させることもできる。後者の場合、非反応域は、典型的には一方の容器から他方の容器に導く移送ラインであろう。適切な程度に低レベルのヘテロ原子が既に含まれている供給原料を直接、芳香族飽和および／または分解用の向流水素処理反応域に供給する場合も本発明の範囲内に含まれる。ヘテロ原子のレベルを低下させるために前処理ステップを行う場合、蒸気と液体を分離し、液体流出物を向流反応器の上部に誘導することができる。前処理ステップで得られる蒸気は、本発明の反応器から得られる気相生成物と別に処理することもできるし、併用することもできる。気相生成物（１種または複数種）は、ヘテロ原子種および芳香族種をより大きく減量することが望まれる場合には更なる気相水素処理にかけてもよいし、あるいは回収系に直接送入してもよい。
本明細書中で既に記載した本発明の実施態様において、水素含有処理ガスの流れと並流するように供給原料を第１反応域に導入することができる。次に、反応域間で、例えば非反応域中で、気相流出物画分を液相流出物画分から分離することができる。気相流出物は、追加の水素化処理にかけるかまたは回収するかまたは更に分別することができる。その後、液相流出物は、好ましくは向流反応域である次の下流反応域に送入されるであろう。本発明の他の実施態様において、気相流出物および／または処理ガスは、任意の反応域間で取出しまたは注入を行うことができる。
上流反応域からの液体を流上する処理ガスと向流接触させると、流出流から溶存H2SおよびNH3が除去されるため、水素分圧および触媒性能はいずれも改良させる。得られる最終液体生成物には、もとの供給原料よりも実質的により低レベルのヘテロ原子および実質的により多くの水素が含まれるであろう。この液体生成物流は、下流の水素処理プロセスまたは転化プロセスに送ってもよい。
特定の実施態様を用いて本発明を説明してきたが、それらの変更および修正は、当業者には自明であろうと考えられる。従って、次の請求の範囲は、こうした変更および修正のすべてが本発明の真の精神および範囲に包含されるように解釈されるべきものであるとみなされる。
【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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